專利名稱：一種基于數(shù)字水印的高清視頻加密傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息安全技術(shù)，具體涉及一種基于數(shù)字水印的高清視頻加密傳輸方 法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字電視和高清電影等高清數(shù)字內(nèi)容的推廣和普及，數(shù)字化的音頻、視頻 播放錄制設(shè)備走進(jìn)千家萬戶，高清數(shù)字內(nèi)容的非法復(fù)制和侵權(quán)行為將會(huì)非常嚴(yán)重，這從 發(fā)達(dá)國家的廣播電視節(jié)目、互聯(lián)網(wǎng)中的視頻資源以至于大屏幕終端輸出設(shè)備就能看出 來。因?yàn)楦咔鍍?nèi)容都是數(shù)字信號(hào)，復(fù)制、存儲(chǔ)相當(dāng)容易，而且不會(huì)出現(xiàn)失真問題。因 此，對(duì)高清數(shù)字內(nèi)容的版權(quán)管理與保護(hù)已成為亟待解決的問題?，F(xiàn)有的關(guān)于高清視頻的內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)主要有面向DVI、HDMI接口的HDCP(高 帶寬數(shù)字內(nèi)容保護(hù)技術(shù))系統(tǒng)，在電腦平臺(tái)上受到HDCP技術(shù)保護(hù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容在輸出時(shí)會(huì) 由操作系統(tǒng)中的COPP驅(qū)動(dòng)(認(rèn)證輸出保護(hù)協(xié)議)首先驗(yàn)證顯卡，只有合法的顯卡才能實(shí) 現(xiàn)內(nèi)容輸出，隨后要認(rèn)證顯示設(shè)備的密鑰，只有符合HDCP要求的設(shè)備才可以最終顯示 顯卡傳送來的內(nèi)容，HDCP傳輸過程中，發(fā)送端和接受端都存儲(chǔ)一個(gè)可用密鑰集，這些 密鑰都是秘密存儲(chǔ)，發(fā)送端和接受端都根據(jù)密鑰進(jìn)行加密解密運(yùn)算，這樣的運(yùn)算中還要 加入一個(gè)特別的值KSV(視頻加密密鑰)。同時(shí)HDCP的每個(gè)設(shè)備會(huì)有一個(gè)唯一的KSV 序列號(hào)，發(fā)送端和接受端的密碼處理單元會(huì)核對(duì)對(duì)方的KSV值，以確保連接是合法的。 HDCP的加密過程會(huì)對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行處理，使得畫面變得毫無規(guī)律、無法識(shí)別，只有確 認(rèn)同步后的發(fā)送端和接受端才可能進(jìn)行逆向處理，完成數(shù)據(jù)的還原。前面說到，HDCP 需要軟硬件共同支持，凡是參與內(nèi)容傳輸?shù)脑O(shè)備缺一不可，HDCP從始到終都保護(hù)視頻 信號(hào)，也就是說整套播放系統(tǒng)中每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須支持HDCP協(xié)議，如果顯示器不支持 HDCP協(xié)議，那么就無法正常播放高清節(jié)目，只能看到黑屏或者低畫質(zhì)的節(jié)目。要支持 HDCP協(xié)議，必須使用DVI、HDMI等數(shù)字視頻接口，傳統(tǒng)的VGA等模擬信號(hào)接口無法 支持HDCP協(xié)議。當(dāng)使用VGA等模擬信號(hào)接口時(shí)，畫面就會(huì)下降成為低畫質(zhì)，或者提示 無法播放，從而失去高清的意義，防止了盜版。