CN1237536C - 在信息信号中嵌入水印的方法和设备 - Google Patents

Abstract

高质量信号，如具有2.822MHz比特率(fs1)的单比特编码(DSD)的音频信号通过取样率转换器(102)转换为较低取样率(fs3)的PCM信号。水印是由传统水印嵌入器(101)以该较低的取样率嵌入的，嵌入器(101)能够以该较低的取样率处理信号。否则不能获得水印(WM)。随后，通过从嵌入水印的信号中减去(103)未嵌入水印的信号并上取样(104)至中间取样率(fs2)来检索水印。DSD信号被转换为(110)所述中间取样率下的PCM信号。检索的水印随后被加到(107)该PCM信号中，并且嵌入水印的PCM信号被重新转换为(120)单比特编码的DSD信号。在一个优选实施例中，该设备包括补偿电路(105)，它向信息信号X’补偿由嵌入器(101)执行的任何(倒如，非线性)操作，以便尽可能减小估算的水印(WM’)。该补偿电路通过控制诸如标度(106，109)和时移(108)这样的参数而在DSD领域中再次引入所述操作。

Description

在信息信号中嵌入水印的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种把水印插入信息信号，尤其是高质量音频信号中的方法和设备。本发明还涉及一种从插入水印的信号中提取水印的方法和设备。

背景技术

水印处理是一项广为人知的用于防止软件盗版的技术。水印处理系统的一般结构可见于图1。该系统的输入是原始信号X。水印WM通过水印嵌入器100嵌入信号X中。嵌入水印的信号Y感觉上与X并无不同，但它可由检测器200检测。实际上，嵌入水印的信号Y经过了各种信号处理P 300，如压缩处理。如果任意类型的处理P使得通过处理信号Z不能检测到水印WM，则水印WM被认为是易损的。如果一些预定的信号处理算法P使得水印WM可被检测到而其它类型的处理则使得水印不可检测，那么水印WM是半易损的。如果只有通过非常粗糙的处理P才能将其去除，从而使再现信号的质量严重降低，则水印WM被认为是稳定的。

在水印处理的标准化过程中，音乐行业已经定义了各种各样的处理P，这些处理允许鉴别上面所述的各种类型的水印处理。一些现有的水印处理方案将被检测是否符合音乐行业所设定的技术要求。这将涉及声音质量和稳定性。

在目前的音频水印处理设备中，水印的嵌入关键是根据音频信号的表示而定。现有的水印处理方案是针对每个取样多个比特且取样率不超过96kHz的信号表示进行优化的。这种信号表示的一个熟知的例子就是CD-audio(在44.1kHz的16-比特PCM)。其它的表示，如在其中振幅分辩率相对于时间分辩率而变换的高速率信号则要求不同的水印嵌入设备或方法。这种信号表示的一个例子是记录在超音频CD上的直接流数字(DSD，在64×44.1kHz的1-比特取样)。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种通用的方法和设备以用于在任意比特任意速率的信号中嵌入并检测水印。

