CN105187851A - 一种面向海量编码多媒体数据的速度可调节加密方法以及采用该方法的视频处理平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向海量编码多媒体数据的速度可调节加密方法以及采用该方法的视频处理平台，将输入明文数据分割成若干子数据块，使用传统块加密方法加密一个块，之后对于后续多个数据块反复利用前一个块的明文作为当前一个块的序列密码的密钥进行加密，或者之后对于后续多个数据块反复利用第一个块的明文作为当前一个块的序列密码的密钥进行加密。以及采用了上述方法的视频处理平台。采用上述加密方法以及平台可以在计算资源受限条件下完成海量实时多媒体感知数据加密。

Description

一种面向海量编码多媒体数据的速度可调节加密方法以及采用该方法的视频处理平台

【技术领域】

本发明涉及一种面向海量编码多媒体数据的速度可调节加密方法以及采用该方法的视频处理平台。

【背景技术】

近年物联网应用受到了学术和工业界的广泛重视。其中以音视频数据感知为主的多媒体感知是物联网应用中的一个重要应用。同时物联网的安全也受到了高度重视。同时，以网络通信技术为支撑的物联网应用继承了以往的网络安全问题。由于物联网感知设备资源受限，尤其无源设备的电能、计算等资源很有限，制约了数据的安全保护，使其信息安全问题比以往更为棘手，该问题受到了学术界和工业界的高度重视。对于视频感知应用，由于感知数据量巨大，资源受限这一问题会更加严重。目前缺少在计算资源受限条件下完成海量实时多媒体感知数据加密方法。

在多媒体数据的优化加密领域，现有技术主要可以划分成三类：第一类，全加密或优化的全加密方法；第二类，选择性加密方法，第三类，与编码过程相结合的加密方法。其中，后两类算法的主要思想是将编码过程后或编码过程中的一部分重要数据进行加密，而另外一部分数据不加密，利用视频编码的特性使得攻击者由于缺少重要数据子集而无法获得清晰的视频，使之丧失商用价值，同时降低加密的计算强度。但对于军事等敏感应用，少量的明文数据泄漏仍然可以获得视频中的一些重要信息，从而使部分视频内容被攻击者理解。相对这两类方法，第一类方法安全性较高，但由于该算法只能将传统块加密算法的吞吐量提高大约1倍，因此一直没能被广泛的推广。此外以往研究都是从加密算法的实时性进行考虑，而没能面向具体应用从资源动态优化的角度进行展开。同时现有技术缺少对多媒体数据量的动态调整，现有技术中的算法大多面向某具体视频编码器，因此通用性差。以上原因使得这些算法难以在实际系统中运用。

【发明内容】

本发明设计一种面向海量编码多媒体数据的速度可调节加密方法。其能够解决多媒体感知应用中有限的计算及能量资源下的数据加密问题。所述的面向海量编码多媒体数据的速度可调节加密方法包括以下步骤：S1将输入明文数据分割成若干子数据块；S2对分割后的数据中的第一子数据块使用现有加密算法进行加密；S3对接下来的多个子数据块，使用前一个加密的子数据块的明文与之进行按位异或操作，所述子数据块个数为一指定参数，所述指定参数为事先指定或根据数据缓冲使用量计算，以达到速度动态调节的目的；S4对输入数据重复步骤S2和S3直到全部数据处理完毕；

也可采用另一种加密方法，即：S1将输入明文数据分割成若干子数据块；S2对分割后的数据中的第一子数据块使用现有加密算法进行加密；S3对接下来的多个子数据块，总使用第一个加密的子数据块的明文与之进行按位异或操作，所述子数据块个数为一指定参数，所述指定参数为事先指定或根据数据缓冲使用量计算，以达到速度动态调节的目的；S4对输入数据重复步骤S2和S3直到全部数据处理完毕；

若步骤(1)输入数据为字节流，则按照给定长度进行数据分块，末尾补足根据步骤S1中所选的现有加密方法；若步骤S1输入数据为网络数据包，则直接以数据包为子数据块。

若步骤(1)输入数据为字节流，则按照给定长度进行数据分块，末尾补足根据步骤S1中所选的现有加密方法；若步骤S1输入数据为网络数据包，则直接以数据包为子数据块。当所述步骤S1中输入的数据为网络数据包时，在步骤S3中，若异或操作中前面子数据块长度比当前子数据块短，则需要对所述前面的子数据块进行重复拼接以补足长度，具体方法为： ${\mathrm{CipherByte}}_i^k=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{PlainByte}}_i^k\⊕{\mathrm{PlainByte}}_{i-1}^{\mathrm{k\; Mod}{\mathrm{PL}}_{i-1}}& {\mathrm{PL}}_i>{\mathrm{PL}}_{i-1}\\ {\mathrm{PlainByte}}_i^k\⊕{\mathrm{PlainByte}}_{i-1}^k& {\mathrm{PL}}_i\≤{\mathrm{PL}}_{i-1}\end{array}\right.$

