CN1319216A - 信息信号中的辅助数据检测 - Google Patents

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Abstract

通过编码有效负载为多重(可能相等)嵌入水印的相对位置和/或极性使数据隐藏于信息信号中。有效负载通过计算作为位置函数的水印和信号间的相关性得到恢复。相关函数的峰值间距代表有效负载。为精确检测所述距离,甚至在峰值被拖尾时,对一个峰值(p1)附近窗口(w1)中的相关函数与另一峰值(p2)附近类似窗口(w2)中的相关函数进行比较。对所述窗口的不同位置作这一检测。对于彼此最相象的相关函数,窗口(37,38)之间的距离(k)就是代表有效负载的距离。

Description

信息信号中的辅助数据检测
本发明的技术领域
本发明涉及一种用于检测被编码为嵌在信息信号里的水印的相对位置和/或相对极性的有效负载数据的方法及设备。
本发明的背景技术
国际专利申请WO-A-99/45705公开了一种检测信息信号中多比特有效负载数据的方法。有效负载被编码为多重(可能相等)嵌入水印图形的相对位置和极性。现有技术的检测方法包括按照该信号计算嵌入的水印图形与信息信号的相关性作为水印图形位置的一个函数。这一计算步骤得出一个相关函数，其中嵌入的水印图形的位置和极性由大的正或负峰值来表示。峰值间的相对距离和峰值的符号代表有效负载数据。
在理想状况，相关函数的峰值相似于狄拉克脉冲并且它们的位置能足够精确地被确定。但是，在许多实际情况中位置和极性不能很好地被确定。特别是在信号有待处理的情况。视频处理，比如说，会引起相关峰值拖尾。峰值被展宽了，所以中心位置不能很好地被确定。甚至由于大的负旁瓣(negative side lobs)影响，峰值符号也被错误地恢复。
作为这个问题的一种解决办法，WO-A-99/45705给出了对所有可能位置的辅助栅限制允许的峰值位置。通过量化至最接近的辅助栅点解决峰值抖动。但是，水印的有效负载容量被减少了，而且也没有解决峰值极性的反转。
发明目的与概述
本发明的一个目的是提供用于检测嵌入信息信号里的多重水印图形间距离的改进方法和设备。本发明的又一目的是提供用于检测所述水印图形的相对极性的改进方法和设备。
为此，确定峰值相对位置的步骤包括对于至少一个所述窗口的多个位置，计算所述峰值之一附近窗口中的相关函数与另一个所述峰值附近窗口中的相关函数的相似性，以及由于所述相似性有一极值，确定所述窗口的位置。
本发明基于这样的认识：若相关函数的峰值被拖尾，则它们都以相同方式被拖尾。峰值邻域中的相关函数(波形)在很大程度上彼此相似。本发明通过识别其中彼此最相似的相关函数的邻域，和确定被识别的邻域间的距离以代替单独峰值间的距离，来利用这一特性。
用相同的解决方法来检测峰值的相对极性。按照本发明，确定峰值相对极性的步骤包括计算所述峰值之一附近窗口中的相关函数与另一个所述峰值附近窗口中的相关函数的相似性，以及确定所述相似值的符号。如果符号为正，则两个峰值具有相同极性。如果符号为负，则峰值具有相反极性。
附图的简要描述
图1是水印嵌入的原理图，示出有效负载数据如何被嵌入视频图象中。
图2和3示出图1中所示水印嵌入的操作。
图4是按照本发明检测有效负载数据的设备的原理图。
图5A和5B示出二维相关函数来一般地说明图4中所示设备的操作。
图6示出一维相关函数来一般地说明图4中所示设备的操作。
图7示出一维相关函数来说明本发明方法的一个实施例。
图8和9是由根据本发明的设备实施例执行的操作步骤的流程图。
图10示出二维相关峰值图形来说明本发明方法的另一实施例。
