文摘

根据海上安全的实际需求,本文分析了视频加密算法的具体要求海上监视系统。基于物联网技术的智能监控系统的无人水面舰艇(USV)的设计和实现,以及互联网的安全技术和网络技术的采用。USV是用来监测和收集信息在海上,海上安全是至关重要的。一旦视频数据在传输中被劫持和罪犯,大海会影响非常的安全。传统算法的缺点如下:加密程度不高,计算成本是昂贵的,和视频数据传输过程中容易拦截和捕获。为了克服这些缺点,一种新的加密算法,即。,the improved Hill encryption algorithm, is proposed to deal with the security problems of the unmanned video monitoring system in this paper. Specifically, the Hill algorithm of classical cryptography is transplanted into image encryption, using an invertible matrix as the key to realize the encryption of image matrix. The improved Hill encryption algorithm combines with the process of video compression and regulates the parameters of the encryption process according to the content of the video image and overcomes the disadvantages that exist in the traditional encryption algorithm and decreases the computation time of the inverse matrix so that the comprehensive performance of the algorithm is optimal with different image information. Experiments results validate the favorable performance of the proposed improved encryption algorithm.

1。介绍

物联网是广泛应用于智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、安全回家、智能消防、工业监测、环境监测、路灯控制、景观照明控制、建筑照明控制、广场照明控制、广场照明控制、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系统监测、食品可追溯性,敌人检测和情报收集。基于物联网技术,USV智能监控系统的设计和实现,以及互联网的安全技术和网络技术的采用。智能感知的自我和环境的信息无人船是由各种传感器实现的。设想是,开发一个USV视频监控系统将大大有助于海上遇险,紧迫感,安全,和一般的通信。海上的威胁(1)盗版已经极大地在过去的几年中迅速增长,特别是在下面详细的海域海盗影响地区的恐怖和威胁海上海盗已经到了迫在眉睫的比例:马六甲海峡,南中国海,亚丁湾,等等。新闻频道每天有几个事件报告关于海盗攻击和抢劫船只船员或劫持一艘船,甚至损害时船员赎金被当局要求没有得到满足。海上云服务器监控大海和收集大量的数据2- - - - - -5由USV)视频监控系统;我们将采取及时有效的措施来处理不同的情况下通过分析数据。与此同时,它可以收集信息的一个特殊的地区,通过这个系统,获得重要信息和专家可以使用这些信息来研究该地区是否可以进一步扩大,是否有可用的资源。视频可能被盗,改变了海盗和其他恐怖分子在传输的过程中,对信息安全构成严重威胁的大海;它是海上交通不便,运输,和任何其他活动。视频数据的加密已成为优先级,这有利于海洋安全,减少损失和人员伤亡。

随着信息技术的发展和社会的不断进步,有越来越多的要求的信息。沟通变得方便,快速和灵活的语音、数据、图像和视频在随时随地在许多方面。在过去,图像和视频信息的交互是一种奢侈的对人们的需求,因为限制的网络传输技术和图像压缩能力。近年来,随着网络带宽的增加和视频图像压缩技术的发展,人们可以进行传输的图像和视频通过各种各样的方式。特别是,随着无线传输技术的进步,通信技术是影响人们的生产和生活以前所未有的规模和程度(6]。通过无线传输的视频和图像信息渠道已经成为迫切需求的应用程序和网络传输技术的快速进步;特别是无线传输技术可以给我们带来方便,但也带来了隐患,敏感的图像信息可能很容易被盗和非法传播。因此,图像信息的安全问题已经成为一个非常重要和关键的问题。虽然视频加密技术的研究已经开展了将近20年,现有的秘密策略并不完美,有很大改进空间,无线条件下图像传输的加密策略,其安全度很低。有许多不同的加密方法和各自的系统已经形成,但没有加密策略的性能是令人满意的所有用户。各种加密策略之间存在着巨大的差异和辩论是热的。视频信息安全是一个边缘学科包括数学、密码学、信息论、概率理论,计算复杂性理论,等等;它与视频压缩、网络传输和应用标准,这使得视频加密技术成为一个尚未完全解决的问题。

