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1加密數(shù)據(jù)的選擇

本研究選擇經(jīng)過H．264［9］編碼技術(shù)編碼的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密、解密算法推演。H．264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)，是在MPEG4的基礎(chǔ)上建立起來的，主要由幀間和幀內(nèi)預(yù)測、變換和反變換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼等5個(gè)編碼流程組成。一個(gè)GOP（一組連續(xù)畫面）是由I（幀內(nèi)）、P（預(yù)測）、B（雙向預(yù)測）3種幀格式組成編碼幀序列，如下圖所示。這3幀中的B幀要同時(shí)對I幀和P幀進(jìn)行參考，進(jìn)行雙向間的預(yù)測編碼，I幀獨(dú)立編碼，不需要參考其他幀，而P幀要在參考其它幀的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測編碼。根據(jù)這3種數(shù)據(jù)幀的特點(diǎn)，選擇MV（運(yùn)動(dòng)向量差值）、殘差系數(shù)、幀內(nèi)預(yù)測模式字3種元素進(jìn)行選擇加密。（1）運(yùn)動(dòng)向量（MV）差值在B幀或者P幀，可以對每個(gè)宏塊進(jìn)行1616，168，816，88，如圖1所示這4種模式進(jìn)行分割，如果采用168的分割方法，那么就會(huì)生成2個(gè)子宏塊，并且每個(gè)子宏塊的像素為168。產(chǎn)生的子宏塊又可以繼續(xù)劃分（見圖2），這種樹狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方案就是一種基于子宏塊和分區(qū)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方案。在上面的子宏塊分區(qū)中，每個(gè)子宏塊或者分區(qū)都是一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)矢量，如果將一個(gè)宏塊分割成相同的4個(gè)88的子宏塊，且每一個(gè)子宏塊又被分成了4個(gè)相同的44子宏塊［9］，那么相對于原來的P宏塊或者B宏塊來說，它至少要傳送16個(gè)這樣的運(yùn)動(dòng)向量。因此對于大尺寸分割，需要傳送的運(yùn)動(dòng)向量較少，需要較少的比特流就可以對這些運(yùn)動(dòng)向量來進(jìn)行傳輸，不過其相應(yīng)的殘差系數(shù)會(huì)較高；反之，對于較小的分割尺寸，會(huì)需要更多的比特流，預(yù)測的準(zhǔn)確性會(huì)較高，需要相應(yīng)的殘差系數(shù)能量較低。每個(gè)P分區(qū)的運(yùn)動(dòng)向量都需一定數(shù)目的比特位來進(jìn)行編碼，為減少編碼的比特?cái)?shù)，可以對相鄰的運(yùn)動(dòng)向量進(jìn)行編碼預(yù)測，即后面的運(yùn)動(dòng)向量可由前面的運(yùn)動(dòng)向量來進(jìn)行預(yù)測，可以對差值MVD進(jìn)行編碼。為保持視頻的語義結(jié)構(gòu)且提高編碼效率，只需要對運(yùn)動(dòng)向量差值的符號(hào)位進(jìn)行加密（見圖3）。對最后一位進(jìn)行重置，實(shí)現(xiàn)了對MVD的有效擾亂。通過擾亂后的信息可以預(yù)測圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)了對視頻的加密。（2）殘差系數(shù)參差塊系數(shù)通過CABAC和CAVLC進(jìn)行編碼。在CAVLC編碼過程中，涉及到非零系數(shù)幅值、非零系數(shù)數(shù)目、拖尾系數(shù)數(shù)目、最后一個(gè)非零系數(shù)前零的個(gè)數(shù)和每個(gè)非零系數(shù)前零的個(gè)數(shù)［10］，在此只對CAVLC編碼過程中的關(guān)鍵字段（Level的符號(hào)位和TrailingOnes的符號(hào)位）進(jìn)行加密。詳見圖4。（3）幀內(nèi)預(yù)測模式字視頻幀內(nèi)的每個(gè)宏塊都可采用多種不同的預(yù)測編碼模式，幀內(nèi)預(yù)測編碼模式適合所有的片組編碼類型。對亮度像素塊編碼時(shí)有Intra－1616、Intra－88、Intra－44等多種預(yù)測模式。不同的預(yù)測模式又有多種預(yù)測方式來對圖像細(xì)節(jié)部分進(jìn)行編解碼，幀內(nèi)預(yù)測不能進(jìn)行跨片組編碼，只能在同一個(gè)片組內(nèi)預(yù)測編碼［11］。通過判斷幀內(nèi)預(yù)測編碼絕對誤差來選擇最佳的幀內(nèi)預(yù)測模式。本研究采用Intra－44預(yù)測模式，主要有以下原因：（?。㊣ntra－88對于版本的支持兼容性不好，無法有效支持所有的版本。（ⅱ）Intra－1616模式字和別的信息一起編碼，不容易進(jìn)行加密操作。（ⅲ）采用44模式的預(yù)測編碼字的方式，占了I幀視頻幀中的大多數(shù)，且僅對44的預(yù)測模式進(jìn)行加密即可達(dá)到保密性要求。

