CN100493185C - 修改素材的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

把素材表示为用数字表示的变换系数。在素材中嵌入可感知的水印的方法包括以下步骤：按照可逆算法改变所述数字的表示，但不改变所述数字的比特数；以及对所述变化后的n比特数字进行编码以便实现对所述素材的压缩编码。

Description

修改素材的方法和装置
技术领域
本发明涉及修改素材，本发明的最佳实施例涉及可感知的修改。
这里使用的“素材”指的是至少包括图像素材、声音素材和数据素材中的一种或一种以上的信息素材。图像素材分为静止和运动图像，它包括视频信号和其他形式的代表图像的信息信号。
背景技术
大家知道水印素材。水印可以是以水印形式嵌入素材中的数据。水印可以是可感知的或隐藏的。本发明的最佳实施例采用可视水印。
大家都知道利用将图像从空间域变换到变换域、比如小波域、并通过改变小波系数嵌入水印的方法在图像中嵌入水印。加了水印的变换域图像接着又被逆变换回到空间域。例如，参见Hisashi Inoue，et al，IEEE，0-78.3-5467-2/99中的“一种基于小波变换的在图像中加入水印的方法”。
美国专利5809139(Girod et al)公开了在已压缩的视频信号素材中嵌入无形水印的方法。利用MPEG2压缩的视频信号被熵解码和去量化后得到DCT系数。扩展频谱空间域水印被变换到DCT域，变换后的水印加到变换后视频信号的DCT系数中。其中采取了各种措施以维持增加了水印的压缩视频信号的比特速率。只修改非零系数，同时编码水印系数的比特数与加水印之前的系数的比特数进行比较(加上编码操作之前保存的其他任何多出的比特数)。一个控制比特控制水印比特流和原始无水印比特流之间的输出选择。如果一个熵编码无水印系数用了n0比特，而熵编码带水印系数使用n1比特，那么在n1<＝n0+n3时输出水印系数，其中n3是可使用的多余比特数。水印可在视频解码器中检测到，但却不能用水印算法的逆运算将水印视频信号恢复为原始视频信号。
WO 99/10837(Digimarc)公开了一种在用例如MPEG2压缩的视频图像中加入水印以及修改DCT系数以便嵌入水印的方法。通过保持一个表示修改系数所增加的比特速率量小于所述修改减少的比特速率量的数来维持其比特速率。如果累积变化超过了一个正或负的门限，则不再作任何改变。水印可在视频解码器中被检测到，但却不能用水印算法的逆运算将水印视频信号恢复为原始视频信号。
US-A-5809139和WO 99/10837都需要这样一种装置，它监测比特速率，并且如果达到某个特定的限度，则停止嵌入水印，其结果是，US-A-5809139和WO 99/10837导致水印在图像中的随机分配。这些提案针对的是用以将表示信息的数据嵌入图像中不可取消的隐藏水印。
大家知道压缩编码素材，特别是压缩编码图像。同样，如果对该素材进行需要添加数据到素材中的修改，那么压缩的效率常常较低。我们希望处理的是已压缩的素材，以便产生对所述素材的这样的修改：该素材修改在压缩素材中是看得到的，例如图像中的可视修改，同时要最少的改变表示压缩素材的比特数。我们尤其希望以这样的方式修改素材，这种方式对已经压缩和准备压缩的素材都适用。
发明内容
按照本发明的一个方面，提供了一种修改用信息信号表示的素材的方法，包括：导出信息信号变换系数的数字表示；以及对所述数字表示进行修改和熵编码，其中，按照一种可逆算法，通过对选择的数字表示进行加密置换，使伪随机改变为所选择的数字表示，以选择和修改所述数字表示中的一些或全部，所述算法是可逆的使得能够通过将伪随机改变反向而恢复所述数字表示，以及所述改变不改变所述熵编码的比特数，其中，所述置换使伪随机改变包括：对每一个所选择的数字表示定义一个具有相似大小的预定的表示集合，所述选择的数字表示是其中的一个元素，而对于每个所选择的数字表示，伪随机选择该集合中的其他元素之一，并用该集合中的其他元素替换该元素从而在不改变所述熵编码比特数的情况下修改所述素材；以及其中，所述数字表示是通过以下方法被伪随机改变的：决定在所述数字表示的置换中是否存在一个或多个不增加熵编码比特数的置换，以及根据一个伪随机数的值选择所述各置换或所述各置换之一或所述未置换的数字表示。
“基本上不改变熵编码比特数”的说法表示相对于熵编码未修改素材的比特数，比特数可以被少量的增加或减少，但最好不改变比特数。
“伪随机改变”可以按照从密钥导出的伪随机数、通过对系数或系数组比特进行加密、转置或排列来实现。
由于此方法适用于变换后的系数，因此它对已压缩和准备压缩的素材都适用，尤其适合于具有包含表示所述系数的代码的比特流的压缩素材，因为在修改之前仅仅需要从熵编码比特流中提取代码。通过按照可逆算法实现修改所述修改可以被清除并还原为原始素材，这一点在上述的Girod和Digimarc先有技术提案中都是不可能的。
