一种基于运动矢量的图像加密方法技术

一种基于运动矢量的图像加密方法，基于DCT变换与量化，对视频压缩编码过程的残差矩阵以及运动矢量残差值的量化值作为明文进行逐点加密，以消除明文的时间相关性、空间相关性；基于椭圆曲线加密算法，优化椭圆曲线加密公式，将图像残差矩阵以及运动矢量的量化值映射至椭圆曲线并加密，有效地隐藏图像信息，在确保安全性的同时减少密钥负担，在资源有限的设备中具有强大加密优势，实现图像在设备间的安全传输；以嵌入式DM8127视频处理系统为计算平台，实现高清图像的稳定采集、有效快速的图像计算、椭圆曲线加密算法的具体应用，以及IE浏览器的图像显示。本发明专利技术不仅可以实现两个设备间的安全传输，还适用于多设备的大规模安全传输系统。

An image encryption method based on motion vector

【技术实现步骤摘要】
一种基于运动矢量的图像加密方法
本专利技术属于数字加密、嵌入式系统
，具体涉及一种基于运动矢量的图像加密方法。
技术介绍
当前加密技术主要分为对称加密技术和非对称加密技术两大类。对称加密技术的加密速度快，但是存在密钥较大不便于密钥管理的缺点，这一缺点不仅会影响设备性能而且导致算法安全性降低。就非对称加密技术而言，它在密钥管理方面性能优越，弥补了对称加密技术的缺陷，适用于保护多用户的公共网络安全。其中，椭圆曲线加密算法(ECC)是一种基于有限域内的椭圆曲线代数结构的非对称加密方法，与非ECC方法相比，椭圆曲线加密算法能够在等效的安全性能下需要的密钥更小，加密消息所需要的计算复杂度、时间开销都会更小。当数据需要在公共网络共享时，资源有限的设备可以利用椭圆曲线加密算法强大的加密优势，在不损耗安全性的前提下，使用更少的计算资源，以更快的加密速度对数据加密，有利于数据的实时传输。这意味着椭圆曲线加密算法在保护工业互联网以及无线传感器网络(WSN)之类的通信环境中发挥着重要作用。基于椭圆曲线加密算法的相关研究中，并未考虑到实时视频传输的加密运算任务庞大，将造成网络负载大、网络性能恶化等问题，对此，基于DCT变换与量化对视频压缩编码过程的残差矩阵以及运动矢量残差值的量化值作为明文进行逐点加密，以消除明文的时间相关性、空间相关性，更有利于隐藏明文信息，减少加密运算量，提高设备间的传输速率，改善设备性能。TI的异构多核芯片DM8127是DM81XX系列功耗较低的达芬奇芯片，该芯片内核包括主频处理能力可达1GHz的ARMCortex-A8、采用定浮点运算以支持多种算法的C64xDSP集成了ISS图像子系统、HD-VPSS高清视频处理子系统以用来实现图像采集、预处理显示、编解码等功能的VPSS-M3以及Video-M3。针对视频监控的实际应用，DM8127芯片提供图像成像系统，集成3D降噪、宽动态范围和强光抑制处理技术，实现面部检测、视频稳定以及变焦失真校正等影像信号处理技术。因此，基于DM8127的视频分析平台可以实现1080P，60帧/秒的实时视频输出，有利于后续的图像处理，提取有价值的信息，以开发智能应用实现高清智能化管理。另外，DM8127芯片提供丰富的外设接口，内置丰富的图像处理算法库，利用TI公司提供的开发工具和软件开发包，用户可以根据需求快速开发新的智能视频分析产品。综上所述，融合了ARM的灵活操作性、DSP的强大计算性能、硬件编解码功能等的DM8127芯片，不仅适用于视频监控的相关应用场景，而且凭借DSP核的运算性能，可以实现一系列图像处理算法，开发智能功能。
技术实现思路
本专利技术的目的是，以图像安全问题为基本出发点，为了克服加密算法过于复杂、密钥管理困难的不足，从而提出了一种基于运动矢量的图像加密方法。该方法以具有高分辨率视频输出、丰富的图像处理算法库、多核通信、DSP计算性能优越等优势的DM8127芯片作为计算平台，基于DCT变换和量化，利用加密性能强、密钥小的椭圆曲线加密算法，对视频压缩编码过程的残差矩阵和运动矢量残差值的量化值进行逐点加密，消除了明文的时间相关性、空间相关性，有效隐藏明文信息，以实现图像数据在DM8127视频处理系统与PC机之间的安全传输。一种基于运动矢量的图像加密方法，以DM8127视频处理系统作为发送端，PC机作为接收端，加密过程基于DCT变换与量化，并以椭圆曲线加密解密算法作为加密和解密方法；其中，基于DCT变换与量化，DM8127视频处理系统计算视频压缩编码过程的残差矩阵以及运动矢量的残差值，并量化残差值作为明文以进行加密；基于椭圆曲线加密解密算法，接收端PC机将公钥PU共享至发送端DM8127视频处理系统，DM8127视频处理系统利用公钥PU，将明文映射至椭圆曲线上并加密；最后，通过网络传输密文，PC机接收到密文，利用私钥PR解密，并将视频图像显示，实现DM8127视频处理系统与PC机之间的图像安全传输。