前言
目前在各種影像壓縮技術的高度發展之下，在保全監控、影ying音yin多duo媒mei體ti產chan品pin及ji網wang絡luo影ying音yin信xin息xi上shang隨sui處chu可ke見jian透tou過guo影ying像xiang壓ya縮suo方fang式shi所suo產chan生sheng的de各ge類lei多duo媒mei體ti數shu據ju。同tong時shi在zai科ke技ji的de快kuai速su發fa展zhan及ji人ren類lei對dui實shi時shi信xin息xi的de需xu求qiu下xia

透(tou)過(guo)網(wang)絡(luo)上(shang)傳(chuan)及(ji)下(xia)載(zai)實(shi)時(shi)信(xin)息(xi)成(cheng)為(wei)時(shi)下(xia)最(zui)為(wei)快(kuai)速(su)有(you)效(xiao)的(de)信(xin)息(xi)傳(chuan)輸(shu)管(guan)道(dao)，但(dan)在(zai)因(yin)特(te)網(wang)普(pu)及(ji)化(hua)及(ji)駭(hai)客(ke)橫(heng)行(xing)的(de)同(tong)時(shi)，遭(zao)受(shou)不(bu)法(fa)擷(xie)取(qu)多(duo)媒(mei)體(ti)數(shu)據(ju)的(de)機(ji)率(lv)也(ye)相(xiang)對(dui)的(de)增(zeng)加(jia)，因(yin)此(ci)使(shi)得(de)多(duo)媒(mei)體(ti)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)的(de)應(ying)用(yong)
，在(zai)其(qi)安(an)全(quan)性(xing)及(ji)保(bao)密(mi)性(xing)方(fang)麵(mian)顯(xian)得(de)更(geng)加(jia)重(zhong)要(yao)。

為(wei)了(le)達(da)到(dao)有(you)效(xiao)阻(zu)隔(ge)某(mou)些(xie)未(wei)經(jing)授(shou)權(quan)的(de)人(ren)或(huo)者(zhe)不(bu)法(fa)人(ren)士(shi)擷(xie)取(qu)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)的(de)多(duo)媒(mei)體(ti)數(shu)據(ju)，也(ye)為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)更(geng)多(duo)不(bu)肖(xiao)業(ye)者(zhe)對(dui)於(yu)多(duo)媒(mei)體(ti)產(chan)品(pin)的(de)複(fu)製(zhi)或(huo)者(zhe)破(po)解(jie)它(ta)並(bing)加(jia)以(yi)修(xiu)改(gai)後(hou)重(zhong)新(xin)再(zai)出(chu)版(ban)，因(yin)此(ci)，文(wen)獻(xian)上(shang)出(chu)現(xian)了(le)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)於(yu)數(shu)據(ju)安(an)全(quan)上(shang)，各(ge)式(shi)各(ge)樣(yang)的(de)加(jia)密(mi)技(ji)術(shu)及(ji)數(shu)字(zi)水(shui)印(yin)技(ji)術(shu)。而(er)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)加(jia)密(mi)技(ji)術(shu)
，不(bu)但(dan)可(ke)以(yi)使(shi)未(wei)經(jing)授(shou)權(quan)的(de)人(ren)或(huo)者(zhe)是(shi)不(bu)法(fa)人(ren)士(shi)
，在(zai)不(bu)法(fa)的(de)擷(xie)取(qu)到(dao)多(duo)媒(mei)體(ti)數(shu)據(ju)後(hou)看(kan)不(bu)到(dao)數(shu)據(ju)內(nei)容(rong)，更(geng)可(ke)以(yi)將(jiang)其(qi)應(ying)用(yong)於(yu)保(bao)護(hu)目(mu)前(qian)市(shi)麵(mian)流(liu)通(tong)的(de)DVD及有線電視台所傳送的數字視訊內容。而使用數據加/解jie密mi或huo數shu字zi水shui印yin的de技ji術shu，不bu但dan不bu會hui破po壞huai原yuan先xian作zuo者zhe的de創chuang作zuo，更geng可ke以yi在zai人ren們men看kan得de到dao數shu字zi訊xun號hao的de同tong時shi，在zai其qi中zhong隱yin含han著zhu作zuo者zhe的de訊xun息xi
，保bao護hu創chuang作zuo者zhe的de著zhu作zuo權quan。因yin應ying此ci多duo媒mei體ti數shu據ju保bao護hu趨qu勢shi

