CN1117362C - 制作无明显印迹的水印的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种水印，其形式是以附加增加的消息到数字记录，使得记录的有意义的内容完全不被改变，通过这样的过程，通常用于这种记录的任何阅读器将从记录中精确地抽取在没有附加增加的消息那种情况中已被抽取的内容。这通过隐藏增加的消息在记录的有意义的内容的纠错码(ECC)中来实现。

Description

制作无明显印迹的水印的方法和装置
技术领域
本发明主要与：系列号为09/060,026、申请日为1998年4月14日、由D.Coppersmith，C.Greengard，C.Tresser和C.W.Wu申请的“产品的防伪保护系统(System for Protection of Goods AgainstCounterfeiting)”，以及系列号为09/059,498、申请日为1998年4月13日、由D.Coppersmith，F.Mintzer，C.Tresser，C.W.Wu和M.M.Yeung申请的“具有保密控制的安全的信号修改和确认(SecuredSignal Modification and Verification with Privacy Control)”的待审专利有关，由此，它们一道被指定为共同的受让人。申请系列号09/060,026和09/059,498揭示的内容，在这里被引用。
通常，本发明涉及数字编码介质的防伪的方法和装置，数字编码介质如：声频/视频和计算机软件的压缩光盘(CDS)，尤其涉及不可见印迹的水印制作技术，使得原来的数据集不被修改，而编码的验证是不明显的。
背景技术
全世界的压缩光盘公司、软件公司、和其他工业每年要花费数十亿美元进行防伪。几种方法已经被建议与伪造作斗争。在系列号为09/060,026的专利申请中，编码消息与光盘的有意义的内容和光盘的系列号两者联合在一起的内容相结合。使用记录的一些最低有效位隐藏这个编码消息。然而，对于记录着不足以完整地再现模拟音乐品质的压缩光盘来说，音乐通常考虑用于数字化音乐信号的标准的16位技术。因此，牺牲几位，或者甚至一些最低有效位，被音乐制片人认为是不可接受的。它可能使得音乐信号与用压缩光盘播放器无法听到的编码信号缠绕在一起，而且，至少在最容易见到的工具中，这将需要使用特定的光盘阅读器，从商业的观点来看，这是没有吸引力的。为了使得声频数据的改变对可听的影响减至最小，也可以按照音乐感觉的一些模型选择携载验证代码的位，但是，这不能期望与保持完整的16位一样好。
除了音乐数据文件以外，其它类型的数据文件最好在有意义的内容没有任何改变情况下被记录。在记录音乐以外的某些信息的情况中，本发明的替换形式被容易地提供。然而，本发明仍然具有重大的优点，不明显的是任何编码已经被使用(在某些情况下，这可能是合乎需要的)，并且，在阅读端，除了取出水印以外，既不需要特殊的阅读器也不需要特定的软件。因此，除了音乐以外，本发明的另一个重要的应用是提供给象计算机程序代码那样的数据，计算机程序代码那样的数据经常需要完全精确，并且，如果格式是固定的，那么没有可用于嵌入保护代码的明显的空格，以保证数据不被修改。
因此，由本发明解决的主要问题产生于这样的事实：象现有技术中的数字水印的方法不能够被用于几种类型的应用，因为它们修改原数据集。
发明内容
因此，本发明的目的是要提供一种方法和装置，这种方法和装置能够识别记录是否是原来的，和/或是否已被合法发明人执行过。
本发明的另一个目的是要提供一种验证数字记录的方法，其中，为了验证的目的，记录的没有意义的位能够被修改。
本发明还有一个目的是要为数字记录提供一种水印，以保护该记录不被伪造，但不需要特殊的装置用于阅读该记录。