在这篇文章中,一个新颖的视频加密算法(即。,Improved Hill encryption algorithm) is proposed, according to specific requirements of the wireless video monitoring system and combining with the research progress of video encryption technology. The algorithm combines with the process of video compression and regulates the parameters of the encryption process according to the content of the video image [4),因此算法的综合性能最优为不同的图像信息。实验的结果,该算法具有良好的性能在相邻像素的影响,和图像的信息熵小于其他算法。这项工作目标探讨海上通信系统的安全问题,这是通过保护重要的数据。具体来说,本文的贡献有三个层面:

USV我们提出一个新颖的视频监控系统在海洋监测情况,以便当局在岸边获取视频数据在时间和在一些特定的情况下实现对策。

一种新颖的算法,即改进的希尔加密算法,提出的最优综合性能的安全问题。

从实验结果已经证明,所提出的改进的希尔加密算法的优越性能。

本文的其余部分组织如下。节2,我们将讨论一些相关的工作。系统模型提出了部分3。改进的加密算法和性能分析证实了在部分4和5,分别。节6流,我们总结并指出如何提高算法的性能。

2。相关工作

近年来,无人驾驶汽车和无人机越来越受公众的欢迎。谷歌公司是一个领域的先驱无人驾驶汽车的研究与开发;该公司宣布,其无人驾驶汽车项目开发自动化方向,排除人为干预2015年5月底。自动的原型测试将进行无人驾驶车辆;预计测试驾驶在路上可以在几年内进行。目前,谷歌正在约100自动车辆模型;无人机正努力进入人们的生活,。据国外媒体报道,亚马逊网上购物巨头正寻求美国政府的批准在美国发射无人机飞行测试。事实上,USV在进步的研究和探索领域的无人驾驶技术,和船只漂浮在大海在未来可能会进入无人时代。英国劳斯莱斯公司(罗罗)是乐观的,作为一个(7】世界上最大的发动机制造商和造船企业决心开发无人驾驶汽车和离岸USV。有细长的困难,提高无人飞行器在技术层面上,现在有许多船只配备自动设备。USV的时代已经出现在未来。奥斯卡Levand认为“在不久的将来,USV将跟上无人驾驶飞机,潜艇和无人机由谷歌正在测试”。水而言,USV强劲的需求。例如,尽管克鲁斯和搜索工作,无人驾驶技术可以增加船的数量,因为它没有载人,规模很小,它的反应更加敏感。监测海洋的状况和USV收集重要的信息,一旦船只被海盗或恐怖分子的袭击在航行期间,使用视频捕获位置,数字,海盗的特点,使用的武器设备,和其他重要的信息,这些信息与无人驾驶船舶监控系统传输到岸上。应该设置一个固定的时间收集到的信息传输到海岸,它是方便岸上人员及时获取有效的信息。视频应该送到岸上强行和在紧急情况下及时采取行动。视频数据必须足够安全,一旦数据被截获和破坏,不仅错过了最佳救援时间,失去了强有力的证据。

