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基于H.264/SVC的视频分层加密算法研究

作　者: 杜超
导　师: 陈克非
学　校: 上海交通大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: H.264 SVC标准 可伸缩编码 层间预测 质量可分级 视频加密
分类号: TN919.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着最近几年针对网络应用的视频服务的飞速增长,人们的需求,已经由单纯的追求高压缩率的视频编码标准,转向了使视频流能够更好的适应多种网络环境和用户终端,并具有一定的容错性和可伸缩性的视频编码标准。可伸缩编码(SVC,Scalable Video Coding)可以很好地解决这个问题。SVC通过一次性编码产生具有不同帧率、分辨率的视频压缩码流,然后根据不同网络带宽、不同的显示屏幕和终端解码能力选择需要传输的视频信息量,以此实现视频质量的自适应调整。由于SVC杰出的可伸缩性以及不错的压缩编码效率,JVT已于2007年11月将SVC纳入H.264/AVC的扩展中。随着可伸缩视频编码的不断普及,针对可伸缩视频的安全问题也越来越受到重视,由于可伸缩视频编码相对单层视频编码在结构上更加复杂,同时采用了一系列新的技术如时间可分级的层次化B帧、空间可分级的层间预测和质量可分级的MGS模式等,因此针对这些技术,我们在加密信息选取以及加密算法设计方面有了更多的选择。虽然SVC在不断的普及,但由于SVC出现时间过短,因此目前大部分的加密方案仍然是针对H.264/AVC编码标准中的技术来进行的,如针对帧间预测中运动矢量的加密方案,针对DCT直流交流系数的加密方案等。由于H.264/AVC编码标准只涉及单一空间层的编码,因此针对AVC的加密方案并不适用于可伸缩视频编码。本文在研究了H.264/AVC编码标准以及归纳总结了以往视频加密算法的基础上,着重分析了SVC相对AVC扩展部分的技术,如空间可分级中的层间预测以及质量可分级中的MGS模式等,率先提出了一种针对其特点的新的分层加密方案。该方案选取不同以往的视频关键信息,如空间可分级中层间预测的运动向量,质量可分级MGS中关键帧的重建帧等作为加密对象,根据所选信息的类型以及特点,结合用户所需求的安全等级,分别采用流加密以及AES分块加密的方式来进行算法的设计。面对应用领域不断扩大的可伸缩视频编码,该方案将根据不同的应用场景提供不同的保密级别,从而保证了可伸缩视频在网络传输中的安全。对试验结果的分析表明该方案在视觉以及PSNR分析上具有加密效果好,密钥量较低,实时性高并对码流大小无影响等优点,并可以适应不同安全性需求的应用场合。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章 绪论  9-14
  1.1 研究背景、意义和目的  9-10
  1.2 视频编码标准概述  10-11
  1.3 视频加密算法发展概述  11-12
  1.4 论文内容以及组织结构  12-14
第二章 H.264/AVC 可伸缩编码扩展（SVC）  14-32
  2.1 概述  14-15
  2.2 H.264 AVC 简介  15-25
    2.2.1 H.264 基本框架  15-17
    2.2.2 H.264/AVC 关键技术  17-25
      2.2.2.1 帧内预测编码  17-21
      2.2.2.2 帧间预测编码  21-23
      2.2.2.3 整数变换  23-24
      2.2.2.4 量化  24-25
      2.2.2.5 熵编码  25
  2.3 SVC 针对AVC 的扩展  25-30
    2.3.1 时间可分级  26-28
    2.3.2 空间可分级  28-29
    2.3.3 质量可分级  29-30
  2.4 性能比较  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章 视频加密算法介绍及分析  32-41
  3.1 概述  32
  3.2 密码学基础  32-33
    3.2.1 典型密码算法  33
  3.3 视频加密算法  33-40
    3.3.1 完全加密算法  34-35
    3.3.2 部分加密算法  35-37
    3.3.3 关键系数加密算法  37-39
    3.3.4 熵编码加密算法  39-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章 基于H.264/SVC 扩展标准的分层加密算法  41-56
  4.1 概述  41
  4.2 针对SVC 的分层加密方案  41-49
    4.2.1 第一层加密：空间可分级层间预测的运动向量  41-46
      4.2.1.1 空间可分级的层间预测机制  41-43
      4.2.1.2 层间运动向量介绍  43-45
      4.2.1.3 加密算法设计  45-46
    4.2.2 第二层加密：质量可分级MGS 关键帧  46-48
      4.2.2.1 质量可分级的MGS 模式  46-47
      4.2.2.2 MGS 关键帧介绍  47
      4.2.2.3 加密算法设计  47-48
    4.2.3 第三层加密：层间预测运动向量以及MGS 关键帧  48-49
  4.3 结果分析  49-54
    4.3.1 密钥分析  51-53
    4.3.2 保密性分析  53-54
    4.3.3 算法复杂度以及码流文件大小分析  54
  4.4 本章小结  54-56
第五章 工作总结以及前景展望  56-58
  5.1 工作总结  56-57
  5.2 前景展望  57-58
参考文献  58-62
致谢  62-63
攻读硕士学位期间发表的论文  63-65

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 图像通信、多媒体通信 > 图像编码
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