專利名稱：在編碼信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在編碼的信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法和電路。所述方法包括以下步驟按照給定的編碼方法對所述信號進(jìn)行編碼，而所述編碼過程又包括反饋已編碼的信號以便控制編碼過程的步驟；以及修改已編碼的信號來代表所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)。本發(fā)明還涉及一種從這樣編碼的信號中提取補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法和電路。
把水印裝入音頻和視頻信號中的必要性日益增長。水印是嵌入、最好用感知上不可見的方法嵌入多媒體資產(chǎn)中的補(bǔ)充數(shù)據(jù)信息。它們包括，例如，關(guān)于文件和音像程序的來源或版權(quán)狀態(tài)的信息。它們可以用來提供版權(quán)擁有者的法律證據(jù)，并允許跟蹤盜版行為，并支持知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。
開篇中定義的視頻信號加水印的一種已知的方法是在F.Hartung和B.Giros“給原視頻信號或壓縮的視頻信號加數(shù)字水印”,SPIEVol.2952,pp.205-212一文中公開的。這里加水印是通過修改活動圖象專家組2(MPEG2)編碼器輸出位流中選定的離散余弦變換(DCT)系數(shù)，包括預(yù)測編碼(P或B)圖象的DCT系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。預(yù)測編碼器包括用來控制編碼過程的反饋回路。對預(yù)測誤差(輸入信號與其預(yù)測的差值)編碼，而不是對輸入信號本身編碼。預(yù)測信號是通過在本機(jī)對編碼信號進(jìn)行譯碼而獲得的。
在先有技術(shù)的方法中，水印是在傳統(tǒng)的編碼過程之后插入的。因此，可以用來對編碼信號加水印的能力看來是有限的。
本發(fā)明的一個目的是提供在編碼的音頻或視頻信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法，它允許在對感知質(zhì)量基本上不發(fā)生影響的情況下改變較多的編碼信號位。
為此目的，按照本發(fā)明的方法具有以下特征在所述修改所述編碼信號的步驟之后進(jìn)行反饋所述編碼信號的步驟。現(xiàn)在所述修改編碼信號的步驟是在編碼器的反饋回路內(nèi)部進(jìn)行的。因此，為形成水印而對編碼信號所作的任何修改都被反饋，并將在隨后的編碼操作中得到補(bǔ)償。于是，這樣嵌入的水印以與在發(fā)射機(jī)中影響編碼過程的方式類似的方式在接收機(jī)中影響譯碼過程。在發(fā)射機(jī)中補(bǔ)償過程的結(jié)果是，接收機(jī)產(chǎn)生好得多的輸入信號復(fù)制品。信噪比明顯提高，或者在給定的信噪比下可以嵌入更多的水印數(shù)據(jù)。
本發(fā)明對于在一位編碼的信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)特別有用。一位編碼的信號對加水印是非常脆弱的。每一個編碼步驟編碼器產(chǎn)生一個一位輸出樣值。為加水印而修改編碼信號的輸出樣值與、例如、僅僅改變多位樣值的值相比，一般都比較激烈。
一位編碼器的實(shí)例是delta調(diào)制器、sigma-delta調(diào)制器及噪音波形編碼器。它們也屬于具有反饋回路的編碼器一類。sigma-delta調(diào)制器是為在數(shù)字萬用光盤(DVD)音頻版本上利用2822400Hz(64*44100)采樣頻率記錄高質(zhì)量音頻信號而設(shè)計的，并具有115dB信噪比。水印是通過，例如，用數(shù)字水印位組合的位來代替輸出位流的選定位而插入的。若這是用先有技術(shù)所教導(dǎo)的方法，亦即在傳統(tǒng)的編碼之后完成的，則水印位的插入會明顯地引起量化噪音。例如，每100位sigma-delta調(diào)制的音頻信號中的1位用一個水印位代替，將引起-60dB的量化噪音。相比之下，本發(fā)明可以以僅僅增加1dB量化噪聲的代價每100位sigma-delta調(diào)制的音頻信號改變1位。這相當(dāng)于約每秒28000位的水印位率。


