CN1997146A - 一种mp4格式多媒体数据内容加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多媒体数据加密方法。本发明提供一种基于帧的MP4格式多媒体数据内容加密方法，可以应用于各种传输协议。所采用的技术方案是，一种MP4格式多媒体数据内容加密方法，包括以下步骤：a.对MP4文件进行分析，解析元数据容器单元；b.在元数据容器单元中查找媒体类型为视频或音频的帧信息；c.根据所述帧信息查找到该帧在媒体数据容器中的地址；d.读取根据所述地址在媒体数据容器查找到帧数据；e.加密除帧头以外的帧数据。采用本发明所述基于音视频帧的MP4格式多媒体数据的加密方法，有效地实现对MP4文件格式的DRM保护，也可以保证流媒体服务器和播放器可以正确识别该MP4文件。

Description

一种MP4格式多媒体数据内容加密方法

技术领域

本发明涉及多媒体数据加密方法。

背景技术

随着网络技术、信息安全、电子商务以及软件技术的进步，出现了一门专门研究内容保护的技术-数字版权管理(DRM)，它主要通过对音视频数据的加密处理，达到对内容的可控使用。

对音视频内容的加密，一般采用两种加密方式：第一种是流密码的方式，如目前广电系统的CA以及针对家电终端内容保护的DTCP、HTCP、UCPS等，这种方式加密算法简单，运算速度快，但是安全性不高，一般适用于数据吞吐量比较大的场合；另外一种是块密码的方式，如DES、3DES、IDEA、AES以及中国的SMS4等算法，它的运算比较复杂，对资源的耗费比较大，安全性比较高，其安全性在于对密钥的传送。在目前的DRM系统中，一般都采用第二种加密方式。

在DRM技术中，一般对多媒体内容的加密采用以下几种方式：

(1)对需保护文件全部进行加密。这种方式不管保护的内容是什么格式，将其全部当作需要加密的数据进行分块加密处理。但是经过这种方式处理的流媒体文件，由于将流媒体的信息也一起处理了，不能使用流媒体承载协议，也不能被相应的播放器识别，因此在使用前必须先将整个文件解密，不能一边解密一边使用。而且，将整个文件解密也增大了对内容失控的风险。对于大的流媒体文件，整个文件的解密也需要很大的缓存空间，间接增加了成本。

(2)对MP4文件的媒体数据容器(mdat)内容进行加密处理：这种加密方式首先对MP4文件进行分析，找出相应的媒体数据容器单元(mdat box)，并对媒体数据容器内容进行加密处理。由于在加密的过程中没有对媒体数据容器内容的类型进行区分，将音频、视频以及其它的数据一起进行了处理。而流媒体服务器是按照音频、视频分开进行打包传送的，所以从网络流媒体服务器端获取的数据，播放器无法实现正确音频和视频的解密，所以无法实现网络在线播放，通用性不强。

(3)按照RTP负载进行加密处理，音频是多帧组合成一个包，对于直接对文件的播放形式而言，如果播放的时候没有正确解密，播放器将无法正确识别音频帧，将导致严重的数据错误。这种方式不能对下载播放的节目进行保护，而这对流媒体可能是最大的需求。

在数字媒体信源编码方面，目前比较流行的是基于MPEG2、MPEG1、MPEG4、H.264、AVS公开的标准。此外微软和Real公司的信源编码标准在网络上也得到了广泛的使用，但是由于这些标准的私有性，在广电、IPTV等领域没有得到使用，同时在终端方面支持也不多。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种MP4格式多媒体数据内容加密方法，能应用于各种传输协议。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于帧的MP4格式多媒体数据内容加密方法，包括以下步骤：

a、对MP4文件进行分析，解析元数据容器单元；

b、在元数据容器单元中查找媒体类型为视频或音频的帧信息；

c、根据所述帧信息查找到该帧在媒体数据容器中的地址；

d、读取根据所述地址在媒体数据容器查找到帧数据；

e、加密除帧头以外的帧数据。

进一步的，所述步骤b包括以下步骤：

b1、在元数据容器单元中收寻mvhd单元；

h2、在mvhd单元中收寻trad单元；

b3、判断trad单元中hdlr是否声明为视频或音频；若否进入步骤b2；若是进入b4；

b4、读取该trad单元对应的采样块信息。

更进一步的是，所述采样块信息包括有，块数量、块对应的采样块数量、采样块的偏移地址和大小。

更进一步的是，所述步骤b，还包括查找媒体类型为RTP负载的帧信息。

对音视频帧进行加密也可以达到对MP4文件加密保护的功能，并且这种方式的使用范围更广，可以同时适用于本地播放和网络实时播放，而RTP加密的方式只能用于网络实时播放，无法满足本地播放的要求。

