專利名稱：水印信號(hào)提供及水印嵌入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于提供水印信號(hào)的水印信號(hào)提供器以及使用水印信號(hào)的水印嵌入。
背景技術(shù)：
在許多技術(shù)應(yīng)用中，需要在表示有用數(shù)據(jù)或“主數(shù)據(jù)”(例如，音頻信號(hào)、視頻信號(hào)、圖形、測(cè)量量等)等的信息或信號(hào)中包括附加信息。在許多情況下，需要包括附加數(shù)據(jù)，使得附加數(shù)據(jù)以不被該數(shù)據(jù)的用戶感知的方式結(jié)合到主數(shù)據(jù)(例如，音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等)。此外，在一些情況下，需要包括附加數(shù)據(jù)，使得附加數(shù)據(jù)不能容易地從主要數(shù)據(jù)(例如，音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)、 測(cè)量數(shù)據(jù)等)中去除。在需要實(shí)施數(shù)字權(quán)利管理的應(yīng)用中，尤其如此。然而，有時(shí)只是需要在有用數(shù)據(jù)中添加實(shí)質(zhì)上不可感知的邊信息(side information)。例如,在一些情況下,理想的是將邊信息添加到音頻數(shù)據(jù)，使得邊信息提供關(guān)于音頻數(shù)據(jù)源、音頻數(shù)據(jù)的內(nèi)容、與音頻數(shù)據(jù)相關(guān)的權(quán)利等的信息。為了將附加數(shù)據(jù)嵌入到有用數(shù)據(jù)或“主數(shù)據(jù)”中，可以使用所謂的“水印”的概念。在例如音頻數(shù)據(jù)、靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等的多種不同的有用數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)中，已經(jīng)討論了水印概念。在下文中，將給出其中討論了水印概念的一些參考。然而，為了獲得更詳細(xì)的信息，讀者還應(yīng)關(guān)注與水印相關(guān)的寬領(lǐng)域的文本文獻(xiàn)以及應(yīng)用。DE 196 40 814C2 描述了一種用于將非可聽數(shù)據(jù)信號(hào)(non-audibledata signal)引入到音頻信號(hào)中的編碼方法以及用于對(duì)以非可聽形式包括在音頻信號(hào)中的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解碼的方法。用于將非可聽數(shù)據(jù)信號(hào)引入到音頻信號(hào)中的編碼方法包括將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻譜域。編碼方法還包括確定音頻信號(hào)的掩蔽閾值和偽噪聲信號(hào)的供應(yīng)。編碼方法還包括提供數(shù)據(jù)信號(hào)并將偽噪聲信號(hào)和該數(shù)據(jù)信號(hào)相乘，以獲得頻分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)。編碼方法還包括將頻分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)和掩蔽閾值加權(quán)并將音頻信號(hào)和加權(quán)的數(shù)據(jù)信號(hào)疊加。另外，WO 93/07689描述了用于通過向節(jié)目的聲音信號(hào)添加聽不見的編碼消息，自動(dòng)識(shí)別由電臺(tái)或電視頻道廣播或者記錄在介質(zhì)上的節(jié)目的方法和設(shè)備，其中，上述消息識(shí)別廣播頻道或電臺(tái)、節(jié)目和/或提取日期。在該文獻(xiàn)描述的實(shí)施方式中，將由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將聲音信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)處理器，該數(shù)據(jù)處理器能夠分離頻率分量，并使得能夠以預(yù)定方式改變一些頻率分量中的能量以形成編碼的識(shí)別消息。數(shù)據(jù)處理器的輸出通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器連接至音頻輸出端，用于廣播或記錄聲音信號(hào)。在該文獻(xiàn)描述的另一實(shí)施方式中，采用模擬帶通，以從聲音信號(hào)分離頻帶，使得可以這樣改變分離的頻帶中的能量以對(duì)聲音信號(hào)編碼。US 5，450，490描述了用于在聲音信號(hào)中包括具有至少一個(gè)碼頻率分量的碼的設(shè)備和方法。評(píng)估音頻信號(hào)中各頻率分量屏蔽人類聽覺的碼頻率分量的能力，并且基于這些評(píng)估，為碼頻率分量分配幅度。還描述了用于檢測(cè)編碼的音頻信號(hào)中的碼的方法和設(shè)備?