Geri Dön

Görsel bozulmaya dayalı sayısal video şifreleme

Picture scrambler for digital video

  1. Tez No: 127186
  2. Yazar: VADİ DİPÇİN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MELİH PAZARCI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: MPEG, Sayısal televizyon, Sayısal video, Şifreleme, MPEG, Digital television, Digital video, Encryption
  7. Yıl: 2002
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

GÖRSEL BOZULMAYA DAYALI SAYISAL VİDEO ŞİFRELEME ÖZET Sayısal TV yayıncılığında kullanılan şifreleme yöntemleri sadece MPEG2 bit dizilerinin şifrelenmesine dayanmaktadır. Analog TV 'de olduğu gibi görsel özellikleri bozmaya dayalı yöntemler kullanılmamaktadır. Çünkü bu tür yöntemler MPEG ile verimli bir şekilde kodlanamayan görüntüler üretirler. Diğer yandan görsel bozulmaya dayalı bir yöntemin sayısal yayıncılıkta kullanılmasının çeşitli avantajları vardır:. İçeriğe sınırlı erişim potansiyel izleyiciler için bir çeşit promosyondur. ikinci bir seri şifreleme katı sağlar. PVR, VoD, DVD gibi uygulamalarda aynı görsel içeriğin farklı müşterilere farklı resim içeriği ile satılmasını sağlar. Bu telif haklarının korunmasında destek sağlar. İçerik sahipleri kopyaları güvenli bir şekilde takip ve kontrol edebilirler. Bu işlevlerin sağlanabilmesi amacıyla tezde, MPEG2 uyumlu ve görsel bozulmaya dayalı bir şifreli yayın sistemi tasarlanması hedeflenmiştir. Sayısal TV'ye ilişkin tüm standartlar ve uygulamalar bit dizilerinin şifrelenmesini kullandığından, tezde yapılan çalışma bu konuda ilktir. Var olan standartlarla uyum sağlanması için algoritmanın tamamen MPEG hariç parametrelerden (kanal, veri hızı vb.) bağımsız olması hedeflenmiştir. Bunun temel koşulu şifre çözümü için gerekli tüm verinin de yine şifrelenip yollanan video dizisi içinde gömülü olarak taşınmasıdır. Bu aynı zamanda, algoritmanın güvenlik derecesini de arttırmaktadır. Bu amaçla, öncelikle istenen özellikleri taşıyan bir algoritmanın sağlaması gereken koşullar belirlenmiş ardından bu koşullara uygun örnek bir algoritma tasarlanmıştır. Algoritmanın gerekli kalite ve güvenlik koşullarım sağlayıp sağlamadığı da test edilmiştir. Sağlanması gereken temel koşullar, MPEG uyumluluğu ile ilgilidir. MPEG uyumluluğu için resim içi ve resimler arası ilişkilerin korunması esastır. Görselolarak rasgele değişecek bir içeriğin bunu sağlaması için resim içi ilişkide uzaysal boyutlarda, resimler arası ilişki için ise zaman boyutunda belli bölgeler boyunca doğal olarak var olan benzerliğin korunması gerekir. Görsel bozulmanın etkisini kuvvetlendirmek için resim kareleri alt bloklara ayrılmaktadır. Altblokların boyutları da MPEG' in makroblok boyutları ve kullanılışları göz önüne alınarak belirlenmelidir. Daha çok bozulma ve güvenlik sağlanabilmesi için şifreleme parametrelerinin periyodik olarak değiştirilmesi gerekir. Bu sürecin peryodu GOP yapısı ile eşzamanlı olmalıdır. Böylece MPEG kodlamasının verimi artar. En önemli koşul ise, var olan tüm standartların içinde uygulanabilirlik ve ortamdan bağımsızlık olduğundan, şifre çözümü için gerekli verinin resim içinde taşınmasıdır. Algoritma MPEG ile kodlanmış herhangi bir videonun aktarılıp izlenebildiği her ortamda kullanılabilmelidir. Güvenlik için temel koşul, şifreleme parametrelerinin rasgele olmasıdır ki, bu genel olarak tüm şifreleme yöntemleri için doğrudur. Ayrıca algoritmanın ucuz ve basit bir donanımla çalıştırılabilmesi için, işlem yükü ve bellek gereksiniminin mümkün olduğunca düşük olması gerekir. Görsel bozulmanın etkisinin güçlü olması için insan gözünün görme özellikleri de