一种图像置乱算法及其在数字电视中的应用研究

通讯作者：JongWeon KIM ，jwkim@smu.ac.kr基金项目：2009年度MCST&韩国著作权委员会技术开发项目结果一种图像置乱算法及其在数字电视中的应用研究崔基哲1张波1JongWeon KIM 21 (延边大学经济管理学院 信息管理与信息系统 延吉 133002) 2(韩国祥明大学 著作权保护专业 教授 Seoul, KOREA 100080)(cuijizhe@ ；zhangbo0037@; jwkim@smu.ac.kr )【摘要】 本文阐述了数字电视加解密原理，并介绍了图像置乱算法及其它在数字电视行业中的应用。

我国的数字电视行业已经迈入高清时代，但收费节目的管理、卫星传播与有线传播的协调等问题上，还需要成熟的解决方案。

本文提出了基于离散余弦变换的图像置乱算法，可适用于收费电视节目的安全管理。

通过本算法可以简化原数字电视加解密系统的两端间的交互流程，增加CA 共享所带来的安全性。

经测试发现，提出的图像置乱算法抑制了其他置乱算法中存在的块效应，算法基本满足数字电视的管理及播放要求，无需增加硬件费用。

【关键词】 图像加密；置乱算法；数字电视；条件接收系统；离散余弦变换【中图分类号】TN05 【文献标识码】A 【文章登记号】7-16An Image Scrambling Algorithm and The Application in Digital TVCui Jizhe 1, JongWeon KIM 2, Zhang Bo 1 1(College of Economic and Management, Yanbian University , Yanji 133002) 2(Dept. of Copyright Protection Sangmyung University, Seoul, 110743)Abstract This paper elaborates the theory of encryption and decryption about digital television, then gives an introduction of the image scrambling algorithm and the application in digital television industry. In china, the digital TV has stepped into the high definition age, while there also need the mature solution in the management of fee programmers, as well as the balance of satellite transmission and cable transmission. This paper puts forward to the image scrambling based on the Discrete Cosine Transform (DCT), it can be used in managing the security of fee-TV programmers. By means of this algorithm, it can simplify the Interactive process between original digital TV encryption and decryption, and increase the security bringing by CA share. By test, it is founded that the image scrambling algorithm promoted by this paper restrain blocking effects existing in other scrambling algorithm. The algorithm can content the demand of managing and playing of digital TV , dispense with increasing the hardware costs.Keywords Image encryption; Image Scrambling; Digital TV; CAS ；Discrete Cosine Transform1 引言2009年8月，广电总局发布促进高清电视发展的《通知》，要求现阶段要采取高清、标清同播过度发射，并要求卫星传输的高清节目必须进行加密[1]。

相继CCTV1等九套高清同播节目上星播出，标志着我国电视播出进入高清时代[2]。

数字电视是将传统的模拟信号经过采样、量化和编码等过程转化为数字信号，然后进行各种功能的端到端的系统。

数字电视不仅包括数字电视接收机、电视台，还包括信号的产生、处理、传输、接收和重现的全过程。

在数字电视网上还可以接入电视会议、可视电话、视频点播、按次付费、网络游戏等传统业务外的增值业务。

为了确保增值业务的实现，除安全可控的综合管理业务平台之外还需要条件接收系统，简称为CAS(Conditional Access System)。

为防止未授权的用户违法窃取业务，在数字电视传播过程中需要对数据进行加密。

图像或视频信息的加密方法是传统研究中遇到的新问题。

图像置乱是近年来提出的有效解决手段，它采用密码学的基本思想和一些新的手段，将需要保护的图像直接进行置乱或分存等处理，使其在视觉效果上不包含任何有意义的内容来达到加密目的。

目前常见置乱方法主要有Arnold变换、幻方变换、IFS模型、Conway游戏和Gray码等，都有各自的优缺点[3-6]。

本文运用DCT变换来实现图像置乱。

为了让算法满足付费用户的安全管理要求，本算法增加了原图分解成两种图的过程。

论文的第一部分是引言，第二部分重点介绍数字电视中的条件接收系统的原理，第三部分解释基于DCT变换提出的图像置乱算法以及算法的性能测试，接着在第四部分介绍本算法在数字电视转播中的应用情况，结论部分评价数字电视行业带来的应用效果的预测及展望。

2 条件接收系统基本概念条件接收系统(以下简称CAS)是数字电视实行收费所必须采用的系统，可以分为三个层次：加扰/解扰层、控制层、管理层。

在信号的发送端，首先根据授权要求，由控制字发生器通过安全算法产生控制字CW(Control Word)，由它控制加扰器，对来自复用器的信息，即对视频、音频、图像或补助数据进行加扰，形成杂乱无章的信号，只有用户端经过解扰，才能恢复原始信号。

