DE3432653C1 - Verfahren zum Übertragen von Fersehprogrammen an berechtigte Teilnehmer - Google Patents

Description

• Langzeitmessungen am laufenden Fernsehprogramm haben gezeigt, daß der Korrelationsfaktor zweier aufeinanderfolgender Bilder 95% beträgt. (IEEE Transactions on Communications, Oktober 1976; »Image Activity Charakteristics in Brodcast Television«; D. C. Coll and G. K Choma.) (4. Aachener Kolloquium 1981; »Bestimmung der Parameter eines Kovarianzmodells für das Fernsehbildsignal durch Echtzeitschätzung der Kovarianzfunktionen«; A. Stötera.) Statistische Langzeitparameter erlauben jedoch keine Aussage über Kurzzeitkorrelation zwischen Bildern oder Bildteilen. Eine solche Aussage kann nur aufgrund einer laufenden Messung des Korrelationsfaktors getroffen werden. Der kurzzeitige Korrelationsfaktor ist jedoch ein Maß für die augenblicklich erforderliche Kanalkapazität und kann zur Steuerung variabler Kanalkapazität benutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet den Kurzzeitkorrelationsfaktor gemittelt über die Dauer einer Fernsehzeile oder einer längeren Signalsequenz als einen quellenbezogenen Verschleierungsalgorithmus. Bei Anwendung auf die Verschleierung analoger oder digitaler Fernsehsignale wirkt dieser Verschleierungsalgorithmus derart, daß nur jene Fernsehzeilen übertragen werden, die sich von den Zeilen eines vorangegangenen Bildes stärker unterscheiden als ein vorgegebener Wert des Korrelationsfaktors. Bei der erstmaligen Übertragung wird jede Fernsehzeile empfängerseitig gespeichert und so lange wiederholt, bis ihr gespeicherter Wert durch eine neu
• übertragene Fernsehzeile gleicher Nummer überschrieben wird. Wenn es sendeseitig erkannt wird, daß eine bereits übertragene Fernsehzeile im darauffolgenden Bild ihren Inhalt nicht ändert, so wird diese Zeile nicht übertragen, sondern durch ein maskierendes Signal ersetzt. Es werden somit auf dem Übertragungsweg nacheinander entweder Fernsehzeilen mit neuer Bildinformation oder bildmaskierende Signale geschickt. Ein Fernsehempfänger, der keine Einrichtung zur Bildrekonstruktion besitzt, wechselt das Fernsehbild in einer regellosen Folge auf eine bildverdeckende Maske und ist somit praktisch nicht anschaubar und dadurch verschleiert. Die Information darüber, welche Zeilen des nächsten Halbbildes ein ursprüngliches Videosignal und welche Zeilen ein bildverdeckendes Maskensignal sein werden, ist in der vorangehenden vertikalen Austastlükke in Form eines digitalen Datensignals vorhanden. Ein Empfänger, der mit einem Datendekoder und einem Speicher ausgerüstet ist, könnte jetzt diese Information auswerten und das Videosignal von dem Maskensignal trennen. Er bekäme dann ein stark flimmerndes Videosignal, welches erst durch einen Bildspeicher im Empfänger flimmerfrei gemacht werden könnte. Damit jedoch nicht jeder Besitzer eines mit Dekoder und Speicher ausgerüsteten Fernsehempfängers auch die Möglichkeit hat, das Videosignal zu rekonstruieren, sondern nur berechtigte Zuschauer, wird die Information über den Zeitpunkt des Wechsels zwischen Bild- und Maskenübertragung nicht offen, sondern verschlüsselt übertragen. Zur Verschlüsselung dieser Daten sollen beliebige durch Zufallsgeneratoren erzeugbare kryptographische Algorithmen verwendet werden. Welcher Algorithmus jeweils angewendet wird, erfahren nur berechtigte Teilnehmer, indem sie individuell durch die Übertragung -einer gezielten Adressierung angesprochen werden.
• Das Maskensignal kann nicht nur zur Verschleierung des analogen Videosignals, sondern zusätzlich noch zur Übertragung von analogen oder digitalen Nutzsignalen mit schwankender Kanalkapazität verwendet werden.
• Es handelt sich also um ein Verschleierungsverfahren, bei dem die redundanten Bildteile maskiert werden. Die informationstragenden Bildteile werden jedoch unmaskiert übertragen und sind somit auf der Empfangsseite voll sichtbar. Die verschleiernde Wirkung des Verfahrens entsteht dadurch, daß das menschliche visuelle Kurzzeitgedächtnis nicht im Stande ist, die fehlenden redundanten Bildteile so vollständig zu ergänzen, daß eine befriedigende Rekonstruktion des Gesamtbildes zustande kommt.
