DE69818228T2

DE69818228T2 - Integration von zusätzlichen daten in einem kodierten signal

Info

Publication number: DE69818228T2
Application number: DE69818228T
Authority: DE
Inventors: Petrus Nuijten
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: WO1999033266A3; TW401678B; AU1256199A; PL191867B1; HUP0001250A3; JP2001513973A; KR20000075599A; HUP0001250A2; ID22836A; MY119833A; PL335415A1; EP0962094B1; EP0962094A2; CN1252914A; DE69818228D1; WO1999033266A2; RU2220511C2; KR100589706B1; CN1156144C; ATE250311T1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Integrieren zusätzlicher Daten in einem Signal, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: das Codieren des Signals entsprechend einem Codierungsprozess, der den Verfahrensschritt der Rückkopplung des codierten Signals umfasst, und zwar zum Steuern der genannten Codierung, und das Modifizieren selektierter Abtastwerte des codierten Signals um die genannten zusätzlichen Daten darzustellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es gibt ein steigendes Bedürfnis danach, zusätzliche Daten auf eine empfangsmäßig unsichtbare Weise in Audio- und Videosignalen unterzubringen. So sollen beispielsweise Wasserzeichen in Multimedia-Aktiva integriert werden zum Identifizieren des Quellen- oder des Copyright-Zustandes von Dokumenten und Audio-visuellen Programmen. Das Wasserzeichen schafft einen legalen Beleg des Copyright-Inhabers, ermöglicht Ermittlung von Piraterie, und unterstützt den Schutz des intellektuellen Eigentums.
Ein bekanntes Verfahren, ein Videosignal mit einem Wasserzeichen zu versehen, wie eingangs definiert, ist in einem Artikel von F. Hartung und B. Giros: "Digital Watermarking of Raw and Compressed Video", "SPIE" Heft 2952, Seiten 205–213 beschrieben worden. Das Anbringen eines Wasserzeichens wird dabei dadurch erreicht, dass selektierte DCT-Koeffizienten in dem Ausgangsbitstrom eines MPEG2-Codierers modifiziert werden. Bekanntlich ist ein MPEG2-Codierer ein prädiktiver Codierer mit einer Rückkopplungsschleife zur Steuerung des Codierungsprozesses. Ein Prädiktionsfehler (die Differenz zwischen dem Eingangssignal und einer Prädiktion desselben) wird codiert statt des Eingangssignal selber. Das Prädiktionssignal wird durch örtliche Decodierung des codierten Signals erhalten.
In dem bekannten Verfahren werden die Wasserzeichen nach der herkömmlichen Codierung eingefügt. Die zum Anbringen von Wasserzeichen in dem codierten Signal verfügbare Kapazität scheint auf diese Weise begrenzt zu sein.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu schaffen zum Integrieren zusätzlicher Daten in einem codierten Audio- oder Videosignal, das es ermöglicht, dass mehr Bits des codierten Signals geändert werden ohne eine wesentliche Beeinträchtigung der Empfangsqualität.
Dazu wird das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung durch die in Anspruch 1 genannten Verfahrensschritte definiert. Anspruch 4 definiert die entsprechende Anordnung. Anspruch 14 definiert das nach dem Verfahren nach Anspruch 1 erzeugte Signal und Anspruch 15 definiert ein Aufzeichnungsmedium zum Speichern des genannten Signals.
