CN1748423A - 加密视频信息的生成 - Google Patents

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Abstract

一个加密视频信息流(20)包含分别在特技播放期间可访问和不可访问的第一视频帧(22)和第二视频帧。从利用重复变化的控制字来解密的源加密流中，在各个第一帧出现在流中的位置处识别出该流的各端。用于解密的控制字(24)被包括在该流中。至少部分控制字被包括在数据流中的与所识别出的段同步的所选择位置处。

Description

加密视频信息的生成
本发明涉及一种用于生成视频信息的加密流的方法和设备。
PCT专利申请号01/78387描述了一种存储有条件访问数据的方法。为了有条件访问的目的，视频信息被加密。解密所需的控制字一般每几秒钟规则地变化，从而限制当一个授权用户拥有一个控制字时所造成的损坏。因而，数据流被细分为连续的时间间隔(称为加扰周期(crypto-period))，其中需要连续不同的控制字。
变化的控制字被提供到数据流内的分组中，作为所谓的ECM。ECM本身用比视频数据更强的加密形式加密。在切换到一个数据流之后，在解密能够开始之前，近似每十秒提供一个ECM以将延迟最小化。一般来说，每个ECM包含两个控制字：当前加扰周期(其间，ECM出现在流中)所需的控制字和用于下一加扰周期的控制字。从而，“下一个”控制字被提早发送，以允许将它从ECM解密所需的时间。
当数据流被以异常方式访问时，比如在特技播放(快进播放，反向播放等)期间访问时，这种提供控制字的方法会引起困难。在这种情况下，通常只有数据流的一部分被访问。一般只有所谓的I帧被访问，即其中已经以能够不参考其它图像就能解压缩的方式对图像进行了压缩的视频信息帧。其它帧(也就是作为对邻近帧的更新而进行了压缩的P和B帧)在这种情况下不被访问。结果，只有数据流的一部分被访问。这可能中断ECM的常规提供，从而中断对控制字的访问。而且，在反向播放期间，所需要的“下一个”控制字不能从ECM中获得，因为ECM中的“下一个”控制字假定为前向播放。
已经提出了解决这些问题的各种解决方案。WO01/78387提出了每个ECM提供三个控制字：当前控制字，下一个将来控制字和下一个过去控制字。另一个解决方案是使用一种用于存储视频流的特殊存储结构，从而能够与从数据流中访问视频信息无关地恢复ECM。但是，这些解决方案全都需要没有在标准数据流中提供的附加信息。
本发明的一个目的是在不使用数据流中的标准信息之外的信息的条件下支持异常访问，尤其是支持对加密的视频流的特技播放访问。
按照本发明的生成数据流的方法在权利要求1中提出。按照本发明，在视频流中解密信息项(尤其是ECM)的出现与包含所选帧的数据流部分同步，所述所选帧优选地被编码成不参照其它帧就能解码(如果需要被解压缩)。
按照本发明的另一个方面，包括在数据流的解密信息项中的控制字的改变与加扰周期同步，从而所述改变基本上在加扰周期的中间出现。从而，在加扰周期的前半部分中，当前控制字和下一个过去控制字被包括在所述解密信息项中，并且在后半部分中，所述解密信息项包括当前控制字和下一个将来控制字。结果，在前向播放和反向播放中，下一个所需要的控制字都可在基本上相同的时间量内获得，从而在前向和反向方向上都允许相同的最大播放速度。在这种情况下，“基本上”一词应当被宽泛理解：当控制字的改变已经出现在加扰周期的四分之一和四分之三之间时，对于基本上在加扰周期边界处的控制字变化有显著改进。把所述过渡恰好放在一半的位置优化了在前向和反向方向上的最大速度。
将使用以下附图更详细地说明本发明的这些和其它目的以及有利方面。
图1示出了一个有条件访问系统；
图2示出了一个有条件访问流。
图1示意性示出了一个有条件访问系统。该系统包含一个源10，一个加密流生成单元12和一个接收器14。该图更详细示出了加密流生成单元12的各个部件。应当理解，加密流生成单元12可以实现为一个其中部件对应于软件单元的适当编程的计算机，或者一个其中部件对应于不同的硬件单元的一组协同操作的硬件单元，或者编程的单元和适当硬件的组合。
