CN1520185A - 加密和压缩多媒体数据的方法与设备 - Google Patents

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Abstract

在此公开了一种加密和压缩多媒体数据的方法和设备，其通过在压缩多媒体数据来记录和传送该多媒体数据的过程中，使用一加密密钥来转换和压缩多媒体数据，并且加密所述多媒体数据，以使得只能使用所述加密密钥对所述数据进行解码。该方法包括：通过将输入的多媒体数据施加到DCT单元，以产生离散余弦变换(DCT)系数，并量化该DCT系数；在熵编码已量化DCT系数的已量化DC和AC系数时，通过使用特定加密密钥转换已编码DC和AC系数，并加密和压缩已转换的差分系数(DC系数)与振幅系数(AC系数)；对已加密DC和AC系数进行霍夫曼编码，并输出已编码DC和AC系数。该方法是一种适合于处理无线通信中多媒体数据的数据压缩方法。

Description

加密和压缩多媒体数据的方法与设备
技术领域
本发明通常涉及一种加密和压缩多媒体数据的方法与设备，特别涉及一种通过在压缩多媒体数据来记录和传送该多媒体数据的过程中，使用一个特定密钥来转换和压缩多媒体数据，以及只能使用在压缩过程中使用过的密钥，对所加密的多媒体数据进行解密的加密和压缩多媒体数据的方法和设备。本申请基于韩国专利申请No.2002-72813，其在此结合作为参考。
背景技术
运动图像专家组(MPEG)标准是关于运动图像和音频数据的压缩、存储、传送以及已压缩信息的解压缩、处理、编码的方法的国际标准。MPEG标准包括MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4。对于MPEG标准中的MPEG-1(ISO/CEI 11172)，其是压缩多媒体数据的最基础的方法，它通过将统计特性应用到剩余的或已转换的多媒体数据而消除或转换被复制的信息，并压缩运动图像信号。
MPEG标准使用离散余弦变换(以下称为“DCT”)和量化来去除空间冗余，使用差分脉码调制(DPCM)来去除时间冗余，此外，还使用了包括游程长度编码(RLC)和霍夫曼编码的熵编码。
此外，MPEG标准主要包括图像组(GOP)，该图像组中的每一个都是一系列帧。每一个GOP中都包括一内帧(I-frame)，一前向预测帧(P-frame)和一双向预测帧(B-frame)。
最近，随着无线通信技术的发展和移动通信技术的广泛应用，提出了基于压缩方法的多媒体服务，因此对通过多媒体服务提供的数据安全性提出了更高的要求。
也就是说，相应的服务应该仅被提供给具有服务使用权限的用户。例如，电影只能被传送给已经支付过某一费用的用户，或者是图像信息只能被传送给参与了秘密协会的有权限的用户。
在1997年作为国际标准算法采用的数据加密标准(以下称作“DES”)，通常被用作加密算法。
DES是一种使用对称密钥来处理纯文本的块单元的块加密算法，通常用于传送和复制用来提供安全多媒体服务的已压缩多媒体数据。
美国专利No.6,021,199，名为“Motion picture data encrypting method andcomputer system and motion picture data encoding/decoding apparatus to whichencrypting method is applied”，公开了一种使用MPEG压缩方法来加密多媒体数据的方法，所述MPEG压缩方法通过DES利用I-帧的特性来选择性地加密MPEG数据的I-帧，以包括原始图像信息，由此减少数据量。
使用上述MPEG压缩方法的多媒体数据加密过程的实现如附图1和附图2所示。
也就是说，如附图1所示，一个8×8块中的许多值通过DCT和量化处理变为0。
为了有效处理上述帧数据，以z字形顺序读取差分系数值(以下称为“DC系数”)和振幅系数值(以下称为“AC系数”)，例如，按照DC，AC1，AC2，...，AC63的顺序，通过熵编码处理(100)来进行压缩，以及通过DES加密处理(200)来进行加密。
另外，如图2所示，在步骤1，多媒体数据发生器接收从多媒体数据接收器发送的一公共密钥，并在步骤2产生一个用来解码通过多媒体服务提供的已加密多媒体数据的对称密钥，使用来自接收器的公共密钥加密所产生的对称密钥，并将该对称密钥发送到所述接收器。
