（计算机软件与理论专业论文）基于davinci技术的视频安全传输的设计与实现.pdf

论文题目：基于d a v i n c i 技术的视频安全传输的设计与实现 专业：计算机软件与理论 硕士生：李勇强 指导教师：孙伟 摘要 在视频信息逐渐成为媒体核心的时候，为了保证视频信息的安全性，视频信 息加密技术也成为人们关注的焦点。而d a v i n c i 技术为我们提供了一个很好的平 台，它集成了处理器，开发工具，软件以及系统专业技术这四个要素，能够实现 数字视频、音频、语音、话音技术，为数字媒体信息提供了很多接口，大大方便 了软件的开发。 本文从直接加密算法、选择性算法和加密与压缩编码相结合等三个方向总结 了以往对视频信息进行加密的安全技术的研究状况和各自的优缺点，结合加密与 压缩编码相结合的方法具有计算复杂度较低，能够满足视频信息的实时性的特点 来加密视频数据。着重研究了基于h 2 6 4 编码标准的视频加密技术，根据h 2 6 4 视频压缩编码特点和d a v i n c i 实验平台采用混沌的思想对视频图像置乱进而达到 加密的方法。该方法首先利用b a k e r 映射对d c t 变换量化后的块进行置乱，再 利用l o g i s t i c 映射产生伪随机序列生成密码序列对像素值加密，最后利用l o g i s t i c 映射对熵编码完成后的0 、l 串进行加密。在传输方面主要研究了r t p 协议和 t c p i p 协议，实现了基于t c p i p 通信机制的服务器端和客户端的开发。 关键词：d a v i n c i ，视频，h 2 6 4 ，映射 t i t l e ：d e s i g na n di m p l e m e n to fs e c u r et r a n s m i s s i o no f v i d e ob a s e do n d a v i n e it c c n o l o g y m a j o r ： c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y n a m e ：l i y o n g q i a n g s u p e r v i s o r ：s u nw e i a b s t r a c t i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fv i d e oi n f o r m a t i o n , e n c r y p t i o nt e c h n o l o g yo n v i d e oh a sb e c o m et h ef o c u sw h e nv i d e oh a sg r a d u a l l yb e c o m et h ec o r eo ft h et i m e d a v i n e it e c h n o l o g yp r o v i d e su sw i t ha ne x c e l l e n tp l a t f o r m , w h i c hi n t e g r a t e st h e p r o c e s s o r , d e v e l o p m e n tt o o l s ，s o f t w a r ea n ds y s t e m se x p e r t i s ea n ds oo n t h e r ea r ea 1 0 to fi n t e r f a c e st os p e e du ps o f t w a r ed e v e l o p m e n to nd i g i t a lv i d e o ，a u d i o ，v o i c e ， s p e e c h i nt h i sp a p e r , s u m m a r i z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ed i r e c t e n c r y p t i o na l g o r i t h m , s e l e c t i v ee n c r y p t i o na l g o r i t h ma n dt h ec o m b i n a t i o na l g o r i t h m o fe n c o d i n ga n dc o m p r e s s i o n , c o m b i n a t i o na l g o r i t h mo fe n c o d i n ga n dc o m p r e s s i o n h a sb e e nu s e dt od e a lw i t hv i d e oi n f o r m a t i o nf o ri t sl o wc o m p l e x i t y i ti sa b l et om e e t t h er e a l t i m ep r o c e s s i n go nv i d e oi n f o r m a t