DE3715081C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschlüsselung von di­ gitalen Bildsignalen.

Die Verschlüsselung von digitalen Bildsignalen wird angewendet, um vertrauliche Dokumente zu übertragen oder einen unbefugten Teilnehmer am Empfang der Bildsignale zu hindern. Es können hierbei unterschiedliche Maßnahmen gegen unbefugtes Mitsehen ge­ troffen werden. Da bei der Bildübertragung die Bitraten um Grö­ ßenordnungen höher sind als bei der Übertragung von Sprache, ist es nicht möglich, die üblichen für Sprache oder Datensignale vorgesehenen Verschlüsselungsgeräte einzusetzen. Je komplizier­ ter das jeweilige Verschlüsselungsverfahren ist, desto höher liegt die interne Verarbeitungsgeschwindigkeit der Schlüssel- und Entschlüsselungsgeräte über der Datenrate des ursprünglichen Bildsignals. Deshalb begnügt man sich häufig mit der Verschlüs­ selung der Synchronimpulse.

Aus der US-Patentschrift 46 46 147 ist bekannt, ein analoges Fernsehsignal in ein digitales Fernsehsignal umzusetzen, zu verscrambeln, dann wieder in ein analoges Fernsehsignal umzusetzen und anschließend auszusenden. Im Empfänger wird nach erneuter Analog-Digital-Umsetzung das ursprüngliche Signal durch Entscrambeln wiedergewonnen. Der Schlüssel für den Scrambel- Algorithmus wird in der Vertikal-Austastlücke des Fernsehsignals übertragen. Ein Verscrambeln der Bildsignale kann natürlich ebenso bei der digitalen Übertragung erfolgen. Wie vorstehend erläutert, können wegen der begrenzten Verarbeitungsgeschwindigkeit jedoch nur relativ einfache Scrambler verwendet werden, die nur einen geringen Schutz gegen ein "Entschlüsseln" des Bildsignals bieten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit geringem Aufwand reali­ sierbares Verfahren zur Verschlüsselung digitaler Bildsignale anzugeben.

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

Vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist es, daß kein besonderes Synchronwort für die Bildsynchronisation benötigt wird. Durch Variation der Funktion bei jedem Bildwechsel ist eine sichere Bildsynchronisation auch dann möglich, wenn mehrere Zeilensyn­ chronimpulse gestört sind.

Eine noch wesentlich größere Verschlüsselungssicherheit wird erreicht, wenn die Bildzeilen nach einem vorgegebenen Algorith­ mus nicht nacheinander, sondern in verschlüsselter Reihenfolge gesendet werden.

Eine weitere Vergrößerung der Schlüsseltiefe erfolgt dadurch, daß die Datenwörter innerhalb der Bildzeilen wiederum verschach­ telt werden. Auch wenn das Bildsignal zunächst auf einen Daten­ träger aufgezeichnet wird, ist ein Entschlüsseln schwierig, da zunächst die Zeilensynchronität hergestellt werden muß, dann müssen die Zeilen geordnet werden um die Bildsynchronität zu er­ mitteln und schließlich muß die korrekte Reihenfolge der Daten­ wörter wiederhergestellt werden. Für Bildfernsprecher, Videokon­ ferenzeinrichtungen und Pay-TV-Geräte ist dieses Schlüsselver­ fahren völlig ausreichend.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine numerische Folge der Zeilensynchronwörter,

Fig. 2 ein Beispiel für den Aufbau einer Bildzeile,

Fig. 3 ein weiteres Beispiel einer numerischen Folge der Zeilen­ synchronwörter,

Fig. 4 und Fig. 5 weitere Beispiele für Folgen von Zeilensynchronimpulsen,

Fig. 6 eine Codiereinrichtung,

Fig. 7 eine Decodiereinrichtung und

Fig. 8 eine erweiterte Bildzeile.

In Fig. 1 ist ein erstes Beispiel einer Sägezahnfunktion für die numerischen Werte NW einer Folge von Zeilensynchronwörtern SW dargestellt. Den Zeilensynchronwörtern - kurz als Synchronwörter bezeichnet - eines Bildes werden nacheinander die numerischen Werte NW zwischen 1 und 625 zugeordnet. Bei dem nächsten Bild beginnt die Zuordnung mit 1 aufs neue und endet ebenfalls mit 625.

In Fig. 2 ist der Aufbau einer Bildzeile dargestellt. Sie be­ ginnt mit dem Synchronwort SW, dem die in Datenwörter DW 1 bis DWn umgesetzten Abtastwerte folgen.