需要說明的是，HDMI接口內(nèi)嵌了 HDCP 協(xié)議，帶有HDMI接口的顯示器都支持HDCP協(xié)議。但是并不是帶DVI接口的液晶顯示 器都支持HDCP協(xié)議，必須經(jīng)過帶有相應(yīng)硬件芯片，通過認(rèn)證的顯示器才行。可以看到HDCP協(xié)議設(shè)計(jì)的層次過于復(fù)雜，對(duì)于每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要遵守嚴(yán)格的 約定，復(fù)雜度過高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高清視頻加密傳輸方法，該方法利用視頻水印技術(shù) 可以保證既具有較高的安全性又有較低的計(jì)算復(fù)雜性。本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)該方法的系統(tǒng)?！N基于視頻水印的高清視頻加密傳輸方法，具體為
(1)發(fā)送端生成隨機(jī)比特串作為視頻加擾密鑰sk，循環(huán)使用Sk與高清視頻各幀逐比特異或運(yùn)算，并對(duì)sk加密，將加密得到的esk作為水印嵌入到異或運(yùn)算后的視頻幀， 再將嵌入水印的視頻幀傳送給接收端；(2)接收端接收來自發(fā)送端的視頻幀，提取水印esk，對(duì)esk解密得到視頻加擾密 鑰sk，循環(huán)使用sk與接收的視頻幀進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算還原高清視頻。所述隨機(jī)比特串的位數(shù)為32 1024。所述視頻加擾密鑰sk實(shí)時(shí)更新，發(fā)送端將Sk的更新狀態(tài)作為水印的一部分信息 嵌入視頻幀并傳送給接收端，接收端判斷sk是否更新，若更新，則按照所述步驟(2)操 作，否則，直接使用最近一次解密得到的視頻加擾密鑰與當(dāng)前接收的視頻幀進(jìn)行逐比特 異或運(yùn)算還原高清視頻。采用RSA加密算法對(duì)所述視頻加擾密鑰Sk加密。采用LSB(最不重要像素位)水印嵌入算法進(jìn)行水印嵌入。一種基于視頻水印的高清視頻加密傳輸裝置，包括發(fā)送端和接收端，所述發(fā)送端包括視頻加密模塊300、密鑰加密模塊400和水印嵌入模塊500 ；視 頻加密模塊300包括sk生成模塊301和視頻幀加密模塊302，sk生成模塊301用于生成 隨機(jī)比特串作為視頻加擾密鑰sk，視頻幀加密模塊302用于循環(huán)使用sk與高清視頻的各 幀逐比特異或運(yùn)算；密鑰加密模塊400用于加密視頻加擾密鑰sk，并將加密得到的esk傳 遞給水印嵌入模塊500 ；水印嵌入模塊500用于將加密得到的esk作為水印嵌入到異或運(yùn) 算后的視頻幀，再將嵌入水印的視頻幀傳送給接收端；所述接收端包括水印提取模塊600、密鑰解密模塊700和視頻幀解密模塊800 ； 水印提取模塊600用于在來自接收端的視頻幀中提取水印esk，密鑰解密模塊700用于解 密提取的水印esk得到視頻加擾密鑰sk，幀解密模塊800循環(huán)使用sk與接收的視頻幀逐 比特異或運(yùn)算還原高清視頻。作為優(yōu)化，所述Sk生成模塊301實(shí)時(shí)更新隨機(jī)比特串，對(duì)隨機(jī)比特串賦予唯一 標(biāo)識(shí)，所述水印嵌入模塊500用于將由隨機(jī)比特串的唯一標(biāo)識(shí)、esk的長度信息和esk構(gòu) 成的水印嵌入到異或運(yùn)算后的視頻幀，再將嵌入水印的視頻幀傳送給水印提取模塊600 ； 所述水印提取模塊600首先從接收的視頻幀中提取隨機(jī)比特串的唯一標(biāo)識(shí)，判斷sk是否 更新，若更新，則進(jìn)而提取esk長度，根據(jù)esk長度提取esk，再對(duì)esk解密得到視頻加擾 密鑰sk，最后循環(huán)使用sk與接收的視頻幀逐比特異或運(yùn)算還原高清視頻，否則，直接使 用最近一次解密得到的視頻加擾密鑰與當(dāng)前接收的視頻幀進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算還原高清 視頻。