关键词：网络；远程视频监控；323加密；解密
tudyonecurityofInternet-basedRemoteVideoMonitoringransmission
ZANGYuanfeng
(MinxiVocationalandechnicalCollege,Longyan,364021,China)[J13]
Abstract：Network-basedvideomonitoringsystemhasattractedmoreandmoreattention,howtoensurethesecurityofremotevideomonitoringsystemshouldbegivenadeepstudyhearticlepresentsamethodofremotevideomonitoringusing323communicationsprotocoltoachievesecurityBasedon323protocol,themethodincreasesthesafety-certificationbeinginvolvedinthesystembymonitoringendintheprocessofcallcontrolandimprovesthesecurityofremotevideomonitoringbusinessFurthermore,thecorrespondingvideomonitoringsystemhasnotonlytheperfectcallcontrolandmediacontrolprocess,butalsothegoodinteroperabilityandscalabilityduetohavingusedstandard323multi-mediaprotocol
Keywords：network;remotevideomonitoring;encrypted323;decryption[J12/3]
1引言
随着Internet网络的迅速发展，基于Internet网络的各种应用层出不穷，远程视频监控是其中很有发展前景的应用之一。一方面视频压缩技术有了很大的发展，另一方面光纤到楼，光纤到户以及ADL等多种网络接入方式，使企业、家庭等不同用户都能方便地享受宽带Internet网络，用于家庭安全、工业控制等的基于Internet网络的远程视频监控系统已开始成为研究的热点。
目前基于Internet网络的远程视频监控系统一般采用比较简单的呼叫控制流程，如采用自定义的呼叫建立命令，而且对于视频监控系统的安全性也考虑不够充分，有的系统增加了用户认证，在远程监控端设置服务器，存放注册用户的用户名、密码以及其他信息，只有合法用户才可以呼叫本地监控端［1］。但这种安全方案中只是保证了主叫端用户登录时的安全性，而且用户管理报务器集中存放了用户名和密码，很容易成为黑客攻击对象，一但用户安全信息被窃取，整个系统的安全性就被破坏了。如果在后续的呼叫控制过程中增加被叫端参与安全认证，就可以大大加强远程视频监控业务的安全性。
2基于Internet网络的远程视频监控系统
基于Internet网络的远程视频监控系统如图1所示［2］，包括远程监控端和本地监控端。本地监控是位于监控现场的独立的嵌入式设备，负责本地音频信息的采集、编码、加密和传送，并负责对以下第3节中提出的远程监控密码的安全认证。
远程监控端是具有远程监控功能的计算机或IP可视终端，负责对以下第3节中提出的远程监控密码进行加密和传送，并负责在远程监控密码被安全认证通过之后，对被监控端音视频媒体数据进行解密、解码和播放。远程监控端与本地监控端之间通过Internet网络连接。
3采用323协议实现安全的远程视频监控的方法和原理
IU-323协议体系为现有的分组网络提供多媒体通信的标准，它规定基于分组网进行两点/多点实时媒体通信的系统逻辑组件、消息定义和通信过程［3］。323已广泛地应用于可视电话、视频会议等IP宽带业务中。
这里所描述的实现基于Internet网络的安全的远程视频监控的方法是在．323多媒体通信协议流程的基础上，增加了远程监控密码的加密、传送、解密和验证的过程，以及在远程监控密码通过验证后，本地监控端的音视频媒体数据的加密、传送和解密的过程。
采用323协议实现安全的远程视频监控的方法主要包括以下3个部分［4］：
(1)利用323消息流程传送和验证远程监控密码的过程；
(2)远程监控密码的加密和解密过程；
