CN101156207A - 在相位调制之前用水印进行编码 - Google Patents

Abstract

在水印系统中，黑客可以使用所谓的共谋攻击设法消除水印。如果攻击者访问具有不同水印的多个同样的信号(这通常出现在电子内容传递系统中)，则简单平均该信号将消除水印能量。对该问题已知的解决办法是相位调制。通过调制信号的相位，平均攻击将使得出现相位取消和引入烦人的干扰。在已有技术中，在水印嵌入之前，所述相位调制在基带域中执行。本发明使相位修改能有效地施加到转码信号，特别是DCT或者MDCT代码信号，例如MP3或者AAC音频信号、或者MPEG2视频信号。比特流被部分地解码(4)和重编码(7)。根据本发明，下面通过正向或者反向的(M)DCT变换算法(9)的适当修改版本执行相位修改。因此相位调制是解码处理(在水印嵌入之前)或者编码处理(在水印嵌入之后)的一个构成部分，其效率很高。相位调制由控制函数(5)提供的参数加以控制。

Description

在相位调制之前用水印进行编码

发明领域

本发明涉及用于对编码信号进行解码来生成解码相位调制信号的方法和设备。本发明还涉及用于编码信号的方法。

背景技术

众所周知，需要限制用户对存储在数字媒体上的数字数据进行复制的能力。这对于由版权法保护的、表示音乐或者视频内容的数据来说尤其正确。版权所有者渴望限制用户对这样的内容进行复制的能力以便保护合法销售的收入。

用于控制用户对诸如如上所述的数字数据进行复制的能力的一种已知方法是使用数字水印。在提供给用户的数字数据内嵌入数字水印，并且对于用户来说数字水印通常是不可见的。然而，提供数据给用户的软件能够检测到水印，因此水印能用于限制以各种方式对数据进行访问。另外，数字水印能用作防止未授权复制的手段。

近来，一些用户试图从数字数据中消除水印以便生成能够自由访问和复制的数据。如此去除数字水印显然是不希望的。

用于从数字信号中消除水印的一种已知的方法被称为“共谋攻击(collusion attack)”。这里，用户设法组合包括水印的多个信号，以企图消除水印。这些信号要么包括具有相同水印的不同源信号(例如不同的电影)，要么包括具有不同水印(或许用于不同用户)的相同信号(例如相同电影)。使用具有不同水印的两个或更多同样的源信号的共谋攻击通过对两个或更多信号进行求平均，来消除(或者至少减少)平均信号中的水印。

有多种已知的方法用于阻止对具有不同水印的同样源信号进行的共谋攻击。在US 6,145,081(Winograd等)中描述了一种这样的方法。这里，在嵌入水印之前，源信号是使用适当的参数进行了相位调制的。参数的选取使得，使用中的相位调制信号不能与源信号相区别。通过使用多个不同的参数组，使用单个源信号能够生成多个不同的相位调制信号。另外，参数的选取还使得，当使用不同相位调制信号进行涉及如上所述类型的共谋攻击的平均时，生成相位取消(cancellation)和不希望的干扰(artifact)。这使得所获取的信号归于无用。

虽然在US 6,145,081中描述的方法有效地阻止了共谋攻击，但是其只适用于基带源信号。例如它不能直接应用于比特流信号，诸如目前广泛使用的许多编码信号，诸如MP3音频和AAC音频。

