CN1302434C - 水印嵌入方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种在信息信号中嵌入水印的设备。为了使得被嵌入的水印更能经受黑客的攻击，水印的一个特性被随机化(11)，其对于水印检测是无关的。一个例子是随机化(11)已傅立叶变换的水印的幅度(abs)。另一个例子是以相对低的时间频率而相对于信号随机地移位水印的空间或时间位置。本发明实现在不影响检测器性能的条件下的空间不同的水印的嵌入(13)。

Description

水印嵌入方法和设备

技术领域

本发明涉及用于在一个信息信号中嵌入水印的方法和设备。更具体而言，本发明涉及在一个运动视频信号中嵌入一个水印。

背景技术

水印是证明(数字)信息内容所有权的一种技术。通过察觉不到地在内容中隐藏一个水印，可能阻止对该内容的侵犯版权和非法使用。典型的应用包括对于数字音频和视频的拷贝保护以及广播监视。

典型地作为一个给定伪随机噪声序列的水印通常添加到初始(空间或时间)信号域中的内容上。目前最常使用的水印检测方法是基于将可疑信号与伪随机噪声序列相关。如果相关超过一个给定阈值，则水印被认为存在。

国际专利申请WO-A-99/45707公开了现有技术水印嵌入方法的一个例子。现有技术方法涉及对一个运动视频信号嵌入水印。由于复杂原因，相同的水印被嵌入到视频信号的每个图像(域或帧)中。为了更多地减小复杂性，一个小的水印图案被贴(tile)在图像上。典型的贴片(tile)尺寸是128×128个像素。在检测端，多个图像的贴片被折叠到128×128缓冲区。然后，通过将缓冲区内容与小水印图案相关来执行检测。

伪随机噪声序列是一个密钥。当黑客知道该序列以及嵌入算法时，他就能够例如通过添加大量贴片来估计所嵌入的水印。然后，他能够通过从已嵌入水印的信号中减去所估计的序列来清除水印。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于以一种更安全的方式来嵌入水印的方法和设备。

为此，在一个信息信号中嵌入水印的方法的特征在于：在信息信号的连续部分中嵌入所述水印的不同版本，所述版本相对于对于所述水印检测无关的一个特性而不同。

本发明基于这样一个认识，即检测方法通常相对于所嵌入水印的预定特性而不变。例如，在上述国际专利中请WO-A-99/45707中公开的现有技术检测方法相对于已经过傅立叶变换的图像的大小是不变的。据此，在本发明的第一个实施例中，随机地选择水印的傅立叶系数的大小。

现有技术检测方法还是移位不变的。因此，生成不同版本水印的步骤包括在本发明的第二个实施例中关于视频图像随机地(例如以低时间频率)对水印的空间位置移位。

在申请人的欧洲专利申请99203143.5(还未公布)中建议了另一种水印检测方法，该方法对于所嵌入水印的缩放和旋转是不变的。与这种检测器组合，所嵌入的水印可以被随机缩放和/或旋转。

因此，根据本发明，嵌入各种水印，这些水印在信号域中不同，但是将被检测算法看作相同的。

英国专利申请GB 2 325 765公开了一种在视频信号中隐藏数据的方法，其中不同块图案的帧图案被嵌入到视频帧中。一个随机元素被引入到块图案中。更具体地，一个特定的块图案被在每个帧的相同位置随机地添加到视频信号中以及从视频信号中减去。使用一种不包括随机元素的检测图案。随机元素使得+1或-1出现在检测器的输出端。检测器看起来并非关于嵌入操作的符号是不变的。因此，该现有技术文件未公开随机化一个对于水印检测无关的特性。

根据本发明，提供了一种在信息信号中嵌入水印的方法，其特征在于：随机化所述水印的傅立叶系数的大小的步骤，以便获得所述水印的不同版本，以及在信息信号的连续部分中嵌入所述水印的所述不同版本的步骤。

根据本发明，提供了一种在信息信号中嵌入水印的方法，其特征在于：相对于信息信号的各自部分来随机化水印的位置的步骤，以便获得所述水印的不同版本，以及在信息信号的连续部分中嵌入所述水印的所述不同版本的步骤。

根据本发明，提供了一种用于在信息信号中嵌入水印的设备，包括用于随机化所述水印的傅立叶系数的大小的装置，以便获得所述水印的不同版本，以及用于在信息符号的连续部分中嵌入所述水印的所述不同版本的装置。

根据本发明，提供了一种用于在信息信号中嵌入水印的设备，包括用于相对于信息信号的各自部分来随机化所述水印的位置的装置，以便获得所述水印的不同版本，以及用于在信息符号的连续部分中嵌入所述水印的所述不同版本的装置。

