(57)【要約】【目的】画像データの圧縮展開において、画質の劣化はさけられない。十分な処理速度を確保しつつ、画像の劣化をさけ、高い圧縮率を実現することを目的とする。【構成】画像データに関し、第１の前処理としてウェーブレット変換を行い、第２の前処理として分布にもとづくコード変換によりＧ１エントロピーを下げ、カオスの圧縮展開テーブルを用いて圧縮し、圧縮暗号コードを生成する。展開はそれらの逆過程である。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像データＲ、Ｇ、ＢをＹ、Ｃｂ、Ｃｒに変換すること、ウェーブレット変換し非線形に量子化すること、分布にもとづくコード変換（暗号鍵設定）を行うこと、カオスの圧縮展開テーブル（暗号鍵設定）で圧縮し圧縮コードを得ること、それらの逆過程をたどることにより復元することを特長とする画像データの圧縮暗号化の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
大量の画像データがネットワークや無線を介して転送される時代となった。画質を高品質に保ち、効率のいい圧縮を行い、かつ安全に保存し、転送されることが求められている。簡単なアルゴリズムで高速に圧縮、暗号化、展開できることが求められている。
【０００２】
大量のデータを取り扱うという点では音声についても同じような要求がある。画像データはＲ、Ｇ、Ｂに分解すればビットマップのセルの強度データである。周波数のチャネルに分解された音声の時系列データも、１枚１枚はビットマップファイルである。本案は自然画像データの圧縮暗号化に関するが、音声データの圧縮暗号化にも応用可能である。
【０００３】
【従来の技術】
ロジスティック写像の逆計算の符号選択で、カオスがディジタルコードを取り込むことは、発明者の１人の著書「カオスエンジニアリング、シュプリンガーフェアラーク東京、２００２年１０月出版予定」１０ページ及び１３８ページに記載されている。逆計算のための初期値を与え、符号選択してディジタルコードを取込み、そうして求めた内部状態を同相変換量子化して圧縮コードを得る。初期値と符号選択を圧縮すべき情報の一定の長さのブロックサイズとすると、そのブロックと圧縮コードの関係をあらかじめ計算した圧縮展開テーブルとすることができる。
【０００４】
カオスの圧縮展開テーブルの作り方は一通りではない。等価なコードの入れ替えを順列で行えるようにすると、暗号鍵が順列で与えられる。圧縮展開テーブルは連続する０であるコードの０の数を減らし、１を含むコードの１の数をできるだけ増大させないで可逆的に圧縮と展開を保証するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
カオスが内包している圧縮展開を効果的に活用するためには、処理すべきディジタルファイルをエントロピーの小さいファイルに変換（前処理）しておく必要がある。本案は画像データの圧縮を主たる目的とするが、本案にあってはウェーブレット変換と非線形量子化によって固有の片寄りのあるファイルに前処理（第１の前処理）することと、そのファイルの分布を調べ０の多い、１の少ないコードに置き換えるもう１つの前処理（第２の前処理）を行うことにより、効果的に圧縮可能なファイルを得る。
【０００６】
０と１が互いに独立なディジタルファイルのエントロピーはＧ１＝−Ｐ（０）１ｏｇ２Ｐ（０）−Ｐ（１）　ｌｏｇ２Ｐ（１）で代表させることができる。Ｐ（０）は総データ量に対する０であるビットの割合であり、Ｐ（１）は総データ量に対する１であるビットの割合である。これをＧ１エントロピーと呼んでおく。
【０００７】
Ｇ１エントロピーは０と１の間の小数である。Ｇ１＝０．９９９・・・と１に近い値のときには、０と１のビットがよく混ざり合った乱数に近いファイルだということを意味する。０というビットの中に１がまばらに存在するファイルのＧ１エントロピーは、たとえば０．０２３・・・というように０に近い値を示す。カオスの圧縮展開テーブルを用いた圧縮では、Ｇ１エントロピーは圧縮可能性の指標を与える。
【０００８】
前処理を終えたファイルのＧ１エントロピーは、できるだけ小さい方がい。圧縮を繰り返して生成された圧縮コードのエントロピーはＧ１＝０．９９９・・・と１に近い、０と１が等分に混ざり合ったコードとなっている。圧縮コードは、前処理と圧縮の過程に暗号鍵が定義されていれば、暗号鍵に一意に支配された暗号コードであるということができる。すなわち、圧縮暗号化が実現できる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
画像データに関しＧ１エントロピーを下げる前処理は２段階に分けて行われる。第１の前処理過程はウェーブレット変換と非線形量子化であり、第２の前処理過程は分布にもとづくコード変換である。前者は非線形量子化の結果、ほとんどが０ビットの配列であるが、その中にほとんどが１であるコードまたはほとんどすべてが０であるコードに片寄った分布を出力する。後者はほとんど１であるコードをほとんどが０であるコードに置き換えてＧ１エントロピーを下げる。
【００１０】
ウェーブレット変換はすでによく知られた画像処理の手法である。ウェーブレット変換後の量子化手法に、結果として線形となるように非線形に量子区分をもうけた、非線形量子化にある。３原色Ｒ、Ｇ、Ｂに分解されたセルの強度データは８ビットコードで採取される。Ｒ、Ｇ、ＢはＹ、Ｃｂ、Ｃｒにいったん変換され、色差信号Ｃｂ、Ｃｒは横方向に１／２に間引かれる。この信号が横方向にウェーブレット変換され、高周波数と低周波数の領域に分けられる。低周波数の信号はさらに縦と横にウェーブレット変換を繰り返す。ウェーブレット変換後は各サブバンド信号を適切な係数で割って量子化を行う。このときに、結果が線形となるように量子区分をもうけ、非線形に量子化するのが本案の特長である。
