馬光，趙佩瑾，崔茂香

滄州醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 病理教研室，河北 滄州 061001

醫(yī)學(xué)視頻加解密播放器的研究與實現(xiàn)

馬光，趙佩瑾，崔茂香

滄州醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校 病理教研室，河北 滄州 061001

醫(yī)學(xué)視頻加密對于保護醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全具有重要作用。本文針對醫(yī)學(xué)視頻文件數(shù)據(jù)量大、實時性要求高的特點，采用選擇性加密算法和數(shù)據(jù)流技術(shù)，基于Delphi開發(fā)平臺設(shè)計制作了醫(yī)學(xué)視頻加解密播放器，較好地解決了醫(yī)學(xué)視頻加解密問題，既能滿足醫(yī)學(xué)信息化的需求，又可有效地保證視頻數(shù)據(jù)的安全性。

醫(yī)學(xué)視頻；播放器；視頻加密；醫(yī)院數(shù)字化

0 引言

隨著計算機科學(xué)和通信技術(shù)的發(fā)展，視頻多媒體信息得到了廣泛應(yīng)用，與此同時知識產(chǎn)權(quán)和數(shù)據(jù)安全問題也日漸突出。早期的安全方法主要依賴于權(quán)限控制，視頻數(shù)據(jù)本身沒有被加密，容易被非法拷貝、盜版、剽竊和篡改。因此，視頻加密技術(shù)作為保證安全的基本手段，已成為信息安全領(lǐng)域非常熱門的研究課題之一[1]。醫(yī)學(xué)視頻有著不同于一般視頻的突出性特點，如真實性、完整性等。因為以醫(yī)學(xué)題材為內(nèi)容的視頻中大多涉及患者的姓名、肖像、病史等個人信息；牽涉誤診、誤治事件發(fā)生的概率，事關(guān)醫(yī)療事故糾紛的權(quán)威認(rèn)證[2-3]。出于對版權(quán)、隱私和聲譽等保護的需要，對醫(yī)學(xué)視頻數(shù)據(jù)安全性的研究迫在眉睫，同時考慮到軍事醫(yī)學(xué)視頻的特殊性，醫(yī)學(xué)視頻文件的加密和保護工作就顯得更為重要。當(dāng)前流行的多媒體播放軟件功能參差不齊，較難滿足用戶對視頻播放和信息保護的雙重需求。為此，本文基于Delphi開發(fā)平臺，利用其功能強大的組件庫制作出一款可支持多種媒體格式，并能對視頻數(shù)據(jù)進行特殊加密的播放器。

1 視頻文件加解密的設(shè)計

1.1 加解密算法

所謂加密是指以某種特殊的算法改變原有的可理解的信息數(shù)據(jù)（明文），使其成為無意義的數(shù)據(jù)內(nèi)容（密文），使用者必須通過相應(yīng)的解密方法，才能將密文還原成明文，而解密是加密的逆運算、逆過程[4]。數(shù)據(jù)加密過程是由形形色色的加密算法來具體實現(xiàn)的，例如選擇性加密，又稱部分加密，它充分考慮數(shù)據(jù)本身的特征及應(yīng)用要求，僅對全部數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵部分（重要數(shù)據(jù)）進行加密，用很小的計算復(fù)雜度來達到較高的安全性[5-6]。

視頻文件一般由信息區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)和索引區(qū)三部分構(gòu)成，其文件頭中的各字節(jié)（信息區(qū)）保存著數(shù)據(jù)格式、壓縮方式、播放速度等重要參數(shù)，醫(yī)學(xué)視頻也不例外。視頻播放器通過這些參數(shù)來識別視頻文件信息的有效性，如果受到破壞，則會妨礙視頻數(shù)據(jù)的正確解碼，使播放器不能識別標(biāo)志信息而無法播放。而且視頻數(shù)據(jù)具有編碼結(jié)構(gòu)特殊、數(shù)據(jù)量大、實時性要求高等特點，其加密算法在安全性、壓縮比、計算量和數(shù)據(jù)可操作性等方面都有一定的要求。為滿足這些要求，本文采用選擇性加密算法，即利用視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，僅加密醫(yī)學(xué)視頻文件頭部信息，這樣擁有解密密鑰的播放器才能成功打開該視頻文件；對視頻文件的處理過程是：分發(fā)前加密→播放時解密→使用后加密，從而最大限度地確保數(shù)據(jù)的保密性和完整性。分析和實驗表明，該算法具有簡單易行、實時性強等特點，在安全性、計算量等指標(biāo)上均能滿足一般的應(yīng)用需求[7]。

1.2 加解密方法

在計算機編程中，數(shù)據(jù)流是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言中的典型體現(xiàn)，它徹底地取代了早期利用函數(shù)實現(xiàn)輸入輸出的功能，同時也克服了利用函數(shù)實現(xiàn)輸入輸出功能的諸多弊端。對于“流”這一概念，可簡單地理解為：流是建立在面向?qū)ο蠡A(chǔ)上的一種抽象地處理數(shù)據(jù)的工具，它定義了一些處理數(shù)據(jù)的基本操作，如讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)等，這樣程序員只需掌握流的操作方法，而不用關(guān)心流中數(shù)據(jù)的真正去向。流不但能處理文件，還可處理動態(tài)內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)形式。顯然程序員若能掌握好對流的運用，在程序開發(fā)中會利用其便利性，就能夠大大提高編程效率[8]。

