CN101207793A - 实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法。该方法是对多媒体数据的加密和水印的嵌入，即为实现加密和水印的互操作，将多媒体数据通过数据选择以产生重要数据和鲁棒数据，然后对重要数据进行加密并对在鲁棒数据中嵌入水印信息；多媒体数据的解密和水印的提取，即首先将多媒体数据通过数据后恢复，并对恢复的数据进行数据选择，通过选择出的鲁棒数据进行水印信息的提取，通过将重要数据解密并和鲁棒数据等组合并经过数据预恢复产生最终的多媒体信号。本发明可以十分方便有效的实现水印和加密的同时操作，并且简化了以往水印的提取和再嵌入需要多多媒体数据解密的带来的计算复杂度和时间效率上的缺陷。

Description

实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法

一技术领域

本发明属多媒体内容保护技术领域，特别是一种能够实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法。

二背景技术

加密和水印技术被广泛应用于多媒体数据(图像、声音和视频等)内容保护。其中，多媒体加密用于保护多媒体数据内容的机密性。即，采用加密算法将多媒体数据编码成混乱不可理解的形式，只有拥有正确密钥的用户才能解密并获得原始数据。考虑到多媒体数据的数据量大的特点，通常仅仅加密多媒体数据的一部分数据(C.H.Ho，W.H.Hsu.Image protection system and method.US Patent：US2005114669；一种视频信息的加解密方法。徐正全，李伟等。专利申请号CN200410061009.X。)，如数据格式信息、图像中的感兴趣区域、视频中的运动信息等。

多媒体水印技术通过在多媒体数据中嵌入一些版权信息来保护多媒体数据的版权。如果嵌入了版权标识的视频被传播，通过提取此标识，可以追溯其来源。为了抵抗一定的去除攻击，如压缩、滤波、放缩等，通常将水印嵌在比较鲁棒的地方，如数据频率域的中低频段。

由于加密和水印实现多媒体数据保护的不同方面的功能，在实际应用中，有必要将此二者结合，同时实现机密性和版权保护功能。目前，已有一些将加密和水印结合应用的方法。例如，利用水印来传递加解密的密钥，接收端先提取密钥，然后进行解密操作(X.Xu，S.Dexter，A.M.Eskicioglu，“A hybrid scheme for encryption andwatermarking，”Security，Steganography，and Watermarking of Multimedia Contents 2004：725-736)；利用水印来隐藏一部分图像，即将一幅图像分割成多个部分，每个部分隐藏于不同的载体图像中，通过多个载体图像来传送一幅图像(M.Fu，Q.C.Au，“Jointvisual cryptography and watermarking，”2004 IEEE International Conference on Multimediaand Expro(ICME 2004)，2004，975-978.)；先将水印嵌入多媒体数据中，然后加密嵌了水印的多媒体数据(D.Simitopoulos，N.Zissis，P.Georgiadis，V.Emmanouilidis and M.G.Strintzis“Encryption and Watermarking for the Secure Distribution of Copyrighted MPEGVideo on DVD”，ACM Multimedia Systems Journal，Special Issue on Multimedia Security，Volume 9，Number 3，pp 217-227，September 2003.)。

在这些加密和水印结合的方法中，存在一个潜在的问题：加密后的数据不能够直接提取水印，加密后的数据不能够重复嵌入水印；必须先解密再提取或重新嵌入水印，然后再加密。如果能够对加密后的多媒体数据直接嵌入或提取水印，这将大大降低重复操作的代价。但是，目前还没有解决方法。

三发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现加密和水印可交互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，使得加密后的多媒体数据可以直接进行水印的提取或者水印的再嵌入，有效解决现有技术中的存在的不足。

实现本发明目的的技术解决方案：一种实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，包括以下步骤：

第一步，多媒体数据的加密和水印的嵌入，即为实现加密和水印的互操作，将多媒体数据通过数据选择以产生重要数据和鲁棒数据，然后对重要数据进行加密并对在鲁棒数据中嵌入水印信息，加密和水印后的数据经过数据后处理产生处理后的多媒体数据；

第二步，多媒体数据的解密和水印的提取，即首先将多媒体数据通过数据后恢复，并对恢复的数据进行上一步的数据选择，通过选择出的鲁棒数据进行水印信息的提取，通过将重要数据解密并和鲁棒数据以及其他数据组合并经过数据预恢复产生最终的多媒体信号。

本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，可实现对加密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入，水印提取和水印重复嵌入是通过将数据后恢复操作后的多媒体信息经过数据选择得到鲁棒数据后，在鲁棒数据上直接进行水印的提取和再嵌入。

本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，对加密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入的步骤如下：

