KR20040095325A - 다매체 신호들의 워터마킹을 위한 윈도우 셰이핑 함수들 - Google Patents

다매체 신호들의 워터마킹을 위한 윈도우 셰이핑 함수들 Download PDF

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KR20040095325A
KR20040095325A KR10-2004-7015241A KR20047015241A KR20040095325A KR 20040095325 A KR20040095325 A KR 20040095325A KR 20047015241 A KR20047015241 A KR 20047015241A KR 20040095325 A KR20040095325 A KR 20040095325A
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엔. 렘마아웨크
에프. 아프레아자비어
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분이 제로가 되는 윈도우 셰이핑 함수가 서술되어 있다. 종래의 윈도우 셰이핑 함수들과 비교하면, 이 윈도우 셰이핑 함수는 소정의 호스트 신호의 품질을 위한 워터마크 신호의 로버스트니스(robustness)를 개선시킨다. 워터마킹 방식 내에서 이 윈도우 셰이핑 함수를 사용하는데 적합한 방법들 및 장치가 서술된다.

Description

다매체 신호들의 워터마킹을 위한 윈도우 셰이핑 함수들{Window shaping functions for watermarking of multimedia signals}
다매체 신호들의 워터마킹은 다매체 신호와 함께 부가 데이터의 전송을 위한 기술이다. 예를 들어, 워터마킹 기술들은 저작권 및 복제 제어 정보를 오디오 신호들에 임베드하는데 사용될 수 있다.
워터마킹 방식의 주요한 필요조건은, 신호로부터 워터마크를 제거하기 위한 공격들(예를 들어, 워터마크를 제거하면 신호에 손상을 입힐 것이다)에 대해 견고하면서 관찰될 수 없다는 것이다(즉, 오디오 신호의 경우에, 청취불가능하다). 워터마크의 로버스트니스는 통상적으로, 워터마크가 임베드되는 신호의 품질에 대해서 트레이드 오프된다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 워터마크가 강하게 오디오 신호에 임베드되면(이에 따라서, 제거 곤란하다), 오디오 신호의 품질이 감소될 것이다.
각종 유형들의 오디오 워터마킹 방식들이 제안되어 있는데, 이 방식들 각자는 장점들 및 단점들을 갖고 있다. 예를 들어, 한 가지 유형의 오디오 워터마킹 방식은 시간적 상관 기술들(temporal correlation techniques)을 사용하여, 소망의 데이터(예를 들어, 저작권 정보)를 오디오 신호에 임베드한다. 이 기술은 효율적인 에코-하이딩 알고리즘(echo-hiding algorithm)인데, 이 알고리즘에서 에코의 세기는 2차 방정식을 풀음으로써 결정된다. 2차 방정식은 2개의 위치들, τ와 동일한 지연에서의 위치 및 0과 동일한 지연에서의 위치에서 자동-상관 값들에 의해 발생된다. 검출기에서, 워터마크는 2개의 지연 위치들에서 자동 상관 함수의 비를 결정함으로써 추출된다.
WO 00/00969호는 보조 신호들(auxiliary signals)(가령 저작권 정보)을 다매체 호스트 또는 커버 신호에 임베딩 또는 엔코딩하는 또 다른 기술을 설명한다. 특정 도메인(시간, 주파수 또는 공간)에서 커버 신호의 일부분 또는 커버 신호의 복제는 스테고 키(stego key)에 따라서 발생되며, 이 키는 수정 값들을 커버 신호의 파라미터들로 특정화한다. 그 후, 이 복제 신호는 임베드될 정보에 대응하는 보조 신호에 의해 수정되고 다시 커버 신호에 삽입되어 스테고 신호를 형성한다.
디코더에서, 원래의 보조 데이터를 추출하기 위하여, 스테고 신호의 복제는 원래의 커버 신호의 복제와 동일한 방식으로 발생되고, 동일한 스테고 키의 사용을 필요로 한다. 그 후, 이로 인한 복제는 수신된 스테고 신호와 상관되어 보조 신호를 추출한다.
이와 같은 워터마킹 방식에서, 다매체 신호에 임베드될 부가 데이터는 통상적으로, 값들의 시퀀스 형태를 취한다. 그 후, 이 값들의 시퀀스는 윈도우 셰이핑함수를 각 값에 적용함으로써 저속 가변하는 협대역 신호로 변환된다. 지금까지, 2승 여현 함수들(예를 들어, 도1에 도시된 해닝 윈도우 함수)과 같은 단지 벨 셰이핑된 윈도우 셰이핑 함수들(bell shaped window shaping functions)이 사용되어 왔다.
본 발명은 윈도우 셰이핑 함수들(window shaping functions)에 관한 것이며, 오디오, 비디오 또는 데이터 신호들과 같은 다매체 신호에서 정보를 엔코딩 및 디코딩하는 장치 및 방법들에서 이와 같은 함수들의 사용에 관한 것이다.
도1은 종래 기술에서 사용되는 바와같은 해닝 윈도우 셰이핑 함수를 도시한 도면.
도2는 2개의 로브들의 셰이프들이 해닝 윈도우 함수들인 본 발명의 바람직한 실시예를 따른 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수를 도시한 도면.
도3은 해닝 윈도우 셰이핑 함수 및 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수 각각으로 조건화된 시퀀스 wdi[k]={1,1,-1,1,-1,-1}에 대한 주파수 스펙트럼을 도시한 도면.
도4는 도2에 도시된 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수로 시퀀스 wdi를 조건화함으로써 형성된 시퀀스(wi) 및 wi(∫wi)의 실행 적분(running integral)을 도시한 도면.
도5는 해닝 윈도우 셰이핑 함수로 시퀀스 wdi를 조건화함으로써 형성된 시퀀스(wi) 및 wi(∫wi)의 실행 적분을 도시하는 도면.
도6은 본 발명의 일 실시예를 따른 워터마크 임베딩 장치를 도시한 도면.
