基于H264熵编码的视频加密技术研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：5.02M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1视频加密技术的研究背景

1.1.1密码学的发展

1.1.2视频编码的发展

1.1.3视频应用的扩大

1.2视频加密技术的发展状况

1.3视频加密技术的研究意义

1.4本文研究内容及章节安排

第2章H.264视频编码标准简介

2.1 H.264的结构特征

2.1.1视频格式

2.1.2分层设计

2.1.3档次和分级

2.2 H.264的关键技术

2.2.1帧内预测

2.2.2帧间预测

2.2.3环路滤波

2.2.4变换与量化

2.2.5熵编码

2.3 H.264编解码过程

2.3.1编码过程

2.3.2解码过程

2.4 H.264的应用前景

第3章视频加密基础

3.1信息论基础

3.2密码学基础

3.3现有的视频加密技术

3.3.1完全加密

3.3.2选择加密

3.3.3 DCT系数加密

3.3.4熵编码加密

3.4本章小结

第4章基于CAVLC的视频加密方案

4.1 CAVLC编码过程

4.1.1过程描述

4.1.2编码示例

4.2 CAVLC加密方案

4.2.1方案描述

4.2.2加密示例

4.2.3实验结果

4.2.4方案分析

4.3本章小结

第5章基于CABAC的视频加密方案

5.1算术编码原理

5.2 CABAC编码过程

5.2.1二进制化

5.2.2上下文建模

5.2.3二进制算术编码

5.3 CABAC加密方案

5.3.1方案描述

5.3.2实验结果

5.3.3方案分析

5.4本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

西南交通大学硕士学位论文基于H.264熵编码的视频加密技术研究姓名：胡友情申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：彭代渊20080508

西南交通大学硕士研究生学位论文第l页摘要随着多媒体技术和网络通信技术的飞速发展，视频已经广泛地用于政治、军事、商业、医疗和教育等行业。除了政治和军事这两个需要高保密性的领域外，其它领域对视频加密的需求也越来越大。视频序列具有数据量大、编码结构特殊、实时性要求高等特点，这对视频加密算法提出了很高的要求。视频加密算法除了要有较高的安全性外，还必须具有较快的加密速度和保持压缩效率与编码格式不变。众多现有的视频加密方案都是在视频编码的熵编码之前进行加密，它们并不能完全满足前述对视频加密算法的要求。基于信源特性、结合熵编码过程的视频加密算法被认为是很好的研究方向。针对目前还没有基于H．264熵编码的视频加密方案的情况，本文对H．264的熵编码技术进行了详细研究，提出了与CAVLC和CABAC熵编码过程相结合的视频加密方案。CAVLC加密方案采用流密码体制，主要用于视频会议等实时多媒体应用。CABAC加密方案采用可灵活配置的加密模块和密文反馈模式，大大增强了安全性，主要用于存储视频和高清电视等应用。这两种加密方案可以分级，以满足不同加密级别的需求，安全覆盖了H．264的全部廒用范丽。理论分析和具体实验表明，这两种方案具有计算简单、安全高效、易于实现、不改变视频格式和压缩效率的优点。本文的研究可以应用到实际的系统中，也为今后在熵编码领域进行更好的加密算法的研究起到了抛砖引孤的作用。关键词H．264；AVC：CAVLC；CABAC；熵编码；视频加密

西南交通大学硕士研究生学位论文第1I页AbstractWith也erapiddevelopmentofmultimediaandnetworktechnology,videohasbeenusedwidelyinpolitical，military,commercial，medical，educationandotherindustries．Besidespoliticalandmilitarytwoareasneedhi．曲security,therequestforvideoencryptionofmanyotherareasisgrowing．Videosequenceshavecharacteristicsofalargequantityofdata，specialcodingstructureandhighreal-timerequirements，whichputsforwardstrictdemandstovideoencryptionalgorithm，Noonlyhavinghighsecurity,dovideoencryptionalgorithmhavefastworkingspeedandkeepefficiencyofcompressionandcodingformat．Manyexistingvideoencryptionschemesworkpriortotheentropycodingofvideocoding．TheyCan。tsatisfytherequirementsofvideoencryptioncompletely．VideoencryptionalgorithmbasedontheSOurCefeaturesandcombinedwiththeprocessofentropycodingiSconsideredveryimportanttofutureresearch．InthesituationofthereisnovideoencryptionschemebasedonH。264entropycoding，thispaperstudiestheH．264entropycodingandproposesCAVLCandCABACvideoencryptionschemeswhicharecombined谢氇theprocessofentropycodingofH．264．CAVLCencryptionschemeusedStreamCipherSystem。Itisusedforreal-timemultimediaapplications。CABACencryptionschemeusesflexibleencryptionmodulesandCipherFeedbackModewhichincreasesthesecurity．ItismainlyusedforstoragevideoapplicationssuchasHD-TVBothencryptionschemeCanbedividedintoseverallevelstomeetthedifferentneedsofencryptionandcoverallapplicationsofH．264．Analysisandexperimentalresultsshow也atbothschemehavetheadvantagesofsimplecomputation，hi曲security,easytoimplementandd0notchangethevideoformatandcompressionefficiency．Theresearchsofthispapercanbeappliedtotheactualsystemandmakeareferenceeffortonvideoencryptionbasedonentropycoding．KeywordsH．264；Ave；CAVLC；CABAC；Entropycoding；Videoencryption

西南交通大学曲南父遗大罕学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在一年解密后适用本授权书；2。不保密醇使用本授权书。(请在以上方框内打‘‘4”)学位论文作者签名：拥度If前日期：渺参年r月为日指导老师签考：塾a勘胡El期：厶嗡年岁月Z咽V

西南交通大学学位论文创新性声明本入郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：提蠢了与H．264的两个熵编码技术(CAVLC和CABAC)相结合酶视频加密方案，为今后在H．264熵编码阶段进行视频加密研究提供了参考作用。

西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第{章绪论信息联系了整个社会，也联系了整个历史。旱在几千年前，信息安全传递的方式就因政治和军事的要求应运而生并不断发展。进入数字化时代以后，计算机技术和通信技术的融合极大的改交了信息处理和信息传递的方式，安全通信的概念和方式被彻底变革，信息安全领域的一句名畜就是：一切尽在密钥中。视频作为一种特殊的信息体，其加密方式也因其特殊性丽颇不寻常，极具挑战。-l。1视频加密技术的研究背景数字视频加密技术的发展总是与信息加密技术和视频编码技术的发展分不开的，研究视频加密技术就必须先研究加密技术和视频编码技术。{．{。{密码学的发展对信息进行加密的历史可以追溯到几千年以前，然两只在最近几百年才有长足的进步。在相当长的时间内加密的技术仍就停留在古典密码的水平，那时信息的安全性严重的依赖于加密算法的保密性，加密算法一旦攻破，信息的安全性将不复存在。像移位密码、仿射密码、维吉尼亚密码、代换密码、简单置换密码【l'2】之类的古典密码体剖由于密钥空间很小或密文具有统计频率特性而极易被攻破。现代密码体制建立在某些数学难题的基础上，其安全性依赖于数学难题的难解性，两且有些可以用数学方法得到证明。如今的加密算法依赖于密钥的保密来实现信息的安全性，加密算法是可以公开的，这样可以经受大家分析和检验，这样就促使现代密码学褥到了飞速发展。像DES、3-DES、AES、IDEA、RSA[1,21之类的加密算法的安全性已经在全世界密码分析者的分柝和检验下以及实际系统的应用中得到公认。随着计算机技术的发展，计算机的性能飞速提升，这使得穷举密钥攻击法对数字加密信息构成了严重威胁，像DES这样的56位密钥的算法已经是不安全的了【3】。因此寻求更安全的加密算法便显得迫在眉捷，除了增加密钥长度这样的简单办法之外，更加重要的是在理论上有新的突破。E1Gamal密码体制、椭圆曲线加密算法、一次一密13】思想越来越受到人们的关注，特别

西南交通大学硕士研究生学位论文第2页是一次一密的思想促使序列密码成为了研究的热点，而序列密码相对于其它算法更简单、更高效的特点使得它用来加密视频这样的含有巨大数量的信息怒再好不过的了。视频加密技术是建立在密码学基础上的，密码学的发展极大的促进了视频加密技术的发展13,4】。1．1．2视频编码的发展早期的视频来源都是采用模拟摄像视拍摄的，视频传输仅仅是通过通信信道将模拟视频信号传送到接收方，视频信息本身是没有编码的。随着技术的发展，数字视频的出现了。数字视频的来源有两种，一种是采用数字摄像机直接拍摄的视频，另一种是采用采样技术将原来的模拟视频数字化，其本质上都是“O挣或“l捧的二迸制序列。数字视频在时间上为离散的图像序列，其数据量是非常巨大的。这一特征使得数字视频信息不易传输、不易存储，影响了其使用范围。为了解决这一闯题，大量的研究人员致力予数字视频的数据量压缩方面的研究，提出了各种数字视频压缩编码算法，并取得了显著的成果，一些算法还成了国际标准。国际电信联盟(ITU．n和国际标准化组织(ISO／IECJTCl)是国际上发布视频编码标准的两个正式组织，通常他们独立研究和发布视频编码标准，偶尔他们也会合作发布。1989．年ITU．T发布的H．261是针对可视电话和视频会议等业务的视频压缩标准，目的是在窄带综合业务数字网烈。ISDN)上实现速率撑×64kbps(n=l,--30)的双向声像业务；1992年ISO／IEC发布的MPEG．1是为速率1．5Mbps的数字声像信息的存储而制定的，它通常用于能够提供录像质量(VHS)视频节目的光盘存储系统；1994年lTU．T和ISO／IEC共同制定的MPEG．2(H．262)克服并解决了MPEG．1不能满足日益增长的多媒体技术、数字电视技术、多媒体分辨率和传输率等方面的技术要求上的缺陷，能在很宽范围内对不同分辨率和不同输出比特率的图像信号有效地进行编码，它的编码效率为4Mbps—lOOMbps，它广泛应用于多媒体存储、视频会议、可视电话、数字电视、高清晰度电视(HDTV)、广播、通信和网络等领域：1995年ITU．T制定的H．263是甚低比特率压缩标准，其传输码率可以低于64kbps，它特别适用子无线网络、PSTN和因特网等环境下的视频传输，所有的应用都要求视频编码器输出的码流在网络上进行实时传输。为了提高编码效率，增强编码功能，ITU．T对H．263进行了多次补充，补充修订的版本有1998年制定的H．263+、2000年制定的H。263++。1999年ISO／IEC发布的MPEG．-4提出一些新的有创见性的关键技术，充分利用人眼视觉特性，抓住图像信息传输的本

西南交通大学硕士研究生学位论文第3页质，从轮廓、纹理思路出发，支持基于视觉内容的交互功能，采用了基于对象的编码理念。2003年ITU。T和ISO／IEC共同发布的H．264采用整数变换、CAVLC和CABAC等新技术，进一步提高了编码算法的压缩效率和图像播放质量。与以往标准相比，在相同失真率条件下H。264的编码效率提高了50％左右，是目前压缩性能最好的标准。有关视频编码国际标准的详细情况可以参考文献[5】。IISO／IEC标准I1992t999MPEG．MPEG-4'1994Internet2003H．262H，264(MPEG《>(MPEG·2)Partl0)1984．19894—100Mbp199519982000各种码率H。261H。263H。263+H，263++nx64Kbps<64Kb<64Kbp<64KbpsllTu矗建议}图哩．_l1989年以来制定的视频编码标准1．1．3视频应用的扩大视觉是人类的最高感知方式，所以视频图像在人类的感知中扮演着重要的角色。早期的数字视频应用仅为存储视频、数字广播电视等方面，压缩技术和计算机网络技术的快速发展为高质量的视频应用创造良好的环境，视频的应用变得越来越广泛，不蒜仅仅是视频信号的发布广播，其应用范围已扩大到可视电话、视频会议、网络电视、流媒体、数字视频制作、视频点播等。国家发射的数字通信卫星功能越来越强，有越来越多的电视节目变成了数字卫星直播，直接到户的卫星电视、高清电视为广大用户带来了更多的信息资源。无线网络逶信技术已经有了巨大的进步，基于3G标准的应用将使用户通过移动终端就可以观看到清晰的视频。随着技术的不断发展，视频的应用范围还将继续扩大。．1。2视频加密技术的发展状况由于数字视频的应用范围不断扩大，术也就越来越受到人们的关注。进来年，其加密需求也越来越多，其加密技国内外研究人员一直在寻找和开发

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