CN103152608A - 实现数字指纹加密的视频多播传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，包括数字指纹加密传输与数字指纹加密接收，前者包括下列步骤：图像和视频的载体信源数据经过MPEG-2标准压缩；对基于图像或视频的数字指纹数据

进行处理，最后形成数字指纹数据

根据树结构的不同分支相互发生共谋攻击的概率决定数字指纹嵌入的能量大小及其关系；经过CDMA/TDMA组合正交调制处理形成混合数据

并形成加密数据流，最后通过信道传输；后者包括下列步骤：根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾解密、压缩，恢复图像和视频信源数据，同时，进行解调，经过处理，相关性函数检测树结构各级发生共谋攻击，最后得到数字指纹数据。本发明安全性高，降低通信成本，同时增强***追踪非法者的权利及其有效性。

Description

实现数字指纹加密的视频多播传输的方法

技术领域

本发明涉及信息安全的技术领域，具体说是实现数字指纹加密的视频多播传输的方法的技术。

背景技术

数字指纹视频是对用户给定的视频服务信号嵌入不同标识的指纹数字信号处理的过程，用户之间利用出现的不同意义比特位进行识别。这种标识也称为指纹载荷pay-load，通常是通过鲁棒数字水印嵌入过程实现。在数字版权管理DRM文本中，指纹嵌入和加密的主要目的是保护视频内容不受单个或共谋攻击干扰。其中，数字视频的共谋攻击是其应用面临的最重要的问题，因此，数字视频的抗共谋攻击能力是其能够应用的重要技术指标。

目前的数字指纹技术远未达到实用阶段，这是因为人们忽视了水印安全性的研究。数字指纹属于数字水印研究范畴。长期以来，数字水印的研究更关注于水印的鲁棒性，即研究如何抵抗一些非恶意的攻击，如：加性噪声、过滤、有损压缩和抗几何攻击等，而忽视了水印安全性的研究。对于指纹识别和拷贝控制等应用，水印的安全性是一个非常重要的问题，其中，共谋攻击是对数字指纹最为有效的攻击。在共谋攻击中，多个共谋者用他们拥有的同一作品的多个拷贝共谋生成一个新的拷贝，在新的拷贝中，指纹信息被移除或削弱，因而，数字指纹不仅要求能抵抗一般的信号处理攻击和单拷贝攻击，而且还能抵抗共谋攻击。

目前的数字指纹的实现技术主要是正交指纹、相关性指纹，也可划分为连续指纹和离散指纹以及抗共谋码ACC数字指纹。

(1)正交指纹的缺点是：对于用户不多的指纹应用比较有效，但随着用户的增多，指纹检测和追踪算法的复杂性显著增加，并且指纹的能量在共谋中显著减少，这使得检测器无法检测到指纹。

(2)相关性指纹缺点是：在设计中引入相关性，即使数字内容的复本遭受到共谋攻击，指纹中相关部分的能量也不会显著减少。相关性指纹主要由编码指纹组成，其中最早由Boneh和Shaw提出的C-安全码，提出双层编码构造方法来抵抗给定数量的共谋者的攻击。这个指纹编码方案由Yacobi进一步改进，他将一个直接扩频序列的嵌入层和C-安全码的编码层结合起来，提高了用户数量。但这种方法的主要缺点是，a)当同步失真时，难以提取有效的数字指纹。b)抗共谋攻击者数量有限。

(3)Wade Trappe等人结合组合设计和区组编码的理论(如BIBD等)提出了一种抗共谋码ACC，其主要缺点是：将指纹编码和嵌入结合起来，虽然提高了指纹的抗共谋攻击的能力，但大大增加了传输带宽的使用要求。因此，***实现成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种安全性高，能够有效降低通信成本的实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，解决传输带宽和***抵抗共谋攻击因素的影响，降低发送端的计算开销，同时增强***追踪非法者的权利及其有效性。

本发明通过以下技术方案来实现。

一种实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，其特征在于：所述实现数字指纹加密的视频多播传输的方法包括数字指纹加密传输与数字指纹加密接收。

所述数字指纹加密传输包括下列步骤：

1)图像和视频的载体信源数据经过MPEG-2标准压缩，形成MPEG-2基本数据S_l；

2)图像或视频的数字指纹数据

利用DGHM多小波变换树进行处理，形成一种多小波树；

3)按照数字指纹的重要性排序，把数字指纹图像特征点的不同数据按照多小波树“父-子节点”关系的不同分解成不同能量的指纹向量基

并形成数字指纹数据

4)根据树结构的不同分支相互发生共谋攻击的概率决定数字指纹嵌入的能量大小及其关系；

5)在压缩域，根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾通过CDMA/TDMA正交调制矩阵把数字指纹调制嵌入到S_l中，形成包含载体基本数据和数字指纹的混合数据

其中，K^m为公钥，K⁽ⁱ⁾为用户u⁽ⁱ⁾的私钥；

6)对多播和单播的数据分别进行加密形成传输的数据流，最后通过信道传输；

所述数字指纹加密接收包括下列步骤：

1)根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾解密多播和单播的压缩比特流数据V，其中V可能遭受了共谋攻击，也可能没有；

2)进行MPEG-2解压缩，恢复图像和视频信源数据，同时，根据CDMA/TDMA组合正交矩阵进行解调；

3)对图像和视频数据进行DGHM分解，并把各级的相同空间位置和方向上的不同频率子带系数划分为同一组并构成一种具有“父-子节点”关系的对称结构树；

4)对每级树结构的子带系数计算奇偶，提取嵌入的数字指纹水印数据Y⁽ⁱ⁾；

5)用归一化相关系数进行检测，相关系数定义如下：

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{W_l}^{(i_1,...,i_l)}\·Y^{(i_1,...,i_l)}}{\sqrt{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{W_l}^{{(i_1,...,i_l)}^2}\·\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{Y}^{{(i_1,...,i_l)}^2}}}--------\left(1\right)$

如果η＞T(设置的检测门限)，则数字指纹数据已经检测出来，其中T为设置的检测门限，η越接近1，说明Y⁽ⁱ⁾越近似等于原始指纹数据

；

6)根据统计，相关性函数检测树结构各级发生共谋攻击，最后得到数字指纹数据。

所述步骤4)与步骤6)中的共谋攻击包括下列步骤：

设SC为检测并指出共谋攻击发生概率的索引，定义共谋攻击函数产生的可疑拷贝内容为

k为共谋者，g(.)为共谋函数，则对于树的1≤l≤L级，从V中检测共谋过程如下：

a)指纹树第一级检测：检测器在第一级建立提取的数字指纹Y和每个D1指纹

的统计相关性：

$T^{i_1}=\frac{<Y,a^{i_1}>}{\left|\right|a^{i_1}\left|\right|},i_1=\mathrm{1,2},...,D_1-----\left(2\right)$

其中，||a||为a的欧几里得范数，第一级检测共谋篡改的区域为

h1为第一级预测估计门限；

b)指纹树第2≤l≤L级检测：已知(l-1)级共谋攻击的估计区域为GR(l-1)，对于任意[i₁，…，i_l-1]∈GR(l-1)，第2≤l≤L级检测统计的结果为：

$T^{i_1,...,i_{l-1},i_l}=\frac{<Y,a^{i_1,i_2,...,i_{l-1},i_l}>}{\left|\right|a^{i_1,i_2,...,i_{l-1},i_l}\left|\right|},i=\mathrm{1,2},...,D_l-------\left(3\right)$

