dosya1 - MCU Turkey

SIKIŞTIRILMIŞ ORTAMDA ÇERÇEVE TİPİNE DAYALI GERÇEK
ZAMANLI SAHNE DEĞİŞİMİ BELİRLEME
Deniz Taşkın
Nurşen Suçsuz
Trakya Üniversitesi
Bilgisayar Mühendisliği Bölümü
[email protected]
Trakya Üniversitesi
Bilgisayar Mühendisliği Bölümü
[email protected]
ÖZET
Video dosyaları birbirini izleyen görüntülerden
oluşmaktadır. Bu yüzden video dosyalarını görüntü
dosyalarında olduğu gibi incelemek gerçekten
maliyetli bir işlemdir. 2 dakikalık video görüntüsünde
4000 çerçeve bulunmaktadır. Her bir çerçeve için
resim işleme algoritmalarının kullanılması büyük bir
zaman kaybına yol açmaktadır.
Bu çalışmada video sıkıştırma yöntemi olan MPEG
metodu incelenerek, işlemci gücü ve hafıza
bakımından maliyetli olan video işleme metotlarına
alternatif
bir
yöntem
geliştirilerek
video
görüntülerindeki sahne değişimleri belirlenecektir.
Çalışma, sıkıştırılmış sayısal video görüntülerinin
analizinin dorudan sıkıştırılmış veri ortamında
gerçekleştirilmesinin
sağladığı
yararları
göstermektedir.
saklanan veriyi saklamak için gerekenin yaklaşık 80
milyon katıdır.
Veri miktarının çok büyük olması ve çoklu ortam
dosyalarının daha sıklıkla kullanılmasından dolayı bu
verileri indeksleyebilecek etkin veri tabanlarına
ihtiyaç duyulmaktadır.
2. Video Veritabanı
ABSTRACT
Bir video veri tabanı sistemi video dosyalarını
depolayacak ve istenildiğinde kullanıcıya aradığı
video görüntüsünü en hızlı biçimde verebilecek
şekilde tasarlanmalıdır. Video görüntülerindeki sahne
geçişlerinin saptanması video veri tabanı sisteminin en
temel özelliği olmalıdır.
Sahne geçişlerinin
saptanmasında en sık kullanılan benzerlik ölçütü
histogramdır. Bu yönteme göre birbirini izleyen
çerçeveler arasındaki farkın bir eşik değerinden büyük
olması durumunda sahne değişiminin olduğu
varsayılır.
Beside technological developments, used and stored
digital data is increasing day by day.93 percent of
data produced in the world are stored digitally. Video
data covers the most space in data stored in computer
environment. Space for storing image data is 80
million times greater than space for storing text
data[2].
Fakat bu yöntemin en büyük dezavantajı çok maliyetli
olması ve gerçek zamanlı olarak video dosyalarını
işleyememesidir. Günümüzde video dosyalarının
sıkıştırılmış olarak saklanmaktadır. Diğer yöntemlerin
salt (RAW) veri üzerinde çalışması nedeniyle
sıkıştırılmış verinin açılması zorunluluğu bu maliyeti
arttırmaktadır.
Because of big amount of data and increase in the
usage of video data, an efficient database which
indexes these data types is required. In this work a
video database system called TUVDBS is suggested.
Bu yüzden etkin bir video veri tabanı geliştirebilmek
için sıkıştırılmış ortamda çalışan algoritma
geliştirilmelidir.
Anahtar Kelimeler: Video veritabanı, Mpeg
3. MPEG Sıkıştırma Yöntemi
domain, Sahne değişimi algılayıcı
1. GİRİŞ
Teknolojinin gelişmesiyle paralel olarak kullanılan ve
saklanılan sayısal bilgi her gün artmaktadır. Dünya
üzerinde üretilen bilginin %93 sayısal olarak
saklanmaktadır. Bilgisayar ortamında saklanan
bilgilerden çoklu ortam verileri (ses, görüntü, video)
en çok yer kaplamaktadır. Görüntü olarak saklanan
veriyi saklamak için gerekli olan kapasite metin olarak
Video görüntülerinde hareket tahmini iki yoldan
gerçekleştirilebilmektedir. Geleneksel metotlarda
öncelikle video görüntüleri, birbirini takip eden
resimlere dönüştürülmektedir. Daha sonra bu resimleri
oluşturan noktalara ait renk kodlarının yorumlanması
sonucunda hareket algılama işlemi gerçekleştirilir.
Hareket tahmininin resim ortamında renk uzayının
taranarak gerçekleştirilmesi, veri sayısının çokluğu ve
hesaplanabilirliğindeki karmaşıklık düzeyi yüzünden
büyük kaynaklar ve zaman gerektirmektedir.
MPEG sıkıştırılmış video kodlamasının yaygın bir
biçimde kullanılması video analizinin MPEG
domain’inde gerçekleştirilmesini cazip kılmaktadır.
Sıkıştırılmış veri ortamında video, hareket tahminiyle
ilgili önemli karakteristik özellikler taşımaktadır.
Öncelikle sıkıştırılmış formda bulunan video
dosyalarındaki farklı çerçeve yapısı, sıkıştırılmış kod
açılmadan kolaylıkla okunabilir. Çerçevelerin
kapladığı bit cinsinden hacim bilgisi de görüntü
bilgisinin kodu açılmadan elde edilebilir. MPEG
basitçe birbirine yakın piksellerin akan görüntüde
büyük oranda değişmemesine dayalı olarak sıkıştırma
yapan bir yöntemdir. Fakat detaylı incelendiğinde
değişik oranlarda sıkıştırma yeteneklerine sahip
katmanlardan oluştuğu görülmektedir
Şekil 2. YUV kayıplı sıkıştırması
3. RGB-YUV Dönüşümü
4. Çerçeve Tipleri
MPEG sıkıştırma yöntemi insan gözünün rengin
parlaklığına olan hassasiyetinin rengin kendisinden
daha yüksek olması özelliğini kullanmaktadır. Bu
yüzden RGB renk uzayı YUV renk uzayına
dönüştürülür.
Standart video dosyalarının aksine MPEG yöntemi ile
sıkıştırılmış video dosyalarında 3 farklı çerçeve tipi
vardır. Bu sayede birbirini takip eden çerçeveler
arasında az bir görsel fark olması durumunda
çerçevenin tamamı dosyaya aktarılmaz.
a)I çerçevesi: Tam bir video resmidir.Gösterilebilmesi
için başka bir resme ihtiyaç yoktur.En çok veriyi
kapsamaktadır.
b) P çerçevesi: Bir önceki çerçevedeki farklılıkları
şifrelemektedir.Gösterilebilmesi için bir önceki
çerçeveye ihtiyaç duyar.
Şekil 1. Y=0,5 değeri için UV renk değerleri
c) B çerçevesi: Bir önceki yada daha sonraki
çerçevedeki
farklılıkları
şifrelemektedir.
I
çerçevesindeki verinin en az %25ini içerir.
Gösterilebilmesi için bir önceki ya da sonraki
çerçeveye ihtiyaç duyar.
YUV renk uzayında Y rengin parlaklığını ifade
derken UV değerleri tonunu göstermektedir. Şekil 3.
belli bir Y değeri için UV renk uzayını
göstermektedir.
RGB-YUV dönüşümü aşağıdaki formüller yardımıyla
hesaplanmaktadır.
ƒ Y = + 0.299R + 0.587G + 0.114B
ƒ U = + 0.492(B - Y) = - 0.147R - 0.289G +
0.436B
ƒ V = + 0.877(R - Y) = + 0.615R - 0.515G 0.100B
Dönüşümden sonra UV değerleri için 4’e 1 oranında
bir kayıplı sıkıştırma gerçekleştirilir. Böylece Y değeri
4 birim ile ifade edilirken UV değerleri 1 birim ile
ifade edilir. Bu sayede 6 birimlik bir kazanç sağlanmış
olur.
Şekil 3. Mpeg çerçeve yapısı
İleriye dönük tahmin edilen çerçeveler (P çerçeveleri)
makro-blokların geçmiş P ya da I çerçevelerinden
tahmin edilmesine imkan verir. I ve P çerçeveleri, iki
yönlü tahmin edilebilen çerçevelere (B çerçeveleri)
referans olmaktadır.
Şekil 4. Örnek çerçeveler
5. Çerçeve Tiplerinin Kullanılarak Sahne
Değişimlerinin Belirlenmesi
MPEG çerçeve yapısı video görüntüleri arasındaki
sahne değişimleri hakkında zengin bilgiler
sağlamaktadır. Ara kodlanmış diye ifade edilen I tipi
çerçeveler ve bu çevrelerin dosya içinde kapladıkları
alanlar incelenerek sahne değişimleri çok basit bir
şekilde elde edilir.
Çalışma dahilinde geliştirdiğimiz uygulama yazılımı
vs.net 2003 platformunda tasarlanmıştır. Tüm video
dosyası belleğe okunarak ayıklayıcı birim (parser)
tarafından analiz edilir.
Hareket
tahmininin
çerçeve
tipi
yoluyla
belirlenebilmesi için farklı tipte olan çerçevelerin ayırt
edilebilmesi ve her bir çerçevenin kapladığı alanın
bilinmesi gereklidir. Algoritmaya göre boyut olarak ε
eşik değerinden fazla farklılık içeren I çerçeveleri bize
hareket tahmini bilgisini vermektedir.
Sahne değişimi
Şekil 7. Sahne değişiminin çerçeve tipi yoluyla belirlenmesi
İşlemlerin gerçekleştirilmesi için gerekli olan veriler,
ikili olarak kodlanmış Mpeg başlık bilgileri
kullanılarak elde edilir.
Çerçeve tiplerinin belirlenebilmesi için öncelikle
resim gruplarının bulunması gerekmektedir. Resim
grubu 1B8 hex değeri bellekte aranılarak bulunur.
Ardından bu resim grubunu takip eden resimler
belirlenir.
Resimler 4 byte yer kaplayan 100 hex değeri bellekte
aranılarak bulunur. Resim başlığında o çerçeve
hakkında detaylı bilgiler bulunmaktadır.
Resim başlığına göre 6. byte’ın 4,5 ve 6. bit değerleri
kullanılarak çerçevenin I,B,P ya da D tipinde olup
olmadığı belirlenmektedir. Aşağıdaki vb.net kodu
belli bir eşik değerine göre verilen video dosyasını,
hareket algıladığı zaman aralıklarında video
parçacıklarına ayırarak kaydetmektedir.
For i = 1 To CType(lBytes, Integer) - 3
If fileData(i) = 0 And fileData(i + 1) = 0 And fileData(i + 2) = 1
And fileData(i + 3) = 184 Then gop_count += 1
If fileData(i) = 0 And fileData(i + 1) = 0 And fileData(i + 2)
= 1 And fileData(i + 3) = 0 Then
frame_count += 1
frame_size = i - j
If (fileData(i + 5) And 8) Then
'ListBox1.Items.Add("I Frame")
If frame_size - I_Frame_size > ε ' İki I frame
arasındaki fark eşik değerinden fazla ise
bfile = New System.IO.FileInfo("c:\" &
TextBox1.Text & "-" & frame_count & ".mpg")
Dim bfilestream As System.IO.FileStream =
bfile.OpenWrite()
bfilestream.Write(fileData, k + 3, i - k)
bfilestream.Close()
k=i
I_Frame_size =
frame_size
End If
End If
5. SONUÇLAR
Sayısal video görüntülerinin büyük bir oranı MPEG
video sıkıştırma metodu kullanılarak saklanmaktadır.
Mpeg video sıkıştırma metodu standartlaşmıştır ve
gerçek zamanlı olarak dahi çalışabilmektedir. Mpeg
biçiminde sıkıştırılmış dosya, video görüntüleri
hakkında değerli bilgiler içermektedir. Video işleme
metotlarını kullanmak yerine bu bilgileri kullanmak
işlemci zamanı açısından çok büyük bir kazanç
sağlamaktadır.
KAYNAKLAR
[1] F.Soykan, C. Tezcan, D. Taşkın, ‘Histogram tabanlı
nesne çıkarımı‘, Bilgi Teknolojileri Kongresi, 2004
[2] http://www.sims.berkeley.edu/how-much-info
[3] A. NAGASAKA, Y. TANAKA.,’Automatic Video
Indexing and Full Video Search for Object
Appearances’, Visual Database Systems II, , 1992, pp.
113-127
[4] S. CHANG, ‘Compressed Domain Techiques for
Image/Video Indexing and Manipulation’, IEEE
Conference On Image Processing, 1995
[5] J.MENG, S. CHANG, ‘Tools for Compressed Domain
Video Indexing and Editing’, SPIE Conference on
Storage and Retrieval, 1995
[6] N. PATEL, I. SETHI, ‘Compressed Video Processing
for Cut Detection’, 1996
[7] J. BOROCSKY, L. ROWE, ‘Comparison of Video Shot
Boundary Detection Techniques’, 1996
[8] H. ZANG, ‘Content Based Video Browsing and
Retrieval’, 1999
[9] J. GILVARRY, ‘Extraction of Motion Vectors from an
MPEG Stream’, 1999
[10]M. EZRA, S. PELEG, B. ROUSSO, Motion
Segmentation Using Convergence Properties
[11] M.E. Dönderler, E. Şaykol, Ö. Ulusoy ve U. Güdükbay,
BilVideo: a video database management system, IEEE
Multimedia, pp. 13-45, 2003.
[12] M.E. Dönderler, Ö. Ulusoy ve U. Güdükbay, A rulebased database system architecture, Information
Sciences, Vol. 143, No.pp. 13-45, 2002.
Akademik Bilişim 2007
Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak-2 Şubat 2007
MPEG AKIMIMINDA BAŞLIK ŞİFRELEME
Deniz TAŞKIN*, Cem TAŞKIN** ve Nurşen SUÇSUZ*
(*) Trakya Üniversitesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, 22030, EDİRNE
(**)Trakya Üniversitesi, Kırklareli Teknik Bilimler MYO, BTP Programı, 39100, KIRKLARELİ
[email protected], [email protected], [email protected]
ÖZET
Günümüzde, sayısallaştırılmış video dosyalarının büyük bir çoğunluğu sıkıştırılmış olarak
depolanmakta ve dağıtılmaktadır. Sıkıştırılmış ortamda saklanan video dosyalarının güvenliği için
güncel şifreleme algoritmaları kullanılmaktadır. Kullanılan algoritmaların gücü arttıkça bunları
çözmek için gerekecek sistem kaynaklarında da artış olmaktadır. Geliştirilen yöntem sayesinde
sıkıştırılmış bir video akımının tamamı yerine %1’lik bir kısmının şifrelenmesi ile video akımının
aynı seviyede güvenliği sağlanmıştır. Geliştirilen yöntem sayesinde artan güvenlik ihtiyaçları daha
düşük bir maliyet ile karşılanmaktadır.
Anahtar Kelimeler: Mpeg akımı, Şifreleme, Mpeg başlıkları
HEADER CRYPTING IN MPEG STREAM
ABSTRACT
Nowadays most of the digital video files are stored and distributed in compressed domain. For
security of video files which are stored in compressed domain, current crypto algorithms are used.
While strength of algorithms increases, system resources to resolve these algorithms will also
increase. Despite of full stream, one percent of video stream cryption will provide same security
level by using developed method. In assistance of given method, increasing security requirements
will be covered by lower costs.
Keywords: Mpeg Stream, Crypting, Mpeg headers.
1. GİRİŞ
Sayısal video görüntüsü kullanımına paralel
olarak artan depolama ve bant genişliği
ihtiyaçları yüzünden video dosyaların çok
büyük bir çoğunluğu sıkıştırılmaktadır.
Sıkıştırılmış video görüntüleri düşük miktarda
yer kaplarken, iletimde de kolaylıklar
sağlamaktadır. Yüksek sıkıştırma ve görüntü
kalitesi sağlayan Mpeg yöntemi çoğu
kullanıcı ve yayıncı tarafından tercih
edilmektedir.
