CN101262593A

CN101262593A - 基于混合水印机制的增强型oma drm 2.0视频数字版权管理系统

Info

Publication number: CN101262593A
Application number: CNA2007100797004A
Authority: CN
Inventors: 赵壮; 张宝贤; 姚郑; 郭勇; 张锋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-10

Abstract

本发明提出了一个基于混合水印机制的增强型OMA DRM 2.0视频数字版权管理系统。服务器端在视频压缩域分别嵌入用于客户端进行版权管理的可删除脆弱水印以及用于侵权追踪的鲁棒水印；客户端采用高效的脆弱水印提取和删除算法进行用户认证和权限信息验证，并消除脆弱水印造成的失真。本发明采用纠错编码、伪随机加扰等技术增强鲁棒水印检测的有效性，提高了侵权责任人判定与所有者界定的准确性和可靠性。本发明采用混合移动视频水印嵌入方式，通过区分不同水印信息的用途，使用不同的水印嵌入算法，增强了鲁棒水印的抗攻击能力，降低了脆弱水印的检测复杂度及其对视频质量的影响。本发明具有一定的通用性，能够应用于多种视频压缩标准。

Description

基于混合水印机制的增强型OMA DRM 2.0视频数字版权管理系统

技术领域

本发明涉及DRM视频数字版权管理系统，主要是在兼容OMA(开放移动联盟)制定的DRM 2.0标准的基础上，采用混合数字水印机制，增强移动视频内容版权安全性和侵权追踪能力的数字版权处理系统。

技术背景

OMA DRM 1.0标准具有架构简单、易于部署等优点，但缺乏一套完整全面的安全认证机制。OMA DRM 2.0正是在1.0版本的基础上通过建立一个基于公钥基础设施(PKI)的安全信任模型、扩展所支持的传送模式而形成的新一代数字版权管理系统。近来国内外针对移动设备的视频数字版权管理系统正逐步采纳OMA DRM 2.0标准规范。这些移动视频数字版权管理系统，在视频内容的发布过程中对视频数据进行加密，在版权信息中存储相应密钥并基于PKI机制将版权信息分发给用户。虽然如此，加密视频内容解密以后，就置于解密人的完全控制之下，因而存在着两个主要缺陷：一是如果出现了版权纠纷，无法以技术手段检查出谁是数字内容版权真正的合法归属者；二是在出现数字视频内容被非法复制、转移时，无法以技术手段追究出到底是谁泄漏了受到保护的数字内容。因此，这些系统的数字版权保护缺乏法律层面的可操作性。

发明内容

本发明的目的在于：针对需要进行数字版权保护的移动视频内容，提供一种与OMA DRM 2.0标准兼容，既有数字版权保护能力，又有版权追踪和所有权界定能力的数字版权管理安全系统。另外，本系统还增加了对移动视频内容和权限信息是否遭到攻击进行检查的功能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于混合水印机制的增强型OMADRM 2.0视频数字版权管理系统，其典型的应用环境由以下部分组成(如图1所示)：

1)视频内容提供商：拥有视频内容的数字版权，对版权拥有者制作的视频数字媒体文件进行编码，生成DRM软件所支持的视频媒体格式文件。

2)发行商：提供移动视频媒体的发布通道。发行的内容来源于内容供应商的视频媒体和视频版权元数据。发行商利用数字水印技术对视频内容进行处理，然后打包形成受保护的媒体文件，存放在内容发布服务器上。

3)版权发布中心：根据消费者的定制选择为消费者拥有的视频媒体内容生成相应的数字许可证，数字许可证用来说明消费者根据交易达成的使用条款和对内容的使用条件。

4)结算中心：负责处理发布移动视频媒体数字许可证给消费者的金融交易，给供应商支付版费，给发行商和版权发布中心支付发布费用。

5)消费者：通过移动设备中的客户端程序，与发行商的服务器进行交互，取得受保护的视频媒体内容，并从版权发布中心获取相应的数字许可证，同时支付数字许可证的费用。客户端可以通过多种途径获取受数字水印和数字版权综合保护的移动视频内容以及相应的数字许可证，例如HTTP下载、WAP推送、MMS、蓝牙等。

