基于3G網絡的安全審片系統

王振華，陳啟美，陳釗正

（南京大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210093）

審片在電視行業中一般是指新聞成片從記者編輯完成到最后播出的過程。由于傳統模式審片需要審片人固定在電視臺內部某個特定的區域進行，限制了審片人的時間和工作，同時也嚴重限制了節目的審查時間。雖然目前已有一些基于外網的審片系統[1－2]，但其安全性卻缺乏相應的機制來保障，或者不夠充分，一般是將節目加密后下載到審片終端，再由終端解碼后進行節目審查。這種安全機制必須進行文件的整體搬移，同時密碼不容易實時更新，容易被截獲和破解。

本文設計了一種基于Https的實時在線視頻審片模式，將MPEG－2視頻轉換為H.264格式后通過3G網絡發送到手機上，并建立一系列安全設置保證審片和相應數據的安全。

1 視頻編解碼

電視臺內存儲的MPEG－2格式視頻體積過大，不適合使用3G網絡傳輸，因此需要將其轉換為H.264格式。常用的轉碼算法有級聯像素域轉換編碼（CPDT），此算法先對視頻完全解碼，在像素域進行空間或時間的重采樣，再重新編碼。這種方法由于對宏塊數據的運動矢量和編碼模式都重新做了計算，因此重建圖像質量高，但是轉碼效率低，難以達到審片系統技術的要求。另有壓縮域處理算法（CDP），直接處理壓縮域數據，相比CPDT效率較高，得到了廣泛應用，但也有諸多困難：1）H.264定義了7種宏塊模式[3－4]，轉碼時需要對這7種模式分別測試編碼效率，運算量巨大；2）H.264提出了1/4像素運動估計的方法，以提高進度，但也因此需要對MPEG－2中的運動矢量重新搜索；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，因此無法按照傳統壓縮域視頻處理方式在DCT域進行運動補償等操作。

為解決上述困難，本文采用了如圖1所示的轉碼算法，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碼而不增加額外的計算量，在幀內編碼時使用DCT－to－PEL結構完成MPEG－2與H.264之間變換模式的轉換；在幀間編碼時使用DCT－to－DCT結構完成MPEG－2與H.264之間變換模式的轉換。進一步在幀內編碼時同樣使用DCT－to－DCT結構完成MPEG－2與H.264之間變換模式的轉換，可省略圖1中幀內預測的計算開銷。

為解決遍歷宏塊模式導致的運算量過大的問題，可以利用轉碼前后碼流數據的相關性預測H.264的宏塊模式。由于手機審片對分辨力要求不高，因此轉碼時會將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個宏塊對應H.264的1個宏塊，轉碼前MPEG－2碼流可提供的特征數據有塊模式、MV、SAD。而轉碼后通過統計計算所獲得的H.264碼流的特征數據有塊模式、MV。通過分析、比較所有這些數據，選擇其中取值相對較大的數據作為關鍵影響因子，通過這種方法減少轉碼時間，提高了轉碼效率，與此同時又不會對PSNR以及主觀性能造成很大的影響。

2 安全設置

該系統通過一系列加密和安全設置保證審片的安全性，安全設置主要包含以下4個方面：

1）設立中心服務器：中心服務器設置在內網中，并提供公網接口，主要負責MPEG－2到H.264的轉碼、視頻的加密與發布以及審片意見的接收。

2）對審片終端的證書認證：在審片終端安裝證書，證書根據終端的序列號的哈希值生成，具有唯一性，離開本機即失效。

3）視頻流的加密發布：對視頻流采用AES算法[5]加密。

4）審片意見的加密返回：終端采用證書公鑰對由審片意見、隨機數、時間戳組成的字符串加密后返回中心服務器。

2.1 中心服務器

中心服務器的設立隔離了內網和外網的數據，提高了安全性，且兼容原有審片系統。中心服務器分為轉碼模塊、發布模塊、通信模塊、密鑰庫及證書認證中心4部分組成。中心服務器的結構如圖2所示。

