CN1178510C - 用于有选择地进行数据块处理的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

把水印数据嵌入例如象视频数据流一样的数据流，并且检测该水印的方法、装置和系统。针对该数据流的每一数据块估计一个组构判据。该组构判据测量与数据流的每一单元相关的所选特性的变异，例如亮度和色度的变异。只有那些被确定具有在所选特性中的一个预定变异程度的数据块被选择用于嵌入一个水印。由提供具有数据块选择器的水印检测器，估计与水印嵌入器中采用的相同的组构判据，该检测器试图检测仅在那些已经被确定为具有所选特性的预定变异程度或大于该预定程度的那些数据块中的水印。通过仅在这种数据块中尝试检测，检测计算数量降低，而水印信号对数据流噪音的比例增加，从而改进即使是弱水印信号的检测。

Description

用于有选择地进行数据块处理的方法及装置
技术领域
本发明涉及信息加密技术领域。尤其涉及把水印数据嵌入例如一个数据流，例如视频数据流中，并且检测该水印数据的技术。
背景技术
近来发展的数据压缩技术、大容量存储器介质、互联网络、以及其它高带宽分配信道之间的协同互动，已经使数字介质几乎无所不在。从这些发展的角度看，用于控制这种介质的著作权和/或所有权的分配、复制及识别的技术日渐重要并且与商业密切关联。首先是由于数字介质本身的特性的原因，该介质中的版权的有效实施尤其是一个复杂的问题。除非采取防范措施，数字数据将可容易及完美地再现，而不损耗其逼真度。
所谓的″数字水印标记″近来已经获得关注，作为在作品中，例如图像的数字介质开发者的工厂中的一个制止数字介质剽窃或未授权分配或再生的可用武器。通常，水印是一个信息、符号或任何有特色的标记，直接加到该视频信号，其目的是标识该复制是否为授权复制、图像内容的作者、经销商、所有者或类似信息。通常把该特色信息、符号或标记添加到数字介质的添加处理称作嵌入处理。数字水印标记最好嵌入在数字介质(伴音、静止图像或视频图像)中，以便其不为观众(例如看电影的人)所见，并可由适当的检测系统可靠地检测。通常，可见性及可探测性是直接彼此相关的：越是可见的水印，其越容易可靠地被检测。相反地，一个很隐蔽的水印可能难于可靠地检测到。因此，通常必须获得在可见性及可探测性之间的一个可以接受的折衷。
已经建议了几种在一个数据流中嵌入水印的方法。在例如一个视频数据流的情况下，每一图像帧可以被分成多个给定尺寸的数据块。因此每一数据块包括一个图像元素的矩阵(下称像素)，具有与例如亮度、色度等相关的几个特性。可以针对每一数据块的每一像素执行变换。例如，针对视频数据流的每一帧的每一数据块的每一像素可以执行离散余弦变换(后称DCT)、离散傅里叶变换(后称DFT)或其它变换。这种变换产生用于每一像素的单一余弦或正弦系数，并且给出与视频数据流频谱内容相关的信息。一旦获得这些信息，就可以通过估算及有选择地修改像素变换数据块的系数而把一个水印或水印的一部分嵌入在一个或者多个数据块中。例如，可以把水印或水印的一部分作为微扰而嵌入在单一或多个数据块的系数中。例如，通过有选择地移动DCT或DFT系数的矩阵系数，可将水印低可见性地嵌入。因为人的视觉和听觉系统不能迅速区分频谱内容中的细微变异，因而有可能使得一个给定频率的视频信息掩蔽相同或相邻频率的水印数据。
依赖每一数据块的每一像素的变换而确定像素的频谱内容的常规方法存在几个缺陷。的确，对每一个可能包括例如8×8像素矩阵或16×16像素矩阵的大量数据块进行的处理是高计算强度的处理。从计算资源的角度看，这种每一帧的每一数据块中的每一像素的生蛮强制的处理是既耗时又非钱。为有效率地操作，此种方案要求昂贵的专用硬件和雄厚的存储资源，以便满足例如数字视频高数据速率的需求。这些问题在检测方被加重。用户电子设备中通常利用水印检测器，例如在数字(或通用)视盘(下称DVD)中。因此，为了使用传统的方案而可靠和精确地(低假正确的水印识别)检测水印，每一数据块的每一像素必须变换到频域，并且获得针对表示水印一部分的可能移动而估计的频率系数。但是，要想在市场中获得普遍的接受，检测系统必须满足几个标准，包括简单、可靠、和低价，以使其可以廉价地结合在各种众多市场用户电子设备中，例如结合在DVD系统中。这些标准显然与要求对整个数据流的每一帧的每一数据块的每一像素进行变换和测试的一个检测系统相矛盾。
M.Holliman等人的文章“‘Adaptive Public Watermarking ofDCT-based Compressed Images’，Proceedings of the SPIE，Vol.3312，0277-786X，1997，第284-295页”公开了在压缩图像数据的DCT块中嵌入水印信息的一种自适应方案。人为因素和在该压缩的水印图像的位速方面的增加，通过正确选择插入水印的适当块可以避免。提供依赖于的块搜索生成算法确定特殊系数，以便在特殊的块中进行修改。该技术以一个简单的软件实现，并且仅仅是适合于在JPEG压缩图像和MPEG或MJPEG视频流中插入水印的实时软件。该技术也能够补充用于拷贝保护以及检测应用的现有基于DCT的加水印方案。
