專利名稱：1位音頻文件中插入數(shù)字水印的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及處理串行數(shù)據信號(例如，1位音頻數(shù)據信號)的方法。此外，本發(fā)明還涉及適用于水印目的的方法。另外，本發(fā)明涉及被設置實現(xiàn)所述方法的設備，以及還涉及根據所述方法經處理或者水印而生成的數(shù)據內容。
背景技術：
模擬信號(例如，模擬音頻信號)可以以多個可替換的方法被采樣以便生成相應的典型數(shù)字數(shù)據。常規(guī)的做法是例如對于當前音頻壓縮光盤數(shù)據載體(CD)以采樣速率fs＝44.1kHz采樣音頻信號并且將它們表示為16位的脈沖編碼調制(PCM)格式數(shù)據。鑒于尼奎斯特(Nyquist)采樣的考慮，這個采樣速率相應于基本上為22kHz的模擬音頻信號帶寬。使用專門適于執(zhí)行這樣采樣的當前專有集成電路芯片組可以相對容易地實現(xiàn)這樣的采樣。
經常所用的可替換格式為1位格式，也就是被稱為直接流數(shù)字(DSD)的1位編碼，它用于高質量音頻再現(xiàn)系統(tǒng)中，例如在當前的超音頻CD(SACD)中。在SACD系統(tǒng)中，所用的采樣頻率增加到64fs以生成1位數(shù)據采樣的串行序列。在這樣的序列中，分別具有代表真實信號狀態(tài)+1，-1的邏輯值1或者0的每個采樣經受歸一化。常規(guī)地，通常使用Sigma-Delt調制器生成1位采樣數(shù)據。以采樣速率64fs由1位采樣所提供的音頻帶寬擴展到100kHz。
專有音頻數(shù)據內容的未授權復制是眾所周知的問題，例如偽造和盜版，這潛在地在財政上影響音樂唱片公司。此外，這樣的復制可以起因于將數(shù)據從一個數(shù)據載體直接復制到另一個數(shù)據載體，以及也可以起因于經由通信網絡(例如，因特網)的數(shù)據內容分發(fā)。為了盡力阻礙這種未授權的復制，常規(guī)的做法是在專有音頻數(shù)據內容中包含水印，以便可以確定分發(fā)和數(shù)據內容復制的路線并且采取措施來阻止這種復制，例如強迫接受罰金或者征稅。
在1位編碼(DSD)的音頻信號中包含水印數(shù)據是已知的。例如，在公布的美國專利申請?zhí)朥S 2001/0066408中，描述了通過采樣速率轉換器將具有2.822MHz位速率的原始高質量1位編碼(DSD)音頻信號轉換為相對較低采樣速率的PCM信號。通過使用常規(guī)的PCM水印嵌入器將水印信號嵌入到PCM信號中。因此，為了生成最終水印的1位編碼信號，將水印的PCM信號再轉換回到1位編碼格式信號。發(fā)明人意識到，這種水印方法可能成本高且復雜，因此發(fā)明人致力于提供一種更直接且可能更簡單的方法，所述方法是在1位編碼采樣數(shù)據中包括水印信號。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種在1位編碼數(shù)據信號中包括水印信息的可替換方法。
根據本發(fā)明的第一方面，提供了一種處理串行數(shù)據信號以生成相應的變換信號的方法，該方法包括以下步驟(a)提供一個或多個特征序列；(b)分析所述串行數(shù)據信號以在其中確定一個或多個信號序列，對此保持這樣一個或多個信號序列與所述一個或多個特征序列的結合不會導致生成非法狀態(tài)；以及(c)將所述串行數(shù)據信號的一個或多個所確定的信號序列與所述一個或多個特征序列結合以便將所述串行數(shù)據信號變換為所述變換信號。
本發(fā)明的優(yōu)點在于它能夠直接地變換串行數(shù)據信號以生成變換信號而不需要為了處理的目的將串行數(shù)據信號變換為另一中間格式。
“結合”指數(shù)學處理，該數(shù)學處理包括但不限于以下的一個或多個運算加法、減法、異或。而且，“非法”狀態(tài)指結合串行數(shù)據信號和一個或多個特征序列而產生的狀態(tài)，這些狀態(tài)不被容納在適合于變換信號的格式中；當所述變換信號隨后被處理以再生成串行數(shù)據信號時，這樣的非法狀態(tài)容易引起信息損失。另外，在本發(fā)明的上下文中“期望的非法狀態(tài)”指期望不可逆降級的某一程度，例如為了提供降級的音樂采樣作為預備以提供相應的非降級的音樂采樣作為付款的回報。
本發(fā)明不限于為了生成相應的變換信號而進行處理的串行二進制數(shù)據流，而是同樣地可應用于具有三個或更多狀態(tài)的信號。而且，本發(fā)明還可應用于并行數(shù)據流，例如16位數(shù)據總線，其中根據本發(fā)明易于處理每個單獨的流以生成一個或多個相應的變換數(shù)據流。
優(yōu)選地，在本發(fā)明中，串行數(shù)據信號是二進制格式的1位數(shù)據信號，并且一個或多個特征序列被設置為可直接與串行數(shù)據信號結合從而生成二進制格式的變換信號，優(yōu)選地，這樣的結合包括加法和/或減法和/或異或運算。
