有完全网络传输与记录 能力的加扰视频信号的 方法和装置 本申请与正在审理中的编号为08/279592的美国申请有关，该美国申请的申请人是John O.Ryan，名称为“对视频平台及未保护源资料进行综合复制保护的装置和方法(Apparatus and Method for Comprehensive CopyProtection For Video Platforms and Unprotected Source Material)”，申请日为1994年7月25日。
本发明涉及一种与任何复合视频或分量视频传输系统一起使用的加扰方法和装置。
迄今实现或建议实现地各种视频加扰系统力求用种种方法防止观者观看一定的预录或传输的视频节目。这些系统中的许多种系统结构复杂，要求装有颇为昂贵的加扰器或解扰器或加扰及解扰器。
这样的一种系统在1990年4月10日授权的发明人是John O.Ryan并且转让给Macrovision公司的美国专利No.4,916,736中加以描述。它用于获得带有时间基准和加密(加扰)的有效视频段的按时间顺序排列的信息信号，其方法是在磁带或盘上记录之前或向用户传送之前以伪随机的方式使该有效视频段作朝向及离开该行基准信号的往复的时移。用相反的时移方法将这些信号解扰。
另一种系统在1991年10月15日授权的发明人是John O.Ryan、并且转让给Marcovision公司的美国专利No.5,058,157中加以描述。该系统在加扰过程中对有效视频进行类似的时移。解扰过程则采用便宜得多的具体实现方式，由此使这样解扰后的信号包含了在后继的监视器/接收器捕捉或校正范围内的某些时基误差。
还有许多别的解扰系统和方法，它们使用的技术是诸如视频反转(Videoinversion)、行混洗(line shuffling)、行切除和旋转(line cutting and rotation)。这些技术都有费用昂贵的问题或不能记录的缺点。
需要一种能便宜地实施和能在家用录像机(VCR)中记录的简单加扰系统。这种系统不必造成不可能看到加扰的图像，而只须使这样的观看没有商业价值或严重破坏对图像的欣赏。
本发明提供一种通过随机地切换分量视频信号或复合视频信号中的色度分量来产生难于或烦于观看的彩色视频的视频加扰和解扰系统。
在加扰部分中，将分量视频或复合视频解码成亮度分量及其二个色度分量。产生一个随机切换信号以随机地切换各色度分量信号的关系。随机切换后的色度分量信号与亮度信号一起编码以产生加扰的分量视频或复合视频信号。该随机切换信号被作为编码信号的一部分或者用另外的数据通道来传送。
解扰部分首先将加扰的分量视频或复合视频信号分离成亮度分量和二个加扰的色度分量。传送到解扰器的随机切换信号用来与加扰的视频信号一起来恢复色度分量信号之间的原始关系。然后对亮度分量及二个解扰的色度分量编码以产生其色度分量之间的关系已恢复到它们在视频信号中各自原始位置的分量视频或复合视频。
本发明的目的在于产生一种以低成本加扰视频信号的方法而不限制加扰后信号在正常传输通道中传送或在一切现在已知的视频介质上记录的能力。
本发明的这些和另一些特点、方面和优点将通过以下结合附图的说明得到更好的理解。
图1表示加扰NTSC视频信号的系统的方框图；
图2表示加扰PAL视频信号的系统的方框图；
图3表示加扰分量视频(Component Video)信号的系统的方框图；
图4表示解扰已加扰NTSC视频信号的系统的方框图；
图5表示解扰已加扰PAL视频信号的系统的方框图；
图6表示解扰已加扰分量视频信号的系统的方框图；
图7表示在CD视盘系统内该加扰方法具体实现的方框图；以及
图8表示在CD视盘系统内该解扰方法具体实现的方框图。
图1至3表示按照本发明所述的各种加扰装置。图4至6表示各种解扰装置。图7和8描述本发明的CD视盘的具体实现。每个方框包含当前可在市面上购得的或者由普通技术人员根据以下说明容易构造的常规元件。记录介质可以是(1)盒式录像带，(2)带盘至带盘(reel-to-reel)的记录，或者(3)光盘格式如CD-Video(视盘)。
