（信号与信息处理专业论文）基于h264的视频加密算法研究(1).pdf

摘要 摘要 随着计算机网络和多媒体技术的发展，多媒体视频应用的范围扩展到政治、 经济、军事、教育等各行各业。多媒体视讯业务的迅速发展，使得视频信息安全 问题提上日程。而随着新一代国际视频压缩编码标准h 2 6 4 的推出，支持h 2 6 4 的产品在视频市场上日益普及，因此基于最新标准h 2 6 4 的视频安全研究将会成 为信息安全研究的热点和难点。由于采用h 2 6 4 编码标准的视频数据具有编码复 杂、数据量大、冗余度高、传输有实时性要求等特点，这就需要针对h 2 6 4 编码 特点采取相应的加密算法，满足视频传输、存储等方面的应用要求。 本文回顾了视频加密研究的发展历史，分析了几种现有视频加密算法的性 能，介绍了h 2 6 4 的编码原理和信息安全的核心密码学知识，在此基础上， 对基于h 2 6 4 的视频内容加密算法进行了深入研究。主要工作如下： 1 研究流密码算法r c 4 在视频安全技术中的应用，对视频全加密算法进行 实验和测试，为后续算法提供比较的基准； 2 针对h 2 6 4 熵编码的特点提出了一种将流密码与熵编码相结合的的视频 加密算法，通过加密码字索引达到置乱码字的目的，从而提供码流的保密性。本 算法具有较好的安全保密性，对压缩比的影响很小，率失真性能较好。其良好的 安全性和压缩比保持性对于传输实时性要求不甚高、而安全性和信息冗余度要求 较高的视频存储管理来说是非常适用的，可以应用于政治、军事、商务机要视频 信息以及p c 机、移动存储设备中的私密视频信息的安全存储管理中。 3 分析了h 2 6 4 句法元素的分层结构，在此基础上提出了分层加密方案， 即分别加密h 2 6 4 的两级参数集和片层及以下格式头信息，以达到不同的加密效 果。基于格式信息的视频加密算法加密速度快，能够满足传输实时性的要求；加 密前后压缩比变化率小，具有良好的压缩比保持性；但是由于加密数据量不足， 以致安全性不高；并且因为加密了格式信息而不具备数据可操作性。该算法可以 应用于对实时性要求较高、对安全性和数据可操作性要求较低的场合，如网络视 频流付费业务、数字电视付费业务等。同时，加密格式信息也为设计安全性可分 级的视频加密方案提供了基础。 关键词信息安全；视频加密；h 2 6 4 ；流密码；c a v l c 北京t 业大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o ns c o p e o fm u l t i m e d i av i d e oh a se x p a n d e dt oa l lw a l k so fl i f es u c ha sp o l i t i c s ，e c o n o m y , m i l i t a r ya f f a i r s ，e d u c a t i o na n ds oo n h o wt og u a r a n t e ev i d e os e c u r i t yh a sa l r e a d y b e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m b e s i d e s ，h 2 6 4 ，k n o w na st h en e w e s ti n t e r n a t i o n a lv i d e o c o d i n gs t a n d a r d ，r e p r e s e n t st h e s t a t eo ft h ea r ti nv i d e oc o m p r e s s i o n w i t hi t s d e v e l o p m e n t ，t h eh 2 6 4 一b a s e dp r o d u c t sw i l lb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a ri nv i d e o m a r k e t t h er e s e a r c ho fh 2 6 4 - b a s e de n c r y p t i o na l g o r i t h mw i l ls u r e l yb e c o m et h e r e s e a r c hd i r e c t i o no fv i d e os e c u r i t ya l g o r i t h m s v i d e od a t aa r eo f t e no fl a r g eq u a n t i t y , s p e c i a lc o d i n gs t r u c t u r e ，a n dd e m a n d r e a lt i m et r a n s m i s s i o n t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sp u t f o r w a r dn e wp r o b l e m si nv i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h