DE69706871T2

DE69706871T2 - Verfahren zur Verhinderung des Kopierens von digitalen Daten

Info

Publication number: DE69706871T2
Application number: DE1997606871
Authority: DE
Inventors: Josh Hogan
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1997-10-21
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2017-10-22
Also published as: EP0918326A1; DE69706871D1; EP0918326B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Übertragung digitaler Daten oder die Aufzeichnung digitaler Daten bei Massenspeichersystemen wie z. B. Platten oder Bändern und insbesondere auf Verfahren zum Verhindern oder Sperren unbefugten Kopierens.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Digitale Informationen werden häufig über ein Netzwerk, Mikrowellen oder einen Satellit in einer Form übertragen, die von jedem, der über die passende Empfangsausrüstung verfügt, aufgefangen werden kann. CDs (Compact Disks) und digitale Audiokassetten (DAT) liefern ein digitales Aufzeichnungsmedium mit einem einzigen Standard für Daten, Software, Bilder und Audiodaten. Die vorgeschlagenen Multimedia-CDs, digitalen Videospeicherplatten, Speicherplatten mit hoher Dichte oder anderen Erweiterungen der CD- Technologie liefern höhere Kapazitäten und Bandbreiten und ermöglichen dadurch digitales Aufzeichnen von Videos. Die Möglichkeit, eine exakte Kopie zu erstellen, ist für übertragene oder aufgezeichnete digitale Informationen häufig eine wesentliche Eigenschaft, da sie den Austausch, die Verteilung und Archivierung der Informationen ermöglicht. Gelegentlich ist es jedoch notwendig, das Kopieren zu verhindern. Beispielsweise ist es illegal, eine unbefugte Kopie von urheberrechtlich geschütztem Material zu erstellen. Bei Anbietern von Software, Musik und Videos ist es notwendig, urheberrechtlich geschützte Werke in digitaler Form zu verbreiten und dabei gleichzeitig das unbefugte Kopieren dieser Werke zu verhindern. Es besteht Bedarf nach einem Verfahren zum selektiven Sperren des Kopierens digitaler Informationen. In der folgenden Anmeldung soll das Wort "Übertragung" sowohl das Senden von Daten an als auch die Wiedergewinnung von Daten von einem Aufzeichnungsgerät beinhalten. Im allgemeinen wird zur Veranschaulichung die Aufzeichnung verwendet, aber die Konzepte sind ebensogut auf andere Typen digitaler Datenübertragung anwendbar.
Digitale Daten werden selten in ihrer ursprünglichen digitalen Form übertragen oder aufgenommen. Statt dessen beinhaltet die digitale Übertragung oder Aufzeichnung mit hoher Dichte typischerweise zahlreiche Abwägungen verschiedener Einschränkungen, was dazu führt, daß die Originaldaten in Bitmuster codiert werden, welche den verschiedenen Einschränkungen genügen. Zuerst gibt es typischerweise eine Abwägung zwischen Aufzeichnungsdichte und Fehlerrate. Eine endliche Fehlerrate erfordert, daß zusätzliche Informationen für die Fehlererkennung und -korrektur hinzugefügt werden.
Eine zweite Einschränkung betrifft die höchste zulässige Übergangsfrequenz. In der Magnetik wird eine verwandte Beschränkung üblicherweise als Intersymbolstörung bezeichnet. Typischerweise hat jeder Zustandsübergang im Aufzeichnungmedium einen verzerrenden Effekt auf benachbarte Übergänge. Diese Verzerrung legt einen Maximalwert für die Anzahl aufeinanderfolgender Übergänge in einer spezifizierten Mindestbeabstandung fest. Alternativ gibt es bei jedem Aufzeichnungsmedium eine maximale Rate, bei der einige physikalische Phänomene ihren Zustand wechseln können.
Eine dritte typische Einschränkung ist das Selbsttakten. Für serielle binäre Daten muß ein Taktsignal für die Decodierung der Daten oft aus der Zeitgebung der Übergänge eines Lesesignals (Umkehr von Spannung oder Strom, Änderung der Frequenz oder Phase, Änderung der Lichtstärke, usw.) extrahiert werden. Die Übergänge müssen in angemessener Frequenz erfolgen, um das Taktsignal synchronisiert zu halten.
Serielle binäre Daten liegen häufig physisch in einem Format vor, das NRZI (NRZI = NonReturn to Zero Inverted) genannt wird. Im NRZI-Format befindet sich der Signalverlauf in einem Zustand, bis eine binäre Eins auftritt, dann wechselt der Signalverlauf in einen entgegengesetzten Zustand. Die oben erläuterte maximale Übergangsrate oder die Beschränkungen durch Intersymbolstörung legen einen Mindestwert bezüglich der Zeitdauer fest, die zwischen Übergängen vergehen kann. Die Erfordernis der Selbsttaktung legt einen Höchstwert bezüglich der Zeitdauer fest, die ohne Übergang vergehen kann. Ein Code, der der Einschränkung der maximalen Übergangsrate, der Einschränkung der Selbsttaktung und die Anforderungen des NRZI-Formats genügt, wird üblicherweise als RLL-Code (Runlength Limited Code = lauflängenbegrenzter Code) bezeichnet. Bei einem RLL-Code muß die Anzahl aufeinanderfolgender binärer Nullen im codierten Bitmuster mindestens so hoch wie ein spezifizierter Nicht- Null-Minimalwert und nicht höher als ein spezifizierter Maximalwert sein. Beispielsweise verwenden CDs typischerweise einen Code, der als (2,10)-RLL festgelegt ist, was bedeutet, daß die Anzahl aufeinanderfolgender Nullen im codierten Bitmuster mindestens 2 betragen und höchstens 10 betragen darf.