；陬A(yù)期碼幅度或包括碼分量的頻率的音頻頻率范圍中的噪聲幅度，檢測(cè)編碼的音頻信號(hào)中的碼頻率分量。WO 94/11989描述了用于編碼/解碼廣播或記錄的片段并監(jiān)控其觀眾接觸率的方法和設(shè)別。描述了用于將廣播或記錄的片段信號(hào)中的信息編碼和解碼的方法和設(shè)備。在文獻(xiàn)描述的實(shí)施方式中，觀眾監(jiān)控系統(tǒng)使用擴(kuò)頻編碼將廣播或記錄的片段的音頻信號(hào)部分中的標(biāo)識(shí)信息編碼。監(jiān)控裝置經(jīng)由麥克接收廣播或記錄的信號(hào)的聲學(xué)再生版本，將標(biāo)識(shí)信息從音頻信號(hào)部分解碼而不管顯著的環(huán)境噪聲并存儲(chǔ)該信息，自動(dòng)提供該觀眾的日志，該日志隨后將被上傳到中心裝置。單獨(dú)的監(jiān)控裝置將另外的信息從廣播信號(hào)解碼，其與中心裝置的觀眾日志信息匹配。該監(jiān)控器可以使用撥號(hào)電話線同時(shí)向中心裝置發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過使用擴(kuò)頻技術(shù)編碼并用來自第三方的廣播信號(hào)調(diào)制的信號(hào)從中心裝置接收數(shù)據(jù)。WO 95/27349描述了用于在音頻信號(hào)中包括碼并解碼的設(shè)備和方法。描述了用于在音頻信號(hào)中包括具有至少一個(gè)碼頻率分量的碼的設(shè)備和方法。評(píng)估音頻信號(hào)中各頻率分量屏蔽人類聽覺的碼頻率分量的能力，并且基于這些評(píng)估，為碼頻率分量分配幅度。還描述了用于檢測(cè)編碼的音頻信號(hào)中的碼的方法和設(shè)備?；陬A(yù)期碼幅度或包括碼分量的頻率的 音頻頻率范圍中的噪聲幅度，檢測(cè)編碼的音頻信號(hào)中的碼頻率分量。然而，當(dāng)將水印信息插入到音頻信號(hào)的時(shí)間/頻率頻譜中時(shí)，難以在掩蔽閾值(masking threshold)以下隱藏水印信息或者難以在盡可能多的能量向水印信息的分配之間找到最佳平衡，因此增大了解碼器側(cè)的提取，并且當(dāng)再生加水印的音頻信號(hào)時(shí)，保持水印信息被不可聽地嵌入。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于該情況，本發(fā)明的目的在于提供一種用于提供水印信號(hào)的機(jī)制以及用于使用該水印信號(hào)進(jìn)行水印嵌入的機(jī)制，其能夠?qū)崿F(xiàn)水印信號(hào)的可提取性和不可聽性之間的更好平衡。該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求I的水印信號(hào)提供器、根據(jù)權(quán)利要求8的水印嵌入器、根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法、以及根據(jù)權(quán)利要求11的計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，一種水印信號(hào)提供器，用于提供當(dāng)被添加到音頻信號(hào)時(shí)適于隱藏在音頻信號(hào)中的水印信號(hào)，使得水印信號(hào)表示水印數(shù)據(jù)，該水印信號(hào)提供器包括心理聲學(xué)處理器，用于確定音頻信號(hào)的掩蔽閾值；以及調(diào)制器，用于根據(jù)以水印數(shù)據(jù)的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本時(shí)間間隔彼此隔開的樣本成型函數(shù)的疊加，來生成水印信號(hào)，每個(gè)樣本成型函數(shù)均用與時(shí)間離散表示型態(tài)的相應(yīng)樣本來幅度加權(quán)，該時(shí)間離散表示型態(tài)與取決于掩蔽閾值的相應(yīng)幅度權(quán)重相乘，該調(diào)制器被配置為使得樣本時(shí)間間隔短于樣本成型函數(shù)的時(shí)間延伸；并且相應(yīng)幅度權(quán)重還取決于在時(shí)間上與相應(yīng)樣本相鄰的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本。本發(fā)明基于以下發(fā)現(xiàn)通過選擇不僅取決于掩蔽閾值、還取決于與相鄰樣本相鄰的水印數(shù)據(jù)的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本的用于將疊加地形成水印信號(hào)的樣本成型函數(shù)幅度加權(quán)的幅度權(quán)重，可以實(shí)現(xiàn)水印信號(hào)的可提取性和不可聽性之間的更好平衡。這樣，在相鄰的樣本位置處的樣本成型函數(shù)可以彼此重疊，即，樣本時(shí)間間隔可以短于樣本成型函數(shù)的時(shí)間延伸，并且盡管如此，可以通過在設(shè)置幅度權(quán)重時(shí)考慮與當(dāng)前加權(quán)的樣本相鄰的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本，來補(bǔ)償這種相鄰的樣本成型函數(shù)之間的干涉。