本發(fā)明屬于多媒體信息安全技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于h264/svc(scalablevideocoding,即可伸縮視頻編碼)視頻流的可伸縮認(rèn)證方法。

背景技術(shù)：

視頻流認(rèn)證方法是多媒體信息安全領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)，其目的在于保證視頻流在發(fā)送方與接收方之間安全地傳輸。通常視頻流認(rèn)證過程需要發(fā)送方在所要發(fā)送的視頻中加入認(rèn)證信息，并且將認(rèn)證信息與視頻內(nèi)容同時(shí)傳輸至接收方；接收方對獲得的視頻內(nèi)容，采用接收的認(rèn)證信息進(jìn)行完整性驗(yàn)證。視頻流認(rèn)證方法特點(diǎn)在于接收方能夠在重構(gòu)視頻內(nèi)容之前，實(shí)現(xiàn)對獲得的視頻數(shù)據(jù)包進(jìn)行安全驗(yàn)證，從而保證恢復(fù)出的視頻內(nèi)容具有認(rèn)證性即視頻內(nèi)容的完整性。

現(xiàn)有的視頻流認(rèn)證方法，根據(jù)認(rèn)證過程中視頻流的數(shù)據(jù)包哈希附著方式與解碼關(guān)系之間聯(lián)系，分為基于解碼無關(guān)的視頻流認(rèn)證方法和基于解碼相關(guān)的視頻流認(rèn)證方法。

基于解碼無關(guān)的視頻流認(rèn)證方法，通常將視頻流中的數(shù)據(jù)包視為相互獨(dú)立的單元，不考慮數(shù)據(jù)包解碼之間的依賴關(guān)系，如基于鏈?zhǔn)?、樹型、蝴蝶型的流認(rèn)證方法。此類認(rèn)證方法由于不考慮視頻解碼過程，在網(wǎng)絡(luò)丟包情況下認(rèn)證效率較差，如接收方獲得的視頻數(shù)據(jù)包的認(rèn)證比例較低，恢復(fù)的視頻質(zhì)量較差，并且認(rèn)證負(fù)載過大，認(rèn)證導(dǎo)致的延遲較大。

而基于解碼相關(guān)的視頻流認(rèn)證方法，在構(gòu)造哈希值附著方式時(shí)，考慮視頻流數(shù)據(jù)包之間的解碼次序，提高了認(rèn)證方法在網(wǎng)絡(luò)丟包情況下的認(rèn)證效率。如文獻(xiàn)[shintaroueda.h264/avcstreamauthenticationatthenetworkabstractionlayer[c].proceedingsofthe2007ieeeworkshoponinformationassurance,newyork,2007,ieee:302-308]提出一種基于h264/avc的抽象層nal流認(rèn)證方法，根據(jù)流中的序列參數(shù)集、圖像參數(shù)集和圖像片數(shù)據(jù)包之間的解碼依賴關(guān)系進(jìn)行哈希附著。對于h264/svc視頻流的認(rèn)證，文獻(xiàn)[kianooshmokhtarian.authenticationofscalablevideostreamswithlowcommunicationoverhead[j].ieeetransactionsonmultimedia,2010,12(7):730-742]提出具有較低通信負(fù)載的認(rèn)證方法，將svc流中g(shù)op的時(shí)域、空域的高層數(shù)據(jù)單元的哈希序列，經(jīng)過fec編碼后分別附著到較低一層相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元之上，而在質(zhì)量層，采用最小化認(rèn)證負(fù)載方法，尋找對質(zhì)量層數(shù)據(jù)單元的分組認(rèn)證方法；文獻(xiàn)[yifanzhao.techniqueforauthenticatingh264/svcanditsperformanceevaluationoverwirelessmobilenetworks[j].journalofcomputerandsystemsciences,2014,80(2014):520-532]提出對h264/svc流中g(shù)op的質(zhì)量層、空域?qū)痈邔訑?shù)據(jù)單元的哈希直接附著在較低一層數(shù)據(jù)單元上，而對于時(shí)域?qū)?，單個(gè)時(shí)域?qū)觾?nèi)將所有該層內(nèi)au(accessunit)即訪問單元哈希值進(jìn)行ecc編碼后，分別附著在該層每個(gè)au上，再將所有時(shí)域?qū)拥墓?gòu)成序列進(jìn)行簽名。

