一種高性能視頻編碼標準的加密處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種高性能視頻編碼標準的加密處理方法，該方法包括：根據用戶輸入的加密指令，判斷當前視頻幀是否采用感興趣區域（ROI）加密；若是，則利用跟蹤檢測算法（TLD）從已編碼的視頻幀中計算出當前視頻幀的ROI區域，配合有限制性的運動搜索和有限制性的模式選擇，并對該ROI區域中所提出的待加密的語法元素和/或離散余弦變換DCT的直流系數進行紊亂加密處理，完成ROI區域加密；否則，對當前視頻幀中所提出的待加密的語法元素和/或離散余弦變換DCT的直流系數進行紊亂加密處理，完成全幀加密。通過采用本發明公開的方法實現了高性能視頻的全幀加密與ROI區域的加密。
【專利說明】一種高性能視頻編碼標準的加密處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及視頻編碼【技術領域】，尤其涉及一種高性能視頻編碼標準(HEVC)的加密處理方法。
【背景技術】
[0002]數字視頻技術在視頻監控系統和互聯網等方面獲得了日益廣泛的應用，各種監控設備和在線視頻應用層出不窮。雖然視頻信息具有一系列優點，如直觀性、確切性、高效性、廣泛性等，但是由于視頻信息量太大，如果不經過壓縮直接使用原始數據，一個普通的電影就會占用幾十甚至幾百GB的空間，這些數據如果是從互聯網上下載的話，那以現有的帶寬，下載時間長得不可接受。另外，由于某些特殊的視頻的保密特性以及一些視頻的版權保護性質，非授權或免費用戶沒有權利觀看原始的正常視頻內容，在傳輸視頻之前需要對視頻做出一些保護處理。因此，為了解決視頻編碼壓縮問題，標準委員會提出了各種不同的視頻編碼標準。
[0003]2013年I月，國際電信聯盟遠程通信標準化組(ITU-T/IS0)正式公布了高性能視頻編碼標準(HEVC)，相比于以往的壓縮標準，高性能視頻編碼具有出眾的性能，與之前的H.264/AVC視頻編碼標準相比，在相同的圖像質量之下，高性能視頻編碼可以節省50%的碼率；在相同的碼率要求之下，編碼輸出的圖像質量有了明顯的提高，因此它在國際上受到了廣泛地重視和歡迎。
[0004]新的高性能視頻編碼相比于H.264/AVC的編碼的塊結構有了很明顯的變化。H.264/AVC采用幾種固定的塊尺寸以及少量的預測模式作為其預測編碼的模式備選方案，而高性能視頻編碼采用遞歸的四叉樹結構，把編碼的塊分成編碼單元(Coding Unit，CU)、預測單兀(Prediction Unit, PU)和變換單兀(Transform Unit, TU),對不同的單兀進行遞歸劃分處理，并且其預測模式更多。
[0005]在高性能視頻編碼之上做加密處理一般要保證兩個基礎要求，第一個是編碼加密之后要保證碼流的格式兼容性，另一個是要保證編碼的效率。碼流格式的兼容性是指加密之后的高性能視頻編碼的碼流依然可以由標準的正常高性能視頻解碼器解碼，只是輸出的對應圖像是錯誤的圖像。編碼的效率的保證指的是加密之后的碼流相較于未進過加密處理的碼流，其碼率增長不能過大。
[0006]現有技術中，H.264/AVC和SVC標準上有許多加密方案，通常可以利用CABAC (基于上下文的自適應二進制算術編碼)或者CAVLC (基于上下文的自適應變長編碼)編碼實現，可以選擇幀內編碼的模式信息，幀間編碼的塊劃分模式信息，運動矢量或者運動矢量差信息和離散余弦變換信息等來進行加密。
[0007]而高性能視頻編碼的熵編碼部分采用的是CABAC編碼，相對于H.264/AVC而言，CAVLC之上的加密方案無法被高性能視頻編碼采用。由于高性能視頻編碼的遞歸四叉樹結構和新的編碼語法元素的約束，會導致原先在H，264/AVC上碼流格式兼容的加密方案的碼流格式兼容性失效。新的語法元素相比較于H.264/AVC的語法元素有很多的變化和更新，新的編碼工具和新的編碼語法元素是否可以在高性能視頻編碼之上被用來作為加密的對象需要進一步的測試和分析。此外，之前的許多加密方案很少處理了感興趣區域(ROI)視頻的加密方式，大多沒有考慮到自動跟蹤感興趣區域的視頻加密處理。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種高性能視頻編碼標準(HEVC)的加密處理方法，實現了高性能視頻的全幀加密與ROI區域的加密。
[0009]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0010]一種高性能視頻編碼標準的加密處理方法，該方法包括:
