用于水印检测的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及一种用于检测媒体信号、特别是正在通过个人计算机的图形卡播放的媒体信号中的水印的方法和装置。
背景技术
最近，DVD版权保护团体提出将用于个人计算机中播放控制的水印检测应用在DVD-ROM或DVD重写驱动器中。这样做的原因是该水印检测是许可技术(即，在具有或没有水印检测器的情况下，播放或记录设备都可以工作)，它与需要为设备提供解密器以便正常工作的加密相反。脆弱的协议曾经是DVD-ROM驱动器需要检查盘上的MPEG-2压缩的未加密DVD视频内容是否存在不允许拷贝或允许一次拷贝等水印。如果存在这种情况，则停止播放(因为允许一次拷贝和不允许拷贝的内容应当一直被加密)
图1示意性示出了这种PC系统结构，它具有水印检测以便对DVD驱动器进行播放控制。该PC包括DVD驱动器1、具有微处理器和用于执行操作系统和应用软件的相关电路的主板2、以及图形卡3。该主板上具有用于与DVD驱动器之间传输数据地IDE总线4、和用于连接该图形卡的AGP插槽或PCI插槽5。该DVD驱动器包括用于从DVD盘6中读取数据的基本引擎11和用于将该驱动器与IDE总线连接起来的主机接口12。为了使水印检测器核心14可以检测水印，该驱动器包括MPEG2剖析器13，以便至少部分地解压缩该内容。停止内容播放由一开关15来象征性地表示，该开关由水印检测器核心14来控制。
但是，具有在DVD驱动器中使用水印检测器的播放控制的PC系统，在开放式结构PC中留下主要的安全漏洞。这样的一个安全漏洞是可以通过交换所有的比特而以加密的方式记录内容。由于它不再是适应的MPEG2流，因此该驱动器中的剖析器13会失败，且不会看到任何水印。刚好在媒体播放器软件之前或者之内可以撤消该比特交换。另一种安全漏洞是不使用MPEG2而使用其他压缩方案例如MPEG4(在DivX下比较普及)、分形编码、Windows Media、Real等来压缩内容。由于DVD驱动器不可能在主板上具有对应所有这些格式的剖析器(黑客将发明比该驱动器更智能的新的多媒体数字信号编解码器)，因此也不会检测到水印。虽然利用除MPEG2以外的其它多媒体数字信号编解码器压缩的(非法)拷贝通常不能在当前的DVD视频播放器上播放，但是DVD视频播放器具有支持越来越多多媒体数字信号编解码器的趋势。
因此，已经提出在解压缩之后和再现之前放置水印检测器，即在MPEG解码器卡或图形卡中。在解压缩后，由于所有的内容都已经变为明确的基带格式以便人们观看，因此不在存在模糊。起初，人们认为强迫MPEG解码器公司或图形卡制造商安装这种水印检测器很难。但现在这样的观点已经改变了。
虽然在图形卡中检测水印在技术上非常简单和明了，但是实际上由于大量数据高速流过该图形卡，以及同时显示多个流，因此仍然存在很多问题。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供一种对上述问题的解决方案。为此，本发明提供了在独立权利要求中限定的方法和装置。在从属权利要求中限定了最佳实施例。
【附图说明】
图1示意性示出了现有技术个人计算机结构，其中在DVD驱动器中具有水印检测；
图2示出根据本发明一个方面的具有图形卡的计算机系统；
图3示出根据本发明另一方面的具有图形卡的计算机系统；
图4A和4B示出多个屏幕画面，用于说明图3中所示的个人计算机的操作；
图5示出由图2和3所示的个人计算机执行的协议。
【具体实施方式】
图2示出根据本发明一个方面具有图形卡30(连接或集成在PC主板2上)的计算机系统。该图形卡包括多个传统电路，例如AGP/PCI接口301、显示器引擎302、存储器接口303、视频RAM304和D/A变换器305。在视频数据被提供到(外部)显示屏幕之前，基带水印检测器31与图形卡的输出端(或多个输出端)耦合。该水印检测器31根据适用的版权保护算法来控制一个或多个开关35，从而防止内容显示在显示屏幕上。这些开关35与图1中的开关15具有相同的功能。
一个问题是输出端的数据为RGB格式，而大多数水印方案只对亮度信道工作。根据公知的公式(Y/0.587)＝0.509R+G+0.194B(其中0 R，G，B＜1)将RGB格式变换为亮度Y需要2次加法和2次乘法。这样非常耗时，特别是在高速率的情况下更是如此。
在根据本发明的系统中，RGB到Y的变换器32通过近似Y来避免乘法，例如Y 0.25R+0.5G+0.125B＝R/4+G/2+B/8，这仅需对算法进行一点改变就可以实现。在实施例中，甚至可以避免加法，变换器仅需简单地选择绿色信号从而使YG(因为G是主要的)即可。
