專利名稱：在多媒體信號內(nèi)重新嵌入水印的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在諸如音頻、視頻或數(shù)據(jù)信號的多媒體信號內(nèi)重新嵌入信息的設(shè)備和方法。
多媒體信號的加水印是一種隨多媒體信號一起傳輸附加數(shù)據(jù)的技術(shù)。例如，加水印技術(shù)可用來將版權(quán)和拷貝控制信息嵌入音頻信號。
對一種加水印方案的主要要求是水印應(yīng)該是不能觀察到的(即在音頻信號的情況下，它是聽不見的)，但對于要從信號中除去水印的攻擊又是魯棒的(例如，除去水印就要損害信號)?？梢岳斫?，一個水印的魯棒性通常要以犧牲水印所嵌入的信號的質(zhì)量為代價。例如，如果一個水印魯棒地嵌入一個音頻信號(因此很難除去)，那么在不知道底層技術(shù)和密鑰的情況下要想除去這個水印就很可能使音頻信號的質(zhì)量下降。
已知可以通過增加水印信號內(nèi)的嵌入信息量來改變水印。在這種情況下，將另外一個水印序列添加到一個現(xiàn)有的加有水印的信號上。例如，這可參見4C 12比特水印規(guī)范?？稍趆ttp://www.4centity.com/data/tech/4cspec.pdf找到這個規(guī)范的拷貝。
可以理解，在要反復(fù)改變水印信息時，這樣的方法不僅會降低原始信息信號的質(zhì)量(由于添加附加水印信號以改變有效載荷)，而且在各個所嵌入的水印之間的沖突會顯著地降低水印的魯棒性。例如，某些版權(quán)應(yīng)用要求重復(fù)改變嵌入一個信號的版權(quán)信息，以便維護(hù)適當(dāng)?shù)目截惪刂啤?br> 本發(fā)明的一個目的是提供一種加水印方案，這種加水印方案基本上解決了至少一個現(xiàn)有技術(shù)中的在這里提到或沒有提到的問題。
在第一方面，本發(fā)明提供了處理包括水印信號的多媒體信號的方法，這種方法包括下列步驟除去原始水印信號的至少一個部分；以及將一個新水印信號添加給多媒體信號，從而形成一個新的加有水印的多媒體信號。
優(yōu)選的是，通過將所述原始水印信號的一個負(fù)版本加到多媒體信號上而除去所述原始水印信號。
優(yōu)選的是，所述方法還包括確定用來將原始水印嵌入多媒體信號的參數(shù)中的至少一個參數(shù)的值的步驟。
優(yōu)選的是，所述參數(shù)用來除去所述原始水印信號的至少一個部分。
優(yōu)選的是，用具有所述所確定的值的所述嵌入?yún)?shù)將所述新信號嵌入多媒體信號。
適當(dāng)?shù)氖牵镁哂兴鏊_定的值之外的值的所述嵌入?yún)?shù)將所述新信號嵌入多媒體信號。
優(yōu)選的是，所述參數(shù)包括嵌入強(qiáng)度、同步信息、時間偏移、時間縮放、序列的循環(huán)移位量和水印符號周期中的至少一個。
適當(dāng)?shù)氖?，所述原始水印全部被除去，而所述新信號包括一個新水印信號。
優(yōu)選的是，所述水印包括至少兩個值序列，至少一個值序列作為水印信號的所述部分被除去，使得在原始水印信號中留下至少一個剩下的值序列；而其中所述新信號包括至少另一個值序列，它與所述剩下的序列一起形成一個新水印信號。
優(yōu)選的是，所述值序列全部由單個值序列經(jīng)循環(huán)移位不同的移位量形成。
優(yōu)選的是，所述水印信號的被除去部分是以預(yù)定強(qiáng)度被嵌入所述多媒體信號的，所述方法還包括以優(yōu)選為相同的預(yù)定強(qiáng)度將新信號嵌入多媒體信號的步驟。
優(yōu)選的是，所述嵌入強(qiáng)度使得新的加有水印的多媒體信號的質(zhì)量降低是可感知但并不惱人的。
優(yōu)選的是，所述原始水印信號和新水印信號至少其中之一包括一個通過將一個窗整形函數(shù)加到一個值序列上而形成的平滑改變的信號，在窗整形函數(shù)上的積分為零。
優(yōu)選的是，所述窗整形函數(shù)具有雙相位特性。
優(yōu)選的是，所述雙相位窗包括極性相反的兩個Hanning窗。
在另一個方面，本發(fā)明提供了一種用來執(zhí)行上述任何一種方法的計算機(jī)程序。
在又一個方面，本發(fā)明提供了一種包括一個上述計算機(jī)程序的記錄載體。
在另一個方面，本發(fā)明提供了一種可用來下載如上所述的計算機(jī)程序的方法。
在又一個方面，本發(fā)明提供了一種處理包括水印信號的多媒體信號的設(shè)備，所述設(shè)備包括一個用來除去水印信號的至少一個部分的刪除單元；以及一個用來將一個新信號添加給多媒體信號從而形成一個新的水印信號的嵌入器。
優(yōu)選的是，所述設(shè)備還包括一個用來檢測所述水印信號的一個參數(shù)的至少一個值的檢測器。
優(yōu)選的是，所述設(shè)備包括一個多媒體信號接收機(jī)，所述多媒體信號接收機(jī)包括一個設(shè)備。
為了更好理解本發(fā)明和示出可以怎樣實施本發(fā)明的各實施例，下面將參照附圖舉例進(jìn)行說明，在這些附圖中

