CN105704545B - 一种基于h.264视频流的密钥同步信息传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于H.264视频流的密钥同步信息传输方法。本方法为:1)创建一用于填充密钥同步信息的密钥同步结构体;2)视频发送端识别出每一帧视频流的补充增强信息单元SEI,将填充好的密钥同步数据结构体填充到当前补充增强信息单元SEI的用户自定义数据字段;3)视频接收端接收视频时,提取每一帧视频流的补充增强信息单元SEI,得到加密该帧视频的密钥同步信息。本方法具有通用性好,安全性高,成本低,具有较高的创新性。

Description

一种基于H.264视频流的密钥同步信息传输方法
技术领域
本发明涉及一种密钥同步信息传输方法,主要适用于基于H.264编码标准的视频,根据H.264视频流的结构,在视频帧中嵌入密钥同步信息,进行密钥同步信息的传输。该发明属于视频安全的技术领域。
背景技术
随着安防行业的发展,各地除了公安系统建设的视频监控点外,还有运营商、开发商、企事业单位等自行部署的视频监控系统,其形成了庞大的视频监控资源,如电信的全球眼无线监控系统、旅游景点、社区、高速公路、港航、公交车、学校等社会视频监控点。然而,这些视频服务在开放网络环境中很容易遭受人为的攻击,如数据拦截、信息窃取、数据篡改和数据添删等。
针对这一问题,目前已经存在一些解决方案。比如,采用认证技术或者权限划分的方式,防止非法用户访问存储器中的视频,在传输方面采用建立专门的安全通道保证视频传输的安全性。然而这些方式都存在一定的缺陷,例如严格的认证过程以及复杂的权限划分会导致用户体验严重降低等问题。
解决上述问题的一种方法是对视频内容本身进行加密,以保证视频传输过程中的安全,即便视频数据被窃取,在不知道密钥的情况下也无法得到明文视频。采用加密视频来保护视频安全一个很关键的问题在于密钥的安全性,如果密钥在传输的过程中被窃取,或者更新的密钥不能及时同步,都无法保证视频的安全。传统的密钥传输通常是简单的文本数据传输,将密钥加密后传给合法身份的实体,没有考虑与加密对象的关联。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足,提供一种基于H.264编码标准的通用密钥同步信息传输方法,在不改变视频整体结构下在每帧视频中嵌入密钥同步信息,进行密钥同步信息的传输,视频播放端根据视频帧中的信息实时解密视频,本方法具有通用性好,安全性高,成本低,具有较高的创新性。H.264编码是由ISO/IEC与ITU-T组成的联合视频组制定的视频压缩编码标准,2003年正式公布,目前得到非常广泛的应用,被称为新一代数字视频压缩格式。
按照本发明提供的技术方案,一种基于H.264编码标准的通用密钥同步信息传输方法,包括如下步骤:
第一步、解析基于H.264编码的视频,以识别出H.264编码视频内的网络提取层单元(NALU,NetworkAbstraction Layer Unit),所述识别出编码视频的NALU包括参数集、补充增强信息单元SEI以及视频片。设置SEI参数信息,包括SEI有效载荷类型(SEIpayloadType)、设置用户自定义数据长度、填充uuid字段、定义用户自定义数据信息等;
第二步、视频加密之前,在每一帧中找到辅助增强信息SEI,将密钥同步信息放入设计好的密钥同步数据结构体中,将密钥同步数据结构体填充到SEI的用户自定义数据字段。这里的密钥同步结构体可以自行定义,内容可以包含系统当前时间,RTP(实时传输协议)和PTCP(实时传输控制协议)信息,和当前使用的密钥序号等信息。密钥同步数据结构体应当在视频推送之前创建并填充,推送视频之前首先识别出视频帧中的补充增强信息单元SEI,将密钥同步数据结构体添加到SEI中的用户自定义数据字段。
第三步、定期更新密钥,在视频流中寻找关键帧I帧(由于P帧主要提供辅助预测的功能,因此只需要在每个I帧之前改变加密密钥即可),当密钥更新时,修改SEI的用户自定义数据字段中密钥更新标志位的值,并采取对应的新密钥加密视频;
