專利名稱：在編碼信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法，其包括根據(jù)數(shù)據(jù)編碼過程對該信號編碼的步驟，該編碼過程包括反饋該編碼信號以控制所述編碼的步驟，以及修改編碼信號的所選樣本來表示所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的步驟。
現(xiàn)在越來越需要以可檢測而不可見的方式在音頻和視頻信號中增加補(bǔ)充數(shù)據(jù)。例如，把水印嵌入到多媒體資料中來識別文件和音像節(jié)目的來源或著作權(quán)狀態(tài)。該水印為著作權(quán)所有人提供法律保護(hù)，使得可以跟蹤盜版活動(dòng)，并支持知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。
一種已知的在本文開始段落中所定義的對視頻信號加水印的方法公開于F.Hartung和B.Giros“對原始和壓縮視頻數(shù)據(jù)加數(shù)字水印的方法”，攝影儀器工程師協(xié)會(huì)(SPIE)，第2952卷，第205-213頁。在此，加水印是通過改變在MPEG2編碼器的輸出位流中選擇的DCT(離散余弦變換)系數(shù)而實(shí)現(xiàn)的。眾所周知，MPEG2編碼器是包括控制該編碼過程的反饋回路的預(yù)測編碼器。對預(yù)測誤差(輸入信號與預(yù)測之間的差別)編碼，而不是對輸入信號本身編碼。預(yù)測信號是通過對該編碼信號進(jìn)行本地解碼而獲得的。
在現(xiàn)有技術(shù)方法中，水印是在常規(guī)編碼后插入的。以這種方式用于對編碼信號加水印的能力似乎受到限制。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在編碼的音頻或視頻信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法，這使得可以改變編碼信號的更多位而不明顯地影響感觀質(zhì)量。
為此目的，本發(fā)明方法的特征在于，改變所選樣本的步驟是在所述編碼信號的反饋之前執(zhí)行的，并且如果發(fā)現(xiàn)另一個(gè)樣本的改變提高了所述編碼過程的質(zhì)量，則該方法包括至少改變在所選樣本之前的編碼信號的所述另一個(gè)樣本的步驟。
在所述信號反饋之前嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的步驟還在申請人的未公開歐洲專利申請書第97200197.8號(代理人的摘要PHN 16.209)中提出。通過該步驟，可以使樣本改變的負(fù)作用在后續(xù)編碼器操作中補(bǔ)償。但是，樣本改變的初始擾動(dòng)仍然保留。本發(fā)明基于這樣的認(rèn)識，即，編碼質(zhì)量可以通過有意地改變一個(gè)或多個(gè)在所選信號之前的信號樣本而得到進(jìn)一步的提高。事實(shí)上，為了使將來的編碼誤差最小化，該編碼信號被預(yù)先略為變形。
本發(fā)明對于在一比特編碼信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)來說特別有用。一比特編碼器，例如增量調(diào)制器、∑-增量調(diào)制器、以及噪聲波形編碼器，在每個(gè)編碼步驟中產(chǎn)生一比特輸出樣本。該編碼信號非常容易受到添加水印的損害。例如，被設(shè)想用于以2822400(64×44100)Hz的采樣頻率在DVD-音頻上記錄高質(zhì)量的音頻信號的∑-增量調(diào)制器具有115dB(分貝)的信噪比。按照現(xiàn)有技術(shù)的方式，即，按照常規(guī)編碼方法，對這種∑-增量調(diào)制信號加水印似乎明顯增加量化噪聲。例如，∑-增量調(diào)制音頻信號的每第100個(gè)位由一個(gè)水印位所代替，將使量化噪聲增加到-60dB，這是完全不可接受的。在申請人的共同未決歐洲專利申請第97200197.8號中所提出的加水印方法使得替換每第100個(gè)位僅需付出增加1dB的量化噪聲的代價(jià)。
本發(fā)明不僅是進(jìn)一步在減少信噪比方面進(jìn)一步提高編碼質(zhì)量。眾所周知，具有級數(shù)＞2的環(huán)路濾波器的∑-增量調(diào)制器對于大輸入信號會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的問題。該不穩(wěn)定性通常通過防止輸入信號超過預(yù)定范圍而避免。本發(fā)明還提供一種解決這類不穩(wěn)定性問題和相關(guān)的限幅問題的解決方法。
