CN1333973A - 对于图像加密的方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了局部地加密和逐级发送图像的方法和装置,图像区块的第一部分被以降低质量没有解密地压缩,而图像文件的第二部分被加密。用户可以使用适当的解密关键字解密这部分。该第一部分连同该解密的第二部分能因此作为一个完整质量的图像观看。用于共同存储第一和第二部分所要求的储存空间基本上是用于存储未被加密的完整质量图像所需要的同一个储存空间。通过使用描述的方法与装置,用于局部加密图像的存储和带宽要求被降低。而且,根据加密目标的合成和处理的目的我们促进,并且能加密ROI。而且,ROI的形状能够被加密,并且能在该压缩域中解密和恢复该原始目标。

Description

对于图像加密的方法和装置

                     技术领域

本发明涉及对图像加密的方法和装置。

                 发明背景和已有技术

当传送和存储机密信息或仅应该由对该信息付款的用户得到的信息时，数字数据的加密就成为重要的技术领域。因此，有几个频繁使用的对数字数据加密的方法。这种方法还可以被应用到数字图像数据。加密方法的实例有DES、三倍DES和公用密钥RSA方法。

数字图象能够存储在服务器上并且通过电信网络作为数字图像数据分发。图像还可以使用例如一个CD-ROM的物理存储介质分发。服务提供者需要建立适合其企业模式的接入控制。在此范围内，有可能适合于提供对一组用户的部分接入，而提供对另一组用户的完整接入。因此，某些图像数据必须加密，以免所有用户对所有图像数据具有完全的接入。

例如，新闻照片能够在因特网上提供出售。服务提供者想使得消费者下载一个降低质量的图像版本用于评估。想发表一个图像的期刊为该贡献付款并且然后被允许下载完整质量的图像。

但是，这种服务供应商希望储存空间和下载比特率最小化。另外，一个图像供应商可能想在例如一个CD-ROM上分发图像。CD-ROM的分发或卖价是低价格的。消费者能够观看降低质量的图像，但是他们必须为其完整质量的观点而付款。在此情况中，图像供应商希望尽可能有效地使用在该CD-ROM上的储存空间。

消费者总是能够使用用户友好、标准化软件接入图像也是必要的。图像供应商不愿设计和支持特殊的图像浏览器，并且消费者不希望浏览工具的增多。

当前，图像供应商必须存储该存储图像的两个版本。完整质量版本被存为一个加密图像文件。这意味着该图像首先被压缩并且以一个压缩文件格式，例如JPEG或GIF存储。该压缩文件随后被使用一个适当的加密工具加密，并且存储一个加密的图像文件。用户必须首先解密该文件，然后使用一个图像浏览工具存取该产生的压缩图像文件。在一个图像编辑程序中通过处理该完整质量的图像产生降低质量的图像。它们被分别地存为压缩图像文件。

随这种解决方案带来的问题是至少需要存储相同图像的两个不同版本，以及在用户支付全清晰度版本之前第一次想要看该免费低分辨率图像的情况中，这两个版本都必须在远程访问的网络上发送。

如果该降低版本图像包含该图像信息的大部分，则这将导致一个显著的缺点。被提供出售给期刊的图像将以相当好的质量提供预览，因为期刊编辑想具有该图像内容的细节理解，并且仅接受用于印刷的高质量。该降低质量的图像能够要求该完整质量图像的储存空间的10-50％。

此外，在Charilaos Christopoulos描述的形成静止图象编码标准JPEG 2000中，与其它静止图象编码技术相比较，JPEG 2000确认模式版本2.0包括许多新功能。具体地说包括用于创建渐进图像格式的宽范围的方法。每一应用领域都能够选择一个适当的渐进模式。在图像中的分别的目标能够在该JPEG 2000比特数据流中被分别地存取，并且逐级发送也能够被应用到各个目标。在JPEG 2000中，也存在对于可独立译码单元的支持。

发明概述

本发明的一个目的是克服上述的问题，尤其是降低为了存储一个图像所需要的存储器的总量，可能局部地观看，并且还降低在发射局部加密图像的一个发送方案中的传输时间。

此目标和其它目标通过用于局部地加密和逐级发送图像的技术获得，其中该图像文件的一个第一部分能够被以降低的质量解压缩而不必解密，即第一低质量的图像不被加密，并且其中该图像文件的一个第二部分被加密。

因此，已经存取适当解密关键字的用户能够解密此第二部分。该第一部分连同该解密的第二部分能因此作为一个完整质量的图像观看。用于共同存储的第一和第二部分所要求的储存空间基本上是用于存储未被加密的完整质量图像所需要的同一个储存空间。与未被加密的第二部分比较，根据这种加密方法，第二部分的加密可以与未加密的第二部分相比稍加扩展。

