專利名稱：一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)加密/解密的方法，特別涉及一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法。
技術(shù)背景在當(dāng)今信息時代與全球化背景下，對等主體(國家、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等)之間的競爭日益 激烈，信息的安全問題越來越受到重視。視頻信息作為多媒體信息的核心，在網(wǎng)絡(luò)、通訊以及 視頻技術(shù)本身(如MPEG-X與H.26X系列視頻編解碼國際標(biāo)準(zhǔn)等)蓬勃發(fā)展推動下，它的發(fā)布 與交流將會更加普及，例如視頻出版物(Video Publications)、視頻點播(Video-On-Demand, VOD) 與視頻會議(Videoconferences)等等，人們迫切需要解決其在商業(yè)、軍事和其它私密背景應(yīng)用 中的安全性問題。另外，在數(shù)據(jù)權(quán)益管理(Digital Right Management, DRM)系統(tǒng)中，視頻加 密也扮演著重要的角色，為了更好地對視頻內(nèi)容在整個流通過程中進(jìn)行控制，實現(xiàn)權(quán)限管理的 目標(biāo)，必須對需要進(jìn)行權(quán)限管理的視頻內(nèi)容進(jìn)行加密保護(hù)。數(shù)字視頻數(shù)據(jù)加密對無論是信息安 全，還是數(shù)字權(quán)益管理都有非常重要的意義。傳統(tǒng)的加密算法如DES (Data Encryption Standard)和AES (Advanced Encryption Standard) 一般由密鑰以非常復(fù)雜的方式控制的替換過程，對于數(shù)據(jù)量極為龐大的多媒體數(shù)據(jù)而言，難以 用軟件實現(xiàn)足夠快的加密及解密算法。就對普通的多媒體應(yīng)用，如視頻點播，傳統(tǒng)的加密算法 并不劃算。并且，傳統(tǒng)加密方法并不考慮多媒體數(shù)據(jù)的格式，而是將其作為普通的二進(jìn)制數(shù)據(jù)， 這不僅沒能利用多媒體數(shù)據(jù)的特殊格式和特性，并且使加密后的文件失去了原有的格式和標(biāo)記等fe息。相比而言，隨機(jī)置亂是輕量級的加密方法，容易得到快速的算法。簡單的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)隨 機(jī)置亂算法在8x8塊內(nèi)置亂DCT頻域系數(shù)，把DCT系數(shù)按隨機(jī)順序從8X8陣映射成1 X64矢 量。但這樣的方法有較嚴(yán)重的安全問題，并且這樣的隨機(jī)置亂算法打亂了數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)計 特征，降低了編碼的壓縮率。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服傳統(tǒng)的數(shù)字加密算法流程復(fù)雜，計算量大，代價高， 格式丟失的缺點，同時又避免簡單的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)隨機(jī)置亂算法安全性不夠和降低編碼壓縮率 的問題，本發(fā)明采用置亂DCT系數(shù)和運動補(bǔ)償向量及其恢復(fù)的方案，并給出一個新的DCT系 數(shù)分組置亂策略；在不影響視頻的質(zhì)量并保證加密后的碼流為標(biāo)準(zhǔn)視頻碼流的前提下，提供了碼流增加幅度小安全性高的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)加密方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法，其特征在于加 密部件內(nèi)嵌于編碼過程中，采用分組置亂的策略對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)進(jìn)行加密；解密部 件內(nèi)嵌于解碼過程中，采用與加密相反的反置亂策略對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)進(jìn)行解密。所述的加密部件由置亂表生成器〈STG〉和置亂器〈S〉組成，置亂表生成器〈STG〉接收 待加密的數(shù)據(jù)并提取其特征，然后以該特征和主密鑰尺M(jìn)為參數(shù)生成子密鑰尺s，再利用子密鑰 ^s生成置亂表；置亂器〈S〉按置亂表對數(shù)據(jù)進(jìn)行置亂。