Sayısal ortamda saklanan video dosyalarının
şifrelenmesi için özel olarak kullanılan
algoritmalar bulunmazken, mevcut şifreleme
algoritmalarının yayıncı kuruluşlar tarafından
sayısal uydu yayınlarını şifrelemek amacıyla
kullandıkları Cryptoworks, Nagravision,
Viaccess gibi özelleştirilmiş sürümleri
bulunmaktadır.
İster depolanmış video verisini ister canlı
video verisini şifrelemek için tasarlansınlar,
kullanılan bütün şifreleme algoritmaları
verinin bütününü şifreleyerek güvenlik altına
almak zorundadırlar. Bu yüzden dosya
boyutlarındaki ve kullanılan şifreleme
anahtarlarının uzunluğundaki artış ile birlikte
artan sistem maliyetleri olmaktadır.
Bu gerçekleştirilen çalışmada Mpeg yöntemi
ile sıkıştırılmış video dosyalarına özel bir
şifreleme yaklaşımı geliştirilmiştir. Video
bütününe ait -yüzde bir gibi- çok düşük
miktardaki verinin mevcut şifreleme metotları
kullanılarak şifrelenmesi sonucunda video
bütününün tamamının güvenliği sağlanmıştır.
2. MPEG SIKIŞTIRMA YÖNTEMİ
Bir video akımının Mpeg sıkıştırma
yöntemiyle sıkıştırılması hazır çorbaya
benzetilebilir. Çorba paketlenirken taşıma ve
Mpeg video sıkıştırması iki temel sıkıştırma
yöntemi içermektedir: uzaysal kodlama ve
geçici kodlama. [4] Uzaysal kodlama video
çerçevesindeki ardışık piksellerdeki, fazlalığı
yok eder, geçici kodlama ise video akımındaki
çerçeveler arasındaki fazlalığı en aza indirir.
saklamayı daha etkin yapmak için tüm su
buharlaştırılarak ayrıştırılır. Kurutulmuş hazır
çorba paketi müşteriye ulaştığında karışıma su
eklenerek çorba yeniden oluşturulmaktadır.
Mpeg sıkıştırma yöntemi ses ve görüntü
akımından gereksiz bilgileri çıkartarak sinyali
orijinal boyutundan 180 kez daha küçük hale
getirir. Gösterim sırasında sıkıştırılmış
veriden orijinal görüntü elde edilir. [2]
2.1. Uzaysal Kodlama
Uzaysal kodlama bir resmin düz alanlarındaki
piksel gruplarındaki benzerlikleri temel alır.
Örnek olarak mavi gökyüzü arka planına
sahip bir sahne birçok benzer renk değerine
sahip sütunlardan oluşacaktır. Uzaysal
kodlama bu piksel gurubundan sadece bir
tanesini kodlar ve ardından diğerlerinin buna
benzer olduklarını belirtir. Böylece bit
akımından fazla veri atılır.
Video verisi sayısallaştırıldığında sıkıştırma
işlemi başlar. Mpeg yöntemi kendi içerisinde
birden çok sıkıştırma metodu ve iyileştirme
işlemini kapsamaktadır. Video sıkıştırması
kullanılarak resim kalitesinde kabul edilebilir
bir düşüş ile birlikte orijinal sinyalin %98’i
atılabilir.
Şekil 1. Ayrık kosinüs dönüşümü
Uzaysal kodlama işlemi aşağıdaki adımlardan
oluşur.
2.2.1. Ara çerçeve tahmini
Sıkıştırılmamış video dosyalarının aksine
Mpeg yöntemi ile sıkıştırılmış video
dosyalarında 3 farklı çerçeve tipi vardır. Bu
sayede birbirini takip eden çerçeveler arasında
az bir görsel fark olması durumunda
çerçevenin tamamı dosyaya aktarılmaz. Ara
çerçeve
tahmini
ardıl
çerçevelerdeki
benzerlikleri
avantaj
olarak
kullanır.
Öncelikle tam bir referans çerçeve seçilmekte
ve ardından takip eden çerçeveler bu referans
çerçeve ile olan farklılıklar kodlanmak
suretiyle ifade edilmektedir. Referans
çerçeveye ara kodlanmış çerçeve ya da “Içerçevesi” denilmektedir. I-çerçevesi P ve B
tipi çerçeveleri tahmin etmek için kullanılırlar.
1- Ayrı kosinüs dönüşüm
2- Nicelendirme
3- Ağırlıklandırma
4- Tarama
5- Entropi Kodlama
2.2. Geçici Kodlama
Geçici kodlama video akımındaki sıralı
çerçevelerdeki fazlalıkları yok eder. Örnek
olarak futbol oyununu gösteren bir video
verilebilir. Oyuncular çerçeveden çerçeveye
hareket ederken, arka plan sahnesi değişmez.
Geçici kodlama birbiri ardına gelen
çerçevelerdeki benzerlikleri değerlendirir ve
çerçeveler arasındaki farklılıkları kodlar. Bu
kodlama iki farklı şekilde gerçekleşmektedir:
ara çerçeve tahmini ve hareket tahmini.
a) I çerçevesi: Tam bir video resmidir.
Gösterilebilmesi için başka bir resme ihtiyaç
yoktur. En çok veriyi kapsamaktadır.
2
c) B çerçevesi: Bir önceki yada daha sonraki
çerçevedeki farklılıkları şifrelemektedir. I
çerçevesindeki verinin en az %25ini içerir.
Gösterilebilmesi için bir önceki ya da sonraki
çerçeveye ihtiyaç duyar.[5]
b) P çerçevesi: Bir önceki çerçevedeki
farklılıkları şifrelemektedir. Gösterilebilmesi
için bir önceki çerçeveye ihtiyaç duyar. B
çerçevesinden daha fazla yer kaplamaktadır.
Şekil 2. Mpeg Çerçeve Tipleri
parçacıkları oluşturulabilir ve yine bunların
izlenebilmesi için ana video bütününe ihtiyaç
duyulmaz. Esnek dosyalama yapısını Mpeg
başlıkları sağlamaktadır. Bütün başlangıç
kodları yirmi üç adet 0 ve bir adet 1’den
oluşan 3 byte’lık bir öne ek alırlar. Bunun
ardından gelen son byte farklı başlangıç
kodlarının kimliğini belirler. Mpeg akımında
başlangıç kodları dışında buna benzer bir
dizilime izin verilmez. Tablo 1’de bazı
başlangıç kodları verilmiştir. [6]
2.2.2. Hareket tahmini
Nesnelerin ekrandaki konumları değişirken
genellikle görünümlerinde bir değişiklik
olmamaktadır. Hareket tahmini bu benzerliğin
avantajını, nesnenin kendisini kodlamak
yerine
hareketini
kodlamak
suretiyle
kullanmaktadır. Tipik olarak hareket, birden
çok çerçeve arasında devam eder bu sayede
nesnenin
sürekli
yeniden
kodlanması
gerekmemektedir. [2]
Tablo 1. Mpeg video başlıkları
Kod Adı
Resim grubu
Resim
Sıralama bitişi
Sıralama hatası
Sıralama başlangıcı
Dilim 1Dilim 175
Kullanıcı verisi
Değeri
(Hex)
0 0 1 B8
0010
0 0 1 B7
0 0 1 B4
0 0 1 B3
0011–
0 0 1 AF
0 0 1B2
Bir video akımının çözülebilmesi için
sıralama başlangıç kodunun bulunması
gerekmektedir. Bunun ardından resim grubu
başlangıç kodu aranmaktadır. Resim grubu
başlangıç kodu bulunduktan sonra resimlerin
çözülmesi işlemine başlanır. Resimleri
belirlemek için “0 0 1 0” hex değeri, akım
içinde aranır. Resmi oluşturan verilerin
bulunduğu konum bu başlık değeri sayesinde
belirlenir. Videoyu oluşturan resimlerin
yeniden izlenebilir hale gelebilmesi için
Şekil 3. Hareket vektörü, örnek nesne ve hareket
vektörleri
3. MPEG AKIMININ ÇÖZÜLMESİ
Etkin bir sıkıştırma yöntemi olması dışında
Mpeg sıkıştırma yöntemi aynı zamandan
dosya deseni bakımından esnektir. Bir video
bütününden kopartılan belli bir sürelik video
parçacığı kendi başına izlenebilir. Bu video
parçacıkları birleştirilerek daha büyük video
3
ihtiyaç duyulmaktadır. Şekil 4.’te sıkıştırılmış
videoyu oluşturan katmanlar görülmektedir.
[3]
öncelikle dilimler, ardından makro bloklar ve
blokların çözülmesi gerekmektedir. Bunların
çözülebilmesi için yine başlık bilgilerine
Şekil 4. Mpeg video katman yapısı
Dikkat edilecek olunursa “00 00 01 01” byte
dizisi 1 numaralı dilimin başlangıcını
belirtmektedir. Bu başlık değeri dışında bu
verinin birinci dilime ait olduğu gösteren
başka bir işaret bulunmamaktadır. Eğer bu
başlık değeri akımdan çıkartılır ise veya başlık
değeri kasıtlı biçimde bozulursa video
akımının yeniden izlenebilir hale getirilmesi
imkânsızdır.
4. MPEG AKIMININ ŞİFRELENMESİ
Mpeg olarak sıkıştırılmış bir video akımı
mevcut şifreleme algoritmaları kullanarak
şifrelenebilir. Mevcut güvenliğin arttırılması
amacıyla şifreleme ve açma anahtar
uzunlukları büyütülebilmektedir. Fakat bu
işlem şifreleme ve çözme işlemlerinin
maliyetini arttırmaktadır.
Mpeg akımının çözülmesi işleminin adımları
incelendiğinde videonun tekrardan izlenebilir
hale gelebilmesi için, Mpeg başlıklarının ne
kadar hayati bir önem taşıdığı görülmektedir.
Aşağıda bir resme ait bir dilim başlangıcı ve
dilime ait bazı kodlar verilmiştir.
Şekil 5. Orijinal ve şifrelenmiş Mpeg akımları
Geliştirilen yöntemde şifreleyici bir yazılım
yardımıyla izlenebilir Mpeg akımındaki tüm
başlık değerleri rastlantısal değerlerle
değiştirilir. Şifreleme işlemi sonucunda
akımın orijinal başlıkları farklı bir anahtar
dosya içine kaydedilmektedir. Anahtar dosya
olmaksızın şifrelenmiş video akımını izlemek
hiçbir şekilde mümkün değildir.
Şifre çözücü yazılım kısmında, anahtar
dosyada bulunan başlık değerleri kullanılarak
şifresi çözülmüş video akımı yeniden
oluşturulur.
Şekil 4. 1 numaralı dilim
4
[2].J. GILVARRY, ‘Extraction of Motion
Vectors from an MPEG Stream’, 1999.
5. SONUÇ
Başlık verileri tahrip edilmiş bir Mpeg
dosyasının izlenmesi mümkün değildir.
Başlıkları bozulmuş bir video akımını
izlenebilir
kılan
henüz
bir
metot
geliştirilmemiştir. Bu avantajları kullanarak
yöntem çok küçük bir veriyi şifreleyerek bir
veri bütününü anahtar dosya olmadan,
anlamsız ve kullanılamaz hale getirmiştir.
[3].MENG, J., CHANG, S., ‘Tools for
Compressed Domain Video Indexing and
Editing’, SPIE Conference on Storage and
Retrieval, 1995.
[4].Mitchell, J.L., Pennebaker, W.B., Fogg,
C.E. ve Legal, D.J., Mpeg Video
Compression Standard, Chapman and
Hall, 1996.
Anahtar dosya mevcut şifreleme metotları
kullanılarak şifrelendiğinde güvenlik son
derece sağlam hale gelmektedir. Anahtar
dosya şifrelenmediği durumda dahi anahtar
dosyanın deseni bilinmediğinden dolayı şifre
çözme işlemi gerçekleştirilemeyecektir.
[5].PATEL, N., SETHI, I., ‘Compressed
Video Processing for Cut Detection’,
1996
[6].Taşkın, D., Suçsuz, N., “Sıkıştırılmış
ortamda çerçeve tipine dayalı gerçek
zamanlı sahne değişimi belirleme”, IV.
Bilgi teknolojileri Kongresi, 9-11 Şubat
2006, Pamukkale Üni.
Şekil 6. Şifrelenmiş akım izleme hatası
Şekil 7.de videoların kapladıkları dosya
boyularına
göre
sistem
başlıklarının
kapladıkları alan verilmiştir.
Şekil 7. Video boyutuna göre toplam boşluk boyutları
Video boyutuna bağlı olarak başlıkların
kapladığı toplam boyut da artmaktadır. Bu
şifrelenecek veri miktarında da artışa neden
olmaktadır. Buna rağmen başlık boyutları
toplam video boyutunun yaklaşık yüzde birine
eşdeğerdir.
9. KAYNAKLAR
[1].CHANG, S., ‘Compressed Domain
Techiques for Image/Video Indexing and
Manipulation’, IEEE Conference On
Image Processing, 1995
5
Akademik Bilişim 2007
Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya 31 Ocak-2 Şubat 2007
MPEG AKIMINDA OPERATÖR İŞLEMLERİNİN KISITLANMASI
YOLUYLA İÇERİK KORUMA
Deniz TAŞKIN*, Cem TAŞKIN** ve Nurşen SUÇSUZ*
(*) Trakya Üniversitesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, 22030, EDİRNE
(**)Trakya Üniversitesi, Kırklareli Teknik Bilimler MYO, BTP Programı, 39100, KIRKLARELİ
[email protected], [email protected], [email protected]
ÖZET
Sayısal dünyanın en büyük sorunlarından birisi içeriğin korunmasıdır. İçeriği korurken son
kullanıcının sayısal içeriği eksiksiz olarak kullanabilmesi ve mevcut donanımın değişmemesi
birincil gereksinimlerdendir. Günümüzde en popüler video sıkıştırma metodu Mpeg video
sıkıştırmasıdır. Geliştirilen yöntem sayesinde Mpeg yöntemi ile sıkıştırılmış video dosyalarının,
kullanılan mevcut donanım ve yazılım bileşenlerinin değişmeden izlenmesi sağlanırken ileri ve geri
alma gibi operatör işlemleri engellenmektedir. Bununla birlikte video bütününün parçalara
ayrılması da engellenmektedir.
Anahtar Kelimeler: Mpeg, Mpeg başlıkları, İçerik koruma.
CONTENT PROTECTION IN MPEG STREAM
BY DISABLING OPERATOR MOVEMENTS
ABSTRACT
One of the biggest problems of digital word is protecting content. While protecting content, user’s
complete access to digital content and no change in existing hardware are primary necessities.
Nowadays Mpeg is the most popular video compressing method. By this developed method
without changing existing hardware and software components, operator movements like forward
and backward are restricted. Beside all, dividing entire video into small video pieces is also
restricted.
Keywords: Mpeg, Mpeg headers, Content protection
1. GİRİŞ
Sayısal olarak saklanan video dosyaların çok
büyük bir çoğunluğu depolama kısıtları
yüzünden sıkıştırılmaktadır. Birçok sıkıştırma
yönteminden göze en çok çarpanı, boyutu
1/180 kadar küçültebilen Mpeg video
sıkıştırma yöntemidir. Yüksek sıkıştırma
oranının yanı sıra görüntü kalitesinden çok da
fazla ödün vermeyen Mpeg yöntemi çoğu
kullanıcı ve yayıncı tarafından tercih
edilmiştir. [1]
Etkin bir sıkıştırma yöntemi olması dışında
Mpeg sıkıştırma yöntemi aynı zamandan
birçok yönden esnektir. Bir video bütününden
kopartılan belli bir sürelik video parçacığı
kendi başına izlenebilir. Bu video parçacıkları
birleştirilerek daha büyük video parçacıkları
oluşturulabilir ve yine bunların izlenebilmesi
için ana video bütününe ihtiyaç duyulmaz.