圖1表示按照本發(fā)明在編碼音頻或視頻信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)用的電路。
圖2表示按照本發(fā)明在delta調(diào)制的音頻信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)用的電路。
圖3-5表示舉例說明圖2所示的電路操作的信號波形。
圖6表示按照本發(fā)明在sigma-delta調(diào)制的音頻信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)用的電路。
圖7-9表示舉例說明圖6所示的電路操作的波形。
圖10表示用來從用圖2或圖6所示電路編碼的信號中抽取嵌入的水印的電路。
圖11表示用來從用圖1所示電路編碼的信號中抽取嵌入的水印的電路。
圖12表示從(sigma-)delta調(diào)制的信號中抽取水印用的另一個實(shí)施例。
圖13表示舉例說明圖12所示的實(shí)施例的操作的信號波形。
圖1表示按照本發(fā)明在已編碼的音頻或視頻信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)用的電路示意圖。所述電路包括預(yù)測編碼器1和修改電路2。預(yù)測編碼器1接收(模擬或數(shù)字)輸入信號x，并包括減法器11，用來從輸入信號x減去預(yù)測信號
。這樣得到的預(yù)測誤差信號e加在編碼級12上。預(yù)測編碼器還包括獲得預(yù)測信號
用的反饋通路，包括譯碼級13、加法器14和延時單元15。預(yù)測編碼器1可以采取先有技術(shù)已知的不同形式，諸如delta調(diào)制器、微分脈碼調(diào)制器，或離散余弦變換(DCT)編碼器。
修改電路2接收編碼的預(yù)測誤差y，并被安排來根據(jù)給定的水印w修改這個信號。這種修改電路的一些實(shí)例是現(xiàn)有技術(shù)已知的。在前面討論過的Hartung等人的參考文獻(xiàn)中，對水印信號w的8*8塊作離散余弦變換(DCT)，并將這樣獲得的DCT系數(shù)加到變換編碼的預(yù)測誤差信號的選定的DCT系數(shù)上。另一個實(shí)例是在I.J.Cox,J.Kilian,T.Leighton及T.Shamoon“多媒體用的可靠的不可感知的但在感知上突出的擴(kuò)頻水印”，Conference Record of Southcon 96,June25-27,1996,pp.192-197中公開的。在這篇參考文獻(xiàn)中，通過給除DC系數(shù)以外的最高階轉(zhuǎn)換系數(shù)加實(shí)數(shù)序列來給視頻信號加水印。
按照本發(fā)明，修改電路2位于編碼級12和譯碼級13之間，亦即在預(yù)測編碼器的回路內(nèi)部。于是預(yù)測信號
是由經(jīng)過修改的編碼信號z而不是未經(jīng)修改編碼信號y中得出的。當(dāng)把對信號加水印的步驟看作等價于在編碼信號y中故意引入誤差時，其作用便變得明顯了。在先有技術(shù)的系統(tǒng)中，所述”誤差”插入發(fā)送的信號中。正如在預(yù)測編碼領(lǐng)域已知的，這樣的誤差在整個譯碼過程中在接收機(jī)中傳播，并使信號質(zhì)量嚴(yán)重惡化。但是，在這里誤差被引入預(yù)測回路內(nèi)部?，F(xiàn)在由修改級2引入的任何”誤差”都會通過譯碼級13反饋到減法器11，致使預(yù)測誤差隨后以一種其影響得到補(bǔ)充的方式編碼。結(jié)果，給定的信噪比下允許的”誤差率”顯著提高，和/或感知質(zhì)量顯著改善。
如圖1所示對來自編碼器的編碼信號進(jìn)行譯碼的接收機(jī)一般與編碼器的預(yù)測回路相同，因此不再單獨(dú)示出。
