專利名稱：一種視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種視頻信息加解密的方法，具體地講是符合MPEG序列和H.26x序列標(biāo)準(zhǔn)的高保密性的一種視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種視頻信息的應(yīng)用日益廣泛。例如視頻會議、可視電話、流媒體服務(wù)以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等等。對于某些特殊的行業(yè)，這些視頻信息有的非常重要，一旦泄密其損失無法衡量。例如遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷用的圖像可能涉及到個人的隱私和生命的安全、電子商務(wù)中的視頻圖像信息可能涉及公司的巨大利益、法律訴訟過程中的現(xiàn)場記錄照片要保證不被篡改、黨政部門公務(wù)活動中的視頻圖像信息可能涉及社會的安定和經(jīng)濟(jì)的起伏、而對信息安全性極度敏感的軍事視頻圖像信息可能涉及國家的安全，其價值無法衡量。然而，網(wǎng)絡(luò)的使用日益普及和方便，使得任何人都有可能從網(wǎng)上輕易地獲取這些視頻信息。為了保證這些傳輸和存儲的圖像信息的安全性，就必須對其加密。特別是在軍事國防、黨政機(jī)關(guān)、電子商務(wù)等重要領(lǐng)域，對視頻信息的保密性有著迫切的需求。
目前，這些視頻信息或者沒有加密、或者只是簡單的加密，其安全性很難得到保證。最早有人提出的一種視頻加密方法被稱為傳統(tǒng)的加密方法。傳統(tǒng)的加密方法主要還是直接應(yīng)用密碼技術(shù)，對全部數(shù)據(jù)不加區(qū)別地加密。具體的加密方法可以是采用分組加密算法對整個碼流分組加密，也可以是采用偽隨機(jī)序列對整個碼流異或操作。這種方法可以提供一定的安全性，技術(shù)上也易于實現(xiàn)。但是其應(yīng)用于視頻加密卻存在難以克服的缺點。首先由于視頻數(shù)據(jù)的海量性，全部加密難以滿足實時的需要；其次由于視頻編碼信號的標(biāo)志信息是固定格式的，攻擊者在獲取密文后，對密文進(jìn)行分析，提取明文中標(biāo)志信息加密后得到的相應(yīng)密文，對比明文中的固定格式的標(biāo)志信息就可以輕易的破解加密算法；另外，視頻信息的許多標(biāo)志信息在存儲和傳輸過程中均具有重要的作用，如交互作用和QoS保障作用，如果破壞，將嚴(yán)重影響其使用。因此對全部數(shù)據(jù)不加區(qū)別地按傳統(tǒng)方法加密不適合應(yīng)用于視頻信息的加密，還存在缺陷，要應(yīng)用于視頻加密還需要改進(jìn)。
另一種視頻加密的方法是基于置亂技術(shù)的。其基本思想是采用固定的矩陣置亂對整個碼流進(jìn)行置亂。這種加密方法計算量不大，可以滿足實時性的需求。但是，這種加密方法卻無法提供足夠的安全性。對于已知明文攻擊，攻擊者只需要對比密文和明文，就可以很容易的得到置亂矩陣，其它的密文用這個置亂矩陣就可以很快的破解了。對于唯密文攻擊，攻擊者可以結(jié)合部分碼流格式信息，對視頻序列關(guān)鍵幀(I幀)加密可能采用的置亂矩陣進(jìn)行窮舉。如果某種置亂矩陣對密文進(jìn)行反置亂可以得到正確的圖像，那么這個置亂矩陣就是加密采用的置亂矩陣，此置亂加密方法也就被破解了。由密碼學(xué)的知識可以知道，這種攻擊的復(fù)雜度不高，使用窮舉法很容易破解這種置亂方法。因此，對整個碼流采用固定的置亂矩陣置亂也不適合視頻信息的加密，要應(yīng)用于視頻加密還需要改進(jìn)。
針對視頻加密這一日益緊迫的矛盾性需求，國內(nèi)外已有不少科研單位開始研究快速高效的視頻加密方法來滿足實際應(yīng)用。保證信息安全的基礎(chǔ)上提高視頻傳輸?shù)膶崟r性，是數(shù)字視頻加密技術(shù)發(fā)展的一個主要方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是基于視頻信息的信源特征，對上述兩種加密方法的不足進(jìn)行改進(jìn)，提出一種快速高效的、高保密性的視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，以克服上述的不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方法是從所需要加密的視頻信息中提取幾種關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂，然后將置亂后的數(shù)據(jù)塊還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為置亂加密后的視頻碼流輸出，解密則是從所需要解密的視頻信息中提取幾種進(jìn)行了置亂的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊實施還原，然后將還原后的數(shù)據(jù)塊還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為解密后的視頻碼流輸出。