Eine vierte typische Einschränkung bezüglich des codierten binären Signals ist das Erfordernis eines Grenzwerts bezüglich des Niederfrequenzanteils des Lesesignals. Bei vielen Lesekanaldetektoren wird ein Übergang angezeigt, wenn das Lesesignal eine feste Schwelle überquert. Jeder Niederfrequenzanteil im Lesesignal kann einen Versatz verursachen und begrenzt dadurch den Dynamikbereich des Detektors. Für beschreibbare optische Speicherplatten können unter Verwendung der Niederfrequenzmodulation des Lesesignals zusätzlich Spurfolge- und Fokussierungssignale implementiert werden. Jeder Niederfrequenzanteil im Lesesignal kann die Spurverfolgung und Fokussierung stören. Unter erneuter Bezugnahme auf das NRZI-Format ordne man den Wert +1 einem Zustand eines Signals zu und den Wert -1 dem entgegengesetzten Zustand. Eine Summe dieser Werte (oder die Fläche unterhalb der Kurve) wird als DSV (Digital Sum Variance = digitale Summenvarianz) oder alternativ als RDS (Running Digital Sum = digitale Laufsumme) bezeichnet. Bei vielen Detektoren gibt es einen spezifizierten Maximalwert für die DSV oder RDS, und jede DSV, welche den spezifizierten Maximalwert überschreitet, verursacht wahrscheinlich Datenlesefehler oder Servoprobleme.
Es ist üblich, die ursprünglichen digitalen Daten in andere digitale Daten zu codieren, die den oben genannten Einschränkungen genügen. Typischerweise werden die Originaldaten in Symbole unterteilt, wobei ein Symbol eine kleine feste Anzahl von Bits ist, typischerweise ein Byte (8 Bits). Typischerweise wird jedes Symbol als Index in eine Nachschlagtabelle verwendet, die Bitmuster (genannt Kanalbits) enthält, die den verschiedenen Einschränkungen genügen. Bei CDs beispielsweise unterteilt das derzeitige Standardformat die Originaldaten in 8-Bit-Symbole, wobei jedes 8-Bit-Symbol als Index in eine Tabelle von Kanalbitmustern verwendet wird, und wobei jedes Kanalbitmuster in der Tabelle 14 Bits umfaßt. Der entsprechende Codierer wird üblicherweise ein EFM-Codierer, für 8-bis-14-Modulation (EFM = eight-to-fourteen modulation) genannt. Jedes der 14-Bit- Muster wird der oben beschriebenen (2,10)-RLL-Einschränkung gerecht. Wenn jedoch ein 14-Bit-Muster mit einem anderen verkettet wird, kann die Kombination des Endes des einen Musters und des Anfangs eines anderen Musters eine Verletzung der (2,10)-RLL-Einschränkung verursachen, und einige Zeichenfolgen von verketteten Mustern können eine DSV- Einschränkung verletzen. Drei zusätzliche Bits, genannt Verschmelzungsbits, werden zwischen die 14-Bit- Tabellenmuster eingefügt, um das Ende des einen Musters mit dem Anfang des nächsten Musters zu verschmelzen. Bei geeignet ausgewählten Verschmelzungsbits erfüllen die daraus resultierenden Kanalbits die (2,10)-RLL-Anforderung und die DSV-Anforderung. Im Endergebnis werden für alle 8 Bits uncodierter Daten 17 Bits aufgenommen (nicht 14, wie der Name EFM vermuten läßt).
Für Multimediaaufzeichnungen wurde eine Verbesserung der EFM-Codierung vorgeschlagen, genannt EFMPlus. Bei EFMPlus ist der Decodierer eine Zustandsmaschine. Für jeden Zustand der Zustandsmaschine gibt es eine getrennte Nachschlagtabelle. Im allgemeinen variiert für jedes Symbol das entsprechende Kanalbitmuster abhängig vom Zustand. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß das Kanalbitmuster für mindestens zwei Zustände dasselbe sein kann. Zusätzlich spezifiziert jeder Tabelleneintrag auch den nächsten Zustand. EFMPlus schafft die Verschmelzungsbits ab und verwendet statt dessen etwas längere Tabelleneinträge und eine komplizierte Ersetzung von alternativen Kanalbitmustern. Typischerweise schaut der Codierer voraus auf ankommende Symbole und ihre möglichen alternativen Muster und wählt das geeignetste Muster sowohl für RLL und DSV aus. Das Endergebnis des EFMPlus-Vorschlags besteht darin, daß für alle 8 Bits uncodierter Daten 16 Bits aufgenommen werden, was eine Verbesserung der Dichte von ungefähr 6% relativ zu EFM bedeutet. Bei dem vorgeschlagenen Standard für die EFMPlus- Codierung sind die Einträge der Nachschlagtabelle ein Standard, um ein eindeutiges Decodieren zu ermöglichen. Die Codieralgorithmen zur Bestimmung des alternativen Bitmusters und des entsprechenden nächsten Zustands wird sich jedoch typischerweise von Hersteller zu Hersteller unterscheiden. Daher können unterschiedliche Hersteller identische Symbolsätze zur Aufzeichnung in unterschiedliche binäre Kanalbitsequenzen codieren, aber alle solche Sequenzen können eindeutig decodiert werden. Weitere allgemeine Informationen über Multimedia-CDs und EFMPlus können beispielsweise K.A.S. Immink, "EFMPlus: THE CODING FORMAT OF THE MULTIMEDIA COMPACT DISC", IEEE Transactions on Consumer Electronics, Bd. 41, Nr. 3, S. 491-497, August 1995, entnommen werden.