因此，所需要的是用于把水印或其它相似的隐藏信息或符号简单且可靠地嵌入在数字数据组或数据流中并且对其进行检测的设备和方法。这种水印嵌入及检测设备和方法还应该是低价的，以在实现各种设备中，例如在家庭电子设备中实施及采用。还要求该设备和方法减小把水印或其它相似隐藏数据不可见地嵌入在数字介质中、并对其可靠地检测所需的操作步骤。这种设备和方法最好适用多样的水印嵌入及检测方法，包括对传统的以频域为中心的嵌入及检测方案的适用。而且，与传统的设备及方法相比，这种水印嵌入及检测设备及方法应能减小为处理该数据流所需要的时间和计算量。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于把水印或其它相似的隐藏信息或符号简单且可靠地嵌入在数字数据流中并且对其进行检测的设备和方法。本发明的另一个目的是提供低价实现及采用在各种设备中的水印嵌入及检测设备和方法。本发明的另一个目的是提供一个设备和方法，减小把水印或其它相似隐藏数据不可见地嵌入在数字介质中、并对其可靠地检测而所需的操作步骤。另一目的是提供能够兼容各种水印嵌入及检测方法的设备和方法。本发明的再一个目的是提供用于嵌入和检测水印的设备和方法，与传统的设备和方法比较，降低对给定数目数据块做处理所需要的时间和计算量。
根据本发明的上述目标以及以下将要阐明并因此变得显而易见的那些事实，本发明的一个实施例提供一种用于在加水印的源数据流中检测水印的设备，该源数据流包括多个数据单元，每一单元具有至少一个与其相关的特性，其中，嵌入所选源数据流块中的水印满足测定与该源数据流的每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该设备包括：缓冲器电路，用于将加水印的源数据流作为输入来接收，该缓冲器电路缓冲加水印的源数据流并将其划分成所选块，其中各块具有与在反映在加水印的源数据流中的嵌入处理期间任意选择的大小同样大小的块；块选择器电路，与缓冲器电路的一个输出端连接，该块选择器电路根据与选择用于嵌入水印时所使用的那种组构判据选择水印源数据流块，并且选择在嵌入处理中将水印嵌入到其中的块，其中，输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试选择的块；检测器电路，与块选择器电路的一个输出端连接，检测器电路通过累积所选择的块以便在出现水印时相对于相对无关的数据流加强水印，在由块选择器电路所选择的块中检测该水印，从而降低处理给定块数所必需的操作时间和次数。
本发明还提供一种用于在所选择的源数据流块中嵌入水印的设备，该源数据流包括多个数据单元，其中，所选源数据流块满足测定与每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该组构判据与源数据流的两个不同帧的对应块之间的任何关系都不相关，该设备包括：缓冲器电路，用于缓冲源数据流并将其划分成多个所选块，其中，块大小是以所有块具有同样大小的原则任意选择的；块选择器电路，与缓冲器电路连接，该块选择器电路选择满足组构判据的源数据流块，其中，输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试选择的块；嵌入器电路，与块选择器电路和缓冲器电路的一个输出端连接，嵌入器电路仅在满足组构判据的任意大小的所选块中嵌入水印。
本发明还提供一种用于在加水印的数据流的所选块中检测嵌入的水印的方法，该加水印的数据流具有多个数据单元，其中，所选块满足测定与加水印的数据流的每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该方法包括步骤：将加水印的数据流划分成多个同样大小的块，该大小是在反映在加水印的数据流中的嵌入处理中任意选择的；仅仅选择满足与选择用于嵌入水印的块时所使用的那个组构判据，其中，输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试选择的块；仅仅检测嵌入水印并且由选择步骤选择的块中的水印，该检测包括：在空间域上通过累积所选择的块以便在出现水印时相对于相对无关的数据流加强水印，方便地检测加强的水印，从而降低处理多个块所必需的操作时间和次数。
