JP4128941B2 - マルチメディアデータ暗号化圧縮方法及び装置 - Google Patents

マルチメディアデータ暗号化圧縮方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、マルチメディアデータ暗号化圧縮方法及び装置に関し、特に、マルチメディアデータを記録及び伝送するために圧縮する過程で所定の暗号化キーによってマルチメディアデータを変換して圧縮することにより、圧縮過程で使用された暗号化キーを利用しなければ復号化できないように暗号化するマルチメディアデータ暗号化圧縮方法及び装置に関する。
MPEG(Moving Picture Expert Group)は、動画像及びオーディオの圧縮格納及び伝送を始めとして、圧縮された情報の復元、処理及び符号化表現方法に対する国際標準案である。
MPEG標準にはMPEG1、MPEG2、MPEG4があるが、この中でも、マルチメディアデータの最も基本となるMPEG−1(ISO/CEI 11172)は重複情報を除去或いは変換し、そこに統計的特性を適用して動画像信号を圧縮するものである。
このようなMPEGでは、空間的な重複性を除去するための手段としては離散余弦変換(Discrete Cosine Transform:以下、「DCT」という)と量子化(Quantization)を、時間的重複性を除去するための手段としてはDPCM(Differential Pulse Code Modulation)を使用しており、さらにランレングス符号化(Run Length Coding)及びハフマン符号化(Huffmann Coding)からなるエントロピーエンコード(entropy encoding)を使用している。
また、MPEGは基本的に多数のフレーム集合であるGOP(Group of Picture)から構成されており、各GOPはI−frame(Intra frame)、P−frame(forward-predicted frame)、B−frame(bi-directional predicted frame)から構成されている。
最近、無線通信技術の発達と移動通信の幅広い提供に伴って、このような圧縮技術を基盤とする無線ネットワーク上のマルチメディアサービスが活性化されているため、マルチメディアサービスによって提供されるデータに対する保安性がさらに要求されている。
すなわち、サービス利用権限のある使用者にのみ該当サービスを提供することであって、一例として、一定の使用料金を支払った使用者にのみ映画を伝送し、或いは機密会議に参加する権限のある使用者にのみ画像情報を伝送することが挙げられる。
このような保安性を提供するための暗号化アルゴリズムとしては、1997年国際標準アルゴリズムに採用されたデータ暗号化標準(Data Encryption Standard:以下、「DES」という)が主に使用されている。
DESは、対称キー(symmetric key)を用いてブロック単位のプレーンテキスト(plain text)を処理するブロック暗号アルゴリズムであるが、保安性のあるマルチメディアサービスのために圧縮されたマルチメディアデータを伝送及び再生するためにも使用されている。
このように、MPEG圧縮技法を用いるマルチメディアデータを暗号化する方法に関して提案された米国特許第6021199号(発明の名称:Motion picture data encrypting method and computer system and motion picture data encoding/decoding apparatus to which encrypting method is applied’)は、元画像情報が全て入っているI−frameの特性を用いてMPEGデータの中からI−frameのみをDESによって選択的に暗号化(encryption)してデータ量を減らす。
このようなMPEG圧縮技法を用いるマルチメディアデータを暗号化する過程は、図1と図2に示すようになされる。
すなわち、図1に示すように、DCTと量子化過程を経て、入力された8×8ブロック内の多くの値が「0」となる。
このように処理されたフレームデータを効率よく処理するために、DC係数とAC係数の値をジグザグ順で(DC、AC1、AC2、…、AC63)と読み込み、エントロピーエンコード過程によって圧縮し(100)、DES暗号化過程によって暗号化処理する(200)。
また、図2に示すように、マルチメディアデータ提供者(Multimedia data producer)は、マルチメディアデータ受信者(Multimedia data receiver)から伝送される公開キー(public key)を受信し(1)、マルチメディアサービスによって提供される暗号化されたマルチメディアデータを復号化するために必要な対称キーを生成し、生成された対称キーを受信者からの公開キーで暗号化した後、受信者に伝送する(2)。
