[發明專利]H.264中基于變換域的DCT系數分層置亂方法

無效

• 申請號: 200710132042.0
• 申請日: 2007-09-20
• 公開（公告）號: CN101146224A
• 公開（公告）日: 2008-03-19
• 發明（設計）人: 蔣建國;齊美彬;包先雨;尤小泉;李援;詹曙;吳從中;夏娜;李小紅
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H04N7/26
• 分類號: H04N7/26;H04N7/24
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明屬于一種圖像傳輸加密方法，具體是視頻編碼標準H.264中基于變換域的DCT系數分層置亂方法。

背景技術

H.264是由ITU-T和ISO/IEC聯合制定的新一代視頻編碼標準，能提供比H.263和MPEG-4更高的壓縮性能，在圖像編碼質量相同時，能夠節省30％～50％的碼率。新標準優異的壓縮性能使其在數字電視廣播、視頻實時通信、網絡流媒體傳遞以及多媒體短信等各個領域發揮重要作用，有力地促進多媒體產業的快速發展。但視頻存儲和傳輸的廣泛性和便利性也使其在開放網絡環境中存在一些很棘手的問題，例如非法攔截、信息泄露、數據篡改、數據刪添等。因此如何既充分利用視頻服務的便利，又能實施更加有效的H.264視頻加密方法就成為一個迫在眉睫的現實問題。

目前的視頻加密方法根據壓縮和變換方式的不同，可分為基于早期標準(如H.263，MPEG-2和MPEG-4等)的加密方式和基于H.264的加密方式；根據編碼流程又大致可分為：編碼前信源數據加密、預測后預測模式加密、變換域DCT系數加密、熵編碼加密以及編碼后數據加密等。

基于H.264的DCT系數加密算法

曹弈等在“H.264標準中基于DCT的視頻加密研究”(中國圖象圖形學報，2005年，第8期)一文中提出了三種基于4×4DCT變換的H.264視頻加密算法，這些算法最大的特點是加密過程取在量化之后熵編碼之前，實現簡單，密鑰開銷較小，但在安全性、壓縮比和信噪比上都各自存在缺點。下面對這三種算法分別進行分析：

算法一：對DCT系數符號的翻盤

分析：此算法對所有4×4塊中的DCT系數符號位進行加密，實現簡單且不影響壓縮比，但符號加密沒有改變系數的大小和統計特性，安全性較低。

算法二：對4×4塊的隨機洗牌(B_Shuffling)

分析：將同一宏塊中每個4×4塊作為基本單元進行隨機置亂，而保持塊內系數相對位置不變。去掉n個全零塊和相似塊，則一個16×16宏塊的加密復雜度為16！/n！，安全性較高。其缺點是：(1)由于每個4×4單元內信息完全保留，攻擊者可以利用塊間相關性(如邊緣連續性，色彩和紋理相似性等)進行破譯；(2)洗牌過程改變了相鄰塊系數的統計特性，并且系數的位置出現了巨大變動，因而對信噪比和壓縮比都有較大的影響。

算法三：非零高低頻系數之間洗牌(C_Scrambling)

分析：考慮到實際編碼時存在全零塊和量化后系數許多為零等情況，我們假設非零系數占總系數的1/3，則每個4×4塊系數置亂空間為(16/3)！≈5！，整個宏塊置亂空間為(5！)¹⁶，安全性較高；若將同一個8×8或16×16塊中非零系數進行置亂，則安全性更高。與算法[2][3]相比較，其優點是洗牌過程只改變了塊內非零系數的統計特性，對壓縮比影響相對較小，但由于4×4塊內非零系數數量很少，因此也更容易使用FBA攻擊來進行解密。

另外，中國專利200310114727.4加密和壓縮多媒體數據的方法與設備，其主要技術內容是在DCT變換后熵編碼之前加密DC和AC系數，屬于變換域加密方法。該方法對所有系數進行加密，雖然安全性很高，但同時也對壓縮比影響非常大，即使每個系數只加密2位，其壓縮比影響將超過1倍。

EP1033880“Digital?Image?Scramblng?for?Image?Coding?Systems”，其主要技術內容是對DCT系數的符號位、尺度和運動矢量符號位分別進行隨機置亂。其中，DCT系數和運動矢量的符號位置亂方法相同。在置亂DCT系數的尺度時，采取對各個編碼塊中具有相同編號的子帶內系數集中進行置亂。缺點是對基于塊編碼的視頻編碼結構(如H.264，MPEG-4等)，其實時性影響很大，難以進行實時編碼。

發明內容

本發明提供了H.264中基于變換域的DCT系數分層置亂方法，提高了H.264標準中視頻的加密性。

本發明的技術方案如下：

H.264中基于變換域的DCT系數分層置亂方法，其特征在于包括以下內容：