CN1175414C - 嵌入/检测一维信息信号中的水印的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于水印一维信息信号特别是音频信号的方法和装置。通过将诸如零交叉点(22)的跳跃点弯曲(23)到已水印信号(I_w(t))跳跃点的统计时间分布关于水印信号显著改变的程度，将例如具有0和1均匀分布的二进制信号(W(t))的水印嵌入在音频信号(I(t))中。

Description

嵌入/检测一维信息信号中的水印的方法和装置

本发明的技术领域

本发明涉及一种将水印嵌入在例如音频信号的一维信息信号的方法和装置。本发明还涉及一种检测信息信号中这种水印的方法和装置。

本发明的背景

随着诸如MP3的现代音频压缩标准的出现，剽窃和非法使用音频内容的危险也在增长。因此，工业上期望发现保护不受非法活动的装置。水印是一种证明诸如图像、视频、音频、电文和数据的数字多媒体内容所有权的方法。它是实现版权保护的工具。

通常，通过向信号加入特定的低幅噪声图来嵌入水印。该噪声图表示水印。在接收机端通过计算可疑图像与已应用所述水印版本的相关值和对该相关值与一门限进行比较以检测嵌入可疑信号中给定水印的存在或不存在。如果该相关值大于该门限，则存在已应用的水印，否则不存在。

本发明的目的和综述

本发明的目的在于提供一种将水印嵌入一维信息信号的新方法和装置，和检测可疑信号中水印的相应方法和装置。

根据本发明，嵌入水印的方法包括确定信息信号的跳跃点和改变信息信号的步骤，因此已改变信号的跳跃点与已应用水印的信号具有显著的统计相关。

信号的跳跃点这里理解为表示给定跳跃函数兴趣点的时间位置。跳跃函数是为每个音频信号样值分配一跳跃测量值的函数。假如跳跃测量值是一局部特性(即，只依赖较小的邻近时间间隔)，则该跳跃函数十分随机，并在诸如压缩、噪声添加、剪贴、变换、子取样、定标等的信号操作下，尽可能地予以保留。一简单而说明性的且有用的跳跃点的例子是音频信号的过零点。

水印信号可被认为是一二进制信号，其0和1值充分随机且均匀分布。因为任意音频信号并随机水印信号的跳跃点不存在相关，50％的跳跃点与水印信号的1一致。目前通过时间弯曲跳跃点来水印该音频信号，使得大多数的跳跃点与水印信号的1一致。

相应的检测水印的方法包括确定信息信号跳跃点、确定所述跳跃点与已应用水印的信号的相关值和如果所述相关值统计上显著则检测已应用水印已经嵌入在所述信息信号中。

注意申请人的国际专利申请WO-A-99/35836公开了一种通过弯曲跳跃图像点在图像中嵌入水印的方法。然而，在此现有技术的公开文本中图像和水印信号是二维信号，并且几何弯曲应用在空间图像域。本发明的发明人已经意识到类似的技术可应用到一维(例如音频)信号域，水印信号是依赖于时间的信号并且弯曲操作可在时域中实现。

从下文描述的实施例中本发明进一步关于有利实施例的方面将变得明显和清晰，该有利实施例可以得出跳跃点和不同的水印信号格式。

附图的简短描述

图1示意地表示根据本发明嵌入二进制值水印的装置。

图2和3表示说明图1所示的水印嵌入器操作的波形。

图4示意地表示根据本发明检测水印的装置。

图5表示包括一预处理电路的水印嵌入器的实施例，和图6表示包括这种电路的检测器的实施例。

图7和8表示说明图5和6所示的嵌入器和检测器操作的波形。

图9表示预处理电路的实施例。

图10示意地表示根据本发明的水印嵌入器的另一个实施例。

图11表示说明嵌入实数水印信号的装置操作的波形。

图12示意地表示根据本发明检测水印的通用装置。

图13表示用于播放音频信号的装置，该装置包括根据本发明的水印检测器。

实施例的描述

图1示意地表示根据本发明的水印嵌入器。该嵌入器接收音频信号I(t)和要嵌入在所述音频信号中的水印信号W(t)。音频信号I(t)和水印信号W(t)是时间连续函数并具有持续时间T。实际上，音频信号采用数字形式。其数字表示具有在离散时间点t_i取样的有限数目N的音频样值I(t_i)。两个连续时间样值t_i和t_i+1间的时间周期是常数并表示为ΔT。通过内插法或子取样(未示出)从数字信号中得到真正连续的信号I(t)。水印信号W(t)在此实施例中是一二进制信号。其瞬变被认为是位于取样周期ΔT的中间。