本發(fā)明所采用的一種方法是從所需要加密的壓縮后的視頻信息中順序提取某些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)塊，然后對這些數(shù)據(jù)塊的順序采用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的動態(tài)改變的置亂矩陣進(jìn)行置亂，最后按照置亂后的順序?qū)⑻崛〉年P(guān)鍵數(shù)據(jù)塊依次還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為加密后的視頻碼流輸出；解密則是類似的過程，不同的只是采用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生置亂矩陣后，要根據(jù)置亂矩陣產(chǎn)生反置亂矩陣，對提取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊的置亂要用反置亂矩陣操作。
上述用于置亂的矩陣由偽隨機(jī)序列動態(tài)產(chǎn)生，對于所有視頻幀，在有限的時間內(nèi)，采用的置亂矩陣動態(tài)改變，永不重復(fù)。
為了保證安全性，本發(fā)明采用的一種改進(jìn)是只對碼流的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂。視頻信號經(jīng)過壓縮編碼后得到的碼流數(shù)據(jù)有固定的格式信息，如果對所有數(shù)據(jù)不加區(qū)分的采用置亂矩陣置亂，攻擊者可以根據(jù)壓縮后視頻數(shù)據(jù)的某些固定格式信息猜出一些置亂規(guī)則，這樣就大大降低了置亂矩陣的安全性。本發(fā)明只對碼流的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂，這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊不包含視頻數(shù)據(jù)特定的結(jié)構(gòu)信息，所以置亂后得到的碼流仍然符合標(biāo)準(zhǔn)的碼流格式，置亂的安全性有很大的提高。
本發(fā)明用來置亂的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊可以是宏塊、塊，也可以是運(yùn)動矢量的值、DC系數(shù)值或者AC系數(shù)值。根據(jù)不同的需求，對以上數(shù)據(jù)塊采用不同的組合可以達(dá)到不同的安全級別?？梢圆捎玫慕M合方式有宏塊置亂、I幀DC值置亂和PB幀運(yùn)動矢量置亂、I幀宏塊置亂和PB幀運(yùn)動矢量置亂、I幀DC值置亂和PB幀宏塊置亂、AC系數(shù)值或者塊數(shù)據(jù)置亂。試驗表明，上述的加密組合得到的加密效果是很理想的。
本發(fā)明用來置亂的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊和置亂的組合方式可以是上述幾種，但不限于上述幾種。只要滿足置亂后的視頻碼流仍然符合標(biāo)準(zhǔn)碼流的方法都是本發(fā)明的思想。
為了保證安全性，本發(fā)明采用的另一種改進(jìn)是對關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊置亂的矩陣動態(tài)改變。傳統(tǒng)的置亂加密方法采用的置亂矩陣是固定的。所有碼流采用一個固定的置亂矩陣進(jìn)行置亂安全性無法保證。一旦置亂矩陣被攻擊者得到，所有的碼流密文都會被破解。為了解決這個問題，本發(fā)明采用的置亂矩陣是動態(tài)改變的，對于所有的視頻幀，采用的置亂矩陣都不一樣。
