JP2008524950A - 同期化及びシンタックスの互換性を保護するビデオｈ．２６４暗号化 - Google Patents

Abstract

ビデオシステム内の符号器と復号器との間で交換されるデータを暗号化するための方法は、１）符号化されると復号化段階に影響を何も及ぼさないビット集合を符号化段階中に決定するステップと、２）復号化段階への送信に先立ち、ステップ１で選択されたビットの少なくとも一部又は全部を符号化するステップとを含む。ビット選択段階は、暗号化に起因する変更は非同期化を引き起こさない又は、符号化コンテクスト及び視覚的な影響に関して互換性のないビットフローをもたらさないという意味において、無視できる程しか復号化方法のコンテクストを変更しないビットフローを決定することにある。Ｈ．２６４符号器／復号器を使用する。

Description

本発明は、Ｈ．２６４／ＭＰＥＧ−４ ＡＶＣ規格に基づいて製造されたもの等、ビデオストリームに関して互換性のある選択的暗号化のための方法及び装置に関する。

本発明はまた、符号化コンテクスト又は視覚的な影響に関する条件を守りながら、ビットの識別を可能にするビデオ規格または方法にも関する。

本明細書では、「相互交換可能なビット」という表現は、復号化方法にほとんど又は全く影響しないビットに相当する。例えば、ビデオ分野において、無視してもかまわないとみなされる影響は単に視覚的な影響であり、復合化に関して非同期化をもたらさないものである。

マルチメディアデータの交換は増え続け、これにより遠隔ビデオ通信の需要の高まりを招くとともに、機密性及び信頼性のある情報交換の提供を目的とするシステム開発をもたらす。

現在知られている方法及びシステムでのこのようなデータ交換の機密性に関連するセキュリティ面は概して甚だ不十分である。現在のビデオ符号化規格では、要件を満たす符号化機能は与えられず、予測符号化に依存するＭＰＥＧ形式のような符号化方式は暗号化の候補としては本来好ましくない。

実装に関しては妥当な複雑レベルであり、最終的にネットワーク分野、特に無線ネットワーク及びインターネットネットワークで簡単に使用できると同時に、既存のソリューションよりも効果的な圧縮が可能な新しいビデオ規格を確立するために、ＩＴＵ−Ｔのビデオ符号化専門家グループ（ＶＣＥＧ）の調査が１９９９年に始まった。ＭＰＥＧ委員会は、Ｈ．２６４またはＭＰＥＧ−４ ＡＶＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｖｉｄｅｏ Ｃｏｄｉｎｇ）という呼称の共通の規格を確立するために、ＶＣＥＧ専門家グループとの協力関係の構築を提唱している。現在この規格の基準となる参考文献であるＩＴＵ ＪＶＴ−Ｇ０５０の最終稿では、ビデオ符号化面だけが規定されている。現在、Ｈ．２６４規格の主要用途は以下のとおりである。
・１Ｍｂ／ｓ未満のビットレートで待ち遅延がわずかである、音声用、例えばケーブル又は無線網を介したビデオ会議（ＵＭＴＳ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）等）用のリアルタイム送受信サービス。
・衛星放送伝送、ｘＤＬＳ放送伝送、又はＤＶＤ放送伝送（「ストリーミング」）用の良質及び高品質ビデオサービス（１〜８Ｍｂ／ｓのビットレートであり、待ち遅延がかなりなものとなりうる）。
・インターネット分野等、低ビットレートのビデオサービス用の低品質ストリーム（２Ｍｂ／ｓ未満のビットレートであり、待ち遅延がかなりなものとなりうる）。

また、Ｈ．２６４規格には、２つのエントロピー符号化モードが含まれる。１つは算術圧縮を利用したコンテクスト適応算術符号化（ＣＡＢＡＣ）モードであり、もう１つは従来の可変長コードを利用したコンテクスト適応ＶＬＣ符号化（ＣＡＶＬＣ）モードである。

該コンテクスト適応ＶＬＣ符号化（ＣＡＶＬＣ）モードでは、２種類のコードが使用される。１つは、正規の構造を有するＶＬＣコードである指数ゴロムコードであり、もう１つは、残存ブロックのデータ、つまり、ブロックをジグザグに並べ替えた後に得られる係数の値を符号化するために使用されるＣＡＶＬＣ固有のコードである。

残存ブロックの符号化はＨ．２６４符号化方式で最も複雑な部分である。

図１ａ及び図１ｂは、Ｈ．２６４規格のイントラ（Ｉ）画像及び予測（Ｐ）画像のスライスを符号化及び復号化する方法の体系を示したものである。

これらの図１に示すように、本方法は、あらかじめ符号化された要素に依存しうるＶＬＣ表を使用した導出及び符号化のステップに依存している。したがって、図示される表には、非ゼロ係数の数（Ｔｏｔａｌ＿ｃｏｅｆｆ）、後続の値の正負符号＋／−１（Ｔ１）、ゼロとは異なる残存係数のレベル、最後の非ゼロ係数の前のゼロ総数（Ｔｏｔａｌ＿ｚｅｒｏｓ）、ゼロとは異なる各係数に先行するゼロの数（ｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅ）が含まれる。