此外，由于樣本成型函數(shù)被使得具有較長(zhǎng)的時(shí)間延伸，因此可以使得其頻率響應(yīng)較窄，即，當(dāng)在混響環(huán)境中再生加水印的音頻信號(hào)時(shí)，使得水印信號(hào)抗混響的可提取性更強(qiáng)。換句話說，相應(yīng)幅度權(quán)重不僅取決于掩蔽閾值，還取決于與相應(yīng)樣本相鄰的水印數(shù)據(jù)的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本，這使得能夠補(bǔ)償相鄰的樣本成型函數(shù)之間的音頻干涉，否則，這將導(dǎo)致干擾掩蔽閾值。



后續(xù)將參照附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在附圖中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的水印插入器的示意性框圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的水印解碼器的示意性框圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的水印生成器的詳細(xì)示意性框圖；圖4示出了用于本發(fā)明實(shí)施方式的調(diào)制器的詳細(xì)示意性框圖；圖5示出了用于本發(fā)明實(shí)施方式的心理聲學(xué)處理模塊的詳細(xì)示意性框圖；圖6示出了用于本發(fā)明實(shí)施方式的心理聲學(xué)模塊處理器的示意性框圖；圖7示出了由塊801輸出的音頻信號(hào)的功率頻譜在頻率上的曲線表示；圖8示出了由塊802輸出的音頻信號(hào)的功率頻譜在頻率上的曲線表示；圖9示出了幅度計(jì)算的示意性框圖；圖IOa示出了調(diào)制器的示意性框圖；圖IOb示出了時(shí)間頻率要求(time-frequency claim)的系數(shù)的位置的曲線表示；圖Ila和圖Ilb示出了同步模塊的實(shí)現(xiàn)替代方案的示意性框圖；圖12a示出了找到水印的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的問題的曲線表示；圖12b示出了識(shí)別消息開始的問題的曲線表示；圖12c示出了同步序列在全消息同步模式中的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的曲線表示；圖12d示出了同步序列在部分消息同步模式中的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的曲線表示；圖12e示出了同步模塊的輸入數(shù)據(jù)的曲線表示；圖12f示出了識(shí)別同步瞬時(shí)干擾(synchronization hit)的概念的曲線表示；圖12g 不出了同步簽名相關(guān)器(synchronization signature correlator)的不意性框圖；圖13a示出了用于時(shí)間解擴(kuò)的實(shí)例的曲線表示；圖13b示出了比特和擴(kuò)展序列之間的逐元素(element-wise)相乘的實(shí)例的曲線表不;圖13c示出了同步簽名相關(guān)器在時(shí)間平均后的輸出的曲線表示；圖13d示出了用同步簽名的自相關(guān)函數(shù)過濾的同步簽名相關(guān)器的輸出的曲線表示；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的水印提取器的示意性框圖；圖15示出了選擇時(shí)頻域表示型態(tài)作為候選消息的示意表示；圖16示出了分析模塊的示意性框圖；圖17a示出了同步相關(guān)器的輸出的曲線表示；圖17b示出了解碼消息的曲線表示；圖17c示出了從加水印后的信號(hào)中提取的同步位置的曲線表示；
圖18a示出了有效載荷、具有Viterbi (維特比)終止序列的有效載荷、維特比編碼的有效載荷、以及維特比編碼有效載荷的重復(fù)編碼版本的曲線表示；圖18b示出了用于嵌入加水印后的信號(hào)的子載波的曲線表示；圖19示出了非編碼消息、編碼消息、同步消息和水印信號(hào)的曲線表示，其中，同步序列應(yīng)用于這些消息；圖20示出了所謂的“ABC同步”概念的第一步的示意表示；圖21示出了所謂的“ABC同步”概念的第二步的曲線表示；圖22示出了所謂的“ABC同步”概念的第三步的曲線表示；圖23示出了包括有效載荷和CRC部分的消息的曲線表示；圖24示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的水印信號(hào)提供器的示意性框圖；圖25示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的水印嵌入器的示意性框圖。
