JP2006330256A - Electronic watermark embedding method and extraction method for audio signal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はオーディオ信号に対する電子透かし埋込み方法および検出方法に関し、特に音質を殆ど劣化させることなくオーディオ信号に電子透かしを埋め込めかつ検出できるオーディオ信号に対する電子透かし埋込み方法および検出方法に関する。 The present invention relates to a digital watermark embedding method and detection method for an audio signal, and more particularly to a digital watermark embedding method and detection method for an audio signal that can embed and detect a digital watermark in an audio signal with almost no deterioration in sound quality.
従来から、オーディオ信号に電子透かしを埋め込む技術はいくつか検討されているが、多くはスペクトル係数(周波数成分)を操作するものである。特に、MP3、AAC等のオーディオ符号化で用いられるMDCT(Modified Discrete Cosine Transform)係数を操作する方法が多い。例えば、予め決められたスペクトル係数(MDCT係数)にs(任意の正数)を加えるなどの操作をして電子透かしデータを埋め込むのが一般的な方法である。 Conventionally, several techniques for embedding a digital watermark in an audio signal have been studied, but most of them manipulate spectral coefficients (frequency components). In particular, there are many methods for manipulating MDCT (Modified Discrete Cosine Transform) coefficients used in audio encoding such as MP3 and AAC. For example, it is a general method to embed digital watermark data by performing an operation such as adding s (any positive number) to a predetermined spectral coefficient (MDCT coefficient).
また、s、−sで構成される擬似乱数(PN)系列からなるオーディオ信号を作成し、これをいくつかのサンプル毎に領域分けし、その領域毎に埋め込むビットが“1”の時はそのまま、“0”の時は符号を反転させて周波数変換し、それを元のオーディオ信号を周波数変換したものに加算することで、電子透かしデータを埋め込む方法がある。ここで、sは透かしの強度を表す。 Also, an audio signal composed of a pseudo random number (PN) sequence composed of s and -s is created, and this is divided into areas for several samples. When the bit to be embedded in each area is "1", it remains as it is. In the case of “0”, there is a method of embedding digital watermark data by inverting the sign and performing frequency conversion, and adding it to the frequency conversion of the original audio signal. Here, s represents the strength of the watermark.
例えば、下記の特許文献1には、周波数変換後の2つの係数の大小に着目し、該大小関係に“0”、“1”の情報を割り当てる、また必要に応じて一方の係数にsを加える等の操作をして“0”、“1”の情報を割り当てることにより、電子透かしデータを埋め込む方法が提案されている。
しかしながら、前記特許文献1に記されている方法では、周波数変換後の係数を操作する度合い、つまり前記透かしの強度を表すsを大きくすると、その度合いが大きい程透かしの検出確率は高くなるものの、音質に大きな影響を及ぼすことになるという問題があった。
However, in the method described in
本発明は、前記した従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、周波数変換後の係数を操作する度合いがある程度大きくなった場合においても、音質への影響を極力抑えることのできるオーディオ信号に対する電子透かし埋込み方法および検出方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described prior art, and an object of the present invention is to provide an audio that can suppress the influence on the sound quality as much as possible even when the degree of operation of the coefficient after frequency conversion is increased to some extent. An object of the present invention is to provide a digital watermark embedding method and a detection method for a signal.
前記した目的を達成するために、本発明は、オーディオ信号に対する電子透かし埋込み方法であって、時間領域のある単位時間毎に区切られたディジタルオーディオ信号(以下、フレームと呼ぶ)を周波数領域の信号に変換し、該周波数領域の信号中の予め決められた信号値の組の大小により電子透かし情報を埋込み、該電子透かし情報を埋め込むために前記信号値を操作した場合には、隣接するフレームに逆の操作を加えるようにした点に第1の特徴がある。 In order to achieve the above-described object, the present invention is a digital watermark embedding method for an audio signal, wherein a digital audio signal (hereinafter referred to as a frame) divided every unit time in the time domain is a signal in the frequency domain. When the digital watermark information is embedded according to the size of a predetermined set of signal values in the signal in the frequency domain, and the signal value is manipulated to embed the digital watermark information, The first feature is that the reverse operation is added.