雖然在h264/svc視頻流的認(rèn)證方面，現(xiàn)有基于解碼相關(guān)的視頻流認(rèn)證方法能夠提供一定的可伸縮認(rèn)證，即提取后的子流仍然能夠?qū)崿F(xiàn)認(rèn)證性。但由于現(xiàn)有方法在處理h264/svc的時(shí)域、空域高層數(shù)據(jù)單元哈希附著方法時(shí)，均將其直接附著在較低一層的所有數(shù)據(jù)單元，這樣，在認(rèn)證負(fù)載上消耗較多，且若較低一層某些數(shù)據(jù)單元若被丟棄，較高層的數(shù)據(jù)單元將無法實(shí)現(xiàn)完整性驗(yàn)證，h264/svc流中數(shù)據(jù)單元的解碼依賴關(guān)系沒有被充分利用；其次，h264/svc質(zhì)量層數(shù)據(jù)mgs中的較低層存放幀圖像變換系數(shù)的直流和低頻分量，較高層存放高頻分量，因而較低層中數(shù)據(jù)對于接收方視頻恢復(fù)質(zhì)量影響較大，需要采用較小的分組長度進(jìn)行認(rèn)證，以提高對網(wǎng)絡(luò)丟包的抵抗性，而現(xiàn)有方法沒有考慮不同質(zhì)量層分組數(shù)據(jù)對接收方視頻恢復(fù)質(zhì)量的影響，因此認(rèn)證效率有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有h264/svc視頻流認(rèn)證技術(shù)的不足，提出一種基于h264/svc視頻流的可伸縮認(rèn)證方法，對gop(groupofpictures,即圖像組)中的時(shí)域?qū)?、空域?qū)訑?shù)據(jù)單元建立基于解碼依賴關(guān)系圖拓?fù)渑判虻墓８街绞?，同時(shí)，對于質(zhì)量層，提供不均等保護(hù)約束的最優(yōu)分組，以提高視頻流在認(rèn)證比、認(rèn)證負(fù)載帶寬消耗、延遲時(shí)間、恢復(fù)視頻質(zhì)量方面的認(rèn)證效率。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于h264/svc視頻流的可伸縮認(rèn)證方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、建立時(shí)域?qū)印⒖沼驅(qū)咏獯a關(guān)系圖并進(jìn)行拓?fù)渑判?/p>

1.1)、根據(jù)h264/svc視頻流的編碼規(guī)則，建立gop(groupofpicturs)中時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖：

定義時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖為一個(gè)有向圖g(v,e)，其中頂點(diǎn)集合v表示時(shí)域?qū)觓u(accessunit，即訪問單元)集合即一個(gè)訪問單元為一個(gè)頂點(diǎn)，邊集合e表示時(shí)域?qū)觓u之間的解碼依賴關(guān)系；頂點(diǎn)集合v中的頂點(diǎn){v1,v2,…,vn}的序號即下標(biāo)與訪問單元的解碼次序一致；采用有向邊vi→vj表示頂點(diǎn)vj解碼依賴于頂點(diǎn)vi，即只有當(dāng)頂點(diǎn)vi正確接收后，頂點(diǎn)vj才能實(shí)現(xiàn)解碼用于恢復(fù)視頻幀圖像；

采用鄰接表存儲時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖：定義鄰接表為l，將頂點(diǎn)集合v中的每一個(gè)頂點(diǎn)表示為一個(gè)表頭結(jié)點(diǎn)，表頭結(jié)點(diǎn)中{outdegree,*edgefirst}分別表示該頂點(diǎn)的出度值和鏈接邊域，表結(jié)點(diǎn){vertexid,*next}為所有指向該頂點(diǎn)邊對應(yīng)的頂點(diǎn)序號和指針域，即表結(jié)點(diǎn)是該頂點(diǎn)解碼所依賴的頂點(diǎn)，并且所有指向該頂點(diǎn)邊對應(yīng)的頂點(diǎn)的序號即表結(jié)點(diǎn)序號構(gòu)成一個(gè)鏈表；

1.2)、根據(jù)鄰接表l中元素取值，對時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖中頂點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)渑判?，以獲取相應(yīng)的認(rèn)證哈希值附著方式：

1.2.1)、定義拓?fù)渑判蜉敵鲂蛄袨閟ort，定義存放表結(jié)點(diǎn)序號的集合為p，sort與p初始值均為空；

通過遍歷鄰接表表頭結(jié)點(diǎn)，將所有出度值為0的表頭結(jié)點(diǎn)對應(yīng)的頂點(diǎn)序號入棧；

1.2.2)、拓?fù)渑判颍喝魲榭?，則輸出sort；否則從當(dāng)前棧出棧一個(gè)頂點(diǎn)序號，并賦值到i；

1.2.3)、將鄰接表中第i個(gè)表頭節(jié)點(diǎn)l[i]的鏈表中所有的表結(jié)點(diǎn)中的頂點(diǎn)序號(即鏈接邊域*edgefirst所指向的鏈表中的表結(jié)點(diǎn)中的頂點(diǎn)序號vertexid)存放于集合q，若集合q為空，執(zhí)行1.2.4)；否則從集合q中選擇最大值，將其賦值到j(luò)中；

