JP2005333386A - Analog encoding system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は離散多値のアナログ情報の保護を考慮したアナログ符号化システムに関する。 The present invention relates to an analog encoding system in consideration of protection of discrete multi-level analog information.
近年、ユビキタスネットワーク社会を迎えつつあり、情報伝送や保存においては、音声や動画像などのマルチメディア情報（多値情報）を他人から容易に見られないように保護でき、雑音などに対する耐性が強く、しかも品質をできるだけ保障できるようなデータ圧縮可能な符号化方式やシステムが益々必要となっている。
このような状況下において、近年様々な符号化方式やシステムに関する発明が開示されている。
例えば、特許文献１には、情報秘匿システムの一つである単位ブロック毎に変換を行なうブロック型の符号変換方式において、次数の小さいラテン方陣Ｌを複数並べて段を構成し、この段を複数設け、前段の各ラテン方陣Ｌから後段の少なくとも二つのラテン方陣Ｌに変換したデータを入力させて、入力データＡの各ビットが出力データＢの全てのビットに影響を与えるようにして秘匿性を高めた符号化方式の開示がある。
この符号化方式によれば、秘匿性の高い符号変換を簡単にかつ正確に得ることができる。
In recent years, the ubiquitous network society is approaching, and in information transmission and storage, multimedia information (multi-value information) such as voice and moving images can be protected from being easily seen by others, and it is highly resistant to noise. In addition, an encoding method and system capable of data compression that can assure quality as much as possible are increasingly required.
Under such circumstances, inventions related to various encoding methods and systems have been disclosed in recent years.
For example, in Patent Document 1, in a block-type code conversion system that performs conversion for each unit block, which is one of the information concealment systems, a plurality of Latin squares L with low orders are arranged to form a plurality of stages. By inputting the converted data from each Latin square L in the previous stage to at least two Latin squares L in the subsequent stage, each bit of the input data A affects all the bits of the output data B, thereby improving the confidentiality. There is a disclosure of an encoding method.
According to this encoding method, highly confidential code conversion can be obtained easily and accurately.
また、特許文献２には、画像データに低域フィルタ及び高域フィルタを用いてフィルタリングしてフィルタ係数を生成し、当該生成したフィルタ係数を量子化して量子化係数を生成し、その量子化係数を所定の符号化方式で符号化 処理して算術符号データを生成した後、当該算術符号データの少なくとも一部にスクランブル処理を施すと共に、算術符号データに基づいて符号化処理に関する所定の符号化情報を生成し、当該生成した符号化情報を格納して生成したヘッダデータにスクランブル処理を施した算術符号データを付加してパケットデータを生成する符号化装置が開示されている。
このような符号化装置によれば、算術符号データにスクランブル処理を施す分、量子化係数を符号化したときのデータ量の増加を防止することができ、画像データの圧縮率の低下を防止できる。
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-228561 generates a filter coefficient by filtering image data using a low-pass filter and a high-pass filter, quantizes the generated filter coefficient to generate a quantized coefficient, and the quantized coefficient Is encoded by a predetermined encoding method to generate arithmetic code data, and then at least a part of the arithmetic code data is scrambled, and predetermined encoding information related to the encoding process is based on the arithmetic code data. A coding apparatus is disclosed that generates packet data by adding arithmetic code data subjected to scramble processing to header data generated by storing the generated coding information.
According to such an encoding apparatus, an increase in the amount of data when the quantized coefficients are encoded can be prevented by the amount of scrambling processing on the arithmetic code data, and a decrease in the compression rate of the image data can be prevented. .
さらに、特許文献３には、コンテンツのストリームを記録再生するストリーム記録再生装置が開示されているが、そのストリーム記録再生装置において、アナログ放送波等によって伝送されて入力されたアナログ映像音声信号からディジタルストリームを生成する符号化手段が開示されている。
このようなアナログからデジタルに変換することによって、圧縮化あるいは多重化が可能となっている。
Further, Patent Document 3 discloses a stream recording / reproducing apparatus for recording / reproducing a content stream. In the stream recording / reproducing apparatus, digital audio is transmitted from an analog video / audio signal transmitted by an analog broadcast wave or the like. An encoding means for generating a stream is disclosed.
Such conversion from analog to digital enables compression or multiplexing.
しかしながら、上述の特許文献１乃至３に開示された発明においては、いずれもアナログ情報（離散多値情報）を対象とし、情報保護と信頼性向上を念頭に入れた符号化方式では、アナログ情報をデジタル情報に直し、それをスクランブル技術、暗号化技術、誤り訂正符号化技術などを組み合わせた符号化方式が一般的である。また、データ圧縮を行う場合は高い周波数成分をカットするような離散コサイン変換やウエーブレット変換を組み込んだシステムとなる。
また、アナログ情報は、ある一部が雑音、妨害、加工などによって大きく変形することよりも、全体的に少しずつ異なっているほうが、その品質は保障される。しかし、上記のようにデジタルに一度直して符号化する方式は、最上位ビットと最下位ビットにおける情報量のばらつきも生じるので、品質を保障し、かつ効率のよいアナログ符号化法とは言えない可能性があるという課題があった。
However, in the inventions disclosed in the above-mentioned Patent Documents 1 to 3, all analog information (discrete multi-value information) is targeted, and in an encoding method with information protection and reliability improvement in mind, analog information is not stored. An encoding method that converts digital information into a combination of scramble technology, encryption technology, error correction encoding technology, and the like is common. When data compression is performed, a system incorporating a discrete cosine transform or wavelet transform that cuts high frequency components is provided.
Also, the quality of analog information is guaranteed when it is slightly different overall, rather than being largely deformed due to noise, interference or processing. However, as described above, once digitally encoding is performed, the amount of information varies between the most significant bit and the least significant bit, so the quality is guaranteed and the method cannot be said to be an efficient analog coding method. There was a problem that there was a possibility.