m s t h i sp a p e rr e v i e w st h eh i s t o r yo fv i d e os e c u r i t yr e s e a r c h ，a n a l y s e st h ep e r f o r m a n c e o fc u r r e n tv i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h m s ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h et h e o r yo fh 2 6 4 c o d i n gs t a n d a r da n dt h ek e r n e l o fi n f o r m a t i o n s e c u r i t y - c r y p t o l o g y , r e s e a r c h e s h 2 6 4 - b a s e dv i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h m s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r e ： 1 t h es t r e a mc i p h e ra l g o r i t h mr c 4i sa p p l i e di nv i d e os e c u r i t yt e c h n o l o g y , a n d v i d e oc o m p l e t ee n c r y p t i o na l g o r i t h mi st e s t e df o rf u r t h e rr e s e a r c h 2 a nh 2 6 4 - b a s e dv i d e oe n c r y p t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d w h i c hc o m b i n e ss t r e a m c i p h e ra l g o r i t h mw i t hh 2 6 4e n t r o p yc o d i n gp r o c e s s i to b t a i n sv i d e oc o n t e n ts e c u r i t y b ye n c r y p t i n gc o d e w o r di n d e xt os c r a m b l et h ep o s i t i o no ft h ec o d e w o r d e x p e r i m e n t s s h o wt h a t ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sg o o dp e r f o r m a n c ei ns e c u r i t y , c o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y , c o m p r e s s i o na n dr a t ed i s t o r t i o n i t sb e l i e v e dt ob ea p p l i e di ns t o r e s e c u r i t ym a n a g e m e n to fp o l i t i c a l ，m a r t i a l ，a n db u s i n e s sv i d e oi n f o r m a t i o na n ds e c r e t v i d e oc o n t e n ti np c ，m o b i l ea n dp o r t a b l ed e v i c e 3 av i d e oe n c r y p t i o ns c h e m eb a s e do nh 2 6 4l a y e rf o r m a ti sp r o p o s e d w h i c h e n c r y p t ss e q u e n c e & p i c t u r ep a r a m e t e r ss e t sa n ds l i c eh e a d e rt oa c h i e v es e c u r i t yo n d i f f e r e n tl e v e l f o r m a t b a s e dv i d e oe n c r y p t i o ns c h e m eh a ss m a l lc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y , c a na c h i e v et h er e a l t i m et r a n s m i s s i o nd e m a n d t h ee n c r y p t e dd a t aa r eo f s m a l lq u a n t i t ys ot h a tt h