また、前記電子透かし埋込み方法により埋め込まれた電子透かし情報を検出する方法であって、電子透かし情報を埋め込まれたフレームの中の予め決められた信号値の組を抽出し、該信号値の大小により、電子透かし情報を検出するようにした点に第2の特徴がある。 Further, the present invention is a method for detecting digital watermark information embedded by the digital watermark embedding method, wherein a predetermined set of signal values in a frame in which the digital watermark information is embedded is extracted, and the magnitude of the signal value is detected. Thus, the second feature is that the digital watermark information is detected.
本発明によれば、オーディオ信号の音質を殆ど劣化させることなく、透かし情報を埋め込むことができるようになる。 According to the present invention, watermark information can be embedded without substantially degrading the sound quality of an audio signal.
また、容易に透かし情報を検出して、ディジタルオーディオファイルの正当性の確認、著作権者等の確認をすることができるようになる。 In addition, it becomes possible to easily detect watermark information, confirm the validity of the digital audio file, and confirm the copyright holder and the like.
また、MP3、AAC等の圧縮が施されたファイルへの埋込み、検出は、信号の分割およびMDCT変換などの周波数変換をする必要がないから、高速に実現可能になる。 In addition, embedding and detection in a compressed file such as MP3 and AAC do not require signal conversion and frequency conversion such as MDCT conversion, and thus can be realized at high speed.
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態の概略の構成を示すブロック図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an embodiment of the present invention.
原信号aであるディジタルオーディオ信号は分割部1で、時間領域のある単位時間毎に区切られる。この区切られたディジタルオーディオ信号を、原信号のフレームと呼ぶ。MDCT部2は、2個のフレーム(第1フレーム、第2フレーム)に対して、1フレームずつシフトさせてMDCT変換、つまり周波数領域の信号への変換を行う。MDCT部2からは、MDCT係数列bが出力される。
The digital audio signal which is the original signal a is divided by the dividing
埋込み処理部3は、MDCT変換された各フレームから任意の組の係数ペア(対)を抽出し、そのペアの一方の係数と他方の係数の大小により、電子透かし情報“1”または“0”を割り振る。一方、次のフレームには電子透かし情報は割り振らず、前のフレームが電子透かし情報の埋込みのために操作されている場合には、この操作を打ち消すまたは相殺する操作をする。なお、該埋込み処理部3の詳細は、図2および図3を参照して後述する。IMDCT部4は、電子透かし情報を埋め込まれたディジタルオーディオ信号を逆MDCT変換して出力する。
The
次に、前記埋込み処理部3の機能あるいは動作を、図2および図3を参照して説明する。
Next, the function or operation of the
原信号aは、図3に示されているように、2個のフレームに対して1フレームずつずらして、すなわちNおよびN+1、N+1およびN+2、・・・を組として、MDCT変換される。なお、このように2個のフレームを1組として、かつ1フレームずつシフトさせてMDCT変換するのは、各フレームの境界部において、MDCT変換により不連続にならないようにするためである。 As shown in FIG. 3, the original signal a is subjected to MDCT conversion by shifting one frame at a time with respect to two frames, that is, N and N + 1, N + 1 and N + 2,. The reason why the two frames are set as one set and shifted one frame at a time to perform MDCT conversion is to prevent discontinuity due to MDCT conversion at the boundary portion of each frame.
