DE60215220T2

DE60215220T2 - Einbettung und extraktion von wasserzeichendaten

Info

Publication number: DE60215220T2
Application number: DE60215220T
Authority: DE
Inventors: J. Joachim EGGERS; Robert Baeuml
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: AU2002366379A1; KR20040065271A; EP1459256A2; JP2005528817A; WO2003052689A2; WO2003052689A3; AU2002366379A8; US20050105760A1; CN1293511C; EP1459256B1; ATE341801T1; CN1602502A; JP4104552B2; DE60215220D1

Description

BREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Extrahieren von Daten aus einem Gastgebersignal. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren und ein System zum Einbetten von Daten in ein Gastgebersignals und auf ein Signal mit eingebetteten Daten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Blinde Wasserzeichenmarkierung ist die Kunst der Einbettung einer Nachricht in ein Multimedia-Gastgebersignal, und der Decodierung der Nachricht ohne Zugriff auf das ursprüngliche, Gastgebersignal ohne Wasserzeichen. Ein Beispiel eines derartigen Wasserzeichenschemas ist in dem Artikel von B. Chen und G.W.Wornell: "Quantization Index Modulation: A Class of Provably Good Methods for Digital Watermarking and Information Embedding", veröffentlicht in "IEEE Transactions on Information Theory" Heft 47, Nr. 4, Mai 2001 beschrieben worden. Das bekannte Wasserzeichenmarkierungsschema ist ein auf Quantisierung basiertes Wasserzeichenschema. Die Nachricht wird durch Quantisierung des Gastgebersignals unter Anwendung einer Quantisierungsschrittgröße in das Gastgebersignal eingebettet, was einen Eingangsabtastwert in einen Ausgangsabtastwert abbildet, der einzigartig ein in den Ausgangsabtastwert eingebettetes Nachrichtensymbol identifiziert.
Es hat sich in der Literatur herausgestellt, dass unsichtbare Wasserzeichenmarkierung additive weiße Gaußsche Rauschanfälle (AWGN) besteht sowie wenn der Decoder Zugriff auf das ursprüngliche Gastgebersignal hatte. Aber in praktischen Wasserzeichenmarkierungsapplikationen werden Angriffe nicht auf AWGN-Angriffe eingeschränkt. Eine besonders interessante Klasse von Angriffen ist Amplitudenmodifikation. Diese Klasse von Angriffen umfasst die Skalierung des mit einem Wasserzeichen versehenen Signals, beispielsweise Kontrastreduktion für Bilddaten, oder Hinzufügung eines konstanten DC-Wertes. Anders als Streuspektrum-Wasserzeichenmarkierungsschemen, von denen typischerweise angenommen wird, dass sie derartige Angriffe ohne wesentliche Verluste bestehen, sind auf Quantisierung basierte Wasserzeichenmarkierungsschemen ungeschützt gegen Amplitudenmodifikationen. Dieses Problem ist insbesondere signifikant bei auf Quantisierung basierten Wasserzeichenmarkierungsschemen, die auch "Dithering" (Zitterung, Schwankung) anwenden. Dithering ist der Prozess der Zuordnung verschiedener Offsets zu verschiedenen Abtastwerten der mit einem Wasserzeichen versehenen Signale um zu vermeiden, dass die eingebetteten Daten durch einfache Untersuchung der Struktur des mit einem Wasserzeichen versehenen Signals detektiert werden können. Die Reihe mit Ditherwerten ("Dithervektor") ist ein geheimer Schlüssel, die dem Empfänger bekannt ist. Ohne Kenntnisse des Dithervektors kann die Nachricht unmöglich auf zuverlässige Art und Weise extrahiert werden.
In "Performance of a Practical Blind Watermarking Scheme" (Jan. 2001) beschreibt Eggers, J.J. u. a. in "Proceedings of the SPIE – The International Society for Optical Engineering" Heft 4314, Seiten 594-605 ein Verfahren und ein System zum Einbetten von Datensymbolen in ein Gastgebersignals durch Quantisierung des genannten Gastgebersignals unter Anwendung einer Quantisierungsschrittgröße (δ) und durch Dithering des quantisierten Signals entsprechend einem Dithervektor (k_n), wobei eine Sequenz von Datensymbolen in die Sequenz von Abtastwerten des Gastgebersignals eingebettet ist.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zum Extrahieren der Daten zu schaffen sogar wenn die Amplitude des mit einem Wasserzeichen versehenen Signals modifiziert worden ist.
