CN103607272A - 一种视频加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频加密方法，所述方法采用双线程，一个线程用于产生另一个线程所需的批量密钥，另一个线程对前一个线程产生的批量密钥，对P帧的I块、B帧的I块以及I帧进行多密钥加密；均采用如下方法进行加密，包括：（1）将加密明文分隔成多个模块；（2）将模块分为奇数块和偶数块；（3）将奇数块分为奇数块奇数队列明文Odd和奇数块偶数队列明文Even；（4）获取奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left和奇数块奇数队列的右半部分密文E_right；（5）合并奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left和奇数块奇数队列的右半部分密文E_right得到密文奇数块E_Odd；（6）将偶数块和密文奇数块E_Odd按位异或得到密文偶数块E_Even；（7）密文奇数块E_Odd和密文偶数块E_Even即为加密后的密文。

Description

一种视频加密方法

技术领域

本发明属于加密技术，具体讲涉及一种视频加密方法。

背景技术

会议视频传输为多媒体信息传输业务的重要部分，技术日趋成熟，已成为人们进行政治、商务、文化交往的重要工具。其方便快捷的通讯方式，大大降低了会议成本，节省时间以及提高办事效率。

网络的共享特点决定了信道的不安全性，如非授权用户恶意监听、传输信号丢包、网络病毒攻击造成会议中断等，这些问题使得视频流保密性、可靠性、稳定性受到了严重考验。此外，会议视频的特点是随着与会人数的增加，视频流量会成平方级的增长。

如何针对H.264格式的视频，设计满足会议视频这种大流量、高实时性需求的加密算法是多媒体安全领域的一项重要的内容，具有很高的学术研究价值和广泛的应用前景。

目前，根据加密算法与压缩编码过程关系的不同，可以将算法分成完全加密算法、选择性加密算法、以及将加密过程和编码过程相结合的加密算法。

如图1所示，完全加密算法即是对整个传输的视频流，不考虑任何视频数据的特性，根据各种加密算法实现，加密过程和压缩编码过程完全独立，但是其缺点是加密复杂度过大。

因此Qiao和Nahrstedt（Qiao L，Nahrstedt K.）在1997年提出一种称作VEA（VideoEncryption Algorithm）的视频加密算法，尽管是将视频数据当作二进制流进行直接加密，但是它将加密复杂度降为接近原来的一半，同时保持了较高的安全性。Tosun和Feng（Tosum AS，冯W C.轻量级无线视频传输安全机制研究）在此基础上将算法作了改进，使计算复杂度又降低近一半，并用于无线多媒体传输网络中。其它典型的直接加密算法有Romeo等提出的称作RPK的视频加密方法以及Wee和Apostolo-Poulos提出的适用于流格式视频数据的分层加密方法。此外，还有诸如混沌加密算法，它采用斜帐篷映射、Logistic映射、映射等3种混沌映射构造混沌整数序列产生器，并将产生的序列与视频数据做异或运算，产生的结果即为加密的密文。

即使在完全加密算法基础上做了以上诸多改进，也无法适用会议视频大流量、高实时的需求。

如图2所示，选择加密算法，也称部分加密算法，它采用传统加密算法如对称密钥，将视频数据看成普通的二进制数据直接进行加密，而不考虑任何视频数据的特性，加密过程和压缩编码过程完全独立。

要保持加密后数据流的相容性，就要保持加密后数据格式信息和控制信息不变，而只加密实际数据，这类方法都属于选择性加密方法。Tang早在提出对DCT数据置乱的方法。Tosun等对其作了改进，但是Qiao等通过分析和实验表明，采用随机置乱方式代替“之”字型扫描，不但大大地降低了压缩比，而且使得密码***不能抵抗已知明文攻击。因此，不能够单独的使用此类算法来加密。此外，典型的选择性加密还有加密DCT系数的符号和运动向量的符号、频率域数据置乱和符号加密相结合等方法，分别有众多学者对其进行研究。

除了直接加密算法和选择性加密方法以外，具有压缩编码功能的加密算法也是近年来提得颇多的算法，它将编码过程和加密过程相结合，使得二者同时进行。Wen等提出了使用定长编码FLC和变长编码VLC同时进行加密的方法。Wu和Kuo指出选择性加密不能保持压缩比不变，并提出了采用多种Huffman树（MHT）的加密方法。作者指出，在使用熵编码的视频编码格式中，可以采用多种熵编码的统计模型，通过密钥控制模型的选择来实现视频编码过程中的加密。

数据加密时通信双方需要进行密钥协商，传统的视频传输一般是使用由视频信息宿主向对方更换与分配密钥来进行流加密，这对于单对单的传输是可行的，但是对于参与者众多的视频会议来说这样的相互传输密钥信息量会很大，虽然国内外都提出了很多种密钥分配方法，但尚未形成统一的规范。