图1是描述本发明的NTSC具体实现的框图。图1中的彩色视频加扰器包括了提供本发明加扰功能的所有元件。复合NTSC视频信号12被耦合到NTSC解码器14及随机二值信号产生器16。NTSC解码器14把复合NTSC视频信号12解码成亮度分量18，可以是I或者R-Y信号的第一色度分量信号20，以及可以是Q或者B-Y信号的第二色度分量信号22，所使用的技术为电视工程领域的技术人员所熟知。复合NTSC视频信号12也耦合到随机二值信号产生器16。随机二值信号产生器16根据以场或行频的从复合NTSC视频信号12取得的触发信号产生随机二值信号作为密钥信号34。
第一色度分量20耦合到第一选择器24的第一输入端和第二选择器26的第二输入端。第二色度分量22耦合到第二选择器26的第一输入端和第一选择器24的第二输入端。选择器24及26受密钥信号34的控制以在所述的第一和第二色度分量之间作选择。
从图1可以看出，第一选择器和第二选择器在第一和第二色度分量信号之间选择相反的信号。任何时候这二个选择器的输出都具有不同的色度分量信号。
亮度分量Y18，第一选择器24的输出、色度分量A30，及第二选择器26的输出、色度分量B 36分别耦合到NTSC编码器38的亮度输入端28，第一色度输入端30，及第二色度输入端36，从而产生加扰的复合彩色输出40。
密钥信号34耦合到任选的加密密钥产生器(未示出)以通过对密钥信号34加密来提供额外的安全性。密匙信号34或者加密密钥产生器的输出作为密钥信号42耦合到NTSC编码器38以便与加扰的复合视频输出相组合并成为其一部分。
图1是该加扰-解扰系统的加扰部分的NTSC实施例。图2是应用同一原理的PAL实施例，它具有许多和NTSC实施例共同的元件。元件42，44，48，50，52，54，56和58是PAL分立元件，它们与NTSC元件12，14，18，20，22，38，28和40相似。在NTSC实施例中的部件16，24，26，30，34，36和42与PAL实施例中相同编号元件是共同的。
在图3中，本发明的另一种形式利用了加扰系统的分量视频实现方式。加扰的切换功能按照图1所示的原理来完成。
压缩的分量视频信号60耦合到数据分离器62，数据分离器62把压缩的分量视频信号60分离成亮度分量信号64作为Y信号，第一色度分量信号C166，和第二色度分量信号C268。第一色度分量信号C166耦合到第一选择器76的第一输入端和第二选择器78的第二输入端。第二色度分量信号C2耦合到第二选择器78的第一输入端和第一选择器76的第二输入端。
此外，数据分离器62提供指示行或帧切换频率的同步信号71。同步信号71耦合到随机二值信号产生器70，该随机二值信号产生器70以行频或场频触发而产生一随机二值信号，该随机二值信号起密匙信号74的作用。选择器76和78受密钥信号74的控制以在第一和第二色度分量之间作出选择。
由图3可以看到，第一选择器76和第二选择器78在第一和第二色度分量信号之间彼此选择相反的信号。任何时候，这二个选择器的输出都具有不同的色度分量信号。
亮度分量Y64；第一选择器76的输出、色度分量A82；和第二选择器78的输出、色度分量B84分别耦合到数据组合器86的亮度输入端80，第一色度输入端和第二色度输入端，因而产生加扰的分量彩色输出88。
类似密钥信号74的信号72耦合到任选的加密密钥产生器(未示出)以通过对密钥信号72加密来提供额外的完全性。信号72或者任选的加密密钥产生器的输出耦合到数据组合器86以使信号72或加密密钥信号与压缩和加扰的分量彩色输出88相组合。
图4描述本发明的解扰的实施例。加扰的复合NTSC视频信号90耦合到NTSC解码器92和随机二值信号检测器94。NTSC解码器92使用常规的和人们熟知的技术把加扰的复合NTSC视频信号90分离成亮度分量Y96，及二个色度分量即第一加扰的色度分量A98和第二加扰的色度分量B100。
第一加扰的色度分量A98耦合到第一选择器102的第一输入端和第二选择器104的第二输入端。第二加扰的色度分量B100耦合到第二选择器104的第一输入端和第一选择器102的第二输入端。
