ES2710518T3 - Procedimiento y aparato para integrar y extraer datos de marcas de agua en una señal de audio - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para integrar datos (2) de marca de agua en una señal (1) de audio, caracterizado porque el procedimiento comprende: - calcular una primera pluralidad de coeficientes (11) de transformada de Fourier de la señal (1) de audio; - generar un audio (5) con marca de agua reemplazando la primera pluralidad de coeficientes (11) con una segunda pluralidad de coeficientes (12, 13), codificando la segunda pluralidad de coeficientes (12, 13) los datos (2) de marca de agua después de una codificación en la cual: - un primer valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen un primer valor de coeficiente (ma) y un segundo grupo de coeficientes que tienen un segundo valor de coeficiente (mb); - un segundo valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen el segundo valor de coeficiente (mb) y el segundo grupo de coeficientes que tienen el primer valor de coeficiente (ma); - transmitir el audio (5) con marca de agua a un convertidor de señal digital a analógico.
Description
DESCRIPCION
Procedimiento y aparato para integrar y extraer datos de marcas de agua en una senal de audio
Campo de la invencion
La presente invencion tiene su aplicacion dentro del sector de las telecomunicaciones y, en particular, en la zona dedicada a la integracion y extraccion de datos en senales de audio.
Antecedentes de la invencion -tecnica relacionada
Una marca de agua digital consiste en la integracion de datos ocultos (conocidos como marca de agua) en un objeto digital, tal como audio, video, imagenes y texto. Esta tecnica permite transmitir informacion relacionada con el contenido complementario de una manera que es imperceptible para el usuario del objeto digital, y se puede aplicar a una amplia variedad de aplicaciones, tal como monitorizacion de transmision, identificacion del propietario, prueba de propiedad, seguimiento de transacciones, autentificacion de contenido (con o sin localizacion de manipulacion), control de copia, control de dispositivos y mejoras heredadas.
Para implementar un procedimiento de marca de agua digital, se requieren tanto un sistema de integracion como un sistema de extraccion. El sistema de integracion se implementa en el extremo de transmision, y utiliza el contenido digital y la marca de agua como entradas para generar el contenido de la marca de agua, es decir, un archivo digital modificado con la marca de agua integrada. El sistema de extraccion se implementa en la recepcion, y es responsable de recibir el contenido con marca de agua y extraer la marca de agua integrada. Una clave de marca de agua comun puede ser utilizada por ambos extremos para proteger la marca de agua. Ademas, el encriptado y las claves de encriptado se pueden utilizar para aumentar la seguridad de la marca de agua integrada.
En el caso particular de la marca de agua de audio, los datos de marca de agua se integran en el contenido de audio de un archivo digital de audio o video, utilizando el tiempo o los dominios de frecuencia para la integracion de datos. En la marca de agua de audio en el dominio de la frecuencia, una senal de audio original experimenta una transformada de frecuencia, tal como una Transformada Discreta de Fourier (DFT), una Transformada Discreta de Coseno Discreta Modificada (MDCT) o una Transformada de Ondfcula (WT). Los bits de la marca de agua se integran al reemplazar una pluralidad de los coeficientes de transformacion resultantes con coeficientes modificados que codifican dichos bits. Una de las alternativas para las marcas de agua de audio en el dominio de la frecuencia es codificar la marca de agua en los coeficientes de una Transformada Rapida de Fourier (FFT), como se muestra en "High capacity FFT-based audio watermarking" (M. Fallahpour y D. Megfas, Eds. B. de Decker et al., Communications and Multimedia Security, Lecture Notes in computer Science Volumen 7025, paginas 235-237, 2011). Este enfoque aprovecha la propiedad invariante de la traduccion de los coeficientes de FFT para resistir pequenas distorsiones en el dominio del tiempo. Por lo tanto, proporciona un alto grado de robustez contra el procesamiento de senales comunes, tal como el ruido, el filtrado y la compresion, a la vez que permite una alta capacidad sin una gran distorsion perceptiva. Sin embargo, estas tecnicas estan dirigidas a sistemas completamente digitales en los que el audio con marca de agua se transmite digitalmente al extremo receptor a traves de una red de comunicacion sin grandes distorsiones. Por lo tanto, la marca de agua no se puede transmitir a un dispositivo cercano que se encuentre cerca de una fuente que reproduzca el contenido de audio con marca de agua, pero no tiene acceso al archivo digital de audio con marca de agua original. En este escenario, el espectro del audio con marca de agua se puede distorsionar y cambiar, lo que dificulta la decodificacion de los datos integrados. Ademas, como el extremo receptor no recibe notificacion del inicio de un archivo particular dentro de una transmision de audio continua, un sistema de extraccion de marca de agua convencional no es capaz de determinar cuando se esta transmitiendo una marca de agua.
