一种基于CAVLC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cavlc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，人们对于视频内容、隐私保护的相关技术越来越重视。相对于图片数据，视频数据具有体积大，图像帧之间相关性强等特点。通常来说，视频都是经过压缩编码，以方便存储和传输。这就使得视频上的加密技术与普通的加密技术有所不同，例如，通常在加密视频内容的同时，要保持其格式兼容性。如何兼顾安全性、格式兼容以及应用场景的其他需求，是视频加密技术一个挑战。

对于压缩视频码流来说，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cavlc编码的h.264/avc视频格式兼容加密方法，根据cavlc编码的特点，加密了h.264/avc视频的时域、空域参数以及结构信息；同时，为感兴趣区域提供了专门的保护，提高了加密算法对隐私内容的保护能力；它也保留了对加密视频进行检测处理的能力，兼顾了视频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cavlc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cavlc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：根据码流中分块信息，对视频进行分组；

s2：将感兴趣块、随机选择块分别进行加密；

s3：对剩余块使用部分加密；

s4：将s3生成的部分加密块组织为格式兼容的加密视频码流，其后是s2生成的加密块打包成的nalu。

进一步地，所述步骤s1的具体过程是：

s11：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。在s中，使用mp2记录位置信息。特别地，s中用skip块替代相应的r中的感兴趣块；

s13：剩余块记为o。

进一步地，所述步骤s2的具体过程是：

s21：利用aes-cfb对r中的所有比特进行加密；

s22：对于s中的数据进行部分加密，之后，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：

对于加密o中每个块：

s31：加密其帧内预测模式ipm；

s32：加密其运动向量残差mvd码字的后缀；

s33：加密其非零系数的后缀及其符号；

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：重新组织加密后的o中的数据为一段视频，记为nvb，并重新计算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，将其完全加密后，打包为类型17的nalu；

s45：将这些nalu置于nvb的码流之后，从而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，可以利用部分密钥，进行加密视频的检测处理，具体过程是：

s51:解密nalu类型为23的nalu中的内容，得到部分加密的随机选择块

s52:解密nalu类型为17的nalu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。在这个视频中，感兴趣块所在区域信息已经由skip块代替，以用于检测处理。

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nalu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：

本发明方法针对cavlc编码的h.264/avc视频，先对视频进行格式兼容部分加密，再对感兴趣区域进行完全加密，为感兴趣区域的内容提高了更好的保护。同时，加密了视频结构信息，减少了边信息泄漏导致视频内容泄漏的风险。此外，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；同时利用多个密钥，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，从而可以为视频监控系统、云存储等应用提供帮助。

附图说明

图1是采用本发明方法的基本流程图；

图2是采用本发明方法实现加密的框架图；

图3是采用本发明方法密钥的构成图；

图4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cavlc编码的h.264/avc视频格式兼容加密的流程图。其中加密的实现框架如图2所示，先对感兴趣块和随机选择块进行加密，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根据不同应用场景选择不同的检测算法，例如人脸检测，定位出视频中属于感兴趣区域的块，将这些感兴趣块的集合记作r；此外，在r中用mp1记录感兴趣块对应的位置信息。具体地

mp1是由0，1组成的序列，其中1表示视频中对应位置的块为感兴趣块，0则表示视频中对应位置的块为非感兴趣块。

r可以表示为如「mp1，……，0，ri，0，……」的形式，其中0为间隔符，ri表示一个感兴趣块。

②随机选择一些块，记其集合为s；在s中，用mp2记录由哪个集合获取原始视频块的信息；为了能够在不泄漏感兴趣块内容的情况下恢复出原始视频结构，以用于检测处理，s中用skip块替代相应的r中的感兴趣块；因此，s中既包含原本即为skip的块，也包含用于替代感兴趣块的skip块。具体地，

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将剩余块的集合记为o。

(2)对r和s进行加密：

①对于r中的数据，利用aes-cfb、密钥k3，对每一个比特都进行加密，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，利用部分加密算法(具体方法见步骤(3))、密钥k1进行加密，得到之后，再利用aes-cfb、密钥k2，对所有比特进行加密，得到

(3)对o进行部分加密，密钥为k1，其中，对cavlc编码的部分加密方法如下：

①加密帧内预测模式ipm，其中

intra_16×16的加密方法为：intra_16×16的预测模式有4种，编码在宏块类型的码字的最后一个比特中，因此，加密宏块类型mb_type对应的码字的最后一个比特；

intra_4×4的加密方法为：intra_4×4的预测模式有8种，利用最有可能模式mpm进行编码。标识符为1，表示预测模式即是最有可能模式mpm。如果最有可能模式mpm标识符为0，则后缀的三个比特用于表示预测模式与mpm的差别；加密这三个比特不会影响格式兼容，因此，选择这后缀的三个比特进行加密。

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cavlc编码的h.264/avc中，mvd使用了指数哥伦布码eg0进行编码。指数哥伦布码可以表示成「前缀0后缀」的形式，其中前缀由全1的比特组成，表示组别；后缀表示编码的参数在该组中的偏移量以及相应的符号信息。加密eg0码字的后缀不会改变格式兼容，因此，选择mvd码字的后缀进行加密。

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cavlc编码的h.264/avc中，经过变换、量化、预测等编码之后的残留系数，使用如下的形式：

「非零系数的数目，拖尾系数的数目，拖尾系数的符号，除拖尾系数外的非零系数的幅值，最后一个非零系数前零的数目，每个非零系数前零的数目」。

其中非零系数的幅值使用eg0进行编码。类似的这些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。

(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r中的数据，打包为类型22的nalu；

②将s中的数据，打包为类型23的nalu；

③将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：

a.视频的高与宽参数，替换成nvb的大小；

b.视频片头中关于片中第一个宏块所在地址信息的参数，替换成nvb中的地址；

c.nvb中边缘宏块的帧内预测模式ipm，替换为不需要从超出nvb中图像范围的像素预测的模式；

d.mvd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将这些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。同时，为视频提供多层次的保护，其密钥构成如图3所示。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的nalu中的数据，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的nalu中的数据，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中的数据，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中的数据，得到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：

本方法对预处理提取出的感兴趣区域中的所有比特进行加密，对其他区域进行部分加密，从而为感兴趣区域提供了专门的保护。本方法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密钥，使得本方法能在不泄漏感兴趣区域信息的情况下，利用部分密钥进行检测处理。同时，本方法加入了随机选择块，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4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62％，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。