CN102065325A

CN102065325A - 支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法

Info

Publication number: CN102065325A
Application number: CN2010106226484A
Authority: CN
Inventors: 戴跃伟; 李宏圆; 刘光杰; 翟江涛
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102065325B

Abstract

本发明公开了一种支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法，首先进行可视水印的嵌入，在发送端，改变可视水印的每个DCT系数，然后将改变后的每个DCT系数图像加至到视频数据的DCT系数上，含有水印的视频数据通过广播网传输到接收端，供接收端预览；接收端与发送端交互；用户在接收端利用接收到的水印密钥来擦除可视水印，恢复高质量的视频数据；在可视水印擦除的同时，用户利用接收到的数字指纹密钥向擦除了可视水印的视频数据嵌入用户的数字指纹。本发明广播信号提供商只需要向其所有用户广播同一路信号，而用户可以通过预览的方式来决定是否购买更高质量的信号。

Description

支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法

技术领域

本发明属于多媒体内容保护技术领域，特别是一种在广播环境下实现了支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法。

背景技术

多媒体数据广播能够一次将多媒体数据以广播的方式传播给多个用户，即发送者仅发送一个数据流，多个用户都可以接收到这个数据流。

在多媒体版权保护中，数字水印发挥了重要的作用。数字水印可分为可视水印和不可见水印两类，这两类水印技术在多媒体版权保护中分别发挥了不同的作用。

可视水印技术通过在多媒体数据中嵌入标示有版权信息的可视水印(如logo等)来保护多媒体数据的版权。可视水印按照能否恢复原始图像可分为可擦除水印与不可擦除水印：有的可视水印可以被提取并擦除，从而恢复出原始图像，这样的水印被称作可可视擦除水印，反之，不可恢复原始图像的可视水印则为可视不可擦除水印。目前，已有的可视可擦除水印方法有：在伪随机序列的控制下，将水印交叉嵌入到图像中的两个相邻位面(Hu Y，Jeon B.Reversible visiblewatermarking and lossless recovery of original images[J].IEEE Transactions onCircuits and Systems for Video Technology，2006，16(11)：1423～1429)；基于HVS将可视水印嵌入到DCT域中(Mohanty，S.P，Ramakrishnan，K.R and Kankanhalli，M.A DCT domain visible watermarking technique for images.Multimedia and Expo，2000.ICME 2000.2000IEEE International Conference on Volume 2，30 July-2Aug.2000 Page(s)：1029-1032vol.2.)；将HVS引入到可视可擦除水印中来保证水印和原图更高的图像质量(YYang，X Sun，H Yang，CT Li，R Xiao.A Contrast-SensitiveReversible Visible Image Watermarking Technique.IEEE TRANSACTIONS ONCIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY，VOL.19，NO.5，MAY2009.)；让-弗朗索瓦·维亚尔提出一种将可移除可见水印插入到图像中的方法和设备以及移除这种水印的方法和设备。(将可移除可见水印插入到图像中的方法和设备以及移除这种水印的方法和设备。让-弗朗索瓦·维亚尔。专利申请号：CN 101889433A。)

为了追踪非授权用户对于多媒体的恶意拷贝或分发，可以在多媒体数据中嵌入一些不可见的版权信息(数字指纹)来保护多媒体数据的版权。如果嵌入了版权标识的多媒体载体被非授权的进行了分发，通过提取此标识，可以追溯其来源。目前，已有的数字指纹方法有：利用HW码作为正交的指纹码分发给每个用户(B.-H.Cha and C.-C.Jay Kuo，″Design of multiuser collusion-free hiding codeswith delayed embedding，″IEEE International Conference on Intelligent Informationhiding and Multimedia Signal Processing(IIHMSP)，Kaohsiung City，Taiwan，November 26-28，2007.)；D.Boneh and J.Shaw提出了一种编码的数字指纹方法(D.Boneh and J.Shaw，Collusion-secure fingerprinting for digital data，IEEETransactions of Information Theory 44(1998)，480-491.)；以数字指纹、拷贝检测技术为核心，提供了一种网络多媒体版权主动追踪与监视系统，该系统实现了版权主动追踪机制，克服了传统数字指纹系统的被动缺陷。(网络多媒体版权主动追踪与监视系统。凌贺飞，邹复好，冯辉，王丽云，李平。专利申请号：201010104477.6。)

