（信号与信息处理专业论文）压缩视频安全方法研究.pdf

research on compressed video secure method thesis submitted to nanjing university of posts and telecommunications for the degree of master of engineering by zhiyu chen supervisor: prof. jianxin song february 2013 i 摘要摘要 针对日益严重的视频数据内容安全问题以及其具有易复制、易修改等特点，通过对最近 几年的视频加密技术和水印技术的分析研究，结合 h.264/avc 视频的压缩特点，本文提出了 三种视频内容保护算法，分别是基于 isp 的安全级别可分的加密算法（slde-isp） 、基于熵 编码 cavlc 的选择性加密算法（se-cavlc）和联合视频加密和水印的保护算法。其中，第 一、二种算法采用高级加密标准（aes）的密码反馈（cfb）模式对视频数据进行加密，此 加密算法的优点是加密简单、运算速度快，并且它是一种流密码算法。 第一种算法，是对 i 帧、图像参数集（pps）和序列参数集（sps）的比特流进行加密。 为了满足加密数据的可操作性，本文研究了 pps 和 sps 的句法元素，只对 pps、sps 的部分 句法元素进行加密。针对不同视频应用所需求的安全级别不同，在宏块级别选取 i 帧一定数 量的宏块进行加密，与加密 pps、sps 句法元素相结合，得到安全级别可分的加密算法。最 后，从算法的安全性、实时性、压缩率等方面进行性能分析。实验结果表明，本算法达到了 视频内容安全的要求，满足实时性，并减少了加密数据量。 第二种算法，是基于熵编码 cavlc 加密视频数据，只对拖尾系数符号和除拖尾系数外 的非零系数幅值加密。为了减少加密数据量，本文引入了一个视频质量判断阈值，当宏块质 量大于阈值时就要加密，否者不需要加密。其中，视频质量用峰值信噪比 psnr 表示。实验 结果表明，本算法在达到视频内容安全要求的基础上，满足实时性，减少了加密数据量并且 加密数据具有可操作性。 第三种算法，是把水印技术和加密技术结合起来去保护视频安全。考虑到当视频被解密 后视频提供者就不能再证明此视频的版权，论文引入了水印技术来解决这一问题。水印算法 是基于 dct 变换系数嵌入水印信息的，通过生成的公钥 kp 和视频提供者的私钥 ks 模二运 算得到密钥 k，利用 k 的比特位选择 ac 系数去嵌入水印。加密算法是利用水印技术的思想 设计的，根据前人 dct 域的 ac 系数置乱加密算法的启示，为了不改变压缩比特率，利用水 印算法中生成的密钥 k 选择 ac 系数码流的比特位，然后对其进行修改。实验结果表明，水 印算法在 i 帧的每一宏块都嵌入了多于 1 比特的水印信息，鲁棒性好且在视觉上没有改变视 频质量，起到了保护视频版权的作用；加密算法符合密码协议的设计要求，安全性高。实验 结果也证明了联合视频保护算法满足各个性能指标的要求。 关键词关键词: 选择性加密选择性加密，高级加密标准高级加密标准，图像参数集图像参数集 ，序列参数集序列参数集 ，熵编码熵编码 ii abstract for the increasingly serious issues of video data content security and the current video features such as easy to copy, easy to modify with the data, through the analysis of video encryption technology and the watermark technology in recent years, combined h.264/avc video compression characteristics, the paper proposes three video content protection algorithms, which are security level division encryption algorithm based on isp, selective algorithm based on the entropy coding cavlc and the protection algorithm combined digital watermarking and digital encryption. the first and second algorithm use advanced encryption standard(aes) cipher feedback(cfb) mode encrypt video data, the advantage of which is simple and fast operation, is a stream cipher algorithm. the first algorithm encrypts the bit streams of the i frame, picture parameter set(pps) and sequence parameter set(sps). in order to meet the operability of the encrypted data, this paper study the syntax elements of pps and sps, only encrypt part of the syntax elements. for different video applications demand different levels of security, select a certain number of macro-blocks in the macroblock level for selective encryption, gets security level division encryption algorithm. finally, we analyze the effective confidentiality , real-time, compression