CN100596041C - 嵌入辅助信息的方法和系统及从中解码的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用来在主信号(1)中嵌入辅助信息(6)的方法和相应的系统，包括的步骤为：使用合适滤波器(2，10)对主信号滤波生成修正信号，在编码器中使用互相关技术在修正信号中编码辅助信息。为相对于相关时延提高编码过程的性能，本发明使用合适的滤波器通过使主信号的功率谱变平，来消除主音频分量和/或消除低频分量。在编码或解码过程之前消除主音频分量和/或低频分量，改善了编码/解码过程的性能。随后可通过滤波(21)和/或添加(8)对所消除的分量而重新引入，以保证编码信号(9)与未编码的信号(1)没有明显的区别。

Description

嵌入辅助信息的方法和系统及从中解码的方法和系统

技术领域

本发明涉及在主信号中嵌入辅助信息的方法，包括步骤：对主信号滤波以生成修正信号，通过使用互相关技术对修正信号中的辅助信息进行编码。本发明还涉及用于在主信号中嵌入辅助信息的编码系统，包括滤波装置，用于减少主信号中的预定频率分量，和编码装置，用于使用互相关技术对已滤波主信号中的辅助信息编码以产生编码信号。本发明还涉及用于从这种嵌入信号中解码辅助信息的系统和方法。

背景技术

美国专利5,940,135是使用基于相关的水印技术的设备和方法的实例，其中根据辅助信息信号的值通过在主信号上添加主修正信号以调制主信号的相关性功能。通过生成编码信号的自相关函数和根据公知的信号提取技术提取辅助信号，来解码辅助信号。滤波器可用来提高水印信号的可闻特性。

尽管使用的互相关的嵌入技术适用于大部分信号，但是在具有特殊音频和/或强基带分量(strong base components)的音频信号中却不尽如人意。特别的，美国专利5,940,135所描述的嵌入算法的实现被公认为取决于互相关时延值和音频信号特性。在理想的水印方案中，人们更期望优先选择干扰最小的嵌入算法。必须为特定信号确定一个合适的互相关时延消弱了这种优先选择。

为独立实现嵌入算法的互相关时延，美国专利5,940,135提供了一种使用多路相关时延的技术。

多路时延方法减少了与选择互相关时延有关的问题。然而，多路时延技术不能保证适用于所有类型的音频信号。另外，为了实现多路时延，需要应用大规模的计算能力，否则这就会被用于嵌入多路负荷。

因此需要解决的技术问题是提供一种技术以有效替代美国专利5,940,135中的多路时延嵌入技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可很好的应用于大多数信号的嵌入技术以替代美国专利5,940,135的多路时延方法。

因而，本发明的第一个实施方案提供了一种在主信号中嵌入辅助信息的方法，包括步骤：

对主信号滤波，以生成修正信号，

使用互相关技术在修正信号中编码辅助信息，

其特征在于滤波步骤减少了在该信号中至少一种以下分量的幅值：

a)低频分量，以及

b)主音频分量

该方法还包括步骤，增加被滤波步骤减少的已编码信号分量幅值。

主信号可以是(多)媒体信号，如音频信号、视频信号和/或数据信号。

在信号编码前通过减少信号中的主音频分量，可以实现充分地独立于所选择的相关时延的嵌入技术，并替代美国专利5,930,135中的多路时延方法。类似的，在编码之前消除该信号的低频音频分量有助于实现嵌入技术，因为低频分量产生的强干扰相关噪声会显著降低水印检测。

在减少主音频分量时，可使用合适的滤波来减少主音频分量的电平。可使用具有与该适当的滤波器相反特征的滤波器来增加先前被减少的主音频分量。

消除主音频分量使要编码信号的功率频谱变平，进而提高了编码系统的时延恒定性。通过反相滤波器再次导入主音频分量，保证了听众察觉不到编码的影响。

为减少信号低频分量，使用低频抑制器来充分消除模拟信号中的低频分量。随后，消除的低频分量可以被全部添加到编码后的修正模拟信号中。

低频分量在进行编码前被消除，随后在编码后通过添加被抑制的低频而再次导入的另一个优点在于提高了水印音频信号的收听质量。

根据本发明的第二实施方案，提供了在主信号中嵌入辅助信息的编码系统，包括：

滤波装置，用于减少主信号中的预定频率分量，编码装置，用于通过互相关技术在被滤波的主信号中对辅助信息编码以产生编码信号，其特征在于编码系统还包括信号分量增加装置，用于增加先前减少的预定频率分量，其中预定频率分量选自至少下列之一：a)低频分量，以及b)主音频分量。

