比特承諾的視頻安全責任范文

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《電視技術雜志》2014年第十一期

1比特承諾簡介

比特承諾是密碼學的重要基礎協議，其基本思想如下:發送者Alice向接受者Bob承諾一個比特值t，要求在第一階段，Alice向Bob承諾這個比特t，但是Bob無法知道t的信息;在第二階段即揭示階段，Alice向Bob證實其在第一階段承諾的確實是t，但是Alice無法欺騙Bob，即在第二階段，不能對t進行修改［10］。一個比特承諾方案必須具備正確性、保密性和不可悔性。比特承諾協議可以采用哈希函數來實現，哈希函數可將任意長度的輸入消息壓縮為某一固定長度的消息摘要的函數［10］。

2安全責任認定基本原理

2．1特征提取方法對于一段視頻來說，提取哪些信息作為其特征是個非常重要的問題。一般視頻特征提取的原則:1)代表性，即能很好地代表視頻的視覺內容，且數據量盡可能地小。2)敏感性，即這些特征能對于一些非法操作十分敏感。要想設計一個好的視頻特征提取方法，就必須綜合考慮視頻編碼特征和視頻篡改特征。由MPEG視頻編碼標準可以知道，MPEG視頻序列由若干GoP組成［11］，每個GoP的基礎幀是I幀，其中I幀編碼方式采用幀內編碼，包含了整個GoP的主體信息，而P幀和B幀圖像的重建也離不開I幀數據，所以一般不能夠直接在視頻壓縮流中跳過或刪除I幀。因此，在特征提取時，I幀可以很好地代表一段GoP的特征。根據文獻［4，12］的研究表明，MPEG在對I幀進行編碼時，使用了基于塊的DCT變換。8×8的圖像塊在進行DCT變換后，形成一個8×8系數矩陣，其中DC系數是這8×8圖像塊采樣信息的平均值，包含了圖像塊能量的主要部分［13］。在MPEG視頻編碼中，每一個條帶的Y，U，V分量各自的8×8塊中的DC系數之間采用差分編碼，所以修改一個條帶中的一個分量，那么此條帶中后續分量都會受到影響。因此，在一幀信息中，每個條帶的最后一塊DC系數，能夠很好地代表一個條塊的信息。此外，人眼對亮度信號比較敏感，同時根據普通圖像特點，在一個場景內，色度總是基本一致且單一的，因此在特征提取僅僅提取亮度分量數據。基于上述分析，本文對視頻進行時間維和空間維的提取處理。在時間維，根據篡改的持續性特征，在對I幀提取時，可以進行跳幀處理;在空間維，只需提取每個條帶的最后一個塊DC系數的亮度分量。采用這種方式，只需要部分解碼就可獲得提取數據，同時提取的數據量極少，且具有很好的代表性，能夠抵抗常見攻擊。特征提取方法如下。

2．1．1視頻I幀分組設視頻序列中所有的I幀集合表示為:I={I0，I1，I2，I3，…，It}，其中t為視頻中所有I幀的總數。為了能夠對視頻進行篡改定位，本文將視頻I幀進行分組。設視頻I幀分組大小用GT表示，用Ic表示當前幀，其中c為當前幀幀序號，c∈［0，t］，則當前幀Ic所屬的分組號Gid可表示為:Gid=c/GT，總的分組數為:TGid=t/GT。

2．1．2選取I幀由于視頻播放速度較快，且一個有效的篡改要持續0．5s以上，才能被人眼捕獲。因此，只需要在一定間隔控制下選取部分I幀，盡可能地減少數據量。設采樣的最大間隔用X位表示，則選取兩幀間最大距離Dmax=2X。若隨機序列R={ri|ri=Random(Dmax)，i=0，1，2，3…}，其中Random(Dmax)用于生成不大于Dmax的自然數序列。為了增加隨機數序列的安全性，本文采用Logistic映射產生隨機數序列。混沌現象是在非線性動力系統中出現的確定性的、類似隨機的過程。一類非常簡單卻被廣泛研究的動力系統是Logistic映射。

2．1．3提取DC系數在MPEG解碼時，先找到圖像組頭的視頻序列中的標志和固定的起始碼，定位到I幀的位置，只有選取的I幀才被解碼，其余的幀均不解碼，對于選取的I幀提取其每個條帶中最后一個塊的Y分量DC系數。設I幀中有ST個條帶。

2．1．4合并組特征將處于同組Gid的特征數據進行組合

2．2比特承諾方法若S代表承諾人，R代表被承諾人，m是需要承諾的明文數據，消息傳遞過程如下:S使用哈希函數h=H(m)計算出消息m的密文，并將結果發給被承諾人R。在驗證的時候，S將明文m’發送給R，然后R重新計算h’=H(m’)，若h’=h，則m=m’，則R相信S之前對m做出的承諾。在本文中，明文數據是FGid集合，對每個分組計算hGid=H(FGid)，有TGid個分組，則通過上述方法可以得到一段視頻m的TGid個特征組比特承諾值序列{hGid，其中Gid=0，1，2，…，TGid}(6)

