基于Android的嵌入式加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究應(yīng)用

謝慧芝，劉 曄，彭 煜，郭 昊

（1.南昌大學(xué)電子信息工程系，江西南昌 330031;2.暨南大學(xué)信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子系，廣東廣州 510632;3.中國移動通信集團江西吉安分公司，江西吉安 343000）

基于Android的嵌入式加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究應(yīng)用

謝慧芝1，劉 曄1，彭 煜2，郭 昊3

（1.南昌大學(xué)電子信息工程系，江西南昌 330031;2.暨南大學(xué)信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子系，廣東廣州 510632;3.中國移動通信集團江西吉安分公司，江西吉安 343000）

信息技術(shù)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)跟不上時代的步伐，需要設(shè)計一種方便攜帶、安全性能高、可隨時觀察的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。簡要介紹了嵌入式加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成，對Android客戶端的通信機制、AES加密算法做了重點的闡述。同時對目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在的許多問題進行了分析，并針對性地提出了解決方案。

Android，嵌入式，AES，視頻監(jiān)控

【本文獻信息】謝慧芝，劉曄，彭煜，等.基于Android的嵌入式加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2014，38（3）.

視頻監(jiān)控是一種防范能力較強的綜合系統(tǒng)，是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，視頻監(jiān)控擁有直觀、準(zhǔn)確、及時和信息豐富等優(yōu)點，能夠廣泛應(yīng)用于各種場合［1］。在近幾個世紀(jì)的發(fā)展中，伴隨著3G/4G通信與嵌入式技術(shù)的蓬勃發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也發(fā)逐漸由企業(yè)化進入人們的日常生活中。

與此同時，隨著人們對個人隱私保護重視程度的逐年增加，視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本的監(jiān)控功能已經(jīng)不能滿足人們的需求，人們在得到消息的同時考慮更多的是如何保存消息以防止消息泄露。因此監(jiān)控系統(tǒng)也需要順應(yīng)時代潮流的發(fā)展，在原有的基礎(chǔ)上加入相應(yīng)的加密模塊，實現(xiàn)對采集得到圖像的加密工作，對應(yīng)的解密則設(shè)計在客戶端，根據(jù)客戶的需求對圖像進行解密處理，這樣也有效地防止在傳輸過程中信息的泄露。

1 Android平臺通信機制

Android能夠作為目前手機市場占有率最大的智能終端，主要得益于其開源的優(yōu)勢。開放源代碼使Android在應(yīng)用程序的開發(fā)上具備顯著的優(yōu)勢，基于Linux的Android可以與各種基于Linux平臺的ARM嵌入式處理器進行通信。這兩點讓Android成為新一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主角。

1.1 Android 平臺概述

Android架構(gòu)主要分為4層，分別為Linux內(nèi)核層、系統(tǒng)運行層、應(yīng)用程序框架層以及應(yīng)用層［1］。內(nèi)核層是一個抽象的層次，主要提供核心服務(wù);運行層包括核心層和它所對應(yīng)的虛擬機Dalvik應(yīng)用層，主要預(yù)裝一組核心應(yīng)用程序;應(yīng)用程序框架層主要用于發(fā)布不同應(yīng)用程序，具體功能應(yīng)用如表1，其中Java是Android系統(tǒng)默認(rèn)的開發(fā)語言［9］。

表1 Android應(yīng)用機制

1.2 Android客戶端通信機制

Android客戶端通信模塊主要由4個模塊構(gòu)成［9］，客戶端通信機制具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)主控模塊向網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)出控制命令后，通信模塊接收采集得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過視頻緩沖區(qū)到達視頻解碼模塊進行解碼，最后由視頻顯示模塊刷新屏幕時就能得到實時的傳輸影像。

2 AES加密模塊

AES加密算法即密碼學(xué)中的高級加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES），又稱 Rijndael加密法，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)［10］。

圖1 Android客戶端總體框架

AES加密算法的變換是一種基于矩陣的運算，這種算法很適合用硬件來實現(xiàn)。AES加密算法除了具有中間數(shù)據(jù)量恒定的特點外，還擁有開源的大多數(shù)項目。許多的程序員都可以利用這些個開源的項目來開發(fā)適合自己所要搭載的目標(biāo)板的AES加密系統(tǒng)。

2.1 AES 加密算法

AES加密算法主要由4個變換構(gòu)成［8］:字節(jié)代換、行移位變換、列潤滑變換以及輪密匙加變換，具體結(jié)構(gòu)如圖2。AES算法具備的優(yōu)點有:密鑰安裝速度快、占用的內(nèi)存空間少、設(shè)計簡潔明了、能支持目前多有的主流應(yīng)用平臺、支持并行處理、可抵御目前所有已知攻擊。