es c h e m ec a nk e e pg o o dc o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e ，b u th a v e l o ws e c u r i t yl e v e l b e c a u s et h ef o r m a ti n f o r m a t i o ni se n c r y p t e d ，i th a sb a dc o d e s t r e a mc o n t r o lp e r f o r m a n c e i tc a nb ea p p l i e di nv i d e os y s t e mw i ml o w r e a l t i m e h i g h s e c u r i t yd e m a n da n dl o wc o d es t r e a mc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，s u c ha so n l i n ev i d e oo n d e m a n d ，d i g j t a lp a y m e n tt e l e v i s i o na n ds oo n a l s o ，f o r m a t - b a s e de n c r y p t e ds c h e m e p r o v i d ee x p e r i m e n tb a s ef o rv i d e oe n c r y p t i o ns c h e m ew i t hm u l t i p l es e c u r i t yl e v e l s k e yw o r d s i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ；v i d e oe n c r y p t i o n ；h 2 6 4 ；s t r e a mc i p h e r ；c a v l c i i 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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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：喷佐 日期：苎：三：霉 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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) 签名： 嚼佳 新躲筮垒日期型肆 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 视频安全研究的重要意义 在科技飞速发展的今天，信息已成为一种社会资源，被看作是与材料和能源 同等重要的、支持社会发展的三大支柱之一，对人们的生存和发展起着相当重要 的作用。现代信息技术改变着人们的社会生活方式，社会信息化、信息全球化已 成为当今世界发展的潮流方向。然而，人们在享受着信息网络所带来的共享信息 资源、节省传输时间、缩短彼此空间等好处的同时，也认识到信息安全方面所存 在的隐患。由于信息在存储、传递过程中往往是在开放的通信网络上进行的，信 息极易受到截获、篡改、伪造、窃听等攻击的威胁。而随着人们对信息化依赖程 度的增加，黑客猖獗、计算机病毒泛滥、信息战争等犯罪和攻击呈明显上升趋势， 信息安全问题己成为关系到政治、经济、军事利益和国计民生的重大问题，并且 引起了社会各界的重视。 信息有很多种形式，视频信息就是其中的一种。随着计算机网络和多媒体技 术的推广，多媒体视频应用的范围扩展到政治、经济、军事、教育等各行各业。 众所周知，视频信息具有直观性、确定性、高效性等特点，在话音、数据和视频 构成的多媒体信息流中，视频流已逐步成为主要组成部分【1 1 。以视频为主的多媒 体视讯业务，如数字电视、会议电视、可视电话、网上教育、网上医疗、网络游 戏、视频点播、多媒体消息等多种视频业务，在人们的日常生活中日渐普及。可 以预见，下一代网络( n g n ) 信息流的主角定将是多媒体视讯流，加快发展多 媒体视讯业务是十分必要也是非常迫切的。 而随着多媒体业务的迅速发展，多媒体信息的安全问题也逐步提上日程。特 别是分布式多媒体在视频会议、可视电话、视频点播、视频广播、视频监视系统 等方面的应用，对视频信息的安全提出了不同层次的要求。针对视频应用过程中 存在的被窃取、盗印、篡改等安全隐患，很多组织和机构都开始了视频安全技术 的研究。n d s 、s t m i c r o e l e c t r o n i c s 和t h o m s o n 三家公司于2 0 0 4 年9 月1 0 日宣 布，他们将联合研发新的视频加密技术，以更加有效地对抗盗版。三家公司拟研 发的反盗版技术称作“安全视频处理器平台 【2 】，该技术专门为媒体公司设计， 主要功能就是保护他们制作的内容不受非法复制和发行的破坏。