專利名稱：無損數(shù)據(jù)嵌入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無損地將數(shù)據(jù)嵌入宿主信號的方法和設(shè)備。此外，本發(fā)明還涉及那些用于重現(xiàn)數(shù)據(jù)以及重建宿主信號的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
很多水印和數(shù)據(jù)隱藏方案都有一個不好的副作用，即嵌入了輔助數(shù)據(jù)的復(fù)合信號(例如圖像、視頻、音頻)將會出現(xiàn)失真。因此，尋找嵌入數(shù)據(jù)量與所引發(fā)失真之間的最優(yōu)平衡點就成了一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。而在理解水印及數(shù)據(jù)隱藏方案的容量-失真的基本限制的過程中也已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進展。
有時，人們不僅希望得到只有少量失真的嵌入數(shù)據(jù)，而且還希望能夠徹底地消除所述失真。提供這種能力的數(shù)據(jù)嵌入方案則稱為無損或可逆數(shù)據(jù)隱藏或嵌入方案。如果不允許初始宿主信號降級，那么無損數(shù)據(jù)隱藏方案將是非常重要的。舉例來說，這種情況對于醫(yī)學(xué)成像和貴重原著的多媒體存檔而言都是成立的。
在下面這篇文章中公開了一種已知的無損數(shù)據(jù)隱藏方法Jessica Fridrich、Miroslav Goljan和RuiDu，“Lossless DataEmbedding for all Image Formats”，Proceedings of SPIE，Securityand Watermarking of Multimedia Contents，San Jose，California，2002。在這種已知的方法中，信號X的一個特征或子集B(例如位像的最低有效位平面，或是JPEG圖像的特定DCT系數(shù)的最低有效位)是從信號X中提取出來的并且經(jīng)歷了無損壓縮。經(jīng)過壓縮的子集B與輔助數(shù)據(jù)(凈荷)級聯(lián)并且被插入到信號X中，以便取代初始子集。該方法基于這樣一種假設(shè)，那就是在保持信號X的感觀質(zhì)量的同時，可以對子集B(i)無損壓縮以及(ii)隨機化。
在接收機一端則可以通過使用常規(guī)設(shè)備來再現(xiàn)這種失真的復(fù)合信號。為了完全去除該失真，將會提取并解壓縮那些包含壓縮子集的級聯(lián)比特流。隨后則將初始子集B重新插入到信號X中。
Fridrich等人的論文雖然公開了無損數(shù)據(jù)隱藏的實際實例，但是根本沒有注意到無損嵌入方案的理論極限。
發(fā)明目的和概述本發(fā)明的一個目的是提供那些在比率-失真方面更為有效的無損數(shù)據(jù)嵌入方案。
為此目的，本發(fā)明提供了一種用于將輔助數(shù)據(jù)嵌入宿主信號的方法和設(shè)備，所述方法包括如下步驟使用一個具有給定嵌入比率和失真的預(yù)定數(shù)據(jù)嵌入方法來產(chǎn)生一個復(fù)合信號；使用一部分所述嵌入比率來接納恢復(fù)數(shù)據(jù)，其中所述恢復(fù)數(shù)據(jù)識別的是那些取決于復(fù)合信號的宿主信號；以及使用剩余的嵌入比率來嵌入輔助數(shù)據(jù)。
本發(fā)明利用的是這樣一種見解，那就是在給出了接收到的復(fù)合信號的情況下，接收機有能力消除初始宿主信號的不確定性。消除不確定性所需要的數(shù)據(jù)量要小于對初始宿主信號本身進行編碼所需要的數(shù)據(jù)量。此外，發(fā)明人還用公式表示了無損數(shù)據(jù)嵌入容量的理論極限。
附圖簡述

圖1顯示了一個表示無損數(shù)據(jù)嵌入方案的極限的圖示。
