DE69622837T2 - Markierung eines digital kodierten video und/oder audio signals - Google Patents

Markierung eines digital kodierten video und/oder audio signals

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Markieren eines digitale codierten Videosignals und/oder Audiosignals zum Klassifizieren des genannten Signals als authentisches Programm-Material. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Anordnung zum Decodieren des genannten markierten Signals und auf ein Aufzeichnungsmedium, auf dem das genannte markierte Signal aufgezeichnet worden ist.
  • Video- und Audiosignale werden immer mehr in digital codierter Form, beispielsweise als MPEG-Bitstrom, übertragen und aufgezeichnet. Es gibt immer mehr Bedürfnis, eine Markierung in dem Signal unterzubringen zum Klassifizieren des Signals als authentisches Programm-Material. Das Markieren von digitalen Signalen ist insbesondere Nützlich bei Kopierschutzapplikationen. Die Markierung, auch als Wassermarke bezeichnet, kann effektiv die Form eines einzigen Bits annehmen, das angibt, dass das Signal kopiergeschütztes Material bildet, oder die Form eines Mehrfachbit-Codes, der den Urheber des Materials bezeichnet.
  • Bei dem bekannten MPEG-Standard für Audio- und Videokompression ist für diesen Zweck ein Kopierschutzbit definiert. Ein Nachteil aber dieses bekannten Verfahrens ist, dass das Schutzbit auf einfache Weise detektiert und dann modifiziert werden kann, wodurch ein Copyright-Schutzmechanismus umgangen werden kann.
  • Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht auf einfache Art und Weise eine Wassermarke zu detektieren, die sich aber nur schwer löschen lässt.
  • Dies wird nach der vorliegenden Erfindung erzielt mit dem Verfahren, wie dies in Anspruch 1 definiert ist, und durch die Anordnung, wie diese in Anspruch 7 definiert ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein komprimiertes Audio- oder Videosignal (beispielsweise ein MPEG-Bitstrom) eine Anzahl Codierungsparameter umfasst. Der Wert vieler Codierungsparameter kann auf einfache Art und Weise ohne Decodierung des Bitstroms detektiert werden. Die Modifikation einiger Parameter führt aber im Allgemeinen zu einem Bitstrom, der nicht länger das vorgeschriebene Format erfüllt (beispielsweise dem MPEG-Syntax nicht mehr entspricht), oder führt zu Fehlern in dem Decodierungsprozess. Eine Wassermarke, die dadurch erhalten worden ist, dass ein vorbestimmter Wert einem derartigen Codierungsparameter zugeordnet wird, kann folglich auf einfache Art und Weise detektiert, nicht aber modifiziert, d. h. gelöscht werden. Modifikation der Wassermarke erfordert, dass das Signal zunächst in die Pixeldomäne decodiert wird und dass es danach in einen neuen Bitstrom neu codiert wird. Dieser Vorgang führt zu einem Verlust an Qualität, es sei denn es wird eine teure Codierungsausrüstung verwendet.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der vorbestimmte Codierungsparameter die Anzahl Scheiben in selektierten MPEG-codierten Videoframes. Selektierte Frames können alle Frames oder nur Frames eines bestimmten Typs (I, P, B) enthalten. Selektierte Frames kann ebenfalls bedeutet das erste I-Frame einer GOP.
  • Meistens variiert die Anzahl Scheiben in einem Videoframe mit dem Videoinhalt. Nach der vorliegenden Erfindung wird die Anzahl Scheiben im Voraus gesteuert. Die Wassermarke wird auf diese Weise dadurch erzeugt, dass der Codierer gezwungen wird, eine vorbestimmte Anzahl Scheiben zu erzeugen. Die Anzahl Scheiben ist nicht unbedingt fest. Die Anzahl Scheiben kann ebenfalls ein ganzes Vielfaches einer ganzen Zahl N sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl Scheiben ein ganzes Vielfaches von N und ein ganzes Vielfaches von M in abwechselnden selektierten Frames. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein "normaler" Codierer eine derartige Anzahl Scheiben erzeugen wird, ist äußerst gering, sogar, wenn das Eingangssignal stationär ist.
  • Weitere Beispiele geeigneter Codierungsparameter sind Quantisierungsmatrixeinstellungen, die PES-Paketlänge eines MPEG-Bitstroms, oder die Sequenz von Intraframe-codierten (I), prädiktiv codierten (P) und bidirektionell codierten (B) Frames in einem MPEG-Signal.
  • Fig. 1 zeigt einen Codierer nach der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 zeigt einen Decoder nach der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines CD-Spielers mit dem in Fig. 2 dargestellten Decoder.
