空中无人平台视频图像加密算法

2022-10-28

因为空中无人信息平台需要的视频加密方案是保密性强且加密不改变视频码流格式，不影响压缩比，不影响视频的正常实时播放。所以我们今天介绍的加密算法，是充分利用压缩过程提供的信息来对加密过程提供基础吗，使得加密和压缩均具有较好的性能吗，加密在压缩之后并且不改变压缩比。

一、空中无人平台视频图像加密算法

1、 MPEG编码介绍

在MPEG编码过程中，视频图像被分割成图像组层（GOP），每个图像组层(GOP)由一系列I， _P和B帧组成，其中I帧是不需要参考其它帧的帧内图，通过DCT变换方法单独编码； P帧是参考前面的I帧或者P帧来进行预测编码的预测图；B帧是进行双向运动补偿预测编码的双向预测图像。一个GOP至少要有一幅I帧。典型的排列如图所示：

空中无人平台视频图像加密算法

每帧图像包含若干图像切片(slice)，每个切片包含若干个宏块，宏块是一个16×16像素的图像块，是视频编码的基本单位。每个宏块用亚取样的方式更进一步分成4个8×8像素亮度块(Y块)和2个8×8像素色度块(一个Cr块和一个Cb块)。

每个Y，Cb和Cr块都要进行DCT、量化和熵编码。DCT变换后将大部分低频分量集中到8×8块空间的左上角，变换系数进行量化后许多AC系数变成了0，量化输出的结果是根据zig-zag顺序排列的：<DC，AC^1，AC²，…，AC⁶³>。DC系数表示在空间块上量度的平均值，AC系数包含了图像信息的细节。

按照视频压缩标准(MPEG4)编码得到的视频码流都是遵循协议规定的固定格式和语法结构来分层组织压缩后的视频信息的。各层都由一个标志信息头开始（块层除外），后接其他格式信息或视频压缩后的有关图像内容数据。代表图像内容信息的主要是DCT系数及运动矢量MV。标志字及格式信息都是一些很容易从数据流中分辨出来的特殊码字，起同步和指示视频信息结构的作用，没有这些标志字或者这些标志字被破坏时将无法解码。而且，标志信息不含任何视频内容，加密的意义也不大，所以不加密标志信息。

2、加密的关键信息

（1）加密帧内块DC码字

DCT变换使得能量集中于低频部分，因此，低频部分系数的改变对于图像的可理解性更加敏感。由于DCT变换将像素块的64个像素的平均值由低频直流系数DC表示，DC含有图像的大致信息，帧内块的DC系数采用定长八位编码单独编码，加密后得到的随机码字除了两个非法码字外都在其码表中，所以通过避免加密后取值为非法码字，加密帧内块DC是可行的。我们可以采用高强度密码加密。

（2）加密AC系数的符号位

AC系数则对应图像中的细节，而且AC和DC是相关的，对每个块AC系数的和大约是DC的整数倍。因此在高保密级别的场合，军事，需要对AC系数的符号位也进行加密，否则可以从AC系数来破译DC系数。对于较低频率的交流系数AC，在63个系数（除去DC）中选择加密n个系数。显然，加密的系数个数越多，图像的可理解性就越差，密码系统的安全性就越高，同时，加密的系数越多，加密算法越复杂，造成的压缩比改变也就越多。而且由于AC符号位所占码流的比例很大，如果全部加密所有系数，计算量将是很大的。所以系数个数n的选择要考虑安全和压缩比两个因素，可根据应用需求来确定。加密较少量的AC系数，我们也采用高强度的密码加密。

（3）加密运动矢量MV符号位

运动矢量代表了视频图像中非常重要的运动信息，加密运动矢量，能够破坏P帧和B帧的正确解码。仅仅加密运动矢量的符号，能够降低加密的运算复杂度，因为MV是差分编码，改变符号位不仅改变了MV的方向还改变了MV的大小。同时，因为运动矢量的编码过程是对符号单独编码，能够保持压缩比不变。为了增加已知明文攻击的难度，我们也采用高强度密码加密，与DCT和AC系数符号的加密方法一样。

所以，在空中无人信息平台下，我们选择加密帧内块DC码字、MV符号位和AC系数的符号位。对这几种关键信息在标准序列压缩编码后码流中的比例统计结果如表所示。而加密算法我们采用国际标准的分组加密算法AES加密提取的关键信息来提高加密方案整体的安全性。

空中无人平台视频图像加密算法

二、空中无人平台视频图像加密算法性能分析

1、保密性分析

本加密算法，能够同时加密帧内数据和帧间数据信息。

加密帧内信息，即加密帧内块DC码字和加密AC系数，加密帧间信息，即加密运动矢量，破坏了P、B帧与I帧之间的依赖关系，从而实现P帧和B帧的加密。对于本加密方案总体上的保密性，从攻击者的角度来看，完全破解本加密方案的难度在理论上同破解本加密方案中所采用的分组加密算法AES相当，而AES分组加密算法目前被认为是难以破解的，具有较强的抵抗已知明文和选择明文攻击的能力。所以本加密方案的保密性是十分可靠的。

2、加密速度

本加密方案仅选取码流中少量的关键信息加密，加密的关键信息在标准序列的压缩码流中所占比例约为10%左右，加密或解密的速度是非常快的。在空中无人平台的条件下，MPEG-4视频码流，传输时间为2s，再加上解密时间也不会超过3s钟，即使被攻击者截获也不会在这么短的时间内破解，所以本加密方案时延小，不影响视频的正常实时播放。而且本加密方案使用的分组加密算法加密后的密文长度和明文长度相等，不需要在码流中附加传递其他任何信息，所以不会产生额外的码流数据，不增加码流大小，即不会增加附加的网络带宽要求。

本文分析了现有几种视频加密算法的特性，结合空中无人信息平台的特点给出了一种加密关键信息的视频加密方案。该加密方案选取视频序列中的关键信息DC码字、AC系数符号位和运动矢量MV符号位加密，具有加解密数据量小，加解密速度快的特点。使用该加密方案还可以保持码流格式不变，不增加附加的带宽要求，加解密不影响视频图像质量，能保证视频的正常实时传输播放。

小知识之MPEG-4

MPEG-4是一个正在制定的国际标准，它支持用于通信、访问和数字视听数据处理的新方法（特别是基于内容的）。