本發(fā)明方法及其系統(tǒng)采用偽隨機(jī)算法產(chǎn)生加擾密鑰sk，RSA算法對(duì)視頻加擾密 鑰Sk進(jìn)行加密，從而保證sk在傳輸?shù)倪^程不被截獲，然后使用LSB算法將加密后的esk 作為水印嵌入到加密的視頻中，從而實(shí)現(xiàn)高清視頻的安全加密，具體而言，本發(fā)明具有 以下特點(diǎn)(1)用隨機(jī)數(shù)生成器生成隨機(jī)數(shù)，作為視頻加擾密鑰。隨機(jī)數(shù)生成器可以采用已 有的各種隨機(jī)數(shù)生成算法；(2)使用產(chǎn)生的視頻加擾密鑰與高清視頻數(shù)字內(nèi)容分段按位進(jìn)行異或操作(分段 與比特序列長度相同)。只對(duì)數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行異或處理既可以保證內(nèi)容安全又可以兼顧加密效率；(3)本發(fā)明中使用RSA算法對(duì)視頻加密密鑰進(jìn)行加密，RSA算法是目前使用最為廣泛的密碼算法，安全性較高。目前，世界上還沒有任何可靠的攻擊RSA算法的方 式。只要其密鑰的長度足夠長，用RSA加密的信息實(shí)際上是不能被解破的，因而本方法 通過調(diào)整密鑰長度就可以保證既具有較高的安全性又有較低的計(jì)算復(fù)雜性；(4)本發(fā)明中使用LSB水印算法將加密的視頻加擾密鑰Sk作為水印嵌入到視頻 當(dāng)中；(5)本發(fā)明具有較高的加解密效率。總之，在本發(fā)明的基于數(shù)字水印的高清視頻加密方法支持下，可以在發(fā)送端與 接受端實(shí)現(xiàn)高清視頻的安全傳輸，并保證高清視頻內(nèi)容在安全傳輸?shù)那疤嵯碌膫鬏斮|(zhì)量。


圖1是本發(fā)明提供的高清視頻加密傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明提供的高清視頻加密傳輸系統(tǒng)的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本系統(tǒng)可分為六個(gè)主要模塊，即視頻加密模塊300、密鑰加密模塊 400、水印嵌入模塊500、水印提取模塊600、密鑰解密模塊700、視頻解密模塊800。圖 2是本發(fā)明提供的高清視頻加密傳輸系統(tǒng)的流程圖，本發(fā)明為需要傳輸高清視頻的兩端提 供加密服務(wù)，發(fā)送端驗(yàn)證所有接受器的合法性，并接收從合法接收端發(fā)送的RSA公鑰， 合法的接收端使用私鑰解密提取的水印，得到視頻解擾密鑰，然后利用視頻解擾密鑰還 原原始的高清視頻流。下面詳細(xì)說明本發(fā)明提供的高清視頻加密傳輸系統(tǒng)的各個(gè)部分作進(jìn)一步的詳細(xì) 說明。視頻加密模塊300用于對(duì)需要保護(hù)的高清視頻作加密處理，該模塊的主要功能 是生成η ( —般32 < = η < = 1024)位長的隨機(jī)比特串sk，sk作為視頻加擾密鑰對(duì)高清視 頻流進(jìn)行加密處理。該模塊由兩個(gè)子模塊組成sk生成模塊301和視頻幀加密模塊302。sk生成模塊301使用系統(tǒng)時(shí)鐘為隨機(jī)數(shù)種子。隨機(jī)產(chǎn)生η個(gè)正整數(shù)，如果產(chǎn)生 的正整數(shù)是奇數(shù)則記錄一個(gè)比特1，如果產(chǎn)生的正整數(shù)為偶數(shù)，則記錄一個(gè)比特0，這樣 構(gòu)造出一個(gè)η位長的隨機(jī)比特串sk，同時(shí)以遞增方式給該sk分配一個(gè)無符號(hào)整數(shù)的數(shù)字 ID,并把sk傳遞給視頻幀加密模塊302。