SE513356C2 - Förfarande och anordning för kryptering av bilder - Google Patents

Description

513 ass fëffgiçf' 2 en CD-ROM. En CD-ROM ges bort eller säljs till ett lågt pris.

Kunderna kan se på bilderna vid en lägre kvalitet men måste betala för att se dem med maximal kvalitet. I detta fall vill tillhandahållaren av bilden använda lagringsutrymmet på CD-ROMen så effektivt som möjligt. Det är också viktigt att kunder alltid kan accessa bilder genom användning av användarvänlig standardiserad mjukvara. Tillhandhàllare av bilder är motvilliga till att utforma och stödja speciella, bildvisningsverktyg' och kunder vill inte använda olika visningsverktyg. För närvarande måste tillhandahällare av bilder lagra två versioner av den lagrade bilden. Versionen med högsta kvalitet lagras som en krypterad bildfil. Detta. betyder att bilden. först komprimeras och lagras i ett komprimerat filformat såsom JPEG eller GIF. Den komprimerade filen krypteras sedan medelst användning av ett lämpligt krypteringsverktyg och en krypterad bildfil lagras.

Användaren måste först dekryptera denna fil och sedan accessa den resulterande komprimerade bildfilen medelst användning av ett bildvisningsverktyg. Bilder med lägre kvalitet skapas genom att behandla bilden med högsta kvalitet i ett bildediteringsprogrann Denna. lagras soul en separat, komprimerad bildfil.

Problemet med denna lösning är att minst två versioner av samma bild behöver lagras och att båda versionerna också behöver överföras över nätet vid fjärraccess i det fall en kund först vill se gratislägupplösningsbilden innan han betalar för högupplösningsversionen.

Detta är en signifikant nackdel om bilden med lägre upplösning innehåller en stor del av bildinformationen. Särskilt iskulle bilder som utbjuds till tidningar erbjudas för förgranskning vid en relativt hög' kvalitet eftersom tidningsutgivare vill ha en detaljerad förståelse av bildinnehållet och endast accepterar högsta kvalitet vid tryckning. Bilden med lägre kvalitet skulle kunna kräva 10-50% av lagringsutrymmet för högupplösningsbilden. 513 356 3 Vidare innefattar den kommande stillbildskodningsstandarden JPEG 2000, som beskrivs i Charilaois Christopoulos (editor), JPEG 2000 Verification Model Version 2.0, många nya funktioner i jämförelse med andra stillbildskodningstekniker. Dessa inne- fattar särskilt, förfarande för att skapa en stor mängd prog- ressiva bildformat. Varje tillämpningsdomän kan välja en lämplig progressions mode. Individuella objekt i bilden kan accessas separat i JPEG 2000 bitströmmen och progressiv överföring kan användas även på objekt. I JPEG 2000 finns också stöd för oberoende avkodningsbara kodningsenheter.

REDoc-öRELsE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att övervinna problemen. son! beskrivits ovan och särskilt att minska. mängden minne som behövs för att lagra en bild, som delvis skall kunna ses och även att minska överföringstiden i ett överföringsschema som sänder delvis krypterade bilder.

Detta syfte och andra uppnås med en teknik för delvis kryptering och progressiv överföring av bilder där först en del av bild- filen kan dekomprimeras vid en lägre kvalitet utan dekryptering, dvs. den första lågkvalitetsbilden är inte krypterad och där en andra del av bildfilen är krypterad.

