CN107396106A - 一种基于h.265编码标准的视频加密算法 - Google Patents

一种基于h.265编码标准的视频加密算法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于H.265编码标准的视频加密算法，包括以下步骤，S1：确定H.265编码标准的MV预测技术Merge模式，Merge模式候选列表中预测MV有5个；使用混沌伪随机序列发生器为随机序列产生一比特密钥，该比特密钥为1或0；如果比特密钥为1，则跳转至步骤S3，否则跳转至步骤S5；S3：如果index＝4,则执行步骤S7，否则执行步骤S4；S4：用2个比特的混沌伪随机序列与index进行异或操作，并将新的值赋给index，执行步骤S6；S5：执行4‑index操作，并将新值赋给index；当该bit＝0时，新的索引号等于4‑index,则此时索引号index为2的不参与加密，S6：将新的索引号index输入到熵编码器；Merge index加密结束，并进行熵编码加密，本发明以微小的码率增加和压缩性能降低为代价，实现了对视频内容更大程度上地扰乱。

Description

一种基于H.265编码标准的视频加密算法
[技术领域]
本发明涉及视频加密算法技术领域，尤其涉及一种安全性和兼容性都较好的基于H.265编码标准的视频加密算法。
[背景技术]
在过去十年里，随着多媒体和网络技术的发展，各式各样的视频应用不断涌现，比如视频点播、视频会议、视频监控、医疗成像和数字摄影等。这些应用被用于军事、政治、社会、经济、个人生活等方方面面。由于视频信息量大，视频信息的传输和存储研究已成为当今研究的热点。然而，在视频信息的传输和存储过程中，如果有不法分子非法窃取、破坏视频内容，大到国家安全层面，小到个人隐私层面，都会造成严重的损失。由此，对于视频内容的保护变得非常重要。比如，对于重要的军事视频会议，一旦会议内容被获取，就会对国家的安全和稳定造成重大影响。再如，现在的视频点播和直播技术得到了广泛应用。在此过程中，未被授权的用户不应该有观看视频内容的权利。对于个人来说，希望一些私密的视频数据和信息可以得到保护。而今，中国面临严重的网络安全问题，在网络应用的很多领域遭受国内外不法分子的非法攻击，俨然对国家安全、社会稳定、经济发展、个人生活造成了很大影响。因此，在多媒体领域，保护视频信息安全已经变得尤为重要。H.264作为目前广泛使用的编码标准，其应用涉及到上述的各个方面。随着高清、超高清以及3D视频的出现，已有的编码标准已不能满足现有新型视频的要求。在2010年4月，视频编码联合组(JCT-VC)联手制定了新一代视频编码标准-H.265/HEVC。在2013年11月，H.265/HEVC标准被ISO/IEC正式发布。
目前，国内外很多研究者研究了基于H.264标准的视频加密算法，在视频内容保护，版权保护方面做了很多工作。然而，在新一代的视频编码标准H.265上，肆意破坏视频内容，窃取视频信息，任意盗版的现象仍然存在，并不会因为新一代编码标准的出现而消失。而目前，由于H.265是最新一代的视频编码标准，对于其信息安全的相关研究还处于空白阶段。因此，对于H.265视频内容保护的研究必将有着重大的现实意义。H.265在编码结构、计算代价、编码效率较之H.264编码标准有很大的不同，对于一些在H.264上可能行得通的加解密算法，在H.265上未必是可用的。因此，结合实际的应用，以及编码的特性，研究高效可行的加解密算法，是很有必要的。
为解决目前视频内容存在安全性问题，本研究致力于研究可以保护视频内容的加密算法。针对目前已有的加密算法存在问题，本研究致力于：
1)在基于熵编码CABAC加密过程中，实现对视频内容的加密，保证其安全性的前提下，解决CABAC因对数据极度敏感而造成解码不兼容的问题，并解决视频加密后，视频编码性能不受影响的问题。
2)在保证视频格式兼容的前提下，以少量的编码效率牺牲为代价，实现更高级别的视频内容的保护。
基于上述问题，本领域的技术人员进行了大量的研发和实验，并取得了较好的成绩。
[发明内容]
