CN101572805B - 一种安全的视频传输系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种安全的视频传输系统及其应用方法，系统包括服务器和用户终端，所述视频数据从服务器传输至用户终端，所述服务器设置有对视频数据进行加密的加密模块，所述用户终端包括视频接收端和视频播放器，视频接收端设置有与加密模块对应的解密模块，视频接收端还设置有水印嵌入模块，视频接收端对加密的视频数据解密后，嵌入水印再传输至视频播放器进行播放。由于水印嵌入是在用户终端的视频接收端进行处理，因此减轻了服务器的负载。

Description

一种安全的视频传输系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及视频传输过程的安全保障领域，特别是涉及一种结合加密技术和嵌入数字水印的安全的视频传输系统及其应用方法。

背景技术

随着计算机网络和数字技术的逐渐发展，信息分发成为人们获得信息的主要途径，比如IPTV、CATV、Broadcast等等。

如今的日常生活中出现或将要出现的一些我们获得数字化媒体的手段，比如CATV有线电视、数字广播电视，以及目前很热的IPTV交互式网络电视。这些不同的数字化电视的手段都离不开内容分发这个大环节。例如，IPTV通过互联网，由服务器向客户端提供数据业务；我们的有线电视是由每个电视局工作站向每个家庭用户传输信号。

无论是网络传输的IPTV还是我们家庭的有线电视，信号在传输的过程中我们必须面临下面三个问题：第一，视频内容的版权保护，以IPTV为例，用户端点播一些视频内容，然后再复制下来，非法传播。第二，在传输过程中会存在非法截取，特别是一些收费电视节目，或者一些有隐私性质的视频，合法用户当然不希望另外的人看到视频内容本身，因此有的视频节目视需要进行内容加密的。第三，基于客户端/服务器方式的非对称数据业务的大量应用，会造成网络不同方向和不同局部的业务流量不平衡，特别是服务于所有用户的服务器的压力尤为突出。

对信息本身而言，随着计算机和网络技术的广泛应用，数字多媒体信息被大量使用并得以方便快捷的传输。数字媒体的版权保护和防止数据信息泄露也是社会关注的一大热点。对于网络传输的数字媒体，人们迫切需要其保密性和可鉴别性。于是提出了数字水印技术，它通过信息隐藏和伪装的办法验证数据的所有权和完整性；和加密技术，它基于现代密钥学思想隐藏数据本身的真实信息。

加密和数字水印是信息安全和版权保护的两种重要技术。加密保证机要信息在信道中的安全传输，但是一旦被解密，信息可以任意复制、篡改，无法对侵权者实施追踪；而数字水印技术可以鉴定作品的所有权，追踪非法侵权源头，但无法保证信息的安全传输。因此，为了保证多媒体信息的可靠安全传输和版权认证信息，完全有必要把加密技术和数字水印技术相结合，来克服单纯加密和数字水印技术的缺点。

现有的一种对视频信号的加密和数字水印技术从采用的帧内预测编码的I帧中与其前一I帧之间的帧间预测残留经过加密处理后作为数字水印信息嵌入到I帧中。能够同时满足加密和数字水印的安全性。但是该技术的一个缺点是，其加密和数字水印的区域是公开的，攻击者只需要对该区域进行攻击，因此安全性不高。同时由于加密和数字水印嵌入都是发生在服务器端，这就会加重服务器端的负载。

发明内容

本发明提供一种安全的视频传输系统，以解决现有技术中，数据加密和数字水印嵌入区域公开导致安全性不高，以及服务器工作负载过重的问题。

本发明的另一目的在于提供一种该传输系统的应用方法。

为了实现第一个发明目的，采用的技术方案如下：

本发明提供的安全的视频传输系统，包括服务器和用户终端，所述视频数据从服务器传输至用户终端，所述服务器设置有对视频数据进行加密的加密模块，所述用户终端包括视频接收端和视频播放器，视频接收端设置有与加密模块对应的解密模块，视频接收端还设置有水印嵌入模块，视频接收端对加密的视频数据解密后，嵌入水印再传输至视频播放器进行播放。由于水印嵌入是在用户终端的视频接收端进行处理，因此减轻了服务器的负载。

作为一种优选方案，加密模块和解密模块针对传输过程中的压缩视频文件中I帧的DCT变换系数残差进行加密/解密操作。水印嵌入模块针对传输过程中的压缩视频文件中I帧的DCT变换系数残差进行水印嵌入操作。特别是，采用解码程序MPEG-2视频压缩文件部分解压得到I帧DCT变换64个系数残差值。即该优选方案所需要进行加密、解密、嵌入水印的数据不是完整的视频数据，而是传输过程中的压缩视频文件中I帧的DCT变换系数残差，进一步减轻了系统的负载。

