往信息信號中嵌入附加數據的製作方法
2023-09-20 17:23:20
專利名稱：往信息信號中嵌入附加數據的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種往信息信號中嵌入附加數據的方法和設備。信息信號由裝有反饋環路的編碼器編碼。經選擇的編碼信號取樣在反饋環路中經過修正，表示附加數據和同步位模式。經修正表示附加數據的取樣中間為至少第一數量的取樣所隔開。
背景技術：
目前，愈來愈要求給音頻和視頻信號提供水印(Watermarks)。水印是最好以隱含但可辨認的形式嵌入多媒體器材中的附加數據字幕，由例如關於文件和視聽節目的來源或版權現況的信息組成，可用以提供版權所有人的合法性證明，可跟蹤侵權行為和支援智慧財產權保護。
本發明書開端所述往信息信號中嵌入附加數據的現行方法在國際專利申請WO-A-98／33324中有介紹。在現有技術的這個方法中，水印圖形嵌入∑-δ調製音頻信號中。這種設備位編碼信號的每一位為信號取樣。水印通過修正其經選擇的各位嵌入編碼聲頻信號中，舉例說，每第100個位用水印模式的一個位取代。修正編碼信號的步驟是在編碼器反饋環路內進行的，為的是補償在以後各端碼步驟中的作用。
上述現有技術的方法是為在音響式數字多功能光碟(DVD)上記錄優質音響而設想的。為產生115分貝的信噪比，採用2，822，400赫(64×44，100)的採樣頻率。只以1分貝為代價取代每第100位∑-δ調製聲頻信號增加了量化噪聲，這相當於大約每秒28000位的水印位速率。
上述專利申請WO-A-98／33324還公開了一種提取水印的裝置。所述裝置由一個除法器級和一個同步檢測器組成。除法器級將位速率除以將水印位分隔開的位個數(例如，若每第100位信號為一個附加數據位則為100)。同步檢測器改變除法器級的相位直到在位流中檢測出同步位模式(以下簡稱同步模式)為止。
不言而喻，同步檢測器當然有一個移位寄存器(或串並行轉換器)，供存儲一部分位流。在上述現有技術的方法中，水印中設有同步模式，即多個同步模式的二進位位為與水印位同數量的二進位位所隔開。實際上這需要一個長的移位寄存器。移位寄存器的長度取決於同步模式的長度和水印位之間的間距。若信號的每第M個位為附加數據位且同步模式由N個位組成，則同步檢測器當然必須存儲(N-1)·M+1個二進位位。
德國專利申請DE-A-3717315更詳細地公開了這種現有技術的同步檢測器。在此專利公報中，信號的每第15個位為附加位，同步模式為4位字。按照該專利，串並行轉換器(DE-A-3717315圖2中的編號5)存儲46個位。
發明簡介本發明的目的是提供一種往信息信號中嵌入附加數據的方法，該方法能以更為經濟實惠的方式提供附加數據。
為達到此目的，本發明具有這樣的特點修正步驟是用數量最多等於大致小於所述第一取樣數量的第二取樣將表示同步位模式經修正的取樣分隔開。
這時，同步檢測器中移位寄存器的長度就由同步模式的長度和第二位數確定。所述第二個數目可與第一數目無關進行選取，且可任意地小或甚至為零。在後一種情況下，同步模式位為編碼信號的連續位。於是，移位寄存器的長度相當於同步模式的長度。
在本發明的一個最佳實施例中，同步位模式為一般不是編碼器產生的位模式。舉例說，為在DVD上記錄優質音響而設想的∑-δ調製器產生高頻模式由多個0和多個1組成的位流。調製器試圖儘快更迭各輸出位，以便從音頻帶中剔除量化誤差。一般說來，∑-δ調製器不產生後面是大量的0的大量的1。舉例說，音樂的記錄中就不會出現11110000的位模式。強迫調製器在反饋環路中產生這種不正常或不具特色的模式會使調製器迅速將位流改變成上述高頻模式。這類不正常的模式是構成同步模式優異的選擇對象。
