CN111988639B - 一种基于国密算法和可逆隐写术的视频加密及解密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于国密算法和可逆隐写术的视频加密及解密方法，加密方法的步骤是：步骤1，解析基于H.264编码的Annex‑B格式的视频码流，定位并记录VCL的NAL单元中slice data的起止位置；步骤2，采用ZUC算法对VCL的NAL单元全部的I‑slice和部分的非I‑slice的slice data进行加密；步骤3，使用基于整数变换的可逆隐写术将待隐藏的秘密信息隐藏在视频码流中进行传递。此种技术方案通过可逆隐写术实现国密算法的密钥信息和加密关键参数的安全传递，解密时无需对码流格式进行分析，提高了效率；此外，在秘密信息被提取出来之前，即使攻击者获得正确的加密密钥也无法对密文进行解密，实现基于国密算法的视频流双重保护。

Description

一种基于国密算法和可逆隐写术的视频加密及解密方法
技术领域
本发明属于视频加密技术领域，特别涉及一种基于国密算法和可逆隐写术的视频加密及解密方法。
背景技术
随着多媒体技术和互联网的快速发展，视频无论是在安防监控领域还是在人们的日常生活中都有着至关重要的作用。但若没有对视频内容进行保护，将给公共安全到个人的信息安全带来严重的威胁。在已有视频内容保护方法中，基于权限管控的方法没有真正保护视频内容；在编码前对视频数据进行加密，需要处理的数据量过于巨大，难以满足实时性要求；在编码过程中对视频进行加密，需要专用的编解码器，算法复杂开发难度大且无法兼容常规的视频播放器。此外，基于加密的视频内容保护方法，传输密钥信息时往往没有考虑到其与加密对象的关联，在实际网络传输环境中极有可能出现接收端只收到密文，未收到密钥(或者只收到密钥，却未收到密文)的情形。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于国密算法和可逆隐写术的视频加密及解密方法，其通过可逆隐写术实现国密算法的密钥信息和加密关键参数的安全传递，解密时无需对码流格式进行分析，提高了效率；此外，在秘密信息被提取出来之前，即使攻击者获得正确的加密密钥也无法对密文进行解密，实现基于国密算法的视频流双重保护。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于国密算法和可逆隐写术的视频加密方法，包括如下步骤：
步骤1，解析基于H.264编码的Annex-B格式的视频码流，定位并记录VCL的NAL单元中slice data的起止位置；
步骤2，采用ZUC算法对VCL的NAL单元全部的I-slice和部分的非I-slice的slicedata进行加密；
步骤3，使用基于整数变换的可逆隐写术将待隐藏的秘密信息隐藏在视频码流中进行传递。
上述步骤2中，选择进行加密的非I-slice时，设置非I-slice被加密的概率，通过随机数选择对哪些非I-slice进行加密。
上述步骤3中，待隐藏的秘密信息包含秘密信息块数、块标记信息、VCL的NAL单元信息、加密的非I-slice数量及被加密的非I-slice信息、密钥信息、可逆隐写术需要的载体中不能改变的块信息，其中，VCL的NAL单元信息包括数量及其用偏移地址表示的起止位置，加密的非I-slice信息包括数量及其用偏移地址表示的起止位置。
上述步骤3中，待隐藏的秘密信息记录在视频码流数据中，采用如下3种方式中的任意一种：①将秘密信息的起始位置记录在码流的前两个字节；②将秘密信息的起始位置记录在SEI中的自定义数据中；③将第一个VCL的NAL的slice data作为秘密信息的起始位置。
上述步骤3中，基于整数变换的可逆隐写术的实现方法如下：
步骤31，将长度为N字节的密文数据切分成n个互不重叠的子序列b1,b2,...,bn，子序列集合记为B，B＝{b1,b2,...,bn}，每个子序列的长度
Figure BDA0002542289660000021
步骤32，计算第i个子序列的均值
Figure BDA0002542289660000022
Figure BDA0002542289660000023
为第i个子序列中第j个元素，
Figure BDA0002542289660000024
步骤33，通过以下公式
Figure BDA0002542289660000025
进行整数变换，bi j'为第i个子序列中第j个元素的变换值，从而得到第i个子序列的变换值集合
Figure BDA0002542289660000026
