CN101247520A - 一种视频数据加密/解密方法 - Google Patents
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Abstract
一种视频数据加密/解密方法，其特征在于：加密部件内嵌于编码过程中，采用分组置乱的策略对数字视频数据的DCT系数进行加密；解密部件内嵌于解码过程中，采用与加密相反的反置乱策略对数字视频数据的DCT系数进行解密；可同时对数字视频的帧间运动补偿向量进行置乱以达到更高的安全性；本发明将加/解密内嵌于视频编/解码过程中，加密速度快，实施难度小，且采用了动态密钥的技术，有很强的抗击明文攻击的能力；本发明的加/解密方法对编/解码率的影响减小到了最低程度，加密前和解密后的视频图像质量没有任何损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据加密/解密的方法，特别涉及一种视频数据加密/解密方法。
背景技术
在当今信息时代与全球化背景下，对等主体(国家、企业、研究机构等)之间的竞争日益激烈，信息的安全问题越来越受到重视。视频信息作为多媒体信息的核心，在网络、通讯以及视频技术本身(如MPEG-X与H.26X系列视频编解码国际标准等)蓬勃发展推动下，它的发布与交流将会更加普及，例如视频出版物(Video Publications)、视频点播(Video-On-Demand，VOD)与视频会议(Videoconferences)等等，人们迫切需要解决其在商业、军事和其它私密背景应用中的安全性问题。另外，在数据权益管理(Digital Right Management，DRM)系统中，视频加密也扮演着重要的角色，为了更好地对视频内容在整个流通过程中进行控制，实现权限管理的目标，必须对需要进行权限管理的视频内容进行加密保护。数字视频数据加密对无论是信息安全，还是数字权益管理都有非常重要的意义。
传统的加密算法如DES(Data Encryption Standard)和AES(Advanced Encryption Standard)一般由密钥以非常复杂的方式控制的替换过程，对于数据量极为庞大的多媒体数据而言，难以用软件实现足够快的加密及解密算法。就对普通的多媒体应用，如视频点播，传统的加密算法并不划算。并且，传统加密方法并不考虑多媒体数据的格式，而是将其作为普通的二进制数据，这不仅没能利用多媒体数据的特殊格式和特性，并且使加密后的文件失去了原有的格式和标记等信息。
相比而言，随机置乱是轻量级的加密方法，容易得到快速的算法。简单的数字视频数据随机置乱算法在8×8块内置乱DCT频域系数，把DCT系数按随机顺序从8×8阵映射成1×64矢量。但这样的方法有较严重的安全问题，并且这样的随机置乱算法打乱了数字视频数据的统计特征，降低了编码的压缩率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服传统的数字加密算法流程复杂，计算量大，代价高，格式丢失的缺点，同时又避免简单的数字视频数据随机置乱算法安全性不够和降低编码压缩率的问题，本发明采用置乱DCT系数和运动补偿向量及其恢复的方案，并给出一个新的DCT系数分组置乱策略；在不影响视频的质量并保证加密后的码流为标准视频码流的前提下，提供了码流增加幅度小安全性高的数字视频数据加密方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种视频数据加密/解密方法，其特征在于：加密部件内嵌于编码过程中，采用分组置乱的策略对数字视频数据的DCT系数进行加密；解密部件内嵌于解码过程中，采用与加密相反的反置乱策略对数字视频数据的DCT系数进行解密。
所述的加密部件由置乱表生成器<STG>和置乱器<S>组成，置乱表生成器<STG>接收待加密的数据并提取其特征，然后以该特征和主密钥KM为参数生成子密钥KS，再利用子密钥KS生成置乱表；置乱器<S>按置乱表对数据进行置乱。
所述的解密部件由置乱表生成器<STG>和反置乱器<S-1>组成，置乱表生成器<STG>接收待加密的数据并提取其特征，然后以该特征和主密钥KM为参数生成子密钥KS，再利用子密钥KS生成置乱表；反置乱器<S-1>按置乱表对数据进行反置乱。