i o n v i d e oe n c r y p t i o nt e c h n o l o g yb a s e do n h 2 6 4h a sb e e nr e s e a r c h e de s p e c i a l l y c o m b i n i n gw i t hh 2 6 4v i d e oc o m p r e s s i o n e n c o d i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r md a v i n c i ，v i d e oi m a g ei s s c r a m b l e dw i t hc h a o sm e t h o r dt oa c h i e v ee n c r y p t i o n b a k e rm a p p i n gi s u s e dt o s c r a m b l et h ed c tt r a n s f o r mb l o c k ，t h e nl o g i s t i cm a p p i n gi su s e dt og e n e r a t e p s e u d o - r a n d o ms e q u e n c eg e n e r a t e dp a s s w o r dt oe n c r y p tt h es e q u e n c eo fp i x e lv a l u e s ， a n df i n a l l yl o g i s t i cm a p p i n go fe n t r o p yc o d i n ga f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h e0 ，1 e n c r y p t e ds t r i n gi su s e d t h er t pa n dt c p i pp r o t o c o li su s e di nt h et r a n s m i s s i o n a n dt h es e r v e r - s i d ea n dc l i e n t - s i d ed e v e l o p m e n tb a s e do nt c p i pc o m m u n i c a t i o na r e r e a l i z e d k e yw o r d s ：d a v i n c i , v i d e o ，h 2 6 4 ，m a p p i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名：孝勇织 日期：刀叩年乡月矿日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：孝霭绳 日期：砷年乡月8 日 导师签名：丫降 i i i 期：冲厂月吵日 i 山大学硕+ 学位论文 1 1 课题意义 第一章引言 网络的发展已将视频信息带入媒体信息的核心，数字视频技术将重塑整个电 子行业的面貌，它的飞速发展，极大地改变了人们的生活，且已开始进入我们的 汽车、计算机、移动电话等行业。它以样式多样的方式影响着人们的生活，比如 数字电视、视频点播、视频邮件、可视电话等。视频信息的安全传输也成为信息 安全方面的一个研究热点问题。 提及安全问题我们自然会想到加密，一般的普适应性的算法对码流进行加 密，只要求输入二进制比特流而并不关心其意义，这种加密算法的优点在于它的 普适性，即对任何数据种类均适应。而视频信息具有数据量大，实时性等特点， 实施视频的复杂性要远远超过简单图像与音频的压缩和解压缩，如果对每个比特 的加密必然使算法的效率大大降低，这就对传统的普适性安全算法提出了挑战。 因此需要提出新的安全策略。 在美国t i 公司推出d a v i n c i 平台后，极大方便了对数字视频信息的处理。 在视频开发中有四个关键元素：处理器，开发工具，软件和支持系统【l 】。t i 的 d a v i n c f i m 技术提供了以上四个部分，将数字视频技术集成到一个平台上，使下 一代数字视频终端应用成为可能。该技术提供了优化的软件、开发工具、参考设 计、应用框架和集成的可编程基于d s p 的s o c ，以及用于集成和支持的全面的 系统专业技术，能够简化设计工作【2 】。基于d a v i n e i t m 技术的最新d s p 以更低 的成本为视频安全和监控应用提供双倍性能，且它具有基于数字信号处理的可编 i l 山大学硕士学位论文 程性，可以根据自己独特应用构思开发出功能丰富的独特设备。所以该技术无疑 是数字视频应用的最佳选择，实现视频信息的安全传输将使网络视频会议的安全 性得到保障。 1 2 论文主要工作 由于d a v i n c i 平台比较新且架构与以往的嵌入式处理器差异较大，这就增大 了开发难度。论文的主要工作是在阅读大量的相关开发文档的基础上，深入学习 并研究了d a v i n c i 平台的软件和硬件架构以及开发流程；阅读了视频加密的相关 文献，尤其是针对特定编码技术h 2 6 4 的视频信息加密；封装和移植了编码和加 密程序，并完成了通信的设计。