DE3729696A1 - Verfahren zur verbesserung der verschluesselungssicherheit von digitalen bildsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Ver­ schlüsselungssicherheit von digitalen Bildsignalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der digitalen Bildübertragung sollen Maßnahmen gegen unbe­ fugtes Mitsehen getroffen werden. Da bei der Bildübertragung die Bitraten um Größenordnungen höher sind als bei der Übertra­ gung von Sprache, ist es noch nicht möglich, die üblichen Ver­ schlüsselungsgeräte einzusetzen, da diese aufgrund des verwende­ ten Verschlüsselungsverfahrens intern wesentlich höhere Verar­ beitungsgeschwindigkeiten erfordern. Man begnügt sich daher beim Einsatz von Pay-TV-Anlagen oder beim Bildfernsprechen mit der Verschlüsselung von Synchronsignalen, wie dies in einer äl­ teren Patentanmeldung Az: P 36 38 554.9 beschrieben ist oder man verschachtelt zusätzlich die Bildsignale miteinander, wie in der älteren Patentanmeldung Az: P 37 15 080.4 angegeben. In beiden Fällen besteht jedoch die Gefahr einer unbefugten Entschlüsse­ lung, wenn ein besonderer Aufwand, der die Speicherung des Si­ gnals und systematische Untersuchungen voraussetzt, betrieben wird und wenn der Bildinhalt die Zeilen- und Bildstruktur erken­ nen läßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung der Verschlüsselungssicherheit von digitalen Bildsignalen anzu­ geben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Durch das Auffüllen der Fernsehzeilen mit einem Randomsignal tritt für den unberechtigten Empfänger des Bildsignals die Schwierigkeit hinzu, zwischen Daten und Füllsignalen unterschei­ den zu müssen. Das Verfahren kann sowohl bei PCM-codierten Si­ gnalen (Pulscodemodulation) als auch nach der Anwendung von Da­ tenreduktionsverfahren eingesetzt werden. Durch diese Verfahren werden bereits die statistischen Bindungen zwischen den Bildsi­ gnalen aufgelöst, so daß auch bei unverschlüsselten Bildsignalen das Erkennen der Bildstruktur problematisch ist. Dieser Effekt wird insbesondere durch die Lauflängencodierung noch verstärkt. Das Verfahren ist sowohl bei geschlossen codierten als auch bei komponentencodierten Bildsignalen, z. B. RGB-Bildsignalen, an­ wendbar.

Durch das Ergänzen der Bildsignale durch die Randomsignale oder sogar durch Verschachteln beider Signale wird das ursprüngliche Bildsignal schwer auffindbar und hierdurch wird eine Rekonstruk­ tion des Bildes nochmals erheblich erschwert.

Der Schaltungsaufwand zur Durchführung des Verfahrens ist ge­ ring, da sendeseitig nur eine Gatterschaltung zum Einfügen der Randomsignale vorgesehen werden muß und empfangsseitig diese Randomsignale wieder eliminiert werden müssen. Auch wenn Random­ signale in die Bildsignale eingefügt werden sollen, braucht nur ein kleiner Zwischenspeicher für maximal eine Bildzeile vor­ gesehen werden.

Das Verfahren wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Anordnung zur sendeseitigen Durchführung des Verfah­ rens und

Fig. 2 bis Fig. 4 Beispiele für die Anordnung von Randomsignalen innerhalb einer Fernsehzeile.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens dargestellt. Ein Bildsignal BS wird dem Eingang 1 ei­ ner Codiereinrichtung CE zugeführt. Der Ausgang 2 der Codierein­ richtung ist über einen Umschalter US mit dem Eingang einer Schlüsseleinrichtung SE verbunden. Außerdem ist ein Random-Gene­ rator RG vorgesehen, dessen Ausgang 3 ebenfalls an den Eingang der Schlüsseleinrichtung SE eingeschaltet werden kann. Am Aus­ gang 4 der Schlüsseleinrichtung wird das verschlüsselte Bildsi­ gnal VBS abgegeben.

Das digitale Bildsignal wird durch die Codiereinrichtung CE bei­ spielsweise in ein optimalcodiertes DPCM-Signal oder in ein lauflängencodiertes PCM-Signal umgesetzt. Diese Signale werden hier allgemein als Datensignal DS bezeichnet. Ist das gesamte digitale Bildsignal codiert worden, so wird die Fernsehzeile mit einem Randomsignal RS aufgefüllt. Sowohl das Datensignal DS als auch das Randomsignal RS werden der Schlüsseleinrichtung SE zugeführt. Je nach Ausführungsform kann diese nur die Bild- und/oder Zeilensynchronsignale verschlüsseln oder auch zu­ sätzlich die einzelnen Datenwörter D 1 bis Dn des Datensignals nach einem vorgegebenen Algorithmus verscrambeln (natürlich auch das Randomsignal) oder auch das komplette Datensignal und das Randomsignal verschlüsseln. Aus technologischen Gründen ist je­ doch nur ein einfaches Verschlüsseln möglich.

Die Schlüsseleinrichtung wird den Erfordernissen entsprechend ausgeführt. Bei Pay-TV-Anlagen (hier bezahlt man für das gewähl­ te Fernsehprogramm) wird eine relativ bezahlte Verschlüsselung ausreichen, um einen unerlaubten Empfang zu verhindern. Hier dürfte ein Verschlüsseln der Synchronsignale bereits als Schutz gegen unerlaubten Empfang ausreichen. Bei dem Einsatz von Video- Konferenzanlagen, beim Bildfernsprechen oder bei der Übertragung von Dokumenten wird man im allgemeinen höhere Anforderungen an die Verschlüsselungssicherheit stellen. Hier können beispiels­ weise die Datenwörter zusätzlich verscrambelt werden.