为克服现有技术所存在的问题，本发明提供一种安全性和兼容性都较好的基于H.265编码标准的视频加密算法。
本发明解决技术问题的方案是提供一种基于H.265编码标准的视频加密算法，包括以下步骤，
S1：确定H.265编码标准的MV预测技术Merge模式，该所述Merge模式的候选列表中预测MV有5个，且对应的索引号index为{0,1,2，3,4}，其可加密的索引号的个数为5个；使用混沌伪随机序列发生器为随机序列产生一比特密钥，该所述比特密钥为1或0；
S2：如果该比特密钥为1，则跳转执行步骤S3，否则跳转执行步骤S5；
S3：如果index＝4,则执行步骤S7，否则执行步骤S4；
S4：用2个比特的混沌伪随机序列与index进行异或操作，并将新的值赋给索引号index，执行步骤S6；
S5：执行4-index操作，并将新的值赋给index；当该bit＝0时，新的索引号等于4-index,则此时索引号index为2的不参与加密；
S6：将新的索引号index输入到熵编码器；
S7：Merge index加密结束；
S8:进入熵编码阶段，并对语法元素coeff_abs_level_remaining二进制化过程中的后缀码进行加密；判断语法元素coeff_abs_level_remaining是否大于莱斯参数(4<<cRiceParam)，若是，执行步骤S9，若否，执行步骤S10；
S9:利用混沌序列发生器产生的二进制混沌序列号与截断莱斯的前缀码同K阶指数哥伦布码的前后缀码(EGk-suffixCode)之和以及K阶指数哥伦布码后缀码进行异或；得到新的K阶指数哥伦布码后缀码、截断莱斯的前缀码和K阶指数哥伦布码前缀码；并执行步骤S11；
S10:确定语法元素coeff_abs_level_remaining二进制化中截断莱斯的后缀码(TR-suffixCode)，利用混沌序列发生器产生的二进制混沌序列号与该截断莱斯的后缀码异或，得到新的截断莱斯后缀码；并执行步骤S11；
S11:旁路二进制算术编码；
S12：加密过程结束。
优选地，所述步骤S2中，当比特密钥bit＝1且索引号index不等于4时，用随机2个bit与index进行异或操作，产生新的索引号，这种情况下，索引号为4的不参与加密。
优选地，所述Merge模式加密为格式兼容算法，且在所述H.265编码标准的熵编码阶段之前，属于选择性加密，所述加密后的Mergeindex仍在5个候选MV中。
优选地，所述H.265编码标准的熵编码过程中，将视频中的运动信息和幅值信息同时加密，保证视频中错误内容的扩散达到迭代累加。
优选地，所述H.265编码标准的MV预测技术Merge模式包含视频序列中物体的运动信息，通过加密Merge index，来改变当前最优MV，进而改变视频中的运动信息。
优选地，所述H.265编码标准的加密过程中，包括导致莱斯参数更新的阈值以及可以加密的语法元素coeff_abs_level_remaining的二值化过程中截断莱斯后缀码两个参数值。
优选地，所述H.265编码标准加密算法的编码端和解码端区间划分一致。
与现有技术相比，本发明一种基于H.265编码标准的视频加密算法重点解决了在H.265/HEVC加密过程中因熵编码器CABAC极度敏感而造成的视频格式不兼容的问题，实现了良好的加密效果，达到了加密过程中不影响H.265的压缩性能以及视频的码率的目的。算法适用于编码性能要求高并且视频中内容信息丰富的视频系统，比如视频点播、视频直播等领域，通过引入H.265/HEVC运动矢量预测的Merge index加密算法，并结合上一个工作中的加密算法形成了联合加密方案。该联合加密方案以微小的码率增加和压缩性能降低为代价，实现了对视频内容更大程度上地扰乱。该加密算法适用对编码性能要求较高且安全性要求特别高的视频应用系统，比如视频监控系统。在这样的视频系统中，以编码性能降低为代价换取更高地安全性，是值得的。
[附图说明]
图1和图2是本发明一种基于H.265编码标准的视频加密算法的流程示意图。
[具体实施方式]
为使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定此发明。
