??? 摘??要： 幾種常用數(shù)字視頻信號(hào)加密技術(shù)的原理與方法，分析了這些加密方法的優(yōu)點(diǎn)和存在的不足。提出了一種僅對(duì)視頻碼流中解碼和視頻圖像的重建起著重要作用的少部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行高強(qiáng)度加密的方法，這一方法可以取得對(duì)整個(gè)視頻碼流安全加密的效果。?

??? 關(guān)鍵詞: 數(shù)字視頻； 加密技術(shù)； 嵌入式系統(tǒng)

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??? 數(shù)字視頻在許多方面與靜止圖像有相同特性，例如數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、各部分?jǐn)?shù)據(jù)的重要性不同等，視頻的幀內(nèi)編碼與靜止圖像編碼類似。數(shù)字視頻是由數(shù)字圖像的時(shí)間序列構(gòu)成的，每一幅圖像稱為一幀。為了保證流暢的視覺(jué)效果，視頻顯示的幀速率即圖像序列的播放速率，通常為每秒25～30幀，視頻加密在一定時(shí)間內(nèi)必須處理大量數(shù)據(jù)，因此要求有很高的處理速度。當(dāng)前的視頻加密技術(shù)還很難同時(shí)滿足安全、及時(shí)等加密要求。?

1 視頻加密的原理和方法?

1.1 視頻加密的密碼學(xué)方法?

??? 最早的視頻信號(hào)加擾方法是模擬視頻加密技術(shù)，但這種方法安全級(jí)別很低。最早的高保密級(jí)視頻加密技術(shù)是對(duì)全部視頻數(shù)據(jù)流直接用密碼技術(shù)加密和解密，故稱為圖像和視頻加密的密碼學(xué)方法，也稱之為自然加密方法。國(guó)內(nèi)大部分文獻(xiàn)稱之為傳統(tǒng)加密方法。其原理如圖1所示。?

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??? 由于密碼技術(shù)已有許多安全可靠的成熟算法，以二維或多維數(shù)據(jù)表示的圖像和視頻在傳輸和存儲(chǔ)時(shí)都要映射成一維數(shù)據(jù)，若不考慮具體的數(shù)據(jù)特征，很適合直接應(yīng)用已有的成熟密碼技術(shù)加密。其研究基本是基于純密碼科學(xué)技術(shù)的研究，安全性評(píng)價(jià)取決于所用密碼加密技術(shù)。在當(dāng)前的大多數(shù)實(shí)用圖像和視頻加密系統(tǒng)中，圖像和視頻數(shù)據(jù)被等同為一維比特流而采用DES等算法加密。也有一些新的密碼技術(shù)用于視頻加密,同時(shí)在性能上有了進(jìn)一步的改進(jìn)。?

??? 是由于圖像和視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量很大，所以這種加密方法計(jì)算量非常大，不僅浪費(fèi)資源，而且難以保證實(shí)時(shí)性。由于許多圖像信號(hào)特別是視頻信號(hào)往往要求實(shí)時(shí)在線傳輸，且大多數(shù)應(yīng)用都要求降低成本，從而限制了這種加密方法的應(yīng)用。另外，若標(biāo)志信息經(jīng)加密無(wú)法識(shí)別，則不能實(shí)現(xiàn)在線傳輸和檢索功能。?

1.2選擇性加密方法?

??? 密碼學(xué)方法雖然安全，但這種加密方法計(jì)算量非常大，往往難以實(shí)用。為解決這一對(duì)矛盾，人們研究了視頻的信源特征，把密碼原理與視頻技術(shù)結(jié)合起來(lái)，取得了一些研究成果。有人提出一種針對(duì)圖像和視頻編碼的部分?jǐn)?shù)據(jù)加密思路。圖2(a)表示密碼學(xué)方法，對(duì)所有數(shù)據(jù)用密碼技術(shù)加密；圖2(b)表示部分?jǐn)?shù)據(jù)加密方法，只對(duì)選擇的重要數(shù)據(jù)加密。?

