CN105244033B - 用于数字水印的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于数字水印的系统和方法。特别地，公开了一种用于数字水印的系统，适于向信号源所产生的音频信号添加水印。该系统包括：频谱调制器，配置用于对将要嵌入音频信号的水印比特和伪噪声信号进行频谱调制以生成经调制信号；失真控制器，耦合至信号源和频谱调制器，配置用于根据音频信号对经调制信号进行整形，以生成满足预定失真约束的经整形信号；以及干扰补偿器，耦合至信号源和失真控制器，配置用于根据音频信号、伪噪声信号和经整形信号生成补偿信号，其中补偿信号用于补偿音频信号对水印解码的干扰。还公开了相应的方法。

Description

用于数字水印的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及数字信号处理领域，更具体地，涉及用于数字水印的系统和方法。

背景技术

近年来，数字水印技术已经被广泛应用于多媒体数字信号的版权保护、发布控制、一致性校验、广播监控、数据隐藏等领域。数字水印技术的基本思想是：向图像、图形、音频和/或视频之类的数字多媒体信号中添加称为水印的信息，以便在将来用于各种验证目的。水印充实质上是一种隐藏在主多媒体信号中的数字签名，提供了关于主多媒体信号的所有权或者使用权限等信息。

从数字水印的提取和检测看，数字水印技术可以被划分为非盲水印技术、半盲水印技术和盲水印技术。非盲水印技术在提取和解码时需要原始多媒体信息和所添加的参考信号(例如，伪噪声序列)；半盲水印技术在提取时需要参考信号和生成该参考信号的密钥；盲水印技术在提取时仅需要密钥。

在针对音频的数字水印技术中，基于扩频(Spread Spectrum，SS)调制的数字水印是一种已知的盲水印技术。然而，传统上基于SS的水印仅考虑了攻击噪声对水印解码的影响，忽略了主音频信号本身对于水印解码的干扰，这可能导致误码率的增高。而且，为了降低水印给主音频信号造成的听觉失真，水印嵌入方经常对所使用的参考信号进行频谱处理。这使得执行盲检的数字水印解码器难以准确地恢复出水印嵌入方所使用的参考信号。换言之，水印嵌入方与解码方之间存在着参考信号失配，这导致了解码性能的降低。

因此，本领域中需要一种更为准确和鲁棒的数字音频水印技术。

发明内容

为了解决本领域中的上述问题以及其他问题，本发明提供一种用于数字水印的系统和方法。

在本发明的一个方面，提供一种用于数字水印的系统，适于向信号源所产生的音频信号添加水印。该系统包括：频谱调制器，配置用于对将要嵌入音频信号的水印比特和伪噪声信号进行频谱调制以生成经调制信号；失真控制器，耦合至信号源和频谱调制器，配置用于根据音频信号对经调制信号进行整形，以生成满足预定失真约束的经整形信号；以及干扰补偿器，耦合至信号源和失真控制器，配置用于根据音频信号、伪噪声信号和经整形信号生成补偿信号，其中补偿信号用于补偿音频信号对水印解码的干扰。

在本发明的另一方面，提供一种用于数字水印的方法，适于向信号源所产生的音频信号添加水印。该方法包括：对将要嵌入音频信号的水印比特和伪噪声信号进行频谱调制以生成经调制信号；根据音频信号对经调制信号进行整形以生成满足预定失真约束的经整形信号；以及根据音频信号、伪噪声信号和经整形信号生成补偿信号，其中补偿信号用于补偿音频信号对水印解码的干扰。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施例，其中：

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的用于数字水印的系统100的示意性结构框图；

图2示出了根据本发明另一示例性实施例的用于数字水印的系统200的示例性结构框图；以及

图3示出了根据本发明一个示例性实施例的用于数字水印的方法300的流程图。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

总体上，根据本发明的实施例，为了尽可能地降低作为信号载体的主音频信号对于水印解码的干扰，在水印嵌入方生成补偿信号以便这种干扰进行补偿。由此，可以有效地降低水印解码方的误码率。而且，为了克服水印嵌入方对参考信号进行的失真控制处理给水印解码带来的不利影响，在本发明的实施例中，在生成上述补偿信号时不仅考虑主音频信号和原始伪噪声信号，而且还将经过调制和整形的伪噪声信号纳入考虑。以此方式，能够确保在水印解码方恢复的伪噪声信号与嵌入方相匹配，从而进一步降低水印解码的误码率。

