前言
目前在各種影像壓縮技術(shù)的高度發(fā)展之下，在保全監控、影音多媒體產(chǎn)品及網(wǎng)絡(luò )影音信息上隨處可見(jiàn)透過(guò)影像壓縮方式所產(chǎn)生的各類(lèi)多媒體數據。同時(shí)在科技的快速發(fā)展及人類(lèi)對實(shí)時(shí)信息的需求下

透過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳及下載實(shí)時(shí)信息成為時(shí)下最為快速有效的信息傳輸管道，但在因特網(wǎng)普及化及駭客橫行的同時(shí)，遭受不法擷取多媒體數據的機率也相對的增加，因此使得多媒體數據傳輸的應用，在其安全性及保密性方面顯得更加重要。

為了達到有效阻隔某些未經(jīng)授權的人或者不法人士擷取傳輸中的多媒體數據，也為了防止更多不肖業(yè)者對于多媒體產(chǎn)品的復制或者破解它并加以修改后重新再出版，因此，文獻上出現了許多應用于數據安全上，各式各樣的加密技術(shù)及數字水印技術(shù)。而這些數據加密技術(shù)，不但可以使未經(jīng)授權的人或者是不法人士，在不法的擷取到多媒體數據后看不到數據內容，更可以將其應用于保護目前市面流通的DVD及有線(xiàn)電視臺所傳送的數字視訊內容。而使用數據加/解密或數字水印的技術(shù)，不但不會(huì )破壞原先作者的創(chuàng )作，更可以在人們看得到數字訊號的同時(shí)，在其中隱含著(zhù)作者的訊息，保護創(chuàng )作者的著(zhù)作權。因應此多媒體數據保護趨勢，我們于本文中提出一個(gè)新的數據加解密系統，并將其應用在遠程監控系統數字數據傳輸的保護上。

影像壓縮技術(shù)的發(fā)展與應用
從早期的單張靜態(tài)影像編碼，發(fā)展至今日的連續畫(huà)面動(dòng)態(tài)影像編碼，影像編譯碼技術(shù)發(fā)展已有一段歷史。如眾所熟知的MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4即由MPEG所制定的標準，其中MPEG為Moving Picture Experts Group的略稱(chēng)，隸屬在ISO(International Standards Organization；國際標準協(xié)會(huì ))及IEC (International Electro-Technical Commission；國際電子工業(yè)委員會(huì ))之下，是專(zhuān)門(mén)制定動(dòng)態(tài)影像與音效編碼標準的組織。又如H.261、H.26L、H.263和H.264即由ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector，國際電信聯(lián)合令電信標準化部門(mén))所制定的標準。就應用領(lǐng)域而言，由ITU-T所制定的標準已成為ISDN及PSTN視訊會(huì )議的傳輸標準，而ISO及IEC所制定的標準則成為廣播視訊、數字監控保全系統、消費性多媒體產(chǎn)品與網(wǎng)絡(luò )多媒體信息的影音壓縮標準。目前就MPEG所制定的連續動(dòng)態(tài)影像壓縮編碼標準，我們可以從表(1)簡(jiǎn)略的分析發(fā)現其差異與優(yōu)缺點(diǎn)。

*GOP (Group Of Picture) – 由I、P、B三類(lèi)(Intra、Predictive、Bi-directional)畫(huà)面組合而成

由表(1)可以發(fā)現影像壓縮的標準皆朝向高壓縮比適合網(wǎng)絡(luò )傳輸的方向來(lái)發(fā)展，但在此同時(shí)多媒體信息在網(wǎng)絡(luò )上傳輸時(shí)其安全性及智財權的被侵犯機率等問(wèn)題亦隨之而來(lái)。

因此不論是就廣播視訊、數字監控保全系統、消費性多媒體產(chǎn)品與網(wǎng)絡(luò )多媒體信息的應用領(lǐng)域，凡是涉及 – 機密安全/隱私、智能財產(chǎn)權及使用者付費機制等因素之多媒體信息，在上傳網(wǎng)絡(luò )之前對于數據作加密便成為一道絕對必要的自我防護機制。