具體實(shí)施例方式I.水印信號(hào)提供以下，將參照?qǐng)D24描述水印信號(hào)提供器2400。水印信號(hào)提供器2400包括心理聲學(xué)處理器2410和調(diào)制器2420。心理聲學(xué)處理器2410被配置為接收音頻信號(hào)2430，水印信號(hào)提供器2400將為音頻信號(hào)2430提供水印信號(hào)2440。調(diào)制器2420被配置為使用由心理聲學(xué)處理器2410提供的掩蔽閾值，以生成水印信號(hào)2440。特別地，調(diào)制器2420被配置為根據(jù)樣本成型函數(shù)的重疊，來生成水印信號(hào)2440，這些樣本成型函數(shù)以將由水印信號(hào)2440表示的水印數(shù)據(jù)2450的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本時(shí)間間隔彼此隔開。特別地，調(diào)制器2420在生成水印信號(hào)2440時(shí)使用掩蔽閾值，使得當(dāng)水印信號(hào)2440被添加到音頻信號(hào)2430以獲得加水印的音頻信號(hào)時(shí)，水印信號(hào)2440適于隱藏在音頻信號(hào)2430中。如下面更詳細(xì)的描述的，實(shí)際上，水印數(shù)據(jù)的時(shí)間離散表示型態(tài)可以為時(shí)間/頻率離散表示型態(tài)，并且可以通過使用在時(shí)域和/或頻域中的擴(kuò)展而從水印數(shù)據(jù)2450導(dǎo)出。到分配了時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本的格柵位置(grid position)的時(shí)間或時(shí)間/頻率格柵可以在時(shí)間上固定，特別地，獨(dú)立于音頻信號(hào)2430。該疊加又可以被解釋為具有在提到的格柵的格柵位置處排列的樣本的時(shí)間/離散表示型態(tài)的卷積，樣本通過幅度權(quán)重被加權(quán)，幅度權(quán)重又不僅取決于掩蔽閾值，還取決于在時(shí)間上相鄰的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本。幅度權(quán)重對(duì)掩蔽閾值的相關(guān)性可以如下從掩蔽閾值的各時(shí)間塊導(dǎo)出用于與特定時(shí)間塊處的時(shí)間離散表示型態(tài)的特定樣本相乘的幅度權(quán)重，掩蔽閾值本身又取決于時(shí)間和頻率。因此，在水印數(shù)據(jù)的時(shí)間/頻率離散表示型態(tài)的情況下，每一樣本均與對(duì)應(yīng)于掩蔽閾值的幅度權(quán)重相乘，掩蔽閾值在水印信號(hào)表不型態(tài)樣本的相應(yīng)時(shí)間/頻率格柵位置處被米樣。此外，能夠使用用于從水印數(shù)據(jù)2450檢索時(shí)間離散表示型態(tài)的時(shí)間差分表示型態(tài)的時(shí)間差分編碼。調(diào)制器2420被配置為根據(jù)樣本成型函數(shù)的疊加來生成水印信號(hào)2440，使得每一個(gè)樣本成型函數(shù)通過與相應(yīng)幅度權(quán)重相乘的時(shí)間離散表示型態(tài)的相應(yīng)樣本來幅度加權(quán)，該相應(yīng)幅度權(quán)重取決于由心理聲學(xué)處理器2410確定的掩蔽閾值，特別地，調(diào)制器2420被配置為使得樣本時(shí)間間隔短于樣本成型函數(shù)的時(shí)間延伸，并使得相應(yīng)幅度權(quán)重還取決于與相應(yīng)樣本相鄰的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本。如下文更加詳細(xì)概括的，樣本時(shí)間間隔短于樣本成型函數(shù)的時(shí)間延伸的事實(shí)導(dǎo)致了在時(shí)間上相鄰的樣本成型函數(shù)之間的干擾，從而增加偶然干擾掩蔽閾值的風(fēng)險(xiǎn)。然而，掩蔽閾值的這種干擾通過使幅度權(quán)重也取決于與當(dāng)前樣本相鄰的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本來補(bǔ)償。在下文概括的水印系統(tǒng)的實(shí)施方式中，剛提到的相關(guān)性由幅度權(quán)重的迭代設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。特別地，心理聲學(xué)處理器2410可以確定獨(dú)立于水印數(shù)據(jù)的掩蔽閾值，同時(shí)調(diào)制器2420可以被配置為通過基于獨(dú)立于水印數(shù)據(jù)的掩蔽閾值初步確定幅度權(quán)重，來迭代地設(shè)置幅度權(quán)重。調(diào)制器2420然后可以被配置為檢查樣本成型函數(shù)的疊加是否干擾掩蔽閾值，樣本成型函數(shù)通過與初步確定的幅度權(quán)重相乘的水印表示型態(tài)的樣本來幅度加權(quán)。如果干擾掩蔽閾值，則調(diào)制器2420可改變初步確定的幅度權(quán)重，以獲得另一疊加。調(diào)制器2420可以·重復(fù)包括具有連續(xù)疊加的檢查和干擾，直到履行相應(yīng)的中斷條件，諸如幅度加權(quán)保持它們·在某一特定變化閾值中的值。