醫(yī)學(xué)視頻加解密播放器的研究與實(shí)現(xiàn)

馬光，趙佩瑾，崔茂香

滄州醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校 病理教研室，河北 滄州 061001

醫(yī)學(xué)視頻加解密播放器的研究與實(shí)現(xiàn)

馬光，趙佩瑾，崔茂香

滄州醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校 病理教研室，河北 滄州 061001

醫(yī)學(xué)視頻加密對(duì)于保護(hù)醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全具有重要作用。本文針對(duì)醫(yī)學(xué)視頻文件數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，采用選擇性加密算法和數(shù)據(jù)流技術(shù)，基于Delphi開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)制作了醫(yī)學(xué)視頻加解密播放器，較好地解決了醫(yī)學(xué)視頻加解密問(wèn)題，既能滿足醫(yī)學(xué)信息化的需求，又可有效地保證視頻數(shù)據(jù)的安全性。

醫(yī)學(xué)視頻；播放器；視頻加密；醫(yī)院數(shù)字化

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)的發(fā)展，視頻多媒體信息得到了廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和數(shù)據(jù)安全問(wèn)題也日漸突出。早期的安全方法主要依賴(lài)于權(quán)限控制，視頻數(shù)據(jù)本身沒(méi)有被加密，容易被非法拷貝、盜版、剽竊和篡改。因此，視頻加密技術(shù)作為保證安全的基本手段，已成為信息安全領(lǐng)域非常熱門(mén)的研究課題之一[1]。醫(yī)學(xué)視頻有著不同于一般視頻的突出性特點(diǎn)，如真實(shí)性、完整性等。因?yàn)橐葬t(yī)學(xué)題材為內(nèi)容的視頻中大多涉及患者的姓名、肖像、病史等個(gè)人信息；牽涉誤診、誤治事件發(fā)生的概率，事關(guān)醫(yī)療事故糾紛的權(quán)威認(rèn)證[2-3]。出于對(duì)版權(quán)、隱私和聲譽(yù)等保護(hù)的需要，對(duì)醫(yī)學(xué)視頻數(shù)據(jù)安全性的研究迫在眉睫，同時(shí)考慮到軍事醫(yī)學(xué)視頻的特殊性，醫(yī)學(xué)視頻文件的加密和保護(hù)工作就顯得更為重要。當(dāng)前流行的多媒體播放軟件功能參差不齊，較難滿足用戶對(duì)視頻播放和信息保護(hù)的雙重需求。為此，本文基于Delphi開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用其功能強(qiáng)大的組件庫(kù)制作出一款可支持多種媒體格式，并能對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊加密的播放器。

1 視頻文件加解密的設(shè)計(jì)

1.1 加解密算法

所謂加密是指以某種特殊的算法改變?cè)械目衫斫獾男畔?shù)據(jù)（明文），使其成為無(wú)意義的數(shù)據(jù)內(nèi)容（密文），使用者必須通過(guò)相應(yīng)的解密方法，才能將密文還原成明文，而解密是加密的逆運(yùn)算、逆過(guò)程[4]。數(shù)據(jù)加密過(guò)程是由形形色色的加密算法來(lái)具體實(shí)現(xiàn)的，例如選擇性加密，又稱(chēng)部分加密，它充分考慮數(shù)據(jù)本身的特征及應(yīng)用要求，僅對(duì)全部數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵部分（重要數(shù)據(jù)）進(jìn)行加密，用很小的計(jì)算復(fù)雜度來(lái)達(dá)到較高的安全性[5-6]。

視頻文件一般由信息區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和索引區(qū)三部分構(gòu)成，其文件頭中的各字節(jié)（信息區(qū)）保存著數(shù)據(jù)格式、壓縮方式、播放速度等重要參數(shù)，醫(yī)學(xué)視頻也不例外。視頻播放器通過(guò)這些參數(shù)來(lái)識(shí)別視頻文件信息的有效性，如果受到破壞，則會(huì)妨礙視頻數(shù)據(jù)的正確解碼，使播放器不能識(shí)別標(biāo)志信息而無(wú)法播放。而且視頻數(shù)據(jù)具有編碼結(jié)構(gòu)特殊、數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，其加密算法在安全性、壓縮比、計(jì)算量和數(shù)據(jù)可操作性等方面都有一定的要求。為滿足這些要求，本文采用選擇性加密算法，即利用視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，僅加密醫(yī)學(xué)視頻文件頭部信息，這樣擁有解密密鑰的播放器才能成功打開(kāi)該視頻文件；對(duì)視頻文件的處理過(guò)程是：分發(fā)前加密→播放時(shí)解密→使用后加密，從而最大限度地確保數(shù)據(jù)的保密性和完整性。分析和實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有簡(jiǎn)單易行、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在安全性、計(jì)算量等指標(biāo)上均能滿足一般的應(yīng)用需求[7]。