检测指向共谋发生的区域 $\mathrm{GR}\left(l\right)=\left\{\right[i_1,...,i_l]:[i_1,...,i_{l-1}]\&Element;\mathrm{GR}(l-1).T^{i_1,...,i_l}\&GreaterEqual;h_l\},$ h_l为l级指纹检测的预测门限；

c)检测器估计输出共谋发生的索引设置为

所述数字指纹CDMA/TDMA组合正交矩阵进行解调中设置有指纹漂移补偿方法，就是嵌入数字指纹数据在MPEG-2视频序列参考帧的运动矢量中，所述指纹漂移补偿方法，包含了参考帧中运动矢量嵌入的数字指纹秘密信息，且只能通过单播信道传输给合法用户，具体包括下列步骤：

a)对于每个MPEG-2编码的DCT系数，如果它没有调制嵌入数字指纹，那么进行可变长编码VLC操作，并和运动矢量、量化因子以及边信息一起通过K^m加密，多播给所有用户；

b)对于每个MPEG-2编码的DCT系数，如果它调制嵌入了数字指纹，那么首先进行反量化Q^-1，然后对用户u⁽ⁱ⁾调制嵌入相应的数字指纹数据并加入相应的漂移补偿信号数据，这样形成包含漂移补偿的数字指纹系数，接着进行量化Q和可变长编码VLC。

c)最后，通过密钥K⁽ⁱ⁾对混合数据进行加密并单播给用户i。

所述数字指纹CDMA/TDMA组合调制矩阵P＝P^Joint为一个上三角矩阵：

已知{p_l，l}_{l＝1，…，L}和P^Joint时，我们可寻找N₁，N₂，…，N_L满足关系：

$P^{\mathrm{Joint}}{\left[\begin{array}{ccc}{N}_1& N_2...& N_L\end{array}\right]}^T=N{\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&rho;}}_1& {\mathrm{\&rho;}}_2...& {\mathrm{\&rho;}}_L\end{array}\right]}^{T}s.t.\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_l=N,0\&le;N_l\&le;N-----\left(12\right)$

其中p_L，L＞ρ_L，p_1，l，p_2，l，…，p_l，l分别为树结构各级数据调制系数；ρ₁，ρ₂，...，ρ_L为树结构各级节点出现共谋攻击的概率。

所述CDMA/TDMA组合调制指纹的嵌入中，已知P^Joint和{N_l}_{l＝1，…，L}，在指纹树结构的1≤l≤L级，对于指纹基

存在关系：

$a^{i_1,...,i_l}={a_l}^{i_1,...,i_l}\mathrm{\&Pi;}{a_{l+1}}^{i_1,...,i_l}...\mathrm{\&Pi;}{a}_L^{i_1,...,i_l}----\left(13\right)$

这里，服从高斯分布且相互独立，

长度为Nk，并且嵌入到Sk中，符号“∏”表示串联因子。

对于用户

u⁽ⁱ⁾接收到的第l部分数字指纹内容为

这里，数字指纹

的具体形式为：

$W_i^{(i_1,...,i_l)}=\sqrt{p_{1,l}}{a}_l^{i_1}+\sqrt{p_{2,l}}{a}_l^{i_1,i_2}+...+\sqrt{p_{l,l}}{a}_l^{i_1,...,i_l}----\left(14\right)$

共谋攻击期间，假设共有K个共谋者，SC是指向共谋者的检测索引，且共谋攻击者划分L为各个分组

对于1≤l＜L，已知数字内容

在SCl中的攻击者由

产生第l部分共谋拷贝内容，其中，nl是由共谋攻击者引入的加性噪声，假设共谋得到的数字拷贝内容为V＝V₁ΩV₂...ΩV_L。

所述CDMA/TDMA组合调制指纹的检测中，在接收检测端，已知通过密钥解密的数字内容为V，对于1≤l＜L，检测步骤如下：

1)首先，检测器从V₁中提取Y₁；

2)指纹树的第一级检测：在第1级，检测器使提取的指纹{Y_l}_{l=1，…，L}和每个D1指纹基

相关并计算相关统计性：

$T^{i_1}=\frac{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}<Y_k,{a_k}^{i_1}>}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{\left|\right|{a_k}^{i_1}\left|\right|}^2},i_1=\mathrm{1,2},...,D_1----\left(15\right)$

检测器估计输出的第一级共谋犯罪区域为：

$\mathrm{GR}\left(1\right)=\left\{\right[i_1]:T^{i_1}>h_1-----\left(16\right)$

其中，h₁为树结构第一级指纹检测的预置门限；

3)指纹树的第2≤l＜L级检测：已知检测器以前输出的共谋区域为GR(l-1)，对于每个[i₁，i₂，…，i_l-1]∈GR(l-1)，检测器计算相关统计性：

$T^{i_1,...,i_{l-1},i_l}=\frac{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}<Y_k,{a_k}^{i_1,...,i_{l-1},i_l}>}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|\right|{a_k}^{i_1,...,i_{l-1},i_l}{\left|\right|}^2}},i_1=\mathrm{1,2},...,D_l--------\left(17\right)$

并指出共谋攻击区域为： $\mathrm{GR}\left(l\right)=\left\{\right[i_1,...,i_l]:[i_1,...,i_{l-1}]\&Element;\mathrm{GR}(l-1),T^{i_1,...,i_l}>h_l,$ 其中，h_l为树结构第l级指纹检测的预置门限；

4)最后，检测器输出的共谋攻击者索引为：

所述数字指纹加密传输中，数字指纹嵌入和加密分配的过程如下：

a)根据数字指纹的树结构，由公式 $W_l^{(i_1,...,i_l)}=\sqrt{p_{1,l}}{a}_l^{i_1}+\sqrt{p_{2,l}}{a}_l^{i_1,i_2}+...+\sqrt{p_{l,l}}{a}_l^{i_1,...,i_l}$ 生成用户u⁽ⁱ⁾的数字指纹数据W⁽ⁱ⁾；

b)MPEG-2压缩比特流分成两个部分：第1部分包括运动矢量、量化因子和其它边信息，第2部分包含DCT系数和VLD，其中VLD可变常解码；

c)对于不嵌入指纹的DCT系数，采用VLC编码。对于嵌入指纹的DCT系数，首先进行反量化，如果它属于Sl，分组中相应的指纹数据采用SS(扩频)方式嵌入的数字指纹为

然后，对所有包含指纹数据的DCT系数进行VLC形成包含数字指纹的混合数字内容为

d)非嵌入指纹数据的DCT系数使用K^m加密并和运动矢量、边信息等一起多播给所有用户。对于1≤l＜L，

使用

加密并多播给分组用户

数字内容

用私钥K⁽ⁱ⁾加密并单播给用户u⁽ⁱ⁾；

所述数字指纹加密接收中，数字指纹嵌入和加密分配的过程如下：

a）根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾解密多播和单播的数字内容数据

其中，V可能遭受了共谋攻击，也可能没有；

b)进行MPEG-2解压缩处理：首先对解密的数据进行逆可变长解码(即VLC^-1解码)；然后进行反量化Q^-1，得到数字图像和视频信源数据的非重叠8×8DCT块，并根据密钥