所述的解密部件由置亂表生成器〈STG〉和反置亂器〈S"〉組成，置亂表生成器〈STG〉接收待加密的數(shù)據(jù)并提取其特征，然后以該特征和主密鑰《A/為參數(shù)生成子密鑰《p再利用子密鑰i&生成置亂表反置亂器〈S'1〉按置亂表對數(shù)據(jù)進(jìn)行反置亂。所述的對DCT系數(shù)加密/解密過程中，在對DCT系數(shù)加密時，加密部件位于編碼過程的量 化〈Q〉之后和變字長編碼〈VLC〉之前；在對DCT系數(shù)解密時，解密部件位于解碼過程的變 字長解碼〈VLC-'〉之后和反量化〈Q-1〉之前。所述的對DCT系數(shù)加密/解密過程中，在對安全性要求更高的情況下，在對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的 DCT系數(shù)進(jìn)行加密/解密的同時，也采用置亂的策略對運動補(bǔ)償向量進(jìn)行加密；采用與加密相反 的反置亂策略對運動補(bǔ)償向量進(jìn)行解密。所述的對運動補(bǔ)償向量的加密/解密過程中，在對運動補(bǔ)償向量加密時，加密部件位于運動 補(bǔ)償向量輸出之前；在對運動補(bǔ)償向量解密時，解密部件位于運動補(bǔ)償向量輸入之后。所述的采用分組置亂的策略，將DCT系數(shù)按相同位置分組，在組內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)置亂，置亂的 范圍覆蓋整個視頻幀。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點是 1、本發(fā)明所述的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)加密方法采用隨機(jī)置亂的方法，并且將加解密過程與視頻 編解碼過程緊密結(jié)合，其加解密速度快于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)加解密方法，保證了視頻碼流的實時性；2、 本發(fā)明所述的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)加密方法只對視頻碼流中的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，不僅數(shù)據(jù)處 理量小，而且使得加密后的視頻數(shù)據(jù)保留了原有的格式和標(biāo)記信息；3、 本發(fā)明采用的隨機(jī)置亂在頻域的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)中進(jìn)行，消除了塊內(nèi)紋理，新的分組置亂 策略不影響視頻的質(zhì)量，加密后的碼流為標(biāo)準(zhǔn)視頻碼流；已有的置亂加密方法比較，對視頻數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性的影響更小，碼流增加幅度小，安全性也更高；4、 本發(fā)明所提供的運動向量置亂為本數(shù)字視頻數(shù)據(jù)加解密方法提供了更高的安全性；運動 向量置亂的可選擇性為本發(fā)明提供了更靈活的選項和更寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域5、 本發(fā)明在置亂表生成時采用了基于內(nèi)容的動態(tài)密鑰技術(shù);動態(tài)密鑰利用主密鑰為每一個置亂表生成一個不同的子密鑰，提高了本加密方法抗擊明文攻擊的能力；其基于內(nèi)容的特征也使該動態(tài)密鑰技術(shù)避免了難以同步的問題。


圖1為本發(fā)明的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)加密/解密總體結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明的加密部件的結(jié)構(gòu)圖； 圖3為本發(fā)明的解密部件的結(jié)構(gòu)圖； 圖4為本發(fā)明的頻域DCT系數(shù)置亂加密的結(jié)構(gòu)圖； 圖5為本發(fā)明的頻域DCT系數(shù)置亂解密的結(jié)構(gòu)圖； 圖6為本發(fā)明的運動補(bǔ)償向量置亂加密的結(jié)構(gòu)圖； 圖7為本發(fā)明的運動補(bǔ)償向量置亂解密的結(jié)構(gòu)圖； 圖8為本發(fā)明DCT系數(shù)分組的示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在視頻編碼和解碼的過程中分別嵌入加密和解密的過 程。加密和解密都采用置亂的方法；加密包含DCT系數(shù)置亂加密和運動補(bǔ)償向量置亂加密，解 密也包含DCT系數(shù)置亂解密和運動補(bǔ)償向量置亂解密；需要注意的是運動補(bǔ)償向量的加密和解 密只在高安全性要求的情況下才是必需的。