CN103442233A - 基于排序置换的低码率h.264视频加密压缩传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法，涉及视频安全传输领域，所述方法包括以下步骤：顺序接收并保存来自信源的原始视频帧序列；在所述原始视频帧序列中，计算当前视频帧的排序置换序列；利用所述当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行置换，得到已置换当前视频帧；通过利用H.264视频图像编码器对所述的已置换当前视频帧进行压缩处理，得到用于传输的加密压缩视频帧。本发明将视频图像压缩和加密结合起来，为视频加密压缩提供了一种新的技术途径。

Description

基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法

技术领域

本发明涉及视频安全传输领域，特别涉及一种基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法。

背景技术

视频泛指将一系列静态影像以电信号方式加以捕捉、纪录、处理、储存、传送，及重现的各种技术。由于视频包含了空间的与时间的冗余性，所以从传输效率上考虑，未压缩的视频传输不容乐观。压缩效率直接取决于源数据的冗余度，数据越相关，可压缩性就越好，反之亦然。另一方面，强加密是一个制造随机数据的过程。现有视频加密应用中存在编解码标准不兼容、数据格式不兼容、加密压缩效率低下以及安全性等问题。因此，是否能够设计一种可以保持甚至增强数据的可压缩性且具有合理安全性的加密机制？

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法，能更好地解决视频图像低码率安全传输的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法，包括以下步骤：

顺序接收并保存来自信源的原始视频帧序列；

在所述原始视频帧序列中，计算当前视频帧的排序置换序列；

利用所述当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行置换，得到已置换当前视频帧；

通过利用H.264视频图像编码器对所述的已置换当前视频帧进行压缩处理，得到用于传输的加密压缩视频帧。

优选地，还包括：

若当前视频帧是所述原始视频帧序列中的第一个视频帧，则利用H.264视频图像编码器对其进行压缩处理，得到用于通过安全通道传输的压缩视频帧。

优选地，所述的得到已置换当前视频帧的步骤包括：

按照所述当前视频帧的排序置换序列中的每个元素的序号，依次对当前视频帧的相应像素进行置换，得到已置换当前视频帧。

优选地，所述的计算当前视频帧的排序置换序列的步骤包括：

利用H.264视频图像解码器，对前视频帧对应的加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到已置换前解码帧；

计算所述前视频帧的排序置换序列的逆序列，并利用所述逆序列对所述已置换前解码帧进行置换，得到前视频帧对应的前解码帧；

利用所述前解码帧，计算排序置换序列，并将所述排序置换序列作为当前视频帧的排序置换序列。

优选地，所述的计算当前视频帧的排序置换序列的步骤还包括：

利用H.264视频图像解码器对第一个视频帧对应的压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧；

利用所述第一个解码帧，计算排序置换序列，并将所述排序置换序列作为第二个视频帧的排序置换序列。

优选地，还包括接收所述压缩视频帧和加密压缩视频帧的步骤，具体为：

顺序接收并保存来自发送端的压缩视频帧和加密压缩视频帧序列；

利用H.264视频图像解码器，依次对所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧序列中的每个加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧和已置换解码帧序列；

利用前解码帧，计算排序置换序列，并利用所述排序置换序列的逆序列，对已置换当前解码帧进行置换，得到当前解码帧。

优选地，所述的得到当前解码帧的步骤包括：

按照所述逆序列中每个元素的序号，对已置换当前解码帧的每个像素进行置换，得到当前解码帧。

优选地，利用递归排序算法计算排序置换序列。

优选地，所述利用递归排序算法计算排序置换序列的步骤包括：

通过拷贝每个解码帧，得到关于每个解码帧的从最低位像素到最高位像素的像素序列；

通过从最高位像素开始的像素递归地与从最低位像素开始的像素进行交换，得到新的像素序列；

根据新的像素序列生成与其对应的排序置换序列。

优选地，当相机从当前视频帧移动至其他视频帧时，根据水平方向的移动量和垂直方向的移动量，调整由当前视频帧计算得到的排序置换序列。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法，包括以下步骤：

顺序接收并保存来自信源的原始视频帧序列；

在所述原始视频帧序列中，计算当前视频帧的排序置换序列；

利用所述当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行直方图隐藏的加密压缩处理，得到用于传输的加密压缩视频帧。

优选地，还包括：

若当前视频帧是所述原始视频帧序列中的第一个视频帧，则利用H.264视频图像编码器对其进行压缩处理，得到用于通过安全通道传输的压缩视频帧。

优选地，所述的直方图隐藏的加密压缩处理的步骤包括：

利用所述原始视频帧序列中的当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行置换，得到已置换当前视频帧；

