WO2002080415A2 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln von in ein audiosignal eingebrachten informationen und verfahren und vorrichtung zum einbringen von informationen in ein audiosignal - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ermitteln von in ein audiosignal eingebrachten informationen und verfahren und vorrichtung zum einbringen von informationen in ein audiosignal Download PDF

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WO2002080415A2
WO2002080415A2 PCT/EP2002/003397 EP0203397W WO02080415A2 WO 2002080415 A2 WO2002080415 A2 WO 2002080415A2 EP 0203397 W EP0203397 W EP 0203397W WO 02080415 A2 WO02080415 A2 WO 02080415A2
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audio signal
information
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signal
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Ralph Kulessa
Christian Neubauer
Thomas Sporer
Eric Allamanche
Karlheinz Brandenburg
Ralf Geiger
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04H—BROADCAST COMMUNICATION
    • H04H20/00—Arrangements for broadcast or for distribution combined with broadcast
    • H04H20/28—Arrangements for simultaneous broadcast of plural pieces of information
    • H04H20/30—Arrangements for simultaneous broadcast of plural pieces of information by a single channel
    • H04H20/31—Arrangements for simultaneous broadcast of plural pieces of information by a single channel using in-band signals, e.g. subsonic or cue signal

Definitions

  • Method and device for determining information introduced into an audio signal and method and device for introducing information into an audio signal
  • the present invention relates to the introduction or determination of information which has been or have been added to an audio signal in such a way that it is inaudible when the audio signal is played back, and in particular to a reliable determination of the information introduced and to an adapted introduction of Information.
  • the provider usually generates a header in which copyright information and, for example, a customer number are incorporated, the customer number clearly indicating the current buyer. It is also known to insert copy permission information in this header which signals the most diverse types of copy rights, such as e.g. B. that copying the current piece is completely prohibited, that copying the current piece is only a one-time umpteenths is allowed that the copying of the current piece is completely free, etc.
  • the customer has a decoder that reads the header and, for example, only allows a single copy in compliance with the permitted actions and refuses further copies.
  • Illegal customers usually have a substantial potential for creativity to "crack" pieces of music with a header. This already shows the disadvantage of the described procedure for protecting copyrights. Such a header can easily be removed. Alternatively, an illegal user could also modify individual entries in the header, for example to make the entry "Copy prohibited” an entry "Copy completely free”. It is also conceivable that an illegal customer removes his own customer number from the header and then offers the piece of music on his or another homepage on the Internet. From this moment on it is no longer possible to identify the illegal customer because he has removed his customer number. Attempts to prevent such copyright infringement will therefore inevitably result in the copy information having been removed or modified from the piece of music and since the illegal customer who did so can no longer be identified to help him To take responsibility. If, instead, there was a safe introduction of information into the audio signal, state authorities that pursue copyright infringements could identify suspicious pieces of music on the Internet and, for example, determine the user identification of such illegal pieces in order to put an end to illegal users.
  • WO 97/33391 describes a coding method for insertion an inaudible data signal into an audio signal.
  • the audio signal into which the inaudible data signal is to be introduced is converted into the frequency range in order to determine the masking threshold of the audio signal using a psychoacoustic model.
  • the data signal to be introduced into the audio signal is multiplied by a pseudo-noise signal in order to create a data signal which is spread in terms of frequency.
  • the frequency-spread data signal is then weighted with the psychoacoustic masking threshold such that the energy of the frequency-spread data signal is always below the masking threshold.
  • the weighted data signal is superimposed on the audio signal, whereby an audio signal is generated into which the data signal is inaudibly introduced.
  • the data signal can be used to determine the range of a transmitter.
  • the data signal can be used to identify audio signals in order to easily identify pirated copies, since each sound carrier is provided with an individual identifier, for example in the form of a CompactDisc, at the factory. Further described possible uses of the data signal consist in remote control of audio devices in analogy to the "VPS" method in television.
  • This method already provides a high level of security against music pirates, since on the one hand they may not even know that the piece of music they are copying is marked. Moreover, without an authorized decoder, it is almost impossible to extract the data signal that is inaudibly present in the audio signal.
  • audio signals are available as 16-bit PCM samples.
  • a music pirate could, for example, manipulate the sampling rate or amplitudes of the samples in order to make the data signal unreadable, ie undecodable, as a result of which the copyright information would also be removed from the audio signal.
  • this will not be possible without significant loss of quality.
  • Data introduced in this way in audio signals can therefore also be referred to as "watermarks" in analogy to banknotes.
  • Information that is introduced into the audio signal is generally provided by an information source 100 and fed to a device for spreading, which is fed with a spreading sequence.
  • the device 102 for spreading the information units supplied by the source 100 comprises a simple multiplier if the information units are represented by antipodal binary signals, ie signals which represent the two binary states by a positive or a negative level.
  • Spreading with the spreading sequence leads to a plurality of bits being generated from one information bit, the plurality of bits being equal to the length of the spreading sequence.
