CN1157048C - 使用新颖水印插入和检测方法的数字数据水印系统 - Google Patents

Abstract

水印系统使用第一系列参数(v、h)、专用密钥(K_PRI)进行水印的插入，使用第二系列参数、公共密钥(K_PUB)进行水印的检测，以至，通过得知公共密钥不可能得到专用密钥，并不可能删除或修改密钥。水印的插入通过把具有脉冲响应(h)的滤波器滤波的伪随机噪声序列(v)加到被保护的数据。水印的检测是通过接收的数据搜索它们是否包含由预定频谱响应(H(f))的滤波器滤波的噪声。本发明适用于复制保护。

Description

使用新颖水印插入和检测方法的数字数据水印系统

技术领域

本发明涉及数字数据的水印。特别涉及使用新颖水印插入和检测方法的水印数据系统以及实现这种方法的装置。

背景技术

防止非法复制数字数据的常规方法使用数据水印的原理，数据水印的原理是以察觉不到的方式把称为“水印”的标志项插入多媒体内容中构成(静态图像、视频、音频等)。例如，水印可以是表明内容不能复制的信号或任何允许多媒体内容提供者检查非法复制的其它项。

为了很好地起到防复制作用，对于加水印内容的改变水印必须是安全的，无论这些改变是由希望抹去水印的盗版者有意进行的，还是它们由在包含水印的信号传输期间出现的失真导致的。

从现有技术中已经知道各种各样的数据水印技术，可以特别参考专利文件EP-A-0828372、EP-A-0840513、WO-A-98/03014、WO-A-98/54897，这些专利文件描述了把水印插入被保护数据的方法和检查数据中这种水印存在的方法。

描述数据水印原理所用的一般方案是图1所示的方案。第一部分1涉及把隐藏项W(水印)插入被保护的内容C。这导致加水印的内容CT。部分2涉及在接收的内容CT中检测项W的存在。一个附加数据K在插入和检测水印处理中也是必要的。这个数据K必须以秘密的方式由装置共用，以用于插入和检测水印，数据K被称为密钥，通过与所谓的均衡或专用密钥加密系统的类比。

例如，已知的水印技术是把伪随机噪声序列加到将被水印的数据上。在这种情况中，通过进行相关计算完成检测处理：如果与参考伪噪声序列的相关(用于水印插入)大于给定的阈值，则认为接收的数据是加水印的。在这个例子中，参考伪噪声序列构成了图1的数据水印方案的密钥K。

这个方案的问题是能够检测水印的每个实体必须与插入水印的实体共用相同的密钥。在这种情况中，能够检测水印的实体还得删除它或修改它，因此，失掉了所有数据的原始水印的好处。因此，由水印所保护内容的供应者应当用保密的方式把用于插入水印的密钥K传送给所信任实体。这大大限制了在许多领域使用数据水印的可能性。

具体地说，在消费电子装置领域中，众所周知，几乎不可能以合理的价格在装置或在包含在装置中的软件存储秘密参数。被认为是唯一可以安全存储秘密参数的设备的智能卡本身没有强大到足以进行与水印检测处理相关的计算。

在上述的例子中，即使参考伪随机噪声序列被秘密存储在水印检测装置中，通过把伪随机噪声序列加到将被水印的数据完成水印，但事实已经表明，盗版者理论上可以发现参考序列，因此，通过观察作为大量不同输入信号函数的检测器的输出，而从数据删除水印。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题。