作为更进一步的优选方案，在服务器和视频接收端设置有用于对视频数据进行随机分块的分块模块，分块模块用密钥产生与视频数据的数据量相同的二进制随机序列，特别是，采用解码程序MPEG-2视频压缩文件部分解压得到I帧DCT变换64个系数残差值，用密钥key0产生64位随机序列“0”或“1”。将产生的随机序列与视频数据的位置对应：

在服务器，对与二进制随机序列中数值为‘1’的位置相同的视频数据，由加密模块进行加密操作；

在视频接收端，对与二进制随机序列中数值为‘0’的位置相同的加密的视频数据，由水印嵌入模块进行水印嵌入操作；

在视频接收端，对与二进制随机序列中数值为‘1’的位置相同的加密的视频数据，由解密模块进行解密操作。

由于分块模块采用的是随机分块方式，加密数据的区域对于攻击者是不可见的，因此能提高加密的安全性。

作为另外一种的优选方案，水印嵌入模块采用最低有效位(Least Significant Bit，LSB)水印嵌入方案，加密模块采用数据加密标准(Data Encryption Standard，DES)进行加密。

为了实现第二个发明目的，采用的技术方案如下：

一种安全的视频传输系统的应用方法，包括如下步骤：

(1)在服务器采用加密模块对所要传输的视频数据进行加密；

(2)用户终端通过视频接收端接收服务器所传输的已加密视频数据，并采用解密模块进行解密；

(3)用户终端通过视频接收端的水印嵌入模块在解密后的视频数据嵌入水印；

(4)视频接收端将嵌入水印后的视频数据传至视频播放器进行播放。

上述技术方案中，特别针对传输过程中的压缩视频文件中I帧的DCT变换系数残差进行加密、解密、以及嵌入水印的操作。

本发明在服务器得到加密压缩视频的具体步骤如下：

11)用解码程序从压缩视频文件中解析出I帧DCT变换系数残差值；

12)通过设定的密钥Key0随机地将系数残差值分为不相关的两部分S1和S2，其中S2区域用于数据加密标准加密，生成S2’，具体方法如下：

通过密钥Key0得到随机二进制数组sub_array_key[8][8]，通过与解析出的每一个宏块中变换系数残差值coeff_metrix_lev[8][8]比较，在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘1’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为发送端加密区数据S2，在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘0’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为发送端嵌入水印区数据S1；

13)将S1和S2’合成新的系数残差值，对新的系数残差值编码生成新的压缩视频文件；

在用户终端得到带水印的解密压缩视频文件的步骤如下：

31)用解码程序从压缩视频文件中解析出I帧DCT变换系数残差值；

32)通过密钥Key0随机地将系数残差值分为不相关的两部分S1和S2’，其中S1区域用于嵌入水印W，生成S1_w，S2’区域用于数据加密标准解密，生成S2，具体步骤如下：

通过密钥Key0得到随机二进制数组sub_array_key[8][8]，通过与解析出的每一个宏块中变换系数残差值coeff_metrix_lev[8][8]比较，在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘1’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为接收端解密区数据S2’，在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘0’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为接收端嵌入水印区数据S1，对S1区域嵌入水印W，生成S1_w；

33)将S1_w和S2合成新的系数残差值，对残差值进行编码生成新的视频压缩文件，该文件是带有水印的压缩视频文件。

特别是，采用解码程序MPEG-2视频压缩文件部分解压得到I帧DCT变换64个系数残差值，用密钥key0产生64位随机序列“0”或“1”，将产生的随机序列与I帧DCT变换残差系数位置采用如下对应方式：

“0”的位置，DCT残差系数用于嵌入水印，属于S1水印区；

“1”的位置，DCT残差系数用于加解密，属于S2加密区；

从而实现将从压缩视频文件中解析出I帧DCT变换系数残差值分为不相关的两个区域。

本发明由于采用了在客户终端进行水印嵌入的操作，因此减轻了服务器的负载，同时，本发明的进一步优选方案，还提供了一种对视频数据进行随机分区的操作，使到加密区域对于攻击者不可见，提高了加密数据的安全性。

附图说明

图1是本发明的模块图。

图2是本发明的流程图。

图3是本发明的对原始数据进行分区的示意图。

图4是skier视频，其中服务器端加密，用户端得到带水印的解密视频文件，(a)为原视频，(b)为加密的视频，(c)为带水印的解密视频

图5是waitress视频，其中服务器端加密，用户端得到带水印的解密视频文件，(a)为原视频，(b)为加密的视频，(c)为带水印的解密视频。

图6是gladiator视频，其中服务器端加密，用户端得到带水印的解密视频文件，(a)为原视频，(b)为加密的视频，(c)为Philips公司加密的视频，(d)为带水印的解密视频。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的方案包括服务器和用户终端，视频数据从服务器传输至用户终端，在服务器设置有对视频数据进行加密的加密模块，用户终端包括视频接收端和视频播放器，视频接收端设置有与加密模块对应的解密模块，视频接收端还设置有水印嵌入模块，视频接收端对加密的视频数据解密后，嵌入水印再传输至视频播放器进行播放。