Nach der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass die Quantisiererschrittgröße des empfangenen Mediensignals aus dem Histogramm selektierter Signalabtastwerte mit einem vorbestimmten Bereich von Ditherwerten berechnet wird. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Falle eines Amplitudenskalierungsangriffs die von dem Wasserzeicheneinbettungsalgorithmus angewandte Quantisiererschrittgröße um den gleichen Faktor skaliert worden ist. Mit der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass der Amplitudenskalierungsfaktor als das Verhältnis der von dem Decoder berechneten Schrittgröße zu der von dem Einbetter berechneten Schrittgröße berechnet werden kann (oder wenigstens geschätzt werden kann). Dies ermöglicht es, dass das empfangene mit einem Wasserzeichen versehene Signal neu skaliert werden kann, und dass die eingebettete Nachricht aus dem neu skalierten Signal durch einen herkömmlichen Decoder extrahiert werden kann. Eine Ausführungsform des Decoders extrahiert die eingebettete Nachricht auf Basis der berechneten Quantisiererschrittgröße, sogar wenn die ursprüngliche Quantisiererschrittgröße (und folglich der Skalierungsfaktor) unbekannt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die selektierten Signalabtastwerte vorbestimmte Signalabtastwerte, in die ein vorbestimmtes Datensymbol eingebettet worden ist. Diese Ausführungsform erfordert Kenntnisse der Abtastwerte mit dem darin eingebetteten vorbestimmten Datensymbol. Dazu bettet ein Einbetter nach der vorliegenden Erfindung das genannte vorbestimmte Datensymbol in vorbestimmte Abtastwerte des Gastgebersignals ein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Dateneinbetter, einem Kanal und einem Datendetektor,
2 und 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Dateneinbettung unter Anwendung des Konzeptes einer geditherten Quantisierungsindexmodulation,
4 und 5 eine schematische Darstellung eines Dateneinbetters bzw. eines Datenextraktors,
6, 7A und 7B Darstellungen zur Erläuterung von Datenextraktion,
8 eine Darstellung zur Erläuterung von Datenextraktion in dem System, das in 1 dargestellt ist,
9 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Ausführungsform des Datenextraktors nach der vorliegenden Erfindung,
10 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer weiteren Ausführungsform des Datenextraktors nach der vorliegenden Erfindung,
11 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Dateneinbetter und einem Datendecoder nach der vorliegenden Erfindung,
12 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Dateneinbetter und einer weiteren Ausführungsform eines Datendecoders nach der vorliegenden Erfindung,
13 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Ausführungsform eines Histogrammanalysators aus den 11 und 12.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wir betrachten digitale Wasserzeichenmarkierung als ein Kommunikationsproblem. Eine Wasserzeichennachricht wird in eine Sequenz von Wasserzeichenbuchstaben oder Symbolen d_n codiert. Die Elemente d_n gehören zu einem D-ary Alphabet {0, 1, ..., D-1} mit der Größe D. In vielen praktischen Fällen werden binäre Wasserzeichensymbole (D = 2) verwendet.
1 zeigt eine allgemeine schematische Darstellung eines Systems mit einem Wasserzeicheneinbetter (oder Codierer) 71 und einem Detektor (oder Decoder) 73. Der Wasserzeichencodierer leitet aus der codierten Wasserzeichennachricht d und den Gastgeberdaten x eine geeignete Wasserzeichensequenz w her, die den Gastgeberdaten hinzugefügt werden um die mit einem Wasserzeichen versehenen Daten s zu erzeugen. Das Wasserzeichen w ist derart gewählt worden, dass die Verteilung zwischen x und s vernachlässigbar ist. Der Decoder 73 soll imstande sein, die Wasserzeichennachricht aus den empfangenen Daten r zu detektieren. 1 zeigt ein "blindes" Wasserzeichenschema. Dies bedeutet, dass die Gastgeberdaten x für den Decoder 73 nicht verfügbar sind. Das von dem Wasserzeichencodierer und -decoder verwendete Codebuch wird randomisiert, und zwar abhängig von einem Geheimhaltungsschlüssel k um eine Geheimhaltung der Wasserzeichenkommunikation zu erreichen. Die Signale x, w, s und k sind Vektoren identischer Länge. Der Index n in 1 bezieht sich auf die betreffenden n. Elemente (oder Abtastwerte).
