多媒體信號的時域加水印的製作方法
2023-07-29 02:08:41
專利名稱：多媒體信號的時域加水印的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於編碼和解碼在諸如音頻、視頻、或數據信號的多媒體信號中的信息的設備和方法。
多媒體信號的加水印是一種用於連同多媒體信號一起傳輸附加數據的技術。例如，加水印技術可被使用來把版權和拷貝控制信息嵌入到音頻信號中。
加水印方案的主要要求是水印是不可被觀察到的(即在音頻信號的情況下，水印是不可被聽到的)，同時，對於要將水印從信號中去除的攻擊而言，水印是堅固的(例如，去除水印會損壞信號)。將會看到，水印的堅固性通常是對其中嵌入水印的信號的質量的一種折衷。例如，如果水印被牢固地嵌入音頻信號(因此水印很難被去除)，則音頻信號的質量很可能會降低。
已經提出了各種類型的音頻加水印方案，每種方案具有它自己的優點和缺點。例如，一種類型的音頻加水印方案是使用時間相關技術把想要的數據(例如，版權資訊)嵌入到音頻信號中。這種技術實際上是回聲(echo)隱藏算法，其中通過求解二次方程來確定回聲的強度。該二次方程是由在兩個位置處的自相關值生成的一個位置在等於τ的延時處，另一個在等於0的延時處。在這樣的方案中，由於音頻信號的回聲被加到原始音頻信號，最終得到的信號實際上是原始音頻信號的幅度和相位調製的版本。在檢測器處，通過確定在兩個延時的位置處的自相關函數的比值來提取水印。
這種相關技術具有多個缺點。例如，只可能在最終得到的二次方程具有實根的地方嵌入水印，因此，這降低對於給定的音頻質量的堅固性(水印抵抗攻擊的能力)。而且，該相關算法的性能依賴於延時τ的數值和原始信號的特性。這是重大的缺點。
基於DFT(離散傅立葉變換)係數的調幅的加水印方案也是已知的。由於這樣的方案需要在編碼器和解碼器處計算DFT，最終得到的用於實施這樣的DFT方案的硬體往往比較複雜，所以，該方案往往執行得很慢並且成本較高。再者，無法令人滿意地將水印嵌入具有稀疏頻率特性的音頻分段，所以，DFT方案對於特定的類型的音樂不能很好地工作。
WO 00/00969描述用於把輔助信號(諸如版權資訊)嵌入或編碼到多媒體主信號或覆蓋信號中的替換的技術。在特定的域(時間、頻率或空間)中的覆蓋信號或覆蓋信號的一部分的複製，是按照規定覆蓋信號的參數的修正值的隱秘(stego)密鑰被生成的。複製信號隨後被相應於要被嵌入的信息的輔助信號修正，並被插回到覆蓋信號中，以便形成隱秘信號。
在解碼器處，為了提取原始輔助數據，以與原始覆蓋信號的複製相同的方式生成隱秘信號的複製，這需要使用相同的隱秘密鑰。最終得到的複製隨後被與所接收的隱秘信號進行相關，以便提取輔助信號。因此，輔助信號的提取是比較複雜的，並且在編碼器(或嵌入器)和解碼器(或檢測器)處都需要隱秘密鑰。另外，在檢測器處需要強力搜索來同步到輔助信號。
再者，有效載荷提取的性能取決於輔助信號被估計得有多好。在對輔助信號中的有效載荷比特有較高的預測錯誤率的系統中，這是非常難達到的。所述解決方案將導致非常複雜的糾錯方法或大大地限制信息容量。
本發明的一個目的是提供一種基本上解決現有技術的至少一個問題的加水印方案。
一方面，本發明提供一種生成用於嵌入到多媒體信號中的水印信號的方法，該方法包括以下步驟(a)生成兩個數值序列，第二序列是第一序列的環形移位的版本；以及(b)通過把第一序列的數值加到在第二序列的相應的位置處的各個數值上而生成水印信號。
優選地，第一和第二序列的每個數值用優選寬度Ts的脈衝來代表，以便形成矩形波信號。
優選地，在步驟(a)一個窗形函數被應用來把每個矩形信號變換成相應的平滑變化的信號，最終得到的平滑變化的信號在步驟(b)被加上，以便形成水印信號。
優選地，將所述每個數值序列與一個寬度至少為Ts的窗形函數進行卷積，以便生成兩個平滑變化的信號，這兩個平滑變化的信號在步驟(b)被相加在一起，以便形成水印信號。
優選地，所述窗形函數具有頻帶有限的頻率特性和平滑的時間特性。
優選地，所述窗形函數具有對稱或反對稱的時間特性。
優選地，所述窗形函數包括升餘弦函數和雙相位函數中的至少一個函數。
優選地，水印信號是通過將具有相對延時Tr的兩個平滑變化的信號相加而生成的，其中Tr＜Ts。