göz önüne alınmalıdır. Böyle bir şifreli yayın sisteminin iki temel işlevi gerçeklemesi beklenmelidir:. Görüntüyü bozma ve alıcıda düzeltme. İlgili veriyi taşıma Algoritmanın“resim bozma”işlevinin sağlayan kısmı şu şekilde tasarlanmıştır. Görsel olarak bozulacak özellik beneklerin renk ve parlaklık bilgisidir. Bu bozulmayı rasgele parametrelerle sağlamak için RGB uzayında oransal çıkartma işlemi uygulanmıştır. Orijinal RGB değerlerinin 24 (3x8) bitlik bir resimde (0,255) aralığında rasgele değerlere ötelenmesi mümkündür. Görüntü bozma işlevi en genel anlamda MxN boyutlarındaki resim dizilerini KxL boyutunda altbloklara bölmektedir. Öyle ki, MPEG Makroblok Boyutu < K < M (la) MPEGMakroblokBoyutu<L<N (lb) Her bir altblokta, RGB bileşenlerine ayrı ayrı belirlenen ve uygulanan a (l<a<100) yüzde değerleri uyarınca arttırma ya da azaltma işlevi /uygulanır. Bu işlev, B bitlik XIbenekler için X herhangi bir beneğin R, G ya da B bileşeninin orijinal değerini göstermek üzere, ocX,azaltma F(a,xH (2) w (2B-l)-a( 2B-1-X),arttırma şeklinde tanımlanır. Ek bir işlem olarak altbloklarda rasgele negatif alma işlemi de uygulanmaktadır. Şifre çözümünde gerekli verinin taşınması için tezde üç ayrı yöntem tasarlanmıştır. Bunlardan ikisi, her TV yayınında var olan TV logosundan yararlanmaktadır. Üçüncü yöntem altblok sınırlarındaki sürekliliği kontrol eder. Logo kulanılmasındaki temel avantaj, logo hiç değişmediği gün alıcı taraftaki dekoderin içeriğini önceden bilebilmesidir. Birinci yöntem, logonun belli bir bölgesinde düşük enerjili renk bileşenlerinin (örnekte R ve B) farklarının negatif/pozitif yapmaktadır. Bu sıradaki GOP'ta şifreleme var/yok bilgisin taşır. İkinci yöntem ise logonun bazı bölgelerinde baskın bileşenleri şifreleme kuralıyla uyumlu olarak değiştirir ve örnekte her bir GOP'ta 8 bit taşınmaktadır. Her iki yöntem de (l)'de verilen görsel şifreleme kuralı ile uyumludur. Görsel bozma amacıyla resim şifrelendiğinde logoya bu bilgiler kendiliğinden yazılmış olmaktadır. Algoritma bunu sağlayacak a parametrelerini belirlemektedir. Bilgi imgelere öyle gömülmüştür ki, sistemi kırmaya yarayacak desenler oluşmasına neden olmaz. a parametrelerinin resim içinde taşınabilmeleri için logoda taşman 8 bitlik veri ile birlikte resmin herhangi bir yerinde olabilecek herhangi bir boyuttaki dikdörtgensel bölgelerin ortalama parlaklıklarının kullanılması önerilmektedir; çünkü resim içinde yer alan blokların ortalama parlaklıkları MPEG ile en az bozulan özellikleridir. Örnek tasarımda dört adet 8*8 altblok kullanılmaktadır. Alıcı 8 bitlik veriyi okur ve şifreli video dizisinden DC değerleri hesaplar, a parametreleri bu şekilde, MPEG kodlamasındaki kayıplardan dolayı, belli bir hata sınırı içinde hesaplanabilir. Üçüncü yöntem ise, abone yönetim sistem verileri veya sistem komutları gibi tamamen bağımsız ikili verileri taşımak için kullanılmaktadır. Bu aynı zamanda video dizilerinde bit dizilenin taşınabilmesi için genel bir çözüm sağlanmaktadır. Bu bağlamda şifreleme algoritması aynı zamanda sadece video dizisinde veri taşımak için de kullanılabilir. Bu yöntem, altblok sınırlarında seçilen bileşenler için sürekliliğin kontrol edilmesine dayanır. Tasarlanan örnekte süreklilik“0”, süreksizlik“1”anlamım taşır. Bu tip kodlamanın temel varsayımı, doğal resimlerde yanyana olan beneklerin korelasyonun yüksek olmasıdır ki bu doğal resimler için genelde XII 1C YÜKSEKÖĞRETİM KP15ÎÎ& &ÛOTMANTASYON Mf.mmldoğrudur. Kodçözücüde yapılan kestirim, komşu beneklerin farklarının olasılık dağılımına bağlı olarak hata payıyla çalışır. Bu hata bir ileri yönde hata düzeltme algoritması ile düzeltilebilir. Sonuçlar önerilen yöntemin gerekli koşullan sağladığım ve sayısal şifreli TV yayıncılığı ve sayısal çokluortam ürünleri için kullanılabileceğini göstermektedir. Görüntü kalitesi ölçümleri Şekil l'de yer almaktadır. 