按照本发明，其基本原理是把所有的验证数据隐藏在数字记录的纠错码(ECC)中。本发明的方法可以被用于既保证原数据不变又识别伪造。在后一种情况中，系列号能够被附加到任何记录，并且与记录的有意义的内容一起用于创建保护码。非法复制者通过复制原数据只能够生成在系列号和编码之间的合法的配对，并且，只能够复制和他访问的那样多的唯一的、可验证的这样的成对部分。根据水印的尺寸，借助于第二级纠错码，能够减少在恢复水印中的由于读/写错误的错误概率。
根据本发明的一个方面，提供一种把增加的消息附加到数字消息使得数字消息的有意义的内容完全不被改变的方法，包括隐藏增加的消息在数字消息的有意义的内容的纠错码中的步骤；至少给一部分有意义的内容加密，生成增加的消息的步骤；其中，加密步骤使用公共密钥加密的方法。
其中，两层或多层纠错被用在纠错码中。
其中，第二数据集被附加到该数字消息。
其中，第二数据集被附加到数字消息的物理支撑中。
该方法还包括这样的步骤：阅读所说的增加的消息，检查数字消息的物理支撑已经被伪造。
该方法还包括这样的步骤：阅读所说的增加的消息，检查数字消息的有意义的内容是否是真实的。
其中，数字消息被存放在记录中。
该方法还包括这样的步骤：给纠错码译码；和阅读所说的增加的消息，检查记录的物理支撑是否已经被伪造。
该方法还包括这样的步骤：给纠错码译码，和阅读所说的增加的消息，检查记录的有意义的内容是否是真实的。
该方法还包括传送增加的消息和有意义的内容的步骤。
其中，数字消息被通过传送介质传送，并且，所说的增加的消息被隐藏在特效于所说的传送介质的纠错码中。
根据本发明的另一个方面，提供一种把增加的消息附加到数字记录使得数字记录的有意义的内容完全不被改变的方法，包括下列步骤：选取将要被附加到有意义的内容的增加的消息；把增加的消息与有意义的内容相结合；为有意义的内容选取选纠错码；和隐藏增加的消息在纠错码中。
其中，数字消息被存放在记录中。
其中，数字消息被通过传送介质传送。
根据本发明的另一个方面，提供一种具有形成数字记录的装置的计算机系统，所说的计算机系统包括：一种记录有意义的内容在记录介质上的装置；一种把增加的消息与所说的有意义的内容相结合的装置；一种选取有意义的内容的纠错码的装置；和一种隐藏增加的消息在纠错码中的装置。
根据本发明的另一个方面，提供一种具有传送数字消息的装置的计算机系统，所说的计算机系统包括：一种生成具有有意义的内容的数字消息的装置；一种把增加的消息与所说的有意义的内容相结合的装置；一种选取有意义的内容的纠错码的装置；一种隐藏增加的消息在纠错码中的装置；和一种传送增加的消息和有意义的内容的装置。
附图说明
参考附图，由下面的对本发明的优选的实施例的详细说明，将会更好地理解前述的和其他的实施例目的和优点，其中：
图1是描述在记录中应用的纠错码(ECC)的基本原理的流程图；
图2是表示本发明的通用的机制的流程图；
图3是表示本发明的第一个优选实施例的流程图；
图4是表示本发明的第二个优选实施例的流程图；
图5是表示本发明的第三个优选实施例的流程图；
具体实施方式
考虑一些有意义的内容，例如：音乐录音、音乐配乐、一组数据、软件代码、等等。这样的有意义的内容，在被数字化以后，能够被记录在光盘、磁盘、或其它合适的介质上。在有意义的内容被数字化以后，二进制字[简称为字(W0RD)]W＝b1b2...bN，这里bi(i＝1，2，...N)是0或1。此字将仍然被考虑为有意义的内容，事实上，当我们在后文中说到“有意义的内容”时，我们通常意味着一个字如W，而不是由它表示的原来的图象、音乐、数据集、等等。为了记录有意义的内容在某些选定的介质上，当bi以W呈现时，人们通常不是简单地记录字符串bis。这是因为记录、介质的操作、阅读介质和可能的一些其它因素，都能够引入错误，这种错误，有时是几个错误，将改变有意义的内容的完整性：例如，按照错误地阅读到的W播放的音乐不同于—经常是相当不同于—由W表示的音乐。人们使用被叫做纠错码(ECC)的东西来替代记录的字W，这确实具有这样的优点：允许有一些错误在一串符号中发生而仍然允许恢复字W，并因此取回有意义的内容。