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??? 在視頻加密的算法中，除純密碼學(xué)方法之外，對(duì)選擇性加密方法研究得比較多，其中又以對(duì)加密變換(DCT)系數(shù)的算法為多。主要有以下幾種：?

??? (1) 僅對(duì)I幀加密算法?

??? 僅對(duì)I幀DCT系數(shù)塊加密，具有擴(kuò)散作用，使P、B幀利用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)行差值編碼的相應(yīng)塊不加密也難以正確解碼，達(dá)到了選擇部分?jǐn)?shù)據(jù)加密減少計(jì)算量的目的。該算法由于減少了加密數(shù)據(jù)量，因而節(jié)約30%～50%的加解密時(shí)間，提高了加、解密速度，且不改變?cè)曨l編碼數(shù)據(jù)碼流量大小，因而不影響壓縮率。但這種算法不安全，場(chǎng)景變換和運(yùn)動(dòng)劇烈的P、B幀（P、B幀內(nèi)的I塊）會(huì)被正確解碼，在保密要求高的場(chǎng)合不能單獨(dú)使用。本算法可通過(guò)增加I幀頻率來(lái)提高密級(jí)，但是I幀頻率越高，計(jì)算量越大，速度就越慢。有人討論了其改進(jìn)方法，加密包括P、B幀中I塊的所有I-block，但也存在問(wèn)題：①在P、B幀中識(shí)別I塊需要一定的額外開(kāi)銷；②在某些視頻中，P、B幀中的I塊數(shù)量與I幀中數(shù)量相近，因此，減少數(shù)據(jù)量不明顯，還不如改用純密碼(Naive)算法。?

??? (2) 加密運(yùn)動(dòng)矢量算法?

??? 隨機(jī)改變運(yùn)動(dòng)矢量的符號(hào)位或同時(shí)改變符號(hào)位和數(shù)值來(lái)影響P、B幀正確解碼。對(duì)I幀編解碼完全沒(méi)有影響，故不能單獨(dú)使用，主要作為增強(qiáng)安全性的補(bǔ)充算法。加密數(shù)據(jù)量小，計(jì)算量小，因而速度快；不降低編碼壓縮率，只適用于視頻編碼數(shù)據(jù)。?

??? (3) DCT塊系數(shù)分層加密算法?

??? 把DCT系數(shù)從低頻到高頻分為基本層(base layer)、中間層(middle layer)和增強(qiáng)層(enhancement layer)三部分。在0～63范圍定義兩個(gè)整數(shù)分界點(diǎn)（breakpoint），作為一個(gè)分界點(diǎn)組(breakpoint group),確定三部分之間的邊界。定義第一個(gè)分界點(diǎn)為容損點(diǎn)(loss-tolerance breakpoint)，第二個(gè)點(diǎn)為安全點(diǎn)(security breakpoint)。在這個(gè)算法中，只加密基本層和中間層，可以減少計(jì)算量；保證基本層傳送，即使中間層和增強(qiáng)層丟失，接收方也能顯示出主要信息。該算法可以讓用戶根據(jù)不同的安全性級(jí)別來(lái)選擇分界點(diǎn)組合，在安全性、計(jì)算量、容錯(cuò)能力之間進(jìn)行折中。對(duì)基本層和中間層加密的密碼算法也可以另行選擇。該算法只對(duì)部分DCT系數(shù)加密，減少了計(jì)算量。類似的選擇性加密的算法有：僅加密DC系數(shù)或加密DC系數(shù)和少量低頻AC系數(shù)、隨機(jī)改變DCT系數(shù)符號(hào)等。?

??? (4) 僅加密頭信息算法?

??? 將頭信息加密，再與其他數(shù)據(jù)隨機(jī)混合，使接收方難以按原數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)分結(jié)構(gòu)信息和視頻信息并解碼。該算法不降低壓縮率，計(jì)算量小。但是安全性較低，因?yàn)轭^信息所含信息量小，加密效率低，這種加密方式比較容易破譯。為便于合法收方解碼，需加入同步信息，或保留原來(lái)部分同步信息。?

1.3 針對(duì)MPEG碼流統(tǒng)計(jì)特性的算法?