Der Schritt der Integration zusätzlicher Daten vor der Rückkopplung des Signals wurden ebenfalls vorgeschlagen in der nicht veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung Nr. 97200197.8 der Anmelderin (Aktenzeichen des Anwaltes: PHN 16.209). Mit diesem Schritt wird erreicht, dass ungünstige Effekte einer Modifikation eines Abtastwertes in nachfolgenden Codiervorgängen kompensiert werden. Aber die anfängliche Störung der Modifikation des Abtastwertes bleibt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Codierqualität weiterhin dadurch verbessert wird, dass ein oder mehrere Signalabtastwerte vor einem selektierten Abtastwert vorsätzlich modifiziert werden. Im Wesentlichen wird das codierte Signal einigermaßen vorverzerrt, zum Minimieren der Codierungsfehler, die noch kommen.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nützlich zum Integrieren zusätzlicher Daten in Ein-Bit-codierten Signalen. Ein-Bit-Codierer, wie Delta-Modulatoren, Sigma-Delta Modulatoren und Rauschformcodierer erzeugen einen Ein-Bit Ausgangsabtastwert in jedem Codierschritt. Das codierte Signal ist sehr empfindlich für Wasserzeichen. Sigma-Delta Modulatoren beispielsweise, die zum Aufzeichnen von Audio hoher Qualität auf DVD-Audio mit einer Abtastfrequenz von 2.822.400 (64*44100) Hz gemeint sind, haben einen Störabstand von 115 dB. Es stellt sich heraus, dass das Anbringen eines Wasserzeichens in einem Sigma-Delta modulierten Signal auf eine An und Weise wie im Stand der Technik beschrieben, d. h. nach einer herkömmlichen Codierung, das Quantizierungsrauschen wesentlich steigert. Wenn beispielsweise jedes 100. Bit eines Sigma-Delta modulierten Audiosignals durch ein Wasserzeichenbit ersetzt wird, wird dies das Quantisierungs rauschen um –60 dB steigern, was deutlich unakzeptierbar ist. Das Anbringen eines Wasserzeichens, wie in der ebenfalls von der Anmelderin eingereichten Patentanmeldung Nr. 97200197.8 vorgeschlagen, ermöglicht es, dass jedes 100. Bit auf Kosten von nur 1 dB Steigerung des Quantisierungsrauschens ersetzt wird.
Die vorliegende Erfindung verbessert nicht nur die Codierqualität in Termen der Reduktion des Störabstandes. Es ist durchaus bekannt, dass Sigma-Delta Modulatoren mit einem Schleifenfilter der Größenordnung > 2 für große Eingangssignale zu Unstabilitätsproblemen führen. Diese Unstabilität wird auf übliche Weise dadurch vermieden, dass vermieden wird, dass das Eingangssignal einen vorbestimmten Bereich übersteigt. Die vorliegende Erfindung schafft ebenfalls eine Lösung dieser An von Unstabilitätsproblemen und relatierten Amplitudenbeschneidungsproblemen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Anordnung zum Integrieren zusätzlicher Daten in einem deltamodulierten Signal nach der vorliegenden Erfindung,
2 bis 4 Signalwellenformen zur Erläuterung der Wirkung der in 1 dargestellten Anordnung,
5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Wirkung einer Modifikationsschaltung nach 1,
6 eine Anordnung zum Integrieren zusätzlicher Daten in einem Sigma-Delta modulierten Signal nach der vorliegenden Erfindung,
7 ein Sigma-Delta Modulatorfilter dritter Ordnung, das in der Anordnung nach 6 benutzt wird,
8, 9, 10A–10D und 11A–11C Signalformen zur Erläuterung der Wirkung der Anordnung aus 6.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird anhand Ein-Bit-Codierer beschrieben, aber es dürfte einleuchten, dass die Lehre ebenfalls auf andere Typen prädiktiver Codierer, wie DPCM (beispielsweise MPEG2) Codierer angewandt werden kann. Es wird zunächst eine Delta-Modulatoranordnung beschrieben, weil ihre Wirkung einfach zu verstehen ist. Dar aufhin wird eine Sigma-Delta Modulatoranordnung beschrieben, die höchstwahrscheinlich in praktischen Codiersystemen verwendet wird.