Bu esneklik içeriğin korunması açısından
yayıncılara zorluk çıkartmaktadır. Bu sorunun
çözümü için geliştirilen yöntemler genellikle
dosyayı şifreleme şeklinde olup, mevcut
yazılım ve donanım birimlerinde köklü
değişiklikler gerektirmektedir.
Geliştirilen yöntemde Mpeg akımının
içeriğinde
değişiklikler
yapılmaktadır.
Yapılan bu değişiklikler sıkıştırılmış Mpeg
akımının, mevcut video gösterici yazılım ve
donanım birimlerinde düzgün biçimde
izlenebilmelerine engel teşkil etmemiştir.
Fakat mevcut video akımında ileri veya geri
sarma işlemleri yapılması ya da video
akımından belli bir parçacıkların çıkartılması,
parçacıkların birleştirilerek yeni parçacıklar
oluşturulması işlemleri sonucunda video
akımı izlenemez hale gelmektedir.
katmanı, sıkıştırma katmanına yardımcı
işaretçiler içermektedir. Sıkıştırma katmanı
ise ses ve video çözücü birimlerin veri
ihtiyacını karşılamaktadır. Tipik bir Mpeg
sistem blok diyagramı şekil 1’deki gibidir.
Görüldüğü gibi Mpeg akımında Sistem
katmanını etkileyecek bir değişiklik video ve
ses verisinin çözülmesine ve izlenmesine
engel olacaktır. Ayrıca yapılabilecek bu tip bir
değişiklik akımın tümünün izlenmesini
engelleyecek ve akımı bozacaktır.
2. MPEG AKIMI
Sayısallaştırılmış video verisinin Mpeg
yöntemiyle sıkıştırılmış haline Mpeg akımı
denilmektedir. Mpeg akımı uygun bir kod
çözücü yazılım veya donanım yardımıyla
izlenebilir video haline dönüştürülür. Mpeg
akımı çok esnek bir yapıya sahiptir. Akımın
bütünden koparılmış herhangi bir parçası, kod
çözücü birim tarafından akımın bütününe
ihtiyaç
duyulmadan
izlenebilir
hale
dönüştürülebilmektedir. Mpeg akımı video ve
ses bilgisinin her ikisini de bünyesinde
barındırmaktadır. [4]
Geliştirilen yöntem sistem çözücü katmanı
geçebilmeli ve gerekli müdahaleyi video
çözücü
katmanı
etkileyecek
şekilde
yapabilmelidir.
Mpeg akımı bir sistem katmanı ve bir
sıkıştırma katmanından oluşmaktadır. Sistem
Şekil 1. Mpeg Sistem Yapısı
Sistem çözücü birim bit akımını paket
başlangıç kodlarına göre işleyerek video ve
ses çözücü birimleri besler. Sistem katmanı
paket başlıkları tablo1’de gösterilmektedir.[4]
3. SİSTEM KATMANI
Mpeg sistem katmanı, sıkıştırılmış bir ya da
daha fazla ses veya video akımını tek bir
akıma çevirmek gibi temel bir işleve sahiptir.
Sistem çözücü birim bu bit akımını işler ve
akımı zamanlama bilgisiyle birlikte gerekli
çözücü birime iletir.
Tablo1. Mpeg sistem başlıkları
Kod Adı
iso_11172_bitiş kodu
Paket başlangıç kodu
Sistem başlangıç kodu
Ayrılmış akım
Özel akım 1
Boşluk akımı
Ses akımı
Video akımı
Mpeg akımı, alt paketlere ayrılabilen bir dizi
paket sıralaması içermektedir. Her bir paket
32 bitlik eşsiz paket başlangıç kodu ve başlığa
sahiptir. Bütün başlangıç kodları yirmi üç adet
0 ve bir adet 1’den oluşan 3 byte’lık bir ön ek
alırlar. Bunun ardından gelen son byte farklı
başlangıç kodlarının kimliğini belirler. Mpeg
akımında başlangıç kodları dışında buna
benzer bir dizilime izin verilmez. [3]
Şekil 2. Mpeg Sistem başlıkları
2
Değeri (Hex)
0 0 1 B9
0 0 1 BA
0 0 1 BB
0 0 1 BC
0 0 1 BD
0 0 1 BE
0 0 1 C0 – 1 DF
0 0 1 E0 – 1 EF
4. VİDEO BAŞLANGIÇ KODLARI
Sistem katmanı, eşsiz sistem başlıklarını
kullanarak Mpeg akımını ses ve video çözücü
birimlere dağıtmaktadır. Video çözücü
birimin,
sıkıştırılmış
Mpeg
akımını
çözebilmesi için video başlangıç kodları
adındaki başlık kodları kullanılmaktadır. [6]
Video başlangıç kodları video çözücü birim
tarafından çözülürler. Bir video sıralaması
sıralama başlangıç kodu ile başlamaktadır.
Video sıralamasının altında resim grupları,
resim gruplarının altında resimler, resimlerin
altında dilimler, dilimlerin altında makro
bloklar, makro blokların altında ise video
verisini içeren bloklar bulunmaktadır. Bu
hiyerarşik yapının oluşturulabilmesi için video
başlık kodları kullanılır. Video başlangıç
kodları eşsizdirler ve görsel veri içerisinde
başlangıç kodlarının bulunamayacağı kesin
şekilde bildirilmiştir. [5]
Tablo 2’de video başlangıç kodlarının bir
listesi bulunmaktadır.
Tablo2. Mpeg video başlangıç kodları
Kod Adı
Resim grubu
Resim
Sıralama bitişi
Sıralama hatası
Sıralama başlangıcı
Dilim 1- Dilim 175
Kullanıcı verisi
Değeri (Hex)
0 0 1 B8
0010
0 0 1 B7
0 0 1 B4
0 0 1 B3
0 0 1 01 – 1 AF
0 0 1 B2
Şekil 3. Mpeg video katman yapısı
5. AKIMIN ÇÖZÜLMESİ
Şekil 4’deki akış şeması video akımının
çözülmesi
işleminin
bir
kısmını
göstermektedir. Buna göre bir video akımının
çözülebilmesi için sıralama başlangıç
kodunun bulunması gerekmektedir. Bunun
ardından resim grubu başlangıç kodu
aranmaktadır.
Resim grubu başlangıç kodu bulunduktan
sonra resimlerin çözülmesi işlemine başlanır.
Resimleri belirlemek için “0 0 1 0” hex
değeri, akım içinde aranır. Resmin yeri
belirlendikten sonra tipi belirlenmektedir.
Standart video dosyalarının aksine Mpeg
yöntemi ile sıkıştırılmış video dosyalarında 3
farklı çerçeve tipi vardır. Bu sayede birbirini
takip eden çerçeveler arasında az bir görsel
fark olması durumunda çerçevenin tamamı
dosyaya aktarılmaz. [2]
a) I çerçevesi: Tam bir video resmidir.
Gösterilebilmesi için başka bir resme ihtiyaç
yoktur. En çok veriyi kapsamaktadır.
b) P çerçevesi: Bir önceki çerçevedeki
farklılıkları şifrelemektedir. Gösterilebilmesi
için bir önceki çerçeveye ihtiyaç duyar. B
çerçevesinden daha fazla yer kaplamaktadır.
Şekil 4. Video akımı çözme işlemi
c) B çerçevesi: Bir önceki yada daha sonraki
çerçevedeki farklılıkları şifrelemektedir. I
çerçevesindeki verinin en az %25’ini içerir.
Gösterilebilmesi için bir önceki ya da sonraki
çerçeveye ihtiyaç duyar.
a) Bir sıralama başlangıcı her zaman en
azından bir resim grubu tarafından takip
edilir
b) Bir video akımında birden fazla sıralama
başlangıcı bulunabilir.
Bu kurallar dışında bir video gösterici
birimin, görüntüyü ileri ya da geri sarma
işlemleri sırasında, video akımı çözme işlem
basamaklarını en başından uyguladığı da
dikkate alınmıştır. [4]
Şekil 5. Bir resim grubu, resim çerçevesi tipleri
Bu durumda video gösterici birimin ileri ya
da geri sarma işlemleri sırasında, akım
içersinde birden fazla bulunan, sıralama
başlangıcı kodunu bulması gerekmektedir.
Eğer bir video akımında bir tek sıralama
başlangıcı kodu bulunursa, akım içerisinde
operatör işlemlerini uygulamak mümkün
olmayacaktır. Ayrıca bir sıralama başlangıcı
her zaman resim grupları tarafından takip
edileceğinden, başka sıralama başlangıcı
koduna ihtiyaç duyulmayacaktır.
6. AKIMIN KORUNMASI
Bu çalışmada akımın korunması ile
hedeflenen, ileri geri alma gibi operatör
işlemlerinin
engellenmesi
ve
video
bütününden
belli
bir
parçanın
kopyalanmasının engellenmesidir.
Bu amaçla, akımın çözülmesi işlemi detaylı
bir şekilde incelenmiştir. Akımda yapılacak
değişiklik akımın tümden bozulmasına neden
olmamalıdır.
Bu amaçla yapılan çalışmalarda aşağıdaki
kurallardan faydalanabilineceğine karar
verilmiştir:
7. SONUÇLAR
Örnek video görüntüsü içinden sadece bir
sıralama başlangıç kodu kalacak biçimde geri
4
kalan
sıralama
başlangıç
kodlarının
pozisyonları belirlenmiş ve bunların yerine
rastlantısal veriler girilmiştir. Akım çözümü
sırasında başlıklar dikkate alındığından
dolayı
sıralama
başlangıçları
yerine
rastlantısal
veriler
verilmesi
akımın
çözülmesi işlemine herhangi bir etkisi
olamamaktadır. Bu sayede video akımı,
mevcut kullanılan donanım ve yazılım
birimleri değişmeden izlenebilmektedir.
Değişiklik yapılan video akımı, yazılım
(Windows Media Player 11) ve donanım
tabanlı video çözücü birimler tarafından test
edilmiş ve akım içerisinde ileri ya da geri
sarma
operatör
işlemlerinin
gerçekleştirilemediği gözlemlenmiştir.
Bunun dışında Movie Maker ve Video Cd
Cutter adında, video kesme işlemi için
kullanılan yazılımlar, korunmuş video
akımlarından izlenebilir video parçacıkları
çıkarmayı başaramamıştır.
9. KAYNAKLAR
[1].CHANG, S., ‘Compressed Domain
Techiques for Image/Video Indexing and
Manipulation’, IEEE Conference On
Image Processing, 1995
[2].J. GILVARRY, ‘Extraction of Motion
Vectors from an MPEG Stream’, 1999.
[3].MENG, J., CHANG, S., ‘Tools for
Compressed Domain Video Indexing and
Editing’, SPIE Conference on Storage
and Retrieval, 1995.
[4].Mitchell, J.L., Pennebaker, W.B., Fogg,
C.E. ve Legal, D.J., Mpeg Video
Compression Standard, Chapman and
Hall, 1996.
[5].PATEL, N., SETHI, I., ‘Compressed
Video Processing for Cut Detection’,
1996
[6].Taşkın, D., Suçsuz, N., “Sıkıştırılmış
ortamda çerçeve tipine dayalı gerçek
zamanlı sahne değişimi belirleme”, IV.
Bilgi teknolojileri Kongresi, 9-11 Şubat
2006, Pamukkale Üni.
5
ISSN:1306-3111
e-Journal of New World Sciences Academy
2007, Volume: 2, Number: 3
Article Number: A0029
NATURAL AND APPLIED SCIENCES
COMPUTER ENGINEERING
Received: March 2007
Accepted: July 2007
© 2007 0Hwww.newwsa.com
Deniz Taşkın
Nurşen Suçsuz
Cem Taşkın
University of Trakya
[email protected]
Edirne-Türkiye
SIKIŞTIRILMIŞ VİDEO GÜVENLİĞİ
ÖZET
Günümüz
şifreleme
algoritmaları
geleneksel
metin
verisini
şifrelemeye ve çözmeye yöneliktir. Video akımının şifrelenmesinde
sıkça
rastlanan
yaklaşım,
sayısal
videonun
bir
bit
akımına
dönüştürülerek geleneksel veri gibi şifrelenmesidir. Kendine has bir
yapısı olan video akımının şifrelenmesi, şifreyi çözmek isteyen
saldırgana açık noktalar bırakmaktadır. Bu çalışmada, video verisinin
artan güvenlik ihtiyaçlarına karşın, geleneksel yöntemlerle akım
şifrelendiğinde ortaya çıkan zayıf noktalar gösterilecek ve alternatif
bir yöntem açıklanacaktır. Önerilen yöntem, düşük sistem kaynak
ihtiyacı ve karmaşıklık seviyesine karşılık sıkıştırılmış video
akımına özel şifreleme, yüksek güvenlik, taşınabilirlik ve hız
sağlamaktadır.
Anahtar Kelimeler: Video Güvenliği, Video Kodlama, MPEG
COMPRESSED VIDEO SECURITY
ABSTRACT
Conventional cryptography algorithms deal with the encryption
and decryption of text data. Common method for encrypting video stream
is encoding digital video into bit stream and encrypting in the same
way as generic data. Encrypting video data that have a unique
structure gives weak points to the attacker. In this study, despite of
increasing security requirements of video data, weak points that
appear
when
stream
is
encrypted
by
traditional
methods
are
demonstrated and an alternative method is explained. Given method
provides special cryptography for compressed video stream, high
security, mobility and speed for lower system requirements and
complexity.
Keywords: Video Security, Video Coding, MPEG
e-Journal of New World Sciences Academy
Natural and Applied Sciences, 2, (3), A0029, 173-181.
Taşkın, D., Suçsuz, N., and Taşkın, C.
1. GİRİŞ (INTRODUCTION)
Video, belli bir zaman aralığında ardı ardına gösterilen resim
kareleri olarak tanımlanabilir. Başlangıçta analog olarak kaydedilip
üzerinde işlem yapılarak yayınlanan video, teknolojideki ilerlemeye
bağlı olarak sayısallaştırılarak bilgisayar ortamında işlenmeye ve
yayınlanmaya başlamıştır. Sayısallaştırılmış video yüksek kalitede ses
ve resim gibi avantajlar sağlamanın yanında, kalitesini uzun süreler
koruyabilmektedir. Tüm pozitif özelliklerine rağmen sayısallaştırılmış
video verisi, kapladığı alan bakımından geleneksel veriden farklılık
göstermektedir. Sayısallaştırılmış video görüntüleri büyük miktarda
yer kaplamaktadır ve iletim zorlukları bulunmaktadır [7].
Video
verisinin
kapladığı
alan
ve
bant
genişliği
gereksinimlerinden dolayı sıkıştırılması gerekmektedir. Son dönemlerde
MPEG sıkıştırma yöntemi anahtar teknoloji olarak karşımıza çıkmakta ve
birçok platformda paralel olarak MPEG çözücüler geliştirilmektedir.
Günümüz koşullarında artan kullanım alanlarına bağlı olarak video
dosyalarının güvenlik şartlarının yerine getirilmesi kaçınılmazdır.
Şifreleme
ve
şifre
çözme
güvenli
sistem
kurmanın
temel
teknolojileridir.
İçerik
koruma
ve
erişim
kontrolü
genellikle
şifreleme ile sağlanmaktadır. Günümüz şifreleme algoritmaları alfasayısal veriyi şifreleme ve çözmeye yönelik kullanılmaktadır. Son
zamanlarda video verisinin içeriğiyle ilgili bilgiler doğrultusunda,
güvenliğinin sağlanması sistematik biçimde ele alınmaktadır. Düşman,
video verisinin fark edilebilir güvenlik açıklarını kullanarak
şifrelenmiş görüntüyü izlenebilir kılabilir. Geleneksel yöntemle
şifrelenmiş video dosyaları diğer tür dosyalara göre çok daha kolay
çözülebilir. Nasıl ki video verisini sıkıştırmak için video verisine
özel metotlar geliştirilmiş ise, video dosyalarının şifrelenmesi için
de geleneksel metotlar kullanılmamalı, video verisine özel metotlar
geliştirilmelidir.