  • Fig. 1 zeigt einen Codierer nach der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 101 bezeichnet eine Schaltungsanordnung zum Codieren einer Videosequenz bis zum Pegel von Scheiben, das Bezugszeichen 102 bezeichnet einen Scheibencodierer und das Bezugszeichen 103 bezeichnet eine Schaltungsanordnung zum Codieren von Bilddaten innerhalb einer Scheibe. Das Bezugszeichen 104 bezeichnet eine Schaltungsanordnung zum Bestimmen von Scheibenbegrenzungen. Die Schaltungsanordnungen 100-104 sind ein Teil eines herkömmlichen MPEG-Codierers und brauchen keine weitere Erläuterung. Bei dem herkömmlichen MPEG-Codierer werden die Scheibenbegrenzungen durch das Video-Quellenmaterial bestimmt und unmittelbar einem Eingang 105 des Scheibencodierers 102 zugeführt. Der von dem Codierer erzeugte Bitstrom umfasst einen Frame-Startkopf F am Anfang jedes Frames und einen Scheibenstartcode S am Anfang jeder Scheibe.
  • In dem in Fig. 1 dargestellten Codierer werden die Scheibenbegrenzungen durch eine Scheibenbegrenzungsmodifizierschaltung 106 modifiziert. Die Scheibenbegrenzungen werden nun in Reaktion auf ein Signal selektiert, das von einem Sequenzgenerator 107 erzeugt wird. Dieses Signal bestimmt die Anzahl Scheiben in jedem Frame. Bei der vorliegenden Ausführungsform erzeugt der Sequenzgenerator auf abwechselnd eine ganze Zahl n und eine ganze Zahl m, und zwar derart, dass n mod N = 0 ist und dass m mod M = 0 ist. N und M können 3 bzw. 7 sein. Auf entsprechende Weise wird die Anzahl Scheiben gezwungen in abwechselnden Frames ein ganzes Vielfaches von 3 und 7 zu sein. Dieses spezielle Muster stellt eine Wassermarke dar. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass ein herkömmlicher MPEG-Codierer einen Bitstrom mit der genannten Anzahl Scheiben je Frame erzeugt. Außerdem kann der Codierer auch die Quantisierungsskalenwerte öfter anpassen als für das bestimmte Quellenmaterial erforderlich ist. Dies macht es noch schwerer für einen Hacker, die Anzahl Scheiben zu modifizieren.
  • Fig. 2 zeigt einen Decoder nach der vorliegenden Erfindung. Ein MPEG-Bitstrom an dem Eingang 1 wird zu dem Ausgang befördert, wenn der Schalter 2 geschlossen wird. Der Schalter 2 wird von einem Blocksignal 9 gesteuert. Eine Scheibendetektorschaltung 3 detektiert das Vorhandensein eines Scheibenstartcodes S in dem MPEG-Bitstrom. Auf gleiche Weise detektiert eine Framedetektorschaltung 4 das Vorhandensein eines Framestartkopfes F. Ein Zähler 13 zählt die Anzahl Scheiben in jedem Frame. Der Zähler wird am Anfang eines neuen Frames über eine Verzögerungsschaltung 12 zurückgestellt. Eine Vergleichsschaltung stellt den Zähler 13 zurück, wenn der Ausgang einem Modulo-Wert entspricht, der von einer Steuerschaltung 11 zugeführt wird. In Bezug auf die Beschreibung des Codierers dürfte es einleuchten, dass der Modulo-Wert N und M für abwechselnde Frames ist. Folglich verhält sich der Zähler 13 abwechselnd als ein Mod N- und ein Mod M-Zähler. Eine weitere Vergleichsschaltung 5 liefert eine Eins, wenn der Eingang Null ist. Ein UND- Gatter 7 erzeugt ein Impulssignal 8, wenn der Zustand des Zählers Null ist, wenn ein neues Frame startet. Die Verzögerung 12 gewährleistet, dass die Null-Detektion durchgeführt wird, bevor der Zähler 13 durch den Framestartkopf zurückgestellt wird. Die Steuerschaltung 11 überprüft, ob, über eine Periode einer bestimmten Anzahl Frames, die Anzahl Scheiben je Frame mod N sich entsprechend den Regeln verhält, die für ein kopiemarkiertes Bild spezifisch sind.
