ES2297927T3 - Aparato y metodo para la insercion y extraccion de informacion en señales analogicas mediante modulacion de replicas. - Google Patents
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Abstract
Método para la inserción de una señal auxiliar en una señal portadora analógica, que comprende las etapas de: selección como mínimo de una parte de dicha señal portadora en un dominio predeterminado según una clave stego; generación de una señal réplica a partir de dicha parte seleccionada de la señal portadora modificando dicha parte seleccionada de dicha señal portadora según la clave stego; modificación de dicha señal réplica como una función de dicha señal auxiliar; e inserción de la señal réplica modificada en dicha señal portadora analógica.
Description
Aparato y método para la inserción y extracción
de información en señales analógicas mediante modulación de
réplicas.
La presente invención se refiere a un aparato y
métodos para codificar o insertar y decodificar o extraer
información en señales analógicas tales como señales de audio, vídeo
y datos, tanto transmitidas mediante transmisión por ondas de radio
o mediante transmisión por cable, o almacenadas en un medio de
grabación tal como discos ópticos o magnéticos, cintas magnéticas o
memorias de estado sólido.
La presente invención tiene relación con las
técnicas para insertar y extraer información auxiliar dentro de una
señal existente, tal como una señal de audio o de vídeo.
Un área de particular interés para ciertas
realizaciones de la presente invención se refiere al mercado de
grabaciones musicales. En la actualidad, un gran número de personal
escucha grabaciones musicales en la radio o en la televisión. A
menudo oyen una grabación que les gusta lo suficiente como para
adquirirla, pero no conocen el nombre de la canción, el artista que
la interpreta o el disco, cinta o álbum de CD del que forma parte.
Como resultado, el número de grabaciones que adquiere la gente es
menor que el que, de otra manera, podría adquirir si hubiera una
manera simple en que la gente identificara qué grabaciones de las
que oyen en la radio o en la televisión desea adquirir.
Otra área de interés para ciertas realizaciones
de la invención es el control de copias (al que también se hace
referencia como técnica de marca de agua digital). En la actualidad,
existe un gran mercado para productos de software de audio, tales
como grabaciones musicales. Uno de los problemas de este mercado es
la facilidad de copia de dichos productos sin pagar a los que los
producen. Este problema se vuelve particularmente molesto con la
llegada de las técnicas de grabación, tales como cintas de audio
digitales (DAT), que permiten que las copias sean de muy elevada
calidad. De esta manera, sería deseable desarrollar un esquema que
evitara la copia no autorizada de las grabaciones de audio,
incluyendo la copia no autorizada de trabajos de audio emitidos a
través de las ondas. También es deseable, para la aplicación de los
derechos de autor, ser capaz de insertar en el material de
programa, tal como señales de audio o de vídeo, la información
digital de los derechos de autor que identifica al propietario de
los mismos, cuya información puede ser detectada mediante los
aparatos adecuados para identificar el propietario de los derechos
de autor del programa, mientras permanecen imperceptibles para al
oyente o espectador.
Un campo adicional de interés relacionado con la
presente invención pertenece al seguimiento automático de los
derechos de autor y a la prueba de reproducción del material o de
los anuncios comerciales con derechos de autor, mediante los cuales
los propietarios de los mismos son capaces de rastrear las
reproducciones o emisiones de su material para propósitos de pago
de derechos de autor, y los anunciantes son capaces de confirmar
que los anuncios que han pagado fueron de hecho emitidos a la hora y
fecha correctas.
Otra área de interés adicional de la presente
invención se refiere a la verificación de la integridad o la
detección de falsificaciones, en las que el creador de un trabajo de
audio o audiovisual puede determinar si éste ha sido alterado,
modificado o incorporado a otro trabajo.
Se conocen diversos métodos en el estado de la
técnica anterior de codificación de información adicional sobre una
señal fuente. Por ejemplo, es conocida la modulación por amplitud de
pulso de una señal para conseguir una señal común o codificada que
porta, por lo menos, dos partes de información u otras partes
útiles. En la patente U.S.A. número 4.497.060 de Yang (1985), los
datos binarios se transmiten como una señal que tiene dos anchos de
pulso diferentes para representar "0" y "1" lógicos (por
ejemplo, las duraciones del ancho de pulso para un "1" son el
doble de la duración de un "0"). Esta correspondencia también
permite la determinación de una señal de reloj.
En cuanto a los sistemas en los que las señales
de audio generan transmisiones de audio, las patentes U.S.A. número
4.876.617 de Best y otros (1989) y número 5.113.437 de Best y otros
(1992) dan a conocer codificadores para formar muescas
relativamente delgadas y profundas (por ejemplo, 150 Hz de ancho y
50 dB de profundidad) en el rango de frecuencias medias de una
señal de audio. La primera de estas patentes da a conocer filtros
de muesca acoplados centrados en torno a las frecuencias de 2.883 Hz
y 3.417 Hz; la última patente da a conocer filtros de muesca pero
con pares de frecuencias que varían aleatoriamente para evitar el
borrado o inhibir el filtrado de la información añadida a las
muescas. Los codificadores añaden posteriormente la información
digital en forma de señales en la frecuencia más baja indicando un
"0" y en la frecuencia más alta indicando un "1". En la
última patente de Best y otros, un codificador muestrea la señal de
audio, retarda la señal mientras calcula el nivel de la señal, y
determina durante el retardo si añadir o no la señal de datos y, en
ese caso, a qué nivel de señal. La última patente de Best y otros
también describe que la "forma pseudoaleatoria" de desplazar
las muescas, hace más difícil detectar de forma audible las señales
de datos.
