基于運(yùn)動(dòng)參考結(jié)構(gòu)的h.264壓縮域分層感知加密方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于運(yùn)動(dòng)參考結(jié)構(gòu)的H.264壓縮域分層感知加密方法，屬于多媒體信息安全領(lǐng)域；該分層加密策略，從三個(gè)層次對加密數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，提高了加密的針對性，即幀層加密選擇策略；宏塊層加密選擇策略；比特層加密選擇策略；從三個(gè)層次對不同運(yùn)動(dòng)劇烈程度的視頻序列動(dòng)態(tài)地選擇加密數(shù)據(jù)，保證對視頻視覺質(zhì)量最為重要的幀、宏塊和比特被加密；本發(fā)明所述方法能對不同運(yùn)動(dòng)劇烈程度的視頻序列均實(shí)現(xiàn)多粒度、大范圍的視覺質(zhì)量控制，可以滿足不同多媒體應(yīng)用的個(gè)性化需求。
【專利說明】基于運(yùn)動(dòng)參考結(jié)構(gòu)的H.264壓縮域分層感知加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于運(yùn)動(dòng)參考結(jié)構(gòu)的H.264壓縮域分層感知加密方法，屬于多媒體信息安全領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]視頻加密是一種能夠保證視頻信息完整性、機(jī)密性的有效手段。由于視頻信息的數(shù)據(jù)量非常龐大，選擇性加密就成為目前視頻加密的主流方法。與完全加密不同，選擇性加密是有選擇地對數(shù)據(jù)中的重要信息進(jìn)行加密，可以在加密安全性和計(jì)算復(fù)雜度之間達(dá)到折中。在某些重要的應(yīng)用場合，如視頻會(huì)議、視頻電話等，加密需要保證任何視覺信息都不可見，且不能被攻擊者重建，這類選擇性視頻加密算法被稱為“完全保密”算法。然而，對于一些娛樂型的應(yīng)用來說，如視頻點(diǎn)播、付費(fèi)電視和按次計(jì)費(fèi)視頻等，則無需“完全保密”。在這種情況下，加密算法只需要使加密視頻的視覺質(zhì)量下降到一定程度即可，此時(shí)仍有部分視頻內(nèi)容可以被感知。這種低質(zhì)量的視頻版本可以作為預(yù)覽，以便吸引潛在用戶購買高質(zhì)量版本。為此，人們提出了感知視頻加密機(jī)制。
[0003]感知視頻加密通過一個(gè)質(zhì)量控制因子P e [0，I]來調(diào)整由于加密而導(dǎo)致的視頻視覺質(zhì)量下降程度，往往與加密強(qiáng)度相對應(yīng)，且P值越大，代表加密強(qiáng)度越大。
[0004]H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)/補(bǔ)償技術(shù)來有效去除時(shí)間冗余，從而可以大幅提高壓縮效率。這種運(yùn)動(dòng)參考結(jié)構(gòu)使得編碼后的視頻幀之間存在參考依賴性，如附圖1所示，第n幀中的像素a會(huì)被第n+1幀中的像素b和c用作參考，同時(shí)第n+1幀中的像素b和c會(huì)被第n+2幀中的像素d、e和f用作參考，以此類推，直到該GOP (Group of Pictures)結(jié)束。顯然，若后續(xù)幀中直接或間接參考像素a的像素?cái)?shù)越多，則像素a與后續(xù)視頻內(nèi)容的相關(guān)性就越強(qiáng)。當(dāng)像素a因加密而發(fā)生改變時(shí)，這種改變會(huì)沿著預(yù)測參考的方向擴(kuò)散到后續(xù)幀中，導(dǎo)致后續(xù)視頻內(nèi)容也發(fā)生混亂。因此，本發(fā)明利用這種參考依賴性，提出了一種基于運(yùn)動(dòng)參考結(jié)構(gòu)、適用于H.264壓縮碼流的分層感知加密方法，有效提高了感知加密的針對性和有效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了一種基于運(yùn)動(dòng)參考結(jié)構(gòu)的H.264壓縮域分層感知加密方法，具體框架如附圖2所示；具體
【發(fā)明內(nèi)容】
包括三個(gè)部分，