  • a spread information signal is generated at the output of the device 102, which, depending on the logical state of the corresponding information bit, has a sequence of data sequences, each data sequence corresponding to the spreading sequence itself if the information unit is represented by a positive level, or is the inverted spreading sequence when the information signal is represented by a negative level. If an information signal is used in which one logic state is represented by a positive level and the other logic state is represented by a zero level, an XOR operation must be used instead of the multiplier in the device 102 for spreading.
  • the spread information signal at the output of the device 102 is then fed into a device 104 for transforming.
  • the device 104 can be implemented either as a transformation device or as a filter bank.
  • transform thus generally relates to the process by which a spectral signal representation is generated from a temporal signal representation.
  • reverse transformation refers to the process by which a temporal signal representation is generated from a spectral signal representation.
  • the device 104 thus generates a spectral representation of the spread information signal, which is fed to a device 106 for manipulating the information signal.
  • the device 106 is also fed with a masking threshold of the audio signal, which originates from a source 108 for the audio signal.
  • the masking threshold of the audio signal is calculated by a psychoacoustic model 110.
  • Psychoacoustic models are known in technology, which is why they will not be discussed further in the following on such models and their mode of operation. In general, however, it should be noted that conventional psychoacoustic models output a spectral masking threshold which indicates how much energy may be in a frequency band of the audio signal without a signal having this energy being audible. In other words, the signal, which has an energy distribution that follows the spectral masking threshold, will theoretically be inaudible to a human listener.
  • the manipulation in the device 106 can be carried out simply by scaling the spectral lines so that they are in their Energy are identical to the psychoacoustic masking threshold. If a pseudo-noise code sequence is used as the spreading sequence, it can be assumed on average that the transformed spread information signal has a frequency- will have a moderately constant energy curve.
  • the device 106 can be manipulated in order to search for the maximum amplitude in each frequency band in a short-term spectrum of the spread transformed information signal. Then a scaling factor is to be determined for each frequency band, by means of which the manipulated information signal at the output of the device 106 has a spectral energy profile which is equal to or below the psychoacoustic masking threshold.
  • the frequency bands are adapted to the hearing.
  • the weighted information signal must also be combined with the audio signal by means 112 for combining the two signals.
  • the device 112 for combining can be designed in such a way that it first performs a reverse transformation of the weighted information signal from the frequency domain into the time domain, and then realizes a sample-wise addition with the audio signal from the source 108 for the audio signal.
  • the audio signal could also be transformed into the frequency domain in order to then carry out a spectral line-wise addition with the weighted information signal, and then to transform the combined signal back into the time domain in order to obtain the audio signal with the inaudible information.
  • the 6 generally describes a known device for determining the information introduced into the audio signal. Generally speaking, such a device must receive the audio signal and then extract the information introduced.
  • the extraction can basically be divided into two sections.
  • the first section consists in that the audio signal with the information introduced is fed to a correlator 114 which is "fed" with the spreading sequence which is also used when spreading 102 (Fig. 5) has been inserted during the introduction of the information into the audio signal.
  • Correlator 114 could, for example, be implemented as a so-called matched filter, this filter being adapted to the spreading sequence.
  • the correlation results are particularly good if the spreading sequence is a pseudo-noise sequence. In this case, the distance between an output peak of the correlator that indicates a correlation and an output peak that does not indicate a correlation is maximum.
  • a signal is then present at the output of the correlator 114, which has high positive or negative peaks and has a multiplicity of small positive or negative peaks between two high peaks, the distance between two high peaks being given by the length of the spreading sequence.
  • the output signal of the correlator is typically post-processed in such a way that the small, insignificant peaks between the high peaks are eliminated, and that only the sign of the high peaks, but not their amount, is typically determined to generate a "clean" digital signal again.
  • Post-processing means 116 may also have a threshold decision maker indicating that a peak whose height is above a threshold is considered significant, while a peak whose height is below the threshold is considered non-significant.
  • the information that has been introduced can then be removed and used further in order to interpret its information content.
  • a disadvantage of the known method is the fact that the information introduced into the audio signal has a strongly fluctuating energy in the audio signal.
  • the psychoacoustic masking threshold is high, ie in which a signal with relatively high energy is still being masked, a relatively high signal / interference ratio is likely to be available.
  • the signal / interference ratio should be relatively low.
  • the spreading reduces the data rate of the information in the audio signal accordingly.
  • the spreading sequence could be made very long. However, with increasing length of the spreading sequence, less and less information can be introduced into the audio signal per unit of time.
  • a device for determining the information introduced into the audio signal due to the fact that it does not yet know in which areas there is a high or low signal / interference ratio for the introduced information, is by areas with a low signal / interference ratio even misdirected, such that correlator peaks can no longer be reliably recognized due to the high interference signals.
  • the strongly fluctuating energy of the information signal introduced into the audio signal thus leads to considerable problems in decoding, i. H. when determining the information in the recipient.
  • Another whitening filter is described, which sets the amplitude of all spatial frequencies to the value 1.
