ITRM20070094A1 - SYSTEM FOR THE MARKING OF AUDIO-VIDEO SIGNALS WITH IDENTIFYING DATA OF CERTAIN ORIGIN - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
A corredo di una domanda di brevetto per l’invenzione industriale dal titolo: In support of a patent application for an industrial invention entitled:
“Sistema per la marcatura di segnali audio-video con dati identificativi di origine certa.” "System for marking audio-video signals with identification data of certain origin."
L’invenzione riguarda un sistema di elaborazione elettronica di segnali sonori ad audiofrequenza che inserisce, per mezzo di un codificatore, messaggi di testo e firme digitali all’ interno di brani musicali e parlati e che, successivamente, è in grado di estrarli e di riconoscerne l’autenticità mediante un decodificatore. Qualora un utente fruisca dell’ invenzione per l audioriproduzione di un brano musicale o parlato, il codificatore vi inserisce in tempo reale, per mezzo di una codifica pseudo random nello spettro dei segnali ad audiofrequenza, un testo “ad hoc” contenente i dati identificativi dell’audizione e la firma digitale dell’utente. The invention relates to an electronic processing system for audio-frequency sound signals which, by means of an encoder, inserts text messages and digital signatures into musical and spoken pieces and which, subsequently, is able to extract them and recognize them. authenticity by means of a decoder. If a user makes use of the invention for the audio reproduction of a piece of music or speech, the encoder inserts in real time, by means of a pseudo-random coding in the spectrum of audio-frequency signals, an "ad hoc" text containing the identification data of the hearing and the user's digital signature.
Le elaborazioni effettuate dal codificatore sui segnali ad audiofrequenza non degradano la qualità dei brani sonori trattati che, peraltro, risultano modificati in modo impercettibile e marcati in modo inalterabile, al fine di identificare con sicurezza l’audizione e l’utente mediante una firma elettronica. Il decodificatore, che è parte integrante ed essenziale dell’invenzione, è in grado di recuperare, anche in condizioni avverse, i messaggi “ad hoc” e le firme digitali, immessi nei brani trattati dal codificatore, intendendo, per condizioni avverse, ogni situazione in cui i brani sonori, elaborati in origine dal codificatore, siano sottoposti a distorsioni, elaborazioni o a qualsiasi tipo di trattamento che ne modifichi le caratteristiche ad audiofrequenza. In virtù della sua attitudine a marcare i brani sonori in modo inalterabile ed impercettibile, l' invenzione è un mezzo per combattere la pirateria multimediale: è nota infatti la problematica della riproduzione illegale di CD musicali, di Video film e di altri tipi di registarzioni. The processing carried out by the encoder on the audio frequency signals does not degrade the quality of the sound passages processed which, moreover, are subtly modified and marked in an unalterable way, in order to identify the audience and the user with confidence by means of an electronic signature. The decoder, which is an integral and essential part of the invention, is able to recover, even in adverse conditions, the "ad hoc" messages and digital signatures, entered in the passages handled by the encoder, meaning, by adverse conditions, every situation in which the sound passages, originally processed by the encoder, are subjected to distortion, processing or any type of treatment that modifies their audio frequency characteristics. By virtue of its ability to mark sound passages in an unalterable and imperceptible way, the invention is a means to combat multimedia piracy: the problem of illegal reproduction of music CDs, video films and other types of recordings is known.
È noto, allo stato della tecnica, qualche metodo di attacco per la rimozione o per l' invalidazione dei trattamenti di codifica nell’ambito dei sistemi audioriproduttori. Sono disponibili, infatti, sul mercato svariate tecniche di attacco di “files audio” registrati in formato digitale su supporti del tipo CD-ROM e altri supporti. Per es. da qualche tempo sono in uso vari sistemi, noti con la denominazione “watermarking”, in grado di inserire, all’interno dei “files audio” multimediali, dei dati ausiliari che non degradano percettibilmente il segnale ospitante, ma non risultano in grado di combattere il plagio. In the state of the art, some attack methods are known for the removal or invalidation of the coding treatments within the audio reproducing systems. In fact, various techniques for attacking "audio files" recorded in digital format on CD-ROM media and other media are available on the market. For example. for some time, various systems have been in use, known as "watermarking", capable of inserting, within the multimedia "audio files", auxiliary data that do not perceptibly degrade the host signal, but are unable to fight plagiarism.