本发明还提供一种用于在源数据流的所选块中嵌入水印的方法，该源数据流包括多个数据单元，其中，所选块满足测定与每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该方法包括步骤：缓冲源数据流并将其划分成多个所选块，其中，块大小是以所有块具有同样大小的原则任意选择的；测试从源数据流划分出来的具有任意选择的同样大小的块，以确定它们是否满足组构判据，其中，输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试源数据流的选择的块；以及一旦满足组构判据，则仅在满足组构判据的具有任意选择的同样大小的块中嵌入水印。
本发明还提供一种用于在源数据流的所选块中嵌入和检测水印的方法，该源数据流具有多个数据单元，其中，所选块满足测定与每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该方法包括步骤：将源数据流划分成组构判据的所选块，其中所选择块被划分成具有任意选择的同样大小的块；仅仅选择满足组构判据的块，其中输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试源数据流的选择的块；仅在满足组构判据的所选块中嵌入水印；在检测处理中，根据与选择用于嵌入水印的相同块时使用的同样的组构判据选择加水印的源数据的块，其中，块大小与在嵌入处理期间任意选择的大小相同；以及通过在空间域中累积所选择的块以便在出现水印时相对于相对无关的数据流加强水印，仅仅检测嵌入水印的所选块中的水印。
根据另一实施例，该测试步骤可以包括步骤：把所选特性的变异程度与一个阈值比较。该测试步骤可以包括步骤：从所选单元的所选特性的一个最小值减去所选单元的所选特性的一个最大值，该相减结果的绝对值与阈值比较。该测试步骤可以包括一个步骤：产生所选单元的所选特性的差值的绝对值的一个取和，把该差值的取和与该阈值比较。该源数据组可以包括视频和/或其它类型的数据。该所选特性可以包括从包括亮度、色度和RGB的特性组中所选的一个或者多个特性。该变异的测定可以在一个像素域中确定。该划分步骤可以把该源数据组分成多个同样尺寸的数据块，每一数据块包括具有至少2×1单元的一个尺寸的数据组单元的一个矩阵。该数据组单元可以包括图像元素(像素)。该处理步骤可以包括一个步骤：把该水印嵌入在数据组的每一数据块中，该数据组展现至少一个所选特性的至少该预选变异程度。该处理步骤可以包括一个步骤：仅检测在展现出所选一个或几个特性的变异的至少该预选程度的那些数据组的数据块中的水印。可以执行一个步骤：在每一数据块的内部，相对于所选一个或几个特性的变异，沿着每一数据块的边缘解加重该所选一个或几个特性的变异。该解加重步骤可以包括步骤：把一个加权系数指定到在每一数据块中的每一单元，沿着每一数据块的边缘的单元被指定比在每一数据块内部的单元更低的系数。
附图说明
为了进一步理解本发明的目的和优点，现结合附图详细描述本发明，其中：
图1是根据本发明的有选择数据块处理系统的一个实施例的方框图。
图2是根据本发明的有选择数据块处理方法的一个实施例的流程图。
图3是根据本发明的有选择数据块处理系统的另一实施例的方框图。
具体实施方式
现在参照图1描述根据本发明实施例的用于进行有选择数据块处理的系统。参考数字110表示一个水印嵌入器，是把水印插入在一个数据组或一个数据流中的一个功能块。在本发明的描述中，术语水印包括任何有意地隐蔽信息、符号或其它人为造物的表示，其传递某些信息，例如所有权或作者的身份的标记，并且被设计为实质上不可见地隐藏到该数据流中。该数据组或数据流可以包括例如一个视频信号、静止图像数据和/或音频数据。
同样，参考数字150表示一个水印检测器，是检测隐藏在数据组或数据流中的一个或几个水印的功能块。为了本发明的描述容易，图1中的嵌入器和检测器通过标记″水印视频″的一个通信信道连接，虽然视频信号仅是本发明的一个应用。而且，在实践中的通信信道145可以是一个分布介质，例如无线通信信道、例如同轴电缆的有线的通信信道、互联网络、电话线等等。另外，参考数字145可以表示一个数据载体，例如磁带、DVD盘、CD-ROM、视盘或其它任何磁性、光学或混合的数据存储装置。嵌入器110可以置于一个制造或分配设施，而检测器可以放置在用户重放装置之内，例如DVD唱机等。例如，嵌入器110可能把水印数据嵌入在一个视频数据流中，并且利用该水印嵌入的视频数据流编码一个DVD盘。该DVD盘则可以由用户购买或租借，随后在具有适当检测器，例如检测器150的重放设备上重放。
首先参考嵌入器110，数字115表示一个分块器/缓冲器。该分块器/缓冲器115把一个源数据组(例如视频数据流)缓冲在一个内部存储器中，将缓冲输入数据流划分成多个相等尺寸的数据块。虽然为了说明的目的使用的是一个视频数据的数据流，但是应该理解的是，本发明不局于此。数据块每一个包括数据组单元的矩阵。在视频数据的情况下，数据组单元的每一个包括一个像素，具有至少与例如亮度和/或色度相关的至少一个特性。该数据块可以是小到2×1像素，大到视频数据的整个帧。例如，每一数据块可包括8×8像素的矩阵，或可以包括16×16像素的矩阵。数据组单元的矩阵不需要具有相同的行数与列数。