第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密钥K₀和水印子密钥K₁；

第二步，多媒体数据被数据后恢复操作处理，此处的数据后恢复操作是数据后处理操作的逆过程；

第三步，数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生鲁棒数据Y’，此过程与鲁棒数据选择过程相同；

第四步，水印提取操作，在水印密钥K₁的控制下从鲁棒数据Y’中提取出水印W₁，其中水印提取操作是水印嵌入操作的逆过程；

第五步，水印重复嵌入过程：在水印密钥K₁的控制下将水印W₂嵌入到鲁棒数据Y’中，获得Y”；

第六步，嵌过水印的Y”连同加密后的X’和其它数据Z通过后处理操作，产生处理后的多媒体数据。

本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，多媒体数据的加密和水印嵌入的操作步骤如下：

第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密钥K₀和水印子密钥K₁，密钥产生过程可使用M序列发生器或者其他的随机数发生器实现；

第二步，预处理多媒体数据，该预处理过程为多媒体压缩处理中涉及的各种操作；或者为空操作，即不进行预处理；

第三步，预处理后的多媒体数据通过数据选择过程，即数据选择过程依赖对不同形式的多媒体数据的分析，最终数据被分为相互独立的三个部分：重要数据X，鲁棒数据Y和其他数据Z；其中，通过重要数据选择过程获得的重要数据X是指即使是轻微的改变也会引起多媒体数据的视听质量极大下降的数据；通过鲁棒数据选择过程获得的鲁棒数据Y是具有一定冗余空间的数据，且它的适度改变不会影响到多媒体数据的视听质量；其他的数据Z是指除了重要数据X和鲁棒数据Y之外的数据；

第四步，在加密密钥K₀的控制下加密重要数据X，获得X’；

第五步，在水印密钥K₁的控制下将水印W₁嵌入到鲁棒数据Y中，获得Y’；水印嵌入方法是扩频方法或者是量化索引调制的方法；

第六步，加密后的X’，嵌过水印的Y’和Z通过数据后处理操作，产生处理后的多媒体数据，后处理操作是游长编码、算术编码或Huffman编码的熵编码操作；或者是空操作，即不进行操作。

本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，完成对加密和嵌水印后的多媒体数据的解密的步骤如下：

第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生用于解密的解密密钥K₀；

第二步，多媒体数据被数据后恢复操作处理；

第三步，数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生重要数据X’，鲁棒数据Y’或Y”，和其它数据Z，其中Y’是指嵌水印后的数据，Y”是指重复嵌入水印的数据；

第四步，解密操作：在解密密钥K₀的控制下把重要数据X’解密成X，其中解密操作是加密操作的逆操作；

第五步，解密后的数据X连同嵌过水印的Y’或Y”和其他数据Z通过数据预恢复操作，产生解密后的多媒体数据，数据预恢复操作是数据预处理操作逆过程。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：该方法可以十分方便有效的实现水印和加密的同时操作，并且解决了以往水印的提取和再嵌入需要多多媒体数据解密的带来的计算复杂度和时间效率上的缺陷，使得使用者可直接利用加密后的数据中进行水印的提取和重复嵌入的操作。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

四附图说明

图1是本发明的多媒体加密和嵌水印过程框图。

图2是本发明的多媒体水印提取和重复嵌入过程框图。

图3是本发明的多媒体解密过程框图。

图4是本发明的可交换操作的视频加密和水印过程框图。

图5是本发明的DCT块中重要数据X和鲁棒数据Y的组成方式示意图。

图6是本发明的视频加密和水印效果图。

五具体实施方式

结合图1至3，1、本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，其具体步骤为：

1.1多媒体数据的加密和水印的嵌入。为实现加密和水印的互操作，在这步骤中个需要将多媒体数据通过数据选择以产生重要数据和鲁棒数据，然后对重要数据进行加密并对在鲁棒数据中嵌入水印信息，加密和水印后的数据经过数据后处理产生处理后的多媒体数据。

1.2多媒体数据的解密和水印的提取。在这个步骤中需要首先将多媒体数据通过数据后恢复，并对恢复的数据进行如步骤1.1的数据选择，通过选择出的鲁棒数据进行水印信息的提取，通过将重要数据解密并和鲁棒数据以及其他数据组合并经过数据预恢复产生最终的多媒体信号。

2、本发明可实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，可以在步骤1.1进行多媒体数据的加密和水印的嵌入后，可以实现对加密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入，水印提取和水印重复嵌入是通过将数据后恢复操作后的多媒体信息经过数据选择得到鲁棒数据后，在鲁棒数据上直接进行水印的提取和再嵌入。

3、本发明可实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，多媒体数据的加密和水印嵌入的操作步骤如下：

3.1子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密钥K₀和水印子密钥K₁，密钥产生过程可使用M序列发生器或者其他的随机数发生器实现。

