CN1606757A - 利用健壮特征增加水印的完整性 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在信息信号中嵌入水印图案的方法和装置。在信息信号中嵌入水印图案的方法包括步骤：确定健壮签名为所述信息信号中的一组健壮特征，创建水印图案为预定义基本水印图案的签名相关函数，以及在所述信息信号中嵌入所述水印图案。本发明还涉及相应的用于检测信息信号中水印图案的方法和装置。

Description

利用健壮特征增加水印的完整性
本发明涉及用于将辅助数据(比如水印)嵌入到诸如视频信号、音频信号、或更一般地多媒体内容的信息信号中的方法和装置。本发明还涉及用于检测所述水印图案的方法和装置，以及用于记录和/或回放信息信号的设备。
辅助数据可以，举例来说，是数字水印，其最好(但不必)是察觉不到的、嵌入/附加到例如包括多媒体内容、视频、音频等的信息/宿主信号的标签。该标签可包括例如版权信息、材料所有者的名字、用户权利等。可以存储在水印中或基于水印而导出的信息的量通常被称为有效载荷，并用比特表达。
在多数水印方案中，水印是伪随机噪音序列(pn序列)，其以时间、空间或变换域(例如，傅立叶、离散余弦或小波域)的方式被添加到宿主信号/信息信号中。于是水印检测通常基于水印和嵌入的宿主信号之间的相关性。在这种情况下，我们拥有用于水印的1比特有效载荷，即噪音序列要么存在要么不存在。
水印安全性中一个公认的问题是所谓的拷贝攻击。该攻击从一个被嵌入的宿主信号来估算水印，并且随后所估算出的水印可被移植到第二信号中。如果第二信号原先未被标注，则生成一个信号，其在水印方面冒充被嵌入的宿主信号的身份。另外，如果第二信号已经用水印标注，那么这个新创建的信号可能会使水印检测器迷惑。
为了避免拷贝攻击，一个选择是使水印与宿主信号的内容相关。这是通过从宿主信号内容中提取健壮签名(一组健壮特征)，并且使水印依赖于该签名而完成的。健壮签名是一组代表宿主信号要素的变量。如果，举例来说，宿主信号是视频信号，那么理想地，视频信号所代表的图象中的轻微变化并不导致签名变化，然而完全不同的图象则导致根本不同的签名。
实现签名和水印之间的耦合的一种已知方法是使水印图案依赖于这个签名。这是通过在插入签名时，使用产生水印图案的函数f(·)来完成的。这还可以被描述为W＝f(S)，其中W是水印图案而S是签名比特串。函数f(S)可能例如是生成水印的随机数发生器，其中签名S用作该发生器的种子。可替换地，若干固定的基本图案Wi能够是可用的，并且根据下式
W＝∑biWi
来确定W，其中bi是签名比特。
然而另一种可能性是从一组预先生成的水印图案中选择水印图案W，其中该选择是基于签名S的。这是在专利申请WO01/39121中描述的。
当签名变化非常迅速时，比如“瞬间的”视频剪辑，则上述方法导致导致检测问题。在已知的水印系统中，水印被嵌入在宿主信号的帧中。当在宿主信号中检测水印时，在一个时间周期，例如2秒，内的所有帧被聚积在缓冲器中。从而，每个帧中的水印相干地加在一起，从而提高水印检测的信噪比。在聚积步骤后，使缓冲器和水印图案相关，并且将结果和阈值比较。如果签名如上述方法中描述的那样变化太快，那么水印图案改变非常迅速，且因此几乎没有聚积的可能性，从而导致水印检测既非常复杂又不可靠。
本发明的一个目的是为在信息信号中嵌入附加/辅助数据提供方法和装置，其中该方法和装置解决了上述的问题。
这是通过一个在信息信号(X)中嵌入水印图案(W)的方法(以及相应的装置)来达到的，该方法包含步骤：确定健壮签名(S)为所述信息信号(X)的一组健壮特征，根据应用于预定义的基本水印图案(V)的第一签名相关函数(fs(·))来生成水印图案(W)，在所述信息信号(X)中嵌入所述水印图案(W)产生加水印的信号(Y)，其中所述第一签名相关函数(f(·))和第二签名相关函数(gs(·))存在着关系，该关系被给出为：在所述加水印的信号(Y)和应用于所述基本水印图案(V)的所述第一函数(f(·))上的给定的检测操作(D)，即D(Y；fs(V))，对应于在应用于所述加水印的信号(Y)的所述第二函数(gs(·))和所述基本水印图案(V)上的所述检测操作(D)，即D(gs(Y)；V)。