  • WO 97/09797 relates to a method and a device for transporting auxiliary data in audio signals.
  • a whitening block that whites the spectrum of the signal arriving in the watermark decoder is used before the auxiliary data is detected.
  • LPC linear prediction coding
  • the U.S. Patent No. 5,450,490 discloses a method and apparatus for inserting a code into audio signals and for extracting and decoding the code from the encoded audio signals.
  • Two synchronization symbols and the value "0" of a data bit and the value "1" of a data bit are each represented by 10 frequency components, the information being coded in that the 10 spectral components of a reference frequency, such as. B. 2 kHz, are spaced by a certain variable distance.
  • the 10 spectral components are provided at the corresponding frequency values and weighted in order to be masked by the audio signal. The weighted spectral components are then combined with the audio signal.
  • an analog audio signal is first amplified by means of conditioning circuits, subjected to an AGC and subjected to anti-aliasing low-pass filtering, in order to then be converted from analog to digital.
  • the digital signal is then subjected to an FFT in order to determine corresponding frequency components using statistical methods, which indicate coded information.
  • DE 196 40 825 AI discloses an encoder for introducing an inaudible data signal into an audio signal and a decoder for decoding a data signal inaudibly contained in an audio signal. Before the information is extracted, the signal with the information introduced is low-pass filtered, subjected to an optional AGC operation and converted to analog / digital, in order then to carry out code extraction using a matched FIR filter.
  • the U.S. -Patent No. 5,473,631 discloses a concept for the simultaneous transmission of data and audio signals with hearing-adapted coding, with no audio signal-specific preprocessing taking place.
  • the object of the present invention is to provide a concept by which a reliable determination of the information introduced into an audio signal is possible without the data rate of the information introduced into the audio signal being greatly reduced.
  • This object is achieved by a method for determining information introduced into an audio signal according to patent claim 1, by a device for determining information incorporated in an audio signal according to patent claim 16, by a method for introducing information into an audio signal according to patent claim 11, or by a Device for introducing information into an audio signal according to claim 17 solved.
  • the present invention is based on the knowledge that the audio signal with the information introduced must be preprocessed or equalized before correlating with the spreading sequence used when the information is introduced. This equalization takes place in the frequency domain or time domain in such a way that the spectrally strongly fluctuating energy curve of the information introduced into the audio signal is influenced in order to be able to better carry out an extraction of the information introduced into the audio signal.
  • This preprocessing is taken into account an audio signal-specific characteristic of the audio signal, which indicates a measure of the energy for the information introduced into the audio signal, since the energy of the audio signal was decisive for the manipulation of the information signal when introducing the additional information and, in particular, is responsible for the fact that the energy of the information about the frequency introduced into the audio signal fluctuates very greatly without preprocessing, which is disadvantageous in the correlation with the extraction of the information.
  • preprocessing in the form of a whitening filter etc. which is completely independent of the signal into which the information is introduced, is no longer carried out, but intelligent preprocessing is carried out, which is specific to the audio signal and in particular specific is the energy of the information brought in.
  • This entails a good equalization of the strongly fluctuating energy curve of the information brought in, since the fluctuation in the energy curve is very strongly correlated with the audio signal-specific characteristic.
  • the psychoacoustic masking threshold or the tonality measure are, for example, interesting audio signal-specific characteristics. In general, all audio signal-specific characteristics can be used that influence how the fluctuating energy curve of the information introduced into the audio signal came about. Each of these characteristics can be useful in order to equalize this energy curve in a signal-specific and thus efficient and effective manner before correlation.
  • the preprocessed audio signal is fed to a correlator and preferably a post-processing stage in order to extract the information from the audio signal.
  • the preprocessing is preferably carried out in the frequency domain so that a preprocessing is carried out formation and after pre-processing a reverse transformation is required.
  • the preprocessing in the frequency domain means that the energy of the information introduced into the audio signal is more uniform over the frequency than if the audio signal had not been preprocessed, which is favorable for correlating and generally speaking for decoding at all and the subsequent post-processing.
  • the preprocessing can also eliminate audio components either in terms of frequency or time in which the signal / interference ratio is poor with regard to the information introduced.
  • Such components are, for example, tonal components with a large distance between the audio signal level and the psychoacoustic masking threshold. By eliminating such components before the correlation, undesired interference signals are removed before the correlator, so that they can no longer negatively influence the correlator operation.
  • the preprocessing of the audio signal taking into account the psychoacoustic masking threshold, can be carried out in several ways.
  • an inverse psychoacoustic manipulation can be carried out in that the masking threshold is calculated again from the audio signal with the information introduced, as in the device for introducing the information, and the manipulation is carried out inversely when the information is introduced, i. H. undone.
  • this preprocessing leads to a strong distortion of the audio signal, this does not play a role, since the audio signal is regarded as a “disturbance” anyway in the case of watermark decoding.