1 zeigt eine Anordnung zum Integrieren zusätzlicher Daten in einem delta modulierten Signal nach der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung umfasst einen herkömmlichen Deltamodulator 1, der einen Subtrahierer 11, einen Polaritätsdetektor 12 und ein Decodierfilter 13 umfasst. Der Subtrahierer 11 erzeugt ein Prädiktionsfehlersignal l dadurch, dass von dem Eingangssignal x ein Prädiktionssignal x ^ subtrahiert wird. Der Prädiktionsfehler l wird dem Polaritätsdetektor 12 zugeführt, der mit einer Rate, die durch eine (nicht dargestellte) Abtastfrequenz f_s bestimmt wird, einen Ausgangsabtastwert "+1" für x ≥ x ^ und einen Ausgangsabtastwert "–1" für x < x ^ erzeugt. Eine Rückkopplungsschleife 14 umfasst den örtlichen Decoder 23 (einen Summierer oder einen Integrator) zum Erhalten des Prädiktionssignals x ^.
In einem herkömmlichen Deltamodulator ist die Rückkopplungsschleife 14 mit dem Ausgang des Polaritätsdetektors 12 verbunden. 2 zeigt Wellenformen eines derartigen herkömmlichen Deltamodulators. Insbesondere zeigt 2 das Eingangssignal x, das Prädiktionssignal x ^ und das codierte Ausgangssignal y des herkömmlichen Deltamodulators. Es sei bemerkt, dass das Prädiktionssignal x ^ ebenfalls das Ausgangssignal eines (in 1 nicht dargestellten) Empfängers ist.
In 1 enthält die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung eine Modifikationsschaltung 2, die zwischen dem Polaritätsdetektor 12 und der Rückkopplungsschleife 14 vorgesehen ist. Die Modifikationsschaltung modifiziert selektierte Ausgangsbits des Polaritätsdetektors in Reaktion auf ein Selektionssignal s. So ersetzt beispielsweise die Modifikationsschaltung jedes 100. Bit des codierten Signals y durch ein Bit eines Wasserzeichendatenmusters w, das in einem Wasserzeichendatenregister 3 gespeichert ist. Auf alternative Weise invertiert die Modifikationsschaltung selektierte Bits, wobei die Anzahl Bitperioden zwischen den genannten invertierten Bits das Wasserzeichendatenmuster darstellen.
3 erläutert den Effekt der Modifikation eines selektierten Bits 20 des codierten Signals y durch ein Wasserzeichendatenbit w. Das Eingangssignal x (dasselbe Signal wie in 2), das Prädiktionssignal x ^ und das modifizierte codierte Signal z sind in dieser Figur dargestellt. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet das integrierte Wasserzeichenbit. Wie in der Figur zu zeigen versucht wurde, hat das integrierte Wasserzeichen den Wert "– 1", der von dem Wert "+1" des codierten Signalbits 20 abweicht. Wenn man bedenkt, dass das Prädiktionssignal x ^ ebenfalls das Ausgangssignal eines Empfängers ist, ist es leicht ersichtlich, dass die Bitmodifikation das Quantisierungsrauschen steigert. Weil das modifizierte Signal z zum Eingang des Codierers zurückgeführt wird, wird der Quantisierungsfehler folglich kompensiert und ggf. eliminiert.
Nach der vorliegenden Erfindung ist die Modifikationsschaltung 2 (1) dazu vorgesehen, ebenfalls wenigstens eines der Bits zu modifizieren, die dem Wasserzeichen vorhergehen, wenn es sich herausstellt, dass dies die Codierqualität verbessert. Ein Beispiel davon ist in 4 dargestellt. Auch hier sind das Eingangssignal x, das Prädiktionssignal x ^, das modifizierte codierte Signal z und das Wasserzeichenbit 21 dargestellt. Außerdem wird auch ein Bit 22, das dem Wasserzeichenbit 21 vorhergeht, modifiziert. Ein Vergleich der 3 mit 2 zeigt sofort, dass der Gesamtquantisierungsfehler dadurch weiter reduziert wird. Die Codierqualität wird folglich wesentlich verbessert.