\newpage
Otras técnicas del estado anterior de la técnica
utilizan el modelo psicoacústico de la característica de la
percepción humana para insertar tonos modulados o sin modular en una
señal principal, de manera que serán enmascarados por los
componentes de la señal existente y, de esta manera, no serán
percibidos. Véase, por ejemplo, la patente U.S.A. número
5.319.735 de Preuss y otros, y la patente U.S.A. número 5.450.490 de
Jensen y otros. Dichas técnicas son muy costosas y complicadas de
implementar, a la vez que experimentan una falta de robustez al
enfrentarse con distorsiones de señales impuestas por los esquemas
de compresión basados en la percepción, diseñados para eliminar los
componentes de la señal enmascarada.
La técnica anterior no consigue un método y un
aparato para insertar y extraer señales auxiliares de información
digitales o analógicas de las señales de frecuencia de audio o de
vídeo analógicas para generar transmisiones a percibir por los
humanos (es decir, sonidos o imágenes), de manera que las
señales de frecuencia de audio o de vídeo generan transmisiones a
percibir por los humanos sustancialmente idénticas, tanto antes como
después de la codificación con las señales auxiliares (en otras
palabras, la información insertada es transparente para el oyente o
el espectador), que también es robusta hasta un alto grado de
distorsiones de la señal generadas por medios de transmisión
ruidosos, etc. La técnica anterior tampoco consigue aparatos y
métodos relativamente simples y baratos para insertar y extraer
señales que definen la información auxiliar en las señales de
frecuencia de audio o de vídeo para generar transmisiones de audio
a percibir por los humanos.
El documento WO98/53565 da a conocer métodos
para insertar datos en una señal portadora comparando una
característica de señal distribuida con un conjunto de valores de
cuantización predefinidos.
La presente invención da a conocer un aparato y
métodos para insertar o codificar, y extraer o decodificar,
información auxiliar (analógica o digital) en una señal principal o
portadora analógica, de manera que tiene un impacto mínimo sobre la
percepción de la información fuente cuando la señal analógica se
aplica a un dispositivo de salida adecuado, tal como un altavoz, un
monitor de presentación u otro dispositivo
eléctrico/electrónico.
La presente invención da a conocer, además, un
aparato y métodos para insertar y extraer señales legibles a
máquina en una señal portadora analógica que controla la capacidad
de un dispositivo para copiar la señal portadora.
En resumen, la presente invención da a conocer
un método para insertar una señal auxiliar en una señal portadora
analógica, que comprende las etapas de:
seleccionar por lo menos una parte de dicha
señal portadora en un dominio predeterminado según una clave
stego;
generar una señal réplica a partir de dicha
parte seleccionada de la señal portadora, modificando dicha parte
seleccionada de dicha señal portadora según la clave stego;
modificar dicha señal réplica como una función
de dicha señal auxiliar; e
insertar la señal réplica modificada en dicha
señal portadora analógica.
La invención da a conocer, además, un método de
extracción de una señal auxiliar insertada a partir de una señal
stego analógica, que comprende las etapas de:
seleccionar por lo menos una parte de dicha
señal stego en un dominio predeterminado según una clave stego;
generar una señal réplica a partir de dicha
parte seleccionada de la señal stego, modificando dicha parte
seleccionada de dicha señal stego según la clave stego;
modificar dicha señal stego como una función de
dicha señal réplica; y
extraer dicha señal auxiliar insertada filtrando
dicha señal stego modificada.
Según otro aspecto de la invención, se da a
conocer un aparato para insertar y extraer señales auxiliares en
una señal portadora analógica, que comprende:
medios para seleccionar por lo menos una parte
de dicha señal portadora en un dominio predeterminado según una
clave stego;
medios para generar una señal réplica a partir
de dicha parte seleccionada de la señal portadora, modificando
dicha parte seleccionada de dicha señal portadora según la clave
stego;
medios para modificar dicha señal réplica como
una función de dicha señal auxiliar; y
medios para insertar la señal réplica modificada
en dicha señal portadora analógica para generar una señal
stego;
medios para recibir dicha señal stego;
medios para seleccionar por lo menos una parte
de dicha señal stego en un dominio predeterminado según una clave
stego;
medios para generar una señal réplica a partir
de dicha parte seleccionada de la señal stego, modificando dicha
parte seleccionada de dicha señal stego según la clave stego;
medios para modificar dicha señal stego recibida
como una función de dicha señal réplica de dicha señal stego
recibida; y
medios para extraer dicha señal auxiliar
filtrando dicha señal stego modificada recibida.
El término señal portadora, tal como se utiliza
en adelante, se refiere a una señal principal o fuente, tal como
una señal de audio, vídeo u otra señal de información, que porta o
se pretende que porte datos auxiliares insertados u ocultos.