请参阅图1和图2，本发明一种基于H.265编码标准的视频加密算法，包括以下步骤，
S1：确定H.265编码标准的MV预测技术Merge模式，该所述Merge模式的候选列表中预测MV有5个，且对应的索引号index为{0,1,2，3,4}，其可加密的索引号的个数为5个；使用混沌伪随机序列发生器为随机序列产生一比特密钥，该所述比特密钥为1或0；
S2：如果该比特密钥为1，则跳转执行步骤S3，否则跳转执行步骤S5；
S3：如果index＝4,则执行步骤S7，否则执行步骤S4；
S4：用2个比特的混沌伪随机序列与index进行异或操作，并将新的值赋给索引号index，执行步骤S6；
S5：执行4-index操作，并将新的值赋给index；当该bit＝0时，新的索引号等于4-index,则此时索引号index为2的不参与加密；
S6：将新的索引号index输入到熵编码器；
S7：Merge index加密结束；
S8:进入熵编码阶段，并对语法元素coeff_abs_level_remaining二进制化过程中的后缀码进行加密；判断语法元素coeff_abs_level_remaining是否大于莱斯参数(4<<cRiceParam)，若是，执行步骤S9，若否，执行步骤S10；
S9:利用混沌序列发生器产生的二进制混沌序列号与截断莱斯的前缀码同K阶指数哥伦布码的前后缀码(EGk-suffixCode)之和以及K阶指数哥伦布码后缀码进行异或；得到新的K阶指数哥伦布码后缀码、截断莱斯的前缀码和K阶指数哥伦布码前缀码；并执行步骤S11；
S10:确定语法元素coeff_abs_level_remaining二进制化中截断莱斯的后缀码(TR-suffixCode)，利用混沌序列发生器产生的二进制混沌序列号与该截断莱斯的后缀码异或，得到新的截断莱斯后缀码；并执行步骤S11；
S11:旁路二进制算术编码；
S12：加密过程结束。
本发明重点解决了在H.265/HEVC加密过程中因熵编码器CABAC极度敏感而造成的视频格式不兼容的问题，实现了良好的加密效果，达到了加密过程中不影响H.265的压缩性能以及视频的码率的目的。算法适用于编码性能要求高并且视频中内容信息丰富的视频系统，比如视频点播、视频直播等领域，通过引入H.265/HEVC运动矢量预测的Merge index加密算法，并结合上一个工作中的加密算法形成了联合加密方案。该联合加密方案以微小的码率增加和压缩性能降低为代价，实现了对视频内容更大程度上地扰乱。该加密算法适用对编码性能要求较高且安全性要求特别高的视频应用系统，比如视频监控系统。在这样的视频系统中，以编码性能降低为代价换取更高地安全性，是值得的。
优选地，所述步骤S2中，当比特密钥bit＝1且索引号index不等于4时，用随机2个bit与index进行异或操作，产生新的索引号，这种情况下，索引号为4的不参与加密。由于控制位是随机的，因此，在整个加密过程中，所有的索引号都有可能被加密。
优选地，所述Merge模式加密为格式兼容算法，且在所述H.265编码标准的熵编码阶段之前，属于选择性加密，所述加密后的Mergeindex仍在5个候选MV中。
优选地，所述H.265编码标准的熵编码过程中，将视频中的运动信息和幅值信息同时加密，保证视频中错误内容的扩散达到迭代累加。
优选地，所述H.265编码标准的MV预测技术Merge模式包含视频序列中物体的运动信息，通过加密Merge index，来改变当前最优MV，进而改变视频中的运动信息。
优选地，所述H.265编码标准的加密过程中，包括导致莱斯参数更新的阈值以及可以加密的语法元素coeff_abs_level_remaining的二值化过程中截断莱斯后缀码两个参数值。
优选地，所述H.265编码标准加密算法的编码端和解码端区间划分一致。
基于H.265熵编码过程的加密算法的方案，本质上是对视频中的幅值信息进行加密，而并没有改变视频中物体的运动信息。本方法将提出基于Mergeindex的加密和幅值信息熵编码阶段加密的联合加密方案。具体理由如下：
1)Merge模式是H.265中新的MV预测技术，Mergeindex包含着视频序列中物体的运动信息，通过加密Mergeindex，来改变当前最优MV，进而改变视频中的运动信息，达到视频内容扰乱的效果。