圖2示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明而在宿主信號中無損嵌入輔助數(shù)據(jù)的設(shè)備的圖示。
圖3顯示了一個對依照本發(fā)明的無損數(shù)據(jù)嵌入設(shè)備的實施例的性能進行描述的圖示。
圖4顯示的是一個根據(jù)本發(fā)明來重建宿主信號的設(shè)備的示意圖。
圖5和6描述的是根據(jù)本發(fā)明而在宿主信號中接納恢復(fù)數(shù)據(jù)的實施例。
圖7和8顯示的是描述對稱與非對稱信道之間差別的圖示。
優(yōu)選實施例的描述這里首先對現(xiàn)有技術(shù)的壓縮和比特替換方案進行更一般的論述。Fridrich等人的信號源產(chǎn)生一個信號采樣序列，例如圖像像素。所壓縮信號的子集B(位平面，特定DCT系數(shù)的最低有效比特位)構(gòu)成了一個二進制符號源x1...xN。假設(shè)概率p0＝Pr{x＝0}與p1＝Pr{x＝1}并不相等，也就是說，信源熵H(p0)＝-p0log2(p0)-p1log2(p1)小于1。在這種情況下，信息論中的教導(dǎo)是可以將N個符號的序列壓縮成一個具有K＝N×H(p0)個符號的更短序列y1...yK。現(xiàn)在，通過將N×(1-H(p0))個輔助數(shù)據(jù)符號附加于序列y1...yK，可以獲取一種可逆的數(shù)據(jù)隱藏方案。舉例來說，如果p0＝0.9并且p1＝0.1，那么信源熵將是H(p0)≈0.47，由此(對很大的N來說)只需要0.47×N個比特就能表示初始宿主符號。相應(yīng)地，在這里也可以將0.53×N個輔助數(shù)據(jù)符號作為凈荷嵌入序列y1...yN的剩余部分。在解碼器一端，初始序列x1...xN是通過解壓縮y1...yK而得到恢復(fù)的。序列的剩余部分yK+1...yN則解譯成了輔助數(shù)據(jù)。
對Fridrich等人的嵌入方案來說，其數(shù)據(jù)比率是R＝1-H(p0)比特/采樣。由于壓縮序列y1...yK的各位與x1...xN的各位不相關(guān)并且輔助數(shù)據(jù)是隨機選擇的，因此很容易看出x1...xN與y1...yN之間的失真是D＝0.5。只要對x1...xn中的一小部分α的符號進行構(gòu)造，就可以減少Fridrich等人的方案中的失真。這種處理稱為時間共享技術(shù)。然后，數(shù)據(jù)比率和失真都會下降因數(shù)α。這種“簡單”的時間共享嵌入方案的最終數(shù)據(jù)比率和失真分別是R＝α(1-H(p0))以及D＝α/2，或者RSimple(D)＝2D(1-H(p0)) (1)在圖1中，p0＝0.9的線性比率失真函數(shù)顯示為點劃線11。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)線性等式(1)并不是最優(yōu)的。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了無損數(shù)據(jù)嵌入容量的理論極限。更為特別的是，對用于無記憶二進制信源的可逆嵌入方案和p0≥0.5的情況而言，可以實現(xiàn)的數(shù)據(jù)比率Rrev是Rrev＝H(max(p0-D，0.5))-H(p0) (2)其中0≤D≤0.5就p＝0.9的情況而言，這個比率失真函數(shù)是作為實線12而在圖1中顯示的。等式(2)一般適用的是非對稱信道(發(fā)明人將“信道”這一概念用于數(shù)據(jù)嵌入器)。而對那些對稱信道而言，所述比率為Rsym＝H(p0+(1-2p0)D)-H(p0) (3)就p0＝0.9的情況而言，這個比率失真函數(shù)是作為虛線13而在圖1中顯示的。對稱信道的嵌入比率始終介于最佳嵌入比率與時間共享嵌入比率之間。稍后將會給出關(guān)于對稱和非對稱信道的實用范例。在圖1中，線條11、12和13涉及的是p0＝0.9(以及p1＝0.1)。出于例示目的，在這里還顯示了p0＝0.8的相似線條14、15和16。
