2003年3月發布的H.264是目前最新的視頻編碼標準。它采用了1/8精度的運動估計、4×4整數變換、CAVLC和CABAC等新技術,使得壓縮效率和圖像播放質量有了顯著提高。與以往標準相比，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,以及數字電視廣播、數字存儲、流媒體等方面。

    隨著視頻應用的日益廣泛，視頻的安全性變得越來越重要。基于以往的標準，人們研究了許多加密算法：有用傳統密碼技術進行全部加密的方法，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，但是計算復雜度很高；有對DCT系數進行加密的方法，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行加密的方法，如多狀態索引方法，這類算法雖然計算復雜度低，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。上述方法各有優缺點，而且大多針對MPEG標準，因此研究適合H.264特點的安全加密技術成為目前研究的熱點。
    針對現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 加密數據元素的分析與選取
    對H.264編碼宏塊語義層進行分析，決定提取幀內預測模式字(Intra Prediction Mode)、運動向量差值(Motion Vector Differ_ence)和殘差系數(Residual Coefficient)三類定長語法元素（fix-length code）進行加密操作[1]。
1.1 幀內預測模式字
    根據每個宏塊所屬片組的不同，每一個宏塊都有幾種編碼預測模式。但幀內預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_16×16三種預測模式。Intra_4×4模式下有9種預測模式,適用于對圖像細節部分進行編碼，Intra_16×16有4種預測模式，適用于對平坦區域進行圖像編碼[2]。
　 采用Intra_4×4的編碼模式字進行加密操作。每一個4×4塊都是通過上方和左方像素預測而來，如圖1所示，a-p為待預測像素，它利用相鄰塊中已經解碼的A-Q像素來進行預測。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種預測模式的方向也在圖1中。

    Intra_4×4的編碼預測模式總共有9種預測模式，至少需要4個bit位來進行編碼。在H.264的標準中，利用一個“prev_ Intra_4×4_pred_mode”字段來排除一種預測方式，用另外3個bit位來表示余下的8種預測模式。因此，只對后3個bit位進行加密擾亂,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）。每個字宏塊可以進一步進行分割：8×8、4×8、8×4、4×4。

    每一個分區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區域來對當前塊進行預測編碼。每個預測區的MV都需要相當數目的比特位來進行編碼。為了進一步減少比特數，可以利用鄰近的MV之間的相關性進行預測編碼。后一個MV可由前面已經編碼的MV預測得到,只需要對它們的差值MVD（Motion Vector Difference）進行編碼。在H.264中，MVD值是采用指數哥倫布（Exp-Golomb）進行編碼的，這是一種變長編碼[3]。

    本文只對MVD的符號位進行加密,對于每一個MVD值，只需要對一個bit位進行加密操作。
1.3 殘差系數
    在H.264中,殘差塊系數通過CAVLC和CABAC進行編碼[4]。在進行CAVLC編碼的過程中，涉及到以下幾個語義字段[2]：非零系數數目（Total Coeffs）、拖尾系數數目（TrailingOnes）、非零系數幅值（Level）以及最后一個非零系數前零的個數（TotalZero）和每個非零系數前零的個數（RunBefore）。 經過分析，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行加密操作。如圖3所示。
2 算法設計

    分別引入三個不同的控制參數P1、P1、P3對預測模式字IPM、運動向量MVD和殘差系數Residual Coefficient的加密強度進行控制[1]，具體方案為：以P1、P2的概率分別對IPM、MVD進行加密，當P1、P2從0到1進行變化時，相應地進行不加密到完全加密；以P3對Residual Coefficients 系數符號位進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 仿真結果與分析
3.1 實驗環境
    實驗測試條件：H.264/AVC標準，JM10.2版本，以IPPP方式進行編碼，I幀刷新率為10,幀率為30 F/s，2 GB內存，Intel T5670處理器,并用VS2008完成對JM10.2代碼的調試。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，只是對亮度信息進行加密，如圖4中人臉和輪廓信息清晰可見；單獨進行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，關鍵信息很容易泄露。單獨對殘差系數進行加密，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，應該聯合對所有三種元素進行加密，從圖7可以看到，隨著加密強度不斷提高，視頻圖像可感知性不斷下降，在最強的加密強度下，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行Cipher-only Attacks[7]。

3.4 性能分析
    一個加密算法的計算復雜度主要取決于它要進行加密的數據量。本文加密的數據量主要包括IPM、MVD和殘差系數。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，要加密的數據量同整個視頻數據相比，只占很小的部分。所采用的加密操作也僅僅是對相關的bit位進行“異或”操作，所需的系統開銷極小，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行加密。通過引入概率參數來對每種類型的字段加密強度進行控制，分析加密不同元素所帶來的視頻加密效果。實驗結果表明，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，并且可以調整不同的加密強度，適用于各種應用的需求。
參考文獻
[1] 劉蕭.基于H.264編碼的視頻加密研究[D].杭州：浙江大學計算機科學與技術學院，2010:18-29.
[2] 畢厚杰. 新一代視頻壓縮編碼標準： H.264/AVC[M]. 北京：人民郵電出版社，2005.
[3] 李曉舉，馮戰申，胡友情.基于H.264 CAVLC熵編碼的視頻加密方案[J].計算機工程與應用，2009,45(34)：114-117.
[4] 包先雨，蔣建國，袁煒，等.H.264/AVC標準中基于CABAC的數字視頻加密研究[J].通信學報，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] 李曉舉，忽海娜，劉麗.一種基于H.264CABAC的視頻加密方案[J].電信科學,2010,26(7):80-83.