そして、提供者は、DESに使用される対称キーを周期的に変換することにより、保安性を高める(3)。
このような共有された対称キーを用いてMPEGデータをDESアルゴリズムによって暗号化する方式は、暗号化及び復号化過程が複雑なので、暗号化及び復号化過程を処理するためのリソースが要求され、また、マルチメディア圧縮率を向上させることができないため、無線移動端末機を対象とする実時間マルチメディアサービスには不適であった。
従って、無線ネットワーク環境の帯域幅(bandwidth)資源と移動端末機の演算(computation)資源の限界を効率よく使用することが可能なマルチメディア保安システムが要求されている実状である。
本発明は、かかる従来の技術の問題点を解消するためのもので、その目的は、MPEG圧縮過程でエントロピーエンコードを行う際、所定の暗号化キーによってエントロピーエンコードすることにより、変換されるエンコード結果に基づいてマルチメディアデータを暗号化し圧縮することにある。
本発明の他の目的は、所定の対称キーを用いた符号化過程によって圧縮効率を増大させることにある。
上記目的を達成するために、本発明は、入力されるマルチメディアデータをDCTに適用させてDCT係数を生成し、生成されたDCT係数を量子化する段階と、量子化されたDCTのDC及びAC係数をエントロピーエンコードする際、所定の暗号化キーによってエンコード結果を変換させ、変換されたDC及びAC係数を暗号化圧縮する段階と、暗号化されたDC及びAC係数をハフマンテーブルを用いてハフマン符号化して出力する段階とを含むマルチメディア暗号化圧縮方法を提供する。
また、上記目的を達成するために、本発明は、入力されるマルチメディアデータを離散信号に変換してAC及びDC係数からなるDCT係数を生成するDCTと、DCT係数を量子化テーブルを用いて量子化する量子化部と、量子化されたAC及びDC係数を所定の暗号化キーによりエントロピーエンコードしてAC及びDC係数を暗号化するエントロピー暗号化エンコード部とを含むマルチメディア暗号化圧縮装置を提供する。
本発明によれば、所定の暗号化キーによって変化するエントロピーエンコード結果を用いて、入力されるマルチメディアデータを暗号化することにより、暗号化及び復号化過程が複雑でないため、移動端末機を対象とするマルチメディアサービスに適し、圧縮効果が大きいので、無線通信上のマルチメディア処理に効果的である。
以下、本発明に係るマルチメディア暗号化圧縮方法及び装置を添付図に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明に係る暗号化圧縮方法及び装置は、MPEG−1のH.261動画像圧縮アルゴリズムを基盤として実現されるもので、圧縮過程を説明するための用語の意味や階層的構造などは、MPEG−1の動画像圧縮アルゴリズムに定義されている。
従って、本発明に係る暗号化圧縮方法及び装置を説明するに際して、本発明の要旨を乱すおそれがあると考えられる用語の意味、階層的構造及び各種パラメータに関する詳細な説明は省く。
また、本発明では、対称キー値(symmetric key)を用いてDCとACをそれぞれ異なる方法で暗号化しているが、DCはshiとBhargacaのAn Efficient MPEG Video Encryption Algorithmに提示された通りに、暗号キーによって符号を変える方法を使用し、ACはロッシー圧縮(lossy compression)を追加的に行う方法を使用している。
まず、本発明に係る暗号化圧縮装置を図3に基づいて詳細に説明する。
図3に示すように、本発明に係る暗号化圧縮装置は、入力されるマルチメディアデータを離散信号に変換して、AC及びDC係数からなるDCT係数を生成するDCT(離散余弦変換部)110と、量子化テーブル130を用いて、生成されたDCT係数を量子化する量子化部150と、量子化されたAC及びDC係数を所定の暗号化キーによってエントロピーエンコードしてAC及びDC係数を暗号化するエントロピー暗号化エンコード部170とから構成される。
エントロピー暗号化エンコード部170は、DCT係数のDCをパルス変調するDPCM171と、DCT係数のACをジグザグラン(zig-zag run)にスキャンするランレングス符号化部173と、DPCM171とランレングス符号化部173を介して得られるDC及びACのVLC及びVLIを用いてDC及びACを暗号化する暗号化部175と、暗号化されたDC及びACをハフマンテーブル177を用いてハフマン符号化するハフマン符号化部179とから構成される。