该装置包括一跳跃点提取器11、一弯曲信号发生器12和一改变电路13。将参照图2和3所示的波形描述其操作。图2表示水印信号W(t)和音频信号I(t)。跳跃点提取器11从音频信号中提取跳跃点。出现跳跃点的时间点称为s_i。跳跃点提取器11一简单而实用的例子是对于每次过零产生一狄拉克脉冲的零交叉检测器。-系列定义跳跃点位置的狄拉克脉冲组成也在图2表示的跳跃点信号P(t)。

一些跳跃点与水印信号W(t)的″1″一致。这些跳跃点被称为处于水印″上″。其它的跳跃点与水印信号W(t)的″0″一致。它们被称为处于水印″之外″。具有相等概率的水印信号的0和1充分随机和均匀分布于该信号。由于此信号特性，大约50％的跳跃点处于水印之上，50％不处于水印之上。图2所示的音频信号具有四个水印之上的跳跃点21和四个水印之外的跳跃点22。

如下所述，嵌入器沿着时间轴移动不处于水印之上的跳跃点，因此之后大多数跳跃点处于水印上。这类处理在本领域中被称为″时间弯曲″。图2中，通过箭头23表示跳跃点移开其最初位置的方向和程度来说明时间弯曲跳跃点的过程。

由弯曲信号发生器12控制音频信号被弯曲的方向和程度。此电路接收来自跳跃点提取器11和水印信号W(t)跳跃点信号P(t)。其确定要用于每个跳跃点s_i的时间弯曲矢量v(s_i)并计算所有其它t值的时间弯曲v(t)值。时间弯曲v(t)是一连续信号并称为连续弯曲信号v(t)。

在弯曲信号发生器12的一实际例子中，用于一跳跃点的弯曲v(s_i)通常定义为：

v(s_i)＝c.ΔT.(1-W(s_i)).sign(W(t_i+1)-W(t_i))

其中t_i和t_i+1是数字音频信号的连续取样点，ΔT＝t_i+1-t_i是取样周期。注意此等式中的项(1-W(s_i))避免已经处于水印之上的跳跃点被弯曲。等式中的量c表示嵌入强度。c值越大，跳跃点移开其最初位置越远。为了避免水印信号中可听到的抖动，c值应该尽可能的小。为了水印的健壮性，c值应该大。注意可以根据人类的心理声学模型选择c值以屏蔽水印的可听度。

跳跃点之间的音频信号值被弯曲一量，该量从处于水印外跳跃点的v(s_i)逐渐降低到已处于水印上跳跃点的零。为此，弯曲信号发生器12通过应用一适当形式的内插法从离散弯曲v(s_i)中得出定义在时间t所用弯曲的连续弯曲信号v(t)。该连续弯曲信号v(t)应该尽可能的平滑。这由一适当的内插算法实现。图2所示的波形v(t)是一例子。

该弯曲实际上由改变电路13来实现。此电路接收音频信号I(t)和连续的弯曲信号v(t)并生成已水印信号I_w(t)，根据：

I_w(t)＝I(t-v(t))

图3表示用于一小部分音频信号的操作。此图中，I(t)是未水印音频信号，I_w(t)是已水印信号。处于水印之上的跳跃点21不被弯曲(v(t)＝0)。跳跃点处于水印之外并被弯曲c.ΔT量，以构成I_w(t)的跳跃点25。其它音频信号值被弯曲v(t)量，v(t)从c.ΔT降低到零。附图标记24表示用于任意时间点的v(t)。通过计算上述等式的I_w(t_i)最终得到水印信号的离散音频输出样值。

注意，对于给定的最大嵌入强度，弯曲未必使水印信号的所有跳跃点处于水印之上。一些跳跃点通常离水印信号的瞬变点太远，在用c.ΔT弯曲之后也不能变成水印之上的点。这种跳跃点被称作是″不可弯曲的″。不可弯曲跳跃点的出现是二元制水印信号的典型特性。图2中，最左边和最右边的跳跃点22是不可弯曲的。也可以不弯曲这些跳跃点，但是我们无法预知在嵌入水印的认知方面是否产生最好的性能。有时，优选弯曲这些不可弯曲的跳跃点(注意此措词的矛盾)以再现尽可能平滑的弯曲信号v(t)。图2中弯曲最左边的一个跳跃点22，不弯曲最右边的一个跳跃点22。也可以递归的重复该弯曲操作直到有期望数目的跳跃点处于水印之上，或者将每个跳跃点s_i弯曲到W(t_j)＝1的最近时间样值t_j。