(3)音视频媒体数据的加密和解密过程。
31.利用323消息流程传送和验证远程监控密码的过程[B)]
利用323消息流程传送和验证远程监控密码的过程，可以有2种方式，一种方式是在呼叫控制流程中传送和验证远程监控密码，另一种方式是在呼叫控制和媒体控制过程后传送和验证远程监控密码［］。
311方式一
如图2所示，在呼叫控制流程中传送和验证远程监控密码的方式，具体过程如下：
（1）远程监控端呼叫本地监控端，将远程监控密码暗文作为22消息中的扩展项传送至本地监控端；
（2）本地监控端接收到22消息，从扩展项取出远程监控密码暗文，解密后与本地监控端存储的监控密码进行比较，如果比较结果一致，密码验证通过，则进入24媒体控制交互流程，如果24交互成功，则本地监控端开始向远程监控端传送被监控现场的音视频媒体数据；如果比较结果不一致，密码验证失败，结束通信。
312方式二
如图3所示，在呼叫控制和媒体控制过程后传送和验证远程监控密码的方式，具体过程如下：
（1）远程监控端呼叫本地监控端，呼叫成功并且24媒体控制交互成功，则本地监控端要求远程监控端输入远程监控密码；
（2）远程监控端采用DMF（DoubleoneMultiFrequency，双音多频）方式以每次单个字符传送远程监控密码暗文；
其中，DMF可以采用以下4种承载方式之一对暗文的远程监控密码进行打包传送：
①通过Q931信息传输;
②通过24的IGNAL字段传输;
③通过24的IRING字段传输;
④通过RP音频逻辑通道传输，载荷类型为101，遵循标准RFC2833。
（3）本地监控端接收远程监控密码单字符暗文并解密、保存，当收到远程监控密码结束符或设置的接收远程监控密码定时器超时，则将收到的远程监控密码与本地监控端存储的监控密码进行比较，如果比较结果一致，密码验证通过，则本地监控端开始向远程监控端传送被监控现场的音视频媒体数据；如果比较结果不一致，密码失败、结束通信。
以上2种方式中，方式一的优点是远程监控端与本地监控端通信流程比较简洁，而且由于监控密码的验证在呼叫控制阶段，因此如果密码验证失败，则不需要再进行24媒体控制等流程，系统对于监控密码错误的响应时间很快。方式二的优点是除加密、解密部分以外，远程监控端可以是支持DMF的普通323终端，22呼叫控制和24媒体控制都是标准流程，不需要定制。
32远程监控密码的加密和解密的过程
远程监控密码以暗文方式传送，它由远程监控端发送，本地监控端接收和验证。首先，被监控端需要配置和保存远程监控密码。可以使用统一的远程监控密码，也可以采用不同的呼叫别名对应不同的远程监控密码。监控密码一般会有一定的位数限制，数据量很小，因此远程监控密码的加密可采用公钥加密算法，如RA算法。具体过程如下：
（1）远程监控端获得本地监控端的公钥；
（2）远程监控端采用公钥加密算法，使用（1）中公钥加密远程监控密码，并发送给本地监控端；
（3）本地监控端接收到监控密码暗文后，使用与（1）中公钥对应的私钥将暗文的监控密码转换为明文监控密码。
33音视频媒体数据的加密和解密过程
被监控现场的音视频媒体数据是由本地监控端发送，远程监控端接收。音视频媒体数据以加密的方式进行传送。音视频媒体数据量大，它的加密和解密可以使用对称密钥加密算法与公钥加密算法相结合的方法，即大量的音视频数据的加密、解密使用对称密钥加密算法，如DE算法，而利用公钥加密算法安全地交换执行对称加密时使用的机密密钥。具体过程如下：
（1）本地监控端创建一个随机机密密钥，本地监控端使用该机密密钥，采用对称密钥算法加音视频媒体数据；（2）本地监控端获得远程监控端的公钥，并使用该公钥，采用加密算法加密（1）中的机密密钥；
（3）本地监控端将暗文机密密钥和音视频媒体数据一起发给远程监控端；
（4）远程监控端使用与（2）中公钥对应的私钥将暗文机密密钥转换为明文，再利用该机密密钥将暗文音视频媒体数据转换为明文数据。
4结语
这里针对目前基于Internet网络的视频监控系统的一些问题，提出一种采用323通信协议实现安全的远程视频监控的方法，该方法在323协议的基础上，增加了系统在呼叫控制过程中本地监控端参与的安全认证，加强了远程视频监控业务的安全性，克服了仅在主叫端增加用户管理服务器，安全性易于受到破坏，维护成本高等缺点。
另外，由于采用标准的323多媒体协议,使相应的视频监控系统不仅具有完善的呼叫控制和媒体控制过程,而且具有较好的互通性和可扩展性,并可根据用户的需求增加其安全策略和附加功能等。
参考文献
