CN100505866C - 一种视频信息的加解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频信息的加解密方法，其特点是：将所需要传送的视频信息中提取少量的数据进行加密，然后将加密后的数据的密文还原至提取位置和哪些非加密数据混合作为加密后的视频码流输出，解密则是相反的过程。本发明可实现保密性可分级的标准压缩视频信息的加密和解密；基于视频信息信源特征实现，运算量小，可满足视频信息处理与传输的实时性要求；对基本不增加码流大小，基本不影响视频交互性和视频传输的网络容错性；独立于视频编解码器，支持符合MPEG-4/H.26x标准的视频码流的加密，加密后的视频码流仍符合MPEG-4/H.26x标准；独立于具体密码学算法，可选用不同的国际标准的分组加密算法，保密性可达到当前难以破译水平。

Description

一种视频信息的加解密方法

技术领域

本发明属于一种计算机网络视频通讯的安全方法，具体地讲是一种符合MPEG-4/H.26X标准的视频信息的加解密方法。

背景技术

随着各种视频应用的日益广泛，视频信息的安全问题也日益突出。视频的应用主要分为面向存储和面向传输两个方面。面向存储的应用，例如有些重要的视频数据库需要将存储在硬盘等存储介质上的视频内容进行加密，合法的用户在获取正确密钥的前提下才能解密观看到正确的视频。面向传输的视频应用非常多，例如视频会议、可视电话、流媒体以及远程医疗等等。在军事国防、党政机关、电子商务等重要领域，上述各种类型的视频传输对视频信息的保密性有着迫切的需求。

无论是面向存储还是面向传输的视频应用，仅仅对视频用户进行身份认证或专网隔离等方法来获取视频安全性实践证明是不够可靠或者代价昂贵的。信源加密即进行视频内容本身的加密是解决视频信息安全性的主要的而且更重要的手段。对视频内容本身的加密可以保证非法用户即使得到了视频信息，由于没有密钥无法正确解密观看原始的正确视频图像。

由于视频信息具有海量数据，使用传统的全部加密算法显然计算量巨大，不能满足视频实时传输的要求。另一方面，由于标准视频编码信息的标志信息是固定格式的，攻击者在获取密文后，对密文进行分析，提取明文中标志信息加密后得到的相应密文，对比明文中的固定格式的标志信息就可能较容易的破解加密算法。而且视频信息的许多标志信息在存储和传输过程中均具有重要的作用，如交互作用和QoS保障作用，如果破坏将严重影响其应用。因此对全部数据不加区别地按传统方法加密不适合应用于视频信息的加密。

发明内容

本发明的目的就是针对这种矛盾性需求，充分利用视频信息的信源特征，从视频码流中提取数据量少而重要的关键信息采用高强度的加密技术，保证安全性的同时整体上大幅度减少其计算量和复杂性，保障视频实时传输；另一个方面，要求加密后的码流仍符合视频压缩标准的语法结构，不破坏码流中的标志信息，不影响加密后视频码流的解码及视频的回放，从而不影响视频应用，而提出一种视频信息的加解密方法，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：将所需要传送的视频信息中提取少量的数据进行加密，然后将加密后的数据的密文还原至提取位置和那些非加密数据混合作为加密后的视频码流输出，解密则是相反的过程；

将所需要传送的视频信息分析视频码流，提取少量的关键数据采用高强度的分组加密算法加密，然后将加密后的关键数据的密文还原至提取位置和那些非关键数据混合作为加密后的视频码流输出，解密则是相反的过程。

由于本发明采用只对所需要传送的视频信息部分数据进行加解密，使得本发明具有以下优点：1、加解密的运算量足够小，以保证视频信息的实时传输；2、标准压缩编码的视频信息加密后得到仍然符合标准的视频码流，不影响应用；3、根据不同应用的安全性需求要求加解密方法保密性可分级；4、为方便加解密方法的应用，加解密可外挂于视频编解码模块，自成独立模块；5、为给用户提供对不同密码算法的多样选择，密码算法方便更新升级。