本发明的一些实施例按照转置算法，通过用其他值置换所述表示值施行修改。通过恰当的选择被置换的值，使用这种转置修改素材时不会过大地改变熵编码比特数。最好不增加比特数，但在一些情形下，比特数可能会有小量的增加或减少。
在本发明的一个压缩素材的实施例中，综合应用了修改和压缩，压缩不破坏修改。同时，通过不过分改变使用的比特数，被压缩和修改的素材的带宽(数据速率)没有太大改变。
利用可逆算法，只要修改后的素材没有被处理或没有以不可逆的方式修改变化了的压缩编码数据，所述修改可以被清除并恢复为原始素材。
本发明还提供了实现所述一个方面的方法的装置，即一种修改用信息信号表示的素材的装置，包括：处理装置，用于导出信息信号变换系数的数字表示以及对所述数字表示进行修改和熵编码，其中，按照一种可逆算法，通过对选择的数字表示进行加密置换，使伪随机改变为所选择的数字表示，以选择和修改所述数字表示中的一些或全部，所述算法是可逆的使得能够通过将伪随机改变反向而恢复所述数字表示，以及所述改变不改变所述熵编码的比特数，其中，所述置换使伪随机改变包括：对每一个所选择的数字表示定义一个具有相似大小的预定的表示集合，所述选择的数字表示是其中的一个元素，而对于每个所选择的数字表示，伪随机选择该集合中的其他元素之一，并用该集合中的其他元素替换该元素从而在不改变所述熵编码比特数的情况下修改所述素材；以及其中，所述数字表示是通过以下方法被伪随机改变的：决定在所述数字表示的置换中是否存在一个或多个不增加熵编码比特数的置换，以及根据一个伪随机数的值选择所述各置换或所述各置换之一或所述未置换的数字表示。
本发明的另一方面提供清除利用所述一个方面的方法加在表示素材的信息信号上的修改的方法，它包括：导出表示修改后的素材的变换系数的熵编码数字表示的比特流；以及从比特流代码中提取系数并对其施行可逆算法的逆运算。
本发明还提供在计算机上运行时实现所述另一方面的方法的计算机程序产品。
本发明还提供实现所述另一方面的方法的装置。
从下面的描述中可以看到，本发明的说明性的实施例没有在素材中嵌入表示信息的数据。实施例根据比特图改变所选的系数或系数块。比特图可以表示一种图案。但是，在比特图指示的位置上进行的修改不表示可理解的数据。
附图说明
下面对例证性的实施例及其附图的详细描述清楚地给出了本发明上述和其他的目的、特征和优点，附图中：
图1是现本发明的视频信号处理器的示意的方框图；
图2解释了如何利用图1中系统的处理方法改变图像；
图3A和3B示意地说明图1的系统中帧存储器的内容。
图4是说明处理DC变换系数的流程图；
图5说明DC系数值的编码；
图6，7，8和9是说明处理AC变换系数的流程图；
图10是智能卡的示意图；
图11是体现本发明的解码器的示意的方框图；
图12是对应于图6的说明恢复AC系数值的示意的流程图；
图13是按照本发明产生的加水印的图像的一个例子；以及
图14是按照本发明的处理来自压缩视频信号源的视频信号的范例性系统的示意的流程图；
具体实施方式
概述
在这里描述的本发明的实施例适用于对图像的修改，在这里指的是在图像中嵌入水印。图13是按照本发明的一个实施例产生加水印的图像的一个例子；从以下阐释的描述中会更清楚的看到，尽管图13给出的修改的整体效果是一个可理解的形状(SONY)的图案，但是修改本身并不表示数据，并且图案本身也不需要是可理解的。
编码器，图1。
图1是一个编码器的例子。图1的编码器可以是比如一个包含图像压缩系统的高清晰度摄像机/录像机。编码器包括彩色模拟图像源1和按照众所周知的4:2:2的格式对图像样值的模拟到数字转换器和处理器2。如图2所示，一个亮度分量图像帧中1080行中每一行有1920个样值。处理器2对图像滤波并输出一个3:1:1的子样值图像。如图2所示，亮度(Y)分量在1080行中每一行有1440个数字样值。多路信号分离器3将奇数和偶数样值分离到单独的奇数和偶数信道。因此，如图2C所示，一个偶数Y样值帧在1080行中每一行有720个样值。一个奇数样值帧也一样。
在此例中，编码器是摄像机/录像机的一部分。对应于下面描述的DCT块的奇数和偶数样值块按照大家知道的混洗算法在处理器40和4e中被混洗。奇数和偶数样值用已知的方式被记录到录象带的单独的磁道中。正如本技术领域中众所周知的，混洗可以将磁带缺陷对从磁带重放的图像造成的影响减到最小。混洗也可用于改进往返重放。混洗在本发明中不是必需的。
每一个混洗后的奇数和偶数数字样值帧都代表一个空间域图像。通过各自的变换器50和5e，奇数和偶数帧被变换到DCT域。如图2d所示，每个变换后的奇数或偶数Y样值帧包括90乘135个DCT块，其中每个块又包含如图2e所示的8乘8个DCT系数。每个DCT块有1个在图2e中表示为DC的DC系数和63个AC系数，其中一个例子在图2e中用AC表示。