其中，PL_i是第i个数据包的长度，p_i ^k是第i个数据包第k字节的明文，c_i ^j是该明文所对应的密文。

本发明还涉及一种采用前述的加密方法的平台，所述的平台为基于DSP和ARM的嵌入式视频处理平台，所述的平台的视频处理系统主要由采集/显示部分、数据处理部分以及数据控制部分组成。

所述的采集/显示部分包括感知数据采集模块，该模块由采集模块、模数转换、FPGA以及FIFO组成，运行时用户控制命令由可编程逻辑器件给出，FPGA首先截获、读取和解析命令字，根据用户要求的模式进行处理；采集模块负责将视频信号数字化，同时对输入的信号进行格式转换后放在FIFO中，通过中断通知DSP理器；在数据处理模块的DRAM中，开辟可存放多帧图像的缓存区，通过EDMA搬移数据周期性存放。

所述的数据处理部分由DSP、DRAM和FlashMemory组成，所述DSP选用TI公司的C6455作为数据处理的主处理芯片，用于数据压缩和加密处理；采用64Mbyte的外部存储器DRAM作为编码模块的数据缓存，用于存放压缩过程中的参考帧、重建帧、加密压缩码流，以解决编码过程中片内存储资源不足的问题；选用8MBFlashMemory芯片作为程序存储器，实现系统的加电自举。

所述的数据控制部分由控制模块实现，其核心选用三星公司生产的基于ARM920T内核的S3C2410芯片为核心，采用uClinux作为操作系统；模块的存储器包括DRAM和Flash，CPLD模块主要完成外部芯片选信号的译码，基于双端口RAM实现DSP和ARM的数据交互，能够由JTAG接口系统进行开发和调试。

【附图说明】

图1为本加密方法之一的流程图。

【具体实施方式】

本发明用于视频感知系统，例如多轴无人飞行器，因为涉及敏感的应用安全需求，系统需要对感知视频进行安全存储(安全存储在系统平台中的电子盘中)。此外扩展功能包括通过无线网络传回快照数据；根据快照数据对视频采集的清晰度进行遥控调整，对重点采样区域进行更高清的拍摄等。系统中海量高清视频需要在飞行器上实时加密存储，以免飞行器被敌手获得，从而使视频泄露。

计算资源、电力资源等也是限制实时数据加密保护的受限因素。上述资源的增长很可能无法赶上感知数据量的增长。首先，加密处理能力的增长与处理器的处理能力正相关。按照摩尔定律，处理器速度每18个月翻一番，相当于每年增长约60％。其次，在数据量的增长方面，硬盘存储容量的增长超过了处理器增长速度，达到了每年100％的增长速度。另一方面，广域网宽带、图形能力增长更快。此外，一些电池供电的计算设备，其计算及加密能力还受到电池能力的限制。电池技术的瓶颈已经成为了计算机和移动设备的一个棘手问题。因此电池供电的设备上资源约束会更加严重。

因此对于多媒体感知等系统中的数据安全将受到系统中资源约束的影响，并且这种资源受限的特性不随时间收敛。于是本发明还涉及如何在有限资源约束下对资源进行优化分配。

对加密资源的优化分配，需要从多媒体数据格式着手。对于多媒体数据，尤其是视频数据，其编码格式特性使得其信息的价值分布不均匀。同时，在不同应用场景中，同样的信息价值截然不同。例如对于商业应用和军事等敏感应用，视频高频和低频分量价值不同。因此需要研究一种优化原则，分配有限的加密资源，以保证信息效用价值安全最大化。本申请中的方法，不是全加密所有数据，保证数据的每一个byte安全，而是在满足系统实时性的约束限制下，对数据进行优化选择，使系统中数据面对攻击时信息效用价值泄漏更小。由于前述效用价值与应用紧密相关，因此对于资源受限的视频感知应用，需要根据特定的应用场景对数据加密进行优化。

本发明中的加密方法主要侧重点为：1)虽然原型系统中仅使用了720线的采集设备，但随着4K等高清摄像头的普及，未来感知视频的带宽将十分巨大，同时由于视频采集和飞行器平台共享了电池的电能，电能资源十分有限，直接影响飞行器的工作时间，因此加密方法应尽量节能。

2)由于应用场景中可能存在强力的攻击者对数据进行一定的分析攻击，因此简单的部分加密算法可能会造成部分视频信息的泄漏，例如通过分析部分未加密的视频编码数据可以获得轮廓等部分信息，难以满足系统的高安全需求，因此加密方法需要能抵抗一定分析攻击。