35 30 25 20 PSNR[dB] Süresiz 32*32 Şifreli 64*64 Şifreli Benek Değerlerinin % Değişimi - -¦- 1Mbps 2Mbps 3Mbps MPEG Veri hızı 6Mbps 1Mbps 2Mbps 3Mbps 6Mbps MPEG Veri hızı Şekil 1: Şifresiz ve şifreli durumda kalite değerleri. Benek değeri bazında eklenen gürültü %1,5'ten küçüktür ve kalite MPEG kalitesi arttıkça yükselmektedir. (32x32, 64x64 altblok boyuttan) Şekil l'de görüldüğü gibi, şifreli ve şifresiz durumlar arasındaki benek değerlerinin mutlak hataları, şifresiz durumda makul kalite veren 3-6Mbps aralığında, 3 'ten küçüktür. Yani şifreleme beneklerin değerlerinin ortalama olarak en fazla 3 birim daha sapmasına neden olmaktadır. Bu hata, yayın kalitesi seviyesini etkilemeyecektir. Testlerde alman sonuçlar oluşan hatada şifreleme işleminin değil MPEG kodlamasının baskın olduğunu göstermektedir. Şifresiz durumda kaliteli sonuçlar veren MPEG kodlayıcı, şifreli durumda da kaliteli resimler oluşturmaktadır. Bu yöntem hatasını oluşturan temel nedenlerden biri şifrelemedeki altbloklu yapıdan dolayı hareket vektörlerinin bir bölümünün kaybıdır. Bu miktarın (32x32 altbloklar için) %18 mertebesinde olduğu gözlenmiştir. Veri taşıma başarımı ile ilgili analiz ise şu şekildedir. Alıcıda kestirilmesi gereken iki temel veri vardır, a parametreleri ve altblok sınırlarında taşman gömülü bağımsız bit dizileri. Test sonuçları a paramefrelerinin alıcıda %78,3 gibi bir yüzde ile doğru, %21,7 ile de 1 hatalı kestirildiğini göstermektedir ki bu maksimum hata miktarıdır. 1 hatanın etkisi 8 bitlik benekler için 2.5 mertebesinde olacaktır (255'in yüzde biri). Bu da şifreleme yönteminin neden ciddi görsel hataya yol açmadığını açıklar. Altblok sınırlarındaki kestirime bağlı olarak iletilen verinin hata analizini yapmak için ise, örnek bir resim kümesinden elde edilen istatistikler kullanılmıştır. Komşu 32 beneğin farklarının olasılık dağılımları kullanılarak yapılan hesaplar, tezdeki örnek xmsistemdeki hata olasılığının üst sınırının 2x1 0"6 olduğu görülmektedir. Bu durumdaki veri taşıma hızı 4925bps'dir. Algoritmanın kırılmaya karşı güvenliği, tasarımcı şirkette korsanlık olmaması ve sistem detaylarının donanınım tersine mühendislik yöntemleriyle incelenmemesi koşullarıyla, mevcut yöntemlerden daha iyidir. Bu tür saldırılar bağlanımda tüm yöntemler eşit derecede güvenlidir. Resim işleme yöntemlerinin uygulanmasına dayanan yöntemlerde (altblok sınırlarında sürekliliğe dayanan) işlem yükü resimdeki benek adedinin alt bloklardaki benek adedine oram ve saniyedeki resim adedi ile orantılı olarak artmaktadır. Mevcut parametrelerle bir saniyelik videoda kestirim yapılması gereken 5066 altblok vardır. Bu da 90 dakikalık bir video için saniyede bir alt bloğun çözüleceği gibi iyimser bir varsayımla 316 gün gerektirir. Aslında rasgele altbloklann negatifinin alınması bu tür yöntemleri engeller. Bu çözülse bile, altbloklann yerleri değiştirilebilir ve bu tür bir kırma algoritması yararlı olmaz. Sonuç olarak, görsel bozulmaya dayalı şifreleme algoritması, istenen tüm işlevleri gerçekleştirecek ve tüm koşulları sağlayacak şekilde tasarlanmış ve çalıştırılmıştır. Sistem şifre çözümü için gerekli bilgiyi resim içinde taşımakta ve şifre çözümünün ardından uygun kalitede video dizisi elde edilebilmektedir. Yöntem, güvenliği sağlayacak pek çok esnek parametreye de sahiptir. XIV

