一种基于CABAC编码的H.264/AVC视频格式兼容加密方法与流程

本发明涉及多媒体信息安全领域，更具体地，涉及一种基于cabac编码的h.264/avc视频格式兼容加密方法。

背景技术：

近年来，随着多媒体技术的发展，视频技术越来越多地出现在人们的日常生活中。随之而来的，人们对于视频内容、隐私保护的相关技术也越来越重视。

对于视频来说，现有方法主要针对视频码流中的空域、时域相关参数进行加密。但如果从安全性的角度来考虑，这样的算法都存在着隐私泄露的风险。特别地，经过加密的媒体数据本身结构与加密前没有太大的区别。媒体数据自身的结构(块顺序、帧顺序等)附带了大量的边信息。这些未加密的结构信息，很有可能导致隐私泄露。由于经过压缩编码的媒体数据结构复杂，前后文往往具有高度相关性，并且不同的媒体数据格式所使用的编码标准不尽相同；同时，还需要考虑编码效率、加密时间等问题，对媒体数据的结构信息进行加密是一项艰巨的任务。加密空域、时域相关参数，提供了一种全局的轻量级保护；它不能满足不同应用场景对于感兴趣区域进行可控的调整，以及专门的局部保护的需求。此外，加密的视频往往用于云存储系统等场景，需要保留对加密视频一定的处理能力。

基于cabac编码的h.264/avc视频格式兼容加密方法，主要对cabac编码的h.264/avc视频的时间、空间参数以及结构信息进行了加密；设计了多层加密系统，为感兴趣区域提供了专门的保护，提高了加密算法对不同应用场景的适应性；同时，又保留了对加密视频检测处理的能力，兼顾了云端处理与视频内容保护的两种需求。

技术实现要素：

本发明提供一种基于cabac编码的h.264/avc视频格式兼容加密方法，该方法能够高效的对cabac编码的h.264/avc编码的视频进行加密。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种h.264/avc视频格式兼容加密方法，包括以下步骤：

s1：对视频块进行分组；

s2：对感兴趣块、随机选择块进行加密；

s3：对剩余块进行部分加密；

s4：将s2生成的加密块打包，与s3生成的部分加密块重新组织为格式兼容的加密视频码流。

进一步地，所述步骤s1的具体过程是：

s11：利用检测算法，例如人脸检测，定位出视频中属于感兴趣区域的块位置，将这些块记为感兴趣块r，r中用mp1记录位置信息；

s12：随机选择一些块，记为随机选择块s，s中用mp2记录位置信息，s中用skip块替代相应的r中的感兴趣块；

s13：将剩余块记为o。

进一步地，所述步骤s2的具体过程是：

s21：对于r中每一个块中的数据，进行算术编码后，利用aes-cfb对所有比特进行加密；

s22：对于s中每一个块中的数据，进行部分加密以及算术编码后，利用aes-cfb对所有比特进行加密。

进一步地，所述步骤s3的具体过程是：

s31：加密o中每个块的帧内预测模式ipm；

s32：加密o中每个块的运动向量残差mvd码字的后缀；

s33：加密o中每个块的非零系数的后缀及其符号；

s34：对于o中每一个块中的数据，进行算术编码。

进一步地，所述步骤s4的具体过程是：

s41：将加密后的r中的数据，打包为类型22的nalu；

s42：将加密后的s中的数据，打包为类型23的nalu；

s43：将加密后的o中的数据，重新组织为一段视频，记为nvb，重新计算nvb中参数集中的部分参数；

s44：将nvb中相关的原始参数及r、s中相关的参数集记为p，完全加密后打包为类型17的nalu；

s45：将类型为17，22以及23的nalu置于nvb的码流之后，得到加密后的视频码流。

进一步地，该方法能够根据需求选择感兴趣区域进行加密，同时，为视频提供多层次的保护，利用部分密钥，可以恢复出除了感兴趣区域之外的部分信息，用于做加密视频的检测处理，具体过程是：

s51:解密nalu类型为23中的内容，得到部分加密的随机选择块

s52:解密nalu类型为17中的内容，得到部分加密的原始参数

s53:根据mp2从以及部分加密的剩余块恢复出具有原始视频结构的视频，其中感兴趣块所在区域信息已经由skip块代替，这个具有原始视频结构的部分加密的视频可用于检测处理。

对应的解密方法具体过程是：

s61:依次解密nalu类型为17，23中的内容，得到随机选择块s和原始参数p；

s62:解密nalu类型为22中的内容，得到感兴趣块r；

s63:解密nvb中的内容，得到剩余块o及其他参数；

s64:根据mp1，mp2恢复原始视频结构，利用解密后的数据进行后续解码工作。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明方法先对视频进行格式兼容加密，能够为感兴趣区域提供专门的保护，同时，加密了视频结构信息，减少了边信息泄漏。该方法能够根据不同的应用场景选择不同的感兴趣区域，更适应于实际应用拓展；同时利用多层加密系统，使得能够在敏感信息不泄漏的情况下，保留对加密视频的检测处理能力，从而可以为云监控系统、云存储系统等应用提供帮助。

附图说明

图1是采用本发明方法的基本流程图；

图2是采用本发明方法进行加密基本思想的示意图；

图3是采用本发明方法对非零系数进行部分加密的示意图；

图4是采用本发明方法实现加密的框架图；

图5是采用本发明方法加密的视频帧的例子。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1，为本发明方法中基于格式兼容加密方法的流程图。其中加密的基本思想如图2所示，先对感兴趣块和随机选择块进行加密，再将其作为附加信息，置于经过部分加密的剩余块之后，得到经过加密的视频码流。其具体步骤如下：