本明細書において、図１ａ及び図１ｂで使用されている用語は、本規格で通常採用されている英語表現と以下のような対応関係にあるものとする。
− 輝度予測＝ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｌｕｍａ
− 色差予測＝ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｃｈｒｏｍａ
− 符号化されたブロックのフォーマット＝Ｃｏｄｅｄ ｂｌｏｃｋ ｐａｔｔｅｒｎ
− マクロブロックの量子化パラメータ（ＱＰ）のデルタ＝Ｍｂ＿ＱＰ ｄｅｌｔａ
− 残存輝度＝Ｌｕｍａ ｒｅｓｉｄｕａｌ
− 残存色差＝Ｃｈｒｏｍａ ｒｅｓｉｄｕａｌ
− 連続成分（ＤＣ）＝ＤＣ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
− 他の成分又は周波数成分（ＡＣ）＝ＡＣ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ
− コード化された係数の数＝ｃｏｅｆｆ ｔｏｋｅｎ
− 最初の連続する＋／−１の正負符号＝ｔｒａｉｌｉｎｇ ｏｎｅｓ（Ｔ１’ｓ） ｓｉｇｎ ｆｌａｇ
− 係数の値＝ｃｏｅｆｆ ｌｅｖｅｌ（従来からプレフィックス（係数のレベルプレフィックス又はプレフィックス値）とサフィックス（係数のレベルサフィックス又はサフィックス値）に分割されている））
− 残存ゼロの総数＝Ｔｏｔａｌ ｚｅｒｏｓ
− 係数値に先行するゼロの範囲＝ｒｕｎ ｂｅｆｏｒｅ
− 前マクロブロックの数＝Ｍｂ ｓｋｉｐ
− タイプＰのマクロブロック＝ＭＢ ｏｆ ｔｙｐｅ Ｐ
− サブマクロブロックのタイプ＝ｓｕｂ−ＭＢ ｔｙｐｅ
− 参照フレーム番号（タイプＰの予測に使用されるフレーム）＝Ｒｅｆ Ｉｄ
− ＭＢ又はサブＭＢのモーションベクトル＝Ｍｂ ｖｅｃｔ．

大部分の暗号化システムでは、ビデオ符号化方法が終了した後で、圧縮されたビデオデータが他のデータと同様に暗号化メカニズムによって処理され、ビデオ復号化方法の開始前に受信器側で復号化される。

このような方式の場合は、符号化されたビデオストリーム全体を暗号化するか、又は符号化されたビデオストリームを複数のストリームにセグメント化して個別に処理してから復号器側で再度組み立てる必要があるので、遅延時間が長くなり、より多くの演算を必要とする。この他、符号化方式と圧縮方式を密接に組み合わせたソリューションが導入されている。

ただし、圧縮メカニズムの前に暗号化ソリューションが実装されると、暗号化方法の効果が低下する。

変換係数のランダム置換はこれらの係数の確率分布を「変形」させ、圧縮プロセスにおけるハフマンテーブルの効果を低下させることが分かっている。

暗号化技術によって実現する暗号化は特に、メッセージの機密保護を保証すること、及び暗号翻訳されたバージョンへのアクセスを認証された人にのみ許可することを目的としている。元のメッセージ（暗号化対象のデータに相当し、平文と呼ばれる）は、暗号化メカニズムによって、暗号文と呼ばれる暗号化されたメッセージ（暗号化されたデータで構成される）に変換される。この暗号化メカニズムは、通常、鍵の使用に基づいており、送信者と受信者との間で安全な鍵の交換を行うことで、所定の受信者のみが暗号化されたメッセージの翻訳ができるように保証する。

安全であるとみなされるために、暗号化メカニズムは、種々の攻撃を阻止する必要がある。攻撃の中でも、知られている単純な攻撃は検出される（初期のメッセージと、その暗号化されたバージョンに関する情報による）。

暗号作成技術において、別名「ライダール」アルゴリズムと呼ばれる先進暗号化規格（ＡＥＳ：ａｄｖａｎｃｅｄ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ）は、標準暗号化方式の公募から５年後の２００１年１１月にＵＳ ＦＩＰＳ ＰＵＢ １９７として商務省技術標準局（ＮＩＳＴ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）に採用されたブロック暗号化方式である。

データ暗号化規格（ＤＥＳ）に代わるものとして、ＡＥＳは１２８ビットの固定ブロックサイズと、１２８ビット、１９２ビット、または２５６ビットの鍵サイズとを有する。現時点で攻撃の成功は確認されていない。２００３年にこの規格は、米国政府によって機密指定されていないデータに対して十分なセキュリティレベルを有するものとして、ＮＡＳＡ機関によって承認されている。

