[发明专利]基于内容分析的H.264压缩域分层视频加密方法

摘要

本发明涉及一种基于内容分析的H.264压缩域分层视频加密方法，步骤包括基于H.264压缩域的视频内容分析、码流分割和不等强度的视频加密三个部分；该方法首先对视频内容进行分析，将视频内容分为运动目标区域和背景区域，进一步，又将背景区域划分为纹理丰富区域和不丰富区域，然后根据分析结果，分别采取不等的加密强度进行保护，以提高视频加密的针对性，在保证加密安全性的同时，大大降低了加密的计算复杂度，能够满足视频加密的实时性需求。

主权项

一种基于内容分析的H.264压缩域分层视频加密方法，其特征在于：该方法包括基于H.264压缩域的视频内容分析、码流分割和不等强度的视频加密；具体而言，其实现方法通过以下步骤实现的；S1基于H.264压缩域的视频内容分析；针对H.264格式的压缩码流特点，以GOP为单位，在压缩域对视频的内容进行分析与归类；S1.1运动目标检测；H.264采用了帧内与帧间两种预测模式；假设第t帧中块Bi,j采用的预测模式为fPM(t,i,j)，其中i和j分别是块的水平与竖直索引号，t表示帧号，则可以由小尺寸预测模式初步判断各块是否可能属于运动目标； Mask PM ( t , i , j ) = 1 , if f PM ( t , i , j ) ∈ SPM 0 , otherwise - - - ( 1 ) 其中，当MaskPM(t,i,j)=1时，表示块Bi,j是运动目标块，否则为非目标块，属于背景区域；为了进一步提高检测的准确性，本发明利用宏块的ICT系数对视频细节进行判断；首先对所有宏块的ICT系数计算平方和对数运算后，进行直方图均衡，其结果记作fICT；然后，以ICT系数最大值的50%为阈值TICT，将每个块的fICT值与阈值TICT进行比较；如公式（2）所示，当MaskICT(t,i,j)=1时，表示块Bi,j是运动目标块，否则为非目标块，属于背景区域； Mask ICT ( t , i , j ) = 1 , if f ICT ( t , i , j ) ≥ T ICT ( t ) 0 , otherwise - - - ( 2 ) 为了获得较为可靠运动目标检测结果，本发明从参考图像中某一相同尺寸的区域进行预测，得到帧间编码宏块的每个分割或子宏块的运动矢量（MV），来表征运动信息；根据各块的MV信息可以判断当前块是 否属于运动目标，如公式（3）所示： Mask MV ( t , i , j ) = 1 , if | f MV ( t , i , j ) | ≥ β i , j · T MV 0 , otherwise - - - ( 3 ) 其中fMV(t,i,j)表示相应宏块的运动矢量值，TMV是阈值，βi,j是一个加权调整参数；将ICT特征、预测模式以及运动矢量信息结合起来，可以确定运动目标块位置；如公式（4）所示，当MaskMO(t,i,j)=1时，表示块Bi,j是运动目标块，否则为非目标块，属于背景区域； Mask MO ( t , i , j ) = Mask MV ( t , i , j ) , if S ( t , i , j ) > 0 0 , otherwise - - - ( 4 ) 为了便于后续的加密操作，本发明将运动目标宏块连接起来，形成运动目标区域，将运动目标对应的宏块记为目标宏块；S1.2背景区域纹理信息丰富程度的判别；根据H.264编码结构，P帧编码对I帧具有编码依赖性，如果I帧的纹理丰富，同一GOP中的后续P帧纹理也会丰富；为此，本发明综合利用VLC码字中包含的非零个数和I帧的编码信息来判断视频纹理信息的丰富程度；首先统计I帧中平均每个4×4块包含的非零个数Ave_CoeffToken_I，用来表示纹理的丰富程度: Ave _ CoeffToken _ I = Σ F Σ B CoeffToken B * F - - - ( 5 ) 其中B表示视频帧所包含4×4块的块数目,F表示抽样帧数目；假设第t帧包含的4×4预测模式总数为SPM_It，SPM_Iratio定义为， SPM _ I ratio = Σ t F SPM _ I t F * B - - - ( 6 ) SPM_Iratio表示每个帧中采用4×4分块模式的面积占帧面积的比率，反映 了码流中纹理丰富的宏块在整个帧中所占的比率；根据公式（5）和公式（6），本发明提出了一种视频纹理信息丰富程度的判决方法，如公式（7）所示， current video clip = ∈ T com , if SPM _ I ratio ≥ T SPM and Ave _ CoeffToken _ I ≥ T ICT ∈ T non - com , otherwise - - - ( 7 ) 其中Tcom表示纹理丰富的集合，Tnon‑com表示纹理不丰富的集合，TSPM和TICT分别代表两种指标的阈值；S2、H.264码流分割；针对上述的视频内容分析结果，提出了一种H.264压缩码流分割方法；根据内容分析结果，将H.264码流相应地分割为运动目标、纹理复杂部分、纹理不复杂；对于不同部分的码流，将采用不同的强度对其进行加密，一方面保证视频中关键信息的安全，另一方面降低加密所需的计算复杂度；S3、H.264压缩域视频分层加密策略；针对三个部分的码流，提出了一种基于内容分析的H.264压缩域视频分层加密策略，分别采用不同的强度进行加密，提高了加密的针对性；在帧层，根据H.264编码结构及监控视频特点，对I帧和P帧分别采用不同的加密机制；在宏块层，根据码流分割结果，采用不等强度的加密方案；在码流比特层，则根据比特敏感度的高低，实现不同强度的加密；S3.1帧层加密选择策略；H.264以GOP为单元进行编码，GOP的第一帧为I帧，其他帧为P帧或者B帧；根据H.264编码结构的这一特点，P帧是以已编码的I帧或者P帧作为参考，进行预测编码，若I帧发生错误，则误码的扩散会严重影响P帧的重建质量；据此，本发明对码流中的I帧进行了重点加密 保护，不区分I帧的内容，即对GOP中的I帧码流都采用一个加密强度进行加密；对P帧，则根据视频内容分析结果分别采用不等的加密强度进行加密；S3.2宏块层加密选择策略；本发明根据运动目标检测结果，将P帧划分为运动目标区域和背景区域，划分方式见S1.1节；本发明根据纹理信息的丰富程度将背景区域进一步划分成纹理丰富区域和纹理不丰富区域，分别采用不等强度的加密；由加密强度与加密数据量成正比，为了实现不同强度的加密，采用一种基于比特层加密选择策略，依据比特敏感度对码流的重要性程度进行优先级排序，然后按照由高到低的顺序分别选择不同数量的码流数据进行加密，以此来控制加密的强度；S3.3比特层加密选择策略；对于宏块层的编码参数来说，不同类型的编码参数对于视频重建质量的作用是不同的；比特敏感度指的是压缩码流中各种不同类型的编码参数发生比特错误时所引起的平均PSNR值下降程度；根据H.264码流中各编码参数的比特敏感度来确定比特层的加密数据量，实现不等强度的加密。