42、可伸缩视频编码的可扩展保护与访问控制及基于小波的脆弱水印方案

可伸缩视频编码的可扩展保护与访问控制及基于小波的脆弱水印方案

可伸缩视频编码（SVC）的加密与访问控制

在可伸缩视频编码（SVC）中，加密的SVC比特流可通过比特流提取过程以可伸缩转换比特流的形式被使用。受保护的SVC比特流应由具有访问权限的可信用户使用。所提出的算法使具有访问高层权限的可信用户也能访问低层。这可通过条件访问控制来实现。

访问控制与NAL单元

对于SVC比特流的访问控制，我们考虑了可伸缩性的基本单元。SVC中的空间、时间和信噪比（SNR）可伸缩性通过层或级别来增强，每个层或级别是可伸缩性的基本单元，由网络抽象层（NAL）单元分类，NAL单元可视为加密的基本单元。NAL单元根据要实现的可伸缩性使用不同的密钥进行加密，本文中将加密和解密NAL单元的密钥称为NAL单元密钥。

从NAL头中可以获取如依赖ID、时间级别和质量层等可伸缩性信息。例如，一个访问控制方案有两个空间层（空间0、空间1）、两个时间级别（时间0、时间1）和两个质量层（SNR 0、SNR 1）。如果用户要访问s个空间层、t个时间层和q个SNR层，则需要一组密钥来解密加密的NAL单元。NAL单元密钥表示为Key(空间层, 时间级别, SNR层)。

加密SVC比特流所需的密钥数量计算公式为：
[
Key_{Total}=\sum_{s = 1}^{NS}(NQ_s\times NT_s)
]
其中，$NS$是空间层的数量，$NQ_s$是第s个空间层中SNR层的数量，$NT_s$是第s个空间层中时间级别的数量。需要注意的是，SNR和时间可伸缩性与相应的空间层相关。

从条件访问控制方案得出，访问具有s个空间层、t个时间级别和q个SNR层的SVC比特流的密钥集可表示为：
[
KEYSET=\left{\begin{array}{ll}
Key(l,m,n), & 0\leq l\leq s, 0\leq m\leq min(t, NT_s), 0\leq n\leq min(q, NQ_s)\
& \text{if } l\leq s\
& \text{else } \text{not exist}
\end{array}\right.
]

以下是不同访问控制下的NAL单元密钥集列表示例：
| 时间层 | 空间和SNR层 | 时间0 | 时间1 |
| — | — | — | — |
| | SNR 0 | {Key(0,0,0)} | 不存在 |
| 空间0 | SNR 1 | {Key(0,0,0),Key(0,0,1)} | 不存在 |
| | SNR 0 | {Key(0,0,0),Key(0,0,1),Key (1,0,0) } | {Key(0,0,0),Key(0,0,1),Key(1,0,0),Key(1,1,0)} |
| 空间1 | SNR 1 | {Key (0,0,0),Key(0,0,1),Key (1,0,0),Key(1,0,1)} | {Key(0,0,0),Key(0,0,1),Key(1,0,0),Key(1,0,1),Key(1,1,1),Key(1,1,0)} |

密钥管理

使用多个密钥访问SVC比特流会增加内容提供商和终端的复杂性。为减少加密中使用的密钥数量，我们定义了主密钥、类型密钥、层密钥和访问密钥。

• 主密钥 ：分配给一个视频比特流，用于生成类型密钥。
• 类型密钥 ：表示可伸缩性类型，用于生成其类型中的最高层密钥。
• 层密钥 ：分配给给定可伸缩性类型中的一个层，用于生成较低层的密钥。
• 访问密钥 ：可生成所有用于解密所有NAL单元以访问具有给定访问权限的提取比特流所需的NAL单元密钥。

SVC具有空间、时间和SNR可伸缩性，需要从主密钥生成相应的类型密钥。由于空间和SNR层相互依赖，本文将空间和SNR可伸缩性归为同一类型，即使用相同的类型密钥生成空间和SNR可伸缩性中的层密钥。

