CN107911715B - 一种基于cavlc编码的h.264/avc视频格式兼容加密方法 - Google Patents

一种基于cavlc编码的h.264/avc视频格式兼容加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法，该方法直接对压缩码流进行处理，先根据视频的分块信息对其进行分组，对其中的兴趣块和随机块进行加密，作为附加信息置于码流末尾，再部分加密剩余块中的数据，将其组织成一个新的分辨率稍小的视频；加上附加信息，得到加密码流。该方法加密了视频的时域、空域以及结构信息，减少了边信息泄漏，加强了对视频内容的保护。本发明方法能够为感兴趣区域提供专门的保护，能适应于不同的应用场景，同时，也保留了对加密视频进行检测处理的能力，可以为视频监控***、云存储等应用提供帮助。

Description

一种基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法
技术领域
本发明涉及多媒体信息安全领域，更具体地，涉及一种基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法。
背景技术
近年来，随着多媒体技术的发展，人们对于视频内容、隐私保护的相关技术越来越重视。相对于图片数据，视频数据具有体积大，图像帧之间相关性强等特点。通常来说，视频都是经过压缩编码，以方便存储和传输。这就使得视频上的加密技术与普通的加密技术有所不同，例如，通常在加密视频内容的同时，要保持其格式兼容性。如何兼顾安全性、格式兼容以及应用场景的其他需求，是视频加密技术一个挑战。
对于压缩视频码流来说，现有方法主要针对视频码流中的空域、时域相关参数进行加密。但如果从安全性的角度来考虑，这样的算法都存在着隐私泄露的风险。特别地，经过加密的媒体数据本身结构与加密前没有太大的区别。媒体数据自身的结构(块顺序、帧顺序等)附带了大量的边信息。这些未加密的结构信息，很有可能导致隐私泄露。由于经过压缩编码的媒体数据结构复杂，前后文往往具有高度相关性，并且不同的媒体数据格式所使用的编码标准不尽相同；同时，还需要考虑编码效率、加密时间等问题，对媒体数据的结构信息进行加密是一项艰巨的任务。加密空域、时域相关参数，提供了一种全局的轻量级保护；它不能满足不同应用场景对于感兴趣区域进行可控的调整，以及专门的局部保护的需求。此外，加密的视频往往用于云存储***等场景，需要保留对加密视频一定的处理能力。
基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法，根据CAVLC编码的特点，加密了H.264/AVC视频的时域、空域参数以及结构信息；同时，为感兴趣区域提供了专门的保护，提高了加密算法对隐私内容的保护能力；它也保留了对加密视频进行检测处理的能力，兼顾了视频处理与视频内容保护的两种需求。
发明内容
本发明提供一种基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法，该方法能够高效的对CAVLC编码的H.264/AVC编码的视频进行加密。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种H.264/AVC视频格式兼容加密方法，包括以下步骤：
S1：根据码流中分块信息，对视频进行分组；
S2：将感兴趣块、随机选择块分别进行加密；
S3：对剩余块使用部分加密；
S4：将S3生成的部分加密块组织为格式兼容的加密视频码流，其后是S2生成的加密块打包成的NALU。
进一步地，所述步骤S1的具体过程是：
S11：定位出视频中属于感兴趣区域的块位置，将这些块记为感兴趣块R，R中用Mp1记录位置信息；
S12：随机选择一些块，记为随机选择块S。在S中，使用Mp2记录位置信息。特别地，S中用skip块替代相应的R中的感兴趣块；
S13：剩余块记为O。
进一步地，所述步骤S2的具体过程是：
S21：利用AES-CFB对R中的所有比特进行加密；
S22：对于S中的数据进行部分加密，之后，利用AES-CFB对所有比特进行加密。
进一步地，所述步骤S3的具体过程是：
对于加密O中每个块：
S31：加密其帧内预测模式IPM；
S32：加密其运动向量残差MVD码字的后缀；
S33：加密其非零系数的后缀及其符号；
进一步地，所述步骤S4的具体过程是：
S41：将加密后的R中的数据打包为类型22的NALU；