图像还可以被分区成多个部分，其中每一部分可以用一个单独的加密方法和关键字加密。某些部分可能是未加密地存储。如其中描述的本方法与装置的一个重要原理是该压缩图像包括一组可独立解码的编码单元(CU)。这使得有可能在该压缩领域中执行加密操作而不执行熵解码。

能够根据几个不同的主方案产生一个降低质量的图像：

1)降低清晰度

2)降低该变换系数的精确度

3)排除预定的感兴趣区域(ROI)

这些方法能够被组合，例如使得通过既降低清晰度又降低变换系数的精确度而产生一个降低质量的图像。

通过使用描述的用于存储和发射图像数据的方法与装置，获得几个优点。因此，如果不同用户具有对唯一和相同图像的不同质量的接入，不需要存储一个图像的两个不同版本。而且，当传送高分辨率图像数据时，如果该第一个低分辨率的图像数据能够被重复使用，则传输时间将变成低得多。

                     附图简述

下面参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1是一个图像的文件结构的总示图。

图2a和2b示出根据JPEG 2000标准的图像编码的加密技术。

图3示出当加密一个图像时执行的某些步骤的流程图。

图4示出一个客户服务器处理的示意图。

图5是加密标题的示意图。

详细描述

图1是一个总示图，示出原始的高分辨率图像的文件结构。因此，该图像数据文件包括了若干不同的可独立译码部分101、103和105。在图1所示的文件结构中，高分辨率图像的低分辨率版本部分101被不加密地编码，因此有可能由任何接收机解码。

包括有与部分101的数据结合的数据的部分103产生该高分辨率图像的一个中分辨率版本，使用第一加密方法加密，并且仅具有正确接入密钥的接收机才能解码存储在部分103中的数据。

包括有与部分101和103的数据结合的数据的部分105产生该高分辨率图像的全分辨率版本，使用第二加密方法加密，并且仅具有正确接入密钥的接收机才能解码存储在部分105中的数据。

部分101的解码将产生一个低分辨率图像版本107。与来自部分101的图像数据结合，部分103的解密109和解码将产生中级分辨率图像111。与来自部分101和103的图像数据结合，部分105的解密113和解码将产生全分辨率图像115。

此外，见Charilaos Christopoulos的“JPEG 2000 VerificationModel Version 2.0”一文，没有ROI的JPEG 2000标准中的实施方案描述了该JPEG 2000比特数据流的每一个编码单元如何能够被插入在该比特数据流中、以使能够支持逐级模式的宽范围的方式。

在JPEG 2000确认模式2.0中，编码单元是比特数据流的一部分，编码一个给定子频带的一个具体的比特平面。一般说来，一编码单元能够被描述为图像信息的任何可独立解码的子集。用于指定该比特数据流级的一般机理将包括指定下一个编码单元的所谓的标记(其足以指定该子频带，因为该比特平面级是已知的)。能够在定义一个省缺编码单元级的标题中定义几个具体模式，由此储存为了插入直观标记所需的比特。

图2a和2b显示的方框图分别描述了能够在JPEG 2000编码器和解码器中执行的加密方式。

因此，图2a示出的一个方框图中，在编码器中的熵编码以后执行加密。编码单元进入一个熵编码框201。在该框201中，使用某适当的适当的熵编码对该编码单元熵编码。框201的输出被馈送到一个选择器，选择用于每一熵编码的编码单元的适当的加密方法。某些编码单元能够被选择根本不被加密。

响应该选择器203中实现的选择，熵编码的编码单元在框205中加密。该加密的编码单元连同不加密的编码单元随后形成一个组合的输出数据数据流，其能够被存储或发送。

在图2b中示出一个解码器，用于解码由图2a中的编码器产生的比特数据流。因此，加密的和不加密的编码单元首先通过选择器251输入该解码器，该解码器针对每一个熵编码的编码单元选择一个适当的解密方法，或如果该已收的编码单元没有被加密，则被直接地发送到框255。

响应在选择器255中作出的选择，使用一个适当的解密算法，该熵编码编码单元在框253中解密。该解密的编码单元被随后馈送到框255。在框255中，直接从选择器251和从解密框253馈送的编码单元被熵解码，并且组合形成对应于馈送到图2a中的该熵编码框201的数据流的一个组合输出数据流。

在图2a和2b中所示的发送方案中的每一个编码单元被作为一种独立加密框操作。每一个编码单元还可以分别地以任何用户提供的加密方法加密。在同一个图像中的不同单元能够以不同加密方法加密。使用的加密方法可进一步是一个与关键字或用于产生关键字的一个方法结合的一个加密算法。