圖2顯示的是依照本發(fā)明的無損數(shù)據(jù)嵌入設(shè)備的概括性示意圖。該設(shè)備接收圖像Im這類感知宿主信號的數(shù)字表示。提取級21從中提取一個將要嵌入輔助數(shù)據(jù)的宿主符號序列X＝{x1...xN}。與Fridrich等人的嵌入方案相類似的是，所述宿主信號可以通過從圖像中提取位平面或特定DCT系數(shù)的最低有效位來獲取。
該設(shè)備還包括一個數(shù)據(jù)嵌入器23，從嵌入器引入宿主信號失真這個意義上講，所述數(shù)據(jù)嵌入器是一個常規(guī)設(shè)備。此外通常是使用“均方誤差(squared error)”來表示所述失真的D(x，y)＝(y-x)2嵌入過程將會產(chǎn)生一個復(fù)合信號Y＝{y1...yN}。一開始，假設(shè)宿主信號X與復(fù)合信號Y都是結(jié)合了字母表{0，1}的二進制信號。插入級22會將復(fù)合信號Y回插到圖像中，以便獲取一個印有水印的圖像Im′。
恢復(fù)編碼器24接收宿主信號X和復(fù)合信號Y?；謴?fù)編碼器保持了對哪些宿主符號進行何種修改的記錄，并且將所述信息編碼到恢復(fù)數(shù)據(jù)r中。在這里必須對關(guān)于“對哪些宿主符號進行何種修改”的表述進行概括性的解釋。如果失真是D＝0或D＝1(這是本實施例中的情況)，那么它有能力識別哪些符號遭受到失真。而對其它類型的嵌入器23來說，其中還必須對失真量進行編碼。應(yīng)該注意的是，恢復(fù)編碼器24表示的是本發(fā)明的一個功能性特征。同樣，所述電路無需以物理方式給出。在以下介紹的關(guān)于設(shè)備的實用實施例中，關(guān)于哪些符號出現(xiàn)失真的信息固有地由嵌入器23自身所產(chǎn)生。
在這里將會顯示，以比特/符號為單位的恢復(fù)數(shù)據(jù)比率要小于嵌入器23的嵌入比率。而剩余嵌入容量則被用于嵌入輔助數(shù)據(jù)(凈荷)w。恢復(fù)數(shù)據(jù)r與凈荷w是在級聯(lián)電路25中級聯(lián)的。此外，出于嵌入目的而被應(yīng)用于嵌入器23的是級聯(lián)數(shù)據(jù)d。
在該設(shè)備的一個優(yōu)選實施例中，嵌入器23是依照下述論文中的教導(dǎo)來操作的M.van Dijk和F.M.J.willems，“EmbeddingInformation in Gray scale Images”，Proceedings of the 22ndSymposium on Information Theory in the Benelux，Enschede，TheNetherlands，2001年5月15～16日，pp.147-154。在這篇論文中，作者描述了具有高效的比率-失真比率的有損嵌入方案。更為特別的是，這其中將數(shù)量為L(L＞1)的宿主信號采樣聚集在一起，從而提供了一個宿主符號塊或矢量。塊中的宿主符號是以這樣一種方式修改的，其中所述塊的校正子代表了一個或多個(但是少于L)嵌入消息符號d。
在糾錯領(lǐng)域中，表述“檢驗子”是一個眾所周知的概念。在糾錯方案中，接收數(shù)據(jù)字的檢驗子是通過將接收數(shù)據(jù)字與給定矩陣相乘而被確定的。如果檢驗子為零，那么數(shù)據(jù)字是正確的。如果檢驗子不等于零，那么所述非零值表示的是出錯數(shù)據(jù)字符號的位置(或多個位置)。漢明糾錯碼具有大小為3的漢明距離。它們能夠糾正1個出錯的數(shù)據(jù)符號。諸如戈萊碼之類的其他編碼則允許糾正數(shù)據(jù)字的多個符號。
從數(shù)學(xué)角度來看，M.van Dijk等人所教導(dǎo)的數(shù)據(jù)嵌入方法與糾錯技術(shù)相類似。為了將消息符號d嵌入一個具有L個宿主符號x1...xL的塊中，嵌入器修改了該塊的一個或多個宿主符號。輸出塊y1...yL是以數(shù)學(xué)方式計算得到的，所述輸出塊具有預(yù)期的檢驗子，以及從漢明碼的意義上講，它是最接近x1...xL的。作為實例，現(xiàn)在將對使用了塊長L＝3的漢明碼的數(shù)據(jù)嵌入處理進行簡要概述。