도7은 한 바람직한 실시예에서 사용되는 신호 부분 추출 필터(H)를 도시한 도면.
도8a 및 도8b은 주파수 함수들로서 도7에 도시된 필터(H)의 전형적인 진폭 및 위상 응답들을 각각 도시한 도면.
도9는 페이로드 임베딩 및 워터마크 조건화 스테이지를 도시한 도면.
도10은 각 스테이지에서 관련된 신호들의 챠트들을 포함하여, 도9의 워터마크 조건화 장치(Hc)의 한가지 가능한 구현방식의 상세사항들을 도시한 도면.
도11은 본 발명의 일 실시예를 따른 워터마크 검출기를 도시한 도면.
도12는 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수와 관련하여 사용하기 위하여 도11의 화이트닝 필터(HW)를 도시한 도면.
도13은 도11에 도시된 워터마크 검출기의 상관기로부터 상관 함수 출력의 전형적인 형상을 도시한 도면.
도14는 본 발명의 또 다른 실시예를 따른 부가적인 윈도우 셰이핑 함수를 도시한 도면.
본 발명의 목적은 종래 기술의 윈도우 셰이핑 함수들에 비해 수행성능을 개선한 대안적인 윈도우 셰이핑 함수를 제공하는 것이다.
제1 양상에서, 본 발명은 다매체 호스트 신호에 임베드하기 위하여 워터마크 신호를 발생시키는 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 제1 시퀀스 값들을 취하는 단계; 윈도우 셰이핑 함수를 상기 시퀀스 값들에 적용하여 호스트 신호에 임베드하는데 적합한 유연하게 가변하는 신호를 형성하는 단계를 포함하는데, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로가 된다.
상기 윈도우 셰이핑 함수는 비대칭 시간적 동작을 갖는 것이 바람직하다.
상기 윈도우 셰이핑 함수는 바이페이즈 동작을 갖는 것이 바람직하다.
상기 바이페이즈 윈도우는 대향 극성들의 적어도 2개의 해닝 윈도우들을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 유연하게 가변하는 신호의 주파수 스펙트럼은 주파수 스펙트럼 내에서 어떤 비-DC 피크의 성분 보다 적은 DC 성분을 갖는 것이 바람직하다.
제1 시퀀스의 각각의 값은 폭(TS)의 펄스열로 표현되어 장방형파 신호를 형성하는 것이 바람직한데, 상기 윈도우 셰이핑은 또한 TS로 이루어진다.
상기 제1 시퀀스 값들은 윈도우 셰이핑 함수로 컨볼브되어 유연하게 가변하는 신호를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 방법은 상기 유연하게 가변하는 신호를 호스트 신호에 임베드하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 호스트 다매체 신호에 임베드하는데 적합한 워터마크 신호를 발생하도록 배치된 장치를 제공하는 것인데, 상기 장치는:
a) 제1 시퀀스 값들을 취함으로써 워터마크 신호를 발생시키도록 배치되는 신호 발생기; 및,
b) 윈도우 셰이핑 함수를 상기 시퀀스 값들에 적용하도록 배치되어 호스트 신호에 임베드하는데 적합한 유연하게 가변하는 신호를 형성하도록 하는 처리 수단을 포함하는데, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로가 된다.
상기 장치는 상기 유연하게 가변하는 신호를 상기 호스트 신호에 임베드하는 워터마크 임베딩 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 워터마크를 포함하는 다매체 신호를 제공하는데, 원래 다매체 신호는 윈도우 셰이핑 함수를 시퀀스 값들에 적용함으로써 형성된 유연하게 가변하는 신호로 워터마크되며, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로가 된다.
원래 신호의 시간적 인벨롭은 워터마크에 의해 수정되는 것이 바람직하다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 다매체 신호에 임베드되는 워터마크 신호를 검출하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은:
- 상기 호스트 다매체 신호를 수정하는 워터마크 신호에 의해 잠재적으로 워터마크될 수 있는 다매체 신호를 수신하는 단계;
- 상기 워터마크가 윈도우 셰이핑 함수가 적용되는 시퀀스 값들을 포함한다라고 추정함으로써 상기 수신된 신호로부터 워터마크의 추정치를 추출하는 단계로서, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로로 되는, 추출 단계; 및,
-상기 수신된 신호가 워터마크되는지를 결정하기위하여 상기 워터마크의 기준 버전으로 상기 워터마크의 추정치를 처리하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 윈도우 셰이핑 함수를 상기 수신된 신호에 적용하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직한데, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로로 된다.
상기 워터마크 신호는 페이로드를 갖고, 상기 방법은 상기 워터마크의 페이로드를 결정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 워터마크 신호가 다매체 신호 내에 임베드되는지를 검출하도록 배치된 워터마크 검출기 장치를 제공하는데, 상기 워터마크 검출기는:
-호스트 다매체 신호를 수정하는 워터마크 신호에 의해 잠재적으로 워터마크될 수 있는 다매체 신호를 수신하도록 배치된 수신기;
-상기 워터마크가 윈도우 셰이핑 함수가 적용되는 시퀀스 값들을 포함한다라고 추정함으로써 상기 수신된 신호로부터 상기 워터마크의 추정치를 추출하도록 배치된 추출기로서, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분이 제로가 되는, 추출기;및
-상기 수신된 신호가 워터마크되는지를 결정하기 위하여 상기 워터마크의 기준 버전으로 상기 워터마크의 추정값을 처리하도록 배치된 처리기를 포함한다.
상기 장치는 윈도우 셰이핑 함수를 상기 수신된 신호에 적용하도록 배치된 장치를 더 포함하는 것이 바람직한데, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로이다.
본 발명의 보다 잘 이해하고 본 발명의 실시예들이 어떻게 실행되는지를 보여주기 위하여, 지금부터 첨부한 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예를 따른 시간 함수로서 윈도우 셰이핑 함수를 도시한 것이다. 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로인데, 즉, 이 함수의 전체 양의 영역은 전체 음의 영역과 동일하다(이 결과 평균 영역은 제로이다). 윈도우 셰이핑 함수는 비대칭 시간 동작과의 바이페이즈 함수인데, 윈도우 함수의 각 로브는 해닝 윈도우 함수이다.