圖1為例示按照本發(fā)明的第一實施例的一般化的水印重新嵌入設(shè)備的示圖；圖2示出了一種水印嵌入器的示意圖；圖3為示出用來嵌入原始水印有效載荷的有效載荷添加和調(diào)節(jié)電路(圖2中的單元630a)的細(xì)節(jié)的示意圖；圖4為例示可用于本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的水印檢測器的示意圖；圖5為示出按照一個優(yōu)選實施例的水印產(chǎn)生器單元650的細(xì)節(jié)的示意圖；圖6為例示按照一個優(yōu)選實施例的水印嵌入器設(shè)備的圖表；圖7示出了信號部分提取濾波器H；圖8示出了用來重新嵌入水印的有效載荷添加/改變和水印調(diào)節(jié)級；圖9為例示圖8的水印調(diào)節(jié)設(shè)備Hc的細(xì)節(jié)的示圖，其中示出了各級的有關(guān)信號；圖10示出了與由圖1和圖4的設(shè)備接收到的水印信號的原始有效載荷相應(yīng)的典型相關(guān)函數(shù)；圖11示出了在除去了形成原始水印的兩個序列中的一個序列后的相關(guān)函數(shù)；以及圖12示出了通過將第二水印序列添加給具有圖10所示的相關(guān)函數(shù)的信號而形成的一個具有新有效載荷的新水印的相關(guān)函數(shù)。
圖1例示了按照本發(fā)明的第一實施例的重新嵌入設(shè)備600。這個設(shè)備包括一個輸入端602，用來接收加有水印的信息信號y′old。形成輸入信號y′old的兩個拷貝，一個拷貝送至延遲單元614，而另一個拷貝輸入檢測器640。
檢測器640用來檢測被嵌入接收信號y′old的水印wold的一個估計w′old(輸出612)和估計改變水印有效載荷所需的控制參數(shù)(輸出609)。
與所檢測到的w′old有關(guān)的信息然后被傳送給水印產(chǎn)生器650和水印嵌入器620。傳送給水印產(chǎn)生器的信息可以是所提取的水印w′old的整個拷貝，也可以是使水印產(chǎn)生器能產(chǎn)生w′old的一個拷貝wold的足夠的信息(例如，對于包括單個值序列的兩個經(jīng)循環(huán)移位序列的水印來說，所述信息可以是循環(huán)移位dold)。水印產(chǎn)生器的輸出608(也標(biāo)為wold)優(yōu)選地是所提取的水印w′old的一個經(jīng)糾錯的版本。
水印產(chǎn)生器650還產(chǎn)生一個用于添加給原始信息信號y′old的新水印信號wnew(輸出618)。
延遲單元614對輸入信號y′old進(jìn)行延遲，而同時檢測器640和水印產(chǎn)生器650執(zhí)行插入操作。經(jīng)延遲的信號y′old隨后被傳送(輸出607)給嵌入器620。
在水印嵌入單元620內(nèi)，從信號y′old中除去舊水印信號wold，再將新水印wnew加入y′old，從而形成一個含有新水印wnew的信息信號ynew。
以上實施例代表了本發(fā)明的一個具體的一般化的實現(xiàn)方案。以下將說明結(jié)合一個具體的加水印方案使用的、按照本發(fā)明的另一個實施例的具體的水印重新嵌入方案。
這樣的水印可以例如用圖2和3所示的設(shè)備嵌入。
圖2示出了嵌入設(shè)備100，它被安排成在輸入端120上接收主多媒體信號x，在輸出端132上輸出所接收信號的一個加有水印的版本(yold)。
設(shè)備100分別在輸入端110和112上接收兩個值序列(wold[k]和wref[k])。用這兩個值序列的組合來產(chǎn)生水印信號w0。這兩個值序列各是一個原始值序列的一個循環(huán)移位版本。Wold是原始序列ws循環(huán)移位了dold的版本，而wref是原始序列ws循環(huán)移位了dref的版本，也就是說，wold是wref的一個循環(huán)移位版本。原始值序列可以例如用一個隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器(RNG)用一個預(yù)定的種子值S產(chǎn)生。
如圖3所示，有效載荷添加和調(diào)節(jié)電路630a分別在輸入端110和112上接收wold[k]和wref[k]。每個序列由放大器631乘以相應(yīng)的符號比特rold和rref(分別從輸入端603和604接收的)(其中rold和rref分別為+1或-1，并且對于任何給定的有效載荷保持不變)。所得到的信號然后通過其中對每個序列內(nèi)的每個值用一個周期為Ts的窗整形函數(shù)進(jìn)行卷積的信號調(diào)節(jié)單元632。這樣就產(chǎn)生平滑改變的輸出序列wold[n]和wref[n]。信號調(diào)節(jié)單元632的操作稍后將參照圖9更詳細(xì)地說明。然后，信號wref[n]由延遲單元634延遲一段預(yù)定的延遲Tr(其中，Tr小于Ts，優(yōu)選的是，Tr＝Ts/4)。然后，加法器635將wold[n]與wref[n]的經(jīng)延遲的版本相加，結(jié)果就是從電路630的輸出端623輸出的水印信號w0[n]。
再來看圖2，所接收到的主信號x被分成兩個拷貝，第一拷貝送至加法器130，而第二拷貝送至乘法單元124。送至乘法單元124的拷貝可以用帶通濾波器(未示出)濾波，以在放大器124的輸入端122上形成信號xb。