視頻幀加密模塊302使用sk對(duì)原始高清視頻流進(jìn)行加密。讀取原始高清視流的 每一幀f，對(duì)f和Sk進(jìn)行逐比特的異或運(yùn)算，由于Sk是隨機(jī)生成的比特串，與視頻幀f進(jìn) 行異或運(yùn)算后，視頻幀f的數(shù)據(jù)比特被隨機(jī)翻轉(zhuǎn)，相當(dāng)于加了一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)，這樣達(dá)到視 頻加密的目的。根據(jù)異或運(yùn)算的一個(gè)特點(diǎn)，我們知道αΘ6Θ6 = α，在我們的方案中表示為 /ΘΑΘΑ = /，所以解密視頻幀的時(shí)候，只需要將加密的視頻幀與視頻加擾比特串sk再進(jìn)行一次異或操作，就可 以還原原始的視頻幀。密鑰加密模塊400用于加密Sk生成模塊301產(chǎn)生的隨機(jī)比特串。從視頻幀加密 模塊302的處理方法知道，接收方收到加密的視頻流后，需要使用視頻加擾密鑰Sk進(jìn)行 還原，因此需要將視頻加擾密鑰Sk發(fā)送同時(shí)發(fā)送給接收方。視頻加擾密鑰Sk對(duì)于原始視 頻流的還原十分關(guān)鍵，如果直接傳輸?shù)脑?，很可能在中間被截獲，從而可以輕易的得到 原始的高清視頻流，這樣的方案顯然安全度不高，因此本發(fā)明中對(duì)視頻加擾密鑰Sk進(jìn)行 加密處理，以確保傳輸Sk的安全，加密方法可采用非對(duì)稱加密算法，其中優(yōu)選非對(duì)稱加 密體系的RSA算法。在非對(duì)稱加密(或稱公開密鑰加密)體系中，密鑰被分解為一對(duì)，即公開密鑰 (公鑰)和私有密鑰(私鑰)。這對(duì)密鑰中任何一把都可以作為公開密鑰，通過非保密方 式向他人公開，而另一把作為私有密鑰，加以妥善保存。公開密鑰用于加密，私有密鑰 用于解密，私有密鑰只能由生成密鑰的交換方掌握，公開密鑰可廣泛公布，但它只對(duì)應(yīng) 于生成密鑰的交換方。非對(duì)稱加密方式可以使通信雙方無須事先交換密鑰就可以建立安 全通信。非對(duì)稱加密體系一般是建立在某些已知的數(shù)學(xué)難題之上，是計(jì)算機(jī)復(fù)雜性理論 發(fā)展的必然結(jié)果。RSA算法是世界上第一個(gè)既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名的非對(duì)稱性加密 算法。它易于理解和操作，所以流行甚廣。雖然RSA的安全性一直未能得到理論上的 證實(shí)，但它經(jīng)歷了各種攻擊，RSA算法最常用的攻擊方式是分解大數(shù)N，即由用某種算 法將進(jìn)行質(zhì)因數(shù)分解，而N的位數(shù)越多，分解就越困難。最新的成果是，五大洲的六百 名研究人員利用1600部電腦和網(wǎng)絡(luò)，花了 8個(gè)月的時(shí)間分解了 129bit的N。可見，如果 采用更長的N，RSA算法的破解成本就更高，也就意味著加密方法的安全性就更高。在RSA算法中，我們先要獲得兩個(gè)不同的質(zhì)數(shù)P和Q做為算法因子，再找出一 個(gè)正整數(shù)E，使得E與(P-I)* (Q-I)的值互質(zhì)，這個(gè)E就是私鑰。找到一個(gè)整數(shù)D，使 得(E*D)mod((P-I)* (Q-I)) = 1成立，D就是公鑰1。設(shè)N為P和Q的乘積，N則為 公鑰2。加密時(shí)先將明文轉(zhuǎn)換為一個(gè)或一組小于N的整數(shù)I，并計(jì)算IDmodN的值M，M 就密文。解密時(shí)將密文MEmod N，也就是M的E次方再除以N所得的余數(shù)就是明文。 