所述的对DCT系数加密/解密过程中，在对DCT系数加密时，加密部件位于编码过程的量化<Q>之后和变字长编码<VLC>之前；在对DCT系数解密时，解密部件位于解码过程的变字长解码<VLC-1>之后和反量化<Q-1>之前。
所述的对DCT系数加密/解密过程中，在对安全性要求更高的情况下，在对数字视频数据的DCT系数进行加密/解密的同时，也采用置乱的策略对运动补偿向量进行加密；采用与加密相反的反置乱策略对运动补偿向量进行解密。
所述的对运动补偿向量的加密/解密过程中，在对运动补偿向量加密时，加密部件位于运动补偿向量输出之前；在对运动补偿向量解密时，解密部件位于运动补偿向量输入之后。
所述的采用分组置乱的策略，将DCT系数按相同位置分组，在组内进行随机置乱，置乱的范围覆盖整个视频帧。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
1、本发明所述的数字视频数据加密方法采用随机置乱的方法，并且将加解密过程与视频编解码过程紧密结合，其加解密速度快于传统的数据加解密方法，保证了视频码流的实时性；
2、本发明所述的数字视频数据加密方法只对视频码流中的视频数据进行加密，不仅数据处理量小，而且使得加密后的视频数据保留了原有的格式和标记信息；
3、本发明采用的随机置乱在频域的数字视频数据中进行，消除了块内纹理，新的分组置乱策略不影响视频的质量，加密后的码流为标准视频码流；已有的置乱加密方法比较，对视频数据统计特性的影响更小，码流增加幅度小，安全性也更高；
4、本发明所提供的运动向量置乱为本数字视频数据加解密方法提供了更高的安全性；运动向量置乱的可选择性为本发明提供了更灵活的选项和更宽泛的应用领域；
5、本发明在置乱表生成时采用了基于内容的动态密钥技术；动态密钥利用主密钥为每一个置乱表生成一个不同的子密钥，提高了本加密方法抗击明文攻击的能力；其基于内容的特征也使该动态密钥技术避免了难以同步的问题。
附图说明
图1为本发明的数字视频数据加密/解密总体结构图；
图2为本发明的加密部件的结构图；
图3为本发明的解密部件的结构图；
图4为本发明的频域DCT系数置乱加密的结构图；
图5为本发明的频域DCT系数置乱解密的结构图；
图6为本发明的运动补偿向量置乱加密的结构图；
图7为本发明的运动补偿向量置乱解密的结构图；
图8为本发明DCT系数分组的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明的总体结构如图1所示，它是在视频编码和解码的过程中分别嵌入加密和解密的过程。加密和解密都采用置乱的方法；加密包含DCT系数置乱加密和运动补偿向量置乱加密，解密也包含DCT系数置乱解密和运动补偿向量置乱解密；需要注意的是运动补偿向量的加密和解密只在高安全性要求的情况下才是必需的。
本发明的置乱加密部件的结构如图2所示，加密部件由置乱表生成器<STG>和置乱器<S>组成，首先加密部件的置乱表生成器<STG>接收待加密的数据并提取数据特征，然后由数据特征和加密的主密钥KM共同生成子密钥KS，子密钥KS然后被用于生成随机置乱表，最后置乱器<S>按随机置乱表对数据进行置乱以加密。本发明的置乱解密部件的结构如图3所示，解密部件由置乱表生成器<STG>和反置乱器<S-1>组成，首先解密部件的置乱表生成器<STG>接收待解密的数据并提取与加密时一样的数据特征，然后由数据特征和解密的主密钥KM共同生成子密钥KS，子密钥KS然后被用于生成随机置乱表，最后反置乱器<S-1>将随机置乱表作用于数据进行反向置乱以解密。在加密部件和解密部件中都采用了基于内容的动态密钥技术，动态密钥技术根据一个主密钥KM为每一个置乱表的生成提供一个不同的子密钥KS，提高了本加密方法抗击明文攻击的能力。子密钥KS是主密钥KM和数据特征值的函数；数据特征值是数据在置乱加密前后不发生变化的属性，如平均值。置乱表生成器得到子密钥KS后再采用随机排列生成算法生成置乱表。