H.264在H.263以及MPEG1/2/4视频编码协议优点上进行改进，它保留运动补偿和变换编码等技术的同时引入了类DCT整数变换等一系列的新技术，这些新特性使H.264比以往的视频压缩标准具有更高的压缩效率和更强的网络友好性，但同时也增加了H.264的编解码复杂度，其在比MPEG-4提高约50％压缩效率的同时，增加了十几倍的计算复杂度。而基于H.264的视频会议更因由多方参与，数据传输量以及加解密和编解码的时间随参与人数的增加成线性倍数增加。因此为了满足实时应用的要求，必须在其计算复杂度和编码效率之间取一个折衷。

MPE的思想是通过选择对于重建图像较为重要的帧如I帧进行加密，然而，Agi和Gong表明由于帧间的相关性和P帧、B帧中有未加密的I-block，所以仅仅加密I帧不能达到一个令人满意的密级。因此，Tang（Tang Lei.有效的MPEG视频数据进行加密和解密方法研究）提出加密I帧的同时还应加密P帧的I块和B帧中的I块，但这样又增大了计算量。对于会议视频大流量、高实时的特性，大量的计算无法达到高实时的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种视频加密方法。本发明采用IDEA算法对视频进行加密，只加密P帧的I块、B帧的I块以及I帧总数据量的四分之一。本发明对使用双线程，一个线程用于产生另一个线程下次所需的批量密钥，另一个线程对前一个线程产生的批量密钥，对I帧进行多密钥加密。实现一次批次密来提高安全性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种视频加密方法，其改进之处在于，所述方法采用双线程，一个线程用于产生另一个线程所需的批量密钥，另一个线程对前一个线程产生的批量密钥，对P帧的I块、B帧的I块以及I帧进行多密钥加密；均采用如下方法进行加密，包括：

（1）将加密明文分隔成多个模块；

（2）将模块分为奇数块和偶数块；

（3）将奇数块分为奇数块奇数队列明文Odd和奇数块偶数队列明文Even；

（4）获取奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left和奇数块奇数队列的右半部分密文E_right；

（5）合并奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left和奇数块奇数队列的右半部分密文E_right得到密文奇数块E_Odd；

（6）将偶数块和密文奇数块E_Odd按位异或得到密文偶数块E_Even；

（7）密文奇数块E_Odd和密文偶数块E_Even即为加密后的密文。

优选的，所述双线程一个线程根据另一个线程生成的批次密钥，实现对当前的300帧图像进行加密。

优选的，所述步骤（1）包括将加密P帧的I块、B帧的I块以及I帧的明文分别分隔成以128位为一个单元的模块。

优选的，所述步骤（3）将奇数块分成奇数队列明文Odd=a₁a₃a₅…a₁₂₇和偶数队列明文Even=a₂a₄a₆…a₁₂₈。

优选的，所述步骤（4）包括对奇数块奇数队列明文Odd采用IDEA算法加密得到奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left；奇数块奇数队列的右半部分密文E_right为奇数块偶数队列明文Even和奇数块奇数队列明文Odd按位异或的结果，即E_right=Odd⊕Even。

优选的，所述步骤（5）包括将奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left和奇数块奇数队列的右半部分密文E_right合并成128位的密文奇数块E_Odd。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1、本发明将整个加密的代价减少到原来P帧的I块、B帧的I块以及I帧总数据量的四分之一，同时维持了较高的安全性。

2、本发明在加密算法上，本发明不同于Tang提出的使用DES加密算法，而是使用IDEA算法，该算法被证明比DES更快速更安全。

3、本发明对最重要的I帧，采用线路时钟同步机制，使用定时每次产生一批密钥的思路对其进行加密。由于每次生成的批量密钥与帧的加解密采用多线程，并不干扰加解密过程，在没提高算法的复杂度的前提下，大大提高安全性。

4、本发明即使部份密钥被获取，只要对图像重建影响最大的I帧的所有密钥没有被完全破解，还是无法完全恢复图像，从而使得安全性大大得到提高。

附图说明

图1为本发明提供的完全加密算法示意图。

图2为本发明提供的选择加密算法示意图。

图3为本发明提供的一种视频加密方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明在加密P帧的I块、B帧的I块以及I帧时，利用Tosun和Fen_g改进算法的原理，将P帧的I块、B帧的I块以及I帧的明文如图3所示：

分别分隔成以128位为一个单元的块，然后将奇数块分成奇数队列明文Odd=a₁a₃a₅…a₁₂₇和偶数队列明文Even=a₂a₄a₆…a₁₂₈两部分；

将奇数块分成奇数队列明文Odd采用IDEA算法加密得到奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left；同时另一半奇数块奇数队列的右半部分密文E_right为奇数块偶数队列明文Even和奇数块奇数队列明文Odd按位异或的结果，即E_right=Odd⊕Even。