優選地，Tr被選擇為使得第一平滑變化信號的最大幅度點與第二平滑變化信號的過零點一致。
優選地，所述水印信號具有被編碼在所述兩個數值序列的組合中的有效載荷。
另一方面，本發明提供被安排成生成用於嵌入在多媒體信號中的水印信號的設備，該設備包括(a)序列生成器，它被安排成使用第一數值序列生成第二數值序列，第二序列是第一序列的環形移位的版本；以及(b)信號生成器，它被安排成通過把第一序列的數值加到在第二序列的相應位置處的相應數值上而生成水印信號。
優選地，該設備還包括信號調節器，它被安排成把每個數值序列變換成平滑變化的信號。
優選地，該設備被安排成通過環形移位一個基本(primary)數值序列而生成所述第一數值序列。
再一方面，本發明提供一種將水印嵌入到多媒體信號中的方法，該方法包括以下步驟(a)生成等於兩個數值序列的和的水印信號，第二序列是第一數值序列的環形移位的版本；(b)生成作為水印信號與多媒體信號的乘積的主修正多媒體信號；(c)通過把所述主修正多媒體信號的經縮放的版本加到多媒體信號而生成加水印的多媒體信號。
優選地，主修正多媒體信號的所述經縮放的版本是通過由預定的成本函數控制縮放因子而生成的。
優選地，所述成本函數包括多個縮放因子，每個縮放因子被分開地定義，以用於多媒體信號中的一個或多個頻帶。
優選地，所述頻帶是按照人的聽覺和/或視覺系統的模型被確定的。
優選地，在步驟(b)中，所述主修正多媒體信號是通過把所述水印信號與多媒體信號的被提取的部分相乘而被生成的。
優選地，多媒體信號的所述被提取的部分是通過相對於頻率、空間和時間的至少一項對多媒體信號的至少一部分進行濾波而得到的。
該方法優選地還包括以下步驟(d)生成等於第三和第四數值序列的和的水印信號，第四序列是第三數值序列的環形移位的版本；(e)提取多媒體信號的第二部分，該第二部分被濾波，以使得它不與所述第一部分重疊；(f)通過把第二水印信號與多媒體信號的第二提取部分的乘積加到所述加水印的多媒體信號而生成加水印的多媒體信號。
另一方面，本發明提供被安排成把水印信號嵌入到多媒體信號中的設備，該設備包括(a)水印生成器，它被安排成生成等於兩個數值序列的和的信號，第二序列是第一數值序列的環形移位的版本；(b)輸出信號生成器，它被安排成通過把水印信號與多媒體信號的乘積加到多媒體信號而生成加水印的多媒體信號。
優選地，該設備還包括信號提取器，它被安排成提取多媒體信號的第一部分。
再一方面，本發明提供包括水印的多媒體信號，其中原始多媒體信號是通過藉助水印來修正原始信號的時間包絡而被加水印的，該水印包括第一和第二數值序列的和，該第二序列是第一序列的環形移位的版本。
另一方面，本發明提供一種檢測被嵌入在多媒體信號中的水印信號的方法，該方法包括以下步驟(a)接收一個多媒體信號，該多媒體信號可能是由一個用於修正主多媒體信號的時間包絡的水印信號來加水印的；(b)從所述接收信號中提取水印的估計；以及(c)把水印估計與水印的基準版本進行相關，以便確定所接收信號是否是加水印的。
優選地，水印信號具有有效載荷，並且該方法還包括確定水印的有效載荷的步驟。
再一方面，本發明提供被安排成檢測水印信號是否被嵌入在多媒體信號內的水印檢測器設備，該水印檢測器包括(a)接收機，它被安排成接收一個多媒體信號，該多媒體信號可能是由一個用於修正主多媒體信號的時間包絡的水印信號來加水印的；(b)提取器，它被安排成從所述接收信號中提取水印的估計；以及(c)相關器，它被安排成把水印估計與水印的基準版本進行相關，以便確定所接收信號是否是加水印的。
優選地，該設備還包括有效載荷檢測器，它被安排成確定在所述水印內是否存在有效載荷以及確定所述有效載荷的數值。
為了更好地了解本發明和顯示如何實施本發明的實施例，現在作為例子參考附圖，其中
圖1是顯示按照本發明一個實施例的水印嵌入設備的圖；圖2顯示在一個優選實施例中使用的信號部分提取濾波器H；圖3a和3b分別顯示作為在圖2中使用的濾波器H的頻率的函數的典型的幅度和相位響應；圖4顯示有效載荷嵌入和水印調節級；圖5是顯示圖4的水印調節設備Hc的細節的圖，包括在每級處的相關信號的圖表；圖6a和6b分別以升餘弦函數和雙相位函數的形式顯示兩個優選的替換窗形函數s(n)；圖7a和7b分別顯示用升餘弦和雙相位形窗函數調節的水印序列的頻譜。
