Mã hóa video hỗn loạn theo thời gian thực dựa trên sự nhầm lẫn và khuếch tán song song đa luồng

Bảng liên kết

Tóm tắt & Giới thiệu

Mô tả chiến lược

Đánh giá tốc độ mã hóa

Đánh giá thống kê

Phân tích bảo mật

Cài đặt thông số

So sánh với các tác phẩm trước đó

Kết luận

Lời cảm ơn & Tài liệu tham khảo

trừu tượng

Do mối tương quan chặt chẽ giữa các pixel liền kề, hầu hết các sơ đồ mã hóa hình ảnh đều thực hiện nhiều vòng nhầm lẫn và khuếch tán để bảo vệ hình ảnh khỏi bị tấn công. Tuy nhiên, những thao tác như vậy rất tốn thời gian, không thể đáp ứng yêu cầu thời gian thực về mã hóa video. Do đó, các công trình hiện tại thực hiện mã hóa video bằng cách đơn giản hóa quy trình mã hóa hoặc mã hóa các phần cụ thể của khung hình video, dẫn đến độ bảo mật thấp hơn so với mã hóa hình ảnh. Để giải quyết vấn đề, bài báo này đề xuất một chiến lược mã hóa video hỗn loạn theo thời gian thực dựa trên sự nhầm lẫn và khuếch tán song song đa luồng. Nó lấy video làm đầu vào, chia khung thành các khung con, tạo một tập hợp các luồng để thực hiện đồng thời năm vòng hoạt động nhầm lẫn và khuếch tán trên các khung con tương ứng và xuất ra các khung được mã hóa một cách hiệu quả. Đánh giá tốc độ mã hóa cho thấy phương pháp của chúng tôi cải thiện đáng kể tốc độ nhầm lẫn và khuếch tán, thực hiện mã hóa video 480 × 480, 576 × 576 và 768 × 768 24FPS theo thời gian thực bằng Intel Core i5-1135G7, Intel Core i7-8700 và Intel Xeon Gold 6226R tương ứng. Phân tích thống kê và bảo mật chứng minh rằng các hệ thống mật mã được triển khai có các đặc tính thống kê vượt trội, có thể chống lại các cuộc tấn công, nhiễu kênh và mất dữ liệu. So với các công trình trước đây, theo hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, chiến lược đề xuất đạt được tốc độ mã hóa nhanh nhất và hiện thực hóa mã hóa video hỗn loạn theo thời gian thực đầu tiên dựa trên kiến trúc khuếch tán nhầm lẫn nhiều vòng, do đó cung cấp giải pháp an toàn và khả thi hơn cho các ứng dụng thực tế và nghiên cứu liên quan.

Từ khóa : Mã hóa video thời gian thực, Điện toán song song, Hệ thống hỗn loạn, Nhầm lẫn và khuếch tán

1. Giới thiệu

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và truyền thông, hình ảnh và video đã cho thấy tiềm năng to lớn trong việc lưu trữ dữ liệu và truyền tải qua mạng, dẫn đến yêu cầu ứng dụng rộng rãi về mã hóa hình ảnh và video [1]. Tuy nhiên, hầu hết các sơ đồ mật mã thông thường, chẳng hạn như DES, AES, RSA, v.v., được thiết kế để bảo vệ thông tin văn bản, chúng không phù hợp với hình ảnh và video [2]. Kết quả là, nhiều giao thức mã hóa hình ảnh đã được đề xuất trong những năm gần đây dựa trên các kỹ thuật khác nhau [3, 4, 5, 6], trong đó các phương pháp dựa trên hỗn loạn thu hút sự chú ý đáng kể, do các đặc điểm nội tại của hệ thống hỗn loạn, bao gồm tính linh hoạt, tính không -tính tuần hoàn, không hội tụ, độ nhạy với các điều kiện ban đầu và các thông số điều khiển, et al. [7]. Hầu hết các thuật toán mã hóa hình ảnh dựa trên sự hỗn loạn bao gồm các giai đoạn nhầm lẫn và khuếch tán [8]. Ở giai đoạn trước, các vị trí pixel được xáo trộn trên toàn bộ hình ảnh mà không thay đổi giá trị [9]. Trong giai đoạn sau, các giá trị pixel được sửa đổi tuần tự với các chuỗi byte được tạo bởi các hệ thống hỗn loạn [10].