In der Praxis hat das mit einem Wasserzeichen versehene Signal eine Signalverarbeitung erfahren, ist durch einen Kommunikationskanal gegangen und/oder ist einem Angriff ausgesetzt. Dies ist in 1 als ein Angriffskanal 72 zwischen dem Einbetter 71 und dem Detektor 73 dargestellt. Der Angriff skaliert die Amplitude des mit einem Wasserzeichen versehenen Signals s mit einem Faktor g (meistens g < 1) und fügt einen Rauschwert n hinzu. Der Kanal kann auch einen zusätzlichen Offset r_offset in das angegriffe ne Signal e einführen. Der Empfänger kann die Skalierung durch Teilung des angegriffenen Signals r durch g kompensieren zum Erzeugen s+v/g. Auf entsprechende Art und Weise kann der Entwurf des Wasserzeichencodierers 71 und des Detektors 73 in den Entwurf eines Systems übersetzt werden, das nur das Rauschen zu bestehen braucht, vorausgesetzt, dass der Skalierungsfaktor g dem Empfänger bekannt ist.
Im Allgemeinen brauchen der Wasserzeichencodierer 71 und der -decoder 72 ein beliebiges Codebuch, das an beiden Enden verfügbar ist. In dem Codierer 71 bildet das Codebuch einen Eingangsabtastwert x_n auf einem Ausgangsabtastwert s_n ab, wobei der Ausgangsabtastwert von dem Nachrichtensymbol d_n und dem Schlüssel k_n abhängig ist. Der Decoder 73 benutzt dasselbe Codebuch zum Rekonstruieren des Nachrichtensymbols d_n aus dem Abtastwert s_n Suboptimale aber mehr praktische Versionen des Systems basieren auf geditherte einheitliche Skalarquantisierung, wie nachstehend näher erläutert.
In der einfachsten Form von Skalarquantisierung werden Nachrichtendaten dadurch in das Mediensignal eingebettet, dass die Signalabtastwerte x_n (alle Abtastwerte oder selektierte Abtastwerte) zu einem selektierten Satz einer Anzahl Sätze diskreter Pegel quantisiert werden, wobei der selektierte Satz durch das einzubettende Datensymbol bestimmt wird. Diese einfachste Form von Wasserzeicheneinbettung ist in 2 dargestellt. In dieser Figur stellt die linke vertikale Achse einen Bereich von Werten dar, die Signalabtastwerte x_n eines Mediensignals x annehmen können. Die in das Mediensignal einzubettende Nachricht wird in eine Sequenz von Datenelementen d_n codiert, die zu einem D-ary Alphabet D∊{0, 1, ... D-1} gehören. In 2 ist ein ternäres Alphabet (D = 3) als allgemeines Beispiel dargestellt. In praktischen Systemen wird D = 2 oft verwendet. Die Signalmedienabtastwerte x_n, von denen einer durch das Symbol X an der linken vertikalen Achse in der Figur dargestellt ist, werden auf das nächste Vielfache von (Dm+d_n) × δ gerundet, wobei δ ein bestimmter Quantisierungsschritt ist und m = ..., –2, –1, 0, 1, 2, ... ist/ Der Quotient x_n/δ, der als Quantisierungsindex bekannt ist, wird mit den einzubettenden Daten moduliert. Niederbitmodulation, eine durchaus bekannte Dateneinbettungstechnik, ist ein Spezialfall. Niederbitmodulatoren ersetzen einfach das am wenigsten signifikante Bit der digitalen Signalabtastwerte x_n durch ein Datenbit d_n.
Die in dem mit einem Wasserzeichen versehenen Signal untergebrachten Daten können auf einfache Weise durch Untersuchung der diskreten Signalwerte s_n detek tiert werden. In Niederbitmodulationsschemen reicht es sogar das am wenigsten signifikante Bit von s_n zu untersuchen. Wenn es 0 ist, dann ist d_n = 0. Wenn es "1" ist, dann ist d_n = 1. Um eine sichere Übertragung der Nachricht zu schaffen, werden verschiedenen Ausgangssignalabtastwerten s_n verschiedene Offsets zugeordnet. Dies wird als "Dithering" bezeichnet. In 2 ist der Offset durch v_nδ bezeichnet, wobei v_n ein Multiplikationsfaktor ist. Der Satz mit Ditherwerten v_n, verwendet um Daten in die Sequenz von Signalabtastwerten x_n einzubetten, bildet einen sicheren Dithervektor, nachstehend auch als Geheimschlüssel bezeichnet. Ohne Kenntnisse dieses Schlüssels ist keine Struktur in den Abtastwerten s_n sichtbar und es ist nicht möglich, die Datennachricht zu detektieren.
