专利名称：实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法
技术领域：
本发明属多媒体内容保护技术领域，特别是一种能够实现加密和水印互操作的多 媒体数据内容和版权保护方法。
二
背景技术：
加密和水印技术被广泛应用于多媒体数据(图像、声音和视频等)内容保护。其 中，多媒体加密用于保护多媒体数据内容的机密性。g卩，采用加密算法将多媒体数据 编码成混乱不可理解的形式，只有拥有正确密钥的用户才能解密并获得原始数据。考 虑到多媒体数据的数据量大的特点，通常仅仅加密多媒体数据的一部分数据(C. H. Ho， W. H. Hsu. Image protection system and method. US Patent: US2005114669; —种视频信息 的加解密方法。徐正全，李伟等。专利申请号CN200410061009.X。)，如数据格式信息、 图像中的感兴趣区域、视频中的运动信息等。
多媒体水印技术通过在多媒体数据中嵌入一些版权信息来保护多媒体数据的版 权。如果嵌入了版权标识的视频被传播，通过提取此标识，可以追溯其来源。为了抵 抗一定的去除攻击，如压縮、滤波、放縮等，通常将水印嵌在比较鲁棒的地方，如数 据频率域的中低频段。
由于加密和水印实现多媒体数据保护的不同方面的功能，在实际应用中，有必要 将此二者结合，同时实现机密性和版权保护功能。目前，已有一些将加密和水印结合 应用的方法。例如，利用水印来传递加解密的密钥，接收端先提取密钥，然后进行解 密操作(X. Xu, S. Dexter, A.M. Eskicioglu, "A hybrid scheme for encryption and watermarking," Security, Steganography， and >Vatermarking of Multimedia Contents 2004: 725-736);利用水印来隐藏一部分图像，即将一幅图像分割成多个部分，每个部分隐 藏于不同的载体图像中，通过多个载体图像来传送一幅图像(M.Fu，Q.C.Au， "Joint visual cryptography and watermarking," 2004 IEEE International Conference on Multimedia and Expro(ICME 2004)， 2004, 975-978.);先将水印嵌入多媒体数据中，然后加密嵌了
水印的多媒体数据(D. Simitopoulos, N. Zissis, P. Georgiadis， V, Emmanouilidis and M. G.Strintzis "Encryption and Watermarking for the Secure Distribution of Copyrighted MPEG Video on DVD", ACM Multimedia Systems Journal, Special Issue on Multimedia Security, Volume 9， Number 3, pp 217-227, September 2003.)。
在这些加密和水印结合的方法中，存在一个潜在的问题加密后的数据不能够直 接提取水印，加密后的数据不能够重复嵌入水印；必须先解密再提取或重新嵌入水印， 然后再加密。如果能够对加密后的多媒体数据直接嵌入或提取水印，这将大大降低重 复操作的代价。但是，目前还没有解决方法。
三
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现加密和水印可交互操作的多媒体数据内容和 版权保护方法，使得加密后的多媒体数据可以直接进行水印的提取或者水印的再嵌入， 有效解决现有技术中的存在的不足。
实现本发明目的的技术解决方案 一种实现加密和水印互操作的多媒体数据内容 和版权保护方法，包括以下步骤
第一步，多媒体数据的加密和水印的嵌入，即为实现加密和水印的互操作，将多 媒体数据通过数据选择以产生重要数据和鲁棒数据，然后对重要数据进行加密并对在 鲁棒数据中嵌入水印信息，加密和水印后的数据经过数据后处理产生处理后的多媒体 数据；
第二步，多媒体数据的解密和水印的提取，即首先将多媒体数据通过数据后恢复， 并对恢复的数据进行上一步的数据选择，通过选择出的鲁棒数据进行水印信息的提取， 通过将重要数据解密并和鲁棒数据以及其他数据组合并经过数据预恢复产生最终的多 媒体信号。
