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前言
目前在各種影像壓縮技術的高度發(fā)展之下，在保全監(jiān)控、影音多媒體產(chǎn)品及網(wǎng)絡影音信息上隨處可見透過影像壓縮方式所產(chǎn)生的各類多媒體數(shù)據(jù)。同時在科技的快速發(fā)展及人類對實時信息的需求下

透過網(wǎng)絡上傳及下載實時信息成為時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，遭受不法擷取多媒體數(shù)據(jù)的機率也相對的增加，因此使得多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽�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(shù)據(jù)，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(xiàn)了許多應用于數(shù)據(jù)安全上，各式各樣的加密技術及數(shù)字水印技術。而這些數(shù)據(jù)加密技術，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(shù)據(jù)后看不到數(shù)據(jù)內(nèi)容，更可以將其應用于保護目前市面流通的DVD及有線電視臺所傳送的數(shù)字視訊內(nèi)容。而使用數(shù)據(jù)加/解密或數(shù)字水印的技術，不但不會破壞原先作者的創(chuàng)作，更可以在人們看得到數(shù)字訊號的同時，在其中隱含著作者的訊息，保護創(chuàng)作者的著作權。因應此多媒體數(shù)據(jù)保護趨勢，我們于本文中提出一個新的數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)，并將其應用在遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo上。

影像壓縮技術的發(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(xù)畫面動態(tài)影像編碼，影像編譯碼技術發(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，隸屬在ISO(International Standards Organization；國際標準協(xié)會)及IEC (International Electro-Technical Commission；國際電子工業(yè)委員會)之下，是專門制定動態(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)所制定的標準。就應用領域而言，由ITU-T所制定的標準已成為ISDN及PSTN視訊會議的傳輸標準，而ISO及IEC所制定的標準則成為廣播視訊、數(shù)字監(jiān)控保全系統(tǒng)、消費性多媒體產(chǎn)品與網(wǎng)絡多媒體信息的影音壓縮標準。目前就MPEG所制定的連續(xù)動態(tài)影像壓縮編碼標準，我們可以從表(1)簡略的分析發(fā)現(xiàn)其差異與優(yōu)缺點。

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

由表(1)可以發(fā)現(xiàn)影像壓縮的標準皆朝向高壓縮比適合網(wǎng)絡傳輸?shù)姆较騺戆l(fā)展，但在此同時多媒體信息在網(wǎng)絡上傳輸時其安全性及智財權的被侵犯機率等問題亦隨之而來。

因此不論是就廣播視訊、數(shù)字監(jiān)控保全系統(tǒng)、消費性多媒體產(chǎn)品與網(wǎng)絡多媒體信息的應用領域，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)絡之前對于數(shù)據(jù)作加密便成為一道絕對必要的自我防護機制。

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

n 數(shù)據(jù)位置重新排列法
以對數(shù)據(jù)的位置重新排列方法，如圖1.1所示，假設其中的一個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(shù)據(jù)作左右方向位置的調(diào)換，如圖1.1(a)；再將經(jīng)過左右方向轉換的檔案數(shù)據(jù)，作上下方向位置的調(diào)換，如圖1.1(b)；再將經(jīng)過左右方向與上下方向轉換的檔案數(shù)據(jù)，作右上左下方向位置的調(diào)換，如圖1.1(c)；最后在將經(jīng)過前三個方向轉換的檔案數(shù)據(jù)，作左上右下方向位置的調(diào)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(shù)據(jù)作位置上的對調(diào)，如此才完成一張圖檔的加密過程。并且在任何一個方向上，對數(shù)據(jù)作轉換的方向與點數(shù)都是不固定的，其完全依照隨機的方式，并有產(chǎn)生隨機方向與點數(shù)的機制。此種方法，僅針對檔案中的數(shù)據(jù)調(diào)換位置，即將數(shù)據(jù)位置作重新排列，此舉并不會改變到檔案中每一個數(shù)據(jù)內(nèi)容的值。

圖1.1 數(shù)據(jù)的位置重新排列方法示意圖

數(shù)據(jù)值轉換法
對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，對它的內(nèi)容值作轉換。舉例而言，如果要加密的數(shù)據(jù)為一個圖文件，則此方法會對每一個像素作處理，并改變每一個像素的值。首先，其對每一個字節(jié)(byte)的值，拆開成為binary的形式，如式(1.1)所示，其中g(n)表示要加密檔案中的一個字節(jié)，其中n=0, 1, 2, ……。

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

經(jīng)過這一連串的運算，將每一個位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(shù)據(jù)中的每一筆g(n)的值都作過加密的運算后，就表示檔案數(shù)據(jù)完成加密。

綜合以上的方法，有關對數(shù)據(jù)作”位置重新排列”的方法，也就是依照一個既定的算法，將原始數(shù)據(jù)的位置重新排列，這種方法較為簡單，因此其在對數(shù)據(jù)的保密程度上，也顯得較為不足。對于對數(shù)據(jù)作”值的轉換”的方法，也就是將原始數(shù)據(jù)的內(nèi)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，有關結合兩者，對數(shù)據(jù)”位置重新排列”與對數(shù)據(jù)作”值的轉換”的方法，則對數(shù)據(jù)的保密方面具有較高保密性。

