H.264标准中基于感知加密算法的视频加密方案 标准中基于感知加密算法的视频加密方案 针对多媒体视频传输的安全性与实时性的要求,提出一种基于H.264感知加密算法的视频加密方案。该方案将视 频数据分为VLC(Variable Length Code)和FLC（Fix-Length Code）两类，只选择FLC中对重构图像比较重要的 元素进行加密操作。理论分析和仿真结果表明，该加密方案具有安全性高，低成本系统开销的特性。 2003年3月发布的H.264是目前最新的视频编码标准。它采用了1/8精度的运动估计、4×4整数变换、CAVLC和 CABAC等新技术,使得压缩效率和图像播放质量有了显著提高。与以往标准相比，在相同率失真的条件下，编码效率提高了 50%左右。H.264应用范围非常广阔，包括视频会议、可视电话、会议电视等即时通信,以及数字电视广播、数字存储、流媒体 等方面。 随着视频应用的日益广泛，视频的 针对现有 1 加密数据元素的分析与选取 加密数据元素的分析与选取 对H.264编码宏块语义层进行分析，决定提取帧内预测模式字(Intra Prediction Mode)、运动向量差值(Motion Vector Differ_ence)和残差系数(Residual Coefficient)三类定长语法元素（fix-length code）进行加密操作[1]。 1.1 帧内预测模式字 帧内预测模式字 根据每个宏块所属片组的不同，每一个宏块都有几种编码预测模式。但帧内预测编码是所有片组编码类型中都支持的。对 亮度像素块而言，存在有Intra_4×4, Intra_8×8、Intra_16×16三种预测模式。Intra_4×4模式下有9种 预测模式,适用于对图像细节部分进行编码，Intra_16×16有4种预测模式，适用于对平坦区域进行图像编码[2]。 　 采用Intra_4×4的编码模式字进行加密操作。每一个4×4块都是通过上方和左方像素预测而来，如图1所示，a-p 为待预测像素，它利用相邻块中已经解码的A-Q像素来进行预测。对每一个4×4块，总共有9种模式供选择[2]，其中除了 DC模式，另外8种预测模式的方向也在图1中。 Intra_4×4的编码预测模式总共有9种预测模式，至少需要4个bit位来进行编码。在H.264的标准中，利用一个 “prev_ Intra_4×4_pred_mode”字段来排除一种预测方式，用另外3个bit位来表示余下的8种预测模式。因 此，只对后3个bit位进行加密扰乱,这样的加密过程中，不会影响到其他字段，也不会产生额外的码流。 1.2 运动向量差值 运动向量差值 　 如图2所示，在P帧或B帧中，每个宏块（16×16像素）可以有4种方式来进行分割：16×16、8×16、 16×8、8×8。如图2(d)是采用8×8模式，分为4个子宏块（8×8像素）。每个字宏块可以进一步进行分 割：8×8、4×8、8×4、4×4。 每一个分区或者子宏块都有一个单独的运动向量MV（Motion Vector），用于引用前面参考帧的对应区域来对当前块进行预 测编码。每个预测区的MV都需要相当数目的比特位来进行编码。为了进一步减少比特数，可以利用邻近的MV之间的相关性进 行预测编码。后一个MV可由前面已经编码的MV预测得到,只需要对它们的差值MVD（Motion Vector Difference）进行编码。 在H.264中，MVD值是采用指数哥伦布（Exp-Golomb）进行编码的，这是一种变长编码[3]。 

本文只对MVD的符号位进行加密,对于每一个MVD值，只需要对一个bit位进行加密操作。 1.3 残差系数 残差系数 在H.264中,残差块系数通过CAVLC和CABAC进行编码[4]。在进行CAVLC编码的过程中，涉及到以下几个语义字段[2]：非 零系数数目（Total Coeffs）、拖尾系数数目（TrailingOnes）、非零系数幅值（Level）以及最后一个非零系数前零的个数 （TotalZero）和每个非零系数前零的个数（RunBefore）。 经过分析，只有TrailingOnes和Level的符号位是属于定长字段 [6]，因此提取这两个字段的符号位进行加密操作。如图3所示。 2 算法设计 算法设计 分别引入三个不同的控制参数P1、P1、P3对预测模式字IPM、运动向量MVD和残差系数Residual Coefficient的加密强度进 行控制[1]，具体方案为：以P1、P2的概率分别对IPM、MVD进行加密，当P1、P2从0到1进行变化时，相应地进行不加密到 完全加密；以P3对Residual Coefficients 系数符号位进行不加密到完全加密控制。 下面是算法的具体伪代码描述： While( syntax element) { Switch(syntax element_type) { Case: IPM read 3bits from pseudo random sequence; 　　　 new_mode=original_mode XOR 3_bits; 　　　 break; Case:MVD Read 1bits from pseudo random sequence; 　　　 new_sign=original_sign XOR 1_bits; 　　　 break; Case:DCT coefficients for each none zero coefficients 　　　 read 1 bits from pseudo random sequence; 　　　 new_sign=original_sign XOR 1_bits; 　　　 break; } scan for next syntax element; } 3 仿真结果与分析 仿真结果与分析 3.1 实验环境 实验环境 实验测试条件：H.264/AVC标准，JM10.2版本，以IPPP方式进行编码，I帧刷新率为10,帧率为30 F/s，2 GB内存，Intel T5670处理器,并用VS2008完成对JM10.2代码的调试。实验中采用CIF格式的352288的foreman作为视频序列。 3.2 加密效果分析 加密效果分析 单独加密IPM字段，只是对亮度信息进行加密，如图4中人脸和轮廓信息清晰可见；单独进行MVD加密的过程中，如图5 中，I帧图像完全不受任何影响，B、P帧的I bock也完全不受影响，关键信息很容易泄露。单独对残差系数进行加密，如图6， 与IPM一样，图像的轮廓信息没有很好的隐藏。另外，从对抗解密攻击能力上来看，单独对一种加密元素进行分析加密空间更 小，也更容易实施破解。因此，在视觉安全性要求比较高的场合，应该联合对所有三种元素进行加密，从图7可以看到，随着 加密强度不断提高，视频图像可感知性不断下降，在最强的加密强度下，整幅图像完全被扰乱有很高的视觉安全性。各种方汉 加密后PSNR值如表1所示。 

3.3安全性分析 安全性分析 在加密方案中，保持视频格式的语义兼容性，加密操作并不改变相关字段的长度。攻击者会很自然地通过单独猜解每个字 段元素的值来进行Cipher-only Attacks[7]。 3.4 性能分析 性能分析 一个加密算法的计算复杂度主要取决于它要进行加密的数据量。本文加密的数据量主要包括IPM、MVD和残差系数。在一 个宏块中，IPM和MVD符号位，还有Residual Coefficient的符号位需要加密，因此，要加密的数据量同整个视频数据相比，只 占很小的部分。所采用的加密操作也仅仅是对相关的bit位进行“异或”操作，所需的系统开销极小，基本上不会对 编解码带来影响。 本文研究了一种在H.264编码下进行Perceptual Encryption的方法，通过对语法元素的分析和编码方式的研究，选取了 IPM、MVD和Residual Coefficient这三种定长字段的元素进行加密。通过引入概率参数来对每种类型的字段加密强度进行控 制，分析加密不同元素所带来的视频加密效果。实验结果表明，单独加密其中任何一种元素，都能对图像带来很大的干扰。但 

要获得很好的安全性，必须联合加密三种元素。这种加密方案具有很好的安全性和实时性，而且不会带来额外的码流，保持了 视频的压缩比不变，并且可以调整不同的加密强度，适用于各种应用的需求。 参考文献 参考文献 [1] 刘萧.基于H.264编码的视频加密研究[D].杭州：浙江大学计算机科学与技术学院，2010:18-29. [2] 毕厚杰. 新一代视频压缩编码标准： H.264/AVC[M]. 北京：人民邮电出版社，2005. [3] 李晓举，冯战申，胡友情.基于H.264 CAVLC熵编码的视频加密方案[J].计算机工程与应用，2009,45(34)：114-117. [4] 包先雨，蒋建国，袁炜，等.H.264/AVC标准中基于CABAC的数字视频加密研究[J].通信学报，2007,28(6)：24-29. [5] QAO L,NAHRSTEDT K. A new algorithm for MPEG video encryption[C]. In:Proceeding of the Frist International Conference on Imaging Science,Systems and Technology(CISST’ 97),LasVegas,Nevada,1997:21-29. [6] LIAN S G,LIU Z, REN Z. Secure advanced video coding based on selection algorithms[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics,2006,52(2):621-629. [7] 李晓举，忽海娜，刘丽.一种基于H.264CABAC的视频加密方案[J].电信科学,2010,26(7):80-83.