w0[n]乘以主信號x[n]的可能經(jīng)濾波的版本xb[n]、經(jīng)增益因子α縮放后再回加到主信號x[n]上，以產(chǎn)生由下式給出的水印信號yold[n]yold[n]＝x[n]+αw0[n]xb[n](1)增益因子α由可變增益裝置128設(shè)定，在所示的這個例子中，按來自用心理聲學(xué)模型對主信號x采樣的信號分析器126的信號設(shè)定。這樣一個模型例如可參見E.Zwicker的論文“Audio Engineering andPsychoacousticsMatching signals to the final receiver，the Human Auditory System(音頻工程和心理聲學(xué)信號與最終接收器(人類聽覺系統(tǒng))的匹配)”，Journal of the Audio EngineeringSociety，Vol.39，pp.Vol.115-126，March 1991。增益因子α通常被選擇成使水印信號對主信號質(zhì)量的影響最小。
這樣的加水印方案的特征是，在檢測期間加有水印的信號yold產(chǎn)生兩個相隔pLold的相關(guān)峰(參見圖10)，其中值pLold至少是水印有效載荷的一部分，可以定義為
其中dref和dold∈
是相關(guān)峰的相對位置(如圖10所示)，而Lw是兩個水印序列各自的長度(符號或值的個數(shù))。
除了pLold之外，通過改變所嵌入的水印的相對符號還對額外的信息進(jìn)行編碼。在檢測器內(nèi)，這被看作相關(guān)峰之間的相對符號rsign?？梢钥吹?，rsign可以取4個可能的值，可以定義為rsign=2·μref+μold+32∈{0,1,2,3}---(3)]]>其中，μold和μref為相關(guān)峰的符號，分別與圖3中的符號比特rold和rref相應(yīng)。于是將整個水印有效載荷pLw給出為rsign和pLold的組合pLw＝<rsign，pLold> (4)因此，可以由長度為Lw的水印序列載送的以比特數(shù)計的最大信息(Imax)被給出為 比特 (5)下面將對適合與圖2所示的水印嵌入器配合使用的水印重新嵌入設(shè)備和相關(guān)的加水印方案進(jìn)行說明。在這個具體實施例中，嵌入設(shè)備配置被安排成只是部分除去水印并用新信息代替，以改變水印有效載荷。圖1例示了這個重新嵌入設(shè)備的不同功能決。
圖4示出了用來提取重新嵌入處理過程所需的水印嵌入?yún)?shù)的水印檢測器640的方框圖。該檢測器包括四個主要的級(a)水印符號提取級(200)；(b)緩沖和內(nèi)插級(300)；(c)相關(guān)和判決級(400)；以及(d)控制信號產(chǎn)生級(500)。
在符號提取級(200)內(nèi)，對所接收到的加有水印的信號y′old[n]進(jìn)行處理，以產(chǎn)生多個(Nb個)對加有水印的序列的估計，這些估計被多路復(fù)用成信號we[m]。水印序列的這些估計要用來解決(補(bǔ)償)在嵌入器與檢測器之間可能存在的任何時間偏移，使得水印檢測器能夠與被插入主信號的水印序列同步。
在緩沖和內(nèi)插級(300)內(nèi)，將這些估計多路分解為Nb個分開的緩沖器。然后對每個緩沖器進(jìn)行內(nèi)插，以解決(補(bǔ)償)可能已出現(xiàn)的可能時間尺度修改。例如，采樣(時鐘)頻率的漂移可以導(dǎo)致在時域信號內(nèi)的伸長或縮短(即，水印可以已被伸長或縮短)。
在相關(guān)和判決級(400)內(nèi)，將每個緩沖器的內(nèi)容與基準(zhǔn)水印進(jìn)行相關(guān)，再將最大相關(guān)峰與一個門限相比較，以確定水印是否確實被嵌入在所接收到的信號y′old[n]內(nèi)的似然性。
在控制信號產(chǎn)生單元(500)內(nèi)，將檢測真值、相應(yīng)的水印序列、其緩沖器索引和新有效載荷值pLnew(輸入616)組合在一起，以產(chǎn)生改變水印有效載荷所需的參數(shù)?？刂菩盘柈a(chǎn)生器的輸出(609，612)被傳送給水印產(chǎn)生器650和水印嵌入單元620。
圖5示出了水印產(chǎn)生單元650的細(xì)節(jié)。在這個單元內(nèi)，用從檢測器640得到的參數(shù)信息(輸入609和612)產(chǎn)生wnew和wold。
在一個優(yōu)選實施例中，可以如下產(chǎn)生水印序列wold和wnew。首先，用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器651以初始種子S產(chǎn)生一個有限長度的、優(yōu)選地是零均值和均勻分布的隨機(jī)序列ws?？梢岳斫猓@個初始種子S優(yōu)選地與在最初嵌入期間產(chǎn)生wold時所使用的相同。這最終產(chǎn)生長度為Lw的序列ws(k)∈[-1，1]對于k＝0，1，2，...，Lw-1 (6)然后，分別用循環(huán)移位單元653a和653b將序列ws循環(huán)移位dold和dnew位，得到隨機(jī)序列wold和wnew?？梢岳斫猓@兩個序列(wold和wnew)實際上是第一序列和相對第一序列循環(huán)移位了的第二序列。這兩個序列隨后被傳送給水印嵌入單元620(輸出608，618)。
圖6示出了作為水印重新嵌入設(shè)備600的一部分、并適于與所考慮的具體加水印方案一起使用的水印嵌入單元620。
主信號y′old(含有至少一個初始水印序列wold)被提供到設(shè)備的輸入端607上。主信號y′old通過延遲單元629和加法器626向輸出端610的方向進(jìn)行傳送。然而，主信號y′old朝乘法器624方向分出一個復(fù)制yb(輸入628)，以載送新水印信息。