  • Wenn der Bitstrom kopiergeschützt ist, überprüft die Steuerschaltung 11, ob ebenfalls ein Authentisierungssignal 10 vorhanden ist. Wenn das Signal kopiergeschützt ist, aber ein Authentisierungssignal fehlt, ist das MPEG-Signal eine unerlaubte Kopie. In einem derartigen Fall öffnet die Steuerschaltung 11 den Schalter 2 und das MPEG-Signal wird nicht zu dem Ausgang befördert. In dem Fall, dass ein authentischer, ursprünglicher, kopiergeschützter MPEG-Bitstrom von einem gültigen authenitischen Signal 10 begleitet wird, wird der Schalter 2 geschlossen und der Bitstrom wird decodiert. Daheim aufgezeichnetes Material, das nicht kopiergeschützt ist, wird als solches detektiert und der Schalter wird geschlossen.
  • Die Folgen der Entfernung eines Scheibenkopfes sind, dass die q- Skalenparameter angepasst werden müssen und dass die Macro-Block-Adressen eingeschlossen sein sollen. Solche Änderungen in dem MPEG-Strom werden auf die lange Dauer zu einem unrichtige Pufferinhalt führen. Zur Gewährleistung eines einwandfreien Betriebs sind weitere Modifikationen erforderlich.
  • Fig. 3 zeigt schematisch die Wahrscheinlichkeit P, dass eine CD eine illegale Kopie ist, die den beobachteten Bitstrom ergibt. Das Wiedergeben der CD startet bei t = ta, der erste PES-Kopf trifft zu dem Zeitpunkt t = t&sub0; ein. Wenn ein Hacker oder ein Pirat das herkömmliche Kopierbit nicht entfernt oder nicht modifiziert, wird sofort eine falsche CD erkannt, wenn das Basisgerät den nächsten PES-Kopf (Kurve a) empfängt. Wenn das Bit modifiziert wird aber die Gitterfunktion wird nicht entfernt, wird die Fälschung mit Sicherheit etwas später entdeckt (Kurve b). Wenn ein gewandter Hacker die Gitterprüfung entfernt, nicht aber die Wassermarke, kann zu dem Zeitpunkt t = tb entschieden werden, dass die Kopie mit Sicherheit falsch ist (Kurve c). Wenn es dem Hacker ebenfalls gelingt, einen Teil der Wassermarke zu fälschen (zu dem Zeitpunkt t = tc) oder wenn der Lieferant des Inhaltes nicht einwandfreie Wassermarken eingebaut hat (beispielsweise wenn Audio-Bytes F oder S Sequenzen simulieren), wird die illegale Kopie später erkannt. Typischerweise wird e sehr klein gewählt um zu vermeiden, dass Heim-Videos ungewollt eine Kopierschutz-Wassermarke simulieren (falscher Alarm). Die Entdeckungszeit td-t&sub0; soll klein genug entworfen werden, ohne dass dadurch die Wahrscheinlichkeit geschadet wird, dass eine MPEG-Sequenz, die von einem beliebigen Codierer erzeugt wird, und ein beliebig gewählter Inhalt die Wassermarke simuliert.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Wassermarke aus spezifischen Werten, die in der Quantisierungsmatrix gewählt werden. Die Quantisierungsmatrix kann auf einfache Art und Weise durch Überprüfung auf einen MPEG-Sequenzkopf bewertet werden. Die ggf vorhandene Matrix wird gefunden, nachdem 62 Bits übersprungen worden sind. Ein spezifisches Hit hinter dem Kopfbyte gibt an, ob die Matrix eventuell vorhanden ist. Wenn nicht, dann werden Vorgabewerte benutzt.
  • Wassermarken können ebenfalls in Audiosignalen eingebettet werden. Für jedes Audio-Frame (24 ms) werden 4 Quantisierungsbits für jedes Teilband spezifiziert (maximal 32 Teilbänder).
  • Eine Applikation von Kopierschutz von Speichermedien, beispielsweise Multi-Media-CDs, wird nun beschrieben. Das vorgeschlagene Kopierschutzschema benutzt eine Kombination einer Mediumsmarkierung (Wobble-Schlüssel), die angibt, ob die CD aufzeichenbar ist oder eine professionell gemasterte MM-Festwert-CD ist, und einer Inhaltsmarkierung, die angibt, ob der Inhalt kopiergeschützt ist. Die Inhaltsmarkierung ist ein Satz von Markierungen, mit einem Kopierbit, einer Gitterfunktion über andere Daten plus das Kopierbit, und mit einer Wassermarke, wie oben beschrieben. Wenn die Gitterfunktion vorhanden ist, (wobei es möglich ist, dass dies bei Heim-Videos nicht der Fall ist) prüft der CD-Spieler/Recorder, ob die Gitterfunktion dem Inhalt entspricht, wobei das Kopierbit auf "geschützt" steht. Die Gitterfunktion und die Wassermarke sind vorgesehen um das Löschen des Kopierbits technisch schwieriger zu machen. Die Gitterfunktion kann von dem Bitstrom fortgelassen werden, aber dies erfordert wenigstens eine Neumultiplxierung und Neudefinition der PES-Längen. Das Löschen der Wassermarke erfordert wenigstens eine teilweise Transcodierung des MPEG-Audio- oder MPEG-Video-Inhaltes.
