CN1930609A - 1位音频文件中插入数字水印的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种处理串行数据信号以生成相应的变换信号，例如编码信号的方法。所述方法包括步骤：(a)提供一个或多个特征序列；(b)分析所述串行数据信号以在其中确定一个或多个信号序列，对此保持这样一个或多个信号序列与所述一个或多个特征序列的结合不会导致生成非法状态；以及(c)将所述串行数据信号的一个或多个所确定的信号序列与所述一个或多个特征序列结合以便将所述串行数据信号变换为所述变换信号。而且，还描述了设备(100)，所述设备可操作地执行所述方法和/或相应的逆方法。

Description

1位音频文件中插入数字水印的方法
技术领域
本发明涉及处理串行数据信号(例如，1位音频数据信号)的方法。此外，本发明还涉及适用于水印目的的方法。另外，本发明涉及被设置实现所述方法的设备，以及还涉及根据所述方法经处理或者水印而生成的数据内容。
背景技术
模拟信号(例如，模拟音频信号)可以以多个可替换的方法被采样以便生成相应的典型数字数据。常规的做法是例如对于当前音频压缩光盘数据载体(CD)以采样速率fs＝44.1kHz采样音频信号并且将它们表示为16位的脉冲编码调制(PCM)格式数据。鉴于尼奎斯特(Nyquist)采样的考虑，这个采样速率相应于基本上为22kHz的模拟音频信号带宽。使用专门适于执行这样采样的当前专有集成电路芯片组可以相对容易地实现这样的采样。
经常所用的可替换格式为1位格式，也就是被称为直接流数字(DSD)的1位编码，它用于高质量音频再现系统中，例如在当前的超音频CD(SACD)中。在SACD系统中，所用的采样频率增加到64fs以生成1位数据采样的串行序列。在这样的序列中，分别具有代表真实信号状态+1，-1的逻辑值1或者0的每个采样经受归一化。常规地，通常使用Sigma-Delt调制器生成1位采样数据。以采样速率64fs由1位采样所提供的音频带宽扩展到100kHz。
专有音频数据内容的未授权复制是众所周知的问题，例如伪造和盗版，这潜在地在财政上影响音乐唱片公司。此外，这样的复制可以起因于将数据从一个数据载体直接复制到另一个数据载体，以及也可以起因于经由通信网络(例如，因特网)的数据内容分发。为了尽力阻碍这种未授权的复制，常规的做法是在专有音频数据内容中包含水印，以便可以确定分发和数据内容复制的路线并且采取措施来阻止这种复制，例如强迫接受罚金或者征税。
在1位编码(DSD)的音频信号中包含水印数据是已知的。例如，在公布的美国专利申请号US 2001/0066408中，描述了通过采样速率转换器将具有2.822MHz位速率的原始高质量1位编码(DSD)音频信号转换为相对较低采样速率的PCM信号。通过使用常规的PCM水印嵌入器将水印信号嵌入到PCM信号中。因此，为了生成最终水印的1位编码信号，将水印的PCM信号再转换回到1位编码格式信号。发明人意识到，这种水印方法可能成本高且复杂，因此发明人致力于提供一种更直接且可能更简单的方法，所述方法是在1位编码采样数据中包括水印信号。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在1位编码数据信号中包括水印信息的可替换方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种处理串行数据信号以生成相应的变换信号的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供一个或多个特征序列；
(b)分析所述串行数据信号以在其中确定一个或多个信号序列，对此保持这样一个或多个信号序列与所述一个或多个特征序列的结合不会导致生成非法状态；以及
(c)将所述串行数据信号的一个或多个所确定的信号序列与所述一个或多个特征序列结合以便将所述串行数据信号变换为所述变换信号。
本发明的优点在于它能够直接地变换串行数据信号以生成变换信号而不需要为了处理的目的将串行数据信号变换为另一中间格式。
“结合”指数学处理，该数学处理包括但不限于以下的一个或多个运算：加法、减法、异或。而且，“非法”状态指结合串行数据信号和一个或多个特征序列而产生的状态，这些状态不被容纳在适合于变换信号的格式中；当所述变换信号随后被处理以再生成串行数据信号时，这样的非法状态容易引起信息损失。另外，在本发明的上下文中“期望的非法状态”指期望不可逆降级的某一程度，例如为了提供降级的音乐采样作为预备以提供相应的非降级的音乐采样作为付款的回报。
本发明不限于为了生成相应的变换信号而进行处理的串行二进制数据流，而是同样地可应用于具有三个或更多状态的信号。而且，本发明还可应用于并行数据流，例如16位数据总线，其中根据本发明易于处理每个单独的流以生成一个或多个相应的变换数据流。
优选地，在本发明中，串行数据信号是二进制格式的1位数据信号，并且一个或多个特征序列被设置为可直接与串行数据信号结合从而生成二进制格式的变换信号，优选地，这样的结合包括加法和/或减法和/或异或运算。
本发明的优点在于不需要将1位信号转换为其他格式来生成相应的变换信号。更加优选地，设置串行数据信号以便其符号系列具有基本上类似的有效性；至今，例如通过最低有效位的损坏而不需要将数据转换为分级位格式(例如，PCM)是很难水印这样的数据。
优选地，在本发明中，一个或多个特征序列可用于将变换信号进行逆变换从而在其中再生成串行数据信号的副本。这样的可逆性在以下情况中是有利的，即当将降级的采样数据基本上免费发送给潜在顾客以便随后付费时，将用于解码所述降级采样数据的解密密钥提供给顾客。然而，本发明还可应用于一种模式中，其中在这个模式中通过应用本发明的方法并且允许在变换信号中生成引起不可逆信息损失的至少一些非法状态，降级的采样被不可逆地降级。在这样的情况中，可以出现为了不可逆地降级免费采样所期望的非法状态，并且因此被包括在本发明的范围内。
