數位訊號中的水印檢測的製作方法
2023-09-22 11:25:10
專利名稱：數位訊號中的水印檢測的製作方法
技術領域：
本發明涉及對數字數據中所嵌入的水印信號進行檢測，該數據典型地表示多媒體內容。這種數據的典型格式是MPEG2，但是本發明也可以使用其它格式。
背景技術：
為了將某些信息、諸如將版權、拷貝控制、源或授權數據嵌入到數位訊號中，通常使用公知的水印技術。其包含對該數字數據進行處理，從而將可識別的圖案「貼覆」到需要進行水印的該數據上。不同類型的水印具有不同的用途。一個簡單的穩固水印在模擬和數字領域中存有較寬範圍的處理步驟，其可以簡單地表示該水印數據具有版權，並且可以提供進一步的詳情，諸如所有者和日期。通常通過這樣的方式添加脆弱的水印如果以任何方式處理該數據，該水印會破碎或破壞。因此，在其中預期會有水印的數據文件、或流中缺少脆弱水印就可以表明該數據已經被處理過或者被篡改過。這可以用在授權是非常重要的醫療或司法科學應用中。
各種類型的水印圖案本身包含貼覆到或者織入到該信號本身的偽噪聲信號。該水印信號理想地從感覺上應該不會降低該源數據的質量，但是應該可以通過適當的解碼器檢測到。
當該水印數據被壓縮到適合於通過網際網路或其它數據傳輸系統進行傳輸的非常低比特率時，會出現特殊問題。DIVX是一個可以產生非常低比特率的系統，並且廣泛地被用來減少通過網際網路傳輸視頻圖像所需要的帶寬量。
當前使用的水印系統，諸如JAWS(Ton Kalker，Geert Depovere，Jaap Haitsma，Maurice Maes，「A Video Watermarking System forBroadcast Monitoring」，Proceedings of SPIE ElectronicImaging』99，Security and watermarking of Multimedia Contents，San Jose(CA)，USA，January 1999)使用通過收集大量視頻數據來查找嵌入水印的解碼器，然後將該視頻數據疊合併累加，然後將所累加的該數據與預期的水印圖案關聯起來。當例如使用DIVX已經將視頻數據壓縮到非常低比特率時，經常遇到的結果就是關聯峰值出現在該檢測閾值之下。這意味著該嵌入水印的檢測可能會失敗，其可能會對被授權查看、但是在缺少適當的水印檢測的時候被禁止查看該水印視頻的系統用戶帶來不方便。
當該水印視頻已經被比例縮放或改變大小時，會出現進一步的問題。為了檢測該嵌入水印，需要該視頻信號的原始比例，從而捕獲進入視頻數據的該累加緩衝器才能相應地比例縮放到該原始視頻的尺寸。必須根據所比例縮放的該視頻數據本身來確定該原始比例。與將該視頻數據相對於已知水印數據進行關聯的該水印檢測處理相比，現有技術的比例縮放檢測處理是通過將兩個噪聲累加緩衝器彼此相互關聯以產生比例縮放因子進行工作的。
在該JAWS系統中，水印檢測和該水印檢測處理以及該比例縮放檢索處理重複地使用嵌入到該源數據中的水印圖案。在該水印嵌入過程中，在該數據幀的全部範圍上「平鋪」一個128×128的水印圖案。
為了從比例縮放的該數據中檢索該水平比例信息，該處理開始於從多個累加的幀中任意選擇兩個水平相鄰的片圖(tile)A和B。然後根據下面的步驟將這兩個片圖彼此相互關聯計算A和B的128×128漢寧窗；Han(A)，Han(B)漢寧窗是一種用於將其所應用的片圖的邊緣進行「淡出」的濾波器。因此，保留了該片圖中央的數據，但是越靠近該邊緣，該數據就越衰弱到零。這樣就消除了在隨後的FFT計算中所引入的強仿真頻率分量的該邊緣效應。