• Das Prinzip der Datenaufbereitung für redundanzmaskierende Bildverschleierung (RMBV) ist in der Figur dargestellt.
• Ein Videosignal 1, welches zur Datenaufbereitung geliefert wird, wird mittels eines A/D-Wandlers 10 aus der analogen in die digitale Form gewandelt und in zwei Speicher (20, 30) abgelegt, deren Kapazität mindestens für zwei Bilder ausreicht. Eine Schreib-Lese-Steuerung steuert die Speicher 20, 30 dahingehend, daß die Speicher 20, 30 abwechselnd beschrieben und gelesen werden, so daß keine Bildteile verloren gehen. Die Speicherausgänge werden einem digitalen Kurzzeit-Korrelator 50 zugeführt, der aus einer Standard-Korrelationsschaltung besteht, für die es bereits serienmäßig hergestellt integrierte Schaltkreise gibt, wie z. B. TRW, TDC, 1023 J. Der Korrelator 50 besteht im Prinzip aus zwei n-bit-langen Schieberegistern 51, 52, wobei n die Anzahl der Bildpunkte einer Fernsehzeile ist. Die beiden Schieberegister 51, 52 werden mit ihren n Ausgängen bit-wei- se durch jeweils ein Exklusiv-Nor-Glied 53 miteinander verknüpft. Die auf eine Sammelleitung 54 geschalteten Ausgänge aller n Exklusiv-Nor-Glieder 53 werden einem Addierer 55 zugeführt, der eine Summation über die Schieberegisterlänge ermöglicht. Durch eine kaskadenweise Verknüpfung solcher Grundschaltungen können Signalfrequenzen gewünschter Länge einer Kurzzeit-Korrelation gemäß nachstehender mathematischer Beziehung unterzogen werden: wobei N die Anzahl der zu korrelierenden Bildpunkte und k der Zeitabstand zweier Signalsequenzen (Interframe-Abstand) ist.
• Das Ausgangssignal R (= Korrelationsfaktor) des Korrelators 50 gelangt auf eine Vergleicherschaltung 60, die den Wert des Korrelationsfaktors mit einer regelbaren Bezugsschwelle S vergleicht, welche von einem Stellglied 70 der Vergleicherschaltung 60 zugeführt wird. Die Bezugsschwelle S kann mit dem Stellglied 70 manuell eingestellt werden aufgrund der Beobachtung der Bildqualität, die nach Verschleierung und Entschleierung dem Betrachter auf einem Kontrollmonitor 80 angeboten wird. Auf diese Weise kann ein menschlicher Operator ein optimales Verhältnis zwischen der noch tolerierbaren Verminderung der Bildqualität und dem höchstmöglichen Grad der Bildverschleierung für jedes konkrete Bildmaterial ermitteln. Die Ausgangssignale R < S und R > S der Vergleicherschaltung 60 steuern zwei elektronische Schalter 90, 100, die das verschleierte Bild aufbereiten. Liegt der Korrelationsgrad R unter der Vergleichsschwelle S, d. h. wenn das Signal R<S auftritt, was gleichbedeutend damit ist, daß die Interframeredundanz niedrig und die Bildinformation der neuen Zeile hoch ist, so wird die betrachtete Zeile im zuletzt gespeicherten Bild des Videosignals 1 aus dem Speicher 20 bzw. 30 mittels der elektronischen Schalter 90, 100 in der gezeichneten Schalterstellung mittels eines D/A-Wandlers 10 digital-analog-gewandelt und auf den Übertragungsweg 120 geleitet. Der erste Schalter 90 für Video/Video sorgt dafür, daß keine Bildinformation verloren geht. Die Schreib-Lese-Steuerung 40 für die Bildspeicher 20, 30 ist derart organisiert, daß die durch Signalverarbeitung im Korrelator 50 und Vergleicher 60 verursachte Verzögerung beim Auslesen der Speicher 20, 30 kompensiert wird.
• Ist der Korrelationsgrad R hoch und liegt er über der Bezugsschwelle S, d. h, wenn das Signal R> Sauftritt, so wird der zweite elektronische Schalter 100 für Video/ Maske angesteuert. Hohe Korrelation bedeutet, daß die Interframeinformation niedrig ist, d. h. daß das neue Bild in den jeweils verglichenen Zeilen keine neue Information liefert. In diesem Falle wird die betrachtete Zeile im zuletzt gespeicherten Bild nicht aus dem Speicher 20 bzw. 30 übernommen, sondern es wird über den Schalter 100 (Stellung M)ein Maskensignal aus dem Maskenspeicher 130 ausgelesen und über den D/A-Wandler 110 auf den Übertragungsweg geleitet. In den Maskenspeicher 130 wird im dargestellten Beispielsfall eine Standbildfolge in Form eines zweiten Videosignals 2 eingelesen, das im Falle eines Teletext(Videotext)-Signals mittels eines Digital/Digital-Wandlers 140 auf das passende Digitalformat gebracht wird.