本发明的增强型OMA DRM 2.0视频数字版权管理系统要求在服务器端和客户端都使用数字水印的方法进行打包或解包。即使服务器端没有使用本发明中的数字水印处理方法进行数据打包，即打包后的数据是普通的OMADRM 2.0的数字版权保护内容(DCF)文件，而客户端使用了本发明中的数字水印处理方法，客户端也能正确解包和使用这个数字视频内容。

本发明的增强型OMA DRM 2.0视频数字版权管理系统的架构见附图2。统服务器端主要由内容发布服务器和版权发布服务器构成。内容发布服务器的数字水印生成模块根据移动视频内容及其摘要、权限信息摘要、权限所有人信息和权限授予人信息生成数字水印并添加到移动视频内容中，由DCF生成模块生成包含数字水印且加密的DCF内容文件，然后交给内容发布模块发布。版权发布服务器负责权限对象的生成和发布。另外，系统服务器端具有与计费支付系统的接口。在系统客户端，系统解密DCF内容并从数字水印中提取DRM权限信息摘要、权限所有人信息和权限授予人信息，进行权限信息完整性检查和版权控制。系统服务器端在视频内容数据中加入数字水印、系统客户端验证权限完整性和提取版权所有人及权限授予人信息的过程是本发明的核心内容。

本发明的增强型OMA DRM 2.0视频数字版权管理系统，服务器端在视频内容信息中加入数字水印的处理过程为(见附图3)：

1)服务器端步骤一：用户通过客户端与服务器交互，定制对视频内容的使用权限(箭头1所示)；

2)服务器端步骤二：服务器端的DRM权限生成模块根据上一步中的使用权限生成DRM权限信息和权限信息的摘要(箭头2所示)；

5)服务器端步骤五：服务器端的DCF生成模块负责将包含数字水印的视频数据打包成符合OMADRM 2.0规范要求的DCF格式(箭头5、6所示)；

本发明的移动视频数字版权管理系统，客户端提取数字水印信息并进行DRM权限处理的过程为(见附图4)：

1)客户端步骤一：客户端将内容DCF和权限对象(RO)送入DRM处理模块进行处理(箭头1所示)；

2)客户端步骤二：DRM处理模块解析RO得到DRM权限信息、DRM权限信息摘要2以及用来解密内容DCF的密钥，然后用此密钥对内容DCF进行解密得到包含数字水印信息的视频数据(箭头2所示)；

3)客户端步骤三：包含数字水印信息的视频数据由数字水印检测处理模块进行处理，生成权限授予人信息和DRM权限信息摘要1(箭头3、4所示)；

4)客户端步骤四：对上述DRM权限信息摘要1和DRM权限信息摘要2进行比较(箭头5所示)：若二者一致，说明DRM权限信息是完整的(箭头6所示)。因OMADRM 2.0规范中已规定要进行DRM权限信息的完整性检测，所以本步骤可视为对完整性检测的增强；

5)客户端步骤五：客户端验证上述权限授予人信息是否与设备(如手持终端)身份一致(箭头7所示)：如一致，则交由权限控制模块根据上述权限信息来处理对视频的使用操作；否则拒绝为用户提供相应的服务(箭头8所示)。