附图说明

图1是根据本发明用于在一个视频信号中嵌入水印的第一个实施例的示意图。

图2是说明图1所示的有效载荷编码器的操作的图。

图3表示由图1所示的设备嵌入到视频信号中的水印。

图4和5表示如图1所示的设备的可替代实施例。

图6表示由图4或5所示的设备在视频信号中嵌入的一个水印。

图7是用于在一个可疑视频信号中检测水印的设备的示意图。

图8A和8B表示说明如图7所示的检测器的操作的相关图案。

图9是用于根据本发明在一个视频信号中嵌入水印的设备的第二个实施例的示意图。

图10表示由如图9所示的设备在一个视频信号中嵌入的水印。

图11A和11B表示说明如图7所示的检测器的操作的相关图案。

具体实施方式

参考在运动视频信号中嵌入水印来描述本发明。应当理解，本描述同样可以应用于其它类型的信息信号。图1是根据本发明的一个设备的第一个实施例的示意图。该设备是在国际专利申请WO-A-99/45707中公开的嵌入器的进一步改进。

该设备接收一个运动视频信号X并输出一个已嵌入水印的视频信号Y。它包括一个有效载荷编码器10、特性随机性发生器11、贴片电路12和加法器13。图2说明有效载荷编码器10的操作。通过添加有限的一组不相关的“基础”水印图案(W1，W2)及其循环移位的版本(W2_k)来获得水印图案W。在本例中，编码器10生成W＝W1+W2-W2_k，其中W2_k是基本图案W2的被移位版本。符号和移位向量(k)表示有效载荷K。为了减小复杂性，水印图案W有M×M(例如128×128)个像素的相当小的尺寸。它被贴片电路12在更大的N1×N2图像区域上贴片。在现有技术的设备中，相同的水印贴片W被贴在图像上。此外，相同的水印WM被嵌入到运动视频信号的连续帧中。

如图1所示的设备包括特性随机性发生器11。要嵌入的水印贴片W要经过快速傅立叶变换110。傅立叶系数具有幅度abs和相位。幅度abs由随机化电路111被随机化(或者由随机幅度替代)。通过逆快速傅立叶变换112将被随机化的幅度abs’和初始相位反变换到空间域。这样产生的水印贴片W’与空间域中的水印贴片W不同。

特性随机性发生器11为图像的每个贴片产生不同的水印图案W’。图3表示在贴片操作12之后的水印WM。在该图中，对于检测过程不相关的特性(即傅立叶系数的大小)由线型表示。该特性随贴片而不同。对于检测过程(即傅立叶系数的相位)相关的特性由各自的符号表示，并且对于每个贴片是相同的。水印贴片在空间域中是不同的，因此难以被黑客侵入。

图4表示具有相同效果的水印嵌入器的一个替代实施例。该实施例与图1中的实施例的区别在于，在对有效载荷编码之前，属性随机化操作单独应用于基础水印图案W1和/或W2。对于每个基础水印，使用类似于图1中的随机性发生器11的各自的属性随机性发生器13、14。

图5表示该实施例的一个变体。这里，基础水印图案定义在傅立叶域中，而不是空间域中。更具体地，基础水印W1和W2按照傅立叶系数的相位定义。各自的属性随机性发生器15、16不再需要有快速傅立叶变换电路(图1中的cf.110)。现在由随机发生器151和161分别随机地产生幅度或傅立叶系数。

应当指出，特性随机性发生器13、14(图4)和15、16(图5)不需要物理地出现在各自的嵌入器中。可能在嵌入器中预存每个基础水印图案的多个已随机化版本。在这种情况下，嵌入器(随机地)选择对于每个图像贴片存储的版本中的一个。

图6表示由如图4和5所示的实施例产生的被贴片水印WM。该水印与图3所示的水印的区别在于，一方面的基础图案W1和另一方面的图案W2和W2_k被区别地随机化。

为了本发明公开内容的完整性，现在简要总结水印检测器的操作。在国际专利申请WO-A-99/45707中给出了更详细的描述。图7是该设备的示意图。检测器将一个可疑视频信号Q的每个图像划分(20)成为尺寸为M×M(M＝128)的块，并将所有块堆叠(21)在尺寸为M×M的缓冲区B中。该操作称为折叠。为了检测折叠缓冲区B的内容q是否包括特殊的(可能移位的)基础水印图案w(W1或W2)，缓冲区内容和所述基础水印图案要被相关。缓冲区内容q和基础水印图案w在变换电路22和23中分别进行快速傅立叶变换(FFT)。这些操作产生：