本发明的频域DCT系数置乱加密结构如图4所示，它是在数字视频数据编码的量化<Q>之后和变字长编码<VLC>之前的位置插入加密部件；此时加密部件加密的数据就是DCT系数，DCT系数经置乱加密后经过变字长编码后形成最终的加密后的视频流。本发明的频域DCT系数置乱解密结构如图5所示，它是在变字长解码<VLC-1>之后和反量化<Q-1>之前插入解密部件；此时解密部件解密的数据是经过加密的DCT系数，它在经过置乱解密后再经过反量化等步骤后恢复成原始的视频流。对DCT系数的置乱和反置乱都采用分组的方式进行：分组示意如图8所示；以qk l(k＝0，1，...，63；l＝0，1，...，n-1)表示第l+1个DCT块的第k+1个量化后的系数，n为帧内DCT块的总数，对于亮度信号Y，n＝4m，m为宏块数，对于色度信号U、V，n＝m；qk l按在块内的相同位置分成64组进行置乱，每组n个；这种分组置乱的策略，对压缩码率的影响会更小；置乱的范围从slice扩大到整个视频帧，这样同时增大了非法攻击者破解的难度。
视频数据在频域被置乱后，物体和场景的运动信息仍会是可见的，可以对运动补偿向量的整体也进行置乱，运动补偿向量的置乱打乱了物体和场景的运动信息，使加密达到更高的安全性。运动补偿向量置乱加密的结构图如图6所示。在运动补偿向量置乱加密时，加密部件位于运动补偿向量输出之前，加密部件加密的数据就是待加密的运动补偿向量。运动补偿向量置乱解密的结构图如图7所示。在运动补偿向量置乱解密时，解密部件位于运动补偿向量的输入之后，解密部件解密的数据就是待解密的运动补偿向量。帧间运动估计得到的运动补偿向量具有X、Y两个方向的分量，它们可以分开，也可以作为整体来进行置乱，但必须以宏块为单位，因为在压缩码流中，运动向量的编码模式标志是以宏块为单位的；以MPEG-4为例，针对采用前向预测的P帧，当基于8×8块的运动补偿方式处于激活状态时，运动向量主要有INTER16×16(1个运动向量)、INTER16×8(2个运动向量)、INTER8×8(4个运动向量)三种模式，置乱时应分开来处理。对于采用双向预测的B帧，运动向量主要有直接、前向、后向和双向四种模式，同P帧，它们也各自分开处理，需要注意的是，运动向量与其编码模式标志必须捆绑在一起，以宏块为单位进行置乱；运动补偿向量置乱为数字视频数据加/解密方法提供了更高的安全性，运动补偿向量置乱的可选择性为本发明提供了更灵活的选项和更宽泛的应用领域。
Claims (7)
1、一种视频数据加密/解密方法，其特征在于：加密部件内嵌于编码过程中，采用分组置乱的策略对数字视频数据的DCT系数进行加密；解密部件内嵌于解码过程中，采用与加密相反的反置乱策略对数字视频数据的DCT系数进行解密。
2、根据权利要求1所述的一种视频数据加密/解密方法，其特征在于：加密部件由置乱表生成器<STG>和置乱器<S>组成，置乱表生成器<STG>接收待加密的数据并提取其特征，然后以该特征和主密钥KM为参数生成子密钥KS，再利用子密钥KS生成置乱表；置乱器<S>按置乱表对数据进行置乱。
3、根据权利要求1所述的一种视频数据加密/解密方法，其特征在于：解密部件由置乱表生成器<STG>和反置乱器<S-1>组成，置乱表生成器<STG>接收待加密的数据并提取其特征，然后以该特征和主密钥KM为参数生成子密钥KS，再利用子密钥KS生成置乱表；反置乱器<S-1>按置乱表对数据进行反置乱。
4、根据权利要求1所述的一种视频数据加密/解密方法，其特征在于：在对DCT系数加密时，加密部件位于编码过程的量化<Q>之后和变字长编码<VLC>之前；在对DCT系数解密时，解密部件位于解码过程的变字长解码<VLC-1>之后和反量化<Q-1>之前。
5、根据权利要求1所述的一种视频数据加密/解密方法，其特征在于：在对安全性要求更高的情况下，在对数字视频数据的DCT系数进行加密/解密的同时，也采用置乱的策略对运动补偿向量进行加密；采用与加密相反的反置乱策略对运动补偿向量进行解密。
6、根据权利要求5所述的对运动补偿向量的加密/解密方法，其特征在于：在对运动补偿向量加密时，加密部件位于运动补偿向量输出之前；在对运动补偿向量解密时，解密部件位于运动补偿向量输入之后。
7、根据权利要求1所述的一种视频数据加密/解密方法，其特征在于：采用分组置乱的策略，将DCT系数按相同位置分组，在组内进行随机置乱，置乱的范围覆盖整个视频帧。
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