基于混沌的H.264视频加密算法研究与实现

摘要

随着多媒体技术与网络技术的飞速发展，网络视频已广泛应用于经济、军事、教育、娱乐等诸多领域。由于视频信息具有数据量大、实时性要求高、结构复杂等特点，需要高效的压缩技术对其进行处理，才能满足人们日趋增长地对高质量视频的需求。具有高压缩效率、鲁棒性以及网络适应性的H.264视频压缩编码技术得到了广泛的应用。因此，对H.264视频加密技术的研究具有十分重要的理论意义与应用价值。
　　本文根据H.264标准的特点，结合混沌加密技术，设计了4种压缩与加密相融合的加密算法。其中基于4×4整数变换的DCT系数加密算法利用改进的置乱—扩散加密模型对视频图像残差的DCT系数进行加密;基于CAVLC的加密算法结合CAVLC的编码过程，对待编码数据中拖尾系数的符号以及非零系数前零的个数进行加密;4×4亮度帧内预测模式字加密算法根据帧内预测模式字的编码原理，加密了编码过程中用到的中间变量rem_intra4x4_pred_mode;运动矢量符号加密算法利用混沌系统产生的伪随机二值序列对亮度的运动矢量符号进行了加密。在具体实现阶段，本文根据实际运用中对加密算法的安全性、实时性、压缩比不变性的需求，结合I帧、P帧、B帧的数据特点，分别为它们设计了合理的加密方案。其中I帧采用基于4×4整数变换的DCT系数加密算法和4×4亮度帧内模式字加密算法进行加密;P帧采用基于CAVLC的加密算法和运动矢量加密算法加密P块，同时选用4×4亮度帧内模式字加密算法加密Ⅰ块;B帧采用运动矢量加密算法加密B块，同时采用4×4亮度帧内模式字加密算法加密Ⅰ块。为了评估算法的性能，本文把设计的4种加密算法植入到H.264的JM.86版本中进行仿真，并且与H.264压缩编码标准进行对比分析。结果表明:本文设计的加密算法在视觉效果方面基本能达到要求;压缩膨胀率控制在12％左右;时间膨胀率为17％。算法的理论最小密钥空间为115位。与传统加密算法(DES，AES)相比，各方面性能均有一定优势，特别在加密效率方面有较大提高，能够满足互联网中视频传输的实时性需求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 视频压缩编码发展历程

1．1．2 视频加密研究背景及现状

1．2 课题研究的目的和意义

1．3 本文的主要工作及论文结构

1．4 课题来源

第2章 混沌视频加密技术研究基础

2．1 H．264标准概述

2．2 H．264编解码技术

2．2．1 H．264的体系结构

2．2．2 H．264编解码基本原理

2．2．3 H．264的关键技术

2．3 混沌理论与密码学基础

2．3．1 混沌理论概述

2．3．2 密码学基础

2．4 本章小结

第3章 基于混沌的加密算法的设计与实现

3．1 算法设计的基本原则

3．2 基于4×4整数变换的DCT系数加密算法

3．2．1 DCT系数分布及其特点

3．2．2 基本原理

3．2．3 实现方法

3．3 基于CAVLC的加密算法

3．3．1 CAVLC的编码过程

3．3．2 可行性分析

3．3．3 基本原理

3．3．4 实现方法

3．4 4×4亮度帧内预测模式字加密算法

3．4．1 4×4亮度帧内预测模式字编码原理

3．4．2 可行性分析

3．4．3 算法设计与实现

3．5 运动矢量符号加密算法

3．5．1 运动矢量的推导与编码简介

3．5．2 算法设计与实现

3．6 本章小结

第4章 算法仿真与性能分析

4．1 仿真环境介绍

4．1．1 H．264标准参考软件JM简介

4．1．2 主要参数配置详解

4．1．3 仿真硬件平台介绍

4．2 加密方案设计

4．2．1 I帧加密方案设计

4．2．2 P帧加密方案设计

4．2．3 B帧加密方案设计

4．3 仿真与性能分析

4．3．1 加密算法仿真结果与性能分析

4．3．2 加密方案仿真结果与性能分析

4．3．3 密钥空间分析

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果