在这样一个实施例中的不同的加密方法能够具有完全相同的算法但是具有不同的关键字。如图2a和2b中所示的加密方法描述(EMD)是任何全局数据，例如是指定该加密方法所需要的对话关键字或算法标识符。单元加密状态(UES)是一个符号，用于定义其加密方式的每一个编码单元。

图3示出当加密一个图像时执行的不同步骤的流程图。在步骤301中，首先接收一个将要被局部加密的图像。步骤301中接收的图像被随后在步骤303中使用一个产生可独立译码单元的一个编码算法，例如JPEG 2000，而被编码。

随后在步骤305中，使用某适当的加密方法，例如DES，对在步骤303中编码的图像的某些编码单元加密。被选择加密的编码单元能够根据用户选择而设置。因此，一个用户能选择对应于ROI、高阶比特平面等的编码单元加密。最终，在步骤307中，该加密的编码单元和该不被加密的编码单元被合并成单一的比特数据流。

图4中示出当传送根据结合图3所示的描述方法编码的一个图像时的一个客户-服务器处理的流程图。因此，客户401连接到一个服务器403。该客户401能随后在步骤405向该服务器403发出针对特定图像的一个请求。

服务器403通过在步骤407传送不被加密的图像的编码单元进行应答。该没有加密的编码单元能够由客户解码，该客户现在将可以使用一个低分辨率版本或完整图像的一部分。根据此信息，客户可能希望对高分辨率图像或完整图像存取。如果是这样的话，客户将在步骤409发送请求到服务器，请求这种信息。

服务器在步骤411通过发送一个请求到该客户进行应答，请求客户同意针对传送该高分辨率的图像版本的条件。如果该客户通过一个信息413同意，例如包括通过付帐该图像费用的卡号码或帐号，则该服务器将在步骤415连同一个密钥字一起发送该加密编码单元，利用该密钥字解密该加密的编码单元。应该使用一种安全的用于密钥分配的方法。在W.Stallings的＂Data and computer Communications＂(P635-637，Prentice Hall 1997年第五版ISBN 0-13-571274-2)中描述了这种安全方法的实例。

如果客户已经可以使用该未被加密和加密编码单元，例如他已经购买了具有如其中描述的图像编码的一个CD-ROM。则关联描述的方案能够被修改，以使不发送图像数据。相反，客户仅同意该服务器的条件设置，以便可以使用为了解密该CD-ROM的加密编码单元所要求的关键字。

在其中所描述的方法与装置的情况中，当使用根据JPEG 2000标准的编码图象时，如果该JPEG 2000标准不标准化加密方法是有利的。包括在图像标题中的加密标题或与JPEG 2000标记合并的一个可选的加密标记能够被用于指示编码单元被解密的方式。

在这样一个实施例中，MPEG 2000图像标题包含一个加密标志(EF)。如果任何编码单元被加密，则随即设置EF。加密标题(EH)将随即附加到该JPEG 2000图像标题，并且加密信息能够可选地与JPEG2000标记合并。

图5示出一个加密标题。在这样一个实施例中的该加密标题能够包含下列符号。

1)加密模式(EM)。定义一套标准加密模式，例如：

a)被用于所有的编码单元的一个加密方法

b)重要性小于比特平面X的比特平面被加密

c)分辨率高于Y的子频带被加密

d)被指定的ROI被加密等。

如果定义了一个EM，则该标记不需要包括加密信息。

2)加密模式参数(EMP)。被用于定义加密模式的参数(X，Y，…)被设置。

3)使用的加密方法的数目。如果不同用户组将被允许看不同的图像内容，则在同一个图像中能使用几个加密方法。

4)用于每一加密方法的一个加密方法描述符(EMD)。EMD定义了由该加密/解密模块需要的任何数据。定义加密算法的类型。EMD的一个典型使用将包括由一个公开密钥算法加密的一个关键字。用户提供用于解密该加密密钥的一个专用密钥。由一个快速解密算法使用的解密密钥解密图像编码单元。EMD的数量级把一个号码分配到每一加密方法。该号码使用在UES符号中。

5)该比特数据流必须针对每一个编码单元而指定是否其被加密并且，如果是被加密的话，指定由什么方法加密。这通过逐编码单元设置一个单元加密状态(UES)符号完成。这些符号能够被或收集在该加密标题中，或在该比特数据流中作为加密标记分布。如果UES信息被控制在该加密标题中，则把标题单元定义为--加密状态(ES)。ES包括一系列UES符号，以该比特数据流中的编码单元出现的同一个次序列出。

如果设置EF并且该加密状态不是在该标题中给出，则JPEG 2000标记能够被扩展为包含单元加密状态(UE)符号。如果有任何加密方法的话，UES定义哪个加密方法被用于加密随后的编码单元。