Estos y otros aspectos de la presente invención
se entenderán de manera más completa a partir de la siguiente
descripción detallada de las realizaciones preferentes, en
combinación con los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es un diagrama de bloques de un
proceso para insertar y extraer señales de datos, utilizado por la
presente invención;
la figura 2 es un diagrama de bloques de una
realización del dispositivo de inserción (10) de la figura 1;
la figura 3 es un diagrama de bloques de una
realización del generador de la señal insertada (11) de la figura
2;
la figura 4 es un diagrama de bloques de una
realización del dispositivo de extracción (20) de la señal de datos
según la presente invención;
la figura 5 es un diagrama de bloques de una
realización de un generador de réplicas que genera una réplica de
la señal portadora desplazada en frecuencia a partir de la original;
y
las figuras
6(a)-6(c) son gráficos que muestran un
conjunto de funciones ortogonales utilizadas en la creación de una
réplica desplazada en amplitud, según una realización de la presente
invención.
La presente invención se refiere a un método y a
un aparato para insertar información o datos en una señal
portadora, tal como una señal de audio, una señal de vídeo u otra
señal analógica (llamada en adelante una "señal portadora"),
generando una réplica de la señal portadora dentro de un dominio de
la frecuencia, del tiempo y/o del espacio predefinidos, modulando
la réplica con una señal auxiliar que representa la información a
añadir a la señal portadora y, posteriormente, insertando la réplica
modulada de nuevo en la señal portadora. La invención se puede
implementar en un número de maneras diferentes, tanto mediante la
programación de software de un procesador digital, en la forma de
circuitos integrados de señales analógicas, digitales o mixtas, como
un dispositivo electrónico de componentes discretos, o una
combinación de dichas implementaciones. La réplica es similar a la
señal portadora en el contenido del dominio de la frecuencia y del
tiempo, pero diferente en ciertos parámetros según lo especificado
por una clave stego, que generalmente no se conoce, pero que es
conocida por los aparatos de recepción autorizados.
Haciendo referencia a la figura 1, la invención
utiliza un dispositivo de inserción (10) para generar una señal
stego (4), que es sustancialmente la misma en términos de contenido
y de calidad de la información portada por una señal portadora (2).
Por ejemplo, cuando la señal portadora (2) es una señal de vídeo o
de audio, la señal stego (4) generará esencialmente el mismo
programa o información de vídeo o de audio cuando se aplique a un
dispositivo de salida, tal como una pantalla de vídeo o un
altavoz.
Se utiliza una clave stego (9) para determinar y
especificar la región específica del dominio del tiempo, de la
frecuencia y/o del espacio de la réplica, en la que la señal
auxiliar (6) va a ser insertada, así como los parámetros del
proceso de inserción.
Posteriormente, el dispositivo de inserción
modula o modifica adecuadamente la réplica y añade la réplica de
nuevo en la señal portadora para obtener una señal stego (4). La
señal stego (4) se puede transmitir o se puede almacenar en un
medio de almacenamiento tal como una cinta magnética, un
CD-ROM, una memoria de estado sólido y similares,
para una posterior recuperación y/o transmisión. La señal auxiliar
insertada se recupera mediante un dispositivo de extracción (20),
que tiene conocimiento de la clave stego (9) o acceso a la misma,
que opera sobre la señal stego (4) para extraer la señal auxiliar
(6). El proceso de inserción se puede expresar mediante la
fórmula:
donde \overline{s}(t)
representa la señal stego (4), s(t) representa la señal
portadora (2) y w_{i}(t) es la señal oculta (8) de orden i
(ver la figura 2), también conocida como marca de agua. Con
respecto a esto, el dispositivo de inserción se puede utilizar para
insertar múltiples señales auxiliares (6) simultáneamente,
utilizando una clave stego (9) diferente para cada señal. En el caso
en el que únicamente se va a insertar una sola señal auxiliar (6),
se utiliza una sola clave stego (9), y existiría únicamente una
señal oculta w(t). En la ecuación (1) y a continuación en
esta descripción, se considera una señal unidimensional (es
decir, una señal que varía según una única dimensión, tal como
el tiempo) para propósitos de simplicidad en la explicación; no
obstante, la presente invención no está limitada a señales
unidimensionales, sino que se puede ampliar fácilmente a señales
multidimensionales tales como imágenes (dos dimensiones), vídeo
(tres dimensiones), etc., definiendo t como un
vector.
Según la presente invención, se utiliza una
réplica de la misma señal portadora (2) como portadora de la señal
auxiliar (6). Debido a que la réplica es inherentemente similar a la
señal portadora en términos de contenido de frecuencia, no es
necesario ningún análisis de la señal portadora a efectos de ocultar
una señal auxiliar, tal como una marca de agua digital.
Por el contrario, según las técnicas del estado
de la técnica anterior mencionadas anteriormente, las señales
auxiliares se insertan en la forma de una secuencia pseudoaleatoria
(Preuss y otros) o en la forma de múltiples tonos distribuidos por
toda la banda de frecuencias de la señal portadora (Jensen y otros).
A efectos de "ocultar" dichas señales de manera que sean
perceptivamente transparentes, fue necesario llevar a cabo un
análisis de la señal portadora en el dominio de la frecuencia para
hacer que la señal de marca de agua fuera imperceptible para el
observador. Dicho análisis está basado en el fenómeno de que la
percepción humana no detectará una señal menor en la presencia de
una señal mayor si las dos señales son suficientemente similares.
Este fenómeno se conoce normalmente como el efecto de
enmascarado.