新的加密技术将 使媒体公司拥有独立的数字版权管理规范，可以自己制定加密规则，根据自己的 北京1 二业大学t 学硕士学位论文 量舅燃拦皇曼曼曼曼量鼎黑葛舅曼量曼曼皇黧黑鼍曼皇曼曼曼舅嬲舞鼍曼曼曼曼皇燃嬲曼曼曼舅曼曼曼囊黑量! 皇曼曼i ii i i 嬲邕曼曼曼曼量曼黧黑舅曼曼蔓曼曼曼燃皇皇曼曼量曼蔓燃 需要采用合适的加密手段，用户只有使用配备了楣应解扰芯片的播放设备才能收 看加密内容。 早期的视频安全方法主要依赖于用户权限控制，授权用户通过用户名和密钥 分配得到视频的接收权限，但视频数据本身并没有被加密，因此视频在传输过程 中仍存在安全威胁。针对这种情况，基于视频内容的加密算法的研究显得尤为重 要。 由于视频数据具有编码复杂、数据量大、冗余度高、传输实时性要求高等特 点，这就要求对视频数据采用特殊的加密算法，与视频编码特点相结合，并且能 够适应不同视频场合的需求。 。 。2 最新视频压缩编码标准h 。2 6 4 的推出 从1 9 4 8 年提出电视信号数字化以来，图像压缩编码技术积有5 0 多年历史， 特别是近十年来，图像编码技术得到迅速发展和广泛应用，并园臻成熟，其标志 是多个关予图像编码的国际标准的制定：国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委 员会( i e c ) 关于静止图像的编码标准j p e g j p e g 2 0 0 0 ，关于活动图像的编码标 准m p e g 。l 、m p e g 2 、m p e g - 4 ( 2 ) 、m p e g 4 ( 1 0 ) 等，以及国际电信联盟( i t u ) 制定的视频编码标准h 2 6 x 系列【3 】。 无论 重2 6 x 系列还是m p e g 系列，视频编码标准都有一个共同的不断追求 的匿标，那就是在尽可能低的码率( 或存储容量) 下获得尽可能好的图像质量。 视频的信息量非常大，要使视频得到有效应用，必须首先解决视频压缩编码问题， 其次要解决压缩蜃视频质量保证的问题。这两者之闻是相互矛盾的，如何取得这 个矛盾的折中，即在获得较大压缩比的同时还要保证定的视频质量，成为视频 压缩编码需要解决的难点。同时，随着市场对图像传输需求的增加，如何适应不 同信道传输特性的阀题也日益显现出来。为了解决这些问题，i s o i e c 和丌u 两 大国际标准化组织联手制定了新一代视频压缩编码标准h 2 6 4 。 作为最新的视频编码标准，h 。2 6 4 a v c 在预测编码和变换编码的混合编码方 式的基本框架下，采用了大量新技术，如多模式的帧内和帧间预测编码技术、多 参考帧实践预测技术、多方向空间预测技术、4 x 4 整数正交变换、c a v l c 和 c a b a c 熵编码、去块效应环内滤波器等技术，在保证图像质量的同时仍能获得 较高的压缩比。经测试，在获得相同视频质量的前提下，h 2 6 4 的平均编码比特 数比m p e g 一4a s p 要少4 1 ，比h 2 6 3h l p 要少5 2 ，比m p e g - 2 要少6 7 【稍。 此外，h 2 6 4 更加注重对移动网和口网络的适应，如采用分层技术，从形式上将 编码和信道隔离开来；在源编码器算法中更多地考虑到信道的特点，采用柔性宏 块排序技术和比特流速率切换技术来适应移动网和i p 网络的需要。因此，h 2 6 4 2 一 第1 章绪论 比m p e g 、h 2 6 3 等标准更适于网络传输的需要【5 j 。 h 2 6 4 的颁布是视频压缩编码学科发展中的一件大事，它具有很多超越以往 视频编码标准的优越性，代表了视频压缩编码技术的发展水平【6 】，这使其在数字 广播、视频实时通信、网络视频流媒体传递以及多媒体短信等各个方面可以发挥 重要作用。 ( 1 ) 视频通信 视频通信是h 2 6 4 的一个重要应用领域。2 0 世纪9 0 年代，视频会议和可视 电话得到了迅速发展，但尚未得到广泛应用，其中一个重要原因就是视频压缩技 术的不成熟导致视频质量不理想。特别是随着互联网的发展，人们开始利用口 技术传输视频。然而由于p 数据流的突发性，流量大时，网络会拥塞，这将导 致传输过程中发生丢包、误码，看到的图像中会带有不少方块，视频质量人眼无 法接受。这就要求视频编码技术不仅仅需要高的压缩比，还应在恶劣的传输条件 下( 包括移动网络的衰落) 具有抗阻塞、抗误码的健壮性。h 2 6 4 优异的压缩性 能和良好的网络亲和力比以往视频编码标准更加适合视频实时通信的要求。市场 上已有基于d s p 的采用h 2 6 4 编码的可视电话出现，国外多家公司也出产了基 于h 2 6 4 的会议电视产品，如p o l y c o m 、t a n d b e r g 、v c o n 、s o n y 等。 另外，在视频移动通信方面，h 2 6 4 也具有重要的应用价值。由于受无线带 宽资源和传输能力的限制，提高压缩效率成为无线视频和多媒体应用的主要目 标，而移动手持设备受处理器速度和存储容量的限制，视频编码的设计必须以最 高效率和最低复杂度为目标。h 2 6 4 顺应这一趋势，以高压缩率来提升视频服务， 已成为目前移动视频通信系统的最佳候选标准。 ( 2 ) 数字电视 数字电视具有公认的优越性，但其广泛应用还有赖于高效的压缩技术。