このように構成される暗号化圧縮装置を用いてマルチメディアデータを暗号化圧縮する方法は、入力されるマルチメディアデータをDCT110に適用させてDCT係数を生成し、生成されたDCT係数を量子化する段階と、量子化されたDCTのDC及びAC係数をエントロピーエンコードする際、所定の暗号化キーによってエンコード結果を変換させ、変換されたDC及びAC係数を暗号化する段階と、暗号化されたDC及びAC係数をハフマンテーブル177を用いてハフマン符号化して出力する段階とからなる。
暗号化する段階は、DC係数をDPCMし、AC係数をランレングス符号化する段階と、DPCM及びランレングス符号化過程によって得られる前記DC及びAC係数の可変長情報(VLC、VLI)を用いて前記AC及びDCの暗号化キー、及び暗号化キーの開始ビットを意味するランダム定数(r)を決定する段階と、決定された暗号化キーを用いて前記AC及びDC係数を暗号化する段階とからなる。
DC係数を暗号化する段階は、決定されたDCの暗号化キーにおいて前記r番目のビット値が1であるか否かを判別する段階と、判別結果が1であれば、前記DC係数のVLC値を11111111と排他的論理和して前記DC係数を変換させる段階とを含む。
AC係数を暗号化する段階は、決定された暗号化キーにおいて前記r番目のビット値が1であるか否かを判別する段階と、判別結果が1であれば、前記AC係数のVLIを右にシフトさせる段階と、右にシフトされたVLI値によってハフマンテーブルを用いてVLCを決定する段階と、決定されたVLCと前記VLIを用いて前記AC係数を変換させる段階とからなる。
前記暗号化キーは、2つの対称型キーからなり、それぞれ前記DC及びACのVLCである。DC及びACのVLCによってDC及びACをエントロピーエンコードして変化するDC及びACエンコード結果値を圧縮することにより、VLCを介してのみデコードできるようにする。
以下、このように行われる本発明に係るマルチメディア暗号化圧縮方法を添付図面に基づいて一実施例によって詳細に説明する。
まず、一例として、ジグザグ順による(DC、AC1、AC2、…AC63)のベクトルマトリックスの形式が下記表1に示す通りであれば、
このような8×8ブロックをデファレンシャル(differential)DCとAC係数でジグザグスキャンし、これをハフマンテーブルを用いてデファレンシャルDC及びAC係数を表現するための最小ビット数を示すVLC(Variable Length Coding)と、デファレンシャルDCからVLCビットだけを取ったVLI(Variable Length Integer)にエンコードする。
前記例によれば、DC係数は3なので、表2(Huffman Code for differential DC)を参照して3を表現するための最小ビット数を決定すれば2となる。
これにより、DC係数のVLC=2(011)であり、DC係数の3を表現する011のleast significant bitからVLCビット2だけを抽出するVLIは11となる。
また、VLC及びVLIからなるDC係数のエントロピーエンコード結果は、01111となる。
そして、AC係数は、ランレングス符号化によって、一連の0の繰り返し回数(I)、0でない数を示すためのビット数mが圧縮されたビットストリームとなるが、前記実施例によれば、0の繰り返し回数(I)は7であり、0でない数7を表現するためのビット数は、下記表3(AC coefficient magnitude category for bit size table)を参照すると3なので、(7,3)となる。
これにより、表4(Typical AC Huffman Code Table)を用いて、(7,3)に該当するVLCを決定すると、ACのVLC=11111111110101110である。
そして、7を表現するためのビット数3をVLCから取るVLI=110となるので、VLC及びVLIからなるAC係数のエントロピーエンコード結果は、11111111110101110110となる。
このような過程により、エントロピー暗号化エンコード部170のDPCM171、ランレングス符号化部173を介してDC及びAC係数のVLC及びVLIが生成されると、これを用いて暗号化圧縮過程を行う。
DC及びACのVLC及びVLIを用いた暗号化圧縮過程を図4に基づいて一実施例によって説明する。
図4に示すように、量子化されたDC及びAC係数をDPCM171、ランレングス符号化部173を介してそれぞれVLC及びVLIを生成し、生成されたDC及びACのVLC及びVLIを用いて暗号化キー(以下、対称キー1、2とという)及び暗号化キーの開始ビットを示す任意のランダム定数(r)を決定する(S1)。前記対称キー1、2はDC及びACのVLCで決定されるが、キー1はDC、キー2はACと定義する。