理论上，ECC能够被认为是由在有限的字集上的多对一的映象F给出的。被编码的任何字W的逆集F-1(W)包含特定的子集P(F-1(W))，它具有这样的特性：足够小量的错误(例如：位改变、和/或位丢失、和/或伪造额外的位)转换以P(F-1(W))形式的任何字成为F-1(W)的字。因此，如果记录集P(F-1(W))的一部分，即使是面对多种类型的错误仍然能够恢复字W。“错误控制编码：基础和应用”(S.Lin和D.J.Costello，Prentice-Hall，1983)，是纠错码学科的通用参考书。实践中，ECC能够被定义在有限长度的子字一级，为明确起见，我们将限制我们自己到这样的ECC，虽然本发明还能够被用于更普遍的场合。
参考图1，为了使得说明我们的发明容易，所示出的ECC流程图具有在本揭示的余留部分中需要的一般的量。在功能框101中，字W被切分成块w1，w2，...，wM，这里，每一块由一定数量(通常是固定的)连续的bi(即：在通常情况下，M小于N)组成。ECC编码器102结合到每一个wi，一些其它的0字符串，并用wi’表示。每一个wi’被叫做代码字。多个wi’的顺序并置的w1’，w2’...，wN’构成ECC数据W’。在传送或存储期间，一些错误可能被引入Wi’，以致于有毛病的代码字Wi”(框103)被记录，而不是Wi’。而本发明的最初的目的是要把数据放到光盘上，数据也能够被传送，并且，相同的技术能够被应用于在传送介质上以数字方式编码的数据。这就是说，这样的传送介质通常具有一些有意义的内容W，通过使用特定的纠错码，它以特殊的格式进行编码(即：这些是用通信协议表示)，生成W’，然后被编码，以特定的光、声、电的方式，在特定的媒体上传送(例如：象以太网或令牌环形网那样的计算机局域网，或通过调制解调器在电话线上传送，或通过象ISDN那样的数字电信媒体传送，或通过任何无线通信系统传送)。我们的发明能够被用于传送W”，而不是W’。W”再次具有这样的特性：它能够通过ECC译码器读回，生成原来的字W，而通过使用特殊阅读器也能够验证其可靠性。如果错误的数量小于指定数量(这依赖于所使用的ECC类型)，那么，ECC错误校正部件校正这些错误，并且返回无毛病的代码字wi’。当用ECC译码器104对wi’译码时，作为译码器104的输出给出字wi(输出105)。
通常，wi’的平均长度大于wi的平均长度。实际情况是：不仅wi’，而且通过形成至多K个错误，由wi’获得0或1的任何字符串(这里K和允许的错误类型依赖于选取的ECC(可能在wi上))被104校正，并由译码器104泽码，生成wi。在后文中，我们总是假定K＞2，这能够容易地被任何当前使用的ECC获得，例如Reed-Solomon码。
按照本发明，参考图2，一些验证数据A201与任何被记录的数据集W202结合。本发明的基本原理是隐藏所有的验证数据在用于执行记录的纠错码210中。按照申请系列号09/060,026的教导，验证数据A可以这样被选取：由验证数据A、数据集W、和一些其它的辅助数据集D203(与W或者与该记录的物理支撑结合的)构成的在205处的三部分数据(A、W、D)不能够由未授权一方生成。用于生成这样的三部分数据的代码能够以加密200为基础(秘密的或公共的)。尤其是，而不是在A、W和D之间的通常的不明显的关系，验证消息A可以是依赖于这对数(W、D)的编码的消息，在这种情况下，我们经常写成C，而不是一般的符号A。依赖于该精确的工具，本发明允许按照这样一种方法，识别记录的原来的数据和/或合法的数据，即记录的手段完全不受本发明的工具的影响，并且，标准的阅读器既不被本发明的工具检测又不受本发明工具的影响。