在步骤3，产生器周期性地替换在DES中使用的对称密钥，从而提高数据的安全性。
由于加密和解码过程的复杂性，根据DES算法利用共享对称密钥加密MPEG数据的方法需要一种用于处理加密和解码过程的资源。
此外，由于该方法不能提高多媒体数据的数据压缩率，因而该方法不适合用于提供给无线移动终端的实时多媒体服务。
因此，存在一种对能够有效处理无线网络环境的带宽资源限制和移动终端的计算资源限制的多媒体安全系统的需求。
发明内容
因此，为解决出现在相关技术中的上述问题，提出了本发明，本发明的一个目的是提供一种加密和压缩多媒体数据的方法和设备，其中在MPEG压缩过程中根据一特定密钥进行熵编码，多媒体数据基于被转换的编码结果而被加密和压缩。
本发明的另一个目的是提供一种加密和压缩多媒体数据的方法和设备，其中应用特定的对称密钥来进行编码处理，从而提高数据压缩率。
根据本发明的加密和压缩多媒体数据的方法包括以下步骤：通过将输入的多媒体数据施加到一DCT单元而产生DCT系数，并量化所产生的DCT系数；通过在对已量化DCT系数中的已量化DC和AC系数进行熵编码的时候，根据特定加密密钥加密和压缩通过转换已编码DC和AC系数而转换的DC与AC系数；使用霍夫曼表对已加密DC和AC系数进行霍夫曼编码，并输出已编码的DC和AC系数。
此外，根据本发明的用于加密和压缩多媒体数据的设备包括：一DCT单元，用于通过将多媒体数据DCT转换为离散信号而产生包括AC和DC系数的DCT系数；一量化单元，通过使用一个量化表对所产生的DCT系数进行量化；一熵加密编码单元，通过使用特定加密密钥来熵编码已量化的AC和DC系数，从而加密已量化的AC和DC系数。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，可以更清楚地理解本发明的上述及其他目的，特征和其他优点，其中：
图1是一种使用MPEG压缩方法通过DES加密多媒体数据的常规设备的结构示意图；
图2是一种应用MPEG压缩方法通过DES加密多媒体数据的常规系统的结构示意图；
图3是根据本发明的加密和压缩多媒体数据的设备结构示意图；
图4是根据本发明的加密和压缩多媒体数据的方法的流程图；
图5是根据本发明的一种包括加密和压缩设备的系统的结构示意图；
图6a-6c是根据本发明的一原始图像及其加密和压缩后的结果的视图；以及
图7a-7c是根据本发明的另一原始图像及其加密和压缩后的结果的视图。
具体实施方式
以下，将参照附图，详细描述根据本发明实施例的加密和压缩多媒体数据的方法和设备。
加密和压缩多媒体数据的方法和设备，是基于MPEG-1的H.261运动图像压缩算法实现的。在MPEG-1的H.261运动图像压缩算法中，定义了用于解释压缩过程的术语的含义以及分层结构。
因而，在解释加密和压缩多媒体数据的方法和设备时，那些可能模糊本发明发明点的术语的含义、分层结构和多种参数的描述将被省略。
此外，在本发明中，经由使用对称密钥通过不同的方法对DC和AC系数进行加密。如Shi和Bhargava的“An Efficient MPEG Video EncryptionAlgorithm”中提到的，通过一种根据加密密钥改变代码的方法来对DC系数进行加密。通过一个另外执行有损耗压缩的方法来对AC系数进行加密。
加密和压缩多媒体数据的设备将参照图3进行详细描述。
如图3所示，本发明中的加密和压缩多媒体数据的设备包括：一DCT单元110，该单元用于通过将输入的多媒体数据DCT转换为离散信号，从而产生包括AC和DC系数的DCT系数；一量化单元150，用于通过使用量化表130量化所产生的DCT系数；以及一熵加密编码单元170，通过使用特定加密密钥对已量化的AC和DC系数进行熵编码，从而加密已量化AC和DC系数。
熵加密编码单元170包括：一DPCM单元171，用于脉冲调制DCT系数的已量化DC系数；一RLC单元173，以Z字形运行方式扫描DCT系数的已量化AC系数；一加密单元175，该单元使用从DPCM单元171和RLC单元173得到的每一个DC和AC系数的可变长码(VLC)和可变长整数(VLI)，来加密DC和AC系数；以及一霍夫曼编码单元179，使用霍夫曼表177对已加密DC和AC系数进行霍夫曼编码。