Weder EFM noch EFMPlus können vollständig garantieren, daß der DSV-Einschränkung genügt wird. Bei jedem Codierverfahren gibt es mögliche Sequenzen von Kanalbits, die zu einer großen akkumulierten DSV führen können. Bei EFMPlus kann der Codiersystem-Entwickler die Wahrscheinlichkeit einer großen akkumulierten DSV auf eine kommerziell akzeptable Wahrscheinlichkeit reduzieren, aber er kann die Wahrscheinlichkeit nicht auf Null reduzieren. Auch wenn von einem digitalen Standpunkt aus alle zulässigen Sequenzen von Kanalbits eindeutig decodiert werden können, gibt es potentielle analoge Dynamikbereichprobleme beim Lesekanal, die ein korrektes Decodieren verhindern können oder die bei schreibbaren Versionen die Führung stören können. Es gibt Möglichkeiten, diese Eigenschaft auszunutzen, um das Kopieren zu sperren.
Es gibt zusätzliche Formatierungsdetails für die vorgeschlagenen Multimediaaufzeichnungsstandards, die zusätzliche Möglichkeiten für den Kopierschutz schaffen. Bei den vorgeschlagenen Standards für digitale Videospeicherplatten werden die ursprünglichen digitalen Informationen in Blöcke unterteilt, wobei jeder Block eine Zeilen- und Spaltenfehlerkorrektur enthält. Es gibt Möglichkeiten, verschiedene Eigenschaften der Blockformatierung auszunutzen, um das Kopieren zu sperren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es gibt drei Beispiele, die von der EP-A-0791 923 bekannt sind. Die ersten beiden Beispiele nutzen die Tatsache aus, daß einige Symbolsequenzen wahrscheinlich durch "Standard"- Codierer in eine Sequenz von Kanalbits codiert werden, die zu einer großen akkumulierten DSV führt, und wahrscheinlich durch die meisten Lesekanäle nicht zuverlässig erkannt werden kann.
Bei einem ersten Beispiel codiert ein spezieller Codierer eine Originalsequenz von Symbolen in eine Sequenz von Kanalbits, die von allen Decodierern gelesen werden kann. Standardcodierer werden die selbe Originalsequenz von Symbolen wahrscheinlich in eine unterschiedliche Sequenz von Kanalbits codieren, die zu einer großen akkumulierten DSV führen wird. Daher können die speziellen Kanalbits eindeutig decodiert werden, aber ein darauffolgendes Neucodieren führt wahrscheinlich zu unlesbaren Kanalbits. Der spezielle Codierer trifft eine oder mehrere nicht optimale (über der Kurzzeit) Auswahlen von Kanalbits und versetzt dadurch den Codierer in einen Zustand, der eine Langzeitfortschreitung von Zuständen verhindert, die zu einer großen akkumulierten DSV führen. Ein Umgehungsschalter kann dazu verwendet werden, die nicht optimale Auswahl zu erzwingen.
Bei einem zweiten Beispiel werden einer oder mehrere absichtliche Fehler in die Sequenz von Symbolen eingeführt, nachdem Fehlerkorrektursymbole hinzugefügt wurden. Die resultierende Sequenz von Symbolen mit Fehlern codiert sich zu einer Sequenz von Kanalbits, die von allen Decodierern gelesen werden kann. Der fehlerkorrigierte Symbolsatz codiert sich jedoch wahrscheinlich zu einer Sequenz von Kanalbits, die zu einer großen akkumulierten DSV führen.
Das dritte Beispiel nutzt eine Eigenschaft des Datensperrformats aus. Ein spezieller Codierer codiert zusätzliche Informationen, ohne Zusatzdaten hinzuzufügen. Bei einem bestimmten Beispiel wird die DSV für jede einzelne Halbzeile von blockmäßig angeordneten Daten berechnet (wobei eine Halbzeile aus 91 Byte besteht, einschließlich Fehlerkorrektur- und Synchronisationssymbolen), und die Informationen werden in das Vorzeichen der DSV-Werte von blockmäßig angeordneten Halbzeilen codiert. Bei einer alternativen Implementierung werden die Informationen in eine Lauflängenverteilung codiert. Bei jeder der Alternativen kann das Codieren durch die Auswahl von Kanalbits oder durch die Einführung von absichtlichen Fehlern ausgeführt werden. Die zusätzlichen codierten Informationen werden durch den Codierer extrahiert und an einen Prozessor oder an einen höherstufigen Codierer für eine Verwendung beim Entschlüsseln oder Entwürfeln der codierten Symbole weitergeleitet. Standardcodierer werden für das Vorzeichen der DSV von Halbzeilen nicht das gleiche Muster oder die gleichen Lauflängenmuster erzeugen, wenn sie die gleichen ursprünglichen, verschlüsselten oder verwürfelten Symbole codieren.