TDCEA數(shù)據(jù)加/解密技術

我們依據(jù)上面所提到的三種做法，提出一個新的數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)，其結合了”對數(shù)據(jù)位置重新排列”與”對數(shù)據(jù)作值的轉換”兩種方法提出一個二維數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)示意圖，我們可將此系統(tǒng)分為主要的兩個部分，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 �；�于這兩個動作前后互換的算法，再藉由圖中的Chaotic Binary Sequence Generator (CBSG)，分別在加密端跟解密端產(chǎn)生相同的兩個不規(guī)則二元數(shù)列來控制兩個主要算法的動作，進而達到在加密端將輸入的明文數(shù)據(jù)做完加密的動作后，在解密端可以正確的將加密后的密文數(shù)據(jù)做解密而得到原始的明文數(shù)據(jù)。

圖2.1 TDCEA數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)示意圖

TDCEA具有兩個很好的特征。(1) 加密過后的影像，不論以人類的視覺直接觀看，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(shù)μ與x(0)的微小變動是極為敏銳的。

針對TDCEA數(shù)據(jù)加解密系統(tǒng)我們以C語言對其作仿真, 在C語言的仿真下，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”、”Pepper”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(xiàn)，經(jīng)由TDCEA加密再解密后的圖片影像完全不失真。再者，我們以人類的視覺系統(tǒng)，直接觀看經(jīng)由TDCEA加密后的圖片影像，發(fā)現(xiàn)其完全無法得知它是哪一張圖片加密后的結果，也就是說，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判斷。一般而言，大多數(shù)的圖片其本身都有某一程度上的關聯(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。對于這一些復雜但有秩序的結構，雖然我們無法用人類的視覺系統(tǒng)作出適當?shù)拿枋觯�但碎形維度卻可以為此提供一種量測與描述。

首先，我們將一個大小為L*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]中的方法來計算碎型維度D的值，進而得知影像在?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對數(shù)。

(3.2)

計算完所有ndi(k)的值后，將所有的點 (log(k), log(ndi(k))) 描繪于X-Y平面上，并且以最小平方法(Least-Square)計算其線性回歸(Linear Regression)，以在我們所描繪的曲線上求得斜率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(shù)α及參數(shù)β不同值的組合，發(fā)現(xiàn)加密過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(shù)α的值設為2，也將參數(shù)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(shù)μ，我們將其值設為3.9，而x(0)則設為0.75。

經(jīng)過仿真加密過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后影像之碎性維度 (Fractal Dimension)

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

遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)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)絡之前對于數(shù)據(jù)作加密便成為一道絕對必要的自我防護機制。筆者會再次強調(diào)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(shù)據(jù)加密的機制，尤其是以所謂的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)更是一個典型的應用。

目前市面上所謂的遠程數(shù)字安全監(jiān)控系統(tǒng)，無非就是一套具備網(wǎng)絡傳輸功能的DVR (Digital Video Recorder)或是所謂的IP 攝影機，這類系統(tǒng)通常會用軟件/硬件去將攝影機所取像到的畫面作壓縮，而后除了在系統(tǒng)上的硬盤作儲存?zhèn)浞萃庖蔡峁┨囟↖P的影像上傳功能。目前已經(jīng)有許多社區(qū)/大樓、公共場所(機場/車站/停車場/銀行)，甚至是政府機關、軍事/研究單位都采用這類的系統(tǒng)，但這類系統(tǒng)將影像上傳至網(wǎng)絡上時，在影像數(shù)據(jù)沒有加密的保護下即使是使用特定IP并同時設定密碼作身份確認，可是在這個網(wǎng)絡駭客入侵屢見不鮮的環(huán)境下，這些地點的遠程監(jiān)視影像在網(wǎng)絡上被截取或側錄將會成為一個最大的安全隱憂。

因此我們認為在遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)上結合數(shù)據(jù)加/解密的技術己經(jīng)是一個絕對必要的程序，如圖4所示則是目前我們所提出的MPEG-4的影像壓縮技術結合TDCEA的加/解密技術可應用在數(shù)字遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)(Digital Remote Video Surveillance Management System, 簡稱DVM)的系統(tǒng)架構示意圖。

圖4. 數(shù)字遠程安全監(jiān)控(DVM)系統(tǒng)架構

結合MPEG-4高壓縮比的特性與TDCEA的資料加密技術，除了可以讓影像數(shù)據(jù)快速的在網(wǎng)絡上傳輸即便影像數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上被截錄，在不知道TDCEA解密的條件參數(shù)下，入侵者所看到的影像數(shù)據(jù)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(shù)，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(shù)據(jù)。

結論

隨著因特網(wǎng)的普及化及數(shù)字影音壓縮技術的進步，透過網(wǎng)絡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，但衍生出來的安全性及智財權問題將成為不法業(yè)者及網(wǎng)絡駭客肆意橫行的最大漏洞，而最好的解決辦法除了設定過濾身份的密碼機制外，將影像數(shù)據(jù)透過加密技術再上傳，將是保護自已也是防犯犯罪的最佳防護網(wǎng)。

參考文獻
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