??? 針對(duì)MPEG碼流統(tǒng)計(jì)特性(Statistical behavior of MPEG)的算法稱為VEA(Video Encryption Algorithm)算法。經(jīng)壓縮編碼的碼流因去除相關(guān)性，具有一定的隨機(jī)性。將I幀(撇開(kāi)頭標(biāo)志等特殊碼流)分為8或16（通常16）大塊(chunk)，在任何chunk中，沒(méi)有重復(fù)的字節(jié)模式。據(jù)此提出下面的VEA算法。?

??? 設(shè)一個(gè)I幀的某個(gè)chunk為如下形式：a1，a2，a3，a4，...，a2n-1，a2n。選擇奇數(shù)號(hào)的字節(jié)組成奇隊(duì)列(Odd List)，選擇偶數(shù)號(hào)的字節(jié)組成偶隊(duì)列(Even List)。將兩個(gè)新數(shù)據(jù)流異或。選擇一種加密函數(shù)（例如DES）來(lái)加密偶隊(duì)列a2，a4，...，a2n。得到的密文為：c1，c2，…，cn，E(a2，a4，…，a2n)。如果a2，a4，…，a2n沒(méi)有重復(fù)模式（repeated pattern），說(shuō)明具有足夠隨機(jī)性，a2，a4，…，a2n對(duì)a1,a3,…,a2n-1的簡(jiǎn)單異或,是一次一密亂碼本(one-time pad)加密,這是被公認(rèn)為非常保密的。VEA算法密級(jí)就決定于函數(shù)E。?

??? 該方法只加密部分視頻流，待加密數(shù)據(jù)分為兩半，一半用密碼方法(函數(shù)E)加密，另一半用簡(jiǎn)單異或，因此總體減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算速度。該方法不影響壓縮率，適用于壓縮的視頻編碼數(shù)據(jù)，而且壓縮效果越好，加密效果也越好。?

1.4 DCT頻域系數(shù)亂序算法?

??? DCT頻域系數(shù)亂序算法（Zig-Zag Permutation Algorithm）把DCT頻域系數(shù)8×8塊按隨機(jī)的順序映射成1×64矢量，而不按ZIG－ZAG順序。有人首先提供了三步基本算法，但設(shè)計(jì)者自己指出,基本算法對(duì)已知明文攻擊是脆弱的，因此提供了兩種附加方法增強(qiáng)算法的安全性。?

??? (1) 對(duì)DC系數(shù)另用DES加密。?

??? (2) 產(chǎn)生兩張不同的順序置亂序列表，隨機(jī)選用。?

??? DCT頻域系數(shù)亂序算法速度很快。但存在嚴(yán)重的安全性問(wèn)題。兩種附加方法也無(wú)法解決。已知明文攻擊(Known-plaintext attack)和唯密文攻擊(Ciphertext only attack)都可以成功破解該算法。另外，經(jīng)過(guò)加密的MPEG流大小將顯著增加，最大可增加46%，嚴(yán)重降低壓縮率。?

2 新的視頻加密方法?

??? 針對(duì)視頻數(shù)據(jù)具有層次結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大以及實(shí)時(shí)傳輸要求高的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了一種新式的視頻加密算法。其主要思想為：僅對(duì)視頻碼流中的少部分重要數(shù)據(jù)進(jìn)行高強(qiáng)度的加密。因?yàn)橐曨l碼流中各部分?jǐn)?shù)據(jù)的重要性不同，某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)(如視頻宏塊中的直流分量值DC，交流分量值A(chǔ)C和位移矢量MV等)雖然數(shù)據(jù)量比較小，但是對(duì)視頻碼流的解碼和視頻圖像的重建起著至關(guān)重要的作用，所以僅對(duì)這些少量數(shù)據(jù)運(yùn)用AES、IDEA等加密算法進(jìn)行加密，就可以取得對(duì)整個(gè)視頻碼流安全加密的效果。該視頻加密算法原理如圖3所示。?