优选地，在本方法中使用多个特征序列。多个特征序列的使用使得复杂编码被执行，例如非轻易能躲避的水印。
优选地，在本方法中，一个或多个特征序列各自都是两个或更多符号长。尽管由于在许多位置上较短序列匹配串行数据信号的序列，所以相对较短的序列可以经常被包括在变换数据中，但是较长的序列是更加特殊的并且因此在变换数据中它们的出现对应更大的信息内容。更加优选地，在本方法中，根据知觉模型选择一个或多个信号序列以获得变换信号中的优选感知特征，对此保持这样一个或多个信号序列与所述一个或多个特征序列的结合不会导致生成非法状态；这样的选择性方法以一种方式使水印能够应用于音频数据，所述这种方式至少在主观上听者不厌恶并且为了识别假冒品的目的仍可容易地被检测到。
优选地，在本方法中，串行数据信号和变换信号是1位音频信号，并且一个或多个特征序列的结合被直接在串行数据信号上执行而不需要转换为另一个信号格式。因此，本发明的优点在于为了信号处理目的它可以直接地应用到1位音频信号，而不需要将串行数据信号转换为其他信号格式。
优选地，设置本方法以在串行数据信号中嵌入水印以便变换信号是串行数据信号的水印版本。更加优选地，水印的插入通过声音录制制造商和/或声音录制发行商来执行，例如通过付费来传送数据音乐文件的因特网网站。
根据本发明的第二方面，提供一种用于实现根据本发明的第一方面的方法的设备，所述设备被设置用来接收所述串行数据信号并且输出所述变换数据。
根据本发明的第三方面，提供了使用根据本发明的第一方面的方法所生成的变换数据。所述变换数据优选地在数据载体(例如光盘数据携带介质)上被提供，和/或经由通信网络(例如因特网)被提供。
根据本发明的第四方面，提供了在计算设备上被执行时可操作地实现根据本发明的第一方面的方法的计算机软件。
根据本发明的第五方面，提供了一种对变换信号进行处理以再生成相应的解码串行数据信号的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一个或多个特征序列；
(b)分析所述变换信号以在其中确定一个或多个信号序列，对此保持这样一个或多个信号序列与所述一个或多个特征序列的结合不会导致生成非法状态；以及
(c)将所述变换信号的一个或多个所确定的信号序列与所述一个或多个特征序列结合以便将所述变换信号进行变换以从其中再生成解码的串行数据信号。
根据本发明的第六方面，提供了一种用于实现根据本发明的第五方面的方法的设备，所述设备可操作地接收所述变换数据信号并且输出解码的串行数据信号数据。
根据本发明的第七方面，提供了在计算设备上被执行时可操作地实现根据本发明的第五方面的方法的计算机软件。
应该理解的是，在不背离本发明的范围情况下可以以任何结合方式将本发明的特征进行结合。
附图说明
仅仅通过例子参考下面附图将描述本发明的实施例，其中：
图1是说明选自表1的序列子集的频谱特性的曲线图，包括用于比较的平凡序列(trivial sequence)[1，-1]；
图2是根据本发明用于实现本发明的方法的设备；
图3a，3b说明了根据本发明用于0-匹配或1-匹配而分析的两个序列；
图4a，4b说明了用于0-匹配或1-匹配而分析的两个序列，其中相对很少位的变化可以显著改变例如为了水印目的所传送的信息；以及
图5是对应四个最好序列S∈{-1，0，+1}12的频谱图，显示了在频率f＝32fs周围的最小干扰，其中fs是采样频率，所述序列选自表2；
图6是对应四个最好序列S∈{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}5的频谱图，其中包括用于比较的序列S＝[1，-1]的频谱，如虚线所示；
图7是对应四个最好序列S∈{-1，0，+1}12的频谱图，显示了在频率f＝0Hz周围的最小干扰；以及
图8是来自表2使用复合载波c[n]＝jn进行调制的四个最好序列的图。
具体实施方式
在设计本发明时，发明人设想通常不允许简单地相加两个1位音频信号，每个信号包括具有值1或0的符号序列，因为它们相应的符号状态1和-1可能相加为三个值(即，-2，0，+2)中的任一个。即使在按因子2进行缩放比例之后，这样的值不再符合用于1位采样信号的先前DSD格式并且在本发明的范围内被认为非法状态。
发明人意识到，当1位采样信号具有直接增加到其中的水印信息时，当采样信号具有状态-1时，水印信号值0或+2可以与它相加。类似地，当采样信号具有状态+1时，水印信号值0或-2可以与它相加。因此，如果特征序列(signature sequence)(下文也称为水印序列)被设计包括状态-2，0，2，则这样的特征序列易于被直接地与1位DSD音频信号相加以生成符合DSD标准的随后被加水印的1位音频信号。
在方程式1a(Eq.1a)的方括号中表示1位音频信号序列X。它们具有一些符号，这些符号的状态由方程式1b(Eq.1b)所定义。
X＝[v1，v2，...vn-1，vn]                      Eq.1a
X∈{0，1}k                                       Eq.1b
其中v＝序列X中的符号，所述符号v具有对应符号状态+1和-1的逻辑值1或0；使得v的下标表示符号v的时间序列，即在序列V中存在n个符号，符号v1在时间上是第一个并且符号vn在时间上是最后一个；以及
k＝正整数。
如上所解释的，给定的水印序列可以与一些但不是全部信号序列X相加。例如，根据方程式2(Eq.2)，水印序列S＝[1，-1]与信号序列X＝[-1，1]的相加产生合法的水印序列Y：
Y＝X+2S＝[1，-1]                                  Eq.2