接着将奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left和奇数块奇数队列的右半部分密文E_right合并成128位的密文奇数块E_Odd。

将相邻的偶数块和密文奇数块E_Odd按位异或得到密文偶数块E_Even，则E_Odd和E_Even即为加密后的密文。

这样整个加密的代价就减少到原来P帧的I块、B帧的I块以及I帧总数据量的四分之一，同时维持了较高的安全性。本发明不同于Tang提出的使用DES加密算法，而是使用IDEA算法，该算法被证明比DES更快速更安全。

根据H.264视频流的特点，将要加密的P帧的I块、B帧的I块以及I帧，分别使用不同的密钥进行加密，对其中最重要的I帧，使用多个密钥，轮流对数据块进行加密。

本发明使用两端同步的密钥发生器来实现一次一密，结合对I帧使用多个密钥进行加密的方式，创新性地提出采用一次生成一批次密的算法。考虑到每帧图像使用了多个密钥，而视频每秒要发送的图像多达30帧，这样大大增加了密钥发生器的负担。因此将密钥发生器产生密钥的频率减缓，比如隔300帧图像更换一组密钥。

两端的密钥发生器需要使用同步机制，一般采用在线路时钟的作用下，加、解密设备通过特征码序列获得相位的同步，从而保证密码序列的同步。以每帧附加一组特征码序列（一个密钥对应一个特征码，所以一组密钥需要一组特征码）为代价，在连续的300帧图像使用相同的一组特征码，从而实现连续300帧使用同一组密钥。

使用伪代码描述如下：

//全局变量

int timestamp=now（）；//当前时间的时间戳，由线路时钟控制

int key_i_total_num=10；//对I帧进行加密的密钥个数，可调

long long key_i[]；//加密I帧使用的密钥组

线程一：为下一组帧生成批次密钥，线程一和线程二有依赖关系，线程二使用的批次密钥由线程一提前产生，在线程二使用产生的密钥后，线程一继续产生下一批密钥

//为下一组帧生成一批密钥

GenIKeys_ForNext(key_i[],timestamp,key_i_total_num)；

线程二：根据线程一生成的批次密钥，实现对当前的300帧图像进行加密

//block[][16]为以128位为单元的块的数组，即要加密的数据块数据

//此处Encode函数按图2的加密方案实现

for(i=0；i<block_size；i++)

{

if(block[i]为P帧)

Encode(block[i],key_p,e_block[i])；

if(block[i]为B帧)

Encode(block[i],key_b,e_block[i])；

if(block[i]为I帧)

{

//此处对I帧使用10个密钥

key_i_cur=i%key_i_total_num；//第i个I帧要使用的密钥

Encode(block[i],key_i[key_i_cur],e_block[i])；

}

}

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种视频加密方法，其特征在于，所述方法采用双线程，一个线程用于产生另一个线程所需的批量密钥，另一个线程对前一个线程产生的批量密钥，对P帧的I块、B帧的I块以及I帧进行多密钥加密；均采用如下方法进行加密，包括：

（1）将加密明文分隔成多个模块；

（2）将模块分为奇数块和偶数块；

（3）将奇数块分为奇数块奇数队列明文Odd和奇数块偶数队列明文Even；

（4）获取奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left和奇数块奇数队列的右半部分密文E_right；

（5）合并奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left和奇数块奇数队列的右半部分密文E_right得到密文奇数块E_Odd；

（6）将偶数块和密文奇数块E_Odd按位异或得到密文偶数块E_Even；

（7）密文奇数块E_Odd和密文偶数块E_Even即为加密后的密文。

2.如权利要求1所述的一种视频加密方法，其特征在于，所述双线程一个线程根据另一个线程生成的批次密钥，实现对当前的300帧图像进行加密。

3.如权利要求1所述的一种视频加密方法，其特征在于，所述步骤（1）包括将加密P帧的I块、B帧的I块以及I帧的明文分别分隔成以128位为一个单元的模块。

4.如权利要求1所述的一种视频加密方法，其特征在于，所述步骤（3）将奇数块分成奇数队列明文Odd=a₁a₃a₅…a₁₂₇和偶数队列明文Even=a₂a₄a₆…a₁₂₈。

5.如权利要求1所述的一种视频加密方法，其特征在于，所述步骤（4）包括对奇数块奇数队列明文Odd采用IDEA算法加密得到奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left；奇数块奇数队列的右半部分密文E_right为奇数块偶数队列明文Even和奇数块奇数队列明文Odd按位异或的结果，即E_right=Odd⊕Even。

6.如权利要求1所述的一种视频加密方法，其特征在于，所述步骤（5）包括将奇数块奇数队列明文的左半部分密文E_left和奇数块奇数队列的右半部分密文E_right合并成128位的密文奇数块E_Odd。

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