ＡＥＳ等のブロック暗号化アルゴリズムは、カウンタモード（ＣＴＲモードと称する）等の機密性モードで使用されなければならない。このモードは、カウンタと呼ばれる一組の入力ブロックの暗号化ダウンストリームを利用して、暗号文の作成に使用可能な一連の出力ブロックを作成することを含む。参考資料として、ＳＰ ８００−３８Ａ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｂｌｏｃｋ Ｃｉｐｈｅｒ Ｍｏｄｅｓ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ − Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００１（ｈｔｔｐ：／／ｃｓｒｃ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｎｉｓｔｐｕｂｓ／８００−３８ａ／ｓｐ８００−３８ａ．ｐｄｆ）に、適切な一意ブロックの生成方法が記載されている。

図２ａ〜図２ｄ及び図３ｂに示すように、従来の処理方法は、Ｘ−ＯＲ（排他的論理和）手順を適用することにより、出力ブロックを有効データ（平文）と結合させて、暗号化データ（暗号文）を生成し、復号器側ではこの反対の処理を行うというものである。

ＡＥＳを使用してカウンタモードで有効データにＸ−ＯＲ手順を適用した場合、可能な全ての構成を取る暗号文出力が生成される。通常、２ビットの有効データの場合、暗号化データの構成として「００」、「０１」、「１０」、「１１」が同じ確率で取得される。

本発明の枠組み内でのビデオアプリケーションの場合は、ビデオ規格との互換性を保護するために、特定の構成だけしか使用されない。通常、「００」と「１１」の構成だけが可能である場合、ＡＥＳで採用された標準モードである、Ｘ−ＯＲモードを伴うＣＴＲでの暗号化は検討されない。このような状況での解決策とは、ＡＥＳ ＣＴＲによって提供される出力ブロックを使用して暗号化を直接実行するのでなく、可能な構成の中から固定された有効データの暗号化データとして使用可能な構成を選択することにある。この場合、認証されていない構成を選択することを避けるために、可能な構成を表内の０〜ｎ−１の位置に格納することができる。

したがって、図２ｃ及び図２ｄに示した２つのケースは、以下のように区別できる。
１）可能な構成の数が２の累乗のとき（構成ｎ＝２ｋ）、ｋビットを使用して暗号化を実行できることが容易に分かる。
循環と呼ばれるこれを行うための手順は、これらのｋビットを使用してデータ構成の位置ｉを選択するというものである。
ＡＥＳ ＣＴＲは確率の等しい出力ブロックを生成するので、暗号化解析又は暗号翻訳法に対向する観点から、この循環暗号化は好適な特性を示す。ｋ＝２、ｉ＝１の場合は図２ｃを参照されたい。
２）可能な構成の数が２の累乗でないとき、状況は更に複雑になる。２ビットを使用することは、有効データ「００」が４つの置換を有することが可能であり、可能な３つの構成「００」、「０１」、「１０」の中から暗号化データが選択されることを意味する。全てのケースで、ある構成が少なくとも２度選択されるとなれば、暗号翻訳攻撃を阻止する観点から攻撃の角度が極めて重要となる。

そこで、解決策は、非対称な置換分布を幾分許可することにより、若干の攻撃角度を可能にすることである。

実際には、２ｋの可能な出力ブロック及び可能なｎ個一組の構成に対応するｋビットの鍵を考慮すれば、次の２ｋモジュロｎ（構成ｉ＋２ｋ［ｎ］）を選択することにより、ある構成（ｉ）から別の構成にシフトさせることができる。

したがって、

との間では、同じ１つの構成が暗号化データとして使用され、これにより、確率分布には偏りαが伴う。この偏りは、無限にランダムな分布（即ち、均一分布）の観点から考慮された分布における確率の最大偏差として定義されている（ここで、各構成の確率は１／ｎである）。したがって、αは以下のように算出される。

ここで

は数字Ａの整数部（即ち、Ａを超えない最大の整数）を示し、｜Ａ｜は数字Ａの絶対値を示す。

図２ｄは、ｎ＝５、ｉ＝１、ｋ＝９での暗号化の解決策を示したものであり、偏り値α≒０．００１３０２となる。

使用されるｋの値は、アプリケーションで必要とされるセキュリティレベルによって決定され、送信者と受信者に分かるように固定される。

本発明の概念は新規なアプローチに依存しており、該アプローチとは、特に、圧縮メカニズム内に暗号化メカニズムを埋め込み、エントロピー符号化が実行された後で暗号化を実行することにある。

本発明に係る方法は、特に、復号化時に本質的に影響を及ぼさない又は無視できるほどのわずかな影響しか及ぼさないビットセットを選択することにある。このような影響により、例えば、復号化時にビットストリームの非同期化は引き起こされず、符号化コンテクストにおいて大きな変更も発生しない。次いで、これらのビットの一部又は全部が暗号化される。

ビデオアプリケーションの場合は、このような暗号化の影響は視覚的なものだけであろう。

本発明は、ビデオシステムの符号器と復号器との間で交換されるデータを暗号化する方法に関し、少なくとも以下のステップを含むことを特徴とする。
１）暗号化に起因する変更が、非同期化をもたらさない、又は規格と互換性のないビットストリームの発生を招かないという意味において、復号化方法のコンテクストを無視できるほどしか変更しないビットストリームの一部を符号化時に決定する。
２）ステップ１）で選択されたビットの一部又は全部を暗号化してから、復号化ステップに送信する。

