專利名稱：嵌入并檢測一維信息信號中的水印的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將水印嵌入在例如音頻信號的一維信息信號的方法和裝置。本發(fā)明還涉及一種檢測信息信號中這種水印的方法和裝置。
通常，通過向信號加入特定的低幅噪聲圖來嵌入水印。該噪聲圖表示水印。在接收機端通過計算可疑圖像與已應(yīng)用所述水印版本的相關(guān)值和對該相關(guān)值與一門限進行比較以檢測嵌入可疑信號中給定水印的存在或不存在。如果該相關(guān)值大于該門限，則存在已應(yīng)用的水印，否則不存在。
本發(fā)明的目的和綜述本發(fā)明的目的在于提供一種將水印嵌入一維信息信號的新方法和裝置，和檢測可疑信號中水印的相應(yīng)方法和裝置。
根據(jù)本發(fā)明，嵌入水印的方法包括確定信息信號的跳躍點和改變信息信號的步驟，因此已改變信號的跳躍點與已應(yīng)用水印的信號具有顯著的統(tǒng)計相關(guān)。
信號的跳躍點這里理解為表示給定跳躍函數(shù)興趣點的時間位置。跳躍函數(shù)是為每個音頻信號樣值分配一跳躍測量值的函數(shù)。假如跳躍測量值是一局部特性(即，只依賴較小的鄰近時間間隔)，則該跳躍函數(shù)十分隨機，并在諸如壓縮、噪聲添加、剪貼、變換、子取樣、定標(biāo)等的信號操作下，盡可能地予以保留。一簡單而說明性的且有用的跳躍點的例子是音頻信號的過零點。
水印信號可被認(rèn)為是一二進制信號，其0和1值充分隨機且均勻分布。因為任意音頻信號并隨機水印信號的跳躍點不存在相關(guān)，50％的跳躍點與水印信號的1一致。目前通過時間彎曲跳躍點來水印該音頻信號，使得大多數(shù)的跳躍點與水印信號的1一致。
相應(yīng)的檢測水印的方法包括確定信息信號跳躍點、確定所述跳躍點與已應(yīng)用水印的信號的相關(guān)值和如果所述相關(guān)值統(tǒng)計上顯著則檢測已應(yīng)用水印已經(jīng)嵌入在所述信息信號中。
注意申請人的國際專利申請WO-A-99/35836公開了一種通過彎曲跳躍圖像點在圖像中嵌入水印的方法。然而，在此現(xiàn)有技術(shù)的公開文本中圖像和水印信號是二維信號，并且?guī)缀螐澢鷳?yīng)用在空間圖像域。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)意識到類似的技術(shù)可應(yīng)用到一維(例如音頻)信號域，水印信號是依賴于時間的信號并且彎曲操作可在時域中實現(xiàn)。
從下文描述的實施例中本發(fā)明進一步關(guān)于有利實施例的方面將變得明顯和清晰，該有利實施例可以得出跳躍點和不同的水印信號格式。
附圖的簡短描述

圖1示意地表示根據(jù)本發(fā)明嵌入二進制值水印的裝置。
圖2和3表示說明圖1所示的水印嵌入器操作的波形。
圖4示意地表示根據(jù)本發(fā)明檢測水印的裝置。
圖5表示包括一預(yù)處理電路的水印嵌入器的實施例，和圖6表示包括這種電路的檢測器的實施例。
圖7和8表示說明圖5和6所示的嵌入器和檢測器操作的波形。
圖9表示預(yù)處理電路的實施例。
圖10示意地表示根據(jù)本發(fā)明的水印嵌入器的另一個實施例。
圖11表示說明嵌入實數(shù)水印信號的裝置操作的波形。
圖12示意地表示根據(jù)本發(fā)明檢測水印的通用裝置。
圖13表示用于播放音頻信號的裝置，該裝置包括根據(jù)本發(fā)明的水印檢測器。
