CN1617584A - 一种视频信息的动态随机置乱加解密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特点是：从所需要加密的视频信息中提取几种关键数据块进行置乱，然后将置乱后的数据块还原至提取位置和那些非关键数据混合作为置乱加密后的视频码流输出，解密则是类似的过程。本发明用于置乱的矩阵采用伪随机序列动态产生，对于所有的视频帧，采用的置乱矩阵都不一样，保密性可达到实用的水平。本发明可实现保密性可分级的标准压缩视频信息的加密和解密；基于视频信息信源特征实现，运算量小，可满足视频信息处理与传输的实时性要求；不增加码流大小，不影响视频交互性和视频传输的网络容错性；独立于视频编解码器，支持符合MPEG/H.26x序列标准的视频码流的加密，加密后的视频码流仍符合码流语法。

Description

一种视频信息的动态随机置乱加解密方法

                       技术领域

本发明属于一种视频信息加解密的方法，具体地讲是符合MPEG序列和H.26x序列标准的高保密性的一种视频信息的动态随机置乱加解密方法。

                       背景技术

随着网络技术的发展，各种视频信息的应用日益广泛。例如视频会议、可视电话、流媒体服务以及远程医疗等等。对于某些特殊的行业，这些视频信息有的非常重要，一旦泄密其损失无法衡量。例如远程医疗诊断用的图像可能涉及到个人的隐私和生命的安全、电子商务中的视频图像信息可能涉及公司的巨大利益、法律诉讼过程中的现场记录照片要保证不被篡改、党政部门公务活动中的视频图像信息可能涉及社会的安定和经济的起伏、而对信息安全性极度敏感的军事视频图像信息可能涉及国家的安全，其价值无法衡量。然而，网络的使用日益普及和方便，使得任何人都有可能从网上轻易地获取这些视频信息。为了保证这些传输和存储的图像信息的安全性，就必须对其加密。特别是在军事国防、党政机关、电子商务等重要领域，对视频信息的保密性有着迫切的需求。

目前，这些视频信息或者没有加密、或者只是简单的加密，其安全性很难得到保证。最早有人提出的一种视频加密方法被称为传统的加密方法。传统的加密方法主要还是直接应用密码技术，对全部数据不加区别地加密。具体的加密方法可以是采用分组加密算法对整个码流分组加密，也可以是采用伪随机序列对整个码流异或操作。这种方法可以提供一定的安全性，技术上也易于实现。但是其应用于视频加密却存在难以克服的缺点。首先由于视频数据的海量性，全部加密难以满足实时的需要；其次由于视频编码信号的标志信息是固定格式的，攻击者在获取密文后，对密文进行分析，提取明文中标志信息加密后得到的相应密文，对比明文中的固定格式的标志信息就可以轻易的破解加密算法；另外，视频信息的许多标志信息在存储和传输过程中均具有重要的作用，如交互作用和QoS保障作用，如果破坏，将严重影响其使用。因此对全部数据不加区别地按传统方法加密不适合应用于视频信息的加密，还存在缺陷，要应用于视频加密还需要改进。

另一种视频加密的方法是基于置乱技术的。其基本思想是采用固定的矩阵置乱对整个码流进行置乱。这种加密方法计算量不大，可以满足实时性的需求。但是，这种加密方法却无法提供足够的安全性。对于已知明文攻击，攻击者只需要对比密文和明文，就可以很容易的得到置乱矩阵，其它的密文用这个置乱矩阵就可以很快的破解了。对于唯密文攻击，攻击者可以结合部分码流格式信息，对视频序列关键帧(I帧)加密可能采用的置乱矩阵进行穷举。如果某种置乱矩阵对密文进行反置乱可以得到正确的图像，那么这个置乱矩阵就是加密采用的置乱矩阵，此置乱加密方法也就被破解了。由密码学的知识可以知道，这种攻击的复杂度不高，使用穷举法很容易破解这种置乱方法。因此，对整个码流采用固定的置乱矩阵置乱也不适合视频信息的加密，要应用于视频加密还需要改进。