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、多次元直交系列を使用した多次元直交変換を実行することにより、簡単な構成で容易に取り扱うことができ、しかも高い品質を担保可能で秘匿性が高いアナログ符号化システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in response to such a conventional situation. By executing multidimensional orthogonal transformation using a multidimensional orthogonal sequence, the present invention can be easily handled with a simple configuration and ensures high quality. An object of the present invention is to provide an analog encoding system that is possible and highly confidential.
本発明の請求項１に記載のアナログ符号化システムにおいては、上述の課題を解決するため、離散多値に係る１次元又は２次元のアナログデータが入力される入力部と、この入力されたアナログデータをｎ次元アナログデータに写像変換する第１の写像変換部と、初期値が入力されることで乱数を発生する乱数発生関数を備える乱数発生部と、この乱数発生部において発生された乱数を用いてｎ次元直交系列を発生させる多次元直交系列発生部と、多次元直交系列発生部からｎ次元直交系列を読みだして、写像変換部によって写像変換されたｎ次元アナログデータを、ｎ次元直交系列を用いてｎ次元直交変換して暗号化した変換データを生成する多次元直交変換部と、乱数発生関数の初期値を鍵として暗号化された変換データをｎ次元直交逆変換してｎ次元アナログデータを復元する多次元直交逆変換部と、ｎ次元アナログデータを１次元又は２次元のアナログデータに写像する第２の写像変換部とを有するものである。 In the analog encoding system according to claim 1 of the present invention, in order to solve the above-described problem, an input unit to which one-dimensional or two-dimensional analog data related to discrete multivalue is input, and the input analog A first mapping conversion unit for mapping data to n-dimensional analog data, a random number generation unit having a random number generation function for generating a random number when an initial value is input, and a random number generated by the random number generation unit. A multi-dimensional orthogonal sequence generation unit that generates an n-dimensional orthogonal sequence using the multi-dimensional orthogonal sequence generation unit, and reads out the n-dimensional orthogonal sequence from the multi-dimensional orthogonal sequence generation unit. A multidimensional orthogonal transform unit that generates encrypted transform data by performing n-dimensional orthogonal transform using a sequence, and transforms the transform data encrypted using the initial value of the random number generation function as an n-dimensional orthogonal inverse Those having a multi-dimensional inverse orthogonal transform unit for restoring an n-dimensional analog data conversion, and a second mapper for mapping the n-dimensional analog data in a one-dimensional or two-dimensional analog data.
また、請求項２に記載のアナログ符号化システムにおいては、離散多値に係る１次元又は２次元のアナログデータが入力される入力部と、この入力されたアナログデータをｎ次元アナログデータに写像変換する第１の写像変換部と、初期値が入力されることで乱数を発生する乱数発生関数を備える乱数発生部と、この乱数発生部において発生された乱数を用いてｎ次元直交系列を発生させる多次元直交系列発生部と、多次元直交系列発生部からｎ次元直交系列を読みだして、写像変換部によって写像変換されたｎ次元アナログデータを、ｎ次元直交系列を用いてｎ次元直交変換して暗号化した変換データを生成する多次元直交変換部と、変換データを量子化によって変換データを圧縮して圧縮データを生成するデータ圧縮部と、乱数発生関数の初期値を鍵として圧縮データをｎ次元直交逆変換してｎ次元アナログデータを復元する多次元直交逆変換部と、ｎ次元アナログデータを１次元又は２次元のアナログデータに写像する第２の写像変換部を有するものである。 In the analog encoding system according to claim 2, an input unit to which one-dimensional or two-dimensional analog data related to discrete multivalue is input, and the input analog data is mapped to n-dimensional analog data. A first mapping conversion unit, a random number generation unit including a random number generation function for generating a random number by inputting an initial value, and generating an n-dimensional orthogonal sequence using the random number generated in the random number generation unit An n-dimensional orthogonal sequence is read from the multi-dimensional orthogonal sequence generation unit and the multi-dimensional orthogonal sequence generation unit, and the n-dimensional analog data mapped by the mapping conversion unit is subjected to n-dimensional orthogonal transformation using the n-dimensional orthogonal sequence. A multi-dimensional orthogonal transform unit that generates encrypted encrypted transform data, a data compression unit that compresses the transform data by quantizing the transform data and generates compressed data, and a random number generation function A multi-dimensional orthogonal inverse transform unit that restores n-dimensional analog data by performing n-dimensional orthogonal inverse transform of the compressed data using the initial value as a key, and a second mapping that maps the n-dimensional analog data to one-dimensional or two-dimensional analog data It has a conversion part.
本発明のアナログ符号化システムにおいては、乱数発生関数に初期値を与えて乱数を発生させ、その乱数を基に多次元直交系列を生成させて、それを用いてアナログデータに多次元直交変換を施し、これを逆変換する際に、先の乱数発生関数の初期値を鍵としてアナログデータに復元する。受信者側では予め送信者側と同一の乱数発生関数を備えておけば、乱数発生関数の初期値さえ入手すれば、容易に乱数の発生の再現を実行することができる。このような乱数発生関数とその初期値を利用することで、鍵の送受信を容易にすることができるとともに、受信側の逆変換によるアナログデータの復元も容易となる。
さらに、多次元直交変換を施すことによれば、アナログデータの一部に雑音や妨害要素あるいは加工要素が含まれたとしても、それらは変換後のデータに均一に分散され、しかも逆変換される場合にも均一に分散されたままとなるため、例えば音声データのような一次元データや画像データのような二次元データの場合には、雑音などが分散されて復元されるので耳や目にはその雑音などが感知できない程度にまで低減することができる。すなわち、局所的に雑音などが現れるよりも一定の品質が担保される。
In the analog coding system of the present invention, an initial value is given to a random number generation function to generate a random number, a multidimensional orthogonal sequence is generated based on the random number, and multidimensional orthogonal transformation is performed on analog data using the generated random number. When this is inversely transformed, it is restored to analog data using the initial value of the previous random number generation function as a key. If the receiver side is provided with the same random number generation function as that of the sender side in advance, it is possible to easily reproduce the generation of random numbers as long as the initial value of the random number generation function is obtained. By using such a random number generation function and its initial value, key transmission / reception can be facilitated, and analog data can also be easily restored by inverse conversion on the receiving side.