因?yàn)樗借€E與((P-DMQ-D)互質(zhì)，而公鑰D使(E*D)mod((P-I)* (Q-I)) = 1成立。 破解者可以得到D和N，如果想要得到E，必須得出(P-1)*(Q_1)，因而必須先對(duì)N進(jìn) 行因數(shù)分解。如果N很大那么因數(shù)分解就會(huì)非常困難，所以要提高加密強(qiáng)度P和Q的數(shù) 值大小起著決定性的因素。本發(fā)明中視頻接收端建立連接并通過認(rèn)證后，向高清視頻發(fā)送方發(fā)送X509格式 的公鑰證書，證書采用1024位的公鑰，保證加密的安全。證書里面包含公鑰D和N，高 清視頻發(fā)送端按照證書格式提取出D和N，用來加密Sk生成模塊301中隨機(jī)產(chǎn)生的視頻 加擾比特串sk，執(zhí)行的計(jì)算為esk = skD modN,密鑰加密模塊400生成不大于1024位 長的esk比特串，并傳遞給水印嵌入模塊500。水印嵌入模塊500用于將esk嵌入到加密后的視頻幀中。數(shù)字水印技術(shù)是一門交 叉的新興研究領(lǐng)域，它涉及信號(hào)處理、圖像理論、編碼理論、信息論、密碼學(xué)、計(jì)算機(jī) 科學(xué)、概率論和隨機(jī)過程、算法設(shè)計(jì)等技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用背景，數(shù)字水印是在數(shù)字 圖像、音頻或者視頻等媒體中加入一些信號(hào)以提供一些額外的信息，按水印特征可講水印劃分為可見水印和不可見水印，可見水印是可以看見的水印、水印在圖像或視頻中可 見，不可見水印是一種應(yīng)用較廣泛的水印，被加在圖像、音頻、視頻當(dāng)中，表面上不可 察覺，是一種信息隱藏技術(shù)。在傳統(tǒng)的基于空間域的圖像信息隱藏技術(shù)中，最低有效位 (LSB)算法信息容量大、容易實(shí)現(xiàn)，算法復(fù)雜度低，比較容易實(shí)現(xiàn)。高清視頻發(fā)送方加 密sk后，生成小于1024比特位的加密比特串esk，本發(fā)明使用LSB數(shù)字水印算法將esk 比特嵌入到代發(fā)送的視頻幀內(nèi)。LSB算法是一種信息隱藏技術(shù)，信息隱藏就是將秘密信息隱藏到一般的數(shù)字多 媒體文件中，通常待隱藏的信息被稱為秘密信息，它可以是版權(quán)信息或者秘密數(shù)據(jù)。在 圖像中應(yīng)用的信息隱藏技術(shù)基本上可以分為兩大 類空域法和頻域法?？沼蚍ㄊ侵苯痈?變圖像元素的值，一半是在圖像元素的亮度和色帶中加入隱藏信息。頻域法是利用某種 數(shù)學(xué)變換將圖像用頻域表示，通過更改圖像的某些頻域系數(shù)加入秘密信息，然后在利用 反變換來生成隱藏了秘密信息的圖像。LSB算法是空域算法中較常用的算法，他是將信息嵌入到圖像中最不重要的像 素位上，在本系統(tǒng)中，視頻幀的最不重要位為每個(gè)像素顏色值的最低位，因此每個(gè)字節(jié) 可以嵌入一個(gè)比特。LSB算法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高容 量和較好不可見性。本系統(tǒng)中高清視頻的每一幀都經(jīng)過了加密處理，系統(tǒng)支持從任何幀開始就可以 解密，因此需要在每一幀都嵌入加密后的視頻加擾密鑰esk，該模塊包括以下三個(gè)子模 塊數(shù)字ID嵌入模塊501、esk長度嵌入模塊502、esk嵌入模塊503。數(shù)字ID嵌入模塊501用于在視頻幀中嵌入當(dāng)前使用的Sk的數(shù)字ID。由于接收 方提取水印之后，需要使用RSA算法解密水印得到高清視頻加擾密鑰sk，如果每一幀都 經(jīng)過一次RSA解密運(yùn)算的話，計(jì)算量會(huì)很大。