基于CABAC的质量可控的H.264视频感知加密算法制造技术

本发明专利技术公开了基于CABAC的质量可控的H.264视频感知加密算法，密钥的生成和分配，利用2D超混沌系统生成流密码加密I帧、P帧和B帧相应的语法元素，并控制宏块的选择；加密视频质量控制，根据质量因子计算出需加密宏块的数目、选择需加密的宏块，并对MVD加密进行补偿；语法元素加密，使解码器无法判断当前系数是否为NC，无法精确重构残差图像。本发明专利技术的有益效果是具有更高的安全性，更适用的质量可控性及保持视频格式兼容性。

【技术实现步骤摘要】
基于CABAC的质量可控的H.264视频感知加密算法
本专利技术属于视频加密
，涉及基于CABAC的质量可控的H.264视频感知加密算法。
技术介绍
随着日常生活中视频信息交流的增多，视频信息的安全性问题变得日益突出。目前已经提出较多的视频加密算法，按照应用场合可以化为敏感视频加密和商业视频感知加密[1]。敏感视频加密对视频信息的安全性要求很高，需要对视频信息完全加密，非授权用户不能从加密视频中获取任何有用信息。其应用场合主要是机密的视频会议和可视电话，政府、军队和商业机密部门的视频信息传输和存储。关于这类加密算法叫做“完全可信”的视频加密算法[2]，即此加密算法具有很高的安全性，可以有效地抵抗各种视频加密攻击方案，例如传统的密码攻击、错误隐藏攻击、运动矢量恢复攻击等等。商业视频感知加密是通过对视频加密，在一定程度上扰乱原始视频信息，但是仍然能够获取部分视频信息，主要应用于网络付费视频点播、有线数字电视、远程网络课程等。其目的是使用户能够预览低清晰度的视频内容，如果用户有购买需求，则购买解密后的高清晰度版本。用户无需在购买后再次下载高清晰度的视频，可直接从本地低清晰度的视频解密直接获得高清晰度视频，节约了用户下载时间，降低了对互联网带宽的占用。感知加密算法要求是一种数据格式兼容的加密算法，这样用户可以使用标准解码器直接播放经过感知加密后的视频码流，而商家无需对解码器进行修改，降低商业成本。但是并不是所有算法都可应用于感知加密，大多数加密与压缩同步的算法经过适当的修改，都可以应用于感知加密。因为加密与压缩同步的算法大多都是数据格式兼容的加密算法。目前关于感知加密的算法较多，但是关于如何控制对视频的扰乱程度的加密算法较少。LiS等人[3]提出了一种基于MPEG的感知加密的算法，分别加密帧内DC系数、帧间非零DC系数的符号和运动矢量，该算法具有较快的加密速度和良好的感知加密效果，能够抵抗已知密文分析和已知明文分析，有较高的安全性。WANGL等人[4]设计了一种适合移动设备的感知加密算法，该算法具有运算简单、加密速度快等特点。通过预先定义的矩阵置乱语法元素Coded_block_pattern到语法元素CodeNumber的映射表、加密拖尾系数符号和加密非零系数幅值的后缀实现感知加密。其质量控制方法是根据质量需求的情况，采用不同的加密方法，加密后视频质量只能够阶跃地衰减，而非使加密后视频质量逐渐地衰减，不满足应用中对不同视频质量的需求。文献[3][4]都是通过将多种语法元素同时加密来取得较高的加密效果和保证较高的安全性，然而需要加密的数据量仍然偏大。AuYeungSK等人[5-10]提出了一系列感知加密算法。通过设计与H.264标准中性能相同的变换器代替标准中原始的变换器，达到感知加密的目的。ZhangX.Y等人[11]的方法是分别加密帧内4×4块的预测模式、加密MVD和加密残差系数DCT变化后的系数。尽管文献[11]提出的算法较为简单，但是在对加密语法元素的过程中，采用的是定长密钥加密，没有结合语法元素的特点选择相应长度的变长密钥，降低了密钥的利用率。同时[11]的质量控制方法是通过额外生成的随机序列决定当前宏块是否加密，虽然某种程度上增加了安全性，但是加大了密钥生成模块的时间开销。文献[11]还提到感知加密应具备的一些特征，有较强的参考意义。ShenH等人[12]通过加密I帧DCT低频系数幅值和P帧MVD前缀，实现感知加密。其质量控制方法是根据视频帧中宏块运动参考率的情况，选择加密宏块数目，以及是否对当前宏块加密来实现的。此种加密算法在计算宏块运动参考率中有较大的开销，不利于实时加密。AsgharM等人[13][14]认为感知加密应该满足对压缩率影响小、具有数据格式兼容性两个条件。根据这两个条件对H.264标准可加密位置进行分析，确定加密MVD的UEG3后缀、abs_level_minus1的UEG0后缀和非零系数(nonzerocoefficients，NC)的符号位。其优点是使用AES加密，避免了单一异或加密时存在的安全隐患。WangY等人[15]指出AsgharM等人[13][14]针对abs_level_minus1的UEG0后缀加密效果不好，这是因为abs_level_minus1的后缀值为0的情况高达99％。其提出的方法是加密MVD符号位、加密帧内预测模式和加密NC的符号位。此外还设计了三个质量因子控制加密强度。ShahidZ等人[16][17]提出的算法是加密NC的符号位，加密abs_level_minus1的UEG0后缀。其没有对明文简单的异或加密，而是将密钥与明文相加，之后进行模运算，使明文和加密后密文的比特数相同。该算法也存在WangY等人指出的问题。谢强等人[18]提出了二进制算术编码加密算法，在CABAC熵编码器的M编码器中引入伪随机操作，利用M编码器自身完成加密操作。该算法对码率影响较低，加密速度较快。如上所述，目前感知加密算法有三方面问题尚待研究解决：(1)缺乏一种算法可以通过调节质量控制因子，而使加密后视频质量逐渐地变化，即加密后视频质量能够通过质量因子的改变逐渐地增大或减小，而不是阶跃地衰减。文献[6][7]和[12]即使考虑到这一需求，也是通过质量因子控制宏块的加密数目来实现的，当加密宏块数目较少时，容易通过错误隐藏等方法恢复加密宏块，存在一定的安全问题。(2)没有考虑不同语法元素加密后对视频质量的影响情况，讨论哪些语法元素适合感知加密和适合何种强度的感知加密。(3)对不同语法元素加密时，没有结合语法元素的特点采用变长密钥，降低了密钥利用率。在对前人研究的基础上，本专利技术设计了一种基于CABAC的H.264视频快速的、质量可控的感知加密算法。利用ZhuH等人[19]的2D超混沌系统生成流密钥，并为每个加密单元分配流密钥。质量控制方法是利用质量控制因子p，使加密后的视频质量的扰乱程度随着p的增大而逐渐增大。受AsgharMN等人[14]启发，分析了哪些语法元素适合基于CABAC的感知加密且能较快地实施加密。加密方法上使用扩散加密方法，避免了直接异或加密存在的安全隐患。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于CABAC的质量可控的H.264视频感知加密算法，解决了现有的算法存在安全隐患的问题。本专利技术所采用的技术方案是按照以下步骤进行：步骤1：密钥的生成和分配，利用2D超混沌系统生成流密码加密I帧、P帧和B帧相应的语法元素，并控制宏块的选择；步骤2：加密视频质量控制，根据质量因子计算出需加密宏块的数目、选择需加密的宏块，并对MVD加密进行补偿；步骤3：语法元素加密，使解码器无法判断当前系数是否为NC，无法精确重构残差图像。本专利技术的有益效果是具有更高的安全性。附图说明图1是本专利技术基于CABAC的质量可控的H.264视频感知加密算法原理框图；图2是本专利技术Foreman视频序列非零系数(NC)占所有系数比例图；图3是本专利技术基于CABAC感知加密算法密钥分配方案；图4是本专利技术基于CABAC感知加密的效果图；图5是本专利技术基于CABAC感知加密的SSIM随质量因子p变化情况示意图；图6是本专利技术运动矢量差(MVD)加密补偿图；图7是本专利技术运动矢量差(MVD)数目比例图；图8是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于CABAC的质量可控的H.264视频感知加密算法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1：密钥的生成和分配，利用2D超混沌系统生成流密码加密I帧、P帧和B帧相应的语法元素，并控制宏块的选择；步骤2：加密视频质量控制，根据质量因子计算出需加密宏块的数目、选择需加密的宏块，并对MVD加密进行补偿；步骤3：语法元素加密，使解码器无法判断当前系数是否为NC，无法精确重构残差图像。

