通過相關形狀分析的水印檢測的製作方法
2023-09-22 11:21:00 1
專利名稱：通過相關形狀分析的水印檢測的製作方法
技術領域：
本發明涉及檢測信息信號中的水印。
加水印是一種把某種標籤加到信息信號的技術。在其上加上水印的信息信號代表數據文件、靜止圖像、視頻、音頻或任何其它種類的媒體內容。標籤在信息信號被分發之前嵌入到信息信號。標籤通常以在正常條件下不可感知的方式被加上，以使得它不惡化信息信號，例如被加到音頻文件上的水印在正常收聽條件下應當是聽不見的。然而，水印應當是足夠魯棒的，即使在信息信號在傳輸期間經受諸如編碼或壓縮、調製等的正常的處理時仍舊是可檢測的。
許多加水印方案利用相關作為檢測技術，在測試中的信號與包含已知的水印的信號進行相關。在這些系統中，水印的存在由相關的結果中一個或多個峰表示。Ton Kalker等，「A Video WatermarkingSystem for Broadcast Monitoring」，Proceedings of the SPIE，Bellingham，Virginia vol.3657，25 January 1999，pp.103-112的論文描述用於檢測廣播視頻內容中水印的存在的方案。
在大多數應用中，加水印的內容將經受在水印被嵌入在內容中的點與水印的位置被檢測出的點之間的各種處理操作。內容處理的通常的例子是有損壓縮，諸如MPEG編碼。典型地，處理將降低通常預期在水印檢測處理期間出現的相關峰。因此，基於尋找相關峰的水印檢測技術的性能大大地降低。
本發明尋求提供一種檢測信息信號中的水印的改進的方法。
因此，本發明的第一方面提供一種檢測信息信號中的水印的方法，包括通過把信息信號與水印，對於信息信號相對於水印的多個相對位置的每個位置，進行相關而得到一組相關結果；以及分析該組相關結果以識別超過預定閾值的相關結果的集群，集群代表可能的相關峰。
已經發現，當試圖通過相關來檢測水印時許多信息信號經歷的處理會具有模糊相關峰的影響。通過識別適當地定大小的相關結果的集群，有可能識別加水印的內容，即使在處理或其它攻擊已惡化水印的質量，減小相關峰的高度到低於通常被使用於檢測的閾值的情形下。這提高水印檢測器的性能和水印有用負荷的提取。
檢測在一項媒體內容、中僅僅很弱地存在的水印的能力也提供允許水印更弱地嵌入在內容中的任選項，由此減小其在潛在的欺詐方的監視下的可視度，或減小其在正常的觀看條件下的感知度。
優選地，如果分析該組相關結果的步驟識別相關結果的多個集群，則方法還包括處理集群，以識別最可能代表真實的相關峰的集群。這個處理可被限制於相關結果的集群，而不是整個相關結果組。這可大大地減小所需要的計算量，導致更快速的分析和更簡單的(和更便宜的)檢測器要求。
相關結果的集群和它們的數值提供可被使用來進一步改進水印檢測器的性能的、有關相關峰的形狀的信息。通過觀看曲線圖形式的相關結果，可以更好地了解峰的形狀，在曲線圖上相關值以超過曲線圖的基線的高度被畫出。
這裡描述的功能可以以軟體、硬體或它們的組合被實施。因此，本發明的另一個方面提供用於執行方法的軟體。
將會看到，軟體可以在設備的工作期限期間的任意點被安裝在主機設備。軟體可被存儲在電子存儲器裝置、硬碟、光碟或其它機器可讀的存儲媒體。軟體可以作為在機器可讀的媒體上的電腦程式產品被傳遞或它可以經由網絡連接被直接下載到設備。
本發明的另外的方面提供用於執行該方法的任何步驟的水印檢測器，和用於呈現響應於水印檢測器的輸出的信息信號的設備。
雖然所描述的實施例引用處理圖像或視頻信號，但將會看到，信息信號可以是代表音頻或任何其它種類的媒體內容的數據。
現在參照附圖僅僅作為例子描述本發明的實施例，其中
圖1顯示把水印嵌入到一項內容中的已知的方法；圖2顯示用於檢測在一項內容中水印的存在的裝置；圖3和4顯示在檢測方法中使用的相關結果的表；圖5顯示以曲線圖畫出的一組相關結果數據，以顯示峰形狀；以及圖6顯示用於呈現體現水印檢測設備的內容的設備。
