專利名稱：支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬多媒體內(nèi)容保護技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種能夠?qū)崿F(xiàn)將多媒體數(shù)據(jù)進行安全 地分級廣播的方法。
二
背景技術(shù)：
多媒體數(shù)據(jù)廣播能夠一次將多媒體數(shù)據(jù)以廣播的方式傳播給多個用戶。即發(fā)送者 僅發(fā)送一個數(shù)據(jù)流，多個用戶都可以接收到這個數(shù)據(jù)流。
為了保護多媒體數(shù)據(jù)，通常在廣播之前，先加密多媒體數(shù)據(jù)；然后，獲得授權(quán)的用 戶可以在接收端解密多媒體數(shù)據(jù)。這樣，在傳輸過程中，多媒體數(shù)據(jù)是被加密了的， 這可以保持對未授權(quán)用戶的安全性。多媒體加密算法可以是傳統(tǒng)的流密碼、塊密碼或 適合多媒體的部分加密方法(文獻1: J.A. Buchmann. Introduction to Cryptography. New York: Springer-Verlag, 2001.文獻2: W. Zeng， S. Lei, "Efficient frequency domain selective scrambling of digital video," Mw/〃>wWa， Vol. 5， No. 1, pp. 118-129， 2003.文
獻3: C. H. Ho，H. Hsu. Image protection system and method. US Patent: US2005114669.文獻4:小波圖像的快速加密方法及快速加密器.吳蒙，楊寧健，王梅。 專利號03158331.)。其中，部分加密方法僅僅加密多媒體數(shù)據(jù)的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，從而降 低了計算復(fù)雜度，提高了效率。
注意到，目前的多媒體安全廣播方法，將加密后的多媒體數(shù)據(jù)流廣播給用戶，不 同的用戶解密后獲得的是相同的多媒體數(shù)據(jù)內(nèi)容(為了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中安全的方法和 設(shè)備。P'霍克斯，G'G'羅斯等。專利申請?zhí)朇N02810587.7。)。
在一些應(yīng)用中，不同的用戶可能具有不同的權(quán)限和需求，例如，某些用戶(付較 高費用)可以觀看到高清晰的數(shù)據(jù)，某些用戶(付少量費用)只需要看到普通清晰度 的數(shù)據(jù)，另一些用戶(未付費)不能看到可理解的多媒體內(nèi)容等。在只能傳輸一個數(shù) 據(jù)流的前提下，采用現(xiàn)有的方法不能實現(xiàn)這種用戶分級的廣播功能。
三

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)將多媒體數(shù)據(jù)安全地廣播給分級用戶的方法。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為 一種支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法， 其步驟如下
l.l密鑰產(chǎn)生主密鑰K通過密鑰產(chǎn)生器產(chǎn)生子密鑰序列KS，包含N個子密鑰
K0， Id， ...， KN-,， N為大于等于l的整數(shù)，SPKS=K0， K,， ...， KN.1;
1.2用戶注冊用戶在用戶管理中心注冊，根據(jù)其支付的費用，獲得相應(yīng)的用戶觀
看等級Q， Q為整數(shù)且滿足05Q^N;該觀看等級與所能觀看的多媒體數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)， 即用戶支付的費用越高，觀看等級越高，所能觀看的多媒體數(shù)據(jù)的質(zhì)量越高；注冊后 的用戶獲得用戶名一口令對(U， P)，其中U是用戶名，P是口令；
1.3密鑰分發(fā)用戶通過(U， P)登錄用戶管理中心，申請服務(wù)；該用戶管理中心