根据d a v i n c i 平台的特点，重写了大部分代码， 使之适合在嵌入式环境运行，并把算法封装成x d a i s 标准的软件模块。 2 l | l 山大学硕十学位论文 第二章视频安全通信研究 2 1 视频信息的特点 在视频信息逐渐成为媒体信息的核心的同时，视频信息的安全传输也成为信 息安全方面的一个研究热点问题。视频信息具有数据量大，实时性等特点，一般 的普适应性的算法对码流进行加密，只要求输入二进制比特流而并不关心其意 义，对每个比特的加密必然使算法的效率大大降低。e u g e n e 概述了在视频数据 中的安全问题【3 】，在视频通信中，既要保证信息的真实性即要保证视频信息的真 实性，又要保证信息的完整性即终端与终端之间数据通讯未被第三方恶意篡改， 还要保证信息的抗否认性即终端与终端之间需要对其所发送和收到的数据进行 确认机密性。预防视频内容被窃听，被篡改，因此需要对视频信号进行处理。 l i n 等人提出一些先进方法对视频信息进行处理，包括加密和视频水印 4 1 等。所 以传统的加密方案( 如d e s 、r s a 等) 无法解决具有实时性和数据量大等特点 的视频信息，为了解决算法的时间复杂度和更好的满足视频信息的实时性需要研 究视频信息的安全策略。 2 2 视频安全技术 2 2 1 视频信息的安全策略 参照o s i 模型，视频信息的安全策略可分为应用层安全策略和网络层安全策 i 山大学硕十学位论文 略【引。 一、应用层安全策略： ( 1 ) 用户认证方案。网络视频传输( 视频会议系统) 中，现有的是h 3 2 3 视频会 议系统，它要对用户的i p 身份进行认证，用于确定终端用户的身份，安全模式 下的视频会议系统是在h 3 2 3 呼叫建立过程( 实现有效的身份认证) 中防止非法用 户的连接，对合法用户进行授权 6 1 。防止第三者的假冒认证的实现可以基于非对 称加密体系，也可以基于对称加密体系。非对称式加密体系通过数字证书的公钥 私钥对，对信息进行加密解密，或者进行数字签名，口令是唯一的标识信息。用 户的口令可以作为信息加密的对称密钥对数据进行加密和解密也可以作为原始 的信息，通过函数对其h a s h 进行单向散列运算，所得到的计算结果可以作为密 钥进行数字签名，接收端进行数字签名的核实，从而实现对用户身份的鉴定。在 身份认证中，涉及密钥的管理问题。密钥的管理是实现实体认证、媒体流加解密 的关键环节，密钥加密体系中对用户口令的管理和公钥加密体系中数字证书的管 理与分发整个安全系统的实现与密钥的管理有着直接的关系【7 1 。 ( 2 ) 安全与加密方案。数据完整性用于证实一个数据包有效数据的完整性， 从而保证在终端与终端之问进行呼叫过程中的有效数据不被修改或损坏。完整性 用于保护数据包的完整，但是它不能保护视频会议系统数据包不受到侵扰。加密 技术是保证数据完整性的一个方法，在这种方法中，只需要将校验数据加密，而 有效数据不必加密，从而减少了每个数据包对加密处理的要求。常常使用对称密 钥实现实时加密操作，这是因为同非对称密钥算法比较，对称密钥运算量小、速 度快，在视频会议系统中为了实现对音频、视频的实时传送，一般采用延时较少 的对称加密算法。另外，曾斌等提出基于密钥数据库( k e y - d a t a b a s e ) 【9 1 的对称式 加密方案，这种加密方式采用随机的方式从数据库中取出密钥来加密数据，从而 使暴力破解的时间加长。基于独有的加解密技术则用于避免数据被窃听，即使一 个已加密的数据包被其他人得到，如果没有相应的解密算法和密钥，该数据包仍 是无法打开的。 二、网络层安全策略 基于网络的企业视频会议系统还应充分利用i p 网络层现有的i p s e c 协议f 互 4 f i 山大学硕十学位论文 联网协议安) ，提出网络层的安全解决机制【引。i p s e c 作为在i p v 4 及i p v 6 上的加 密通讯框架，已为大多数厂商所支持而成为实际上的v p n ( 虚拟专用网v r t u a l p r i v a t en e t w o r k ) 技术标准。i p s e c 主要提供i p 网络层上的加密通讯，为每个i p 包增加了新的包头格式，使用i s a k m p o a k l e y 及s k i p 进行密钥交换，管理和 加密通信。 2 2 2 视频信息的数据加密 视频信息安全的目标就是要保证视频信息的保密性、完整性、真实性、不可 否认性、访问的可控制性、可用性等。目前存在两个领域研究视频加密算法 ( d v e ) 【m j ，一个是视频信号处理领域，一个是密码学领域。前者侧重于计算复杂 度、加密对压缩性能的影响、转码特性和传输透明性等问题；后者侧重于计算复 杂度和密码学分析等问题。 传统的数据加密算法多数是基于置换和代换的思想，通常具有较高的计算复 杂度，由于多媒体数据具有数据量大的特点，因此，直接将传统的数据加密算法 应用于多媒体数据加密，由于很难用软件快速实现加解密算法，而难以满足多媒 体通信的实时性要求。