La señal insertada (8), según la presente
invención, se puede expresar mediante la fórmula:
donde g_{i}<1 es un parámetro
de ganancia (factor de escala) determinado por consideraciones de
compensación de robustez respecto a transparencia, m_{i}(t)
es la señal auxiliar (6), donde
|m_{i}(t)|\leq1, y r_{i}(t) es una
réplica de la señal portadora (2). El factor de ganancia g_{i}
puede ser una constante predeterminada para una aplicación
determinada, o puede ser ajustable de manera que se pueden tener en
cuenta los cambios dinámicos en las condiciones de transparencia y
robustez. Por ejemplo, en los pasos musicales altamente tonales,
las ganancias pueden ser menores, mientras que para las señales de
audio ruidosas o espectralmente ricas, las ganancias pueden ser
mayores, con niveles equivalentes de transparencia. En una
realización alternativa, el dispositivo de inserción puede llevar a
cabo una simulación del proceso de extracción para identificar las
señales que tienen una capacidad de ser detectadas menor que la
deseable y, en consecuencia, aumentar la
ganancia.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques de
una realización preferente del dispositivo de inserción (10). Tal
como se muestra, la señal portadora (2), la clave stego (9) y la
señal auxiliar (6) son introducidas en un generador de señales
insertadas (11). El generador de señales insertadas genera la
réplica r_{i}(t) a partir de la señal portadora (2),
según la clave stego (9), modula o modifica la réplica
r_{i}(t) con la señal auxiliar (6) (m_{i}(t)),
escala el resultado utilizando el parámetro de ganancia g_{i}, y
genera una señal insertada (8) (w_{i}(t)). La señal
insertada (8) se añade posteriormente a la señal portadora (2)
(s(t)) en un sumador (12), para generar la señal stego (4)
(\overline{s}(t)).
La réplica r_{i}(t) se obtiene tomando
una parte de la señal portadora (2) en un dominio específico del
tiempo, de la frecuencia y/o del espacio, tal como lo especifica la
clave stego (9), y realizando posteriormente ligeras modificaciones
a la parte de la señal, también según lo especifica la clave stego
(9). Las modificaciones de la parte de la señal deben ser pequeñas
para asegurar que la réplica se mantiene similar a la señal
portadora, tal como lo juzgan los sistemas
psicoacústico-psicovisuales humanos, pero dichas
modificaciones deben ser lo suficientemente grandes para ser
detectables mediante un dispositivo de extracción adecuadamente
diseñado que tiene conocimiento de la clave stego (9) o acceso a la
misma. Tal como se tratará más adelante, se han encontrado un
número de tipos diferentes de modificaciones para satisfacer estas
necesidades.
La ecuación (2) revela que la réplica
r_{i}(t) es modulada por la señal auxiliar
m_{i}(t) según un proceso conocido como modulación de
producto. La modulación del producto da como resultado una
ampliación del espectro de la señal insertada proporcionalmente a
la anchura espectral de la señal auxiliar. A efectos de hacer que
el espectro de la señal insertada sea similar al espectro de la
señal portadora (para mantener la transparencia del proceso de
inserción), el espectro de la señal auxiliar debe ser estrecho en
comparación con la menor frecuencia del espectro de la réplica.
Este requisito impone un límite a la capacidad del canal auxiliar,
e impone que los componentes de baja frecuencia de la señal
portadora no son adecuados para incluirlos en la creación de la
réplica.
\newpage
En una realización preferente de la invención,
la señal de modulación (señal auxiliar) m(t) es una señal de
datos binarios definida por la fórmula:
donde N es el número de dígitos
binarios o bits en el mensaje, b_{n}\in(-1,1) es el valor del
bit de orden n, T es el intervalo de bits y h(t) representa
la forma del pulso que representa el bit. Típicamente, h(t)
se obtiene filtrando un impulso rectangular, mediante un filtro
paso bajo, a efectos de limitar la anchura espectral de la señal
(auxiliar) de
modulación.
La figura 3 ilustra los detalles de un generador
(11) de señales insertadas utilizado para generar un único mensaje
de datos insertado. La señal portadora (2) se filtra y/o se
enmascara en el bloque de filtrado/enmascarado (30) para generar
una señal filtrada/enmascarada (31). El bloque de
filtrado/enmascarado (30) separa las regiones de la señal portadora
utilizadas para diferentes mensajes insertados. Por ejemplo, el
bloque de filtrado/enmascarado puede separar la región de la banda
de frecuencias 1.000-3.000 Hz a partir de la señal
portadora en el dominio de la frecuencia, puede separar la región
del intervalo de tiempo t=10 segundos a t=30 segundos a partir de
la señal portadora en el dominio del tiempo, o puede separar la
región del cuadrante espacial superior derecho de la señal
portadora en el dominio del espacio (tal como cuando la señal
portadora es una señal MPEG, JPEG o una señal equivalente) de
manera que la región separada se utilizaría posteriormente para
insertar la señal auxiliar.
