基于3G網(wǎng)絡(luò)的安全審片系統(tǒng)

王振華，陳啟美，陳釗正

（南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093）

審片在電視行業(yè)中一般是指新聞成片從記者編輯完成到最后播出的過(guò)程。由于傳統(tǒng)模式審片需要審片人固定在電視臺(tái)內(nèi)部某個(gè)特定的區(qū)域進(jìn)行，限制了審片人的時(shí)間和工作，同時(shí)也嚴(yán)重限制了節(jié)目的審查時(shí)間。雖然目前已有一些基于外網(wǎng)的審片系統(tǒng)[1－2]，但其安全性卻缺乏相應(yīng)的機(jī)制來(lái)保障，或者不夠充分，一般是將節(jié)目加密后下載到審片終端，再由終端解碼后進(jìn)行節(jié)目審查。這種安全機(jī)制必須進(jìn)行文件的整體搬移，同時(shí)密碼不容易實(shí)時(shí)更新，容易被截獲和破解。

本文設(shè)計(jì)了一種基于Https的實(shí)時(shí)在線視頻審片模式，將MPEG－2視頻轉(zhuǎn)換為H.264格式后通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到手機(jī)上，并建立一系列安全設(shè)置保證審片和相應(yīng)數(shù)據(jù)的安全。

1 視頻編解碼

電視臺(tái)內(nèi)存儲(chǔ)的MPEG－2格式視頻體積過(guò)大，不適合使用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此需要將其轉(zhuǎn)換為H.264格式。常用的轉(zhuǎn)碼算法有級(jí)聯(lián)像素域轉(zhuǎn)換編碼（CPDT），此算法先對(duì)視頻完全解碼，在像素域進(jìn)行空間或時(shí)間的重采樣，再重新編碼。這種方法由于對(duì)宏塊數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)矢量和編碼模式都重新做了計(jì)算，因此重建圖像質(zhì)量高，但是轉(zhuǎn)碼效率低，難以達(dá)到審片系統(tǒng)技術(shù)的要求。另有壓縮域處理算法（CDP），直接處理壓縮域數(shù)據(jù)，相比CPDT效率較高，得到了廣泛應(yīng)用，但也有諸多困難：1）H.264定義了7種宏塊模式[3－4]，轉(zhuǎn)碼時(shí)需要對(duì)這7種模式分別測(cè)試編碼效率，運(yùn)算量巨大；2）H.264提出了1/4像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)的方法，以提高進(jìn)度，但也因此需要對(duì)MPEG－2中的運(yùn)動(dòng)矢量重新搜索；3）H.264采用4×4大小的整形變換代替MPEG－2中8×8大小的DCT變換，因此無(wú)法按照傳統(tǒng)壓縮域視頻處理方式在DCT域進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)炔僮鳌?/p>

為解決上述困難，本文采用了如圖1所示的轉(zhuǎn)碼算法，圖中的輸入為MPEG－2碼流，輸出為H.264碼流。

在圖1中，整個(gè)算法在壓縮域完成，然而H.264采用4×4大小的整形變換代替MPEG－2中8×8大小的DCT變換。為了在壓縮域正確完成轉(zhuǎn)碼而不增加額外的計(jì)算量，在幀內(nèi)編碼時(shí)使用DCT－to－PEL結(jié)構(gòu)完成MPEG－2與H.264之間變換模式的轉(zhuǎn)換；在幀間編碼時(shí)使用DCT－to－DCT結(jié)構(gòu)完成MPEG－2與H.264之間變換模式的轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步在幀內(nèi)編碼時(shí)同樣使用DCT－to－DCT結(jié)構(gòu)完成MPEG－2與H.264之間變換模式的轉(zhuǎn)換，可省略圖1中幀內(nèi)預(yù)測(cè)的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。

