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硕士论文特定情况下视频加密算法研究 摘要 随着多媒体通讯的发展，多媒体信息安全技术已成为网络传输研究的重要课题。由 于视频等多媒体信息数据量大、冗余度高、实时性强等特点，传统的加密算法并不适用 于视频加密。本文研究了近年来出现的一些常见的视频加密算法，总结了视频加密算法 的特点，分析与比较了算法的性能，指出了各类算法的适用范围，提出了对于典型d c t 加密算法的改进算法。 在此基础上，通过分析h 2 6 4 视频编码标准及其编码特点，提出了一种基于特定情 形的h 2 6 4 视频加密算法，该算法充分利用h 2 6 4 编码中亮度和色度d c t 系数能量分 布的特点，对d c t 系数进行不同程度的加密。经过对算法的试验结果分析，得出本文 的算法具有良好的安全性、较低的运算复杂度、对压缩比的改变较小，能够满足低带宽、 高安全等性能要求的特定情况下的视频传输。 关键词：视频加密，h 2 6 4 ，d c t 系数 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ，t h et e c h n o l o g yo fm u l f i m e d i a i n t b r m a t i o ns e c u r i t yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts u b j e c to nn e t w o r k s d u et o t h ei 1 1 t r i i l s i c c h a r a c t e r i s t i c so fv i d e o ss u c ha sg i g a n t i cd a t ac a p a c i t y ，h i g hr e d u n d a n c ya n dt h ea d d i f i o n a l r e q u i r e m e n t sf o rv i d e oa p p l i c a t i o n sl i k er e a l t i m e o p e r a t i o na n dd a t a - f o r m a tc o m p l i a n c e t r a d i t i o n a le n c r y p t i o na l g o r i t h m sa r en o ts u i t a b l et ov i d e oe n c r y p t i o n i nt h i st h e s i ss e v e r a l f a m i l i a rv i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h m sa le i n v e s t i g a t e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i d e oe l l c r y p t i o n a l g o r i t h mi ss u m m a r i z e d ，a l g o r i t h mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n dc o m p a r e d ，t h ea p p l i c a t i o n o ft h ea l g o r i t h m si sp o i n t e do u t , a n da ni m p r o v e da l g o r i t h mf o rd c t c o e f f i c i e n te n c r y p t i o n a l g o r i t h m si sp r o p o s e d b a s e do n t h i s ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h eh 2 6 4v i d e oc o m p r e s s i o ne n c o d i n gs t a n d a r da 1 1 di t s e n c o d i n gf e a t u r e ，an e wh 2 6 4v i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h mb a s e do np a r t i c u l a rc o n 击t i o i l si s p u tf o r w a r d t h ea l g o r i t h mu s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g yd i s t r i b u t i n go ft h e1 啪aa n d c h r o m ac o m p o n e n t sa f t e rd c tt r a n s f o r m a t i o ni nt h eh 