读取在前进行置换并保存的已置换前视频帧；

将所述的已置换当前视频帧减去所读取的已置换前视频帧，得到直方图隐藏的已置换视频帧；

利用H.264视频图像编码器，对所述直方图隐藏的已置换视频帧进行压缩处理，得到用于通过普通通道传输的加密压缩视频帧。

优选地，还包括接收所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧的步骤，包括：

顺序接收并保存来自发送端的压缩视频帧和加密压缩视频帧序列；

利用H.264视频图像解码器，依次对所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧序列中每个加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧和直方图隐藏的已置换解码帧；

将直方图隐藏的已置换当前解码帧加上在前得到并保存的已置换前解码帧，得到已置换当前解码帧；

利用前解码帧，计算排序置换序列，并利用所述排序置换序列的逆序列中每个元素的序号，对已置换当前解码帧的每个像素进行置换，得到当前解码帧。

优选地，所述的直方图隐藏的加密压缩处理的步骤包括：

将当前视频帧减去前视频帧，得到直方图隐藏的当前视频帧；

利用所述原始视频帧序列中的当前视频帧的排序置换序列，对直方图隐藏的当前视频帧进行置换，得到直方图隐藏的已置换当前视频帧；

利用H.264视频图像编码器，对所述直方图隐藏的已置换当前视频帧进行压缩处理，得到用于通过普通通道传输的加密压缩视频帧。

优选地，还包括接收所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧的步骤，包括：

顺序接收并保存来自发送端的压缩视频帧和加密压缩视频帧序列；

利用H.264视频图像解码器，依次对所述压缩视频帧和加密压缩视频帧序列中每个加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧和直方图隐藏的已置换解码帧；

利用前解码帧，计算排序置换序列，并利用所述排序置换序列的逆序列中每个元素的序号，对直方图隐藏的已置换当前解码帧的每个像素进行置换，得到直方图隐藏的当前解码帧；

将所述直方图隐藏的当前解码帧加上前解码帧，得到当前解码帧。

优选地，利用递归排序算法计算排序置换序列。

优选地，所述利用递归排序算法计算排序置换序列的步骤包括：

通过拷贝每个解码帧，得到关于每个解码帧的从最低位像素到最高位像素的像素序列；

通过从最高位像素开始的像素递归地与从最低位像素开始的像素进行交换，得到新的像素序列；

根据新的像素序列生成与其对应的排序置换序列。

优选地，当相机从当前视频帧移动至其他视频帧时，根据水平方向的移动量和垂直方向的移动量，调整由当前视频帧计算得到的排序置换序列。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

1、本发明主要利用排序置换对视频帧具有加密和压缩的双重性作用，在对视频帧进行加密的过程中能够很好地保持数据的空间相关性，能够用于空间域视频图像编码器的压缩阶段之前，具有编解码器标准兼容、数据格式兼容、码率恒定、密钥空间大、安全性高以及加密压缩效率高等优点。

2、针对不同的应用需求，给出了加密压缩传输模型的几个模式，并且进行了安全性和效率分析，分析结果显示，本发明除了能够提供高安全性的加密功能之外，还能保持和改善数据的空间相关性，从而提高或改善压缩比，实现视频数据的低码率传输。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法第一原理框图；

图2是本发明实施例提供的基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输模型发送端实现示意图；

图3是本发明实施例提供的基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输模型接收端实现示意图；

图4是本发明实施例提供的基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法第二原理框图；

图5是本发明实施例提供的相机在水平方向x和垂直方向y上作全局平移运动时景物变化示意图；

图6是本发明实施例提供的图像分块对基于变换的编码器效率改善情况；

图7是本发明实施例提供的序列Akiyo第150帧的处理结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例提供的基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法第一原理框图，如图1所示，步骤包括：

