（信息与通信工程专业论文）基于h264的视频加密算法及分级保护方案研究.pdf

1；i f 7、l：j独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：关于论文使用授权的说明日期：肪上本人完全了解j e 塞王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)躲络新躲垃嘤叫【一摘要摘要2 1 世纪以来，科学技术迅猛发展，以通信、计算机技术为依托的多媒体服务也逐渐深入千家万户，成为经济、军事、教育等行业进行信息沟通的重要工具。h 2 6 4 视频压缩编解码技术凭借其优越的压缩性能及良好的网络适应性，成为当今高清电视、在线多媒体等服务进行压缩编解码的首选。网络多媒体服务作为多媒体服务的主要方式，拥有网络视频点播、可视电话与视频聊天、视频会议三类主要服务。由于互联网中网络攻击、带宽限制、网络阻塞等诸多问题以及各类服务对于视频安全保护的不同需求，需要高效合理的加密算法进行视频安全保护。如何高效、安全的保护多媒体服务，满足视频加密需求的同时实现资源的合理利用，己成为当今视频加密技术发展的关键。本论文从h 2 6 4 视频压缩编码标准的特点及在线多媒体服务的应用需求出发，进行h 2 6 4 视频加密技术研究，主要完成的工作及取得的成果如下：( 1 ) 研究了h 2 6 4 视频压缩编解码标准，深入分析了h 2 6 4 熵编码过程和现有的熵编码视频加密算法，选取关键加密点和重要数据进行选择性的加密测试，提出两种基于h 2 6 4 熵编码的新型视频加密算法，算法解决了熵编码加密算法存在不能解码的问题，同时实现了安全性和实时性的兼顾，不改变加密前后视频的压缩比和数据可操作性。( 2 ) 分析了现有的h 2 6 4 视频加密算法在安全性、加密速度、压缩比影响及数据可操作性方面的性能。针对不同的网络多媒体服务的传输环境特点及安全需求，选择一种或几种合适的加密算法，制定基于h 2 6 4 的网络视频分级保护方案。( 3 ) 基于h 2 6 4 的网络视频分级保护方案，利用v c + + m f c 开发工具，设计并开发h 2 6 4 视频分级保护软件平台。软件具有分级加密、性能测试、视频播放功能，既可以作为加密工具对网络视频进行安全保护，也可以作为测试工具对h 2 6 4 视频加密算法进行性能测试。关键词信息安全；h 2 6 4 视频压缩编码；视频加密；分级视频保护北京t 业大学t 学硕七学位论文a b s t r a c tw i mt l l er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e i l c ea n dt e c l l i l 0 1 0 9 yd u r i n gt h e21s tc e i l t u 吼m em u l t i m e d i as e i c e s ，w h a tr e l yo nc o 删n l 埘c a t i o na n dc o m p u t c rt ec ：1 1 i 1 0 1 0 9 ) ，a r eb e c o m i n gi m p o r t a n tc o m m u m c a t i o nt o o l sf o re c o r l o m i c ，1 1 1 i l i t a r y ，e d u c a t i o na n do t h e ri n d u s t r i e s h 2 6 4v i d e oc 0 m p r e s s i o nt e c t m 0 1 0 母7w i me x c e l l e n tc o m p r e s s i o np 娟衄a 芏l c ea 1 1 dg o o dn e 觚o r ka d 印t a b i l i t yh a sb e c o m em ef i r s tc h o i c ef o rd i 西t a ll l i 班。d e f i l l i t i o nt va n do i d i n em u l t i m e d i as e i c e si nc o m p r e s s i n gv i d e o s a st h em a i no n l i i l em u l t i m e d i as e i c e s ，n e tm u l t i m e d i as e r v i c e si 1 1 c l u d en e tv o d ，v i s u a lt e l e p h o n e ，v i d e oc h a t ，a n dv i d e oc o n f e r e n c i n g b e c a u s et 1 1 ei n t e m e to w np r o b l e m sl i k en e t w o r ka _ t t a c k s ，b a i l d w i d ml i m i t a t i o n ，n 鲍v o r kc o n g e s t i o n ，a n daw i d er a 1 9 eo fm u l t i m e d i as e r v