[0006]1、首先，定義一個(gè)“運(yùn)動(dòng)參考率”來描述H.264編碼器的幀間參考依賴程度；通過對具有不同運(yùn)動(dòng)劇烈程度的視頻序列的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立視頻內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)劇烈程度與運(yùn)動(dòng)參考率之間的對應(yīng)關(guān)系。
[0007]本發(fā)明附圖1給出了視頻幀之間的像素參考關(guān)系，第n幀中第m個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)參考率Y (n，m)定義如下，
[0008]
【權(quán)利要求】
1.基于運(yùn)動(dòng)參考結(jié)構(gòu)的H.264壓縮域分層感知加密方法，其特征在于:該方法包括H.264編碼視頻的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率的統(tǒng)計(jì)、多層加密、質(zhì)量控制，每個(gè)步驟具體采用的技術(shù)手段包括， SlH.264編碼視頻的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率統(tǒng)計(jì)，具體實(shí)現(xiàn)過程包括， S1.1對H.264的壓縮碼流進(jìn)行分析，若當(dāng)前宏塊為幀間編碼宏塊，記錄宏塊中每個(gè)像素的參考幀幀號和參考像素在參考幀中的橫、縱坐標(biāo)值，將該像素的運(yùn)動(dòng)參考映射值加I ;如果該參考像素也屬于幀間編碼宏塊，則根據(jù)之前的記錄找到其參考像素的位置，將該像素的運(yùn)動(dòng)參考映射值加1，以此類推，直到參考像素屬于幀內(nèi)編碼宏塊； S1.2重復(fù)步驟S1.1，統(tǒng)計(jì)所有像素的運(yùn)動(dòng)參考映射值； S1.3對每個(gè)宏塊所包含像素的運(yùn)動(dòng)參考映射值取平均得到宏塊運(yùn)動(dòng)參考率； 51.4計(jì)算每一編碼幀的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率均值和方差； S2進(jìn)行分層加密數(shù)據(jù)的選擇，具體實(shí)現(xiàn)過程包括， 52.1從H.264的壓縮碼流中提取一個(gè)編碼幀，若當(dāng)前編碼幀為幀內(nèi)編碼幀即I幀，利用該幀的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率均值和方差確定當(dāng)前GOP中幀間編碼幀即P幀數(shù)量； 52.2從H.264的壓縮碼流中提取一個(gè)編碼宏塊，若當(dāng)前宏塊屬于I幀，則選為加密宏塊，若當(dāng)前宏塊屬于P幀且其運(yùn)動(dòng)參考率小于當(dāng)前幀的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率均值，則選為加密宏塊； 若加密宏塊為幀內(nèi)編碼宏塊，則選取幀內(nèi)預(yù)測模式和低頻DCT系數(shù)符號為加密數(shù)據(jù)，若加密宏塊為幀間編碼宏塊，則選取運(yùn)動(dòng)矢量殘差符號和運(yùn)動(dòng)矢量殘差幅值為加密數(shù)據(jù)；S3進(jìn)行加密視頻的質(zhì)量控制，具體實(shí)現(xiàn)過程包括， 53.1給定質(zhì)量控制因子PF，并根據(jù)I幀的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率均值和方差，對當(dāng)前GOP選擇相應(yīng)的質(zhì)量控制策略來選擇加密幀數(shù)； S3.2給定質(zhì)量控制因子Pm并計(jì)算閾值，若已加密宏塊的運(yùn)動(dòng)參考率總和小于該閾值，則加密下一個(gè)加密宏塊，否則不再加密當(dāng)前幀中的其他宏塊； S3.3給定質(zhì)量控制因子Pb作為加密比特?cái)?shù)占所提取的總比特?cái)?shù)的百分比，控制加密比特?cái)?shù)； S3.4從碼流中提取待加密的比特，然后采用RC4加密算法對提取出的比特進(jìn)行加密；最后，將加密后的比特重置到原來的碼流中，以保證加密后的碼流能與H.264標(biāo)準(zhǔn)兼容，同時(shí)保持視頻的壓縮比不變； 