针对视频加密这一日益紧迫的矛盾性需求，国内外已有不少科研单位开始研究快速高效的视频加密方法来满足实际应用。保证信息安全的基础上提高视频传输的实时性，是数字视频加密技术发展的一个主要方向。

                       发明内容

本发明的目的是基于视频信息的信源特征，对上述两种加密方法的不足进行改进，提出一种快速高效的、高保密性的视频信息的动态随机置乱加解密方法，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：从所需要加密的视频信息中提取几种关键数据块进行置乱，然后将置乱后的数据块还原至提取位置和那些非关键数据混合作为置乱加密后的视频码流输出，解密则是从所需要解密的视频信息中提取几种进行了置乱的关键数据块实施还原，然后将还原后的数据块还原至提取位置和那些非关键数据混合作为解密后的视频码流输出。

本发明所采用的一种方法是：从所需要加密的压缩后的视频信息中顺序提取某些关键的数据块，然后对这些数据块的顺序采用伪随机序列产生的动态改变的置乱矩阵进行置乱，最后按照置乱后的顺序将提取的关键数据块依次还原至提取位置和那些非关键数据混合作为加密后的视频码流输出；解密则是类似的过程，不同的只是采用伪随机序列产生置乱矩阵后，要根据置乱矩阵产生反置乱矩阵，对提取的关键数据块的置乱要用反置乱矩阵操作。

上述用于置乱的矩阵由伪随机序列动态产生，对于所有视频帧，在有限的时间内，采用的置乱矩阵动态改变，永不重复。

为了保证安全性，本发明采用的一种改进是：只对码流的关键数据块进行置乱。视频信号经过压缩编码后得到的码流数据有固定的格式信息，如果对所有数据不加区分的采用置乱矩阵置乱，攻击者可以根据压缩后视频数据的某些固定格式信息猜出一些置乱规则，这样就大大降低了置乱矩阵的安全性。本发明只对码流的关键数据块进行置乱，这些关键数据块不包含视频数据特定的结构信息，所以置乱后得到的码流仍然符合标准的码流格式，置乱的安全性有很大的提高。

本发明用来置乱的关键数据块可以是：宏块、块，也可以是运动矢量的值、DC系数值或者AC系数值。根据不同的需求，对以上数据块采用不同的组合可以达到不同的安全级别。可以采用的组合方式有：宏块置乱、I帧DC值置乱和PB帧运动矢量置乱、I帧宏块置乱和PB帧运动矢量置乱、I帧DC值置乱和PB帧宏块置乱、AC系数值或者块数据置乱。试验表明，上述的加密组合得到的加密效果是很理想的。

本发明用来置乱的关键数据块和置乱的组合方式可以是上述几种，但不限于上述几种。只要满足置乱后的视频码流仍然符合标准码流的方法都是本发明的思想。

为了保证安全性，本发明采用的另一种改进是：对关键数据块置乱的矩阵动态改变。传统的置乱加密方法采用的置乱矩阵是固定的。所有码流采用一个固定的置乱矩阵进行置乱安全性无法保证。一旦置乱矩阵被攻击者得到，所有的码流密文都会被破解。为了解决这个问题，本发明采用的置乱矩阵是动态改变的，对于所有的视频帧，采用的置乱矩阵都不一样。

本发明针对标准编码的视频信号数据量大的特点，利用视频编码信号具有的数据结构性和相关性强等信源特征和内在逻辑关系，对编码压缩后的视频数据的关键数据块按照某种动态改变的规则置乱，保证安全性的同时整体上大幅度减少其计算量和复杂性，并且置乱后的码流仍然符合码流标准，不影响加密后视频码流的解码及视频的回放，从而使得非法用户窃取数据后，虽然可以正确解码得到图像，但图像无法识别和理解。本发明可以满足实时性和安全性的要求，是视频信息加密的一种解决方法，具有广阔的应用前景。