La señal de filtrado/enmascarado (31) está
compuesta por las regiones seleccionadas de la señal portadora, tal
como lo especifica la clave stego (9), que se utilizan
posteriormente para la creación de la señal réplica (41). La señal
(31) se introduce posteriormente en un creador de réplicas (40), en
el que se modifican los parámetros predeterminados de la señal, tal
como lo especifica la clave stego (9), para crear la réplica
r_{i}(t) (41). La réplica (41) se modula posteriormente
mediante la señal auxiliar m_{i}(t) en el multiplicador
(42a), y la señal resultante se escala posteriormente en el
multiplicador (42b), según el factor de ganancia seleccionado
g_{i}, para generar la componente (8) de la señal insertada (es
decir, w_{i}(t) en la ecuación (2)). La componente (8)
de la señal insertada se añade posteriormente de nuevo a la señal
portadora (2) en el sumador (12) (figura 2) para obtener la señal
stego (4). A efectos de mantener la sincronización entre la señal
portadora (2) y el componente (8) de la señal insertada, los
retardos inherentes del procesamiento presentes en el bloque de
filtrado/enmascarado (30) y el bloque creador de réplicas (40) se
compensan añadiendo un retardo equivalente en la ruta del circuito
de la señal portadora (entre la entrada de la señal portadora y el
sumador -12-), mostrado en la figura 2.
Además, es posible insertar múltiples señales
auxiliares de datos en la señal portadora (2), utilizando múltiples
generadores de señales insertadas, utilizando cada uno una clave
stego diferente para modificar una característica diferente de la
señal portadora y/o utilizar diferentes regiones de la señal
portadora, a efectos de generar múltiples componentes de la señal
insertada, cada una de las cuales se añade a la señal portadora (2).
Alternativamente, las diferentes señales de datos pueden ser
insertadas en modo de cascada, siendo la salida de un dispositivo
de inserción la entrada de otro dispositivo de inserción que utiliza
una clave stego diferente. En ambos la interferencia alternativa
entre las componentes de las señales insertadas debe ser minimizada.
Esto se puede conseguir utilizando regiones no solapadas de
frecuencia, tiempo o espacio de la señal, o seleccionando los
parámetros de creación de la réplica adecuados, tal como se da a
conocer más adelante.
Un diagrama de bloques de un dispositivo de
extracción utilizado para recuperar los datos auxiliares insertados
en la señal stego se muestra en la figura 4. La señal stego (4) se
filtra/enmascara en el módulo de filtrado/enmascarado (30a) para
aislar las regiones en las que se insertan los datos auxiliares. La
señal filtrada (31a) se introduce en el creador de réplicas (40a)
en el que una réplica \overline{r}_{i}(t) (41a) de la
señal stego se genera de la misma manera que la réplica
r_{i}(t) de la señal portadora en el bloque de creación de
la réplica (40) del dispositivo de inserción, utilizando la misma
clave stego (9). La réplica \overline{r}_{i}(t) de la
señal stego (4) se puede expresar mediante la fórmula:
donde
R(m_{i}(t)r_{i}(t)) representa la
réplica de la réplica de la señal portadora modulada. Para factores
de ganancia g_{i} suficientemente pequeños, la réplica de la señal
stego es sustancialmente la misma que la réplica de la señal
portadora.
En el dispositivo de extracción (20), la réplica
\overline{r}_{i}(t) (41a) se multiplica por la señal
stego (31a) en un multiplicador (42c) para obtener el producto de
correlación:
En el diseño de la señal réplica, un objetivo es
conseguir los espectros de los productos
r_{j}(t)s(t) y
r_{i}(t)r_{j}(t), i\neqj, con poco
contenido en bajas frecuencias. Por otra parte, los espectros del
producto
r_{j}(t)r_{j}(t)=r_{j}^{2}(t)
contienen una fuerte componente continua (DC) y, de esta manera, el
producto de la correlación c(t) contiene un término de la
forma
g_{i}m_{i}(t)promedio(r_{j}^{2}), es decir, c(t) contiene la señal auxiliar escalada m_{i}(t) como sumando.
g_{i}m_{i}(t)promedio(r_{j}^{2}), es decir, c(t) contiene la señal auxiliar escalada m_{i}(t) como sumando.
A efectos de extraer la señal auxiliar
m_{i}(t) del producto de correlación c(t), se lleva
a cabo el filtrado de c(t) mediante el filtro (44), que
tiene una característica de filtrado ajustada al espectro de la
señal auxiliar. Por ejemplo, en el caso de una señal de datos
binarios con una forma de pulso rectangular, el filtrado ajustado
corresponde a la integración en el intervalo de bits. En el caso de
la transmisión digital de señales, a la operación de filtrado le
sigue la regeneración de símbolos en un regenerador (46). Una
multiplicidad de los símbolos de datos extraídos es sometida
posteriormente a las bien conocidas técnicas de detección de
errores, corrección de errores y a las técnicas de sincronización
para verificar la existencia de un mensaje real y la interpretación
adecuada del contenido del mensaje.
En la figura 5 se muestra una realización
preferente de un creador de réplicas (40). En esta realización, se
consigue una señal réplica (41) mediante el desplazamiento de la
frecuencia de la señal portadora filtrada (31) mediante una
frecuencia de desplazamiento f_{i} predeterminada, tal como lo
especifica la clave stego (9). Este proceso de desplazamiento se
conoce también como modulación de amplitud de banda lateral única o
desplazamiento de la frecuencia. Además del procesamiento mostrado
en la figura 5, se dispone de un número de técnicas diferentes
conocidas en el estado de la técnica para llevar a cabo este
proceso.
