EP2385521A1 - Steganography in digital signal encoding - Google Patents
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- EP2385521A1 EP2385521A1 EP11006299A EP11006299A EP2385521A1 EP 2385521 A1 EP2385521 A1 EP 2385521A1 EP 11006299 A EP11006299 A EP 11006299A EP 11006299 A EP11006299 A EP 11006299A EP 2385521 A1 EP2385521 A1 EP 2385521A1
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- G10L2019/0001—Codebooks
- G10L2019/0007—Codebook element generation
Definitions
- the invention is directed to a method for embedding a steganographic information in a signal information of a signal encoder.
- digital transmission is becoming increasingly important. Among other things, this is due to the fact that digital signal information is processed more easily, i. can be copied or compressed.
- the compression of digital signal information means that information can be transmitted by means of signal transmission channels with limited data transmission rates with high information density.
- the voice information to be transmitted by means of the well-known CELP (Code-book Excited Linear Predictive Coding) or ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction) or in the future the AMR (Adaptive Multi-Rate) coding coded.
- CELP Code-book Excited Linear Predictive Coding
- ACELP Algebraic Code Excited Linear Prediction
- AMR Adaptive Multi-Rate
- a signal coder such as a CELP coder, an ACELP coder or an AMR coder, generates a codebook entry, typically a vector of a so-called codebook, with the codebook entry code elements - ie usually the vector components - information regarding the (filter) excitation included. Filter coefficients, gain factors, etc. are encoded as time information by means of dedicated codebooks.
- a codebook for excitation coding usually consists of a set of vectors, for example each with 10 components in the ACELP encoding according to the Enhanced Full Rate (EFR) standard, which encode the speech information to be transmitted for a certain length, for example 5 milliseconds.
- EFR Enhanced Full Rate
- This speech information can be decoded on the receiver side, wherein the actual decoder can also recognize at the same time from which decomposition of the codebook the codebook entry originates.
- the publication also describes the known analysis-by-synthesis method.
- the selected codeword is evaluated, ie the quality of the coding is checked. This is essentially achieved by decoding, ie synthesizing, the coding after speech information has been coded, and comparing the result of the decoding, which in turn represents speech information, with the original speech information.
- a synthesis is performed in advance on the transmitter side - encoder side - which, after any transmission, is also performed on the receiver side decoder side.
- a codeword that is to say generally a vector from a codebook, which firstly has the desired property, ie originating from the correspondingly decomposed subcodebook, and thereby the speech information coded with sufficient quality.
- the invention is therefore based on the object to provide a solution which makes it possible steganographic information in a signal information of a signal encoder such to embed that a reduction of voice quality is largely avoided.
- the object is achieved by providing data information, in particular speech information, selecting a steganographic information from a set of steganographic information, generating a codeword from a provided codebook by means of a signal Coder on the basis of codeword-forming code elements such that, using the generated codeword in the context of a codebook-associatable transmission standard, the data information is coded into a codeword-containing and / or codeword referring signal information; and that the generated codeword has an additional property computable on the basis of the codewords forming the codeword, the additional property representing the steganographic information.
- Such a method for embedding steganographic information in signal information of a signal coder in which a codeword is generated from a provided codebook by means of the signal coder on the basis of codeword-forming code elements makes it possible to provide a codeword having a calculable property on the one hand, ie represents a steganographic information, and on the other hand at the same time provides signal information which for a data information, in particular a voice information, encoded.
- codewords not in the practical codebook and / or the decompositions of the practical codebook may be considered were present. This significantly expands the number of code elements that can be accessed so that either decomposition in more sub-codebooks compared to the prior art or with an equal number of sub-codebooks provides improved speech quality over the prior art can.
- an evaluation of the generated codeword is carried out in the context of a transmission standard associable with the provided codebook by decoding the codeword and then comparing the decoded data information with the original data information.
- the code word is generated from the provided codebook by means of the signal coder on the basis of the code elements forming the codeword, taking into account the evaluation.
- the use of a based on the GSM (Global System for Mobile Communications) - and / or UMTS (Universal Mobile Telecommunications Standard) transmission standards based coder and codebook is provided.
- GSM Global System for Mobile Communications
- UMTS Universal Mobile Telecommunications Standard
- the generation of a codeword based on the CELP, the ACELP (Algebraic Code Exited Linear Prediction) - and / or the AMR encoding is provided.
- CELP or ACELP coding allows the use of the method according to the invention in many fields of technology, in particular mobile telecommunications. This also applies to the future by analogy for the AMR coding.
- the calculation of the property of the code word is performed as a result of applying at least one operation to at least one of the code elements forming the code word.
- the provision of the code word is carried out such that the code word implicitly satisfies the property.
- the selection of the steganographic information is carried out in such a way that the steganographic information is used for signal improvement, in particular for voice transmission, such as artificial bandwidth expansion and / or noise reduction.
- the additional transferable steganographic information can be used, for example, to describe a property of the data information actually to be transmitted, so that the steganographic information can be used for signal enhancement.
- the code word coding for the data information is generated by the method according to the invention - the marginal loss in the transmission quality can not only be compensated by the steganographic additional information, but can even be overcompensated.
- the selection of steganographic information is performed such that the steganographic information is used as a digital watermark.
- the steganographic information When using the steganographic information as a digital watermark not only the originality and the origin of data information can be marked, but also copyright to data information can be introduced using the steganographic information in the form of a digital watermark.
- the data information is qualitatively hardly impaired in the context of the method according to the invention.
- a transmission of the codeword-containing or referring to the codeword signal information is performed to a receiver.
- provision of data information by means of decoding of the codeword is carried out in the context of a transmission standard associable with the provided codebook.
- the data information included in the signal information as well as the steganographic information can be recovered and used.
- provision of the steganographic information on the receiving side is carried out by means of calculating the additional property of the code word on the basis of the code elements forming the code word.
- the receiver it is possible to calculate the steganographic information contained in the signal information. This possibility can optionally be used, ie systems which are not able to recalculate the steganographic information will only extract the data information from the signal information without getting to the steganographic information.
- the method is also carried out in a mobile radio device.
- the method is particularly suitable for signal information transmission, i. Voice or other information, by means of mobile devices, which are operable in a mobile network.
- Fig.1 shows an encoder 100 according to an embodiment of the invention.
- the coder 100 is supplied with a signal 101 to be coded, for example a speech signal 100.
- data 100 to be embedded is supplied to the encoder 100.
- the coder generates a coded signal 103 from the signal 101 to be coded, into which the data 102 to be embedded is embedded, that is, from which a corresponding decoder can determine the data 102 to be embedded.
- the coded signal 103 is transmitted, for example, to a receiver, for example by means of a computer network or by means of a radio network.
- the encoder 100 is used in a GSM (Global System for Mobile Communications) mobile radio network.
- the encoder can also be used within the framework of a mobile radio network in accordance with UMTS (Universal Mobile Telecommunications Standard), CDMA2000 (CDMA: Code Division Multiple Access) or according to FOMA (Freedom of Mobile Access).
- UMTS Universal Mobile Telecommunications Standard
- CDMA2000 CDMA: Code Division Multiple Access
- FOMA Freedom of Mobile Access
- the signal 101 to be encoded is a speech signal outputted from the encoder 100 according to an ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction) speech compression method.
- ACELP Algebraic Code Excited Linear Prediction
- ACCELP Enhanced Full Rate
- the encoder 100 uses a fixed (in other words stochastic) codebook, which is decomposed into N sub-codebooks, for information embedding, that is, for embedding the data 102 to be embedded into the coded signal 103 in an embodiment for coding the so-called residual signal.
- the corresponding sub-codebook is used depending on the information to be embedded in accordance with a binning scheme (binning scheme).
- the sub codebooks may have a similar scope to the searched part of the fixed codebook, and the quality of the CELP coding suffers little from information embedding. Furthermore, the information embedding can be performed with low algorithmic complexity.
- the encoder 100 uses a codebook defined as follows:
- a codeword c from the codebook (ie, the set of all possible codewords) C is thus a ten component vector, with each component describing a position of a pulse within a subframe.
- the components of the vectors c are signed.
- the use of signed components allows for improved information embedding.
- EFR dispenses with the use of signed components for complexity reasons.
- the codebook C is in one embodiment decomposed into two sub-codebooks C (1) and C (2) such that one codeword of the coded signal 102 can embed one bit of the data to be embedded 101 per codeword and accordingly one bit of the data to be embedded 101 per Subframe is transmitted, which corresponds to a sub-frame duration of 5ms a data rate of 200bit / s.
- the codewords of the sub-codebooks differ in that the sum of the components c i of a codeword is even from the one sub-codebook and odd from the other sub-codebook. For example, all code words from C (1) satisfy the condition (ie sum of components is even) and all code words from C (2) the condition (ie sum of components is odd) where trunc denotes the rounding operation, that is, rounding down to the next smallest integer.