因此本系統(tǒng)中每隔5分鐘更新一次高清視 頻加擾密鑰sk，并對(duì)每個(gè)sk分配一個(gè)無符號(hào)整數(shù)ID，每一次更新sk，對(duì)應(yīng)的無符號(hào)整 數(shù)ID自動(dòng)加1。每五分鐘更新一次sk使得即使sk被破解也只能還原最多5分鐘的高清 視頻，增加了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。sk的ID使用4字節(jié)存儲(chǔ)，一共32個(gè)比特。由于視 頻幀的每一個(gè)字節(jié)可以嵌入一個(gè)bit，因此本系統(tǒng)將視頻幀的前32個(gè)字節(jié)用于嵌入sk的 無符號(hào)整數(shù)ID，對(duì)視頻幀的每一個(gè)字節(jié)進(jìn)行編號(hào)，從左上的第一個(gè)像素的第一個(gè)字節(jié)開 始編號(hào)為0，逐字節(jié)遞增。從低位到高位讀取這無符號(hào)整數(shù)ID的32個(gè)比特，如果ID第
位讀取的比特為“1”，將視頻幀編號(hào)為i的字節(jié)的最低位置位為“1”，如果 ID第i位讀取的比特為“0”，將視頻幀編號(hào)為i的字節(jié)的最低位置位為“0”，讀完ID 的32個(gè)比特后，sk的無符號(hào)整數(shù)ID作為水印嵌入結(jié)束，數(shù)字ID嵌入模塊501將該幀傳 遞給esk長度嵌入模塊502。esk長度嵌入模塊502用于在視頻幀中嵌入esk的比特位度數(shù)值len。Ien對(duì)于esk 的提取至關(guān)重要，由于eSk = SkDmodN，所以esk是一個(gè)小于N的大數(shù)，它的比特位數(shù)不 大于1024，但是具體位數(shù)并不確定，因此接收方想要通過水印算法提取esk的話，需要知 道esk —共有多少個(gè)比特，所以esk的比特位數(shù)也需要傳遞給高清視頻接收方。因?yàn)镮en 不大于1024，可以使用一個(gè)無符號(hào)短整形數(shù)表示，一共16個(gè)比特，從低位往高位順序讀 取Ien的16個(gè)比特，Ien的第i(0《i《15)個(gè)比特對(duì)應(yīng)嵌入在視頻幀編號(hào)為i+32的字節(jié)的最 低位上，該模塊的嵌入操作與數(shù)字ID嵌入模塊501的嵌入操作一樣，esk長度嵌入模塊 502處理完后將該幀傳遞給esk嵌入模塊503。
esk嵌入模塊503用于在視頻幀中嵌入加密后的視頻加擾密鑰esk。esk是解密高 清視頻的核心數(shù)據(jù)，從最低位開始讀取esk的每一個(gè)bit，第i (O^len)個(gè)比特對(duì)應(yīng)嵌入在 視頻幀編號(hào)為i+48的字節(jié)的最低位上，該模塊的嵌入操作與數(shù)字ID嵌入模塊501的嵌入 操作一樣，esk嵌入模塊503處理完該幀后將該幀發(fā)送給高清視頻接收端。水印提取模塊600接收到 高清視頻發(fā)送端傳遞過來的高清視頻幀，同時(shí)在該幀 中提取水印信息。視頻每一幀的解密密鑰全部包含在這一幀內(nèi)，因此視頻接收方接收到 一幀數(shù)據(jù)后可以實(shí)時(shí)的從這一幀中提取密鑰信息。解密每一幀的核心數(shù)據(jù)為高清視頻發(fā) 送端Sk生成模塊301產(chǎn)生的高清視頻加擾密鑰sk，而sk并不是直接傳送給高清視頻接收 端，而是通過密鑰加密模塊400加密后再經(jīng)過水印嵌入模塊500嵌入在每一幀當(dāng)中。所 以高清視頻接收端需要實(shí)時(shí)的提取水印，該部分由以下三個(gè)子模塊組成數(shù)字ID提取模 塊601、esk長度提取模塊602、esk提取模塊603。數(shù)字ID提取模塊601用于提取加密當(dāng)前幀的Sk的數(shù)字ID，高清視頻發(fā)送方每隔 5分鐘產(chǎn)生一個(gè)新的sk，以防止sk的意外泄漏，每個(gè)ID擁有一個(gè)無符號(hào)的整數(shù)編號(hào)。