為了計算3比特的塊或矢量的檢驗子，所述矢量將與以下的3×2奇偶校驗矩陣相乘011101]]>應(yīng)該注意的是，所有數(shù)學(xué)運算都是模2運算。例如，輸入矢量(001)的檢驗子是(11)，因為011101×001=11]]>這個檢驗子(11)表示的是被嵌入的數(shù)據(jù)。很明顯，宿主矢量的檢驗子通常并不是所要嵌入的消息。因此必須對其中一個宿主符號進行修改。舉例來說，如果所要嵌入的是消息(01)而不是(11)，那么嵌入器23將會改變第二個宿主符號，由此將初始宿主矢量(001)改為(011)011101×011=01]]>對這種依照三個符號的嵌入方案來說，其失真為14·02+34·12=34]]>(宿主符號不變的概率是1/4，其中一個符號改變了±1的概率是3/4)，這樣一來，每個符號的平均失真是D＝1/4。嵌入比率是2比特/塊，即R＝2/3比特/符號。在圖3中，相應(yīng)(R，D)對是由302所表示的標記+來顯示的。
在一種類似方式中，可以將3個數(shù)據(jù)比特嵌入一個具有7個信號符號的塊，并且可以將4個比特嵌入15個信號符號等等。更一般來說，基于漢明碼的嵌入方案允許通過修改至多一個宿主符號而在具有L＝2m-1個宿主符號的塊中嵌入m個消息符號。嵌入比率為R=m2m-1]]>并且失真為D=12m]]>圖3把與m＝2、3、......、6相對應(yīng)的(有損，不可逆)嵌入方案的相應(yīng)(R，D)對顯示為302、303、......306所示的標記+。在這里將對應(yīng)于m＝1(這是簡單的比特替換)的(R，D)對顯示成由301表示的標記+。應(yīng)該注意的是，(R，D)的值不取決于二進制信源熵H(p)。此外，圖3還顯示了Fridrich等人給出的p0＝0.9的無損嵌入方案的(R，D)對300(R＝0.53比特/符號，D＝0.5)。作為參考，在圖3中還顯示了p0＝0.9(參看圖1)的無損嵌入方案的理論極限11、12和13。
依照本發(fā)明，現(xiàn)在使用了一部分嵌入消息數(shù)據(jù)比特d來識別是否修改了其中一個信號采樣，如果是的話，則識別所修改的是哪一個信號采樣。對塊長為3(m＝2，L＝3)的漢明碼來說，這其中存在4種可能性并未修改這三個宿主符號中的任何一個符號，修改了第一個符號，修改了第二個符號或者修改了第三個符號。如果信號源的熵H(p)等于1，那么所有事件都具有相同概率。這種情況下則需要恢復(fù)每一個塊的嵌入消息比特。然而，如果信號源的熵H(p)不等于1，那么這些事件將會具有不同概率，并且只有少于m個恢復(fù)比特是必需的。由此為宿主符號塊中的被嵌入“真實”輔助數(shù)據(jù)比特(也稱為凈荷)留下了空間。
與Fridrich等人所給出的實例相類似的是，在這里假設(shè)p0＝0.9。相應(yīng)地，信源產(chǎn)生宿主矢量(000)的概率P(x＝000)是(0.9)3≈0.729。信源產(chǎn)生宿主矢量(001)的概率P(x＝001)是(0.9)2×(0.1)≈0.081，等等。假設(shè)所述設(shè)備的嵌入器23產(chǎn)生了一個復(fù)合矢量y＝000。初始宿主矢量x有可能是(000)。在這種情況下，沒有一個初始信號采樣已經(jīng)被修改。然而，初始宿主矢量也可以是(001)、(010)或(100)。這種情況下將會有一個宿主信號已經(jīng)被修改。如果產(chǎn)生y＝000，那么宿主矢量為x＝000的概率是p(x=000|y=000)=p(x=000)p(x=000)+p(x=001)+p(x=010)+p(x=100)=0.75]]>在一種相似方式中，可以對y＝000源自宿主矢量(001)、(010)或(100)的概率進行計算。