埋込み処理部3は、MDCT係数の各フレームから、ペア(1対)の係数C[x,i,N]、C[y,i,N]を抽出する。ここに、x、yはフレーム内の係数の位置,iはペアの番号、Nはフレームの番号を示す。なお、以下では説明を簡単にするために、一つのペア(i=1)とするが、これに限定されず複数のペアであってもよい。
The
本発明では、埋め込むべき情報をE[i,N]とした場合、該E[i,N]と係数C[x,i,N]、C[y,i,N]との関係は、下記の式1のように約束する。
E[i,N]=0 (C[x,i,N]≧C[y,i,N]の時)
=1 (C[x,i,N]<C[y,i,N]の時)
・・・(式1)
In the present invention, when the information to be embedded is E [i, N], the relationship between the E [i, N] and the coefficients C [x, i, N] and C [y, i, N] is as follows. Promise as in
E [i, N] = 0 (when C [x, i, N] ≧ C [y, i, N])
= 1 (when C [x, i, N] <C [y, i, N])
... (Formula 1)
図2において、ステップS1では、フレーム番号を表す数(Nとする)を1と置く。ステップS2では、フレームNからMDCT係数C[x,i,N]とC[y,i,N]を抽出する。ステップS3では、埋め込むべき情報が“0”であるか“1”であるか判断される。“0”であれば、ステップS4に進み、“1”であれば、ステップS5に進む。 In FIG. 2, in step S <b> 1, a number (N is assumed) representing a frame number is set to 1. In step S2, MDCT coefficients C [x, i, N] and C [y, i, N] are extracted from the frame N. In step S3, it is determined whether the information to be embedded is “0” or “1”. If “0”, the process proceeds to step S4, and if “1”, the process proceeds to step S5.
ステップS4では、C[x,i,N]≧C[y,i,N]が成立するか否かの判断がなされる。この判断が肯定の場合には、フレームNの係数に操作を施す必要がないので、ステップS6に進んで単にNを1だけインクリメントする。一方、前記ステップS4の判断が否定の時には、ステップS7に進んで、C[y,i,N]←C[y,i,N]−sの操作をして、C[x,i,N]≧C[y,i,N]が成立するようにする。ステップS8では、Nを1だけインクリメントする。 In step S4, it is determined whether C [x, i, N] ≧ C [y, i, N] is satisfied. If this determination is affirmative, there is no need to perform an operation on the coefficient of the frame N, so the process proceeds to step S6 and N is simply incremented by one. On the other hand, when the determination in step S4 is negative, the process proceeds to step S7, where C [y, i, N] ← C [y, i, N] -s is operated, and C [x, i, N ] ≧ C [y, i, N]. In step S8, N is incremented by one.
ステップS5では、C[x,i,N]<C[y,i,N]が成立するか否かの判断がなされる。この判断が肯定の場合には、フレームNの係数に何らの操作を施すことなく、ステップS6に進む。一方、ステップS5の判断が否定の時には、C[x,i,N]←C[x,i,N]−sの操作をして、C[x,i,N]<C[y,i,N]が成立するようにする。 In step S5, it is determined whether C [x, i, N] <C [y, i, N] is satisfied. If this determination is affirmative, the operation proceeds to step S6 without performing any operation on the coefficient of the frame N. On the other hand, when the determination in step S5 is negative, the operation C [x, i, N] <C [x, i, N] -s is performed, and C [x, i, N] <C [y, i , N].
以上のことにより、フレームNには、“0”または“1”の情報が埋め込まれたことになる。 As a result, information “0” or “1” is embedded in the frame N.
次に、フレームNで前記ステップS7またはS9の操作が行われた場合には、次のフレームN+1で、この操作を打ち消すまたは相殺する処理が行われる。すなわち、ステップS11では、C[y,i,N+1]が抽出され、C[y,i,N+1]←C[y,i,N+1]+sの操作がなされる。また、ステップS13では、C[x,i,N+1]←C[x,i,N+1]+sの操作がなされる。この操作により、フレームNで行った操作は、フレームN+1の逆操作によりほぼ打ち消され、音質の劣化を防止することができるようになる。 Next, when the operation in step S7 or S9 is performed in frame N, processing for canceling or canceling the operation is performed in the next frame N + 1. That is, in step S11, C [y, i, N + 1] is extracted, and the operation of C [y, i, N + 1] ← C [y, i, N + 1] + s is performed. In step S13, an operation of C [x, i, N + 1] ← C [x, i, N + 1] + s is performed. By this operation, the operation performed in the frame N is almost canceled by the reverse operation of the frame N + 1, and deterioration of sound quality can be prevented.
ステップS15では、Nはさらにインクリメントされ、前記ステップS2に戻る。その後は、前記ステップS2〜S15の動作が繰り返し行われる。 In step S15, N is further incremented, and the process returns to step S2. Thereafter, the operations in steps S2 to S15 are repeated.
