加密算法遠程教育論文范文

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1加密數據的選擇

本研究選擇經過H．264［9］編碼技術編碼的視頻數據流進行加密、解密算法推演。H．264是一種高性能的視頻編解碼技術，是在MPEG4的基礎上建立起來的，主要由幀間和幀內預測、變換和反變換、量化和反量化、環路濾波、熵編碼等5個編碼流程組成。一個GOP（一組連續畫面）是由I（幀內）、P（預測）、B（雙向預測）3種幀格式組成編碼幀序列，如下圖所示。這3幀中的B幀要同時對I幀和P幀進行參考，進行雙向間的預測編碼，I幀獨立編碼，不需要參考其他幀，而P幀要在參考其它幀的基礎上進行預測編碼。根據這3種數據幀的特點，選擇MV（運動向量差值）、殘差系數、幀內預測模式字3種元素進行選擇加密。（1）運動向量（MV）差值在B幀或者P幀，可以對每個宏塊進行1616，168，816，88，如圖1所示這4種模式進行分割，如果采用168的分割方法，那么就會生成2個子宏塊，并且每個子宏塊的像素為168。產生的子宏塊又可以繼續劃分（見圖2），這種樹狀結構運動補償方案就是一種基于子宏塊和分區的運動補償方案。在上面的子宏塊分區中，每個子宏塊或者分區都是一個單獨的運動矢量，如果將一個宏塊分割成相同的4個88的子宏塊，且每一個子宏塊又被分成了4個相同的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個這樣的運動向量。因此對于大尺寸分割，需要傳送的運動向量較少，需要較少的比特流就可以對這些運動向量來進行傳輸，不過其相應的殘差系數會較高；反之，對于較小的分割尺寸，會需要更多的比特流，預測的準確性會較高，需要相應的殘差系數能量較低。每個P分區的運動向量都需一定數目的比特位來進行編碼，為減少編碼的比特數，可以對相鄰的運動向量進行編碼預測，即后面的運動向量可由前面的運動向量來進行預測，可以對差值MVD進行編碼。為保持視頻的語義結構且提高編碼效率，只需要對運動向量差值的符號位進行加密（見圖3）。對最后一位進行重置，實現了對MVD的有效擾亂。通過擾亂后的信息可以預測圖像信息，從而實現了對視頻的加密。（2）殘差系數參差塊系數通過CABAC和CAVLC進行編碼。在CAVLC編碼過程中，涉及到非零系數幅值、非零系數數目、拖尾系數數目、最后一個非零系數前零的個數和每個非零系數前零的個數［10］，在此只對CAVLC編碼過程中的關鍵字段（Level的符號位和TrailingOnes的符號位）進行加密。詳見圖4。（3）幀內預測模式字視頻幀內的每個宏塊都可采用多種不同的預測編碼模式，幀內預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有Intra－1616、Intra－88、Intra－44等多種預測模式。不同的預測模式又有多種預測方式來對圖像細節部分進行編解碼，幀內預測不能進行跨片組編碼，只能在同一個片組內預測編碼［11］。通過判斷幀內預測編碼絕對誤差來選擇最佳的幀內預測模式。本研究采用Intra－44預測模式，主要有以下原因：（ⅰ）Intra－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，不容易進行加密操作。（ⅲ）采用44模式的預測編碼字的方式，占了I幀視頻幀中的大多數，且僅對44的預測模式進行加密即可達到保密性要求。

2多維強度數據加密方案

選擇上述特定長度字段，尚需堅持如下原則：（1）不能對變長度字段進行直接加密，否則會破壞其上下文的語義結構，破壞格式的兼容性，降低強度控制靈活性。不能對字段的索引字段進行直接加密，否則會帶來不必要的碼流字節數開銷。（2）選取的特定長度字段必須能夠對解碼數據流起到關鍵作用，即達到對整段數據流加密安全性要求。（3）對特定長度的字段的加密要滿足嚴格的字長特性，實現較高的加密速度且不會帶來多余的數據碼流。在滿足上述要求的基礎上，對3個視頻數據元素分別設定3個不同的加密強度控制參數［12］（P1，P2，P3）來進行控制。詳細方案如下：（1）P1表示殘差系數符號位加密強度，隨著P1的變化相應的對殘差系數符號位進行加密。（2）P2表示預測模式字的加密強度，根據P2的數值大小確定IPM的加密強度。（3）P3表示MVD的加密強度，隨著P3的變化相應的對運動向量進行加密。