DCT系数在量化器60和6e中被量化，控制值Q以已知的方式控制量化。不加水印时，量化后的DCT系数的奇数和偶数帧以已知的方式在熵编码器80和8e中被熵编码。本例中的熵编码包括利用霍夫曼(Huffman)编码方式的编码。本例中的熵编码量化系数用已知的方式记录到磁带中：图1中没有给出。录制可以利用其他录制媒体，比如光盘。
修改量化了的DCT系数来嵌入水印
编码器的奇数和偶数信道具有修改量化亮度(Y)DCT系数以嵌入水印的变化处理器70和7e。以下的描述仅针对处理器中的一个处理器70。另一个处理器的操作方式相同。作为例子，下面假设用n比特数表示量化的DCT系数，其中n的范围从8到14；即，DC系数可能为8到14比特；AC系数为14比特。为了便于描述，以下都用n比特数。
定义水印的形式
参考图3A和图13，用存储在变化处理器7的帧存储器9A中的比特图定义水印的形式。比特图包含用以选择将要改变系数以便嵌入水印的DCT块的数据。比如帧存储器9A中一个位置上值为0的一个比特表示图像中相应位置的DCT块不会改变，而比特值1选择要改变的块。
在一个最佳实施例中有两个这样的存储器。一个存储器选择要改变AC系数的DCT块，另一个选择要改变DC系数的DCT块。最好两个存储器作出的选择是独立的。帧存储器9A在下面的文章中称为模板存储器。以下的描述假设DC系数与AC系数的处理不一样。在另一个实施例中，嵌入水印只改变DC系数。在另外还有一个实施例中，嵌入水印只改变AC系数。
为了易于说明和图示，图3A和图3B中的比特图都假设数字样值没有被混洗。
处理DC系数，图4和5。
参照图3B，变化处理器7具有变化功能存储器9B，后者存储由模板存储器9A中的比特图选择的每一个DCT块的DC系数的变化值C。
参照图4，处理器7用以下步骤计算变化值C。
S1.建立图3A中的DC模板。图3A中所示的水印的不同部分可以被指定不同的级别L。L用一个8比特数定义，所以它的值的范围从0到255。在图3A中，例如，对于模板的不同部位，L的值为5和127。级别L的值存储在DC模板中。
S2.根据第一个密钥Key1生成伪随机数RN1，RN1被限制在一个预设的范围min<＝RN1<＝max，如100<＝RN1<＝1000。对每一个要改变DC值的DCT块都生成一个新的随机数(如DC模板所示)。
S3.按照下面的公式计算变化值C：
C＝(L/M)*RN1
其中M是L可以取的最大值，在本例中M＝255。变化值存储在变化存储器9B中。
我们记得，在偶数样值变化处理器7e和奇数样值变化处理器70两者中发生相同的处理过程。但是，用于奇数和偶数信道的量化比例可能不同，所以奇数和偶数样值可能发生不同的变化。其结果会产生一个带条纹的图像。如果不希望出现条纹图像，则执行步骤S4，但步骤S4在本发明中不是必需的。
步骤S1到S3可以在图像被压缩和嵌入水印之前进行。在压缩过程中通过步骤S4调整变化值C，因为它取决于此过程中奇数和偶数样值所采用的特定量化比例。
S4.数字变化值C作如下调整，产生调整后的值C＾。其中：
C＾＝C>>(13-B)，其中B为量化后指定DC幅度所需的比特数，而>>表示这种情况下右移((13-B)比特)。所述过程发生在奇数信道和偶数信道两者中并且在两信道中产生大致相同的变化。在奇数和偶数磁道B0和Be上B值可能不同。带符号的14位数的大小用13位表示，剩下一位是符号位。
S5.按照可逆算法、以C＾值调整量化了的DC系数。每一个量化了的DC系数都有n比特，不同的DC系数可能有不同的n值。所述改变是这样的，使得对于任何系数，比特数n不变。
图5图解说明一个目前最佳的改变DC系数值的算法(算法1)。例如，假设C＾＝10，n＝8比特，这样，系数的范围从-128到+127。从该范围的底部-128开始，所述值的范围按每个区的范围2x10分成一些区。如图所示-128到-109一个区，-108到-89一个区，以此类推到+111。按每个区的范围2x10划分、整个范围不能正好被分成整数个区，所以有一个顶区是从+112到+127。
所述算法通过将一个区上半部分的值和下半部分的值进行交换来操作。因此值-128到-119与-118到-109交换。所以如果一个系数的原始值在作C＾＝10调整之前是-118，则在C＾＝10调整后被替换为-128。在另一个例子中，如果原始值为-107，则调整后变成-97。顶区+112到+127作相同的处理，但它的半区是+112到+119和+120到+127，它的交换如图所示。
所述例子从底部(-128)开始将整个范围分成若干区。划分也可以从该范围的顶部(+127)开始。在最佳实施例中，划分根据基于密钥Key2伪随机生成的比特PRB的值决定从顶部还是底部开始。PRB对每一个DC系数都可以作伪随机改变。比特PRB的值最好和C一起存在变化存储器中。
量化器Q产生了量化的DC系数后，处理器7从变化存储器确定适合于系数的C值和PRB值。处理器7将C值调整到C＾???。根据C＾???值和算法调整所述系数的值。利用图5中的例子，如果系数原来的值为-96，则它被替换为-106。
