基于霍夫曼编码的视频数据加密传输方法与流程

1.本发明涉及数据安全技术领域，具体涉及一种基于霍夫曼编码的视频数据加密传输方法。


背景技术：

2.视频加密通常是对视频整体内容的加密，只有解密了才有整体视频的观看权限，或者每帧进行整体加密，只有解密了才有该帧的观看权限。目前，通常利用霍夫曼编码对图像进行加密压缩存储，但是很多场景下，需要对视频中不同内容进行不同加密等级或者权限的设置，即实现视频中不同程度的加密，不同等级的秘钥代表不同等级的权限，可以观看视频中不同区域的内容，若秘钥等级不够，则仅能看到相应区域的图像，其他区域被纯色像素填充或遮盖，因此对视频内容进行不同权限的加密是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于霍夫曼编码的视频数据加密传输方法，所采用的技术方案具体如下：对视频进行分解得到多帧图像，基于距离度量准则分别对所述图像进行超像素分割，得到每帧所述图像的超像素分割图；获取每个所述超像素分割图中每个超像素的初始超像素值，根据所述初始超像素值获取对应超像素的超像素范围类别和类别超像素值；计算每个超像素的所述初始超像素值和对应的所述类别超像素值之间的像素值差值，根据所述像素值差值获取对应超像素的差值类别；根据所有超像素的所述超像素范围类别的数量计算每个所述超像素范围类别的第一出现概率，基于所述第一出现概率构建所述超像素范围类别对应的第一范式霍夫曼树；根据所有超像素的所述差值类别的数量计算每个所述差值类别的第二出现概率，由所述第二出现概率构建所述差值类别对应的第二范式霍夫曼树；基于所述第一范式霍夫曼树和所述第二范式霍夫曼树，根据单个超像素的所述类别超像素值和所述像素值差值得到每帧所述图像中每个超像素的总编码；获取所述第一范式霍夫曼树的第一信源符号顺序序列和所述第二范式霍夫曼树的第二信源符号顺序序列，将所述第一信源符号顺序序列和所述第二信源符号顺序序列组成所述视频的密钥序列，基于权限级别的数量将所述密钥序列分为多个子序列，利用aes加密算法分别对所述子序列进行加密得到对应的等级密钥；根据所述等级密钥和每帧所述图像中每个超像素的所述总编码对所述视频进行多级加密传输。
4.进一步地，所述超像素分割图的获取方法，包括：根据距离度量准则利用slic超像素分割算法对所述图像进行分割，得到所述图像的初始超像素分割结果；基于所述初始超像素分割结果，由组成初始超像素的像素点总数量和像素值计算
每个初始超像素的复杂度，当所述复杂度大于或等于复杂度阈值时，对初始超像素进行再次超像素分割，直至所述复杂度小于所述复杂度阈值或超像素尺寸小于或等于设定尺寸，得到所述超像素分割图；其中，所述复杂度的计算公式为：其中，为第个初始超像素的所述复杂度；为像素值的概率， 为像素值的像素数量，为组成第个初始超像素的像素点总数量；为组成第个初始超像素的所有像素点的像素值的众数。
5.进一步地，所述初始超像素值的获取方法，包括：根据组成超像素的所有像素点的像素值，获取每个超像素的像素值众数，当单个超像素的所述像素值众数只有一个时，将所述像素值众数作为对应超像素的所述初始超像素值；当单个超像素的所述像素值众数有多个时，将多个所述像素值众数的中位数作为对应超像素的所述初始超像素值。
6.进一步地，所述超像素范围类别是指将所述初始超像素值的像素值范围平均划分为多个子像素值范围，令一个所述子像素值范围对应一个所述超像素范围类别。
7.进一步地，所述类别超像素值为所述初始超像素值。
8.进一步地，所述每个超像素的总编码的获取方法，包括：分别根据所述第一范式霍夫曼树和所述第二范式霍夫曼树构建对应的范围类别霍夫曼编码表和差值类别霍夫曼编码表；根据每个超像素的所述超像素范围类别和所述差值类别，相对应从范围类别霍夫曼编码表和差值类别霍夫曼编码表分别获取对应超像素的范围类别编码和差值类别编码；将单个超像素的范围类别编码和差值类别编码按照范围类别编码在前、差值类别编码在后的组合方式组成为一个所述总编码。