  • This measure has the advantage that the energy of the information introduced into the audio signals in a block of Samples of the audio signal is almost constant. It is disadvantageous, however, that a relatively large amount of interference signals are introduced by the high amplification of frequency bands with a relatively low psychoacoustic masking threshold or a relatively large distance between the signal level and the masking threshold, which under certain circumstances can cause problems when decoding by means of correlation.
  • tonal bands in the audio signal e.g. H. the tonality properties of the audio signal over frequency are obtained. Since the signal / interference ratio of the information introduced into the audio signal is rather low in tonal bands, an attenuation of the tonal bands can then be carried out in accordance with an alternative preferred exemplary embodiment of the present invention so that these bands are no longer taken into account when correlating. This measure suppresses interference signals even before the correlation detector. At the same time, however, the total energy of the information introduced into the audio signal decreases somewhat. Compared to noise suppression, however, this disadvantage is only marginal.
  • tonal bands can be achieved by simply setting the spectral lines of the audio signal in the tonal bands to zero. This effectively cuts out the tonal bands from the audio signal.
  • tonal bands in particular have contributed to the strong fluctuation in the energy profile of the information introduced into the audio signal, their removal from the audio signal also leads to the spectral distribution of the information introduced into the audio signal being at least approximated to a constant value.
  • the strong fluctuation in the energy course of the watermark is due to the fact that tonal bands have a very low masking threshold and thus have very little water
  • the limit value can be set such that an optimal compromise between energy loss on the one hand and interference signal suppression on the other hand can be achieved. It can be seen that the concept according to the invention optimally to different audio pieces, such as. B. can be adjusted very tonally or very little tonally.
  • improvements according to the invention can also be made in the device for introducing the information. If it is known that a device for determining the information sets tonal bands to zero in any case, then it is also possible to dispense entirely with introducing energy into the tonal bands when the information is introduced. Depending on the music to be encoded, an optimal tonality limit value can also be used for watermark encoding, which determines which tapes should be damped or completely suppressed.
  • the psychoacoustic model used in practice only estimates the psychoacoustic masking threshold and does not calculate it exactly, so that even if energy is introduced into tonal bands below the estimated psychoacoustic masking threshold, quality losses can nevertheless occur , Because of the inexact estimate, quality losses can therefore occur, even if the estimated psychoacoustic masking threshold is strictly observed when introducing information into the audio signal.
  • the signal / noise ratio of the watermark information as a signal to the audio signal as "noise” varies greatly. This variation of the S / N ratio depends strongly on the so-called masking measure.
  • the measure of masking is defined by the ratio of the audio signal energy to the psychoacoustic masking threshold.
  • the measure of masking can be specified as spectral masking measure per spectral range.
  • the degree of masking is large, there is a large distance between the audio signal energy and the masking threshold, which in turn means that the ratio of the watermark energy to the audio signal energy is low and the S / N ratio is therefore poor.
  • the amount of masking is small, there is a small distance between the audio signal energy and the masking threshold, so that the ratio of the watermark energy to the audio signal energy is rather high and there is a good S / N ratio for the watermark.
  • Preprocessing the audio signal using the Concealment as an audio signal-specific characteristic before extracting the information from the audio signal therefore, in analogy to the principles of Wiener filtering, also means that the S / N ratio of the watermark has a more constant course after preprocessing than before preprocessing.
  • the audio signal-specific characteristic of the audio signal is used to measure the S / Determine the N ratio of the watermark in the audio signal.
  • the audio signal is then pre-distorted in order to achieve a better extraction of the information, that is to say the watermark, introduced into the audio signal.
  • FIG. 1 is a block diagram representation of the concept according to the invention for determining information introduced into an audio signal
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of the concept for determining information introduced into an audio signal in accordance with an alternative exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows an alternative concept for introducing information according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • 5 shows a block diagram of a known device for introducing information into an audio signal
  • FIG. 6 shows a block diagram of a known device for determining information introduced into an audio signal.
  • the introduction of the information into the audio signal can therefore also be regarded as a transmission of the spread information signal over a channel that varies greatly both in terms of time and spectrally. Since the psychoacoustic masking threshold can vary greatly depending on the frequency, the transmission channel can be viewed in the system-theoretical sense as a strongly frequency-dependent channel.
  • the psychoacoustic masking threshold can also vary greatly over time, ie a normal piece of music can and will also have a dynamic behavior over time
  • the transmission channel in the system-theoretical sense is also highly time-dependent. The dependence of the channel on frequency and time is determined solely by the audio signal, which is the psychoacoustic stian masking threshold.
  • the introduction of information into the audio signal can thus also be regarded as a transmission of information over a channel that varies greatly in terms of time and frequency, the audio signal representing a generally colored interference and the information introduced below the estimated masking threshold being the useful signal.
  • Optimally working decoders i. H. Devices for determining the information from the audio signal, on the other hand, require input signals which are as smooth as possible, or information about the quality of input signals, so that they weight "inefficient" sections correspondingly less, ie. H. Consider less when making your decision than "more productive" sections.