計算A和B的128×128快速傅立葉變換(FFT)；計算Han(B)的復共軛；Con(Han(B))；計算Han(A)和Con(Han(B))的逐點乘積；歸一化該乘積結果。對於該結果中的每一複數值(z)，其是通過下面的公式完成的，從而z可以替換為zre(z)2+im(z)2]]>計算前面步驟的逆FFT。
該IFFT結果的第一行中的最高值的位置然後用來計算該水平比例縮放因子。如果該第一個值是最高的，那麼該水平比例縮放因子為1，即沒有出現比例縮放。
通過相似的方式計算該垂直比例縮放因子，但是替代地是要使用兩個垂直相鄰的片圖和該IFFT結果的第一列。
因為使用了該內在固有更多噪聲的緩衝器採樣，所以用於該比例縮放檢索處理的該關聯峰值甚至比用於該水印檢測處理的還要低。(水印檢測包括已知圖案與噪聲累加緩衝器之間的關聯比例縮放檢測是兩個噪聲累加緩衝器之間的相關性)。為了進一步使問題複雜化，在該比例縮放檢測過程中可以不使用幀疊合。這是因為只有該比例縮放是已知的時候才可以使用幀疊合。如果不知道該比例縮放，不同步的圖案被累加，並且所得到的累加緩衝器無用。結果，只可以使用累加。這就意味著在執行相關性之前必須收集更多幀，當然其需要更多時間。
疊合是通過「放大」該水印數據來工作的，因為其總是具有相同的標記。該下層視頻信號是有效的「隨機」並且這樣達到平均。足夠長的疊合可以得到該原始水印圖案。然而，如果該圖案(128×128的片圖)不是準確地對齊，那麼該過程並不起作用。
現有技術試圖通過在每次檢測累加更多幀來消除這些問題，其希望該視頻數據達到平均並且該水印信號放大，從而增加該信號(水印)與噪聲(視頻)的比值。
在典型的比例縮放檢測中，目前最高使用了300幀。然而在DIVX壓縮視頻的情況下，引入了大量人為噪聲和由於塊圖案所產生的不期望的類似物。在該累加過程中，通常累加了比水印能量更多的噪聲。而且，不期望的圖案也放大了，並且其通常比該水印信號更強。所有這些問題都使得難以且通常不可能對DIVX視頻進行可靠的比例縮放檢測。沒有可靠的比例縮放檢測就不可能有水印檢測。
發明內容
本發明實施例的目的是至少消除現有技術的檢測系統所遇到的上述問題，並且提供一種用於高度壓縮的視頻或其它多媒體數據的更好的水印檢測系統。
本發明實施例更進一步的目的是能夠在水印檢測之前執行性能更加可靠的比例縮放檢測處理。
根據本發明，提供一種選擇在對壓縮多媒體數據中的嵌入水印進行解碼中使用的數據的方法，包括步驟
根據該多媒體數據的壓縮度，計算該多媒體數據的給定部分的質量度量；如果該給定部分的質量度量高於特定閾值，那麼其就包括在水印解碼處理中；如果該給定部分的質量度量低於該閾值，那麼其就不包括在該水印解碼處理中。
優選地，該方法進一步包括步驟使用相同的質量度量來選擇在水印解碼處理之前所執行的比例縮放檢測處理中使用的數據。在沒有發生比例縮放的情況下，其返回的比例縮放因子為1。否則，該比例縮放檢測處理會返回一個在解碼水印之前允許累加緩衝器被適當改變大小的值。
優選地，根據對壓縮數據流的分析來計算該質量度量。這種壓縮數據流通過DIVX系統提供。
適當地，在可以訪問該壓縮數據流的情況下，可以根據量化因子、用來編碼數據幀的可變長度碼字(VLC)的數目、運動矢量的其中之一來確定該質量度量。
也可以根據多個參數來計算該質量度量。
優選地，可以根據對基帶數據的分析來計算該質量度量。
優選地，根據對該幀能量的度量來計算該質量度量。
也可以根據多個參數來計算該質量度量。
優選地，該數據的給定部分是幀。可替換地，也可以使用部分幀。
