CN100449628C - 调整附加数据信号的方法和装置及设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种调整要被嵌入到信息信号(x(n))—例如音频信号中的附加数据信号(wm(n))的方法。该方法包括步骤：确定(301)该信息信号的预定特性超过一预定阈值所在的位置，例如突发位置；以及抑制(302)在该确定位置的预定邻域中的附加数据信号。

Description

调整附加数据信号的方法和装置及设备
技术领域
本发明涉及在信息信号中嵌入附加数据，并且更具体地，涉及调整将被嵌入到信息信号中的附加数据信号。
背景技术
近年来，对数字多媒体数据使用及分发的增长趋势导致了越发需要对于这类数据的足够的复制保护、版权保护以及所有权的验证。
加数字水印是一项可以用于多种目的-诸如版权所有权、非法复制品的追查、控制复制控制设备、广播监控、真实性验证、把辅助信息加到多媒体信号中等等的证据的新兴技术。
水印包括通过略微修改信号采样而被嵌入到信息信号中的附加数据。最好，应当设计一项加水印方案以使得水印是难以察觉的，即，使得水印不明显地影响信息信号的质量。
在给音频信号加水印的领域内，许多嵌入算法都是已知的。例如，在基于变换的算法中，把数字音频信号的系数从时域变换到频域内，根据附加数据信号修改已变换信号的系数，以及把修改的系数变换回时域内。已知的这些方法的普遍问题是它们在时域内缺乏解决方法。因此，附加数据信号可以在时间上展开，并可能会引入可察觉到的失真。
在M.D Swanson等人所著的“Robust audio watermarking usingperceptual masking”(信号处理66(1998)337-355)一文中公开了一种方法，其中根据音频信号，通过将主音频信号的包络建立成衰减的指数模型来计算时间增益函数。所计算出的增益函数在其嵌入之前被放大为附加数据信号，导致了水印信号的连续修改。
然而，以上现有技术的方法涉及到这样的问题，其可能导致产生可听到的失真的不希望的副作用。
发明内容
利用一种调整将被嵌入到信息信号中的附加数据信号的方法来解决上述问题，该方法包括以下步骤：
-确定其中该信息信号的预定特性超过预定阈值的位置；以及
-在所确定位置的预定邻域中，抑制附加数据信号。
因而，根据本发明，仅仅在所检测位置的预定邻域内修改附加数据信号，从而改进了在检测质量对可感知质量方面的嵌入性能。这是基于这样的认识，即上述现有技术方法的不希望的副作用是由对水印信号的连续修改而引起的。这可以通过考虑一正弦曲线的静止信号的例子说明。该单一频率信号的连续修改相当于调制。依次，这也意味着最初被屏蔽的噪声可以移到该正弦曲线的频带外，从而变为可听到的。因而，通过仅仅在不同位置的邻域中修改水印信号，可以改进该水印信号的不可感知性，从而产生简单有效的增益函数。
本发明的进一步优点在于提供了一种调整附加数据信号的在计算上高效的方法，因为附加数据信号仅仅在预定位置的邻域中被修改。
根据本发明的优选实施例，该预定特性为振幅的变化。因而，具有比预定阈值大的振幅变化-即强的和突然的振幅变化的那些位置被确定。因此，利用本发明的方法，与这些所谓“攻击(attack)”或“瞬变”的振幅变化有关的失真得到抑制。
根据本发明进一步的优选实施例，将该信息信号表示为时间序列的信号采样，并且抑制附加数据信号的步骤包括在所确定位置之前抑制第一数目采样的附加数据信号的步骤，以及在所检测位置之后抑制第二预定数目采样的附加数据信号的步骤。
因此，在该确定位置的邻域的前回声失真以及后回声失真都得到抑制。优选地，将第一与第二采样数目选择为解释前回声以及后回声作用各自的可感知性。
根据本发明进一步的优选实施例，第二采样数目基本为零。因此，根据本发明的这一实施例，仅前回声失真得到抑制。由于人类听觉系统(HAS)对于前回声失真相当敏感，所以抑制前回声失真仅对附加数据信号的不可感知性产生了相当大的改进。因此，本发明这一实施例的优点在于导致了进一步改进在检测结果对可感知质量方面的性能。
根据本发明的另一个优选实施例，该抑制附加数据信号的步骤进一步包括在该预定邻域的边界上把锥形函数应用于附加数据信号的步骤。因此，附加数据信号的抑制被在该预定位置附近的边界上平滑地打开/关断，即，附加数据信号的振幅在许多采样上被减小/增大，从而改进了信号的可感性质量。多种已知的锥形函数可用于平滑地增大/减小信号。这类锥形函数的一个例子是可差分地从0增大到1的函数，例如余弦锥形。
本发明进一步涉及一种用于调整将被嵌入到信息信号中的附加数据信号的装置，该装置包括：