9.进一步地，所述密钥序列的获取方法，包括：按照所述第一信源符号顺序序列在前、所述第二信源符号顺序序列在后的组合方式组成所述密钥序列。
10.进一步地，所述基于权限级别的数量将所述密钥序列分为多个子序列的方法，包括：根据设定的权限级别数量，将所述密钥序列划分为与权限级别相等数量的子序列，其中第级权限对应子序列中的元素包含第级权限对应子序列中的所有元素，最高级权限对应的子序列应与所述密钥序列相等。
11.本发明实施例至少具有如下有益效果：对视频中的每帧图像进行超像素分割，基于分割结果获取每个超像素所属的超像素范围类别和差值类别，进而根据超像素范围类别和差值类别的出现概率，获取超像素范围类别的第一范式霍夫曼树所对应的和差值类别的第二范式霍夫曼树，基于第一范式霍夫曼树和第二范式霍夫曼树对每帧图像进行编码加
密，同时利用第一范式霍夫曼树和第二范式霍夫曼树的信源符号顺序序列进行多级权限的密钥获取，以实现对视频的多级加密传输，使得不同权限级别能够查看不同的相对应的视频内容，提高了加密安全性。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
13.图1为本发明一个实施例提供的一种基于霍夫曼编码的视频数据加密传输方法的步骤流程图；图2为本发明实施例所提供的一种传统霍夫曼树的示意图；图3为本发明实施例所提供的一种范式霍夫曼树的示意图。
具体实施方式
14.为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于霍夫曼编码的视频数据加密传输方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
15.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
16.下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种基于霍夫曼编码的视频数据加密传输方法的具体方案。
17.请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种基于霍夫曼编码的视频数据加密传输方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：步骤s001，对视频进行分解得到多帧图像，基于距离度量准则分别对图像进行超像素分割，得到每帧图像的超像素分割图。
18.具体的，将视频进行分解得到每一帧图像，对于视频的每一帧图像，本发明实施例根据距离度量准则通过slic超像素分割算法对每帧图像进行超像素分割，具体过程为：（1）对于大小为的图像，设定每个超像素的大小为，则将个超像素的种子点均匀地分配在图像上，其中，为向上取整，用于调整种子点；根据距离度量准则计算种子点的邻域的范围内所有像素点与种子点的距离，根据距离将每个像素点分配给对应的种子点，将特征相似的像素点生成超像素；将每个超像素内所有像素点的坐标重心作为该超像素的新种子点位置；重复迭代上述分配和获取新种子点的步骤10次，获得图像的初始超像素分割结果。
19.（2）基于图像的初始超像素分割结果，根据每个初始超像素的复杂度进行再次分
割，得到对应的超像素分割图。
20.具体的，由组成初始超像素的像素点总数量和像素值计算每个初始超像素的复杂度，复杂度计算公式为：，其中，为像素值的概率，为像素值的像素数量，为组成第个初始超像素的像素总数量，为组成第个初始超像素的所有像素点的像素值的众数。
21.初始超像素中的像素值类型越多，初始超像素的复杂度越大，众数对应像素值的周围像素值的概率越高，初始超像素的复杂度越小。