將哈希值附著關(guān)系添加至sort中，即sort＝sort||i＜j，關(guān)系i＜j表示頂點(diǎn)vi的哈希值應(yīng)附著在頂點(diǎn)vj之后；

對集合q中，將所有表結(jié)點(diǎn)序號對應(yīng)表頭節(jié)點(diǎn)的出度值減1，若某一表結(jié)點(diǎn)序號q，其對應(yīng)表頭節(jié)點(diǎn)的出度值l[q].outdegree減1等于0，則將表結(jié)點(diǎn)序號q入棧，最后置集合q為空，返回到步驟1.2.2)；

1.2.4)、執(zhí)行sort＝sort||i，即所處理的是最后一個(gè)頂點(diǎn)，將對其直接進(jìn)行哈希并簽名；

對于空域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖的建立與拓?fù)渑判颍旤c(diǎn)集合v為不同分辨率視頻幀的集合外，其他過程與時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖相同；

(2)、對質(zhì)量層數(shù)據(jù)單元進(jìn)行不均等保護(hù)約束的最優(yōu)分組認(rèn)證

在對質(zhì)量層mgs(mediumgrainscalability，中等粒度可伸縮)數(shù)據(jù)分組優(yōu)化采用迭代過程進(jìn)行求解時(shí)，迭代過程采用代價(jià)函數(shù)為：

其中，cost(i,n)表示對長度為n的質(zhì)量層mgs數(shù)據(jù)進(jìn)行i個(gè)分組時(shí)所帶來的代價(jià)，cost(i-1,n-xk)表示對去除掉第k個(gè)分組的質(zhì)量層mgs數(shù)據(jù)進(jìn)行i-1個(gè)分組時(shí)所帶來的代價(jià)；

其中，為第k個(gè)分組帶來的代價(jià)；

其中，s表示認(rèn)證單個(gè)分組所需要的哈希大小；xk表示第k個(gè)分組的長度；參數(shù)b表示傳輸質(zhì)量層mgs數(shù)據(jù)一個(gè)字節(jié)所需要的帶寬消耗，其計(jì)算公式為：

b＝size/d(f)

d(f)表示傳輸時(shí)域?qū)觓u所需的時(shí)間，取值為視頻編碼的幀率的倒數(shù)；size表示1個(gè)字節(jié)的大小，p(x)表示網(wǎng)絡(luò)信道帶寬分布概率密度函數(shù)；參數(shù)bi-1表示為前i-1個(gè)質(zhì)量層mgs數(shù)據(jù)分組所需要的帶寬，即：

其中，xt表示第t個(gè)分組的長度；

(3)、對h264/svc進(jìn)行邏輯單元哈希附著

對步驟(1)獲得的gop中時(shí)域?qū)?、空域?qū)油負(fù)渑判蚣垂ＵJ(rèn)證附著方式，以及步驟(2)獲得的質(zhì)量層mgs數(shù)據(jù)分組大小集合，首先對gop中的質(zhì)量層的分組數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證，再對空域?qū)訑?shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證，最后對時(shí)域?qū)訑?shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證，并且對時(shí)域?qū)又械幕A(chǔ)層哈希進(jìn)行簽名；簽名數(shù)據(jù)包、認(rèn)證信息數(shù)據(jù)包根據(jù)質(zhì)量層、時(shí)域?qū)?、空域?qū)泳幪柗謩e添加至h264/svc視頻流的相應(yīng)位置中；