乘法器624用來計算水印改變信號wdiff與復(fù)制信號yb的積。水印改變信號wdiff是從有效載荷改變和水印調(diào)節(jié)設(shè)備630b得到的，它是從作為有效載荷改變和水印調(diào)節(jié)設(shè)備的輸入的水印隨機(jī)序列wold和wnew(分別為輸入608和618)得出的。
所得到的積wdiffyb然后通過增益控制器625被傳送給加法器626。由控制器625所施加的增益因子α控制水印的可聽度和魯棒度之間的折衷。它可以是一個常量，也可以是一個隨至少時間、頻率和空間之一可變的變量。圖6的設(shè)備示出，在α是變量時，可以由從水印檢測器單元640得到的控制信號609自動地對其進(jìn)行適配。
在另一個優(yōu)選實施例中，增益因子α可以由一個信號分析器根據(jù)主信號yold的屬性獨立控制。在后一種情況下，增益α是自動適配的，優(yōu)選的是按照一個例如人類聽覺系統(tǒng)(HAS)的心理聲學(xué)模型之類的、適當(dāng)選擇的感知度成本函數(shù)來使得對信號質(zhì)量影響最小。同樣的模型可以用作控制自適應(yīng)增益因子以控制原始水印信號的嵌入強(qiáng)度(參見圖2和相關(guān)文本)的模型。
在圖6中，通過將wdiff與yb的積的經(jīng)適當(dāng)縮放的版本添加給主信號而在嵌入設(shè)備620的輸出端610上得到所產(chǎn)生的水印音頻信號ynewynew[n]＝y(tǒng)old[n]+αwdiff[n]yb[n]≈x[n]+αwc[n]xb[n] (7)其中，wc以與圖3中從wref和wold得出w0相同的方式從wref和wnew得出。
優(yōu)選的是，水印wdiff[n]的參數(shù)被選擇成使得在乘以yb時主要修改yb的短時包絡(luò)。
圖7示出了一個優(yōu)選實施例，其中在圖6中的乘法器624的輸入628是通過用濾波單元615內(nèi)的濾波器H對主信號y′old濾波而得到的。優(yōu)選的是，濾波器H是由其下截止頻率fL和上截止頻率fH表征的線性相位帶通濾波器。優(yōu)選的是，這個濾波器具有與在嵌入器100內(nèi)用來從x中提取xb的濾波器相同的特性。
在圖8中，示出了有效載荷改變和水印調(diào)節(jié)單元630b的細(xì)節(jié)。在這個特定單元內(nèi)，水印信號wold和wnew被組合在一起，以產(chǎn)生多比特水印改變信號wdiff。水印改變信號wdiff在與y′old組合后產(chǎn)生一個具有與wnew相應(yīng)的有效載荷的加有水印的信號。
序列wold和wnwe首先分別在乘法單元654a和654b中乘以各自的符號比特rold和rnew。rold和rnew的對應(yīng)值由檢測單元640得出，并通過控制輸入端609傳送。rold和rnew的值(典型情況下為+1或-1)保持不變，并且只是在要改變水印的有效載荷時才改變。
用加法器635將負(fù)的舊水印序列wold與正的新序列wnew相加以計算出加了符號的序列wold與wnew之差wdiff[k]。所得到的wdiff然后通過調(diào)節(jié)級以產(chǎn)生緩慢變化的多比特水印wdiff[n]。
圖9示出了在有效載荷添加/改變和水印調(diào)節(jié)設(shè)備630中使用的水印調(diào)節(jié)設(shè)備632的細(xì)節(jié)。在重新嵌入的情況下，水印隨機(jī)序列wdiff＝wnew-wold被輸入到調(diào)節(jié)設(shè)備632。
在調(diào)節(jié)電路內(nèi)，水印信號序列wdiff[k]首先被加到上采樣器180的輸入端上。圖181將一個可能的序列wdiff例示為一個長度為Lw、值在+1到-1之間的隨機(jī)數(shù)序列。上采樣器在每個樣本之間增添(Ts-1)個零，以將采樣頻率提高到Ts倍。Ts稱為水印符號周期，表示在音頻信號內(nèi)水印符號的跨距。在接收信號y′old與發(fā)送信號yold相比已經(jīng)經(jīng)受了時間縮放的情況下，用考慮了縮放影響的經(jīng)適當(dāng)縮放的采樣因子Tnew代替Ts。圖183示出了圖181所例示的信號通過上采樣器180后的結(jié)果。
然后用一個諸如雙相位窗之類的窗整形函數(shù)s[n]與經(jīng)上采樣的信號wi[n]卷積，以將它變換成一個緩慢變化的窄帶信號wdiff[n]，其對于圖181的wdiff[k]序列的特性如圖185所示。
圖184示出了一個典型的雙相位窗整形函數(shù)。這個窗整形函數(shù)只是在時間間隔0至Ts內(nèi)有支持。窗函數(shù)被應(yīng)用于水印序列以產(chǎn)生一個平滑變化的信號，從而將主信號質(zhì)量的降低減到最小。
下面將更詳細(xì)地說明圖4所示的檢測設(shè)備(200，300，400，500)的操作。
在圖4中所示的水印符號提取級200內(nèi)，輸入的水印信號y′old[n]被輸入到信號調(diào)節(jié)濾波器Hb(210)。這個濾波器210通常是一個帶通濾波器，其性能與圖7所示的相應(yīng)濾波器H(615)相同。濾波器Hb的輸出為y′b[n]，假設(shè)在傳輸信道內(nèi)線性，從式(1)可得y′b[n]≈(1+αwc[n])xb[n] (8)注意，當(dāng)在嵌入器內(nèi)不用濾波器時(即，在H＝1時)，檢測器內(nèi)的Hb可以被省去，或者檢測器也可以仍然包括Hb，以改善檢測性能。如果Hb被省去，式(8)中的y′b就用y′old代替。其余的處理是相同的。
