CN112839244A - 一种基于码流级别的监控视频分级加解密方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于码流级别的监控视频分级加解密方法及系统，系统包括：视频信号采集模块、目标检测模块，分级编码加密模块，解密模块；该方法通过对视频进行瓦Tiles/条带Slice划分，以Tiles作为加密单元，对一帧图像的局部目标区域码流进行加密而不影响其他区域码流，从而实现对监控视频中的动态目标进行实时追踪加密保护。本发明有效保护了局部关键信息的安全；通过检测标记智能选取待加密区域，避免了大量的视频背景数据的处理，极大的提高了整个系统的效率，实时性高。

Description

一种基于码流级别的监控视频分级加解密方法及系统

技术领域

本发明涉及对监控视频实现智能化分级编码加密，尤其涉及一种基于码流级别的监控视频分级加解密方法及系统，包括视频信号采集模块，目标检测模块，分级编码加密模块，解密模块能够自动检测视频内容中的目标信息并且进行编码加密处理，实时保护目标信息的私密、安全。

背景技术

在视频编码应用之中，视频的加密保护是其中的一个重要的课题。随着网络视频监控技术的高速发展，数据安全问题日益凸显。随着网络视频监控技术的普及，不法分子利用监控系统的漏洞，威胁国家、社会、企业和家庭安全。加强监控系统的安全性，已经刻不容缓。

2013年1月，国际电信联盟远程通信标准化组(ITU-T/ISO)公布了高性能视频编解码标准(HEVC)，与上一代编码标准相比，同样的图像质量下，高性能视频编码可以节省50％的码率；在相同的码率标准下，高性能视频编码输出的图像质量明显更优。

高性能视频编解码相较于上一代编码器提出了新的Tile(瓦)概念。一幅图像也可以划分为若干个Tiles。即从水平和垂直方向将一幅图像分割为若干个矩形区域，一个矩形区域就是一个Tile。每个Tile包含整数个编码树单元(CTU，Coding Tree Unit)，其可以独立编解码。引入Tile的主要目的是在增强并行处理能力的同时不引入新的错误扩散。同时，一幅图像也可以被划分为一个或多个Slice(条带)，每个Slice的数据编码都是独立的。

在现有技术中，针对视频中涉及到的敏感区域、关键人物、车辆等信息主要有三种保护方法。第一种方法是对视频进行全帧加密。全帧加密耗费资源多，不仅影响编码、加密、传输性能，同时，相关工作人员无法实时掌握监控视频中的大致情况。第二种方法是采取静态的局部视频加密方案，针对视频中的某一块区域做固定加密处理。这种方法适用场景及其有限，且对于动态目标的加密毫无办法。第三种是针对动态目标追踪进行加密。但是该研究仅处于离线研究状态，性能无法满足线上实时性的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于码流级别的监控视频分级加解密方法及系统，针对动态目标保护的监控视频进行智能化分级加密和解密，加密以后视觉效果优，且不影响编码效率。

本发明的核心是：本发明专利通过对视频进行Tiles/Slice(瓦/条带)划分，以Tiles作为加密单元，使得对一帧图像的局部目标区域码流进行加密而不影响其他区域码流，从而实现对监控视频中的动态目标进行实时追踪加密保护，解决监控视频中局部动态目标的保护问题。

本发明通过检测算法选择待加密Tiles，降低了待加密数据量，有效的缓解了数据冗余、资源浪费的问题。将编码过程与加密过程结合，使得编码加密速度非常快。此外，对目标区域的码流数据部分进行全部加密处理，充分保证加密区域的安全性。使用基于码流的加密机制，使得加密以后的码流仍然可以通过标准播放器解码播放。

根据高性能视频编解码标准(HEVC)的Tiles(瓦)，Slice(条带)机制，将一幅图像划分为若干个Slice和Tiles。Slice是可以不依赖同一张图片其他Slice独立编码的数据结构，包括信号预测、残差信号重建和熵编码。一张图片可以分为一个或多个Slice，每个Slice根据包含的CTU来限定大小，且CTU是按照光栅顺序进行划分。Tiles为从水平和垂直方向将图像分割为若干个矩形区域。根据参数来设定Tiles的长和宽，而长和宽是以CTU为单位的。划分Tiles可增强并行处理能力而不引入新的错误扩散。两者划分(Slice和Tiles)的目的都是为了进行独立编码。某些Slice中可以包含多个Tile，同样某些Tile中也可以包含多个Slice。每个Slice或者Tiles包含一个或多个CTU(编码树单元)结构，在HEVC中，CTU的尺寸大小为：8x8～64x64。可以进一步将每一个CTU分割为多个CU，CU的最小尺寸一般是8x8。将Tiles和Slice设定为同样大小，即64x64，使得加密以后得到最优的视觉效果，同时不影响编码效率。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