分块器/缓冲器115的输出是发送到一个数据块选择器120的相等尺寸数据块的串行数据流。数据块选择器120测试每一输入数据块，以便确定是否满足一个预定的判据。如果该判据不满足，则数据块选择器120把一个信号125发送到水印嵌入器130，禁止把水印嵌入在不满足该判据的数据块中。例如，该数据块选择器120可以估计用于每一数据块的″组构″判据，并且输出一个组构值，其中0(零)指示在一个数据块中的一个完全平坦、无特色、和相对不变的区域，而较高的编号指示增加频谱内容。分块器/缓冲器115的输出还发送到水印嵌入器130。因此，根据图1示出的实施例，水印嵌入器130从分块器/缓冲器115接收每一数据块输出。只要数据块选择器120不产生禁止水印嵌入的信号125，就在每个数据块中嵌入一个水印。但是，如若任何数据块不满足该判据，数据块选择器120将通过输出一个低的无符号值到水印检测器130而禁止水印的嵌入，该水印检测器130被配置来仅当该数据块选择器120产生的值超过一个预定阈值时才在当前数据块中嵌入一个水印。
另外，水印嵌入器130可以从数据块选择器120接收一个组构值，并且根据接收的组构值的幅值调制该嵌入水印的强度。在此情况中，一个0组构值将使该水印嵌入器130嵌入具有零强度的水印，即事实上根本不嵌入水印。根据本实施例，组构值越高，将使水印嵌入器130嵌入逐步更强的水印。
还可能有嵌入器110的另外的实施例。例如，如图3所示，不是象如图1所示的那样把数据块选择器120产生的一个阻断信号送到水印嵌入器130，而是图3的数据块选择器120产生一个选择控制信号到一个逻辑器件，例如一个2∶1多路复用器140。多路复用器140的一个输入来自分块器/缓冲器115，而该多路复用器140的其它输入来自水印嵌入器130。根据本实施例，数据块选择器120只把那些满足判据的数据块(或只把那些不满足判据的数据块，这取决于判据是如何定义)运送到水印嵌入器130。另外，数据块选择器120可以把全部数据块转发到水印嵌入器130，该水印嵌入器130则把一个水印嵌入在每个数据块中。但是，通过仅转发满足的判据的那些数据块，用于数据块选择器120抽取发送到该水印嵌入器的数据块的数量的计算的将是经济得多。根据数据块选择器120产生的该控制信号的状态(0或1)，多路复用器140将输出一个具有水印嵌入在其中或没有水印嵌入在其中的一个数据块。还可能有嵌入器110的其它实施方案，而全部这种实施方案应该考虑落入在本发明的范围中。
数据块选择器120测试每一输入数据块，以便确定该数据块是否满足一个预定的判据。如上述提及的，根据本发明，一个这种判据是所谓的″组构″判据。通常，组构可以定义为与一个数据组，例如在一个视频数据流中的像素的结构单元相关的任一特性或几个特性的变异程度。在一个视频数据流情况下，该组构判据是在每一数据块中的变异(或无变异)的测定，该变异是与在每一数据块或所选数几个据块之内的每一像素或所选像素相关的一个或者多个特性的变异。例如，该组构判据可以确定在一个数据块中的所选亮度特性的变异、在数据块中的所选像素的色度特性的变异、亮度和色度和/或其它特性的变异。
通常，该组构判据可以认为是在一个数据块中的所选像素的一个或者多个特性的变异的一个测定。例如，包括表示无特色的或接近无特色的的蓝色天空的数据块可能将不满足该组构判据，而根据本发明将不把水印嵌入在那些数据块中。的确，例如，如果其中将嵌入一个水印的数据块的结构像素表示一个近乎无特色的天空，则嵌入水印的概率将被显著增加。在一个视频数据流的情况下，这将构成在图像质量中的无法接受的显见降低。另一方面，如果亮度特性在一个数据块中针对所选像素大大地变异，则可很有成效地嵌入水印，意味着如此嵌入的水印将可能不被显见。例如，通过仅把一个水印嵌入在具有一个频谱内容的那些数据块中，该频谱内容与该水印的干均频谱内容大致相等，则该水印可以低可见性及可以接受的觉察性嵌入，因为人的视觉系统不能迅速地辨别在具有高频谱能量的图像中的细微改变。
例如，不满足用于该亮度特性的该组构判据的一16×16象素数据块可以定义为其256个亮度值的幅值被相同的值围绕的一个数据块，或定义为在该数据块的256个像素之内的所选像素的亮度幅值被相同的值围绕的一个数据块。这可以通过对关于数据块的所选像素的亮度值的变异程度的一个值进行设置而量化。例如，根据本发明的实施例，当所选像素的最大亮度值超过最小亮度值多于一个预定阈值时，可以满足该组构判据。这阈值可以是恒定值、预定值或可以是自适应值。现在返回到图1和3，数据块选择器120可以在具有最大亮度值的数据块的所选像素当中确定像素，而且在具有最小亮度值的所选像素当中确定像素。最大和最小亮度值则可以彼此相减，除去符号仅留幅值，而且该结果与一个预定恒定值或自适应阈值比较。如果该结果大于(或大于等于)阈值，则该组构判据被认为已经满足该数据块，而且该数据块选择器将实现对于该数据块(图1)的嵌入，或控制该多路复用器140以便从该分块器/缓冲器115(图3)输出一个加水印的数据块。