Ein mathematischer Ausdruck des geditherten einheitlichen Skalarquantisierungseinbettungsprozesses kann wie folgt hergeleitet werden. Das Ausgangssignal s_n kann wie folgt geschrieben werden: sn = (Dm + dn) × δ + vnδ (1)
Der Wert s_n muss möglichst nahe bei dem Eingangswert x_n liegen. Der wie folgt ausgedrückt werden kann:
Diese Bedingung wird erfüllt, wenn
Substitution von (2) in (1) ergibt:
Ein alternativer Ausdruck kann dadurch erhalten werden, dass Δ = Dδ und
eingeführt werden, und dass der Vorgang Δ × round{ • / Δ} durch einen Operator Q_Δ{•} bezeichnet wird. Dieser letztere Operator bezeichnet eine herkömmliche einheitliche Skalarquanti sierung mit der Schrittgröße Δ, folglich dem Namen dieses praktischen Einbettungsschemas. Der Dateneinbettungsprozess kann nun wie folgt ausgedrückt werden:
Der Dateneinbettungsprozess kann noch mehr verallgemeinert werden. Es ist nicht notwendig, x_n auf diskrete Punkte der s_n-Achse zu projizieren. Die Datensymbole d_n können auf gleiche Weise durch eindeutige Bereiche von Werten s_n dargestellt werden, wie in 3 dargestellt. Aus dieser Figur lässt sich auf einfache Weise herleiten, dass das Ausgangssignal s_n nun wie folgt beschrieben werden kann: sn = xn + α(zn – xn)wobei z_n die diskreten Punkte darstellt, wie oben durch die Gleichung (4) definiert. Auf entsprechende Weise gilt:
4 zeigt eine schematische Darstellung des Einbetters 71 entsprechend der Gleichung (5). Darin bezeichnet das Bezugszeichen 30 einen skalaren einheitlichen Quantisierer mit der Schrittgröße Δ = Dδ.
5 zeigt eine schematische Darstellung des Detektors 73 zum Extrahieren der Datennachrichtenbits d_n aus den Signalabtastwerten s_n. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 40 denselben skalaren einheitlichen Quantisierer mit der Schrittgröße Δ wie der Quantisierer 30 aus 4. Der Detektor erzeugt ein Zwischensignal y_n entsprechend dem nachfolgenden mathematischen Vorgang: yn = Qn{sn – knΔ} – (sn – knΔ) (6)
Wie in 6 dargestellt, sorgt dieser Vorgang dafür, dass die Abtastwerte s_n in einen nachfolgenden Bereich verschoben werden:
7A zeigt die Wahrscheinlichkeitsdichtenfunktion (PDF) der Zwischensignalabtastwerte y_n, eingeschränkt auf das übertragene Symbol d_n für D = 3. Insbesondere bezeichnet eine gezogene Linie 60 die PDF p(y_n|d_n = 0) der mit einem Wasserzeichen versehenen Elemente, eingeschränkt auf das mit einem Wasserzeichen versehene Symbol d_n = 0, eine gestrichelte Linie 61 bezeichnet p(y_n|d_n = 1), und eine strichpunktierte Linie 62 zeigt p(y_n|d_n = 2). Zum Vergleich und der Vollständigkeit halber zeigt 7B die PDF von y_n für D = 2, was in praktischen System hochwahrscheinlich angewandt wird. Darin bezeichnen die Bezugszeichen 60 und 61 die PDFen für d_n = 0 bzw. d_n = 1.
Die 7A und 7B zeigen, dass das Datensymbol d_n auf einfache Weise durch eine geeignete Slicing- und Decodierschaltung aus y_n rekonstruiert werden kann. Diese letztere Schaltungsanordnung ist durch 41 in 5 bezeichnet. Für D = 3 überprüft diese Schaltungsanordnung, ob y_n nahe genug bei 0, +Δ/3 oder –Δ/3 liegt (siehe 7A). Für D = 2 überprüft sie, ob y_n nahe genug bei 0 oder ± Δ/2 liegt (siehe 7B).
Es sei bemerkt, dass die schematischen Darstellungen des Einbetters und des Detektors aus den 4 und 5 physikalische Implementierungen der mathematischen Gleichungen (5) bzw. (6) sind. Andere praktische Ausführungsformen sind möglich. So kann beispielsweise der Detektor dazu vorgesehen sein, die nachfolgende Gleichung zu implementieren:
Die Gleichung (7) kann verstanden werden, wenn bedacht wird, dass
die Anzahl Male ist, dass die Schrittgröße δ in s_n-v_nδ (siehe 1), und d_n = mod(m,D) passt.
