CN110071795A - 基于h.264/avc视频编码特性的选择性加密方法 - Google Patents

基于h.264/avc视频编码特性的选择性加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，主要涉及移动通信视频加密领域。包括步骤一：对视频数据进行编码分片；步骤二：片特征参数提取；步骤三：动态密钥生成；步骤四：利用动态秘钥对片特征参数进行加密；步骤五：对加密后的视频效果进行分析。本发明的有益效果在于：它能够很好的保护视频序列中的隐私信息，以片为单位进行加密，片与片之间相互独立，即使有一个片被破解也不会影响其它片的信息，加密之后的视频序列没有比特增加，符合原有的视频序列格式。

Description

基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术视频加密领域，具体是基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法。
背景技术
我们都知道多媒体加密一般分为完全加密和选择性加密，两种加密算法各有优缺点。完全加密通常适用于要加密的数据量小，所需的安全性高的情况；而选择性加密适用于数据量大，实时性要求高的情况。由于多媒体数据量大，加密是一个非常耗时的过程，因此科研人根据加密的语义元素的不同，提出了许多视频加密算法；
如通过加扰帧内编码宏块的帧内预测模式(IPM)来加密视频，通过在IPM上使用按位XOR(异或)运算来执行加密；Khlif等人提出了加密每个MB的当前MV的符号，然而S.Lian等人提出的方案不仅加密帧内预测模式而且加密运动矢量差(MVD)，之后S.Lian等人建议加密帧内预测模式，运动矢量差和残差系数，T.Shi等人提出加密其它参数，例如：加密序列参数集和图像参数集；Jiang J等人通过分析现有加密算法的感知性能，明文加扰空间和密钥安全性，然后通过考虑密钥分发和同步，提出了另外一种加密算法，该加密算法选择所有的IPM作为明文，采用密钥控制的循环序列对Intra4×4的IPM进行两次加密，同时选择混沌随机序列作为密钥，提高了算法安全性，降低了计算成本；Sbiaa F等人提出了一种加密系统，该系统将量化步骤之后产生的AC和DC系数加密然后编码以便实现加密压缩视频；KhlifN等人提出了一种基于混沌的加密压缩方案，该方案使用具有两个不同密钥的混沌函数来生成两个可更新的密钥流，第一个用于加密操作，另一个用于决定是否加密，该方案将加密和解密过程分别插入压缩和解压缩过程中。加密过程中加密的语义元素是：帧内(I)和帧间(P)预测帧的非零量化系数，帧间预测帧的运动矢量(MV)差的符号和帧内预测块的帧内预测模式；Asghar M N等人提出了一种新型的密码分析方法，实验表明在每个片中只加密几个MVD，就能实现视频模糊。
经过分析上述研究，传统的视频加密的加密密钥固定，严重影响加密的安全性，对视频采用完全加密则严重影响加密效率，对单一或某些语义加密安全性不高，并且多数加密会影响编码码流。
发明内容
本发明的目的在于提供基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，它能够很好的保护视频序列中的隐私信息，以片为单位进行加密，片与片之间相互独立，即使有一个片被破解也不会影响其它片的信息，加密之后的视频序列没有比特增加，符合原有的视频序列格式。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，包括：
步骤一：对视频数据进行编码分片；
步骤二：片特征参数提取；
步骤三：动态密钥生成；
步骤四：利用动态秘钥对片特征参数进行加密；
步骤五：对加密后的视频效果进行分析。
进一步的，所述步骤一中对视频数据进行编码分片是利用视频H.264编码本身携带的分片功能，在H.264视频编码结构中，编码后的视频由视频序列组成的，而视频序列又由一帧帧图像组成，一帧图像由一个片或多个片组成，一个片由一个或多个宏块组成，一个宏块由16×16的yuv数据组成，其中每个片之间是相互独立的，片的主要目的是为了限制误码的扩散与传播。
进一步的，在分片时采用片的起始码，即当NALU对应的slice为一帧的开始起始码为0x00000001，否则起始码为0x000001的方式来分离各个片。
进一步的，所述步骤二中片特征参数提取中的片参数特征为片中的重要语义元素，包括但不限于：帧内预测模式(IPM)、运动矢量差的符号(MVDs)、影响纹理信息的残差系数(RC)、Delta QP参数。
进一步的，所述步骤二中片特征参数提取时利用JM8.6编码器中的trace_enc.txt文件对码流内容进行分析。
进一步的，所述步骤三中的动态秘钥生成使用PRNG伪随机序列生成器生成动态密钥，所述PRNG有三个逻辑层，顶层是由16个单元构成的线性移位寄存器(LFSR)，中间层用于位重组(BR)，底层是非线性函数F。
进一步的，所述步骤四中利用动态秘钥对片特征参数进行加密使用高级加密算法(AES)的密码反馈模式(CFB)对每个片中提取到的参数进行加密。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
1.没有采用AES原有的密钥生成方案而是采用了现有的伪随机密钥生成器生成动态的密钥，能够很好的保护视频序列中的隐私信息，以片为单位进行加密，片与片之间相互独立，即使有一个片被破解也不会影响其它片的信息。
2.在重要语义元素选择方面不仅加密了影响视频图像空间信息的帧内预测模式、残差系数和影响运动信息的运动矢量差而且还加密了影响视频质量的量化参数，加密之后的视频序列没有比特增加，符合原有的视频序列格式。
3.本发明提出的选择性视频加密方案，该方案利用视频H.264编码的分片特点，提取每个片中的帧内预测模式(IPM)、运动矢量差的符号(MVDs)和影响纹理信息的残差系数(RC)、Delta QP参数，然后利用PRNG生成的动态密钥，使用高级加密算法(AES)的密码反馈模式(CFB)对每个片中提取到的这些参数进行加密，最后将加密完成的数据放回到压缩码流中，保证了视频被加密之后仍能满足实时性和格式兼容性的要求。该方案与传统视频加密方案相比具有密钥实时更新、片与片之间解密无关的特点，很好地提高了加密视频的安全性，由于仅加密视频关键信息，因此提高了加密效率，选择性加密方案是将264码流中的重要语义元素进行加密，加密之后的视频文件仍然是264码流，即加密后的视频比特流与编码之后的视频比特流大小完全相同，很好的保留了原始比特的特性。