Los bloques (52) y (54) representan los
respectivos desplazamientos de fase de la señal de entrada
s(t). Para conseguir el desplazamiento de frecuencia
deseado, la relación entre los desplazamientos de fase debe ser
definida como:
Las respectivas señales desplazadas en fase son
multiplicadas por las señales sinusoidales con frecuencia f_{i}
en los respectivos multiplicadores (56a) y (56b). El bloque (58)
indica un desplazamiento de fase de 90º de la señal sinusoidal
aplicada al multiplicador (56b). Las señales resultantes se combinan
posteriormente en el sumador (59).
De esta manera, la señal réplica (41) se puede
expresar como:
donde s(t, \varphi_{i})
indica la señal s(t) desplazada en fase por \varphi_{i}.
El signo - o + del proceso de suma representa un desplazamiento
respectivo ascendente o descendente por f_{i}. Según los modelos
psicoacústicos publicados en la literatura, se puede conseguir un
mejor enmascaramiento cuando el desplazamiento es ascendente. En
consecuencia, en la realización preferente se utiliza la resta en la
ecuación (7). En un caso especial en el que \varphi_{1}=90º y
\varphi_{2}=0º, dicha ecuación (7) se convierte
en:
en la que s_{h}(t) es una
transformada de Hilbert de la señal de entrada, definida
por:
La transformada de Hilbert se puede llevar a
cabo en el software mediante diversos algoritmos conocidos, siendo
adecuada la ecuación (8) para el procesamiento de señales digitales.
Para el procesamiento de señales analógicas, es más fácil diseñar
un par de circuitos que mantiene los desplazamientos de fase
relativos de 90º en todo el espectro de señales, que llevar a cabo
una transformada de Hilbert.
El desplazamiento de frecuencia f_{i}
específico se puede elegir a partir de un amplio rango de
frecuencias y puede ser especificado por la clave stego. Las
múltiples señales auxiliares se pueden insertar en el mismo dominio
del tiempo, de la frecuencia y/o del espacio de la misma señal
portadora, teniendo un valor de desplazamiento de frecuencia
diferente, para conseguir, de esta manera, una "separación por
capas" de las señales auxiliares y un aumento del rendimiento
del canal auxiliar.
El desplazamiento de la frecuencia también se
puede variar en tiempo según un patrón secreto predefinido (conocido
como "desplazamiento de frecuencia"), para mejorar la
seguridad de una marca de agua digital representada por la
información auxiliar.
La elección específica de los valores de
desplazamiento de la frecuencia depende de las condiciones y
parámetros de la aplicación específica, y pueden ser sintonizados
más finamente mediante prueba y error. Según los resultados
experimentales, la robustez óptima de la señal en la presencia de
distorsión del canal se conseguía cuando el valor del
desplazamiento de frecuencia era mayor que la mayoría de las
frecuencias del espectro de la señal auxiliar de modulación
m(t). Por otra parte, la transparencia óptima se conseguía
cuando el valor del desplazamiento de la frecuencia era
sustancialmente menor que la frecuencia más baja de la señal
portadora. Como ejemplo, para una señal de audio en la que se
inserta una señal portadora por encima de los 500 Hz se utilizó un
desplazamiento de frecuencia de
50 Hz, mientras que la señal de modulación era una señal de datos binarios con una proporción de bits de 25 bps.
50 Hz, mientras que la señal de modulación era una señal de datos binarios con una proporción de bits de 25 bps.
En una realización alternativa de un creador de
réplicas, la réplica se genera desplazando la fase de la parte
filtrada/enmascarada (31) de la señal portadora en una cantidad
predeterminada definida por una función \varphi_{i}(f)
para una señal insertada de orden i. En este caso, los generadores
de réplicas (40) y (40a) son sistemas lineales que tienen una
función de transferencia definida como:
en la que A_{i} es constante con
respecto a la frecuencia, j es el número imaginario \sqrt{-1} y
\varphi_{i}(f) es la característica de fase del sistema.
Los circuitos descritos por la ecuación (10) son conocidos en el
estado de la técnica como filtros de paso total o correctores de
fase, y su diseño es bien conocido para los expertos en la
técnica.
Esta realización es especialmente adecuada para
señales auxiliares insertadas en señales de audio, dado que el
sistema sensorial auditivo humano es sustancialmente no sensitivo a
los desplazamientos de fase. Las funciones
\varphi_{i}(f) se definen para cumplir el objetivo de que
el producto de la réplica y la señal portadora contenga el mínimo
contenido de baja frecuencia. Esto se puede conseguir manteniendo,
por lo menos, un desplazamiento de 90º para todos los componentes
de frecuencia en la señal filtrada/enmascarada (31). Se han
implementado múltiples mensajes insertados con poca interferencia,
cuando el desplazamiento de fase entre las componentes de
frecuencia de diferentes mensajes es mayor que el 90º para la
mayoría de las componentes del espectro. La elección exacta de la
función \varphi_{i}(f) se controla de otra manera
mediante las consideraciones de compensación entre coste y
seguridad. En otras palabras, la función debe ser lo suficientemente
compleja de manera que sea difícil para personas no autorizadas
determinar la estructura de la señal analizando la señal stego,
incluso con la señal portadora conocida, aún así no debería ser
costoso de implementarse informáticamente. Un patrón de la función
de desplazamiento que cambia entre diferentes funciones a intervalos
predeterminados como parte de la clave stego puede ser utilizado
para mejorar adicionalmente la seguridad.