In dem in 3 dargestellten Beispiel wird eine gute Leistung dadurch erhalten, dass das Bit, das dem Wasserzeichenbit unmittelbar vorhergeht, modifiziert wird. Dies ist nicht immer der Fall. Modifikation des 2., 3., ... usw. Bits, das dem Wasserzeichenbit vorhergeht, oder eine Kombination derselben, kann die Leistung noch mehr verbessern. Ein Beispiel davon wird nachher gegeben.
Zum Erhalten des oben beschriebenen Effektes ist die in 1 dargestellte Anordnung dazu vorgesehen, den Deltamodulationsprozess für mehrere Kombinationen vorhergehender Bits durchzuführen und die Kombination zu selektieren, die das beste Resultat ergibt. Das genannte Testen mehrerer Bitkombinationen wird hier als "Vorgreifen" bezeichnet und die Bits, die dem Wasserzeichenbit vorhergehen, die zur Modifikation betrachtet werden, werden als "Vorgriff'-Bits bezeichnet.
Der Modifikationsprozess wird unter Ansteuerung der Modifikationsschaltung 2 durchgeführt. Die Schaltungsanordnung kann in Software oder in Hardware implementiert werden, je nach praktischen Aspekten, wie Geschwindigkeit und Hardware-Komplexität. 5 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung. Es wird vorausgesetzt, dass das Eingangssignal x auf einem (in 1 nicht dargestellten) Speichermedium gespeichert wird und dass jedes 100. Bit des codierten Signals y durch ein Wasserzeichenbit w ersetzt werden soll. Dazu wird das Eingangssignal x in Segmente aufgeteilt, die je 100 Eingangsabtastwerte x₀...x₉₉ enthalten. Für jedes Seg ment umfasst das Ausgangssignal z 100 Bits z₀...z₉₉, wobei z₀..z₂ die drei Vorgriffbits sind und z₃ das Wasserzeichenbit ist.
In einem Schritt 50 wird einer 3-Bit binärcodierten Zahl c ein Ausgangswert Null gegeben. Die Zahl c stellt eine aktuelle Kombination der drei Vorgriffbits dar. In einem Schritt 51 werden die drei Bits von c den Werten z₀..z₂ zugeordnet. Das bedeutet, z₁ wird auf "+1" gesetzt, wenn das entsprechende Bit von c gleich "1" ist und z; wird auf "–1" gesetzt, wenn das entsprechende Bit von c gleich "0" ist. Auch in dem Schritt 51 wird das zu integrierende aktuelle Wasserzeichenbit w auf gleiche Weise dem Wert z₃ zugeordnet. In einer Subroutine 52 wird der Delta-Modulationsprozess auf eine bestimmte Anzahl Eingangsabtastwerte angewandt, sagen wir x₀..x₂₀, um das Verhalten der Schleife für die vorzugeordnete Werte von z₀..z₃ zu beobachten. Die entsprechende Ausgangsbitsequenz z₀..z₂₀ wird in einem (in 1 nicht dargestellten) Pufferspeicher gespeichert. In einem Schritt 53 wird die Codierqualität Q(c) des Delta-Modulationsprozesses für die aktuelle Kombination c von Vorgriffbits bestimmt und in dem Pufferspeicher gespeichert. In diesem Beispiel wird die Codierqualität durch den statischen Gesamtfehler (MSE) zwischen dem Eingangssignal und dem Prädiktionssignal dargestellt:
Die Zahl c wird danach um Eins inkrementiert (Schritt 54) zum Erzeugen einer neuen Kombination von Vorgriffbits z₀..z₂ und zum Berechnen des entsprechenden Wertes von MSE(c). Solange nicht alle Kombinationen verarbeitet worden sind (Schritt 55) wird die Deltamodulation der Sequenz x₀..x₂₀ wiederholt. Offenbar (und deswegen in der Figur nicht dargestellt) werden jeweils dieselben Ausgangsintegratorsignale verwendet. Wenn alle Kombinationen verarbeitet worden sind, wird die maximale Codierqualität Q(c) in einem Schritt 56 ermittelt. Dazu wird die Zahl c, für die MSE(c) minimal ist, in einem Pufferspeicher nachgeschlagen. In einem Schritt 57 wird die codierte Sequenz z₀..z₂₀ entsprechend dem genannten minimalen MSE aus dem Pufferspeicher ausgelesen und dem Ausgangsanschluss des Codierers zugeführt. Danach wird in einer Subroutine 58 der Rest x₂₁..x₉₉ des Segmentes mit Eingangsabtastwerten codiert und, in einem Schritt 59, dem Ausgang des Codierers zugeführt. Nachdem auf diese An und Weise ein Segment mit 100 Eingangsabtastwerten codiert worden ist, kehrt die Anordnung zu dem Schritt 50 zurück zum Verarbeiten des nächsten Segmentes.