步骤34，记录块标记信息，如果bi中的每个元素的变换值均在[0,255]范围内，则该子序列为可嵌入序列，用“1”对该子序列进行标记，意味着使用bi'作为信息隐藏载体；否则用“0”进行标记，将标记结果依次排列构成序列标记信息；根据序列标记信息即可确定信息隐藏载体，若第i个子序列的标记信息是“1”，意味着使用bi'作为信息隐藏载体，若标记信息是“0”，则使用bi作为信息隐藏载体；
步骤35，根据待隐藏信息比特数n1，确定需要的可嵌入序列数n2，根据可嵌入序列数和序列标记信息确定需要的总序列数n3；
步骤36，将秘密信息和序列标记信息前n2个元素中“0”对应的每个序列的最后l-1个最低位依次排列一起作为待隐藏信息的一部分；
步骤37，依次用待隐藏信息替换前n2序列中每个序列的最后l-1个最低有效位。
上述步骤35中，n1由待隐藏信息长度决定，
Figure BDA0002542289660000031
n3为序列标记信息中第n2个“1”在序列标记信息中的位置。
一种基于国密算法和可逆隐写术的视频解密方法，包括如下步骤：
步骤A1，对于接收到的视频数据，根据发送方的载体分块规则对视频数据进行分块，先根据约定长度提取出秘密信息块数和起止位置数量，利用所得数据和秘密信息结构获得秘密信息的长度，然后逐步从载秘数据的分块序列中提取出相应子序列的最后l-1个最低有效位，获得完整秘密信息；
步骤A2，根据提取的块标记信息，对标记信息为“0”对应的块，依次序用提取出来的原始载体不能改变的块信息替换相应块的最后l-1个最低有效位；
步骤A3，根据提取的块标记信息，对标记信息值为“1”对应的块，用每个块的第1个最低有效位替换该块其余l-1个最低有效位；
步骤A4，经过步骤A3处理后，使用以下公式恢复标记信息为“1”的块的原始载体数据：
Figure BDA0002542289660000041
其中，
Figure BDA0002542289660000042
为恢复后的载体的第i个子序列的第j个元素，
Figure BDA0002542289660000043
为恢复前的载体的第i个子序列的第j个元素，l为块的大小；
步骤A5，根据提取的加密信息，逐个解密被加密的slice数据，对恢复后的密文数据进行解密获得明文数据。
采用上述方案后，本发明具有以下特点：
(1)通过可逆信息隐藏方法同步密钥和加密方式等关键信息，密钥信息与密文绑定在一起，解决了视频流加密的密钥信息同步难题；
(2)在秘密信息未被提取出来前密文为被修改过的载秘载体，即使攻击者获取到正确的加密密钥也无法对破解密文信息，实现了视频数据的双重保护；
(3)加密后无需对码流密文进行防竞处理，简化加密流程，提高加密效率；
(4)对应非I-slice通过ZUC产生的随机序列选择加密位置，提高算法效率；
(5)解密端无需对码流进行解析，可直接通过从密文提取关键参数对码流进行解密，提升了解密效率；
(6)采用可逆隐写进行密钥信息同步，要获得密钥信息，得先破解隐写术，充分考虑了加密对象与其密钥信息的关联，更进一步实现了密文信息的双重保护；
(7)针对编码后的视频压缩数据进行加密，在不改变原有码流结构的情况下保证视频内容安全，既能保证视频的实时性，又能兼顾各方面的兼容性。
附图说明
图1是本发明的整体框架图；
图2是本发明的流程图；
图3是本发明中秘密信息的结构图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种基于国密算法和可逆隐写术的视频加密方法，包括如下步骤：
步骤1，解析基于H.264编码的Annex-B格式的视频码流，定位并记录VCL(VideoCoding Layer，视频编码层)的NAL(Network Abstraction Layer，网络抽象层)单元中slice data的起止位置；
步骤2，采用ZUC算法对VCL的NAL单元全部的I-slice和部分的非I-slice的slicedata进行加密；
其中，在选择进行加密的非I-slice时，设置非I-slice被加密的概率，通过随机数选择对哪些非I-slice进行加密；
步骤3，使用基于整数变换的可逆隐写术将需要同步的秘密信息隐藏在密文中进行传递；
其中，待隐藏的秘密信息由秘密信息块数、块标记信息、VCL的NAL单元信息(数量及其用偏移地址表示的起止位置，当前位置信息为相对于前一个已经记录的数据(不是前一个slice)的偏移量、加密的非I-slice数量及被加密的非I-slice的起止位置(用偏移地址表示)、密钥信息、隐写算法需要的载体中不能改变的块信息组成；其中，秘密信息块数、加密的非I-slice数量及被加密的非I-slice的起止位置、密钥信息可由使用者根据实际需要选择相应的位数来表示对应的信息，此外，秘密信息中除秘密信息块数外，其余内容的放置顺序也可由使用者自行指定。