-用于确定其中该信息信号的预定特性超过预定阈值的位置的电路；以及
-用于在所确定位置的预定邻域中抑制附加数据信号的电路。
本发明进一步涉及一种用于把附加数据信号嵌入到信息信号中的设备，该设备包括用于调整将被嵌入到信息信号中的附加数据信号的装置，该装置包括：
-用于确定其中该信息信号的预定特性超过预定阈值的位置的电路；以及
-用于在所确定位置的预定邻域中抑制附加数据信号的电路。
本发明进一步涉及一种在其中嵌入有附加数据信号的信息信号，其中该附加数据信号已利用一种方法进行了调整，该方法包括以下步骤：
-确定其中该信息信号的预定特性超过预定阈值的位置；以及
-在所确定位置的预定邻域中，抑制附加数据信号。
该信息信号可以具体化为通信网络-诸如内部网络、外部网络、因特网、局域网、无线或有线网络等之内的通信信号。
该信息信号可进一步存储于存储介质上。术语“存储介质”可以包括磁带、光盘、数字视盘(DVD)、压缩盘(CD或CD-ROM)、迷你盘、硬盘、软盘、铁电存储器、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器、EPROM、只读存储器(ROM)、静态随机访问存储器(SRAM)、动态随机访问存储器(DRAM)、同步动态随机访问存储器(SDRAM)、铁磁存储器、光存储器、电荷耦合器件、智能卡、PCMCIA卡、等等。
附图说明
本发明的这些以及其它方面将从参照实施例和附图的阐述中变得明显，其中：
图1表示根据本发明实施例的把水印嵌入到信息信号中的装置的示意图；
图2a-b说明与在具有强的和突然的振幅变化的主音频信号中所嵌入的附加数据信号有关的前回声与后回声失真的影响；
图3表示根据本发明实施例的调整附加数据信号的方法示意图；
图4a-b说明根据本发明实施例的时间增益函数的例子；
图5表示根据本发明实施例的调整附加数据信号的装置的示意图。
具体实施方式
图1表示根据本发明实施例把水印嵌入到信息信号中的装置的示意图。该装置包括适合于把主音频信号x(n)分割成帧xi(n)的电路101，以及适合于例如通过应用快速傅立叶变换(FFT)把这些帧变换到产生傅立叶系数Xi(k)的傅立叶域内的电路120。该装置进一步包括适合于根据水印序列W(k)略微修改每个帧的傅立叶系数Xi(k)，产生水印采样Xi(k)·W(k)的乘法电路103。水印序列W(k)可以是伪随机序列，例如一个具有零均值与单位标准差的正态分布伪随机序列。该装置进一步包括适合于例如通过应用逆快速傅立叶变换(IFFT)把水印采样Xi(k)·W(k)变换到时间域内的电路104。随后，水印段通过电路105连接以便获得重构的水印信号wm(n)，该信号通过乘法电路106与总的嵌入强度s相乘。该装置进一步包括适合于计算时间增益函数g(n)的电路107，该增益函数g(n)通过乘法器108与缩放的水印信号s·wm(n)相乘。最后，由加法器109把缩放的水印信号s·g(n)·wm(n)加到主音频信号x(n)上，产生水印音频信号y(n)＝x(n)+s·g(n)·wm(n)。
需要注意，频域内的乘法W(k)·Xi(k)，对应于时域内的循环卷积。因此，可以将任一给定帧i内的水印信号表示为 wm i ( n ) = w ( n ) ⊗ x i ( n ) , 其中w(n)是在时间域内的对应的水印信号。
然而，在由电路104把水印帧变换回时间域的步骤期间，水印能量会扩展到整个帧上。这一影响会引起可感知的失真，在有强的和突然的振幅变化存在情况下尤其如此，如将结合图2a-b一起说明的。通过用合适挑选的增益函数g(n)来放大该加水印的信号，可以改进音频水印的时间特性。根据本发明计算这一增益函数的方法将结合图3和图4a-b描述。
应当理解可以采用其它类型的数学变换来取代快速傅立叶变换。这类变换的例子包括离散傅立叶变换(DFT)、离散余弦变换(DCT)、小波变换等等。
应当进一步理解可以采用其它嵌入方案。例如，可以使用计算线性卷积的FIR水印滤波器来计算水印音频信号。与基于变换的算法相反，线性卷积的计算不包括主信号x(n)的分割。根据此实施例，根据等式来计算水印音频信号，其中符号
Figure C0282266200072
表示线性卷积，即
类似于如上所述的一种基于变换的算法，基于线性卷积嵌入方法也会遭受受限的时间解决方法以及可感知到的失真的影响。
图2a-b说明与在具有强的和突然的振幅变化的主音频信号中嵌入的附加数据信号有关的前回声与后回声失真的影响。图2a说明主音频信号的例子，其中规一化的振幅A被绘制为时间t的函数。图2a例子中的音频信号表示具有响板(castanet)的音频剪辑的一短段，其含有强的和突然的振幅变化201和202。这些振幅变化也可以被称为“攻击(attack)”或“瞬变(transient)”。
