水印嵌入的製作方法

2023-07-21 11:22:41 1

專利名稱：水印嵌入的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在媒體信號中嵌入水印的方法和設備。本發明還涉及用於把要進行水印處理的媒體信號從遠程位置傳送到本地站點的方法和設備。
技術領域為了在媒體信號(例如圖像、視頻、音頻)中嵌入強健且又不易察覺的水印，公知的高級水印嵌入器通常採用人類心理聽覺或視覺模型。在這樣的水印嵌入器中，依據內容的特點(比如圖像的空間細節、音頻信號的有效頻譜等)對所嵌入的水印的強度進行自適應性地控制。判定這些特點是一項複雜的工作。這對於內容供應商、錄音棚和廣播公司等等來說不成問題。它們能夠使用用於水印嵌入的昂貴的專業設備。
不過，在某些應用中，需要在用戶設備中嵌入水印。比如，家用音頻或視頻記錄機，在這些記錄機中，必須在所要記錄的信號中嵌入水印，以標明所記錄的媒體信號不可再行複製。

發明內容
本發明的一個目的是，提供一種在媒體信號中嵌入水印的更經濟的方法。本發明的另一個目的是，依據內容的特點對水印嵌入強度進行自適應性地控制，而無需設備對內容進行分析並確定所述特點。
為此，本發明提供一種在媒體信號中嵌入水印的方法，包括依據一個嵌入參數自適應地控制嵌入強度的步驟，其特徵在於，該方法包括以與所述媒體信號一起接收的輔助信號的形式接收所述嵌入參數的步驟。
利用本發明，實現了這樣的目的在遠程位置預先計算嵌入強度，並隨後將其與媒體信號一起傳送到嵌入器。該嵌入器本身不需要計算信號內容的特點。
依照本發明的另一個方面，一種從遠程位置向本地站點發送媒體信號的方法，其特徵在於該方法包括步驟在所述遠程位置計算水印嵌入參數，所述嵌入參數代表由所述本地站點將一個水印嵌入到所述媒體信號中的強度；和以輔助信號的形式與所述媒體信號一起將所述嵌入參數發送到所述本地站點。
本發明尤其在所接收到的媒體信號已經進行了水印處理的應用中具有優勢。它的一個例子是一種用戶音頻或視頻記錄器，該記錄器接收具有已嵌入的水印(「原始」水印)的媒體信號，其中該已嵌入的水印表示該信號僅可複製一次，並且該記錄器必須在該媒體信號中嵌入另一個水印(「二次」水印)，以表明所記錄的媒體信號不可再行複製。在這樣一種應用中，利用自適應地控制嵌入強度的概念，已經在遠程位置使用一個專業嵌入器來嵌入所述原始水印。所述用戶記錄器使用同樣的參數。


下面將參照附圖、藉助實例對本發明進行詳細說明，其中附圖1示意性地表示一個按照本發明的系統，該系統包括一個視頻發送站點、一個傳送或存儲介質以及一個用戶設備。
附圖2A-2C表示用於說明附圖1中所示的系統的操作。
具體實施例方式
下文中，將參照在運動視頻素材中嵌入水印對本發明進行介紹，不過應當意識到，本發明同樣可應用於靜止圖像、音頻內容、語音以及其它數據信號。附圖1表示一個包括位於遠程位置的視頻發送站1、一個傳送或存儲介質2和一個用戶設備3的系統的示意圖。
所述發送站1包括一個視頻源11和一個MPEG編碼器12。假設由該視頻源11提供的視頻原始素材已經具有一個已嵌入(原始)水印，用於表明節目內容僅可複製一次。例如，該水印是以國際專利申請WO99/45705中所公開的方式在空間域中嵌入的。不過，對本發明而言，在原始素材中是否存在原始水印和水印嵌入的方式都不是主要的。這個例子只是用於說明本發明的實際應用。所述「複製一次」原始水印指的是，允許用戶錄製節目一次，以備今後收看。但不允許用戶對所錄製的節目進行複製。
經水印處理的視頻原始素材是由MPEG編碼器12編碼並藉助傳送介質2傳送給用戶設備3的MPEG。這裡假設用戶設備3是一個兼容DVD的錄像機。詞語「兼容」意思是該錄像機服從某些複製管理規則。具體講，該DVD錄像機包括一個水印檢測器(未示出)，該檢測器檢查是否在所接收到的內容中發現了「複製一次」原始水印。如果發現了「複製一次」原始水印，則DVD錄像機必須將一個「不再複製」水印(二次水印)嵌入到所錄製的素材中，以標明所錄製的素材不可再行複製。在已經經水印處理的內容中再嵌入另一個水印的這種處理也稱為「再標記」。