多媒体计算机技术应用系统,有两个视频图像处理的研究方向。一个是视频图像的压缩编码;另一种是实时处理视频图像和视频信息的保护。在视频图像压缩算法,h压缩(8)算法作为一种国际标准,因为它有更高的压缩,它能够提供一个高质量的图像和支持的大多数操作平台,它还具有良好的兼容性。h具有以下优点:编码效率:h .节省了近0.5的带宽与上届相比h和mpeg - 4。优质图片:h .可以提供高质量的视频图像在低比特率和图像传输高质量的低带宽的亮点h .应用程序。改善网络适应性:h .可以工作在低延迟模式下实时通信应用(如视频会议),也可以工作在视频存储或视频服务器,没有延迟。利用混合编码结构:h .像前H.261 h .使用混合编码结构,DCT变换编码和DPCM微分编码。与此同时,为了提高压缩编码的效率,h .引入了一个新的编码方法在混合编码的结构,增加了新的编码方法,如多模运动估计,intraprediction,和多帧预测,它的内容是基于可变长度编码和4 x4二维整数变换和提高编码的效率。h .更少的编码选项:大量的选择往往需要在h编码,增加了困难的编码,而h达到简洁“回归基本”,降低了编码的复杂度。h .可以应用在不同的情况下:h .可以使用不同的传输和回放率根据不同的环境和提供丰富的工具可以控制或消除的错误处理包丢失和误比特。错误恢复功能:h .提供了一个工具来解决网络传输丢包的问题,它是用于在无线网络传输视频数据传输的高误比特率。更高的复杂性:性能提升的h为代价实现越来越复杂;估计h编码的计算复杂度是三倍h和解码复杂度是h的两倍。

视频图像信息的保护是防止敏感信息被盗和轻易修改,复制,和非法传播,包括信息加密技术和信息隐藏。加密算法是建立在文本数据的设计,实现有意义的明文转换为无意义的密文的加密是防止在数据传输的过程中获得的信息非法拦截器。视频文件数据量大的特点,需要非凡的实时要求,因此很难满足的要求视频信息加密效率,有时使用传统的加密算法。空间图像加密加密的灰色(9图像的规模,因为图像的灰度(像素值)的字节数据,可以通过数据加密加密。因此,可以移植到灰度数据加密算法加密算法,其中包括数据加密标准,简单的矩阵希尔加密,加密算法序列。本文提出了一种新的图像加密算法,是基于传统山算法;我们使用一个可逆矩阵作为一个关键加密图像矩阵,然后转置加密图像。此外,最后一步是双层加密矩阵。

3所示。系统模型

在本文中,我们提出使用局域网技术的物联网建设无人视频监控系统,视频节点连接的不同显示器USV通过局域网,和控制中心可以与海事通信云服务中心,实现信息共享的影响。与其他方法相比,它的优势,它可以应用于USV大小不同,这样我们就可以设计USV视频监控系统根据USV大小和结构,它只是改变视频监控节点的数量和位置不同的需求的基础上。无人驾驶的视频监控系统集中在船舶导航和货物运输的安全。监控不同位置表面通过配置一定数量的摄像头和其他技术手段,将被压缩和加密的信息SecurCore处理器DSP核心和传播有三个图的方法1。距离远时,通信将通过卫星和云平台和其他岸上或基于air的设施。我们可以根据距离选择相应的方案,节省了成本,降低了沟通的时间,避免了资源的浪费。具体的信息传输模式如图2。

3.1。视频采集模块

视频数据的采集模块信息的输入阶段,其性能对整个系统来说非常重要;原始视频和图片的质量将决定最终的图像清晰度的海上云服务器;海洋环境可以通过传感器检测到在海上,如温度传感器和热敏的组件、光传感器和光敏元素,气体传感器和气体传感器、磁传感器,subsensitive元素。摘要模块包括相机和相应的控制部分。监测内容包括旅行记录的船只和海洋气象学以及货物的运输安全等等,它还可以存储和打印照片的重要证据。

3.2。视频压缩和加密模块

视频的压缩和加密模块的核心是无人驾驶的视频监控系统,它的性能直接影响系统的整体性能。压缩视频数据受到各种条件的限制,如传输带宽,图像分辨率、帧率、最大延迟的编码,和性能的处理器。因此,视频压缩模块必须协调与传输模块,集成到压缩加密,和他们的关系非常密切。压缩和加密的模块可以实现SecurCore处理器DSP核心。