重復(fù)步驟S2~S3，直到加密完當(dāng)前H.264碼流中的所有編碼幀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的H.264編碼視頻的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率統(tǒng)計(jì)，其特征在于:首先，定義一個(gè)“運(yùn)動(dòng)參考率”來描述H.264編碼器的幀間參考依賴程度；通過對具有不同運(yùn)動(dòng)劇烈程度的視頻序列的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立視頻內(nèi)容的運(yùn)動(dòng)劇烈程度與運(yùn)動(dòng)參考率之間的對應(yīng)關(guān)系； 依視頻幀之間的像素參考關(guān)系，第η幀中第m個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)參考率Y (n, m)定義如下，

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層加密數(shù)據(jù)的選擇，其特征在于:一種分層加密策略，從三個(gè)層次對加密數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，提高了加密的針對性； 在幀層，根據(jù)運(yùn)動(dòng)劇烈程度動(dòng)態(tài)地為每個(gè)GOP選擇待加密的視頻幀；在宏塊層，根據(jù)宏塊的運(yùn)動(dòng)參考率確定待加密的宏塊；在碼流比特層，則選擇對視頻重建質(zhì)量最重要的比特進(jìn)行加密；. 2.1幀層加密選擇策略 感知加密重點(diǎn)關(guān)注的是視覺質(zhì)量，由于編碼視頻幀之間存在著參考依賴性，因此并不需要對GOP中的所有視頻幀均加密；為了提高加密效率，本發(fā)明根據(jù)運(yùn)動(dòng)劇烈程度動(dòng)態(tài)地為每個(gè)GOP選擇加密的P幀數(shù)；確切地說，是利用運(yùn)動(dòng)參考率來確定加密的P幀數(shù)Np ?。，公式如下，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視頻加密質(zhì)量控制，其特征在于:對幀層、宏塊層和比特層的每一個(gè)層次均確定了一個(gè)質(zhì)量控制因子，分別控制加密的幀數(shù)量、宏塊數(shù)量和比特?cái)?shù)目，可以為用戶提供由粗粒度到細(xì)粒度的大范圍視覺質(zhì)量控制； . 3.1幀層 針對不同運(yùn)動(dòng)劇烈程度的GOP采用不同的質(zhì)量控制策略實(shí)現(xiàn)加密幀數(shù)的控制；具體公式如下，
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的H.264編碼視頻的宏塊運(yùn)動(dòng)參考率統(tǒng)計(jì)，其特征在于:運(yùn)動(dòng)參考率和視頻序列的運(yùn)動(dòng)劇烈程度密切相關(guān)，視頻序列的運(yùn)動(dòng)劇烈程度越高，則宏塊運(yùn)動(dòng)參考率的均值越小，標(biāo)準(zhǔn)方差越大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的分層加密數(shù)據(jù)的選擇，其特征在于:在比特層加密選擇策略中，可采用幀內(nèi)預(yù)測模式提取幀內(nèi)4X4碼字中的rem_intra4X4_pred_mode和幀內(nèi)16X16碼字的最后一個(gè)比特進(jìn)行加密；而對于運(yùn)動(dòng)矢量殘差，則采用提取碼字中的整個(gè)信息后綴info_SUffix進(jìn)行加密的方法保持加密后碼流格式的兼容性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的視頻加密質(zhì)量控制，其特征在于:Β.為宏塊中由比特選擇策略確定的比特總數(shù)， 對于幀內(nèi)編碼宏塊，Benc


Bintrapredmode+B]_owcoeffsign ? 對于幀間編碼宏塊，Benc

—BMVDSign+BMVDLevel °
【文檔編號】H04N19/176GK103747261SQ201310751603
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】卓力, 張強(qiáng), 沈浩杰, 李曉光, 張菁 申請人:北京工業(yè)大學(xué)