高質(zhì)量的視頻是醫(yī)學(xué)應(yīng)用的內(nèi)在需求，與普通視頻相比，醫(yī)學(xué)視頻的主要特點是更加偏重于清晰度，也就是對圖像分辨率的要求更高，致使其擁有海量的數(shù)據(jù)；而且加解密過程的計算量通常很大，但又必須實時處理，才能保證播放流暢。為了保證醫(yī)學(xué)視頻的質(zhì)量并提高加解密速度，本文應(yīng)用Delphi的流對象對醫(yī)學(xué)視頻文件進行操作來實現(xiàn)其加密和解密。在Delphi中所有流對象的基類為TStream類，其派生類中最常用的是內(nèi)存流TMemoryStream，它在內(nèi)存中建立一個流對象，基本方法和函數(shù)與文件流TFileStream相似。加密時，首先利用LoadFromFile和SaveToStream方法分別將視頻文件SourceFile和密鑰文件PassWord轉(zhuǎn)換為內(nèi)存流，再用Seek函數(shù)將指針移到密鑰文件的末尾，最后使用CopyFrom方法將視頻文件追加到密鑰文件尾部，生成一個加密文件TargetFile，即兩個流的合并（PassWord＋SourceFile＝TargetFile）。解密時，首先利用LoadFromFile方法將加密文件TargetFile轉(zhuǎn)換為內(nèi)存流，再用Position函數(shù)定位該流中存取指針的位置（密鑰文件PassWord的長度），最后使用CopyFrom方法從指針的當(dāng)前位置拷貝流中的所有數(shù)據(jù)。由于Delphi中的MediaPlayer組件不能直接播放內(nèi)存流的數(shù)據(jù)，因此還須利用SaveToFile方法把該內(nèi)存流保存為視頻文件SourceFile，即兩個流的分離（TargetFile－PassWord＝SourceFile）[9]。這個加解密程序只是簡單地把醫(yī)學(xué)視頻文件添加到密鑰文件的尾部，以實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的加密和保護。實際應(yīng)用中可對視頻文件流的頭部信息采用異或運算或與隨機數(shù)據(jù)混合進行加密，解密時只要根據(jù)加密算法的原理處理好其逆運算即可。

2 視頻播放器的開發(fā)

2.1 設(shè)計開發(fā)平臺

作為快速應(yīng)用程序開發(fā)工具的代表，Delphi不僅是一個面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)環(huán)境，而且提供了功能強大的可視化組件庫，并具備快速的代碼編譯器、簡捷的數(shù)據(jù)庫引擎，深受廣大程序開發(fā)人員的推崇與信賴。在Delphi中，組件是具有特定行為、一定屬性及相應(yīng)對象的預(yù)定義窗口，它是可視化編程的基礎(chǔ)，是整個程序的核心元素。如多媒體播放器組件MediaPlayer，是一個進行音頻和視頻編程的絕好工具，它封裝了Windows媒體組件接口的大量函數(shù)，用于控制多媒體設(shè)備。開發(fā)Delphi程序時，正確地選用組件，將有助于提高工作效率和代碼準(zhǔn)確率，并有利于軟件調(diào)試和項目的工程化管理[10]。

2.2 設(shè)計開發(fā)過程

本文所設(shè)計的醫(yī)學(xué)視頻播放器按照預(yù)期的效果，包括播放控制模塊、視頻顯示模塊、信息提示模塊以及系統(tǒng)控制模塊等，見圖1。在Delphi所提供的程序框架中，首先建立窗體，設(shè)計界面，然后采用面向?qū)ο?、事件?qū)動的方法，逐步開發(fā)各個模塊，最終制作出一個功能完善的個性化視頻播放器，其效果見圖2。

圖1 視頻播放器功能模塊圖

圖2 視頻播放器界面圖

（1）播放控制模塊。采用多媒體核心控制組件MediaPlayer，通過其對應(yīng)的屬性設(shè)置、事件調(diào)用與方法編寫，實現(xiàn)對醫(yī)學(xué)視頻文件的播放與基本的播放控制，如播放、快進、停止等操作。此外添加兩個滑動條組件TrackBar，并編寫OnChange事件的響應(yīng)代碼分別用于當(dāng)前視頻文件播放進度的顯示及動態(tài)調(diào)節(jié)、聲卡音量輸出大小的控制；通過按鈕組件Button和鍵盤事件KeyDown，實現(xiàn)播放視圖全屏模式與窗口模式的切換。

