基于高级加密标准的视频加密方法

技术领域

本发明是一种基于高级加密标准适用于付费电视、视频点播、网络视频等在互联网络和无线环境条件下，对一些重要程度较低的视频内容进行保护传输的视频加密方法。

背景技术

随着信息技术的发展和社会的不断进步，人类对信息获取的需求越来越丰富。而多媒体信息已成为人类获取信息的主要载体，因此多媒体信息的编码、传输等技术成为人们研究的热点。其中，数据量最大的是数字视频数据，所以，视频压缩技术是多媒体技术的关键。

国际标准化组织ISO的运动图像专家组MPEG(Moving Picture ExpertsGroup)是专门为数字视/音频制定压缩标准的专家组，目前已经提出MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21等视频压缩标准。

MPEG-4(ISO/IEC 14496，IEC是国际电工委员会的简称)是基于对象的交互式多媒体数据处理国际标准。它摆脱了将视频序列仅仅看成是矩形视频帧集合的传统观点，将视频序列看作是一个或者多个视频对象的集合。视频对象(VO)是持续任意时间的、任意形状的视频场景区域。

视频对象平面VOP是视频对象在某一时刻的采样。按照VOP的概念，输入视频序列的每一帧都可分割成许多任意形状的图像区域(视频对象面)，每块区域内可以包含特定的图像或感兴越的视频内容。VOP的编码有三种模式，即帧内编码模式I-VOP、帧间预测编码模式P-VOP、帧间双向预测编码模式B-VOP，MPEG-4采用这三种帧格式来表征不同的运动补偿类型。

在现有的视频编解码系统中，人们通常采用三种方式来实现压缩算法：其一是纯硬件方式，即采用专用芯片来实现图像的编解码，此种方式实现的编解码系统实时性好、压缩率高、图像质量也好，缺点是一旦编解码方案固定，就无法对其进行升级与更新，且这种系统造价成本很高；其二是基于普通PC处理器的软件方式，但是其压缩速度受限，在实时性要求高的视频编解码系统中难以实现一些较为复杂的算法，造成图像质量差、时延长、帧率低。但此方案具有灵活、软件易升级、造价低等优点；其三是基于通用数字信号处理的软件实现方式。此种方式利用DSP的高速信号处理功能，高速运行使用软件实现的编解码算法，大大缩短了编解码时间，并且由于软件和硬件具有相对独立性，系统具有易升级、算法易更新的优点。随着近几年通用DSP性能的不断提高，价格的逐步降低，导致以DSP为核心加上适当的外围部件所形成的视频编解码系统成为主流。

离散余弦变换(DCT，Discrete cosine Transform)是与傅里叶变换一样有明确的物理量意义的一种变换，任何连续的实对称函数的傅里叶变换中只含余弦项。变换时首先将整体图像分成N×N像素块，然后对这些像素块逐一进行DCT变换。由于一个图像块经过DCT变换以后得到的系数，其能量主要沿主对角线分布，且主要能量集中在左上角。这是因为在一幅图像中像素之间亮度和色差信号变化缓慢，大部分区域变化不大，亮度突变部分只占少数，在8×8子块中，像素之间相关性很强，远离直流系数的高频交流系数大多数为零或趋于零。左上方各系数值的平方反映了图像的低频能量，右下方各系数值的平方反映了图像的高频能量，即图像细节。根据这个特点，只需对能量集中的DC系数进行加密，就可以在一定程度上掩盖图像效果。因此，似乎可以得到在对MPEG-4视频加密时，只对I-VOP中每个块的DC系数进行加密就可以掩盖整个I-VOP的图像效果，继而利用P-VOP、B-VOP与I-VOP间的时域预测关系就可以实现整个MPEG-4视频序列的加密。然而，由于P、B帧中存在部分以Intra方式编码的块，因此仅仅对I帧中的DC系数加密将得不到令人满意的加密效果。AES变换，是由轮函数通过多轮迭代实现的，根据密钥长度的不同，轮函数的迭代次数也不一样，对应于128位、192位、256位3种密钥长度，迭代次数分别为10、12、14轮。轮函数的构成包括非线性变换、扩散和密钥调度等元素。非线性变换的目标就是通过较小较简单的非线性元素得到大的复杂化的非线性构件。在轮函数的每一轮迭代中，包括四步变换，分别是：1)字节代换，用一个S盒完成分组中按字节的代换；2)行移位，一个简单的置换；3)列混淆，一个利用在域GF(2⁸)上的算术特性的代换；4)轮密钥加，利用当前分组和扩展密钥的一部分进行按位异或。其作用就是通过重复简单的非线性变换、混合函数变换，将字节代换运算产生的非线性扩散达到充分的混合，使加密后的分组信息统计特性分布更均匀，在每轮迭代中引入不同的密钥，这样便以最简单的运算代价得到最好的加密效果，实现加密的有效性。

