CN100458949C - 处理带水印多媒体信号的方法和设备、多媒体信号接收机 - Google Patents

Abstract

描述了处理一个包括一个水印信号的多媒体信号的方法和设备。这种方法包括下列步骤：除去水印信号的至少一个部分；以及将一个新水印信号添加给多媒体信号，从而形成一个新的加有水印的多媒体信号。

Description

处理带水印多媒体信号的方法和设备、多媒体信号接收机

技术领域

本发明涉及在诸如音频、视频或数据信号的多媒体信号内重新嵌入信息的设备和方法。

背景技术

多媒体信号的加水印是一种随多媒体信号一起传输附加数据的技术。例如，加水印技术可用来将版权和拷贝控制信息嵌入音频信号。

对一种加水印方案的主要要求是水印应该是不能观察到的(即在音频信号的情况下，它是听不见的)，但对于要从信号中除去水印的攻击又是鲁棒的(例如，除去水印就要损害信号)。可以理解，一个水印的鲁棒性通常要以牺牲水印所嵌入的信号的质量为代价。例如，如果一个水印鲁棒地嵌入一个音频信号(因此很难除去)，那么在不知道底层技术和密钥的情况下要想除去这个水印就很可能使音频信号的质量下降。

已知可以通过增加水印信号内的嵌入信息量来改变水印。在这种情况下，将另外一个水印序列添加到一个现有的加有水印的信号上。例如，这可参见4C 12比特水印规范。可在http://www.4centity.com/data/tech/4cspec.pdf找到这个规范的拷贝。

可以理解，在要反复改变水印信息时，这样的方法不仅会降低原始信息信号的质量(由于添加附加水印信号以改变有效载荷)，而且在各个所嵌入的水印之间的冲突会显著地降低水印的鲁棒性。例如，某些版权应用要求重复改变嵌入一个信号的版权信息，以便维护适当的拷贝控制。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种加水印方案，这种加水印方案基本上解决了至少一个现有技术中的在这里提到或没有提到的问题。

在第一方面，本发明提供了处理包括水印信号的多媒体信号的方法，这种方法包括下列步骤：除去原始水印信号的至少一个部分；以及将一个新水印信号添加给多媒体信号，从而形成一个新的加有水印的多媒体信号。

优选的是，通过将所述原始水印信号的一个负版本加到多媒体信号上而除去所述原始水印信号。

优选的是，所述方法还包括确定用来将原始水印嵌入多媒体信号的参数中的至少一个参数的值的步骤。

优选的是，所述参数用来除去所述原始水印信号的至少一个部分。

优选的是，用具有所述所确定的值的所述嵌入参数将所述新信号嵌入多媒体信号。

适当的是，用具有所述所确定的值之外的值的所述嵌入参数将所述新信号嵌入多媒体信号。

优选的是，所述参数包括嵌入强度、同步信息、时间偏移、时间缩放、序列的循环移位量和水印符号周期中的至少一个。

适当的是，所述原始水印全部被除去，而所述新信号包括一个新水印信号。

优选的是，所述水印包括至少两个值序列，至少一个值序列作为水印信号的所述部分被除去，使得在原始水印信号中留下至少一个剩下的值序列；而其中所述新信号包括至少另一个值序列，它与所述剩下的序列一起形成一个新水印信号。

优选的是，所述值序列全部由单个值序列经循环移位不同的移位量形成。

优选的是，所述水印信号的被除去部分是以预定强度被嵌入所述多媒体信号的，所述方法还包括以优选为相同的预定强度将新信号嵌入多媒体信号的步骤。

优选的是，所述嵌入强度使得新的加有水印的多媒体信号的质量降低是可感知但并不恼人的。

优选的是，所述原始水印信号和新水印信号至少其中之一包括一个通过将一个窗整形函数加到一个值序列上而形成的平滑改变的信号，在窗整形函数上的积分为零。

优选的是，所述窗整形函数具有双相位特性。

优选的是，所述双相位窗包括极性相反的两个Hanning窗。

在另一个方面，本发明提供了一种用来执行上述任何一种方法的计算机程序。

在又一个方面，本发明提供了一种包括一个上述计算机程序的记录载体。

在另一个方面，本发明提供了一种可用来下载如上所述的计算机程序的方法。

在又一个方面，本发明提供了一种处理包括水印信号的多媒体信号的设备，所述设备包括：一个用来除去水印信号的至少一个部分的删除单元；以及一个用来将一个新信号添加给多媒体信号从而形成一个新的水印信号的嵌入器。