一种基于码流级别的监控视频分级加解密方法，包括如下步骤：

1)利用摄像头采集视频信息，并检测视频图像内容；

具体实施时，基于罗技C920摄像头采集YUV420(亮度色度模式)格式的视频信号。目标检测模块对YUV420格式的视频图像内容进行同步检测。其中，所述目标检测模块为基于局部二值模式(LBP，Local Binary Pattern)的检测算法。每次读取编码前视频一帧的数据进行人脸目标检测，以保证每帧加密位置的准确性。

2)本发明将视频图像划分为多个条带Slice和瓦Tiles，通过检测获取检测区域所覆盖的目标Tiles索引信息；

具体实施时，通过读取YUV420格式视频信号获取视频分辨率信息和该分辨率下的Tiles划分信息，根据视频的Tile/Slice划分，目标检测模块利用基于局部二值模式(LBP)的检测算法对YUV420格式视频进行帧级目标检测，输出检测区域所覆盖的目标Tiles索引信息，传递给分级编码加密模块。

3)本发明根据视频图像划分(分块)得到的Tile或Slice进行独立编码操作(每个Tile/Slice进行独立编码)，得到每个Tile的码流；根据步骤2)得到的目标Tile索引信息对码流中的起始码Start Code进行检索，确定目标Tile的码流位置；

具体实施时，通过分级编码加密模块接收YUV420格式视频信号，根据视频的Tile/Slice划分方式进行编码操作。在编码操作之后，每个Tile的码流都以固定的Start Code(起始码)为起始，Start Code为00 00 01 26或00 00 01 02。

4)本发明以Tile作为加密单元，对每帧图像的局部区域码流进行加密，得到加密码流；

以Tile作为加密单元进行加密，分级进行加密或非加密，实现对一帧图像的局部区域码流进行加密而不影响其他区域码流。通过目标检测模块选择加密Tiles，降低了待加密数据量，有效的缓解了数据冗余、资源浪费的问题。编码加密过程一体化，提升编码加密速度。加密采用现有加密方法。

通过分级编码加密模块读取目标检测模块输出的目标Tile索引信息，通过对Start Code进行检索，确定目标Tile的码流位置，跳过Start Code码流，调取加密算法对Start Code后续码流进行加密处理。在返回的加密结果前后分别插入标识符1与标识符2。非目标Tile码流不做处理。

加密编码完成以后的码流仍然是标准HEVC码流格式，可用标准HEVC解码器解码播放。

5)本发明对分级编码加密后的码流进行分析，通过检索标识符1与标识符2获取待解密码流的位置、长度信息，对目标区域进行解密操作；

具体实施时，通过解密模块调取密钥。所述解密模块接收加密码流进行分析，通过检索标识符1与标识符2获取加密码流(即待解密码流)的位置、长度信息，然后调取解密函数进行解密操作。

无密钥用户无法解密目标区域，只能观看部分视频画面。有密钥用户可以调取解密模块对目标区域解密，观看完整视频画面。达到分级授权效果。基于编码后的Tile码流做加密，保证加密区域安全性。

本发明还提供一种基于码流级别的监控视频分级加解密系统，包括：视频信号采集模块、目标检测模块，分级编码加密模块，解密模块；

1)所述视频信号采集模块基于罗技C920摄像头进行视频信号采集，将视频格式转换为YUV420(亮度色度模式)格式，传递给目标检测模块和分级编码加密模块。

2)所述目标检测模块接收YUV420格式的视频信号，进行帧级目标检测，获取目标的位置区域信息，标记出目标Tiles索引发送给分级编码加密模块。

3)所述分级编码加密模块接收数字视频信号和目标检测模块输出的目标Tiles索引信息，进行编码操作。通过读取索引信息对目标Tiles码流进行提取，分为目标Tiles码流和非目标Tiles码流。目标Tiles码流调取加密算法进行加密处理。输出混合码流。