在数 字电视尤其是h d t v 在制作、播出、传输和存储的过程中，若将h 2 6 4 与其他 先进的编码调制技术相结合，可将数百m b p s 视频实现1 0 m b p s 以下的低速传输， 节省一半以上的有线带宽资源、无线频谱资源和存储容量。在电视网络中，可以 大大提高数字电视的传输能力，使广播电视数字频道的节目容量扩大1 倍以上。 采用h 2 6 4 编码技术，还可使传输费用降为采用m p e g 2 技术的1 4 ，这是一个 十分诱人的前景。2 0 0 4 年1 月，美国s a n dv i d e o 公司发布了支持h 2 6 4 m p e g 一4 a v c 的解码器i p 内核“s v - i p 0 1 l p ，用于便携电视机。日本六家主要电视广播 公司也依照移动终端市场的免费数字电视( d t v ) 广播编解码标准与授权机构达 成协议，在有线电视、卫星电视以及地面广播电视中使用h 2 6 4 视频节目，提供 更高效的“一段式 低位率服务。 ( 3 ) 流媒体服务 h 2 6 4 定义了目前作为主流应用的互联网多媒体信息服务( m m s ) 、现场直 播或先期录制的包交换视频流服务( p p s ) 以及应用于视频电话和视频会议的电 一3 一 北京t 业大学t 学硕十学俯论文 路交换和包交换会话服务( p c s ) 三种视频传输系统。由于h 2 6 4 的码流结构网 络适应性强，增加了差错恢复能力，它能够很好地适应口和无线网络的应用。 随着采用流媒体技术的视频点播( v o d ) 的迅速发展，h 2 6 4 在网络流媒体中的 应用是可以期待的。同时，随着移动流媒体在智能手机上的广泛应用，h 2 6 4 也 将成为3 g p p 采用的移动视频压缩标准。 h 2 6 4 在视频市场的巨大应用潜力是可以预见的，这也给视频安全技术提了 新的研究方向和研究难点设计适合h 2 6 4 编码特点的视频加密算法。 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的研究。 北京作为我国的政治经济中心，视频传输技术的应用越来越广泛，视频信息安全 已成为日渐关注的问题。由于h 2 6 4 与现在常用的m p e g 4 在编解码上的不同， 所以研究适合h 2 6 4 视频压缩标准的安全技术就成为现在急需解决的一个问题。 此项目通过对视频安全算法的研究，最终提出多安全级的视频加密系统，这将对 首都的信息传输有重要的实际价值。 1 2 视频加密算法的发展现状 1 2 1 视频信源特征以及视频加密技术对算法性能的一般要求 适用于视频数据的加密技术应建立在视频流信源特征的基础上【7 1 。一般说 来，视频信源特征具有以下几点 8 ，9 】：数据量大、冗余度高；要求传输实时 性；压缩后的视频流采取分层式数据结构，各层都有明确标志，用于解码和检 索等；各部分数据的重要性不均等，部分数据更重要。 视频数据的这些特点决定了视频加密算法通常应当考虑到以下几种性能要 求【1 0 】： 1 安全性 安全性是视频加密的首要要求。对于视频加密，一般认为，当破译密码所需 付出的代价大于直接购买视频所需的代价时，该算法是安全的。由于视频数据可 以看作普通的二进制数据，因此，传统的密码学算法也可应用在视频加密中。又 因为视频数据具有海量的特点，破译难免要对其进行大量的解码译码操作，这将 一4 一 第1 章绪论 大大增加破译难度。因此，在保证安全性的情况下，一些特殊的、快速的加密算 法也可以使用。 2 压缩比 视频加、解密前后的数据量保持不变，称为压缩比不变性。使用具有压缩比 不变性的算法加密过的视频数据，在存储过程中不改变占用的空间，在传输过程 中保持传输速度不变。理想的视频加密算法应该具有压缩比不变性，但是由于在 视频压缩编码过程中引入了加密过程，加之安全性、计算复杂度和数据可操作性 等各方面的考虑，算法的压缩比不可能保证完全不变。因此，要设计适当的加密 算法将压缩比增量降至最低，并取得各性能矛盾的折中。 3 计算复杂度 由于有些视频应用场合对视频数据有实时编解码、实时传输和存取的要求， 因此加、解密算法的使用不能给编解码、传输和存取带来过大的延迟。这就要求 加、解密算法的计算复杂度要尽可能得低，以保持较高的加解密速度，这样可以 满足视频数据应用的实时性要求。 4 数据可操作性 如果使用某种加密算法加密后的视频数据，仍然支持某种数据操作，则称该 算法具有数据可操作性。这些数据操作包括：图像帧的定位、图像块的剪贴和增 删、视频数据的解码和播放、编码数据的码率控制等。要保持图像帧的定位、图 像数据的增删和剪贴，则要求加密算法能够保持帧同步信息不变；要保持视频数 据的解码和播放功能，则要求加密算法保持视频的格式信息不变。 1 2 2 现有的几种典型视频加密算法及其性能分析 在过去十年间出现了一些针对m p e g 系列视频流以及h 2 6 3 视频流的信源 内容加密算法，根据加密过程与压缩编码过程结合方式的不同，现有的视频加密 算法可以分为以下四种【1 1 】： 北京t 业大学t 学硕十学位论文 1 完全加密算法 完全加密算法不考虑视频编码格式，它将视频数据看作普通的二进制数据， 使用传统的密码学算法，如d e s 、i d e a 、r s a 等对整个视频文件进行加密。