專(zhuān)利名稱(chēng):基于h.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視頻流加密的方法，特別是一種基于H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字通訊和數(shù)字娛樂(lè)在人們的生活中占據(jù)著越來(lái)越重要的位置。在這個(gè)過(guò)程中，多媒體數(shù)據(jù)尤其是視頻數(shù)據(jù)的安全傳輸越來(lái)越受人關(guān)注。然而，因特網(wǎng)尤其是無(wú)線因特網(wǎng)并不是一個(gè)保密的傳輸媒介，因此需要運(yùn)用加密技術(shù)來(lái)對(duì)傳輸過(guò)程中的視頻進(jìn)行保護(hù)。由于多媒體數(shù)據(jù)量很龐大以及編解碼運(yùn)算的復(fù)雜度很高，因此對(duì)多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行加密相對(duì)比較困難。而視頻作為因特網(wǎng)上最為吸引人的服務(wù)之一，同樣面臨這個(gè)問(wèn)題。
H.264是由ITU-T和ISO聯(lián)合發(fā)布的視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它的目標(biāo)是最大限度的提高壓縮性能和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。因此，H.264標(biāo)準(zhǔn)在很多細(xì)節(jié)的地方都做了很多努力來(lái)提高壓縮效率，例如可變塊大小，多參考幀，加權(quán)預(yù)測(cè)等。但是H.264標(biāo)準(zhǔn)中并未包括視頻加密的相關(guān)內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法，該方法能根據(jù)需要對(duì)視頻流進(jìn)行不同等級(jí)加密，在保證授權(quán)用戶正常獲取視頻內(nèi)容的前提下，對(duì)非授權(quán)用戶隱藏部分或者全部的視頻內(nèi)容。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，并且最大限度的減少對(duì)視頻壓縮效率的影響，本發(fā)明基于H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法只對(duì)H.264視頻流中最為關(guān)鍵的部分進(jìn)行加密。由于H.264視頻流中，幀內(nèi)編碼的塊是最為重要的信息，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度幀內(nèi)編碼塊被劃分成16×16塊、8×8塊、4×4塊3種不同大小的塊。本發(fā)明加密方法包括以下步驟選擇加密等級(jí)；系統(tǒng)采用加密算法對(duì)待加密H.264視頻流中符合規(guī)定尺寸的幀內(nèi)編碼塊進(jìn)行加密。
選擇加密等級(jí)的方法可以是由用戶指定，或者由系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬狀況自適應(yīng)選擇加密等級(jí)。
本質(zhì)量可控的視頻流加密方法提供了不同的加密等級(jí)，通過(guò)在編碼端選擇不同的加密等級(jí)對(duì)視頻流進(jìn)行加密，控制非授權(quán)解碼器用加密視頻流重構(gòu)的視頻圖像的質(zhì)量，從而為不同的用戶提供不同質(zhì)量的視頻內(nèi)容。符合H.264標(biāo)準(zhǔn)的解碼器都可以對(duì)用本發(fā)明加密方法加密后的視頻流進(jìn)行解碼而不會(huì)出錯(cuò)，但是重構(gòu)的視頻質(zhì)量會(huì)隨著加密等級(jí)的提高而下降。只有根據(jù)本發(fā)明加密方法進(jìn)行過(guò)修改并且擁有密鑰的解碼器才能正常的進(jìn)行解碼，重構(gòu)出原始的視頻圖像。
本發(fā)明視頻流加密方法只對(duì)H.264視頻流中最關(guān)鍵的部分進(jìn)行加密，對(duì)編碼效率和性能的影響較小，可應(yīng)用于計(jì)算能力和帶寬受限的應(yīng)用場(chǎng)合。
圖1為本發(fā)明中系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整加密等級(jí)的原理框圖；圖2為Foreman視頻流的原始圖像；
圖3為用本發(fā)明方法對(duì)Foreman視頻流進(jìn)行1級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像；圖4為用本發(fā)明方法對(duì)Foreman視頻流進(jìn)行2級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像；圖5為用本發(fā)明方法對(duì)Foreman視頻流進(jìn)行3級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像；圖6為container視頻流的原始圖像；圖7為用本發(fā)明方法對(duì)container視頻流進(jìn)行1級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像；圖8為用本發(fā)明方法對(duì)container視頻流進(jìn)行2級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像；圖9為用本發(fā)明方法對(duì)container視頻流進(jìn)行3級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像。