使用上述设备进行加密和压缩多媒体数据的方法包括以下步骤：通过将输入的多媒体数据施加到DCT单元110，从而产生一个DCT系数，并量化所产生的DCT系数；在对已量化的DCT系数的已量化DC和AC系数进行熵编码的时候，通过根据特定加密密钥转换的已编码DC与AC系数，来加密和压缩DC与AC系数；以及使用霍夫曼表177对已加密DC和AC系数进行霍夫曼编码，并输出已编码DC和AC系数。
加密与压缩DC和AC系数的步骤包括以下步骤：对已量化DC系数进行差分脉码调制，并执行已量化AC系数的RLC；使用通过DPCM和RLC获得的每个DC和AC系数的可变长信息(即，VLC和VLI)，来确定AC和DC系数的加密密钥以及显示该加密密钥起始位的随机常数r；并使用所确定的加密密钥加密AC和DC系数。
加密DC系数的步骤包括以下步骤：确定在所确定DC系数加密密钥中的第r位的值是否为“1”；以及当所确定的结果为“1”时，通过执行DC系数的VLC与11111111之间的异或逻辑操作(exclusive logical sum operation)，来转换DC系数。
加密AC系数的步骤包括以下步骤：确定在所确定AC系数加密密钥中的第r位的值是否为“1”；当所确定的结果为“1”时，将AC系数的VLI向右移位；通过对右移后的VLI使用霍夫曼表来确定AC系数的VLC；以及使用所确定的VLC和VLI转换AC系数。
所述加密密钥包括两个对称密钥，该对称密钥分别为AC系数和DC系数的VLC。因此，对DC和AC系数所进行的熵编码是基于每一个DC和AC系数的VLC的，且可变的编码结果被压缩成仅能用VLC解码。
参照附图将详细描述加密和压缩多媒体数据的方法的一个实施例。
例如，表1示出了按照Z字形顺序排列的向量矩阵(DC，AC1，AC2，......，AC63)。
表1
                  30000000
                  00000000
                  07000000
                  00000000
                  00000000
                  00000000
                  00000000
                  00000000
表2
DIFF(k)值的范围        位长(m)          霍夫曼码
0                                 0              00
-1，1                             1              010
-3，-2，2，3                      2              011
-7，...，-4，4，...，7            3              100
...
-255，...，-128，128，...，255    8              1111110
使用DC系数和AC系数以Z字形顺序扫描一个8×8块。DC系数被编码为一个VLC和一个VLI，该VLC指示了利用霍夫曼表表示DC系数的最小位长，该VLI指示了一个对应于DC系数中的VLC的位。
在本实施例中，由于DC系数是“3”，参照表2(用于DC系数的霍夫曼编码)，表示为“3”的最小位长被确定为“2”。
因此，DC系数的VLC为2(011)，并且指示与VLC的位长“2”相对应的位的VLI，则从表示DC系数“3”的011的最低有效位变为11。
此外，包括VLC和VLI的DC系数的熵编码结果为01111。
AC系数是一系列的比特流，其中使用RLC而压缩“0”重复的次数I和表示非零数目的位长m。根据本发明，参照表3(AC系数数量级的位长表)，重复的次数I为“7”，表示非零数目“7”的位长m为“3”。
表3
     位长                          AC值的范围
     0                             0
     1                             -1，1
     2                             -3，-2，2，3
     3                             -7，...，-4，4，...，7
     4                             -15，...，-8，8，...，15
     ...
