JPH044630A - 暗号化符号化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は暗号化符号化装置、特に、音声や画像信号な
どをデジタル伝送する暗号化符号化装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

近年、画像の高精細化が進み、例えば日常口にするテレ
ビ画像もＮＴＳＣ方式からハイビジョン方式へと移行し
つつある。このような高鯖細化画像をテープ、ディスク
などの記録媒体に記録したり、或いは衛星、光ファイバ
、ケーブルなどを介して遠隔地に送信する場合には、Ｓ
／Ｎ、シック等の画質劣化要因を考慮すると、アナロク
伝送よりは、デジタル伝送の方が有利である。

一方、デジタル伝送はテープやディスク等の記録系にお
いては何回タビングを縁り返しても画質劣化を生じない
メリットかある反面、違法複写や複製が大きな社会問題
となる。また、衛星、光ファイバやケーブル等の通信・
放送系においては、料金未納者や外部からの盗視聴か発
生するという問題がある。

そこで、従来こうしたデジタル伝送では、コンピュータ
等のデータ伝送をする場合は、データを全て暗号化して
送信し、受信側て暗号鍵を用いて解読するという手法か
用いられてきた。

次にこれらの暗号化の従来例について、第５図および第
６図を用いて説明する。

図面第５図は１９７７年１月１５日付ＦＩＰＳ公報４６
に開示された米国のデータ暗号化規格（Ｄａｔａ　ｅｎ
ｃｒｙｐｔｉｏｎ　５ｔａｎｄａｒｄ；以下ＤＥＳ又は
従来例という）の暗号化のフローを示す流れ図、第６図
は第５図の暗号化の関数を示す図である。

この従来例のデータ暗号化のアルゴリズムは、前記のよ
うに「データ暗号化規格」として公刊されている。

以下、このＤＢＳ　（従来例）について、第５図および
第６図を用いて説明する。

先ず、このＤＥＳは０．１からなる２元データに対する
ブロック暗号である。ＤＥＳでは、２元データを６４ビ
ツトのブロックにわけ、各ブロックに対し、転置と換字
を繰り返すことにより暗号化を行っている。鍵は６４ヒ
ツトであるが、そのうち８ヒツトは誤り検出のための検
査ヒツトであり、５６ビツトか有効である。この鍵によ
って、各回の換字か制御される。図面第５図はＤＥＳの
暗号化の過程を示している。また、第６図は暗号化の中
心となる関数ｆＫ（Ｒ＞を示している。

図面第６図において、６４ビツトの平文はまず転置され
る。こわは鍵には無関係て固定した転置である。次に６
４ヒツトが左半分り。と右半分Ｒｏとにわけられる。そ
の後１６段にわたり、という演算が縁り返される。ここ
に、十は各ビットごとのｍ　ｏ　ｄ　２の和を表わす。

また、Ｌｎ。

Ｒｎはそれぞれｎ段目の演算を終えたときの左半分の３
２ビツトと右半分の３２ビツトである。

Ｋ、、は鍵から第５図の右側に示すようにして構成され
る。第５図において、Ｓ　Ｉ　＋−”・、Ｓ１６は１ま
たは２である。また、縮約形転置２ａは、人力のうちの
いくつかを除いて転置を行うことである。この場合、入
力の５６ビツトのうち８ヒツトが除かれ、出力は４８ビ
ツトとなる。縮約形転置は非可逆な変換であり、出力か
ら入力を完全に復元することはできない。これにより、
鍵の推定をより難しいものにしているのである。