Es dürfte einleuchten, dass eine Anzahl Parameterwerte in dem oben beschriebenen Codierungsprozess, wie die Länge eines Segmentes (hier 100), die Anzahl Vorgriffbits (hier 3), und die Anzahl Ausgangsbits, die bewertet werden (hier 20) nur als Beispiel gegeben wurden. Es sei ebenfalls bemerkt, dass die Codierqualität durch andere Parameter ausgedrückt wird, beispielsweise durch die größte Differenz zwischen einem Eingangsabtastwert x_n und der entsprechenden Prädiktion x ^.
Ein Sigma-Delta Modulator nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Sigma-Delta Modulation ist gemeint für Aufzeichnung von Audio hoher Qualität auf der Audio-Version der "Digital Versatile Disc" (DVD-Audio). Der Unterschied mit Delta Modulation liegt darin, dass das Eingangssignal x gefiltert wird, und zwar vor der Codierung, durch dasselbe Filter wie das Filter in der Prädiktionsschleife eines Deltamodulators. Die Filter in der Eingangsstrecke und in der Rückkopplungsstrecke werden danach durch ein einziges Filter in der Vorwärtsstrecke der Codierschleife ersetzt.
Eine Anordnung zum Integrieren zusätzlicher Daten in einem Sigma-Delta modulierten Signal nach der vorliegenden Erfindung ist in 6 dargestellt. Die Anordnung umfasst einen herkömmlichen Sigma-Delta Modulator 6, der einen Subtrahierer 61, ein Schleifenfilter 62, einen Polaritätsdetektor 63 und eine Rückkopplungsschleife 64 enthält. Der Subtrahierer 61 subtrahiert das codierte Ausgangssignal z (mit dem Wert "+1" oder "–1") von dem Eingangssignal x. Das Differenzsignal d wird von dem Filter 62 gefiltert. Das gefilterte Signal f wird dem Polaritätsdetektor 63 zugeführt, der mit einer Rate, die durch eine (nicht dargestellte) Abtastfrequenz f_s bestimmt wird, ein Ausgangsbit "+1" für f ≥ 0 erzeugt und ein Ausgangsbit "–1" für f < 0 erzeugt. Die gleiche Modifikationsschaltung 2, die auch in 1 dargestellt ist, ist zwischen dem Polaritätsdetektor 63 und der Rückkopplungsschleife 64 vorgesehen. In Reaktion auf das Selektionssignal s ersetzt die Schaltungsanordnung 2 ein Bit des codierten Signals y durch ein Wasserzeichenbit w, das in dem Register 3 gespeichert wird.
In praktischen Sigma-Delta Modulatoren werden mehrere Ausführungsformen des Schleifenfilters 62 verwendet. In dieser Beschreibung wird als Beispiel ein Filter dritter Ordnung verwendet. Der Vollständigkeit halber ist es in 7 dargestellt. Das Filter umfasst drei Integratoren, die in Kaskade geschaltet sind. Die drei Ausgangssignals des Integrators sind durch a, b bzw. c bezeichnet. Das Ausgangssignal f des Filters ist eine gewichtete Kombination der Integratorsignale. In der Figur ist eine durch # vorhergegangene ganze Zahl für jeden Integrator dargestellt. Die genannte ganze Zahl bezeichnet den maximalen Wert, den der betreffende Integrator halten kann. Signalabtastwerte, die den Maximalwert üb ersteigen, werden beschnitten. Wie es nachher einleuchten dürfte, ist Beschneidung relevant für Ausführungsformen des Sigma-Delta Modulators.