優選地，提供一種設備來執行根據本發明的該方法。
為了更好地理解本發明，並且為了理解如何實施本發明，現在將參照附圖僅僅通過範例的形式來描述本發明，其中圖1示出了本發明的實施例的示意表示。
具體實施例方式
圖1示出了本發明的實施例中的該數據流的示意表示。數據緩衝器10設置用來接收進入數據流110。在特定的實施例中，該數據流110是DIVX編碼的視頻數據流。數據緩衝器10用來選擇該進入數據流的全部或部分幀120，然後在質量度量計算器20中對其進行分析。質量度量計算器對該數據幀(或其一部分)120進行操作，以建立該輸入數據幀120的質量度量130。該質量度量表示包括在該水印解碼處理中使用的足夠水印能量的該特定幀的可能性。簡短地說明計算該質量度量的方法。
該質量度量130與閾值檢測器30中的預定級別進行比較。如果該質量度量指示該幀120包括適當量的水印能量是具有很高的可能性，那麼該幀120才可以用於該水印檢測處理40。
然而，如果質量度量130低於該預定的可接受級別，那麼該閾值檢測器丟棄50幀120中的該數據，並且其在該水印解碼處理40中將不再起作用。
通過這種方式，只將具有包括足夠水印能量以能夠成功地執行該水印的解碼的很高可能性的數據傳輸給該水印解碼處理。該水印解碼處理的輸出是水印140。可替換地，該輸出140可以是表示正確解碼的或沒有水印被檢測到的二進位信號。
為了確定質量度量(Q)，對該數據的一個或多個特徵進行評估或測量。下面的範例突出了可以在某些情況下使用的屬性。本領域的技術人員會知道在其它情況下可以形成為質量度量計算的基礎的其它屬性。
該質量度量(Q)有效地提供了該主題數據已經被壓縮多少的量度。該數據壓縮的越多，就越難以從其中提取該水印。
如果可以訪問該壓縮數據流，可以從該流本身得到多個參數，其可以用來確定該質量度量(Q)。一些適當的參數有量化因子；用來對幀進行編碼的可變長度碼字(VLC)的數目；運動矢量。
在可以對該壓縮數據進行訪問的系統中，可以通過計算用來對幀進行編碼的VLC的數目而得到質量度量。在這種情況下，在該水印檢測處理中只疊合併使用被超過5000個係數編碼的幀。
然而在許多情況下並不能夠訪問該原始壓縮流，並且例如只能訪問該基帶視頻信號。在這種情況下，並不能夠訪問前面所提到的該參數，因而可以使用不同的度量來確定Q。一種度量是能量度量。例如可以通過8×8DCT變換的幀塊來獲得這種度量，使用粗略的標準MPEG量化矩陣來量化這些係數，並且計算該非零係數的數量。塊的非零係數表示其能量含量。如果DC頻率周圍有許多較高的係數，這就表示該塊中存在陡沿。許多非零係數表示該塊具有複雜結構。如果沒有AC係數，這就表示該塊是平的。通常，非零係數越多，該塊中可能具有的該水印能量就越多。
一旦已經根據該信號的一個或多個給定屬性計算得到適當的質量度量(Q)，就有可能建立用於特定值的Q的閾值，從而為了解碼嵌入水印，可以丟棄具有低於該閾值的Q值的數據幀(或其一部分)。該實際數據幀(或其一部分)當然要保留，從而可以解碼其固有的數據內容(例如視頻)。
閾值的建立取決於被選擇作為該質量度量的基礎的該數據信號的特定屬性，並且在特定情況下最好可以通過試驗確定。
如前所述，當該壓縮視頻信號已經被比例縮放時，會出現進一步的問題。在可以從該壓縮信號中解碼該水印之前，必須恢復該信號的原始比例縮放。
本發明的實施例通過類似於剛才所描述的恢復水印信息的方式來恢復比例縮放信息。為了恢復比例縮放信息，將兩個累加緩衝器相關聯，並且所得到的該關聯給出該比例縮放因子的直接表示。