為解決遍歷宏塊模式導(dǎo)致的運(yùn)算量過(guò)大的問(wèn)題，可以利用轉(zhuǎn)碼前后碼流數(shù)據(jù)的相關(guān)性預(yù)測(cè)H.264的宏塊模式。由于手機(jī)審片對(duì)分辨力要求不高，因此轉(zhuǎn)碼時(shí)會(huì)將MPEG－2視頻的水平和垂直分辨力各降低一半，這樣MPEG－2中的相鄰4個(gè)宏塊對(duì)應(yīng)H.264的1個(gè)宏塊，轉(zhuǎn)碼前MPEG－2碼流可提供的特征數(shù)據(jù)有塊模式、MV、SAD。而轉(zhuǎn)碼后通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算所獲得的H.264碼流的特征數(shù)據(jù)有塊模式、MV。通過(guò)分析、比較所有這些數(shù)據(jù)，選擇其中取值相對(duì)較大的數(shù)據(jù)作為關(guān)鍵影響因子，通過(guò)這種方法減少轉(zhuǎn)碼時(shí)間，提高了轉(zhuǎn)碼效率，與此同時(shí)又不會(huì)對(duì)PSNR以及主觀性能造成很大的影響。

2 安全設(shè)置

該系統(tǒng)通過(guò)一系列加密和安全設(shè)置保證審片的安全性，安全設(shè)置主要包含以下4個(gè)方面：

1）設(shè)立中心服務(wù)器：中心服務(wù)器設(shè)置在內(nèi)網(wǎng)中，并提供公網(wǎng)接口，主要負(fù)責(zé)MPEG－2到H.264的轉(zhuǎn)碼、視頻的加密與發(fā)布以及審片意見(jiàn)的接收。

2）對(duì)審片終端的證書(shū)認(rèn)證：在審片終端安裝證書(shū)，證書(shū)根據(jù)終端的序列號(hào)的哈希值生成，具有唯一性，離開(kāi)本機(jī)即失效。

3）視頻流的加密發(fā)布：對(duì)視頻流采用AES算法[5]加密。

4）審片意見(jiàn)的加密返回：終端采用證書(shū)公鑰對(duì)由審片意見(jiàn)、隨機(jī)數(shù)、時(shí)間戳組成的字符串加密后返回中心服務(wù)器。

2.1 中心服務(wù)器

中心服務(wù)器的設(shè)立隔離了內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的數(shù)據(jù)，提高了安全性，且兼容原有審片系統(tǒng)。中心服務(wù)器分為轉(zhuǎn)碼模塊、發(fā)布模塊、通信模塊、密鑰庫(kù)及證書(shū)認(rèn)證中心4部分組成。中心服務(wù)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

中心服務(wù)器接收到從電視臺(tái)內(nèi)部節(jié)目制作中心發(fā)送來(lái)的MPEG－2視頻后，首先由轉(zhuǎn)碼模塊將MPEG－2視頻轉(zhuǎn)換為H.264視頻；此視頻存放在中心服務(wù)器硬盤(pán)上，由發(fā)布模塊以Https方式發(fā)布；通信模塊負(fù)責(zé)與審片終端的交互通信以及接收返回的審片意見(jiàn)；返回的審片意見(jiàn)經(jīng)解密后存放在電視臺(tái)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 終端認(rèn)證

終端為智能手機(jī)、PDA或筆記本或計(jì)算機(jī)，在終端上安裝數(shù)字證書(shū)，證書(shū)使用Openssl生成，Openssl是一個(gè)開(kāi)源的加密工具，可以生成私鑰和簽發(fā)X.509證書(shū)。

對(duì)終端的認(rèn)證采取如下步驟：

1）終端試圖登錄系統(tǒng)時(shí)，服務(wù)器將隨機(jī)數(shù)和時(shí)間戳組成的字符串使用私鑰加密后，發(fā)送到終端；

2）終端使用證書(shū)解密上述字符串；

3）終端將用戶名密碼隨機(jī)數(shù)和時(shí)間戳組成的字符串使用證書(shū)加密后發(fā)送到服務(wù)器；

4）服務(wù)器解密此字符串并驗(yàn)證通過(guò)后，終端才可登錄系統(tǒng)。

在服務(wù)器端設(shè)置有時(shí)間窗口，若時(shí)間戳與當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間差大于此窗口，則丟棄數(shù)據(jù)包。此時(shí)間窗口設(shè)置得越大，則對(duì)網(wǎng)絡(luò)的延遲性容忍度越高，設(shè)置得越小，則對(duì)竊聽(tīng)和偽造數(shù)據(jù)的防范性越好。