通常是通过在整个图像上“平铺显示”小尺寸的基本水印图案来嵌入该水印的。对应的水印检测器将可疑图像分为具有与基本水印图案相同尺寸的多个图像区域，将这些图像区域收集在缓冲器中(称为折叠处理)，并检查该缓冲器中所收集的图像区域中是否存在基本水印图案。如果水印检测器31为这种类型，则有利地首先利用3个独立的折叠缓冲器收集和折叠3原色R，G，B。在折叠后脱机而不是匆忙地执行RGB到Y的变换。该过程要使用3倍多的存储器，但对于用于其他目的的视频存储器量来说这一点可以忽略。由于需要将3倍多的数据传输到存储器，因此该选项需要更多的存储器带宽。
如图2中所示，与结构相关的另一个问题是图形卡的视频输出可以为任何数目的分辨率，如下表所示： 标准 分辨率 像素时钟[MHz] VGA 640×480 27 XGA 1024×768 70 SXGA 1280×1024 116 UXGA 1600×1200 170
表格：某些常用图形标准的分辨率和像素时钟的比较
还存在由某些图形卡支持的其它标准，它们具有内插分辨率。注意像素时钟对于正常基带水印检测(PAL或NTSC)为13.5MHz。与正常PAL/NTSC基带检测相比，该输出接口因此具有最大为13×的更高的数据率(UXGA模式)。基带检测需要对每个像素进行一次加法，因此加法器需要以13倍速工作。
为了解决上述问题，该图形卡包括分辨率变换器33，用于对空间内(可能的话也在时间中)的像素数据进行子采样：例如需要检测的信息仅是帧1中的行1、帧2中的行2等等。或者，仅对图像的一部分进行水印检测。
另外，如图2所示，图形卡上有多个输出。当前，在计算机(或它的图形卡)上提供传统的VGA输出和TV输出，以便在在起居室TV上显示在PC上再现的DVD电影。最近已经在选项板上加入了数字DVI接口。由于可以独立的控制所有这些输出端(即显示不同数据)，因此检测器的数目自然应当等于输出端的数目，这造成了明显的成本负担。
这个问题可以通过将水印检测器时间多路复用到不同输出端来解决：即，在输出端1进行固定时间长的第一检测，然后在输出端2，等等。为此，该系统包括一个选择器34，它可以按照时间顺序选择该图形卡的多个输出端的一个。它还可能同时检查所有输出端。
检测个人计算机的图形卡所产生的信号中的水印还有很多相关问题。这些问题都是由于个人计算机通常可以在显示屏幕的各“窗口”中同时执行多个应用程序而造成的。用户可以对每个窗口进行任意定位和缩放。
因此该水印检测器需要处理的尺寸的潜在范围很大。仍然保持可视质量的最大尺寸就是在监视器(达到1600×1200像素或更大)上显示内容(例如全屏DVD电影)。一般说来，最小尺寸是当视频缩小到352×200像素时，这是从互联网上下载的电影的通常格式。因此水平尺寸范围为0.5...2.2而垂直为0.4...2.5，当前可用的水印检测器被设计为可以处理0.5...1.5范围内的尺寸。
根据本发明的第二方面，检查计算机的视频输出端来定位图像帧之间信号变化的图像区域。由于实时视频包含更多变化，因此根据桌面上的所有其他信息可以区分该视频。然后可以在所述图像区域周围产生边界框，从而提供感兴趣的(最佳为矩形)区域。现在可以认为该边界框构成了应用程序运行其中的窗口。
图3示意性示出了根据本发明该方面的PC。在该图中，像素活动性检测器36检测并存储相对于前一帧的(阈值)变化。连接电路37在具有显著变化的图像区域周围配合一边界框。从文献中人们可以知道根据活动性检测器的区域怎样确定包括该点的最可能的边界框。随后执行正常的水印检测，其中可以在这之前执行必要的尺寸变换32。换句话说，在我们只进行尺寸检测和真实载荷检测之前(图2)，现在可以加入“感兴趣的区域的检测”。
为了说明PC结构的操作，图4A示出了Microsoft Windows操作系统的桌面，其中具有两个应用窗口41和42，窗口中有不同的应用程序在运行。在该例子中，窗口42是由DVD电影播放器应用程序产生的。图4B示出了由图形卡中的电路(36，37)所检测到的感兴趣的区域的内容。如果将该感兴趣区域中的内容上采样或下采样为正常的720×480或720×576格式，则将其提供到正常的基带水印检测器，该内容现在很可能以非常接近于1.0的尺寸被处理。
应当注意，可以对子采样的视频帧执行该变化检测36，从而保存存储空间。也可以“块对块”地执行该变化检测(例如，首先寻找左上角的变化区域，然后是右上角)。
本发明的另一个方面涉及作用于所检测到的水印的存在或不存在。图5示出一种协议的框图，该协议用于确保所有的部件都能功能性确保水印检测。块16，21，22和38表示验证处理或设备。在该预期的结构中，DVD驱动器10在启动时检查PC中是否存在具有水印检测器31的图形卡30。如果不存在该具有水印检测器的图形卡，则驱动器不输出数据。但是如果存在这种特殊的图形卡，则输出数据。