該裝置包括一跳躍點提取器11、一彎曲信號發(fā)生器12和一改變電路13。將參照圖2和3所示的波形描述其操作。圖2表示水印信號W(t)和音頻信號I(t)。跳躍點提取器11從音頻信號中提取跳躍點。出現(xiàn)跳躍點的時間點稱為si。跳躍點提取器11一簡單而實用的例子是對于每次過零產(chǎn)生一狄拉克脈沖的零交叉檢測器?！盗卸x跳躍點位置的狄拉克脈沖組成也在圖2表示的跳躍點信號P(t)。
一些跳躍點與水印信號W(t)的“1”一致。這些跳躍點被稱為處于水印“上”。其它的跳躍點與水印信號W(t)的“0”一致。它們被稱為處于水印“之外”。具有相等概率的水印信號的0和1充分隨機和均勻分布于該信號。由于此信號特性，大約50％的跳躍點處于水印之上，50％不處于水印之上。圖2所示的音頻信號具有四個水印之上的跳躍點21和四個水印之外的跳躍點22。
如下所述，嵌入器沿著時間軸移動不處于水印之上的跳躍點，因此之后大多數(shù)跳躍點處于水印上。這類處理在本領(lǐng)域中被稱為“時間彎曲”。圖2中，通過箭頭23表示跳躍點移開其最初位置的方向和程度來說明時間彎曲跳躍點的過程。
由彎曲信號發(fā)生器12控制音頻信號被彎曲的方向和程度。此電路接收來自跳躍點提取器11和水印信號W(t)跳躍點信號P(t)。其確定要用于每個跳躍點si的時間彎曲矢量v(si)并計算所有其它t值的時間彎曲v(t)值。時間彎曲v(t)是一連續(xù)信號并稱為連續(xù)彎曲信號v(t)。
在彎曲信號發(fā)生器12的一實際例子中，用于一跳躍點的彎曲v(si)通常定義為v(si)＝c.ΔT.(1－W(si)).sign(W(ti+1)－W(ti))其中ti和ti+1是數(shù)字音頻信號的連續(xù)取樣點，ΔT＝ti+1－ti是取樣周期。注意此等式中的項(1-W(si))避免已經(jīng)處于水印之上的跳躍點被彎曲。等式中的量c表示嵌入強度。c值越大，跳躍點移開其最初位置越遠(yuǎn)。為了避免水印信號中可聽到的抖動，c值應(yīng)該盡可能的小。為了水印的健壯性，c值應(yīng)該大。注意可以根據(jù)人類的心理聲學(xué)模型選擇c值以屏蔽水印的可聽度。
跳躍點之間的音頻信號值被彎曲一量，該量從處于水印外跳躍點的v(si)逐漸降低到已處于水印上跳躍點的零。為此，彎曲信號發(fā)生器12通過應(yīng)用一適當(dāng)形式的內(nèi)插法從離散彎曲v(si)中得出定義在時間t所用彎曲的連續(xù)彎曲信號v(t)。該連續(xù)彎曲信號v(t)應(yīng)該盡可能的平滑。這由一適當(dāng)?shù)膬?nèi)插算法實現(xiàn)。圖2所示的波形v(t)是一例子。
該彎曲實際上由改變電路13來實現(xiàn)。此電路接收音頻信號I(t)和連續(xù)的彎曲信號v(t)并生成已水印信號Iw(t)，根據(jù)Iw(t)=I(t-v(t))圖3表示用于一小部分音頻信號的操作。此圖中，I(t)是未水印音頻信號，Iw(t)是已水印信號。處于水印之上的跳躍點21不被彎曲(v(t)=O)。跳躍點處于水印之外并被彎曲c.△T量，以構(gòu)成Iw(t)的跳躍點25。其它音頻信號值被彎曲v(t)量，v(t)從c.△T降低到零。附圖標(biāo)記24表示用于任意時間點的v(t)。通過計算上述等式的Iw(ti)最終得到水印信號的離散音頻輸出樣值。
注意，對于給定的最大嵌入強度，彎曲未必使水印信號的所有跳躍點處于水印之上。一些跳躍點通常離水印信號的瞬變點太遠(yuǎn)，在用c.△T彎曲之后也不能變成水印之上的點。這種跳躍點被稱作是″不可彎曲的″。不可彎曲跳躍點的出現(xiàn)是二元制水印信號的典型特性。圖2中，最左邊和最右邊的跳躍點22是不可彎曲的。也可以不彎曲這些跳躍點，但是我們無法預(yù)知在嵌入水印的認(rèn)知方面是否產(chǎn)生最好的性能。有時，優(yōu)選彎曲這些不可彎曲的跳躍點(注意此措詞的矛盾)以再現(xiàn)盡可能平滑的彎曲信號v(t)。圖2中彎曲最左邊的一個跣躍點22，不彎曲最右邊的一個跳躍點22。也可以遞歸的重復(fù)該彎曲操作直到有期望數(shù)目的跳躍點處于水印之上，或者將每個跳躍點si彎曲到W(tj)=1的最近時間樣值tj。
