CN1066892C - 数据再现的保护方法和具有数据再现保护的再现设备 - Google Patents

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Abstract

在一种再现设备里，为了再现由诸如记录磁盘或广播系统的数据介质按主数据传送的原始信号，借助规定给该数据介质的并和主数据一起传送的介质保护数据，该设备包括一个部分(12)，用于产生规定给该再现设备的设备保护数据，一个部分(13)，用于把设备保护数据和介质保护数据组合起来以定义一个保护等级，和一个部分(14)，用于把保护等级施加给原始信号的受限制的再现，并根据保护等级发生的变化分步地改变限制。

Description

数据再现的保护方法和具有数据再现保护的再现设备
本发明涉及一种数据再现保护方法和一种实现这种保护方法的数据再现设备，从而用数字数据表示的信号，如已记录的数字视频信号，可得到选择性的限制。
在下文中，术语“数据介质”是在一种非常广泛的意义上理解的，例如应用于发送象视频和/或音频数据的数据的广播系统，在这种情况接收数据可以是再现保护的对象，又如应用于象记录磁盘或磁带等的任何类型的记录介质，在这种情况下从该记录介质获得的重放数据可以是再现保护的对象。再现保护可以用作为选择性地限制对数据的观看、收听或复制。
在现有技术中，不同类型的再现保护方法已经应用于诸如CATV(有线电视)和卫星电视的广播领域中。一种方法是对所发送的视频和音频数据进行加密处理，并把一个版权代码插入到数据中，从而把数据划分为可自由再现的部分和必须付钱后才能再现其中数据的部分。当必须付款的节目被一个接收装置接收之后，只有满足规定的付款条件之后，该节目才能被解密和再现。
在记录介质的情况下，可应用于DAT(数字音频磁带记录器)记录系统里的一种再现保护方法是SCMS(串行复制管理系统)。利用这个方法，来自DAT重放设备的重放DAT信号具有一个含有一个复制禁止代码的主ID(标识)号，从而保证一个单个〔复制允许-复制禁止〕序列，这样，用户只能制作预先录制的数字音频磁带的单一拷贝。
但是，利用这些再现保护的现有技术只有两种控制可能性，即，可以进行再现或不可以进行再现。迄今还不能对由数据介质传送的信号提供逐渐变化程度的再现限制。因此，这样的再现保护方法仅能用于单一的目的，例如，用于费用支付的管理，或者用于版权保护。此外，因为要保护的数据仅当再现之前在发送介质或记录介质上存在，利用这样的现有技术的再现保护方法不可能根据再现设备的某些条件对再现能力提供不同程序的限制。而在某些情况下，保护度可能是非常严厉的，或者是非常松弛的，因此很困难获得有效程度的保护。例如，记录在录象磁带上的某些类型的场面在某些国家，比如美国，可能是允许观看的，但是在另外的国家里可能是不允许的。因此保证这一点应该是有利的，即当这样的录象磁带在售给这些其它国家的公众使用的再现设备上播放时，可自动地应用再现保护，使得上述的场面不被再现，或者不被清楚地再现。但是在现有技术中，这样的性能是不可能的。
本发现的一个目的是通过提供一种再现保护方法和设备，从而与规定原始信号再现限制度的信息代表原始信号的数据一起传送(即通过记录介质或信号传输介质)，从而通过运行该传送数据的再现设备生成规定原始信号再现限制度的信息，并且从而基于由数据介质传送的限制信息和由再现设备生成的限制信息的组合获得实际上应用于原始信号再现上的指定限制度的信息，来克服上面陈述的现有技术中的问题。
更具体地，本发明提供一种再现保护方法，包括：
把介质保护数据附加到由数据介质传送的主数据上，所述主数据代表原始信号；
通过该数据介质，把该主数据和该介质保护数据提供给一个再现设备；
通过该再现设备生成设备保护数据；
通过对该介质保护数据和该设备保护数据的组合确定保护等级；以及
数据该保护等级控制该再现设备，以利用主数据再现原始信号。
本发明的另一个目的是通过提供一种具有再现保护的再现设备来克服上述问题，这个设备用于操作代表原始信号的主数据和表示介质保护等级的介质保护数据进行操作，所述主数据和所述介质保护数据由数据介质传送，该设备包括：
检测所述介质保护数据的装置，以获得一个表示所述介质保护等级的介质保护信号；
产生表示设备保护等级的设备保护信号的装置，该设备保护等级已指定给所述再现设备；
对所述介质保护信号和所述设备保护信号进行响应、以根据所述介质保护等级和所述设备保护等级确定最终保护等级的装置；
用于通过利用所述主数据执行所述原始信号再现的装置，其包括根据所述最终保护等级选择性地限制所述再现的装置。
借助这样的再现保护方法和设备，可以根据该介质保护数据确定保护等级，以及因此可以根据数据介质制造商的意愿或者根据主数据版权拥有者的意愿来进行决定。此外，实际上所应用的保护等级(即最终保护等级)也是根据可由该再现设备的制造商或销售商规定的设备保护数据确定的。从而，当主数据被再现时(例如，在重放一个记录磁盘或磁带期间)，借助于通过最终保护等级所确定的分等的限制级，即根据主数据的版权所有者或者数据介质制造商的要求和再现设备的制造商或销售商的要求的组合所确定的分等的限制级，实现再现的分等的限制级。以这样的方式，可以保证在信号的选择性限制再现上的可见的灵活性，这些信号例如是通过记录磁盘或磁带或者是通过广播系统传送的。
实际上，本发明允许把这样的再现限制应用于视频信号的特定的帧组中或帧序列中，或者应用于各个帧序列中的特定区域中。
图1是本发明的第一实施方式的一个总系统方块图，它是一个具有根据本发明的再现保护的CD唱机，用来描述本发明的基本原理；
图2是一个矩阵图，表示在根据本发明的再现设备里如何确定最终保护等级的一个例子；
图3是一个如何指定介质保护等级的一个例子；
图4是一个如何指定设备保护等级的一个例子；
图5是第二实施方式的总系统方块图，它是图1的设备的一个具体构造，其中保护控制应用于数据脱压缩段；
图6表示，在视频信号的三种不同的保护控制方法中，最终保护等级值和视频画面可视度之间的关系的例子；