這將會產(chǎn)生p(x＝001|y＝000)＝0.083p(x＝010|y＝000)＝0.083p(x＝100|y＝000)＝0.083因此，每一個合成矢量都具有一個關(guān)聯(lián)條件概率集合p(x|y)。在下表中對其進行了概括。所述表格還包含了每一個塊y的相應(yīng)條件熵H(x|y)。所述條件熵表示的是在給出了y的情況下的初始矢量x的不確定性。此外，該表還包含了在假設(shè)消息00、01、10和11具有相同概率1/4的情況下的各個矢量y的概率p(y)。舉例來說，所述概率P(y＝000)是如下計算的p(y=000)=14p(x=000)+14p(x=001)+14p(x=010)+14p(x=100)=0.2430]]>
在給出了y的情況下，在所有塊y上求平均值的信源條件熵H(X|Y)代表了重建x的比特數(shù)目。在本實例中，所述平均熵等于
相應(yīng)地，在這里需要每個塊都具有0.8642個恢復(fù)比特，以便對初始塊進行識別。由此將會為嵌入凈荷留下2-0.8642＝1.1358比特/塊。這樣一來，數(shù)據(jù)比率R為
應(yīng)該注意的是，現(xiàn)在指定給嵌入數(shù)據(jù)d的特定意義并不影響復(fù)合信號的失真D。如先前所述，這種無損嵌入方案的失真是D＝1/4在圖3中，相應(yīng)的(R，D)對是由312所表示的標記◇來顯示的。應(yīng)該了解的是，與Fridrich等人提出的具有相同失真(參見333)的無損嵌入方案相比，這種無損嵌入方案具有高出很多的嵌入比率R。在類似方式中也可以對長度為7、15、31、63等等的漢明碼的比率失真對進行計算。圖3則將m＝3...6的相應(yīng)(R，D)對顯示成由313...316所表示的標記◇。
圖4顯示的是用于從接收到的復(fù)合信號中重建初始宿主信號的設(shè)備的示意圖。該設(shè)備接收一個帶有水印的圖像Im′。接收到的圖像則是初始圖像Im的略帶失真的版本。并且所述圖像可以直接施加給一個再現(xiàn)設(shè)備，以便進行顯示。所述設(shè)備還包括一個從接收到的圖像中提取嵌入了數(shù)據(jù)d的復(fù)合信號Y＝{y1...yN}(例如給定位平面)的提取級41。該提取級41與圖2所示的嵌入設(shè)備的提取級21是相同的。
復(fù)合信號Y施加給一個數(shù)據(jù)重現(xiàn)電路43，其中所述電路重現(xiàn)那些嵌入到復(fù)合信號中的數(shù)據(jù)d。在通過使用長為L的漢明碼來嵌入數(shù)據(jù)d的優(yōu)選實施例中，所述重現(xiàn)電路43將會確定每一個符號塊y1...yL的檢驗子。所提取的數(shù)據(jù)是級聯(lián)的凈荷w和恢復(fù)比特r。它們是在一個分離器44中分離的，其中所述分離器執(zhí)行的是圖2所示的級聯(lián)電路26的逆操作。并且由此可以重現(xiàn)凈荷w。
重建單元45使用恢復(fù)比特r以及復(fù)合信號Y來重建初始宿主信號X。在這里安排重建單元來消除應(yīng)用于初始宿主信號X＝x1...xn的一個或多個修改。在優(yōu)選實施例中，恢復(fù)數(shù)據(jù)r識別是否修改了塊Y中的一個符號，如果是的話，則識別所修改的是哪一個符號。在更常見的作法中，恢復(fù)數(shù)據(jù)識別的是符號y1...yN的失真D。最終，重建的宿主信號X由插入級42回插到圖像中，以便獲取初始圖像Im。所述插入級42與圖2所示的嵌入設(shè)備的插入級21是相同的。
在上述實施例中，假設(shè)宿主信號X、復(fù)合信號Y以及數(shù)據(jù)符號都是結(jié)合了字母表{0，1}的二進制信號。然而，本發(fā)明并不局限于二進制信號。舉例來說，在這里也可以使用van Dijk等人的論文中所公開的三元嵌入方案。在一個三元數(shù)據(jù)嵌入器中，數(shù)據(jù)符號屬于字母表{0，1，2}。更為特別的是信號采樣值y＝0、3、6...表示的是消息符號d＝y(tǒng) mod 3＝0，信號采樣值y＝1、4、7...表示的是消息符號d＝y(tǒng) mod 3＝1，以及信號采樣值y＝2、5、8...表示的是消息符號d＝y(tǒng) mod 3＝2。
