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　　Asia-Pacific Youth Conference on Communication Technology 2010 (APYCCT 2010) A Lightweight Video Encryption Algorithm for Wireless Application 1,2 1 3 2 4 Lifeng Wang , Yaogang Du , Jian Ma , Wendong Wang , Chen Xiao 1Beijing Electronic Science and Technology Institute, Beijing 100070, China 2Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China 3Nokia Research Center , Beijing 100013, China 4Beihang University , Beijing 100083, China Abstract: Taking limited power, processor resource and bandwidth of mobile device into account, an adaptive lightweight encryption algorithm is proposed based on the special feature of the H.264 video coding standard. The luminance transform coefficients of residual data before entropy coding are adjusta- bly partially encrypted by stream cipher and the signs of the motion vector difference are also encrypted. The proposed algorithm can be adaptive to encrypt based on the safety level and practical needs to ensure the safety of texture information and motion information of videos. Experimental results demonstrate the proposed algorithm can achieve good security and high efficiency, as well as obtain low complexity and time cost, which is suitable for security multimedia services for wireless application. Keywords: video encoder; video encryption; motion vector; H.264; stream ciphers. 面向无线应用的视频加密算法的研究 1,2 1 3 2 4 王丽丰 ，杜耀刚 ，马 建 ，王文东 ，肖晨 1 北京电子科技学院，北京，100070 2 北京邮电大学，北京，100876 3 诺基亚中国研究中心，北京，100013 4 北京航空航天大学，北京，100083 摘 要: 为了满足无线视频应用的需求，考虑到无线移动设备的有限电量和处理器的能力，根据 H.264 视频编码的结构特性，提出了一种可分级的轻量级视频信息安全的加密算法，该算法可以任 意选择亮度量化变换系数的加密数量，同时对运动矢量符号进行加密。该算法可以根据加密安全级 别和实际的应用需求自主地调节加密强度，保证了视频的纹理信息和运动信息的安全性。算法性能 测试表明，加密算法有良好的安全性的时效性，且复杂度较低。 关键词: 视频编码；信息加密；运动矢量；H.264 ；流密码 1 引言 费节目，都会造成商业损失。随着无线及移动通信 网络的迅猛发展，特别是移动电话、个人数字助理 随着多媒体技术和网络技术的飞速发展，面向 需要保存和交流视频信息，使得视频信息的安全问 传输的视频信息的应用越来越广泛，如视频会议系 题更加突显。在享受视频通信技术带给我们的便利 统，流媒体系统，手机电视等。对于军事或政府部 之时，其安全性问题也越来越受到人们的重视。 门的一些视频会议，需要确保视频数据的安全性， 早期的安全方法主要依赖于对访问者的身份认 防止机密视频信息被泄露，以免造成国家安全的威 证，而视频信息本身并未经过加密，因此存在传输 胁。对于视频点播、实时监控、收费电视等应用， 过程中易被窃取、解码播放的问题。因此，如何保 非法拷贝传播或者未授权用户通过非法手段获取付 护视频信息的安全是一项十分紧迫和重要的工作。 本课题得到了中央办公厅信息安全实验室yzdj0705 项目资助。 王丽丰，讲师。主研领域：视频编码，信息安全。 