[0011]根據用戶輸入的加密指令，判斷當前視頻幀是否采用感興趣區域ROI加密；
[0012]若是，則利用跟蹤檢測算法TLD從已編碼的視頻幀中計算出當前視頻幀的ROI區域，并對該ROI區域中待加密的語法元素和/或離散余弦變換DCT的直流系數進行紊亂加密處理，完成ROI區域加密；
[0013]否則，對當前視頻幀中待加密的語法元素和/或離散余弦變換DCT的直流系數進行紊亂加密處理，完成全幀加密。
[0014]由上述本發明提供的技術方案可以看出，通過對預定區域中的待加密語法元素和/或DCT (Discrete Cosine Transform,離散余弦變換)變換的直流系數進行加密,可以實現視頻幀的全幀加密與ROI區域加密，可以適用于視頻監控或者在線視頻版權保護等采用高性能視頻編碼標準的視頻加密應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
[0016]圖1為本發明實施例一提供的一種高性能視頻編碼標準的加密處理方法的流程圖；
[0017]圖2為本發明實施例一提供的ROI區域邊界處理和運動矢量搜索限制的示意圖；
[0018]圖3為本發明實施例一提供的一種高性能視頻編碼標準的加密處理方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0020]實施例一
[0021]圖1為本發明實施例一提供的一種高性能視頻編碼標準的加密處理方法的流程圖。如圖1所示，該方法主要包括如下步驟:[0022]步驟11、根據用戶輸入的加密指令，判斷當前視頻幀是否采用感興趣區域(ROI)加密；若是，則轉入步驟12進行ROI區域加密；否則，轉入步驟13進行全幀加密。
[0023]本發明中可以根據用戶輸入的加密方式，對當前視頻幀進行全幀加密，或者進行ROI區域加密。
[0024]步驟12、利用跟蹤檢測算法Tracking Learning Detection (TLD)從已編碼的視頻幀中計算出當前視頻幀的ROI區域，并對該ROI區域中待加密的語法元素和/或離散余弦變換DCT的直流系數進行紊亂加密處理，完成ROI區域加密。
[0025]本步驟用于實現對當前幀的ROI區域進行加密，可以利用高性能視頻編碼標準的Tiles的劃分，使得某個Tile正好對應于要加密的ROI區域；然后一個Tile對應編碼的一個分片，對當前視頻幀進行編碼。編碼每一幀視頻需要使用TLD算法利用已編碼的視頻圖像計算出目標的確定范圍，然后重復之前的劃分Tiles的操作繼續編碼后續的視頻幀。
[0026]本發明實施例中可以利用TLD算法從已編碼的視頻幀中學習ROI區域的特征，并利用所學的ROI區域的特征在當前視頻幀中分析出對應的ROI區域的坐標。
[0027]在編碼加密過程中，隨著感興趣區域的坐標的變化，相應的Tiles的劃分配置在發生變化，一旦當前編碼幀的Tiles的劃分和上一個編碼幀的Tiles的劃分不同的時候，為了使的解碼器知道編碼分片的變化，需要在編碼端重傳圖像參數集(PPS)數據包。
[0028]另外，在分離獨立的感興趣區域需要對編碼端感興趣區域邊界的1/4精度運動矢量上采樣濾波做出特殊處理，對編碼器的幀間編碼的運動矢量搜索過程需要做出一些限制，并且在編碼端的一些特殊的模式上的運動矢量的計算也要做出對應的限制；具體的如下:
[0029]I)如圖2所示，在分離ROI區域時，對ROI區域邊界的運動矢量上采樣濾波的影響區域進行外擴處理；由于參考幀中ROI區域內部的像素在加密解碼之后的運動補償的過程中會產生錯誤，ROI區域外邊界像素會利用ROI內部的錯誤像素來計算上采樣，因此參考幀中ROI區域對運動矢量的影響需要進行如圖2虛線所示的外擴。
[0030]2)在P幀(前向預測幀)與B幀(雙向預測幀)運動估計過程中，對其參考幀進行上采樣濾波處理獲得1/4精度的運動矢量，且確保其參考幀中對運動矢量的搜索在當前塊的偏移所形成的參考塊與ROI區域邊界的運動矢量上采樣濾波影響范圍的矩形區域不能產生交集。在圖2中，參考塊與上采樣濾波影響范圍的矩形區域有一個灰色的矩形交集區域，交集內部的像素在解碼運動補償的過程中會產生錯誤，這樣會導致當前塊的運動補償也會出錯。在編碼的率失真模式選擇過程中，永遠不選擇出現可以導致產生交集的運動矢量。
[0031]3)由于Skip (跳躍)模式和Merge (合并)模式的運動矢量不是由運動估計的計算中所產生的。因此，在Skip模式與Merge模式中，其候選運動矢量列表中的參考塊與上采樣濾波影響范圍的矩形區域不能產生交集。