Özet (Çeviri)

PICTURE SCRAMBLER FOR DIGITAL VIDEO SUMMARY The only scrambling method used in digital TV systems is based on encrypting MPEG2 bit streams. There are no methods based on visual distortion like in the analog systems, because such methods produce videos which can not be efficiently MPEG encoded. On the other hand, there are some advantages of using scrambling systems by digital broadcasting with visual distortion:. Limited access to the content is a type of promotion for potential subscribers.. It enables a second serial security layer.. It enables to sell the same visual content (like a movie) with different visual properties to each customer for applications like DVD, PVR, and VoD, This supports copyright protection. Content owners can control and trace each copy very confidently. The target of thesis is to design scrambling system which will enable these functions, and is MPEG transparent. All the standards and applications for digital TV scrambling are using bit-level encryption, so the study in the thesis is primary. In order to comply with current standards, the algorithm must be independent of all the parameters (like channel, bitrate etc.) except MPEG. The main condition of this is to carry all the information for the decoding process embedded in the video frames. This also increases an the security level. So, firstly, all the conditions, which have to be fulfilled, are determined and then a proper sample algorithm is designed. The success about the necessary visual quality and security of the algorithm is tested. The main conditions to be fullfllled are related to MPEG compliance. For efficient coding, the interframe and intraframe correlations must be kept at least at certain regions within the pictures and among time frames in a randomly altered visual content. For stronger visual distortion, the algorithm divides the images into XVsubblocks. The subblock size must be determined according to the MPEG macroblock size and their usage. Scrambling parameters must be changed periodically in order to obtain more distortion and security. The period of this process must be synchronised with the GOP structure of MPEG. This optimises the MPEG encoder performance. Transmission of the data embedded in the video is the most important condition because it enables the independency from current standards and systems. The algorithm must be usable in every environment where a MPEG encoded video is broadcasted and displayed. The main condition for security is the randomness of scrambling parameters, which is generally true for all kind of scrambling systems. In order to make the algorithm work with low cost hardware, the computational complexity and memory requirements must be as low as possible. The properties of the Human Visual System must be considered while designing the algorithm to obtain effective visual distortion. Such a scrambling algorithm should realise two main functions:. To scramble the video and descramble it in the receiver.. To carry the relevant data The scrambling part is designed as follows. The visual information to be changed is the color and brightness of the pixels. A proportional subtraction is applied in the RGB domain in order to obtain a distortion with random parameters. For a 24-bit image (3x8bits), the original RGB values can be moved to any point in the range (0,255). The scrambling algorithm divides MxN sized images into KxL sized subblocks so that: MPEG Macroblock Size < K < M (l.a) MPEG Macroblock Size < L < N (l.b) In each subblock, the proportional increment/decrement function f is applied to the RGB components with different a (l<a<100) percentage parameters. For images with B bits for each component, the f function is stated as in (2) where X is any original RGB value of a pixel. XVIF(a,xH aX »decrease (2) (2B-l)-a(2B-l-X) »increase As an additional process, negation is applied to the subblocks randomly. Three methods are designed for data transmission in the thesis. Two methods use the TV logo, which occurs on every frame of each broadcast. The third method controls the continuity at subblock boundaries. The main advantage of using the logo is that it is the only a-priori known piece of content in the picture on the receiver side because it never changes. The first method sets the difference of pixel components with relative lower energy (R&B components in the sample design) negative/positive in a specific part of the logo. This transmits the“next GOP is/is not scrambled”information. The second method changes the dominant components in specific regions in compliance with the scrambling algorithm that enables data transmission at 8bits/GOP (in the example design). Both methods are compatible with -the visual scrambling algorithm given in (1). The information is embedded in the video when the visual scrambling is applied. The algorithm determines the proper a parameters. The information is embedded in a way that will not cause unnatural patterns