Las limitaciones antes mencionadas tambien estan presentes, por ejemplo, en los siguientes sistemas conocidos en el estado de la tecnica. El documento US 2012/300971 A1 divulga un sistema en el que la marca de agua esta segmentada e integrada en multiples canales de audio y video. El documento WO 2013/0179666 A1 proporciona un enfoque que minimiza la distorsion del oyente al integrar solo datos en algunas secciones particulares de la senal de audio. El documento US 2004/0257977 A1 tambien apunta a minimizar la distorsion del oyente al integrar datos de marcas de agua en posiciones seleccionadas de una senal de audio. En la proximidad de las posiciones seleccionadas, la integracion de datos se realiza mediante la multiplicacion de los coeficientes discretos de la Transformada de Fourier de la senal de audio con valores que codifican la marca de agua. En Fallahpour, M. y Megias Jiminez, D. "High capacity robust audio watermarking scheme based on FFT and linear regression" Int. Journal on Innovative Computing Information and Control, vol. 8 Numero 4 (2012), los datos de marca de agua se integran al aumentar o disminuir los valores de regresion lineal de los coeficientes de frecuencia originales. El documento EP 2562749 divulga un sistema que clasifica el archivo de audio en bloques o secciones segun si son susceptibles de tener una marca de agua. Sin embargo, todos estos sistemas de extraccion de marcas de agua operan directamente en la senal de audio digital despues de ser transmitidos a traves de una red de comunicacion digital sin distorsiones importantes, y por lo tanto no pueden aplicarse a un escenario en el que un archivo de audio con marca de agua se transmite a traves de ondas de sonido.
Por lo tanto, todos los enfoques conocidos en el estado de la tecnica no proporcionan una solucion robusta y eficiente de marca de agua para entornos en los que la senal de audio se transmite por medio de ondas de sonido a traves de un medio con interferencias o degradaciones de senal. Sus tecnicas de integracion y extraccion tampoco estan adaptadas a dispositivos ligeros con capacidades de procesamiento limitadas. Por lo tanto, existe la necesidad de un procedimiento y un aparato capaces de integrar y extraer datos de marcas de agua en una senal de audio, donde la extraccion se realiza despues de que la senal de audio se transmita a traves del aire como ondas de sonido y sea capturada por un dispositivo de usuario, con la consiguiente degradacion de la senal.
Sumario de la invencion
La presente invencion resuelve los problemas antes mencionados mediante la divulgacion de una tecnica de marca de agua de audio en el dominio de la frecuencia en la que los datos de marca de agua estan codificados en una pluralidad de coeficientes de transformada de Fourier. Despues de integrar los datos de la marca de agua, el audio resultante de la marca de agua se transmite a un convertidor de analogico a digital, para que el audio de la marca de agua se convierta a un dominio analogico para su transmision a traves de ondas de sonido, por ejemplo, en una transmision de radio. Los datos de la marca de agua se extraen despues de convertir nuevamente el audio con la marca de agua al dominio digital en el extremo receptor. El sistema aprovecha la robustez de la codificacion de la marca de agua en los coeficientes de la transformada de Fourier para superar la degradacion de la senal causada durante la reproduccion, propagacion y recepcion del audio.
En un primer aspecto de la presente invencion, se divulga un procedimiento para integrar los datos de marca de agua en una senal de audio. Los datos de marca de agua pueden ser cualquier tipo de datos que se transmitan dentro de la senal de audio sin alterar en gran medida la percepcion de dicha senal de audio por parte de un oyente. Ademas, la senal de audio se puede transmitir por sf misma, por ejemplo, en una emision de radio o en un mensaje reproducido por un dispositivo particular, o como parte de un contenido audiovisual o multimedia, tal como una emision de television. De acuerdo con el procedimiento descrito, una primera pluralidad de coeficientes de transformada de Fourier se calcula y se reemplazan por una segunda pluralidad de coeficientes de transformada de Fourier, siendo los datos de marca de agua codificados en dicha segunda pluralidad de coeficientes de transformada de Fourier. Esta alteracion en el dominio de la frecuencia da como resultado un audio con marca de agua que luego se transmite a un convertidor digital a analogico para su posterior reproduccion y captura. La captura se realiza normalmente mediante un microfono de un dispositivo de usuario portatil.
- Una codificacion de bits en la que los coeficientes utilizados para integrar cada bit de los datos de marca de agua se dividen en dos grupos, generalmente con el mismo numero de elementos. Para un primer valor de bit (por ejemplo, '0'), se asignan dos valores de coeficiente diferentes a cada grupo. Para un segundo valor de bit ('1' en el mismo ejemplo), los valores de coeficiente para cada grupo se intercambian. Mas preferiblemente, los valores de coeficiente utilizados en la codificacion de bits son proporcionales a la media de la primera pluralidad de coeficientes de la senal de audio que se reemplaza, minimizando asf la distorsion para el oyente y asegurando un nivel apropiado para la segunda pluralidad de coeficientes.
Para aumentar la robustez del procedimiento de integracion, se presentan varias opciones preferidas:
- Inclusion de una senal de baliza para permitir que el extremo receptor identifique el comienzo de una transmision de datos de marca de agua. La senal de baliza se codifica agregando a la senal de audio no marcada un pico de frecuencia centrado en una frecuencia predefinida. Este enfoque permite la deteccion rapida de la senal de baliza y, por lo tanto, permite la extraccion de marcas de agua en un escenario en el que el inicio de un archivo de datos particular no esta claramente marcado, tal como una transmision de radio o television.