2多維強(qiáng)度數(shù)據(jù)加密方案

選擇上述特定長度字段，尚需堅(jiān)持如下原則：（1）不能對變長度字段進(jìn)行直接加密，否則會(huì)破壞其上下文的語義結(jié)構(gòu)，破壞格式的兼容性，降低強(qiáng)度控制靈活性。不能對字段的索引字段進(jìn)行直接加密，否則會(huì)帶來不必要的碼流字節(jié)數(shù)開銷。（2）選取的特定長度字段必須能夠?qū)獯a數(shù)據(jù)流起到關(guān)鍵作用，即達(dá)到對整段數(shù)據(jù)流加密安全性要求。（3）對特定長度的字段的加密要滿足嚴(yán)格的字長特性，實(shí)現(xiàn)較高的加密速度且不會(huì)帶來多余的數(shù)據(jù)碼流。在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，對3個(gè)視頻數(shù)據(jù)元素分別設(shè)定3個(gè)不同的加密強(qiáng)度控制參數(shù)［12］（P1，P2，P3）來進(jìn)行控制。詳細(xì)方案如下：（1）P1表示殘差系數(shù)符號(hào)位加密強(qiáng)度，隨著P1的變化相應(yīng)的對殘差系數(shù)符號(hào)位進(jìn)行加密。（2）P2表示預(yù)測模式字的加密強(qiáng)度，根據(jù)P2的數(shù)值大小確定IPM的加密強(qiáng)度。（3）P3表示MVD的加密強(qiáng)度，隨著P3的變化相應(yīng)的對運(yùn)動(dòng)向量進(jìn)行加密。

3方案算法設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)上述強(qiáng)度控制算法，首先，產(chǎn)生一個(gè)0～1的隨機(jī)數(shù)s，若s＜p，則對該數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密；否則，跳過這個(gè)元素［13］?？刹捎萌缦路椒ㄌ岣呒用芩俣取＃?）隨機(jī)生成一個(gè)0～1的隨機(jī)值。（2）生成一個(gè)長度是N的二進(jìn)制數(shù)組，隨機(jī)選取N個(gè)從0～1的連續(xù)數(shù)。當(dāng)?shù)趇個(gè)數(shù)的值大于等于p時(shí)，設(shè)Si＝0；否則設(shè)為1。（3）當(dāng)Si＝1時(shí)，對該數(shù)據(jù)元素進(jìn)行加密［14］；否則，不對該數(shù)據(jù)元素進(jìn)行處理。

4試驗(yàn)仿真

試驗(yàn)平臺(tái)包括平板電腦（任意型號(hào)），經(jīng)內(nèi)核配置編譯后的Android操作系統(tǒng)，代碼的開發(fā)環(huán)境為Ubuntu操作系統(tǒng)，集成開發(fā)軟件為Eclipse，播放器為MobePalyer。選用Android系統(tǒng)下的播放器采用一個(gè)安裝有Android操作系統(tǒng)的平板電腦來搭建試驗(yàn)平臺(tái)。