对开放网络中的重要的视频信息进行快速、有效的 361 978-1-935068-20-4 © 2010 SciRes. Asia-Pacific Youth Conference on Communication Technology 2010 (APYCCT 2010) 加密，保证信息的秘密性、完整性和真实性，具有 提出对多媒体的频率域数据选择性置乱和加密的一 十分重要的理论意义与实际应用价值。 般性方法。Wen[4] 等提出了使用定长编码 FLC 视频信息内容加密主要研究适合视频数据特点 (Fixed Length Code) 和变长编码 VLC(Variable 的加密算法或加密方法。对于视频图像数据来说， Length Code) 同时进行加密的方法。可感知加密方 这种加密技术就是将原始图像通过各种加密算法， 法[5~6]，即加密过程降低数据的质量，但是数据内 在密钥的控制下，变成一幅杂乱无章的图像，无法 容仍然可以理解，这类加密方法适合商业的视频应 识别，从而达到视频图像数据的保密通信。 用。本文针对视频无线应用的特点，提出了一种可 视频编码技术迅速发展，H.264 编码标准的出 分级的轻量级视频加密算法，弥补了现有加密算法 现，利于视频数据在IP 及移动通信网络上传输。 的不足。 H.264 编码标准[1]是ITU 和ISO/IEC 联合研究并 3 一种可分级的轻量级视频加密算法 制定的，其主要思想仍是采用基于块的混合编 码方法，标准中的视频编码层和网络适配层的分层 3.1 算法要求 结构提高了网络的友好性。H.264 标准是无线传输系 由于视频数据具有编码结构特殊、数据量大、 统的首选的视频压缩标准。针对 H.264 的编码结构 实时性要求高等特点，传统的数据加密算法，很难 特点，本文第二节列举了已有的视频加密算法。第 满足实时性要求，而且会改变数据格式等，这就要 三节中介绍了无线视频应用中对加密算法的需求， 求对多媒体数据采用特殊的加密方式。加密算法在 并根据需求提出了一种可分级的轻量级视频信息安 实际应用还需满足以下几个条件： 全的加密算法，该算法可以任意选择亮度量化变换 1）安全性和不可见性 系数的加密数量，同时对运动矢量符号进行加密， 安全性和不可见性是视频信息加密的最基本要 给出了算法的详细描述，该算法可以根据加密安全 求。通过加密使得原视频数据被置乱确保视频信息 级别和实际的应用需求自适应地调节加密强度。第 四节对提出的算法在安全性、压缩比和算法代价方 的安全，即使视频信息被截获了，所能看到的图像 面进行了测试。第五节对全文进行了总结。 也是混乱而不可理解的。不同应用场合对安全性的 要求也是不同的，对于安全性级别要求较高的政治 2 已有的视频加密算法 军事等应用场合，就必须设计安全性极高的加解密 将视频数据看作普通的二进制数据直接加密的 算法增加破译的难度。然而对于普通的商业应用， 方法，加密与压缩两者不具有相容性，这类算法 一般认为当破译密码所需付出的代价大于直接购买 称为直接加密算法，密码算法采用如 DES 、 多媒体数据版权所需的代价时，密码系统是安全的。 AES 、RSA 等现代密码体制来加密。包括对原始数 一般安全性需要的高低和处理的复杂度是成正比 据的直接加密和对压缩后的数据进行的加密[2]。采 的。 用现代密码学体制算法直接加密视频数据，具有较 2 ）压缩比不变性 高的安全性，但由于加密数据量大，加密效率低， 压缩比不变性是指加解密前后的数据量保持不 也带来了高计算复杂度和视频格式不相容的缺点。 变。由于存储设备和网络带宽的限制，视频数据必 因此，这种算法更适合用于多媒体数据存储等安全 须经过压缩后再进行存储和传输，故压缩比是视频 性要求很高、实时性要求不高、可操作性要求低的 压缩标准中一个重要的性能指标。在设计加解密算 应用中。 法时，应考虑到加密后对压缩码流的影响。使用具 在视频压缩编码过程中加密部分视频数据，加 有压缩率不变性的算法加密，在存储过程中不改变 密和压缩具有兼容性，这类算法称为选择性加密算 数据占用的空间，在传输过程中保持传输速度不变。 法。通过选择加密视频数据，可以降低加密的数据 因此，理想的多媒体加密算法应该具有压缩率不变 量，提高加密效率。根据视频压缩编码原理来选择 性。然而，加密和压缩本身是矛盾的。在编码的过 关键数据进行加密，可以使得安全性和压缩效率达 程中设计加密算法，往往影响视频的压缩效率。视 到更好的平衡。例如对I 帧进行加密，加密数据格式 频加密技术应该尽可能的保证压缩比不降低。 信息，对DCT 系数的加密以及运动向量的加密。[3] 3) 实时性 978-1-935068-20-4 © 2010 SciRes. 362 Asia-Pacific Youth Conference on Communication Technology 2010 (APYCCT 2010) 为了视频信息能够实时传输和存取，加解密算 保持数据格式信息(文件头信息、帧头信息和宏块头 法的使用不能给传输和存取带来过大的延迟。如果 信息等)不变。 加解密算法的使用给传输和存取带来的延时过大， 此外，宏块是由亮度块和色度块采样组成的。 那么解码器就无法顺畅地解码，这样也就失去了视 由于人眼对亮度信息较色度信息更加敏感，而且压 频传输的意义。因此，要求加解密算法不能过于复 缩后文件中亮度、色度信息分开保存。