Således kan användare som har tillgång till korrekta de- krypteringsnyckelord dekryptera denna andra del. Den första delen tillsammans med den dekrypterade andra delen kan sedan ses som en högupplösningsbild. Minnesutrymmet som krävs för att lagra den första och andra delen tillsammans är väsentligen samma som lagringsutrymmet som krävs för att lagra den okryp- terade bilden vid maximal upplösning. Krypteringen av den andra delen kan, beroende på krypteringsförfarande, medföra en liten expansion av den andra delen jämfört med den okrypterade andra delen. 513 356 _..:yï 4 Bilden kan också delas upp i flera delar där varje del kan krypteras med ett individuellt krypteringsförfarande och nyckelord. Några delar kan lagras okrypterade. Ett viktigt element i förfarandet och anordningen som beskrivs häri är att de komprimerade bilderna består av en uppsättning oberoende avkodningsbara kodningsenheter (coding units CU). Detta gör det möjligt att utföra krypteringsoperationer i den komprimerade domänen utan att utföra entropiavkodning.

En bild med lägre kvalitet kan alstras enligt flera olika huvudscheman, såsom: 1) Lägre upplösning 2) Lägre noggrannhet på transformkoefficienterna_ 3) Utelämnande av fördefinierade intressanta områden (Region of Interest ROI).

Dessa förfarande kan kombineras så att en bild med lägre upp- lösning, exempelvis, alstras genom att försämra både upplösningen och noggrannheten pä transformkoefficienterna.

Genom användning av förfarandet och anordningen för lagring och överföring av bilddata som beskrivs hâri, uppnås flera fördelar.

Således finns det inget behov av att lagra två olika versioner av en bild om olika användare skall ha access till olika kvali- tet av samma bild. Dessutom blir överföringstiderna mycket lägre om informationsinnehället i den första, lågupplösta bilden kan återanvändas vid överföring av bilddata med högre upplösning.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas närmare och med hänvisning till de bilagda ritningarna, på vilka: - fig. 1 är en allmän vy över filstrukturen i en bild. - fig. 2a och 2b visar kryptering av bilder kodade i enlighet med JPEG 2000 standarden. - fig. 3 är ett flödesschema som 'visar steg som utförs vid kryptering av en bild. 513 356 5 - fig. 4 är ett diagram som visar en klientserverprocess. - fig. 5 är en vy över en krypteringsheader.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I fig. 1 visas en allmän vy över filstrukturen för en ursprung- lig, högupplöst bild. Således består bilddatafilen av ett antal olika oberoende avkodningsbara. kodningssektioner 101, 103 och 105. I filstrukturen som visas i fig. 1 kodas sektionen 101, som är en lågupplösningsversion av en högupplöst bild, utan kryp- tering och kommer därför att kunna avkodas av alla mottagare.

Sektionen 103, vilken innefattar data som kombinerat med data i sektionen 101 bildar en version med medelupplösning av den hög- upplösta bilden krypteras medelst användning av ett första kryp- teringsförfarande och endast mottagare som har access till den korrekta krypteringsnyckeln kommer att kunna avkoda data lagrade i sektionen 103.

Sektionen 105, som innefattar data som tillsammans med data i sektionerna 101 och 103 bildar en version med fullständig upp- lösning av den högupplösta bilden krypteras medelst användning av ett andra krypteringsförfarande och endast mottagare som har access till krypteringsnyckeln kommer att kunna avkoda data lagrat i sektionen 105.

Således kommer avkodning av sektionen 101 att ge en bildversion 107 med låg upplösning. Dekryptering 109 och avkodning av sek- tionen 103 kommer, tillsammans med bilddata från sektionen 101 att bilda en bild 111 med medelupplösning. Dekryptering 113 och avkodning av sektionen 105 kommer, tillsammans med bilddata från sektionerna 101 och 103 att ge en bild 115 med fullständig upp- lösning.

Vidare beskriver implementationen i. JPEG 2000 standarden utan ROI, se Charilaos Christopoulos (editor) JPEG 2000 Verification 513 356 få 6 Model Version 2.0, hur varje kodningsenhet i JPEG 2000 bit- strömmen kan insättas i bit-strömmen så att en stor mängd prog- ressiva moder kan stödjas.