该变换系数属于如上所述的能够被处理的一个ROI。他们能够通过选择属于用于加密的ROI的适当的编码单元而被完全地或局部地加密。

主要问题是该ROI的形状可能露出该内容。但是，如果该形状被加密，则难于显示一个降低质量的图像，因为其难于编译该变换系数。

能够通过定义一个所谓的伪形状(c-形状)解决此问题。因此，一个或几个ROI的真实形状被完全地包括在该c形状中。该c形状的设计不透露敏感图像内容。c形状的一个简单的实例是一个束缚方框。

一个c形状被作为JPEG 2000比特数据流中的一个单个ROI处置。如在Charilaos Christopoulos(ed.)JPEG 2000确认模型版本2.0中的描述，该c形状的编码不加密。根据其中描述的技术，这将引起该形状被在该JPEG 2000标题中定义。

使用该c形状创建一个屏蔽并且使用其中描述的方法编码和加密属于该c形状的变换系数。这将导致属于由该c形状遮蔽的任何ROI的全部系数被加密。因此该ROI的构造通过加密保护。

该R01的形状被加密并且存储在例如加密标题中。加密标题包含链接加密ROI形状和对应c形状的指针。解码器现在可以解码该未被加密的背景。该c形状能够被显示作为一个消隐区域。如果该关键字是已知的，原始的ROI能够被解码。这通过解密属于该c形状的系数完成。属于c形状的每一个ROI的形状也被解密。现在可以重新排列比特数据流，以使放弃该c形状并且恢复该原始ROI数据构造。注意，这是在压缩域完成的。

用于编码一个ROI的屏蔽在JPEG 2000中不是唯一定义的。一个充分地大的屏蔽使得该ROI被无损耗编码，将经常覆盖整个较低子的频带。不允许扩展的一个屏蔽将导致该ROI的有损编码。属于不同ROI或屏蔽一个ROI和背景的屏蔽能够被设计为重叠。这意味着某些系数在一个以上的ROI中编码。这种重叠将导致一个降低的总体压缩，但是该ROI更独立，使得任何ROI都能够被接入和解码而具有良好的可视结果。

只要屏蔽被选择而使得一个ROI的内容不能从任何其它ROI或背景的内容重建，用于其中描述的ROI的局加密方法就不依赖屏蔽的选择。在Charilaos Christopoulos(ed.)JPEG 2000确认模型版本2.0中描述了用于建造隐藏该ROI内容的一个方法。

通过使用描述的方法与装置，用于局部加密图像的存储和带宽要求被降低。此外，根据加密目标的合成和处理的目的被促进，并且能加密ROI。而且，ROI的形状能够被加密，并且能在该压缩域中解密和恢复该原始目标。

另一优点是，加密不需要与该图像的编码同时执行。因此，由于在该压缩域中进行该处理(以比特数据流系统识别规则)，其有可能编码全部图像而不加密。该加密只是在发射该图像通过一个分析程序(代码转换器)执行。在此情况中，如果该加密增加码速率，如果该加密是在该标记中即属于该情况，该码速率的增加被避免并且该加密信息被仅在发射之前添加。

Claims (10)

1.一种局部地加密图像数据的方法，包括步骤：

-使用一个编码算法编码该图像数据，产生可独立解码的编码单元，

-加密至少该编码单元之一，并且

-把不被加密的编码单元与加密的编码单元合并为一个组合的比特数据流。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，没有加密编码单元对应于该图像数据的低分辨率版本。

3.根据权利要求1-2任何之一的方法，其特征在于，使用不同编码方法加密不同编码单元。

4.根据权利要求1-3任何之一的方法，其特征在于，指示一编码单元是否被加密的一个加密标志被插入在比特数据流中。

5.根据权利要求1-4任何之一的方法，当对应于一个感兴趣区域的信息被加密时，其特征在于，该感兴趣区域的形状被包括在一个遮掩形状中。

6.一种对于局部地加密图像数据的装置的特征在于：

-装置，使用一个编码算法编码该图像数据，产生可独立解码的编码单元，

-装置，连接到该编码装置，对于加密该编码单元至少之一，并且

-装置，把不被加密的编码单元与加密的编码单元合并为一个组合的比特数据流。

7.根据权利要求的装置，特征在于一装置，针对选择没有加密的编码单元作为对应于该图像数据该低分辨率版本的单元。

8.根据权利要求6-7任何之一的装置，其特征在于使用不同的编码方法加密不同的编码单元的装置。

9.根据权利要求6-8任何之一的装置，其特征在于，一装置，用于把指示一编码单元是否被加密的一个加密标志插入在比特数据流中。

10.根据权利要求6-9任何之一的装置，特征在于，用于把一个感兴趣形状区域包括在一个遮掩形状中的装置。

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