為了簡化，假設(shè)嵌入器與檢測器之間有著理想的同步(即沒有偏移，并且時間尺度沒有改變)，而且音頻信號分成長度為Ts的各幀，而y′b，m[n]為經(jīng)濾波的信號y′b[n]的第m個幀的第n個樣本。應(yīng)指出的是，如果在嵌入器與檢測器之間沒有理想的同步，則可以在緩沖和內(nèi)插級300內(nèi)用熟練技術(shù)人員所知的技術(shù)(例如迭代搜索所有可能的尺度和偏移修改直到達(dá)到最佳匹配)來補(bǔ)償任何偏差。
與y′b，m[n]幀相應(yīng)的能量E[m]為E[m]=Σn=0Ts-1|yb,m′[n]S[n]|2---(9)]]>其中，S[n]為在圖9的水印調(diào)節(jié)電路內(nèi)所用的相同的窗整形函數(shù)。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可以理解，式9表示一個匹配濾波器接收機(jī)，并且是在符號周期完全同步時的最佳接收機(jī)。在與上述內(nèi)容不矛盾的情況下，為了簡化以下說明，以下設(shè)S[n]＝1。
將其與式8合并后得E[m]=Σn=0Ts-1|yb,m′[n]|2≈Σn=0Ts-1|(1+αwe[m])xb,m[n]|2---(10)]]>其中，we[m]為第m個所提取的水印符號，并且含有所嵌入的水印序列的Nb個時間多路復(fù)用的估計。解出式10中的we[m]，忽略α的高次項，得到以下近似式we[m]≈12α(Σn=0Ts-1|yb,m′[n]|2Σn=0Ts-1|xb,m[n]|2-1)---(11)]]>在圖4中所示的水印提取級200內(nèi)，濾波器Hb的輸出y′b[n]被提供為分幀器220的輸入，分幀器220將音頻信號分成長度為Ts的各幀，即分成y′b，m[n]，然后用能量計算單元230按式(9)計算與每個成幀信號相應(yīng)的能量。能量計算單元230的輸出然后被提供為白化級Hw(240)的輸入，白化級Hw(240)執(zhí)行式11所示的功能，以便提供輸出we[m]。
可以理解，式11的分母含有需要知道主(原始)信號x的一項。由于信號x對于檢測器來說是不可得到的，這意味著為了計算we[m]必須對式11的分母進(jìn)行估計。
下面將說明對于雙相位窗整形函數(shù)怎樣可以進(jìn)行這種估計，但可以理解，這種教導(dǎo)可以擴(kuò)展到其他窗整形函數(shù)。
通過研究圖9中的雙相位窗函數(shù)(圖184)可見，當(dāng)用這樣一個窗函數(shù)調(diào)制一個音頻幀的包絡(luò)時，幀的前一半和后一半在相反的方向上被縮放。在檢測器內(nèi)，用這個特性來估計主信號y′old的包絡(luò)能量。
因此，在檢測器內(nèi)，首先將音頻幀再分成兩半。從而，與前半幀和后半幀相應(yīng)的能量函數(shù)分別為E1[m]=Σn=0Ts/2-1|yb,m′[n]|2---(12)]]>和E2[m]=Σn=Ts/2Ts-1|yb,m′[n]|2---(13)]]>由于原始音頻的包絡(luò)在兩個子幀內(nèi)是以相反的方向調(diào)制的，因此原始音頻的包絡(luò)可以被近似為E1[m]和E2[m]的平均值。
此外，瞬時調(diào)制值可以取為這兩個函數(shù)之差。因此，對于雙相位窗函數(shù)，水印we[m]可以被近似為we≈12α(E1[m]-E2[m]E1[m]+E2[m]-1)---(14)]]>這個輸出we[m]然后被傳送給緩沖和內(nèi)插級300，其中信號由多路分解器310分解，并被緩沖進(jìn)長度為Lb的緩沖器320以解決嵌入器與檢測器之間的任何同步不足，所述信號再在內(nèi)插單元330內(nèi)受到內(nèi)插以補(bǔ)償嵌入器與檢測器之間的任何時間尺度修改。這樣的補(bǔ)償可以利用已知技術(shù)，因此在本說明書內(nèi)不再詳細(xì)說明。
在檢測期間，為了使水印檢測精度最高，水印檢測處理過程通常在接收信號y′old[n]的一段為水印序列3至4倍的長度上執(zhí)行。因此需檢測的每個水印符號可以通過對若干符號取平均而構(gòu)造。這個平均處理過程稱為平滑，進(jìn)行平均的次數(shù)稱為平滑因子sf。因此，檢測窗長度LD為在其上報告一個水印檢測真值的音頻段的長度(以樣本數(shù)計)。因此，LD＝sfLwTs，其中Ts為符號周期，Lw為水印序列內(nèi)的符號數(shù)。在典型情況下，緩沖和內(nèi)插級內(nèi)每個緩沖器320的長度(Lb)為Lb＝sfLw。
如圖4所示，緩沖級的輸出(wD1，wD2，...，wDNb)被傳送給內(nèi)插級，經(jīng)內(nèi)插后，內(nèi)插級的輸出(wI1，wI2，...，wINb)(與經(jīng)正確重新縮放的信號的不同估計相應(yīng))被傳送給相關(guān)和判決級。如果相信不需要時間縮放補(bǔ)償，可以直接將值(wD1，wD2，...，wDNb)傳送給相關(guān)和判決級400，即設(shè)備可以省去內(nèi)插級330。