图7是第三实施方式的总系统方块图；它是图1的设备的一种具体构造，在其中保护控制应用于视频再现控制段；
图8是一个示意图，说明如何可把时间轴保护控制和空间域保护控制应用于带有本发明的视频信号上；
图9是一个图，说明如何根据MPEG1标准在数据流中传送视频数据、音频数据和保护数据；
图10是图7的实施方式里的视频再现控制段的内部构造的一个例子的方块图；
图11是第四实施方式的总系统方块图，它是图1设备的一种具体构造，在其中保护控制应用于视频再现控制段以及音频再现控制段；
图12为三种不同的保护控制方法表示最终保护等级值和音频信号可闻度之间关系的例子；
图13是图11实施方式里音频再现控制段内部构造的一个例子的方块图；
图14是一个矩阵图，说明通过本发明的第五实施方式如何可为最终保护等级值定义可变的范围；
图15是第五实施方式的总系统方块图，其中通过操作再现设备上设置的一个开关可以对最终保护等级进行修正；以及
图16为设备保护等级的各个相应值，说明介质保护等级值与图15实施方式里修正开关的位置之间的关系。
现在将说明本发明的各实施方式，在其中数据介质假定为一种记录介质，具体地是CD(Compact disk)，在其上带有被记录的视频及音频信号数据，在下文中，这种要被从数据介质中再现的代表着原始信号的数据将概括地称为主数据以和如后面所描述的也由数据介质传送的保护数据区别。进一步假定，在记录之前，原始的视频信号和音频信号已经通过采用MPEG1算法的高效压缩编码方法进行编码。该MPEG1算法例如说明于由Yasuda编辑的经日本的Maruzen公司出版的“多媒体编码的国际标准”一书中。图1是一个图，用来说明再现保护方法和再现保护设备的概括特性。
设在记录介质上的保护信息
参考图1，将首先描述介质保护数据的概念，在图1中记录在CD(Compact disk)1上的数据被从盘读出以获得CD唱机2的信号分离器10的输入信号，CD唱机是以方块图的形式表示的，并且为了提供再现保护控制它是根据本发明构造的。采用MPEG1压缩编码，CD1带有按数字数据记录在其上的视频和音频信号(在下文中称为主数据)。根据主数据的内容预先确定的保护数据也记录在CD1上，保护数据将被称为介质保护数据。如在下面所描述的那样，介质保护数据包括在选择性地限制主数据的再现中所使用的信息。介质保护数据可以例如记录在CD1的主代码和子代码的标题区中，或者记录在压缩数据的用户区中。该介质保护数据代表一个保护等级，称之为介质保护等级，其例如可以采取从1至5按5个等级递增的值，如图2中所示并将在下面说明。在这个情况下，介质保护数据用3个位表示介质保护等级。如果为已记录的视频数据和音频数据提供各自的介质保护等级，则它们可以用两组3位(数)来表示。介质保护等级的数越高，保护的程度越大(即已记录视频或音频信号的再现的限制度越大)。对再现限制的实现，例如在视频数据的情况下，可以在图1的设备上通过对从CD1获得的诸如用来生成输出视频信号的重放数据进行操作来达到，这将在结果显示画面所有区域上或者特定区段上产生镶嵌图形，如下面所述。
用介质保护数据表示的介质保护等级是根据该数据介质(CD1)的制造商或销售商的意愿，或者主数据和版权所有者的意愿预先确定的。图3表示两个介质保护数据的例子，每一个表示介质保护等级的五个值。在第一个例子里，再现限制是基于在美国所采用的电影分类系统(即电影级别系统)的。在一部分类为“free”的电影的情况下，介质保护数据不施加任何再现限制。如果电影的分类为“PG”(即父母亲指导)，则施加以中等程度的限制(保护等级1)，依此类推对“R”，级和“X”级增加限制程度。在第二例子中，再现限制基于版权所有者的权力，当保护等级从1增加到5时，提供对再现的递增增加的限制程度。
介质保护数据是表示至少一个上述的介质保护等级的数据和保护位置信息的组合，保护位置信息规定施加保护的位置(在编码后的主数据之中)。本发明的一个基本特点是介质保护数据可按视频信号的帧为单位指定介质保护等级。也就是说，可以控制单个帧的再现限制。另外，还可以通过介质保护数据预先确定一个特定帧内(或一特定帧系列内)一个或多个特定区域的再现限制。在这种情况下，例如，在从图1设备的输出视频信号所获得的最后显示画面里，由一些固定尺寸的象素块所组成的区域可以被转换为一空白的区域，或者由镶嵌图案所填充。这也就是说，保护位置信息不仅可被用来规定一个特定的帧，也可以被用来规定一个帧内的一个或多个特定的区域。
替代地，保护位置信息可为各个视频信号帧组系列的整体规定一个相同的介质保护等级，或者为在各个帧组系列中的一个或多个特定区域规定一个相同的介质保护等级。
因为不必要记录CD1上构成保护位置信息的明确数据，在这里使用了“保护位置信息”这个术语。代之以，这个信息可固有地由已被记录在CD1上的压缩编码后的主数据流中的一些位置所构成，在这些位置上设置着各个介质保护数据。例如，可以这样构造该设备，如果紧靠着一个视频信号帧的编码数据的前面是一个介质保护数据部分，则这指明该介质保护数据部分是施加给该帧的。如果介质保护数据部分是施加给该帧中的一个或更多的区域的，而不是施加给整个帧的，则在已记录数据中紧靠着压缩编码帧之前的介质保护数据部分中可以包括至少两个用于这些各个区域的值，用以规定这些区域各自的位置。在这种情况下，作为介质保护数据一部分的明确的保护位置信息必须如数据一样记录在CD1上。
由再现设备产生的保护信息
借助本发明的方法和设备，可以构造一种再现设备，用以产生特定给该再现设备的预先规定的保护数据。例如，图1中的CD1由重放设备2播放，重放设备2带有一个假设为ROM(只读存储器)的可预置存储器设备，后者产生表示保护等级的设备保护数据，在下文中该保护等级被称为设备保护等级。设备保护等级是由该再现设备的制造商或销售商事先规定的。按照上面所述的与介质保护数据相同的方式，设备保护等级可以取多个值，以对应于从数据介质得到的主数据的各个不同的再现限制程度。将假设设备保护等级值的数量为四个，即从1到4，这样设备保护数据可由二个位组成。设备保护等级数越高，保护的程度变得越大，即再现限制的程度越大。