圖8是顯示按照本發明一個實施例的水印檢測器的圖；圖9示意地顯示結合升餘弦形窗函數使用的、圖8的白化濾波器Hw；圖10示意地顯示結合雙相位形窗函數使用的、圖8的白化濾波器Hw；以及圖11顯示從圖8所示的水印檢測器的相關器輸出的相關函數的典型的形狀。
圖1顯示按照本發明的優選實施例的、對於執行用於把多比特有效載荷水印wc嵌入到主信號x中的數位訊號處理所需要的設備的方框圖。
主信號x被提供在設備的輸入端12。主信號x經由加法器22沿輸出端14的方向被傳送。然而，主信號x的複製(輸入8)被分裂到乘法器18的方向，用於載送水印信息。
水印信號wc是從有效載荷嵌入器和水印調節設備6得到的，並且是從被輸入到有效載荷嵌入器和水印調節設備的水印隨機序列ws(輸入4)得出的。乘法器18被利用來計算水印信號wc與複製音頻信號x的乘積。最終得到的乘積wcx隨後經由增益控制器24被傳送到加法器22。增益控制器24被使用來以一個增益因子α放大或衰減信號。
增益因子α控制水印的可聽見性與堅固性之間的折衷。它可以是在時間、頻率和空間的至少一項中的常量或變量。圖1上的設備顯示，當α是可變時，它可以根據主信號x的屬性經由信號分析單元26自動地被適配。優選地，增益α按照適當地選擇的感知度成本函數(諸如人類聽覺系統(HAS)的心理聲學模型)被自動適配，以便最小化對於信號質量的影響。這樣的模型例如在E.Zwicker的文章中描述「Audio Engineering and PsychoacousticsMatching signals to thefinal receiver，the Human Auditory System(音頻工程和心理聲學使信號匹配於最後的接收機，人的聽覺系統)」，Journal of the AudioEngineering Society，Vol.39，pp.vol.115-126，March 1991。
在下面，音頻水印僅僅作為例子被利用來描述本發明的這個實施例。
通過把wc與x的乘積的適當地縮放的版本與主信號相加，在嵌入設備10的輸出端14處得到最終的水印音頻信號yy[n]＝x[n]+αwc[n]x[n]. (1)優選地，水印wc被選擇成使得當與x相乘時它主要地修正x的短時間包絡。
圖2顯示一個優選實施例，其中通過使用濾波單元15中的濾波器H濾波主信號x的複製而得到加到圖1的乘法器18的輸入8。如果濾波器輸出用xb表示，則按照這個優選實施例，通過把xb與水印wc的乘積的適當縮放的版本與主信號x相加而生成加水印的信號。
令xb被定義為xb＝x-xb，以及yb被定義為y＝yb+xb，則加水印的信號y可被寫為y[n]＝(1+wc[n])xb[n]+xb[n]. (2)
以及加水印的信號y的經包絡調製的部分yb可被給出為yb[n]＝(1+wc[n])xb[n] (3)優選地，如圖3所示，濾波器H是以它的下部截止頻率fL和上部截止頻率fH和為表徵的線性相位帶通濾波器。正如可以從圖3b看到的，濾波器H在通帶(BW)內具有相對於頻率的線性相位響應。因此，當H是帶通濾波器時，xb和xb分別是主信號的帶內和帶外分量。為了最佳的性能，優選地，信號xb和xb是同相的。這是通過適當地補償由濾波器H產生的相位失真而達到的。
在圖4上，顯示有效載荷嵌入器和水印調節單元6的細節。在這個單元中，水印種子信號ws被變換成多比特水印信號wc。
首先，通過使用具有初始種子S的隨機數生成器生成有限長度的、優選地為零中值和均勻分布的隨機序列ws。正如後面將會看到的，優選地，這個初始種子S對於嵌入器和檢測器是已知的，這樣，可以在檢測器處生成水印信號的拷貝，以用於比較的目的。這導致長度Lw的序列ws[k]∈[-1，1]，for k＝0，1，2，...，Lw-1 (4)然後，通過使用環形移位單元30將序列ws環形移位數量d1和d2而分別得到隨機序列wd1和wd2。將會看到，這兩個序列(wd1和wd2)實際上是第一序列和第二序列，第二序列相對於第一序列被環形移位。每個序列wdi(i＝1，2)隨後在乘法單元40中與相應的符號比特ri相乘，其中ri＝+1或-1。r1和r2的各個值保持為恆定的，並且只在水印的有效載荷改變時才改變。每個序列隨後由圖4所示的水印調節單元20變換成長度為LwTs的周期性的、緩慢變化的窄帶信號wi。最後，給緩慢變化的窄帶信號w1和w2加上相對延時Tr(其中Tr＜Ts)，以給出多比特有效載荷水印信號wc。這是通過首先使用延時單元45把信號w2延時數量Tr、隨後用相加單元50把它加到w1而實現的。