本發(fā)明的優(yōu)點在于不需要將1位信號轉換為其他格式來生成相應的變換信號。更加優(yōu)選地，設置串行數(shù)據信號以便其符號系列具有基本上類似的有效性；至今，例如通過最低有效位的損壞而不需要將數(shù)據轉換為分級位格式(例如，PCM)是很難水印這樣的數(shù)據。
優(yōu)選地，在本發(fā)明中，一個或多個特征序列可用于將變換信號進行逆變換從而在其中再生成串行數(shù)據信號的副本。這樣的可逆性在以下情況中是有利的，即當將降級的采樣數(shù)據基本上免費發(fā)送給潛在顧客以便隨后付費時，將用于解碼所述降級采樣數(shù)據的解密密鑰提供給顧客。然而，本發(fā)明還可應用于一種模式中，其中在這個模式中通過應用本發(fā)明的方法并且允許在變換信號中生成引起不可逆信息損失的至少一些非法狀態(tài)，降級的采樣被不可逆地降級。在這樣的情況中，可以出現(xiàn)為了不可逆地降級免費采樣所期望的非法狀態(tài)，并且因此被包括在本發(fā)明的范圍內。
優(yōu)選地，在本方法中使用多個特征序列。多個特征序列的使用使得復雜編碼被執(zhí)行，例如非輕易能躲避的水印。
優(yōu)選地，在本方法中，一個或多個特征序列各自都是兩個或更多符號長。盡管由于在許多位置上較短序列匹配串行數(shù)據信號的序列，所以相對較短的序列可以經常被包括在變換數(shù)據中，但是較長的序列是更加特殊的并且因此在變換數(shù)據中它們的出現(xiàn)對應更大的信息內容。更加優(yōu)選地，在本方法中，根據知覺模型選擇一個或多個信號序列以獲得變換信號中的優(yōu)選感知特征，對此保持這樣一個或多個信號序列與所述一個或多個特征序列的結合不會導致生成非法狀態(tài)；這樣的選擇性方法以一種方式使水印能夠應用于音頻數(shù)據，所述這種方式至少在主觀上聽者不厭惡并且為了識別假冒品的目的仍可容易地被檢測到。
優(yōu)選地，在本方法中，串行數(shù)據信號和變換信號是1位音頻信號，并且一個或多個特征序列的結合被直接在串行數(shù)據信號上執(zhí)行而不需要轉換為另一個信號格式。因此，本發(fā)明的優(yōu)點在于為了信號處理目的它可以直接地應用到1位音頻信號，而不需要將串行數(shù)據信號轉換為其他信號格式。
優(yōu)選地，設置本方法以在串行數(shù)據信號中嵌入水印以便變換信號是串行數(shù)據信號的水印版本。更加優(yōu)選地，水印的插入通過聲音錄制制造商和/或聲音錄制發(fā)行商來執(zhí)行，例如通過付費來傳送數(shù)據音樂文件的因特網網站。
根據本發(fā)明的第二方面，提供一種用于實現(xiàn)根據本發(fā)明的第一方面的方法的設備，所述設備被設置用來接收所述串行數(shù)據信號并且輸出所述變換數(shù)據。
根據本發(fā)明的第三方面，提供了使用根據本發(fā)明的第一方面的方法所生成的變換數(shù)據。所述變換數(shù)據優(yōu)選地在數(shù)據載體(例如光盤數(shù)據攜帶介質)上被提供，和/或經由通信網絡(例如因特網)被提供。
根據本發(fā)明的第四方面，提供了在計算設備上被執(zhí)行時可操作地實現(xiàn)根據本發(fā)明的第一方面的方法的計算機軟件。
根據本發(fā)明的第五方面，提供了一種對變換信號進行處理以再生成相應的解碼串行數(shù)據信號的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供一個或多個特征序列；(b)分析所述變換信號以在其中確定一個或多個信號序列，對此保持這樣一個或多個信號序列與所述一個或多個特征序列的結合不會導致生成非法狀態(tài)；以及(c)將所述變換信號的一個或多個所確定的信號序列與所述一個或多個特征序列結合以便將所述變換信號進行變換以從其中再生成解碼的串行數(shù)據信號。
根據本發(fā)明的第六方面，提供了一種用于實現(xiàn)根據本發(fā)明的第五方面的方法的設備，所述設備可操作地接收所述變換數(shù)據信號并且輸出解碼的串行數(shù)據信號數(shù)據。
根據本發(fā)明的第七方面，提供了在計算設備上被執(zhí)行時可操作地實現(xiàn)根據本發(fā)明的第五方面的方法的計算機軟件。
應該理解的是，在不背離本發(fā)明的范圍情況下可以以任何結合方式將本發(fā)明的特征進行結合。