主密钥$K$分配给SVC内容，两个类型密钥$K_j$的生成公式为：
[
K_j = H(K||j)
]
其中，$H(\cdot)$是密码散列函数，$K$是主密钥，$j$表示空间 - SNR可伸缩性类型（$j = 1$）或时间可伸缩性类型（$j = 2$），$||$表示连接运算符。

层密钥中，最高层密钥通过对类型密钥进行散列生成。由于访问SVC内容的高层需要低层，因此层密钥通过对高层密钥进行散列生成。第j个可伸缩性类型中第i层的层密钥$K_{i,j}$的计算公式为：
[
K_{i,j}=\left{\begin{array}{ll}
H(K_j), & i = n_j\
H^{n_j - i + 1}(K_{n_j,j}), & 1\leq i\lt n_j
\end{array}\right.
]
其中，$n_j$是第j个可伸缩性类型中的层数，$H^m(x)$是对x应用m次的密码散列函数。

使用层密钥，用于加密/解密具有(s, t, q)可伸缩性的NAL单元的NAL单元密钥$Key(s,t,q)$可表示为：
[
Key(s,t,q)=K_{a,1}||K_{b,2}
]
其中，$K_{a,1}$是类型1中第a层的层密钥，$K_{b,2}$是类型2中第b层的层密钥，$a=\sum_{x = 1}^{s - 1}NQ_x+q$，$b = t$。

以下是根据上述密钥管理方案生成的访问密钥示例：
| 时间层 | 空间和SNR层 | 15 fps | 30 fps |
| — | — | — | — |
| | Base | $K_{1,0}||K_{2,0}$ | 不存在 |
| QCIF | FGS | $K_{1,1}||K_{2,0}$ | 不存在 |
| | Base | $K_{1,2}||K_{2,0}$ | $K_{1,2}||K_{2,1}$ |
| CIF | FGS | $K_{1,3}||K_{2,0}$ | $K_{1,3}||K_{2,1}$ |

实验结果

我们在JSVM 2.0中实现了所提出的方法，使用MPEG SVC的测试序列“BUS”进行实验。该序列编码为2个空间层（CIF、QCIF）、2个时间级别（15fps、30fps）和2个SNR层（基本质量、FGS质量）。进行了两个实验：一是验证所提出的SVC比特流加密方法是否满足SVC加密要求；二是对受保护的SVC比特流进行条件访问控制实验。

SVC比特流加密实验

图展示了使用所提出方法加密的视频在无解密密钥时的视觉模式。SVC内容具有多层结构和不同的数据类型（纹理、运动矢量和FGS），为保护整个SVC内容，需要对所有数据类型进行加密。

纹理加密是有效的，但增强层中的纹理数据是从基础层预测得到的，因此在基础层被解密的情况下，仅保护增强层是不够的。为解决这个问题，还对运动矢量进行了加密。当运动矢量和纹理都被加密且基础层被解密时，解码结果的视觉效果得到了改善。

加密数据	PSNR Y	PSNR U	PSNR V
纹理	21.7585	37.3057	38.0141
纹理 + 运动矢量	18.8713	35.7341	35.4734

所提出的SVC加密算法能够在比特流提取过程中工作。比特流提取有两种方式：NAL单元丢弃和NAL单元裁剪。当裁剪FGS层的NAL单元以满足目标比特率时，由于FGS数据是原始数据和重建数据之间的残差，与空间或时间加密相比，加密效果相对较弱。

FGS数据加密情况	FGS增强	PSNR Y	PSNR U	PSNR V
是	100%	24.0170	35.8473	35.2499
	50%	25.0704	36.1773	35.6802
	0%	25.8685	36.9999	37.0809
否	100%	28.9284	38.6394	39.3413
	50%	27.0394	38.0490	38.5241
	0%	25.8685	36.9999	37.0809