设备保护数据ROM的内容不能由用户重写。在图1的实施方式中，每当该设备接通一次电源，从该ROM上读出设备保护数据，此后根据由设备保护数据规定的设备保护等级和由介质保护数据所规定的介质保护等级的组合执行保护。
图4表示如何指定设备保护等级的三个例子。在第一个例子里，根据使用该再现设备的国家预置设备保护等级。举例来说，如果该再现设备在美国使用，则有可能应把设置保护等级置为低的值比如1。在再现设备用于世界上其它部分的情况下，诸如欧洲、日本和台湾，它们对视频软件有不同程度的限制，设备保护等级可以置为较高的值，如图中所示。以这种方式，一个国家里所不允许的视频场面可被自动地取消(部分地或全部地)，即通过下面描述的组合使用设备保护等级和介质保护等级，经在最终显示画面中插入镶嵌图形区域来实现。
图4中的第二例子里，设备保护等级是根据预料的使用该再现设备的人的类型预先确定的。举例来说，如果该再现设备只由成年人使用，则设备保护等级可被设置为诸如1的低值。如果该再现设备将由儿童使用，设备保护等级可被设置为诸如4的一个高值。以这种方式，被认为是不适宜于儿童的视频场面或音频内容可部分地或全部地限制再现。
在图4里的第三个例子的情况下，通过设备保护数据设置的保护等级是根据使用再现设备的应用环境预先确定的。例如，如果该再现设备是向公众出售的，则设备保护等级可设置为诸如1或2的一个值，反之如果该设备打算是供示范的目的在商店内使用的，则设备保护等级可置为一个不同的值，如3或4，并且控制图1中的设备使得只有那些商店里的可能顾客感兴趣的某些景象得到显示。以这种方式，可以根据再现设备的应用目的设置设备保护等级。
参考图1，现在将描述再现保护的总体特性。首先，记录在CD1上的数据被读出，以作为信号分离器10的输入信号。CD1上的记录数据由压缩编码主数据(即压缩编码视频和音频数据)组成，后者和介质保护数据一起多路传输。信号分离器10分离压缩编码主数据和介质保护数据，并把介质保护数据提供给介质保护信号检测部分11而同时把压缩编码主数据提供给视频译码器部分15。如上面所描述的那样，介质保护数据可以固有地规定保护位置信息或者可以包括明确的保护位置信息。介质保护信号检测部分11用来检测保护位置信息，并且产生一个对应的保护位置信号，该信号指示主数据中那些受介质保护数据作用的部分(例如特定的视频信号帧组，和/或特定帧组中的块区)。该保护位置信号被提供给保护控制信号生成部分14。介质保护信号检测部分11进一步响应介质保护数据以产生一个对应的介质保护信号，后者表示介质保护等级并被提供给最终保护等级确定部分13。
在这个实施方式中最终保护等级确定部分13基本上由一个矩阵ROM组成，那一个存储各种介质保护等级和设备保护等级的组合和结果和最终保护等级之间的关系模式的ROM。矩阵ROM的操作将参照图2的矩阵图进行描述，该矩阵图表示一个该ROM的内容是怎样根据介质保护等级值和设备保护等级值的组合读出的，对最终保护等级存在五个可能值(分别用A至E标志)，按A、B、C、D和E的顺序递增的再现限制程度。图2表示最终保护等级各个值的例子，这些值是由各种介质保护等级值和设备保护等级值的组合确定的，即从A至E的范围中的值，这些A至E的值位于图2矩阵中行和列的各个交点上。因此，例如介质保护等级为4而设备保护等级为2，则最终保护等级将是B。
有必要清楚地区别设备保护信号生成部分12的ROM和最终保护等级确定部分13的矩阵ROM。设备保护信号生成部分12的ROM的内容可以根据一个具体再现设备的要求来设置，而最终保护等级确定部分13的矩阵ROM的内容一般对大量的再现设备是相同的。
最终保护等级确定部分13生成一个输出信号，称之为最终保护等级信号，其表示所确定的最终保护等级，最终保护等级确定部分13把这个信号提供给保护控制信号生成部分14。对该信号和保护位置信号进行响应，保护控制信号生成部分14产生一个称之为保护控制信号的信号，其被用来控制一个将称为视频译码器部分15的部分。出于描述上的简化，在本阶段，只考虑视频信号的再现，并且应该把视频译码器部分15理解为一个把来自信号分离器10的压缩编码视频数据(主数据)转换成标准(模拟)视频信号的部分。随着压缩编码主数据流从信号分离器10流入视频译码器部分10，保护控制信号控制着视频译码器部分15，比如在该数据流内由保护位置信息规定的各个位置上根据最终保护等级值施加再现保护。这样视频译码器部分15产生一个输出视频信号，其形成一个视频画面，在这个画面里根据最终保护等级值限制主(视频)数据的再现。如同上面的描述中可以了解的那样，根据介质保护等级的改变，最终保护等级值可以在视频信号的各帧间改变。
将根据最终保护等级说明再现限制的第一个例子，其中再现限制是借助视频译码器部分15通过对主数据的展开和译码进行控制而实现的。这个例子将参照图5的实施方式来描述，在该实施方式中再现设备仍然是一个CD插放设备，由数字3标志。将只说明与来自CD1的主数据的视频数据有关的操作。在图5中，表示了图1的视频译码器部分15的一种具体结构，由可变长度译码部分15a、脱量化器部分15b、逆变换部分15c和视频再现控制部分15d组成，在其中压缩编码视频数据从信号分离器10提供给可变长度译码部分15a并且从视频再现控制部分15d生成最终输出(模拟)视频信号。在这个实施方式里，视频数据在受到经离散余弦变换处理的压缩之后记录在CD1上，并且通过控制由逆变换部分15C实施的逆DCT(离散余弦变换)处理的精度控制再现限制。从保护控制信号生成部分14a产生的并用来控制逆变换部分15c的保护控制信号是基于介质保护数据和设备保护数据的组合导出的，如上面的对图1的部分14所进行的描述中所述，即保护控制信号根据最终保护等级施加控制。
