CN116016931B - 一种车载显示器的视频编解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像编码技术领域，具体涉及一种车载显示器的视频编解码方法，包括：构建第一密钥方阵和第二密钥方阵；根据四方定理获得目标像素点的四个基础数，根据四个基础数获得目标像素点的备选坐标集合，将目标像素点的预设窗口内的所有像素点的第一坐标组成的集合记为目标像素点的邻域坐标集合，根据备选坐标集合和邻域坐标集合获得目标像素点的第一坐标和第二坐标；获得目标像素点的密文对；将所有目标像素点的密文对按照顺序组成的图像记为密文图像，将所有密文图像按照顺序组成的视频记为密文视频。本发明保证密文视频能够抵抗智能传输过程中受到的统计分析攻击，破化编码后密文图像和密文视频的局部相似性，保证了车载视频的安全性。

Description

一种车载显示器的视频编解码方法

技术领域

本发明涉及图像编码技术领域，具体涉及一种车载显示器的视频编解码方法。

背景技术

目前，随着列车信息化网络技术的快速发展与普及，列车信息化程度越来越要高，乘客上网系统、机车运行监测系统、部分设备升级系统甚至自动化控车系统，都开始使用民用的4G、5G网络和地面系统进行数据通信。

车载显示器是各种控制与信息系统的人机接口部件，承担着以文字图形声音等形式对列车控制及状态信息进行显示及必要人机操作等工作。

为了保证列车网络数据的安全性，避免列车网络数据被攻击者盗取，需要对列车网络数据进行加密。其中，常规的对称加密算法由于加密速度慢，只适用于数据量小的文本类的列车网络数据，并不适用于数据量大的视频类的列车网络数据，需要对视频网络数据进行编码处理，使进行编码处理后的视频网络数据，在视觉上与原本的视频网络数据完全不同，以此保证视频网络数据的安全。

发明内容

本发明提供一种车载显示器的视频编解码方法，以解决现有的问题。

本发明的一种车载显示器的视频编解码方法采用如下技术方案：

本发明一个实施例提供了一种车载显示器的视频编解码方法，该方法包括以下步骤：

构建第一密钥方阵和第二密钥方阵；获取车载视频，所述车载视频包括多帧图像；

将任意一帧图像中的任意一个像素作为目标像素点，对目标像素点进行编码获得目标像素点的密文对，包括：根据四方定理获得目标像素点的四个基础数，根据目标像素点的四个基础数获得目标像素点的备选坐标集合，在图像中获取以目标像素点为右下角的预设窗口，将目标像素点的预设窗口内的所有像素点的第一坐标组成的集合记为目标像素点的邻域坐标集合，根据目标像素点的备选坐标集合和邻域坐标集合获得目标像素点的第一坐标和第二坐标；根据两个密钥方阵以及目标像素点的第一坐标和第二坐标，获得目标像素点的密文对；

对于车载视频中的每帧图像，按照先行后列的顺序依次将图像中的每个像素点作为目标像素点，对目标像素点进行编码获得目标像素点的密文对，将所有目标像素点的密文对按照顺序组成的图像记为密文图像，将所有密文图像按照顺序组成的视频记为密文视频，密文视频为车载视频的编码结果。

进一步地，所述构建第一密钥方阵和第二密钥方阵，包括的具体步骤如下：

构建一个大小为N×N的方阵，将[0,255]之间的整数随机填充在方阵中，且每个整数在方阵中仅出现一次，其中，N=16；从满足条件的所有方阵中随机选择一个方阵作为第一密钥方阵，从满足上述条件且与第一密钥方阵不相同的所有方阵中随机选择一个方阵作为第二密钥方阵。

进一步地，所述根据四方定理获得目标像素点的四个基础数，包括的具体步骤如下：

四方定理具体为：任意一个自然数至多用四个整数的平方和就可以表示；

将目标像素点的灰度值记为目标像素点的明文N，通过四方定理，将目标像素点的明文N表示为四个整数的平方和，即

，其中，m,n,h,t均为[0,15]范围内的整数；将四个整数m,n,h,t记为目标像素点的四个基础数。

进一步地，所述根据目标像素点的四个基础数获得目标像素点的备选坐标集合，包括的具体步骤如下：

从目标像素点的四个基础数中随机选择两个基础数，将两个基础数分别作为横坐标和纵坐标组成的坐标记为目标像素点的备选坐标，将目标像素点的所有备选坐标组成的集合记为目标像素点的备选坐标集合。