提供了一种改进的编码方法，即，在对辅助信息编码前，消除模拟信号中的主音频分量和/或低频分量，然后再次导入所消除的分量，使的生成的嵌入模拟信号对观察着来说与原始模拟信号相同。

根据本发明的第三实施方案，提供了从嵌入主信号中对辅助信息解码的方法，包括步骤为：滤波嵌入主信号以生成修正信号，通过使用互相关技术对修正信号中的辅助信息解码，其特征在于滤波步骤减少了主信号中至少一种以下分量的幅值：

a)低频分量，以及

b)主音频分量。

本实施方案中，滤波步骤包括使用可以减少嵌入主信号中主音频分量的滤波器。滤波步骤还包括消除嵌入主信号中的低频分量。

根据本发明的第四个实施方案，提供了从嵌入主信号中提取辅助信息的解码系统，包括滤波装置，用于减少主信号中的预定频率分量，解码装置，用于通过互相关技术从滤波主信号中提取辅助信息，其特征在于预定频率分量选自以下的至少一种：

a)低频分量，以及主音频分量

滤波装置包括低通抑制器，用于消除主信号中的低频分量。滤波装置还包括具有滤波特性，可以充分消除主信号中主音频分量的第一滤波装置。

本发明的另一个实施方案是一种传输系统，包括接收主信号进行传输的输入模块，用于通过本发明前述的一种编码方法对具有辅助信息的主信号编码的编码模块，以及用于传输编码主信号的输出装置。

本发明还涉及一种与这种传输系统一起使用的接收机系统，其中接收机系统包括用于接收利用辅助信息而被编码的主信号的输入部分和通过使用如上所述的一种方法对编码主信号解码，并提取主信号中的辅助信息的解码器。

在音频信号能够实现嵌入算法的一个重要原因还在于在主信号的主音频分量中选择相关时延。本发明使用滤波器使主信号的功率谱变平，然后在编码或解码过程前消除主音频分量，进而减少与时延选择有关的问题。随后，再次导入被消除分量以保证编码前后的信号没有显著区别。

在音频信号中能够实现嵌入算法的另外一个重要原因是低频分量的存在，它能够产生强干扰相关噪声从而显著降低水印检测。本发明使用滤波器在编码和解码前消除这些低频分量。编码过程中，随后再次导入被消除的低频分量以保证听众不会感到明显不同的声音质量。

本发明的上述和其他方面的内容将参考以下的实施方案进行说明和理解。

附图说明

现在参考附图对本发明作更详细说明：

图1是根据本发明第一方案的编码系统的方框图；

图2是和使用图1所示的系统进行编码的信号一起使用的解码系统的方框图；

图3是实现图1中的低频抑制器的一种方案的方框图；

图4是图3滤波器滤波特性的频率曲线；

图5是根据本发明第二方案的编码系统的方框图；

图6是和使用图5所示的系统进行编码的信号一起使用的解码系统的方框图；

图7是根据本发明第三方案的编码系统的方框图；

图8是和使用图7所示的系统进行编码的信号一起使用的解码系统的方框图。

图9是根据本发明第四方案的传输系统方框图，以及

图10是和图9所示的系统所传输的信号一起使用的接收机的方框图。

具体实施方式

图1简要说明的本发明的第一方案，其提供了用于在主信号1中嵌入辅助信息信号6的编码系统，包括低频抑制器(LFS)2形式的滤波器装置，编码器(E)5和加法装置8形式的信号分量增加装置。要被嵌入辅助信息信号6的输入主信号1通过低频抑制器2而被处理，低频抑制器2使用滤波技术将输入主信号分解为第一信号4和第二信号3。第一信号4是被有效抑制低频的主信号，而第二信号3是主信号1的被抑制低频分量。通过编码器5应用合适的互相关技术对第一信号4和辅助信息信号6编码。用于实现这种互相关技术的方法、电路、系统和算法，在该技术领域是公知的。因为第一信号4抑制了低频分量，所以降低了低频分量所造成的强干扰相关噪声的影响，并提高主信号1编码过程的成功率。