1.2 加解密方法

在計(jì)算機(jī)編程中，數(shù)據(jù)流是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言中的典型體現(xiàn)，它徹底地取代了早期利用函數(shù)實(shí)現(xiàn)輸入輸出的功能，同時(shí)也克服了利用函數(shù)實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能的諸多弊端。對(duì)于“流”這一概念，可簡(jiǎn)單地理解為：流是建立在面向?qū)ο蠡A(chǔ)上的一種抽象地處理數(shù)據(jù)的工具，它定義了一些處理數(shù)據(jù)的基本操作，如讀取數(shù)據(jù)、寫(xiě)入數(shù)據(jù)等，這樣程序員只需掌握流的操作方法，而不用關(guān)心流中數(shù)據(jù)的真正去向。流不但能處理文件，還可處理動(dòng)態(tài)內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)形式。顯然程序員若能掌握好對(duì)流的運(yùn)用，在程序開(kāi)發(fā)中會(huì)利用其便利性，就能夠大大提高編程效率[8]。

高質(zhì)量的視頻是醫(yī)學(xué)應(yīng)用的內(nèi)在需求，與普通視頻相比，醫(yī)學(xué)視頻的主要特點(diǎn)是更加偏重于清晰度，也就是對(duì)圖像分辨率的要求更高，致使其擁有海量的數(shù)據(jù)；而且加解密過(guò)程的計(jì)算量通常很大，但又必須實(shí)時(shí)處理，才能保證播放流暢。為了保證醫(yī)學(xué)視頻的質(zhì)量并提高加解密速度，本文應(yīng)用Delphi的流對(duì)象對(duì)醫(yī)學(xué)視頻文件進(jìn)行操作來(lái)實(shí)現(xiàn)其加密和解密。在Delphi中所有流對(duì)象的基類(lèi)為T(mén)Stream類(lèi)，其派生類(lèi)中最常用的是內(nèi)存流TMemoryStream，它在內(nèi)存中建立一個(gè)流對(duì)象，基本方法和函數(shù)與文件流TFileStream相似。加密時(shí)，首先利用LoadFromFile和SaveToStream方法分別將視頻文件SourceFile和密鑰文件PassWord轉(zhuǎn)換為內(nèi)存流，再用Seek函數(shù)將指針移到密鑰文件的末尾，最后使用CopyFrom方法將視頻文件追加到密鑰文件尾部，生成一個(gè)加密文件TargetFile，即兩個(gè)流的合并（PassWord＋SourceFile＝TargetFile）。解密時(shí)，首先利用LoadFromFile方法將加密文件TargetFile轉(zhuǎn)換為內(nèi)存流，再用Position函數(shù)定位該流中存取指針的位置（密鑰文件PassWord的長(zhǎng)度），最后使用CopyFrom方法從指針的當(dāng)前位置拷貝流中的所有數(shù)據(jù)。由于Delphi中的MediaPlayer組件不能直接播放內(nèi)存流的數(shù)據(jù)，因此還須利用SaveToFile方法把該內(nèi)存流保存為視頻文件SourceFile，即兩個(gè)流的分離（TargetFile－PassWord＝SourceFile）[9]。這個(gè)加解密程序只是簡(jiǎn)單地把醫(yī)學(xué)視頻文件添加到密鑰文件的尾部，以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的加密和保護(hù)。實(shí)際應(yīng)用中可對(duì)視頻文件流的頭部信息采用異或運(yùn)算或與隨機(jī)數(shù)據(jù)混合進(jìn)行加密，解密時(shí)只要根據(jù)加密算法的原理處理好其逆運(yùn)算即可。