僅僅通過例子參考下面附圖將描述本發(fā)明的實施例，其中圖1是說明選自表1的序列子集的頻譜特性的曲線圖，包括用于比較的平凡序列(trivial sequence)[1，-1]；圖2是根據本發(fā)明用于實現(xiàn)本發(fā)明的方法的設備；圖3a，3b說明了根據本發(fā)明用于0-匹配或1-匹配而分析的兩個序列；圖4a，4b說明了用于0-匹配或1-匹配而分析的兩個序列，其中相對很少位的變化可以顯著改變例如為了水印目的所傳送的信息；以及圖5是對應四個最好序列S∈{-1，0，+1}12的頻譜圖，顯示了在頻率f＝32fs周圍的最小干擾，其中fs是采樣頻率，所述序列選自表2；圖6是對應四個最好序列S∈{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}5的頻譜圖，其中包括用于比較的序列S＝[1，-1]的頻譜，如虛線所示；圖7是對應四個最好序列S∈{-1，0，+1}12的頻譜圖，顯示了在頻率f＝0Hz周圍的最小干擾；以及圖8是來自表2使用復合載波c[n]＝jn進行調制的四個最好序列的圖。
具體實施例方式
在設計本發(fā)明時，發(fā)明人設想通常不允許簡單地相加兩個1位音頻信號，每個信號包括具有值1或0的符號序列，因為它們相應的符號狀態(tài)1和-1可能相加為三個值(即，-2，0，+2)中的任一個。即使在按因子2進行縮放比例之后，這樣的值不再符合用于1位采樣信號的先前DSD格式并且在本發(fā)明的范圍內被認為非法狀態(tài)。
發(fā)明人意識到，當1位采樣信號具有直接增加到其中的水印信息時，當采樣信號具有狀態(tài)-1時，水印信號值0或+2可以與它相加。類似地，當采樣信號具有狀態(tài)+1時，水印信號值0或-2可以與它相加。因此，如果特征序列(signature sequence)(下文也稱為水印序列)被設計包括狀態(tài)-2，0，2，則這樣的特征序列易于被直接地與1位DSD音頻信號相加以生成符合DSD標準的隨后被加水印的1位音頻信號。
在方程式1a(Eq.1a)的方括號中表示1位音頻信號序列X。它們具有一些符號，這些符號的狀態(tài)由方程式1b(Eq.1b)所定義。
X＝[v1，v2，...vn-1，vn] Eq.1aX∈{0，1}kEq.1b其中v＝序列X中的符號，所述符號v具有對應符號狀態(tài)+1和-1的邏輯值1或0；使得v的下標表示符號v的時間序列，即在序列V中存在n個符號，符號v1在時間上是第一個并且符號vn在時間上是最后一個；以及k＝正整數(shù)。
如上所解釋的，給定的水印序列可以與一些但不是全部信號序列X相加。例如，根據方程式2(Eq.2)，水印序列S＝[1，-1]與信號序列X＝[-1，1]的相加產生合法的水印序列YY＝X+2S＝[1，-1] Eq.2這個特定的水印信號S與實現(xiàn)為1位音頻信號的序列信號X的相加在時間上局部對應與-1的相乘。對于X為1位音頻信號序列，這樣的局部相乘相比于原始1位音頻信號X不會顯著地改變水印信號Y的低頻分量，但是產生相對主要的較高頻率偽像。在圖1中示出了較高頻率能量的這種變化。在這個圖中，包括對應頻率范圍從0kHz到44.1kHz的橫軸20以及對應信號頻率分量頻譜振幅的縱軸30。參考數(shù)字10表示通過增加水印序列S＝[1，-1]引入的橫跨音頻頻譜上的增強噪聲。
發(fā)明人意識到，存在可以與信號X＝[-1，1]相加的更多序列S，這仍產生無非法狀態(tài)的相應二進制信號Y。這樣的一個序列是S＝[1，0]，另一個序列是S＝
。在序列S中的0意味著，信號X中的相應采樣可以具有信號值-1或+1。然而，由于這些序列將失真引入到數(shù)字音頻信號中，所以這些序列不太適合。很顯然，序列S＝
，S＝
，S＝
等等不實用。
特征序列S＝[1，-1]不與除了[-1，1]之外的信號序列X相加，因為將產生非順從(non-compliant)的非二進制的相應信號Y，即非法結果。然而，該序列可以從信號X的信號序列[1，-1]中被減去；等價地，可以將相應的求反序列S＝[-1，1]與信號X中的序列[1，-1]相加。這樣序列的相加不影響信號內出現(xiàn)的失真，因為這樣的相加不會明顯改變用于低頻的頻譜。
其他信號序列X需要其他特征序列，例如可以將水印序列S＝[-1，-1]與信號序列X＝[1，1]相加。然而，當與序列S＝[-1，-1]結合時，序列S＝[-1，-1]對于信號X的低頻區(qū)域具有顯著的影響。為了水印目的，將這樣的序列與1位音頻信號相結合(例如通過與前述的DSD信號相加)將產生不可接受的失真?？商鎿Q的水印序列，例如S＝
，或者S＝[-1，0]也不適合用于水印。
水印序列[1，-1]似乎遠離最佳情況。發(fā)明人考慮了各種長度的大量特征序列并且估計了它們對音頻信號質量的影響。下面表1列出了這樣的特征序列Si，該特征序列Si的長度高達12。表中的值R對應從0Hz到采樣頻率fs的頻帶中相關序列的能量比率，并且該序列是單位脈沖。單位脈沖自身作為S42被包括在表1中。以R上升的順序列出序列Si。為了比較，表還包括上述的序列S＝[1，-1]，即S41。
圖1中的曲線圖S1、S2、S3、S4表示與表1中列出的前四個特征序列相關聯(lián)的增強的噪聲頻譜。應該理解的是，它們比上述的“簡單”序列S41＝[1，-1]更加適合用于水印目的。
表1用于1位音頻信號的典型特征序列