3.2预处理多媒体数据，这里预处理过程可以是一般多媒体压缩处理中涉及的各种操作。例如，FFT(快速傅立叶变换)，DCT(余弦变换)或者小波变换，量化，运动估计和补偿等；也可以是空操作，即不进行预处理

3.3预处理后的多媒体数据通过数据选择过程，数据选择过程依赖对不同形式的多媒体数据的分析。最终数据被分为相互独立的三个部分：重要数据X，鲁棒数据Y和其他数据Z；其中，通过重要数据选择过程获得的重要数据X是指即使是轻微的改变也会引起多媒体数据的视听质量极大下降的数据；通过鲁棒数据选择过程获得的鲁棒数据Y是具有一定冗余空间的数据，且它的适度改变不会影响到多媒体数据的视听质量；其他的数据Z是指除了重要数据X和鲁棒数据Y之外的数据。

3.4在加密密钥K₀的控制下加密重要数据X，获得X’；这里加密可以是流密码或者块密码，如流密码中的数据位的异，或者块密码中的DES或者AES。

3.5在水印密钥K₁的控制下将水印W₁嵌入到鲁棒数据Y中，获得Y’；水印嵌入方法可以是扩频方法或者是量化索引调制的方法。

3.6加密后的X’，嵌过水印的Y’和Z通过数据后处理操作，产生处理后的多媒体数据。后处理操作可以是熵编码操作，例如，游长编码，算术编码，Huffman编码等；也可以是空操作，即不进行操作。

4、本发明对加密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入，其步骤如下：

4.1子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密钥K₀和水印子密钥K₁，该子密钥产生器与步骤3.1中的子密钥产生器相同；

4.2多媒体数据被数据后恢复操作处理，此处的数据后恢复操作是步骤3.6中的数据后处理操作的逆过程；

4.3数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生鲁棒数据Y’，此过程与步骤3.3中的鲁棒数据选择过程相同；

4.4水印提取操作，在水印密钥K₁的控制下从鲁棒数据Y’中提取出水印W₁，其中水印提取操作是水印嵌入操作的逆过程；

4.5水印重复嵌入过程：在水印密钥K₁的控制下将水印W₂嵌入到鲁棒数据Y’中，获得Y”，水印嵌入操作与步骤3.5中的嵌入方法相同；

4.6嵌过水印的Y”连同加密后的X’和其它数据Z通过后处理操作，产生处理后的多媒体数据，该后处理操作与步骤3.6中的方法相同。

下面结合图4至图5，本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，以下基于MPEG2视频编码为例，可交换操作的视频加密和水印方法的过程如下：

(1)视频数据在进行DCT变换，量化，运动估计和补偿等预处理操作后，被分割成三个部分：

1)重要数据X：DC(直流)系数，AC(交流)系数的符号，MVD(运动向量差)的符号；

2)鲁棒数据Y：中频AC系数的幅值；

3)其它数据Z：其它AC系数的幅值，MVD的幅值，格式信息等。

图5给出了在一个DCT块中，重要数据X和鲁棒数据Y的组成方式。其中，X＝{x₀，s(x₁)，s(x₂)，...，s(x₆₃)}(s(a)表示a的符号位，如果a＞0，s(a)＝1，否则，s(a)＝-1)， $Y=\left\{\right|x_{N_t}|,|x_{N_{t+1}}|,...,|x_{N_w-1}\left|\right\}$ (0＜N_t＜N_w＜63)。此处，N_i＝6，N_w＝13，即Y包含了8个中频系数的幅值。

(2)对于重要数据X，采用流密码加密，加密方法采用由密钥K0生成的序列和X的比特异或，得到X’。考虑到，水印嵌入操作可能改变系数的符号，从而影响解密的结果，采用流密码可以避免解密过程中的错误扩散。

(3)对于鲁棒数据Y，采用基于量化索引调制的方法来嵌入水印，得到Y’。为了降低水印操作对系数符号的影响，采用如下水印嵌入方法：

令一个DCT块要嵌入的水印 $W=w_0{w}_1...w_{N_w-N_t-1}.$

如果w_i＝1(i＝0，1，...，N_w-N_t-1)，

其中，

是指不小于a的最小的整数，％是整数取余运算，q是量化步长。为了对保持对压缩过程的鲁棒性，q的取值一般要大于压缩过程的量化步长。

如果w_i＝0(i＝0，1，...，N_w-N_i-1)，

其中，

％和q的含义同上。

可见，当系数的幅值

过小(

)时，水印嵌入操作将其幅值扩大到q或2q。这不仅能保持其符号在水印嵌入过程不变，还能够保持对一些可接受的操作(重压缩，滤波，放缩等)保持不变，从而保证解密过程能够正确进行。

