JPH0723367A - スクランブル方法およびスクランブル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は圧縮処理を伴うデジタル通信システ
ムに用いるスクランブル方法に関するもので、再生画像
に劣化を生じず、撹拌度の高いスクランブルを実現でき
るスクランブル方法を提供することを目的とする。 【構成】 まず入力した１フレームの映像データに対し
て、分割装置１１が、通信システムで行われる圧縮処理
の最小のデータ単位を一つ以上含むスクランブルブロッ
クに分割し、次に、反転装置１２は乱数により指示され
るスクランブルブロックに対して、スクランブルブロッ
ク内の全ての画素信号をダイナミックレンジの中間値を
基準にして反転することにより、スクランブルを実現す
る。 【効果】 スクランブルにより圧縮処理を行う処理単位
内のデータの相関は壊れないので、圧縮効率は変化せ
ず、再生画像は劣化しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、デジタル映像信号を、
圧縮処理によりデータ量を圧縮した後で、有線や無線や
蓄積メディアにより送受信あるいは記録再生する通信シ
ステムにおいて、秘密に通信を行うために用いるスクラ
ンブル方法およびスクランブル装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の映像信号を暗号化して通信するス
クランブル方式としては、例えば「暗号と情報セキュリ
ティ」（昭晃堂出版；辻井重男ら編著）の８章に示され
ている。従来例のスクランブル方式には色々な種類があ
る。例えば、最も良く知られているものには、走査線内
信号切換方式や、走査線転移方式や、極性反転方式など
があり、これらの方式が単独、あるいは組み合わせて用
いられている。

【０００３】図５は従来例のスクランブル方式における
走査線内信号切換方式について具体的に示すもので、複
数のフレームから構成される映像信号の中のある１フレ
ームが処理される時の、処理の概要を示す図である。図
５（ａ）はスクランブル前の映像信号を、図５（ｂ）は
スクランブル後の映像信号を表す。

【０００４】以下に図５を用いてスクランブル処理の概
要を説明する。まず、図５（ａ）の走査線ａに対して乱
数が与えられ、走査線ａは図５（ａ）に示すように、乱
数により指示される位置を境に２つの画素信号の集合Ａ
とＢに分けられる。次にＡとＢが左右入れ換えられ、図
５（ｂ）の走査線ａに示すような構成になる。

【０００５】同様に、図５（ａ）の走査線ｂも、与えら
れた乱数により２つの画素信号の集合ＣとＤに分けら
れ、ＣとＤが左右入れ換えられ、図５（ｂ）の走査線ｂ
に示すような構成になる。ここで、図５においては、走
査線ａおよび走査線ｂに対する処理のみを示している
が、実際には全ての走査線にわたって同様の処理が行わ
れている。

【０００６】図６は従来例のスクランブル方式における
走査線転移方式について具体的に示すもので、複数のフ
レームから構成される映像信号の中のある１フレームが
処理される時の、処理の概要を示す図である。図６
（ａ）はスクランブル前の映像信号を、図６（ｂ）はス
クランブル後の映像信号を表す。以下に図６を用いてス
クランブル処理の概要を説明する。まず、乱数の指示に
より走査線ａの位置のデータを走査線ｄの位置へ、走査
線ｂの位置のデータを走査線ｃの位置へ入れ替えること
が指示される。

【０００７】次に、走査線ａのデータをＡ、走査線ｂの
データをＢとすると、スクランブル処理により、図６
（ｂ）に示すように、走査線ｃのデータがＢに、走査線
ｄのデータがＡになる。ここで、図６においては、走査
線ａおよび走査線ｂのデータに対する処理のみを示して
いるが、実際には全ての走査線にわたって同様の処理が
行われている。

【０００８】極性反転方式は、ベースバンドの状態の信
号を、ある基準レベルを中心にして反転する方法であ
り、ライン単位やフレーム単位で乱数の指示によってラ
ンダムに反転処理が行われる。