进一步地，所述根据目标像素点的备选坐标集合和邻域坐标集合获得目标像素点的第一坐标和第二坐标，包括的具体步骤如下：

判断目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集是否为空：如果目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集不为空，则从目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集中随机选择一个坐标作为目标像素点的第一坐标；如果目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集为空，则从目标像素点的备选坐标集合中随机选择一个坐标作为目标像素点的第一坐标；

获取组成目标像素点的第一坐标的两个基础数，将目标像素点的四个基础数中的另外两个基础数分别作为横坐标和纵坐标，将横坐标与纵坐标组成的坐标记为目标像素点的第二坐标。

进一步地，所述获得目标像素点的密文对，包括的具体步骤如下：

获取第一密钥方阵中坐标与目标像素点的第一坐标相等的位置对应的元素，记为目标像素点的第一密文，获取第二密钥方阵中坐标与目标像素点的第二坐标相等的位置对应的元素，记为目标像素点的第二密文；目标像素点的第一密文和第二密文组成目标像素点的密文对。

本发明的技术方案的有益效果是：本发明通过四方定理获得像素点的四个基础数，根据像素点的四个基础数以及周围邻域像素点的第一坐标，获得像素点的第一坐标和第二坐标，根据两个密钥方阵以及目标像素点的第一坐标和第二坐标获得像素点的编码结果。由于不同像素点的灰度值不同，因此，四方定理获得像素点的四个基础数不同，进而导致获得的像素点的第一坐标和第二坐标不同，则编码结果不同，因此，本发明的编码方法能够使最终获得的密文视频的统计特性和车载视频的统计特性完全不同，保证密文视频能够抵抗智能传输过程中受到的统计分析攻击；同时，对于任意一个像素点，本发明获得该像素点的第一坐标时，结合周围邻域像素点的第一坐标，使得该像素点的第一坐与周围邻域像素点的第一坐标不同，破化编码后密文图像和密文视频的局部相似性，保证了车载视频的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种车载显示器的视频编解码方法的步骤流程图；

图2为本发明提供的第一密钥方阵；

图3为本发明提供的第二密钥方阵。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种车载显示器的视频编解码方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种车载显示器的视频编解码方法的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种车载显示器的视频编解码方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：

S001．构建第一密钥方阵和第二密钥方阵。

构建一个大小为N×N的方阵，将[0,255]之间的整数随机填充在方阵中，且每个整数在方阵中仅出现一次，其中，N=16。

从满足上述条件的所有方阵中随机选择一个方阵作为第一密钥方阵，从满足上述条件且与第一密钥方阵不相同的所有方阵中随机选择一个方阵作为第二密钥方阵，将第一密钥方阵和第二密钥方阵存储在发送端和接收端。

以第一密钥方阵和第二密钥方阵的左上角的元素为原点，以原点从上向下的方向为x轴正方向，以原点从左向右的方向为y轴正方向，建立直角坐标系，因此，对于第一密钥方阵和第二密钥方阵，从上到下依次为第1行到第N行，从左到右依次为第1列到第N列。

例如，图2和图3所示的两个大小为16×16的方阵分别为本实施例提供的第一密钥方阵和第二密钥方阵。

S002．获取车载视频。

车载显示器是各种控制与信息系统的人机接口部件，承担着以文字图形声音等形式对列车控制及状态信息进行显示及必要人机操作等工作，因此，获得车载显示器在工作运行状态时的视频记为车载视频。

对于车载视频的任意一帧图像，以图像的左上角的像素点为原点，以原点从上向下的方向为x轴正方向，以原点从左向右的方向为y轴正方向，建立直角坐标系。

S003．根据四方定理获得目标像素点的四个基础数，根据目标像素点的四个基础数获得目标像素点的备选坐标集合，根据目标像素点的备选坐标集合和邻域坐标集合获得目标像素点的第一坐标和第二坐标。