L’invenzione consiste in un dispositivo che, oltre allo scopo suddetto, usa il watermarking in quei casi ove e’ necessario conoscere con certezza l’originatore del supporto multimediale in modo da rendere identificabile chi lo abbia originato e dissuaderne la diffusione illegale. The invention consists of a device that, in addition to the aforementioned purpose, uses watermarking in those cases where it is necessary to know with certainty the originator of the multimedia medium in order to identify who originated it and dissuade its illegal dissemination.
Scopo dell’invenzione è combattere la pirateria relativa alla riproduzione e diffusione abusiva di brani audio e audiovisivi, inclusi quelli relativi ad intercettazioni telefoniche legalmente ordinate dalla Magistratura. The purpose of the invention is to combat piracy relating to the abusive reproduction and dissemination of audio and audiovisual pieces, including those relating to wiretapping legally ordered by the judiciary.
Il vantaggio comportato dall’ invenzione, oltre alla sua originale composizione, è l’elevata resistenza a qualsiasi tipo di attacco operato mediante i metodi noti al fine di cancellare l identificativo dell’ originatore. The advantage of the invention, in addition to its original composition, is the high resistance to any type of attack operated by the known methods in order to cancel the identifier of the originator.
L’invenzione si colloca nel campo tecnico dell’ elettronica, più precisamente in quello dell’elettronica relativa agli audiovisivi e nel campo applicativo della fabbricazione di dispositivi elettronici multimediali. The invention is located in the technical field of electronics, more precisely in that of electronics relating to audiovisuals and in the field of application of the manufacture of multimedia electronic devices.
L’invenzione presentata è essenzialmente costituita da: The invention presented essentially consists of:
- un dispositivo di codifica, che da qui in poi, per comodità verrà chiamato “codificatore”, che inserisce messaggi di testo “ad hoc” nell’ambito della riproduzione di brani sonori, musica o parlato, senza alterarne la percezione uditiva e senza pregiudicarne la qualità; - a coding device, which from here on, for convenience will be called "encoder", which inserts "ad hoc" text messages in the context of the reproduction of sound passages, music or speech, without altering the auditory perception and without prejudice the quality;
- un dispositivo di decodifica, che verrà chiamato “decodificatore”, che estrae i messaggi di testo dalle audio riproduzioni dei brani precedentemente trattati dal sistema di codifica e li trasferisce senza errori al verificatore, affinché possa leggere il contenuto del messaggio estratto ed individuarne le “fonti”. Per verificatore si intende colui il quale utilizzando il decodificatore estrae il messaggio nascosto al fine di risalire alla fonte. Per “fonte” si intende il responsabile della genesi del brano multimediale e la sede in cui è avvenuta la registrazione. - a decoding device, which will be called "decoder", which extracts the text messages from the audio reproductions of the songs previously processed by the encoding system and transfers them without errors to the verifier, so that it can read the contents of the extracted message and identify the " sources ". By verifier we mean the person who, using the decoder, extracts the hidden message in order to trace the source. By "source" we mean the person responsible for the genesis of the multimedia piece and the place where the recording took place.
L’algoritmo di marcatura è tale da rendere incancellabile il messaggio nascosto nel segnale multimediale. Il messaggio nascosto sarà ancora integro nonostante il tentativo di cancellarlo poiché esso è inserito in modo tale che non può essere mascherato o distrutto senza rendere incomprensibile anche l’audio video originale. Questa robustezza si ottiene operando nel campo della frequenza e “spalmando” il messaggio dei dati identificativi in modo ridondante e a correzione d’errore su tutto lo spettro a disposizione. The marking algorithm is such as to make the message hidden in the multimedia signal indelible. The hidden message will still be intact despite the attempt to delete it since it is inserted in such a way that it cannot be masked or destroyed without making even the original video audio incomprehensible. This robustness is obtained by operating in the frequency range and "spreading" the message of identification data in a redundant and error-correcting manner over the entire spectrum available.
A differenza del watermarking generalmente applicato ai segnali musicali, ove è importantissima l’impercettibilità del segnale di marcatura, nel caso dell’invenzione in oggetto è invece più importante l' indelebilità. L’algoritmo di watermarking è tarato in modo da preferire l’indelebilità all’impercettibilità della marcatura. Unlike watermarking generally applied to musical signals, where the imperceptibility of the marking signal is very important, in the case of the invention in question, indelibility is more important. The watermarking algorithm is calibrated in such a way as to prefer the indelibility to the imperceptibility of the marking.