本发明的有益效果是：可以同时针对音频、视频、RTP包等进行处理，有效地实现对mp4文件格式的DRM保护，也可以保证流媒体服务器和播放器可以正确识别该mp4文件。适用于采用MP4格式的MPEG4、H.264、AVS以及MOV文件的处理。采用该方法的DRM系统，可以脱离流媒体的承载协议而成为一个独立的系统，实现在多媒体服务、音视频发布、监控、IPTV、网络媒体内容提供、广电网络内容保护等多种场合。

下面结合附图和具体例子对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1基于帧的DRM加密的的流程。

具体实施方式

本发明根据多媒体数据到解码器时，一定会将原始数据还原到帧的原理，提出了一种基于帧的MP4格式多媒体数据内容加密方法。

在MP4文件中，元数据是一组描述数据本身基本特征和属性的数据。元数据MP4文件的元数据容器单元(moov box)中。元数据容器单元包含有每个块(chunk)和每个采样块(sample)的偏移地址、大小等，播放器通过元数据容器单元识别出文件的类型，并进行播放操作。

在mp4文件中，帧是采样块的一种，采样块除了帧以外，还可能是流化的基本单元、其它说明信息基本单元等。多个采样块则组成一个块。

MP4文件格式使用的是国际标准IS014496-12多媒体文件格式。目前，采用MP4文件格式的多媒体除了MPEG-4编码外，还包括H.264、AVS等，苹果公司的MOV文件也与MP4文件格式基本相似。MP4文件的基本单位为单元(box)，在文件层次中主要包括6个单元，各单元的内容见下表：

对象类型	是否必须	说明
			ftyp	是	文件类型以及兼容性
moov	是	元数据容器
			moof	否	影片片段
mdat	否	媒体数据容器
			free	否	自由空间
skip	否	自由空间

在一个mp4文件中，ftyp单元和moov单元是必须的，其余单元是可选的。但是实际上，mdat单元包含的是实际的音视频数据的内容，也是mp4文件的必须部分，只是mdat单元可以以单独的文件存在，不需要必须和其它的单元放在一个文件中。

在不完整的mp4文件中，很多连ftyp单元也不存在，就只有moov和mdat单元。moov单元存放的是关于媒体信息的说明以及对mdat单元中数据的索引。通过moov单元中的内容可以对应查找到mdat单元中具体的音视频数据。moov单元的结构如下表所示：

对象类型					是否必须	说明
							mvhd					是	影片头，全面描述内容
trak					是	某个轨道或者流的容器
								tkhd				是	轨道头，全面描述轨道信息
	tref					轨道头的参考容器
								edts					编辑例表容器
		elst				编辑列表
								mdia				是	轨道中媒体信息容器
		mdhd			是	媒体头，全面描述媒体信息
									hdlr			是	声明媒体类型
		minf			是	媒体信息容器
										vmhd			视频媒体头，全面的信息描述(仅对视频轨道)
			smhd			音频媒体头，全面信息描述(仅对音频轨)
										hmhd			索引媒体头，全面描述索引信息(仅对索引轨道)
			dinf		是	数据信息盒子，容器
											dref	是	数据参考盒子，声明了轨道中媒体数据的源
			stbl		是	采样表盒子，时间空间的映射容器
											stsd	是	采样描述(编码类型、初始化等)
				stts	是	(解码)采样间隔
											ctts		(编码)采样间隔
				stsc	是	每个数据块的采样块的数量，数据偏移信息
											stsz		每个采样块的大小(帧)
				stz2		压缩的每个采样块的大小(帧)

				stco	是	每个数据块的偏移信息，部分数据的偏移信息
											stss		采样同步表(自由访问点)
				stsh		渐变采样表
											padb		采样填充位
				stdp		采样降级优先权

moov单元是由不同的轨(track)单元组成的。在一个mp4文件中，至少包括5种轨，分别是vide、soun、hint、sdsm、odsm，轨的数量至少在6个以上。其中，vide trak表明该视频轨，soun trak表示为音频轨，而hint trak则表示为RTP负载数据轨。