本發(fā)明針對標(biāo)準(zhǔn)編碼的視頻信號數(shù)據(jù)量大的特點，利用視頻編碼信號具有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性和相關(guān)性強(qiáng)等信源特征和內(nèi)在邏輯關(guān)系，對編碼壓縮后的視頻數(shù)據(jù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊按照某種動態(tài)改變的規(guī)則置亂，保證安全性的同時整體上大幅度減少其計算量和復(fù)雜性，并且置亂后的碼流仍然符合碼流標(biāo)準(zhǔn)，不影響加密后視頻碼流的解碼及視頻的回放，從而使得非法用戶竊取數(shù)據(jù)后，雖然可以正確解碼得到圖像，但圖像無法識別和理解。本發(fā)明可以滿足實時性和安全性的要求，是視頻信息加密的一種解決方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。
由于本發(fā)明采用只對壓縮后的視頻信息的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂加密，使得本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼的視頻信息置亂加密后得到仍然符合標(biāo)準(zhǔn)的視頻碼流，不改變視頻信息中的標(biāo)志信息和重要結(jié)構(gòu)信息，不改變碼流語法結(jié)構(gòu)，不影響應(yīng)用，不影響加密視頻信息的檢索和回放；2、加解密運(yùn)算量足夠小，對視頻傳輸?shù)母郊友訒r很小，基本不影響實時性；3、根據(jù)不同應(yīng)用的安全性需求不同，進(jìn)行置亂的數(shù)據(jù)塊類型可以選用不同組合，加解密方法的保密性可分級；4、為方便加解密方法的應(yīng)用，加解密可獨(dú)立于視頻編解碼模塊，自成獨(dú)立模塊；5、加密方法基于置亂思想的，采用的置亂數(shù)據(jù)塊來自碼流本身，所以置亂加密后不會增加碼流大小，不影響視頻壓縮比，對帶寬要求無變化；6、壓縮后的碼流數(shù)據(jù)經(jīng)過置亂加密和置亂解密后，可以正確恢復(fù)，所以不會影響圖像質(zhì)量；7、由于在加密端和解密端對使用的偽隨機(jī)序列進(jìn)行同步，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況不好時，丟失一個或幾個視頻包不會影響后續(xù)幀的正確解密，所以本加密方法的網(wǎng)絡(luò)容錯性很好；8、置亂矩陣采用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生，當(dāng)偽隨機(jī)序列的隨機(jī)性高時，可以使得置亂矩陣在有限的時間內(nèi)永不重復(fù)，加密算法的安全性得到保證。


圖1為本發(fā)明在正常狀態(tài)的應(yīng)用總體流程圖。
圖2為本發(fā)明在非正常狀態(tài)的應(yīng)用總體流程圖。
圖3為本發(fā)明偽隨機(jī)序列產(chǎn)生及應(yīng)用系統(tǒng)框圖。
圖4為本發(fā)明加密方法流程圖。
圖5為本發(fā)明解密方法流程圖。
圖6為本發(fā)明實施例1應(yīng)用于視頻會議系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
圖7為本發(fā)明實施例2應(yīng)用于數(shù)字電視/視頻點播系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但以下實施例不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
本發(fā)明動態(tài)改變的置亂矩陣產(chǎn)生方式為使用偽隨機(jī)序列生成不重復(fù)的置亂矩陣。這是因為偽隨機(jī)序列具有良好的隨機(jī)性，我們可以用它來產(chǎn)生具有良好隨機(jī)性的置亂矩陣。具體方式是①得到要置亂的數(shù)據(jù)塊總數(shù)M，求滿足條件(2k-1＜M＜2k)的k；②從偽隨機(jī)序列中取出k個新的位，用這k個新的位組成一個隨機(jī)數(shù)；③重復(fù)上一步得到M個隨機(jī)數(shù)；④用洗牌算法把這M個數(shù)映射到[1，M]上，產(chǎn)生[1，M]上隨機(jī)但不重復(fù)的M個整數(shù)；⑤用這M個整數(shù)組成置亂矩陣。⑥重復(fù)以上所有操作，可以得到多個不同的置亂矩陣，依次用于每個視頻幀中。用這些不同的置亂矩陣置亂碼流就達(dá)到了動態(tài)改變置亂矩陣的目的。
具有良好隨機(jī)性的偽隨機(jī)序列產(chǎn)生方式為可使用m序列或者混沌序列產(chǎn)生。