发明内容

本发明实施例的目标是避免或者减轻以上提到的至少一些问题。

根据本发明，提供了一种用于对编码信号进行解码的方法和设备。该方法包括：接收编码信号；对编码信号进行解码，以生成相位修改解码信号。

通过对接收信号进行解码而产生的信号是用所述编码信号表示的源信号的相位修改版本，本发明能实现以上描述的与编码信号(诸如压缩域信号)有关的相位调制的优点。

解码可以包括接收编码信号的解码和变换域修改。优选地，在积分操作中实现解码和变换域修改。例如，解码功能核心输出相位调制解码信号的值。

由于与编码信号的解码相结合的变换域修改的影响，相位调制仅仅产生极小的附加开销，因此大大地提高了效率。

该方法还包括：接收控制信号；在解码中使用所述控制信号。更加具体地讲，可以使用控制信号控制所述接收信号的变换域修改来形成所述相位调制解码信号。使用适当的控制函数可以生成多个不同的控制信号。每个控制信号可以对接收信号施加不同的变换域修改。优选地，使用基本上不能区分的多个解码相位调制信号，其中的每一个信号是使用不同控制信号生成的。除此之外，优选地，多个解码相位调制信号当平均时产生相位取消，其中的每一个信号是使用不同控制信号生成的。

该方法还可以包括接收数字比特流数据和处理所述数字比特流来生成所述编码信号。该处理可以包括反量化。

该方法还可以包括：在所述相位修改解码信号中嵌入水印数据。

解码可以包括：对接收编码信号施加修改的离散余弦反变换(IMDCT)。

该方法还可以包括编码所述相位修改解码信号来生成修改编码信号，由此所述修改编码信号的解码版本是所述修改解码信号的相位调制版本。可以接收另一控制信号，例如可以在所述编码中使用另一控制信号来控制编码信号的修改。

可以处理相位调制编码信号来生成输出比特流。该处理可以包括量化。

以上陈述的方法可以与公开的国际专利申请WO2004/107316中描述的方法结合起来使用。即，解码器可以生成直接传递到编码器的中间数据，以便更高效率地对信号进行编码。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于对信号进行编码的方法，包括：接收所述信号；编码所述接收信号来生成修改编码信号，由此所述修改编码信号的解码生成所述信号的相位调制版本。

优选地，编码包括在积分操作中编码和修改所述接收信号。相位调制可以由编码函数的修改来实现。接收到的信号可以包括嵌入的水印。编码可以包括施加修改离散余弦变换到接收信号上。

以上陈述的方法可以使用适当编程的计算机实施。本发明还提供了计算机可读介质，其承载的计算机可读指令能使计算机执行以上陈述的任意方法。

本发明还提供了一种用于对信号进行解码和/或编码和相位调制的计算机设备。该计算机设备包括：含有处理器可读指令的程序存储器；用于读取和执行存储在所述程序存储器中的指令的处理器。该处理器可读指令包括能使处理器执行以上陈述的方法之一的指令。

附图说明

以下将参考附图，以举例的方式对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是用于在信号中嵌入水印的已有技术设备的示意图；

图2是根据本发明用于在信号中嵌入水印的设备的示意图；

图3是图2的设备更详细的示意图；

图4是示出如何组合经过处理的数据帧的示意图；

图5是本发明另一实施例的示意图；

图6是示出图2设备的另一实施方式的示意图；

图7是基于图5中所说明的本发明另一实施例的示意图。

具体实施方式

首先参考图1，说明用于在信号中嵌入水印的已知设备。源信号x输入到相位调制单元1，其操作由参数生成器2生成的参数加以控制。相位调制单元1根据由参数生成器生成的参数对源信号x进行相位调制，然后从相位调制单元1输出相位调制信号x′。

由相位调制单元1输出的相位调制信号x′输入到水印嵌入器3，水印嵌入器3能在相位调制信号x′内嵌入水印。在信号中嵌入水印是本领域众所周知的处理。输出信号y从水印嵌入器3输出。

参数生成器2能生成用于输入到相位调制单元1的多个不同的参数组。这意味着，两个同样的源信号x可以依靠从参数生成器2所接收的参数，由相位调制单元1用不同的方式进行相位调制。参数生成器生成的参数能使得，用该参数的相位调制将导致：在使用中，输入到相位调制单元1的源信号和从相位调制单元1输出的信号之间没有明显的区别。因此，如果输入到相位调制单元1的源信号x是声音信号，则对于听者来说，输出信号x′的声音将和输入信号x相同。