資料加/解密技術(shù)的發(fā)展
就目前公開(kāi)的技術(shù)文獻所提出的資料加密技術(shù)中，我們可以將其歸納為三個(gè)主要的方法：即對數據的位置重新排列、對數據作值的轉換，以及結合上面兩種做法的組合方法。

n 數據位置重新排列法
以對數據的位置重新排列方法，如圖1.1所示，假設其中的一個(gè)子圖皆為一張檔案大小5*7的圖文件，則在”位置重新排列”的方法中，其先對檔案數據作左右方向位置的調換，如圖1.1(a)；再將經(jīng)過(guò)左右方向轉換的檔案數據，作上下方向位置的調換，如圖1.1(b)；再將經(jīng)過(guò)左右方向與上下方向轉換的檔案數據，作右上左下方向位置的調換，如圖1.1(c)；最后在將經(jīng)過(guò)前三個(gè)方向轉換的檔案數據，作左上右下方向位置的調換，如圖1.1(d)。因此，其對于每一張圖檔都在四種方位上對數據作位置上的對調，如此才完成一張圖檔的加密過(guò)程。并且在任何一個(gè)方向上，對數據作轉換的方向與點(diǎn)數都是不固定的，其完全依照隨機的方式，并有產(chǎn)生隨機方向與點(diǎn)數的機制。此種方法，僅針對檔案中的數據調換位置，即將數據位置作重新排列，此舉并不會(huì )改變到檔案中每一個(gè)數據內容的值。

圖1.1 數據的位置重新排列方法示意圖

數據值轉換法
對數據作”值的轉換”的方法，其意思為：對要加密的檔案中的每一筆數據，對它的內容值作轉換。舉例而言，如果要加密的數據為一個(gè)圖文件，則此方法會(huì )對每一個(gè)像素作處理，并改變每一個(gè)像素的值。首先，其對每一個(gè)字節(byte)的值，拆開(kāi)成為binary的形式，如式(1.1)所示，其中g(shù)(n)表示要加密檔案中的一個(gè)字節，其中n=0, 1, 2, ……。

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

經(jīng)過(guò)這一連串的運算，將每一個(gè)位bi的值改變之后，也就是將g(n)的值作了改變，而再將檔案數據中的每一筆g(n)的值都作過(guò)加密的運算后，就表示檔案數據完成加密。

綜合以上的方法，有關(guān)對數據作”位置重新排列”的方法，也就是依照一個(gè)既定的算法，將原始數據的位置重新排列，這種方法較為簡(jiǎn)單，因此其在對數據的保密程度上，也顯得較為不足。對于對數據作”值的轉換”的方法，也就是將原始數據的內容，直接依照既定的算法改變之，此種方法的計算復雜度較低，且其設計之后的硬件成本也較低。最后，有關(guān)結合兩者，對數據”位置重新排列”與對數據作”值的轉換”的方法，則對數據的保密方面具有較高保密性。

TDCEA數據加/解密技術(shù)

我們依據上面所提到的三種做法，提出一個(gè)新的數據加解密系統，其結合了”對數據位置重新排列”與”對數據作值的轉換”兩種方法提出一個(gè)二維數據加解密算法 (2-D Circulation Encryption Algorithm, TDCEA)，其計算復雜度為O(N)。

圖2.1所示為我們所提出的TDCEA數據加解密系統示意圖，我們可將此系統分為主要的兩個(gè)部分，一為圖中上半部的加密端，另一為圖中下半部的解密端。其中加密端的主要加密算法為 ，而解密端的主要解密算法則為 。基于這兩個(gè)動(dòng)作前后互換的算法，再藉由圖中的Chaotic Binary Sequence Generator (CBSG)，分別在加密端跟解密端產(chǎn)生相同的兩個(gè)不規則二元數列來(lái)控制兩個(gè)主要算法的動(dòng)作，進(jìn)而達到在加密端將輸入的明文數據做完加密的動(dòng)作后，在解密端可以正確的將加密后的密文數據做解密而得到原始的明文數據。

