基于H.264/AVC視頻安全級別可分的加密方案

陳志玉，宋建新

(南京郵電大學圖像處理與圖像通信實驗室，江蘇 南京 210003)

隨著設備處理能力的增強和網絡帶寬的快速增大，近些年已經出現了許多視頻應用，比如視頻會議、視頻點播、視頻監控、可視電話等。因為數字視頻非常容易被復制和修改，所以其安全問題已成關注焦點。

多媒體數據需要完全加密還是選擇性加密，這取決于應用的需求。比如，軍事和法律應用需要完全加密。然而，大部分應用所需的安全級別都比較低，所以這些應用只需要選擇性加密(SE)。SE只加密明文的一部分，它有兩個主要的優勢:第一，減少了計算量，因為只有部分明文被加密;第二，被加密的比特流含有原來比特流的屬性。

到目前為止，人們已經提出了基于H.264/AVC的加密方案。比如，基于DCT域［1－2］和運動矢量域的加密方案，它們滿足了安全性的要求，但是改變了碼率大小，實時性和可操作性也很差［3］。為了解決這些問題，充分利用了H.264/AVC編碼器結構和碼流結構的特點，提出了一種安全級別可分的選擇性加密方案［4］。在這個方案中，僅僅選取SPS、PPS和I幀的部分數據被加密［5］。在宏塊級別，將選取數量不固定的宏塊進行加密，這樣就得到了安全級別可分的加密方案。由于預測誤差的可傳播性，所以在解碼端沒有加密的數據也將會被加密。因此，這個方案減少了計算量，適用于需求不同安全級別的應用［6－7］。使用了AES加密算法的CFB模式，這是一種流加密算法，可以及時加密傳送小于分組的數據。

1 H.264/AVC和AES加密算法概述

1.1 H.264/AVC 概述

H.264/AVC是由ITU－T和ISO/IEC聯合制定的，并且是當前最新的視頻壓縮編碼標準，它包含了許多新添加的功能，能提供比H.263，MPEG－2和MPEG－4更高的壓縮性能。下面介紹H.264中SPS，PPS和I幀。

與以往標準不同，H.264的分層結構取消了序列層和圖像層，將原本屬于序列層和圖像層頭部的大部分句法元素游離出來形成序列參數集(SPS)和圖像參數集(PPS)。SPS和PPS包含了圖像解碼時所用到的相同信息，比如H.264支持的檔次profile_idc、指明選擇熵編碼的語法元素entropy_coding_mode_flag、圖像的亮度、色度分量以像素為單位的高和寬等。但是，在SPS中PPS并不是所有的語法元素都可以加密。本文只加密了部分可加密的語法元素。在解碼端，圖像要使用SPS和PPS中的參數進行解碼。

I幀通常是每個GOP(畫面組)的第一幀，它包括IDR(即時解碼刷新)幀和非IDR幀。I幀是一個序列的第一幀圖像通過幀內預測編碼得到的，它是幀間壓縮編碼里的重要幀，后面的圖像將參考它進行編碼。當I幀為IDR幀時，IDR圖像之后的圖像永遠不會引用IDR圖像之前的圖像的數據來解碼。解碼時僅用I幀的數據就可重構完整圖像。

1.2 AES 加密算法

AES加密算法［8］輸入分組密碼算法，它對明文進行加密迭代的次數，稱為輪數。輪數是由密鑰的長度和數據塊的大小決定的。一般密鑰的長度K為128，192或256比特。用Nk代表密鑰串的字數(1字=32 bit)，加密輪數與密鑰長度的關系見表1。由于外部輸入的加密密鑰K長度有限，所以在AES中要用到一個密鑰擴展程序把外部密鑰K擴展成更長的比特串，以生成各輪的加密密鑰。

表1 加密輪數與密鑰長度的關系

在AES加密算法中，對于一個明文塊序列{X1，X2，…，Xn}，每個Xi都用同一個密鑰K加密，得到密文塊序列{Y1，Y2，…，Yn}。為了加密一個數據塊Xi，首先將128位分組數據與擴展密鑰進行異或運算;接著，將得到的結果進行迭代，迭代包括4個步驟，分別是S盒變換SubBytes()、行變換ShiftRows()、列變換MixColumns()和與擴展密鑰的異或AddRoundKey();最后將經迭代后的數據通過Sub-Bytes()、ShiftRows()和AddRoundKey()處理后得到最終的密文塊Yi。

AES加密算法支持5種加密模式，分別是ECB(電子密碼本)模式、CBC(加密塊鏈)模式、CFB(加密反饋)模式、OFB(輸出反饋)模式和CTR(對抗)模式。本文采用CFB模式，CFB模式的流程圖如圖1所示。

圖1 CFB流密碼加密流程圖

圖1中，⊕是XOR運算;Zi是由加密器Ek生成;密文塊Yi由式(1)得到

2 提出的安全可分級的SE方案

根據H.264/AVC標準的數據結構特點和具體實現的流程，提取SPS，PPS和I幀的碼流數據來進行加密。考慮到不同的視頻應用所要求的安全級別不同，在宏塊級別只取一幀中部分宏塊去加密，安全級別要求高的取較多的宏塊數，否則取少的宏塊數。這樣可以在滿足安全性要求的情況下使得計算消耗低、實時性好。下面從三步來描述所提出的方案。