I JPEG 2000 verification model 2.0 är en kodningsenhet en del av bit-strömmen som kodar ett specifikt bitplan i. ett givet sub- band. Allmänt kan en kodningsenhet beskrivas som vilken oberoen- de avkodningsbar delmängd av bildinformation som helst. Den allmänna mekanismen för att specificera bit-strömsordningen är att inkludera så kallade taggar som specificerar nästa kodnings- enhet (det är tillräckligt att specificera subbandet eftersom bitplansordningen är känd). Flera specifika moder kan definieras i headern som definierar en grundkodningsenhetsordning och som således sparar bitar som behövs för att sätta in explicita taggar.

I fig. 2a och 2b visas blockscheman som beskriver hur kryptering kan implementeras i JPEG 2000 kodaren respektive avkodaren.

Således visas i fig. 2a ett blockschema där kryptering utförs efter entropikodningen i kodaren. Kodningsenheter matas in i ett entropikodningsblock 201. I blocket 201 entropikodas kodnings- enheterna medelst användning av någon lämplig entropikod. Utsig- nalen från blocket 201 matas till en väljare som väljer ett lämpligt krypteringsförfarande för varje entropikodad kodnings- enhet. Vissa kodningsenheter kan väljas att inte krypteras alls.

I beroende av valet som görs i väljare 203 krypteras de entropi- kodade kodningsenheterna i ett block 205. De krypterade kod- ningsenheterna tillsammans med. de icke krypterade kodningsen- heterna bildar sedan en kombinerad utdataström som kan lagras eller överföras.

I fig. 2b 'visas en avkodare för att avkoda bit-strömmen som alstras av kodaren i fig. 2a. Således matas först krypterade och icke krypterade kodningsenheter 511 i avkodaren via en väljare 513 356 7 251, som väljer ett lämpligt dekrypteringsförfarande för varje entropikodad kodningsenhet, eller om den mottagna kodnings- enheten inte är krypterad så överförs den direkt till ett block 255.

I beroende av valet som görs i väljaren 251 dekrypteras de entropikodade kodningsenheterna i ett block 253 medelst använd- ning av en lämplig dekrypteringsalgoritm. De dekrypterade kod- ningsenheterna matas sedan till blocket 255. I blocket 255 ent- ropiavkodas kodningsenheterna som matats direkt från väljaren 251 och från dekrypteringsblocket 253 och kombineras för att bilda en kombinerad. utdataström svarande mot dataströmmen som matas till entropikodningsblocket 201 i fig. 2a.

Varje kodningsenhet i överföringsschemat som visas i fig. 2a och 2b hanteras som ett oberoende krypterat block. Varje kodnings- enhet kan också krypteras separat med vilket användarvalt kryp- teringsförfarande som helst. Olika enheter i samma bild kan krypteras med olika krypteringsförfaranden. Krypteringsför- farandet som används kan vidare vara en krypteringsalgoritm kombinerad med ett nyckelord eller ett förfarande för alstring av nyckelord.

Olika krypteringsförfaranden kan i sådana utföringsformer ha samma algoritmer men olika nyckelord. Krypteringsförfarande- beskrivning (Encryption Method Description EM) så som visas i fig. 2a och 2b är vilka globala data som helst såsom sessions- nyckelord eller algoritmidentifierare som används för att spe- cificera krypteringsförfarandet. Unit Encryption State (UES) är en symbol som för varje Zkodningsenhet definierar hur den är krypterad.

I fig. 3 visas ett flödesschema som visar olika steg som utförs vid kryptering av en bild. Först i ett steg 301 mottas en bild som delvis skall krypteras. Bilden som mottas i steg 301 kodas sedan medelst användning av en kodningsalgoritm som alstrar 513 356 8 oberoende avkodningsbara kodningsenheter, exempelvis JPEG 2000, i ett steg 303.

Därefter i ett steg 305, krypteras några av kodningsenheterna i bilden som kodas i steg 303 medelst användning av ett lämpligt krypteringsförfarande, såsom DES. Kodningsenheterna som har valts att krypteras kan ställas in i enlighet med användar- preferenser. Således kan en användare välja att kryptera kod- ningsenheter som svarar mot ROI, högre ordningens bit-plan, etc.