注意，表1中的所有示例序列從歸一化值1開始。相反的對應值同樣是可用的，但是在表中沒有示出。還應誼注意的是，為了特定應用(在此是DSD音頻的水印)已經估計了所述序列。對于其他應用，其他序列將是最佳的。
為了進一步描述本發(fā)明，下面將采用在方程式3(Eq.3)中所提供的術語S^i=Σn|Si[n]|---Eq.3]]>其中Si[n]是水印序列，n是序列中的符號的索引。
發(fā)明人引入表達“匹配序列”。如果Si可以與X結合(例如，與X相加或者從X中減少)而不引入非法狀態(tài)，則信號序列X被稱為“匹配”給定的特征序列Si。在數(shù)學上，如果絕對內積|<X，Si>|等于

則信號序列匹配。更加具體而言，如果⟨X,Si⟩=S^i,]]>則序列X被稱為“1-匹配”。相反地，如果⟨X,Si⟩=-S^i,]]>則序列X被稱為“0-匹配”。
下面方程式4(Eq.4)示出了可以從1-匹配信號序列X減去特征序列Si(或者數(shù)學上更加精確地為2Si)。這樣的相減可以導致生成水印序列Y。
⟨X,Si⟩=S^i⇒X-2Si=Y---Eq.4]]>注意，相減將1-匹配序列X變成0-匹配序列Y。
類似地，下面方程式5(Eq.5)示出了特征序列Si與0-匹配信號序列X相加。
⟨X,Si⟩=-S^i⇒X+2Si=Y---Eq.5]]>注意，相加將0-匹配序列X變成1-匹配序列Y。
根據本發(fā)明，現(xiàn)在通過檢查匹配于預定特征序列Si(或者多個預定特征序列)的序列X在信號中的出現(xiàn)來處理該信號。應該理解的是，特征序列Si中對應“0”狀態(tài)的信號符號可以在這樣的搜索過程中表面上被認為“無關”值。在匹配序列X出現(xiàn)的地方，根據給定的處理算法修改所述匹配序列。
例如，根據本發(fā)明的一個方面，為了匹配于給定特征序列Si的信號序列X的出現(xiàn)而分析要被水印的1位音頻信號。音頻信號中的匹配序列的連續(xù)出現(xiàn)被認為組成數(shù)據信道。更加具體而言，1-匹配序列的出現(xiàn)被認為組成數(shù)據位‘1’，并且0-匹配序列的出現(xiàn)被認為組成數(shù)據位‘0’。這在圖3a中示出，其中為了匹配于長度為7的特征序列S2＝[1，-1，-1，0，1，1，-1]的長度為7的序列X的出現(xiàn)而分析要被水印的1位音頻信號。該圖示出了數(shù)據消息‘110’被認為嵌入或埋入在音頻信號中。
很顯然，圖3a中的數(shù)據信道傳送隨機數(shù)據，因為從任意的音頻內容中得到數(shù)據位。因此，在數(shù)據嵌入階段，修改音頻信號以傳送期望的數(shù)據消息。如果要嵌入的數(shù)據位是‘0’，則嵌入階段通過從中減去特征序列S2來將1-匹配序列修改為0-匹配序列。類似地，如果要嵌入的數(shù)據位是‘1’，則嵌入階段通過將其與特征序列S2相加來將0-匹配序列修改為1-匹配序列。顯然，如果匹配序列X已經表示要被嵌入的數(shù)據位，則不修改匹配序列X。圖3b說明了以這種方式如何修改圖3a中所示出的DSD音頻信號以獲得具有期望嵌入數(shù)據消息‘011’的水印音頻信號。
現(xiàn)在將參考圖2描述根據本發(fā)明的裝置的實施例。通常由100表示水印設備并且該水印設備包括第一存儲器(X)110，用于接收1位音頻信號X；第二存儲器(S)120，用于存儲水印序列S；以及匹配功能(MF)130，用于比較信號X的序列與水印S以確定如上文所述的水印S與信號X匹配的出現(xiàn)。由此，產生表示在信號X中何處發(fā)生匹配的數(shù)據信道(DC)。該設備100還包括運算單元(AU)140，它接收要被嵌入的期望數(shù)據消息D。該運算單元140被設置用來將信號X和S相結合，即通過適當?shù)貙⑺⌒蛄蠸與匹配序列X相加或者將水印序列S減去匹配序列X，而不違反前述規(guī)則以便生成1位格式的水印輸出信號Y。優(yōu)選地，使用計算設備實現(xiàn)所述設備100?？商鎿Q地，可以以專用邏輯硬件，例如使用特定用途集成電路(ASIC)來實現(xiàn)所述設備100。
在所述設備100中的序列S例如是7個符號長的序列S＝[1，-1，-1，0，1，1，-1]。輸入信號X優(yōu)選地是DSD音頻信號。匹配功能MF130可操作地檢查信號X中對應于7個符號的水印序列的匹配序列的出現(xiàn)。在本發(fā)明的一個實施例中，數(shù)據信道(DC)表示在信號X中何處發(fā)生匹配。更加具體而言，1-匹配序列的出現(xiàn)被認為在數(shù)據信道DC中組成數(shù)據位“1”；同樣，0-匹配序列的出現(xiàn)被認為在數(shù)據信道DC中組成數(shù)據位“0”。在圖3a示出了這樣的匹配識別，所述圖3a示出了數(shù)據序列“110”被認為嵌入或埋入DSD信號X中。而且，在這種情況中數(shù)據信道DC被認為是隨機數(shù)據，因為從基本上偽隨機性質的任意音頻內容得出其數(shù)據位。