次に第５図における関数ｆＸ（Ｒ）について第６図を用
いて説明する。

図面第６図において、関数ｆＫ（Ｒ）を作るには、まず
Ｒに拡大形転置３ａを行う。拡大形転置とは人力のいく
つかを重複させて転置を行うことである。この場合、３
２ビツトの人力のうち１６ヒツトは出力に重複して現れ
る。つきに、この出力に鍵から構成されたＫをビットご
とにｍｏｄ２で加える。この結果得られる４８ビツトを
８個の６ビツトからなる小ブロックに分割し、各６ビツ
トをＳ、、Ｓ２．・・・、Ｓ８によりそれぞれ４ヒツト
に変換する。これは、６ビツトを一つの文字とみると換
字の一種と考えることかてきる。たたし、出力は４ビツ
トに圧縮されているから、この変換は非可逆変換である
。したかって、ｆＫ（Ｒ）は一般には非可逆関数である
。しかし、このことは、前記式（１）の変換か非可逆で
あることを意味するのではない。実際、式（１）は、と
変形できるから、Ｌ、、ＲｎからＬｎ−１＋Ｒ，、が計
算できることがわかる。

さて、式（１）の演算を１６回縁り返し、Ｌ　、６．　
Ｒ、、を求めたら、これを最後にもう一度転置して暗号
化を終る。

次に復号について説明する。

復号は、暗号化のほぼ逆の操作を行えばよい。

簡単にいえば、第５図で下から上に進めればよいのであ
る。まず最初に、暗号化の最後の転置の逆の転置を行い
、以下式（２）によりＲ１−１゜Ｌｎ−１を求めていき
、Ｒｏ　、Ｌｏか得られたら、暗号化の最初の転置の逆
の転置を行えばもとの６４ビツトか得られる。

ＤＥＳの暗号文を解読するには、これまてのところ、鍵
を一つずつ調へていくという方法以外は知られていない
。いま、一つの鍵について、それか正しい鍵かどうかを
調べるのに１μ秒かかったとしよう。このとき、２５６
個の鍵全部を調へるには２２８３年かかる。かなり運が
良くても、数百年は要する。

（発明が解決しようとする課題〕 以上説明したように、従来例においては、ハイビジョン
のような高精細ビデオ画像の場合、単にアナログ画像信
号をＡ／Ｄ変換して送信しようとすると、例えば、ビデ
オ信号の帯域を３０ＭＨｚ以上確保しようとした場合、
標本化定理により、少なくとも６０ＭＨｚ以上のレート
で標本化を行わなければならず、７４．２５ＭＨｚ、８
ビツトでＡ／Ｄ変換すると伝送レートは７４．２５　（
ＭＨｚ）　ｘ８　（ｂｉｔ）＝　５９４　（Ｍｂｉｔ　
／　ｓ　）となる。そこで伝送容量を節約する為に情報
量を１１５に圧縮したとしても約１２０　（Ｍｂｉｔ　
／ｓ）の伝送レートとなってしまう。このような膨大な
情報重金てを暗号化して伝送することは暗号化部の高速
処理。

ハードウェアの大きさ、コストの面で非常に困難である
という問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、符号化方式による符号化データの一部を暗号
鍵て暗号化し、伝送することによって、秘密性を高くし
、暗号化部を低速処理し、ハードウェアを小型化し、コ
ストを低廉化した暗号化符号化装置を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

このため、この発明においては、画像・音声信号をアナ
ログ・デジタル変換する信号変換手段と、前記信号変換
手段で変換された画像・音声信号を伝送するデータ伝送
手段と、前記デジタル画像・音声データの一部を暗号鍵
により暗号化する暗号化手段と、を具備して成る暗号化
符号化装置により、前記目的を達成しようとするもので
ある。

〔作用〕

この発明における暗号化符号化装置は、信号変換手段に
より、画像・音声信号をアナログ・デジタル変換し、暗
号化手段てデジタル画像・音声データの一部を暗号鍵に
より暗号化し、データ伝送手段で伝送する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

図面第１図はこの発明の一実施例の暗号化符号化装置の
構成図、第２図はこの実施例における圧縮器の構成図、
第３図は第２図の符号判定型復号回路の構成図、第４図
はこの実施例における復号化装置の構成図である。

なお、前記のように第１図は、この発明の暗号化予測符
号化伝送システムの実施例であり、８ビツトのデータを
４ビツトの符号に圧縮し、その４ビット信号のＭＳＢ１
ビットのみを取り出し暗号化して伝送する構成図である
。