加密流生成单元12包含一个时间间隔选择单元122，一个密钥生成器124，密钥存储器126、127，一个加密单元120，一个ECM生成器128，一个多路复用器121和一个ECM引入控制单元(inclusioncontrol unit)123。源10具有一个耦合到加密单元120的输入端的数据流分组输出端，加密单元120具有一个耦合到多路复用器121的第一输入端的输出端。多路复用器121的第二输入端耦合到ECM生成器128。多路复用器121具有一个耦合到接收器14的输出端。密钥生成器124具有一个耦合到密钥存储器126、127的输出端，密钥存储器126、127具有分别耦合到加密单元120和ECM生成器128的输出端。时间间隔选择单元122具有耦合到密钥生成器124和密钥存储器126、127的输出端。ECM引入控制单元123具有一个耦合到源10的输出端和多路复用器121的输入端。
图2象征性地示出了一个加密视频信息流20。流20包含用阴影块表示的段22，其中包含具有描述I帧的信息的分组。沿着流20，画出了第一时间线23，用来表示多个时间点，在那些时间点处，ECM被引入到流20中。至少在段22期间的时间点24处引入ECM。一个ECM是一个通常包含本身已经被加密的一对控制字的解密信息项。画出了另一时间线25来表示加扰周期26和一个时间点27，在该时间点处，ECM的内容在加扰周期26的中间改变。(应当注意到，为了清楚起见，并没有将加扰周期26画成与段22(I帧)成比例。实践中，加扰周期26将延伸在更多I帧上)。
在操作中，源10产生压缩但还没有加密的视频信息的分组流。加密单元加密所述分组并把它们传送到多路复用器121。多路复用器121传送所有的加密分组。在所选择的时间点24处，多路复用器121在视频信息分组之间传送来自ECM生成器128的ECM。所述时间点由ECM引入控制单元123选择。
ECM引入控制单元123检测其中描述一个I帧的分组被包含在流20中的段22(即，以描述一个I帧的第一分组开始并以描述该I帧的最后一个分组结束的段)的出现，并确保在每个段22期间出现一个时间点24，在该时间点处，ECM被引入流中。通常，ECM引入控制单元123用信号通知多路复用器121以在流中(也在段22之外)引入ECM，以表示I帧的出现。甚至多于一个ECM可以出现在一个段22中。实际上，例如依赖于连续的ECM之间的最大可允许延迟，可以在这些段22之外引入大部分ECM。然而，即使最大可允许延迟不要求引入一个ECM，但是ECM引入控制单元123仍确保在每个段22中出现至少一个ECM。应当注意到，多路复用器121通常不用来由ECM代替加密的视频信息。应当理解，加密单元120可以在插入一个ECM的同时保持加密分组的输出。
所述流被馈送到接收器14。接收器可以以任何方式处理该流。对所述流的最直接的使用是现场播放，其中当所述流进入时，来自所述流的节目被解密，并且所有帧(I帧以及P和B帧)都被处理。在这种情况下，段22中的ECM的位置没有特殊的效果。作为一种替换方案，接收器14可以在存储设备(例如磁盘)中存储流20，以用于以后的使用。在这种情况下，例如通过只按照I帧在流中出现的顺序来访问I帧可以以特技播放模式从盘中播放该流。这导致快进。例如通过按照I帧(即段22)在流中出现的相反顺序来访问I帧可以实现反向播放(段22内部以正常顺序访问)。
作为ECM在每段22中的位置的结果，确保了能够容易地在异常访问期间对加密流进行访问，在所述异常访问期间，只对流的所选择段22进行访问。因为已经使每段包含至少一个ECM，从而确保当选择性地访问I帧时，对于每个I帧将读出至少一个ECM。尽管已经用段22中的ECM描述了本发明，但是应该理解，当控制字被其它分组所包含时，本发明同样适用于不使用ECM的有条件访问形式。同样，应当理解，有可能在段22(每段从I帧开始的分组到I帧结束的分组)之外但与所述分组有固定时间关系地(例如，恰好在所述分组开始之前或恰好在其结束之后)引入ECM，只要确保当接收器14访问所述段时也访问与所述段具有该固定时间关系的流部分即可。
同样，应当理解，本发明不限于具有MPEG I帧的段22。本发明也可应用到任意类型的压缩中，其中所选择的图像由它们本身编码(比如I帧)，其它图像被编码为更新。实际上，本发明可以应用到任何形式的压缩中，其中，当已知段22将在特技模式播放期间被有选择地读出时，可以识别出能够在不参考其周期部分的情况下被解压缩的段22。这些段可以包含例如能够在没有外部参考的情况下进行解密的图像对，或者所述段之外的视频信息可以不参考所述段就被解码，但在特技模式播放期间不能访问。