Auf jeden Fall erfordert eine zuverlässige Detektion, dass nebst dem Geheimschlüssel k_n (oder v_n) auch die Schrittgröße Δ (oder δ) bekannt ist. Aber, wie in 1 dargestellt, kann ein Angriff 72 auf das mit einem Wasserzeichen versehene Signal angewandt worden sein. 8 zeigt die PDF des Zwischensignals y_n des Detektors (siehe 7) für D = 2 in dem Fall eines Angriffs mit additivem weißem Gaußschen Rauschen (AWGN) v und dem Skalierungsfaktor g. Auf gleiche Weise wie in 7B bezeichnet eine gezogene Linie 80 die PDF p(y_n|d_n = 0) eingeschränkt auf das mit einem Wasserzeichen versehene Symbol d_n = 0, und eine gestrichelte Linie 81 bezeichnet p(y_n|d_n = 1), eingeschränkt auf das mit einem Wasserzeichen versehene Symbol d_n = 1. Die schraffierten Gebiete 89 stellen die Fehlerwahrscheinlichkeit dar (Detektion von d_n = 1, wobei d_n = 0 eingebettet wur de). Die Parameter α und Δ des Einbettersystems sind derart gewählt worden, dass eine gewünschte Fehlerwahrscheinlichkeit für eine bestimmte Rauschvarianz σ 2 / v des Rauchens v erreicht wird. Die Erfinder haben gefunden, dass eine gute Annäherung gegeben wird durch:
wobei σ 2 / v die Einbettungsverzerrung darstellt.
Man soll bedenken, dass die Erzeugung des Zwischensignals y_n Kenntnisse der Quantisiererschrittgröße und des Geheimschlüssels k_n erfordert. Die Quantisiererschrittgröße des angegriffenen Signals r, die nun Δ_r = gΔ ist, und zwar wegen der Skalierung um den Faktor g, soll aus den empfangenen Daten r geschätzt werden. Es sei bemerkt, dass die Schätzung von Δ_r der Schätzung von g entspricht, wenn Δ bekannt ist. In dem betreffenden Fall wird der mehr allgemeine Gesichtspunkt genommen, und die Schätzung von Δ_r wird betrachtet.
Eine Schätzung von Δ_r (und eine Schätzung des Offsets r_offset, wenn überhaupt), kann durch Analyse eines Histogramms empfangener Abtastwerte r_n erhalten werden. Aber, wie oben erwähnt, wurde Dithering angewandt um zu vermeiden, dass die eingebetteten Daten auf einfache Weise durch einfache Untersuchung der Signalabtastwerte eingebettet werden können. Wegen der Dithering gibt es keine Struktur in den empfangenen Abtastwerten. Das Histogramm empfangener Abtastwerte ist in der Praxis mehr oder weniger eine kontinuierliche Graphik.
9 zeigt ein derartiges Histogramm 90 als Beispiel.
Man soll sich erinnern, dass Dithering dadurch geschaffen wurde, dass Offsets k_nΔ (oder v_nδ) den Abtastwerten s_n zugeordnet wurden. Durch die Skalierung um den Faktor g sind die Offsets der empfangenen Abtastwerte r_nk_nΔ_r (oder v_nδ_r). Diese Offsets sind bei dem Empfänger unbekannt, weil g unbekannt ist. Der Schlüssel k_n ist aber bekannt. Deswegen wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung das Histogramm nur von denjenigen Abtastwerten hergeleitet, die einen gewissen zugeordneten vorbestimmten Schlüsselwert k_n haben. Das Bezugszeichen 91 in 9 ist ein Beispiel eines Histogramms von Abtastwerten, für die k_n = 0 ist. Der relative Abstand zwischen den örtlichen Maximal werten des Histogramms ist die Schrittgröße δ_r = Δ_r/D. Die Figur zeigt auch die einzelnen Histogramme 92 und 93 von Abtastwerten mit eingebetteten Datensymbolen d = 0 bzw. d = 1, die kollektiv das Histogramm bilden (D = 2 ist hier vorausgesetzt; die Datensymbole d, assoziiert mit den Signalabtastwerten r sind oben in 9 dargestellt). Die "Impulsbreite" des Histogramms ist abhängig von dem Parameter α des Einbetters (der einen Eingangswert über einen Bereich von Ausgangswerten verbreitet) und von der Rauschvarianz σ 2 / v des Angriffskanals.
