DE60213405T2

DE60213405T2 - Wasserzeichen

Info

Publication number: DE60213405T2
Application number: DE60213405T
Authority: DE
Inventors: Minne Van Der Veen; A. Alphons BRUEKERS; A. Jaap HAITSMA; A. Antonius KALKER
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2022-04-20
Also published as: US20030036910A1; BR0205151A; EP1393314B1; ATE334465T1; KR20030016381A; CN1291597C; EP1393314A1; WO2002091375A1; DE60213405D1; CN1462441A; JP2004525429A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Informationssignal (x(n)), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Anwenden einer Sequenz von Segmentierungsfensterfunktionen auf das Informationssignal, um eine erste Sequenz von Segmenten des Informationssignals zu erhalten, wobei jede Segmentierungsfensterfunktionen eine vorgegebene Länge und eine vorgegebene Form hat;
Einbetten eines vorgegebenen Wasserzeichens in mindestens ein erstes Segment der ersten Sequenz von Segmenten, was zu einer Sequenz von Wasserzeichensegmenten führt;
Kombinieren der Wasserzeichensegmente der Sequenz von Wasserzeichensegmenten zu einem Wasserzeichensignal unter Verwendung einer Sequenz von Rekonstruktionsfensterfunktionen, und
Kombinieren des Wasserzeichensignals mit dem Informationssignal, um ein mit einem Wasserzeichen versehenes Informationssignal zu erhalten.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt von WuC-P et al.: „Robust audio watermarking for copyright protection", Proceedings of the SPIE, SPIE, Belligham, VA, USA, Bd. 3807, Juli 1999, Seiten 387–397.
In den letzten Jahren hat ein zunehmender Trend zur Verwendung und Verteilung digitaler Multimediadaten zu einem wachsenden Bedarf an einem geeigneten Kopierschutz, Urheberschutz und Eigentumsnachweis bei derartigen Daten geführt.
Digitale Wasserzeichen sind eine aufkommende Technologie, die für verschiedene Zwecke eingesetzt werden kann, wie beispielsweise Nachweis der Urheberschaft, Verfolgen illegaler Kopien, Steuerung von Kopierkontrollgeräten, Rundfunküberwachung, Authentizitätsprüfung, Hinzufügen von Zusatzinformationen zu Multimediasignalen usw.
Ein Wasserzeichen ist ein Etikett, das in ein Informationssignal eingebettet wird, indem Abtastwerte des Signals leicht modifiziert werden. Vorzugsweise muss ein Wasserzeichnungssystem so konzipiert sein, dass das Wasserzeichen nicht wahrnehmbar ist, d.h. dass es die Qualität des Informationssignals nicht wesentlich beeinflusst. In vielen Anwendungen muss das Wasserzeichen ferner robust sein, d.h. es muss nach möglichen Signalverarbeitungsvorgängen weiterhin zuverlässig detektierbar sein.
Obwohl zahlreiche Systeme für Wasserzeichen bei Standbildern und Videos veröffentlicht wurden, gibt es relativ wenig Literatur über Audio-Wasserzeichnung. Die meisten veröffentlichten Verfahren verwenden Methoden wie beispielsweise „Echo-Hiding" oder „Noise-Addition", die zeitliche und/oder spektrale Maskierungsmodelle des menschlichen Gehörs ausnutzen.
Bekannt ist das Einbetten eines Wasserzeichens in ein Informationssignal, indem man ein Informationssignal über rechteckige Fensterfunktionen in Rahmen segmentiert, die einzelnen Rahmen einer Fourier-Transformation unterzieht, die resultierende Fourier-Komponenten jedes Rahmens leicht modifiziert und die modifizierten Koeffizienten einer inversen Fourier-Transformation unterzieht, was zu einem Wasserzeichensignal in dem Zeitbereich führt. Abschließend wird das Wasserzeichensignal skaliert und dem Informationssignal hinzugefügt.
Die Segmentierung des Informationssignals bringt jedoch das Problem mit sich, dass an den Rahmengrenzen Wasserzeichenartefakte auftreten können. Im Fall eines Audiosignals können diese Artefakte von einem Hörer als Klickgeräusche wahrgenommen werden.
Ein weiterer Nachteil der Segmentierung besteht darin, dass die Detektierung des Wasserzeichens empfindlich auf die Synchronisierung der Rahmen während des Einbettens und Detektierens reagiert. Wenn die in dem Einbettungs- bzw. Detektionsalgorithmus definierten Rahmen nicht in Phase sind, kann sich die Detektionsleistung verschlechtern.
Der Artikel „An audio watermarking method robust against time- and frequency-fluctuation" von Ryuki Tachibana et al., in Veröffentlichungen der Konferenz über elektronische Bildgebung, „Security and Watermarking of Multimedia Contents III (EI27)", San José, USA, 21.–26. Januar 2001, beschreibt einen Audio-Wasserzeichen-Algorithmus mittels Fensterung und Überlappung von Rahmen in dem Zeit-Frequenz-Bereich des Signalinhalts, wobei jeder bei der Segmentierung und Rekonstruktion des Signals verwendete Rahmen die angrenzenden Rahmen um die Hälfte eines Fensters überlappt. Der Artikel von Wu et al. beschreibt ein ähnliches System, jedoch ohne sich überlappende Rahmen.