第四步、视频播放端接收视频时,首先寻找视频帧的SEI字段,提取SEI字段中密钥更新标志位的信息,选取相应的密钥解密视频。经测试,即使密钥更新频率很高(即每隔几帧就选取不同的密钥加密视频),客户端也可以根据SEI中的密钥同步信息快速选取正确的密钥解密视频,可以保证视频播放的正确性与实时性。客户端解密视频时,会首先提取每个视频帧之前的SEI信息,得到加密这一帧视频的密钥序号,客户端会向服务器发送密钥序号查询的请求,服务器会返回相应的密钥给客户端。这里的服务器是个相对的概念,在一个工程中通常会有这样一个通信控制服务器,对各个实体进行通信的控制以及合法性的验证等,密钥数据库可以放在服务器端。
与现有技术相比,本发明的积极效果为:
本文提供了一种基于H.264视频流的密钥同步信息传输方法,在保留视频的参数和其它重要信息的情况下,在每帧视频的辅助增强信息SEI中嵌入密钥同步信息,进行密钥同步信息的传输,视频播放端根据视频帧中的信息实时解密视频。经测试,在密钥更新频率很高的情况下,视频播放端也可以根据SEI中的密钥同步信息快速选取正确的密钥解密视频,可以保证视频播放的正确性与实时性。因此本文提出的这种基于H.264视频流的密钥同步信息传输方法是一种通用性好、安全性高、实时性好、成本低的密钥同步信息传输方法。
附图说明
图1是编码后的H.264视频结构以及加密的方法结构示意图。
图2是H.264视频传输序列的结构示意图。
图3是在视频帧中添加密钥同步信息示意图。
图4是视频播放端提取密钥同步信息示意图。
具体实施方式
H.264视频压缩标准是由ITU-T/ISO在2003年正式公布的视频压缩标准,由于其相比以往标准的出色的性能,被人们称为新一代视频编码标准。
H.264的编码视频序列包括一系列的网络提取层单元(NALU,NetworkAbstractionLayer Unit)。每个NALU包括一组对应于视频编码的NAL头信息和一个原始字节序列负荷(RBSP,Raw Byte Sequence Payload)。每个RBSP都按独立的NALU传送。NALU的信息头(一个字节)定义了RBSP单元的类型,NALU的其余部分为RBSP数据。
在RBSP的类型中,有一种类型叫做补充增强信息单元SEI,SEI是用于视频序列解码的增强信息,主要提供额外的数据或同步信息,可以适当提高同步性能或定义图像的复杂特征。因此我们可以利用视频帧中自带的SEI信息,按照一定规范自行在视频帧的SEI信息里添加用户自定义数据,进行密钥同步信息的传输。这里的规范主要包括设置SEI载荷的类型,设置用户自定义数据的大小,填充uuid,拷贝uuid和用户自定义数据,实现方式在后文中具体介绍。
在H.264编码标准中,首先是引入了两种参数集——序列参数集(SPS)和图像参数集(PPS)。序列参数集SPS包含的是针对一连续编码视频序列的参数,如编号标识、帧数、参考帧的数目、解码图像尺寸和帧场编码模式选择标识等。图像参数集PPS对应的是一个序列中某一图像或者几幅图像的参数标识、熵编码模式选择标识、片组数目、初始量化参数和去方块滤波系数调整标识等等。视频帧有关键帧(I帧)、预测帧(P帧)和双向预测帧(B帧)三种常见的类型。在视频编码的扩展档中还有SI和SP两种类型。其中,参数集的作用是记录或者初始化基本的参数信息,如序列参数集SPS和图像参数集PPS记录了视频序列的全局参数、如图像尺寸、视频格式,以及编码的档级等等,主要功能是为了外部操作可以正确的识别一个完整的视频序列,因此是不可以加密的,否则将导致网络传输、存储和解析等均无法进行。由于不含实际的视频内容,不加密参数不会带来安全问题。
同样,补充增强信息单元SEI是用于视频序列解码的增强信息,主要提供额外的数据或同步信息,因此在视频流传输的过程中不用加密。解析基于H.264编码的视频,以识别出H.264编码视频内的NALU,包括参数集、辅助增强信息SEI以及视频片。将识别出NALU中的视频片包括I片、B片、P片等加密传输,将参数集和SEI直接明文传输,并在SEI信息中添加密钥同步信息。
因此,本发明所述密钥同步信息传输方法包括如下步骤:
第一步、解析基于H.264编码的视频,以识别出H.264编码视频内的NALU,所述识别出编码视频的NALU包括参数集、补充增强信息单元SEI以及视频片。编码后的H.264视频结构以及加密的方法结构示意图见附图1,H.264视频传输序列的结构示意图见附图2。