加扰的复合NTSC视频信号90还耦合到随机二值信号检测器94。随机二值信号检测器94检测信号42，见图1，(这可以是加密的信号)以产生与加扰过程中使用的密钥信号34同样的随机二值信号106。第一选择器102和第二选择器104受随机二值信号106的控制以在第一加扰的色度分量A98和第二加扰的色度分量B100之间进行选择。
由图4可以看出，第一选择器102和第二选择器104在第一和第二加扰的色度分量信号之间彼此选择相反的信号。在任何时候，这二个选择器的输出都具有不同的色度分量信号。作为解扰过程的结果，选择器102和104的输出恢复了色度分量之间的正常关系。
选择器102和104的输出，即解扰的色度分量信号，分别耦合到NTSC编码器114的I或者R-Y输入端108和Q或者B-Y输入端。此外，亮度分量Y96耦合到NTSC编码器114的亮度输入端106。NTSC编码器114使用常规技术来产生其色度分量之间的关系已完全恢复的NTSC复合视频输出112。
图4是该加扰一解扰系统中的解扰部分的NTSC实施例。图5是应用同一原理的PAL实施例，具有许多和NTSC实施例共同的元件。元件116，118，120，122，124，126，128，130和132是PAL分立部件，它们与NTSC部件92，96，98，100，106，108，110，114和112相似。在NTSC实施例中的元件90，94，102，104，和106与PAL实施例中相同编号的元件是共同的。
图6描述对加扰和压缩的分量视频信号解扰的实施例。加扰和压缩的分量视频信号134耦合到数据分离器136。数据分离器136使用常规的和人们熟知的技术把加扰和压缩的分量视频信号134分离成压缩的亮度分量信号138和二个色度分量，即第一加扰的色度分量A140和第二加扰的色度分量B142。
第一加扰的色度分量A140耦合到第一选择器102的第一输入端和第二选择器104的第二输入端。第二加扰的色度分量B142耦合到第二选择器104的第一输入端和第一选择器102的第二输入端。
加扰和压缩的分量视频信号134还耦合到随机二值信号检测器146。随机二值信号检测器146检测信号72(该信号72可以是加密的)以产生与在加扰过程中使用的密钥信号74同样的随机二值信号148。如果信号72被加密，解密器(未示出)就对信号148解密。第一选择器102和第二选择器104受随机二值信号148的控制以在第一加扰和压缩的色度分量140和第二加扰和压缩的色度分量B142之间进行选择。
由图6可以看出，第一选择器102和第二选择器104在第一和第二加扰的色度分量信号之间选择互相对立的信号。在任何时候，这二个选择器的输出都具有不同的色度分量信号。作为解扰过程的结果，选择器102和104的输出恢复了色度分量之间的正常关系。
选择器102和104的输出，即解扰的色度分量信号，分别耦合到数据组合器154的C1输入端150和C2输入端152。此外，亮度分量Y138耦合数据组合器154的亮度输入端148。数据组合器154组合亮度分量和解扰的色度分量C1和C2以使用常规技术来产生其色度分量之间的关系已完全恢复的压缩的分量视频输出114。
以上对图1至6描述的实施例作了一般性的说明，使得本领域的技术人员可以实现本发明所公开的视频加扰的特点。图7描述与CD-Video(视频光盘)系统相关的加扰和记录部分的具体实施例并结合了公知的复制保护技术。下面讨论NTSC的实施例，但其原理同样适用于PAL或分量视频的实施例。
NTSC复合视频信号160输入到NTSC解码器162和同步分离器164。同步分离器164按常规从NTSC复合视频信号160中分离出垂直同步脉冲166。垂直同步脉冲166耦合到随机二值信号产生器168以给随机二值信号产生器168提供触发脉冲。随机二值信号产生器168产生耦合到“与”门172第一输入端的随机二值信号170。
由操作人员控制的防复制控制开关174产生逻辑高信号作为耦合到“与”门172第二输入端的防复制信号176。防复制信号176也作为用户比特N+1180耦合到数据记录电子系统222用于记录。