步骤101、顺序接收并保存来自信源的原始视频帧序列。

步骤102、在所述原始视频帧序列中，计算当前视频帧的排序置换序列。

步骤103、利用所述当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行置换，得到已置换当前视频帧。

按照所述当前视频帧的排序置换序列中的每个元素的序号，依次对当前视频帧的相应像素进行置换，得到已置换当前视频帧。

步骤104、通过利用H.264视频图像编码器对所述的已置换当前视频帧进行压缩处理，得到用于安全传输的加密压缩视频帧。

进一步地，若当前视频帧是所述原始视频帧序列中的第一个视频帧，则利用H.264视频图像编码器对其进行压缩处理，得到用于通过安全通道传输的压缩视频帧。

在所述步骤102中，所述的计算当前视频帧的排序置换序列的步骤包括：若当前视频帧是第二个视频帧，则通过如下计算步骤获取其排序置换序列：利用H.264视频图像解码器对第一个视频帧对应的压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧；利用所述第一个解码帧，计算排序置换序列，并将所述排序置换序列作为第二个视频帧的排序置换序列。若当前视频帧是第二个视频帧的后续视频帧，则计算当前视频帧的排序置换序列的步骤包括：利用H.264视频图像解码器，对前视频帧对应的加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到已置换前解码帧；计算所述前视频帧的排序置换序列的逆序列，并利用所述逆序列对所述已置换前解码帧进行置换，得到前视频帧对应的前解码帧；利用所述前解码帧，计算排序置换序列，并将所述排序置换序列作为当前视频帧的排序置换序列。

在所述步骤104之后，还包括接收所述压缩视频帧和加密压缩视频帧的步骤，包括：

步骤105、顺序接收并保存来自发送端的压缩视频帧和加密压缩视频帧序列。

步骤106、利用H.264视频图像解码器，依次对所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧序列中的每个加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧和已置换解码帧序列。

步骤107、利用前解码帧，计算排序置换序列，并利用所述排序置换序列的逆序列，对已置换当前解码帧进行置换，得到当前解码帧。

所述的得到当前解码帧的步骤包括：按照所述逆序列中每个元素的序号，对已置换当前解码帧的每个像素进行置换，得到当前解码帧。

利用递归排序算法计算排序置换序列。具体地说，通过拷贝每个解码帧，得到关于每个解码帧的从最低位像素到最高位像素的像素序列；通过从最高位像素开始的像素递归地与从最低位像素开始的像素进行交换，得到新的像素序列；根据新的像素序列生成与其对应的排序置换序列。

进一步说，当相机从当前解码帧移动至其他解码帧时，根据水平方向的移动量和垂直方向的移动量，调整由当前解码帧计算得到的排序置换序列。

图2是本发明实施例提供的基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输模型发送端实现示意图，如图2所示，原始视频帧序列为I₁，I₂，…，I_m，具体步骤如下：

第1步：采用标准的H.264视频图像编码器，对第一个视频帧I₁进行压缩编码，得到压缩视频帧C(I₁)，并采用标准的H.264视频图像解码器对C(I₁)进行解压缩得到第一个解码帧I′₁=D(C(I₁))，然后根据I‘₁计算得到独有的排序置换序列δ′₁，并将所述δ′₁作为第二个视频帧的排序置换序列。

第2步：通过安全通道ChS将C(I₁)发送到接收端。

第3步：采用δ′₁对第2个视频帧I₂进行排序置换，并采用标准的H.264视频图像编码器进行压缩编码，得到C(δ′₁(I₂))，然后通过普通通道ChR发送给接收端。

第4步：采用标准的H.264视频图像解码器，对第2个视频帧的加密压缩结果C(δ′₁(I₂))进行解码，得到I′₂=D(C(δ′₁(I₂)))，然后再对解码结果I′₂进行解密，得到解码帧I″₂=(δ′₁)^-1(I′₂)，并根据I″₂计算得到其独有的排序置换序列δ″₂，将所述δ″₂作为第三个视频帧的排序置换序列。

第5步：对后续的帧I_i,i=3,...,m进行如下操作：

A)计算C(δ″_i-1(I_i))，并通过普通通道ChR发送给接收端；

B)计算I′_i=D(C(δ″_i-1(I_i)))；

C)计算I″_i=(δ″_i-1)^-1(I′_i)；

D)根据I″_i计算排序置换序列δ″_i，并将所述δ″_i作为第i+1个视频帧的排序置换序列。

图3是本发明实施例提供的基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输模型接收端实现示意图，输入为压缩视频帧C(I₁)和加密压缩视频帧序列C(δ′₁(I₂))，C(δ″₂(I₃)),...,C(δ″_m-1(I_m))，具体步骤如下：

第1步：接收端采用标准的H.264视频图像解码器器对压缩视频帧C(I₁)进行解码，即计算D(C(I₁))=I′₁≈I₁，并根据得到的解码帧I‘₁计算其独有的排序置换序列δ′₁，以便使用所述δ′₁对C(δ′₁(I₂))的解码结果进行逆排序置换。