- a codeword from C (1) is used for coding (the current signal values of the signal to be coded 101), and a second message ( in this example consisting of one bit, for example bit value 1), a codeword from C (1) is used for coding.
- a receiver or decoder may determine whether the first message or the second message has been embedded based on the membership of a received codeword to C (1) or C (2).
- the division of C is performed in even and odd parity of the sum of the components of the codewords. For example, a codeword belongs to C (1) if has an even number of ones in binary representation and to C (2) otherwise.
- four bits are embedded per subframe, thereby achieving a data rate of 400bit / s.
- This is done by dividing the codebook C into four sub-codebooks C (1) to C (4), wherein the codewords of the sub-codebooks satisfy, for example, the following conditions: In this case, the distinction is made on the basis of the even-numbered or odd-numberedness of the sum of the components with even or odd index.
- the expression trunc (c i / 5) may also be used Pulse position clearly indicated within a so-called track.
- the respective graycoded version GRAY (ci) or GRAY (trunc (c i / 5)) may be used as intended for channel coding in EFR.
- the summation is carried out modulo 2, so that it is required that the sum modulo 2 of several codeword bits b j is equal to the message bit m i to be embedded.
- the above-described procedure for embedding information can also be used in other coders, for example in all CELP speech coders but also in other signal coders such as video coders, image coders, etc.
- the transmission of page information (embedded information) by means of steganography can also improve the signal
- a receiver without knowledge of the embedded information can use the (speech) signal in which the information was embedded as usual, that is, as in the case of no embedding of information with only a small amount of information Decode losses. If the recipient knows the embedded information, the page information can be used to improve the signal.
- a corresponding embodiment will be described below with reference to Fig.2 described.
- Fig.2 shows an encoder / decoder system 200 according to another embodiment of the invention.
- the encoding / decoding system 200 includes an encoder 201 as described with reference to FIG Fig.1 described on. Accordingly, a signal 202 to be encoded and data 203 to be embedded are supplied to the encoder 201. The data to be embedded are used for signal enhancement and are accordingly generated in a signal-enhancement-encoding signal 202 by a signal analyzer 204 to which the signal 202 to be coded is supplied.
- the encoder 201 outputs a coded signal 205 into which the data 203 to be embedded is embedded.
- the coded signal 205 can now be transmitted to a receiver, for example, as described above, by means of a mobile radio communication network.
- the receiver has a "conventional" decoder 206, that is, a decoder that can not detect the embedded data from the encoded signal 205, the decoder 206 decodes only the encoded signal 205 to a decoded signal 207 which (except for transmission errors and coding / decoding losses) corresponds to the signal 202 to be coded.
- a "conventional" decoder 206 that is, a decoder that can not detect the embedded data from the encoded signal 205
- the decoder 206 decodes only the encoded signal 205 to a decoded signal 207 which (except for transmission errors and coding / decoding losses) corresponds to the signal 202 to be coded.
- the receiver has an "extended" decoder 208, that is, a decoder capable of detecting the embedded data from the encoded signal 205, then the embedded data is extracted and the extracted data 209 is used by a signal enhancement unit 210 which decodes a signal and (compared to the decoded signal 207) improved signal 211 generated.
- extended decoder 208 that is, a decoder capable of detecting the embedded data from the encoded signal 205
- the embedded data is extracted and the extracted data 209 is used by a signal enhancement unit 210 which decodes a signal and (compared to the decoded signal 207) improved signal 211 generated.
- the coefficients of a postfilter determined by the transmitter can also be transmitted by steganography.
- the application of artificial bandwidth expansion is advantageous because the telephone network is historically limited to an acoustic bandwidth of 3.1kHz (300Hz-3.4kHz), a transmission of broadband (50Hz-7kHz) but only with enormous effort on the part of the network operators and the terminal manufacturers would be accomplished. Changes in the (mobile) transmission network, however, are not required to implement the embodiments described above.
- Corresponding (powerful) bandwidth expansion algorithms are disclosed, for example, in the publication of Peter Jax, Bernd Geiser, Stefan Schandl, Hervé Taddei, and Peter Vary, "An Embedded Scalable Wideband Codec Based on the GSM EFR Codec", in Proceedings of ICASSP, Toulouse, May 2006 described.
- c6_offset 5 * ((c1 + b + 1) mod 2)
- other combinations of already determined pulse positions and embedded bis can also be used.
- the search space for the pulse position c 6 was divided into two equal parts (odd / even values). Further divisions (for example, first / second half of the value) are also possible, with the equation for c6_offset being adapted accordingly.
- the search space for c 6 can be halved once again, or an identical method can be used for a second pair of pulses. It is favorable to couple precisely such pulses as part of the information embedding by c6_offset (or the bit b) which lie in a track. Otherwise, due to the sign encoding of the EFR, no definite assignment of the pulses can be made in the receiver. By appropriate additional expenditure in the transmitter this restriction can be canceled. In the receiver, c1 and c6 are not different to distinguish.
- the idea underlying an embodiment can be seen in that the information embedding is known to the signal encoder, which is achieved by a common data embedding and signal coding, that is, for example, the watermark embedding is integrated into the encoder. This can be done within an analysis-by-synthesis loop ("closed-loop") as described in Figure 3 is shown.
- Figure 3 shows an encoder 300 according to another embodiment of the invention.
- the encoder is supplied with a signal to be encoded and data 302 to be embedded.
- An encoded signal 303 is generated from the signal 301 to be encoded by means of a loop comprising a codebook 304, a synthesizer 305 and a comparator 306.
- a possible coding of the signal 301 to be coded is generated by the codebook 304 and it is checked by means of the synthesizer 305 and the comparator 306 how well it reflects the signal 301 to be coded and, if appropriate, modified based on the output of the comparator 306.
- the data to be embedded 302 are embedded in the encoded signal 303 during the encoding process, for example according to one of the procedures described above.
- a sub-codebook of the codebook 304 is selected as shown in FIG Figure 4 is shown.
- Figure 4 shows an encoder 400 according to another embodiment of the invention.
- the encoder 300 to be embedded is supplied with data 402 to be embedded in the encoder and a signal 401 to be encoded, and generates a coded signal 403 in which the data 402 to be embedded is embedded.
- the encoder 400 has a plurality of sub-codebooks 404, a codebook divided into a plurality of sub-codebooks 404. Based on the data to be embedded, the sub-codebooks are selected in coding the signal 401 to be coded.
- a data word of the signal to be coded 401 is input Codeword assigned from a first sub-codebook, when a first page information from the data to be embedded 402, for example a bit with the value 0, to be embedded and it is assigned a codeword from a second sub-codebook, if a second page information from the Trobettenden Data 402, for example a bit with the value 1, should be embedded.
- Figure 5 shows a codebook 500 according to another embodiment of the invention.
- the codebook 500 is labeled C. For efficiency reasons, if the codeword extent of the codebook 500 is very large, the codebook 500 is only partially searched during coding, i. Codewords for coding are selected only from a codebook subset 501 denoted C '(practical codebook).
- the codebook 500 for data embedding is decomposed into codebooks as explained above, for example, four subcodebooks 502 designated C (1) to C (4).
- a sub-codebook 502 Since a sub-codebook 502 has a smaller codeword extent than the codebook subset 501, and thus the quality of the signal coding (depending on the number of subcodebooks 502) would decrease from using the entire codebook subset 501, in one embodiment Code extent of the sub-codebooks 502 extended, so that a total of an extended codebook subset 503 is used for coding.
- the algorithmic complexity increases only slightly, the quality of the coding does not decrease and in special cases even an increase in quality can be achieved.
- an algebraic codebook is used.
- an algebraic codebook exists only in the sense of an algebraic design rule. This means that the individual codebook entries (codewords) are generated during the signal coding by a codeword generator.
- the "binning scheme" for information embedding that is, the decomposition of the codebook in sub-codebooks and selection of the sub-codebook used for coding depending on the information to be embedded, in an encoder with algebraic codebook now no longer consists only in the division of the codebook in a number of sub-codebooks, but moreover in the modification of the codeword generator in that only codewords associated with the sub-codebook C (i) selected by the currently-to-be-embedded message i are output.
Abstract
Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Einbettung einer steganographischen Information in eine Signalinformation eines Signal-Codierers.The invention is directed to a method for embedding a steganographic information in a signal information of a signal encoder.