当且仅当防复制控制开关174处于“通”位置时“与”门172才输出密钥信号182以产生加扰功能。若防复制开关190接通，则密钥信号182耦合到第一选择器184和第二选择器186的控制元件。
NTSC解码器162对NTSC复合视频信号160解码以产生亮度分量Y188，第一色度分量I或R-Y190和第二色度分量Q或B-Y192的输出。这些分量输入到压缩器200以使用人们熟知的视频压缩技术来进行视频压缩。压缩器200输出压缩的亮度信号194，第一压缩的色度分量C1c196及第二压缩的色度分量C2c198。这些压缩的色度分量可以是上述I和Q信号的压缩形式。
第一压缩的色度分量C1c196耦合到第一选择器184的第一输入端和第二选择器186的第二输入端。第二压缩的色度分量C2c198耦合到第二选择器186的第一输入端的第一选择器184的第二输入端。
由图7可以看出，第一选择器184和第二选择器186至第一和第二色度分量信号之间选择相反的信号。在任何时候，这二个选择器的输出具有不同的色度分量信号。
亮度分量Y194，第一选择器184的输出、色度分量A202，和第二选择器186的输出、色度分量B204在数据组合器206中组合，从而产生加扰的分量彩色数据输出208。
密钥信号182耦合到任选的加密密钥产生器(未示出)以通过对密钥信号182加密来提供额外的安全性。密钥信号182或任选的加密密钥产生器的输出耦合到数据记录电子系统222作为用户比特N210记录，用作与加扰的分量数据输出208及用户比特N+1180一起记录的密钥信号。
必须在加扰过程之前把各种模拟分量压缩成压缩分量，因为许多压缩系统都逐场地寻找信号之间的差别来作为在压缩过程中去除视频信号中任何冗余的手段。如果在压缩之前加扰色度分量信号，就会产生使压缩系统混乱的假的差别。
图8描述配合图7中描述的实施例用的解扰器。除解扰之外，图7和图8也表示了在CD-Video系统中额外使用的复制保护。
对于CD-Video重放设备而言，重放电子系统220具有与解扰及复制保护系统相关的三个输出信号。第一个输出信号是数据输出222，数据输出222包括压缩的亮度分量Yc226，第一加扰和压缩的色度分量Ac228以及第二加扰和压缩的色度分量Bc230。数据分离器224分离并输出这些分量，如图8所示。数据分离器224使用常规和人们熟知的技术把数据输出226分离成上述分量。
第一加扰的色度分量Ac228耦合到第一选择器234的第一输入端和第二选择器236的第二输入端。第二加扰的色度分量Bc230耦合到第二选择器236的第一输入端和第一选择器234的第二输入端。
由图8可以看出，第一选择器234和第二选择器236在第一和第二加扰的色度分量信号之间选择相反的信号。在任何时候，这二个选择器的输出具有不同的色度分量信号。作为解扰过程的结果，选择器234和236的输出恢复了色度分量之间的正常关系。
选择器234和236的输出，即解扰的色度分量信号，分别耦合到解压缩器249的第一解扰的色度分量输入端251和第二解扰的色度分量输入端253。解压缩器249还具有亮度分量信号247作为输入信号。
在解压缩之后，解扰的色度分量信号耦合到NTSC编码器250的I或R-Y输入端252和Q或B-Y输入端254。此外，解压缩的亮度信号，即亮度分量Yc226，耦合到NTSC编码器250的亮度输入端248。NTSC编码器250对亮度分量及解扰和解压缩的色度分量I或Q编码以使用常规技术来产生其色度分量之间的关系已完全恢复的模拟复合视频信号238。
这些模拟分量用常规和人们熟知的技术被编码为NTSC复合视频信号238。
起密钥信号作用的用户比特N232与图7描述的加扰部分中的密钥信号182同步，被耦合到第一选择器234和第二选择器236的控制元件。
重放电子线路220的用户比特N+1输出238是一个由在图7中所示的记录/加扰部分中的防复制控制开关174所控制的逻辑信号。当防复制控制开关174产生逻辑高时，解扰部分中的用户比特N+1耦合到复制保护电路236以产生添加到编码视频输出信号238的复制保护信号241。