在具有嵌入的水印图案(W)的信息信号(Y)中检测基本水印图案(V)的相应方法(和相应装置)，所述方法包含步骤：确定健壮签名(S)为所述信息信号(Y)中的一组健壮特征，根据所述信息信号(Y)的第二签名相关函数(gs(·))来生成信号(Z)，从所述信号(Z)检测所述基本水印图案(V)，其中所述第二签名相关函数(gs(·))和第一签名相关函数(fs(·))存在着关系，该关系被给出为：在所述信息信号(Y)和应用于所述基本水印图案(V)的所述第一函数(fs(·))上的给定的检测操作(D)，即D(Y；fs(V))，对应于在应用于所述信息信号(Y)的所述第二函数(gs(·))和所述基本水印(V)上的所述检测操作(D)，即D(gs(Y)；V)。
本发明的优选实施例在从属权利要求中定义。
因此，水印中的信息依赖于信息信号，并且该水印只能结合信息信号中的信息来检测。因此，不可能拷贝水印并将它用在具有不同信息的另一个信息信号上。
图1显示了根据本发明的一个嵌入装置的实施例。
图2显示了根据本发明的检测器的示意图。
图3显示了根据本发明的检测器的可替换实施例。
图4显示了用于记录和/或回放具有嵌入水印的信息多媒体比特流的设备。
为方便起见，本发明将被描述为用于嵌入/附加最好不能为人眼所见的标签到视频内容的系统，但该教导显然可应用到任何其它内容，包括音频和多媒体。另外，还描述了用于检测标签的实施例。
图1显示了根据本发明的嵌入装置的实施例。一个源提供将要以辅助信息/水印被嵌入的信息信号X。该源可以，举例来说，提供图象、音频信号、具有多媒体内容的信号，等等。如后面所使用的一个例子，信息信号X是时间相关的信号，比如DVD视频信号。还示出了将水印W添加到信息信号/图象X的嵌入装置(107)。
水印W是通过首先从信息信号X中提取健壮签名而生成的，这个健壮签名是一组从信息信号X的内容中提取的健壮特征。该提取是利用签名提取装置(101)来执行的，而签名提取装置(101)的输出是签名S。
签名S与也被称为基本水印图案V的固定基本图案一起被用作水印生成装置(105)的输入。该水印生成装置(105)确定水印图案W为基本水印图案V的签名相关的、可逆的线性函数fs(·)。
W＝fs(V)。
水印图案W通过嵌入装置(107)被嵌入到信息信号X中，且生成一个包含水印图案W的信息信号Y。
Y＝X+W＝X+fs (V)。
可替换地，在信息信号X中嵌入的水印图案是水印图案W的平铺式(tiled)水印图案。
在一个具体的实施例中，函数fs(·)是排列函数，即它生成的输出是输入的比特顺序被改变、打乱等的结果。排列/计算装置(105)执行依赖于签名S的基本图案的排列。在这个特定的情况下，基本水印图案V和水印W被定义为
V＝{vK}，K＝1..N，
W＝{WL}，L＝1..N，其中
定义了一个可逆且签名相关的函数φs，并且加水印的信号W根据以下定义
wi＝vj，其中j＝φs(i)。
在另一个实施例中，为每个签名S的值定义一个与N互质的正整数qs，并根据下式定义加水印的信号W：
wi＝vj，其中j＝qs*i mod N。
然而在另一个实施例中，相关于签名S的函数fs(·)改变基本水印图案V的符号。可以生成和基本水印图案V长度相同的签名相关的图案Ps，Ps的每一项依赖于特定的签名而等于+1或-1。这样，该签名相关的函数fs(·)可根据下式定义：
W＝fs(V)＝Ps*V
即：
wi＝(Ps)ivi，其中(Ps)i＝1或(Ps)i＝-1
图2显示了根据本发明的检测器的示意图。显示的是可能包括有待检测的水印的信息/宿主信号Y。
签名S从信息信号Y中提取。该提取是利用签名提取装置(201)来执行的，而签名提取装置(201)的输出是签名S。
该签名S用于生成一个反签名相关函数fs -1并且通过(203)用加水印的信号Y作为反签名相关函数fs -1(·)的输入而生成信号Z，
Z＝fs -1(Y)