워터마킹 방식들 내에서 이 윈도우 셰이핑 함수를 사용하면, 도1에 도시된 해닝 윈도우 셰이핑 함수의 사용과 비교하여 수행성능을 개선시키는 것을 나타낸다.
도3은 해닝 및 바이페이즈 셰이핑 함수 각각에 의해 조건화된 워터마크 시퀀스(wdi[k]={1,1,-1,1,-1,-1})에 대응하는 주파수 스펙트럼을 도시한다. 도시된 바와 같이, 해닝 윈도우 조건화된 워터마크 시퀀스를 위한 주파수 스펙트럼은 주파수 f=0에서 최대로 되는 반면에, 바이페이즈 셰이핑된 워터마크 주파수에 대한 주파수 스펙트럼은 f=0에서 최소가 되는데, 즉 거의 DC 성분을 갖지 않는다.
많은 경우들에서, 유용한 정보가 단지 워터마크의 비-DC 성분에 포함된다. 결국, 동일한 부가된 워터마크 에너지에 대해, 바이페이즈 윈도우로 조건화된 워터마크는 해닝 윈도우 셰이핑 함수에 의해 조건화된 정보 보다 유용한 정보를 반송(carry)할 것이다. 따라서, 바이페이즈 윈도우는 동일한 로버스트니에 대해 우수한 가청 성능을 제공하거나, 역으로, 동일한 가청 품질에 대해 보다 우수한 로버스트니스를 허용한다.
도4는 도2에 도시된 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수로 조건화된 시퀀스(wdi)에 대한 정규화된 적분(점선으로 도시됨)을 도시한다. 역으로, 도5는 해닝 윈도우셰이핑 함수로 조건화된 동일한 시퀀스에 대한 정규화된 적분을 도시한다. 이는 정규화된 적분의 최대값이 바이페이즈 윈도우 함수에 의해 조건화된 시퀀스가 해닝 윈도우 함수에 의해 조건화된 시퀀스와 비교하여 낮다는 것을 보여준다.
지금부터, 이 윈도우 셰이핑 함수의 사용이 워터마킹 방식과 관련하여 서술될 것이다. 그러나, 물론, 이 윈도우 셰이핑 함수의 적용은 이하의 방식으로 국한되는 것이 아니라, 다른 워터마킹 기술들, 특히 시간 도메인 워터마킹 기술들에 적용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 검출기 측에서 기준 랜덤 시퀀스들의 재발생을 위하여 사용될 수 있는 비밀 키들(예를 들어, 암호화 키들)을 캐리하는데 사용되어, 상이한 랜덤 시퀀스들을 상이한 호스트 신호들에 임베드시킬 수 있다.
도6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 다중-비트 페이로드 워터마크(wc)를 호스트 신호(x)에 임베드하는 디지털 신호 처리를 수행하는데 필요한 장치의 블록도를 도시한 것이다.
호스트 신호(x)는 장치의 입력(12)에 제공된다. 호스트 신호(x)는 가산기(22)를 통해서 출력(14)의 방향으로 통과된다. 그러나, 호스트 신호(x)(입력 8)의 복제는 승산기(18)의 방향으로 분할되어 워터마크 정보를 반송한다.
워터마크 신호(wc)는 페이로드 임베더 및 워터마크 조건화 장치(6)로부터 얻어지고, 페이로드 임베더 및 워터마크 조건화 장치에 입력되는 워터마크 랜덤 시퀀스(ws)로부터 도출된다. 승산기(18)는 워터마크 신호(wc) 및 복제 오디오 신호(x)의 곱을 계산하는데 사용된다. 그 후, 이 결과의 곱(wcx)은 이득 제어기(24)를 통해서가산기(22)로 통과된다. 이득 제어기(24)는 이득 팩터(α)만큼 신호를 증폭 또는 감쇠시키는데 사용된다.
이득 팩터(α)는 워터마크의 가청성 및 로버스트니스간의 트레이드 오프를 제어한다. 이는 시간, 주파수 및 공간중 적어도 하나에서 일정 또는 가변될 수 있다. 도6의 장치는, α가 가변될 때, 호스트 신호(x)의 특성들에 따라서 신호 분석 장치(26)를 통해서 자동적으로 적응될 수 있도록 한다는 것을 보여준다. 이득(α)이 자동적으로 적응되어, 인간 청각 시스템(HAS)의 사이코-음향 모델과 같은 적절하게 선택된 인지성 비용-함수(perceptibility cost-function)에 따라서 신호 품질에 대한 영향을 최소화한다. 이와 같은 모델은 예를 들어, E.Zwicker가 1991년 3월에 Journal of Audio Engineering Society, Vol. 39, pp. Vol.115-126에 발표한 "Audio Engineering and Psychoacoustics: Matching signals to the final receiver, the Human Auditory System"의 제목의 논문에 서술되어 있다.
이하에서, 오디오 워터마크는 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 단지 예로서 사용된다.
이 결과의 워터마크 오디오 신호(y)는 wc및 x의 곱의 적절하게 스케일링된 버전을 호스트 신호에 가산함으로써 임베딩 장치(10)의 출력(14)에서 다음이 얻어진다.
y[n]=x[n]+αwc[n]x[n] (1)
워터마크(wc)는 x와 승산될 때 주로 x의 단시간 인벨롭을 수정하도록 선택되는 것이 바람직하다.
도7은 도6의 승산기(18)로의 입력(8)이 필터링 장치(15)에서 필터(H)를 사용하여 호스트 신호(x)의 복제를 필터링함으로써 얻는 한 가지 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 필터 출력이 xb로 표시되면, 이 바람직한 실시예에 따라서, 워터마크 신호는 xb및 워터마크(wc)의 곱을 호스트 신호(x)에 가산함으로써 발생된다.