現(xiàn)將參照圖2給出更詳細(xì)的實(shí)例，圖2表示對模擬或PCM編碼的音頻信號進(jìn)行編碼用的delta調(diào)制器。所述電路包括減法器21，用來從輸入信號x減去預(yù)測信號
。預(yù)測誤差e加到極性檢測器22上，后者以由采樣頻率fs確定的速率在
時產(chǎn)生輸出樣值+1，而在
時產(chǎn)生輸出樣值-1。反饋回路包括譯碼濾波器23(累加器或積分器)，以便獲得預(yù)測信號。按照本發(fā)明，修改電路24連接在極性檢測器22和濾波器23之間。在這個實(shí)施例中，修改電路是一個多路開關(guān)轉(zhuǎn)換器，后者響應(yīng)選擇信號s用水印的位組合w代替極性檢測器輸出信號的選定位(例如，每隔99位)。嵌入水印的另一個實(shí)例是把編碼信號選定的樣值倒置，水印數(shù)據(jù)用相繼的倒置的樣值之間的位周期數(shù)來代表。
圖3-5示出舉例說明圖2所示電路操作的不同信號波形。在這些圖中，標(biāo)號30表示輸入信號x。
為了參考，圖3示出無水印設(shè)施情況下的傳統(tǒng)delta調(diào)制器的波形。在該圖中，標(biāo)號31表示預(yù)測信號
，或等效地表示接收器的輸出信號(去除過高的頻率分量用的低通濾波器操作除外)。標(biāo)號32表示傳統(tǒng)delta調(diào)制器的輸出位流。
圖4闡明用先有技術(shù)所教導(dǎo)的方法對編碼信號加水印的效果。標(biāo)號34表示分別用-1,-1及+1，相當(dāng)于數(shù)字水印位組合w=‘001’分別代替位流32(圖3)的第6、第16及第26位而得到的位流。標(biāo)號33表示接收這種位流的接收機(jī)的輸出信號。可以清楚地看到信噪比明顯降低。
圖5表示按照本發(fā)明嵌入水印的效果。標(biāo)號35表示預(yù)測信號
標(biāo)號36表示所述電路的輸出位流。與圖4所示類似，水印位組合w=‘001’裝在位流36的第6、第16及第26位的位置上，但現(xiàn)在位的修改是在編碼信號反饋之前進(jìn)行的。嵌入的水印的第一位51與所述采樣周期內(nèi)所述極性檢測器產(chǎn)生的樣值-1并無差別。相應(yīng)地，預(yù)測信號電平54與圖3所示的預(yù)測信號電平37相同。水印第二位52與極性檢測器產(chǎn)生的值+1不同。因?yàn)楝F(xiàn)在這個”差錯”位通過預(yù)測回路反饋，所以預(yù)測信號變?yōu)殡娖?5,delta調(diào)制器通過產(chǎn)生隨后的不同的位來對其加以補(bǔ)償。結(jié)果預(yù)測信號35在幾個采樣周期之后已經(jīng)與輸入信號再次相交。類似地，水印第三位53使電路產(chǎn)生+1的樣值，而不然的話電路本來會在所述采樣周期內(nèi)產(chǎn)生(而且極性檢測器則真的會產(chǎn)生)-1的值。它還是只用了幾個采樣周期就補(bǔ)償了”差錯”的預(yù)測電平56。
圖5中的標(biāo)號35也表示接收機(jī)的輸出信號。比較波形33和55就會看出，信噪比得到了明顯改善。
圖6表示按照本發(fā)明的sigma-delta調(diào)制器。sigma-delta調(diào)制器是為把高質(zhì)量的音頻信號記錄在數(shù)字萬用光盤(DVD)的音頻版本上而設(shè)計的。它與delta調(diào)制器的差別在于，編碼之前，輸入信號用與delta調(diào)制器反饋回路中的濾波器相同的濾波器濾波。然后輸入通路和反饋通路中的濾波器用編碼回路的正向通路的單一濾波器代替。因此，圖6所示的sigma-delta調(diào)制器與圖2所示的delta調(diào)制器的差別在于濾波器23已經(jīng)從反饋通路移到了正向通路上。
圖7表示沒有加水印設(shè)施的傳統(tǒng)的sigma-delta調(diào)制器。標(biāo)號70表示輸入信號x，而標(biāo)號71表示編碼后的輸出信號。隨著輸入信號變得比較大，sigma-delta調(diào)制器產(chǎn)生較多的正樣值。如圖7所示，輸入電壓-0.5V被編碼成3個-1伏脈沖和一個+1伏脈沖的序列，輸入電壓0V被編碼成-1伏和+1伏的交替模式，而輸入電壓+0.5V被編碼成3個+1伏脈沖和1個-1伏脈沖的序列。信號在接收端通過對接收的脈沖進(jìn)行再整形并令其通過低通濾波器來進(jìn)行譯碼。在圖7中，信號通過對13個樣值的位流取平均來解調(diào)。標(biāo)號72表示重構(gòu)后的信號，取平均的操作引起的時間延遲除外。因而重構(gòu)后的信號在時間上是與輸入信號對齊的。