將用戶信息(U， P， Q)傳送給密鑰選擇單元，該密鑰選擇單元從密鑰序列KS中選擇前 面Q個子密鑰Ko， K,， ...， Kq.,，并將其安全地發(fā)送給用戶；
1.4多媒體數(shù)據(jù)加密和廣播先由KS加密多媒體數(shù)據(jù)，然后將其以廣播的方式發(fā) 送給用戶；
1.5多媒體數(shù)據(jù)解密用戶(U， P)根據(jù)如1.3所述的子密鑰Ko， K,， ...， KQ., 解密接收到的多媒體數(shù)據(jù)，這里解密是步驟1.4中所采用加密算法對應(yīng)的解密算法。
本發(fā)明支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法中，多媒體數(shù)據(jù)加密的步驟如下
2.1對多媒體數(shù)據(jù)進行可感知性分割，具體根據(jù)多媒體數(shù)據(jù)內(nèi)容的可感知性的重要 程度，從多媒體數(shù)據(jù)中選取除了數(shù)據(jù)格式等同步信息之外的N種參數(shù)，即Xo,...，Xw， N^l;這些參數(shù)對數(shù)據(jù)可感知性的影響不同，按照影響程度逐漸降低的順序排列；
2.2加密多媒體數(shù)據(jù)，對于經(jīng)過步驟2.1選取的N個參數(shù)，采用步驟l.l中生成的 N個子密鑰分別加密，即Ko控制加密單元O對X()加密，Id控制加密單元l對X,加密，...， K^控制加密單元N-1對Xj^加密，加密后的數(shù)據(jù)參數(shù)為Xo'， X。 ...， XN.r;
2.3將加密后的參數(shù)xo'， xr， ...， XN.r和其他必要信息整合，就得到加密后的
多媒體數(shù)據(jù)。
本發(fā)明支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法中，多媒體數(shù)據(jù)解密的步驟如下 4.1對多媒體數(shù)據(jù)進行可感知性分割；
4.2用戶解密多媒體數(shù)據(jù)，用戶根據(jù)其收到的子密鑰Ko， Kp…，K^解密Q個 子密鑰解密Q個參數(shù)Xo'， Xr， ...， XQ.r，即用Ko解密Xo'，用Ki解密Xr，...，用
Kq.!解密XnV，解密后的多媒體數(shù)據(jù)參數(shù)為Xo,Xi，...，XQ小XQ',...,XM.r;
4.3將解密后的參數(shù)X。. ，X,， ...， Xq.,，未解密的參數(shù)Xq'， ...， XN.r和其他必要 信息整合，就得到了在等級參數(shù)Q控制下解密的多媒體數(shù)據(jù)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是廣播信號提供商只需要向其所有用戶廣 播同一路信號，而實現(xiàn)用戶只能根據(jù)其自身的觀看等級解密觀看與對應(yīng)的多媒體信 號?；诖朔椒ù罱ǖ臄?shù)字多媒體廣播系統(tǒng)在處理用戶的分等級安全方便具有實現(xiàn)簡 單和經(jīng)濟實用的優(yōu)勢。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。
四


圖1是本發(fā)明支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法的加密結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是本發(fā)明支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法的解密結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是本發(fā)明支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法的視頻數(shù)據(jù)安全加密結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是本發(fā)明支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法的視頻加密和解密效果圖。 五
具體實施例方式
結(jié)合圖1至圖3， 1、本發(fā)明支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法，其步驟如下