Dem Bildwechsel entspricht der Übergang vom Wert 625 auf den Wert 1. Hierbei kann jeder einzelne numerische Wert eines Syn­ chronwortes zur Bildsynchronisation verwendet werden, da jeder den Abstand vom Bildwechselzeitpunkt angibt.

In Fig. 3 entsprechen die numerischen Werte der Synchronwörter SW einer Dreiecksfunktion. Der Bildwechsel wird durch den Über­ gang auf den Maximalwert bzw. den Minimalwert der Dreiecksfunk­ tion gekennzeichnet. Das Synchronwort der ersten Bildzeile des ersten, dritten, fünften, . . . Fernsehbildes beginnt jeweils mit dem Minimalwert der Dreiecksfunktion, während das zweite, vierte, sechste, . . . Bild jeweils ein Synchronwort aufweist, das dem Maximalwert der Dreiecksfunktion entspricht.

Natürlich ist es auch denkbar, einen Bildwechsel durch einen ge­ ringeren Amplitudenunterschied zu kennzeichnen.

Der Vorteil der Dreiecksfunktion nach Fig. 3 besteht gegenüber der Sägezahnfunktion nach Fig. 1 darin, daß zwei Bits weniger für jedes Synchronwort verwendet werden müssen. Da die Synchron­ wörter vor der Übertragung verschlüsselt werden, ist die Struk­ tur der Funktion bei der Übertragung nicht mehr erkenntlich.

In Fig. 4 und Fig. 5 wurden als Beispiele Sägezahnfunktionen für Folgen von Synchronwörtern verwendet. Zwei aufeinanderfolgende Werte unterscheiden sich bei der Modulo-k-Addition jeweils nur um den Wert 1. Die Kennzeichnung des Bildwechsels erfolgt in Fig. 4, indem die Sägezahnfunktion an der Zeitachse gespiegelt wird und in Fig. 5, indem die Sägezahnfunktion von einem gegebe­ nen Wert auf den Maximalwert oder den Minimalwert springt und ebenfalls gespiegelt fortgesetzt wird. Weitere zahlreiche Vari­ anten sind denkbar. Natürlich kann beispielsweise auch eine Sä­ gezahnfunktion auf eine Dreiecksfunktion folgen usw.

In Fig. 6 ist eine Codiereinrichtung dargestellt, die dazu dient, die Zeilen eines Fernsehbildes verschachtelt auszusenden. Dem Eingang 1 der Codiereinrichtung wird das Bildsignal VS zugeführt. Über einen ersten Umschalter S 1 gelangt es in einen ersten Bild­ speicher BST 1 oder in einen zweiten Bildspeicher BST 2. Die Bild­ speicher weisen hier in der prinzipiellen Darstellung für jede Bildzeile einen eigenen Ausgang auf, von denen jeweils einer über einen zweiten Umschalter S 2 einer ersten Synchronisierein­ richtung SE 1 zugeführt wird. An den Eingang der ersten Synchro­ nisiereinrichtung ist außerdem eine zweite Synchronisiereinrich­ tung SE 2 angeschaltet, die den zweiten Umschalter S 2 steuert und das Synchronisierwort hinzufügt. Dieses kann natürlich auch be­ reits beim Einschreiben in die Bildspeicher hinzugefügt werden.

Nachdem beispielsweise der erste Bildspeicher BST 1 vollgeschrie­ ben ist, werden - gesteuert von der zweiten Synchronisierein­ richtung die Bildzeilen in einer von einem Schlüsselalgorithmus bestimmten Reihenfolge abgerufen und das jeweilige Synchroni­ sierwort in der ersten Schlüsseleinrichtung SE 1 verschlüsselt, so daß an ihrem Ausgang 2 das verschlüsselte Bildsignal VVS ab­ gegeben wird. Die Entschlüsseleinrichtung ist entsprechend auf­ gebaut. Über einen Eingang 3 wird das verschlüsselte Bildsignal einer Entschlüsselungseinrichtung ES 1 zugeführt. An ihrem Aus­ gang wird das entschlüsselte Videosignal VS abgegeben und über einen dritten Umschalter S 3 in der ursprünglichen Reihenfolge einem dritten Bildspeicher BST 3 oder einem vierten Bildspeicher BST 4 eingeschrieben. Die Ausgänge der Bildspeicher sind über ei­ nen vierten Umschalter S 4 mit dem Eingang einer Synchronworter­ kennung SE und dem Ausgang der Entschlüsselungseinrichtung 4 verbunden.