而且多媒体数据通常需要进行压缩编码，直接将传统的数 据加密算法应用于多媒体数据加密，很可能破坏原有的多媒体码流格式，从而违 背原有的多媒体编码标准，甚至可能违反多媒体通信协议标准。因此要解决视频 信息的安全问题，需要考虑多方面的因素。针对多媒体信息的加密，主要有三类 【l l 】，直接加密算法、选择性加密算法和加密与压缩编码相结合的方法。其加密原 理如图2 1 所示。 山大学硕十学位论文 图2 - 1 三种多媒体信息加密方法 ( 一) 直接加密算法：用传统的数据加密算法直接对数据进行加密，媒体信 息被看成纯比特流，采用经典的加密算法，加密在压缩编码后进行。虽然直接加 密算法安全性高，但计算复杂度提高了。为了提高效率，q i a o 和n a h r s t e d t 提出 了一种v e a 的加密方法f 1 2 】。该方法是将明文块分成奇数块和偶数块，将奇数用 d e s 加密得到密文的一半，密文的另一半是明文的偶数部分和奇数部分异或得 到的结果。这样，加密后的密文就是这两部分的拼接，从效率上说提升了一倍。 还有一种思想是将奇数部分再分半，这样复杂度降为原来的四分之一。也有算法 是通过置乱来实现加密的，可以选择不同的块长度，置乱区域的分块长度越长， 置乱空间越大，密码强度越高，安全性越好。但是直接加密方法改变了视频数据 的格式而使其失去了相容性，同时也增加了视频数据的操作难度。 ( 二) 选择性加密算法【1 3 】：选择实际数据加密，部分加密多媒体数据，可以 选择加密不同的帧和块，置乱d c t 系数，加密d c t 系数符号和运动向量符号， 置乱频域数据和符号加密相结合等等。最基本的选择加密算法是基于m p e g 的i 6 i i l 山大学硕十学位论文 帧、p 帧、b 帧的结构的。如仅仅加密其中的i 帧，知道了p 帧和b 帧，但无法 解密出i 帧，从概念上将是没有用的。这样虽然可以获得较快的加密速度，但是 却破坏了帧问的相关性。甘小莺等根据视频序列的i 、p 帧传输特性，提出了一 种基于伪随机序列的视频图像加密新算法【1 4 】。t a n g 提出了一种将选择性加密和 附加头信息结合到一起从而产生一种新的视频流，我们可以对附加的头信息进行 加密【2 们。侯会满等人提出了一种基于匹配追逐的视频压缩加密方案【1 5 】，该方案 首先构造基于匹配追逐的视频压缩平台，由于视频信号经匹配追逐分解后，其分 解系数的分布取决于字典的选取和输入信号空间特性，即变换系数的分布是随机 的，再对变换系数进行完全加密，提高数据的安全性而不会改变压缩效率。选择 性加密算法虽然提高了效率，但是破坏了数据的兼容性，安全性降低了。 ( 三) 加密与压缩编码相结合的方法：对不同的压缩编码方式采用相应的加 密算法。w e n 提出使用定长和变长编码同时进行加密的方法1 1 6 l 。即直接对编码 表进行置乱，也可以通过加密码字的序号加密码流。陈真勇等深入探讨了视频数 据在空域、频域以及运动矢量上的置乱策略与方法【1 7 1 。廉士国等提出一种基于 图像库编码的图像和视频安全传输方案，通过隐藏图像库、置乱图像库和加密编 码码流实现不同的安全保密等级【1 8 】。k u o 和w u 提出采用多种哈夫曼树的加密方 法，采用多种熵编码的统计模型，通过密钥来控制模型的选择实现视频编码中的 加密【1 9 l 。如我们可以选择其它不同的1 1 个哈夫曼编码表作为基本的编码表。对 于一颗哈夫曼树，它的每个结点的两个子结点都可以置为“0 或“l ，假设这 颗哈夫曼树有m 个叶子节点，则非叶结点数为m - 1 ，这样总共有2 ( m - 1 ) ( n + 1 ) 种 哈夫曼树供选择，编码过程可以通过密钥控制来选择其中一种哈夫曼树，从而实 现加密。对于只知密文的攻击者，搜索空间为哈夫曼树的个数，但对于已知明文 的攻击，此方法是不安全的，于是作者又提出了增加加密强度和系统安全性的方 法，一是在加密后的比特流中随机插入比特位，以破坏已知明文攻击是的同步； 二是在编码和加密的过程中，将明文分段，每段采用不同的密钥，这样在熵编码 时每部分采用不同的哈夫曼树，这就增加了攻击者破译的难度。虽然这种加密方 法没有直接加密和选择性加密的安全性高，但是它的计算复杂度较前两种有大大 的降低，能够满足视频信息的实时性。 7 i 山大学硕十学位论文 而参照o s i 模型，视频加密算法又可分为两类，应用层和网络层。应用层加 密流程是编码一加密一打包。应用层对加密视频的网络传输性能考虑较少，主要 侧重于如何解决视频加密的实时性问题。分为压缩前加密、压缩域加密1 2 0 】【1 6 1 、 基于熵编码加密和熵编码后加密【2 1 】等。压缩前加密通过改变像素值的大小和分 布特点实现加密。这类算法一方面显著地改变视频信号的统计特性从而降低数据 压缩率，另一方面未压缩视频数据的空间和时间高度相关性，为有效的密码分析 攻击提供了可能。压缩域加密通过加密编码中的特殊域，如头信息、d c t 系数 符号加密、a c 系数、d c 系数、s l i c e 块、运动向量系数等来实现加密。该类算 法包括i 块、d c t 块系数置换，d c 系数和d c t 符号以及i 帧加密，线性变换 d c t 系数值，运动向量和运动向量符号加密，块置换加密和基于混沌算法的加 密。