2．3安全傳輸和責任認定方法發送方S選擇一組特征提取參數發送方S和接收方R協商一個非對稱加密算法E，各自產生一對公私鑰，其中S的公私鑰為(pkS，skS)，R的公私鑰為(pkR，skR)，相互公開公鑰，并保留私鑰。1)安全傳輸方法S:S使用R的公鑰pkR加密A組參數E(A，pkR)，使用其私鑰skS加密HAm，并將這兩個密文連同視頻m發送給R。R:R收到消息后，采用私鑰skR解密獲得A組參數，使用S的公鑰pkS解密獲得分組比特承諾HAm。整個傳輸過程如圖2所示。R采用A組參數對視頻m進行同樣的特征提取和比特承諾計算，得比特承諾HAm’。R驗證HAm’與HAm中各個分組的比特承諾值是否相同，如果不同，則返回不同的組編號，如果相同則返回驗證成功標識，完成視頻安全傳輸。分析上述傳輸驗證過程，可知其具有以下特性:發送的不可抵賴性、接受的不可否認性、非法用戶的不可接受性、接受信息的內容完整性保護。2)責任認定方法責任認定是基于上述安全傳輸和比特承諾協議的特性實現的。由于收發雙方在上一步都確定正確地完成了視頻內容的安全傳輸。那么在出現非法視頻時，可能出現的問題包括:視頻m本身是非法的和R對視頻m進行了惡意篡改。對于這兩種情況，可以做如下鑒別:首先，R出示HAm(HAm使用S的私鑰進行加密的，R無法進行偽造)，S出示其私鑰，進行解密HAm，證明是自己所發送的HAm。對非法視頻m’進行按照S提供的參數重新進行計算，若計算的HAm’=HAm，視頻m是S所發送的視頻，責任方為S;若不等，則說明R對視頻進行篡改，責任方為R。通過這種方式還可以進一步定位到發生R發生視頻篡改的區域。

3實驗與結果分析

為了檢測本文提出算法的效果，在VC++平臺下進行仿真實驗，在測試模型中，考慮到取材的廣泛性和普遍性，分別從電影、廣告、新聞、體育比賽中選取了4段視頻流，視頻中I幀的數目從1000～5000幀不等，實驗結果如表1所示。表中對4段不同類型、不同I幀數目的視頻節目，選擇了不同的提取參數，采用視頻編輯軟件對視頻做了不同程度的篡改，其中電影節目篡改了兩個區域，廣告節目篡改了一個區域，新聞節目雖然篡改了兩個區域，但是都處于同一分組中，對體育節目沒有篡改，則沒有檢測出篡改。實驗結果表明，當視頻中有惡意的篡改發生時，該方法能夠很好地發現并定位篡改區域。本文方法在特征提取時，隨機選取I幀，進一步提取每個I幀中條塊最后一塊DC系數亮度分量，不需要完全解壓，提取效率高，數據量少，且具有較好的代表性;對提取的特征進行分組，對分組的特征值進行比特承諾，從而能以較少的計算量和傳輸量達到較高的安全性，同時在發生篡改時能夠定位篡改區域;基于比特承諾的單向性和公鑰加密算法的安全性保證了傳輸的安全可靠，為進一步的責任認定奠定了基礎;在發生糾紛時，通過出示承諾等相關信息，快速確定責任方。本文方法在特征提取時，隨機選取I幀，進一步提取每個I幀中條塊最后一塊DC系數亮度分量，不需要完全解壓，提取效率高，數據量少，且具有較好的代表性;對提取的特征進行分組，對分組的特征值進行比特承諾，從而能以較少的計算量和傳輸量達到較高的安全性，同時在發生篡改時能夠定位篡改區域;基于比特承諾的單向性和公鑰加密算法的安全性保證了傳輸的安全可靠，為進一步的責任認定奠定了基礎;在發生糾紛時，通過出示承諾等相關信息，快速確定責任方。

4小結

對于視頻內容安全責任認定，需要考慮到視頻編和篡改特征，并需要在計算復雜度、特征提取速度和確定代表視頻內容的精度上進行折中，選取合乎應用的視頻內容特征。本文方法提取的特征量小，且極具代表性。進一步，對這些特征量采用分組比特承諾，通過收發雙方在公鑰加密算法的基礎上完成秘密通信，在接收方驗證分組比特承諾，不僅能判斷視頻是否遭受篡改，同時能定位篡改發生的區域。在責任認定時，通過對先前的承諾的揭示，能夠在收發兩方中進行責任認定。實驗結果表明，本文算法具有良好的安全性、魯棒性和靈活性，是對視頻安全傳輸責任認定的有益探索。

作者：于鵬王永濱柯雅明段峰峰伏文龍單位：中國傳媒大學計算機學院