m序列由一個n階的線性反饋移位寄存器(LFSR)生成。LFSR是一種研究得非常成熟的序列生成方法，已被廣泛地應(yīng)用于密碼技術(shù)、保密通信技術(shù)等方面。它通過一個有限長的種子產(chǎn)生具有足夠長周期和良好隨機(jī)性的序列。一個本原多項式及其寄存器初始值完全確定了一個m序列生成器。在傳遞、存儲序列時，只須傳遞、存儲生成器的方法和種子。m序列能循環(huán)地通過所有2n-1個內(nèi)部狀態(tài)，在重復(fù)之前才能夠產(chǎn)生2n-1位長的偽隨機(jī)序列。本方案可以選用的不同階數(shù)的本原多項式，但是，為了保證安全性，應(yīng)該選用階數(shù)足夠大的。
混沌序列是另外一種很好的偽隨機(jī)序列產(chǎn)生方式，也是最近幾年密碼學(xué)研究的一個熱點?；煦缧蛄杏袃蓚€很重要的特征對初始條件敏感性和系統(tǒng)變化的不可預(yù)測性。這兩個特征是密碼學(xué)中隨機(jī)序列的重要特征。所以混沌序列用于產(chǎn)生偽隨機(jī)序列是很好的方法。產(chǎn)生混沌序列的方式很多，不同的迭代函數(shù)有不同的安全性。通過選擇不同的迭代函數(shù)和精度，我們很容易得到足夠長的隨機(jī)序列，并且保證它在有限的時間內(nèi)不重復(fù)。
隨著密碼技術(shù)的研究不斷取得進(jìn)展，偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生方式也越來越多，我們可以根據(jù)需要靈活選取。本發(fā)明只列舉了可使用m序列或者混沌序列產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，但不限于這兩種方式。只要滿足產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列具有足夠的隨機(jī)性的方法都是本發(fā)明的思想，都可以被本發(fā)明采用。
偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生和應(yīng)用可以用圖3表示。初始密鑰k1一般通過安全信道傳送，并用于加密端和解密端同步產(chǎn)生相同的偽隨機(jī)序列。密鑰流生成器KG使用初始密鑰生成偽隨機(jī)序列。置亂矩陣生成器MG順序截取偽隨機(jī)序列中的比特位生成多個隨機(jī)數(shù)然后組成置亂矩陣。置亂加密器EN使用生成的置亂矩陣對提取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂加密。在解密端，由于本發(fā)明使用了動態(tài)隨機(jī)置亂，為了正確解密，必須保證加密端和解密端所使用的隨機(jī)置亂矩陣是完全一致的，所以在隨機(jī)置亂矩陣動態(tài)變化的情況下，兩端所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列必須完全同步。
保證加密和解密端使用的偽隨機(jī)序列精確同步是實現(xiàn)可靠解密的關(guān)鍵技術(shù)。由于視頻數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳送時有可能出現(xiàn)誤碼或者丟包，所以解密端和加密端使用的偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的置亂矩陣與對應(yīng)的密文就會不一致，加密和解密使用的偽隨機(jī)序列就不同步了，解密端就不能使用對應(yīng)的反置亂矩陣解密，解密的圖像就無法識別。要解決同步問題，必須在加密端和解密端同時使用同步機(jī)制。
在IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，視頻數(shù)據(jù)一般是通過RTP包傳送的。針對這種情況，本發(fā)明提出的解決偽隨機(jī)序列的同步的方法是使用RTP包頭的序號做丟包檢測和同步。其原理是RTP包有固定的格式信息，在RTP包頭有序號、時間戳和同步源標(biāo)識符(SSRC)等。我們可以用RTP包頭的序號來檢測到是否發(fā)生了丟包，丟了多少個包。在解密端，知道了丟包的個數(shù)后，計算得到生成這些包的置亂矩陣所需的偽隨機(jī)序列比特數(shù)，然后把偽隨機(jī)序列跳過相應(yīng)的比特數(shù)，從而達(dá)到使使用的偽隨機(jī)序列同步的目的。這種方法可以很好的應(yīng)用與視頻會議系統(tǒng)中。