发送端可以利用服务密钥SK(Service Key)，将控制字加密成授权控制信息ECM(Entitlement Control Message)和经过加扰的信号复用在一起传送给用户，同时利用个人分配密钥PDK(Personal Distribute Key)对SK加密，形成授权管理信息EMM(Entitlement Management Message)传给用户。

在接收端，付了费的用户有权拿到个人分配密钥PDK，用它解出授权管理信息EMM，得到业务密钥SK，再利用SK解出ECM中的CW，从而实现解扰[7]。

图1：CAS系统传送端原理图图1为CAS系统的传送端原理图。

图中，用户ID、IC卡信息、编号、密码等信息是由接收端传给传送端的信息；加扰之后的数据通过数字电视的传送方式，即卫星传播、有线传播、地面传播等方式传送给接收端。

用户编号/图2：CAS系统接收端原理图图2为CAS系统的接收端原理图。

图中，接收的信号直接传给解扰器，之后在解复器解扰。

传送端与接收端之间的用户ID等口令信息的传递由接收端的回传接口来完成。

通过这种方式，CAS系统实现三层加密体制：(1)利用控制字CW对原始信号进行加扰; 每个CW字长一般为64位，CW发生器不断地随机改变输出内容，CW对数据进行加扰(进行模二相加运算)(2)利用服务密钥SK对授权控制信息ECM加密；ECM中携带了对CW的加密编码及接收参数(3)利用个人分配密钥PDK对授权管理信息EMM加密；EMM携带了终端的授权信息及用户订购节目信息等内容[6-7]目前，国内的CAS系统可以分两种，即，“一机一卡，机卡配对”的智能卡管理模式及“机卡分离”的管理模式1。

两种模式的主要区别在于加扰/解扰、复用/解复用的设置顺序，本文中针对CAS系统的说明都基于机卡分离模式。

3 基于DCT的图像置乱算法3.1 DCT变换的性质DCT变换是一种线性正交变换，具有实数域内变换、确定变换矩阵(与变换对象内容无关)、二维DCT 变换有可分离性等特点。

正是基于这种特点，DCT 变换在需要对大量数据实时处理的图像处理中具有1国内统一的数字电视制式标准尚未发布，目前CAS系统基本采用“机卡配对”的智能卡方式管理。

国内标准的发布后，“机卡分离”模式将成为CAS的主要管理方式。

非常重要的地位。

二维DCT 变换公式如下：]21)(2]cos[;21)(2cos[ ),())a(a(),(1-01-0N v y M u x y x f v u v u C M x N y ππ++=∑∑==其中，u = 0,1,…,M-1；v = 0,1,…,N-1二维DCT 反变换公式如下：]21)(2]cos[21)(2cos[ ),())a(a(),(1-01-0N v y M u x v u C v u y x f M u N v ππ++=∑∑==其中，x = 0,1,…,M-1；y = 0,1,…,N-13.2 基于DCT 的图像置乱考虑算法在数字电视网中的安全管理因素，在置乱时，首先对原图进行分解。

整个图像置乱处理过程如图3所示。

原始图像8X8分块矩阵A 矩阵B Mask矩阵CKEY 矩阵DCT图 3 图像置乱处理过程图置乱过程如下：Step 1: 读取原图后，以8x8为单位分块。

Step 2: 对每一个单元快进行DCT 变化，使空间域数据转换为频域数据。

Step 3: 用Mask 矩阵对每一个频域中的8x8数据进行处理，得到的矩阵定义为矩阵B 。

Step 4: 根据矩阵B 元素的大小，制作二元矩阵，定义为KEY 矩阵(下称置乱图II)。

操作过程日下：当 B(i,j)<0时，KEY(i,j)=1 当 B(i,j)>=0时，KEY(i,j)=0Step 5: 针对矩阵B 的所有元素取绝对值，定义为矩阵C 。

即，B C =DCT 变换中，低频区的数据变化对原图的变化较大，为了解决此问题，在预处理过程中导入了一个Mask 矩阵，Mask 矩阵如下：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=βββββββββββββββββββββββββββββββαββββββααβββββαααββββααααβββαααααmask 其中，10=α,5.0=βStep 3中，得到矩阵B 的具体过程如下：block_size=8; for i=1:block_size for j=1:block_sizeB(i,j)=round(A(i,j).*mask(i,j))./mask(i,j); end end图4为DCT 频域分布及矩阵C 的对比。