Erzeugung eines statistisch zuverlässigen Histogramms aus nur denjenigen Abtastwerten, die einen gewissen vorbestimmten Schlüssel k_n haben, der denselben zugeordnet wurde, erfordert eine Vielzahl Abtastwerte, die diesen Schlüssel gesammelt haben sollen. Dies kann zu lange dauern. Dieser Nachteil wird gelindert in einer Ausführungsform, in der ein oder mehrere Histogramme für Signalabtastwerte mit Schlüsseln Kommunikationsnetzwerk geschaffen werden, und zwar in einem Bereich:
Die auf diese Art und Weise erhaltenen Histogramme werden breitere Spitzen mit dem relativen Abstand δ zeigen. Weiterhin werden die Spitzen nach rechts verschoben, weil die Offsetbereiche positiv sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Histogramm aus Abtastwerten r_n geschaffen, die ein vorbestimmtes darin eingebettetes Datensymbol d_n haben. Eine derartige Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Spitzen einen größeren relativen Abstand Δ_r (den D-fachen Abstand δ_r der vorhergehenden Ausführungsform) und größere Maximum-Minimumverhältnisse haben. Diese Ausführungsform ermöglicht es, dass die Schrittgröße Δ_r genauer berechnet wird. Um es zu ermöglichen, dass der Empfänger Abtastwerte mit dem vorbestimmten Datensymbol selektieren kann, dass der Einbetter vorgesehen ist um eine "Pilot"-Sequenz der genannten Datensymbole in das Signal einzubetten. Das vorbestimmte Pilotsignal, weiterhin als d_pilot bezeichnet, ist eines der verfügbaren Datensymbole {0, 1, ... D-1}, beispielsweise d_pilot = 0. Die Pilotsequenz wird gedithert wie die normalen Signalabtastwerte und folglich sicher eingebettet. Ohne Kenntnisse des Geheimschlüssels k ist keine Struktur in dem mit einem Wasserzeichen versehenen Signal sichtbar.
Die Pilotsequenz kann in dem Signal untergebracht werden, u. a. durch Einbettung eines Pilotsymbols d_pilot in jeden k. Abtastwert des Eingangssignals, oder durch (vorzugsweise wiederholte) Einfügung einer Reihe Pilotsymbole fester Länge in die eingebettete Nachricht. Relevant für die vorliegende Erfindung ist nur, dass der Empfänger weiß, welche Abtastwerte r_n ein eingebettetes Pilotsymbol hat. Insofern es sich um die Histrogrammanalyse handelt, werden nur die Abtastwerte r_n mit einem eingebetteten Pilotsymbol nachstehend betrachtet.
Auch hier wird wieder das Histogramm aus denjenigen Abtastwerten erzeugt, die einen gewissen vorbestimmten Schlüsselwert k_n haben (beispielsweise k_n = 0) oder einen vorbestimmten Bereich von Schlüsselwerten, wie durch die Gleichung (8) definiert. 10 zeigt ein Histogramm 100 der Pilotsequenz für D = 2, d_pilot = 0 und den Bereichsindex m = 0 (d.h. 0 ≤ k_n < 0.33). Die Spitzen haben nun einen relativen Abstand Δ_r. Es sei bemerkt, dass die örtlichen Maxima im Vergleich zu dem Histogramm 91 in 9 nach rechts verschoben sind, weil ein Bereich positiver Offsets k_nΔ_r bedacht worden ist. Eine möglicherweise andere Verschiebung muss unbedingt durch den Angriffskanal in Form eines Offsets r_offset eingeführt worden sein. Der genannte Offset kann auch auf diese Weise aus dem Histogramm 100 berechnet werden.
Das Histogramm 100 wird aus einem Drittel der Pilotabtastwerte (M = 3) hergeleitet. Ähnliche Histogramme können für m = 1 (0.33 ≤ k_n < 0.67) und m = 2 (0.67 ≤ k_n < 1), so dass alle Abtastwerte der Pilotsequenz für die Histogrammanalyse berücksichtigt werden. Sie werden durch 101 und 102 in 10 bezeichnet. Es sei bemerkt, dass die Summe der Histogramme 100, 101 und 102 das Histogramm aller Abtastwerte der Pilotsequenz ist, ungeachtet des Schlüsselwertes k_n. Dieses gesamte Histogramm wird in 10 durch 103 bezeichnet.
11 zeigt ein Darstellung eines Systems mit einem Einbetter und einem Empfänger nach den oben beschriebenen Ausführungsformen. Identische Bezugszeichen werden verwendet zum Bezeichnen derselben Elemente und Funktionen wie in 1. Der Empfänger enthält nun einen Histogrammanalysator 74, der die Signalabtastwerte r_n empfängt und den Offset r_offset berechnet, wenn überhaupt, und die Schrittgröße Δ_r. Der Offset r_offset ist für alle Abtastwerte derselbe und wird durch einen Subtrahierer 75 davon subtrahiert. Die berechnete Schrittgröße Δ_r wird unmittelbar auf den Detektor 73 angewandt, der die eingebetteten Datensymbole d_n entsprechend den Gleichungen (6) und (7) und 5 rekonstruiert. Das Symbol Δ_r in dem Detektor 73 bezeichnet, dass die Schrittgröße Δ in den Gleichungen (6) und (7) und in 5 durch Δ_r ersetzt werden soll.