圖4示意地表示根據(jù)本發(fā)明的相應(yīng)水印檢測器。該檢測器接收一可疑音頻信號J(t)，并且包括與嵌入器相同的跳躍點提取器11，一匹配電路14和一判決電路15。匹配電路14接收跳躍點信號P(t)和要檢測的水印信號W(t)。它計算處于水印之上的跳躍點數(shù)S1和處于水印之外的跳躍點數(shù)S0。在數(shù)學(xué)表達式中S1=∫0TP(t)W(t)dt]]>和S0=∫0TP(t)W‾(t)dt]]>其中T是信號的持續(xù)時間。數(shù)S1和S0隨后用于判決電路15。如果統(tǒng)計上高百分比的跳躍點處于水印之上，即如果S1＞＞S0，則認(rèn)為可疑信號中存在水印，否則不存在。
圖5表示水印嵌入器的另一個實施例。此實施例與圖1所示實施例的區(qū)別在于音頻信號I(t)在用于跳躍點提取器11之前由一預(yù)處理電路16預(yù)處理。預(yù)處理的目的在于從I(t)中得出更健壯的信號R(t)，R(t)在例如壓縮通用音頻信號的處理操作下盡可能少地改變?，F(xiàn)在跳躍點和因此彎曲信號v(t)從健壯信號R(t)中提取。但是，對原始信號I(t)應(yīng)用真正的彎曲。
圖6表示相應(yīng)的水印檢測器。它與圖4所示實施例的區(qū)別在于可疑音頻信號J(t)在用于跳躍點提取器11之前由同一預(yù)處理電路16預(yù)處理。
在預(yù)處理電路16的一簡單實施例中，健壯信號R(t)是通過低通濾波得到的平滑版本的I(t)。圖7表示它的一個例子。注意R(t)具有比I(t)少的零交叉點，但是其零交叉點的位置更穩(wěn)定。該健壯信號還可以通過帶通濾波來得到。帶通濾波的動機在于它消除音頻信號的DC成分，因此嵌入的水印可以相對音頻信號沿信號幅度軸的變換健壯。
預(yù)處理電路16的另一個實施例是基于對承認(rèn)信息信號通常轉(zhuǎn)達信息的所謂“語義精髓”的認(rèn)識。一信號的語義精髓是一部分信號，無論生成(再生)和編碼(解碼)裝置引入什么樣的失真都需要保留這部分信號，其中這些失真被認(rèn)為是低于人類的知覺極限。對于音頻，特別是音樂，人們可以直覺地感到諸如音調(diào)、響度、強音、弱音、斷音、圓滑音、顫音、連音等。作為時間函數(shù)的表示語義精髓的信號是健壯信號的好例子。從該健壯信號提取的跳躍點大都能從包括諸如MP3壓縮的通用音頻信號處理中幸存下來。舉個例子，圖8表示說明該水印嵌入器和檢測器實施例的各種波形。在此實施例中，從音頻信號中提取主頻率(音調(diào))，跳躍點提取器11檢測所述音調(diào)的顯著變化。圖8中，W(t)是水印信號，I(t)是要水印的音頻信號，R(t)是作為時間函數(shù)的從音頻信號得到的表示音調(diào)的健壯信號，P(t)是跳躍點信號(這里表示為取代狄拉克脈沖的點)。該跳躍點是此實施例中健壯信號R(t)導(dǎo)數(shù)的局部極限。如圖所示，跳躍點81已處于水印之上，因此不用彎曲。跳躍點82處于水印之外，并彎曲量83到一新的位置84。Iw(t)是已水印信號。它還是用于檢測器的可疑信號J(t)。R′(t)是在檢測器從J(t)得到的健壯信號，P′(t)是在檢測器提取的跳躍點信號。跳躍點是85和86。兩個跳躍點現(xiàn)在處于水印之上，因此檢測器確定水印W(t)的確被嵌入。