このように対称キー1,2及びランダム定数が決定されると、DC係数か否かを判別して(S2)DC係数とAC係数をそれぞれ暗号化圧縮処理する。
判別結果、DC係数であれば(S2で「はい」)、対称キー1で指定されたランダム定数に該当するビットが1であるか否かを判別し(S3)、1であれば(Sで「はい」)、DCのVLIを11111111と排他的和(XOR)する(S4)。
11111111との排他的和によってVLI値が変わるにつれて、DCエンコード値を変換する(S5)。
すなわち、ランダム定数を2と仮定し、前記実施例に適用すれば、VLC=011であり、VLI=11のDC係数においてVLIの2番目のビット列が1なので、11111111と排他的和した結果は11111100となる。
このような排他的和の結果からVLCビット2だけを抽出するVLIは00となる。
前記変化するVLI値によって、DCエンコード値は01100に変化する。
判別結果、DC係数でなければ、対称キー2で指定されたランダム定数に該当するビットが1であるか否かを判別し(S6)、1であれば、ACのVLIを右にシフトさせる(S7)。
右へのシフトによってVLI値が変わるにつれて、ACエンコード値を変換する(S8)。
すなわち、前記実施例によってVLC=11111111110101110であり、VLI=110のAC係数においてVLIの2番目のビット列が1なので、VLI(110)を右にシフトさせると、VLI=011となる。
このようにシフトさせた結果、VLI値が3(011)なので、3を表現するための最小ビット2をAC係数に適用してAC係数(7,3)を(7,2)に変換する。
これにより、(7,2)に該当するVLCを表4から検索すれば、VLCは111111110111となり、VLCから最小ビット数のみを抽出するVLIは11となる。
前記変化するVLIによって変化するACエンコード値は、111111110111111となる。
このように、圧縮されたAC及びDC係数は暗号化キーとしての対称キー1、2によってのみ復号化できることになって暗号化される。
このような過程によって暗号化キー(対称キー1、2)が決定され、マルチメディアデータが暗号化圧縮されると、図5に示すように、マルチメディアデータ提供者は、マルチメディアデータ受信者Bから公開キーの伝送を受け(1)、暗号化キー(対称キー1、2)はマルチメディアデータ受信者Bの公開キーで暗号化して伝達する(2)。
マルチメディアデータ受信者は、それぞれの個人キーを用いてこれを復号化し、マルチメディアサービスによって提供される圧縮されたマルチメディアデータを復号化することができる。
すなわち、本発明による対称キー1、2及びrによってマルチメディアデータをエンコードしたため、対称キー1、2値を知らなければ、復号化が不可能でマルチメディアデータを再生することができないので、保安性の提供が可能である。
マルチメディア提供者は、高い保安性を保つために対称キー1、2及びrを周期的に変更するが(3)、rは対称キー1,2より頻繁に変更されてrが変更される時間(t)の一定の倍数より、対称キー1,2が変更される時間(T)がさらに長い。
また、本発明に係る暗号化圧縮過程によってAC係数のビット列が減って圧縮率が向上するが、前記実施例において対称キー2によってエンコードする過程を経てAC係数(7、3)を(7、2)に変換することにより、AC係数が5ビット減少する効果を得ることができる。
従って、8×8ブロックが1つのフレーム内スライスレイヤ(slice layer)のマクロブロック(macro block)の一部であることを考慮すると、全体動画像ファイルの大きさでは相当な圧縮効果を期待することができる。
このような暗号化圧縮結果は、図6A〜図6Cと図7A〜図7Cによって説明すると、図6A及び図7Aは原本イメージを示すもので、図6B及び図7Cは2つの原本イメージを暗号化圧縮した結果を示す。
このように暗号化圧縮されたイメージを本発明による対称キー1,2を用いて復号化した結果は、図6C及び図7Cの通りである。
図6C及び図7Cに示すように、本発明に係るXOR及び右シフト(right shift)などの簡単な演算によって効果的な暗号化復号化結果を得ることができる。
また、図6A〜図6C及び図7A〜図7Cを本発明によって暗号化圧縮した結果によるデータ圧縮率を既存の圧縮率と比較すれば、表5に示す通りである。
表5より、本発明による圧縮率が既存の圧縮率に比べて著しく高いことを確認することができる。
そして、表6は該当フレームの計算にかかるオーバーヘッドを示すものである。図6A〜図6Cの場合にはMPEG標準による圧縮より0.05746秒さらに消耗されて1.32%のオーバーヘッドが必要であり、図7A〜図7Cの場合には0.039373秒がさらに消耗されて0.88%の追加的なオーバーヘッドが必要である。