暗号化対象のビットの選択とは、例えば、復号方法にいかなる影響も及ぼさないデータストリームの部分を決定することにある。

ビットを選択するステップは、決定することにある。

本発明に係る方法は、特に以下の利点を提供する。
・対応するビデオ規格との互換性を保ちながらＨ．２６４等のビデオストリームを確実に伝送することができ、これにより、視覚的な表現の観点からは正しくなくても、標準的な復号器であればメッセージを復号化できる。
・Ｈ．２６４標準符号器は、該復号器がストリームのある特定の部分を理解できないことによりその部分が失われることに関連して再同期化又はエラーマスキングを行うための特定のメカニズムを想定しなくても暗号化されたデータストリームを完全に復号化できるという意味において、本手順はＨ．２６４／ＭＰＥＧ−４ ＡＶＣビデオ規格との互換性を維持することができる。
・符号化及び復号化方法に暗号化方法を挿入することにより、特に伝送方法に障害を生じさせることなく、データストリームの各ビットのシンタックスの意味の情報から恩恵を受けることができる。これにより、ストリームのどの部分を暗号化する必要がありどの部分を暗号化しなくてもよいか、同様に受信側ではどの部分を暗号翻訳する必要があるかを、何らかの処理を追加することなく難なく決定できる。

本発明のその他の特徴及び利点は、図面を参照しながら以下に示した代表的な実施形態の記載を読めばより明確に理解できるであろう。ただし、この実施形態に完全に限定されるものではない。

本発明に係る方法のステップを分かりやすく説明するために、例として、Ｈ．２６４ビデオ規格に対して、ＶＬＣ符号語の特性を使用した暗号化を示す。本発明は、対応するビデオ規格との互換性を維持しながらＨ．２６４ストリーム等のビデオストリームを確実に伝送することができる選択的暗号化方法を提案する。

より一般的には、暗号化対象のビットはビデオアプリケーションに応じて選択される。下記に説明するステップは、符号化コンテクスト又は視覚的な影響に関係する条件を守りながらビットの識別を可能にする他の方法にも適用できる。

Ｈ．２６４の枠組みの中での概念は、ビットストリーム内の語（符号語）を選択するというものであり、一旦暗号化されても、ビデオストリームの映像品質が低下するだけである。暗号化が行われると、１つの符号語が、同じサイズを持つ別の符号語の代わりに解釈される。

図３ａ及び図３ｂは、暗号化及び暗号翻訳メカニズムによる符号化／復号化チェーンの原理を概略的に示したものであり、基本的な標準ビデオ復号器及び暗号化プロセスの情報を有するビデオ復号器をそれぞれ使用することにより、受信側で暗号翻訳を実行する。

第１のケース（図３ａ）では、データシーケンスがＨ．２６４符合器１に送信され、この符号器は符号化規則と暗号鍵を受け取る。暗号化されたデータは従来の方法により送信され、Ｈ．２６４復号器２によって受信されて復号化される。

第２のケース（図３ｂ）では、符号化規則と暗号鍵を持つＨ．２６４符合器３によってデータシーケンスが暗号化される。暗号化されたデータと暗号鍵は、暗号化規則及びこの暗号鍵へのアクセス権を有するＨ．２６４復号器４に送信される。

符号器３は、一旦符号化されると復号化ステップにおける認識になんら影響を及ぼさないビットの集合を特定し、選択されたビットの少なくとも一部又は全てを暗号化するのに適している。

復号器４は、符号器３によって暗号化可能なビットを暗号鍵に基づいて決定し、暗号化されていると認識されているビットを暗号翻訳するのに適している。

本発明に係る方法は、特に、暗号化対象のビットが以下のように選択されるステップを含む。
１−復号化方法にほとんど又は全く影響を及ぼさないデータストリームの部分を特定する。
２−暗号化に起因する変更は非同期化を引き起こさない又はビットストリームの互換性を損なわないという意味において、無視してもかまわないほどしか復号化方法のコンテクストを変更しないビットストリームの一部を特定する。

この２つのカテゴリ又はクラスに分類されるビットを取得するために、実施される処理には、ビットストリームのどの部分が、復号化方法を損なうことなく視覚的なエラーを引き起こすだけのシンタックスエラーを起こすことが可能かを一組のシーケンスでテストすることが含まれる。

「暗号化のために選択されたビット」と呼ばれるビットは、ビットストリームの特定の認識においてだけでなく、符号化された各ビットストリームにおいても、この機能を保つ必要がある。

したがって、選択されたビットの例は、同じ長さの複数の符号語が使用できる場合で、一方を他方と交換してもコンテクストに大きな変更がない場合に相当する。次に暗号化は図２ａに示すように、ビット構成の１つを別の構成と交換することに相当する。