图4示意地表示根据本发明的相应水印检测器。该检测器接收一可疑音频信号J(t)，并且包括与嵌入器相同的跳跃点提取器11，一匹配电路14和一判决电路15。匹配电路14接收跳跃点信号P(t)和要检测的水印信号W(t)。它计算处于水印之上的跳跃点数S₁和处于水印之外的跳跃点数S₀。在数学表达式中：

$S_1=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}P\left(t\right)W\left(t\right)\mathrm{dt}$ 和 $S_0=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}P\left(t\right)\stackrel{\‾}{W}\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中T是信号的持续时间。数S₁和S₀随后用于判决电路15。如果统计上高百分比的跳跃点处于水印之上，即如果S₁＞＞S₀，则认为可疑信号中存在水印，否则不存在。

图5表示水印嵌入器的另一个实施例。此实施例与图1所示实施例的区别在于音频信号I(t)在用于跳跃点提取器11之前由一预处理电路16预处理。预处理的目的在于从I(t)中得出更健壮的信号R(t)，R(t)在例如压缩通用音频信号的处理操作下尽可能少地改变。现在跳跃点和因此弯曲信号v(t)从健壮信号R(t)中提取。但是，对原始信号I(t)应用真正的弯曲。

图6表示相应的水印检测器。它与图4所示实施例的区别在于可疑音频信号J(t)在用于跳跃点提取器11之前由同一预处理电路16预处理。

在预处理电路16的一简单实施例中，健壮信号R(t)是通过低通滤波得到的平滑版本的I(t)。图7表示它的一个例子。注意R(t)具有比I(t)少的零交叉点，但是其零交叉点的位置更稳定。该健壮信号还可以通过带通滤波来得到。带通滤波的动机在于它消除音频信号的DC成分，因此嵌入的水印可以相对音频信号沿信号幅度轴的变换健壮。

预处理电路16的另一个实施例是基于对承认信息信号通常转达信息的所谓″语义精髓″的认识。一信号的语义精髓是一部分信号，无论生成(再生)和编码(解码)装置引入什么样的失真都需要保留这部分信号，其中这些失真被认为是低于人类的知觉极限。对于音频，特别是音乐，人们可以直觉地感到诸如音调、响度、强音、弱音、断音、圆滑音、颤音、连音等。作为时间函数的表示语义精髓的信号是健壮信号的好例子。从该健壮信号提取的跳跃点大都能从包括诸如MP3压缩的通用音频信号处理中幸存下来。举个例子，图8表示说明该水印嵌入器和检测器实施例的各种波形。在此实施例中，从音频信号中提取主频率(音调)，跳跃点提取器11检测所述音调的显著变化。图8中，W(t)是水印信号，I(t)是要水印的音频信号，R(t)是作为时间函数的从音频信号得到的表示音调的健壮信号，P(t)是跳跃点信号(这里表示为取代狄拉克脉冲的点)。该跳跃点是此实施例中健壮信号R(t)导数的局部极限。如图所示，跳跃点81已处于水印之上，因此不用弯曲。跳跃点82处于水印之外，并弯曲量83到一新的位置84。I_w(t)是已水印信号。它还是用于检测器的可疑信号J(t)。R′(t)是在检测器从J(t)得到的健壮信号，P′(t)是在检测器提取的跳跃点信号。跳跃点是85和86。两个跳跃点现在处于水印之上，因此检测器确定水印W(t)的确被嵌入。

除了将一健壮信号用于提取跳跃点，还可以利用一组健壮信号分量。一滤波器组可以构成这样一组信号分量。相信这样一组信号分量健壮有两个理由。第一，将音频信号分成频带提供了对特定频率范围中破坏水印信号的攻击的保护。第二，实际上可以用一滤波器组形成人耳的模型。如果信号以滤波器输出受到影响的方式恶化，则人耳可以感觉到。图9示意地表示预处理器16和沿这些线的跳跃点提取器11的一种布局。该布局包括N个带通滤波器91-1...91-N。不同的频率分量平方(92-1...92-N)，然后每个分别提供给计算移动平均值的低通滤波器93-1...93-N。此处理的输出R₁...R_N共同形成这组健壮信号分量。该分量实际上表示信号在不同频带的能量时间分布。每个输出R_i承受跳跃点提取(94-1...94-N)。这里，跳跃点是R_i的二阶导数为零一阶导数很大的时间点。跳跃点信号P(t)是所有R_i跳跃点的结合(95)。

