CN105191332A - 用于在未压缩的视频数据中嵌入水印的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于向在客户端设备接收的内容施加水印，更具体地向未压缩的视频内容施加水印。本发明涉及一种用于向在客户端设备处接收的未压缩的内容加水印的方法，所述未压缩的内容处于压缩的形式且由至少一个内容密钥(CW)加密，所述内容密钥(CW)以及水印指令形成CAS数据，所述CAS数据被利用发送密钥加密并且包括用于认证所述CAS数据的至少一个签名，所述客户端设备包括：条件访问模块(CAS)，管理所述CAS数据，解扰器(DSC)，具有用于接收加密的压缩的内容的输入、以及用于产生压缩的内容的输出，解码器，用于将所述压缩的内容转换成未压缩的内容，水印插入器(201)，连接到所述解码器的输出，安全激活模块(202)，连接到所述水印插入器(201)，安全单元(SE？200)，连接到所述水印插入器(201)和安全激活模块(202)，所述方法包括以下步骤：-接收所述CAS数据，-由所述条件访问模块(CAS)利用所述发送密钥对所述CAS数据进行解密，-验证所述CAS数据的签名，且如果所述签名有效，-则向所述解扰器(103)传输所述内容密钥(CW)并向所述安全激活模块(202)传输所述水印指令，-向所述水印插入器(201)传输所述水印指令和唯一的标识符，-由所述水印插入器(201)启用或禁用利用由所述唯一标识符初始化的水印数据向从所述解码器接收的未压缩的内容加水印。

Description

用于在未压缩的视频数据中嵌入水印的方法和设备
背景技术
由于水印在客户端中被单独完成，所以在未压缩的域上使用水印方案是优选的，且由于其在未压缩的域中被完成，所以其通常提供了最好的水印插入能力和更好的隐形性。
但是解码器(针对未压缩的水印)之后的工作未提供与链接到数据解扰的安全单元的互动，从而在解码器之前出现。
文档US2010/128871描述了一种解决方案，在该解决方案中，产生了辅助流，其包括允许重构主流且同时向重构流抹泥(marl)的数据。因此，相同的流包含加扰数据和水印数据。在接收处，将该流处理为在修改的流中要被替换的一组数据。
文档EP2391125描述了一种解决方案，该解决方案基于对所有设备公共的流允许单个标记(在接收设备处)。控制对象包含原始值、替代值和位置。安全单元确定要对替代值应用以获取原始值的算术操作。根据接收设备的内部参数来改变算术操作，以便算术操作将是每设备唯一的，如果分析了解扰数据的流，则允许跟踪该设备。
发明内容
在所提出的解决方案中，相同的内容对象包括要解扰主要内容和标记数据的密钥。这仅当相同的单元负责这两个操作时才是合适的且需要能够执行这两个操作的特定解扰器模块。
本发明的目标在于向由客户端设备接收的内容施加水印，尤其是当负责解扰的单元独立于负责水印的单元时向由客户端设备接收的内容施加水印。
本发明涉及一种用于向在客户端设备处接收的未压缩的内容加水印的方法，所述未压缩的内容处于压缩的形式中并且被由至少一个内容密钥(CW)加密，所述内容密钥(CW)以及水印指令形成CAS数据，所述CAS数据被通过发送密钥加密并且包括用于认证所述CAS数据的至少一个签名，所述客户端设备包括：
-条件访问模块(CAS)，管理所述CAS数据，
-解扰器(DSC)，具有用于接收加密的压缩的内容的输入、以及用于产生压缩的内容的输出，
-解码器，用于将所述压缩的内容转换成未压缩的内容，
-水印插入器(201)，连接到所述解码器的输出，
-安全激活模块(202)，连接到所述水印插入器(201)，
-安全单元(SE200)，连接到所述水印插入器(201)和安全激活模块(202)，
所述方法包括以下步骤：
-接收所述CAS数据，
-由所述条件访问模块(CAS)利用所述发送密钥对所述CAS数据进行解密，
-验证所述CAS数据的签名，并且如果所述签名有效，
-则向所述解扰器(103)传输所述内容密钥(CW)并且向所述安全激活模块(202)传输所述水印指令，
-向所述水印插入器(201)传输所述水印指令和唯一标识符，
-由所述水印插入器(201)启用或禁用利用由所述唯一标识符初始化的水印数据向从所述解码器接收的未压缩的内容加水印。
附图说明
参照附图将能够更好地理解本发明，在附图中：
图1表示对仅跟在视频解码器之后的未压缩的内容加水印，
图2表示对输入到HDMI中的未压缩的内容加水印，
图3表示在SE和SA之间的消息交换，
图4表示在SE和SA之间的消息交换的替代实施例。
具体实施方式