Neben den analogen Ton-, Bild- und Videoübertragungen gewinnt die digitale Übertragung immer mehr Gewicht. Dies liegt unter anderem auch daran, dass digitale Signalinformationen einfacher bearbeitet, d.h. kopiert oder auch komprimiert werden können. So führt insbesondere die Komprimierung von digitalen Signalinformationen dazu, dass mittels Signalübertragungskanälen mit begrenzten Datenübertragungsraten mit hoher Informationsdichte Informationen übertragen werden können.In addition to analogue audio, video and video transmissions, digital transmission is becoming increasingly important. Among other things, this is due to the fact that digital signal information is processed more easily, i. can be copied or compressed. In particular, the compression of digital signal information means that information can be transmitted by means of signal transmission channels with limited data transmission rates with high information density.
Neben der Komprimierung von Signalinformationen als eine Art der Bearbeitung hat sich in jüngster Zeit auch das Einbetten von "unsichtbaren" - steganographischen - Informationen in Signalinformationen durchgesetzt. Eine solche Einbettung von Zusatzinformationen ermöglicht beispielsweise eine Kennzeichnung von Urheberrechten - wenn es sich bei der Signalinformation beispielsweise um ein Musikstück handelt - oder allgemein gesprochen um eine allgemeine Herkunftsangabe, also ein "digitales Wasserzeichen".In addition to the compression of signal information as a type of processing, the embedding of "invisible" - steganographic - information into signal information has recently gained acceptance. Such an embedding of additional information allows, for example, a marking of copyrights - if the signal information is, for example, a piece of music - or, generally speaking, a general indication of origin, ie a "digital watermark".
Auch wenn sich eine derartige Einbettung von steganographischen Informationen in Musik- und/oder Videosignalen bereits weitgehend durchgesetzt hat, so ist eine Einbettung von steganographischen Informationen in eine codierte Signalinformation, insbesondere wenn sie in "Echtzeit" zu übertragen ist, weiterhin mit Schwierigkeiten verbunden. Dies ist in der Tatsache begründet, dass gewisse Codierungen keine Redundanz und damit keinen Raum für steganographische Informationen bieten, oder dass die steganographische Information beim Decodieren der codierten Signalinformation verloren geht.Even if such an embedding of steganographic information in music and / or video signals has already largely become established, the embedding of steganographic information in coded signal information, in particular if it is to be transmitted in "real time", continues to be difficult. This is due to the fact that certain encodings do not provide redundancy and thus no room for steganographic information or that the steganographic information is lost in decoding the encoded signal information.
Eine derartige Ausgangssituation, bei der Signalinformationen, im gegebenen Fall vornehmlich Sprachinformationen, über einen Kanal gesendet und empfangen werden, und in Echtzeit codiert und decodiert werden, und bei der nicht unbeschränkt Übertragungsressourcen zur Verfügung stehen, findet man beispielsweise in der Mobilfunktelefonie. Hier erlaubt das GSM-Netz bestenfalls eine Übertragungsrate von maximal 13,0 kbit/s. Eine uncodierte Sprachinformation, d.h. hier eine nicht komprimierte Sprachinformation, wäre aufgrund der sehr geringen Übertragungsrate auf Empfängerseite kaum mehr zu verstehen. Um trotzdem verständliche Sprachinformationen beispielsweise von einem Mobilfunkgerät auf ein anderes zu übertragen, haben sich die sogenannten Sprach-Codecs als ein probates Mittel zur komprimierten Sprachsignalübertragung herauskristallisiert. Sollen zusätzliche Informationen, d.h. steganographische Informationen, in eine solche Signalinformation eingebettet werden, so sind die sich aus der Codierung ergebenden Besonderheiten zu berücksichtigen.Such an initial situation in which signal information, in this case primarily voice information, is transmitted and received over a channel and encoded and decoded in real time, and in which unrestricted transmission resources are available, can be found, for example, in mobile telephony. At best, the GSM network allows a maximum transmission rate of 13.0 kbit / s. An uncoded speech information, i. here a non-compressed voice information, would be difficult to understand because of the very low transmission rate on the receiver side. In order nevertheless to transmit intelligible speech information, for example from one mobile radio device to another, the so-called voice codecs have emerged as an effective means for compressed voice signal transmission. If additional information, i. Steganographic information to be embedded in such a signal information, so the peculiar to the coding peculiarities are taken into account.
Im Bereich der mobilen Telekommunikation werden beispielsweise in GSM (Global System for Mobile Communications) - Mobilfunknetzwerken oder UMTS (Universal Mobile Telecommunications Standard) - Mobilfunknetzwerken die zu übertragenden Sprachinformationen mittels des bekannten CELP (Code-book Excited Linear Predictive Coding) bzw. ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction) oder zukünftig der AMR (Adaptive Multi-Rate) - Codierung codiert. Diese Sprachcodierungen basieren allesamt auf einem Modell der Spracherzeugung, bei dem in einer ersten Nährung die Bildung des Sprachsignals in einer Anregungsstufe und einer Filterungsstufe erzeugt wird. Ein Signalcodierer, wie beispielsweise ein CELP-Codierer , ein ACELP-Codierer oder ein AMR-Codierer, erzeugt einen Codebucheintrag, in der Regel einen Vektor aus einem sogenannten Codebuch, wobei die Codeelemente des Codebucheintrages - also in der Regel die Vektorkomponenten - Informationen bezüglich der (Filter-)Anregung enthalten. Filterkoeffizienten, Verstärkungsfaktoren etc. werden als Zeitinformation mittels dedizierter Codebücher codiert.In the field of mobile telecommunications, for example, in GSM (Global System for Mobile Communications) mobile radio networks or UMTS (Universal Mobile Telecommunications Standard) mobile radio networks, the voice information to be transmitted by means of the well-known CELP (Code-book Excited Linear Predictive Coding) or ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction) or in the future the AMR (Adaptive Multi-Rate) coding coded. These speech codings are all based on a model of speech production in which the formation of the speech signal in an excitation stage and a filtering stage is generated in a first nutrition. A signal coder, such as a CELP coder, an ACELP coder or an AMR coder, generates a codebook entry, typically a vector of a so-called codebook, with the codebook entry code elements - ie usually the vector components - information regarding the (filter) excitation included. Filter coefficients, gain factors, etc. are encoded as time information by means of dedicated codebooks.
Ein Codebuch zur Anregungscodierung besteht in der Regel aus einer Menge von Vektoren, beispielsweise mit jeweils 10 Komponenten bei der ACELP-Codierung nach den Enhanced Full Rate (EFR) Standard, die die zu übermittelnde Sprachinformation für eine bestimmte Länge, beispielsweise 5 Millisekunden, codieren. Aus dem fest vorgegebenen Codebuch, welches insgesamt eine große Vielzahl von Vektoren umfasst, wobei die Vektoren nach bekannten Kriterien aufgebaut sind, wird in der Regel eine Teilmenge des Codebuches, ein Sub-Codebuch, verwendet, die oftmals ausreichend ist, um die gewöhnlichen Sprachinformationen mit einer guten Qualität übertragen zu können.A codebook for excitation coding usually consists of a set of vectors, for example each with 10 components in the ACELP encoding according to the Enhanced Full Rate (EFR) standard, which encode the speech information to be transmitted for a certain length, for example 5 milliseconds. From the fixed codebook, which comprises a total of a large variety of vectors, wherein the vectors are constructed according to known criteria, usually a subset of the codebook, a sub-codebook is used, which is often sufficient to the ordinary speech information with to transfer a good quality.
Zur Unterscheidung zwischen dem im Rahmen der Codierung vorgegebenen vollständigen Codebuch, wird das in der Praxis verwendete Sub-Codebuch als "praktisches Codebuch" bezeichnet.In order to distinguish between the complete codebook specified in the coding, the sub-codebook used in practice is called a "practical codebook".
Zum schnellen Auffinden eines geeigneten Codebucheintrages wird das praktische Codebuch nur heuristisch durchsucht, d.h. es wird keine vollständige Suche nach einem geeigneten Codebucheintrag durchgeführt.To quickly find a suitable codebook entry, the practical codebook is only searched heuristically, i. a complete search for a suitable codebook entry is not performed.
Ein Verfahren, welches die Zerlegung eines festen Codebuches berücksichtigt, wird in dem Artikel "
Es zeigt sich jedoch, dass die feste Aufteilung eines praktischen Codebuchs - welches ja ohnehin schon eine Untermenge eines übergeordneten Codebuchs ist - in mehrere Sub-Codebücher die Anzahl der verwendbaren Codeworte pro Sub-Codebuch derart reduziert, dass eine hörbare Reduktion der Sprachqualität nicht ausgeschlossen ist.It turns out, however, that the fixed distribution of a practical codebook - which is already a subset of a higher-level codebook - reduces the number of usable codewords per sub-codebook in several sub-codebooks such that an audible reduction of the speech quality is not ruled out ,
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, eine steganographische Information in eine Signalinformation eines Signalcodierers derart einzubetten, dass eine Reduktion der Sprachqualität weitestgehend vermieden wird.The invention is therefore based on the object to provide a solution which makes it possible steganographic information in a signal information of a signal encoder such to embed that a reduction of voice quality is largely avoided.