在上述具有一预处理电路16用于创建健壮信号R(t)的水印嵌入器的例子中，实际的弯曲仍用于原始的音频信号I(t)。本发明人已经发现弯曲还可用于健壮信号自身，倘若该音频信号可以从所述健壮信号中重建。满足后面的条件，例如，健壮信号是一组从分析滤波器组得到的信号，该分析滤波器组组合一辅助合成滤波器组，构成理想的重建(根据知觉)滤波器组。图10表示了这种水印嵌入器的实施例。该装置包括一分析滤波器组101和一合成滤波器组102，其共同形成一理想的重建滤波器组。这种滤波器组为本领域所熟知。分析滤波器组101提供多个信号R₁(t)...R_N(t)，每个信号分别用于一个水印嵌入器103-1...103-N。正如已经详细示出的嵌入器103-i，每个嵌入器具有图1所示的嵌入器的结构和功能。所有的嵌入器收到相同的水印信号W(t)并响应信号中发现跳跃点而将各个R_i(t)改变为弯曲信号R_wi(t)。合成滤波器组102接收水印分量并合成水印音频信号I_w(t)。嵌入器103-i还可以位于合成滤波器和结合电路1021之间的合成滤波器组102中。

已经注意到二进制水印信号具有多个跳跃点不可弯曲的特性。它们太远离水印信号以致于弯曲量c.ΔT后不能成为水印之上的转换点。实数值水印信号W(t)不具有此特性。实数值水印信号具有例如-1和+1之间的实数值。该值均匀分布，信号的极性经常改变，该信号最好不是常数。图11中表示了一个例子。在此例中，水印定义为沿时间轴的一组-1和+1值通过线性内插法得到连续的水印信号W(t)。W((t)的求均值应该为0。

图11表示图2所示的同一音频信号I(t)和相应的跳跃点信号P(t)。跳跃点在水印信号波形中还表示为点31。对于未水印信号I(t)，水印信号W(t)和跳跃点信号P(t)的相关值D大致等于零：

$D=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}W\left(t\right)P\left(t\right)\mathrm{dt}=0$

其中T是音频信号的持续时间。现在通过″向上″弯曲跳跃点来水印音频信号，即朝向图11中箭头32所示的W(t)的最大值。用箭头33表示在时间t＝s_i用于跳跃点的离散弯曲V(s_i)。现在定义弯曲v(s_i)：

v(s_i)＝c.ΔT.sign(W(t_i+1)-W(t_i))

其中t_i和t_i+1是数字音频信号的取样点，ΔT是取样期间。注意现在弯曲几乎所有的跳跃点，相比较用于二进制值水印信号的弯曲信号。还要注意上述等式的表示式sign()定义弯曲的方向。如果水印信号W(t)是平滑的，离散弯曲v(s_i)还可以定义为：

$v\left(s_i\right)=c.\mathrm{\ΔT}.\mathrm{sign}\left(\frac{\mathrm{dW}\left(s_i\right)}{\mathrm{dt}}\right)$

水印嵌入器进一步与前述相同的方式操作。相应地，通过内插法从v(s_i)得到平滑的连续弯曲函数v(t)，并弯曲音频信号根据：

I_w(t)＝I(t-v(t))

关于水印信号W(t)″向上″弯曲跳跃点的效果在于相关值

$D=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}W\left(t\right)P\left(t\right)\mathrm{dt}=0$

已弯曲(即已水印)的音频信号将明显偏离零。为此，量D还推断为检测强度。水印检测器收到的可疑信号的相关值D。如果D大于门限D_t，则说明水印存在。

D_t的适当值符合下面的观察。我们认为水印信号的等级是这样的，如果为所述等级所有水印计算相关值，则D将具有平均值为μ(D)标准偏差为σ(D)的正态分布。给定所述平均值和标准偏差，D的正态分布可以变换为平均值为0标准偏差为1的标准正态分布D′，其中

$D^{\′}=\frac{D-\mathrm{\μ}\left(D\right)}{\mathrm{\σ}\left(D\right)}$

可以计算出相应于D_t的门限D_t′用于任何期望的虚警概率P(虚警告是在未水印信号中检测水印的情形)。例如，门限D_t′≈5用于P＝10^-6情形。

图12示意地表示实现上述操作的水印检测器。该检测器包括与图4所示相同的跳跃点提取器11、一相关检测器17，用于根据上述等式计算相关值D作为水印信号W(t)和跳跃点信号P(t)的函数、和一判决电路18，其比较相关值D与门限D_t。

