CN1156144C - 在编码信号中嵌入补充数据的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于对音频或视频信号加水印的方法和装置。该信号由包含用于控制编码过程的反馈回路(64)的编码器(6)所编码，例如DPCM编码器或(Σ-)增量调制器。通过改变(2)编码信号的被选择样本来嵌入水印(3)。所述改变是在编码信号反馈之前进行的，使得由嵌入的水印所导致的量化误差被随后的编码运算所消除。另外，在所选样本之前的一个或多个样本也如此改变，使得由水印所导入的误差进一步减少。这通过在样本改变(组合)之前的“预见”所实现，产生最佳的编码质量。

Description

在编码信号中嵌入补充数据的方法和装置
发明领域
本发明涉及一种用于在信号中嵌入补充数据的方法，其包括根据数据编码过程对该信号编码的步骤，该编码过程包括反馈该编码信号以控制所述编码的步骤，以及修改编码信号的所选样本来表示所述补充数据的步骤。
背景技术
现在越来越需要以可检测而不可见的方式在音频和视频信号中增加补充数据。例如，把水印嵌入到多媒体资料中来识别文件和音像节目的来源或著作权状态。该水印为著作权所有人提供法律保护，使得可以跟踪盗版活动，并支持知识产权保护。
一种已知的在本文开始段落中所定义的对视频信号加水印的方法公开于F.Hartung和B.Giros：“对原始和压缩视频数据加数字水印的方法”，摄影仪器工程师协会(SPIE)，第2952卷，第205-213页。在此，加水印是通过改变在MPEG2编码器的输出位流中选择的DCT(离散余弦变换)系数而实现的。众所周知，MPEG2编码器是包括控制该编码过程的反馈回路的预测编码器。对预测误差(输入信号与预测之间的差别)编码，而不是对输入信号本身编码。预测信号是通过对该编码信号进行本地解码而获得的。
在现有技术方法中，水印是在常规编码后插入的。以这种方式用于对编码信号加水印的能力似乎受到限制。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在编码的音频或视频信号中嵌入补充数据的方法，这使得可以改变编码信号的更多位而不明显地影响感观质量。
为此目的，本发明方法的特征在于，改变所选样本的步骤是在所述编码信号的反馈之前执行的，并且如果发现另一个样本的改变提高了所述编码过程的质量，则该方法包括至少改变在所选样本之前的编码信号的所述另一个样本的步骤。
在所述信号反馈之前嵌入补充数据的步骤还在申请人的未公开欧洲专利申请书第97200197.8号(代理人的摘要PHN 16.209)中提出。通过该步骤，可以使样本改变的负作用在后续编码器操作中补偿。但是，样本改变的初始扰动仍然保留。本发明基于这样的认识，即，编码质量可以通过有意地改变一个或多个在所选信号之前的信号样本而得到进一步的提高。事实上，为了使将来的编码误差最小化，该编码信号被预先略为变形。
本发明对于在一比特编码信号中嵌入补充数据来说特别有用。一比特编码器，例如增量调制器、∑-Δ调制器、以及噪声波形编码器，在每个编码步骤中产生一比特输出样本。该编码信号非常容易受到添加水印的损害。例如，被设想用于以2822400(64×44100)Hz的采样频率在DVD-音频上记录高质量的音频信号的∑-Δ调制器具有115dB(分贝)的信噪比。按照现有技术的方式，即，按照常规编码方法，对这种∑-Δ调制信号加水印似乎明显增加量化噪声。例如，∑-Δ调制音频信号的每第100个位由一个水印位所代替，将使量化噪声增加到-60dB，这是完全不可接受的。在申请人的共同未决欧洲专利申请第97200197.8号中所提出的加水印方法使得替换每第100个位仅需付出增加1dB的量化噪声的代价。
本发明不仅是进一步在减少信噪比方面进一步提高编码质量。众所周知，具有级数＞2的环路滤波器的∑-Δ调制器对于大输入信号会产生不稳定的问题。该不稳定性通常通过防止输入信号超过预定范围而避免。本发明还提供一种解决这类不稳定性问题和相关的限幅问题的解决方法。
附图说明
在结合附图仔细阅读如下说明之后本发明的特点和优点将变得更加明显，其中：
图1示出根据本发明用于在增量调制信号中嵌入补充数据的装置。
图2-4示出说明图1所示的装置的操作的信号波形图。
图5示出图1中所示的改变电路的操作的流程图。
图6示出根据本发明的用于在∑-Δ调制信号中嵌入补充数据的装置。
图7示出用于图6中所示的装置中的第三级∑-Δ调制滤波器。
图8、9、10A-10D和11A-11C示出说明图6中所示装置的操作的信号波形图。
具体实施方式