如图2所示，本发明的方案在服务器端对压缩视频文件进行加密，经网络传输，用户端得到加密的压缩视频文件，在解密视频文件的同时嵌入有用的水印信息。用户观看的是带水印信息的解密视频。

1)在服务器得到加密压缩视频的具体步骤如下：

a)采用部分解码程序从压缩视频文件中解析出I帧DCT变换系数残差值；

b)加密模块采用DES算法对数据加密，得到加密数据；

c)对加密数据编码，生成新的压缩视频文件；

2)服务器把新的压缩视频文件传输至用户终端。

3)用户终端包括视频接收端和视频播放器，视频终端对得到带水印的解密压缩视频文件的步骤如下：

a)采用部分解码的程序从待处理视频压缩文件中解析出变换系数残差值；

b)解密模块采用DES算法对数据解密，得到解密数据；

c)水印嵌入模块对解密数据嵌入水印W，得到嵌入水印数据；

d)对嵌入水印数据进行编码生成新的视频压缩文件，该文件是带有水印的压缩视频文件；

4)视频接收端把带有水印的压缩视频文件传输至视频播放器进行播放。

另外一种优选方案是在服务器和客户端都增加了分块模块，用于对视频数据进行随机分区，分为水印区S1和加密区S2，水印区S1用于水印嵌入，加密区S2用于数据加密，具体步骤如下：

1)在服务器得到加密压缩视频的具体步骤如下：

a)用部分解码程序从压缩视频文件中解析出I帧DCT变换系数残差值；

b)分块模块通过密钥Key0随机地将系数残差值分为不相关的两区域，分别是水印区S1和加密区S2；

c)加密模块用DES算法对加密区S2的数据加密，得到加密数据S2’；

d)将水印区数据S1和加密数据S2’合成新的系数残差值，对新的残差值编码，生成新的压缩视频文件。

2)服务器把新的压缩视频文件传输至用户终端。

3)用户终端包括视频接收端和视频播放器，视频终端对得到带水印的解密压缩视频文件的步骤如下：

a)用部分解码的程序从待处理视频压缩文件中解析出I帧DCT变换系数残差值；

b)通过密钥Key0随机地将系数残差值分为不相关的两部分，接收端水印区数据S1’和接收端加密数据S2’；

c)其中接收端水印区数据S1’区域用于嵌入水印W，生成S1’_w，接收端加密区数据S2’区域用于DES解密，生成接收端解密数据S2；

d)将接收端水印区数据S1’_w和接收端解密数据S2合成新的系数残差值，对残差值进行编码生成新的视频压缩文件，该文件是带有水印的压缩视频文件。

4)视频接收端把带有水印的压缩视频文件传输至视频播放器进行播放。

对其中的步骤(b)采用如下方式：

如图3所示，通过密钥Key0得到随机二进制数组sub_array_key[8][8]，通过与解析出的每一个宏块中变换系数残差值coeff_metrix_lev[8][8]比较，在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘1’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为发送端加密区数据S2或者接收端解密区数据S2’；在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘0’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为发送端嵌入水印区数据S1或者接收端嵌入水印区数据S1。对于水印嵌入过程采用如下方式：

根据MPEG-2游程编码的特点，本实施例是对变换系数残差值中大于1的数值进行操作，结合上面的分区，即

if((sub_array_key[i_w][j_w]＝＝0)&&(abs(coeff_metrix_lev[i_w][j_w])＞1))

满足的条件下进行嵌入水印。

本实施例采用LSB方案：

加密过程采用如下方式：

本实施例是对变换系数残差值中大于1的数值进行操作，结合上面的分区，即if((sub_array_key[i_w][j_w]＝＝1)&&(abs(coeff_metrix_lev[i_des][j_des])＞1))满足的条件下进行DES加密。

本实施例利用64bit位DES流密钥体制，用密钥key1得到一组随机数des_key_array[100]，固定DES密钥体制一个密钥，将des_key_array[i]作为另一个输入从而得到一个64bit位的二进制数，以矩阵8*8形式输出，对于每一个加密的矩阵coeff_metrix_lev[8][8]，在需要加密的物理位置与二进制矩阵元素异或，非零则改变符号，从而实现加密功能。

以下给出本发明在对视频文件加解密和嵌入水印过程中与视频skier、actor、gladiator的实验结果。试验结果共体现三个方面：加密后的置乱效果、解密后视频恢复以及水印的不可见性。