l.l密鑰產(chǎn)生主密鑰K通過密鑰產(chǎn)生器產(chǎn)生子密鑰序列KS，包含N個子密鑰 Ko， K,， ...， Kn.。 N為大于等于l的整數(shù)，艮卩KS二Ko， K,，…，KN.1;
1.2用戶注冊用戶在用戶管理中心注冊，根據(jù)其支付的費用，獲得相應(yīng)的用戶觀 看等級Q， Q為整數(shù)且滿足0SQ^N;該觀看等級與所能觀看的多媒體數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)，
即用戶支付的費用越高，觀看等級越高，所能觀看的多媒體數(shù)據(jù)的質(zhì)量越高；注冊后 的用戶獲得用戶名一口令對(U， P)，其中U是用戶名，P是口令；
L3密鑰分發(fā)用戶通過(U， P)登錄用戶管理中心，申請服務(wù)；該用戶管理中心 將用戶信息(U， P， Q)傳送給密鑰選擇單元，該密鑰選擇單元從密鑰序列KS中選擇前 面Q個子密鑰Ko， K,，…，Kq.,，并將其安全地發(fā)送給用戶；
1.4多媒體數(shù)據(jù)加密和廣播先由KS加密多媒體數(shù)據(jù)，然后將其以廣播的方式發(fā) 送給用戶；
1.5多媒體數(shù)據(jù)解密用戶(U， P)根據(jù)如步驟1.3所述的子密鑰Ko， K,,...， Kq-,解密接收到的多媒體數(shù)據(jù)。這里解密是步驟1.4中所采用加密算法對應(yīng)的解密算 法。
2、本發(fā)明的多媒體數(shù)據(jù)加密的步驟如下
2.1對多媒體數(shù)據(jù)進行可感知性分割。具體根據(jù)多媒體數(shù)據(jù)內(nèi)容的可感知性的重要 程度，從多媒體數(shù)據(jù)中選取除了數(shù)據(jù)格式等同歩信息之外的N種參數(shù)，即Xo，...，Xm.,，
N^l;這些參數(shù)對數(shù)據(jù)可感知性的影響不同，按照影響程度逐漸降低的順序排列；例如， 第1種參數(shù)對多媒體數(shù)據(jù)質(zhì)量影響最大，它的改變會影響內(nèi)容的可理解性；其次是第2 種參數(shù)；…；第N種參數(shù)的影響最小，它僅僅改變多媒體數(shù)據(jù)的質(zhì)量，帶來一定的噪 聲。這些參數(shù)的選擇可以在空間域，時間域，頻率域或壓縮域。其中，在空間域，多 媒體數(shù)據(jù)可以分割成數(shù)據(jù)塊(例如，圖像的一個區(qū)域)，每個數(shù)據(jù)塊表示一種參數(shù)，圖 像中的目標(biāo)部分重要性高，背景部分重要性低；在時間域，多媒體數(shù)據(jù)可以分割成數(shù) 據(jù)段(例如，音樂的一個時間段)，每個數(shù)據(jù)段表示一種參數(shù)，不同時間段的聲音可以 有不同的重要性；在頻率域，多媒體數(shù)據(jù)可以分割成不同的頻段(例如，小波變換)， 每個頻段的數(shù)據(jù)表示一種參數(shù)，低頻數(shù)據(jù)對多媒體內(nèi)容影響高于中高頻段的數(shù)據(jù)；在 壓縮域，多媒體數(shù)據(jù)可以根據(jù)不同的編碼參數(shù)來分割，以視頻為例，它可以分割成運 動信息，變換域的低頻系數(shù)，變換域的中頻系數(shù)和變換域的高頻系數(shù)等部分，它們對 視頻內(nèi)容的影響程度由高到低變化。
2.2加密多媒體數(shù)據(jù)，對于經(jīng)過步驟2.1選取的N個參數(shù)，采用步驟U中生成的
N個子密鑰分別加密，即Ko控制加密單元O對X()加密，K,控制加密單元l對X,加密，...， Kn.,控制加密単元N-1対Xn.,加密，加密后的數(shù)據(jù)參數(shù)為Xo'， X。 ...， XN.r;
2.3將加密后的參數(shù)xq', xr， ...， xn.r和其他必要信息整合，就得到加密后的
多媒體數(shù)據(jù)。對每個參數(shù)采用的加密算法可以相同的，也可不同。
3、 上述步驟2.2中的加密可以是流密碼或者塊密碼，如流密碼中的數(shù)據(jù)位的異， 或者塊密碼中的DES或者AES。
4、 根本發(fā)明的多媒體數(shù)據(jù)解密的步驟如下
4.1對多媒體數(shù)據(jù)進行可感知性分割。這里采用的分割方法同步驟2.1中的分割方 法一致。