在數(shù)字電視或流媒體服務(wù)中，本發(fā)明提出的解決同步的方法是使用視頻壓縮數(shù)據(jù)的關(guān)鍵幀來同步。根據(jù)視頻數(shù)據(jù)編碼規(guī)則，視頻數(shù)據(jù)由關(guān)鍵幀(基本幀)和預(yù)測幀組成。關(guān)鍵幀含有較多的視頻信息，但數(shù)量較少，并且會根據(jù)一定的頻率間隔出現(xiàn)。利用視頻數(shù)據(jù)的這一特點，我們可以在加密端每次出現(xiàn)關(guān)鍵幀時，將使用的偽隨機(jī)序列從后續(xù)的某個位置重新開始。比如第一次出現(xiàn)I幀時從偽隨機(jī)序列的第1位開始使用，第二次就從第1000位開始，依次類推，第n次就從第n*1000位開始。在解密端也和加密端一樣進(jìn)行同樣的操作，這樣加密和解密使用的偽隨機(jī)序列就同步了。當(dāng)然，具體的間隔比特數(shù)不一定就是1000，加密端和和解密端可以根據(jù)需要靈活選取。如果每次產(chǎn)生置亂矩陣使用的比特數(shù)越多，那么跳躍間隔數(shù)就應(yīng)該越大。這種方法可以解決數(shù)字電視/視頻點播系統(tǒng)中偽隨機(jī)序列的同步問題。
本發(fā)明的流程如圖1，圖1中的視頻加密模塊即是本發(fā)明的實現(xiàn)部分。經(jīng)過壓縮后的原始視頻碼流經(jīng)過視頻置亂加密模塊得到仍然符合標(biāo)準(zhǔn)的視頻置亂后碼流，經(jīng)過加密后的碼流經(jīng)過視頻反置亂解密模塊恢復(fù)成原始的視頻碼流，然后經(jīng)過解碼器就可以得到正確的視頻圖像。但是，如果經(jīng)過置亂加密后的碼流沒有通過反置亂解密模塊或者沒有正確的反置亂，經(jīng)過解碼器則得到被破壞的視頻圖像(圖2)。
本發(fā)明加密流程如圖4。本方法的視頻加密模塊主要由三部分組成碼流分析模塊、置亂模塊和碼流混合模塊。碼流分析模塊的主要功能是分析壓縮后的原始視頻碼流，記錄每個關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊在碼流中的起始位置和長度信息(以bit為單位)。置亂模塊的主要功能是使用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的置亂矩陣將提取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂。碼流混合模塊的主要功能是按照置亂后的順序?qū)⑻崛〉年P(guān)鍵數(shù)據(jù)塊還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為加密后的視頻碼流輸出。
本發(fā)明解密流程如圖5。本方法的視頻解密模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由三部分組成碼流分析模塊、反置亂模塊和碼流混合模塊。碼流分析模塊的主要功能是讀取分析經(jīng)過置亂加密后的視頻碼流，記錄每個置亂后的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊在碼流中的起始位置和長度信息(以bit為單位)。反置亂模塊的主要功能是使用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的反置亂矩陣將置亂的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行反置亂。碼流混合模塊的主要功能是將反置亂后復(fù)原的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為解密后的視頻碼流輸出。
本發(fā)明可以很容易的應(yīng)用于視頻會議系統(tǒng)和數(shù)字電視/視頻點播系統(tǒng)中。下面分別介紹本發(fā)明在兩個實施例中的應(yīng)用。
實施例1視頻會議系統(tǒng)本發(fā)明最直接的應(yīng)用就是實時視頻通信系統(tǒng)。實時視頻應(yīng)用特別強(qiáng)調(diào)加密和解密不影響視頻的實時傳輸。本發(fā)明采用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生置亂矩陣，然后對壓縮后的視頻數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂加密。決定加密速度的操作主要有兩部分偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生和關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊的置亂。關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊的置亂只是些緩沖區(qū)的拷貝操作，速度很快。偽隨機(jī)序列的產(chǎn)生可以用硬件來實現(xiàn)也可以用軟件實現(xiàn)，不同的實現(xiàn)方式有不同的速度。經(jīng)試驗，用軟件產(chǎn)生偽隨機(jī)序列也可以保證實時性。