由于本发明采用只对压缩后的视频信息的关键数据块进行置乱加密，使得本发明具有以下优点：1、标准压缩编码的视频信息置乱加密后得到仍然符合标准的视频码流，不改变视频信息中的标志信息和重要结构信息，不改变码流语法结构，不影响应用，不影响加密视频信息的检索和回放；2、加解密运算量足够小，对视频传输的附加延时很小，基本不影响实时性；3、根据不同应用的安全性需求不同，进行置乱的数据块类型可以选用不同组合，加解密方法的保密性可分级；4、为方便加解密方法的应用，加解密可独立于视频编解码模块，自成独立模块；5、加密方法基于置乱思想的，采用的置乱数据块来自码流本身，所以置乱加密后不会增加码流大小，不影响视频压缩比，对带宽要求无变化；6、压缩后的码流数据经过置乱加密和置乱解密后，可以正确恢复，所以不会影响图像质量；7、由于在加密端和解密端对使用的伪随机序列进行同步，当网络状况不好时，丢失一个或几个视频包不会影响后续帧的正确解密，所以本加密方法的网络容错性很好；8、置乱矩阵采用伪随机序列产生，当伪随机序列的随机性高时，可以使得置乱矩阵在有限的时间内永不重复，加密算法的安全性得到保证。

                       附图说明

图1为本发明在正常状态的应用总体流程图。

图2为本发明在非正常状态的应用总体流程图。

图3为本发明伪随机序列产生及应用系统框图。

图4为本发明加密方法流程图。

图5为本发明解密方法流程图。

图6为本发明实施例1应用于视频会议系统的系统框图。

图7为本发明实施例2应用于数字电视/视频点播系统的系统框图。

                       具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但以下实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明动态改变的置乱矩阵产生方式为：使用伪随机序列生成不重复的置乱矩阵。这是因为伪随机序列具有良好的随机性，我们可以用它来产生具有良好随机性的置乱矩阵。具体方式是：①得到要置乱的数据块总数M，求满足条件(2^k-1＜M＜2^k)的k；②从伪随机序列中取出k个新的位，用这k个新的位组成一个随机数；③重复上一步得到M个随机数；④用洗牌算法把这M个数映射到[1，M]上，产生[1，M]上随机但不重复的M个整数；⑤用这M个整数组成置乱矩阵。⑥重复以上所有操作，可以得到多个不同的置乱矩阵，依次用于每个视频帧中。用这些不同的置乱矩阵置乱码流就达到了动态改变置乱矩阵的目的。

具有良好随机性的伪随机序列产生方式为：可使用m序列或者混沌序列产生。

m序列由一个n阶的线性反馈移位寄存器(LFSR)生成。LFSR是一种研究得非常成熟的序列生成方法，已被广泛地应用于密码技术、保密通信技术等方面。它通过一个有限长的种子产生具有足够长周期和良好随机性的序列。一个本原多项式及其寄存器初始值完全确定了一个m序列生成器。在传递、存储序列时，只须传递、存储生成器的方法和种子。m序列能循环地通过所有2ⁿ-1个内部状态，在重复之前才能够产生2ⁿ-1位长的伪随机序列。本方案可以选用的不同阶数的本原多项式，但是，为了保证安全性，应该选用阶数足够大的。

混沌序列是另外一种很好的伪随机序列产生方式，也是最近几年密码学研究的一个热点。混沌序列有两个很重要的特征：对初始条件敏感性和系统变化的不可预测性。这两个特征是密码学中随机序列的重要特征。所以混沌序列用于产生伪随机序列是很好的方法。产生混沌序列的方式很多，不同的迭代函数有不同的安全性。通过选择不同的迭代函数和精度，我们很容易得到足够长的随机序列，并且保证它在有限的时间内不重复。

随着密码技术的研究不断取得进展，伪随机序列的产生方式也越来越多，我们可以根据需要灵活选取。本发明只列举了可使用m序列或者混沌序列产生伪随机序列，但不限于这两种方式。只要满足产生的伪随机序列具有足够的随机性的方法都是本发明的思想，都可以被本发明采用。