Bei einem Verfahren zur Einbettung einer steganographischen Information in eine Signalinformation eines Signal-Codierers wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch Bereitstellen einer Dateninformation, insbesondere einer Sprachinformation, Auswählen einer steganographischen Information aus einer Menge von steganographischen Informationen, Erzeugen eines Codewortes aus einem bereitgestellten Codebuch mittels eines Signal-Codierers auf Basis von das Codewort bildenden Codeelementen, derart, dass unter Verwendung des erzeugten Codewortes im Rahmen eines mit dem Codebuch assoziierbaren Übertragungsstandards die Dateninformation in eine das Codewort beinhaltende und/oder auf das Codewort verweisende Signalinformation codiert wird; und, dass das erzeugte Codewort eine zusätzliche, auf Basis der das Codewort bildenden Codeelemente berechenbare Eigenschaft aufweist, wobei die zusätzliche Eigenschaft die steganographische Information darstellt.In a method for embedding a steganographic information in a signal information of a signal coder, the object is achieved by providing data information, in particular speech information, selecting a steganographic information from a set of steganographic information, generating a codeword from a provided codebook by means of a signal Coder on the basis of codeword-forming code elements such that, using the generated codeword in the context of a codebook-associatable transmission standard, the data information is coded into a codeword-containing and / or codeword referring signal information; and that the generated codeword has an additional property computable on the basis of the codewords forming the codeword, the additional property representing the steganographic information.
Ein solches Verfahren zur Einbettung einer steganographischen Information in eine Signalinformation eines Signalcodierers, bei dem ein Codewort aus einem bereitgestellten Codebuch mittels des Signalcodierers auf Basis von das Codewort bildenden Codeelementen erzeugt wird, ermöglicht es, ein Codewort bereitzustellen, welches zum einen eine berechenbare Eigenschaft aufweist, d.h. eine steganographische Information darstellt, und zum anderen gleichzeitig eine Signalinformation bereitstellt, welche für eine Dateninformation, insbesondere eine Sprachinformation, codiert. Dadurch, dass nicht von vorneherein eine Zerlegung des Codebuches durchgeführt wird, sondern statt dessen ein Codebucheintrag erzeugt wird, und zwar auf Basis der das Codewort bildenden Codeelemente, können Codeworte berücksichtigt werden, die nicht in dem praktischen Codebuch und/oder den Zerlegungen des praktischen Codebuches vorhanden waren. Dies erweitert die Anzahl der Codeelemente auf die zurückgegriffen werden kann erheblich, so dass entweder eine Zerlegung in mehr Sub-Codebüchern im Vergleich zum Stand der Technik oder aber bei einer gleichen Anzahl von Sub-Codebüchern eine verbesserte Sprachqualität im Vergleich zum Stand der Technik bereitgestellt werden kann.Such a method for embedding steganographic information in signal information of a signal coder in which a codeword is generated from a provided codebook by means of the signal coder on the basis of codeword-forming code elements makes it possible to provide a codeword having a calculable property on the one hand, ie represents a steganographic information, and on the other hand at the same time provides signal information which for a data information, in particular a voice information, encoded. By not performing a decomposition of the codebook from the outset, but instead creating a codebook entry based on the code elements forming the codeword, codewords not in the practical codebook and / or the decompositions of the practical codebook may be considered were present. This significantly expands the number of code elements that can be accessed so that either decomposition in more sub-codebooks compared to the prior art or with an equal number of sub-codebooks provides improved speech quality over the prior art can.
Bevorzugt wird in einer Ausgestaltung der Erfindung eine Bewertung des erzeugten Codewortes im Rahmen eines mit dem bereitgestellten Codebuch assoziierbaren Übertragungsstandards mittels Decodierens des Codewortes und anschließenden Vergleichens der decodierten Dateninformation mit der ursprünglichen Dateninformation durchgeführt.Preferably, in one embodiment of the invention, an evaluation of the generated codeword is carried out in the context of a transmission standard associable with the provided codebook by decoding the codeword and then comparing the decoded data information with the original data information.
Dies hat den Vorteil, dass die Qualität des erzeugten Codewortes bezüglich der Codierungs-Decodierungstreue, d.h. dem Verlust der (Sprach-)Qualität aufgrund der Codierung und Decodierung, bewertet werden kann.This has the advantage that the quality of the generated codeword with respect to the coding-decoding fidelity, i. the loss of (speech) quality due to encoding and decoding, can be evaluated.
Weiterhin bevorzugt wird in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Erzeugen des Codewortes aus dem bereitgestellten Codebuch mittels des Signal-Codierers auf Basis der das Codewort bildenden Codeelemente unter Berücksichtigung der Bewertung durchgeführt.In another embodiment of the method according to the invention, the code word is generated from the provided codebook by means of the signal coder on the basis of the code elements forming the codeword, taking into account the evaluation.
Die Berücksichtigung der Bewertung bei der Erzeugung des Codewortes aus dem bereitgestellten Codebuch ermöglicht das Erzeugen von Codeworten, welche eine hohe Sprachqualität bezüglich der zu codierenden Information aufweisen.The consideration of the evaluation in the generation of the codeword from the provided codebook makes it possible to generate codewords which have a high speech quality with regard to the information to be coded.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Verwendung eines auf Basis des GSM (Global System for Mobile Communications)- und/oder des UMTS (Universal Mobile Telecommunications Standard)-Übertragungsstandards basierenden Codierers und Codebuches vorgesehen.In one embodiment of the invention, the use of a based on the GSM (Global System for Mobile Communications) - and / or UMTS (Universal Mobile Telecommunications Standard) transmission standards based coder and codebook is provided.
Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren zur Einbettung einer steganographischen Information auch in Mobilfunknetzen verwendet werden kann.This has the advantage that the method for embedding a steganographic information can also be used in mobile radio networks.
Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Erzeugen eines Codewortes auf Basis der CELP-, der ACELP (Algebraic Code Exited Linear Prediction)- und /oder der AMR-Codierung vorgesehen.For further embodiment of the invention, the generation of a codeword based on the CELP, the ACELP (Algebraic Code Exited Linear Prediction) - and / or the AMR encoding is provided.
Die hohe Verbreitung der CELP oder der ACELP Codierung ermöglicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in vielen Bereichen der Technik, insbesondere der mobilen Telekommunikation. Dies gilt zukunftsweisend analog auch für die AMR-Codierung.The high prevalence of CELP or ACELP coding allows the use of the method according to the invention in many fields of technology, in particular mobile telecommunications. This also applies to the future by analogy for the AMR coding.
Weiterhin wird in einer Ausgestaltung die Berechnung der Eigenschaft des Codewortes als Ergebnis einer Anwendung mindestens einer Operation auf mindestens eines der das Codewort bildenden Codeelemente durchgeführt.Furthermore, in one embodiment, the calculation of the property of the code word is performed as a result of applying at least one operation to at least one of the code elements forming the code word.
So ist es möglich, auf Basis der das Codewort bildenden Codeelemente unter Anwendung mindestens einer, vorzugsweise mathematischen, Operation eine Eigenschaft des Codewortes zu bestimmen, welche die steganographische Information darstellt.It is thus possible, on the basis of the code elements forming the codeword, to determine a property of the codeword which represents the steganographic information using at least one, preferably mathematical, operation.
Weiterhin wird in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Bereitstellung des Codewortes derart ausgeführt, dass das Codewort die Eigenschaft implizit erfüllt.Furthermore, in an embodiment of the method according to the invention, the provision of the code word is carried out such that the code word implicitly satisfies the property.
Dies hat den Vorteil, dass ein Codewort derartig erzeugt werden kann, dass es die Eigenschaft, welche die steganographische Information darstellt, bereits während seiner Erzeugung erfüllt.This has the advantage that a codeword can be generated in such a way that it already fulfills the property which represents the steganographic information during its generation.
Weiterhin wird in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Auswahl der steganographischen Information derart durchgeführt, dass die steganographische Information zur Signalverbesserung, insbesondere bei Sprachübertragung, wie eine künstliche Bandbreitenerweiterung und/oder Störreduktion, verwendet wird.Furthermore, in one embodiment of the method according to the invention, the selection of the steganographic information is carried out in such a way that the steganographic information is used for signal improvement, in particular for voice transmission, such as artificial bandwidth expansion and / or noise reduction.