根据结合图1描述的方法，图2b说明从图2a的主信号中计算出的水印信号，但没有使用时间增益函数。如从图2b能够看到的，分别在攻击201和202的位置207和208周围，水印信号被涂满在对应于分析帧的宽度上。分别用对应攻击位置207的水平线209-210以及对应攻击位置208的水平线211-212来表示分析窗口的宽度。图2b进一步说明了失真既在攻击位置前被引入，即分别在区域203和205内被引入，又在攻击位置之后被引入，即分别在区域210和212内被引入。这些失真分别会引起可感知的前回声失真以及后回声失真。因此，从图2a-b可以看出，由水印信号引入的可感知失真特别被在有攻击的情况下发音。
本发明的优点在于提供了一种消除与强的和突然的振幅变化有关的可感知失真的、快速的和在计算上廉价的方法。
图3表示根据本发明实施例的调整水印信号的方法示意图。在图3中，假设例如按照结合图1所描述的其中一种方法已经根据主音频信号x(n)生成了时域水印信号wm(n)。该水印的总权重通过将水印信号wm(n)与嵌入强度s相乘303来确定。根据本发明，水印信号的调整涉及下列步骤：
确定攻击位置(步骤301)：最初，在主音频信号x(n)中检测攻击位置。可以用已知的确定攻击位置的方法来确定攻击位置。例如，可以比较在预定大小的移动窗口内的主信号x(n)的振幅，并且如果出现了超过预定阈值的振幅变化，则该振幅变化被视为攻击，并用该移动窗口的位置来确定攻击位置。移动窗口的优选大小可以由音频信号中的攻击之间的距离而定。例如，该窗口可以具有2-10毫秒级的大小。可替换地，可以使用其它的攻击检测方法，例如，通过从信号包络中提取特征。可替换地或者另外地，高通滤波版的主信号xhp(n)可被用作攻击检测的基础。由于攻击对应于缓慢变化的信号内的高频作用，所以攻击检测之前的音频信号的高通滤波可以改进攻击检测。根据可替换的实施例，可以用在音频信号以及高通滤波的信号xhp(n)这二者中都检测到攻击所在的位置来确定攻击位置。
导出时间增益函数(步骤302)：基于检测到的攻击位置，导出时间增益函数g(n)，该函数抑制在所检测位置周围的预定邻域中的水印信号。结合图4a-b描述产生增益函数的一个实施例。
应用增益函数：用缩放水印来放大增益函数g(n)(步骤304)，随后将其加到主信号上(步骤305)，产生水印信号y(n)。
图4a-b说明根据本发明实施例的时间增益函数的例子。图4a说明在检测到的攻击位置401邻区的增益函数g(n)。该增益函数被表示为信号采样n的函数，并且该增益函数能够获得[0；1]区间内的值，其中值0对应于水印信号的完全抑制，而值1对应于水印信号的不抑制。在图4a的例子中，假设已经在位置401的相应的主信号内检测到攻击。根据本发明的实施例，在检测的攻击位置401的预定邻域内将增益函数设置为零，在图4a中用区域b和c来表示该预定邻域。区域b和c的优选大小选择可依赖于水印信号w(n)的长度，或是依赖于在结合图1所描述的分割内使用的帧大小的长度。对于线性相位水印滤波器w(n)，b和c优选地可以被选择为滤波器长度的大约一半或是更长。滤波器长度本身依赖于采样频率。对于44.1kHz的采样频率，b和c的值例如可以选择在256-2048之间。因而，在攻击位置两侧上的所有显著的失真(即，前回声和后回声)都被抑制。在区域b和c之外，增益函数g(n)被从1减小/增大到1。优选地，这一转变被平滑地执行，即通过应用在区间a上从1减小到0的递减锥形函数402，以及在区间d上从0增大到1的递增锥形函数403来执行这一转变。区间a和d的长度例如可以选择在1-20毫秒之间或是更长。用于把增益函数从1切换到0并切换回1的锥形函数的一个例子为余弦函数。可替换地，可以使用其它函数，例如单调且可微地增大/减小的函数。在没有检测到攻击位置的区域内，增益函数被设置成1。
需要注意，替换将增益函数设置成零，可以将增益函数设置成接近零的一个小的值。可替换地或是另外地，例如为了使该增益函数适应主信号的特性，该增益函数甚至可以在区间b和c上变化。
