CN1864175A - 数字信号中的水印检测 - Google Patents

Abstract

水印检测器中具有缓冲器，其中在计算缓冲器内容与所查找的该水印图案之间的关联之前，叠合并累加多个图像片图。该叠合和累加的目的是在累加该嵌入水印能量的同时让该视频内容达到平均。这不再像是保留高度压缩的视频，诸如DIVX，其具有大量人为噪声和不期望的类似物(块图案)。其结果就是，关联峰值通常低于该阈值。通过相似的方式，该压缩影响到比例缩放检测。根据本发明，只叠合并累加那些压缩并不厉害并因而具有带有足够水印能量的很高可能性的帧(或其一部分)。为此，计算质量度量，该质量度量表示该数据的压缩度。可以根据该压缩数据本身计算该质量度量或者从该解压缩的基带数据得到该质量度量。有利的范例是(剩余)帧的非零DCT系数的数量。然后进行确定：是否从该水印解码处理中排除该帧(或其一部分)。该质量度量也可以用来选择在比例缩放检测处理中使用的数据。

Description

数字信号中的水印检测

技术领域

本发明涉及对数字数据中所嵌入的水印信号进行检测，该数据典型地表示多媒体内容。这种数据的典型格式是MPEG2，但是本发明也可以使用其它格式。

背景技术

为了将某些信息、诸如将版权、拷贝控制、源或授权数据嵌入到数字信号中，通常使用公知的水印技术。其包含对该数字数据进行处理，从而将可识别的图案“贴覆”到需要进行水印的该数据上。不同类型的水印具有不同的用途。一个简单的稳固水印在模拟和数字领域中存有较宽范围的处理步骤，其可以简单地表示该水印数据具有版权，并且可以提供进一步的详情，诸如所有者和日期。通常通过这样的方式添加脆弱的水印：如果以任何方式处理该数据，该水印会破碎或破坏。因此，在其中预期会有水印的数据文件、或流中缺少脆弱水印就可以表明该数据已经被处理过或者被篡改过。这可以用在授权是非常重要的医疗或司法科学应用中。

各种类型的水印图案本身包含贴覆到或者织入到该信号本身的伪噪声信号。该水印信号理想地从感觉上应该不会降低该源数据的质量，但是应该可以通过适当的解码器检测到。

当该水印数据被压缩到适合于通过互联网或其它数据传输系统进行传输的非常低比特率时，会出现特殊问题。DIVX是一个可以产生非常低比特率的系统，并且广泛地被用来减少通过互联网传输视频图像所需要的带宽量。

当前使用的水印系统，诸如JAWS(Ton Kalker，Geert Depovere，Jaap Haitsma，Maurice Maes，“A Video Watermarking System forBroadcast Monitoring”，Proceedings of SPIE ElectronicImaging’99，Security and watermarking of Multimedia Contents，San Jose(CA)，USA，January 1999)使用通过收集大量视频数据来查找嵌入水印的解码器，然后将该视频数据叠合并累加，然后将所累加的该数据与预期的水印图案关联起来。当例如使用DIVX已经将视频数据压缩到非常低比特率时，经常遇到的结果就是关联峰值出现在该检测阈值之下。这意味着该嵌入水印的检测可能会失败，其可能会对被授权查看、但是在缺少适当的水印检测的时候被禁止查看该水印视频的系统用户带来不方便。

当该水印视频已经被比例缩放或改变大小时，会出现进一步的问题。为了检测该嵌入水印，需要该视频信号的原始比例，从而捕获进入视频数据的该累加缓冲器才能相应地比例缩放到该原始视频的尺寸。必须根据所比例缩放的该视频数据本身来确定该原始比例。与将该视频数据相对于已知水印数据进行关联的该水印检测处理相比，现有技术的比例缩放检测处理是通过将两个噪声累加缓冲器彼此相互关联以产生比例缩放因子进行工作的。

在该JAWS系统中，水印检测和该水印检测处理以及该比例缩放检索处理重复地使用嵌入到该源数据中的水印图案。在该水印嵌入过程中，在该数据帧的全部范围上“平铺”一个128×128的水印图案。

为了从比例缩放的该数据中检索该水平比例信息，该处理开始于从多个累加的帧中任意选择两个水平相邻的片图(tile)A和B。然后根据下面的步骤将这两个片图彼此相互关联：

计算A和B的128×128汉宁窗；Han(A)，Han(B)

汉宁窗是一种用于将其所应用的片图的边缘进行“淡出”的滤波器。因此，保留了该片图中央的数据，但是越靠近该边缘，该数据就越衰弱到零。这样就消除了在随后的FFT计算中所引入的强仿真频率分量的该边缘效应。