- Inclusion de un patron periodico para la sincronizacion de frecuencia. Esto permite que el extremo receptor supere las distorsiones en la reproduccion de audio que resultan en el cambio del coeficiente de transformada de Fourier.
- Implementacion de tecnicas de redundancia para la correccion de errores. Al repetir la transmision de cada bit de la marca de agua o al transmitir bits adicionales para realizar verificaciones de errores, aumenta la robustez del procedimiento contra las interferencias y el ruido.
En un segundo aspecto de la presente invencion, se describe un procedimiento para la extraccion de los datos de marca de agua insertada a partir de una senal de audio. Los datos de la marca de agua se extraen del audio digitalizado capturado de las ondas de sonido en lugar de un archivo digital transmitido al dispositivo que realiza la extraccion. Despues de la digitalizacion del audio capturado, se computan una pluralidad de coeficientes de Transformada de Fourier, tfpicamente a traves de la Transformada Rapida de Fourier. Los datos de la marca de agua se decodifican a partir de los coeficientes calculados.
- La decodificacion de los datos de la marca de agua segun una codificacion de bits en la que los coeficientes de la transformada de Fourier que comprenden cada bit de los datos de la marca de agua se dividen en dos grupos, generalmente con el mismo numero de elementos. El mismo valor de coeficiente se asigna a todos los coeficientes del mismo grupo, siendo los valores de coeficiente de los dos grupos dispares. Para codificar los dos
valores binarios, los valores de los coeficientes asignados a cada grupo se intercambian. Mas preferiblemente, para realizar una decodificacion rapida de los datos de marca de agua, se comparan la suma del primer grupo de coeficientes y la suma del segundo grupo de coeficientes. Dependiendo de cual de las dos sumas es mayor, se asigna un valor de '0' o '1'.
Como en el procedimiento de integracion de marca de agua, se describen varias opciones preferidas para aumentar la robustez y eficiencia del procedimiento de extraccion de marca de agua:
- Deteccion de una senal de baliza que marca el punto de inicio de una transmision de datos de marca de agua. La senal de baliza se detecta como un pico en una frecuencia predefinida, tfpicamente en el mismo rango que las frecuencias utilizadas para integrar la marca de agua. Sin embargo, las frecuencias fuera de este rango se pueden usar en realizaciones particulares de la invencion. En particular, la senal de baliza se detecta comparando los valores de los coeficientes de la transformada de Fourier cerca de la frecuencia predefinida, y los valores de otros coeficientes de la Transformada de Fourier mas alejados de la frecuencia predefinida.
- Busqueda periodica de un patron de sincronizacion predefinido, tanto en los coeficientes de transformada de Fourier en los que dicho patron de sincronizacion esta integrado como en los coeficientes cercanos. Si el patron se detecta en un grupo de coeficientes diferente al que se espera la integracion de la marca de agua, se detecta un cambio de frecuencia y la seleccion de los coeficientes para la extraccion de la marca de agua se corrige en consecuencia.
- Aplicacion de tecnicas de correccion de errores basadas en la redundancia durante la decodificacion de datos de marcas de agua, generalmente mediante tecnicas de votacion y verificacion de errores.
En un tercer aspecto de la presente invencion, se divulga un aparato para integrar datos de marca de agua en senales de audio. El aparato de integracion de marca de agua comprende medios de integracion para calcular los coeficientes de transformada de Fourier de las senales de audio y reemplazarlos por coeficientes que codifican los datos de marca de agua. El aparato tambien comprende medios de comunicacion adaptados para transmitir el audio con marca de agua a un convertidor digital a analogico, donde el audio con marca de agua se convierte al dominio analogico para su reproduccion y posterior captura.
En un cuarto aspecto de la presente invencion, se divulga un aparato para la extraccion de datos de marca de agua a partir de una senal de audio con marca de agua, donde el audio con marca de agua es una digitalizacion de una senal analogica. El aparato de extraccion de marca de agua comprende medios de extraccion adaptados para calcular una pluralidad de coeficientes de transformada de Fourier en los que estan integrados los datos de marca de agua, y para decodificar los datos de marca de agua a partir de dichos coeficientes.
Opciones preferidas y realizaciones particulares descritas para el procedimiento de integracion tambien puede aplicarse al aparato de integracion. Del mismo modo, las opciones preferidas y las realizaciones particulares descritas para el procedimiento de extraccion de marca de agua pueden aplicarse al aparato de extraccion de marca de agua.
Finalmente, en un quinto aspecto de la presente invencion, se divulga un programa de ordenador, que comprende codigo de programa de ordenador adaptado para realizar las etapas del procedimiento descrito, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador, un procesador de senal digital, una disposicion de campo de puerta programable, un circuito integrado de aplicacion espedfica, un microprocesador, un microcontrolador o cualquier otra forma de hardware programable.
