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CN1452840A - 随机存取加密视频流中的单个图像的方法和装置 - Google Patents

随机存取加密视频流中的单个图像的方法和装置 Download PDF

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CN1452840A
CN1452840A CN00819492A CN00819492A CN1452840A CN 1452840 A CN1452840 A CN 1452840A CN 00819492 A CN00819492 A CN 00819492A CN 00819492 A CN00819492 A CN 00819492A CN 1452840 A CN1452840 A CN 1452840A
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transmission bag
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CN00819492A
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N·C·P·苏
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Arris Technology Inc
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General Instrument Corp
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Abstract

一种提供有条件存取打包的图像(视频)、音频或其他数据的系统。该系统选择性地加密打包数据(105)，使包括头部数据(131、151)的传送包(130、150)不被加密，而使不包括头部数据的其他所有传送包(140、141)加密。该系统允许从存储器(230、310)中随机存取包括头部数据的传送包(130、150)，这对于在视频点播服务中执行例如快进和快倒的“特技模式”格外有利。当选择性地加密和存储传送包之后，可通过存取各包(130、140、150)的传送保密和控制位(132、142、152)来确定包是否已加密，以及包是否包括头部数据。如果包包括头部数据，则其适用于特技模式，因为其从视频、音频或其他数据包的开始点提供数据。

Description

随机存取加密视频流中的单个图像的方法和装置
发明背景
本发明涉及一种加密的打包数据(packetized data)处理系统。本发明特别适用于其中要求具有运动控制(“特技模式”)，如快进和快倒模式的视频点播(video-on-demand，VOD)系统。
视频点播(VOD)是一种互动式视频服务，通常经由一个点到多点分配系统来提供，该系统例如为有线电视系统。通过视频点播系统，用户可随时点播视频(如：电影、体育比赛等等)或其他类型的内容，而不受预先规定的节目表的限制。全功能VOD系统可向使用者提供类似于盒式磁带录像机(VCR)的运动控制功能，如：暂停(定格)、快进、快倒和慢倒。这些又称为特技播放、特技模式，或运动控制的功能可深化使用者的观看感受，并相当于(或超越)用户期望以一般录像带——例如通常可以购买或租借到的那些录像带——达到的控制水平。
在VOD系统中，播放内容存储于视频服务器，该服务器是专业化高容量文件服务器。当用户购买后，内容便可以从储存的文件中播放出来。为便于再次多路复用(remultiplexing)和纠错，数字视频内容通常打包在大小固定的单元中。从而符合数字电视机通常使用的MPEG-2标准(ITU-T Rec.H.222.0，ISO/IEC13818)。
为了实施运动控制，视频服务器控制器响应来自机顶盒的运动控制命令，并改变回放内容的方式。在快进和快倒模式中，视频服务器跳过选定的图像，产生加速型视频。根据所采用的方法，必须能对视频文件中的单个图像进行快速的随机存取。为了减少存储需求并能够灵活控制加速系数，通常从包含电影或其他节目的所有图像的正常的视频文件中实时地析取处于快进和快倒序列中的图像。
有两种方法寻找要在快进/快倒浏览(scan forward/backward)序列中显示的文件。首先需按顺序浏览主要视频文件，寻找图像的开始点。另一方法是为主要视频文件中的图像开始点建立辅助索引文件。
但是，另一个需要解决的问题是控制对VOD节目的存取，以保持系统在经济上的可行性。具体地说，执行一种有条件存取方案，从而拒绝未经授权的各方对服务或内容的存取。有条件存取要求有一个可靠的机制，以将用户分类成不同的群组，以及一个执行机制(enforcement mechanism)，以拒绝未经授权的使用者群组的存取。