rate of this algorithm. experimental results show that our algorithm meet video content security , the real-time, and reduces the amount of encrypted data. the second algorithm encrypts video data based on the entropy coding cavlc, only encrypts the magnitude of the nonzero coefficients except tailing coefficient and tailing coefficient symbols. in order to reduce the amount of the encrypted data, the paper introduces video quality determination threshold value, when the mass of the macro-block greater than the threshold value is necessary to encrypt, or need not be encrypted, and that the judgment process is intelligent, video quality is represented by peak signal to noise ratio psnr. the experimental results show that the algorithm reach the video content safety requirements, meet the real-time, reduce the amount of encrypted data. the third algorithm combines watermark technology and encryption technology to protect video security. taking into account when the video is decrypted by video provider who can not prove the copyright of this video, the paper introduces watermarking technology to solve this problem. the watermarking algorithm based on dct transform coefficients embed watermark iii information generated. the key k ,is public key kpthe private key ks by video provider, bits of k are used to select ac coefficients to embed watermark. the encryption algorithm is designed by using watermark technology, according to the revelation of previous ac coefficient set scrambling encryption algorithm, in order not to change the compression bit rate, select the bit stream of ac coefficients by key k to be modified. experimental results show that each macroblock of the i frame are embedded in more than 1 bit of the watermark information in this watermark algorithm,which has the good robustness and no change in the visual video quality, play the role of a protection of the copyright of video; encryption algorithm meets cryptographic protocol design requirements and has high security. the experimental results also prove that this algorithm meets the requirements of the various performance indicators. key words: selective encryption, advanced encryption standard, picture parameter set, sequence parameter set, entropy coding iv 目录目录 专用术语注释表 . 1 第一章 绪论 . 2 1.1 课题背景与研究意义 . 2 1.1.1 课题背景 . 2 1.1.2 研究意义 . 3 1.2 国内外研究现状 . 3 1.3 研究内容及论文安排 . 6 1.3.1 研究内容 . 6 1.3.2 论文安排 . 7 第二章 基于 isp 的安全级别可分加密算法 . 9 2.1 引言 . 9 2.2 视频加密算法. 10 2.2.1 加密模型及加密算法. 10 2.2.2 完全加密和部分加密. 14 2.3 安全级别可分加密算法 . 15 2.3.1 h.264 码流分析 . 16 2.3.2 视频保护级别 . 19 2.3.3 加密算法 . 19 2.3.4 解密算法 . 22 2.4 实验结果与性能分析 . 22 2.4.1 性能指标 . 22 2.4.2 实验结果 . 23 2.4.3 性能分析 . 29 2.5 本章小结 . 30 第三章 cavlc 熵编码数据的选择加密算法研究. 31 3.1 引言 . 