S42：将加密后的S中的数据打包为类型23的NALU；
S43：重新组织加密后的O中的数据为一段视频，记为NVB，并重新计算NVB中参数集中的部分参数；
S44：将NVB中相关的原始参数及R、S中相关的参数集记为P，将其完全加密后，打包为类型17的NALU；
S45：将这些NALU置于NVB的码流之后，从而得到加密后的视频码流。
进一步地，该方法能够根据需求选择感兴趣区域进行加密，同时，可以利用部分密钥，进行加密视频的检测处理，具体过程是：
S51:解密NALU类型为23的NALU中的内容，得到部分加密的随机选择块
Figure BDA0001478003080000031
S52:解密NALU类型为17的NALU中的内容，得到部分加密的原始参数
Figure BDA0001478003080000032
S53:根据Mp2从
Figure BDA0001478003080000033
以及部分加密的剩余块
Figure BDA0001478003080000034
恢复出具有原始视频结构的视频。在这个视频中，感兴趣块所在区域信息已经由skip块代替，以用于检测处理。
对应的解密方法具体过程是：
S61:依次解密NALU类型为17，23中的NALU中的内容，得到随机选择块S和原始参数P；
S62:解密NALU类型为22中的内容，得到感兴趣块R；
S63:解密NVB中的内容，得到剩余块O及其他参数；
S64:根据Mp1，Mp2恢复原始视频结构，利用解密后的数据进行后续解码工作。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明方法针对CAVLC编码的H.264/AVC视频，先对视频进行格式兼容部分加密，再对感兴趣区域进行完全加密，为感兴趣区域的内容提高了更好的保护。同时，加密了视频结构信息，减少了边信息泄漏导致视频内容泄漏的风险。此外，该方法能够根据不同的应用场景选择不同的感兴趣区域，更适应于实际应用拓展；同时利用多个密钥，使得能够在敏感信息***漏的情况下，保留对加密视频的检测处理能力，从而可以为视频监控***、云存储等应用提供帮助。
附图说明
图1是采用本发明方法的基本流程图；
图2是采用本发明方法实现加密的框架图；
图3是采用本发明方法密钥的构成图；
图4是采用本发明方法加密的视频帧的例子。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1，为本发明方法中基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密的流程图。其中加密的实现框架如图2所示，先对感兴趣块和随机选择块进行加密，将其作为附加信息，置于经过部分加密的剩余块之后，得到经过加密的视频码流。其具体步骤如下：
(1)对视频数据进行分组，具体的，按照以下方式对视频的块数据进行分组：
①根据不同应用场景选择不同的检测算法，例如人脸检测，定位出视频中属于感兴趣区域的块，将这些感兴趣块的集合记作R；此外，在R中用Mp1记录感兴趣块对应的位置信息。具体地
Mp1是由0，1组成的序列，其中1表示视频中对应位置的块为感兴趣块，0则表示视频中对应位置的块为非感兴趣块。
R可以表示为如「Mp1，……，0，ri，0，……」的形式，其中0为间隔符，ri表示一个感兴趣块。
②随机选择一些块，记其集合为S；在S中，用Mp2记录由哪个集合获取原始视频块的信息；为了能够在***漏感兴趣块内容的情况下恢复出原始视频结构，以用于检测处理，S中用skip块替代相应的R中的感兴趣块；因此，S中既包含原本即为skip的块，也包含用于替代感兴趣块的skip块。具体地，
Mp2可以表示为由0，1组成的序列，其中1表示对应块为在S中，0则反之。
S的一个例子可以是「Mp2，……，0，si，0，skip，0，……」，其中0为间隔符，si表示一个随机选择块，skip是一个跳过宏块(I帧中用另一个随机选择块代替)，skip用于替代对应位置的感兴趣块，使得视频能够使用恢复部分边信息用于检测处理操作。
③将剩余块的集合记为O。
(2)对R和S进行加密：
①对于R中的数据，利用AES-CFB、密钥K3，对每一个比特都进行加密，得到FE{R}，其中FE{}表示对其中所有比特利用AES-CFB进行加密；
②对于S中每一个块中的数据，利用部分加密算法(具体方法见步骤(3))、密钥K1进行加密，得到
Figure BDA0001478003080000051