下面将参考附图中示出的若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。

请注意，在下文描述中使用的术语“耦合”用于限定两个部件之间的连接关系。例如，“部件A耦合至部件B”是指部件A通过任何适当的方式与部件B连接或者通信。经耦合的部件A和B可以在彼此之间单向或者双向传递信号或数据。“耦合”既包括直接耦合(即，部件A与部件B之间不存在另一部件C)，也包括间接耦合(即，部件A耦合至另一部件C，部件C转而耦合至部件B)。

另外，在附图中，部件之间的带有指向的连线意在表示信息或者信号在所耦合的部件之间的流动方向，并非以任何方式限制部件之间的耦合方式。而且，在下文描述中，信号可以表示为向量的形式，这是本领域中常用的。

首先参考图1，其示出了根据本发明一个示例性实施例的用于数字水印的系统100的示意性结构框图。

如图所示，数字水印系统100包括频谱调制器102。频谱调制器102配置用于对伪噪声(pseudo noise，PN)信号(记为u)和将要嵌入音频信号(记为x)的水印比特(记为b)进行频谱调制，以生成经调制信号(记为bu)。

根据本发明的实施例，音频信号x可以由任何适当的一个或多个信号源(在图1中未被示出)产生。信号源可以是系统100的一个组成部分，也可以是独立于系统100的独立部件，本发明的范围在此方面不受限制。

PN信号u例如可以是具有特定数目的比特序列，该序列中的比特的平均值为零，并且每个比特的值是+σ_u或者-σ_u。PN信号可以由专门的PN生成器在密钥的控制下生成。根据本发明的实施例，PN生成器可以是频谱调制器102的一部分，也可以是与之分离的独立部件，本发明的范围在此方面不受限制。在此方面，下文将参考图2描述一个示例性实施例。

根据本发明的实施例，频谱调制器102利用水印比特b对PN信号进行调制。水印比特b是要嵌入音频信号x的双极比特，即，其值等于+1或者-1。根据本发明的实施例，水印比特b可以由系统100中的部件生成，或者由独立于系统100的其他部件生成，本发明的范围在此方面不受限制。

根据本发明的某些实施例，频谱调制器102可以通过将水印比特b与PN信号u相乘来实现扩频调制，以生成经调制信号bu。其他实施例也是本领域技术人员能够想到的，本发明的范围在此方面不受限制。

频谱调制器102生成的经调制信号bu被输出到系统100中的失真控制器104以进行失真控制。如图1所示，失真控制器104耦合至产生音频信号x的信号源(未被示出)和频谱调制器102。在操作中，失真控制器104可以接收来自信号源的音频信号x以及来自频谱调制器102的经调制信号bu。失真控制器104配置用于根据音频信号x对所述经调制信号bu进行整形，以生成满足预定失真约束的经整形信号(记为bu_p)。

可以理解，在向原始音频信号x添加水印之后，将会导致该音频在听觉上发生一定程度的失真。失真控制器104可以通过对经调制信号bu进行整形而将这种失真控制在可接受的范围之内。具体而言，失真控制器104可以基于音频信号x的特性修改和调整经调制信号bu的频谱特征，使得整形后的信号bu_p在频谱和其他声学特性上满足预定的约束。以此方式，可以将由添加水印而引起的原始音频信号的失真被控制在用户不易察觉或者可接受的限度内。

本领域中已知各种用于在约束控制下在音频信号中遮蔽失真的方法。例如，失真约束例如可以是一组遮蔽阈值。遮蔽阈值可以通过适当的方式生成，例如基于统计的经验值、人工设定或者通过各种声学模型生成。作为示例，下文将在结合图2描述的实施例中详述例如基于声学心理模型的掩码。备选地或附加地，用于对音频信号进行编码的音频编码器的量化噪声也可以作为失真约束。相应地，失真控制器104可以对经调制信号bu进行整形，使得所生成的经整形信号bu_p的功率谱与音频编码器的量化噪声保持一致。由此，可以保证嵌入的水印比特的功率低于音频信号本身。请注意，在此描述的几个失真约束仅仅是示例性的，任何目前已知或者将来开发的失真约束和相应的失真控制方法均可与本发明的实施例结合使用。

由失真控制器104生成的经整形信号bu_p被馈送给干扰补偿器106。如图1所示，系统100中的干扰补偿器106耦合至信号源(图1中未被示出)和失真控制器104。此外，干扰补偿器106还可以接收PN信号u。根据本发明的实施例，干扰补偿器106配置用于根据音频信号x、PN信号u和经整形信号bu_p生成补偿信号(记为y)。在生成作为结果的带水印音频信号(记为s)中，该补偿信号用于补偿音频信号x对将来在水印解码方执行的水印解码的潜在干扰。