实施例的详述
图1是水印嵌入的原理图，说明了按照国际专利申请WO-A-99/45705辅助数据是怎样被嵌入视频图象中的。该设备接收移动视频信号X并输出带水印的视频信号Y。它包括有效负载编码器10、贴装电路11和加法器12。图2说明了有效负载编码器10的操作。编码器接收不相关的“基本的”水印图形(W1,W2)中的有限一组。每一基本的水印是一给定的随机噪声亮度值的图形，但为了方便，本例中它被赋予可识别的内容(分别为一个矩形和一个三角形)。
嵌入的水印图形W是所述基本的图形和/或循环位移反转的结合。此例中，编码器10产生W=W1-W2k，其中W2k是基本图形W2的一个循环位移反转。符号和位移矢量(k)代表有效负载数据K。为减少复杂性，水印图形W具有相对较小的像素尺寸M×M(比如128×128)。如图3所示，它通过贴装电路11被贴装在较大的图象区域上。相同的水印WM随后以移动视频信号的连续帧被嵌入。
图4是按照本发明水印检测器的原理图。水印检测器接收可能带水印的图象Q。该图象被划分(21)成大小为M×M(M=128)的块并且所有的块被堆栈(22)到大小为M×M的缓存器B中。这一操作称为折叠。为检测缓存器B是否包括一个或更多的水印W1和W2的反转，使缓存器内容B和各个水印图形相关。计算相关性包括计算信息信号值q={qij}的内积d=<q,w>以及水印图形的对应值w={wij}。对二维的M×M图象，内积为： d = 1 M 2 &Sigma; i = 1 M &Sigma; j = 1 M q ij w ij
如果相关性d超过预定的阈值，水印w被叫做“显现”。
图4中所示设备，按照国际专利申请WO-A99/45707的教导，使用快速傅立叶变换以根据图象同时计算基本水印w的所有可能位移的相关值d。这一操作将被简要概括。缓存器B的内容q和基本水印图形w分别在变换电路23和24中被进行快速傅立叶变换(FFI)。由这些操作得出：
Figure A0080159600062
这里 和
Figure A0080159600064
是复数组。
对相关性的计算类似于计算q的卷积和w的共扼。在变换范围内，这对应于： d ^ = q ^ &CircleTimes; conj ( w ) 这里标记表示逐点相乘，conj()表示变换幅角的虚数部分的符号。在图4中， 的共扼由共扼电路25执行，且逐点相乘由乘法器26执行。相关值组现在通过反傅立叶变换所述相乘来得到： d = IFFT ( d ^ ) ,
它由快速反傅立叶变换(IFFT)电路27执行。
图5A示出如果将基本水印图形W1提供给解码器时相关值的曲线图。相关函数呈现有一个峰值31。峰值具有正极性并在本例中正好位于(0,0)。要注意，若图象Q经受这样的转换或剪切处理，这一峰值的绝对位置可能是不同的。图5B示出如果将基本水印图形W2提供给解码器时相关值的曲线图。相关函数现在在(24,40)处呈现有一个负峰值32。相对于峰值31的位置，此峰的相对位置揭示了W2k与W1的相对距离(在像素中)，即位移矢量k。
位移矢量恢复电路28以前面描述过的一种方式从峰值图形中恢复位移矢量。最后，有效负载解码器29根据由此得到的矢量k和峰值的极性解码嵌入的有效负载K。
图6为更方便地示出了一维的相关函数。峰值31和32之间的距离k能够在理想情况被精确地恢复。但是，在许多实际状况中峰值的位置和位移不能很好地确定。视频处理引起相关峰拖尾。峰值被展宽，因此中心位置不能很好地被确定。甚至由于大的负旁瓣影响，峰值符号也被错误地恢复。这可由图7说明。图7示出在非理想条件下的相关函数。峰值33和34现在在不同位置被检测。这一现象称为峰值抖动。峰值34的极性也错了，所以解码器不能确定位移矢量的方向。更不用说图7中矢量k′可能导致有效负载K的错误检测。