Bu
yüzden
video
verisinin
korunması
video
kodlamanın bir alanıdır.
Bu çalışma, video verisinin erişim kontrolünü denetlemek için
gerçek zamanlı çalışabilecek düzeyde yeni bir yöntemi öne sürmektedir.
Geleneksel şifreleme algoritmaları Bölüm 2’de anlatıldıktan sonra
Bölüm 3’te MPEG video sıkıştırma metodundan bahsedilecektir. Ardından
Bölüm 4’te MPEG video akımının özellikleri incelenecektir. Bölüm 5’te
geleneksel şifreleme algoritmaları kullanılarak şifrelenmiş video
akımının zayıf noktalarından bahsedilecek ve alternatif yöntem Bölüm
6’da anlatılacaktır. Çalışma, sonuçların Bölüm 7’de açıklanması ile
son bulacaktır.
2. ÇALIŞMANIN ÖNEMİ (RESEARCH SIGNIFICATION)
Bu çalışmada, sıkıştırılmış video güvenliği ele alınmış olup,
geleneksel yöntemlerle şifrelenmiş video akımının, anahtar değer
bilinmeden
şifresinin
kırılmasını
sağlayan
açık
noktalarının
gösterilmesi hedeflenmiştir. Geleneksel şifreleme algoritmalarını
güçlü kılan, anahtar değerin teorik olarak kırılma süresinin çok uzun
bir süreç alabilmektedir. Çalışmada önerilen şifreleme yöntemi ile
sıkıştırılmış video akımının güvenlik ihtiyaçları karşılanmaktadır.
Araştırmada bu ve buna benzer alanlarda yapılacak diğer çalışmalara
ışık tutma açısından ele alınan konular oldukça önemlidir.
3. ŞİFRELEME (CRYPTOGRAPY)
Şifreleme,
matematik
kullanarak
veriyi
gizleme
ve
çözme
bilimidir. Şifreleme, değeri yüksek bilgiyi saklama ve güvensiz
yollarda iletimi sırasında istenilen kişi dışında başkası tarafından
okunmasını engeller. Herhangi bir yöntem kullanılmadan doğrudan
okunabilen metne açık metin, açık metnin içeriğini gizleme yöntemine
şifreleme denilmektedir. Açık metnin anlamsız ve okunamayacak haline
174
e-Journal of New World Sciences Academy
Natural and Applied Sciences, 2, (3), A0029, 173-181.
Taşkın, D., Suçsuz, N., and Taşkın, C.
şifrelenmiş metin denmektedir. Açık metin şifrelenerek, istenilen kişi
dışında birisi tarafından okunamaz hale getirilmektedir. Şifreli
metinden, orijinal açık metne dönüştürme işlemine şifre çözme
denilmektedir [3]. Şekil 1, bu işlem basamaklarını göstermektedir.
Açık metin
Şifreleme
Şifreli metin
Şifre çözme
Açık metin
Şekil 1. Geleneksel şifreleme
(Figure 1. Conventional cryptography)
Şifreleme algoritmaları, simetrik ve asimetrik olmak üzere iki
ana
kategoriye
ayrılmaktadır.
Simetrik
şifreleme
algoritmaları,
şifreleme ve çözme işlemleri için bir tek anahtar kullanmaktadır.
Geniş bir kullanım alanına sahip DES şifreleme algoritması simetrik
şifreleme algoritmalarına örnek olarak gösterilebilir [2]. Şekil 2
simetrik şifreleme algoritmalarının nasıl çalıştığını göstermektedir.
Açık metin
Şifreleme
Şifreli metin
Şifre çözme
Açık metin
Şekil 2. Simetrik şifreleme
(Figure 2. Symmetric cryptography)
Asimetrik
şifreleme
algoritmaları
ise,
simetrik
şifreleme
algoritmalarından farklı olarak bir yerine iki anahtar kullanmaktadır.
Açık
metin,
açık
anahtar
denilen
anahtar
kullanılarak
şifrelenmektedir. Alıcı, şifreli metni gizli anahtar denilen anahtarı
kullanarak çözmektedir. Açık anahtarın korunmasına gerek kalmadan
gizli anahtar korunarak güvenlik sağlanmaktadır. Açık anahtara sahip
herhangi bir kişi, gizli anahtarı olan kişinin okuyabileceği metinler
üretmekten öteye gidemez. Şifreli metinden açık metne dönüşüm işlemi
sadece gizli anahtara sahip olan kişi tarafından gerçekleştirilebilir
[1].
175
e-Journal of New World Sciences Academy
Natural and Applied Sciences, 2, (3), A0029, 173-181.
Taşkın, D., Suçsuz, N., and Taşkın, C.
Açık metin
Şifreleme
Şifreli metin
Şifre çözme
Açık metin
Şekil 3. Asimetrik şifreleme
(Figure 3. Asymmetric cryptography)
Asimetrik
Şifreleme
Uygulaması
(Asymmetric
Cryptography
Application): Geleneksel şifreleme algoritmalarının açık noktalarının
belirlenmesi için asimetrik şifreleme algoritmasını temel alan bir
uygulama
yazılımı
gerçekleştirilmiştir.
C
programlama
dili
kullanılarak geliştirilen uygulama yazılımı, kullanıcıdan aldığı iki
adet asal sayıyı kullanarak şifreleme ve şifre çözme işlemlerini
gerçekleştirmektedir.
Şekil 4. Şifreleme işlemi için akış şeması ve program kodu
(Figure 4. Flow chart and program code of encrypting process)
176
e-Journal of New World Sciences Academy
Natural and Applied Sciences, 2, (3), A0029, 173-181.
Taşkın, D., Suçsuz, N., and Taşkın, C.
Program öncelikle kullanıcıdan p ve q gibi iki asal sayı girişi
beklemekte ve program n ve Øn değerlerini hesaplamaktadır.
n=13*29=377
Øn=(13-1)*(29-1)=336
(1)
Ardından şifreleme için kullanılan e ve şifre çözme için
kullanılan d anahtar çifti belirlenmektedir. Bu çift asal sayı olmak
zorundadır.
d*e=1 mod Øn
(2)
Bu işlem sonucunda d=269, e=5 olarak belirlenmekte ve program m
değişkenine şifrelenecek dosyadan bir byte okuma işlemi yapmaktadır.
Asimetrik şifreleme m değerini şifrelemek için aşağıdaki formülü
kullanmaktadır. Örnek olarak 5 değeri şifrelendiğinde şifreli byte
değerimiz 109 olmaktadır.
(3)
c = me mod n
109 = 55 mod 377
Şekil 5. Şifre çözme işlemi için akış şeması ve program kodu
(Figure 5. Flow chart and program code of decrypting process)
Gönderici m değerini şifreledikten sonra şifrelenmiş dosyaya
kaydetmektedir. Şifrelenecek dosyadaki tüm veriler şifrelenip şifreli
dosyaya yazıldığında program sonlanmaktadır.
177
e-Journal of New World Sciences Academy
Natural and Applied Sciences, 2, (3), A0029, 173-181.
Taşkın, D., Suçsuz, N., and Taşkın, C.
Şifrelenmiş dosyanın şifresinin çözülmesi işlemi sırasında
program şifre çözme anahtarı d’yi kullanmaktadır. Program öncelikle
şifreli dosyadan bir byte’lık c verisini okumaktadır. Şifreli c verisi
açma anahtarı d kullanılarak aşağıdaki formül ile çözülmektedir.
m = cd mod n
5 = 109269 mod 377
(4)
Şifresi çözülecek dosyadaki tüm veriler çözülüp şifresiz dosyaya
yazıldığında program sonlanmaktadır.
4. MPEG VİDEO SIKIŞTIRMA STANDARDI
(MPEG VIDEO COMPRESSION STANDARD)
Sayısallaştırılmış video akımını sıkıştırma, hazır çorbaya
benzetilebilir. Çorba paketlenirken taşıma ve saklamayı daha etkin
yapmak için çorba içindeki tüm su ayrıştırılır. Kurutulmuş çorba
paketlenerek
satılır.
Paket
müşteriye
ulaştığında
karışıma
su
eklenerek çorba tekrar oluşturulur. MPEG sıkıştırması da ses ve
görüntü akımından gereksiz bilgileri çıkartarak sinyali orijinal
boyutundan 180/1’e kadar daha küçük hale getirebilmektedir. Akım
izleyiciye ulaştığında kod çözücü birim orijinal içeriği tekrar
oluşturmakta ve videoyu izlenebilir kılmaktadır. Sıkıştırma sayesinde
depolama ve iletimde büyük kolaylıklar sağlanmış ve video dosyalarının
kullanım oranları artmıştır.
Video akımı sayısallaştırıldıktan sonra sıkıştırılmaya hazırdır.
MPEG basitçe özetlendiğinde, birbirini izleyen video çerçevelerinde
büyük
oranda
tekrar
eden
benzerlikleri
ve
insan
gözünün
algılayamayacağı düzeydeki detayları yok sayarak yüksek oranda
sıkıştırma
sağlayan
bir
yöntemdir.
Sıkıştırma
sonucunda
resim
kalitesinde kabul edilebilir bir bozulmaya karşılık orijinal sinyalin
büyük bir bölümü atılabilir [7].
5. MPEG AKIMI (MPEG STREAM)
Etkin bir sıkıştırma yöntemi olması dışında MPEG sıkıştırma
yöntemi aynı zamanda dosya deseni bakımından da esnektir. Bir video
bütününden kopartılan belli bir sürelik video parçacığı kendi başına
izlenebilmektedir. Bu video parçacıkları birleştirilerek daha büyük
video parçacıkları oluşturulabilir ve yine bunların izlenebilmesi için
ana video bütününe ihtiyaç duyulmamaktadır. Esnek dosyalama yapısını
MPEG başlıkları sağlamaktadır. Birçok yönden iyileştirmeler içeren
MPEG sıkıştırma yöntemi kullanılarak sıkıştırılmış video akımı
içerisinde gereksiz tekrarlar bulunmamaktadır. Başlık bilgilerinin
dışında tekrar eden bit dağılımına rastlanmamaktadır. Video akımının
kodunun çözülmesinde bu özellik kullanılmaktadır. Bütün başlangıç
kodları yirmi üç adet 0 ve bir adet 1’den oluşan 3 byte’lık bir öne ek
almaktadırlar. Bunun ardından gelen son byte farklı başlangıç
kodlarının kimliğini belirlemektedir. MPEG akımında başlangıç kodları
dışında buna benzer bir dizilime izin verilmemektedir [5]. Tablo 1’de
bazı başlangıç kodları verilmiştir.
Tablo 1. MPEG video başlıkları
(Table 1. MPEG video headers)
Ön ek
0000 0000 0000 0000 0000 0001
Kod Adı
Değeri
Kod Adı
Değeri
Resim grubu
1011 1000
Sıralama başlangıcı
1011 0011
Resim
0000 0000
Dilim 1
0000 0001
Sıralama bitişi
1011 0111
Dilim 175
1010 1111
Sıralama hatası
1011 0100
Kullanıcı verisi
1011 0010
178
e-Journal of New World Sciences Academy
Natural and Applied Sciences, 2, (3), A0029, 173-181.
Taşkın, D., Suçsuz, N., and Taşkın, C.
Şekil 6’da sıkıştırılmış videoyu oluşturan katmanlar görülmektedir.
Şekil 6. MPEG video başlık katmanları
(Figure 6. MPEG video header layers)
6. VİDEO AKIMINI ŞİFRELEME (ENCRYPTING VIDEO STREAM)
İçerik güvenliği ve erişim kontrolü genellikle şifreleme ile
sağlanmaktadır. Eşsiz bir doğaya sahip MPEG sıkıştırılmış video akımı
geleneksek metotlar kullanılarak şifrelenebilmektedir. Bu bölümde,
asimetrik
şifreleme
algoritması
kullanılarak
şifrelenen
video
verilerinin açık noktalarına değinilecektir. Düz metni şifrelemek için
kullanılan bu algoritmalarda, gizli metinden anahtar değeri bilmeden
açık metni elde etmek için yeterli sayıda açık metin-şifreli metin
ikilisine
ihtiyaç
duyulmaktadır.
Sadece
şifreli
metinden
elde
edilebilecek tek sızıntı kelime boyları ve harf kullanım yoğunlukları
olmaktadır. Bu özellikleri kullanarak açık metin-şifreli metin
ikilileri elde etmek sözlük kullanarak deneme yanılma yöntemine
dayanmaktadır. Sadece şifreli metinden yararlanarak şifreyi kırma
işleminin yüksek matematiksel karmaşıklık zorunluluğu geleneksel
şifreleme algoritmalarını güçlü kılmaktadır. Geleneksel metotlar,
deneme yanılma sayısının çok olması ve kırma işleminin çok uzun
sürmesi açısından kırılamaz olarak nitelendirilmektedirler.
MPEG sıkıştırılmış video akımının düşman saldırılara açık olduğu
en zayıf noktası başlık değerleridir. MPEG akımının belli bir dosya
deseninin bulunmamasından dolayı akımın çözülmesinde MPEG video
başlıkları birincil rol oynamaktadır. Bütün başlangıç kodları yirmi üç
adet 0 ve bir adet 1’den oluşan 3 byte’lık bir öne ek almaktadırlar ve
yüksek sıkıştırma oranlarından dolayı MPEG video akımında başlık
bilgileri dışında böyle bir dağılıma rastlamak mümkün değildir [5].
Doğal olarak böyle bir bit diziliminin şifrelenmiş hali de kolayca
fark edilebilir.
Düşman elinde bulunan şifreli video akımı içerisinde birbiri
ardına sıralanmış iki adet aynı değerli sayı tespit ettiğinde, bunun
bir başlık bilgisi olduğunu öngörerek anahtar değeri tespit edebilir.
Saldırgan şifrelenmiş akımdaki sadece basit birkaç karşılaştırma
işlemi sonrasında, başlık bilgilerini kullanarak birçok açık metinşifreli metin ikilisi elde etmektedir.
179
e-Journal of New World Sciences Academy
Natural and Applied Sciences, 2, (3), A0029, 173-181.
Taşkın, D., Suçsuz, N., and Taşkın, C.
7. ALTERNATİF YÖNTEM (ALTERNATIVE METHOD)
Prensip
olarak,
sayısal
video
verisi
bir
bit
akımına
dönüştürülerek
geleneksel
veri
gibi
şifrelenebilir.
Sayısallaştırılmış ve sıkıştırılmış video verisinin alfa-sayısal
biçimde ele alınıp şifrelenmesi görüldüğü gibi hatalı bir yaklaşımdır.
Video verisinin eşsiz doğasından dolayı “ya hep-ya hiç” koruma
mantığına sahip geleneksel şifreleme yöntemleri video verisinin
güvenliği için uygun olmamaktadır. Anahtar bilinmeden, şifreli metin
incelenerek elde edilen açık noktalar kullanılarak şifre kırma işlemi
yapılmaktadır. Tüm bu noktalar dikkate alındığında akım bütününün
şifrelenmesi
saldırgana
şifreyi
kırması
için
yeterli
bilgiyi
sağlamaktadır.
Akımın
bütününün
yerine
belli
bir
kısmının
şifrelenmesinin daha fazla güvenlik sağlayacağı açıkça görülmektedir.
Bu noktada, saldırgana yeterince açık metin-şifreli metin ikilisi
sağlayan başlık bilgilerinin şifrelenmemesi öngörülmektedir. Başlık
bilgileri
dışında
MPEG
akımında
birbirini
tekrarlayan
veri
bulunmamaktadır. Bu yüzden başlık bilgileri dışındaki bit akımı
şifreleme işlemine tabi tutulmaktadır. Böylece şifreli dosyada işleme
alınan tekrarlı bilgi bulunmamaktadır. Bu da şifreli dosyanın
kırılmasını büyük oranda zorlaştırmaktadır. Başlık bilgileri dışındaki
verinin şifrelenmesi saldırgana açık nokta bırakmamaktadır.