在上述提到的檢查中，時(shí)間離散表示型態(tài)的相鄰樣本由于樣本成型函數(shù)的疊加和時(shí)間延伸超過樣本時(shí)間間隔而導(dǎo)致時(shí)間離散表示型態(tài)彼此影響/干涉，用于生成的孔迭代處理(hole iterative process)取決于水印數(shù)據(jù)表示型態(tài)的這些相鄰樣本。應(yīng)當(dāng)注意，在以下概括的實(shí)施方式中，使用水印數(shù)據(jù)在時(shí)域中的擴(kuò)展以揭示剛提及的時(shí)間離散表示型態(tài)。然而，這種時(shí)間擴(kuò)散可以舍棄。該擴(kuò)展應(yīng)用于還在以下實(shí)施方式中使用的頻率擴(kuò)展。2.水印嵌入器圖25示出了使用圖24的水印信號(hào)提供器2400的水印嵌入器。具體地，圖25的水印嵌入器通常用參考標(biāo)號(hào)2500表示并除了包括水印信號(hào)提供器2400以外還包括相加器2510，該相加器將由水印信號(hào)提供器2400輸出的水印信號(hào)2440與音頻信號(hào)2430相加，以獲得加水印的音頻信號(hào)2530。3.系統(tǒng)描述以下，將描述用于水印傳輸?shù)南到y(tǒng)，其包括水印插入器和水印解碼器。自然地，水印插入器和水印解碼器可以彼此獨(dú)立地使用。對(duì)于系統(tǒng)的描述，這里選擇了自頂向下方法。首先，區(qū)分編碼器和解碼器。然后，在章節(jié)3. I至3. 5中，詳細(xì)地描述了每個(gè)處理塊。在分別描述了編碼器側(cè)和解碼器側(cè)的圖I和圖2中可以看到系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。圖I示出了水印插入器100的示意性框圖。在編碼器側(cè)，基于與心理聲學(xué)處理模塊102交換的信息104、105，根據(jù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)IOla在處理塊101 (也被指定為水印生成器)中生成水印信號(hào)101b。從塊102提供的信息通常保證水印是聽不見的。然后，由水印生成器101生成的水印被添加到音頻信號(hào)106。然后，可以傳輸、存儲(chǔ)、或進(jìn)一步處理加水印后的信號(hào)107。在例如音頻視頻文件的多媒體文件的情況下，需要將適當(dāng)?shù)难舆t添加到視頻流，以不失去音頻視頻同步。在多信道音頻信號(hào)的情況下，如在該文獻(xiàn)中說明的，單獨(dú)處理每個(gè)信道。在章節(jié)3. I和3. 2中分別詳細(xì)說明了處理塊101 (水印生成器)和102 (心理聲學(xué)處理模塊)。在圖2中描述了解碼器側(cè)，圖2示出了水印解碼器200的示意性框圖。例如由麥克記錄的水印音頻信號(hào)200a被使得可用于系統(tǒng)200。還被指定為分析模塊的第一塊203在時(shí)間/頻率域中解調(diào)并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)(例如，加水印后的音頻信號(hào))(從而獲得水印音頻信號(hào)200a的時(shí)頻域表示型態(tài)204)，并將其傳遞到同步模塊201，該同步模塊分析輸入信號(hào)204并執(zhí)行時(shí)間同步，即，確定(例如，相對(duì)于時(shí)頻域表示型態(tài)的編碼水印數(shù)據(jù)的)編碼數(shù)據(jù)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。該信息(例如，由此產(chǎn)生的同步信息205)被提供給對(duì)數(shù)據(jù)解碼(并隨后提供二進(jìn)制數(shù)據(jù)202a，其表示水印音頻信號(hào)200a的數(shù)據(jù)內(nèi)容)的水印提取器202。3. I水印生成器101圖3中詳細(xì)描述了水印生成器101。待隱藏在音頻信號(hào)106中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)(表示為±1)被提供給水印生成器101。塊301在等長(zhǎng)度Mp的數(shù)據(jù)包中組織數(shù)據(jù)101a。出于信令的目的，向每個(gè)數(shù)據(jù)包添加(例如，附加)開銷比特(overhead bit)。假設(shè)Ms表示其數(shù)量。在章節(jié)3. 5中將詳細(xì)描述其使用。值得注意的是，在下文中，有效載荷比特連同信令開銷比特的每個(gè)數(shù)據(jù)包均為表示的消息。長(zhǎng)度為Nm=Ms+Mp的每個(gè)消息301a都被移交至處理塊302，即，信道編碼器，其負(fù)責(zé)對(duì)這些比特編碼以用于防止誤差。該模塊的可能實(shí)施方式由卷積編碼器(convolutional encoder)連同交織器(interleaver)組成。卷積編碼器的比率極大地影響水印系統(tǒng)防止誤差的總程度。另一方面，交織器保護(hù)免受噪聲突發(fā)。交織器的操作的范圍可以限于一個(gè)消息，但其還可以延伸至多個(gè)消息。假設(shè)R。表示碼比，例如，1/4。每個(gè)消息的編碼比特?cái)?shù)為Nm/R。。信道編碼器例如提供編碼的二進(jìn)制消息302a。