一个SEI NAL单元包括一个或多个SEI消息。每个SEI消息由表示SEI载荷类型的payloadType和表示SEI载荷大小的payloadSize变量组成。表示SEI载荷大小的payloadSize以字节为单位,并且等于SEI载荷的字节数。设置SEI参数信息,包括SEIpayloadType类型、设置用户自定义数据长度、填充uuid、定义用户自定义数据结构等。SEI主要修改的内容见表1。
表1.SEI配置用户自定义信息参数
具体步骤如下:
1.设置SEI payloadType的类型
实现用户自定义数据在补充增强信息单元SEI中的插入,需要将payloadType的值设置为5,所涉及修改的参数有3个:参数pObj->dynamicParams_h264.enableBufSE,参数pObj->dynamicParams_h264.enablePicTimSEI参数,参数h264InArgs.insertUserData。具体修改方式如下:
①将参数pObj->dynamicParams_h264.enableBufSEI的默认值1修改为0。参数pObj->d ynamicParams_h264.enableBufSEI的默认值为1代表SEI payloadType的值是0,由于插入用户自定义数据时payloadType的值应该设置为5,因此这里需要将pObj->dynamicParams_h264.enableBufSEI=0,代表不启用SEI payloadType=0。
②与上一操作相似,将参数pObj->dynamicParams_h264.enablePicTimSEI的默认值1修改为0。参数pObj->dynamicParams_h264.enablePicTimSEI的默认值为1代表SEIpayloadTy pe的值是1,由于插入用户自定义数据时payloadType的值应该设置为5,因此这里需要将p Obj->dynamicParams_h264.enablePicTimSEI,代表不启用SEI payloadType=1。
③参数h264InArgs.insertUserData的默认值是XDAS_FALSE,代表不启用数据插入类型,即不启用payloadType=5。将h264InArgs.insertUserData的值修改为XDAS_TRUE,表示启用数据插入类型,即设置SEI payloadType=5。
2.设置用户数据的长度
参数h264InArgs.lengthUserData的默认值是0,代表payloadSize=0,用户数据长度为0。用户数据的长度可以根据密钥同步信息的内容自行设定,比如设置h264InArgs.lengthUserData=32,代表payloadSize的值为32,包含16字节的通用唯一识别码uuid(固定大小)和16字节的用户数据。
3.填充uuid,拷贝uuid和用户自定义数据
参数uuid_generate用于生成16个字节的通用唯一识别码uuid。uuid是一个标帜系统中的存储设备的字符串,其目的是帮助使用者唯一的确定系统中的所有存储设备,不管它们是什么类型的,它可以标识DVD驱动器,USB存储设备以及你系统中的硬盘设备等。填充好uuid之后将16字节的uuid拷贝到输出视频帧。uuid后为用户自定义数据,再将16字节的用户自定义数据拷贝到输出视频帧。
第二步、视频加密之前,在每一帧中找到补充增强信息SEI,将密钥同步信息放入设计好的密钥同步数据结构体中,将密钥同步数据结构体填充到SEI的用户自定义数据字段。在视频帧中添加密钥同步信息示意图见附图3。
具体步骤如下:
1.在每一帧中获取SEI信息的位置。首先,从码流中获取NALU,将NALU中的数据转化为RBSP,根据NALU的头部信息来判断这个NALU是什么类型的数据。NAL的头部中有一个标志位叫做nal_unit_type,当nal_unit_type的值等于6时,代表这个NALU是补充增强信息单元SEI。
2.在视频流中找到SEI后,在SEI里添加用户自定义数据,将用户自定义的数据设为一个结构体,长度根据payloadSize中定义的大小设置,内容为需要的密钥同步信息,比如系统当前时间,RTP和PTCP信息,和当前使用的密钥序号的信息等。
