CN101405804A - 用于使两个数据段相关的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

对音频信号添加水印是为了以音频内容不能被人的听觉系统辨认的方式处理音频信号。通过与相应候选参考序列相关，根据接收到的添加水印后的音频信号来对水印数据进行解码。在编码器中将一个或更多个同步符号(S1、S2、S3)两次嵌入到水印数据帧中。此后，计算循环相关而不是标准相关。

Description

用于使两个数据段相关的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于使两个数据段相关的一种方法和一种装置。这种相关可在音频水印解码中使用。
背景技术
给音频信号加水印是为了以音频内容中的变化不被人的听觉系统辨认的方式来处理音频信号。大多数音频水印添加技术将覆盖音频信号全部频谱的扩频信号添加到原始音频信号，或将以扩频信号调制的一个或更多个载波插入原始音频信号中。在多多少少都能听见的程度上，而且以或多或少鲁棒的方式，有多种水印添加的可能。当前最主要的技术使用心理声学成形的扩频技术，例如参见WO-A-97/33391和US-A-6061793。虽然该技术的鲁棒性未达到最优，但该技术提供了能听度与鲁棒性之间良好的折衷。
诸如在US-A-2005/0033579以及EP 05090261.8中所公开的扩频或相位成形之类的许多音频水印添加技术使用与参考序列的相关以用于在解码器中检测。通过增加参考序列的长度来提高水印的鲁棒性。
发明内容
然而，当增加参考序列长度时，相关所需要的存储器和处理能力高于正常比例地增大。这导致了对应的水印检测器的硬件成本升高。
本发明要解决的问题是减小所需要的存储器规模和所需要的处理能力。该问题由权利要求1中公开的方法来解决。利用该方法的装置在权利要求5中公开。
本发明的大体思想是在编码器一侧将水印符号两次(或更多次)嵌入原始音频(或视频)信号中，并在对应的解码器中使用循环相关而不是水印解码的标准相关。通过使接收到的音频信号与对应的(例如反变换后的)候选参考序列相关来对水印添加后的音频信号进行解码。
缺点是水印系统的水印信息数据速率稍有降低。然而，本发明以大于2的因数减小了所需要的存储器规模并以大于8的因数减小了所需要的处理能力。
原则上，本发明的方法适合于使具有给定长度N的、包含至少一个数据信号段在内的接收到的数据帧的一部分与具有所述给定长度N的参考数据段相关，其中以连续方式至少两次在所述数据帧中布置了所述至少一个数据信号段，所述方法包括以下步骤：
-使用循环相关，使所述参考数据段与第一个接收到的所述连续数据信号段的至少第二部分相关并与跟随所述第一个接收到的数据信号段之后的重复数据信号段的对应第一部分相关；
-根据所得到的相关值是大于预定阈值还是小于或等于所述预定阈值的负值，将第一比特值或不同于所述第一比特值的第二比特值分配给所述相关值。
本发明的有利的附加实施例在各从属权利要求中公开。
附图说明
参考附图描述本发明的典型实施例，附图中：
图1示出了典型水印数据帧；
图2示出了对参考序列和对应的同步符号进行移位的示例；
图3示出了在编码器中两次嵌入一个或更多个同步序列的图1的数据帧；
图4示出了不相关的第一个同步符号的一部分恰好与相关的第二个同步符号的一部分相同；
图5示出了水印编码器和解码器的示例框图。
具体实施方式
诸如在EP 05090261.8中描述的扩频或相位成形之类的许多音频水印添加技术将某种参考信号嵌入载波信号中。如果使用二进制移相键控(BPSK)，序列的极性对比特值进行编码。对于移码键控(CSK)，对于不同值的发送的比特值，使用不同的序列。如果水印消息包括多于一个比特，则将比特组合成数据帧，如图1中的典型数据帧中所示，所述帧以一个或更多个同步符号S1、S2和S3开始，后面跟随多个有效载荷符号Pld1至Pld5。这些有效载荷符号携带水印数据并可选地携带用于误差校正的奇偶校验数据。通常将水印数据帧连续地插入，即在当前数据帧的最后一个有效载荷符号之后，跟随的数据帧以该帧的同步符号开始。
使用相关来执行对有效载荷符号的解码。例如如果使用BPSK，a_w表示音频样本向量且r表示长度为N的参考向量。相关值C计算如下：
C＝Sum i＝1，i＜＝N a_w(i)*r(i)，
即对于i从1到N将乘积a_w(i)*r(i)的所有值相加。如果C＞0，则对“0”值水印比特进行解码，否则对“1”值水印比特进行解码。备选地，如果C＞TH，则对第一个水印比特值进行解码，且如果C＜TH，则对第二水印比特值进行解码，其中TH是预定阈值。
该相关计算仅在a_w和r已同步的情况下是可能的。如果他们移位了一个或更多个样本，则执行以下计算：
For k＝1，k＜N：C(k)＝Sum i＝1，i＜＝N a_w(i-k)*r(i)
可以通过寻找相关向量C中最大值的位置来得到a_w与r之间的偏移量。
图2示出了参考序列R1和对应的同步符号S1移位了大约N/4的示例。因此，相关的输入向量为R1、S1的对应的第二部分和S2的对应的第一部分。
上述计算需要N*N次乘法，对应于O(N2)的量级。已知有一种快速的方法用于通过使用FFT来计算相关：
C＝IFFT(FFT(a0_w)*conj(FFT(r0)))
其中a0_w是前N项等于a_w的项以及跟随的N-1项由零构成的向量。r0是r以同样的方式补零的形式。该算法的量级为O(log(2*N)*2*N)。有利地，对于N为大值的情况，基于FFT的方法比直接计算方法快得多。
本发明的改进之处包括以下两个步骤。首先，在编码器中两次嵌入所述一个或更多个同步符号或序列S1至S3，如图3所示。在该示例中，在编码器或发射机一侧，将同步符号S1和S2两次嵌入(水印)数据帧中。由于第一个符号用于水印数据帧的同步，所以不必使每个信号都双份。如果序列(即数据帧)是同步的，则没有必要执行全相关(full correlation)。
其次，对于实现同步而言，在解码器或接收机一侧计算循环相关而不是计算标准相关。由下式计算循环相关：
C＝IFFT(FFT(a_w)*conj(FFT(r)))
不相关的第一个S1符号的该部分恰好与相关的第二个S1符号的对应部分相同，见图4。
这就是可以使用循环相关而不是标准相关的原因。有利地，由于没有使用补零，所以该计算的量级是O(log(N)*N)，即该计算比计算标准相关时快两倍并仅需要大约一半的存储器规模。
如果没有检测到明确的相关值，则将会对几个样本之后的位置再次计算相关。如果使用标准相关，则两个相关之间的距离不应太长，这是因为信号与参考之间失步较长时，相关值减小。例如，对于长度N＝4096的相关，两个相关之间的距离d不应比d＝1024更长。有利地，如果使用本发明的处理，则相关值不会减小，即两个相关之间的距离可以是整个相关长度，即对于长度N＝4096的相关，距离可以是d＝4096。因此，本发明的同步处理以大于2的因数降低了RAM的需要，并以大于8的因数降低了MIPS的需要。
本发明可应用于例如水印添加系统，如图5中所示。在编码器一侧，将原始音频输入信号AUI(逐个帧或逐个块)馈入相位改变模块PHCHM以及心理声学计算器PSYA，在所述心里声学计算器PSYA中确定音频输入信号的当前心理声学属性，且所述心理声学计算器PSYA控制允许级PHCHM向音频信号的相位分配水印信息的频率范围和/或时间。在频域中执行级PHCHM中的相位修改，并在修改后的音频信号被输出之前将修改后的音频信号变换回时域。可以分别使用FFT和逆FFT来执行这些向频域和向时域的变换。根据在扩频级SPRSEQ中存储的或产生的扩频序列(例如m序列)的相位，在级PHCHM中处理音频信号的对应的相位段。诸如有效载荷数据PD之类的水印信息馈入对应地控制级SPRSEQ的比特值调制级BVMOD。在级BVMOD中，使用PD数据的当前比特值来调制级SPRSEQ中的编码器伪噪声序列。例如，如果当前比特值是“1”，则编码器伪噪声序列保持不变，而如果当前比特值等于“0”，则反转编码器伪噪声序列。该序列由“随机”分布的值构成，可对应于图3的结构，并可具有与音频信号帧相对应的长度。相位改变模块PHCHM输出对应的水印添加后的音频信号WMAU。
在解码器一侧，水印添加后的音频信号WMAU(逐个帧或逐个块)经过相关器CORR，在所述相关器CORR中使该信号的相位与一个或更多个如下序列相关，即例如在解码器扩展序列级DSPRSEQ中存储或产生的候选解码器扩展序列或伪噪声序列(在编码器中使用的两者中的一个)的频域到时域的变换形式。相关器提供对应的水印输出信号WMO的比特值。
本发明可应用于所有使用相关以用于检测的技术中，且在本发明中可以改变嵌入处理以便将参考信号嵌入两次。