2 6 4 e n c o d e r , e n c r y p t st h ed c t c o e f f i c i e n t sb yd i f f e r e n tm e t h o d s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n a l y s i s ，t h ee n c r y p t i o n a l g o r i t h mw h i c ht h i st h e s i sb r i n g sf o r w a r dh a st h ec h a r a c t e r i s t i co ft i g h ts e c u r i t y , l o w c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dh a sas m a l lc h a n g eo ft h ec o m p r e s s i o nr a t e s o ，t h ea l g o r i t h m o ft h i st h e s i ss a t i s f i e st h er e q u e s to ft h ev i d e ot r a n s m i s s i o ni ns p e c i a lc o n d i t i o n s s u c ha s l o w - b a n d w i d t ha n d h i g h s e c u r i t y k e yw o r d s ：v i d e oe n c r y p t i o n ，h 2 6 4 ，d c tc o e f f i c i e n t s 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 垂t ，0 年月岁。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部f ：或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：2 0 文年i ，月_ 日 硕士论文特定情况下视频加密算法研究 1 绪论 1 1 课题背景及介绍 近年来，数字视频技术迅猛发展，图像、音频、视频等多媒体信息的应用范围扩展 到经济、军事、政治、教育等各行各业。尤其是分布式多媒体在视频点播系统、视频广 播系统、视频会议系统和监视系统等方面，相关的应用层出不穷。 由于视频信号的数据量巨大，而网络带宽有限，因此它总是以压缩的形式进行传播 的。目前，在多媒体计算机技术应用系统中，对视频图像处理有两大研究方向：一是视 频图像的压缩编码；二是视频图像的实时处理和视频信息的保护。对于前一个问题，目 前视频流传输中应用最为广泛的编解码标准有国际电联i t u t 的h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 ， 运动静止图像专家组的m j p e g 和国际标准化组织运动图像专家组的m p e g 系列标准，此 外在互联网上被广泛应用的还有r e a l - n e t w o r k s 的r e a l v i d e o 、微软公司的w m t 以及a p p l e 公司的q u i c k t u n e 等。而视频安全及视频加密问题，就需要结合压缩标准来设计加密方 案，一方面要使加密后的数据与解压格式兼容，另一方面要保证不能影响到数据的压缩 效率和有效传输。特别是在一些敏感场合对保密性和安全性的提出了更高的要求。 本课题是船舶设备远程综合技术保障系统技术的子课题。该系统通过卫星进行 网络通讯，由于网络带宽受到很大限制，实时性要求较高，视频分辨率为7 0 4 x 5 7 6 ，p a l 或n t s c s j 式的直接数字化图像不能满足传输的要求，因此要求高度压缩的视频编码和 时间花费低的传输算法。同时传输过程的安全保密性要求高，需要嵌入式的、作为独立 模块的能够同时实现压缩和加密的传输算法。正是基于上述背景，本课题对这种特定情 况下实时视频传输系统中的加密算法进行研究与讨论，提出解决方案。 1 2 视频加密算法的发展及现状 早期的安全方法主要依赖于权限控制，多媒体数据本身没有被加密，因此，在传输 过程中很容易被窃取。在近十年间，出现了许多针对多媒体数据的加密方法，可以分为 如下3 类： ( 1 ) 完全加密方法。它使用传统密码对视频流的数据全部加密，把一段有意义的数 据流( 明文) 转换成看起来没有意义的数据( 密文) ，如d e s 和r s a 等，使得在网络传递过程 中非法拦截者无法从中获得信息，从而达到保密的目的。虽然可以把视频文件作为文本 数据一样看待，使用传统的加密算法进行加密，算法安全性很高，但是改变了原来的数 据格式，同时加密速度非常慢，计算复杂度较高，花费昂贵。由于视频文件具有数据量 大，实时性要求高的特点，因此目前的传统加密方法如d e s 、3 - d e s 或r s a 等很难满足 对视频信息加密效率的要求。 1 绪论硕士论文 ( 2 ) 部分加密方法。对多媒体数据列部分加密。