는라고 규정하고 yb는라고 규정하면, 워터마킹된 신호(y)는 다음과 같다.
(2)
워터마킹된 신호의 인벨롭 변조된 부분yb는 다음과 주어진다.
yb[n]=(1+wc[n])xb[n] (3)
도8에 도시된 바와 같이, 필터(H)는 하위 차단 주파수(fL) 및 상위 차단 주파수(fH)에 의해 특징화되는 선형 위상 대역 통과 필터이다. 도8b에 도시된 바와 같이, 필터(H)는 통과 대역(BW) 내에서 주파수(f)에 대한 선형 위상 응답을 갖는다. 따라서, H가 통과 대역 필터일 때, xb및는 호스트 신호의 각각의 동대역 및 이대역 성분들이다. 최적의 수행성능을 위하여, 신호들(xb및)는 동위상인 것이 바람직하다. 이는 필터(H)에 의해 발생된 위상 왜곡을 적절하게 보상함으로써 성취된다. 선형 위상 필터의 경우에, 위상 왜곡은 단지 지연이다.
도9에 페이로드 임베더 및 워터마킹 조건화 장치(6)의 상세 내용이 도시되어 있다. 이 장치에서, 워터마크 시드 신호(ws)는 다중-비트 워터마크 신호(wc)로 변환된다.
우선, 유한 길이, 바람직하게는 제로 평균 및 균일하게 분포된 랜덤 시퀀스(ws)는 초기 시드(S)와 함께 랜덤 수 발생기를 사용하여 발생된다. 후에 알 수 있는 바와 같이, 초기 시드(S)는 임베더 및 검출기 둘다에 공지되어, 워터마크 신호의 복제가 비교 목적을 위한 검출기에서 발생되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 길이(Lw)의 시퀀스를 발생시킨다.
k=0,1,2,..,Lw-1인 경우에, ws[k]∈[1,-1] (4)
그 후, 이 시퀀스(wS)는 순환 시프트팅 장치들(30)을 사용하여 량들(d1및 d2)만큼 순환 시프트되어 랜덤 시퀀스들(wd 1및 wd 2) 각각을 획득한다. 이들 2개의 시퀀스들(wd1및 wd 2)은 제1 시퀀스 및 제2 시퀀스로 유효하다는 것을 알수 있을 것이며, 상기 제2 시퀀스는 제1 시퀀스에 대해 순환적으로 시프트된다. 이 후, 각 시퀀스(wdi)(i=1,2)는 승산 장치(40)에서 각 부호 비트(ri)와 승산되는데, 여기서 ri= +1 또는 -1 이며, r1및 r2의 각 값들은 상수로 유지되고 워터마크의 페이로드가 변경될 때에만 변경된다. 그 후, 각 시퀀스는 도9에 도시된 워터마크 조건화 회로(20)에 의해 길이(LwTs)의 저속 가변 협대역 신호(wi)로 변환된다. 최종적으로, 저속 가변하는 협대역 신호들(w1및 w2)은 상대적인 지연(Tr)(여기서 Tr<TS)된채 부가되어 다중-비트 페이로드 워터마크 신호(wc)를 제공한다. 이는 지연 장치(45)를 사용하여 량(Tr)만큼 신호(w2)를 우선 지연시킨 후 가산 장치(50)로 이를 w1에 가산함으로써 성취된다.
도10은 페이로드 임베더에 사용되는 워터마크 조건화 장치(20) 및 보다 상세하게는 워터마크 조건화 장치(6)의 한가지 가능한 구현방식을 도시한 것이다. 워터마크 랜덤 시퀀스(ws)는 조건화 장치(20)에 입력된다.
간편성을 위하여, 시퀀스들(wdi)중 단지 하나의 시퀀스에 대한 수정만이 도10에 도시되었지만, 각 시퀀스는 유사한 방식으로 수정될 수 있다는 것을 알수 있을 것이며, 이 결과들은 가산되어 워터마크 신호(wc)를 얻는다.
도10에 도시된 바와 같이, 각 워터마크 신호 시퀀스 wd 1[k], i=1,2는 샘플 리피터(180)의 입력에 인가된다. 챠트(181)는 +1 및 -1간의 랜덤 수들의 시퀀스 값들로서 가능한 시퀀스들(wdi)중 한 시퀀스를 도시하는데, 이 시퀀스는 길이(Lw)로 된다. 샘플 리피터는 워터마크 랜덤 시퀀스(Ts) 타임 내에서 각 값을 반복하여, 장방형 신호의 펄스열 신호를 발생시킨다. Ts를 워터마크 심볼 주기라 칭하고 오디오 신호에서 워터마크 심볼의 스팬(span)을 표시한다. 챠트(183)는 샘플 리피터(180)를 통과하면 챠트(181)에 도시된 신호의 결과들을 도시한 것이다.
그 후, 도2에 도시된 바이페이즈 함수인 윈도우 셰이핑 함수s[n]는 인가되어(wd1및 wd 2)로부터 도출된 장방형 펄스 신호들을 저속 가변하는 신호들(w1[n] 및 w2[n]) 각각으로 변환시킨다. 이 윈도우 셰이핑 함수는 폭(TS)으로 된다.
그 후, 발생된 신호들(w1[n] 및 w2[n])은 상대적인 지연(Tr)(여기서 Tr<TS)된채 합산되어, 다음과 같은 다중-비트 페이로드 워터마크 신호 wc[n]을 제공한다.
wc[n]=w1[n]+w2[n-Tr] (5)
Tr의 값은 w1의 제로 교차들이 w2의 최대 진폭 포인트들과 또는 그 반대로 정합하도록 선택된다. 따라서, 이 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수의 경우에, Tr=TS/4이다. 다른 윈도우 셰이핑 함수들의 경우에, Tr의 다른 값들이 가능하다.
이하의 설명으로부터 알수있는 바와 같이, wC[n]의 상관을 검출하는 동안 pL(도13에 도시되어 있다)로 분리되는 2개의 상관 피크들을 발생시킬 것이다. 이 값(pL)은 페이로의 부분이고 다음과 같이 규정된다.