Resim grubu başlık bilgisi
a) Açık video akımı
Resim grubu başlık bilgisi
b) Şifreli video akımı
Şekil 7. Açık ve öngörülen yöntemle şifrelenmiş video akımlarının hex
biçiminde görünümleri
(Figure 7. Hexadecimal views of open stream and stream encrypted by
suggested method)
8. SONUÇ (RESULT)
MPEG video akımında başlık bilgilerinin kapladığı alan veri
bütününün %1’lik miktarını oluşturmaktadır [5]. Toplam veri miktarına
göre çok düşük bir alan kaplayan başlık bilgileri, şifre kırma işlemi
için çok değerli bilgiler sızdırmaktadır.
180
e-Journal of New World Sciences Academy
Natural and Applied Sciences, 2, (3), A0029, 173-181.
Taşkın, D., Suçsuz, N., and Taşkın, C.
Şekil 8. Toplam video boyutu ve başlık boyutları
(Figure 8. Total video file size and header sizes)
Bu çalışmada MPEG video akımının şifrelenmesi üzerine yeni bir
yaklaşım önerilmektedir. Yeni geliştirilen yöntem, MPEG kodlama
yapısına özel geliştirildiğinden dolayı, veri bütünün şifrelenmesi
gereken kısımlarını kendisi belirlemektedir. Belirlenen zayıf noktalar
şifrelenmeyerek verinin güvenliği arttırılmaktadır.
KAYNAKLAR (REFERENCES)
Rivest, R., Shamir, A., and Adleman, L., (1978). A method for
optaining digital signatures and public-key cryptosystems,
Communications of ACM, ss:120-126.
2. Coppersmith, D., (1994). The data encryption Standard (DES) and
its strenght against attacks, IBM journal of research and
development.
3. RSA Laboratories, (2000). Frequently asked questions about
today's cryptography.
4. Taşkın, D., ve Suçsuz, N., (2006). Sıkıştırılmış ortamda çerçeve
tipine dayalı gerçek zamanlı sahne değişimi belirleme, IV. Bilgi
teknolojileri Kongresi, Denizli.
5. Taşkın, D., Taşkın, C., and Suçsuz, N., (2007). MPEG akımında
başlık şifreleme, Akademik Bilişim 2007, Kütahya.
6. Taşkın, D., Taşkın, C., and Suçsuz, N., (2007). MPEG akımında
operatör
işlemlerinin
kısıtlanması
yoluyla
içerik
koruma,
Akademik Bilişim 2007, Kütahya.
7. Mitchell, J.L., Pennebaker, W.B., Fogg, C.E. ve Legal, D.J.,
(1996). Mpeg Video Compression Standard, Chapman and Hall.
8. Chang, S., (1995). Compressed Domain Techiques for Image/Video
Indexing and Manipulation, IEEE Conference On Image Processing.
9. Gilvarry, J., (1999). Extraction of Motion Vectors from an MPEG
Stream.
10. Meng, J., and Chang, S., (1995). Tools for Compressed Domain
Video Indexing and Editing, SPIE Conference on Storage and
Retrieval.
11. Patel, N., and Sethi, I., (1996). Compressed Video Processing
for Cut Detection.
1.
181
MPEG VIDEO PROTECTION BY CHANGING BYTE ALIGNMENT
Deniz TAŞKIN, Nurşen SUÇSUZ, Cem Taşkın
Trakya University, Engineering and Architecture Faculty, Computer
Engineering Department, Edirne-Turkey
ABSTRACT
Conventional cryptography deals with the encryption and decryption of text
data. While strength of algorithms increases, system resources to resolve
these algorithms will also increase. In principle, digital multimedia can be
encoded into a bit stream and encrypted in the same way as generic data.
Real-time encryption for an entire video stream using classical ciphers
requires heavy computation due to the large amounts of data involved, and
many multimedia applications require an a much lower level. Despite of full
stream, one percent of video stream cryption will provide same security
level by using developed method. In this work we consider the process of
real time encryption and decryption for video streams.
Keywords: Mpeg, video security, selective encryption
INTRODUCTION
Video is the technology of electronically of capturing, recording,
processing, storing, transmitting and reconstructing a sequence of still
images representing scenes is motion. The wide user of videos in various
applications brings serious attention to the security and privacy issues
today. Many different encryption algorithms have been proposed in recent
years as possible solutions to protection of digital images and videos,
among which MPEG videos attract most attention due to its prominent
prevalence in consumer electronic markets. Most of the digital video files
are stored and distributed in compressed domain. For security of video files
which are stored in compressed domain, current crypto algorithms can be
used. Due to the unique nature of multimedia data “all-or nothing”
protection in generic data security is not always appropriate for measuring
the security of multimedia encryption. Previous cryptography studies have
focused on text data [1, 2, and 3]. The encryption algorithms developed to
secure text data may not be suitable to multimedia applications because of
large data sizes and real time constraint. For multimedia applications light
weight encryption algorithms are attractive. Encryption schemes for
multimedia data need to be specifically designed to protect multimedia
content and fulfill the security requirements for a particular multimedia
application.
MPEG STREAM
As MPEG video coding standard, a video is composed of a sequence of
group of pictures (GOP). Each GOP is a group of I, P and B frames. I
frames are intra coded pictures without any reference and can be displayed
alone. P pictures are predictively coded using a previous I or P picture. B
pictures are bidirectionally interpolated both the previous and following I or
B pictures. Each frame is divided into slices and slices are divided into
macroblocks. A macroblock is a 16x16 pixel array and a block is 8x8 pixel
array.
Figure 1. MPEG layers
Mpeg video stream has flexible file structure as a piece taken from entire
file can be displayed alone. This is obtained by byte-aligned 32bit patterns
called MPEG start codes. These codes as the name would suggest start
certain segments of the video stream. The start codes all have a three byte
prefix of 23 zero bits followed ‘1’ bit; final byte then identifies the
particular start code. The byte alignment is easily maintained in the system
layer because the headers are always multiplies of bytes. Table 1 lists some
of the start codes in binary format [7].
Table 1. Some of MPEG start codes
Prefix
0000 0000 0000 0000 0000 0001
Code Name
Group of pictures
Picture
Sequence End
Sequence Error
Sequence Start
Slice 1
Slice 175
Value
1011 1000
0000 0000
1011 0111
1011 0100
1011 0011
0000 0001
1010 1111
VIDEO ENCRYPTION BY CHANGING BYTE ALIGNMENT
As seen above MPEG stream has a special and unique file structure. File is
viewable while the start codes are correct. The start codes are metadata that
are used to help decoding. In our approach we encrypt MPEG video files by
shifting start codes with following 4 bytes.
Figure 2. Application source
Developed application opens “open.mpg” video stream and reads 100 bytes
to buffer. Then buffer is searched for start codes. When start code is found,
it is shifted with following bytes then encrypted buffer is written to output
file called “secure.mpg”. Some times, generally at the end of the file buffer
cannot be filled. So the second part of program collects excess data,
encrypts them and writes to encrypted output file. This simple way to
encrypt video stream is time and cost friendly. With this method there is no
need for heavy computational processes and makes video stream rapidly
secure.
a) Original video stream
b) Encrypted video stream
Figure 3. Original and encrypted video sequences
CONCLUSIONS
This paper focuses of encryption of MPEG videos. Based on a simple
changing of special byte order, new design makes video secured. We have
seen that selective encryption is suitable for real time applications. This
method can achieve satisfactory encryption results with less computation.
Software implementations are fast enough to meet the real time requirement
of MPEG decoding. We believe that this method can be extended to secure
video-on-demand applications and pay-view programs by changing shifting
offset.
REFERENCES
1.Rivest, R., Shamir, A., Adleman, L., (1978), A method for optaining
digital signatures and public-key cryptosystems, Communications of ACM,
ss:120-126
2. Coppersmith, D., (1994), The data encryption Standard (DES) and its
strenght against attacks, IBM journal of research and development
3. RSA Laboratories, (2000), Frequently asked questions about today's
cryptography
4. Taşkın, D., Suçsuz, N., (2006), Sıkıştırılmış ortamda çerçeve tipine dayalı
gerçek zamanlı sahne değişimi belirleme, IV. Bilgi teknolojileri Kongresi,
Denizli
5. Taşkın, D., Taşkın, C., Suçsuz, N., (2007), MPEG akımında başlık
şifreleme, Akademik Bilişim 2007, Kütahya
6. Taşkın, D., Taşkın, C., Suçsuz, N., (2007), MPEG akımında operatör
işlemlerinin kısıtlanması yoluyla içerik koruma, Akademik Bilişim 2007,
Kütahya
7. Mitchell, J.L., Pennebaker, W.B., Fogg, C.E. ve Legal, D.J., (1996),
Mpeg Video Compression Standard, Chapman and Hall
8. Chang, S., (1995), Compressed Domain Techiques for Image/Video
Indexing and Manipulation, IEEE Conference On Image Processing
9. Gilvarry J., (1999), Extraction of Motion Vectors from an MPEG Stream
10. Meng, J., Chang, S., (1995), Tools for Compressed Domain Video
Indexing and Editing, SPIE Conference on Storage and Retrieval
11. Patel, N., Sethi, I., (1996), Compressed Video Processing for Cut
Detection
MPEG VIDEO PROTECTION BY SELECTIVE INVERTING
Deniz TAŞKIN, Nurşen SUÇSUZ, Cem Taşkın
Trakya University, Engineering and Architecture Faculty, Computer
Engineering Department, Edirne-Turkey
ABSTRACT
Encryption schemes for multimedia data need to be specifically designed to
protect multimedia content and fulfill the security requirements for a
particular multimedia application. In principle, digital multimedia can be
encoded into a bit stream and encrypted in the same way as generic data.
Real-time encryption for an entire video stream using classical ciphers
requires heavy computation due to the large amounts of data involved, but
many multimedia applications require an a much lower level. In this work
we consider the process of real time encryption and decryption for video
streams.
Keywords: Mpeg, video security, selective encryption
INTRODUCTION
Content confidentiality and access control is generally addressed by
encryption. Conventional cryptography and public key cryptography deals
with the encryption and decryption of traditional text data. In principle,
digital multimedia can be encoded into a bit stream and encrypted in the
same way as generic data [1, 2 and 3]. But the biggest problem of
encryption and decryption of video streams is real time constrained
continuous media. Video frames have to be displayed at a fixed rate called
frames per second. If decrypting a video stream takes too much time video
playback will be spoiled. The goal of our study is to develop a best
performance software-only video stream protection.
MPEG STREAM
MPEG video compression is used in current and emerging products for
digital television and broadcasting. MPEG video can be broken into pieces
which are completely viewable because of its hierarchy of layers. The top
layer is known as video sequence layer. The second layer is group of
pictures, a GOP comprising one or more groups of I,B or P frames and
begins with an I frame. Each frame is encoded one of three ways resulting
in three different types of frames labeled I, P and B. I Frames are encoded
in a manner that is completely self contained. P Frames employ motion
compensation as a technique using previous I or B frame as prediction
basis. B Frames employ motion compensation in two directions, using both
previous I or P frames as well as the subsequent I or P frame.
Figure 1. MPEG frame types
Each frame regardless of type divided into slices that contain macroblocks.
Macroblocks are further divided into 8x8 blocks of pixel. Figure 2 shows a
typical MPEG video sequence including two GOP’s.
Figure 2. Mpeg sequence with frame relations
Mpeg video stream has flexible file structure as a piece taken from entire
file can be displayed alone. This is obtained by byte-aligned 32bit patterns
called MPEG start codes. These codes as the name would suggest start
certain segments of the video stream. The start codes all have a three byte
prefix of 23 zero bits followed ‘1’ bit; final byte then identifies the
particular start code. The byte alignment is easily maintained in the system
layer because the headers are always multiplies of bytes. Table 1 lists some
of the start codes in binary format [7].
Table 1. Some of MPEG start codes
Prefix
0000 0000 0000 0000 0000 0001
Code Name
Group of pictures
Picture
Sequence End
Sequence Error
Sequence Start
Slice 1
Slice 175
User Data
Value
1011 1000
0000 0000
1011 0111
1011 0100
1011 0011
0000 0001
1010 1111
1011 0010
VIDEO ENCRYPTION BY SELECTIVE INVERTING
Decoding an MPEG video stream reverses the encoding process one for
one. Decoder uses start codes for viewing video stream to spectator. Since
the start codes have no direct relation to the content of the video frames,
they can be left unencrypted. In our approach we invert binary stream data
by XOR operation except start codes.
Figure 3. Flowchart of method
Developed application opens video stream and reads data to the buffer that
sized 100 bytes. Then buffer is searched for start code prefix. If a start code
is found, buffer will be inverted except start code else whole buffer will be
inverted. After encrypting buffer with XOR operation, encrypted data will
be written to destination file. This simple way to encrypt video stream is
time and cost friendly. With this method there is no need for heavy
computational processes and makes video stream rapidly secure.
a) Original video stream
b) Encrypted video stream
Figure 4. Original and encrypted video sequences
CONCLUSIONS
Due to unique nature of MPEG stream, the “all-or-nothing” protection in
generic data security is not always appropriate. There is need to study the
encryption of video stream in a systematic way. This paper focuses of
encryption of MPEG videos by selective inverting. New design is suitable
for real time applications and makes video secured.
REFERENCES
1.Rivest, R., Shamir, A., Adleman, L., (1978), A method for optaining
digital signatures and public-key cryptosystems, Communications of ACM,
ss:120-126
2. Coppersmith, D., (1994), The data encryption Standard (DES) and its
strenght against attacks, IBM journal of research and development
3. RSA Laboratories, (2000), Frequently asked questions about today's
cryptography
4. Taşkın, D., Suçsuz, N., (2006), Sıkıştırılmış ortamda çerçeve tipine dayalı
gerçek zamanlı sahne değişimi belirleme, IV. Bilgi teknolojileri Kongresi,
Denizli
5. Taşkın, D., Taşkın, C., Suçsuz, N., (2007), MPEG akımında başlık
şifreleme, Akademik Bilişim 2007, Kütahya
6. Taşkın, D., Taşkın, C., Suçsuz, N., (2007), MPEG akımında operatör
işlemlerinin kısıtlanması yoluyla içerik koruma, Akademik Bilişim 2007,
Kütahya
7. Mitchell, J.L., Pennebaker, W.B., Fogg, C.E. ve Legal, D.J., (1996),
Mpeg Video Compression Standard, Chapman and Hall
8. Chang, S., (1995), Compressed Domain Techiques for Image/Video
Indexing and Manipulation, IEEE Conference On Image Processing
9. Gilvarry J., (1999), Extraction of Motion Vectors from an MPEG Stream
10. Meng, J., Chang, S., (1995), Tools for Compressed Domain Video
Indexing and Editing, SPIE Conference on Storage and Retrieval
11. Patel, N., Sethi, I., (1996), Compressed Video Processing for Cut
Detection
http://fbe.trakya.edu.tr/tujs
Trakya Univ J Sci, 8(2): 73–79, 2007
ISSN 1305–6468
DIC: 235DTET820712070108
Araştırma Makalesi / Research Article
MPEG AKIMINI GEÇİCİ REFERANS NUMARALARINI
KULLANARAK ŞİFRELEME
Deniz TAŞKIN, Nurşen SUÇSUZ, Cem TAŞKIN
Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü 22100 EDİRNE, Tel: 0544
336 4938, e-posta: [email protected]
Alınış: 28 Haziran 2007
Kabul Ediliş: 26 ekim 2007
Özet: Bu çalışmanın amacı, sıkıştırılmış video verisinin güvenlik ihtiyaçlarını karşılayan düşük sistem
gereksinimi gerektiren bir yöntem geliştirmektir. Video akımın sıkıştırılması ve açılması aşamaları sistem
kaynaklarını kullandığından, şifreleme işlemi için kullanılan ağır algoritmalar, video verisinin gerçek
zamanlılık gereksinimini karşılayamamaktadır. Önerilen yöntem, düşük sistem kaynak ihtiyacı ve
karmaşıklık seviyesine karşılık sıkıştırılmış video akımına özel şifreleme, taşınabilirlik ve hız sağlamaktadır.