如基于视频i p b 帧结构的加密，仅加 密头信息的方法，加密d c t 符号和运动矢量m v 符号，z i g z a g 置乱算法等等。这种算法 安全性较完全加密方法低，但却可以获得较高的加密速度，且帧的大小基本不发生改变。 ( 3 ) 加密与压缩编码相结合的算法。如熵编码过程加密算法，它将加密过程与压缩 编码过程相结合，加解密速度快，保持数据格式不变。 可见，这些视频加密算法具有各自的优点，它们在将来都会继续发展和研究完善。 直接加密方法的高安全性使得它依然是保护高敏感、高保密性数据的最佳选择，通过研 制加密算法的硬件实现，会提高算法的速度，使得它不仅适用于数据存储，也适用于实 时性要求不高的传输等应用中。选择性编码方法更容易实现视频画面的区域性加密，从 而可以进一步降低加密的敏感数据量，并且可以给画面中的不同目标设定不同的权限， 带来更广泛的应用。压缩编码和加密相结合的算法，具有很高的实时性，较高的安全性 和相容性，不需要解密就可以直接进行一定的数据处理操作，既适合视频会议、视频点 播等一般的应用，也可以满足数据可操作性要求高的应用场合。因为加密和编码过程相 结合，解密过程不能使用通用的视频编解码器，因此不能作为通用的视频编解码器的插 件。必须配备专用的编解码器并且要求正确的解密密钥，才可以正确解码 在今后移动多媒体、无线多媒体网络的蓬勃发展中，多媒体数据的实时性、容错性 和数据格式相容性等特点要求加密算法能够很好地与压缩和容错编码过程相结合，这也 将是未来研究的热点和难点。 1 3 本文的主要工作 本文对h 2 6 4 视频编码标准的特点进行了研究，对常用的视频加密算法进行了总结 和性能比较，在对基于h 2 6 4 编码加密算法研究的基础上，提出一种适用于低带宽、高 安全等性能要求的特定情况下的实时视频加密算法。本文主要完成以下工作： ( 1 ) 对h 2 6 4 压缩编码标准进行了介绍，并与m p e g 4 标准进行了性能比较，指出h 2 6 4 编码标准的优势。 ( 2 ) 对常见的视频加密算法进行了总结与性能比较，得出各类算法的适用范围。并提 出了一种对d c t 力i ：i 密算法的改进算法。 ( 3 ) 针对特定情况下的实时视频传输要求，提出一种基于h 2 6 4 标准的新的视频加密 算法，并对其进行性能分析。 1 4 本文的章节安排 2 第一章绪论 简要介绍了课题背景，视频加密算法的发展现状及评价，提出了自己的研究内容。 第二章h 2 6 4 视频压缩编码技术简介 硕士论文特定情况下视频加密算法研究 本章主要介绍了h 2 6 4 压缩编码技术的特点、与以往压缩标准相比的改进之处以及 与m p e g 4 标准相比较的优势。 第三章视频加密算法与比较分析 本章简要介绍了密码与密码分析的基础知识，重点对常见的视频数据加密算法进行 了阐述和性能分析。对各类算法的应用范围给出了较为合理的建议! 第四章基于特定情形的h 2 6 4 视频加密算法 针对课题背景即网络带宽受限，高安全等性能要求的特定情形，提出了一种新的基 于h 2 6 4 标准的d c t 系数加密方案，并对它的性能进行了评价。 第五章结束语 本章总结了全文所做的工作，并指出可供进一步研究的问题。 2h 2 6 4 视频压缩编码技术简介 硕士论文 2h 2 6 4 视频压缩编码技术简介 m p e g 和v c e g 联合开发了一个比早期研发的m p e g 和h 2 6 3 性能更好的视频压 缩编码标准，被命名为a v c ( a d v a n c e dv i d e oc o d i n g ) ，也被称为i t u th 2 6 4 建议和 m p e g 一4 的第1 0 部分的标准，这个国际标准已于2 0 0 3 年3 月正式被i t u t 所通过 并在国际上正式颁布。 本章的第1 节将着重介绍h 2 6 4 编码标准，第2 节将h 2 6 4 与m p e g - 4 进行性能比 较，最后1 节总结h 2 6 4 编码特点。 2 1h 2 6 4 编码器标准 2 1 1h 2 6 4 编码器基本流程 编码器采用的是变换和预测的混合编码法。 在图2 1 1 1 中，输入的帧或场e 以宏块( 对应于原始图像中1 6 x 1 6 像素点) 为单位被编 码器处理。首先，按帧内或帧间预测编码的方法进行处理。如果采用帧内预测编码，其 预测值p r e d ( 中用p 表示) 是由当前片n 中前面已编码、解码和重现的参考图像构成，图 中用识表示。如果采用帧间编码模式，p 由前面的参考帧经运动补偿( m c ) 后得出，其 中参考图像用疋，表示。为了提高预测精度，从而提高压缩比，实际的参考图像可在过 去或未来( 指显示次序上) 已编码解码重建和滤波的帧中进行选择。 预测值p r e d 和当前块相减后，产生一个残差块见，经块变换、量化后产生一组量 化后的变换系数x ，再经熵编码，与解码所需的一些边信息( 如预测模式量化参数、运动 矢量等) 一起组成一个压缩后的码流，经n a l ( 网络自适应层) 供传输和存储用。 4 图2 1 1 1h 2 6 4 编码器框图 硕士论文特定情况下视频加密算法研究 2 1 2 帧内预测 在帧内预测模式中，每一帧图像都被划分为宏块，一个宏块是1 6 x 1 6 像素序列，预 测块p 是基于已编码重建块和当前块形成的。