3)现有加密方案的加密吞吐量无法动态调整，对于本应用，系统实时感知视频的带宽变化较大，因此加密方法的吞吐量要能够根据数据量实时调整。

4)现有加密方案过分依赖于视频编码算法，通用性差，由于本系统以及很多类似系统中，采集编码模块和实现应用数据加密的控制模块独立工作，且需要独立升级更换，通用算法将使得系统可扩展性更强，因此我们研究的算法将将充分考虑加密方法的吞吐量可调整性及通用性。

前面根据应用需求指出加密方法的几个重要因素，本发明将利用编码后视频数据的统计特性，提出一种结合块密码与流密码的吞吐量可调且节格式无关的加密方法。

由于视频感知数据在字节级别上与传统加密方法面向的文本数据具有完全不同的统计特性，因此我们提出如下算法，如附图1所示，使用传统块加密方法F加密一个块，之后对于后续L个数据块反复利用前一个块的明文作为当前一个块的序列密码的密钥。通过控制参数L对加密速度进行控制，参数L的值可以在应用系统中根据当前数据量进行动态调整，以实现吞吐量的自适应。

如附图1所示，所述算法由如下步骤完成，解密算法则是执行反向的操作：

Begin:

1.根据需要对原始数据进行可选的初始操作(如混乱处理等)，并按长度为SegLength的块为单位对数据序列进行如下处理

While没有到达最后一个块Do:

2.使用一个传统加密方法F对最前面的n个块进行加密

EndWhile

While后续数据长度大于等于SegLengthDo:

3.使用方法F对先进先出队列中当前块Segi进行加密

4.对接下来的L个块，令其密文

EndWhile

5.对最后一个块按照后面给出的填充算法进行填充并使用方法F加密(当已处理完所有数据，即数据长度是SegLength的整数倍时，按最后一个块长度为0处理)

End。

为避免攻击者可能获得部分块的明文，在初始化过程中可以对最前面的n个块数据用算法F进行全加密，其中n是以会话Key作为种子生成的一个整数。此外初始化中可选的扰乱操作可以增加安全性。第4步中的L是一个实时调整的反馈参数，它是通过对缓冲区中数据输入速度等因素进行综合分析得到的，每次使用的L表示一个传统加密的块后面连续异或的块个数，这组数据在解密的时候是需要的，因此也需要存储。一种方案是将L的序列存储成为单独的文件，另一种方案是将EFlag(1表示独立加密，0表示与前面一块异或)作为本块作为每一个块的头部信息。

实际系统中我们可以根据数据视频的分辨率和编码器的目标码率对数据量进行估计，选择参数L，并当缓冲区充满程度高于某阀值后对加密参数进行短暂翻番，以控制加密数据吞吐量和加密算法吞吐量匹配。

经验证，当L较小时，加密吞吐量近接近线性增加，但当L较大时加密吞吐量受到异或操作的速度限制，两个测试序列分别收敛于11GBps和5.9GBps附近。算法吞吐量受到系统中重负载的进程影响较多，而受到I/O【输入输出】传输影响很小。

由于嵌入式系统中控制模块中的主要工作就是数据加密和存储，因此负载因素在实际系统中对性能影响不大。

前述的加密方法能够应用于，基于DSP和ARM的嵌入式视频处理平台。所述的平台的视频处理系统主要由采集/显示、数据处理、数据控制三部分构成。

在一种实施例中，上述的视频处理系统包括感知数据采集模块，其由采集模块、模数转换、FPGA以及FIFO组成。运行时用户控制命令由CPLD(可编程逻辑器件)给出，FPGA首先截获、读取和解析命令字，根据用户要求的模式进行处理。采集模块负责将视频信号数字化，同时对输入的信号进行格式转换后放在FIFO中，通过中断通知DSP理器。在数据处理模块的DRAM中，开辟可存放多帧图像的缓存区，通过EDMA搬移数据周期性存放。

数据处理部分由DSP、DRAM和FlashMemory组成。DSP选用TI公司的C6455作为数据处理的主处理芯片，用于数据压缩和加密处理。采用64Mbyte的外部存储器DRAM作为编码模块的数据缓存，用于存放压缩过程中的参考帧、重建帧、加密压缩码流等，以解决编码过程中片内存储资源不足的问题。选用8MBFlashMemory芯片作为程序存储器，实现系统的加电自举。

数据控制部分由控制模块实现，其核心选用三星公司生产的基于ARM920T内核的S3C2410芯片为核心，采用uClinux作为操作系统。模块的存储器包括DRAM和Flash，CPLD模块主要完成外部芯片选信号的译码，基于双端口RAM实现DSP和ARM的数据交互，可由JTAG接口系统进行开发和调试。