Das obige Verfahren nach dem Stand der Technik bringt jedoch das Problem mit sich, dass selbst im Fall sich überlappender Fenster sowohl das Segmentierungs- als auch das Rekonstruktionsverfahren Artefakte an den Grenzen zwischen Segmenten zur Folge hat. Diese Artefakte können wahrnehmbare Störungen verursachen. Beispielsweise können an Rahmengrenzen Blockierartefakte auftreten, die Amplitudensprünge verursachen, welche vom menschlichen Gehör als störende Verzerrungen wahrgenommen werden. In Folgenden werden die Segmente auch als Rahmen bezeichnet.
Das obige Problem bei dem oben genannten Verfahren nach dem Stand der Technik wird durch ein Verfahren der oben genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass sich zwei aufeinanderfolgende Segmentierungsfensterfunktionen um eine zuvor festgelegte Überlappungslänge überlappen, und dass die Segmentierungsfensterfunktion (h_a(n)) und die Rekonstruktionsfensterfunktion (h_r(n)) einzeln ausgewählt werden und folgende Bedingung erfüllen: Σsha[n – s(1 – ν)N]2·hr[n – s(1 – ν)N]2 = 1,wobei s der Segmentindex, ν der Überlappungsparameter und N die Segmentgröße ist.
Da die Formen der Segmentierungsfenster und der Rekonstruktionsfenster einzeln gewählt werden, können sie folglich angepasst werden, um ihre gegenseitige Wirkung zu ergänzen und dadurch die während der Segmentierungs- und Konstruktionsverfahren eingebrachten Gesamtverzerrungen zu reduzieren.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie Artefakte, wie beispielsweise an den Grenzen der Signalrahmen eingebrachte Blockierungseffekte verringert und dadurch die Nichtwahrnehmbarkeit eines Wasserzeichens erhöht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie die Detektionsleistung eines Wasserzeichendetektionsalgorithmus verbessert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie ein Wasserzeichen ergibt, das robust gegenüber Signalverarbeitungsvorgängen ist, d.h. das Wasserzeichen kann auch dann noch in einem Signal erkannt werden, nachdem das Signal derartigen Vorgängen unterzogen wurde. Auf dem Gebiet der Audiosignale sind Beispiele für derartige Verarbeitungsvorgänge unter anderem Komprimierung, Cropping, D/A- und A/D-Umwandlung, Entzerrung, temporäre Skalierung, Gruppenlaufzeitverzerrungen, Filterung und Entfernung oder Einfügung von Abtastwerten.
Wenn die Segmentierungsfensterfunktionen und die Rekonstruktionsfensterfunktionen eine vorgegebene komplementäre Bedingung erfüllen, können Paare von komplementären Fensterfunktionen gebildet werden, so dass bei der Spezifikation einer geeig neten komplementären Bedingung spezifische Merkmale eines Wasserzeichens oder Waserzeichnungsalgorithmus ausgenutzt werden können, wodurch die algorithmusspezifischen Verzerrungen an den Rahmengrenzen verringert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Segmentierungsfensterfunktionen und die Rekonstruktionsfensterfunktionen anhand einer Prototypfensterfunktion konstruiert und gemäß mindestens einem Formparameter geformt. Folglich lässt sich die Form der Fensterfunktionen über den genannten Formparameter anpassen, während die Erfüllung der genannten komplementären Bedingung sichergestellt ist. Somit können die Segmentierungs- und Rekonstruktionsmerkmale optimiert werden, indem man einen einstellbaren Parameter variiert, wodurch die Anpassung der Fensterfunktionen an eine gegebene Wasserzeichenanwendung vereinfacht wird.
Ein weiterer einstellbarer Parameter ist die Länge, um die sich benachbarte Fenster überlappen. Die Überlappung kann zwischen vollständiger Überlappung und keiner Überlappung variieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die jeweiligen Formen mindestens einer ersten Segmentierungsfensterfunktion und mindestens einer ersten Rekonstruktionsfensterfunktion in Reaktion auf das Informationssignal angepasst, was ein adaptives Umschalten zwischen Fenstern unterschiedlicher Formen gestattet, z.B. zwischen langen und kurzen Rahmen an Stellen eines Audiosignals, wo Transienten vorhanden sind. Folglich lassen sich die Auswirkungen von Verzerrungen verringern, die durch Transienten in ein Informationssignal eingebracht werden.