Es wurde festgestellt, dass die zusätzliche übertragbare steganographische Information genutzt werden kann, um beispielsweise eine Eigenschaft der eigentlich zu übertragenden Dateninformation zu beschreiben, so dass die steganographische Information zur Signalverbesserung benutzt werden kann. Das bedeutet, dass - sofern das für die Dateninformation codierende Codewort nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wird - der marginale Verlust in der Übertragungsqualität durch die steganographische Zusatzinformation nicht nur kompensiert, sondern sogar überkompensiert werden kann.It has been found that the additional transferable steganographic information can be used, for example, to describe a property of the data information actually to be transmitted, so that the steganographic information can be used for signal enhancement. This means that - if the code word coding for the data information is generated by the method according to the invention - the marginal loss in the transmission quality can not only be compensated by the steganographic additional information, but can even be overcompensated.
Weiterhin wird in einer Ausgestaltung die Auswahl der steganographischen Information derart durchgeführt, dass die steganographische Information als digitales Wasserzeichen verwendet wird.Furthermore, in one embodiment, the selection of steganographic information is performed such that the steganographic information is used as a digital watermark.
Bei der Verwendung der steganographischen Information als digitales Wasserzeichen können nicht nur die Originalität und die Herkunft von Dateninformationen gekennzeichnet werden, vielmehr können auch Urheberrechte an Dateninformationen mit Hilfe der steganographischen Information in Form eines digitalen Wasserzeichens eingebracht werden. Dabei wird die Dateninformation im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens qualitativ kaum beeinträchtigt.When using the steganographic information as a digital watermark not only the originality and the origin of data information can be marked, but also copyright to data information can be introduced using the steganographic information in the form of a digital watermark. The data information is qualitatively hardly impaired in the context of the method according to the invention.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Übertragen der das Codewort beinhaltenden oder auf das Codewort verweisenden Signalinformationen an einen Empfänger durchgeführt.In a further embodiment of the invention, a transmission of the codeword-containing or referring to the codeword signal information is performed to a receiver.
Vorteilhafterweise ist es durch ein Übertragen an einen Empfänger möglich, die Dateninformation und die steganographische Information in Form einer Signalinformation über eine räumliche Distanz zu übertragen.Advantageously, by transmitting to a receiver, it is possible to transmit the data information and the steganographic information in the form of signal information over a spatial distance.
Weiterhin wird in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein empfangsseitiges Bereitstellen einer Dateninformation mittels Decodierens des Codewortes im Rahmen eines mit dem bereitgestellten Codebuch assoziierbaren Übertragungsstandards durchgeführt.Furthermore, in one refinement of the method according to the invention, provision of data information by means of decoding of the codeword is carried out in the context of a transmission standard associable with the provided codebook.
Durch die Decodierung des Codewortes können die in der Signalinformation beinhalteten Dateninformationen sowie die steganographische Information zurückgewonnen und verwendet werden.By decoding the codeword, the data information included in the signal information as well as the steganographic information can be recovered and used.
Weiterhin bevorzugt wird in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein empfangsseitiges Bereitstellen der steganographischen Information mittels Berechnens der zusätzlichen Eigenschaft des Codewortes auf Basis der das Codewort bildenden Codeelemente durchgeführt.Furthermore, in an embodiment of the method according to the present invention, provision of the steganographic information on the receiving side is carried out by means of calculating the additional property of the code word on the basis of the code elements forming the code word.
Je nach Ausgestaltung des Empfängers ist es möglich, die steganographische Information, welche sich in der Signalinformation beinhaltet, zu berechnen. Diese Möglichkeit kann optional genutzt werden, d.h. Systeme, welche nicht in der Lage sind, die steganographische Information zurück zu berechnen, werden lediglich die Dateninformation aus der Signalinformation extrahieren, ohne an die steganographische Information zu gelangen.Depending on the configuration of the receiver, it is possible to calculate the steganographic information contained in the signal information. This possibility can optionally be used, ie systems which are not able to recalculate the steganographic information will only extract the data information from the signal information without getting to the steganographic information.
Schließlich wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens weiterhin ein Ausführen des Verfahrens in einer Mobilfunkvorrichtung ausgeführt.Finally, in one refinement of the method, the method is also carried out in a mobile radio device.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Signalinformationsübertragung, d.h. Sprach- oder sonstige Information, mittels Mobilfunkvorrichtungen, welche in einem Mobilfunknetz betreibbar sind.The method is particularly suitable for signal information transmission, i. Voice or other information, by means of mobile devices, which are operable in a mobile network.
Die vorgenannten sowie beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Form, Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeptionen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.The above-mentioned and claimed components to be used described in the embodiments are subject in their size, shape, design, choice of materials and technical concepts no special conditions of exception, so that the well-known in the field of application selection criteria can apply without restriction.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der - beispielhaft - ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.Further details, features and advantages of the subject matter of the invention will become apparent from the subclaims and from the following description of the accompanying drawings, in which - by way of example - a preferred embodiment of the invention is shown.
Zu den beschriebenen Codierungsverfahren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung werden entsprechende Codierer bereitgestellt sowie entsprechende Verfahren zum Dekodieren und entsprechende Dekodierer.
Figur 1- zeigt einen Codierer 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 2- zeigt ein Codier/Decodiersystem 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 3- zeigt einen Codierer 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 4- zeigt einen Codierer 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 5- zeigt
ein Codebuch 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- FIG. 1
- shows an
encoder 100 according to an embodiment of the invention. - FIG. 2
- FIG. 10 shows an encoding / decoding system 200 according to an embodiment of the invention.
- FIG. 3
- shows an encoder 300 according to an embodiment of the invention.
- FIG. 4
- shows an
encoder 400 according to an embodiment of the invention. - FIG. 5
- shows a
codebook 500 according to an embodiment of the invention.
Dem Codierer 100 wird ein zu codierende Signal 101, beispielsweise ein Sprachsignal 100, zugeführt. Außerdem werden dem Codierer 100 einzubettende Daten 102 zugeführt. Der Codierer erzeugt aus dem zu codierenden Signal 101 ein codiertes Signal 103, in das die einzubettenden Daten 102 eingebettet sind, das heißt, aus dem ein entsprechender Decodierer die einzubettenden Daten 102 ermitteln kann.The
Das codierte Signal 103 wird beispielsweise an einen Empfänger übermittelt, beispielsweise mittels eines Computernetzwerks oder mittels eines Funknetzwerks.The
Bei dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass der Codierer 100 in einem Mobilfunknetzwerk gemäß GSM (Global System for Mobile Communications) eingesetzt wird. Bei anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann der Codierer auch im Rahmen eines Mobilfunknetzwerks gemäß UMTS (Universal Mobile Telecommunications Standard), CDMA2000 (CDMA: Code Division Multiple Access) oder gemäß FOMA (Freedom of Mobile Access) eingesetzt werden.In the embodiment described below, it is assumed that the
In dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass das zu codierende Signal 101 ein Sprachsignal ist, das von dem Codierer 100 gemäß einem ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction) - Sprachkompressionsverfahren, beispielsweise gemäß einem "Enhanced Full-Rate"-ACELP-Sprachkompressionsverfahren codiert werden soll, wie es in einem GSM-Mobilfunknetz eingesetzt wird.In the embodiment described below, it is assumed that the signal 101 to be encoded is a speech signal outputted from the
Der Codierer 100 verwendet zur Informationseinbettung, das heißt zur Einbettung der einzubettenden Daten 102 in das codierte Signal 103 in einer Ausführungsform zur Codierung des sogenannten Restsignals ein festes (anders ausgedrückt stochastisches) Codebuch, welches in N Sub-Codebücher zerlegt wird. Zur eigentlichen Restsignal-Codierung wird je nach einzubettender Information gemäß einem Binning-Schema (binning scheme) das entsprechende Sub-Codebuch herangezogen.The
Da das Codebuch bei einem CELP-Sprach-Codierer nicht erschöpfend (sondern lediglich heuristisch) durchsucht wird, können die Sub-Codebücher einen zum durchsuchten Teil des festen Codebuches durchaus vergleichbaren Umfang haben und die Qualität der CELP-Codierung leidet nur wenig unter der Informationseinbettung. Ferner kann die die Informationseinbettung mit geringer algorithmischer Komplexität durchgeführt werden.Since the codebook is not searched exhaustively (but heuristically) in a CELP speech coder, the sub codebooks may have a similar scope to the searched part of the fixed codebook, and the quality of the CELP coding suffers little from information embedding. Furthermore, the information embedding can be performed with low algorithmic complexity.