通常在付费收看的多媒体广播环境下，用户会要求根据预览到的节目片段的精彩程度来判断是否付费观看。因此，可将可视可擦除水印应用于多媒体数据广播中以支持对多媒体视频数据的预览功能。图1给出了一个标准的可视可擦除水印的在多媒体广播中的应用框架。在多媒体广播前先嵌入一个表示有版权信息的可视水印。在接收端，用户可以预览带有可视水印的多媒体数据并且如果对此多媒体节目感兴趣，可以购买可视水印的擦除密钥来完全擦除可视水印并获得高质量的多媒体节目。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在广播环境下具有预览功能的可视可擦除水印的多媒体版权保护方法，使得嵌入的可视水印是可以通过购买擦除密钥进行擦除，并且还能对擦除后的多媒体版权进行追踪。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法，步骤如下：

1.1可视水印的嵌入，在发送端，改变可视水印的每个DCT系数，然后将改变后的每个DCT系数图像加至到视频数据的DCT系数上，含有水印的视频数据通过广播网传输到接收端，供接收端预览；

1.2接收端与发送端交互，在接收端，用户通过预览观看含有水印的视频数据，如果有兴趣，向发送端购买可视水印的擦除密钥，在用户付费后，发送端向接收端传输水印密钥以及该用户的数字指纹密钥；

1.3用户在接收端利用接收到的水印密钥来擦除可视水印，恢复高质量的视频数据；在可视水印擦除的同时，用户利用接收到的数字指纹密钥向擦除了可视水印的视频数据嵌入用户的数字指纹。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)广播信号提供商只需要向其所有用户广播同一路信号，而用户可以通过预览的方式来决定是否购买更高质量的信号。(2)在接收端嵌入的数字指纹可以用来追踪用户的非授权分发，更好的保护了广播信号提供商的利益。(3)此方法搭建的广播环境下可视可擦除水印的多媒体版权保护方法能让广播信号提供商收到更高的收益，并且多媒体版权也能得到很好的保护。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是基于可视可擦除水印的多媒体预览。

图2是本发明支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法的流程图。

图3是视频数据的某一帧以及水印图像(a)原始视频中的某一帧；(b)水印图像。

图4是可视水印的嵌入过程。

图5是可视水印嵌入的结果。

图6是可视水印的擦除以及数字指纹的嵌入过程。

图7是可视水印的擦除以及用户信息的嵌入结果。

具体实施方式

本发明支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法，在发送端(如服务器端等)与接收端(如用户端等)分别完成，如图2所示。在附图说明中，符号

表示乘法的运算，

表示减法的运算，

表示加法的运算。

结合图4，以视频为例，给出可视水印以在发送端的嵌入方法，具体步骤如下：

(1)多媒体视频数据的每帧以及可视水印图像数据分别作不重叠o×q(o、q的取值根据原始图像以及水印图像的大小确定，可以相同，也可以不同。下面以8×8为例进行说明)的分块。然后，在每个8×8块上作DCT变换以及Z字形扫描后，得到视频数据的每帧和水印图像系数C＝{c₀，c₁，...，c_L-1}和W＝{w₀，w₁，...，w_L-1}。

(2)产生伪随机序列。在随机数产生器的作用下，利用密钥K_S和K_M生成随机序列S＝(s₀，s₁，...，s_L-1)和M＝(m₀，m₁，...，m_L-1)。其中，L为随机序列的长度，并且有a≤s_i≤b。序列m_i为二值序列，且有m_i∈{-1，1}。