     10                            -1023，...，-512，512，...，1023
表4
      Run/Level        位                      VLC
      7/1              8                       11111010
      7/2            12           11111111011
      7/3            16           11111111110101110
      7/4            16           11111111110101111
      7/5            16           11111111110110000
      7/6            16           11111111110110001
      7/7            16           11111111110110010
      7/8            16           11111111110110011
      7/9            16           11111111110110100
      7/A            16           11111111110110101
因此，如果通过表4(典型AC霍夫曼编码表)确定与(7，3)相对应的VLC，则AC系数的VLC为11111111110101110。
由于用于表示VLC中的“7”的指示了位长3的VLI是110，含有VLC和VLI的AC系数的熵编码结果为11111111110101110110。
也就是说，根据该过程，如果每一个DC系数和AC系数的VLC和VLI是由熵加密编码单元170中的DPCM单元171与RLC单元173产生的，则使用所述VLC和VLI来实现加密和压缩处理。
以下参照图4，描述使用每一个DC系数和AC系数的VLC和VLI进行的加密和压缩处理。
如图4所示，在步骤S1，通过分别执行已量化DC与AC系数的DPCM和RLC，来产生每一个DC系数和AC系数的VLC和VLI，以及应用所产生的每一个DC系数和AC系数的VLC和VLI，确定一个加密密钥(以下称为“第一和第二对称密钥”)和一个表示第一或第二对称密钥2的起始位的随机常数r。该第一和第二对称密钥由DC和AC系数的VLC确定，且密钥1被定义为DC系数的VLC，密钥2被定义为AC系数的VLC。
若确定了第一和第二对称密钥以及随机常数，则在步骤S2确定是否有一个与DC系数相对应的密钥。
如果步骤S2所确定的结果是一密钥与DC系数相对应，则在步骤S3，确定与在第一对称密钥中所指定随机常数相对应的位值是否为“1”。如果该位的值是“1”，则在步骤4，执行DC系数的VLI和11111111之间的异或逻辑(XOR)操作。
在步骤S5，根据与11111111进行了XOR操作而改变的VLI的值，对已编码DC系数进行转换。
也就是说，如果以该随机常数是“2”为例，并将其应用到本实施例中，且VLC为011以及VLI为11的DC系数中的VLI的第二位的值为“1”，则与11111111进行XOR操作的结果为11111100。
在XOR操作结果中，由从相应VLC的位长“2”中提取一位构成的VLI变为00。
因此，通过可变VLI，已编码DC系数转换为01100。
如果步骤S2所确定的结果是一密钥与DC系数不对应，则在步骤S6中，确定与在第二对称密钥中所指定随机常数相对应的位值是否为“1”。如果该位的值为“1”，则在步骤S7右移AC系数的VLI。
在步骤S8，根据经过右移而改变的VLI的值，对已编码AC系数进行转换。
也就是说，根据该实施例，由于在VLC为11111111110101110和VLI为110的AC系数中，VLI的第二位为“1”，如果VLI右移，则VLI变为011。
由于作为步骤S8的结果，VLI为3(011)，因而可将用于表示“3”的最小位长“2”应用于AC系数，从而使AC系数由(7，3)转换为(7，2)。
因此，如果使用表4来寻找对应于(7，2)的VLC，该VLC应为111111110111，且通过提取与VLC的位长相对应的一位所构成的VLI为11。
由可变VLI转换的已编码AC系数为1111111011111。
如上所述，压缩过的AC和DC系数被加密，从而使其只能由用作加密密钥的第一和第二对称密钥进行解码。
如图5所示，如果通过所述过程，确定了第一和第二对称密钥，并且将多媒体数据加密并压缩，所述多媒体数据发生器从多媒体数据接收器B接收一个公共密钥，通过多媒体数据接收器B的公共密钥，对第一和第二对称密钥加密并将其发送给所述接收器。
多媒体数据接收器，使用其自带的私有密钥对多媒体数据进行解码，从而使得通过多媒体服务提供的已压缩多媒体数据得到解码。
也就是说，由于多媒体数据是依赖于第一和第二对称密钥以及随机常数r进行编码的，因此如果用户不知道所述第一和第二对称密钥，将无法对所述多媒体数据进行解码和复制，从而确保了多媒体数据的安全性。
多媒体数据发生器周期性地改变第一和第二对称密钥以及随机常数r，以提高多媒体数据的安全性。随机常数的改变要比第一和第二对称密钥的改变更频繁，因此，改变第一和第二对称密钥的时间间隔T，要长于改变随机常数r的时间间隔t。