此类算法可能改变d c t 系数的能量分布，造成压缩效率的降低；另外编码 的错误可隐藏和错误可恢复( e r r o r - r e s i l i e n c e ) 特性和帧间相关性可造成信息泄 露。基于嫡编码的加密，把熵编码作为密钥，用多个熵编码表编码量化后的数 据，保密的嫡编码表内容和顺序可作为解密的密钥。此类算法，一方面密钥空间 有限，另一方面造成编码效率的降低。 而网络层加密流程是编码一打包一加密。网络层加密主要是d v b c s a ( d v b c o m m o ns c r a m b l i n ga l g o r i t h m ) 加密算法【1 们，一个标准化但是非公开的算法，几 乎被广泛地应用于付费的实况直播d v b 流的保护。d v b c s a 算法基于d v b 来 加扰，仅仅加密负荷数据，保持包头和信号数据为明文。网络层加密可以克服网 络节点处理性能差的问题，降低转码处理计算复杂度并且实现无需解密而实现转 码，另一方面还可以提高终端设备处理加密视频的错误的能力。 通过以上分析可见：将视频数据看成普通数据的直接加密方法主要采用传统 的加密算法，具有高安全性，但实时性较差。选择性加密算法可以满足不同的安 全性需求。加密与压缩编码相结合的方法具有快速性、数据格式的相容性和数据 可操作性等优点，而且实时性也很好。它们各有各的优缺点，在将来也有继续发 展和研究的领域。 本文主要研究h 2 6 4 的编码标准以及在编码的基础上实现视频加密，利用 h 2 6 4 视频编码标准，设计有效的传输方案来解决远程活动图像传输系统中存在 2 一 - 山大学硕十学位论文 的清晰、实时、高效、可靠性问题【2 2 】。 2 2 3 视频编码技术h 2 6 4 h 2 6 4 ，或称m p e g 4 第十部分，是由i t u t 视频编码专家组( v c e g ) 和 i s o i e c 动态图像专家组( m p e g ) 联合组成的联合视频组( t ，j o i n tv i d e o t e a m ) 提出的高度压缩数字视频编解码器标准。h 2 6 4 是一种高性能的视频编解 码技术。目前国际上制定视频编解码技术的组织有两个，一个是“国际电联 ( i t u t ) ，它制定的标准有h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 3 + 等，另一个是“国际标准化 组织( i s o ) 它制定的标准有m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 等。而h 2 6 4 则是 由两个组织联合组建的联合视频组( t ) 共同制定的新数字视频编码标准，所 以它既是i t u t 的h 2 6 4 ，又是i s o i e c 的m p e g 4 高级视频编码( a d v a n c e d v i d e oc o d i n g ，a v c ) ，而且它将成为m p e g - 4 标准的第1 0 部分。因此，不论是 m p e g 4a v c 、m p e g 4p a r t1 0 ，还是i s o i e c1 4 4 9 6 - 1 0 ，都是指h 2 6 4 。h 2 6 4 最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，h 2 6 4 的压 缩比是m p e g 2 的2 倍以上，是m p e g 4 的1 5 1 倍，h 2 6 4 还具有高压缩比 的同时还拥有高质量流畅的图像。与早期的视频压缩编码标准，h 2 6 4 1 3 0 l 主要优 点如下： l 、相同的重建图像质量下，比h 2 6 3 + 和m p e g - 4 减少5 0 的码率，h 2 6 4 通过对传统的帧内预测、帧间预测、变换编码和熵编码等算法的改进来进一步提 高编码效率和图像质量。块的大小可变四分之一高像素精度的运动估值参考帧运 动估值，参考图像的选取与其编码方式无关，加权预测，使用循环内的消除块效 应滤波器，更好的熵编码算法c a v l c 和c a b c d ； 2 、对信道时延适应性强，能够满足实时业务如视频会议等； 3 、网络适应性得到提高，它采用“网络友好 的结构和语法，定义了视频 编码层v c l 和网络提取层n a l ，v c l 用于视频编解码，包括运动补偿，变换编 码和熵编码等单元，n a l 用于采用统一的格式对v c l 视频数据的进行封装打包。 9 l i l 山大学硕士学位论文 加强了对误码和丢包的处理，其中参数集、片的使用、f m o 、冗余片等关键技 术的使用提高解码器的差错恢复能力。 4 、编解码器中采用复杂的可分级设计，在图像质量和编码处理之间可分级， 可以适应不同的复杂度的应用。它着重解决压缩的高效率和传输的高可靠性，应 用很广。 具体来说h 2 6 4 支持三个不同档次的应用： ( 1 ) 基本档次：主要用于“视频会话 ，如会议电视、可视电话、远程医疗、 远程教学等； ( 2 ) 扩展档次：主要用于网络的视频流，如视频点播； ( 3 ) 主要档次：主要用于消费电子应用，如数字电视广播、数字视频存储 左盘 寸。 