圖2 AES加密結(jié)構(gòu)圖

字節(jié)代替是一種非線性字節(jié)置換。字節(jié)代替的實質(zhì)就是將狀態(tài)里面的每個字節(jié)通過一系列非線性變換過程后，變成另外的字節(jié)。它是AES算法中唯一的一組非線性變換。

行移位變換類似于數(shù)字電路與邏輯設(shè)計中移位寄存器的變量存儲。具體變換過程如圖3。

圖3 AES行移位變換

列潤滑變換也可稱之為列混合，列混合的實質(zhì)是矩陣的乘法，在有限域上矩陣的乘法實質(zhì)是2個矩陣經(jīng)過線性運算后對X4+1取模。

加輪密鑰運算簡單，可以看成有限域的加法運算，對進行過列混合以后的輸出矩陣再進行異或運算。

2.2 AES 模塊設(shè)計

AES模塊一般包括2個部分:AES加密模塊和AES解密模塊［10］。本文主要討論的是在USB2.0內(nèi)加入1個AES加密模塊，加密后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過無線路由傳輸后到達PC端時，再經(jīng)由專門的AES解密軟件對數(shù)據(jù)進行解密處理。AES解密模塊一般有兩種形式:第一種是將加密模塊與解密模塊放在同一個芯片內(nèi);第二種則是在PC端設(shè)置專門的解密模塊，本文采用的就是第二種方法。由于AES算法的加密過程已經(jīng)在2.1節(jié)中敘述，因此本節(jié)列舉AES加密模塊的相關(guān)端口如表2所示（其中I表示輸入input，O表示輸出output，寬度的單位為bit），經(jīng)由端口顯示的數(shù)據(jù)來判斷該芯片是正在加密還是已經(jīng)完成一輪加密。當(dāng)LD為1時，開始加密。當(dāng)DONE=1時，加密過程完成一次。

表2 AES加密端口

USB加密芯片主要由兩大功能模塊組成:AES加密模塊和USB2.0通信模塊。其中AES加密模塊對收到的視頻數(shù)據(jù)加密。根據(jù)數(shù)據(jù)的流向，能夠把系統(tǒng)的工作原理劃分為2個部分，即PC—芯片以及芯片—PC。

PC—芯片的流程指的是PC通過Linux內(nèi)核向?qū)?yīng)加載的USB發(fā)送指令，USB2.0加密芯片接收該指令，而后做好從視頻采集端接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。

芯片—PC的流程指的是加密芯片在上一環(huán)節(jié)做好接收準(zhǔn)備后，接收到來自終端的圖像數(shù)據(jù)，USB 2.0加密芯片對采集來的圖像數(shù)據(jù)進行加密，將加密后的數(shù)據(jù)存儲在USB攝像頭的數(shù)據(jù)存儲模塊中，通過無線網(wǎng)卡與無線路由互連將數(shù)據(jù)傳給ARM9嵌入式板的S3C2440處理器，經(jīng)由處理器處理后再通過PC端安裝的解密模塊，將數(shù)據(jù)解密而后在視頻接收端的管理界面上顯示。

2.3 AES有限域的優(yōu)化運算

鑒于AES利用循環(huán)群復(fù)原復(fù)雜性作為安全依賴，改進算法本身沒有特別的意義。通過實驗可以知道加密過程的運算時間也不能直接被縮短。因此唯一能使用的方法就是在編程時利用直接查表的方法查找對應(yīng)指針，而后縮短乘法運算的處理器時間。

AES加密模塊在GF（28）上兩個元素乘法的結(jié)果可以看成這兩項元素對應(yīng)的二進制多項式的乘積對一個階數(shù)為8的不可約二進制多項式取模的運算結(jié)果［3］。AES加密的運算過程可以看成是矩陣變換的過程，因此，要想減少乘法運算的處理時間，就必須對相關(guān)的乘法運算先進行分解接著合并多項式，從而合并其中相同的運算單元，再將復(fù)雜的不同單元作為不同的整體去看待，目的是使最終結(jié)果簡單化，從而逐步實現(xiàn)運算時間的優(yōu)化;此外也可以采用查表的方法取代乘法運算，這樣做可以節(jié)省乘法計算的時間但是與之相對應(yīng)的是要耗費一定的存儲空間。

3 嵌入式加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是:通過前端USB攝像頭實時獲取視頻圖像數(shù)據(jù)，采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過USB2.0加密芯片加密后，返回至USB加密芯片的存儲單元存儲，經(jīng)由USB無線網(wǎng)卡與無線路由構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，把所獲得的視頻圖像數(shù)據(jù)實時地傳送到遠端的移動終端上，通過移動終端上專門的解密軟件進行解密，顯示出采集所得到的圖像，實現(xiàn)視頻的遠程監(jiān)控。整個系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)圖

