视频信息加密技术的研究

作为与人的感官最密切的信息载体，视频信息被应用于各行各业并逐渐成为人们获取各种信息的重要手段。人们对信息网络的依赖程度越来越大的同时，视频信息的安全问题也日益突出，非法盗版、剽窃以及窃取信息的行为不断出现。维护视频信息提供商和用户的合法权利和利益的呼声越来越高，视频信息安全保护技术的相关研究与应用变得愈发重要。

数据量大、传输比特率高、对实时性的要求高等特点决定了视频数据加密要满足安全、压缩比不变、实时、数据格式不变以及数据可操作的要求。视频加密算法的发展目前来看分为三个阶段，第一个阶段主要是研究置乱算法，即直接置乱图像或视频数据从而使得数据混乱达到不能被理解的目的；第二个阶段从上个世纪90年代开始视频数据通常都先经过压缩编码再进行保存、传输等操作，这时开始研究的是采用新型算法对压缩过的视频数据进行加密；第三个阶段开始采用部分加密的方法来加密视频数据，也就是说选择加密视频码流中的一部分数据进行加密。这可以降低计算复杂度，从而满足了实时性的要求 。

视频加密算法分为三类直接加密算法、选择性加密算法以及压缩编码（熵编码）过程中的加密。

• 直接加密算法

  直接加密算法将视频数据看作普通数据直接加密，不考虑任何视频数据的特性，加密过程在压缩编码过程后进行。这种将视频数据看作普通数据完全加密的方法具有很高的安全性。

• 选择性加密算法

  选择性加密算法是指在视频编码过程中，选择性加密部分数据，加密过程位于压缩编码过程之中，在熵编码之前进行。部分加密的方法具有不同等级的安全性。与实时性、加密后数据增加量和应用范围等的要求有关。加密的数据量越大，安全性越高。

• 压缩编码（熵编码）过程中的加密

  具有压缩功能的加密算法一般是对视频压缩算法中的熵编码进行一定地变换，将熵编码过程和加密过程结合在一起进行，例如码字序号加密算法、多Huffman树加密算法、以及多状态索引（MSI）方法。通过对编码模型的参数加密实现编码过程加密，安全性依赖于模型参数的参数空间。虽然通过某些措施（如在密文中插入比特位、分段采用不同秘钥等）能够增加安全性，但这些算法仍然没有直接加密和选择性加密算法的安全性高。

美国国家标准技术研究所在2001年发布了高级加密标准（AES）。AES是一个对称分组密码算法，旨在取代DES成为广泛使用的标准。AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度：128位，192位和256位。AES加密过程涉及到4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。解密过程分别为对应的逆操作。由于每一步操作都是可逆的，按照相反的顺序进行解密即可恢复明文。加解密中每轮的密钥分别由初始密钥扩展得到。

围绕视频信息的安全性问题,结合视频信息的应用场景以及视频编码结构特性对视频信息加密算法取得的主要的研究成果及创新点如下

1.一种基于H.264/AVC可分级轻量级的视频加密算法 针对视频应用场景、安全需求和计算资源差异所构成的多样性,提出了一种可满足大部分媒体应用平台的可分级轻量级视频加密算法。考虑到加密算法的安全性、加 密速度以及对压缩比等几个方面因素之间的相互制约关系,用标准的密码算法对帧内预测模式、运动向量差、亮度量化变换系数这些关键数据进行加密。该算法可以 根据实际应用中的安全需求级别和计算资源级别的不同,实现从低到高等多个级别的加密效果,且压缩比的变化不大,计算复杂度相对较低,并具有一定的可操作性。

2.一种面向传输级应用的熵编码加密算法 为满足视频传输级应用的安全需求,通过对H.264/AVC标准的基本档次中熵编码过程的语法元素进行分析,将加密过程与编码过程相融合,根据熵理论设计 了一种面向传输级应用的熵编码加密算法,对指数哥伦布编码中的重要元素置乱加密,对基于内容自适应变长编码的码流中的关键信息进行流密码加密。实验结果表 明,提出的加密算法对传输带宽影响很小,具有很高的实时性,在保持较高的安全性同时,数据格式具有相容性,可以满足视频会议和可视电话等实时的低码率的传 输级通信应用的安全需求。

3.一种面向存储级应用的CABAC加密算法 为满足视频存储级应用的安全需求,针对H.264/AVC标准的主要档次中采用的熵编码技术,提出了一种面向存储级应用的基于内容自适应算术编码 (CABAC)加密算法。在CABAC熵编码的过程中,采用混沌加密系统动态地加密少数的关键上下文模型索引值的初始值,扰乱上下文概率模型分布,从而实 现对编码码流的保护。实验结果表明,混沌算法的初始条件的敏感性、长期不可预测性等特点,大大的提高了密码的抗攻击性。提出的算法在保证视频较高的安全性 的条件下,对视频的压缩比的影响平均不足千分之一,使其适合视频存储级的电视广播等应用领域。

4.自适应安全实时视频传输系统 在分析安全实时视频传输系统需求的基础上,设计以DSP和ARM为核心的自适应实时视频编解码和加解密的嵌入式平台,实现面向H.264/AVC压缩码流 的RTP传输方案和通信命令格式。在优化实现的高性能H.264/AVC视频编解码器的前提下,系统采用了双重安全防护机制。在较好的保持重建视频主客观 质量的同时,能完成最实时编解码和加解密,可以较好满足多种视频应用场景的安全性需求。

5.一种新的基于H.264压缩编码标准的选择性加密算法主要原理是用密码算法选择性加密视频数据。将AES加密算法和选择性加密算法结合起来，对视频数据进行有选择的加密以获得很好的安全性与实时性。另外根据AES算法的自身特点，容错性也能得到保证。该算法主要针对视频帧中的关键DC系数、非零AC系数和运动矢量进行加密。该加密算法具有良好的安全性和实时性，对编码压缩性能影响较小，具有一定的数据可操作性，符合视频数据加密的基本要求，能够满足实际应用的需要。