附图说明

图1系统典型应用环境的组成

图2系统服务器端和客户端架构

图3系统服务器端生成数字水印的过程

图4系统客户端提取数字水印及与DRM权限控制模块配合处理的过程

图5鲁棒水印序列结构

图6脆弱水印序列结构

图7数字水印生成模块的处理过程

图8鲁棒水印嵌入过程

图9脆弱水印嵌入过程

图10脆弱水印检测过程

图11脆弱水印提取过程

图12脆弱水印删除过程

图13鲁棒水印检测过程

图14鲁棒水印提取过程

具体实施方式

1)服务器端移动视频数字水印的生成方法

本发明提出混合视频水印机制，即同时包含可删除脆弱水印和鲁棒水印机制。本发明将权限对象的数字摘要和权限授予人的信息作为可删除脆弱水印信息，这些水印信息由客户端检测处理后进行版权控制，以检查视频内容和权限信息是否受到非法攻击。而鲁棒水印信息则包含版权所有人和权限授予人信息，便于在出现版权纷争时界定所有者，并能够确定出第一侵权人。与脆弱水印不同，鲁棒水印对客户端来说是不可知的，并具有较强的抗攻击能力，在经历无意攻击如视频转码、帧删除、重组等视频编缉处理和敌意攻击如统计平均、共谋和拷贝攻击等后仍然能够准确检测出来。

服务器事先针对压缩视频的每个I帧，顺序比较该帧每个宏块中选定的两个高频VLC(变长编码)元组的尺度(level)大小，每个宏块的比较结果形成一个摘要比特，各个宏块的摘要比特组成帧相关摘要，压缩视频所有I帧的相关摘要组合成视频摘要，单独存储在服务器的数据库中。

图7所示的服务器端数字水印生成模块的处理流程如下：

②根据DRM权限信息摘要和权限授予人ID生成脆弱水印序列(箭头2所示)；

③服务器对鲁棒水印序列进行参数为(63，32)的RS(里德所罗门)纠错编码(箭头3所示)，RS纠错编码通过引入冗余比特，提高水印信息检测的准确性；

④编码后的鲁棒水印序列与视频摘要进行位异或(模2加)运算(箭头4所示)；

⑤进行加扰处理，加扰是指编码后的水印序列与一个伪随机序列进行位异或运算(箭头5所示)；

⑥服务器对采用各种压缩标准(如MPEG-1/2/4或H.263视频压缩标准)的原始压缩视频进行VLD(变长解码)，获得I帧亮度和色度分量的各个16*16宏块的元组(run，level)(箭头6所示)。元组中的尺度(level)表示非0的量化DCT(离散余弦变换)系数，游程(run)表示该系数前的0系数的个数；

⑦使用鲁棒水印嵌入算法将编码加扰后的鲁棒水印嵌入到I帧亮度分量(箭头7所示)；

⑧使用脆弱水印嵌入算法将脆弱水印序列嵌入到I帧色度分量(箭头8所示)；

⑨对携带水印信息的I帧进行VLC(变长编码)，产生含水印信息的压缩视频(箭头9、10所示)。

(1)鲁棒水印嵌入模块的处理过程

图8描述了鲁棒水印嵌入模块的处理流程。在嵌入水印之前，本发明首先使用特定的服务器密钥对I帧亮度分量的宏块进行位置扰乱，置乱后的宏块组成一个一维序列。服务器计算每个宏块某些特定元组的尺度平均值，同时对该宏块前后相邻偶数个宏块尺度均值进行平均，获得宏块尺度均值与偶数个宏块尺度均值的平均值之间的差值。

根据编码加扰后的水印比特序列中每个比特值，调整当前宏块的尺度均值，其过程如下：若水印比特为0，则使当前宏块的尺度均值小于相邻偶数个宏块尺度均值的平均，否则使当前宏块的尺度均值大于相邻偶数个宏块尺度均值的平均。

水印嵌入算法通过改变该宏块中参与计算的各个元组的尺度值来达到调整宏块的尺度均值的目标，具体来说，将调整值乘以元组个数后作为宏块需要调整的总值，并将该总值按比例分配到各个元组，即尺度越大的元组，其改变的幅值也越大。本发明中参与计算和调整的元组包含宏块中的所有元组。鲁棒水印嵌入以后，进行宏块位置的恢复，形成携带水印的I帧亮度分量。

(2)脆弱水印嵌入模块的处理过程

如图9所示，对于脆弱水印序列的每1个比特，选择I帧色度分量中对应宏块中的最后一个元组，将其尺度值乘以2，使其LSB(最低有效位)为0，用水印比特替换该最低位，形成携带水印的I帧色度分量。

2)客户端脆弱视频数字水印的检测处理方法

图10给出了客户端脆弱水印检测处理流程。

①在收到待检测的压缩视频数据后，通过变长解码获得I帧色度分量(箭头1所示)；

②使用脆弱水印提取算法获得脆弱水印序列(箭头2、3所示)；

③根据水印序列的CRC，检测水印序列是否完整以及压缩视频是否遭到攻击(箭头4所示)；

④若水印序列完整，则提取出DRM版权信息摘要和权限授予人ID等信息用于后续的权限控制(箭头5所示)；

⑤作为可选项，客户端使用脆弱水印删除算法擦除视频中的水印信息，提高视频质量(箭头6所示)；

⑥经过变长编码，形成无脆弱水印的待播放压缩视频数据(箭头7、8所示)。

(1)脆弱水印提取模块的处理过程

如图11所示，客户端提取I帧色度分量各个宏块最后一个元组的尺度值，其最低位即为嵌入的水印比特。

(2)脆弱水印删除模块的处理过程

如图12所示，脆弱水印的删除算法通过将I帧色度分量各个宏块最后一个元组的尺度值除以2，并舍去小数部分，获得原始的尺度值，删除脆弱水印信息。

3)侵权判定的实现

系统的侵权判定处理即是鲁棒水印的检测，图13所示的鲁棒水印检测模块的处理流程如下：

①在获得待检测的压缩视频后，首先经过变长解码获得I帧亮度分量(箭头1所示)；

②使用鲁棒水印提取算法获得鲁棒水印信息(箭头2所示)；

③使用加扰密钥对鲁棒水印信息进行解扰(箭头3所示)，解扰是加扰的逆过程，但是它们的处理完全一致，即提取的水印序列与加扰时所使用的伪随机序列进行位异或运算；

④与帧相关视频摘要进行位异或运算，获得编码后的水印序列(箭头4所示)；

⑤此序列经过纠错解码/RS译码，即为原始的鲁棒水印序列(箭头5、6所示)；

⑥通过比较提取出的鲁棒水印序列中的CRC字段和根据所提取鲁棒水印序列计算出的CRC值，判断水印序列是否正确和完整(箭头7所示)；

(1)鲁棒水印提取模块的处理过程

图14给出了鲁棒水印提取算法的基本流程。与嵌入算法类似，首先使用相同的服务器密钥对宏块进行位置扰乱，计算宏块所有元组的尺度均值，并对该宏块相邻偶数个宏块的尺度均值进行平均，

鲁棒水印提取算法根据当前宏块尺度均值与相邻多个宏块尺度均值的平均之间的差值确定该宏块内嵌入的水印比特。若差值小于0，则水印比特为0，否则水印比特为1，进而获得所有鲁棒水印信息。

由于服务器需要根据每个客户端对应的权限授予人ID生成鲁棒水印和可删除脆弱水印，因此鲁棒和脆弱水印的生成算法都必须比较简单，具有较高的可扩展性，便于服务器端并发支持多个用户。另外脆弱水印需要客户端进行检测和处理，为了降低客户端的处理复杂度、减少移动终端功耗，脆弱水印的检测算法也必须比较简单。由于分发的视频内容大多采用已经压缩的视频格式，因此鲁棒和脆弱水印的嵌入都采用简单有效的、基于压缩域的水印嵌入算法，将VLC域作为鲁棒水印和可删除脆弱水印信息的嵌入位置。

鲁棒水印生成算法只需在压缩域进行逆熵编码，无须进行逆量化操作，实现简单。由于该算法的调整对象是非0的量化DCT系数，因此该方案具有DCT域算法类似的鲁棒性，抵抗低通滤波、量化参数改变、帧删除重组等无意攻击的能力较强。

基于特定的服务器密钥对嵌入信息和宏块位置进行扰乱，使得鲁棒水印信息和I帧亮度能量近似呈随机分布，减少了水印产生的视觉失真，保证了视频比特速率近似不变，同时提高了水印信息的安全性。另外，在嵌入的鲁棒水印信息中加入帧相关摘要能够抵抗平均、共谋和拷贝等敌意攻击。

可删除脆弱水印生成算法也仅需在压缩域进行逆熵编码，由于该算法仅调整I帧色度分量各个宏块中对应高频系数的最后一个元组尺度，因此该算法造成的视频失真较小，不会显著改变视频比特速率。更重要的是，脆弱水印信息可以由客户端擦除，脆弱水印引起的视频失真和比特率变化能够完全消除。

本发明提出的鲁棒/脆弱水印机制具有一定的通用性，能够直接适用于采用VLC熵编码机制的视频压缩标准，如MPEG-1/2/4和H.263。对于H.264，由于其在I帧使用了帧内预测机制，并将算术编码作为可选项，所以无法直接用于该标准。但是由于鲁棒/脆弱水印的嵌入载体实质上是量化DCT参数，因此可以在使用逆算术编码算法获取量化DCT参数后嵌入水印。

对于帧内预测机制，可以仅选取参考宏块作为鲁棒水印嵌入载体，也可以选取每个宏块对角线上的量化DCT系数参与鲁棒水印嵌入计算。帧内预测机制不会对可删除脆弱水印产生影响。

本发明的基于混合水印机制的增强型OMADRM 2.0视频数字版权管理系统与现有的基于OMA DRM2.0标准的移动视频数字版权管理系统相比，其显著优点是：

1)本系统采用混合移动视频水印嵌入方式，在满足视频水印不可感知的前提下，通过区分不同水印信息的用途，使用不同的水印嵌入算法，增强了用于侵权追踪的水印信息的鲁棒性，同时降低了用于客户端进行版权管理的水印信息的检测复杂度和对视频质量的影响。

2)本系统定义的可删除脆弱水印序列包含权限授予人ID信息，具有使用该信息鉴定用户是否合法的能力。

3)本系统定义的可删除脆弱水印序列包含DRM权限摘要信息，能够增强版权对象完整性验证。

4)本系统将可删除脆弱水印信息嵌入到易受攻击和易发生变化的I帧色度分量VLC域中，客户端水印检测复杂度较低，并具有验证数字视频内容是否受到攻击的能力。

5)本系统提供了删除脆弱水印信息的客户端可选操作，减少了混合水印造成的视频失真。

6)本系统定义的鲁棒水印序列包含权限授予人ID信息，具有在侵权行为发生后，追踪第一个侵权责任人的能力。

8)本系统使用叠加视频内容摘要信息、纠错编码、加扰和宏块扰乱等方法，增强了用于侵权追踪和所有者界定的水印信息的抗攻击能力，提高水印鲁棒性和安全性。

9)本系统采用的脆弱/鲁棒水印嵌入方案可以应用于多种视频压缩标准如MPEG-1/2/4以及H.263，通过简单扩展和调整能够适用于H.264，具有一定的通用性。

Claims

2. 根据权利1所述的增强移动视频版权保护和侵权追踪的混合数字水印嵌入机制，其特征是：在遵循OMA DRM2.0标准分发的视频内容中，加入包含版权管理摘要信息和权限授予人信息，用于视频内容认证、易于客户端检测的可删除脆弱数字水印信息。

4. 根据权利1所述的增强移动视频版权保护和侵权追踪的混合数字水印嵌入机制，其特征是：基于鲁棒水印信息对侵犯移动视频版权行为的判定流程。

5. 根据权利1所述的增强移动视频版权保护和侵权追踪的混合数字水印嵌入机制，其特征是：对于可删除脆弱视频水印的生成和检测及删除方法。

6. 根据权利1所述的增强移动视频版权保护和侵权追踪的混合数字水印嵌入机制，其特征是：基于叠加视频内容摘要信息、纠错编码和加扰的鲁棒视频水印生成和检测方法。