这个特定的水印信号S与实现为1位音频信号的序列信号X的相加在时间上局部对应与-1的相乘。对于X为1位音频信号序列，这样的局部相乘相比于原始1位音频信号X不会显著地改变水印信号Y的低频分量，但是产生相对主要的较高频率伪像。在图1中示出了较高频率能量的这种变化。在这个图中，包括对应频率范围从0kHz到44.1kHz的横轴20以及对应信号频率分量频谱振幅的纵轴30。参考数字10表示通过增加水印序列S＝[1，-1]引入的横跨音频频谱上的增强噪声。
发明人意识到，存在可以与信号X＝[-1，1]相加的更多序列S，这仍产生无非法状态的相应二进制信号Y。这样的一个序列是S＝[1，0]，另一个序列是S＝[0，-1]。在序列S中的0意味着，信号X中的相应采样可以具有信号值-1或+1。然而，由于这些序列将失真引入到数字音频信号中，所以这些序列不太适合。很显然，序列S＝[0]，S＝[0，0]，S＝[0，0，0]等等不实用。
特征序列S＝[1，-1]不与除了[-1，1]之外的信号序列X相加，因为将产生非顺从(non-compliant)的非二进制的相应信号Y，即非法结果。然而，该序列可以从信号X的信号序列[1，-1]中被减去；等价地，可以将相应的求反序列S＝[-1，1]与信号X中的序列[1，-1]相加。这样序列的相加不影响信号内出现的失真，因为这样的相加不会明显改变用于低频的频谱。
其他信号序列X需要其他特征序列，例如可以将水印序列S＝[-1，-1]与信号序列X＝[1，1]相加。然而，当与序列S＝[-1，-1]结合时，序列S＝[-1，-1]对于信号X的低频区域具有显著的影响。为了水印目的，将这样的序列与1位音频信号相结合(例如通过与前述的DSD信号相加)将产生不可接受的失真。可替换的水印序列，例如S＝[0，-1]，或者S＝[-1，0]也不适合用于水印。
水印序列[1，-1]似乎远离最佳情况。发明人考虑了各种长度的大量特征序列并且估计了它们对音频信号质量的影响。下面表1列出了这样的特征序列Si，该特征序列Si的长度高达12。表中的值R对应从0Hz到采样频率fs的频带中相关序列的能量比率，并且该序列是单位脉冲。单位脉冲自身作为S42被包括在表1中。以R上升的顺序列出序列Si。为了比较，表还包括上述的序列S＝[1，-1]，即S41。
图1中的曲线图S1、S2、S3、S4表示与表1中列出的前四个特征序列相关联的增强的噪声频谱。应该理解的是，它们比上述的“简单”序列S41＝[1，-1]更加适合用于水印目的。
表1：用于1位音频信号的典型特征序列
  i   序列Si   R(dB)
  1   1   -1   -1   0   1   0   0   1   0   -1   -1   1   -60.77
  2   1   -1   -1   0   1   1   -1   -53.42
  3   1   -1   -1   1   -1   1   1   -1   -50.94
  4   1   -1   1-   1   -1   1   0   1   0   -1   -1   1   -49.26
  5   1   -1   -1   0   1   0   1   -1   1   -1   -1   1   -49.26
  6   1   -1   -1   1   0   -1   1   1   -1   -49.03
  7   1   -1   -1   0   1   0   1   0   -1   -1   1   -48.86
  8   1   -1   -1   1   0   0   -1   1   1   -1   -47.47
  9   1   -1   0   -1   0   1   0   1   -1   -47.43
  10   1   -1   -1   1   0   0   0   -1   1   1   -1   -46.17
  11   1   -1   -1   0   1   0   1   -1   -45.59
  12   1   -1   0   -1   0   1   1   -1   -45.59
  13   1   -1   0   -1   1   -1   1   0   1   -1   -1   -45.52
  14   1   -1   -1   1   0   0   0   0   -1   1   1   -45.05
  15   1   -1   -1   1   -1   1   0   1   -1   -44.74
  16   1   -1   0   -1   1   -1   1   1   -1   -44.74
  17   1   -1   0   -1   1   0   -1   1   0   1   -1   -43.97
  18   1   -1   0   -1   1   0   -1   1   1   -1   -43.88
  19   1   -1   -1   1   0   -1   1   0   1   -1   -43.88
  20   1   -1   0   -1   0   1   0   0   1   -1   -43.15
  21   1   -1   0   0   -1   0   1   0   1   -1   -43.15
  22   1   -1   -1   1   0   0   -1   1   0   1   -1   -43.04
  23   1   -1   0   -1   1   0   0   -1   1   1   -1   -43.04
  24   1   -1   0   0   -1   0   1   0   0   1   -1   -43.04