3.3。视频传输模块

在视频数据完成硬件压缩,需要通过网络发送到服务平台。然而,会有一个发送的处理中存在的几个问题,如同时传输多个监测节点或网络的堵塞;它可能发生数据丢失。在这个过程中(10)的数据传输网络将数据包的大小判断,当规模超过或低于某些限制的数据包会被丢弃,确切的范围(64 - 1500)字节。RTP协议用于传输视频文件,因为它是一个实时的网络传输协议,它通常用于单点数据传输,非常适合传输音频和视频数据。

3.4。视频播放模块

在系统中,船上服务中心需要播放视频和图像;根据不同的目的,采用不同的方式实现。水疱性口炎病毒视频广播的目的的调整相机很容易,所以它可以更好地跟踪目标。在海上的云服务器上,玩视频的目的是实验的网站有一个清晰的理解和分析事情之后发生了什么。因此,图像定义之前必须区分,应该加强。

3.5。视频存储模块

这是一个重要的功能系统的一部分,视频数据的存储在实验过程中,分析实验后的试验田的情况是可能的。海上云服务器中心是分析和处理实验数据的中心,有强烈的计算能力和存储空间大;是适当的备份和实验数据的长期存档。可以减少数据的传输使用海上云服务器中心存储的模式。然而,USV获得的数据通过无线传输通道,噪声和干扰是不可避免的。几个步骤处理后,数据将会增加相应的噪声的过程。视频图像的定义是系统的最重要指标,为了存档数据的高质量,消除不必要的噪声和干扰,视频数据将存储在USV董事会监控平台。

4所示。改进的希尔加密算法

希尔算法转换的概念明文字母为密文信件通过一系列的线性变换,解密只需要一个逆变换(11,关键是变换矩阵本身。希尔密码multiple-letter替换代码的一部分,它也被称为矩阵变换密码。密文的向量

的公式,是密文,是明文和密钥是一个可逆矩阵。解密公式是 。执行所有的算术运算符的模式下 。

例1。假设的关键 ;而加密成真通过希尔密码,根据上面的计算,我们可以得到一个结果 。假设“好”是明文加密,然后明文分为两组(6日14)是“走”(14日3)是“od”。加密的过程 加密的结果是“EABO”。解密的过程 得到正确的明文在过去。

4.1。Self-Invertible矩阵

在加密公式,有逆矩阵和 ,它可以实现解密。从本质上讲,用可逆矩阵加密/解密时是很重要的。你如何看待一个矩阵可以可逆的?这取决于的行列式(12)非零(上述所有操作模式下执行 )。所以我们知道,可逆矩阵逆的模式吗 ,只有 。这里,我们使用 表示整数的最大公约数和整数 ,使用或 表示矩阵的行列式 。希尔加密算法应用于图像矩阵希尔获得相应的图像加密算法;加密过程 和解密过程 。

的基础算法如下。

如果矩阵满足 ,然后被称为self-invertible矩阵。假设 它是 self-invertible矩阵,甚至,假设 ,然后写成 的公式, 是 矩阵。self-reversibility的结果是 结果从公式(8)是 根据公式(9),是一个因素的 和 是另一个因素。假设有一个常数 然后 从公式(11)我们可以得到第二个矩阵方程 当公式(10)建立了, 和 将交换 公式(13)(12)获得 而 得到的结果 self-reversible矩阵算法。

算法步骤如下:

选择 矩阵任意。

通过一系列的计算获得结果 。

取 或 和是一个质数。

数 或 。

合并成一个完整的矩阵。

4.2。改进的希尔加密方案

改进的希尔加密算法的步骤如下。

步骤1。 self-reversible矩阵生成的关键矩阵算法。

步骤2。把原始图像分成 块的形象。

步骤3。的每个图像块的像素将组合在一起,组成 临时图像块,方便未来的加密操作。

临时的密钥加密的图像矩阵是矩阵 。

转置加密图像矩阵和双层加密矩阵。

步骤4。把矩阵的获得最后加密矩阵的位置。
解密是加密的逆过程的过程;特定的加密算法的框图如图3。

4.3。山安全分析的算法

希尔加密算法的关键条件是角色信息表和加密矩阵和数字通信。字符信息和数字对应表表示:顺序加密矩阵越大,越难破译和大量的计算。的定义加密矩阵和矩阵的解决方案也很重要(13)的加密和解码算法。从密码分析代码,使用传统的密码加密视频有很多缺点;破碎的翻译可以从统计总结类似规则字符串密码分析的频率和找到出口。随着科学技术的快速发展,破解时间比以前少。但希尔加密算法(14使用矩阵乘法和反演在线性代数中,最好是抵抗频率分析,实现解码是困难的。希尔加密算法建立了三个翻译的障碍,这是难以理解的解释。因为你不知道任何关于维度变量文本的转换,以相应的字母,访问加密矩阵的方法,如果你想破译代码至少你应该猜正确的三件事。但是很难猜正确地在同一时间。没有密码不能完全被打破,和山上算法也不例外。一般来说,是很困难的解码,只有知道密文的攻击,但它很容易被打破通过明文的攻击。假设对方已经知道价值同时也掌握了不同的元组至少。 , , 条件被满足 。定义两个矩阵 和 ,然后有一个矩阵方程 。的公式, 矩阵是一个未知的关键。如果是可逆的,可以计算, 。因此,坏了(如果加密算法是不可逆的,我们必须尝试另一对cleartext-ciphertext)。从总体结果希尔算法仍然是一个简单而有效的算法。

5。实验结果和分析

为了测试这两个像素之间的相关性垂直相邻,毗邻,水平,下面的测试执行。首先,1000 - 3000年对相邻像素水平,垂直,从图和对角线方向是随机选择的,和相关公式用于计算相关(15]。

的公式,和是两个相邻像素的灰度值的图像。 , , 分别是期望、方差和协方差,然后呢的相关性,14相邻两个像素系数。越高其值接近于1的值,相邻像素的相关性就越高。如果图像是由希尔self-invertible加密矩阵加密算法和改进算法,分别,然后比较3方向相邻像素之间的相关性。

表的相关数据1显示原始图像的相邻像素大数据,相关系数接近1可以看到,相邻像素高度相关,传统希尔加密算法的像素相关性大约是0.2,但改进算法更精确的在减少相邻像素的相关性,使得数据的大小接近0。从相邻像素的相关性提高加密算法比传统希尔加密算法要好得多。

数据4和5代表两个水平相邻像素的相关性分布图表在原始的和传统的希尔加密图像,和图的相关分布5比图扩散4,但原始图像之间的相关性分布和传统的希尔加密图像不够明显。图6给出了改进算法加密图像,比较(16)之间的图6和图5表明相关性分布是完全独立的。从分布程度的关联图的分析,结果表明,改进的希尔加密算法比传统的加密算法。

5.1。加密图像的直方图分析

方差是用来评估的一致性直方图分布和显示直方图之间的分散度及其平均值;分布的一致性表达的方差值的大小。方差越小,分布越均匀。图像的直方图是由 ,和方差的公式 和是

像素值可以均匀分布,在的范围(0 - 255)加密后,灰色均匀分布的直方图将被视为理想的状态。从上面的三张图片,发现直方图(图8原始图像(图)7)不均匀,分布的均匀性不理想,(图分布影响10传统希尔加密图像(图)9)没有明显改善,表现不佳,和图像的像素相关性不是削弱。与传统的希尔加密直方图相比,直方图(图12加密图像(图)的改进算法11)是更集中、更温柔。的值方差明显小于传统的加密算法,大大削弱了相关性及其结果是理想的。