以下に、本発明に係る方法の代表的ないくつかのアプリケーションをＨ．２６４規格の枠組みの範囲内で提供するが、これらに限定されない。

符号語を使用した代表的な暗号化が検討される場合は、イントラ４^＊４予測モードに関する情報を提供する。表１と図４に、Ｈ．２６４規格でのイントラ４^＊４予測の可能な９つのモードが示されている。

マクロブロックのＴｙｐｅ符号語（Ｍｂ＿ｔｙｐｅ）によって、モードがイントラ４^＊４モードである（表３に示すようにインデックス０によって符号化されたＭｂ＿ｔｙｐｅに対応）ことが示されている場合、マクロブロックの１６ブロックごとにイントラ４^＊４予測モードが符号化される。

符号化された４^＊４ブロックの予測モードは、以下のように表される。
・コンテクストから得られるデフォルト値が使用される場合は「１」（下記参照）。
・異なる予測モードが使用される場合は「０ｘｘｘ」。
予測モードのデフォルトモード（現在のブロック（図５のブロックＥ）の場合はＰｒｅｄ＿Ｅと表現される））は、以下のように与えられる。
・現在のブロックの左側に位置する隣接ブロックと現在のブロックの上側に位置する隣接ブロック（図５のブロックＡとＢ）がイントラ４^＊４で符号化される場合はＰｒｅｄ＿Ｅ＝ｍｉｎ（Ｐｒｅｄ＿Ａ，Ｐｒｅｄ＿Ｂ）。
・上記のブロックがイントラ４^＊４で符号化されない場合はＰｒｅｄ＿Ｅ＝ｍｏｄｅ２（Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ＿ＤＣ）。

デフォルトモードと異なるモードについては、表１に与えられた可能な一組の値の中からデフォルトモードが削除される。したがって、８個の値からなる縮小された表が得られる。モード２デフォルトモード（ＤＣ）の例として示したように、３ビットでイントラモードを符号化することが可能である。

表２は、イントラ予測モードで符号化ビットを決定するための代表的な手順を示したものである。
他の該当する可能性を探す場合はＤＣデフォルトモードが排除される。水平モードの場合は、符号化ビットはビット「００１」であり、これは符号語「０００１」をもたらす。

予測モードを定義する３ビットを暗号化することにより、ストリームの互換性を損なう危険をおかすことなく標準的な復号器にスクランブルをかけられることが容易に分かる。

更に、ブロックのイントラ予測モードの値は、上側及び左側に位置する隣接ブロックによって決まるので、予測エラーは後続のブロックに伝播して、視覚的なエラーを発生させ、暗号解読を難しくする。

しかしながら、規格との完全な又はほぼ完全な互換性を保証するために主張された条件では、暗号化で特定のブロックを考慮しないように求めている。

図６に、このようなブロックの例を示す。特に、画像スライスのエッジに位置するブロックに対して、イントラ４^＊４予測の可能な全ての予測モードが認められない。したがって、それらのブロックは安全保護のために暗号化されない。

図６ａは従来の矩形ブロックフォーマットを示し、図６ｂはより複雑なブロックフォーマットを示す。ここで、斜線が引かれたブロックは、ビットストリーム内で規格との完全な互換性を保証するために暗号化されないブロックを示している。

マクロブロックのタイプ（Ｍｂ＿ｔｙｐｅ）の部分の暗号化
以下の表３は、Ｉつまりイントラタイプのマクロブロックとして従来指定されているマクロブロックのタイプをまとめたものである。

マクロブロック（ＭＢ）である１６ブロックを符号化する場合は３つの異なるタイプが存在することに留意されたい。つまり、Ｉ＿４^＊４（ブロックがイントラ４ｘ４モードで符号化される）と、Ｉ＿１６^＊１６（ブロックがイントラ１６ｘ１６モードで符号化される）と、Ｉ＿ＰＣＭ（当業者には周知のｙｕｖ成分として、ブロックが直接符号化される）の３つである。

上記の各タイプに関しては、図１にＩ＿４^＊４モードとＩ＿１６^＊１６モードを示したように、ビットストリームを復号化するのに種々のやり方がある。したがって、互換性のある標準的な暗号化では、各種Ｍｂタイプの交換を行わない。

このため、インデックス０と２５に対応する記号は暗号化されず、本方法ではＭｂ＿ｔｙｐｅ語の暗号化においてＩｎｔｒａ＿１６^＊１６タイプのみが考慮される。
実際には、低ビットレートの場合にＨ．２６４フォーマットによって、より頻繁に使用されるのは、Ｉｎｔｒａ＿１６^＊１６マクロブロックタイプであることに留意されたい。
このマクロブロックタイプでは、表３の列に基づいて、以下の内容が得られる。
１−色差について符号化されるサンプルブロックの値を含む所謂色差ブロック符号化記号（０＝残存色差は符号化されない、１＝色差の残存ＤＣ（連続成分）だけが符号化される、２＝色差の残存ＤＣ及びＡＣ（周波数成分）が全て符号化される）。
２−輝度についてサンプルの値を含む所謂輝度ブロック符号化記号（０＝残存ＡＣが符号化されない、１５＝残存ＡＣが全て符号化される）。
３−予測をどのように行うかを定義する所謂予測モード記号（０＝垂直、１＝水平、２＝ＤＣ、３＝対角線）。