  25   1   -1   0   -1   1   0   0   -1   1   0   1   -1   -42.66
  26   1   -1   -1   1   -1   1   1   -1   1   -1   -1   1   -42.31
  27   1   -1   -1   1   0   0   0   -1   1   0   1   -1   -42.24
  28   1   -1   0   -1   1   0   0   0   -1   1   1   -1   -42.24
  29   1   -1   -1   1   0   -1   1   1   0   -1   -1   1   -42.24
  30   1   -1   -1   0   1   1   -1   0   1   -1   -1   1   -42.24
  31   1   -1   0   -1   0   1   0   1   0   -1   -1   1   -42.23
  32   1   -1   -1   0   1   0   1   0   -1   0   -1   1   -42.23
  33   1   -1   -1   1   1   -1   -1   0   1   0   1   -1   -42.13
  34   1   -1   0   -1   0   1   1   -1   -1   1   1   -1   -42.13
  35   1   -1   -1   1   -1   1   1   0   -1   -1   1   -42.05
  36   1   -1   -1   0   1   1   -1   1   -1   -1   1   -42.05
  37   1   -1   0   0   -1   1   -1   1   0   1   -1   -42.00
  38   1   -1   0   -1   1   -1   1   0   0   1   -1   -42.00
  39   1   -1   -1   0   1   1   0   -1   -1   1   -41.86
 40  1 -1  0  0 -1  1 -1  1  0  0  1 -1  -41.49
 41  1 -1  -24.93
 42  1  0
注意，表1中的所有示例序列从归一化值1开始。相反的对应值同样是可用的，但是在表中没有示出。还应谊注意的是，为了特定应用(在此是DSD音频的水印)已经估计了所述序列。对于其他应用，其他序列将是最佳的。
为了进一步描述本发明，下面将采用在方程式3(Eq.3)中所提供的术语：
S ^ i = Σ n | S i [ n ] | - - - Eq . 3
其中Si[n]是水印序列，n是序列中的符号的索引。
发明人引入表达“匹配序列”。如果Si可以与X结合(例如，与X相加或者从X中减少)而不引入非法状态，则信号序列X被称为“匹配”给定的特征序列Si。在数学上，如果绝对内积|<X，Si>|等于
Figure A20058000773100122
则信号序列匹配。更加具体而言，如果 &lang; X , S i &rang; = S ^ i , 则序列X被称为“1-匹配”。相反地，如果 &lang; X , S i &rang; = - S ^ i , 则序列X被称为“0-匹配”。
下面方程式4(Eq.4)示出了可以从1-匹配信号序列X减去特征序列Si(或者数学上更加精确地为2Si)。这样的相减可以导致生成水印序列Y。
&lang; X , S i &rang; = S ^ i &DoubleRightArrow; X - 2 S i = Y - - - Eq . 4
注意，相减将1-匹配序列X变成0-匹配序列Y。
类似地，下面方程式5(Eq.5)示出了特征序列Si与0-匹配信号序列X相加。
&lang; X , S i &rang; = - S ^ i &DoubleRightArrow; X + 2 S i = Y - - - Eq . 5
注意，相加将0-匹配序列X变成1-匹配序列Y。
根据本发明，现在通过检查匹配于预定特征序列Si(或者多个预定特征序列)的序列X在信号中的出现来处理该信号。应该理解的是，特征序列Si中对应“0”状态的信号符号可以在这样的搜索过程中表面上被认为“无关”值。在匹配序列X出现的地方，根据给定的处理算法修改所述匹配序列。
例如，根据本发明的一个方面，为了匹配于给定特征序列Si的信号序列X的出现而分析要被水印的1位音频信号。音频信号中的匹配序列的连续出现被认为组成数据信道。更加具体而言，1-匹配序列的出现被认为组成数据位‘1’，并且0-匹配序列的出现被认为组成数据位‘0’。这在图3a中示出，其中为了匹配于长度为7的特征序列S2＝[1，-1，-1，0，1，1，-1]的长度为7的序列X的出现而分析要被水印的1位音频信号。该图示出了数据消息‘110’被认为嵌入或埋入在音频信号中。
很显然，图3a中的数据信道传送随机数据，因为从任意的音频内容中得到数据位。因此，在数据嵌入阶段，修改音频信号以传送期望的数据消息。如果要嵌入的数据位是‘0’，则嵌入阶段通过从中减去特征序列S2来将1-匹配序列修改为0-匹配序列。类似地，如果要嵌入的数据位是‘1’，则嵌入阶段通过将其与特征序列S2相加来将0-匹配序列修改为1-匹配序列。显然，如果匹配序列X已经表示要被嵌入的数据位，则不修改匹配序列X。图3b说明了以这种方式如何修改图3a中所示出的DSD音频信号以获得具有期望嵌入数据消息‘011’的水印音频信号。