因此得到了信号Z，并且通过对基本水印图案V和Z进行相关就可能检测基本水印图案是否存在于信号Z中。因为Y＝X+fs(V)，
Z＝fs -1(Y)＝fs -1(X+fs(V))＝fs -1(X)+V
该检测由水印检测装置(205)执行，其用信号Z和基本水印图案V作为输入。
在更一般的条件下，有可能重新生成基本水印图案，原因如下：
有一个嵌入算子E和一个检测算子D。
Y＝E(X，W)
R＝D(Y，W)，其中R表示检测结果
函数fs(·)应该是这样的，使得存在另一个函数gs(·)，以便D(Y，fs(V))＝D(gs(Y)，V)。在附加嵌入的情况下，这导致必要属性：fs是线性的，并且gs＝fs -1(以及因此导致f是可逆的这一必要属性)。
图3显示了更有利的实施例，其中水印检测是为帧/样本组完成的。通过利用聚积装置(304)聚积若干帧而改进了检测的统计，并且因此也改进了检测的可靠性，这是尤其有利的，因为实际上只嵌入了部分噪声信号/水印，因而当前水印的各相关值的数值较小。这里，Z被添加到聚积缓冲器/装置(304)。V不依赖于签名，所以在聚积缓冲器相干地将水印图案V加在一起，从而避免了聚积签名相关材料的问题。
嵌入的信息可识别，例如版权持有者、内容描述和/或与内容使用相关联的权利。在DVD拷贝保护中，将允许材料被标记为“拷贝一次”、“永不拷贝”、“不再拷贝”，等等。图4显示了用作记录和/或回放带有嵌入水印的MPEG编码比特流的设备，如DVD播放器。该比特流被记录/存储在如DVD盘401的信息介质上。记录的信号通过交换机402提供给输出终端403。该输出终端403连接到外部MPEG解码器和显示设备(没有示出)。除非满足其它和本发明无关的条件，否则假定DVD播放器不可回放带有预定的嵌入水印的视频信号。例如，只有当介质401包含所谓的“抖动”密钥(wobble key)时，才可回放添加了水印的信号。为了检测水印，该DVD播放器包含一个如上所述的水印检测器404。该检测器接收记录的信号并响应是否检测到水印和/或辅助数据/有效载荷的值表示什么来控制交换机403。
需要注意，上面提到的实施例是举例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计很多可替换的实施例而不偏离附加的权利要求的范围。在权利要求中，放在括号中间的任何引用符号不应理解为限制权利要求。词语“包含”不排除未在权利要求中列出的其它单元或步骤的存在。本发明可由包括若干不同单元的硬件，和借助于适当编程的计算机实现。在枚举了若干装置的设备权利要求中，若干这些装置可由一个以及相同项的硬件具体化。在相互不同的相关权利要求中叙述某些措施的事实并不表明这些措施的组合不能用以获益。

Claims (21)

1.一种在信息信号(X)中嵌入水印图案(W)的方法，包含的步骤有：
·确定健壮签名(S)为所述信息信号(X)的一组健壮特征，
·根据应用于预定义的基本水印图案(V)的第一签名相关函数(fs(·))来生成水印图案(W)，
·在所述信息信号(X)中嵌入所述水印图案(W)来产生加水印的信号(Y)，其中
·所述第一签名相关函数(fs(·))和一第二签名相关函数(gs(·))存在关系，该关系被给出为：
·在所述加水印的信号(Y)和应用于所述基本水印图案(V)的所述第一函数(fs(·))上的给定的检测操作(D)，即D(Y；fs(V))，
对应于
·在应用于所述加水印的信号(Y)的所述第二函数(gs(·))和所述基本水印(V)上的所述检测操作(D)，即D(gs(Y)；V)。
2.根据权利要求1的方法，其中所述第一函数(fs(·))是可逆且线性的函数，并且所述第二函数(gs(·))是所述签名相关函数(fs(·))的反函数，即gs＝fs -1。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述第一函数fs(·)是排列函数，即重新排列/重新排序至少部分输入比特串以生成一个量新排列的输出比特串的函数。