図3は、図2の処理を、分かりやすく表したものであるので、説明を省略する。 FIG. 3 expresses the processing of FIG. 2 in an easy-to-understand manner, and thus description thereof is omitted.
なお、前記した実施形態では、フレームNとN+1とでは、同じ位置x、yのペアiを用いて、フレームNでの操作を相殺したが、本発明はこれに限定されず、フレームN+1においては位置x、yの近傍の位置のペアであってもよい。 In the above-described embodiment, in the frames N and N + 1, the operation at the frame N is canceled by using the pair i of the same positions x and y. However, the present invention is not limited to this, and the frame N + 1 A pair of positions in the vicinity of the positions x and y may be used.
また、前記実施形態では、1フレームに1個の透かし情報を埋め込むようにしたが、1フレーム当たりのペアの数を複数、例えば2(i=2)にすれば、1フレーム当たり複数個、例えば2個の透かし情報を埋め込むことができるようになる。この場合、ペアに操作がされている場合には、隣のフレームのそれぞれ対応するペアの係数に逆の操作をして、操作による影響を打ち消すようにする。 In the embodiment, one watermark information is embedded in one frame. However, if the number of pairs per frame is plural, for example, 2 (i = 2), a plurality of pairs per frame, for example, Two pieces of watermark information can be embedded. In this case, when an operation is performed on a pair, an inverse operation is performed on the coefficient of each corresponding pair of adjacent frames so as to cancel the influence of the operation.
次に、MDCTを利用した符号化であるISO MPEG−1/2 Layer3(いわゆるMP3)、あるいはAAC等に対して電子透かし埋込みを行う際には、オーディオ信号を完全に復号する必要がなく、必要なMDCT係数を復号して上記の方法により操作すればよい。つまり、オーディオ信号がMP3あるいはAAC等で符号化されている場合には、前記のように、単位時間毎に分割し、MDCT変換する処理を省き、量子化したMDCT係数に直接電子透かし情報を、前記の要領で埋め込むことができる。 Next, when digital watermark embedding is performed on ISO MPEG-1 / 2 Layer3 (so-called MP3), which is encoding using MDCT, or AAC, it is not necessary to completely decode the audio signal. A simple MDCT coefficient may be decoded and operated by the above method. In other words, when the audio signal is encoded by MP3 or AAC or the like, as described above, the processing is divided for each unit time and the MDCT conversion is omitted, and the digital watermark information is directly added to the quantized MDCT coefficient. It can be embedded as described above.
次に、前記のようにして埋め込まれた透かし情報を検出する処理を、図4を参照して説明する。 Next, processing for detecting watermark information embedded as described above will be described with reference to FIG.
透かし情報を埋め込まれた原信号pは、図3の場合と同様に、2個のフレームに対して1フレームずつずらして、すなわちNおよびN+1、N+1およびN+2、・・・を組として、MDCT変換を行う。次いで、透かし情報を埋め込まれたフレームのMDCT係数C[x,i,N]とC[y,i,N]を抽出し、両者の大小関係を調べ、前記式(1)に基づいて、電子透かしデータE[i,N]の抽出を行う。すなわち、C[x,i,N]≧C[y,i,N]であれば、透かし情報は“0”、C[x,i,N]<C[y,i,N]であれば、“1”と判断する。この処理を、透かし情報を埋め込まれたフレームの全てのペア(C[x,i,N],C[y,i,N])に対して行う。なお、埋込み処理の際には、隣接するフレームの変数の操作を行ったが、該検出処理においては、このような操作を一切する必要がないことは明らかである。 As in the case of FIG. 3, the original signal p in which the watermark information is embedded is shifted by one frame with respect to two frames, that is, MDCT conversion with N and N + 1, N + 1 and N + 2,. I do. Next, the MDCT coefficients C [x, i, N] and C [y, i, N] of the frame in which the watermark information is embedded are extracted, the magnitude relationship between them is examined, The watermark data E [i, N] is extracted. That is, if C [x, i, N] ≧ C [y, i, N], the watermark information is “0”, and C [x, i, N] <C [y, i, N]. , “1”. This process is performed for all pairs (C [x, i, N], C [y, i, N]) of the frame in which the watermark information is embedded. In the embedding process, the variable of the adjacent frame is manipulated. However, in the detection process, it is clear that such an operation is not necessary at all.