(1)对视频数据进行分组，具体的，按照以下方式对视频的块数据进行分组：

①利用检测算法，例如人脸检测，定位出视频中属于感兴趣区域的块位置，将这些块记为感兴趣块r，r中用mp1记录位置信息，具体地

mp1可以表示为由0，1组成的序列，其中1表示对应块为感兴趣块，0则反之。

r的一个例子可以是「mp1，……，0，ri，0，……」，其中0为间隔符，ri表示一个感兴趣块。

②随机选择一些块，记为随机选择块s，s中用mp2记录位置信息，s中用skip块替代相应的r中的感兴趣块；

mp2可以表示为由0，1组成的序列，其中1表示对应块为在s中，0则反之。

s的一个例子可以是「mp2，……，0，si，0，skip，0，……」，其中0为间隔符，si表示一个随机选择块，skip是一个跳过宏块(i帧中用另一个随机选择块代替)，skip用于替代对应位置的感兴趣块，使得视频能够使用恢复部分边信息用于检测处理操作。

③将剩余块记为o。

(2)对感兴趣块和随机选择块进行加密：

①对于r中每一个块中的数据，进行算术编码后，利用aes-cfb，密钥k3，对所有比特进行加密，得到fe{r}，其中fe{}表示对其中所有比特利用aes-cfb进行加密；

②对于s中每一个块中的数据，进行部分加密(具体方法见步骤(3))，密钥k1，得到再进行算术编码后，利用aes-cfb对所有比特进行加密，密钥k2，得到

(3)对剩余块进行部分加密，其中，对cabac编码的部分加密方法如下：

①加密o中每个块的帧内预测模式ipm，其中

intra_16×16的加密方法为：加密宏块类型对应的码字的最后一个比特；

intra_4×4的加密方法为：如果最有可能模式标识为0，则加密后缀的三个比特；

②加密o中每个块的运动向量残差mvd码字的后缀，具体地：

采用cabac编码的h.264/avc中，mvd使用了ueg3进行二进制化，mvd大于9的码字，会由eg3码字表示大于9的那一部分信息。对于这些mvd，选择用于加密的比特为其eg码字的后缀。

③加密o中每个块的非零系数的幅值及其符号，具体地：

采用cabac编码的h.264/avc中，非零系数使用ueg0进行二进制化，幅值大于15的码字，会由eg0码字表示大于15的那一部分信息。这些eg0码字的后缀，即是用于加密的比特。此外，用于编码非零系数、拖尾系数符号的比特，也是需要进行加密的比特。其加密过程如图3所示。

④对于o中每一个块中的经过部分加密后(密钥k1)的数据，进行算术编码。

(4)将(2)生成的加密块打包，与(3)生成的部分加密块重新组织为格式兼容的加密视频码流。

①将加密后的r中的数据，打包为类型22的nalu；

②将加密后的s中的数据，打包为类型23的nalu；

③将加密后的o中的数据，重新组织为一段视频，记为nvb，重新计算nvb中参数集中的部分参数，具体地有如下类型的参数：

视频的高与宽参数，需要重新换算成nvb的大小；

视频片头中关于片中第一个宏块所在地址信息的参数，需要换算成nvb中的地址；

nvb中边缘宏块的帧内预测模式ipm，需要换算为不需要从越界像素(超出nvb中图像范围)预测的模式；

mvd需要根据nvb中的预测运动向量pmv由公式mv＝pmv+mvd重新计算。

④将nvb中相关的原始参数及r、s中相关的参数集记为p，完全加密后打包为类型17的nalu；

⑤将类型为17，22以及23的nalu置于nvb的码流之后，得到加密后的视频码流。

(5)该方法能够根据需求选择感兴趣区域进行加密，其整体实现框架如图4所示。同时，为视频提供多层次的保护，利用部分密钥，可以恢复出除了感兴趣区域之外的部分信息，用于做加密视频的检测处理。其中，使用部分密钥恢复原始视频结构信息用于处理的的流程如下：

①利用密钥k2解密nalu类型为23中的内容，得到部分加密的随机选择块

②利用密钥k2解密nalu类型为17中的内容，得到部分加密的原始参数

③根据mp2从以及恢复出具有原始视频结构的视频，用于检测处理。

(6)完全解密过程为加密的逆过程，其具体流程如下：

①利用密钥k2、k1依次解密nalu类型为17，23中的内容，得到随机选择块s和原始参数p；

②利用密钥k3解密nalu类型为22中的内容，得到感兴趣块r；

③利用密钥k1解密nvb中的内容，得到剩余块o及其他参数；

④根据mp1、mp2恢复原始视频结构，利用解密后的数据进行后续解码工作。

本发明方法的原理如下：

本方法利用预处理的检测方法，提取出感兴趣区域，进行专门的保护处理，从而能够适应不同应用场景，比全局的轻量级加密提供更好的保护。本方法同时结合了逐比特加密和部分加密，为视频内容提供了多层次的保护，从而使得本方法能在不泄漏感兴趣区域信息的情况下，满足进行部分检测处理算法的需求。本方法加入了随机选择块，同时重新组织了视频块信息，使得加密后的视频码流结构与原始视频码流结构具有极大的差异，能够更好地防止边信息泄漏，保护视频内容。

利用本发明方法进行实验的结果：

以352×288的视频为例，部分结果如图5所示：

其中，左边的图像为原始视频帧，右边的图像为加密后的视频帧。可以看出，我们的算法可以很好地保护视频内容。详细的结果如下表所示:

其中，用于测试的每段视频为300帧，采用的是jm18.6参考代码，ir为残留信息，lsd为局部方差，es为加密空间。通过表1可以看到，本发明方法加密后的视频ir非常小，lsd很大，即达到了较好的视频内容保护效果。同时，加密空间占整个参数空间的比率超过了57％，比起现有的加密(20％)，能够更好地对抗暴力破解，保护视频内容。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。