下一處理模塊303在頻域中執(zhí)行擴(kuò)展。為了實(shí)現(xiàn)足夠大的信噪比的信號(hào)，在Nf個(gè)仔細(xì)選擇的子帶中擴(kuò)展并傳輸信息(例如，二進(jìn)制消息302a的信息)。一開始確定其在頻率中的確切位置，并且這對(duì)于編碼器和解碼器都是已知的。在章節(jié)3. 2. 2中給出了該重要系統(tǒng)參數(shù)的選擇的細(xì)節(jié)。由大小為NfX I的擴(kuò)展序列Cf來確定頻率的擴(kuò)展。塊303的輸出303a由Nf個(gè)比特流組成，每個(gè)子帶一個(gè)比特流。通過將輸入比特與擴(kuò)展序列Cf的第i個(gè)分量相乘來獲得第i個(gè)比特流。最簡(jiǎn)單的擴(kuò)展由將比特流復(fù)制到每個(gè)輸出流，即，使用所有比特流的擴(kuò)展序列來組成。也被指定為同步方案插入器的塊304將同步信號(hào)添加到比特流。當(dāng)解碼器不知道比特或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)(即，不知道每個(gè)消息何時(shí)開始)時(shí)，穩(wěn)健同步是重要的。同步信號(hào)由每個(gè)都為Nf個(gè)比特的Ns個(gè)序列組成。這些序列為相乘的逐元素并周期性地與比特流(或比特流303a)相乘。例如，假設(shè)a、b和c是Ns=3個(gè)同步序列(也被指定為同步擴(kuò)展序列)。塊304將a乘以第一擴(kuò)展比特，將b乘以第二擴(kuò)展比特，并將c乘以第三擴(kuò)展比特。對(duì)于以下的比特，定期地重復(fù)該過程，即，將a乘以第四比特，將b乘以第三比特等。因此，獲得了結(jié)合的信息同步信息304a。仔細(xì)地選擇同步序列(也被指定為同步擴(kuò)展序列)，以使假同步的風(fēng)險(xiǎn)最小化。在章節(jié)3. 4中給出了更多細(xì)節(jié)。此外,應(yīng)當(dāng)注意的是,序列a、b、c···可以被看作是一序列同步擴(kuò)展序列。塊305在時(shí)域中執(zhí)行擴(kuò)展。輸入端處的每個(gè)擴(kuò)展比特(即，長(zhǎng)度Nf的向量)在時(shí)域中重復(fù)Nt次。與頻率下的擴(kuò)展相類似，發(fā)明人定義了大小為NtX I的擴(kuò)展序列ct。第i個(gè)時(shí)間重復(fù)與ct的第i個(gè)分量相乘。塊302至305的操作可以如下放在數(shù)學(xué)方面中。假設(shè)大小為IXN111=Re的m為302的編碼消息、輸出。塊303的輸出303a (可以被看作擴(kuò)展信息表示型態(tài)R)為大小NfXNnZRc 的 Cf · m (I)
塊304的輸出304a (可以被看作結(jié)合信息同步表示型態(tài)C)為大小Nf XNm/Rc 的 S ο (Cf · m) (2)其中，Q表不 Schur 逐兀素乘積(Schur element-wise product),并且S=大小 NfXNm/Rc 的[· · · a b c. · · a b. · · ] (3)305 的輸出 3O5a 為大小Nf XNt · NnZRcOcJ(A)其中， 和T分別表示Kronecker乘積和轉(zhuǎn)置。請(qǐng)記住，二進(jìn)制數(shù)據(jù)被表示為±1?！K306執(zhí)行比特的差分編碼。該步驟給出了抵抗由于移動(dòng)或本地振蕩器不匹配導(dǎo)致的相移的系統(tǒng)附加穩(wěn)健性。在章節(jié)3. 3中給出了關(guān)于該問題的更多細(xì)節(jié)。如果b(i;j)是在塊306的輸入端處的第i個(gè)頻帶以及第j個(gè)時(shí)間塊的比特，則輸出比特bdiff(i ；j)為bdiff(i, j)=bdiff(i, j-1) · b(i, j) (5)在流開始時(shí)，即，對(duì)于j=0，bdiff (i，j - I)被設(shè)置為I。塊307根據(jù)在其輸入端給出的二進(jìn)制信息306a執(zhí)行實(shí)際調(diào)制，即，生成水印信號(hào)波。在圖4中給出了更詳細(xì)的圖表。Nf個(gè)并行輸入，S卩，401至40Nf包含不同子帶的比特流。每個(gè)子帶流的每個(gè)比特通過位成型塊(411至41Nf)來處理。位成型塊的輸出為時(shí)域中的波形。如下計(jì)算基于輸入比特1^ (1，j)針對(duì)第j個(gè)時(shí)間塊和第i個(gè)子帶生成的由sid(t)表示的波Si, j(t)=bdiff (i, j) Y (i, j) · gjt-j, Tb) (6)其中，y (i ；j)是由心理聲學(xué)處理單元102提供的加權(quán)因子，Tb為比特時(shí)間間隔，gi(t)為第i個(gè)子帶的比特形成函數(shù)(bit forming function)。根據(jù)用余弦在頻率下調(diào)制的基帶函數(shù)來獲得比特形成函數(shù)W(1) /// (Π ' cuk(2-,/V)(7)其中，&為第i個(gè)子帶的中心頻率，并且標(biāo)號(hào)T表示轉(zhuǎn)置器。對(duì)于每個(gè)子帶，基帶函數(shù)可以不同。如果選擇相同，則解碼器處的更有效實(shí)現(xiàn)是可能的。更多細(xì)節(jié)參見章節(jié)3. 3。在由心理聲學(xué)處理模塊(102)控制的迭代處理中重復(fù)用于每個(gè)比特的比特成型。為了微調(diào)權(quán)重Y (i，j)以在保持水印不被聽到的同時(shí)為水印分配盡可能多的能量，迭代是必要的。在章節(jié)3. 2中給出了更多細(xì)節(jié)。在第i個(gè)比特成型濾波器41i的輸出端處的完整波為$,.(,) = Σ 5,,/0(8)