附圖簡介
圖1是本發明往信息信號中嵌入附加數據的設備的一般原理圖。
圖2是本發明∑-δ調製器的原理圖。
圖3-6是說明圖2中所示裝置的操作過程的波形圖。
實施例說明圖1示出了本發明往信息信號中嵌入附加數據的設備的一般原理圖。該設備包括預測編碼器1、修正電路2和控制電路3。
預測編碼器1接收(模擬或數字)輸入信號X，且具有一個減法器11供從輸入信號X中去掉預測信號X^]]>。由此得出的預測誤差信號e加到編碼給12上。預測編碼器還有一個反饋通路供獲取預測信號X^]]>，反饋通路包括解碼級13、加法器14和延遲電路15。預測編碼器1的各種實施例是本技術領域中所周知的，例如增量調製器∑-δ調製器、差分脈衝代碼調製器或MPEG圖像編碼器。
修正電路2接收經編碼的誤差信號y，且設計得使其修正此信號經選擇的取樣。此修正電路安置在編碼級12與反饋通路13-15之間，即在編碼器1的環路內。因此，預測信號X^]]>是從經修正的編碼信號z而不是從未經修正的編碼信號獲得的。於是，修正級2引起的任何編碼「誤差」都反饋給編碼級12，從而使編碼誤差以後都編碼得使其作用得到補償。
修正後的編碼信號z加到一個接收機上或存儲在存儲媒體(圖中未示出)上。有一點很重要應該指出的是，接收機可能設計得可以提取或不可以提取附加數據。一般不能提取附加數據的接收機必須能破譯和重現經修正的編碼信號。因此，附加數據必須以不引入注目的形式嵌入。如圖1中所示的那種破譯和重現編碼器來的編碼信號的接收機通常和編碼器的反饋通路(13-15)一模一樣，因而沒有分別示出。
現在參看圖2進一步說明本發明。圖2示出了往∑-δ調製信號中嵌入附加數據的設備。這種設備有一個一般的∑-δ調製器20包括減法器21、環路濾波器22、極性檢測器23和反饋通路24。減法器21從輸入信號x去掉經編碼的輸出信號z(其電平為+1伏或-1伏)。差值信號d由濾波器22進行濾波。濾波器的信號f加到極性檢測器23上，極性檢測器23以採樣頻率fs(圖中未示出)所確定的速率在fzo時產生輸出位「1」(+1伏)，在f＜o時產生「o」(-伏)。
修正電路2連接在極性檢測器23與反饋通路24之間。根據控制電路3提供的控制信號c，修正電路(一個多路復用器)用水印位Wi或同步模式位Sj取代編碼信號經選擇的各二進位位。水印W和同步模式S分別存入控制電路3的寄存器301和302中。從下面的說明可以清楚理解控制電路的工作過程。
圖3示出了說明修正電路2不起作用時設備工作過程的波形。更具體地說，圖中示出了輸入信號x和輸出信號z(由於修正電路不起作用因而與編碼信號y相同)。隨著輸入信號越來越大，∑-δ調製器產生的正取樣越多。如圖中所示，-0．5伏的輸入電壓作為位席列0001(三個-1伏脈衝和一個+1伏脈衝)編碼，0伏輸入電壓作為高頻位模式01010(交換的-1伏和+1伏脈衝)編碼，+0．5伏的輸入電壓作為位序列1110(三個+1伏脈衝和一個-1伏脈衝)編碼。有一點很重要應該指出的是，沒有出現成對的長串0和長串1。
位流z通過改造收到的各脈衝並將其傳送到一個低通濾波器在接收端(圖中未示出)解碼。在此簡化的實例中，信號是通過求出位流13個取樣的平均值解調的。圖3除示出所述低通濾波器濾波引起的時延外還示出解調後的信號X＇。圖中，解調後的信號X＇因此與輸入信號X在時間上一致。
