压缩数据流的安全分配方案
Shiguo Lian, Zhongxuan Liu, Zhen Ren, Haila Wang
SAMI Lab, France Telecom Ramp;D Bejing
Beijing, 100080, P.R China, shiguo.lian@francetelecom.com
摘要
本论文针对压缩图像提出了一种基于压缩域水印算法的安全分配方案。 在服务器端，使用基于水印的加密算法对压缩数据流进行加密；在接收端，采用联合指纹嵌入和解密（JFD）算法对视频数据进行同步解密和指纹识别。在水印算法的基础上，该方案更易于提取指纹并检测共谋者，因此适用于分发压缩视频。 本论文中给出了该方案的理论分析和实验结果，验证了该设计方案的正确性。
关键词： 图像处理，图像通信，图像传输，安全性
简介
随着多媒体数据的广泛应用和网络技术的快速发展，多媒体数据的安全分发变得越来越重要，因此通过单播，组播，广播或p2p等网络解决多媒体的安全传输问题迫在眉睫。
到目前为止，人们已经提出了两种加密方案：广播加密方案和基于指纹的加密方案。广播加密方案[1]的原理是通过广播网络实现多媒体的安全分发。然而，这种加密方案无法解决超分布问题：解密过的副本可以被自由分配。这个问题在基于指纹的方案[2,3]中得到了解决。这个方案的原理是，将独特的水印——指纹利用数字水印技术嵌入到数字媒体中，然后将嵌入了指纹的数字媒体分发给用户。这样一来，每个用户都有唯一确定的指纹，指纹所带的信息能被唯一确定地鉴别出，进而可以跟踪到进行非法再分发的原始购买者，以达到版权保护的目的。
与加密方案相对应的是解密方案，目前主要有两种常见的解密方法：基于水印的解密方法和联合指纹嵌入和解密（JFD）方法。第一个方案的目标是将不同的水印嵌入到不同的副本中。它在服务器端[2]，路由器[3]或客户端实现水印嵌入。这种方案最大的缺点是：如果提高方案的安全性，则该方案的效率会降低；反之如果提高效率，则会导致安全性能得不到保障。安全与效率之间的矛盾使得这种方法在实践中变得困难。作为替代方案，JFD方法诞生可，这种方案在服务器端加密程序，并在接收端解密该程序。不同的解密密钥产生不同的副本。例如，Chameleon [4]提出了一种基于流密码的方案，该流密码用流密码加密程序，并将不同的水印嵌入到LSB中。该方案是行之有效的，但是对于信号处理（重新压缩，增加噪声等）方面，该方案并不健全。针对此问题，Kundur [5]提出了部分加密的JFD方案，这种方案使加密中DCT系数的符号位混淆，在解密中仅解密部分符号位。这种方案对于某些信号的处理满足鲁棒性的要求。然而，此种方案也存在着一些问题：感知安全性不够高，可以使用的符号位的数量是有限的，并且不能证实该方案具有足够的抗合谋攻击的能力。
虽然JFD方案存在种种问题需要进一步的改进，但是JFD方案具有更适合广播或组播网络的潜在好处。在本论文中，我们提出了一种具有更好性能的新型JFD方法。这种方案使用基于水印的加密方法来加密服务器端的视频数据，在解密中，解密密钥控制解密或嵌入过程并恢复私密拷贝。另外，防水指纹也被用作水印。根据水印算法的属性，很容易实现水印检测和跟踪。
本文的其余部分安排如下： 在第2节中，提出了安全分配方案。在第3节中，提出了基于代码字替代的方案。在第4节中，分析了方案的性能，如安全性，串通阻抗，鲁棒性等，并与其他方案进行了比较。 第5节给出了结论和未来工作。
提出分配方案
这种新型JFD方案只传输一个加密流，通过不同的密钥产生不同的副本。加密过程由控制。在JFD中，不同的解密密钥（j= 0,1，...，M-1）（M是客户的编号）生成不同的解密和指纹拷贝，这样就保证了指纹的唯一性。
2.1基于水印的加密
水印加密意味着用修改的水印嵌入算法加密数据。一般来说，水印嵌入是在嵌入强度和嵌入密钥的控制下进行的。增加嵌入强度，含有水印的媒体将变得混乱。 因此，在嵌入强度或嵌入密钥空间比较大的情况下，嵌入算法依然能保持感知安全性[6]或理论安全性，我们就可以认为该嵌入过程可用于加密数据。因此，加密算法可以被描述为：
（1）
式子中的W，K，L，P和C分别代表了水印，嵌入密钥，水印强度，原始多媒体数据和水印数据。 “II”表示连接操作，E是水印嵌入算法。
2.2联合指纹嵌入和解密
在JFD [5]中，指纹嵌入和解密相互依存而不分离。 这里，JFD算法与水加密保持一致，以期望能获得感知上让人满意的副本。根据方程式 （1），可以得到JFD算法的表达式：
（2）
这里，解密密钥由加密密钥和指纹密钥组成。
基于编码取代的方案
3.1基于代号替换的水印加密
通过替换DCT系数的可变长度代码，水印可以直接嵌入到MPEG比特流中[7]。 关键问题是选择具有相同运行级别和稍微不同级别的合适的VLC码字。 因此，一个码字可以被选择为位“1”，另一个被选择为“0”。 图1给出了基于VLC替代的示例。 根据水印位Wi和匹配码字表Ti，原始码字Xi（i = 0,1，...，N-I）（N是数据流中的码字的数量）被匹配码字代替。该过程可描述为：
（3）
图1.基于代码变换的视频水印
通过增加修改强度（替代表的长度），可以构建基于水印的加密算法，如图2所示：
图2.一种水加密算法
与[8,9,10]中提出的相似的过程可以描述为：
（4）
其中Ti比方程（3）中提出的要大得多。 S（）是基于密钥的码字替换，它的定义是：
（5）
其中O（Xi，Ti）要在表Ti中得到Xi的索引，R（A，K）是用Ki加密的密码来加密A，I（Ti，B）是得到表Ti中的第B个码字。Ti的取值需要十分的严谨。为了提高加密算法的安全性，收集更多的码字，在其长度不变情况下，运行和级别不予考虑。
3.2基于代号变换的JFD