本发明提供了一种用于把水印(WM)嵌入具有第一取样频率(fs2)的信息信号(X)中的方法，该方法包括的步骤是：

-把所述信息信号的取样率转换为预定的第二取样频率(fs3)，得到一个转换信息信号(X’)；

-在所述第二取样频率(fs3)下的转换信息信号(X’)中嵌入水印(WM)，得到嵌入水印的信号(Y’)；

-从嵌入水印的信号(Y’)中检索第一取样频率(fs2)下的水印(WM”)；以及

-把检索的水印(WM”)嵌入第一取样频率下的信息信号(X)中。

本发明还提供了一种在具有给定比特率(fs1)的单比特编码信息信号(X)中嵌入水印(WM)的方法，该方法包括的步骤是：

-把所述单比特编码信息信号转换为第一取样频率(fs2)下的多比特信息信号；

-通过以下步骤在所述多比特信息信号中嵌入水印：

-把所述单比特编码信息信号的取样率转换为预定的第二取样频率(fs3)，得到一个转换信息信号(X’)；

-在所述第二取样频率(fs3)下的转换信息信号(X’)中嵌入水印(WM)，得到嵌入水印的信号(Y’)；

-从嵌入水印的信号(Y’)中检索第一取样频率(fs2)下的水印(WM”)；和

-把检索的水印(WM”)嵌入第一取样频率下的信息信号(X)中，

以及

把嵌入水印的多比特信号重新转换为给定比特率(fs1)的单比特表示。

本发明还提供了一种用于把水印(WM)嵌入具有第一取样频率(fs2)的信息信号(X)中的设备，该设备包括：

-取样率转换器(102)，用于把所述信息信号转换为预定的第二取样频率(fs3)；

-水印嵌入器(101)，用于在所述第二取样频率(fs3)下的转换信号(X’)中嵌入水印(WM)；

-检索装置(103，104)，用于从嵌入水印的信号(Y’)中检索第一取样频率(fs2)下的水印(WM”)；以及

-嵌入装置(107)，用于把检索的水印(WM”)嵌入第一取样频率下的信息信号(X)中。

本发明还提供了一种在具有给定比特率(fs1)的单比特编码信息信号(X)中嵌入水印(WM)的设备，该设备包括：

-转换器(110)，用于把所述单比特编码信息信号转换为第一取样频率(fs2)下的多比特信息信号；

-一种把水印嵌入多比特信息信号中的装置，该装置包括：

-取样率转换器，用于把所述单比特编码信息信号转换为预定的第二取样频率(fs3)；

-水印嵌入器，用于在所述第二取样频率(fs3)下的转换信号(X’)中嵌入水印(WM)；

-检索装置，用于从嵌入水印的信号(Y’)中检索第一取样频率(fs2)下的水印(WM”)；和

-嵌入装置，用于把检索的水印(WM”)嵌入第一取样频率下的信息信号(X)中，

以及

-转换器(120)，用于把嵌入水印的多比特信号重新转换为给定比特率(fs1)的单比特表示。

利用本发明可以实现：即使在不能直接获得水印时，针对多比特PCM信号开发的标准水印嵌入器也可用于任意类型的信号表示。

附图说明

图1所示为包括水印嵌入器和水印检测器的传输链的一般结构。

图2所示为用于根据本发明在信息信号中嵌入水印的设备示意图。

图3所示为用于根据本发明检测信息信号中的水印的设备示意图。

图4所示为在单比特编码的信息信号中嵌入水印的设备的一个实施例。

图5所示为非线性水印嵌入的效果图。

图6所示为在信息信号中嵌入水印的设备的另一个实施例的示意图。

具体实施方式

图2表示用于根据本发明把水印插入信息信号中的设备。输入信号X是高质量的数字音频信号，它具有高取样率fs2(如96kHz)的多比特取样(如24比特/取样)。假定要嵌入的水印并不能如此获得。而是可以获得能够处理诸如传统CD质量(44.1kHz的16-比特取样)这样较低质量的信号表示的水印嵌入器。

高质量信号X通过取样率转换器102转换为较低的取样率fs3(44.1kHz)。转换的信号X’提供给了水印嵌入器101。为了简便起见，水印嵌入处理被表示为在时域中水印WM与数字信号X’的简单相加。但是，嵌入器101可以是采用其它技术的任意水印嵌入器，其它技术可以是时间偏差或频域中的嵌入。

水印嵌入器101的输出Y’包含水印WM。该水印随后在fs2领域中被检索。在该实施例中，这可通过下面的步骤实现：在fs3领域中从嵌入水印的信号Y’中减去103未嵌入水印的信号X’，之后把检索的水印WM’上取样(up-sample)104至fs2领域。另外，也可在fs2领域中执行该减法。在该情况下，嵌入水印的信号Y’首先被上取样并从中减去输入信号X。任何补偿105是尽可能减小误差所必需的。补偿电路105可包括延迟、滤波器和定标器。被检索并上取样的水印WM’被定标106并在随后嵌入107信号X中，这可在输入信号经过适当的延迟108之后进行。在该实施例中，水印的嵌入107由加法器来提供。通常，嵌入操作107是检索操作103的互补。