附圖2A表示作為一個示範性實例的由DVD錄像機接收到的視頻圖像之一。在MPEG編碼器12中，將該圖像分成多個8×8像素塊，在附圖2A中的201標出了這些象素塊之一。對這些像素塊進行離散餘弦變換(DCT)，變換成相應的8×8DCT係數塊。這樣一個DCT塊左上角的變換係數代表所對應的像素塊的平均亮度，且通常稱為DC係數。其它的係數代表空間頻率且稱為AC係數。左上的AC係數代表圖像的粗略清晰度，而右下角的係數代表精細清晰度。
以Frank Hartung和Bernd Girod所著的《在比特流域中的MPEG-2編碼視頻的數字水印(Digital Watermarking of MPEG-2Coded Video in the Bitstream Domain)》(ICASSP第4卷，1997，第2621-2624頁)中所介紹的方式，DVD錄像機3在DCT域中對所接收到的MEPG比特流進行再標記。為此，部分解碼電路32對MPEG比特流進行解碼，直到獲得代表該圖像的DCT係數的程度。在附圖1中，X(u，v)表示DCT塊中位置(u，v)處的DCT係數。它們被提供給水印嵌入級33。諸如起始碼、標題、運動矢量等等之類的輔助信息藉助一個路徑(spath)321繞過了這個嵌入電路。
所要嵌入的水印是一個空間域中的偽隨機噪聲序列。在本設備的這個實施例中，一個128×128基本水印圖案「並列顯示」在圖像區域上。這一操作在附圖2B中表示。為了更加清楚，這裡該128×128基本偽隨機水印圖案由一個記號W代表。將該基本水印的空間像素值變換為與MPEG流中視頻內容相同的表示。所以，128×128基本水印圖案W被分為8×8塊，附圖2B中的202標出了其中之一。對這些塊進行離散餘弦變換並量化。注意，該變換和量化操作僅需進行一次。將這樣計算出來的DCT係數保存在一個128×128水印緩衝器36中。在附圖1中它們由W(u，v)表示。
水印W通過將空間上對應的水印DCT塊添加到各個視頻DCT塊而嵌入的。這樣，附圖2B中代表水印塊202的DCT塊就添加到了附圖2A中代表圖像塊201的DCT塊上。不過，單純地將水印塊添加到視頻塊上通常會在經水印的圖像中造成人為痕跡。C.Podilchuk和W.Zeng所著的《靜止圖像的感知水印處理(Perceptual Watermarkingof Still Images)》(IEEE信號處理學會(Signal ProcessingSociety)1997，多媒體信號處理專題研討會(Workshop on MultimediaSignal Processing)，美國新澤西州普林斯頓1997年6月23-25日，第363-368頁)提出了這樣一種水印技術在利用視覺模型的基礎上，來確定圖像的各部分可容忍且不會對圖像的品質造成影響的水印的最大強度。他們使用由Watson研究出來的視覺模型(「Waston模型」)來給出剛剛能夠看出的差異(JND)，確定可容忍的水印信號的位置和最大強度。所述Waston模型在Andrew B.Watson所著的《對獨立圖像的DCT量化矩陣視覺優化(DCT Quantization MatricesVisually Optimized for Individual Images)》(SPIE第1913卷，1992年，第202-216頁)中有述。
用戶設備3方便地採用了這樣一種水印技術。依照Podilchuk和Zeng的教導，DVD錄像機包括一個水印嵌入級33，它對每個DCT塊進行下述運算 其中JND(u，v)是根據Watson模型為各個DCT塊計算出來的剛剛能夠看出的差異。
隨後對修正後的DCT係數進行再編碼，並在一個再編碼電路34中與所述輔助信息合併。最終將經水印處理的MPEG信號記錄在光碟35上。附圖2C表示經水印處理的圖像。正如這個附圖中所要試圖表達的，塊與塊之間的水印嵌入量是不同的。具體講，空間上與水印塊202相對應的經水印處理的圖像塊203和位於圖像不同位置的與同樣的水印塊204相對應的圖像塊205相比，是使用不同的嵌入強度進行嵌入的。
對每個圖像的各個塊計算剛剛能夠看出的差異JND(u，v)通常是一個複雜的運算，該運算無法由用戶設備3廉價地執行。依照本發明，該運算是在發送端由一個圖像分析器13進行的。所計算出來的JND值連同視頻信號一起發送到用戶設備3。在附圖1中，這由一個多路復用器14表示。為了實現JND值與視頻信號一起發送，可以採用各種不同的方案。一個例子是使用MPEG-2標準的設備將用戶數據容納在MPEG傳送流中。這一可選方案要求在用戶數據中包含同步數據，使得用戶設備知道哪個JND值對應於哪個DCT係數。另一個例子是將JND值作為易損水印的有效負載嵌入到視頻信號中。英國專利申請GB2063018給出了這樣的易損水印方案的一個簡單而有效的例子。它使用附加信息位來替換所選擇信號樣本的一個或多個最低有效位。在接收端，將所發送的JND值還原。這由附圖1中的多路信號分離器31表示。