當所述設備100在1位串行音頻信號中嵌入“0”數(shù)據時，AU140通過從中減去水印序列S來將1-匹配序列修改為0-匹配序列。類似地，當所述設備100在1位串行音頻信號中嵌入“1”數(shù)據時，AU140通過將其與水印序列S相加來將0-匹配序列修改為1-匹配序列。如果匹配序列X已經代表要被嵌入的特定數(shù)據位，則不修改該匹配序列X。
在圖2的上述實施例中，7個符號長度的運行窗口被使用以檢測匹配序列。如圖3a和圖3b中所示出的，這產生不均勻間隔的匹配序列。還潛在地可能識別序列重疊的出現(xiàn)。這樣重疊的一個例子在圖3a中示出并且由300表示。在所述設備100中，優(yōu)選地忽略重疊序列。在圖4a和圖4b中示出了使用這樣運行窗口的另一個潛在問題。圖4a中所示出的信號包含數(shù)據序列“111”。通過適當?shù)販p去序列S，修改該信號以包含圖4b中所示的數(shù)據序列“010”。然而，將第三個1-匹配序列改變?yōu)?-匹配序列導致較早的1-匹配序列310的出現(xiàn)，如圖4b中所示的。通過不是利用圖2的設備100中所示的運行窗口，而是將信號X分成連續(xù)的非重疊區(qū)域(該連續(xù)的非重疊區(qū)域為了其中匹配序列的出現(xiàn)而單獨地被搜索)，可以至少部分地防止發(fā)生這樣的重疊問題。
因此，總的來說，本發(fā)明的方法涉及一種通過執(zhí)行例如在方程式2中所示的結合操作而在1位節(jié)目數(shù)據內容中嵌入水印信息的方法，用于響應存在于原始節(jié)目數(shù)據內容中的位序列，將信號數(shù)據從正指向(positive sense)改變?yōu)樨撝赶?negative sense)。水印的一個影響是降級了水印信噪比和/或失真特性，特別是在相對較高的頻率上，例如在音頻頻帶的較高頻率上，其中所述序列對應于數(shù)字音頻數(shù)據。
發(fā)明人意識到，通過拒絕(overruling)包含在調制器中的接合器輸出將額外的數(shù)據嵌入到當前sigma-Delta調制器中所生成的1位音頻信號是切實可行的。在時間柵格，即參考時間幀方面可以輸入額外的數(shù)據。然而，這樣的方法潛在地存在不利，因為可能潛在地妨礙Sigma-Delta調制器內所使用的反饋回路的平穩(wěn)狀態(tài)。
在本發(fā)明的方法中，水印數(shù)據優(yōu)選地不被插入到前述Sigma-Delta調制器的反饋回路中，所以平穩(wěn)性的問題不會出現(xiàn)。
在本發(fā)明中，對于對應于1位音頻數(shù)據流的特定序列X來說，相對于水印序列Si搜索序列X，以便產生1-匹配和0-匹配的隨機系列的識別匹配；例如，在方程式2中，在沿信號X的各個位置上有效地比較序列Si以搜索識別匹配。匹配系列可以認為是數(shù)據信道。因此，當通過使用水印數(shù)據S處理方程式2中的信號數(shù)據X以生成水印信號數(shù)據Y時，如果存在0數(shù)字，則在必須嵌入1數(shù)字的情況中由1-匹配替代0-匹配。類似地，如果存在1數(shù)字，則在必須嵌入0數(shù)字的情況中由0-匹配替代1-匹配。
優(yōu)選地，為了容易處理，本方法被設置假定信號X中的兩個相鄰匹配序列應該不重疊；即本方法可以被設置以將信號X相對于水印數(shù)據S重疊的匹配序列忽略不計。然而，為了改進水印信號的質量，可以為連續(xù)的匹配任選地設置最小距離，所述連續(xù)的匹配被允許修改信號X以生成信號Y。
沿信號數(shù)據X的位置優(yōu)選地被分布以便在水印信號Y中產生例如人聽力所感知的特定類型干擾，其中在所述位置上匹配在圖2中被識別并且在數(shù)據序列X中產生相應的負變化以生成信號數(shù)據Y。為了生成信號Y對信號X的一些部分的跳躍性修改(該修改取決于與水印數(shù)據S的匹配)優(yōu)選地在聽覺知覺模型的控制下被執(zhí)行，所述模型例如是其參數(shù)可從人聽覺知覺測試中被確定的數(shù)學模型。
在本方法中，應該理解的是，可以任選地使用多于一個的水印序列Si以用于水印目的。通信協(xié)議優(yōu)選地被使用，例如標記數(shù)據以便在處理信號X時可以使用多個水印序列以生成相應的水印信號Y；所述標記數(shù)據優(yōu)選地表示從一個水印序列到另一個水印序列的轉換。這樣的多個水印序列可以擇優(yōu)地被動態(tài)選擇以便增強音頻質量，同時還允許包括水印信號。
由于本發(fā)明的前述方法僅僅最適合用于某些類型的信號數(shù)據，例如音頻數(shù)據，相比于可應用于所有類型數(shù)據的穩(wěn)健方案(例如，復雜通用的加密方法)來說它被認為是相對“脆弱”類型的方案。
