Кодек сигнала моноадресной системы

Проблема совместимости видеопотока в цифровом виде с существующими аналоговыми форматами. Принципы построения цифрового телевидения. Стандарт шифрования данных Data Encryption Standard. Анализ методов и международных рекомендаций по сжатию изображений.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

1. Теоретическая часть

Для представления видеопотока в цифровом виде пришлось решить немало проблем. Большие сложности составила проблема совместимости с существующими аналоговыми форматами (PAL, SECAM, NTSC). Стандарт CC1RR-601 определил базовые характеристики для видеопотоков 720x576x25 кадров/сек (совместимость с PAL), 720x480x30 (совместимость с NTSC). Для хранения такого количества данных требуются огромные ресурсы, поэтому очевидно, что необходимо применять сжатие информации. Но сжимать видеоизображения без потерь невозможно из-за большой энтропии, поэтому приходится применять алгоритм сжатия с потерями качества.

1.1 Принципы построения цифрового телевидения

Цифровое телевидение - это отрасль ТВ техники в которой передача, обработка и хранение ТВ сигнала осуществляется с его преобразованием в цифровую форму. Применение методов и средств цифрового телевидения - это новая ступень развития ТВ техники. Преимущества цифрового телевидения по сравнению с аналоговым обусловлены как самими принципами ТВ, так и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической базы для создания соответствующих устройств [5]. В своем развитии цифровое ТВ прошло ряд этапов:

1. Использование цифровой техники в отдельных частях ТВ системы, при сохранении разложения и аналогового канала

2. 2. Создание гибридных аналого-цифровых систем с параметрами отличающимися от принятых в обычных стандартах ТВ. Примерами могут служить японская система телевидения высокой четкости MUSE и западно-европейские системы семейства MAC.

3. Создание полностью цифровых ТВ систем.

Главными особенностями нового поколения ТВ систем являются[7]:

· Высокая степень сжатия цифрового ТВ сигнала, достигаемая путем последовательного применения нескольких методов эффективного кодирования изображений и позволяющая передать программы ТВЧ по стандартам наземных каналов ТВ вешания с шириной полосы частот 6 МГц.

· Единый подход к кодированию и передаче ТВ сигналов с различным разрешением: видеотелефон с уменьшенной четкостью, стандартный сигнал NTSC, ТВЧ с количеством строк 1050.

· Интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям связи.

Структурная схема тракта цифровой ТВ системы показана на рисунке 3.

В ТВ системе обязательно должен передаваться сигнал звука. Он также преобразуется в цифровую форму и кодируется в соответствующем кодере. Кодированные сигналы звука и изображения объединяются в общий поток данных в мультиплексоре.

Далее цифровой сигнал поступает на блок канального кодирования и модуляции. Здесь осуществляется помехоустойчивое кодирование сигнала и модуляция несущей.

Сигнал цифровой ТВ системы на несущей частоте передается по каналу связи и поступает в приемник. Здесь происходит демодуляция несущей и декодирование помехоустойчивого кода. Затем из общего потока данных выделяются цифровые сигналы изображения и звука, поступающие на соответствующие декодеры. На выходе декодера изображения получаются яркостный и цветоразностный сигналы. После преобразования в аналоговую форму эти сигналы поступают на монитор, на котором воспроизводится цветное ТВ изображение. Декодированный сигнал звука также преобразуется в аналоговую форму и поступает на усилитель низкой частоты ТВ приемника.

Так как параметры радиочастотного канала связи в цифровой ТВ системе остаются такими же, как в стандартных аналоговых ТВ системах, высокочастотная часть ТВ приемника, включающая селектор каналов и усилитель промежуточной частоты изображения, в принципе остается такой же, как в обычных современных телевизорах.

Рисунок 3 - Структурная схема цифровой ТВ системы

1.2 Стандарт шифрования данных Data Encryption Standard

В 1977 году Национальное бюро Стандартов США (NBS) опубликовало стандарт шифрования данных Data Encryption Standard (DES), предназначенный для использования в государственных и правительственных учреждениях США для защиты от несанкционированного доступа важной, но несекретной информации. К настоящему времени DES является наиболее распространенным алгоритмом, используемым в системах защиты коммерческой информации. Более того реализация алгоритма DES в таких системах является просто признаком хорошего тона! За примерами далеко ходить не надо. Программа DISKREET из пакета Norton Utilities, предназначенная для создания зашифрованных разделов на диске, использует именно алгоритм DES. «Собственный алгоритм шифрования» отличается от DES только числом итераций при шифровании. Основные достоинства алгоритма DES:

· используется только один ключ длиной 56 битов;

· зашифровав сообщение с помощью одного пакета, для расшифровки вы можете использовать любой другой;

· относительная простота алгоритма обеспечивает высокую скорость обработки информации;

· достаточно высокая стойкость алгоритма.