In Fig. 2 ist eine Fernsehzeile dargestellt. Sie beginnt mit ei­ nem Synchronwort SY, an das sich Datenwörter Dl bis Dn an­ schließen. Für dieses und für die folgenden Beispiele wird hier eine Lauflängencodierung angenommen, bei der die Anzahl der Bildpunkte angegeben wird, bei denen der Signalwert unverändert ist. Hierdurch wird die Anzahl der benötigten Datenwörter pro Fernsehzeile bereits erheblich reduziert; anstelle der ursprüng­ lichen Bildzeile BZ reicht jetzt - bei gleichbleibender Übertra­ gungsgeschwindigkeit - eine "verkürzte Bildzeile" VBZ zur Über­ tragung derselben Information aus. Die verkürzte Bildzeile wird durch Randomwörter R 1 bis Rm aufgefüllt. Würde anstelle der Ran­ domwörter ein gleichbleibender Signalwert übertragen, so wäre die Feststellung eines neuen Zeilenanfangs aufgrund der "gleich­ farbigen" Bildfläche an den Zeilenenden denkbar einfach.

Die verschiedenen Codierverfahren können natürlich auch gemischt angewendet werden. So ist es beispielsweise möglich, eine Lauf­ längencodierung nach vorangegangener DPCM-Codierung nur bei be­ stimmten DPCM-Datenwörtern, beispielsweise den Wert 0 repräsen­ tierenden Datenwörtern, durchzuführen.

Die Randomwörter können selbstverständlich auch, wie in Fig. 3 dargestellt, am Anfang einer Fernsehzeile eingefügt werden. Hierbei ist ein größerer Zwischenspeicheraufwand erforderlich.

In Fig. 4 sind die Randomwörter, R 1, R 2, . . . mit den Datenwörtern D 1, D 2, . . . verschachtelt. Dies erschwert natürlich dem unberech­ tigten Teilnehmer eine Rekonstruktion des Fernsehbildes be­ trächtlich. Die Anzahl und Position der verschachtelten Random­ wörter kann mit der Schlüsselinformation übertragen werden. Ebenso können bestimmt Kombinationen gewählt werden, beispiels­ weise eine Lauflängencodierung mit dem Wert 0, durch die er­ kenntlich wird, daß es sich um ein bei der Rekonstruktion des Bildes nicht zu berücksichtigende Randomwörter handelt.

Durch die Ergänzung mit Randomsignalen entsteht ein ununterbro­ chener Datenstrom, bei dem der Unbefugte weder die Bildstruktur erkennt noch eine Trennung zwischen Bildsignalen und Randomsi­ gnalen vornehmen kann. Um den Effekt der redundanzverringernden Verfahren nicht aufzuheben, reicht es aus, nur eine bestimmte Anzahl von Randomwörtern zu den Datenwörtern einer Zeile hinzu­ zufügen. Bei allen redundanzverringernden Verfahren wird bei na­ türlich unruhigen Bildinhalten nur eine geringe Datenreduktion erreicht, die durch Randomwörter ersetzt wird. Dieselbe Anzahl von Randomwörtern kann auch bei allen übrigen Fernsehzeilen hin­ zugefügt werden, so daß sich Fernsehzeilen unterschiedlicher Länge ergeben. Hierdurch wird eine unbefugte Rekonstruktion nochmals erschwert und außerdem eine Datenreduktion erreicht, die zu einer Reduktion der Übertragungsbitrate oder zur Er­ zielung einer besseren Bildqualität verwendet werden kann.

Eine Empfangseinrichtung wird sich zunächst die Synchronsignale entschlüsseln und sich auf diese synchronisieren, die Random­ wörter eliminieren und die codierten Datenwörter wieder in das digitale Bildsignal (Abtastwerte) umsetzen. Diese werden im all­ gemeinen zwischengespeichert und als Echzeit-Bildsignal auf ei­ nem Bildschirm dargestellt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verbesserung der Verschlüsselungssicherheit von digitalen Bildsignalen (BS), bei denen die Synchronsignale (SY) verschlüsselt übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Bildsignale (BS) durch ein Datenreduktionsver­ fahren in Datensignale (DS) umgesetzt werden und daß die so verkürzten Bildzeilen (VBZ) mit Randomsignalen (RS) aufgefüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Datenreduktionsverfahren ein DPCM-Verfahren oder ein Transformationsverfahren durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Optimalcodierung der zu übertragenden Datensignale (DS) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lauflängencodierung des zu übertragenden Datensignals (DS) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Randomsignale (RS) am Anfang oder am Ende der Bildzeilen eingefügt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Datenwörter (D 1, D 2, . . .) des Datensignals (DS) mit Random­ wörtern verschachtelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Datenwörtern (D 1, D 2, . . .) spezielle Randomwörter (R 1, R 2, . . .) verschachtelt werden, die aufgrund ihrer Struktur als Randomwörter erkenntlich wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verkürzten Bildzeilen (VBZ) nur teilweise durch Random­ signale (RS) aufgefüllt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Datensignal (DS) und das Randomsignal (RS) gemeinsam verschlüsselt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig vor der Rekonstruktion des digitalen Bild­ signals (BS) das Randomsignal (RS) eliminiert wird.