• Die Schreib-Lese-Steuerung liefert parallel zum Videosignal 1 an eine Aufbereitungsschaltung 150 die Adressen jener Zeilen, bei denen die Schalter 90, 100 auf Video bzw. auf Maske geschaltet wurden. Der Aufbereitungsschaltung 150 werden ferner die beiden Ausgangssignale der Vergleicherschaltung 60 zugeführt. Das Ausgangssignal der Aufbereitungsschaltung 150 kann entweder auf einem gesonderten Signalweg 160 (z. B. Telefonleitung) zu dem berechtigten Fernsehteilnehmer übertragen werden oder es kann über einen V-Eintaster 170 in die vertikale Austastlücke des dem Übertragungsweg 120 zugeführten Videosignal (mit Maskenzeilen) eingetastet werden. Dabei wird das Ausgangssignal der Aufbereitungsschaltung 150 kryptographisch gegen unbefugten Zugriff gesichert.
• Im nicht dargestellten Empfänger des berechtigten Teilnehmers werden aufgrund dieses kryptographisch gesicherten Ausgangssignals der Aufbereitungsschaltung 150 die Anteile des Videosignals 1 von den Anteilen des Maskierungssignals getrennt gespeichert und wiedergegeben, wobei im Ausgangssignal der Aufbereitungsschaltung enthaltene Redundanzinformation dafür sorgt, daß die vom Maskierungssignal verursachte Lükke im Videosignal 1 durch nochmaliges Auslesen der betreffenden Zeile im vorangegangenen Halbbild »überbrückt« wird. Ein nichtberechtigter Teilnehmer, welcher das Signal auf dem Übertragungsweg 120 ohne die kryptographisch gesicherte Information (Übertragungsweg 160) empfängt, sieht die verwirrende Bildfolge der ineinandergeschachtelten Videosignale 1 und 2, ohne daß er die Möglichkeit hat, aufgrund bestimmter Algorithmen die Bilder beider Video signale zu trennen.
• Es vesteht sich, daß anstelle von Bildsignalen auch Tonsignale verschleiert werden können, wobei hier die Redundanzinformation in den Pausen steckt, welche durch geeignete Maskierungssignale, z. B. durch die Abtastworte eines digitalen zweiten Tonsignals aufgefüllt werden können.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Übertragen von Fernsehprogrammen an berechtigte Teilnehmer, d a d u r c h gekennzeichnet, daß bei der Übertragung redundante Bild- bzw. Toninformationen durch maskierende Informationen mit gleicher statistischer Signalstruktur wie die Hauptinformationen ersetzt werden und daß an die berechtigten Fernsehteilnehmer innerhalb oder außerhalb des Fernsehprogrammsignals eine codierte, kryptographisch gesicherte Nachricht über die Zeitpunkte jedes Wechsels zwischen der Hauptinformation und der maskierenden Information übermittelt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die redundante Bildinformation eine Wiederholung einer vorangegangenen gleichen oder ähnlichen Bildinformation bis zu einem vorwählbaren Wert des Kurzzeit-Korrelationsgrades ist, wobei der Kurzzeit-Korrelationsgrad entsprechend der Beziehung ermittelt wird, in welcher Ndie Anzahl der zu korrelierenden Bildpunkte, k der Zeitabstand zweier Signalsequenzen, die zur Korrelation herangezogen werden und n die laufende Nummer des Abtastwertes ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die redundante Bildinformation eine künstlich geschaffene Lücke im Fernsehsignal erzeugt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die redundante Toninformation aus den Pausen des Fernseh-Tonsignals besteht.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als maskierende Information ein Nutzsignal mit diskontinuierlichem Signalfluß übertragen wird, beispielsweise Standbilder, Textvorlagen in codierter oder nicht-codierter Form oder ein digitalisiertes Tonprogrammsignal.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