综上所述，表示系数的n比特数是一个集合中的元素，所述数通过用根据可逆算法选出的所述集合中另外的元素置换来进行修改。如图5所示，如果数N1需要改变X大小，只要不是在范围的一端(此处有可能只能实现小于X的变换)，则用所述集合中的N2调换N1，其中|N1-N2|＝X。
从前面的描述了解到比特数最好不变。
S17，S18.以上的描述可用于单帧静止图像。对于一个剪辑中的多帧视频信号，存储在存储器9B中的变化值C和PRB可能适用于剪辑中所有帧。但另外为了增加安全性，每个帧的变化值C中加上了一个基于密钥Key5的伪随机小变量RN2。这样选择所述小变、使得要不增加比特数。在步骤S3中，建立变化存储器，并且在剪辑中保持固定。所述小变量是一个小的伪随机数，比如50<＝RN2<＝100，并且在步骤S4之前加到C中。每个C得到一个新的RN2值。产生RN2的PRB并不对每帧都复位，因此不同帧有不同的RN2序列。
处理AC系数，图6到9。
S6.建立AC模板。AC模板中的比特图选择其中AC系数将被改变的DCT块。
S61.如果AC系数将被改变，则测试它的值；如果它等于零，则值不变；否则改变其值。
S7，S8和S9.把所选择的块中的AC系数与阀值Ts比较。如果系数的大小小于Ts，则改变它的符号。如果该值大于Ts，则符号不能改变。尽管在本发明的原理中禁止AC系数的符号改变不是必须的，但是已经发现改变大的系数值的符号建立的水印是不理想的。
S10.按照可逆算法和密钥Key3，改变代表AC系数的数。
图7举例说明可逆算法的一个例子(运算2)。该算法在熵编码之前对量化了的AC系数进行运算。
参考附在本描述最后的表1中的霍夫曼编码表。用可变字长码VLC和定长码FLC表示系数值。VLC规定AC系数所在的组。FLC是表示所述组中哪一个值等于AC系数的索引。
步骤S11决定系数所在的组。
步骤S111决定所述组中系数的索引。
在步骤S12中，通过在定长码中加上基于密钥Key3的伪随机数RN3来改变由AC模块选择的块中AC系数的所述定长码。为了保证比特数不变，所述和数被“返转”。例如，如果定长码是110，而RN3是010，则所述和数被返转后变成000而不是1000。如果按照步骤S7和S9所示符号没变，则执行保持系数符号的返转。
在步骤S121中，系数值被设置为新的索引指向的值。
图8举例说明可逆算法的另一个例子。运算方式与图7所示相同，只是步骤S12由步骤S13代替。
在步骤S13中，根据可逆加密码和密钥Key3将定长码加密。比特数不变。
图7和8是关于在大小相同的组中将一个系数的值改变为另一个值。
图9举例说明改变系数顺序的可逆算法。它可以与图7或8中运算法联合使用。
S14.确定用于将AC系数序列熵编码的比特数。
S15.变化处理器7尝试寻找一种不改变熵编码产生的比特数的系数顺序的排列。
S16.如果找到一种排列，则作出改变顺序还是不改变顺序的决定。这个决定取决于由密钥Key4定义的伪随机数PRB2的值。在此例中该数可能只有一比特。
在步骤S15的修改中，变化处理器找到了超过一个不改变熵编码产生的比特数的系数顺序的排列。这些排列，包括原始的系数顺序都被编号以方便识别。在步骤S16中，根据伪随机数PRB2选择所述排列之一。
在对所述处理过程的一种修改中，在一个块中选出要改变的AC系数。在这样一个块中，并不改变所有的系数。所述选择可能是一种预置的固定选择或变化的选择。所述选择可能是基于密钥的伪随机的。
建立带水印的空间域图像
压缩的带水印的图像可以以压缩形式存储在磁带中。为了看到图像必须先去压缩。
参考图11，它只给出了解码器的“奇”信道。“偶”信道是类似的。压缩的图像被熵解码(18)，去量化(16)和逆变换(15)。所得的空间域样值被去混洗(14)后，奇数和偶数样值被重新多路复用(13)产生带水印的空间域图像。重新多路复用后的样值被逆滤波产生一个4:2:2的图像。图13就是这样一个图像的例子。
应当指出图11中的清除水印处理器17被旁路器19旁路，是为了看到带水印的图像。
清除水印
数据载波，图10
为了清除水印，解码器必须具有下列清除数据：
AC和DC模板，级别L，RN1的最大和最小值，用于生成伪随机数和比特数的密钥1，2，3，4和5，算法1和2以及阀值Ts。密钥是在编码器中生成而不是预设的。
在本最佳实施例中，清除的数据最好安全地存储在数据载体中。最佳的载体是智能卡SC。编码器具有这样的接口：变化处理器7e和70经由该接口将清除数据下载到智能卡SC的接口。
解码器的清除处理器17具有一个相似的接口，用于从智能卡SC接收所述清除的数据。
清除DC系数的变化
参照图4和11，清除处理器17从智能卡SC下载DC模板，Key1和RN1范围的门限。
S1.从智能卡SC获得模板和级别L。
S2.清除处理器17根据Key1和门限重建伪随机数RN1.
