专利名称：用于对已编码音频信号进行加密的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及对已编码音频信号进行加密的方法及设备。
背景技术：
目前媒体产业的一个挑战是保护版权。因此，很好地建立了数字
权 利 管 理 (DRM )， 例 如 参 见
"Digital Rights Managements DRM为已验证的用户提供了对数字媒 体内容的访问权。这些访问权能够限制所允许的拷贝数并拒绝未经验 证的用户的访问。利用依赖于用户、内容以及设备的加密技术来组织 保护。
DRM的一个问题是，在用户出于其目的对用户拥有的内容进行修 改和拷贝时对所述用户的限制。不同的设备需要不同的信号质量或表 示以播放禾口存储内容。例如，在Popescu, Crispo, Tanenbaum: "Support for Multi-Level Security Policies in DRM Architectures"中(在 /2"j .7/www.cs.v仏"//^fepopesci^jPapery/wspwO^/n^pwO^ A w/下可访|、司) 出了针对不同设备的个人私有网络采用DRM解决方案的新的安全范 例。
在 Fraunhofer IDTM 的 "Freebies" 项 目 中
了使DRM对于用户而言更具吸引力或可接收的一个方法，其中出于广 告目的，未经验证的用户能够访问内容中的一部分。该免费部分可以 比原始内容更短，或具有更低的信号质量，或包括推销语。
然而，需要先进的解决方案以对多层音频数据(即包括基本层 (BL)以及一个或更多个增强层(EL)的音频数据)进行加密。
发明内容
本发明提供了对多层音频数据进行加密的方法及设备。具体地， 示出了如何能够将这样的音频数据部分地加密。给出了对可伸縮媒体
内容的权利保护，以及对mp-3无损编码器的实现示例的描述。
根据本发明的一方面，提供了一种对己编码音频信号进行加密的 方法，已编码音频信号包括BL以及至少一个EL，其中BL包括封装 成帧的音频数据，其中，帧包括首部、主要音频数据、用于解码的附 加信息以及至少与该附加信息相关的误差校验数据，所述方法包括以 下步骤
将BL在时间上分成第一部分和至少一个第二部分；
-对BL的第二部分的帧内的附加信息进行加密，其中，不对BL 的第一部分和BL的第二部分的主要音频数据进行加密；以及
-对EL的至少一部分数据进行加密，其中，BL的已加密部分以及 已加密的EL需要不同解密密钥以进行解密。
本发明的优点是，对于遇到基本层的已加密内容却不能将其解密 的传统播放器而言，加密显得如校验和误差。因此，播放器可以自动 消音而不是产生噪声。
在另一实施例中，用于对已编码音频数据进行加密的方法还包括 以下步骤将包含辅助数据在内的一个或更多个帧插入BL中，其中， 这些辅助数据可以包括DRM指示中的一个或更多个、预览持续时间指 示或内容拥有者联系信息(例如品牌名称、因特网地址)。
在一个实施例中，EL包括首部以及至少两个子层，并且将EL构 造成帧，其中，对每个子层，帧包含至少一个数据包，对针对至少一 个子层的包进行加密。
在一个实施例中，EL包含首部信息，所述首部信息包括指定已加 密的EL的一个或多个时间区域的信息，其中，对所述信息的一部分进 行加密。例如，EL首部中的所述信息可以指定如何对各个区域中的音 频数据进行重新排列，和/或可以包括在加密之前从已加密的EL导出的 指纹值。EL中的所述信息还可以包括包含指向相邻EL块或帧的组的 指针的列表，以及指定针对各个组的加密和/或解密信息的信息(例如对各个组内的帧重新排列的指示)。
根据本发明的一方面，提供了一种已加密和已编码的音频信号，
包括EL和BL，其中，BL具有封装成帧的音频数据，帧包括主要音频 数据、用于解码或解码所需要的附加信息以及至少与附加信息相关的
指纹或校验和值，其中
BL具有至少两个部分，其中不对第一部分进行加密，在至少第二 部分中，对附加信息进行加密并且不对主要音频数据进行加密；以及 EL包括至少一部分已加密数据，其中，对BL的解密需要与对EL
的解密不同的解密密钥。