当图形卡中的水印检测器31检测到水印时，它将试图验证适应的应用程序，该应用程序用于再现该加有水印的数据。如果这种验证成功，则图形卡继续操作(例如，使用验证后的应用程序播放真实的DVD视频)。如果它不能找到这样一个应用程序，则该内容必然是从某些未经过验证的源得到的，例如使用某些私人或其他非相应软件来再现驱动器中非法拷贝的盘。该图形卡然后通过启动开关35(见图2和3)来关闭该输出，或者破坏检测到水印的边界框区域内的视觉乐趣。或者，可以在整个图像上滚动显示一个消息，提醒检测到未经验证的流中的水印。
该PC运行一个或更多应用程序，例如解压缩和再现从例如DVD驱动器10这样的源中得到的可能加有水印的内容。注意，由于该正在再现的数据已经被驱动器验证，因此适应应用程序对正在再现的数据的来源很确定。而且该结构非常普通。特别是，该来源已经不必是DVD驱动器。例如，该来源可以是模拟捕捉卡、MPEG编码器卡或IEEE-1394板。
在上述的结构中，黑客可以执行下面的攻击：它可以将DVD+R上他想要观看的内容非法复制到硬盘上而不再现。然后，他使用适应应用程序在一个窗口中从DVD驱动器播放任何被有效保护的DVD视频，同时在另一个窗口中用非适应应用程序再现非法材料。该水印检测器将找到一个水印(在其中一个窗口中)，但认为它与DVD驱动器中的原始电影一致。因此，不会发现该非法材料。这甚至也可能滥用适应应用程序：利用CSS(已经被攻克的)可以再次加密硬盘上的非法内容，从而假装其为真实内容。因此，相应播放器可以接受该再次CSS后的内容，并在图形卡检测水印之后，该应用程序可以保证它。
因此，当检测器已经发现了水印内容时，该水印内容(通过验证)可以被在适应应用程序或驱动器中找到，检测器继续搜索其他感兴趣的区域，并检测其中的水印。实际上，可以通过从显示器上的一个随机点开始该边界框来实现，从而始终避免以相同的边界框告终。如果找到了另一个具有水印的感兴趣的区域，则必然有另一个适应应用程序或源。当没有找到时，播放非法内容，并控制图形卡执行相应动作。
或者，该图形卡可以利用在启动时建立的验证后的信道，通知水印有效载荷的驱动器。该驱动器可以根据盘来验证该水印有效载荷是否与该盘匹配。如果不匹配，则必须提供被复制的材料的其他源。注意为了该方法能够作用，需要将水印有效载荷按照不能被黑客获得的方式存储在盘上，例如在导入区中当前未使用的扇区中。这样不会增加驱动器的成本。
黑客可能执行下面的攻击：他将第二张非适应的图形卡插入PC中。它允许驱动器验证该图形卡(使用黑客攻克后的驱动器)，同时它使用该非适应的图形卡来播放驱动器中的非法材料。第二种攻击方案是他仅将非适应卡插入PC中但通过网络(家庭局域网或互联网)将该PC与另一个具有适应图形卡的PC连接起来。在利用远程适应图形卡验证该驱动器之后，可以在主板上的非适应图形卡上显示非法内容。第三种攻击方案是在单独PC中存在适应的DVD驱动器和具有水印检测器的适应图形卡；在验证之后，黑客将数据从驱动器中的非法盘传输到在网络中具有非适应图形卡的另一个PC上运行的非适应应用程序中。
该操作系统和BIOS仅是PC中的实体，它们对PC的插入卡配置很了解。对于第一种黑客攻击方案的解决方法是使BIOS或OS禁止在一个PC中将适应和非适应图形卡组合起来(为了安全原因)。对于第二种黑客攻击方案的解决方法是使OS和BIOS不能允许通过网络对图形卡验证。实现这一目的的一种方法是对于OS查询驱动器它验证了哪个图形卡，并检查该驱动器实际上在板上。这很明显需要一个安全的OS。如果市场要求能够允许在家用网络中从远程DVD驱动器播放，则不能禁止问题7的第二种黑客攻击方案，另一种解决方法是使OS禁止将适应驱动器和非适应图形卡合成在一个单元中。
本发明可以归纳为以下几点。为了保护版权，个人计算机的图形卡中的水印检测近来开始在标准化方面引起人们注意。在图形卡中检测具有完全不同于以前在DVD驱动器中检测的问题，必须解决高数据速率、大尺寸范围、和显示区域中存在多视频流等问题。本发明提出检查(36)计算机系统产生的视频信号以便定位视频信号帧发生变化的图像区域，并限定(37)该图像区域周围的边界框从而提供出感兴趣的区域。将由此发现的该感兴趣的区域认为是构成了应用程序运行所在的窗口。在进行适当的尺寸变换(32)之后，随后对所述窗口执行传统的水印检测。按照这种方式可以检测多个窗口。这样可以防止黑客在DVD驱动器(10)中播放适应盘的同时，在一个窗口中再现非法内容。