基于多线程并行混淆扩散的实时混沌视频加密

链接表

摘要与简介

策略说明

加密速度评估

统计评价

证券分析

参数设置

与之前作品的比较

结论

致谢和参考文献

抽象的

由于相邻像素之间的强相关性，大多数图像加密方案都会执行多轮混淆和扩散来保护图像免受攻击。但这样的操作非常耗时，无法满足视频加密的实时性要求。因此，现有的工作是通过简化加密过程或对视频帧的特定部分进行加密来实现视频加密，这导致与图像加密相比安全性较低。针对该问题，提出一种基于多线程并行混淆扩散的实时混沌视频加密策略。它以视频为输入，将帧分割为子帧，创建一组线程对相应子帧同时进行五轮混淆和扩散操作，并高效输出加密帧。加密速度评估表明，我们的方法显着提高了混淆和扩散速度，使用Intel Core i5-1135G7、Intel Core i7-8700和Intel实现了实时480×480、576×576和768×768 24FPS视频加密分别为 Xeon Gold 6226R。统计和安全分析证明，所部署的密码系统具有出色的统计特性，能够抵抗攻击、信道噪声和数据丢失。与以往的工作相比，据我们所知，所提出的策略实现了最快的加密速度，并首次实现了基于多轮混淆扩散架构的实时混沌视频加密，从而提供了更安全可行的解决方案用于实际应用和相关研究。

关键词：实时视频加密、并行计算、混沌系统、混乱与扩散

一、简介

随着信息和通信技术的快速发展，图像和视频在数据存储和网络传输方面展现出巨大的潜力，从而产生了图像和视频加密的广泛应用需求[1]。然而，大多数传统的加密方案，如DES、AES、RSA等，都是为了保护文本信息而设计的，它们并不适合图像和视频[2]。因此，近年来基于不同技术提出了许多图像加密协议[3,4,5,6]，其中基于混沌的方法引起了极大的关注，因为混沌系统的内在特征，包括遍历性、非-周期性、不收敛、对初始条件和控制参数的敏感性等。 [7]。大多数基于混沌的图像加密算法包括混淆和扩散阶段[8]。在前一阶段，像素位置在整个图像上被扰乱，而不改变值[9]。在后一阶段，像素值用混沌系统生成的字节序列顺序修改[10]。

这种基于混淆扩散架构的图像加密协议需要执行多轮的两个阶段，直到达到令人满意的安全级别[11]。显然，这非常耗时，无法满足视频加密的实时性要求。因此，现有的工作是通过简化加密过程或对视频中的特定像素进行加密来实现视频加密[12, 13]。对于第一类（也称为完全加密），例如Ref. [14]选择三个混沌映射生成字节序列，直接将像素与生成的字节进行异或运算来加密视频；参考文献。 [15]使用生成的字节对帧进行加密，并将加密的像素作为反馈，以提高所部署的密码系统的明文敏感性；参考号[16]对视频帧进行一轮混淆操作，然后在像素和生成的字节之间进行异或操作以实现帧加密；由于实际应用对安全性提出了更高的要求，最近发表的作品都是基于一轮混淆扩散架构[17,18,19,20,21,22]。第二类也称为选择性加密，属于此类的算法对视频帧中的特定像素进行加密以降低计算复杂度[23]。显然，这些类别的策略以牺牲安全性为代价来实现高效率。

因此，如何在不影响安全性的情况下实现实时视频加密成为迫切需要解决的问题。然而，在全视频加密领域，相关研究却很少。据我们所知，现有的工作无法实现实时视频加密，即每秒加密的帧数大于视频的FPS（每秒帧数）或平均加密时间（ms）为小于 1000/FPS。因此，本文利用并行计算的优势，设计了一种基于五轮混淆扩散架构的实时混沌视频加密策略。为了评估性能，使用两个不同的混沌映射来实现两个密码系统。使用三个硬件平台来评估所部署的密码系统的加密速度。评估结果表明，我们的策略显着提高了字节生成、混淆和扩散的速度，为实时视频加密的实现奠定了基础。统计和安全分析证明，所部署的密码系统具有出色的统计特性以及抗攻击、信道噪声和数据丢失的能力。所提出的策略也适用于许多混淆和扩散方法，并且可以通过软件和硬件轻松实现。

本文的其余部分组织如下：第 2 节详细描述了所提出的策略。在第3节中，选择两种典型的混沌映射来实现该策略，并使用三种不同的硬件平台评估所部署的密码系统的加密速度。第 4 节和第 5 节分别进行统计和安全分析。第6节分析了本文使用的参数设置的原因。第 7 节给出了与最近发表的作品的比较，然后第 8 节给出了简短的结论。