Furthermore, by performing multidimensional orthogonal transformation, even if noise, interference elements, or processing elements are included in a part of analog data, they are uniformly distributed in the converted data and inversely transformed. In some cases, for example, in the case of one-dimensional data such as audio data or two-dimensional data such as image data, noise is dispersed and restored, so the ears and eyes Can be reduced to such an extent that the noise cannot be detected. That is, a certain quality is ensured rather than noise appearing locally.
また、特に請求項２に記載のアナログ符号化システムにおいては、多次元直交変換後に、圧縮データを生成することができるので多量のデータの送信を行なうことが可能であり、しかも前述のとおり品質の劣化は復元データの全体に亘るため、全体的には一定の品質を担保することができる。 In particular, in the analog coding system according to claim 2, since compressed data can be generated after multidimensional orthogonal transformation, a large amount of data can be transmitted, and the quality of the data can be improved as described above. Since the deterioration covers the entire restored data, it is possible to ensure a certain quality as a whole.
以下に本発明の実施の形態に係るアナログ符号化システムについて図１乃至図８を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るアナログ符号化システムの構成図である。アナログ符号化システムは、大きく入力部１、演算部２、出力部３及びデータベース４から構成されている。入力部１は、データベース４に格納されている各種データが入力されたり、演算部２に対してデータを入力する際に使用されるユーザーとのインターフェースである。
データベース４には、秘匿性の高いアナログ情報である生アナログデータ１２が格納されている。この生アナログデータ１２の例としては、一次元データとしては音声データ、二次元データとしては画像データがある。また、動画像は静止画像が時間的に連続するものであるため三次元データとして認識される場合がある。この生アナログデータ１２は、予めデータベース４に格納されてもよいが、入力部１から演算時に演算部２の第１写像変換部５に入力されてもよい。
生アナログデータ１２は演算部２に含まれる第１写像変換部５によって写像変換され、ｎ次元アナログデータ１３となる。例えば、一次元の音声データや２次元の画像データを３次元のアナログデータに写像変換されたものである。ｎ次元のｎは、秘匿性を考慮すれば生アナログデータ１２の次元よりも高い次数を表現するものであり、生アナログデータ１２が一次元の音声データであれば、ｎは２次以上となり、生アナログデータ１２が二次元の画像データであればｎは３次以上となる。但し、一般的には１以上の任意の数を意味するものである。図１では、ｎ次元アナログデータ１３もデータベース４に格納されているが、格納されずに第１写像変換部５に留めておいてもよい。
An analog encoding system according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a configuration diagram of an analog encoding system according to the first embodiment of the present invention. The analog encoding system is mainly composed of an input unit 1, a calculation unit 2, an output unit 3 and a database 4. The input unit 1 is an interface with a user that is used when various types of data stored in the database 4 are input or when data is input to the calculation unit 2.
The database 4 stores raw analog data 12 that is highly confidential analog information. Examples of the raw analog data 12 include audio data as one-dimensional data and image data as two-dimensional data. In addition, since moving images are still images that are temporally continuous, they may be recognized as three-dimensional data. The raw analog data 12 may be stored in the database 4 in advance, or may be input from the input unit 1 to the first mapping conversion unit 5 of the calculation unit 2 at the time of calculation.
The raw analog data 12 is subjected to mapping conversion by the first mapping conversion unit 5 included in the calculation unit 2 to become n-dimensional analog data 13. For example, one-dimensional audio data or two-dimensional image data is mapped and converted to three-dimensional analog data. n in the n dimension expresses a higher order than the dimension of the raw analog data 12 in consideration of confidentiality. If the raw analog data 12 is one-dimensional audio data, n is equal to or higher than the second order. If the raw analog data 12 is two-dimensional image data, n is 3rd order or higher. However, it generally means an arbitrary number of 1 or more. In FIG. 1, the n-dimensional analog data 13 is also stored in the database 4, but may be stored in the first mapping conversion unit 5 without being stored.
データベース４には、乱数発生関数データ１５が格納されており、同じく格納されている乱数発生関数初期値１４を用いることによって、乱数を発生させることができる。具体的には、演算部２の乱数発生部７によって乱数発生関数初期値１４と乱数発生関数データ１５が読み出され、乱数発生関数初期値１４によって乱数を発生させる。但し、乱数発生関数データ１５は予めデータベース４に格納することなく乱数発生部７の内部に格納しておいてもよい。また、乱数発生関数初期値１４もデータベース４に予め格納されるのではなく、入力部１を介して乱数発生部７に入力されるようにしておいてもよい。
発生した乱数は演算部２の多次元直交系列発生部６によって乱数発生部７から読み出され、多次元直交系列データ１６が一義的に生成される。生成された多次元直交系列データ１６はデータベース４に格納されるようにしておくとよい。また、この多次元直交系列データ１６は、多次元直交変換部８によってデータベース４から読み出され変換データ１７に変換される。この変換データ１７もデータベース４に格納される。さらに、演算部２の圧縮部９は、情報格納装置４から変換データ１７を読みだして圧縮し、圧縮データ１８を生成し、データベース４に格納する。圧縮部９は、多量のデータを送信などする際に設けられるものであるが、多量で重いデータを取り扱う必要がない場合には、必ずしも設けなくともよい。
The database 4 stores random number generation function data 15, and random numbers can be generated by using the same stored random number generation function initial value 14. Specifically, the random number generation function 7 of the calculation unit 2 reads the random number generation function initial value 14 and the random number generation function data 15, and generates a random number by the random number generation function initial value 14. However, the random number generation function data 15 may be stored in the random number generation unit 7 without being stored in the database 4 in advance. The random number generation function initial value 14 may also be input to the random number generation unit 7 via the input unit 1 instead of being stored in the database 4 in advance.