在传统SS水印技术中，仅考虑攻击噪声对水印解码的影响，没有解决主音频信号本身对水印解码的干扰。更具体地，在传统SS水印技术中，结果信号s通常被计算为：

s＝x+bu

然而在实践中，主音频信号通常远强于攻击噪声。因此音频信号本身对水印解码的干扰往往是主导性的。不仅如此，由于在添加水印的过程中使用的是经过调制和整形的PN信号bu_p，因此传统SS水印技术无法消除频谱整形给水印解码带来的影响。换言之，在水印解码方恢复的参考信号与水印嵌入方所使用的参考信号不匹配。

为解决上述问题，根据本发明的实施例，在干扰补偿器106生成的补偿信号中，主音频信号对水印解码的干扰将在水印嵌入方被移除。例如，如果将主音频信号对水印解码的这一干扰表示为x，则补偿信号可以计算为：

y＝zu_p。

相应地，最终信号s可以如下计算：

s＝x+αbu_p-y＝x+αbu_p-xu_p＝x+(αb-x)u_p

其中α是控制嵌入失真的参数。以此方式，主音频信号给水印解码带来的干扰x在嵌入方得到了补偿。以此方式，可以有效降低水印解码方的误码率。

而且，可以看到，在干扰补偿器106计算主音频信号干扰x时，不仅将考虑主音频信号x和PN信号u的特性，而且还将经整形信号bu_p的主信号分量u_p(即，bu_p移除水印比特b之后剩余的信号分量)纳入考虑。以此方式，出于失真控制目的而执行的频谱整形给水印解码带来的影响也可以得到有效的补偿。可以利用各种适当的方式计算干扰值x，下文将参考图2描述具体示例。

现在参考图2，其示出了根据本发明另一示例性实施例的用于数字水印的系统200的示例性结构框图。可以理解，系统200可以被认为是上文参考图1描述的系统100的一个具体示例。

如图2所示，系统200包括伪噪声生成器201，其耦合至频谱调制器202和干扰补偿器206(更具体地说，干扰补偿器206中的干扰计算器2061，下文详述)。在操作中，伪噪声生成器201可以在一个密钥k的控制下生成伪噪声信号u，并且将生成的伪噪声信号u馈送至频谱调制器202和干扰补偿器206。伪噪声生成器201可以按照任何目前已知或者将来开发的方式生成伪噪声信号，本发明的范围在此方面不受限制。

系统200还包括频谱调制器202，其对应于系统100中的频谱调制器102。如图所示，频谱控制器与伪噪声生成器201耦合，并且配置用于接收由伪噪声生成器201生成的伪噪声信号u。继而，频谱调制器202对伪噪声信号u与要嵌入的水印比特b进行调制以生成经调制信号bu。根据本发明的实施例，频谱调制器202可以通过将伪噪声信号u与水印比特b相乘来完成调制。其他方式当然也是可行的，本发明的范围在此方面不受限制。

由频谱调制器202生成的经调制信号bu被馈送给系统200中的失真控制器204，其对应于系统100中的失真控制器104。特别地，在图2所示的实施例中，失真控制器204包括分析滤波器2041，其配置用于将频谱控制器202生成的经调制信号bu转换为频域中的一组频谱系数。这一频域转换例如可以基于快速傅里叶变换(FFT)来实现。本领域技术人员还可以容易地想到其他适当的方式，本发明的范围在此方面不受限制。

分析滤波器2041转换得到的频谱系统被馈送给失真控制器204中的频谱调节器2042。该频谱调节器2042耦合至分析滤波器2041，配置用于根据预定的失真约束来调节由分析滤波器2041生成的频谱参数。如上所述，失真约束可以通过各种方式获得。在图2所示的实施例中，失真约束可以由建模器203生成。

具体而言，如图所示，系统200包括一个建模器203，它耦合至产生主音频信号x的信号源(图中未被示出)和频谱调节器2042。建模器203配置用于基于声学心理模型(psychoacoustic model)来处理音频信号x以生成遮蔽阈值。本领域中已经知道各种用于生成针对音频信号的遮蔽阈值的方法，例如参见M.Swanson等人的“Robust audiowatermarking using perceptual masking”，Signal Processing，vol.66，pp.337-355，1998。实际上，各种用于在音频信号中遮蔽听觉失真的方法均可与本发明的实施例结合使用，本发明的范围在此方面不受限制。