接收方對獲得的h264/svc視頻流或子流，首先從簽名數(shù)據(jù)包獲得合并簽名gop所有的哈希；對于單個(gè)gop，按照已獲得的哈希對后續(xù)的時(shí)域?qū)?、空域?qū)雍唾|(zhì)量層數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性驗(yàn)證，其過程與認(rèn)證信息添加過程相反；若認(rèn)證信息的哈希值與計(jì)算數(shù)據(jù)單元得到的哈希值相等，則采用該數(shù)據(jù)單元進(jìn)行解碼，否則丟棄該數(shù)據(jù)單元。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明基于h264/svc視頻流的可伸縮認(rèn)證方法，通過建立時(shí)域?qū)印⒖沼驅(qū)咏獯a關(guān)系圖，然后采用鄰接表進(jìn)行存儲，并利用鄰接表進(jìn)行拓?fù)渑判?，這樣重復(fù)利用視頻邏輯單元(訪問單元、不同分辨率的幀)之間的解碼依賴關(guān)系，能夠?qū)⒁曨l流中邏輯單元的認(rèn)證關(guān)系與解碼依賴關(guān)系充分耦合起來，提高了認(rèn)證的效率。同時(shí)，對于在h264/svc視頻流的質(zhì)量層，采用不均等保護(hù)約束的最優(yōu)分組認(rèn)證，獲得具有最小化代價(jià)函數(shù)值的分組方案，在提高視頻流的質(zhì)量層可伸縮性認(rèn)證的同時(shí)，認(rèn)證方法具有最小的通信負(fù)載。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于h264/svc視頻流的可伸縮認(rèn)證方法一種具體實(shí)施方式流程圖；

圖2是接收方用戶信道帶寬分布情況；

圖3是視頻流發(fā)送方延遲時(shí)間比較結(jié)果；

圖4是視頻流認(rèn)證負(fù)載帶寬消耗比較結(jié)果；

圖5是視頻流認(rèn)證比與丟包率關(guān)系比較結(jié)果；

圖6是視頻流psnr與丟包率關(guān)系比較結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有h264/svc視頻流認(rèn)證技術(shù)的不足，提供一種可伸縮視頻流認(rèn)證方法：對gop(groupofpictures即圖片組)中的時(shí)域?qū)?、空域?qū)訑?shù)據(jù)單元(時(shí)域?qū)訛樵L問單元，空域?qū)訛椴煌直媛实囊曨l幀)建立基于解碼依賴關(guān)系圖拓?fù)渑判虻墓８街绞剑粚τ谫|(zhì)量層數(shù)據(jù)單元，提供不均等保護(hù)約束的最優(yōu)分組認(rèn)證方法，以提高視頻流在認(rèn)證比、認(rèn)證負(fù)載帶寬消耗、延遲時(shí)間、恢復(fù)視頻質(zhì)量方面的認(rèn)證效率。

圖1是本發(fā)明基于h264/svc視頻流的可伸縮認(rèn)證方法一種具體實(shí)施方式流程圖。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明基于h264/svc視頻流的可伸縮認(rèn)證方法包括以下步驟：

步驟s1：建立時(shí)域?qū)?、空域?qū)咏獯a關(guān)系圖并進(jìn)行拓?fù)渑判?/p>

步驟s1.1：根據(jù)h264/svc視頻流的編碼規(guī)則，建立gop(groupofpicturs)中時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖：

首先，定義時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖為一個(gè)有向圖g(v,e)，其中頂點(diǎn)集合v表示時(shí)域?qū)觓u(accessunit，即訪問單元)集合即一個(gè)訪問單元為一個(gè)頂點(diǎn)，邊集合e表示時(shí)域?qū)觓u之間的解碼依賴關(guān)系；頂點(diǎn)集合v中的頂點(diǎn){v1,v2,…,vn}的序號即下標(biāo)與訪問單元的解碼次序一致；采用有向邊vi→vj表示頂點(diǎn)vj解碼依賴于頂點(diǎn)vi，即只有當(dāng)頂點(diǎn)vi正確接收后，頂點(diǎn)vj才能實(shí)現(xiàn)解碼用于恢復(fù)視頻幀圖像；

然后，采用鄰接表存儲時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖：定義鄰接表為l，將頂點(diǎn)集合v中的每一個(gè)頂點(diǎn)表示為一個(gè)表頭結(jié)點(diǎn)，表頭結(jié)點(diǎn)中{outdegree,*edgefirst}分別表示該頂點(diǎn)的出度值(outdegree)和鏈接邊域(*edgefirst)，表結(jié)點(diǎn){vertexid,*next}分別為所有指向該頂點(diǎn)(表頭結(jié)點(diǎn)對應(yīng)的頂點(diǎn))邊對應(yīng)的頂點(diǎn)序號(vertexid)和指針域(*next)，即表結(jié)點(diǎn)是該頂點(diǎn)解碼所依賴的頂點(diǎn)，并且所有指向該頂點(diǎn)邊對應(yīng)的頂點(diǎn)的序號即表結(jié)點(diǎn)序號構(gòu)成一個(gè)鏈表(其中，鏈表的第一個(gè)表結(jié)點(diǎn)由*edgefirst所指向，其余表結(jié)點(diǎn)分別由前一個(gè)表結(jié)點(diǎn)的*next所指向)；