图3所示为用于根据本发明提取水印的设备。该设备包括：取样率转换器201，用于把嵌入水印的信号Z的取样率fs2转换为取样率fs3；和传统水印检测器202，它能够处理该取样率fs3的信号。因此，用于标准多比特PCM信号(如16比特/取样，44.1kHz)的任何已知水印检测器202均可用于任意比特任意速率的信号中的水印提取。

图4所示为把水印WM嵌入高质量单比特编码信号中的设备的一个实施例。单比特编码的信号是高速率的信号，其中振幅分辩率相对于时间分辩率已经被转换。它们通常通过(δ)σ调制获得。一个例子是记录在超音频CD上的DSD(64×44.1kHz的1-比特取样)。单比特编码的信号要求与PCM信号不同的水印嵌入器和检测器。本发明提供了利用传统PCM水印嵌入器101和检测器202在DSD信号中嵌入和提取水印的设施。

该设备包括转换器110，它把单比特编码信号X转换为在适当的中间取样频率fs2的多比特信号，从而保持高质量(如128kHz的24比特/取样)。多比特信号随后以参考图2所述的方式嵌入水印。在嵌入处理之后，嵌入水印的多比特信号Y”通过转换器120(如δ-σ调制器)重新转换为单比特编码的嵌入水印的信号Y。需要指出，如图4所示，转换器102可把单比特编码的信号X(fs1)直接转换为低取样率的信号X’(fs3)，而不是从fs2转换到fs3。

归一化嵌入水印的输出信号的功率是必要的。在DSD信号的情况下，这种归一化109最好在从多比特PCM至单比特DSD转换120之前执行。

相应的水印检测器与参考图3所述的检测器相同，转换器201现在接收比特率为fs1的单比特编码信号。

还应当指出，取样率的频率fs1、fs2和fs3的关系最好为fs1和fs2为fs3整数倍。

下面将描述修改电路105。该电路对于单纯的相加水印来说并不是必需的。但是，现有的水印嵌入器101在它们的水印处理过程中包括非线性操作。在下面，这些非线性操作中的两个操作将被详细描述，并且还将概述它们对最终DSD流的影响。

例1

单纯把水印WM加到PCM信号X’中将会产生信号Y’＝X’+WM。如果信号X’和水印WM的功率分别以Px’和Pw表示，并且假定在水印WM和信号X’之间并无相关性，则信号Y’的功率Py’等于Py’＝Px’+Pw。由于大多数现有的嵌入器101是以其等于输入信号的功率的方式来标度水印信号的功率，因此嵌入水印的信号Y’象是：

$Y^{\′}=\sqrt{{\mathrm{Px}}^{\′}/({\mathrm{Px}}^{\′}+\mathrm{Pw})}(X^{\′}+\mathrm{WM})$

现在，如果我们通过从Y’中减去X’来产生水印信号WM的估算值WM’，那么我们将获得：

$W{M}^{\′}=(\sqrt{{\mathrm{Px}}^{\′}/({\mathrm{Px}}^{\′}+\mathrm{Pw})}-1)X^{\′}+\sqrt{P{x}^{\′}/(P{x}^{\′}+\mathrm{Pw})}\mathrm{WM})$

实际上，水印的功率可容易地提高至总信号功率的10％。这意味着水印信号的估算值WM’包括5％的PCM信号X’。一个已经确定的事实就是：DSD的信号质量实质上好于44.1kHz甚至96kHz的PCM。因而必须要避免该信号的低质量复制品进入DSD输出流中。