為了改善該關聯處理的結果，可以使用上面所計算的該相同的質量度量(Q)來標識壓縮地不夠厲害並因而具有更高Q的候選幀(或其一部分)。相比於高度壓縮並因而具有更低Q的幀，這些候選幀可以更優先地用於該比例確定關聯處理。
試驗已經表明通過選擇在該關聯處理中所使用的數據樣本已經很大地改善了該比例縮放檢測處理。在該關聯峰值使用現有技術的方法會低於預定檢測閾值而不能進行比例縮放檢測的情況下，發現本發明的實施例通過選擇性地丟棄對成功的關聯沒有貢獻的某些數據樣本，就能夠確定比例縮放因子。
實際上，該相同技術首先可以用於發現該壓縮信號的比例縮放因子，該比例縮放因子然後可以用來適當地比例縮放該累加緩衝器，並且接著就能夠進行更加可靠的水印解碼。
可以使用適當調節或編程的硬體來實施本發明的實施例。這種硬體可以包括專用硬體，諸如定製的ASIC，或者包括根據適當程序進行操作的更加通用的處理器或DSP。
本領域的技術人員知道，可以使用其它參數作為用於計算質量度量的基礎，並且這裡所描述的範例並不對本發明的範圍構成限制，其是通過所附的權利要求書進行限定的。
權利要求
1.一種在對壓縮多媒體數據中的嵌入水印進行解碼中使用的數據進行選擇的方法，包括以下步驟根據該多媒體數據的壓縮度，計算該多媒體數據的給定部分的質量度量；如果該給定部分的質量度量高於一個特定閾值，那麼其就包括在水印解碼處理中；如果該給定部分的質量度量低於該特定閾值，那麼其就不包括在該水印解碼處理中。
2.如權利要求中1的方法，其中該方法還包括步驟使用相同的質量度量來選擇在該水印解碼處理之前所執行的比例縮放檢測處理中使用的數據。
3.如權利要求中1的方法，其中根據對壓縮數據流的分析來計算該質量度量。
4.如權利要求中3的方法，其中根據與該壓縮數據流相關的下列參數其中之一來計算該質量度量量化因子、用來編碼數據幀的可變長度碼字(VLC)的數目、運動矢量。
5.如權利要求中4的方法，其中根據與壓縮數據流相關的多個參數來計算該質量度量。
6.如權利要求中1的方法，其中根據對基帶數據的分析來計算該質量度量。
7.如權利要求中6的方法，其中根據對該幀能量的度量來計算該質量度量。
8.如權利要求中7的方法，其中根據與該基帶數據相關的多個參數來計算該質量度量。
9.如權利要求中1的方法，其中該數據的給定部分是幀。
10.一種被設置成用來執行前述任何一個權利要求的方法的設備。
全文摘要
水印檢測器中具有緩衝器，其中在計算緩衝器內容與所查找的該水印圖案之間的關聯之前，疊合併累加多個圖像片圖。該疊合和累加的目的是在累加該嵌入水印能量的同時讓該視頻內容達到平均。這不再像是保留高度壓縮的視頻，諸如DIVX，其具有大量人為噪聲和不期望的類似物(塊圖案)。其結果就是，關聯峰值通常低於該閾值。通過相似的方式，該壓縮影響到比例縮放檢測。根據本發明，只疊合併累加那些壓縮並不厲害並因而具有帶有足夠水印能量的很高可能性的幀(或其一部分)。為此，計算質量度量，該質量度量表示該數據的壓縮度。可以根據該壓縮數據本身計算該質量度量或者從該解壓縮的基帶數據得到該質量度量。有利的範例是(剩餘)幀的非零DCT係數的數量。然後進行確定是否從該水印解碼處理中排除該幀(或其一部分)。該質量度量也可以用來選擇在比例縮放檢測處理中使用的數據。
文檔編號G06T1/00GK1864175SQ200480029511
公開日2006年11月15日 申請日期2004年10月6日 優先權日2003年10月10日
發明者G·C·蘭格拉阿 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司