在結(jié)合附圖仔細(xì)閱讀如下說明之后本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，其中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明用于在增量調(diào)制信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的裝置。
圖2-4示出說明圖1所示的裝置的操作的信號波形圖。
圖5示出圖1中所示的改變電路的操作的流程圖。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的用于在∑-增量調(diào)制信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的裝置。
圖7示出用于圖6中所示的裝置中的第三級∑-增量調(diào)制濾波器。
圖8、9、10A-10D和11A-11C示出說明圖6中所示裝置的操作的信號波形圖。
下面將參照一比特編碼器描述本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)知道該思想也可以應(yīng)用于其它類型的預(yù)測編碼器，例如DPCM(差分脈碼調(diào)制)(如，MPEG)編碼器。首先描述增量調(diào)制器裝置，因?yàn)槠洳僮饕子诶斫?。接著，將描述?增量調(diào)制器裝置，它在實(shí)際編碼系統(tǒng)中更加常用。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明用于在增量調(diào)制信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的裝置。該裝置包括常規(guī)增量調(diào)制器1，其中包括減法器11、極性檢測器12和解碼器13。減法器11通過從輸入信號x中減去χ而產(chǎn)生預(yù)測誤差信號e。預(yù)測誤差e被提供給極性檢測器12，該檢測器按照由采樣頻率fs(未示出)所確定的速率對于x≥χ產(chǎn)生一輸出樣本“+1”，并且對于x＜χ產(chǎn)生一輸出樣本“-1”。反饋回路14包括本地解碼器23(加法器或積分器)以獲得預(yù)測信號χ。
在常規(guī)增量調(diào)制器中，反饋回路14連接到極性檢測器12的輸出端。圖2示出這種常規(guī)增量調(diào)制器的波形。更具體來說，圖2示出常規(guī)增量調(diào)制器的輸入信號x、預(yù)測信號χ和編碼輸出信號y。請注意預(yù)測信號χ也是接收器的輸出信號(在圖1中未示出)。
再次參照圖1，該根據(jù)本發(fā)明的裝置包括連接于極性檢測器12和反饋回路14之間的改變電路2。該改變電路改變根據(jù)選擇信號s選擇的其中一個(gè)極性檢測器的輸出位。例如，改變電路用存儲在水印數(shù)據(jù)寄存器3中的水印數(shù)據(jù)模式w的一個(gè)位替換編碼信號的每第100個(gè)位。另外，該改變電路10將所選擇的數(shù)位反相，所述反相位之間的位周期數(shù)表示水印數(shù)據(jù)模式。
圖3說明由水印數(shù)據(jù)位w改變編碼信號y的選擇位20的效果。輸入信號x(與圖2中相同的信號)、預(yù)測信號χ和所改變編碼信號z在該圖中示出。參考標(biāo)記21表示所嵌入的水印位。如已經(jīng)在該圖中示出的那樣，所嵌入水印位具有數(shù)值“-1”，這不同于編碼信號位20的數(shù)值“+1”。回想該預(yù)測信號χ也是接收器的輸出信號，可以容易地看出該數(shù)位的改變增加了量化噪聲。由于所改變信號z被反饋到編碼器的輸入端，從而可以補(bǔ)償并最終消除量化誤差。
根據(jù)本發(fā)明，改變電路(圖1)如果發(fā)現(xiàn)沒有提高編碼質(zhì)量，則還至少改變該水印前的一位。這樣的一個(gè)實(shí)例在圖4中示出。輸入信號x、預(yù)測信號χ、所改變編碼信號z和水印位21再次示出。另外，在水印位21之前的數(shù)位22也被改變。通過圖3與圖2之間的比較立即可以看出進(jìn)一步減小了整體量化誤差。編碼質(zhì)量因此也大大提高。
在圖3中所示的實(shí)例中，通過改變緊接著該水印位前面的數(shù)位可以獲得良好的性能。但并非總是如此。改變水印位前面的第2、第3、…、等等數(shù)位，或結(jié)合改變這些數(shù)位可能更加提高其性能。這種情況的一個(gè)實(shí)例將在下文中給出。
為了獲得上述效果，圖1中所示的方式適合于對先前數(shù)位的各種組合執(zhí)行增量調(diào)制處理，并選擇給出最佳效果的組合。所述各種數(shù)位組合的測試在此也稱為“預(yù)見”，并且要考慮改變的在該水印位之前的數(shù)位被稱為“預(yù)見”位。