［1］王萍，陈孝莲，林善明，等基于IP组播技术视频传输系统的设计与实现［J］计算机工程与设计，2004,2(12):234-236,239
［2］李虎，林中远程网络视频监控系统的设计与实现［J］现代电视技术，2004(6):1-3
［3］蔡婷婷，朱秀昌323中RP/RCP协议的分析与实现［J］世界网络与多媒体，2001():33-36
［4］王汇源，王峰一种用于远程图像监控系统的视频编码方案［J］计算机工程，2004(4):22-23
［］雷国雨，姜颖典型加密算法分析与信息安全加密体系设计［J］西南科技大学学报，200(4):26-28
关键词：H.263CIFDCTIDCT运动估计与运动补偿
运动图像远程实时传输系统的网络传输部分架构在Internet之上，则现阶段Internet的状况是带宽小、延迟大、不稳定。所以为了获得良好的实时传输效果，除了改善传输控制机制之外，还需要实现高压缩比、低耗时、能达到实时压缩和解压缩效果的运动图像压缩方法。H.263是国际电信协会-电信标准化部门ITU-T（TheInternationalTelecommunicationsUnion-Telecom-municationStandardizationSector）于1995年通过的用于低比特率实时传输的视频编码协议。其设计初衷是满足带宽低于64kbps的低带宽视频应用需求，如视频会议、可视电话等。现在H.263也被应用于运动图像远程实时传输系统中，但原始的H.263在实时性和压缩比等方面还有不少可优化余地。本文针对具体的运动图像远程实时传输系统应用，在大量研究工作基础上提出多个H.263的优化策略，并取得了相当好的效果。
1H.263压缩算法的分析概要
H.263的输入视频帧格式为QCIF（QuarterCommonIntermediateFormat,大小为176×144）、CIF（CommonIntermediateFormat,大小为352×288）等。将每个视频帧分成许多宏块（MB-MicroBlock），每个宏块由4个Y亮度块、1个Cb色度块和1个Cr色度块组成。块（Block）的大小为8×8。H.263以宏块为单位进行视频帧的压缩。
H.263使用离散余弦变换DCT（DiscreteCosineTransform）减小空间冗余，使用运动估计和运动补偿（MotionEstimationandMotionCompensation）减小时间冗余。H.263有两种编码方式，一种是Intra方式，帧内编码，产生的帧作为关键帧-I帧；另一种是Inter方式，帧间编码，产生的帧作为非关键帧-P帧。
通过分析，将H.263压缩算法的流程图归纳为如图1所示。
通过分析和测试表明，DCT、运动估计和运动补偿是H.263最重要的部分，同时也是H.263实现中最耗时的运算环节。要提高H.263的运算速度，就要针对这些环节进行优化。
图1H.263压缩算法流程图
2转换函数、DCT和运动估计环节的优化
2.1色彩空间转换函数的优化
CIF格式基于YUV色彩空间，而应用程序中，大多数视频采集程序只提供RGB色彩空间的视频帧，因此需要建立从RGB色彩空间到YUV色彩空间的转换函数。
RGB到YUV的转换函数如下所示，其中Y为YUV色彩空间的亮度值，U（Cb）和V（Cr）为YUV色彩空间的色度值。
Y=0.299×R+0.587×G+0.114×B；
Cr=V=(R-Y)×127/179;
Cb=U=(B-Y)×127/226;
H.263原有的色彩空间转换算法采用浮点运算，但浮点运算会消耗较多的CPU周期。为了加快视频处理速度，采用整形乘法和向右移位来代替浮点乘除，从而有效缩短了转换时间。
优化后的转换函数如下：
Y=((R×313524)20)+((G×615514)20)×((B×119538)20);
Cr=V=((R-Y)×743962))20;
Cb=U=((B-Y)×589244))20;
2.2DCT、IDCT算法的优化
二维DCT公式为：
二维IDCT公式为：
上述两式中，,n取8。
通过分析得出，DCT快速算法的实现可以有两种方式。一种方法是把已有的快速变换算法（如FFT、FHT等）映射到DCT计算中，这种方式多了一个映射环节，增加了计算的复杂度；另一种方法是从DCT变换本身寻找规律进行改进。