i c e sh a v ed i 舒酹e n tk i n do fv i d e os e 吼l r i t yn e e d s ，s op e o p l es h o u l du s er e 嬲o n a ：b l ea n de f ! f i c i e i l te n c r y p t i o na l g o r i t h m st op r o t e c tm ev i d e o ss e 础t y h o wt op r o t e c tm e 埘【u l t i m e d i as e n ，i c e se f 矗c i 饥t l y 锄ds a 庇l y ，b o mm e e tm en e e d so fv i d e oe i l c 呻t i o na n d 础l i e v er a t i o n a lu s eo fr e s o u r c e s ，h 嬲b e c 锄et t l ek e yp r o b l e mf o rt 量1 ed e v e l o p m e n to fv i d e os e c 耐t yt e c l l o l o g y d u et 0t h ef e a ：t i l r e so fh 2 6 4v i d e 0c o d i n gs t a i l d a r da 1 1 do i l l i n em u l t i l n e d i as e i c e s 印p l i c a t i o nr e q u i 崩n e n t s ，t h i sp a p e rr e s e 觚i ht l l eh 2 6 4v i d e op m t e c t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ，l ew o r kc o n t e n t sa 1 1 dr e s u l t sa r ea sf 0 1 1 0 w s ( 1 ) 1 1 1 i sp a p e rr e s e a r c h c sm eh 2 6 4v i d e 0c o d i n gs t a i l d a r d ，a n a l y z e sm ee 1 1 仃d p yc o d i n gp r o c e s sa n de i l c 聊t i o na l g o r i n l 】 1 1 s nc h o o s e sm ei m p o r t a n ta r e aa n dd a t af o re n c d ，p t i o nt e s t i n g ，a n da 1 1 a l y z e sm e i rp e r f o m 龇1 c e t h e nt l i sp 印e rp r o p o s e st o wn e wh 2 6 4e i 】仃i 叩yc o d i n g - b a s e dv i d e 0e n c r y p t i o na l g o r i t h m s t h ea l g o r i 衄ss o l v e dm ep r o b l e m 廿l a tv i d e o se 1 1 c r y p t e db ye i l 仃o p yc o d i n gc i l c r ) ，p t i o na 1 9 0 r i m m sc a i l tb ed e c o d e d a n dt h en e wa l g o d m m sb o mh a v es e c 嘶t ya n de i l c 呻t i o ns p e e d ；t h e ya l s od o n tc h 趾g en l ev i d c o s 唧r e s s i o n 枷oa i l dd a t eo p e r a b i l i t y ( 2 ) t l l i sp a p e r 蝴撕z e sn l ee x i s t i n gh 2 6 4v i d e oe n c r y p t i o na l g o r i u n s ，t e s t sa n da n a l y z e st h ea l g o r i t s 丘o ms e c u r i 吼s p e e d ，c o i n 芦e s s i o nr a t i o ，a n dd a t ao p e r a b i l i t y d u et od i f f 旨e n tn e tm u l t i m e d i as e r v i c e s 胁l s i i l i s s i o ne i i r o 衄e n tf e a t u r e sa n ds e c u r i t yn e e d s ，m i sp a p e rs e l e c t so n eo rs e v e r a ls u i t a b l ev i d e oe l l c r y p t i o na l g o r i n l m sa n dp r o p o s e sh 2 6 4 - b a s e