优选的是，所述设备还包括一个用来检测所述水印信号的一个参数的至少一个值的检测器。

优选的是，所述设备包括一个多媒体信号接收机，所述多媒体信号接收机包括一个设备。

附图说明

为了更好理解本发明和示出可以怎样实施本发明的各实施例，下面将参照附图举例进行说明，在这些附图中：

图1为例示按照本发明的第一实施例的一般化的水印重新嵌入设备的示图；

图2示出了一种水印嵌入器的示意图；

图3为示出用来嵌入原始水印有效载荷的有效载荷添加和调节电路(图2中的单元630a)的细节的示意图；

图4为例示可用于本发明的一个优选实施例的水印检测器的示意图；

图5为示出按照一个优选实施例的水印产生器单元650的细节的示意图；

图6为例示按照一个优选实施例的水印嵌入器设备的图表；

图7示出了信号部分提取滤波器H；

图8示出了用来重新嵌入水印的有效载荷添加/改变和水印调节级；

图9为例示图8的水印调节设备Hc的细节的示图，其中示出了各级的有关信号；

图10示出了与由图1和图4的设备接收到的水印信号的原始有效载荷相应的典型相关函数；

图11示出了在除去了形成原始水印的两个序列中的一个序列后的相关函数；以及

图12示出了通过将第二水印序列添加给具有图10所示的相关函数的信号而形成的一个具有新有效载荷的新水印的相关函数。

具体实施方式

图1例示了按照本发明的第一实施例的重新嵌入设备600。这个设备包括一个输入端602，用来接收加有水印的信息信号y_old′。形成输入信号y_old′的两个拷贝，一个拷贝送至延迟单元614，而另一个拷贝输入检测器640。

检测器640用来检测被嵌入接收信号y_old′的水印w_old的一个估计w_old′(输出612)和估计改变水印有效载荷所需的控制参数(输出609)。

与所检测到的w_old′有关的信息然后被传送给水印产生器650和水印嵌入器620。传送给水印产生器的信息可以是所提取的水印w_old′的整个拷贝，也可以是使水印产生器能产生w_old′的一个拷贝w_old的足够的信息(例如，对于包括单个值序列的两个经循环移位序列的水印来说，所述信息可以是循环移位d_old)。水印产生器的输出608(也标为w_old)优选地是所提取的水印w_old′的一个经纠错的版本。

水印产生器650还产生一个用于添加给原始信息信号y_old′的新水印信号w_new(输出618)。

延迟单元614对输入信号y_old′进行延迟，而同时检测器640和水印产生器650执行插入操作。经延迟的信号y_old′随后被传送(输出607)给嵌入器620。

在水印嵌入单元620内，从信号y_old′中除去旧水印信号w_old，再将新水印w_new加入y_old′，从而形成一个含有新水印w_new的信息信号y_new。

以上实施例代表了本发明的一个具体的一般化的实现方案。以下将说明结合一个具体的加水印方案使用的、按照本发明的另一个实施例的具体的水印重新嵌入方案。

这样的水印可以例如用图2和3所示的设备嵌入。

图2示出了嵌入设备100，它被安排成在输入端120上接收主多媒体信号x，在输出端132上输出所接收信号的一个加有水印的版本(y_old)。

设备100分别在输入端110和112上接收两个值序列(w_old[k]和w_ref[k])。用这两个值序列的组合来产生水印信号w₀。这两个值序列各是一个原始值序列的一个循环移位版本。W_old是原始序列w_s循环移位了d_old的版本，而w_ref是原始序列w_s循环移位了d_ref的版本，也就是说，w_old是w_ref的一个循环移位版本。原始值序列可以例如用一个随机数产生器(RNG)用一个预定的种子值S产生。

如图3所示，有效载荷添加和调节电路630a分别在输入端110和112上接收w_old[k]和w_ref[k]。每个序列由放大器631乘以相应的符号比特r_old和r_ref(分别从输入端603和604接收的)(其中r_old和r_ref分别为+1或-1，并且对于任何给定的有效载荷保持不变)。所得到的信号然后通过其中对每个序列内的每个值用一个周期为T_s的窗整形函数进行卷积的信号调节单元632。这样就产生平滑改变的输出序列w_old[n]和w_ref[n]。信号调节单元632的操作稍后将参照图9更详细地说明。然后，信号w_ref[n]由延迟单元634延迟一段预定的延迟T_r(其中，T_r小于T_s，优选的是，T_r＝T_s/4)。然后，加法器635将w_old[n]与w_ref[n]的经延迟的版本相加，结果就是从电路630的输出端623输出的水印信号w₀[n]。

再来看图2，所接收到的主信号x被分成两个拷贝，第一拷贝送至加法器130，而第二拷贝送至乘法单元124。送至乘法单元124的拷贝可以用带通滤波器(未示出)滤波，以在放大器124的输入端122上形成信号x_b。

w₀[n]乘以主信号x[n]的可能经滤波的版本x_b[n]、经增益因子α缩放后再回加到主信号x[n]上，以产生由下式给出的水印信号y_old[n]

         y_old[n]＝x[n]+αw₀[n]x_b[n]                (1)