计算A和B的128×128快速傅立叶变换(FFT)；

计算Han(B)的复共轭；Con(Han(B))；

计算Han(A)和Con(Han(B))的逐点乘积；

归一化该乘积结果。对于该结果中的每一复数值(z)，其是通过下面的公式完成的，从而z可以替换为：

$\frac{z}{\sqrt{{\mathrm{re}\left(z\right)}^2+\mathrm{im}{\left(z\right)}^2}}$

计算前面步骤的逆FFT。

该IFFT结果的第一行中的最高值的位置然后用来计算该水平比例缩放因子。如果该第一个值是最高的，那么该水平比例缩放因子为1，即没有出现比例缩放。

通过相似的方式计算该垂直比例缩放因子，但是替代地是要使用两个垂直相邻的片图和该IFFT结果的第一列。

因为使用了该内在固有更多噪声的缓冲器采样，所以用于该比例缩放检索处理的该关联峰值甚至比用于该水印检测处理的还要低。(水印检测包括已知图案与噪声累加缓冲器之间的关联：比例缩放检测是两个噪声累加缓冲器之间的相关性)。为了进一步使问题复杂化，在该比例缩放检测过程中可以不使用帧叠合。这是因为只有该比例缩放是已知的时候才可以使用帧叠合。如果不知道该比例缩放，不同步的图案被累加，并且所得到的累加缓冲器无用。结果，只可以使用累加。这就意味着在执行相关性之前必须收集更多帧，当然其需要更多时间。

叠合是通过“放大”该水印数据来工作的，因为其总是具有相同的标记。该下层视频信号是有效的“随机”并且这样达到平均。足够长的叠合可以得到该原始水印图案。然而，如果该图案(128×128的片图)不是准确地对齐，那么该过程并不起作用。

现有技术试图通过在每次检测累加更多帧来消除这些问题，其希望该视频数据达到平均并且该水印信号放大，从而增加该信号(水印)与噪声(视频)的比值。

在典型的比例缩放检测中，目前最高使用了300帧。然而在DIVX压缩视频的情况下，引入了大量人为噪声和由于块图案所产生的不期望的类似物。在该累加过程中，通常累加了比水印能量更多的噪声。而且，不期望的图案也放大了，并且其通常比该水印信号更强。所有这些问题都使得难以且通常不可能对DIVX视频进行可靠的比例缩放检测。没有可靠的比例缩放检测就不可能有水印检测。

发明内容

本发明实施例的目的是至少消除现有技术的检测系统所遇到的上述问题，并且提供一种用于高度压缩的视频或其它多媒体数据的更好的水印检测系统。

本发明实施例更进一步的目的是能够在水印检测之前执行性能更加可靠的比例缩放检测处理。

根据本发明，提供一种选择在对压缩多媒体数据中的嵌入水印进行解码中使用的数据的方法，包括步骤：

根据该多媒体数据的压缩度，计算该多媒体数据的给定部分的质量度量；

如果该给定部分的质量度量高于特定阈值，那么其就包括在水印解码处理中；

如果该给定部分的质量度量低于该阈值，那么其就不包括在该水印解码处理中。

优选地，该方法进一步包括步骤：使用相同的质量度量来选择在水印解码处理之前所执行的比例缩放检测处理中使用的数据。在没有发生比例缩放的情况下，其返回的比例缩放因子为1。否则，该比例缩放检测处理会返回一个在解码水印之前允许累加缓冲器被适当改变大小的值。

优选地，根据对压缩数据流的分析来计算该质量度量。这种压缩数据流通过DIVX系统提供。

适当地，在可以访问该压缩数据流的情况下，可以根据量化因子、用来编码数据帧的可变长度码字(VLC)的数目、运动矢量的其中之一来确定该质量度量。

也可以根据多个参数来计算该质量度量。

优选地，可以根据对基带数据的分析来计算该质量度量。

优选地，根据对该帧能量的度量来计算该质量度量。

也可以根据多个参数来计算该质量度量。

优选地，该数据的给定部分是帧。可替换地，也可以使用部分帧。

优选地，提供一种设备来执行根据本发明的该方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了理解如何实施本发明，现在将参照附图仅仅通过范例的形式来描述本发明，其中：

图1示出了本发明的实施例的示意表示。

具体实施方式

图1示出了本发明的实施例中的该数据流的示意表示。数据缓冲器10设置用来接收进入数据流110。在特定的实施例中，该数据流110是DIVX编码的视频数据流。数据缓冲器10用来选择该进入数据流的全部或部分帧120，然后在质量度量计算器20中对其进行分析。质量度量计算器对该数据帧(或其一部分)120进行操作，以建立该输入数据帧120的质量度量130。该质量度量表示包括在该水印解码处理中使用的足够水印能量的该特定帧的可能性。简短地说明计算该质量度量的方法。

该质量度量130与阈值检测器30中的预定级别进行比较。如果该质量度量指示该帧120包括适当量的水印能量是具有很高的可能性，那么该帧120才可以用于该水印检测处理40。

然而，如果质量度量130低于该预定的可接受级别，那么该阈值检测器丢弃50帧120中的该数据，并且其在该水印解码处理40中将不再起作用。

通过这种方式，只将具有包括足够水印能量以能够成功地执行该水印的解码的很高可能性的数据传输给该水印解码处理。该水印解码处理的输出是水印140。可替换地，该输出140可以是表示正确解码的或没有水印被检测到的二进制信号。