図面第１図において、Ａは信号変換手段であり、ビデオ
信号を８ビツトのＰＣＭ信号に変換するＡ／Ｄ変換器（
図中Ａ／Ｄ）１より構成され、画像・音声信号をアナロ
グ・デジタル変換する手段である。Ｂはデータ伝送手段
てあり、テープやディスク等の記録系もしくは衛星、光
ファイバ。

ケーブル等の通信放送系である伝送路６より構成され、
信号変換手段Ａで変換された画像・音声信号を伝送する
手段である。Ｃは暗号化手段であり、予め送受信者間で
秘密に決めておいた６４ビツトの鍵により圧縮器（後述
）出力のＭＳＢ（ＭＯ５Ｔ　５１ｇｎ１ｆｉｃａｎｔ　
Ｂｉｔ）のみの情報を暗号化する暗号化器４で構成され
、前記デジタル画像・音声データの一部を暗号鍵により
暗号化する手段である（詳細後述）。２は８ビツトのデ
ジタル信号を４ビツトの符号に圧縮する圧縮器、３は圧
縮器２の４ビツト出力からＭＳＢのみの１ヒツトを取り
出す分配器、５は上記ＭＳＢのみを暗号化した暗号化情
報と上記圧縮量出力のＭＳＢを除く暗号化しない３ヒツ
トの情報を結合し、並直列変換を行う並直列変換器（図
中Ｐ／Ｓ　）である。この並直列変換器５による１ビツ
トの直列データは伝送路６を通して受信側へ送られる。

７は受信データをＭＳＢ１ビットとそわ以外の３ビツト
に分配する直並列変換器（図中Ｓ／Ｐ）、８は暗号化さ
れたＭＳＢ１ビットの情報を前記のように予め送受信者
間で秘密に決めておいた６４ビツトの鍵により解読する
解読化器、９は上記解読化器８により解読された圧縮情
報のＭＳＢ１ヒツトと、上記直並列変換器７により直並
列変換されたＭＳＢ以外の受信データ３ビツトを結合し
、正規の圧縮データ４ヒツトに結合する結合器、１０は
４ビツトの圧縮データを８ヒツトのＰＣＭ信号に伸長す
る復号器、１１は８ビットＰＣＭデータをアナログ信号
に変換するＤ／Ａ変換器である（図中Ｄ／Ａ）。

次にこの実施例の動作についてデータ圧縮および暗号化
手段Ｃを中心にして第１図ないし第４図を用いて説明す
る。

以下の説明においては、圧縮データのＭＳＢ１ビットの
−みを暗号化することかなぜ効果的であるかの理由につ
いても記述する。

まず、データ圧縮について説明する。画像信号等の情報
量の多い信号を標本化して得たデータを伝送する場合に
用いられる圧縮方式として、例えば差分Ｐ　ＣＭ　（Ｐ
ｕ１ｓｅ　Ｃｏｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式（以
後Ｄ　ＰＣＭという）か一般によく知られている。

前記ＤＰＣＭは、既に符号化された標本点の値から現在
符号化の対象としている標本点の値を予測し、その予測
値と本来の値との差（予測誤差）を符号化する方式てあ
り、画像信号などのように近接する標本点における値同
志の相関が大きい信号に対しては、予測誤差信号の発生
分布の偏り等を考慮して非線形な量子化を行うことによ
り高能率な符号化を行う事ができる。

前記のように、第２図は８ヒツトのデータを、４ビツト
の符号に圧縮する圧縮器２（第１図）の構成を示す図で
あり、第３図はこの符号化装置の符号判定型復号回路の
構成を示す図である。また、第４図には復号器１０（第
１図）の構成を示している。