对像素亮度分量而言，p 块用于4 x 4 子块或 者1 6 x 1 6 宏块的相关操作。4 x 4 亮度子块有9 种可选预测模式，独立预测每一个4 x 4 亮度子 块，适用于带有大量细节的图像编码；1 6 x 1 6 亮度块有4 种预测模式，预测整个1 6 x1 6 亮 度块，适用于平坦区域图像编码。色度块也有4 种预测模式，类似于1 6 x 1 6 亮度块预测模 式。编码器通常选择使p 块和编码块之间差异最小的预测模式。 如图2 1 2 1 所示，4 x 4 亮度块的上方和左方像素a , - - , q 为己编码和重构像素，用作编 解码器中的预测参考像素。a p 为待预测像素，利用a q 值和9 种模式实现。 q 是聚譬墅。e 亨g 疑 工l 嚣bca l j l 阜ghl 装lijk1 | i 弧砭嚣p l 图2 1 2 14 x 4 亮度块预测 2 1 3 运动预测和运动补偿 帧间编码主要利用视觉序列的时间相关性来减少冗余。其中关键技术是运动估计和 运动补偿。h 2 6 4 帧间预测利用已编码视频帧场和基于块的运动补偿的预测模式。与以 往标准帧间预测的区别在于块尺寸范围更广( 从1 6 x 1 6 至l j 4 x 4 ) 、亚像素运动矢量的使用( 亮 度采用1 4 像素精度运动矢量) 及多参考帧的运用等等。 1 树状结构运动补偿 同m p e g 编码相似，h 2 6 4 编码标准中，i 帧的宏块被编码，b 帧, r i p 帧的宏块暂时以 相应的参考帧替换，实际值和参考值的误差被计算，运动矢量通过计算当前宏块在参考 区域内的最佳匹配来获得。常用的匹配准则是最小绝对误差和( s u mo f a b s o l u t e d i f f e r e n c e ，s a d ) - 一l ，- 1 s a d ( x ，y ) = i 最( j ，j ) - b k l ( f + x ，歹+ 力i ，一形x ，y 形 ( 2 1 3 1 ) j = 0j = 0 其中，b ( f ，歹) 表示第k 帧中空间位置为蛳) 处像素值，( x ，y ) 是偏移量，w 是搜索范围。在 搜索窗口内的各个偏移量( x ，y ) 上计算s a d ，它的最小值对应的( x ，) 哆被认为是该块的位移 值。替换过程是对参考帧中的每个宏块产生两个方向的运动矢量( 前向预测向量和后向 预测向量) ，图2 1 3 1 显示了一个方向的运动矢量的替换过程。 5 2h 2 6 4 视频压缩编码技术简介硕士论文 最佳匹配塞块 参考图象 目标宏泱 图2 1 3 1 运动预测和运动补偿 每个宏块( 1 6 x 1 6 像素) 可以有4 种方式分割：一个1 6 x 1 6 ，两个1 6 x 8 ，两个8 1 6 ，四 个8 x 8 。其运动补偿也相应有四种。而8 x 8 模式的每个子宏块还可以四种方式分割：一个 8 x 8 ，两个4 x 8 或两个8 x 4 ，以及四个4 x 4 。这些对子宏块的分割大大提高了各宏块之间的 关联性。这种分割下的运动补偿称为树状结构运动补偿。对大的分割尺寸而言，运动矢 量选择和分割类型只需占有少量的比特，但运动补偿残差在多细节区域能量花费将非常 高。小尺寸分割相反。整体而言，大的分割尺寸适合平坦区域，而小尺寸适合多细节区 域。宏块的色度成分( c r 和c b ) 贝u 为相应亮度的一半( 水平和垂直各一半) 。 2 分数像素运动矢量 帧间编码宏块的每个分割或者子宏块都是从参考图像某一相同尺寸区域预测而得。 两者之间的差异即运动矢量m v ( m o r i o n v e c t o r ) 对亮度成分采用1 4 像素精度，色度1 8 像 素精度。亚像素位置的亮度和色度像素并不存在于参考图像中，需利用邻近已编码点进 行内插而得。 当前帧的4 x 4 块通过邻近参考图像相应区域预测。如果m v 的垂直和水平分量为整 数，参考块相应像素实际存在( 灰色点) 。如果其中一个或两个为分数，预测像素通过参 考帧中相应像素内插获得，称为亚像素精度预测。 如图2 1 3 2 所示，半像素点( 如b , h ，m ) 通过对相应整像素点进行6 阶f i r 滤波得出，剩 余的半像素点( 如b ，h ，m 之间的b 点) 便可以通过对6 个垂直或水平方向的半像素点滤波而 得。半像素点计算出来以后，1 4 像素点就可通过线性内插得出 b = r o u n d ( ( e - 5 f + 2 0 g + 2 0 h - 5 1 + 刀3 2 )( 2 1 3 2 ) 6 硕士论文特定情况下视频加密算法研究 口口 口口 图国 口口 口口 圈聃 圈圈圆圈口 口团圆囡团 图2 1 3 2 亮度半像素位置内插 2 1 4 变换与量化 为了进一步节省图像传输码率，需要对图像信号进行压缩，一般方法为去除图像信 号中的相关性及减小图像编码的动态范围，通常采用变换编码及量化。从原理上讲这是 两个独立的过程，但在h 2 6 4 中，将两个过程中的乘法合二为一，并进一步采用整数运 算，减少编解码的运算量，提高图像压缩的实时性，这些措施对峰值信噪比的影响很小， 可不计。 