伪随机序列的产生和应用可以用图3表示。初始密钥k1一般通过安全信道传送，并用于加密端和解密端同步产生相同的伪随机序列。密钥流生成器KG使用初始密钥生成伪随机序列。置乱矩阵生成器MG顺序截取伪随机序列中的比特位生成多个随机数然后组成置乱矩阵。置乱加密器EN使用生成的置乱矩阵对提取的关键数据块进行置乱加密。在解密端，由于本发明使用了动态随机置乱，为了正确解密，必须保证加密端和解密端所使用的随机置乱矩阵是完全一致的，所以在随机置乱矩阵动态变化的情况下，两端所产生的伪随机序列必须完全同步。

保证加密和解密端使用的伪随机序列精确同步是实现可靠解密的关键技术。由于视频数据在网络传送时有可能出现误码或者丢包，所以解密端和加密端使用的伪随机序列产生的置乱矩阵与对应的密文就会不一致，加密和解密使用的伪随机序列就不同步了，解密端就不能使用对应的反置乱矩阵解密，解密的图像就无法识别。要解决同步问题，必须在加密端和解密端同时使用同步机制。

在IP网络环境中，视频数据一般是通过RTP包传送的。针对这种情况，本发明提出的解决伪随机序列的同步的方法是：使用RTP包头的序号做丢包检测和同步。其原理是：RTP包有固定的格式信息，在RTP包头有序号、时间戳和同步源标识符(SSRC)等。我们可以用RTP包头的序号来检测到是否发生了丢包，丢了多少个包。在解密端，知道了丢包的个数后，计算得到生成这些包的置乱矩阵所需的伪随机序列比特数，然后把伪随机序列跳过相应的比特数，从而达到使使用的伪随机序列同步的目的。这种方法可以很好的应用与视频会议系统中。

在数字电视或流媒体服务中，本发明提出的解决同步的方法是：使用视频压缩数据的关键帧来同步。根据视频数据编码规则，视频数据由关键帧(基本帧)和预测帧组成。关键帧含有较多的视频信息，但数量较少，并且会根据一定的频率间隔出现。利用视频数据的这一特点，我们可以在加密端每次出现关键帧时，将使用的伪随机序列从后续的某个位置重新开始。比如：第一次出现I帧时从伪随机序列的第1位开始使用，第二次就从第1000位开始，依次类推，第n次就从第n*1000位开始。在解密端也和加密端一样进行同样的操作，这样加密和解密使用的伪随机序列就同步了。当然，具体的间隔比特数不一定就是1000，加密端和和解密端可以根据需要灵活选取。如果每次产生置乱矩阵使用的比特数越多，那么跳跃间隔数就应该越大。这种方法可以解决数字电视/视频点播系统中伪随机序列的同步问题。

本发明的流程如图1，图1中的视频加密模块即是本发明的实现部分。经过压缩后的原始视频码流经过视频置乱加密模块得到仍然符合标准的视频置乱后码流，经过加密后的码流经过视频反置乱解密模块恢复成原始的视频码流，然后经过解码器就可以得到正确的视频图像。但是，如果经过置乱加密后的码流没有通过反置乱解密模块或者没有正确的反置乱，经过解码器则得到被破坏的视频图像(图2)。

本发明加密流程如图4。本方法的视频加密模块主要由三部分组成：码流分析模块、置乱模块和码流混合模块。码流分析模块的主要功能是分析压缩后的原始视频码流，记录每个关键数据块在码流中的起始位置和长度信息(以bit为单位)。置乱模块的主要功能是使用伪随机序列产生的置乱矩阵将提取的关键数据块进行置乱。码流混合模块的主要功能是按照置乱后的顺序将提取的关键数据块还原至提取位置和那些非关键数据混合作为加密后的视频码流输出。

本发明解密流程如图5。本方法的视频解密模块内部结构主要由三部分组成：码流分析模块、反置乱模块和码流混合模块。码流分析模块的主要功能是读取分析经过置乱加密后的视频码流，记录每个置乱后的关键数据块在码流中的起始位置和长度信息(以bit为单位)。反置乱模块的主要功能是使用伪随机序列产生的反置乱矩阵将置乱的关键数据块进行反置乱。码流混合模块的主要功能是将反置乱后复原的关键数据块还原至提取位置和那些非关键数据混合作为解密后的视频码流输出。