本發(fā)明的置亂加密部件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，加密部件由置亂表生成器〈STG〉和置亂器〈S〉 組成，首先加密部件的置亂表生成器〈STG〉接收待加密的數(shù)據(jù)并提取數(shù)據(jù)特征，然后由數(shù)據(jù) 特征和加密的主密鑰^/共同生成子密鑰」&，子密鑰《s然后被用于生成隨機(jī)置亂表，最后置亂 器〈S〉按隨機(jī)置亂表對數(shù)據(jù)進(jìn)行置亂以加密。本發(fā)明的置亂解密部件的結(jié)構(gòu)如圖3所示，解密 部件由置亂表生成器〈STG〉和反置亂器〈S"〉組成，首先解密部件的置亂表生成器〈STG〉 接收待解密的數(shù)據(jù)并提取與加密時一樣的數(shù)據(jù)特征，然后由數(shù)據(jù)特征和解密的主密鑰i^共同生 成子密鑰/:s，子密鑰/^然后被用于生成隨機(jī)置亂表，最后反置亂器〈S—1〉將隨機(jī)置亂表作用于 數(shù)據(jù)進(jìn)行反向置亂以解密。在加密部件和解密部件中都采用了基于內(nèi)容的動態(tài)密鑰技術(shù)，動態(tài) 密鑰技術(shù)根據(jù)一個主密鑰/Q為每一個置亂表的生成提供一個不同的子密鑰《s，提高了本加密 方法抗擊明文攻擊的能力。子密鑰X5是主密鑰尺M(jìn)和數(shù)據(jù)特征值的函數(shù)；數(shù)據(jù)特征值是數(shù)據(jù)在 置亂加密前后不發(fā)生變化的屬性，如平均值。置亂表生成器得到子密鑰《s后再采用隨機(jī)排列生 成算法生成置亂表。本發(fā)明的頻域DCT系數(shù)置亂加密結(jié)構(gòu)如圖4所示，它是在數(shù)字視頻數(shù)據(jù)編碼的量化〈Q〉 之后和變字長編碼〈VLC〉之前的位置插入加密部件；此時加密部件加密的數(shù)據(jù)就是DCT系數(shù)，DCT系數(shù)經(jīng)置亂加密后經(jīng)過變字長編碼后形成最終的加密后的視頻流。本發(fā)朋的頻域.DCT系數(shù) 置亂解密結(jié)構(gòu)如圖5所示，它是在變字長解碼〈VLC'1〉之后和反量化〈Q'1〉之前插入解密部件； 此時解密部件解密的數(shù)據(jù)是經(jīng)過加密的DCT系數(shù)，它在經(jīng)過置亂解密后再經(jīng)過反量化等步驟后 恢復(fù)成原始的視頻流。對DCT系數(shù)的置亂和反置亂都采用分組的方式進(jìn)行分組示意如圖8所 示；以^ (k-O,l,...,63; 1=0,1,...,n-l)表示第I+1個DCT塊的第k+l個量化后的系數(shù)，n為幀內(nèi) DCT塊的總數(shù)，對于亮度信號Y， n=4m， m為宏塊數(shù)，對于色度信號U、 V， n=m:"按在塊內(nèi)的相同位置分成64組進(jìn)行置亂，每組n個；這種分組置亂的策略，對壓縮碼率的影響會更??； 置亂的范圍從slice擴(kuò)大到整個視頻幀，這樣同時增大了非法攻擊者破解的難度。視頻數(shù)據(jù)在頻域被置亂后，物體和場景的運動信息仍會是可見的，可以對運動補(bǔ)償向量的 整體也進(jìn)行置亂，運動補(bǔ)償向量的置亂打亂了物體和場景的運動信息，使加密達(dá)到更高的安全 性。運動補(bǔ)償向量置亂加密的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。在運動補(bǔ)償向量置亂加密時，加密部件位于 運動補(bǔ)償向量輸出之前，加密部件加密的數(shù)據(jù)就是待加密的運動補(bǔ)償向量。運動補(bǔ)償向量置亂 解密的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。在運動補(bǔ)償向量置亂解密時，解密部件位于運動補(bǔ)償向量的輸入之 后，解密部件解密的數(shù)據(jù)就是待解密的運動補(bǔ)償向量。幀間運動估計得到的運動補(bǔ)償向量具有 X、 Y兩個方向的分量，它們可以分開，也可以作為整體來進(jìn)行置亂，但必須以宏塊為單位，因 為在壓縮碼流中，運動向量的編碼模式標(biāo)志是以宏塊為單位的；以MPEG-4為例，針對采用前 向預(yù)測的P幀，當(dāng)基于8x8塊的運動補(bǔ)償方式處于激活狀態(tài)時，運動向量主要有INTER16xl6 (l個運動向量)、INTER16x8 (2個運動向量)、INTER8x8 (4個運動向量)三種模式，置亂時 應(yīng)分開來處理。