附图说明
附图1是本发明的结构组成示意框图。
附图2是本发明的视频数据分片结构示意图。
附图3是本发明的片的重要语义元素提取的过程示意图。
附图4是本发明的PRNG伪随机序列生成器生成动态密钥的过程示意图。
附图5是本发明的使用高级加密算法(AES)的密码反馈模式(CFB)进行加密的过程示意图。
附图6是本发明的使用高级加密算法(AES)的密码反馈模式(CFB)进行解密的过程示意图。
附图7是本发明的加密流程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
本发明所述是基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，包括：
步骤一：对视频数据进行编码分片；
所述步骤一中对视频数据进行编码分片是利用视频H.264编码本身携带的分片功能，在H.264视频编码结构中，编码后的视频由视频序列组成的，而视频序列又由一帧帧图像组成，一帧图像由一个片或多个片组成，一个片由一个或多个宏块组成，一个宏块由16×16的yuv数据组成，其中每个片之间是相互独立的，片的主要目的是为了限制误码的扩散与传播；对于视频切片类型分为I片、B片、P片、SP片和SI片。根据以上分析，为了保证加密视频的机密性，在我们的方案中以片为单位进行视频加密算法的研究。
在分片时采用片的起始码，即当NALU对应的slice为一帧的开始起始码为0x00000001，否则起始码为0x000001的方式来分离各个片。
步骤二：片特征参数提取；
所述步骤二中片特征参数提取中的片参数特征为片中的重要语义元素，包括但不限于：帧内预测模式(IPM)、运动矢量差的符号(MVDs)、影响纹理信息的残差系数(RC)、Delta QP参数；
所述步骤二中片特征参数提取时利用JM8.6编码器中的trace_enc.txt文件对码流内容进行分析。
在之前分片的基础上，我们利用H.264编码器的trace_enc文件来提取语义元素，以一个片提取重要语义元素为例给出提取重要语义元素的过程：
首先我们将trace_enc.txt中一个片的二进制进行拼接，然后将拼接好的二进制跟分好片的二进制文件进行比对，找到trace文件中片在码流中的对应位置。
在trace_enc.txt文件的相应片中，找到要加密的语义元素进行拼接，并记住这些语义元素的起始地址。
步骤三：动态密钥生成；
所述步骤三中的动态秘钥生成使用PRNG伪随机序列生成器生成动态密钥，所述PRNG有三个逻辑层，顶层是由16个单元构成的线性移位寄存器(LFSR)，中间层用于位重组(BR)，底层是非线性函数F；如附图4所示，其中R1和R2两个32位的存储单元，F1和F2分别是两个混沌函数。PRNG执行一次产生32位的Z，通过组合32位Z形成密钥流输出。
步骤四：利用动态秘钥对片特征参数进行加密；
所述步骤四中利用动态秘钥对片特征参数进行加密使用高级加密算法(AES)的密码反馈模式(CFB)对每个片中提取到的参数进行加密。
密钥流Zi和密文块Ci的生成如下所示：
Zi＝Ekey(Ci-1)，for i≥1 (1)
Ci＝Zi±Pi
其中，±为异或操作。
CFB的工作模式过程：
使用AES的CFB模式来加密明文：在CFB模式下AES加密过程如附图5所示，先前的密文块Ci-1用作AES算法的输入来创建Zi，然后根据(1)让Zi与明文块Pi做异或操作，来实现当前明文块的加密；
在CFB模式下AES加密过程如附图6所示：前一块的密文Ci-1作为AES加密算法的输入来生成Zi(在这里使用与加密阶段相同的加密函数Ekey与加密密钥k)，然后将当前的密文块Ci与Zi做异或操作生成明文块Pi。重复上述操作直至生成明文向量Pi。然后将明文向量Pi分成长度为ln,ln-1,……,l1的段来替换密文中的对应码流产生原始码流。
步骤五：对加密后的视频效果进行分析。
原始视频通过H.264/AVC编码器获得分片信息，然后提取每个片中的关键语义，然后利用PRNG伪随机序列生成器生成动态密钥对提取的重要语义进行加密，得到加密的语法元素，然后通过码子替换后得到加密的视频。
我们提出的算法具有三个阶段：构造明文块Pi，加密明文块Pi，使用原始码字替换加密信息。
1)明文构造：由于片与片之间是独立的，因此我们以片为单位使用PRNG生成的密钥对每个片的重要语义元素进行加密。在我们的方案中，我们可以将H.264码流中每个片的重要语义元素直接复制到矢量Pi来创建明文，并且直到矢量Pi被完全填充或者片的边界到来。令L为矢量Pi的大小，且L＝128，设L(Pi)为矢量Pi被填充的长度，如果L(Pi)<L，则我们用函数P(i)＝0来填充Pi，其中i∈{L(Pi)+1,……,L}。从加密算法的角度来说，填充是为了提高算法的安全性，但是在这里完全出于技术原因。
2)使用AES的CFB模式来加密明文：在CFB模式下AES加密过程如附图5所示。先前的密文块Ci-1用作AES算法的输入来创建Zi，然后根据(1)让Zi与明文块Pi做异或操作，来实现当前明文块的加密，PRNG来生成高效混沌的伪随机序列作为密钥。
3)替换原始比特：这属于加密的最后一个阶段。在这个阶段中，我们使用加密后的密文向量Ci来替换原始码流中的Pi向量。在明文Pi构造阶段按顺序访问H.264码流，给定每个重要语义元素的长度(ln,ln-1,……,l1)。然后我们用密文Ci相应的部分替换原始H.264码流中明文Pi的相应部分。至此，我们所提出的选择性加密方案结束。
本文提出了一种新颖的选择性视频加密方案，该方案利用视频H.264编码的分片特点，提取每个片中的帧内预测模式(IPM)、运动矢量差的符号(MVDs)和影响纹理信息的残差系数(RC)、Delta QP参数，然后利用PRNG生成的动态密钥，使用高级加密算法(AES)的密码反馈模式(CFB)对每个片中提取到的这些参数进行加密，最后将加密完成的数据放回到压缩码流中。该方案具有密钥实时更新、片与片之间解密无关的特点，很好地提高了加密视频的安全性。
本发明1.没有采用AES原有的密钥生成方案而是采用了现有的伪随机密钥生成器生成动态的密钥。2.在重要语义元素选择方面不仅加密了影响视频图像空间信息的帧内预测模式、残差系数和影响运动信息的运动矢量差而且还加密了影响视频质量的量化参数。3.利用H.264视频编码的分片特性，以片为单位进行加密。
与其它加密方案相比，我们所提出的方案具有的优势：
1.能够很好的保护视频序列中的隐私信息；2.以片为单位进行加密，片与片之间相互独立，即使有一个片被破解也不会影响其它片的信息；3.加密之后的视频序列没有比特增加，符合原有的视频序列格式。