进一步地，DM8127视频处理系统包含以下模块：视频采集模块、压缩编码模块、椭圆曲线加密模块，由Cortex-ARM核运行Linux系统以调用VPSS-M3核、Video-M3核以及DSP核的运行，控制各个模块功能的实现，其中，在视频采集模块中，VPSS-M3核运行BIOS操作系统实现视频图像的采集以及预处理；在图像压缩编码模块中，Video-M3核运行BIOS操作系统接收预处理后的图像数据，并进行压缩编码；在椭圆曲线加密模块中，DSP核运行BIOS操作系统负责加密算法的调度和具体执行，以实现明文加密；最后，Cortex-ARM核接收到Video-M3核的压缩数据流，实现数据流的网络传输。进一步地，所述视频采集模块中，DM8127视频处理系统以CMOS图像传感器作为视频的输入设备；VPSS-M3接收到Cortex-ARM核的启动指令，对COMS图像传感器进行传输数据格式的配置，通过CameraLink接口调用CMOS图像传感器对现场进行实时视频采集，使用CameraLink协议将YUV格式的1080p视频数据流同步传输至VPSS-M3，并进行后续的核内核间数据处理。进一步地，所述图像压缩编码模块中，Video-M3核初始化参数，从VPSS-M3核接收视频流，将输入的视频存储于H.264编码器缓冲区中，H.264编码器对输入图像划分宏块，计算宏块的像素值。进一步地，所述图像压缩编码模块中，在H.264编码器对输入图像划分宏块并计算宏块的像素值后，进行如下操作：步骤1，预测差值；根据相邻块的时间相关性或空间相关性，根据已编码块对当前待编码块进行预测，然后以预测值和真值的差进行编码；其中，利用帧内相邻宏块的空间相关性，采用帧内预测方式对待编码帧进行预测估计，生成帧内编码帧I帧；利用帧间相邻宏块的时间相关性，采用帧间预测方式进行运动估计和运动补偿，生成相应的帧间编码帧P、B帧；其中，对于I帧，以Io表示原始帧像素矩阵，Ip表示线性预测帧像素矩阵，Ir表示残差矩阵，有Ir＝Io-Ip；对于P、B帧，根据运动矢量mv估计运动矢量预测值mvp，并计算运动矢量残差值mvd＝mv-mvp；步骤2，DCT变换与量化；对残差矩阵Ir以及运动矢量残差值mvd进行整数DCT变换、量化，得到明文矩阵I；其中，整数DCT变换公式为：Fc＝C*f*CT，f为N*N矩阵，变换矩阵C的第u行第x列的元素表示为：量化公式为:步骤3，熵编码CABAC；DSP核将密文集CM{C1,C2,C3}传输至Video-M3核进行熵编码CABAC，以实现无损数据压缩；首先，将输入元素取二进制值；其次，利用每个语法元素的上下文信息，包括概率信息state、最大概率符号MPS，根据已编码元素为待编码元素选择概率模型即上下文建模；最后，根据当前的统计特性自适应地进行概率估计，并进行算术编码。进一步地，所述椭圆曲线加密模块完成图像压缩编码模块的明文加密步骤，对输出明文矩阵的量化非零值进行加密，包含以下步骤：步骤a，参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于运动矢量的图像加密方法，其特征在于：/n所述方法中，以DM8127视频处理系统作为发送端，PC机作为接收端，加密过程基于DCT变换与量化，并以椭圆曲线加密解密算法作为加密和解密方法；/n其中，基于DCT变换与量化，DM8127视频处理系统计算视频压缩编码过程的残差矩阵以及运动矢量的残差值，并量化残差值作为明文以进行加密；/n基于椭圆曲线加密解密算法，接收端PC机将公钥PU共享至发送端DM8127视频处理系统，DM8127视频处理系统利用公钥PU，将明文映射至椭圆曲线上并加密；最后，通过网络传输密文，PC机接收到密文，利用私钥PR解密，并将视频图像显示，实现DM8127视频处理系统与PC机之间的图像安全传输。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于运动矢量的图像加密方法，其特征在于：
所述方法中，以DM8127视频处理系统作为发送端，PC机作为接收端，加密过程基于DCT变换与量化，并以椭圆曲线加密解密算法作为加密和解密方法；
其中，基于DCT变换与量化，DM8127视频处理系统计算视频压缩编码过程的残差矩阵以及运动矢量的残差值，并量化残差值作为明文以进行加密；
基于椭圆曲线加密解密算法，接收端PC机将公钥PU共享至发送端DM8127视频处理系统，DM8127视频处理系统利用公钥PU，将明文映射至椭圆曲线上并加密；最后，通过网络传输密文，PC机接收到密文，利用私钥PR解密，并将视频图像显示，实现DM8127视频处理系统与PC机之间的图像安全传输。