14 x 4 d c t 变换 m p e g 一4 和h 2 6 3 采用8 x s d c t 变换，h 2 6 4 采用4 x 4 d c t 整数变换，它的特点是： ( 1 ) 所有的运算都是整数运算，不会损失精度； ( 2 ) 如果反变换运用得当，编解码的失真将几乎没有； ( 3 ) 变换的核心部分只用加法和位移； ( 4 ) 变换乘法是和量化结合在一起的。 向量x 的4 x 4 d c t 变换可表示为： y = 删r ： 叠b a a卅a-b b c c 句| lx 口 一一| i c c 八 靴= 争加c 弘加争 a6 口c 口一c 口一6 口c 一口一6 - ab 口一f ( 2 1 4 1 ) 用c x c r 表示核一l , - - 维变换，e 是变换系数矩阵，符号0 表示c x c r 的每一个元素 与矩阵e 相同位置的元素相乘，d 近似取。5 。为了保持正交性，b 改进为后。对矩阵 7 蓄 2h 2 6 4 视频压缩编码技术简介硕士论文 第2 行和第4 行及第2 列和第4 列分别乘以2 ，同时矩阵e 的相应位置除以2 ( 这样避 免了在核心变换c x c ，中由于整数运算而引起的精度损失) 。这个矩阵乘法运算最终可 分解为以下相同形式： 】，= ( c x c z ) 茵e = ll 2 。 l ll l - 2 ll l一2 11 21 12 l1 1一l l _ 2 11 一l _ 2 12 ll 口2 嘭口2 嘭1 嘭嘭f 口2 嘭a 2 嘭f j 2 量化 量化过程在不降低视觉效果的前提下减少图像编码长度，减少视觉恢复中不必要的 信息。h 2 6 4 采用标量量化技术，它将每个图像样点编码映射成较小的数值，避免除法 和浮点运算。基本前向量化公式如下： 乙= r o u n d ( 巧q s t e p ) ( 2 1 4 3 ) 其中r o u n d 为取整函数( 其输出为与输入实数最近的整数) ，匕为变换后的系数矩阵，q s t e p 是量化步长，乙是量化系数。q s t e p 与量化参数q p 一一对应，q p 每增6 ，q s t e p 相对增加 一倍。 一“ i ， ；h - i ( 2 1 4 2 ) 中的系数口2 ，嘭，可合并入前向量化公式。令v 矿= c x c r ，则： z ：5 f2 ，d 删( 。云易) ( 2 1 4 4 ) p f p f 取口2 ，噬或，由矩阵相应的位置而定。p f q s t 印通过乘法参数m f 和右移运 算实现，避免除法，公式可变化为： 乞：r o u n d ( 为 ( 2 1 4 5 ) 其中等= 舞，9 6 i t s = 1 5 + f l o o r ( q 1 6 ) ，f l 咖为取整函数( 其输出为不大于输入实 数的最大整数) 。可通过计算得到，q p ，( i ，j ) 的前6 个值对应关系。q p 每增加6 ，m f 的值不变。 2 1 5 熵编码 1c a v l c ( 基于上下文自适应的可变长编码) 变换系数量化后，在低频和直流区域有少量较大的值。高频区域有少量不大的值， 且系数大部分为零。为了更有效的编码，通常根据该统计特性采用熵编码进一步压缩码 硕士论文特定情况下视频加密算法研究 率。熵编码之前，要进行z i g z a g 锯齿形扫描，图2 1 5 1 为扫描顺序示意图。量化后的数 据经过z i g z a g 扫描，d c 系数附近的非o 系数值较大，而高频位置上的非零系数值大部分 是+ 1 和1 ，相邻的4 x 4 块的非0 系数的数目是相关的。 0 1 5 6 2471 2 38 1113 9 _ 1014 _ 15 图2 。1 。5 1z i g - z a g 扫描 利用相邻已编码符号所提供的相关性，为所要编码的符号选择合适的上下文模型。 利用合适的上下文模型，就可以大大降低符号间的冗余度。在c a v l c 中上下文模型的 选择主要体现在非零系数编码所需表格的选择以及拖尾系数后缀长度的更新，编码过程 如下： ( 1 ) 对非0 系数的数目以及拖尾系数的数目进行编码； ( 2 ) 对每个拖尾系数的符号进行编码； ( 3 ) 对除了拖尾系数之外的非0 系数的幅值进行编码； ( 4 ) 对最后一个非o 系数前0 的数目进行编码； ( 5 ) 对每一个非o 系数前0 的个数进行编码。 2c a b a c ( 基于上下文的自适应二进制算术熵编码) 算术编码的思想是用o 到1 的区间上的一个数字来表示一个字符输入流，它的本质是 为整个输入流分配一个码字，而不是给输入流中的每个字符分别指定码字。算术编码是 用区间递进的方法来为输入流寻找这个码字的，它从第一个符号确定的初始区间( 0 蛩j 1 ) 开始，逐个字符地读入输入流，在每一个新的字符出现后递归地划分当前区间，划分的 根据是各个字符的概率，当前区间按照各个字符的概率被划分成了若干子区间，将当前 字符对应的子区间取出，作为处理下一个字符时的当前区间。到处理完最后一个字符后， 得到了最终区间，在最终区间中任意挑选一个数字作为输出。 c a b a c 在计算量和编码速度上进行了优化，用了量化查表、移位、逻辑运算等方 法代替复杂的概率估计和乘法运算。在实际应用中，c a b a c 与其它主流的熵编码方式 相比有更高的编码效率。 