圖5更詳細地顯示在有效載荷嵌入器和水印調節設備6中使用的水印調節設備20。水印隨機序列ws被輸入到調節設備20。
為了方便起見，在圖5上只顯示一個序列wdi的修正，但將會看到，每個序列以類似的方式被修正，其結果被相加，以得到水印信號wc。
如圖5所示，每個水印信號序列wdi[k](i＝1，2)被加到樣本重發器(repeater)180的輸入端。圖181顯示一個作為在+1和-1之間的隨機數的數值序列的可能的序列wdi，該序列長度是Lw。樣本重發器180將水印隨機序列內的每個數值重複Ts次，以便生成具有矩形形狀的脈衝串信號。Ts被稱為水印符號周期，它代表音頻信號中水印符號的跨距。圖183顯示一旦在曲線圖181上顯示的信號通過樣本重發器180後的結果。
諸如升餘弦窗那樣的窗形函數s[n]隨後被應用來把從wd1和wd2得到的矩形脈衝信號分別變換成緩慢變化的信號w1[n]和w2[n]。
圖184顯示典型的升餘弦窗形函數，它也具有周期Ts。
所生成的信號w1[n]和w2[n]隨後被加上相對延時Tr(其中Tr＜Ts)，以給出多比特有效載荷水印信號wc[n]，即，wc[n]＝w1[n]+w2[n-Tr] (5)Tr的數值被選擇為使得w1的過零點匹配w2的最大幅度點，反之亦然。因此，對於升餘弦窗形函數有Tr＝Ts/2，而對於雙相位窗形函數則有Tr＝Ts/4。對於其他窗形函數，其他的Tr數值是可能的。
正如從下面說明將會看到的，在檢測期間，載送wc[n]的加水印的信號將生成相隔為pL的兩個相關值峰值(正如可在圖11看到的)。數值pL是有效載荷的一部分，並被定義為 除了pL以外，通過改變所嵌入的水印的相對符號，可以編碼額外的信息。
在檢測器中，這被看作為在相關值峰值之間的相對符號rsign。將會看到，rsign可以取四個可能的數值，它可被定義為
rsign=21+2+32{0,1,2,3}----(7)]]>其中ρ1＝sign(cL1)和ρ2＝sign(cL2)分別是圖4的符號比特r1(輸入80)和r2(輸入90)，而cL1和cL2分別是相應於wd1和wd2的相關值峰值的數值。總的水印有效載荷pLw隨後被給定為rsign和pL的組合pLw＝rsign，pL. (8)可被長度為Lw的水印序列載送的最大信息(Imax)的比特數因此由下式給出 在這樣的方案中，有效載荷可避免在嵌入器與檢測器之間的相對偏差，並且也可避免可能的時間尺度修正。窗形函數已被確定為控制本加水印方案的堅固性和可聽見性的性能的主要參數之一。如圖6a和6b所示，本文描述了可能的窗形函數的兩個例子升餘弦函數和雙相位函數。
優選地是使用雙相位窗函數而不用升餘弦窗函數，以便得到準無DC的水印信號。這被顯示於圖7a和7b，圖上顯示了分別相應於用升餘弦和雙相位窗形函數調節的水印序列(在這種情形下是wdi[k]＝{1，1，-1，1，-1，-1，}的序列)的頻譜。正如可以看到的，用升餘弦調節的水印序列的頻譜在頻率f＝0處具有最大值，而雙相位成形的水印序列的頻譜在頻率f＝0處具有最小值，即，它具有非常小的DC分量。
有用的信息只被包含在水印的非DC分量中。因此，對於相同的所加上的水印能量，用雙相位窗調節的水印比起用升餘弦窗調節的水印會載送更多的有用信息。結果，雙相位窗對於相同的堅固性提供更為優越的可聽見性質量，或相反地，它對於相同的可聽見性質量允許更好的堅固性。
這樣的雙相位函數也可被用作為用於其他水印方案的窗形函數。換句話說，可以應用雙相位函數來減小要被合併到另一個信號中的信號(諸如水印)的DC分量。
圖8顯示水印檢測器(200，300，400)的方框圖。該檢測器包含三個主要級(a)水印符號提取級(200)，(b)緩存和內插級(300)，以及(c)相關和判決級(400)。
在符號提取級(200)中，所接收的加水印的信號y』[n]被處理，以生成加水印的序列的多個(Nb)估計，它們被多路復用進信號we[m]。需要水印序列的這些估計來消除在嵌入器與檢測器之間可能存在的任何時間偏移，這樣，水印檢測器可以同步到被插入在主信號中的水印序列。
