基于标准H265的视频安全编解码方案研究

摘要

一方面，新一代视频编码标准H265自从2010年4月提出以来就受到业内人士的广泛关注，其主要是针对现有视频编码标准（如MPEG系列和H.26x系列）不能满足目前新型视频如高清、超高清以及3D等的应用，而提出的一种新的视频编解码标准，其主要用来压缩一些数据量巨大且结构更为复杂的高清以及超高清视频(HDTV)。另一方面新标准H265的出现并没有改变视频数据遭到恶意破坏、非法窃取以及盗版等现象的存在，因此研究新标准H265的安全编解码也越来越受到人们的关注。而高清视频具有数据量巨大、编码结构复杂、实时性高等特点，因此必须根据实际需求并结合应用场景来设计加解密方案。
　　 目前，人们也研究出许多视频加密方案，最早提出的算法有利用传统密码技术对视频数据进行加密，这类算法是将视频数据看成普通的二进制数据来进行加密的，因此此类算法具有较高的安全性但是计算复杂度很高;后来人们又提出基于DCT系数的加密算法，这类算法相对前一类算法虽然有着较低的计算复杂度，但是由于只选择DCT系数进行加密，加密的数据量大大减少，因此安全性也远远低于前一类算法，而且此类算法会使视频加密后的压缩比发生改变;随着视频加密研究的不断深入，最近几年又有人提出熵编码过程与加密过程相结合的算法如最早提出的多状态索引方法，研究结果表明这类算法不仅具有较低的计算复杂度而且对压缩比的影响较小，但是其在已知明文攻击的情况下是不安全的。综上所述，这些加密算法各具优缺点，而且它们大多是针对H264或MPEG标准提出的，已不能满足高清以及超高清视频应用的需求。为解决上述问题，本文在新标准H265的基础上，根据不同的应用场景提出了两种不同的针对高清视频的安全编解码方案。本文主要工作如下:
　　 (1)针对上述现有视频加密算法的不足，本文结合H265的熵编码技术，提出与熵编码过程相结合的安全、高效的指数哥伦布编解码方案。此方案主要用来对视频头信息采进行加密，实验结果表明此方案具有安全高效性、计算复杂度低、编码效率高和加密后压缩性能保持不变等优点。此方案主要应用在对安全性要求不高、对视频实时性要求较高的情况下，例如实时视频监控。
　　 (2)但是方案(1)具有格式不兼容的缺点，为了解决方案(1)格式不兼容的问题，结合H265的新特点提出一种基于H265的自适应安全算术编解码方案。此方案主要用来对视频数据内容进行加密如变换后的DCT系数，实验结果表明此方案具有安全性高、格式兼容性、加密后编码效率高压缩比保持不变等优点。由于此方案具有较好的性能，因此应用也比较广泛，例如视频监控、视频会议、视频点播、商业机密等等都可以应用此方案。
　　 (3)将方案(1)和方案(2)结合起来做成一个基于H265的安全编解码软件，在这个软件上可以根据不同的应用场景选择不同的加密算法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的应用背景

1．2 视频加密算法的研究状况及要求

1．2．1 视频加密算法的研究状况

1．2．2 视频加密算法的性能要求

1．3 本文的主要工作和结构安排

1．3．1 本文的主要工作

1．3．2 本文的结构安排

第2章 H265编解码标准简介

2．1 H265编解码基本框架

2．1．1 编码树块(CTB，Code Tree Block)

2．1．2 编码树单元(LCU，Largest Coding Unit)

2．1．3 预测单元(PU，Prediction Unit)

2．1．4 变换单元(TU，Transform Unit)

2．2 H265编解码配置方案

2．3 H265编解码关键技术

2．3．1 帧内预测模式

2．3．2 帧间预测模式

2．3．3 变换和量化

2．3．4 熵编码

2．3．5 循环滤波技术

2．4 本章小结

第3章 基于H265的安全指数哥伦布编码方案

3．1 指数哥伦布编码

3．2 安全指数哥伦布编码

3．3 基于H265的安全指数哥伦布编码方案

3．3．1 编解码方案

3．3．2 实验结果

3．3．3 方案性能分析

3．3．4 安全性分析

3．4 本章小结

第4章 基于H265的安全SBAC编码方案

4．1 基于上下文的自适应算术编码(SBAC)

4．2 安全SBAC编码

4．3 基于H265的安全SBAC编码方案

4．3．1 编解码方案

4．3．2 实验结果

4．3．3 方案性能分析

4．3．4 安全性分析

4．4 本章小结

第5章 基于H265的安全编解码软件设计

5．1 基于H265的安全编解码软件设计

5．2 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文