Die Erfindung schafft ferner eine Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens, eine Vorrichtung zum Übertragen eines Informationssignals, die eine derartige Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens enthält, ein Informationssignal mit einem einbetteten Wasserzeichen, ein Speichermedium mit einem derartigen darauf aufgenommenen Signal und eine Anordnung zum Detektieren eines Wasserzeichens in einem derartigen Informationssignal. Die oben erwähnten Aspekte der Erfindung werden in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Da die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen dieser Aspekte der Erfindung den Vorteilen und bevorzugten Ausführungsformen des oben beschriebenen Verfahrens entsprechen, werden sie im Folgenden nicht wiederholt.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische Ansicht einer Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
1b eine schematische Ansicht eines Beispiels des Wasserzeichenberechnungsmoduls der Ausführungsform aus 1a;
2 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Einbetten eines Wasserzeichens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
die 3a–e Beispiele von Fensterfunktionen mit einer Überlappung ν = 0,5;
die 4a–e Beispiele von Fensterfunktionen mit einer Überlappung ν = 0,25;
5 ein Beispiel für adaptiv geschaltete Fensterfunktionen; und
6 eine schematische Ansicht einer Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
1a zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Anordnung umfasst eine Divisionsschaltung 101, die das eintreffende Informationssignal, z.B. ein digitales Audiosignal x(n)), in Segmente teilt, indem sie das Audiosignal x(n)) mit verschobenen Versionen eines Segmentierungsfensters h_a(n), im Folgenden auch Analysefenster genannt, multipliziert. Die resultierenden Segmente können durch eine Segmentzahl s indiziert sein und als xs(n) = x(n)·ha[n – s(1 – ν)·N]ausgedrückt werden, wobei N die Länge der Fensterfunktion ist. Die Segmentgröße N ist ein Kompromiss zwischen Detektionsleistung und Hörbarkeit. Für die Detektionsrobustheit ist eine große Segmentgröße wünschenswert, während für eine bessere Anpassung der Einbettung an die lokalen Eigenschaften des Audiosignals eine kurze Segmentgröße wünschenswert ist. N kann beispielsweise 2048 Abtastwerte sein. Gemäß der Erfindung können sich benachbarte Segmente um einen Bruchteil ν der Segmentgröße N überlappen, wobei νϵ [0;1] gilt. Der Fall ν = 0 beispielsweise entspricht keiner Überlappung, und ein Wert ν = 5 gibt eine Überlappung von der Hälfte der Segmentgröße N an. Kleine Werte von ν entsprechen einer verringerten Berechnungskomplexität im Vergleich zu großen Werten von ν. Beispiele für die funktionelle Form des Analysefensters h_a(n) werden in Verbindung mit den 3a–e beschrieben. Die resultierenden Segmente x_s(n) werden einem Wasserzei chenberechnungsmodul 102 zugeführt, das ein Wasserzeichen w_s'(n) für jedes Segment berechnet. Das vom Wasserzeichenberechnungsmodul 102 implementierte Verfahren kann ein bekanntes Verfahren zum Erzeugen eines Wasserzeichens sein. Vorzugsweise wird das Wasserzeichen gemäß einem Wahrnehmungsmodell des menschlichen Gehörs gewichtet. Ein vorteilhaftes Verfahren wird in Verbindung mit 1b beschrieben. Anschließend werden die Wasserzeichen w_s'(n) einer Rekonstruktionseinheit 103 zugeführt, die das endgültige Wasserzeichen w'(n) als eine Summe der Wasserzeichen w_s'(n) multipliziert mit einer verschobenen Version eines Rekonstruktionsfensters h_r(n) entsprechend w'(n) = Σsws '(n)·hr[n – s(1 – ν)·N]erzeugt.
Gemäß der Erfindung wird die funktionelle Form des Rekonstruktionsfensters gewählt, um die Wirkung des Analysefensters bei der Reduzierung der bei der Segmentierung und Konstruktion eingeführten Gesamtverzerrungen zu ergänzen. Schließlich wird das Wasserzeichen w'(n) durch die Summiereinheit 104 zum ursprünglichen Audiosignal x(n) hinzugefügt, um das mit einem Wasserzeichen versehene Audiosignal y(n) = x(n) + w'(n) zu erhalten. Alternativ kann das Wasserzeichensignal w'(n) unter Verwendung einer anderen Funktion, zum Beispiel einer Subtraktions- oder einer Exklusiv-Oder-Funktion im Fall eines 1-Bit-Audioformats, mit dem Audiosignal x(n) kombiniert werden.
Die anschließende Wasserzeichendetektion kann beispielsweise ein SPOMF-Verfahren (Symmetrical Phase Only Matched Filtering) verwenden, bei dem der Detektionsalgorithmus auch eine Segmentierung des zu analysierenden Signals umfasst.
1b zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels für das Wasserzeichenberechnungsmodul 102 der Ausführungsform aus 1a. Das Wasserzeichenberechnungsmodul 102 umfasst eine Fast-Fourier-Transformations-Schaltung 105, die die Signalsegmente x_s(n) in den Fourier-Bereich transformiert, was zu einer Sequenz von Fourier-Koeffizienten x'_s(k) führt. Bei einem Segment der Größe N erzeugt die Fast-Fourier-Transformations-Schaltung 105 N Fourier-Koeffizienten.
Alternativ können andere Verfahren zum Berechnen einer Fourier-Transformation der Signalsegmente eingesetzt werden. Darüber hinaus können alternativ zur Fourier-Transformation der Signalabtastwerte in den Fourier-Bereich andere Transformationen verwendet werden, um die Signalsegmente in einen anderen Bereich zu transformieren. Beispiele für derartige Transformationen sind unter anderem diskrete Kosinus-Transformationen und Wavelet-Transformationen.