本发明可以很容易的应用于视频会议系统和数字电视/视频点播系统中。下面分别介绍本发明在两个实施例中的应用。

实施例1：视频会议系统

本发明最直接的应用就是实时视频通信系统。实时视频应用特别强调加密和解密不影响视频的实时传输。本发明采用伪随机序列产生置乱矩阵，然后对压缩后的视频数据中的关键数据块进行置乱加密。决定加密速度的操作主要有两部分：伪随机序列的产生和关键数据块的置乱。关键数据块的置乱只是些缓冲区的拷贝操作，速度很快。伪随机序列的产生可以用硬件来实现也可以用软件实现，不同的实现方式有不同的速度。经试验，用软件产生伪随机序列也可以保证实时性。

实时视频通信系统最典型的例子就是视频会议系统。本发明也是为解决视频会议系统安全性而提出的。下面以本发明在视频会议系统中的应用为例来说明具体的实施例。如图6，在视频会议系统中，多点控制单元负责各个参加会议的终端的集中控制。这些控制包括呼叫建立、能力交互和媒体流交互。由于本实施例为支持安全通信的视频会议系统，各个终端发送和接受到的媒体数据都是置乱加密后的数据，所以终端间的密钥分发和管理要由一个独立的单元来管理，这个单元为密钥分发管理单元。密钥分发管理单元又由多点控制单元集中管理。图中所示只是一个简单的实施例，加入会议的只有两个终端，一个将视频信息置乱加密后通过网络接口发送到网络上，另一个接收到加密后的码流然后反置乱解密送到解码显示模块显示正确图像。实际的应用系统中，如果参加会议的终端同时具有发送加密视频信息和接收加密视频信息的功能，那么就既可以看到别的终端发送来的加密视频信息，也可以发送加密后的本地视频信息给其它终端。多个终端参加会议的情况和上述实施例类似。

实施例2：数字电视/视频点播

数字电视是一项全新的电视服务，是数字技术在电视领域发展的必然结果。数字电视最大的优势在于高质量的影音质量。数字电视是与模拟相对应的一个相对概念，它将模拟电视信号通过抽样、量化和编码，用二进制数来表达图象和伴音信号，使电视信号数字化，用户可通过机顶盒利用现有的有线电视网络来收看数字电视系统播出的数字电视节目。“数字电视机顶盒”是一种将数字电视信号转换成模拟信号的变换设备，它对经过数字压缩编码的图像和声音信号解码还原成模拟信号，使模拟电视机同样可以接受数字电视信号。

数字电视的另一个优势在于互动。互动电视为数字电视的发展趋势，视频点播(VOD)是数字电视实现互动的体现。VOD系统的出现改变了传统视频广播与人们交流的单项方式，使观众有更大的主动参与性。用户可以按自己的需要选择、定制、点播甚至参与节目，而不是只能挑选频道、被动接受电视台的固定安排。

目前，数字电视的应用才刚刚开始，还不是很完善。数字电视的普及是在网络带宽足够快和电视节目的数量足够多的时候才会出现的。随着网络技术的发展，这些已经不是主要问题。数字电视的收费系统和数字节目的版权保护是制约数字电视发展的诸多瓶颈中最大的一个。数字节目通过广播卫星、广播电视网络和有线电视网络传播到几乎没有限制的地理位置。任何又条件的用户都可以收看到广播电视的节目。而广播电视制作者要购买版权、制作节目，这些都要花费很高的成本。数字电视业要健康发展，逐步普及，必须对使用者收取一定费用。本发明可以很好的应用于数字电视和视频点播系统中，加密数字电视的视频信息，使得合法用户正确解密后可以看到完整正确的节目，未授权的非法用户即使收到了视频节目，由于无法正确解密而无法看到正确的图像。