下面将参照一比特编码器描述本发明，但是应当知道该思想也可以应用于其它类型的预测编码器，例如DPCM(差分脉码调制)(如，MPEG)编码器。首先描述增量调制器装置，因为其操作易于理解。接着，将描述∑-Δ调制器装置，它在实际编码系统中更加常用。
图1示出根据本发明用于在增量调制信号中嵌入补充数据的装置。该装置包括常规增量调制器1，其中包括减法器11、极性检测器12和解码器13。减法器11通过从输入信号x中减去 而产生预测误差信号e。预测误差e被提供给极性检测器12，该检测器按照由采样频率fs(未示出)所确定的速率对于 x &GreaterEqual; x ^ 产生一输出样本“+1”，并且对于 x < x ^ 产生一输出样本“-1”。反馈回路14包括本地解码器23(加法器或积分器)以获得预测信号
Figure C9880442600064
在常规增量调制器中，反馈回路14连接到极性检测器12的输出端。图2示出这种常规增量调制器的波形。更具体来说，图2示出常规增量调制器的输入信号x、预测信号 和编码输出信号y。请注意预测信号 也是接收器的输出信号(在图1中未示出)。
再次参照图1，该根据本发明的装置包括连接于极性检测器12和反馈回路14之间的改变电路2。该改变电路改变根据选择信号s选择的其中一个极性检测器的输出位。例如，改变电路用存储在水印数据寄存器3中的水印数据模式w的一个位替换编码信号的每第100个位。另外，该改变电路10将所选择的数位反相，所述反相位之间的位周期数表示水印数据模式。
图3说明由水印数据位w改变编码信号y的选择位20的效果。输入信号x(与图2中相同的信号)、预测信号 和所改变编码信号z在该图中示出。参考标记21表示所嵌入的水印位。如已经在该图中示出的那样，所嵌入水印位具有数值“-1”，这不同于编码信号位20的数值“+1”。回想该预测信号
Figure C9880442600068
也是接收器的输出信号，可以容易地看出该数位的改变增加了量化噪声。由于所改变信号z被反馈到编码器的输入端，从而可以补偿并最终消除量化误差。
根据本发明，改变电路(图1)如果发现没有提高编码质量，则还至少改变该水印前的一位。这样的一个实例在图4中示出。输入信号x、预测信号 所改变编码信号z和水印位21再次示出。另外，在水印位21之前的数位22也被改变。通过图3与图2之间的比较立即可以看出进一步减小了整体量化误差。编码质量因此也大大提高。
在图3中所示的实例中，通过改变紧接着该水印位前面的数位可以获得良好的性能。但并非总是如此。改变水印位前面的第2、第3、…、等等数位，或结合改变这些数位可能更加提高其性能。这种情况的一个实例将在下文中给出。
为了获得上述效果，图1中所示的方式适合于对先前数位的各种组合执行增量调制处理，并选择给出最佳效果的组合。所述各种数位组合的测试在此也称为“预见”，并且要考虑改变的在该水印位之前的数位被称为“预见”位。
改变处理是在改变电路2的控制下执行的。该电路可以用硬件或软件实现，这取决于实际状态，例如速度和硬件复杂度。图5示出说明该电路操作的流程图。假设输入信号x存储在存储介质中(未在图1中示出)，并且编码信号y的每第100个位由水印位w所代替。为此目的，输入信号x被分为几段，每段包括100个输入样本x0…x99。对于每一段，输出信号包括100个位z0…z99，其中z0…z2是三个预见位，并且z3是该水印位。
在步骤50中，对三个二进制编码数字c给定初值0。数字c表示三个预见位的当前组合。在步骤51中，把c的三个位分配给z0…z2。即，如果c的相应位为“1”，则把zi设为“+1”，并且如果c的相应位为“0”，则把zi设为“-1”。另外在步骤51中，把要嵌入的当前水印位w以相同的方式分配给z3。在子程序52中，把增量调制过程应用于给定数目的输入样本，例如x0…x20，以观察回路对于预分配数值z0…z3的动作。把相应输出位序列z0…z20存储在缓冲存储器中(在图1中未示出)。在步骤53中，确定用于预见位的当前组合c的增量调制处理的编码质量Q(c)，并存储在缓冲存储器中。在该实例中，编码质量由输入信号和预测信号之间的均方误差(MSE)所表示：
MSE ( c ) = &Sigma; n = 0 20 ( x n - x ^ n ) 2
然后把数字c增加1(步骤54)以产生预测位z0…z2的新组合，并计算MSE(c)的相应数值。只要还未处理所有组合(步骤55)，则重复序列x0…x20的增量调制。显然(因此没有在图中示出)，每次都使用相同的初始积分信号。如果所有组合都被处理，则在步骤56中确定最大编码质量Q(c)。为此目的，在缓冲存储器中查找使MSE(c)最小的数字c。在步骤57中，对应于所述最小MSE的编码序列z0…z20被从缓冲存储器中读出并施加到编码器的输出端。然后，在子程序58中，输入样本的剩余片段x21…x99被编码，并且在步骤59中施加到编码器的输出端。具有如此编码的100个输入样本的片段后，该装置返回到步骤50以处理下一个片段。