为此，本发明涉及把水印插入表示将被保护内容的数据中。按照本发明，方法包括步骤：

a)从所述数据(x)产生调制序列(m)，所述调制序列(m)表示能够加到所述数据的最大噪声量；

b)把伪随机噪声序列(v)供给到具有预定脉冲响应(h)的滤波器的输入端；

c)把经滤波器滤波的伪噪声序列(w)与调制序列相乘；

d)把经滤波器滤波的与调制数据相乘的伪噪声序列(w)加到所述数据。

按照本发明的优选方面，方法还包括步骤：

c)在步骤b)之前执行数据的伪随机交错；

d)在步骤b)之后执行逆交错，以便获得加水印的数据。

本发明也涉及检测表示接收内容的数据中的水印的方法，特征在于包括步骤：

i)进行数据的频谱分析；

ii)从频谱分析推断数据是否包括由具有预定频谱相应的滤波器滤波的伪噪声序列。

按照本发明的另一优选方面，等于上述步骤c)执行的交错的接收数据的伪随机交错在步骤I)之前执行。

本发明也涉及使用上述水印插入方法和水印检测方法的用于水印数据的系统。按照本发明，使用第一系列参数插入水印，即专用密钥，使用第二系列参数检测水印，即公共密钥，所以：

-通过得知公共密钥不可能得到专用密钥；

-知道检测方法和公共密钥不可能删除或修改水印。

本发明也涉及把水印插入表示将被保护内容的数据中的装置。按照本发明，装置包括：

-装置，用于产生伪随机噪声序列(v)；

-装置，从所述数据(x)产生调制序列(m)，所述调制序列(m)表示能够加到所述数据的最大噪声量；

其特征在于还包括：

-滤波装置，具有预定脉冲响应(h)，适于接收所述伪噪声序列(v)，并供给滤波的伪噪声序列(w)；

-相乘装置，把经滤波器滤波的伪噪声序列(w)与调制序列相乘；

-装置，用于把与调制序列(m)相乘的所述滤波的伪噪声序列(w)加到所述数据(x)。

按照本发明的优选实施例，装置还包括：

-表示将被保护内容的数据的伪随机交错的第一装置，以便供给交错的数据，交错数据被供给到加法装置，以便把交错的数据加到滤波的伪噪声序列。

-对第一交错装置进行逆交错的装置，该装置连接到所述加法装置的输出端，以便供给加水印的数据。

按照本发明的优选实施例，装置包括：

-装置，用于把被保护的内容转换成为表示内容的数据；

-装置，用于把加水印的数据逆变换为标识的内容；

本发明也涉及检测表示接收内容的数据中的水印的装置。按照本发明，装置包括：

-装置，用于估算数据的功率频谱密度；

-装置，用于假定的似然性测试，以便估算数据是否包括由具有预定频谱相应的滤波器滤波的伪噪声序列。

按照优选的实施例，装置还包括：

-表示接收内容的数据伪随机交错的装置，该装置适于执行与插入装置的第一交错装置相同的交错，交错的数据被供给到估算功率频谱密度的装置。

按照另一个优选实施例，装置还包括：

-装置，用于把接收的内容转换成为表示该内容的数据，转换装置适于进行与插入装置的转换装置相同的转换。

附图说明

通过阅读本发明所给的非限制性实施例的描述和参考附图，本发明的其它特征和优点将变得很清楚，其中：

图1示出已知的水印数字数据的方案；

图2示出本发明的水印插入装置；

图3示出本发明的水印检测装置；

图4示出本发明的水印数字数据的新颖方案。

具体实施方式

图2示出本发明的装置，用于把水印插入表示被保护内容的信号中。具体地说，这个信号可以是数字视频或音频信号，或其它表示静态图像的信号，例如，照片或计算机计算的合成图像，或具体地说，任何表示多媒体内容的信号。

首先，被保护的内容由转换模块10转换成为数字数据的序列，x＝{x_n}，n位于1和N之间。例如，如果被保护的内容是包括N个像素的图像，那么，系数x_n对应图像的每个像素的亮度。x_n也可以是表示被保护内容信号的离散傅立叶变换系数，或当被保护的内容是静态图像时，它是傅立叶-梅林变换系数或微波分解系数。