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??? 該視頻加密算法具有如下特點(diǎn)：(1)獨(dú)立于視頻編解碼器。(2)獨(dú)立于密碼學(xué)算法，用戶可以根據(jù)自己的要求選擇不同的加密算法，如DES、AES或IDEA等。(3)對(duì)不同關(guān)鍵數(shù)據(jù)的選取和組合，可以提供高、中、低三個(gè)不同的加密級(jí)別，用戶可根據(jù)不同的保密要求和網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行選擇。(4)計(jì)算量小、加密速度快、附加帶寬少。?

3 新的視頻加密方法的實(shí)現(xiàn)?

3.1 新的視頻加密方法的硬件實(shí)現(xiàn)?

??? 圖4所示是基于對(duì)上述新的視頻加密算法而設(shè)計(jì)的一種采用嵌入式主處理器DM1105和加密配置芯片DM2016的數(shù)字視頻加密系統(tǒng)。?

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??? DM1105主要應(yīng)用于衛(wèi)星、有線信號(hào)以及地面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)字電視、IP數(shù)據(jù)的接收，也可以用于8/16位CCIR656標(biāo)準(zhǔn)YUV視頻信號(hào)的接收。DM1105內(nèi)集成了DVB標(biāo)準(zhǔn)解擾算法，可以同時(shí)進(jìn)行32路解擾，還具備遙控器接收功能，通過(guò)擴(kuò)展還能夠外接兩個(gè)PCMCIA插槽。圖5是DM1105應(yīng)用的原理結(jié)構(gòu)框圖。 ?

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3.2 新的視頻加密方法的軟件實(shí)現(xiàn)?

??? 示例采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)基于嵌入式系統(tǒng)的AES加密運(yùn)算。?

??? (1)先定義sbox 和pbox，并初始化,將它們放入code 中：?

??? unsigned long code sbox[18] = {?

??? 0x243F6A88L , ……, 0x8979FB1BL?

??? };?

??? unsigned long code pbox[ 4 ] [256 ] = {?

??? 0xD1310BA6L , ……?

??? };?

??? (2) 定義兩個(gè)全局變量key_pbox 和key_sbox ,存儲(chǔ)初始化后的子密鑰：?

??? unsigned long key_pbox[18 ];?

??? unsigned long key_sbox[ 4 ] [256 ];?

??? (3) 完成下列函數(shù):?

??? //AES初始化函數(shù)?

??? void AES_Constructor(void);?

??? void AES_Destructor(void);?

??? //設(shè)置AES密鑰函數(shù)?

??? BOOLEAN SetKey(const unsigned char *key, int keylen);?

??? //AES加密函數(shù)?

??? BOOLEAN Encrypt(const unsigned char *in, int inlen, ?

??? unsigned char *out, int *outlen);?

??? //AES解密函數(shù)?

??? BOOLEAN Decrypt(const unsigned char *in, int inlen, ?

??? unsigned char *out, int *outlen);?

??? ……?

??? (4) 初始化嵌入式系統(tǒng),用TESTKEY作為密鑰進(jìn)行初始化,對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試。?

??? 在編譯優(yōu)化后，對(duì)代碼做進(jìn)一步優(yōu)化。首先使用TI集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的代碼分析器（profiler)對(duì)代碼進(jìn)行分析。在CCS中可以統(tǒng)計(jì)某段代碼的執(zhí)行時(shí)間，這被稱作剖析（profile)。代碼剖析可以迅速地評(píng)估程序的性能以便優(yōu)化代碼。經(jīng)過(guò)編譯優(yōu)化和代碼優(yōu)化后，AES算法在該嵌入式系統(tǒng)中具有高速數(shù)據(jù)處理能力，在保證安全性目標(biāo)的同時(shí)，又不影響數(shù)字視頻信號(hào)對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求，從而有助于解決數(shù)字電視傳輸控制網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加密和安全問(wèn)題。?

??? 本文介紹了幾種常用視頻加密算法，分析了這幾種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種僅對(duì)視頻碼流中解碼和視頻圖像的重建起著至關(guān)重要作用的少部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行高強(qiáng)度加密的方法，并利用嵌入式芯片DM1105和加密配置芯片DM2016組成一個(gè)加密、解密系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述數(shù)字視頻信號(hào)的加密。?

參考文獻(xiàn)?

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