8 zeigt Wellenformen zur Erläuterung der Wirkung der Anordnung, wenn die Modifikationsschaltung 2 nicht aktiv ist. Insbesondere zeigt die Figur das Eingangssignal x, das codierte Signal z, das Differenzsignal d, und das gefilterte Signal f. Die drei Ausgangssignale a, b und c des Integrators sind ebenfalls dargestellt. Der Mittelwert des Ausgangssignals des Sigma-Delta Modulators stellt den Eingangspegel dar. In diesem Beispiel ist das Eingangssignal x ein 0,5 V DC-Pegel, der als ein Bitstrom mit (im Schnitt) drei "+1" Bits und einem "–1" Bit codiert ist, und zwar entsprechend:
9 zeigt Wellenformen zur Erläuterung des Effektes der Integration eines Wasserzeichenbits 90 in dem codierten Ausgangssignal z. Die gleichen Signale wie in 8 sind dargestellt. Ein Vergleich der beiden Figuren zeigt, dass das Wasserzeichenbit längere Läufe derselben Bitwerte in das codierte Signal z einführt, was eine Anzeige einer Zunahme des Quantisierungsrauschens ist. Das Wasserzeichen sorgt ebenfalls dafür, dass in den Integratoren große Signalamplituden auftreten, insbesondere in dem Ausgangssignal c des dritten Integrators. Offenbar gilt dies nur, wenn das Wasserzeichenbit und das "normale" Ausgangsbit einen entgegengesetzten Wert haben.
Die 10A–10D zeigen das codierte Signal z und das Ausgangssignal c des dritten Integrators unter mehreren Bedingungen. Die in den 10A und 10B dargestellten Wellenformen sind die gleichen wie die bereits in den 8 und 9 dargestellten entsprechenden Wellenformen, d. h. ohne bzw. mit dem Wasserzeichenbit 90. 10C zeigt den Effekt der Einstellung von Vorgriffbits 91 und 92 auf "+1" bzw. "–1". Durch einen Vergleich mit der 10B ist ersichtlich, dass die Amplitude des Ausgangssignals des dritten Integrators reduziert ist und die Länge von aufeinander folgenden Einsen in dem codierten Signal verkürzt ist. Auf entsprechende Weise wird der Quantisierungsfehler reduziert. 10D zeigt, dass die Leistung des Sigma-Delte Modulators noch weiter verbessert wird durch eine andere Einstellung der Vorgriffbits, und zwar dadurch, dass die beiden Vorgriffbits 91 und 92 auf "+1" gesetzt werden.
Der Algorithmus der Bestimmung, welche Kombination von Vorgriffbits die beste Codierqualität ergibt, kann derselbe sein wie derjenige, der bereits für Delta Modulatoren anhand der 5 beschrieben worden ist. Das heißt, dass die Qualität Q(c) der Codierung einer bestimmten Sequenz von Eingangsabtastwerten (beispielsweise x₀..x₂₀) für mehrere Kombinationen c von Vorgriffbits (beispielsweise z₀..z₂) bestimmt wird. Die Ausgangssequenz entsprechend der höchsten Codierqualität Q wird danach selektiert. Weil das decodierte Signal in dem Sigma-Delta Modulator nicht verfügbar ist, ist der statische Gesamtfehler ein weniger interessantes Kriterium für Codierqualität. Es hat sich herausgestellt, dass die nachfolgenden Parameter sehr geeignet sind um die Codierqualität Q darzustellen. Sie haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie auf einfache An und Weise berechnet werden können.