本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，可实现对加 密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入，水印提取和水印重复嵌入是通过将数 据后恢复操作后的多媒体信息经过数据选择得到鲁棒数据后，在鲁棒数据上直接进行 水印的提取和再嵌入。
本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，对加密后的多 媒体数据的水印提取和水印重复嵌入的步骤如下
第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密 钥Ko和水印子密钥Kj;
第二步，多媒体数据被数据后恢复操作处理，此处的数据后恢复操作是数据后处理 操作的逆过程；
第三步，数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生鲁棒数据Y'， 此过程与鲁棒数据选择过程相同；
第四步，水印提取操作，在水印密钥K,的控制下从鲁棒数据Y'中提取出水印Wi， 其中水印提取操作是水印嵌入操作的逆过程；
第五步，水印重复嵌入过程:在水印密钥K,的控制下将水印W2嵌入到鲁棒数据Y' 中，获得Y";
第六步，嵌过水印的Y"连同加密后的X'和其它数据Z通过后处理操作，产生处 理后的多媒体数据。
本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，多媒体数据 的加密和水印嵌入的操作步骤如下
第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密 钥Ko和水印子密钥Id，密钥产生过程可使用M序列发生器或者其他的随机数发生器 实现；
第二步，预处理多媒体数据，该预处理过程为多媒体压縮处理中涉及的各种操作； 或者为空操作，即不进行预处理；
第三步，预处理后的多媒体数据通过数据选择过程，即数据选择过程依赖对不同形 式的多媒体数据的分析，最终数据被分为相互独立的三个部分重要数据X，鲁棒数 据Y和其他数据Z;其中，通过重要数据选择过程获得的重要数据X是指即使是轻微 的改变也会引起多媒体数据的视听质量极大下降的数据；通过鲁棒数据选择过程获得 的鲁棒数据Y是具有一定冗余空间的数据，且它的适度改变不会影响到多媒体数据的
视听质量；其他的数据Z是指除了重要数据X和鲁棒数据Y之外的数据；
第四步，在加密密钥Ko的控制下加密重要数据X，获得X';
第五步，在水印密钥K,的控制下将水印W,嵌入到鲁棒数据Y中，获得Y';水 印嵌入方法是扩频方法或者是量化索弓I调制的方法；
第六步，加密后的X'，嵌过水印的Y'和Z通过数据后处理操作，产生处理后的多 媒体数据，后处理操作是游长编码、算术编码或Huffman编码的熵编码操作；或者是 空操作，即不进行操作。
本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，完成对加密和 嵌水印后的多媒体数据的解密的步骤如下
第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生用于解密的解密密钥K0;
第二步，多媒体数据被数据后恢复操作处理；
第三步，数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生重要数据X'， 鲁棒数据Y'或Y"，和其它数据Z，其中Y'是指嵌水印后的数据，Y"是指重复嵌入水 印的数据；
第四步，解密操作在解密密钥Ko的控制下把重要数据X'解密成X，其中解密操
作是加密操作的逆操作；
第五步，解密后的数据X连同嵌过水印的Y'或Y"和其他数据Z通过数据预恢复
操作，产生解密后的多媒体数据，数据预恢复操作是数据预处理操作逆过程。
本发明与现有技术相比，其显著优点是该方法可以十分方便有效的实现水印和
加密的同时操作，并且解决了以往水印的提取和再嵌入需要多多媒体数据解密的带来
的计算复杂度和时间效率上的缺陷，使得使用者可直接利用加密后的数据中进行水印
的提取和重复嵌入的操作。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
四
图l是本发明的多媒体加密和嵌水印过程框图。