通常利用加密来控制对于载波信号所载送内容的存取。用于加密VOD分配内容的一般方法是在视频服务器和用户之间的传输路径上安排实时加密装置。当用户数量相对较少时，该方法十分有效。但是，随用户数量增加，对加密装置的数量及其物理空间的需求就成为沉重的负担。该空间问题不存在于传统的广播型服务，因为所有用户共享同样的内容数据流，加密装置的数量并不随用户数量的增加而增加。
对VOD内容进行实时加密的一种替代方法是离线的预加密。在该方法中，在将视频内容装入视频服务器之前对其进行处理和加密。预加密的优点在于，视频传输路径上无需加密装置，从而显著降低了VOD服务的成本并使其更具可伸缩性。预加密可在一个内容预备站点集中进行，该站点与配置VOD服务的位置(头端器)分开。当视频在中央站点进行预加密后，同样的加密副本便可分配到配置VOD的多个头端器。
但是，对VOD内容进行预加密产生了一个问题：其妨碍了对视频文件中的单个图像的开始点位置的检测。通常，视频服务器不具备对预加密的视频内容进行解密的能力或授权。因此，它们不能仅通过扫描文件来定位加密的视频文件中的单个图像。当加密的内容在显示之前保存在解码器中时会出现相似的问题，将所有图像解密以定位特定的图像需要花费时间并进行大量计算。
因此，需要提供一种避免上述问题的系统。
该系统应当支持对加密视频文件中的单个图像进行随机存取，以用于以下模式，如：快进、快倒、暂停、恢复播放、慢动作(前进或回放)、逐帧播放或其他增量帧前进(incremental frame advance)或浏览(如：一次前进N个帧，其中N＞1)，等等。
该系统应允许以较低成本配置安全的视频点播系统。
该系统应与打包数据通信方案(例如MPEG-2)兼容。
本发明应与存储加密视频文件的用户装置兼容，如：个人录像机(PVR)、个人电脑硬盘或类似装置。
本发明提供一种具有上述优点和其他优点的系统。
发明内容
本发明涉及一种加密的打包数据处理系统。
根据本发明的一个方面，一种用于提供至少部分加密的打包数据的特定方法包括从数据源——例如视频服务器——接收输入数字数据的步骤。输入数字数据包括大量具有对应的数据头部(data header)的编码数据段，如：在MPEG兼容的打包基本流(Packetized ElementaryStream，PES)包中的数据。将输入数字数据进行细分，用于以连续传送包进行传送，本发明提供至少两类传送包，其中第一类包括相关数据头部的至少一部分，而第二类包括相关编码数据段的至少一部分但是不包括数据头部的任何部分。
对第二类传送包进行加密，而不加密第一类传送包。对各个传送包设置标识符(identifier)，表明各个传送包加密或不加密。
该方法允许通过存储器对具有头部数据的传送包进行随机存取，这对执行视频点播服务中的“特技模式”，例如快进和快倒格外有利。若传送包包括头部数据，则其适合用于特技模式，因为其从视频、音频或其他数据包的开始点提供数据。
在本发明的另外一个方面中，一种解码至少部分加密的打包数据的方法包括从传送流(transport stream)接收连续传送包的步骤。传送包通过以下方式组成：将数字数据(其包括大量具有各自数据头部的编码数据段)细分成加密的第一类传送包，其包括相关数据头部的至少一部分；以及不加密的第二类传送包，其包括相关编码数据段的至少一部分，但不包括数据头部的任何部分。传送包分别设置有标识符，表明各个传送包加密或不加密。
传送包存储在存储装置中，标识符用于从存储装置中随机存取第一类传送包，而无需进行解密。例如，可采用存储有部分加密的传送包的个人录像机或其他用户装置。此后，当用户希望查看数据时，再将传送包解密。
本发明还提供相应的装置。
附图说明
图1显示根据本发明的传送包的结构。
图2显示根据本发明的编码器。
图3显示根据本发明的用户装置/解码器。
具体实施方式
本发明涉及一种加密打包数据处理系统。
图1显示根据本发明的传送包的构造。
为简便起见，只讨论本发明在典型的打包数字视频格式，例如MPEG-2格式内的实施方案。但是，本发明适用于具有相似特征的其他数字格式。
在MPEG-2格式内，视频信息在编码之前进行了数字化和压缩。压缩可被认为是编码的一部分。将来自节目100的压缩视频划分为具有可变长度的单元，称为打包基本流(PES)包，如：PES包105和110，每个包中包含可变数量的编码图像。例如，PES包105包括编码图像119、121、……、124。
示例PES包105具有头部116和有效载荷(payload)部分117。此外，PES包105中的每个图像都以包含有关图像信息的头部为前缀。例如，图像119具有头部118，图像121具有头部120，图像124具有头部123。
