CN100442835C - 一种视频节目的数字版权和数字水印保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种视频节目的数字版权和数字水印保护方法，该方法是把视频节目文件分解为两部分，一个部分主要内容是从视频文件数据中提取的关键数据，针对不同用户在关键数据中嵌入标识该用户的数字水印，实行一人一密的方式进行加密，该方法继承了单密DRM安全性高和可事后追查攻击者的优点，而加水印和加密的计算量和最终文件的存储量也远低于单密DRM，即使个别版本被破解，内容密钥对非法传播的内容必须是巨大的解密明文节目，而不是像同密DRM那样只传播内容密钥，因而极大地限制了节目的非法传播范围；如果节目在用户端被破解和非法传播，可以根据标识该用户的数字水印立即找出攻击者，因而具有很好的推广应用价值。
Description
1、技术领域
本发明涉及一种视频媒体传播技术或数字电视点播技术，具体地说是一种视频节目的数字版权和数字水印保护方法。
2、背景技术
数字视频节目在功能和效果上已经远高于模拟节目，在网络视频点播、电视等娱乐领域普遍应用，并且在逐渐发展到高清标准节目。视频节目是网络运营商和内容提供商的主要资源，其中高清节目是其核心资源。由于数字视频具有无损复制特性，一旦泄露，会造成运营商和内容提供商的重大损失。实现对视频节目的数字版权保护是进一步扩展视频娱乐服务的关键。
实现数字媒体版权管理(DRM)较普遍的做法是同密方式：一个节目用一个内容密钥加密后，向所有用户发布；然后内容密钥封装在播放许可证书加密后传送到相应用户。同密DRM方式的优点在于：每个数字媒体节目只需要在发布之前进行一次加密，不需要在线加密；发布服务器只需要进行简单的流控制；所用用户使用相同的加密版本，不需要占用额外存放空间；适合以内容分布网的形式扩展系统性能。以上特性使这种技术能够支持较大规模的用户。
但是同密DRM保护模式存在安全缺陷，主要在于一个节目对所有用户采用相同密钥加密，一旦在个别用户的播放许可证书被破解，通过传播密钥会导致这个节目失控。更严重的是在对攻击的事后追踪上缺乏可靠的保证：DRM加密时嵌入数字水印没有意义，用户端播放软件添加数字水印，但不能够保证不被绕过；而攻击成功后只需发布内容密钥，不包含任何用户信息。
相对于同密DRM，单密DRM能够提供更高的安全保护。对于一个节目，单密DRM针对每个点播用户采用不同的内容加密密钥，生成各不相同的节目加密版本。即使个别版本被破解，内容密钥对非法传播的内容必须是巨大的解密明文节目，而不是像同密DRM那样只传播内容密钥，限制了节目的非法传播范围；在为每个用户生成加密节目版本时，可以首先嵌入标识该用户的数字水印，当节目在用户端被破解和传播时，可以找出攻击者。
但是作为提高安全性的代价，单密DRM对加密计算性能和存储空间的要求和用户数成正比，直接限制了用户的数量。
3、发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足提供一种视频节目的数字版权和数字水印保护方法。
本发明的目的是为克服同密DRM和单密DRM的缺点，寻找一种新的DRM方法，达到高安全性、较低计算量和较低的存储空间的目的，即计算量和存储空间远低于单密DRM，而安全性高于同密DRM、接近单密DRM。
对于娱乐视频节目的保护要求，只需要对于未授权用户丧失欣赏价值。因此可以只对视频部分进行加密，不处理音频部分。
现在的视频压缩都是采用空间压缩和时间压缩结合的方式，其中I帧采用帧内的空间压缩，P帧和B帧都采用帧间时间压缩和帧内空间压缩。每个I帧和后续的P帧、B帧构成一个正序列，如IBBPBBP…，在回放时，必须有I帧，才能够重建出后续的P帧B帧对应的图像。因此只需要对I帧进行DRM加密，就可以保护整个节目。