条件访问数据包括通过一个或多个内容密钥加密的内容(视频或音频数据或其组合)，且包括CAS数据，即允许对加密的内容进行解密的数据。CAS数据还包括与描述解码器解密内容要遇到的条件的内容关联的条件访问条件。条件访问数据在接收到请求之后，被广播、单播或发送。CAS数据还可以包括要传送至水印插入器的水印指令。
一旦在解码器中接收到，就将CAS数据从条件访问数据中提取并转发至条件访问模块(图1和2中的CAS)，条件访问模块负责执行在有条件的访问条件中定义的安全措施。该模块可以具有若干形式，即物理模块或软件模块。公知的解决方案是具有接口7816的智能卡的形式，但是本发明也适用于诸如USB、LVDH、PCMCIA之类的其他形式的单元或接口。模块CAS也可以集成到安全单元SE中。
该模块包括解密CAS数据以及从CAS数据提取解密该内容的密钥(CW)必需的密钥。除了密钥之外，该模块提取条件(使用规则)并将密钥和条件传输至安全单元SE。要注意的是，在CAS和SE之间的通信被在两个单元上初始化的密钥加密和保护。
在CAS和SE之间交换的消息可以被标记，即有效载荷的摘要(例如，水印指令、随机数和标识符)由CAS计算(例如使用利用哈希函数)并通过签名密钥加密以生成签名。该签名被添加到消息中且该消息优选地通过发送密钥加密。在接收侧，消息首先被解密且该摘要在有效载荷上计算。随着密钥与签名密钥对应，将所接收的签名解密且将该结果与所计算出的摘要进行比较。如果这两个值是相同的，则该消息是可信的。签名密钥可以是对称密钥或不对称密钥(公/私钥)。
在常规的环境下，由CAS获得的密钥被传输至负责解密内容的解扰器DSC。一旦内容被解密，就由解码器处理该内容以产生未压缩的内容。水印模块WMK接收未压缩的内容并应用水印，该水印被由解码器的唯一标识符参数化。
所提出的解决方案是在由CAS环境提供的安全单元(SE)200(参考图1)与未压缩的域水印单元201之间具有安全链接。
根据图1，SE200中继CAS数据，其在成功的解扰操作和位于解码器之后的块的活动之间引入了显式的依存关系，即水印插入器。
SE200还提供了其他的敏感信息(如设备的唯一ID、CAS模块ID、在CAS数据或密钥中包含的ID)。该信息，如果将该信息用一般文字发送至水印插入器，则该信息可能被拦截和修改。这就是为什么在这两个块之间的连接必须是安全的。
在此，水印插入器201将信息(水印有效载荷)插入到音频和/或视频内容中。该有效载荷独立于从CAS接收的唯一标识符。然后，其可以被黑客绕过(音频和/或视频内容未被发送至水印块)，或可以修改有效载荷(水印数据)。可以将该水印插入器放置为仅跟踪解码器之后，或沿着解码器和最终的显示器或TV屏幕之间的传输线，如HDMI发送器。
所提出的解决方案确保：
-用于确保水印插入器201不被绕过且从而在被CAS决定的情况下被激活的方式。如果水印插入器201看上去未被激活，则SE200停止解扰该内容。
-用于确保在SE200与水印插入器201之间的通信的方式，以便水印插入器201确信地访问其在时刻T需要的信息，例如插入到内容中必须的有效载荷。SE200管理对要插入的信息的全部或部分计算。一般而言，该信息是：代表解码器或CAS模块的唯一标识符(UID)、时间戳(T)、以及如关于内容自身的特定信息(SID)的感兴趣的任何其它信息。在插入到内容中之前，从该数据计算有效载荷。该操作的目标在于保护有效载荷免受攻击或发送错误(通过ECC或诸如塔德斯码(Tardoscode)之类的抗共谋码的计算)。
然后，该有效载荷的全部或部分必须由水印系统使用以被插入到内容中。
所提出的解决方案是添加安全激活块202，其激活/去激活水印插入器201。为了安全的原因，推荐就在视频解码器之后且在信任的执行环境(TEE)中实现安全激活块202和水印插入器201。从客户端设备的主机CPU无法实现在安全激活块202(SA202)与水印插入器201之间的访问。
安全激活块202由一些可访问的寄存器控制，该控制例如经由如图1中示出的私有总线或通过如图2中示出的公共总线(AMBAAPB)。安全激活块202能够至少启用/禁用两个特征：视频内容上的水印、音频内容上的水印、或其结合。在图1和图2中，安全激活块202和水印插入器201在视频内容上连接。
主要概念依赖于安全激活块202不得不从SE200接收称为激活消息(AM)的消息以激活/去激活不同的特征的事实。AM也用于发送标记内容必须的有效载荷。由安全激活块202执行的另一特征是与SE200之间用于交换敏感信息的安全链接。例如，SE200可以向安全激活块202发送安全设置。然后，安全激活块202将向水印块201发送它们。