除了將一健壯信號用于提取跳躍點，還可以利用一組健壯信號分量。一濾波器組可以構(gòu)成這樣一組信號分量。相信這樣一組信號分量健壯有兩個理由。第一，將音頻信號分成頻帶提供了對特定頻率范圍中破壞水印信號的攻擊的保護。第二，實際上可以用一濾波器組形成人耳的模型。如果信號以濾波器輸出受到影響的方式惡化，則人耳可以感覺到。圖9示意地表示預(yù)處理器16和沿這些線的跳躍點提取器11的一種布局。該布局包括N個帶通濾波器91-1…91-N。不同的頻率分量平方(92-1…92-N)，然后每個分別提供給計算移動平均值的低通濾波器93-1-93-N。此處理的輸出R1...RN共同形成這組健壯信號分量。該分量實際上表示信號在不同頻帶的能量時間分布。每個輸出Ri承受跳躍點提取(94-1-94-N)。這里，跳躍點是Ri的二階導(dǎo)數(shù)為零一階導(dǎo)數(shù)很大的時間點。跳躍點信號P(t)是所有Ri跳躍點的結(jié)合(95)。
在上述具有一預(yù)處理電路16用于創(chuàng)建健壯信號R(t)的水印嵌入器的例子中，實際的彎曲仍用于原始的音頻信號I(t)。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)彎曲還可用于健壯信號自身，倘若該音頻信號可以從所述健壯信號中重建。滿足后面的條件，例如，健壯信號是一組從分析濾波器組得到的信號，該分析濾波器組組合一輔助合成濾波器組，構(gòu)成理想的重建(根據(jù)知覺)濾波器組。圖10表示了這種水印嵌入器的實施例。該裝置包括一分析濾波器組101和一合成濾波器組102，其共同形成一理想的重建濾波器組。這種濾波器組為本領(lǐng)域所熟知。分析濾波器組101提供多個信號R1(t)...RN(t)，每個信號分別用于一個水印嵌入器103-1...103-N。正如已經(jīng)詳細(xì)示出的嵌入器103-i，每個嵌入器具有圖1所示的嵌入器的結(jié)構(gòu)和功能。所有的嵌入器收到相同的水印信號W(t)并響應(yīng)信號中發(fā)現(xiàn)跳躍點而將各個Ri(t)改變?yōu)閺澢盘朢wi(t)。合成濾波器組102接收水印分量并合成水印音頻信號Iw(t)。嵌入器103-i還可以位于合成濾波器和結(jié)合電路1021之間的合成濾波器組102中。
已經(jīng)注意到二進制水印信號具有多個跳躍點不可彎曲的特性。它們太遠(yuǎn)離水印信號以致于彎曲量c.ΔT后不能成為水印之上的轉(zhuǎn)換點。實數(shù)值水印信號W(t)不具有此特性。實數(shù)值水印信號具有例如-1和+1之間的實數(shù)值。該值均勻分布，信號的極性經(jīng)常改變，該信號最好不是常數(shù)。圖11中表示了一個例子。在此例中，水印定義為沿時間軸的一組-1和+1值通過線性內(nèi)插法得到連續(xù)的水印信號W(t)。W((t)的求均值應(yīng)該為0。
圖11表示圖2所示的同一音頻信號I(t)和相應(yīng)的跳躍點信號P(t)。跳躍點在水印信號波形中還表示為點31。對于未水印信號I(t)，水印信號W(t)和跳躍點信號P(t)的相關(guān)值D大致等于零D=∫0TW(t)P(t)dt=0]]>其中T是音頻信號的持續(xù)時間?，F(xiàn)在通過“向上”彎曲跳躍點來水印音頻信號，即朝向圖11中箭頭32所示的W(t)的最大值。用箭頭33表示在時間t＝si用于跳躍點的離散彎曲V(si)。現(xiàn)在定義彎曲v(si)v(si)＝c.ΔT.sign(W(ti＋1)－W(ti))其中ti和ti＋1是數(shù)字音頻信號的取樣點，ΔT是取樣期間。注意現(xiàn)在彎曲幾乎所有的跳躍點，相比較用于二進制值水印信號的彎曲信號。還要注意上述等式的表示式sign()定義彎曲的方向。如果水印信號W(t)是平滑的，離散彎曲v(si)還可以定義為v(si)=c.ΔT.sign(dW(si)dt)]]>水印嵌入器進一步與前述相同的方式操作。相應(yīng)地，通過內(nèi)插法從v(si)得到平滑的連續(xù)彎曲函數(shù)v(t)，并彎曲音頻信號根據(jù)Iw(t)＝I(t－v(t))關(guān)于水印信號W(t)“向上”彎曲跳躍點的效果在于相關(guān)值D=∫0TW(t)P(t)dt=0]]>已彎曲(即已水印)的音頻信號將明顯偏離零。為此，量D還推斷為檢測強度。水印檢測器收到的可疑信號的相關(guān)值D。如果D大于門限D(zhuǎn)t，則說明水印存在。