第2步：根据C(δ′₁(I₂))计算I′₂=D(C(δ′₁(I₂)))。

第3步：计算I₂≈I″₂=(δ′₁)^-1(I′₂)。

第4步：根据I″₂计算恢复出独有的排序置换序列δ″₂。

第5步：对于后续接收到的每一个加密压缩视频帧C(δ″_i-1(I_i)),i=3,...,m，接收端进行如下操作进行解密和解码：

A)对C(δ″_i-1(I_i))进行解码得到I′_i=D(C(δ″_i-1(I_i)))；

B)对解码的结果进行逆排序置换得到第i帧的解密结果I_i≈I″_i=(δ″_i-1)^-1(I′_i)；

C)如果i<m，则根据I″_i计算排序置换序列δ″_i。

图4是本发明实施例提供的基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法第二原理框图，如图4所示，步骤包括;

步骤401、顺序接收并保存来自信源的原始视频帧序列

步骤402、在所述原始视频帧序列中，计算当前视频帧的排序置换序列

步骤403、利用所述当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行直方图隐藏的加密压缩处理，得到用于传输的加密压缩视频帧。

若当前视频帧是所述原始视频帧序列中的第一个视频帧，则利用H.264视频图像编码器对其进行压缩处理，得到用于通过安全通道传输的压缩视频帧。

所述的直方图隐藏的加密压缩处理的步骤包括：利用所述原始视频帧序列中的当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行置换，得到已置换当前视频帧；读取在前进行置换并保存的已置换前视频帧；将所述的已置换当前视频帧减去所读取的已置换前视频帧，得到直方图隐藏的已置换视频帧；利用H.264视频图像编码器，对所述直方图隐藏的已置换视频帧进行压缩处理，得到用于通过普通通道传输的加密压缩视频帧。此时，对于接收端，接收所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧的步骤包括：顺序接收并保存来自发送端的压缩视频帧和加密压缩视频帧序列；利用H.264视频图像解码器，依次对所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧序列中每个加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧和直方图隐藏的已置换解码帧；将直方图隐藏的已置换当前解码帧加上在前得到并保存的已置换前解码帧，得到已置换当前解码帧；利用前解码帧，计算排序置换序列，并利用所述排序置换序列的逆序列中每个元素的序号，对已置换当前解码帧的每个像素进行置换，得到当前解码帧。

或者，所述的直方图隐藏的加密压缩处理的步骤包括：将当前视频帧减去前视频帧，得到直方图隐藏的当前视频帧；利用所述原始视频帧序列中的当前视频帧的排序置换序列，对直方图隐藏的当前视频帧进行置换，得到直方图隐藏的已置换当前视频帧；利用H.264视频图像编码器，对所述直方图隐藏的已置换当前视频帧进行压缩处理，得到用于通过普通通道传输的加密压缩视频帧。此时，对于接收端，接收所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧的步骤包括：顺序接收并保存来自发送端的压缩视频帧和加密压缩视频帧序列；利用H.264视频图像解码器，依次对所述压缩视频帧和加密压缩视频帧序列中每个加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧和直方图隐藏的已置换解码帧；利用前解码帧，计算排序置换序列，并利用所述排序置换序列的逆序列中每个元素的序号，对直方图隐藏的已置换当前解码帧的每个像素进行置换，得到直方图隐藏的当前解码帧；将所述直方图隐藏的当前解码帧加上前解码帧，得到当前解码帧。

进一步说，所述步骤402中计算前视频帧的排序置换序列的步骤可参考图1中所描述的相关步骤，具体地说，若当前视频帧是第二个视频帧，则通过如下计算步骤获取其排序置换序列：利用H.264视频图像解码器对第一个视频帧对应的压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧；利用所述第一个解码帧，计算排序置换序列，并将所述排序置换序列作为第二个视频帧的排序置换序列。若当前视频帧是第二个视频帧的后续视频帧，则计算其排序置换序列的步骤包括：则通过对直方图隐藏的加密压缩视频帧进行解压缩和解密等处理，得到前视频帧对应的前解码帧，利用所述前解码帧，计算排序置换序列，并将所述排序置换序列作为当前视频帧的排序置换序列。也就是说，通过对加密压缩视频帧进行直方图隐藏的加密压缩处理的逆处理，得到解码帧，利用所述解码帧，计算出排序置换序列，并将所述排序置换序列作为后一个视频帧的排序置换序列。

进一步说，利用递归排序算法计算排序置换序列。具体地说，通过拷贝每个解码帧，得到关于每个解码帧的从最低位像素到最高位像素的像素序列；通过从最高位像素开始的像素递归地与从最低位像素开始的像素进行交换，得到新的像素序列；根据新的像素序列生成与其对应的排序置换序列。

