針對H.264/AVC視頻流的加密研究

◆唐金藝 蒲 江

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針對H.264/AVC視頻流的加密研究

◆唐金藝 蒲 江

(91977部隊 北京 100084)

H.264/AVC視頻壓縮編碼標準已成為當前的主流標準，隨著人們對視頻清晰度要求的不斷提高，視頻流的數據量也在不停增大。利用H.264/AVC壓縮編碼標準中幀分類的特性，針對不同等級的用戶應用數據分級保護傳輸的方法，進行差異化數據加密。結合序列密碼ZUC算法，給出密鑰同步設計方法進行實時亂數流和視頻幀流同步的加密，有效的降低了視頻加密的開銷，并解決了視頻流和密碼流的加密同步問題。

視頻加密；H.264/AVC；ZUC

0 引言

隨著互聯網消費模式日新月異的變化，傳統的影視消費越來越趨于家庭化個人化，人們無需再像傳統的方式那樣走入影院進行消費。坐在家中通過網絡進行在線視頻的需求也日益增多，人們更愿意通過支付一些費用在自己的客廳里享受高清晰度的影視頻作品。這樣的高視覺感知度的視頻數據加密帶來的開銷是十分巨大的。面對這樣的用戶需求，如何有效地降低服務端的加密開銷變得尤為重要。

1 H.264/AVC視頻流的ZUC序列密碼加密方案

本文充分研究分析了當前主流的H.264/AVC視頻壓縮編碼標準，提出了以I幀為加密對象，結合序列密碼ZUC算法，給出密鑰同步設計方法進行實時亂數流和視頻幀流同步的加密，有效的降低了視頻加密的開銷，并解決了視頻流和密碼流的加密同步問題。

2 H.264/AVC編碼分析

H.264/AVC是ISO/IEC（國際標準化組織）和ITU-T（國際電信聯盟）于2003年共同提出制定的視頻壓縮編碼格式標準[1]。設計和提出的目的是為了解決在互聯網環境下提高對誤碼率的抵抗能力，同時保證較高的Qos。有效的解決好穩定性、可管理性和安全性。新的標準相比較于H.263和MPEG-4擁有了更高的壓縮比；同時對各種網絡的親和性大大提升。

3 壓縮編碼數據格式

傳統方式去理解視頻，每一幀就是一張畫面，很多張畫面構成動態的視頻。而實際視頻H.264/AVC的處理是會通過壓縮編碼算法來降低數據體量。H.264/AVC壓縮編碼后的數據就是用I、P、B幀來構成。一組連續的I、P、B幀就可以構成一個GOP（Group of Pictures）畫面組，很多個GOP構成一段完整的視頻文件。

I幀：稱之為關鍵幀，可以將其理解為一張完整描述畫面的數據包，I幀是一個GOP中的第一個幀，通常來說一個GOP中也就只有唯一一個I幀，I幀的壓縮只能是適度的，其壓縮方法是幀內壓縮，I幀是通過DCT（Discrete Cosine Transform）離散余弦轉化法來進行壓縮的，壓縮方法類似于JPG圖片壓縮。

P幀：用來描述這一幀和之前一個I幀或P幀的差別，P幀的壓縮是根據當前幀和之前一個I幀或P幀的運動變化軌跡來進行運算的。解碼時需要結合之前畫面疊加上本幀的差別后進行呈現。

B幀：是更復雜的雙向差別描述，B幀的壓縮需要通過相鄰的前一幀、后一幀和本幀的運動軌跡來進行運算。其壓縮率較高，但CPU編碼開銷會增大。

I、P、B幀的依賴關系如圖1所示。

圖1 I、P、B幀關系圖

I幀對視頻視覺感知度的分析

分析得出H.264/AVC視頻壓縮編碼標準中I幀的數據大小占比在20.06%-32.32%之間。同時，對I幀按照各種比例進行加密處理，得到各種加密比例下量化的PSNR值，通過PSNR值衡量用戶視覺感知的差異，三類視頻加密前后分別用PSNR進行量化分析，如表1所示。分析發現PSNR隨I幀加密比例增加而急速降低，在I幀全加密的情況下會極大的影響視頻的視覺感知度，I幀的加密具有非常大的視覺感知安全保證。[2]