3方案算法設計

要實現上述強度控制算法，首先，產生一個0～1的隨機數s，若s＜p，則對該數據流進行加密；否則，跳過這個元素［13］。可采用如下方法提高加密速度。（1）隨機生成一個0～1的隨機值。（2）生成一個長度是N的二進制數組，隨機選取N個從0～1的連續數。當第i個數的值大于等于p時，設Si＝0；否則設為1。（3）當Si＝1時，對該數據元素進行加密［14］；否則，不對該數據元素進行處理。

4試驗仿真

試驗平臺包括平板電腦（任意型號），經內核配置編譯后的Android操作系統，代碼的開發環境為Ubuntu操作系統，集成開發軟件為Eclipse，播放器為MobePalyer。選用Android系統下的播放器采用一個安裝有Android操作系統的平板電腦來搭建試驗平臺。

41內核配置為運行本研究算法，必須對Android操作系統的內核進行配置編譯。Android系統架構見圖6。采用FFmpeng軟件對視頻進行編碼、解碼。FFmpeng提供了用于處理多媒體數據流的程序與數據庫，主要包含支持處理音頻視頻的libavcodec數據庫，轉換視頻數據的文件格式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。為實現視頻的編碼、解碼和減小軟件體積需要將FFmpeng裁剪至Android操作系統中。在FFmpeng源碼項目文件中，新建一個配置文件cofig．sh用于設置交叉編譯器、平臺、編譯選項等。首先關閉所有的編譯選項，然后打開編碼器與交叉編譯選項等，最后設置交叉編譯鏈接符號。當執行配置文件，會得到裁剪后的config．h頭文件。FFmpeng的編譯過程需要將各個模塊編譯成靜態庫再鏈接形成動態庫，因此編寫makefile文件是關鍵。在每個模塊中編寫一個Android．mk用于生成靜態庫。在根目錄中編譯一個Android．mk用于將生產的靜態庫，鏈接為動態庫，當編譯成功后，則會生成libffmpeng．so。為了能在Android應用中調用FFmpeng解碼函數，還需要對libffmpeng．so二次編譯，將編寫的包裹文件與動態文件連接在一起，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格式轉換、注銷解碼器等任務。將動態數據庫libffmpeg．so與libmyffmpeg．so放入項目的libs的文件夾中，此時便可以編寫調用類，用于加載與聲明調用方法，接口見表1。調用流程如下：（1）新建ffinpeg對象構造函數中調用System．loadLibrary（“ffinpeg”）與System．loadLibrary（“myffmpeg”），加載編譯好的動態庫。（2）調用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）調用DecoderNal方法在內部使用avcodec－decode—video2函數解碼若返回值大于？則解碼成功。解碼后的YUV圖像還需要經過像素空間轉換成為RGB565格式最后將RGB565格式的一幀圖像保存在out緩沖中。

42試驗結果與分析分別對運動向量差值、殘差系數和幀內預測模式字這3種視頻元素進行加密強度的控制。設定不同的概率參數，確定這3個加密系數的加密強度，通過試驗比較這3種加密元素進行不同的系數設置時，觀看視頻播放效果。單獨對某一種元素加密時，都可以對視頻的播放產生影響，但是當對3種元素同時進行加密強度控制時，加密效果最好。圖7是播放器播放未經過加密的視頻和經過加密后的視頻效果圖。

5結論

在歸納不同視頻加密算法局限性的基礎上，提出了一種對各視頻元素按重要性進行不同加密強度感知加密算法，實現了對視頻資源進行版權管理的目的。這種算法既有直接加密算法的安全性較高的特點，又能夠選擇視頻數據流中的重要數據進行加密，提高了系統性能的利用率和視頻加密的實時性。通過對重要的視頻數據進行選擇，增加了視頻算法的可操作性，有效降低了算法的計算量與復雜度，減少了視頻解密時的誤差。未來還要對視頻編碼技術及信源特征進行進一步研究和探索，為遠程教育的視頻版權管理提供更好的技術保障，促進遠程教育更好、更快的健康發展。

作者：王蘭忠孟文杰單位：山東大學外國語學院齊魯工業大學電氣工程與自動化學院