Die Anordnung umfasst ferner ein Speichermedium 109, in dem ein geheimes Wasserzeichen W in Form von Wasserzeichenabtastwerten w(k) gespeichert wird. Vorzugsweise ist das Speichermedium ein Festwertspeicher, der nicht abgefragt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Speichermedium ein Magnetband, ein optisches Disc-Medium, eine digitale Videodisc (DVD), eine Compact-Disc (CD oder CD-ROM), eine Mini-Disc, eine Festplatte, eine Diskette, einen ferroelektrischen Speicher, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Flash-Speicher, ein EPROM, einen Festwertspeicher (ROM), einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM), einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM), einen synchronen dynamischen Direktzugriffsspeicher (SDRAM), einen ferromagnetischen Speicher, einen optischen Speicher, ladungsgekoppelte Bauelemente, Smart Cards usw. enthalten. Vorzugsweise entsprechen die Wasserzeichenabtastwerte w(k) einem Rauschmuster mit Abtastwerten, die von einer Normalverteilung mit einem Mittelwert 0 und einer Standardabweichung 1 bezogen wurden. Die Wasserzeichenabtastwerte w(k) werden durch den Multiplizierer 106 mit den Fourier-Koeffizienten x'_s(k) multipliziert, was zu den Wasserzeichenabtastwerten w_s(k) = w(k)·x'_s(k) führt. Anschließend werden die Wasserzeichenabtastwerte w_s(k) der inversen Fourier-Transformations-Schaltung 107 zugeführt, die die Sequenz von Koeffizienten w_s(k) zurück in den Zeitbereich transformiert, was zu Wasserzeichensegmenten führt. Die Multiplikationsschaltung 108 multipliziert die Wasserzeichensegmente mit einem globalen Skalierungsfaktor α, der als Kompromiss zwischen Robustheit und Hörbarkeit des Wasserzeichens festgelegt wird, was zu den skalierten Wasserzeichensegmenten w_s'(n) führt.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Einbetten eines Wasserzeichens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dieses Verfahren kann durch eine in Verbindung mit den 1a–b beschriebene Anordnung ausgeführt werden. Eingeleitet wird das Verfahren durch einen Schritt 201 zum Segmentieren eines Informationssignals x(n) unter Verwendung verschobener Versionen eines in einem Speicher 202 gespeicherten Analysefensters. In einer anschließenden, durch Schritte 203a und 203b begrenzten Iteration werden die resultierenden Signalsegmente verarbeitet. Somit wird die Iteration durch den Segmentindex s indiziert. Jedes Segment wird einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen (Schritt 204). In Schritt 205 werden die resultierenden Fourier-Koeffizienten mit einer skalierten Wasserzeichensequenz w(k) multipliziert, die in einem Speicher 206 gespeichert ist. In Schritt 207 werden die modifizierten Koeffizienten mit einer inversen Fourier-Transformation zurück in den Zeitbereich transformiert, was zu mo difizierten Signalsegmenten führt. In einem anschließenden Rekonstruktionsschritt 208 werden die modifizierten Signalsegmente mittels einer Reihe im Speicher 209 gespeicherter Rekonstruktionsfenster rekonstruiert, was zu dem mit einem Wasserzeichen versehenen Informationssignal führt.
Wie oben erwähnt können sowohl die Überlappung benachbarter Fenster als auch die funktionelle Form der Analysefenster und der Rekonstruktionsfenster einzeln gewählt werden. Die spezielle Wahl der Analyse- und Rekonstruktionsfenster ist von der speziell interessierenden Anwendung abhängig. Die 3a–e zeigen verschiedene Beispiele von Fensterfunktionen gemäß der Erfindung.
Wenn die Segmente des von den sich überlappenden Segmenten abgeleiteten Wasserzeichensignals miteinander korrelieren, wird man feststellen, dass es vorteilhaft ist, Fensterfunktionen zu verwenden, die die Amplitude des Signal erhalten, um Amplitudensprünge an den Amplitudengrenzen zu vermeiden, die zu hörbaren Verzerrungen führen können. Die Erhaltung der Amplituden kann durch das Verwenden von Analyse- und Rekonstruktionsfenstern erreicht werden, die die Amplitudenkomplementärbedingung Σsha[n – s(1 – ν)·N]·hr[n – s(1 – ν)·N] = 1erfüllen, wobei s der Segmentindex, ν der Überlappungsparameter und N die Segmentgröße ist.