dn m l t i p l es e c u r i t yl e v e l sp r o t e c t i o ns c h 锄e ( 3 )r e 衔e n c i n gt h eh 2 6 4 _ b a s e dm u l t i p l es e c u r i 够1 e v e l sp r o t e c t i o ns c h e m e ，p a p e ru s ev c + + m f ct 0 0 1 sh a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h eh 2 6 4m u l t i p l es e ( m r i t yl e v e l sv i d e oe n c r y p t i o ns o 胁a r e no w n 如n c t i o n s1 i k e 啊d e od a u s s 衢c a t i o ne n c r y p t i o n ，p 幽m l a n c et e s t i n g ，讥d e op l a y p e o p l ec o u l du s ei tt oe n 眵灌tn e tv i d e o so rt e s tt h eh 2 6 4v i d e oe 1 1 c r ) ，p t i o na l g o d m m s p e r 白肌a n c e s 一i i 一。一摘要l 沁y w o r d si i l f o n n a t i o ns e c 嘶t y ；h 2 6 4v i d e oc o m l ) r e 豳o n ；v i d e oe 1 1 c 哪t i o n ；加u l t i p l el e v e l sv i d e op r o t e c t i o ni i i 目录目录摘要ia b s t r a c t i i第1 章绪论11 1 研究背景及意义11 1 1 信息安全及视频安全保护11 1 2 基于h 2 6 4 的视频加密及网络视频分级保护技术需求31 1 3 课题来源41 2 国内外研究现状41 2 1h 2 6 4 视频加密算法研究现状41 2 2 网络视频分级保护技术研究现状51 2 3 新一代视频安全保护技术的性能需求61 3 研究内容及论文安排71 3 1 研究内容71 3 2 论文安排8第2 章h 2 “视频压缩编解码标准简介92 1 视频压缩编解码技术及其发展92 2h 2 6 4 视频压缩编码原理1 l2 2 1h 2 6 4 视频压缩编解码标准特点1 12 2 2h 2 6 4 编码关键技术1 22 2 3h 2 6 4 熵编码技术详介1 42 3 小结1 8第3 章基于h 2 6 4 标准的视频加密算法研究现状1 93 1 密码学基础1 93 1 1 密码学体制1 93 1 2 密码学算法2 03 2 视频加密算法性能要求2 43 3 现有基于h 2 6 4 标准的视频加密算法2 53 3 1 完全加密算法2 53 3 2 部分加密算法2 63 3 3d c t 系数置乱算法2 63 3 4 选择加密d c t 系数和m 、仍符号算法2 7一工v 一目录3 3 5 熵编码加密算法2 73 3 6z i 争z a g 扫描顺序置乱算法2 73 3 7f m o 灵活宏块排序加密算法2 83 3 8 加密帧内预测模式字算法2 83 4 小结2 8第4 章两种基于h 2 6 4 熵编码的视频加密算法2 94 1 基于h 2 6 4 熵编码的非零系数幅值加密算法：3 04 1 1 算法原理3 04 1 2 算法实现3 34 1 3 算法测试3 54 1 3 性能分析及应用前景3 64 2 基于h 2 6 4 熵编码的联合加密运动矢量差、非零系数幅值算法3 84 2 1 算法原理3 84 2 2 算法实现4 04 2 3 算法测试4 24 2 3 性能分析及应用前景4 34 3 小结4 5第5 章基于h 2 6 4 的网络视频分级保护方案及软件平台4 75 1 需求及算法性能分析4 75 1 1 网络视频保护多重需求4 75 1 2h 2 6 4 视频加密算法性能分析4 85 2 基于h 2 6 4 的网络视频分级保护方案4 95 2 1 方案介绍4 95 3 基于h 2 6 4 的网络视频分级保护软件平台5 15 3 1 软件功能介绍5 25 3 2 基于h 2 6 4 的网络视频分级保护软件平台关键技术5 45 3 3 基于h 2 6 4 的网络视频分级保护软件平台演示5 55 4 小结5 8结论与展望5 9参考文献6 1硕士期间取得学术成果6 5致谢6 7第1 章绪论1 1 研究背景及意义第1 章绪论1 1 1 信息安全及视频安全保护2 1 世纪以来，人类进入了信息时代。随着计算机的普及，信息量、信息传播速度、信息处理速度以及应用信息的程度等都以几何级数的方式不断增长，信息在整个社会中占有绝对重要的地位。我国正在以快速、稳健的步伐迈入信息化。信息产品及信息服务的快速获取和方便利用为人们生活、商业活动、社会管理带来了极大的方便，为我国生产发展提供重要的保障。2 0 0 8 北京奥运会利用数字电视、数字广播、计算机网络、移动通信设备等多种方式，实现全球方便快捷地获取智能化、个性化的信息服务。