2)加密Mergeindex是格式兼容的算法，本发明提出的加密算法是在熵编码阶段之前，属于选择性加密，只要加密后的Mergeindex仍在5个候选MV中，解码就不会出错。
3)将视频中的运动信息和幅值信息同时加密，会对视频中错误内容的扩散起到迭代累加的效果，更大程度上破坏视频的内容。
加密语法元素coeff_abs_level_remaining二进制化过程中的TR和EGk不会导致码率升高和压缩性能较低，但加密Merge index会导致码率的增加和压缩性能的降低，这是因为Merge模式每次都是选择率失真代价最小的候选MV作为当前PU的MV，加密的过程中改变了这种特性，会使得码率和压缩后的字节数增加。
上表可以看出，采用联合加密方案后，不同的视频序列比特率和压缩后的字节数增加的百分率都非常低。由此可以得出，联合加密方案会使比特率升高，会降低压缩性能,但是这种程度都是微弱的。
基于H.265熵编码过程的加密算法：
基于上下文自适应的二进制算术编码(CABAC)是H.265中唯一指定的熵编码器。在CABAC的常规编码过程中，根据输入的二进制串和当前的概率模型对编码区间递归的划分，利用归一化技术输出码流。如果在解码的过程中，解码区间的划分与编码端不一致，则可能会导致解码出错，原因是码流格式不正确。因此我们在熵编码加密的过程中，必须保证编码端和解码端的区间划分一致，这样才能保证视频根式的兼容性。因此，我们选择加密对象的原则是以不影响上下文概率模型为前提的。为此选择了基于旁路编码的语法元素coeff_abs_level_remaining为加密对象，该语法元素反映的是变换系数的幅值信息，通过加密编码系数组中的幅值，可以有效的扰乱视频中的信息。
我们选择加密的阶段是语法元coeff_abs_level_remaining的二进制化阶段，具体方案是加密其二进制化中截断莱斯的后缀码(TR-suffixCode)和K阶指数哥伦布码的后缀码(EGk-suffixCode)。
在本方案中，加密的是语法元素coeff_abs_level_remaining二进制化中截断莱斯的后缀码(TR-suffixCode)K阶指数哥伦布码的后缀码(EGk-suffixCode)。在对语法元素coeff_abs_level_remaining的截断莱斯的后缀码进行加密过程中，coeff_abs_level_remaining值可能会增大，非零系数的绝对值absCoeffLevel也可能会增大。
语法元素coeff_abs_level_remaining在二进制化过程中，莱斯参数cRiceParam会根据当前非零系数的绝对值absCoeffLevel自适应的更新，因此可能会导致加密前后用于下一个非零系数的语法元素coeff_abs_level_remaining的二进制化过程中的莱斯参数cRiceParam不一致，而莱斯参数cRiceParam代表的是截断莱斯码后缀码的长度，将可能会导致加密前后下一个非零系数的语法元素coeff_abs_level_remaining的二进制化过程中截断莱斯的后缀码长度不一致，进而导致加密前后其进入到旁路二进制算术编码器中二进制串中待编码bin的个数不一致，这对于CABAC熵解码器来说，可能会造成码流格式不兼容，最终解码失败。因此，不能对所有语法元素coeff_abs_level_remaining截断莱斯码的后缀码进行加密,只能对符合一定条件的coeff_abs_level_remaining加密其截断莱斯后缀码，所以需要找出导致莱斯参数更新的阈值以及可以加密的语法元素coeff_abs_level_remaining的二值化过程中截断莱斯后缀码。