Los procedimientos, aparato y programa de ordenador de marca de agua de audio descritos pueden operar con audio capturado despues de ser interpretado por un dispositivo diferente, proporcionando una transmision robusta de los datos de marca de agua contra las distorsiones en la senal de audio transmitida. Su baja carga computacional permite la operacion en tiempo real en dispositivos ligeros tales como telefonos celulares, tabletas y otros dispositivos electronicos portatiles. Estas y otras ventajas seran evidentes con la descripcion detallada de la invencion.
Breve descripcion de los dibujos
Para ayudar a la comprension de las caractensticas de la invencion, de acuerdo con una realizacion practica preferida de la misma y para complementar esta descripcion, las siguientes figuras se adjuntan como una parte integral de la misma, que tiene un caracter ilustrativo y no limitativo:
La figura 1 muestra esquematicamente los elementos implicados en el proceso de integracion y extraccion de marca de agua segun una realizacion particular de la invencion.
La figura 2 ilustra la codificacion de la marca de agua segun una realizacion particular de la invencion.
La figura 3 representa un ejemplo de sincronizacion de tiempo y frecuencia de acuerdo con realizaciones particulares de la invencion.
Descripcion detallada de la invencion
Las cuestiones definidas en esta descripcion detallada se proporcionan para ayudar en una comprension completa de la invencion. En consecuencia, los expertos en la tecnica reconoceran que cambios de variacion y modificaciones de las realizaciones descritas en este documento pueden realizarse sin apartarse del alcance de la invencion.
Debe indicarse que, en este texto, el termino "comprende" y sus derivaciones (tales como "comprender", etc.) no debe entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos terminos no deben ser interpretados como que excluyen la posibilidad de que lo que se describe y define pueda incluir elementos, etapas adicionales, etc.
Tambien debe tenerse en cuenta que, en este texto, el termino "marca de agua" y "datos de marca de agua" se refiere a cualquier tipo de informacion que se transmite como parte de la senal de audio sin gran alteracion de la percepcion del oyente de dicha senal de audio. Ademas, las senales de audio en las que se integran los datos de la marca de agua y de donde se extraen los datos de la marca de agua se pueden transmitir solas o acompanadas de cualquier video, imagen, etc.
La figura 1 muestra los elementos principales implicados en el proceso de integracion y extraccion de la marca de agua segun las realizaciones preferidas del aparato de la invencion, que implementan las etapas de las realizaciones preferidas de los procedimientos de la invencion. El aparato de integracion utiliza como entradas una senal 1 de audio no marcada, es decir, cualquier senal o archivo de audio digital antes de que se someta al proceso de integracion; y una marca 2 de agua, es decir, cualquier dato susceptible de ser integrado en el audio 1 no marcado sin distorsionar en gran medida la percepcion del oyente de dicho audio 1 no marcado. La marca 2 de agua esta integrada en el audio 1 no marcado integrando medios 3, generando un audio 5 con marca de agua. Los medios de integracion utilizan una clave 5 de marca de agua para fijar la posicion exacta y la fuerza de la marca 2 de agua. Ademas, las claves de encriptado y desencriptado se pueden utilizar para proteger aun mas la marca 2 de agua antes de la integracion. La marca 2 de agua esta codificada en coeficientes de transformada de Fourier del audio 5 con marca de agua, siendo los coeficientes tfpicamente coeficientes de Transformada Rapida de Fourier (FFT), que proporcionan una mayor robustez contra las distorsiones en el dominio de tiempo. Sin embargo, otras transformaciones al dominio de frecuencia conocidas en el estado de la tecnica se pueden aplicar en realizaciones particulares de la invencion.
En este escenario de aplicacion particular, el audio 5 con marca de agua se transmite por medio de comunicacion a una red 6 de difusion, tal como una red de difusion de radio y se reproduce en un reproductor 7. Sin embargo, la invencion se puede aplicar a cualquier otro escenario en el que el audio con marca de agua se convierta mas tarde en una senal analogica y se reproduzca como una onda de sonido. Por lo tanto, el reproductor 7 puede ser parte del mismo dispositivo que realiza la integracion de marca de agua, o parte de cualquier dispositivo externo comunicado a los medios de integracion por cualquier tipo de conexion de comunicacion o red, ya sea digital o analogica. En el caso de una conexion digital, el audio 5 con marca de agua se convierte al dominio analogico mediante un convertidor digital a analogico comprendido por el reproductor 7. En el caso de una conexion analogica, tal como una transmision de radio analogica, dicha conversion analogica se realiza en un convertidor digital a analogico antes de transmitir o emitir la senal. De acuerdo con realizaciones particulares del aparato de integracion de la invencion, el convertidor digital a analogico puede, por lo tanto, ser parte del aparato de integracion o ser parte de un sistema diferente. Del mismo modo, de acuerdo con realizaciones particulares del procedimiento de integracion de la invencion, la conversion al dominio analogico puede ser parte del procedimiento de integracion o ser realizada por un sistema diferente.