位移矢量恢复电路28(图4)甚至在峰值被拖尾时都可用以正确恢复位移矢量k。这一电路的一个实施例的操作将参考图8描述，图8示出操作步骤的流程：
步骤51：确定abs(B)中最大值的位置p1，其大于预定阈值T。也确定abs(B)中次最大值的位置p2，其不属于p1的适合选择的邻域。禁止p1的合适邻域防止了p1的大的子峰作为p2被选择。阈值T能够设定为与国际专利申请WO-A-99/45706一致。
步骤52：选择包括p1的窗口w1(图7中的35)，和包括p2的相等大小的窗口w2(图7中的36)。就二维峰值图形来说，窗口可以是矩形或圆形。
步骤53：确定w1和w2相关函数彼此相似的程度。为此，由该电路计算匹配值e(w1,w2)。现有技术中有多种计算匹配值的方法。简单相关是一个合适的选择。窗口内越多的波形彼此相似，e(w1,w2)的绝对值就会越大。e(w1,w2)的符号表明窗口w1中的波形是否真的相似于窗口w2中的波形或者与之相反。
步骤54：对窗口w1和/或w2的所有可能位置重复步骤53。注意嵌入引入的循环位移。超出缓存器B一个末端的窗口必须被绕回。
步骤55：确定匹配值e(w1,w2)的最大绝对值和它的符号。
步骤56：确定窗口间的相对距离abs(e(w1,w2))是最大的。在图7中，所述窗口被表示为37和38。由此确定的距离是被寻找的矢量k。
上述方法有一些缺陷。计算上不经济，因为所有可能的窗口对都要被估算。并且，窗口的几何形状和大小很复杂。如果窗口太大，多个匹配的相关缓存器B的样值不是子峰，而是噪声样值。如果窗口太小且峰值很宽，会提取错误的矢量。图9示出矢量恢复电路另一实施例执行的操作步骤流程。操作将参考图10描述，图10是二维空间相关函数的顶视图。
步骤61：确定缓存器B中的两个峰值p1和p2。这一步骤类似于图8中的步骤51。
步骤62：选择包含p1邻近的本地大峰值(大于阈值T)的窗口w1。图10中，本地峰值表示为实心的像素。
步骤63：计算矢量v=p1-p2。这一矢量(图10中的71)能被看作矢量k寻找的第一估值。
步骤64：在w1和w2的相关图形间确定矢量v的匹配值e(w1,w2)，此处w2=w1+v(图10中的72)。若w1中非峰值(图10中的白色矩形)的相关噪声设为零，这一步骤非常有效。
步骤65：对v邻近所有可能的矢量重复步骤64。本例中，邻近是指v周围11×11像素的方形区域77。图10中，在v令近的这样一个的矢量被表示为73而对应的窗口w2被表示为74。
步骤66：确定匹配值e(w1,w2)的最大绝对值和它的符号。在图10中，最大匹配值的矢量和窗口w2分别被表示为75和76。窗口76中的本地峰值(以实心像素表示)看来最匹配于窗口w1中的本地峰值。
步骤67：从矢量k和符号中得出与所述最大值相联系的嵌入的有效负载K。
应进一步指出的是，有效负载数据也可以仅由多重水印的相对极性表示。如果这样，检测器不需要确定最相似的窗口w1和w2之间的距离，仅需要确定匹配值e(w1,w2)的符号。
上述方法可寻找峰值束并确定最佳译码以匹配这些峰值束。更精确的是，确定峰值的第一和第二束，搜索矢量v，使得位移超过v的第一峰值束以最可能的方式匹配于第2峰值束或者其反转。这一匹配结果表现在矢量v符号s上，该符号表示出峰值束是否有相同或相反极性。分配符号给峰值束发现是困难的。因此，对有效负载编码应该更好，而无须依赖于绝对符号(矢量k和-k应最好代表相同的有效负载数据)。