最好這樣設置用戶設備3如果在比特流中沒有發現JND值，則用戶設備3使用給定的固定嵌入強度。選取這個嵌入強度，以使得所嵌入的水印可被感知。這一操作將會防止用戶在錄製之前採取欺騙手段對內容進行處理(例如，試圖消除原始水印)。
上面介紹的實施例中所使用的剛剛能夠看出的差異值JND僅僅是嵌入強度參數的一個例子而已。另一個例子是空間域中的可見度屏蔽，如國際專利申請WO99/45705中所公開的。這樣一種可見度屏蔽給出了加性噪聲可見度的度量。對於音頻水印來說，頻譜的每個子帶的可聽度閾值是一個有用的嵌入強度參數。
本發明可歸納如下。高級水印嵌入器使用心理視覺/聽覺模型來最小化對嵌入在媒體內容中的水印的感覺。不過，在諸如DVD錄像機之類的用戶設備(3)中實現這樣的高級水印嵌入器是非常昂貴的。依照本發明，在遠程位置(1)脫機地計算(13)嵌入強度參數(JND)並且將其與媒體內容一起發送到用戶設備(3)。一個相對簡單的嵌入器(33)使用所接收到的參數來控制所要嵌入的水印的強度(36)。這些參數可以作為易損水印的有效負載或者作為加密MPEG流中的用戶數據而包含在所發送的信號中。
權利要求
1.一種在媒體信號中嵌入水印的方法，包括依據一個嵌入參數自適應地控制嵌入強度的步驟，其特徵在於，該方法包括以與所述媒體信號一起接收的輔助信號的形式接收所述嵌入參數的步驟。
2.按照權利要求1所述的方法，其中所述媒體信號是作為壓縮比特流接收的，所述輔助信號作為用戶數據被包含在所述比特流中。
3.按照權利要求1所述的方法，其中所述輔助信號以易損水印的形式包含在所述媒體信號中。
4.按照權利要求1所述的方法，還包括這樣一個步驟如果所述輔助信號沒有找到或被破壞了，則使用預定的嵌入強度來嵌入水印，選擇該預定的嵌入強度，以使得所嵌入的水印是可感知的。
5.一種用於在媒體信號中嵌入水印的設備，包括用於依據一個嵌入參數自適應地控制嵌入強度的裝置，其特徵在於，該設備包括從與所述媒體信號一起接收到的輔助信號中得出所述嵌入參數的裝置。
6.一種從遠程位置向本地站點發送媒體信號的方法，其特徵在於該方法包括步驟在所述遠程位置計算水印嵌入參數，所述嵌入參數代表由所述本地站點將一個水印嵌入到所述媒體信號中的強度；和以輔助信號的形式與所述媒體信號一起將所述嵌入參數發送到所述本地站點。
7.一種用於從遠程位置向本地站點發送媒體信號的設備，其特徵在於該設備包括用於在所述遠程位置計算水印嵌入參數的裝置，所述嵌入參數代表由所述本地站點將一個水印嵌入到所述媒體信號中的強度；和用於以輔助信號的形式與所述媒體信號一起將所述嵌入參數發送到所述本地站點的裝置。
8.一種存儲介質，其上存儲著媒體信號和輔助信號，其特徵在於，所存儲的輔助信號代表一個嵌入參數，該嵌入參數用於控制在媒體信號複製期間將一個水印嵌入到該媒體信號中的強度。
9.一種媒體信號，包括輔助信號，該輔助信號代表一個嵌入參數，該嵌入參數用於控制在媒體信號複製期間將一個水印嵌入到該媒體信號中的強度。
全文摘要
高級水印嵌入器使用心理視覺/聽覺模型來最小化對嵌入在媒體內容中的水印的感覺。不過，在諸如DVD錄像機之類的用戶設備(3)中實現這樣的高級水印嵌入器是非常昂貴的。依照本發明，在遠程位置(1)脫機地計算(13)嵌入強度參數(JND)並且將其與媒體內容一起發送到用戶設備(3)。一個相對簡單的嵌入器(33)使用所接收到的參數來控制所要嵌入的水印(36)的強度。這些參數可以作為易損水印的有效負載或者作為加密MPEG流中的用戶數據而被包含在所發送的信號中。
文檔編號H04N5/91GK1592917SQ02823319
公開日2005年3月9日 申請日期2002年10月24日 優先權日2001年11月23日
發明者G·C·蘭格拉亞 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司