附图说明

图1为本发明在正常状态的应用总体流程图。

图2为本发明在非正常状态的应用总体流程图。

图3为本发明加密方法流程图。

图4为本发明解密方法流程图。

图5为本发明面向服务器端加密过程流程图。

图6为本发明面向客户端解密过程流程图。

图7为本发明实施例1加密模块嵌入位置示意图。

图8为本发明实施例1解密模块嵌入位置示意图。

图9为本发明实施例2加密内部功能模块框图。

图10为本发明实施例2解密内部功能模块框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的为描述，但以下实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明采用提取关键信息分组加密方法，它可以选择几种关键数据的组合达到不同级别的保密性，并且由于采用国际标准的分组加密算法其安全性总体上看是很高的。该方法的基本思想是分析视频码流提取少量的关键数据采用高强度的分组加密算法加密，然后将加密后的关键数据的密文还原至提取位置和哪些非关键数据混合作为加密后的视频码流输出，解密则是相反的过程。

本发明在通过对标准压缩视频码流的信源特征进行了深入的研究和试验的基础上，选择几类视频信息中对图像恢复起主要作用的关键数据作为高强度加密的对象，并且它们在码流中比例很小。而且该方法可以通过对这几类视频关键信息的不同组合的加密得到不同保密性级别的加密方法以适应不同级别的应用需求。比如，我们将关键数据根据其在码流中所占的比例从小到大排列分别称为A类、B类、C类、D类...。然后根据加密后视频图像的效果以及加密的数据量大小定义一级加密为A类和B类组合加密。二级加密为A类、B类和C类组合...，三级加密为A类、B类、C类和D类组合解密...。从一级到三级及以上级别加密视频效果越好，越难被解密，即安全性越高。

本方法的流程如图1。图1中的视频加密模块即是本方法的实现部分。经过压缩后的原始视频码流经过视频加密模块得到仍然符合标准的视频码流，经过加密后的码流经过解密模块恢复成原始的视频码流，然后经过解码器就可以得到正确的视频图像。但是，如果经过加密后的码流没有通过解密模块或者没有获得正确的解密密钥，经过解码器则得到被破坏的视频图像(图2)。

本发明加密流程如图3。本方法的视频加密模块主要由三部分组成：码流分析与关键数据提取模块(简称为码流分析模块)，分组加密模块和码流混合模块。码流分析模块的主要功能是读取分析压缩后的原始视频码流，将其中的所定义的关键数据提取出来组合在一起，同时记录每个关键数据在码流中的位置和长度信息(以bit为单位)。分组加密模块的主要功能是使用分组密码算法将提取的关键数据以分组为单位(通常分组大小为64bit、128bit、192bit、256bit))进行加密。码流混合模块的主要功能是将加密得到的密文根据每个关键数据的位置和长度信息的记录重新返回到原始码流中去替代加密前码流中提取的关键数据，即与其他非关键数据混合得到加密后的码流。

本发明解密流程如图4。本方法的视频解密模块内部结构主要由三部分组成：码流分析与关键数据提取模块(简称为码流分析模块)，分组解密模块和码流混合模块。码流分析模块的主要功能是读取分析经过加密后的视频码流，将其中的经加密后的关键数据的密文提取出来组合在一起，同时记录每个关键数据的密文在码流中的位置和长度信息(以bit为单位)。分组解密模块的主要功能是使用和加密时对应的分组密码算法将提取的关键数据的密文进行解密。码流混合模块的主要功能是将解密后复原的关键数据明文根据每个关键数据密文的位置和长度信息的记录重新返回到码流中去替代解密前提取的密文数据，即与其他非密文数据混合得到解密后的码流。