In der Entschlüsselungseinrichtung ES 1 werden die Synchronwörter entschlüsselt. Der Einfachheit halber wird angenommen, daß die Sägezahnfunktion nach Fig. 1 verwendet wird. Jede Bildzeile ent­ hält ihre Zeilennummer als Synchronwort. Dies veranlaßt die Steuerung ST die Bildzeilen in richtiger Reihenfolge in jeweils einem Bildspeicher BST 3 oder BST 4 einzuschreiben. Ist ein Bild­ speicher voll, so werden die Bildzeilen automatisch in der rich­ tigen Reihenfolge über den Umschalter S 4 ausgegeben, während in den anderen Bildspeicher eingeschrieben wird.

Das Verschachteln der Bildzeilen muß selbstverständlich nicht jeweils innerhalb eines kompletten Bildes durchgeführt werden. Es kann auch innerhalb eines Halbbildes oder eines Teiles hier­ von erfolgen.

Die Synchronworterkennung SE ermittelt die Bildimpulse BI, die sie an ihrem Ausgang 5 abgibt. Die Zeilensynchronimpulse ZI wer­ den an ihrem Ausgang 6 abgegeben. Durch Zählen der Zeilenabstän­ de von einem Bildimpuls oder durch Auswerten der Zeilensynchron­ wörter kann sie selbstverständlich auch ein entsprechendes Si­ gnal bei einem Halbbildwechsel abgeben, falls dies erforderlich ist.

In Fig. 8 ist eine Variante einer Bildzeile dargestellt, mit der das Erkennen von Bildern nochmals erschwert wird. Nach dem Synchronwort SW enthält diese Bildzeile einen Ordnungsmodus M, der angibt, in welcher Reihenfolge die Datenwörter DW 1 bis DWn der Bildzeile ausgesendet werden. Die Anzahl der Bits des Ord­ nungsmodus stimmt die Vielfalt der Variationen. Der Ordnungsmo­ dus M wird jeweils mit dem Zeilensynchronwort SW zu einem Ge­ samtsynchronwort SWG zusammengefaßt und verschlüsselt übertra­ gen. Außer dem Verschachteln der Datenwörter kann auch ein teil­ weises invertieren durchgeführt werden. Von komplizierteren Maß­ nahmen wird beim jetzigen Stand der Technologie aus Laufzeitgrün­ den der Bauelemente abgesehen. Das Verschachteln der Datenwörter kann von der ersten Schlüsseleinrichtung SE 1 durchgeführt wer­ den. Die Angabe des Ordnungsmodus M kann auch entfallen, indem - beispielsweise mit jedem Bildanfang periodisch - eine Ver­ schachtelung der Datenwörter aufgrund einer Zufallsfolge durch­ geführt wird.

Die Kombination dieser Maßnahmen bewirkt ein äußerst schwierig zu entschlüsselndes Bildsignal, da weder Zeilensynchronismus noch Bildsynchronismus bekannt sind, die Bildzeilen verschach­ telt ausgesendet werden und ebenso die Datenwörter innerhalb der Bildzeilen verwürfelt sind.

Claims (10)

1. Verfahren zum Verschlüsseln von digitalen Bildsignalen (VS), die als Datenwörter (DW 1, DW 2, . . .) in Bildzeilen (BZ) angeordnet sind und bei dem jeder Bildzeile (BZ) ein Synchronwort (SW) zu­ geordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Synchronwörter (SW) aus unterschiedlichen numerischen Werten (NW) gebildet werden,
daß die numerischen Werte (NW) der Synchronwörter (SW) eine vor­ gegebene Funktion bilden,
und daß der Bildanfang durch eine signifikante Änderung der nu­ merischen Werte (NW) dieser Funktion und/oder Spiegelung der Funktion an der Zeitachse gekennzeichnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die numerischen Werte der Synchronwörter (SW) eine lineare Funktion oder lineare Teilfunktionen bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als lineare Funktionen oder Teilfunktionen Dreiecksfunktio­ nen oder Sägezahnfunktionen verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kennzeichnung des Bildanfangs der minimale oder der ma­ ximale numerische Wert verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Bildanfänge von Vollbildern gekennzeichnet werden und die Anfänge der Halbbilder durch Zählen der Bildzeilen (BZ) ermittelt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildzeilen (BZ) nicht in der ursprünglichen Reihenfolge, sondern verschachtelt ausgesendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenwörter (DW 1, DW 2, . . .) einer Bildzeile (BZ) mitein­ ander verschachtelt ausgesendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zeile ein Ordnungsmodus (M) zur Kennzeichnung der Fol­ ge der Datenwörter (DW 1, DW 2 . . .) einer Bildzeile zugeordnet ist und daß der Ordnungsmodus (M) mit dem Synchronwort (SW) ver­ schlüsselt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronwörter (SW) aus jeweils höchstens acht Bits ge­ bildet werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination mit anderen Verschlüsselungsverfahren durchgeführt wird.