Các giao thức mã hóa hình ảnh dựa trên kiến trúc khuếch tán nhầm lẫn như vậy cần phải thực hiện hai giai đoạn trong nhiều vòng cho đến khi đạt được mức bảo mật thỏa đáng [11]. Rõ ràng, điều này rất tốn thời gian và không thể đáp ứng yêu cầu thời gian thực về mã hóa video. Do đó, các công trình hiện tại thực hiện mã hóa video thông qua việc đơn giản hóa quy trình mã hóa hoặc mã hóa các pixel cụ thể trong video[12, 13]. Đối với danh mục đầu tiên (còn được gọi là mã hóa đầy đủ), ví dụ: Ref. [14] chọn ba bản đồ hỗn loạn để tạo chuỗi byte và trực tiếp thực hiện các thao tác XOR giữa các pixel và byte được tạo để mã hóa video; Tham khảo. [15] sử dụng các byte được tạo để mã hóa khung và lấy các pixel được mã hóa làm phản hồi để cải thiện độ nhạy văn bản gốc của hệ thống mật mã được triển khai; Tham chiếu [16] thực hiện một vòng thao tác nhầm lẫn trên khung hình video, tiếp theo là thực hiện các thao tác XOR giữa các pixel và byte được tạo để nhận ra mã hóa khung; Do các ứng dụng thực tế đưa ra các yêu cầu cao hơn về bảo mật nên hầu hết các công trình được xuất bản gần đây đều dựa trên kiến trúc khuếch tán nhầm lẫn một vòng [17, 18, 19, 20, 21, 22]. Loại thứ hai còn được gọi là mã hóa chọn lọc, các thuật toán thuộc loại này mã hóa các pixel cụ thể trong khung hình video để giảm độ phức tạp tính toán [23]. Rõ ràng, những loại chiến lược này đạt được hiệu quả cao nhưng lại phải trả giá bằng an ninh.

Vì vậy, làm thế nào để thực hiện mã hóa video theo thời gian thực mà không ảnh hưởng đến bảo mật đã trở thành một vấn đề cấp bách cần giải quyết. Tuy nhiên, trong lĩnh vực mã hóa video đầy đủ, có rất ít nghiên cứu liên quan. Và theo hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, các tác phẩm hiện tại không thể thực hiện mã hóa video theo thời gian thực, tức là số lượng khung hình được mã hóa trong một giây lớn hơn FPS (Frames Per Second) của video hoặc thời gian mã hóa trung bình (ms) là dưới 1000/FPS. Do đó, bài viết này tận dụng lợi thế của tính toán song song, thiết kế chiến lược mã hóa video hỗn loạn theo thời gian thực dựa trên kiến trúc khuếch tán nhầm lẫn năm vòng. Để đánh giá hiệu suất, hai hệ thống mật mã được triển khai bằng hai bản đồ hỗn loạn khác nhau. Ba nền tảng phần cứng được sử dụng để đánh giá tốc độ mã hóa của hệ thống mật mã được triển khai. Kết quả đánh giá cho thấy chiến lược của chúng tôi cải thiện đáng kể tốc độ tạo byte, nhầm lẫn và phổ biến, đặt nền tảng cho việc hiện thực hóa mã hóa video thời gian thực. Phân tích thống kê và bảo mật chứng minh rằng các hệ thống mật mã được triển khai có các đặc tính thống kê vượt trội và khả năng chống lại các cuộc tấn công, nhiễu kênh và mất dữ liệu. Chiến lược đề xuất cũng phù hợp với nhiều phương pháp gây nhầm lẫn và phổ biến, đồng thời có thể dễ dàng thực hiện được bằng cả phần mềm và phần cứng.

Phần còn lại của bài viết được tổ chức như sau: phần 2 mô tả chi tiết về chiến lược được đề xuất. Trong phần 3, hai bản đồ hỗn loạn điển hình được chọn để hiện thực hóa chiến lược và tốc độ mã hóa của các hệ thống mật mã đã triển khai được đánh giá bằng ba nền tảng phần cứng khác nhau. Phần 4 và 5 lần lượt thực hiện phân tích thống kê và bảo mật. Phần 6 phân tích lý do cài đặt thông số được sử dụng trong bài viết này. Phần 7 đưa ra sự so sánh với các công trình đã xuất bản gần đây, tiếp theo là kết luận ngắn gọn ở phần 8.