The generated random number is read from the random number generation unit 7 by the multidimensional orthogonal sequence generation unit 6 of the calculation unit 2, and the multidimensional orthogonal sequence data 16 is uniquely generated. The generated multidimensional orthogonal sequence data 16 may be stored in the database 4. Further, the multidimensional orthogonal sequence data 16 is read from the database 4 by the multidimensional orthogonal transform unit 8 and converted into converted data 17. This converted data 17 is also stored in the database 4. Further, the compression unit 9 of the calculation unit 2 reads the converted data 17 from the information storage device 4 and compresses it, generates compressed data 18 and stores it in the database 4. The compression unit 9 is provided when a large amount of data is transmitted. However, the compression unit 9 is not necessarily provided when it is not necessary to handle a large amount of heavy data.
変換データ１７あるいは圧縮データ１８は、演算部２の多次元直交逆変換部１０によって逆変換される。この逆変換の内容については後述するが、逆変換の際には、先に多次元直交変換部８で用いられた多次元直交系列データ１６が必要となる。そこで、この多次元直交系列データ１６を生成する際に、先の乱数発生関数初期値１４を用いて乱数の発生を再現して多次元直交変換時の多次元直交系列を再生成する。
多次元直交逆変換部１０によって逆変換されて得られたｎ次元アナログデータは、さらに第２写像変換部１１によって生アナログデータに変換される。
この演算部２における演算結果をはじめとして、入力部１から入力されるデータやデータベース４に格納されているデータは、出力部３によって他の装置やシステムに対して出力されたり、あるいは出力部３自身に表示される。
The transformed data 17 or the compressed data 18 is inversely transformed by the multidimensional orthogonal inverse transform unit 10 of the calculation unit 2. The contents of this inverse transformation will be described later, but the multidimensional orthogonal sequence data 16 previously used in the multidimensional orthogonal transformation unit 8 is necessary for the inverse transformation. Therefore, when the multidimensional orthogonal sequence data 16 is generated, the generation of random numbers is reproduced using the initial random number generation function 14 and the multidimensional orthogonal sequence at the time of multidimensional orthogonal transformation is regenerated.
The n-dimensional analog data obtained by the inverse transform by the multidimensional orthogonal inverse transform unit 10 is further converted into raw analog data by the second mapping transform unit 11.
The data input from the input unit 1 and the data stored in the database 4 including the calculation result in the calculation unit 2 are output to another device or system by the output unit 3, or the output unit 3 Displayed on itself.
なお、データベース４には、演算部２内部で演算されたデータがそれぞれ格納されるが、演算部２の各要素において演算した後にデータベース４に格納されることなく、下流側の要素に送信されるようにしておいてもよいし、下流側にデータ送信を行なうと同時に並行してデータベース４に格納するようにしてもよい。 The database 4 stores data calculated inside the calculation unit 2, but after being calculated in each element of the calculation unit 2, it is transmitted to downstream elements without being stored in the database 4. Alternatively, the data may be transmitted to the downstream side and simultaneously stored in the database 4 at the same time.
次に、本発明の第２の実施の形態について図２を参照しながら説明する。図２は、第２の実施の形態に係るアナログ符号化システムの構成図である。図２において、図１と同一部分については同一の符号を付し、その構成の説明は省略する。
本実施の形態においては、送信側演算部１９において、変換データ１７あるいは圧縮データ１８を生成し、それを受信側演算部２０へ送信して復元するものである。従って、多次元直交変換部８によって生成された変換データ１７あるいは圧縮部９によって生成された圧縮データ１８は送信部２１によって、受信側演算部２０の受信部２２へ送信される。
受信部２２は、受信した変換データ１７あるいは圧縮データ１８を多次元直交逆変換部１０によって復元するが、その際に用いられる多次元直交系列データ１６が必要となる。多次元直交系列データ１６は、受信側演算部２０の乱数発生部７によって発生される乱数を用いて、多次元直交系列発生部６によって生成される。乱数の発生には、乱数発生関数データ２６が用いられるが、その乱数発生関数の初期値を鍵とするため、この初期値を送信部２１から受信部２２へ伝送する必要がある。あるいは、乱数発生関数とその初期値を鍵として伝送してもよい。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a configuration diagram of an analog encoding system according to the second embodiment. 2, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description of the configuration is omitted.
In the present embodiment, the transmission side arithmetic unit 19 generates the converted data 17 or the compressed data 18 and transmits it to the reception side arithmetic unit 20 to restore it. Accordingly, the transform data 17 generated by the multidimensional orthogonal transform unit 8 or the compressed data 18 generated by the compression unit 9 is transmitted to the reception unit 22 of the reception-side arithmetic unit 20 by the transmission unit 21.
The receiving unit 22 restores the received transformed data 17 or compressed data 18 by the multidimensional orthogonal inverse transform unit 10, but the multidimensional orthogonal sequence data 16 used at that time is required. The multidimensional orthogonal sequence data 16 is generated by the multidimensional orthogonal sequence generation unit 6 using a random number generated by the random number generation unit 7 of the reception side calculation unit 20. Random number generation function data 26 is used to generate a random number. Since the initial value of the random number generation function is used as a key, it is necessary to transmit the initial value from the transmission unit 21 to the reception unit 22. Alternatively, the random number generation function and its initial value may be transmitted as a key.
受信部２２によって受信された乱数発生関数の初期値は鍵とされ、乱数発生部２４に送信され、さらに乱数発生部２４は、第１データベース２５から乱数発生関数データ２６を読み出して乱数を発生させる。このときに発生される乱数は、送信側演算部１９によって発生された乱数と値、順序において同じものとなる。
乱数発生部２４で発生された乱数を用いて多次元直交系列発生部２３では、送信側演算部１９と同様に多次元直交系列を生成する。さらに、第２データベース２７に格納された圧縮データ２８あるいは変換データ２９を読み出して受信側演算部２０の多次元直交逆変換部１０では逆変換を実施する。この逆変換によって、ｎ次元アナログデータ３０が得られ、このｎ次元アナログデータ３０は第２データベース２７に格納される。さらに、第２写像変換部１１は、第２データベース２７をデータベース４から読み出して写像変換を行い、送信側演算部１９によって写像変換された生アナログデータ３１を生成し、第２データベース２７に格納する。なお、第２データベース２７には、受信部２２で受信された圧縮データ２８及び変換データ２９が格納されているが、必ずしも格納せずとも、受信部２２で受信されたそれぞれを多次元直交逆変換部１０が受信して逆変換を実行してもよい。また、多次元直交逆変換部１０によって生成される多次元直交系列については、第２データベース２７に格納されていないが、生成した後に第２データベース２７に格納するようにしてもよい。
The initial value of the random number generation function received by the reception unit 22 is used as a key and transmitted to the random number generation unit 24. The random number generation unit 24 reads the random number generation function data 26 from the first database 25 and generates a random number. . The random number generated at this time is the same as the random number generated by the transmission-side arithmetic unit 19 in terms of value and order.