4)所述解密模块接收混合码流，检索出待解密码流的位置、长度信息，然后调取解密算法进行解密操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种基于码流级别的监控视频分级加解密方法及系统，针对监控视频中所涉及到的动态关键目标，实现了实时的追踪加密保护效果，有效的保护了局部关键信息的安全。通过检测标记，智能选取待加密区域，避免了大量的视频背景数据的处理，极大的提高了整个系统的效率，使之达到实时性。

附图说明

图1为本发明提供的基于码流级别的监控视频分级加解密系统的结构框图。

图2为本发明中目标检测方法的流程框图。

图3为本发明实施例采用的Tile与Slice配合划分示意图；

其中，图中数字编号表示每一个Tile/Slice块，其大小为64x64像素，数字顺序表示扫描顺序。

图4为1280x720分辨率视频的检测输出示意图。

其中，矩形框为检测到的目标区域。所覆盖的灰色视频块为目标检测模块输出的目标Tiles。Tiles中的数字表示每个Tile的索引。

图5为分级编码加密模块结构框图。

图6为加密流程图。

图7为终端分级授权系统图。

图8为解密流程图。

具体实施方式

为了使本发专利明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示和实施例，进一步阐述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种基于码流级别的监控视频分级加解密方法及系统，针对目标保护的监控视频进行智能化分级加密和解密，加密以后视觉效果优，且不影响编码效率。

具体实施对罗技C920摄像头采集的YUV420格式视频数据进行基于码流级别的监控视频分级加解密，包括如下步骤：

1)图1所示是本发明提供的基于码流级别的监控视频分级加解密系统的结构。包括视频信号采集模块，目标检测模块，分级编码加密模块和解密模块。该方法主要包括如下步骤：

2)步骤11、基于罗技C920摄像头采集视频信号，分辨率设置为1280x720，采集帧率为设置为30FPS(帧/每秒)。将视频格式转换为YUV420格式，并将视频信号发送给目标检测模块和分级编码加密模块。

3)步骤12、目标检测模块获取视频信号，利用基于局部二值模式(LBP)的检测算法对YUV420格式视频进行帧级目标检测。标记出检测区域所覆盖的Tiles索引信息传递给分级编码加密模块。

4)图2是加解密系统的目标检测模块结构及检测方法的流程框图。通过目标检测模块读取视频信号，获取视频分辨率信息，得到该分辨率下的Tiles划分信息。同时，对视频内容进行检测，标记出目标区域所覆盖到的Tiles索引，生成包含有目标Tiles索引信息的文件，发送给分级编码加密模块的分级加密接口。

5)图3表示Tile与Slice的一种特殊划分方式，每个Tile对应一个Slice。其中每个Tile尺寸为64x64像素，为一个编码树(CTU)大小，数字顺序表示扫面顺序。

6)图4表示1280x720分辨率视频的目标检测输出方式。矩形框区域是检测出的目标区域，所覆盖的灰色Tiles为待加密的目标Tiles，对应的索引Index为29，30，31，32，49，50，51，52，69，70，71，72，89，90，91，92，109，110，101，102。

7)步骤13、分级编码加密模块获取视频信息和目标Tiles的索引信息，对视频进行基于Tiles划分的编码操作。其中，属于目标Tile的视频块在编码过程中调取加密算法对码流进行加密处理。加密码流由流媒体推出，客户端通过网络地址接收。

8)图5是加解密系统的分级编码加密模块。通过编码器对视频图像进行Tiles划分并进行编码。然后通过读取目标检测模块发送的Tiles索引信息文件，识别出目标Tile码流，即待加密码流。待加密码流传入加密模块，调用加密算法对码流进行加密处理。

9)图6是分级编码加密模块中的加密流程框图。对目标Tiles码流进行识别，跳过码流头信息部分，将数据部分码流提出，传入加密算法做加密处理。在返回的加密结果前后分别插入标识符1与标识符2，然后写回原来码流位置，得到加密码流，同时不改变标准码流格式。

10)步骤14、客户端获取加密码流。低权限用户直接通过播放器解码播放，高权限用户先解密再通过播放器解码播放。

11)图7是终端分级授权系统框图。流媒体服务器将加密码流推送至终端用户。低权限用户接收码流后通过播放器解码播放，观看到的是局部加密的视频画面；高权限用户接收码流后，调取解密模块对加密码流进行解密操作，然后再解码播放，观看到的是完整的视频画面。