这 种方法利用了视频数据的海量性和传统密码高强度的优点，来满足加密系统高安 全性要求，但同时也带来了运算速度慢、实时性不好的缺点。 为解决这一问题，q i a o 和n a h r s t e d t 提出t v e a 算法【1 2 1 ，它将明文块分成偶数 部分o d d = a l a 3 a 1 2 7 和奇数部分e v e n = a 2 a 4 a 1 2 8 两部分，其中奇数部分e v e n 用 d e s 算法加密得到密文的一半e ，偶数部分d 甜则与奇数部分e v e n 按位异或得到密 文的另一半，即c = o d doe v e n = c l c ，c “。两部分拼接在一起，则组成了密文 c e 。这种算法将加密复杂度降为接近原来的一半，同时保持了较高的安全性。 将此方法作进一步扩展，即将奇数部分e v e n 再分半，可使加密复杂度降为接近原 来的四分之一。 。 另一种全加密算法c s c t l 3 】采用混沌加密，它用斜帐篷映射、l o g i s t i c 映射、九 映射等三种混沌映射构造混沌整数序列产生器，并将产生的序列与视频数据做异 或运算，生成的结果即为加密后的密文。此算法比传统的采用单一混沌映射的混 沌序列密码更安全，e h d e s 、i d e a 等分组密码更快速。 完全加密算法安全性非常高，基本不改变压缩比，但是加密所有数据改变了 视频的格式信息，使得加密后的视频不具有可操作性；同时大量的运算带来了极 大的计算复杂度，导致传输延迟性增大，因此这种算法更适合用于视频存储等实 时性要求不高而安全性要求很高的应用中。 2 部分加密算法 部分加密算法考虑编码过程，选择较敏感的视频部分进行加密。常用的部分 加密算法有分层加密算法和基于帧结构的选择性加密算法。 w e esj 和a p o s t o l o p o u l o s 提出了一种适用于流格式视频数据的分层加密方 法，称为m s e 算法 1 4 , 1 5 】，它使用传统的流密码加密视频流的不同数据层，并采 用密文反馈式加密，以增强密码系统的安全强度。这种分层方式针对一些密码攻 击具有较好的安全性，但是由于部分数据被加密，保持某种格式信息不变，这给 利用数据编码原理的攻击者提供了方便。 最基本的分块加密方法是基于m p e g 的i p b 帧结构的m p e 算法【l6 1 ，它仅加 密其中的i 帧，由于帧间的相关性，且p 帧和b 帧中有未加密的i 块，所以不能 达到足够的安全性。 与完全加密算法相比，部分加密算法降低了加密的数据量，提高了加密系统 第1 章绪论 的计算复杂度，一般具有较快的加解密速度。由于是对压缩后的码流进行加密， 采用的加密算法通常保持加密后的数据量不变，因此对视频压缩过程的压缩比影 响很小。分层加密算法保持了数据编码的分层信息不变，分块加密选择加密部分 宏块和帧，能保持视频的帧同步信息不变，因此具有一定的数据可操作性。但是 部分加密算法的安全性明显要比完全加密算法低。这类算法适用于具有不同安全 等级要求的视频加密系统中，根据应用场合的不同选择加密不同的视频数据，以 达到不同的安全要求。 3 基于d o t 系数的加密算法 这类算法主要针对视频压缩编码过程中的d c t 变化产生的系数以及运动矢 量部分。t a n g 提出对d c t 数据置乱法，称为d c w 算法【1 7 】，通过置乱变换后的 d c t 系数，达到加密的目的。但仅加密直流系数并不能保证密文的不可理解性： 而将6 4 个d c t 系数完全置乱，会破坏z i g z a g 扫描的统计特性，导致熵编码压 缩比降低。 t o s u m 和f e n g 提出了一种分层加密的d c f 算法 1 8 】，对d c w 算法进行了改 进，根据安全性和压缩比要求的不同，对不同的段进行置乱加密。该算法将每个 块的6 4 个d c t 系数通过一个断点组( 4 ，1 9 ) 分为三层：1 4 点为基础层，5 1 8 点为中间层，1 9 6 4 点为增强层。对不同的层进行层内加密，可对应三种不同的 保密级别。 s h ic h a n g g u i 和b h a r g a v ab h a r a t 提出了加密d c t 系数符号的方法，称为s e 算法【l9 1 。它将符号( “0 ”表示正数，“1 表示负数) 拼成比特流或数据段，然后 使用随机产生的密钥流与其做按位异或运算，将加密后的符号相应地赋回原数据 中。之后它们又提出一种加密d c t 系数的符号和运动补偿向量符号的方法，将 符号拼成比特流或数据段，然后用d e s 或i d e a 等私钥密码加密，最后将加密 后的符号相应地赋回原数据。这类算法仅加密系数符号或运动向量符号，大大降 低了运算复杂度，能满足实时性要求，且由于采用高强度密码算法，可以保证一 定的安全性。 基于d c t 系数的加密算法由于只对d c t 变换后的系数和运动矢量加密，具 有较低的复杂度，能e 很z 好地满足传输实时性要求，且不改变视频格式，具有良好 的可操作性和码率可控性。但对d c t 的加密和置乱会破坏d c t 之后的熵编码部 分的统计性能，对压缩比影响较大。并且相对于全加密和部分加密算法，其安全 性也比较低。此类算法适用于视频会议、视频点播等实时性要求高的场合。 