图2是本发明的多媒体水印提取和重复嵌入过程框图。
图3是本发明的多媒体解密过程框图。 图4是本发明的可交换操作的视频加密和水印过程框图。 图5是本发明的DCT块中重要数据X和鲁棒数据Y的组成方式示意图。 图6是本发明的视频加密和水印效果图。 五
具体实施例方式
结合图1至3， 1、本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方 法，其具体步骤为-
1.1多媒体数据的加密和水印的嵌入。为实现加密和水印的互操作，在这步骤中个 需要将多媒体数据通过数据选择以产生重要数据和鲁棒数据，然后对重要数据进行加 密并对在鲁棒数据中嵌入水印信息，加密和水印后的数据经过数据后处理产生处理后 的多媒体数据。
1.2多媒体数据的解密和水印的提取。在这个步骤中需要首先将多媒体数据通过数 据后恢复，并对恢复的数据进行如步骤1.1的数据选择，通过选择出的鲁棒数据进行水 印信息的提取，通过将重要数据解密并和鲁棒数据以及其他数据组合并经过数据预恢 复产生最终的多媒体信号。
2、 本发明可实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，可以在 步骤1.1进行多媒体数据的加密和水印的嵌入后，可以实现对加密后的多媒体数据的水 印提取和水印重复嵌入，水印提取和水印重复嵌入是通过将数据后恢复操作后的多媒 体信息经过数据选择得到鲁棒数据后，在鲁棒数据上直接进行水印的提取和再嵌入。
3、 本发明可实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法中，多媒体 数据的加密和水印嵌入的操作步骤如下
3.1子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密钥Ko 和水印子密钥Kp密钥产生过程可使用M序列发生器或者其他的随机数发生器实现。
3.2预处理多媒体数据，这里预处理过程可以是一般多媒体压縮处理中涉及的各种 操作。例如，FFT (快速傅立叶变换)，DCT (余弦变换)或者小波变换，量化，运动 估计和补偿等；也可以是空操作，即不进行预处理
3.3预处理后的多媒体数据通过数据选择过程，数据选择过程依赖对不同形式的多 媒体数据的分析。最终数据被分为相互独立的三个部分重要数据X，鲁棒数据Y和 其他数据Z;其中，通过重要数据选择过程获得的重要数据X是指即使是轻微的改变 也会引起多媒体数据的视听质量极大下降的数据；通过鲁棒数据选择过程获得的鲁棒 数据Y是具有一定冗余空间的数据，且它的适度改变不会影响到多媒体数据的视听质 量；其他的数据Z是指除了重要数据X和鲁棒数据Y之外的数据。
3.4在加密密钥Ko的控制下加密重要数据X，获得X';这里加密可以是流密码或 者块密码，如流密码中的数据位的异，或者块密码中的DES或者AES。
3.5在水印密钥K,的控制下将水印W,嵌入到鲁棒数据Y中，获得Y';水印嵌入 方法可以是扩频方法或者是量化索引调制的方法。
3.6加密后的X，，嵌过水印的Y'和Z通过数据后处理操作，产生处理后的多媒体 数据。后处理操作可以是熵编码操作，例如，游长编码，算术编码，Huffman编码等； 也可以是空操作，即不进行操作。
4、本发明对加密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入，其步骤如下-
4.1子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密钥K。 和水印子密钥K,，该子密钥产生器与步骤3.1中的子密钥产生器相同；
4.2多媒体数据被数据后恢复操作处理，此处的数据后恢复操作是步骤3.6中的数 据后处理操作的逆过程；
4.3数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生鲁棒数据Y'，此过程 与步骤3.3中的鲁棒数据选择过程相同；
4.4水印提取操作，在水印密钥K,的控制下从鲁棒数据Y'中提取出水印W,，其中 水印提取操作是水印嵌入操作的逆过程；
4.5水印重复嵌入过程在水印密钥&的控制下将水印W2嵌入到鲁棒数据Y'中， 获得Y"，水印嵌入操作与步骤3.5中的嵌入方法相同；