符号語の最終ビットが復号化方法を変更しないとき、そのビットは暗号化対象ビットとして選択される。

同じ長さの符号語のＣｏｄｅＢｌｏｃＣｈｒｏｍａ及びＣｏｄｅＢｌｏｃｋＬｕｍａの値は固定されているので、他のビットを「暗号化のために選択されたビット」としてマークできることは容易に理解できよう。

このケースは符号語のビット９、１０、１１、１２の場合に相当し、暗号化を通して非同期化又はコンテクストの変更を引き起こす危険なしに、最終ビットの前の２ビットをマークし、可能な１つの構成（「０１」）からもう１つの構成（「１０」）に交換できる。

通常のオペレーションでは、本方法では画像スライスの上側境界又は左側境界に位置するブロックを暗号化のために選択することは除外される。

色差予測モード（Ｉｎｔｒａ＿Ｃｈｒｏｍａ＿Ｐｒｅｄ＿Ｍｏｄｅ）の部分の暗号化
Ｉｎｔｒａ＿Ｃｈｒｏｍａ＿Ｐｒｅｄ＿Ｍｏｄｅ記号は、マクロブロックがイントラ方式で符号化される際に色差成分に対して使用される空間予測のタイプを指定する。
可能な記号を表４に示す。

本方法では、復号化又は同期化に影響を及ぼさない２つの記号（つまり、垂直予測モードに対応する記号と水平予測モードに対応する記号）を選択する。本方法は、暗号化のために使用される最終ビットにマークを付ける。

イントラ４^＊４モードの部分の暗号化
このモードでは、前述したように、予測モードがデフォルトモードと異なる場合には本方法によって３ビットが選択される。

マクロブロックのＱＰのデルタ（Ｍｂ＿ＱＰ＿Ｄｅｌｔａ）の部分の暗号化
Ｍｂ＿ＱＰ＿Ｄｅｌｔａ記号は、マクロブロック内の量子化パラメータＱＰの値を変更できる。Ｍｂ＿ＱＰ＿ｄｅｌｔａの値は、［−２６、＋２５］の範囲内にある。値は、正負符号付のＥｘｐ−Ｃｏｌｏｍｂ符号語で符号化される。１０の符号語で正負符号が付けられた符号の例を表５に示す。本方法は、サフィックスビット（最初の「１」に続くビット）を選択する。これは、以下の表５で該当するビットをオーバースコアすることで示したように、最初の符号語のみが暗号化されるビットを持たないことを意味する。

最初の連続する＋／−１の正負符号（Ｔｒａｉｌｉｎｇ＿Ｏｎｅｓ）の暗号化
残存成分の部分（Ｔｒａｉｌｉｎｇ＿ｏｎｅｓフィールド）は、ゼロとは異なる最後の変換係数の正負符号を示すビットグループ（０〜３ビット）である。これらのビットは全て暗号化できる。

係数のサフィックスの値の暗号化（Ｌｅｖｅｌ＿ｓｕｆｆｉｘ）
また、係数の値フィールドの第２の部分（Ｃｏｅｆｆ＿Ｌｅｖｅｌ）であるとみなすことができる係数のサフィックスは、一定長の符号語によって符号化される。この符号語の長さは、係数のプレフィックスの値（ｌｅｖｅｌ＿ｐｒｅｆｉｘと呼ばれる）に基づいて文脈的に定義される。Ｌｅｖｅｌ＿ｐｒｅｆｉｘは、ＶＬＣ符号語で符号化される。表６に、Ｌｅｖｅｌ＿ｐｒｅｆｉｘが取り得る値を示す。Ｌｅｖｅｌ＿ｐｒｅｆｉｘをそのまま維持する必要があるが、Ｌｅｖｅｌ＿Ｓｕｆｆｉｘのビットは全て暗号化対象のビットとしてマークすることができる。

残存ゼロの総数値（Ｔｏｔａｌ＿ｚｅｒｏｓ）及び係数値に先行するゼロの範囲（Ｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅ）の暗号化
Ｔｏｔａｌ＿ｚｅｒｏｓ変数及びｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅ変数は、残存値の符号化中に取得される。これらの変数により、一連のゼロ又は非ゼロ変換係数を定義することができる。

正の順序で最後の非ゼロ値又は最後の係数まで読み込まれた連続成分からのゼロの総数がＴｏｔａｌ−ｚｅｒｏｓである。これは、ＶＬＣ表を使用して符号化係数の総数（Ｔｏｔａｌ＿ｃｏｅｆｆと称する）に応じて符号化される。