由建模器203生成的遮蔽阈值被作为失真约束馈送给频谱调节器2042。相应地，频谱调节器2042可以调节频谱系数以使其低于遮蔽阈值。此外，频谱调节器2042在调节频谱系数时还可以考虑各种其他因素，例如音频编码器的量化噪声，等等。

经过频谱调节器2042调节的频谱系数被馈送给失真控制器204中的综合滤波器2043。综合滤波器2043与频谱调节器2042耦合，并且配置用于将经调节的频谱系数变换回时域。例如，在分析滤波器使用FFT完成频域变换的情况下，综合滤波器2043可以使用逆快速傅里叶变换(IFFT)来完成时域转换。其他方式当然也是可行的，本发明的范围在此方面不受限制。由综合滤波器2043生成的时域信号被作为经整形信号bu_p从失真控制器204馈送给干扰补偿器206。

继续参考图2，系统200还包括干扰补偿器206，其对应于系统100中的干扰补偿器106。在图2所示的实施例中，干扰补偿器206包括干扰计算器2061，其配置用于根据主音频信号x、伪噪声信号u以及经整形信号bu_p来计算所述音频信号对水印解码的干扰值x。

作为示例，根据某些实施例，干扰计算器2061可以通过计算信号投影的方式来计算干扰值x。一种可行的方式是这样计算x：

x＝<x，u>/<u，u>

其中<，>表示两个向量之间的内积。此时，x的物理含义是音频信号x在PN信号u上的投影。然而，如上所述，为了将原始音频x的失真控制在接受的范围内，原始PN信号经历了调制和整形。这样，水印解码方通常无法准确地恢复水印嵌入方所使用的参考信号bu_p。

因此，根据本发明的优选实施例，音频信号x对水印解码的干扰值x可以这样来计算：

x＝<x，u>/<u_p，u>

以此方式，通过在计算干扰值x时考虑经整形信号的主信号分量u_p，能够有效地克服现有技术中存在的问题，确保在水印解码方提取的参考信号与水印嵌入方所嵌入的水印序列一致。

返回图2，干扰补偿器206还包括补偿生成器2062，其耦合至干扰计算器2061，配置用于基于干扰值x和经调制信号的主信号分量u_p生成补偿信号y。例如，在某些实施例中，补偿信号y可以通过将二者相乘来计算，即，y＝xu_p。在生成最终水印信号s时，y用于补偿音频信号x给水印解码方执行的水印解码带来的干扰。例如，根据本发明的实施例，带水印的音频信号s可以计算为：

s＝x+αbu_p-xu_p＝x+(αb-x)u_p

其中α是用于控制失真的参数，可以根据实际情况而设置适当的数值。

上文已经参考图1和图2描述了根据本发明某些实施例的用于数字水印的系统的示例。根据本发明的实施例，可以将主音频信号对水印解码的干扰纳入考虑，并且在数字水印的嵌入方对这种干扰进行事先补偿。由此，能够更为有效地消除作为载体的主音频信号对将来的水印解码带来的干扰。特别地，在生成补偿信号时，不仅考虑主音频信号和原始PN信号，还考虑了用于失真控制的频谱整形对于PN信号所造成的影响。这样，可以消除水印解码方与水印嵌入方在参考信号方面的失配，进一步降低误码率。

应当理解，上文描述的特定细节和算法都是示例性的，根据在此给出的教导和启示，本领域技术人员能够想到备选的方案来实现上述思想。这些备选方案均落入本发明范围之内。

上文参考图1和图2描述的系统可以利用各种方式实现。例如，在某些实施方式中，系统可以被实现为集成电路(IC)芯片或专用集成电路(ASIC)芯片。控制器也可以实现为片上系统(SOC)、现场可编程门阵列(FPGA)，等等。特别地，系统中包含的各个部件可以被集成在单个芯片上，也可以被单独封装在独立的芯片或器件中，本发明的范围在此方面不受限制。实际上，现在已知或者将来开发的器件和方式都可以用于实现本发明的各种实施例。

下面参考图3，其示出了根据本发明一个示例性实施例的用于数字水印的方法300的流程图。

如图所示，方法300开始之后，在步骤S301，对将要嵌入所述音频信号的水印比特b和伪噪声信号u进行频谱调制以生成经调制信号bu。根据本发明的某些实施例，该伪噪声信号例如是在密钥控制下生成的。

接下来，方法300进行到步骤S302，在此根据音频信号x对经调制信号bu进行整形以生成满足预定失真约束的经整形信号bu_p。根据本发明的某些实施例，生成经整形信号bu_p可以包括：将经调制信号bu变换为频域中的频谱系数，根据失真约束调节频谱参数，并且将经调节的所述频谱参数变换回时域中以生成所述经整形信号bu_p。根据本发明的某些实施例，失真约束可以是基于声学心理模型生成的针对音频信号x的遮蔽阈值。

