一種視頻加密方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種視頻加密方法，所述方法采用雙線程，一個線程用于產(chǎn)生另一個線程所需的批量密鑰，另一個線程對前一個線程產(chǎn)生的批量密鑰，對P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀進(jìn)行多密鑰加密；均采用如下方法進(jìn)行加密，包括：（1）將加密明文分隔成多個模塊；（2）將模塊分為奇數(shù)塊和偶數(shù)塊；（3）將奇數(shù)塊分為奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文Odd和奇數(shù)塊偶數(shù)隊列明文Even；（4）獲取奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文Eleft和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文Eright；（5）合并奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文Eleft和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文Eright得到密文奇數(shù)塊EOdd；（6）將偶數(shù)塊和密文奇數(shù)塊EOdd按位異或得到密文偶數(shù)塊EEven；（7）密文奇數(shù)塊EOdd和密文偶數(shù)塊EEven即為加密后的密文。
【專利說明】一種視頻加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于加密技術(shù)，具體講涉及一種視頻加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002]會議視頻傳輸為多媒體信息傳輸業(yè)務(wù)的重要部分，技術(shù)日趨成熟，已成為人們進(jìn)行政治、商務(wù)、文化交往的重要工具。其方便快捷的通訊方式，大大降低了會議成本，節(jié)省時間以及提聞辦事效率。
[0003]網(wǎng)絡(luò)的共享特點決定了信道的不安全性，如非授權(quán)用戶惡意監(jiān)聽、傳輸信號丟包、網(wǎng)絡(luò)病毒攻擊造成會議中斷等，這些問題使得視頻流保密性、可靠性、穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重考驗。此外，會議視頻的特點是隨著與會人數(shù)的增加，視頻流量會成平方級的增長。
[0004]如何針對H.264格式的視頻，設(shè)計滿足會議視頻這種大流量、高實時性需求的加密算法是多媒體安全領(lǐng)域的一項重要的內(nèi)容，具有很高的學(xué)術(shù)研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。
[0005]目前，根據(jù)加密算法與壓縮編碼過程關(guān)系的不同，可以將算法分成完全加密算法、選擇性加密算法、以及將加密過程和編碼過程相結(jié)合的加密算法。
[0006]如圖1所示，完全加密算法即是對整個傳輸?shù)囊曨l流，不考慮任何視頻數(shù)據(jù)的特性，根據(jù)各種加密算法實現(xiàn)，加密過程和壓縮編碼過程完全獨立，但是其缺點是加密復(fù)雜度過大。
[0007]因此Qiao 和 Nahrstedt (Qiao L, Nahrstedt K.)在 1997 年提出一種稱作 VEA(Video Encryption Algorithm)的視頻加密算法,盡管是將視頻數(shù)據(jù)當(dāng)作二進(jìn)制流進(jìn)行直接加密，但是它將加密復(fù)雜度降為接近原來的一半，同時保持了較高的安全性。Tosun和Feng (Tosum AS，馮W C.輕量級無線視頻傳輸安全機(jī)制研究)在此基礎(chǔ)上將算法作了改進(jìn)，使計算復(fù)雜度又降低近一半，并用于無線多媒體傳輸網(wǎng)絡(luò)中。其它典型的直接加密算法有Romeo等提出的稱作RPK的視頻加密方法以及Wee和Apostolo-Poulos提出的適用于流格式視頻數(shù)據(jù)的分層加密方法。此外，還有諸如混沌加密算法，它采用斜帳篷映射、Logistic映射、映射等3種混沌映射構(gòu)造混沌整數(shù)序列產(chǎn)生器，并將產(chǎn)生的序列與視頻數(shù)據(jù)做異或運算，產(chǎn)生的結(jié)果即為加密的密文。
[0008]即使在完全加密算法基礎(chǔ)上做了以上諸多改進(jìn)，也無法適用會議視頻大流量、高實時的需求。
[0009]如圖2所示，選擇加密算法，也稱部分加密算法，它采用傳統(tǒng)加密算法如對稱密鑰，將視頻數(shù)據(jù)看成普通的二進(jìn)制數(shù)據(jù)直接進(jìn)行加密，而不考慮任何視頻數(shù)據(jù)的特性，加密過程和壓縮編碼過程完全獨立。
[0010]要保持加密后數(shù)據(jù)流的相容性，就要保持加密后數(shù)據(jù)格式信息和控制信息不變，而只加密實際數(shù)據(jù)，這類方法都屬于選擇性加密方法。Tang早在提出對DCT數(shù)據(jù)置亂的方法。Tosun等對其作了改進(jìn)，但是Qiao等通過分析和實驗表明，采用隨機(jī)置亂方式代替“之”字型掃描，不但大大地降低了壓縮比，而且使得密碼系統(tǒng)不能抵抗已知明文攻擊。因此，不能夠單獨的使用此類算法來加密。此外，典型的選擇性加密還有加密DCT系數(shù)的符號和運動向量的符號、頻率域數(shù)據(jù)置亂和符號加密相結(jié)合等方法，分別有眾多學(xué)者對其進(jìn)行研究。