我们注意到：通常，使用某些携带验证数据的纠错码可能减少错误校正模式的强度。也就是说，当原来的系统已经能够校正K个错误时，使用本发明的系统现在能够校正K’＜K个错误。这不被认为是本发明的值得注意的限制，因为通用的传送媒体(例如：压缩光盘(CD))能够校正远大于通常需要的错误的数量(例如，关于压缩光盘标准的详细信息请参见：“Phillips-Sony Red Book”，或者，国际电工委员会标准IEC60908(1987-09))。本领域的技术人员会明白：CD标准提供某些子代码通道，即：包含非声频数据的通道。其任意一个可能无价值地被用于携载数字签字或水印。然而，对标准CD以外的存储介质或对声频CD来说，本发明仍然具有实用性，其中，子代码通道另外在使用，以及在传送介质中，没有未使用的子代码通道。事实上，在任何特定的实施例中，应尽可能小心地分配与介质交叉的验证数据，为的是合适地分配强度的减少。例如：在数据集的较小的临界区域或者物理介质的较好的保护区域中，能够折中错误校正模式的强度，或者，均匀地分配交叉的数据集，使得共同的影响最小。因此，在某些介质中，例如CD，除了使用纠错码以外，数据以一种方式交织在物理介质上，这种方式使得数据的恢复过程面对特定类型错误例外地加强；例如：突发差错误和位于物理上介质的连续区域的错误。附加验证数据的适当的分布能够有助于保持这些类型的加强性能。
用在本揭示(保密密钥/公共密钥(SK/PK)对和散列函数)中的特定的密码技术的说明能够在Alfred J.Menezes、Paul C.vanOorschotand和Scott A.Vanstone的由CRC Press于1997年出版的Handbook of Applied Cryptography中找到。
现在，参考图3，在输入框300处的有意义的内容W＝w1w2...，WN，可能与在输入框301处的补充数据D(例如：以物理方式附加于该记录的时间、数据和/或系列号)结合，被在加密单元302中的加密密钥S1译成密码，在303生成编码的消息C。编码的消息C能够被表示为0和1的一些序列s1s2...sc。为了方便起见，我们彻底地假定C的长度c为固定的，而且这对本发明是相当无关紧要的，其他的习惯也是如此。在ECC编码器320处，字W被转换成在321处的M长的最初的纠错字W’＝w1’w2’...wM’(通常，M大于N)。在304处的定义的算法A与M相关，编码块wj1’，wj2’，...，w’jc的地址的集合j1＜j2＜...＜jc＜M。例如：人们可以取w’jis，而i在{1，2，...c}中，按W’均匀地分配。选取的(j1，j2，...，jc)能够是保密的或公知的。这些选取的编码块在305中被改变成Wi”；按照另一个(可能是保密的)密钥S2，即：Wji’被改变成Wji”＝S2(Wji’，W.D.C)。我们用W’指明W的ECC转换，至于W”，通过用Wji”替换每一个编码块Wji’，由W’获得W”字。
在功能框306处，字W”被记录。当用原来的阅读器310阅读时，W”通过ECC译码器307，生成W，如果没有太多的错误的话。
为了检查该记录是不是原来的，需要在309处的特殊阅读器，它访问W”并传送它，而不通过ECC译码器307。阅读W”的机制是部分商业上可用的音频CD和CD-ROM播放机，这对本领域的熟练技术人员来说是容易理解的。通过拦截到达错误校正电路前的信号，能构建特殊阅读器。