按 照發(fā)送端水印嵌入模塊500嵌入水印的協(xié)議，每一幀的前32字節(jié)擁有sk的ID信息，每 個(gè)字節(jié)攜帶一個(gè)bit的水印信息。順序讀取視頻幀的前32個(gè)中每一個(gè)字節(jié)的最低位，視 頻幀編號(hào)為KO盜《31)的字節(jié)的最低位構(gòu)造無符號(hào)整數(shù)ID的第i位，得到sk的編號(hào)ID。 比較當(dāng)前幀提取的ID與系統(tǒng)當(dāng)前記錄的sk編號(hào)ID是否一致，如果不一致，則加密當(dāng)前 幀的sk為高清視頻發(fā)送端最新更新的sk，接收端同時(shí)更新緩存的sk以及編號(hào)ID;如果 一致，則高清視頻發(fā)送端并沒有更新sk，對(duì)于當(dāng)前幀的解密可以使用系統(tǒng)緩存的sk，無 需提取esk水印并通過RSA算法解密出sk。esk長度提取模塊602用于提取esk的比特位數(shù)len。如果高清視頻發(fā)送端更新 了 sk，則需要提取更新后的esk，視頻幀編號(hào)為i(32^47)的字節(jié)的最低位構(gòu)造無符號(hào)短 整形數(shù)Ien的第(i-32)位，esk長度提取模塊602提取到Ien后，將當(dāng)前幀和Ien值傳遞給 esk提取模塊603。esk提取模塊603得到Ien之后，繼續(xù)從視頻幀提取水印，視頻幀編號(hào)為 i(48<i<48+len-l)的字節(jié)的最低位構(gòu)造esk的第(i_48)位，得到esk并傳遞給密鑰解密模 塊 700。密鑰解密模塊700用于解密esk以得到sk生成模塊301產(chǎn)生的高清視頻加擾密鑰 sk。高清視頻接收方提取水印得到的是加密后的高清視頻加擾密鑰esk，esk本身并不能 還原高清視頻，它必須先通過RSA算法解密，得到高清視頻發(fā)送方產(chǎn)生的隨機(jī)比特串。 因此，即使視頻中嵌入水印的算法被破解，視頻水印被非法提取也不會(huì)影響到高清視頻 的安全性。密鑰解密模塊700讀取私鑰證書，按照X509格式讀取公鑰N和私鑰E，通 過sk = eskEmodN計(jì)算得到sk，并將sk傳遞給視頻解密模塊800。視頻解密模塊800得到sk生成模塊301產(chǎn)生的高清視頻加擾密鑰sk后，使用sk 對(duì)視頻幀再做一次異或運(yùn)算還原出原始的視頻幀，具體操作步驟與加擾高清視頻幀時(shí)一 樣。
權(quán)利要求
1.一種基于視頻水印的高清視頻加密傳輸方法，具體為(1)發(fā)送端生成隨機(jī)比特串作為視頻加擾密鑰sk，循環(huán)使用sk與高清視頻各幀逐比 特異或運(yùn)算，接著對(duì)sk加密，將加密得到的esk作為水印嵌入到異或運(yùn)算后的視頻幀，再 將嵌入水印的視頻幀傳送給接收端；(2)接收端接收來自發(fā)送端的視頻幀，提取水印esk，對(duì)esk解密得到視頻加擾密鑰 Sk,循環(huán)使用Sk與接收的視頻幀進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算還原高清視頻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高清視頻加密傳輸方法，其特征在于，所述隨機(jī)比特串的位 數(shù)為32 1024。