圖4示出了說明修正電路2起作用時設備工作過程的波形。實例中，∑-δ調製器的「-1」取樣30(圖3)用「+1」取樣40取代，為的是表示水印位Wi=1。由於修正反饋到輸入端，因而修正的有害影響以後由編碼級加以補償。這樣，編碼信號z緊跟附加數據位40的一部分與圖3中所示相應的部分不同。與此相應，圖4中解調後的信號X＇也臨時與圖3中的同一信號不同。應該指出的是，各圖中時間的一致性使得差值在嵌入附加數據位40之前就已明白顯示出來。圖3和圖4中，解調信號的有關部分分別以31和41表示。
比較一下圖3和圖4可知，差值幾乎實際上看不出來。在採樣頻率fs=2，822，400赫(64×44，100)下對優質聲頻信號進行編碼的∑-δ調製器，其信噪比為115分貝。發現每100個取樣取代其中的一個取樣，量化噪聲只增加1分貝。應該指出的是，已插入一個附加數據位時，仍然沒有出現成對的長串和長串1。正是這種性能使同步模式可嵌入不難在接收端可靠檢測出的位流中。
同步模式的二進位位Sj以同樣的方式插入。按照本發明，連續的各同步位Sj之間的間距從而基本上小於水印W連續的各二進位位Wi之間的間距。圖5示出了如此得出的聲頻位流的簡化實例。在此實例中，位流的每第10個二進位位為水印位Wi。這樣，水印位為9個聲頻信號位所分隔。為確定各水印位在位流中的位置，而且可能的話也鑑別打上水印的字幕幀的第一二進位位Wo，往位流中加入由6個位S0……S5組成的同步模式S。在此實例中，同步位Sj只為1個聲頻位所分隔。嵌入的附加數據在圖中加了陰影線。
同步檢測器(這種檢測器本身由於特別是可從德國專利申請DE-A-3717315了解到，因而圖中沒有示出)包括一個移位寄存器，這個寄存器在本實例中的窗口範圍為5×2+1=11位。在同步檢測器的檢索狀態下，移位寄存器在通道位速率下同步。若窗口在其第1、第3……第11位的位置包括同步模式S，則這個同步模式是經過檢測的。圖5中，這一點是用窗口50表示的。根據這一點，同步檢測器自動跟蹤並啟動被10除計數器以確定水印位Wi的位置。應該指出的是，若同步位Sj如現有技術所教導的那樣為所嵌入水印的部分，即若它們也為9個聲頻位所分隔，則移位寄存器可能包括5×10+1=51位。實際上，舉例說，一個其水印位為100個或甚至1000個位所分隔經∑-δ調製過的聲頻信號，所需要的移位寄存器可能會非常之大。
如圖5中由另一個窗口51所示的那樣，這裡並不能排除同步模式S還會出現在位流中另一處。若在檢索狀態下發現這個模式，同步檢測器的自動跟蹤會不可靠，從而不能正確提取水印。為提高可靠性，同步模式和同步模式位的分隔選擇得使這類不可靠的自動跟蹤不可能出現。
前面說明圖3和圖4時說過，∑-δ調製信號中不出現成對的長串0和長串1。若出現一長串的1，接下去的一連串0的長度大致不同(反過來也是一樣)。成對的一連串的1和基本上等長的長串0叫做不正常或非特色模式。∑-δ調製過的音頻信號的例子有1111000，11110000，111100000，1111100000及其反的形式。在實際音頻信號中從未發現過這些模式。在本發明的一個最佳實施例中，將這種不正常的模式嵌入位流中以構成同步模式S。圖6示出了說明同步模式111000(以編號60表示)插入位流中時設備工作過程的波形。可以看到，波形與圖3和圖4的相同。從圖中可以看出，解調信號X＇受到的影響相當大。但這是個簡化的實例。實際上發現畸變的狀況幾乎看不出來。
必要時插入同步模式的有害影響是可以減少的。舉例說，可以「預修正」同步模式之前的一個或多個二進位位從而減少誤差。這是通過預先觀察哪一個「預修正」產生最佳的編碼質量。申請人未公布的歐洲專利申請97204056．2(PHN16．669)中提出過這個概念。另一個辦法是就例如信噪比方面評估插入同步模式的有害影響並推遲同步模式的插入時間，直到在位流中找到所述信噪比認為可接受的時機為止。