中心服務器接收到從電視臺內部節目制作中心發送來的MPEG－2視頻后，首先由轉碼模塊將MPEG－2視頻轉換為H.264視頻；此視頻存放在中心服務器硬盤上，由發布模塊以Https方式發布；通信模塊負責與審片終端的交互通信以及接收返回的審片意見；返回的審片意見經解密后存放在電視臺內部數據庫。

2.2 終端認證

終端為智能手機、PDA或筆記本或計算機，在終端上安裝數字證書，證書使用Openssl生成，Openssl是一個開源的加密工具，可以生成私鑰和簽發X.509證書。

對終端的認證采取如下步驟：

1）終端試圖登錄系統時，服務器將隨機數和時間戳組成的字符串使用私鑰加密后，發送到終端；

2）終端使用證書解密上述字符串；

3）終端將用戶名密碼隨機數和時間戳組成的字符串使用證書加密后發送到服務器；

4）服務器解密此字符串并驗證通過后，終端才可登錄系統。

在服務器端設置有時間窗口，若時間戳與當前系統時間差大于此窗口，則丟棄數據包。此時間窗口設置得越大，則對網絡的延遲性容忍度越高，設置得越小，則對竊聽和偽造數據的防范性越好。

對審片意見的加密同樣要通過以上步驟。

2.3 AES算法

2.3.1 加密算法

現在常用的加密方法分為對稱加密和非對稱加密兩類。對稱加密的加密和解密采用同樣的密鑰，解密即加密的逆運算。這類加密的安全性基本依賴于密鑰長度，相比非對稱加密安全性較差，且密鑰管理困難，但優點是計算速度快。非對稱加密使用兩個密鑰：公鑰和私鑰，分別用來加密和解密。這類算法安全性高，密鑰管理簡單，但算法較為復雜。為減少運算量，本系統對流媒體傳輸采用AES對稱加密算法。

AES即高級加密標準，又被稱為Rijndael加密法，是現在對稱加密最流行的算法之一，由比利時密碼學家Joan Daemen和Vincent Rijmen所設計。參考文獻[5]對算法做了詳細描述。加密算法由以下部分組成：1）一個初始化的圈密鑰加法；2）Nr－1圈變換，Nr為圈數；3）最后1圈變換。

用C偽代碼表示如下：

2.3.2 解密算法

對稱加密算法的解密算法就是加密算法的逆運算，解密算法用C偽代碼表示如下：

3 實驗結果

本實驗在Windows Mobile手機、Android手機和iPhone上都作了測試，均可正常運行。視頻分辨力為CIF（352×288），幀率為15 f/s（幀/秒）。服務器使用英特爾至強雙核處理器，Ubuntu9.04操作系統。實驗使用的網絡為電信CDMA2000。對審片系統共進行了6次延時測試，結果如表1所示。

表1 審片系統延時測試

實驗共進行了6次4.5 h測試，大部分時間播放流暢，延時為2～3 s左右，偶爾會出現緩沖，緩沖后延時會增大到約6 s。對于對延時沒有很嚴格要求的審片系統來說，這一性能可以滿足要求。

使用筆記本式計算機訪問審片系統。筆記本式計算機上已經安裝了數字證書，連接時要求確認證書，如圖3所示。點擊確認后，則終端與服務器間的通信都是經過加密的。

4 結論

該文實現了一種安全的外網審片系統，大大提高了審片的效率，且通過多種認證和加密手段保證了系統的安全性。該系統已經在南京電視臺試運行，且在Win?dows Mobile，Android，iOS上都可正常運行，實現了跨平臺的應用。

[1]姚威，鄧偉，史鵬程，等.一種網絡化文件化數字媒體節目審片系統：中國，200910305534.4[P].2010－02－17.

[2]李向坤.基于3G公用網的廣播電視新聞采集傳輸系統研究[J].中國傳媒大學學報：自然科學版，2009，16（2）：78－82.

[3]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標準[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.