一7 一 北京t 业大学t 学硕+ 学位论文 4 与熵编码过程相结合的加密算法 这类算法通常将编码过程和加密过程相结合，使得二者同时进行。u e h a r a 2 0 】 提出将编码和加密相结合，并以小波变换编码中系数置乱为例，验证了这种思想 的可行性。j i a n g t a ow 醯和m i k es e v e r a 2 l 】提出了一种格式兼容性加密框架，将加 密区域分为定长编码和可变长编码，给码表的每一个码字分配了一个索引序号， 对串联索引序号进行加密，而不是对码字本身内容进行加密，然后将加密后的索 引序号映射回原来的码表中，由此完成码流的加密，同时又保证了格式的相容性。 c h u n p i n gw u s u c c jk u o 提出一种m h t 算法【2 孤，通过变异数训练2 k 个不同 的h u f f m a n 编码表，以产生的随机变量作为密钥，选择不同的码表从而完成对原 始数据流的加密。d a h u ax i e 2 3 】在m h t 的基础上提出一种加强型m h t 方案，采用 h u s h 函数仿制跳跃密钥来对抗选择明文攻击，提高了算法的安全性。 另外c h u n p i n gw u 和c c jk u o 还提出了一种自适应的算术编码q m ，采 用密码与加密相结合的方式，称为多状态索引法( m s i 算法) 【2 2 2 4 2 6 1 。在q m 编 码过程中，+ 二迸制符号的统计概率是随着待编码的符号增加而动态改变的，并且 最终通过查表方式获得。在算术编码中，每个状态都对应一个分段，m s i 算法即 通过随机选择多个状态的分段索引来实现加密。 与熵编码过程相结合的加密算法，其编码过程同时就是加密过程，因此具有 很高的实时性，它能保持数据格式兼容性，并且通过改进措施可以保持较高的安 全性。这些优点使得此类算法可以应用于视频会议、视频点播以及视频存储等视 频数据保密场合中。 1 2 3 视频加密技术的展望 视频加密技术早在上世纪8 0 年代就开始展开研究，从早期的文件权限控制， 到基于视频内容的加密算法，可以说，视频加密的研究，是按照由传统密码方式 到与视频数据格式相结合的方式、由简单的直接加密算法到能够满足视频可操作 性加密算法的方向发展的。 通过前面的分析可以知道：完全加密算法主要依赖于传统密码学算法，具有 高安全性：部分加密和基于d c t 系数的选择性加密可以满足不同的安全性和实 时性要求，具有一定的数据可操作性；与熵编码过程相结合的加密算法将加密过 程融入熵编码过程中，具有较低的计算复杂度，并且可以通过改进算法增强安全 性。这几种算法具有各自的优点，适用于不同的视频应用场合，在未来都有继续 研究和发展的潜力。完全加密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，通过相应硬件工艺的研制和提高，其算法的实现速度也会提高， 一8 一 第1 章绪论 这将使得它不仅适用于数据存储，也必将适用于数据传输中。选择性加密由于具 有良好的实时性和可操作性，在视频会议、可视电话、视频点播等场合具有很重 要的研究意义，为多安全级视频加密系统的研究奠定了理论基础；而随着移动多 媒体、无线多媒体网络的蓬勃发展，多媒体数据的实时性、容错性等特点将要求 加密算法能够更好地与压缩编码过程相结合，因此与熵编码相结合的视频加密算 法也将是未来的研究方向之一。 另外，由于现有的视频加密算法多是针对于m p e g 、h 2 6 3 + + 等视频格式的 特点进行设计的，随着h 2 6 4 的进一步发展，h 2 6 4 视频产品的市场覆盖率必将 增多，而如何设计一种行之有效的基于h 2 6 4 的视频加密算法，并从理论转化为 工业实现，必将成为未来研究的热点和难点。 1 3 论文安排及主要研究内容 1 3 1 论文安排 第二章 介绍了新一代视频编码标准h 2 6 4 的结构； 介绍了h 2 6 4 的编码原理； 着重对h 2 6 4 的熵编码特点和档次、结构特点加以阐述。 第三章 介绍了密码学基础知识： 介绍了r c 4 算法的加密原理、流程，并对r c 4 算法的安全性和计算复杂 度作了评价； 介绍了视频安全过程中可能遭受的密码攻击方式。 第四章 提出了一种基于h 2 6 4 熵编码特点的视频加密算法，描述了算法原理以及 关键问题的解决方式； 给出多个视频序列的加密效果图和实验数据； 通过加密效果和实验数据对算法性能加以分析； 总结算法的优缺点，分析了算法的适用场合。 第五章 提出了基于h 2 6 4 编码格式特点的分层加密方案，描述了方案原理和方案 流程； ， 给出了视频序列的加密效果图和实验数据； 通过加密效果和实验数据对算法性能加以分析； 一9 一 北京t j l k 大学丁学硕十学位论文 总结了方案的优缺点，分析了方案的适用场合； 通过以上实验结果对安全性可分级的视频加密方案进行了分析和构思。 1 3 2 主要研究内容 1 研究密码学算法在视频安全技术中的应用，对视频全加密算法进行实验和测 试。 2 研究h 2 6 4 编码标准，提出一种基于h 2 6 4 熵编码特点的视频加密算法，通 过实验结果对算法性能进行分析。 3 分析h 2 6 4 句法分层特点，提出基于h 2 6 4 格式信息的加密方案，对视频分 层加密，并分别测试加密两级参数集和片层以下头信息的算法性能，为多安全级 视频加密方案奠定基础。 