總起來說，這裡公開了一種往信息信號(x)中嵌入附加數據(例如水印W)的設備。在本發明的一個實施例中，所述設備有一個一般的∑-δ調製器20和一個修正裝置(2)，前者供對聲頻信號(x)進行編碼，後者供定期用水印的二進位位(Wi)取代編碼信號(y)的一個二進位位。同步模式(s)以同樣的方式嵌入信號中。同步位(Si)的嵌入距離小於水印位。同步模式最好是編碼器一般不會產生的鄰接二進位位組成的模式。至於∑-δ調製器的這種模式，那是一連串的1後面有基本上等長的一連串的0的模式，或與此相反的模式。
權利要求
1．一種往信息信號中嵌入附加數據的方法，包括下列步驟用一個包括一個供控制編碼過程的反饋環路的編碼器對信息信號進行編碼；在編碼器的所述反饋環路內修正編碼信號經選擇的取樣，以表示所述附加數據和同步位模式，修正後表示附加數據的取樣為至少第一數量的取樣所分隔；其特徵在於，修正步驟是用最多為大致小於所述第一數量的第二數量的取樣分隔表示同步位模式經修正的取樣。
2．如權利要求1所述的方法，其特徵在於，修正後表示同步位模式的取樣為修正後的編碼信號組成的連續取樣。
3．如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，同步位模式是編碼器一般不產生的位模式。
4．如權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，編碼器是個∑-δ調製器。
5．如權利要求4所述的方法，其特徵在於，同步位模式為一對一連串1和基本上等長的一連串0。
6．如權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，同步位模式為1111000，11110000，111100000，1111100000或其反的形式。
7．一種往信息信號中嵌入附加數據的設備，包括一個編碼器，供對信息信號進行編碼，有一個反饋環路供控制所述編碼過程；一個修正裝置，在編碼器的所述反饋環路中，供修正編碼信號經選擇的取樣，以表示附加數據和同步位模式，修正後表示附加數據的取樣為至少第一數量的取樣所分隔；其特徵在於，所述修正裝置設計得使其用最多為大致小於所述第一數量的第二數量的取樣分隔表示同步位模式經修正的取樣。
8．一種由一個編碼器編碼的信息信號，信息信號經選擇的取樣經過修正表示嵌入的附加數據和同步位模式，修正後表示附加數據的取樣為起碼第一數量的取樣所分隔，其特徵在於，修正後表示同步位模式的取樣為最多為大致小於所述第一數量的第二數量的取樣所分隔。
9．如權利要求8所述的信號，其特徵在於，同步位模式是編碼器一般不產生的連續取樣。
10．如權利要求8所述的信號，其特徵在於，信息信號為∑-δ調製音頻信號，同步位模式為一對一連串1和基本上等長的一連串0。
11．一種存儲媒體，上面記錄有權利要求8-10中任一權利要求所述的信號。
全文摘要
一種往信息信號(x)中嵌入附加數據(例如水印W)的設備,包括一個一般的∑－δ調製器(20)和一個修正裝置(2),前者供對聲頻信號(x)進行編碼,後者供定期用水印的一個二進位位(Wi)取代編碼信號(y)的一個二進位位。同步模式(s)以同樣的方式嵌入信號中。同步位(Si)以小於水印位的距離嵌入。同步模式最好是編碼器一般不產生的鄰接二進位位。∑－δ調製器的這種模式為一連串1之後有基本上等長的一連串0的模式,或其相反的模式。
文檔編號H04N5/913GK1291331SQ99803213
公開日2001年4月11日 申請日期1999年10月6日 優先權日1998年10月29日
發明者P·A·C·M·尼滕 申請人:皇家菲利浦電子有限公司