一个分组密码以固定尺寸的n比特分组来加密明文(如n＝64或128)。对于超出了n比特的消息，最简单的方法是将消息分成n比特的分组，然后分别进行加密。这种ECB模式(电码本模式)在绝大多数的应用中都有缺陷，由此促发产生了分组密码加密长消息的其他方法(操作模式)。最常用的四种模式为ECB(电码本)，CBC(密码分组链接)，CFB(密码反馈模式)和OFB(输出反馈模式)。

输出反馈模式适用于必须避免错误传播的应用领域。与CFB类似，它可加密各种尺寸的分组，但不同的是，作为反馈的是加密分组函数E的输出，而非密文。

在MPEG-4视频中，为了提高压缩性能减少发送数据量，P-VOP、B-VOP中的Intra块和I-VOP中块的DC系数都要先经过预测，所以真正发送到码流中的只有预测后的差分值，因此只需对DC差分系数进行加密即可。但是由于DC系数的差分值通常只有几个比特，因此要利用对称分组加密算法，如DES或者AES，有两种方法：1)等待要加密的数据，直到凑齐一个分组大小；2)采用对称加密算法的密码反馈模式(CFB)或者输出反馈模式(OFB)。对于前者，由于需要等待数据填充满一个分组，因此将增加编解码延时，特别是使用AES加密时，分组大小至少为128位。因此考虑采用后者这种具有流密码特性的加密方式，而且对于OFB模式，由于其用于异或运算的加密密文在本地产生，不受信道误码的影响，因此相对于CFB模式不会导致错误传播。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种具有开销小、能对MPEG-4视频进行一定的保护、有一定抗误码传播能力等特点的基于高级加密标准的MPEG-4视频加密方法。该方法适用于付费电视、视频点播、网络视频等在互联网络和无线环境条件下，对一些重要程度较低的视频内容进行保护传输的视频加密方法。

技术方案：本发明是一种利用高级加密算法的输出反馈OFB模式对MPEG-4视频中帧内编码模式(I-VOP)中的DC差分系数和帧间预测编码模式(P-VOP)、帧间双向预测编码模式(B-VOP)中intra块的DC差分系数进行加密的方法。

该方法包括如下步骤：

第一步：对视频编码进行处理使之在定点数字信号处理器软件开发工具包平台上实现，具体对视频编码处理步骤如下：

11)代码编译与移植：对双精度类型数据改用长整型类型数据，对程序代码中的printf指令调试信息和浮点计算用条件编译指令关闭，并且重新编译；

12)项目级编译器优化：利用编译器界面选项调用最高级别的软件流水线、软件流水线循环反馈，增大软件编译成数字信号处理代码的并行性；同时对代码段链接顺序作安排，减少程序执行时代码调用带来的缓存缺失，提高程序的执行效率；

13)存储器优化：将1兆字节存储空间的存储器分为256千字节的第二级高速缓存存储器和768千字节的第二级静态随机存取存储器两部分，将常用的数据和代码放在片内存储器第二级静态随机存取存储器上，将外部同步动态随机存储器设定为可高速缓存以提高访问效率；

14)高速缓存存储器缓存优化：第一级程序高速缓存的行大小为32位采用直接映射结构，第一级数据高速缓存的行大小为64位采用双路组联想结构以提高循环步长值，中央处理器的取指访问命中第一级程序高速缓存，单周期返回需要的取指包；若没有命中第一级程序高速缓存，命中的是第二级存储器，执行包的并行度和流水节拍决定中央处理器被阻塞的周期，否则中央处理器被阻塞到第二级存储器从外部存储空间取得相应的取指包，送入第一级程序高速缓存后，再送入中央处理器，存放数据或分配内存时采取双字对齐，来减小因缓存缺失导致的中央处理器阻塞情况发生；