这些复制保护信号可以用在人们熟知的视频信号的各种复制保护方案中描述的技术来产生，包括这里为参考而纳入的转让给Macrovision公司的美国专利No.4,631,603，发明人John O.Ryan，1986年12月23日，其用于修改模拟视频信号以禁止根据该模拟视频信号作出可以接受的视频记录。该专利披露了给视频信号垂直消隐区间本来不用的各行添加多个脉冲对，每个脉冲对包括一负向脉冲其后紧跟一正向脉冲。其效果是扰乱了记录这样信号的VCR(盒式录像机)的AGC(自动增益控制电路)，使得当回放所记录信号时由于出现极其黑暗的图像而不能看到所记录的信号。
另一个为参考而纳入本文的模拟复制保护方案公开在转让给Eidak公司的美国专利No.4,914,694中，该专利于1990年4月3日授权，发明人是Leonard。Eidak系统(见其摘要)通过改变每场中各水平行区间的持续时间而同时保持每帧的行数为恒定的标准值，或者通过改变组成一帧的水平行区间的数目而同时保持每个行区间的持续时间为标准值，来相对于视频场的标准长度而增加或减少每一视频场的长度。
这些复制保护系统修改了要记录(例如在磁带上)或要广播(例如每次收看要付费的电视节目)的视频信号以使普通录像机难于或不能复制。当为了观看而在图8的装置上回放受复制保护的信号时，复制保护过程基本上是透明的，即它不干扰观看。但是，如果企图用录像机复制由图8装置输出的视频信号，则会得到或多或少恶化的图像，这取决于特定的复制保护系统的功效。这些目前的视频复制保护系统只保护属于用当前家用视频技术广播和记录的视频信号类型的模拟视频信号。
在上述各实施例中的每一种实施例中，加扰的目的在于随机地颠倒记录或传输过程中色度分量信号的正确的传输路径。回放或观看未经解扰的记录的观看者将观察到图像中正确颜色的随机颠倒，因而降低了图像的商用价值。给加扰添加复制保护后，对于不正当的复制，复制加扰和受复制保护的信号将显著地降低其商用价值。
这里描述的加扰和解扰技术在为参考而纳入下面的专利申请实施例中用作加扰器和解扰器，该正在审理中的申请是美国序号08/279542，发明人John O.Ryan，题为“对视频平台及未保护源资料进行综合复制保护的装置和方法”，申请日为1994年7月25日。
本文描述的加扰机构适合于按照以上所述的申请的说明而用在MPEG系统中的“A”加扰器，因为它兼容于：1、在提出的新式数字录像机、光盘播放机和顶置(set-top)解码器中使用的一个或多个数据压缩系统。2、所提出的数字录像机和光盘播放机的各种“特技方式”(快进和快倒，静止帧，慢放，等等)。
另外，这些加扰和解扰功能最好通过将其包括到实现其他功能的集成电路中而能以极低的成本加以实现。
数字域的加扰通过随机地交换或重新排列压缩的串行数据流的某些数据块来实行。对于以上指明的“A”加扰器，在一随机数据位的控制下重新排列与Cr和Cb色差分量对应的数据。当该数据位为低时不重排Cr和Cf数据，而当该数据位为高时则重排Cr和Cb的次序。然后把该数据位(在辅助数据包的特定位置上)与串行数据流组合以提供解扰信息，其随机的低/高振摆就成了版权签名(Copyright Signature)。
这种加扰形式虽然不足以完全消除图像却产生十分严重的低频彩色噪声，使节目失去一切欣赏价值。
为了确保与各数据压缩系统及各种数字视频设备特技方式的兼容性，只许用于控制Cr和Cb数据重排的随机数据位在各MPEG数据帧之间改变状态，该数据位至少在每个MPEG数据帧中(在辅助数据包中)包含一次以控制解扰和表示版权签名。因此每个MPEG数据帧包含了判读和解扰图像所需的全部信息。
除了响应于限定版权签名的随机数据位而将限定Cr和Cb色度信号的某些数据位反转和交换之外，在序号08/279542中的“A”和“B”加扰机构完全相同。
上述描述是说明性而不是限制性的。根据本发明的公开，另外的各种变型对于本领域的普通技术人员将是容易的。