相關(guān)器410計算每個估計wIj，j＝1，...，Nb與基準(zhǔn)水印序列ws[k]的相關(guān)度。與各估計相應(yīng)的各個相關(guān)輸出隨后被加到最大檢測單元420上，最大檢測單元420確定哪兩個估計對于基準(zhǔn)水印的循環(huán)移位版本wold和wref提供最佳擬合。這些估計序列的相關(guān)值(峰值振幅和位置)被傳送給門限檢測器和有效載荷提取單元430。
在相關(guān)級410的另一個輸出中，與兩個對于基準(zhǔn)水印的循環(huán)移位版本wold和wref的最佳擬合相應(yīng)的水印序列和緩沖器索引被傳送給控制信號產(chǎn)生單元500。
如果省去了內(nèi)插級，相關(guān)器410就替換地計算每個估計wDj，j＝1，...，Nb與基準(zhǔn)水印序列ws[k]的相關(guān)，并將結(jié)果傳送給如上面所述的單元420和430以用于后續(xù)處理。
門限檢測器和有效載荷提取單元430可以用來從檢測到的水印信號提取有效載荷(例如信息內(nèi)容)。一旦這個單元估計出兩個超過檢測門限的相關(guān)峰cL1和cL2，就測量這兩個峰之間的距離pL(如式(2)所定義的)。接著，確定相關(guān)峰的符號μ1和μ2，從而按式(3)計算出rsign。隨后可以用式(4)計算總水印有效載荷。
例如，由圖10可見，pLold為兩個峰之間的相對距離。兩個峰都是正的，即μ1＝+1，和μ2＝+1。由式(3)可得rsign＝3。因此，有效載荷pLw＝<3，pLold>。
在檢測器內(nèi)所用的基準(zhǔn)水印序列ws與被加到主信號上的原始水印序列(的一個可能經(jīng)循環(huán)移位的版本)相應(yīng)。例如，如果水印信號是在嵌入器內(nèi)用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器以種子S計算出的，那么，檢測器同樣可以用相同的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生算法和相同的初始種子計算出相同的隨機(jī)數(shù)序列，以便確定水印信號?；蛘撸谇度肫鲀?nèi)原先所加的并由檢測器用作基準(zhǔn)的水印信號可以簡單地就是任何預(yù)定的序列。
圖10示出了作為相關(guān)器410的輸出的相關(guān)函數(shù)的典型形狀。水平刻度示出了相關(guān)延遲(以序列樣本(sequence bin)計)。左側(cè)的垂直刻度(稱為置信度cL)表示按相關(guān)函數(shù)(在典型情況下呈正態(tài)分布)的標(biāo)準(zhǔn)差歸一化的相關(guān)峰的值。
如可看到的那樣，典型的相關(guān)相對于cL是比較平坦的，并在cL＝0上下。然而，當(dāng)存在一個水印時，該函數(shù)含有兩個相隔pLold(見式2)的峰，向上延伸到超過檢測門限的cL值。在相關(guān)峰為負(fù)時，以上說明適合于就絕對值而言。
水平線表示檢測門限。檢測門限值控制誤告警率。
存在兩種誤告警假陽性率，定義為在不加水印的項中檢測到水印的概率；以及假陰性率，定義為在加有水印的項中沒有檢測到水印的概率。通常，對假陽性告警的要求要比對假陰性告警的嚴(yán)格得多。
在每個檢測間隔后，檢測器確定是否存在原始水印，并據(jù)此將“是”或“否”判決輸出給輸出設(shè)備，同時也輸出給控制信號產(chǎn)生單元500。
如果需要，為了改善這個判決處理過程，可以考慮若干檢測窗。在這種情況下，假陽性概率是對于各個檢測窗所考慮的各個概率的組合，這取決于所取的準(zhǔn)則。例如，可以確定，如果相關(guān)函數(shù)在三個檢測間隔中的任何兩個間隔上具有兩個超過門限cL＝7的峰，就認(rèn)為有水印。顯然，按照水印信號的所希望的使用，而且考慮到諸如主信號的原始質(zhì)量和信號在正常傳輸期間可能被破壞的程度之類的因素，這種檢測準(zhǔn)則可以發(fā)生改變。
作為對這個具體重新嵌入處理過程的一般操作的總結(jié)，重新嵌入設(shè)備600被安排成在輸入端602上接收含有水印的信號y′old。在這種情況下，信號y′old由圖2和3所示的水印嵌入設(shè)備產(chǎn)生，并且包括一個水印，該水印包括單個值序列ws的兩個循環(huán)移位版本wold和wref。接收信號的一個拷貝yold被傳送給檢測器640。
如上所述，檢測器640用來檢測在信號y′old內(nèi)是否存在水印，并估計水印嵌入?yún)?shù)(例如水印序列循環(huán)移位量d和用來控制水印的可聽度與魯棒度之間的折衷的增益因子α)。
圖10例示了被嵌入y′old的水印與用來形成wold的原始值序列(ws)的相關(guān)函數(shù)。如可以看到的那樣，y′old內(nèi)的水印的有效載荷pLold至少部分由包括水印的序列受到循環(huán)移位的兩個移位量dold和dref規(guī)定。
在這個優(yōu)選實施例中，只是除去原水印信號的一部分(循環(huán)移位量為dold的值序列)。然后，用檢測到的嵌入?yún)?shù)將與在原始水印內(nèi)所用的相同的值序列(ws)循環(huán)移位一個新的移位量(dnew)后嵌入信息信號。
圖11例示了圖10所示的同一個水印信號的相關(guān)函數(shù)，但其中與延遲dold相應(yīng)的值序列已經(jīng)被除去(也就是說已經(jīng)將“-wold”加到y(tǒng)′old上)。結(jié)果是只在dref處有單個相關(guān)峰。