【０００９】また、従来のデジタル信号を暗号化して通
信する時に行われる暗号化方式は、乱数（以下、ＰＮと
呼ぶ）加算方式で行われていた。デジタル音声信号の乱
数加算の暗号化は、例えば前述の「暗号と情報セキュリ
ティ」のp.178からp.179に紹介されている。乱数加算方
式とは、乱数とデジタル信号をビットごとの排他的論理
和した結果を暗号後の出力とする方式である。

【００１０】また、デジタル映像信号を近傍画素間の相
関を減らす圧縮処理によりデータ量の圧縮を行い、伝送
路を伝送するデジタル通信システムの例は、特願平５ー
３７６９１号（出願人：松下電器産業株式会社、平成５
年２月１７日出願）や、日経エレクトロニクス５１１号
（１９９０年１０月１５日号）の特集「画像の高能率符
号化が一本化」（ｐ．１１５〜ｐ．１４２）などに示さ
れている。

【００１１】図７に、この従来例のデジタル通信システ
ムにおける圧縮装置の構成を示す。図７において、７１
は分割装置、７２は変換装置、７３はビット割当装置で
ある。以下に、図７に示した圧縮装置の動作を説明す
る。

【００１２】まず、分割装置７１は入力映像データを８
画素×８走査線からなるＤＣＴブロックに分割して出力
する。次に、変換装置７２は分割装置７１より出力され
たＤＣＴブロックをＤＣＴ（離散コサイン変換）による
データ変換を行うことにより周波数成分に変換し、変換
データとして出力する。次にビット割当装置７３は、変
換装置７２より出力された変換データの各周波数成分に
適当なビットを割り当て、圧縮データとして出力する。
この時、ビット割当装置７３においてビットを割り当て
るときに、交流成分へのビットの割当を減らすことによ
り圧縮を実現している。

【００１３】以下に、圧縮処理の原理について説明す
る。圧縮処理は、映像データ中の近傍の画素信号間の相
関の高さを利用して、伝送データ量を減らすことを実現
している。ここでは、各ＤＣＴブロック内では画素信号
間の相関が高く、周波数成分に変換するとそのほとんど
が直流成分および低周波成分になるという性質を利用し
ている。すなわち、周波数成分に変換した後に、各周波
数成分のデータのうち直流成分は多くのビットを与え、
交流成分は高周波成分ほど与えるビットを減らすことに
より、圧縮を実現する。

【００１４】複数の映像信号を同じ圧縮処理で圧縮する
場合、その映像信号の性質により圧縮できる度合いが変
わってくる。すなわち、画素信号間の相関が高いＤＣＴ
ブロックに対しては、変換データの高周波成分が小さく
なるので、圧縮処理の結果、少ないビットでデータを表
すことができる。このように圧縮処理によって、少ない
ビットでデータを表すことができることを圧縮効率が高
いという。

【００１５】逆に、画素信号間の相関が低いＤＣＴブロ
ックに対しては、変換データの高周波成分が大きくな
り、圧縮処理の結果、データを表すのに多くのビットが
必要となる。このように圧縮処理によって、データを表
すのに多くのビットが必要となることを圧縮効率が低い
という。

【００１６】圧縮後のデータが、容量が決められた伝送
路で伝送される場合を考えると、圧縮効率が高いＤＣＴ
ブロックでは、少ないビットでデータを表せるため、ビ
ットを切り捨てることなく、あるいは少ないビットを切
り捨てるだけで伝送路を伝送することができる。従っ
て、圧縮・伸張した後の画像と原画との差は少ない。し
かし、圧縮効率の低いＤＣＴブロックでは、データを表
すのに多くのビットを必要とするので、容量を決められ
ている伝送路を伝送するためには、圧縮効率の高いＤＣ
Ｔブロックよりも多くのデータを表すビットを切り捨て
る必要がある。このため、圧縮・伸張した後の画像は原
画と比べて劣化する。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の走査線内切換方式や走査線転移方式や走査線単
位の極性反転方式によるスクランブル方式や、従来の暗
号化方式では、圧縮処理をともなうデジタル通信システ
ムに適用した場合に、圧縮処理を考慮にいれずにスクラ
ンブルすると、再生画像がスクランブル処理とデスクラ
ンブル処理により劣化するという課題があった。その理
由を以下に示す。