为了传输和存储数据，将PES包进一步细分为长度固定的单元，称为传送包，如：传送包130、140和150。按照MPEG-2标准，每个传送包由188个字节构成。通常，PES包的长度远远大于传送流包的大小。每个传送包都具有头部和有效载荷部分。除了其他信息之外，传送包头部还包括两个传送保密(scrambling)控制位，说明包的加密(保密)状态。
在MPEG-2标准中，编码保密控制位由字段“传送  保密  控制”指定。保密控制值“00”表示传送包是不保密的，而值“01”、“10”和“11”可由用户定义。在此采用值“11”作为示例，表示保密或加密的传送包。可采用任何类型的类似方案来表示传送包的加密状态。
传送包130包括头部131、保密控制位132(其表示未加密的传送包)和有效载荷133。传送包140包括头部141、保密控制位142(其表示加密的传送包)和有效载荷143。传送包150包括头部151、保密控制位152(其表示未加密的传送包)和有效载荷153。
通过细分PES包的连续部分的内容来构成各传送包。例如，传送包130的有效载荷133包括PES头部116、图像头部118和PES有效载荷117的图像数据119的一部分。传送包140的有效载荷143包括PES有效载荷117的图像数据119的一个连续部分。传送包150的有效载荷153包括图像头部120和PES有效载荷117的图像数据121的一部分，等等。
请注意，图1所显示的是简化形式，在实际应用中，一个图像的数据通常以若干个传送包的有效载荷来载送。此外，图像数据量(如：字段119、121、124)通常远远大于相应的图像头部数据量(如：分别为字段118、120、123)。因此，大部分传送包仅载送图像数据，而不载送图像头部数据，因而导致大多数传送包加密，而相对较少的传送包不加密。因此，调到大部分经过加密的节目的未经授权的用户便无法正常观看该节目。
传送包组合为传送流，并通常经由卫星、电缆或纤维/电缆混合网络输送到用户终端(如：机顶盒)，但是实际上可经由任何网络，如电脑网络进行通信。如果在中央内容预备站点进行预备，则可以在提供到用户终端之前，先将传送流提供至一个或多个头端器。
通常，可在例如为全国性服务供应商的中央预备站点或头端器预备数据，或者各内容销售商可根据其自身设备的任何特殊需要来安排其自己的内容预备。
如所周知，传送流是多路复用的，其通过将属于一个或多个节目的传送包交插配置而形成。在传送流中属于不同节目的传送包由其头部中的包标识符(PID)区分。一个单一节目传送流只包括一个节目的传送流。
图2显示根据本发明的编码器。编码器200包括执行选择性包加密的设备。所示设备例如可位于中央内容预备站点或头端器。
本发明可克服由预加密所导致的图像开始点定位问题。如上所述，该目的通过使视频文件中的一些选定的(传送流)包不经加密来实现。实现该目的的设备配置200包括一个或多个数字视频源210、用于生成辅助数据文件和标记选定的加密包的预处理工作站215、加密装置220、加密装置控制器205、用于处理加密视频(如：调整可能被加密程序所扰乱的定时信息)的可选后处理工作站225、以及在处理过的数据被提供到头端器或最终用户之前将其加以存储的存储装置230。
在编码器配置200中，数字视频源210提供要加密的数字视频流。视频源可以是一个数字视频编码器，或一个回放预编码视频文件的文件服务器。数字视频流馈送到预处理工作站215，其主要功能是识别和标记加密传送包。选择不包含图像头部或其一部分的包进行加密，因此其在运动控制(特技模式)中无需经过视频服务器的检查。通过将传送保密控制位设置为某个特定值(如：“11”)来标记选定进行加密的传送包。
同样，利用不同的特定值(如：“00”)来标记不加密的包。预处理步骤可选地生成辅助数据文件，以用于传输VOD服务。
对经过预处理的视频流的加密由加密装置220在装置控制器205的控制下执行，并与加密控制参数依次对应。可采用任何适当的加密方案。加密控制参数例如可包括与所加密的节目相关的信息和/或特定的加密对话。当执行加密时，加密装置220检查每个传送包的传送保密控制位。两个控制位设置为(举例来说)“00”的不加密，而设置为(举例来说)“11”的则加密。
将包含选择性加密视频流的加密装置220的输出保存在存储装置230之前，可选择使其经过一个后处理阶段(如：工作站225)。后处理可能需要，也可能不需要，依VOD服务设备的设计和执行而定。
为了在特技模式播放过程中搜索预加密的视频文件中的图像开始点，视频服务器按顺序扫描视频文件中的各传送包。每个传送包头部中的传送保密控制位显示该包是否被加密。如果包被加密，则可推断其不包含文件头部。如果包没有被加密，则可检查有效载荷以定位图像头部。
视频服务器还可读取嵌入预加密视频文件中的其他种类的信息，如：传送包头部的自适应字段中的专用数据(private data)。