可以理解，在上述编码处理中参数值的数目，例如片段的长度(在此为20)、预见位的数目(在此为3)、以及所估计的输出位的数目(在此为20)都仅仅是作为例子给出的。还应当指出，编码质量可以由其它参数所表达，例如输入样本xn与相应预测 之间的最大差别。
下面将描述根据本发明的∑-Δ调制器。∑-Δ调制器设计为用于在音频形式的数字通用光盘(DVD-音频)上记录高质量音频信号。它与增量调制不同之处在于，输入信号x被编码之前由与增量调制器的预测回路中的滤波器相同的滤波器所滤波。在输入路径和反馈路径中的滤波器都由编码回路的向前路径中的单个滤波器所代替。
根据本发明在∑-Δ编码信号中嵌入补充数据的装置在图6中示出。该装置包括常规∑-Δ编码器6，其中包括减法器61、回路滤波器62、极性检测器63、以及反馈回路64。减法器61从输入信号x中减去编码输出信号z(具有数值“+1”或“-1”)。差分信号d由滤波器62所滤波。所滤波后的信号f被施加到极性检测器63，该检测器以由采样频率fs(未示出)所确定的速率对于f≥0产生一输出位“+1”，并且对于f＜0产生一输出位“-1”。与如图1中所示的相同的改变电路2连接在极性检测器63与反馈回路64之间。电路2响应选择信号x用存储在寄存器3中的水印位w替换编码信号y的一个数位。
回路滤波器62的各种实施例用于实际的∑-Δ调制器中。在整个描述中，第三级滤波器被用作为一个例子。为了完整起见，它在图7中示出。该滤波器包括级联的三个积分器。三个积分器的输出信号分别由a、b、c所表示。滤波器数据信号x是积分器信号的加权组合。在该图中，前面带有一个“#”的整数表示每个积分器。所述整数表示相关积分器可以保持的最大数值。超过该最大值的信号样本被限幅。这在下文中将变得更加清楚，限幅与该∑-Δ调制器的实施例有关。
图8示出说明改变电路2不工作时该装置操作的波形图。更具体来说，该图示出输入信号x、编码信号z、差分信号d以及滤波信号f。其中还示出三个积分器的输出信号a、b和c。∑-Δ调制器输出信号的平均值表示输入电平。在该实例中，输入信号x是0.5V直流电平，它根据如下等式被编码为包括三个“+1”位和一个“-1”位的位流，该等式为：
3 &times; ( + 1 ) + 1 &times; ( - 1 ) 4 = 0.5
图9示出在输出编码信号z中嵌入水印位90的效果。其中示出与图8中相同的信号。通过两幅图的比较可以看出水印位在编码信号z中导入较长的连续相同数位值，这表明量化噪声增加。该水印也会使得在积分器中引起较大的信号幅度，特别是在第三积分器输出信号c中。显然，仅在水印位和“正常”输出位具有相对的数值时才会出现这种情况。
图10A-10D示出编码信号z和第三积分输出信号c在各种条件下的情况。图10A和10B中所示的波形与已经在图8和9中所示的相应波形相同，即，分别为不具有或具有水印位90的情况。图10C示出分别把预见位91和92设置为“+1”和“-1”的效果。通过与图10B相比较，可以看出，第三积分器输出信号幅度减少并且在编码信号中的连续“1”的长度缩短。相应地，减小了量化误差。图10D示出∑-Δ调制器的性能进一步通过预见位的另一种设置而提高，即，把两个预见位91和92都设置为“+1”。
用于确定预见位的组合的算法产生最佳的编码质量，这可能与已经参照图5对增量调制器进行描述的相同。即，编码输入样本(例如，x0…x20)的给定序列的质量Q(c)由预见位(例如，z0…z2)的各种组合所确定。然后选择对应于最高编码质量Q的输出序列。由于解码信号不能在∑-Δ编码器中获得，因此对于编码质量来说均方误差是比较不吸引人的标准。如下参数非常适合于表示编码质量Q。它们还具有易于计算的附加优点。
*  在序列z0…z20中的连续相同数值的最大长度。所述最大长度在图10B-10D由R表示。然后选择具有“最大长度中最短的”序列。显然，在本实例中R＝4(图10D)是最佳选择。
*  在给定积分器中出现的峰-峰振幅。在第三积分器中的峰-峰振幅在图10B-10D中由V表示。然后选择具有最小幅度的序列。图10D中所示的序列再次作为最佳选择。即使当使用较高级(＞3)的滤波器时，该第三滤波器也非常合适。
*  在给定积分器中的信号值的平均偏差。