具體實(shí)施方式本視頻流加密方法利用H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)中幀內(nèi)編碼的塊被劃分成16×16，8×8，4×4三種不同大小的特性，設(shè)置不同的加密等級(jí)，對(duì)H.264視頻流中不同尺寸的幀內(nèi)編碼塊進(jìn)行加密，從而為不同的用戶提供不同質(zhì)量的視頻內(nèi)容。
具體實(shí)施例中設(shè)置以下四種不同的加密等級(jí)，四個(gè)加密等級(jí)及其加密規(guī)則分別為等級(jí)0不加密；等級(jí)1使用加密算法加密所有的幀內(nèi)編碼的16×16塊和所有色度塊的DC系數(shù)；
等級(jí)2使用加密算法加密所有的幀內(nèi)編碼的16×16塊、8×8塊和所有色度塊的DC系數(shù)；等級(jí)3使用加密算法加密所有的幀內(nèi)編碼的16×16塊、8×8塊、4×4塊和所有色度塊的DC系數(shù)。
編碼端用戶選擇加密等級(jí)，然后系統(tǒng)根據(jù)所選加密等級(jí)對(duì)應(yīng)的加密規(guī)則，對(duì)輸入視頻流中符合規(guī)定尺寸的幀內(nèi)編碼塊進(jìn)行加密。
加密等級(jí)可以由編碼端用戶指定，也可以由系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬狀況自適應(yīng)選擇，在網(wǎng)絡(luò)帶寬較小時(shí)，選擇較低的加密等級(jí)，在網(wǎng)絡(luò)帶寬較大時(shí)，選擇較高的加密等級(jí)。參照?qǐng)D1，其中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬狀況自適應(yīng)調(diào)整加密等級(jí)的方法是系統(tǒng)根據(jù)接收方解碼器反饋的丟包率和傳輸延遲，按預(yù)定的等級(jí)調(diào)整決策，實(shí)時(shí)選擇加密等級(jí)，然后將選定的加密等級(jí)傳給編碼器內(nèi)的加密模塊進(jìn)行加密。如對(duì)應(yīng)每個(gè)加密等級(jí)，設(shè)置相應(yīng)的丟包率上限、丟包率下限、傳輸延遲上限和傳輸延遲下限，當(dāng)接收方解碼器反饋的丟包率和傳輸延遲大于該等級(jí)的丟包率上限和傳輸延遲上限時(shí)，編碼器內(nèi)的加密模塊選用下一級(jí)加密等級(jí)，而當(dāng)接收方解碼器反饋的丟包率和傳輸延遲小于該等級(jí)的丟包率下限和傳輸延遲下限時(shí)，編碼器內(nèi)的加密模塊選用上一級(jí)加密等級(jí)。
加密算法的選擇是視頻加密中另一個(gè)需要考慮的重要問(wèn)題。本發(fā)明中提供兩種優(yōu)選的加密算法，一種是AES加密算法，另一種是ZIGZAG加密算法。前者將待加密的數(shù)據(jù)看作比特流，然后對(duì)每128位進(jìn)行一次加密；后者通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)做一個(gè)隨機(jī)的置換來(lái)達(dá)到加密的目的。
通過(guò)加密H.264視頻流中的幀內(nèi)編碼塊的不同部分可以獲得不同的加密等級(jí)。雖然幀間編碼塊的運(yùn)動(dòng)向量和殘差系數(shù)都是不加密的，未授權(quán)的解碼器依然無(wú)法重構(gòu)出原始的圖像塊。然而，未授權(quán)的解碼器可以得到幀與幀之間的運(yùn)動(dòng)是否劇烈等信息。
表1給出了典型的H.264壓縮碼流中各種大小的編碼塊出現(xiàn)的頻率。
表1.H.264比特流的統(tǒng)計(jì)分析
實(shí)驗(yàn)1分別選擇不同的加密等級(jí)，加密模塊采用AES加密算法，根據(jù)所選加密等級(jí)對(duì)應(yīng)的加密規(guī)則，對(duì)Foreman視頻流中符合規(guī)定尺寸的幀內(nèi)編碼塊進(jìn)行加密。然后由非授權(quán)解碼器對(duì)不同加密等級(jí)的Foreman視頻流解碼后重構(gòu)圖像。試驗(yàn)結(jié)果如圖2-5所示，其中，圖2所示為Foreman視頻流的原始圖像；圖3所示為對(duì)Foreman視頻流進(jìn)行1級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像；圖4所示為對(duì)Foreman視頻流進(jìn)行2級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像；圖5所示為對(duì)Foreman視頻流進(jìn)行3級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像。
不同加密等級(jí)的性能開(kāi)銷(xiāo)如表2所示。