Bei dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet der Codierer 100 ein Codebuch, das wie folgt definiert ist:In the embodiment described below, the
Das in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Codebuch C ist das Codebuch des GSM EFR (Enhanced Full Rate) Codecs und ist gegeben durch die Vektoren c der ACELP-Pulspositionen, (in diesem Ausführungsbeispiel ohne Vorzeichen) für jeden Subrahmen der Länge 5ms:
mit
- c0, c5 ∈ {0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35}, c1, c6 ∈ {1, 6, 11, 16, 21, 26, 31, 36}
- c2, c7 ∈ (2, 7, 12, 17, 22, 27, 32, 37) , c3, c8 ∈ {3, 8, 13, 18, 23, 28, 33, 38}
- und
- c4, c9 ∈ {4, 9, 14, 19, 24, 29, 34, 39}
With
- c 0 , c 5 ∈ {0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35}, c 1 , c 6 ∈ {1, 6, 11, 16, 21, 26, 31, 36}
- c 2 , c 7 ∈ (2, 7, 12, 17, 22, 27, 32, 37), c 3 , c 8 ∈ {3, 8, 13, 18, 23, 28, 33, 38}
- and
- c 4 , c 9 ∈ {4, 9, 14, 19, 24, 29, 34, 39}
Ein Codewort c aus dem Codebuch (d.h. der Menge aller möglichen Codeworte) C ist somit ein Vektor mit zehn Komponenten, wobei jede Komponente eine Position eines Pulses innerhalb eines Subrahmens beschreibt. Das Codebuch C hat in diesem Ausführungsbeispiel einen Umfang von 2^(10*log_2(8)) = 2^30 Codewörtern.A codeword c from the codebook (ie, the set of all possible codewords) C is thus a ten component vector, with each component describing a position of a pulse within a subframe. The codebook C in this embodiment has a circumference of 2 ^ (10 * log_2 (8)) = 2 ^ 30 codewords.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Komponenten der Vektoren c, wie gemäß EFR vorgesehen, vorzeichenbehaftet. Die Verwendung von vorzeichenbehafteten Komponenten ermöglicht eine verbesserte Informationseinbettung. In einer Ausführungsform wird bei EFR jedoch aus Komplexitätsgründen auf die Verwendung von vorzeichenbehafteten Komponenten verzichtet.In another embodiment, the components of the vectors c , as provided in accordance with EFR, are signed. The use of signed components allows for improved information embedding. However, in one embodiment, EFR dispenses with the use of signed components for complexity reasons.
Das Codebuch C wird in einer Ausführungsform derart in zwei Sub-Codebücher C(1) und C(2) zerlegt, dass pro Codewort in das codierte Signal 102 ein Bit der einzubettenden Daten 101 eingebettet werden kann und dementsprechend ein Bit der einzubettenden Daten 101 pro Subrahmen übermittelt wird, was bei einer Subrahmendauer von 5ms einer Datenrate von 200bit/s entspricht.The codebook C is in one embodiment decomposed into two sub-codebooks C (1) and C (2) such that one codeword of the
Die Codewörter der Sub-Codebücher unterscheiden sich darin, dass die Summe der Komponenten ci eines Codewortes aus dem einen Sub-Codebuch gerade und aus dem anderen Sub-Codebuch ungerade ist. Beispielsweise erfüllen alle Codeworte aus C(1) die Bedingung
Soll eine erste Nachricht (in diesem Beispiel bestehend aus einem Bit, beispielsweise dem Bitwert 0) übermittelt werden, so wird ein Codewort aus C(1) zur Codierung (der aktuellen Signalwerte des zu codierenden Signals 101) verwendet, und soll eine zweite Nachricht (in diesem Beispiel bestehend aus einem Bit, beispielsweise dem Bitwert 1) übermittelt werden, so wird ein Codewort aus C(1) zur Codierung verwendet. Ein Empfänger bzw. ein Decodierer kann basierend auf der Zugehörigkeit eines empfangenen Codeworts zu C(1) oder zu C(2) ermitteln, ob die erste Nachricht oder die zweite Nachricht eingebettet worden ist.If a first message (in this example consisting of one bit, for example the bit value 0) is to be transmitted, then a codeword from C (1) is used for coding (the current signal values of the signal to be coded 101), and a second message ( in this example consisting of one bit, for example bit value 1), a codeword from C (1) is used for coding. A receiver or decoder may determine whether the first message or the second message has been embedded based on the membership of a received codeword to C (1) or C (2).
In einer anderen Ausführungsform wird die Unterteilung von C nach gerader und ungerader Parität der Summe der Komponenten der Codeworte durchgeführt. Beispielsweise gehört ein Codewort zu C(1) wenn
In einer Ausführungsform werden vier Bits pro Subrahmen eingebettet und damit eine Datenrate von 400bit/s erreicht. Dies geschieht durch eine Unterteilung des Codebuchs C in vier Sub-Codebücher C(1) bis C(4), wobei die Codeworte der Sub-Codebücher beispielsweise die folgenden Bedingungen erfüllen:
Analog zu der obigen Alternative kann auch bei der Unterteilung des Codebuchs C in vier Sub-Codebücher dies basierend auf der Parität einer Binärdarstellung der Summe von Komponenten mit geradem bzw. ungeradem Index durchgeführt werden, also basierend auf der Parität von
In den obigen Bedingungen für die Codebücher C(1) und C(2) bzw. C(1) bis C(4) kann alternativ statt einer Komponente ci selbst auch der Ausdruck trunc(ci/5) verwendet werden, der eine Pulsposition innerhalb eines sogenannten Tracks eindeutig bezeichnet. Alternativ kann auch die jeweils Graycodierte Version GRAY(ci) bzw. GRAY(trunc(ci/5)) verwendet werden, wie sie zur Kanalcodierung bei EFR vorgesehen ist. Unter Berücksichtigung der tatsächlichen Übertragung der Codeworte über einen GSM-Mobilfunkkanal erweist sich diese Möglichkeit zur Codebuchzerlegung als besonders vorteilhaft. Damit wird erreicht, dass besonders wenige Kanalbits einen Einfluss auf die eingebetteten Daten haben, wodurch die Bitfehlerrate der übertragenen eingebetteten Daten bei gestörter Übertragung sinkt.In the above conditions for the codebooks C (1) and C (2) or C (1) to C (4), alternatively, instead of a component c i itself, the expression trunc (c i / 5) may also be used Pulse position clearly indicated within a so-called track. Alternatively, the respective graycoded version GRAY (ci) or GRAY (trunc (c i / 5)) may be used as intended for channel coding in EFR. Taking into account the actual transmission of the code words over a GSM mobile radio channel, this possibility for codebook decomposition proves to be particularly advantageous. This ensures that particularly few channel bits have an influence on the embedded data, which reduces the bit error rate of the transmitted embedded data in case of disturbed transmission.
Allgemein kann das Codebuch C in einer Ausführungsform derart zerlegt werden, dass die Codeworte des Sub-Codebuchs, das zur Codierung verwendet wird, wenn ein Nachrichtenbit mi übermittelt werden soll, die Bedingung
Zur Rekonstruktion einer eingebetteten Nachricht in einem empfangenen bzw. zu decodierenden Codewort ist es lediglich erforderlich, dass der Decodierer ermittelt, zu welchem Sub-Codebuch das Codewort gehört. Werden die Codeworte ungestört an den Decodierer übermittelt, so können auch die eingebetteten Informationen fehlerlos rekonstruiert werden.To reconstruct an embedded message in a codeword to be received or decoded, it is only necessary for the decoder to determine to which sub-codebook the codeword belongs. If the codewords are transmitted undisturbed to the decoder, the embedded information can also be reconstructed without error.
Die oben beschriebene Vorgehensweise zur Einbettung von Informationen kann auch bei anderen Codierern eingesetzt werden, beispielsweise bei allen CELP Sprach-Codierern aber auch bei anderen Signal-Codierern wie Video-Codierern, Bild-Codierern etc.The above-described procedure for embedding information can also be used in other coders, for example in all CELP speech coders but also in other signal coders such as video coders, image coders, etc.