  • an equalization of the audio signal with the information introduced is carried out on the basis of psychoacoustic specifications before the information is extracted from the audio signal in order to generate an input signal into the correlator which is more constant with regard to the energy of the watermark in the spectrum.
  • the influence of the psychoacoustic masking threshold which strongly depends on the frequency, is to be reversed or at least alleviated.
  • the audio signal with the information introduced, as shown in FIG. 1 is fed into a device 10 for transforming the audio signal into the frequency range.
  • the device 10 for transforming can be designed as a filter bank, an FFT block or something similar.
  • the audio signal is sent to a device 13 to estimate an audio signal-specific characteristic, such as. B. the pschoacoustic masking threshold or a tonality measure.
  • an audio signal-specific characteristic such as. B. the pschoacoustic masking threshold or a tonality measure.
  • the temporal representation of the audio signal or the spectral representation of the audio signal is required.
  • the audio signal transformed into the frequency domain i. H. the spectral representation of the same is guided into a preprocessing device 12 controlled by the device 13 in order to obtain a preprocessed spectral representation at the output of the device 12 in which the spectral distribution of the energy of the information introduced into the audio signal is smoothed or for the correlator is conditioned.
  • the preprocessed spectral representation is finally fed in by means of a device 14 for transforming back from the frequency range into the time range in order to obtain a now preprocessed audio signal into which the information is introduced, but now at least the spectral energy distribution in the preprocessed audio signal to the constant value is approximated.
  • the devices 10 and 14 can be omitted, as is symbolized by the broken lines 11 in FIG. 1.
  • psychoacoustically controlled preprocessing e.g. B. by inverse manipulation, by suppressing tapes with very low energy, that is, by sorting out "outliers", by a combination of both methods or by some other preprocessing, which depends on an audio signal-specific characteristic that relates to the Indicates the energy of the information provided or significantly determines it, such as B. the psychoacoustic masking threshold, acts on the spectral distribution of the information introduced in order to condition it favorably for a correlator.
  • preprocessing e.g. B. by inverse manipulation, by suppressing tapes with very low energy, that is, by sorting out "outliers", by a combination of both methods or by some other preprocessing, which depends on an audio signal-specific characteristic that relates to the Indicates the energy of the information provided or significantly determines it, such as B. the psychoacoustic masking threshold, acts on the spectral distribution of the information introduced in order to condition it favorably for a correlator.
  • the spectral representation of the audio signal is preprocessed taking into account the masking threshold.
  • the audio signal present in the time domain could, for. B. filtered by a warp filter, that is to say preprocessed, in order to at least partially, if not completely, reverse the manipulation of the information signal controlled by the masking threshold when the information is introduced.
  • the device 14 for reverse transformation can also be designed as an FFT block, as an inverse filter bank or by a similar device.
  • the preprocessed audio signal at the output of the device 14 for re-transforming is finally correlated into a device 16 for correlating or post-processing using the spreading sequence used when introducing the information, and post-processed in order to obtain the information introduced.
  • the preprocessing device 12 can be designed as long as it causes the preprocessed signal to have a smoother spectral energy distribution with respect to the information introduced into the audio signal than the signal at the input of the preprocessing device, depending on the psychoacoustic masking threshold, the tonality, etc. Correlator in block 16 to facilitate the work and / or withhold interference signals if necessary.
  • a complete inverse psychoacoustic manipulation is carried out during preprocessing, as shown in FIG. 3.
  • the audio signal with the information introduced is first fed into a device for transforming 10 in order to generate a spectral representation of the audio signal with the information introduced.
  • an inverse manipulation 12c is carried out depending on the psychoacoustic masking threshold, which is also constantly present in the device for determining or estimating the information, that is to say per block of Sampling of the audio signal depending on the frequency is calculated.
  • the audio signal with the information introduced is branched off in front of the device 10 for transforming and fed into the block 13.
  • the inverse manipulation 12c using the psychoacoustic masking threshold results in that at the exit .
  • preprocessed audio signal is generated, in which the spectral distribution of the audio signal does not necessarily have an identical value, but in which the spectral distribution of the information introduced into the audio signal is constant, ie is completely approximated to the constant value.
  • the constant value to which the spectral distribution of the energy of the information introduced into the audio signal is to be approximated can be specified. Due to the psychoacoustic masking threshold, which is constantly output by the psychoacoustic model 13 as an energy value for each hearing-adapted frequency band, that is to say for a frequency band with a bandwidth of 1 BARK, the block 12c knows how high the energy of the information signal is in each frequency band, and how much this frequency band has to be amplified to keep the energy of the information in the audio signal constant Bring value.
  • the output signal of block 12c can be passed to device 14 for inverse-transformation, bypassing a block 18 for attenuating tonal frequency bands, which will be discussed later, in order then to achieve an extraction in block 16. This will preserve the information that is brought in. Block 16 will then be able to work without any problems since the energy of the audio signal is no longer completely constant, but now the energy of the information about the frequency introduced into the audio signal, i.e. in all hearing-adapted frequency bands or generally in frequency bands of the audio signal a constant value Has.