，我wo們men於yu本ben文wen中zhong提ti出chu一yi個ge新xin的de數shu據ju加jia解jie密mi係xi統tong，並bing將jiang其qi應ying用yong在zai遠yuan程cheng監jian控kong係xi統tong數shu字zi數shu據ju傳chuan輸shu的de保bao護hu上shang。

影像壓縮技術的發展與應用
從早期的單張靜態影像編碼
，發展至今日的連續畫麵動態影像編碼，影像編譯碼技術發展已有一段曆史。如眾所熟知的MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4即由MPEG所製定的標準，其中MPEG為Moving Picture Experts Group的略稱
，隸屬在ISO(International Standards Organization
；國際標準協會)及IEC (International Electro-Technical Commission
；國際電子工業委員會)之下，是專門製定動態影像與音效編碼標準的組織。又如H.261、H.26L、H.263和H.264即由ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector，國際電信聯合令電信標準化部門)所製定的標準。就應用領域而言
，由ITU-T所製定的標準已成為ISDN及PSTN視訊會議的傳輸標準

，而ISO及IEC所製定的標準則成為廣播視訊、數字監控保全係統、消費性多媒體產品與網絡多媒體信息的影音壓縮標準。目前就MPEG所製定的連續動態影像壓縮編碼標準
，我們可以從表(1)簡略的分析發現其差異與優缺點。

*GOP (Group Of Picture) – 由I、P、B三類(Intra、Predictive、Bi-directional)畫麵組合而成

由表(1)可ke以yi發fa現xian影ying像xiang壓ya縮suo的de標biao準zhun皆jie朝chao向xiang高gao壓ya縮suo比bi適shi合he網wang絡luo傳chuan輸shu的de方fang向xiang來lai發fa展zhan，但dan在zai此ci同tong時shi多duo媒mei體ti信xin息xi在zai網wang絡luo上shang傳chuan輸shu時shi其qi安an全quan性xing及ji智zhi財cai權quan的de被bei侵qin犯fan機ji率lv等deng問wen題ti亦yi隨sui之zhi而er來lai。

因此不論是就廣播視訊、數字監控保全係統
、消費性多媒體產品與網絡多媒體信息的應用領域，凡是涉及 – 機密安全/隱私、智能財產權及使用者付費機製等因素之多媒體信息
，在上傳網絡之前對於數據作加密便成為一道絕對必要的自我防護機製。

資料加/解密技術的發展
就目前公開的技術文獻所提出的資料加密技術中
，我們可以將其歸納為三個主要的方法：即對數據的位置重新排列
、對數據作值的轉換，以及結合上麵兩種做法的組合方法。

n 數據位置重新排列法
以對數據的位置重新排列方法，如圖1.1所示
，假設其中的一個子圖皆為一張檔案大小5*7的圖文件，則在”位置重新排列”的方法中
，其先對檔案數據作左右方向位置的調換，如圖1.1(a)；再將經過左右方向轉換的檔案數據，作上下方向位置的調換
，如圖1.1(b)
；再將經過左右方向與上下方向轉換的檔案數據，作右上左下方向位置的調換，如圖1.1(c)
；最後在將經過前三個方向轉換的檔案數據，作左上右下方向位置的調換，如圖1.1(d)。因yin此ci
，其qi對dui於yu每mei一yi張zhang圖tu檔dang都dou在zai四si種zhong方fang位wei上shang對dui數shu據ju作zuo位wei置zhi上shang的de對dui調tiao

，如ru此ci才cai完wan成cheng一yi張zhang圖tu檔dang的de加jia密mi過guo程cheng。並bing且qie在zai任ren何he一yi個ge方fang向xiang上shang，對dui數shu據ju作zuo轉zhuan換huan的de方fang向xiang與yu點dian數shu都dou是shi不bu固gu定ding的de，其qi完wan全quan依yi照zhao隨sui機ji的de方fang式shi，並bing有you產chan生sheng隨sui機ji方fang向xiang與yu點dian數shu的de機ji製zhi。此ci種zhong方fang法fa
，僅jin針zhen對dui檔dang案an中zhong的de數shu據ju調tiao換huan位wei置zhi，即ji將jiang數shu據ju位wei置zhi作zuo重zhong新xin排pai列lie

