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Real-time Video Encryption and Decryption Framework based on Start Code Information

Real-time Video Encryption and Decryption Framework based on Start Code Information
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Issue Date
2022. 2
In this dissertation, a selective encryption and decryption framework based on the start code for encoded video data is proposed. There is a growing need to encrypt video information to protect video content from privacy invasion and intellectual property infringement caused by information leakage. Although encrypting an entire video is a straightforward approach, the cost to encrypting a large amount of video data is substantial, considering the overall computational complexity. Consequently, selective encryption algorithms have been actively researched in recent years and have contributed to reducing the computational complexity. However, existing selective encryption algorithms have certain drawbacks. For instance, it is difficult to separate the video encryption algorithm from the video compression algorithm because the encryption framework is based on the syntax elements. Further, a partial reconstruction of the encrypted video bitstream is often unavoidable. In this dissertation, I have proposed a real-time video encryption framework that will enable a key functionality: codec-independent encryption and decryption. As one solution to this framework, the proposed method encrypts the bitstream based on the start code rather than on the syntax elements. Encrypting the bitstream partially, based on the start code, makes it easy to separate the video encryption algorithm from the video compression algorithm. Furthermore, encrypting the part adjacent to the start code protects the video content, as video reconstruction using a video decoder is impossible, unless the correct start code is returned to the bitstream. The experimental results show that the proposed method for high efficiency video coding reduced the encryption and decryption times by approximately 97% and 98%, respectively, compared to the encryption and decryption of the entire video bitstream. In addition, a cryptanalysis for high efficiency video coding bitstream encryption based on the start code is proposed in this dissertation. As a result of studying the cryptanalysis of the encryption algorithm based on the start code, it was found that there is a security vulnerability for the ciphertext-only attack. The proposed method presents a method to restore the encrypted first byte of the network abstraction layer unit header by analyzing the unencrypted high efficiency video coding bitstream. The first byte of the network abstraction layer unit header can be restored using the unencrypted parts, such as the order, syntax element, and length of the network abstraction layer unit. The experimental results demonstrated the security vulnerability by breaking the start code-based encryption algorithm that is difficult to recover using the brute-force attack with only one to six recovery attempts using the proposed ciphertext-only attack. With cryptanalysis, it was possible to show that the real-time video encryption framework is able to provide a way to protect the real-time encoded video data with reasonable protection.|본 학위 논문에서는 부호화 된 비디오 데이터에 대한 시작 코드에 기반한 선택적 암호화 및 복호화 프레임워크를 제안한다. 정보 유출로 인한 사생활 침해 및 지적 재산권 침해로부터 영상 콘텐츠를 보호하기 위해 영상 정보를 암호화 해야 할 필요성이 증가하고 있다. 전체 비디오를 암호화 하는 것은 간단한 접근 방식이지만 많은 양의 비디오 데이터를 암호화 하기 위해 상당한 비용의 계산 복잡성을 고려해야 한다. 따라서 최근 몇 년간 선택적 암호화 알고리즘에 대한 연구가 활발히 진행되었고 계산 복잡도를 줄이는 데 기여하고 있다. 그러나 기존의 선택적 암호화 알고리즘에는 몇가지 단점이 있다. 예를 들어, 암호화 프레임워크는 비디오 암호화 과정 중에 생성되는 구문 요소를 기반으로 하기 때문에 비디오 암호화 알고리즘과 비디오 압축 알고리즘을 분리하는 것은 어렵다. 또한, 암호화된 비디오 비트스트림의 부분적인 복원은 대체적으로 불가피하다. 본 학위 논문에서는 코덱으로부터 독립적인 암호화 및 복호화라는 핵심 기능을 가능하게 하는 실시간 비디오 암호화 프레임워크가 제안되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안하는 방법은 구문 요소가 아닌 시작 코드를 기반으로 비트스트림을 암호화 한다. 시작 코드를 기반으로 비트스트림을 부분적으로 암호화 하면 비디오 암호화 알고리즘과 비디오 압축 알고리즘을 쉽게 분리할 수 있다. 또한, 시작 코드에 인접한 부분을 암호화 하면 올바른 시작 코드가 비트스트림으로 복원되지 않는 한 비디오 복호화기를 사용한 비디오 재생이 불가능하므로 비디오 콘텐츠를 보호한다. 실험 결과로 HEVC 압축 비트스트림에 제안된 방법을 적용하였을 때, 전체 비디오 비트스트림의 암호화 및 복호화에 비해 암호화 및 복호화 시간을 각각 약 97% 및 98% 감소시키는 것으로 확인되었다. 게다가, 본 학위 논문에서는 시작 코드를 기반으로 한 HEVC 비트스트림 암호화에 대한 암호 해독 방법을 제안한다. 시작코드 기반의 암호화 알고리즘의 암호 해석을 연구한 결과, ciphertext-only 공격에 대한 보안 취약점이 있음을 발견하였다. 제안하는 방법은 암호화 되지 않은 HEVC비트스트림을 분석하여 NAL unit header의 암호화 된 첫번째 바이트를 복원하는 방법을 제시한다. NAL unit header의 첫번째 바이트는 NAL 단위의 순서, 구문 요소 및 길이와 같은 암호화 되지 않은 부분을 사용하여 복원할 수 있었다. 실험 결과로 제안된 ciphertext-only 공격을 사용하여 1회에서 6회까지의 복원 시도만으로 brute-force 공격으로 복원하기 어려운 시작 코드 기반 암호화 알고리즘을 깨뜨려 보안 취약점을 입증하였다. 암호 해독 방법을 통해 실시간 비디오 암호화 프레임워크가 실시간으로 압축된 비디오 데이터를 합리적으로 보호하는 방법을 제공할 수 있다는 것을 보여 줄 수 있었다.
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