现在将参考图2描述根据本发明的装置的实施例。通常由100表示水印设备并且该水印设备包括第一存储器(X)110，用于接收1位音频信号X；第二存储器(S)120，用于存储水印序列S；以及匹配功能(MF)130，用于比较信号X的序列与水印S以确定如上文所述的水印S与信号X匹配的出现。由此，产生表示在信号X中何处发生匹配的数据信道(DC)。该设备100还包括运算单元(AU)140，它接收要被嵌入的期望数据消息D。该运算单元140被设置用来将信号X和S相结合，即通过适当地将水印序列S与匹配序列X相加或者将水印序列S减去匹配序列X，而不违反前述规则以便生成1位格式的水印输出信号Y。优选地，使用计算设备实现所述设备100。可替换地，可以以专用逻辑硬件，例如使用特定用途集成电路(ASIC)来实现所述设备100。
在所述设备100中的序列S例如是7个符号长的序列S＝[1，-1，-1，0，1，1，-1]。输入信号X优选地是DSD音频信号。匹配功能MF130可操作地检查信号X中对应于7个符号的水印序列的匹配序列的出现。在本发明的一个实施例中，数据信道(DC)表示在信号X中何处发生匹配。更加具体而言，1-匹配序列的出现被认为在数据信道DC中组成数据位“1”；同样，0-匹配序列的出现被认为在数据信道DC中组成数据位“0”。在图3a示出了这样的匹配识别，所述图3a示出了数据序列“110”被认为嵌入或埋入DSD信号X中。而且，在这种情况中数据信道DC被认为是随机数据，因为从基本上伪随机性质的任意音频内容得出其数据位。
当所述设备100在1位串行音频信号中嵌入“0”数据时，AU140通过从中减去水印序列S来将1-匹配序列修改为0-匹配序列。类似地，当所述设备100在1位串行音频信号中嵌入“1”数据时，AU140通过将其与水印序列S相加来将0-匹配序列修改为1-匹配序列。如果匹配序列X已经代表要被嵌入的特定数据位，则不修改该匹配序列X。
在图2的上述实施例中，7个符号长度的运行窗口被使用以检测匹配序列。如图3a和图3b中所示出的，这产生不均匀间隔的匹配序列。还潜在地可能识别序列重叠的出现。这样重叠的一个例子在图3a中示出并且由300表示。在所述设备100中，优选地忽略重叠序列。在图4a和图4b中示出了使用这样运行窗口的另一个潜在问题。图4a中所示出的信号包含数据序列“111”。通过适当地减去序列S，修改该信号以包含图4b中所示的数据序列“010”。然而，将第三个1-匹配序列改变为0-匹配序列导致较早的1-匹配序列310的出现，如图4b中所示的。通过不是利用图2的设备100中所示的运行窗口，而是将信号X分成连续的非重叠区域(该连续的非重叠区域为了其中匹配序列的出现而单独地被搜索)，可以至少部分地防止发生这样的重叠问题。
因此，总的来说，本发明的方法涉及一种通过执行例如在方程式2中所示的结合操作而在1位节目数据内容中嵌入水印信息的方法，用于响应存在于原始节目数据内容中的位序列，将信号数据从正指向(positive sense)改变为负指向(negative sense)。水印的一个影响是降级了水印信噪比和/或失真特性，特别是在相对较高的频率上，例如在音频频带的较高频率上，其中所述序列对应于数字音频数据。
发明人意识到，通过拒绝(overruling)包含在调制器中的接合器输出将额外的数据嵌入到当前sigma-Delta调制器中所生成的1位音频信号是切实可行的。在时间栅格，即参考时间帧方面可以输入额外的数据。然而，这样的方法潜在地存在不利，因为可能潜在地妨碍Sigma-Delta调制器内所使用的反馈回路的平稳状态。
在本发明的方法中，水印数据优选地不被插入到前述Sigma-Delta调制器的反馈回路中，所以平稳性的问题不会出现。
在本发明中，对于对应于1位音频数据流的特定序列X来说，相对于水印序列Si搜索序列X，以便产生1-匹配和0-匹配的随机系列的识别匹配；例如，在方程式2中，在沿信号X的各个位置上有效地比较序列Si以搜索识别匹配。匹配系列可以认为是数据信道。因此，当通过使用水印数据S处理方程式2中的信号数据X以生成水印信号数据Y时，如果存在0数字，则在必须嵌入1数字的情况中由1-匹配替代0-匹配。类似地，如果存在1数字，则在必须嵌入0数字的情况中由0-匹配替代1-匹配。
优选地，为了容易处理，本方法被设置假定信号X中的两个相邻匹配序列应该不重叠；即本方法可以被设置以将信号X相对于水印数据S重叠的匹配序列忽略不计。然而，为了改进水印信号的质量，可以为连续的匹配任选地设置最小距离，所述连续的匹配被允许修改信号X以生成信号Y。
沿信号数据X的位置优选地被分布以便在水印信号Y中产生例如人听力所感知的特定类型干扰，其中在所述位置上匹配在图2中被识别并且在数据序列X中产生相应的负变化以生成信号数据Y。为了生成信号Y对信号X的一些部分的跳跃性修改(该修改取决于与水印数据S的匹配)优选地在听觉知觉模型的控制下被执行，所述模型例如是其参数可从人听觉知觉测试中被确定的数学模型。
在本方法中，应该理解的是，可以任选地使用多于一个的水印序列Si以用于水印目的。通信协议优选地被使用，例如标记数据以便在处理信号X时可以使用多个水印序列以生成相应的水印信号Y；所述标记数据优选地表示从一个水印序列到另一个水印序列的转换。这样的多个水印序列可以择优地被动态选择以便增强音频质量，同时还允许包括水印信号。
由于本发明的前述方法仅仅最适合用于某些类型的信号数据，例如音频数据，相比于可应用于所有类型数据的稳健方案(例如，复杂通用的加密方法)来说它被认为是相对“脆弱”类型的方案。
对于PCM类型的信号，已知的程序是通过“损坏”每个数据采样中的一个或者多个最低有效位来降级信号质量。这样的损坏可以使用所设置的密码算法被实现为可逆的，以便如果密钥已知，则通过使用所述密钥重构原始高质量的未降级信号。应用于高质量PCM信号的这种损坏被有利地用于生成相应的较低质量的降级信号；可以允许一些潜在的顾客免费以估计较低质量的信号并且然后选择购买一个或多个密钥，以便解密较低质量的信号以从中再生成相应的高质量信号。这样的分发尤其与经由通信网络(例如，经由因特网)分发的音乐数据内容相关。