Claims (7)

1.基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，其特征在于，包括：
步骤一：对视频数据进行编码分片；
步骤二：片特征参数提取；
步骤三：动态密钥生成；
步骤四：利用动态秘钥对片特征参数进行加密；
步骤五：对加密后的视频效果进行分析。
2.根据权利要求1所述基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，其特征在于：
所述步骤一中对视频数据进行编码分片是利用视频H.264编码本身携带的分片功能，在H.264视频编码结构中，编码后的视频由视频序列组成的，而视频序列又由一帧帧图像组成，一帧图像由一个片或多个片组成，一个片由一个或多个宏块组成，一个宏块由16×16的yuv数据组成，其中每个片之间是相互独立的，片的主要目的是为了限制误码的扩散与传播。
3.根据权利要求2所述基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，其特征在于：
在分片时采用片的起始码，即当NALU对应的slice为一帧的开始起始码为0x00000001，否则起始码为0x000001的方式来分离各个片。
4.根据权利要求2所述基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，其特征在于：
所述步骤二中片特征参数提取中的片参数特征为片中的重要语义元素，包括但不限于：帧内预测模式(IPM)、运动矢量差的符号(MVDs)、影响纹理信息的残差系数(RC)、DeltaQP参数。
5.根据权利要求2所述基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，其特征在于：
所述步骤二中片特征参数提取时利用JM8.6编码器中的trace_enc.txt文件对码流内容进行分析。
6.根据权利要求2所述基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，其特征在于：
所述步骤三中的动态秘钥生成使用PRNG伪随机序列生成器生成动态密钥，所述PRNG有三个逻辑层，顶层是由16个单元构成的线性移位寄存器(LFSR)，中间层用于位重组(BR)，底层是非线性函数F。
7.根据权利要求2所述基于H.264/AVC视频编码特性的选择性加密方法，其特征在于：
所述步骤四中利用动态秘钥对片特征参数进行加密使用高级加密算法(AES)的密码反馈模式(CFB)对每个片中提取到的参数进行加密。
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