利用视频节目的这种特性，本发明对单密DRM系统进行了改造，达到了发明目的。
实现本发明目的的技术方案是：一种在视频点播系统中进行DRM加密和嵌入数字水印的方法，其特点包括以下步骤：
a、对于一个视频节目，首先在服务器端分解为2个文件，一个主要包含如I帧等的关键数据，以下称为I文件，另一个主要包含剩余的数据，如P帧、B帧和音频等，以下称为PB文件；
b、PB文件直接存放在PB发布服务器上，供用户进行点播或下载；
c、I帧文件针对每个合法用户生成一个副本，嵌入标识该用户的数字水印，并且采用针对该用户的内容密钥进行加密，以下称为EI文件，存放在EI发布服务器上，供用户进行点播或下载；
d、用户获取封装了针对自己的内容密钥的播放许可证书，一般采用非对称加密进行保护；
e、用户从PB发布服务器获取PB文件，从EI发布服务器获取针对该用户生成的EI文件；
f、用户端播放器同步提取EI文件和PB文件的数据，应用播放许可证书内的内容密钥解密EI文件，并与PB文件进行合成，形成视频流和音频流等，然后由解码器进行解码回放；
g、为了进一步降低计算量和存储空间，在步骤a中从视频节目文件提取关键数据时，可以只间隔提取部分关键数据，如每隔1个到多个I帧提取出1帧，形成I文件进行加密和嵌入水印，剩余的I帧与P帧、B帧和音频部分构成PB文件。
其中步骤a所述的文件分解要在I文件和PB文件中分别嵌入同步标志，用于在回放时能够准确定位，以便进行同步和合成。为了便于进行基于流的点播或组播，在PB文件的原来I帧位置嵌入同步标志，标示出该I帧在I文件中的位置属性，同时在后面补充长度，与原来的该I帧数据等长。
其中步骤b所述的PB发布服务器可以是FTP或HTTP文件下载服务器，也可以是流点播服务器或流组播服务器，也可以通过光盘等介质分发，还可以利用P2P协议进行分发。
其中步骤c所述的处理过程可以支持各种加密和数字水印算法。
其中步骤c所述的I发布服务器可以是FTP或HTTP文件下载服务器，或者是经改造的流点播服务器，为了安全性，这些服务器应该具备用户身份验证功能。下载服务器可以具备断点续传功能，使用户在线欣赏时能够根据同步要求，只获取EI文件中对应I帧的内容，减少延迟，减轻对网络的冲击，在拖动播放时能够更快速的反应。EI文件也可以通过文件拷贝或邮件等方式把EI文件传送给用户。
其中步骤d所述的播放许可证书可以采用非对称加密，以提高里面封装的内容密钥的安全性。用户私钥在用户端播放器软件的DRM组件内加密保存。
其中步骤e所述的获取PB文件和EI文件并不一定需要全部获取到本地，可以根据播放进度只获取当前播放的内容。
其中步骤f所述的解密过程是由播放器的DRM组件提取播放许可证书内的内容密钥，对EI文件内容解密，各种密钥和解密操作都在DRM组件内部，并与PB文件流进行合并，生成内容直接传送到解码器。整个过程避免了密钥和解密明文的泄漏。没有合法的播放许可证时，用户只能够回放出音频信息，由PB文件只能够得到图像的残差信息，没有欣赏意义。
其中步骤g所述的间隔提取关键数据，可以根据保护力度要求确定间隔大小。如每3秒为一个帧序列的视频节目，每间隔1个I帧提取一个关键数据进行保护，非授权用户播放时视频每播放3秒就要中断3秒，同样能够丧失其欣赏价值。
由于本发明采用了关键数据与其它数据进行分离处理的方式，只对I帧部分进行针对个体用户的加密和嵌入水印的操作，利用视频压缩的特性，对于非授权用户没有了欣赏性，保持了与单密DRM相近的安全性。由于I文件只占节目文件的很小一部分，针对每个用户的计算量大幅度减小，在大量用户情况下，对存储的要求比单密DRM大幅度下降。
4、附图说明
图1为视频节目文件分解、加密加水印在用户端的处理步骤示意图；
图2为用户端播放器播放时对PB文件和EI文件的处理步骤示意图。