Für jedes der Beispiele können die Originaldaten exakt wiederhergestellt werden, aber andere Codierer werden wahrscheinlich die selben Originaldaten in Kanalbits codieren, die nicht wiederhergestellt werden können, oder andere Codierer werden die selben Originaldaten in Kanalbits codieren, die wesentliche Entschlüsselungs- oder Entwürfelungsinformationen nicht umfassen. Die drei Beispiele sind unabhängig und es können jeweils zwei oder alle drei kombiniert werden. Die ersten beiden Beispiele erfordern keine Veränderung der vorgeschlagenen Standards, aber jedes erfordert eine Hinzufügung weiterer Zusatzdaten. Das dritte Beispiel erfordert keine weiteren Zusatzdaten, aber erfordert, daß die Decodierer die Fähigkeit aufweisen, die zusätzlichen Informationen zu extrahieren und die zusätzlichen Informationen an einen Prozessor oder einen höherstufigen Decodierer weiterzuleiten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines digitalen Aufzeichnungssystems das das Verfahrens der Erfindung unfaßt;
Fig. 2 ist eine Tabelle, die Nachschlagtabellen von Codiermustern für einen Mehrfachzustandscodierer zeigt;
Fig. 3A ist eine Graphik eines Digital Sum Value = Digitalsummenwerts (DSV), der sich aus einer speziellen Symbolsequenz und einem Standardcodierer ergibt;
Fig. 3B ist eine Fortsetzung von Fig. 3A;
Fig. 3C ist eine Graphik eines DSV für die gleiche Symbolsequenz wie in Fig. 3A, aber mit einem speziellen Codierer;
Fig. 3D ist eine Fortsetzung von Fig. 3C; und
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm von Daten, die gemäß den vorgeschlagenen Standards in einen Block formatiert sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN

AUSFÜHRUNGSBEISPIELS DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt ein digitales Aufzeichnungssystem. Die Originaldaten sind in eine Sequenz von Symbolen 100 unterteilt. Im Modul 102 werden die Daten blockmäßig angeordnet, es werden zusätzliche Symbole 104 für eine Fehlererkennung und - korrektur hinzugefügt, und Anfangsblock- und Synchronisationsdaten werden hinzugefügt. Die modifizierte Sequenz von Symbolen 106 wird durch einen Codierer 108 in eine Sequenz von Kanalbits 110 codiert. Die Kanalbits 110 werden auf ein Aufzeichnungmedium geschrieben, das in Fig. 1 als eine Speicherplatte 112 dargestellt ist. Ein Lesesignal 114 von der Speicherplatte 112 wird durch den Detektor 116 von einem analogen Signal in eine binäre Sequenz 118 umgewandelt. Die binäre Sequenz 118 wird durch einen Decodierer 120 in eine Symbolsequenz 122 decodiert. Die Fehlererkennung und - korrektur wird, sofern sie geeignet ist, in einem Modul 124 ausgeführt, und die Fehlererkennungs- und korrektursymbole 126 werden zusammen mit anderen Zusatzdaten entfernt. Die resultierende Endsymbolsequenz 128 ist idealerweise identisch zu der Originalsymbolsequenz 100.
Bei einem ersten Beispiel trifft ein spezieller Codierer 108 eine nicht optimale Kanalbitentscheidung für den Kurzzeit-DSV, was eine Sequenz von Kanalbits 110 ergibt, die sich von der Sequenz von Kanalbits unterscheidet, die die meisten anderen Codierer aus den gleichen Originaldaten 100 erzeugen. Die spezielle Sequenz von Kanalbits führt nicht zu einer großen akkumulierten DSV. Die Sequenz von Kanalbits von anderen Codierern führt wahrscheinlich zu einer großen akkumulierten DSV. Es ist unwahrscheinlich, daß andere Codierer die gleiche nicht optimale Auswahl für die Kurzzeit-DSV treffen.
Bei einem zweiten Beispiel werden absichtliche Fehler in den Symbolstrom 106 eingeführt, nachdem die Fehlerkorrektursymbole 104 hinzugefügt wurden. Die resultierende decodierte und fehlerkorrigierte Symbolsequenz 128 ist identisch zu der Originalsymbolsequenz. Ein unterschiedliches Codiersystem wird jedoch nicht die gleiche Kanalbitsequenz 110 erzeugen, solange es nicht die selben absichtlichen Fehler einführt. Ohne die absichtlichen Fehler führt die resultierende Sequenz von Kanalbits zu einer großen akkumulierten DSV.
Bei einem dritten Beispiel werden zusätzliche Informationen durch den Codierer 108 codiert und durch den Decodierer 124 decodiert. Die zusätzlichen Informationen werden für eine Entschlüsselung, Entwürfelung oder eine andere Datenmodifikation verwendet.