圖2.1 TDCEA數據加解密系統示意圖

TDCEA具有兩個(gè)很好的特征。(1) 加密過(guò)后的影像，不論以人類(lèi)的視覺(jué)直接觀(guān)看，或計算其碎形維度D (Fractal Dimension)，都顯示影像達到完全混亂的程度。(2) 加密后的影像，對參數μ與x(0)的微小變動(dòng)是極為敏銳的。

針對TDCEA數據加解密系統我們以C語(yǔ)言對其作仿真, 在C語(yǔ)言的仿真下，我們對多張大小為256*256像素的圖做加密后再做解密，如圖3.1所示，其為我們仿真的四張樣本，其中圖3.1(a)、圖3.1(b)、圖3.1(c)及圖3.1(d) 為原始的檔案，其分別為”Cman”、”Aero”、”P(pán)epper”及”Lenna”，并且圖3.1(a’)、圖3.1(b’)、圖3.1(c’)及圖3.1(d’)，分別為其加密完的圖片影像，又圖3.1(a’’)、圖3.1(b’’)、圖3.1(c’’)及圖3.1(d’’)，分別為加密后再解密的圖片影像。由圖3.1我們可以發(fā)現，經(jīng)由TDCEA加密再解密后的圖片影像完全不失真。再者，我們以人類(lèi)的視覺(jué)系統，直接觀(guān)看經(jīng)由TDCEA加密后的圖片影像，發(fā)現其完全無(wú)法得知它是哪一張圖片加密后的結果，也就是說(shuō)，經(jīng)由TDCEA加密后的圖片影像，其混亂程度已經(jīng)達到一定的值。另外，對于加密后圖片影像的混亂程度，我們也利用計算圖片影像其碎形維度(Fractal Dimension)的值，以量化方式，以作為保密性之客觀(guān)判斷。一般而言，大多數的圖片其本身都有某一程度上的關(guān)聯(lián)性，不管是其本身的自然結構，或者是圖片上的噪聲都有這樣的特點(diǎn)。對于這一些復雜但有秩序的結構，雖然我們無(wú)法用人類(lèi)的視覺(jué)系統作出適當的描述，但碎形維度卻可以為此提供一種量測與描述。

首先，我們將一個(gè)大小為L(cháng)*P像素的平面影像，看成在?3上的平面圖，并且以等式z = f(x, y)描述之。之后，以[19]中的方法來(lái)計算碎型維度D的值，進(jìn)而得知影像在?3上的平面圖其粗糙程度為何。

要計算圖片的碎型維度D，要先計算所有ndi(k)的值，并且k=0, 1, 2, ……，ndi(k)定義為如下式(3.1)所示。

(3.1)

其中f(x1, y1)，f(x2, y2)為圖中距離大于k、小于k+1的任兩點(diǎn)的值，即x1、y1、x2、及y2要符合下列式(3.2)的判斷式。又npn(k)代表的是，圖中所有符合上列條件的點(diǎn)對數。

(3.2)

計算完所有ndi(k)的值后，將所有的點(diǎn) (log(k), log(ndi(k))) 描繪于X-Y平面上，并且以最小平方法(Least-Square)計算其線(xiàn)性回歸(Linear Regression)，以在我們所描繪的曲線(xiàn)上求得斜率H，如此便可以求得圖片影像的碎性維度D = 3-H。在我們的模擬中，我們將式(3.1)中兩點(diǎn)間的最大距離k設為60。
在我們對影像的仿真中，我們給定TDCEA加密算法步驟一中參數α及參數β不同值的組合，發(fā)現加密過(guò)后的圖片影像都能達到一定程度的混亂。因此在此次的模擬中，我們將步驟一參數α的值設為2，也將參數β的值設為2，對于步驟二中，x(n) = μ*x(n-1)*(1-x(n-1)) 此一維邏輯表達式中的參數μ，我們將其值設為3.9，而x(0)則設為0.75。