41內(nèi)核配置為運(yùn)行本研究算法，必須對Android操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行配置編譯。Android系統(tǒng)架構(gòu)見圖6。采用FFmpeng軟件對視頻進(jìn)行編碼、解碼。FFmpeng提供了用于處理多媒體數(shù)據(jù)流的程序與數(shù)據(jù)庫，主要包含支持處理音頻視頻的libavcodec數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)換視頻數(shù)據(jù)的文件格式ffmpeg軟件，解析、封裝視頻的承載容器和獲取編解碼信息libavformat軟件。為實(shí)現(xiàn)視頻的編碼、解碼和減小軟件體積需要將FFmpeng裁剪至Android操作系統(tǒng)中。在FFmpeng源碼項(xiàng)目文件中，新建一個(gè)配置文件cofig．sh用于設(shè)置交叉編譯器、平臺(tái)、編譯選項(xiàng)等。首先關(guān)閉所有的編譯選項(xiàng)，然后打開編碼器與交叉編譯選項(xiàng)等，最后設(shè)置交叉編譯鏈接符號(hào)。當(dāng)執(zhí)行配置文件，會(huì)得到裁剪后的config．h頭文件。FFmpeng的編譯過程需要將各個(gè)模塊編譯成靜態(tài)庫再鏈接形成動(dòng)態(tài)庫，因此編寫makefile文件是關(guān)鍵。在每個(gè)模塊中編寫一個(gè)Android．mk用于生成靜態(tài)庫。在根目錄中編譯一個(gè)Android．mk用于將生產(chǎn)的靜態(tài)庫，鏈接為動(dòng)態(tài)庫，當(dāng)編譯成功后，則會(huì)生成libffmpeng．so。為了能在Android應(yīng)用中調(diào)用FFmpeng解碼函數(shù)，還需要對libffmpeng．so二次編譯，將編寫的包裹文件與動(dòng)態(tài)文件連接在一起，生成最終的解碼庫。包裹文件主要完成初始化解碼器、對NAL單元解碼、YUV420與RGB565格式轉(zhuǎn)換、注銷解碼器等任務(wù)。將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫libffmpeg．so與libmyffmpeg．so放入項(xiàng)目的libs的文件夾中，此時(shí)便可以編寫調(diào)用類，用于加載與聲明調(diào)用方法，接口見表1。調(diào)用流程如下：（1）新建ffinpeg對象構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用System．loadLibrary（“ffinpeg”）與System．loadLibrary（“myffmpeg”），加載編譯好的動(dòng)態(tài)庫。（2）調(diào)用Init方法初始化按順序注冊編解碼器、查找解碼器、新建編解碼上下文對象、初始化包文件、分配幀空間和按照寬高分配YUV空間。（3）調(diào)用DecoderNal方法在內(nèi)部使用avcodec－decode—video2函數(shù)解碼若返回值大于？則解碼成功。解碼后的YUV圖像還需要經(jīng)過像素空間轉(zhuǎn)換成為RGB565格式最后將RGB565格式的一幀圖像保存在out緩沖中。

42試驗(yàn)結(jié)果與分析分別對運(yùn)動(dòng)向量差值、殘差系數(shù)和幀內(nèi)預(yù)測模式字這3種視頻元素進(jìn)行加密強(qiáng)度的控制。設(shè)定不同的概率參數(shù)，確定這3個(gè)加密系數(shù)的加密強(qiáng)度，通過試驗(yàn)比較這3種加密元素進(jìn)行不同的系數(shù)設(shè)置時(shí)，觀看視頻播放效果。單獨(dú)對某一種元素加密時(shí)，都可以對視頻的播放產(chǎn)生影響，但是當(dāng)對3種元素同時(shí)進(jìn)行加密強(qiáng)度控制時(shí)，加密效果最好。圖7是播放器播放未經(jīng)過加密的視頻和經(jīng)過加密后的視頻效果圖。

5結(jié)論

在歸納不同視頻加密算法局限性的基礎(chǔ)上，提出了一種對各視頻元素按重要性進(jìn)行不同加密強(qiáng)度感知加密算法，實(shí)現(xiàn)了對視頻資源進(jìn)行版權(quán)管理的目的。這種算法既有直接加密算法的安全性較高的特點(diǎn)，又能夠選擇視頻數(shù)據(jù)流中的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，提高了系統(tǒng)性能的利用率和視頻加密的實(shí)時(shí)性。通過對重要的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，增加了視頻算法的可操作性，有效降低了算法的計(jì)算量與復(fù)雜度，減少了視頻解密時(shí)的誤差。未來還要對視頻編碼技術(shù)及信源特征進(jìn)行進(jìn)一步研究和探索，為遠(yuǎn)程教育的視頻版權(quán)管理提供更好的技術(shù)保障，促進(jìn)遠(yuǎn)程教育更好、更快的健康發(fā)展。

作者：王蘭忠孟文杰單位：山東大學(xué)外國語學(xué)院齊魯工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院