然而，利用相关联的解密密钥进行信号损坏的这种方法不容易应用于在上文所描述的1位音频信号，例如信号X，这是由于序列X中的位全部具有可比较程度的重要性。然而，本发明在例如可逆地降级1位音频信号以生成用于免费分发的降级质量信号从而诱惑一些可能的顾客时是有利的。例如通过用1-匹配替代前述的0-匹配以及反之亦然，优选地使用保密水印序列可以实现这样的加密。在解密期间，重复在相同序列控制下的切换，由此将1位降级音频信号恢复为其原始高质量形式。当设想1位信号的可逆破坏时，不需要使用导致信号X的音频带宽中相对少能量的序列Si进行优化。优选地，可以利用不同的序列Si，这导致信号降级的不同清晰度。例如在控制信道中的数据控制下，这样的不同序列可以被设置为可动态地改变。
本发明的方法可以通过匹配并且然后应用结合操作(例如，相加)被认为是选择性切换-1和+1值的过程。尽管本方法在上文被描述为涉及二进制信号，但是也可以应用于具有多于2个状态的信号，所述信号将具有与其相加的水印信息，如稍后描述的。
上文中所描述的水印序列S优选地被设计以在较低频率上提供相对低的能量，例如在图1中所表示的。然而，水印序列S易于被设计以在其他频率范围上展示类似特性。例如，可以由另一水印序列Si[n](-1)n替代水印序列Si[n]，所述水印序列Si[n](-1)n能够在靠近1/2采样频率(即，在fs/2上)的频率范围中展示相对低的能量。可以设计序列以在其他频率上(例如，fs/4上)展示相对低的能量。
如上文所说明的，本发明涉及修改数字信号，即一系列采样，其中的采样可以仅仅假设十分有限数目的值。
标准的16位PCM信号也是这样的信号，其中每个采样可以假设的状态数目为2，即逻辑0状态和逻辑1状态。结果，若不是本发明，在由于生成非法状态而没有发生数据损失或数据恶化的情况下，两种这样信号的直接相加基本上是不可能的。
因此：
(a)对于采样值-1，可以仅仅加上值0或者+2；以及
(b)对于采样值+1，可以仅仅加上值0或者-2。
然而，如上文所说明的，本发明不限于二进制信号；例如，它也可以应用于3位信号，其中3位采样可以假设的状态数目相对有限。
现在将描述上文的更加概括的分析并且考虑与其他类型的序列和信号的相关性。通常，由方程式6(Eq.6)数学上描述信号X，该信号X由k个采样的序列(即，k个符号)组成，其中每个采样可以从预定集合B中假设任意状态：
X∈Bk                                        Eq.6
例如通过方程式7(Eq.7)定义k个采样的任意1位DSD信号X：
X∈{-1，+1}k                                 Eq.7
相比而言，例如可以通过方程式8(Eq.8)定义k个采样的2位信号X：
X∈{-3，-1，+1，+3}k                         Eq.8
并且，同样地，例如可以通过方程式9(Eq.9)定义k个采样的3位信号X：
X∈{-7，-5，-3，-1，+1，+3，+5，+7}k         Eq.9
通过方程式10(Eq.10)可以定义序列S，该序列S可以与方程式6所定义的序列X相结合，例如与方程式6所定义的序列X相加：
Y＝X+2S∈Bk                                  Eq.10
其中序列S的数目被限制。因而，如果前述的1位信号符合方程式7，则序列S受到限制，正如方程式11(Eq.11)所定义的：
S∈{-1，0，+1}k                              Eq.11
类似地，对于2位信号，方程式12(Eq.12)适合于序列S：
S∈{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}k              Eq.12
应该理解的是，在不生成非法状态的情况下序列S是否能够与信号X相结合，(例如，与X相加，正如在Y＝X+2S中)取决于信号X中存在的实际状态；无条件地使信号X与序列S结合(例如使信号X与序列S相加)可以导致：
YBk                                        Eq.13
其被定义为非法状态。
在本发明的某些实际应用中，非法状态可以在某些情况中被容忍并且被包括在类别“期望的合法状态”中；这样的应用例如涉及音频和/或视频节目内容的不可逆部分的降级，用于在购买相应的未降级节目内容之前顾客进行采样或最初估计的目的。
因此，在应用本发明时，结合序列S是有益的，对于给定状态集合B，所述序列S在信号X的频谱的特殊频率间隔中引入有限干扰。例如，在表2中列出了根据方程式14(Eq.14)的一系列序列S并且在图5中给出了它们的频谱特性。这些序列在32fs附近的频率间隔中具有最小的干扰，其中fs是生成信号X所使用的采样频率；这些序列易于与1位DSD音频信号相结合。根据方程式14(Eq.14)，表2列出了10个最好的识别序列S：
S∈{-1，0，+1}12                                Eq.14
其被选择用来在f＝32fs附近提供最小的干扰。
表2
  i   序列Si   R(dB)
  1   1   1   -1   0   1   0   0   -1   0   1   -1   -1   -60.77
  2   1   1   -1   0   1   -1   -1   -53.42
  3   1   1   -1   -1   -1   -1   1   1   -50.94