进一步说，当相机从当前解码帧移动至其他解码帧时，根据水平方向的移动量和垂直方向的移动量，调整由当前解码帧计算得到的排序置换序列。

图4具体阐述了直方图隐藏的扩展视频加密压缩传输模型，在基本算法模型中当准排序帧（即已置换视频帧）通过普通通道传输时直方图信息是可知的。从安全性角度来看，往往需要隐藏直方图。最开始第1个视频帧是通过安全通道进行传输的，这相当于最初的直方图是秘密的，因此如果将当前准排序帧减去前准排序帧，就可以达到隐藏当前帧视频图像的直方图的目的。

假设有两个大小为w×h的视频帧I和J，两帧的差记为Δ(I,J)，定义如下：

其中，I[x,y]表示帧

在坐标(x,y)的像素值；x_peak为最大像素值(例如对于n位的像素帧最大像素值为2^n-1)，clip(·)函数的定义如下：

$\mathrm{clip}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}{x}_{\mathrm{peak}},& x>x_{\mathrm{peak}}\\ 0,& x<0\\ x,& 0\&le;x\&le;x_{\mathrm{peak}}\end{array}\right.$

对于给定的大小为w×h的两帧I和J，一个置换δ∈S_w×h，有下式成立：

Δ(δ(I),δ(J))=δ(Δ(I,J))

在直方图隐藏的扩展视频加密压缩传输模型中，从计算量的角度看计算变换δ_i(Δ(I_i,I_i+1))比计算Δ(δ_i(I_i),δ_i(I_i+1))效率更高。

直方图隐藏的扩展视频加密压缩传输模型在发送端进行视频加密压缩和在接收端进行视频解压缩解密的步骤分别与图2和图3所示视频加密压缩传输模型的步骤是类似的，只是增加了将当前准排序帧减去前准排序帧的步骤，或当前视频帧减去前视频帧的步骤，并对差值进行编码传输。

图5是本发明实施例提供的相机在水平方向x和垂直方向y上作全局平移运动时景物变化示意图，如图5所示，为了克服相机全局运动对准排序图像（已置换视频帧图像）相关性的破坏，对上述基于排序置换的视频加密压缩传输模型中的排序置换进行了如下调整：

输入：对于利用大小为w×h的第i帧I_i计算得到的的排序置换序列δ_i，相机从第i帧I_i平移到第i+1帧I_i+1，在水平和垂直方向上的平移运动量分别是x和y。

第1步：置c=0，d=w×h；

第2步：对于k从0到(w×h)-1进行如下操作：

A)i=x+(δ_i[k]%w)

B)j=y+(δ_i[k]/w)

C)如果j<h,j≥0;i<w,i≥0，则δ′_i[c]=j×w+i，c+=1，否则δ′_i[d]=(j%h)×w+(i%w)，d+=1。

相机全局运动扩展视频加密压缩传输模型在发送端进行视频加密压缩和在接收端进行解压缩解密的步骤与前面图2和图3所示视频加密压缩传输模型的步骤是类似的，只是在计算排序置换序列δ_i后，根据相机平移在水平和垂直方向上的平移运动量x和y对δ_i进行调整。

进一步地，上述基于全帧图像进行操作的加密压缩传输方法应用于图像块就可以获得与大多数空间域视频编码压缩标准兼容的图像分块扩展视频加密压缩传输模型。对图像进行分块后再进行基于排序置换的加密压缩传输处理有如下两个优势：

（1）对抗帧内运动的影响更加鲁棒，特别是在只有少数块运动的情况；

（2）可以通过控制块的大小来控制图像的感知度。

在基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输模型中，H.264视频图像编码器处理的对象不再是原始的图像帧块，而是经过排序置换处理，已经置乱的图像块，因此如果继续采用原来的运动估计模块来对图像块的运动进行估计会得不到理想效果。为此，对H.264编码模块进行简化，去掉其中的运动估计模块，将每块的运动向量都置为0，这样一个方面可以提升编码速度，另外一个方面也可以做到对标准H.264解码器的兼容性。

进一步地，上述计算特定视频帧的独有的排序置换序列的递归排序算法如下：

初始化：将a设置为一个大小为w×h(w和h分别为图像帧的宽度和高度，w×h为图像帧的像素总数)的一维数组，并初始化为视频帧图像数组的拷贝；置换序列δ初始化为[0,1,2,...,(w×h)-1];l=0;r=(w×h)-1。