對于PCM類型的信號，已知的程序是通過“損壞”每個數(shù)據采樣中的一個或者多個最低有效位來降級信號質量。這樣的損壞可以使用所設置的密碼算法被實現(xiàn)為可逆的，以便如果密鑰已知，則通過使用所述密鑰重構原始高質量的未降級信號。應用于高質量PCM信號的這種損壞被有利地用于生成相應的較低質量的降級信號；可以允許一些潛在的顧客免費以估計較低質量的信號并且然后選擇購買一個或多個密鑰，以便解密較低質量的信號以從中再生成相應的高質量信號。這樣的分發(fā)尤其與經由通信網絡(例如，經由因特網)分發(fā)的音樂數(shù)據內容相關。
然而，利用相關聯(lián)的解密密鑰進行信號損壞的這種方法不容易應用于在上文所描述的1位音頻信號，例如信號X，這是由于序列X中的位全部具有可比較程度的重要性。然而，本發(fā)明在例如可逆地降級1位音頻信號以生成用于免費分發(fā)的降級質量信號從而誘惑一些可能的顧客時是有利的。例如通過用1-匹配替代前述的0-匹配以及反之亦然，優(yōu)選地使用保密水印序列可以實現(xiàn)這樣的加密。在解密期間，重復在相同序列控制下的切換，由此將1位降級音頻信號恢復為其原始高質量形式。當設想1位信號的可逆破壞時，不需要使用導致信號X的音頻帶寬中相對少能量的序列Si進行優(yōu)化。優(yōu)選地，可以利用不同的序列Si，這導致信號降級的不同清晰度。例如在控制信道中的數(shù)據控制下，這樣的不同序列可以被設置為可動態(tài)地改變。
本發(fā)明的方法可以通過匹配并且然后應用結合操作(例如，相加)被認為是選擇性切換-1和+1值的過程。盡管本方法在上文被描述為涉及二進制信號，但是也可以應用于具有多于2個狀態(tài)的信號，所述信號將具有與其相加的水印信息，如稍后描述的。
上文中所描述的水印序列S優(yōu)選地被設計以在較低頻率上提供相對低的能量，例如在圖1中所表示的。然而，水印序列S易于被設計以在其他頻率范圍上展示類似特性。例如，可以由另一水印序列Si[n](-1)n替代水印序列Si[n]，所述水印序列Si[n](-1)n能夠在靠近1/2采樣頻率(即，在fs/2上)的頻率范圍中展示相對低的能量?？梢栽O計序列以在其他頻率上(例如，fs/4上)展示相對低的能量。
如上文所說明的，本發(fā)明涉及修改數(shù)字信號，即一系列采樣，其中的采樣可以僅僅假設十分有限數(shù)目的值。
標準的16位PCM信號也是這樣的信號，其中每個采樣可以假設的狀態(tài)數(shù)目為2，即邏輯0狀態(tài)和邏輯1狀態(tài)。結果，若不是本發(fā)明，在由于生成非法狀態(tài)而沒有發(fā)生數(shù)據損失或數(shù)據惡化的情況下，兩種這樣信號的直接相加基本上是不可能的。
因此(a)對于采樣值-1，可以僅僅加上值0或者+2；以及(b)對于采樣值+1，可以僅僅加上值0或者-2。
然而，如上文所說明的，本發(fā)明不限于二進制信號；例如，它也可以應用于3位信號，其中3位采樣可以假設的狀態(tài)數(shù)目相對有限。
現(xiàn)在將描述上文的更加概括的分析并且考慮與其他類型的序列和信號的相關性。通常，由方程式6(Eq.6)數(shù)學上描述信號X，該信號X由k個采樣的序列(即，k個符號)組成，其中每個采樣可以從預定集合B中假設任意狀態(tài)X∈BkEq.6例如通過方程式7(Eq.7)定義k個采樣的任意1位DSD信號XX∈{-1，+1}kEq.7相比而言，例如可以通過方程式8(Eq.8)定義k個采樣的2位信號XX∈{-3，-1，+1，+3}kEq.8并且，同樣地，例如可以通過方程式9(Eq.9)定義k個采樣的3位信號XX∈{-7，-5，-3，-1，+1，+3，+5，+7}kEq.9通過方程式10(Eq.10)可以定義序列S，該序列S可以與方程式6所定義的序列X相結合，例如與方程式6所定義的序列X相加Y＝X+2S∈BkEq.10其中序列S的數(shù)目被限制。因而，如果前述的1位信號符合方程式7，則序列S受到限制，正如方程式11(Eq.11)所定義的S∈{-1，0，+1}kEq.11類似地，對于2位信號，方程式12(Eq.12)適合于序列SS∈{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}kEq.12應該理解的是，在不生成非法狀態(tài)的情況下序列S是否能夠與信號X相結合，(例如，與X相加，正如在Y＝X+2S中)取決于信號X中存在的實際狀態(tài)；無條件地使信號X與序列S結合(例如使信號X與序列S相加)可以導致YBkEq.13其被定義為非法狀態(tài)。
在本發(fā)明的某些實際應用中，非法狀態(tài)可以在某些情況中被容忍并且被包括在類別“期望的合法狀態(tài)”中；這樣的應用例如涉及音頻和/或視頻節(jié)目內容的不可逆部分的降級，用于在購買相應的未降級節(jié)目內容之前顧客進行采樣或最初估計的目的。