現(xiàn)在，數(shù)據(jù)嵌入器23(參見圖2)接收初始圖像信號(電路21和22是多余的)，并且修改信號采樣xi的最低有效部分，從而使嵌入在已修改采樣yi中的數(shù)據(jù)將會是d。在針對二進制嵌入所描述的相似方式中，也可以將三元符號嵌入宿主符號組。同樣，在這里也可以使用(三元)漢明碼或(三元)戈萊碼來完成這個操作。在申請人提交的未公開的國際專利申請IB02/01702(律師案卷號PHNL010358)中描述了與之相關(guān)的實例。
在另一個數(shù)據(jù)嵌入方案中，消息符號d嵌入到信號采樣對中。在這個方案中，信號采樣(xa，xb)的二維符號空間是用5種顏色“染色”的。網(wǎng)格上的每個點都表示一對信號采樣，并且具有與其鄰居顏色不同的顏色。其中所述顏色是用0...4來進行編號的，并且每一種顏色都代表了一個消息符號d∈{0，1，2，3，4}。在這個實施例中，嵌入器23檢查(xa，xb)是否具有將要嵌入的顏色d。如果不是的話，則它改變符號對(xa，xb)，從而使經(jīng)過修改的符號對具有顏色d。應(yīng)該了解的是，二維嵌入方案可以擴展到更多的維數(shù)。例如在三維網(wǎng)格中，每一個點不但可以移動到同一層的四個相鄰位置，而且還可以上下移動。這時可用的則是七種顏色，也就是七個消息符號。
現(xiàn)在將對那些在嵌入數(shù)據(jù)d中接納恢復(fù)數(shù)據(jù)r的特定方法的實用實施例進行描述。在這方面應(yīng)該注意的是，使用給定嵌入器23所獲取的嵌入比率R(例如，對使用塊長為3的漢明碼的二進制嵌入而言，R＝0.3786比特/符號)是最大的。所述嵌入比率則趨近于長的(N值很大)宿主信號采樣序列。
在依照本發(fā)明的方法的第一實施例中，宿主信號劃分成足夠大的分段。每一個分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)則是在后續(xù)分段中接納。剩余的容量將被用于嵌入凈荷。圖5顯示了這種處理，其中數(shù)字51表示初始宿主信號Im。該信號分成了若干個分段S(n)，每一個分段都包含了給定數(shù)目的信號采樣(在這里是圖像象素)。數(shù)字52表示的是與信號時間對齊的嵌入數(shù)據(jù)流d。如所述，在這里已經(jīng)將分段S(n)的恢復(fù)比特r(n)嵌入到分段S(n+1)中。分段S(n+1)的剩余部分則被用于接納凈荷w。應(yīng)該注意的是，恢復(fù)比特的確切數(shù)目可能會隨著分段而不同。此外，舉例來說，較為有利的是通過給各個恢復(fù)比特序列提供恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)束碼而在分段中識別恢復(fù)比特r與凈荷w之間的邊界。
圖5中顯示的圖形只是用于說明目的。假設(shè)分段的長度是N個(在這里N＝3000)信號符號。嵌入器23(參見圖2)基于塊長為3的漢明碼。該嵌入器的嵌入比率為R(在這里R＝2/3)比特/符號，它允許將R×N(在這里為2000)個比特嵌入到各個分段中。對給定概率p0(在這里是0.9)而言，信源熵是H(X|Y)(在這里是0.8642/3≈0.3比特/符號)。在給出了Y的情況下，用于消除分段X的不確定性的恢復(fù)比特數(shù)目是H(X|Y)×N(在這里是0.3比特/符號×3000符號＝900比特)。由此將會為凈荷留下R×N-H(X|Y)×N(在這里是2000-900＝1100)個比特。
圖6顯示的是用于接納恢復(fù)比特的替換實施例。在這個實施例中為具有給定初始長度的分段S(n)只提供了凈荷w。而分段S(n)的恢復(fù)比特r(n)則是在后續(xù)分段S(n+1)中接納?，F(xiàn)在則為后續(xù)分段S(n+1)指定了一個接納恢復(fù)比特r(n)所需要的長度。分段S(n+1)需要將新的數(shù)目的恢復(fù)比特r(n+1)嵌入到另一個分段S(n+2)中，等等。并且舉例來說，這個處理將會多次重復(fù)進行，直到后續(xù)分段小于某個給定閾值。然后則為給定初始長度的新分段S(.)重復(fù)執(zhí)行整個處理。