此外，通过根据本发明的上述加密和压缩过程，减少了AC系数的比特流，并提高了数据压缩率。在本发明中，通过使用第二对称密钥的上述编码过程，将AC系数由(7，3)转换为(7，2)，从而使得AC系数减少了5位。
因此，当把8×8块作为一帧中一片层的一宏块的部分时，整个运动图像文件能够获得所期望的压缩效果。
参照图6a-6c和7a-7c将描述上述加密和压缩结果。图6a和图7a示出了原始图像，图6b和图7b示出了原始图像的加密和压缩的结果。
图6c和图7c示出了根据本发明使用第一和第二对称密钥所形成的加密和压缩图像的解码结果。
如图6c和图7c所示，根据本发明，可以通过简单的操作，诸如XOR操作和右移，来获得有效的编码和解码结果。
此外，表5给出了一个常规的数据压缩率与图6a-6c和7a-7c中示出的本发明的加密和压缩数据结果的数据压缩率相对比的列表。
通过表5证实，采用本发明的数据压缩率，相对于常规的数据压缩率将有显著的提高。
表5
                   图6a至6c                图7a至7c
              压缩率      大小       压缩率         大小
MPEG标准      81∶1       31231      40∶1          174387
                          (字节)
本发明        118∶1      21455      52∶1          133968
表6描述了计算相应的帧所需要的花费。在图6a-6c的情况下，与MPEG标准的压缩方法相比，多用了0.05746秒，因此表6中示出了其1.32％的花费。在图7a-7c的情况下，与MPEG标准的压缩方法相比，多用了0.039373秒，因此表6中示出了其0.88％的花费。
通过该结果可以意识到，根据本发明所产生的花费是一个可忽略的较小值。
表6
    图6a至6c     图7a至7c
  MPEG标准     3.321732(秒每帧)     3.564230
  本发明     3.378378     3.603603
如上所述，根据本发明，由于使用了依赖于一特定加密密钥所改变的熵编码结果，对输入的多媒体数据进行加密，因而加密和解码过程并不复杂，因此本发明适合用于移动终端的多媒体服务并且数据压缩率高，从而在无线通信中的多媒体处理也是有效的。
虽然本发明公开了解释发明目的的典型实施例，但本领域技术人员在不脱离所附权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，将能够理解多种修改、增加和替换的可能。

Claims (7)

1.一种加密和压缩多媒体数据的方法，包括步骤：
通过将输入的多媒体数据施加到一离散余弦变换单元，从而产生离散余弦变换系数，并量化所产生的离散余弦变换系数；
通过在对已量化离散余弦变换系数中的已量化差分系数(DC系数)和振幅系数(AC系数)进行熵编码时，基于特定加密密钥转换已编码数据，来加密和压缩已转换DC与已转换AC系数；以及
使用霍夫曼表对已加密DC和AC系数进行霍夫曼编码，并输出已编码DC和AC系数。
2.如权利要求1所述的方法，其中加密和压缩DC与AC系数的步骤包括步骤：
执行已量化DC系数的差分脉码调制(DPCM)和已量化AC系数的游程长度编码(RLC)；
使用通过DPCM和RLC获得的每个DC和AC系数的、包括可变长码(VLC)和可变长整数(VLI)的可变长信息，来确定AC和DC系数的加密密钥以及指示该加密密钥起始位的随机常数r；以及
使用所确定的加密密钥来加密AC和DC系数。
3.如权利要求2所述的方法，其中加密AC和DC系数的步骤包括步骤：
确定在所确定DC系数的加密密钥中，第r位的值是否为“1”；以及
若所确定的值为“1”时，通过在DC系数的VLC和11111111之间进行异或操作，来转换该DC系数。
4.如权利要求2所述的方法，其中加密AC和DC系数的步骤包括步骤：
确定在所确定AC系数的加密密钥中，第r位的值是否为“1”；
若所确定的值为“1”时，将AC系数的VLI向右移位；
应用霍夫曼表，通过右移后的VLI，确定AC系数的VLC；以及
使用所确定的VLC和VLI转换AC系数。
5.如权利要求1至4任一所述的方法，其中所述加密密钥包括第一和第二对称密钥，且所述对称密钥分别为AC和DC系数的VLC。
6.一种加密和压缩多媒体数据的设备，包括：
一离散余弦变换单元，用于通过将输入的多媒体数据离散余弦变换转换为离散信号，从而产生包括AC和DC系数的离散余弦变换系数；
一量化单元，用于通过使用量化表量化所产生的离散余弦变换系数；以及
一熵加密编码单元，用于通过使用特定加密密钥对已量化AC和DC系数进行熵编码，来加密该已量化AC和DC系数。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述熵加密编码单元包括：
一DPCM单元，用于脉冲调制离散余弦变换系数中的已量化DC系数；
一RLC单元，用于以Z字形运行方式扫描离散余弦变换系数中的已量化AC系数；
一加密单元，用于使用从DPCM单元和RLC单元中得到的每一个DC和AC系数的VLC和VLI，来加密DC和AC系数；以及
一霍夫曼编码单元，用于通过使用霍夫曼表，对已加密DC和AC系数进行霍夫曼编码。
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