面向传输的H.264压缩域视频加密技术研究

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随着多媒体通信系统的广泛应用,图像、视频等多媒体信息的安全问题变得日益突出,如何全面有效地保障多媒体信息的安全已成为当前多媒体通信领域亟需解决的重要问题。加密技术是一种能够解决多媒体信息安全问题的有效方法。然而,由于视频信息具有数据量非常庞大、实时性要求高以及编解码结构复杂等特点,因此视频加密不同于传统的文本加密,往往需要综合考虑安全性、计算复杂度、压缩比不变性、码流格式兼容性以及数据可操作性等各方面性能。因此,需要针对视频编解码的具体特点,设计和研究专门的视频加密算法。而同时,现有的视频加密算法往往是针对理想的信道条件设计的,并没有考虑传输过程中所面临着误码、丢包等一系列问题,这使得加密后的码流对传输误码过于敏感。为此,本文开展了面向传输的H.264压缩域视频加密技术的研究工作,主要研究内容包括:  首先,提出了一种码流格式兼容的H.264压缩域视频加密算法。该算法在对H.264码流语法结构进行详细分析的基础上,确定了码流中所有可用于加密的编码码字,重点对帧内预测模式码字、残差系数码字以及运动矢量残差码字进行加密,使得加密后的码流与标准码流格式兼容,在未解密情况下仍然可以使用标准解码器进行解码和播放,同时保持压缩比不变,不会增加传输码率。  其次,提出了一种基于比特敏感度的H.264比特平面加密算法。该算法首先测试了H.264码流中各种不同类型编码码字对视频重建质量的重要性程度,即比特敏感度,并据此对所有编码码字进行了加密优先级排序,保证比特敏感度高的编码码字可以被优先加密。接下来对待加密的编码码字提取了比特平面,并按照由MSB(Most Significant Bit)到LSB(Least Significant Bit)的顺序依次加密,保证优先加密每个码字中最重要的比特。该算法可以通过控制加密数据量的方式来控制加密的强度,以满足不同应用场合对加密强度的不同需求。实验结果表明,与现有的SEH264视频加密算法相比,在加密数据量相同的情况下,该算法可以获得更高的视觉安全性;而在满足加密安全性要求的条件下,加密数据量更少,计算复杂度更低。  第三,提出了一种面向加密视频的传输差错控制机制。首先基于H.264标准的数据分割(DP,Data Partitioning)机制将加密码流划分为DPA、DPB和DPC三个部分,并将DPB和DPC中的加密比特都集中到DPA中。然后在传输过程中,根据当前信道的状况优先对DPA数据施加最强的FEC(Forward Error Correction)保护,保证码流中被加密的数据能够可靠传输,而对于DPB和DPC数据,则采用较弱的FEC保护。实验结果表明,与传统的不等错误保护机制相比,本文提出的差错控制机制能够有效地提高加密视频对传输误码的鲁棒性,在信道状况较差的情况下(SNR为2dB),视频重建质量可以提高8~10dB左右,而码率增量基本都维持在1%~3%之间。  最后,基于上述的研究内容,搭建了一套IP网络环境下的加密视频传输系统演示平台,用于对上述算法的可行性和有效性进行验证和演示。
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