【００１８】従来のスクランブル方式で、従来例に示し
たＤＣＴによる圧縮処理を行うデジタル通信システムで
伝送される前の映像信号に対して、スクランブルを行っ
た場合、スクランブル後の映像信号におけるＤＣＴブロ
ック内での相関は、スクランブルする前の映像信号と比
べて低くなる。例えば、従来例の走査線内信号切換方式
でスクランブルが行われる場合を考えると、走査線内信
号切換方式では、走査線ごとに乱数により切断点を選ぶ
ので、走査線間の相関はスクランブルによって壊され、
各ＤＣＴブロック内の縦方向の相関が壊れる。また、切
断点を含むＤＣＴブロック内においては、横方向の相関
も壊れる。

【００１９】前記したように、画素信号間の相関が壊さ
れたＤＣＴブロックでは、圧縮処理後にデータを表すの
に多くのビットが必要となるので、データの切り捨てが
行われ、圧縮の伸張後の再生画像が原画と比べて劣化す
る。このため、従来例のスクランブル方式で、従来例に
示したＤＣＴによる圧縮処理を行うデジタル通信システ
ムで伝送される前の映像信号に対して、スクランブルを
行った場合、その再生画像は原画と比べて劣化する。

【００２０】また、前記した従来例の暗号化方式は、デ
ジタルデータを完全に乱数化する。従って、従来の暗号
化方式で、従来例に示したＤＣＴによる圧縮処理を行う
デジタル通信システムで伝送される前の映像信号に対し
て、暗号化を行った場合、暗号化後の映像信号における
ＤＣＴブロック内での相関は、暗号化する前の映像信号
と比べて低くなるので、圧縮処理の圧縮効率が低下し、
再生画像が劣化する。

【００２１】また、前記したフレーム単位の極性反転方
式によるスクランブル方式では、十分な安全性が得られ
ないという課題があった。この理由を以下に示す。

【００２２】フレーム単位の極性反転方式では、乱数の
指示によりフレーム単位でランダムに反転処理するの
で、各フレームでは反転するか、反転しないかの１ビッ
トの乱数しか必要としない。したがって、容易にスクラ
ンブル前の画像を推測することができ、安全性が十分で
はない。

【００２３】本発明はかかる点に鑑み、圧縮処理を伴う
デジタル通信システムに用いる場合に、再生画像に劣化
を生じず、かつ十分な安全性を得られるスクランブルを
実現できるスクランブル方法及びスクランブル装置を提
供することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は１フレームのデ
ジタル映像データを処理の対象とし、前記１フレームの
デジタル映像データを圧縮処理の最小のデータ単位を１
つ以上含むスクランブルブロックに分割し、乱数の指示
により前記スクランブルブロックを反転スクランブルブ
ロックと非反転スクランブルブロックに分け、前記反転
スクランブルブロック内の全ての画素信号の値をダイナ
ミックレンジの中間値を中心にしてレベル反転する。

【００２５】

【作用】本発明は前記した構成により、反転スクランブ
ルブロックについては、スクランブルによって反転処理
が行われ、元の画像と異なった性質を持つことになる。
スクランブルが行われた後の１フレームのデジタル映像
データの中には、反転スクランブルブロックと非反転ス
クランブルブロックがランダムに混在することになるの
で、全体として非常に視聴しづらい映像となる。

【００２６】さらに、反転スクランブルブロックと、非
反転スクランブルブロックは、乱数により選ばれている
ので、乱数を知らない者にとっては解読が困難となり、
十分な安全性が得られる。