22.对于复杂度复杂度阈值的初始超像素，按照步骤（1）继续进行该初始超像素分割，其中分割后的初始超像素的尺寸大小为，重复上述步骤，每进行一次超像素分割，超像素的大小变为原来的，直至超像素的复杂度复杂度阈值或该超像素的尺寸不大于，则停止分割，进而得到一张超像素分割图。
23.（3）利用步骤（1）和步骤（2）的方法，获取视频中每帧图像的超像素分割图。
24.步骤s002，获取每个超像素分割图中每个超像素的初始超像素值，根据初始超像素值获取对应超像素的超像素范围类别和类别超像素值；计算每个超像素的初始超像素值和对应的类别超像素值之间的像素值差值，根据像素值差值获取对应超像素的差值类别；根据所有超像素的超像素范围类别的数量计算每个超像素范围类别的第一出现概率，基于第一出现概率构建超像素范围类别对应的第一范式霍夫曼树；根据所有超像素的差值类别的数量计算每个差值类别的第二出现概率，由第二出现概率构建差值类别对应的第二范式霍夫曼树。
25.具体的，结合范式霍夫曼树的固定结构，导致根据范式霍夫曼编码表进行编码的图像，其信源符号的顺序序列为解码视频的关键，对于视频中的图像，其对应的信源符号为像素值，像素值的范围为，即信源符号的种类有256种，但信源符号的顺序序列较长，而常规进行全新分等级时，所划分的等级大多在10个左右，同时过多类型的信源符号会导致霍夫曼树较大，进而影响后续解码的效率，因此本发明实施例通过将超像素的初始超像素值划分为16个超像素范围类别，对于每个超像素范围类别进一步划分为16个细节类别，具体步骤为：（1）对于当前超像素分割图，像素点的像素值范围为，将组成每个超像素的多个像素点的像素值的众数作为对应超像素的初始超像素值，当存在多个众数时，则将多个众数的中位数作为对应超像素的初始超像素值，则超像素的初始超像素值的范围为，因此，根据初始超像素值的像素值范围将超像素划分为个超像素范围类别。
26.具体的，将初始超像素值的像素值范围平均划分为多个子像素值范围，令一个子像素值范围对应一个超像素范围类别，当初始超像素值在子像素值范围[0，15]内时，对应
超像素在第1超像素范围类别，当初始超像素值在子像素值范围[16，31]内时，对应超像素在第2超像素范围类别，然后以此类推得到当初始超像素值在子像素值范围[240，255]内时，对应超像素在第16超像素范围类别。
[0027]
（2）获取组成当前超像素的多个像素点的像素值的众数，得到当前超像素的初始超像素值；将当前超像素的初始超像素值除以取商，然后商值加的结果即为当前超像素对应的超像素范围类别，同时当前超像素的初始超像素值作为当前超像素对应超像素范围类别的类别超像素值，进而得到当前超像素分割图中每个超像素的超像素范围类别和对应的类别超像素值。
[0028]
作为一个示例，对于初始超像素值在的超像素，其初始超像素值除以取商加后均为，因此初始超像素值在的超像素均属于第3超像素范围类别，相对应第3超像素范围类别的类别超像素值为32，即类别超像素值为，其中为超像素范围类别的类别数。
[0029]
（3）对于属于同一个超像素范围类别的超像素，其类别超像素值相同，因此同一个超像素范围类别的超像素值不能体现出各自的差异性，而且该类别超像素值不能表现超像素的真实值，因此本发明实施例将每个超像素范围类别中的超像素细分为16个细节类别，进而得到当前超像素分割图中每个超像素对应的细节类别。
[0030]
具体的，由于每个超像素范围类别对应的像素值范围的像素值极差为16，故可将超像素分为16个差值类别；计算当前超像素分割图中每个超像素的初始超像素值与对应类别超像素值的像素值差值，该像素值差值作为对应超像素的细节超像素值，则将该像素值差值作为对应超像素的细节类别，同时，细节类别也可称为差值类别。
[0031]
作为一个示例，对于初始超像素值为的超像素，其属于第3超像素范围类别，对应的类别超像素值为，则初始超像素值与类别超像素值的像素值差值为，也即该超像素的细节超像素值为，因此，初始超像素值为的超像素属于第4差值类别。