本发明在数字电视/视频点播中的应用最大的优势在于，经本系统加密后的视频码流中的标志信息不被改变。因为视频节目一般存放于视频服务器中，视频点播往往需要视频检索，而基于内容的视频检索是根据视频信息中的某些标志字来查询的。本发明提出的加密方法则能保证不改变这些标志字，不改变码流结构，从而保证视频的正常检索和应用。

本发明在数字电视/视频点播系统中的应用如图7所示。数字电视节目制作中心在将电视节目发送到有线电视网络前，先要经过视频置乱加密系统加密。置乱加密系统从密钥分发管理单元得到加密密钥。密钥分发管理单元负责加密密钥和解密密钥的管理和分发。终端用户通过数字机顶盒接收到加密后的数字电视节目后，要经过视频反置乱解密，解密后的图像才可以在电视上正确播放。数字机顶盒还负责和系统的密钥分发管理单元交互，获得正确的密钥和授权信息，然后给视频反置乱模块解密。

本发明提出的视频信息加解密方法充分考虑了实际应用的需求，置乱加密后的对原有的系统影响很小甚至基本没有影响。本发明提出的上述两个实施例只是本发明的应用实例，本发明可以应用于所有对视频信息安全性有要求的实际系统中。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1、一种视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特征在于：从所需要加密的视频信息中提取几种关键数据块进行置乱，然后将置乱后的数据块还原至提取位置和那些非关键数据混合作为置乱加密后的视频码流输出，解密则是从所需要解密的视频信息中提取几种进行了置乱的关键数据块实施还原，然后将还原后的数据块还原至提取位置和那些非关键数据混合作为解密后的视频码流输出。

2、如权利要求1所述的视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特征在于：从所需要加密的压缩后的视频信息中顺序提取某些关键的数据块，然后对这些关键数据块的顺序采用伪随机序列产生的置乱矩阵进行置乱，最后按照置乱后的顺序将提取的关键数据块依次还原至提取位置和那些非关键数据混合作为加密后的视频码流输出，解密则是类似的过程，不同的只是采用伪随机序列产生置乱矩阵后，要根据置乱矩阵产生反置乱矩阵，对提取的关键数据块的置乱要用反置乱矩阵操作。

3、如权利要求1或2所述的视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特征在于：用于置乱的矩阵由伪随机序列动态产生，对于所有视频帧，在有限的时间内，采用的置乱矩阵动态改变，永不重复。

4、如权利要求1所述的视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特征在于：选择视频码流中对图像恢复起主要作用的关键数据块作为高强度加密的对象。

5、如权利要求1所述的视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特征在于：关键数据块可以是宏块、块，也可以是运动矢量的值、DC系数值或者AC系数值。

6、如权利要求1所述的视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特征在于：关键数据块置乱后得到的码流仍然是符合码流标准的。

7、如权利要求1所述的视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特征在于：通过对视频关键信息的不同组合的提取得到不同保密性级别的加密方法以适应不同级别的应用需求。

8、如权利要求1所述的视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特征在于：视频信息加密方法由三部分组成，码流分析、置乱和码流混合，码流分析的主要功能是分析压缩后的原始视频码流，记录每个关键数据块在码流中的起始位置和长度信息；置乱的主要功能是使用伪随机序列产生的置乱矩阵将提取的关键数据块进行置乱；码流混合的主要功能是按照置乱后的顺序将提取的关键数据块还原至提取位置和那些非关键数据混合作为加密后的视频码流输出。

9、如权利要求1所述的视频信息的动态随机置乱加解密方法，其特征在于：视频信息解密方法由三部分组成，码流分析、反置乱和码流混合，码流分析的主要功能是读取分析经过置乱加密后的视频码流，记录每个置乱后的关键数据块在码流中的起始位置和长度信息；反置乱的主要功能是使用伪随机序列产生的反置乱矩阵将置乱的关键数据块进行反置乱；码流混合的主要功能是将反置乱后复原的关键数据块还原至提取位置和那些非关键数据混合作为解密后的视频码流输出。

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