所述步骤3中，基于整数变换的可逆隐写术方法如下：
信息嵌入过程：
步骤S401：将长度为N字节的密文数据切分成n个互不重叠的子序列b1,b2,...,bn，子序列集合记为B，B＝{b1,b2,...,bn}，每个子序列的长度
Figure BDA0002542289660000051
步骤S402：计算第i个子序列的均值
Figure BDA0002542289660000061
Figure BDA0002542289660000062
为第i个子序列中第j个元素，
Figure BDA0002542289660000063
步骤S403：通过以下公式
Figure BDA0002542289660000064
进行整数变换，
Figure BDA0002542289660000065
为第i个子序列中第j个元素的变换值，从而得到第i个子序列的变换值集合
Figure BDA0002542289660000066
步骤S404：记录块标记信息，如果bi中的每个元素的变换值均在[0,255]范围内，则该子序列为可嵌入序列，用“1”对该子序列进行标记，否则用“0”进行标记，将标记结果依次排列构成序列标记信息；根据序列标记信息即可确定信息隐藏载体，若第i个子序列的标记信息是“1”，意味着使用bi'作为信息隐藏载体，若标记信息是“0”，则使用bi作为信息隐藏载体；
步骤S405：根据待隐藏信息比特数n1，确定需要的可嵌入序列数n2，根据可嵌入序列数和序列标记信息确定需要的总序列数n3；其中n1由待隐藏信息长度决定，
Figure BDA0002542289660000067
n3为序列标记信息中第n2个“1”在序列标记信息中的位置；
步骤S406：将秘密信息和序列标记信息前n2个元素中“0”对应的每个序列的最后l-1个最低位依次排列一起作为待隐藏信息的一部分；
步骤S407：依次用待隐藏信息替换前n2序列中每个序列的最后l-1个最低有效位。
在具体实施时，秘密信息的起始位置记录在视频码流数据中，可采用如下几种方式：①码流的前两个字节；因为Annex-B格式的码流起始为startcode，因此可先将信息记录在码流起始位置，接收后再将其恢复为startcode；②SEI中的自定义数据中；③将第一个VCL的NAL的slice data作为隐藏的起始位置。
信息提取与数据解密过程：
步骤S408：接收方根据发送方的载体分块规则对载体进行分块，先根据约定长度提取出秘密信息块数和密文起止位置数量，利用所得数据和秘密信息结构获得秘密信息的长度，然后逐步从载秘数据的分块序列中提取出相应子序列的最后l-1个最低有效位，获得完整秘密信息；
步骤S409：根据提取的块标记信息，对标记信息值为“0”对应的块，依次序用提取出来的原始载体不能改变的块信息替换相应块的最后l-1个最低有效位；
步骤S410：根据提取的块标记信息，对标记信息值为“1”对应的块，用每个块的第1个最低有效位替换该块其余l-1个最低有效位；
步骤S411：经过步骤S410处理后，使用以下公式恢复标记信息值为“1”的块的原始载体数据：
Figure BDA0002542289660000071
其中，
Figure BDA0002542289660000072
为恢复后的载体的第i个序列的第j个元素，
Figure BDA0002542289660000073
为恢复前的载体的第i个序列的第j个元素，l为块的大小；
步骤S412：根据提取的加密信息，逐个解密被加密的slice数据，利用解密算法对恢复后的密文数据进行解密(一次解密一个slice)获得明文数据。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于国密算法和可逆隐写术的视频加密方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，解析基于H.264编码的Annex-B格式的视频码流，定位并记录VCL的NAL单元中slice data的起止位置；
步骤2，采用ZUC算法对VCL的NAL单元全部的I-slice和部分的非I-slice的slice data进行加密；
步骤3，使用基于整数变换的可逆隐写术将待隐藏的秘密信息隐藏在视频码流中进行传递；
所述步骤3中，基于整数变换的可逆隐写术的实现方法如下：
步骤31，将长度为N字节的密文数据切分成n个互不重叠的子序列b1,b2,...,bn，子序列集合记为B，B＝{b1,b2,...,bn}，每个子序列的长度