从CD1读出的经分离后的压缩编码视频数据在可变长度译码部分15a里受到可变长度译码，然后在脱量化器部分15b里脱量化。接着，在根据保护控制信号选择性地调整变换处理的情况下，所得到的压缩数据在逆变换部分15c里受到逆DCT处理。然后，在视频再现控制部分15d里处理所得到的脱压缩数据以获得最终输出视频信号。由保护控制信号控制的、在逆变换部分15c里进行的再现限制的效应是，在利用最终输出视频信号显示的画面内选择性地生成镶嵌图形的模糊度或格式度。这种模糊度将称为可视度等级。在图6的最左边一列里表示了可视度等级和最终保护等级值A至E(它们如上面所述是由保护控制信号生成部分14a确定的，并用保护控制信号代表)之间关系的一个例子。如果保护等级为A，即对视频数据再现的最小限制，则保护控制信号置为一种不会影响逆变换部分15c的操作的状态。如果保护等级是B，则保护控制信号控制逆变部分15c，比如对8×8象素的块尺寸(即和原始DCT处理中所应用的相同的块尺寸)操作时，对各个块采用DC分量值，但是只采用两个AC变换系数，所有其它的变换系数强制性地置为零。这样会造成基于输出视频信号而生成的显示画面上分辨率的明显下降。如果保护等级为C，则保护控制信号控制逆变换部分15c，比如在视频信号帧的8×8象素的块尺寸上操作时，为各个块只采用DC分量(即DC分量是唯一使用的变换系数)。在这个情况下，因为8×8象素块中的所有象素具有相同的视频信号值，它将在最终获得的画面上形成镶嵌图形。如果保护等级为D，则保护控制信号控制逆变换部分15c，比如在16×16象素的块尺寸上操作时，只采用DC分量值。这同样造成形成镶嵌图形，在这种情况下图形块的尺寸要比保护等级C的情况更大，即形成宏块镶嵌图形，这样进一步降低了结果画面的可视度等级。如果保护等级为E，则从逆变换部分15c获得的视频的数据由不同的视频数据(从图中未表示的一个源中产生)所替代，把后者作为从视频再现控制部分15d产生的最终视频信号，并且它将产生预先确定的一个画面或多个画面。这种预先确定的画面比如可以显示涉及版权保护的警告信息。
在MPEG1算法的情况下，在DCT处理中采用8×8象素的块尺寸。变换后的块是用一个DC分量(即DC系数)和多个代表不同连续增加的频率上的各个信号电平值的系数(AC系数)所表示的。这样，如果逆变换部分15c被控制，使得例如在各块的逆DCT操作中只使用DC系数和两个最低频率的AC系数，这样以一种非常简单的方式，可以对全部的(或一具体部分)结果显示画面达到分辨率上规定的减弱。
如果简单地在逆DCT变换中对一个块只使用DC分量，而所有的AC系统被置为零，则在从逆DCT操作中所得到的结果视频信号里块中象素的所有信号电平值置为一个相同的值。这样，在利用最终输出视频信号所得到的结果画面里可以很容易地形成镶嵌图形。此外，如果对于每个不同的16×16象素宏块(即每块由四个8×8象素块组成)，在对构成16×16象素宏块的所有四个8×8象素块的逆DCT处理中，只对某个特定的8×8象素块采用DC系数(例如，最左上方的8×8象素块的DC系数)，并且所有的AC系数都置为零，则将形成一个比用8×8的象素块形成的镶嵌图形粗糙得多的镶嵌图形。
这样可以理解，借助应用于经采用数据变称操作而受到高效压缩编码的视频数据上的本发明的上述实施方式，通过对最终获得的画面的分辨率度，或者对该画面中的一部分的分辨率度，实现逐步改变，可以容易地达到对该视频数据的再现限制度的逐步改变，并且这种分辨率上的逐步改变可以容易地根据基于介质保护数据和设备保护数据建立的最终保护等级得以控制。具体地，当这种控制应用于逆DCT处理时，有可能通过利用对于变换处理是基本的象素值的单元块，很容易地实现可视度即画面分辨率的逐步改变。这种类型的在视频信号各帧内操作的对可视度的控制；可以认为是在一个(二维的)空间域中应用保护。
借助诸如DCT方法的视频数据编码方法，从逆DCT电路产生的输出数字信号由数据的顺序组组成，每个数据顺序组由视频信号帧的单元块(如一个8×8象素的块)中的各象素的连续象素值所组成。为了把这样的数字信号转换为常规的数字视频信号，有必要首先把逆DCT电路产生的数据暂时存储在一个视频存储器(如帧存储器)里，然后按正确的顺序(即按连续画面扫描线间距上的连续象素值)读出视频数据。该操作是图5里视频再现控制部分15d的基本功能。图7表示本发明的另一个实施方式，在这个实施方式里对再现保护的控制施加在由逆变换部分15c所产生的视频数据上，即在这个实施方式里根据最终保护等级通过保护控制信号进行的控制施加到视频再现控制部分，这个部分构造成可适当地响应保护控制信号，并且15d′标志。除了这个特点之外，该实施方式的结构和操作和上述图5中的结构和操作相同。视频再现控制部分15d′包括一个帧存储器，来自逆变换部分15c的输出数据暂时性地写入该帧存储器之中，然后按上述的适当顺序读出，以得到最终输出视频信号。
在本实施方式中，再现限制度是通过“淡化”用来构成最终输出视频信号的视频帧来控制的，该淡化程度是通过最终保护等级确定的。这种方式在图6的中间列中说明，在图6中这种类型的控制称为时间域保护。在图6的例子里，当最终保护等级为A时，则连续写入视频再现控制部分15d′帧存储器里所有视频数据帧被用来构成最终输出视频信号。如果最终保护等级是B，则来自保护控制信号生成部分14b的保护控制信号控制视频再现控制部分15d′，使得由逆变部分15c提供的每15个视频数据帧之中只有1个视频数据帧被用来构成最终输出视频信号，具体地，来自逆变换部分15c中每15个视频数据帧中的一个视频数据帧在15个连续帧周期内保持存储在视频再现控制部分15d′的帧存储器里，而且在这段时间里被重复读出，以构成最终输出视频信号。这种采样和保持类型的操作是利用视频再现控制部分15d′里帧存储器进行的，从而最终得到的画面将每0.5秒改变一次。如果最终保护等级是C，则控制视频再现控制部分15d′，使得帧存储器的内容在每60个帧周期内只更新一次，即最终得到的画面将每2秒改变一次。如果最终保护等级是D，则只有某些特定帧(或一个特定帧)的视频数据被写入到视频再现控制部分15d′的帧存储器里并且被读出以得到最终输出视频信号。以这种方式，例如，只有一部分视频数据(如不受到版权保护的部分)将被显示。如果保护等级为E，则预先确定画面的视频数据被写入到视频再现控制部分15d′的帧存储器里，并被反复读出，从而仅仅显示预定确定的画面，其可以是，例如，涉及版权保护的警告信息。