– Der längste Lauf aufeinander folgender gleicher Werte in der Sequenz z₀..z₂₀. Die genannten längsten Läufe sind in den 10B–10D durch R bezeichnet. Die Sequenz mit der "kürzesten längsten" Lauf wird danach selektiert. Offenbar ist die Sequenz, für die R = 4 ist (10D) die beste Wahl in dem vorliegenden Beispiel.
– Die Spitzenamplitude, die in einem bestimmten Integrator auftritt. Die Spitzenamplitude in dem dritten Integrator ist in 10B–10D durch V bezeichnet. Die Sequenz mit der niedrigsten Amplitude wird danach selektiert. Auch hier stellt es sich wieder heraus, dass die in 10D dargestellte Sequenz die beste Wahl ist. Es hat sich herausgestellt, dass der dritte Integrator sehr geeignet ist, sogar wenn ein Filter höherer Ordnung (> 3) verwendet wird.
– Die mittlere Abweichung der Signalwerte in einem bestimmten Integrator.

Ein weiteres Kriterium zum Selektieren einer Kombination von Vorgriffbits kann das Vorhandensein (oder das Fehlen) von Überlauf in einem bestimmten Integrator. Weil Sigma-Delta Modulatoren sehr empfindlich sind für Eingangssignalpegel (dies im Gegensatz zu Deltamodulatoren, die empfindlich sind für Eingangssignalneigungen), kann Überlauf auf einfache Weise in Reaktion auf Integration eines Wasserzeichenbits auftreten. Wie bereits anhand der 7 erwähnt, werden die Integratoren durch einen Beschneidemechanismus vor Überlauf geschützt, der das Ausgangssignal jedes Integrators auf einem maximalen Wert hält.
Die 11A–11C zeigen das codierte Signal z und das Ausgangssignal c des dritten Integrators unter Beschneideumständen. Auch hier ist das Eingangssignal wieder 0,5 V DC. Als Referenz zeigt 11A die Signale ohne Wasserzeichen. In 11B ist in dem codierten Signal ein Wasserzeichenbit 95 integriert. Die Position weicht einigermaßen ab von der Position des Wasserzeichenbits 90 in den vorhergehenden Beispielen ab. Das Bezugszeichen 96 bezeichnet das Beschneiden des dritten Integrators durch Integration des Wasserzeichenbits 90. In einer Ausführungsform der Modifikationsschaltung werden verschiedene Kombinationen von Vorgriffbits getestet, bis eine Kombination gefunden worden ist, in der Beschneidung nicht länger auftritt. Ein Beispiel davon ist in 11B dargestellt, worin der Effekt der Einstellung des Vorgriffbits 97 auf "+1" gezeigt wird.
Zusammenfassend: es wird ein Verfahren und eine Anordnung zum Anbringen eines Wasserzeichens in einem Audio- oder Videosignal beschrieben. Das Signal wird von einem Codierer codiert, der eine Rückkopplungsschleife umfasst zur Steuerung des Codierungsprozesses, wie ein DPCM-Codierer oder ein (Sigma) Deltamodulator. Das Wasserzeichen wird durch Midifikation selektierter Abtastwerte des codierten Signals integriert. Die genannte Modifikation wird durchgeführt, bevor das codierte Signal zurückgekoppelt wird, so dass Quantisierungsfehler, die durch das integrierte Wasserzeichen eingeführt werden, durch nachfolgende Codiervorgänge eliminiert werden. Außerdem werden ein oder mehrere Abtastwerte, die dem selektierten Abtastwert vorhergehen, ebenfalls modifiziert, und zwar derart, dass der durch das Wasserzeichen induzierte Fehler weiterhin reduziert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass "vorgegriffen" wird, welche vorhergehenden Modifikationen von Abtastwerten (oder welche Kombination derselben) die beste Codierqualität ergeben.