在一个实施例中，对己加密的已编码音频信号的编码服从 MPEG陽1 Layer-Ill (mp3)标准。
在一个实施例中，EL包括首部信息，所述首部信息包含指定EL 中已加密的一个或更多个时间区域的信息，其中，对所述信息的一部 分进行加密。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于对已编码音频信号进行 加密的设备，所述己编码音频信号包括BL以及至少一个EL，其中， BL包括封装成帧的音频数据，帧包括首部、主要音频数据、用于解码 的附加信息以及至少与附加信息相关的指纹值(如CRC或校验和)，所 述设备包括
用于将BL在时间上分成第一部分和至少一个第二部分的装置； 用于对B6的第二部分的帧内的附加信息进行加密的装置，其中，
不对BL的第一部分以及BL的第二部分的主要音频数据进行加密；以
及
用于对EL的至少一部分数据进行加密的装置，其中，BL的已加 密部分以及已加密的EL需要不同解密密钥以进行解密。
在一个实施例中，所述设备还包括用于将包含辅助数据在内的 一个或更多个附加帧插入基本层中的装置，所述辅助数据包括数字 权利管理(DRM)指示、预览持续时间指示或内容拥有者联系信息。
在一个实施例中，所述设备还包括
用于指定EL的一个或更多个时间区域的装置；用于对所指定的时间区域中的一些或全部进行加密的装置；用于产生指定已加密的EL区
域的信息或指定如何对EL的特定区域进行加密的信息的装置；以及用
于将已加密信息插入EL的首部中的装置。
在从属权利要求、以下描述以及附图中，公开了本发明的另外的 细节以及有利实施例。
参考附图描述了本发明的示例实施例，附图中
图l示出了使用不同保护区中不同层对音频文件的划分； 图2示出了mp3无损编码器的3层的示例DRM方案； 图3示出了具有已加密附加信息的mp3帧； 图4示出了mp3无损扩展数据；
图5示出了由2个文件组成的、针对mp3无损格式的DRM方案；以
及
图6示出了针对双流(dual stream)格式的mp3无损增强数据。
具体实施例方式
可以将音频数据排列在分层排序的不同质量层中。图l示出了包 括基本层和2个增强层EL1、 EL2的文件的示例。每个增强层向基本层 添加了附加的质量。将这些层划分为保护区，其中，每个保护区可以 具有不同的保护级别。
本发明的一方面在于，出于客户推动的目的，应当向每个人提供 无保护预览，而不是除了已验证用户以外完全拒绝所有人访问。例如， 未保护的预览区可以用于出于广告目的的文件分发。因此，本发明使 内容拥有者能够在时间和质量维度上设置预览区域或区。例如，预览 能够具有原始持续时间以及比基本层更低的质量，或可以在时间上限 制对一个或若干增强层的免费访问。未保护的区域的位置和持续时间 是任意的。对于提供免费预览区的增强层而言也是如此。不是所有增 强层都需要提供免费预览区，免费预览区能够但不一定处于文件的开 始处。基本层能够以最低的质量对信号进行解码。在图l所示的示例中， 所述基本层具有足够的质量以吸引用户，从而还包括具有高保护级别 的保护区。对于基本层而言，在基本层对于解码绝大多数或所有增强 层来说是必要的情况下，或在基本层具有可接收的质量的情况下，这 是尤其有用的。在另一示例中，基本层的质量可以非常差，从而可以 完全免费访问基本层。
基本层被认为是第一保护区。下一个保护区在增强层中并且包括 附加信息。这些层能够以不同的方式提高信号质量。对于有损编码的
基本层(如对于mp3或MPEG-4SLS (可伸縮无损扩展))，附加增强层 数据能够以若干步骤来将信号质量改善至内容的无损重建的版本。例 如，增强层还可以能够提供环绕声音数据或其它附加多媒体信息。
有利地，能够针对基本层和每个增强层独立地定义保护等级和预 览区域。如果对增强层的使用需要基本层，则能够对增强层使用较低 的保护级别，而对基本层的保护级别可以较高。这样灵活性使内容销 售者能够为用户提供极其多样的选择。
在图1中，假设对增强层l的解码还需要基本层数据，从而增强层 l由于其不能单独使用而受到较低的保护。然而，作为第三质量层的增 强层2可以实现高质量改进，从而优选地实现更高的保护级别。
