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　　2 0 1 5 年1 月 北京航空航天大学学报J a n u a r y2 0 1 5 第41 卷第1 期J o u r n a lo fB e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c sV 0 1 41N o 1 h t t p ：b h x b b u a a e d u c n j b u a a b u a a e d u c n D O I ：1 0 1 3 7 0 0 j b h 1 0 0 1 5 9 6 5 2 0 1 4 0 4 5 9 基于视频内容关联密钥加密算法 王玮1 ，黄浩“，谢长生2 ，韩林1 ( 1 华中科技大学计算机科学与技术学院，武汉4 3 0 0 7 4 ；2 武汉光电国家实验室，武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要：随着计算技术以及视频、显示技术的不断发展，学术以及产业界对新的视频 加密算法不断有着更高的要求通过对现有视频版权保护技术中加密算法不足之处的分析，提 出内容关联密钥的概念，并将其运用于视频加密基于宏块运动矢量预测残差的抽取算法，将 视频中敏感数据抽取为密钥，可在1 0 以内抽取比例下，有效对视频质量进行破坏为了有效 验证该加密算法效果，通过视频质量评估方法峰值信噪比( P S N R ) 与结构相似度( S S I M ) 对内 容关联密钥算法加密后不同视频内容、不同参数视频进行视频质量评估，证明算法的有效性与 一致性，并通过性能分析以及效果对比说明了抽取算法的效果 关 键词：内容关联密钥；视频加密算法；视频质量评估；视频抽取；敏感数据 中图分类号：T P 3 7 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1 5 9 6 5 ( 2 0 1 5 ) 0 1 - 0 1 1 7 旬7 视频媒体行业是采用视频加密算法最为集中 的行业，针对各种不同视频系统，有众多的视频加 密算法运用其中随着计算机技术的不断发展，使 得很多在原有技术下足够安全的加密算法在新技 术条件下易于被破解同时不断发展的技术也为 加密算法提供了更宽广的技术选择以及应用环 境此外视频技术、显示技术以及传输技术的发 展，也促进并推动着视频加密算法不断的发展 现有视频版权保护技术中的视频加密算法在 一定程度上很好地保证了视频的版权，但也存在 着一定的不足，本文以D V D 、蓝光高清光盘和网 络视频版权保护技术以及其中所运用视频加密算 法为例分析其不足 深层次分析D V D 、蓝光光盘视频版权保护技 术以及破解原因，可以将其不足归结为以下几个 方面 首先，算法复杂度受限受限于版权保护技术 设计之初的技术发展水平，加密算法以及版权保 护技术需要兼顾当时计算技术、电子技术等相关 技术的发展而在版权保护技术的生存周期中，某 些在设计之初足够安全的算法或技术随着计算机 性能的飞速发展而变得不安全 其次，密钥安全性不足多数视频版权保护系 统被破解的起源并不是加密算法的被破解，而是 密钥的泄漏密钥相对算法而言较易获得或破解 并且密钥之间关联性较强而密钥与明文之间几乎 无关联，由此造成黑客可通过偶然泄漏的密钥破 解出其他或所有密钥，而这些密钥几乎对所有的 密文都有效 最后，离线式授权管理方式由于传输方式所 限，光盘、播放器、密钥、解密算法以及视频内容都 存放于用户端这样的离线授权管理方式从根本 上而言就存在着不安全的隐患 从以上这些方面来分析，网络视频版权保护 系统相对光盘系统有着极大的改进基于高级加 密标准( A E S ) 加密算法级别的高安全性加密算 收稿日期：2 0 1 4 - 0 4 2 8 ；录用日期：2 0 1 4 0 7 - 2 6 ；网络出版时间：2 0 1 4 0 9 - 2 2l O ：1 1 网络出版地址：w w w c n k i n e t k c m s d o i 1 0 1 3 7 0 0 j b h 1 0 0 1 - 5 9 6 5 2 0 1 4 0 4 5 9 h t m l 作者简介：王玮( 1 9 8 2 一) ，男江西九江人，博士生，n i g h t r i v e r f o x m a i l c o m + 通讯作者：黄浩( 1 9 6 5 一) ，男，江苏无锡人，副教授，t h a o h u s t e d u c n ，主要研究方向为存储与数字媒体技术 引用格式：王玮，黄浩。