Fig. 2 zeigt Nachschlagcodiertabellen für einen Mehrfachzustandscodierer, wie er bei dem EFMPlus-Vorschlag vorgeschlagen wird. In Fig. 2 gibt es eine Hauptnachschlagtabelle 200 und eine Ersatztabelle 214. Die Hauptnachschlagtabelle 200 weist Codeeinträge für 256 Symbole (Bezugszeichen 202) in vier Spalten (Bezugszeichen 204, 206, 208 und 210) auf, die vier möglichen Zuständen einer Zustandsmaschine entsprechen. Die Zahl rechts von jedem Code (beispielsweise Bezugszeichen 212) zeigt den nächsten Zustand an. Wenn sich die Zustandsmaschine beispielsweise im Zustand 1 (Bezugszeichen 204), Codiersymbol 80 befindet, wechselt die Zustandsmaschine auf Zustand 3. Allgemein kann ein spezielles Kanalbitmuster für mehrere Symbole, aber bei verschiedenen Zuständen eingetragen sein, wodurch ein zustandsabhängiger Decodierer erorderlich ist. Für alle Symbole außer den ersten 88 gibt es typischerweise zwei Alternativen für die entsprechenden Kanalbits, so daß zwei der vier Zustände eine Alternative ergeben, während die anderen zwei Zustände die andere Alternative ergeben. Die Ersatztabelle 214 ist nur für die ersten 88 Symbole verfügbar. Bei den ersten 88 Symbolen kann der Codierer entscheiden, ob er den Code (und die nächste Zustandsbenennung) entweder von der Haupttabelle 200 oder von der Ersatztabelle 214 verwendet. Bei den ersten 88 Symbolen ist die DSV jeder Sequenz von Kanalbits in der Haupttabelle negativ, während die DSV von jeder Sequenz von Kanalbits in der Ersatztabelle überwiegend positiv ist. Nur die ersten 88 Zeilen liefern eine Auswahl von Kanalbits bei jedem Zustand. Daher bieten nur die ersten 88 Zeilen eine volle DSV-Steuerung und schaffen dadurch die Gelegenheit für das erste Beispiel.
Die Fig. 3A und 3B veranschaulichen eine Symbolsequenz: 80, 132, 220, 154, ..., wiederholt 220, 154 (Bezugszeichen 300). Bei den Fig. 3A und 3B codiert ein Standarddecodierer im Zustand 1 (Bezugszeichen 302) der Ersatztabelle das Symbol 80 in Kanalbits 0000100100100100 (Bezugszeichen 304), wobei die Bits von links nach rechts geschrieben werden. Ein NRZI-Signalverlauf 306 beginnt in einem +1-Zustand und bleibt in diesem Zustand bis zur ersten binären Eins in den Kanalbits (beginnend von links), zu welchem Zeitpunkt er den Zustand auf -1 ändert. Nach zwei binären Nullen in den Kanalbits wechselt der NRZI-Signalverlauf die Zustände wieder zurück auf +1. Die DSV, wie sie in den Fig. 3A bis 3D graphisch dargestellt ist, ist die Laufsumme der NRZI- Signalform 306.
Die Fig. 3C und 3D veranschaulichen die gleiche Symbolsequenz wie die Fig. 3A und 3B, aber codiert durch einen speziellen Codierer. Der spezielle Codierer beginnt im Zustand 1 in der Haupttabelle (Fig. 2, Bezugszeichen 200). Von Codierern wird erwartet, daß sie einige Symbole weit (beispielsweise 2 bis 3 Symbole) voraus schauen und alle möglichen Alternativen um die besten Auswahlen für die Minimierung des DSV zu bestimmen. Man vergleiche den DSV- Signalverlauf für die Fig. 3A und 3C am Ende des dritten Symbols (Symbol 220). Vergleichen Sie außerdem die DSV- Signalformen für die Fig. 3B und 3D am Ende des vierten Symbols (Symbol 154). In jedem Fall ist die Größe des DSV beim Standardcodierer (Fig. 3A und 3B) kleiner. Für einen Codierer, der 2 oder 3 Symbole weit vorrausschaut, um zu entscheiden, welche alternativen Kanalbits er verwendet, ist unter Vorgabe der beiden in den Fig. 3A-3D dargestellten Alternativen die in den Fig. 3A und 3B veranschaulichte Auswahl die optimale Auswahl. In der Tat wurde die Symbolsequenz 80, 132, 220 jedoch eingerichtet, um die Codierzustandsmaschine dahingehend zu lenken oder "auszutricksen", daß diese einen Pfad wählt, der für das Symbol 220 zum Zustand 2 führt. Der alternative Pfad vom Symbol 80 führt zum Zustand 3 für das Symbol 220. Das Symbol 132 beeinflußt den Codierer dahingehend, daß er einen gewünschten Pfad auswählt. Falls notwendig, könnten längere Sequenzen verwendet werden, um einen speziellen Zustand für ein spezielles Symbol sicherzustellen, wie z. B. Zustand 2 für Symbol 220. Dann ergibt eine sich wiederholende Serie von Symbol 154 im Zustand 3, gefolgt von Symbol 220 im Zustand 2 und zurück zu Symbol 154 im Zustand 3 usw. in einem sich wiederholenden Muster, in dem es mehr Nullen gibt, wenn sich das NRZI-Signal im Zustand -1 befindet, als es Nullen gibt, wenn sich das NRZI-Signal im Zustand +1 befindet, und die DSV akkumuliert unendlich in eine negative Richtung, wie in Fig. 3B gezeigt.