与现有技术相比，本发明一种基于H.265编码标准的视频加密算法重点解决了在H.265/HEVC加密过程中因熵编码器CABAC极度敏感而造成的视频格式不兼容的问题，实现了良好的加密效果，达到了加密过程中不影响H.265的压缩性能以及视频的码率的目的。算法适用于编码性能要求高并且视频中内容信息丰富的视频系统，比如视频点播、视频直播等领域，通过引入H.265/HEVC运动矢量预测的Merge index加密算法，并结合上一个工作中的加密算法形成了联合加密方案。该联合加密方案以微小的码率增加和压缩性能降低为代价，实现了对视频内容更大程度上地扰乱。该加密算法适用对编码性能要求较高且安全性要求特别高的视频应用系统，比如视频监控系统。在这样的视频系统中，以编码性能降低为代价换取更高地安全性，是值得的。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于H.265编码标准的视频加密算法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：确定H.265编码标准的MV预测技术Merge模式，该所述Merge模式的候选列表中预测MV有5个，且对应的索引号index为{0,1,2，3,4}，其可加密的索引号的个数为5个；使用混沌伪随机序列发生器为随机序列产生一比特密钥，该所述比特密钥为1或0；
S2：如果该比特密钥为1，则跳转执行步骤S3，否则跳转执行步骤S5；
S3：如果index＝4,则执行步骤S7，否则执行步骤S4；
S4：用2个比特的混沌伪随机序列与index进行异或操作，并将新的值赋给索引号index，执行步骤S6；
S5：执行4-index操作，并将新的值赋给index；当该bit＝0时，新的索引号等于4-index,则此时索引号index为2的不参与加密；
S6：将新的索引号index输入到熵编码器；
S7：Merge index加密结束；
S8:进入熵编码阶段，并对语法元素coeff_abs_level_remaining二进制化过程中的后缀码进行加密；判断语法元素coeff_abs_level_remaining是否大于莱斯参数(4<<cRiceParam)，若是，执行步骤S9，若否，执行步骤S10；
S9:利用混沌序列发生器产生的二进制混沌序列号与截断莱斯的前缀码同K阶指数哥伦布码的前后缀码(EGk-suffixCode)之和以及K阶指数哥伦布码后缀码进行异或；得到新的K阶指数哥伦布码后缀码、截断莱斯的前缀码和K阶指数哥伦布码前缀码；并执行步骤S11；
S10:确定语法元素coeff_abs_level_remaining二进制化中截断莱斯的后缀码(TR-suffixCode)，利用混沌序列发生器产生的二进制混沌序列号与该截断莱斯的后缀码异或，得到新的截断莱斯后缀码；并执行步骤S11；
S11:旁路二进制算术编码；
S12：加密过程结束。
2.如权利要求1所述的一种基于H.265编码标准的视频加密算法，其特征在于：所述步骤S2中，当比特密钥bit＝1且索引号index不等于4时，用随机2个bit与index进行异或操作，产生新的索引号，这种情况下，索引号为4的不参与加密。
3.如权利要求1所述的一种基于H.265编码标准的视频加密算法，其特征在于：所述Merge模式加密为格式兼容算法，且在所述H.265编码标准的熵编码阶段之前，属于选择性加密，所述加密后的Mergeindex仍在5个候选MV中。
4.如权利要求1所述的一种基于H.265编码标准的视频加密算法，其特征在于：所述H.265编码标准的熵编码过程中，将视频中的运动信息和幅值信息同时加密，保证视频中错误内容的扩散达到迭代累加。
5.如权利要求1所述的一种基于H.265编码标准的视频加密算法，其特征在于：所述H.265编码标准的MV预测技术Merge模式包含视频序列中物体的运动信息，通过加密Mergeindex，来改变当前最优MV，进而改变视频中的运动信息。
6.如权利要求1所述的一种基于H.265编码标准的视频加密算法，其特征在于：所述H.265编码标准的加密过程中，包括导致莱斯参数更新的阈值以及可以加密的语法元素coeff_abs_level_remaining的二值化过程中截断莱斯后缀码两个参数值。
7.如权利要求1所述的一种基于H.265编码标准的视频加密算法，其特征在于：所述H.265编码标准加密算法的编码端和解码端区间划分一致。
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