(4)对加密后的数据，嵌入水印后的数据和其它数据进行熵编码，获得加密和嵌水印后的数据流。

因为加密和水印过程不改变数据格式，编码后的数据流可以正确得分离出重要数据和鲁棒数据，从而提取出X’和Y’。对于X’，可以采用流密码解密；对于Y’可以进行水印提取和水印再嵌入操作。此处，水印嵌入操作不会改变系数的符号，从而不会影响解密的结果。水印提取过程为

其中，

％和q的含义同上。

图6给出了一段视频的实验结果。可见，此方法能够实现在不解密情况下提取和嵌入水印。((a)原始视频(b)加密和嵌水印后的视频(c)重新嵌水印的视频(d)解密后的视频)。

Claims (6)

1.一种实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，多媒体数据的加密和水印的嵌入，即为实现加密和水印的互操作，将多媒体数据通过数据选择以产生重要数据和鲁棒数据，然后对重要数据进行加密并对在鲁棒数据中嵌入水印信息，加密和水印后的数据经过数据后处理产生处理后的多媒体数据；

第二步，多媒体数据的解密和水印的提取，即首先将多媒体数据通过数据后恢复，并对恢复的数据进行上一步的数据选择，通过选择出的鲁棒数据进行水印信息的提取，通过将重要数据解密并和鲁棒数据以及其他数据组合并经过数据预恢复产生最终的多媒体信号。

2.根据权利1所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，其特征在于：可实现对加密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入，水印提取和水印重复嵌入是通过将数据后恢复操作后的多媒体信息经过数据选择得到鲁棒数据后，在鲁棒数据上直接进行水印的提取和再嵌入。

3.根据权利要求2所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，其特征在于：对加密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入的步骤如下：

第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密钥K₀和水印子密钥K₁；

第二步，多媒体数据被数据后恢复操作处理，此处的数据后恢复操作是数据后处理操作的逆过程；

第三步，数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生鲁棒数据Y’，此过程与鲁棒数据选择过程相同；

第四步，水印提取操作，在水印密钥K₁的控制下从鲁棒数据Y’中提取出水印W₁，其中水印提取操作是水印嵌入操作的逆过程；

第五步，水印重复嵌入过程：在水印密钥K₁的控制下将水印W₂嵌入到鲁棒数据Y’中，获得Y”；

第六步，嵌过水印的Y”连同加密后的X’和其它数据Z通过后处理操作，产生处理后的多媒体数据。

4.根据权利要求1所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，其特征在于：多媒体数据的加密和水印嵌入的操作步骤如下：

第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密钥K₀和水印子密钥K₁，密钥产生过程可使用M序列发生器或者其他的随机数发生器实现；

第二步，预处理多媒体数据，该预处理过程为多媒体压缩处理中涉及的各种操作；或者为空操作，即不进行预处理；

第三步，预处理后的多媒体数据通过数据选择过程，即数据选择过程依赖对不同形式的多媒体数据的分析，最终数据被分为相互独立的三个部分：重要数据X，鲁棒数据Y和其他数据Z；其中，通过重要数据选择过程获得的重要数据X是指即使是轻微的改变也会引起多媒体数据的视听质量极大下降的数据；通过鲁棒数据选择过程获得的鲁棒数据Y是具有一定冗余空间的数据，且它的适度改变不会影响到多媒体数据的视听质量；其他的数据Z是指除了重要数据X和鲁棒数据Y之外的数据；

第四步，在加密密钥K₀的控制下加密重要数据X，获得X’；

第五步，在水印密钥K₁的控制下将水印W₁嵌入到鲁棒数据Y中，获得Y’；水印嵌入方法是扩频方法或者是量化索引调制的方法；

第六步，加密后的X’，嵌过水印的Y’和Z通过数据后处理操作，产生处理后的多媒体数据，后处理操作是游长编码、算术编码或Huffman编码的熵编码操作；或者是空操作，即不进行操作。

5.根据权利要求4所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，其特征在于：第四步的加密是流密码中的数据位的异，或者块密码中的DES或AES。

6.根据权利要求1所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，其特征在于：完成对加密和嵌水印后的多媒体数据的解密的步骤如下：

第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生用于解密的解密密钥K₀；

第二步，多媒体数据被数据后恢复操作处理；

第三步，数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生重要数据X’，鲁棒数据Y’或Y”，和其它数据Z，其中Y’是指嵌水印后的数据，Y”是指重复嵌入水印的数据；

第四步，解密操作：在解密密钥K₀的控制下把重要数据X’解密成X，其中解密操作是加密操作的逆操作；

第五步，解密后的数据X连同嵌过水印的Y’或Y”和其他数据Z通过数据预恢复操作，产生解密后的多媒体数据，数据预恢复操作是数据预处理操作逆过程。

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