将质量理解为信号质量(分辨率)、空间信息或一般地理解为使 内容更具吸引力的所有特性。本发明使用数字权利管理(DRM)技术
来保护不同层免受非法使用。不同的存储格式以及层间的依赖关系导 致不同的DRM方案。因此，与增强层相比，基本层具有不同的保护需 要。然而，增强层需要依赖于用户的保护以实现不同的已验证基本层 用户的单独访问。对于mp3无损文件格式，以下说明了声音质量层保 护的示例。
需要由DRM观测内容访问权，以防止非法拷贝或非法使用。图2 示出了针对具有3个质量层的DRM方案的示例。任意的音频编码器201 产生3个不同的数据层205-207，将其提供给DRM编码器和比特流封包 器202，其中DRM编码器和比特流封包器202利用单独的密码210-212 将每一层加密并且将层封包为指定格式208 (例如文件或流格式)。DRM解码器和比特流解包器203能够将格式解包并且使用相应的 密码210，-212，将每一层解密。将控制信息209 (例如层许可和预览区 定义)和已解密层205-207提供给解码器204。依赖于用户的密码加密 能够用于确保仅己授权用户能够使用内容。密码产生器217产生针对内 容的所有层的密码210-212。每个已授权用户具有单独的标识码(例如 用户ID213)，其中用户将所述单独的标识码提供给DRM解码器203。 因此，解码器203是经用户验证的。用户ID213可以用于在内容拥有者 侧将密码210-212加密，以及在用户侧将已加密的密码214-216解密。
可以针对一层的所有数据，或仅针对重要部分，在DRM编码器和 比特流封包器202中实现对层的加密。例如，每一层的数据可以从包含 用于主要数据解码的重要信息的首部开始。仅在能够将首部解密的情 况下才能够使用层的主要数据。
在下文中，给出了针对无损mp3 (MPEG-1 Layer-Ill)格式的DRM 示例。例如，在欧洲专利申请EP06113867中描述的无损mp3扩展提供 可伸縮的声音质量。可以使用3个不同的层。标准mp3文件用作基本层 205。第一增强层206将mp3质量升级为更高的声音质量表示。第二增 强层207能够用于产生对原始信号的无损(即比特精确的)拷贝。
mp3格式的文件包含许多数据帧。图3示出了示例性的mp3帧300。 将每个帧300分成首部数据301、可选的误差校验数据302、附加信息数 据303、主要数据304以及辅助数据305。除了根据本发明对所述帧300 的附加信息303进行加密以外，帧300服从mp3标准。mp3误差保护将 根据帧的附加信息303计算出的奇偶校验字添加到帧数据302中。在解 码期间，再次计算奇偶校验字并且将所述奇偶校验字与帧302内的奇偶 校验字相比较。
对附加信息303的加密使得主要数据304无用，并且导致了解码器 中的奇偶校验误差。在标准mp3解码器中，误差校验的失败导致对帧 的回放进行消音。从而通过使用由误差校验保护的mp3文件(crc)以 及对附加信息303的加密来进行对mp3文件的保护。这具有的优点是， 这能够被标准mp3解码器处理，这是因为在附加信息受损时不会导致 标准mp3解码器失去控制。优选地，仅对每个第N帧501进行加密。这减小了计算复杂度并在 播放已加密文件时引起令人不悦的中断。优选地，N是常量，然而N 也可以是变量。
例如，DRM编码器202使用密码1 210将附加信息303加密。DRM 解码器203校验每一帧的奇偶校验字。如果奇偶校验失败，则利用密码 1 210来进行对原始附加信息的重建。如果使用了错误的密码或数据受 损，则对mp3解码器块204中的mp3解码器的第二奇偶校验将失败，并 且将忽略该帧。在加密在定义的时间之后或在定义的帧开始的实施例 中，将免费预览区域503定义为能够由每个标准mp3播放器来识别和播 放。
对于诸如DRM指示、预览持续时间或内容拥有者联系信息之类的 附加DRM信息504，可以使用辅助数据305。因此，能够采用使用仅包 含附加DRM信息的辅助数据305在内的空mp3帧504，尤其在如图5所 示的基于文件的格式中。在流格式中，已加密帧的辅助数据305可以包 含DRM信息。DRM解码器203利用辅助数据并且将所述辅助数据作为 控制信息209发送至解码器204。从而，解码器204能够识别和确定预览 区，并且例如，能够向用户通知预览持续时间、用于层更新的内容拥 有者联系数据，等等。