本发明无论是加密过程中的分组加密模块还是解密过程中的分组解密模块都是一个独立的算法模块，可以根据实际应用需求在几种分组加密算法中选用。另外，本方法还有一个特点就是加密和解密过程以视频编码帧为单位，即将每帧里提取的关键数据组合起来以分组为单位使用分组密码算法加密。如果从该帧提取的关键数据不是分组大小的整数倍，则将最后不足分组大小的剩余关键数据填充成为一个分组大小然后进行分组加密。以帧为单位进行加密的优点是对视频网络传输容错性影响非常小。因为以帧为单位加密在网络传输过程中出现丢包时，前一帧数据的丢失不会影响后一帧数据的正确解密，所以不会引起由于加密造成的视频质量破坏的扩散。

视频的应用包括面向存储和面向传输两种类型。面向存储的视频应用特别要求加密后的视频码流中的标志信息不被改变，因为视频存储往往需要视频检索，而基于内容的视频检索是根据视频信息中的某些标志字来查询的。本发明提出的两个方法则能保证不改变这些标志字，不改变码流结构，从而保证视频数据库的正常检索和应用。

面向存储的应用相对简单，以最常见的视频数据库为例，其加解密过程如图5所示。服务器端将原始的海量的视频数据压缩编码，经过加密，然后存储在硬盘。客户端从服务器上获得视频数据(图6)，如果用户合法并获得了正确的密钥就可以解密，然后经过解码显示视频图像。如果用户没有解密或者获得错误的密钥则解码得到破坏的图像。面向传输的视频应用除了需要不改变码流结构外，特别强调加密和解密不影响视频的实时性传输。本发明采用只对少量关键数据进行高强度加密，所以可以保证视频的实时处理和传输从而保证其正常应用。面向传输的视频应用又可分为分组交换和电路交换两种类型，由于分组交换是应用的主流，那么下面以视频加密在分组交换视频通信中的应用为例来说明具体的实施例。

具体的实施例按照加解密模块在分组交换视讯系统中的位置可分为嵌入式加密方法和独立式加密方法。

实施例1：

嵌入式加解密方法：将视频加密和视频解密模块嵌入视频编码模块和网络打包传输模块(RTP打包和IP打包)之间，通常以软件模块的形式嵌入视讯终端内部。视讯终端编码后的原始码流经过视频加密模块然后打RTP包，通过网络模块打IP包传输。另一个方向上，视讯终端的网络模块将接收的数据包在IP包解析，接着RTP包解析，然后经过解密模块，经解码模块解码显示。以H.323视讯终端为例，视频加密和视频解密模块嵌入位置如图7、图8所示。

实施例2：

独立式加解密方法：将视频加密和视频解密模块在一个独立的硬件设备中实现，该设备有两个RJ45网络接口，一个连接视讯终端的网络接口，一个连接到网络上。该独立式设备可以同时进行加解密双向操作。从视讯终端过来的网络数据包，首先进行IP包解析，接着进行RTP包解析得到视频原始码流，然后用加密模块进行加密，最后将加密后的码流进行RTP包重建和IP包重建然后传输至网络。另一个方向上，从网络传输来的数据包，首先进行IP包解析，接着进行RTP包解析得到经过加密的视频码流，然后用解密模块进行解密，最后将解密后的码流进行RTP包重建和IP包重建然后传输至视讯终端进行解码显示。独立式视频加解密设备内部主要模块如图9、图10所示。

根据本发明的技术背景，要求本方法充分利用视频信息的信源特征，从视频码流中提取数据量少而重要的关键信息采用高强度加密，大幅度减少其计算量保障视频实时传输，而没有这些关键信息时视频图像被严重破坏。另一个方面，要求加密后的码流仍符合视频压缩标准的语法结构，所以不选择码流中的标志信息加密，不影响加密后视频码流的解码及视频的播放从而不影响视频应用。综合以上两个方面及其它各种因素，本方法在通过对标准压缩视频码流的信源特征进行了深入的研究和试验的基础上，选择视频码流中对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量(MV)作为高强度加密的对象，它们在码流中比例很小，DCT系数又分为直流系数DC和交流系数AC，DCT系数和运动矢量(MV)在码流中由符号位和数值组成。比如可以将DC符号、DC值、MV符号、MV值、AC符号、AC值依次称为A类、B类、C类、D类、E类和F类关键数据。对于分级加密，根据加密的数据量大小和图像效果比如可以定义一级加密为A类和B类组合加密；二级加密为A类、C类组合；三级加密为A类、B类、C类和D类组合解密，...。

