专利名称:基于h.264编码标准的质量可控的视频流加密方法
技术领域：
本发明涉及视频流加密的方法，特别是一种基于H.264编码标准的质量可控的视频流加密方法。
背景技术：
随着网络和多媒体技术的发展，数字通讯和数字娱乐在人们的生活中占据着越来越重要的位置。在这个过程中，多媒体数据尤其是视频数据的安全传输越来越受人关注。然而，因特网尤其是无线因特网并不是一个保密的传输媒介，因此需要运用加密技术来对传输过程中的视频进行保护。由于多媒体数据量很庞大以及编解码运算的复杂度很高，因此对多媒体数据进行加密相对比较困难。而视频作为因特网上最为吸引人的服务之一，同样面临这个问题。
H.264是由ITU-T和ISO联合发布的视频编码国际标准，它的目标是最大限度的提高压缩性能和网络适应性。因此，H.264标准在很多细节的地方都做了很多努力来提高压缩效率，例如可变块大小，多参考帧，加权预测等。但是H.264标准中并未包括视频加密的相关内容。
发明内容本发明的目的是提供一种基于H.264编码标准的质量可控的视频流加密方法，该方法能根据需要对视频流进行不同等级加密，在保证授权用户正常获取视频内容的前提下，对非授权用户隐藏部分或者全部的视频内容。
为了实现上述目的，并且最大限度的减少对视频压缩效率的影响，本发明基于H.264编码标准的质量可控的视频流加密方法只对H.264视频流中最为关键的部分进行加密。由于H.264视频流中，帧内编码的块是最为重要的信息，根据运动的复杂程度帧内编码块被划分成16×16块、8×8块、4×4块3种不同大小的块。本发明加密方法包括以下步骤选择加密等级；系统采用加密算法对待加密H.264视频流中符合规定尺寸的帧内编码块进行加密。
选择加密等级的方法可以是由用户指定，或者由系统根据网络带宽状况自适应选择加密等级。
本质量可控的视频流加密方法提供了不同的加密等级，通过在编码端选择不同的加密等级对视频流进行加密，控制非授权解码器用加密视频流重构的视频图像的质量，从而为不同的用户提供不同质量的视频内容。符合H.264标准的解码器都可以对用本发明加密方法加密后的视频流进行解码而不会出错，但是重构的视频质量会随着加密等级的提高而下降。只有根据本发明加密方法进行过修改并且拥有密钥的解码器才能正常的进行解码，重构出原始的视频图像。
本发明视频流加密方法只对H.264视频流中最关键的部分进行加密，对编码效率和性能的影响较小，可应用于计算能力和带宽受限的应用场合。
图1为本发明中系统自适应调整加密等级的原理框图；图2为Foreman视频流的原始图像；
图3为用本发明方法对Foreman视频流进行1级加密后，非授权解码器重构的视频图像；图4为用本发明方法对Foreman视频流进行2级加密后，非授权解码器重构的视频图像；图5为用本发明方法对Foreman视频流进行3级加密后，非授权解码器重构的视频图像；图6为container视频流的原始图像；图7为用本发明方法对container视频流进行1级加密后，非授权解码器重构的视频图像；图8为用本发明方法对container视频流进行2级加密后，非授权解码器重构的视频图像；图9为用本发明方法对container视频流进行3级加密后，非授权解码器重构的视频图像。
具体实施方式本视频流加密方法利用H.264编码标准中帧内编码的块被划分成16×16，8×8，4×4三种不同大小的特性，设置不同的加密等级，对H.264视频流中不同尺寸的帧内编码块进行加密，从而为不同的用户提供不同质量的视频内容。
具体实施例中设置以下四种不同的加密等级，四个加密等级及其加密规则分别为等级0不加密；等级1使用加密算法加密所有的帧内编码的16×16块和所有色度块的DC系数；
等级2使用加密算法加密所有的帧内编码的16×16块、8×8块和所有色度块的DC系数；等级3使用加密算法加密所有的帧内编码的16×16块、8×8块、4×4块和所有色度块的DC系数。
编码端用户选择加密等级，然后系统根据所选加密等级对应的加密规则，对输入视频流中符合规定尺寸的帧内编码块进行加密。
加密等级可以由编码端用户指定，也可以由系统根据网络带宽状况自适应选择，在网络带宽较小时，选择较低的加密等级，在网络带宽较大时，选择较高的加密等级。参照图1，其中，根据网络带宽状况自适应调整加密等级的方法是系统根据接收方解码器反馈的丢包率和传输延迟，按预定的等级调整决策，实时选择加密等级，然后将选定的加密等级传给编码器内的加密模块进行加密。如对应每个加密等级，设置相应的丢包率上限、丢包率下限、传输延迟上限和传输延迟下限，当接收方解码器反馈的丢包率和传输延迟大于该等级的丢包率上限和传输延迟上限时，编码器内的加密模块选用下一级加密等级，而当接收方解码器反馈的丢包率和传输延迟小于该等级的丢包率下限和传输延迟下限时，编码器内的加密模块选用上一级加密等级。