然后，确认C，而它应该给出有意义的内容W和其它数据D。更确切地说，由于错误，用特殊阅读器309读入的C可能稍微不同于原来的C。为了验证编码的可靠性，我们验证在编码块中的错误率是否与在该记录的剩余部分中的有相同的数量级。
由于可能发生在编码块中的错误，公共密钥加密实际不适用于在图3中表示的实施例。我们将给出两个允许使用公共密钥加密的实施例，就象以后几个代理商可以检验验证代码一样，这常常是确保安全和易于检验的最方便的方法，但是很少能够生成它们。
现在参考图4，在输入框400处的有意义的内容W＝w1w2...，wN，通过在功能框440处的安全、公知、散列函数，在输出框445生成较短的字Q。然后，字Q可能与在输入框401的补充数据D＝x1x2...xd(例如：以物理方式附加于该记录的时间、数据和/或系列号)并置，在输出框450处形成字Z＝u1u2...up(如果没有D，那么Z正好等于Q)。在加密单元402中，用加密密钥S1给该字加密，加密密钥现在被选取为成对的保密密钥/公共密钥(SK/PK)的加密部分，在输出框403处生成长度为c的编码消息C。编码消息C能够被表示为0和1的一些序列s1s2...sc。
在ECC编码器420处，字W被转换成在输出421处的长度为M的字W’＝w1’w2’...wM’(通常，M大于N)。下一个在404处的第二ECC编码器，转换C为在输出405上的长度c’＞c的ECC代码字C’＝t1t2...tc.注意：用在ECC编码器404中的第二个纠错码不必与用在ECC编码器420中的纠错码相同。为了把这个ECC编码器/译码器对与第一个ECC编码器/译码器对区别开来，我们将称其为辅助ECC编码器/译码器。
在功能框406处的一种定义的算法A结合到M，一种编码块wj1’，wj2’，...，wjc’的地址的集合j1＜j2＜...＜jc’＜M。例如：人们可以取wjis’，而i在{1，2，...c}中，按W’均匀地分配。选取的(j1，j2，...，jc’)应该是公知的，或者，至少任何人要能够检查记录的可靠性。这些选取的编码块在功能框407中被改变成wji”＝f(tj，wji)，以这样的方法，W”能够按照公知的规则，被解释为0或1。而且，函数f是这样的：有一幅变换图g满足ti＝g(wji”)。我们用W’指示W的ECC转换，至于W”，通过用Wji”替换每一个编码块Wji’，由W’获得该字。字W”是这样的，通过按字：
g(wj1”)g(wj2”)...g(wjc”)
运行辅助ECC译码器，被错误损坏不多的任何阅读的字wj1”，wj2”，...，wjc”被解释为C。
字W”是在408处被记录。当用原来的阅读器410阅读时，W”通过在409处的ECC译码器，在输出430处生成W，如果没有太多的错误的话。
为了检查该记录是不是原来的，需要在460处的一个特殊阅读器(如前面说明的那样)，它访问W”并传送它，而不通过ECC译码器。
然后，使用SK/PK对的公共部分，能够确认C，而它应该给出W和D。通过也输出有意义的内容W的特殊阅读器，可以完成可靠性的检查，使得在检测W时验证能够被完成。在本发明被用于保护零售产品的情况中，厂商可以要求零售商推荐它的商标，仅在顾客要检测W时使用这样的验证阅读器。
现在参考图5，在输入框500处的有意义的内容W＝w1w2...，wN，通过在功能框540处的安全，公知，散列函数，在545处生成较短的字Q。然后，字Q与在输入框501的验证消息A＝u1u2...ua并置，在输出框550处形成字Z＝t1t2...tp。用在加密单元502中的SK/PK对的加密部分S1给该字Z加密，在输出503处生成编码消息D。