在緩存和內插級(300)中，這些估計被多路分解到Nb個分開的緩存器。隨後把內插施加到每個緩存器，以消除可能已發生的可能的時間尺度修正。例如，採樣(時鐘)頻率的漂移可能導致時域信號的伸長或縮短(即，水印可能已被伸長或縮短)。
在校正和判決級(400)中，將每個緩存器的內容與基準水印進行相關，並將最大相關值峰值與閾值進行比較，以確定水印是否確實被嵌入在接收信號y』[n]內的或然率。
為了使得水印檢測的精確度最大化，水印檢測過程典型地是對於3到4倍於水印序列長度的接收信號y』[n]的長度實行的。因此，通過取幾個符號的平均，可以構建要被檢測的每個水印符號。這個平均的過程被稱為平滑，而進行平均的次數被稱為平滑因子sf。因此，檢測窗長度LD是音頻分段的長度(以樣本數計)，通過這個長度報告水印檢測真值。因此，LD＝sfLwTs，其中Ts是符號周期而Lw是水印序列內的符號數。典型地，在緩存與內插級內的每個緩存器320的長度(Lb)是Lb＝sfLw。
在圖8所示的水印符號提取級200中，輸入水印信號y』[n]被輸入到信號調節濾波器Hb(210)。這個濾波器210典型地是帶通濾波器，並且具有與圖2所示的相應的濾波器H(15)相同的性能。濾波器Hb的輸出是y』b[n]，假設在傳輸信道內是線性的，則它可從公式(2)和(3)得到
y′b[n]≈yb[n]＝(1+αwc[n])xb[n](10)應當指出，當在嵌入器中沒有使用濾波器時(即，當H＝1時)，在檢測器中的Hb也可被省略，或仍舊可以包括它，以改進檢測性能。如果Hb被忽略，則公式(10)中的yb用y替代。該處理的其餘部分是相同的。
為了簡化起見，假設在嵌入器與檢測器之間有完美的同步(即，在時間尺度上沒有偏差且沒有改變)，以及音頻信號被劃分成長度為Ts的幀，以及y』b，m[n]是經濾波的信號y』b[n]的第m個幀的第n個樣本。應當指出，如果在嵌入器與檢測器之間沒有完美的同步，則可以在緩存與內插級300內通過利用本領域技術人員已知的技術來補償任何偏差，例如迭代搜索所有可能的尺度和偏移修正，直至達到最好的匹配為止。
相應於y』b，m[n]幀的能量E[m]是E[m]=n=0Ts-1|yb,m[n]S[n]|2----(11)]]>其中S[n]是在圖5的水印調節電路中使用的相同的窗形函數。本領域技術人員將會看到，公式11代表匹配濾波接收機，並且當符號周期完全同步時，它是最佳接收機。在此情況下，從現在起，我們設置S[n]＝1，以便簡化以後的說明。
把這個公式11與公式10相組合，得到E[m]n=0Ts-1|yb,m[n]|2=n=0Ts-1|(1+we[m])xb,m[n]|2----(12)]]>其中we[m]是第m個提取的水印符號，並且包含所嵌入的水印序列的Nb個時間多路復用的估計。求解方程12中的we[m]，並忽略α的更高階項，給出以下的近似
we[m]12(n=0Ts-1|yb,m[n]|2n=0Ts-1|xb,m[n]|2-1)----(13)]]>在圖8所示的水印提取級200中，濾波器Hb的輸出y』b[n]作為輸入被提供到幀劃分器220，它把音頻信號劃分成長度為Ts的幀，即劃分成y』b，m[n]，然後能量計算單元230被使用來按公式(11)計算相應於每個成幀的信號的能量。這個能量計算單元230的輸出隨後作為輸入被提供到白化級Hw(240)，它執行公式13所示的函數，以便提供輸出we[m]。這個白化級的替換實施方案(240A，240B)被顯示於圖9和10。
將會看到，公式13的分母包含需要主(原始)信號x的知識的項。由於信號x對於檢測器是不可得的，這意味著，為了計算we[m]必須估計公式13的分母。
下面描述對於兩個所述的窗形函數(升餘弦窗形函數和雙相位窗形函數)如何得到這樣的估計，但同樣將會看到，所述教導可以被擴展到其他窗形函數。
關於圖6a所示的升餘弦窗形函數，已經認識到，由水印引起的音頻包絡對能量函數E[m]的噪聲部分產生主要影響。緩慢變化的部分(即低頻分量)則主要是由於原始音頻信號x的包絡的貢獻。因此，公式13可被近似為we[m]12(E(m)lowpass(E[m])-1)----(14)]]>其中「lowpass(.)」是低通濾波器函數。因此，將會看到，用於函數中的升餘弦窗形狀的白化濾波器Hw可以如圖9所示被實現。