图12所示的检测器是一通用水印检测器。该装置还可用于检测二进制值的水印。以下是观察二进制值水印存在的准则，即

$S_1-S_0=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}P\left(t\right)W\left(t\right)\mathrm{dt}-\underset{0}{\overset{T}{\∫}}P\left(t\right)\stackrel{\‾}{W}\left(t\right)\mathrm{dt}>>0,$ 其中W(t)＝{0，1}

在数学上相当于

$D=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}W\left(t\right)P\left(t\right)\mathrm{dt}>>0,$ 其中W(t)＝{-1，1}

注意时间弯曲不是改变信号以得到期望效果的唯一方式。另一种方式是应用调幅，因此增加处于水印之上的跳跃点的跳跃度和增加处于水印之外的跳跃点的跳跃度，这隐含随后大多数的″最强″跳跃点将处于水印之上。此处理可以描述为下面：

Iw(t)＝I(t).(1+ε(t))

其中ε(t)＜＜1，满足下面的情况

嵌入到音频信号的水印可以识别例如版权持有人或内容的描述。它允许材料标记为‘拷贝一次’、‘不许拷贝’、‘不限制’、‘不再拷贝’等。图13表示用于播放记录在磁盘131上的音频比特流的装置。该记录信号经一开关132应用到复制装置133。假设该装置不能播放具有预定嵌入水印视频信号，除非满足本发明不相关的其它条件。例如，如果磁盘131包括给定的物理″摆动″键。为了检测水印，该装置包括一上述的水印检测器134。该检测器接收记录的信号并响应是否检测到水印控制开关132。

总的来说，公开了一种将水印嵌入一维信号，特别是音频信号的方法和装置。通过将诸如零交叉点(22)的跳跃点弯曲(23)到已水印信号(I_w(t))跳跃点的时间分布关于水印信号显著改变的程度，将例如具有0和1均匀分布的二进制信号(W(t))的水印嵌入到音频信号I((t))中。

Claims (15)

1.将水印嵌入一维信息信号的方法，包括步骤：

-确定信息信号的跳跃点，

-通过将跳跃点移动到所述跳跃点与已应用水印信号统计上显著相关的位置来改变所述一维信息信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中该水印信号是一二进制信号，改变信息信号的步骤包括时间弯曲跳跃点，以使该跳跃点与二进制水印信号的预定值一致。

3.如权利要求1所述的方法，其中水印信号是一实数值信号，改变信息信号的步骤包括沿水印信号的局部极限的方向时间弯曲跳跃点。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括从所述信息信号得出表示信息信号的语义精髓的健壮信号的处理步骤，信息信号的跳跃点由所述健壮信号的跳跃点表示。

5.如权利要求4所述的方法，其中该处理步骤包括将信息信号分解成多个健壮信号分量和确定每个信号分量的跳跃点。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述分解包括子频带滤波该信息信号。

7.如权利要求5所述的方法，其中改变信息信号的步骤包括改变每个信号分量和组合改变的信号分量以构成改变的信息信号。

8.一种检测一维信息信号中水印的方法，包括步骤：

-确定信息信号的跳跃点，

-确定所述跳跃点与已应用水印信号的相关值，和

-如果所述相关值从统计上讲显著则检测应用的水印已经嵌入在所述信息信号中。

9.如权利要求8所述的方法，其中应用的水印信号是一二进制信号，确定相关值的步骤包括确定与二进制水印信号的预定值一致的跳跃点的百分比。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括从所述信息信号得出表示信息信号的语义精髓的健壮信号的处理步骤，信息信号的跳跃点由所述健壮信号的跳跃点表示。

11.如权利要求10所述的方法，其中该处理步骤包括将信息信号分解成多个健壮信号分量和确定每个信号分量的跳跃点。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述分解包括子频带滤波该信息信号。

13.一种将水印嵌入在一维信息信号中的装置，包括：

-确定所述一维信息信号的跳跃点的装置，

-通过将跳跃点移动到所述跳跃点与已应用水印信息信号统计上显著相关的位置来改变所述一维信息信号的装置。

14.一种检测在一维信息信号中水印的装置，包括：

-确定所述一维信息信号的跳跃点的装置，

-确定所述跳跃点与已应用水印信号的相关值的装置，和

-如果所述相关值统计显著，则检测应用的水印已经嵌入在所述一维信息信号中的装置。

15.一种记录和/或播放一维信息信号的装置，包括：

-确定所述一维信息信号的跳跃点的装置，

-确定所述跳跃点与已应用水印信号的相关值的装置，

-如果所述相关值统计显著，则检测应用的水印已经嵌入在所述一维信息信号中的检测装置，和

根据由所述检测装置检测的水印存在于所述信号中，禁止记录和/或播放所述一维信息信号的装置(132)。

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