图4显示用本发明方法对视频skier加密的结果。图4(a)是原始视频，图4(b)是加密的视频，由图可知，加密视频与原视频在视觉上有很好的置乱效果，图4(c)是解密和含有水印的视频，由图可知解密后仍含有水印的视频与原始视频无明显差异。

图5显示用本发明方法对视频actor加密的结果。图5(a)是原始视频，图5(b)是加密的视频，由图可知，加密视频与原视频在视觉上有很好的置乱效果，图5(c)是解密和含有水印的视频，由图可知解密后仍含有水印的视频与原始视频无明显差异。

图6显示用本发明方法对视频gladiator加密的结果。图6(a)是原始视频，图6(b)是加密的视频，由图可知，加密视频与原视频在视觉上有很好的置乱效果，图6(c)是Philips公司加密的视频，由图可知其加密效果没有本方法效果好，图6(d)是解密和含有水印的视频，由图可知解密后仍含有水印的视频与原始视频无明显差异。

Claims (6)

1.一种安全的视频传输系统，包括服务器和用户终端，视频数据从服务器传输至用户终端，其特征在于所述服务器设置有对视频数据进行加密的加密模块，所述用户终端包括视频接收端和视频播放器，视频接收端设置有与加密模块对应的解密模块，视频接收端还设置有水印嵌入模块，视频接收端对加密的视频数据解密后，嵌入水印再传输至视频播放器进行播放；

在所述服务器和所述视频接收端设置有用于对视频数据进行随机分块的分块模块，所述分块模块用密钥产生与所述视频数据的数据量相同的二进制随机序列，将产生的随机序列与视频数据的位置对应：

在所述的服务器，对与所述二进制随机序列中数值为‘1’的位置相同的视频数据，由所述加密模块进行加密操作；

在所述的视频接收端，对与所述二进制随机序列中数值为‘0’的位置相同的加密的视频数据，由所述水印嵌入模块进行水印嵌入操作；

在所述的视频接收端，对与所述二进制随机序列中数值为‘1’的位置相同的加密的视频数据，由所述解密模块进行解密操作。

2.根据权利要求1所述的安全的视频传输系统，其特征在于所述加密模块和解密模块针对传输过程中的压缩视频文件中I帧的DCT变换系数残差进行加密/解密操作。

3.根据权利要求1或2所述的安全的视频传输系统，其特征在于所述水印嵌入模块针对传输过程中的压缩视频文件中I帧的DCT变换系数残差进行水印嵌入操作。

4.根据权利要求1所述的安全的视频传输系统，其特征在于所述的水印嵌入模块采用最低有效位(Least Significant Bit，LSB)水印嵌入方案。

5.根据权利要求1或2所述的安全的视频传输系统，其特征在于所述的加密模块采用数据加密标准(Data Encryption Standard，DES)进行加密。

6.一种权利要求1所述的安全的视频传输系统的应用方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在服务器采用加密模块对所要传输的视频数据进行加密；

(2)用户终端通过视频接收端接收服务器所传输的已加密视频数据，并采用解密模块进行解密；

(3)用户终端通过视频接收端的水印嵌入模块在解密后的视频数据嵌入水印；

(4)视频接收端将嵌入水印后的视频数据传至视频播放器进行播放；

在服务器得到加密压缩视频的具体步骤如下：

11)用解码程序从压缩视频文件中解析出I帧DCT变换系数残差值；

12)通过设定的密钥Key0随机地将系数残差值分为不相关的两部分S1和S2，其中S2区域用于数据加密标准加密，生成S2’，具体方法如下：

通过密钥Key0得到随机二进制数组sub_array_key[8][8]，通过与解析出的每一个宏块中变换系数残差值coeff_metrix_lev[8][8]比较，在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘1’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为发送端加密区数据S2，在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘0’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为发送端嵌入水印区数据S1；

13)将S1和S2’合成新的系数残差值，对新的系数残差值编码生成新的压缩视频文件；

在用户终端得到带水印的解密压缩视频文件的步骤如下：

31)用解码程序从压缩视频文件中解析出I帧DCT变换系数残差值；

32)通过密钥Key0随机地将系数残差值分为不相关的两部分S1和S2’，其中S1区域用于嵌入水印W，生成S1_w，S2’区域用于数据加密标准解密，生成S2，具体步骤如下：

通过密钥Key0得到随机二进制数组sub_array_key[8][8]，通过与解析出的每一个宏块中变换系数残差值coeff_metrix_lev[8][8]比较，在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘1’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为接收端解密区数据S2’，在数组sub_array_key[8][8]元素值为‘0’的位置，将coeff_metrix_lev[8][8]中对应位置的值拿出作为接收端嵌入水印区数据S1，对S1区域嵌入水印W，生成S1_w；

33)将S1_w和S2合成新的系数残差值，对残差值进行编码生成新的视频压缩文件，该文件是带有水印的压缩视频文件。

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