主要的攻击是人记录该消息并从而能够根据其期望来激活或去激活这些特征。该攻击被称为“重放攻击”。
次要的攻击是攻击者试图修改消息的内容。从而，当SE200生成AM时，其应该针对安全激活块202被加密和签名。此外，AM应该嵌入来自真实随机数生成器(TRNG)的随机数。在图3中示出了AM的示例。其应该至少包含随机数、激活标记、有效载荷(包含UID)、有效载荷大小和签名。
图2描述了一示例，在该示例中设备正在使用HDMI且设备上的水印块201必须被激活。条件访问系统(CAS)将接收CAS数据。根据该示例，CAS数据是授权控制消息ECM的形式。这些ECM包含加密的CW及其使用规则。加密的CW及其使用规则被发送至SE200。使用规则向SE200指示了当前的视频内容必须被加水印。
在初始化阶段该SE202和SA202共享在每一设备中存储的公钥。该密钥将用于加密交换的消息，使得内容不能被第三方访问。由于在这两个单元之间的通信可以被第三方截获，所以实现相互认证协议是重要的。每一方应该确保与另一方通话且不利用模拟器。
向安全激活模块(202)发送的消息包含水印指令。在激活的情况下，要嵌入到内容中的标识符被包括在该消息中。
然后，可以根据图3执行以下的步骤。
1.CAS接收包含加密的控制字(CW)及其使用规则或访问条件的ECM。
2.SE200解密CW及其使用规则。使用规则陈述了例如应该使用DVB-CSA解扰器解密上述内容且水印应该在视频上被激活。同时，SE200生成激活消息(AM)并添加可变值。该可变值应该针对由安全激活块202生成的每一消息变化。其可以是随机数，在每一消息或时间戳处计数器加1。该值被存储到SE200。AM被加密和签名。然后，AM被发送至安全激活块202。
3.安全激活块202解密并认证AM。如果认证成功，则安全激活块202检查该可变值，以确定与先前的值相比所接收的值是否已经改变。在计数器的情况下，所接收的可变值应该比最近接收的可变值更高。同样适用于时间戳，与在先前的消息中所接收的时间戳相比，新接收的时间戳应该提前。对于随机数，安全激活块202应该存储所有先前接收的随机数(或至少预先定义的数例如最近的20)，以将所接收的随机数与在该消息中包含的值进行比较。
在可变值不符合上述提及的规则中的一个的情况下，拒绝该消息。否则，安全激活块202根据AM的内容激活上述特征。在认证之后，安全激活块生成被加密和签名的确认消息(ACKM)。该ACKM被发送回SE200。其应该至少包含与AM相同的随机数，且其还应该包含激活标记、有效载荷(UID)、有效载荷大小、ACK标记和签名。然后，随机数由安全激活块202存储，以避免在后来呈现相同的消息。
4.SE200解密并认证ACKM。ACKM应该包含与AM中的那个相同的随机数。如果ACKM未被正确地认证，未被准时地接收(使用看门狗(watchdog))，或随机数与在先前AM中输入的不同，则传输水印指令被认为是失败的且SE202停止向解扰器提供CW。
常见的是，安全激活块202不包括永久存储器。从而无法存储针对准确的抗重放验证的最近的可变值。这就是为什么图4示出了另一方法。要注意的是，即使是在SE202包含永久存储器的情况下也可以应用该方法。
1.SE200向安全激活块202发送第一消息(AM)，通知将发送指示消息。在该阶段，该第一消息可以是加密的或明文的。该消息可以包含允许SA202认证第一消息的签名。在图4的示例中，该消息是激活消息AM。
2.在该消息被加密和签名的情况下，SA202解密并验证该签名。如果签名是正确的，则SA202生成随机数X并向SE200发送包含随机数X的第二消息ACKM。随机数X由SA202存储。在该阶段，第二消息可以是加密的或明文的。该第二消息优选地被加密且包含签名以确保仅真正的SA202能够对其进行生成。
3.在SE202接收并解密(如果已被加密)消息ACKM的同时，SE202提取随机数。利用该随机数和水印指令，SE202制备消息，对其进行加密和签名。在指令涉及在内容上禁用水印的情况下，该消息不需要包含标识符。向SA202发送该消息。
4.然后，SA202解密并验证签名。如果签名是正确的，则其还验证随机数X与先前存储的值是否相同。如果其不同，则拒绝该消息。在已经通过这些控制时，可以执行在消息中包含的水印指令。
5.然后，SA202制备最终的确认消息FACKM，以确认执行水印指令。该消息将包含随机数X且也被加密。
6.SE200接收FACKM，且一旦被解密，就提取SA202的状态。如果SA202确认成功完成水印指令，则SE2002可以向解扰器传输内容密钥。

Claims (6)