第1步：置i=l-1，j=r，v=a[r]；

第2步：如果r≤1,则返回；

第3步：循环如下操作：

A)置i=i+1;

B)当a[i]<v,则i=i+1；

C)j=j-1;

D)当v<a[j]则判断：如果j=l则推出循环；否则j=j-1；

F)如果i≥j则退出循环；

G)交换a[i]和a[j]；

H)交换δ[i]和δ[j]。

第4步：交换a[i]和a[r]；

第5步：交换δ[i]和δ[r]；

第6步：设置a=a，δ=δ，l=l，r=i-1，递归调用该算法;

第7步：设置a=a，δ=δ，l=i+1，r=r，递归调用该算法。

对本发明所述的加密压缩视频帧的传输方法进行安全性分析如下：

A)暴力攻击

暴力攻击是基于全密钥搜索的加密系统攻击方法，仅仅对那些密钥空间相对较小的加密系统有效。在本发明提出的方法中，暴力攻击有两个可能的攻击通道：一是攻击安全通道ChR中使用的传统加密系统；二是攻击普通通道ChR中的基于置换的加密方法。因此，推荐使用128位AES或更强密钥的对称密钥加密系统。而本发明的密钥空间的大小如下：

假设一个w×h的图像I的颜色直方图已经给定，将可以形成多少个不同的图像呢？注意到I只是这些图像其中之一。设

是帧I的直方图，那么通过对视频帧I进行不同方式的排序置换可以形成的不同图像的数目为：

$\left|S_{w\&times;h}\left(I\right)\right|=\frac{\left(\mathrm{wh}\right)!}{{\mathrm{\&Pi;}}_{i=1}^k{f}_i!}$

也就是说有

个图像具有相同的直方图。其中S_w×h(I)为对图像帧I进行置换获得的所有图像组成的集合；f_i为像素灰度级s_i在图像帧I中出现的次数；

为帧I的直方图。这些图像决定了本发明的有效密钥空间。

如果在安全通道ChS中使用n位(n一般取128)的传统加密系统来加密第1个视频帧（关键帧）的话，本发明的实际密钥空间则为：

$\max (2^n,\frac{\left(\mathrm{wh}\right)!}{{\mathrm{\&Pi;}}_{i=1}^k{f}_i!})$

在考虑合理大小的有意义图像的条件下，这个数量是非常大的，通常要比传统对称密钥加密系统的暴力破解2ⁿ个密钥要大得多。因此，本发明的密钥空间的大小取决于加密帧的彩色直方图。

在基于块的算法模型当中，攻击方将面对一个较小的密钥空间。如果块的大小是b×c，一帧图像将有wh/bc块。假设第i个b×c的块的彩色直方图为

，则密钥空间的大小为：

$\max (2^n,\underset{j=1}{\overset{\mathrm{wh}/\mathrm{bc}}{\mathrm{\&Pi;}}}\frac{\left(\mathrm{bc}\right)!}{{\mathrm{\&Pi;}}_{i=1}^k{f}_{\mathrm{ji}}!})$

对于一般的8×8或更大的分块，这个密钥空间仍然是不可计算的。从而保证了加密系统的安全性。

B)已知/选择明文和选择密文攻击

有文献认为仅基于置换的视频加密对于已知/选择明文攻击和选择密文攻击是不安全的。然而，现有技术提出的基于置换的加密方法全部都是采用密钥来产生秘密排序置换序列的。在这种情况下，已知/选择明文攻击和选择密文攻击都是试着去恢复用于当前或后续加密的密钥或者是密钥的某部分。本发明不依靠密钥来产生排序置换序列，而是直接采用前帧图像来产生排序置换序列。在选择性明文攻击的情况下，窃密者虽然能计算选择视频帧的排序置换序列，但是它对未知视频帧的排序置换序列仍然是毫不知情。在选择性密文攻击的情况下，窃密者虽然能选定加密帧的未排序置换序列，但是对其它的未知密文也会是毫不知情。

下面通过给出以下具体实施例来对本发明进行详细说明。

具体实施例1

图6是本发明实施例提供的图像分块对基于变换的编码器效率改善情况，采用递归排序算法对256×256灰度图像Lena进行整图像光栅扫描顺序和8×8图像分块完全排序后再进行JPEG压缩(压缩质量因子设置为50)，获得的图像大小分别如图6所示。图6(a)256×256灰度图像Lena[JPEG=6.95KB]，图6(b)光栅扫描顺序排序图像Lena[JPGE=1.81KB]，图6(c)采用8×8分块的完全排序的图像Lena[JPEG=1.09KB]。