  • the output of block 12c directly to the input of block 14, but to additionally attenuate the tonal bands of the inverse-weighted audio signal with the information that has been introduced. To do this, it must be determined which frequency bands are tonal in the audio signal. This tonality information is also preferably calculated by the psychoacoustic model 13 using the psychoacoustic masking threshold.
  • the attenuation of tonal bands by block 18 has the advantage that interference signals are blocked by the correlator in block 16, since tonal signal components generally have very little energy input. If they are not taken into account at all when correlating, the correlator is protected against unnecessary interference signals.
  • a preferred form of attenuation of tonal frequency bands will therefore consist in completely zeroing tonal frequency bands above a certain tonality measure.
  • scaling can be carried out in such a way that rather atonal frequency bands are still amplified, while more tonal frequency bands are already attenuated. So it is not necessary to make a yes / no decision, but continuous scaling could also be dependent on the tonality measure. For simplicity of implementation, however, it is preferred to set frequency bands with a tonality measure from a certain threshold to zero.
  • the audio signal with the information introduced is preferably subjected to a preprocessing which can either include only the inverse manipulation or only the attenuation of the tonal bands, or else both measures. Alternatively, however, all other preprocessing operations can also be carried out with which, taking into account the psychoacoustic properties of the audio signal, an energy distribution of the information introduced into the audio signal is at least approximated in frequency and preferably also in time, that is to say from block to block, to a constant value.
  • the concept of attenuation of the tonal frequency bands shown in FIG. 2 in the decoder or in the device for determining the information also allows favorable conclusions to be drawn about an improved encoder, ie an improved device for introducing the information. If it is known in any case that a device for determining the information transmits energy in tonal frequency bands Not considered at all, so no energy has to be introduced into the tonal frequency bands.
  • the block of manipulation 20 of the device for introducing information shown in FIG. 3 comprises a first block 20a for scaling the spectral lines taking into account the psychoacoustic masking threshold and a second block 20b for zeroing the energy of the information signal in tonal Bands of audio signal.
  • the manipulated information signal at the output of block 20 then corresponds to the output signal of block 106 of the known device, which is shown in FIG. 5, but with the essential difference that there is no energy in frequency bands of the manipulated information signal, which are tonal frequency bands of the audio signal , This was achieved by subsequently setting zero tonal frequency bands in block 20b after scaling the spectral lines in block 20a.
  • the spectral spread information signal after block 104 for transforming is weighted with the psychoacoustic masking threshold, and the spectral tonality measure is also taken into account in order to generate the weighted information signal at which the energy of the introduced Information is equal to or below the masking threshold, and in which a spectral range that has a tonality measure that indicates low tonality is preferred to a spectral range of the audio signal that has a comparatively high tonality in the manipulation.
  • On atonal frequency band is preferred in that it contains more energy than a tonal frequency band.
  • the tonal frequency band is therefore disadvantaged in the energy distribution and preferably so severely disadvantaged that it is not taken into account in the energy distribution at all, that is to say has no interference energy after weighting.
  • the concept shown in FIG. 4 can alternatively be used, in which the spectral first Areas that are tonal in the audio signal are determined (block 22a), whereupon only the spectral lines that lie in non-tonal spectral areas are scaled, while the tonal spectral lines of the spectrally spread information signal are set to zero without prior scaling.
  • the concept shown in FIG. 3 reduces the energy per bit of information introduced and thereby slightly deteriorates the overall signal / interference ratio. Since the signal / interference ratio in the tonal areas is very low anyway, this deterioration is not essential.
  • the second method avoids this (small) deterioration by distributing the entire energy of the spectrally spread information signal into spectral regions of the spread information signal that are not tonal in the audio signal.
  • the information output from the information source (100, Fig. 5) is processed. They can be channel encoded before transforming and manipulating to provide multiple information decoding channels independently of each other. In this case, spreading sequences used for different information channels must be as orthogonal as possible in order to be able to reliably separate the information channels in a device for determining the information.
  • pseudo-noise spreading sequences which have a white spectrum with regard to the quality of those received in the receiver Correlator results will be optimal.