En el extremo receptor, el audio con marca de agua transmitida 5 es capturado por un microfono 9 de un dispositivo de usuario 8, o por cualquier medio de adquisicion de sonido alternativo. Despues de ser digitalizado por el dispositivo 8 de usuario, el audio 5 con marca de agua se analiza mediante los medios 10 de extraccion, que extraen la marca 2 de agua de los coeficientes FFT de la senal digitalizada. Las mismas claves 4 de marca de agua deben estar a disposicion de los medios 10 de extraccion para la extraccion. Si se utilizo encriptado para codificar la marca 2 de agua, las claves de encriptado tambien seran necesarias para el desencriptado. De acuerdo con realizaciones particulares del aparato de extraccion de la invencion, el convertidor analogico a digital puede ser, por lo tanto, parte del aparato de la invencion, o ser parte de un sistema diferente. Del mismo modo, segun realizaciones particulares del procedimiento de extraccion de la invencion, la conversion al dominio digital puede ser parte del procedimiento de extraccion o ser realizado por un sistema diferente.
Un posible escenario de aplicacion de esta invencion es proporcionar informacion suplementaria (tal como cupones de descuento, regalos u otros productos promocionales) en anuncios emitidos. Esto se puede aplicar tanto a emisiones de radio como de television. Sin embargo, la invencion divulgada se puede usar en cualquier otra aplicacion en la que los datos ocultos esten integrados en una senal de audio, como monitorizacion de transmision, identificacion del propietario, prueba de propiedad, seguimiento de transacciones, autentificacion de contenido, etc. En una realizacion preferida, el dispositivo 8 de usuario es un dispositivo portatil tal como un telefono inteligente, pero cualquier otro dispositivo electronico se puede usar en realizaciones espedficas de la invencion.
La figura 2 presenta con mayor detalle la integracion de marca de agua realizada por los medios 3 de integracion. En particular, la integracion de marca de agua comienza al calcular la FFT de la senal 1 de audio no marcada, a partir
de la cual se selecciona una primera pluralidad de coeficientes 11 de transformada de Fourier para ser reemplazados por los datos 2 con marca de agua. Para mayor claridad, nos referiremos a esta primera pluralidad de coeficientes que no se han alterado de la senal 1 de audio no marcada como coeficientes 11 no marcados. Los coeficientes 11 no marcados se reemplazan luego por una segunda pluralidad de coeficientes 12, 13 que codifican los datos 2 de marca de agua. Nos referiremos a esta segunda pluralidad de coeficientes como coeficientes 12, 13 marcados.
Cada bit de los datos 2 de marca de agua (o una pluralidad de bits en funcion de la codificacion particular usada por el sistema de integracion), esta integrado en una trama de coeficientes de FFT consecutivos. Por lo tanto, una banda de frecuencia se selecciona para propositos de integracion, conocida como la banda de frecuencia de integracion. La banda de frecuencia integracion comprende tipicamente una pluralidad de tramas, utilizandose cada trama de d coeficientes FFT consecutivos para integrar un bit de la marca 2 de agua. Cuanto mas grande es d, mas robusto se vuelve el sistema, pero se logra menos capacidad. Realizaciones particulares de la invencion pueden codificar multiples bits en una sola trama.
En particular, la figura 2 representa una codificacion preferida para los datos 2 de marca de agua, que muestra la diferencia entre los coeficientes marcados para un bit '0' 12 y marcado coeficientes para un bit '1' 13. Para cada trama de d coeficientes de FFT consecutivos, se calcula la media (mo) de los coeficientes 11 no marcados. Luego, los coeficientes d de la trama se dividen en dos grupos, tfpicamente con el mismo numero de elementos. Para los coeficientes marcados para un bit '0' 12, un primer valor de coeficiente ma se asigna a todos los coeficientes del primer grupo y un segundo valor de coeficiente mb se asigna a todos los coeficientes del segundo grupo. Para los coeficientes marcados para un bit '1' 13, el segundo valor mb se asigna al primer grupo y viceversa. Este enfoque maximiza las diferencias entre los bits '0' y '1' y permite una decodificacion eficiente en el extremo receptor.
Por otra parte, el primer valor ma y segundo valor mb son proporcionales a la media de los coeficientes 11 sin marcar que son reemplazados. Se puede aplicar un primer factor de escala a para regular la intensidad de la marca de agua segun las siguientes ecuaciones:
donde el primer factor de escala a a es un numero positivo entre 0 y 1. Cuanto mayor es a, mas robusto se vuelve el sistema, pero mas distorsion se introduce en el proceso de integracion.
Los coeficientes marcados para una trama codificada con la codificacion descrita se pueden obtener de acuerdo con la siguiente ecuacion:
donde j es el mdice de coeficiente, a es el primer factor de escala, d es el numero de coeficientes FFT de una trama utilizada para codificar un solo bit de los datos de marca de agua, w es el valor del bit que se esta codificando, Fj es el valor del coeficiente no marcado j , Fj es el valor del coeficiente marcado j, y mod indica la funcion residual.