(3)可视水印的嵌入。将水印图像的每个DCT系数w_i和序列s_i、相乘，相乘后的水印系数为m_is_iw_i。再将水印系数m_is_iw_i和视频DCT系数c_i按照位置对应相加，用以下的过程表示：

y_i＝c_i+m_is_iw_i i＝0，1，...，L-1

其中，y_i是可视水印嵌入后的第i个DCT系数。在嵌入水印后的视频DCT系数进行Z字形逆扫描，8×8的DCT反变换后，得到含有可视水印的多媒体视频数据。图3(a)为视频数据的某一帧。图3(b)为可视水印图像。图5给出了嵌入了水印后的视频某一帧的结果。可以看出，嵌入的水印标识了多媒体信号服务商的版权并且极大的影响了视频信号的观看效果。最后，再将含有可视水印的多媒体视频数据通过广播网络传至网络上的每个用户。

在接收端，当用户接收到了多媒体数据，观看到的是含有可视水印的多媒体节目。用户通过观看带有水印的视频来决定是否购买无水印的多媒体信号。用户和服务器端交互的过程以及可视水印的擦除过程如下：

(1)用户j想要观看这个节目的高质量版本(无可视水印的视频)，在进行支付费用了以后，用户j向服务器端发送申请，并上传自己的申请信息U_j。

(2)发送端向用户发送三个密钥种子，其中K_S和K_M作为可视水印的擦除密钥，K_j是作为产生该用户的数字指纹的密钥，即服务器根据用户的用户信息产生该用户唯一对应的数字指纹的密钥K_j，并将水印擦除密钥K_S、K_M，以及K_j通过安全的信道传给用户j。

(3)在客户端，如图6所示，水印的擦除过程如下：

1)用户对水印图像以及接收到的含有水印的视频数据以及作不重叠8×8的分块操作。然后，在每个8×8块上作DCT变换以及Z字形扫描。

2)分别利用密钥K_S，K_M和K_j，通过随机数发生器分别产生随机序列S＝(s₀，s₁，...，s_L-1)，M＝(m₀，m₁，...，m_L-1)和P_j＝(p_0，j，p_1，j，...，p_N-1，j)。其中，随机序列S和M与服务器端产生的随机序列S和M是一样的，为可视水印的擦除序列。其中，p_i，j∈{-1，1}，i＝0，1，...，N-1，N为随机序列P_j的长度，P_j为第j个用户的指纹信息)。

3)令当前帧的视频DCT系数和可视水印的DCT系数分别为Y＝(y₀，y₁，...，y_L-1)和W＝{w₀，w₁，...，w_L-1}，利用随机序列S和M做如下的运算：

c_i＝y_i-m_is_iw_i i＝0，1，...，L-1

在上述操作完成后，每个8×8的DCT视频系数c_i中我们取中频系数(这里，我们取第6个到第15个DCT系数)。设提取的中频系数为C’＝(c₀，c₁，...，c_N-1)，这里N为中频系数的个数，做数字指纹的嵌入，嵌入过程如下：

i＝0，1，...，N

这里，为嵌入了数字指纹的第j个用户的中频系数。取DCT的中频系数是在鲁棒性与不可感知性取折中，在DCT的中频系数上做微小的改动不会影响到多媒体数据的视听质量。由上式可见，由于在客户端产生了和服务器端相同的伪随机数序列S和M，因此，可视水印的嵌入与擦除是一个完全可逆的过程，即可视水印完全从多媒体载体中擦除。对于没有正确的可视水印密钥而擦除水印得到的是一个质量很低的多媒体版本，而正确的水印密钥能完全擦除可视水印得到一个高质量的多媒体版权。我们可以看出，通过授权用户对于可视水印的擦除，擦除后的数据只包含有原始的载体数据以及第j个用户的指纹信息。最后，再进行8×8的DCT逆变换就可以得到高质量的多媒体数据。图7(a)给出了可视水印擦除以及数字指纹嵌入后的一帧视频的结果。由图可以看出，可视水印擦除后的多媒体数据保持了很高的质量。并且，嵌入在DCT中频系数的数字指纹对于人的肉眼来说是不可见的。图7(b)给出了用户利用错误的密钥擦除水印后的结果，可以看出，利用错误的密钥擦除后的多媒体数据毫无观看质量。