Der Hauptunterschied zwischen dem Standardcodierer der Fig. 3A und 3B und dem Spezialcodierer der Fig. 3C und 3D liegt darin, daß der Spezialcodierer für die ersten drei Symbole eine anscheinend weniger optimale Auswahl trifft, indem er in die sich wiederholende Sequenz von Symbolpaaren (Symbole 220, 154) vom Zustand 3 anstatt vom Zustand 2 gelangt. Die sich wiederholenden Codes für die daraus resultierenden sich wiederholenden Zustände ergeben eine DSV, die sich nicht akkumuliert, wie in Fig. 3D gezeigt. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß eine einzige Auswahl für die Kanalbits und den entsprechenden Zustand (beispielsweise für das Symbol 80 in Fig. 3A) zu einer Fortschreitung einer akumulierenden DSV führen kann, indem kein Weg aus einer speziellen Zustandssequenz ermöglicht wird. Alternativ kann eine einzige nicht optimale Auswahl für die Kanalbits und den entsprechenden Zustand das Fortschreiten einer langen unerwünschten Sequenz von Zuständen verhindern. Der Spezialcodierer könnte mit einem Schalter versehen werden, der die nicht optimale Auswahl zur geeigneten Zeitpunkt erzwingt.
Eine entworfene Sequenz, die ausreichend lang ist, um eine große akkumulierte DSV sicherzustellen, vergrößert notwendigerweise den Zusatz für einen Datenblock wesentlich. Daher sollte die Verwendung begrenzt werden. Für den Kopierschutz von Software reicht es aus, nur einige Blöcke mit den extra Zusatzsequenzen zu haben, aber in diesen "geschützten" Blocks sollten sich bevorzugt wesentliche Software oder die wesentlichen Daten befinden. Bei Videos erscheinen individuelle "geschützte" Blocks bevorzugt einmal alle 15 bis 20 Sekunden. Aufgrund der zusätzlichen Zusatzdaten könnte jede höhere Frequenz von geschützten Blöcken die Bildqualität stören. Falls die Frequenz jedoch zu niedrig ist, könnten geschützte Blocks spezielle Merkmale, wie z. B. das Umkehrabspielen, erschweren. Falls beispielsweise die Informationen in jedem geschützten Block nötig sind für die Entwürfelung der darauffolgenden Videorahmen, müßte das Umkehrabspielen jedesmal zu einem vorherigen geschützten Block umkehren, um das Abspielen von Rahmen nach diesem geschützten Block zu ermöglichen.
Das zweite Beispiel ist eine Variation des ersten Beispiels und nutzt ebenfalls die Symbolsequenzen aus, die zu einer DSV-Verletzung führen. Man beachte beispielsweise noch einmal die Symbolsequenz in den Fig. 3A bis 3D (80, 132, 220, 154, 220, 154, ...) und nehme erneut Bezug auf Fig. 1. Wenn das Modul 102 die Symbole blockmäßig anordnet, kann die Symbolsequenz der Fig. 3A bis 3D an einen Block hinzugefügt werden. Dann kann der Codierer 108 extern, beispielsweise durch einen Prozessor, angewiesen werden, um ein anderes Symbol durch das Symbol 132 zu ersetzen. Dieses Ersatzsymbol ist sorgfältig ausgewählt, um den Codierer 108 wie in Fig. 3B dazu zu bringen, den Zustand 3 für Symbol 220 zu wählen. Wenn die resultierenden Kanalbits decodiert werden, wird das Modul 124 den Symbolfehler erfassen und das Ersatzsymbol zu Symbol 132 zurückkorrigieren. Daraufhin verläuft jede weitere Codierung durch Standardcodierer wie in Fig. 3A, was zu einer großen akkumulierten DSV führt.
Fig. 4 zeigt ein vorgeschlagenes Format für die blockmäßige Anordnung von Daten. In Fig. 4 hat der Block 400 192 Zeilen von Datenbytes. Jede Zeile hat eine Reihe von Synchronisationsbytes (402, 404), gefolgt von 91 Datenbytes (406), gefolgt von zusätzlichen Synchronisationsbytes (408, 410), gefolgt von 91 Datenbytes (412), gefolgt von Fehlerkorrekturbytes (413) für die Zeile. Zusätzlich hat jede Spalte von 192 Bytes Fehlerkorrekturbytes (416, 418). Bei einem vorgeschlagenen Format sind ein Teil der Zusatzdaten für jede Halbzeile von 91 Datenbytes Synchronisationsdaten, die auch als DSV-Steuerung dienen können. Diese Daten sind in Fig. 4 als "synchronisationsspezifisch"(404, 410) etikettiert. Es ist zu beachten, daß ein Synchronisationsbyte die Richtung der Akkumulation umkehren könnte oder den Zustand in eine Zustandssequenz zwingen könnte, die zu etwas anderem führt als zum Zustand 2 für Symbol 220. Daher kann für dieses vorgeschlagene Format eine Sequenz von akkumulierten DSV, wie oben erläutert, alle 91 Bytes unterbrochen werden. Das Verfahren, das für das erste Beispiel beschrieben wurde, kann einfach nach jeweils 91 Bytes wieder gestartet werden. Bei absichtlichen Fehlern jedoch, falls ein Fehler wiederholt in die gleiche Spalte für jede Zeile eingeführt wird, werden die Fehler die Spaltenfehlerkorrekturfähigkeit (ECC = Error Correction Capability) überwiegen und können nicht korrigiert werden. Falls jedoch mehrere absichtliche Fehler entlang einer Diagonale (420) plaziert werden, wie in Fig. 4 abgebildet, gibt es nur einen absichtlichen Fehler pro Zeile und nur einen absichtlichen Fehler pro Spalte. Jeder absichtliche Fehler ist dann durch den Zeilen- und Spaltenfehlerkorrekturcode korrigierbar. Bei einem dritten Beispiel codiert ein Spezialcodierer zusätzliche Informationen, die für Entschlüsselung oder Entwürfelung verwendet werden können.