如上所述，水印的关键特征在于水印对于听众或观众来说不易觉察。另一个特征在于对听众来说经水印处理的主信号和未编码的主信号区别不大。当前情况下，可以在主信号使用水印编码后，将先前被抑制的低频添加到主信号，从而确保了这一点。所示加法装置8实现了这一过程。通过将先前过滤掉的低频分量和已编码主信号重新组合，听众应该区别不出编码器输出信号和原始信号的差异。对于音频信号，低频抑制器的截止频率根据本申请应在100至5000Hz之间，但典型的在100至1000Hz之间。消除低频的另一个优点在于提高了水印处理的声频信号的声音质量。实验结果已经证明使用较高频率可显著提高声音特性。

为简便起见，实施方案忽略说明如时延元件，模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)这类元件。熟练的技术人员会意识到可以如同常规技术中那样包括这些元件及其组合元件。

本发明还提供了图2所示的解码系统，用于从通过图1所示的编码系统进行编码的主信号中解码辅助信息。它包括低频抑制器10和解码器(D)12。低频抑制器10(可以是例如简单的高通滤波器)在解码器12前消除编码信号9的低频分量。

生成的低频抑制编码主信号11在解码器12解码以提取表示嵌入在主信号9中的辅助信息13的信号。检测器的LF抑制器10与用于嵌入系统的LF抑制器2相同。然而，不需要为解码系统中提供包含低频分量的第二信号3。

图3说明图1的低频抑制器的特定实现过程，包括两个滤波器H(30)和G(31)。第一滤波器H是高通滤波器，截止频率等于低频抑制器2的截止频率。第一滤波器H的输出4是低频分量已被减少的主信号。第二滤波器G是低通滤波器，截止频率和第一滤波器H相同。第二滤波器G的输出是主信号中的低频分量3。因为解码系统不需要被抑制的低频分量信号3，所以图2实施方案中所示的低频抑制器10只通过第一滤波器H即可实现。

图4说明低频抑制器的第一和第二滤波器G和H的典型频率特性。特别的，第二滤波器G具有低通频率特性，第一滤波器H具有高通频率特性，两者的截止频率(fc)基本相同。如前所述，合适的截止频率应在100至1000Hz之间。

图5所示的本发明另一个实施方案包括以第一(编码前)滤波器20(PF)的形式出现的滤波装置、编码器5以及以第二(编码后)滤波器21(POF)的形式出现的信号分量增加装置。通过第一滤波器20对输入主信号1滤波，它平坦了主信号的功率谱，这样做基本消除了主信号中的主音频分量。

可使用多项技术来设计或实现第一滤波器20。这些技术主要基于模拟信号或者近似模拟信号的功率谱。例如，滤波器可根据测量主信号功率频谱而得出。尽管这样可以获得最佳结果，但是需要强大的计算能力。设计滤波器的另一个备选方法是在对大量模拟信号进行统计分析之后获得固定的通用滤波器。介于前两种之间的第三种方法，是应用分段静态整形滤波器，使得在模拟信号的一定分段内滤波器保持不变，仅当分段改变时才有所变化。在时域或频域范围内都可实现这种滤波器。由于主音频分量被从用于编码的主信号中被基本消除，相关时延的选择对主信号成功编码过程的影响因素减小。

通过第一个实施方案中的所述编码器5对已滤波的主信号22和辅助信号6编码。然后，通过第二滤波器21滤波编码信号。第二滤波器21的滤波特性与第一滤波器相反。因此，第二滤波器21将已编码主信号中先前减少的主音频分量恢复到他们的原始水平。第二滤波器21的嵌入输出信号9和原始主信号1的区别应该不会被听者察觉。

如图6所示的是应用图5实施方案用于从主信号中提取辅助信息的检测器或解码器系统，包括第一滤波器200组成的滤波器装置和解码器12。第一(解码前)滤波器200的滤波特性最好与编码系统中第一滤波器20基本匹配。然而，在编码系统和检测器系统中之间可使用其它的滤波器。例如，在编码系统中，第一滤波器可从测量主信号功率频谱获得(一个复杂的滤波器)，然而，等价检测器中的滤波器可通过使用从大量模拟信号统计分析获得的固定通用滤波器(较简单的滤波器)实现。使用不同滤波器的结果不如使用基本相同特征的滤波器的结果可靠。

已滤波的信号25然后被传送到解码系统的解码器12，并提取辅助信息13。

尽管通过使用如图1所实现的LF抑制的方法或者使用图5所示实现消除主音频的频谱平坦技术，能够提高编码器和解码器的性能，合并两种技术可以得到改进的性能。

图7所示为这种已提高性能的编码系统，包括LF抑制器10，第一滤波器20，编码器，第二滤波器和加法装置8。这种系统可被用于将辅助信息6嵌入主模拟信号1以生成编码主信号9。