DES осуществляет шифрование 64-битовых блоков данных с помощью 56-битового ключа. Расшифрование в DES является операцией обратной шифрованию и выполняется путем повторения операций шифрования в обратной последовательности (несмотря на кажущуюся очевидность, так делается далеко не всегда. Позже мы рассмотрим шифры, в которых шифрование и расшифрование осуществляются по разным алгоритмам). Процесс шифрования заключается в начальной перестановке битов 64-битового блока, шестнадцати циклах шифрования и, наконец, обратной перестановки битов (рисунок 4).

Пусть из файла считан очередной 8-байтовый блок T, который преобразуется с помощью матрицы начальной перестановки IP (таблица 1) следующим образом: бит 58 блока T становится битом 1, бит 50 - битом 2 и т.д., что даст в результате: T(0) = IP(T). Полученная последовательность битов T(0) разделяется на две последовательности по 32 бита каждая: L(0) - левые или старшие биты, R(0) - правые или младшие биты.



Рисунок 4 - Обобщенная схема шифрования в алгоритме DES



Рисунок 5 - Структура алгоритма шифрования DES

Таблица 1.1 - Матрица начальной перестановки IP

58 50 42 34 26 18 10 02

60 52 44 36 28 20 12 04

62 54 46 38 30 22 14 06

64 56 48 40 32 24 16 08

57 49 41 33 25 17 09 01

59 51 43 35 27 19 11 03

61 53 45 37 29 21 13 05

63 55 47 39 31 23 15 07

Затем выполняется шифрование, состоящее из 16 итераций. Результат i-й итерации описывается следующими формулами:
L(i) = R (i-1)

R(i) = L (i-1) xor f (R(i-1), K(i))

где xor - операция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Функция f называется функцией шифрования. Ее аргументы - это 32-битовая последовательность R (i-1), полученная на (i-1) - ой итерации, и 48-битовый ключ K(i), который является результатом преобразования 64-битового ключа K. Подробно функция шифрования и алгоритм получения ключей К(i) описаны ниже. На 16-й итерации получают последовательности R(16) и L(16) (без перестановки), которые конкатенируют в 64-битовую последовательность R(16) L(16). Затем позиции битов этой последовательности переставляют в соответствии с матрицей IP^-1 (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Матрица обратной перестановки IP-1

40 08 48 16 56 24 64 32

39 07 47 15 55 23 63 31

38 06 46 14 54 22 62 30

37 05 45 13 53 21 61 29

36 04 44 12 52 20 60 28

35 03 43 11 51 19 59 27

34 02 42 10 50 18 58 26

33 01 41 09 49 17 57 25

Матрицы IP-1 и IP соотносятся следующим образом: значение 1-го элемента матрицы IP^-1 равно 40, а значение 40-го элемента матрицы IP равно 1,

значение 2-го элемента матрицы IP^-1 равно 8, а значение 8-го элемента матрицы IP равно 2 и т.д. Процесс расшифрования данных является инверсным по отношению к процессу шифрования. Все действия должны быть выполнены в обратном порядке. Это означает, что расшифровываемые данные сначала переставляются в соответствии с матрицей IP^-1, а затем над последовательностью бит R(16) L(16) выполняются те же действия, что и в процессе шифрования, но в обратном порядке. Итеративный процесс расшифрования может быть описан следующими формулами:

R (i-1) = L(i), i = 1, 2,…, 16;

L (i-1) = R(i) xor f (L(i), K(i)), i = 1, 2,…, 16.

На 16-й итерации получают последовательности L(0) и R(0), которые конкатенируют в 64-битовую последовательность L(0) R(0). Затем позиции битов этой последовательности переставляют в соответствии с матрицей IP. Результат такой перестановки - исходная 64-битовая последовательность. Теперь рассмотрим функцию шифрования f (R(i-1), K(i)). Схематически она показана на рисунке 6.



Рисунок 6 - Вычисление функции f (R(i-1), K(i))

Для вычисления значения функции f используются следующие функции-матрицы:

· Е - расширение 32-битовой последовательности до 48-битовой,

· S1, S2,…, S8 - преобразование 6-битового блока в 4-битовый,

· Р - перестановка бит в 32-битовой последовательности.

Функция расширения Е определяется таблице...