，此ci舉ju並bing不bu會hui改gai變bian到dao檔dang案an中zhong每mei一yi個ge數shu據ju內nei容rong的de值zhi。

圖1.1 數據的位置重新排列方法示意圖

數據值轉換法
對數據作”值的轉換”的方法，其意思為：對(dui)要(yao)加(jia)密(mi)的(de)檔(dang)案(an)中(zhong)的(de)每(mei)一(yi)筆(bi)數(shu)據(ju)
，對(dui)它(ta)的(de)內(nei)容(rong)值(zhi)作(zuo)轉(zhuan)換(huan)。舉(ju)例(li)而(er)言(yan)，如(ru)果(guo)要(yao)加(jia)密(mi)的(de)數(shu)據(ju)為(wei)一(yi)個(ge)圖(tu)文(wen)件(jian)，則(ze)此(ci)方(fang)法(fa)會(hui)對(dui)每(mei)一(yi)個(ge)像(xiang)素(su)作(zuo)處(chu)理(li)，並(bing)改(gai)變(bian)每(mei)一(yi)個(ge)像(xiang)素(su)的(de)值(zhi)。首(shou)先(xian)，其(qi)對(dui)每(mei)一(yi)個(ge)字(zi)節(jie)(byte)的值
，拆開成為binary的形式，如式(1.1)所示

，其中g(n)表示要加密檔案中的一個字節，其中n=0, 1, 2, ……。

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

經過這一連串的運算，將每一個位bi的值改變之後，也就是將g(n)的值作了改變，而再將檔案數據中的每一筆g(n)的值都作過加密的運算後，就表示檔案數據完成加密。

綜合以上的方法，有關對數據作”位置重新排列”defangfa
，yejiushiyizhaoyigejidingdesuanfa，jiangyuanshishujudeweizhizhongxinpailie，zhezhongfangfajiaoweijiandan
，yinciqizaiduishujudebaomichengdushang，yexiandejiaoweibuzu。duiyuduishujuzuo”值的轉換”的(de)方(fang)法(fa)，也(ye)就(jiu)是(shi)將(jiang)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)的(de)內(nei)容(rong)，直(zhi)接(jie)依(yi)照(zhao)既(ji)定(ding)的(de)算(suan)法(fa)改(gai)變(bian)之(zhi)，此(ci)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)計(ji)算(suan)複(fu)雜(za)度(du)較(jiao)低(di)，且(qie)其(qi)設(she)計(ji)之(zhi)後(hou)的(de)硬(ying)件(jian)成(cheng)本(ben)也(ye)較(jiao)低(di)。最(zui)後(hou)，有(you)關(guan)結(jie)合(he)兩(liang)者(zhe)
，對(dui)數(shu)據(ju)”位置重新排列”與對數據作”值的轉換”的方法
，則對數據的保密方麵具有較高保密性。

TDCEA數據加/解密技術

我們依據上麵所提到的三種做法，提出一個新的數據加解密係統

，其結合了”對數據位置重新排列”與”對數據作值的轉換”兩種方法提出一個二維數據加解密算法 (2-D Circulation Encryption Algorithm, TDCEA)，其計算複雜度為O(N)。

圖2.1所示為我們所提出的TDCEA數(shu)據(ju)加(jia)解(jie)密(mi)係(xi)統(tong)示(shi)意(yi)圖(tu)
，我(wo)們(men)可(ke)將(jiang)此(ci)係(xi)統(tong)分(fen)為(wei)主(zhu)要(yao)的(de)兩(liang)個(ge)部(bu)分(fen)，一(yi)為(wei)圖(tu)中(zhong)上(shang)半(ban)部(bu)的(de)加(jia)密(mi)端(duan)
，另(ling)一(yi)為(wei)圖(tu)中(zhong)下(xia)半(ban)部(bu)的(de)解(jie)密(mi)端(duan)。其(qi)中(zhong)加(jia)密(mi)端(duan)的(de)主(zhu)要(yao)加(jia)密(mi)算(suan)法(fa)為(wei) ，而解密端的主要解密算法則為 。基於這兩個動作前後互換的算法，再藉由圖中的Chaotic Binary Sequence Generator (CBSG)，fenbiezaijiamiduangenjiemiduanchanshengxiangtongdelianggebuguizeeryuanshulielaikongzhilianggezhuyaosuanfadedongzuo
，jinerdadaozaijiamiduanjiangshurudemingwenshujuzuowanjiamidedongzuohou，zaijiemiduankeyizhengquedejiangjiamihoudemiwenshujuzuojiemierdedaoyuanshidemingwenshuju。