（2）視頻顯示模塊。選用面板組件Panel作為視頻顯示窗口，同時設(shè)置MediaPlayer組件的Display屬性為Panel。

（3）信息提示模塊。使用標(biāo)簽組件Label和計時器組件Timer，并編寫實現(xiàn)相應(yīng)功能的程序代碼，用來實時顯示視頻文件的當(dāng)前播放狀態(tài)、播放進度及其播放時長等有效信息。

（4）系統(tǒng)控制模塊。應(yīng)用Windows API函數(shù)ShellExecute打開.chm類型的幫助文件，為用戶提供系統(tǒng)版本信息以及具體的使用方法。在“退出”按鈕的OnClick事件中編寫代碼：Application.Terminate，終止應(yīng)用程序的運行，使用戶安全退出系統(tǒng)。

視頻播放器在打開和關(guān)閉醫(yī)學(xué)視頻文件時，會分別調(diào)用視頻光盤分發(fā)前編寫的解密函數(shù)和加密函數(shù)，這樣把視頻播放與視頻加解密有機地結(jié)合在一起，為使用者提供了方便同時也保證了重要醫(yī)學(xué)視頻內(nèi)容的安全。

3 應(yīng)用結(jié)果分析

3.1 安全性分析

本文采用的選擇性加密算法不是直接對視頻圖像像素值進行加密，而是對視頻編碼過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵信息加密，所以該算法不具有數(shù)據(jù)格式相容性，加密后的視頻文件只有正確解密后才能播放。因此，使用Windows Media Player、暴風(fēng)影音等流行的媒體播放軟件，打開數(shù)據(jù)格式信息加密后的AVI、WMV等主流媒體格式的視頻文件時，將難以識別該視頻數(shù)據(jù)的操作信息而不能解碼和播放，會出現(xiàn)“試圖播放的文件的擴展名與文件格式不匹配”、“不是標(biāo)準(zhǔn)的視頻文件”、“無法渲染文件”等提示，達到了對該視頻文件加密的目的。另外，由于醫(yī)學(xué)視頻文件分發(fā)前進行過加密預(yù)處理，視頻加解密播放器需擁有與每個數(shù)據(jù)包相對應(yīng)的解密密鑰，這也增加了非授權(quán)者破解的難度，使得加密更有效，數(shù)據(jù)更安全。

3.2 加解密速度

文件加解密過程的時間消耗包括準(zhǔn)備時間和加解密時間，其中加解密前的準(zhǔn)備時間主要用來完成數(shù)據(jù)的讀寫，在計算機性能和文件大小相同的條件下，數(shù)據(jù)讀寫的速度由編程所用的實現(xiàn)方法來決定；加解密時間是在加解密算法的控制下對數(shù)據(jù)進行變換所需的時間，這取決于算法的復(fù)雜程度。本文提出的加解密方案中，因采用Delphi“流”支持技術(shù)，大大提高了視頻數(shù)據(jù)交換的速度，同時由于加解密只是對視頻數(shù)據(jù)的頭部信息作異或運算，可明顯降低加解密操作的數(shù)據(jù)量和計算的復(fù)雜度。因此，本視頻播放器具有較快的加解密速度，例如在酷睿CPU@2.93 GHz、內(nèi)存2 GB的計算機上對大小為74 MB、時長為308 s的AVI視頻文件進行加解密速度測試，所用的運行時間約為3 s，能較好地滿足視頻數(shù)據(jù)應(yīng)用的實時性需求。

4 結(jié)束語

本播放器已用于《活體組織病理學(xué)檢查》、《滄州市醫(yī)療糾紛尸體解剖檢查》等視頻系統(tǒng)的構(gòu)建，應(yīng)用結(jié)果表明：該播放器界面友好、使用簡單，又具有加密效果好、復(fù)雜度適中、處理速度快等特點，是一款多種功能兼?zhèn)涞囊曨l播放軟件，這對醫(yī)學(xué)信息安全的發(fā)展具有重要意義。由于開發(fā)經(jīng)驗欠缺，本播放器仍需要做進一步的改進：優(yōu)化程序代碼，進一步提高其穩(wěn)定性和執(zhí)行速度；加強對視頻信息安全技術(shù)的研究，尋求更安全、更高效的加解密方法應(yīng)用于本設(shè)計；根據(jù)實際需求，在界面布局、使用功能等方面進行進一步修改與完善。

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Research and Implementation of Medical Video Encryption and Decryption Player

MA Guang, ZHAO Pei-jin, CUI Mao-xiang
Department of Pathology, Cangzhou Medical College, Cangzhou Hebei 061001, China

Medical video encryption plays a vital role in protecting the security of medical data. In view of the features of medical videos covering huge data and high real-time requirements, this paper proposed a selective encryption algorithm and data stream technology to solve the problem of medical video encryption, and used Delphi to design a video encryption and decryption player. This design not only can meet the needs of medical informatization, but also effectively ensure the high security of medical videos.

medical videos; video player; video encryption; hospital digitalization

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.022

1674-1633(2016)06-0087-03

2015-12-28

2016-01-11

河北省高等學(xué)校人文社會科學(xué)研究項目（SZ2011366）。

作者郵箱：czyzvivid@126.com