基于FPGA的可嵌入视频附加信息的H.264编解码研究与实现

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数字视频伴随着通信网络的高速发展逐渐演变成为最主要的多媒体内容之一,使用数字视频作为载体对敏感信息进行隐蔽传递的应用需求也不断提高。从民用领域中的商用版权认证到军用领域中的对敌侦察数据传输,可嵌入附加信息的H.264视频编解码方案已成为数字视频压缩编码和信息安全交叉学科下的研究热点并具有重要的研究意义。对视频编码附加信息嵌入系统中如何提高敏感信息的安全性、扩充可嵌入信息的容量以及减小额外嵌入对视觉质量的影响是本研究的重要内容。同时,FPGA作为可编辑的数字逻辑芯片继承了专用集成电路包括高并行计算能力在内的大部分工程优点,同时也解决了专用芯片设计周期长灵活性较差的缺点,使用FPGA作为视频编码附加信息嵌入系统的硬件实现平台不仅直观地验证了本设计的功能完整性也具有一定工程应用价值。本文在深入分析视频编码附加嵌入系统的功能需求和性能需求之后,提出包括原始信息加密与解密的完整系统实现方案,完善了过往研究中较少对嵌入信息安全性的研究。针对H.264视频编码中的两项关键技术分别提出相应的编码信息嵌入算法,并最终结合原始信息加密完成了基于FPGA的可嵌入附加信息的H.264视频编码硬件实现。主要工作如下:(1)创新性地引入下一代加密技术抗量子密码中具有代表性的R-LWE格加密作为对原始附加信息的加密算法,提高了附加系统在量子计算环境下的安全性。并针对加密过程中多项式乘法的计算难点,引入数论变换并进行数学理论结合硬件电路的优化,使本信息嵌入系统设计具有一定的技术领先性与应用前瞻性。(2)详细分析了H.264编解码过程中帧内预测编码与帧间预测编码两项关键技术,基于这两种编码过程中各自的数据特点提出基于4×4像素亮度预测编码中的QDCT系数块帧内编码附加信息嵌入算法和基于运动矢量偏移的帧间附加信息嵌入算法,并分析比较了不同嵌入参数下的嵌入图像质量。(3)综合原始信息抗量子加密与视频编码嵌入算法的研究内容提出完整的可嵌入视频附加信息的H.264编码嵌密方案与解码提取方案。详细设计了原始输入信息从编码方式到加密步骤,从帧内编码嵌入辅助先导信息到帧间编码嵌入密文信息的完整编码附加信息嵌入方案。最终使用FPGA对该嵌入系统进行硬件实现并使用软件平台分析解码、解密后的内容,从而达到了本课题的研究目标。
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