替代地，对再现限制度的控制可以按这样的安排进行，即来自保护控制信号生成部分14b的保护控制信号作用到视频再现控制部分15d′上，从而改变(根据最终保护等级)各个视频数据采样所提供的程度号，即改变可由各个采样表示的振幅电平号。这是可以通过把各个数据采样的一个或多个低位设置为固定值，如0，来实现的。例如如果LSB(最低位)总是置为0，则可能的程度号减少一半，从而实现最终得到的显示画面的分辨率的相应下降。在下文中各个数字数据采样中不以这种方式固定的位将称为采样的有效位。基于有效数据位数量的这种程度控制由图6中右边的列所说明。在这个例子里，如果最终保护等级是A，则来自保护控制信号生成部分14b的保护控制信号不影响视频再现控制部分15d′的工作，这样用于构成输出视频信号的各个视频数据采样具有标准数量的有效位，即8位。如果最终保护等级是B，则保护控制信号控制视频再现控制部分15d′使得输出视频信号的有效位/采样的数量减到4(即通过把4个最低位舍掉为零)。如果最终保护等级为C，则保护控制信号控制视频再现控制部分15d′，使得有效位/采样的数量为2(即除两个最高位之外都置为零)，这样画面分辨率进一步下降。类似地，如果最终保护等级是D，则视频再现控制部分15d＇受到控制，使得有效位的数量减至1。如果保护等级是E，则预先确定画面的视频数据被写入到视频再现控制部分15d′的帧存储器里并且作为最终输出视频信号被反复读出，从而只显示预先确定的画面。
同样可能的是，如图7中从保护控制信号生成部分14b连接到脱量化器部分15b的虚线所指示的那样，可以安排把来自保护控制信号生成部分14b的保护控制信号作用到脱量化器部分15b上，从而来改变(根据最终保护等级)脱量化器部分15b的各个输出数据的有效位的数量，这将提供和上面所述的通过视频再现控制部分15d′实现控制的情况下相类似的作用。
另外一种可用来控制再现限制度的方法是，应用来自保护控制信号生成部分14b的保护控制信号从而控制可变长度译码部分15a。在这种情况下，保护控制信号安排为作用在可变长度译码部分15a上，使得当保护等级从A增加到E时，具有长代码长度的数据被置零，即被忽略。这将造成从输出视频信号得到的最终画面的分辨率的降低。
应该注意到可以通过对作用在时间轴上的控制和作用在空间域(即各个帧中)的控制的组合执行对再现限制的控制。在图8里对这一点作了示意性的说明，在图8中顺序的垂直线20代表记录在CD1上的视频信号的顺序帧(为简化说明，将假设最终保护等级和介质保护等级是相同的)。和CD1上的各个视频信号帧数据部分一起，介质保护数据部分被记录，其可能包括规定帧内一个区域的位置信息，在这个区域上根据最终保护等级显示分辨率降至一个程度。在本例中对于各个帧存在的两种可能的基本显示状况，即不显示或者显示(在可能形成一个或更多的分辨率降低区域的情况下)。为达到这一点，赋予各帧的介质保护数据包括一个一位的标志，其1或0逻辑状态指明该帧显示或不显示。如果标志位指示帧是不显示的，该状态在图8中用符号“X”指示，而当标志位指示该帧被全部或部分显示时，在图8里这种状态用符号“0”指示。在图8的例子里，为用FA标示的十个连续帧中的每一个规定一个“0”状态，表明各个帧要被显示。此外，这些帧的各个帧的介质保护数据包括用来说明一个降低分辨率区域的位置信息。结果显示画面用数字21标志，其含有一个矩形的并用阴影线区表示的降低分辨率区22。降低分辨率区22由多个16×16的象素宏块所组成，对帧组FA的每一帧，介质保护数据里的相应的位置信息规定帧的两个宏块地址(由22a和22b标志，位于镶嵌区22的左上角右下角)，从而规定矩形区域的位置和尺寸，这个矩形区域是降低分辨区22。
类似地，一组四个连续帧FB中的每一个帧被显示，但是带有在最终显示画面上形成的、用数字24标示的一个降低分辨率区。在这个情况下，该降低分辨率区由两个相邻的矩形区域所组成，所以对于介质保护数据里的位置信息必须规定帧内的两对宏块的位置，即图8中宏块24a和24b的一对地址和宏块24c和24d的一对地址。
可以理解，在这个情况里，通过对时间轴的控制和对各帧内(二维)空间的控制组合，施加了再现保护。进一步还可以理解，本发明允许实现对再现限制的非常精确的控制，其是根据最终保护等级确定的。
在根据MPEG1系统传输数据的情况下(即基于ISO-11172-3标准)，数据按连续的数据包发送，数据包是时分多路复用的，如由图9中的数据流40所示。每个包由一个前导部分诸如部分41和一个主数据部分诸如部分42组成，前导部分具有包括包起始码和流标标识符的信息，流标识符区别该包传送的数据和其它包传送的数据(如在视频数据、音频数据和其它数据之间进行区分)。在本例中，各个主部分由诸如部分42的压缩编码视频数据和诸如部分43的编码音频数据组成，或者由诸如部分44的保护数据组成。在本例中将假定图8中所示的保护方式应用于视频数据，所以可以为多个视频信号帧的每一个指定一个单独的保护数据部分，即视频数据帧可以由不同的包传送，各个包的前面有一个保护数据包。在该情况下，图9例子中的各保护数据包包括一个规定介质保护等级的3位部分，一个规定该帧是否显示的1位帧标志(如上面图8中所述)，一个规定宏块起始/结束地址对数量的部分(当帧内形成至少一个降低的分辨率区时使用，如为图8中帧FA和FB的每一个)，随之跟着宏块起始/结束地址对(例如宏块24a、24b的地址对，然后是宏块24c、24d的地址对，它们用于图8例中帧FB的每一个)。