9 2h 2 6 4 视频压缩编码技术简介 硕士论文 2 2h 2 6 4 与m p e g 4 性能比较 m p e g 4 于1 9 9 9 年初正式成为国际标准，是为移动通信设备在i n t e m e t 网实时传输视 音频信号而制定的低速率、高压缩比的视音频编码标准。m p e g 4 标准是面向对象的压 缩方式，不是像m p e g 1 和m p e g 2 j j g 样简单地将图像分为一些图像块，而是根据图像的 内容，其中的对象( 物体、人物、背景) 分离出来，分别进行帧内、帧间的压缩编码，并 允许在不同的对象之间灵活分配码率，对重要的对象分配较多的字节，对次要的对象分 配较少的字节，从而大大提高了压缩比，在较低的码率下获得较好的效果，单个画面清 晰度比较高。但从连贯动作上的清晰度来看，h 2 6 4 更有优势。 2 2 1h 2 6 4 与m p e g 4 压缩技术码流的比较 ( 1 ) 高质量的图像。h 2 6 4 能提供连续、流畅的高质量图像( d v d 质量) ，图像质量优 于m p e g 4 。 ( 2 ) 容错能力。h 2 6 4 提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要 功能，m p e g - 4 不支持容错。 ( 3 ) 网络适应性。h 2 6 4 提供了网络适应层( n e t w o r ka d a p t a t i o nl a y e r ) ，使得h 2 6 4 的文 件能容易地在不同网络上传输( 例如互联网，c d m a ，g p r s ，w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 等) ； m p e g - 4 主要用于电话线等低带宽监控的网络环境中。 2 2 2h 2 6 4 在极低码率下与m p e g 4 比较 在极低码率( 3 2 1 2 8 k b p s ) 的情况下，h 2 6 4 与m p e g 一4 相比具有性能倍增效应，即： 相同码率的h 2 6 4 媒体流和m p e g 4 媒体流相比，h 2 6 4 拥有大约3 个分贝的增益( 画质水 平倍增) 。3 2 k b p s 的h 2 6 4 媒体流，其信噪比与1 2 8 k 的m p e g - 4 媒体流相近。即在同样的 画面质量下，h 2 6 4 的码率仅仅为m p e g 4 的四分之一。下图表现了在极低码率 ( 3 2 1 2 8 k b p s ) 的情况下，h 2 6 4 与m p e g - 4 相比具有性能倍增效应。 1 0 簿 3 5 3 4 3 3 3 2 3 l 3 0 2 9 匝习 i m p e g 一4l 图2 2 2 1h 2 6 4 在极低码率下与m p e g - 4 的比较 在技术上，h 2 6 4 标准中有多个闪光之处，如统一的v l c 符号编码，高精度、多模 硕士论文特定情况下视频加密算法研究 式的位移估计，基于4 4 块的整数变换、分层的编码语法等。这些措施使得h 2 6 4 算法具 有很的高编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比h 2 6 3 和m p e g - 4 节约5 0 左右的 码率。h 2 6 4 的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应i p 和无 线网络的应用。 2 3 总结 本章对h 2 6 4 视频编码进行了介绍，着重对h 2 6 4 关键算法模块进行了总结。从本章 的内容可知，h 2 6 4 编码相对于以往的视频编码大大提高了编码率。同时为减少视频图 像的失真，提高视频数据精度，对于d c t 算法，滤波器设计做出了很大改进，保证了画 面质量。对于带宽受限这种特定情况下的实时视频传输系统，能够满足其对网络传输的 要求。 3 视频加密算法与比较分析 硕士论文 3 视频加密算法与比较分析 由于多媒体数据具有编码结构特殊、数据量大、实时性要求高等特点，传统的数据 加密算法直接应用于多媒体数据，很难满足实时性要求，而且会改变数据格式。因此， 出现了许多针对视频数据的加密算法。它们具有不同的安全性能，能够不同程度地满足 实时性、保持压缩比不变、保持数据格式不变等应用要求。本章对几种典型的视频加密 算法加以介绍，并分别对它们的性能做出分析，指出它们的适用范围，最后，提出了一 种对d c t 系数加密的改进算法。 3 1 密码与密码分析 3 1 1 典型的密码算法 从密码构造模块来看，密码算法主要有流密码、分组密码、公钥密码和数字签名等。 其中，在视频加密中应用较多的是分组密码( d e s 、i d e a 、a e s 等) 和公钥密码( r s a 等) 。 压缩过的视频数据结构不同于普通的数据流，宏块作为基本的结构单位有固定的大小限 制，由于分组密码是对固定长度的一组明文进行加密，在视频加密中分组密码的应用最 为广泛。下面简单介绍几种典型的分组密码算法。 1 9 7 3 年5 月1 5 日，美国国家标准局在联邦记录中公开征集密码体制，这一举措引出 了数据加密标准d e s ( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 算法，并且一度成为世界上最广泛使用的 密码体制。