[0032]在Skip和Merge模式選擇過程中，其候選的其中一個1/4精度的運動矢量在當前塊所生成的參考塊是BMf，外擴后的上采樣濾波影響范圍的矩形為Beffeet,M表示RDCost (率失真優化消耗)可以被選取的最大值，則可以計算出當前的重定義的率失真損失RDCost:
[0033]
【權利要求】
1.一種高性能視頻編碼標準的加密處理方法，其特征在于，該方法包括: 根據用戶輸入的加密指令，判斷當前視頻幀是否采用感興趣區域ROI加密； 若是，則利用跟蹤檢測算法TLD從已編碼的視頻幀中計算出當前視頻幀的ROI區域，并對該ROI區域中待加密的語法元素和/或離散余弦變換DCT的直流系數進行紊亂加密處理，完成ROI區域加密； 否則，對當前視頻幀中待加密的語法元素和/或離散余弦變換DCT的直流系數進行紊亂加密處理,完成全幀加密。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用跟蹤檢測算法TLD從已編碼的視頻中貞中計算出當前視頻幀的ROI區域包括: 利用TLD算法從已編碼的視頻幀中學習ROI區域的特征，并利用所學的ROI區域的特征在當前視頻幀中分析出對應的ROI區域的坐標。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，該方法還包括: 若當前視頻幀的ROI區域與所述已編碼視頻幀ROI區域的坐標不一致，則重新將圖像參數集PPS打包傳遞。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法還包括: 在分離ROI區域時，對ROI區域邊界的運動矢量上采樣濾波的影響區域進行外擴處理。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于， 在前向預測P幀與雙向預測B幀的運動估計過程中，對其參考幀進行上采樣濾波處理獲得1/4精度的運動矢量；且確保其參考幀中對運動矢量的搜索在當前塊的偏移所形成的參考塊與上采樣濾波影響范圍的矩形區域不能產生交集； 若存在交集區域，則在對應的率失真優化中將其優化消耗設置成可選的最大值，使得在最優模式選擇中無法選擇到此模式。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于， 在跳躍Skip模式與合并Merge模式中，其候選運動矢量列表中的運動矢量對應的參考塊與上采樣濾波影響范圍的矩形區域不能產生交集； 若存在交集區域，則在對應的率失真優化中將其優化消耗設置成可選的最大值，使得在最優模式選擇中無法選擇到此模式。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述在對應的率失真優化消耗表示為:
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述待加密的語法元素包括: 編碼效率無損失的Bypass語法元素，以及編碼效率有損失的非Bypass語法元素。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述編碼效率無損失的Bypass語法元素包括:Bypass EGO、Bypass EGl及BypassFL特征下的語法元素； 所述編碼效率有損失的非Bypass語法元素包括:Unary與TU特征下的語法元素。
10.根據權利要求1或8或9所述的方法，其特征在于，對待加密的語法元素和/或離散余弦變換DCT的直流系數進行紊亂加密處理包括: 對待加密的語法元素進行加密處理:獲得每一待加密語法元素的合法取值集合，將當前合法取值集合中每一合法取值使用加密算法映射到當前語法元素的另外一個合法取值上；其表不為:
S' i — Renc(Si) e Vj ； 其中，所述Si待加密的語法元素，表示所采用的加密算法，Si ‘代表加密之后的語法元素，Vi代表每種Si的合法取值集合； 和/或，對DCT的直流系數進行紊亂處理:將DCT的直流系數的組合打亂，做出紊亂的錯誤組合；具體的:利用洗牌算法Fisher - Yates將DCT的直流系數的組合打亂，做出紊亂的錯誤組合``
【文檔編號】H04N19/625GK103747258SQ201410040485
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】程曦銘, 李厚強, 吳剛, 王洪濤 申請人:中國科學技術大學