需要说明的是，在本实施例中，对车载视频中的任意一帧图像的每个像素点进行编码的步骤均相同，因此，按照先行后列的顺序依次对图像中的每个像素点进行编码，以车载视频中第z帧图像中的第x行第y列的像素点为例，将该像素点记为目标像素点，对目标像素点进行编码的具体步骤如下：

1、根据四方定理获得目标像素点的四个基础数。

四方定理是数论中的一个重要内容，具体为：任意一个自然数至多用四个整数的平方和就可以表示。

对于目标像素点，由于目标像素点的灰度值的取值范围为[0,255]，因此，通过四方定理将目标像素点表示为四个整数，每个整数的取值范围为[0,15]。

因此，将目标像素点的灰度值记为目标像素点的明文N，通过四方定理，将目标像素点的明文N表示为四个整数的平方和，即

，其中，m,n,h,t均为取值范围为[0,15]的整数；将四个整数m,n,h,t记为目标像素点的四个基础数。

例如：对于灰度值为111的目标像素点，通过四方定理，将目标像素点的明文N表示为

，则灰度值为111的目标像素点的四个基础数分别为m=7,n=6,h=4,t=3；对于灰度值为153的目标像素点，通过四方定理，将目标像素点的明文N表示为

，则灰度值为153的目标像素点的四个基础数分别为m=10,n=7,h=2,t=0。

2、根据目标像素点的四个基础数获得目标像素点的备选坐标集合。

从目标像素点的四个基础数中随机选择两个基础数，将两个基础数分别作为横坐标和纵坐标组成的坐标记为目标像素点的备选坐标，将目标像素点的所有备选坐标组成的集合记为目标像素点的备选坐标集合。

3、根据目标像素点的备选坐标集合和邻域坐标集合获得目标像素点的第一坐标和第二坐标。

在图像中获取以目标像素点为右下角的预设窗口，将目标像素点的预设窗口内所有像素点的第一坐标组成的集合记为目标像素点的邻域坐标集合。

本实施例中预设窗口的大小为3×3，在其他实施例中，实施人员可根据需要设置预设窗口的大小。

判断目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集是否为空：如果目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集不为空，则从目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集中随机选择一个坐标作为目标像素点的第一坐标；如果目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集为空，则从目标像素点的备选坐标集合中随机选择一个坐标作为目标像素点的第一坐标。

获取组成目标像素点的第一坐标的两个基础数，将目标像素点的四个基础数中的另外两个基础数分别作为横坐标和纵坐标，将横坐标与纵坐标组成的坐标记为目标像素点的第二坐标。

由于本实施例是按照顺序依次对图像中的像素点进行编码，因此，在对目标像素点进行编码时，已经实现对目标像素点的预设窗口内的所有像素点进行编码，因此，可以获得目标像素点的预设窗口内所有像素点的第一坐标，进而能够获得目标像素点的第一坐标和第二坐标。

由于图像具有强关联性，即图像中相邻的像素点的灰度值相同或相近，为了打破这种强关联性，本实施例，从目标像素点的四个基础数组成的所有备选坐标集合中，选择与周围邻域像素点的第一坐标不相同的备选坐标，作为目标像素点的第一坐标，进而根据目标像素点的第一坐标对目标像素点进行编码。对于任意一个像素点，本发明获得该像素点的第一坐标时，结合周围邻域像素点的第一坐标，使得该像素点的第一坐与周围邻域像素点的第一坐标不同，破化编码后密文图像和密文视频的局部相似性，保证了车载视频的安全性。

例如，灰度值为111的目标像素点的四个基础数分别为m=7,n=6,h=4,t=3，则目标像素点的备选坐标集合为：{(7,6),(7,4),(7,3),(6,7),(6,4),(6,3),(4,7),(4,6),(4,3),(3,7), (3,6),(3,4)}，目标像素点的备选坐标集合共有12种备选坐标；目标像素点的邻域坐标集合为{(6,7),(4,7),(10,2),(4,3),(6,4),(3,4),(8,3),(6,3)}，则目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集{(7,6),(7,4),(7,3),(4,6),(3,7),(3,6)}，目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集不为空，则从目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集中随机选择一个坐标(4,6)作为目标像素点的第一坐标；目标像素点的第二坐标为(3,7)。