L’invenzione viene di seguito descritta, a scopo illustrativo e non limitativo, secondo una versione attualmente preferita dall’Inventore, facendo riferimento alle seguenti Figure allegate: The invention is described below, for illustrative and non-limiting purposes, according to a version currently preferred by the Inventor, referring to the following attached Figures:
Fig. 1 - Rappresentazione schematica del codificatore; Fig. 1 - Schematic representation of the encoder;
Fig. 2 - Rappresentazione schematica del decodificatore; Fig. 2 - Schematic representation of the decoder;
Fig. 3 — Rappresentazione schematica del sistema. Fig. 3 - Schematic representation of the system.
11 sistema Fig. 3 è essenzialmente costituito da un sistema di codifica Fig. 1 e un sistema di decodifica Fig.2. The Fig. 3 system essentially consists of a Fig. 1 coding system and a Fig.2 decoding system.
Il sistema di codifica è essenzialmente costituito, Fig. 1, da un’unità di cifratura 1 mediante chiave privata di autenticazione K2 del messaggio di testo T1, da un’unità di decifratura 2 del segnale digitale audiovideo S1 mediante chiave di decifratura K1, da un generatore di sequenze 3 basato su una chiave K3 di controllo pseudo random delle sequenze, da un modulatore 4 a spettro esteso, da un analizzatore-estrattore 5 di caratteristiche del segnale audiovideo, da un elaboratore di segnale 6 che effettua un’operazione di trasformazione matematica dal dominio del tempo al dominio della frequenza, da un elaboratore di segnale 7 che effettua un’operazione di “watermarking”, da un elaboratore di segnale 8 che effettua un’operazione di trasformazione inversa dal dominio della frequenza al dominio del tempo, da un processore 9 e da una memoria 10 The coding system is essentially constituted, Fig. 1, by an encryption unit 1 by means of a private authentication key K2 of the text message T1, by a decryption unit 2 of the digital audio-video signal S1 by means of a decryption key K1, by a sequence generator 3 based on a pseudo-random control key K3 of the sequences, from an extended spectrum modulator 4, from an analyzer-extractor 5 of characteristics of the audio-video signal, from a signal processor 6 which carries out a transformation operation mathematics from the time domain to the frequency domain, from a signal processor 7 that performs a "watermarking" operation, from a signal processor 8 that performs an inverse transformation operation from the frequency domain to the time domain, from a processor 9 and a memory 10
Il segnale digitale S1 del brano sonoro musicale o parlato è ricevuto in forma criptata e applicato all’ingresso dell’unità di decifratura 2, basata sulla chiave Kl. The digital signal S1 of the musical or spoken sound piece is received in encrypted form and applied to the input of the decryption unit 2, based on the K1 key.
Il segnale multimediale non deve essere copiabile fintante che non viene applicata la marcatura. Per questo motivo finché il segnale è fuori del dispositivo di marcatura esso viaggia in forma criptata. Il dispositivo di marcatura, al suo interno, decripta il segnale, prepara il messaggio “ad hoc” che consiste nel messaggio certificato dei dati identificativi e lo diffonde nel file audio(video) di supporto da proteggere. Una volta applicata la marcatura, il messaggio audio viene restituito in chiaro. The multimedia signal must not be copyable as long as the marking is not applied. For this reason, as long as the signal is outside the marking device, it travels in encrypted form. The marking device, inside it, decrypts the signal, prepares the “ad hoc” message which consists of the certified message of the identification data and spreads it in the audio (video) support file to be protected. Once the stamp is applied, the audio message is returned in clear text.
