基于H.264AVC的视频加密技术研究精要.doc

基于H.264/AVC的视频加密技术研究 1 研究背景及意义 20世纪90年代中期，随着全球信息化的快速发展，个人计算机、通讯、网络、多媒体技术等己经融入到人们的日常生活当中，图像、音频、视频等多媒体信息得到了更加广泛的应用，如视频点播、视频会议、监控系统等。这些系统的广泛应用一方面在改变我们的生活方式；另一方面，人们在使用中又不断对它提出更高的希望和要求，不仅对视频信息的质量(如清晰度和色彩)有越来越高的要求，而且随着社会对信息需求面的不断增大，对视频信息的其他方面也提出了更多的要求，最明显的一个方面就是视频信息的安全性。视频信息安全与必威体育官网网址不仅与国家的政治、军事和外交等方面有重大的关系，还与国家的经济、社会稳定及人们的日常生活密切相关，视频信息的安全问题是现在乃至未来相当长时阔内研究的热点问题之一[1]。 伴随着视频信号从模拟信号发展到数字信号，其加密手段也有了根本性的变化。早期主要是对模拟信号采用频谱搬移、视频倒相[2]等方法来进行加密，即将携带信息的数字基带信号按照加、解密双方的约定调制至某些频段，或者改变视频信号的极性。这种加密方案安全性较低，容易被破解，并且增加了先调制、后解调、再调制的环节，因此图像质量总有恶化，加密的可靠性很差。随着数字视频信号传输条件的成熟，视频加密技术获得了新的发展。在处理视频信号时，可以先将模拟信号转化为数字信号(取样、量化、编码)，然后对数字视频信号压缩编码，最后再存储或传输。而早期的安全方法主要依赖于权限控制，如视频点播系统仅仅通过用户名和密码来实现浏览和下载权限的调控。由于视频数据本身没有被加密，仅仅通过权限控制不能够保证视频数据在传输和存储过程的安全。因此，关系到国家政治、军事和经济的敏感性的视频数据的保护，研究高安全性、高效的视频加密算法意义重大。由于视频数据具有编码结构特殊、数据量大、实时性要求高、同步要求严格等特点，其加密算法必须妥善权衡系统开销与安全强度之间的矛盾。如果将视频作为普通的数据流进行加密，难以满足视频数据的实时性、可操控性等方面要求。因此，根据视频数据结构的特点，把数据加密技术与视频压缩编码技术结合起来，研究能更好满足实际需求的视频加密技术，具有很强的理论意义和应用价值。 2003年5月，视频编码标准H.264/AVC正式推出，成为新一代的视频编码国际标准。它具有高效的压缩性能和易于网络传输的能力，可满足日益增长的“对话型”(视频电话、会议等)、“非对话型”(视频存储、广播以及流媒体等)以及视频监控等视频应用的需求[3]。MPEG4是H．264标准推出之前的视频编解码标准，是现今实际应用中最常用、最广泛的视频编解码标准。H.264与MPEG4等以往的标准相比，编码性能有了较大的突破，采用多种视频处理技术，例如分层设计、多帧参考、多模式运动估计、改进的帧内预测等，这些都显著提高了预测精度，从而获得比其他标准好得多的压缩性能。H.264编码效率可比现有的MPEG4提高50％[4]，在同等的图像质量条件下，H.264的数据压缩比能比当前DVD系统中使用的MPEG2高2.3倍，比MPEG4高1.5-2倍，H.264最具价值的部分无疑是更高的数据压缩比。正因为H.264有上述特点，H.264压缩的视频数据在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。因此，H.264是未来几年内视频编码技术研究的主要方向。然而，H.264获得高压缩比的代价是计算复杂度的大幅增加。由于H.264采用了多种编码技术，研究针对H.264的视频加密技术，满足现在及未来政治、军事、经济和社会需求是一项重要任务。 互联网以及无线移动通信技术的发展，使得多媒体通信已成为人们信息交流的重要手段。多媒体通信缩小了人们彼此间的距离，缩短了信息传输时间，在共享资源信息，给人们带来便利的同时，也带来了诸多隐患，如敏感信息在存储、传输过程中极易受到窃听、截获、篡改、非法复制和传播等，这些问题对多媒体信息安全产生了极大的威胁。 2 视频加密研究内容与研究现状 2.1视频加密研究内容 密码学理论与视频编码技术是视频加密的基础，两者的有机结合推动了视频加密的发展。其中，密码学给出加解密算法的设计和安全性分析方法，为视频内容的安全提供保护，视频编码技术给出编码、传输和存储视频等的方法。 视频加密主要研究与视频数据特点相适应的新型加密算法或加密方法，加密的视频数据可在公开信道上传输安全的传输，不用担心未授权用户非法获得视频信息。为保证流畅的视觉效果，必须考虑加密视频的实时在线能力，要求很高的处理速度。新型视频加密方案主要指用已有的加密算法，选用合适的加密方式来对视频进行加密，例如，加密所有数据或加密部分数据等。新型的加密算法主要是指区别于传统的对文本和二进制数据的加密算法，如基于数学变换的加密算法[6,7]、基于混沌的