S004．根据两个密钥方阵以及目标像素点的第一坐标和第二坐标，获得目标像素点的密文对，获得车载视频的密文视频。

1、根据两个密钥方阵以及目标像素点的第一坐标和第二坐标，获得目标像素点的密文对。

获取第一密钥方阵中坐标与目标像素点的第一坐标相等的位置对应的元素，记为目标像素点的第一密文，获取第二密钥方阵中坐标与目标像素点的第二坐标相等的位置对应的元素，记为目标像素点的第二密文；目标像素点的第一密文和第二密文组成目标像素点的密文对。

例如，灰度值为111的目标像素点的第一坐标为(4,6)，第二坐标为(3,7)，根据如图2所示的第一密钥方阵和第二密钥方阵，获得目标像素点的第一密文为35，第二密文为69，则目标像素点的密文对为(35,69)。

2、获得车载视频的密文视频。

对车载视频中的所有帧图像的所有像素点进行编码，获得所有像素点的第一坐标和第二坐标，根据两个密钥方阵以及所有像素点的第一坐标和第二坐标，获得所有像素点的密文对，将所有像素点的密文对按照顺序组成的图像记为密文图像，将所有密文图像按照顺序组成的视频记为密文视频，密文视频为车载视频的编码结果。

本发明通过四方定理获得像素点的四个基础数，根据像素点的四个基础数以及周围邻域像素点的第一坐标，获得像素点的第一坐标和第二坐标，根据两个密钥方阵以及目标像素点的第一坐标和第二坐标获得像素点的编码结果。由于不同像素点的灰度值不同，因此，四方定理获得像素点的四个基础数不同，进而导致获得的像素点的第一坐标和第二坐标不同，则编码结果不同，因此，本发明的编码方法能够使最终获得的密文视频的统计特性和车载视频的统计特性完全不同，保证密文视频能够抵抗智能传输过程中受到的统计分析攻击。

S005．根据两个密钥方阵对密文视频进行解码获得车载视频。

将车载视频的编码结果即密文视频从发送端传输至接收端，接收端根据存储在自身服务器中的两个密钥方阵对密文视频进行解码获得车载视频。

需要说明的是，在本实施例中，将密文视频中的任意一帧密文图像的每两个密文像素点记为一个密文像素点对，对所有密文像素点对进行解码的步骤均相同，因此，按照先行后列的顺序依次对图像中的每个密文像素点对进行解码，以密文视频中第z帧密文图像中的第x行第2y-1列的密文像素点和第z帧密文图像中的第x行第2y列的密文像素点为例，将两个密文像素点组成的密文像素点对记为目标密文像素点对，对目标密文像素点对进行解码的具体步骤如下：

1、获取第一密钥方阵中与目标密文像素点对的第一个密文像素点的灰度值相等的元素，将该元素在第一密钥方阵中的坐标记为目标密文像素点对的第一坐标，获取第二密钥方阵中与目标密文像素点对的第二个密文像素点的灰度值相等的元素，将该元素在第二密钥方阵中的坐标记为目标密文像素点对的第二坐标。

2、将组成目标密文像素点对的第一坐标和第二坐标的四个整数记为目标密文像素点对的四个基础数，将目标密文像素点对的四个基础数的平方和记为目标密文像素点对的明文。

3、对密文视频中的所有帧密文图像的所有密文像素点对进行解码，获得所有密文像素点对的明文，将所有密文像素点对的明文按照顺序组成的图像记为明文图像，将所有明文图像按照顺序组成的视频记为，车载视频为密文视频的解码结果。

本发明通过四方定理获得像素点的四个基础数，根据像素点的四个基础数以及周围邻域像素点的第一坐标，获得像素点的第一坐标和第二坐标，根据两个密钥方阵以及目标像素点的第一坐标和第二坐标获得像素点的编码结果。由于不同像素点的灰度值不同，因此，四方定理获得像素点的四个基础数不同，进而导致获得的像素点的第一坐标和第二坐标不同，则编码结果不同，因此，本发明的编码方法能够使最终获得的密文视频的统计特性和车载视频的统计特性完全不同，保证密文视频能够抵抗智能传输过程中受到的统计分析攻击；同时，对于任意一个像素点，本发明获得该像素点的第一坐标时，结合周围邻域像素点的第一坐标，使得该像素点的第一坐与周围邻域像素点的第一坐标不同，破化编码后密文图像和密文视频的局部相似性，保证了车载视频的安全性。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