而且，应当理解，源10可以部分或整体包含在加密流生成单元12中。例如，在不同的实施例中，模拟视频信息或未压缩的数字信息或压缩了但还没有进行分组的视频信息可以被提供到加密流生成单元12，以用于利用与段22同步的解密信息项(例如ECM)转换为经过分组的、压缩的和加密的流。而且，应当理解，流生成单元12实际上可以用一个可编程计算机实现，该计算机用执行图1所示的各单元的功能的程序部分来编程。而且，可以使用实现功能的程序和实现功能的硬件的任意混合。代替“现场”生成流，可以通过将流的内容写入到一个存储器设备(未示出)并通过限定从该存储器设备中读出所述流的顺序来创建所述流。
代替多路复用器121，可以使用用于插入的任意其它实现方式，例如可以提供一个存储器设备，从中顺序读出所述流以用于发送到接收器14。在这种情况下，视频数据分组和具有ECM的分组被写入到该存储器设备，以用于以后读出。在这种情况下，可能有用于插入的很多替代实现方式。可以例如通过在由引入控制单元123选择的位置处的连续的视频信息分组之间预留存储器空间并在所预留的空间中插入ECM来实现所述插入。作为一种替换方案，可以使用具有指向所述流的各连续部分的指针的访问表，其中在由引入控制单元123选择的位置处预留用于访问指针的位置，在所述位置处插入指向ECM的指针。作为另一种替换方案，可以用指向分组的链式指针实现所述插入，并且在链的开口插入指向ECM的指针。
在另一个实施例中，加密单元120可以是源10的一部分。在这种情况下，加密流生成单元12仅仅例如通过解密流中的分组并测试这些分组是否包含关于I帧的信息来检测流20中的段22，从而确定段22出现在流中的什么位置。在这种情况下，至少在段22尚未包含一个ECM的情况下，出现在流中接近每个所检测段22附近的ECM被添加到段22中的流中(或者与该段有预定时间关系)。可选择地，原始ECM被从流中删除，从而使流的大小不受影响(或者替换地使用一个新生成的ECM，其控制字对应于当前加扰周期26和一个相邻加扰周期)。
时间间隔选择单元122限定加扰周期。在每个下一个加扰周期开始时，时间间隔选择单元122使第一密钥存储器126开始从密钥生成器124提供下一个密钥。随后，时间间隔选择单元122使密钥生成器124产生一个新密钥。
在基本上位于加扰周期26中间的时间点27处，时间间隔选择单元122使第二密钥存储器127用新的密钥替换在第二密钥存储器127中的最近生成的密钥。ECM生成器128通常在每个ECM中包括两个密钥，分别标识为偶控制字和奇控制字。在交替的加扰周期26中，偶控制字和奇控制字必须分别用于解密视频信息。加密单元120包括应当使用偶控制字还是奇控制字的信息。基本上在每个特定加扰周期的中间，用新的密钥替换偶控制字和奇控制字中的一个，特别是在特定加扰周期中没有使用的控制字(偶或奇)。从而来自基本上在加扰周期26中间的点27的ECM开始包含用于下一个后续加扰周期的控制字。
结果是，当仍然必须访问来自至少当前加扰周期26的一半的I帧时，在反向播放访问期间，可获得将被播放的下一个加扰周期(在前向播放条件下是过去的加扰周期)所需要的控制字。(应当记得，加扰周期26通常延伸在比图2所示的多很多的I帧上。)同样，当仍然必须访问来自至少当前加扰周期26的一半的I帧时，在前向播放访问期间，可获得用于将被播放的下一个加扰周期的控制字。快速播放压缩了从提供新控制字的时间点到下一个加扰周期开始(即，最先需要该新控制字的时间点)的时间间隔。在该压缩的时间间隔期间，必须从ECM中提取(解密)新控制字，这样做所需的最小时间限制了最大可能播放速度。通过定位在加扰周期26中间控制字改变的时间点27，将前向和反向播放的最小播放速度最大化。将意识到，当开始从一个不恰好是加扰周期26的一半的时间点27提供新控制字时，也能实现该优点。但是，最大允许的播放速度随着时间点27移动而降低。当时间点27在加扰周期26中途的四分之一处或四分之三处时，最大可允许快速播放速度对于前向和反向播放二者之一来说降低到小于一半。越远离极端的位置导致速度降低越小。与加扰周期26中点相距该加扰周期的10％长度(或小于10％)的时间点导致小于20％的速度降低。
在另一个实施例中，源10生成ECM并且加密流生成单元12仅仅移动ECM，从而使ECM的改变出现在所要求的时间点27处。也就是说，如果在时间点27之前的来自源10的ECM包含将来控制字，则加密流生成单元12用包含用于当前加扰周期26和一个将来加扰周期的控制字的旧的ECM来替换这些ECM。同样，如果在时间点27之后的来自源10的ECM包含过去控制字，则加密流生成单元12用包含用于当前加扰周期26和一个过去加扰周期的控制字的旧的ECM来替换这些ECM。当然，依赖于所述源改变控制字的速度，可能只需要提供这些类型的替换中的一个。