之后，再利用AES-CFB、密钥K2，对所有比特进行加密，得到
Figure BDA0001478003080000052
(3)对O进行部分加密，密钥为K1，其中，对CAVLC编码的部分加密方法如下：
①加密帧内预测模式IPM，其中
Intra_16×16的加密方法为：Intra_16×16的预测模式有4种，编码在宏块类型的码字的最后一个比特中，因此，加密宏块类型mb_type对应的码字的最后一个比特；
Intra_4×4的加密方法为：Intra_4×4的预测模式有8种，利用最有可能模式MPM进行编码。标识符为1，表示预测模式即是最有可能模式MPM。如果最有可能模式MPM标识符为0，则后缀的三个比特用于表示预测模式与MPM的差别；加密这三个比特不会影响格式兼容，因此，选择这后缀的三个比特进行加密。
②加密O中每个块的运动向量残差MVD码字的后缀，具体地：
采用CAVLC编码的H.264/AVC中，MVD使用了指数哥伦布码EG0进行编码。指数哥伦布码可以表示成「前缀0后缀」的形式，其中前缀由全1的比特组成，表示组别；后缀表示编码的参数在该组中的偏移量以及相应的符号信息。加密EG0码字的后缀不会改变格式兼容，因此，选择MVD码字的后缀进行加密。
③加密O中每个块的非零系数的幅值及其符号，具体地：
采用CAVLC编码的H.264/AVC中，经过变换、量化、预测等编码之后的残留系数，使用如下的形式：
「非零系数的数目，拖尾系数的数目，拖尾系数的符号，除拖尾系数外的非零系数的幅值，最后一个非零系数前零的数目，每个非零系数前零的数目」。
其中非零系数的幅值使用EG0进行编码。类似的这些EG0码字的后缀，即是用于加密的比特。此外，用于编码非零系数、拖尾系数符号的比特，也是需要进行加密的比特。
(4)将(2)生成的加密块打包，与(3)生成的部分加密块重新组织为格式兼容的加密视频码流。
①将R中的数据，打包为类型22的NALU；
②将S中的数据，打包为类型23的NALU；
③将O中的数据，重新组织为一段视频，记为NVB，重新计算NVB中参数集中的部分参数，具体地有如下类型的参数：
a.视频的高与宽参数，替换成NVB的大小；
b.视频片头中关于片中第一个宏块所在地址信息的参数，替换成NVB中的地址；
c.NVB中边缘宏块的帧内预测模式IPM，替换为不需要从超出NVB中图像范围的像素预测的模式；
d.MVD根据NVB中的预测运动向量PMV由公式MV＝PMV+MVD重新计算。
④将NVB中相关的原始参数及R、S中相关的参数集记为P，完全加密后打包为类型17的NALU；
⑤将这些NALU置于NVB的码流之后，得到加密后的视频码流。
(5)该方法能够根据需求选择感兴趣区域进行加密。同时，为视频提供多层次的保护，其密钥构成如图3所示。利用部分密钥，可以恢复出除了感兴趣区域之外的部分信息，用于做加密视频的检测处理。其中，使用部分密钥恢复原始视频结构信息用于处理的的流程如下：
①利用密钥K2解密NALU类型为23的NALU中的数据，得到部分加密的随机选择块
Figure BDA0001478003080000061
②利用密钥K2解密NALU类型为17的NALU中的数据，得到部分加密的原始参数
Figure BDA0001478003080000062
③根据Mp2从
Figure BDA0001478003080000063
以及
Figure BDA0001478003080000064
恢复出具有原始视频结构的视频，用于检测处理。
(6)完全解密过程为加密的逆过程，其具体流程如下：
①利用密钥K2、K1依次解密NALU类型为17，23中的数据，得到随机选择块S和原始参数P；
②利用密钥K3解密NALU类型为22中的数据，得到R；
③利用密钥K1解密NVB中的内容，得到剩余块O及其他参数；
④根据Mp1，Mp2恢复原始视频结构，利用解密后的数据进行后续解码工作。
本发明方法的原理如下：
本方法对预处理提取出的感兴趣区域中的所有比特进行加密，对其他区域进行部分加密，从而为感兴趣区域提供了专门的保护。本方法结合了逐比特加密和部分加密，为视频内容提供了多层次的密钥，使得本方法能在***漏感兴趣区域信息的情况下，利用部分密钥进行检测处理。同时，本方法加入了随机选择块，重新组织了视频块信息，使得加密后的视频码流结构与原始视频码流结构具有极大的差异，能够更好地防止边信息泄漏，保护视频内容。
利用本发明方法进行实验的结果：