図面第２図において、入力端子１０１には８ヒツトの画
像データか入力され、リミッタ１０８により所定のレン
ジ内、例えば１６〜２３５に制限され、減算回路１０２
において、予測係数乗算回路１０３から出力される予測
値との差分値（予測誤差）が算出される。この予測誤差
は、符号多重型量子化回路１０４に供給される。量子化
回路１０４においては、正負を示す符号を含む９ビツト
の予測誤差データを、下記第１表に例示する様な、正負
を重ね合わせて同じ符号を割り当てた量子化特性に基づ
き、４ビツトに量子化し、出力端子１０５より出力する
と共に、符号判定型復号回路１０６に供給する。

第　　１　　表 第１表に示す量子化特性は、−２１９〜２１９の値をと
る予測誤差に対して、過去の復号値を用いて正負の判定
を行い、代表値を一つ選択できるテーブルの一例であり
、正負の各量子化ステップを１つずつ計２つの量子化ス
テップに４ビツトの符号を１つ付与することにより、５
ビツト相当の量子化ステップ数による符号化を実現てき
るものである。

このテーブルは、同一符号に割り当てる正負の２つの分
割領域が、制限されている復号値のタイナミック・レン
ジ（例えば２２０）に相当するレベル差を持つように設
定されており、領域下端を量子化代表値とするアンダー
シュート型となっているために、正負の代表値による復
号結果は２２０のレベル差を持ち、常に一方しかタイナ
ミック・レンジ（“０〜２１９”）内に入らない。これ
により後述する様に差分値の正負の判定が可能となる。

また、画像信号の場合０近辺の差分値か重要てあり、非
線形特性の重ね合わせを実現する為に、正負とも中央て
折り返した対称構造となっているものである。

符号判定型復号回路１０６（第２図）では、予測係数乗
算回路１０３の出力である予測値を用いて、前記量子化
回路１０４の出力する符号の復号を行い、復号値を遅延
回路１０７に供給する。復号値は遅延回路１０７で所定
期間（例えば１サンプル期間分）遅延された後、予測係
数回路１０３で予測係数を乗ぜられ予測値として前記減
算回路１０２、および前記符号判定型復号回路１０６に
供給する。

ここで、第２図の符号判定型復号回路１０６の動作を第
３図を用いて説明する。図面第３図において、端子２０
１には符号多重化された量子化回路１０４から出力され
た４ビツトの符号が入力され、＋側代表値設定回路２０
２及び、−側代表値設定回路２０３に供給される。回路
２０２゜２０３それぞれの出力である正負の代表値は、
加算回路２０５．２０６のそれぞれにおいて、端子２０
４より供給される予測値に各々加算され、正負の復号値
として選択回路２０７に供給される。

代表値設定回路２０２，２０３それぞれの出力は常に“
２２０”のレベル差を保っているため、選択回路２０７
に供給される正負の復号値は常に一方が８ヒツト（“０
〜２５５”）の中の制限されたダイナミック・レンジ″
１６〜２３５”から外れている。よって、正負の復号値
でレンジ内にある方を選択すれば、符号多重化された人
力より、正しい復号値が得られる。このため、＋側加算
回路２０５より出力される復号値データのレベルを比較
器２０９てしきい値“２３６”と比較し、その出力信号
によって選択回路２０７を制御して正負の復号値を選択
し、端子２０８より出力する。

ここで、この実施例における符号判定動作について具体
例を挙げて説明する。今、予測値か“１００”、現人力
値か“１５０”である場合を考える。予測誤差は−＋５
０”であるから、符号多重型量子化回路１０４において
は、第１表に示されるように４ビツトの量子化値データ
として５”が出力される。符号判定型復号回路１０６に
おいては、＋側復号値データは“１３６”、−側復号値
データは“−８４”となるため適正ダイナミック・レン
ジ内である“１３６”が復号値として選択される。同様
に現人力値が“５０”で、予測誤差が“−５０”である
場合、量子化回路１０４の出力は“１１”となる。この
場合、＋側復号値データは“２８４”、−側復号値デー
タは“６４”となるため適正ダイナミック・レンジ内で
ある“６４”が選択される。