本发明关键信息提取分组加密方法可选用包括DES、AES、IDEA在内的分组密码算法，但不局限于以上三种算法。将每个分组密码算法设计成独立的软件或硬件模块，可在加密和解密模块中灵活嵌入。

视频信息正常应用需要着重考虑以下五个方面。本发明提出的视频加解密方法由于致力于尽量满足实际需求不影响应用，所以在这五个方面的影响非常小甚至基本没有影响。

对MPEG-4交互性的影响：本发明提出的加密方法由于不改变视频信息中的又有关对象的标志信息和有关快进快退的标志信息等数据所以基本上不影响MPEG-4交互性；

对视频编解码的影响：本发明提出的加解密方法，其加解密过程独立于编解码过程，并且由于加解密只对最基本的视频信息进行操作，不会限制编解码的各种特性；

对码流大小即带宽要求的影响：本发明提出的加密方法由于不使用增加明文大小的密码算法，不影响视频压缩比，因此经过加密基本不增加码流大小；

对视频传输延时的影响：本发明提出的加解密方法由于只对少量数据分组加密的加密方法，加解密运算量小，因此本加密方法对视频传输的附加延时很小，基本不影响实时性；

对网络容错性的影响：本发明提出的加解密方法由于以编码帧为单位，而网络打包传输基本是以帧为边界的，当网络出现丢包时，丢失一帧或几帧不会影响后续帧的正确解密，所以本加密方法对网络容错性影响很小。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1、一种视频信息的加解密方法，将所需要传送的视频信息中少量的数据进行加密，然后将加密后的数据的密文和那些非加密数据混合作为加密后的视频码流输出，解密则是将经加密后的视频码流中的少量加密数据提取解密，将解密后的数据和那些非加密数据混合后得到解密后的视频码流，其特征在于：将所需要传送的视频信息进行动态分析，提取视频码流中对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量采用高强度的分组加密算法加密，然后将加密后的DCT系数和运动矢量组合的密文还原至提取位置和那些非加密数据混合作为加密后的视频码流输出，解密则是将经加密后的视频码流中对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量提取解密，将解密后的数据和那些非加密数据混合后得到解密后的视频码流，经过压缩后的原始视频码流经过视频加密模块得到仍然符合标准的视频码流，经过加密后的码流经过解密模块恢复成原始的标准的视频码流。

2、如权利要求1所述的视频信息的加解密方法，其特征在于：视频加密方法由三部分组成，码流分析与对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量提取，分组加密和码流混合，码流分析是读取分析压缩后的原始视频码流，将其中的所定义的对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量提取出来组合在一起，同时记录每个对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量在码流中的位置和长度信息，分组加密是使用分组密码算法将提取的对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量以分组为单位进行加密，码流混合是将加密得到的密文根据每个对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量的位置和长度信息的记录重新返回到原始码流中去替代加密前码流中提取的对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量，即与其他非加密数据混合得到加密后的码流。

3、如权利要求1所述的视频信息的加解密方法，其特征在于：视频解密方法由三部分组成，码流分析与对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量提取模块，分组解密和码流混合，码流分析是读取分析经过加密后的视频码流，将其中的经加密后的对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量的密文提取出来组合在一起，同时记录每个对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量的密文在码流中的位置和长度信息，分组解密是使用和加密时对应的分组密码算法将提取的对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量的密文进行解密，码流混合是将解密后复原的对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量明文根据每个对图像恢复起主要作用的DCT系数和运动矢量密文的位置和长度信息的记录重新返回到码流中去替代解密前提取的密文数据，即与其他非加密数据混合得到解密后的码流。

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