Bunlara ilaveten şifrelenen veri miktarını düşürmekte ve şifrelenmiş akımın gerçek zamanlı olarak
izlenebilmesine olanak vermektedir.
Anahtar Kelimeler: MPEG, Şifreleme, Video kodlama, Video güvenliği
Encrypting Mpeg Stream Using Temporal Referance Numbers
Abstract: The aim of this study is to develop a method which meets the security needs of the compressed
video and needs low system requirements. Since the compress of video stream and the opening process uses
the system sources, heavy algorithms that are used for encryption aren't able to deal with the real time
necessity of the video data. Proposed method provides special encryption for compressed video stream,
mobility and speed for lower system requirements and complexity. Beside this, method reduces encrypted
data mount and allows encrypted data to be watched real time.
Keywords: MPEG, Encrypting, Video coding, Video security
Giriş
Video verisi, miktar olarak çok fazla yer kaplamaktadır ve gerçek zamanlılık gibi gereksinimleri bulunmaktadır.
Bu yüzden video verisinin şifrelenmesi için genellikle görsel bozulmalara dayanan basit şifreleme metotları
kullanılmaktadır. Görsel bozulmaya dayalı şifreleme sistemleri video verisini şifreledikten sonra, görüntü bozuk
olarak gösterildiğinden şekil.1’de olduğu gibi bozuk izlenmektedir.
Şekil1. Görsel şifreleme
Görsel olarak bozulmuş video verisi izleyiciye ulaştığında, görüntüyü çözmeye yarayan özel kod çözücü
cihazlar yardımıyla görüntü tekrar izlenebilir hale gelmektedir. Görsel bozulmaya dayalı şifreleme sistemleri analog
video verisine uygulanmaktadır.
Video verisinin kapladığı alanın büyük olması ve bant genişliği gereksinimlerinden dolayı sıkıştırılması
gerekmektedir. MPEG video sıkıştırma yöntemi, günümüz video depolama ve iletiminin temelini teşkil etmektedir.
Benzersiz ve yüksek sıkıştırma oranları MPEG video sıkıştırmasını vazgeçilmez kılmıştır. MPEG, büyük miktarda
görsel veri içeren ve eşsiz bir yapıya sahip olan videonun özelliklerini kullanarak yüksek sıkıştırma oranlarını
yakalamaktadır. Video dosyası sıkıştırıldıktan sonra açıldığında görüntüde fark edilemeyecek düzeyde bir kayıp söz
konusudur. MPEG sıkıştırma yöntemi izleyici tarafından fark edilemeyecek alanlarda kaliteyi düşürerek sıkıştırılmış
sinyalin kalitesini yüksek tutmaktadır. MPEG basitçe özetlendiğinde birbirini izleyen video çerçevelerinde büyük
74
Deniz TAŞKIN, Nurşen SUÇSUZ, Cem TAŞKIN
oranda tekrar eden benzerlikleri ve insan gözünün algılayamayacağı düzeydeki detayları yok sayarak yüksek oranda
sıkıştırma sağlamaktadır (Mitchell, J.L. ve Ark. 1996).
Görsel bozulmalara dayalı şifreleme sistemleri (Nagravision,…) video verisinin görsel özelliklerini bozmaktadır.
Görsel bozulmaya dayalı klasik şifreleme yöntemleri MPEG sıkıştırma yöntemi ile verimli sıkıştırılamazlar. Görsel
özellikleri bozulmuş bir video akımı sıkıştırıldığında sıkıştırma oranı çok düşük olmaktadır. MPEG sıkıştırma
yöntemi kayıplı bir sıkıştırma yöntemi olduğundan şifrelenmiş bir görüntünün sıkıştırıldıktan sonra şifresinin
çözülmesi durumunda görüntüde büyük oranda bozulmalar görülmektedir.
Bu çalışma, video verisinin güvenlik gereksinimlerini karşılama için gerçek zamanlı ve sıkıştırma oranlarını
düşürmeden çalışabilecek düzeyde yeni bir yöntemi öne sürmektedir. Geleneksel görsel bozulmaya dayalı şifreleme
metodu ve kırılması Bölüm 2’de anlatıldıktan sonra Bölüm 3’te Mpeg video sıkıştırma metodundan bahsedilecektir.
Ardından Bölüm 4’te Mpeg video çerçevelerinin özellikleri incelenecektir ve alternatif yöntem Bölüm 5’te
anlatılacaktır. Çalışma, sonuçların Bölüm 6’da açıklanacaktır.
Görsel Bozulmaya Dayalı Şifreleme
Video verisi, miktar olarak çok fazla yer kaplamaktadır. Bu yüzden güvenliğinin sağlanmasında basit şifreleme
metotları kullanılmaktadır. Buna örnek olarak, yakın bir zamana kadar üyelerine yayınlarını ücretli olarak sunmak
için Nagravision sistemini kullanan ulusal bir televizyon kanalı verilebilir. Nagra Kudelski tarafından geliştirilen
Nagravision sistemi analog video verisi üzerinde çalışmaktadır ve PAL televizyon yayınlarında kullanılmaktadır.
Şekil.2 Nagravision şifreleme aşamalarını göstermektedir.
a) Blok karıştırma
b) Yatay konumların değiştirilmesi
Şekil 2. Nagravision şifreleme aşamaları
Nagravision şifreleme metodu, görüntüyü satırlara ayırmakta ve yerlerini bloklar halinde karıştırmaktadır. Bu
karıştırma işlemi video görüntüsünü oluşturan her bir kareye aynı şekilde uygulanmaktadır.
Şifreyi kırmak isteyen saldırgan blok karıştırma sırasını bir kez çözdüğü takdirde, bu sıra hiç değişmediğinden
sistemi kolayca etkisiz hale getirebilmektedirler. Bu yüzden Nagravision şifreleme sisteminden sonra ikinci bir
şifreleme aşaması kullanılmaktadır. İzleyiciye üyelik sistemi tarafından sağlanan akıllı kart üzerinde bulunan ikinci
bir şifreleme algoritması, blokların yatay konumlarını 256 farklı kesim noktasından birisini kullanarak
değiştirmektedir. Saldırgan için tamamen rastlantısal sayılabilecek olan bu kesim noktaları akıllı kart olmadan
belirlenememektedir.
Bu şifreleme sistemi günümüzde teknolojinin gelişmesi ile; uygun şifre çözücü cihaz ve akıllı kart
kullanılmadan yazılım ile gerçek zamanlı kırılabilmektedir. Çok fazla karmaşıklık içermeyen şifreleme sistemi yine 2
adımda kırılmaktadır. Yerleri değiştirilen blokların yer değiştirilme sırasının sabit olması, sistemin en zayıf olduğu
noktasıdır. Deneme yolu ile bu sabit dizilimi belirlemek mümkündür. Şekil.3 blokların örnek parlaklık değerlerini
göstermektedir.
Şekil 3. Örnek blok parlaklık değerleri
Akıllı kart tarafından ise sistemin ikinci adımında gerçekleştirilen blokların kendi arasında yatay konumlarının
kesilerek değiştirilmesi gerçekleştirilmektedir. Saldırgan, elinde akıllı kart olmadan 256 farklı değerden birisini tespit
etmek için bloğun parlaklık değerlerini bir üst bloğun parlaklık değerleriyle karşılaştırmaktadır. Birbirine çok yakın
parlaklık değerleri elde edildiğinde blokların yatay konumları kolaylıkla belirlenmektedir.
Nagravision şifreleme sistemi, görsel bozulmaya dayanan ve çıktığı yıllarda son derece güvenli sayılan fakat son
Mpeg Akımını Geçici Referans Numaralarını Kullanarak Şifreleme
75
yıllarda resim işleme metotları kullanılarak anahtar bilgisi olmadan kırılabilen bir şifreleme sistemi olarak
anılmaktadır.
MPEG Video Sıkıştırma Metodu
MPEG sıkıştırma metodu, verideki fazla ve gerekli olmayan görüntü bilgisini yok ederek hareketli resim
dizilerini kaydetmek için gerekli olan bellek miktarını önemli derecede azaltmaktadır. Saklama hacmi olarak
toplamda daha az bit kullanılması hareketli resimlerin çok daha hızlı bir şekilde transfer edilmesi anlamına
gelmektedir. Böylece pahalı haberleşme hatların ve depolama cihazları bu yeni hareketli resim uygulamalarında daha
verimli kullanılmaktadır. MPEG sıkıştırma metodu, kullandığı birçok yöntem sayesinde yüksek sıkıştırma oranları
yakalamaktadır.
Bir hareketli resim dizisindeki iki komşu çerçeve genellikle birbirlerine çok benzerler. Resmin bazı kısımları
çerçeveler arasında çok küçük miktarda yer değiştirmektedir. MPEG sıkıştırma metodu her yeni çerçeveyi uygun bir
şekilde bölümlere ayırıp, bu bölümlerin nereden geldiğini belirlemek için bir önceki çerçeveyi araştırarak meydana
gelmiş olan zamansal fazlalıkları atmaktadır. Bir çerçevenin içeriğinin çoğu bir önceki çerçevede de bulunuyorsa, o
çerçevenin tekrardan gönderilmesi depolama ve aktarım kaybı yaratmaktadır. Bütün çerçeveyi göndermek yerine, bir
önceki çerçeve referans alınarak farklılıkların gönderilmesi akım hacmini düşürmektedir.
Tek bir çerçeve içindeki, gökyüzü ya da duvar bölgeleri gibi birçok parça tamamıyla aynı renktedir. MPEG
sıkıştırma, görüntüyü uygun bir şekilde bölümlere ayırarak ve gökyüzü, duvar gibi parçaları tek bir renge
indirgeyerek fazlalıkları atmaktadır.
İnsan gözü, bir noktadaki parlaklık değişikliğini renk değişikliğine göre daha çok fark etmektedir. MPEG
sıkıştırma metodu, RGB renk uzayını YUV renk uzayına dönüştürerek UV ile temsil edilen renkleri daha az yer
kaplayacak şekilde daraltmaktadır. Y ile temsil edilen parlaklık değerleri ise insan gözünün parlaklık değişikliklerine
olan yüksek hassasiyetinden dolayı değiştirilmemektedir. Şekil.4 RGB renk uzayından YUV renk uzayına dönüşümü
ve sıkıştırma işlemini göstermektedir.
a) RGB YUV dönüşümü
b) 4:2:2 sıkıştırma
c) 4:2:0 sıkıştırma
Şekil 4. Renk uzayı dönüşümleri ve sıkıştırma
Ara çerçeve tahmini
Sıkıştırılmamış video dosyalarının aksine MPEG yöntemi ile sıkıştırılmış video dosyalarında 3 farklı çerçeve tipi
vardır. Birbirini takip eden çerçeveler arasında az bir görsel fark olduğunda çerçevenin tamamı dosyaya aktarılmaz.
Ara çerçeve tahmini, ardıl çerçevelerdeki benzerlikleri avantaj olarak kullanmaktadır. Öncelikle tam bir referans
çerçeve seçilmekte ve ardından takip eden çerçeveler bu referans çerçeve ile olan farklılıklar kodlanmak suretiyle
ifade edilmektedir. Referans çerçeveye ara kodlanmış çerçeve ya da I-çerçevesi denilmektedir. I-çerçevesi P ve B tipi
çerçeveleri tahmin etmek için kullanılmaktadır. Şekil.5’te bu çerçeveler ve aralarındaki ilişkiler gösterilmektedir.
a) I çerçevesi: Tam bir video resmidir. Gösterilebilmesi için başka bir resme ihtiyaç yoktur. En çok veriyi
kapsamaktadır.
b) P çerçevesi: Bir önceki çerçevedeki farklılıkları şifrelemektedir. Gösterilebilmesi için bir önceki I
çerçevesine ihtiyaç duymaktadır. B çerçevesinden daha fazla yer kaplamaktadır.
c) B çerçevesi: Bir önceki yada daha sonraki çerçevedeki farklılıkları kodlamaktadır. I çerçevesindeki verinin
en az %25ini içermektedir. Gösterilebilmesi için bir önceki ya da sonraki P çerçevesine ihtiyaç
duymaktadır.
Trakya Univ J Sci, 8(2), 73–79, 2007
76
Deniz TAŞKIN, Nurşen SUÇSUZ, Cem TAŞKIN
Şekil 5. Mpeg Çerçeve Tipleri
MPEG Video Çerçeveleri
MPEG video akımında görüntüyü izlenebilir hale getiren birime, kod çözücü denilmektedir. Kod çözücü birim,
bir uygulama yazılımı olabildiği gibi akıma özel tasarlanmış bir donanım da olabilmektedir. Bu birimin MPEG
sıkıştırma yönteminde kullanılan tüm sıkıştırma aşamalarını eksiksiz olarak yerine getirmesi gerekmektedir.
Şekil.6’da örnek bir video akımında çerçeve tiplerine göre sıralanışı gösterilmektedir.
Sıra
Çerçeve Tipi
1
I
2
B
3
B
4
P
5
B
6
B
7
B
8
B
9
B
10I
11
B
12
B
13
P
14B
15
B
16
P
Şekil 6. Örnek Video Akımı
Video akımının izlenebilir olması için aşılması gereken sorunlardan biri, MPEG video çerçevelerinin sıralanması
işlemidir. MPEG akımında 3 tip çerçeve bulunmakta, B ve P tipi çerçevelerinin gösterilebilmesi için referans
çerçevelere ihtiyaç duyulmaktadır. Şekil.6’da yer alan 2. çerçeve olan B çerçevesinin gösterilebilmesi için 4. çerçeve
olan P çerçevesine ihtiyaç duyulmaktadır. Kod çözücü birimin 2. çerçeveyi gösterirken 4. çerçeveye ait bilgilere de
kullanmak zorundadır. Sıralar ardıl olmadığından bu sorunun aşılması için; MPEG video akımında çerçevelerin
gösterim sırası ile akım içindeki sıraları farklı tutulmaktadır. Şekil.7’de örnek bir video akımında bu sıralar
gösterilmektedir.
Sıra
1
Çerçeve Tipi
I
a) Gösterim sırası
2
B
3
B
4
P
5
B
6
B
7
P
8
B
Sıra
Çerçeve Tipi
b) Akım sırası
4
P
2
B
3
B
7
P
5
B
6
B
10I
1
I
9
B
8
B
10I
11
B
9
B
12
B
13P 11
B
13P 14
B
12
B
15
B
16P 14
B
16P
15
B
Şekil 7. Video gösterim ve akım sıraları
Mpeg dosyalarında kod çözücü birimin gösterim sıralarını tespit edebilmesi için, geçici referans numarası adı
verilen 10 bitlik bir numara ve 3 bitlik çerçeve tipi ile ilgili bir bilgi şekil.8’de olduğu gibi, çerçevenin içeriğinden
önce ikili kodlanmış akıma dâhil edilmektedir.
1
2
3
4
9
10
Geçici Referans Numarası
11
12
Çerçeve Tipi
001=I Çerçevesi
010=P Çerçevesi
011=B Çerçevesi
5
6
7
13
Şekil 8. Geçici referans numarası ve çerçeve tipi bit dağılımı
8
Mpeg Akımını Geçici Referans Numaralarını Kullanarak Şifreleme
77
MPEG Akımının Şifrelenmesi
MPEG akımında görsel bozulmaya dayalı şifreleme işlemi yapmak kayıplı bir sıkıştırma metodu olduğundan
uygun değildir. Ayrıca görsel bozulmaya dayalı şifreleme sistemlerinin video işleme metotları kullanarak
kırılabileceği yukarıda açıklanmıştır. Bu yüzden, görsel bozulmaya dayalı bir şifreleme algoritması kadar basit ve
düşük maliyetli bir şifreleme için MPEG sıkıştırma algoritmasına uyumlu bir metot geliştirilmelidir.