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 4 hat jede Halbzeile 91 Symbole. Es ist möglich, Daten für jede Halbzeile von 91 Symbolen in die DSV zu codieren, ohne eine akkumulierte DSV zu verursachen und ohne die Zusatzdaten zu beeinflußen. Wenn beispielsweise ein Ansicht aller 91 Symbole für eine Halbzeile vorliegt, können Kanalbitauswahlen getroffen werden, um sicherzustellen, daß die DSV für jede Halbzeile entweder negativ oder positiv ist. Alternativ kann in jede Halbzeile ein absichtlicher Fehler eingeführt werden, um sicherzustellen, daß der DSV für jede Halbzeile entweder negativ oder positiv ist. Alternativ kann die DSV dazu gebracht werden, einen vorzeichenbehafteten numerischen Wert innerhalb eines spezifizierten Bereichs zu haben. Als ein spezifisches Beispiel kann ein einzelnes Bit von Informationen pro Zeile wie folgt codiert werden. Man läßt das einzelne Bit eine logische Eins sein, wenn die DSV der ersten Halbzeile positiv ist und die DSV der zweiten Halbzeile negativ ist. Ansonsten läßt man das einzelne Bit eine logische Null sein. Diese Codierung des Vorzeichens der DSV pro Zeile liefert 192 Bits oder 24 Bytes pro Block. Diese zusätzlichen Daten können durch den Decodierer extrahiert werden und für eine Verwendung bei der Entschlüsselung, Entwürfelung oder eine anderweitige Modifikation der Originaldaten an einen Prozessor oder höherstufigen Decodierer geliefert werden. Das Decodieren der speziellen zusätzlichen Daten ist relativ einfach (Berechnen der DSV für jede Halbzeile). Die Bestimmung der passenden Sequenzen von Kanalbits, beispielsweise für die Menge an Daten in einem Video, kann ausgedehnte Offline- bzw. gesonderte Berechnungen eines leistungsstarken Computers erfordern. Daher ist es höchst unwahrscheinlich, daß ein Standardcodierer die gleiche spezielle Codierung erzeugen würde.
Als Alternative zum Codieren von Daten in der DSV von Halbzeilen können die Daten auch in die Längen von Läufen binärer Nullen codiert werden. Durch Ansicht einer gesamten Halbzeile können alternative Kanalbitentscheidungen getroffen werden, um die Läufe von binären Nullen zu beeinflussen, ohne den Daten Zusatzdaten hinzuzufügen oder DSV- Probleme zu verursachen. Alternativ können absichtliche Fehler eingeführt werden, um die Läufe von binären Nullen zu beeinflussen. Als Beispiel könnte ein einzelnes Bit eine logische Eins sein, wenn es mehr als X Läufe von Y oder mehr Nullen in der ersten Halbzeile gibt und weniger als X Läufe von Y oder mehr Nullen in der zweiten Halbzeile. Eine weitere Alternative ist es, einfach die Anzahl der Übergänge oder der Einsen in einer Linie zu zählen. Die Codierung könnte darauf basieren, ob die Anzahl gerade oder ungerade ist, oder ob die Anzahl eine bestimmte Schwellenanzahl überschreitet. Es ist besser, ein Verfahren zu verwenden, das gegenüber einer kleinen Anzahl von Bitfehlern immun ist, beispielsweise eine Schwelle mit einer gewissen Spanne.
Eine Version der Codierung zusätzlicher Daten kann unter Verwendung der drei Verschmelzungsbits auf aktuellen CDs implementiert werden, was ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. Bei einer großen Anzahl von Datensequenzen hat ein Codierer die Auswahl, welche Verschmelzungsbits er verwendet, und der Codierer kann diese Auswahl dazu verwenden, einen Verschlüsselungscode zu codieren. Er kann dies tun, ohne die DSV-Steuerung zu verringern. Die Decodierer müssen die zusätzliche Fähigkeit besitzen, die Information aus den Verschmelzungsbits zu extrahieren. Eine Beispielimplementierung ist wie folgt. Falls die Verschmelzungsbits 100 oder 001 verwendet wurden, und jeder Satz von Bits gleichermaßen gültig ist, dann wird keiner davon die (2,10)- Einschränkung verletzen. Der Codierer kann beispielsweise 100 verwenden, um eine binäre Null zu codieren, und kann 001 verwenden, um eine binäre Eins zu codieren (aber nur, wenn jeder der beiden Sätze von Bits gleichermaßen gültig ist). Auf diese Weise können Informationsbits auf einer Sequenz von Verschmelzungsbits codiert werden, vorzugsweise zusammen mit einigen Paritätsbits. Dies kann eine Offline- Analyse erfordern, um eine Datensequenz zu finden, die Flexibilität bei der Auswahl der Verschmelzungsbits ermöglicht. Der Decodierer muß eventuell so angewiesen werden, daß er an einer spezifischen Adresse beginnt.