このような結果から、本発明によって発生するオーバーヘッドが無視する程度に少ない値であることが分る。
従来のMPEG圧縮技法を用いるマルチメディアデータをDESによって暗号化するための装置の概略的な構成を示す図である。 従来のMPEG圧縮技法を用いるマルチメディアデータをDESによって暗号化する概略的なシステム構成を示す図である。 本発明に係るマルチメディア暗号化圧縮装置の概略的な構成を示す図である。 本発明に係るマルチメディア暗号化圧縮方法の動作過程を示すフローチャートである。 本発明に係るマルチメディア暗号化圧縮装置を含む概略的なシステム構成を示すブロック図である。 本発明に係る原本イメージ及び暗号化圧縮結果を示す写真である。 本発明に係る原本イメージ及び暗号化圧縮結果を示す写真である。 本発明に係る原本イメージ及び暗号化圧縮結果を示す写真である。 本発明に係る他の原本イメージ及び暗号化圧縮結果を示す写真である。 本発明に係る他の原本イメージ及び暗号化圧縮結果を示す写真である。 本発明に係る他の原本イメージ及び暗号化圧縮結果を示す写真である。
符号の説明
110 離散余弦変換部(DCT)
130 量子化テーブル
150 量子化部
170 エントロピー暗号化エンコード部
171 DPCM
173 ランレングス符号化部
175 暗号化部
177 ハフマンテーブル
179 ハフマン符号化部

Claims (4)

  1. 入力されるマルチメディアデータをDCTに適用させてDCT係数を生成し、生成されたDCT係数を量子化する段階と、
    前記量子化されたDCTのDC及びAC係数をエントロピーエンコードする際,所定の暗号化キーによってエンコード結果を変換させ、変換されたDC及びAC係数を暗号化圧縮する段階と、
    前記暗号化されたDC及びAC係数をハフマンテーブルを用いてハフマン符号化して出力する段階とを含み、
    前記DC及びAC係数を暗号化圧縮する段階は、
    前記DC及びAC係数のうち、DC係数はDPCMし、AC係数はランレングス(Run Length)符号化する段階と、
    前記DPCM及びランレングス符号化過程によって得られる前記AC及びDC係数の可変長情報(VLC、VLI)を用いて前記AC及びDCの暗号化キー、及び暗号化キーの開始ビットを意味するランダム定数(r)を決定する段階と、
    前記決定された暗号化キーを用いて前記AC及びDC係数を暗号化する段階とを含み、
    前記暗号化キーを決定する段階において、前記DCの暗号化キーは、前記DC係数を表現するための最小ビット数から決定され、前記ACの暗号化キーは、前記AC係数のジグザグスキャンにおける0の繰り返し回数と0でない数を表現するための最小ビット数とから決定されることを特徴とするマルチメディア暗号化圧縮方法。
  2. 前記DC係数を暗号化する段階は、
    前記決定されたDCの暗号化キーにおいて前記r番目のビット値が1であるか否かを判別する段階と、
    前記判別結果が1であれば、前記DC係数のVLC値を11111111と排他的論理和して前記DC係数を変換させる段階とを含むことを特徴とする請求項記載のマルチメディア暗号化圧縮方法。
  3. 前記AC係数を暗号化する段階は、
    前記決定された暗号化キーにおいて前記r番目のビット値が1であるか否かを判別する段階と、
    前記判別結果が1であれば、前記AC係数のVLIを右シフトさせる段階と、
    前記右シフトされたVLI値によってハフマンテーブルを用いてVLCを決定する段階と、
    前記決定されたVLCと前記VLIを用いて前記AC係数を変換させる段階とを含むことを特徴とする請求項記載のマルチメディア暗号化圧縮方法。
  4. 入力されるマルチメディアデータを離散信号に変換して、AC及びDC係数からなるDCT係数を生成するDCTと、
    前記DCT係数を量子化テーブルを用いて量子化する量子化部と、
    前記量子化されたAC及びDC係数を所定の暗号化キーを用いてエントロピーエンコードしてAC及びDC係数を暗号化するエントロピー暗号化エンコード部とを含み、
    前記エントロピー暗号化エンコード部は、
    DCT係数のDC係数をパルス変調するDPCMと、
    前記DCT係数のAC係数をジグザグラン(zig-zag run)にスキャンするランレングス符号化部と、
    前記DPCMとランレングス符号化部によって得られるDC及びAC係数のVLC及びVLIを用いてDC及びACを暗号化する暗号化部と、
    前記暗号化されたDC及びACをハフマンテーブルを用いてハフマン符号化するハフマン符号化部とを含むことを特徴とするマルチメディア暗号化圧縮装置。
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