从图6可以看出图像经过排序后相关性得到改善，JPEG压缩数据的大小变得更加小；而采用8×8分块来对图像进行块内排序，由于是根据编码器变换编码块大小来对图像处理，更加适合JPEG编码，产生的压缩文件更加小，压缩效率可得到进一步提高。

具体实施例2

图7是本发明实施例提供的序列Akiyo第150帧的处理结果，将基于排序置换的加密算法分别嵌入到H.264视频序列编解码中对序列Akiyo进行实验，同时也对这基本加密压缩传输模型进行了直方图隐藏和图像分块扩展，处理结果如图7所示。图7(a)原始帧图像，图7(b)H.264编码基本加密算法处理后直接解码图像，图7(c)无加密解码图像，图7(d)H.264编码基本加密算法处理后解码解密图像，图7(e)和图7(f)基于分块的H.264编码加密方法处理后直接解码图像(块大小分别为32×32、8×8)，图7(g)H.264编码直方图隐藏扩展加密算法处理后直接解码图像(h)(i)H.264编码直方图隐藏扩展和分块加密算法处理后直接解码图像(块大小分别为32×32、8×8)。

从图7的结果我们可以看到H.2654编码基本加密算法对图像进行处理后，如果直接用标准解码器进行解码获得的图像如图7(b)所示，图像内容得到很好的保护，同时图像的空间相关性也得到了改善，同时起到了加密和压缩的效果。图7(d)则给出了对解码后的图像进行解密，即逆排序后获得的图像，可见基本跟原始帧图像一致。图7(e)、图7(f)则分别给出了基于32×32、8×8分块大小的H.264编码加密方法处理后直接解码获得的图像，从图上的结果可以看出，虽然图像分块扩展加密模型更加适合基于变换的空间域视频编解码器，但是也同时降低了图像内容的安全性，也就是直接采用标准解码器进行解码获得的图像仍然可以让窃密者察觉到部分图像内容。图7(g)给出了H.264编码直方图隐藏扩展加密算法处理后的直接解码图像；图7(h)和图7(i)则分别给出了采用32×32、8×8分块结合直方图隐藏扩展方法和图像分块方法的直接解码图像。从图像可以看出直方图隐藏扩展中的帧差确实可以起到一定的图像内容加密作用。

本发明利用排序置换对视频帧图像的加密和压缩双重性，将排序置换作为视频图像编码器的预处理器，巧妙的将图像压缩和加密结合起来，并设计了有损编码的加密模型及直方图隐藏、图像分块和相机全局运动等扩展加密模型，为视频加密压缩提供了一种新的技术途径。

本发明通过排序和准排序置换能够保持或改善视频帧的可压缩性，同时将视频帧图像变成不可察觉的形式。这种排序算法的加密和相关性保持的双重性就是本发明的基本思路。基于这种思路，在压缩阶段前对视频内容进行加密而不影响视频压缩效率的方法。本发明采用通过前视频帧计算得到的排序置换序列来对当前帧进行置换。因为获得的准排序帧在平均意义上比实际的原始帧具有更好的空间相关性，所以在某些情况下保持甚至改善了源数据的空间相关性。因此，采用加密和解密方法作为空间域视频编解码器的预处理能够在保证或改善压缩效率的同时为视频提供一定级别的计算上可证明的安全性。实际上，该算法可以获得对应用完全友好的输出数据，不要求对编解码器模块进行修改，安全性和效率分析显示该算法模型在计算上的高效性和对一般加密分析攻击的安全性。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (16)

1.基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

顺序接收并保存来自信源的原始视频帧序列；

在所述原始视频帧序列中，计算当前视频帧的排序置换序列；

利用所述当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行置换，得到已置换当前视频帧；

通过利用H.264视频图像编码器对所述的已置换当前视频帧进行压缩处理，得到用于传输的加密压缩视频帧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

若当前视频帧是所述原始视频帧序列中的第一个视频帧，则利用H.264视频图像编码器对其进行压缩处理，得到用于通过安全通道传输的压缩视频帧。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的得到已置换当前视频帧的步骤包括：

按照所述当前视频帧的排序置换序列中的每个元素的序号，依次对当前视频帧的相应像素进行置换，得到已置换当前视频帧。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的计算当前视频帧的排序置换序列的步骤包括：

利用H.264视频图像解码器，对前视频帧对应的加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到已置换前解码帧；