4.根据权利要求1-3中任何一个的方法，其中所述水印图案(W)被定义为
W＝{wL}，L＝1..N，
所述基本水印图案(V)被定义为：
V＝{vk}，K＝1..N，并且其中
该水印图案W根据下式定义：
w1＝vj，其中j＝φs(i)，其中
φs是可逆签名相关函数。
5.根据权利要求4的方法，其中所述可逆的、签名相关的函数φs根据下式定义：
j＝φs(i)＝qs*i mod N，
其中qs是正整数并且与N互质，并且其中qs是为每个所述健壮签名(S)定义的。
6.根据权利要求1或2的方法，其中所述水印图案(W)是根据下式通过修改基本图案(V)的符号而从基本水印图案(V)得到的：
W＝Ps*V，其中
Ps是具有和基本水印图案(V)相同长度的签名相关的图案，Ps中的每一项等于+1或-1。
7.一种在具有嵌入的水印图案(W)的信息信号(Y)中检测基本水印图案(V)的方法，所述方法包含步骤：
·确定健壮签名(S)为所述信息信号(Y)中的一组健壮特征，
·根据所述信息信号(Y)的第二签名相关函数(gs(·)而生成信号(Z)，
·从所述信号(Z)检测所述基本水印图案(V)，其中
·所述第二签名相关函数(gs(·))和第一签名相关函数(fs(·))存在关系，该关系被给出为：
·在所述信息信号(Y)和应用于所述基本水印图案(V)的所述第一函数(fs(·))上的给定的检测操作(D)，即D(Y；fs(V))，
对应于
·在应用于所述信息信号(Y)的所述第二函数(gs(·))和所述基本水印(V)上的所述检测操作(D)，即D(gs(Y)；V)。
8.根据权利要求7的方法，其中所述第一签名相关函数(fs(·))是可逆且线性的函数，并且所述第二签名相关函数(gs(·))是所述第一函数(fs(·))的反函数，即gs＝fs -1。
9.根据权利要求7或8的方法，其中所述第一函数fs(·)是排列函数，即重新排列/重新排序至少部分输入比特串以产生一个重新排列的输出比特串的函数，并且其中
·通过将所述第一函数fs(·)应用于所述基本水印图案(V)，该嵌入的水印图案(W)已在嵌入期间被生成为一个预定义签名相关排列，
·其中通过取消信息信号(Y)上的所述预定义排列来生成信号(Z)。
10.根据权利要求7-9中任何一个的方法，其中所述水印图案(W)被定义为：
W＝{wL}，L＝1..N，
所述基本水印图案被定义为：
V＝{vk}，K＝1..N，并且其中
该水印图案W根据下式定义
wi＝vj，其中j＝φs(i)，其中
φs是可逆签名相关函数。
11.根据权利要求10的方法，其中所述可逆的、签名相关的函数φs根据下式定义：
j＝φs(i)＝qs*i mod N，
其中qs是正整数并且与N互质，并且其中qs是为每个所述健壮签名(S)定义的。
12.根据权利要求7或8的方法，其中
·该嵌入的水印图案(W)是通过根据下式来修改基本图案(V)的符号而在嵌入期间从基本水印图案(V)生成的：
W＝Ps*V，其中
·Ps是具有和基本水印图案(V)相同长度的签名相关的图案，Ps中的每一项等于+1或-1，并且
·其中信号(Z)是通过取消对该信息信号(Y)的符号的所述修改而生成的。
13.根据权利要求7-12的方法，其中该方法还包含步骤：
·将该信号(Z)存储到聚积缓冲器，并且
·通过对聚积缓冲器中的信息和所述基本水印图案(V)进行相关来检测所述基本水印(V)
V＝{vk}，K＝1..N。
14.一种用于在信息信号(X)中嵌入水印图案(W)的装置，包括：
·用于确定健壮签名(S)为所述信息信号(X)中的一组健壮特征的装置，
·用于根据应用于预定义的基本水印图案(V)的第一签名相关函数(fs(·))来生成水印图案(W)的装置，
·用于在所述信息信号(X)中嵌入所述水印图案(W)以产生加水印的信号(Y)的装置，其中所述第一签名相关函数(fs(·))和一第二签名相关函数(gs(·))存在关系，该关系被给出为：
·在所述加水印的信号(Y)和应用于所述基本水印图案(V)的所述第一函数(fs(·))上的给定的检测操作(D)，即D(Y；fs(V))，
对应于