圖2.1 TDCEA數據加解密係統示意圖

TDCEA具有兩個很好的特征。(1) 加密過後的影像，不論以人類的視覺直接觀看，或計算其碎形維度D (Fractal Dimension)，都顯示影像達到完全混亂的程度。(2) 加密後的影像，對參數μ與x(0)的微小變動是極為敏銳的。

針對TDCEA數據加解密係統我們以C語言對其作仿真, 在C語言的仿真下，我們對多張大小為256*256像素的圖做加密後再做解密

，如圖3.1所示，其為我們仿真的四張樣本


，其中圖3.1(a)、圖3.1(b)
、圖3.1(c)及圖3.1(d) 為原始的檔案
，其分別為”Cman”
、”Aero”
、”Pepper”及”Lenna”，並且圖3.1(a’)
、圖3.1(b’)、圖3.1(c’)及圖3.1(d’)，分別為其加密完的圖片影像，又圖3.1(a’’)
、圖3.1(b’’)、圖3.1(c’’)及圖3.1(d’’)，分別為加密後再解密的圖片影像。由圖3.1我們可以發現
，經由TDCEA加密再解密後的圖片影像完全不失真。再者
，我們以人類的視覺係統，直接觀看經由TDCEA加密後的圖片影像，發現其完全無法得知它是哪一張圖片加密後的結果，也就是說，經由TDCEA加密後的圖片影像
，其混亂程度已經達到一定的值。另外

，對於加密後圖片影像的混亂程度，我們也利用計算圖片影像其碎形維度(Fractal Dimension)dezhi，yilianghuafangshi，yizuoweibaomixingzhikeguanpanduan。yibaneryan

，daduoshudetupianqibenshendouyoumouyichengdushangdeguanlianxing
，buguanshiqibenshendeziranjiegou，huozheshitupianshangdezaoshengdouyouzheyangdetedian。duiyuzheyixiefuzadanyouzhixudejiegou，suiranwomenwufayongrenleideshijiaoxitongzuochushidangdemiaoshu
，dansuixingweiduquekeyiweicitigongyizhongliangceyumiaoshu。

首先
，我們將一個大小為L*P像素的平麵影像
，看成在?3上的平麵圖
，並且以等式z = f(x, y)描述之。之後
，以[19]中的方法來計算碎型維度D的值，進而得知影像在?3上的平麵圖其粗糙程度為何。

要計算圖片的碎型維度D
，要先計算所有ndi(k)的值，並且k=0, 1, 2, ……，ndi(k)定義為如下式(3.1)所示。

(3.1)

其中f(x1, y1)，f(x2, y2)為圖中距離大於k、小於k+1的任兩點的值，即x1
、y1、x2、及y2要符合下列式(3.2)的判斷式。又npn(k)代表的是，圖中所有符合上列條件的點對數。

(3.2)

計算完所有ndi(k)的值後，將所有的點 (log(k), log(ndi(k))) 描繪於X-Y平麵上，並且以最小平方法(Least-Square)計算其線性回歸(Linear Regression)
，以在我們所描繪的曲線上求得斜率H，如此便可以求得圖片影像的碎性維度D = 3-H。在我們的模擬中，我們將式(3.1)中兩點間的最大距離k設為60。
在我們對影像的仿真中，我們給定TDCEA加密算法步驟一中參數α及參數β不同值的組合，發現加密過後的圖片影像都能達到一定程度的混亂。因此在此次的模擬中，我們將步驟一參數α的值設為2，也將參數β的值設為2，對於步驟二中，x(n) = μ*x(n-1)*(1-x(n-1)) 此一維邏輯表達式中的參數μ，我們將其值設為3.9，而x(0)則設為0.75。

經過仿真加密過後的圖片影像誠如圖3.1(a’)、圖3.1(b’)
、圖3.1(c’)及圖3.1(d’)所示
，其能達到極度的混亂程度。而其原圖的碎性維度與加密過後影像的碎性維度
，計算之後如表3.1所示

表3.1 圖片原始影像與加密過後影像之碎性維度 (Fractal Dimension)

目前針對TDCEA的加/解密的核心技術，我們除了透過軟件的形式去印證並已達到影像數據加/解密的功能之外，同時也開始進入CMOS製程之單芯片開發研究，初步硬件雛型已經可以作到上述所提之影像數據完全加/解密功能。