The multidimensional orthogonal sequence generation unit 23 uses the random number generated by the random number generation unit 24 to generate a multidimensional orthogonal sequence in the same manner as the transmission side calculation unit 19. Further, the compressed data 28 or the converted data 29 stored in the second database 27 is read out, and the multidimensional orthogonal inverse transform unit 10 of the reception side computation unit 20 performs the inverse transform. By this inverse transformation, n-dimensional analog data 30 is obtained, and this n-dimensional analog data 30 is stored in the second database 27. Further, the second mapping conversion unit 11 reads the second database 27 from the database 4, performs mapping conversion, generates raw analog data 31 mapped by the transmission side calculation unit 19, and stores the raw analog data 31 in the second database 27. . The second database 27 stores the compressed data 28 and the converted data 29 received by the receiving unit 22, but each of the received data received by the receiving unit 22 is not necessarily stored. The unit 10 may receive and perform the inverse transformation. Further, although the multidimensional orthogonal sequence generated by the multidimensional orthogonal inverse transform unit 10 is not stored in the second database 27, it may be stored in the second database 27 after being generated.
このように構成される本願発明の実施の形態における多次元直交系列を用いた多次元直交変換の方法について詳細に説明する。
次元数をｎ、周期Ｎ０＝Ｎ１・・・Ｎｎとする多次元(ｎ次元)複素系列ａを、式（１）のように与える。
A method of multidimensional orthogonal transformation using a multidimensional orthogonal sequence in the embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail.
A multidimensional (n-dimensional) complex sequence a having n dimensions and a period N 0 = N 1 ... N n is given as shown in Equation (1).
ただし、系列要素の添え字ｉｊは、各次元の周期Ｎｊを法とする整数値であり、式（２）を示す。 However, the subscript i j of the series element is an integer value modulo the period N j of each dimension, and represents Expression (2).
また、系列の要素の２乗和は式（３）として議論する。 Further, the sum of squares of the elements of the series will be discussed as Expression (3).
多次元(ｎ次元)直交系列ａは、位相シフトτ１・・・τｎにおける周期自己相関関数が式（４）で表される性質を持つ系列である。 Multidimensional (n-dimensional) orthogonal sequence a is cyclic autocorrelation function of the phase shift τ 1 ··· τ n is a sequence having a property represented by the formula (4).
つまり、周期自己相関関数が位相が完全に一致しているときは、その要素の大きさ（電力）に比例したピーク値を取り、少しでも不一致であれば、零となるような１次元以上のベクトルであらわされる系列である。ただし、*は複素共役を示し、式（５）に示される関係を満足するものである。 In other words, when the phase of the periodic autocorrelation function is completely matched, a peak value proportional to the magnitude (power) of the element is taken, and if there is even a slight mismatch, it will be zero or more so that it becomes zero. A series represented by a vector. However, * shows a complex conjugate and satisfies the relationship shown in Formula (5).
ここで、簡単に議論するために、式（６）としておいた周期Ｎ０＝Ｎｎのｎ次元直交系列で考える。 Here, in order to discuss briefly considered in the n-dimensional orthogonal sequence period N 0 = N n which has been the formula (6).
実際には、各次元の周期が異なるように拡張することは容易である。
周期Ｎ０＝Ｎｎのｎ次元直交系列の一般解は、式（７）、（８）で表せる。
Actually, it is easy to extend the period of each dimension to be different.
The general solution of the n-dimensional orthogonal sequence with period N 0 = N n can be expressed by equations (7) and (8).
とする。
ここで、実数系列となる条件は、式（９）で表せる。
And
Here, the condition for the real number series can be expressed by Equation (9).
特別な場合として。周期Ｎ０＝４ｎのｎ次元２値直交系列が存在し、式（１０）で表せる。 As a special case. There exists an n-dimensional binary orthogonal sequence with a period N 0 = 4 n , which can be expressed by Expression (10).
たとえば、周期１６の２次元直交系列で、式（１１）のように与えられ、２値直交系列も式（１２）のように生成させることができる。 For example, a two-dimensional orthogonal sequence with a period of 16 is given as in Equation (11), and a binary orthogonal sequence can also be generated as in Equation (12).
また、これらを周期２ｎのｎ次元２値直交系列に変換することもできる。
さらに、同じようにして、周期２ｎのｎ次元３値直交系列が発生でき、またそれを周期４ｎのｎ次元３値直交系列に変換できる。
今、ｎ次元情報を式（１３）で示すものとする。
It is also possible to convert them into n-dimensional binary orthogonal sequences period 2 n.
Further, in the same way, the period 2 n n-dimensional ternary orthogonal sequences can occur and can convert it to n-dimensional ternary orthogonal sequence period 4 n.
Now, it is assumed that n-dimensional information is represented by Expression (13).
これらの多次元情報は、一次元情報など、それよりも低次元の情報から容易に作ることができる。ここで、直交系列をもちいることより次の多次元直交変換を定義できる。 Such multidimensional information can be easily created from lower-dimensional information such as one-dimensional information. Here, the following multidimensional orthogonal transformation can be defined by using an orthogonal sequence.
また、多次元直交系列の直交性より、次の逆変換が成り立つ。 Further, the following inverse transformation is established from the orthogonality of the multidimensional orthogonal sequence.
式（１５）におけるアスタリスク＊は、前述のとおり複素共役を示すものである。 The asterisk * in the formula (15) indicates a complex conjugate as described above.
