[发明专利]H.264中基于变换域的DCT系数分层置乱方法

说明书

技术领域

本发明属于一种图像传输加密方法，具体是视频编码标准H.264中基于变换域的DCT系数分层置乱方法。

背景技术

H.264是由ITU-T和ISO/IEC联合制定的新一代视频编码标准，能提供比H.263和MPEG-4更高的压缩性能，在图像编码质量相同时，能够节省30％～50％的码率。新标准优异的压缩性能使其在数字电视广播、视频实时通信、网络流媒体传递以及多媒体短信等各个领域发挥重要作用，有力地促进多媒体产业的快速发展。但视频存储和传输的广泛性和便利性也使其在开放网络环境中存在一些很棘手的问题，例如非法拦截、信息泄露、数据篡改、数据删添等。因此如何既充分利用视频服务的便利，又能实施更加有效的H.264视频加密方法就成为一个迫在眉睫的现实问题。

目前的视频加密方法根据压缩和变换方式的不同，可分为基于早期标准(如H.263，MPEG-2和MPEG-4等)的加密方式和基于H.264的加密方式；根据编码流程又大致可分为：编码前信源数据加密、预测后预测模式加密、变换域DCT系数加密、熵编码加密以及编码后数据加密等。

基于H.264的DCT系数加密算法

曹弈等在“H.264标准中基于DCT的视频加密研究”(中国图象图形学报，2005年，第8期)一文中提出了三种基于4×4DCT变换的H.264视频加密算法，这些算法最大的特点是加密过程取在量化之后熵编码之前，实现简单，密钥开销较小，但在安全性、压缩比和信噪比上都各自存在缺点。下面对这三种算法分别进行分析：

算法一：对DCT系数符号的翻盘

分析：此算法对所有4×4块中的DCT系数符号位进行加密，实现简单且不影响压缩比，但符号加密没有改变系数的大小和统计特性，安全性较低。

算法二：对4×4块的随机洗牌(B_Shuffling)

分析：将同一宏块中每个4×4块作为基本单元进行随机置乱，而保持块内系数相对位置不变。去掉n个全零块和相似块，则一个16×16宏块的加密复杂度为16！/n！，安全性较高。其缺点是：(1)由于每个4×4单元内信息完全保留，攻击者可以利用块间相关性(如边缘连续性，色彩和纹理相似性等)进行破译；(2)洗牌过程改变了相邻块系数的统计特性，并且系数的位置出现了巨大变动，因而对信噪比和压缩比都有较大的影响。

算法三：非零高低频系数之间洗牌(C_Scrambling)

分析：考虑到实际编码时存在全零块和量化后系数许多为零等情况，我们假设非零系数占总系数的1/3，则每个4×4块系数置乱空间为(16/3)！≈5！，整个宏块置乱空间为(5！)¹⁶，安全性较高；若将同一个8×8或16×16块中非零系数进行置乱，则安全性更高。与算法[2][3]相比较，其优点是洗牌过程只改变了块内非零系数的统计特性，对压缩比影响相对较小，但由于4×4块内非零系数数量很少，因此也更容易使用FBA攻击来进行解密。

另外，中国专利200310114727.4加密和压缩多媒体数据的方法与设备，其主要技术内容是在DCT变换后熵编码之前加密DC和AC系数，属于变换域加密方法。该方法对所有系数进行加密，虽然安全性很高，但同时也对压缩比影响非常大，即使每个系数只加密2位，其压缩比影响将超过1倍。

EP1033880“Digital Image Scramblng for Image Coding Systems”，其主要技术内容是对DCT系数的符号位、尺度和运动矢量符号位分别进行随机置乱。其中，DCT系数和运动矢量的符号位置乱方法相同。在置乱DCT系数的尺度时，采取对各个编码块中具有相同编号的子带内系数集中进行置乱。缺点是对基于块编码的视频编码结构(如H.264，MPEG-4等)，其实时性影响很大，难以进行实时编码。

发明内容

本发明提供了H.264中基于变换域的DCT系数分层置乱方法，提高了H.264标准中视频的加密性。

本发明的技术方案如下：

H.264中基于变换域的DCT系数分层置乱方法，其特征在于包括以下内容：