在下文中，描述了针对mp3无损扩展数据的DRM。图4示出了示
例性的mp3无损扩展数据。增强层帧406包含携带有针对增强层1和增
强层2的2个数据块403、 405。将数据块长度存储在每个增强数据块的
开始处402、 404。将针对扩展数据的全局信息存储在附加首部401内。
首部可以包括针对各种DRM选项的数据。
例如，扩展文件首部中的DRM属性可以是 DRM_protectionLayer2
DRM_previewTLayer2
DRM_fingerprintLayer2
DRM__protectionLayer3
DRM_previewLayer3DRM—fingerprintLayer3
此外，可选地，流格式中的首部可以包括 DRM一blockArrangeLayer2禾口/或DRM—blockNrLayer2。
DRM_protectionLay er包含与每一层所使用的加密技术相关的信 息。无加密帧能够用作每个增强层的预览区。DRMjreviewLayer描述 了无加密帧的数目，开始构成第一帧以实现对每层的免费预览。 DRM一fingerprintLay er用于校验对解密的确认。它包含加密之前数据的 CRC指纹。在DRM解码器203中解密之后，再次计算指纹并且将所述 指纹与DRM—fmgerprintLayer相比较。如果两个指纹相同，则能够将解 密后的数据提供给解码器204。否则，将经由控制信息209拒绝解码器 204使用增强层数据。可选的流格式选项提供以下描述的特殊加密技 术。
在下文中，描述了针对以下3个mp3无损格式208的DRM: "2个文 件"格式、"2个流"格式以及"单个文件"格式。
2个文件格式由标准mp3文件以及扩展文件组成。按照图3所示以 及以上所描述的来保护mp3文件。图5中示出了扩展文件。扩展文件以 文件首部505开始，接着所有帧510。该首部包括例如使用指针508来指 向N个相邻帧506的提示指针表格数据块509。扩展文件包含2个增强层 数据l、数据2。利用3个不同DRMj3rotectionLayer2选项之一来进行对 层2的保护，其中，例如可以由以下来表示所述选项-
0:不保护(即不加密)层2
1:使用帧混合以及表格加密
2:直接加密层2数据
可以使用对N个帧506的组的顺序的重新排列(即帧混合)以及对 正确排序的表格条目509的加密。然而，这是相对低复杂度的加密技术。 在更好的实施例中，N并非对所有DRM编码器是恒定的，并且该信息 包含在文件首部505中。通过对表格509的解密并且利用这些条目， DRM解码器203能够使帧的顺序正确。然而，重新排列的次数是有限 的，并且可以通过尝试来确定正确的顺序。在更好的实施例中，采用 整个帧数据的N字节的块来替代N个帧。因为块边界不等于帧边界，所以这提高了安全性。对整个层2数据512的加密更复杂，但提供了更高 程度的安全性。
针对第一增强层512的数据的、未保护的第一表格条目提供了对 该层的预览。将未保护的帧507的数目存储在DRMjreviewLayer2中， 并且将其作为控制信息209发送至mp3无损解码器204中。未保护的第 一增强层数据或帧与未保护的mp3数据一致，这是因为第一增强层依 赖于基本层。通过使用密码3 212对第二增强层数据511进行加密来直 接进行对第二增强层的保护。从而，DRMjrotectionLayer3可以为0， 以指示"不保护"，或为l，以指示对第二增强层511的全部数据的加密。 该层还提供预览区的机会。无保护层3的数据帧511的数目可以在 DRMjreviewLayer3参数中定义并从那里检索。
图6示出了可选地可用的"2个流"格式，其中，通过在块级的重 新排列以及对首部中正确顺序的信息的加密来保护第一增强层。尽管 如针对"2个文件"格式所描述的那样对mp3文件进行加密，然而，针 对该格式的保护方案与"2个文件"格式略微有所不同。然而，在本发 明的该实施例中，增强层流对每N个帧602包含新的首部。