下面将对压缩编码的关键技术做下介绍。 2 2 3 1 变换编码 变换编码是将空域图像信号映射到另一个正交矢量空间，将图像像素值转变 成一组非相关系数，再对这些系数进行量化和编码。理想变换块的大小为整幅图 像或视频帧，但它的计算量惊人。于是把整幅图像分成许多不重叠的块，对每个 块进行变换编码。下面重点介绍d c t 变换。 对于一维d c t 变换，在做正变换时，设坟x ) = 【f 【0 ) ，f 【1 ) ，坟2 ) ，蛔= n 1 ) 】t ，对f 变换后得到： 脚) = 序篓m ) c o s 【素删， ( 2 - 1 ) u = 0 1 ，州，鼽= 雠嚣- 1 0 一维离散余弦反变换i d c t 为： 1 0 i i 山大学硕七学位论文 m ) = 污篓砸以小o s 【条( 2 川) 小捌，1 ，2 ，n 1 。 ( 2 _ 2 ) 对于二维的情况，令坟x ，”为n n 离散图像序列，二维d c t 变换表示为： f ( u ，v ) = 号c ( “) c ( v ) 窆蓑厂( 工，y ) c 。s 【3 丢- v x = o ( 2 x + 1 ) “】c 。s 【素( 2 y + l m ，( 2 3 ) ，v ) = 寺c ( “) c ( v ) 厂( 工，y ) c o s 【刀( 2 x + 1 ) “】c o s 【寺( 2 y + 1 ) 1 ，】，( 2 3 ) v = o - - _ u , v = 0 ，1 ，n - 1 。相应的二维离散余弦反变换i d c t 为： ( x ，y ) = 万2 刍n - i 缶n - ic ( “) c ( v 沙( 材，v ) c 。s 【景( 2 工+ 1 ) “】c 。s - 紊n ( 2 y + 1 ) v 】， ( 2 - 4 ) ( x ，y ) 2 万刍缶c ( “) c ( ，沙( 材，) c 。s 【磊( 2 工+ 1 ) “】c 。s ) v 】，( 2 4 ) x , y = 0 ，1 ，n 1 。 d c t 变换是把表示原始的像素值子块的矩阵通过离散余弦变换公式转化成 一个新的铕阵汶个新矩阵的短个亓：素的相姜件女女减，珍 2 2 3 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。一般标量量化器的原理为： f q ：2 r o u n d ( 毒) ，其中，y 为输入样本点编码，q p 为量化步长，f q 为y 的 量化值，r o u n d ( ) 为取整函数。反量化为y = f q * q p 。在量化与反量化中，量化步 长q p 决定了量化器的编码压缩率和图像精度。如果q p 较大，量化值f q 动态 范围较小，反量化时就损失较多的图像细节；如果q p 较小，f q 的动态范围较 大，相应的编码长度也较大，但图像细节损失较小。所以编码器根据图像实际的 动态范围自动改变q p 的值，在编码长度和图像精度之间折衷，达到整体最佳效 果。 r f ，山大学硕士学位论文 2 2 3 3 熵编码 利用信源的统计特性进行码率压缩的编码方式成为熵编码也称统计编码。下 面介绍下视频编码常用的一种变长编码也称哈夫曼编码。哈夫曼编码的具体实施 步骤如下： 第一步，将信息符号按其出现概率从大到小排列； 第二步，将两个最小概率组成一组，划成2 个分支域，并标以0 和1 ；再把 2 个分支域合并成一个支域，标以两个概率之和； 第三步，依次类推，直到概率之和等于1 o ； 第四步，找出概率和1 0 到各信息符号的路径，记下各路径从右到左个分支 域的0 和l ，就得到信息符号的相应码字。 理论上，这中编码是最佳的，但是实际上，利用硬件实现时，出现概率的值 不可能精确n 4 , 数后多少位，而最小存储单元为l b i t ，会引起概率匹配不准确及 编码效率的下降。具体编码方法如图2 2 所示。 信源符号 x i 出现概率 p l = 0 3 p 2 = 0 2 p 3 = 0 1 p 4 = o 1 p 5 = o 0 p 6 = o 0 4 1 图2 - 2 哈夫曼编码举例 2 2 3 4h 2 6 4 的s e s i 帧技术 1 2 慰 硒 搿 粥 ；星 t l ；函太喾硕士鬻缎论文 当蓊裰频编码标准主簧包括兰种帧类型：差赖、p 帧和器羧。两h 2 6 4 奔了 顺应视频瀛的带宽盘遭应性帮抗误鹞蠖麓的要求，又定义了两种薪的帧类型：s p 峻和s l 峻。 s p 赖与p 帧类似，是蒸予赖阐预测的逡动枣 偿预溯编码，它们之黼的麓辫 程予s p 帧能够参照不嗣参考颧垂梅磁樱网的图像峻。翻阕这一特性，s p 广泛感 髑予流阚切换、拼接、隧枫援入、快遴挟邋黻及错误恹复等应用中。辩帧是蒸 予赖内预测的编羁技术，其重构慰像的方法与s p 糖爨器掰。 s p 帧分舞圭s p 帧秘辕s p 帧，其中，盎s p 帧的参考帧霸当前缡弼帧属予 褥一个鹨瀛，瓤辅s p 竣则不耩于瓣一个码流。主s p 侔梵镯换臻入点，不甥换 时，码漉进行聂常豹编码传输；切换时，辅s p 顿取代燕s p 赖进行传输。