因此，在應用本發(fā)明時，結合序列S是有益的，對于給定狀態(tài)集合B，所述序列S在信號X的頻譜的特殊頻率間隔中引入有限干擾。例如，在表2中列出了根據方程式14(Eq.14)的一系列序列S并且在圖5中給出了它們的頻譜特性。這些序列在32fs附近的頻率間隔中具有最小的干擾，其中fs是生成信號X所使用的采樣頻率；這些序列易于與1位DSD音頻信號相結合。根據方程式14(Eq.14)，表2列出了10個最好的識別序列SS∈{-1，0，+1}12Eq.14其被選擇用來在f＝32fs附近提供最小的干擾。
表2

參考表2和其相關聯(lián)的圖5，應該理解的是，通過一個或多個數(shù)學處理，例如加法、減法、與-1的乘法、異或可以結合信號X和序列S以論及一些例子；在本發(fā)明的范圍內，其他類型的數(shù)學運算(例如乘法)也是切實可行的。
對于信號X為根據上文方程式8的2位信號(其具有方程式12所定義的相應序列S)，在表3中列出了最大長度為5個符號的一些序列的例子，所述序列在頻率間隔為0≤f≤fs中具有相對低的干擾。為了進行比較，還示出了序列S＝[1，-1]和S＝[1]的性能。而且，在圖6中示出了四個最佳序列的頻譜。
表3

先前，例如參考圖1描述了序列S的例子，這些序列S容易在f＝0Hz附近的頻率間隔中導致最小干擾，例如在0≤f≤fs或者-fs≤f≤fs的間隔中。在圖7中，為了比較的目的，示出了范圍為-32fs≤f≤32fs中對應S∈{-1，0，+1}12的四個最佳序列S的全頻頻譜，在f＝0Hz附近提供了最小干擾，在表2中列出了序列S。在上文中，說明了可以設計序列S以在包含信號X的其他頻率間隔上引入最小干擾。特別地，發(fā)明人意識到，可以設計序列S的一些例子，所述例子在除了f＝0Hz之外的頻率附近的頻率范圍中展示了最小的干擾。
如果通過利用載波C進行調制來修改給定序列S，則最新獲得的移動序列S′的頻譜是序列S頻譜的移動版本。有利地，根據方程式15(Eq.15)定義載波Cc[n]＝(-1)nEq.15將載波C應用到序列S能夠將它移動32fs，正如方程式16(Eq.16)所提供的s′[n]＝s[n](-1)nEq.16結果，移動序列S′與信號X的結合導致頻率干擾，其中最小干擾從f＝0Hz變化到f＝32fs。關于應用載波C以移動序列S，如果序列S∈{-1，0，+1}k，則這樣的移動是顯而易見的，其中所述移動導致產生移動序列S′∈{-1，0，+1}k。在上文表2中提供了移動序列的列表，同時在圖5中示出了相應的四個最佳頻譜。
如果在信號X與序列S結合時允許出現(xiàn)復值，則可設想最終頻譜對于負頻率和正頻率可以是不同的。根據方程式17(Eq.17)可以以復數(shù)形式方便地定義前述載波Cc[n]＝jnEq.17其中j=-1]]>并且它到特征S的應用是將相應移動序列S′的頻譜移動到16fs，如方程式18(Eq.18)所描述的s′[n]＝s[n]c[n]＝s[n]jnEq.18對于方程式17的載波C，如果序列S具有狀態(tài)集合S∈{-j，-1，0，+1，+j}k，則顯而易見的是移動序列也將具有相應的狀態(tài)集合S′∈{-j，-1，0，+1，+j}k。通過jn和在表4中所列出的相應調制序列來調制表1中的十個最佳序列S。
表4

在圖8的曲線圖上繪制表4中的四個最佳序列的頻譜，其中對稱分布可清楚地識別。
本發(fā)明的方法(即將所選序列與信號直接結合以將序列印在信號上)具有許多實際技術應用，這樣的應用包括以下內容的一個或多個(a)用于模數(shù)信號轉換的sigma delta調制器的特殊配置；(b)多位模數(shù)轉換器的特殊配置，例如在Custom IntegratedCircuits Conference，2002.Proceeding of the IEEE2002，2002年5月，pp191-194，由Miller和Petrie所發(fā)表的“A multi-bitsigma-delta ADC for multi-mode receivers”中描述類型的轉換器的修改版本；以及(c)復雜sigma-delta轉換器的特殊配置，例如在Digest ofTechnical papers，2003 symposium June，2003，pp.75-78所公開的VLSI Circuits 2003，由Basedau等人所發(fā)表的“A fourth ordercontinuous-time complex sigma-delta ADC for low-IF GSM andedge receivers”中所描述類型的轉換器的修改版本。
本發(fā)明的方法易用于在水印音頻和/或視頻節(jié)目內容中的實際應用，例如經由通信網絡(例如，因特網)所傳送的音樂和/或視頻內容以及在數(shù)據載體(例如，諸如CD、DVD之類的光學數(shù)據載體)上的音樂和/或視頻內容。這樣的水印在阻止未授權復制(即盜版)節(jié)目內容方面是有利的并且可以用作對付偽造者采取法律行動的證據，例如禁令和/或移交偽造品。相反地，在類似流通鈔票的某種意義上，這樣的水印還可以用于鑒證目的，因此顧客可以檢驗他們購買了真實的原始節(jié)目內容產品。