図３は、第１の実施の形態において、テキストや音楽などの１次元データを３次元直交系列を用いて直交変換する場合を示す概念図である。図３では、データのみに着目する。図３に示されるように、１次元データ３２を多次元直交変換前に何らかの方法により写像し、３次元データ３３とし、その後、多次元直交変換を行う。一般には、これらを１次元データに直したりして、加工しやすいデータに符号化し、それを記録したり通信する。また、復号では、逆の操作を行い、容易に情報を取り出すことができる。具体的には、多次元直交逆変換を行い逆変換データ３５を得て、さらに写像変換によって１次元データ３６を得るものである。
ここで、多次元直交変換は次のような２つの性質を有する。第一に、変換後はどのようなデータでもその出力値はガウス分布に近づくので性質の良いスクランブルが可能であるという性質、第二には、局所的な雑音が入ったとしても逆変換後はその雑音は全体に散らばるので誤差の少ない誤り補正が可能な符号化が実現できるという性質である。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a case where one-dimensional data such as text and music is orthogonally transformed using a three-dimensional orthogonal sequence in the first embodiment. In FIG. 3, attention is paid only to data. As shown in FIG. 3, the one-dimensional data 32 is mapped by some method before multi-dimensional orthogonal transformation to form three-dimensional data 33, and then multi-dimensional orthogonal transformation is performed. In general, these are converted into one-dimensional data, encoded into easy-to-process data, and recorded or communicated. In decoding, information can be easily extracted by performing the reverse operation. Specifically, multidimensional orthogonal inverse transformation is performed to obtain inverse transformation data 35, and further, one-dimensional data 36 is obtained by mapping transformation.
Here, the multidimensional orthogonal transform has the following two properties. First, the output value of any data after conversion is close to the Gaussian distribution, so that it can be scrambled with good characteristics, and secondly, even if local noise is included, Since the noise is scattered throughout, it is a property that an encoding capable of error correction with few errors can be realized.
本実施の形態においては、直交変換を実施して伝送し、それを復元することによれば、雑音を全体に散らばらせることが可能であるため、局所的な劣化は認められず、全体的に影響が希釈化されるため、全体的には、一定の品質を担保することができる。
さらに、本実施の形態においては、多次元直交系列は無数に存在するのでそれを鍵とすることで、多次元的に情報を複雑に変換できるので秘話性の高い暗号的符号化が可能であると考えられる。
アナログ符号化等の応用には、多次元複素直交系列での直交変換は、実数情報が複素数に変わるために実部と虚部の値を取り扱わなければならない。それゆえ、一般には、複素系列を取り扱うことはデータ量が増え好ましくない。
In the present embodiment, by performing orthogonal transform and transmitting and restoring it, it is possible to disperse noise throughout, so local degradation is not recognized and overall Since the influence is diluted, overall, a certain quality can be ensured.
Furthermore, in this embodiment, since there are an infinite number of multidimensional orthogonal sequences, it is possible to perform complex coding of information in a multidimensional manner by using it as a key, so that highly confidential coding can be performed. it is conceivable that.
For applications such as analog coding, orthogonal transformation in a multidimensional complex orthogonal sequence must deal with real part and imaginary part values because real number information changes to complex numbers. Therefore, in general, it is not preferable to handle complex sequences because the amount of data increases.
本実施の形態では、鍵となる多次元直交系列を乱数により与えるものである。
式（７）に示すように適当な関数ｆ（λ１・・・λｎ）を与えればよいが、一般には、数多くの異なる関数を与えるのは容易でない。特に実数直交系列である条件式（９）を満たす関数を見つけることは容易でない。ここでは、以下のように関数を与える。
［１］適当な乱数発生法Ｇを選択する。例えば、合同法やＴＬＰ乱数発生などである。今、Ｇでの初期条件をｘ０としてｉ（ｉ≧１）番目の値をｘｉ＝Ｇ（ｘ０，ｉ）とする。ここでは、ｘｉ（０≦ｘｉ≦１）とし、式（８）の関係よりｙｉ＝Ｎｘｉとして議論することにする。
［２］そのまま、乱数の値yｉを順に関数ｆ（λ１・・・λｎ）の出力値として決めていけば多次元複素直交系列が簡単に発生できる。ここで、式（９）を満足するように関数を与えれば実数系列となる。以下、式（９）の制限がある多次元実数直交系列を乱数より発生させる方法を述べる。たとえば、式（１６）に示すとおりで、
In the present embodiment, a key multidimensional orthogonal sequence is given by a random number.
Although an appropriate function f (λ 1 ... Λ n ) may be given as shown in Expression (7), it is generally not easy to give many different functions. In particular, it is not easy to find a function that satisfies conditional expression (9), which is a real orthogonal sequence. Here, the function is given as follows.
[1] Select an appropriate random number generation method G. For example, a congruential method or TLP random number generation. Now, assuming that the initial condition in G is x 0 , the i (i ≧ 1) -th value is x i = G (x 0 , i). Here, x i (0 ≦ x i ≦ 1) is assumed, and y i = Nx i will be discussed from the relationship of Expression (8).
[2] If the random value y i is determined as the output value of the function f (λ 1 ... Λ n ) in order, a multidimensional complex orthogonal sequence can be easily generated. Here, if a function is given so as to satisfy Expression (9), a real number series is obtained. In the following, a method for generating a multidimensional real orthogonal sequence having a limitation of equation (9) from a random number will be described. For example, as shown in equation (16),
の順に、 In the order
なので、 So,
として決めていく。ただし、 I will decide as. However,
の場合は、ｙｉの代わりに０となる。 In this case, 0 instead of y i .