步驟s1.2：根據(jù)鄰接表l中元素取值，對時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖中頂點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)渑判?，以獲取相應(yīng)的認(rèn)證哈希值附著方式：

步驟s1.2.1)：定義拓?fù)渑判蜉敵鲂蛄袨閟ort，定義存放表結(jié)點(diǎn)序號的集合為p，sort與p初始值均為空；

通過遍歷鄰接表表頭結(jié)點(diǎn)，將所有出度值為0的表頭結(jié)點(diǎn)對應(yīng)的頂點(diǎn)序號入棧；為提高算法處理效率，本發(fā)明采用棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放當(dāng)前所有出度值為0的頂點(diǎn)序列需要，用于認(rèn)證時(shí)使用。

步驟s1.2.2)：拓?fù)渑判颍喝魲榭?，則輸出sort；否則從當(dāng)前棧出棧一個(gè)頂點(diǎn)序號，并賦值到i；

步驟s1.2.3)：將鄰接表中第i個(gè)表頭節(jié)點(diǎn)l[i]的鏈表中所有的表結(jié)點(diǎn)中的頂點(diǎn)序號(即鏈接邊域*edgefirst所指向的鏈表中的表結(jié)點(diǎn)中的頂點(diǎn)序號vertexid)存放于集合q，若集合q為空，執(zhí)行步驟s1.2.4)；否則從集合q中選擇最大值，將其賦值到j(luò)中；

將哈希值附著關(guān)系添加至sort中，即sort＝sort||i＜j，關(guān)系i＜j表示頂點(diǎn)vi的哈希值應(yīng)附著在頂點(diǎn)vj之后；

對集合q中，將所有表結(jié)點(diǎn)序號對應(yīng)表頭節(jié)點(diǎn)的出度值減1，若某一表結(jié)點(diǎn)序號q，其對應(yīng)表頭節(jié)點(diǎn)的出度值l[q].outdegree減1等于0，則將表結(jié)點(diǎn)序號q入棧，最后置集合q為空，返回到步驟s1.2.2)；

步驟s1.2.4：執(zhí)行sort＝sort||i，即所處理的是最后一個(gè)頂點(diǎn)，將對其直接進(jìn)行哈希并簽名；

對于空域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖的建立與拓?fù)渑判?，除頂點(diǎn)集合v為不同分辨率幀的集合外，其他過程與時(shí)域?qū)拥慕獯a關(guān)系圖相同。

步驟s2：對質(zhì)量層數(shù)據(jù)單元進(jìn)行不均等保護(hù)約束的最優(yōu)分組認(rèn)證

在本發(fā)明中，對于h264/svc視頻流中質(zhì)量層，采用分組認(rèn)證方法以降低由于添加認(rèn)證哈希值而引入的通信負(fù)載：考慮到不同質(zhì)量層數(shù)據(jù)對于接收方恢復(fù)視頻質(zhì)量的影響，提供不均等的保護(hù)約束策略，即構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)時(shí)，對于不同影響性的mgs數(shù)據(jù)的分組，將其認(rèn)證長度作為一個(gè)目標(biāo)優(yōu)化項(xiàng)，以提高分組認(rèn)證的有效性。

在本發(fā)明中，質(zhì)量層mgs(mediumgrainscalability，中等粒度可伸縮)分組認(rèn)證時(shí)，所使用的代價(jià)函數(shù)cost為：

其中，參數(shù)i表示分組數(shù)目，s表示認(rèn)證單個(gè)分組所需要的哈希大小，xk表示第k個(gè)分組的長度，l為分組長度值，參數(shù)b表示傳輸mgs數(shù)據(jù)分組一個(gè)字節(jié)所需要的帶寬消耗，其計(jì)算公式為：

b＝size/d(f)

d(f)表示傳輸au所需的時(shí)間，取值為視頻編碼的幀率的倒數(shù)；size表示1個(gè)字節(jié)的大小，p(x)表示網(wǎng)絡(luò)信道帶寬分布概率密度函數(shù)；參數(shù)bk-1表示為前k-1個(gè)質(zhì)量層mgs分組數(shù)據(jù)所需要的帶寬，即

cost函數(shù)的第三項(xiàng)即：

表示對不同重要性mgs數(shù)據(jù)分組長度的限制，即若所該分組位于較低層次mgs分組數(shù)據(jù)部分，則相應(yīng)的分組長度應(yīng)該較小，反之若對于較高層次mgs數(shù)據(jù)，分組長度可以較大，這是本發(fā)明創(chuàng)新所在，即采用不均等保護(hù)約束的最優(yōu)分組認(rèn)證，獲得具有最小化代價(jià)函數(shù)值的分組，在提高視頻流的質(zhì)量層可伸縮性認(rèn)證的同時(shí)，具有最小的通信負(fù)載。