$\hat{q}=\mathrm{FFT}\left(q\right)$ 和

$\hat{w}=\mathrm{FFT}\left(w\right)$

其中，

和 是一组复数。计算该相关类似于计算q的卷积和w的共轭。在变换域中，其对应于：

$\hat{d}=\hat{q}\⊗\mathrm{conj}\left(\hat{w}\right)$

其中符号表示逐点相乘，并且conj()表示共轭。由共轭电路24执行

的共轭(颠倒虚部的符号)，并且由乘法器25执行逐点相乘。应当指出，所应用的水印W的FFT 23和共轭24可以被预先计算并存储在存储器中。

傅立叶系数 是复数。如国际专利申请WO-A-99/45707中所公开的，如果幅度信息被丢开并只考虑相位，则检测器的可靠性被大大提高。为此，检测器包括一个幅度归一化电路26，其将每个系数逐点除以其大小：

$\hat{d}=\hat{d}\mathrm{\Φabs}\left(\hat{d}\right)$

其中Φ表示逐点相除。

通过对所述相乘结果进行逆傅立叶变换可以获得相关值d＝{dk}的M×M图案：

$d=\mathrm{IFFT}\left(\hat{d}\right)$

其由一个逆FFT电路27实现。如果相关值dk大于一个指定阈值，则基础水印图案W被检测为存在。图8A表示如果基础水印W1被应用于设备，则M×M相关图案展现在原点(0，0)处的强的正峰值80。峰值的位置(0，0)指示所应用的水印图案的空间位置对应于在折叠缓冲区中所嵌入的水印的空间位置。图8B表示如果基础水印W2被应用于设备，则相关图案在原点(0，0)处展现的强的正峰值81和在另一个位置展现的强的负峰值82。峰值81和82之间的相对距离以及它们的符号表示移位向量k。有效载荷解码器28(图7)识别所述移位向量k并对相应的有效载荷数据K解码。

当一个潜在的黑客添加大量贴片时，它将获得水印的相位的一个估计。他通过为水印选择随机大小，然后从已嵌入水印的视频信号中减去所估计的水印来误导检测器。不过，这将引入人工制品，因为所嵌入的水印在空间上与所估计的水印不同。

图9是根据本发明的水印嵌入器的另一个实施例的示意图。在该实施例中，被随机化的水印WM的特性是关于图像区域的其空间位置。为此，设备包括一个位置随机性发生器19。在该例中，随机性发生器位于贴片电路12和加法器13之间。可替代地，随机性发生器可以位于有效载荷编码器10和贴片电路12之间。

图10表示由该实施例产生的被贴片的水印WM’。它已经由向量s与如图3和图6所示的水印WM相比较而循环移位。有利地，以相对低的频率逐帧修改位置。图11A和11B表示如果将基础水印图案W1和W2分别应用于检测器的M×M相关图案。峰值80-82已经由向量s与图8A和8B所示的峰值相比较而移位。不过，表示移位向量k(和有效载荷数据K)的峰值之间的相对距离以及它们的符号没有被改变。

上面描述的(幅度的随机化和位置的随机化)实施例可以被有利地组合。

总之，这里公开了在一个信息信号中嵌入水印的设备。为了使得所嵌入的水印更能经受黑客的攻击，水印的一个特性被随机化(11)，其对于水印检测是不相关的。一个例子是随机化(11)已傅立叶变换的水印的幅度(abs)。另一个例子是以相对低的时间频率而相对于信号随机地移位水印的空间或时间位置。本发明实现在不影响检测器性能的条件下的空间不同的水印的嵌入(13)。

Claims (7)

1.一种在信息信号中嵌入水印的方法，其特征在于：随机化所述水印的傅立叶系数的大小的步骤，以便获得所述水印的不同版本，以及在信息信号的连续部分中嵌入所述水印的所述不同版本的步骤。

2.如权利要求1所述的方法，其中水印包括贴在信息信号的部分上的至少一个基础水印图案，所述随机化大小的步骤被应用于所述基础水印图案的傅立叶系数。

3.一种在信息信号中嵌入水印的方法，其特征在于：相对于信息信号的各自部分来随机化水印的位置的步骤，以便获得所述水印的不同版本，以及在信息信号的连续部分中嵌入所述水印的所述不同版本的步骤。

4.如权利要求1或3所述的方法，其中信息信号的所述连续部分是一个运动视频信号的连续帧。

5.一种用于在信息信号中嵌入水印的设备，包括用于随机化所述水印的傅立叶系数的大小的装置，以便获得所述水印的不同版本，以及用于在信息符号的连续部分中嵌入所述水印的所述不同版本的装置。

6.一种用于在信息信号中嵌入水印的设备，包括用于相对于信息信号的各自部分来随机化所述水印的位置的装置，以便获得所述水印的不同版本，以及用于在信息符号的连续部分中嵌入所述水印的所述不同版本的装置。

7.如权利要求5或6所述的设备，其中信息符号的所述连续部分是一个运动视频符号的连续帧。

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