现国家各级政府职能部门普遍采用的电子政务系统将电子信息技术与管理方法有机结合，既为政府提高了办事效率和质量，同时又节省了政府开支，起到反腐倡廉的作用。信息时代里，我国信息产业规模不断壮大，综合竞争力明显提高。我国政府高度重视信息技术发展，提出了电子信息产业调整和振兴规划等政策支持，大力发展信息产业科学技术。我国现阶段信息技术和产业正在高速发展，呈现出空前繁荣的景象。随着政治、经济、产业和社会对信息化依赖的程度越来越高，信息安全已成为社会各行业不可忽视的重要保障技术。一方面生活中越来越多的事物被信息数据化，信息的高效、便利使其逐步成为企业运行的基础，信息本身具有了高度机密性和重要性，特别是那些重要信息系统的数据，更成为关系国家安全、经济命脉、社会稳定等各个方面的重要问题! 另一方面，信息数据携带的商业及政府机密也成为不法分子垂涎的对象。对于信息的窃取、篡改及破坏行为变得有利可图，计算机病毒、黑客攻击等威胁信息安全的事件层出不穷。曾经美国国际数据集团对美国发生过信息灾难的公司情况进行了统计，5 5 的公司立即倒闭，2 9 的公司在两年后倒闭。在震惊世界的“9 1 l ”恐怖袭击事件中，由于入驻世贸中心的公司数据瞬间被毁，导致许多公司无法继续运营。而近期发生在国内的“力拓事件 也充分证明了信息安全的重要性。因此必须采取安全有效的措施，在设备、行为、数据及内容方面保障信息的安全、可信、可用和不可抵赖【l j 。必须强有力的发展信息安全保护技术，提高信息化的综合效益，为我国经济发展和综合国力的提高提供安全可靠的保障。北京工业大学t 学硕十学位论文信息传播的主要方式是语言、文字和图画。经过几千年的演变与发展，现代信息有数据资料、多媒体视频、语音、图像等多种形式。各种信息共同构成了生产生活中不可缺少的内容。尤其在数字电视，电话通信、资料检索等服务中，新兴的信息科学技术更是为2 l 世纪人类文明的前进提供了重要的推动力。随着通信技术和互联网技术的高度发展，一种新的视觉信息服务走上了舞台。其依靠准确清晰的图画质量、方便快捷的获取方式以及智能快速的工作效率广泛应用到政治、经济、。军事、教育等各行各业j 成为信息服务界的新宠，这就是在线多媒体服务【2 】。在线多媒体服务是利用计算机、通信、互联网等技术将图像、声音融合，提供点对点的实时视频服务。现代社会主要提供的在线多媒体服务有视频点播、可视电话及网络视频聊天、视频会议等。人们可以通过视频点播足不出户点播喜爱的电视、电影，同时采用新一代视频压缩编码技术的高清数字电视可以给点播者提供豪华的视觉盛宴。可视电话及网络视频聊天为远隔千里的亲朋好友提供了更亲近的交流方式，让人们体会到了“身隔千里远，情系一线间 的快感。视频会议作为在线多媒体服务的又一方式，为企业单位和政府军事机构提供了高效的沟通媒介。使用视频会议系统不但可以节省昂贵的出差费用，并且能够在短时间内提供决策，提高工作效率。正如信息数据具有机密性一样，视频信息的安全同样至关重要。而多媒体视频信息数据量大、冗余度高、传输实时等特点使得视频信息安全保护具有更复杂的需求。早期的视频保护方法主要依赖于权限控制，授权用户通过用户名和密码得到视频的接收权限，视频数据本身并没有被加密，视频在传输过程中存在被窃取的隐患【3 】。据国家安全计算机应急响应中心2 0 0 8 年数据显示，信息安全事件的1 0 左右均是由内部人员作案。因此仅仅控制权限而不加密视频数据的做法安全性极低，必须对视频数据内容进行加密以提高安全性。现阶段国内外诸多学者在视频压缩编解码基础上进行视频安全保护研究，提出了许多优秀的视频加密算法。算法选择视频压缩编码过程中的重要数据信息和关键编码位置，采用置乱、密码算法加密或数学的方法对视频信息进行加密。多数的算法取得了较好的性能，如安全性高、加密速度快，但现阶段的视频安全保护技术研究仍存在两方面的问题：性能难以兼容，实际应用能力不强。安全性和加密速度历来难以协调，而现阶段的视频加密算法多通过加密数据量的增大提高算法安全性，数据量增大必然导致加密速度降低。此外，现阶段的视频加密算法研究多以提高性能为出发点，算法设计时未考虑其应用能力，导致许多视频加密算法华而不实。现代广为应用的多媒体视频服务多运行于网络或专有通信信道中，传输速度快，需要有效率较高的加密方法提供高速的加密措施。各种在线多媒体服务的应用场合及性能要求有所不同，仅采用单一的加密算法进行加密不能满足其需求。需要有分级的视频安全保护方案提出。综合在线多媒体服务的众多特点，需要在安全性、加密速度、适应性等方面发展视频安全加密技术，确保多媒体视频服务的安全运行。第1 章绪论1 1 2 基于h 2 6 4 的视频加密及网络视频分级保护技术需求视频信息具有数据量大、冗余度高等特点，直接对其进行传输、存储不但占用大量空间，并且速度缓慢，不能满足应用需求，因此需要对其进行压缩编码等处理，去除冗余。视频压缩编解码技术是实现视频存储、传输的基础，通过对视频数据的变换、量化、编码等一系列操作，去除时间和空间冗余度，将视频图像转换为高压缩比的数据信息。现有的视频压缩编解码标准主要有国际标准化组织和国际电工委员会( i s o i e c ) 提出的m p e g 系列以及国际电信联盟( r r u t )制定的h 2 6 x 系列。