4.6嵌过水印的Y"连同加密后的X'和其它数据Z通过后处理操作，产生处理后的 多媒体数据，该后处理操作与步骤3.6中的方法相同。 下面结合图4至图5，本发明实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护 方法，以下基于MPEG2视频编码为例，可交换操作的视频加密和水印方法的过程如下
(1) 视频数据在进行DCT变换，量化，运动估计和补偿等预处理操作后，被分割
成三个部分
1) 重要数据X: DC (直流)系数，AC (交流)系数的符号，MVD (运动向量差) 的符号；
2) 鲁棒数据Y:中频AC系数的幅值；
3) 其它数据Z:其它AC系数的幅值，MVD的幅值，格式信息等。 图5给出了在一个DCT块中，重要数据X和鲁棒数据Y的组成方式。其中，X=
(xo，s(x,),s(x2),…,s(x63》(s(a)表示a的符号位，如果a>0， s(a)=l，否则，s(a)= -1)， Y 二(Ix乂I,IjCwJ,…，Ix J〉 (0<W,<A^<63)。此处，W,=6， A^=13，即Y包含了 8 个中频系数的幅值。
(2) 对于重要数据X，采用流密码加密，加密方法采用由密钥KO生成的序列和X 的比特异或，得到X'。考虑到，水印嵌入操作可能改变系数的符号，从而影响解密的 结果，采用流密码可以避免解密过程中的错误扩散。
(3) 对于鲁棒数据Y，采用基于量化索引调制的方法来嵌入水印，得到Y'。为了 降低水印操作对系数符号的影响，采用如下水印嵌入方法
令一个DCT块要嵌入的水印W= w。hv..wa 如果w, =1(/ = 0,1,...,A^—，
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，「W是指不小于a的最小的整数，％是整数取余运算，q是量化步长。为了 对保持对压縮过程的鲁棒性，q的取值一般要大于压縮过程的量化步长。
如果<formula>formula see original document page 12</formula>其中，「^， X和q的含义同上(
可见，当系数的幅值^,+,过小(
=0)时，水印嵌入操作将其幅值扩大
到q或2q。这不仅能保持其符号在水印嵌入过程不变，还能够保持对一些可接受的操 作(重压縮，滤波，放縮等)保持不变，从而保证解密过程能够正确进行。
(4)对加密后的数据，嵌入水印后的数据和其它数据进行熵编码，获得加密和嵌 水印后的数据流。
因为加密和水印过程不改变数据格式，编码后的数据流可以正确得分离出重要数据 和鲁棒数据，从而提取出X'和Y'。对于X'，可以采用流密码解密；对于Y'可以进行 水印提取和水印再嵌入操作。此处，水印嵌入操作不会改变系数的符号，从而不会影 响解密的结果。水印提取过程为
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，「^， 。/。和q的含义同上。
图6给出了一段视频的实验结果。可见，此方法能够实现在不解密情况下提取和嵌 入水印。((a)原始视频(b)加密和嵌水印后的视频(c)重新嵌水印的视频(d)解 密后的视频)。
权利要求
1. 一种实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法，其特征在于包括以下步骤第一步，多媒体数据的加密和水印的嵌入，即为实现加密和水印的互操作，将多媒体数据通过数据选择以产生重要数据和鲁棒数据，然后对重要数据进行加密并对在鲁棒数据中嵌入水印信息，加密和水印后的数据经过数据后处理产生处理后的多媒体数据；第二步，多媒体数据的解密和水印的提取，即首先将多媒体数据通过数据后恢复，并对恢复的数据进行上一步的数据选择，通过选择出的鲁棒数据进行水印信息的提取，通过将重要数据解密并和鲁棒数据以及其他数据组合并经过数据预恢复产生最终的多媒体信号。
2、 根据权利1所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法， 其特征在于可实现对加密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入，水印提取和水印重复嵌入是通过将数据后恢复操作后的多媒体信息经过数据选择得到鲁棒数据后，在鲁棒数据上直接进行水印的提取和再嵌入。