次に第１図に示した圧縮器２で符号化され伝送された符
号を復号する復号器１０について、第４図を用いて説明
する。

図面第４図において、前記符号化装置（圧縮器）により
符号化された４ビツトの符号は、入力端子３０１に入力
され、＋側代表値設定回路３０２及び、−側代表値設定
回路３０３に供給される。前記回路３０２，３０３それ
ぞれの出力である正負の代表値は、加算回路３０４，３
０５それぞれにおいて、予測係数乗算回路３０９より供
給される予測値に各々加算され、正側負側の復号値とし
て選択回路３０６に供給される。代表値設定回路３０２
．３０３それぞれの出力は、前記符号の特性により常に
“２５６”のレベル差を保っているため、選択回路３０
６に供給される正負の復号値は常に一方が制限されたダ
イナミック・レンジ“１６〜２３５”から外打ている。

よって、正負の復号値でレンジ内にある方を選択すれば
、前記符号の正しい復号値か得られる。このため、＋側
加算回路３０４より出力される復号値を比較器３１０で
しきい値“２３６”と比較し、その出力によって選択回
路３０６を制御して正負の復号値の一方を選択し、８ビ
ツトの復号値を出力端子３０７より出力する。また、こ
の復号値は遅延回路３０８に供給され、１サンプル期間
遅延されて、予測係数乗算回路３０９に送出される。予
測係数乗算回路３０９では、遅延された復号値に予測係
数を乗して予測値を算出し、後の入力される符号の復号
を行うために加算回路３０４，３０５それぞれに供給す
る。以上のような構成により復号器か実現できる。

ここで、第１表からもわかるように、伝送しようとする
４ビツトの圧縮データは画像データの差分値の代表値を
与えるコードであるためにこのうちの１ビツトでも不明
である場合、画像の復号は全く不可能となる。

そこでこの圧縮データの１ビツトのみに例えばＤＥＳ　
（従来例）等の鍵で暗号化することにより、画像伝送の
秘密性を保つことができる。

前記実施例においては、差分ＰＣＭ　（ＤＰＣＭ）方式
を例にとり、圧縮データのＭＳＢ１ビットのみ暗号化す
ることを説明したが、差分ＰＣＭ方式の圧縮データのＭ
ＳＢ１ビット以外のビットを暗号化してもよい。また、
全ての画素について行わなくても数画素毎の圧縮データ
のいずれか１ビツトあるいは数ビットについてのみ暗号
化してもよい。また、差分ＰＣＭ方式以外の圧縮方式あ
るいは圧縮しないＰＣＭ伝送のＭＳＢ１ビットについて
も適用でき、画像のみてなく音声データについても全く
同様にこの発明の適用が可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、伝送しようとするデジタル信号の
ある一部のみを抽出し、その一部を暗号鍵で暗号化する
ことにより、秘密性を高くし、暗号化部を低速処理し、
ハードウェアを小型化してコストの低廉化を実現した暗
号化符号化装置を提供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の暗号化符号化装置の構成
図、第２図はこの実施例における圧縮器の構成図、第３
図は第２図の符号判定型復号回路の構成図、第４図はこ
の実施例における復号化装置の構成図、第５図は従来例
の暗号化のフローを示す流九図、第６図は第５図の暗号
化の関数を示す図である。 Ａ・・・・・・信号変換手段 Ｂ　−−−−−−データ伝送手段 Ｃ−−−−−・暗号化手段 １・・・・−Ａ　／　Ｄ ２・・・・・・圧縮器 ４・・・・・・暗号化器 ５・・・−Ｐ　／　Ｓ ６・・・・−・伝送路 ７・・・・・・Ｓ／Ｐ ８−−−−−・解読化器 １０−・・・・・復号器 １１・・・・・・Ｄ／Ａ なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 画像・音声信号をアナログ・デジタル変換する信号変換
   手段と、 前記信号変換手段で変換された画像・音声信号を伝送す
   るデータ伝送手段と、 前記デジタル画像・音声データの一部を暗号鍵により暗
   号化する暗号化手段と、 を具備して成ることを特徴とする暗号化符号化装置。