5.2。信息熵和扩散系数测试

信息熵是一个概念用于测量信息在信息理论中,包含了图像的信息内容,系统更有序的信息熵更低。图像的信息熵 和公式表明,灰度值和描述是 ; 表示灰度值出现的概率。当图像中灰度值出现的概率是相等的,图像的信息熵最大,其灰度分布是相同的。当信息熵等于8,事实证明了随机分布的图像更理想。

扩散是一种重要的自然香农提出的加密算法,在文档中;一个优秀的加密系统必须有良好的扩散系数。意思是,当有点改变原始图像,加密图像以不可预知的方式将被改变。图像加密算法的扩散系数表明,加密图像的输出像素(17]应该依赖于输入原始图像的像素在一个非常复杂的方式,它可以抵抗攻击者的分析算法。攻击者通常会做一些小的改变原始图像,然后使用算法作为攻击者加密原始和修改图像和比较原始和加密的图像之间的关系通过比较两个图像。这种攻击成为区别攻击(18]。原始图像的一个像素是由攻击者修改;观察结果的变化,攻击者有可能找到一个原始图像和加密的图像之间的关系。如果原始图像中一个小小的改变会引起重大变化的扩散和混乱的影响,差分攻击的效率很低,攻击是无效的。为了验证一个像素变化的影响在整个加密图像,两个常用的测量方法:一个是像素改变率,另一个是统一的平均强度。由两个加密图像和 ,分别只有一个像素是不同的在他们相应的原始图像,图像的灰度值和在坐标 由 和 ,分别。 像素改变率()被定义为 的公式,是宽度和是图像的高度和 。的意思是计算不同像素的比例在两个图像。统一的平均强度变化被定义为

从表2我们可以知道,原始图像的信息熵等于6;传统的希尔加密图像的熵是6。结果表明,传统的希尔加密算法不做出重大改变图像的随机分布的概率,也没有更多的灰色分布协议。信息熵更小,图像更有序和图像随机分布的概率更小。使用改进的加密算法加密图像信息熵增加从原始数据到8,信息熵更大,随机分布的图像更理想、更一致的灰色分布和加密效果更加理想。从像素变化速度,我们可以学习,改进算法的结果比传统的更大希尔在数值算法,和统一的结果平均变化强度有点差异(19]。

6。结论

在本文中,在这个实验中使用的工具是Visual Studio 2015中,使用 语言。USV我们介绍了视频监控系统,系统的模块,针对传统的良好的安全和高效的效率图像加密技术;一种改进的算法基于希尔加密算法。的算法 self-invertible矩阵生成的关键矩阵算法,然后将原始图像分成 块的形象。的th像素的每个图像块组合在一起,构成了暂时的 为未来的加密图像块,方便操作(20.- - - - - -23]。临时的密钥加密的图像矩阵是矩阵 ,置换加密图像矩阵和双-层加密矩阵和矩阵获得进入最后加密矩阵的位置。我们使用双层加密策略决定仓促的程度,提高加密系统的安全性。实验结果表明,该算法具有较高的效率匆忙和无序效应是制服,相邻像素的相关性很小,从而改变图像的统计信息和更理想的随机分布图像和灰度。通过分析其性能的理论和实验结果,它已经表明,改进的算法比传统的更成功希尔加密算法和具有强大的发展潜力。从像素的影响改变率和统一的平均强度加密的图像,该算法没有大大提高像素变化率和价值太小不超过0.9,他们可以提高通过改变图片的长度和宽度。因此,考虑到改善这两个方面将是一个对未来的方向。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的研究项目FY2017国际海事大学协会,中国博士后科学基金会资助下2015 t80238,自然科学基金资助下61771086和61401057,军事委员会13日五年设备领域基金项目资助61403120402,大连优秀青年科技人才基础,辽宁省自然科学基金资助下201602083,科学技术研究项目下的辽宁格兰特L2014213,大连科技项目拨款2015 a11gx018,中央大学研究基金3132018144,017180327,01760325,2016 rq035大连高层次创新人才项目资助。