3、 根据权利要求2所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方 法，其特征在于对加密后的多媒体数据的水印提取和水印重复嵌入的步骤如下第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密钥K0和水印子密钥K1;第二步，多媒体数据被数据后恢复操作处理，此处的数据后恢复操作是数据后处理操作的逆过程；第三步，数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生鲁棒数据Y'， 此过程与鲁棒数据选择过程相同；第四步，水印提取操作，在水印密钥K1的控制下从鲁棒数据Y'中提取出水印W1。 其中水印提取操作是水印嵌入操作的逆过程；第五步,水印重复嵌入过程:在水印密钥K1的控制下将水印W2嵌入到鲁棒数据Y'中，获得Y";第六步，嵌过水印的Y"连同加密后的X'和其它数据Z通过后处理操作，产生处 理后的多媒体数据。
4、 根据权利要求1所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方 法，其特征在于多媒体数据的加密和水印嵌入的操作歩骤如下第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生分别用于加密和嵌水印的加密子密 钥Ko和水印子密钥K1;密钥产生过程可使用M序列发生器或者其他的随机数发生器 实现；第二步，预处理多媒体数据，该预处理过程为多媒体压缩处理中涉及的各种操作； 或者为空操作，即不进行预处理；第三步，预处理后的多媒体数据通过数据选择过程，即数据选择过程依赖对不同形 式的多媒体数据的分析，最终数据被分为相互独立的三个部分重要数据X，鲁棒数 据Y和其他数据Z;其中，通过重要数据选择过程获得的重要数据X是指即使是轻微 的改变也会引起多媒体数据的视听质量极大下降的数据；通过鲁棒数据选择过程获得 的鲁棒数据Y是具有一定冗余空间的数据，且它的适度改变不会影响到多媒体数据的 视听质量；其他的数据Z是指除了重要数据X和鲁棒数据Y之外的数据；第四步，在加密密钥Ko的控制下加密重要数据X，获得X';第五步，在水印密钥K,的控制下将水印W,嵌入到鲁棒数据Y中，获得Y';水 印嵌入方法是扩频方法或者是量化索引调制的方法；第六步，加密后的X'，嵌过水印的Y'和Z通过数据后处理操作，产生处理后的多 媒体数据，后处理操作是游长编码、算术编码或Huffman编码的熵编码操作；或者是 空操作，即不进行操作。
5、 根据权利要求4所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方 法，其特征在于第四步的加密是流密码中的数据位的异，或者块密码中的DES或 AES。
6、根据权利要求1所述的实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方 法，其特征在于完成对加密和嵌水印后的多媒体数据的解密的步骤如下 第一步，子密钥产生器在密钥K的控制下产生用于解密的解密密钥Ko; 第二步，多媒体数据被数据后恢复操作处理；第三步，数据后恢复处理后的多媒体数据通过数据选择过程，产生重要数据X'， 鲁棒数据Y'或Y"，和其它数据Z，其中Y'是指嵌水印后的数据，Y"是指重复嵌入水 印的数据；第四步，解密操作在解密密钥Ko的控制下把重要数据X'解密成X，其中解密操作是加密操作的逆操作；第五步，解密后的数据X连同嵌过水印的Y'或Y"和其他数据Z通过数据预恢复操作，产生解密后的多媒体数据，数据预恢复操作是数据预处理操作逆过程。
全文摘要
本发明涉及一种实现加密和水印互操作的多媒体数据内容和版权保护方法。该方法是对多媒体数据的加密和水印的嵌入，即为实现加密和水印的互操作，将多媒体数据通过数据选择以产生重要数据和鲁棒数据，然后对重要数据进行加密并对在鲁棒数据中嵌入水印信息；多媒体数据的解密和水印的提取，即首先将多媒体数据通过数据后恢复，并对恢复的数据进行数据选择，通过选择出的鲁棒数据进行水印信息的提取，通过将重要数据解密并和鲁棒数据等组合并经过数据预恢复产生最终的多媒体信号。本发明可以十分方便有效的实现水印和加密的同时操作，并且简化了以往水印的提取和再嵌入需要多多媒体数据解密的带来的计算复杂度和时间效率上的缺陷。
文档编号H04N7/167GK101207793SQ200610161339
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月22日 优先权日2006年12月22日
发明者刘光杰, 孙金生, 廉士国, 戴跃伟, 王执铨, 茅耀斌 申请人:南京理工大学