このような例を具体的に示すために図４を参照しながら説明する。図４は、ランダムに多次元実数直交系列を生成する手法を示す概念図であり、上述の理論において、Ｎ＝３、ｎ＝２とする場合を示している。ここで、ｍ１〜ｍ４は乱数発生関数より発生される乱数である。
ｎ＝２であることから、λはλ１とλ２の２つが存在し、最上行にそのλ１とλ２及び−λ１と−λ２、さらにｆ（λ１，λ２）の表示をして、その下の欄にそれぞれ０，１，２を入れると、例えば、２行目のλ１とλ２のそれぞれが０の場合は、式（１９）から０となる。
また、λ１が１でλ２が２の場合、すなわち７行目の場合は、−λ１と−λ２は、それぞれ−１と−２となるが、式（１７）より−１＝（３−１）＝２、−２＝（３−２）＝１となるので、それぞれ２，１が記入されている。このようなλ１とλ２の場合には、ｆ（λ１，λ２）は、ｆ（１，２）となり、これをｍ４とすれば、ｆ（２，１）は、式（１８）から−ｆ（１，２）となり、従ってｆ（２，１）＝−ｍ４となる。
Such an example will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram showing a method of randomly generating a multidimensional real number orthogonal sequence, and shows a case where N = 3 and n = 2 in the above theory. Here, m 1 to m 4 are random numbers generated by a random number generation function.
since it is n = 2, lambda being present are two lambda 1 and lambda 2, 2 and 1-? and its lambda 1 in the top line lambda 1 and 1-? 2, further f (λ 1, λ 2) Show Then, if 0, 1, and 2 are entered in the lower columns, for example, when each of λ 1 and λ 2 in the second row is 0, it is 0 from the equation (19).
When λ 1 is 1 and λ 2 is 2, that is, in the seventh row, −λ 1 and −λ 2 are −1 and −2, respectively, but −1 = ( Since 3-1) = 2 and -2 = (3-2) = 1, 2, 1 is entered. In such a case of λ 1 and λ 2 , f (λ 1 , λ 2 ) becomes f (1, 2). If this is m 4 , f (2, 1) can be expressed by the equation (18 ) To −f (1,2), and therefore f (2,1) = − m 4 .
従って、容易に式（７）で示される多次元直交系列を求めることができる。従って送信側において生成した多次元直交系列は、同じ乱数発生関数を備えた受信側では、乱数の初期値を鍵として、同じ多次元直交系列を生成することが可能である。従って、多次元直交変換は、多次元実数直交系列の鍵として、登録されている中の一つの乱数発生関数とその初期値Ｇ（ｘ０， ）を与えることで、暗号的アナログ符号化が構築できる。
ここで、さらに多次元直交変換の性質よりデータ圧縮を考える。図５（ａ）に示すように、先ず、アナログデータを多次元直交変換する。実際には、[００５６]で述べたように、アナログデータはｎ次元アナログデータへ１度変換されそれを直交変換する。ここでは視覚的に見て分かりやすいようにアナログデータは画像を用いて考えることにする。変換データは、スクランブルされてまったく原画像（アナログデータ）と異なっていることが分かるように、直交変換したｎ次元アナログデータを原画像と同じ２次元データに直したものを載せている。その変換データを荒く量子化することにより情報圧縮するものである。これは図１，２の圧縮部９において実行されるものである。図５（ｂ）では、圧縮されたｎ次元データを逆変換することより情報データに戻す。このとき、量子化ビット数は、原画像（アナログデータ）に近くすることより、なめらかな画像を得ることができる。
Therefore, the multidimensional orthogonal sequence represented by Expression (7) can be easily obtained. Therefore, the multidimensional orthogonal sequence generated on the transmission side can be generated on the reception side having the same random number generation function using the initial value of the random number as a key. Therefore, in the multidimensional orthogonal transformation, one analog random number generation function and its initial value G (x0,) are given as a key of the multidimensional real orthogonal sequence, so that a cryptographic analog encoding can be constructed. .
Here, data compression is considered from the property of multidimensional orthogonal transformation. As shown in FIG. 5A, first, analog data is subjected to multidimensional orthogonal transformation. Actually, as described in [0056], analog data is converted into n-dimensional analog data once and orthogonally converted. Here, analog data is considered using an image so that it can be easily seen visually. The converted data is obtained by converting n-dimensional analog data obtained by orthogonal transformation into the same two-dimensional data as the original image so that it can be seen that the converted data is completely different from the original image (analog data). Information is compressed by roughly quantizing the converted data. This is executed in the compression unit 9 of FIGS. In FIG. 5B, the compressed n-dimensional data is converted back to information data by inversely transforming it. At this time, by making the number of quantization bits close to the original image (analog data), a smooth image can be obtained.
多次元直交変換を用いたデータ圧縮を画像に適用すると、データ量が少なく、復号時には視覚的に見て良好な画像が得られると予想された。そこでこの方式の有効性を調べるために、１画素を８ビットで表す図６に示す濃淡画像を用いて４ビットに量子化のみを行った場合と多次元直交変換を適用した場合の画像の比較を行った。多次元直交変換を適用せず量子化した場合を図７に、多次元実数直交系列で変換を行い圧縮した場合を図８に示す。
図７と図８は、一見同じように見えるが、詳細に画像を検討した結果、次の２点の知見が得られた。第１に、量子化のみを行った場合は，量子化ビットが減るにつれ，段差が目立つ画像となること、また、第２に、直交変換を適用した場合は，量子化ビットが減るにつれ全体的に雑音が現れるものの段差はないことである。
When data compression using multi-dimensional orthogonal transformation was applied to an image, the amount of data was small, and it was expected that a good image would be obtained visually when decoding. Therefore, in order to examine the effectiveness of this method, a comparison is made between an image obtained by performing quantization only on 4 bits using a grayscale image shown in FIG. 6 in which one pixel is represented by 8 bits and a case where multidimensional orthogonal transformation is applied. Went. FIG. 7 shows a case where quantization is performed without applying the multidimensional orthogonal transformation, and FIG. 8 shows a case where the transformation is performed using a multidimensional real orthogonal sequence and compression is performed.
FIG. 7 and FIG. 8 look the same at first glance, but as a result of examining the image in detail, the following two findings were obtained. First, if only quantization is performed, the image becomes more conspicuous as the number of quantized bits decreases. Second, if orthogonal transform is applied, the overall amount decreases as the number of quantized bits decreases. There is no difference in level where noise appears.