1 9 9 7 年，为解决压缩的高效问题，以上两个组织联合制定了h 2 6 4 视频压缩编解码标准。h 2 6 4 具有编解码效率高、视频画面质量清晰，网络适应能力强、应用场所丰富等特点。现今h 2 6 4 已在视频通信、压缩、存储等方面发挥重要的作用，并已成为实时视频通信系统、数字高清电视及蓝光d v d制作等领域的关键技术。网络适应能力强的特点使得h 2 6 4 成为网络多媒体视频进行压缩编解码的应用热门。h 2 6 4 具有视频编码层和网络提取层两层结构，可以适应多种网络传输协议。其灵活宏块结构、高精度运动补偿、帧内预测、熵编码及差错恢复等技术便于压缩视频在误码、丢包多发的移动信道及p 信道中传输。h 2 6 4 视频压缩编解码技术既可以工作在实时通信应用低延时模式下，也可以工作在没有延时的视频存储或视频流服务器中【4 】。现代网络多媒体服务如视频点播、网络可视电话与视频聊天、视频会议的各大提供商都加大研发力度促进h 2 6 4 视频压缩编解码技术与所提供服务的融合，将h 2 6 4 作为今后视频服务编解码的核心技术。h 2 6 4 视频压缩编解码标准良好的发展势态使得针对h 2 6 4 压缩编解码的视频安全保护工作也亟待发展。早期的视频加密算法主要有q i a o 和n a l l r e d t s t 提出的! a 算法【5 】，w e e 和a p o s t 0 1 0 p o u l o s 提出的分层加密算法【6 】，t a i l g 提出的基于m p e g 流的口b 帧结构的分块加密方案【7 】等。由于h 2 6 4 视频压缩编解码技术产生较晚，现今针对h 2 6 4 标准的视频加密算法较少，技术尚不成熟。传统的视频加密算法多对压缩后的数据进行加密，以加密数据量的增多换取安全性，难以满足实时性需求。因此，需要结合h 2 6 4 标准压缩编解码特点，在变换、量化、编码的过程中进行数据加密，研究适用于h 2 6 4 视频压缩编解码标准的视频加密算法。同时针对网络多媒体服务的多种应用场合和加密需求，设计基于网络的分级视频保护方案，为h 2 6 4 视频压缩编解码技术的普及应用提供安全保障。北京t 业大学工学硕士学位论文1 1 3 课题来源本课题来源于北京市自然科学基金项目视频信息安全技术研究。h 2 6 4 作为新一代视频压缩编解码技术，已广泛应用于数字广播电视、网络多媒体服务、3 g 视频电话等领域。其广阔的应用空间及良好的发展态势使得研究适合h 2 6 4 视频压缩编解码标准的视频加密技术成为必需。此项目通过对h 2 6 4 视频压缩编解码标准的深入研究，提出了多种高效的h 2 6 4 视频加密算法，同时制定基于h 2 6 4 的网络视频分级保护方案并开发软件平台，此项目现已圆满结题。所提出的h 2 6 4 视频加密算法及网络视频分级保护方案对于h 2 6 4 视频安全保护工作具有积极意义1 2 国内外研究现状1 2 1h 2 6 4 视频加密算法研究现状h 2 6 4 视频压缩编解码技术的应用涵盖了目前大部分的多媒体服务，如有线电视远程监控、交互媒体、数字电视、视频会议、视频点播、流媒体服务等。h 2 6 4 为解决不同应用中的网络信道传输差异，采用了分层设计，分别定义视频编码层及网络提取层，用以视频编码和网络打包传输。同时其在视频编码层采取帧内预测、多模式运动估计、熵编码等先进技术实现了视频压缩的高效性和传输的高可靠性蝉j 。在h 2 6 4 视频压缩编解码过程中，帧间预测中的运动矢量差( m 、) 、整数离散余弦变换中的d c t 系数、熵编码的语法元素等均是影响编码质量的关键信息，网络提取层的数据包格式头信息以及编码后的数据也非常重要。现今国内外提出的基于h 2 6 4 视频压缩编解码标准的视频加密算法多在视频压缩编码过程中，选择上述位置对关键数据进行加密、置乱操作，以达到视频加密的作用。有些算法取得了较好的加密效果，但在安全性与实时性的兼容、算法实际应用方面，各算法性能尚不能令人满意。2 0 0 4 年j i i l l l 锨l 岫，h i u k j a e s l l i m 提出了置乱帧内预测模式字算法【9 1 。此算法选择代表帧内预测模式的关键字进行置乱。在解码端，加密后视频由于帧内预测模式错误，视频图像将无法被解码恢复，从而达到视频加密的目的。算法在不改变编码方式及码率的情况下，加密效率较高，但加密空间小，对视频信息提供的保护相当有限，由于未对关键帧和d c t 系数加密，加密的安全性并不能达第1 章绪论到应用需求。中国科技大学的曹奕、张荣等人对h 2 6 4 视频压缩编码过程中整数离散余弦变换( d c t 变换) 进行研究，提出了若干基于d c t 系数的视频加密算法【l o 】。这些算法破坏了d c t 系数的统计特性，使系数处于及其无序的混乱状态，达到了加密效果。但算法占用计算机资源较大，随着d c t 系数置乱空间的增大，算法将具有较大的计算复杂度及时间的延迟。s 1 l icg 、b h a r g a v ab 等提出加密d c t 系数符号位和运动失量相结合的算法【1 1 1 。同单独加密d c t 系数或运动矢量的算法比较，该算法兼顾了背景图像与运动图像的保护，但d c t 系数符号仅有o 、1 两种可能，仅加密符号的安全性较低。算法因为一些视频内容可见而不能提供足够的安全性。