【００２７】また、反転が行われたスクランブルブロッ
クは、その中の全ての画素信号が反転されるので、画素
信号間の差については正負が逆転するだけである。した
がって、スクランブルブロックに含まれるそれぞれの圧
縮処理の最小のデータ単位内の画素信号間の相関はスク
ランブル前とスクランブル後で変化しない。これによ
り、再生画像に劣化が生じないスクランブルを実現でき
る。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例について、図面
を参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施例
におけるスクランブル方法を実現するスクランブル装置
の構成図を示すものである。

【００２９】図１において、１１は１フレームのデジタ
ル映像データを入力データとし、前記入力データを圧縮
処理の最小のデータ単位を１つ以上含むスクランブルブ
ロックに分割して出力する分割装置、１２は分割装置１
１より出力される前記スクランブルブロックと乱数を入
力とし、乱数により指示される前記スクランブルブロッ
ク内の全ての画素信号の値をダイナミックレンジの中間
値を中心にしてレベル反転した結果を出力し、乱数によ
り指示されないスクランブルブロックはそのまま出力す
る反転装置、１３は反転装置１２より出力されるスクラ
ンブルブロックを入力し、分割装置１１における処理と
は逆の手段でスクランブルブロックを並び換えてデジタ
ル映像データを作り、出力データとして出力する合成装
置である。

【００３０】以上のように構成された本実施例のスクラ
ンブル装置において、以下その動作を説明する。まず、
分割装置１１は、１フレームのデジタル映像データを入
力データとして入力し、入力した入力データを分割し、
スクランブルブロックとして出力する。このときの分割
装置１１は、入力データを図６に示した圧縮処理におけ
る圧縮処理の最小単位であるＤＣＴブロックをスクラン
ブルブロックとする。

【００３１】次に反転装置１２はスクランブルブロック
とスクランブルブロックに対応した乱数を入力し、乱数
の指示によって反転を行うか、反転を行わないかを決定
し、反転を行わない場合には、入力したスクランブルブ
ロックをそのまま出力し、反転を行う場合には、スクラ
ンブルブロック内の全ての画素信号を反転処理した後の
スクランブルブロックを出力する。ここで、画素信号の
反転処理の例を図２に示す。

【００３２】図２（ａ）はダイナミックレンジが１００
から０１１で、３ビットの符号付き２の補数表示の整数
で表された画素信号の反転の様子を示している。また、
図２（ｂ）はダイナミックレンジが０００から１１１
で、３ビットの符号無し整数で表された画素信号の反転
の様子を示している。このように、反転処理とは、画素
信号の最大レベルと最小レベルの中間値を基準値に選
び、各画素レベルをその基準値を中心に折り返す処理の
ことである。

【００３３】次に、合成装置１３は、反転装置１２より
出力されるスクランブルブロックを入力し、分割装置１
１における処理とは逆の手段でスクランブルブロックを
並び換えてデジタル映像データを作り、出力データとし
て出力する。

【００３４】第１の実施例におけるデスクランブル装置
は図１に示した第１の実施例におけるスクランブル装置
と同様の構成で、分割装置１１と、反転装置１２と合成
装置１３から構成される。

【００３５】以上のように構成された第１の実施例にお
けるデスクランブル装置の動作を説明する。分割装置１
１および合成装置１３については、第１の実施例のスク
ランブル装置における分割装置１１および合成装置１３
と全く同様の動作なので、ここでは反転装置１２の動作
のみを以下に示す。

【００３６】反転装置１２は、スクランブルブロックを
入力し、各スクランブルブロックに対して、第１の実施
例におけるスクランブル装置の反転装置１２で用いられ
たのと同じ乱数を用いて、第１の実施例におけるスクラ
ンブル装置の反転装置１２における処理と同じ処理を行
う。