在接收端，数据流被解密，同时将指纹嵌入到拷贝中（JFD）。 这里，JFD处理由加密密钥K和指纹密钥Fj（j = 0,1，... M-1）组成的解密密钥来控制。 图3显示了联合指纹嵌入和解密的原理图。 是水印表，而是比大得多的加密表。因此，联合指纹嵌入和解密过程只是将Yi直接解密为Zi。基于代码字替换，解密过程被描述为：
（6）
其中G（）是在K和Q（A，Ti，F）的控制下的解密过程，表示具有Fj控制的A的指纹拷贝的索引。
（a）JFD算法的原理
（b）JFD算法图
图3.基于代码变换的JFD算法
性能分析
4.1安全性
作为一种多媒体加密算法，安全性包括两个方面：理论上的安全性和感知安全性[6]。 其中理论上的安全意味着防范加密攻击的安全。感知安全意味着加密的多媒体数据的感知能力。 在该方案中，代码字的索引用会话密码加密，这在一定程度上保持了系统的安全性。 图4出示了样本图像的加密结果。可以看出，加密过的图像是不清楚的。
（a）原始图像 （b）加密图像
（c）原始图像 （d）加密图像
图4.视频加密的结果
4.2共谋抵抗
在该方案中，指纹嵌入水印算法是相对易于检测的。指纹可以用诸如标记假设[11]或组合代码[12]的编码方法进行编码，从而产生针对某些合谋攻击的指纹。图5给出了图像指纹识别的例子。 这里假设M = 50。 可以看出，指纹识别的图像是不可察觉的。
（a）指纹复印1 b）指纹复印2
图5.图像指纹实验
4.3与其他方案的性能比较
本方案与Chamleon方案[7]和Kundur方案[8]的比较如图6所示。本文中所提出的方案具有比Chamleon方案更高的鲁棒性，如图7（a）所示。 与Kundur方案相比，本方案可以选择更多的指纹系数，如图7（b）所示。 另外，本方案还具有一些额外的特性：1）该方案与压缩流相结合，适用于分发压缩视频; 2）指纹嵌入水印嵌入，便于在检测中提取指纹; 3）指纹采用诸如标记假设或组合代码等众所周知的编码方式进行编码，可以抵御某些合谋攻击。
（a）鲁棒性的比较
（b）嵌入能力的比较
图6. 性能比较
结论与未来的工作
在本文中，我们提出了压缩图像的安全分发方案。基于VLC码字替换，提出了VLC加密算法和JFD算法。该方案易于实现指纹提取和对合谋攻击检测，符合压缩格式，从而适合安全的图像分发。考虑到这个水印算法的鲁棒性不够强大，在今后的工作中将会考虑一些更为合适的水印算法。
致谢
法国电信研究项目通过授权代码PEK05-ILAB-012支持这项工作。
参考文献
[1] J. F. Delaigle et al, 'Digital images protection techniques in a broadcast framework: overview,' In proceeding of the European conference on Multimedia Applications, Service end techniques, Belgium, 1996.
[2] R. Parnes and R. Parviainen, 'Large scale distributed watermarking of multicast media through encryption,' in Proc. IFIP Int. Conf. Communications and Multimedia Security Issues of the New Century, 2001.
[3] I. Brown, C. Perkins, and J. Crowcroft. Watercasting: Distributed watermarking f multicast media. In Proceedings of the First International Workshop on Networked Group Communication, Springer-Verlag Lecture Notes in Computer Science, 1736, 1999.
[4] R. Anderson and C. Manifavas, 'Chamleon - A new kind of stream cipher,' in Lecture Notes in Computer Science, Fast Software Encryption, Springer-Verlag, pp. 107-113, 1997.
[5] D. Kundur and K. Karthik, 'Video fingerprinting and encryption principles for digital rights management,' Proceedings of the IEEE, Vol. 92, No. 6, June 2004, pp. 918-932.
[6] S. Lian, J. Sun, D. Zhang and Z. Wang. A Selective Image Encryption Scheme Based on JPEG2000 Codec. The 2004 Pacific-Rim Conference on Multimedia (PCM2004), Springer LNCS, 3332, 65-72,2004.
[7] G. C. Langelaar, R. L. Lagendijk, J. Biemond, Real-time labelling methods for MPEG compressed videos. In Proceedings of t
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