S3.根据模板、L和RN1重新计算变化值C并将其存储到如图3B所示的变化存储器中。
S4.根据存储的C值计算调整后的变化值C＾。
S5.根据从Key2重新生成的伪随机比特PRB1，通过对所述算法进行反演将DC系数恢复到它们的原始值。
S17，S18.对于视频剪辑，根据Key5重新生成RN2并从C值中减去该RN2。
恢复AC系数
参照图12：
S6’.从智能卡下载AC模板。
S61’.如果要改变AC系数，则测试系数以便确定它是否为零值。如果该值是非零值，那么在编码器以及解码器中都应该改变。
S10’.根据Key3，利用逆算法恢复AC系数到他们的原始值。
S7’到S9’.将系数值与从智能卡中下载的Ts比较，以便处理器决定哪个系数的符号变了。
参考图7和8，改变系数的处理过程中接下来是步骤S11和S111。
参考图7，在S12步骤中根据Key3重新生成RN3，并从索引值中减去该RN3。
参考图8，在S13步骤中利用Key3’撤销加密。
参考图9：
S14.决定对其进行熵编码的序列的比特数。
S15.变化处理器7尝试寻找一种系数顺序的排列，后者不改变需要对其进行熵编码的比特数。
S16.如果找到这样一种排列，则可能在变化处理过程中作出改变所述顺序的决定。这个决定取决于由密钥Key4定义的伪随机数PRB2的值。
PRB2表示序列是否已经被改变。如果是，则所述变化被撤销。
安全
用于嵌入水印的算法可能对许多不同的用户都是一样的。安全性的提供是通过：
a)用户选择并生成密钥Key1，2，3，4和5；
b)用户选择级别L；以及
c)用户选择RN1的门限。
符号改变阀值也能提供一定程度的安全性，因为它也是可以由用户选择的。
如果图像使用的是可视水印，则DC和AC模板是不安全的，因为该模板在图像中至少某些部分能看得见。
智能卡在构造和逻辑上都设计成能够安全地存储数据。
相关系统和方法
这里描述的方法和装置可以与共同待审的申请0029851.3(代理文件P/10406，I-00-153)中公开的方法和系统一起使用。所述申请的公开内容被结合在本文中作为参考。
把水印加到此前已经压缩的视频信号中
上面的描述在压缩素材的处理过程中把水印嵌入视频信号中。但也存在压缩了的素材其中没有水印、需要添加水印的情况。图14是按照本发明的用于处理来自压缩视频信号源71的视频信号的说明性系统的示意的流程图。源71可以是录像带重放机或录像机、光盘重放机或重放录制机、服务器或任何其他的源。为便于解释，并与之前的描述保持一致，这里假设视频信号已由图1所示的、但不带变化处理器7e和70的系统压缩。因此所述压缩了的视频信号不带水印。
在这个例子中，压缩的视频信号包括按照本说明书最后表1设置的编码规则编码的数据。对所述数据分析(72)如下：
1)提取单个代码。每个非零AC系数都具有如表1所示的形式<VLC><FLC>。将DC系数编码为n比特源数据；
2)决定图3中代码表示的比特图中的位置；以及
3)决定例如DC系数量化级别等的其他信息。
熵编码后的比特流是一个以已知方式组织并且其中的代码可能用已知方式识别的数据流。代码的排序与图像位置的关系已知。
比较器74将代码位置和存储在模板存储器73中的比特图比较，以决定代码是否需要改变。
如果代码需要被改变，则步骤75决定所述代码是代表AC系数还是代表DC系数。如果代码代表AC系数，则使用上述图6到9中的方法之一。如果代码代表DC系数，则使用上述图5中的方法。
所有的代码，包括改变了的和没有改变的代码都保存在存储器76中，例如录像机中。没有变化的代码经过一个补偿变化代码处理延迟的延迟77后送入存储器76，使得图7和8的例子中的代码顺序不变。
如果需要一种压缩的比特流，则在不作进一步的处理的情况下将比特流直接保存到存储器76中。如果需要一种未压缩的比特流，则比特流被去压缩后再被保存。
用于在已经压缩的视频信号中嵌入水印的这种处理过程是理想的，因为它不要求对视频信号进行去压缩：即不需要对它进行去量化和逆变换操作。
清除水印
利用如图14所示的方法的逆操作可以清除水印恢复原始视频信号。对自来源71的数据分析如下：
a)提取各个代码。每个非零AC系数都具有如表1中所示的形式<VLC><FLC>。DC系数被编码为n比特源数据；
b)决定代码代表的图3的比特图中的位置；以及
c)决定例如DC系数量化级别等其他信息。
所述熵编码后的比特流是以已知方式组织并且其中的代码有可能用已知方式识别的数据流。代码的排序与图像位置的关系已知。
比较器74将代码位置和存储在模板存储器73中的比特图比较，以决定代码在嵌入时是否被改变了。
如果代码被改变了，则步骤75决定代码是代表AC系数还是代表DC系数。如果代码代表AC系数，则使用上述图12和7到9中的方法之一清除所述修改。如果代码代表DC系数，则使用上述图5中的方法清除。
所有的代码，包括改变了的和没有改变的代码都保存在存储器76中，例如录像机。没有变化的代码经过一个补偿变化代码处理延迟的延迟77后送入存储器76，图7和8的例子中的代码顺序不变。
如果需要一种压缩的比特流，则在不作进一步的处理的情况下将比特流直接保存到存储器76中。如果需要一种未压缩的比特流，则将比特流去压缩后再将其保存。
各种改型
尽管已经参考复制在磁带中的信息信号、将其作为例子描述了本发明，但其他任何适当的存储媒介都可以使用，比如光盘存储器和固态存储器。