Slutligen sammanförs de krypterade kodningsenheterna och kodningsenheterna som inte krypterats till en enda bit-ström.

I fig. 4 visas ett flödesschema som visar en klientserverprocess vid överföring av en bild kodad i enlighet med förfarandet som beskrivits i samband med fig. 3. Således är en klient 401 ans- luten till en server 403. Klienten kan sedan avge en begäran mot server 403 om en viss bild, steg 405.

Servern 403 svarar genom att överföra kodningsenheterna i bilden som inte är krypterad, steg 407. De icke krypterade kodnings- enheterna kan avkodas av klienten som nu har tillgång till en làgupplösningsversion eller en del av hela bilden. Baserat på denna information kanske klienten vill ha access till bilden med högre upplösning eller hela bilden. Om detta är fallet sänder klienten en tægäran till servern och begär sådan information, steg 409.

Servern svara genom att sända en begäran till klienten om att klienten skall gå med på villkoren för att överföra bildver- sionen med högre upplösning, steg 411. Om klienten accepterar via ett meddelande 413, exempelvis innefattande ett kortnummer eller kontonummer från vilket kostnaden för bilden skall dras, sänder servern de krypterade kodningsenheterna tillsammans med ett nyckelord med vars hjälp de krypterade kodningsenheterna kan dekrypteras, steg 415. Ett säkert förfarande för nyckeldistri- bution bör användas. Exempel på sådana säkra förfarande finns 513 356 n 9 beskrivna i W. Stallings "Data and Computer Communications" sid. 635-637, Prentice-Hall 1997 femte upplagan ISBN 0-13-571274-2.

Om klienten redan har access till de okrypterade och krypterade kodningsenheterna, exempelvis om han har köpt en CD-ROM med bilder kodade på det sätt som beskrivs häri, kan schemat som beskrivs i samband härmed modifieras så att ingen bilddata sänds. Istället accepterar endast klienten villkoren som servern ställer för att få tillgång till nyckelordet/nyckelorden som krävs för att dekryptera de krypterade kodningsenheterna på CD- ROMen.

I fallet då förfarandet och anordningen som beskrivs häri används vid kodning av en bild enligt JPEG 2000 standarden är det fördelaktigt om JPEG 2000 standarden inte standardiserar krypteringsförfarandet. En krypteringsheader som inkluderas i bildheadern. eller 'valfritt en. krypteringstagg som läggs till- sammans med JPEG 2000 taggarna kan istället användas för att specificera hur kodningsenheterna skall dekrypteras.

I en sådan utföringsform innefattar JPEG 2000 bildheadern en krypteringsflagga (Encryption Flag, EF). EF ställs sedan om någon kodningsenhet är krypterad. En krypteringsheader (Encryp- tion Header, EH) bör då läggas till JPEG 2000 bildheadern och krypteringsinformation kan valfritt läggas till JPEG 2000 taggarna.

I fig. 5 visas en krypteringsheader. Krypteringsheadern kan i en sådan utföringsform innehålla följande symboler. 1) Krypteringsmod (EM). En uppsättning standardkrypteringsmoder definieras exempelvis: a) Ett krypteringsförfarande används för alla kodningsenheter. b) Bit-plan med lägre signifikans än bit-plan X krypteras. c) Subband med högre upplösning än Y krypteras. 513 356 10 " d) Specificerade ROI krypteras etc.