2 視頻播放器的開(kāi)發(fā)

2.1 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

作為快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具的代表，Delphi不僅是一個(gè)面向?qū)ο蟮目梢暬_(kāi)發(fā)環(huán)境，而且提供了功能強(qiáng)大的可視化組件庫(kù)，并具備快速的代碼編譯器、簡(jiǎn)捷的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，深受廣大程序開(kāi)發(fā)人員的推崇與信賴(lài)。在Delphi中，組件是具有特定行為、一定屬性及相應(yīng)對(duì)象的預(yù)定義窗口，它是可視化編程的基礎(chǔ)，是整個(gè)程序的核心元素。如多媒體播放器組件MediaPlayer，是一個(gè)進(jìn)行音頻和視頻編程的絕好工具，它封裝了Windows媒體組件接口的大量函數(shù)，用于控制多媒體設(shè)備。開(kāi)發(fā)Delphi程序時(shí)，正確地選用組件，將有助于提高工作效率和代碼準(zhǔn)確率，并有利于軟件調(diào)試和項(xiàng)目的工程化管理[10]。

2.2 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程

本文所設(shè)計(jì)的醫(yī)學(xué)視頻播放器按照預(yù)期的效果，包括播放控制模塊、視頻顯示模塊、信息提示模塊以及系統(tǒng)控制模塊等，見(jiàn)圖1。在Delphi所提供的程序框架中，首先建立窗體，設(shè)計(jì)界面，然后采用面向?qū)ο蟆⑹录?qū)動(dòng)的方法，逐步開(kāi)發(fā)各個(gè)模塊，最終制作出一個(gè)功能完善的個(gè)性化視頻播放器，其效果見(jiàn)圖2。

圖1 視頻播放器功能模塊圖

圖2 視頻播放器界面圖

（1）播放控制模塊。采用多媒體核心控制組件MediaPlayer，通過(guò)其對(duì)應(yīng)的屬性設(shè)置、事件調(diào)用與方法編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)視頻文件的播放與基本的播放控制，如播放、快進(jìn)、停止等操作。此外添加兩個(gè)滑動(dòng)條組件TrackBar，并編寫(xiě)OnChange事件的響應(yīng)代碼分別用于當(dāng)前視頻文件播放進(jìn)度的顯示及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、聲卡音量輸出大小的控制；通過(guò)按鈕組件Button和鍵盤(pán)事件KeyDown，實(shí)現(xiàn)播放視圖全屏模式與窗口模式的切換。

（2）視頻顯示模塊。選用面板組件Panel作為視頻顯示窗口，同時(shí)設(shè)置MediaPlayer組件的Display屬性為Panel。

（3）信息提示模塊。使用標(biāo)簽組件Label和計(jì)時(shí)器組件Timer，并編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的程序代碼，用來(lái)實(shí)時(shí)顯示視頻文件的當(dāng)前播放狀態(tài)、播放進(jìn)度及其播放時(shí)長(zhǎng)等有效信息。

（4）系統(tǒng)控制模塊。應(yīng)用Windows API函數(shù)ShellExecute打開(kāi).chm類(lèi)型的幫助文件，為用戶提供系統(tǒng)版本信息以及具體的使用方法。在“退出”按鈕的OnClick事件中編寫(xiě)代碼：Application.Terminate，終止應(yīng)用程序的運(yùn)行，使用戶安全退出系統(tǒng)。

視頻播放器在打開(kāi)和關(guān)閉醫(yī)學(xué)視頻文件時(shí)，會(huì)分別調(diào)用視頻光盤(pán)分發(fā)前編寫(xiě)的解密函數(shù)和加密函數(shù)，這樣把視頻播放與視頻加解密有機(jī)地結(jié)合在一起，為使用者提供了方便同時(shí)也保證了重要醫(yī)學(xué)視頻內(nèi)容的安全。