增益因子α由可变增益装置128设定，在所示的这个例子中，按来自用心理声学模型对主信号x采样的信号分析器126的信号设定。这样一个模型例如可参见E.Zwicker的论文“Audio Engineering andPsychoacoustics：Matching signals to the final receiver，theHuman Auditory System(音频工程和心理声学：信号与最终接收器(人类听觉系统)的匹配)”，Journal of the Audio Engineering Society，Vol.39，pp.Vol.115-126，March 1991。增益因子α通常被选择成使水印信号对主信号质量的影响最小。

这样的加水印方案的特征是，在检测期间加有水印的信号y_old产生两个相隔pL_old的相关峰(参见图10)，其中值pL_old至少是水印有效载荷的一部分，可以定义为

其中d_ref和d_old∈[0，L_w-1]是相关峰的相对位置(如图10所示)，而L_w是两个水印序列各自的长度(符号或值的个数)。

除了pL_old之外，通过改变所嵌入的水印的相对符号还对额外的信息进行编码。在检测器内，这被看作相关峰之间的相对符号r_sign。可以看到，r_sign可以取4个可能的值，可以定义为：

$r_{\mathrm{sign}}=\frac{2\·{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ref}}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{old}}+3}{2}\∈\left\{\mathrm{0,1,2,3}\right\}---\left(3\right)$

其中，μ_old和μ_ref为相关峰的符号，分别与图3中的符号比特r_old和r_ref相应。于是将整个水印有效载荷pL_w给出为r_sign和pL_old的组合：

pL_w＝<r_sign，pL_old>                       (4)

因此，可以由长度为L_w的水印序列载送的以比特数计的最大信息(I_max)被给出为：

下面将对适合与图2所示的水印嵌入器配合使用的水印重新嵌入设备和相关的加水印方案进行说明。在这个具体实施例中，嵌入设备配置被安排成只是部分除去水印并用新信息代替，以改变水印有效载荷。图1例示了这个重新嵌入设备的不同功能块。

图4示出了用来提取重新嵌入处理过程所需的水印嵌入参数的水印检测器640的方框图。该检测器包括四个主要的级：(a)水印符号提取级(200)；(b)缓冲和内插级(300)；(c)相关和判决级(400)；以及(d)控制信号产生级(500)。

在符号提取级(200)内，对所接收到的加有水印的信号y_old′[n]进行处理，以产生多个(N_b个)对加有水印的序列的估计，这些估计被多路复用成信号w_e[m]。水印序列的这些估计要用来解决(补偿)在嵌入器与检测器之间可能存在的任何时间偏移，使得水印检测器能够与被插入主信号的水印序列同步。

在缓冲和内插级(300)内，将这些估计多路分解为N_b个分开的缓冲器。然后对每个缓冲器进行内插，以解决(补偿)可能已出现的可能时间尺度修改。例如，采样(时钟)频率的漂移可以导致在时域信号内的伸长或缩短(即，水印可以已被伸长或缩短)。

在相关和判决级(400)内，将每个缓冲器的内容与基准水印进行相关，再将最大相关峰与一个门限相比较，以确定水印是否确实被嵌入在所接收到的信号y_old′[n]内的似然性。

在控制信号产生单元(500)内，将检测真值、相应的水印序列、其缓冲器索引和新有效载荷值pL_new(输入616)组合在一起，以产生改变水印有效载荷所需的参数。控制信号产生器的输出(609，612)被传送给水印产生器650和水印嵌入单元620。

图5示出了水印产生单元650的细节。在这个单元内，用从检测器640得到的参数信息(输入609和612)产生w_new和w_old。

在一个优选实施例中，可以如下产生水印序列w_old和w_new。首先，用随机数产生器651以初始种子S产生一个有限长度的、优选地是零均值和均匀分布的随机序列w_s。可以理解，这个初始种子S优选地与在最初嵌入期间产生w_old时所使用的相同。这最终产生长度为L_w的序列

w_s(k)∈[-1，1]对于k＝0，1，2，...，L_w-1       (6)

然后，分别用循环移位单元653a和653b将序列w_s循环移位d_old和d_new位，得到随机序列w_old和w_new。可以理解，这两个序列(w_old和w_new)实际上是第一序列和相对第一序列循环移位了的第二序列。这两个序列随后被传送给水印嵌入单元620(输出608，618)。

图6示出了作为水印重新嵌入设备600的一部分、并适于与所考虑的具体加水印方案一起使用的水印嵌入单元620。

主信号y_old′(含有至少一个初始水印序列w_old)被提供到设备的输入端607上。主信号y_old′通过延迟单元629和加法器626向输出端610的方向进行传送。然而，主信号y_old′朝乘法器624方向分出一个复制y_b(输入628)，以载送新水印信息。