蹰2 3 展承了流阕切换巾s p 赖的编秘蹶序。 pp主s p擎 p pp主s pp p 甏2 心流潮掰换巾s p 编鹳濑廖 箕中表示鳃码器的输入；表示解鹳器豹输毖。当编鹂器输入廖捌： 1 3 1 1 1 山大学硕十学位论文 ，a i ，b 2 ，b 3 ，b 4 ) ；编码器的输出序列为： 舢，a l ，a b 2 ，b 3 ，b 4 ) ；当编码器输入序列 为 ，a l ，a b e ，b 3 ，b 4 ) 时，编码器输出序列： a l ，b 2 ，b 3 ，b 4 。可以看成，编码器 输入帧b 2 时，编码器输出辅s p 帧a b 2 的编码。帧a b 2 是以编码器帧缓存中a l 的重构值为参考，对b 2 进行预测编码。帧a b 2 输入解码器后，解码器帧缓存中 a i 的重构值为参考解出b 2 ，然后b 3 ，b 4 依次以前面的帧为参考帧得以正确顺序 解码。s i 帧实现与s p 帧相类似，都能恢复出相同的解码图像帧，只是s i 利用 帧内预测，s p 利用帧间预测。 总之，h 2 6 4 通过变化和量化再编码最后n - 值序列用于传输。变化和量化 的结果就是转换成了稀疏矩阵，稀疏矩阵通过反变化和反量化转换成重建图像存 储起来用来帧内预测和帧间预测。整个编码过程如图2 3 所示。 图2 3h 2 6 4 编码器 2 2 4 基于h 2 6 4 的视频加密技术 1 4 | i 山大学硕十学位论文 h 2 6 4 编码视频流先分割成图像序列，图像序列再分成帧，由帧再分成包含 一定数量宏块的片。编码后的码流是以宏块、片、帧、图像序列为单元存放的， 在每个单元都有相应格式头信息用于同步。基于以上的特点，对于h 2 6 4 编码的 视频流信息选择宏块作为块加密的基本单位，这样一旦一块中发生错误，只有相 应的块解密时会发生错误，其他的块仍能正确解密。针对基于h 2 6 4 的视频加密 技术，文献【2 3 】提出了若干基于d c t 的视频加密算法并在j m 软件平台上得到验 证；文献【2 4 】提出了一种新的基于c a b a c ( 基于上下文的自适应二进制算术编 码) 的数字视频加密方案；文献【2 5 】采用d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1l 和a r m 9 2 0 t 设计 并实现了支持h 2 6 4 加密的安全视频监控系统；文献【2 6 】利用d a v i n e i 技术进行 h 2 6 4 视频编码器的设计和实现；蒋建国、包先雨提出了一种加密与压缩相结合 的新型视频加密方案和快速视频加密算法( f v e a h ) 2 s 】。本文主要采用混沌的 思想来加密视频信息。 由于混沌学的引入，研究人员提出了很多的基于混沌学的加密算法，大致分 为两类：混沌块密码和混沌流密码。大多流加密不能抵抗已知明文攻击，而块加 密要求多次迭代来使密文和明文不相关，这就带来加密速度的问题，所以单独的 块加密或流加密都会降低系统的安全性。故要取长补短，将两者结合起来，即提 高了安全性也提高了加密速度，本文主要采用二者相结合的加密方案。 在继续介绍加密方案之前，先简单介绍混沌学的一些知识。混沌理论，是系 统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随 机过程形成的途径、机制的研讨。现代混沌学研究描写随机不规则的运动特征。 英国数学家m a n h e w s 首先明确地提出了用混沌系统来产生序列密码的思想。近 年来，随着非线性和混沌理论的成熟，研究工作者们纷纷探索混沌在多媒体数据 加密中可应用性。混沌系统具有对初始条件极端敏感的特性，给定一个离散混沌 系统两个非常接近的初始值，经过几次迭代后，输出结果可以完全不相关。因此， 利用混沌系统对初始条件极其敏感的依赖性，可提供数量众多、非相关、类随机 而又确定可再生的混沌序列。利用混沌序列进行加密有其自身的优点，比如有很 好的随机性难于预测和破译，密钥空间大，混沌序列产生方便等。 在利用混沌学加密视频数据主要是置乱视频图像，图像就是一个由像素值组 1 5 ，i j 山大学硕+ 学位论文 成的二维矩阵，图像置乱就是把原来排列有序的矩阵通过一个双射关系使其变得 杂乱无章，从而达到加密的效果，再通过相应的反变换还原原来的矩阵从而达到 解密的效果。在这种双射关系中，有两个重要的映射，b a k e r 映射和l o g i s t i c 映 射。 2 2 4 1b a k e r 映射 一个连续的b a k e r 映射b ( 蝴可描述为 b ( z ，y ) = ( 2 x , y 2 ) , 0 _ x 1 1 2 2 工 1 ( 2 - 5 ) 它是一个i x i 域上混沌的双射1 ，其作用效果图如图2 4 所示。 0o 51ol2 0 图2 4 b a k e r 映射 为了适合于图像处理，需要对其进行规范化和离散处理。首先规范化过程 把单位正方形分成k 个竖直的长方形，边长为f i - f 和l ，表示为 f i i ，f i ) 】x 【0 ，1 】 其中，i = 1 ，2 ，k ，f i = p i 地+ + p i ，这里p i 为每个长方形块的宽，于是p l 峨+ + 仇= l 。