(6)
pL이외에도, 여분의 정보가 임베드된 워터마크들의 상대 부호들을 변경함으로써 엔코딩될 수 있다. 검출기에서, 이는 상관 피크들 간에서의 상대 부호(rsign)으로서 보여진다. rsign은 4개의 가능한 값들을 취할 수 있고 다음과 같이 규정될 수 있다는 것을 알수 있을 것이다.
(7)
여기서, ρ1=sign(cL1) 및 ρ2=sign(cL2) 각각은 도9의 부호 비트들(r1)(입력 (80)) 및 r2(입력 90)의 각 추정치들이고, cL1및 cL2는 wd 1및 wd 2각각에 대응하는 상관 피크의 값들이다. 그 후, 에러 없는 검출을 위한 전체 워터마크 페이로드(pLW)는 rsign및 pL의 조합으로서 제공된다.
(8)
따라서, 길이(Lw)의 워터마크 시퀀스에 의해 캐리될 수 있는 비트들 수면에서 최대 정보(Imax)는 다음과 같이 제공된다.
(9)
도11은 워터마크 검출기(200,300,400)의 블록도를 도시한 것이다. 검출기는 3개의 주요 스테이지들:(a) 워터마크 추출 스테이지(200), (b) 버퍼링 및 보간 스테이지(300) 및, (c) 상관 및 판정 스테이지(400)를 포함한다.
심볼 추출 스테이지(200)에서, 수신된 워터마크 신호 y'[n]은 처리되어, 워터마킹된 시퀀스의 다수의(Nb) 추정치들을 발생시킨다. 워터마크 시퀀스의 이들 추정치들은 임베더 및 검출기 간에 존재할 수 있는 시간 오프셋을 리졸브(resolve)하여, 워터마크 검출기가 호스트 신호에 삽입되는 워터마크 시퀀스 신호와 동기되도록 하는데 필요로 될 수 있다.
버퍼링 및 보간 스테이지(300)에서, 이들 추정치들은 Nb분리된 버퍼들로 디멀티플렉시되고 보간은 각 버퍼에 적용되어 발생될 수 있는 타임스케일 수정들을 리졸브하는데, 예를 들어 샘플링(클럭) 주파수에서 드리프트가 시간 도메인 신호에서 신축(strech or shrink)될 수 있다(즉, 워터마크는 신축될 수 있다).
상관 및 판정 스테이지(400)에서, 각 버퍼의 내용은 기준 워터마크와 상간되고 최대 상관 피크들은 임계값에 대해 비교되어, 워터마크가 실제 수신된 신호 y'[n]내에 임베드되는지에 대한 확률을 결정한다.
워터마크 검출의 정확도를 최대화하기 위하여, 워터마크 검출 공정은 전형적으로, 워터마크 시퀀스 길이의 3 내지 4배인 수신된 신호 y'[n]의 길이에 걸쳐서 실행된다. 따라서, 검출될 각 워터마크 심볼은 상기 심볼의 여러 추정치들의 평균을 취함으로써 구성될 수 있다. 이 평균화 공정을 스무딩(smoothing)이라 칭하고, 이 평균화가 행해지는 횟수를 스무딩 팩터(sf)라 칭한다. 따라서, 검출 윈도우 길이(LD)는 오디오 세그먼트(샘플들의 수)의 길이인데, 이 세그먼트에 걸쳐서 워터마크 검출 참값이 보고된다. 결국, LD=sfLwTS가 되는데, 여기서 Ts는 심볼 주기이고, Lw는 워터마크 시퀀스 내의 심볼들의 수이다. 전형적으로, 버퍼링 및 보간 스테이지 내의 각 버퍼(320)의 길이(Lb)는 Lb=sfLw가 된다.
도11에 도시된 워터마크 심볼 추출 스테이지(200)에서, 인입하는 워터마크 신호 y'[n]은 신호 조건화 필터(Hb)(210)에 입력된다. 이 필터(210)는 전형적으로대역 통과 필터이고 워터마크 임베더(10)에서 대응하는 필터(HC, 20)과 동일한 작용을 갖는다. 필터(Hb)의 출력은 y'b[n]이고 전송 매체내에서 선형성 추정은 식 (1) 및 (3)을 따른다.
(10)
상기 표현식에서, 임베더 및 검출기 간의 가능한 시간 오프셋은 암시적으로 무시된다는 점에 유의하라. 일반적인 워터마킹 방식의 원리들의 설명을 간편하게 하기 위하여, 지금부터, 임베더 및 검출기간에 완전한 동기화가 존재한다라고 하자(즉, 오프셋이 없다). 그러나, 임베더 및 검출기간에 완전한 동기화가 존재하지 않는 경우, 이 편차는 당업자에게 공지된 기술, 예를 들어 최적의 정합이 성취될 때까지 스케일 및 오프셋의 교대 시프트를 통한 순환 탐색을 사용하여 버퍼링 및 보간 스테이지(300) 내에서 보상될 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
필터가 임베더에 사용되지 않을 때(즉, H=1일 때), 검출기 내의 Hb는 또한, 생략되거나 검출 성능을 개선시키기 위하여 여전히 포함될 수 있다는 점에 유의하라. Hb가 생략되면, 식(10)에서 yb는 y로 대체된다. 이 처리의 나머지는 동일하다. 오디오 신호가 길이(Ts)의 프레임들로 분할되고 y'b,m[n]이 m번째 필터링된 프레임 신호의 n번째 샘플이라고 추정하면, m번째 프레임에 대응하는 에너지 E[m]은 다음과 같다.
(11)
여기서, S[n]은 도10의 워터마크 조건화 회로에 사용되는 동일한 윈도우 셰이핑 항수이다. 당업자는 식(11)이 정합된 필터 수신기를 표현하고 심볼 주기가 완전하게 동기화될 때 최적의 수신기라는 것을 인지할 것이다. 이 사실에도 불구하고, 우리는 이하의 설명을 간단화하기 위하여 S[n]=1로 설정하였다.