  • In Fig. 4 sucht die Wassermarkendetektionsschaltung 41 nach einer Wassermarke, eingebettet in dem Bitstrom, der von CD 42 ausgelesen wird. Eine Wobbelschlüsseldetektionsschaltung 43 überprüft das Vorhandensein eines Wobbelschlüssels. Die Schaltungsanordnung 43 kann in der Steuerschleife der CD-Steuer schaltung vorgesehen sein, oder das Reflexionsvermögen der CD messen. Eine Überprüfungsschaltung 44 führt eine einfache Boolesche Verknüpfung durch, die in der nachfolgenden Tafel gegeben ist. Wenn entweder eine Wassermarke mit einwandfreien Wobbelrillenschlüsseln vorhanden ist, oder wenn keine Wassermarke vorhanden ist, dann wird der MPEG-Bitstrom einem Demultiplexer 46 und einem MPEG- Decoder 47 zugeführt, indem der Schalter 45 geschlossen wird. Wenn es die Wassermarke gibt, aber keinen entsprechenden Wobbel, sperrt der CD-Spieler den Inhalt, indem der Schalter 45 geöffnet wird.
  • Zusammenfassend: es wird ein elektronisches Wassermarkenschema vorgeschlagen, das die Sicherheit eines Kopierschutzmechanismus wesentlich steigern kann. Die Wassermarkierungsmethoden funktionieren auf einem hohen Pegel in der Hierarchie des (MPEG) Quellensignals. Dies gewährleistet, dass die Wassermarke sich auf einfache Art und Weise detektieren lässt, sich aber schwer löschen lässt ohne einen wesentlichen Transcodierungsaufwand. Eine derartige Transcodierung wird als eine schwere und aufwendige Aufgabe gesehen, die weiterhin zu einem Verlust an Qualität oder zu einem Anstieg der Bitrate führt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Wassermarkierung eines digital codierten Videosignals und/oder Audiosignals zum Klassifizieren des genannten Signals als authentisches Programm-Material, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:
- das Zuordnen (107) eines vorbestimmten Wertes zu einem selektierten codierten Parameter eines digitalen Codierungsprozesses (102, 103) zum Codieren des Signals entsprechend einem vorgeschriebenen Signalformat, wobei der Codierungsprozess eine Anzahl Codierungsparameter aufweist, wobei der selektierte Codierungsparameter ein Parameter ist, was, wenn ein Wert zugeordnet ist, der von dem genannten vorbestimmten Wert abweicht, erfordern würde, dass eine Anzahl weiterer Codierungsparameter anders sind, damit das genannte vorgeschriebene Signalformat erfüllt wird; und
- das Codieren (102, 103) des Signals entsprechend dem genannten digitalen Codierungsprozess mit dem vorbestimmten Wert zum Darstellen einer detektierbaren Wassermarke in dem codierten Signal, das nach Modifikation des Wertes des selektierten Codierungsparameters nicht einwandfrei decodiert werden kann, es sei denn, dass das Signal zunächst decodiert wird mit dem vorbestimmten Wert des selektierten Codierungsparameters und danach neu codiert wird mit anderen Werten der genannten selektierten und weiteren Codierungsparameter.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das digitale codierte Signal ein MPEG-Signal ist und wobei der vorbestimmte Codierungsparameter die Anzahl Scheiben in selektierten codierten Video-Frames ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei aufeinander folgende selektierte Frames abwechselnd eine Modulo-N-Zahl und eine Modulo-M-Zahl Scheiben enthält, wobei N und M ganze Zahlen sind.