通过充分消除主信号中低频分量的LF抑制器10来处理主信号1。生成的修正信号然后被第一滤波器20进一步修改，以消除主音频分量。通过编码器5对生成的修正信号和辅助信息6编码。编码的修正主信号随后被第二滤波器21处理。第二滤波器具有与第一滤波器基本相反的特征，它将先前消除的主音频分量恢复到已编码信号中。最后，先前已抑制的低频分量通过加法装置8被再次插入到编码信号中。

如图8示出了用于检测由图7所示的系统嵌入在主信号中的辅助信息的检测器，它包括LF抑制器，滤波器和解码器。在操作中，通过消除低频分量的LF抑制器来处理已编码主信号，所生成的低频抑制编码器主信号然后被预滤波器滤波，该预滤波器通过从生成信号中移去主音频分量而使该信号的频谱变平。

可以理解在图7的实施方案中，可以改变LF抑制器10和第一滤波器20(编码前)(即，使频谱变平的滤波器)的顺序，而不会产生由于执行滤波的方式而带来的影响。

然而，如果低频抑制滤波器和第一滤波器交换位置，将因此调整低频分量重新进入的点。从而，如果第一滤波器和低频抑制器交换位置，则加法装置和第二滤波器的位置也应交换。

本领域的熟练技术人员可使用多项技术实现这里所述的实施方案，也可能有大量变体。例如，低频抑制器和第一滤波器可以合并。这种合并可以直接在检测器中，然而，在编码器中应注意合并滤波器的相位特性，因为滤波器频谱的低频分量会带来在音频信号中严重的可闻问题。

如图9所示的本发明的另一方案，涉及广播系统89，其被用于通过广播信道(如无线电，电缆或计算机网络)，将音频信号传输到一个或多个接收机装置。该广播系统包括用于接收来自一个或多个源的音频信号的输入部分80。该输入部分可以包括例如一个多路选择器，用于在两个或者多个可用输入信号之间选择性地切换。

输入部分将声音信号送入编码器模块81。编码器模块通过使用前述的编码方案之一对音频信号和辅助信息信号编码。通过广播系统生成或者通过外部源提供辅助信息信号。所产生的编码信号然后被传送到用于在通信信道上传输嵌入音频信号的输出部分。

如果广播系统为无线电广播系统，则输出模块83包括耦合到合适天线84的射频(RF)部分，用于调制并传输编码信号。该RF部分包括RF滤波，固定频率振荡器，调制器电路和通常包含在RF发射机中的其它元件。

已发送的编码音频信号可通过任何适当连接到通信信道的接收机进行接收。如图10中所示的合适的接收机99包括输入部分和解码器。输入部分91连接到通信信道，可接收并解调来自信道的信号。对于RF接收机，输入部分包括连接到由RF滤波器，固定频率振荡器，下变频电路和通常包含在无线电接收机RF部分中的其它元件组成的RF部分。输入部分为解码器92提供已解调的编码信号，后者提取编码信号中的辅助信息。该辅助信息94可通过显示单元提供给用户。输入部分91可独立地为其它电路提供输出95，如允许在扬声器上播放接收的音频材料。

可以理解，本发明为清楚起见在几个实施方案中描述的某些特征可在单个实施方案中合并。相反的，为简明起见，本发明在单个实施方案中描述的不同特征可单独提供或者以任意恰当的子组合提供。

本发明中所使用的“包括”和“具有/包含”是用来指明所记载的特征，整数，步骤或者组成的存在，但并不排除可以存在或添加一个或多个其他特征，整数，步骤或者组成。

应当指出，本发明不限于上述实施方案，在本发明附加权利的范围内，本领域的技术人员可设计多个其它实施方案。权利要求中圆括号之间提出的标记不可作限制本权利要求的解释。“包括”一词不排除所列举的权利要求中之外存在其它内容或步骤。本发明可通过包括不同元件的硬件和程序设计合适的计算机实现。在列举多个装置的装置权利要求中，可通过一个或相同的硬件进行嵌入这些装置。独立要求中叙述的某些措施可以合并利用。

Claims (14)