再把每个长方形的边长水平拉伸到l p i ，垂直缩短p i 倍，把各个长方形 从底部向上堆积成一个大小和原始正方形相同的图形，该过程可表示为： b ( 墨y ) = ( 1 p i ( x f i ) ，p i y + f i )( 2 6 ) 其次是离散化过程是将连续的b a k e r 映射扩展到离散域。设正方形为n x n ，用 b d ( n l ，1 1 2 ，n i c ) 代表离散化的一般b a k e r 映射，那么具体的离散b a k e r 映射步骤如 下： l 、把一个n x n 的正方形矩阵垂直划分成一个高为n 宽为n i 的长方 1 6 l - 山大学硕七学位论文 形矩阵，其中n i 为能被n 整除的正整数，于是每个矩阵有n n i 个像素。 2 、 把每个长方形矩阵划分成边长为n 恤和n i 的小长方形矩阵，这就得 到了n n i n i 个小长方形矩阵，正好有n 个像素。 3 、 在每个矩形内，按从下到上，从左到右的顺序重新将像素排成一行。 4 、 将所有行堆积起来形成和原矩阵大小相同的矩阵。 设标准化和离散化后的b a k e r 映射为b ( n l , n 2 , , n o ，其中n i = n l + n 2 + + i l i ， n l + n 2 + + i l i 【= n ，i = l ，2 ，k ，那么像素( r ，s ) 的b a k e r 映射为： 烈疗。，刀：，) ( ，j ) ：( p m ) + ( s ) r o o d n ，等。一( s ) m o d 坐) + f ) ，( 2 - 7 ) n i j 、 其中，n j r n i + n i ，o s n 。离散b a k e r 映射如图2 5 所示。 z z 主 o 0 n ln 2 n in 图2 5 离散b a k e r 映射 离散b a k e r 映射的反变换如下：先将n n 正方形在水平方向上分为k 个矩 形块，每个矩形块有n n i 个像素；然后将每个矩形块再分成n i 个子块；最后在 每个矩形块内按照从左到右，从下到上的顺序重新将像素排成一列。譬如对一个 8 8 的矩阵m ，其被( 2 ，4 ，2 ) 划分重新组成新的矩阵，假设矩阵m 的元素 如图2 - 6 所示，对其进行一次b a k e r 映射的结果如图2 7 所示。 1 7 中山大学硕+ 学位论文 1 3 61 3 31 3 61 3 81 3 41 3 41 1 3 61 3 31 3 61 3 81 3 4 1 3 41 1 3 31 3 41 3 41 3 61 3 21 3 01 1 3 31 3 31 3 01 3 41 3 31 2 81 1 3 31 3 01 3 01 3 31 3 11 3 2l 1 3 31 3 01 2 21 3 21 3 l1 3 0l 1 3 01 3 01 3 01 3 21 3 11 2 81 1 3 21 3 01 3 01 3 11 3 11 3 0l 图2 - 6 矩阵m 1 3 01 3 41 3 41 2 51 3 01 3 21 3 2 1 2 81 3 01 3 21 2 81 3 01 3 01 2 8 1 3 31 3 61 3 61 3 81 3 81 3 41 3 4 1 3 41 3 01 3 41 3 41 3 61 3 31 3 2 1 3 01 2 21 3 01 3 21 3 31 3 l1 3 l 1 3 01 3 01 3 01 3 11 3 21 3 11 3 l 1 3 81 3 71 3 71 3 31 3 31 3 61 3 6 1 3 11 3 l1 2 91 3 21 3 01 3 31 3 3 图2 7 一次b a k e r 映射 1 8 i i 学峨1 肇位出z 2 2 4 2 b a k e r 映射在图像处理中的应用 b a k e r 映射用在阁像处理中主要用米置乱图像，比如在传递秘密信息时打乱 其原有的顺序，使其看起来杂乱无章，从而达到了加密的效果，这一点也可用于 信息隐藏中对秘密信息的处理。图2 8 所展示的就是用b a k e r 映射对2 5 6 x 2 5 6 像素的l e n a 图像置乱的效粜。期间选取密钥序列，b ( 6 4 ，3 2 ，3 2 。3 2 ，6 4 ，3 2 ) ，置乱次数 为3 ，图2 - 9 展示了对原始图像的置乱次数分别是4 ，5 的情况。密钥序列和1 i i ! 乱 次数作为密钥被安全保护起来一是为了防止秘密信息被破解，二是为了i f 确解 密信息。图2 - 1 0 是对图像进行6 次置乱的效果罔和对置乩的图像进行正确解密 的结果。 囊嚣罄鸶崭嘲蒜糍辏鹦端骥翳鹊 # 辩毒赫鬻档瘸转赫彰砖稿鬻释抟赫率砖馨 班掣掌嚣蝉搿錾霉酝啦强# 舜尊群超酆姥嬲 喇州紫磅镪嘲孵辟鼬i j - 嘲噼嗍埔横嗣脚睁唧# 冀糍等蝴群翳嚣哟魁谍鞠搀糍糯麓暾瓣 堂群嚷牌抬赛嗡群生老麓搿镕糍譬拳螺赞钟 爨夔鞠囊嬲夔爨艘翦燃 鏊签鍪鍪美麓釜爨渊酋曲盎茜匠醴叠士碰鞋缸矗蠹矗西矗避瞄趟 l e