Figure FDA0003755678160000011
步骤32，计算第i个子序列的均值
Figure FDA0003755678160000012
Figure FDA0003755678160000013
为第i个子序列中第j个元素，
Figure FDA0003755678160000014
步骤33，通过以下公式
Figure FDA0003755678160000015
进行整数变换，
Figure FDA0003755678160000016
为第i个子序列中第j个元素的变换值，从而得到第i个子序列的变换值集合
Figure FDA0003755678160000017
步骤34，记录块标记信息，如果bi中的每个元素的变换值均在[0,255]范围内，则该子序列为可嵌入序列，用“1”对该子序列进行标记，意味着使用bi'作为信息隐藏载体；否则用“0”进行标记，将标记结果依次排列构成序列标记信息；根据序列标记信息即可确定信息隐藏载体，若第i个子序列的标记信息是“1”，意味着使用bi'作为信息隐藏载体，若标记信息是“0”，则使用bi作为信息隐藏载体；
步骤35，根据待隐藏信息比特数n1，确定需要的可嵌入序列数n2，根据可嵌入序列数和序列标记信息确定需要的总序列数n3；
步骤36，将秘密信息和序列标记信息前n2个元素中“0”对应的每个序列的最后l-1个最低位依次排列一起作为待隐藏信息的一部分；
步骤37，依次用待隐藏信息替换前n2序列中每个序列的最后l-1个最低有效位。
2.如权利要求1所述的基于国密算法和可逆隐写术的视频加密方法，其特征在于：所述步骤2中，选择进行加密的非I-slice时，设置非I-slice被加密的概率，通过随机数选择对哪些非I-slice进行加密。
3.如权利要求1所述的基于国密算法和可逆隐写术的视频加密方法，其特征在于：所述步骤3中，待隐藏的秘密信息包含秘密信息块数、块标记信息、VCL的NAL单元信息、加密的非I-slice信息、密钥信息、可逆隐写术需要的载体中不能改变的块信息，其中，VCL的NAL单元信息包括数量及其用偏移地址表示的起止位置，加密的非I-slice信息包括数量及其用偏移地址表示的起止位置。
4.如权利要求1所述的基于国密算法和可逆隐写术的视频加密方法，其特征在于：所述步骤3中，待隐藏的秘密信息记录在视频码流数据中，采用如下3种方式中的任意一种：①将秘密信息的起始位置记录在码流的前两个字节；②将秘密信息的起始位置记录在SEI中的自定义数据中；③将第一个VCL的NAL的slice data作为秘密信息的起始位置。
5.如权利要求1所述的基于国密算法和可逆隐写术的视频加密方法，其特征在于：所述步骤35中，n1由待隐藏信息长度决定，
Figure FDA0003755678160000021
n3为序列标记信息中第n2个“1”在序列标记信息中的位置。
6.一种基于国密算法和可逆隐写术的视频解密方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤A1，对于接收到的视频数据，根据发送方的载体分块规则对视频数据进行分块，先根据约定长度提取出秘密信息块数和起止位置数量，利用所得数据和秘密信息结构获得秘密信息的长度，然后逐步从载秘数据的分块序列中提取出相应子序列的最后l-1个最低有效位，获得完整秘密信息；
步骤A2，根据提取的块标记信息，对标记信息为“0”对应的块，依次序用提取出来的原始载体不能改变的块信息替换相应块的最后l-1个最低有效位；
步骤A3，根据提取的块标记信息，对标记信息值为“1”对应的块，用每个块的第1个最低有效位替换该块其余l-1个最低有效位；
步骤A4，经过步骤A3处理后，使用以下公式恢复标记信息为“1”的块的原始载体数据：
Figure FDA0003755678160000031
其中，
Figure FDA0003755678160000032
为恢复后的载体的第i个子序列的第j个元素，
Figure FDA0003755678160000033
为恢复前的载体的第i个子序列的第j个元素，l为块的大小；
步骤A5，根据提取的加密信息，逐个解密被加密的slice数据，对恢复后的密文数据进行解密获得明文数据。
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实时网络信息双重加密可逆隐藏算法仿真;张春柳等;《计算机仿真》;20180915(第09期);全文 *

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