4.2用戶解密多媒體數(shù)據(jù)。用戶根據(jù)其收到的子密鑰Ko， Kp ...， Kq.,解密Q個 子密鑰解密Q個參數(shù)Xo', X。 ...， XQ.r，即用Ko解密Xo'，用K,解密Xr，...，用
KQ.,解密xn.r，解密后的多媒體數(shù)據(jù)參數(shù)為Xo,X,，...,XQ.,，X(j',...，XM-r;解密算法要與
步驟2.2中使用的加密算法相對應(yīng)。
4.3將解密后的參數(shù)Xo. ，X,， ...， Xq.,，未解密的參數(shù)Xq'，…，X^r和其他必要 信息整合，就得到了在等級參數(shù)Q控制下解密的多媒體數(shù)據(jù)。
結(jié)合圖4，下面以通過AVC (高級視頻編碼標(biāo)準(zhǔn))壓縮過的視頻為例，給出視頻 加密方法，具體步驟如下
'1 )以主密鑰K為隨機種子，由偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生三個偽隨機數(shù)作為子密鑰Ko,K, 和K2。
2) 對壓縮過的AVC視頻數(shù)據(jù)進行可感知性分割，選擇編碼后的視頻數(shù)據(jù)的三種 參數(shù)運動向量差值，幀內(nèi)預(yù)測編碼模式，和DCT中頻系數(shù)。數(shù)據(jù)格式信息，包括文 件頭和幀起始標(biāo)志等，都保持不變，以利于數(shù)據(jù)傳輸和解碼時的同步?？紤]到它們對 視頻內(nèi)容的影響程度，將運動向量差值作為最重要的參數(shù)Xo，其次是幀內(nèi)預(yù)測編碼模 式Xp最后是DCT中頻系數(shù)X2。
3) 數(shù)據(jù)參數(shù)加密對Xo采用符號加密方法，g卩，使用AES密碼，在密鑰Ko的 控制下加密運動向量差值的符號；對X,采用置亂方法加密，即，在密鑰K,的控制下
置亂幀內(nèi)預(yù)測編碼模式；對X2采用符號加密方法，即使用AES密碼，在密鑰K2的控 制下加密DCT中頻系數(shù)的符號。
4)將加密后的參數(shù)Xo',Xr,X2'和格式信息整合，得到加密后的視頻數(shù)據(jù)。
在接收端，解密過程如下
1) 接收密鑰序列密鑰序列的長度與用戶等級Q相關(guān)。例如，用戶等級(^=1時，
用戶接收到的密鑰序列僅僅有一個子密鑰Ke;用戶等級Q-2時，用戶接收到的密鑰序 列由子密鑰Ko和K,組成；用戶等級Q-3時，用戶接收到的密鑰序列由子密鑰Ko， &
和K2組成。
2) 對多媒體數(shù)據(jù)進行可感知性分割。加密后的參數(shù)可以采用與圖4中相同的分割 方法獲得。即，從加密后的多媒體數(shù)據(jù)中分割出參數(shù)Xo'，Xr,...，XN.r。
3) 解密多媒體參數(shù)用接收到的Q個子密鑰解密Q個參數(shù)。即，用Ko控制解密 單元0來解密XQ'，用&控制解密單元1來解密X。用K2控制解密單元2來解密X2'。 所解密的數(shù)據(jù)參數(shù)個數(shù)由Q來控制。解密算法與圖4中的加密算法相對應(yīng)。
4) 將解密后的參數(shù)與未解密的參數(shù)和格式信息整合，就得到了在等級參數(shù)Q控制 下解密的多媒體數(shù)據(jù)。
解密的結(jié)果由Q來控制。Q值越大，解密的模塊越多，解密的重要數(shù)據(jù)越多，解 密后的視頻數(shù)據(jù)的質(zhì)量越高。圖5給出了不同Q值下的解密結(jié)果。0=0時，不解密任 何參數(shù)，結(jié)果如圖5(a)所示，完全不可理解；Q^l時，僅解密運動向量差值信息，結(jié) 果如圖5(b)所示，運動軌跡清晰可見；Q-2時，解密運動向量差值信息和幀內(nèi)預(yù)測編 碼模式，結(jié)果如圖5(c)所示，內(nèi)容可以理解但是質(zhì)量上比較模糊；Q二3時，解密所有 參數(shù)，結(jié)果如圖5(d)所示，即為原始視頻。
權(quán)利要求