圖11示出了圖10所示的同一個信號的相關(guān)函數(shù)，不過是在插入了具有一個新的循環(huán)移位延遲(dnew)的同一個值序列ws之后。這產(chǎn)生兩個相隔有效載荷pLnew(見式2和4)的相關(guān)峰，即一個新水印信號。可以理解，通過只除去原始水印信號的一半再添加水印信號的替換的一半，就已產(chǎn)生一個新水印，但這對水印所嵌入的信息信號的質(zhì)量的影響最小。
檢測器640還向延遲單元629提供諸如時間偏移(Δt)之類的同步信息。然后，對被傳送給延遲單元629的輸入信號y′old的拷貝進(jìn)行適當(dāng)同步，以考慮任何時間偏移、重新縮放和由重新嵌入器內(nèi)各單元(例如630b，624，625，615)執(zhí)行的各個操作所引起的固有延遲，以確保在加法器6 26處y′old與yb同步。信號y′old的一個拷貝被傳送給濾波器H615。這個濾波器與圖7所示的濾波器類似，并且可以省去。這種濾波器可以例如是一個帶通濾波器，并給出輸出yb。
可以理解，以上這些實施例只是例示性的。對于熟練技術(shù)人員來說各種修改都是顯而易見的。
例如，雖然優(yōu)選實施描述了部分地除去原始水印，但可以理解，可以除去和替換整個原始水印。同樣，雖然所說明的只是除去一個序列和用一個序列代替，但可以理解，可以用兩個或更多個序列代替單個序列。或者，如果原始有效載荷包括三個循環(huán)移位的序列或者更多個循環(huán)移位的序列，可以用單個序列或多個序列代替兩個這樣的序列。
雖然新水印被描述為采用與原先所用的相同的嵌入?yún)?shù)的值，但新水印當(dāng)然可以使用這些嵌入?yún)?shù)中任何一個或多個嵌入?yún)?shù)的其他值。
例如，雖然以上實施例將水印改變信號wc描述為用一個因子α縮放，但可以理解，形成wc的兩個部分(即，wold和wnew)可以分別用不同的量縮放后再相加或者再分別直接添加給接收信號y′old。為了除去這部分水印，最好wold的負(fù)版本的嵌入強(qiáng)度與原先用來將wold嵌入主信號的嵌入強(qiáng)度近似。然而，wnew顯然可以以任何所希望的強(qiáng)度被嵌入y′old。
所希望的是水印被嵌入主信號而不過分影響主信號的質(zhì)量。優(yōu)選的是，所有被嵌入的水印信號是觀察者無法覺察的，即在音頻信號中不能聽到水印信號的影響，或者在視頻信號中不能看到水印信號的影響。
ITU標(biāo)準(zhǔn)“Method for objective Measurements of Perceivedaudio quality(所感知的音頻質(zhì)量的客觀測量方法)”(InternationalTelecommunication Union，Geneva Switzerland(1999))定義了一個5分制(與ITU-R Rec BS.1116(rev.1)(1997)和ITU-R Rec.BS.562-3(1990)標(biāo)準(zhǔn)一致)。不同的得分為5＝覺察不到，4＝可察覺但不惱人，3＝略為惱人，2＝惱人，1＝非常惱人。
雖然優(yōu)選的是所有水印信號都是覺察不到的，但在大多數(shù)系統(tǒng)中ITU尺度上的4分(“可察覺但不惱人”)同樣是可以接受的。
雖然以上實施例對于一個具體加水印方案描述了本發(fā)明的實現(xiàn)方式，但可以理解，本發(fā)明實際上可以用許多其他水印方案實現(xiàn)。
例如，一種音頻加水印方案是用時間相關(guān)技術(shù)將所希望的數(shù)據(jù)(例如版權(quán)信息)嵌入音頻信號。
這種技術(shù)實際上是一種回聲隱匿算法，其中通過解一個二次方程來確定回聲的強(qiáng)度。這個二次方程由在兩個位置處的自相關(guān)值產(chǎn)生一個在延遲等于τ處；而另一個在延遲等于0處。在這樣的方案中，由于音頻信號的回聲被添加給原始音頻信號，因此所得到的信號實際上是原始音頻信號的在振幅和相位上都受到調(diào)制的版本。在檢測器處，通過確定在兩個延遲位置處的自相關(guān)函數(shù)的比來提取水印。
還已知的是一些基于對DFT(離散傅里葉變換)系數(shù)的幅度調(diào)制的加水印的方案，這些方案需要在編碼器和解碼器處計算DFT。
類似地，WO 98/53565、US 6,175,627和WO 00/00969描述了另一些可應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)，以用來將輔助信號(諸如版權(quán)信息)嵌入或編碼入一個多媒體主信號或覆蓋信號。如在WO 00/00969中所詳細(xì)說明的那樣，按照一個為覆蓋信號的參數(shù)指定修改值的隱秘密鑰(stegokey)在一個特定的域(時間，頻率或空間)內(nèi)產(chǎn)生覆蓋信號的一個復(fù)制或覆蓋信號的一部分。這個復(fù)制信號然后被用一個與需嵌入的信息相應(yīng)的輔助信號修改并被回插到覆蓋信號內(nèi)，從而形成隱秘信號。
在解碼器處，為了提取原始輔助數(shù)據(jù)，以與產(chǎn)生原始覆蓋信號的復(fù)制相同的方式并要求使用同一個隱秘密鑰地產(chǎn)生隱秘信號的一個復(fù)制。然后，將所得到的復(fù)制與所接收到的隱秘信號進(jìn)行相關(guān)，從而提取輔助信號。