图3显示根据本发明的一种用户装置/解码器。
视需要，节目内容在播放之前可暂时存储于用户装置/解码器。该装置可以为个人录像机，或用户家庭中的其他终端或设备，或者甚至是可由用户携带的或在汽车上使用的便携装置。
例如，用户可购买或租借包含节目的存储装置以用于随后重播，而不是在头端器的控制下在特定的时间播放。在购买的情形中，用户可无限制地重播，而在租借的情形下，用户只能重播固定的次数或在有效期限内重播。
或者，可予用户以选择，在播放之前存储传送流。
因此，用户装置/解码器300可具有提供运动控制(如：特技模式)的能力。
解码器300可包括一个多路分解器(demux)302，其接收带有加密和未加密传送包(例如那些此前存储在图2所示存储装置中的传送包)的传送流，并选择性地接收其他节目服务。图中未显示其他必备组件，例如用于解调、纠错、同步等功能的组件，但该组件对于本领域技术人员而言是显而易见的。
多路分解器302析取属于特定节目的加密或不加密的包。提析取出的包的传送流存储于存储器310，或者提供给第二多路分解器305，其将加密的传送包与未加密的传送包分开。例如：将完整的电影等存储于存储器310，供随后的检索和运动控制。存储器310类似于图2所示的存储装置210。
多路分解器305包括一个保密控制位标识符/检测器306，用于识别每个传送包的保密控制位，以确定该包是否已加密。
控制器335，例如中央处理单元(CPU)，提供对解码器300中各种功能的监控。
用户接口340接收用户发出的(例如通过手持式遥控器)指令，以便用普通播放模式或特技模式观看节目。在响应这种请求时，接口340向控制器335提供相应的信号，命令存储器310将包输出到多路分解器305。视频/音频/数据处理功能块320接收来自解密器315和多路分解器305的未加密包。
将来自功能320的数据提供到输出装置325，如：电视机、个人计算机、扬声器，等等。输出装置325可提供图形用户界面(GUI)或其他机制，协助用户以正常或特技模式播放节目内容。用户还可通过该界面预订节目。
可选的上游传输器330将用户请求(如：预订VOD节目)传输到头端器或其他网络控制设施。用户请求可经由与接收传送流相同或不同的信道传输。
现在应了解，本发明提供一种用于有条件存取打包的图像、音频或其他数据的系统。该系统选择性地加密打包数据，使包括头部数据的传送包不被加密，而不包括头部数据的其他所有传送包则受到加密。该系统允许从存储器中随机存取包括头部数据的传送包，这对于在视频点播服务中执行特技模式，例如快进和快倒而言，格外有利。
特别地，当选择性地加密和存储传送包之后，可存取每个包的传送保密和控制位来确定该包是否已加密，并随后确定该包是否包括头部数据。如果一个包包括头部数据，则其适用于特技模式，因为其从视频、音频或其他数据包的开始点提供数据。
尽管在说明本发明时结合了各种特定的实施例，但是本领域技术人员应了解，在不脱离本发明的权利要求书所主张的精神和范围内，当可对本发明进行各种调整和修改。
例如，选择性加密的传送包无需传输到用户终端，而是可以传输到一个存储装置，例如个人录像机(PVR)，以供用户在其后进行检索。

Claims (29)

1.一种用于提供至少部分加密的打包数据的方法，其步骤包括：
(a)接收来自数据源的输入数字数据；
其中该输入数字数据包括多个具有各自数据头部的编码数据段；
(b)将所述输入数字数据进行细分以便用连续的传送包进行传送，从而提供至少两类传送包，其中第一类包括相关数据头部的至少一部分，而第二类包括相关编码数据段的至少一部分但不包括所述数据头部的任何部分；
(c)对所述第二类传送包进行加密，而不对所述第一类传送包进行加密；以及
(d)对所述传送包分别设置标识符，以表明该传送包分别为加密或不加密。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：所述第二类传送包中至少有一个包括来自多个所述数据段的数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：在打包基本流包中接收所述输入数字数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：在每个所述传送包的各自头部内设置标识符。
5.根据权利要求1所述的方法，其步骤进一步包括：
将所述传送包存储在一个存储装置中；
其中所述标识符使得能够从所述存储装置中随机存取所述第一类传送包并且无需进行解密。
6.根据权利要求5所述的方法，其步骤进一步包括：
随机存取至少一个所述第一类传送包，以提供所述传送包的特技模式。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述特技模式包括以下至少一种：快进、慢进、快倒、慢倒、暂停、恢复播放和增量帧运动。
