Cryptage vidéo chaotique en temps réel basé sur la confusion et la diffusion parallèles multithread

Tableau des liens

Résumé et introduction

Description de la stratégie

Évaluation de la vitesse de chiffrement

Évaluation statistique

Analyse de sécurité

Configuration des paramètres

Comparaison avec les travaux antérieurs

Conclusions

Remerciements et références

Abstrait

En raison de la forte corrélation entre les pixels adjacents, la plupart des systèmes de cryptage d'images effectuent plusieurs cycles de confusion et de diffusion pour protéger l'image contre les attaques. De telles opérations prennent cependant du temps et ne peuvent pas répondre aux exigences en temps réel du cryptage vidéo. Les travaux existants réalisent donc le cryptage vidéo en simplifiant le processus de cryptage ou en cryptant des parties spécifiques des images vidéo, ce qui entraîne une sécurité inférieure par rapport au cryptage d'image. Pour résoudre le problème, cet article propose une stratégie de chiffrement vidéo chaotique en temps réel basée sur la confusion et la diffusion parallèles multithread. Il prend une vidéo comme entrée, divise l'image en sous-images, crée un ensemble de threads pour effectuer simultanément cinq cycles d'opérations de confusion et de diffusion sur les sous-images correspondantes et génère efficacement les images cryptées. L'évaluation de la vitesse de cryptage montre que notre méthode améliore considérablement la vitesse de confusion et de diffusion, réalise un cryptage vidéo en temps réel 480 × 480, 576 × 576 et 768 × 768 24FPS à l'aide d'Intel Core i5-1135G7, Intel Core i7-8700 et Intel. Xeon Gold 6226R, respectivement. L'analyse statistique et de sécurité prouve que les cryptosystèmes déployés possèdent des propriétés statistiques exceptionnelles, peuvent résister aux attaques, au bruit des canaux et à la perte de données. Par rapport aux travaux précédents, à notre connaissance, la stratégie proposée atteint la vitesse de cryptage la plus rapide et réalise le premier cryptage vidéo chaotique en temps réel basé sur une architecture de confusion-diffusion à plusieurs tours, fournissant ainsi une solution plus sécurisée et réalisable. pour des applications pratiques et des recherches connexes.

Mots clés : Chiffrement vidéo temps réel, Calcul parallèle, Systèmes chaotiques, Confusion et diffusion

1. Introduction

Avec le développement rapide des technologies de l'information et de la communication, les images et les vidéos ont montré un énorme potentiel en matière de stockage de données et de transmission sur réseau, ce qui entraîne des exigences d'application étendues pour le cryptage des images et des vidéos [1]. Cependant, la plupart des systèmes cryptographiques conventionnels, tels que DES, AES, RSA, etc., sont conçus pour protéger les informations textuelles ; ils ne conviennent pas aux images et aux vidéos [2]. En conséquence, de nombreux protocoles de chiffrement d'images ont été proposés ces dernières années sur la base de différentes techniques [3, 4, 5, 6], dans lesquelles les méthodes basées sur le chaos attirent une attention significative, en raison des caractéristiques intrinsèques des systèmes chaotiques, notamment l'ergodicité, la non -périodicité, non-convergence, sensibilité aux conditions initiales et aux paramètres de contrôle, et al. [7]. La plupart des algorithmes de chiffrement d’images basés sur le chaos comprennent des phases de confusion et de diffusion [8]. Dans la première phase, les positions des pixels sont brouillées sur toute l'image sans changer les valeurs [9]. Dans cette dernière phase, les valeurs des pixels sont modifiées séquentiellement avec les séquences d'octets générées par les systèmes chaotiques [10].

De tels protocoles de chiffrement d'images basés sur une architecture de confusion-diffusion doivent effectuer les deux phases pendant plusieurs tours jusqu'à ce qu'un niveau de sécurité satisfaisant soit atteint [11]. Cela prend évidemment beaucoup de temps et ne peut pas répondre aux exigences en temps réel du cryptage vidéo. Les travaux existants réalisent donc le cryptage vidéo en simplifiant le processus de cryptage ou en cryptant des pixels spécifiques dans la vidéo[12, 13]. Pour la première catégorie (également appelée chiffrement complet), par exemple, Réf. [14] sélectionne trois cartes chaotiques pour générer des séquences d'octets et effectue directement des opérations XOR entre les pixels et les octets générés pour chiffrer la vidéo ; Réf. [15] utilisent les octets générés pour chiffrer la trame et prennent les pixels chiffrés comme retour pour améliorer la sensibilité du texte en clair du cryptosystème déployé ; Réf. [16] effectue un tour d'opération de confusion sur la trame vidéo, suivi d'opérations XOR agissant entre les pixels et les octets générés pour réaliser le cryptage de la trame ; Étant donné que les applications pratiques mettent en avant des exigences de sécurité plus élevées, les travaux publiés les plus récemment sont basés sur une architecture de confusion-diffusion à un tour [17, 18, 19, 20, 21, 22]. La deuxième catégorie est également connue sous le nom de cryptage sélectif, les algorithmes appartenant à cette catégorie chiffrent des pixels spécifiques dans l'image vidéo pour réduire la complexité de calcul [23]. Ces catégories de stratégies atteignent clairement une grande efficacité au détriment de la sécurité.

Par conséquent, comment réaliser le cryptage vidéo en temps réel sans compromettre la sécurité est devenu un problème urgent à résoudre. Cependant, dans le domaine du cryptage vidéo complet, il existe peu de recherches connexes. Et à notre connaissance, les travaux existants ne peuvent pas réaliser le cryptage vidéo en temps réel, c'est-à-dire que le nombre d'images cryptées par seconde est supérieur au FPS (Frames Per Second) de la vidéo ou que le temps de cryptage moyen (ms) est moins de 1000 / FPS. Cet article tire ainsi parti du calcul parallèle et conçoit une stratégie de cryptage vidéo chaotique en temps réel basée sur une architecture de confusion-diffusion en cinq tours. Pour évaluer les performances, deux cryptosystèmes sont implémentés en utilisant deux cartes chaotiques différentes. Trois plates-formes matérielles sont utilisées pour évaluer la vitesse de chiffrement des cryptosystèmes déployés. Les résultats de l'évaluation montrent que notre stratégie améliore considérablement la vitesse de génération, de confusion et de diffusion des octets, jetant ainsi les bases de la réalisation du cryptage vidéo en temps réel. L'analyse statistique et de sécurité prouve que les cryptosystèmes déployés possèdent des propriétés statistiques exceptionnelles et une résistance aux attaques, au bruit de canal et à la perte de données. La stratégie proposée convient également à de nombreuses méthodes de confusion et de diffusion, et peut être facilement réalisée avec des logiciels et du matériel.

Le reste du document est organisé comme suit : la section 2 donne une description détaillée de la stratégie proposée. Dans la section 3, deux cartes chaotiques typiques sont sélectionnées pour réaliser la stratégie, et la vitesse de chiffrement des cryptosystèmes déployés est évaluée à l'aide de trois plates-formes matérielles différentes. Les sections 4 et 5 effectuent respectivement des analyses statistiques et de sécurité. La section 6 analyse les raisons des réglages des paramètres utilisés dans cet article. La section 7 donne une comparaison avec les travaux publiés récemment, suivie d'une brève conclusion dans la section 8.