得到嵌入数字指纹的DCT系数的位置，最后，结合运动补偿和反离散余弦变换操作恢复MPG-2视频图像序列；

d)根据公式(11)的CDMA/TDMA组合正交矩阵对数字指纹数据进行解调；

e)基于图6“父-子节点”关系的对称结构指纹树，利用模2操作，对每级树结构的子带系数计算奇偶，提取嵌入的数字指纹水印数据Y⁽ⁱ⁾；

f)用归一化相关系数定义公式(1)进行数字指纹的相似度测量；

g)根据统计相关性函数公式(15)-(17)，检测树结构可能发生的共谋攻击情况，并输出最后检测共谋攻击的索引。

本发明与现有技术相比具有以下优点。

本发明是考虑视频多播传输应用中，数字指纹抵抗共谋攻击的能力问题；基于数字指纹跟踪篡改非法用户的能力判断；数字指纹的有效传输带宽和加密方法；在解码端，重构视频技术问题。在本发明中1)利用扩频技术嵌入数字指纹在视频流中；为了降低通信成本，对所有用户多播传输未嵌入的视频系数；对授权用户单播嵌入数字指纹的视频系数。

本发明提出了基于树结构指纹多播技术和组合指纹设计和分配方案。与现有的正交扩频指纹和编码指纹技术比较，本发明优点是：

1)考虑***传输的通信成本和抗共谋性能，根据用户数和序列特性的差别，基于树结构指纹多播技术比正交扩频单播技术节约了48％-84％的通信成本。

2)为了进一步降低传输带宽，提出了基于树结构的CDMA/TDMA组合指纹设计和分配技术。它与树结构指纹多播技术相比，节约了3％-9％通信成本。正交指纹技术、树结构指纹多播技术和CDMA/TDMA组合指纹设计和分配技术等三种技术比较而言，当用户数较少时(约10-20个用户)，正交指纹技术单播技术性能最好；当用户数较多时(如几千个用户)，树结构组合指纹设计有最好的带宽利用效果。因此，对于嵌入较少指纹的视频序列(如人物场景)，树结构指纹多播技术有更好的带宽效率。而对于嵌入较多指纹的视频序列(如复杂环境)，在一定网络和计算条件下，树结构CDMA/TDMA组合指纹设计具有最小的通信成本。

3)为了改进接收端重构的视频质量，在没有增加通信成本的前提下，相比树结构指纹多播技术，本专利提出的指纹漂移补偿方法，使CDMA/TDMA组合指纹设计技术重构的图像质量PSNR平均提高了1-1.5dB。

为了改进接收端重构的视频质量，在没有增加通信成本的前提下，相比树结构指纹多播技术，本专利提出了一种数字指纹漂移补偿方法，使CDMA/TDMA组合指纹调制嵌入技术重构的图像质量PSNR平均提高了1-1.5dB，也就是改善了恢复的图像质量。

4)根据树结构的不同级和不同分支，专利采用不同能量大小的数字指纹调制嵌入的数学方法和抵抗共谋攻击的能力。

附图说明

图1为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之数字指纹加密传输***方框图；

图2为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之数字指纹加密接收***方框图；

图3为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之4级多小波分解的子带系数关系图；

图4为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之多小波系数的三角树划分图，其中a)一维空间上多小波树的一个分组，b)分组三角树；

图5为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之多小波树子带系数各子树分配指纹方法示意结构图；

图6为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之基于树结构的指纹分配方案图(L＝3，D₁＝D₂＝2，D₃＝3)；

图7为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之当指纹树L＝3时载体信号划分的示意图([ρ₁，ρ₂，ρ₃]＝[1/4，1/4，1/2])；

图8为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之在指纹树***上交互共谋攻击的示意图；

图9为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之基于CDMA/TDMA组合数字指纹调制的MPEG-2传输***原理图，其中a)服务器发送端数字指纹嵌入与分配过程，b)用户接收端解码处理实现过程；

图10为本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法之数字指纹嵌入到参考帧中运动矢量的漂移补偿方法的方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法作进一步详细描述。

本发明实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，包括数字指纹加密传输与数字指纹加密接收。

所述数字指纹加密传输包括下列步骤：

1)图像和视频的载体信源数据经过MPEG-2标准压缩，形成MPEG-2基本数据S_l；

2)图像或视频的数字指纹数据

利用DGHM多小波变换树进行处理，形成一种多小波树；

3)按照数字指纹的重要性排序，把数字指纹图像特征点的不同数据按照多小波树“父-子节点”关系的不同分解成不同能量的指纹向量基

并形成数字指纹数据

4)根据树结构的不同分支相互发生共谋攻击的概率决定数字指纹嵌入的能量大小及其关系；

5)在压缩域，根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾通过CDMA/TDMA正交调制矩阵把数字指纹调制嵌入到S_l中，形成包含载体基本数据和数字指纹的混合数据 $X_l^{\left(i\right)}=S_l+W_l^{\left(i\right)};$

6)对多播和单播的数据分别进行加密形成传输的数据流，最后通过信道传输；

所述数字指纹加密接收包括下列步骤：

1)根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾解密多播和单播的压缩比特流数据V，其中V可能遭受了共谋攻击，也可能没有；

2)进行MPEG-2解压缩，恢复图像和视频信源数据，同时，根据CDMA/TDMA组合正交矩阵进行解调；

3)对图像和视频数据进行DGHM分解，并把各级的相同空间位置和方向上的不同频率子带系数划分为同一组并构成一种具有“父-子节点”关系的对称结构树；

4)对每级树结构的子带系数计算奇偶，提取嵌入的数字指纹水印数据Y⁽ⁱ⁾；

5)用归一化相关系数定义如下：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W_l}^{(i_1,...,i_l)}\&CenterDot;Y^{(i_1,...,i_l)}}{\sqrt{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W_l}^{{(i_1,...,i_l)}^2}\&CenterDot;\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}^{{(i_1,...,i_l)}^2}}}--------\left(1\right)$

如果η＞T(设置的检测门限)，则数字指纹数据已经检测出来，其中T为设置的检测门限，η越接近1，说明Y⁽ⁱ⁾越近似等于原始指纹数据；

6)根据统计，相关性函数检测树结构各级发生共谋攻击，最后得到数字指纹数据。

下面详细描述：

一.***概述与实现原理

用数字指纹作为数字水印实现数字内容版权保护是信息安全应用的有力保障，其中信息隐藏的传输技术是信息安全应用的核心技术，而抗共谋和抗压缩攻击是信息隐藏核心技术的关键性能指标。尤其在不同传输信道条件下，实现数字视频数据同时可靠地传输到多用户终端，且满足固定码率和低失真的要求，是目前多播通信***研究的焦点技术。按照Shannon’s的传统理论，在给定信道容量时，信源和信道编码分部进行实现。但是，在多用户环境下，这种技术很难达到信源和信道的优化编解码。因此，传统的多播通信***存在资源优化分配问题。