图10表示用于图7实施方式中视频再现控制部分15d′的一种具体的内部构造。在图10里，逆变换部分15c的输出数据经线50提供给程度控制部分51，其由保护控制信号生成部分14b产生的两个保护控制信号中的一个所控制，程度控制部分51的结果输出数据经一个开关52传输，开关52由另一个保护控制信号控制。经过开关52传输的数据写入帧存储器53，并从帧存储器53按适当的顺序连续读出以组成原始视频信号的连续帧。从帧存储器53产生的数字视频信号被提供给数/模变换器54，以得到一个作为最终输出信号的模拟视频信号。
只要开关52保持闭合，帧存储器53的内容在视频信号的每个帧周期里彻底更新一次，使得新帧的数据可被连续地从帧存储器53读出。但是如果开关52在整数帧间隔期间保持打开，则帧存储器53最近存储的内容将在这些帧间隔的每个上重复地读出，即最后的帧将会连续输出。这样很明显，如果根据包含在介质保护数据里的帧位的状态控制开关52，则该电路可以实现上面所描述的在连续帧上的时间轴保护操作。
程度控制部分51对由逆变换部分15c提供的各个数字视频信号采样(一般地，各个8位的数据)进行工作，根据最终保护等级设置各采样的低位。例如参见图6中的左边一列，如果最终保护等级是B，则程度控制部分51把各采样的所有的四个最低位置为一个预定值，如0。如果保护等级是D，则各个采样的所有的七个最低位置为0。
如果要把再现限制施加在视频信号帧之内，则保护控制信号生成部分14b响应保护位置信号在相应帧间隔的一个或多个具体时间间隔期间把上述的保护控制信号施加给程度控制部分51，而这些具体时间间隔的每一个是基于图9中所示的宏块起始/结束地址对中的一个确定的，如上面所述。以这种方式，再现限制可应用于帧内的特定区域上，如图8中所示，即上面描述的空间域保护操作可被应用。
应该理解，在实际的条件下，各个“起始地址“将在一个帧周期内定义一个对应于帧内一个矩形区域最左上角象素的数据采样的时间轴位置，而“结束地址”类似地定义对应于该区域的最右下角象素的数据采样的位置。通过众所周知的用于数字视频信号的处理技术这种时间关系可以容易地建立，所以详细的说明省略了。
在上述实施方式中，仅描述了视频数据的再现保护。图11表示本发明的另一种实施方式，在其中应用了音频数据和视频数据两者的再现保护。将只描述本实施方式和上述其它实施方式之间的不同点。本实施方式的CD再现设备与图7中的CD再现设备不同之处在于，前者包括用于对记录在CD1上的编码数字音频信号进行译码和脱量化的电路，即由一个可变长度译码部分16a，一个脱量化器部分16b，一个分波段组合部分16c和一个音频再现控制部分16d构成的音频译码部分。通过信号分离器10，压缩编码音频数据与包含在输入数据流中的视频数据和保护数据分离，并作为输入数据提供给可变长度译码部分16a，而输出音频信号由音频再现控制部分16d产生。本实施方式进一步不同于图7的实施方式在于，本实施方式的保护控制信号生成部分14c不仅产生一个第一保护控制信号，其作用在视频再现控制部分15d′或脱量化器15b中的一个上，以通过改变每个数据的位数而施加视频信号再现保护，如上面对图7实施方式的保护控制信号的说明那样，而且产生一个第二保护控制信号，其作用在音频再现控制部分16d上或脱量化器部分16b上以施加音频信号再现保护，如下文中所描述的那样。为了简化描述，将假设第二保护控制信号是根据为视频数据的再现保护而导出(如上面所述)的最终保护等级产生的。但是，通常，应该为视频数据和音频数据规定单独的介质保护等级和单独的设备保护等级，即以为视频数据和音频数据获得单独的最终保护等级。
图12是一个表，说明在图11的实施方式的情况下施加音频信号再现保护的三种可能的方法。对于图12所示三个例子的每一个，可以根据最终保护等级为由音频再现控制部分16d产生的输出音频信号选择五种不同的可闻度，以实现音频信号再现保护。首先描述由图12最左列所表示的方法。在该情况下，通过根据最终保护等级选择性地限制由音频再现控制部分16d产生的输出音频信号的带宽来应用音频信号再现保护。如果采用MPEG1音频信号压缩，然后假设采样频率为48KHz，对输出音频信号可以得到24KHz的带宽。在这个例子里，如果最终保护等级为A，则不施加任何带宽限制，即音频带宽为24KHz。如果最终保护等级为B，则音频信号带宽被限制为18KHz，如果保护等级为C，则带宽限制为12KHz，如果保护等级为D则带宽限制为6KHz，而如果保护等级为E则不产生任何音频输出信号。
因为MPEG1音频压缩采用带有32波段的分波段编码，通过把第二保护控制信号作用到脱量化器部分16b上，使得对应于某些高频波段的逆量化值被置为零，也可以实现这种带宽限制。因此，可以容易地得到通过带宽控制的音频再现保护。
参照图12的中央列将描述音频信号再现保护的第二种方法。在该情况下，通过使从分波段组合部分16C提供的并用于音频再现控制部分16d上以得到输出音频信号的音频信号采样值“变淡”，应用时间轴保护。在这个例子里，如果最终保护等级为A，则所有的音频采样值用于导出输出音频信号。如果最终保护等级为B，则通过采样和保持电路，在两个连续的采样周期期间，保持每两个采样中的一个，即仅把总采样中的一半用于导出输出音频信号。如果保护等级是C，则每三个采样中只有一个采样用于导出输出音频信号，即在三个连续的采样周期里，每三个连续采样中只保持其中的一个。如果保护等级是D，只有那些在特定间隔出现的采样被用来产生输出音频信号。例如，当仅允许(由版权所有者)记录音频信号的特殊部分被再现时，可以进行这种操作。如果最终保护等级是E，则不产生任何音频输出信号。
参照图12中的最右列将描述音频信号再现保护的第三种方法。在该情况下，以一种类似于上面所描述的用于视频数据的方式，通过对音频数据采样所带有的程度等级数实行控制来执行保护控制。一般，一个数字音频信号具有16位/采样，当最终保护等级为A时，则采用所有的这些16个位，即不存在对可闻度的限制。如果最终保护等级是B，则有效的采样位数被减至12(即每个16位采样的最低的4位固定为0)，以造成再现音频信号品质的降低。如果保护等级是C，有效位的数量进一步减至8，如果最终保护等级是D，则每采样的有效位数减至4，而如果最终保护等级是E，则不产生任何音频输出信号。