15)进行代码优化：使用图像处理函数库，该函数为手工编排流水线的汇编代码，

改写C代码：为了便于数字信号处理编译器进行数据打包处理，对程序中的循环操作四重展开，以提高流水效率，对于迭代次数在编译时刻未知的循环，利用位运算进行展开，使得编译器使用数据打包技术进行流水处理，

使用线性汇编：C64x系列数字信号处理在视频编码器中，半像素插值时使用dotpu4、subabs4指令计算绝对误差和；SPACK2指令用于图像重建；进行运动估计时在参考图像帧中进行像素值读取的LDNDW指令，解决参考图像中数据不满足双字对齐的问题；

数据搬移：利用芯片支持库提供的使用直接内存存取进行内存数据传送的函数和采用多通道的增强型直接存储器存取，实现图像数据搬移，对同步动态随机存储器中的待搬移数据在第二级高速缓存存储器中存在副本，数据搬移前，对第二级高速缓存存储器和同步动态随机存储器中的待搬移数据进行一致性操作，避免程序运行出错。

第二步：对视频用高级加密标准的输出反馈模式进行加密：对视频中的帧格式进行判断，如果视频对象平面是帧内编码模式，则对8×8块的直流差分系数使用的高级加密标准输出反馈模式进行加密；否则，如果视频对象平面是帧间预测编码模式和帧间双向预测编码模式中的内部编码宏块，则对宏块中块的直流差分系数使用高级加密标准的输出反馈模式进行加密。

第三步：对加密视频进行发送和解密步骤如下：

31)客户端发送会话建立请求；

32)服务器端收到会话建立请求后验证客户的合法性，如果验证通过，则利用客户端的公钥对高级加密标准密钥和初始矢量进行加密，然后发送给客户端，如果是非法用户则中断请求；

33)收端利用其自身的私钥，对收到的密文进行解密，得到高级加密标准密钥和初始矢量，然后发送确认消息；

34)收到客户端确认消息后，服务器端使用对应的高级加密标准密钥和初始矢量对视频进行加密和编码并发送，收端则利用高级加密标准密钥和初始矢量对视频流进行解密和解码。

该方法第三步中的步骤32)、步骤33)、步骤34)的高级加密标准为输出反馈模式用于给定比特的明文分组和初始向量，计算分组密文的输出。

有益效果：

(1)通过图6-图13对比得到的加密和解密视频帧可以看出，加密视频帧已对原始的视频图像产生了掩盖作用，原有视频图像中的信息已不可辨识。

(2)本发明具有开销小的特点，从而不会影响MPEG-4视频编码器的实时工作。

(3)由于算法对I-VOP的DC差分系数和P-VOP、B-VOP的Intra块的DC差分系数进行了加密，改变了这些参数的值，导致熵编码器的输入同原有的先验统计概率不一致，因此导致MPEG-4视频压缩率下降，压缩文件变大。表1给出了加密对于压缩文件大小的影响，此时MPEG-4视频编码器设置为：码率256Kbps，帧率30f/s，I-VOP更新间隔为5，即进行IPPPP...IPPPP...IPPPP的编码方式。由于加密数据主要分布在I-VOP内，因此在MPEG-4视频编码器设置相同的情况下，加密的影响同编码器设置的I-VOP更新间隔有关，间隔越小，I-VOP数量越多，压缩文件变化越大。

表1  加密对于压缩文件大小的影响

(4)为了评估此算法在OFB模式下误码对解码器端正确解密解码的影响，在MPEG-4视频编码器输出码流中有选择地改变某些特定位以仿真信道误码对码流的影响，由于本发明仅仅涉及了DC差分系数的加密，因此可将误码的发生仅限制于DC差分系数。编码器设置为：码率为512Kbps、帧率为30f/s、I帧更新间隔为6帧、无B帧，即编码方式为IPPPPPIPPPPPI......。