Die diese Bedingung erfüllenden Fensterfunktionen h_a(n) und h_r(n) können anhand eines vorgegebenen Prototypfensters h_p(n) konstruiert werden, entsprechend ha(n) = hp(1β) – (n)und hr(n) = hp(β) (n),wobei β ein Fensterformparameter ist, der zwischen 0 und 1 gewählt werden kann, d.h. βϵ [0;1], und wobei h_p(n) normalisiert wird, so dass Σ_s = h_p[n – s(1 – ν)·N] = 1. Beispielsweise führen die Werte β = 1 und β = 0 zu rechtwinkligen Analyse- bzw. rechtwinkligen Rekonstruktionsfenstern. Von der allgemeinen Technik der Signalverarbeitung ist bekannt, dass rechtwinklige Analysefenster bei einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) Verzerrungen an den Fenstergrenzen hervorrufen; diese Verzerrungen kennt man als Leckage. Somit führen rechtwinklige Analysefenster Leckage in einen FFT-basierten Wasserzeichenalgorithmus ein. Auf der anderen Seite können rechtwinklige Rekonstruktionsfenster Amplitudensprünge und hörbare Verzerrungen an den Fenstergrenzen einführen. Folglich ist die Wahl des Fensterformfaktors β ein Kompromiss zwischen Verzerrungen, die durch Leckage in den FFT-Algorithmus eingeführt werden, und Verzerrungen, die in die Rekonstruktion eingeführt werden. Somit schafft die obige Konstruktion eine Möglichkeit, die Form der Analyse- und Rekonstruktionsfenster anzupassen, um bei einer gegebenen Wasserzeichnungsanwendung ein akzeptables Ergebnis zu liefern, z.B. ein Ergebnis mit geringen Gesamtverzerrungen.
Nun Bezug nehmend auf die 3a–e ist ein Beispiel für ein Prototypfenster das so genannte Hanning-Fenster:
Alternativ können andere Prototypfensterfunktionen verwendet werden, beispielsweise bekannte Fensterfunktionen wie Bartlett-, Hamming- oder Kaiser-Fensterfunktionen usw.
Die 3a–e zeigen Analysefenster 301–305 und Rekonstruktionsfenster 306–310, die auf der Basis des Hanning-Fensters mit N = 2048 und einer Überlappung ν = 0,5 konstruiert wurden. Im Beispiel von 3a werden drei aufeinanderfolgende Analysefenster 301a–c und die zugehörigen Rekonstruktionsfenster 306a–c gezeigt, wobei die jeweiligen Mittelfenster 301b und 306b mit gestrichelten Linien gezeigt werden. Die Fenstersequenzen 301 und 306 entsprechen einem Formparameter β = 0, der bewirkt, dass die Rekonstruktionsfenster 306 rechtwinklig sind. 3b zeigt entsprechende Analysefenster 302 und Rekonstruktionsfenster 307 mit einem Formparameter β = 0,25. 3c zeigt entsprechende Analysefenster 303 und Rekonstruktionsfenster 308 mit einem Formparameter β = 0,5, der bewirkt, dass die Analyse- und Rekonstruktionsfenster die gleiche Form haben. Die 3d und 3e zeigen Analysefenster 304 und Rekonstruktionsfenster 309 für β = 0,75 bzw. Analysefenster 305 und Rekonstruktionsfenster 310 für β = 1.
Die 4a–e zeigen Beispiele von Analysefenstern 401–405 und Rekonstruktionsfenstern 406–410, die auf der Basis des Hanning-Fensters mit N = 2048 konstruiert wurden. Die Formparameter der Fensterfunktionen in den 4a–e sind so gewählt, dass sie denen in den jeweiligen 3a–e entsprechen, während der Überlappungsparameter ν als ν = 0,25 gewählt wurde. Ein Vergleich der 3a–e und 4a–e veranschaulicht die Auswirkung des Überlappungsparameters ν: Der kleinere Wert von ν in den 4a–e bewirkt, dass die Fenster 401–410 rechtwinkligen Fenstern stärker gleichen als die entsprechenden Fenster aus den 3a–e. Dies ist auf die oben erwähnte Normalisierung der Prototypfensterfunktionen zurückzuführen, die bewirkt, dass die Ab tastwerte der Fensterfunktionen in den Regionen, in denen es keine Überlappung gibt, zu 1 skaliert werden. Weitere Beispiele für Überlappungswerte sind unter anderem ν = 2^–m, wobei m beispielsweise gleich 4 oder 5 ist. Alternativ zu der oben genannten Amplitudenkomplementärbedingung kann man verschiedene Randbedingungen für die Analyse- und Rekonstruktionsfenster einführen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Audiowasserzeichen, die für die durch einen gegebenen transformationsbasierten Wasserzeichnungsalgorithmus gegebenen Segmente abgeleitet werden, unkorreliert sind, z.B. im Falle von Rauschsequenzen, die vom Audiosignal unabhängig sind. Für eine Rekonstruktion mittels unkorrelierter Signale kann es vorteilhaft sein, die Leistung des Signals zu erhalten, um Leistungssprünge an den Segmentgrenzen zu vermeiden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Wasserzeichen als eine Rauschsequenz mit einer Leistung definiert ist, die von der Leistung des Audiosignals abhängt. Eine Leistungserhaltungsbedingung führt zur folgenden Randbedingung für die Analyse- und Rekonstruktionsfenster: Σsha[n – s(1 – ν)·N]2·hr[n – s(1 – ν)·N]2 = 1.
Ähnlich wie im Fall der Amplitudenkomplementärbedingung können die Analyse- und Rekonstruktionsfenster auf der Basis eines Prototypfensters h_p(n) unter Verwendung eines Formparameters β konstruiert werden. Ein Beispiel für ein derartiges Fenster ist h_p(n) = sin(πn/N).