Ingen krypteringsinformation behöver inkluderas i taggarna om en EM är definierad. 2) Krypteringsmodeparametrar (EMP). Parametrar (X, Y, M) som används för att definiera en krypteringsmode sätts här. 3) Antalet krypteringsförfaranden som använts. Flera krypte- ringsförfaranden kan användas i samma bild om exempelvis olika användargrupper skall tillåtas se olika bildinnehäll. 4) En krypteringsförfarandebeskrivning (EMD) för varje kryp- teringsförfarande. EM definierar alla data som behövs av kryptering/dekrypteringsmodulen. Typen av krypteringsalgoritm definieras. En typisk användning för EMD är att inkludera ett nyckelord som krypteras av en allmän nyckelalgoritm. Användaren anger en privat nyckel för dekryptering av den bifogade krypterade nyckeln. Den krypterade nyckeln används av en snabb dekrypteringsalgoritm för att dekrypteras bildkodningsenheter.

EMDernas ordning allokerar ett nummer till varje krypterings- förfarande. Detta nummer används i UES symboler. 5) Bit-strömmen måste för varje kodningsenhet specificera om den är krypterad och om detta är fallet med vilket förfarande. Detta görs genom att sätta en Unit Encryption State (UES) symbol per kodningsenhet. Dessa symboler kan antingen samlas i krypterings- headern eller alternativt distribueras i bit-strömmen som krypteringstaggar. Om UES informationen sparas i krypterings- headern definieras ett headerelement - Encryption State (ES). ES består av en serie UES symboler som listas i samma ordning som kodningsenheterna förekommer i bit-strömmen.

Om EF satts och Encryption State inte år givet i headern, kan JPEG 2000 taggar expanderas till att innehålla Unit Encryption State (UES) symboler. UES definierar vilket krypteringsför- 513 356 ll farande, om något, som används för att kryptera nästa kodnings- enhet.

Transformkoefficienterna soul hör till ett ROI kan hanteras på ovan beskrivet sätt. Det kan helt eller delvis krypteras genom att välja lämpliga kodningsenheter som hör till ROI för kryptering.

Det stora problemet är att formen på ROI kan avslöja innehållet.

Om formerna krypteras âr det emellertid svårt att visa en bild med lägre upplösning eftersom det är svårt att tyda det kodade transformkoefficienterna.

Detta problem kan lösas genom att definiera en så kallad “cloa- king shape" (c~form). Således innesluts den riktiga formen på ett eller flera ROI helt i c-formen. C-formen âr utformad för att inte avslöja känsligt bildinnehåll. Ett enkelt exempel på en c-form är en inneslutande rektangel. En c-form behandlas som ett enda ROI i JPEG 2000 bit-strömmen. C-formen kodas utan krypte- ring såsom beskrivs i Charilaos Christopoulos (editor), JPEG 2000 Verification Model Version 2.0. I enlighet med tekniken som beskrivs däri skulle detta leda till att formen definieras i JPEG 2000 headern. En mask skapas genom användning av c-formen och transformkoefficienterna som hör till c-formen kodas och krypteras medelst användning av förfarandet som beskrivs häri.

Detta leder till att alla koefficienter som hör till något av ROIerna som skärmas av c-formen krypteras. Innehållet i ROIerna är således skyddat genom kryptering.

Formen på ROIerna krypteras och lagras, exempelvis i krypteringsheadern. Krypteringsheadern innehåller pekare som är länkade till krypterade ROI former med motsvarande c-former.

Avkodaren kan nu avkoda den okrypterade bakrunden. C-formen kan visas som ett tomt område. De ursprungliga ROIerna kan avkodas om nyckelordet är känt. Detta görs genom att dekryptera koef- ficienterna som hör till c-formen. Formen på varje ROI som hör 513 356 12 till c-formen. dekrypteras också. Bit-strömmen kan. nu omarran- geras så att c-formen tas bort och de ursprungliga ROI data- strukturerna återskapas. Observera att detta görs i. den komp- rimerade domänen.