[0032]
（4）利用步骤（1）至步骤（3）的方法，能够得到每张超像素分割图中每个超像素的超像素范围类别和对应的类别超像素值、差值类别和对应的像素值差值。
[0033]
进一步地，首先统计所有超像素分割图中每个超像素的超像素范围类别，得到超像素范围类别总数量，将超像素范围类别总数量与每个超像素范围类别的第一数量之间的比值作为对应超像素范围类别的第一出现概率，则一个超像素范围类别对应一个第一出现概率；同理，统计所有超像素分割图中每个超像素的差值类别，得到差值类别总数量，将差值类别总数量与每个差值类别的第二数量之间的比值作为对应差值类别的第二出现概率，则一个差值类别对应一个第二出现概率。然后根据每个超像素范围类别的第一出现概率构建对应的第一范式霍夫曼树，具体为：以超像素范围类别为信源符号，根节点为概率值1，进而根据16个超像素范围类别的第一出现概率得到一个17层节点的第一范式霍夫曼树，以同理根据每个差值类别的第二出现概率构建对应的第二范式霍夫曼树，具体为：以差值类别为信源符号，根节点为概率值1，进而根据16个差值类别的第二出现概率得到一个17层节点的第二范式霍夫曼树。
[0034]
需要说明的是，参照附图2和附图3，图2为传统霍夫曼树示意图，且该图中的
为信源符号、每个方框中的小数为概率值，图3为范式霍夫曼树的示意图，且该图中的为信源符号、每个方框中的小数为概率值，范式霍夫曼树是在传统霍夫曼树的基础之上，进行了一些强制性的约定，即：对于范式霍夫曼树的同一层节点中，将分支的节点都调整到右边，且按照左0右1的方式分配编码。对于传统霍夫曼树，信源符号对应的编码为：，对于范式霍夫曼树，信源符号对应的编码为：，对于固定结构的范式霍夫曼树，只需要存储信源符号的顺序，不需要存储信源符号对应的编码，即可获得对应的霍夫曼编码表。
[0035]
步骤s003，基于第一范式霍夫曼树和第二范式霍夫曼树，根据单个超像素的类别超像素值和像素值差值得到每帧图像中每个超像素的总编码；获取第一范式霍夫曼树的第一信源符号顺序序列和第二范式霍夫曼树的第二信源符号顺序序列，将第一信源符号顺序序列和第二信源符号顺序序列组成视频的密钥序列，基于权限级别的数量将密钥序列分为多个子序列，利用aes加密算法分别对子序列进行加密得到对应的等级密钥。
[0036]
具体的，分别根据第一范式霍夫曼树和第二范式霍夫曼树构建对应的范围类别霍夫曼编码表和差值类别霍夫曼编码表。根据视频的每帧图像中的每个超像素的超像素范围类别和差值类别，从范围类别霍夫曼编码表和差值类别霍夫曼编码表分别获取每个超像素的范围类别编码和差值类别编码，然后将单个超像素的范围类别编码和差值类别编码按照范围类别编码在前、差值类别编码在后的组合方式组成为一个总编码，则可得到每帧图像中每个超像素的总编码，实现了对每帧图像的加密。
[0037]
作为一个示例，对于初始超像素值为的超像素，该超像素属于第3超像素范围类别，对应的类别超像素值为、细节超像素值为，属于第4差别类别，因此在范围类别霍夫曼编码表中，第3超像素范围类别对应的编码为，即该超像素的范围类别编码为，而在差值类别霍夫曼编码表中，第4差别类别对应的编码为，即该超像素的差值类别编码为，然后将该超像素的范围类别编码和差值类别编码按照范围类别编码在前、差值类别编码在后的顺序组合成编码，则初始超像素值为的超像素的总编码为。
[0038]
由于本发明实施例采用范式霍夫曼编码对视频进行编码，而范式霍夫曼编码对应的范式霍夫曼编码表只需要存储信源符号的顺序，不需要存储信源符号对应的编码，因此信源符号的顺序序列为解码视频的关键，故本发明实施例根据第一范式霍夫曼树和第二范式霍夫曼树的信源符号的顺序序列组合为一个长度为32位的密钥序列，然后根据对权限级别的要求，将密钥序列分成多个子序列，通过aes加密算法对每个子序列进行加密获得对应的等级秘钥，具体为：分别获取第一范式霍夫曼树对应的第一信源符号顺序序列和第二范式霍夫曼树对应的第二信源符号顺序序列，由于第一信源符号顺序序列和第二信源符号顺序序列的长度都为16，因此将第一信源符号顺序序列和第二信源符号顺序序列按照第一信