Nun Bezug nehmend auf 5 kann die Länge der Fensterfunktionen erfindungsgemäß entsprechend an die Inhalte des Informationssignals angepasst werden. An Stellen beispielsweise, an denen Transienten vorhanden sind, kann die Segmentierung zwischen Fensterfunktionen mit zwei oder mehr unterschiedlichen Längen umschalten. Wie oben beschrieben können die Fensterfunktionen so gewählt werden, dass sie die komplementäre Bedingung erfüllen, und sie können auf der Basis eines Prototypfensters konstruiert werden. Dies wird in 5 veranschaulicht, die eine Kurve für eine Reihe aufeinanderfolgender Fensterfunktionen zeigt, welche auf dem Hanning-Prototypfenster basieren, das in Zusammenhang mit den 3a–b mit einem Formparameter β = 1 und einem Überlappungsparameter ν = 0,5 beschrieben wurde. Bei diesem Beispiel wird angenommen, dass es um die Abtastwertnummer 4096 herum einen Transienten gibt. Vor der Stelle des Transienten wird die Segmentgröße von N_L = 2048 der Segmente 501–b auf die kleinere Größe N_s = 1024 der Fenster 503a–c umgeschaltet. Nach dem Transienten wird die Fenstergröße zurück auf N_L = 2048 der Fenster 501c–d geschaltet. Um die Amplitudenkomplementärbedingung zu erfüllen, erfolgt das Umschalten von einem großen Fenster auf ein kleines Fenster und umgekehrt über die Übergangsfenster 502a bzw. 502b. In 5 sind die Übergangsfenster mit gestrichelten Linien dargestellt. Ein Vorteil der adaptiven Fensterumschaltung besteht darin, dass sie wahrnehmbare Verzerrungen um die Transientenstelle herum reduziert. Da die Rahmenlänge in der Nähe eines Transienten verringert wird, werden mögliche Verzerrungen über eine kürzere Periode gestreut, was ihre Wahrnehmbarkeit verringert.
Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich die Parameter β und ν in Reaktion auf die Inhalte des Informationssignals angepasst werden können.
6 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in Verbindung mit einer oben beschriebenen adaptiven Fensterumschaltung verwendet werden kann. Die Anordnung umfasst eine Analyseschaltung 601, die das eintreffende Audiosignal x(n) analysiert und auf Basis dieser Analyse geeignete Fensterparameter P berechnet, die der Segmentierungsschaltung 603 und der Rekonstruktionsschaltung 605 der Anordnung zugeführt werden. Die Parameter werden von der Segmentierungsschaltung 603 verwendet, um eine geeignete Fensterfunktion für die Segmentierung des Audiosignals auszuwählen. Das Audiosignal wird der Segmentierungsschaltung über eine Verzögerungsstufe 602 zugeführt, um den Zeitaufwand für die vorbereitende Analyse des Signals x(n) auszugleichen. Nachdem das Wasserzeichenberechnungsmodul 604 entsprechende Wasserzeichensegmente erzeugt hat, rekonstruiert die zugehörige Rekonstruktionseinheit 605 das anhand der Wasserzeichensegmente das Wasserzeichensignal, wobei Fensterfunktionen verwendet werden, die den bei der Analyse verwendeten Fensterfunktionen entsprechen. Schließlich wird das Wasserzeichen durch die Summierschaltung 607 zum verzögerten Audiosignal (606) addiert, um das mit einem Wasserzeichen versehene Signal y(n) zu erhalten.
Es ist zu beachten, dass die Verwendung einer adaptiven Fensterumschaltung an sich aus „Coding of Audio Signals with Overlapping Block Transform and adaptive Window Functions" von Bernd Edler, Frequenz, 43 (1998) 9, bekannt ist, wobei dieses Verfahren auf dem Gebiet der Audiocodierung verwendet wird, um mögliche hörbare Verzerrungen wie beispielsweise Vorechos über einen kürzeren Zeitraum, z.B. während der Bitratenreduzierung eines Audiosignals, zu streuen. Der obige Verfahren nach dem Stand der Technik verwendet jedoch dieselben Fensterfunktionen während der Segmentierung und Rekonstruktion, und die Fensterfunktionen erfüllen bestimmte Symmetriebedingungen, um sicherzustellen, dass das aus dem transformierten Signal rekonstruierte Signal mit dem Ausgangssignal identisch ist. Das vorliegende Verfahren erfordert hingegen diese Symmetrie nicht und nutzt komplementäre Fensterfunktionen, um während der Wasserzeicheneinbettung eingeführte Verzerrungen zu minimieren.
Ferner ist zu beachten, dass, obwohl die Erfindung hauptsächlich in Zusammenhang mit einem Audiosignal beschrieben wurde, der Umfang der Erfindung nicht auf Audiosignale beschränkt ist. Es versteht sich, dass die Erfindung auch auf andere Informationssignale angewandt werden kann, wie beispielsweise Multimediasignale, Videosignale, Animationen, Grafiken, Standbilder oder dergleichen.