图4b说明时间增益函数g(n)的另一个例子。如图4a中的，攻击位置的出现假设是在位置401上，并且定义具有[0；1]区间内的值的一个增益函数，其中在攻击位置的邻域内将g(n)设置成零。根据本发明的这一实施例，仅仅在攻击位置左侧的区域b内将增益函数设置成零。如图4a中的，分别在区域a和b内应用锥形函数402-403，以便确保在g(n)＝1和g(n)＝0的区域之间的平滑转变。根据本发明的这一实施例，仅仅前回声失真被增益函数抑制。本发明的这一实施例的优点就在于更多的水印能量可以被插入到最终的信号内，与使用图4a的增益函数的情况一样，而不显著降低信号的可感知质量。这是因为HAS对前回声比对后回声敏感得多(参见例如，E.Zwicker与H.Fastl所著的“Psychoacoustics，Facts and Models”，Springer，Berlin，Heidelberg，1990)。因而，图4b的实施例导致改进在检测结果对可感知质量方面的性能。
图5表示根据本发明的实施例用于调整附加数据信号的装置的示意图。图5示出了根据本发明的增益函数计算电路107的一个实施例。该装置包括适合于如结合图3所描述的在主音频信号x(n)内检测攻击位置的电路501，以及适合于生成代表如结合图3以及4a-b所描述的那样计算出的增益函数g(n)的信号的电路502。
应当理解可以用任何处理单元-例如可编程微处理器、专用集成电路、或另外的集成电路、智能卡等等来实现上述装置。
应当进一步注意，已经在给音频信号加水印的领域内结合本发明的实施例描述了本发明。然而，应当理解，本方法同样可以应用于把其它附加数据嵌入到其它类型的主信号内，诸如多媒体信号、视频信号、动画、图形、静态图像等等。在一些实施例中，可以在除时间域以外的其它域，诸如与图片有关的空间域内表示主信号，并且可以用其它量，诸如亮度，强度等等来替代振幅概念。
应当进一步注意，可以结合附加数据信号被嵌入到信息信号内的各种应用来应用本发明。例如，在水印领域内，附加数据信号可以作为版权所有权、非法复制的追查、控制复制控制设备、广播监控、真实性验证、把辅助信息加到多媒体信号内等等的证据来加以嵌入。作为一个例子，在分发音频信号之前，可以用录音机或其它设备把音频水印嵌入到该音频信号内，例如作为存储在存储介质等上面的通信信号，等等。
应当注意，上面提到的实施例是说明而不是限制本发明，并且本领域内的那些技术人员将能够在不脱离附带的权利要求书的范围的情况下设计出许多的替换实施例。在权利要求书中，放在圆括号之间的任何参考标记将不被解释为限制本发明。“包括”一词不排除除了权利要求中所列出的那些元件或步骤以外的其它元件或步骤的存在。能够借助于含有数个种类不同的元件的硬件，以及借助于适当编程的计算机来实现本发明。在枚举出数个装置的设备权利要求中，能够用一个相同的硬件来体现这些装置中的几个装置。在相互不同的从属权利要求中记载确定措施的这一事实并不表示这些措施不能被有利地组合。

Claims (9)

1.一种调整将被嵌入到信息信号x(n)中的附加数据信号wm(n)的方法，该方法包括以下步骤：
确定(301)其中该信息信号的预定特性超过预定阈值的位置(201，202，401)；以及
在所确定位置的预定邻域(b，c)中，抑制(302)该附加数据信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中该预定特性为振幅的变化。
3.如权利要求1所述的方法，其中将该信息信号表示为时间序列的信号采样，并且抑制该附加数据信号的步骤包括在所确定位置之前对于第一数目的采样(b)抑制该附加数据信号以及在检测的位置(401)之后对于第二预定数目的采样(c)抑制该附加数据信号的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其中第二采样数目为零。
5.如权利要求1所述的方法，其中抑制该附加数据信号的步骤进一步包括在该预定邻域的边界上把锥形函数(402，403)应用于该附加数据信号的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其中该锥形函数为余弦锥形函数。
7.如权利要求1所述的方法，其中该信息信号包括数字音频信号。
8.一种用于调整将被嵌入到信息信号x(n)中的附加数据信号wm(n)的装置，该装置包括：
用于确定其中该信息信号的预定特性超过预定阈值的位置的电路(501)；以及
用于在所确定位置的预定邻域中抑制该附加数据信号的电路(502)。
9.一种用于将附加数据信号嵌入到信息信号中的设备，该设备包括用于调整将被嵌入到信息信号中的附加数据信号的装置，该装置包括：
用于确定其中该信息信号的预定特性超过预定阈值的位置的电路；以及
用于在所确定位置的预定邻域中抑制该附加数据信号的电路。
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