加えて、各々の非ゼロ係数に先行するゼロの個数（ｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅと称する）はまた、図７に示すように周知のジグザグ手順で逆の順序で符号化される。ｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅ値は、非ゼロ係数ごとに、最大の周波数から順に符号化される。以下の２つ例外がある。
１−符号化するゼロがなくなった（即ち、ｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅの様々な値を集計することによりＴｏｔａｌ＿ｚｅｒｏｓ値に達した）場合、ｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅの新しい値を符号化する必要はない。
２−最終の非ゼロ係数のｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅ値（逆方向で最低の周波数）を符号化する必要はない。ｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅの各値のＶＬＣ符号語は、まだ符号化されていないゼロの総数（Ｚｅｒｏｓ＿Ｌｅｆｔ）とｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅ値に応じて選択される。

このため、Ｔｏｔａｌ＿ｃｏｅｆｆの値が１である場合、ｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅを符号化する必要はない。したがって、この場合に限り、ＶＬＣ符号語の長さに応じてＴｏｔａｌ＿ｚｅｒｏｓの値を変更することができる。理由はその変更を行っても復号化になんら悪影響を及ぼさないからである。

対応するビットは暗号化されるビットとしてマークされる。表７には４^＊４ブロック、表８にはｃｈｒｏｍａ＿ＤＣ ２^＊２ブロックの該ビットが示され、オーバースコアされている。

実際には、非ゼロ係数が複数存在する場合、Ｈ．２６４符号器はｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅ変数を、繰り返し（Ｔｏｔａｌ＿ｃｏｅｆｆ−１回）符号化する。符号化対象のｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅ係数が１つだけになり、その係数を実際に符号化する必要ある（つまり、ｚｅｒｏｓ＿ｌｅｆｔが０でない）という特別な場合には、表９に示すようにｒｕｎ＿ｂｅｆｏｒｅ係数をその長さに応じて暗号化できる。

したがって、復号器は非同期化の危険をおかすことなくｚｅｒｏｓ＿ｌｅｆｔ値に従って暗号化を実行することができる。

本発明の範囲を逸脱することなく、参照フレーム番号フィールド（Ｒｅｆ−Ｉｄ）等の規格の他の要素に対しても上記したステップを一般化することができる（図１を参照）。

暗号化に起因する変更は非同期化を引き起こさない、又は符号化コンテクスト及び視覚的な影響に関して互換性のないビットストリームをもたらすことがないという意味において、本発明に係る暗号化方法は、無視できる影響の条件を守りながらビットを識別することを可能にする他のあらゆるビデオ符号化規格又は方法にも適宜適合され得る。

図８〜図９は、種々の量子化レベル（即ち、種々の圧縮率、ここでは１００〜４００ｋｂｐｓ程度）、種々のシーケンス、及び種々のフォーマットについて、本発明の実施例を示している。

これらの結果は、Ｈ．２６４規格に対する本発明の説明で詳細に示した種々のビットを暗号化することにより取得できた。ただし、２つの例外がある。

第１の例外はＭｂ＿ＱＰ＿ｄｅｌｔａである。シミュレーションを実行するためのソフトウェアが、Ｉ画像スライスのこの値を変更することができないという理由から、Ｍｂ＿ＱＰ＿ｄｅｌｔａは０（ゼロ）に維持され暗号化されない。第２の例外はイントラ１６^＊１６タイプＭＢにある。この場合は、簡略化のために、認証された各記号の最終ビットだけが暗号化されている。実際には、Ｉ画像スライスのビットの約２５％とＰ画像スライスのビットの約１０〜１５％が暗号化されていることが実行されたシミュレーションで観測されている。このパーセンテージの違いは、主に、暗号化のために選択されたビットに対応するビットを定める上でＭｂｖｅｃｔ又はＲｅｆ＿ｉｄ（図１を参照）等の特定のフィールドが考慮されていないことによる。

暗号翻訳されたシーケンス（図の左側部分）と暗号化された部分（暗号化処理を認識しない標準復号器により取得された復号化結果に対応する右側部分）との比較により、適用される部分的な暗号化手順の実際の互換性を示すことができる他、復号鍵を認識しない復号器のために得られた結果を示すことができる。

提示された各々のケースでは、ＣＩＦフォーマット又はＱＣＩＦフォーマットのいずれに関係するものであろうと、Ｉスライス又はＰスライスのいずれに関係するものであろうと、高品質の画像（ＱＰの値が小さい）又は低品質の画像（ＱＰの値が大きい）のいずれに関係するものであろうと、どんなシーケンスであろうと（ここでは世界的に認識されている２つの参照シーケンス「現場監督」及び「子供」を検討している）、提案された手順は視覚的に非常に満足のいくレベルの暗号化を示していることが実験により確認されている。これは図１０に示した信号対雑音比（ＰＳＮＲ）の漸進的な変化をみれば、より客観的に確認できる。

図１０は、ＱＣＩＦフォーマットによる「現場監督」シーケンス（ＱＰ＝３０、リフレッシュレートは、シーケンス長が２５５フレームの場合、１５画像ごとに１イントラ（ＩＰ＝１４））の場合のＹ、Ｕ、Ｖ成分のＰＳＮＲの漸進的な変化を示している。Ｙ成分（視覚的な表現で最も重要である輝度成分）については約２５〜３０ｄＢの劣化が観測され、Ｕ及びＶの色差成分の場合は約１０ｄＢの劣化が観測される。
このように数値に違いがあるのは、色差成分は視覚的な再生時に大して重要でないためにこの方式では暗号化する色差成分の量が少ないからである。