条件访问控制实验

我们设置了任意访问条件和五种不同的访问权限，每种访问权限允许对其可伸缩性进行访问。以下是五种访问权限及相应的访问密钥：
| 情况 | 访问权限 | 访问密钥 | NAL单元密钥集 |
| — | — | — | — |
| 1 | 无访问权限 | 无密钥 | 无密钥 |
| 2 | QCIF, 15fps, 基本质量 | $K_{1,0}||K_{2,0}$ | {key(0,0,0)} |
| 3 | QCIF, 15fps, FGS质量 | $K_{1,1}||K_{2,0}$ | {key(0,0,0), key(0,0,1)} |
| 4 | CIF, 15fps, 基本质量 | $K_{1,2}||K_{2,0}$ | {key(0,0,0), key(0,0,1), key(1,0,0)} |
| 5 | CIF, 30fps, 基本质量 | $K_{1,2}||K_{2,1}$ | {key(0,0,0), key(0,0,1), key(1,0,0), key(1,1,0)} |

不同访问权限下的解码结果显示，情况5中所有层都被解密并正确显示，而其他情况部分解密或未解密。实验结果表明，错误访问权限下的视觉质量总是等于或低于正确访问权限下的视觉质量，即试图用给定的访问权限访问更高层会导致视频质量下降。

情况	正确访问权限视觉质量PSNR			错误访问权限视觉质量PSNR
	PSNR Y	PSNR U	PSNR V	PSNR Y	PSNR U	PSNR V
1	不可访问	不可访问	不可访问	8.7364	25.2576	28.4450
2	27.3808	38.3680	38.4299	18.3491	34.6364	34.0368
3	28.3098	39.6567	40.0774	18.4750	35.7254	35.1707
4	27.0986	38.0180	38.4488	22.1120	36.0828	36.0237
5	26.7798	37.9623	38.4204	26.7798	37.9623	38.4204

基于小波的脆弱水印方案

在数字图像安全领域，基于小波的脆弱水印方案为图像认证提供了一种有效的手段。该方案主要用于保护数字图像的真实性和完整性。

方案原理

此方案中，嵌入的水印通过离散小波变换（DWT）生成，然后将经过置乱加密提高安全性的水印嵌入到宿主图像的最低有效位（LSB）中。该算法不仅具有出色的篡改定位特性，能有效抵御多种攻击，还具备一个新的有用特性，即能够指示对图像的修改是针对内容还是嵌入的水印。如果仅水印被修改，图像的真实性仍然可以得到保证，而不会被判定为伪造。

方案优势

• 篡改定位 ：可以准确地定位图像中被篡改的部分，这对于需要精确识别图像篡改位置的应用场景非常重要。
• 抗攻击能力 ：能够抵御包括矢量量化攻击和移植攻击等在内的多种攻击，为图像的安全传输和存储提供了保障。
• 篡改区分 ：能够区分图像内容和水印的修改，这在实际应用中具有重要意义。例如，在一些情况下，水印可能会因为正常的处理而被修改，但图像内容本身是真实的，该方案能够正确判断图像的真实性。

通过实验结果可以看出，该方法在实际应用中是有效的，能够满足数字图像安全认证的需求。

综上所述，可伸缩视频编码的加密与访问控制方案以及基于小波的脆弱水印方案都在各自的领域为数据安全和认证提供了有效的解决方案，具有重要的理论和实际应用价值。

可伸缩视频编码的可扩展保护与访问控制及基于小波的脆弱水印方案

可伸缩视频编码方案总结与应用前景

可伸缩视频编码（SVC）的加密与访问控制方案在实验中展现出了良好的性能。通过对不同数据类型（纹理、运动矢量和FGS）的加密，以及合理的密钥管理和条件访问控制，能够有效地保护SVC比特流，满足SVC加密的要求。

方案优势总结

• 灵活性 ：条件访问控制允许用户根据自身的权限访问不同层次的视频内容，实现了对视频资源的灵活管理。
• 安全性 ：通过多层加密和密钥管理，增强了视频内容的安全性，防止未经授权的访问。
• 可伸缩性支持 ：方案支持SVC的空间、时间和SNR可伸缩性，能够适应不同的网络环境和用户需求。