31 3.2 熵编码 cavlc 编码过程与实例解析 . 32 3.2.1 熵编码 cavlc 编码过程 . 32 3.2.2 熵编码 cavlc 编码实例 . 34 3.3 se-cavlc 算法 . 35 3.3.1 熵编码语法元素分析及其加密流程. 36 3.3.2 加密算法 . 38 3.3.3 解密算法 . 40 3.4 实验结果与性能分析 . 41 3.4.1 实验结果 . 41 3.4.2 性能分析 . 46 3.5 本章小结 . 49 第四章 联合视频水印和加密的视频保护算法 . 50 4.1 引言 . 50 4.2 联合水印、加密的视频保护算法 . 51 4.3 视频水印算法. 52 4.3.1 水印嵌入位置的选择. 52 4.3.2 水印嵌入算法 . 53 4.3.3 水印提取 . 56 v 4.4 视频加密算法. 56 4.4.1 加密算法 . 57 4.4.2 解密算法 . 58 4.5 实验结果及性能分析 . 58 4.5.1 水印算法实验结果与分析 . 58 4.5.2 加密算法实验结果与分析 . 61 4.5.3 联合视频加密水印算法性能分析 . 63 4.6 本章小结 . 65 第五章 总结与展望 . 66 5.1 论文总结 . 66 5.2 工作展望 . 67 参考文献 . 68 攻读硕士学位期间撰写的论文 . 71 致谢 . 72 南京邮电大学硕士研究生学位论文 专用术语注释表 1 专用术语注释表专用术语注释表 符号说明：符号说明： ( , )corr x y 相关系数 ( ) j 标准偏差 缩略缩略词词说明：说明： ac alternating coefficient 交流系数 aes advanced encryption standard 高级加密标准 amif all macroblocks of i frame i 帧中所有的宏块数 avc advanced video coding 高级视频编码 cavlc context-based variable length coding 基于上下文自适应的可变 长编码 cfb cipher feedback 密码反馈 emif encryption macroblocks of i frame i 帧中加密的宏块数 dc diret coefficient 直流系数 dct discrete cosine transform 离散余弦变换 des data encryption standard 数据加密标准 ecc elliptic curve cryptosystems 椭圆曲线密码 er encryption ratio 加密比率 gop group of picture 图像组 hsv hue，saturation，value 色调，饱和度，亮度 isp i，sps，pps i 帧，序列、图像参数集 idr instantaneous decoding refresh 解码立即刷新 nal network abstraction layer 网络抽象层 ofb output feedback 输出反馈 pps picture parameter set 图像参数集 prng pseudo random number generator 伪随机序列发生器 psnr peak signal to noise ratio 峰值信噪比 roi region of interest 感兴趣区域 se selection encryption 选择性加密 slde security level division encryption 安全级别可分加密 sps sequence parameter set 序列参数集 vcl video coding layer 视频编码层 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题背景与研究意义课题背景与研究意义 1.1.1 课题背景 随着设备处理能力的增强和网络带宽的快速增大，近年来，各种流媒体应用得到快速发 展，如远程医疗、网络流媒体、远程教学、视频监控、视频广播、视频聊天、交互游戏等。 由于数字视频非常容易被复制和篡改，由此带来的数据安全问题和版权纷争问题日益严重。 因此确保流媒体内容安全和版权保护已经成为一个急需解决的问题。 通过借鉴已有且很成熟的基于视频编码标准（比如 mpeg-x）的加密技术，结合 h.264/avc 编码标准的新特性，现阶段已经存在很多 h.264 标准特有的视频加密技术，其主 要加密技术有完全加密、部分加密、置乱加密、选择性加密和基于熵编码加密。完全加密是 用传统的密码技术将压缩后的视频流当作普通二进制数据与密钥流按位运算，其视频压缩比 保持不变、安全性高，但是需要加密巨量的数据、运算复杂度高，码率控制、实时性要求等 都很难满足。部分加密是在视频编码后加密部分数据，加密数据量较大，加密速度较低，优 势是不改变压缩比。置乱加密通常在帧内进行，通过破坏置乱对象的位置信息和统计特性， 从而实现加密效果，优势是置乱速度块，复杂度低，但是它改变了视频压缩率。选择性加密 就是选取影响视频图像质量大的关键数据进行加密， 加密空间和加密数据量决定其安全性能。 选择性加密算法一般加密多个位置的视频关键数据，以提升算法的安全性能。 通过对以上加密技术的分析，针对不同多媒体应用所需求的安全级别不同，采用的加密 技术也不同。比如，军事和法律应用需要完全加密。然而，大部分应用所需的安全级别都比 较低，所以这些应用只需要选择性加密。选择性加密只加密明文的一部分，它有两个主要的 优势。一是它减少了计算量，因为仅仅部分明文被加密；二是被加密的比特流含有原来比特 流的属性。所以，要充分利用选择性加密的优势，对 h.264 视频内容进行研究分析，提取有 效的视频数据进行加密。对于当前广泛的视频应用，设计一种加密算法不能在沿用之前定义 好的加密技术，而要综合利用各个加密技术的优势。 视频加密技术保证了视频不被随意复制和篡改等安全问题，当解密后就不能保护视频的 版权了，而视频水印技术解决了视频的这个安全问题，即视频版权保护，两者联合起来不管 是在解密前还是解密后都起到相应的安全保护。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 1.1.2 研究意义 随着无线网络和移动设备的快速发展， 近年来无线视频通信已经得到了人们的高度关注， 并且已经有了许多实际应用，比如远程医疗图像传输、视频会议等，这些应用给人们带来了 很多便利。