这样可以理解，根据介质保护数据和设备保护数据的组合，本发明允许在限制已记录视频信号再现的同时精确地限制已记录音频信号的再现。
图13表示本实施方式的音频再现控制部分16d的内部构造的一个例子。出于说明的目的，假定上面所述的音频再现控制部分16d的三种保护控制方法的每一种都被采用，尽管在实际中只采用其中一种。该电路包括一个接收经过输入线60来自分波段组合部分16c的输出数据采样的数字低通滤波器61、一个可被控制为保持并在特定间隔上输出各个数据采样的采样和保持电路62，一个对各个音频数据采样的低位实行上面所述的控制以便控制各个采样所能代表的程度等级的程度控制部分63，一个用于暂时保持连续数据采样的存储器64，和一个用来把数字音频数据变换为模拟音频信号的数-模变换器65。程度控制部分63由保护控制信号控制，以根据为音频数据确定的最终保护等级通过把各个16位音频数据采样的可变数量的低位置为上面所述的一个固定值，提供不同的程度级。
如所示，保护控制信号也可以应用于控制采样和保持电路62，以实现上面描述的通过利用音频数据采样的采样和保持处理的再现保护方法。类似地，保护控制信号可以应用于控制LPF61，以通过改变音频信号的带宽获得再现保护控制。这是清楚的，如果只应用上面三种保护控制方法的一种，可以使用比图13所示的电路更简单的一种电路。
在上面描述的各种实施方式中，在可用介质保护数据表示的保护等级和可用设备保护数据表示的保护等级的组合和从而可得到的相应的最终保护等级之间存在一种固定的关系模式，即存储在最终保护等级确定部分13的矩阵ROM里的关系模式，它的一个例子在图2中表示。但是，在某些情况下可能需要能够从多个不同的具有不等保护严厉程度的关系模式中选择一个关系模式。具体地，对再现设备设置一个可由负责该再现设备的人操作的开关可能是有利的，这样该开关可用于从多个不同的关系模式中进行选择，从而再现保护程度可由此人灵活地确定。以这种方式，负责该再现设备的人能够确保再现保护对于观看者是合适的。例如，一个成年人可以设置开关，从而确保不适宜的场面不会被任何使用该再现设备的儿童看到。在该情况下，例如假设最不严厉的关系模式是图2中所示的关系模式，可能的关系模式的整个范围表示在图14的表中。这样，对于从介质保护数据和设备保护数据得到的各个保护等级的组合，存在着最终保护等级的一个或多个可能值的对应范围，该范围从最不严厉的值延伸到最为严厉的值(即保护等级E)。实现这种能力的一个方法可以是提供多个矩阵ROM(或者在一个ROM里定义多个单独的矩阵区)，用于存储各个不同的关系模式。但是现在将描述本发明的一个实施方式，利用它通过简单地修改上面已描述过的本发明的实施方式中的任一实施方式，可以容易地获得这种能力。
该实施方式显示在图15中，它是图5实施方式的一种改型。该实施方式与图5实施方式的不同在于装备了一个严厉度修正电路30和一个严厉度修正设置开关31。该严厉度修正电路30连接在最终保护等级确定部分13和保护控制信号生成部分14a之间，作用为选择性地修改从最终保护等级确定部分13的矩阵ROM里读出的各个保护等级值(如上面为图5实施方式所作的说明那样)，并且把结果的修正后的最终保护等级提供给保护控制信号生成部分14a。严厉度修正设置开关31可由负责CD机的人进行调整，以从五个分别将用PA至PB标志的可能开关位置中选择一个位置。严厉度修正设置开关31被连接以控制严厉度修正电路30，使得严厉度修正电路30，如下文所叙述的那样，根据开关被设置的特定位置执行保护等级修正。
在图16中的图(A)至(D)中表示，对于设备保护等级的四个可能值(由设备保护信号生成部分12确定)中的每一个值，介质保护等级的五个可能值(如上面所述由介质保护信号检测部分11确定)和严厉度修正设置开关31的五个位置PA至PE之间的关系。首先参考图(A)，如果开关位置是PA，则介质保护等级值、设备保护等级值和最终保护等级值之间的关系和从图2的对应列中得到的值保持不变；即该严厉度修正设置开关31的设置提供最低的再现保护严厉度。如果开关位置设在PB，则修正后的最终保护等级可取的最低严厉值变成等级B。这就是说，如果最终保护等级确定部分13确定一个保护等级A，它被严厉度修正电路30改变成修正后的最终保护等级B。如果开关位置是PC，则修正后的最终保护等级的最低严厉值改变成C。如果开关位置是PD，则修正后的最终保护等级的最低严厉值改变成D，而如果开关位置是PE，则修正后最终保护等级被固定为E。
对于设备保护等级值2、3和4同样如此，如图16中的图(B)、(C)和(D)所示，它们分别对应于图2中的第二列、第三列和第四列。
很明显，利用一个逻辑电路可以容易地构成严厉度修正电路30，其根据严厉度修正设置开关31的位置执行一种简单的算法，即该算法可能这样开始：
〔如果严厉度修正开关31设置在PA，把由最终保护等级确定部分13建立的保护等级值直接传送给保护控制信号生成部分14a，作为最终保护等级。
如果严厉度修正开关31设置在PB，并且如果由最终保护等级确定部分13确立的保护等级值是等级A，把它改变为等级B并且传送给保护控制信号生成部分14a，作为(修正后的)最终保护等级。在其它情况下，不变化地传送由最终保护等级确定部分13产生的保护等级值，作为最终保护等级。
如果严厉度修正开关31设置在PC，并且如果由最终保护等级确定部分13确立的保护等级是等级A或等级B，改变为等级C，并传送给保护控制信号生成部分14a，作为最终保护等级。在其它情况下，不变化地传送由最终保护等级确定部分13确立的保护等级，作为最终保护等级……〕，以及等等。