然而，参数生成器还能生成多个参数组，当使用不同的参数组生成的相位调制信号组合在一起时，将导致产生很不希望的干扰。因此，如果具有不同水印的多个同样的源信号不能组合在一起，从而无法在不大大地降低源信号的情况下消除水印，那么，企图从信号中消除水印的共谋攻击将失败。

图2说明根据本发明的设备。图2的设备能在诸如压缩域信号之类的编码信号内嵌入水印。设备可以适用于包括压缩域格式信号，诸如MPEG视频、MP3音频、或者高级音频编码(Advanced AudioCoding：AAC)音频的任意编码信号。该方法同样适用于其它编码信号，这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。

参考图2，输入数字比特流信号b_x被输入到解码器4，解码器4能对接收比特流进行解码，从而输出基带信号。解码器4接收由控制函数5生成的控制信号。除对接收信号b_x解码之外，解码器4还根据由控制函数5生成的控制信号施加相位调制到接收信号上。因此，解码器4输出的信号既需要进行解码还需要进行相位调制，下面将更详细描述这一点。

控制函数生成器5生成控制信号，以使得发生相位调制，由此共谋多个信号以消除水印的任意企图将导致内容的明显降级。以下将对合适的控制函数进行更详细地描述。

由解码器4输出的解码相位调制信号输入到水印嵌入器6，水印嵌入器6能在信号内嵌入水印数据。在信号内嵌入水印在本领域是众所周知的，因此在这里没有必要对在信号中嵌入水印的处理进行更详细地描述。水印嵌入器6输出的接收信号另外还包括合适的水印，然后传递该信号到编码器7，编码器7能将信号编码成适当的压缩域格式，以便输出比特流b_y。

在描述的实施例中，解码器4使用修改的离散余弦反变换(IMDCT)工作，而编码器7使用修改的离散余弦变换(MDCT)工作。这些变换在本领域是众所周知的，用于以AAC格式对数据分别进行解码和编码。

图3对图2中示出的设备进行更详细地说明。可以看出，解码器4包括反量化器8和IMDCT模块9。水印嵌入器6和编码器7与以上关于图2的描述相同。

反量化器8获得比特流b_x，然后输出MDCT编码信号X，并将其输入到IMDCT模块9。反量化器8的操作对于一个本领域普通技术人员来说是众所周知的，因此这里没有必要对其进行更详细地描述。

IMDCT用公式(1)定义：

$x\left[n\right]=f\left[n\right]\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left[k\right]\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2N}(2n+1+\frac{N}{2})(2k+1)\right)---\left(1\right)$

其中：

n＝0，...，N-1；

X[k]是从反量化器8输出的信号，是针对k＝1，...，N/2(即输入编码信号)而定义的；

f[n]是窗口函数，例如， $f\left[n\right]=\sin \left(\mathrm{\π}\frac{n}{N}\right);$

x是从IMDCT输出的信号。

在图3的设备中，修改用如上公式(1)定义的IMDCT，以便使相位调制输出时间域信号x得以生成。即，图3的IMDCT模块9根据以下陈述的公式(2)工作：

$x[n-\mathrm{\τ}[n\left]\right]=f[n-\mathrm{\τ}[n\left]\right]\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left[k\right]\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2N}(2n-2\mathrm{\τ}[n]+1+\frac{N}{2})(2k+1)\right)---\left(2\right)$

其中：

n，X[k]和x与公式1所定义的相同；

τ[n]是由控制函数生成器5生成的控制信号，其用于引起输出信号的相位调制。

控制信号τ[n]使用所选取的控制函数生成，因此在使用中相位调制信号不能与源信号区别开或者几乎不能区别开。除此之外，当两个不同相位调制信号进行组合时，将导致最大可能的失真，从而防止对信号进行组合来消除水印。能达到这些目标的一个控制函数由公式(3)表示：

τ[n]＝δ+Asin(2πf_mn+)    (3)

