謝慧芝，劉 曄，彭 煜，郭 昊

（1.南昌大學電子信息工程系，江西南昌 330031;2.暨南大學信息與科學技術學院電子系，廣東廣州 510632;3.中國移動通信集團江西吉安分公司，江西吉安 343000）

基于Android的嵌入式加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究應用

謝慧芝1，劉 曄1，彭 煜2，郭 昊3

（1.南昌大學電子信息工程系，江西南昌 330031;2.暨南大學信息與科學技術學院電子系，廣東廣州 510632;3.中國移動通信集團江西吉安分公司，江西吉安 343000）

信息技術飛速發(fā)展，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經跟不上時代的步伐，需要設計一種方便攜帶、安全性能高、可隨時觀察的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。簡要介紹了嵌入式加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成，對Android客戶端的通信機制、AES加密算法做了重點的闡述。同時對目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在的許多問題進行了分析，并針對性地提出了解決方案。

Android，嵌入式，AES，視頻監(jiān)控

【本文獻信息】謝慧芝，劉曄，彭煜，等.基于Android的嵌入式加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究應用［J］.電視技術，2014，38（3）.

視頻監(jiān)控是一種防范能力較強的綜合系統(tǒng)，是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，視頻監(jiān)控擁有直觀、準確、及時和信息豐富等優(yōu)點，能夠廣泛應用于各種場合［1］。在近幾個世紀的發(fā)展中，伴隨著3G/4G通信與嵌入式技術的蓬勃發(fā)展，視頻監(jiān)控技術也發(fā)逐漸由企業(yè)化進入人們的日常生活中。

與此同時，隨著人們對個人隱私保護重視程度的逐年增加，視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本的監(jiān)控功能已經不能滿足人們的需求，人們在得到消息的同時考慮更多的是如何保存消息以防止消息泄露。因此監(jiān)控系統(tǒng)也需要順應時代潮流的發(fā)展，在原有的基礎上加入相應的加密模塊，實現(xiàn)對采集得到圖像的加密工作，對應的解密則設計在客戶端，根據(jù)客戶的需求對圖像進行解密處理，這樣也有效地防止在傳輸過程中信息的泄露。

1 Android平臺通信機制

Android能夠作為目前手機市場占有率最大的智能終端，主要得益于其開源的優(yōu)勢。開放源代碼使Android在應用程序的開發(fā)上具備顯著的優(yōu)勢，基于Linux的Android可以與各種基于Linux平臺的ARM嵌入式處理器進行通信。這兩點讓Android成為新一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主角。

1.1 Android 平臺概述

Android架構主要分為4層，分別為Linux內核層、系統(tǒng)運行層、應用程序框架層以及應用層［1］。內核層是一個抽象的層次，主要提供核心服務;運行層包括核心層和它所對應的虛擬機Dalvik應用層，主要預裝一組核心應用程序;應用程序框架層主要用于發(fā)布不同應用程序，具體功能應用如表1，其中Java是Android系統(tǒng)默認的開發(fā)語言［9］。

表1 Android應用機制

1.2 Android客戶端通信機制

Android客戶端通信模塊主要由4個模塊構成［9］，客戶端通信機制具體結構框圖如圖1所示。由圖1可知，當主控模塊向網絡通信模塊發(fā)出控制命令后，通信模塊接收采集得到的數(shù)據(jù)，經過視頻緩沖區(qū)到達視頻解碼模塊進行解碼，最后由視頻顯示模塊刷新屏幕時就能得到實時的傳輸影像。

2 AES加密模塊

AES加密算法即密碼學中的高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES），又稱 Rijndael加密法，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標準［10］。

圖1 Android客戶端總體框架

AES加密算法的變換是一種基于矩陣的運算，這種算法很適合用硬件來實現(xiàn)。AES加密算法除了具有中間數(shù)據(jù)量恒定的特點外，還擁有開源的大多數(shù)項目。許多的程序員都可以利用這些個開源的項目來開發(fā)適合自己所要搭載的目標板的AES加密系統(tǒng)。

2.1 AES 加密算法

AES加密算法主要由4個變換構成［8］:字節(jié)代換、行移位變換、列潤滑變換以及輪密匙加變換，具體結構如圖2。AES算法具備的優(yōu)點有:密鑰安裝速度快、占用的內存空間少、設計簡潔明了、能支持目前多有的主流應用平臺、支持并行處理、可抵御目前所有已知攻擊。