Sıkıştırılmış video akımının şifrelenmesi için Taşkın ve Ark. (2007) tarafından yapılan bir çalışma akımın
tamamının şifrelenmesi durumunda ortaya çıkan güvenlik zaaflarını açıkça göstermektedir. Kendine has bir yapısı
olan Video verisinin düz metin gibi şifrelenmesi, şifreyi çözmek isteyen saldırgana açık noktalar bırakmaktadır.
Çalışma, akımın bütününün yerine belli bir kısmının şifrelenmesinin daha fazla güvenlik sağlayacağını açıkça
göstermektedir.
MPEG akımını şifrelemek için geliştirilen diğer bir yaklaşımda, akımın gösterilebilmesi için hayati önem taşıyan
başlık bilgilerinin akımdan çıkartılması şeklindedir. Akımın yaklaşık %1’ini içeren başlık bilgileri akımdan çıkartılıp
başka bir dosyada tutulmaktadır. Başlık bilgilerinin akımdan çıkartılması akımı bozmakta ve kod çözücü birim için
anlamsız bir dosya haline getirmektedir. Kod çözücü birim yapısı bozulmuş akımı işleyememekte ve akımda hata
olduğunu kullanıcıya iletmektedir. Bu yöntemin dezavantajı da, akımın yapısı tamamen bozulmakta ve başlık
bilgilerini tutacak ikinci bir dosyaya ihtiyaç duyulmaktadır (Taşkın ve Ark. 2007).
MPEG video akımının doğru olarak gösterilebilmesi için geçici referans numaraları çok önemlidir. Bir MPEG
video akımında her bir çerçevenin geçici referans numarası bulunmaktadır. Saniyede 30 çerçeve gösterim oranına
sahip bir akımda, bir dakikalık görüntüde yaklaşık 2KB yer kaplayan 1800 adet geçici referans numarası vardır.
Geçici referans numarası bilinçli şekilde bozulmuş bir video akımının şifreli olduğu kod çözücü birim tarafından fark
edilememektedir. Kod çözücü birim hatalı referans numaralarını kullanarak akımın kodunu çözdüğünde görsel olarak
bozuk bir görüntü elde edilmektedir. Şekil.9’da kod çözücünün şifreli görüntüyü nasıl gösterdiği görülmektedir.
a) Orijinal görüntü
b) Şifrelenmiş görüntü
Şekil 9. Orijinal görüntü ve bit kaydırma işlemi sonrası izlenebilen görüntü
Referans numaralarının bilinçli şekilde bozulması için bit kaydırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen
metotta referans numarası içeren 10 bitlik veri bir sonraki 10 bitlik veri ile yer değiştirilmektedir. Bit bazında, akım
çözülmeden yer değiştirme işlemi yapıldığından yöntemin kaynak ihtiyacı çok düşük olmaktadır.
a) Resim başlangıç kodu
00 D7 38
0000 0000 1101 0111 0011 1000
0101 1100 1110 0000 0000 0011
5C E0 03
b) Byte akımının şifrelenmesi
Trakya Univ J Sci, 8(2), 73–79, 2007
78
Deniz TAŞKIN, Nurşen SUÇSUZ, Cem TAŞKIN
c)
Şifrelenmiş akım
Şekil 10. Bit kaydırma işlemi ile şifrelenmiş akım
Akımın tümünün geleneksel şifreleme metotlarıyla şifrelenmesi video verisinin gerçek zamanlılık
ihtiyacından dolayı mümkün olmamaktadır. Güvenliği daha da yüksek tutmak için bit değişim işlemi dışında, geçici
referans numaralarını bozabilecek geleneksel şifreleme yöntemi kullanılabilmektedir. Bu sayede akımın belli bir
kısmı geleneksel şifreleme algoritmalarıyla şifrelenmekte ve zaman kayıpları en düşük düzeyde tutulmaktadır.
Sonuçlar
Burada önerilen yöntem ve diğer şifreleme yöntemleri aynı dosyaya uygulanmış ve elde edilen sonuçlar aşağıda
tablo.1’de gösterilmiştir.
Yöntem
Tablo 1. MPEG dosyalarında şifreleme yöntemlerinin hızları
Yöntem Türü Dosya
Şifreleme
Boyutu Zamanı(sn)
Hız
(Mbit/s)
RSA (8 Bit anahtar)
Geleneksel
309MB
47.23
52
MPEG akımında başlık şifreleme
Kısmi
309MB
27.89
89
Kısmi
309MB
26.50
93
Başlık dışında şifreleme
Geleneksel +
Kısmi
309MB
46.82
52
Seçimli XOR işlemi ile MPEG video akımını
koruma
Kısmi
309MB
27.71
89
Byte dağılımını değiştirerek MPEG video akımını
koruma
Kısmi
309MB
26.22
94
Sıkıştırılmış video akımının düzensiz haritalar ve
başlangıç kodlarına dayalı şifrelenmesi
Kısmi
309MB
30.60
81
Önerilen Yöntem
Kısmi
309MB
26.40
93
MPEG
akımında
operatör
kısıtlanması yoluyla içerik koruma
işlemleri-nin
Sonuç olarak önerilen yöntem, geleneksel yöntemin yaklaşık iki katı şifreleme hızına ulaşmaktadır. Gerçek
zamanlı uygulamalar için yöntemin hızı yeterli seviyededir.
Tartışma
Bu çalışmada MPEG video akımının şifrelenmesi üzerine yeni bir yaklaşım önerilmektedir. Yeni geliştirilen
yöntem, MPEG kodlama yapısına özel geliştirildiğinden, veri bütünün şifrelenmesi gereken kısımlarını kendisi
belirlemektedir. Video akımının tamamı şifrelenmediğinden ve akımın kodu çözülmeden bit düzeyinde işlemler
içerdiğinden önerilen yöntemin kaynak ihtiyacı çok düşük olmaktadır. Geçici referans numaralarının şifrelenmesi
MPEG akımının yapısını bozmamakta ve şifrelenmiş akım kod çözücü birim tarafından bozuk şekilde de olsa
gösterilebilmektedir. Görsel olarak şifrelenmemesine rağmen kodu çözüldüğünde görsel olarak bozukluk yaratan
yöntem, şifreyi kırmaya çalışan saldırganları da yanıltmaktadır.
Mpeg Akımını Geçici Referans Numaralarını Kullanarak Şifreleme
79
Kaynaklar
Kuhn, M. G., Analysis of the nagravision video scrambling method, 1998
Taşkın, D., Sucsuz, N. ve Taşkın, C., Sıkıştırılmış video güvenliği, e-Journal of New World Sciences Academy,
Volume: 2, Number:3 (Basımda), 2007
Taşkın, D., ve Suçsuz, N., Sıkıştırılmış ortamda çerçeve tipine dayalı gerçek zamanlı sahne değişimi belirleme,
IV. Bilgi teknolojileri Kongresi, Denizli, 2006
Taşkın, D., Taşkın, C., and Suçsuz, N., MPEG akımında başlık şifreleme, Akademik Bilişim, Kütahya, 2007
Taşkın, D., Taşkın, C., and Suçsuz, N., MPEG akımında operatör işlemlerinin kısıtlanması yoluyla içerik
koruma, Akademik Bilişim, Kütahya, 2007
Mitchell, J.L., Pennebaker, W.B., Fogg, C.E. ve Legal, D.J., Mpeg Video Compression Standard, Chapman and
Hall, 1996
Chang, S., Compressed Domain Techiques for Image/Video Indexing and Manipulation, IEEE Conference On
Image Processing, 1995
Gilvarry, J., Extraction of Motion Vectors from an MPEG Stream, 1999
Meng, J., and Chang, S., Tools for Compressed Domain Video Indexing and Editing, SPIE Conference on
Storage and Retrieval, 1995
Patel, N., and Sethi, I., Compressed Video Processing for Cut Detection, 1995
Rivest, R., Shamir, A., and Adleman, L., A method for optaining digital signatures and public-key
cryptosystems, Communications of ACM, 1978
Coppersmith, D., The data encryption Standard (DES) and its strenght against attacks, IBM journal of research
and development, 1994
RSA Laboratories, Frequently asked questions about today's cryptography, 2000
Trakya Univ J Sci, 8(2), 73–79, 2007
‘
INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE
23 – 24 November 2007, GABROVO
07
SELECTIVE ENCRYPTION OF COMPRESSED VIDEO FILES
Deniz TAŞKIN
[email protected]
Trakya University – Computer Engineering Department
Cem TAŞKIN
[email protected]
Kırklareli University
Vocational Collage of Technical Sciences
Nurşen SUÇSUZ
[email protected]
Trakya University
Computer Engineering Department
Abstract
Video encryption is the most emerging subject in digital multimedia. Digital video files can be encrypted by conventional
methods. These approaches are called naive approach and require plenty of system resources. For real time encryption of
video files and video stream, we offer selective encryption based on RSA asymmetrical encryption method.
Keywords: Compressed video, selective encryption, MPEG.
INTRODUCTION
A major challenge now is the protection of
visual property of multimedia content in
networks. Content protection is provided by
cryptography. In public key cryptosystem, there
are two keys: a public key which is publicly
known and the private key which is kept secret by
the owner. The system called asymmetric because
different keys are used for encryption and
decryption. If data are encrypted with a public
key, it can only be decrypted using corresponding
private key.
Due to the increase in processor speed on even
more to smart cryptanalysis, the key size for
public key cryptography grew very large. This
created a disadvantage in asymmetric key
cryptosystems. Public key cryptography is slower
and requires a large memory capacity and large
computational power.
To solve these problems and In order to meet
real-time constraint for video playback we offer
selective encryption approach.
SELECTIVE VIDEO ENCRYPTION
Selective encryption is the technique of
encrypting some parts of a compressed data file
while leaving others unencrypted. It is a strategy
that small fraction of encrypted bits can cause a
high ratio of damage to a file. Instead of
encrypting the whole file bit by bit, only highly
sensitive bits are changed as seen in fig. 1.
Moreover selective encryption reduces required
total encryption work and saves system resources.
We suggest a technique that selectively
encrypts some parts of compressed video file
while guaranteeing the security of the original
file. We are not saving the time for encrypting
video file, but also system complexity.
Stream direction Æ
Non
Non
Selective
Important Important Encryption Important Important
Fig. 1. Selective encryption
Selective encryption may not be effective if
the subset is small and it’s relatively easy to
guess. For ixstanxe obsxurinx everx fiftx lettxr of
ax Englxsh sextencx does xot maxe it pxrticxlarlx
hard xo read. This makes compression standard
very important and have to be studied for making
a perfect selective video encryption.
MPEG VIDEO COMPRESSION
Mpeg standard is commonly preferred as a
versatile solution of compressing video data
because of its higher compression ratio. It is still
Международна научна конференция “УНИТЕХ’07” – Габрово
I-243
largely employed in video compression and
communication industry. The key of higher
compression ratio is similarity between pictures
in a sequence. A video sequence is simply a
series of pictures taken at closely spaced intervals
in time. These pictures tend to be quite similar
from one to next. Mpeg compression system
takes advantage of this similarity.
Mpeg video bitstream also has syntactical
layers for effective coding video. Fig. 2 gives an
overview of layers in mpeg video sequences.
Fig. 2. Mpeg video layers
Mpeg video layers are marked with a unique
start code. A video sequence always starts with a
sequence header. The sequence header is
followed at by least one or more groups of
pictures (GOP). A group of pictures always starts
with a GOP header and is followed by at least one
picture. Each picture in the group of pictures has
a picture header followed by one or more slices.
In turn, each slice is made up of a slice header
and one or more groups of DCT blocks called
macroblocks. The first slice starts in the upper
left corner of picture and the last slice ends in the
lower right corner. The Slices must completely
fill the picture. The macroblock is group of six
8x8 DCT blocks.
Mpeg decoder software parses the video
stream using video headers to produce viewable
frames. Once a layer cannot be parsed, parsing
procedure starts from video sequence layer which
is also called the beginning layer.
Mpeg start codes are very important for
decoding video bit stream because layers don’t
have specific fixed locations in file structure.
Table 1 show video headers of Mpeg
compressed video stream in binary format.
I-244
Table 1. Video headers
Prefix
0000 0000 0000 0000 0000 0001
Code Name
Group of pictures
Picture
Sequence End
Sequence Error
Sequence Start
Slice 1
Slice 175
Value
1011 1000
0000 0000
1011 0111
1011 0100
1011 0011
0000 0001
1010 1111
SUGGESTED METHOD
Selective encryption methods are preferred to
make digital video secure because of their storage
size. Compressed video stream consist small
amounts of repeated data and can be affected
deeply from some of corrupted bits.
Mpeg decoders use start codes for making
video stream viewable. This makes them valuable
for using in selective encryption. We chose
picture start codes for selective encryption.
Fig. 3 shows flow chart of selective encryption
used for making secure video stream.
Международна научна конференция “УНИТЕХ’07” – Габрово
CONCLUSION
While the ratio of encryption is about %1, we
could damage the whole visual information. Due
to unique nature of MPEG stream, the “all-ornothing” protection in generic data security is not
always appropriate. This paper focuses of
encrypting MPEG videos by selective encryption.
New design is suitable for real time applications
and rapidly makes video secured.
Table 2. Comparison chart
File
Size
(Mb)
309
Encrpting
Time (sec)
Speed
(Mbit/sec)
47.23
52
Header crypting in MPEG
stream
309
27.89
89
Content protection in MPEG
stream by disabling operator
movements
309
26.50
93
MPEG video protection by
selective inverting
309
27.71
89
MPEG video protection by
changing byte alignment
309
26.22
94
Encrypting of compressed
video stream based on
chaotic maps and start codes
309
30.60
81
Suggested method
309
26.12
99
Method
RSA (8 Bit key)
Fig. 3. Flowchart of selective encryption
Because of encrypted picture start codes, mpeg
decoder software or hardware unit cannot find
any picture for viewing. Fig. 4 shows C#
implementation of suggested selective encryption
method.
As seen in table 2, suggested method reaches
up to 99 Mbit/sec encrypting speed which is
nearly double of conventional methods’ and
enough to cover real-time requirements.
REFERENCE
Fig. 4. C# implementation of encryption method
[1] Rivest, R., Shamir, A., Adleman, L., (1978), A
method for optaining digital signatures and publickey cryptosystems, Communications of ACM,
ss:120-126
[2] Coppersmith, D., (1994), The data encryption
Standard (DES) and its strenght against attacks,
IBM journal of research and development
[3] RSA Laboratories, (2000), Frequently asked
questions about today's cryptography
[4] Taşkın, D., (2007), Encrypting Of Compressed
Video Stream Based On Chaotic Maps And Start
Codes, PhD Thesis, T.C. Trakya University,
Graduate School Of Natural And Applied
Sciences, Department Of Computer Engineering.
[5] Taşkın, D., Suçsuz, N., (2006), Sıkıştırılmış
ortamda çerçeve tipine dayalı gerçek zamanlı
sahne değişimi belirleme, IV. Bilgi teknolojileri
Kongresi, Denizli
Международна научна конференция “УНИТЕХ’07” – Габрово
I-245
[6] Taşkın, D., Taşkın, C., Suçsuz, N., (2007), MPEG
akımında başlık şifreleme, Akademik Bilişim
2007, Kütahya
[7] Taşkın, D., Taşkın, C., Suçsuz, N., (2007), MPEG
akımında operatör işlemlerinin kısıtlanması
yoluyla içerik koruma, Akademik Bilişim 2007,
Kütahya
[8] Mitchell, J.L., Pennebaker, W.B., Fogg, C.E. ve
Legal, D.J., (1996), Mpeg Video Compression
Standard, Chapman and Hall
I-246
[9] Chang, S., (1995), Compressed Domain Techiques
for Image/Video Indexing and Manipulation,
IEEE Conference On Image Processing
[10] Gilvarry J., (1999), Extraction of Motion Vectors
from an MPEG Stream
[11] Meng, J., Chang, S., (1995), Tools for
Compressed Domain Video Indexing and Editing,
SPIE Conference on Storage and Retrieval
[12] Patel, N., Sethi, I., (1996), Compressed Video
Processing for Cut Detection
Международна научна конференция “УНИТЕХ’07” – Габрово
T.C.