對于采用雙向預(yù)測的B幀，運動向量主要有直接、前向、后向和雙向四種模式， 同P幀，它們也各自分開處理，需要注意的是，運動向量與其編碼模式標(biāo)志必須捆綁在一起， 以宏塊為單位進(jìn)行置亂；運動補(bǔ)償向量置亂為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)加/解密方法提供了更高的安全性， 運動補(bǔ)償向量置亂的可選擇性為本發(fā)明提供了更靈活的選項和更寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1、一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法，其特征在于加密部件內(nèi)嵌于編碼過程中，采用分組置亂的策略對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)進(jìn)行加密；解密部件內(nèi)嵌于解碼過程中，采用與加密相反的反置亂策略對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)進(jìn)行解密。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法，其特征在于加密部件由置亂表生成器〈STG〉和置亂器〈S〉組成，置亂表生成器〈STG〉接收待加密的數(shù)據(jù)并提取其特征，然 后以該特征和主密鑰《M為參數(shù)生成子密鑰《S，再利用子密鑰i^生成置亂表；置亂器〈S〉按置亂表對數(shù)據(jù)進(jìn)行置亂。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法，其特征在于解密部件由置亂表生 成器〈STG〉和反置亂器〈S'1〉組成，置亂表生成器〈STG〉接收待加密的數(shù)據(jù)并提取其特征， 然后以該特征和主密鑰^M為參數(shù)生成子密鑰《s，再利用子密鑰」&生成置亂表；反置亂器〈S力 按置亂表對數(shù)據(jù)進(jìn)行反置亂。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法，其特征在于在對DCT系數(shù)加密 時，加密部件位于編碼過程的量化〈Q〉之后和變字長編碼〈VLC〉之前；在對DCT系數(shù)解密 時，解密部件位于解碼過程的變字長解碼〈VLC—1〉之后和反量化〈Q'1〉之前。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法，其特征在于在對安全性要求更高 的情況下，在對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)進(jìn)行加密/解密的同時，也采用置亂的策略對運動補(bǔ)償 向量進(jìn)行加密；采用與加密相反的反置亂策略對運動補(bǔ)償向量進(jìn)行解密。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的對運動補(bǔ)償向量的加密/解密方法，其特征在于在對運動補(bǔ)償向 量加密時，加密部件位于運動補(bǔ)償向量輸出之前；在對運動補(bǔ)償向量解密時，解密部件位于運 動補(bǔ)償向量輸入之后。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法，其特征在于采用分組置亂的策略， 將DCT系數(shù)按相同位置分組，在組內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)置亂，置亂的范圍覆蓋整個視頻幀。
全文摘要
一種視頻數(shù)據(jù)加密/解密方法，其特征在于加密部件內(nèi)嵌于編碼過程中，采用分組置亂的策略對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)進(jìn)行加密；解密部件內(nèi)嵌于解碼過程中，采用與加密相反的反置亂策略對數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的DCT系數(shù)進(jìn)行解密；可同時對數(shù)字視頻的幀間運動補(bǔ)償向量進(jìn)行置亂以達(dá)到更高的安全性；本發(fā)明將加/解密內(nèi)嵌于視頻編/解碼過程中，加密速度快，實施難度小，且采用了動態(tài)密鑰的技術(shù)，有很強(qiáng)的抗擊明文攻擊的能力；本發(fā)明的加/解密方法對編/解碼率的影響減小到了最低程度，加密前和解密后的視頻圖像質(zhì)量沒有任何損失。
文檔編號H04N7/167GK101247520SQ20081010098
公開日2008年8月20日 申請日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月27日
發(fā)明者驍 曾, 濤 李, 璋 熊, 明 陳, 陳真勇 申請人:北京航空航天大學(xué)