谢长生，等基于视频内容关联密钥加密算法f JJ 北京航空航天大学学报，2 0 1 5 ，4 1f J ) ：1 1 7 - 1 2 3 W a n gW ，H u a n gH ，X i eCS ，e ta 1 V i d e oe n c r y p t i o na l g o r i t h mo fc o n t e n ta s s o c i a t e dk e yf JJ J o u r n a lo fB e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s ，2 0 1 5 ，4 1 ( I ) ：j17 - 1 2 3 ( i nC h i n e s e ) 万方数据 1 1 8 北京航空航天大学学报 2 0 1 5 年 法、不同内容之间完全独立的密钥管理机制、独立 的授权管理中心以及在线式密钥发送机制使得网 络视频版权保护系统具有极高的安全性单纯从 技术角度分析，网络视频版权保护技术相对完善， 安全性也较高，但依然存在一些不足之处 首先，密钥相对密文重要性仍有不足现有版 权保护技术的密文信息中都包含所有的明文信 息从理论而言，密文中包含有全部的明文信息， 理论上存在不需要其他附加信息即能完整还原明 文信息的可能性，因此还是存有潜在的安全威胁 其次，加密算法计算复杂度过高由于高安全 性加密算法的引入，相应加密过程对计算能力的 要求相应提升加密过程的计算资源消耗以及大 容量、多用户的视频内容传输所需要的存储以及 网络资源消耗给服务器带来的负载过大 另外，网络视频版权保护技术对网络接人速 度要求较高，受限于网络接人速度而无法支持超 高清、高码率视频的网络实时传输 密钥的处理不当是现有视频加密算法安全性 缺陷的很大一个原因存储位置、授权或是密钥与 明文关系、密钥相对密文重要性都是视频加密算 法不够安全的原因针对以上问题，本文提出 一种视频内容关联密钥概念用于视频加密算法 1 内容关联密钥视频加密算法 1 1 内容关联密钥概念 常见加密算法密钥多由随机数或其他与明文 本质上无关的数据所产生，内容关联密钥本身为 明文的一部分内容关联密钥加密算法按照明文 数据重要性，将明文分为敏感数据与主体数据，数 据量小但重要性高的敏感数据作为明文的密钥从 明文中抽取出来，而将剩余那些数据量较大但重 要性较低的主体数据部分作为密文 基于内容关联密钥的视频加密算法在实际应 用中，通过视频关联密钥加密算法，将密钥与密文 分离，密钥通过安全性高但计算复杂度大、开销大 的高安全信道传输；密文数据可以通过计算复杂 度小、安全性没有前者高的传输系统传输通过控 制密钥的安全性来保证版权整体安全性 1 2 视频内容关联密钥加密算法技术框架 本文提出一种基于内容关联密钥的、新颖的、 针对高清、高码率视频的视频内容关联密钥加密 算法通过该算法将视频分割成主体数据和敏感 数据，主体数据通过高清光盘技术传输分发，敏感 数据用高安全性的网络传输当密文播放时，播放 器实时从服务器获取密钥，并将数据汇合，通过解 密算法还原成完整的视频并解码播放由于加密 算法类似将敏感数据从明文中抽取出来，因此也 将该加密算法称为抽取算法 抽取算法利用视频特性对视频进行加密，因 此加密效果评判标准较特殊，是以加密后视频质 量被破坏程度作为是否符合加密要求的标准视 频图像可能因为微小压缩参数的不同，导致内容 与效果基本一致的视频在数值上相差巨大嵋。