(4)对于擦除了可视水印的用户，若该用户进行了非授权的载体分发，可以利用相关检测来追踪该用户分发。假设有D个用户(U₀，U₁，...，U_D-1)订购了多媒体视频。由于嵌入的用户信息P_j由随机数发生器产生的{-1，1}的伪随机数，因此它实际上是一种正交的数字指纹码，可以利用相关运算来检测。提取含有数字指纹的DCT中频系数相关运算的过程如下：

θ(j)＝＜Y-C，

j＝0，1，...，D-1

这里，D为用户的总数，检测要进行D次，每次会得到一个相关值。判断第j个用户是否为非授权分发者的依据如下：

其中，λ为阈值，由实验得出。由上面我们可以看到，授权的用户可以擦除可视水印并恢复高质量的原始多媒体数据。如果该用户将此高质量的多媒体数据进行了非授权的分发，嵌入在其中的不可见数字指纹可以追踪到该用户。

Claims

1.一种支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法，其特征在于步骤如下：

2.根据权利1所述的支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法，其特征在于：可视水印的嵌入与擦除是一个可逆的过程，对于没有正确的可视水印密钥而擦除水印得到的是一个质量很低的多媒体版本，而正确的水印密钥能完全擦除可视水印得到一个高质量的多媒体版权。

3.根据权利要求1或2所述的支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法，其特征在于：步骤1.1中，可视水印嵌入的操作步骤如下：

(1)视频数据与可视水印图像分别作不重叠分块，然后在每个块上作DCT变换以及Z字形扫描，分别提取DCT系数C＝{c₀，c₁，...，c_L-1}和W＝{w₀，w₁，...，w_L-1}；

(2)在随机数产生器的作用下，利用密钥K_S和K_M生成随机序列S＝(s₀，s₁，...，s_L-1)和M＝(m₀，m₁，...，m_L-1)；

(3)利用步骤(2)产生的随机序列S和M与水印的DCT系数W相乘，然后将相乘后的水印系数加入到原视频数据的DCT系数C上，在嵌入水印后的视频DCT系数进行Z字形逆扫描，DCT反变换后，得到含有可视水印的多媒体视频数据。

4.根据权利要求1或2所述的支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法，其特征在于：步骤1.2中，用户与发送端交互的步骤如下：

用户在付费并上传了自己的信息后，发送端向用户发送三个密钥种子，其中K_S和K_M作为可视水印的擦除密钥，K_j是作为产生该用户的数字指纹的密钥。

5.根据权利要求1所述的支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法，其特征在于：步骤1.3中，可视水印擦除和数字指纹嵌入的操作步骤如下：

(1)用户对水印图像以及接收到的含有水印的视频数据以及作不重叠的分块操作，然后在每个块上作DCT变换以及Z字形扫描；

(2)在随机数产生器的作用下，利用从发送端接收到的密钥种子K_S，K_M和K_j，产生随机序列S＝(s₀，s₁，...，s_L-1)，M＝(m₀，m₁，...，m_L-1)和Pj＝(p_0，j，p_1，j，...，p_N-1，j)；其中，p_i，j∈{-1，1}，i＝0，1，...，N-1，N为随机序列P_j的长度，P_j为第j个用户的指纹信息；

(3)将含有可视水印的视频DCT系数和改变后的水印图像的DCT系数对应相减，则可视水印的擦除过程为：c_i＝y_i-m_is_iw_i i＝0，1，...，L-1；

(4)对于每个DCT系数的中频系数设为C’＝(c₀，c₁，...，c_N-1)，作数字指纹嵌入的运算，

i＝0，1，...，N 。

6.根据权利要求5所述的支持预览和追踪非授权分发的多媒体版权保护的方法，其特征在于：利用步骤(4)所嵌入的数字指纹完成对于用户非授权分发的追踪，步骤如下：

1)提取含有数字指纹的DCT中频系数，记为

2)假设有D个用户(U₀，U₁，...，U_D-1)购买了擦除密钥，产生分发给D个用户的数字指纹信息P_j，j＝0，1，...，D-1；

3)将P_j与含有数字指纹的DCT中频系数作相关运算，θ(j)＝＜Y-C，

将每次得到的θ(j)与阈值λ做比较，大于λ则判断为非授权分发的用户。