正如可以看到的，這樣的白化濾波器Hw(240)包括用於接收信號E[m]的輸入端242A。這個信號的一部分隨後被通過低通濾波器247A，以產生經低通濾波的能量信號ELP[m]，它又作為輸入連同函數E[m]一起被提供到計算級248A。計算級248A隨後把E[m]除以ELP[m]，以計算所提取的水印符號we[m]。
當在嵌入器的水印調節級中使用雙相位窗函數時，應當利用不同的方法來估計原始音頻的包絡，並從而計算we[m]。
通過查看圖6b所示的雙相位窗函數將會看到，當用這樣的窗函數調製音頻幀的包絡時，第一和第二半幀以相反的方向被縮放。在檢測器中，這個屬性被利用來估計主信號x的包絡能量。
因此，在檢測器內，音頻幀首先被再劃分成兩半。相應於第一和第二個半幀的能量函數因此分別被給出為E1[m]=n=0Ts/2-1|yb,m[n]|2----(15)]]>和E2[m]=n=Ts/2Ts-1|yb,m[n]|2----(16)]]>由於原始音頻的包絡在兩個子幀內以相反的方向被調製，原始音頻包絡可被近似為E1[m]和E2[m]的中值。
再者，瞬時調製值可被取為這兩個函數之間的差。因此，對於第一雙相位窗函數，水印we[m]可被近似為we[m]12(E1[m]-E2[m]E1[m]+E2[m]-1)----(17)]]>因此，用於雙相位窗形函數的白化濾波器Hw240B可以如如圖10所示被實現。輸入端242B和243B分別接收第一和第二半幀E1[m]和E2[m]的能量函數。每個能量函數隨後被分裂成兩部分，並被提供到分別計算E1[m]-E2[m]和E1[m]+E2[m]的加法器245B和246B。這兩個所計算出的函數隨後被傳送到計算單元248B，它把來自加法器245B的數值除以來自246B的數值，以便按照公式17計算水印we[m]。
這個輸出we[m]隨後被傳送到緩存和內插級300，在其中信號被多路分解器310多路分解，並在長度為Lb的緩存器320中被緩存，以便消除在嵌入器與檢測器之間的任何同步缺乏問題，並且在內插單元330內對信號進行內插，以便補償在嵌入器與檢測器之間的任何時間尺度修正。這樣的補償可以利用已知的技術，因此在本說明書內不再詳細地描述。
如圖8所示，來自緩存級的輸出(wD1，wD2，...，wDNb)被傳送到內插級，在內插後，相應於被正確地重新縮放的信號的不同估計的、此級的輸出(wI1，wI2，...，wINb)被傳送到相關與判決級。如果相信不需要時間縮放補償，則數值(wD1，wD2，...，wDNb)被直接傳送到相關與判決級400，即內插級330可以從該設備被省略。
相關器410計算每個估計wIj(j＝1，...，Nb)與基準水印序列ws[k]的相關值。相應於每個估計的每個相應的相關值輸出隨後被加到最大檢測單元420，該檢測單元確定哪兩個估計最符合基準水印的環形移位的版本wd1和wd2。這些估計序列的相關值數值(峰值幅度和位置)被傳送到閾值檢測器和有效載荷提取器單元430。
如果內插級被省略，則替換地，相關器410計算每個估計wDj(j＝1，...，Nb)與基準水印序列ws[k]的相關，正如在以上的段落中強調的，結果被傳送到單元420和430以用於以後的處理。
閾值檢測器和有效載荷提取器單元430可被利用來從所檢測的水印信號提取有效載荷(例如信息內容)。一旦該單元估計出超過檢測閾值的兩個相關峰cL1和cL2，峰值之間的距離pL(如由公式(6)定義的)就被測量。接著，確定相關峰的符號ρ1和ρ2，並從而從公式(7)計算rsign。然後可以通過使用公式(8)計算總的水印有效載荷。
例如，在圖11上可以看到，pL是在兩個峰值之間的相對距離。兩個峰值都是正的，即ρ1＝+1且ρ2＝+1。從公式(7)，rsign＝3。因此，有效載荷pLw＝3，pL。
在檢測器內使用的基準水印序列ws(原始水印序列的可能的環形移位的版本)相應於被加到主信號的原始水印序列。例如，如果通過在嵌入器內使用具有種子S的隨機數生成器來計算水印信號，則同樣地檢測器可以通過使用相同的隨機數生成算法和相同的初始種子來計算相同的隨機數序列，以便確定水印信號。替換地，原先在嵌入器中所應用的並被檢測器作為基準而利用的水印信號可以簡單地是任何預定的序列。