La codificacion de los datos 2 de marca de agua descrita permite una rapido decodificacion de bits eficiente por los medios 10 de extraccion del extremo de recepcion. En particular, cada bit de los datos 2 de marca de agua se decodifica comparando la suma de los coeficientes del primer grupo de coeficientes y la suma de los coeficientes del segundo grupo de coeficientes. En el ejemplo particular que se muestra en la figura 2, si la suma de los primeros coeficientes d/2 de la trama es mayor que la suma de los ultimos coeficientes d/2 de la trama, se extrae un bit '0'. De lo contrario, se extrae un bit '1'. Este proceso de extraccion es robusto y requiere una carga computacional muy baja, lo que permite la operacion en tiempo real en dispositivos 8 de usuario portatiles livianos.
La figura 3 representa la senalizacion de sincronizacion de acuerdo con realizaciones particulares de los procedimientos y aparatos de la invencion. Dado que el extremo de transmision y el extremo de recepcion se comunican a traves de ondas de sonido que pueden sufrir distorsion, se implementa la sincronizacion de frecuencia para corregir posibles cambios de frecuencia en los coeficientes 12, 13 de FFT marcados. Ademas, dado que el punto de inicio de un archivo de audio particular no se comunica al extremo receptor, la sincronizacion de tiempo tambien se implementa para senalar el comienzo de la transmision de una marca 2 de agua. Tanto la sincronizacion de la frecuencia como la del dominio del tiempo se realizan mediante la integracion de una senalizacion particular en el dominio de la frecuencia del audio 5 con marca de agua. La sincronizacion de tiempo se logra precediendo cada transmision de marca de agua con una senal 14 de baliza. La sincronizacion de frecuencia se logra mediante patrones 15 de sincronizacion periodicos.
La senal 14 de baliza se implementa como un pico en el espectro FFT a una frecuencia fsin predefinida para una duracion dada. La frecuencia fan predefinida puede estar en el mismo rango de frecuencia como los coeficientes de FFT usados para integrar los datos 2 de marca de agua, o puede estar en un intervalo de frecuencia diferente conocido tanto por el transmisor como por el extremo receptor. En realizaciones preferidas, la senal de baliza puede implementarse en el dominio de frecuencia mediante el aumento del coeficiente de FFT correspondiente a la frecuencia fsin predefinida. El aumento de dicho coeficiente de FFT es lo suficientemente grande como para asegurar que el valor incrementado sea significativamente mayor que otros coeficientes cercanos. De manera equivalente, la senal de baliza se implementa en el dominio del tiempo en realizaciones preferidas anadiendo a la senal 1 de audio no marcada una funcion sinusoidal que oscila a la frecuencia predefinida fsin. De acuerdo con una realizacion particular, la senal de baliza se implementa en el dominio del tiempo al agregar a la senal de audio sin marcar x(t) la siguiente senal de pico Xpico(t):
donde es un segundo factor de escala entre 0 y 1, tini el tiempo inicial del pico, tfinal es el tiempo final del pico y M es el valor maximo de la senal 1 de audio sin marcar durante la duracion del pico:
Para detectar la senal 14 de baliza en el extremo de recepcion, el aparato de extraccion detecta un pico en el espectro de frecuencia de la marca 5 de agua de audio digitalizada. Para este proposito, se calcula la FFT de la senal digitalizada y se ubica la magnitud maxima de un primer segmento de coeficientes de FFT centrado en la frecuencia predefinida fsin. Luego, se ubica la magnitud maxima de al menos un segundo segmento de coeficientes de FFT que excluyen el primer segmento de coeficientes de FFT. Si la magnitud maxima del primer segmento es mayor que la magnitud maxima del segundo segmento, se considera que existe un pico. Obviamente, se puede utilizar un mayor numero de segmentos para la deteccion de picos. Si el pico esta presente al menos durante una duracion predefinida, se considera que se ha recibido una senal 14 de baliza.
Observese que en diferentes realizaciones dentro del alcance de la invencion segun se reivindica, la senal 14 de baliza se puede implementar como un pico de frecuencia que afecta a uno o varios coeficientes de FFT. Ademas, en el caso de afectar a multiples coeficientes, la magnitud de los coeficientes afectados puede ser constante o variable, siempre que su magnitud global sea claramente distinguible de la senal 1 de audio no marcada.
La sincronizacion de frecuencia se realiza por medio de una transmision periodica y la deteccion del patron 15 de sincronizacion predefinido. El patron 15 de sincronizacion es una pluralidad predefinida de bits codificados en tramas consecutivas de coeficientes 12, 13 marcados. En el extremo de transmision, los medios 3 de integracion codifican el patron de sincronizacion utilizando los mismos coeficientes de FFT utilizados para codificar los datos 2 de marca de agua. Sin embargo, cuando el reproductor 7 reproduce el audio con marca 5 de agua, se propaga como ondas de sonido a traves del aire y se captura con el microfono 9, pueden producirse cambios de frecuencia, por lo que se cambian los coeficientes 12, 13 marcados que integran el patron 15 de sincronizacion y los datos 2 de la marca de agua. Por esta razon, los medios de extraccion buscan el patron 15 de sincronizacion no solo en su posicion estimada, es decir, en los coeficientes 12, 13 marcados donde se integro con los medios 3 de integracion, sino tambien en un rango mas amplio de coeficientes. Si la mejor coincidencia para el patron 15 de sincronizacion se encuentra en coeficientes diferentes a los utilizados para la integracion, el procedimiento de extraccion actualiza la posicion estimada con un desplazamiento definido por los coeficientes asociados con la mejor coincidencia, y utiliza la posicion estimada actualizada para la extraccion de los datos 2 de marca de agua del siguiente bloque 16 de datos. La mejor coincidencia se determina como una pluralidad de coeficientes que, despues de la extraccion de bits, producen el error cuadratico mas pequeno en comparacion con el patron 15 de sincronizacion.