改變處理是在改變電路2的控制下執(zhí)行的。該電路可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)，這取決于實(shí)際狀態(tài)，例如速度和硬件復(fù)雜度。圖5示出說明該電路操作的流程圖。假設(shè)輸入信號x存儲在存儲介質(zhì)中(未在圖1中示出)，并且編碼信號y的每第100個(gè)位由水印位w所代替。為此目的，輸入信號x被分為幾段，每段包括100個(gè)輸入樣本x0…x99。對于每一段，輸出信號包括100個(gè)位z0…z99，其中z0…z2是三個(gè)預(yù)見位，并且z3是該水印位。
在步驟50中，對三個(gè)二進(jìn)制編碼數(shù)字c給定初值0。數(shù)字c表示三個(gè)預(yù)見位的當(dāng)前組合。在步驟51中，把c的三個(gè)位分配給z0…z2。即，如果c的相應(yīng)位為“1”，則把zi設(shè)為“+1”，并且如果c的相應(yīng)位為“0”，則把zi設(shè)為“-1”。另外在步驟51中，把要嵌入的當(dāng)前水印位w以相同的方式分配給z3。在子程序52中，把增量調(diào)制過程應(yīng)用于給定數(shù)目的輸入樣本，例如x0…x20，以觀察回路對于預(yù)分配數(shù)值z0…z3的動(dòng)作。把相應(yīng)輸出位序列z0…z20存儲在緩沖存儲器中(在圖1中未示出)。在步驟53中，確定用于預(yù)見位的當(dāng)前組合c的增量調(diào)制處理的編碼質(zhì)量Q(c)，并存儲在緩沖存儲器中。在該實(shí)例中，編碼質(zhì)量由輸入信號和預(yù)測信號之間的均方誤差(MSE)所表示
然后把數(shù)字c增加1(步驟54)以產(chǎn)生預(yù)測位z0…z2的新組合，并計(jì)算MSE(c)的相應(yīng)數(shù)值。只要還未處理所有組合(步驟55)，則重復(fù)序列x0…x20的增量調(diào)制。顯然(因此沒有在圖中示出)，每次都使用相同的初始積分信號。如果所有組合都被處理，則在步驟56中確定最大編碼質(zhì)量Q(c)。為此目的，在緩沖存儲器中查找使MSE(c)最小的數(shù)字c。在步驟57中，對應(yīng)于所述最小MSE的編碼序列z0…z20被從緩沖存儲器中讀出并施加到編碼器的輸出端。然后，在子程序58中，輸入樣本的剩余片段x21…x99被編碼，并且在步驟59中施加到編碼器的輸出端。具有如此編碼的100個(gè)輸入樣本的片段后，該裝置返回到步驟50以處理下一個(gè)片段。
可以理解，在上述編碼處理中參數(shù)值的數(shù)目，例如片段的長度(在此為20)、預(yù)見位的數(shù)目(在此為3)、以及所估計(jì)的輸出位的數(shù)目(在此為20)都僅僅是作為例子給出的。還應(yīng)當(dāng)指出，編碼質(zhì)量可以由其它參數(shù)所表達(dá)，例如輸入樣本xn與相應(yīng)預(yù)測χ之間的最大差別。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明的∑-增量調(diào)制器?！?增量調(diào)制器設(shè)計(jì)為用于在音頻形式的數(shù)字通用光盤(DVD-音頻)上記錄高質(zhì)量音頻信號。它與增量調(diào)制不同之處在于，輸入信號x被編碼之前由與增量調(diào)制器的預(yù)測回路中的濾波器相同的濾波器所濾波。在輸入路徑和反饋路徑中的濾波器都由編碼回路的向前路徑中的單個(gè)濾波器所代替。
根據(jù)本發(fā)明在∑-增量編碼信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的裝置在圖6中示出。該裝置包括常規(guī)∑-增量編碼器6，其中包括減法器61、回路濾波器62、極性檢測器63、以及反饋回路64。減法器61從輸入信號x中減去編碼輸出信號z(具有數(shù)值“+1”或“-1”)。差分信號d由濾波器62所濾波。所濾波后的信號f被施加到極性檢測器63，該檢測器以由采樣頻率fs(未示出)所確定的速率對于f≥0產(chǎn)生一輸出位“+1”，并且對于f＜0產(chǎn)生一輸出位“-1”。與如圖1中所示的相同的改變電路2連接在極性檢測器63與反饋回路64之間。電路2響應(yīng)選擇信號x用存儲在寄存器3中的水印位w替換編碼信號y的一個(gè)數(shù)位。
回路濾波器62的各種實(shí)施例用于實(shí)際的∑-增量調(diào)制器中。在整個(gè)描述中，第三級濾波器被用作為一個(gè)例子。為了完整起見，它在圖7中示出。該濾波器包括級聯(lián)的三個(gè)積分器。三個(gè)積分器的輸出信號分別由a、b、c所表示。濾波器數(shù)據(jù)信號x是積分器信號的加權(quán)組合。在該圖中，前面帶有一個(gè)“#”的整數(shù)表示每個(gè)積分器。所述整數(shù)表示相關(guān)積分器可以保持的最大數(shù)值。超過該最大值的信號樣本被限幅。這在下文中將變得更加清楚，限幅與該∑-增量調(diào)制器的實(shí)施例有關(guān)。