實時視頻通信系統(tǒng)最典型的例子就是視頻會議系統(tǒng)。本發(fā)明也是為解決視頻會議系統(tǒng)安全性而提出的。下面以本發(fā)明在視頻會議系統(tǒng)中的應(yīng)用為例來說明具體的實施例。如圖6，在視頻會議系統(tǒng)中，多點控制單元負(fù)責(zé)各個參加會議的終端的集中控制。這些控制包括呼叫建立、能力交互和媒體流交互。由于本實施例為支持安全通信的視頻會議系統(tǒng)，各個終端發(fā)送和接受到的媒體數(shù)據(jù)都是置亂加密后的數(shù)據(jù)，所以終端間的密鑰分發(fā)和管理要由一個獨(dú)立的單元來管理，這個單元為密鑰分發(fā)管理單元。密鑰分發(fā)管理單元又由多點控制單元集中管理。圖中所示只是一個簡單的實施例，加入會議的只有兩個終端，一個將視頻信息置亂加密后通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，另一個接收到加密后的碼流然后反置亂解密送到解碼顯示模塊顯示正確圖像。實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，如果參加會議的終端同時具有發(fā)送加密視頻信息和接收加密視頻信息的功能，那么就既可以看到別的終端發(fā)送來的加密視頻信息，也可以發(fā)送加密后的本地視頻信息給其它終端。多個終端參加會議的情況和上述實施例類似。
實施例2數(shù)字電視/視頻點播數(shù)字電視是一項全新的電視服務(wù)，是數(shù)字技術(shù)在電視領(lǐng)域發(fā)展的必然結(jié)果。數(shù)字電視最大的優(yōu)勢在于高質(zhì)量的影音質(zhì)量。數(shù)字電視是與模擬相對應(yīng)的一個相對概念，它將模擬電視信號通過抽樣、量化和編碼，用二進(jìn)制數(shù)來表達(dá)圖象和伴音信號，使電視信號數(shù)字化，用戶可通過機(jī)頂盒利用現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡(luò)來收看數(shù)字電視系統(tǒng)播出的數(shù)字電視節(jié)目?！皵?shù)字電視機(jī)頂盒”是一種將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的變換設(shè)備，它對經(jīng)過數(shù)字壓縮編碼的圖像和聲音信號解碼還原成模擬信號，使模擬電視機(jī)同樣可以接受數(shù)字電視信號。
數(shù)字電視的另一個優(yōu)勢在于互動。互動電視為數(shù)字電視的發(fā)展趨勢，視頻點播(VOD)是數(shù)字電視實現(xiàn)互動的體現(xiàn)。VOD系統(tǒng)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)視頻廣播與人們交流的單項方式，使觀眾有更大的主動參與性。用戶可以按自己的需要選擇、定制、點播甚至參與節(jié)目，而不是只能挑選頻道、被動接受電視臺的固定安排。
目前，數(shù)字電視的應(yīng)用才剛剛開始，還不是很完善。數(shù)字電視的普及是在網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠快和電視節(jié)目的數(shù)量足夠多的時候才會出現(xiàn)的。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，這些已經(jīng)不是主要問題。數(shù)字電視的收費(fèi)系統(tǒng)和數(shù)字節(jié)目的版權(quán)保護(hù)是制約數(shù)字電視發(fā)展的諸多瓶頸中最大的一個。數(shù)字節(jié)目通過廣播衛(wèi)星、廣播電視網(wǎng)絡(luò)和有線電視網(wǎng)絡(luò)傳播到幾乎沒有限制的地理位置。任何又條件的用戶都可以收看到廣播電視的節(jié)目。而廣播電視制作者要購買版權(quán)、制作節(jié)目，這些都要花費(fèi)很高的成本。數(shù)字電視業(yè)要健康發(fā)展，逐步普及，必須對使用者收取一定費(fèi)用。本發(fā)明可以很好的應(yīng)用于數(shù)字電視和視頻點播系統(tǒng)中，加密數(shù)字電視的視頻信息，使得合法用戶正確解密后可以看到完整正確的節(jié)目，未授權(quán)的非法用戶即使收到了視頻節(jié)目，由于無法正確解密而無法看到正確的圖像。