以352×288的视频为例，部分结果如图4所示：
其中，左边的图像为原始视频帧，右边的图像为加密后的视频帧。可以看出，我们的算法可以很好地保护视频内容。详细的结果如下表所示:
Figure BDA0001478003080000071
其中，用于测试的每段视频为300帧，采用的是JM18.6参考代码，IR为残留信息，LSD为局部方差，ES为加密空间。通过表1可以看到，本发明方法加密后的视频IR非常小，LSD很大，即达到了较好的视频内容保护效果。同时，加密空间占整个参数空间的比率超过了62％，比起现有的加密(20％)，能够更好地对抗暴力破解，保护视频内容。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据码流中分块信息，对视频进行分组；
S2：将感兴趣块、随机选择块分别进行加密；
S3：对剩余块使用部分加密；
S4：将S3生成的部分加密块组织为格式兼容的加密视频码流，其后是S2生成的加密块打包成的NALU；
所述步骤S1的具体过程是：
S11：根据不同应用场景选择不同的检测算法，定位出视频中属于感兴趣区域的块，将这些感兴趣块的集合记作R；此外，在R中用Mp1记录感兴趣块对应的位置信息；
S12：随机选择一些块，将其集合记为S；S中用Mp2记录位置信息；此外，在S中用skip块替代相应的R中的块，用于加密视频处理操作；
S13：将剩余块记为O。
2.根据权利要求1所述的基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程是：
S21：对于R中的数据，利用AES-CFB对其中的每一个比特进行加密；
S22：对于S中每一个块中的数据，进行部分加密后，再通过AES-CFB对所有比特进行加密。
3.根据权利要求2所述的基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程是：
S31：加密O中数据的帧内预测模式IPM；
S32：加密O中数据的运动向量残差MVD码字的后缀；
S33：加密O中数据的拖尾系数符号，非零系数的后缀及其符号。
4.根据权利要求3所述的基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法，其特征在于，所述步骤S4的具体过程是：
S41：将加密后的R中的数据，打包为类型22的NALU；
S42：将加密后的S中的数据，打包为类型23的NALU；
S43：将加密后的O中的数据，组织为一段新的视频，记为NVB，重新计算NVB中参数集中的部分参数；
S44：将NVB中需要重新计算的参数的原始值及R、S中相关的参数集记为P，完全加密后打包为类型17的NALU；
S45：将类型为17，22以及23的NALU置于NVB的码流之后，生成加密后的视频码流。
5.一种恢复边信息用于检测处理的方法，该方法处理权利要求4所述的基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法所生成的加密后的视频码流，其特征在于，所述恢复边信息用于检测处理的方法是：
S51:解密NALU类型为23中的数据，得到部分加密的随机选择块
Figure FDA0002867023550000011
S52:解密NALU类型为17中的数据，得到部分加密的原始参数
Figure FDA0002867023550000012
S53:根据Mp2从
Figure FDA0002867023550000013
以及
Figure FDA0002867023550000014
恢复出具有原始视频结构的视频，这个视频用于检测处理，
Figure FDA0002867023550000015
为部分加密的剩余块。
6.一种解密方法，该方法解密权利要求4所述的基于CAVLC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法所生成的加密后的视频码流，其特征在于，所述解密方法是：
S61:解密NALU类型为17，23的NALU中的数据，得到随机选择块S和原始参数P；
S62:解密NALU类型为22的NALU中的数据，得到感兴趣块R；
S63:解密NVB中的数据，得到剩余块O及其他参数；
S64:根据Mp1，Mp2恢复原始视频结构，利用解密后的数据继续进行解码。
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