在图1到14的例子中，视频信号是按照压缩系统的一个特定例子被压缩的。但发明并不局限于这一个例子。本发明适用于其他许多压缩系统，包括KDCAM、MPEG、JPEG、运动JPEG和DV。
在图1到13的例子中，除了图4的例子中通过RN2实现视频信号中的小幅变化，其他水印都被固定在图像的某个位置。但本发明并不局限于此。在一个视频信号序列中水印可以随着时间变化而在图像空间中变化。这样做的一种方法是提供多个比特图(在这里也被称为模板)，它们把水印确定在不同位置，然后连续地使用比特图。同时，不同的比特图可以定义不同的级别L：参见图3B和图4的步骤S1，使得水印具有随着时间变化的可见度级别。
上面提到JPEG是本发明可能用于其中的压缩系统的一个例子。本发明的各种实例针对在压缩的数字信息信号中嵌入水印，同时与没有嵌入水印的相同的压缩信息信号相比并没有增加用于表示压缩信息信号的比特数。如果本发明的各种实例用于JPEG，则所述比特数可能有小的变化。这是因为本发明的各种实例的应用可能偶然会产生JPEG使用的预定的控制字符。如果发生这种情况，JPEG算法将自动添加额外的字节以避免这个问题。其结果可能会增加或减少所述比特数。同样的，为了使修改更加明显，增加少量的比特数是可以接受的，特别是存储在光盘和其他非磁带格式时。
尽管以上的描述针对的是视频信号，但本发明并不局限于视频信号。它可以用于音频、静止图像和其他信息信号。
尽管已经参考附图对本发明的说明性的实施例进行了详细描述，但是，显然，本发明不局限于那些精确的实施例中。本领域的技术人员可在其中进行各种变化和修改，并不背离所附权利要求书中定义的本发明的范围和精神。
表1
 
VLC组 FLC比特数 描述
0 0 EOB代码
1 1 (1)*0，+/-1
2 2 (2到3)*0，+/-1
3 3 (4到7)*0，+/-1
4 4 (8到15)*0，+/-1
5 5 (16到31)*0，+/-1
6 6 (32到63)*0，+/-1
7 0 (1)*0
8 1 (2到3)*0
9 2 (4到7)*0
10 3 (8到15)*0
11 4 (16到31)*0
12 5 (32到63)*0
13 1 +/-1
14 2 -3到-2，+2到+3
15 3 -7到-4，+4到+7
16 4 -15到-8，+8到+15
17 5 -31到-16，+16到+31
18 6 -63到-32，+32到+63
19 7 -127到-64，+64到+127
20 8 -255到-128，+128到+255
21 14 -8192到-256，+256到+8191
在该表格中，
1.(x到y)*0，+/-1表示从“x”到“y”的零值系数后面跟着一个+1或-1系数。
2.(x到y)*0表示从“x”到“y”的零值系数。

Claims (70)

1.一种修改用信息信号表示的素材的方法，包括：导出信息信号变换系数的数字表示；以及对所述数字表示进行修改和熵编码，其中，按照一种可逆算法，通过对选择的数字表示进行加密置换，对所述选择的数字表示作伪随机改变，以选择和修改数字表示中的一些或全部，所述算法是可逆的使得能够通过将伪随机改变反向而恢复所述数字表示，以及所述改变不改变所述熵编码的比特数，其中，所述置换使伪随机改变包括：
对每一个所选择的数字表示定义一个具有相似大小的预定的数字表示集合，所述选择的数字表示是其中的一个元素，而对于每个所选择的数字表示，伪随机选择该集合中的其他元素之一，并用该集合中的其他元素替换该元素从而在不改变所述熵编码比特数的情况下修改所述素材；以及
其中，所述数字表示是通过以下方法被伪随机改变的：决定在所述数字表示的置换中是否存在一个或多个不增加熵编码比特数的置换，和根据一个伪随机数的值选择所述各置换或所述各置换之一或未置换的数字表示。
2.如权利要求1的方法，其特征在于：所述变换系数被量化。
3.如权利要求1的方法，其特征在于：所述信息信号表示视频图像，而所述修改产生一个图案，该图案具有所述视频图像中的形状。
4.如权利要求1的方法，其特征在于：如果N1值的数字表示需要改变X大小，则用该集合中的另一元素N2值置换N1，其中|N1-N2|＝X，而X是按照可逆算法选择的一个伪随机值。
5.如权利要求4的方法，其特征在于：所述集合包括其最大值和最小值相差2X的各个元素。
6.如权利要求4的方法，其特征在于：X取决于伪随机数RN1的值的比例P，其中0<＝P<＝1，所述比值P等于L/M值，其中L表示预定的选择的级别而M等于L的最大允许值。
7.如权利要求6的方法，其特征在于：X随着伪随机数RN2的变化而变化。
8.如权利要求1的方法，其特征在于：一种数字表示包括指示所述数字表示的一个组的大小的组代码和指示所述数字表示在所述组中的位置的索引代码，以及通过用同一组中的另一个索引代码替换该数字表示的索引代码来进行对所述数字表示的置换并按照所述可逆算法伪随机地选择所述数字表示。
9.如权利要求1的方法，其特征在于：所述导出信息信号变换系数的数字表示的步骤包括接收所述素材的信息信号的样值，并对所述样值进行一种变换以便导出变换系数，以及将所述变换系数量化。
10.如权利要求1的方法，其特征在于：所述导出信息信号变换系数的数字表示的步骤包括接收包含表示变换系数的代码的一个熵编码比特流形式的信息信号，并从该比特流中提取表示所述变换系数的代码。
11.如权利要求1的方法，其特征在于：包括选择要修改的素材的一部分或多部分的步骤。