以news序列(一种低码率测试序列)为例，在第一个I-VOP中更改最后两个宏块的DC差分系数，以仿真传输信道发生随机误码。这时，在解码器端(解密后)得到的对应图像效果(图14)变差。又由于后续P-VOP和B-VOP是建立在此I-VOP的预测上的，因此导致在下个I-VOP到来前的所有图像劣化。然而在第二个I-VOP到来时，由于OFB模式下反馈的密文是由解码器侧本地产生的，因此能对该I-VOP正确解密和解码(图15)。而在CFB模式下，由于移位寄存器利用的是AES加密密文与明文异或后的单元进行反馈填充的，而解码器端收到的密文已被损坏，因此在CFB模式下，第二个I-VOP也不能正确解密和  解码，导致错误在视频序列中传播。

本发明较为有效地抵御误码条件下的错误传播现象。

然而，需要指出的是，倘若误码只局限于发生在第一个I-VOP中的前几个块的DC差分系数上，将导致该图像帧质量的迅速劣化。这是因为尽管只有少数块的DC差分系数发生错误，但是由于帧内后续块的DC系数都与该块DC系数有一定的预测关系，所以导致整个图像帧的劣化。但此时算法如果基于CFB模式，由于该模式也是自同步的，只需要[n/r]个密文分组就能恢复，因此可能(依赖于误码发生的位置)在第二个I-VOP到来前CFB模式的移位寄存器就已经恢复为正确的填充值，这样第二个I-VOP也能正确解密。但基于OFB模式的算法却没有此依赖性，始终将误码对解密的影响区域限制在误码发生的块中。

由此可见，利用AES的OFB模式对MPEG-4视频码流进行部分加密将较为有效地抵御误码条件下的错误传播现象，因此本发明可在互联网络、无线网络等易错环境下工作。

(5)抗攻击性能分析：由于视频文件的特殊性，即使未能获知全部的明文仍可由加密文件得到部分视频信息。由于本发明加密的对象为I-VOP的DC差分系数，以及P-VOP和B-VOP中Intra块的DC差分系数，因此攻击者可以截获整段经过此算法加密的MPEG-4视频码流，将加密的DC差分系数对应的码字篡改为零系数对应的码字，然后用MPEG-4解码器进行解码。下面分析对此算法的攻击实验和结果。

实验是基于QCIF格式的Container序列和CIF格式的Highway序列(Container序列、Highway序列、news序列、Akiyo序列和foreman序列都是测试序列，测试序列是MPEG选取的一组有代表意义的视频，一般大家测试效率的时候统一使用这个，以便比较效果)，MPEG-4视频编码器的设置为：码率为512Kbps、帧率为30f/s、I帧更新间隔为6帧，有B-VOP，编码方式为

IBPBPB...IBPBPB......。采用上述攻击方法将密文篡改后进行MPEG-4视频解码即得到攻击后的视频帧。部分攻击效果如图5所示(左图为container序列，右图为highway序列)。由此可见，经过攻击后，视频图像基本不泄露，攻击者不能获得有用的视频图像。

(6)本发明的应用场合分析：尽管我们提出的算法基于高级加密标准AES，而AES可有效地对抗已知所有攻击，因此完全获知整个视频文件明文几乎是不可能的。但是，由于视频文件的特殊性，即使未能获知全部的明文仍可由加密文件得到部分信息，因此，用此算法对军事、经济和政治敏感性的视频进行加密是不安全的。

然而，有些视频内容只能维持短时间的高价值，一段时间过后就会变得无用。因此采用一些代价高昂的高端加密算法对这些视频进行保护将是不经济的。此外，在有些应用领域，如付费电视、视频点播、网络视频等，它们往往对安全性要求不高，只需要对视频进行简单的掩盖，甚至希望只是视频质量的简单劣化，以此来吸引一些潜在的消费客户。而此算法由于其开销小并具有一定的安全性，而且若需完全获取高质量的视频图像则必须得到密钥等特点，因此可在网络视频等一些对安全性能要求不高的场合下进行应用。

附图说明

图1是本发明的加密方法制作流程。

图2是对MPEG-4编码加密的具体实现。

图3是MPEG-4编码软件优化流程图。

图4是输出反馈OFB模式框图。