一1 0 第2 章h 2 6 4 视频乐缩编码标准 第2 章h 2 6 4 视频压缩编码标准 h 2 6 4 是i t u 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c 的m p e g ( 活动图像 编码专家组) 的联合视频组( j v t ) 开发的新数字视频编码标准。它于2 0 0 3 年3 月正式发布，成为新一代的视频编码国际标准。h 2 6 4 在技术上有多个闪光之处， 这使得它具有高效的压缩性能和易于网络传输的能力，可满足日益增长的“对话 型”( 视频电话、会议等) 、“非对话型 ( 视频存储、广播以及流媒体等) 以及视 频监控等视频应用的需求【2 刀，在国际视频应用领域具有巨大的发展前景。 h 2 6 4 标准的主导思想与现有视频编解码标准一致，采用基于块的混合编码 方法，并沿用了与已制定的视频编码标准( 如h 2 6 3 和m p e g 4 ) 相类似的一些 编解码方法，主要包括以下技术： ( 1 ) 每个视频图像分成1 6 1 6 的像素宏块：使得视频图像能以像素宏块为 单位进行处理。 ( 2 ) 利用时域相关性：时域上的相关性存在于连续图像的块之间，通过运动 估值和运动补偿来利用时域相关性。对于一个像素块来说，在已经编好码的前一 帧或前几帧图像中搜索其相关像素块，从而获得其运动矢量，而该运动矢量就在 编码端和解码端被用来预测当前像素块。 ( 3 ) 利用残差的空域冗余度：在运动估值后，编码端只需要编码残差即可， 也就是对当前块与其相应的预测块的差值进行编码。编码过程还是采用变换、量 化、扫描输出和熵编码等步骤。 ( 4 ) 其他技术：还包括传统的4 ：2 ： 块运动矢量；超越图像边界的运动矢量； p 和b 图像类型等。 0 的色度数据与亮度数据的采样关系； 变换块大小的划分；可分级的量化；i 、 为提高编码质量，降低压缩比，h 2 6 4 对其关键部件也作了重大改进，采用 了新技术。由于本文所研究的视频加密算法是基于h 2 6 4 编码特点的，与h 2 6 4 的新技术有很大关联，本章将简要介绍h 2 6 4 的编码原理，并对本文方案所涉及 的h 2 6 4 的结构特点和熵编码过程，特别是c a v l c 编码过程进行详细阐述。 2 1h 2 6 4 a v c 的结构 2 1 1 档次和级 h 2 6 4 标准定义了四个档次( p r o f i l e ) 【2 8 】，每个档次支持一组特定的编码功 北京t 业大学丁学硕十学何论文 能，并支持一类特定的应用。如图2 1 所示为h 2 6 4 四个档次之i 司的关系，以及 各个档次所支持的编码工具。每一档次设置不同的参数，这些参数包括取样速率、 图象尺寸、编码比特率以及内存要求等，由此得到对应了不同编解码器性能的级 ( 1 e v e l ) 。 图2 1h 2 6 4 的档次 f i g 2 - 1t h ep r o f i l eo fh 2 6 4 ( 1 ) 基本档次：支持帧内和帧间编码( 利用1 分片和p 分片) ，熵编码采用 c a v l c 。基本档次的目标是使编码复杂度最小，在大部分网络环境和条件下可 以提供高度的鲁棒性和灵活性，主要应用于可视电话、视频会议和无线通信等视 频实时通信。 ( 2 ) 主档次：支持隔行视频，采用b 分片的帧间编码、加权预测的帧间编码 和c a b a c 熵编码方法。主档次更多强调的是压缩编码效率，可以应用于广播电 视和视频存储。 ( 3 ) 扩展档次：不支持隔行视频和c a b a c ，但增强了可在码流间进行有效 切换的模式( s p 和s i 片) 以及改进的误码恢复功能( 数据分割) 。扩展档次将 第2 章h 2 6 4 视频压缩编i 马标准 基本档次的鲁棒性与高编码效率、网络传输的鲁棒性等结合起来，主要应用于流 媒体中。 ( 4 ) 高档次：具有主档次的所有特征，但支持高于8 b i t s 样值位深，还增加 了8 8 整形变换、基于感知的量化缩放矩阵以及视频中指定区域的无损压缩等 功能。与主档次相比，高档次可以获得更高效的压缩和更高分辨率的重建质量， 但实现复杂度不会显著增加，可用于数字视频广播、h d d v d 等。 2 1 2 编码数据格式 1h 2 6 4 的视频格式 h 2 6 4 支持的视频源格式包括4 ：2 ：0 、4 ：2 ：2 和4 ：4 ：4 ，同时支持逐行扫描和隔 行扫描的视频序列。对于隔行扫描的视频帧，h 2 6 4 支持将奇偶场独立编码，也 支持将奇偶场一起编码的方式。 2h 2 6 4 的编码格式 h 2 6 4 编码算法总体上分为两层：视频编码层( v c l ) 完成对视频内容的有 效描述；网络适配层( n a l ) 完成不同网络上视频数据的打包传输【2 9 】。如图2 2 所示。其中，v c l 与h 2 6 3 + 算法一样，都是采用基于块的编码算法，差别在于 v c l 更灵活，且加入了一系列新的编码方法来提高编码效率。在v c l 和n a l 之前定义了一个基于分组方式的接口，打包和相应的信令属于n a l 的一部分。 这样，v c l 用于提高编码效率，而n a l 用于解决视频q o s ( 服务质量) 与网络 q