而且运动估 杂，具有快速性的特点，这样可以满足多媒体数据 计过程只对亮度分量进行，色度分量的运动则由亮 的实时性要求，保证加解密过程对编解码时间的影 度分量的运动矢量得到。考虑到图像恢复时可以忽 响应尽量小。 略色度信息而仅使用亮度信息进行恢复，此时对图 4) 安全等级可控性。通过调节加密参数，可以 像中色度信息的加密将完全失去作用。因此可以只 较好的控制加密强度。设计加密方案能够自适应改 考虑亮度信息进行加密处理，以减轻加密运算给编 变加密强度来满足不同的应用场景。 码器带来的负担。 从编码过程来看，宏块要同时进行纹理编码和 3.2 算法描述 运动编码。变换量化编码决定了图像的纹理，运动 由于无线移动设备有限的电量和处理器的能 向量决定了运动对象的信息。纹理信息和运动向量 力，设计的加密方案要尽量加密最少的数据量以保 信息分别进入熵编码后输出，两者是独立编码的。 证更好的压缩效率和更低的代价。因此安全的选择 如果纹理信息被加密，而不加密运动信息，视频的 加密方案需要满足两个要求：被选择加密的数据流 运动轨迹还是可见的，运动对象的外形很容易得到。 要对视频内容的可理解性具有高度敏感性，同时被 因此对运动矢量差值的进行加密，为了不增加编码 选择的数据应该与其他剩余信息独立。加密方案根 负担，仅对运动矢量差的符号进行加密。 据视频压缩编码原理和视频本身的数据格式来选择 在 H.264 的视频编码过程中，有四种类型的量 加密，这样不用处理大量数据，只处理关键数据， 化变换系数。帧内宏块 4*4 和 16*16 两种模式，帧 对安全性和压缩效率可以达到更好的平衡。在加密 间宏块的编码模式最终都转化成 4*4 模式。对于帧 过程中，需要尽量简化加密算法，减少运算量，减 内宏块16*16 模式，DC 系数是一个4*4 数组 (定义 小密钥的开销，降低对计算机有限资源的占用，减 为T1) ，每个4*4 的亮度块中剩余的15 个值组成AC 少因加密造成的延迟，避免时间的过多耗费。 系数 (定义为T2) 。在所有的帧内宏块和帧间宏块的 本文提出了一种可分级的轻量级视频信息安全 4*4 编码模式中，有 15 个AC 系数 (定义为T3)和 1 的加密算法，该算法可以任意选择亮度量化变换系 个DC(定义为T4) 。因此，可以建立一个量化变换系 数的加密数量，同时对运动矢量符号进行加密。在 数的四元组{T1, T2, T3, T4}。在实际的编码过程中， 视频编码的过程中，根据加密安全级别的不同需求， 4*4 模式适合图片细节的编码，而 16*16 模式更加适 有选择地对熵编码前的亮度量化变换系数进行加 合平滑区域的编码。在编码过程中，一般 4*4 模式 密。对于输入的视频帧，可以分为帧内编码和帧间 比 16*16 模式使用的频率要高。在设计的加密算法 编码。帧内编码首先进行帧内预测，然后对预测结 中，T4 一定被加密，T1 、T2 和T3 适当地进行选择 果进行变换、量化、熵编码输出，同时将恢复图像 加密。这是因为DC 系数独立于其他的AC 系数，所 作为重建帧，为后续图像进行运动估计的参考。帧 以DC 系数和AC 系数的加密可以相互独立的，也可 间编码则首先通过参考图像进行运动估计，然后对 以进行自由的组合。 补偿后的残差采用与帧内编码相似的处理。 一个密码系统由明文、密文、加密算法和解密 直接加密DCT 变换之前的系数，会对编码效率 算法、密钥五部分组成。明文（T ）经过加密算法（E ）、 影响很大。量化是一个有损的变换，在量化之后进 生成密文（C ）、密钥（K ）是唯一能控制明文与密 行加密，后续的操作不会损失系数信息，可以保证 文之间变换的关键。分组加密算法包括 DES 、AES 加密后的数值可以得到正确的解密。经过分析，在 等算法，流密码(序列密码) 算法的特点是对各个明 进行熵编码之前的量化变换系数是解码的关键信 文数据进行变时传输，它通过用一个短的密钥产生 息，适合加密，且加密不会过多增加编码后的比特 伪随机序列。分组密码算法和流密码算法相比，分 流。因此选择量化变换系数进行加密。加密过程中 组密码运算复杂，流密码系统操作快，易于实现。 363 978-1-935068-20-4 © 2010 SciRes. Asia-Pacific Youth Conference on Communication Technology 2010 (APYCCT 2010) 本文采取如下式 1)的加密方法，密文是原文和密钥 Else Keep the MVD as it is 经过异或操作获得的。 C E (T) T k  k (1) 4 实验结果 T4 系数一定被加密， T1 、T2 和T3 可以自 为了评估所提出算法的性能，用不同类型的 由地组合加密，加密进程可以描述如下： QCIF 序列对提出的算法进行测试。考虑到移动应用 的低比特率和低延迟的特点，采用 H.264 的基本层 C E (T1( )) E (T2( )) E (T3( ) E (T4))    k1 k2 k3 k4 进行编码。在加密的过程中，没有改变格式的同步 (0,16), (0,15) , (0,15)   

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