表2.采用AES算法加密Foreman的性能開(kāi)銷(xiāo)
實(shí)驗(yàn)2分別選擇不同的加密等級(jí)，加密模塊采用ZIGZAG加密算法，根據(jù)所選加密等級(jí)對(duì)應(yīng)的加密規(guī)則，對(duì)container視頻流中符合規(guī)定尺寸的幀內(nèi)編碼塊進(jìn)行加密。然后由非授權(quán)解碼器對(duì)不同加密等級(jí)的container視頻流解碼后重構(gòu)圖像。試驗(yàn)結(jié)果如圖6-9所示，其中，圖6所示為container視頻流的原始圖像；圖7所示為對(duì)container視頻流進(jìn)行1級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像；圖8所示為對(duì)container視頻流進(jìn)行2級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像；圖9所示為對(duì)container視頻流進(jìn)行3級(jí)加密后，非授權(quán)解碼器重構(gòu)的視頻圖像。
不同加密等級(jí)的性能開(kāi)銷(xiāo)如表3所示。
表3.采用ZIGZAG算法加密Container的性能開(kāi)銷(xiāo)
權(quán)利要求
1.一種基于H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法，其特征在于包括以下步驟選擇加密等級(jí)；根據(jù)所選加密等級(jí)對(duì)應(yīng)的加密規(guī)則，系統(tǒng)采用加密算法對(duì)待加密H.264視頻流中符合規(guī)定尺寸的幀內(nèi)編碼塊進(jìn)行加密。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的基于H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法，其特征在于包括四個(gè)加密等級(jí)，四個(gè)加密等級(jí)及其加密規(guī)則分別為等級(jí)0不加密；等級(jí)1使用加密算法加密所有的幀內(nèi)編碼的16×16塊和所有色度塊的DC系數(shù)；等級(jí)2使用加密算法加密所有的幀內(nèi)編碼的16×16塊、8×8塊以及所有色度塊的DC系數(shù)；等級(jí)3使用加密算法加密所有的幀內(nèi)編碼的16×16塊、8×8塊、4×4塊以及所有色度塊的DC系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的基于H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法，其特征在于所述加密算法采用AES加密算法或者ZIGZAG加密算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的基于H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法，其特征在于通過(guò)用戶指定或者由系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬狀況自適應(yīng)的方式選擇加密等級(jí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的基于H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法，其特征在于系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬狀況自適應(yīng)的方式選擇加密等級(jí)的方法為，根據(jù)接收方解碼器反饋的丟包率和傳輸延遲，按預(yù)定的等級(jí)調(diào)整決策，實(shí)時(shí)選擇加密等級(jí)。
專(zhuān)利摘要
一種基于H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量可控的視頻流加密方法，包括選擇加密等級(jí)，系統(tǒng)采用加密算法對(duì)待加密H.264視頻流中符合規(guī)定尺寸的幀內(nèi)編碼塊進(jìn)行加密?？梢杂捎脩糁付用艿燃?jí)，或者由系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬狀況自適應(yīng)選擇加密等級(jí)。該方法能根據(jù)需要對(duì)視頻流進(jìn)行不同等級(jí)加密，在保證授權(quán)用戶正常獲取視頻內(nèi)容的前提下，對(duì)非授權(quán)用戶隱藏部分或者全部的視頻內(nèi)容。它對(duì)編碼效率和性能的影響較小，可應(yīng)用于計(jì)算能力和帶寬受限的應(yīng)用場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H04N7/16GK1997159SQ200610062937
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年9月29日
發(fā)明者袁春, 洪光明, 鐘玉琢 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan