CN101460974A - 编码和检测设备 - Google Patents

Abstract

一种编码数据处理设备通过将净荷载数据字表示为码字并且将码字嵌入到素材项目的复本中来生成素材项目的带标记复本。该设备包括码字发生器，该码字发生器包括预处理器和加密处理器。该预处理器能够进行这样的操作：将净荷载字划分成多个部分，由这多个部分形成多个初始值，每个初始值是通过将净荷载数据字的部分相继添加到每个初始值来形成的，从将第一部分添加到第一个初始值开始并且将第一和第二部分添加到第二初始值，从而使得每个后续初始值除了净荷载数据字的新的部分之外，还包括在前初始值中的那些的净荷载数据字的所有部分。加密处理器能够进行这样的操作：接收每个初始值，并且使用净荷载加密密钥由每个初始值生成加密数据流。组合器能够进行将加密净荷载数据字与视频素材项目相组合的操作。从而为加密数据流提供了得到改善的正交性，这一正交性有助于通过相关来检测每个加密数据流。此外，攻击者能够发现、更改或破坏素材项目中的净荷载数据字的可能性得到了降低。

Description

编码和检测设备

技术领域

本发明涉及编码数据处理设备和通过将净荷载数据字引入到素材项目(material item)的复本(copy)中来生成素材项目的带标记复本的方法。

相应地，本发明还涉及能够检测带标记素材项目中可能存在的码字的检测数据处理设备和方法。

本发明还涉及用于生成再现用的素材项目的带标记复本的媒体终端。在某些应用中，素材项目可以是视频素材项目，并且媒体终端可以构成为数字电影放映机的一部分。

背景技术

一般来说，将在素材中嵌入数据来达到所嵌入的数据可察觉或者不可察觉的效果的技术称为加水印。为了识别素材项目的复本或者为了传达码字代表的数据，会将码字应用到素材项目的复本上。在某些应用中，水印因此能够提供识别素材的特定复本的接收者的可能。

为了识别素材的特定复本而在素材中嵌入信息的处理称为加指纹。按照这样一种方式将标识素材的码字与素材相结合，即尽可能地使码字在素材中不可察觉。如此一来，如果按照与素材的所有者、发布者或其它权利持有者的意愿不相符的方式拷贝或使用素材，则将会无法由码字识别该素材的复本，从而权利持有者可以采取适当的行动。码字因此用于传递净荷载数据字，码字能够用于唯一地识别素材的复本。在下面的说明书和权利要求书中，术语＂水印＂和＂加指纹＂可以是可互换地使用的，尤其是对于所公开的编码和检测技术而言。

在共同未决的英国专利申请第0327854.6号中，公开了应用于例如数字电影的编码数据处理器，其中通过用一个或多个码字对图像加水印来标识具有两个或更多个字段的净荷载数据。净荷载数据字的第一个字段的每个值与第一个码字相关联，而第二或后续数据字段的每个值由第二码字代表，第二或后续数据字段的每个值是依据第一数据字段的值选择的。如此一来，可以使用所检测到的码字来识别划分数据字所得到的多个子集之一，该子集中的每个数据字在第一个字段中具有相同的值。然后可以通过从素材项目中检测出第二码字来识别该子集中的数据字的第二或后续字段。第二码字标识第二数据字段中的值以及第一数据字段的值。

可以将第一和第二字段赋予不同的相关参数，比如例如地址参数。第一字段因此可以标识素材的发售国家，而第二字段可以标识该国家内的具体发售渠道。可以将加水印或加指纹系统形成为用来识别视频素材复本的发售点。

英国专利申请第0424225.1号公开了一种应用于数字电影的将净荷载数据字嵌入到视频图像中的设备和方法。净荷载数据字包括提供视频图像的再现日期和时间的表示的数据字段，和提供放映机识别码字的表示的数据字段。

总地来说，希望减少嵌入代码可检测出的可能性。如果检测到码字，就可以确定净荷载数据字。结果，想要消除码字或者包含非法码字的攻击者可以损坏加水印系统来瓦解净荷载数据的检测。

发明内容

按照本发明，给出了一种用于通过将净荷载数据字表示为码字并且将码字嵌入到素材项目的复本中来生成素材项目的带标记复本的编码数据处理设备。该设备包括码字发生器，该码字发生器包括预处理器和加密处理器。预处理器能够进行将净荷载字划分成多个部分、由着多个部分形成多个初始值的操作。每个初始值是通过将净荷载数据字的部分相继添加到每个初始值来形成的，从将第一部分添加到第一个初始值开始并且将第一和第二部分添加到第二初始值中，使得每个后续初始值除了净荷载数据字新的部分之外，还包括在前初始值中的那些的净荷载数据字的所有部分。加密处理器能够进行这样的操被：接收每个初始值，并且使用净荷载加密密钥由每个初始值生成加密数据流，以提供多个加密数据流。组合器能够进行这样的操作：选择加密数据流的部分，并且将所选择的加密数据流的部分与素材项目的帧相组合。

本发明的实施方式给出了这样一种设计方案：可以将净荷载数据字嵌入在素材项目中，以达到使得净荷载数据字不需要进行在计算上可能行不通的令人筋疲力尽的搜索就能够从素材项目中恢复的效果。此外，攻击者能够发现、更改或破坏素材项目中的净荷载数据字的可能性得到了降低。为此，使用多个初始值来生成多个加密数据流，这些加密数据流基本上是正交的或者至少被设置成在通过相关来进行检测时候提供得到改善的彼此之间的正交性。如此一来，净荷载数据字的一个部分是加密部分不太可能会干扰净荷载数据字的另一个部分的检测。将净荷载数据字划分成多个部分并且将每个部分相继添加到多个初始值中的每一个。这样，从第一个初始值开始，第一个初始值由净荷载数据字的第一个部分形成。第二个初始值由净荷载数据字的第一和第二个部分形成，第三个初始值由净荷载数据字的第一、第二和第三个部分形成，并且依此类推。此后，第n个初始值IVn按照下式的表达由初始值的部分(part)形成：

${\mathrm{IV}}_n={\mathrm{\Σ}}_{l=0}^{l=n-1}\mathrm{part}(n-l)$

这样，每个后续初始值是由另一个码字部分和所有在先码字部分形成的。

在某些例子中，每个初始值包括提供该初始值的标识的字段索引。

可以将包含在初始值中的数据符号的数目设置为达到这样的效果：在正在检测净荷载数据字的部分时，每个初始值提供至少一定程度的相对于彼此的正交性。使得每个加密数据流基本上相对于彼此正交，这是因为使用了加密来生成每个数据流，并且由于每个数据流的长度足够长，以致表现得基本上是＂随机状＂的。作为生成数据流的过程的一部分，对数据流进行加密具有这样的效果：输入到加密电路的初始值中的一位发生改变会有产生与针对未变更的初始值生成的加密流相比非常不同的加密数据流的效果。此外，通过将加密数据流安排成足够长，加密数据流将会与它本身相关，产生高相关输出值，而对于较长的加密流而言，不想要的加密数据流产生较低相关值。这样，通过将初始值的预定长度设置为长得足以使得与不想要的加密数据流的相关为充分低的值，增加了成功检测出想要的加密数据流的可能性。

由于将净荷载的部分划分成初始值中的每一个，因此可以使用所述部分之一的检测来确保另一个部分的检测。这样，通过从一个或多个初始值中检测出净荷载数据字的第一个部分，能够相继检测出净荷载数据字的后续部分。

视频图像是能够通过嵌入数字码字来加以保护的素材的一个例子。可以通过嵌入码字来加以保护的材料的其它例子包括静止图像、音频数据、软件程序、数字文档(根据情况再现在纸张上或其它介质上)和任何其它信息承载信号。

按照本发明的一个方面，提供了一种能够检测由编码数据处理设备嵌入在素材项目的带标记复本内的净荷载数据字的检测数据处理设备。该检测数据处理设备包括初始值再生器，能够进行这样的操作：从第一个部分开始，生成净荷载数据字的多个部分中的每个部分的每个可能值，为净荷载数据字的部分的每个可能值形成初始值。加密处理器能够进行这样的操作：接收每个初始值，并且使用净荷载加密密钥由每个初始值重新生成加密数据流。相关器能够在控制处理器的控制下进行这样的操作：通过将每个重新生成的加密数据流与从素材项目的带标记版本中恢复的与重新生成的初始值所对应的加密数据流相应的码字的部分相关，并且从相关的结果中检测净荷载的部分，来检测净荷载数据字的部分。控制处理器被安排成用来将所检测到的净荷载的部分存储在数据存储器中并且使用所检测到的净荷载的部分来形成所检测到的码字的部分与净荷载数据字的后续部分的所有可能值相组合所对应的后续初始值以及相应的加密数据流，用来检测净荷载的后续部分。

在所附的权利要求中定义了本发明的各种不同的其它方面和特征。

附图说明

现在将参照附图仅以举例的方式介绍本发明的实施方式，附图中相同的部分配有相应的附图标记，并且其中：

附图1是用于将净荷载数据字与视频素材项目组合起来形成视频素材项目的带标记版本的编码数据处理设备的示意性框图；

附图2是图解说明用于生成用来使用附图1中所示的编码数据处理设备嵌入在视频图像中的加密数据流的初始值的形成过程的示意图；

附图3是图解说明用于生成用来使用附图1中所示的编码数据处理设备嵌入在视频图像中的加密数据流的初始值的另一个例子的示意图；

附图4是用于将净荷载数据字与视频素材项目组合起来形成视频素材项目的带标记版本的编码数据处理设备的另一个例子的示意性框图；

附图5是用于将净荷载数据字与视频图像组合起来形成图像的带标记版本的编码数据处理设备的另一个例子的示意性框图；

附图6是构成附图5中所示的编码数据处理设备的一部分的净荷载生成处理器的示意性框图；

附图7是用于生成由附图5的编码数据处理设备与视频图像组合起来的加密数据流的随机混杂化形式的混洗处理器的示意性框图；

附图8是构成附图5的编码数据处理设备的一部分的组合处理器的示意性框图；和

附图9是用于检测嵌入到视频图像中的净荷载数据字的检测数据处理设备的示意性框图。

具体实施方式

通用编码器

附图1中示出了按照本技术的实例实施方式的编码数据处理设备。附图1图解说明了本技术的实例应用，其中要嵌入数据的信息素材是视频素材。在附图1中，净荷载数据字1包括代表净荷载的生成时间的字段2、投影仪标识符4和数字签名字段6，该净荷载数据字1要例如由视频投影仪嵌入到包括多个视频帧的视频信号中。净荷载数据字1可以长达4k位。使数字签名6经过纠错编码器8.1，该纠错编码器形成纠错编码的数字签名6.1，将该纠错编码的数字签名6.1与时间数据2和投影仪标识符4组合起来，形成包括N位的净荷载数据字1。然后将N位净荷载数据字在通道8.2上馈送到数据字分离器8.2，数据字分离器8.2安排成用来将N位数据字分裂成多个8位字节12中的每个8位字节。如附图1所示，有n个字节12。然后将这些字节12经由连接通道8.4送到初始值形成器8.5，初始值形成器8.5形成多个在生成加密数据流时使用的初始值。每个数据流是由初始值形成的。在一个例子中，每个初始值的长度为128位。

在目前附图1中所示的例子中，形成了512个初始值，这些初始值用于形成512个流。这样，在初始值形成器8.5的输出端处在连接通道8.6上，提供了512x128位初始值，由这些初始值形成512个不同的加密数据流，这些加密数据流提供用于嵌入的水印码字。稍后将参照附图2更加详细地介绍形成加密数据流的初始值的形成过程。

在附图1中，由加密处理器14接收每个初始值，加密处理器14还经由输入通道16接收净荷载密钥。加密处理器14可以是按照称作＂Rijndael＂加密的加密算法对初始值进行加密的AES加密处理器。加密处理器14接收每个128位初始值并且为每个初始值生成包括512个8位系数的加密数据流。这是通过多次重复地将加密处理器14的输出反馈到输入端，以便为每个加密数据流产生512 x 8位系数来完成的。在一个例子中，有512个加密数据流，从而水印码字是由512 x 512个8位系数形成的，其代表N位净荷载数据字。纠错编码器8.1、数据字分离器8.3、初始值形成器8.5和加密处理器14共同形成了码字发生器10。然后将加密数据流存储在混洗(shuffle)数据存储器18中，混洗数据存储器18构成混洗处理器19的一部分。从混洗数据存储器18中以8位字构成的块的形式读取出加密数据流，在由组合器22将其与视频信号帧组合起来而在组合器的输出端形成带水印视频信号W之前，将加密数据流送到高斯整形查找表处理器20。在一个例子中，将该组合器安排为用来将水印码字的系数添加到视频素材项目的相应采样中。

回过头来再看混洗数据存储器18，按照本技术，将混洗处理器19安排为用于基本上随机地读取出由加密数据流形成的水印码字，用来嵌入在视频素材的帧中。为此，读取加密数据流所使用的混洗数据存储器18的地址是由随机地址发生器24生成的。随机地址发生器24为视频输入信号的每个帧生成随机地址，该随机地址随机地选择512个加密初始值中的部分。在一个例子中，随机地址发生器24被安排成使用加密算法生成地址，从而地址不仅是随机生成的，而且地址是以使得所生成的地址的样式(pattern)不能轻易被识别出来的方式生成的。

对于附图1中所示的例子，地址发生器24在输入通道26上接收与加密处理器14在输入通道16上接收的净荷载加密密钥相同的净荷载加密密钥。随机地址发生器24还在输入通道28上接收输入视频信号的帧号。这样，通过像在加密随机地址发生器24的输出端30处产生一样在加密混洗数据存储器18的地址空间内随机生成地址，可以从混洗数据存储器18中读取出部分流并且在由组合器22将这部分流与视频素材的帧相组合之前使它们经过高斯整形查找表。

混洗数据存储器18被安排成用于存储加密数据流，并且混洗处理器19被安排成用于混洗要嵌入到视频图像帧中的这些流。在一个例子中，随机地选择数据存储器中一小部分内容并且将这一小部分内容嵌入到视频信号的每个帧中。例如，对于512 x 128位初始值中每一个，产生512 x 8位的加密流。这样，混洗数据存储器就被安排成用于存储512 x 512 x 8位字节，也就是262144字节。混洗处理器19能够为每个帧读取出混洗数据存储器的1/8，也就是读取出32678字节，从而组合器22能够将这32678字节嵌入在每个帧中。

按照本技术，因为加密数据流是随机地从混洗数据存储器18中读取出来并且嵌入到相应的视频素材帧中的，所以攻击者从带水印视频信号中确定和识别出具体的输入数据流的可能性得到了充分降低。此外，使加密数据流经过高斯查找表，具有使加密数据流表现得更象噪声的效果，因此不太可能被检测出来。

初始值的形成

稍后将会解释，有益地，加密数据流可以是基本上正交的，效果为：在来自其它数据流的干扰减小的情况下，能够借助相关，相对于其它数据流实现数据流之一的检测。现在将参照附图2更加详细地介绍加密数据流的形成。在附图2中，示出了在附图1中的纠错编码器8.1的输出端处接收到的包括N位的净荷载数据字1。然后由数据字分离器8.3将这N位加密数据字分离成多个字节12。在一个例子中，有416个字节可以在512个加密数据流内传送。

如附图2所示，每个加密数据流是按照前文确定并且下面会再次给出的公式通过将净荷载的字节写入到每个初始值内而由初始值15形成的：

${\mathrm{IV}}_n={\mathrm{\Σ}}_{l=0}^{l=n-l}\mathrm{byte}(n-l)$

其中byte表示字节。

如附图2中所示，每个初始值包括128位，其中16位分配给字段索引。字段索引包括初始值的编号，因此代表数据流的值。如附图2中所示，第一个初始值IV₁(在16位字段中编号为1)具有字节1，而剩余的104位被设置为预定值，比如零。按照上面的公式，第二个初始值IV₂(在索引字段中编号为2)包括字节1和字节2，而剩余的96位被设置为零。这样，要形成下一个初始值，就将后续字节与所有前面处理过的字节连接。剩余的零的个数慢慢减少，在第一组16(将会是中间数16)个初始值中的最后一个初始值中减少到零个。这样，每组IV值包括相应的字节组，如下面的表格中所示：

 

流	净荷载的字节
		1到16	1到14
17到32	15到28
		33到48	29到42
49到64	43到56
		--------	--------
496到512	435到448

这样，如附图2中所示，最后一个编号为512的初始值将会包括编号为435到448的字节。

如附图1中所示，然后对每个初始值进行加密，以形成512 x 8位加密数据流，然后将该加密数据流读入到混洗数据存储器中，以备读取并与视频素材的帧相组合。这样在一个例子中，视频素材的每个帧将会包括所有加密数据流中的随机部分，从而这些加密数据流相对于视频信号的每个帧而言得到了有效混洗。

按照本技术，附图2中所示的由初始值形成加密数据流提供了很大益处，因为可以使这些加密数据流基本上正交。由于两种属性，使每个加密数据流基本上相对于彼此正交，这两种属性是，首先，对数据流进行了加密，其次，每个数据流的长度足够长，以致表现得基本上是＂随机状＂的。作为数据流生成的一部分，对数据流进行加密具有这样的效果：输入到加密电路的初始值中的一位发生改变会有这样的效果：相对于针对未变更的初始值生成的加密流，产生非常不同的加密数据流。此外，通过将加密数据流设置成充分长，能够使每个流内的数据位的样式表现得更为随机状。

按照本技术，通过以前面提出的方式形成初始值，可以使用字节1的检测来检测字节2。字节1的检测仅仅需要2⁸次相关。当检测字节2时，由于仍然存在的字节1在那时是已知的，可以仅仅对字节2的所有可能值进行相关。因此字节2的检测也可以通过仅仅2⁸次相关来完成，从而字节1和2的检测仅仅需要2 x 2⁸次相关而不是2¹⁶次相关，因此能够使字节1和2的检测更加容易。因此正如稍后将会解释的，通过从第一个开始并且连续增加通过从1到16增加被搜索的初始值编号而恢复的净荷载部分来恢复净荷载的每个字节，成功检测所有14个字节所需要的处理量减小到了可实践水平。相应地，可以从后续的16个初始值中还恢复接下来的14个字节，直到恢复整个净荷载。对于要由检测数据处理器检测的每个字节，与2⁴⁰⁹⁶次相关相比，仅仅需要2⁸次可能的相关来通过相关检测净荷载数据字的4096个位，否则可能计算难度高得惊人。

由于净荷载数据字包括数字签名6，如果所恢复的数字签名经过验证，则可以认为净荷载已经成功恢复了。出于这一原因，可以对数字签名应用纠错编码，而不对投影仪标识符(ID)或时间标记应用纠错编码。将纠错添加到投影仪ID和时间标记上可能会损害为了证明水印净荷载的存在而针对加指纹系统建立的假肯定检测概率或假否定检测概率的完整性。不过，由于数字签名是自我验证的，在自我验证过程中，如果数字签名是用数字签名私钥/公钥对中的相应私钥验证的，则它必定是所关心的数字签名，而不需要依赖于传送该码字的加水印布置的完整性。因此，可以对数字签名应用纠错来提高恢复数字签名的可能性。

初始值的另一个例子

附图3给出了图解说明生成编码数据处理设备中使用的初始值的一种可行方案的另一个例子。在附图3中，关于附图2而言，有512个初始值来形成512个加密数据流。如附图3中所示，用来标识512个加密数据流的字段索引是由九位数据字段FI提供的，用来标识形成加密流用的512个初始值中的每一个。由于提供流编号的字段索引FI包括九位，因此前两个字节的剩余七位被设置为零或者解码器已知的任何其它的预定值。在512个初始值中每一个中的第三个字节中，提供版本标识符VI。版本标识符提供能够在解码器识别出来的表示加指纹方案的版本的数据字节。因此可以使解码处理与针对特定版本建立的编码处理相匹配。由此，在由附图3中所示的初始值提供的数据结构内，可以容纳加指纹/加水印技术的未来变化。

在附图3中，提供加密数据流0到31的前32个初始值是由相同的格式形成的，就是说，如附图3中所示，仅有版本标识符VI中提供的版本以及剩余的字节3到15被设置为预定值，比如零。由于初始值0到31对应的所有32个数据流将仅仅包含版本标识符VI，因此解码器能够检测出版本标识符的可能性更大，并且因此能够识别出用于该解码器的正确版本号的可能性更大。稍后将会解释，由流0到31产生的每个初始值将会产生不同的加密数据流，将会单独检测这些加密数据流来识别出相同的版本号，从而确认版本号的值。

为了避免流0到31产生相同的加到视频素材项目中的加密数据流，在字段索引FI中提供了流编号，对流编号进行了改变，以标识每个初始值。结果，由于每个初始值将具有不同的流编号，使初始值经过加密电路的结果将会产生不同的加密数据流。这样，所得到的由初始值0到31产生的加密流中的每一个将会产生不同的加密数据流，从而能够更加容易地通过相关来检测出这些加密数据流，即使每个初始值传送的是相同的净荷载。

通过将初始值设置成各自具有预定的长度并且将预定的长度设置得尽可能长，提高了通过相关检测出每个加密数据流的可能性。这是因为，在相关期间，在加密数据流与它自身相关产生高相关输出值的时候，其它加密数据流应当最好产生低相关输出值，从而尽可能使得这些其它加密数据流与想要的加密数据流相比表现得象是噪声。对于较长的加密流，不想要的加密数据流将会产生较低相关值。这样，通过将初始值的预定长度设置为长得足以造成与不想要的加密数据流的相关为充分低的值，增加了成功检测出想要的加密数据流的可能性。

如附图3中所示，在前32个初始值(数据流0到31)之后，以分层次编码的形式安排接下来的159个初始值，如针对附图2中例子所示的那样。这样，流31到63将会包括来自净荷载字1的数据字段4的媒体终端ID的字节1。接下来的流64到95将会包括初始值的字节3和4中的媒体终端ID的第一和第二字节，并且下一组初始值96到127将会包括字节3、4和5中的投影仪ID的三个字节。流128到159将会包括编号为6的字节中的时间标记的第一个字节，并且流160到191将会包括字节6和7中的时间标记的两个字节。

在附图3中，虽然将媒体终端ID提供在流192到511的字节3、4和5中，但是将编码的2048位RSA数字签名的每个字节相继放置在字节6中。这样，将编码的数字签名分成了多个字节并且将这些字节中的每一个包含在流192到511中的不同流中。这样，与附图2中所示的例子不同，没有为编码的数字签名采用这样的方式：将数据流的每个字节相继引入到包含在每个初始值中的数据流的每个其它字节中。

为了消除在不止一个净荷载数据字存在于视频素材项目的带水印复本中的情况下的不确定性，提供了针对媒体终端ID和时间标记为初始值32到191而提供的分层次编码安排。对于发生串通攻击的例子(其中攻击者将相同带水印图像的两个版本组合起来，每一个版本是由不同数字投影仪产生的)，从例如第一组流31到63中检测出每个字节可以产生两个检测的字节。如果使用下一组流来在没有第一字节的情况下识别例如媒体终端ID的第二个字节，则这两个字节在素材中的顺序会有一定的不确定性。为了避免这一不确定性，提供了针对初始值的附图2和3中所示的分层次编码设置。由于字节1和2二者都将会出现在第二组流64-95中，于是这种不确定性将会得到解决，因为能够从所检测的数据流64-95中确定这些字节的顺序。

检测到的字节在顺序上的不确定性与检测数字签名并不十分有关。这是因为，由于数字签名可以用私钥/公钥对中的相应密钥唯一地识别，虽然在位的顺序上可能有一定的不确定性，但是如果位的这些顺序之一正确识别了数字签名，那么该数字签名将会可能性很高地正确识别该数字签名的可靠性。如此一来，对于附图3的例子，不使用初始值的分层次编码来对数字签名进行编码。

编码器的其它实例

附图4中示出了按照本技术的编码处理器的例子。在附图4中，附图1中所示的纠错编码、数据分裂以及初始值的形成称为预处理8，通过附图4所示的净荷载发生器8来执行预处理8。因此，对应附图1所示的操作，净荷载发生器8生成馈送至XOR电路52的第一输入的多个初始值50。在附图4中，通过由加密处理器54形成的Rijndael算法执行128位初始值的加密，通过将Rijndael处理器54的输出反馈至XOR电路52的第二输入，加密处理器54和XOR电路52相结合生成加密数据流。因此，对应附图1所示的编码器，XOR电路52和Rijndael处理器54形成加密数据处理器14.1，加密处理器14.1和净荷载发生器8形成码字发生器10.1。通过将128位初始值经过Rijndael加密处理器54和XOR电路52三十二次，形成每一个加密数据流的512个8位的值并将其馈入混洗数据存储器18.1。对应附图1所示的配置，混洗处理器24.1包括随机地址发生器，其运用AES算法处理器执行Rijndael算法并在输入通道28.1上接收视频输入信号的帧编号以及在输入通道26.1上接收净荷载加密密钥。混洗处理器24.1形成用于对混洗数据存储器18.1进行编址的随机的18位地址。如同附图1所示编码器的操作一样，为了使嵌入的数据更像噪音，从数据存储器18.1读出的加密数据流经过高斯噪音整形器20.1并通过组合器嵌入视频输入信号56的帧内，从而在输出通道58上产生带水印的输出视频信号。

附图5中示出了按照本技术的编码数据处理设备的另一个例子。在附图5中，在输入通道62上接收定时信号，在输入通道60上接收视频输入信号。控制处理器64经由通道63.1将定时信号传送到净荷载发生器8.2。净荷载发生器8.2根据附图1所示的净荷载发生器8操作以执行图1所示的预处理操作8。到净荷载发生器的第二输入在输入通道63.2上传送根据附图2所示的例子生成的初始值。

净荷载发生器8.2生成在通道65上的写地址和在通道66上的写数据，以便将加密数据流存储到形成混洗数据存储器18.2的＂净荷载RAM＂中。指纹混洗处理器67利用诸如附图1和3中所示的随机地址生成处理器生成随机地址，并在通道30.2上将随机地址馈送至混洗数据存储器18.2并且读出连接通道31.2上的数据。因此，指纹混洗处理器67提供要与视频输入信号的相应帧结合的、由加密数据流或其部分形成的水印码字的部分。在与视频帧结合之前，加密数据流的所述部分通过输出生成器61，其在输出端58.2形成用于嵌入图像帧W的水印码字，利用定时信号也在通道69上输出。

净荷载发生器

附图6中示出了净荷载发生器8.2的一个例子，其形成附图5所示的示例性编码器的一部分。在附图6中，指纹存储器70在输入通道63.2上接收初始值，其在第一输入71.1上接收读地址并在输出71.2上输出用于加密的初始值从而形成对应的加密数据流。将在输入通道63上接收的定时信号传送到帧处理净荷载控制器71，帧处理净荷载控制器72生成用于将生成的加密流写入混洗数据存储器18.2的写地址。在输出通道65上生成写地址并在输出通道66上输出加密数据流。根据从帧处理净荷载控制电路72在输入通道75上提供的定时信号，由Rijndael处理器73在输入通道74上接收净荷载密钥。Rijndael处理器54.2与XOR电路52.2结合，在指纹净荷载控制处理器72的控制下，根据附图4所示的示例性编码器的操作对初始值进行加密。提供延迟电路76以确保Rijndael处理器54.2正确地处理初始值。最终，加密数据流经过高斯整形器20.2，其根据附图1和3的实施例所示的高斯整形处理器20和20.1而操作。

如附图6所示，根据将会通过由XOR电路52.2、Rijndael处理器54.2和延迟器76形成的Rijndael加密设备馈送的由指纹控制器72生成的地址，保存在指纹存储器70中的初始值被读出并且在经过高斯整形器20.2之后在通道66上被输出。

加指纹混洗处理器

附图7示出了在附图5中出现的指纹混洗处理器67的例子。指纹混洗处理器67执行附图1和3所示的混洗处理器24、24.1的功能相应的功能。指纹混洗处理器包括指纹流控制单元77、指纹流输入78、Rijndael处理器24.2、密钥扩展单元79以及指纹流输出单元80。指纹混洗处理器67利用rijndael环形加密处理器24.2在输入通道81上接收用于形成随机地址的净荷载密钥和初始值。帧处理流控制单元77经由输入通道82接收定时信号。在输入通道81上接收的密钥和初始值通过帧处理流输入单元78分裂成在通道83上传送至Rijndael处理器24.2的初始值和经由通道84传送至密钥扩展单元79的密钥。根据经由通道85接收的定时信号，提取密钥并传送至Rijndael环形处理器(round processor)24.2，其生成随机地址。Rijndael环形处理器24.2的输出是随机地址，其经由通道86在指纹流输出处理器80被接收，用于在输出通道30.2上作为18位地址输出。32-到-18位去复用器将由Rijndael环形处理器24.2提供的32位地址转换成用于在连接通道30.2上输出的18位地址。FIFO缓冲器80.2缓冲经由通道31.2从附图5所示的加密流存储器18.2读出的每个加密数据流，以经由输出通道69从指纹混洗处理器输出。利用在通道87上从指纹流控制处理器77接收的定时信号和反馈到指纹流控制处理器77的对应的反馈请求信号88，来实现控制与定时。

可感知性加权组合器

共同未决的英国专利申请第0424225.1号公开了根据正在加入码字的图像帧的对应部分或像素的相关能力，对水印或者数字加指纹码字的系数进行加权，从而在没有引入观看者可感知的效应的情况下在图像上携带该系数。在图中没有示出生成用于对加密数据流中的8位值进行加权的加权因子的感知加权因子发生器。在上述的英国专利申请第0424225.1号中提供了这种感知加权发生器的例子。

附图8提供了在附图5中示出的指纹输出生成器61的例子。在附图8中，已经得到的用于视频图像帧的感知加权因子，经由输入通道68馈送至乘法器89.1，用于与加密数据流的值的512个8位系数中对应一个相乘，之后由硬限幅器89.2限制，从而在输出58.2形成用于与视频信号的采样结合的带水印的系数。来自通道58.2的输出系数通过加法与视频信号的采样结合，这对于这个例子没有示出，但是也可能以另外方式由附图4所示的组合器22.1或者附图1所示的组合器22形成。

术语＂采样＂是指构成图像的离散的采样。采样可以是图像的亮度采样，其以另外的方式由图像像素产生。因此，在适当的地方，术语采样和像素是可互换的。

检测处理器

在附图9中示出了设置成检测码字并且如果净荷载数据字存在于视频素材项目中则恢复净荷载数据字的检测数据处理设备，所述码字已经通过附图1至8的编码数据处理设备嵌入视频素材项目中。在附图9中，在恢复处理器90中接收水印图像W′的违法版本和原始图像I的拷贝。恢复处理器90安排成用以处理带标记图像W′和原始图像I并形成可能已经嵌入带标记图像中的码字的估计。对于这个例子，在将带水印图像W′与原始图像I的拷贝配准之后，从带水印图像W′减去原始图像I以形成码字的各部分的估计，码字的所述部分是加密数据流的部分，其已经从带水印视频图像W′的帧恢复。然后将恢复的数据流读入混洗数据存储器92。

附图9所示的检测数据处理设备包括地址发生器104，通过以与在编码数据处理设备中混洗处理器19、18.1、24.1、67从混洗数据存储器读出数据对应的方式将构成码字的每一个加密数据流的相应部分读入数据存储器，地址发生器104与混洗数据存储器合作以重新组装水印码字。为此目的，地址发生器利用净荷载加密密钥106和带水印视频图像108的帧编号，在混洗数据存储器92的地址空间内为每个图像帧伪随机生成至少一个地址。然后地址发生器104将由恢复处理器90提供的水印码字的一部分或多个部分的估计的数据读入混洗数据存储器92的由伪随机生成的地址标识的位置。因此地址发生器设置成为每个帧产生与由编码数据处理设备生成的地址相同的地址，以便有效地反转由混洗处理器19，67执行的混洗。

如上所述，为了恢复净荷载数据字，附图9所示的检测器安排成用以重新生成加密数据流并将加密数据流与从数据存储器92读出的恢复的数据流相关联。为此目的，控制器94设置成利用初始值再生器96重新生成正在检测的净荷载的每个字节的所有可能的值。初始值再生器96以与附图2或者附图3中所示形式对应的形式，适当地为所关心字节的每个可能的值产生初始值。然后，正在检测的每个字节的初始值被加密处理器98加密，该加密处理器98利用对应于在加密处理器14、14.1、14.2中使用的加密算法和净荷载加密密钥形成相应的加密数据流。然后加密数据流馈送给关联器100，其将加密数据流中的每一个与恢复的数据流相关联。如果任意相关联的结果超出了预定的阈值，则确定用于形成对应初始值的净荷载的字节或者任何其他部分的值存在于已经嵌入视频素材中的净荷载数据字中。该字节的值可保存在检测到的净荷载数据存储器102中。

对于不包含净荷载数据字的部分的初始值的部分，存在零或者实际上编码器使用并且解码器已知的任何其他缺省值，具有改善加密数据流彼此之间的正交性的效果。

如上所指出，净荷载数据字的一个部分的检测可以用于检测净荷载数据字的其他部分。例如，从由具有值1的索引字段标识的第一个初始值开始，可以利用2⁸个重新生成的加密数据流和对应的相关来检测第一个字节1。字节1的检测可以用于检测字节2，因为字节2的全部可能值都可以与从恢复的净荷载数据存储器102读出的字节1中的值结合。结果，相对于单独对净荷载的所有可能的值进行相关所需的来说，检测净荷载数据字所需的相关的数量可显著减少。这是因为净荷载的每个字节是从第一个开始恢复，并且通过从1到16增加被搜索的初始值的编号，接连增加恢复的净荷载的部分，从而从前个16个初始值恢复14个字节。相应地，来自随后的16个初始值的随后14个字节可以利用相同的处理恢复，直到恢复全部净荷载。

如上所述，在一个例子中，编码数据处理设备使用以形成加密数据流的初始值包括标识每一个加密数据流(相对于其他加密数据流)的字段索引。对于这个例子，初始值再生器可用于利用对应的字段索引值为正在检测的净荷载数据字的部分重新生成初始值，从而恰好产生正对其执行相关的加密流。此外，字段索引可用来检测净荷载数据字的随后的部分。

如上所述，净荷载数据字包括数字签名6。可以认为净荷载数据字的其他部分已经利用为上述的加水印/加指纹技术建立的假阳性和假阴性检测概率，成功地恢复。然而，如果恢复的数字签名证明是真的，则可以认为净荷载已经成功地恢复，因为象数字签名的认证要求来自公共密钥/私人密钥对的对应密钥。因此，将签名和来自密钥对的对应密钥相结合，将认证恢复的数字证书。此外，对于附图2所示的例子，与计算量困难得令人止步的2⁴⁰⁹⁶次相关相对照，相关器将只须执行448 x 2⁸次相关，以检测4096位的净荷载数据字。

在所附的权利要求中限定了本发明的各种其他方面和特性。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对在此之前描述的实施例做出各种改变。

如上所述，本发明实施例可用于在任何种类的信息素材中嵌入数据。例如，虽然上述实施例已经描述了将净荷载数据字表示为码字并将码字以加密数据流的形式嵌入视频素材的帧中，但是该技术还可适用于在音频素材中嵌入数据。对于数字形式的音频素材的例子，音频素材通常包括多个数据帧，其中将嵌入加密数据流。

Claims (22)

1.一种编码数据处理设备，用于通过将净荷载数据字表示为码字并且将码字嵌入到素材项目的复本中来生成素材项目的带标记复本，该设备包括：

码字发生器，包括预处理器和加密处理器，

该预处理器能够进行这样的操作

将净荷载字划分成多个部分，

由这多个部分形成多个初始值，每个初始值是通过将净荷载数据字的部分相继添加到每个初始值来形成的，从将第一部分添加到第一个初始值开始，并且将第一和第二部分添加到第二初始值，使得每个后续初始值除了净荷载数据字的新的部分之外，还包括先前初始值中的那些的净荷载数据字的所有部分，并且

加密处理器能够进行这样的操作：接收每个初始值，并且使用净荷载加密密钥由每个初始值生成加密数据流，以提供多个加密数据流，和

组合器，其能够进行这样的操作：选择加密数据流的部分，并且将所选择的加密数据流的部分与素材项目的帧相组合。

2.按照权利要求1所述的编码数据处理设备，其中预处理器能够进行这样的操作：提供具有预定长度的每个初始值，每个初始值具有净荷载数据字的至少一个部分并且该初始值的剩余部分被设置为预定值。

3.按照权利要求2所述的编码数据处理设备，其中初始值的预定长度设置为使得，在加密之后，所述初始值至少部分正交，从而达到这样的效果：在针对重新生成的加密数据流进行相关时，其它加密数据流表现得基本上是噪声状的。

4.按照前述任何一项权利要求所述的编码数据处理设备，其中如果初始值由当前部分和存在于先前初始值中的所有部分充满，则将下一个部分引入到下一个初始值中而不引入任何其它部分。

5.按照前述任何一项权利要求所述的编码数据处理设备，其中预处理器能够进行这样的操作：在每个初始值中包括字段索引，该字段索引相对于其它初始值标识每个初始值。

6.按照权利要求4或5所述的编码数据处理设备，其中净荷载数据字包括第一数据和第二数据，第一和第二数据提供不同的信息，并且预处理器能够进行这样的操作：

将净荷载字的第一数据分成多个部分，由第一数据的这多个部分形成多个初始值，每个初始值是通过将第一数据的部分相继添加到每个初始值来形成的，从将第一部分添加到第一个初始值开始，并且将第一和第二部分添加到第二初始值，使得每个后续初始值除了净荷载数据字的新的部分之外，还包括先前初始值中那些的第一数据的所有部分，

将净荷载字的第二数据分成多个部分，和

通过将第二数据的该多个部分中的每个部分包括在另外多个初始值中的不同初始值中，来形成另外多个初始值。

7.按照权利要求6所述的编码数据处理设备，其中净荷载数据字的第二数据是数字签名。

8.按照权利要求6所述的编码数据处理设备，其中组合器能够进行这样的操作：伪随机地选择加密数据流的部分，并且将伪随机选择的加密数据流的部分与素材项目的帧相组合。

9.一种媒体终端，可用于通过将净荷载数据字引入到素材的复本中来形成用于再现的素材的项目的带标记复本，该媒体终端包括：

再现设备，用于再现素材项目，和

权利要求1到8中任何一项所述的编码数据处理设备。

10.一种检测数据处理设备，可用于检测由按照权利要求1到8中任何一项的编码数据处理设备或者按照权利要求9的媒体终端嵌入在素材项目的带标记复本内的净荷载数据字，该检测数据处理设备包括：

初始值再生器，其能够进行这样的操作：

从第一个部分开始，生成净荷载数据字的多个部分中的每个部分的每个可能值，

为净荷载数据字的部分的每个可能值形成初始值，

加密处理器，能够进行这样的操作：接收每个初始值，并且使用净荷载加密密钥由每个初始值重新生成加密数据流，和

相关器，能够在控制处理器的控制下进行这样的操作：通过将每个重新生成的加密数据流与从素材项目的带标记版本恢复的与重新生成的初始值相应的加密数据流相对应的码字的部分相关并且从该相关的结果中检测净荷载的部分，来检测净荷载数据字的部分，其中控制处理器被安排成用来将所检测到的净荷载的部分存储在数据存储器中，并且使用所检测到的净荷载的部分与净荷载数据字的后续部分的所有可能值以及相应的加密数据流相组合，来形成所检测到的码字的部分相应的后续初始值，从而检测净荷载的后续部分。

11.按照权利要求10所述的检测数据处理设备，其中编码数据处理设备用来形成加密数据流的初始值包括相对于其它加密数据流标识每个加密数据流的字段索引，并且初始值再生器能够进行这样的操作：为正在使用相应的字段索引值检测的净荷载数据字的部分生成初始值，该字段索引用于检测净荷载数据字的后续部分。

12.一种通过将净荷载数据字表示为码字并且将码字嵌入到素材项目的复本中来生成素材项目的带标记复本的方法，该方法包括：

将净荷载字划分成多个部分，

由这多个部分形成多个初始值，每个初始值是通过将净荷载数据字的部分相继添加到每个初始值来形成的，从将第一部分添加到第一个初始值开始，并且将第一和第二部分添加到第二初始值，使得每个后续初始值除了净荷载数据字的新的部分之外，还包括先前初始值中的那些的净荷载数据字的所有部分，直到净荷载数据字的所有部分都出现在初始值中，和

使用净荷载加密密钥由每个初始值生成加密数据流，和

将加密的净荷载数据字与素材项目相组合。

13.一种检测由按照权利要求12的编码数据处理设备嵌入在素材项目的带标记复本内的净荷载数据字的方法，该方法包括：

从第一个部分开始，生成净荷载数据字的多个部分中的每个部分的每个可能值，

为净荷载数据字的部分的每个可能值形成初始值，

使用净荷载加密密钥由每个初始值重新生成加密数据流，和

通过将每个重新生成的加密数据流与从素材项目的带标记版本恢复的与重新生成的初始值的加密数据流相对应的码字的部分相关，来检测净荷载数据字的部分，

从相关的结果中检测净荷载的部分，

将所检测到的净荷载的部分存储在数据存储器中，和

使用所检测到的净荷载的部分与净荷载数据字的后续部分的所有可能值以及相应的加密数据流相组合，来形成所检测到的码字的部分对应的后续初始值，从而检测净荷载的后续部分。

14.一种介质承载的数据，代表带标记复本素材项目，其中由按照权利要求1到8中任何一项的编码数据处理设备嵌入了代表净荷载数据字的码字。

15.一种信号，代表带标记复本素材项目，其中由按照权利要求1到8中任何一项的编码数据处理设备嵌入了代表净荷载数据字的码字。

16.具有程序代码的计算机软件，该程序代码在装载到数据处理器上时，使该数据处理器执行按照权利要求12或13中任何一项的方法。

17.一种数据承载介质，承载着计算机程序代码，该计算机程序代码在装载到数据处理器上时，使该数据处理器执行按照权利要求12或13中任何一项的方法。

18.按照权利要求17所述的数据承载介质，其中该介质是存储介质。

19.一种通过将净荷载数据字表示为码字并且将码字嵌入到素材项目的复本中来生成素材项目的带标记复本的设备，该设备包括

用于将净荷载字划分成多个部分的装置，

用于由这多个部分形成多个初始值的装置，每个初始值是通过将净荷载数据字的部分相继添加到每个初始值来形成的，从将第一部分添加到第一个初始值开始，并且将第一和第二部分添加到第二初始值，使得每个后续初始值除了净荷载数据字的新的部分之外，还包括先前初始值中的那些的净荷载数据字的所有部分，直到净荷载数据字的所有部分都出现在初始值中，和

用于使用净荷载加密密钥由每个初始值生成加密数据流的装置，和

用于将加密净荷载数据字与素材项目相组合的装置。

20.一种检测由按照权利要求19的设备嵌入在素材项目的带标记复本内的净荷载数据字的设备，该设备包括：

用于从第一个部分开始、生成净荷载数据字的多个部分中的每个部分的每个可能值的装置，

用于为净荷载数据字的部分的每个可能值形成初始值的装置，

用于使用净荷载加密密钥由每个初始值重新生成加密数据流的装置，和

用于通过将每个重新生成的加密数据流与从素材项目的带标记版本恢复的、与重新生成的初始值所对应的加密数据流相对应的码字的部分进行相关来检测净荷载数据字的部分的装置，

用于从相关的结果中检测净荷载的部分的装置，

用于将所检测到的净荷载的部分存储在数据存储器中的装置，和

用于使用所检测到的净荷载的部分与净荷载数据字的后续部分的所有可能值以及相应的加密数据流相组合，来形成所检测到的码字的部分对应的后续初始值，从而检测净荷载的后续部分的装置。

21.一种此处参照附图介绍的编码数据处理设备或检测数据处理设备。

22.一种基本如此处参照附图介绍的生成素材项目的带标记复本的方法和检测由至少一个码字代表的数据字的方法。

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