3 應(yīng)用結(jié)果分析

3.1 安全性分析

本文采用的選擇性加密算法不是直接對(duì)視頻圖像像素值進(jìn)行加密，而是對(duì)視頻編碼過(guò)程中產(chǎn)生的關(guān)鍵信息加密，所以該算法不具有數(shù)據(jù)格式相容性，加密后的視頻文件只有正確解密后才能播放。因此，使用Windows Media Player、暴風(fēng)影音等流行的媒體播放軟件，打開(kāi)數(shù)據(jù)格式信息加密后的AVI、WMV等主流媒體格式的視頻文件時(shí)，將難以識(shí)別該視頻數(shù)據(jù)的操作信息而不能解碼和播放，會(huì)出現(xiàn)“試圖播放的文件的擴(kuò)展名與文件格式不匹配”、“不是標(biāo)準(zhǔn)的視頻文件”、“無(wú)法渲染文件”等提示，達(dá)到了對(duì)該視頻文件加密的目的。另外，由于醫(yī)學(xué)視頻文件分發(fā)前進(jìn)行過(guò)加密預(yù)處理，視頻加解密播放器需擁有與每個(gè)數(shù)據(jù)包相對(duì)應(yīng)的解密密鑰，這也增加了非授權(quán)者破解的難度，使得加密更有效，數(shù)據(jù)更安全。

3.2 加解密速度

文件加解密過(guò)程的時(shí)間消耗包括準(zhǔn)備時(shí)間和加解密時(shí)間，其中加解密前的準(zhǔn)備時(shí)間主要用來(lái)完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，在計(jì)算機(jī)性能和文件大小相同的條件下，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的速度由編程所用的實(shí)現(xiàn)方法來(lái)決定；加解密時(shí)間是在加解密算法的控制下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換所需的時(shí)間，這取決于算法的復(fù)雜程度。本文提出的加解密方案中，因采用Delphi“流”支持技術(shù)，大大提高了視頻數(shù)據(jù)交換的速度，同時(shí)由于加解密只是對(duì)視頻數(shù)據(jù)的頭部信息作異或運(yùn)算，可明顯降低加解密操作的數(shù)據(jù)量和計(jì)算的復(fù)雜度。因此，本視頻播放器具有較快的加解密速度，例如在酷睿CPU@2.93 GHz、內(nèi)存2 GB的計(jì)算機(jī)上對(duì)大小為74 MB、時(shí)長(zhǎng)為308 s的AVI視頻文件進(jìn)行加解密速度測(cè)試，所用的運(yùn)行時(shí)間約為3 s，能較好地滿足視頻數(shù)據(jù)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本播放器已用于《活體組織病理學(xué)檢查》、《滄州市醫(yī)療糾紛尸體解剖檢查》等視頻系統(tǒng)的構(gòu)建，應(yīng)用結(jié)果表明：該播放器界面友好、使用簡(jiǎn)單，又具有加密效果好、復(fù)雜度適中、處理速度快等特點(diǎn)，是一款多種功能兼?zhèn)涞囊曨l播放軟件，這對(duì)醫(yī)學(xué)信息安全的發(fā)展具有重要意義。由于開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)欠缺，本播放器仍需要做進(jìn)一步的改進(jìn)：優(yōu)化程序代碼，進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性和執(zhí)行速度；加強(qiáng)對(duì)視頻信息安全技術(shù)的研究，尋求更安全、更高效的加解密方法應(yīng)用于本設(shè)計(jì)；根據(jù)實(shí)際需求，在界面布局、使用功能等方面進(jìn)行進(jìn)一步修改與完善。

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[10] 洪運(yùn)國(guó).Delphi程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2013.

Research and Implementation of Medical Video Encryption and Decryption Player

MA Guang, ZHAO Pei-jin, CUI Mao-xiang
Department of Pathology, Cangzhou Medical College, Cangzhou Hebei 061001, China

Medical video encryption plays a vital role in protecting the security of medical data. In view of the features of medical videos covering huge data and high real-time requirements, this paper proposed a selective encryption algorithm and data stream technology to solve the problem of medical video encryption, and used Delphi to design a video encryption and decryption player. This design not only can meet the needs of medical informatization, but also effectively ensure the high security of medical videos.

medical videos; video player; video encryption; hospital digitalization

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.022

1674-1633(2016)06-0087-03

2015-12-28

2016-01-11

河北省高等學(xué)校人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目（SZ2011366）。

作者郵箱：czyzvivid@126.com