【００３７】以上のように本実施例によれば、前記した
構成により、乱数により指示されるスクランブルブロッ
クについて、スクランブルブロック内の全ての画素信号
を反転することによりスクランブルを実現している。こ
れにより、同じフレームの中に反転が行われたスクラン
ブルブロックと、反転が行われていないスクランブルブ
ロックが混在するので、全体として非常に視聴しづらい
映像となり、試聴する価値が無くなる。さらに、反転が
行われるスクランブルブロックは、乱数により選ばれて
おり、１つのフレームの中で反転が行われているスクラ
ンブルブロックと反転が行われていないスクランブルブ
ロックが混在することとなるので、乱数を知らない者に
とっては解読が困難となり、十分な安全性が得られる。

【００３８】また、反転が行われたスクランブルブロッ
クは、その中の全ての画素信号が反転されるので、反転
が行われたスクランブルブロック内の画素信号間の差分
値については正負が逆転するだけである。したがって、
スクランブルブロック内の画素信号間の相関はスクラン
ブル前とスクランブル後で変化しない。すなわち、ＤＣ
Ｔなどのデータ変換を行ったときに、変換データの交流
成分には全く変化が生じない。したがって、本実施例の
スクランブル装置によりスクランブルされた後の映像デ
ータを、圧縮処理したときにもその圧縮効率は低下しな
いので、スクランブルされた後の映像データを圧縮し、
圧縮の伸張をし、デスクランブルしたときの再生画像
は、スクランブルを行わないときと比べて劣化が生じな
い。

【００３９】なお、第１の実施例における反転装置１２
は、図４に示したような構成の反転装置で実現できる。
図４において、４１は排他的論理和装置、４２はスイッ
チ装置である。

【００４０】以下に図４に示した反転装置の動作を以下
に説明する。スイッチ装置４２は乱数の制御により、反
転を行わない場合と行う場合を決定し、反転を行わない
場合には０を制御信号として出力し、反転を行わない場
合には１を制御信号として出力する。排他的論理和装置
４１は、スクランブルブロックとスイッチ４２より出力
される制御信号を入力し、スクランブルブロックの全て
のビットに制御信号を排他的論理和した結果をスクラン
ブルされたスクランブルブロックとして出力する。

【００４１】以上のように、図４に示した反転装置によ
れば、図２に示した第１の実施例のスクランブル装置の
反転装置における反転処理を実現できる。

【００４２】なお、第１の実施例におけるスクランブル
装置では、ダイナミックレンジが表現できる全ての数値
である画素信号をスクランブルする場合について示して
いるが、処理の対象とする画素信号のダイナミックレン
ジが、第１の実施例で示したダイナミックレンジよりも
小さい場合でも、反転装置１２が入力した分割ブロック
の画素信号を、ダイナミックレンジの中間値を境に反転
処理するような構成にすれば、同様にスクランブルする
事が可能で、同様の効果が得られる。

【００４３】なお、第１の実施例におけるスクランブル
装置では、３ビットで表されている画素信号をスクラン
ブルする場合について示しているが、４ビットで表され
ている画素信号をスクランブルする場合でも、図３に示
したような同様の反転処理により実現でき、同様の効果
が得られる。ここで、図３（ａ）はダイナミックレンジ
が１０００から０１１１で、４ビットの符号付き２の補
数表示の整数で表された画素信号の反転の様子を示して
いる。また、図３（ｂ）はダイナミックレンジが０００
０から１１１１で、４ビットの符号無し整数で表された
画素信号の反転の様子を示している。

【００４４】なお、第１の実施例におけるスクランブル
装置では、３ビットで表されている画素信号をスクラン
ブルする場合について示しているが、任意の正の整数ｎ
ビットで表されている画素信号をスクランブルする場合
でも同様の反転処理により、同様の効果が得られる。

【００４５】なお、第１の実施例のスクランブル装置に
おいて、ＤＣＴブロックをスクランブルブロックとして
いるが、複数個のＤＣＴブロックをまとめてスクランブ
ルブロックとするような構成にしても同様の効果が得ら
れる。