[0011]除了直接加密算法和選擇性加密方法以外，具有壓縮編碼功能的加密算法也是近年來提得頗多的算法，它將編碼過程和加密過程相結(jié)合，使得二者同時進(jìn)行。Wen等提出了使用定長編碼FLC和變長編碼VLC同時進(jìn)行加密的方法。Wu和Kuo指出選擇性加密不能保持壓縮比不變，并提出了采用多種Huffman樹(MHT)的加密方法。作者指出，在使用熵編碼的視頻編碼格式中，可以采用多種熵編碼的統(tǒng)計模型，通過密鑰控制模型的選擇來實現(xiàn)視頻編碼過程中的加密。
[0012]數(shù)據(jù)加密時通信雙方需要進(jìn)行密鑰協(xié)商，傳統(tǒng)的視頻傳輸一般是使用由視頻信息宿主向?qū)Ψ礁鼡Q與分配密鑰來進(jìn)行流加密，這對于單對單的傳輸是可行的，但是對于參與者眾多的視頻會議來說這樣的相互傳輸密鑰信息量會很大，雖然國內(nèi)外都提出了很多種密鑰分配方法，但尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范。
[0013]H.264在H.263以及MPEG1/2/4視頻編碼協(xié)議優(yōu)點上進(jìn)行改進(jìn)，它保留運動補(bǔ)償和變換編碼等技術(shù)的同時引入了類DCT整數(shù)變換等一系列的新技術(shù)，這些新特性使H.264比以往的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)具有更高的壓縮效率和更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)友好性，但同時也增加了 a 264的編解碼復(fù)雜度，其在比MPEG-4提高約50 %壓縮效率的同時，增加了十幾倍的計算復(fù)雜度。而基于H.264的視頻會議更因由多方參與，數(shù)據(jù)傳輸量以及加解密和編解碼的時間隨參與人數(shù)的增加成線性倍數(shù)增加。因此為了滿足實時應(yīng)用的要求，必須在其計算復(fù)雜度和編碼效率之間取一個折衷。
[0014]MPE的思想是通過選擇對于重建圖像較為重要的幀如I幀進(jìn)行加密,然而，Agi和Gong表明由于幀間的相關(guān)性和P幀、B幀中有未加密的1-block，所以僅僅加密I幀不能達(dá)到一個令人滿意的密級。因此，Tang (Tang Le1.有效的MPEG視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密方法研究)提出加密I幀的同時還應(yīng)加密P幀的I塊和B幀中的I塊，但這樣又增大了計算量。對于會議視頻大流量、高實時的特性，大量的計算無法達(dá)到高實時的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種視頻加密方法。本發(fā)明采用IDEA算法對視頻進(jìn)行加密，只加密P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀總數(shù)據(jù)量的四分之一。本發(fā)明對使用雙線程，一個線程用于產(chǎn)生另一個線程下次所需的批量密鑰，另一個線程對前一個線程產(chǎn)生的批量密鑰，對I幀進(jìn)行多密鑰加密。實現(xiàn)一次批次密來提高安全性。
[0016]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0017]一種視頻加密方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法采用雙線程，一個線程用于產(chǎn)生另一個線程所需的批量密鑰，另一個線程對前一個線程產(chǎn)生的批量密鑰，對P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀進(jìn)行多密鑰加密；均采用如下方法進(jìn)行加密，包括:
[0018](I)將加密明文分隔成多個模塊；
[0019](2)將模塊分為奇數(shù)塊和偶數(shù)塊；
[0020](3)將奇數(shù)塊分為奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文Odd和奇數(shù)塊偶數(shù)隊列明文Even ；
[0021](4)獲取奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文Eleft和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分
密文EHght ；[0022](5)合并奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文El6ft和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文EHght得到密文奇數(shù)塊EMd ；
[0023](6)將偶數(shù)塊和密文奇數(shù)塊EMd按位異或得到密文偶數(shù)塊EEvm ；
[0024](7)密文奇數(shù)塊EMd和密文偶數(shù)塊EEv6n即為加密后的密文。
[0025]優(yōu)選的，所述雙線程一個線程根據(jù)另一個線程生成的批次密鑰，實現(xiàn)對當(dāng)前的300幀圖像進(jìn)行加密。
[0026]優(yōu)選的，所述步驟(1)包括將加密P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀的明文分別分隔成以128位為一個單元的模塊。[0027]優(yōu)選的，所述步驟(3)將奇數(shù)塊分成奇數(shù)隊列明文0(1(1=&1&3&5-&127和偶數(shù)隊列明JC Even=a2a4a6*** a128。