表示被保护内容的数据序列x被传送到输出调制序列m＝{m_n}，_n∈[1...N]的模块HPM 12。模块HPM计算这个调制序列作为基于人类感知模式的算法的函数，例如，人眼的萨尔诺夫模式。这个序列m＝{m_n}表示加到每个系数x_n的最大噪声量而没有可感知的质量损失。另外，按照本发明的一方面，数据序列x被发送到交错器20，交错器执行系数x_n的随机排列p，以便供给交错系数的序列 $\tilde{x}=\left\{x_{p\left(n\right)}\right\}.$ 后面将解释这个数据序列x的交错目的。

调制序列m也被发送到交错器14，其执行与交错器20一样的系数mn的排列，以便输出交错的调制序列 $\tilde{m}=\left\{m_{p\left(n\right)}\right\}.$

为了构建将被插入表示被保护内容的数据序列x的水印，伪随机噪声发生器首先供给具有高斯分布的伪噪声序列v＝{v_n}，_n∈[1...N]。这个伪噪声序列v被发送到线性时间不变量型的滤波器16的输入端，滤波器的脉冲响应是：

h＝{h_n}，_n∈[1...L]，其中，L是对应滤波器长度的整数；

滤波器的频谱响应是H(f)，H(f)是h的傅立叶变换。

在滤波器16的输出端获得满足下列方程(1)的滤波的伪噪声序列w＝{w_n}，_n∈[1...N]：

$W_n=\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{n-k}\·h_k=h_n\⊗v_n{\∀}_n\∈[1..N]---\left(1\right)$

在方程中，表示卷积。从干涉定理我们可以推断出方程(2)和(3)：

          _ww(τ)＝(hh)_vv(τ)     (2)

其中，_ww(τ)和_vv(τ)分别表示w和v的自相关函数；

          Φ_ww(f)＝|H(f)|²·Φ_vv(f)      (3)

其中，Φ_ww(f)和Φ_vv(f)分别表示_ww(τ)和_vv(τ)的功率频谱密度，就是说它们的傅立叶变换。

因为v是具有高斯分布的伪随机噪声序列，它的频谱，就是说函数Φ_vv(f)基本上具有平面形状。另一方面，这个序列v一旦由滤波器16滤波，结果的序列w显示，由于项|H(f)|²，频谱Φ_ww(f)不再平坦。为理解余下的发明，非常重要的是|H(f)|²(使用相同的符号，H(f)：|H(f)|)模块不可能补偿H(f)(因此h)，因为存在有关相位H(f)的不确定性。

回到图2，滤波的伪噪声序列w与交错的调制序列 相乘(乘法器18)，构成水印的合成序列被加到(加法器22)交错的数据

的序列。

加法器的输出序列表示为 $\tilde{y}=\left\{y_{p\left(n\right)}\right\},$ 并满足方程(4)和(5)：

        y_p(n)＝x_p(n)+m_p(n)·(h_nν_n)    (4)

$\tilde{y}=\tilde{x}+\tilde{m}\·(h\⊗v)---\left(5\right)$

加水印的交错数据y的序列功率频谱密度由方程(6)和(7)给出：

${\mathrm{\Φ}}_{\tilde{y}\tilde{y}}\left(f\right)={\mathrm{\Φ}}_{\tilde{x}\tilde{x}}\left(f\right)+{\mathrm{\Φ}}_{\tilde{m}\tilde{m}}\left(f\right)\·{\mathrm{\Φ}}_{h\⊗v}\left(f\right)---\left(6\right)$

${\mathrm{\Φ}}_{\tilde{y}\tilde{y}}\left(f\right)=({\mathrm{\μ}}_x^2\·\mathrm{\δ}\left(f\right)+{\mathrm{\σ}}_x^2)+({\mathrm{\σ}}_m^2\·{\mathrm{\σ}}_v^2\·\underset{u}{\mathrm{\Σ}}{h}_u^2)+{\mathrm{\μ}}_m^2\·{\mathrm{\σ}}_v^2\·|H\left(f\right){|}^2---\left(7\right)$

