[发明专利]基于CAVLC编码的H.264视频加密方法

说明书

技术领域：

本发明涉及保密通信技术领域，针对的是通过对符号进行转换，将所给出的符号序列交换成不可理解的符号序列的方法。

技术背景：

H.264是新一代视频压缩编码标准，其优异的压缩性能和良好的网络亲和性使其在视频实时通信、存储等领域应用广泛。熵编码方法是H.264及其他视频压缩标准中普遍采用的一种无损编码方法。基于熵编码的加密方法已有一定研究。Chunping Wu曾在文献Efficient Multimedia Encryption via Entropy CodecDesign中提出一种MHT方法，通过变异数训练2k个不同的huffman编码表，产生随机变量作为密钥选择不同的码表从而完成对原始数据流的加密。Dahua Xie在MHT的基础上提出一种加强型MHT方案，采用hush函数仿制跳跃密钥来对抗选择明文攻击，提高了安全性。

在熵编码的过程中融入加密过程的构想虽已付诸研究，但是已有的基于熵编码的视频加密方法大多是针对MPEG标准的，而H.264的熵编码与MPEG熵编码原理不同。H.264的熵编码采用基于上下文自适应的可变长编码(CAVLC)方法，利用相邻已编码符号所提供的相关性，为所要编码的符号选择合适的上下文模型进行变长编码，大大降低符号间的冗余度。根据CAVLC编码特点设计一种高效的视频加密方法是本发明要解决的关键问题。

图1为现有的H.264的视频压缩编码流程图；视频经过帧内预测、运动估计和运动补偿、整数离散余弦变换(DCT变换)和熵编码过程实现压缩编码。

附表1为已有的H.264标准CAVLC编码中每个非零系数前零的个数(RunBefore)的编码码表。

附表1

H.264提供了两种熵编码方法：基于上下文的自适应变长编码(CAVLC)和基于上下文的自适应二进制算术编码(CABAC)。其中CAVLC容易实现，计算简单，可通过查询变长码表实现，对于比特误码具有很好的鲁棒性，多应用于可视电话、会议电视、无线通信等实时通信场合及流媒体中。CABAC具有很高的编码效率，但运算复杂度大，主要用于数字广播和数字存储。本发明仅针对广泛应用的CAVLC进行研究，而CABAC由于其编码复杂暂且不作考虑。

H.264视频压缩编码过程中，CAVLC需要编码的参数有非零系数数目(TotalCoeffs)、拖尾系数数目(TrailingOnes)、所有拖尾系数的符号、拖尾系数外全部非零系数的幅值、最后一个非零系数前零的数目(TotalZeros)和每个非零系数前零的个数(Runbefore)。每一个编码参数都有自己相对应的编码码表。H.264熵编码是参照码表输出码字来完成编码。但是将加密过程植入编码过程时，并不适合对每一个参数都进行加密：由于非零系数的幅值编码涉及前缀(level_prefix)和后缀编码(level-suffix)，编码过程比较复杂，即使微小的改动都可能导致无效码字的产生，所以不对此部分进行加密。另外，拖尾系数符号(Trailingones)在码流中所占比例相当小，对此部分的加密对于提高算法的安全性无太大意义。本发明将在CAVLC编码过程中对非零系数数目、拖尾系数数目、最后一个非零系数前零的数目以及每个非零系数前零的个数进行加密。

发明内容：

本发明的目的在于对H.264视频压缩编码标准的CAVLC编码技术提供一种高效的视频加密方法。以解决当前大多数视频加密技术主要局限于MPEG标准，而针对H.264标准的熵编码加密技术发展不成熟的问题。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种基于CAVLC编码的H.264视频加密方法，其特征在于：在H.264视频压缩编码的CAVLC编码过程中，采用RC4算法用1-256字节的可变长密钥初始化一个256字节的状态表，用生成的伪随机密钥流与非零系数数目、拖尾系数数目、最后一个非零系数前的零的数目、每个非零系数前零的个数的编码表中待编码码字的索引号相异或得到一个新的索引号，根据新的索引号在原码表中找到其对应的新的码字作为码流输出，实现加密。编码表存在码字为空的无效区域，加密后可能会出现新码字落在码表无效区域的情况，因此在加密之后需要对新码字进行判断，强制设定无效码字的码字区域，将无效码字索引号改为有效码字索引号，从而使无效码字回落到有效码字区域；主要包括以下步骤：

110、利用流密码RC4算法产生密钥并分发；

111、在H.264视频压缩编码的CAVLC编码过程中，选择重要编码参数在其编码过程中进行加密；