In dem Fall, dass eine Pilotsequenz verwendet wird, wird dem Histogrammanalysator ein Selektionssignal S zugeführt um die Signalabtastwerte r_n mit den eingebetteten Pilotsymbolen d_pilot zu identifizieren. An dem Sender-Ende wird ein Schalter 76 verwendet, der von demselben Selektionssignal S gesteuert wird um dem Einbetter 71 entweder ein Nachrichtensymbol m oder ein Pilotsymbol d_pilot zuzuführen.
Das in 12 dargestellte System umfasst eine weitere Ausführungsform des Empfängers. In dieser Ausführungsform wird das mit einem Wasserzeichen versehene Signal in einer Multiplikationsstufe 76 durch Multiplikation mit g^-1 = Δ/Δ_r neu skaliert, wobei Δ die von dem Detektor 73 angewandte Schrittgröße ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass derselbe Detektor 73 für alle Amplitudenskalierungsfaktoren g verwendet werden kann. Die Schrittgröße Δ ist nicht unbedingt die von dem Einbetter verwendete ursprüngliche Schrittgröße.
Eine praktische Ausführungsform des Histogrammanalysators wird nachstehend zur Anwendung in der Ausführungsform, die eine Pilotsequenz verwendet, beschrieben. Er kann in Hardware oder in Software implementiert werden. Erstens wird der ganze Bereich von Abtastwerten r_min ≤ r_n ≤ r_max in L_bin Bins verteilt. Für jedes Bin werden die Histogramme p_r,m(b) berechnet, wobei b∊{0, 1, ..., L_bin-1} der Bin-Index ist, und wobei m∊{0, 1, ..., M-1} den betrachteten Bereich von Schlüsselwerten k_n angibt. Für M = 3 wird dies 3 "bedingte" Histogramme je Bin ergeben, die den Histogrammen 100, 101 und 102 aus 10 ähnlich sind. Für jedes Bin wird das "gesamte" Histogramm p_r(b) (siehe 103 in 10) auch berechnet. Leeren Bins und Bins, die nur einige Abtastwerte enthalten, wird ein einheitliches Nicht-Null-Histogramm zugeordnet. Die bedingten Histogramme p_r,m(b) werden danach normalisiert und das diskrete Fourierspektrum A_m(f) jedes normalisierten Histogramms wird entsprechend der nachfolgenden Gleichung berechnet:
Für Gaußsch verteilte r_n, aber auch für andere typische Signalverteilungen treten leere und fast leere Bins vorwiegend an den Enden der Histtogramm auf. Deswegen ist es nützlich, ebenfalls die normalisierten Histogramme mit einer Fensterfunktion W(b) zu gewichten, was ein anderes Gewicht für die hinteren Teile ergibt. In diesem Fall werden die Fourierspektren entsprechend der nachfolgenden Gleichung berechnet:
Alle M Spektren können auf eine elegante Art und Weise kombiniert werden, da es bekannt ist, dass die Maxima in den jeweiligen bedingten Histogrammen gegenüber einaandr um Δ_r/M verschoben werden. Diese Verschiebung entspricht einer Multiplikation mit
in der Fourierdomäne, so dass das Gesamtspektrum wie folgt erhalten werden kann:
13 zeigt ein Beispiel des Moduls |A(f)| des Spektrums unter Verwendunng einer 1024 Länge diskreten Fouriertransformation. Eine dominierende Spitze bei f₀ ist deutlich sichtbar. Die Schrittgröße Δ_r foolt aus:
wobei L_DFT die Länge der diskreten Fouriertransformation ist. Der Offset r_offset kann aus dem Argument arg{A(f₀)} des komplexen Fourierspektrum hergeleitet werden.