在方程(7)中，μ_j和σ_j分别表示序列j＝{j_n}与j∈[x、m、v]的平均值和标准偏差，δ(f)对应迪拉克脉冲，表达式 $({\mathrm{\σ}}_m^2\·{\mathrm{\σ}}_v^2\·\underset{u}{\mathrm{\Σ}}{h}_u^2)$ 等于常数。

然后，加水印的交错数据 的序列被发送到逆交错器24，其进行由交错器20和14执行的排列P的逆向操作，以便供给加水印数据的序列y＝{y_n}，其系数与数据x＝{x_n}的原来顺序相同。

然后，逆向于变换模块10执行的变换由模块26执行，以便获得标识的内容(或水印的内容)因此，该内容防止了非法复制而在内容中没有可感知的水印。

现在参考图3描述检测接收内容中的水印的装置，这个水印是插入在如图2的装置保护的内容中。

检测的原理基于接收信号的频谱分析。

接收的信号表示接收的内容，对于接收的内容人们将确定该内容是否被加了水印。这个内容与前述被保护内容的类型相同。在下面的例子中，将假定接收的内容是包含N个像素的图像。

首先，接收的内容被发送到变换模块30，该模块执行与图2的水印插入装置的模块10一样的变换操作。以便供给表示接收内容的数据序列r＝{r_n}，_n∈[1...L]。在我们的例子中，假定获得的接收图像像素的亮度r_n作为变换模块30的输出。

如果接收的内容准确对应图2的装置发出的加水印的内容，就是说，如果在水印插入装置和检测装置之间的传输期间没有发生信号的变换或失真，那么，将获得：

r＝{r_n}＝y＝{y_n}

实际上，上式不总是成立的，因为在信号传输期间有时会发生变化。

因为在图2的装置中水印已经被插入到交错的数据 的序列，为了检测在接收内容中可能存在的水印，数据序列r将被发送到交错器32，其执行与图2的交错器20和14执行的相同的系数r_n排列。

获得交错的数据r＝{r_p(n)}的序列作为交错器32的输出。

从前面已经看到，当插入的水印是由具有脉冲响应h和频谱响应H(f)的滤波器滤波的伪噪声序列时，获得的(交错)数据的功率频谱密度

由关系式(6)和(7)表达。

数据序列x和调制序列m的交错的目的现在很清楚了。确实，如果数据序列x表示图像的像素，它的频谱密度具有很大幅度差的结构形状。数据交错的任务将是分隔这个序列的统计一致性，以使交错数据 序列的频谱密度基本上具有平坦形状，例如，具有高斯分布的伪噪声序列的形状。

因此，如果由具有频谱响应H(f)的滤波器滤波的伪噪声序列构成的水印被加到这个交错的序列，获得的数据序列的功率频谱密度可由关系(7)表示，可以检测其中的重要项|H(f)|²。

因此，检测的原理将基于序列

的频谱分析和最大似然性比假设测试(MLR假设测试)，似然性测试按如下方式进行：如果交错的数据 的序列包括噪声，该噪声是否由具有类似于|H(f)|系数的频谱响应的滤波器滤波？如果响应是“是”，则将推断呈现在序列

中的噪声是水印，在相反的情况中，则将断定接收的内容没有被标记水印。

实际上，这个分析是基于有关频谱分析和假设的似然性测试的计算，其详细描述在K.Dzhaparidze的文章中“Parameter Estimation andHypothesis Testing in Spectral Analysis of Stationary Time Series”，Springer Series in Statistics，Springer-Verlag，1986，可以参考该文章获得细节。

参考图3，接收的交错数据

的序列被发送到执行周期图计算的模块34。这个计算的目的在于估算序列 的功率频谱密度。在输出端获得关系(8)给出的量I_n(f)：

$I_N\left(f\right)=\frac{1}{N}|\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\widetilde{r_k}\·\exp \left(2\mathrm{\πjfk}\right){|}^2---\left(8\right)$