通過尋找合適的分組數(shù)目i，以及每組大小集合{x1,x2,...,xi}，獲取代價(jià)函數(shù)的極小值，則基于質(zhì)量層的認(rèn)證負(fù)載最優(yōu)問題為：

mincost

其中n為質(zhì)量層mgs分組數(shù)據(jù)總的長度；

具體而言，在本發(fā)明中，在對質(zhì)量層mgs(mediumgrainscalable，中等粒度可伸縮)數(shù)據(jù)分組優(yōu)化采用迭代過程進(jìn)行求解時(shí)，迭代過程采用代價(jià)函數(shù)為：

其中，cost(i,n)表示對長度為n的質(zhì)量層mgs數(shù)據(jù)進(jìn)行i個(gè)分組時(shí)所帶來的代價(jià)，cost(i-1,n-xk)表示對去除掉第k個(gè)分組的質(zhì)量層mgs數(shù)據(jù)進(jìn)行i-1個(gè)分組時(shí)所帶來的代價(jià)；

其中，為第k個(gè)分組帶來的代價(jià)；

其中，s表示認(rèn)證單個(gè)分組所需要的哈希大小；xk表示第k個(gè)分組的長度；參數(shù)b表示傳輸質(zhì)量層mgs數(shù)據(jù)一個(gè)字節(jié)所需要的帶寬消耗，其計(jì)算公式為：

b＝size/d(f)

d(f)表示傳輸時(shí)域?qū)觓u所需的時(shí)間，取值為視頻編碼的幀率的倒數(shù)；size表示1個(gè)字節(jié)的大小，p(x)表示網(wǎng)絡(luò)信道帶寬分布概率密度函數(shù)；參數(shù)bi-1表示為前i-1個(gè)質(zhì)量層mgs數(shù)據(jù)分組所需要的帶寬，即：

其中，xt表示第t個(gè)分組的長度。

步驟s3：對h264/svc進(jìn)行邏輯單元哈希附著

對步驟s1獲得的gop中時(shí)域?qū)?、空域?qū)油負(fù)渑判蚣垂ＵJ(rèn)證附著方式，以及步驟s2獲得的質(zhì)量層的mgs數(shù)據(jù)分組大小集合，首先對gop中的質(zhì)量層的分組數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證，再對空域?qū)訑?shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證，最后對時(shí)域?qū)訑?shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證，并且對時(shí)域?qū)又械幕A(chǔ)層哈希進(jìn)行簽名；簽名數(shù)據(jù)包、認(rèn)證信息數(shù)據(jù)包根據(jù)質(zhì)量層、時(shí)域?qū)?、空域?qū)泳幪柗謩e添加至h264/svc視頻流的相應(yīng)位置中；

接收方對獲得的h264/svc視頻流或子流，首先從簽名數(shù)據(jù)包獲得合并簽名gop所有的哈希；對于單個(gè)gop，按照已獲得的哈希對后續(xù)的時(shí)域?qū)印⒖沼驅(qū)雍唾|(zhì)量層數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性驗(yàn)證，其過程與認(rèn)證信息添加過程相反；若認(rèn)證信息的哈希值與計(jì)算數(shù)據(jù)單元得到的哈希值相等，則采用該數(shù)據(jù)單元進(jìn)行解碼，否則丟棄該數(shù)據(jù)單元。

本步驟屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。

為了說明本發(fā)明的有益效果，下面設(shè)計(jì)了一組對比仿真實(shí)驗(yàn)，用于比較本發(fā)明發(fā)明提供的h264/svc視頻流可伸縮認(rèn)證方法與其它兩種類似方法的認(rèn)證性能，其它兩種方法分別是文獻(xiàn)[kianooshmokhtarian.authenticationofscalablevideostreamswithlowcommunicationoverhead[j].ieeetransactionsonmultimedia,2010,12(7):730-742]提出的fec方法和文獻(xiàn)[yifanzhao.techniqueforauthenticatingh264/svcanditsperformanceevaluationoverwirelessmobilenetworks[j].journalofcomputerandsystemsciences,2014,80(2014):520-532]提出的eec方法。