  4   1   1   -1   -1   -1   -1   0   -1   0   1   -1   -1   -49.26
  5   1   1   -1   0   1   0   1   1   1   1   -1   -1   -49.26
  6   1   1   -1   -1   0   1   1   -1   -1   -49.26
  7   1   1   -1   0   1   0   1   0   -1   1   1   -48.86
  8   1   1   -1   -1   0   0   -1   -1   1   1   -47.47
  9   1   1   0   1   0   -1   0   -1   -1   -47.43
  10   1   1   -1   -1   0   0   0   1   1   -1   -1   -46.17
参考表2和其相关联的图5，应该理解的是，通过一个或多个数学处理，例如加法、减法、与-1的乘法、异或可以结合信号X和序列S以论及一些例子；在本发明的范围内，其他类型的数学运算(例如乘法)也是切实可行的。
对于信号X为根据上文方程式8的2位信号(其具有方程式12所定义的相应序列S)，在表3中列出了最大长度为5个符号的一些序列的例子，所述序列在频率间隔为0≤f≤fs中具有相对低的干扰。为了进行比较，还示出了序列S＝[1，-1]和S＝[1]的性能。而且，在图6中示出了四个最佳序列的频谱。
表3
  I   序列：Si   R(dB)
  1   1   -3   3   -1   -68.95
  2   1   -2   0   2   -1   -62.94
  3   1   -2   1   -47.33
  4   1   -1   -2   3   -1   -47.21
  5   1   -3   2   1   -1   -47.21
  6   1   -2   2   -2   1   -41.33
  7   1   -1   -1   1   -41.31
  8   2   -3   -1   3   -1   -41.25
  9   1   -3   1   3   -2   -41.25
  10   1   -1   0   -1   1   -37.80
  11(比较)   1   -1   -24.93
  12(比较)   1   0
先前，例如参考图1描述了序列S的例子，这些序列S容易在f＝0Hz附近的频率间隔中导致最小干扰，例如在0≤f≤fs或者-fs≤f≤fs的间隔中。在图7中，为了比较的目的，示出了范围为-32fs≤f≤32fs中对应S∈{-1，0，+1}12的四个最佳序列S的全频频谱，在f＝0Hz附近提供了最小干扰，在表2中列出了序列S。在上文中，说明了可以设计序列S以在包含信号X的其他频率间隔上引入最小干扰。特别地，发明人意识到，可以设计序列S的一些例子，所述例子在除了f＝0Hz之外的频率附近的频率范围中展示了最小的干扰。
如果通过利用载波C进行调制来修改给定序列S，则最新获得的移动序列S′的频谱是序列S频谱的移动版本。有利地，根据方程式15(Eq.15)定义载波C：
c[n]＝(-1)n                                       Eq.15
将载波C应用到序列S能够将它移动32fs，正如方程式16(Eq.16)所提供的：
s′[n]＝s[n](-1)n                                 Eq.16
结果，移动序列S′与信号X的结合导致频率干扰，其中最小干扰从f＝0Hz变化到f＝32fs。关于应用载波C以移动序列S，如果序列S∈{-1，0，+1}k，则这样的移动是显而易见的，其中所述移动导致产生移动序列S′∈{-1，0，+1}k。在上文表2中提供了移动序列的列表，同时在图5中示出了相应的四个最佳频谱。
如果在信号X与序列S结合时允许出现复值，则可设想最终频谱对于负频率和正频率可以是不同的。根据方程式17(Eq.17)可以以复数形式方便地定义前述载波C：
c[n]＝jn                                           Eq.17
其中 j = - 1
并且它到特征S的应用是将相应移动序列S′的频谱移动到16fs，如方程式18(Eq.18)所描述的：
s′[n]＝s[n]c[n]＝s[n]jn                           Eq.18
对于方程式17的载波C，如果序列S具有状态集合S∈{-j，-1，0，+1，+j}k，则显而易见的是移动序列也将具有相应的状态集合S′∈{-j，-1，0，+1，+j}k。通过jn和在表4中所列出的相应调制序列来调制表1中的十个最佳序列S。
表4
  I   序列：Si   R(dB)
  1   1   -j   1   0   1   0   -j   0   -j   1   -j   -60.77
  2   1   -j   1   0   1   1   -53.42
  3   1   -j   1   -j   -1   -1   j   -50.94
  4   1   -j   1   -j   -1   0   -j   0   -j   1   -j   -49.26
  5   1   -j   1   0   1   -1   j   1   -j   1   -j   -49.26
  6   1   -j   1   -j   0   -1   -j   -1   -49.03
  7   1   -j   1   0   1   -1   0   -1   -j   -1   -48.86