經(jīng)過(guò)仿真加密過(guò)后的圖片影像誠如圖3.1(a’)、圖3.1(b’)、圖3.1(c’)及圖3.1(d’)所示，其能達到極度的混亂程度。而其原圖的碎性維度與加密過(guò)后影像的碎性維度，計算之后如表3.1所示

表3.1 圖片原始影像與加密過(guò)后影像之碎性維度 (Fractal Dimension)

目前針對TDCEA的加/解密的核心技術(shù)，我們除了透過(guò)軟件的形式去印證并已達到影像數據加/解密的功能之外，同時(shí)也開(kāi)始進(jìn)入CMOS制程之單芯片開(kāi)發(fā)研究，初步硬件雛型已經(jīng)可以作到上述所提之影像數據完全加/解密功能。

遠程安全監控系統之應用

在前文中我們有提到凡是涉及 – 機密安全/隱私、智能財產(chǎn)權及使用者付費機制等因素之多媒體信息，在上傳網(wǎng)絡(luò )之前對于數據作加密便成為一道絕對必要的自我防護機制。筆者會(huì )再次強調的原因是因為，就上述因素而言以機密安全/隱私的因素為最首要且迫切需要作影像數據加密的機制，尤其是以所謂的遠程安全監控系統更是一個(gè)典型的應用。

目前市面上所謂的遠程數字安全監控系統，無(wú)非就是一套具備網(wǎng)絡(luò )傳輸功能的DVR (Digital Video Recorder)或是所謂的IP 攝影機，這類(lèi)系統通常會(huì )用軟件/硬件去將攝影機所取像到的畫(huà)面作壓縮，而后除了在系統上的硬盤(pán)作儲存備份外也提供特定IP的影像上傳功能。目前已經(jīng)有許多社區/大樓、公共場(chǎng)所(機場(chǎng)/車(chē)站/停車(chē)場(chǎng)/銀行)，甚至是政府機關(guān)、軍事/研究單位都采用這類(lèi)的系統，但這類(lèi)系統將影像上傳至網(wǎng)絡(luò )上時(shí)，在影像數據沒(méi)有加密的保護下即使是使用特定IP并同時(shí)設定密碼作身份確認，可是在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )駭客入侵屢見(jiàn)不鮮的環(huán)境下，這些地點(diǎn)的遠程監視影像在網(wǎng)絡(luò )上被截取或側錄將會(huì )成為一個(gè)最大的安全隱憂(yōu)。

因此我們認為在遠程安全監控系統上結合數據加/解密的技術(shù)己經(jīng)是一個(gè)絕對必要的程序，如圖4所示則是目前我們所提出的MPEG-4的影像壓縮技術(shù)結合TDCEA的加/解密技術(shù)可應用在數字遠程安全監控系統(Digital Remote Video Surveillance Management System, 簡(jiǎn)稱(chēng)DVM)的系統架構示意圖。

圖4. 數字遠程安全監控(DVM)系統架構

結合MPEG-4高壓縮比的特性與TDCEA的資料加密技術(shù)，除了可以讓影像數據快速的在網(wǎng)絡(luò )上傳輸即便影像數據在網(wǎng)絡(luò )上被截錄，在不知道TDCEA解密的條件參數下，入侵者所看到的影像數據幾乎等于是噪聲，但對于特定的接收端由于具備解密的條件參數，因此仍然可以將加密影像予以解密并還原成原本的影像數據。

結論

隨著(zhù)因特網(wǎng)的普及化及數字影音壓縮技術(shù)的進(jìn)步，透過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳或下載多媒體信息已經(jīng)成為十分便捷且快速的方式，但衍生出來(lái)的安全性及智財權問(wèn)題將成為不法業(yè)者及網(wǎng)絡(luò )駭客肆意橫行的最大漏洞，而最好的解決辦法除了設定過(guò)濾身份的密碼機制外，將影像數據透過(guò)加密技術(shù)再上傳，將是保護自已也是防犯犯罪的最佳防護網(wǎng)。

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