12.如权利要求11的方法，其特征在于：包括存储所述要修改的素材的所述一部分或多部分的比特图并按照该图选择要修改的一部分或多部分。
13.如权利要求12的方法，其特征在于：所述比特图存储级别L的一个或多个值，其中L表示预定的选择的级别。
14.如权利要求13的方法，其特征在于：所述比特图存储关于所述素材的不同部分不同的L值。
15.如权利要求11的方法，其特征在于：所述变换系数以块进行分组，所述选择要修改的素材的一部分或多部分的步骤包括选择其所述数字表示要被改变的系数块。
16.如权利要求15的方法，其特征在于：所述块各自包括DC和AC系数，以及所述选择要修改的素材的一部分或多部分的步骤选择一些块中要变化的AC系数和另一些块中要变化的DC系数。
17.如权利要求16的方法，其特征在于：DC系数的修改不同于AC系数。
18.如权利要求1的方法，其特征在于：所述变换系数是DCT系数。
19.一种清除按照权利要求1的方法加到表示素材的信息信号的修改的方法，所述方法包括：接收变换系数的熵编码的数字表示；选择在修改的信息信号中被伪随机改变的数字表示；以及通过按照由权利要求1所述方法曾对所选择的数字表示作过加密置换的可逆算法对修改的数字表示进行解密和反向置换，执行可逆算法的逆运算，以恢复数字表示原来的形式。
20.如权利要求19的方法，其特征在于：所述数字表示为量化的变换系数。
21.如权利要求19的方法，其特征在于还包括：确定在一个组的所述数字表示的置换中是否存在一个或多个不增加熵编码比特数的置换，并根据伪随机数的值选择置换组或所述置换组之一或未置换组。
22.如权利要求21的方法，其特征在于：所述伪随机数是从一个密钥导出的。
23.如权利要求19的方法，其特征在于还包括以下步骤：对每一个修改后的数字表示，定义一个具有相似大小的预定的数字表示集合，所述数字表示是其中的一个元素；并且通过伪随机选择按照一个预定的置换算法的逆运算确定的所述集合中的另一个元素，将每一个修改的数字表示恢复到未修改值。
24.如权利要求23的方法，其特征在于：如果一个N1值的数字表示需要改变X大小，则用集合中的另一元素N2值置换N1，其中|N1-N2|＝X，而X是按照所述逆算法选择的一个伪随机值。
25.如权利要求24的方法，其特征在于：所述集合包括其最大值和最小值相差2X的各元素。
26.如权利要求24的方法，其特征在于：X取决于伪随机数RN1的比例P，其中0<＝P<＝1，所述比值P等于L/M值，其中L表示预定的、选择的级别而M等于L的最大允许值。
27.如权利要求26的方法，其特征在于：X随着伪随机数RN2的变化而变化。
28.如权利要求23的方法，其特征在于：一种数字表示包括指示所述数字表示的一个组的大小的组代码和指示所述数字表示在所述组中的位置的索引代码，以及按照所述可逆算法用同一组中的另一个索引代码替换该数字表示的索引代码来进行对所述数字表示的置换并对所述数字表示进行伪随机选择。
29.如权利要求19的方法，其特征在于包括以下步骤：对于每一个数字表示，参考指示已经修改的数字表示的数据，确定各个数字表示是否已被修改，以及选择修改那些被修改过的数字表示。
30.如权利要求29的方法，其特征在于：所述数据是比特图。
31.如权利要求30的方法，其特征在于：所述比特图存储一个或多个L值，其中L表示预定的选择的级别。
32.如权利要求31的方法，其特征在于：所述比特图存储用于所述素材的不同部分的不同的L值。
33.如权利要求29的方法，其特征在于：所述变换系数被分成块，所述选择修改那些被修改过的数字表示的步骤包括选择其中的所述数字表示要被改变的系数块。
34.如权利要求33的方法，其特征在于：所述块各自包括DC和AC系数，以及所述选择修改那些被修改过的数字表示的步骤包括选择一些块中要变化的AC系数和另一些块中要变化的DC系数。
35.如权利要求34的方法，其特征在于：以不同于改变AC系数的方式改变DC系数。
36.如权利要求21的方法，其特征在于：所述变换系数是DCT系数。
37.如权利要求19的方法，其特征在于包括以下步骤：从数据载体下载清除所述修改所需要的逆变化数据。
38.一种修改用信息信号表示的素材的装置，包括：
量化器，用于导出信息信号变换系数的数字表示；
变化处理器，用于对所述数字表示进行修改，其中，按照一种可逆算法，通过对选择的数字表示进行加密置换，对所述选择的数字表示作伪随机改变，以选择和修改数字表示中的一些或全部，所述算法是可逆的使得能够通过将伪随机改变反向而恢复所述数字表示，以及所述改变不改变所述熵编码的比特数，其中，所述置换使伪随机改变包括：
对每一个所选择的数字表示定义一个具有相似大小的预定的数字表示集合，所述选择的数字表示是其中的一个元素，而对于每个所选择的数字表示，伪随机选择该集合中的其他元素之一，并用该集合中的其他元素替换该元素从而在不改变所述熵编码比特数的情况下修改所述素材；并且
其中，所述数字表示是通过以下方法被伪随机改变的：决定在所述数字表示的置换中是否存在一个或多个不增加熵编码比特数的置换，和根据一个伪随机数的值选择所述各置换或所述各置换之一或未置换的数字表示；以及
熵编码器，用于对所述数字表示进行熵编码。
39.如权利要求38的装置，其特征在于：如果N1值的数字表示需要改变X大小，则用该集合中的另一元素N2值置换N1，其中|N1-N2|＝X，而X是按照可逆算法选择的一个伪随机值。