南京理工大学的廉士国等人提出了直接加密d c t 系数算法【1 2 】。该算法将d c 系数和a c 系数分开加密，采用s e 算法仅加密帧间预测残差数据的d c 系数，同时采用s e 算法加密帧内d c t 系数的d c 、a c 系数。该算法将预测信息和d c t 系数一起加密，增加了加密空间，安全性比单纯的对d c t系数进行s e 算法加密有了很大提高，但由于加密数据量较大、加密方法繁琐，算法的实时性在实际应用中将会受到限制。以上国内外提出的h 2 6 4 视频加密算法比起早期的完全加密算法在实时性，数据可操作性方面有很大提高，其中一些算法安全性也很高。但算法在安全性和实时性的兼顾方面还有待改善。大多数的加密算法新颖，却没有相应的使用对象，应用性能不强。1 2 2 网络视频分级保护技术研究现状网络在线多媒体现已进入高速成长期，已发展为视频在线交流，网络视频点播，数字电视、3 g 多媒体、流媒体服务等多种形式，h 2 6 4 、m p e g 等先进技术都为其提供画面质量清晰，传输速度快的视频服务。主要的网络多媒体服务有三类：网络视频点播、可视电话与网络视频聊天、视频会议。视频点播服务中视频在网络的传输速度快，典型的视频流速率可达3 6 m s ，用户可以对视频进行拖动、快进、快退等操作。可视电话与网络视频聊天是现今较为流行的在线交流方式，其要求网络画面和语音正常进行，没有时延和中断。同时此类服务由于涉及个人隐私，所以具有比较高的安全性需求。视频会议多应用在高机密的场合，会议内容多涉及军事、商业秘密，要求快速安全的传递信息。因此视频会议服务保护需要克服网络阻塞、延迟等各种问题，达到极高的安全性和实时性指标。现阶段国内外对于网络多媒体服务的保护多采用身份认证、视频流数据加密及视频系统硬件安全保护等方式。而在视频压缩编码过程中加密视频的方法极少，这种情况不利于在线多媒体服务实时性的提高。已有的h 2 6 4 视频加密算法一5 一北京t 业大学工学硕士学位论文对于网络视频服务的多重安全需求考虑不多。并没有针对网络多媒体不同需求的分级视频保护方案提出。1 2 3 新一代视频安全保护技术的性能需求随着计算机的普及，通信、互联网技术的不断发展，现代的多媒体视频主要存在两方面的发展趋势：高清视频和在线多媒体。高清视频是指具有较高分辨率的电视、电影，如高清数字电视( h d t v ) 、h d d v d 、蓝光光碟等。现在中央电视台、春节联欢晚会、各省卫视均己先后采用高清数字电视进行节目转播。h d d v d 、蓝光光碟也成为电影发行的主要物理介质。更有专门播放高清晰电影的硬件播放器问世，为人们提供了震撼的视觉享受。通常把物理分辨率达到7 2 0 p ( 1 2 8 0 宰7 2 0 ) 以上的格式称作高清，而h d t v的分辨率更可达到1 0 8 0 p ( 1 9 2 0 宰1 0 8 0 ) 的超高清标准【1 3 】。我国高清视频现多采用m p e g 、h 2 6 4 进行视频压缩编解码，编码效率最高可达2 0 m b s 。一部7 2 0 p的电影经压缩后通常为4 g 左右，而1 0 8 0 p 的超高清电影经压缩后大小为8 g 左右。可见，高清视频具有编解码速度快，压缩后数据量巨大的特点，因此对于h 2 6 4 压缩编码视频的加密算法应具有较好的加密速度以及格式兼容性。在线多媒体服务依靠网络、通信信道等介质提供点对点的在线视频服务，主要有网络视频点播、可视电话与网络视频聊天、视频会议等形式。由于互联网常常受到网络攻击，存在网络带宽及网络传输阻塞等限制，网络在线多媒体服务对于视频的保护需要同时考虑网络性能因素。对于视频电话和视频会议，网络时延限制严格，需要端到端时延小于1 s ，最佳小于1 0 0 m s 【1 4 】。编解码参数需可以实时调整，编解码的复杂度不能非常高。对于网络视频点播等流媒体服务，初始化时延应在1 0 s 以内，并且具有高效的编码性能。通常流媒体服务使用不可靠的传输协议，所以编码时需要较强的安全保护。视频数据量巨大、h 2 6 4 视频压缩编解码技术的高效性、网络传输环境不理想、在线多媒体视频服务的需求多样性等因素决定了基于h 2 6 4 视频压缩编解码标准的视频安全保护技术研究需要考虑诸多因素。一方面需要在安全性、实时性、压缩比影响、格式兼容性等方面提高h 2 6 4 视频加密算法的性能；另一方面应考虑设计网络视频分级保护方案，总结现有的及新提出的h 2 6 4 视频加密算法各方面性能，结合网络多媒体服务的环境特点及服务需求，选择合适的视频加密算法进行安全保护，实现网络多媒体服务安全性能提高及网络资源的合理利用。第1 章绪论1 3 研究内容及论文安排1 3 1 研究内容本文基于网络多媒体及h 2 6 4 视频加密技术的需求，着力于进行以下研究工作：( 1 ) 分析h 2 6 4 标准的视频加密原理及网络多媒体特点、加密需求。深入分析h 2 6 4 视频压缩编码标准，并利用j m 7 3 测试平台深入学习h 2 6 4视频压缩编码过程，将已有的视频加密算法在h 2 6 4 视频压缩编码测试平台中进行加密测试。同时分析网络多媒体传输性能，查阅相关资料并总结不同网络多媒体服务的加密需求。j( 2 ) 提出了2 种新型高效的h 2 6 4 视频加密算法。