【００１１】
第２の前処理は、ウェーブレット変換非線形量子化したディジタルファイルのサブバンド信号についてシンボルの分布の統計を取り、シンボルの種類の数に応じて第２の前処理のビット数を決める。たとえば、５種類のシンボルが出てくるなら２２＜５＜２３であるから、第２の前処理では１６ビットから３ビットに変換することとする。第２の前処理テーブルの作成は完全自動化が可能である。
【００１２】
【作用】
本案の画像圧縮の過程をフローチャートで示すと図１のようになる。画像データ１が圧縮暗号コード５に到る過程には、ウェーブレット変換非線形量子化（第１の前処理）２、分布にもとづくコード変換（第２の前処理）３および圧縮展開テーブル４を用いた圧縮暗号化の過程が関与している。
【００１３】
本案において順列で暗号鍵を定義できる機会は２箇所にある。１つは分布にもとづくコード変換（第２の前処理）３においてであり、他は圧縮展開テーブル４においてである。前者においては、コードの入れ替えを行ってもＧ１エントロピーを見たとき等価であるコード間に順列で暗号鍵を定義でき、後者においては、圧縮率から見て等価であるコード間に順列で暗号鍵を定義できる。順列の組合せの総数が発行可能であり、ユーザが利用可能な暗号鍵の総数である。
【００１４】
【実施例】
本案は圧縮と暗号化を図１の一連の流れの中で同時に実行することを特長とする。暗号化を構成する要素は暗号鍵と暗号表である。本案では暗号鍵は順列で、図１を構成する要素３、４の２箇所で定義できる。つねに２箇所で定義する必要はない。１箇所でも役割は十分である。暗号鍵を分布にもとづくコード変換（第２の前処理）３に定義したときには、暗号鍵をセットした分布にもとづくコード変換テーブルが暗号表となる。　暗号鍵を圧縮展開テーブル４に定義したときは、暗号鍵をセットした圧縮展開テーブルが暗号表となる。
【００１５】
ビットマップＲ、Ｇ、Ｂ、６４０×４８０×２４ビット（９２１，６５８バイト）の画像データを、第１の前処理としてウェーブレット変換非線形量子化を行い、４１のサブバンド信号に分解した。１９９種類のシンボルがあらわれた。１６ビットを８ビットコードに変換する第２の前処理が実行され、４１のサブバンドデータをすべて継ぎ合わせて１本のラインデータとみなしたとき、Ｇ１エントロピーはＧ１＝０．１２８７４８まで下がっていた。６ビットブロックの圧縮展開テーブルで５回繰り返し圧縮ができ、圧縮コードの長さは１０４、８５８バイトであった。もとデータに対する圧縮率は１１．４％であった。
【００１６】
サブバンドには、すべてのデータが０の配列だというバンドもある。０の配列は圧縮する必要がなく、サブバンドの開始アドレスに符号を与えるだけでよい。０の配列でないサブバンド信号に関し、個別に第２の前処理を行い、圧縮展開テーブルを用いた繰り返し圧縮を実行する。同じ画像データに関しサブバンド別の圧縮を行った圧縮コードの総計は５８，８７０バイトに減少した。もとデータに対する圧縮率は６．４％であった。
【００１７】
圧縮展開テーブルを繰り返し使い圧縮を行うと、圧縮のたびにＧ１エントロピーは上昇する。もうこれ以上は圧縮できない、もう１回圧縮すると次は膨張するというところでの圧縮コードのＧ１エントロピーはＧ１＝０．９９・・・と大きくなっている。０と１のビットが良く混ざり合った乱数のエントロピーに近い。したがって、圧縮コードには暗号コードとみなすことができ、暗号コードが暗号鍵によって一意に支配された関係となっている。
【００１８】
繰り返し圧縮をとことん行う必要はない。目標とする圧縮率が与えられたときには、Ｇ１エントロピーを目安にして、そこまでの圧縮を行うとよい。すなわち、圧縮を制御することもできる。
【００１９】
ウェーブレット変換は量子化を行わないこともできる。量子化を行わなかった場合でも、非線形に量子化を行った場合でも、ウェーブレット変換は非可逆的である。一方、第２の前処理も圧縮展開テーブルを用いた圧縮も可逆的である。
【００２０】
本案の圧縮暗号化の手法は、すべてのビットが０であるオール０のファイルの圧縮展開も可能である。すべてのビットが１であるオール１のファイルは、すべてを反転して圧縮するとよい。一般に、１の総数が０の総数より多いディジタルファイルは反転したファイルにして、本案図１の過程を適用する法が合理的である。
【００２１】
【発明の効果】
画像データの圧縮暗号化は、暗号鍵（順列）による画像データの管理を容易にする。画像圧縮は膨大なデータの高速な処理と同時に高品質に画質を維持することを要求する。そのためにはアルゴリズムが簡単でなければならない。本案においては、画質は量子化のレベルに依存し、高品質に保つこともでき、要求に応じて画質を劣化させることが許されれば、高い圧縮率を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】画像データの圧縮展開過程である。
【符号の説明】
１　画像データ
２　ウェーブレット変換非線形量子化（第１の前処理）
３　分布にもとづくコード変換（第２の前処理）
４　圧縮展開テーブル
５　圧縮暗号コード
６　暗号鍵
７　暗号鍵
【図１】
2004126484.tif 000003