例2

常被使用的另一个非线性操作是时移。假设水印信号WM通过把该信号延迟一个特定(明确定义)的时间T而被嵌入，从而产生嵌入水印的信号Y’。如果我们从信号X’的付里叶分解来看频率为ω的单正弦波，则能够容易地理解其对信号X’减去嵌入水印的信号Y’之后得到的估算水印WM’的影响。在该情况下，

X’＝sin(ωt)

Y’＝sin(ω(t+s))

在式中，s就是引入的时移。

对于水印估算值WM’来说，我们就有：

WM’＝sin(ωt)-sin(ω(t+s))

＝sin(ωt)(1-cos(ωs))-sin(ωs)cos(ωt)

它是原始PCM信号X’的90o相移的PCM复制物。这在图5中被示出，该图示出了通过正弦51及其时移变体52相减的结果53。该图表示出，即使对于小时移s来说，信号WM’也包括PCM信号X’的大部分。正如在前面的例子中一样，把信号WM’嵌入DSD流中的结果将会使PCM质量的信号对DSD信号产生实质性的污染，如果可能的话，这应当是要避免的。

补偿电路105的目的是产生尽可能小的水印信号的估算值WM’。为此，该补偿电路包括延时d和具有定标因子s的定标器。提取要应用的比例因子和延时是比较容易的。在已有技术中已知的最小二乘方误差最小化策略可用于此目的。对于上述讨论的例子来说，这将意味着，在例1的情况下，补偿电路105应用一个比例因子，以使估算值WM’不会被原始信号X污染；在例2的情况下，该补偿电路引入相移，该相移将使估算值WM’非常小。这样看来，在该补偿处理中提取延迟和定标是现实的，因为这看起来是比较容易提取的，并且将会使DSD信号的PCM污染显著降低。应当指出，对于在补偿级中可提取的其它(如非线性)操作来说并没有原则性的限制。

甚至可以有一个或多个参数，尤其是时移，可以作为嵌入处理101的整数参数。在这种情况下，必需把相同的参数应用于fs2领域中的嵌入处理，以使检测器能够正确工作。为此，图6示出了嵌入器的另一个实施例，其中补偿电路105根据提取的参数动态控制延迟108和增益106和/或109。应当指出，在这种情况下的补偿是一个动态处理过程。它所提取的参数是可变的，即使在音乐的时间标度上来说是缓慢的。

简而言之，图6所示的优选实施例执行下面的步骤：

-提取PCM嵌入器执行的任何(非线性)操作；

-确定在去除这些操作之后的剩余WM’；

-把剩余WM’加入DSD流中，以及

-在DSD领域中执行(非线性)操作。

本发明可概括如下。高质量信号，如具有2.822MHz比特率(fs1)的单比特编码(DSD)的音频信号通过取样率转换器(102)转换为较低取样率(fs3)的PCM信号。水印是由传统水印嵌入器(101)以该较低的取样率嵌入的，嵌入器(101)能够以该较低的取样率处理信号。否则不能获得水印(WM)。随后，通过从嵌入水印的信号中减去(103)未嵌入水印的信号并上取样(104)至中间取样率(fs2)来检索水印。DSD信号被转换为(110)所述中间取样率下的PCM信号。检索的水印随后被加到(107)该PCM信号中，并且嵌入水印的PCM信号被重新转换为(120)单比特编码的DSD信号。

在一个优选实施例中，该设备包括补偿电路(105)，它向信息信号X’补偿由嵌入器(101)执行的任何(倒如，非线性)操作，以便尽可能减小估算的水印(WM’)。该补偿电路通过控制诸如标度(106，109)和时移(108)这样的参数而在DSD领域中再次引入所述操作。

Claims (11)