d e s 对6 4 位的明文分组进行操作，密钥长度为8 个字节。如图3 1 1 1 ( a ) 所示， 通过一个初始置换p ，将明文分成左半部分和右半部分，各3 2 位长。然后进行1 6 轮完全 相同的运算，这些运算被称为函数f ，在运算过程中数据与密钥结合。经过1 6 轮后，左、 右半部分合在一起经过一个末置换口1 ( 初始置换的逆置换) ，完成该算法。函数f 的表达 式为： f ( r i - l ，毛) = 尸( s ( e ( 足一。) 0 墨) ) ( 3 1 1 1 ) 其中e 是一个固定的扩展置换，将r 一，从3 2 比特映射成4 8 比特，每个轮密钥包含了4 8 比特， p 是另一个在3 2 比特上的固定置换。s 盒将6 比特位映射成4 比特位。d e s 解密所用的算法 除了子密钥的顺序不同以外，其他的部分则完全相同。 1 9 9 7 年开始美国政府公开征集新的数据加密标籼s ( a d v a n e e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 算法，以期取代d e s ，最后由r i j n d a e l 算法作为a e s 正式取代d e s 。r i j n d a e l 是具有可变 分组长度和可变密钥长度的分组密码，其分组长度和密钥长度均可独立地设定为3 2 比特 的任意倍数，最小值为1 2 8 比特，最大值为2 5 6 比特。如图3 1 1 1 ( b ) 所示，r i j n d a e l 加密 算法由3 部分组成：一个初始轮密钥加法变换；r 一1 轮变换；最后一轮变换。加密过程 的中间结果为状态s t a t e ，轮变换中，b y t e s u b 是一个独立作用于状态中每个字节上的非 线性字节变换，可以通过计算出来的s 盒进行映射。s h i r r o w 是一个字节换位。它将状 1 2 硕士论文特定情况下视频加密算法研究 态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据状态s t a t e 的列数不同 而选择的。m i x c o l u m n 是一个代替操作，用s t a t e 字节列的值进行数学域加法和数学域乘 法的结果代替每个字节 3 1 。密钥加层运算a d d r o u n d k e y 将圈密钥状态中的对应字节按位 异或。 输入6 4 位明文 l 审 厶民 一l 一 一 上1焉 土_ 乞i 读进明文 读进密钥 二二 产生轮子密钥 二二工二二 a d d r o u n d k e y 变换 轮变换 r o u n d ( s t a t e ，r o u n k e y ) b y t e s u b ( s t a t e ) s h i f t r o w ( s t a t e ) m i x c o l u m n ( s t a t e ) a d d r o u n d k e y ( s t a t e , r o u n d k e y ) 最后变换 7 i n a l r o u n d ( s t a t e ，r o u n k e y ) b y t e s u b ( s t a t e ) s h i f t r o w ( s t a t e ) a d d r o u n d k e y ( s t a t e , r o u n d k e y ) 密文 ( a )( b ) 图3 1 1 1d e s 和a e s 加密算法流程( a ) d e s 加密算法流程c o ) a e s 加密算法流程 3 1 2 密码分析 密码分析是在不知道密钥的情况下，对明文进行恢复。成功的密码分析能够恢复出 明文或者密钥。密码分析的目的在于发现密码体制的弱点，最终得到有用的结果。常用 的密码攻击方式按照所知道的信息可分为五类： ( 1 ) 唯密文攻击。密码分析者仅仅知道加密算法和待破解的密文，任务是尽可能多的 恢复明文或推算出密钥。 ( 2 ) 已知明文攻击。密码分析者不仅可以知道一些消息的密文，而且也知道这些消息 的明文本身，利用它推出用来加密的密钥，或导出加密算法。 ( 3 ) 选择明文攻击。密码分析者不仅可以得到一些消息的密文以及相应的被加密的明 3 视频加密算法与比较分析 硕士论文 文，而且掌握的明文还可以挑选。明文经过选择，提供了更多可供破译的信息，攻击力 更强。密码分析者利用其来推出加密的密钥或加密算法，或由用同一加密算法及密钥加 密的新密文推出对应的明文。 ( 4 ) 选择密文攻击。攻击者能选取不同的被加密的密文，并可得到对应的解密的明文。 ( 5 ) 选择密钥攻击。这种攻击并不表示密码分析者能够选择密钥，它只表示密码分析 者具有不同密钥之间的关系的有关知识。 上述方式的攻击强度是递增的，而且默认攻击者都知道加密算法。很明显，对攻击 者来说，唯密文攻击是最困难的。 分组密码的分析方法主要是强力攻击，且攻击的复杂度只依赖于分组长度和密钥长 度，主要有以下几种： ( 1 ) 穷尽密钥搜索攻击。在唯密文攻击下，攻击者依次试用密钥空间中所有密钥解密 密文，直到得到有意义的明文。