以上説明したとおり、本実施の形態に係るアナログ符号化システムにおいては、乱数発生関数に初期値を与えて乱数を発生させ、それを用いて容易に多次元直交系列を生成させ、さらにそれを用いてアナログデータに多次元直交変換を施し、これを逆変換する際に、先の乱数発生関数の初期値を鍵としてアナログデータに復元することができる。従って、受信者側では予め送信者側と同一の乱数発生関数を備えておき、乱数発生関数の初期値さえ入手すれば、容易に乱数の発生の再現を実行することができる。このような乱数発生関数とその初期値を利用することで、鍵の送受信を容易にすることができるとともに、受信側の逆変換によるアナログデータの復元も容易となる。
また、多次元直交変換は、アナログデータの一部に雑音や妨害要素あるいは加工要素が含まれたとしても、それらは変換後のデータに均一に分散される性質を備えており、しかも逆変換される場合にも均一に分散されたままとなるため、雑音などが感知できない程度にまで低減させることができ、一定の品質が維持することができる。
さらに、圧縮部を備えることによれば、多次元直交変換後に、圧縮データを生成することができるので多量のデータの送信を行なうことが可能であり、しかも前述のとおり品質の劣化は復元データの全体に亘るため、全体的には一定の品質を担保することができる。
As described above, in the analog encoding system according to the present embodiment, a random number is generated by giving an initial value to a random number generation function, and a multidimensional orthogonal sequence is easily generated using the generated random number. Thus, when the analog data is subjected to multidimensional orthogonal transformation and inversely transformed, it can be restored to analog data using the initial value of the previous random number generation function as a key. Therefore, if the receiver side has the same random number generation function as that of the sender side in advance and only the initial value of the random number generation function is obtained, the generation of random numbers can be easily reproduced. By using such a random number generation function and its initial value, key transmission / reception can be facilitated, and analog data can also be easily restored by inverse conversion on the receiving side.
In addition, multi-dimensional orthogonal transformation has the property that even if noise, disturbing elements, or processing elements are included in part of analog data, they are uniformly distributed in the converted data, and inversely transformed. Even when the signal is distributed uniformly, the noise can be reduced to a level that cannot be detected, and a certain quality can be maintained.
Furthermore, according to the provision of the compression unit, compressed data can be generated after multi-dimensional orthogonal transformation, so that a large amount of data can be transmitted. Since it covers the whole, a certain quality can be secured as a whole.
本発明に係るアナログ符号化システムは、秘匿性の高いネットワーク構築や、音声、画像、情報信号などを伝送する際の暗号化システムとして金融システム、情報通信システム、行政システム、移動体通信システム、放送システム、セキュリティシステム、防衛システムなど汎用性の高いニーズが見込めるものである。 The analog coding system according to the present invention is a financial system, an information communication system, an administrative system, a mobile communication system, a broadcast as an encryption system for constructing a highly confidential network and transmitting voice, images, information signals, etc. Highly versatile needs such as systems, security systems, and defense systems can be expected.
１…入力部 ２…演算部 ３…出力部 ４…データベース ５…第１写像変換部 ６…多次元直交系列発生部 ７…乱数発生部 ８…多次元直交変換部 ９…圧縮部 １０…多次元直交逆変換部 １１…第２写像変換部 １２…生アナログデータ １３…ｎ次元アナログデータ １４…乱数発生関数初期値 １５…乱数発生関数データ １６…多次元直交系列データ １７…変換データ １８…圧縮データ １９…送信側演算部 ２０…受信側演算部 ２１…送信部 ２２…受信部 ２３…多次元直交系列発生部 ２４…乱数発生部 ２５…第１データベース ２６…乱数発生関数データ ２７…第２データベース ２８…圧縮データ ２９…変換データ ３０…ｎ次元アナログデータ ３１…生アナログデータ ３２…１次元データ ３３…３次元データ ３４…変換データ ３５…逆変換データ ３６…１次元データ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Input part 2 ... Operation part 3 ... Output part 4 ... Database 5 ... 1st mapping conversion part 6 ... Multidimensional orthogonal sequence generation part 7 ... Random number generation part 8 ... Multidimensional orthogonal transformation part 9 ... Compression part 10 ... Multidimensional Orthogonal inverse transform unit 11 ... second mapping transform unit 12 ... raw analog data 13 ... n-dimensional analog data 14 ... random number generating function initial value 15 ... random number generating function data 16 ... multidimensional orthogonal sequence data 17 ... transformed data 18 ... compressed data DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 ... Transmission side operation part 20 ... Reception side operation part 21 ... Transmission part 22 ... Reception part 23 ... Multidimensional orthogonal sequence generation part 24 ... Random number generation part 25 ... 1st database 26 ... Random number generation function data 27 ... 2nd database 28 ... compressed data 29 ... conversion data 30 ... n-dimensional analog data 31 ... raw analog data 32 ... one-dimensional data 33 ... three-dimensional data 34 ... conversion data 35 ... inverse conversion Data 36 ... 1D data
Claims (2)
An input unit to which one-dimensional or two-dimensional analog data related to discrete multivalue is input, a first mapping conversion unit that performs mapping conversion of the input analog data to n-dimensional analog data, and an initial value are input A random number generator having a random number generation function for generating random numbers, a multidimensional orthogonal sequence generator for generating an n-dimensional orthogonal sequence using the random numbers generated in the random number generator, and the multidimensional orthogonal sequence generator Multi-dimensional data that reads the n-dimensional orthogonal sequence from the n-dimensional data and encrypts the n-dimensional analog data mapped by the mapping conversion unit using the n-dimensional orthogonal sequence and generates encrypted data An orthogonal transform unit; a data compression unit that compresses the transform data by quantizing the transform data to generate compressed data; and the compression data using the initial value of the random number generation function as a key. A multidimensional orthogonal inverse transform unit that restores the n-dimensional analog data by inversely transforming the n-dimensional orthogonal data, and a second mapping conversion unit that maps the n-dimensional analog data to the one-dimensional or two-dimensional analog data; And an analog encoding system.
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