對(duì)審片意見(jiàn)的加密同樣要通過(guò)以上步驟。

2.3 AES算法

2.3.1 加密算法

現(xiàn)在常用的加密方法分為對(duì)稱(chēng)加密和非對(duì)稱(chēng)加密兩類(lèi)。對(duì)稱(chēng)加密的加密和解密采用同樣的密鑰，解密即加密的逆運(yùn)算。這類(lèi)加密的安全性基本依賴(lài)于密鑰長(zhǎng)度，相比非對(duì)稱(chēng)加密安全性較差，且密鑰管理困難，但優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快。非對(duì)稱(chēng)加密使用兩個(gè)密鑰：公鑰和私鑰，分別用來(lái)加密和解密。這類(lèi)算法安全性高，密鑰管理簡(jiǎn)單，但算法較為復(fù)雜。為減少運(yùn)算量，本系統(tǒng)對(duì)流媒體傳輸采用AES對(duì)稱(chēng)加密算法。

AES即高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，又被稱(chēng)為Rijndael加密法，是現(xiàn)在對(duì)稱(chēng)加密最流行的算法之一，由比利時(shí)密碼學(xué)家Joan Daemen和Vincent Rijmen所設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)[5]對(duì)算法做了詳細(xì)描述。加密算法由以下部分組成：1）一個(gè)初始化的圈密鑰加法；2）Nr－1圈變換，Nr為圈數(shù)；3）最后1圈變換。

用C偽代碼表示如下：

2.3.2 解密算法

對(duì)稱(chēng)加密算法的解密算法就是加密算法的逆運(yùn)算，解密算法用C偽代碼表示如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)在Windows Mobile手機(jī)、Android手機(jī)和iPhone上都作了測(cè)試，均可正常運(yùn)行。視頻分辨力為CIF（352×288），幀率為15 f/s（幀/秒）。服務(wù)器使用英特爾至強(qiáng)雙核處理器，Ubuntu9.04操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)使用的網(wǎng)絡(luò)為電信CDMA2000。對(duì)審片系統(tǒng)共進(jìn)行了6次延時(shí)測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 審片系統(tǒng)延時(shí)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了6次4.5 h測(cè)試，大部分時(shí)間播放流暢，延時(shí)為2～3 s左右，偶爾會(huì)出現(xiàn)緩沖，緩沖后延時(shí)會(huì)增大到約6 s。對(duì)于對(duì)延時(shí)沒(méi)有很?chē)?yán)格要求的審片系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這一性能可以滿足要求。

使用筆記本式計(jì)算機(jī)訪問(wèn)審片系統(tǒng)。筆記本式計(jì)算機(jī)上已經(jīng)安裝了數(shù)字證書(shū)，連接時(shí)要求確認(rèn)證書(shū)，如圖3所示。點(diǎn)擊確認(rèn)后，則終端與服務(wù)器間的通信都是經(jīng)過(guò)加密的。

4 結(jié)論

該文實(shí)現(xiàn)了一種安全的外網(wǎng)審片系統(tǒng)，大大提高了審片的效率，且通過(guò)多種認(rèn)證和加密手段保證了系統(tǒng)的安全性。該系統(tǒng)已經(jīng)在南京電視臺(tái)試運(yùn)行，且在Win?dows Mobile，Android，iOS上都可正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的應(yīng)用。

[1]姚威，鄧偉，史鵬程，等.一種網(wǎng)絡(luò)化文件化數(shù)字媒體節(jié)目審片系統(tǒng)：中國(guó)，200910305534.4[P].2010－02－17.

[2]李向坤.基于3G公用網(wǎng)的廣播電視新聞采集傳輸系統(tǒng)研究[J].中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，16（2）：78－82.

[3]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[4]PURI A，CHEN Xuemin，LUTHRA A.Video coding using the H.264/MPEG－4 AVC compression standard[J].Signal Processing：Image Communication，2004，19（9）：793–849.

[5]DAEMEN J，RIJMEN V.AES Proposal：Rijndael[R/OL].[2011－11－02].http://www.cryptosoft.de/docs/Rijndael.pdf.