Die Übertragung von Seiteninformationen (eingebetteten Informationen) mittels Steganographie kann auch zur Signalverbesserung eingesetzt werden und stellt eine Lösung für das Problem der Rückwärtskompatibilität dar. Ein Empfänger ohne Kenntnis der eingebetteten Informationen kann das (Sprach-) Signal, in das die Informationen eingebettet wurden, wie gewohnt, das heißt wie im Falle keiner Einbettung von Informationen mit nur geringen Verlusten decodieren. Kennt der Empfänger hingegen die eingebetteten Informationen, so können die Seiteninformationen zur Signalverbesserung verwendet werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel wird im Folgenden mit Bezug auf
Das Codier/Decodiersystem 200 weist einen Codierer 201 wie mit Bezug auf
Analog zu
Weist der Empfänger einen "konventionellen" Decodierer 206 auf, das heißt einen Decodierer, der die eingebetteten Daten nicht aus dem codierten Signal 205 ermitteln kann, so decodiert der Decodierer 206 lediglich das codierte Signal 205 zu einem decodierten Signal 207, welches (bis auf Übertragungsfehler und Codier/Decodierverluste) dem zu codierenden Signal 202 entspricht.If the receiver has a "conventional"
Weist der Empfänger einen "erweiterten" Decodierer 208 auf, das heißt einen Decodierer, der die eingebetteten Daten aus dem codierten Signal 205 ermitteln kann, so werden die eingebetteten Daten extrahiert und die extrahierten Daten 209 von einer Signalverbesserungseinheit 210 zur Signalverbesserung verwendet, welche ein decodiertes und (gegenüber dem decodierten Signal 207) verbessertes Signal 211 erzeugt.If the receiver has an "extended"
Als Signalverbesserung kann z.B. künstliche Bandbreitenerweiterung, oder Störreduktion eingesetzt werden. Auch die Koeffizienten eines sendeseitig bestimmten Postfilters können per Steganographie übertragen werden.As a signal enhancement, e.g. artificial bandwidth expansion, or noise reduction can be used. The coefficients of a postfilter determined by the transmitter can also be transmitted by steganography.
Insbesondere die Anwendung der künstlichen Bandbreitenerweiterung ist vorteilhaft, da das Telefonnetz historisch bedingt auf eine akustische Bandbreite von 3.1kHz (300Hz-3.4kHz) begrenzt ist, eine Übertragung von Breitbandsprache (50Hz-7kHz) jedoch nur mit enormem Aufwand seitens der Netzbetreiber und der Endgerätehersteller zu bewerkstelligen wäre. Änderungen im (Mobilfunk-)Übertragungsnetz sind zur Realisierung der oben beschriebenen Ausführungsformen hingegen nicht erforderlich. Entsprechende (leistungsfähige) Bandbreitenerweiterungsalgorithmen sind beispielsweise in der Veröffentlichung von
Im Folgenden wird eine weitere Möglichkeit für eine Zerlegung des oben definierten Codebuchs C (EFR ACELP Codebuch) beschrieben.In the following, a further possibility for a decomposition of the above-defined codebook C (EFR ACELP codebook) will be described.
Zunächst wird zum besseren Verständnis kurz die Suchstrategie des EFR-Codecs erläutert:
- 1) Zunächst wird die erste Pulsposition i0 ∈ {0,...,39} heuristisch ermittelt und bleibt während der gesamten Suche fest. Der zu i0 gehörige "Track" ist beispielsweise x = 4 oder x = 9. Für die x-te Komponente cx des entsprechenden Codeworts gilt cx = i0.
- 2) Die Position des zweiten Pulses i1 ∈ {0, ... , 39} wird ebenfalls heuristisch ermittelt, wobei für jede der vier Iterationen des unten stehenden Algorithmus (Schritt 3) ein anderer Wert angenommen wird. Beispielsweise gehöre für die erste Iteration zur gewählten Position i1 der Track y=3 oder y=8, d.h. Cy = i1.
- 3) Für die verbleibenden acht Tracks werden für jede von vier Iterationen die Pulse sukzessive in Paaren zu je zwei Tracks durch erschöpfende Suche optimiert. In jeder der vier Iterationen werden die Track-Paare durch Permutation neu zusammengestellt, wobei cx und cy nicht wiederverwendet werden
- 1) First, the first pulse position i 0 ∈ {0, ..., 39} is determined heuristically and remains fixed during the entire search. The "track" belonging to i 0 is, for example, x = 4 or x = 9. For the x-th component c x of the corresponding code word, c x = i 0 .
- 2) The position of the second pulse i 1 ∈ {0, ..., 39} is also determined heuristically, whereby a different value is assumed for each of the four iterations of the algorithm below (step 3). For example, for the first iteration to the selected position i 1, the track y = 3 or y = 8, ie C y = i 1 .
- 3) For the remaining eight tracks, for each of four iterations, the pulses are successively optimized in pairs of two tracks by exhaustive search. In each of the four iterations, the track pairs are reassembled by permutation, with c x and c y not reused
Beispielsweise wird für das Track-Paar c0 / c6 die Optimierung entsprechend dem folgenden Pseudocode durchgeführt:
- for(i = 0, 5, 10,..., 35) // Iteration über alle zulässigen Elemente für c0
- for(j = 1, 6, 11,..., 36) // Iteration über alle zulässigen Elemente für c6
- Teste Puls-Paar (c0=i, c6=j) entsprechend CELP-Kriterium auf Optimalität
- for (i = 0, 5, 10, ..., 35) // iteration over all valid elements for c 0
- for (j = 1, 6, 11, ..., 36) // iteration over all valid elements for c 6
- Test pulse pair (c 0 = i, c 6 = j) according to CELP criterion for optimality
Bei dieser Suchstrategie gemäß EFR werden insgesamt 1024 Kombinationen (4 Iterationen * 4 Track-Paare * 8 Puls-Positionen * 8 Puls-Positionen = 1024 Kombinationen) untersucht und daraus die optimalen Puls-Paare ausgewählt.In this search strategy according to EFR, a total of 1024 combinations (4 iterations * 4 track pairs * 8 pulse positions * 8 pulse positions = 1024 combinations) are examined and from this the optimal pulse pairs are selected.
Zur Einbettung von Informationen, im Folgenden Beispiel eines einzelnen (Wasserzeichen-)bits b, in ein Codewort c = (c0, ..., c9) wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der obige Algorithmus wie im Folgenden beschrieben abgeändert.For embedding information, in the following example of a single (watermark) bit b, into a codeword c = (c 0 ,..., C 9 ), according to an embodiment of the invention, the above algorithm is modified as described below.
Wenn bei einer Suche bereits ein Puls für einen Track , beispielsweise c1, ermittelt wurde, kann bei der Wahl des (identisch aufgebauten) Tracks c6 durch ein Wasserzeichenbit b in das Puls-Positionenpaar c1 und c6 eingebettet werden, indem c6 in Abhängigkeit des Bits b gewählt wird. Die paarweise Suche wird dazu beispielsweise wie folgt modifiziert:
- c6_offset = 5 * ((c1 + b + 1) mod 2)
- for(i = 0, 5, 10,..., 35) // Iteration über alle zulässigen Elemente für c0
- for(j = 1,11,21,31) // Iteration über alle zulässigen Elemente für c6 (gegenüber oben halbe Anzahl)
- Teste Puls-Paar (c0=i, c6=j+c6_offset) entsprechend CELP-Kriterium auf Optimalität
- c6_offset = 5 * ((c1 + b + 1) mod 2)
- for (i = 0, 5, 10, ..., 35) // iteration over all valid elements for c 0
- for (j = 1,11,21,31) // iteration over all permissible elements for c 6 (opposite half number above)
- Test pulse pair (c 0 = i, c 6 = j + c6_offset) according to CELP criterion on optimality
Das eingebettete Bit b kann im Empfänger bzw. Decodierer durch die Operation
ermittelt werden.The embedded bit b may be in the receiver or decoder through the operation
be determined.
Statt c6_offset = 5 * ((c1 + b + 1) mod 2) können auch andere Kombinationen von bereits ermittelten Pulspositionen und einzubettenden Bis verwendet werden. In dem obigen Beispiel wurde der Suchraum für die Pulsposition c6 in zwei gleiche Teile (ungerade/gerade Werte) aufgeteilt. Weitere Aufteilungen (etwa erste/zweite Wertehälfte) sind auch möglich, wobei die Gleichung für c6_offset entsprechend anzupassen ist.Instead of c6_offset = 5 * ((c1 + b + 1) mod 2), other combinations of already determined pulse positions and embedded bis can also be used. In the above example, the search space for the pulse position c 6 was divided into two equal parts (odd / even values). Further divisions (for example, first / second half of the value) are also possible, with the equation for c6_offset being adapted accordingly.
Die Anzahl der untersuchten Pulsposition-Kombinationen ist durch das auf diese Weise eingebettete Bit auf
gesunken.The number of pulse position combinations examined is due to the bit embedded in this
declined.
