基于HEVC的选择性加密算法研究

摘要

视频作为一种信息载体，能够直观高效地传递信息，且信息容量大，在数字信息时代得到了广泛应用。同时由于互联网时代的来临，无线wifi与移动设备的飞速普及，网络环境安全面临着严峻挑战，视频信息泄露屡见不鲜。而另一方面社会各层面对信息隐私和信息安全的重视程度日益增强，保护视频信息安全势在必行。因此，视频加密技术也愈发受人重视。视频本身信息量大、数据结构复杂、实时性要求高，所以传统的将视频数据全部加密的手段已经不再适用，必须根据视频编码标准设计针对性的加密算法。本文基于当前国际最新视频编码标准——高效视频编码(High Efficiency Video Coding,HEVC)，通过对熵编码进行详细研究，对HEVC编码的部分语法元素进行选择性加密。本文的主要研究内容有以下三部分: 首先，对HEVC的自适应二进制算术编码(Context-based Adaptive Binary Arithmetic Coding，CABAC)模块进行了详细的研究，通过对HEVC语法元素的分析，找出适合加密的语法元素，提出了基于HEVC的选择性加密算法。为了保证码流兼容性，应对视频内容的相关语法元素进行加密。CABAC中二值化后的使用旁路编码模式的语法元素，由于格式标准、不牵涉上下文模型，适于进行加密处理。本文对五种二值化方式进行了详细分析，最终挑选了六个语法元素，使用RC6-CFB（Rivest Cipher6-Cipher FeedBack）算法进行加密。实验结果满足了码流兼容性、安全性、压缩率不变性与实时性。 其次，现有的加密算法为了保证HEVC的压缩性能对使用旁路编码的语法元素进行加密，语法元素的选择范围小;或是加密别的语法元素的同时降低了HEVC的编码性能。针对上述问题，本文提出了一种基于安全二进制算数编码(Binary Arithmetic Coding，BAC)的选择性联合加密算法，对常规编码模式中的二进制算术编码过程进行了加密。在旁路编码语法元素加密的基础上，选择了三个语法元素作为安全BAC的加密对象，实验结果加密效果良好，并且未添加额外码率，计算复杂度较低，保证了实时性。 最后，对于不要求最高安全性的应用场景，加密算法在保证一定安全性的前提下应尽可能提高加密效率。本文对每个语法元素根据码字敏感度进行了加密优先级排序，缩小了语法元素的加密范围，最终选定了五个语法元素进行联合加密，提出了基于码字敏感度的联合加密算法。实验结果表明，该算法在满足了码流兼容性、安全性与压缩率不变性的前提下，进一步缩短了加密时间，提高了加密效率。