TRAKYA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
SIKIŞTIRILMIŞ VİDEO AKIMININ
DÜZENSİZ HARİTALAR VE
BAŞLANGIÇ KODLARINA
DAYALI ŞİFRELENMESİ
Deniz TAŞKIN
Doktora Tezi
Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı
Danışman: Yrd. Doç Dr. Nurşen Suçsuz
Edirne 2007
T.C.
TRAKYA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
SIKIŞTIRILMIŞ VİDEO AKIMININ DÜZENSİZ HARİTALAR VE
BAŞLANGIÇ KODLARINA DAYALI ŞİFRELENMESİ
Deniz TAŞKIN
Doktora Tezi
Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı
Bu tez 06/07/2007 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından kabul edilmiştir.
Prof.Dr. Şaban EREN
Başkan
Yrd.Doç.Dr. Nurşen SUÇSUZ
Danışman
Yrd.Doç.Dr. Seyfettin DALGIÇ
Üye
Yrd.Doç.Dr. Cavit TEZCAN
Üye
Yrd.Doç.Dr. Erdem UÇAR
Üye
ŝ
ÖZET
Doktora Tezi, Sıkıştırılmış Video Akımının Düzensiz Haritalar ve Başlangıç
Kodlarına Dayalı Şifrelenmesi, T.C. Trakya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,
Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı.
Bu çalışmanın amacı, kendine has bir yapısı olan video akımın şifrelenmesi için
yeni bir yöntem geliştirmektir. Görsel veriye artan ilgi sebebiyle video dosyaları günlük
yaşantıda çok sık kullanılmaktadır. Bu artan ilgi sebebi ile video dosyalarının güvenliği de
ön plana çıkmaktadır.
Uzunca bir süredir metin dosyalarının güvenliğini başarılı şekilde koruyan
geleneksel şifreleme yöntemleri, video dosyalarının güvenliğini sağlamak için yetersiz
kalmaktadır. Bu yöntemler video dosyalarına uygulandığında, şifreyi kırmak isteyen
kişilere açık noktalar bırakmaktadır. Video dosyaları büyük alan kapladıkları için
şifreleme süresi de uzamaktadır.
Video dosyalarının şifrelenmesi için kullanılan yöntemler kısmi şifrelemeye
yöneliktir. Kısmi şifreleme uygulanacak bölgelerin seçimi şifreleme güvenliği açısından
çok önemlidir.
Bu çalışma, kısmi şifreleme, düzensiz haritalar ve başlangıç kodları üzerine
yapılmış özgün bir çalışmadır.
Bu tez 2007 yılında yapılmıştır ve 92 sayfadan oluşmaktadır.
ANAHTAR KELİMELER: MPEG kodlama, Kısmi şifreleme, Düzensiz haritalar,
Başlangıç kodları, DCT
ŝŝ
ABSTRACT
PhD Thesis, Encrypting Of Compressed Video Stream Based On Chaotic Maps
And Start Codes, T.C. Trakya University, Graduate School Of Natural And Applied
Sciences, Department Of Computer Engineering.
The purpose of this research is developing a new method for encrypting video
stream that has particular structure. Because of increasing interest in visual data, video
files are commonly used in daily life. Because of this interest, video files security become
more important.
Successfully used for securing textual data for long times, traditional encryption
methods are insufficient for keeping video files secure. When these methods are used for
video files, leaked information can be used by the attacker. While video files cover large
amounts of storage, encryption time is also extended.
Methods used for encryption video files, are based on selective encryption.
Selection of areas which are used for selective encryption is very important for encryption
security.
This work is an original research based on selective encryption, chaotic maps and
start codes.
This thesis is done in 2007 and consists of 92 pages.
KEYWORDS: MPEG Coding, Selective encryption, Chaotic maps, Start codes,
DCT
ŝŝŝ
İÇİNDEKİLER
ÖZET ............................................................................................................................ i
ABSTRACT ................................................................................................................. ii
ŞEKİLLER TABLOSU ................................................................................................ v
ÇİZELGELER TABLOSU ........................................................................................ viii
1. GİRİŞ ................................................................................................................... 1
2. VİDEO VERİSİ .................................................................................................... 4
2.1.
Renk Uzayları ............................................................................................... 5
2.1.1.
RGB renk uzayı ..................................................................................... 6
2.1.2.
YUV renk uzayı ..................................................................................... 7
2.1.3.
YIQ renk uzayı ...................................................................................... 8
2.1.4.
YCbCr renk uzayı .................................................................................. 9
2.1.4.a. 4:4:4 YCbCr biçimi ............................................................................. 10
2.1.4.b. 4:2:2 YCbCr biçimi ............................................................................. 10
2.1.4.c. 4:1:1 YCbCr Biçimi ............................................................................. 11
2.1.4.d. 4:2:0 YCbCr biçimi ............................................................................. 12
2.1.5.
HSI, HLS ve HSV renk uzayları .......................................................... 13
2.2.
Video Sinyalleri .......................................................................................... 15
2.3.
Sayısal Video .............................................................................................. 17
3. VİDEO SIKIŞTIRMA......................................................................................... 19
3.1.
MPEG Video Sıkıştırma Yöntemi ............................................................... 20
3.2.
I Çerçevesi .................................................................................................. 22
3.2.1.
Renk uzayı dönüşümü ve örnekleme .................................................... 22
3.2.2.
İç-çerçeve sıkıştırma ............................................................................ 24
3.2.2.a. Ayrık kosinüs dönüşümü ..................................................................... 25
3.2.2.b. Nicelendirme ....................................................................................... 27
3.2.2.c. Zig-Zag tarama .................................................................................... 28
3.2.2.d. Değişken uzunlukta kodlama ............................................................... 29
3.3.
P Çerçevesi ................................................................................................. 31
3.3.1.
Ara-çerçeve sıkıştırması ve hareket kodlama........................................ 32
3.4.
B Çerçevesi................................................................................................. 33
4. MPEG AKIMININ ÇÖZÜLMESİ ...................................................................... 35
4.1.
Başlangıç Kodları ....................................................................................... 36
4.1.1.
Akım başlangıç kodu ........................................................................... 37
4.1.2.
Resim grubu başlangıç kodu ................................................................ 38
4.1.3.
Resim başlangıç kodu .......................................................................... 40
4.1.4.
Dilim başlangıç kodu ........................................................................... 41
4.1.5.
Makro blok ve blok başlangıcı ............................................................. 42
5. İÇERİK KORUMA............................................................................................. 44
5.1. Görsel Şifreleme........................................................................................... 45
5.2.
Geleneksel Şifreleme .................................................................................. 47
5.3.
Kısmi Şifreleme .......................................................................................... 49
5.4.
Düzensiz Haritalar Kullanarak Şifreleme .................................................... 50
6. VİDEO ŞİFRELEME KONUSUNDA DAHA ÖNCE YAPILMIŞ
ÇALIŞMALAR .......................................................................................................... 51
ŝǀ
6.1.
SECMPEG.................................................................................................. 51
6.2.
AEGIS ........................................................................................................ 53
6.3.
Zig-Zag Permütasyon Algoritması .............................................................. 53
6.4.
VEA Video Şifreleme Algoritması .............................................................. 55
6.5.
Video Şifreleme Algoritmaları .................................................................... 57
6.5.1.
Algoritma I .......................................................................................... 58
6.5.2.
Algoritma II (VEA) ............................................................................. 58
6.5.3.
Algoritma III(MVEA).......................................................................... 59
6.5.4.
Algoritma IV(RVEA) .......................................................................... 61
6.6.
Video Şifreleme Metotları ........................................................................... 62
6.7.
MHT Şifreleme Metodu ve MSI kodlayıcısı ................................................ 63
6.8.
Biçim Uyumlu Şifreleme ............................................................................ 64
6.9.
Seçimli Karıştırma Algoritması ................................................................... 64
7. SIKIŞTIRILMIŞ VİDEO AKIMININ DÜZENSİZ HARİTALAR VE
BAŞLANGIÇ KODLARINA DAYALI ŞİFRELENMESİ.......................................... 66
7.1.
MPEG Akımında Başlık Şifreleme.............................................................. 66
7.2.
MPEG Akımında Operatör İşlemlerinin Kısıtlanması Yoluyla İçerik
Koruma ................................................................................................................... 69
7.3.
Sıkıştırılmış Video Güvenliği ...................................................................... 71
7.4.
Seçimli XOR İşlemi İle MPEG Video Akımını Koruma.............................. 73
7.5.
Byte Dağılımını Değiştirerek MPEG Video Akımını Koruma ..................... 74
7.6.
Önerilen Yöntem ........................................................................................ 75
7.6.1.
Algoritma I .......................................................................................... 76
7.6.2.
Algoritma II ......................................................................................... 78
8. SONUÇ .............................................................................................................. 80
EK-A:DEĞİŞKEN UZUNLUKTA KODLAMA ÇİZELGELERİ ............................... 83
EK-B: KISALTMALAR ............................................................................................. 85
KAYNAKLAR ........................................................................................................... 86
TEŞEKKÜR ............................................................................................................... 91
ÖZGEÇMİŞ................................................................................................................ 92
ǀ
ŞEKİLLER TABLOSU
Şekil 2.1. Video, bir grup hareketsiz görüntüden oluşmaktadır ................................... 5
Şekil 2.2. RGB renk uzayı.......................................................................................... 7
Şekil 2.3. UV renk bileşenleri .................................................................................... 8
Şekil 2.4. I ve Q renk bileşenleri ................................................................................ 9
Şekil 2.5. 4:4:4 YCbCr biçimi .................................................................................. 10
Şekil 2.6. 4:2:2 YCbCr biçimi .................................................................................. 11
Şekil 2.7. 4:1:1 YCbCr biçimi .................................................................................. 11
Şekil 2.8. MPEG İçin YCbCr örneklemeleri............................................................. 12
Şekil 2.9. HLS renk uzayı ........................................................................................ 13
Şekil 2.10. Altıgen huni şeklinde HSV renk uzayı .................................................... 14
Şekil 2.11. Çift altıgen huni şeklinde HSI renk modeli ............................................. 15
Şekil 2.12. Video çerçevelerinin taranması............................................................... 16
Şekil 2.13. Analog siyah-beyaz video sinyali ........................................................... 16
Şekil 2.14. Renkli analog video sinyali .................................................................... 17
Şekil 2.15. Analog videonun sayısallaştırılması........................................................ 18
Şekil 3.1. Mpeg çerçeve tipleri ................................................................................. 21
Şekil 3.2. I çerçevesinin kodlanması ........................................................................ 22
Şekil 3.3. Değişik Y değerlerine karşılık CbCr tonları .............................................. 23
Şekil 3.4. Renk uzayı dönüşümleri ve örnekleme ..................................................... 24
Şekil 3.5. Ayrık kosinüs dönüşümü .......................................................................... 26
Şekil 3.6. Örnek sıkıştırma ....................................................................................... 27
Şekil 3.7. İç-nicelik matrisi ve iç-olmayan-nicelik matrisi ........................................ 27
Şekil 3.8. Niceleme işlemi ....................................................................................... 28
Şekil 3.9. Zig-Zag tarama......................................................................................... 29
Şekil 3.10. Örnek çerçeve ve hareket vektörleri........................................................ 32
Şekil 3.11. P çerçevesinin kodlanması...................................................................... 33
Şekil 3.12. B çerçevesinin kodlanması ..................................................................... 34
Şekil 4.1. MPEG video katman yapısı ...................................................................... 35
Şekil 4.2. Akım başlangıç kodu ve akımın devamı ................................................... 37
ǀŝ
Şekil 4.3. Resim gurubu başlangıç kodu .................................................................. 39
Şekil 4.4. Resim başlangıç kodu ve akımın devamı .................................................. 40
Şekil 4.5. Video gösterim ve akım sıraları ................................................................ 41
Şekil 4.6. Dilim başlangıç kodları ............................................................................ 42
Şekil 4.7. Makro blok .............................................................................................. 43
Şekil 5.1. Görsel şifreleme ....................................................................................... 44
Şekil 5.2. Nagravizyon şifreleme aşamaları .............................................................. 45
Şekil 5.3. Örnek blok parlaklık değerleri .................................................................. 46
Şekil 5.4. Geleneksel şifreleme ................................................................................ 47
Şekil 5.5. Simetrik şifreleme .................................................................................... 47
Şekil 5.6. Asimetrik şifreleme .................................................................................. 48
Şekil 5.7. Kısmi şifreleme ........................................................................................ 50
Şekil 6.1. SECMPEG video şifreleme metodu birinci seviye .................................... 51
Şekil 6.2. SECMPEG video şifreleme metodu ikinci ve üçüncü seviye .................... 52
Şekil 6.3. SECMPEG video şifreleme metodu dördüncü seviye ............................... 52
Şekil 6.4. AEGIS şifreleme metodu ......................................................................... 53
Şekil 6.5. Zig-zag sıralama....................................................................................... 54
Şekil 6.6. Zig-zag permütasyon şifreleme metodu .................................................... 54
Şekil 6.7. Video şifreleme algoritması (VEA) ikinci yaklaşım .................................. 56
Şekil 6.8. Video şifreleme algoritmaları ................................................................... 57
Şekil 6.9. VEA şifreleme algoritması ....................................................................... 59
Şekil 6.10. MVEA şifreleme algoritması .................................................................. 60
Şekil 6.11. Orijinal görüntü ve şifrelenmiş görüntü sonuçları ................................... 61
Şekil 6.12. n=3 için metot 1 şifreleme ...................................................................... 62
Şekil 6.13. Huffmann ağacının değişimi................................................................... 64
Şekil 7.1. 1 Numaralı dilim ...................................................................................... 67
Şekil 7.2. Orijinal ve şifrelenmiş MPEG akımları..................................................... 67
Şekil 7.3. Şifrelenmiş akım izleme hatası ................................................................. 68
Şekil 7.4. Video boyutuna göre toplam başlık boyutları ........................................... 68
Şekil 7.5. MPEG akımında başlık şifreleme metodu ................................................. 69
Şekil 7.6. Movie Maker yazılımı ve korunmuş video akımı ...................................... 70
Şekil 7.7. Açık ve öngörülen yöntemle şifrelenmiş video akımları ........................... 72
ǀŝŝ
Şekil 7.8. Şifrelenmiş akım izleme hatası ................................................................. 73
Şekil 7.9. Seçimli XOR işlemi ................................................................................. 74
Şekil 7.10. Byte dağılımı değiştirme ........................................................................ 75
Şekil 7.11. Temel tarama desenleri........................................................................... 77
Şekil 7.12. Örnek video akımı ve şifrelenmiş görüntü .............................................. 78
Şekil 7.13. Sıkıştırılmış video akımının düzensiz haritalar ve başlangıç kodlarına
dayalı kısmi şifrelenmesi.......................................................................................... 79
ǀŝŝŝ
ÇİZELGELER TABLOSU
Çizelge 2.1. Küp köşegenlerinde elde edilen renk tonları ........................................... 6
Çizelge 4.1. Başlangıç kodları .................................................................................. 36
Çizelge 4.2. Akım başlangıç kodu ve örnek akım ile ilgili bilgiler ............................ 37
Çizelge 4.3. Resim grubu başlangıcı ve örnek akım ile ilgili bilgiler ........................ 39
Çizelge 4.4. Resim başlangıcı ve örnek akım ile ilgili bilgiler .................................. 40
Çizelge 4.5. Dilim başlangıcı ve örnek akım ile ilgili bilgiler ................................... 42
Çizelge 8.1. İncelenen yöntemlerin şifreleme hızları ................................................ 80
Çizelge 8.2. Önerilen yöntemin dosya boyutuna bağlı performansı .......................... 81