然后，这个量被发送到执行MLR假设测试的模块36，以便确定接收的内容是否被加了水印(输出响应是“Y”，表示加了水印；输出响应是“N”，表示没加水印)。

模块36测试两个假设的似然性：

-按照第一个假设G₀，接收的内容没有加水印，因此，序列 的频谱密度基本上是平坦的，并可以通过关系(9)估算：

$g_0\left(f\right)={\mathrm{\σ}}_r^2+{\mathrm{\μ}}_r^2\·\mathrm{\δ}\left(f\right)---\left(9\right)$

-按照第二个假设G₁，接收的内容加了水印，序列 的频谱密度可以通过关系(10)估算：

$g_1\left(f\right)={\mathrm{\μ}}_m^2\·{\mathrm{\σ}}_v^2\·|H\left(f\right){|}^2+C---\left(10\right)$

在公式中，C是常数，σ_v等于1(最好在插入装置的标准上选择伪噪声序列v，以至σ_v等于1，但也可以相同地选择其它的值)。此外，μ_m以插入装置的标准为准，例如，等于3。

为估算G₀、G₁的假设似然性，按照关系(11)，模块36计算表示假设的G₀、G₁似然性的两个数 和

$U_{N,i}\left(\tilde{r}\right)=-{\∫}_{-\frac{1}{2}}^{\frac{1}{2}}(\log g_i\left(f\right)+\frac{I_N\left(f\right)}{g_i\left(f\right)})\mathrm{df}---i\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}---\left(11\right)$

然后，通过比较这两个数，模块36推断出：

-如果 $U_{N,1}\left(\tilde{r}\right)>U_{n,0}\left(\tilde{r}\right),$ 那么，检测器的响应是“Y”，其表示接收的内容被加了水印；

-如果 $U_{N,1}\left(\tilde{r}\right)<U_{N,0}\left(\tilde{r}\right),$ 那么，检测器的响应是“N”，其表示接收的内容没有加水印。

在优选的方式中，也可能计算出差 $(U_{N,1}\left(\tilde{r}\right)-U_{N,0}\left(\tilde{r}\right)),$ 并进行上述的比较，只有当这个差大于预定的阈值时，才能确保检测的精度。

参考图2和图3所述的水印插入和检测方法可以产生图4所示的新颖水印系统。在这个新颖水印系统中，按照本发明的优选方面，使用称为“专用密钥”K_PRI的参数把水印W插入(100)内容C，反之，使用称为“公共密钥”K_PUB的另一个参数检测接收内容CT的水印。通过类似于公共密钥隐含系统，使用术语“专用密钥”和“公共密钥”。应当注意，水印是双重的，就是说，内容C加了水印或没有加水印，W不包含任何它自己的项。

在上述实施例中，专用密钥K_PRI由伪随机噪声序列v以及滤波器16的脉冲响应形成(图2)。序列v＝{v_n}和h＝{h_n}对序列w＝{w_n}的计算是不可缺少的，在与交错的调制序列

相乘之后，w＝{w_n}本身被插入表示被保护内容的数据。使用公共密钥检测接收内容的水印是用于滤波器16|H(f)|的频谱响应的模块形成的部分。确实，在频谱分析中，形成的计算(图3的模块34和36)检测接收内容CT中的水印，只是|H(f)|是必须的。具体地说，不必知道v和h(专用密钥)就可进行水印的检测。实际上，从以前的描述可以看到，对于知道H(f)和h，|H(f)|是不够的。

因此，在获得的系统中，不可能从公共密钥中推断出专用密钥。同样，不可能知道专用密钥，所以对于执行检测水印的装置来说，不可能删除水印或修改水印。因此，检测可以在没有抹去水印危险的安全环境下进行。

Claims (10)