이를 식(10)과 결합하면 다음과 같다.
(12)
여기서 we[m]은 m번째 추출된 워터마크 심볼이고 임베드된 워터마크 시퀀스들의 Nb시간 다중화된 추정치들을 포함한다. 식(12)에서 we[m]을 풀고 α의 고차 항을 무시하면 다음과 같이 근사화된다.
(13)
도11에 도시된 워터마크 추출 스테이지(200)에서, 필터(Hb)의 출력 y'b[n]은 입력으로서 프레임 분할기(220)에 제공되며, 이 분할기는 오디오 신호를 길이(Ts)의 프레임들, 즉 y'b,m[n]로 분할하는데, 에너지 계산 장치9230)는 식(11)에 따라서 프레임된 신호들 각각에 대응하는 에너지를 계산하도록 사용된다. 이 에너지 계산 장치(230)의 출력은 화이트닝 스테이지(whitening stage)(Hw)(240)에 입력으로서 제공되며, 이는 식(13)에서 도시된 함수를 수행하여 출력 we[m]을 제공한다.
식(13)의 디노미네이터(denominator)가 호스트(원래) 신호(x)를 아는것을 필요로 하는 항을 포함한다. 신호(x)가 검출기에 이용되지 않을 때, 이는 we[m]을 계산하기 위하여, 식(13)의 디노미네이터가 추정되어야만 된다는 것을 의미한다.
이와 같은 추정이 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수에 대해 성취될 수 있다는 것이 서술되었지만, 이 개시 내용은 동일하게 다른 윈도우 셰이핑 함수들에도 확장될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
도2에 도시된 바이페이즈 윈도우 함수의 검사에 의해서, 오디오 인벨롭이 이와 같은 윈도우 함수로 변조될 때, 제1 및 제2 프레임의 1/2은 대향 방향들에서 스케일링된다는 것을 보여줄 것이다. 검출기에서, 이 특성은 호스트 신호(x)의 인벨롭 에너지를 추정하는데 사용된다.
결국, 검출기 내에서, 오디오 프레임은 우선 2개의 1/2로 서브분할된다. 제1 및 제2의 1/2 프레임에 대응하는 에너지 함수들은 다음과 같이 제공된다.
(14)
및
(15)
원래 오디오의 인벨롭이 2개의 서브-프레임들 내에서 대향 방향들에서 변조될 때, 원래 오디오 인벨롭은 E1[m] 및 E2[m]의 평균으로서 근사화될 수 있다.
게다가, 순시 변조값은 이들 2개의 함수들간의 차로서 취해질 수 있다. 따라서, 바이페이즈 윈도우 함수의 경우에, 워터마크(we[m])은 다음과 같이 근사화될 수 있다.
결국, 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수를 위한 화이트닝 필터(Hw)(240)는
(16)
결국, 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수를 위한 화이트닝 필터(Hw)(240)는 도10에 도시된 바와 같이 실현될 수 있다. 입력들(242 및 243) 각각은 제1 및 제2의 1/2 프레임들 E1[m] 및 E2[m]의 에너지 함수들을 수신한다. 그 후, 각 에너지 함수는 2개로 분할되어 E1[m]-E2[m] 및 E1[m]+E2[m] 각각 계산하는 가산기들(245 및 246)에 제공된다. 그 후, 이들 계산된 함수들 둘 다는 계산 장치(248)로 통과되고, 이 계산 장치는 가산기(245)로부터의 값을 (246)로부터의 값으로부터의 값으로 제산하여 식(16)에 따라서 워터마크 we[m]에 대한 추정치를 계산한다.
그 후, 이 출력(we[m])은 버퍼링 및 보간 스테이지(300)으로 통과되는데, 여기서 신호는 디멀티플렉서(310)에 의해 디멀티플렉스되고 길이(Lb)의 버퍼들(320)에서 버퍼링되어 임베더 및 검출기간의 어떤 동기화 부족을 해결하고, 보간 장치(330)내에서 보간되어 임베더 및 검출기 간의 가능한 시간 스케일 수정을 보상한다. 이와 같은 보상은 공지된 기술들을 사용할 수 있음으로, 이 명세서에선 더이상 상세히 설명하지 않았다.
도11에 도시된 바와 같이, 버퍼링 스테이지로부터의 출력들(wD 1,wD 2,...,wDNb)은 보간 스테이지로 통과되고, 보간후, 정확하게 재스케일된 신호의 상이한 추정치들에 대응하는 이 스테이지의 출력들(wI 1,wI 2,...,wINb)은 상관 및 판정 단게로 통과된다. 시간 스케일링 보상이 필요로 하지 않는다라고 간주되면, 이 값들(wD 1,wD2,...,wDNb)은 상관 및 판정 스테이지(400)으로 직접 통과될 수 있는데, 즉 보간 스테이지(330)은 이 장치로부터 생략될 수 있다.
상관기(410)는 가준 워터마크 시퀀스(wc[k])에 대한 각 추정값 (wIj), j=1,...,Nb의 상관을 계산한다. 그 후, 각 추정치에 대응하는 각각의 상관 출력은 2개의 추정치들이 최대 상관 피크 값들을 제공하는지를 결정하는 최대 검출 장치(420)에 인가되고 이들 추정치들은 기준 워터마크의 순환 시프트된 버전들(wd 1및 wd2)을 최적으로 적합시키는 것들로서 선택되고 이들 추정 시퀀스들을 위한 상관 값들은 임계 검출기 및 페이로드 추출기 장치(430)로 통과된다.
보간 스테이지가 생략되면, 대안적으로, 상관기(410)는 각 추정치(wDj, j=1,...,Nb)와 기준 워터마크 시퀀스 ws[k]와의 상관을 계산하고, 그 결과들은 다음 처리를 위하여 상기 귀절에서 개요적으로 설명된 바와 같이 장치들(420 및 430)으로 통과된다.