为此，为旧的ECM提供一个存储器，和/或可以提供一个延迟以将所述流延迟一个时间间隔，从而当可获得用于将来加扰周期的新控制字时，时间点27出现在延迟后的流中。在一个不同的实施例中，流20可以在重放前被全部存储在一个存储介质中(未示出)，或者可以存储该流的一长段，例如至少10分钟。在这种情况下，加密流生成单元12可以替换存储介质中的ECM。

Claims (11)

1、一种生成一个视频信息的加密流(20)的方法，所述流表示视频帧，并且包括在该流的特殊播放模式期间分别可访问和不可访问的第一视频帧和第二视频帧，该方法包括以下步骤：
-提供一个源加密流，其利用重复改变的控制字来解密；
-识别出现在流(20)中的各个第一帧的该流的各段(22)；
-在该流(20)中引入解密信息项，以预先提供各个位置的控制字，在所述位置后所述控制字需要用于解密，在数据流中选择的与段(22)同步的位置(24)处引入所述解密信息项的至少一部分。
2、按照权利要求1的方法，其中通过检测可由它们本身解码的视频帧来选择各第一视频帧，并且在数据流中与段(22)同步的所述位置处引入所述解密信息项，每个段以来自可由它们本身解码的一个对应视频帧的信息开始和结束。
3、按照权利要求1的方法，包括在每个所述段(22)中引入来自所述解密信息项的至少一部分的对应一项。
4、按照权利要求1的方法，其中所述流中的连续加扰周期(26)限定解密所需的各个控制字，每个解密信息项包含第一控制字和第二控制字，第一控制字用于解密来自该项周围的流中的第一加扰周期(26)的信息，第二控制字用于解密来自在第一加扰周期(26)之前的第二加扰周期的、用于在一直到基本上第一加扰周期(26)的中间(27)被引入流中的各项的信息，并且第二控制字用于解密来自在第一加扰周期(26)后面的第三加扰周期的、用于在超过第一加扰周期(26)的基本上中间(27)的位置处被引入流中的各项的信息。
5、按照权利要求1的方法，其中存储加密流，并在特技播放模式下有选择地恢复包括至多所述段(22)的所述流的部分。
6、一种视频信息的加密流(20)，所述流表示视频帧，第一视频帧由它们本身编码，第二视频帧借助于更新进行编码，该流包括：
-连续的加扰周期(26)，所述连续的加扰周期中的信息可用连续不同的控制字进行解密；
-在所述流的各个段(22)中的每个第一帧；
-在所述流中的解密信息项，用来预先提供各个位置的控制字，在所述位置后各个控制字需要用于解密，在数据流中的位置(24)处引入所述解密信息项的至少一部分，每个位置(24)以相同的方式与各个段(22)同步。
7、按照权利要求5的加密流，包括来自每个所述段(22)中的解密信息项的至少一部分的对应一项。
8、一种用于生成视频信息的加密流(20)的设备，所述流表示视频帧，并且包括在该流(20)的特殊播放模式期间分别可访问和不可访问的第一视频帧和第二视频帧，该设备包括
-一个段识别单元(123)，用于识别出现在流(20)中的各个第一帧的该流(20)的各段(22)；
-一个插入单元(121)，用于在流(20)中插入加密信息项，以预先提供各个位置的控制字，在所述位置后各个控制字需要用于解密，该插入单元由段识别单元(123)触发，以在流(20)中的与所检测的段(22)同步的位置(24)处引入所述解密信息项的至少一部分。
9、按照权利要求8的设备，其中段识别单元(123)被安排成检测可由它们本身解码的视频帧，每个所检测到的段(22)以来自可由它们本身解码的一个对应视频帧的信息开始和结束。
10、按照权利要求8的设备，其中插入单元(123)被安排成在每个所述段(22)中引入来自所述解密信息项的至少一部分的对应一项。
11、按照权利要求8的设备，其中所述流中的连续加扰周期(26)限定解密所需的各个控制字，每个解密信息项包含第一控制字和第二控制字，所述插入单元被安排成：选择第一控制字，用于解密来自该项周围的流(20)中的第一加扰周期(26)的信息；以及选择第二控制字，用于解密来自在第一加扰周期之前的第二加扰周期的、用于在一直到基本上第一加扰周期(26)的中间(27)被引入流中的各项的信息，并且第二控制字用于解密来自在第一加扰周期(26)后面的第三加扰周期的、用于在超过第一加扰周期(26)的基本上中间(27)的位置处被引入流中的各项的信息。
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