實(shí)驗(yàn)仿真平臺基于開源代碼jsvm9.19，從jvt測試視頻集中選取了三個(gè)不同內(nèi)容、且編碼后碼率變化較大的視頻作為本實(shí)驗(yàn)測試使用，視頻名分別為：“bus”、“city”和“mobile”；采用jsvm對這些視頻進(jìn)行h264/svc編碼，編碼時(shí)幀率為15；選取gop中幀數(shù)目為8；空域?qū)訑?shù)目為2，分別為cif(352×288)與qcif(176×144)的解析度，其中cif表示層對應(yīng)各個(gè)視頻的碼率分別為1.11mbps、2.05mbps和3.05mbps，qcif表示層對應(yīng)的碼率分別為0.28mbps、0.58mbps和0.78mbps；質(zhì)量層數(shù)目為4，即每個(gè)空域?qū)又匈|(zhì)量層的基礎(chǔ)層標(biāo)識為0，增強(qiáng)層標(biāo)識為1、2、3。采用sha-1算法進(jìn)行哈希計(jì)算，生成20字節(jié)的哈希值；對視頻流gop單元進(jìn)行簽名時(shí)，采用rsa簽名算法，生成128字節(jié)的簽名數(shù)據(jù)值。網(wǎng)絡(luò)中mtu大小為1500字節(jié)，rtp數(shù)據(jù)包頭部大小約40字節(jié)，考慮到哈希附著時(shí)需要占用一定字節(jié)數(shù)，實(shí)驗(yàn)中nal數(shù)據(jù)單元大小設(shè)置為1200字節(jié)。實(shí)驗(yàn)仿真中采用重傳機(jī)制提高接收方獲得認(rèn)證信息概率，重復(fù)傳輸次數(shù)為2。

在模擬互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟包情況方面，假定碼流中每個(gè)nal數(shù)據(jù)單元丟包情況滿足獨(dú)立同分布。根據(jù)數(shù)據(jù)包丟包模擬結(jié)果，對傳輸?shù)囊曨l流中一定數(shù)量的nal數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟棄。在對每個(gè)au中質(zhì)量層分組優(yōu)化認(rèn)證時(shí)，需要預(yù)先設(shè)定網(wǎng)絡(luò)通信帶寬情況。結(jié)合所測試視頻的碼流，采用多模態(tài)高斯分布模擬網(wǎng)絡(luò)帶寬分布，并假設(shè)接收方所能獲得的帶寬集中在0.8mbps、2.5mbps和4mbps，如圖2所示。接收方共有三個(gè)，分別對應(yīng)不同帶寬的子信道，且接收方pc計(jì)算機(jī)硬件配置分別為：3ghz處理器、2g內(nèi)存容量；3.3ghz處理器、4g內(nèi)存容量；3.6ghz處理器、8g內(nèi)存容量，系統(tǒng)軟件為win7操作系統(tǒng)。發(fā)送方由于需要對視頻碼流進(jìn)行解析、分組優(yōu)化認(rèn)證等，采用處理速度較高的硬件計(jì)算機(jī)，配置為：3.2ghz處理器、16gb內(nèi)存容量。

圖3是視頻流發(fā)送方延遲時(shí)間比較結(jié)果。

本發(fā)明提供的方法采用“ts”表示。ts與fec方法均需要要對n個(gè)gop進(jìn)行緩存，而ecc方法僅需要緩存1個(gè)gop數(shù)據(jù)。如n＝5時(shí)，ts方法對于“bus”、“city”和“mobile”三個(gè)視頻碼流的延遲分別為1.8s、2.5s和3.1s，而fec方法則需要延遲時(shí)間分別為6.7s、7.1s和7.7s，后者需要更多的時(shí)間用于fec信道編碼和質(zhì)量層優(yōu)化算法中更大的搜索復(fù)雜度。eec方法對于單個(gè)圖片組的延遲分別為1.5s、2.1s和2.5s，而ts方法此時(shí)需要的延遲時(shí)間分別為1s、1.4s和1.8s；可見ts方法在用于質(zhì)量層優(yōu)化分組時(shí)的時(shí)間小于ecc算法帶來的延遲時(shí)間，且eec方法無法提供質(zhì)量層的可伸縮性。

對于接收方的延遲時(shí)間，ts方法當(dāng)接收方當(dāng)獲得簽名nal數(shù)據(jù)包后，根據(jù)其中所包含的n個(gè)gop的哈希值，可以直接對后續(xù)n個(gè)gop進(jìn)行驗(yàn)證，因此無需設(shè)置單獨(dú)的緩沖區(qū)用于驗(yàn)證；而fec方法若n＝5，至少需要緩存1個(gè)、最多需要緩存4個(gè)完整的gop數(shù)據(jù)才能對該gop進(jìn)行認(rèn)證；ecc方法則需要緩存1個(gè)完整gop數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)仿真中若接收方需要接收gop中所有的時(shí)域幀，則該gop播放所需時(shí)間為0.53s；若采用5個(gè)gop組合并簽名認(rèn)證，fec方法接收與播放“mobile”svc碼流時(shí)，驗(yàn)證每個(gè)圖片組平均需要1.15s，大于圖片組的播放時(shí)間，需要約6.45mb大小的緩沖區(qū)。