在已知明文攻击下，攻击者试用空间中所有的密钥对明 文加密，将加密结果同该明文相对应的已知密文比较，直至二者相等。 ( 2 ) 字典攻击。攻击者搜索明密文对，并把它们编排成一个“字典”。攻击者看见密文 时，检查这个密文是否在字典里，如果在，他就获得了该密文相对应的明文。 ( 3 ) 查表攻击。查表法采用选择明文攻击，用所有密钥与预计算出密文，构造密文和 密钥的有序对，对于给定的密文，攻击者只需从存储空间中找到相应的密钥即可。 ( 4 ) 时间存储权衡攻击。是一种选择明文攻击方法，由穷尽密钥搜索攻击和查表攻 击两种方法混合而成，比穷尽密钥搜索攻击的时间复杂度小，比查表攻击的空间复杂度 小。 一任何一种密码都可能有很多分析方法，不同密码的分析方法也不尽相同。一个密码 体制的安全性通常是指在唯密文攻击、已知明文攻击、选择明文攻击下的安全性，因为 攻击者一般容易具备这三种攻击的条件。 3 2 视频加密算法原理 针对常用的视频编码压缩算法m p e g 、h 2 6 x 等，在过去的十年间出现了许多加密算 法，能够保证不同级别的安全性，实时性的，压缩比不变性，相容性和可操作性等要求。 根据加密与压缩编码的关系的不同，可将视频加密算法分为以下几类：完全加密算法： 将视频数据看作普通数据直接加密；部分加密算法：在视频编码过程中，选择性加密 部分数据；加密与压缩编码相结合的算法：采用具有加密功能的压缩算法。这些算法 同样也可以用于h 2 6 4 编码加密，下面针对这三类算法进行介绍。 3 2 1 完全加密算法 这类算法将视频数据当作普通二进制数据，使用传统的密码算法如d e s 、i d e a 、 1 4 硕士论文特定情况下视频加密算法研究 r s a 等来加密。这些方法安全性高，但运算速度慢、难以满足实时性要求。为此，有人 提出了一些改进算法。 q i a o 和n a h r s t e d t 在文献 4 】中提出了v e a 算法，将明文块分割成以1 2 8 比特为单位的 块，并按密钥划分到奇数部分( o d d ) 和偶数部分( e v e n ) ，o d d 用d e s 算法加密得到密文的 一半e ( o d d ) ，另一半为明文块偶数部分e v e n 和奇数部分o d d 的按位异或结果，加密后的 密文为这两半的拼接。在接收端，再进行异或操作得到两个密文部分，并通过密钥恢复 原始数据排列，算法流程如图3 2 1 1 ( a ) 所示，矩形部分组成加密流，椭圆部分表示数据 部分经过加密。这种算法的加密复杂度减少了4 7 ，同时保持了较高的安全性，可以适 当应用于实时系统。 ( a )( b ) 图3 2 1 1w m 3 n 密算法和扩展v e a ? b n 密算法流程图( a ) v e a 加密算法流程图( b ) 扩展v e a ? b n 密算 法流程图 t o s u n 和f e n g 在文献【5 】中作了进一步扩展，如图3 2 1 1 ( ”所示，将v e a 算法应用到 原来需要加密的部分，对奇数部分再分半，加密其中的一小部分，运算复杂度降为原来 的四分之一，f e n g 提出这种算法还可以通过进一步细分进行再扩展来加密更少的数据。 这种算法减少了异或运算的数据量，但增加了两个部分之间需要转移的数据量。同时， 由于解密过程的加密的逆过程，从图中可以看出，如果第一层异或运算产生1 比特位的 错误，会造成解密后的数据1 比特位的错误，但如果第二层异或运算产生1 比特位的错误， 解码后的数据会产生2 比特位的错误。假设传输过程不产生错误，n 层扩展v e a 算法每帧 的期望出错位数为： ( 2 七e 【五d ( 3 2 11 ) 七l 其中五为第k 层的异或结果。 3 视频加密算法与比较分析硕士论文 3 2 2 部分加密算法 这类算法要求与视频数据的格式相结合，并且可以根据安全性水平要求的不同，选 择加密不同的敏感数据，从而可以满足不同的需要。 1 帧和宏块加密 最基本的部分加密方法是选择加密i 帧【6 1 。因为p 帧和b 帧都是通过i 帧进行帧间运动 估计和运动补偿的，作者采用d e s 算法对头文件和i 帧进行加密，与完全加密算法相比可 以提高实时性。但未加密的p 帧、b 帧中有i 块，i 块是独立编码的，不需要i 帧参考就可以 在p 帧和b 帧内正确解码，所以仍然能看到p 帧和b 帧中的部分图像，可见仅仅加密i 帧不 能达到足够高的安全性。 t a n g 在文献【7 】中提出一种改进方法，此算法产生一种新的m p e g 流，称作 s e c m p e g ，它将选择性加密和附加头信息结合到一起，可以使用两种传统的加密方法 d e s 和r s a 实现四个级别的安全性：加密所有格式头信息；加密所有的格式头信息、 d c t 的d c 系数和较低层的a c 系数；加密i 帧和p 帧、b 帧中所有的i 块；加密所有数 据。这四个级别的安全性是由低到高递增的，但是s e c m p e g 并不能与标准m p e g 相容， s e c m p e g 加密了视频码流中的头信息，而且在m p e g 码流中添加了自定义的一些关于 加密的标志信息，需要设计专门的编解码器。第四级加密所有视频流，显然计算量巨大， 不能满足