Claims

Verfahren zum Integrieren zusätzlicher Daten in einem Signal (x), wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: a) das Codieren (52) des Signals entsprechend einem Codierungsprozess, der den Verfahrensschritt der Rückkopplung (14) des codierten Signals (y) umfasst, und zwar zum Bilden eines prädiktiven Codierungsprozesses; und b) das Modifizieren (51) wenigstens eines selektierten Abtastwertes (21) des codierten Signals um die genannten zusätzlichen Daten darzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt der Modifikation des selektierten Abtastwertes vor der genannten Rückkopplung des codierten Signals durchgeführt wird und das Modifizieren (54) wenigstens eines weiteren Abtastwertes (22) des codierten Signals umfasst, das dem selektierten Abtastwert vorhergeht, wenn es sich herausstellt, dass die genannte weitere Abtastwertmodifikation die Qualität (Q(c)) des genannten Codierungsprozesses dadurch verbessert, dass eine Störung des Codierungsprozesses, verursacht durch die Modifikation des selektierten Abtastwertes, reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verfahrensschritt der weiteren Modifikation nacheinander das Codieren eines Segmentes des Signals mit verschiedenen Kombinationen weiterer modifizierter Abtastwerte (90, 91, 92) umfasst, bis eine Kombination entsprechend einer höheren Codierungsqualität gefunden worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verfahrensschritt der weiteren Modifikation nacheinander das Codieren eines Segmentes des Signals mit verschiedenen Kombinationen weiterer modifizierter Abtastwerte (90, 91, 92), das Ermitteln der Codierungsqualität für jede Kombination, und das Selektieren der Kombination entsprechend der höchsten Codierungsqualität umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Verfahrensschritt der Decodierung des codierten Signals und der Ermittlung des Betrags an Quantisierungsfehlern zwischen dem decodierten Signal und dem Eingangssignal umfasst, wobei die Codierungsqualität durch den genannten Betrag an Quantisierungsfehlern dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Codierung eine Ein-Bit-Codierung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Codierung Sigma-Delta Modulation ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Codierungsqualität durch den längsten Lauf aufeinander folgender Werte des codierten Signals mit integrierten zusätzlichen Daten dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Codierungsqualität durch die Spitzezu-Spitze-Amplitude dargestellt wird, die in einer selektierten Stufe eines Schleifenfilters in dem Sigma-Delta Modulator auftritt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Codierungsqualität durch die Hauptabweichung der Amplituden in einer selektierten Stufe eines Schleifenfilters in dem Sigma-Delta Modulator dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Codierungsqualität durch das Auftreten eines maximalen Amplitudenwertes in einer selektierten Stufe eines Schleifenfilters in dem Sigma-Delta Modulator dargestellt wird.
Anordnung zum Integrieren zusätzlicher Daten in einem Signal (x), wobei diese Anordnung die nachfolgenden Elemente umfasst: a) einen Codierer (1) zum Codieren des Signals mit einer Rückkopplungsschleife (14) zum Rückkoppeln des codierten Signals (y) zum Bilden eines prädiktiven Codierungsprozesses; und b) Mittel (2) zum Modifizieren wenigstens eines selektierten Abtastwertes (21) des codier ten Signals um die genannten zusätzlichen Daten darzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsschleife vorgesehen ist zum Rückkoppeln des modifizierten codierten Signals (z), wobei die Modifikationsmittel dazu vorgesehen sind, wenigstens einen weiteren Abtastwert (22) desjenigen codierten Signals zu modifizieren, das dem selektierten Abtastwert vorhergeht, wenn es sich herausgestellt hat, dass die genannte weitere Abtastmodifikation die Qualität (Q(c)) des genannten Codierungsprozesses dadurch verbessert, dass eine Störung des Codierungsprozesses, verursacht durch die Modifikation des selektierten Abtastwertes, reduziert wird.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei der Codierer ein Ein-Bit-Codierer ist.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei der Codierer ein Sigma-Delta Modulator ist.
Signal (z) mit integrierten zusätzlichen Daten, erzeugt nach den Verfahrensschritten nach Anspruch 1.
Speichermittel, auf dem ein Signal nach Anspruch 14 gespeichert ist.