J盡管主要能量集中在比特間隔內(nèi)，但對(duì)于遠(yuǎn)大于Tb的時(shí)間間隔，比特形成基帶函
數(shù)g: 通常不為零。在圖12中可以看出一個(gè)實(shí)例，在圖12中，對(duì)于兩個(gè)相鄰的比特繪制
了相同的比特形成基帶函數(shù)。在附圖中，使Tb=40ms。Tb的選擇以及函數(shù)的形狀都對(duì)系統(tǒng)有很大的影響。實(shí)際上，較長(zhǎng)的符號(hào)提供了較窄的頻率響應(yīng)。這在回響環(huán)境中特別有益。實(shí)際上，在這種場(chǎng)景下，加水印后的信號(hào)經(jīng)由多個(gè)傳播路徑到達(dá)麥克風(fēng)，每個(gè)傳播路徑都以不同的傳播時(shí)間為特征。所得到的信道表現(xiàn)出強(qiáng)頻率選擇性。在時(shí)域中進(jìn)行解釋，當(dāng)具有可與比特間隔相比的延遲的回聲產(chǎn)生建設(shè)性的干擾時(shí)，較長(zhǎng)的符號(hào)是有益的，這意味著，回聲增大了接收到信號(hào)的能量。盡管如此，較長(zhǎng)的符號(hào)也有一些缺陷；較大的重疊可能導(dǎo)致符號(hào)間干擾(ISI)并且肯定更難以隱藏在音頻信號(hào)中，使得心理聲學(xué)處理模塊將允許相比于較短的符號(hào)更少的能量。通過將比特形濾波器的所有輸出相加獲得水印信號(hào)
權(quán)利要求
1.一種水印信號(hào)提供器(2400)，用于提供當(dāng)被添加到音頻信號(hào)(2430 ；106)時(shí)適于隱藏在所述音頻信號(hào)中的水印信號(hào)(2440 ;101b)，使得所述水印信號(hào)表示水印數(shù)據(jù)(2450 ；101a)，所述水印信號(hào)提供器包括 心理聲學(xué)處理器(2410 ;102)，用于確定所述音頻信號(hào)的掩蔽閾值；以及 調(diào)制器(2420 ;307)，用于根據(jù)以所述水印數(shù)據(jù)的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本時(shí)間間隔(Tb)彼此隔開的樣本成型函數(shù)的疊加，來生成所述水印信號(hào)，每個(gè)所述樣本成型函數(shù)分別用所述時(shí)間離散表示型態(tài)的相應(yīng)樣本來幅度加權(quán)，所述相應(yīng)樣本與取決于所述掩蔽閾值的相應(yīng)幅度權(quán)重相乘，所述調(diào)制器被配置為使得 所述樣本時(shí)間間隔短于所述樣本成型函數(shù)的時(shí)間延伸；以及 所述相應(yīng)幅度權(quán)重還取決于在時(shí)間上與所述相應(yīng)樣本相鄰的所述時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水印信號(hào)提供器，其中，所述心理聲學(xué)處理器被配置為確定獨(dú)立于所述水印數(shù)據(jù)的所述掩蔽閾值，并且所述調(diào)制器被配置為通過以下項(xiàng)來迭代地生成所述水印信號(hào) 基于獨(dú)立于所述水印數(shù)據(jù)的所述掩蔽閾值，初步確定初步幅度權(quán)重； 檢查使用所述初步幅度權(quán)重作為所述相應(yīng)幅度權(quán)重的所述樣本成型函數(shù)的疊加是否干擾所述掩蔽閾值；以及 如果使用所述初步幅度權(quán)重作為所述相應(yīng)幅度權(quán)重的所述樣本成型函數(shù)的疊加干擾了所述掩蔽閾值，則改變所述初步幅度權(quán)重，以獲得使用改變了的幅度權(quán)重作為所述相應(yīng)幅度權(quán)重的所述樣本成型函數(shù)的疊加。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的水印信號(hào)提供器，還包括用于在時(shí)間上擴(kuò)展所述水印數(shù)據(jù)以獲得所述時(shí)間離散表示型態(tài)的時(shí)間擴(kuò)展器(305)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的水印信號(hào)提供器，還包括用于在頻域中擴(kuò)展所述水印數(shù)據(jù)以獲得所述時(shí)間離散表示型態(tài)的頻率擴(kuò)展器(303)。