本發(fā)明在數(shù)字電視/視頻點播中的應(yīng)用最大的優(yōu)勢在于，經(jīng)本系統(tǒng)加密后的視頻碼流中的標(biāo)志信息不被改變。因為視頻節(jié)目一般存放于視頻服務(wù)器中，視頻點播往往需要視頻檢索，而基于內(nèi)容的視頻檢索是根據(jù)視頻信息中的某些標(biāo)志字來查詢的。本發(fā)明提出的加密方法則能保證不改變這些標(biāo)志字，不改變碼流結(jié)構(gòu)，從而保證視頻的正常檢索和應(yīng)用。
本發(fā)明在數(shù)字電視/視頻點播系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖7所示。數(shù)字電視節(jié)目制作中心在將電視節(jié)目發(fā)送到有線電視網(wǎng)絡(luò)前，先要經(jīng)過視頻置亂加密系統(tǒng)加密。置亂加密系統(tǒng)從密鑰分發(fā)管理單元得到加密密鑰。密鑰分發(fā)管理單元負(fù)責(zé)加密密鑰和解密密鑰的管理和分發(fā)。終端用戶通過數(shù)字機(jī)頂盒接收到加密后的數(shù)字電視節(jié)目后，要經(jīng)過視頻反置亂解密，解密后的圖像才可以在電視上正確播放。數(shù)字機(jī)頂盒還負(fù)責(zé)和系統(tǒng)的密鑰分發(fā)管理單元交互，獲得正確的密鑰和授權(quán)信息，然后給視頻反置亂模塊解密。
本發(fā)明提出的視頻信息加解密方法充分考慮了實際應(yīng)用的需求，置亂加密后的對原有的系統(tǒng)影響很小甚至基本沒有影響。本發(fā)明提出的上述兩個實施例只是本發(fā)明的應(yīng)用實例，本發(fā)明可以應(yīng)用于所有對視頻信息安全性有要求的實際系統(tǒng)中。
本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特征在于從所需要加密的視頻信息中提取幾種關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂，然后將置亂后的數(shù)據(jù)塊還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為置亂加密后的視頻碼流輸出，解密則是從所需要解密的視頻信息中提取幾種進(jìn)行了置亂的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊實施還原，然后將還原后的數(shù)據(jù)塊還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為解密后的視頻碼流輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特征在于從所需要加密的壓縮后的視頻信息中順序提取某些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)塊，然后對這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊的順序采用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的置亂矩陣進(jìn)行置亂，最后按照置亂后的順序?qū)⑻崛〉年P(guān)鍵數(shù)據(jù)塊依次還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為加密后的視頻碼流輸出，解密則是類似的過程，不同的只是采用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生置亂矩陣后，要根據(jù)置亂矩陣產(chǎn)生反置亂矩陣，對提取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊的置亂要用反置亂矩陣操作。
3.如權(quán)利要求1或2所述的視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特征在于用于置亂的矩陣由偽隨機(jī)序列動態(tài)產(chǎn)生，對于所有視頻幀，在有限的時間內(nèi)，采用的置亂矩陣動態(tài)改變，永不重復(fù)。
4.如權(quán)利要求1所述的視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特征在于選擇視頻碼流中對圖像恢復(fù)起主要作用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊作為高強(qiáng)度加密的對象。