除了提出的提示指针表格数据以及新附加DRM信息以外，首部 601几乎与以上示例中的相同。如由DRMjrotectionLayer2-2指示的， 一种保护第一增强层的简单方式是对其数据403使用直接数据加密。将 DRM—blockArrangeLayer2和DRM—blockNrLayer2添加到流首部601 中，以实现低复杂度的帧混合以及表格加密。将属于第一首部601的N 个相邻帧602的数据分成等长度(根据字节)的块603 。 DRM—blockNrLayer2指示所使用的块的数目。如果不能将数据分成等 长度的DRMJ lockNrLayer2个块，则可以使用定义的舍入规则。然后 将块603任意地混合。例如，对DRM—blockNrLayer2个块的每个可能的 排列或重新排列获得了存储在相应首部的表格604中的指定符号。针对 块的每个许可的数目，将分离的表格安置在各个首部中。
将DRM—blockArrangeLayer2分配给当前所使用的重新排列的符 号，并且使用密码2 211对DRM一blockArrangeLayer2进行加密。通过对 DRM一blockArrangeLayer2进行解密以及在表格604中搜索正确的条目，DRM解码器203能够将块排列为其正确的顺序。能够利用存储在 DRM—WockNrLayer2中所使用的块的数目来进行表格的选择。
可以与以上描述的"2个文件"格式相等同地进行对第二增强层 的数据的加密。
此外，"l个文件"格式是可能的，其包括对"2个文件"格式和 "流"格式的复用组合。mp3数据和扩展数据的首部以及帧结构等同 于"2个文件"和"流"格式。因此，这些格式的保护策略也能够用于 "l个文件"格式。
本发明的优点是，客户能够根据其需要在不同信号质量之间进行 选择，或将较低质量信号升级为较高质量信号而不破坏版权。另一优 点是，未经验证的用户可以得到不同的质量等级的免费预览，并且能 够决定他们想要购买哪个等级。保护级别能够适于不同的时间和质量 区。
另外的优点是，将质量方面和内容预览添加到对文件和流格式进 行分层排序的DRM中。
原理上，本发明适用于对采用相当于所描述的mp-3无损格式的文 件格式中存储的可伸縮媒体内容进行保护。
权利要求
1、对已编码音频信号进行加密的方法，所述已编码音频信号包括基本层(BL)以及至少一个增强层(EL)，其中，所述基本层(BL)包括封装成帧的音频数据，其中帧包括首部(301)、主要音频数据(304)、用于解码的附加信息(303)以及至少与所述附加信息(303)相关的误差校验数据(302)，所述方法包括以下步骤-将所述基本层在时间上分成第一部分(503)和至少一个第二部分(503’)；-对所述基本层的第二部分(503’)的帧内的附加信息(303)进行加密，其中，不对所述基本层的第一部分(503)和所述基本层的第二部分的主要音频数据进行加密；以及-对所述增强层(EL)的至少一部分数据(507’)进行加密，其中，所述基本层的已加密部分以及已加密的增强层需要不同解密密钥以进行解密。
2、 根据权利要求l所述的方法，还包括以下步骤将包含辅助数 据的一个或更多个帧(305)插入所述基本层中，所述辅助数据包括数 字权利管理指示、预览持续时间指示或内容拥有者联系信息。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述增强层包括首部 (401, 505， 601)以及至少两个子层(402-405)，并且将所述增强层构造成帧，其中，对于每个子层，帧包含至少一个数据包(403， 405)， 对针对至少一个子层的包(511)进行加密。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的方法，其中，增强层首部(401， 505， 601)包含指定已加密的增强层的一个或多个时间区域的信息(509， 604)，其中，对所述信息(509， 604)的一部分进行加密。
