CN1291597C - 把水印加入信息信号的方法和装置以及发送该信号的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种在诸如音频信号这样的信息信号(x(n))中嵌入水印的方法。该方法包括的步骤是：使用一组分析窗口(h_a(n))把音频信号分成重叠帧(x_s(n))；计算重叠帧的水印片段(w_s’(n))；使用与分析窗口互补的一组重建窗口(h_r(n))由水印片段重建水印信号(w’(n))；并把水印信号加到信息信号中。分析和重建窗口可根据原型窗口构建，以满足预定的互补条件。分析和重建窗口可适应于信息信号的内容。

Description

把水印加入信息信号的方法和装置以及发送该信号的设备

技术领域

本发明涉及把水印加到信息信号中。

背景技术

近年来，对数字多媒体数据的使用和分发在不断增加，这使得对这种数据充分的复制保护、版权保护和拥有权验证的要求也在不断地提高。

数字水印技术是一项可用于各种目的的新兴技术，如保护版权拥有权、跟踪非法复制、控制复制控制装置、广播监视、可靠性验证、增加辅助信息至多媒体信号中，如此等等。

水印是一种标记，它是通过略微修改信号的样本而嵌入信息信号中的。优选地，对一种水印技术方案的设计应当使水印不可见，也就是说，它不能明显地影响信息信号的质量。在许多应用当中，水印还应当是耐用的，也就是说，在一些可能的信号处理操作之后，仍然可以对其进行可靠地检测。

尽管已经公布了很多种静止图像和视频的水印技术方案，但很少有关于音频水印技术的文献。已经公布的技术中的大部分技术所采用的是利用了人的听觉系统的时序和/或频谱掩蔽模型的方法，如回波隐藏或噪声增加。

已知把水印嵌入信息信号中的步骤包括：通过矩形窗口函数把信息信号分为帧；对各帧进行傅里叶变换；略微修改由此产生的每帧的傅里叶分量；并对修改的系数进行傅里叶逆变换，由此得到时域中的水印信号。最后，水印信号被定标并被添加到信息信号中。

但是，信息信号的分割会产生下面的问题，即在帧边界可能会出现水印赝象(artefact)。在音频信号的情况下，这些赝象在听众听起来就是“咔嗒”声。

分割信息信号的另一个缺点在于：在嵌入和检测期间，水印的检测对帧同步敏感。当分别在嵌入和检测算法中定义的帧不同相时，检测性能可能会降低。

Ryuki Tachibana等人的文章“一种强化防止时频波动的音频水印技术方法”(proceedings of the conference on E1ectronicImaging，”Security and Watermarking of Multimedia ContentsIII(EI27)”，San José，USA，21-26 January 2001)公开了一种在信号内容的时间-频率平面中使用窗口和重叠帧的音频水印技术算法，其中在信号的分割和重建期间使用的每帧与相邻帧重叠半个窗口。

但是，上述已有技术的问题在于：即使在重叠窗口的情况下，分割和重建处理均会在片段之间的边界处产生赝象。这些赝象会产生可觉察到的失真。例如，分块赝象会在帧边界处出现，这会造成幅度的不连续性，而这对于人的听觉系统来说就是令人厌烦的失真。在下文中，这些片段也被称作帧。

发明内容

上述已有技术的方法中存在的上述问题可通过一种把水印加入信息信号中的方法得以解决，该方法包括的步骤是：

把分割窗口函数的序列应用到信息信号中，以获得该信息信号片段的第一序列，其中每个分割窗口函数具有预定的长度和预定的形状，而且其中两个连续的分割窗口函数彼此重叠一个预定的重叠长度；

把一个预定水印嵌入第一片段序列的至少第一片段中，从而产生一个水印片段序列；

使用重建窗口函数序列把该水印片段序列中的水印片段组合到水印信号中，其中每个重建窗口函数具有与相应的分割窗口函数的形状互补的预定形状；并且

把水印信号与信息信号进行组合以获得加水印的信息信号。

因此，由于分割窗口和重建窗口的形状是单独选择的，所以它们可以补充彼此的效果，从而降低在分割和重建处理过程中产生的总失真。

本发明的一个优点在于它减少了在信号帧的边界产生的赝象，如分块效果，从而提高了水印的不可见性。

本发明的另一个优点在于它增强了水印检测算法的检测性能。

本发明的又一个优点在于它得到了耐受信号处理操作的水印，也就是说，即使是在信号经过了这些处理之后，仍然可以在信号中检测到水印。在音频信号的领域中，这种处理操作的例子包括：压缩、剪切、D/A和A/D变换，均衡、时间定标、群延迟失真、滤波以及样本的消除或插入。

当分割窗口函数和重建窗口函数满足一个预定互补条件时，互补窗口函数对可被构建，这样，水印或水印算法的专有特性可以在合适的互补条件的技术要求中得到应用，从而会减少帧边界处的算法专有的失真。

在本发明的一个优选实施例中，分割窗口函数和重建窗口函数通过原型窗口函数构建并根据至少一个形状参数定型。因此，窗口函数的形状可通过所述形状参数而得以适应，同时所述互补条件的满足也得到了保证。因而，分割和重建特性可通过改变可调参数进行优化，以便于窗口函数对给定水印应用的适应。

另一个可调参数是相邻窗口重叠的长度。该重叠包括了从完全重叠到不重叠的各种情况。

在本发明的另一个优选实施例中，至少第一分割窗口函数和至少第一重建窗口函数的相应形状根据信息信号而定，从而允许不同形状的窗口之间的自适应变换，如在存在瞬变的音频信号的位置处的长短帧之间的变换。因此可以减少在信息信号中由瞬变产生的失真效果。

本发明还提供：一种嵌入水印的装置；一种包括这种嵌入水印的装置的用于发送信息信号、嵌入水印的信息信号的装置；在其中存储这种信号的存储介质；以及用于检测这种信息信号中的水印的装置。本发明的上述各方面在所附的权利要求中公开。由于本发明的这些方面的优点和优选实施例对应于上文及下文中所述方法的优点和优选实施例，因而在此将不再赘述。

附图说明

参考附图并结合实施例，下面将对本发明进行更为充分地解释，其中：

图1a表示一种根据本发明第一实施例嵌入水印的装置的示意图；

图1b表示图1a所示实施例中的水印计算模块实例的示意图；

图2表示一种根据本发明的一个实施例嵌入水印的方法的示意图；

图3a-e表示重叠v＝0.5的窗口函数的实例；

图4a-e表示重叠v＝0.25的窗口函数的实例；

图5表示自适应转换的窗口函数的例子；以及

图6表示一种根据本发明第二实施例嵌入水印的装置的示意图。

具体实施方式

图1a表示一种根据本发明的一个实施例嵌入水印的装置的示意图。该装置包括分割电路101，它通过使音频信号x(n)与分割窗口h_a(n)的变换形式相乘而把输入的信息信号，如数字音频信号x(n)分成片段，其中该分割窗口在下文中也称作分析窗口。由此产生的片段可由片段号s索引并可写成：

x_s(n)＝x(n)·h_a[n-s(1-v)·N]，

在式中，N是窗口函数的长度。片段尺寸N是检测性能与可听性之间的折衷。长片段尺寸有益于检测的健壮性，而短片段尺寸有益于对于音频信号的局部特性的嵌入的更好的自适应。例如，N可以是2048个样本。根据本发明，相邻的片段可以重叠延迟尺寸N的分数v，其中v∈[0；1]。例如，v＝0的情况相当于不重叠，而v＝0.5的情况表示片段尺寸N的一半的重叠。与较大的v值相比，较小的v值对应的计算复杂性也小。分析窗口h_a(n)的函数形式的实例将结合图3a-e来描述。由此产生的片段x_s(n)被提供到水印计算模块102，该模块计算每个片段的水印w_s’(n)。水印计算模块102所采用的方法可以是一种已知的产生水印的方法。优选地，水印根据人的听觉系统的感觉模型而被加权。结合图1b将描述一种优选的技术。随后，水印w_s’(n)被应用到了重建电路103，电路103产生最终的水印w’(n)，表示为水印w_s’(n)与重建窗口h_r(n)的变换形式的求和：

w’(n)＝∑_sw_s’(n)·h_r[n-s(1-v)-N]

根据本发明，在减少分割和重建期间产生的总失真时，函数形式的重建窗口被选择用以补充分析窗口的效果。最终，水印w’(n)由求和电路104添加到原始音频信号x(n)中，从而获得了加水印的音频信号y(n)＝x(n)+w’(n)。另外，通过使用不同的函数，如在1-比特音频格式情况下的减法或XOR函数，水印信号w’(n)可与音频信号x(n)结合在一起。

随后的水印检测可使用只对称相位匹配滤波(SPOMF)技术，在该技术中，检测算法也包括要分析的信号的分割。

图1b表示图1a的实施例的水印计算模块102的例子的示意图。水印计算模块102包括快速傅里叶变换电路105，该电路把信号片段x_s(n)变换至傅里叶域，从而产生傅里叶系数x_s’(k)的序列。对于尺寸为N的片段来说，快速傅里叶变换电路105产生N个傅里叶系数。

另外，也可以使用其它计算信号片段的傅里叶变换的方法。而且，作为对于把信号样本进行傅里叶变换至傅里叶域的另外选择，其它的变换也可被用来把信号片段变换至不同的域。这种变换的例子包括离散余弦变换和子波变换。

该装置还包括存储介质109，在该介质中，保密水印W以水印样本w(k)的形式存储。优选地，该存储介质是不能被询问的只读存储器。另外，该存储介质也可包括磁带、光盘、数字视盘(DVD)、致密盘(CD或CD-ROM)、迷你盘、硬盘、软盘、铁电存储器、电可擦可编码只读存储器(EEPROM)、快速擦写存储器、EPROM、只读存储器(ROM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、同步动态随机存取存储器(SDRAM)、铁磁存储器、光存储器、电荷耦合器件、智能卡等。优选地，水印样本w(k)对应于具有通过具有平均值0和标准偏差1的正态分布绘制的样本的噪声图。水印样本w(k)通过乘法器106与傅里叶系数x_s’(k)相乘，从而产生水印样本w_s(k)＝w(k).x_s’(k).因而，水印样本w_s(k)被提供给快速傅里叶逆变换电路107，该电路把系数w_s(k)的序列变回至时域，从而产生水印片段。乘法电路108把水印片段与总定标系数α相乘，从而产生定标的水印片段w_s’(n)，其中总定标系数α被确定为水印的健壮性与可听性之间的折衷。

图2表示一种根据本发明的一个实施例嵌入水印的方法的示意图。该方法可由结合图1a-b所述的装置来执行。该方法开始于使用存储在存储器202中的分析窗口的变换形式来分割信息信号x(n)的步骤201。在下面由步骤203a和203b限定的迭代过程中，由此产生的信号片段被处理。因而，该迭代过程由片段指数s指示。每个片段进行了快速傅里叶变换(步骤204)。在步骤205，由此产生的傅里叶系数与存储在存储器206中的定标的水印序列w(k)相乘。在步骤207，修改的系数进行傅里叶逆变换至时域，从而产生修改的信号片段。在随后的重建步骤208，修改的信号片段使用存储在存储器209中的一组重建窗口进行重建，从而产生加水印的信息信号。

如上所述，相邻窗口以及函数型分析窗口与重建窗口的重叠可以单独选择。分析与重建窗口的特定选择由所考虑的特定应用来决定。图3a-e表示根据本发明的窗口函数的不同实例。

当针对重叠片段产生水印信号的片段彼此校正时，可以看出，使用窗口函数来维持信号的幅度是有益的，从而避免在片段边界处的幅度的不连续性，而这可能会引起音频失真。幅度的保持可通过使用满足幅度互补条件的分析和重建窗口来实现：

∑_sh_a[n-s(1-v)N]·h_r[n-s(1-v)N]＝1

在式中，s是片段指数，v是重叠参数，而N是片段尺寸。

满足此条件的窗口函数h_a(n)和h_r(n)根据下式而由预定的原型窗口h_p(n)构建：

$h_a\left(n\right)=h_p^{(1-\mathrm{\β})}\left(n\right)$

和

$h_r\left(n\right)=h_p^{\mathrm{\β}}\left(n\right)$

在式中，β是可在0和1之间选择的窗口形状参数，即β∈[0；1]，而h_p(n)被归一化以使∑_ah_p[n-s(1-v)N]＝1。例如，数值β＝1和β＝0分别产生矩形分析和矩形重建窗口。在信号处理的通用技术中，已知在快速傅里叶变换(FFT)中，矩形分析窗口会在窗口边界处产生失真；这些失真被称作泄漏。因此，在基于FFT的水印算法中，矩形分析窗引起泄漏。另一方面，矩形重建窗口可能会在窗口边界产生幅度的不连续性和音频失真。因而，窗口形状参数β的选择就是在FFT算法中的泄漏引起的失真与在重建时产生的失真之间的折衷。因而，上述的构建提供了调节分析和重建窗口的形状的可能性，从而在给定的水印技术应用中提供了一个可接受的结果，如具有较小总失真的结果。

现在参考图3a-e，原型窗口的一个实例是所谓的Hanning窗口：

另外，也可以使用其它原型窗口函数，如Bartlett、Hamming或Kaiser窗口函数等这样的已知窗口函数。

图3a-e所示为根据N＝2048和重叠v＝0.5的Hanning窗口构建的分析窗口301-305和相应的重建窗口306-310。在图3a的例子中，示出了三个连续的分析窗口301a-c以及相应的重建窗口306a-c，其中各自的中心窗口301b和306b以虚线表示。窗口序列301和306对应于使重建窗口306为矩形的形状参数β＝0。图3b表示形状参数β＝0.25的相应的分析窗口302和重建窗口307。图3c表示具有使分析和重建窗口具有相同形状的形状参数β＝0.5的相应分析窗口303和重建窗口308。图3d和3e分别表示β＝0.75的分析窗口304和重建窗口309以及β＝1的分析窗口305和重建窗口310。

图4a-e表示根据N＝2048的Hanning窗口构建的分析窗口401-405和重建窗口406-410。图4a-e中的窗口函数的形状参数选择为与图3a-e中的相应项相同，而重叠参数v选择为v＝0.25。图3a-e和图4a-e的比较显示了重叠参数v的效果：图4a-e中较小的v值使得窗口401-410与图3a-e中相应的窗口相比更像矩形窗口。这是由于原型窗口函数的上述归一化的原因，使得窗口函数的样本值在不重叠的区域中标定为1。重叠值的其它例子包括v＝2^-m，例如，m等于4或5。作为上述幅度互补条件的另一种可选情况，不同的限制条件可根据分析和重建窗口导出。例如，这在下面的这种情况下是有益的，即当由基于给定变换的水印技术算法产生的片段的音频水印未被校正时，如在噪声序列与音频信号无关的情况下。对于使用未校正的信号的重建来说，保持信号的功率是有益的，从而避免了在片段边界处的功率的不连续性。例如，这种情况出现在水印被定义为具有根据音频信号的功率而定的功率的噪声序列时。对于分析和重建窗口来说，功率保持条件可产生下面的限制：

∑_sh_a[n-s(1-v)N]²·h_r[n-s(1-v)N]²＝1

与幅度互补条件的情况类似，通过使用形状参数β，分析和重建窗口可根据原型窗口h_p(n)构建。这种窗口的一个例子是h_p(n)＝sin(πn/N)。

现在参考图5，根据本发明，窗口函数的长度根据信息信号的内容而定。例如，在存在瞬变的位置上，分割处理可在两个或多个不同长度的窗口函数之间转换。如上所述，窗口函数的选择要满足互补条件，并且它们根据原型窗口构建。这在图5中示出，图5表示根据Hanning原型窗口而定且结合图3a-b描述的具有形状参数β＝1和重叠参数v＝0.5的一些连续的窗口函数图。在本例中，假设瞬变存在于样本号4096周围。在瞬变位置之前，片段尺寸从片段501a-b的N_L＝2048转换到窗口503a-c的较小尺寸Ns＝1024。在该瞬变之后，窗口尺寸变换回窗口501c-d的N_L＝2048。为了满足幅度互补条件，从大窗口至小窗口的变换以及相反的情况是分别通过瞬变窗口502a-b来执行的。在图5中，瞬变窗口以虚线示出。自适应窗口变换的一个优点在于，它降低了在具有瞬变的位置周围的可见失真。由于在瞬变附近，帧长度减小，因此，可能的失真扩展于较短的周期内，从而降低了它们的可感知性。

可以理解，参数β和v另外也可通过响应信息信号的内容来确定。

图6表示根据本发明第二实施例嵌入水印的装置的示意图，它可结合上述的自适应窗口转换来使用。该装置包括分析电路601，电路601分析输入的音频信号x(n)，并根据该分析结果计算合适的窗口参数P，参数P应用到该装置的分割电路603和重建电路605。这些参数由分割电路603使用以便为音频信号的分割选择相应的窗口函数。音频信号经延迟602提供给分割电路，以补偿用于预先分析信号x(n)的时间。在水印计算模块604产生相应的水印片段之后，相应的重建电路605通过使用与在分析期间使用的窗口函数相对应的窗口函数由水印片段重建水印信号。最后，水印由求和电路607添加到延迟的(606)音频信号中，以获得加水印的信号y(n)。

应当指出，自适应窗口变换本身的使用可从“利用重叠块变换和自适应窗口函数的音频信号的编码”(Bernd Edler，Frequenz，43(1998)9)中获知，在其中，这项技术被用在音频编码领域中，目的是使诸如前回波这样的可能的可听失真扩展于较短的时间周期内，如在音频信号的比特率降低的期间。但是，上述已有技术的方法在分割和重建期间使用了相同的窗口函数，并且窗口函数满足某些对称条件，以保证通过变换的信号重建的信号与原始信号相同。而本发明并不要求这种对称并使用互补窗口函数来尽可能减少在水印嵌入期间产生的失真。

还应当指出，尽管本发明主要是结合音频信号进行描述的，但本发明的范围并不限于音频信号。可以理解，本发明也可应用到其它信息信号中，如多媒体信号、视频信号、动画、图形、静止图像等。

还应当理解，根据本发明嵌入水印的装置可由任意的处理单元来执行，如可编程微处理器、专用集成电路或其它集成电路、智能卡等。

应当指出，上述实施例是为了描述本发明而不是限制本发明，并且在不背离所附权利要求的范围的情况下，本专业技术人员可以设计许多变化的实施例。在权利要求中，括号内的任何参考符号均不应当被理解为限制权利要求。单词“包括”并不排除在权利要求中未列出的其它元件或步骤。本发明可通过包括几个不同元件的硬件或适当编程的计算机来执行。在列举了几个装置的设备权利要求中，这些装置当中的几个装置可由硬件中的同一个元件体现。某些措施在相互不同的附属权利要求中列举，这样的仅有的情况并不表示这些措施的组合不能被有益地利用。

总之，本发明公开的是一种在诸如音频信号这样的信息信号(x(n))中嵌入水印的方法。该方法包括的步骤是：使用一组分析窗口(h_a(n))把音频信号分成重叠帧(x_s(n))；计算重叠帧的水印片段(w_s’(n))；使用与分析窗口互补的一组重建窗口(h_r(n))由水印片段重建水印信号(w’(n))；并把水印信号加到信息信号中。分析和重建窗口可根据原型窗口构建，以满足预定的互补条件。分析和重建窗口可适应于信息信号的内容。

Claims (8)

1.一种把水印加入信息信号x(n)中的方法，该方法包括的步骤是：

把分割窗口函数h_a(n)的序列应用到信息信号中，以获得该信息信号片段x_s(n)的第一序列，其中每个分割窗口函数具有预定的长度和预定的形状；

把一个预定水印w(k)嵌入第一片段序列的至少第一片段中，从而产生一个水印片段w’_s(n)序列；

使用重建窗口函数h_r(n)序列把该水印片段序列中的水印片段组合到水印信号w’(n)中；并且

把水印信号与信息信号进行组合以获得加水印的信息信号y(n)，

其特征在于两个连续的分割窗口函数彼此重叠一个预定的重叠长度，并且所述分割窗口函数h_a(n)和所述重建窗口函数h_r(n)是独立选择的，并满足以下条件：

∑_sh_a[n-s(1-v)N]²·h_r[n-s(1-v)N]²＝1

在式中，s是片段指数，v是重叠参数，而N是片段尺寸。

2.如权利要求1的方法，其中分割窗口函数与重建窗口函数由原型窗口函数构建并根据至少一个形状参数β定型。

3.如权利要求1的方法，其中当所述信息信号中存在瞬变时，至少第一分割窗口函数的长度被缩短。

4.如权利要求1的方法，其中当所述信息信号中存在瞬变时，至少第一分割窗口函数和至少第一重建窗口函数的相应形状被缩短。

5.如权利要求1的方法，还包括步骤：

变换第一片段以获得系数x_s’(k)的第一序列；

修改第一系数序列为预定水印的函数，以获得修改的系数w_s(k)的序列；并且

对修改的系数序列进行逆变换以获得第一水印片段。

6.如权利要求1的方法，其中信息信号包括从含有音频信号、静止图像信号和视频信号的多媒体信号类别中选出的多媒体信号。

7.一种把水印加入信息信号中的装置，该装置包括：

装置(101)，把分割窗口函数的序列应用到信息信号中，以获得该信息信号片段的第一序列，其中每个分割窗口函数具有预定的长度和预定的形状；

装置(102)，把一个预定水印嵌入第一片段序列的至少第一片段中，从而产生一个水印片段序列；

装置(103)，使用重建窗口函数序列把该水印片段序列中的水印片段组合到水印信号中；并且

装置(104)，把水印信号与信息信号进行组合以获得加水印的信息信号，

其特征在于两个连续的分割窗口函数彼此重叠一个预定的重叠长度，并且所述分割窗口函数h_a(n)和所述重建窗口函数h_r(n)是独立选择的，并满足以下条件：

∑_sh_a[n-s(1-v)N]²·h_r[n-s(1-v)N]²＝1

在式中，s是片段指数，v是重叠参数，而N是片段尺寸。

8.一种发送信息信号的设备，该设备包括一种把水印嵌入信息信号中的装置，该装置包括：

装置，把分割窗口函数的序列应用到信息信号中，以获得该信息信号片段的第一序列，其中每个分割窗口函数具有预定的长度和预定的形状；

装置，把一个预定水印嵌入第一片段序列的至少第一片段中，从而产生一个水印片段序列；

装置，使用重建窗口函数序列把该水印片段序列中的水印片段组合到水印信号中；并且

装置，把水印信号与信息信号进行组合以获得加水印的信息信号，

其特征在于两个连续的分割窗口函数彼此重叠一个预定的重叠长度，并且所述分割窗口函数h_a(n)和所述重建窗口函数h_r(n)是独立选择的，并满足以下条件：

∑_sh_a[n-s(1-v)N]²·h_r[n-s(1-v)N]²＝1

在式中，s是片段指数，v是重叠参数，而N是片段尺寸。

Images