嵌入式视频感知系统中实时视频数据带宽高，但由于系统往往由电池供电，设备的计算及电能资源十分有限，限制了数据加密保护时复杂加密算法的使用。本申请通过分析加密资源与数据量之间的不对称关系，并根据具体应用场景中的应用需求提出了一种吞吐量可调节的通用多媒体数据快速加密方法，解决了以往视频加密方法格式通用性不佳、无法根据实时数据带宽波动进行动态调节的问题。最后给出了基于DSP和ARM的嵌入式视频感知系统，系统中实现了基于视频数据快速加密方法的实时媒体数据存储以及基于改进算法的视频重要帧传输。

Claims (7)

1.一种面向海量编码多媒体数据的速度可调节加密方法，所述方法包括以下步骤：

S1将输入明文数据分割成若干子数据块；S2对分割后的数据中的第一子数据块使用现有加密算法进行加密；S3对接下来的多个子数据块，使用前一个加密的子数据块的明文与之进行按位异或操作，所述子数据块个数为一指定参数，所述指定参数为事先指定或根据数据缓冲使用量计算，以达到速度动态调节的目的；S4对输入数据重复步骤S2和S3直到全部数据处理完毕；

若步骤(1)输入数据为字节流，则按照给定长度进行数据分块，末尾补足根据步骤S1中所选的现有加密方法；若步骤S1输入数据为网络数据包，则直接以数据包为子数据块。

2.一种面向海量编码多媒体数据的速度可调节加密方法，所述方法包括以下步骤：

S1将输入明文数据分割成若干子数据块；S2对分割后的数据中的第一子数据块使用现有加密算法进行加密；S3对接下来的多个子数据块，总使用第一个加密的子数据块的明文与之进行按位异或操作，所述子数据块个数为一指定参数，所述指定参数为事先指定或根据数据缓冲使用量计算，以达到速度动态调节的目的；S4对输入数据重复步骤S2和S3直到全部数据处理完毕；

若步骤(1)输入数据为字节流，则按照给定长度进行数据分块，末尾补足根据步骤S1中所选的现有加密方法；若步骤S1输入数据为网络数据包，则直接以数据包为子数据块。

3.根据权利要求1或2所述的加密方法，其特征在于，当所述步骤S1中输入的数据为网络数据包时，在步骤S3中，若异或操作中前面子数据块长度比当前子数据块短，则需要对所述前面的子数据块进行重复拼接以补足长度，具体方法为： ${\mathrm{CipherByte}}_i^k=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{PlainByte}}_i^k\⊕{\mathrm{PlainByte}}_{i-1}^{{\mathrm{kModPL}}_{i-1}}& {\mathrm{PL}}_i>{\mathrm{PL}}_{i-1}\\ {\mathrm{PlainByte}}_i^k\⊕{\mathrm{PlainByte}}_{i-1}^k& {\mathrm{PL}}_i\≤{\mathrm{PL}}_{i-1}\end{array}\right.$

其中，PL_i是第i个数据包的长度，p_i ^k是第i个数据包第k字节的明文，c_i ^j是该明文所对应的密文。

4.一种采用权利要求1-3中加密方法的平台，其特征在于：所述的平台为基于DSP和ARM的嵌入式视频处理平台，所述的平台的视频处理系统主要由采集/显示部分、数据处理部分以及数据控制部分组成。

5.根据权利要求4所述的平台，其特征在于：所述的采集/显示部分包括感知数据采集模块，该模块由采集模块、模数转换、FPGA以及FIFO组成，运行时用户控制命令由可编程逻辑器件给出，FPGA首先截获、读取和解析命令字，根据用户要求的模式进行处理；采集模块负责将视频信号数字化，同时对输入的信号进行格式转换后放在FIFO中，通过中断通知DSP理器；在数据处理模块的DRAM中，开辟可存放多帧图像的缓存区，通过EDMA搬移数据周期性存放。

6.根据权利要求4所述的平台，其特征在于：所述的数据处理部分由DSP、DRAM和FlashMemory组成，所述DSP选用TI公司的C6455作为数据处理的主处理芯片，用于数据压缩和加密处理；采用64Mbyte的外部存储器DRAM作为编码模块的数据缓存，用于存放压缩过程中的参考帧、重建帧、加密压缩码流，以解决编码过程中片内存储资源不足的问题；选用8MBFlashMemory芯片作为程序存储器，实现系统的加电自举。

7.根据权利要求4所述的平台，其特征在于：所述的数据控制部分由控制模块实现，其核心选用三星公司生产的基于ARM920T内核的S3C2410芯片为核心，采用uClinux作为操作系统；模块的存储器包括DRAM和Flash，CPLD模块主要完成外部芯片选信号的译码，基于双端口RAM实现DSP和ARM的数据交互，能够由JTAG接口系统进行开发和调试。