这样借助该实施方式，如果严厉度修正设置开关31设置为它的最小严厉位置(PA)，则介质保护等级和再现设备保护等级值的组合之间的关系模式将如图2所示。如果严厉度修正设置开关31设置为最大严厉位置(PE)，则关系模式将是这样的，即最终保护等级将总为最高级，即等级E。当严厉度修正设置开关31连续地从位置PA改变到PE时，经连续步骤再现限制的最小严厉度(在可由最终保护等级设定的可能的限制程度的范围内)增向更大的严厉度。
例如如果设备保护等级为2而介质保护等级为4，则最终保护等级将是B。但是通过改变严厉度修正设置开关31的位置，用户可以把最终保护等级改变到从B至E的范围内的更高的值。这样借助这个实施方式，尽管可由记录介质的制造商或版权所有者和由再现设备的制造商和销售商规定保护等级值，但是最终的保护程度可由负责该再现设备的人所确定。这个特性是非常有用的。
如从上面对各实施方式的描述中可以理解的那样，本发明允许确定最后保护等级，该最终保护等级可用来控制已记录的或发送的视频或音频信号的再现，这个最终保护等级是基于保护等级的组合确定的，保护等级分别各自由已记录信号的制造商或版权所有者(或被发送信号的广播者，或被发送信号的版权所有者)和再现设备的制造商或销售商确定。最终保护等级可被应用，以达到非常精确的再现保护，从而例如视频信号的特定帧组和/或帧内的特定区域都可通过限制再现得到保护，并且限制的程度是可按逐步的方式变化的。本发明同时可以对和视频信号一起产生的音频信号提供相应的保护。
尽管本发明在上面是参考CD机设备说明的，可以理解本发明在任何方面都不局限于这种设备，概括地说本发明可应用于任何类型的用来再现已记录的或被发送的视频和/或音频信号的设备的再现保护。

Claims (15)

1．一种再现保护方法，包括：
把介质保护数据附加在主数据上，并通过所述数据介质传送所述数据保护数据和主数据，其中介质保护数据被确定为对应于特定的数据介质并确定多个预定介质保护等级的一个等级；
通过所述数据介质把所述主数据和介质保护数据提供给一个再现设备；
在所述再现设备内，产生设备保护数据，其中设备保护数据被确定为对应于所述再现设备并确定多个预定设备保护等级的一个等级；
基于介质保护数据和设备保护数据的组合确定一个保护等级；以及
根据所述保护等级，通过限制所述再现来控制所述再现设备，以执行所述主数据的再现，从而完全再现、部分再现亦或毫不再现所述主数据。
2．一种提供再现保护的再现设备，用于操作由一个数据介质传送的主数据和操作介质保护数据，其中介质保护数据被确定为对应于所述数据介质并确定多个预定介质保护等级的一个等级以及由所述数据介质传送，该设备包括：
用于产生设备保护数据的装置，其中设备保护数据被确定为对应于所述再现设备并确定多个预定设备保护等级的一个等级；
用于基于所述介质保护数据和所述设备保护数据的组合，定义一个保护等级的装置；以及
用于执行所述主数据的再现的装置，包括用于根据所述保护等级以预定方式限制所述再现的装置，从而完全再现、部分再现亦或毫不再现所述主数据。
3．根据权利要求2的再现设备，其中所述主数据在压缩和编码之后由所述数据介质传送，其中所述再现设备包括译码装置(15a、15b、15c)和解压缩所述主数据的装置，而且其中所述用于限制主数据再现的装置包括根据所述保护等级控制所述译码装置和所述解压缩装置之中至少一个装置的装置。
4．根据权利要求2的再现设备，其中所述主数据包含视频数据，在通过对视频信号各帧内固定尺寸决的像素值施加变换操作从而得到压缩后的视频数据，由所述数据介质传送，其中所述解压缩装置包括施加逆变换操作的装置(15c)，而且其中所述限制主数据再现的装置用于选择性地取消执行所述逆变换操作中所采用的多个变换系数中的特定的一部分系数。
5．根据权利要求2的再现设备，其中所述主数据在被压缩、量化和编码之后由所述数据介质传送，其中所述再现设备包括脱量化所述主数据的装置(15b)，而且其中所述限制主数据再现的装置包括根据所述保护等级控制所述脱量化装置的装置。
6．根据权利要求2的再现设备，其中所述限制主数据再现的装置，包括周期性地取消在再现所述主数据中由所述再现控制装置使用的所述主数据的选定部分的装置(52、62)。
7．根据权利要求6的再现设备，其中各个所述选定部分包括至少一个数字数据采样。
8．根据权利要求6的再现设备，其中所述主数据表示数字视频信号，而且其中各个所述选定部分包括至少一个视频信号帧。
9．根据权利要求2的再现设备，其中所述限制主数据再现的装置包括选择性地改变可由所述主数据的各个数据采样表示的一些信号振幅程度的程度控制装置(51、63)。
10．根据权利要求2的再现设备，其中所述限制主数据再现的装置包括用于对所述主数据进行滤波的可控数字低通滤波装置(61)，从而可控地改变从所述设备获得的再现主数据的带宽。
11．根据权利要求2的再现设备，其中所述介质保护数据规定介质保护等级和保护位置信息，而且其中所述保护位置信息规定所述主数据的一个部分，该部分受到根据所述保护等级的再现限制。
12．根据权利要求11的再现设备，其中所述主数据包括数字视频信号，而且其中所述保护位置信息规定所述视频信号多个帧的每个帧中的至少一个区域。
13．根据权利要求2的再现设备，还包括保护严厉度修正装置，其可执行对根据介质保护数据和设备保护数据的所述组合而确定的所述保护等级进行修正，以获得一个修正后的保护等级。
14．根据权利要求13的再现设备，其中所述严厉度修正装置包括一个安装在所述再现设备上的人工操纵的开关(31)和一个严厉度修正电路装置(30)，严厉度修正电路装置(30)和所述开关耦合并且连接为可接收一个表示所述保护等级的信号，用于根据所述开关的设置位置修正所述保护等级，从而产生一个表示修正后保护等级的输出信号。
15．根据权利要求14的再现设备，其中所述保护等级具有一个值，该值定义在最小和最大限制度之间分布的所述主数据的多个连续增大再现限制度中的一个限制度，并且其中所述严厉度修正装置响应所述开关设置位置的改变以仅仅改变所述最小限制度。
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