5.如權(quán)利要求1所述的視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特征在于關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊可以是宏塊、塊，也可以是運(yùn)動矢量的值、DC系數(shù)值或者AC系數(shù)值。
6.如權(quán)利要求1所述的視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特征在于關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊置亂后得到的碼流仍然是符合碼流標(biāo)準(zhǔn)的。
7.如權(quán)利要求1所述的視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特征在于通過對視頻關(guān)鍵信息的不同組合的提取得到不同保密性級別的加密方法以適應(yīng)不同級別的應(yīng)用需求。
8.如權(quán)利要求1所述的視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特征在于視頻信息加密方法由三部分組成，碼流分析、置亂和碼流混合，碼流分析的主要功能是分析壓縮后的原始視頻碼流，記錄每個關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊在碼流中的起始位置和長度信息；置亂的主要功能是使用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的置亂矩陣將提取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂；碼流混合的主要功能是按照置亂后的順序?qū)⑻崛〉年P(guān)鍵數(shù)據(jù)塊還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為加密后的視頻碼流輸出。
9.如權(quán)利要求1所述的視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特征在于視頻信息解密方法由三部分組成，碼流分析、反置亂和碼流混合，碼流分析的主要功能是讀取分析經(jīng)過置亂加密后的視頻碼流，記錄每個置亂后的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊在碼流中的起始位置和長度信息；反置亂的主要功能是使用偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的反置亂矩陣將置亂的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行反置亂；碼流混合的主要功能是將反置亂后復(fù)原的關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為解密后的視頻碼流輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種視頻信息的動態(tài)隨機(jī)置亂加解密方法，其特點是從所需要加密的視頻信息中提取幾種關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊進(jìn)行置亂，然后將置亂后的數(shù)據(jù)塊還原至提取位置和那些非關(guān)鍵數(shù)據(jù)混合作為置亂加密后的視頻碼流輸出，解密則是類似的過程。本發(fā)明用于置亂的矩陣采用偽隨機(jī)序列動態(tài)產(chǎn)生，對于所有的視頻幀，采用的置亂矩陣都不一樣，保密性可達(dá)到實用的水平。本發(fā)明可實現(xiàn)保密性可分級的標(biāo)準(zhǔn)壓縮視頻信息的加密和解密；基于視頻信息信源特征實現(xiàn)，運(yùn)算量小，可滿足視頻信息處理與傳輸?shù)膶崟r性要求；不增加碼流大小，不影響視頻交互性和視頻傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)容錯性；獨(dú)立于視頻編解碼器，支持符合MPEG/H.26x序列標(biāo)準(zhǔn)的視頻碼流的加密，加密后的視頻碼流仍符合碼流語法。
文檔編號H04N7/16GK1617584SQ20041006129
公開日2005年5月18日 申請日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月6日
發(fā)明者徐正全, 姚曄, 李偉, 楊志云, 徐彥彥, 張明, 王怡琳 申請人:武漢大學(xué), 武漢武大方略數(shù)碼科技有限公司