【００４６】なお、第１の実施例のスクランブル装置に
おいて、図６に示した圧縮処理を行う従来例のデジタル
通信システムに適応するために、ＤＣＴブロックをスク
ランブルブロックとする構成としているが、他の圧縮処
理を行うデジタル通信システムに適応する場合には、適
用するデジタル通信システムで行われる圧縮処理の最小
のデータ単位を一つ以上まとめたものをスクランブルブ
ロックにするような構成にすれば、同様の効果が得られ
る。

【００４７】なお、第１の実施例のスクランブル装置に
おける分割装置１１は、入力映像信号をＤＣＴブロック
に分割する処理を行っている。また、図７に示した従来
例の通信システムにおける分割装置７１においても同様
の処理を行っているので、第１の実施例における分割装
置１１を従来例の通信システムにおける分割装置７１と
共有化するような構成にすれば、第１の実施例のスクラ
ンブル装置における分割装置１１が必要なくなり、さら
に同様の効果が得られる。

【００４８】尚、第１の実施例のスクランブル装置にお
ける反転装置１２では、乱数により指示されるスクラン
ブルブロックについて反転処理を行っているが、固定の
数列により指示されるスクランブルブロックについて反
転処理を行うような構成にすれば、安全性は少し劣る
が、圧縮処理を伴うデジタル通信システムに用いる場合
に、再生画像に劣化が生じないスクランブル方式を容易
に実現できる。さらに、この場合には、デスクランブル
装置に乱数を送る必要が無くなる。

【００４９】尚、第１の実施例のスクランブル装置にお
ける入力データは、１フレームのデジタル映像信号であ
るとしているが、複数のフレームのデジタル映像信号を
処理の対象とする場合には、１フレームのデジタル映像
信号を繰り返し処理すれば、同様にスクランブルできる
ことは言うまでもない。

【００５０】なお、第１の実施例のスクランブル装置に
おける入力データは、１フレームのデジタル映像信号で
あるとしているが、フィールドごとに圧縮処理が行われ
ているようなデジタル通信システムに適用する場合に
は、１フィールドのデジタル映像信号を入力データとし
て処理すれば、同様の効果が得られる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧縮処理を伴うデジタル通信システムに用いる場合に、
再生画像に劣化を生じず、十分な安全性を得られるスク
ランブル方式を実現でき、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるスクランブル装
置の構成を示すブロック図

【図２】第１の実施例におけるスクランブル装置の反転
処理の概要を示す図

【図３】第１の実施例におけるスクランブル装置の反転
処理の概要を示す図

【図４】本発明の第１の実施例におけるスクランブル装
置の反転装置のブロック図

【図５】従来の走査線内信号切り替え方式による処理の
概要を示す図

【図６】従来の走査線入れ替え方式による処理の概要を
示す図

【図７】従来のデジタル通信システムにおける圧縮処理
部分の構成を示すブロック図

【符号の説明】

１１ 分割装置 １２ 反転装置 １３ 合成装置 ４１ 排他的論理和装置 ４２ スイッチ装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｌ 9/10 9/12 (72)発明者 村上 弘規 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１フレームのデジタル映像データを処理の
   対象とし、前記１フレームのデジタル映像データを圧縮
   処理の最小のデータ単位を１つ以上含むスクランブルブ
   ロックに分割し、乱数の指示により前記スクランブルブ
   ロックを反転スクランブルブロックと非反転スクランブ
   ルブロックに分け、前記反転スクランブルブロック内の
   全ての画素信号の値をダイナミックレンジの中間値を中
   心にしてレベル反転することを特徴とするスクランブル
   方法。
2. 【請求項２】１フレームのデジタル映像データを入力デ
   ータとし、前記入力データを圧縮処理の最小のデータ単
   位を１つ以上含むスクランブルブロックに分割して出力
   する分割装置と、前記分割装置より出力される前記スク
   ランブルブロックと乱数を入力とし、乱数により指示さ
   れる前記スクランブルブロック内の全ての画素信号の値
   をダイナミックレンジの中間値を中心にしてレベル反転
   した結果を出力し、乱数により指示されないスクランブ
   ルブロックはそのまま出力する信号反転装置とからなる
   スクランブル装置。