1. 一種支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法，其步驟如下1.1密鑰產(chǎn)生主密鑰K通過密鑰產(chǎn)生器產(chǎn)生子密鑰序列KS，包含N個子密鑰K0，K1，...，KN-1，N為大于等于1的整數(shù)，即KS＝K0，K1，...，KN-1；1.2用戶注冊用戶在用戶管理中心注冊，根據(jù)其支付的費用，獲得相應(yīng)的用戶觀看等級Q，Q為整數(shù)且滿足0≤Q≤N；該觀看等級與所能觀看的多媒體數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)，即用戶支付的費用越高，觀看等級越高，所能觀看的多媒體數(shù)據(jù)的質(zhì)量越高；注冊后的用戶獲得用戶名-口令對(U，P)，其中U是用戶名，P是口令；1.3密鑰分發(fā)用戶通過(U，P)登錄用戶管理中心，申請服務(wù)；該用戶管理中心將用戶信息(U，P，Q)傳送給密鑰選擇單 元，該密鑰選擇單元從密鑰序列KS中選擇前面Q個子密鑰K0，K1，...，KQ-1，并將其安全地發(fā)送給用戶；1.4多媒體數(shù)據(jù)加密和廣播先由KS加密多媒體數(shù)據(jù)，然后將其以廣播的方式發(fā)送給用戶；1.5多媒體數(shù)據(jù)解密用戶(U，P)根據(jù)如1.3所述的子密鑰K0，K1，...，KQ-1解密接收到的多媒體數(shù)據(jù)，這里解密是步驟1.4中所采用加密算法對應(yīng)的解密算法。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法，其特征在于多媒體數(shù)據(jù)加密的步驟如下2.1對多媒體數(shù)據(jù)進行可感知性分割，具體根據(jù)多媒體數(shù)據(jù)內(nèi)容的可感知性的重要 程度，從多媒體數(shù)據(jù)中選取除了數(shù)據(jù)格式等同步信息之外的N種參數(shù)，即Xo,...，Xw，N^l;這些參數(shù)對數(shù)據(jù)可感知性的影響不同，按照影響程度逐漸降低的順序排列；2.2加密多媒體數(shù)據(jù)，對于經(jīng)過步驟2.1選取的N個參數(shù)，采用歩驟l.l中生成的 N個子密鑰分別加密，即Ko控制加密單元O對Xo加密，K,控制加密單元l對X,加密，...，Kn－1,控制加密単元n-1対Xn－1,加密，加密后的數(shù)據(jù)參數(shù)為X0'， x1’， ...， xN－1’; 2.3將加密后的參數(shù)xo'， x1’， ...， xN-1'和其他必要信息整合，就得到加密后的多媒體數(shù)據(jù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法，其特征在于步 驟2.2中多媒體數(shù)據(jù)加密對每個參數(shù)采用的加密算法相同或者不同，該加密為流密碼或 者塊密碼。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法，其特征在于多媒 體數(shù)據(jù)解密的步驟如下4.1對多媒體數(shù)據(jù)進行可感知性分割；4.2用戶解密多媒體數(shù)據(jù)，用戶根據(jù)其收到的子密鑰Ko， K,， ...， Kq.,解密Q個子密鑰解密Q個參數(shù)x。'， x1， ...， xQ-r，即用Ko解密Xo'，用id解密xr，…，用Kq.,解密XNV ，解密后的多媒體數(shù)據(jù)參數(shù)為Xo,X1，.. .,Xo-1.,，XQ，,...,XN- ';4.3將解密后的參數(shù)Xo, ，Xi， ...， XQ-,，未解密的參數(shù)Xq',…，XN-r和其他必要 信息整合，就得到了在等級參數(shù)Q控制下解密的多媒體數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種支持用戶分級的多媒體數(shù)據(jù)廣播方法。該方法依次進行密鑰產(chǎn)生、密鑰分發(fā)、用戶注冊、多媒體數(shù)據(jù)加密和廣播、多媒體數(shù)據(jù)解密以實現(xiàn)數(shù)字多媒體廣播數(shù)據(jù)在處理用戶的分等級安全管理。本發(fā)明的廣播信號提供商只需要向其所有用戶廣播同一路信號，而實現(xiàn)用戶只能根據(jù)其自身的觀看等級解密觀看與對應(yīng)的多媒體信號?；诖朔椒ù罱ǖ臄?shù)字多媒體廣播系統(tǒng)在處理用戶的分等級安全方便具有實現(xiàn)簡單和經(jīng)濟實用的優(yōu)勢。
文檔編號H04N7/16GK101207787SQ200610161338
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者劉光杰, 孫金生, 廉士國, 戴躍偉, 王執(zhí)銓, 茅耀斌 申請人:南京理工大學(xué)