圖8示出說明改變電路2不工作時(shí)該裝置操作的波形圖。更具體來說，該圖示出輸入信號x、編碼信號z、差分信號d以及濾波信號f。其中還示出三個(gè)積分器的輸出信號a、b和c?！?增量調(diào)制器輸出信號的平均值表示輸入電平。在該實(shí)例中，輸入信號x是0.5V直流電平，它根據(jù)如下等式被編碼為包括三個(gè)“+1”位和一個(gè)“-1”位的位流，該等式為3×(+1)+1×(-1)4=0.5]]>圖9示出在輸出編碼信號z中嵌入水印位90的效果。其中示出與圖8中相同的信號。通過兩幅圖的比較可以看出水印位在編碼信號z中導(dǎo)入較長的連續(xù)相同數(shù)位值，這表明量化噪聲增加。該水印也會(huì)使得在積分器中引起較大的信號幅度，特別是在第三積分器輸出信號c中。顯然，僅在水印位和“正常”輸出位具有相對的數(shù)值時(shí)才會(huì)出現(xiàn)這種情況。
圖10A-10D示出編碼信號z和第三積分輸出信號c在各種條件下的情況。圖10A和10B中所示的波形與已經(jīng)在圖8和9中所示的相應(yīng)波形相同，即，分別為不具有或具有水印位90的情況。圖10C示出分別把預(yù)見位91和92設(shè)置為“+1”和“-1”的效果。通過與圖10B相比較，可以看出，第三積分器輸出信號幅度減少并且在編碼信號中的連續(xù)“1”的長度縮短。相應(yīng)地，減小了量化誤差。圖10D示出∑-增量調(diào)制器的性能進(jìn)一步通過預(yù)見位的另一種設(shè)置而提高，即，把兩個(gè)預(yù)見位91和92都設(shè)置為“+1”。
用于確定預(yù)見位的組合的算法產(chǎn)生最佳的編碼質(zhì)量，這可能與已經(jīng)參照圖5對增量調(diào)制器進(jìn)行描述的相同。即，編碼輸入樣本(例如，x0…x20)的給定序列的質(zhì)量Q(c)由預(yù)見位(例如，z0…z2)的各種組合所確定。然后選擇對應(yīng)于最高編碼質(zhì)量Q的輸出序列。由于解碼信號不能在∑-增量編碼器中獲得，因此對于編碼質(zhì)量來說均方誤差是比較不吸引人的標(biāo)準(zhǔn)。如下參數(shù)非常適合于表示編碼質(zhì)量Q。它們還具有易于計(jì)算的附加優(yōu)點(diǎn)。
*在序列z0…z20中的連續(xù)相同數(shù)值的最大長度。所述最大長度在圖10B-10D由R表示。然后選擇具有“最大長度中最短的”序列。顯然，在本實(shí)例中R＝4(圖10D)是最佳選擇。
*在給定積分器中出現(xiàn)的峰-峰振幅。在第三積分器中的峰-峰振幅在圖10B-10D中由V表示。然后選擇具有最小幅度的序列。圖10D中所示的序列再次作為最佳選擇。即使當(dāng)使用較高級(＞3)的濾波器時(shí)，該第三濾波器也非常合適。
*在給定積分器中的信號值的平均偏差。
用于選擇預(yù)見位的組合的其它標(biāo)準(zhǔn)可以是在給定積分器中存在(或不存在)溢出的情況。由于∑-增量調(diào)制器對輸入信號電平非常敏感(這與對輸入信號斜率敏感的增量調(diào)制器相反)，溢出現(xiàn)象容易在嵌入水印的情況下發(fā)生。如已經(jīng)參照圖7所提到的那樣，通過把每個(gè)積分器輸出信號保持在最大值的限幅機(jī)制，可以避免積分器溢出。
圖11A-C示出在限幅條件下的編碼信號z和第三積分器輸出信號c。輸入信號再次為0.5V直流。作為參考，圖11A示出不具有水印的信號。在圖11B中，水印位95已嵌入在編碼信號中。它的位置與在以前的實(shí)例中水印位90的位置略有不同。參考標(biāo)號96表示由于嵌入水印位90而造成的第三積分器的限幅。在改變電路的實(shí)施例中，測試預(yù)見位的不同組合直到找到不再發(fā)生限幅情況的組合。這樣的一個(gè)實(shí)例在顯示把預(yù)見位97設(shè)置為“+1”的圖11B中示出。
總之，在此公開用于在音頻或視頻信號中加水印的方法和裝置。該信號由包含用于控制編碼處理的反饋回路的編碼器所編碼，例如DPCM編碼器或(∑-)增量調(diào)制器。通過改變編碼信號的被選擇樣本來嵌入水印。所述改變是在編碼信號反饋之前進(jìn)行的，使得由嵌入的水印所導(dǎo)致的量化誤差被隨后的編碼運(yùn)算所消除。另外，在所選樣本之前的一個(gè)或多個(gè)樣本也如此改變，使得由水印所導(dǎo)入的誤差進(jìn)一步減少。這通過在樣本改變(組合)之前的“預(yù)見”所實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生最佳的編碼質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種在信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的方法，包括根據(jù)編碼過程來編碼信號的步驟，以及改變編碼信號的被選擇樣本來代表所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的步驟，所述編碼處理包括反饋該編碼信號以控制所述編碼的步驟，其特征在于，改變被選擇樣本的步驟在編碼信號的所述反饋之前進(jìn)行，如果發(fā)現(xiàn)另一個(gè)樣本的改變提高了所述編碼處理的質(zhì)量，則該步驟包括改變被選擇樣本之前的編碼信號的所述至少另一個(gè)樣本。