源符号顺序序列在前、第二信源符号顺序序列在后的组合方式组成一个长度为32的序列，将该序列称为密钥序列；根据设定的权限级别，将密钥序列划分为与权限级别相等数量的子序列，且第级权限对应的子序列中的元素包含第级权限对应的子序列中的所有元素，则最高级权限对应的子序列应与密钥序列一样；最后利用aes加密算法对每个子序列进行加密处理得到对应的等级秘钥，则一个子序列对应一个等级密钥，一个等级密钥对应一个权限级别。
[0039]
作为一个示例，假设第一范式霍夫曼树对应的第一信源符号顺序序列为，其中，第一信源符号顺序序列中的每个元素是指超像素范围类别，同理，假设第二范式霍夫曼树对应的第二信源符号顺序序列为，其中，第二信源符号顺序序列中的每个元素是指差值类别，则第一信源符号顺序序列和第二信源符号顺序序列相对应组成的密钥序列为；同时要求的权限级别为8个等级，则将密钥序列划分为8个子序列，其中，第一等级的子序列为，第二等级的子序列为，依次类推得到第八等级的子序列等于密钥序列，且第一等级为最低等级，第八等级为最高等级，最后利用aes加密算法对每个子序列进行加密得到对应等级的等级密钥。
[0040]
步骤s004，根据等级密钥和每帧图像中每个超像素的总编码对视频进行多级加密传输。
[0041]
具体的，利用步骤s001至步骤s003的方法，能够对视频中每帧图像进行编码加密处理，且对加密后的视频设置不同权限级别的等级密钥，从而达到视频多级加密传输的目的，使得利用不同权限级别的密钥能够查看不同的相对应视频内容。
[0042]
进一步地，利用等级密钥和每帧图像中每个超像素的总编码进行不同级别权限的视频解密。根据不同等级的等级密钥对视频进行解密时，首先将总编码拆分为范围类别编码和差值类别编码，根据aes解密算法对等级密钥进行解密，获得对应的子序列；根据范围类别霍夫曼编码表和范围类别编码得到每个超像素的超像素范围类别，根据超像素范围类别获得超像素的类别超像素值；根据差值类别霍夫曼编码表和差值类别编码得到每个超像素的差值类别，同时差值类别对应超像素的像素值差值。
[0043]
根据解码出来的每个超像素的类别超像素值和像素值差值进行权限等级对应图像的显示：当权限等级较低时，只能解码出包含部分超像素范围类别的子序列，即该子序列中没有差值类别的信息，进而得到超像素的类别超像素值，然后根据解码出的类别超像素值进行显示，而对于未解码处对应类别超像素值的超像素，则按照来显示；当权限等级较高时，能解码出同时包含超像素范围类别和差值类别的子序列，进而获得超像素的像素值差值和类别超像素值，此时对类别超像素值与像素值差值进行逆运算得到超像素的初始超像素值，该值更接近超像素的真实值，使得解码出来的视频图像更完整。
[0044]
综上所述，本发明实施例提供了一种基于霍夫曼编码的视频数据加密传输方法，
该方法对视频中的每帧图像进行超像素分割，基于分割结果获取每个超像素所属的超像素范围类别和差值类别，进而根据超像素范围类别和差值类别的出现概率，分别构建对应的范式霍夫曼树，以得到对应的霍夫曼编码表，根据霍夫曼编码表对每帧图像进行编码加密，同时利用范式霍夫曼树的信源符号顺序序列进行多级权限的密钥获取，以实现对视频的多级加密传输，且保证了加密安全性。
[0045]
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0046]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0047]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。