Una clase especial de funciones de
desplazamiento de fase, definidas por
en la que \tau_{i} es una
constante, resulta en réplicas desplazadas en tiempo de la señal
portadora. Esta clase de funciones tiene propiedades especiales en
términos de compensación coste/seguridad, que se encuentran más
allá del alcance de la presente descripción y que no se tratarán
adicionalmente en este
documento.
Según una realización alternativa adicional de
la invención, el generador de réplicas obtiene la señal réplica
mediante la modulación de amplitud de la señal portadora. La
modulación de amplitud se puede expresar mediante la ecuación
en la que a_{i}(t) es una
clase de funciones ortogonales. Las figuras
6(a)-6(c) ilustran un conjunto de
tres funciones elementales a_{1}(t), a_{2}(t) y
a_{3}(t), utilizadas para generar señales réplica
desplazadas en amplitud, estando cada función definida en el
intervalo (0, T), en las que T equivale al intervalo de bits de la
señal auxiliar. Réplicas más largas se generan utilizando una cadena
de funciones elementales. El filtrado tras la correlación en el
dispositivo de extracción se lleva a cabo mediante la integración en
el intervalo T, y el bit b_{j,n} del canal auxiliar se extrae
según la fórmula
\overline{b}_{j,n} = sign(A_{j,n}), en el que:
\overline{b}_{j,n} = sign(A_{j,n}), en el que:
\newpage
Las anteriores aproximaciones se consideran,
dado que
Tal como es evidente a partir de la ecuación
(13), el signo de A_{j,n} (y el valor de bit recibido) depende
del signo de
m_{j}(t) durante el intervalo de bit de orden n, o en otras palabras, el valor de bit transmitido. Las funciones utilizadas para el desplazamiento de amplitud deben tener generalmente un pequeño contenido de baja frecuencia, un espectro por debajo de la frecuencia más baja de la señal filtrada/enmascarada y deberían ser mutuamente ortogonales. La elección específica de las funciones depende de la aplicación específica, y se especifica en la clave stego.
m_{j}(t) durante el intervalo de bit de orden n, o en otras palabras, el valor de bit transmitido. Las funciones utilizadas para el desplazamiento de amplitud deben tener generalmente un pequeño contenido de baja frecuencia, un espectro por debajo de la frecuencia más baja de la señal filtrada/enmascarada y deberían ser mutuamente ortogonales. La elección específica de las funciones depende de la aplicación específica, y se especifica en la clave stego.
Según otra realización alternativa adicional,
una combinación de diferentes desplazamientos en dominios diferentes
se puede ejecutar simultáneamente para generar una señal réplica.
Por ejemplo, un desplazamiento de tiempo se puede combinar con un
desplazamiento de frecuencia, o un desplazamiento de amplitud se
puede combinar con un desplazamiento de fase. Dicha combinación de
desplazamientos puede mejorar adicionalmente la propiedad de
ocultación (seguridad) del sistema de inserción, y también mejorar
la capacidad de detección de la señal insertada, aumentando la
diferencia con respecto a la señal portadora.
Con respecto a la seguridad, se pueden esperar
ataques que incorporan análisis diseñados para revelar los
parámetros de la clave stego. Si se llegan a conocer dichos
parámetros, entonces la señal insertada se puede sobreescribir o
borrar mediante el uso de la misma clave stego. El uso de una
combinación de desplazamientos hace dicho análisis más difícil
aumentando el espacio del parámetro.
Con respecto a la capacidad de detección,
ciertas señales que tienen lugar de manera natural pueden tener un
contenido similar a una señal réplica; por ejemplo, el eco en una
señal de audio puede generar una señal desplazada en fase, las
secciones corales en un programa musical pueden generar una señal
desplazada en frecuencia y el trémolo puede generar desplazamientos
de amplitud, que pueden interferir en la detección de la señal
insertada. El uso de una combinación de desplazamientos reduce la
probabilidad de que un fenómeno natural se adapte exactamente con
los parámetros de la clave stego, e interfiera en la detección de
señales.
La invención, que se ha descrito de esta manera,
será evidente para los expertos en la técnica, que puede variar de
muchas maneras sin alejarse del alcance de la invención que se
define mediante las reivindicaciones adjuntas.
Claims (27)
1. Método para la inserción de una señal
auxiliar en una señal portadora analógica, que comprende las etapas
de:
selección como mínimo de una parte de dicha
señal portadora en un dominio predeterminado según una clave
stego;
generación de una señal réplica a partir de
dicha parte seleccionada de la señal portadora modificando dicha
parte seleccionada de dicha señal portadora según la clave
stego;
modificación de dicha señal réplica como una
función de dicha señal auxiliar; e
inserción de la señal réplica modificada en
dicha señal portadora analógica.
2. Método, según la reivindicación 1, en el que
dicho dominio predeterminado es el dominio de la frecuencia.
3. Método, según la reivindicación 1, en el que
dicho dominio predeterminado es el dominio del tiempo.
4. Método, según la reivindicación 1, en el que
dicho dominio predeterminado es el dominio del espacio.
5. Método, según la reivindicación 1, en el que
dicha señal réplica se obtiene desplazando la frecuencia de dicha
parte seleccionada de dicha señal portadora en una cantidad
predefinida especificada por dicha clave stego.