2.根据权利要求1所述的一种基于运动矢量的图像加密方法，其特征在于：DM8127视频处理系统包含以下模块：视频采集模块、图像压缩编码模块、椭圆曲线加密模块，由Cortex-ARM核运行Linux系统以调用VPSS-M3核、Video-M3核以及DSP核的运行，控制各个模块功能的实现，其中，在视频采集模块中，VPSS-M3核运行BIOS操作系统实现视频图像的采集以及预处理；在图像压缩编码模块中，Video-M3核运行BIOS操作系统接收预处理后的图像数据，并进行压缩编码；在椭圆曲线加密模块中，DSP核运行BIOS操作系统负责加密算法的调度和具体执行，以实现明文加密；最后，Cortex-ARM核接收到Video-M3核的压缩数据流，实现数据流的网络传输。


3.根据权利要求2所述的一种基于运动矢量的图像加密方法，其特征在于：所述视频采集模块中，DM8127视频处理系统以CMOS图像传感器作为视频的输入设备；VPSS-M3接收到Cortex-ARM核的启动指令，对COMS图像传感器进行传输数据格式的配置，通过CameraLink接口调用CMOS图像传感器对现场进行实时视频采集，使用CameraLink协议将YUV格式的1080p视频数据流同步传输至VPSS-M3，并进行后续的核内核间数据处理。


4.根据权利要求2所述的一种基于运动矢量的图像加密方法，其特征在于：所述图像压缩编码模块中，Video-M3核初始化参数，从VPSS-M3核接收视频流，将输入的视频存储于H.264编码器缓冲区中，H.264编码器对输入图像划分宏块，计算宏块的像素值。


5.根据权利要求4所述的一种基于运动矢量的图像加密方法，其特征在于：所述图像压缩编码模块中，在H.264编码器对输入图像划分宏块并计算宏块的像素值后，进行如下操作：
步骤1，预测差值；
根据相邻块的时间相关性或空间相关性，根据已编码块对当前待编码块进行预测，然后以预测值和真值的差进行编码；其中，利用帧内相邻宏块的空间相关性，采用帧内预测方式对待编码帧进行预测估计，生成帧内编码帧I帧；利用帧间相邻宏块的时间相关性，采用帧间预测方式进行运动估计和运动补偿，生成相应的帧间编码帧P、B帧；其中，对于I帧，以Io表示原始帧像素矩阵，Ip表示线性预测帧像素矩阵，Ir表示残差矩阵，有Ir＝Io-Ip；对于P、B帧，根据运动矢量mv估计运动矢量预测值mvp，并计算运动矢量残差值mvd＝mv-mvp；
步骤2，DCT变换与量化；
对残差矩阵Ir以及运动矢量残差值mvd进行整数DCT变换、量化，得到明文矩阵I；其中，整数DCT变换公式为：Fc＝C*f*CT，f为N*N矩阵，变换矩阵C的第u行第x列的元素表示为：



量化公式为:
步骤3，熵编码CABAC；
DSP核将密文集CM{C1,C2,C3}传输至Video-M3核进行熵编码CABAC，以实现无损数据压缩；首先，将输入元素取二进制值；其次，利用每个语法元素的上下文信息，包括概率信息state、最大概率符号MPS，根据已编码元素为待编码元素选择概率模型即上下文建模；最后，根据当...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴蒙，肖丹丹，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32