Hier ist anzumerken, daß Videos auf einer DVD für die weite Verbreitung unter Verwendung eines variablen Bitratenkomprimierungsalgorithmus, wie z. B. MPEG 2, komprimiert werden können. Es ist unwahrscheinlich, daß ein DVD-Player bzw. DVD-Gerät mit Aufzeichnungfunktion die Fähigkeit hat, eine Kopie neu zu komprimieren und dabei eine Komprimierungstechnik mit der selben hohen Qualität verwendet. Daher hat die Kopie des dekomprimierten Videos höchstwahrscheinlich eine geringere Qualität als das Original. Wenn jedoch die Komprimierung vor der Verschlüsselung oder Verwürfelung stattfindet, ist es eventuell möglich, zu entschlüsseln oder zu entwürfeln ohne zu dekomprimieren, und dann eine Kopie der entschlüsselten dekomprimierten Daten zu erstellen. Daher ist es für den Kopierschutz zu bevorzugen, Videodaten vor der Komprimierung zu verschlüsseln oder zu verwürfeln und von einem Abspielgerät zu verlangen, nach der Dekomprimierung zu entschlüsseln oder zu entwürfeln. Die Komprimierungsgsalgorithmen für Videodaten hängen jedoch von räumlicher und zeitlicher Korrelation ab, und die Verschlüsselung oder Verwürfelung von unkomprimierten digitalen Daten kann eventuell die Komprimierung stören. Die MPEG-Komprimierung beginnt Gruppen von Rahmen typischerweise mit einem intern codierten Rahmen (genannt I-Rahmen), der nicht von Informationen früherer Rahmen abhängt. Die auf den I-Rahmen folgenden Rahmen sind unter Verwendung von Bewegungsvektoren als Differenzen zu anderen Rahmen codiert. Ein I-Rahmen und seine folgenden Differenz-Rahmen werden typischerweise als GOP (group of pictures = Gruppe von Bildern) bezeichnet. Eine Lösung für die Verwürfelung vor der Komprimierung besteht darin, Videodaten auf der gleichen GOP-Basis zu manipulieren, die die MPEG-Komprimierung verwendet. Eine einfache Strategie ist es, ein I-Rahmenbild und alle anderen Bilder in der selben GOP zufällig horizontal oder vertikal zu invertieren. Das Umkehrabspielen eines gesamten GOP stört die Komprimierung nicht, kann aber dazu führen, daß das Video nicht mehr angeschaut werden kann.
Die Verschlüsselung und Verwürfelung von Videos kann implementiert werden, ohne daß Veränderungen an Standardlesegeräten erforderlich sind. Vorgeschlagene Standards für Video-DVD umfassen Informationen an einer spezifischen Adresse, die Anweisungen für die Steuerungseinrichtung des Lesegeräts enthalten, wie das Video von der Speicherplatte zu lesen ist. Falls für die Verwürfelung ein zufälliges Umkehrabspielen verwendet wird, kann der Anweisungsblock Informationen darüber enthalten, wie die Umkehrabspielinformationen zu decodieren sind und wie die decodierten Informationen dazu verwendet werden, die zufälligen Umkehrabspilungen rückgängig zu machen. Das heißt, der Anweisungsblock kann die Information darüber liefern, wie die vorher codierten Informationen unter Verwendung der oben im dritten Beispiel beschriebenen Verfahren zu decodieren sind. Der Anweisungsblock kann dann, wie oben in den ersten beiden Beispielen beschrieben, zu einem "Problemblock" gemacht werden und dadurch das Kopieren des Videos wesentlich komplizieren, ohne daß Veränderungen der vorgeschlagenen Standards erforderlich sind.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Codierung von Daten in das Vorzeichen oder die Größe der DSV und die Codierung von Daten in Lauflängen kombiniert werden können. Schließlich sei angemerkt, daß dies lediglich Beispiele für die Codierung von Daten auf eine Art und Weise sind, die keine Zusatzinformationen hinzufügen. Wenn alternative Kanalbitmuster erlaubt sind, gibt es viele alternative Möglichkeiten für die Codierung von Informationen in Bitmuster. Beispielsweise liefert der Zustand der Zustandsmaschine eine zusätzliche Variable und die synchronisationsspezifischen Bytes liefern eine zusätzliche Variable (sofern implementiert). Es ist darauf hinzuweisen, daß alle diskutierten Alternativen in komplexen Kombinationen von DSV, Vorzeichen und Größe der DSV, Lauflänge und anderen kombiniert werden können. Das Gesamtziel liegt darin, eine Codierung zu schaffen, die leicht zu decodieren ist, aber schwierig in ihrer Entwicklung zurück zu verfolgen und schwierig erneut zu codieren ist.

Claims

1. Ein Verfahren zum Übertragen von Entschlüsselungsdaten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(a) Codieren eines Bits der Entschlüsselungsdaten in ein Muster von Verschmelzungsbits, wobei das Ende eines Bitmusters mit dem Anfang eines nächsten Bitmusters verschmolzen wird, so daß die resultierenden Kanalbits einer vordefinierten Lauflängenbegrenzungs- und Digitale-Summenvarianz- Anforderung genügen;

(b) Codieren der Kanalbits (110), die das Muster von Verschmelzungsbits von Schritt (a) aufweisen; und

(c) Übertragen der Kanalbits, die sich aus dem Schritt (b) ergeben.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner das Verwenden der Enstschlüsselungsdaten zum Sperren des Kopierens von digitalen Informationen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden zusätzlichen Schritte umfaßt:

(d) Decodieren der Kanalbits von Schritt (c);

(e) Decodieren des Verschmelzungsbitmusters in den Kanalbits von Schritt (d) zurück in das Bit von Schritt (a); und

(f) Verwenden des decodierten Bits von Schritt (e), um die decodierten Kanalbits von Schritt (d) zu modifizieren.