加密算法的选择是视频加密中另一个需要考虑的重要问题。本发明中提供两种优选的加密算法，一种是AES加密算法，另一种是ZIGZAG加密算法。前者将待加密的数据看作比特流，然后对每128位进行一次加密；后者通过对原始数据做一个随机的置换来达到加密的目的。
通过加密H.264视频流中的帧内编码块的不同部分可以获得不同的加密等级。虽然帧间编码块的运动向量和残差系数都是不加密的，未授权的解码器依然无法重构出原始的图像块。然而，未授权的解码器可以得到帧与帧之间的运动是否剧烈等信息。
表1给出了典型的H.264压缩码流中各种大小的编码块出现的频率。
表1.H.264比特流的统计分析
实验1分别选择不同的加密等级，加密模块采用AES加密算法，根据所选加密等级对应的加密规则，对Foreman视频流中符合规定尺寸的帧内编码块进行加密。然后由非授权解码器对不同加密等级的Foreman视频流解码后重构图像。试验结果如图2-5所示，其中，图2所示为Foreman视频流的原始图像；图3所示为对Foreman视频流进行1级加密后，非授权解码器重构的视频图像；图4所示为对Foreman视频流进行2级加密后，非授权解码器重构的视频图像；图5所示为对Foreman视频流进行3级加密后，非授权解码器重构的视频图像。
不同加密等级的性能开销如表2所示。
表2.采用AES算法加密Foreman的性能开销
实验2分别选择不同的加密等级，加密模块采用ZIGZAG加密算法，根据所选加密等级对应的加密规则，对container视频流中符合规定尺寸的帧内编码块进行加密。然后由非授权解码器对不同加密等级的container视频流解码后重构图像。试验结果如图6-9所示，其中，图6所示为container视频流的原始图像；图7所示为对container视频流进行1级加密后，非授权解码器重构的视频图像；图8所示为对container视频流进行2级加密后，非授权解码器重构的视频图像；图9所示为对container视频流进行3级加密后，非授权解码器重构的视频图像。
不同加密等级的性能开销如表3所示。
表3.采用ZIGZAG算法加密Container的性能开销
权利要求
1.一种基于H.264编码标准的质量可控的视频流加密方法，其特征在于包括以下步骤选择加密等级；根据所选加密等级对应的加密规则，系统采用加密算法对待加密H.264视频流中符合规定尺寸的帧内编码块进行加密。
2.根据权利要求
1所述的基于H.264编码标准的质量可控的视频流加密方法，其特征在于包括四个加密等级，四个加密等级及其加密规则分别为等级0不加密；等级1使用加密算法加密所有的帧内编码的16×16块和所有色度块的DC系数；等级2使用加密算法加密所有的帧内编码的16×16块、8×8块以及所有色度块的DC系数；等级3使用加密算法加密所有的帧内编码的16×16块、8×8块、4×4块以及所有色度块的DC系数。
3.根据权利要求
1或2所述的基于H.264编码标准的质量可控的视频流加密方法，其特征在于所述加密算法采用AES加密算法或者ZIGZAG加密算法。
4.根据权利要求
1所述的基于H.264编码标准的质量可控的视频流加密方法，其特征在于通过用户指定或者由系统根据网络带宽状况自适应的方式选择加密等级。
5.根据权利要求
4所述的基于H.264编码标准的质量可控的视频流加密方法，其特征在于系统根据网络带宽状况自适应的方式选择加密等级的方法为，根据接收方解码器反馈的丢包率和传输延迟，按预定的等级调整决策，实时选择加密等级。
专利摘要
一种基于H.264编码标准的质量可控的视频流加密方法，包括选择加密等级，系统采用加密算法对待加密H.264视频流中符合规定尺寸的帧内编码块进行加密。可以由用户指定加密等级，或者由系统根据网络带宽状况自适应选择加密等级。该方法能根据需要对视频流进行不同等级加密，在保证授权用户正常获取视频内容的前提下，对非授权用户隐藏部分或者全部的视频内容。它对编码效率和性能的影响较小，可应用于计算能力和带宽受限的应用场合。
文档编号H04N7/16GK1997159SQ200610062937
公开日2007年7月11日 申请日期2006年9月29日
发明者袁春, 洪光明, 钟玉琢 申请人:清华大学深圳研究生院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan