H.264标准的视频加密技术分析与展望

来源:用户上传      作者: 唐瑜升

　　[摘要]随着网络与多媒体技术的飞速发展，视频数据的安全问题越来越突出，本文简要分析了新一代视频压缩编码标准H.264的特性，总结了现有基于H.264的五类加密算法：完全加密、部分加密、置乱加密、选择性加密及基于熵编码加密，对比了各类加密算法的优缺点，指出了它们各自适合的应用范围，结合现有各种视频业务进行了需求分析，最后对基于H.264标准的视频加密算法作了展望。
　　[关键词]视频加密；混沌；置乱；流加密；熵编码；H.264
　　中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）05-0086-01
　　1引言
　　视频信息是多媒体信息的核心。利用网络进行视频会议、视频点播、视频监控、可视电话、视频聊天等已成为时下视频业务主流。加密技术是目前实现通信安全最为有效的方法之一，是信息安全领域的一个热点。视频加密技术是利用密码学理论来保护视频数据的技术，是密码技术和视频编码技术的有机结合。H.264作为新一代视频压缩编码标准，在压缩效率、抗误码率、传输可靠性等方面均优于现行的其他标准。这些技术使视频加密技术的安全、高效、可用性得到保障。
　　2视频数据加密的基本要求
　　视频数据具有数据量大、冗余度高、实时性要求高等特点，压缩后的视频数据应具有支持应用层功能，如快进，位置跳变，码率可控等功能，视频数据加密通常要符合以下要求：
　　（1）强安全性
　　当破译密码所需付出的代价大于数据本身的价值，即认为系统安全，一字一密的强度最安全。
　　（2）高压缩比
　　加解密前后应尽量保持数据量不变，理想视频加密算法应具有压缩率不变性。加密后的数据，存储时不改变占用空间。
　　（3）满足实时性
　　由视频数据本身特性决定，要求加解密算法复杂度适中，快速，利于软硬件实现，符合人眼视觉系统特性和各种通行视频帧速率标准。
　　（4）数据可操作性
　　加解密前后视频数据的格式信息应保持不变，比如句法结构，视频格式信息等。这对于实现应用层的操作功能成为可能，如码率控制、播放操作、数据操作。
　　3 H.264加密技术分类及对比
　　现有H.264标准视频加密技术借鉴了已有成熟的视频编码加密技术，结合H.264标准的新特性进行针对性加密，主要有以下几类：
　　（1）完全加密
　　利用DES、RSA等传统密码技术，将压缩编码后的视频流当作普通二进制数据与密钥流按位运算，安全性高，不改变压缩比，但需加密的信息量大，加密速度低，难以满足视频实时性、码率控制等要求。
　　（2）部分加密
　　针对H.264编码句法元素，有选择地加密部分数据，比如加密所有的I帧、I块和P帧等。加密视频格式信息实现了非授权者无法同步，但格式信息具有统计特性，安全性低，已被破解。
　　（3）置乱加密
　　置乱通常在帧内进行，置乱的对象有：宏块的位置信息，DCT系数等，通过破坏其位置信息和统计特性，实现加密效果，由于置乱时间小于加密数据时间。
　　（4）选择性加密
　　选择加密对图像影响贡献大的数据，达到加密速度和压缩比的折中，比如对DCT系数的符号位加密等。这类算法加密数据量小，加密空间小，安全性不高。
　　（5）基于熵编码加密
　　熵编码加密算法是通过将加密过程与编码过程相结合，使得二者同时进行。基于上下文的自适应变长编码CAVLC就是在熵编码对码字进行加密，而基于上下文的自适应二进制算法编码CABAC是通过置乱CABAC初始码表（即上下文模型）实现加密编码。
　　几类加密算法的性能对比如表1所示：
　　4不同视频业务对加密性能需求分析
　　加密算法的安全性与实时性往往是互为矛盾：要保证安全，必须加密足够多的敏感数据，加解密数据量大了，耗费时间，实时性难以保证，而减少加密的敏感数据又降低安全性。数据在网络传输中可能出现丢包、丢帧、误码等现象，尤其在无线网络环境下显得尤为重要，甚至可能会遭受各种主动或被动的攻击，如数据拦截、数据窃取、蓄意破坏和传输误码等，这对视频加密算法的应用提出了更为苛刻的要求。
　　视频加密技术主要应用领域有：多媒体数据的存储和基于网络应用的视频业务。多媒体数据的安全存储主要是防止数据的非法访问和操作；基于网络应用的视频业务主要有：视频会议，视频点播，视频监控，视频聊天等。视频会议多应用在高机密场合，视频数据在传输中不能被窃取，图像背景相对固定，画面质量要求高，对数据可操作性几乎没有要求，所以，加密算法的安全性要高，速度要快。视频点播相对安全性较低，画面有较好的可辨别度，同时用户可以对视频进行暂停，拖动，快进等操作，因此加密算法安全性不用过高，但是加密速度要快，实时性好。在设计加密系统时，应考虑各种视频业务的加密需求，设计合理的加密算法，选择满足性能的最优方案。
　　5总结与展望
　　对近年来基于H.264标准的典型加密算法进行了分类，对比了各类算法的优缺点，指出了目前主流视频业务的加密功能需求。通过分析可见：完全加密将视频数据当做普通二进制数据流进行分组加密或混沌流加密，没有考虑应用层面功能，安全性高，但存在加密费时，误码累积等不足。
　　目前基于H.264标准的视频加密算法的研究主要集中在以下几个方面：
　　（1）设计更优的加密算法，符合视频加密的一般要求，与压缩和容错编码相结合，利于软硬件实现，抗破解能力强算法，是未来研究的热点和难点。
　　（2）随着硬件工艺的改善，运算速度的提高，制约原来一些算法的瓶颈问题逐步得到解决，结合H.264标准，挖掘以往成熟加密算法潜力，改进算法，提升效能。
　　（3）加密技术是密码技术的应用，随着加密技术的不断发展，新密码技术（量子密码、混沌密码）的研究不断深入，引导加密技术朝着多维空间发展，也不断地应用到H.264标准的视频加密领域。
　　目前，对基于H.264标准的视频加密技术的研究有很多，但是真正通过编解码将视频加密做成完整的系统还是极少的，市场上存在的，大多是基于访问控制的视频加密技术。基于H.264标准的视频加密的进一步发展，有很强的现实意义和良好的市场前景。
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