表1 I幀加密對PSNR值的影響（q為加密I幀的比例）

4 ZUC(祖沖之)序列密碼算法配用

密碼學是一種研究如何將信息通過隱秘手段進行傳輸的學科，密碼學是信息安全控制的重要支撐技術。當今主流的密碼學是基于計算機科學和數學的信息加密技術。其中現代密碼學分了三個主要分支：分組密碼（塊密碼）、序列密碼（流密碼）和公鑰密碼。

5 序列密碼加密分析

序列密碼（流密碼）是密碼學的主要研究分支。正如命名可以看出該算法具有數據流化的特征。又因其安全強度大被主要用于軍事、政府部門和商業安全領域。常見的序列密碼算法有：3GPP標準中使用的Snow 3G和ZUC算法、GSM上使用的A5/1算法、WEP上使用的RC4算法和藍牙標準上使用中的E0算法。

序列密碼的加解密過程是將密碼算法生成的亂數流與明文數據逐個比特異或處理的，所以其錯誤的傳播性極低，甚至可以說是完全不存在錯誤傳播。又因其算法邏輯對軟硬件的開銷需求較低所以加密性能較高。

序列密碼對數據的處理流程是：

圖2 序列密碼加解密處理流程

ZUC(祖沖之)序列密碼算法[3]

序列密碼ZUC算法是中國人自主設計的高性能序列密碼，它和其他序列密碼一樣具有很好的數據流化特征。又由于其錯誤的傳播性極低，甚至可以說是完全不存在錯誤傳播。所以選擇ZUC算法來進行加密同樣以流形式進行編碼的視頻數據非常合適。

圖3 ZUC算法總體結構

6 H.264/AVC視頻流和密鑰同步設計

（1）視頻組Gop加密與密鑰同步設計

圖4 密鑰同步設計

（2）收發方加密同步設計

無論是視頻直播還是視頻點播，視頻的數據流都是源源不斷的傳遞過來的。如何做好被加密數據與亂數流的同步問題非常重要。無論是網絡的不可靠傳輸還是一些用戶的操作行為都會帶來數據流的不同步問題，一旦發生了數據不同步，快速的將其同步回來顯得尤為重要。

前面提到本方案的加密策略是選擇將需要加密的I幀明文和序列密碼算法ZUC產生的亂數進行異或操作來獲取密文的。同時網絡中通過命名規則可以知道當前視頻播放的幀組號時多少，序列密碼算法ZUC也是通過基礎的密鑰Key加上組號來決定密鑰。所以用戶端可以快速通過數據包的名稱得到組號，再結合約定的基數的密鑰Key計算得到相應密文所需的亂數。這樣可以快速實現解密數據的同步，因為每一組幀組所對應的播放時間相當短暫的，用戶端是完全可以接受的。

7 結束語

隨著視頻消費需求的不斷增加，數據安全有效控制的需求正逐步凸顯。如何將網絡下的視頻類消費進行有效的安全管理控制需要不斷的完善。對視頻安全控制的研究正在逐步深入，伴隨用戶體驗的需求提高，視頻流體量也日趨增大，授權視頻的安全控制開銷隨之增加，針對主流的H.264/AVC視頻壓縮編碼標準高效的控制視頻流安全，將成為未來降低服務端開銷的主要突破口。

[1]Wiegand T, Sullivan G J, Bjontegaard G, et al. Overview of the H.264/AVC video coding standard[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems for Video Technology， 2003.

[2]唐金藝.NDN下一種基于I幀加密的在線視頻安全訪問控制研究[D].清華大學碩士學位論文，2017.

[3]馮秀濤.3GPP LTE國際加密標準ZUC算法[J].信息安全與通信保密，2011.