其中：

δ是恒定的时延；

A是与调制相关联的幅度；

f_m是与调制相关联的频率；

是与调制相关联的相移；

公式(3)中的参数A和f_m直接与音质有关，因此必须谨慎选取。例如，对具有基频f_c的正弦波施加如由公式(3)表示的调制将会在位置f_c+n·f_m处引入频率分量，在该位置，分量根据贝塞尔函数加权。如果f_m是低频(大约1Hz)，则由调制处理所添加的能量将集中在f_c附近，在音频应用中这样的能量对于用户来说是不易察觉的。

相反，参数仅仅改变调制的起始点，因此对音质没有影响。从而，参数能够自由地改变来生成不同的相位调制信号，而不会影响音质。然而参数的值之间的区别应当大到足以在组合不同的相位调制信号时会导致失真。

因此可以看出，对于图3的设备的所有操作，参数δ、A、和f_m通常将保持恒定，而参数将改变，以便生成不同的控制函数，从而导致不同的相位调制。

已经使用图3中示出的设备进行了多次实验。使用解码器4解码具有44.1kHz采样频率的音频信号。控制函数5是公式(3)中的控制函数，并且配置该控制函数为δ＝0，A＝5，和f_m＝1Hz。改变以便提供变化的控制信号来导致不同的相位调制。因此，得出的结论是：参数值之间的区别大于π/15时会导致难以重建，因此对共谋攻击的弹性好。从而，使用根据公式(3)的控制函数，图3的设备能够生成30个不同于单个源信号的相位调制信号。使用任意两个不同的相位调制信号来消除水印，都不会达到可接受的结果。

应该注意的是，如果要求从单个输入信号中生成多于30个的相位调制信号，则可以改变在公式(3)中使用的其它参数。然而如上所述，必须谨慎改变这些参数以确保不会对信号质量产生不利影响。

还应该注意的是，公式(3)的函数仅仅是示例性的，而其它函数也能够使用。任意这样的函数都应该平滑到足以避免音频失真。

AAC编码(与其它类似的编码相同)在帧的基础上操作。这产生了在信号处理期间的各种结果，其对于那些本领域普通技术人员来说将是已知的。虽然边界效应可能有问题，但是它们只在编码的开始和结束时出现，因此仅仅产生有限的影响。然而，使用以上描述的解码器，根据公式(2)的操作，图3将意味着，边界效应出现在每一帧的边界处，因此每N/2个样本生成不利的影响。该潜在的问题能够使用如图4所述的方法来克服。

这里三帧A、B、C中的每一帧的长度都已经加倍为N个样本长，由此每一帧与另一帧重叠。这样，在重建信号的生成过程中不需要使用每一帧的第一个和最后一个样本，如图4所示。

在本发明的优选实施例中，仅仅施加小的相位调制，这意味着仅仅少量样本将受边界效应的影响。例如，使用由公式(3)的控制函数生成的控制信号，仅仅(δ+A)个样本受影响。无论δ和A选取何值，受影响的样本数相对于帧的长度(通常地，N＝2048)来说将是很少的。因此能够使用适当的成形函数来确保边界样本对信号质量产生的影响几乎可以忽略。因此，本发明提出的相位调制所引入的任意干扰将对信号质量没有可察觉的影响。

以上描述的本发明的实施例将相位调制加入到IMDCT操作中，以便生成能够将水印嵌入其中的相位调制信号。在图5中示出本发明另一实施例。在图2、3和5中，相同标记指的是相同部件。

参考图5可以看出，所说明的设备包括解码器10，其实施如以上公式(1)所定义的IMDCT。解码器10接收AAC数据的比特流并且输出依次输入到水印嵌入器6的解码信号x，水印嵌入器6的作用在上上面已经描述。水印嵌入器6输出信号y，后者是通过施加水印到接收的信号x上所生成的信号。

然后信号y输入到编码器11。编码器11包括MDCT模块12和量化器13。编码器11接收由控制函数14生成的控制信号。MDCT模块12施加MDCT到输入信号上，另外还施加相位调制到输入信号上。

MDCT用公式(4)定义：

$Y\left[k\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left[n\right]y\left[n\right]\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2N}(2n+1+\frac{N}{2})(2k+1)\right)---\left(4\right)$