方法300继而进行到步骤S303，在此根据音频信号x、伪噪声信号u和经整形信号bu_p生成补偿信号。生成的补偿信号将被用于补偿音频信号x对水印解码的干扰。根据本发明的某些实施例，生成补偿信号包括：根据音频信号x、伪噪声信号u以及经整形信号bu_p计算信号投影，以确定音频信号对水印解码的干扰值x；以及基于干扰值x和经调制信号分量生成所述补偿信号。

应当理解，方法300可以由上文描述是系统100和/或200执行。由此，上文结合图1和图2描述的全部特征同样适用于方法300，在此不再赘述。而且，图3中示出的步骤仅仅是示意性的。例如，这些步骤可以按照不同的顺序执行甚至并行执行。此外，方法300可以包括附加的步骤，替换某些步骤，或者省略某些步骤。

本发明所涉及的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现。备选地或附加地，本发明的实施例也可以通过固件实现。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了设备的若干装置或子装置，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多装置的特征和功能可以在一个装置中具体化。反之，上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步划分为由多个装置来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。所附权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。

Claims (12)

1.一种用于数字水印的系统，适于向信号源所产生的音频信号添加水印，所述系统包括：

频谱调制器，配置用于对将要嵌入所述音频信号的水印比特和伪噪声信号进行频谱调制以生成经调制信号；

失真控制器，耦合至所述信号源和所述频谱调制器，配置用于根据所述音频信号对所述经调制信号进行整形，以生成满足预定失真约束的经整形信号；以及

干扰补偿器，耦合至所述信号源和所述失真控制器，配置用于根据所述音频信号、所述伪噪声信号和所述经整形信号生成补偿信号，其中所述补偿信号用于补偿所述音频信号对水印解码的干扰。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

伪噪声生成器，耦合至所述频谱调制器和所述干扰补偿器，配置用于在密钥控制下生成所述伪噪声信号，并且将所述伪噪声信号馈送给所述频谱调制器和所述干扰补偿器。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述失真控制器包括：

分析滤波器，配置用于将所述经调制信号变换为频域中的频谱系数；

频谱调节器，耦合至所述分析滤波器，配置用于根据所述失真约束调节所述频谱系数；以及

综合滤波器，耦合至所述频谱调节器，配置用于将经调节的所述频谱系数变换回时域中以生成所述经整形信号。

4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

建模器，耦合至所述信号源和所述失真控制器，配置用于基于声学心理模型生成针对所述音频信号的遮蔽阈值，并且将所述遮蔽阈值作为所述失真约束馈送给所述失真控制器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述干扰补偿器包括：

干扰计算器，配置用于根据所述音频信号、所述伪噪声信号以及所述经整形信号计算信号投影以确定所述音频信号对水印解码的干扰值；以及

补偿生成器，耦合至所述干扰计算器，配置用于基于干扰值和所述经调制信号生成所述补偿信号。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中所述系统被实现为集成电路。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中所述系统被实现为专用集成电路、现场可编程门阵列或者片上系统。

8.一种用于数字水印的方法，适于向信号源所产生的音频信号添加水印，所述方法包括：

对将要嵌入所述音频信号的水印比特和伪噪声信号进行频谱调制以生成经调制信号；

根据所述音频信号对所述经调制信号进行整形以生成满足预定失真约束的经整形信号；以及

根据所述音频信号、所述伪噪声信号和所述经整形信号生成补偿信号，其中所述补偿信号用于补偿所述音频信号对水印解码的干扰。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

在密钥控制下生成所述伪噪声信号。

10.根据权利要求8所述的方法，其中根据所述音频信号对所述经调制信号进行整形以生成满足预定失真约束的经整形信号包括：

将所述经调制信号变换为频域中的频谱系数；

根据所述失真约束调节所述频谱系数；以及

将经调节的所述频谱系数变换回时域中以生成所述经整形信号。

11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

基于声学心理模型生成针对所述音频信号的遮蔽阈值以作为所述失真约束。

12.根据权利要求8所述的方法，其中根据所述音频信号、所述伪噪声信号和所述经整形信号生成补偿信号包括：

根据所述音频信号、所述伪噪声信号以及所述经整形信号计算信号投影以确定所述音频信号对水印解码的干扰值；以及

基于干扰值和所述经调制信号生成所述补偿信号。