La robustez del sistema frente a las interferencias y distorsiones se incrementa en realizaciones particulares de la invencion mediante la inclusion de tecnicas de redundancia en el proceso de integracion, lo que permite la correccion de errores en el proceso de extraccion. En un ejemplo particular, cada bit de los datos 2 de marca de agua se transmite una pluralidad de veces en diferentes tramas de coeficiente de FFT. En el extremo de recepcion, cada bit se decodifica esa pluralidad de veces, y el valor de bit ('0' o '1') que se decodifica en un numero mayor de instancias se selecciona como el valor de bit decodificado. Cualquier otra tecnica general de conexion de error y redundancia conocida en el estado de la tecnica tambien se puede aplicar a la presente invencion. Tecnicas de criptograffa tambien se pueden implementar en realizaciones particulares de la invencion para seguridad adicional.
Los procedimientos y aparatos descritos proporcionan una gran capacidad, imperceptibilidad y robustez, que puede ajustarse en cada realizacion particular dependiendo de los requerimientos particulares de cada escenario. Las compensaciones entre robustez, capacidad e imperceptibilidad se controlan facilmente seleccionando los parametros de integracion particulares para cada escenario, comprendiendo dichos parametros la integracion de banda de frecuencia, tamano de trama, tamano de bloque de datos y parametros de escala.
En particular, la capacidad se incrementa cuando se utilizan mayores bandas de integracion, es decir, cuando se utiliza un mayor numero de tramas de coeficientes de FFT consecutivas para codificar un mayor numero de bits de datos 2 de marca de agua. Esto se produce a expensas de una mayor distorsion en comparacion con la senal 1 de audio sin marcar. La capacidad tambien aumenta al reducir el tamano de trama d, es decir, el numero de coeficientes FFT utilizados para codificar cada bit de los datos 2 de marca de agua. Esto se produce a expensas de una menor robustez contra la distorsion en la senal capturada. Finalmente, la capacidad tambien se incrementa al aumentar el tamano de los bloques 16 de datos en comparacion con el patron 15 de sincronizacion.
La imperceptibilidad, es decir, la similitud percibida por el oyente entre el audio 1 no marcado y el audio 5 con marca de agua tambien se regula en cada realizacion particular. Disminuir el primer factor de escala a y/o el segundo factor de escala aumenta la imperceptibilidad, a costa de una menor robustez en la extraccion de la senal 14 de baliza y los datos 2 de marca de agua, respectivamente. La imperceptibilidad tambien aumenta cuando se reduce el tamano de la trama d. Si se utilizan menos coeficientes para integrar cada bit, la distorsion introducida por el procedimiento de integracion disminuye. Si se utiliza una banda de integracion mas estrecha, la distorsion introducida por el procedimiento de integracion tambien es menos audible, pero la capacidad se reduce.
Por ultimo, la robustez contra interferencias y reproduccion y la distorsion de la captura se aumenta mediante el uso de bandas de integracion espedficas, mayores factores de escala y tamanos de trama mas largos. Teniendo en cuenta que el audio 5 con marca de agua normalmente es capturado por el microfono 9 de un dispositivo 8 ligero, que generalmente presenta un efecto de paso bajo, la banda de integracion elegida debe seleccionarse por debajo de la frecuencia de corte del microfono 9. La frecuencia de corte de los telefonos moviles suele ser de 6-10 kHz. Por lo tanto, se recomienda una banda de integracion por debajo de 6 kHz.
Claims (13)
1. Procedimiento para integrar datos (2) de marca de agua en una senal (1) de audio, caracterizado porque el procedimiento comprende:
- calcular una primera pluralidad de coeficientes (11) de transformada de Fourier de la senal (1) de audio;
- generar un audio (5) con marca de agua reemplazando la primera pluralidad de coeficientes (11) con una segunda pluralidad de coeficientes (12, 13), codificando la segunda pluralidad de coeficientes (12, 13) los datos (2) de marca de agua despues de una codificacion en la cual:
- un primer valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen un primer valor de coeficiente (ma) y un segundo grupo de coeficientes que tienen un segundo valor de coeficiente (m*);
- un segundo valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen el segundo valor de coeficiente (mb) y el segundo grupo de coeficientes que tienen el primer valor de coeficiente (m8);
- transmitir el audio (5) con marca de agua a un convertidor de senal digital a analogico.