其中：

$k=0,...,\frac{N}{2}-1;$

f[n]是适当的窗口函数，例如公式(1)所定义的窗口函数；

Y是从MDCT输出的信号；

y是从水印嵌入器6输入到编码器11的信号。

然而，MDCT模块12使用修改系数来施加MDCT，由此重建出来的时间信号是原始编码信号的相位调制版本。因此，MDCT模块12的操作由公式(5)表示：

$Y\left[k\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left[n\right]y[n-\mathrm{\τ}[n\left]\right]\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2N}(2n+1+\frac{N}{2})(2k+1)\right)---\left(5\right)$

其中：

k，Y，和y与公式(4)所定义的相同；

τ[n]是由控制函数14生成的控制信号，其用于使输出信号发生相位调制。

应该注意的是，τ[n]是慢变函数，其在一帧内几乎保持为常数。因此τ[n]函数值可以用常数τ代替。

如果定义变量m为m＝n-τ，则可以改写公式(5)为：

$Y\left[k\right]=\underset{m=-\mathrm{\τ}}{\overset{N-\mathrm{\τ}-1}{\mathrm{\Σ}}}f[m+\mathrm{\τ}]y\left[m\right]\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2N}(2m+2\mathrm{\τ}+1+\frac{N}{2})(2k+1)\right)---\left(6\right)$

从MDCT块12输出的信号Y输入到量化器13，量化器13能生成输出比特流b_y。量化器的操作对于一个本领域普通技术人员来说将是众所周知的。

以上参照图2和3以及公式(2)描述的本发明的实施例在解码器内施加相位调制。以上参照图5以及公式(5)和(6)描述的本发明的实施例在编码器内施加相位调制。应该理解的是，可以通过在本发明的一些实施例中组合解码器和编码器来施加相位调制。

图6基于图3所述而示出本发明另一实施例。这里，输入比特流b_x再次输入到解码器4。然而解码器4包括用于生成对编码有用的数据的预处理模块15，所述数据沿着线16直接传递到编码器7。解码器还包括反量化器8和IMDCT块9。预处理器5能够更加高效地执行由编码器7执行的编码，而无需优化比特流参数。这样的预处理实施方式在公开的国际专利申请WO2004/107316中进行了描述，这里将其内容以引用方式加入。该文件描述这样的系统：预处理器将接收比特流划分为子信号，仅仅传递需要的子信号到水印嵌入器，其它子信号从预处理器直接传递到编码器。应该理解的是，这样的方法大大地提高了效率。

下面参考图7，基于图5所示而说明本发明另一实施例。这里，编码器11还包括MDCT模块12和量化器13。然而可以看出，量化器13的操作受直接从解码器16接收的数据的影响。霍夫曼编码(Hoffman coding)模块17也受该直接接收的数据的影响。即，编码器11可以使用从解码器10直接接收的数据来更加高效地编码数据。

虽然以上已经描述了本发明优选的实施例，但是应该理解的是，可以对这些实施例进行各种修改，这并不违背附加权利要求的范围。

本发明总结如下。在水印系统中，黑客(hacker)可能会使用所谓的共谋攻击来设法消除水印。如果攻击者能得到具有不同水印的多个同样信号(这通常出现在电子内容传递系统中)，则简单地平均这些信号就将消除水印能量。对该问题已知的解决办法是相位调制。通过调制信号的相位，平均攻击将使相位取消出现以及引进烦人的干扰。在已有技术中，在水印嵌入之前，在基带域中执行所述相位调制。

本发明使相位修改能高效地施加到变换代码信号，特别是DCT或者MDCT代码信号，例如MP3或者AAC音频信号、或者MPEG2视频信号。比特流被部分地解码(4)和重编码(7)。根据本发明，现在通过前向或者反向(M)DCT变换算法(9)的适当修改版本执行相位修改。因此相位调制是解码处理(在水印嵌入之前)或者编码处理(在水印嵌入之后)的构成部分，其效率很高。相位调制由控制函数(5)提供的参数加以控制。