Beschrieben sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Einbetten von Daten (d_n) in ein Gastgebersignal (x_n) unter Anwendung von geditherter Quantisierungsindexmodulation (71), und zum Extrahieren der genannten Daten aus dem mit einem Wasserzeichen versehenen Signal. Ein Problem bei diesem Einbettungsschema (71) ist, dass die Amplitude des mit einem Wasserzeichen versehenen Signals (s_n) unabsichtlich skaliert sein kann (72) (von einem Kommunikationskanal) oder absichtlich (von einem Hacker). Dies sorgt dafür, dass die Quantisierungsschrittgröße (Δ_r) des empfangenen Signals (r_n) für den Extrahierer (73) unbekannt ist, was für eine zuverlässige Datenextraktion wesentlich ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, dass ein Histogramm (74) derjenigen Signalabtastwerte gemacht wird, die im Wesentlichen den gleichen Ditherbetrag haben, und dass das genannte Histogramm analysiert werden kann um eine Schätzung der Schrittgröße (Δ_r) davon herzuleiten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird in selektierte (S) Abtastwerte des Gastgebersignals eine Pilotsequenz vorbestimmter Datensymbole (d_pilot) eingebettet.

Claims

Verfahren zum Extrahieren von Datensymbolen (d_n) aus einem Mediasignal (r_n), wobei die Datensymbole durch Quantisierung (40) eines Gastgebersignals (x_n) unter Verwendung einer Quantisierungsschrittgröße (δ), durch Modulation des Quantisierungsindexes
mit den Datensymbolen und durch Schwankung des quantisierten Signals (s_n) entsprechend einem Schwankungsvektor (k_n) in das genannte Mediasignal eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Mediasignal (r_n) eine eingebettete Pilotsequenz von Datensymbolen aufweist und dass das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: das Schätzen der Quantisierungsschrittgröße (δ_r) des empfangenen Mediensignals (r_n) aus einem Histogramm (74) vorbestimmter selektierter Signalabtastwerte, in das ein vorbestimmtes Datensymbol (d_pilot) eingebettet worden ist, und das Verwenden der genannten geschätzten Schrittgröße zum Extrahieren der Datensymbole aus dem Mediasignal.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Quantisierungsschrittgröße unter Anwendung der Fourier-Transformation des Histogramms berechnet wird.
Verfahren zum Einbetten von Datensymbolen in ein Gastgebersignal durch Quantisierung des genannten Gastgebersignals (x_n) unter Verwendung einer Quantisierungsschrittgröße (δ), durch Modulation des Quantisierungsindexes
mit den Datensymbolen und durch Schwankung des quantisierten Signals (s_n) entsprechend einem Schwankungsvektor (k_n), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: das Einbetten (76) eines vorbestimmten Pilotdatensymbols (d_pilot) nur in vorbestimmte selektierte Abtastwerte des Gastgebersignals.
System zum Extrahieren von Datensymbolen (d_n) aus einem Mediasignal (r_n), wobei die Datensymbole durch Quantisierung (40) eines Gastgebersignals (x_n) unter Anwendung einer Quantisierungsschrittgröße (δ), durch Modulation des Quantisierungsin dexes mit den Datensymbolen, und durch Schwankung des quantisierten Signals entsprechend einem Schwankungsvektor (k_n) in das genannte Mediasignal eingebettet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Mediasignal (r_n) eine eingebettete Pilotsequenz von Mediensymbolen aufweist und dass die Anordnung Mittel (74) aufweist zum Herstellen eines Histogramms selektierter vorbestimmter Signalabtastwerte, in das ein vorbestimmtes Datensymbol (d_pilot) eingebettet worden ist, mit einem vorbestimmten Bereich von Schwankungswerten, und Mittel aufweist zum Berechnen der Quantisierungsschrittgröße (δ_r) des empfangenen Mediensignals (r_n) aus dem genannten Histogramm.
System zum Einbetten von Datensymbolen in ein Gastgebersignal durch Quantisierung (40) des genannten Gastgebersignals (x_n) unter Anwendung einer Quantisierungsschrittgröße (δ), durch Modulation des Quantisierungsindexes mit den Datensymbolen und durch Schwankung des quantisierten Signals entsprechend einem Schwankungsvektor (k_n), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Mittel (76) aufweist zum Einbetten eines vorbestimmten Pilotdatensymbols (d_pilot) nur in vorbestimmte selektierte Abtastwerte des Gastgebersignals.
Signal (s_n) mit eingebetteten Datensymbolen, mit Signalabtastwerten, erhalten durch Quantisierung eines Gastgebersignals (x_n) unter Anwendung einer Quantisierungsschrittgröße (δ), durch Modulation des Quantisierungsindexes mit den Datensymbolen, und durch Schwankung des quantisierten Signals entsprechend einem Schwankungsvektors (k_n), dadurch gekennzeichnet, dass das Signal eingebettete vorbestimmte Pilotdatensymbole (d_pilot) aufweist, und zwar nur in vorbestimmten selektierten Abtastwerten des Gastgebersignals.