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que el primer valor (m8) y el segundo valor (m8) son proporcionales a la media (mo) de la primera pluralidad de coeficientes (11).
3. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas codificar en el audio (5) con marca de agua una senal (14) de baliza para indicar un punto de inicio de los datos (2) de marca de agua en el audio (5) con marca de agua, codificandose dicha senal (14) de baliza como un pico en una frecuencia predefinida del espectro del audio (5) con marca de agua.
4. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas codificar periodicamente en la segunda pluralidad de coeficientes (12, 13) un patron (15) de sincronizacion.
5. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas codificar en la segunda pluralidad de coeficientes (12, 13) los datos (2) de marca de agua con tecnicas de redundancia.
6. Procedimiento para extraer datos (2) de marca de agua de un audio (5) con marca de agua, estando los datos (2) de marca de agua integrados en una pluralidad de coeficientes (12, 13) de transformada de Fourier modificados del audio (5) con marca de agua, caracterizado porque el audio con marca de agua es una senal analogica digitalizada, y porque el procedimiento comprende:
- calcular una pluralidad de coeficientes (12, 13) de transformada de Fourier modificados del audio (5) con marca de agua digitalizado;
- decodificar los datos (2) de marca de agua a partir de la pluralidad de coeficientes (12, 13) de transformada de Fourier modificados de acuerdo con una codificacion en la que:
- un primer valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen un primer valor de coeficiente (ma) y un segundo grupo de coeficientes que tienen un segundo valor de coeficiente (m*);
- un segundo valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen el segundo valor de coeficiente (mb) y el segundo grupo de coeficientes que tienen el primer valor de coeficiente (ma).
7. Procedimiento segun la reivindicacion 6, en el que los datos (2) de marca de agua se decodifican a partir de la pluralidad de coeficientes (12, 13) modificados de la senal digital convertida comparando una suma del primer grupo de coeficientes y una suma del segundo grupo de coeficientes.
8. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, que comprende ademas detectar en la pluralidad de coeficientes (12, 13) modificados una senal (14) de baliza que indica un punto de inicio de los datos (2) de marca de agua en el audio (5) con marca de agua, detectandose dicha senal (14) de baliza al comparar un primer segmento de coeficientes de transformada de Fourier centrados en una frecuencia predefinida, y al menos un segundo segmento de coeficientes de transformada de Fourier mas alejados de la frecuencia predefinida que el primer segmento de coeficientes.
9. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, que comprende ademas localizar periodicamente un patron (15) de sincronizacion en los coeficientes de transformada de Fourier de la senal (4) con marca de agua, y desplazar la pluralidad de bits modificados utilizados para la extraccion de datos (2) de marca de agua segun la posicion del patron (15) de sincronizacion.
10. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, que comprende ademas decodificar los datos (2) de marca de agua a partir de la pluralidad de coeficientes (12, 13) modificados de acuerdo con tecnicas de redundancia implementadas en dichos coeficientes (12, 13) modificados.
11. Aparato para integrar datos (2) de marca de agua en una senal (1) de audio, caracterizado porque el aparato comprende:
- medios de integracion adaptados para calcular una primera pluralidad de coeficientes (11) de transformada de Fourier de la senal (1) de audio, y para generar un audio (5) con marca de agua reemplazando la primera pluralidad de coeficientes (11) con una segunda pluralidad de coeficientes (12, 13), codificando la segunda pluralidad de coeficientes (12, 13) los datos (2) de marca de agua despues de una codificacion en la que:
- un primer valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen un primer valor de coeficiente (rna) y un segundo grupo de coeficientes que tienen un segundo valor de coeficiente (m*);
- un segundo valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen el segundo valor de coeficiente (mb) y el segundo grupo de coeficientes que tienen el primer valor de coeficiente (m8);
- medios de transmision adaptados para transmitir el audio (5) con marca de agua a un convertidor digital a analogico.
12. Aparato para extraer datos (2) de marca de agua de un audio (5) con marca de agua, estando los datos (2) de marca de agua integrados en una pluralidad de coeficientes (12, 13) de transformada de Fourier modificados del audio (5) con marca de agua, caracterizado porque el audio (5) con marca de agua es una digitalizacion de una senal analogica y porque el aparato comprende medios de extraccion adaptados para calcular la pluralidad de coeficientes (12, 13) modificados de la senal digital convertida y para decodificar los datos (2) de marca de agua de la pluralidad de coeficientes (12, 13) modificados de acuerdo con una codificacion en la que:
- un primer valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen un primer valor de coeficiente (m8) y un segundo grupo de coeficientes que tienen un segundo valor de coeficiente (m*);
- un segundo valor de bit se codifica con un primer grupo de coeficientes que tienen el segundo valor de coeficiente (mb) y el segundo grupo de coeficientes que tienen el primer valor de coeficiente (m8).
13. Un programa de ordenador que comprende medios de codigo de programa de ordenador adaptados para realizar las etapas del procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador, un procesador de senales digitales, una matriz de puertas programables de campo, un circuito integrado de aplicacion espedfica, un microprocesador, un microcontrolador o cualquier otra forma de hardware programable.
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