Claims (22)

1.一种用于对编码信号进行解码的方法，包括：

接收所述编码信号(X)；

对所述接收的编码信号(X)进行解码，以形成相位调制解码信号(x)。

2.权利要求1的方法，其中所述解码包括：

在积分操作(9)中对所述接收的编码信号(X)进行解码和变换域修改，以形成所述相位调制解码信号。

3.权利要求1或2的方法，其中控制信号用于控制所述接收编码信号(X)的所述变换域修改，以形成所述相位调制解码信号(x)。

4.权利要求3的方法，还包括：

使用控制函数(5)生成多个控制信号，每个控制信号对所述接收信号(X)施加不同的变换域修改，以生成不同的相位调制解码信号(x)。

5.权利要求4的方法，其中所述控制函数具有下列形式：

τ[n]＝δ+Asin(2πf_mn+)

其中：δ是恒定的时延；

A是与该调制相关联的幅度；

f_m是与该调制相关联的频率；

是与该调制相关联的相移。

6.权利要求5的方法，其中通过保持δ、A和f_m值为恒定、同时改变值来生成多个不同的控制信号。

7.前述任意一项权利要求的方法，还包括：

接收数字比特流数据(b_x)；

反量化所述比特流数据，以生成所述编码信号(X)。

8.前述任意一项权利要求的方法，还包括：

在所述相位修改解码信号(x)中嵌入水印数据。

9.前述任意一项权利要求的方法，其中所述解码包括：

对所述接收编码信号(X)施加离散余弦反变换或者修改的离散余弦反变换。

10.前述任意一项权利要求的方法，还包括：

对所述相位修改解码信号(y)进行编码，以生成编码信号(Y)。

11.权利要求10的方法，还包括：

预处理所述接收编码信号(X)，以生成中间数据；

将所述中间数据用于所述对所述相位修改解码信号(y)进行编码。

12.一种计算机可读介质，其承载的计算机可读指令使得计算机执行前述任意一项权利要求的方法。

13.一种用于对编码信号进行解码和修改的计算机设备，包括：

含有处理器可读指令的程序存储器；

用于读取和执行存储在所述程序存储器中的指令的处理器；

其中所述处理器可读指令包括用于使得所述处理器执行权利要求1至11任何之一的方法的指令。

14.一种用于对信号进行编码的方法，包括：

接收所述信号(y)；

编码所述接收信号(y)，以生成修改编码信号(Y)，由此使所述修改编码信号(Y)的解码生成所述信号(y)的相位调制版本。

15.权利要求14的方法，其中所述编码包括：

在积分操作(12)中对所述接收信号(y)进行编码和修改。

16.权利要求15的方法，其中控制信号用来控制所述接收信号(y)的所述修改。

17.权利要求16的方法，还包括：

使用控制函数(14)生成多个控制信号，每个控制信号对所述接收信号(y)施加不同的修改。

18.权利要求14至17任意之一的方法，其中所述编码包括：

对所述接收信号(y)施加离散余弦变换或修改的离散余弦变换。

19.一种计算机可读介质，其承载的计算机可读指令使得计算机执行权利要求14至18任意之一的方法。

20.一种用于对信号进行编码和相位调制的计算机设备，包括：

含有处理器可读指令的程序存储器；

用于读取和执行存储在所述程序存储器中的指令的处理器；

其中所述处理器可读指令包括用于使所述处理器执行权利要求14至18任意之一的方法的指令。

21.用于对编码信号进行解码的设备，包括：

用于接收所述编码信号(X)的模块；

用于对所述接收信号(X)进行解码来生成相位调制解码信号(x)的模块(9)。

22.用于对信号进行编码的设备，包括：

用于接收所述信号(y)的模块；

用于对所述接收信号(y)进行编码来生成修改编码信号(Y)以使所述修改编码信号(Y)的解码生成所述信号(y)的相位调制版本的模块(12)。

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