Dt的適當(dāng)值符合下面的觀察。我們認(rèn)為水印信號的等級是這樣的，如果為所述等級所有水印計算相關(guān)值，則D將具有平均值為μ(D)標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ(D)的正態(tài)分布。給定所述平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，D的正態(tài)分布可以變換為平均值為0標(biāo)準(zhǔn)偏差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布D′，其中D′=D-μ(D)σ(D)]]>可以計算出相應(yīng)于Dt的門限D(zhuǎn)t′用于任何期望的虛警概率P(虛警告是在未水印信號中檢測水印的情形)。例如，門限D(zhuǎn)t′≈ 5用于P＝10-6情形。
圖12示意地表示實現(xiàn)上述操作的水印檢測器。該檢測器包括與圖4所示相同的跳躍點提取器11、一相關(guān)檢測器17，用于根據(jù)上述等式計算相關(guān)值D作為水印信號W(t)和跳躍點信號P(t)的函數(shù)、和一判決電路18，其比較相關(guān)值D與門限D(zhuǎn)t。
圖12所示的檢測器是一通用水印檢測器。該裝置還可用于檢測二進制值的水印。以下是觀察二進制值水印存在的準(zhǔn)則，即S1-S0=∫0TP(t)W(t)dt-∫0TP(t)W‾(t)dt>>0,]]>其中W(t)＝{0，1}在數(shù)學(xué)上相當(dāng)于D=∫0TW(t)P(t)dt>>0,]]>其中W(t)＝{-1，1}注意時間彎曲不是改變信號以得到期望效果的唯一方式。另一種方式是應(yīng)用調(diào)幅，因此增加處于水印之上的跳躍點的跳躍度和增加處于水印之外的跳躍點的跳躍度，這隱含隨后大多數(shù)的“最強”跳躍點將處于水印之上。此處理可以描述為下面Iw(t)＝I(t).(1＋ε(t))其中ε(t)＜＜1，滿足下面的情況 嵌入到音頻信號的水印可以識別例如版權(quán)持有人或內(nèi)容的描述。它允許材料標(biāo)記為‘拷貝一次’、‘不許拷貝’、‘不限制’、‘不再拷貝’等。圖13表示用于播放記錄在磁盤131上的音頻比特流的裝置。該記錄信號經(jīng)一開關(guān)132應(yīng)用到復(fù)制裝置133。假設(shè)該裝置不能播放具有預(yù)定嵌入水印視頻信號，除非滿足本發(fā)明不相關(guān)的其它條件。例如，如果磁盤131包括給定的物理“擺動”鍵。為了檢測水印，該裝置包括一上述的水印檢測器134。該檢測器接收記錄的信號并響應(yīng)是否檢測到水印控制開關(guān)132。
總的來說，公開了一種將水印嵌入一維信號，特別是音頻信號的方法和裝置。通過將諸如零交叉點(22)的跳躍點彎曲(23)到已水印信號(Iw(t))跳躍點的時間分布關(guān)于水印信號顯著改變的程度，將例如具有0和1均勻分布的二進制信號(W(t))的水印嵌入到音頻信號I((t))中。
權(quán)利要求