计算所述前视频帧的排序置换序列的逆序列，并利用所述逆序列对所述已置换前解码帧进行置换，得到前视频帧对应的前解码帧；

利用所述前解码帧，计算排序置换序列，并将所述排序置换序列作为当前视频帧的排序置换序列。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的计算当前视频帧的排序置换序列的步骤还包括：

利用H.264视频图像解码器对第一个视频帧对应的压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧；

利用所述第一个解码帧，计算排序置换序列，并将所述排序置换序列作为第二个视频帧的排序置换序列。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括接收所述压缩视频帧和加密压缩视频帧的步骤，具体为：

顺序接收并保存来自发送端的压缩视频帧和加密压缩视频帧序列；

利用H.264视频图像解码器，依次对所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧序列中的每个加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧和已置换解码帧序列；

利用前解码帧，计算排序置换序列，并利用所述排序置换序列的逆序列，对已置换当前解码帧进行置换，得到当前解码帧。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的得到当前解码帧的步骤包括：

按照所述逆序列中每个元素的序号，对已置换当前解码帧的每个像素进行置换，得到当前解码帧。

8.基于排序置换的低码率H.264视频加密压缩传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

顺序接收并保存来自信源的原始视频帧序列；

在所述原始视频帧序列中，计算当前视频帧的排序置换序列；

利用所述当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行直方图隐藏的加密压缩处理，得到用于传输的加密压缩视频帧。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

若当前视频帧是所述原始视频帧序列中的第一个视频帧，则利用H.264视频图像编码器对其进行压缩处理，得到用于通过安全通道传输的压缩视频帧。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的直方图隐藏的加密压缩处理的步骤包括：

利用所述原始视频帧序列中的当前视频帧的排序置换序列，对当前视频帧进行置换，得到已置换当前视频帧；

读取在前进行置换并保存的已置换前视频帧；

将所述的已置换当前视频帧减去所读取的已置换前视频帧，得到直方图隐藏的已置换视频帧；

利用H.264视频图像编码器，对所述直方图隐藏的已置换视频帧进行压缩处理，得到用于通过普通通道传输的加密压缩视频帧。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括接收所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧的步骤，包括：

顺序接收并保存来自发送端的压缩视频帧和加密压缩视频帧序列；

利用H.264视频图像解码器，依次对所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧序列中每个加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧和直方图隐藏的已置换解码帧；

将直方图隐藏的已置换当前解码帧加上在前得到并保存的已置换前解码帧，得到已置换当前解码帧；

利用前解码帧，计算排序置换序列，并利用所述排序置换序列的逆序列中每个元素的序号，对已置换当前解码帧的每个像素进行置换，得到当前解码帧。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的直方图隐藏的加密压缩处理的步骤包括：

将当前视频帧减去前视频帧，得到直方图隐藏的当前视频帧；

利用所述原始视频帧序列中的当前视频帧的排序置换序列，对直方图隐藏的当前视频帧进行置换，得到直方图隐藏的已置换当前视频帧；

利用H.264视频图像编码器，对所述直方图隐藏的已置换当前视频帧进行压缩处理，得到用于通过普通通道传输的加密压缩视频帧。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括接收所述压缩视频帧和所述加密压缩视频帧的步骤，包括：

顺序接收并保存来自发送端的压缩视频帧和加密压缩视频帧序列；

利用H.264视频图像解码器，依次对所述压缩视频帧和加密压缩视频帧序列中每个加密压缩视频帧进行解压缩处理，得到第一个解码帧和直方图隐藏的已置换解码帧；

利用前解码帧，计算排序置换序列，并利用所述排序置换序列的逆序列中每个元素的序号，对直方图隐藏的已置换当前解码帧的每个像素进行置换，得到直方图隐藏的当前解码帧；

将所述直方图隐藏的当前解码帧加上前解码帧，得到当前解码帧。

14.根据权利要求1-13任意一项所述的方法，其特征在于，利用递归排序算法计算排序置换序列。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述利用递归排序算法计算排序置换序列的步骤包括：

通过拷贝每个解码帧，得到关于每个解码帧的从最低位像素到最高位像素的像素序列；

通过从最高位像素开始的像素递归地与从最低位像素开始的像素进行交换，得到新的像素序列；

根据新的像素序列生成与其对应的排序置换序列。

16.根据权利要求15所述方法，其特征在于，当相机从当前视频帧移动至其他视频帧时，根据水平方向的移动量和垂直方向的移动量，调整由当前视频帧计算得到的排序置换序列。

Images