on the images which would help to hack the system. A method for building the a parameter matrices is proposed which uses the 8 bit information in the logo with the DC values of selected rectangular subblocks in the image whose locations and sizes may be variable, because the DC values are the least effected values during MPEG encoding. In the example design, four 8x8 subblocks are used. The receiver reads the 8-bit information in the logo, and calculates the DC values from the scrambled video sequence. It can calculate the a parameters in this way within an error range because of the loss during MPEG encoding. The third method is used to transmit any independent binary information which can be Subscriber Management System info, system commands etc. This also enables a general solution to transmit any bitstream in video sequences. So, the video scrambling algorithm can be used for“data transmission only”purposes as well. This method depends on controlling the continuity at selected subblock boundaries. By the designed sample, continuity means“0”and discontinuity“1”. This type of coding depends on the assumption that the correlation of neighbour pixels is high which is generally true for all natural images. The estimation at the decoder will have some errors depending on the probability distribution of adjacent pixel differences. This can be corrected with a proper Forward Error Correction algorithm. XVllThe results show that, the proposed algorithm fulfils the conditions and it can be used for scrambling digital TV broadcast and digital multimedia products. Figure 1 shows the visual quality measures. PSNR[dB] %Error of Pixel Values Not Scrambled Scrambled 32*32SB -* Scrambled i 64*64SB 1Mbps 2Mbps 3Mbps 6Mbps MPEG Bitrate 1Mbps 2Mbps 3Mbps 6Mbps MPEG Bitrate Figure 1: Quality measures for scrambled/not scrambled cases. The difference in % basis is smaller than 1,5% for pixel values and the quality gets better with increasing MPEG encoding quality. (32x32, 64x64 indicate subblock sizes) Figure 1 shows that the absolute error of pixel values for bitrates 3-6Mbps which provide reasonable quality without scrambling, is smaller than 3. This means the scrambling causes an additional deviation of magnitude less then 3 in pixel values. This error is not effecting broadcast quality level. The results show that MPEG coding is the dominant source of error rather than scrambling. If the MPEG encoder produces high quality images in non-scrambled mode, it also produces high quality video in scrambled mode. One of the main reasons of this error is eliminationof a portion of the motion vectors in the video sequence because of the subblock structure. This portion is determined to be approximately 18% for a 32x32 subblock size. The analysis of data transmission error rate is as follows. There are two main data types to be estimated by the receiver: a parameters and independent embedded bitstream data carried at the subblock boundaries. Test results show that 78,3% of a parameters are estimated correctly where 21.7% of them are estimated with an error of 1 which is the maximum amount of error. The error of 1 means a maximum deviation of 2.5 for an 8-bit image (1%). This explains why the scrambling algorithm doesn't cause a serious visible error. To determine the error rate of the data estimation on subblock boundaries, the probability distribution of neighbour pixel differences have been investigated using statistics of a set of sample images. According to that, the maximum error probability of the decision rule in the thesis is 2x1ü"6 if the probability distribution of 32 neigbour pixel pairs is used. The bitrate is 4925bps. xvmThe security against hacking attempts of the algorithm is more than the current systems, provided that the system details can not be obtained through hardware reverse engineering or pirating directly from the designer company. All systems are equally secure in terms of such attempts. In the case of a solution using image- processing methods (using the continuity of subblocks boundaries), the computational complexity increases with increasing ratio of (number of pixels in the image/number of pixels in a subblock) and frame rate. There are 5066 subblocks to be estimated each second with given parameters. So, a 316 days processing time is needed for a 90-minute video if each subblock can be fixed in one second (which is an optimistic assumption). Actually, negation operation of randomly selected subblock will prevent the use of such methods. Even if it is solved, the places of subblocks can be changed within the picture so that such a hacking algorithm can't be useful. As a result, the visual scrambling algorithm is designed and applied fulfilling every condition and realising every function. The system can carry the information it needs in the scrambled video content and good quality video can be obtained after descrambling. The method has many flexible parameters to obtain security. XIX