1.一种用于把水印(WM)嵌入具有第一取样频率(fs2)的信息信号(X)中的方法，该方法包括的步骤是：

-把所述信息信号的取样率转换为预定的第二取样频率(fs3)，得到一个转换信息信号(X’)；

-在所述第二取样频率(fs3)下的转换信息信号(X’)中嵌入水印(WM)，得到嵌入水印的信号(Y’)；

-从嵌入水印的信号(Y’)中检索第一取样频率(fs2)下的水印(WM”)；以及

-把检索的水印(WM”)嵌入第一取样频率下的信息信号(X)中。

2.如权利要求1所要求的方法，其中所述检索步骤包括：从第二取样频率(fs3)下的嵌入水印的信号(Y’)中减去所述转换信息信号(X’)，并且把检索的水印的取样率转换为第一取样频率(fs2)。

3.如权利要求2所要求的方法，其中所述检索步骤还包括向转换信息信号(X’)补偿由嵌入步骤执行的非线性操作。

4.如权利要求1所要求的方法，还包括检测由嵌入步骤执行的非线性操作以及使所述转换信息信号(X’)经过所述非线性操作的步骤。

5.如权利要求1所要求的方法，其中所述检索步骤包括：把嵌入水印的信号(Y’)的取样率转换为第一取样频率(fs2)以及从第一取样频率(fs2)下的转换的嵌入水印的信号中减去所述信息信号(X)。

6.一种在具有给定比特率(fs1)的单比特编码信息信号(X)中嵌入水印(WM)的方法，该方法包括的步骤是：

-把所述单比特编码信息信号转换为第一取样频率(fs2)下的多比特信息信号；

-通过以下步骤在所述多比特信息信号中嵌入水印：

-把所述单比特编码信息信号的取样率转换为预定的第二取样频率(fs3)，得到一个转换信息信号(X’)；

-在所述第二取样频率(fs3)下的转换信息信号(X’)中嵌入水印(WM)，得到嵌入水印的信号(Y’)；

-从嵌入水印的信号(Y’)中检索第一取样频率(fs2)下的水印(WM”)；和

-把检索的水印(WM”)嵌入第一取样频率下的信息信号(X)中，

以及

把嵌入水印的多比特信号重新转换为给定比特率(fs1)的单比特表示。

7.如权利要求6所要求的方法，其中所述检索步骤包括：从第二取样频率(fs3)下的嵌入水印的信号(Y’)中减去所述转换信息信号(X’)，并且把检索的水印的取样率转换为第一取样频率(fs2)。

8.如权利要求7所要求的方法，其中所述检索步骤还包括向转换信息信号(X’)补偿由嵌入步骤执行的非线性操作。

9.如权利要求7或8所要求的方法，其中对单比特编码信息信号实施把所述信息信号的取样率转换为第二取样频率(fs3)的步骤。

10.一种用于把水印(WM)嵌入具有第一取样频率(fs2)的信息信号(X)中的设备，该设备包括：

-取样率转换器(102)，用于把所述信息信号转换为预定的第二取样频率(fs3)；

-水印嵌入器(101)，用于在所述第二取样频率(fs3)下的转换信号(X’)中嵌入水印(WM)；

-检索装置(103，104)，用于从嵌入水印的信号(Y’)中检索第一取样频率(fs2)下的水印(WM”)；以及

-嵌入装置(107)，用于把检索的水印(WM”)嵌入第一取样频率下的信息信号(X)中。

11.一种在具有给定比特率(fs1)的单比特编码信息信号(X)中嵌入水印(WM)的设备，该设备包括：

-转换器(110)，用于把所述单比特编码信息信号转换为第一取样频率(fs2)下的多比特信息信号；

-一种把水印嵌入多比特信息信号中的装置，该装置包括：

-取样率转换器，用于把所述单比特编码信息信号转换为预定的第二取样频率(fs3)；

-水印嵌入器，用于在所述第二取样频率(fs3)下的转换信号(X’)中嵌入水印(WM)；

-检索装置，用于从嵌入水印的信号(Y’)中检索第一取样频率(fs2)下的水印(WM”)；和

-嵌入装置，用于把检索的水印(WM”)嵌入第一取样频率下的信息信号(X)中，

以及

-转换器(120)，用于把嵌入水印的多比特信号重新转换为给定比特率(fs1)的单比特表示。

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