利用本發(fā)明的另一個實施例，所提取的輔助信號可以用一個新的輔助信號代替。這可以通過用隱秘密鑰和由檢測單元估計的嵌入?yún)?shù)適當(dāng)?shù)貜慕邮招盘栔袦p去輔助信息來達(dá)到。對于圖1來說，這可以通過利用檢測器640、水印產(chǎn)生器650和響應(yīng)底層嵌入算法的水印重新嵌入器620實現(xiàn)。
熟練技術(shù)人員可以理解，可以將在這里沒有具體說明的各個實現(xiàn)方式理解為也屬于本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。例如，雖然只是對嵌入和檢測設(shè)備的功能作了說明，但可以理解，所述設(shè)備可以實現(xiàn)為數(shù)字電路、模擬電路、計算機(jī)程序或者它們的組合。
在本說明書內(nèi)，可以理解，所謂“包括”并不排除其他元件或步驟，所謂“一個”并不排除多個，而單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)在權(quán)利要求書內(nèi)所述的若干裝置的功能。
權(quán)利要求
1.一種處理包括水印信號的多媒體信號的方法，所述方法包括下列步驟除去原始水印信號的至少一個部分；以及將新的水印信號添加給多媒體信號，從而形成新的加有水印的多媒體信號。
2.一種如在權(quán)利要求1中所要求的方法，其中通過將所述原始水印信號的一個負(fù)版本加到多媒體信號上而除去所述原始水印信號。
3.一種如在權(quán)利要求1中所要求的方法，所述方法還包括確定用來將原始水印嵌入多媒體信號的參數(shù)中的至少一個參數(shù)的值的步驟。
4.一種如在權(quán)利要求3中所要求的方法，其中所述參數(shù)的所述值被用來除去所述原始水印信號的至少一個部分。
5.一種如在權(quán)利要求3中所要求的方法，其中用具有所述確定的值的所述嵌入?yún)?shù)將所述新信號嵌入多媒體信號。
6.一種如在權(quán)利要求3中所要求的方法，其中用具有所述所確定的值之外的值的所述嵌入?yún)?shù)將所述新信號嵌入多媒體信號。
7.一種如在權(quán)利要求3中所要求的方法，其中所述參數(shù)包括嵌入強(qiáng)度、同步信息、時間偏移、時間縮放、序列的循環(huán)移位量和水印符號周期中的至少一種。
8.一種如在權(quán)利要求1中所要求的方法，其中所述原始水印被全部除去，而所述新信號包括新的水印信號。
9.一種如在權(quán)利要求1中所要求的方法，其中所述水印包括至少兩個值序列，至少一個值序列作為水印信號的所述部分被除去，以便從原始水印信號中留下至少一個剩下的值序列；以及其中所述新信號包括至少另一個值序列，它與所述剩下的序列一起形成新的水印信號。
10.一種如在權(quán)利要求9中所要求的方法，其中所述值序列全部由單個值序列形成，所述單個值序列循環(huán)移位了不同的移位量。
11.一種如在權(quán)利要求1中所要求的方法，其中所述水印信號的被除去部分是以預(yù)定強(qiáng)度被嵌入所述多媒體信號的，所述方法包括以優(yōu)選為相同的預(yù)定強(qiáng)度將新信號嵌入多媒體信號的步驟。
12.一種如在權(quán)利要求11中所要求的方法，其中所述嵌入強(qiáng)度使得新的加有水印的多媒體信號的質(zhì)量降低是能夠感覺到但并不惹人煩惱的。
13.一種如在權(quán)利要求1中所要求的方法，其中所述原始水印信號和新水印信號中的至少一個包括通過將一個窗整形函數(shù)加到一個值序列上而形成的平滑改變的信號，在該窗整形函數(shù)上的積分為零。
14.一種如在權(quán)利要求13中所要求的方法，其中所述窗整形函數(shù)具有雙相位特性。
15.一種如在權(quán)利要求14中所要求的方法，其中所述雙相位窗包括極性相反的兩個Hanning窗。
16.一種計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序用來執(zhí)行權(quán)利要求1的方法。
17.一種記錄載體，所述記錄載體包括一個如在權(quán)利要求16中所要求的計算機(jī)程序。
18.一種方法，所述方法可用來下載一個如在權(quán)利要求16中所要求的計算機(jī)程序。
19.一種處理包括水印信號的多媒體信號的設(shè)備，所述設(shè)備包括用來除去水印信號的至少一個部分的刪除單元；以及用來將新信號添加給多媒體信號從而形成新的水印信號的嵌入器。
20.一種如在權(quán)利要求19中所要求的設(shè)備，所述設(shè)備還包括用來檢測所述水印信號的參數(shù)的至少一個值的檢測器。
21.一種多媒體信號接收機(jī)，所述接收機(jī)包括如在權(quán)利要求19中所要求的設(shè)備。
全文摘要
描述了處理一個包括一個水印信號的多媒體信號的方法和設(shè)備。這種方法包括下列步驟除去水印信號的至少一個部分；以及將一個新水印信號添加給多媒體信號，從而形成一個新的加有水印的多媒體信號。
文檔編號G10L19/018GK1659652SQ03812746
公開日2005年8月24日 申請日期2003年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月3日
發(fā)明者A·N·勒馬, J·F·阿普里 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司