作為基礎知識，並且為了理解本發明，參照圖1概略地描述嵌入水印的處理過程。水印圖案w(K)通過使用一個或多個基本水印圖案w被構建。在數據的有用負荷要由水印載送的場合下，使用多個基本水印圖案。水印圖案w(K)根據要被嵌入的有用負荷--多比特代碼K--進行選擇。代碼通過選擇多個基本圖案w和把它們互相偏移特定的距離和方向而被代表。組合的水印圖案w(K)代表可以加到內容的噪聲圖案。水印圖案w(K)具有M×M比特的大小，以及典型地比起該項內容小得多。因此，M×M圖案被重複(貼片)14成較大的圖案，它匹配於內容數據的格式。在圖像的情形下，圖案w(K)被拼貼14成使得它等於它將與其組合的圖像的大小。
內容信號被接收和被緩存16。在內容信號中的局部活動性λ(X)的測量在每個像素位置處被得到18。這提供對於加性噪聲的可視度的測量，以及該測量被使用來縮放水印圖案W(K)。這防止水印在內容中是感知的，諸如在圖像中相等亮度的區域。總的縮放因子s在乘法器22處加到水印上，以及這確定水印的總的強度。s的選擇是在所需要的魯棒程度與對於水印應當可感知的程度的要求之間的折衷。最後，水印信號W(K)被加到24內容信號。最終得到的、具有被嵌入在其中的水印的信號然後經受作為該內容的正常分布的一部分的各種不同的處理步驟。
圖2顯示水印檢測器100的示意圖。水印檢測器接收可以加水印的內容。在以下的說明，該內容被假設為圖像或視頻內容。水印檢測可以對於各個幀或對於幀的組被執行。積累的幀被劃分成大小M×M的塊(例如M＝128)，然後被摺疊到大小M×M的緩存器。這些初始步驟被顯示為塊50。在緩存器中的數據然後經受快速傅立葉變換52。檢測處理的下一個步驟確定在緩存器中保存的數據中水印的存在。為了檢測緩存器是否包括特定的水印圖案W，將緩存器內容和預期的水印圖案進行相關。由於內容數據可包括多個水印圖案，顯示多個並行的支路60，61，62，每個支路執行與基本水印圖案W0，W1，W2之一的相關。同時計算對於基本圖案Wi的所有可能的位移向量的相關值。基本水印圖案Wi(i＝0，1，2)在與數據信號進行相關之前進行快速傅立葉變換(FFT)。該組相關值然後進行逆快速傅立葉變換63。相關運算的全部細節在US6,505,223 B1中描述。
在相關運算中使用的傅立葉係數是具有實部與虛部的複數，代表幅度和相位。已經發現，如果摒棄幅度信息而只考慮相位，則檢測器的可靠度被大大地提高。可以在按點乘法以後和在逆傅立葉變換63之前執行幅度歸一化運算。歸一化電路的運算包括把每個係數按點除以它的幅度。以上的技術總的被稱為僅僅對稱相位的匹配濾波(SPOMF)。
來自以上的處理的該組相關結果被存儲在緩存器64，然後通過集群搜索操作65被分析。加水印的內容由相關結果數據中峰的存在來表示。在純高斯噪聲中，峰幾乎不可能出現。該組相關結果被檢查，以識別可能是由於水印引起的峰。水印的存在可以由陡峭的孤立的、顯著高度的峰來表示，雖然大多數孤立的峰趨於代表由於噪聲造成的虛假匹配。更可能地，由於水印引起的峰在相關結果中幾個相鄰的位置處模糊不清。下面描述的算法通過搜索緊密地間隔的、顯著高度的點的集群而識別潛在的水印相關峰。目的是找出具有極低的出現或然率的點的集群。集群算法形成多個集群點，任何集群點可以相應於真正的相關峰。這些集群的或然率被比較，具有最低的或然率的集群被假設為想要的相關峰。算法包括以下步驟1.設置閾值和找出在相關值數據中具有大於這個閾值的絕對值的所有的點。滿足這個準則的所有的點被存儲在表--ptsAboveThresh中。建議的閾值是3.3σ(σ＝緩存器64中的結果的標準偏差)，雖然這可被設置為任何優選值。優選的範圍是2.5-4σ。如果閾值被設置得太低，則不相應於水印的存在的大量的點將被存儲在表中。相反，如果閾值被設置得太高，則有相應於有效的、但模糊的峰的點將沒有加到表中的風險。
2.找出具有最高絕對值的點。