Il segnale T1 del messaggio “ad hoc” è applicato all'ingresso digitale dell’unità di cifratura 1, basata sulla chiave K2 e trasferito al modulatore a spettro esteso 4 allo scopo di effettuare nell’elaboratore 7 il “watermarking” del segnale S1, preventivamente caratterizzato e trasformato nel dominio della frequenza, mediante l' analizzatore 5 e l’elaboratore 6, rispettivamente. L’elaborazione del sistema codificatore si conclude, infine, con l’anti-trasformazione dal dominio della frequenza a quello del tempo operato tramite l’elaboratore 8, che genera in tempo reale il segnale audiovideo S2 marcato in maniera inalterabile ed impercettibile. The signal T1 of the "ad hoc" message is applied to the digital input of the encryption unit 1, based on the key K2 and transferred to the spread spectrum modulator 4 in order to "watermark" the signal S1 in the processor 7, previously characterized and transformed in the frequency domain, by means of the analyzer 5 and the processor 6, respectively. The processing of the coding system ends, finally, with the anti-transformation from the frequency domain to that of time operated by the processor 8, which generates in real time the S2 audio-video signal marked in an unalterable and imperceptible manner.
Il decodificatore, Fig. 2, è costituito a sua volta da un elaboratore di segnale 1 che effettua un’operazione di trasformazione matematica del segnale S2 dal dominio del tempo al dominio della frequenza, da un correlatore 3, da un generatore 2 di sequenze pseudocasuali basate sulla chiave K3, da un’unità di decifratura del messaggio “ad hoc” basata su chiave pubblica K4, da un analizzatore-estrattore 5 di caratteristiche del segnale audiovideo, da un processore 6 e da un dispositivo di memoria 7. Il segnale S2, dopo la trasformazione 1 nel dominio della frequenza, viene applicato al correlatore 3, che funziona in accordo alle sequenze pseudo random del generatore 2 basato sulla chiave K3 ed in funzione delle caratteristiche del segnale sonoro estratte dall’analizzatore 5. The decoder, Fig. 2, is in turn constituted by a signal processor 1 which carries out a mathematical transformation of the signal S2 from the time domain to the frequency domain, by a correlator 3, by a generator 2 of pseudorandom sequences based on the K3 key, by an "ad hoc" message decryption unit based on public key K4, by an analyzer-extractor 5 of characteristics of the audio-video signal, by a processor 6 and by a memory device 7. The S2 signal , after the transformation 1 in the frequency domain, it is applied to the correlator 3, which works according to the pseudo-random sequences of the generator 2 based on the key K3 and as a function of the characteristics of the sound signal extracted from the analyzer 5.
Il segnale prodotto dalla correlazione, cioè il messaggio nascosto, viene quindi decifrato nell’unità 4, che estrae, sulla base della chiave pubblica K4, il messaggio di testo T1 . The signal produced by the correlation, that is the hidden message, is then decrypted in unit 4, which extracts, on the basis of the public key K4, the text message T1.
A differenza del codificatore, che funziona necessariamente in tempo reale, il decodificatore può tranquillamente operare in tempo differito dato che l’esigenza dei verificatori è quella di recuperare dal brano sonoro il messaggio “ad hoc” T1 precedentemente immesso e codificato. Per il trovato vengono impiegati componenti che possono essere reperiti sul mercato. Unlike the encoder, which necessarily works in real time, the decoder can safely operate in deferred time since the checkers need to retrieve the previously entered and encoded "ad hoc" T1 message from the soundtrack. Components which can be found on the market are used for the invention.
L’invenzione permette la codifica e la decodifica per audioriproduttori ed è utilizzabile soprattutto nella trattazione e nella protezione di dati riservati e di dati proprietari. The invention allows encoding and decoding for audio reproducers and can be used above all in the processing and protection of confidential and proprietary data.
Il sistema è gestito da un programma software appositamente compilato, essendo interfaccia d’utente con il codificatore ed il decodificatore, in grado di svolgere le seguenti funzioni: The system is managed by a specially compiled software program, being a user interface with the encoder and decoder, capable of performing the following functions:
- Interfaccia d’utente durante l' audioriproduzione del brano sonoro; - acquisizione del brano sonoro S1 da sottoporre a codifica; - User interface during the audio reproduction of the sound piece; - acquisition of the sound piece S1 to be coded;
- gestione automatica dei contenuti del messaggio T1; - automatic management of the contents of the T1 message;
- gestione automatica dell’ audioriproduzione del brano sonoro S2; - Interfaccia d’utente durante il processo di decodifica; - automatic management of the audio reproduction of the S2 sound piece; - User interface during the decoding process;
- Presentazione al verificatore del messaggio T1 estratto ed autenticato dal decodificatore. - Presentation to the verifier of the T1 message extracted and authenticated by the decoder.
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