將輸入符號或矢量X變成輸出符號或矢量Y的數(shù)據(jù)嵌入器表示的是一個“信道”。迄今描述的數(shù)據(jù)嵌入器構(gòu)成了一個對稱信道。這一點可以在圖7中看出，其中圖7是先前所述的基于塊長為3的漢明碼的數(shù)據(jù)嵌入器的圖形表示。圖8是非對稱信道的圖形表示。這個特定實施例是通過在嵌入d＝00時將輸入矢量(001)、(010)以及(100)修改成y＝(111)而不是y＝(000)來完成的(優(yōu)選地，1不變?yōu)?)。這種嵌入方案的嵌入比率是R＝0.4335比特/符號(與相應(yīng)的對稱信道比率R＝0.3786相比較)。由于矢量的2個比特而不是1個比特有時會發(fā)生變化，因此失真要稍大一些。在這種情況下，失真是D＝0.2701(與對稱信道的D＝0.25相比較)。圖3中的參考數(shù)字322表示相應(yīng)的(R，D)對。從圖中可以看出，非對稱信道的性能介于界線12與13之間。
本發(fā)明可以概括如下。水印或數(shù)據(jù)隱藏方案具有一個不期望的副作用，那就是導(dǎo)致宿主信號失真。本發(fā)明公開了一種可逆或無損數(shù)據(jù)隱藏方案，它允許(在沒有附加信令的情況下)完整并隱蔽(blind)地重建宿主信號(X)。在給出了復(fù)合信號的情況下，這可以通過在帶有水印信號(Y)的被嵌入數(shù)據(jù)(d)中接納識別宿主信號的恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)來實現(xiàn)，也就是說，恢復(fù)數(shù)據(jù)識別(24)在嵌入(23)過程中宿主信號受到何種修改?；謴?fù)數(shù)據(jù)在常規(guī)嵌入器(23)的一部分嵌入容量中被接納。而剩余容量則被用于嵌入凈荷(w)。
權(quán)利要求
1.一種在宿主信號中嵌入輔助數(shù)據(jù)的方法，該方法包括以下步驟使用一個具有給定嵌入比率和失真的預(yù)定數(shù)據(jù)嵌入方法來產(chǎn)生一個復(fù)合信號；使用所述嵌入比率的一部分來接納恢復(fù)數(shù)據(jù)，其中所述恢復(fù)數(shù)據(jù)識別那些取決于所述復(fù)合信號的宿主信號；以及使用剩余嵌入比率來嵌入所述輔助數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟將宿主信號分成連續(xù)分段；將預(yù)定的數(shù)據(jù)嵌入方法應(yīng)用于所述分段；在一個分段中接納用于先前分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，每一個分段都包含了用于所述先前分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟(a)在一個給定長度的分段中只提供輔助數(shù)據(jù)；(b)在后續(xù)分段中接納僅僅用于先前分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)；(c)使所述后續(xù)分段的長度適于其中嵌入的恢復(fù)數(shù)據(jù)量；(d)將步驟(b)和(c)重復(fù)預(yù)定的次數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述步驟(d)包括重復(fù)步驟(b)和(c)，直到后續(xù)分段長度小于一個預(yù)定閾值為止。