同 样，不同参数的抽取算法也难以保证加密后视频 效果的精确一致性抽取算法中有视频质量评估 过程进行破坏程度评估，判断破坏是否满足要求 如不满足要求，则反馈给算法控制部分，调整抽取 参数并重新抽取图1 为算法结构图 丰体数据 图1带反馈视频内容关联密钥加密算法结构图 F i g 1 S t r u c t u r eo fv i d e oc o n t e n ta s s o c i a t e de n c r y p t i o n a l g o r i t h mw i t hf e e d b a c k 视频内容关联密钥加密算法具有以下优点： 1 ) 视频内容关联密钥含有密文中所不包含 的明文信息，密钥具有绝足轻重的作用密文在理 论上不存在绕开密钥而被破解的可能 2 ) 密钥为明文的一部分，不同明文的密钥之 间无关联性即使出现密钥泄漏，也无法从泄漏密 钥推测出其他密钥，减少了泄漏密钥的危害 3 ) 密钥是算法安全性的保障，即使算法本身 被破解，仍然无法对密文破解计算机性能发展所 带来的加密算法趋于不安全趋势对于算法而言影 响较小，算法获得更长的应用周期 4 ) 密钥通过网络传输，相对全文网络传输大 幅减少了资源开销以及网络传输速度的限制 5 ) 密钥采用在线认证授权方式，授权控制方 可为视频版权方，保证视频版权方的利益，同时密 钥与密文、算法处于物理隔绝，增加安全性 2 视频内容关联密钥加密算法设计 2 1 加密算法敏感数据选取规则 内容关联密钥加密算法的核心是区分视频中 对视频质量影响较大的敏感数据与影响较小的主 体数据对于H 2 6 4 视频其数据可分为：视频、音 频数据以及文件格式信息文件格式信息等数据 万方数据 第1 期 王玮，等：基于视频内容关联密钥加密算法 1 1 9 I 莓m xpxt 示p1 F ( n ) 值指定抽取宏块为该抽取窗1 3 中的第 几个宏块其中m = 3 2 ，F ( n ) 取整数当抽取条带 组最后一个抽取窗口中剩余宏块数Q 小于Q 时， 则用Q 取代Q 作为最后一个抽取窗口大小 f X 川= X 。x 肛x ( 1 一X 。)，、 i F ( 凡) 一。2 m Q 心 抽取宏块中运动矢量预测残余，并使用伪 随机数八n ) 替换原有数据当厂( n ) 为奇数时抽取 向量x 轴数据，为偶数时抽取Y 轴数据 f X 川= X 。x tx ( 1 一X 。) L 厂( 凡) = x 。2 ”10 2 4 5 1 2 L jJ 5 ) 视频质量评估与反馈该过程利用视频质 量评估方法对抽取加密之后的主体数据的视频质 量进行估计并进行反馈反馈过程如下： 对视频质量进行评估，并得出评估值 将评估值与视频质量阈值进行比较根据 评估值与阈值关系调整抽取窗口大小，重复步骤 4 ) 、步骤5 ) ，直至找出窗口大小为Q 。时评估值满 足阈值要求，而窗口大小为Q 。+ 1 时评估值不满 足阈值要求，则Q 。为最佳窗口大小 6 ) 经过视频质量评估及反馈系统处理之后 的主体数据以及敏感数据即为加密完成后的明文 与密钥，完成加密处理过程 图2 为抽取算法、质量反馈系统流程图 2 3 视频内容抽取算法有效性分析 对于视频数据而言，校验以及错误恢复工具 必不可少H 2 6 4 算法使用工具为条带和宏块组 的划分与I 宏块、I 条带防止错误的扩散以及多 参考数据、数据分割、灵活宏块次序、冗余条带等 1 ) 条带、宏块组划分以及I 宏块、I 条带机 制：当视频数据在传输过程中由于传输错误造成 某些数据结构遭到破坏，解码器可以通过抛弃整 个存在错误条带的方式跳过错误视频抽取算法 对于视频数据的数据格式并无破坏 2 ) 多参考图像选择是有反馈视频系统中常 用的错误恢复工具内容关联密钥抽取算法属于 无反馈的视频系统，多参考图像机制并不适用 3 ) 数据划分是网络传输情况下常用的错误 恢复机制数据划分将条带中的数据按照数据类 型重新组合成多个划分并组装成条带传输对于

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