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高清視頻加密傳輸方法，其特征在于，所述視頻加擾密鑰sk 實(shí)時(shí)更新，發(fā)送端將sk的更新狀態(tài)作為水印的一部分信息嵌入視頻幀并傳送給接收端， 接收端判斷sk是否更新，若更新，則按照所述步驟(2)操作，否則，直接使用最近一次 解密得到的視頻加擾密鑰與當(dāng)前接收的視頻幀進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算還原高清視頻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的高清視頻加密傳輸方法，其特征在于，采用RSA 加密算法對(duì)所述視頻加擾密鑰sk加密。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的高清視頻加密傳輸方法，其特征在于，采用LSB水 印嵌入算法進(jìn)行水印嵌入。
6.—種基于視頻水印的高清視頻加密傳輸裝置，包括發(fā)送端和接收端，其特征在于所述發(fā)送端包括視頻加密模塊(300)、密鑰加密模塊(400)和水印嵌入模塊(500)； 視頻加密模塊(300)包括sk生成模塊(301)和視頻幀加密模塊(302)，sk生成模塊(301) 用于生成隨機(jī)比特串作為視頻加擾密鑰sk，視頻幀加密模塊(302)用于循環(huán)使用sk與高 清視頻的各幀逐比特異或運(yùn)算；密鑰加密模塊(400)用于加密視頻加擾密鑰sk，并將加 密得到的esk傳遞給水印嵌入模塊(500)；水印嵌入模塊(500)用于將加密得到的esk作 為水印嵌入到異或運(yùn)算后的視頻幀，再將嵌入水印的視頻幀傳送給接收端；所述接收端包括水印提取模塊(600)、密鑰解密模塊(700)和視頻幀解密模塊 (800)；水印提取模塊(600)用于在來自接收端的視頻幀中提取水印esk，密鑰解密模塊 (700)用于解密提取的水印esk得到視頻加擾密鑰sk，幀解密模塊(800)循環(huán)使用sk與接 收的視頻幀逐比特異或運(yùn)算還原高清視頻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高清視頻加密傳輸裝置，其特征在于，所述sk生成模塊 (301)實(shí)時(shí)更新隨機(jī)比特串，對(duì)隨機(jī)比特串賦予唯一標(biāo)識(shí)，所述水印嵌入模塊(500)用于 將由隨機(jī)比特串的唯一標(biāo)識(shí)、esk的長度信息和esk構(gòu)成的水印嵌入到異或運(yùn)算后的視頻 幀，再將嵌入水印的視頻幀傳送給水印提取模塊(600)；所述水印提取模塊(600)首先從 接收的視頻幀中提取隨機(jī)比特串的唯一標(biāo)識(shí)，判斷sk是否更新，若更新，則進(jìn)而提取esk 長度，根據(jù)esk長度提取esk，再對(duì)esk解密得到視頻加擾密鑰sk，最后循環(huán)使用sk與接 收的視頻幀逐比特異或運(yùn)算還原高清視頻，否則，直接使用最近一次解密得到的視頻加 擾密鑰與當(dāng)前接收的視頻幀進(jìn)行逐比特異或運(yùn)算還原高清視頻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于視頻水印的高清視頻加密傳輸方法，用隨機(jī)數(shù)生成器生成隨機(jī)數(shù)作為視頻加擾密鑰，采用RSA算法對(duì)視頻加擾密鑰進(jìn)行加密，從而保證其在傳輸?shù)倪^程不被截獲，然后使用LSB算法將加密后的視頻加擾密鑰作為水印嵌入到加密的視頻中，從而實(shí)現(xiàn)高清視頻的安全加密。本發(fā)明既具有較高的安全性又有較低的計(jì)算復(fù)雜性，并保證高清視頻內(nèi)容在安全傳輸?shù)那疤嵯碌膫鬏斮|(zhì)量。
文檔編號(hào)H04N7/24GK102014266SQ20101056678
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者凌賀飛, 李平, 江興才, 王楊, 鄒復(fù)好 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)