3.形成候選集群，即相關點的集群。候選集群是通過收集不單具有「顯著」值(大於閾值的值)而且還與至少一個另外的具有顯著值的點非常接近的點而形成的。這是如下地達到的(i)從表ptsAboveThresh中去除第一點，並輸入它作為新的集群的第一點p；
(ii)搜索表ptsAboveThresh，尋找處在點p的距離d內的點。從表中去除所有這樣的點，並把它們加到集群中；(iii)取集群中下一個點作為當前的點p。重複步驟(ii)，以便把在表ptsAboveThresh中的、處在新的點p的距離d內的所有的點加到集群中；(iv)重複步驟(iii)，直至表ptsAboveThresh對於集群中的所有的點都被處理為止；(v)如果最終得到的集群只包含單個點並且該點不等於在上述的步驟2中找到的最高峰，則丟棄這個集群；(vi)重複步驟(i)到(v)，直至表ptsAboveThresh為空為止。
在這個程序過程結束時，在上述步驟1中原先進入表ptsAboveThresh的所有的點或者被-分配給包含來自表ptsAboveThresh的、接近於它的其它點的集群，或者-被丟棄，因為它們沒有類似的高度的鄰居，所以不是集群的一部分。
僅僅允許集群包括單個點，如果該點具有在相關緩存器中所有的點的最大的絕對高度的話。這避免陡峭的、非模糊的相關峰被丟棄，但避免代表真正的噪聲的其它的孤立的峰被使用。
最後一級--有效峰檢測66--確定結果的集群中的哪個集群最可能代表由於水印的存在造成的真正的相關峰。有各種各樣的方法達到這一點。在共同待決的專利申請中描述的一種術比較結果集群的形狀與代表預期的峰形狀的存儲的數據。這個比較通過互相關技術被執行。在有幾個候選集群的場合下，在每個候選集群上執行比較，以及呈現最接近的匹配的集群被選擇為代表真正相關峰的集群。
圖3和4顯示由檢測器計算的類型的相關數據的某些示例組。在圖3所示的該組數據中，數值範圍為在-3.8172與4.9190之間。應當指出，水印可以用負的幅度被嵌入。4.9190的最高值被顯示在方塊130內。雖然這是低於5的典型的檢測閾值，但最高值由類似數值的其它的相關值包圍。這表示通過在分發鏈期間的處理而被模糊的峰。在上述的程序過程後並且設置3.3的閾值T和1的距離，可以發現在環140內的相關值滿足這個準則。應當指出，閾值是絕對值，所以結果-3.8172和-3.4377也被包括在內。在處理工作後，顯著值的結果都是互相併靠的。在處理期間一個孤立的點--被顯示為點142--被丟棄，因為它沒有超過閾值的相鄰的點，以及點142本身也不是緩存器內最高的點。
查看圖4所示的數據，數值的範圍在-3.7368與10.7652之間。應用同一個檢測準則，只有一個點160超過該閾值。這個點的數值明顯地超過閾值，因此可被看作為有效峰。通過檢查相鄰的數值，可以看到，這代表陡峭的相關峰。
一旦在相關數據的一個或多個組中識別一個有效的峰，就進行不同的數據組的匹配，以找出在水印圖案之間的向量，即，識別不同的圖案w0，w1，w2互相偏移的距離和方向。在最後的步驟75中，在先前的步驟70中識別的向量被變換成代表水印的有用負荷的代碼。
為了說明相關峰形狀的意義，圖5顯示以曲線圖畫出的一組相關結果數據。在本例中，顯示-4.23的峰。
如果知道內容信號可能具有特定的相關峰形狀，則在級58中使用的閾值可相應變化。例如，如果知道相關峰是高的和陡峭的，則閾值可以設置為高的，而如果知道峰可能是平坦的，則閾值可以降低，以免任何代表真正的峰的相關結果被排除在外。諸如有損壓縮、調製、和編碼的處理會使得相關峰平坦化或失真。
被表示為有用負荷代碼K的嵌入信息例如可以標識版權保持者或內容的說明。在DVD複製保護中，允許把材料被標記為『複製一次』、『永不複製』、『無限制』、『不再複製』等等。圖6顯示用於檢索和呈現被存儲在諸如光碟、存儲器裝置或硬碟的存儲媒體200中的內容信號的設備。內容信號由內容檢索單元201進行檢索。內容信號202被加到處理單元205，它解碼數據和使得數據用於呈現211，213。內容信號202還被加到先前描述類型的水印檢測單元220。處理單元205被安排成使得只允許在信號中檢測到預定的水印的情況下它處理內容信號。從水印檢測單元220發送的控制信號225通知處理單元應當允許還是拒絕內容的處理，或把與內容有關的任何複製限制通知處理單元205。替換地，處理單元205可被安排成使得只允許在信號中沒有檢測到預定的水印的情況下處理內容信號。