圖8表示按照先有技術(shù)，亦即在傳統(tǒng)的sigma-delta調(diào)制之后對編碼信號加水印的效果。在所述實(shí)施例中，傳統(tǒng)的sigma-delta調(diào)制器的-1樣值73(圖7)被+1樣值74代替。這一代替不影響編碼過程，并使余下的編碼輸出信號75保持不變。標(biāo)號76表示接收端的重構(gòu)信號。與圖7中的重構(gòu)信號72的差在77處顯現(xiàn)出來(在所述圖中由于信號的時間對齊而在時間上較早)，并在整個余下的譯碼過程起波紋。這里可以再次看到信噪比顯著降低。
圖9表示按照本發(fā)明嵌入同樣的水印樣值74的效果?，F(xiàn)在這個水印的作用被反饋到輸入端，并在水印插入后通過對輸入信號的不同編碼而得到補(bǔ)償。現(xiàn)在重構(gòu)信號明顯更好地類似于輸入信號。
圖6所示的以2822400(64*44100)Hz的采樣頻率f對高質(zhì)量音頻信號進(jìn)行編碼用的sigma-delta調(diào)制器的一個實(shí)際例子具有115dB的信噪比。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，每100個樣值替換1個樣值會使量化噪音增大1dB。這相當(dāng)于28000位/秒的水印位速率。
圖10表示從圖2所示電路產(chǎn)生的delta調(diào)制信號或從圖6所示電路產(chǎn)生的sigma-delta調(diào)制信號中提取嵌入的水印用的電路。已修改的編碼信號z加在以選擇信號s作為時鐘脈沖的寄存器100的數(shù)據(jù)輸入端。寄存器100的輸出是水印的位組合w。選擇信號s確定位流中的哪一位是水印位。這種選擇信號是由除法器級101產(chǎn)生的，后者用給定的的數(shù)目N、例如100除采樣頻率。假定所述信號與發(fā)射機(jī)中的相應(yīng)的采樣信號s同步?？梢酝ㄟ^在水印信號w中提供預(yù)定的同步位組合來實(shí)現(xiàn)同步。在這樣的實(shí)施例中，同步檢測器102檢測所述位組合，并改變除法器級101的相位直至檢測到所述同步位組合為止。
圖11表示一種用于提取嵌入的水印的電路，若在接收機(jī)端可以得到原來的輸入信號x，則可采用所述電路。所述電路包括與圖1所示的相應(yīng)的發(fā)射機(jī)相同的編碼器1。但是，現(xiàn)在反饋回路接收水印信號z。因此，重構(gòu)的預(yù)測信號
與發(fā)射機(jī)端產(chǎn)生的相同。本機(jī)編碼信號y和所接收的信號z加到提取電路3上，后者完成與圖1修改電路2相反的操作。例如，若水印信號是加到MPEG編碼器的DCT系數(shù)上的實(shí)數(shù)序列，則提取電路就是減法器。
圖12是用于從(sigma-)delta調(diào)制信號中提取水印的具體的實(shí)施例。在所述圖中，標(biāo)號21-23構(gòu)成與圖2中所示相同的delta調(diào)制器。提取電路3包括“異”門301，后者檢測加了水印的信號z的位與編碼信號y的對應(yīng)位是否相等。若它們不相等，則已經(jīng)檢測到水印信號z帶有倒置的位的位周期。把所述檢測到的信號加在以采樣頻率f作時鐘的計數(shù)器302上，而且若兩個相繼的倒置的位之間的位周期個數(shù)是第一給定數(shù)(例如75)，則產(chǎn)生二進(jìn)制”0”。而若位周期的所述個數(shù)是第二給定數(shù)(例如125)，則產(chǎn)生二進(jìn)制”1”。
圖13表示舉例說明這一實(shí)施例的操作的信號波形。標(biāo)號130表示原來的輸入信號x，標(biāo)號131表示所接收的加有水印的信號z，而標(biāo)號132表示通過對加有水印的信號進(jìn)行譯碼而獲得的預(yù)測信號