【技术特征摘要】
1.基于CABAC的质量可控的H.264视频感知加密算法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1：密钥的生成和分配，利用2D超混沌系统生成流密码加密I帧、P帧和B帧相应的语法元素，并控制宏块的选择；其中密钥的生成方法是，采用下列公式(3)根据初始密钥x和y，用步长为0.001的Runge-Kutta方法迭代2D超混沌系统N次，得到两个实数序列xi和yi(1≤i≤N)，其中N＝加密帧数χ每帧宏块数目，QCIF视频的宏块数目为99；为了得到随机性能更好的序列，保留生成的混沌序列的小数部分并删除整数部分，利用公式(4)使用小数部分生成密钥序列K＝{k1,k2,…,kN×4}，其中和分别表示对xi和yi下取整向下取整，序列{k4(i-1)+1|i＝1,2,…,N}是加密宏块MVD符号的子密钥；密钥的分配：根据加密的语法元素，将流密钥K分为四个部分，分别用于质量控制时选择加密宏块、加密MVD符号位，加密NC和significant_coeff_flag；具体如下，①将流密钥序列K每四个为一组进行分组，分组方法如公式(5)所示，其中②令Ll的第一个数值作为加密每个宏块的MVD符...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏森，郭雨，朱桂斌，季晓勇，
申请(专利权)人：中国人民解放军重庆通信学院，
类型：发明
国别省市：重庆;85