本专利针对MPEG-2传输与应用技术的安全性问题，提出了一种利用数字指纹作为数字水印进行加密的多播传输***。整个***的结构如图1-2所示，图中，符号

表示图像或视频数据经过多小波变换后获得的指纹向量数据；

分别为树结构各级数据调制系数；K^m为公钥，K⁽ⁱ⁾为用户u⁽ⁱ⁾的私钥；V表示可能遭受共谋攻击后接收的数据内容；Y为解压缩后提取的数字指纹数据。

(1)***原理与实现过程说明：

传输端实现原理与基本步骤：

a)图像和视频的载体信源数据经过MPEG-2标准压缩，形成MPEG-2基本数据S_l。b)图像或视频的数字指纹数据

利用Kumsawat等人提出的DGHM多小波变换树进行处理，形成一种多小波树。

c)按照数字指纹的重要性排序，把数字指纹图像特征点的不同数据按照多小波树“父-子节点”关系的不同分解成不同能量的指纹向量基

并形成数字指纹数据

d)根据树结构的不同分支相互发生共谋攻击的概率决定数字指纹嵌入的能量大小及其关系。

e)在压缩域，根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾通过CDMA/TDMA正交调制矩阵把数字指纹调制嵌入到S_l中，形成包含载体基本数据和数字指纹的混合数据 $X_l^{\left(i\right)}=S_l+W_l^{\left(i\right)}.$

f)对多播和单播的数据分别进行加密形成传输的数据流，最后通过信道传输。

接收端实现原理与基本步骤：

a)根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾解密多播和单播的压缩比特流数据V。其中，V可能遭受了共谋攻击，也可能没有。

b)进行MPEG-2解压缩，恢复图像和视频信源数据。同时，根据CDMA/TDMA组合正交矩阵进行解调。

c)对图像和视频数据进行DGHM分解，并把各级的相同空间位置和方向上的不同频率子带系数划分为同一组并构成一种具有“父-子节点”关系的对称结构树。

d)基于模2操作，对每级树结构的子带系数计算奇偶，提取嵌入的数字指纹水印数据Y⁽ⁱ⁾。

e)相似度测量：用归一化相关系数定义如下：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W_l}^{(i_1,...,i_l)}\&CenterDot;Y^{(i_1,...,i_l)}}{\sqrt{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W_l}^{{(i_1,...,i_l)}^2}\&CenterDot;\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}^{{(i_1,...,i_l)}^2}}}-------\left(1\right)$

如果η＞T(设置的检测门限)，则数字指纹数据已经检测出来。显然，η越接近1说明Y⁽ⁱ⁾越近似等于原始指纹数据

。

f)根据统计相关性函数检测树结构可能发生的共谋攻击情况。其中，共谋攻击检测是本发明的一个特色之处，在此进行详细说明如下。

接收端共谋攻击的检测原理与基本步骤：

设SC为检测并指出共谋攻击发生概率的索引，定义共谋攻击函数产生的可疑拷贝内容为

k为共谋者，g(.)为共谋函数。则对于树的1≤l≤L级，从V中检测共谋过程如下：

a)指纹树第一级检测：检测器在第一级建立提取的数字指纹Y和每个D1指纹的统计相关性：

$T^{i_1}=\frac{<Y,a^{i_1}>}{\left|\right|a^{i_1}\left|\right|},i_1=\mathrm{1,2},...,D_1------\left(2\right)$

其中，||a||为a的欧几里得范数。第一级检测共谋篡改的区域为 $\mathrm{GR}\left(1\right)=\left\{\right[i_1]:T^{i_1}>h_1\},$ h1为第一级预测估计门限。

b)指纹树第2≤l≤L级检测：已知(l-1)级共谋攻击的估计区域为GR(l-1)。对于任意[i₁，…，i_l-1]∈GR(l-1)，第2≤l≤L级检测统计的结果为：

$T^{i_1,...,i_{l-1},i_l}=\frac{<Y,a^{i_1,i_2,...,i_{l-1},i_l}>}{\left|\right|a^{i_1,i_2,...,i_{l-1},i_l}\left|\right|},i=\mathrm{1,2},...,D_l------\left(3\right)$

检测指向共谋发生的区域 $\mathrm{GR}\left(l\right)=\left\{\right[i_1,...,i_l]:[i_1,...,i_{l-1}]\&Element;\mathrm{GR}(l-1).T^{i_1,...,i_l}\&GreaterEqual;h_l\},$ h_l为l级指纹检测的预测门限。

c)检测器估计输出共谋发生的索引设置为

(2)***的实现条件：压缩标准为MPEG-2意义下的视频图像；传输码率为1Mbps-50Mbps；多播用户数：1000-10000。

二、***各部分实现过程

(1)数字图像和数字视频帧的多小波分解

在DGHM多小波分解时，不同的尺度下，其相关小波子带系数具有的一个重要特性是方向和位置相同。尺度确定时，空间上，除最高频子带外，每个“父节点”子带系数都与下一级同一方向上的所有“子节点”子带系数相关。对于多小波多级子带，当r＝2维时，其4级多小波分解的“父-子节点”子带系数间依赖关系如图3之a)所示，

经过预滤波后，原始图像或视频帧图像被分为4幅大小相同的子图像。二维图像的离散多小波分解过程与单小波分解过程类似，但由于有多个尺度(小波)函数存在，与图像的单小波变换后的一个子图像相对应，在多小波变换后有r个子图像。在第1层多小波分解时，分别经过2个小波低通滤波和高通滤波后，原始图像变为16个子图像，其系数关系如图3之b)。在进行第2层分解时，类似单小波分解，只是将低频部分进一步地分解，高频图像部分保持不变。以此类推。分解完成后，只有最高层的4个低频图像是完全的低频图像，其余子图像中均含有高频成份。在r维尺度下，L级多小波变换可将图像分解为r²(3L+1)个子图像。由于多小波每次分解后，形成了更多的子带系数，可能破坏了图3a)的“父-子节点”关系，需要对其位置重排。具体过程是重排每个2×2子块，使得有相同空间位置关系的4个系数排在一起。

其它子带，我们把相同空间位置和方向上的不同频率子带系数划分为同一组，图4说明了在一维空间上，把HL4中1个系数和HL3的4个系数以及HL2中的16个系数划分成组的例子。其分组的总数等于LH4、HL4和HH4子带系数的总数，共有3×32×32＝3072个。

(2)数字图像和数字视频帧的多小波树结构及其数字指纹的划分条件：根据数字图像和数字视频帧的不同分布及其不同重要性，本发明构造了在一种多小波树结构的数字指纹信息隐藏技术。

多小波树构造方法如下：数字图像和数字视频帧经过DGHM分解后，我们把相同空间位置和方向上的不同频率子带系数划分为同一组并构成一个子树。按照重要性关系，把图像和视频帧各个子带系数数据按照多小波树“父-子节点”关系的不同划分成不同能量的指纹向量基。在树的不同节点上产生不同强度的数字指纹信息。其在一维空间上的结构如图5所示，其它分组系数类似。

数字指纹的划分条件：图5中，树的深度为L＝4，每一级节点都有相同的子孙节点数目D_l，l＝1，2，...，L，对于树中的每个节点其中根节点除外，i＝[i₁，...，i_l]，i_l＝1，2，...，D_l，唯一的数字指纹数据的向量基

(YZ代表多小波树中的某个子带系数)满足高斯分布

且相互独立。

(3)基于树结构抗共谋攻击的数字指纹设计

基于图5的数字指纹结构，图6说明了本发明提出的一种具有抗共谋攻击的对称树结构指纹设计方案。对称树结构中每个叶节点的深度为L，在(l-1，l＝1，2，…，L)级有相同的子节点Dl。

与共谋攻击相联系，这里假设：分组用户U^1，1中互相共谋的概率都是p₃。U^1，1分组的每个用户和另一个分组U^1，2用户相互共谋的概率为p₂，p₂＜p₃。U^1，1∪U^1，2分组中每个用户和其他组用户共谋的概率为p₁，且p₁＜p₂＜p₃。树的各级上，其唯一的指纹数据基