。標(biāo)號133表示本機(jī)極性檢測器22(圖12)的輸出信號。在所述圖中很容易看出，本機(jī)極性檢測器產(chǎn)生-1’(表示為134)的輸出，而所接收的信號z包括+1(表示為135)。這一差異由“異”門301(圖12)檢測出來。用類似的方法，所述“異”門檢測出表示為136和137的水印位的出現(xiàn)。計數(shù)器302(圖12)對檢測到的水印位之間的位周期的個數(shù)進(jìn)行計數(shù)。在本(簡化的)實(shí)施例中，15個位周期的距離代表水印位組合的”0”，而7個位周期的距離代表水印位組合的”1”。
總而言之，描述了一種在由具有反饋回路的編碼器，例如，sigma-delta調(diào)制器(21,22,23)編碼的信號中嵌入水印的方法。通過用水印位組合的樣值修改編碼信號(y)的選定樣值(例如，每隔99位代替一次)把數(shù)字水印位組合(w)嵌入信號(y)中。修改樣值用的電路(24)處于所述編碼器的回路內(nèi)。這樣，加水印的效應(yīng)在隨后的編碼過程中被補(bǔ)償，而信噪比僅僅略受影響。
權(quán)利要求
1．一種在編碼的信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法，它包括下列步驟按照給定的編碼方法對所述信號進(jìn)行編碼，包括反饋已編碼的信號以控制所述編碼過程的步驟；修改所述已編碼的信號來代表所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)；其特征在于反饋所述已編碼信號的步驟是在所述修改所述信號的步驟之后進(jìn)行的。
2．權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述編碼是一位編碼。
3．權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述編碼是sigma-delta調(diào)制。
4．權(quán)利要求1,2或3的方法，其特征在于修改所述編碼信號的步驟包括用所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的樣值代替所述已編碼信號的選定樣值。
5．權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于修改所述編碼信號的步驟包括將所述已編碼信號的選定樣值倒置，嵌入的數(shù)據(jù)用相繼出現(xiàn)的倒置樣值之間的樣值周期數(shù)來代表。
6．一種從接收的編碼信號中提取補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法，所述編碼信號中選定的樣值用所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的樣值代替，其特征在于包括響應(yīng)預(yù)定的選擇信號選擇所述樣值的步驟。
7．權(quán)利要求6的方法，其特征在于所述選擇信號是通過檢測包括在所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)中的同步位組合取得的。
8．一種從接收的編碼信號中提取補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法，其特征在于包括下列步驟按照給定的編碼方法對原來的信號進(jìn)行編碼，所述編碼方法包括反饋所接收的編碼的信號以控制所述編碼過程；以及把編碼的原信號與所接收的編碼信號加以比較，所述信號之間的差別代表所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)。
9．權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)由相繼倒置的樣值之間的樣值周期數(shù)代表，所述方法包括對相繼出現(xiàn)的倒置樣值之間樣值周期數(shù)進(jìn)行計數(shù)，以提取所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)。