  • Pseudo-noise sequences are therefore preferred as spreading sequences, since they result in very clear peaks in the case of a correlation and provide very low output signals in the case of a non-correlation, i. H. lead to a good signal / interference ratio behind the correlator.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Ermitteln von in einem Audiosignal eingebrachten Informationen wird eine audiosignalspezifische Charakteristik, wie z. B die psychoakustische Maskierungs-schwelle, des Audiosignals abgeschätzt (13), die auf den Energieverlauf der eingebrachten Informationen hinweist. Daraufhin wird die spektrale Darstellung des Audiosignals auf der Basis der Charakteristik vorverarbeitet (12). Das nun vorverarbeitete Audiosignal wird dann einer Korrelation unterzogen, um die Informationen wieder zu extrahieren. Das Glätten der stark variierenden Energie des Audiosignals führt zu einer einfacheren und besseren Korrelation und damit zu besseren Extraktionsergebnissen. Das Glätten kann durch Unterdrücken tonaler Frequenzbänder oder durch inverses Manipulieren mittels der psychoakustischen Maskierungsschwelle oder durch beide Maßnahmen erreicht werden. Dies ermöglicht auch eine entsprechende Modifikation in einer Vorrichtung zum Einbringen der Informationen in das Audiosignal, derart, daß in tonale Frequenzbänder des Audiosignals überhaupt keine Störenergie mehr eingeführt wird, um keine Qualitätseinbußen des Audiosignals zu riskie-ren.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von in ein Audiosignal eingebrachten Informationen und Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Informationen in ein Audiosignal
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Einbringen bzw. Ermitteln von Informationen, die einem Audiosignal derart hinzugefügt werden bzw. worden sind, daß sie beim Abspielen des Audiosignals unhörbar sind, und insbesondere auf ein sicheres Ermitteln der eingebrachten Informationen sowie an ein daran angepaßtes Einbringen von Informationen.
Mit zunehmender Verbreitung des Internets hat auch die Musikpiraterie drastisch zugenommen. An vielen Stellen im Internet können Musikstücke bzw. allgemein Audiosignale heruntergeladen werden. In den allerwenigsten Fällen werden hierbei Urheberrechte beachtet . Insbesondere wird sehr selten die Erlaubnis des Urhebers eingeholt, sein Werk zur Verfügung zu stellen. Noch seltener werden Gebühren an den Urheber bezahlt, die der Preis für ein rechtmäßiges Kopieren sind. Darüberhinaus findet ein unkontrolliertes Kopieren von Werken statt, was in den allermeisten Fällen ebenfalls ohne Berücksichtigung von Urheberrechten geschieht.
Wenn Musikstücke über das Internet von einem Provider für Musikstücke rechtmäßig erworben werden, erzeugt der Provider üblicherweise einen Header, in dem Copyright-Informationen sowie beispielsweise eine Kundennummer eingebracht sind, wobei die Kundennummer eindeutig auf den aktuell vorliegenden Käufer hinweist. Es ist ferner bekannt, Kopiererlaubnisinformationen in diesen Header einzufügen, welche die verschiedensten Arten von Kopierrechten signalisieren, wie z. B. daß das Kopieren des aktuellen Stücks vollständig untersagt ist, daß das Kopieren des aktuellen Stücks nur ein ein- ziges Mal erlaubt ist, daß das Kopieren des aktuellen Stücks völlig frei ist, etc.
Der Kunde verfügt über einen Decodierer, der den Header einliest und unter Beachtung der erlaubten Handlungen beispielsweise nur eine einzige Kopie zuläßt und weitere Kopien verweigert .
Dieses Konzept zur Beachtung der Urheberrechte funktioniert jedoch nur für Kunden, die sich legal verhalten.
Illegale Kunden haben üblicherweise ein wesentliches Potential an Kreativität, um mit einem Header versehene Musikstücke zu "knacken" . Hier zeigt sich bereits der Nachteil der beschriebenen Vorgehensweise zum Schutz von Urheberrechten. Ein solcher Header kann einfach entfernt werden. Alternativ könnte ein illegaler Benutzer auch einzelne Einträge in dem Header modifizieren, um beispielsweise aus dem Eintrag "Kopieren untersagt" einen Eintrag "Kopieren völlig frei" zu machen. Denkbar ist auch der Fall, daß ein illegaler Kunde seine eigene Kundennummer aus dem Header entfernt und dann das Musikstück auf seiner oder einer anderen Homepage im Internet anbietet. Ab diesem Moment ist es nicht mehr möglich, den illegalen Kunden zu ermitteln, da er seine Kundennummer entfernt hat. Versuche, solche Verletzungen des Urheberrechts zu unterbinden, werden daher zwangsläufig ins Leere laufen, da die Kopierinformationen aus dem Musikstück entfernt worden sind bzw. modifiziert worden sind, und da der illegale Kunde, der dies tat, nicht mehr ermittelt werden kann, um ihn zur Verantwortung zu ziehen. Wäre stattdessen eine sichere Einbringung von Informationen in das Audiosignal vorhanden, so könnten staatliche Behörden, die Urheberrechtsverletzungen verfolgen, verdächtige Musikstücke im Internet ermitteln und beispielsweise die Benutzeridentifikation solcher illegalen Stücke feststellen, um den illegalen Benutzern das Handwerk zu legen.