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步的改變步驟包括連續(xù)用另外的改變樣本的不同組合來編碼信號的片段直到找到對應(yīng)于較高編碼質(zhì)量的組合為止的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步的改變步驟包括連續(xù)用另外的改變樣本的不同組合來編碼信號的片段的步驟、對每個(gè)組合確定編碼質(zhì)量的步驟、以及選擇對應(yīng)于最高編碼質(zhì)量的組合的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，包括解碼該編碼信號的步驟以及確定編碼信號與輸入信號之間的量化誤差量的步驟，其中，編碼質(zhì)量由所述量化誤差量所表示的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該編碼是一比特編碼。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該編碼是∑-增量調(diào)制。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該編碼質(zhì)量由具有嵌入的補(bǔ)充數(shù)據(jù)的編碼信號的連續(xù)相同值的最大長度所表示。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該編碼質(zhì)量由在∑-增量調(diào)制器的回路濾波器的選擇階段中出現(xiàn)的峰-峰振幅所表示。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該編碼質(zhì)量由在∑-增量調(diào)制器的回路濾波器的選擇階段中的振幅平均偏差所表示。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該編碼質(zhì)量由在∑-增量調(diào)制器的回路濾波器的選擇階段中出現(xiàn)的最大振幅值所表示。
11.一種在信號中嵌入補(bǔ)充數(shù)據(jù)的裝置，包括用于編碼信號的編碼器，以及用于改變編碼信號的被選擇樣本來代表所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的裝置，其中所述編碼器包括用于反饋該編碼信號以控制所述編碼器的反饋回路，其特征在于，連接該反饋回路以反饋改變的編碼信號，如果發(fā)現(xiàn)另一個(gè)樣本的改變提高了所述編碼處理的質(zhì)量，則該改變裝置設(shè)置為改變被選擇樣本之前的編碼信號的所述至少另一個(gè)樣本。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，該編碼器是一比特編碼器。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，該編碼器是∑-增量調(diào)制器。
14.一種帶有嵌入的補(bǔ)充數(shù)據(jù)的信號，該信號被根據(jù)給定的編碼處理和表示所述補(bǔ)充數(shù)據(jù)的信號的被選擇樣本而編碼，其特征在于，在所述被選擇樣本之前的至少一個(gè)樣本與對應(yīng)所述給定編碼過程的樣本不同。
15.一種存儲如權(quán)利要求14中所述的信號的存儲介質(zhì)。
全文摘要
用于對音頻或視頻信號加水印的方法和裝置。該信號由包含用于控制編碼過程的反饋回路(64)的編碼器(6)所編碼,例如DPCM編碼器或(∑－)增量調(diào)制器。通過改變(2)編碼信號的被選擇樣本來嵌入水印(3)。所述改變是在編碼信號反饋之前進(jìn)行的,使得由嵌入的水印所導(dǎo)致的量化誤差被隨后的編碼運(yùn)算所消除。另外,在所選樣本之前的一個(gè)或多個(gè)樣本也如此改變,使得由水印所導(dǎo)入的誤差進(jìn)一步減少.這通過在樣本改變(組合)之前的“預(yù)見”所實(shí)現(xiàn),產(chǎn)生最佳的編碼質(zhì)量。
文檔編號H04N1/387GK1252914SQ98804426
公開日2000年5月10日 申請日期1998年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月22日
發(fā)明者P·尼藤 申請人:皇家菲利浦電子有限公司