深入分析h 2 6 4 视频压缩熵编码过程和已有的熵编码视频加密算法，致力于解决熵编码加密视频不可解码及安全性、实时性兼容问题。通过利用流密码r c 4算法选取重要的位置和数据信息进行加密测试，综合加密测试结果和h 2 6 4 视频压缩编码技术中熵编码特点，本文提出了两种基于h 2 6 4 熵编码的视频加密算法：基于h 2 6 4 熵编码的非零系数幅值加密算法及基于h 2 6 4 熵编码的联合加密m v d 、非零系数幅值算法。通过性能测试，算法能够达到较高安全性和加密速度，实现了安全性和实时性的兼容，同时不改变压缩比和数据可操作性，经算法加密后视频可以在解码端正常解码。( 3 ) 设计具有良好网络适应性的视频分级保护方案。分析现有的基于h 2 6 4 的视频加密算法的各方面性能，将适用于网络视频加密的算法按照安全性划分等级，并根据网络视频服务的不同需求选择合适的视频加密算法设计网络视频分级保护方案。该方案可以利用不同的安全级别算法满足各种网络视频服务的加密需求。( 4 ) 设计并开发基于h 2 6 4 的网络视频分级保护软件。利用v c + + m f c 开发工具，参考已提出的基于h 2 6 4 的网络视频分级保护方案，设计并开发软件平台。软件具有分级加密、性能测试、视频播放功能，同时设有可执行文件接口，方便实现与其他h 2 6 4 视频加密算法无缝连接。软件既可以作为加密工具对网络视频进行安全保护，也可以作为测试工具对h 2 6 4 视频加密算法进行性能测试。北京工j i 业大学t 学硕十学位论文1 3 2 论文安排本论文通过深入研究h 2 6 4 视频压缩编解码技术，充分分析并测试前人提出的基于h 2 6 4 标准的视频加密算法，同时对网络多媒体服务需求特点进行充分调研，提出了两种基于h 2 6 4 熵编码的视频加密算法，并设计网络视频分级保护方案，开发相应软件平台。论文将在第二章中详细介绍视频压缩编解码技术的发展，以及h 2 6 4 视频压缩编解码技术。将全面的阐述h 2 6 4 视频压缩编解码标准的特点、应用前景，以及其编解码关键技术。第三章将介绍基于h 2 6 4 标准的视频加密算法研究现状。论文首先介绍密码学的相关知识，包括密码学体制、经典密码学算法、密码攻击。之后介绍视频加密算法的主要性能指标，包括安全性、加密速度、压缩比影响及数据可操作性。最后论文将总结已有的基于h 2 6 4 标准的视频加密算法，并分析其加密原理。论文将在第四章中介绍提出的两种新型的h 2 6 4 视频加密算法：基于h - 2 6 4熵编码的非零系数幅值加密算法、基于h 2 6 4 熵编码的联合加密m ) 、非零系数幅值算法。论文将分别详细介绍算法的加密原理及程序实现，对算法进行测试，并分析算法在安全性、加密速度、压缩比影响及数据可操作性方面的性能及应用前景。论文第五章将介绍提出的基于h 2 6 4 的网络视频分级保护方案及软件平台。详细分析第三、四章中介绍的h 2 6 4 视频加密算法性能，提出网络视频分级保护具体方案。同时论文将详细说明所提出软件平台的设计方法、关键技术，并展示其使用界面。一8 一第2 章h 2 6 4 视频乐缩编解码标准简介第2 章h 2 6 4 视频压缩编解码标准简介2 1 视频压缩编解码技术及其发展随着电子信号与计算机技术的飞速发展，人们已从模拟信号通信时代跨入了数字多媒体通信时代。早期视频的存储、传输都采用模拟方式，通过在电磁信号上建立变化来支持图像和声音信息的传播和显示。模拟视频容易受到环境、设备的不稳定影响，产生较大噪声干扰，画面质量差。现阶段视频处理均采用电子转换器对模拟信号进行数字化，消除噪扰便于存储传播。虽然数字视频具有画面清晰，便于处理的优点，但模拟视频数字化以后，造成了数据量的爆炸性膨胀，对存储容量、传输带宽、计算机处理能力提出了很高的要求。必须对数字视频进行压缩编解码处理，减少冗余以便传输和存储。视频压缩编解码的目标是在尽可能保证视频效果的前提下减少数据冗余。主要技术包括图像分割、运动估计、预测编码、变换编码等【l5 1 。图像分割就是将图像分成各具特性区域，并提取感兴趣目标的技术过程。其主要参照阈值、图像边缘、颜色聚类等进行分割，常用的图像分割技术有基于直方图的分割技术、基于邻域的分割技术、基于物理性质的分割技术等【i6 】【l7 1 。运动估计的基本思想是将图像序列的每一帧分成许多互不重叠的宏块，并认为宏块内所有像素的位移量相同，然后根据一定的匹配准则在参考帧某一给定搜索范围内找出与当前块最相似的匹配块，匹配块与当前块的相对位移即为运动矢量。视频压缩编码的时候，只需保存运动矢量和残差数据就可以完全恢复出当前块。运动估计和运动补偿是视频压缩编解码能取得较高压缩比的核心技术之一。预测编码是根据图像的相邻帧( 块) 之间存在着一定关联性的特点，利用前面一个或多个帧( 块) 预测下一个帧( 块) ，然后对实际值和预测值的差( 预测残差) 进行编码。在同等精度要求的条件下，可以用比较少的比特进行编码，达到压缩数据的目的。