確定整個系統(tǒng)的構(gòu)成后，在實驗室環(huán)境中采用S3C2440芯片，先建立交叉編譯環(huán)境，交叉編譯環(huán)境建立成功后，對嵌入式Linux內(nèi)核進行相應(yīng)的裁剪并移植，移植過程中主要使用U－Boot技術(shù)，內(nèi)核移植成功后，加載相關(guān)的功能硬件，實現(xiàn)功能硬件在嵌入式系統(tǒng)上的正常使用。相關(guān)功能硬件的加載包括USB主控制器在內(nèi)核中的配置、根文件系統(tǒng)目錄的構(gòu)建、YAFFS2文件系統(tǒng)鏡像的生成、USB攝像頭驅(qū)動程序的移植、USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序的移植、USB2.0加密芯片驅(qū)動程序的移植。相關(guān)功能硬件加載成功后系統(tǒng)的軟硬件平臺搭建完成。

軟硬件平臺搭建成功后，編寫相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集與傳輸，視頻數(shù)據(jù)采集采用V4L技術(shù)，V4L是專門為Linux操作系統(tǒng)定制和設(shè)計的，V4L所提供的API源碼已經(jīng)集成到Linux內(nèi)核中，因此需要在程序中做相應(yīng)設(shè)置完成視頻圖像的采集過程。視頻數(shù)據(jù)的傳輸采用無線局域網(wǎng)，基于TCP/IP協(xié)議中的UDP格式。在視頻傳輸?shù)目蛻舳伺c服務(wù)端采用C/S模型，在Dalvik上運行寫入的視頻圖像傳輸代碼，對源碼make之后再out下生成data，system，root三個文件，用交叉編譯環(huán)境將這些文件做成一個imag，燒錄至Linux系統(tǒng)中，完成客戶端與服務(wù)端的相關(guān)傳輸流程，最終在三星手機移動終端上得到實時傳輸?shù)膱D像。

4 嵌入式AES加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)展望

由于本課題目前仍處于實驗室測試階段，很多相關(guān)的應(yīng)用功能并未能得到全面的擴展，本課題可以擴展的空間如下:

1）Android操作系統(tǒng)版本較多，存在很大的“碎片”問題，由于本系統(tǒng)要求在Android 4.0環(huán)境下進行，目前大多數(shù)手機使用的仍然是Android 2.2/2.3，因此該系統(tǒng)下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前很難被普及，可以針對目前情況設(shè)計一種基于Android 2.3的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

2）在本課題的設(shè)計中，數(shù)據(jù)的實時傳輸速率直接影響了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的高效運行，可以試著采用多路由捆綁復(fù)用來提高數(shù)據(jù)的上行傳輸速率，但由于時間不足，未能完成驗證。

3）本課題采用AES算法進行加密，但是并未在相應(yīng)的芯片內(nèi)設(shè)計解密環(huán)節(jié)，而是將解密環(huán)節(jié)放在了PC端的應(yīng)用軟件上，加密后的數(shù)據(jù)包在傳輸過程中會占用系統(tǒng)較大的內(nèi)存，使傳輸速率減慢，因此可以設(shè)計嘗試將AES加密模塊與解密模塊融合在同一塊芯片上，減少占用內(nèi)存提高傳輸速率。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基于Android 4.0版本，采用java編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序在虛擬機上運行，之后利用交叉編譯環(huán)境與目標(biāo)板進行通信連接，運行結(jié)果顯示:加密后的數(shù)據(jù)在移動終端解密，安全性高;數(shù)據(jù)傳輸過程未出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，穩(wěn)定性好;使用手機作為終端，方便實時觀察。這些結(jié)果表示本系統(tǒng)能夠彌補傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，而且由于Linux系統(tǒng)開源的特點，本課題存在長遠擴展的空間。

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Research and Application on Android－based Embedded Encryption Video Surveillance Systems

XIE Huizhi1，LIU Ye1，PENG Yu2，GUO Hao3

（1.Department of Electronic Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China;2.Department of Electronic College of Information Science and Technology，Jinan University，Guangzhou 510632，China;3.Ji An China Mobile Communications Group，Jiangxi Ji'an，343000，China）

With the rapid development of information technology，a new video surveillance system，which contains convenient carry，high－performance security and anytime surveillance，is indispensable.In this paper，the embedded encryption video surveillance system components are introduced briefly.It focuses on the Android client communication mechanism and AES encryption algorithm.Meanwhile，some problems are analyzed，which exists in the system，and the solutions are offered.

Android;embedded;AES;video surveillance

TN29

A

謝慧芝（1989— ），女，碩士生，研究方向為通信技術(shù)與系統(tǒng)。

責(zé)任編輯:魏雨博

2013－04－11