1.將水印嵌入一維信息信號的方法，包括步驟-確定信息信號的跳躍點，-改變該信息信號，因此已改變信號的跳躍點與已應(yīng)用水印信號統(tǒng)計上顯著相關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該水印信號是一二進制信號，改變信息信號的步驟包括時間彎曲跳躍點，以使該跳躍點與二進制水印信號的預(yù)定值一致。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中水印信號是一實數(shù)值信號，改變信息信號的步驟包括沿水印信號的局部極限的方向時間彎曲跳躍點。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括從所述信息信號得出表示信息信號的語義精髓的健壯信號的處理步驟，信息信號的跳躍點由所述健壯信號的跳躍點表示。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該處理步驟包括將信息信號分解成多個健壯信號分量和確定每個信號分量的跳躍點。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述分解包括子頻帶濾波該信息信號。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中改變信息信號的步驟包括改變每個信號分量和組合改變的信號分量以構(gòu)成改變的信息信號。
8.一種檢測一維信息信號中水印的方法，包括步驟-確定信息信號的跳躍點，-確定所述跳躍點與已應(yīng)用水印信號的相關(guān)值，和-如果所述相關(guān)值從統(tǒng)計上講顯著則檢測應(yīng)用的水印已經(jīng)嵌入在所述信息信號中。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中應(yīng)用的水印信號是一二進制信號，確定相關(guān)值的步驟包括確定與二進制水印信號的預(yù)定值一致的跳躍點的百分比。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括從所述信息信號得出表示信息信號的語義精髓的健壯信號的處理步驟，信息信號的跳躍點由所述健壯信號的跳躍點表示。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該處理步驟包括將信息信號分解成多個健壯信號分量和確定每個信號分量的跳躍點。
12.如權(quán)利要求5所述方法，其中所述分解包括子頻帶濾波該信息信號。
13.一種將水印嵌入在信息信號中的裝置，包括-確定信息信號的跳躍點的裝置，-改變該信息信號的裝置，使得已改變信息信號的跳躍點與已應(yīng)用水印信息信號統(tǒng)計上顯著相關(guān)。
14.一種檢測在信息信號中水印的裝置，包括-確定信息信號的跳躍點的裝置，-確定所述跳躍點與已應(yīng)用水印信號的相關(guān)值的裝置，和-如果所述相關(guān)值統(tǒng)計顯著則檢測應(yīng)用的水印已經(jīng)嵌入在所述信息信號中的裝置。
15.一種記錄和/或播放信息信號的裝置，包括根據(jù)水印存在于所述信號中的情況禁止記錄和/或播放信息信號的裝置(132)，其特征在于該裝置包括一如權(quán)利要求14所述檢測所述水印的裝置(134)。
全文摘要
公開了一種用于水印一維信息信號特別是音頻信號的方法和裝置。通過將諸如零交叉點(22)的跳躍點彎曲(23)到已水印信號(Ⅰ
文檔編號G10L19/018GK1327587SQ00802174
公開日2001年12月19日 申請日期2000年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月6日
發(fā)明者P·M·J·隆根, C·W·A·M·范奧維維爾德, M·J·J·J·B·梅斯, Z·M·K·Y·戈伊 申請人:皇家菲利浦電子有限公司