视频压缩编解码技术的发展主要由两个国际性标准组织推动：国际电信联盟i t u t( i n t 锄a t i o n a lt e l e c o m 删】1 1 i c a t i o nu i l i o n ) 、国际标准化组织与国际电工委员会i s 伽e c ( h l t e n l a t i o n a ls t a l l d a r d i z a t i o n o r g a i l i z a t i o i 】h l t 锄a t i o n a le 1 e c 廿o t e c l l i l i c a lc o m 嘶s s i o m 。i t u t 致力于电信应用，已制定了用于低比特率视频电话的h 2 6 x 标准，如h 2 6 1 、h 2 6 2 、h 2 6 3 、h 2 6 4 等。i s o i e c 主要针对消费类应用，针对运动图像压缩制定了m p e g 标准，包括从m p e g 1 、m p e g 2 、北京t 业大学工学硕七学位论文m p e g 4 直到最新发展的m p e g 7 和m p e g 2 1 。h 2 6 4 是由i t u t 与i s o i e c联合制定的新一代视频压缩编解码标准，其目的在于解决压缩的高效性和传输的高可靠性。各种视频标准都是根据人们在不同领域中对视频数据的要求所制定，并随着人们的要求不断发展。视频压缩编解码标准按制定时间的发展历程可以用下图进行表示。i t u th 2 6 lh 2 6 3h 2 6 3 +h 2 6 3 + +s t a n d a r d sj o i n th 2 6 2h 2 6 4m p e g 一4i t u t m p e gm p e g 一2a v cs t a n d a r d sm p e gm p e g le g 一4s t a n d a r d s1 9 8 4 1 9 8 619 8 81 9 9 0 1 9 9 2 1 9 9 4 1 9 9 6 1 9 9 8 2 0 0 02 0 0 2图2 1 视频压缩编解码标准发展图f i g 2 一l 访d e oc 伽叩r e s s i o ns t a i l d a r dd e v e l o p m e n tp l 锄h 2 6 1 是i t u t 针对双工视频会议应用，为支持4 0k b s 一2m b s 的综合业务数字网i s d n 而设计的。它是第一个主流视频压缩标准。它采用帧间预测和离散余弦( d c t ) 变换的混合编码方法，可有效减少时间和空间冗余度，同时具有较低的计算复杂度。由于主要用于对延迟敏感的双向视频，因此h 2 6 1 仅允许采用i 与p 帧编码，而不允许b 帧编码【1 8 】。m p e g 1 标准主要应用于数字媒体上动态图像与音频的存储与检索，如c d 、v c d 及非对称数字用户线路( a d s l ) 、视频点播、教育网络等。其采用块方式的运动补偿、离散余弦变换( d c t ) 、量化等技术，允许采用b 帧，但仅支持逐行扫描。m p e g 1 的编码速率最高可达4 5m b s ，但随着速率的提高，其解码后的图象质量有所降低。m p e g 2 是专门针对数字电视而开发的，用于对标准清晰度电视和高清晰度电视的编码，码率可达到1 0 0m b s 。在m p e g 1 的基础上，m p e g 2 标准在提高图像分辨率、兼容数字电视等方面做了一些改进，在编码运算中( 如运动估计和d c t ) 区分“帧 和“场”；引入了编码的可分级性技术。m p e g 2 在4 8m s时达到的质量适合消费类视频应用，很快在数字有线电视、d v d 以及高清电视等应用中得到普及，并且从技术上促进了计算机、广播电视、数字通信三大领域的交汇融合【1 8 】【1 9 1 。第2 章h 2 6 4 视频压缩编解码标准简介h 2 6 3 是i t u t 为低于6 4 k b s 的窄带通信信道制定的视频编码标准。其在h 2 6 1 的基础上作了很多改进，增加了4 个运动矢量、3 d v l c 等功能，进一步改善图像质量，提高压缩比。m p e g 一4 是i s o i e c 针对视频会议、视频电话的超低比特率提出的编码标准。以h 2 6 3 为基础，其新增了可变块大小运动补偿、上下文自适应帧内预测等工具。在4 8 6 4 k b s 的低传输速率下可以极少的数据获得最佳的画面质量。在m p e g 4制定之前，m p e g 1 、m p e g 2 、h 2 6 1 、h 2 6 3 标准都是采用第一代压缩编码技术，着眼于图像信号的统计特性来设计编码器。而m p e g - 4 利用了基于模型对象的第二代压缩编码技术，其从轮廓、纹理思路出发，支持基于视觉内容的交互功能，这适应了多媒体信息的应用由播放型转向基于内容的访问、检索及操作的发展趋势【l9 1 。h 2 6 4 是由i s o i e c 与i t u t 组成的联合视频组( j v t ) 制定的新一代视频压缩编码标准。着力于解决压缩的高效性和传输的高可靠性，其在压缩编码效率和网络适应性等方面都取得了惊人的进步，现数字高清电视、视频会议、视频监控的服务都以采用h 2 6 4 的兼容为主要技术目标【2 0 1 。2 2h 2 6 4 视频压缩编码原理2 2 1h 2 6 4 视频压缩编解码标准特点h 2 6 4 是新一代视频压缩编码标准，着重于解决压缩的高效率和传输的高可靠性。在相同的重建图像质量下，h 2 6 4 的编码效率可比h 2 6 3 和m p e g 4 提高