stbl轨中数据的位置信息和时间信息的重要对象，它在文件中的路径为moov/trak/mdia/minf/stbl，其中stts为采样块的解码时间对象，ctts为采样块的合成时间对象，stss为采样块的同步对象(DRM可以不作分析)，在其中给出可以随机访问的样本号。Stsd为采样块的描述对象，分为四种类型：视频帧、音频帧、索引和其它mpeg4流，除了索引类型外，其它的三种样本描述中都包含mpeg4的基本内码流描述符。Stsz描述采样块的大小。Stsc描述了采样块和块之间的关系，stso对象描述了块在文件中的相对位置关系。即根据轨中的说明，可以在madt单元中找到对应的采样块。如，视频轨对应的采样块为视频帧；音频轨对应的采样块为音频帧；RTP负载数据轨对应的为RTP负载包。

通过对以上的分析可以知道，我们如果按照视频轨的说明对应的采样块进行加密处理，则可以实现对视频帧的处理，按照音频轨的说明对应的采样块进行加密处理，则可以实现对音频帧的处理，按照RTP负载数据轨的说明对应的采样块进行处理，则可以对RTP负载包进行加密处理。

如图1所示，描述的是MP4基于帧的DRM加密的的流程。

1、程序在文件层次上对MP4文件进行分析。找出moov单元。

2、然后在moov单元下一层次收寻mvhd单元。

3、找出mvhd单元后，在mvhd单元里寻找trak单元。

4、对trak单元包含的所有单元进行解析，利用路径trak/mdia/hdlr/handler_type来判断该轨是否为视频轨或者音频轨。如果不是的话，在mvhd单元里继续寻找下一个trak单元继续进行以上判断过程。如果是，进入步骤5。

5、读取该轨对应的块的数量，该块的数量相关信息在路径trak/mdia/minf/stbl/stco/entry_count中得到。

6、随后读取第一个块对应的采样块的数量，该采样块的数量相关信息在路径trak/mdia/minf/stbl/stsc/samples_per_chunk中得到；以及该采样块的偏移地址、该采样块的偏移地址的相关信息在路径trak/mdia/minf/stbl/stco/chunk_offset中得到。

7、读取采样块的大小，该采样块的大小信息在路径trak/mdia/minf/stbl/stsz/sample_size中得到。

8、根据这些值读取在madt单元中的帧数据，然后将帧头以外的数据进行加密。判断当前块是否处理完成，若否进入步骤9；若是，进入步骤10。

9、计算下一个采样块的偏移地址，即上一个采样块的偏移地址加其采样块的大小，回到步骤7继续进行加密处理。

10、继续进行下一个块的处理。处理的过程与上一个块处理过程相同，直至所有块处理完毕。

以上方法除适用于mp4格式音频和视频帧的加密处理。还可以进行基于RTP负载进行数据内容的加密处理，具体只需要在步骤4种查询RTP负载数据轨即可。

本方法已经经过试验验证，它的优点是不仅适用于实时点播、组播类型的流媒体的处理，也同时适用于下载模式的多媒体的处理，与流媒体承载协议无关，支持各种下载、传输方式，通用性非常强，应用范围非常广泛。将本方案的思想进行扩展，可以使用于对各种多媒体的内容保护处理。

Claims (4)

1、一种MP4格式多媒体数据内容加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、对MP4文件进行分析，解析元数据容器单元；

b、在元数据容器单元中查找媒体类型为视频或音频的帧信息；

c、根据所述帧信息查找到该帧在媒体数据容器中的地址；

d、读取根据所述地址在媒体数据容器查找到帧数据；

e、加密除帧头以外的帧数据。

2、如权利要求1所述一种MP4格式多媒体数据内容加密方法，其特征在于，所述步骤b包括以下步骤：

b1、在元数据容器单元中收寻mvhd单元；

b2、在mvhd单元中收寻trad单元；

b3、判断trad单元中hdlr是否声明为视频或音频；若否进入步骤b2；若是进入步骤b4；

b4、读取该trad单元对应的采样块信息。

3、如权利要求2所述一种MP4格式多媒体数据内容加密方法，其特征在于，所述采样块信息包括有，块数量、采样块类型、块对应的采样块数量、采样块的偏移地址和大小。

4、如权利要求1所述一种MP4格式多媒体数据内容加密方法，其特征在于，所述步骤b，还包括查找媒体类型为RTP负载的帧信息。

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