遠程安全監控係統之應用

在前文中我們有提到凡是涉及 – 機密安全/隱私
、zhinengcaichanquanjishiyongzhefufeijizhidengyinsuzhiduomeitixinxi
，zaishangchuanwangluozhiqianduiyushujuzuojiamibianchengweiyidaojueduibiyaodeziwofanghujizhi。bizhehuizaiciqiangtiaodeyuanyinshiyinwei，jiushangshuyinsueryanyijimianquan/隱私的因素為最首要且迫切需要作影像數據加密的機製，尤其是以所謂的遠程安全監控係統更是一個典型的應用。

目前市麵上所謂的遠程數字安全監控係統
，無非就是一套具備網絡傳輸功能的DVR (Digital Video Recorder)或是所謂的IP 攝影機
，這類係統通常會用軟件/硬件去將攝影機所取像到的畫麵作壓縮
，而後除了在係統上的硬盤作儲存備份外也提供特定IP的影像上傳功能。目前已經有許多社區/大樓
、公共場所(機場/車站/停車場/銀行)，甚至是政府機關
、軍事/研究單位都采用這類的係統

，但這類係統將影像上傳至網絡上時

，在影像數據沒有加密的保護下即使是使用特定IP並bing同tong時shi設she定ding密mi碼ma作zuo身shen份fen確que認ren，可ke是shi在zai這zhe個ge網wang絡luo駭hai客ke入ru侵qin屢lv見jian不bu鮮xian的de環huan境jing下xia
，這zhe些xie地di點dian的de遠yuan程cheng監jian視shi影ying像xiang在zai網wang絡luo上shang被bei截jie取qu或huo側ce錄lu將jiang會hui成cheng為wei一yi個ge最zui大da的de安an全quan隱yin憂you。

因此我們認為在遠程安全監控係統上結合數據加/解密的技術己經是一個絕對必要的程序，如圖4所示則是目前我們所提出的MPEG-4的影像壓縮技術結合TDCEA的加/解密技術可應用在數字遠程安全監控係統(Digital Remote Video Surveillance Management System, 簡稱DVM)的係統架構示意圖。

圖4. 數字遠程安全監控(DVM)係統架構

結合MPEG-4高壓縮比的特性與TDCEA的資料加密技術
，除了可以讓影像數據快速的在網絡上傳輸即便影像數據在網絡上被截錄
，在不知道TDCEA解(jie)密(mi)的(de)條(tiao)件(jian)參(can)數(shu)下(xia)
，入(ru)侵(qin)者(zhe)所(suo)看(kan)到(dao)的(de)影(ying)像(xiang)數(shu)據(ju)幾(ji)乎(hu)等(deng)於(yu)是(shi)噪(zao)聲(sheng)，但(dan)對(dui)於(yu)特(te)定(ding)的(de)接(jie)收(shou)端(duan)由(you)於(yu)具(ju)備(bei)解(jie)密(mi)的(de)條(tiao)件(jian)參(can)數(shu)
，因(yin)此(ci)仍(reng)然(ran)可(ke)以(yi)將(jiang)加(jia)密(mi)影(ying)像(xiang)予(yu)以(yi)解(jie)密(mi)並(bing)還(hai)原(yuan)成(cheng)原(yuan)本(ben)的(de)影(ying)像(xiang)數(shu)據(ju)。

結論

隨sui著zhe因yin特te網wang的de普pu及ji化hua及ji數shu字zi影ying音yin壓ya縮suo技ji術shu的de進jin步bu，透tou過guo網wang絡luo上shang傳chuan或huo下xia載zai多duo媒mei體ti信xin息xi已yi經jing成cheng為wei十shi分fen便bian捷jie且qie快kuai速su的de方fang式shi
，但dan衍yan生sheng出chu來lai的de安an全quan性xing及ji智zhi財cai權quan問wen題ti將jiang成cheng為wei不bu法fa業ye者zhe及ji網wang絡luo駭hai客ke肆si意yi橫heng行xing的de最zui大da漏lou洞dong，而er最zui好hao的de解jie決jue辦ban法fa除chu了le設she定ding過guo濾lv身shen份fen的de密mi碼ma機ji製zhi外wai，將jiang影ying像xiang數shu據ju透tou過guo加jia密mi技ji術shu再zai上shang傳chuan，將jiang是shi保bao護hu自zi已yi也ye是shi防fang犯fan犯fan罪zui的de最zui佳jia防fang護hu網wang。

參考文獻
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