Claims (5)

1.一种用于使具有给定长度N的、包含至少一个数据信号段(S1)的接收到的数据帧的一部分与具有所述给定长度N的参考数据段(R1)相关的方法，其中以连续方式至少两次在所述数据帧中布置所述至少一个数据信号段(S1)，所述方法包括以下步骤：
-使用循环相关，使所述参考数据段(R1)与第一个接收到的连续数据信号段(S1)的至少第二部分相关以及与跟随所述第一个接收到的数据信号段之后的重复数据信号段(S1)的对应第一部分相关(CORR)；
-根据所得到的相关值是大于预定阈值还是小于或等于所述预定阈值的负值，将第一比特值或不同于所述第一比特值的第二比特值分配给所述相关值(WMO)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述数据帧包含水印数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其中数据帧包括一个或更多个同步符号(S1、S2、S3)和一个或更多个有效载荷符号(Pld1-Pld5)，以及在数据帧中所述同步符号中的至少一个(S1、S2)重复至少一次。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中通过计算下式来执行所述相关(CORR)
C＝IFFT(FFT(a_w)*conj(FFT(r)))，
其中C是所述相关值，r是所述参考数据段(R1)，a_w是要与所述参考数据段r相关的所述接收到的数据帧的对应段。
5.一种适于执行根据权利要求1至4中任意一项所述的方法的装置。
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