实施例：以一个播放速率为8Mbps、时间长度为100分钟、文件大小为5GB的MPEG-4高清视频节目为例，帧速率为30fps，平均每5秒构成一个帧序列，结构为IBBPBBPBBP…，则整个节目的帧数比例为SI∶SP∶SB＝1∶50∶100，单帧数据量比例为LI∶LP∶LB＝1∶O.3∶0.15，则各种帧的字节数占整个文件的比例是RI∶RP∶RB＝3.2％∶48.4％∶48.4％PB文件为5GB，每个EI文件为160MB。因此相对于单密DRM，加密量降低了大约30倍，在相当大的并发用户情况下，可以实现在线加密；当用户数为n时，存储量为5GB+n*160MB。进一步采用间隔提取I帧的话，计算量和存储量将进一步减小。
实施步骤如下：
1、对数字视频文件进行分解，形成包含关键数据的I文件，如I帧等，和剩余数据构成的PB文件，如包括P帧、B帧和音频等数据；
2、PB文件存放在PB发布服务器向全部用户发布；
3、许可服务器为每个授权用户制定该节目的内容密钥和用户标识，并把内容密钥封装在播放许可证书中发送给用户；
4、利用许可服务器提供的用户标识和内容密钥对I文件进行嵌入数字水印和加密操作，生成针对该用户的EI文件；
5、为不同用户生成的EI文件保存在EI发布服务器上，供授权用户访问；
6、用户在持有合法播放许可证书的情况下，从PB发布服务器获取PB文件，从EI发布服务器获取对应自己的EI文件，就可以播放了。
本发明的方法的优点是：继承了单密DRM安全性高和可事后追查攻击者的优点，而加水印和加密的计算量远低于单密DRM，最终文件的存储量也远低于单密DRM。即使个别版本被破解，内容密钥对非法传播的内容必须是巨大的解密明文节目，而不是像同密DRM那样只传播内容密钥，限制了节目的非法传播范围；在为每个用户生成加密节目版本时，可以首先嵌入标识该用户的数字水印，当节目在用户端被破解和传播时，可以找出攻击者。因而具有很好的推广应用价值。
Claims (2)
1、一种视频节目的数字版权和数字水印保护方法，其特征在于：把视频节目文件分解为两部分，一个部分主要内容是从视频文件数据中提取的关键数据，I帧数据，这部分数据针对每个用户生成一个副本，嵌入标识该用户的数字水印，并采用针对该用户的内容密钥进行加密，方法包括以下步骤：
a、对于一个视频节目，首先分解为2个文件，一个文件包含I帧的关键数据，以下称为I文件，另一个文件主要内容是剩余的视频文件数据，包含P帧、B帧和音频数据，以下称为PB文件；
b、PB文件直接存放在PB发布服务器上，供用户进行点播或下载；
c、针对每个用户，把I文件嵌入标识该用户的数字水印，并且采用针对该用户内容的密钥进行加密，生成针对这个用户的加密版本，以下称为EI文件，存放在EI发布服务器上，供该用户进行点播或下载；
d、用户获取封装了针对自己的内容密钥的加密播放许可证书；
e、用户从PB发布服务器获取统一的明文PB文件，从EI发布服务器获取针对该用户生成的EI文件；
f、用户端的播放器分别获取加密的EI文件的关键数据和明文PB文件数据后，首先进行同步，应用播放许可证书内的内容密钥解密，并与PB文件数据流合成，然后解密关键数据合成出视频流和音频流，由解码器进行解码后再进行音视频回放；
g、为了进一步降低计算量和存储空间，在把视频节目分解为I文件和PB文件时，间隔提取部分关键数据，每隔1个到多个I帧提取1个I帧数据，形成I文件，剩余的数据构成PB文件，并对I文件进行步骤c的加密处理，得到EI文件。
2、根据权利要求1所述的视频节目的数字版权和数字水印保护方法，其特征在于，视频节目内容的加密内容和明文内容的分别发布方式，是各用户通过共享一套明文的PB文件，每个用户通过点播或下载分别获取对应自己的关键数据加密版本。
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