2003年3月發(fā)布的H.264是目前最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。它采用了1/8精度的運動估計、4×4整數(shù)變換、CAVLC和CABAC等新技術(shù),使得壓縮效率和圖像播放質(zhì)量有了顯著提高。與以往標(biāo)準(zhǔn)相比，在相同率失真的條件下，編碼效率提高了50%左右。H.264應(yīng)用范圍非常廣闊，包括視頻會議、可視電話、會議電視等即時通信,以及數(shù)字電視廣播、數(shù)字存儲、流媒體等方面。

    隨著視頻應(yīng)用的日益廣泛，視頻的安全性變得越來越重要。基于以往的標(biāo)準(zhǔn)，人們研究了許多加密算法：有用傳統(tǒng)密碼技術(shù)進(jìn)行全部加密的方法，如DES算法、CSC算法和VEA算法，這類算法雖然有較高的安全性并且不改變壓縮比，但是計算復(fù)雜度很高；有對DCT系數(shù)進(jìn)行加密的方法，如分段置亂算法，這類算法雖然有較低的計算復(fù)雜度，但是安全性低于全部加密的算法，壓縮比也有所改變；有在熵編碼過程中進(jìn)行加密的方法，如多狀態(tài)索引方法，這類算法雖然計算復(fù)雜度低，對壓縮比的影響較小，但在已知明文攻擊情況下是不安全的。上述方法各有優(yōu)缺點，而且大多針對MPEG標(biāo)準(zhǔn)，因此研究適合H.264特點的安全加密技術(shù)成為目前研究的熱點。
    針對現(xiàn)有視頻加密算法的不足，本文提出一種基于H.264的可感知加密算法。
1 加密數(shù)據(jù)元素的分析與選取
    對H.264編碼宏塊語義層進(jìn)行分析，決定提取幀內(nèi)預(yù)測模式字(Intra Prediction Mode)、運動向量差值(Motion Vector Differ_ence)和殘差系數(shù)(Residual Coefficient)三類定長語法元素（fix-length code）進(jìn)行加密操作[1]。
1.1 幀內(nèi)預(yù)測模式字
    根據(jù)每個宏塊所屬片組的不同，每一個宏塊都有幾種編碼預(yù)測模式。但幀內(nèi)預(yù)測編碼是所有片組編碼類型中都支持的。對亮度像素塊而言，存在有Intra_4×4, Intra_8×8、Intra_16×16三種預(yù)測模式。Intra_4×4模式下有9種預(yù)測模式,適用于對圖像細(xì)節(jié)部分進(jìn)行編碼，Intra_16×16有4種預(yù)測模式，適用于對平坦區(qū)域進(jìn)行圖像編碼[2]。
　 采用Intra_4×4的編碼模式字進(jìn)行加密操作。每一個4×4塊都是通過上方和左方像素預(yù)測而來，如圖1所示，a-p為待預(yù)測像素，它利用相鄰塊中已經(jīng)解碼的A-Q像素來進(jìn)行預(yù)測。對每一個4×4塊，總共有9種模式供選擇[2]，其中除了DC模式，另外8種預(yù)測模式的方向也在圖1中。

    Intra_4×4的編碼預(yù)測模式總共有9種預(yù)測模式，至少需要4個bit位來進(jìn)行編碼。在H.264的標(biāo)準(zhǔn)中，利用一個“prev_ Intra_4×4_pred_mode”字段來排除一種預(yù)測方式，用另外3個bit位來表示余下的8種預(yù)測模式。因此，只對后3個bit位進(jìn)行加密擾亂,這樣的加密過程中，不會影響到其他字段，也不會產(chǎn)生額外的碼流。
1.2 運動向量差值
　 如圖2所示，在P幀或B幀中，每個宏塊（16×16像素）可以有4種方式來進(jìn)行分割：16×16、8×16、16×8、8×8。如圖2(d)是采用8×8模式，分為4個子宏塊（8×8像素）。每個字宏塊可以進(jìn)一步進(jìn)行分割：8×8、4×8、8×4、4×4。

    每一個分區(qū)或者子宏塊都有一個單獨的運動向量MV（Motion Vector），用于引用前面參考幀的對應(yīng)區(qū)域來對當(dāng)前塊進(jìn)行預(yù)測編碼。每個預(yù)測區(qū)的MV都需要相當(dāng)數(shù)目的比特位來進(jìn)行編碼。為了進(jìn)一步減少比特數(shù)，可以利用鄰近的MV之間的相關(guān)性進(jìn)行預(yù)測編碼。后一個MV可由前面已經(jīng)編碼的MV預(yù)測得到,只需要對它們的差值MVD（Motion Vector Difference）進(jìn)行編碼。在H.264中，MVD值是采用指數(shù)哥倫布（Exp-Golomb）進(jìn)行編碼的，這是一種變長編碼[3]。