1.一种把水印插入被保护内容的数据(x)中的方法，包括步骤：

a)从所述数据(x)产生调制序列(m)，所述调制序列(m)表示能够加到所述数据的最大噪声量；

b)把伪随机噪声序列(v)供给到具有预定脉冲响应(h)的滤波器的输入端；

c)把经滤波器滤波的伪噪声序列(w)与调制序列相乘；

d)把经滤波器滤波的与调制数据相乘的伪噪声序列(w)加到所述数据。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：

e)在步骤c)之前执行调制序列(m)的伪-随机交错(p)；

f)在步骤d)之前执行相同的数据(x)的伪随机交错(p)；

g)在步骤d)之后执行逆交错，以便获得加水印的数据。

3.一种检测接收内容数据(x)中的水印的方法，其特征在于包括步骤：

i)进行所述数据的频谱分析；

ii)从频谱分析推断所述数据是否包括由具有预定频谱响应(H(f))的滤波器滤波的伪噪声序列。

4.按权利要求3所述的方法，在对所述被保护的数据进行伪随机交错之后，水印适于插入被保护的数据(x)，其特征在于还包括步骤：

iii)在步骤i之前，执行接收数据(r)的相同的伪随机交错(P)。

5.一种把水印插入将被保护内容的数据中的装置，包括：

-装置，用于产生伪随机噪声序列(v)；

-装置(12)，从所述数据(x)产生调制序列(m)，所述调制序列(m)表示能够加到所述数据的最大噪声量；

其特征在于还包括：

-滤波装置(16)，具有预定脉冲响应(h)，适于接收所述伪随机噪声序列(v)，并供给滤波的伪噪声序列(w)；

-相乘装置(18)，把经滤波器滤波的伪噪声序列(w)与调制序列相乘；

-装置(22)，用于把与调制序列(m)相乘的所述滤波的伪噪声序列(w)加到所述数据(x)。

6.按权利要求5所述的装置，其特征在于还包括：

-第一装置(20)，对被保护内容的数据(x)进行伪随机交错，以便供给交错的数据(

)；

-第二伪随机交错装置(14)，该装置与第一装置(20)相同，用于接收所述调制序列(m)，以便供给交错的调制序列( )，所述交错的调制序列被供给到相乘装置(18)，用于与所述的滤波的伪噪声序列(w)相乘；

-其中，交错的数据(

)被供给到加法装置(22)，以便把交错的数据加到与交错的调制序列相乘的(

)滤波的伪噪声序列(w)；以及

-对第一装置(20)进行逆交错的装置(24)，该装置连接到所述加法装置(22)的输出端，以便供给加水印的数据。

7.按权利要求6所述的装置，其特征在于还包括：

-装置(10)，用于把被保护的内容转换成为表示内容的数据(x)；

-装置(26)，用于把加水印的数据逆变换为标识的内容；

8.一种检测接收内容数据(r)中的水印的装置，其特征在于包括：

-装置(34)，用于估算所述数据的功率频谱密度；

-装置(36)，用于似然性假定测试，以便估算所述数据是否包括由具有预定频谱相应(H(f))的滤波器滤波的伪噪声序列。

9.按权利要求8所述的装置，适于检测由插入装置插入的水印，所述插入装置包括第一装置(20)，用于伪随机交错被保护的数据(x)，以便供给交错的数据(

)，装置，用于将水印插入所述的交错的数据( )，其中，检测装置还包括：

-装置(32)，用于伪随机交错接收内容的数据(r)，该装置适于执行与插入装置的所述第一装置(20)相同的交错，所述交错的数据(

)被供给到估算功率频谱密度的所述装置(34)。

10.按权利要求9所述的装置，适于检测由插入装置插入的水印，还包括装置(10)，用于转换被保护的内容为表示所述内容的数据(x)，其特征在于检测装置还包括：

装置(30)，用于把接收的内容转换成为表示所述内容的数据(r)，所述转换装置适于执行与插入装置的转换装置(10)相同的转换。