6.一種用于在宿主信號(X)中嵌入輔助數(shù)據(jù)(w)的設(shè)備，所述設(shè)備包括預(yù)定數(shù)據(jù)嵌入器(23)，它具有給定的嵌入比率和失真，以便產(chǎn)生一個帶有嵌入數(shù)據(jù)(d)的復(fù)合信號(Y)；用于生成對取決于復(fù)合信號(Y)的宿主信號(X)進行識別的恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)的裝置(24，25)；以及用于在所述嵌入數(shù)據(jù)(d)的一部分中接納所述恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)以及在所述嵌入數(shù)據(jù)的剩余部分中提供所述輔助數(shù)據(jù)(w)的裝置(26)。
7.一種從復(fù)合信號中重建宿主信號的方法，其中所述復(fù)合信號表示的是其中嵌入了數(shù)據(jù)的所述宿主信號的失真版本，所述方法包括以下步驟從復(fù)合信號中重現(xiàn)嵌入數(shù)據(jù)；將嵌入數(shù)據(jù)分離成恢復(fù)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)；在給出了復(fù)合信號的情況下，通過使用重建數(shù)據(jù)來重建宿主信號。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括以下步驟將復(fù)合信號分成連續(xù)的分段；使用分段中接納的恢復(fù)數(shù)據(jù)來重建宿主信號的先前分段。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，復(fù)合信號的每個分段都包含了宿主信號的所述先前分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù)。
10.一種用于從復(fù)合信號(Y)中重建宿主信號(X)的設(shè)備，其中所述復(fù)合信號(Y)表示的是其中嵌入了數(shù)據(jù)(d)的所述宿主信號的失真版本，所述設(shè)備包括用于從復(fù)合信號(Y)中重現(xiàn)嵌入數(shù)據(jù)(d)的裝置(43)；用于將嵌入數(shù)據(jù)(d)分離為恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)和輔助數(shù)據(jù)(w)的分離裝置(44)；在給出復(fù)合信號(Y)的情況下，使用重建數(shù)據(jù)(r)來重建宿主信號(X)的重建裝置(46)。
11.一種具有嵌入數(shù)據(jù)(d)的復(fù)合信息信號(Y)，其中所述嵌入數(shù)據(jù)包含恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)和輔助數(shù)據(jù)(w)，所述恢復(fù)數(shù)據(jù)識別取決于所述復(fù)合信號的宿主信號(X)的失真。
全文摘要
水印或數(shù)據(jù)隱藏方案有一個不期望的副作用，那就是宿主信號失真。本發(fā)明公開了一種可逆或無損數(shù)據(jù)隱藏方案，它允許(在沒有附加信令的情況下)完整并隱蔽地重建宿主信號(X)。在給出了復(fù)合信號的情況下，這可以通過在帶有水印的嵌入數(shù)據(jù)(d)中提供識別宿主信號的恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)來實現(xiàn)，也就是說，所述恢復(fù)數(shù)據(jù)識別(24)在嵌入(23)過程中宿主信號受到何種修改。所述恢復(fù)數(shù)據(jù)是在常規(guī)嵌入器(23)的一部分嵌入容量中接納的。而剩余容量則被用于嵌入凈荷(w)。
文檔編號H04N1/387GK1663231SQ03813955
公開日2005年8月31日 申請日期2003年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月17日
發(fā)明者A·A·C·M·卡克, F·M·J·威廉斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司