Benzer Tezler

  1. Tez No

    119408

    Segmentation based distortion equalizing image coding

    Bölütlemeye dayalı bozulma dengeleyici görüntü kodlama

    EVREN İMRE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2002

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METE SEVERCAN

  2. Tez No

    147545

    İlköğretim okulu yönetici ve öğretmenlerinin değişime ilişkin algıları ve değişimin eğitim açısından değerlendirilmesi

    Understanding of transformation of primary school administrators and teachers and evaluation of transformation from the point of view of education

    ABDULLAH BALIKÇI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Eğitim ve ÖğretimSelçuk Üniversitesi

    Eğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSA GÜRSEL

  3. Tez No

    150449

    Taş yapıların korunmasında ilk aşama: İzmir'deki bazı örneklerde cephe özellikleri ve bozulmaların görsel irdelenmesi

    First step at preservation of the masonary buildings: Visual examination of facede chraracteristic and weathering of some examples in İzmir

    DUYGU AKSOY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    MimarlıkDokuz Eylül Üniversitesi

    Restorasyon Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AKIN ERSOY

  4. Tez No

    75952

    Visual investigations techniques of monumental buildings, case study: archangles church

    Anıtsal binaların görsel inceleme teknikleri Başmelekler Kilisesi

    ARZU NİZAMOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    MimarlıkOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DR. NİMET ÖZGÖNÜL

  5. Tez No

    183006

    Tarihi çevrelerde kentsel kimlik-değişiminin eşik analizi: Trabzon'da bir deneme

    Threshold analysis of change in urban identity in the historical environments: A case study in Trabzon

    SÜHEYLA BİRLİK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    MimarlıkKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. HAMİYET ÖZEN

Geri Dön