用于选择预见位的组合的其它标准可以是在给定积分器中存在(或不存在)溢出的情况。由于∑-Δ调制器对输入信号电平非常敏感(这与对输入信号斜率敏感的增量调制器相反)，溢出现象容易在嵌入水印的情况下发生。如已经参照图7所提到的那样，通过把每个积分器输出信号保持在最大值的限幅机制，可以避免积分器溢出。
图11A-C示出在限幅条件下的编码信号z和第三积分器输出信号c。输入信号再次为0.5V直流。作为参考，图11A示出不具有水印的信号。在图11B中，水印位95已嵌入在编码信号中。它的位置与在以前的实例中水印位90的位置略有不同。参考标号96表示由于嵌入水印位90而造成的第三积分器的限幅。在改变电路的实施例中，测试预见位的不同组合直到找到不再发生限幅情况的组合。这样的一个实例在显示把预见位97设置为“+1”的图11B中示出。
总之，在此公开用于在音频或视频信号中加水印的方法和装置。该信号由包含用于控制编码处理的反馈回路的编码器所编码，例如DPCM编码器或(∑-)Δ调制器。通过改变编码信号的被选择样本来嵌入水印。所述改变是在编码信号反馈之前进行的，使得由嵌入的水印所导致的量化误差被随后的编码运算所消除。另外，在所选样本之前的一个或多个样本也如此改变，使得由水印所导入的误差进一步减少。这通过在样本改变(组合)之前的“预见”所实现，产生最佳的编码质量。

Claims (13)

1.一种在信号中嵌入补充数据的方法，包括步骤：
根据编码过程来编码信号，所述编码过程包括反馈该编码信号以构成一个预测编码过程的步骤，以及
改变编码信号的被选择样本来表示所述补充数据，
其特征在于，改变被选择样本的步骤在编码信号的所述反馈之前进行，如果发现至少一个其它样本的改变提高了所述编码的质量，则该步骤还包括改变被选择样本之前的编码信号的所述至少一个其它样本。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，改变至少一个其它样本的步骤包括连续用被改变的另外的样本的不同组合来编码信号的片段直到找到对应于较高编码质量的组合为止的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，改变至少一个其它样本的步骤包括连续用被改变的另外的样本的不同组合来编码信号的片段的步骤、对每个组合确定编码质量的步骤、以及选择对应于最高编码质量的组合的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，包括解码该编码信号的步骤以及确定编码信号与输入信号之间的量化误差量的步骤，其中，编码质量由所述量化误差量所表示的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该编码是一比特编码。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该编码是∑-Δ调制。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该编码质量由具有嵌入的补充数据的编码信号的连续相同值的最大长度所表示。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该编码质量由在∑-Δ调制器的回路滤波器的选择阶段中出现的峰-峰振幅所表示。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该编码质量由在∑-Δ调制器的回路滤波器的选择阶段中的振幅平均偏差所表示。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该编码质量由在∑-Δ调制器的回路滤波器的选择阶段中出现的最大振幅值所表示。
11.一种在信号中嵌入补充数据的装置，包括用于编码信号的编码器，以及用于改变编码信号的被选择样本来代表所述补充数据的装置，其中所述编码器包括用于反馈该编码信号以控制所述编码器的反馈回路，其特征在于，连接该反馈回路以反馈改变的编码信号，如果发现至少一个其它样本的改变提高了所述编码处理的质量，则该改变装置设置为改变被选择样本之前的编码信号的所述至少一个其它样本。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，该编码器是一比特编码器。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，该编码器是∑-Δ调制器。
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