マルチメディアデータ交換に関して上記した内容及び符号化コンテクスト又は視覚的な影響に関係する条件を守りながらビットを識別することを可能にする方法に関して上記した内容は全て、本発明の範囲を逸脱することなく適用することが可能である。

Ｈ．２６４規格のＩ画像スライス及びＰ画像スライスに対するマクロブロック符号化及び復号化方法を示す。 Ｈ．２６４規格のＩ画像スライス及びＰ画像スライスに対するマクロブロック符号化及び復号化方法を示す。 ＣＴＲモード、派生モード、及び例示的な実施形態を使用した暗号化方法である。 ＣＴＲモード、派生モード、及び例示的な実施形態を使用した暗号化方法である。 ＣＴＲモード、派生モード、及び例示的な実施形態を使用した暗号化方法である。 ＣＴＲモード、派生モード、及び例示的な実施形態を使用した暗号化方法である。 標準的なビデオ符号器における基本方式である（暗号化方法を認識しない）。 暗号化方法を認識するビデオ符号器の場合の基本方式である。 Ｈ．２６４規格に存在する９個の４^＊４予測モードの図である。 イントラ４^＊４予測モードの場合にデフォルト値を推定するために考慮される隣接ブロックである。 暗号化を適用できないブロックを示す２つの例である。 変換係数を読み取るために使用されるジグザグ手順である。 「現場監督」参照シーケンスの場合の各種のアプリケーション例である（暗号化された画像と暗号翻訳された画像）。 「現場監督」参照シーケンスの場合の各種のアプリケーション例である（暗号化された画像と暗号翻訳された画像）。 「現場監督」参照シーケンスの場合の各種のアプリケーション例である（暗号化された画像と暗号翻訳された画像）。 「子供」参照シーケンスの場合のアプリケーション例である（暗号化された画像と暗号翻訳された画像）。 「子供」参照シーケンスの場合のアプリケーション例である（暗号化された画像と暗号翻訳された画像）。 Ｙ、Ｕ、及びＶ成分に関する信号対雑音比（ＰＳＮＲ）の漸進的な変化を示す。

Claims (8)

1. ビデオシステム内の符号器と復号器との間で交換されるデータを暗号化する方法であって、
   １）暗号化に起因する変更は非同期化を引き起こさない又は規格と互換性のないビットストリームをもたらさないという意味において、無視できる程しか復号化方法のコンテクストを変更しないビットストリームの部分を符号化ステップ中に決定するステップと、
   ２）ステップ１）で選択されたビットの少なくとも一部又は全部を、復号化ステップに送信する前に暗号化するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする方法。
2. 前記選択されたビットは、ある構成から別の構成に至るときにコンテクストの大きな変更を伴うことなしに同じ長さの複数の符号語が利用できる場合に対応し、前記暗号化は前記ビットの前記構成を交換することにあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. Ｈ．２６４ビデオ規格が使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. イントラ予測モードの場合に、前記イントラ予測モードの３ビットが暗号化されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. イントラ１６^＊１６マクロブロックタイプにおいて、前記ビットが
   １）色差に関する符号化サンプルブロックの値（０＝残存色差が符号化されない、１＝色差の残存ＤＣ（連続成分）のみが符号化される、２＝色差の残存ＤＣ及びＡＣ（周波数成分）が全て符号化される）を含む所謂色差ブロック符号化記号と、
   ２）輝度に関するサンプルの値（０＝残存ＡＣが符号化されない、１５＝残存ＡＣが全て符号化される）を含む所謂輝度ブロック符号化記号と、
   ３）前記予測の実行方法（０＝垂直、１＝水平、２＝ＤＣ、３＝対角線）を定義する所謂予測モード記号と、を使用して暗号化されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記マクロブロックの量子化パラメータＱＰのデルタ、すなわちＭｂ＿ＱＰ＿ｄｅｌｔａに対応する記号を暗号化するために、ワード内の最初の「１」に続くサフィックスビットが使用されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. ビデオシステム内の符号器と復号器との間で交換されるデータを暗号化及び／又は暗号翻訳するためのシステムであって、
   暗号化に起因する変更は非同期化を引き起こさない又は規格と互換性のないビットストリームをもたらさないという意味において、無視できる程しか復号化方法のコンテクストを変更しないビットストリームの部分を決定し、前記選択されたビットの少なくとも一部又は全部を暗号化するのに適した符号器（３）と、
   符号器によって暗号化鍵に基づいて暗号化され得るビットを決定し、暗号化済みと認識されたビットを暗号翻訳するのに適した符号器（４）とを少なくとも含むことを特徴とするシステム。
8. 前記符号器（３）と前記復号器（４）とがＨ．２６４タイプであることを特徴とする請求項７に記載のシステム。

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