圖11顯示如從相關器410輸出的相關函數的典型的形狀。水平尺度顯示相關延時(以序列樣本點(sequence bins)計)。在左手側的垂直尺度(被稱為信任度水平cL)代表相對於(典型地正態分布的)相關函數的標準差歸一化的相關峰值的數值。
正如可以看到的，典型的相關值相對於cL是相對較平坦的，並以cL＝0為中心。然而，該函數包含兩個峰值，這兩個峰值間隔距離為pL(見公式6)，並且當存在水印時向上延伸到大於檢測閾值的cL值。當相關峰值是負值時，以上的陳述適用於它們的絕對值。
水平線(在圖上被顯示為設置在cL＝8.7)代表檢測閾值。檢測閾值的數值控制虛警率。
存在有兩種虛警假陽性率，被定義為在非加水印的項中檢測到水印的概率；和假陰性率，被定義為在加水印的項中沒有檢測到水印的概率。一般地，假陽性告警的要求比起假陰性告警是更嚴格的。圖11的右面的刻度顯示假陽性告警的概率p。正如在所示的例子中看到的，假陽性概率p＝10-12等價於閾值cL＝8.7，而p＝10-83等價於閾值cL＝20。
在每個檢測間隔後，檢測器確定原始水印是否存在或它是否不存在，並在這個基礎上輸出「是」或「否」的判決。如果想要的話，為了改進這個做出判決的過程，可以考慮多個檢測窗。在這種情形下，假陽性概率是取決於想要的準則的、對於所考慮的每個檢測窗的各個概率的組合。例如，可以確定，如果相關函數在三個檢測間隔中任意兩個檢測間隔上具有大於cL＝7的閾值的兩個峰值，則認為存在水印。顯然，這樣的檢測準則可以根據水印信號的想要的使用而被改變並考慮諸如主信號的原始質量以及在正常傳輸期間信號可能被破壞得多嚴重之類的因素。
本領域技術人員將會看到，沒有具體描述的各種實施方式將被理解為屬於本發明的範圍。例如，雖然只描述嵌入和檢測設備的功能，但將會看到，該設備可被實現為數字電路、模擬電路、電腦程式或它們的組合。
同樣地，雖然以上的實施例是參照音頻信號描述的，但將會看到，本發明可被應用於其他類型的信號，例如視頻和數據信號。
在說明書內將會看到，單字「包括」並不排除其他元件或步驟，「一個」並不排除多個，以及單個信號處理器或其他單元可以完成在權利要求書中闡述的幾個裝置的功能。
權利要求
1.一種生成用於嵌入到多媒體信號中的水印信號的方法，該方法包括以下步驟(a)生成兩個數值序列，第二序列是第一序列的環形移位的版本；以及(b)通過把第一序列的數值加到在第二序列的相應的位置處的相應的數值上而生成水印信號。
2.如權利要求1中要求的方法，其中第一和第二序列的每個數值用寬度為Ts的脈衝來代表，以便形成矩形波信號。
3.如權利要求2中要求的方法，其中在步驟(a)，一個窗形函數被應用來把每個矩形脈衝串信號變換成相應的平滑變化的信號，最終得到的平滑變化的信號在步驟(b)被加上，以便形成水印信號。
4.如權利要求1中要求的方法，其中將每個所述數值序列與一個寬度至少為Ts的窗形函數進行卷積，以便生成兩個平滑變化的信號，這兩個平滑變化的信號在步驟(b)被相加在一起，以便形成水印信號。
5.如權利要求4中要求的方法，其中所述窗形函數具有頻帶有限的頻率特性和平滑的時間特性。
6.如權利要求5中要求的方法，其中所述窗形函數具有對稱或反對稱時間特性。
7.如權利要求4中要求的方法，其中所述窗形函數包括升餘弦函數和雙相位函數中的至少一個函數。
8.如權利要求4中要求的方法，其中水印信號是通過將具有相對延時Tr的兩個平滑變化的信號相加而生成的，其中Tr＜Ts。
9.如權利要求8中要求的方法，其中Tr被選擇為使得第一平滑變化信號的最大幅度點與第二平滑變化信號的過零點一致，反之亦然。
10.如權利要求1中要求的方法，其中所述水印信號具有被編碼在兩個數值序列的組合中的有效載荷。
11.一種被安排成生成用於嵌入在多媒體信號中的水印信號的設備，該設備包括(a)序列生成器，它被安排成使用第一數值序列生成第二數值序列，第二序列是第一序列的環形移位的版本；以及(b)信號生成器，它被安排成通過把第一序列的數值加到在第二序列的相應的位置處的相應的數值上而生成水印信號。
12.如權利要求11中要求的設備，其中該設備還包括信號調節器，它被安排成把每個數值序列變換成平滑變化信號。