12)图8是解密流程图。高权限用户接收到码流后，传入解密模块。解密模块通过标识符1与标识符2选定出待解密码流，传入解密函数进行解密操作，得到原始码流。用户在终端可观看完整视频画面。

通过上述步骤，针对目标保护的监控视频进行智能化分级加密和解密，加密以后视觉效果优，且不影响编码效率。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于码流级别的监控视频分级加解密方法，通过对视频进行瓦Tile/条带Slice划分，以Tile作为加密单元，对一帧图像的局部目标区域码流进行加密而不影响其他区域码流，实现对监控视频中的动态目标进行实时追踪加密保护；包括如下步骤：

1)采集视频信号信息，并对视频的图像内容同步进行目标检测；

2)将视频图像划分为多个条带Slice和多个瓦Tile，通过检测获取检测区域所覆盖的目标Tile的索引信息；

3)以Tile作为加密单元，对每帧图像的局部区域码流进行加密，得到加密码流；

根据视频图像划分得到的每个Tile或Slice进行编码操作，得到每个Tile的码流；

根据步骤2)得到的目标Tile的索引信息，对码流中的起始码Start Code进行检索，确定目标Tile的码流位置；

跳过起始码，利用加密算法对起始码之后的后续码流进行加密处理；在返回的加密结果前后分别插入第一标识符与第二标识符；

4)以Tile作为加密单元，对每帧图像的局部区域码流进行加密，得到加密码流；加密编码完成以后的码流仍然是标准HEVC码流格式；

5)调取密钥，对分级编码加密后的码流进行分析，通过检索第一标识符与第二标识符获取待解密码流的位置、长度信息，对目标区域进行解密操作，得到完整视频画面；

通过上述步骤，实现基于码流级别的监控视频的分级加解密。

2.如权利要求1所述基于码流级别的监控视频分级加解密方法，其特征是，步骤1)利用摄像头采集视频信息，采用局部二值模式LBP检测算法对视频图像同步进行目标检测。

3.如权利要求2所述基于码流级别的监控视频分级加解密方法，其特征是，具体使用罗技C920摄像头采集亮度色度模式YUV420格式的视频信号。

4.如权利要求3所述基于码流级别的监控视频分级加解密方法，其特征是，步骤2)通过读取YUV420格式视频信号获取视频分辨率信息和该分辨率下的多个Tile划分信息，根据划分的视频的Tile和Slice，利用基于局部二值模式检测算法对YUV420格式视频进行帧级目标检测，输出检测区域所覆盖的目标Tiles索引信息。

5.如权利要求3所述基于码流级别的监控视频分级加解密方法，其特征是，步骤3)在编码操作之后，每个Tile的码流均以固定的起始码为起始，所述起始码为00 00 01 26或000001 02。

6.如权利要求1所述基于码流级别的监控视频分级加解密方法，其特征是，以Tile作为加密单元，实现对一帧图像的局部区域码流进行加密；非目标Tile码流不做加密处理。

7.如权利要求1所述基于码流级别的监控视频分级加解密方法，其特征是，步骤5)通过调取解密函数进行解密操作。

8.一种基于码流级别的监控视频分级加解密系统，包括：视频信号采集模块、目标检测模块，分级编码加密模块，解密模块；

所述视频信号采集模块用于采用摄像头进行视频信号采集，将视频格式转换为亮度色度模式YUV420格式，传递给目标检测模块和分级编码加密模块；

所述目标检测模块接收YUV420格式的视频信号，进行帧级目标检测，获取目标的位置区域信息，标记出目标Tile索引发送给分级编码加密模块；

所述分级编码加密模块用于接收数字视频信号和目标检测模块输出的目标Tiles索引信息，进行编码操作；通过读取索引信息对目标Tiles码流进行提取，分为目标Tiles码流和非目标Tiles码流；目标Tiles码流调取加密算法进行加密处理；输出混合码流；

所述解密模块用于接收混合码流，检索出待解密码流的位置、长度信息，然后调取解密算法进行解密操作。

9.如权利要求8所述基于码流级别的监控视频分级加解密系统，其特征是，所述摄像头采用罗技C920摄像头。

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