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 PDFInfo
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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
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:
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;
(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:
(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:
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。
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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