乘法器624用来计算水印改变信号w_diff与复制信号y_b的积。水印改变信号w_diff是从有效载荷改变和水印调节设备630b得到的，它是从作为有效载荷改变和水印调节设备的输入的水印随机序列w_old和w_new(分别为输入608和618)得出的。

所得到的积w_diff y_b然后通过增益控制器625被传送给加法器626。由控制器625所施加的增益因子α控制水印的可听度和鲁棒度之间的折衷。它可以是一个常量，也可以是一个随至少时间、频率和空间之一可变的变量。图6的设备示出，在α是变量时，可以由从水印检测器单元640得到的控制信号609自动地对其进行适配。

在另一个优选实施例中，增益因子α可以由一个信号分析器根据主信号y_old的属性独立控制。在后一种情况下，增益α是自动适配的，优选的是按照一个例如人类听觉系统(HAS)的心理声学模型之类的、适当选择的感知度成本函数来使得对信号质量影响最小。同样的模型可以用作控制自适应增益因子以控制原始水印信号的嵌入强度(参见图2和相关文本)的模型。

在图6中，通过将w_diff与y_b的积的经适当缩放的版本添加给主信号而在嵌入设备620的输出端610上得到所产生的水印音频信号y_new：

y_new[n]＝y_old[n]+αw_diff[n]y_b[n]≈x[n]+αw_c[n]x_b[n]       (7)

其中，w_c以与图3中从w_ref和w_old得出w₀相同的方式从w_ref和w_new得出。

优选的是，水印w_diff[n]的参数被选择成使得在乘以y_b时主要修改y_b的短时包络。

图7示出了一个优选实施例，其中在图6中的乘法器624的输入628是通过用滤波单元615内的滤波器H对主信号y_old′滤波而得到的。优选的是，滤波器H是由其下截止频率f_L和上截止频率f_H表征的线性相位带通滤波器。优选的是，这个滤波器具有与在嵌入器100内用来从x中提取x_b的滤波器相同的特性。

在图8中，示出了有效载荷改变和水印调节单元630b的细节。在这个特定单元内，水印信号w_old和w_new被组合在一起，以产生多比特水印改变信号w_diff。水印改变信号w_diff在与y_old′组合后产生一个具有与w_new相应的有效载荷的加有水印的信号。

序列w_old和w_new首先分别在乘法单元654a和654b中乘以各自的符号比特r_old和r_new。r_old和r_new的对应值由检测单元640得出，并通过控制输入端609传送。r_old和r_new的值(典型情况下为+1或-1)保持不变，并且只是在要改变水印的有效载荷时才改变。

用加法器635将负的旧水印序列w_old与正的新序列w_new相加以计算出加了符号的序列w_old与w_new之差w_diff[k]。所得到的w_diff然后通过调节级以产生缓慢变化的多比特水印w_diff[n]。

图9示出了在有效载荷添加/改变和水印调节设备630中使用的水印调节设备632的细节。在重新嵌入的情况下，水印随机序列w_diff＝w_new-w_old被输入到调节设备632。

在调节电路内，水印信号序列w_diff[k]首先被加到上采样器180的输入端上。图181将一个可能的序列w_diff例示为一个长度为L_w、值在+1到-1之间的随机数序列。上采样器在每个样本之间增添(T_s-1)个零，以将采样频率提高到T_s倍。T_s称为水印符号周期，表示在音频信号内水印符号的跨距。在接收信号y_old′与发送信号y_old相比已经经受了时间缩放的情况下，用考虑了缩放影响的经适当缩放的采样因子T_new代替T_s。图183示出了图181所例示的信号通过上采样器180后的结果。

然后用一个诸如双相位窗之类的窗整形函数s[n]与经上采样的信号w_i[n]卷积，以将它变换成一个缓慢变化的窄带信号w_diff[n]，其对于图181的w_diff[k]序列的特性如图185所示。

图184示出了一个典型的双相位窗整形函数。这个窗整形函数只是在时间间隔0至T_s内有支持。窗函数被应用于水印序列以产生一个平滑变化的信号，从而将主信号质量的降低减到最小。

下面将更详细地说明图4所示的检测设备(200，300，400，500)的操作。

在图4中所示的水印符号提取级200内，输入的水印信号y_old′[n]被输入到信号调节滤波器H_b(210)。这个滤波器210通常是一个带通滤波器，其性能与图7所示的相应滤波器H(615)相同。滤波器H_b的输出为y_b′[n]，假设在传输信道内线性，从式(1)可得

y_b′[n]≈(1+αw_c[n])x_b[n]                 (8)