然而，便利的同时也带来了一些视频安全问题，如数字产品的盗版问题、信息篡 改问题等。主要原因来自网络本身的不安全性及视频信息的容易操作的特点。因此如何针对 流媒体的特点设计一种高效、快速的安全算法已经成为当前亟待研究的课题。 视频产品是数字产品中重要的一部分，则视频流媒体安全是数字信息安全的重要研究方 向之一。h.264 作为新一代视频压缩编码标准，在压缩效率、抗误码率、传输可靠性等方面 均优于现行其它标准。目前，它已在多种视频业务上得到了广泛的应用，研究基于 h.264 的 视频加密算法具有迫切的现实意义和广阔的应用前景。所以本课题主要基于 h.264 视频内容 进行流媒体安全性研究的。 流媒体的应用范围越来越广，各种多媒体应用对安全性的要求各不相同，并且大部分视 频应用所需要的安全级别比较低，所以针对此安全级别的不同应用提出不同的安全算法，课 题的这种设计是具有实际意义的。 根据 h.264 视频内容的特点和流媒体数据的特性，论文准备在前人的研究理论基础上做 更深层次的研究。根据流媒体应用所需的不同安全级别提出相应的流媒体安全算法。目前， 基于 h.264 标准的视频流媒体安全性的研究相对较少，因此结合 h.264 标准的视频流媒体安 全研究具有重要现实意义和应用价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 随着流媒体服务的需求迅速增加， 确保流媒体内容安全的传输已经成为一个重要的问题。 近年来，各种流媒体传输应用得到快速发展，如视频监控，网络流媒体，视频会议和 iptv 等。流媒体服务的需求已在过去几年稳步增加，预计这一趋势在未来会更强。凭借着这种强 烈的需求，流媒体服务成为普遍，很多人会依靠它们在不同的方面，包括工作，教育和娱乐。 这种广泛的应用和用户对流媒体的依赖性使得流媒体在不安全的网络里安全的传输带来了巨 大的挑战。因此，国内外许多专家学者已经就这个问题提出了一系列的算法，主要用到了加 密技术、水印技术、认证技术等1-3。 近年来，许多研究机构和研究者基于 h.264/avc 编码标准提出了一些视频加密算法。 kwon 等人提出了基于运动矢量和片再定位的视频加密算法4，该算法使用置乱加密算法，利 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 用事先写好的置乱表置乱不同宏块的运动矢量差（mvd） 。运动矢量置乱效果伴随着编码过 程的进行更加明显，但是由于 i 帧不存在 mvd，则 i 帧不能被加密，导致帧号靠前的视频帧 的加密效果不明显。由于视频的纹理信息没有被此算法加密，所以该算法不能抵抗已知明文 的攻击。ahn 等人提出了一种帧内预测模式加密的算法5，帧内 1616 亮度块有 4 种预测模 式，而其预测模式和编码块模式一起进行编码，为了保证数据加密后具有兼容性，对其加密 只能用 1 比特密钥；帧内 44 亮度块有 9 种预测模式，用三比特流密钥对它进行加密。虽然 这种方法具有一定的加密效果，但是密钥空间很小，进而使得安全性能较低。meibing 等人提 出了一种视频图像加密算法6，该算法利用传统贝叶斯分类器和自适应皮肤颜色模型算法检 测人脸图像，并用卡尔曼滤波器跟踪检测到的人脸图像区域，加密检测到的人脸区域，这个 过程在熵编码之前完成，该算法计算消耗大，实时性差。余俊清等人提出了一种基于感兴趣 区域的 h.264 视频加密算法7，这种算法只对提取出来的感兴趣区域进行加密，设计了一种 基于人脸检测的加密算法，并通过修改模式选择算法，去掉了使得非人脸区域参考人脸区域 的帧间宏块预测模型，解决了由帧间预测引起的人脸加密区域变形的问题。z.shahid、蔡勉等 人提出一种基于熵编码 cavlc 和 cabac 的加密算法8-10，基于熵编码 cavlc 的加密算法 对熵编码过程的码表进行了更改，使得解码时得不到相应的图像信息，对视频信息进行加密。 但是如果把熵编码过程中码表的码字索引修改，这会造成解码时找不到相应的码字，进而引 起解码失败；对于两种熵编码模式正规编码和旁路编码，将基于熵编码 cabac 的加密算法 分为正规编码模式加密和旁路编码模式加密，它是分别对熵编码 cabac 编码中的运动矢量 差（mvd） 、残差系数（dct 域）以及帧内预测模式进行加密，因为这些数据包含视频的运 动信息和纹理细节信息，对它们加密能获得较高的安全性。法国电信研发中心提出一种视频 加密算法11只改变运动矢量差的符号，因为可以根据运动矢量差的绝对值恢复出低分辨率的 图像12 ，所以这种算法的安全性低， 。razib 等人13-14提出了一种与压缩域同步的视频加密 算法，并且分析了在压缩域加密的利与弊。他提出的算法可以适用于多个移动终端，比如移 动电话、台式电脑等，但是算法过于复杂，计算复杂度高，时延比较大。由于视频安全级别 层次不同，最近几年，学者对选择性加密算法的兴趣越来越大，文献15-19等都介绍了选择 性加密算法，减少了加密的数据量，保证了实时性，但是在加密数据可操作和压缩率方面有 缺陷，比如文献15和18提出的算法的加密数据不具有可操作性，文献16、17和19算法 的加密数据量可以进一步减少并且影响了视频压缩率。研究者们不仅研究加密位置和加密数 据的选择，还对加密技术也有一定的研究。对于不同的视频加密算法，学者们使用的加密技 术也不相同，主要的加密算法包括 des、ecc20-22、aes（cfb 和 ofb 模式） 、置乱算法、 混沌加密算法23、帧异或算法24、哈希链加密算法25等。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 国外的许多著名高校、 研究机构和公司的学者在视频加密算法方面都做出了一定的成果， 如斯坦福大学、depaul 大学网络信息安全实验室、国家标准与技术局 nist、美国国家安全局 nsa、美国 acm 等重要的会议或期刊上，也有不少涉及视频会议加密的文章。 在国内，如清华大学，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，上海交通大学，西 安电子科技大学等，也都做出了一定研究成果，对基于 mpeg 标准的安全问题的主要研究方 向是