從以上結(jié)果分析可知，三種方法對于svc碼流認(rèn)證時(shí)在發(fā)送方所產(chǎn)生的延遲時(shí)間區(qū)別較大，ts方法與fec方法延遲比較，至少小于3.8s、最多小于5.2s，與eec方法相比，延遲時(shí)間小于0.5s～0.7s；對于接收方延遲情況，ts方法可以對獲取的gop數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證，而其它兩種方法則需要相應(yīng)的緩存區(qū)存放圖片組數(shù)據(jù)才能對其進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4是視頻流認(rèn)證負(fù)載帶寬消耗比較結(jié)果。

該圖是三種認(rèn)證方法對三個(gè)視頻碼流認(rèn)證時(shí)平均所消耗的帶寬情況比較結(jié)果。從該結(jié)果可以看出，ts方法帶寬消耗最低。fec方法的帶寬損耗最多，這是因?yàn)閒ec方法對于時(shí)域?qū)又械拿總€(gè)層均采用了信道編碼；eec方法因?yàn)椴惶峁┵|(zhì)量層的可伸縮性，所以對于每個(gè)質(zhì)量層僅有一個(gè)哈希值認(rèn)證負(fù)載，但在計(jì)算信道編碼、每個(gè)gop單獨(dú)進(jìn)行簽名部分消耗帶寬較多。

圖5是視頻流認(rèn)證比與丟包率關(guān)系比較結(jié)果。

在圖5中，符號“noauth”表示在沒有進(jìn)行認(rèn)證信息添加時(shí)，碼流的認(rèn)證比情況。從該圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中不存在丟棄情況下，三種方法的認(rèn)證比都可以達(dá)到1；而隨著網(wǎng)絡(luò)丟包概率增大，三種認(rèn)證方法的認(rèn)證比都有所下降，其中ecc方法下降最多，其次是fec認(rèn)證方法，而ts認(rèn)證方法與“noauth”認(rèn)證比降低最小。

圖6是視頻流psnr與丟包率關(guān)系比較結(jié)果。

在圖6中，符號“noauth”表示在沒有進(jìn)行認(rèn)證信息添加時(shí)，碼流的psnr情況。psnr恢復(fù)視頻質(zhì)量研究的是視頻幀的亮度信息的質(zhì)量對比，并且對每個(gè)視頻在所有子信道接收端的psnr求取平均值。從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)丟包率逐漸增大時(shí)，三種方法的psnr值相比較于“noauth”情況下都逐漸下降，fec與ecc認(rèn)證方法下降速度較快，減小值在0.7db～4.5db之間；而ts認(rèn)證方法在接收端psnr減小值最小，最大的減小值為0.4db。從上面的分析可知，相較于其它兩種認(rèn)證方法而言，ts認(rèn)證方法所帶來的視頻幀質(zhì)量影響，可以忽略。

通過以上的實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析，說明本發(fā)明發(fā)明提供的方法具有很好的實(shí)施性，能夠提供較好的認(rèn)證性能，在視頻流的延遲時(shí)間、負(fù)載帶寬消耗、認(rèn)證比以及視頻流恢復(fù)質(zhì)量方面，均優(yōu)于現(xiàn)有的h264/svc視頻流認(rèn)證方法。本發(fā)明發(fā)明取得的視頻流認(rèn)證性能，主要受益于在哈希附著方式上，充分利用了視頻流邏輯單元的解碼依賴關(guān)系，使得解碼依賴關(guān)系與哈希附著方式充分耦合；且在質(zhì)量層的認(rèn)證過程中，提供不均等保護(hù)約束的最優(yōu)分組認(rèn)證，使得認(rèn)證負(fù)載引入的代價(jià)最小。本發(fā)明發(fā)明應(yīng)用于h264/svc視頻流認(rèn)證時(shí)，在提供流安全認(rèn)證的同時(shí)，對視頻實(shí)時(shí)播放、視頻恢復(fù)質(zhì)量的影響最小。本發(fā)明方法對于研究實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻流的安全傳輸具有一定的參考價(jià)值。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。