注意，当在嵌入器内不用滤波器时(即，在H＝1时)，检测器内的H_b可以被省去，或者检测器也可以仍然包括H_b，以改善检测性能。如果H_b被省去，式(8)中的y_b′就用y_old′代替。其余的处理是相同的。

为了简化，假设嵌入器与检测器之间有着理想的同步(即没有偏移，并且时间尺度没有改变)，而且音频信号分成长度为T_s的各帧，而y_b，m′[n]为经滤波的信号y_b′[n]的第m个帧的第n个样本。应指出的是，如果在嵌入器与检测器之间没有理想的同步，则可以在缓冲和内插级300内用熟练技术人员所知的技术(例如迭代搜索所有可能的尺度和偏移修改直到达到最佳匹配)来补偿任何偏差。

与y_b，m′[n]帧相应的能量E[m]为：

$E\left[m\right]=\underset{n=0}{\overset{T_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|y_{b,m}^{\&prime;}\right[n\left]S\right[n\left]\right|}^2---\left(9\right)$

其中，S[n]为在图9的水印调节电路内所用的相同的窗整形函数。本领域熟练技术人员可以理解，式9表示一个匹配滤波器接收机，并且是在符号周期完全同步时的最佳接收机。在与上述内容不矛盾的情况下，为了简化以下说明，以下设S[n]＝1。

将其与式8合并后得：

$E\left[m\right]=\underset{n=0}{\overset{T_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|y_{b,m}^{\&prime;}\right[n\left]\right|}^2\&ap;\underset{n=0}{\overset{T_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|(1+{\mathrm{\&alpha;w}}_e[m\left]\right)x_{b,m}\right[n\left]\right|}^2---\left(10\right)$

其中，w_e[m]为第m个所提取的水印符号，并且含有所嵌入的水印序列的N_b个时间多路复用的估计。解出式10中的w_e[m]，忽略α的高次项，得到以下近似式：

$w_e\left[m\right]\&ap;\frac{1}{2\mathrm{\&alpha;}}(\frac{\underset{n=0}{\overset{T_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|y_{b,m}^{\&prime;}\right[n\left]\right|}^2}{\underset{n=0}{\overset{T_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|x_{b,m}\right[n\left]\right|}^2}-1)---\left(11\right)$

在图4中所示的水印提取级200内，滤波器H_b的输出y_b′[n]被提供为分帧器220的输入，分帧器220将音频信号分成长度为T_s的各帧，即分成y_b，m′[n]，然后用能量计算单元230按式(9)计算与每个成帧信号相应的能量。能量计算单元230的输出然后被提供为白化级H_w(240)的输入，白化级H_w(240)执行式11所示的功能，以便提供输出w_e[m]。

可以理解，式11的分母含有需要知道主(原始)信号x的一项。由于信号x对于检测器来说是不可得到的，这意味着为了计算w_e[m]必须对式11的分母进行估计。

下面将说明对于双相位窗整形函数怎样可以进行这种估计，但可以理解，这种教导可以扩展到其他窗整形函数。

通过研究图9中的双相位窗函数(图184)可见，当用这样一个窗函数调制一个音频帧的包络时，帧的前一半和后一半在相反的方向上被缩放。在检测器内，用这个特性来估计主信号y_old′的包络能量。

因此，在检测器内，首先将音频帧再分成两半。从而，与前半帧和后半帧相应的能量函数分别为

$E_1\left[m\right]=\underset{n=0}{\overset{T_s/2-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|y_{b,m}^{\&prime;}\right[n\left]\right|}^2---\left(12\right)$

和

$E_2\left[m\right]=\underset{n=T_s/2}{\overset{T_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|y_{b,m}^{\&prime;}\right[n\left]\right|}^2---\left(13\right)$

由于原始音频的包络在两个子帧内是以相反的方向调制的，因此原始音频的包络可以被近似为E₁[m]和E₂[m]的平均值。

此外，瞬时调制值可以取为这两个函数之差。因此，对于双相位窗函数，水印w_e[m]可以被近似为：

$w_e\&ap;\frac{1}{2\mathrm{\&alpha;}}(\frac{E_1\left[m\right]-E_2\left[m\right]}{E_1\left[m\right]+E_2\left[m\right]}-1)---\left(14\right)$

这个输出w_e[m]然后被传送给缓冲和内插级300，其中信号由多路分解器310分解，并被缓冲进长度为L_b的缓冲器320以解决嵌入器与检测器之间的任何同步不足，所述信号再在内插单元330内受到内插以补偿嵌入器与检测器之间的任何时间尺度修改。这样的补偿可以利用已知技术，因此在本说明书内不再详细说明。