5、 根据权利要求4的方法，其中，增强层首部中的所述信息(509， 604)指定如何对增强层的各个区域中的音频数据进行重新排列。
6、 根据权利要求4或5所述的方法，其中，增强层首部中的所述 信息(509， 604)包括在加密之前从已加密的增强层导出的指纹值(401，)。
7、 根据权利要求4、 5或6所述的方法，其中，增强层首部中的所 述信息(509, 604)包括列表(509)，所述列表包含指向相邻增强层 块或帧的组(Nr)的指针(Ptr)，所述信息(509， 604)还包括指定 针对各个组的加密和/或解密信息的信息。
8、 根据权利要求7所述的方法，其中，所述加密信息包括对各个 块或帧组内的数据重新排列的指示(604)。
9、 已加密音频信号，包括基本层(BL)和至少一个增强层(EL), 其中，所述基本层(BL)包括封装成帧的音频数据，帧包括主要音频 数据(304)、用于解码的附加信息(303)以及至少与所述附加信息(303) 相关的误差校验数据(302)，其中-所述基本层(BL)包括至少两部分(503， 503')，其中，不对 第一部分(503)进行加密，在至少第二部分(503')中对所述附加信 息(303)进行加密并且不对主要音频数据(304)进行加密；以及-所述增强层(EL)包括至少一部分已加密数据，其中，对所述基本层的解密需要与对所述增强层的解密不同的解密密钥。
10、 根据权利要求9所述的已加密音频信号，其中，所述增强层 包括首部信息(401， 505， 601)，所述首部信息(401, 505， 601)包 含指定己加密的增强层的一个或更多个时间区域的信息(509， 604)， 其中，对所述信息(509， 604)的一部分进行加密。
11、 用于对己编码音频信号进行加密的设备，所述已编码音频信 号包括基本层(BL)以及至少一个增强层(EL)，其中，所述基本层(BL)包括封装成帧的音频数据，其中帧包括首部(301)、主要音频 数据(304)、用于解码的附加信息(303)以及至少与所述附加信息(303) 相关的误差校验数据(302)，所述设备包括-用于将所述基本层在时间上分成第一部分(503)和至少一个第 二部分(503')的装置；-用于对在所述基本层的第二部分(503')的帧内的附加信息 (303)进行加密的装置，其中，不对所述基本层的第一部分以及所述 基本层的第二部分的主要音频数据进行加密；以及-用于对所述增强层(EL)的至少一部分数据(507')进行加密的装置，其中，所述基本层的己加密部分以及已加密的增强层需要不 同解密密钥以进行解密。
12、 根据前一权利要求所述的设备，还包括用于将包含辅助数 据的一个或更多个帧(305)插入所述基本层中的装置，所述辅助数据 包括数字权利管理指示、预览持续时间指示或内容拥有者联系信息。
13、 根据权利要求11或12所述的设备，还包括-用于指定所述增强层的一个或更多个时间区域(Nr.l,…，Nr.9) 的装置；-用于对所指定的时间区域中的一些或全部进行加密的装置； -用于产生指定已加密的增强层的区域的信息(509)或指定如何对所述增强层的特定区域进行加密的信息(604)的装置；-用于对所产生的信息(509， 604)的至少一部分进行加密的装置；以及-用于将已加密信息(509， 604)插入所述增强层的首部(505， 601)中的装置。
14、 根据权利要求13所述的设备，其中，所述用于对所指定的时 间区域中的一些或全部进行加密的装置执行区域内跨过帧边界的数据 重新排列。
全文摘要
需要用于对多层音频数据，即包括基本层以及一个或更多个增强层的音频数据进行加密的先进方案。本发明提供了一种对这样的已编码音频信号进行加密的方法，所述方法包括将基本层分成两部分；对在基本层的第二部分的帧内的附加信息进行加密；以及对增强层的至少一部分数据进行加密，其中，基本层的已加密部分以及已加密的增强层需要不同解密密钥以进行解密。因此，可以实现免费预览区。
文档编号H04L29/06GK101444065SQ200780017162
公开日2009年5月27日 申请日期2007年5月3日 优先权日2006年5月12日
发明者斯文·科登, 约翰内斯·伯姆 申请人:汤姆森许可贸易公司