Weiterhin versteht es sich, dass die erfindungsgemäße Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens durch eine beliebige Verarbeitungseinheit implementiert werden kann, z.B. einen programmierbaren Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder eine andere integrierte Schaltung, eine Smart Card oder dergleichen.
In den Ansprüchen sind jegliche in Klammern gesetzte Bezugszeichen nicht als Einschränkung des Anspruchs auszulegen. Die Verwendung des Wortes "umfassen" (Englisch: "comprising") schließt das Vorhandensein von anderen als in einem Anspruch erwähnten Elementen oder Schritten nicht aus. Die Erfindung kann mittels Hardware implementiert werden, die mehrere verschiedene Elemente umfasst, sowie mittels eines geeignet programmierten Computers. In einem Vorrichtungsanspruch, in dem mehrere Mittel aufgezählt werden, können mehrere dieser Mittel durch ein und dasselbe Hardwareelement verkörpert werden. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in gegenseitig unterschiedlich abhängigen Ansprüchen zitiert werden, weist nicht darauf hin, dass nicht eine Kombination dieser Maßnahmen zum Vorteil genutzt werden kann.
Zusammenfassend wird ein Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Informationssignal (x(n)), wie beispielsweise ein Audiosignal, beschrieben. Das Verfahren umfasst die Schritte des Segmentierens des Audiosignals in sich überlappende Rahmen (x_s(n)) mittels einer Reihe von Analysefenstern (h_a(n)), des Berechnens von Wasserzeichensegmenten (w_s'(n)) für die sich überlappenden Rahmen, des Rekonstruierens eines Wasserzeichensignals (w'(n)) aus den Wasserzeichensegmenten mittels einer Reihe von Rekonstruktionsfenstern (h_r(n)), die komplementär zu den Analysefenstern sind, und des Hinzufügens des Wasserzeichensignals zum Informationssignal. Die Analyse- und Rekonstruktionsfenster können auf der Basis von Prototypfenstern konstruiert werden, um vorgegebene komplementäre Bedingungen zu erfüllen. Die Analyse- und Rekonstruktionsfenster können an die Inhalte des Informationssignals angepasst werden.

Claims

Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Informationssignal (x(n)), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anwenden einer Sequenz von Segmentierungsfensterfunktionen (h_a(n)) auf das Informationssignal, um eine erste Sequenz von Segmenten (x_s(n)) des Informationssignals zu erhalten, wobei jede Segmentierungsfensterfunktionen eine vorgegebene Länge und eine vorgegebene Form hat; Einbetten eines vorgegebenen Wasserzeichens (w(k))i in mindestens ein erstes Segment der ersten Sequenz von Segmenten (x_s(n)), was zu einer Sequenz von Wasserzeichensegmenten (w'_s(n)) führt; Kombinieren der Wasserzeichensegmente der Sequenz von Wasserzeichensegmenten (w'_s(n)) zu einem Wasserzeichensignal (w'(n)) unter Verwendung einer Sequenz von Rekonstruktionsfensterfunktionen (h_r(n)); und Kombinieren des Wasserzeichensignals (w'(n)) mit dem Informationssignal (x(n)), um ein mit einem Wasserzeichen versehenes Informationssignal (y(n)) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei aufeinanderfolgende Segmentierungsfensterfunktionen um eine zuvor festgelegte Überlappungslänge überlappen, und dass die Segmentierungsfensterfunktion (h_a(n)) und die Rekonstruktionsfensterfunktion (h_r(n)) einzeln ausgewählt werden und folgende Bedingung erfüllen: Σs = ha[n – s(1 – ν)N]2·hr[n – s(1 – ν)N]2 = 1,wobei s der Segmentindex, ν der Überlappungsparameter und N die Segmentgröße ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Segmentierungsfensterfunktionen und Rekonstruktionsfensterfunktionen anhand einer Prototypfensterfunktion konstruiert und gemäß mindestens einem Formparameter (β) geformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Länge mindestens einer ersten Segmentierungsfensterfunktion in Reaktion auf den Inhalt des Informationssignals angepasst werden kann und die Länge gekürzt wird, wenn ein Transient im Informationssignal vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Formen mindestens einer zweiten Segmentierungsfensterfunktion und mindestens einer ersten Rekonstruktionsfensterfunktion gekürzt werden, wenn ein Transient im Informationssignal vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgende Schritte umfasst: Transformieren des ersten Segments, um eine erste Sequenz von Koeffizienten (x_s'(k)) zu erhalten; Modifizieren der ersten Sequenz von Koeffizienten als eine Funktion des vorgegebenen Wasserzeichens, um eine Sequenz modifizierter Koeffizienten (w_s(k)) zu erhalten; und inverses Transformieren der Sequenz modifizierter Koeffizienten, um ein erstes Wasserzeichensegment zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Informationssignal ein Multimediasignal umfasst, das aus der Klasse der Multimediasignale, einschließlich Audiosignale, Standbildsignale und Videosignale, ausgewählt wurde.
Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Informationssignal (x(n)), wobei die Anordnung Folgendes umfasst: Mittel (101), um eine Sequenz von Segmentierungsfensterfunktionen (h_a(n)) auf das Informationssignal anzuwenden, um eine erste Sequenz von Segmenten (x_s(n)) des Informationssignals zu erhalten, wo jede Segmentierungsfensterfunktion eine vorgegebene Länge und eine vorgegebene Form hat; Mittel (102), um ein vorgegebenes Wasserzeichen (w(n)) in mindestens ein erstes Segment der ersten Sequenz von Segmenten einzubetten, was zu einer Sequenz von Wasserzeichensegmenten (w'_s(n)) führt; Mittel (103), um unter Verwendung einer Sequenz von Rekonstruktionsfensterfunktionen (h_r(n)) die Wasserzeichensegmente der Sequenz von Wasserzeichensegmenten (w'_s(n)) mit einem Wasserzeichensignal (w'(n)) zu kombinieren; und Mittel (104), um das Wasserzeichensignal (w'(n)) mit dem Informationssignal (x(n)) zu kombinieren, um ein mit einem Wasserzeichen versehenes Informationssignal (y(n)) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei aufeinanderfolgende Segmentierungsfensterfunktionen um eine zuvor festgelegte Überlappungslänge überlappen, und dass die Segmentierungsfensterfunktion (h_a(n)) und die Rekonstruktionsfensterfunktion (h_r(n)) einzeln ausgewählt werden und folgende Bedingung erfüllen: Σsha[n – s(1 – ν)N]2·hr[n – s(1 – ν)N]2 = 1,wobei s der Segmentindex, ν der Überlappungsparameter und N die Segmentgröße ist.
Informationssignal mit einem eingebetteten Wasserzeichen, wobei das Informationssignal durch Anwenden einer Sequenz von Segmentierungsfensterfunktionen (h_a(n)) auf ein Quellensignal (x(n)) erzeugt wurde, um eine erste Sequenz von Segmenten (x_s(n)) des Quellensignal zu erhalten, wo jede Segmentierungsfensterfunktionen eine vorgegebene Länge und eine vorgegebene Form hat; Einbetten eines vorgegebenen Wasserzeichens (w(k)) in mindestens ein erstes Segment der ersten Sequenz von Segmenten (x_s(n)), was zu einer Sequenz von Wasserzeichensegmenten (w'_s(n)) führt; Kombinieren der Wasserzeichensegmente der Sequenz von Wasserzeichensegmenten (w'_s(n)) zu einem Wasserzeichensignal (w'(n)) unter Verwendung einer Sequenz von Rekonstruktionsfensterfunktionen (h_r(n)); und Kombinieren des Wasserzeichensignals (w'(n)) mit dem Quellensignal (x(n)), um das Informationssignal mit einem eingebetteten Wasserzeichen (y(n)) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei aufeinanderfolgende Segmentierungsfensterfunktionen um eine zuvor festgelegte Überlappungslänge überlappen, und dass die Segmentierungsfensterfunktion (h_a(n)) und die Rekonstruktionsfensterfunktion (h_r(n)) einzeln ausgewählt werden und folgende Bedingung erfüllen: Σsha[n – s(1 – ν)N]2·hr[n – s(1 – ν)N]2 = 1,wobei s der Segmentindex, ν der Überlappungsparameter und N die Segmentgröße ist.
Speichermedium, auf dem ein Informationssignal gemäß Anspruch 8 aufgezeichnet ist.
Vorrichtung zum Übertragen eines Informationssignals (x(n)), wobei die Vorrichtung eine Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens in das Informationssignal umfasst, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: Mittel, um eine Sequenz von Segmentierungsfensterfunktionen (h_a(n)) auf das Informationssignal anzuwenden, um eine erste Sequenz von Segmenten (x_s(n)) zu erhalten, wo jede Segmentierungsfensterfunktion eine vorgegebene Länge und eine vorgegebene Form hat; Mittel, um ein vorgegebenes Wasserzeichen (w(n)) in mindestens ein erstes Segment der ersten Sequenz von Segmenten einzubetten, was zu einer Sequenz von Wasserzeichensegmenten (w'_s(n)) führt; Mittel, um unter Verwendung einer Sequenz von Rekonstruktionsfensterfunktionen (h_r(n)) die Wasserzeichensegmente der Sequenz von Wasserzeichensegmenten (w'_s(n)) mit einem Wasserzeichensignal (w'(n)) zu kombinieren; und Mittel, um das Wasserzeichensignal (w'(n)) mit dem Informationssignal (x(n)) zu kombinieren und ein mit einem Wasserzeichen versehenes Informationssignal (y(n)) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei aufeinanderfolgende Segmentierungsfensterfunktionen um eine zuvor festgelegte Überlappungslänge überlappen, und dass die Segmentierungsfensterfunktion (h_a(n)) und die Rekonstruktionsfensterfunktion (h_r(n)) einzeln ausgewählt werden und folgende Bedingung erfüllen: Σsha[n – s(1 – ν)N]2·hr[n – s(1 – ν)N]2 = 1,wobei s der Segmentindex, ν der Überlappungsparameter und N die Segmentgröße ist.