在树节点[i1，…，i1](除根节点)上按照高斯分布规律产生。其中l是节点的深度，而i是某个用户节点，同时指纹向量基{a}相互独立。对于每个用户而言，所有从叶节点到根节点的数字指纹分配给他，即分配给用户u⁽ⁱ⁾的数字指纹内容X⁽ⁱ⁾中，总的嵌入的L个指纹是

例如图6中，数字指纹a¹，a^1，1和a^1，1，1嵌入到数字内容X⁽¹⁾中并分配给用户u⁽¹⁾。

(4)基于树结构的数字指纹调制技术和分配方案

4.1数字指纹的CDMA与TDMA调制技术

假设载体信源数据信号S有N个可能嵌入指纹的DCT系数，那么嵌入L个指纹到S中通常有两种方法：基于CDMA和基于TDMA指纹调制嵌入方法。

基于CDMA数字指纹调制嵌入技术：在CDMA指纹调制技术中，指纹基{a}具有相同的长度N和相等的能量。这样，用户u⁽ⁱ⁾的数字指纹为树结构各级指纹向量基的累加，其具体形式为：

$W^{\left(i\right)}=\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_1}{a}^{i_1}+\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_2}{a}^{i_1,i_2}+...+\sqrt{{\mathrm{\&rho;}}_L}{a}^{i_1,i_2,...,i_L}-----\left(4\right)$

其中，{ρ_l，l＝1，2，...，L}为由不同树分支相互发生共谋攻击概率所决定的数字指纹调制系数的大小值，且有关系这说明，{ρ_l，l＝1，2，...，L}控制了树的不同级嵌入数字指纹的能量大小并调节着不同用户之间的相关性。因此，分配给用户u⁽ⁱ⁾的且包含数字指纹的视频内容形式为：X⁽ⁱ⁾＝S+W⁽ⁱ⁾，其中S为载体信号。

基于TDMA指纹调制技术：在TDMA指纹调制技术中，信号S被分成S₁，…，S_L等L个不同非重叠部分。因此，S_l中可嵌入指纹的载体信号系数数目为N_l＝ρ_lN，且

图7中，每4s中，第一秒所有帧属于Sl，第二秒所有帧属于S2，最后两秒在S3中。如果视频图像序列足够长，S_l中可嵌入指纹的载体信号系数数目近似为N_l＝p_lN。在基于TDMA指纹调制技术中，树l级的指纹基

具有长度为N_l。数字指纹内容X⁽ⁱ⁾分配给用户u⁽ⁱ⁾，l级的指纹基

嵌入到载体信号S_l中的第l部分。因此，包含数字指纹的视频内容为：

4.2数字指纹CDMA和TDMA调制矩阵

为了比较基于树结构指纹处理***的CDMA和TDMA调制性能，我们主要测量嵌入不同数字指纹内容的指纹能量大小。假设载体信号S被分成L个非重叠部分

其中N_l为S_l中可嵌入指纹系数的信号数目。同时，我们假设对于用户u⁽ⁱ⁾，

为S_l中嵌入的数字指纹。对于CDMA和TDMA调制，分配给用户u⁽ⁱ⁾且包含数字指纹的第l部分数字视频内容具体形式为：

$X_l^{\left(i\right)}=S_l+W_l^{\left(i\right)}-----\left(5\right)$

定义E_k，l为树的k级指纹基

嵌入在

中的能量，且

为

的总能量。进一步我们定义，矩阵P第k行第l列的元素为

表示树的k级指纹基

嵌入在

中的能量与总能量的比率。因此，数字指纹CDMA和TDMA调制矩阵的具体形式分别为公式(6)和公式(7)：

而在基于TDMA调制技术中有关系：

P^TDMA[N₁  N₂…N_L]^T＝N[ρ₁  ρ₂  …  ρ_L]^T-------(8)

N为载体信号系数中可嵌入指纹基的总数。

CDMA和TDMA调制数字指纹的有效带宽比较：首先，在基于TDMA调制技术中，当k＞l时，有p_k，l＝0，因此，

中仅仅在树的k≤l级嵌入了指纹基内容。注意到，指纹基

在分组

中由所有用户共享，所以指纹为因此，在TDMA调制技术中，树结构指纹分配***不仅对所有用户多播非重叠系数，而且多播分组用户共享的嵌入指纹的系数。而在CDMA调制技术中，当k＞l时，有p_k，l＞0，树结构指纹分配***仅仅多播非重叠系数。因此，从带宽利用率来看，基于TDMA调制技术比基于CDMA调制技术更有效。

CDMA和TDMA调制数字指纹的抗共谋攻击比较：在基于TDMA调制技术中，当k≠l时，有p_k，l＝0，l级指纹基

仅仅嵌入在数字指纹内容

中的第l部分。所以，共谋攻击者能够区分树的不同级嵌入指纹后数字内容的不同部分。他们能够指出指纹树的结构和共谋者在树的位置。根据收集的信息，他们能够应用特殊的攻击方式-交互共谋攻击，攻击TDMA调制技术。假设SC是指向共谋攻击的索引设置，{X⁽ⁱ⁾}_i∈SC为接收的含指纹数据的数字内容。在交互共谋攻击中，共谋攻击者分为L个分组且至少存在1≤l＜L使第l分组SC_l和第(l+1)分组SC_l+1处于指纹树的不同分支，即有关系共谋拷贝内容V包含L个非重叠部分{V_l}_{l=1，…，L}，在分组SC_l的共谋者通过共谋函数

产生V中的第l部分内容。图8说明了在指纹树结构上一种可能发生交互共谋攻击并检测的例子。图中假设共谋攻击发生的索引SC＝{1＝[1，1，1]，2＝[1，1，2]，4＝[1，2，1]，7＝[2，1，1]}(即共谋攻击发生在图中的阴影部分)。共谋者选择SC₁＝{7}，SC₂＝{4}，SC₃＝{1，2}。

产生的共谋数字内容为：

$V_1=X_1^{\left(7\right)}=S_1+a^2,$

$V_2=X_2^{\left(4\right)}=S_2+a^{\mathrm{1,2}}$

$V_3=(X_3^{\left(1\right)}+X_3^{\left(2\right)})/2=S_3+(a^{\mathrm{1,1,1}}+a^{\mathrm{1,1,2}})/2------\left(8\right)$

检测时，在树的第一级，尽管a¹和a²都涉嫌犯罪，但检测器仅仅能检测到a²，因为a¹并没有直接构成V的任何部分。这时，检测器输出检测区域为GR(1)＝[2]。在第二级，检测器试图检测是否[2，1]或[2，2]是犯罪子区域，但因为a^2，1和a^2，2都不在V中，因此，检测器指出它们都不是犯罪子区域。由于指纹树设计的特殊结构及其唯一的多级处理过程，CDMA指纹调制技术抗共谋能力优于TDMA指纹调制技术。

4.3数字指纹CDMA/TDMA组合调制技术

结合4.2论述中数字指纹CDMA和TDMA调制矩阵技术的优点，专利进一步提出一种数字指纹CDMA/TDMA组合调制嵌入技术。在组合指纹设计和分配***中，数字内容拥有者或版权拥有者首先根据图6生成一个数字指纹树。然后，使用CDMA/TDMA组合调制技术嵌入指纹数据，以改进了有效带宽。最后，内容拥有者或版权拥有者通过一定的形式分配数字内容。