在ECC编码器520处，字W被转换成在521处长度M的字W’＝w1’w2’...，wM’(通常，M大于N)。在功能框506处的一个定义的算法A结合到M，一种编码块wj1’，wj2’...，wjc’的地址的集合j1＜j2＜...＜jc’＜M。例如：人们可以取wjis’，而i在{1，2，...c}中，按W’均匀地分配。选取的(j1，j2，...，jc’)应该是公知的，或者，至少任何人要能够检查记录的可靠性。这些选取的编码块在功能框507中被改变成wji”＝f(ui，wji)，以这样的方法，按照公知的规则，W”能够被解释为0或1。而且，函数f是这样的：有一幅变换图g满足ui＝g(wji”)。同样，选取的f和g应该是公知的，或者，至少任何人要能够检查记录的可靠性。我们用W”指示W的ECC转换，至于508处的W”，通过用Wji”替换每一个编码块Wji’，由W’获得该字。特殊阅读器能够从记录中取出字Z。
由于错误，实际阅读的(假定记录是真实的)将为Z’逼近Z，如果还没有太多的错误，这种逼近是紧挨着的。在550处，字D也被附加到记录(例如：在记录的物理支撑上，以条形码的形式)，通过验证Z’是否足够接近于用SK/PK对的公共部分从D取出的字Z，检查可靠性。
尽管用三个优选的实施例说明了本发明时，本领域的熟练技术人员会明白：在权利要求的精神和范围内，能够实现本发明的修改。

Claims (16)

1.一种把增加的消息附加到数字消息使得数字消息的有意义的内容完全不被改变的方法，包括隐藏增加的消息在数字消息的有意义的内容的纠错码中的步骤；
至少给一部分有意义的内容加密，生成增加的消息的步骤；
其中，加密步骤使用公共密钥加密的方法。
2.如权利要求1所述的方法，其中，两层或多层纠错被用在纠错码中。
3.如权利要求1所述的方法，其中，第二数据集被附加到该数字消息。
4.如权利要求3所述的方法，其中，第二数据集被附加到数字消息的物理支撑中。
5.如权利要求4所述的方法，还包括这样的步骤：阅读所说的增加的消息，检查数字消息的物理支撑是否已经被伪造。
6.如权利要求1所述的方法，还包括这样的步骤：阅读所说的增加的消息，检查数字消息的有意义的内容是否是真实的。
7.如权利要求1所述的方法，其中，数字消息被存放在记录中。
8.如权利要求7所述的方法，还包括这样的步骤：
给纠错码译码；和
阅读所说的增加的消息，检查记录的物理支撑是否已经被伪造。
9.如权利要求7所述的方法，还包括这样的步骤：
给纠错码译码，和
阅读所说的增加的消息，检查记录的有意义的内容是否是真实的。
10.如权利要求1所述的方法，还包括传送增加的消息和有意义的内容的步骤。
11.如权利要求1所述的方法，其中，数字消息被通过传送介质传送，并且，所说的增加的消息被隐藏在特效于所说的传送介质的纠错码中。
12.一种把增加的消息附加到数字记录使得数字记录的有意义的内容完全不被改变的方法，包括下列步骤：
选取将要被附加到有意义的内容的增加的消息；
把增加的消息与有意义的内容相关联；
为有意义的内容选取纠错码；和
隐藏增加的消息在纠错码中。
13.如权利要求12所述的方法，其中，数字消息被存放在记录中。
14.如权利要求12所述的方法，其中，数字消息被通过传送介质传送。
15.一种具有形成数字记录的装置的计算机系统，所说的计算机系统包括：
一种记录有意义的内容在记录介质上的装置；
一种把增加的消息与所说的有意义的内容相关联的装置；
一种选取有意义的内容的纠错码的装置；和
一种隐藏增加的消息在纠错码中的装置。
16.一种具有传送数字消息的装置的计算机系统，所说的计算机系统包括：
一种生成具有有意义的内容的数字消息的装置；
一种把增加的消息与所说的有意义的内容相关联的装置；
一种选取有意义的内容的纠错码的装置；
一种隐藏增加的消息在纠错码中的装置；和
一种传送增加的消息和有意义的内容的装置。
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