1.一种在主信号(1)中嵌入辅助信息(6)的方法，包括步骤：

滤波(2；20)主信号以产生修正信号(4；22)，

使用互相关技术以修正信号对辅助信息编码(5)，以生成编码信号，

其特征在于滤波步骤包括下列至少一个步骤：

a)使用低频抑制器来减小主信号中低频分量的幅值，以及

b)使用第一滤波器来减小主信号中主音频分量的幅值；

该方法还包括以下步骤：

在编码信号中增加(8；21)由滤波步骤减小过的分量的幅值，所用的方式是以下至少一种：

a)把消除的低频分量添加到编码后的修正信号中，以及

b)使用具有与所述第一滤波器相反特征的第二滤波器来增加先前被减少的主音频分量。

2.如权利要求1所述的方法，其中滤波步骤(2)包括使用第一滤波器来减小主音频分量，而增加主音频分量的幅值的步骤是使用第二滤波器来实现的。

3.如权利要求1所述的方法，其中滤波步骤(2；10)包括使用低频抑制器消除来自主信号(1)的低频分量，以及使用第一滤波器来减小主音频分量，而增加分量幅值的步骤是通过向编码信号中添加(8)所消除的低频分量实现的。

4.一种用于在主信号(1)中嵌入辅助信息的编码系统，包括：

滤波装置(2；20)，用于减小来自主信号的预定频率分量，以生成滤波主信号(4；22)，

编码装置(5)，用于使用互相关技术以滤波主信号编码辅助信息，以生成编码信号，

其特征在于所述编码系统还包括：

信号分量增加装置(8；21)，用于增加先前被减小的预定频率分量，

并且其中滤波装置包括以下至少之一：

a)用于减小主信号中低频分量的幅值的低频抑制器，以及

b)用于减小主音频分量的幅值的第一滤波器；

而且，其中所述信号分量增加装置包括以下至少之一：

a)把消除的低频分量添加到编码后的修正信号中的加法装置，以及

b)具有与所述第一滤波器相反特征、用以增加先前被减小的主音频分量的第二滤波器。

5.如权利要求4所述的编码系统，其中所述滤波装置(2；20)包括低通抑制器(2)，用于消除来自主信号(1)的低频分量，所述信号分量增加装置(8；21)包括加法装置(8)，用于将所消除的低频分量添加到编码信号(9)中。

6.如权利要求4所述的编码系统，其中所述滤波装置(2；20)包括第一滤波器(20)，该第一滤波器具有适于基本消除来自主信号(1)的主音频分量的滤波特性，而所述信号分量增加装置(8；21)包括第二滤波器(21)，该第二滤波器具有对应于第一滤波器的相反特性的滤波器特性。

7.一种传输系统(89)，包括：用于接收要广播的信号的输入部分(80)；如权利要求4所述的、用于从输入部分中接受要广播的信号并将其以辅助信息编码从而提供嵌入信号的编码系统(81)；以及适于在通信信道上传输该嵌入信号的输出部分(83)。

8.一种从嵌入主信号(9)中解码辅助信息的方法，包括步骤：

滤波包含嵌入辅助信息的主信号以生成修正信号，

使用互相关技术从该修正信号中解码辅助信息(13)，

其特征在于滤波(10；200)步骤包括下列至少一项：

a)使用低频抑制器来减小主信号中低频分量的幅值，以及

b)使用滤波器来减小主信号中主音频分量的幅值。

9.如权利要求8所述的方法，其中滤波(10；200)步骤包括使用所述滤波器来减小所述嵌入主信号中的主音频分量。

10.如权利要求8所述的方法，其中滤波(10；200)步骤包括使用低频抑制器来消除所述嵌入主信号中的低频分量。

11.一种用于消除嵌入在主信号(1)中的辅助信息(13)的解码系统，包括：

滤波装置(10；200)，用于减小包含嵌入辅助信息的主信号中的预定频率分量，

解码装置(12)，使用互相关技术从滤波后的主信号中提取辅助信息(13)，

其特征在于所述滤波装置包括以下至少一种：

a)用于减小主信号中低频分量的幅值的低频抑制器，以及

b)用于减小主信号中主音频分量的幅值的第一滤波器。

12.如权利要求11所述的解码系统，其中所述滤波装置(10；200)包括用于消除来自嵌入主信号的低频分量的低通抑制器(10)。

13.如权利要求11所述的解码系统，其中所述滤波装置包括第一滤波器装置(200)，该第一滤波器装置具有适于基本消除来自主信号的主音频分量的滤波特性。

14.一种接收机系统(99)，包括：适于从通信信道上接收嵌入信号的输入部分(91)、以及如权利要求11所述的连接到所述输入部分并适于从该嵌入信号中提取辅助信息的解码系统(92)。

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