数字指纹CDMA/TDMA组合调制矩阵

为了实现抵抗共谋攻击的鲁棒性以及满足传输带宽的有效性要求，在此提出一种CDMA/TDMA组合调制技术，此时调制矩阵P＝P^Joint为一个上三角矩阵。在CDMA/TDMA组合调制矩阵P^Joint中，其结构条件是：

p_k，l＝0，当k＞l时-----(9)

0＜p_k，l≤1，当k≤l时------(10)

其中，(9)式实现了有效带宽，(10)式可实现***的鲁棒性(鲁棒性意为抵抗共谋攻击的能力)。

根据公式(9)和(10)的要求，对于数字指纹树，在第1级，p_1，1＝1。在2≤l≤L级，已知p_l，l，我们寻找{p_k，l}_k＜l满足一种指纹能量分配关系：E_1，l∶E_2，l∶…∶E_l-1，l＝ρ₁∶ρ₂∶…∶ρ_l-1。这时，当k＜l时，存在关系p_k，l＝ρ_k(1-p_l，l)/(ρ₁+…+ρ_l-1)，最终形成的CDMA/TDMA组合调制矩阵形式为：

已知{p_l，l}_{l＝1，…，L}和P^Joint时，我们可寻找N₁，N₂，…，N_L满足关系：

$P^{\mathrm{Joint}}{\left[\begin{array}{ccc}{N}_1& N_2...& N_L\end{array}\right]}^T=N{\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&rho;}}_1& {\mathrm{\&rho;}}_2...& {\mathrm{\&rho;}}_L\end{array}\right]}^{T}s.t.\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_l=N,0\&le;N_l\&le;N---\left(12\right)$

从(11)可见，当p_L，L＝ρ_L时，P^Joint就是CDMA指纹调制技术。因而，我们只考虑p_L，L＞ρ_L的情况。

CDMA/TDMA组合调制指纹的嵌入技术

已知P^Joint和{N_l}_{l＝1，...，L}，在指纹树结构的1≤l≤L级，对于指纹基

存在关系： $a^{i_1,...,i_l}={a_l}^{i_1,...,i_l}\mathrm{\&Pi;}{a_{l+1}}^{i_1,...,i_l}...\mathrm{\&Pi;}{a}_L^{i_1,...,i_l}-----\left(13\right)$

这里，

服从高斯分布

且相互独立，

长度为Nk，并且嵌入到Sk中，符号“∏”表示串联因子。

对于用户

u⁽ⁱ⁾接收到的第l部分数字指纹内容为 $X_l^{(i_1,...,i_l)}=S_l+W_l^{(i_1,...,i_l)}.$

这里，数字指纹

的具体形式为：

$W_l^{(i_1,...,i_l)}=\sqrt{p_{1.l}}{a}_l^{i_1}+\sqrt{p_{2,l}}{a}_l^{i_1,i_2}+...+\sqrt{p_{l,l}}{a}_l^{i_1,...,i_l}------\left(14\right)$

共谋攻击期间，假设共有K个共谋者，SC是指向共谋者的检测索引，且共谋攻击者划分L为各个分组

对于1≤l＜L，已知数字内容

在SCl中的攻击者由

产生第l部分共谋拷贝内容，其中，nl是由共谋攻击者引入的加性噪声。假设共谋得到的数字拷贝内容为V＝V1ΩV2…ΩVL。

CDMA/TDMA组合调制指纹的检测实现技术

在接收检测端，已知通过密钥解密的数字内容为V，对于1≤l＜L，检测步骤如下：

1)首先，检测器从Vl中提取Yl。

2)指纹树的第一级检测：在第1级，检测器使提取的指纹{Y_l}_{l＝1，...，L}和每个D1指纹基

相关并计算相关统计性：

$T^{i_1}=\frac{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}<Y_k,{a_k}^{i_1}>}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|\right|{a_k}^{i_1}\left|\right|}^2}},i_1=\mathrm{1,2},...,D_1-------\left(15\right)$

检测器估计输出的第一级共谋犯罪区域为：

$\mathrm{GR}\left(1\right)=\left\{\right[i_1]:T^{i_1}>h_1------\left(16\right)$

其中，h₁为树结构第一级指纹检测的预置门限。

3)指纹树的第2≤l＜L级检测：已知检测器以前输出的共谋区域为GR(l-1)，对于每个[i₁，i₂，…，i_l-1]∈GR(l-1)，检测器计算相关统计性：

$T^{i_1,...,i_{l-1},i_l}=\frac{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}<Y_k,{a_k}^{i_1,...,i_{l-1},i_l}>}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|\right|{a_k}^{i_1,...,i_{l-1},i_l}\left|\right|}^2}},i_1=\mathrm{1,2},...,D_l------\left(17\right)$

并指出共谋攻击区域为： $\mathrm{GR}\left(l\right)=\left\{\right[i_1,...,i_l]:[i_1,...,i_{l-1}]\&Element;\mathrm{GR}(l-1),T^{i_1,...,i_l}>h_l.$ 其中，h_l为树结构第l级指纹检测的预置门限。

4)最后，检测器输出的共谋攻击者索引为：

(5)MPEG-2数字指纹调制技术及其传输实现技术

基于CDMA/TDMA组合调制技术，图9说明为一种MPEG-2视频点播(VOD)多播传输实现技术。假设K^m为公钥，

为分组用户

的密钥，K⁽ⁱ⁾为用户u⁽ⁱ⁾的私钥。

在图9之a)中的服务器发送端，数字指纹嵌入和加密分配的过程如下：

a)根据数字指纹的树结构，由公式 $W_l^{(i_1,...,i_l)}=\sqrt{p_{1,l}}{a}_l^{i_1}+\sqrt{p_{2,l}}{a}_l^{i_1,i_2}+...+\sqrt{p_{l,l}}{a}_l^{i_1,...,i_l}$ 生成用户u⁽ⁱ⁾的数字指纹数据W⁽ⁱ⁾。

b)MPEG-2压缩比特流分成两个部分：第1部分包括运动矢量、量化因子和其它边信息；第2部分包含DCT系数和VLD(可变常解码)。

c)对于不嵌入指纹的DCT系数，采用VLC编码。对于嵌入指纹的DCT系数，首先进行反量化，如果它属于Sl，分组

中相应的指纹数据采用SS(扩频)方式嵌入的数字指纹为然后，对所有包含指纹数据的DCT系数进行VLC形成包含数字指纹的混合数字内容为

d)非嵌入指纹数据的DCT系数使用K^m加密并和运动矢量、边信息等一起多播给所有用户。对于1≤l＜L，

使用

加密并多播给分组用户

数字内容

用私钥K⁽ⁱ⁾加密并单播给用户u⁽ⁱ⁾。

在图9之b)中的服务器接收端，数字指纹嵌入和加密分配的过程如下：

a)根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾解密多播和单播的数字内容数据

其中，V可能遭受了共谋攻击，也可能没有。

b)进行MPEG-2解压缩处理：首先对解密的数据进行逆可变长解码(即VLC^-1解码)；然后进行反量化(即Q^-1)；得到数字图像和视频信源数据的非重叠8×8DCT块，并根据密钥