したがって、容易に透かし情報を検出して、ディジタルオーディオファイルの正当性の確認、著作権者等の確認をすることができるようになる。 Therefore, it becomes possible to easily detect watermark information, confirm the validity of the digital audio file, and confirm the copyright holder.
次に、MDCTを利用した符号化であるISO MPEG−1/2 Layer3(いわゆるMP3)、あるいはAAC等に対して電子透かし情報を検出する際には、完全に復号する必要がなく、必要なMDCT係数を復号して上記の方法により透かし情報を検出すればよい。 Next, when detecting digital watermark information for ISO MPEG-1 / 2 Layer 3 (so-called MP3), which is encoding using MDCT, or AAC, it is not necessary to completely decode, and the necessary MDCT What is necessary is just to decode a coefficient and to detect watermark information by said method.
このように、MP3、AAC等の圧縮が施されたファイルへの埋込み、検出は、信号の分割およびMDCT変換などの周波数変換をする必要がないから、高速に実現可能になる。 In this manner, embedding and detection in a compressed file such as MP3 and AAC do not require signal conversion and frequency conversion such as MDCT conversion, and can be realized at high speed.
1・・・分割部、2・・・MDCT部、3・・・埋込み処理部、4・・・IMDCT部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
時間領域のある単位時間毎に区切られたディジタルオーディオ信号(以下、「フレーム」と呼ぶ)を周波数領域の信号に変換し、
該周波数領域の信号中の予め決められた信号値の組の大小により電子透かし情報を埋込み、
該電子透かし情報を埋め込むために前記信号値を操作した場合には、隣接するフレームに逆の操作を加えることを特徴とする電子透かし埋込み方法。 An electronic watermark embedding method for an audio signal, comprising:
A digital audio signal (hereinafter referred to as a “frame”) divided into unit times in the time domain is converted into a frequency domain signal,
Embedding digital watermark information by the size of a predetermined set of signal values in the frequency domain signal,
An electronic watermark embedding method, wherein when the signal value is manipulated to embed the electronic watermark information, an inverse operation is applied to an adjacent frame.
前記周波数領域信号変換として、MDCTを適用することを特徴とする電子透かし埋込み方法。 The digital watermark embedding method according to claim 1,
An electronic watermark embedding method, wherein MDCT is applied as the frequency domain signal conversion.
MDCTを利用した符号化であるMP3あるいはAAC等に対して、フレームの量子化されたMDCT係数中の予め決められた信号値の組の大小により電子透かし情報を埋込み、
該電子透かし情報を埋め込むために前記信号値を操作した場合には、隣接するフレームに逆の操作を加えることを特徴とする電子透かし埋込み方法。 An electronic watermark embedding method for an audio signal, comprising:
For the MP3 or AAC encoding using the MDCT, the watermark information is embedded by the size of a predetermined set of signal values in the quantized MDCT coefficient of the frame,
An electronic watermark embedding method, wherein when the signal value is manipulated to embed the electronic watermark information, an inverse operation is applied to an adjacent frame.
1つのフレームにつき、1又は複数の電子透かし情報を埋め込むことを特徴とする電子透かし埋込み方法。 The digital watermark embedding method according to any one of claims 1 to 3,
An electronic watermark embedding method characterized by embedding one or more pieces of electronic watermark information per frame.
電子透かし情報を埋め込まれたフレームの中の予め決められた信号値の組を抽出し、
該信号値の大小により、電子透かし情報を検出することを特徴とする電子透かし情報の検出方法。
A method for detecting digital watermark information embedded by the digital watermark embedding method according to claim 1, comprising:
Extracting a predetermined set of signal values in a frame embedded with digital watermark information;
A method for detecting digital watermark information, comprising: detecting digital watermark information based on the magnitude of the signal value.
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