第一步，只對幀內編碼模式下的一個單獨宏塊進行加密，分析由預測誤差引起的加密傳播。如圖2所示，選擇I幀的第一宏塊碼流進行加密，分析對其相鄰宏塊的影響，在這里對于亮度分量取它相鄰的10個宏塊，對于色度分量只取3個宏塊，按照Zigzag掃描如圖3所示。因為在幀內編碼時，宏塊都要參考前面已經編碼的宏塊進行編碼，在解碼時要根據已經解碼的加密宏塊進行解碼，這可能引起圖片嚴重的失真。所以，利用這種特性把加密從已加密宏塊傳到未加密宏塊。在后面實驗部分將分析一個單獨宏塊加密，對其后相鄰宏塊影響的程度和范圍。

第二步，根據第一步分析的結果，可以得到一個加密宏塊的分布圖。通常都是從第一個宏塊開始加密，因為它對后面宏塊影響最大。因為很多的B幀和P幀都是參考I幀編碼的，所以I幀之后的圖片解碼時由于誤差的傳播引起了失真，達到了加密的效果。針對不同的安全級別，加密宏塊分布密集度也不同。在后面將給出不同安全級別對應的加密比例。

第三步，有時候P幀和B幀是幀內編碼，在這種情況下僅僅I幀被加密不能提供足夠的安全級別。為了達到視頻更高級別的安全性，還要用AES的CFB模式對SPS和PPS中能加密的語法元素進行加密，如圖2所示。

3 實驗分析與結果

為了驗證提出方案的性能，使用4個標準視頻序列，它們都是CIF格式，每個視頻序列壓縮編碼50幀。基于JM10.1平臺編程實現所提出的方案。量化步長設置為QP=12。

3.1 加密一個單獨宏塊

根據提出的方案，首先加密I幀中一個單獨宏塊加密對其他宏塊的影響。從圖4可以看出，加密一個單獨宏塊對其相鄰宏塊的影響大。圖4b是加密第一個宏塊，可以看出對整幅圖像的顏色影響都很大;圖4c是對第181個宏塊加密，可以看到相鄰宏塊失真嚴重。

圖4 加密一個單獨宏塊

從圖4可以看出，由于加密的傳播性，一個單獨宏塊加密對其相鄰的宏塊造成了影響，但是影響的具體程度不是很清楚。因此，利用PSNR估量宏塊的質量。通過實驗數據畫出paris序列的I幀PSNR曲線圖，如圖5所示。

圖5 1個加密宏塊附近10個宏塊的亮度分量和色度分量的PSNR值

從圖5可以看出，僅僅加密一個宏塊，它對第1，2，4宏塊影響最嚴重，它們達到了安全性級別，所以不再對這3個宏塊進行加密。由于不同的視頻中運動對象、色度、亮度等不同，所以一個加密宏塊對其相鄰宏塊的影響范圍有可能更大，程度更深。

3.2 安全性可分級方案

由于預測差錯的傳播，不必把整幀都加密，根據3.1的結論，對I幀使用“田”形加密方式。通過實驗得到了相應安全級別的加密比例，如表2所示。下面給出4種序列加密比例和相應的PSNR值。

表2 3種安全級別的加密比例和PSNR值

其中，加密比率(ER)為一幀中加密的宏塊數與全部宏塊數之比。下面以bus序列為例，通過實驗給出不同安全級別的加密后第1幀和第50幀圖像，如圖6所示。圖6a、圖6e為原始圖像，圖6b、圖6f是安全級別較低的圖像，圖6c、圖6g是安全級別中等的圖像，圖6d、圖6h是安全級別高的圖像。可以看出隨著加密比率越大，圖像質量就會越差，安全級別也就越高。

由于只對I幀加密，從視覺上來看，沒有把視頻信息完全覆蓋掉。所以在對I幀部分宏塊加密的基礎上，再對SPS和PPS的部分語法元素加密。實驗結果如圖7所示，可以看出，視頻信息已經完全模糊，加密效果好。

3.3 性能分析

安全性方面:本來采用加密算法是AES的CFB模式，AES是新一代加密標準，至今還沒找到對其有效的攻擊。

從文獻［9］知道AES對視頻數據提供足夠的安全保護。同時，本文對SPS和PPS進行加密，導致攻擊者不能得到解碼所用的參數。I幀部分宏塊加密，導致本身和參考其編碼的圖像不能解碼。由于預測差錯的傳播，使得攻擊者不能解碼。因此，本文提出的方案滿足了視頻安全性要求，并且可以滿足不同安全性的要求。

壓縮率方面:在本方案中，利用AES加密算法加密，使得加密前后數據的長度不變。因此，本方案沒有改變壓縮率的大小。

實時性方面:本方案采用的選擇性加密，大大減少了加密的數據量，并且加密過程和視頻壓縮過程同步進行。又因為采用的加密算法是AES的CFB模式，它是一種流密碼加密方式，實時性很強，所以，本文所提出的方案滿足了實時性的要求。

4 總結

本文中提出了基于H.264/AVC標準的安全級別可分的加密方案，對I幀部分宏塊和SPS、PPS的部分語法元素進行加密。由于預測誤差的傳播性，加密宏塊會引起其附近宏塊的加密。根據這個現象，利用“田”型加密的方式對一幀進行加密處理，這減少了加密的數據量。從實驗結果可以看出，本方案是有效的。

然而，本方案也有不足之處，沒有考慮宏塊選取的智能性。人為地設想會有偏差，所以，之后的工作是設計一種智能選取宏塊的方案，以求加密數據量更少。

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