得到嵌入数字指纹的DCT系数的位置。最后，结合运动补偿和反离散余弦变换(即IDCT)操作恢复MPG-2视频图像序列。

d)根据公式(11)的CDMA/TDMA组合正交矩阵对数字指纹数据进行解调。

e)基于图6“父-子节点”关系的对称结构指纹树，利用模2操作，对每级树结构的子带系数计算奇偶，提取嵌入的数字指纹水印数据Y⁽ⁱ⁾。

f)用归一化相关系数定义公式(1)进行数字指纹的相似度测量。

如果相似度系数η＞T(设置的检测门限)，则数字指纹数据已经检测出来。显然，η越接近1说明Y⁽ⁱ⁾越近似等于原始指纹数据

。

g)根据统计相关性函数公式(15)-(17)检测树结构可能发生的共谋攻击情况，并输出最后检测共谋攻击的索引。

三.数字指纹CDMA/TDMA组合调制的漂移补偿方法

在数字指纹传输时，前一帧嵌入的指纹数据可能会扩散到下一帧，不同帧之间的数字指纹积累并会影响接收端重构的视频帧图像的质量。因此，本专利把数字指纹嵌入到参考帧的运动矢量中，并通过单播信道传输到每个用户。其实现过程如图10所示。

漂移补偿方法的实现过程如下：a)对于每个MPEG-2编码的DCT系数，如果它没有调制嵌入数字指纹，那么进行可变长编码VLC操作，并和运动矢量、量化因子以及边信息一起通过K^m加密，多播给所有用户。

b)对于每个MPEG-2编码的DCT系数，如果它调制嵌入了数字指纹，那么首先进行反量化Q^-1，然后对用户u⁽ⁱ⁾调制嵌入相应的数字指纹数据并加入相应的漂移补偿信号数据，这样形成包含漂移补偿的数字指纹系数。接着进行量化Q和可变长编码VLC。

c)最后，通过密钥K⁽ⁱ⁾对混合数据进行加密并单播给用户i。

总之，本发明的关键点如下：

(1)在共谋攻击条件下的树结构数字指纹嵌入/检测理论模型。科学实践证明，一般的数学模型对于合理设计和评价分析具体的算法将有重要的指导意义。本专利研究共谋条件下的树结构指纹***理论模型，是从信息隐藏***模型的一般到具体、再到具体的关系。对去同步处理、数字指纹嵌入、共谋后检测等各阶段进行分析研究，有效地描述去同步映射空间大小、去同步拷贝视觉质量、加指纹后拷贝视觉质量、各阶段执行速度、共谋后拷贝质量以及共谋者数量等多约束条件下的***内在关系，为在应用中找到安全有效的数字指纹嵌入手段奠定理论基础。

(2)根据树结构的不同级和不同分支，采用不同能量指纹调制嵌入的数学方法和检测共谋攻击的能力。数字视频在存储和传输过程中一般以压缩形式存在，在实际应用中考虑以压缩视频的DCT域通过CDMA/TDMA组合指纹调制嵌入技术对抗共谋攻击具有重要的现实意义。压缩域中的指纹嵌入特性有别于正交扩频嵌入参数。采取压缩域DCT域CDMA/TDMA组合指纹调制嵌入技术有效利用了不同级、不同分支的指纹能量，选择压缩域嵌入系数既能保证执行速度又能保证视觉质量以及去同步安全性能，是本专利实时压缩域抗共谋攻击的重要关键技术和保护点。

(3)为了改进接收端重构的视频质量，在没有增加通信成本的前提下，本发明提出的指纹漂移补偿方法。

Claims (7)

1.一种实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，其特征在于：所述实现数字指纹加密的视频多播传输的方法包括数字指纹加密传输与数字指纹加密接收，

所述数字指纹加密传输包括下列步骤：

1)图像和视频的载体信源数据经过MPEG-2标准压缩，形成MPEG-2基本数据S_l；

2)图像或视频的数字指纹数据

利用DGHM多小波变换树进行处理，形成一种多小波树；

3)按照数字指纹的重要性排序，把数字指纹图像特征点的不同数据按照多小波树“父-子节点”关系的不同分解成不同能量的指纹向量基并形成数字指纹数据

4)根据树结构的不同分支相互发生共谋攻击的概率决定数字指纹嵌入的能量大小及其关系；

5)在压缩域，根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾通过CDMA/TDMA正交调制矩阵把数字指纹调制嵌入到S_l中，形成包含载体基本数据和数字指纹的混合数据

其中，K^m为公钥，K⁽ⁱ⁾为用户u⁽ⁱ⁾的私钥；

6)对多播和单播的数据分别进行加密形成传输的数据流，最后通过信道传输；

所述数字指纹加密接收包括下列步骤：

1)根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾解密多播和单播的压缩比特流数据V，其中V可能遭受了共谋攻击，也可能没有；

2)进行MPEG-2解压缩，恢复图像和视频信源数据，同时，根据CDMA/TDMA组合正交矩阵进行解调；

3)对图像和视频数据进行DGHM分解，并把各级的相同空间位置和方向上的不同频率子带系数划分为同一组并构成一种具有“父-子节点”关系的对称结构树；

4)对每级树结构的子带系数计算奇偶，提取嵌入的数字指纹水印数据Y⁽ⁱ⁾；

5)用归一化相关系数进行检测，相关系数定义如下：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W_l}^{(i_1,...,i_l)}\&CenterDot;Y^{(i_1,...,i_1)}}{\sqrt{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}}{W_l}^{{(i_1,...,i_l)}^2}\&CenterDot;\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}^{{(i_1,...,i_l)}^2}}--------\left(1\right)$

如果η＞T(设置的检测门限)，则数字指纹数据已经检测出来，其中T为设置的检测门限，η越接近1，说明Y⁽ⁱ⁾越近似等于原始指纹数据

；

6)根据统计，相关性函数检测树结构各级发生共谋攻击，最后得到数字指纹数据。

2.根据权利要求1所述的实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，其特征在于所述步骤4)与步骤6)中的共谋攻击包括下列步骤：

设SC为检测并指出共谋攻击发生概率的索引，定义共谋攻击函数产生的可疑拷贝内容为

k为共谋者，g(.)为共谋函数，则对于树的1≤l≤L级，从V中检测共谋过程如下：

a)指纹树第一级检测：检测器在第一级建立提取的数字指纹Y和每个D1指纹的统计相关性：

$T^{i_1}=\frac{<Y,a^{i_1}>}{\left|\right|a^{i_1}\left|\right|},i_1=\mathrm{1,2},...,D_1-----\left(2\right)$

其中，||a||为a的欧几里得范数，第一级检测共谋篡改的区域为

h1为第一级预测估计门限；

b)指纹树第2≤l≤L级检测：已知(l-1)级共谋攻击的估计区域为GR(l-1)，对于任意[i₁，…，i_l-1]∈GR(l-1)，第2≤l≤L级检测统计的结果为：

$T^{i_1,...,i_{l-1},i_l}=\frac{<Y,a^{i_1,i_2,...,i_{l-1},i_l}>}{\left|\right|a^{i_1,i_2,...,i_{l-1},i_l}\left|\right|},i=\mathrm{1,2},...,D_l-------\left(3\right)$