应用前景

在视频流媒体服务方面，随着高清、超高清视频的普及，用户对视频质量和流畅度的要求越来越高。SVC的可伸缩性使得视频可以根据用户的网络带宽和设备性能自动调整质量，而加密与访问控制方案则保证了视频内容的安全性和版权保护。例如，在线视频平台可以根据用户的会员等级分配不同的访问权限，提供不同质量的视频内容。

在视频监控领域，SVC的可伸缩性可以根据监控场景的需求调整视频的分辨率和帧率，而加密方案则可以保护监控视频的隐私和安全。例如，在一些重要场所的监控系统中，只有授权人员才能访问特定时间段和特定区域的监控视频。

基于小波的脆弱水印方案的应用与发展趋势

基于小波的脆弱水印方案为数字图像的安全认证提供了一种有效的方法。该方案在实验中表现出了良好的性能，具有篡改定位、抗攻击和篡改区分等优势。

应用场景

• 图像版权保护 ：在数字图像的传播过程中，通过嵌入脆弱水印可以证明图像的版权归属。如果图像被篡改，水印可以检测到并提供证据。
• 图像完整性验证 ：在一些对图像完整性要求较高的领域，如医学图像、卫星图像等，脆弱水印可以用于验证图像是否被篡改。例如，在医学诊断中，医生需要确保医学图像的完整性，以做出准确的诊断。

发展趋势

• 多模态融合 ：未来的脆弱水印方案可能会与其他安全技术，如密码学、区块链等相结合，进一步提高图像的安全性和认证的可靠性。例如，将脆弱水印与区块链技术相结合，可以实现对图像的不可篡改记录和追溯。
• 自适应水印 ：随着图像处理技术的发展，水印方案可能会变得更加自适应，能够根据图像的内容和特征自动调整水印的嵌入方式和强度，以提高水印的鲁棒性和安全性。

两种方案的对比与综合应用

可伸缩视频编码的加密与访问控制方案和基于小波的脆弱水印方案虽然应用于不同的领域，但都围绕数据的安全和认证展开。

对比分析

方案	应用领域	主要功能	优势
SVC加密与访问控制方案	视频领域	保护视频比特流，实现条件访问控制	灵活性、安全性、可伸缩性支持
基于小波的脆弱水印方案	图像领域	保护图像真实性和完整性，实现篡改定位和区分	篡改定位、抗攻击、篡改区分

综合应用

在一些多媒体系统中，可能同时涉及视频和图像的处理和传输。可以综合应用这两种方案，实现对多媒体数据的全面保护。例如，在一个智能安防系统中，既需要对监控视频进行加密和访问控制，又需要对拍摄的图像进行水印认证，以确保数据的安全和真实性。

以下是一个简单的综合应用流程：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(视频编码):::process
    B --> C(视频加密与访问控制):::process
    D(图像采集):::process --> E(图像水印嵌入):::process
    C --> F(多媒体数据传输):::process
    E --> F
    F --> G(视频解密与访问):::process
    F --> H(图像水印验证):::process
    G --> I([结束]):::startend
    H --> I

结论

可伸缩视频编码的加密与访问控制方案和基于小波的脆弱水印方案在数据安全和认证方面都具有重要的意义。通过实验验证，这两种方案都能够满足各自领域的需求，并且具有良好的性能和应用前景。未来，随着技术的不断发展，这些方案可能会进一步优化和完善，为数字媒体的安全和认证提供更强大的支持。同时，综合应用不同的安全方案将成为一种趋势，以满足日益复杂的多媒体系统的安全需求。

在实际应用中，开发者和研究人员可以根据具体的需求选择合适的方案，并结合其他安全技术，构建更加安全可靠的数字媒体系统。例如，在开发一个大型的视频会议系统时，可以采用SVC的加密与访问控制方案保护视频流的安全，同时使用基于小波的脆弱水印方案对会议中共享的图像进行认证，确保整个系统的安全性和可靠性。