Masken som används för att koda ett ROI är inte unikt definierat i JPEG 2000. En mask som är tillräckligt stor så att ROIet kodas förlustfritt kommer ofta att täcka alla lägre subband. En mask som inte tillåts att expandera kommer att leda till en förlust- behäftad kodning av' ROIet. Maskerna som. hör till olika ROIer eller till ett ROI och bakrunden kan utformas att överlappa varandra. Detta betyder att vissa koefficienter kodas i mer än ett ROI. En sådan överlappning kommer att leda till en minskad total komprimering men ROIerna blir mer oberoende så att vilket ROI som helst kan accessas och avkodas med ett gott visuellt resultat.

Förfarandet för partiellt kryptering av ROIer som beskrivs hâri är inte beroende av val av mask så länge som masken väljs så att innehållet i ett ROI inte kan återskapas då innehållet i något annat ROI eller bakrunden. Ett förfarande för att skapa en mask som gömmer innehållet i ROIet beskrivs i Charilaos Christopoulos (editor), JPEG 2000 Verification Model Version 2.0.

Genom användning av förfarandet och anordningen som beskrivs hâri minskas lagrings- och bandbreddskrav för delvis krypterade bilder. Vidare förenklas objektbaserad sammansättning och be- handling av krypterade objekt och ROIer kan krypteras. Dessutom kan formen på ett ROI krypteras och det ursprungliga objektet kan dekrypteras och återskapas i den komprimerade domänen.

En annan fördel är att kryptering inte behöver utföras samtidigt som bildkodningen. Således är det möjligt att koda alla bilder utan kryptering, eftersom processen sker i den komprimerade domänen (vid bit-strömsyntaxen). Krypteringen kan utföras precis innan överföring av bilden av en "parser" (transkoder). I detta 513 356 13 fall undviks en ökning av' bitmângden och krypteringsinforma- tionen läggs endast till innan överföring om krypteringen ökar bitmângden, vilket kommer att vara fallet om krypteringen placeras i TAGS.

Claims (10)

u un.. 513 356 l 4 PATENKRÅV

1. Förfarande för att delvis kryptera bilddata innefattande stegen att: - koda bilddata medelst användning av kodningsalgoritm som als- trar oberoende avkodningsbara kodningsenheter, - kryptera minst en av kodningsenheterna, - sammanföra kodningsenheter som inte krypterats med kodningsenheter som krypterats till en kombinerad bit-ström.

2. Förfarande enligt krav 1, kånnetecknad av att det icke krypterade kodningsenheterna svarar mot en làgupplösningsversion av bilddata.

3. Förfarande enligt något av kraven 1-2, kånnetecknad av att olika kodningsenheter krypteras medelst olika kodningsförfa- randen.

4. Förfarande enligt något av kraven 1-3, kânnetecknad av att en krypteringsflagga, som indikerar om en kodningsenhet är kryp- terad, insâtts i bit-strömmen.

5. Förfarande enligt nàgot av kraven 1-4, då information svarande mot ett Intressant område (ROI) krypteras, kânnetecknad av att formen på ROI innesluts i döljande form (c-form).

6. Anordning för delvis kryptering av bilddata kânnetecknad av: - ett organ för att koda bilddata i enlighet med en kodnings- algoritm som alstrar oberoende avkodningsbara kodningsenheter, - ett organ anslutet till kodningsorganet för att kryptera minst en av kodningsenheterna, - ett organ för att sammanföra kodningsenheter som inte krypterats med kodningsenheter som krypterats till en kombinerad bit-ström. 15 _ H

7. Anordning enligt krav 6, kännetecknad av ett organ för att välja ut de icke krypterade kodningsenheterna som enheter som svarar mot en làgupplösningsversion av bilddata.

8. Anordning enligt något av' kraven 6-7, kânnetecknad av ett organ för att kryptera olika kodningsenheter medelst olika kodningsförfaranden.

9. Anordning enligt något av' kraven 6-8, kânnetecknad av ett organ för att sätta in en krypteringsflagga, som indikerar om en kodningsenhet är krypterad, i bit-strömmen.

10. Anordning enligt något av kraven 6-9, kânnetecknad av ett organ för att innesluta ett intressant område (ROI) i en döljande form (c-form).