5.根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的水印信號(hào)提供器，其中，所述心理聲學(xué)處理器包括用于使用大約為所述樣本時(shí)間間隔的第一窗口長(zhǎng)度而通過重疊變換將所述音頻信號(hào)從所述時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域的時(shí)間/頻率分析器(501)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水印信號(hào)提供器，其中，所述時(shí)間/頻率分析器被配置為也使用短于所述第一窗口長(zhǎng)度的第二窗口長(zhǎng)度而通過所述重疊變換將所述音頻信號(hào)從所述時(shí)域轉(zhuǎn)換到所述頻域。
7.根據(jù)以上任一權(quán)利要求所述的水印信號(hào)提供器，其中，所述時(shí)間離散表示型態(tài)由時(shí)間離散子帶組成，其中，所述調(diào)制器被配置為針對(duì)每個(gè)時(shí)間離散子帶根據(jù)以所述樣本時(shí)間間隔隔開的樣本成型函數(shù)的疊加，來生成所述水印信號(hào)，其中，每個(gè)所述樣本成型函數(shù)分別用所述相應(yīng)時(shí)間離散子帶的相應(yīng)樣本來幅度加權(quán)，所述相應(yīng)樣本與取決于所述掩蔽閾值的相應(yīng)幅度權(quán)重相乘，用于所述相應(yīng)時(shí)間離散子帶的疊加的所述樣本成型函數(shù)包括在所述相應(yīng)時(shí)間尚散子帶的中心頻率處的載波頻率。
8.一種水印嵌入器，包括 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的水印信號(hào)提供器，用于提供當(dāng)被添加到音頻信號(hào)時(shí)適于隱藏在所述音頻信號(hào)中的水印信號(hào)，使得所述水印信號(hào)表示水印數(shù)據(jù)，以及相加器，用于將所述水印信號(hào)和所述音頻信號(hào)相加以獲得加水印的音頻信號(hào)。
9.一種用于提供當(dāng)被添加到音頻信號(hào)(106)時(shí)適于隱藏在所述音頻信號(hào)中的水印信號(hào)(IOlb)的方法，使得所述水印信號(hào)表示水印數(shù)據(jù)(101a)，所述方法包括 確定所述音頻信號(hào)的掩蔽閾值；以及 根據(jù)以所述水印數(shù)據(jù)的時(shí)間離散表示的樣本時(shí)間間隔(Tb)彼此隔開的樣本成型函數(shù)的疊加，來生成所述水印信號(hào)，每個(gè)所述樣本成型函數(shù)分別用所述時(shí)間離散表示型態(tài)的相應(yīng)樣本來幅度加權(quán)，所述相應(yīng)樣本與取決于所述掩蔽閾值的相應(yīng)幅度權(quán)重相乘，所述生成被執(zhí)行為使得 所述樣本時(shí)間間隔短于所述樣本成型函數(shù)的時(shí)間延伸；以及 所述相應(yīng)幅度權(quán)重還取決于在時(shí)間上與所述相應(yīng)樣本相鄰的所述時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本。
10.一種水印嵌入方法，包括 根據(jù)權(quán)利要求9提供當(dāng)被添加到音頻信號(hào)時(shí)適于隱藏在所述音頻信號(hào)中的水印信號(hào)，使得所述水印信號(hào)表示水印數(shù)據(jù)； 將所述水印信號(hào)和所述音頻信號(hào)相加，以獲得加水印的音頻信號(hào)。
11.一種計(jì)算機(jī)程序，存儲(chǔ)有用于當(dāng)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法的指令。
全文摘要
描述了一種水印信號(hào)提供器(2400)，用于提供當(dāng)被添加到音頻信號(hào)(2430)時(shí)適于隱藏在音頻信號(hào)中的水印信號(hào)(2440)，使得水印信號(hào)表示水印數(shù)據(jù)(2450)。該水印信號(hào)提供器包括心理聲學(xué)處理器(2410)，用于確定音頻信號(hào)的掩蔽閾值；以及調(diào)制器(2420)，用于根據(jù)樣本成型函數(shù)的疊加生成水印信號(hào)，樣本成型函數(shù)以水印數(shù)據(jù)的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本時(shí)間間隔(Tb)彼此隔開，每個(gè)樣本成型函數(shù)分別用時(shí)間離散表示型態(tài)的相應(yīng)樣本幅度加權(quán)，該相應(yīng)樣本與取決于掩蔽閾值的相應(yīng)幅度權(quán)重相乘，調(diào)制器被配置為使得樣本時(shí)間間隔短于樣本成型函數(shù)的時(shí)間延伸；該相應(yīng)幅度權(quán)重還取決于在時(shí)間上與相應(yīng)樣本相鄰的時(shí)間離散表示型態(tài)的樣本。
文檔編號(hào)G10L19/00GK102959622SQ201180020596
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者斯特凡·瓦布尼克, 約爾格·皮克爾, 伯特·格文博希, 伯恩哈德·格里, 恩斯特·埃伯萊因, 喬瓦尼·德爾加爾多, 斯特凡·克雷格洛, 賴因哈德·茲茨曼, 托比亞斯·布利姆, 尤利婭內(nèi)·博爾蘇姆, 馬爾科·布雷林 申請(qǐng)人:弗蘭霍菲爾運(yùn)輸應(yīng)用研究公司