在检测期间，为了使水印检测精度最高，水印检测处理过程通常在接收信号y_old′[n]的一段为水印序列3至4倍的长度上执行。因此需检测的每个水印符号可以通过对若干符号取平均而构造。这个平均处理过程称为平滑，进行平均的次数称为平滑因子s_f。因此，检测窗长度L_D为在其上报告一个水印检测真值的音频段的长度(以样本数计)。因此，L_D＝s_fL_wT_s，其中T_s为符号周期，L_w为水印序列内的符号数。在典型情况下，缓冲和内插级内每个缓冲器320的长度(L_b)为L_b＝s_fL_w。

如图4所示，缓冲级的输出(w_D1，w_D2，...，w_DNb)被传送给内插级，经内插后，内插级的输出(w_I1，w_I2，...，w_INb)(与经正确重新缩放的信号的不同估计相应)被传送给相关和判决级。如果相信不需要时间缩放补偿，可以直接将值(w_D1，w_D2，...，w_DNb)传送给相关和判决级400，即设备可以省去内插级330。

相关器410计算每个估计w_Ij，j＝1，...，N_b与基准水印序列w_s[k]的相关度。与各估计相应的各个相关输出随后被加到最大检测单元420上，最大检测单元420确定哪两个估计对于基准水印的循环移位版本w_old和w_ref提供最佳拟合。这些估计序列的相关值(峰值振幅和位置)被传送给门限检测器和有效载荷提取单元430。

在相关级410的另一个输出中，与两个对于基准水印的循环移位版本w_old和w_ref的最佳拟合相应的水印序列和缓冲器索引被传送给控制信号产生单元500。

如果省去了内插级，相关器410就替换地计算每个估计w_Dj，j＝1，...，N_b与基准水印序列w_s[k]的相关，并将结果传送给如上面所述的单元420和430以用于后续处理。

门限检测器和有效载荷提取单元430可以用来从检测到的水印信号提取有效载荷(例如信息内容)。一旦这个单元估计出两个超过检测门限的相关峰cL₁和cL₂，就测量这两个峰之间的距离pL(如式(2)所定义的)。接着，确定相关峰的符号μ₁和μ₂，从而按式(3)计算出r_sign。随后可以用式(4)计算总水印有效载荷。

例如，由图10可见，pL_old为两个峰之间的相对距离。两个峰都是正的，即μ₁＝+1，和μ₂＝+1。由式(3)可得r_sign＝3。因此，有效载荷pL_w＝<3，pL_ols>。

在检测器内所用的基准水印序列w_s与被加到主信号上的原始水印序列(的一个可能经循环移位的版本)相应。例如，如果水印信号是在嵌入器内用随机数产生器以种子S计算出的，那么，检测器同样可以用相同的随机数产生算法和相同的初始种子计算出相同的随机数序列，以便确定水印信号。或者，在嵌入器内原先所加的并由检测器用作基准的水印信号可以简单地就是任何预定的序列。

图10示出了作为相关器410的输出的相关函数的典型形状。水平刻度示出了相关延迟(以序列样本(sequence bin)计)。左侧的垂直刻度(称为置信度cL)表示按相关函数(在典型情况下呈正态分布)的标准差归一化的相关峰的值。

如可看到的那样，典型的相关相对于cL是比较平坦的，并在cL＝0上下。然而，当存在一个水印时，该函数含有两个相隔pL_old(见式2)的峰，向上延伸到超过检测门限的cL值。在相关峰为负时，以上说明适合于就绝对值而言。

水平线表示检测门限。检测门限值控制误告警率。

存在两种误告警：假阳性率，定义为在不加水印的项中检测到水印的概率；以及假阴性率，定义为在加有水印的项中没有检测到水印的概率。通常，对假阳性告警的要求要比对假阴性告警的严格得多。

在每个检测间隔后，检测器确定是否存在原始水印，并据此将“是”或“否”判决输出给输出设备，同时也输出给控制信号产生单元500。

如果需要，为了改善这个判决处理过程，可以考虑若干检测窗。在这种情况下，假阳性概率是对于各个检测窗所考虑的各个概率的组合，这取决于所取的准则。例如，可以确定，如果相关函数在三个检测间隔中的任何两个间隔上具有两个超过门限cL＝7的峰，就认为有水印。显然，按照水印信号的所希望的使用，而且考虑到诸如主信号的原始质量和信号在正常传输期间可能被破坏的程度之类的因素，这种检测准则可以发生改变。

作为对这个具体重新嵌入处理过程的一般操作的总结，重新嵌入设备600被安排成在输入端602上接收含有水印的信号y_old′。在这种情况下，信号y_old′由图2和3所示的水印嵌入设备产生，并且包括一个水印，该水印包括单个值序列w_s的两个循环移位版本w_old和w_ref。接收信号的一个拷贝y_old被传送给检测器640。