8.根据权利要求5所述的方法，其中：所述存储装置包括一个视频服务器。
9.根据权利要求1所述的方法，其步骤进一步包括：
将所述传送包存储在存储装置中；以及
根据用户请求，从所述存储装置中检索所述传送包，并通过网络将所检索出的该传送包提供给用户。
10.根据权利要求9所述的方法，其中：在视频点播服务中，将所检索出的所述传送包提供给该用户。
11.根据权利要求9所述的方法，其步骤进一步包括：
向所述用户提供用于解密所述第二类传送包的信息；以及
由所述第一类传送包和经过解密的所述第二类传送包来提供显示。
12.根据权利要求1所述的方法，其中：所述数据源包括一个数字视频编码器。
13.根据权利要求1所述的方法，其中：所述数据源包括一个回放经过预编码的视频文件的文件服务器。
14.根据权利要求1所述的方法，其中：至少一个所述第一类传送包中还包括一个相关编码数据段的至少一部分。
15.根据权利要求1所述的方法，其中：所述输入数字数据包括视频和音频数据的至少其中之一。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，在中央内容预备站点提供具有对应的所述标识符的所述传送包，以随后分配到至少一个用户网络头端器。
17.一种解码至少部分加密的打包数据的方法，其步骤包括：
(a)从传送流接收连续传送包；其中
该传送包通过以下方式形成：将包括多个具有各自数据头部的编码数据段细分成至少两类传送包，其中第一类传送包包括相关数据头部的至少一部分，而第二类传送包包括相关编码数据段的至少一部分但不包括所述数据头部的任何部分；
将所述第二类传送包加密，而所述第一类传送包不加密；以及
对所述传送包分别设置标识符，以表明该传送包分别为加密或不加密；
(b)将所述传送包存储在一个存储装置中；及
(c)利用所述标识符从该存储装置中随机存取至少一个所述第一类传送包，而无需进行解密。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：至少一些所述第二类传送包包括来自多个所述数据段的数据。
19.根据权利要求17所述的方法，其中：对打包基本流包中的所述数字数据进行细分。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述利用步骤包括：由每个所述传送包的对应头部恢复各自的所述标识符。
21.根据权利要求17所述的方法，其中：随机存取至少一个所述第一类传送包，以提供该传送包的特技模式。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述特技模式包括以下至少一种：快进、慢进、快倒、慢倒、暂停、恢复播放和增量帧运动。
23.根据权利要求17所述的方法，其中：所述存储装置包括一个解码器存储器。
24.根据权利要求17所述的方法，其中：在视频点播服务中，将所述传送包提供给用户。
25.根据权利要求17所述的方法，其步骤进一步包括：
将所述第二类传送包解密；并
由所述第一类传送包和经过解密的所述第二类传送包来提供显示。
26.根据权利要求17所述的方法，其中：至少一个所述第一类传送包中还包括一个相关编码数据段的至少一部分。
27.根据权利要求17所述的方法，其中：所述数字数据包括视频和音频数据的至少其中之一。
28.一种用于提供至少部分加密的打包数据的装置，其包括：
用于接收来自数据源的输入数字数据的装置；
其中该输入数字数据包括多个具有各自数据头部的编码数据段；
将所述输入数字数据进行细分以便用连续的传送包进行传送，从而提供至少两类传送包，其中第一类包括相关数据头部的至少一部分，而第二类包括相关编码数据段的至少一部分但不包括所述数据头部的任何部分；
用于对所述第二类传送包进行加密而不对所述第一类传送包进行加密的装置；以及
用于对所述传送包分别设置标识符(identifier)以表明该传送包分别为加密或不加密的装置。
29.一种用于解码至少部分加密的打包数据的装置，其包括：
用于从传送流接收连续传送包的装置；其中
该传送包通过以下方式形成：将包括多个具有各自数据头部的编码数据段细分成至少两类传送包，其中第一类传送包包括相关数据头部的至少一部分，而第二类传送包包括相关编码数据段的至少一部分但不包括所述数据头部的任何部分；
将所述第二类传送包加密，而所述第一类传送包不加密；以及
对所述传送包分别设置标识符，以表明该传送包分别为加密或不加密；
用于将所述传送包存储在一个存储装置中的装置；以及
利用所述标识符从该存储装置中随机存取至少一个所述第一类传送包而无需进行解密的装置。
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