为了确定质量度量(Q)，对该数据的一个或多个特征进行评估或测量。下面的范例突出了可以在某些情况下使用的属性。本领域的技术人员会知道在其它情况下可以形成为质量度量计算的基础的其它属性。

该质量度量(Q)有效地提供了该主题数据已经被压缩多少的量度。该数据压缩的越多，就越难以从其中提取该水印。

如果可以访问该压缩数据流，可以从该流本身得到多个参数，其可以用来确定该质量度量(Q)。一些适当的参数有：

量化因子；

用来对帧进行编码的可变长度码字(VLC)的数目；

运动矢量。

在可以对该压缩数据进行访问的系统中，可以通过计算用来对帧进行编码的VLC的数目而得到质量度量。在这种情况下，在该水印检测处理中只叠合并使用被超过5000个系数编码的帧。

然而在许多情况下并不能够访问该原始压缩流，并且例如只能访问该基带视频信号。在这种情况下，并不能够访问前面所提到的该参数，因而可以使用不同的度量来确定Q。一种度量是：

能量度量。例如可以通过8×8DCT变换的帧块来获得这种度量，使用粗略的标准MPEG量化矩阵来量化这些系数，并且计算该非零系数的数量。块的非零系数表示其能量含量。如果DC频率周围有许多较高的系数，这就表示该块中存在陡沿。许多非零系数表示该块具有复杂结构。如果没有AC系数，这就表示该块是平的。通常，非零系数越多，该块中可能具有的该水印能量就越多。

一旦已经根据该信号的一个或多个给定属性计算得到适当的质量度量(Q)，就有可能建立用于特定值的Q的阈值，从而为了解码嵌入水印，可以丢弃具有低于该阈值的Q值的数据帧(或其一部分)。该实际数据帧(或其一部分)当然要保留，从而可以解码其固有的数据内容(例如视频)。

阈值的建立取决于被选择作为该质量度量的基础的该数据信号的特定属性，并且在特定情况下最好可以通过试验确定。

如前所述，当该压缩视频信号已经被比例缩放时，会出现进一步的问题。在可以从该压缩信号中解码该水印之前，必须恢复该信号的原始比例缩放。

本发明的实施例通过类似于刚才所描述的恢复水印信息的方式来恢复比例缩放信息。为了恢复比例缩放信息，将两个累加缓冲器相关联，并且所得到的该关联给出该比例缩放因子的直接表示。

为了改善该关联处理的结果，可以使用上面所计算的该相同的质量度量(Q)来标识压缩地不够厉害并因而具有更高Q的候选帧(或其一部分)。相比于高度压缩并因而具有更低Q的帧，这些候选帧可以更优先地用于该比例确定关联处理。

试验已经表明：通过选择在该关联处理中所使用的数据样本已经很大地改善了该比例缩放检测处理。在该关联峰值使用现有技术的方法会低于预定检测阈值而不能进行比例缩放检测的情况下，发现本发明的实施例通过选择性地丢弃对成功的关联没有贡献的某些数据样本，就能够确定比例缩放因子。

实际上，该相同技术首先可以用于发现该压缩信号的比例缩放因子，该比例缩放因子然后可以用来适当地比例缩放该累加缓冲器，并且接着就能够进行更加可靠的水印解码。

可以使用适当调节或编程的硬件来实施本发明的实施例。这种硬件可以包括专用硬件，诸如定制的ASIC，或者包括根据适当程序进行操作的更加通用的处理器或DSP。

本领域的技术人员知道，可以使用其它参数作为用于计算质量度量的基础，并且这里所描述的范例并不对本发明的范围构成限制，其是通过所附的权利要求书进行限定的。

Claims (10)

1.一种在对压缩多媒体数据中的嵌入水印进行解码中使用的数据进行选择的方法，包括以下步骤：

根据该多媒体数据的压缩度，计算该多媒体数据的给定部分的质量度量；

如果该给定部分的质量度量高于一个特定阈值，那么其就包括在水印解码处理中；

如果该给定部分的质量度量低于该特定阈值，那么其就不包括在该水印解码处理中。

2.如权利要求中1的方法，其中该方法还包括步骤：使用相同的质量度量来选择在该水印解码处理之前所执行的比例缩放检测处理中使用的数据。

3.如权利要求中1的方法，其中根据对压缩数据流的分析来计算该质量度量。

4.如权利要求中3的方法，其中根据与该压缩数据流相关的下列参数其中之一来计算该质量度量：量化因子、用来编码数据帧的可变长度码字(VLC)的数目、运动矢量。

5.如权利要求中4的方法，其中根据与压缩数据流相关的多个参数来计算该质量度量。

6.如权利要求中1的方法，其中根据对基带数据的分析来计算该质量度量。

7.如权利要求中6的方法，其中根据对该帧能量的度量来计算该质量度量。

8.如权利要求中7的方法，其中根据与该基带数据相关的多个参数来计算该质量度量。

9.如权利要求中1的方法，其中该数据的给定部分是帧。

10.一种被设置成用来执行前述任何一个权利要求的方法的设备。

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