應該理解的是，在不背離由所附權利要求所限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以對上文所描述的本發(fā)明的實施例進行修改。
當解釋說明書和其相關權利要求時，以非唯一的方式解釋諸如“包括”、“包含”、“合并”、“是”、“具有”之類的表達，即可以解釋為允許沒有明確定義的其他項或元件存在。對單數(shù)的引用也可以被解釋為對復數(shù)的引用，反之亦然。
權利要求
1.一種處理串行數(shù)據信號以生成相應的變換信號的方法，該方法包括以下步驟(a)提供一個或多個特征序列；(b)分析所述串行數(shù)據信號以在其中確定一個或多個信號序列，對此保持這樣一個或多個信號序列與所述一個或多個特征序列的結合不會導致生成非法狀態(tài)；以及(c)將所述串行數(shù)據信號的一個或多個所確定的信號序列與所述一個或多個特征序列結合以便將所述串行數(shù)據信號變換為所述變換信號。
2.根據權利要求1的方法，其中所述串行數(shù)據信號是二進制格式的1位數(shù)據信號，并且一個或多個特征序列被設置為可直接地與所述串行數(shù)據信號結合以生成二進制格式的變換信號，優(yōu)選地這樣的結合包括加法和/或減法和/或異或運算。
3.根據權利要求1的方法，其中所述串行數(shù)據信號被設置以便其符號系列具有基本上類似的有效性。
4.根據權利要求1的方法，其中一個或多個特征序列可用于將被變換的信號進行逆變換以從其中再生成串行數(shù)據信號的副本。
5.根據權利要求1的方法，其中在本方法中使用多個特征序列。
6.根據權利要求5的方法，在操作中被設置以當將串行數(shù)據信號變換為所述變換信號時在所述序列之間進行動態(tài)切換。
7.根據權利要求1的方法，其中一個或多個特征序列的每一個都是兩個或多個符號長度。
8.根據權利要求1的方法，其中根據知覺模型選擇一個或多個信號序列以在變換的信號中獲得優(yōu)選的感知特征，對此保持這樣一個或多個信號序列與所述一個或多個特征序列的結合不會導致生成非法狀態(tài)。
9.根據權利要求1的方法，其中所述串行數(shù)據信號和所述變換信號是1位音頻信號，并且一個或多個特征序列的結合被直接在串行數(shù)據信號上執(zhí)行而不需要變換為另一個信號格式。
10.根據權利要求1的方法，其被設置以在串行數(shù)據信號中嵌入水印以便變換的信號是串行數(shù)據信號的水印版本。
11.一種用于實現(xiàn)根據權利要求1的方法的設備(100)，所述設備被設置用來接收所述串行數(shù)據信號并且輸出變換的數(shù)據。
12.使用根據權利要求1的方法所生成的變換數(shù)據。
13.包括在其上存儲的根據權利要求12的變換數(shù)據的數(shù)據載體。
14.在計算設備上被執(zhí)行時可操作地實現(xiàn)根據權利要求1的方法的計算機軟件。
15.一種處理變換信號以再生成相應的解碼串行數(shù)據信號的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供一個或多個特征序列；(b)分析所述變換信號以在其中確定一個或多個信號序列，對此保持這樣一個或多個信號序列與所述一個或多個特征序列的結合不會導致生成非法狀態(tài)；以及(c)將所述變換信號的一個或多個所確定的信號序列與所述一個或多個特征序列結合以便將所述變換信號進行變換以從其中再生成解碼的串行數(shù)據信號。
16.一種用于實現(xiàn)根據權利要求15的方法的設備，所述設備可操作地接收變換的數(shù)據信號并且輸出解碼的串行數(shù)據信號數(shù)據。
17.在計算設備上被執(zhí)行時可操作地實現(xiàn)根據權利要求15的方法的計算機軟件。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種處理串行數(shù)據信號以生成相應的變換信號，例如編碼信號的方法。所述方法包括步驟(a)提供一個或多個特征序列；(b)分析所述串行數(shù)據信號以在其中確定一個或多個信號序列，對此保持這樣一個或多個信號序列與所述一個或多個特征序列的結合不會導致生成非法狀態(tài)；以及(c)將所述串行數(shù)據信號的一個或多個所確定的信號序列與所述一個或多個特征序列結合以便將所述串行數(shù)據信號變換為所述變換信號。而且，還描述了設備(100)，所述設備可操作地執(zhí)行所述方法和/或相應的逆方法。
文檔編號G10L19/018GK1930609SQ200580007731
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月4日 優(yōu)先權日2004年3月12日
發(fā)明者A·A·M·L·布魯克斯, F·M·J·威廉斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司