确定该组构判据的另一出色方法是产生所选像素的所选特性的差值的绝对值的一个和，随后把该绝对值差值的和的结果与一个预定常数或自适应阈值比较。相信这将得出一个更准确的所选特性的组构的测定，尤其对于较大尺寸数据块的情况。例如，该组构判据可以定义如下：
|Pa-Pb|+|Pc-Pd|+|Pe-Pf|+...+|Pm-Pn|＜K
其中，Pa、Pb、Pc、Pd...Pm和Pn是在数据块中的所选像素的值，而K是一个预先确定的常数或自适应阈值。该绝对值确保该差值的结果的极性不影响最终结果。换句话说，为了估算这组构判据的目的，该分别差值的相位是不重要的。在对该数据块之内的执行差值操作像素进行选择中，某些像素对的操作比其它像素对更好。例如，可以用一个确定的间隔选择差值对，以便表示最佳掩蔽该水印的频率。该间隔最好应该是足够的，以确保所选特性(亮度色、度等)的值满足操作的需要，例如数模转换、裁剪、延伸等等。这种操作可能是有害的或可能是与正常使用关联的。例如，如果该视频数据流(图1中的145)要记录在一个模拟介质上，例如一个盒带录像机(下称VCR)磁带上，如果所选像素是水平相邻的或也空间彼此接近，则该水印的可觉察性将受损害。这是因为普通的VCR起到一个低通滤波器的作用，多少会衰减一些高频内容。通过认真地选择使用在组构判据的估算中的像素以便确保这种频率不被不可接受地衰减，该水印将保持一个较大的机会满足这种具有可以接受的可觉察性的变换处理。在所选像素之间的间距；它们的位置和/或型式可以例如从代表图像文件集的样本中事先选择，以使所选像素以那些代表样本最佳操作。而且，数据块选择判据最好被选择，以使用于进行嵌入的数据块不影响随后的水印检测。例如，在一个不正确的实施方案中，只要具有一个频率内容的数据块相似于将由选择判据所选的水印的频率内容，不包括水印的视频数据块就可能相似实际上包括水印的视频数据块。为了避免该情况，在数据块选择处理的全部步骤过程中，每一数据块的视频内容最好应该保持与该水印不相关。
根据本发明的实施例，该水印仅被嵌入在满足该组构判据的那些数据块中。该数据块不满足该组构判据；即，从例如亮度或色度的角度看展现小变异的那些数据块将不接收一个水印，或接收一个弱的水印。根据本发明的一个最佳实施例，与其中把单一水印可能被交叉分配到许多数据块的某些传统技术相反，在一个给定的数据块中包括全部的水印或不包括水印，根据每一个系数的频率内容，接通和切断该水印的每一个DCT或DFT系数。相对照，根据本发明，实际上只有那些能够最佳隐藏该水印的数据块才接收该水印。本发明的实际效果是大大增加了信噪比例Sw/Nv，其中Sw是水印的强度，而Nv是不相关的视频数据流的强度。只要那些包括一个水印的数据块被送给该水印检测器180，增加该信噪比Sw/Nv将大大改进相对于该不相关图像内容的该相关水印信号的检测。根据本发明实现此种操作的方式在图1和3的检测器150中示出。
如图1和3所示，那检测器150至少包括三个主功能块。分块器/缓冲器160缓冲该输入的加水印的视频数据流145，并把该数据流划分成一系列数据块，其尺寸与嵌入器110的分块器/缓冲器115产生的数据块的尺寸匹配。检测器150的分块器/缓冲器160可以与嵌入器110的分块器/缓冲器115完全一样。数据块选择器170最好与嵌入器110的数据块选择器120匹配。匹配数据块选择器170应用到由分块器/缓冲器160产生的数据块的判据与数据块选择器1120应用到由嵌入器110的分块器/缓冲器115产生的数据块的判据相同。以此方式，用于进行嵌入的判据和用于进行检测的判据完全相同。借助由嵌入器110和检测器150所用标准的这种识别的优点，该水印检测器180只接收已经由匹配数据块检测器170确定为是有可能备用为包括水印的那些数据块。在理想的条件(嵌入器输出等于检测器输入，而且不出现插入视频处理)之下，该匹配数据块选择器170将选择与数据块选择器120已经选择用于水印嵌入的数据块的相同数据块的全部或几乎全部用于水印检测。因此，在一个最佳实施例中，匹配数据块检测器170筛选该输入数据块，并且仅把那些可能包括水印的数据块传送到水印检测器180。因此该匹配数据块检测器170根据该选择判据抽取该输入数据块，而且不把很多不包括水印的数据块送到水印检测器。的确，如果使用一个组构判据，该匹配数据块检测器170将不允许具有低组构程度的数据块达到该水印检测器180。根据本发明，当与例如空间累积结合时，这种检测方法尤其有益。当视频处理已经出现在图1的通信信道145中的某点时，在检测器150中用于选择判据的阈值可以设置为不同于该嵌入器110中的用于同一判据的阈值的一个值。例如，如果信道145中的信号被衰减、波形拉长、波形锐化或其它改变，该检测器阈值可以降低或提升以实现最佳结果。
在空间、或像素域(与在DFT或DCT变换之后的频域中的累加相反)中的累加的情况下，数据块可以被加在一起然后由累加数据块的数量划分。例如，实现16×16数据块的累加是通过取每一数据块的全部顶端、左角像素的平均，随后取在每一数据块中的下一个像素的平均，直到每一16×16数据块的全部256像素被取平均为止。如果试图以普通的水印检测器检测整个加水印的视频数据流的每一数据块，则信噪比Sw/Nv将相当低，检测将难以进行而且不可靠。这是因为许多不包括水印的数据块与包括水印的数据块作平均，相对于不相关视频信号，削弱了相关水印的相对强度。另一方面，根据本发明，该水印检测器180只接收可能包括一个水印的数据块。由于水印型式重复数据块尺寸和视频信号是不相关的模式，所以该水印突出而且可以迅速地识别和检测。因此，通过仅把包括水印的数据块提供给该水印检测器、使得该检测不易受错误的确定识别的影响，该匹配数据块选择器170和水印检测器180的协调操作增加了该Sw/Nv。
如果给定数据块视频数据流的全部数据块都具有嵌入在其中的水印，则图像质量将非常可能实质上被劣变，并且该水印将是十分显见的。但是在这种情况下，通过空间累加而实现的检测将确实被改进，因为该水印将在每个数据块中得到强化。根据本发明，虽然不是每个数据块都带有水印，但是输入到水印检测器180的每一数据块都非常可能包括水印，因为使用在匹配数据块选择器170中的判据与使用在数据块选择器120中的判据完全一样，并且因为该匹配数据块选择器仅把可能包括水印的那些数据块传送到水印检测器。因此，从水印检测器180的角度看，出现在其输入中的该视频数据流的每个数据块几乎都包括水印。因此，该方法具备了在视频数据流的每一数据块中嵌入一个水印的全部优点而没有上述可见性的缺点。而且，这种空间累加避免了作为很多传统的嵌入和检测方案的特征的长耗时和频域变换的沉重的计算负担。虽然特别有益，但是本发明的适用范围不限定于空间或像素域的累加检测方法。的确，在此处描述的有选择地数据块处理设备和方法同样可应用到要求把该源数据组(例如一个视频数据流)变换成频域的水印嵌入和检测方案。的确，根据本发明的有选择地数据块处理设备和方法被确信为是采用的嵌入和检测方法的同类别的方法。但是，在这空间域中累加输入数据块而不作初步的变换被确信是有益的，因为视频数据通常最初在空间域送到嵌入器110和检测器150。
存在这样的情形，其中一个数据块可能满足组构判据可是不适合作为一个嵌入水印的数据块。的确，这种数据块可以使用在此公开的方法确定，以便具有足够高频的内容来保证水印的嵌入，然而不适用于这样的一个目的。例如，数据块可以包括在边界之内并且沿着一个高对比度特征的一侧，例如沿着篱桩或对照一个无特色的天空的边缘。虽然该组构判据的估算可能引起一水印的包括，但是水印的嵌入可能导致在嵌入的数据块中的显著的人为失真，一旦重放则可能显示为″重影″现象。
为了解决此问题并降低这种不适当的数据块被选择用于包括一水印的概率，嵌入器110的该数据块选择器120可以采用一加权方案，其中朝数据块中心选择的像素的选择特性被指定的加权系数比朝该数据块边缘选择的像素的选择特性高。例如，在数据块边缘的所选特性可被忽略，或通过给它们一个相对于朝该数据块中心方向的所选像素的所选特性而言是很低的加权系数而解加重。这种加权使得数据块选择器120禁止该水印嵌入器130的嵌入，即使在可能已经引起水印嵌入的数据块中具有不被使用的加权。例如，加权系数可以展现从数据块边缘到中心的一个线性变异，或展现任何其它变异，例如包括在边缘(数据块的顶端、底部和两侧)的加权像素具有一个零系数，而数据块的其它象素全部以系数1加权。在后一情况中，数据块边缘的所选像素的选择特性将被完全忽略。
图2示出根据本发明的有选择数据块处理方法的一个实施例的流程图。如图2所示，步骤S1缓冲一个输入视频数据流(或其它数据流)。在同步S2把缓冲的视频数据流分成多个同样尺寸的数据块。在同步S3计算出针对每一数据块的判据，例如在此描述的组构判据。如在步骤S4所示，随后针对每一数据块确定是否该判据被满足。如果满足该组构判据，则在当前数据块中嵌入一个完全的水印。如果该组构判据不满足，则当前数据块被估算确定为不适合嵌入水印的数据块，并且绕过步骤S5。随后，该加水印的视频数据流可以记录在一个记录介质或数据载体上，或经过一个传输信道发送。
步骤S6至S10可以在例如一个视频数据流重放设备中执行。在步骤S6中，加水印的视频数据流从记录介质或数据载体读出或从传输信道接收，并且缓冲。在步骤S7中，缓冲的加水印的视频数据流被划分成多个同样尺寸的数据块，最好与步骤S2中大小相同(8×8象素数据块、16×16象素数据块等)。与步骤S3计算出的判据一样，在步骤S8针对分数据的块视频数据流的当前的数据块计算出相同判据。在步骤S3和步骤S8中进行的相同判据计算使步骤S10中的水印检测步骤的数量最小化。在步骤S9中，确定的当前数据块是否满足判据，例如在此公开的组构判据。如果判据被满足，即如果组构判据的估算指示当前数据块的频率内容比预定阈值高，则针对该数据块执行在步骤S10示出的检测步骤。否则，绕过检测步骤S10。如上述公开的那样，最好通过在空间或像素域中的累加执行在步骤S10中示出的检测步骤。
根据检测步骤的结果，可以有选择地执行一个确认处理。例如当检测水印时，可以防止视频数据流的记录。而且，水印删除是一个困难的任务，经常不能在不过度损坏图像内容质量的条件下实现，这将构成挫败图像内容复制的另一个因素。另外，如果该视频数据流不被确认(例如没有水印或出现窜改的水印)，则该视频数据流重放设备可以拒绝重放该视频数据流，或开始其它功能以阻止窜改，例如故意降低重放质量。
根据本发明，可以把一非常弱的水印插入在所选数据流的数据块中，例如插入在一个视频数据流中，从而以对于可觉察性的少许影响而进一步降低水印的可见性。嵌入水印的强度可以通过从数据块选择器120输出的组构值调制。而且，因为检测器150中的匹配数据块选择器170″知道″哪个数据块应该包括水印，因此能够仅注意包括水印的那些数据块，并且对它们进行平均的，使得从不相关的视频数据流中突出相对强相关的(虽然还是很弱)水印。检测器150中的匹配数据块选择器170″知道″哪个数据块应该包括水印，因为其设计是来估计同一个判据(例如组构判据)，作为嵌入器110中的数据块选择器120的对应量。因此，本发明实现一个弱嵌入信号的优良可探测性，因此具备一个优良水印的低可见性及高可探测性特征。
虽然已经详细描述了本发明的最佳实施例，但是应该理解的是上面描述仅用于说明而不是对所公开的发明的限制。例如，本发明同样可应用到其中该水印被相加、相减、相乘到一数据组中的水印嵌入处理，该数据组例如一个视频数据流、伴音、单一帧图像及其它数据，其中引进到每一字节中的误差的细微程度不危害数据的可用性。而且，使用DCT、DFT、固定或随机噪声型式、插入等，该水印可以嵌入在空间或频域中，和/或检测该嵌入的水印。本发明不局限于在空间或频域的平均或累加。例如，每一所选数据块可以单独地估计，并且所有的这种数据块可以统计地累加。还可以采用其它有益方法，例如相关性。所选特性可以是，仅亮度、仅色度、亮度和色度、RGB和/或其它与当前数据组的结构单元相关的特性。本专业技术人员无疑将想到其它改进，并且所有的这种改进都被认为是在本发明的精神范围中。因此，本发明仅由下面阐明的权利要求所限定。

Claims (25)

1.一种用于在加水印的源数据流中检测水印的设备(150)，该源数据流包括多个数据单元，每一单元具有至少一个与其相关的特性，其中，嵌入所选源数据流块中的水印满足测定与该源数据流的每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该设备包括：
缓冲器电路(160)，用于将加水印的源数据流作为输入来接收，该缓冲器电路缓冲加水印的源数据流并将其划分成所选块，其中各块具有与在反映在加水印的源数据流(145)中的嵌入处理期间任意选择的大小同样大小的块；
块选择器电路(120、170)，与缓冲器电路的一个输出端连接，该块选择器电路根据与选择用于嵌入水印时所使用的那种组构判据选择水印源数据流块，并且选择在嵌入处理中将水印嵌入到其中的块，其中，输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试选择的块；
检测器电路(180)，与块选择器电路的一个输出端连接，检测器电路通过累积所选择的块以便在出现水印时相对于相对无关的数据流加强水印，在由块选择器电路所选择的块中检测该水印，从而降低处理给定块数所必需的操作时间和次数。
2.权利要求1的设备，其中该块选择器电路算出在空间域中的该组构判据。
3.权利要求1的设备，其中用于水印检测组构判据与用于水印嵌入的组构判据相似。
4.权利要求1的设备，其中块选择器电路(170)与用于选择在嵌入处理期间嵌入水印到其中的块的块选择器电路(120)相同。
5.权利要求1的设备，其中输入判据函数的数据来自与包含正在尝试选择的块的帧相同的帧中的多块。
6.一种用于在所选择的源数据流块中嵌入水印的设备(110)，该源数据流包括多个数据单元，其中，所选源数据流块满足测定与每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该组构判据与源数据流的两个不同帧的对应块之间的任何关系都不相关，该设备包括：
缓冲器电路(115)，用于缓冲源数据流并将其划分成多个所选块，其中，块大小是以所有块具有同样大小的原则任意选择的；
块选择器电路(120、170)，与缓冲器电路连接，该块选择器电路选择满足组构判据的源数据流块，其中，输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试选择的块；
嵌入器电路(130)，与块选择器电路和缓冲器电路的一个输出端连接，嵌入器电路仅在满足组构判据的任意大小的所选块中嵌入水印。
7.权利要求6的设备，其中缓冲器电路(115)和块选择器电路(120、170)每个都向该嵌入器电路提供块，该嵌入器电路根据用于选择的块选择器电路的输出，选择性地禁止和启用该嵌入器电路。
8.权利要求6的设备，其中缓冲器电路(115)连接到逻辑器件的第一输入端以及块选择器电路(120、170)的一输入端，该块选择器电路连接到其输出端连接到该逻辑器件的第二输入的嵌入器电路，该块选择器电路控制该逻辑器件的操作，以使得该逻辑器件选择性地输出具有和不具有水印的块。
9.权利要求8的设备，其中该逻辑器件包括一个多路复用器。
10.权利要求6的设备，其中块选择器电路把一组构值输出到该嵌入器电路，该嵌入器电路根据该组构值的幅值调制水印的强度。
11.权利要求6的设备，其中输入判据函数的数据来自与包含正在尝试选择的块的帧相同的帧中的多块。
12.一种用于在加水印的数据流的所选块中检测嵌入的水印的方法，该加水印的数据流具有多个数据单元，其中，所选块满足测定与加水印的数据流的每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该方法包括步骤：
将加水印的数据流划分成多个同样大小的块，该大小是在反映在加水印的数据流(145)中的嵌入处理中任意选择的；
仅仅选择满足与选择用于嵌入水印的块时所使用的那个组构判据，其中，输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试选择的块；
仅仅检测嵌入水印并且由选择步骤选择的块中的水印，该检测包括：在空间域上通过累积所选择的块以便在出现水印时相对于相对无关的数据流加强水印，方便地检测加强的水印，从而降低处理多个块所必需的操作时间和次数。
13.权利要求12的方法，其中检测步骤包括：相对于相对不相关的数据流，计算在空间域上所选块中对应的数据单元的平均幅度。
14.权利要求12的方法，其中该源数据流是视频流。
15.权利要求12的方法，还包括：在未检测到水印时，禁止该视频数据流的重放。
16.权利要求12的方法，其中在选择块时所使用的组构判据与在水印嵌入时所使用的组构判据相似。
17.权利要求12的方法，其中输入判据函数的数据来自与包含正在尝试选择的块的帧相同的帧中的多块。
18.一种用于在源数据流的所选块中嵌入水印的方法，该源数据流包括多个数据单元，其中，所选块满足测定与每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该方法包括步骤：
缓冲源数据流并将其划分成多个所选块，其中，块大小是以所有块具有同样大小的原则任意选择的；
测试从源数据流划分出来的具有任意选择的同样大小的块，以确定它们是否满足组构判据，其中，输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试源数据流的选择的块；以及
一旦满足组构判据，则仅在满足组构判据的具有任意选择的同样大小的块中嵌入水印。
19.权利要求18的方法，其中测试步骤包括：
从该组构判据的所选特性的最小值中减去该组构判据的所选特性的最大值；以及
将相减结果的绝对值与一给定阈值比较。
20.权利要求18的方法，其中测试步骤包括：
产生该组构判据的所选特性的差值的绝对值的和；以及
将该差值的绝对值的和与一给定阈值比较。
21.权利要求20的方法，其中该数据单元是像素，并且求差操作针对具有表示最好地隐蔽该水印的频率的间隔、位置和/或图案的像素对进行操作。
22.权利要求18的方法，还包括：在每一数据块的内部，解加重相对于所选特性的变异的、沿着每一数据块的边缘的所选特性的变异。
23.权利要求22的方法，其中该解加重包括：把一个加权系数指定到在每一块内的每一数据单元，沿着每一块的边缘的数据单元被指定比在每一数据块内的数据单元低的系数。
24.权利要求18方法，其中输入判据函数的数据来自与包含正在尝试选择的块的帧相同的帧中的多块。
25.一种用于在源数据流的所选块中嵌入和检测水印的方法，该源数据流具有多个数据单元，其中，所选块满足测定与每个数据单元有关的所选特性的变异的组构判据，该方法包括步骤：
将源数据流划分成组构判据的所选块，其中所选择块被划分成具有任意选择的同样大小的块；
仅仅选择满足组构判据的块，其中输入到判据函数的数据仅仅来自正在尝试源数据流的选择的块；
仅在满足组构判据的所选块中嵌入水印；
在检测处理中，根据与选择用于嵌入水印的相同块时使用的同样的组构判据选择加水印的源数据的块，其中，块大小与在嵌入处理期间任意选择的大小相同；以及
通过在空间域中累积所选择的块以便在出现水印时相对于相对无关的数据流加强水印，仅仅检测嵌入水印的所选块中的水印。
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