Zur Einbettung mehrerer Bits in ein Codewort c kann der Suchraum für c6 noch einmal halbiert werden, oder ein identisches Verfahren für ein zweites Pulspaar angewendet werden. Es ist günstig, gerade solche Pulse im Rahmen der Informationseinbettung durch c6_offset (bzw. das Bit b) zu koppeln, die in einem Track liegen. Anderenfalls kann, aufgrund der Vorzeichencodierung des EFR, im Empfänger keine eindeutige Zuordnung der Pulse mehr vorgenommen werden. Durch entsprechenden Zusatzaufwand im Sender kann diese Beschränkung aufgehoben werden. Im Empfänger sind c1 und c6 nicht voneinander zu unterscheiden. Die Datenextraktion via b=(c1+c6) mod 2 macht daher keine Probleme, allerdings ist es schwierig, beispielsweise b=(c1+c5) mod 2 zu berechnen, da (je nach Vorzeichen) "versehentlich" b=(c6+c5) mod 2 berechnet werden könnte. Der sendeseitige "Zusatzaufwand" besteht darin, die Vorzeichencodierung in den Optimierungsschleifen zu berücksichtigen und quasi pro Optimierungsschritt vorwegzunehmen.To embed several bits in a codeword c , the search space for c 6 can be halved once again, or an identical method can be used for a second pair of pulses. It is favorable to couple precisely such pulses as part of the information embedding by c6_offset (or the bit b) which lie in a track. Otherwise, due to the sign encoding of the EFR, no definite assignment of the pulses can be made in the receiver. By appropriate additional expenditure in the transmitter this restriction can be canceled. In the receiver, c1 and c6 are not different to distinguish. The data extraction via b = (c1 + c6)
Durch die der reduzierte Anzahl von untersuchten Kombinationen (896 statt 1024 in dem obigen Beispiel) ergibt sich eine geringere Codierqualität durch Wasserzeicheneinbettung. Dies kann durch eine erweiterte Suche, das heißt eine Erweiterung des Suchraums, kompensiert werden. Dazu werden die Tracks nicht mehr in Paaren sondern in Gruppen zu 3 oder 4 (oder auch mehr) Tracks gemeinsam durchsucht. Die gemeinsame Suche (ohne Wasserzeicheneinbettung) für 3 Tracks (z.B. c0, c6 und c7) wird beispielsweise wie folgt realisiert:
- for(i2 = 0,5,10,...,35) // Iteration über die zulässigen Werte von c0
- for(i3 = 1,6,11,...,36) // Iteration über die zulässigen Werte von c6
- for(i4 = 2,7,12,...,37) // Iteration über die zulässigen Werte von c7
- Suche optimales Tripel (c0=i2, c6=i3, c7=i4)
- for (i2 = 0,5,10, ..., 35) // iteration over the permissible values of c0
- for (i3 = 1,6,11, ..., 36) // iteration over the permissible values of c6
- for (i4 = 2,7,12, ..., 37) // iteration over the allowable values of c7
- Search optimal triple (c0 = i2, c6 = i3, c7 = i4)
Für jedes Tripel bedeutet dies, dass 8*8*8 = 512 Kombinationen durchsucht werden. Wird die gesamte Suche für die 8 variablen Pulspositionen (gemäß den Schritten 1 und 2 sind ja zwei Pulspositionen fest) so aufgeteilt, dass 2 Tripel und 1 Paar gemeinsam optimiert werden, so ergibt sich, dass
Werden jedoch z.B. im Zuge der Optimierung des ersten Tripels 3 Wasserzeichenbits, im Zuge der Optimierung des zweiten Tripels 2 Wasserzeichenbits wie oben beschrieben eingebettet, während für das Pulspositionen-Paar keine Einbettung vorgenommen wird, so ergibt sich die Zahl der zu untersuchenden Kombinationen zu
d.h. exakt die Anzahl der untersuchten Kombinationen im Standard-EFR-Codec. Die Wasserzeichendatenrate liegt in diesem Fall bei (2+3)bit/5ms = 1kbit/s.However, if, for example, in the course of the optimization of the first triple 3 watermark bits, embedded in the course of the optimization of the second triple 2 watermark bits as described above, while for the pulse position pair no embedding is made, then the number of combinations to be examined
ie exactly the number of tested combinations in the standard EFR codec. The watermark data rate in this case is (2 + 3) bit / 5ms = 1kbit / s.
Schließlich ist eine weitere Möglichkeit zur Erweiterung des Suchraumes die Erhöhung der Iterationszahl, d.h. die Untersuchung weiterer Track-Permutationen.Finally, another way to expand the search space is to increase the iteration number, i. the investigation of further track permutations.
Die einem Ausführungsbeispiel zu Grunde liegende Idee kann darin gesehen werden, dass die Informationseinbettung dem Signal-Codierer bekannt ist, was durch eine gemeinsame Dateneinbettung und Signalcodierung erreicht wird, das heißt es wird beispielsweise die Wasserzeichen-Einbettung in den Codierer integriert. Dies kann innerhalb einer Analyse-durch-Synthese Schleife durchgeführt werden ("closed-loop"), wie es in
Dem Codierer werden ein zu codierendes Signal und einzubettende Daten 302 zugeführt.The encoder is supplied with a signal to be encoded and
Ein codiertes Signal 303 wird aus dem zu codierenden Signal 301 mittels einer Schleife erzeugt, die ein Codebuch 304, eine Syntheseeinrichtung 305 und einen Vergleicher 306 aufweist. Dabei wird eine mögliche Codierung des zu codierenden Signals 301 von dem Codebuch 304 erzeugt und es wird mittels der Syntheseeinrichtung 305 und dem Vergleicher 306 überprüft, wie gut es das zu codierende Signal 301 widerspiegelt und gegebenenfalls, basierend auf der Ausgabe des Vergleichers 306, abgeändert.An encoded
Die einzubettenden Daten 302 werden im Laufe das Codierungsprozesses in das codierte Signal 303 eingebettet, beispielsweise gemäß einer der oben beschriebenen Vorgehensweisen.The data to be embedded 302 are embedded in the encoded
Beispielsweise wird basierend auf den einzubettenden Daten 302 ein Sub-Codebuch des Codebuchs 304 ausgewählt, wie es in
Analog zu dem in
Die Aufteilung eines Codebuchs in mehrere Sub-Codebücher ist in
Das Codebuch 500 ist mit C bezeichnet. Aus Effizienzgründen wird, wenn der Codewortumfang des Codebuchs 500 sehr groß ist, das Codebuch 500 beim Codieren nur teilweise durchsucht, d.h. es werden Codeworte zur Codierung nur aus einer Codebuch-Teilmenge 501, welche mit C' (praktisches Codebuch) bezeichnet ist, ausgewählt.The
Bei den obigen Ausführungsbeispielen wird das Codebuch 500 zur Dateneinbettung wie oben erläutert in Codebücher zerlegt, beispielsweise in vier Sub-Codebücher 502, welche mit C(1) bis C(4) bezeichnet sind.In the above embodiments, the
Da ein Sub-Codebuch 502 einen geringeren Codewortumfang hat als die Codebuch-Teilmenge 501 und damit die Qualität der Signalcodierung (abhängig von der Anzahl der Sub-Codebücher 502) gegenüber einer Verwendung der gesamten Codebuch-Teilmenge 501 sinken würde, wird in einem Ausführungsbeispiel der Codeumfang der Sub-Codebücher 502 erweitert, so dass insgesamt eine erweiterte Codebuch-Teilmenge 503 zur Codierung verwendet wird. Dabei steigt die algorithmische Komplexität nur geringfügig an, die Qualität der Codierung sinkt nicht und es kann in Sonderfällen sogar eine Qualitätssteigerung erzielt werden.Since a sub-codebook 502 has a smaller codeword extent than the
In einer Ausführungsform wird ein algebraisches Codebuch verwendet. Im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Codebuch in Tabellenform existiert ein algebraisches Codebuch nur im Sinne einer algebraischen Konstruktionsvorschrift. Dies bedeutet, dass die einzelnen Codebuch-Einträge (Codewörter) im Zuge der Signalcodierung durch einen Codewortgenerator erzeugt werden. Das "Binning Scheme" zur Informationseinbettung, das heißt die Zerlegung des Codebuchs in Sub-Codebücher und Auswahl des zur Codierung verwendeten Sub-Codebuchs in Abhängigkeit der einzubettenden Information, bei einem Codierer mit algebraischem Codebuch besteht nun nicht mehr lediglich in der Aufteilung des Codebuches in eine Anzahl von Sub-Codebüchern, sondern darüber hinaus auch in der Modifikation des Codewortgenerators dahingehend, dass jeweils nur zu dem durch die aktuell einzubettende Nachricht i ausgewählten Sub-Codebuch C(i) gehörige Codewörter ausgegeben werden.In one embodiment, an algebraic codebook is used. In contrast to an ordinary codebook in tabular form, an algebraic codebook exists only in the sense of an algebraic design rule. This means that the individual codebook entries (codewords) are generated during the signal coding by a codeword generator. The "binning scheme" for information embedding, that is, the decomposition of the codebook in sub-codebooks and selection of the sub-codebook used for coding depending on the information to be embedded, in an encoder with algebraic codebook now no longer consists only in the division of the codebook in a number of sub-codebooks, but moreover in the modification of the codeword generator in that only codewords associated with the sub-codebook C (i) selected by the currently-to-be-embedded message i are output.
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