    本文只對MVD的符號位進(jìn)行加密,對于每一個MVD值，只需要對一個bit位進(jìn)行加密操作。
1.3 殘差系數(shù)
    在H.264中,殘差塊系數(shù)通過CAVLC和CABAC進(jìn)行編碼[4]。在進(jìn)行CAVLC編碼的過程中，涉及到以下幾個語義字段[2]：非零系數(shù)數(shù)目（Total Coeffs）、拖尾系數(shù)數(shù)目（TrailingOnes）、非零系數(shù)幅值（Level）以及最后一個非零系數(shù)前零的個數(shù)（TotalZero）和每個非零系數(shù)前零的個數(shù)（RunBefore）。 經(jīng)過分析，只有TrailingOnes和Level的符號位是屬于定長字段[6]，因此提取這兩個字段的符號位進(jìn)行加密操作。如圖3所示。
2 算法設(shè)計

    分別引入三個不同的控制參數(shù)P1、P1、P3對預(yù)測模式字IPM、運動向量MVD和殘差系數(shù)Residual Coefficient的加密強(qiáng)度進(jìn)行控制[1]，具體方案為：以P1、P2的概率分別對IPM、MVD進(jìn)行加密，當(dāng)P1、P2從0到1進(jìn)行變化時，相應(yīng)地進(jìn)行不加密到完全加密；以P3對Residual Coefficients 系數(shù)符號位進(jìn)行不加密到完全加密控制。
    下面是算法的具體偽代碼描述：
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 仿真結(jié)果與分析
3.1 實驗環(huán)境
    實驗測試條件：H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)，JM10.2版本，以IPPP方式進(jìn)行編碼，I幀刷新率為10,幀率為30 F/s，2 GB內(nèi)存，Intel T5670處理器,并用VS2008完成對JM10.2代碼的調(diào)試。實驗中采用CIF格式的352288的foreman作為視頻序列。
3.2 加密效果分析
    單獨加密IPM字段，只是對亮度信息進(jìn)行加密，如圖4中人臉和輪廓信息清晰可見；單獨進(jìn)行MVD加密的過程中，如圖5中，I幀圖像完全不受任何影響，B、P幀的I bock也完全不受影響，關(guān)鍵信息很容易泄露。單獨對殘差系數(shù)進(jìn)行加密，如圖6，與IPM一樣，圖像的輪廓信息沒有很好的隱藏。另外，從對抗解密攻擊能力上來看，單獨對一種加密元素進(jìn)行分析加密空間更小，也更容易實施破解。因此，在視覺安全性要求比較高的場合，應(yīng)該聯(lián)合對所有三種元素進(jìn)行加密，從圖7可以看到，隨著加密強(qiáng)度不斷提高，視頻圖像可感知性不斷下降，在最強(qiáng)的加密強(qiáng)度下，整幅圖像完全被擾亂有很高的視覺安全性。各種方漢加密后PSNR值如表1所示。

3.3安全性分析
    在加密方案中，保持視頻格式的語義兼容性，加密操作并不改變相關(guān)字段的長度。攻擊者會很自然地通過單獨猜解每個字段元素的值來進(jìn)行Cipher-only Attacks[7]。

3.4 性能分析
    一個加密算法的計算復(fù)雜度主要取決于它要進(jìn)行加密的數(shù)據(jù)量。本文加密的數(shù)據(jù)量主要包括IPM、MVD和殘差系數(shù)。在一個宏塊中，IPM和MVD符號位，還有Residual Coefficient的符號位需要加密，因此，要加密的數(shù)據(jù)量同整個視頻數(shù)據(jù)相比，只占很小的部分。所采用的加密操作也僅僅是對相關(guān)的bit位進(jìn)行“異或”操作，所需的系統(tǒng)開銷極小，基本上不會對編解碼帶來影響。
    本文研究了一種在H.264編碼下進(jìn)行Perceptual Encryption的方法，通過對語法元素的分析和編碼方式的研究，選取了IPM、MVD和Residual Coefficient這三種定長字段的元素進(jìn)行加密。通過引入概率參數(shù)來對每種類型的字段加密強(qiáng)度進(jìn)行控制，分析加密不同元素所帶來的視頻加密效果。實驗結(jié)果表明，單獨加密其中任何一種元素，都能對圖像帶來很大的干擾。但要獲得很好的安全性，必須聯(lián)合加密三種元素。這種加密方案具有很好的安全性和實時性，而且不會帶來額外的碼流，保持了視頻的壓縮比不變，并且可以調(diào)整不同的加密強(qiáng)度，適用于各種應(yīng)用的需求。
參考文獻(xiàn)
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