13.如權利要求11中要求的設備，其中該設備被安排成通過環形移位一個基本數值序列而生成所述第一數值序列。
14.一種將水印嵌入到多媒體信號中的方法，該方法包括以下步驟(a)生成等於兩個數值序列的和的水印信號，第二序列是第一數值序列的環形移位的版本；(b)生成作為水印信號與多媒體信號的乘積的主修正多媒體信號；(c)通過把所述主修正多媒體信號的經縮放的版本加到多媒體信號而生成加水印的多媒體信號。
15.如權利要求14中要求的方法，其中主修正多媒體信號的所述經縮放的版本是通過由預定的成本函數控制縮放因子而生成的。
16.如權利要求15中要求的方法，其中所述成本函數包括多個縮放因子，每個縮放因子被分開地定義，以用於多媒體信號中的一個或多個頻帶。
17.如權利要求16中要求的方法，其中所述頻帶是按照人的聽覺和/或視覺系統的模型被確定的。
18.如權利要求14中要求的方法，其中在步驟(b)中，所述主修正多媒體信號是通過把所述水印信號與多媒體信號的被提取的部分相乘而被生成的。
19.如權利要求18中要求的方法，其中多媒體信號的所述被提取的部分是通過相對於頻率、空間和時間的至少一項對多媒體信號的至少一部分進行濾波而得到的。
20.如權利要求14中要求的方法，其中該方法還包括以下步驟(d)生成等於第三和第四數值序列的和的水印信號，第四序列是第三數值序列的環形移位的版本；(e)提取多媒體信號的第二部分，該第二部分被濾波，以使得它不與所述第一部分重疊；(f)通過把第二水印信號與多媒體信號的第二提取部分的乘積加到所述加水印的多媒體信號而生成加水印的多媒體信號。
21.一種被安排成把水印信號嵌入到多媒體信號中的設備，該設備包括(a)水印生成器，它被安排成生成等於兩個數值序列的和的信號，第二序列是第一數值序列的環形移位的版本；(b)輸出信號生成器，它被安排成通過把水印信號與多媒體信號的乘積加到多媒體信號而生成加水印的多媒體信號。
22.如權利要求21中要求的設備，其中該設備還包括信號提取器，它被安排成提取多媒體信號的第一部分。
23.包括水印的多媒體信號，其中原始多媒體信號是通過藉助水印來修正原始信號的時間包絡而被加水印的，該水印包括第一和第二數值序列的和，該第二序列是第一序列的環形移位的版本。
24.一種檢測被嵌入在多媒體信號中的水印信號的方法，該方法包括以下步驟(a)接收一個多媒體信號，該多媒體信號可能是由一個用於修正主多媒體信號的時間包絡的水印信號來加水印的；(b)從所述接收信號中提取水印的估計；以及(c)把水印估計與水印的基準版本進行相關，以便確定所接收信號是否是加水印的。
25.如權利要求24中要求的方法，還包括把窗形函數施加到所述接收信號的步驟。
26.如權利要求24中要求的方法，其中水印信號具有有效載荷，並且該方法還包括確定水印的有效載荷的步驟。
27.一種被安排成檢測水印信號是否被嵌入在多媒體信號內的水印檢測器設備，該水印檢測器包括(a)接收機，它被安排成接收一個多媒體信號，該多媒體信號可能是由一個用於修正主多媒體信號的時間包絡的水印信號來加水印的；(b)提取器，它被安排成從所述接收信號提取水印的估計；以及(c)相關器，它被安排成把水印估計與水印的基準版本進行相關，以便確定所接收信號是否是加水印的。
28.如權利要求27中要求的設備，其中該設備還包括一個檢測器，它被安排成確定在所述水印內是否存在有效載荷以及確定所述有效載荷的數值。
29.被安排成執行如權利要求1的方法和權利要求24的方法中的至少一個方法的電腦程式。
30.包括如權利要求29中要求的電腦程式的記錄載體。
31.使得下載如權利要求29中要求的電腦程式成為可行的方法。
全文摘要
描述了用於生成水印信號、把水印信號嵌入到多媒體信號內以及隨後檢測水印信號的方法。水印信號是兩個數值序列的和，第二序列數值是第一序列的環形移位的版本。
文檔編號G10L19/02GK1647186SQ03807195
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月26日 優先權日2002年3月28日
發明者A·N·勒姆馬, J·F·阿普裡 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司