  8   1   -j   1   -j   0   1   -j   1   -j   -47.47
  9   1   -j   0   j   0   0   -j   -1   -47.43
  10   1   -j   1   -j   0   0   j   1   j   1   -46.17
在图8的曲线图上绘制表4中的四个最佳序列的频谱，其中对称分布可清楚地识别。
本发明的方法(即将所选序列与信号直接结合以将序列印在信号上)具有许多实际技术应用，这样的应用包括以下内容的一个或多个：
(a)用于模数信号转换的sigma delta调制器的特殊配置；
(b)多位模数转换器的特殊配置，例如在Custom IntegratedCircuits Conference，2002.Proceeding of the IEEE2002，2002年5月，pp191-194，由Miller和Petrie所发表的“A multi-bitsigma-delta ADC for multi-mode receivers”中描述类型的转换器的修改版本；以及
(c)复杂sigma-delta转换器的特殊配置，例如在Digest ofTechnical papers，2003 symposium June，2003，pp.75-78所公开的VLSI Circuits 2003，由Basedau等人所发表的“A fourth ordercontinuous-time complex sigma-delta ADC for low-IF GSM andedge receivers”中所描述类型的转换器的修改版本。
本发明的方法易用于在水印音频和/或视频节目内容中的实际应用，例如经由通信网络(例如，因特网)所传送的音乐和/或视频内容以及在数据载体(例如，诸如CD、DVD之类的光学数据载体)上的音乐和/或视频内容。这样的水印在阻止未授权复制(即盗版)节目内容方面是有利的并且可以用作对付伪造者采取法律行动的证据，例如禁令和/或移交伪造品。相反地，在类似流通钞票的某种意义上，这样的水印还可以用于鉴证目的，因此顾客可以检验他们购买了真实的原始节目内容产品。
应该理解的是，在不背离由所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以对上文所描述的本发明的实施例进行修改。
当解释说明书和其相关权利要求时，以非唯一的方式解释诸如“包括”、“包含”、“合并”、“是”、“具有”之类的表达，即可以解释为允许没有明确定义的其他项或元件存在。对单数的引用也可以被解释为对复数的引用，反之亦然。

Claims (17)

1.一种处理串行数据信号以生成相应的变换信号的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供一个或多个特征序列；
(b)分析所述串行数据信号以在其中确定一个或多个信号序列，对此保持这样一个或多个信号序列与所述一个或多个特征序列的结合不会导致生成非法状态；以及
(c)将所述串行数据信号的一个或多个所确定的信号序列与所述一个或多个特征序列结合以便将所述串行数据信号变换为所述变换信号。
2.根据权利要求1的方法，其中所述串行数据信号是二进制格式的1位数据信号，并且一个或多个特征序列被设置为可直接地与所述串行数据信号结合以生成二进制格式的变换信号，优选地这样的结合包括加法和/或减法和/或异或运算。
3.根据权利要求1的方法，其中所述串行数据信号被设置以便其符号系列具有基本上类似的有效性。
4.根据权利要求1的方法，其中一个或多个特征序列可用于将被变换的信号进行逆变换以从其中再生成串行数据信号的副本。
5.根据权利要求1的方法，其中在本方法中使用多个特征序列。
6.根据权利要求5的方法，在操作中被设置以当将串行数据信号变换为所述变换信号时在所述序列之间进行动态切换。
7.根据权利要求1的方法，其中一个或多个特征序列的每一个都是两个或多个符号长度。
8.根据权利要求1的方法，其中根据知觉模型选择一个或多个信号序列以在变换的信号中获得优选的感知特征，对此保持这样一个或多个信号序列与所述一个或多个特征序列的结合不会导致生成非法状态。
9.根据权利要求1的方法，其中所述串行数据信号和所述变换信号是1位音频信号，并且一个或多个特征序列的结合被直接在串行数据信号上执行而不需要变换为另一个信号格式。
10.根据权利要求1的方法，其被设置以在串行数据信号中嵌入水印以便变换的信号是串行数据信号的水印版本。
11.一种用于实现根据权利要求1的方法的设备(100)，所述设备被设置用来接收所述串行数据信号并且输出变换的数据。
12.使用根据权利要求1的方法所生成的变换数据。
13.包括在其上存储的根据权利要求12的变换数据的数据载体。
14.在计算设备上被执行时可操作地实现根据权利要求1的方法的计算机软件。
15.一种处理变换信号以再生成相应的解码串行数据信号的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一个或多个特征序列；
(b)分析所述变换信号以在其中确定一个或多个信号序列，对此保持这样一个或多个信号序列与所述一个或多个特征序列的结合不会导致生成非法状态；以及
(c)将所述变换信号的一个或多个所确定的信号序列与所述一个或多个特征序列结合以便将所述变换信号进行变换以从其中再生成解码的串行数据信号。
16.一种用于实现根据权利要求15的方法的设备，所述设备可操作地接收变换的数据信号并且输出解码的串行数据信号数据。
17.在计算设备上被执行时可操作地实现根据权利要求15的方法的计算机软件。
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