Claims (5)

1.一种车载显示器的视频编解码方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

构建第一密钥方阵和第二密钥方阵；获取车载视频，所述车载视频包括多帧图像；

将任意一帧图像中的任意一个像素作为目标像素点，对目标像素点进行编码获得目标像素点的密文对，包括：根据四方定理获得目标像素点的四个基础数，根据目标像素点的四个基础数获得目标像素点的备选坐标集合，在图像中获取以目标像素点为右下角的预设窗口，将目标像素点的预设窗口内的所有像素点的第一坐标组成的集合记为目标像素点的邻域坐标集合，根据目标像素点的备选坐标集合和邻域坐标集合获得目标像素点的第一坐标和第二坐标；根据两个密钥方阵以及目标像素点的第一坐标和第二坐标，获得目标像素点的密文对；

对于车载视频中的每帧图像，按照先行后列的顺序依次将图像中的每个像素点作为目标像素点，对目标像素点进行编码获得目标像素点的密文对，将所有目标像素点的密文对按照顺序组成的图像记为密文图像，将所有密文图像按照顺序组成的视频记为密文视频，密文视频为车载视频的编码结果；

所述根据目标像素点的备选坐标集合和邻域坐标集合获得目标像素点的第一坐标和第二坐标，包括的具体步骤如下：

判断目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集是否为空：如果目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集不为空，则从目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集中随机选择一个坐标作为目标像素点的第一坐标；如果目标像素点的备选坐标集合与邻域坐标集合的差集为空，则从目标像素点的备选坐标集合中随机选择一个坐标作为目标像素点的第一坐标；

获取组成目标像素点的第一坐标的两个基础数，将目标像素点的四个基础数中的另外两个基础数分别作为横坐标和纵坐标，将横坐标与纵坐标组成的坐标记为目标像素点的第二坐标。

2.根据权利要求1所述的一种车载显示器的视频编解码方法，其特征在于，所述构建第一密钥方阵和第二密钥方阵，包括的具体步骤如下：

构建一个大小为N×N的方阵，将[0,255]之间的整数随机填充在方阵中，且每个整数在方阵中仅出现一次，其中，N=16；从满足条件的所有方阵中随机选择一个方阵作为第一密钥方阵，从满足上述条件且与第一密钥方阵不相同的所有方阵中随机选择一个方阵作为第二密钥方阵。

3.根据权利要求1所述的一种车载显示器的视频编解码方法，其特征在于，所述根据四方定理获得目标像素点的四个基础数，包括的具体步骤如下：

四方定理具体为：任意一个自然数至多用四个整数的平方和就可以表示；

将目标像素点的灰度值记为目标像素点的明文N，通过四方定理，将目标像素点的明文N表示为四个整数的平方和，即

，其中，m,n,h,t均为[0,15]范围内的整数；将四个整数m,n,h,t记为目标像素点的四个基础数。

4.根据权利要求1所述的一种车载显示器的视频编解码方法，其特征在于，所述根据目标像素点的四个基础数获得目标像素点的备选坐标集合，包括的具体步骤如下：

从目标像素点的四个基础数中随机选择两个基础数，将两个基础数分别作为横坐标和纵坐标组成的坐标记为目标像素点的备选坐标，将目标像素点的所有备选坐标组成的集合记为目标像素点的备选坐标集合。

5.根据权利要求1所述的一种车载显示器的视频编解码方法，其特征在于，所述获得目标像素点的密文对，包括的具体步骤如下：

获取第一密钥方阵中坐标与目标像素点的第一坐标相等的位置对应的元素，记为目标像素点的第一密文，获取第二密钥方阵中坐标与目标像素点的第二坐标相等的位置对应的元素，记为目标像素点的第二密文；目标像素点的第一密文和第二密文组成目标像素点的密文对。

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