本发明能作如下概括。通过编码有效负载为多重(可能相等)嵌入水印的相对位置和/或极性使数据隐藏于信息信号中。有效负载通过计算作为位置函数的水印和信号间的相关性得到恢复。相关函数的峰值间距代表有效负载。为精确检测所述距离，甚至在峰值被拖尾时，对一个峰值(p1)附近窗口(w1)中的相关函数与另一峰值(p2)附近类似窗口(w2)中的相关函数进行比较。对所述窗口的不同位置作这一检测。对于彼此最相象的相关函数，窗口(37,38)之间的距离(k)就是代表有效负载的距离。

Claims (6)

1．一种检测被编码为嵌在信息信号里的水印相对位置的有效负载数据的方法，包括以下步骤：
-对该信号计算(23-27)每一水印与作为所用水印位置一个函数的所述信号之间的相关性；
-确定(28)所述相关函数峰值(31,32)的相对位置；和
-从所述峰值的所述相对位置检测(29)所述有效负载数据；
其特征在于，所述确定峰值相对位置的步骤(28)包括：
-对于至少一个所述窗口的多个位置，计算(53,64)所述峰值(p1)之一附近窗口(w1)中的相关函数与另一个所述峰值(p2)附近窗口(w2)中的相关函数的相似性；以及
-由于所述相似性有一极值，依此确定(55,66)所述窗口的位置。
2．一种检测被编码为嵌在信息信号里的水印相对极性的有效负载数据的方法，包括以下步骤：
-对该信号计算(23-27)水印与作为所述水印位置一个函数的所述信号之间的相关性；
-确定(28)所述相关函数峰值(31,32)的相对极性；和
-从所述峰值的所述相对极性检测(29)所述有效负载数据；
其特征在于，所述确定峰值相对极性的步骤(28)包括：
-计算(53，64)所述峰值(p1)之一附近窗口(w1)中的相关函数与另一个所述峰值(p2)附近窗口(w2)中的相关函数的相似性；以及
-确定(55，66)所述相似值的符号。
3．如权利要求1或2的方法，其中峰值附近窗口中的相关函数由所述窗口中本地峰值的相关值来表示。
4．一种检测被编码为嵌在信息信号里的水印相对位置的有效负载数据的设备，包括：
-用于对该信号计算每一水印与作为所用水印位置一个函数的所述信号之间相关性的装置(23-27)；
-用于确定所述相关函数峰值(31,32)的相对位置的装置(28)；和
-用于从所述峰值的所述相对位置检测所述有效负载数据的装置(29)；
其特征在于，所述确定峰值相对位置的装置(28)包括：
-用于对于至少一个所述窗口的多个位置计算所述峰值(p1)之一附近窗口(w1)中的相关函数与另一个所述峰值(p2)附近窗口(w2)中的相关函数的相似性的装置(53,64)；以及
-由于所述相似性有一极值，用于依此确定所述窗口位置的装置(55,66)。
5．一种检测被编码为嵌在信息信号里的水印相对极性的有效负载数据的设备，包括：
-用于对该信号计算水印与作为所述水印位置一个函数的所述信号之间相关性的装置(23-27)；
-用于确定所述相关函数峰值(31,32)的相对极性的装置(28)；和
-用于从所述峰值的所述相对极性检测所述有效负载数据的装置(29)；
其特征在于，所述确定峰值相对极性的装置(28)包括：
-用于计算所述峰值(p1)之一附近窗口(w1)中的相关函数与另一个所述峰值(p2)附近窗口(w2)中的相关函数的相似性的装置(53,64)；以及
-用于确定所述相似值符号的装置(55,66)。
6．如权利要求4或5的设备，其中峰值附近窗口中的相关函数由所述窗口中本地峰值的相关值来表示。
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