[0028]優(yōu)選的，所述步驟(4)包括對奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文Odd采用IDEA算法加密得到奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文Eleft ;奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文EHght為奇數(shù)塊偶數(shù)隊列明文Even和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文Odd按位異或的結(jié)果，即Eright=Odd ? Even。
[0029]優(yōu)選的，所述步驟(5)包括將奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文El6ft和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文EHght合并成128位的密文奇數(shù)塊EMd。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為:
[0031]1、本發(fā)明將整個加密的代價減少到原來P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀總數(shù)據(jù)量的四分之一，同時維持了較高的安全性。
[0032]2、本發(fā)明在加密算法上，本發(fā)明不同于Tang提出的使用DES加密算法，而是使用IDEA算法，該算法被證明比DES更快速更安全。
[0033]3、本發(fā)明對最重要的I幀，采用線路時鐘同步機(jī)制，使用定時每次產(chǎn)生一批密鑰的思路對其進(jìn)行加密。由于每次生成的批量密鑰與幀的加解密采用多線程，并不干擾加解密過程，在沒提高算法的復(fù)雜度的前提下，大大提高安全性。
[0034]4、本發(fā)明即使部份密鑰被獲取，只要對圖像重建影響最大的I幀的所有密鑰沒有被完全破解，還是無法完全恢復(fù)圖像，從而使得安全性大大得到提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明提供的完全加密算法示意圖。
[0036]圖2為本發(fā)明提供的選擇加密算法示意圖。
[0037]圖3為本發(fā)明提供的一種視頻加密方法示意圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0039]本發(fā)明在加密P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀時，利用Tosun和Feng改進(jìn)算法的原理，將P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀的明文如圖3所示:
[0040]分別分隔成以128位為一個單元的塊，然后將奇數(shù)塊分成奇數(shù)隊列明文0dd=a1a3a5---a127 和偶數(shù)隊列明文 Even=a2a4a6*“ a128 兩部分；
[0041]將奇數(shù)塊分成奇數(shù)隊列明文Odd采用IDEA算法加密得到奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文Eleft ;同時另一半奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文EHght為奇數(shù)塊偶數(shù)隊列明文Even和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文Odd按位異或的結(jié)果，即Eright=Odd ? Even。
[0042]接著將奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文Elrft和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文EHght合并成128位的密文奇數(shù)塊EQdd。
[0043]將相鄰的偶數(shù)塊和密文奇數(shù)塊EMd按位異或得到密文偶數(shù)塊EEvm，則EMd和Eevm即為加密后的密文。
[0044]這樣整個加密的代價就減少到原來P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀總數(shù)據(jù)量的四分之一，同時維持了較高的安全性。本發(fā)明不同于Tang提出的使用DES加密算法，而是使用IDEA算法，該算法被證明比DES更快速更安全。
[0045]根據(jù)H.264視頻流的特點，將要加密的P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀，分別使用不同的密鑰進(jìn)行加密，對其中最重要的I幀，使用多個密鑰，輪流對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行加密。
[0046]本發(fā)明使用兩端同步的密鑰發(fā)生器來實現(xiàn)一次一密，結(jié)合對I幀使用多個密鑰進(jìn)行加密的方式，創(chuàng)新性地提出采用一次生成一批次密的算法。考慮到每幀圖像使用了多個密鑰，而視頻每秒要發(fā)送的圖像多達(dá)30幀，這樣大大增加了密鑰發(fā)生器的負(fù)擔(dān)。因此將密鑰發(fā)生器產(chǎn)生密鑰的頻率減緩，比如隔300幀圖像更換一組密鑰。
[0047]兩端的密鑰發(fā)生器需要使用同步機(jī)制，一般采用在線路時鐘的作用下，加、解密設(shè)備通過特征碼序列獲得相位的同步，從而保證密碼序列的同步。以每幀附加一組特征碼序列(一個密鑰對應(yīng)一個特征碼，所以一組密鑰需要一組特征碼)為代價，在連續(xù)的300幀圖像使用相同的一組特征碼，從而實現(xiàn)連續(xù)300幀使用同一組密鑰。