4. Verfahren zum Detektieren einer Wassermarke in einem digital codienen Videosignal und/oder Audiosignal, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:
- das Decodieren (3, 4, 6, 13) des codierten Signals entsprechend einem vorgeschriebenen Signalformat zum Decodieren des Wertes eines selektierten Codierungsparameters, was, wenn der Parameter einen Wert hätte, der von dem genannten detektierten Wert abweicht, erfordern würde, dass eine Anzahl weiterer Codierungsparameter anders sind zum Erfüllen des genannten vorgeschriebenen Formats; und
- das Detektieren (11) der Wassermarke, wenn der genannte selektierte Codierungsparameter einen vorbestimmten Wert hat.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das digital codierte Signal ein MPEG-Signal ist und wobei der genannte Detektionsschritt den Schritt umfasst, in dem detektiert wird, ob die Anzahl Scheiben in den selektierten codierten Video- Frames eine vorbestimmte Anzahl ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der genannte Detektionsschritt den Schritt umfasst, in dem detektiert wird, ob aufeinander folgende selektierte Frames abwechselnd eine Modulo-N- und eine Modulo-M-Zahl Scheiben enthalten, wobei N und M ganze Zahlen sind.
7. Anordnung zur Wassermarkierung eines digital codierten Videosignals und/oder Audiosignals zum Klassifizieren des genannten Signals als authentisches Programm-Material, wobei diese Anordnung die nachfolgenden Elemente umfasst:
- Mittel zum Zuordnen (107) eines vorbestimmten Wertes zu einem selektierten Codierungsparameter eines digitalen Codierungsprozesses (102, 103) zum Codieren des Signals entsprechend einem vorgeschriebenen Signalformat, wobei der Codierungsprozess eine Anzahl Codierungsparameter aufweist, wobei der selektierte Codierungsparameter ein Parameter ist, der, wenn ein Wert zugeordnet ist, der von dem genannten vorbestimmten Wert abweicht, erfordern würde, dass eine Anzahl weiterer Codierungsparameter anders ist, damit das genannte vorgeschriebene Signalformat erfüllt wird; und
- Mittel zum Codieren (102, 103) des Signals entsprechend dem genannten digitalen Codierungsprozess mit dem vorbestimmten Wert zum Darstellen einer detektierbaren Wassermarke in dem codierten Signal, das nach Modifikation des Wertes des selektierten Codierungsparameters nicht einwandfrei decodiert werden kann, es sei denn, dass das Signal zunächst decodiert wird mit dem vorbestimmten Wert des selektierten Codierungsparameter und danach neu codiert wird mit anderen Werten der genannten selektierten und weiteren Codierungsparameter.
8. Anordnung zum Detektieren einer Wassermarke in einem digital codierten Videosignal und/oder Audiosignal, wobei diese Anordnung die nachfolgenden Elemente umfasst:
- Mittel zum Decodieren (3, 4, 6, 13) des codierten Signals entsprechend einem vorgeschriebenen Signalformat zum Decodieren des Wertes eines selektierten Codierungsparameters, was, wenn der Parameter einen Wert hätte, der anders ist als der genannte detektierte Wert, erfordern würde, dass eine Anzahl weiterer Codierungsparameter anders ist, damit das genannte vorgeschriebene Signalformat erfüllt wird; und
- Mittel zum Detektieren (11) der Wassermarke, wenn der genannte selektierte Codierungsparameter einen vorbestimmten Wert hat.
9. Aufzeichnungsmedium, auf dem ein digital codiertes Videosignal und/oder Audiosignal gespeichert ist, das entsprechend einem vorgeschriebenen Signalformat codiert ist, mit einer Anzahl Codierungsparameter, dadurch gekennzeichnet, dass ein selektierter Parameter, der in dem Signal eingeschlossen ist, eine vorbestimmten Wert hat, wobei der selektierte Codierungsparameter ein Parameter ist, der, wenn ein Wert zugeordnet ist, der von dem genannten vorbestimmten Wert abweicht, erfordern würde, dass eine Anzahl weiterer Codierungsparameter in den genannten Signalen anders ist, damit das genannte vorgeschriebene Signalformat erfüllt wird;
wobei der vorbestimmte Wert des selektierten Codierungsparameter eine detektierbare Wassermarke darstellt, die nach Modifikation des Wertes des selektierten Codierungsparameters nicht einwandfrei decodiert werden kann, es sei denn, dass das Signal zunächst decodiert wird mit dem vorbestimmten Wert des selektierten Codierungsparameters und danach mit anderen Werten der genannten selektierten und weiteren Codierungsparameter neu codiert wird.
10. Medium nach Ansprüch 9, wobei das digitale codierte Signal ein MPEG-Signal ist und wobei der vorbestimmte Codierungsparameter die Anzahl Scheiben in selektierten codierten Video-Frames ist.
11. Medium nach Anspruch 10, wobei aufeinander folgende selektierte Frames abwechselnd eine Modulo-N- und eine Modulo-M-Zahl Scheiben enthalten, wobei N und M ganze Zahlen sind.
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