在以上的說明中，考慮一組三個水印。然而，將會看到，技術可被應用來在只承載單個水印的內容數據中或在承載任意數目的多個水印的內容數據中尋找相關峰。
在以上的說明中，以及通過參照附圖，描述了檢測在信息信號中水印的存在的水印檢測器100。把信息信號與預期的水印Wi對於信息信號的、相對於水印的多個相對位置的每個位置進行相關，得到一組相關結果64。相關結果64被分析，以便識別超過閾值的相關結果的集群，該集群代表可能的相關峰。在多個集群被識別的場合下，選擇最可能的集群用於進一步處理，而其它的結果被丟棄。結果的集群可以識別由於在信息信號分發期間有損處理而已變為模糊的相關峰。
權利要求
1.一種檢測信息信號中的水印的方法，包括通過把信息信號與水印(Wi)，對於信息信號相對於水印的多個相對位置的每個位置，進行相關而得到一組相關結果(64)；以及分析(65)該組相關結果以識別超過閾值的相關結果的集群，集群代表可能的相關峰。
2.按照權利要求1的方法，其中分析(65)該組結果的步驟包括確定在該組中超過閾值的所有的相關結果，和然後確定這些相關結果中的哪些是處在互相預定的距離內。
3.按照權利要求1或2的方法，其中如果分析該組相關結果的步驟識別出超過閾值的孤立相關結果，則該方法還包括確定該孤立相關結果是否為具有在該組相關結果內的最高數值的相關結果。
4.按照前述權利要求的任一項的方法，其中如果分析該組相關結果的步驟識別出相關結果的多個集群，則該方法還包括處理(66)集群，以識別最可能代表真實的相關峰的集群。
5.按照權利要求4的方法，其中處理(66)包括比較相關結果的集群的形狀與存儲的形狀信息，以及選擇具有與存儲的形狀信息最好的匹配的集群。
6.按照權利要求4或5的方法，其中除了被選擇為最可能的集群以外的所有的集群被丟棄。
7.按照前述權利要求的任一項的方法，其中閾值是按照預期的相關峰形狀和/或高度變化。
8.用於執行按照前述權利要求的任一項的方法的軟體。
9.一種用於檢測信息信號中的水印的水印檢測器，包括用於通過對於信息信號的相對於水印的多個相對位置的每個位置把信息信號與水印進行相關而得到一組相關結果的裝置；以及用於分析該組相關結果以識別超過預定閾值的相關結果的集群的裝置，集群代表可能的相關峰。
10.按照權利要求9的水印檢測器，還包括用於執行按照權利要求2-7的方法的任一項步驟的裝置。
11.按照權利要求9或10的水印檢測器，其中用於得到一組相關結果的裝置和用於分析該組相關結果的裝置包括被安排來執行用於完成這些功能的軟體的處理器。
12.用於呈現信息信號的設備，包括用於根據在信息信號中有效的水印的存在而禁止該設備的操作的裝置，其中設備包括按照權利要求9-11的任一項的水印檢測器。
全文摘要
水印檢測器(100)檢測信息信號中水印的存在。與對於信息信號相對於水印的多個相對位置的每個位置把信息信號預期的水印(Wi)進行相關，以便得到一組相關結果(64)。相關結果(64)被分析以識別超過閾值的相關結果的集群，集群代表可能的相關峰。在多個集群被識別的場合下，選擇最可能的集群用於進一步處理，而同時丟棄其它結果。結果的集群可以識別由於在信息信號分發期間有損處理變為模糊的相關峰。
文檔編號G06T1/00GK1918595SQ200580004798
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月8日 優先權日2004年2月14日
發明者D·K·羅伯茨 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司