在H.263应用中，注意到两条规则：一是能量集中在少部分DCT系数上；二是随着量化步长的增大，被量化为零的DCT系数增多，而且对DCT计算的精度要求降低。于是，采用一种零系数预测策略，即根据量化步长，首先对DCT变换的输入数据分类，对于给定的量化步长，如果输入数据将要被量化为0，那么这些数据就不必做DCT运算，而直接将变换结果置为0。这样只需对部分数据进行DCT变换，因此节省了大量无效运算。另外，利用DCT的局部并行性，使用Intel的多媒体处理指令集-MMX来实现DCT计算，大幅度提高了运算速度。
2.3运动估计与运动补偿算法的优化
运动估计是指在参考帧中搜索一个与当前帧图像块最相似的图像块，即最佳匹配块，搜索结果用运动向量来表示。运动补偿是指利用参考帧和已求得的运动向量重构当前帧，氢重构帧和当前的差值作为当前帧的补偿值进行压缩编码。两者互相配合，共同实现压缩效果。
运动估计算法的研究从两方面着手：快速搜索算法和块匹配准则。
最简单的搜索算法是全搜索法（FS），这种算法精度高，但计算量过于庞大。为了加快运算速度，保证精度，人们提出了很多快速搜索算法：三步法（TSS）及基于三步法的改进算法、二维对数法（LOGS）、交叉搜索法（CS）、四步法（4SS）、预测搜索法（PSA）、钻石搜索法（DS）等。钻石搜索法是迄今为止综合性能最优的快速搜索算法之一，用于本次项目研究中。
块匹配准则决定何时找到最佳匹配块，从而终止搜索进程。传统的准则有绝对平均误差函数（MAE）、互相关函数（CCF）、均方误差函数（MSE）、最大误差最小函数（MME）等。由于传统方法没有考虑人眼的视觉特性，所以判断结果和人眼的感知相差较大。实际H.263采用的块匹配准则为MSE的替代准则SAD（绝对差和），两者的公式如下：
其中：F0和F-1分别代表当前帧和重构帧（参考帧）；k,l为待编码宏块在当前帧中的坐标；x、y为重构帧中参考宏块的坐标；N表示宏块的尺寸，此处为16。从公式中可见，SAD用绝对值运算代替了MSE的乘方运算，明显降低了运算量，从而可以加快计算速度。
测试表明，SAD的计算量要比MSE的计算量减少三分之一，而它们的图像效果相当。
此外，还可以利用硬件特性加速块匹配准则的运算速度，Intel的MMX技术提供了这种特性。SAD等块匹配准则主要针对短数据的重复计算，MMX增加了系统单个指令操作数据的数目（SIMD），从而可以在一个指令中完成多组数据的计算，实现并行机制，从而加快运算速度。
3提高压缩比的选择
H.263提供了许多高级模式来提高视频压缩比。从对压缩效率的贡献角度看，大运动向量模式、高级预测模式、PB帧模式和增强PB帧模式是最重要的4个高级模式。
在大运动向量模式和高级预测模式下，运动向量可以指到图像边界以外，增大了运动向量的表达范围，从而在本质上提高了运动补偿的精度以改善编码效率。
基本PB帧模式下，一个PB帧是一个P帧和一个B帧组成的整体。当前P帧由前一个P帧预测得到，B帧则由单一个P帧和当前P帧预测得到（见图2）。PB帧模式在增加较少比特数的情况下，将帧率提高了近一倍。
增强PB帧模式的主要改进点在于预测方式的增强。基本PB帧模式对B帧图像（或宏块）仅允许使用双向预测，而增强的PB帧模式对B帧图像则允许使用前向预测（见图3）、后向预测（见图4）和双向预测（见图2）三种手段。这样，在压缩过程中，有机会选择更适合的预测方法处理B帧图像（或宏块），从而提高B帧的压缩效率。基本PB帧模式的B帧只能通过双向预测获得，这对慢速运动图像效果较好。当输入运动图像存在快速不规则的运动时，B帧质量会急剧恶化，而增强PB帧模式的B帧有三种预测方式可选，可以解决这一难题。通过分析和测试表明，增强PB模式比基本PB帧模式有更强的鲁棒性，更适用于运动图像远程实时传输。
大运动向量模式和高运动预测模式由于增大了运动向量的表示范围，可以增强运动补偿的精度，从而提高压缩比；而增强PB帧模式引入B帧，有三种预测方式可以生成B帖，在相同帧率的情况下，将压缩比提高近80%，压缩效果明显。在实际程序设计中，笔者配合传输环境测试模块，在网络带宽较低时实现这三种方式的配合使用，发挥了更大的压缩效率，达到更高的压缩比。
4实验数据和性能分析
4.1算法优化测试
分别取100帧三种不同格式（SUB-QCIF：88×72，QCIF：176×144，CIF：352×288）的视频值，每20帧取1个关键帧，视频帧质量取6000，比较优化前和优化后算法的时间效率，结果如（图5）所示。
纵轴单位为毫秒，表示压缩完成所需时间。可见，要处理的视频帧越大，优化后的算法取得的加速效果越明显。
4.2增强PB帧模式压缩效果测试