圖2 AES加密結構圖

字節(jié)代替是一種非線性字節(jié)置換。字節(jié)代替的實質就是將狀態(tài)里面的每個字節(jié)通過一系列非線性變換過程后，變成另外的字節(jié)。它是AES算法中唯一的一組非線性變換。

行移位變換類似于數(shù)字電路與邏輯設計中移位寄存器的變量存儲。具體變換過程如圖3。

圖3 AES行移位變換

列潤滑變換也可稱之為列混合，列混合的實質是矩陣的乘法，在有限域上矩陣的乘法實質是2個矩陣經過線性運算后對X4+1取模。

加輪密鑰運算簡單，可以看成有限域的加法運算，對進行過列混合以后的輸出矩陣再進行異或運算。

2.2 AES 模塊設計

AES模塊一般包括2個部分:AES加密模塊和AES解密模塊［10］。本文主要討論的是在USB2.0內加入1個AES加密模塊，加密后的數(shù)據(jù)，經過無線路由傳輸后到達PC端時，再經由專門的AES解密軟件對數(shù)據(jù)進行解密處理。AES解密模塊一般有兩種形式:第一種是將加密模塊與解密模塊放在同一個芯片內;第二種則是在PC端設置專門的解密模塊，本文采用的就是第二種方法。由于AES算法的加密過程已經在2.1節(jié)中敘述，因此本節(jié)列舉AES加密模塊的相關端口如表2所示（其中I表示輸入input，O表示輸出output，寬度的單位為bit），經由端口顯示的數(shù)據(jù)來判斷該芯片是正在加密還是已經完成一輪加密。當LD為1時，開始加密。當DONE=1時，加密過程完成一次。

表2 AES加密端口

USB加密芯片主要由兩大功能模塊組成:AES加密模塊和USB2.0通信模塊。其中AES加密模塊對收到的視頻數(shù)據(jù)加密。根據(jù)數(shù)據(jù)的流向，能夠把系統(tǒng)的工作原理劃分為2個部分，即PC—芯片以及芯片—PC。

PC—芯片的流程指的是PC通過Linux內核向對應加載的USB發(fā)送指令，USB2.0加密芯片接收該指令，而后做好從視頻采集端接收數(shù)據(jù)的準備。

芯片—PC的流程指的是加密芯片在上一環(huán)節(jié)做好接收準備后，接收到來自終端的圖像數(shù)據(jù)，USB 2.0加密芯片對采集來的圖像數(shù)據(jù)進行加密，將加密后的數(shù)據(jù)存儲在USB攝像頭的數(shù)據(jù)存儲模塊中，通過無線網卡與無線路由互連將數(shù)據(jù)傳給ARM9嵌入式板的S3C2440處理器，經由處理器處理后再通過PC端安裝的解密模塊，將數(shù)據(jù)解密而后在視頻接收端的管理界面上顯示。

2.3 AES有限域的優(yōu)化運算

鑒于AES利用循環(huán)群復原復雜性作為安全依賴，改進算法本身沒有特別的意義。通過實驗可以知道加密過程的運算時間也不能直接被縮短。因此唯一能使用的方法就是在編程時利用直接查表的方法查找對應指針，而后縮短乘法運算的處理器時間。

AES加密模塊在GF（28）上兩個元素乘法的結果可以看成這兩項元素對應的二進制多項式的乘積對一個階數(shù)為8的不可約二進制多項式取模的運算結果［3］。AES加密的運算過程可以看成是矩陣變換的過程，因此，要想減少乘法運算的處理時間，就必須對相關的乘法運算先進行分解接著合并多項式，從而合并其中相同的運算單元，再將復雜的不同單元作為不同的整體去看待，目的是使最終結果簡單化，從而逐步實現(xiàn)運算時間的優(yōu)化;此外也可以采用查表的方法取代乘法運算，這樣做可以節(jié)省乘法計算的時間但是與之相對應的是要耗費一定的存儲空間。

3 嵌入式加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體結構

本文所設計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是:通過前端USB攝像頭實時獲取視頻圖像數(shù)據(jù)，采集得到的數(shù)據(jù)經過USB2.0加密芯片加密后，返回至USB加密芯片的存儲單元存儲，經由USB無線網卡與無線路由構成的無線網絡傳輸，把所獲得的視頻圖像數(shù)據(jù)實時地傳送到遠端的移動終端上，通過移動終端上專門的解密軟件進行解密，顯示出采集所得到的圖像，實現(xiàn)視頻的遠程監(jiān)控。整個系統(tǒng)主體結構如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)主體結構圖