페이로드 추출기 장치(430)는 검출된 워터마크 신호로부터 페이로드(예를 들어, 정보 내용)을 추출하기 위하여 사용될 수 있다. 이 장치는 검출 임계값을 초과하는 2개의 상관 피크들(cL1및 cL2)을 추정하면, 피크들간의 거리(pL)(식(6)으로 규정된다)이 측정된다. 다음에, 상관 피크들의 부호들 ρ1및 ρ2이 결정되고, rsign은 식(7)로부터 계산된다. 그 후, 전체 워터마크 페이로드는 식(8)을 사용하여 계산될 수 있다.
예를 들어, 도13에서 pL은 2개의 피크들간의 상대 거리라는 것을 보여준다. 피크들 둘 다는 정인데, 즉, ρ1=+1 및 ρ2=+1이다. 식(7)로부터, rsign=3이다. 결국, 페이로드 pLw=<3, pL> 이다.
검출기 내에서 사용되는 기준 워터마크 시퀀스(ws)는 호스트 신호에 인가되는 원래의 워터마크 시퀀스(가능한 순환 시프트된 버전)에 대응한다. 예를 들어, 워터마크 신호가 임베더 내의 시드(S)를 갖는 랜덤 수 발생기를 사용하여 계산되면, 검출기는 동일한 랜덤 수 발생 알고리즘 및 동일한 초기 시드를 사용하여 동일한 랜덤 수 시퀀스를 계산하여 워터마크 신호를 결정한다. 대안적으로, 원래 임베더에 인가되고 기준 신호로서 검출기에 의해 사용되는 워터마크 신호는 단지, 임의의 소정 시퀀스일 수 있다.
도13은 상관기(410)로부터의 출력으로서 상관 함수의 전형적인 형상을 도시한다. 수평 스케일은 상관 지연(시퀀스 빈들(bins)과 관련하여)을 도시한다. 좌측상의 수직 스케일(신뢰 레벨(cL)이라 칭한다)은 통상 정규 분포된 상관 함수의 표준 편차에 대해서 정규화되는 상관 피크의 값을 표시한다.
도시된 바와 같이, 전형적인 상관은 cL에 대해서 상대적으로 플랫(flat)하고 cL=0에 대해서 중심이 맞춰져 있다. 그러나, 이 함수는 pL(식(6) 참조)로 분리되고 워터마크가 제공될 때 검출 임계값 위에 있는 cL 값들로 위로 향하여 확장되는 2개의 피크들을 포함한다.
수평선(도7에 도시된 바와 같이 cL=8.7로 설정된다)은 검출 임계값을 표시한다. 이 검출 임계값은 거짓 경보율을 제어한다.
2가지 종류의 거짓 경보가 존재한다: 워터마크되지 않은 항들에서 워터마크를 검출할 확률로서 정의된 거짓 포티지브 율(false positive rate) 및 워터마크된 항들에서 워터마크를 검출하지 않을 확률로서 정의된 거짓 네거티브 율이 존재한다. 일반적으로, 거짓 포지티브 경보의 필요조건은 거짓 네거티브 필요조건보다 엄격하다. 도11상의 우측 스케일은 거짓 포지티브 경보(p)의 확률을 도시한다. 도시된 바와 같이, 도시된 예에서, 거짓 포지티브 확률(p=10-12)은 임계값 cL=8.7과 등가인 반면에, p=10-83은 cL=20과 등가이다.
각 검출 구간 후, 검출기는 원래의 워터마크가 제공되는지를 결정하거나 제공되지 않았는지를 결정하고, 이를 토대로 "예" 또는 "아니오" 판정을 출력한다. 원하는 경우, 이 판정 처리를 개선시키기 위하여, 다수의 검출 윈도우들이 고려될 수 있다. 이와 같은 예에서, 거짓 포지티브 확률은 원하는 기준을 따라서 고려된 각 검출 윈도우의 개개 확률들의 조합이다. 예를 들어, 상관 함수가 3개의 검출 구간들중 임의의 2개의 구간상에서 cL=7의 임계값을 초과하는 2개의 피크들을 갖는다면, 워터마크는 존재하는 것으로 결정될 수 있다. 명백하게, 이와 같은 검출 기준은 워터마크 신호의 바람직한 사용에 따라서 그리고 호스트 신호의 원래 품질과 같은 팩터들 및 정상 전송동안 신호가 얼마나 심하게 파괴는지와 같은 팩터들을 고려하기 위하여 변경될 수 있다.
당업자는 본원에 특별하게 서술되지 않은 각종 구현방식들 또한 본 발명의 범위내에 있다는 것을 인지할 것이다.
예를 들어, 특정 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수의 구현방식이 서술되어 있고 특히 각 로브(lobe)가 해닝 함수인 바이페이즈 윈도우 셰이핑 함수가 서술되어 있지만, 본 발명은 첨부된 청구범위들의 범위 내에 있는 어떠한 윈도우 셰이핑 함수에 적용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 주파수 스펙트럼의 DC 성분의 관찰된 감소는 이 함수에 대한 적분이 제로가 되는 즉, 전체 포지티브 영역은 전체 네거티브 영역과 동일하게 되는 윈도우 셰이핑 함수를 갖는 것과 관련하여 결정된다. 이와 같은 함수를 사용하면 워터마크 시퀀스와 무관하게 주파수 스펙트럼의 DC 성분을 감소시킨다. 유용한 정보가 DC 성분 내에서 반송되지 않지만 신호의 비 DC 성분 내에만 있기 때문에, DC 성분의 어떠한 감소도 바람직하게 된다.
도14는 본 발명의 범위 내에 여전히 있는 또 다른 윈도우 셰이핑 함수의 예를 도시한 것이다. 이 함수는 4개의 로브들을 갖는다. 인접 제로-교차 점들간의 로브들은 해닝 윈도우 함수들이다. 이와 같은 윈도우 함수들은 대칭 또는 비대칭라는 것을 인지할 것이다.