如上所述，检测器640用来检测在信号y_old′内是否存在水印，并估计水印嵌入参数(例如水印序列循环移位量d和用来控制水印的可听度与鲁棒度之间的折衷的增益因子α)。

图10例示了被嵌入y_old′的水印与用来形成w_old的原始值序列(w_s)的相关函数。如可以看到的那样，y_old′内的水印的有效载荷pL_old至少部分由包括水印的序列受到循环移位的两个移位量d_old和d_ref规定。

在这个优选实施例中，只是除去原水印信号的一部分(循环移位量为d_old的值序列)。然后，用检测到的嵌入参数将与在原始水印内所用的相同的值序列(w_s)循环移位一个新的移位量(d_new)后嵌入信息信号。

图11例示了图10所示的同一个水印信号的相关函数，但其中与延迟d_old相应的值序列已经被除去(也就是说已经将“-w_old”加到y_old′上)。结果是只在d_ref处有单个相关峰。

图11示出了图10所示的同一个信号的相关函数，不过是在插入了具有一个新的循环移位延迟(d_new)的同一个值序列w_s之后。这产生两个相隔有效载荷pL_new(见式2和4)的相关峰，即一个新水印信号。可以理解，通过只除去原始水印信号的一半再添加水印信号的替换的一半，就已产生一个新水印，但这对水印所嵌入的信息信号的质量的影响最小。

检测器640还向延迟单元629提供诸如时间偏移(Δt)之类的同步信息。然后，对被传送给延迟单元629的输入信号y_old′的拷贝进行适当同步，以考虑任何时间偏移、重新缩放和由重新嵌入器内各单元(例如630b，624，625，615)执行的各个操作所引起的固有延迟，以确保在加法器626处y_old′与y_b同步。信号y_old′的一个拷贝被传送给滤波器H 615。这个滤波器与图7所示的滤波器类似，并且可以省去。这种滤波器可以例如是一个带通滤波器，并给出输出y_b。

可以理解，以上这些实施例只是例示性的。对于熟练技术人员来说各种修改都是显而易见的。

例如，虽然优选实施描述了部分地除去原始水印，但可以理解，可以除去和替换整个原始水印。同样，虽然所说明的只是除去一个序列和用一个序列代替，但可以理解，可以用两个或更多个序列代替单个序列。或者，如果原始有效载荷包括三个循环移位的序列或者更多个循环移位的序列，可以用单个序列或多个序列代替两个这样的序列。

虽然新水印被描述为采用与原先所用的相同的嵌入参数的值，但新水印当然可以使用这些嵌入参数中任何一个或多个嵌入参数的其他值。

例如，虽然以上实施例将水印改变信号w_c描述为用一个因子α缩放，但可以理解，形成w_c的两个部分(即，w_old和w_new)可以分别用不同的量缩放后再相加或者再分别直接添加给接收信号y_old′。为了除去这部分水印，最好w_old的负版本的嵌入强度与原先用来将w_old嵌入主信号的嵌入强度近似。然而，w_new显然可以以任何所希望的强度被嵌入y_old′。

所希望的是水印被嵌入主信号而不过分影响主信号的质量。优选的是，所有被嵌入的水印信号是观察者无法觉察的，即在音频信号中不能听到水印信号的影响，或者在视频信号中不能看到水印信号的影响。

ITU标准“Method for objective Measurements of Perceivedaudio quality(所感知的音频质量的客观测量方法)”(International Telecommunication Union，GenevaSwitzerland(1999))定义了一个5分制(与ITU-R RecBS.1116(rev.1)(1997)和ITU-R Rec.BS.562-3(1990)标准一致)。不同的得分为：5＝觉察不到，4＝可察觉但不恼人，3＝略为恼人，2＝恼人，1＝非常恼人。

虽然优选的是所有水印信号都是觉察不到的，但在大多数系统中ITU尺度上的4分(“可察觉但不恼人”)同样是可以接受的。

虽然以上实施例对于一个具体加水印方案描述了本发明的实现方式，但可以理解，本发明实际上可以用许多其他水印方案实现。

例如，一种音频加水印方案是用时间相关技术将所希望的数据(例如版权信息)嵌入音频信号。

这种技术实际上是一种回声隐匿算法，其中通过解一个二次方程来确定回声的强度。这个二次方程由在两个位置处的自相关值产生：一个在延迟等于τ处；而另一个在延迟等于0处。在这样的方案中，由于音频信号的回声被添加给原始音频信号，因此所得到的信号实际上是原始音频信号的在振幅和相位上都受到调制的版本。在检测器处，通过确定在两个延迟位置处的自相关函数的比来提取水印。