   Es existieren zahlreiche Verfahren zur Bildverschlüsselung mit dem Zwecke der Geheimhaltung der übertragenen Bildinformation. Die meisten dieser Verfahren arbeiten mit einem determinierten, also vorher festgelegten, oder einem stochastischen, also durch einen Zufallsprozeß erzeugbaren Verschlüsselungsalgorithmus, der dem Sender und dem Empfänger bekannt sein muß.

   Diese Algorithmen verändern entweder die physikalische Form des Bildsignals selbst, in dem z. B. Zeilen oder Teile eines Bildes gegeneinander ausgetauscht und eine Nachricht über diesen Wechsel übertragen wird (DE-OS 32 02 400), oder die Form und den Zeitpunkt des Auftretens der Synchron-Informationen (DE-OS 2947 943). Die meisten dieser Verschlüsselungsalgorithmen nehmen keinen Bezug zum Informationsinhalt des Bildsignals. Diejenigen Verfahren, die eine bestimmte Auswertung des Bildinhalts durchführen, z. B. Erkennen von Szenenwechsel oder Bewegungen (DE-PS 3119013), verwenden diese Informationen lediglich zum Wechsel zwischen verschiedenen Verschlüsselungsalgorithmen, also z. B. zur Polaritätsumkehr des Bildsignals oder zum Wechsel in der Art des Modulationsverfahrens. Es können aber auch bestimmte Zeilen oder Teile des Bildes durch andere Informationen ersetzt werden (DE-OS 23 39 425).

   Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches eine höhere Sicherheit gegen unbefugten Empfang des Fernsehprogramms bei gleichzeitiger Ausnutzung des Übertragungskanals für weitere Nutzsignale gestattet Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

   Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens nach Anspruch 1 ergeben sich aus den

   Unteransprüchen.

   Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet eine Bildverschleierung, wobei eine ständige Auswertung des Informationsgehalts eines Bildsignals durchgeführt wird. Bekanntlich wird der Informationsgehalt eines Nachrichtensignals durch seine Autokorrelationsfunktion bestimmt Jene Teile des Bildsignals, die sich in zwei aufeinanderfolgende Übertragungsperioden, also in zwei Halb- oder Vollbildern gar nicht oder nur wenig voneinander unterscheiden, besitzen kaum Informationsgehalt. Man bräuchte sie nicht ständig zu übertragen. Es genügt, diese Bildteile nur einmal zu übertragen, in dem Empfänger zu speichern und bei der Wiedergabe so lange zu wiederholen, bis sich diese Information auf der Sendeseite geändert hat. Solche redundanzreduzierende Übertragungsverfahren werden bei digitaler Bildübertragung angewandt und erlauben eine Minderung der Datenflußrate um den Faktor 2 bis 3 ohne Verschlechterung der Bildqualität.