장치를 임베드하고 검출하는 기능성만이 서술되었지만, 이 장치는 디지털 회로, 아날로그 회로, 컴퓨터 프로그램 및 이들의 조합으로서 실현될 수 있다.
동등하게, 상기 실시예들이 오디오 신호와 관련하여 서술되지만, 본 발명은 다른 유형들의 신호, 예를 들어 비디오 및 데이터 신호들에 적용될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
이 명세서에서 내에서 단어 "포함"은 다른 요소들 또는 단계를 배제하는 것이 아니며, "a" 또는 "an"는 복수를 배제하는 것이 아니라는 것을 알 수 있고 단일 프로세서 또는 다른 장치는 청구범위들에서 인용된 여러 수단들의 기능을 충족할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (17)

  1. 다매체 호스트 신호에 임베드하기 위하여 워터마크 신호를 발생시키는 방법으로서, 상기 방법은:
    제1 시퀀스 값들을 취하는 단계;
    윈도우 셰이핑 함수를 상기 시퀀스 값들에 적용하여 상기 호스트 신호에 임베드하는데 적합한 유연하게 가변하는 신호를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로가 되는, 워터마크 신호를 발생시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 윈도우 셰이핑 함수는 비대칭 시간 동작을 갖는, 워터마크 신호를 발생시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 윈도우 셰이핑 함수는 바이페이즈(bi-phase) 동작을 갖는, 워터마크 신호를 발생시키는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 바이페이즈 윈도우는 대향 극성들의 적어도 2개의 해닝 윈도우들을 포함하는, 워터마크 신호를 발생시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유연하게 가변하는 신호의 주파수 스펙트럼은 상기 주파수 스펙트럼 내의 임의의 비-DC 피크의 성분보다 적은 DC 성분을 갖는, 워터마크 신호를 발생시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 시퀀스의 각각의 값은 TS폭의 펄스열로 표현되어 장방형파 신호를 형성하게 하며, 상기 윈도우 셰이핑 함수는 또한 TS의 폭이 되는, 워터마크 신호를 발생시키는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 시퀀스 값들은 상기 윈도우 셰이핑 함수로 컨볼브(convlve)되어 상기 유연하게 가변하는 신호를 형성하도록 하는, 워터마크 신호를 발생시키는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방법은 상기 유연하게 가변하는 신호를 상기 호스트 신호에 임베드하는 단계를 더 포함하는, 워터마크 신호를 발생시키는 방법.
  9. 호스트 다매체 신호에 임베드하는데 적합한 워터마크 신호를 발생시키도록 배치된 장치로서, 상기 장치는:
    a) 제1 시퀀스 값들을 취함으로써 워터마크 신호를 발생시키도록 배치되는 신호 발생기; 및,
    b) 윈도우 셰이핑 함수를 상기 시퀀스 값들에 적용하여 호스트 신호에 임베드하는데 적합한 유연하게 가변하는 신호를 형성하도록 배치되는 처리 수단을 포함하고,
    상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로가 되는, 워터마크 신호를 발생시키도록 배치된 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 장치는 상기 유연하게 가변하는 신호를 상기 호스트 신호에 임베드하는 워트마크 임베딩 장치를 더 포함하는, 워터마크 신호를 발생시키도록 배치된 장치.
  11. 워터마크를 포함하는 다매체 신호로서,
    상기 원래의 다매체 신호는 윈도우 셰이핑 함수를 시퀀스 값들에 적용함으로써 형성된 유연하게 가변하는 신호로 워터마크되며, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로가 되는, 다매체 신호.
  12. 제11항에 있어서, 상기 원래 신호의 시간적 인벨롭(envelope)은 상기 워터마크에 의해 변경되는, 다매체 신호.
  13. 다매체 신호에 임베드되는 워터마크 신호를 검출하는 방법으로서, 상기 방법은:
    (a) 상기 호스트 다매체 신호를 변경하는 워터마크 신호에 의해 잠재적으로워터마크될 수 있는 다매체 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 워터마크가 윈도우 셰이핑 함수가 적용되는 시퀀스 값들을 포함한다고 가정함으로써 상기 수신된 신호로부터 워터마크의 추정치를 추출하는 단계로서, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로가 되는, 상기 추출 단계; 및,
    (c) 상기 수신된 신호가 워터마크되는지를 결정하도록 상기 워터마크의 기준 버전으로 상기 워터마크의 추정치를 처리하는 단계를 포함하는, 워터마크 신호를 검출하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 방법은 윈도우 셰이핑 함수를 상기 수신된 신호에 적용하는 단계를 더 포함하며, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로가 되는, 워터마크 신호를 검출하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 워터마크 신호는 페이로드(payload)를 갖고, 상기 방법은 상기 워터마크의 페이로드를 결정하는 단계를 더 포함하는, 워터마크 신호를 검출하는 방법.
  16. 워터마크 신호가 다매체 신호 내에 임베드되는지를 검출하도록 배치된 워터마크 검출기 장치로서, 상기 워터마크 검출기는:
    (a) 상기 호스트 다매체 신호를 변경하는 워터마크 신호에 의해 잠재적으로 워터마크될 수 있는 다매체 신호를 수신하도록 배치된 수신기;
    (b) 상기 워터마크가 윈도우 셰이핑 함수가 적용되는 시퀀스 값들을 포함한다고 가정함으로써 상기 수신된 신호로부터 상기 워터마크의 추정치를 추출하도록 배치된 추출기로서, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분이 제로가 되는, 상기 추출기; 및,
    (c) 상기 수신된 신호가 워터마크되는지를 결정하도록 상기 워터마크의 기준 버전으로 상기 워터마크의 추정치를 처리하도록 배치된 처리기를 포함하는, 워터마크 검출기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 장치는 윈도우 셰이핑 함수를 상기 수신된 신호에 적용하도록 배치된 장치를 더 포함하며, 상기 윈도우 셰이핑 함수에 대한 적분은 제로가 되는 워터마크 신호를 검출하는 방법.
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