第三步、以较高的频率更新密钥,在视频流中寻找关键帧I帧(由于P帧主要提供辅助预测的功能,因此只需要在每个I帧之前改变加密密钥即可)。当密钥更新时,修改SEI的用户自定义数据字段中密钥更新标志位的值,并采取对应的新密钥加密视频。
具体步骤如下:
1.加密密钥的随机设定。视频发送端有密钥和序号的对应关系表,摄像机端以较高的频率每隔一段时间,当遇到I帧时,随机产生新视频加密密钥的序号;
2.将新的密钥同步信息写入视频帧的SEI信息中,每一帧视频都会有自己的密钥同步信息,因此每一帧的解密都是独立的。密钥同步信息的内容可以包含系统当前时间,RTP和PTCP信息,和当前使用的密钥序号的信息等。相机根据密钥同步信息中的密钥序号在密钥表或者数据库中寻找对应的密钥对视频片进行加密。
在更换密钥时,只对I帧重新设置密钥。如果对每个P帧也改变加密密钥进行加密,会导致视频接收方解密视频的时候出现视频图像的拉伸和抖动,表明P帧没有正确解密。这是因为视屏接收方每次解密视屏的时候,每次解密的单元都是这样一个视频结构:一个SPS,一个PPS,一个SEI,一个I帧,后面紧跟29个P帧(每个P帧之前也会存在SEI)。视频解密的方法是,只要找到第一个SEI(即I帧之前的这个SEI),就会提取第一个SEI中的密钥序号信息,之后不再提取P帧前的SEI中的密钥信息,而是用第一个SEI中提供的密钥信息解密这个视频结构单元中所有的视频帧(一个I帧和29个P帧)。因此为了与视频接收方的解密保持协调一致,并且考虑到重要的帧只有I帧,P帧主要提供辅助预测的功能,因此只需要在每个I帧之前改变加密密钥即可。
第四步、视频播放端接收视频时,首先寻找视频帧的SEI字段,提取SEI字段中密钥更新标志位的信息,选取相应的密钥解密视频。每次解密的单元都是这样一个视频结构:一个SPS,一个PPS,一个SEI,一个I帧,后面紧跟29个P帧(每个P帧之前也会存在SEI)。
具体步骤如下:
1.解析视频流,找到第一个SEI(即I帧之前的这个SEI);
2.提取第一个SEI中的密钥同步信息;
3.根据密钥同步信息中的内容进行解密密钥的选取;
4.进行每帧视频的解密。
I帧之后的多个P帧由于在加密的时候没有更换加密密钥,因此可以用第一个SEI中提供的密钥信息解密这个视频结构单元中所有的视频帧(一个I帧和29个P帧)。视频播放端提取密钥同步信息示意图见附图4。

Claims (5)

1.一种基于H.264视频流的密钥同步信息传输方法,其步骤为:
1)创建一用于填充密钥同步信息的密钥同步结构体;其中,所述密钥同步信息包括系统当前时间、RTP信息、PTCP信息和当前使用密钥的密钥序号;将密钥同步信息填充到密钥同步结构体的方法为:首先设置补充增强信息单元SEI的载荷类型参数值,使得能够启用补充增强信息单元SEI的用户自定义数据,然后根据密钥同步信息的内容设置用户自定义数据长度;
2)视频发送端识别出每一帧视频流的补充增强信息单元SEI,将填充好的密钥同步数据结构体填充到当前补充增强信息单元SEI的用户自定义数据字段;
3)视频接收端接收视频时,提取每一帧视频流的补充增强信息单元SEI,得到加密该帧视频的密钥同步信息。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,视频发送端随机产生新视频加密密钥的密钥序号。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,视频发送端根据密钥同步信息中的密钥序号在密钥表或者密钥数据库中寻找对应的密钥对视频片进行加密。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,视频接收端得到加密该帧视频的密钥序号后,向保存密钥表或者密钥数据库的服务器发送密钥序号查询的请求,该服务器根据请求中的密钥序号返回相应的密钥给视频接收端。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,补充增强信息单元SEI中设置一密钥更新标志位;
视频发送端定期更新密钥同步信息中的密钥信息,当更新密钥信息时,修改当前帧视频流的补充增强信息单元SEI中的密钥更新标志位的值和密钥信息,并采取对应的新密钥加密视频片。
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