確定整個系統(tǒng)的構成后，在實驗室環(huán)境中采用S3C2440芯片，先建立交叉編譯環(huán)境，交叉編譯環(huán)境建立成功后，對嵌入式Linux內核進行相應的裁剪并移植，移植過程中主要使用U－Boot技術，內核移植成功后，加載相關的功能硬件，實現(xiàn)功能硬件在嵌入式系統(tǒng)上的正常使用。相關功能硬件的加載包括USB主控制器在內核中的配置、根文件系統(tǒng)目錄的構建、YAFFS2文件系統(tǒng)鏡像的生成、USB攝像頭驅動程序的移植、USB無線網卡驅動程序的移植、USB2.0加密芯片驅動程序的移植。相關功能硬件加載成功后系統(tǒng)的軟硬件平臺搭建完成。

軟硬件平臺搭建成功后，編寫相應的程序實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集與傳輸，視頻數(shù)據(jù)采集采用V4L技術，V4L是專門為Linux操作系統(tǒng)定制和設計的，V4L所提供的API源碼已經集成到Linux內核中，因此需要在程序中做相應設置完成視頻圖像的采集過程。視頻數(shù)據(jù)的傳輸采用無線局域網，基于TCP/IP協(xié)議中的UDP格式。在視頻傳輸?shù)目蛻舳伺c服務端采用C/S模型，在Dalvik上運行寫入的視頻圖像傳輸代碼，對源碼make之后再out下生成data，system，root三個文件，用交叉編譯環(huán)境將這些文件做成一個imag，燒錄至Linux系統(tǒng)中，完成客戶端與服務端的相關傳輸流程，最終在三星手機移動終端上得到實時傳輸?shù)膱D像。

4 嵌入式AES加密視頻監(jiān)控系統(tǒng)展望

由于本課題目前仍處于實驗室測試階段，很多相關的應用功能并未能得到全面的擴展，本課題可以擴展的空間如下:

1）Android操作系統(tǒng)版本較多，存在很大的“碎片”問題，由于本系統(tǒng)要求在Android 4.0環(huán)境下進行，目前大多數(shù)手機使用的仍然是Android 2.2/2.3，因此該系統(tǒng)下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前很難被普及，可以針對目前情況設計一種基于Android 2.3的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

2）在本課題的設計中，數(shù)據(jù)的實時傳輸速率直接影響了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的高效運行，可以試著采用多路由捆綁復用來提高數(shù)據(jù)的上行傳輸速率，但由于時間不足，未能完成驗證。

3）本課題采用AES算法進行加密，但是并未在相應的芯片內設計解密環(huán)節(jié)，而是將解密環(huán)節(jié)放在了PC端的應用軟件上，加密后的數(shù)據(jù)包在傳輸過程中會占用系統(tǒng)較大的內存，使傳輸速率減慢，因此可以設計嘗試將AES加密模塊與解密模塊融合在同一塊芯片上，減少占用內存提高傳輸速率。

5 結束語

本文所設計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基于Android 4.0版本，采用java編寫相應的應用程序在虛擬機上運行，之后利用交叉編譯環(huán)境與目標板進行通信連接，運行結果顯示:加密后的數(shù)據(jù)在移動終端解密，安全性高;數(shù)據(jù)傳輸過程未出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象，穩(wěn)定性好;使用手機作為終端，方便實時觀察。這些結果表示本系統(tǒng)能夠彌補傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，而且由于Linux系統(tǒng)開源的特點，本課題存在長遠擴展的空間。

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Research and Application on Android－based Embedded Encryption Video Surveillance Systems

XIE Huizhi1，LIU Ye1，PENG Yu2，GUO Hao3

（1.Department of Electronic Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China;2.Department of Electronic College of Information Science and Technology，Jinan University，Guangzhou 510632，China;3.Ji An China Mobile Communications Group，Jiangxi Ji'an，343000，China）

With the rapid development of information technology，a new video surveillance system，which contains convenient carry，high－performance security and anytime surveillance，is indispensable.In this paper，the embedded encryption video surveillance system components are introduced briefly.It focuses on the Android client communication mechanism and AES encryption algorithm.Meanwhile，some problems are analyzed，which exists in the system，and the solutions are offered.

Android;embedded;AES;video surveillance

TN29

A

謝慧芝（1989— ），女，碩士生，研究方向為通信技術與系統(tǒng)。

責任編輯:魏雨博

2013－04－11