[0048]使用偽代碼描述如下:
[0049]//全局變量
[0050]int timestamp=now ();//當(dāng)前時間的時間戳，由線路時鐘控制
[0051]int key_i_total_num=10 ；//對I巾貞進(jìn)行加密的密鑰個數(shù),可調(diào)
[0052]long long key_i [] ；//加密I巾貞使用的密鑰組
[0053]線程一:為下一組幀生成批次密鑰，線程一和線程二有依賴關(guān)系，線程二使用的批次密鑰由線程一提前產(chǎn)生，在線程二使用產(chǎn)生的密鑰后，線程一繼續(xù)產(chǎn)生下一批密鑰
[0054]//為下一組幀生成一批密鑰
[0055]GenIKeys_ForNext(key_i[], timestamp, key_i_total_num)；
[0056]線程二:根據(jù)線程一生成的批次密鑰，實現(xiàn)對當(dāng)前的300幀圖像進(jìn)行加密
[0057]//block[] [16]為以128位為單元的塊的數(shù)組，即要加密的數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)
[0058]//此處Encode函數(shù)按圖2的加密方案實現(xiàn)
[0059]for(i=0 ；i<block_size ；i++)
[0060]{
[0061]if (block [i]為 P 中貞)
[0062]Encode (block [i]，key_p, e_block[i])；
[0063]if (block [i]為 B 幀)
[0064]Encode (block [i]，key_b, e_block[i])；
[0065]if (block [i]為 I 幀)
[0066]{
[0067]//此處對I幀使用10個密鑰[0068]key_i_cur=i%key_i_total_num ；// 第 i 個 I 幀要使用的密鑰
[0069]
【權(quán)利要求】
1.一種視頻加密方法，其特征在于，所述方法采用雙線程，一個線程用于產(chǎn)生另一個線程所需的批量密鑰，另一個線程對前一個線程產(chǎn)生的批量密鑰，對P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀進(jìn)行多密鑰加密；均采用如下方法進(jìn)行加密，包括: (1)將加密明文分隔成多個模塊； (2)將模塊分為奇數(shù)塊和偶數(shù)塊； (3)將奇數(shù)塊分為奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文Odd和奇數(shù)塊偶數(shù)隊列明文Even； (4)獲取奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文Eleft和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文F ?j^right， (5)合并奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文Eleft和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文Eright 得到密文奇數(shù)塊EMd ； (6)將偶數(shù)塊和密文奇數(shù)塊EMd按位異或得到密文偶數(shù)塊EEvm； (7)密文奇數(shù)塊EMd和密文偶數(shù)塊EEvm即為加密后的密文。
2.如權(quán)利要求1所述的一種視頻加密方法，其特征在于，所述雙線程一個線程根據(jù)另一個線程生成的批次密鑰，實現(xiàn)對當(dāng)前的300幀圖像進(jìn)行加密。
3.如權(quán)利要求1所述的一種視頻加密方法，其特征在于，所述步驟(1)包括將加密P幀的I塊、B幀的I塊以及I幀的明文分別分隔成以128位為一個單元的模塊。
4.如權(quán)利要求1所述的一種視頻加密方法，其特征在于，所述步驟(3)將奇數(shù)塊分成奇數(shù)隊列明文0dd=a1a3a5---a127和偶數(shù)隊列明文Even=a2a4a6...a128。
5.如權(quán)利要求1所述的一種視頻加密方法，其特征在于，所述步驟(4)包括對奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文Odd采用IDEA算法加密得到奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文Eleft ;奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文E&ht為奇數(shù)塊偶數(shù)隊列明文Even和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文Odd按位異或的結(jié)果，即El4ght=Odd ? Even。
6.如權(quán)利要求1所述的一種視頻加密方法，其特征在于，所述步驟(5)包括將奇數(shù)塊奇數(shù)隊列明文的左半部分密文El6ft和奇數(shù)塊奇數(shù)隊列的右半部分密文EHght合并成128位的密文奇數(shù)塊EMd。
【文檔編號】G06F9/46GK103607272SQ201310616629
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】謝瑩瑩, 郭慶, 耿慶民, 苗艷超, 劉新春, 邵宗有 申請人:曙光信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司