·在应用于所述加水印的信号(Y)的所述第二函数(gs(·))和所述基本水印(V)上的所述检测操作(D)，即D(gs(Y)；V)。
15.一种用于在具有嵌入的水印图案(W)的信息信号(Y)中检测基本水印图案(V)的装置，所述装置包含：
·用于确定健壮签名(S)为所述信息信号(Y)中的一组健壮特征的装置，
·用于根据所述信息信号(Y)的第二签名相关函数(gs(·))而生成信号(Z)的装置，
·用于从所述信号(Z)检测所述基本水印图案(V)的装置，其中所述第二签名相关函数(gs(·))和一第一签名相关函数(fs(·))存在关系，该关系被给出为：
·在所述信息信号(Y)和应用于所述基本水印图案(V)的所述第一函数(fs(·))上的给定的检测操作(D)，即D(Y；fs(V))，
对应于
·在应用于所述信息信号(Y)的所述第二函数(gs(·))和所述基本水印(V)上的所述检测操作(D)，即D(gs(Y)；V)。
16.一种用于记录和/或回放信息信号的设备，该设备包含根据嵌入在所述信息信号(Y)中的基本水印图案(V)来禁止记录和/或回放所述信息信号的装置(402)，其中该设备还包含用于根据权利要求15来检测所述基本水印图案(V)的装置(404)。
17.一种用于传送信息信号的设备，该设备包含用于在信息信号(X)中嵌入水印图案(W)的装置，包含：
·用于确定健壮签名(S)为所述信息信号(X)中的一组健壮特征的装置，
·用于根据应用于预定义的基本水印图案(V)的第一签名相关函数(fs(·))而生成水印图案(W)的装置，
·用于在所述信息信号(X)中嵌入所述水印图案(W)以产生加水印的信号(Y)的装置，其中所述第一签名相关函数(fs(·))和一第二签名相关函数(gs(·))存在关系，该关系被给出为：
·在所述加水印的信号(Y)和应用于所述基本水印图案(V)的所述第一函数(fs(·))上的给定的检测操作(D)，即D(Y；fs(V))，
对应于
·在应用于所述加水印的信号(Y)的所述第二函数(gs(·))和所述基本水印(V)上的所述检测操作(D)，即D(gs(Y)；Y)。
18.一种具有嵌入的水印图案(W)的信息信号(Y)，所述水印图案(W)根据应用于预定义的基本水印图案(V)的第一签名相关函数(fs(·))生成，所述函数(fs(·))依赖于所述信息信号(Y)的健壮签名(S)，其中所述第一签名相关函数(fs(·))和第二签名相关函数(gs(·))存在关系，该关系被给出为：
·在所述信息信号(Y)和应用于所述基本水印图案(V)的所述第一函数(fs(·))上的给定的检测操作(D)，即D(Y；fs(V))，
对应于
·在应用于所述信息信号(Y)的所述第二函数(gs(·))和所述基本水印(V)上的所述检测操作(D)，即D(gs(Y)；V)。
19.根据权利要求18的信息信号(Y)，其中所述第一函数fs(·)是排列函数，即重新排列/重新排序至少部分输入比特串以生成一个重新排列的输出比特串的函数。
20.根据权利要求18的信息信号(Y)，其中所述水印图案(W)是通过根据下式来修改基本图案(V)的符号而从基本水印图案(V)得到的：
W＝Ps*V，其中
Ps是具有和基本水印图案(V)相同长度的签名相关的图案，Ps的每一项等于+1或-1。
21.一种在其上存储具有嵌入的水印图案(W)的信息信号Y的存储媒质(401)，所述水印图案(W)根据应用于预定义的基本水印图案(V)的第一签名相关函数(fs(·))来生成，所述函数(fs(·))依赖于所述信息信号(Y)的健壮签名(S)，其中所述第一签名相关函数(fs(·))和第二签名相关函数(gs(·))存在关系，该关系被给出为：
·在所述信息信号(Y)和应用于所述基本水印图案(V)的所述第一函数(fs(·))上的给定的检测操作(D)，即D(Y；fs(V))，
对应于
·在应用于所述信息信号(Y)的所述第二函数(gs(·))和所述基本水印(V)上的所述检测操作(D)，即D(gs(Y)；V)。
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