检测指向共谋发生的区域 $\left(l\right)=\left\{\right[i_1,...,i_l]:[i_1,...,i_{l-1}]\&Element;\mathrm{GR}(l-1).T^{i_1,...,i_l}\&GreaterEqual;h_l\},$ h_l为l级指纹检测的预测门限；

c)检测器估计输出共谋发生的索引设置为

3.根据权利要求1所述的实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，其特征在于：所述数字指纹CDMA/TDMA组合正交矩阵进行解调中设置有指纹漂移补偿方法，就是嵌入数字指纹数据在MPEG-2视频序列参考帧的运动矢量中，所述指纹漂移补偿方法，包含了参考帧中运动矢量嵌入的数字指纹秘密信息，且只能通过单播信道传输给合法用户，具体包括下列步骤：

a)对于每个MPEG-2编码的DCT系数，如果它没有调制嵌入数字指纹，那么进行可变长编码VLC操作，并和运动矢量、量化因子以及边信息一起通过K^m加密，多播给所有用户；

b)对于每个MPEG-2编码的DCT系数，如果它调制嵌入了数字指纹，那么首先进行反量化Q^-1，然后对用户u⁽ⁱ⁾调制嵌入相应的数字指纹数据并加入相应的漂移补偿信号数据，这样形成包含漂移补偿的数字指纹系数，接着进行量化Q和可变长编码VLC。

c)最后，通过密钥K⁽ⁱ⁾对混合数据进行加密并单播给用户i。

4.根据权利要求1所述的实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，其特征在于所述数字指纹CDMA/TDMA组合调制矩阵P＝P^Joint为一个上三角矩阵：

已知{p_l，l}_{l＝1，…，L}和P^Joint时，我们可寻找N₁，N₂，…，N_L满足关系：

$P^{\mathrm{Joint}}{\left[\begin{array}{ccc}{N}_1& N_2...& N_L\end{array}\right]}^T=N{\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&rho;}}_1& {\mathrm{\&rho;}}_2...& {\mathrm{\&rho;}}_L\end{array}\right]}^{T}s.t.\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_l=N,0\&le;N_l\&le;N-----\left(12\right)$

其中p_L，L＞ρ_L，p_1，l，p_2，l，…，p_l，l分别为树结构各级数据调制系数；ρ₁，ρ₂，...，ρ_L为树结构各级节点出现共谋攻击的概率。

5.根据权利要求4所述的实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，其特征在于在所述CDMA/TDMA组合调制指纹的嵌入中，已知P^Joint和{N_l}_{l＝1，…，L}，在指纹树结构的1≤l≤L级，对于指纹基

存在关系：

$a^{i_1,...,i_l}={a_l}^{i_1,...,i_l}\mathrm{\&Pi;}{a_{l+1}}^{i_1,...,i_l}...\mathrm{\&Pi;}{a}_L^{i_1,...,i_l}----\left(13\right)$

这里，

服从高斯分布

且相互独立，

长度为Nk，并且嵌入到Sk中，符号“∏”表示串联因子。

对于用户

u⁽ⁱ⁾接收到的第1部分数字指纹内容为这里，数字指纹

的具体形式为：

$W_l^{(i_1,...,i_l)}=\sqrt{p_{1,l}}{a}_l^{i_1}+\sqrt{p_{2,l}}{a}_l^{i_1,i_2}+...+\sqrt{p_{1,l}}{a}_l^{i_1,...,i_l}----\left(14\right)$

共谋攻击期间，假设共有K个共谋者，SC是指向共谋者的检测索引，且共谋攻击者划分L为各个分细

对于1≤l＜L，已知数字内容

在SC_l中的攻击者由

产生第1部分共谋拷贝内容，其中，n_l是由共谋攻击者引入的加性噪声，假设共谋得到的数字拷贝内容为V＝V₁ΩV₂...ΩV_L。

6.根据权利要求5所述的实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，其特征在于所述CDMA/TDMA组合调制指纹的检测中，在接收检测端，已知通过密钥解密的数字内容为V，对于1≤l＜L，检测步骤如下：

1)首先，检测器从V₁中提取Y₁；

2)指纹树的第一级检测：在第1级，检测器使提取的指纹{Y_l}_{l＝1，…，L}和每个D1指纹基相关并计算相关统计性：

$T^{i_1}=\frac{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}<Y_k,{a_k}^{i_1}>}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|\right|{a_k}^{i_1}\left|\right|}^2}},i_1=\mathrm{1,2},...,D_1----\left(15\right)$

检测器估计输出的第一级共谋犯罪区域为：

$\mathrm{GR}\left(1\right)=\left\{\right[i_1]:T^{i_1}>h_1-----\left(16\right)$

其中，h₁为树结构第一级指纹检测的预置门限；

3)指纹树的第2≤l＜L级检测：已知检测器以前输出的共谋区域为GR(l-1)，对于每个[i₁，i₂，…，i_l-1]∈GR(l-1)，检测器计算相关统计性：

$T^{i_1,...,i_{l-1},i_l}=\frac{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}<Y_k,{a_k}^{i_1,...,i_{l-1},i_l}>}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|\right|{a_k}^{i_1,...,i_{l-1},i_l}\left|\right|}^2}},i_1=\mathrm{1,2},...,D_l--------\left(17\right)$

并指出共谋攻击区域为： $\mathrm{GR}\left(l\right)=\left\{\right[i_1,...,i_l]:[i_1,...,i_{l-1}]\&Element;\mathrm{GR}(l-1),T^{i_1,...,i_l}>h_l,$ 其中，h_l为树结构第1级指纹检测的预置门限；

4)最后，检测器输出的共谋攻击者索引为：

7.根据权利要求6所述的实现数字指纹加密的视频多播传输的方法，其特征在于所述数字指纹加密传输中，数字指纹嵌入和加密分配的过程如下：

a)根据数字指纹的树结构，由公式 $W_l^{(i_1,...,i_l)}=\sqrt{p_{1,l}}{a}_l^{i_1}+\sqrt{p_{2,l}}{a}_l^{i_1,i_2}+...+\sqrt{p_{l,l}}{a}_l^{i_1,...,i_l}$ 生成用户u⁽ⁱ⁾的数字指纹数据W⁽ⁱ⁾；

b)MPEG-2压缩比特流分成两个部分：第1部分包括运动矢量、量化因子和其它边信息，第2部分包含DCT系数和VLD，其中VLD可变常解码；

c)对于不嵌入指纹的DCT系数，采用VLC编码。对于嵌入指纹的DCT系数，首先进行反量化，如果它属于S_l，分组

中相应的指纹数据采用SS(扩频)方式嵌入的数字指纹为

然后，对所有包含指纹数据的DCT系数进行VLC形成包含数字指纹的混合数字内容为

d)非嵌入指纹数据的DCT系数使用K^m加密并和运动矢量、边信息等一起多播给所有用户。对于1≤l＜L，

使用

加密并多播给分组用户

数字内容

用私钥K⁽ⁱ⁾加密并单播给用户u⁽ⁱ⁾；

所述数字指纹加密接收中，数字指纹嵌入和加密分配的过程如下：

a)根据密钥K^m，K⁽ⁱ⁾解密多播和单播的数字内容数据

其中，V可能遭受了共谋攻击，也可能没有；

b)进行MPEG-2解压缩处理：首先对解密的数据进行逆可变长解码(即VLC^-1解码)；然后进行反量化Q^-1，得到数字图像和视频信源数据的非重叠8×8DCT块，并根据密钥

得到嵌入数字指纹的DCT系数的位置，最后，结合运动补偿和反离散余弦变换操作恢复MPG-2视频图像序列；

d)根据公式(11)的CDMA/TDMA组合正交矩阵对数字指纹数据进行解调；

e)基于图6“父-子节点”关系的对称结构指纹树，利用模2操作，对每级树结构的子带系数计算奇偶，提取嵌入的数字指纹水印数据Y⁽ⁱ⁾；

f)用归一化相关系数定义公式(1)进行数字指纹的相似度测量；

g)根据统计相关性函数公式(15)-(17)，检测树结构可能发生的共谋攻击情况，并输出最后检测共谋攻击的索引。

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