10．一種在編碼的信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的電路，它包括對所述信號進(jìn)行編碼的編碼器，包括反饋回路以控制所述編碼過程；以及用于對所述編碼信號的選定樣值進(jìn)行修改以代表所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的裝置；其特征在于連接所述反饋回路以反饋所述修改過的編碼信號。
11．權(quán)利要求10的電路，其特征在于所述編碼器是一位編碼器。
12．權(quán)利要求11的電路，其特征在于所述編碼器是sigma-delta調(diào)制器。
13．權(quán)利要求10,11或12的電路，其特征在于用于修改編碼信號的裝置是多路開關(guān)轉(zhuǎn)換器，用來以所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的樣值代替已編碼信號的選定樣值。
14．權(quán)利要求11或12的電路，其特征在于用于修改編碼信號的裝置是反相器，用來倒置一位編碼信號的選定樣值，所述嵌入的數(shù)據(jù)用相繼出現(xiàn)的修改了的樣值之間的樣值周期數(shù)來代表。
15．一種用于從接收的編碼信號中提取補(bǔ)充數(shù)據(jù)的電路，其中選定的樣值用所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的樣值代替，其特征在于包括用來響應(yīng)預(yù)定的選擇信號選擇所述樣值的寄存器。
16．權(quán)利要求15的電路，其特征在于包括用來檢測包括在所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)中的同步位組合的裝置以及用來響應(yīng)所述檢測而產(chǎn)生所述選擇信號用的裝置。
17．一種從接收的編碼信號中提取補(bǔ)充數(shù)據(jù)的電路，其特征在于包括編碼器，用來對原始的音頻或視頻信號進(jìn)行編碼，它包括接收所述接收的編碼信號以控制所述編碼過程的反饋回路；以及用來把編碼的原始信號與所接收的編碼信號加以比較的裝置，所述兩信號之間的差別代表所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)。
18．權(quán)利要求17的電路，其特征在于所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)由相繼倒置的樣值之間的樣值周期數(shù)來代表；所述電路包括周來對倒置樣值之間的樣值周期數(shù)進(jìn)行計數(shù)，以提取所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的計數(shù)器。
19．一種嵌有補(bǔ)充數(shù)據(jù)的編碼信號，其特征在于所述編碼信號的選定樣值是所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的樣值。
20．一種嵌有補(bǔ)充數(shù)據(jù)的一位編碼信號，其特征在于所述編碼信號的選定位已經(jīng)被倒置，相繼出現(xiàn)的倒置位之間的位周期數(shù)代表所述嵌入的數(shù)據(jù)。
21．一種在其上已儲存了權(quán)利要求19或20的信號的存儲介質(zhì)。
全文摘要
在用具有反饋回路的編碼器,例如,sigma－delta調(diào)制器(21,22,23)編碼的信號中嵌入水印的方法。通過用水印位組合的樣值來修改編碼信號(y)的選定樣值(例如,每隔99位代替一次)把數(shù)字水印位組合(w)嵌入所述信號(z)中。修改樣值用的電路(24)處在編碼器的回路內(nèi)部。這樣,加水印的效應(yīng)在隨后的編碼步驟中得到補(bǔ)償,而信噪比僅略受影響。
文檔編號H04N7/08GK1234944SQ98800340
公開日1999年11月10日 申請日期1998年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月27日
發(fā)明者A·A·M·L·布呂克爾斯, G·F·G·德伯維雷, P·A·C·M·尼藤, A·W·J·奧門 申請人:皇家菲利浦電子有限公司