1.一种用于向在客户端设备处接收的未压缩的内容加水印的方法，所述未压缩的内容处于压缩的形式中并且被由至少一个内容密钥(CW)加密，所述内容密钥(CW)以及水印指令形成CAS数据，所述CAS数据被通过发送密钥加密并且包括用于认证所述CAS数据的至少一个签名，所述客户端设备包括：
-条件访问模块(CAS)，管理所述CAS数据，
-解扰器(DSC)，具有用于接收加密的压缩的内容的输入、以及用于产生解密的压缩的内容的输出，
-解码器，用于将所述解密的压缩的内容转换成未压缩的内容，
-水印插入器(201)，连接到所述解码器的输出，
-安全激活模块(202)，连接到所述水印插入器(201)，
-安全单元(SE200)，连接到所述水印插入器(201)和安全激活模块(202)，
所述方法包括以下步骤：
-接收所述CAS数据，
-由所述条件访问模块(CAS)利用所述发送密钥对所述CAS数据进行解密，
-验证所述CAS数据的签名，并且如果所述签名有效，
-则向所述安全激活模块(202)传输所述水印指令，
-仅在所述水印指令的传输成功的情况下才向所述解扰器(103)传输所述内容密钥(CW)，
-向所述水印插入器(201)传输所述水印指令，
-由所述水印插入器(201)启用或禁用向从所述解码器接收的未压缩的内容加水印。
2.根据权利要求1所述的方法，其中从所述安全单元(SE200)向所述安全激活模块(202)传输水印指令包括以下步骤：
-由所述安全单元(SE200)从所述安全激活模块(202)请求随机数(X)，
-由所述安全激活模块(202)生成该随机数(X)，存储所述随机数(X)并将所述随机数(X)发送至所述安全单元(SE200)，
-由所述安全单元(SE200)制备消息，所述消息至少包括所述水印指令、随机数、以及在所述水印指令和随机数上的签名，
-向所述安全激活模块(202)发送该消息，
-由所述安全激活模块(202)验证所述签名是否真实、以及所述随机数是否与先前发送的随机数相同，并且在为是的情况下，接受所述水印指令，以及
-向所述安全单元(SE200)发送最终的确认消息，以向所述安全单元(SE200)告知成功地完成了所述传输。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述安全激活模块(202)和水印插入器(201)位于信任的环境中，在所述信任的环境之外无法访问这两个单元之间的连接。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其中所述CAS数据包括唯一的标识符，在启用所述加水印的同时，所述标识符被与所述水印指令一起被传输至所述安全激活模块(202)和水印插入器(201)，所述标识符定义了用于向所述内容加水印的有效载荷。
5.一种客户端设备，包括：条件访问模块(CAS)，负责接收CAS数据，并且对所述CAS数据进行解密以获得水印指令和内容密钥(CW)；解扰器(DSC)，具有用于接收加密的压缩的内容的输入、以及用于基于所述内容密钥产生解密的压缩的内容的输出；解码器，用于将所述解密的压缩的内容转换成未压缩的内容；水印插入器(201)，连接到所述解码器的输出，以基于所述水印指令插入水印；安全激活模块(202)，连接到所述水印插入器(201)；安全单元(SE200)，连接到所述条件访问模块(CAS)、解扰器(DSC)和安全激活模块(202)，其特征在于，所述条件访问模块(CAS)具有用于验证所述CAS数据的签名的装置，并且具有用于在所述签名有效的情况下将所述水印指令经由所述安全单元(SE200)传输到所述安全激活模块(202)的装置，所述安全单元(SE200)具有用于验证所述水印指令是否被成功地传输到所述水印插入器的装置，并且具有用于在成功传输的情况下将所述内容密钥传输到所述解扰器(103)的装置。
6.根据权利要求5所述的客户端设备，其中所述安全激活模块(202)包括能够产生随机数(X)的随机数生成器，所述安全激活模块(202)生成、存储所述随机数，并且将所述随机数发送到所述安全单元(SE200)，所述安全单元(SE200)制备消息，所述消息至少包括所述水印指令、随机数、以及在所述水印指令和随机数上的签名，所述安全激活模块(202)具有这样的装置，该装置用于验证所述签名是否真实、以及所述随机数是否与存储的随机数相同，在为是的情况下，接受所述水印指令，并且向所述安全单元(SE200)发送最终的确认消息，以向所述安全单元(SE200)告知成功地完成了所述传输。
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