40.如权利要求39的装置，其特征在于：所述集合包括其最大值和最小值相差2X的各个元素。
41.如权利要求39的装置，其特征在于：X取决于伪随机数RN1的值的比例P，其中0<＝P<＝1，所述比值P等于L/M值，其中L表示预定的、选择的级别而M等于L的最大允许值。
42.如权利要求41的装置，其特征在于：X随着伪随机数RN2的变化而变化。
43.如权利要求38的装置，其特征在于：一种数字表示包括指示所述数字表示的一个组的大小的组代码和指示所述数字表示在所述组中的位置的索引代码，以及通过用同一组中的另一个索引代码替换该数字表示的所述索引代码来进行对所述数字表示的置换并按照所述可逆算法伪随机地选择所述数字表示。
44.如权利要求38的装置，其特征在于：还包括DCT变换器，用于接收所述素材的信息信号的样值，并对所述样值进行DCT变换以导出变换系数，由所述量化器将所述变换系数量化。
45.如权利要求38的装置，其特征在于：所述变化处理器接收包含表示变换系数的代码的一个熵编码比特流形式的信息信号，并从该比特流中提取表示所述变换系数的代码。
46.如权利要求38的装置，其特征在于：所述变化处理器选择要修改的素材的一部分或多部分。
47.如权利要求46的装置，其特征在于：所述变化处理器存储所要修改的素材的所述一部分或多部分的比特图，并按照该图选择要修改的各部分。
48.如权利要求47的装置，其特征在于：所述比特图存储级别L的一个或多个值，其中L表示预定的选择的级别。
49.如权利要求48的装置，其特征在于：所述比特图存储关于所述素材的不同部分的不同L值。
50.如权利要求49的装置，其特征在于：所述变化处理器将所述变换系数以块进行分组，并且选择其中所述数字表示将要改变的系数块。
51.如权利要求50的装置，其特征在于：所述块各自包括DC和AC系数，以及所述变化处理器选择一些块中要变化的AC系数和另一些块中要变化的DC系数。
52.如权利要求51的装置，其特征在于：DC系数的修改方式不同于AC系数的修改方式。
53.如权利要求38的装置，其特征在于：所述变换系数是DCT系数。
54.一种用于清除借助权利要求38的装置加到表示素材的信息信号上的修改的装置，包括：
解码器，用于接收代表所述修改后的素材的变换系数的熵编码的数字表示的比特流，并且用于从所述比特流中提取按照可逆算法曾被修改的信息信号的所选择的数字表示；以及
逆变换处理器，用于通过按照由权利要求38所述装置曾对所选择的数字表示作过加密置换的可逆算法对修改的数字表示进行解密和反向置换，执行可逆算法的逆运算，以恢复所选择的数字表示原来的形式。
55.如权利要求54的装置，其特征在于：所述逆变换处理器确定在一个组的所述数字表示的置换中是否存在一个或多个不增加熵编码比特数的置换，并且根据伪随机数的值选择置换组或所述置换组之一或未置换组。
56.如权利要求55的装置，其特征在于：所述伪随机数是从密钥导出的。
57.如权利要求54的装置，其特征在于：所述逆变换处理器为每一个修改后的数字表示定义一个具有相似大小的预定的数字表示的集合，所述数字表示是其中的一个元素，并且通过用按照一个预定的置换算法的逆运算确定的所述集合中的另一个元素来替换所述元素，将所述数字表示恢复到未修改值。
58.如权利要求57的装置，其特征在于：如果一个N1值的数字表示需要改变X大小，则用集合中的另一元素N2值置换N1，其中|N1-N2|＝X，而X是按照所述逆算法选择的一个伪随机值。
59.如权利要求58的装置，其特征在于：所述集合包括其最大值和最小值相差2X的各元素。
60.如权利要求57的装置，其特征在于：X取决于伪随机数RN1的比例P，其中0<＝P<＝1，所述比值P等于L/M值，其中L表示预定的、选择的级别而M等于L的最大允许值。
61.如权利要求58的装置，其特征在于：X随着伪随机数RN2的变化而变化。
62.如权利要求57的装置，其特征在于：一种数字表示包括指示所述数字表示的一个组的大小的组代码和指示所述数字表示在组中的位置的索引代码，以及按照所述可逆算法用同一组中的另一个索引代码替换该数字表示的索引代码来置换所述数字表示并对所述数字表示进行伪随机选择。
63.如权利要求54的装置，其特征在于所述逆变换处理器执行以下操作：对于每一个数字表示，参考指示已经修改的数字表示的数据，确定各个数字表示是否已被修改，以及选择修改那些被修改过的数字表示。
64.如权利要求63的装置，其特征在于：所述数据是比特图。
65.如权利要求64的装置，其特征在于：所述比特图存储一个或多个L值，其中L表示预定的选择的级别。
66.如权利要求65的装置，其特征在于：所述比特图存储用于所述素材的不同部分的不同的L值。
67.如权利要求63的装置，其特征在于：所述逆变换处理器将所述变换系数以块进行分组，并且选择其中的所述数字表示要改变的系数块。
68.如权利要求67的装置，其特征在于：所述块各自包括DC和AC系数，以及所述逆变换处理器可以选择一些块中要变化的AC系数和另一些块中要变化的DC系数。
69.如权利要求68的装置，其特征在于：以不同于改变AC系数的方式改变DC系数。
70.如权利要求54的装置，其特征在于：所述变换系数是DCT系数。
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