6. Método, según la reivindicación 1, en el que
dicha señal réplica se obtiene desplazando la fase de dicha parte
seleccionada de dicha señal portadora en una cantidad predefinida
especificada por dicha clave stego.
7. Método, según la reivindicación 1, en el que
dicha señal réplica se obtiene desplazando la amplitud de dicha
parte seleccionada de dicha señal portadora en una cantidad
predefinida por dicha clave stego.
8. Método, según la reivindicación 1, en el que
dicha señal réplica se obtiene desplazando una combinación
predeterminada de la frecuencia, la fase y/o la amplitud de dicha
parte seleccionada de dicha señal portadora en cantidades
predefinidas especificadas por dicha clave stego.
9. Método, según la reivindicación 1, en el que
la etapa de modificación comprende la etapa de multiplicación de
dicha señal réplica con dicha señal auxiliar.
10. Método de extracción de una señal auxiliar
insertada a partir de una señal stego analógica, que comprende las
etapas de:
selección, como mínimo, de una parte de dicha
señal stego en un dominio predeterminado según una clave stego;
generación de una señal réplica a partir de
dicha parte seleccionada de la señal stego modificando dicha parte
seleccionada de dicha señal stego según la clave stego;
modificación de dicha señal stego como una
función de dicha señal réplica; y
extracción de dicha señal auxiliar insertada
filtrando dicha señal stego modificada.
11. Método, según la reivindicación 10, en el
que dicho dominio predeterminado es el dominio de la frecuencia.
12. Método, según la reivindicación 10, en el
que dicho dominio predeterminado es el dominio del tiempo.
13. Método, según la reivindicación 10, en el
que dicho dominio predeterminado es el dominio del espacio.
14. Método, según la reivindicación 10, en el
que dicha señal réplica se obtiene desplazando la frecuencia de
dicha parte seleccionada de dicha señal stego en una cantidad
predefinida especificada por dicha clave stego.
15. Método, según la reivindicación 10, en el
que dicha señal réplica se obtiene desplazando la fase de dicha
parte seleccionada de dicha señal stego en una cantidad predefinida
especificada por dicha clave stego.
16. Método, según la reivindicación 10, en el
que dicha señal réplica se obtiene desplazando la amplitud de dicha
parte seleccionada de dicha señal stego en una cantidad predefinida
especificada por dicha clave stego.
17. Método, según la reivindicación 10, en el
que dicha señal réplica se obtiene desplazando una combinación
predeterminada de la frecuencia, la fase y/o la amplitud de dicha
parte seleccionada de dicha señal stego en una cantidad predefinida
especificada por dicha clave stego.
18. Método, según la reivindicación 10, en el
que la etapa de modificación comprende la etapa de multiplicación
de dicha señal réplica con dicha señal stego.
19. Aparato para insertar y extraer señales
auxiliares en una señal portadora analógica, que comprende:
medios (30) para seleccionar por lo menos una
parte de dicha señal portadora en un dominio predeterminado según
una clave stego;
medios (40) para generar una señal réplica a
partir de dicha parte seleccionada de la señal portadora,
modificando dicha parte seleccionada de dicha señal portadora según
la clave stego;
medios (42) para modificar dicha señal réplica
como una función de dicha señal auxiliar; y
medios (12) para insertar la señal réplica
modificada en dicha señal portadora analógica para generar una
señal stego;
medios para recibir dicha señal stego;
medios (30a) para seleccionar, por lo menos, una
parte de dicha señal stego en un dominio predeterminado según una
clave stego;
medios (40a) para generar una señal réplica a
partir de dicha parte seleccionada de la señal stego modificando
dicha parte seleccionada de dicha señal stego según la clave
stego;
medios (42c) para modificar dicha señal stego
recibida como una función de dicha señal réplica de dicha señal
stego recibida; y
medios (44) para extraer dicha señal auxiliar
filtrando dicha señal stego recibida modificada.
20. Aparato, según la reivindicación 19, en el
que dicho dominio predeterminado es el dominio de la frecuencia.
21. Aparato, según la reivindicación 19, en el
que dicho dominio predeterminado es el dominio del tiempo.
22. Aparato, según la reivindicación 19, en el
que dicho dominio predeterminado es el dominio del espacio.
23. Aparato, según la reivindicación 19, en el
que dicha señal réplica se obtiene desplazando la frecuencia de
dicha parte seleccionada de dicha señal portadora en una cantidad
predefinida especificada por dicha clave stego.
24. Aparato, según la reivindicación 19, en el
que dicha señal réplica se obtiene desplazando la fase de dicha
parte seleccionada de dicha señal portadora en una cantidad
predefinida especificada por dicha clave stego.
25. Aparato, según la reivindicación 19, en el
que dicha señal réplica se obtiene desplazando la amplitud de dicha
parte seleccionada de dicha señal portadora en una cantidad
predefinida especificada por dicha clave stego.
26. Aparato, según la reivindicación 19, en el
que dicha señal réplica se obtiene desplazando una combinación
predeterminada de la frecuencia, la fase y/o la amplitud de dicha
parte seleccionada de dicha señal portadora en cantidades
predefinidas especificada por dicha clave stego.
27. Aparato, según la reivindicación 19, en el
que dichos medios para modificar dicha señal réplica comprenden
medios (42a) para multiplicar dicha señal réplica con dicha señal
auxiliar.
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