还已知的是一些基于对DFT(离散傅里叶变换)系数的幅度调制的加水印的方案，这些方案需要在编码器和解码器处计算DFT。

类似地，WO 98/53565、US 6,175,627和WO 00/00969描述了另一些可应用本发明的技术，以用来将辅助信号(诸如版权信息)嵌入或编码入一个多媒体主信号或覆盖信号。如在WO 00/00969中所详细说明的那样，按照一个为覆盖信号的参数指定修改值的隐秘密钥(stego key)在一个特定的域(时间，频率或空间)内产生覆盖信号的一个复制或覆盖信号的一部分。这个复制信号然后被用一个与需嵌入的信息相应的辅助信号修改并被回插到覆盖信号内，从而形成隐秘信号。

在解码器处，为了提取原始辅助数据，以与产生原始覆盖信号的复制相同的方式并要求使用同一个隐秘密钥地产生隐秘信号的一个复制。然后，将所得到的复制与所接收到的隐秘信号进行相关，从而提取辅助信号。

利用本发明的另一个实施例，所提取的辅助信号可以用一个新的辅助信号代替。这可以通过用隐秘密钥和由检测单元估计的嵌入参数适当地从接收信号中减去辅助信息来达到。对于图1来说，这可以通过利用检测器640、水印产生器650和响应底层嵌入算法的水印重新嵌入器620实现。

熟练技术人员可以理解，可以将在这里没有具体说明的各个实现方式理解为也属于本发明的专利保护范围。例如，虽然只是对嵌入和检测设备的功能作了说明，但可以理解，所述设备可以实现为数字电路、模拟电路、计算机程序或者它们的组合。

在本说明书内，可以理解，所谓“包括”并不排除其他元件或步骤，所谓“一个”并不排除多个，而单个处理器或其他单元可以实现在权利要求书内所述的若干装置的功能。

Claims (17)

1.一种处理包括原始水印信号的多媒体信号的方法，该水印信号包含至少两个值序列，所述方法包括下列步骤：

除去至少一个值序列，以便从原始水印信号中留下至少一个剩下的值序列；以及

将新的至少一个值序列添加给多媒体信号，从而形成新的加有水印的多媒体信号；

其中所述新的至少一个值序列与所述至少一个剩下的序列一起形成新水印信号。

2.一种如在权利要求1中所要求的方法，其中通过将所述原始水印信号的负版本加到多媒体信号上而除去所述原始水印信号。

3.一种如在权利要求1中所要求的方法，所述方法还包括确定用来将原始水印嵌入多媒体信号的参数中的至少一个参数的值的步骤。

4.一种如在权利要求3中所要求的方法，其中所述参数的所述值被用来除去所述原始水印信号的至少一部分。

5.一种如在权利要求3中所要求的方法，其中用具有所述所确定的值的所述嵌入参数将所述新信号嵌入多媒体信号。

6.一种如在权利要求3中所要求的方法，其中用具有所述所确定的值之外的值的所述嵌入参数将所述新信号嵌入多媒体信号。

7.一种如在权利要求3中所要求的方法，其中所述参数包括嵌入强度、同步信息、时间偏移、时间缩放、序列的循环移位量和水印符号周期至少其中之一。

8.一种如在权利要求1中所要求的方法，其中所述原始水印被全部除去，而所述新信号包括新水印信号。

9.一种如在权利要求1中所要求的方法，其中所述值序列全部由经循环移位了不同的移位量的单个值序列形成。

10.一种如在权利要求1中所要求的方法，其中所述水印信号的被除去部分是以预定强度被嵌入所述多媒体信号的，所述方法包括以相同的预定强度将新信号嵌入多媒体信号的步骤。

11.一种如在权利要求10中所要求的方法，其中所述嵌入强度使得新的加有水印的多媒体信号的质量降低是可感知但并不恼人的。

12.一种如在权利要求1中所要求的方法，其中所述原始水印信号和新水印信号至少其中之一包括通过将窗整形函数加到值序列上而形成的平滑改变的信号，在该窗整形函数上的积分为零。

13.一种如在权利要求12中所要求的方法，其中所述窗整形函数具有双相位特性。

14.一种如在权利要求13中所要求的方法，其中所述双相位窗包括极性相反的至少两个Hanning窗。

15.一种处理包括水印信号的多媒体信号的设备，该水印包含至少两个值序列，所述设备包括：

用来除去至少一个值序列以便从原始水印信号中留下至少一个剩下的值序列的删除单元；以及

用来将新的至少一个值序列添加给多媒体信号的嵌入器；

其中所述新的至少一个值序列与所述至少一个剩下的序列一起形成新水印信号。

16.一种如在权利要求15中所要求的设备，还包括用来检测所述水印信号的参数的至少一个值的检测器。

17.一种多媒体信号接收机，所述接收机包括如在权利要求15中所要求的设备。

Images