Aus der WO 97/33391 ist ein Codierverfahren zur Einbringung eines nicht hörbaren Datensignals in ein Audiosignal bekannt. Dabei wird das Audiosignal, in das das nicht hörbare Datensignal eingebracht werden soll, in den Frequenzbereich umgewandelt, um mittels eines psychoakustischen Modells die Maskierungsschwelle des Audiosignals zu bestimmen. Das Datensignal, das in das Audiosignal eingebracht werden soll, wird mit einem Pseudorauschsignal multipliziert, um ein frequenzmäßig gespreiztes Datensignal zu schaffen. Das frequenzmäßig gespreizte Datensignal wird dann mit der psychoakustischen Maskierungsschwelle gewichtet, derart, daß die Energie des frequenzmäßig gespreizten Datensignals immer unterhalb der Maskierungsschwelle liegt. Schließlich wird das gewichtete Datensignal dem Audiosignal überlagert, wodurch ein Audiosignal erzeugt wird, in das das Datensignal unhörbar eingebracht ist. Das Datensignal kann zum einen dazu verwendet werden, die Reichweite eines Senders zu ermitteln. Alternativ kann das Datensignal zur Kennzeichnung von Audiosignalen verwendet werden, um eventuelle Raubkopien ohne weiteres zu identifizieren, da jeder Tonträger beispielsweise in Form einer CompactDisc ab Werk mit einer individuellen Kennung versehen wird. Weitere beschriebene Anwendungsmöglichkeiten des Datensignals bestehen im Fernsteuern von Audiogeräten in Analogie zum "VPS"-Verfahren beim Fernsehen.
Dieses Verfahren liefert bereits eine hohe Sicherheit gegenüber Musikpiraten, da sie zum einen unter Umständen gar nicht wissen, daß das Musikstück, das sie gerade vervielfältigen, gekennzeichnet ist. Darüberhinaus ist es nahezu unmöglich, ohne einen autorisierten Decodierer das Datensignal, das unhörbar in dem Audiosignal vorhanden ist, zu extrahieren.
Audiosignale liegen, wenn sie von einer CompactDisc stammen, als 16-Bit-PCM-Abtastwerte vor. Ein Musikpirat könnte beispielsweise die Abtastrate bzw. Amplituden der Abtastwerte manipulieren, um das Datensignal unlesbar, d. h. undecodier- bar zu machen, wodurch die Urheberrechtsinformationen ebenfalls aus dem Audiosignal entfernt wären. Dies wird jedoch nicht ohne signifikante Qualitätseinbußen möglich sein. Solchermaßen in Audiosignale eingebrachte Daten können daher auch in Analogie zu Banknoten als "Wasserzeichen" bezeichnet werden.
Die allgemeine Funktionsweise des in der W097/33391 offenbarten Konzepts sei im nachfolgenden anhand der Fig. 5 und 7 noch einmal detaillierter dargestellt. Informationen, die in das Audiosignal eingebracht werden, werden allgemein von einer Quelle 100 für Informationen bereitgestellt und einer Einrichtung zum Spreizen zugeführt, die mit einer Spreizsequenz gespeist wird. Die Einrichtung 102 zum Spreizen der von der Quelle 100 gelieferten Informationseinheiten umfaßt im einfachsten Fall einen einfachen Multiplizierer, wenn die Informationseinheiten durch antipodische binäre Signale, d. h. Signale, die durch einen positiven oder einen negativen Pegel die beiden binären Zustände darstellen, repräsentiert werden. Das Spreizen mit der Spreizsequenz führt dazu, daß aus einem Informationsbit eine Mehrzahl von Bits erzeugt wird, wobei die Mehrzahl von Bits gleich der Länge der Spreizsequenz ist. Anders ausgedrückt wird am Ausgang der Einrichtung 102 ein gespreiztes Informationssignal erzeugt, das je nach logischem Zustand des entsprechenden Informationsbits eine Folge von Datensequenzen aufweist, wobei jede Datensequenz der Spreizsequenz selbst entspricht, wenn die Informationseinheit durch einen positiven Pegel dargestellt wird, oder die invertierte Spreizsequenz ist, wenn das Informationssignal durch einen negativen Pegel dargestellt ist. Wird ein Informationssignal verwendet, bei dem ein logischer Zustand durch einen positiven Pegel dargestellt wird, und der andere logische Zustand durch einen Nullpegel dargestellt wird, so muß statt des Multiplizierers in der Einrichtung 102 zum Spreizen eine XOR-Verknüpfung verwendet werden. Das gespreizte Informationssignal am Ausgang der Einrichtung 102 wird anschließend in eine Einrichtung 104 zum Transformieren eingespeist. Die Einrichtung 104 kann entweder als Transformationseinrichtung oder als Filterbank implementiert sein. Wenn sie als Transformationseinrichtung implementiert ist, so bietet sich insbesondere eine schnelle Fouriertransformation (FFT) an. Der Ausdruck "Transformieren" bezieht sich somit allgemein auf den Vorgang, durch den aus einer zeitlichen Signaldarstellung eine spektrale Signaldarstellung erzeugt wird. Analog bezieht sich der Ausdruck "Rücktransformieren" auf den Vorgang, durch den aus einer spektralen Signaldarstellung eine zeitliche Signaldarstellung erzeugt wird.
Die Einrichtung 104 erzeugt somit eine spektrale Darstellung des gespreizten InformationsSignals, die einer Einrichtung 106 zum Manipulieren des InformationsSignals zugeführt wird. Die Einrichtung 106 wird zugleich mit einer Maskierungsschwelle des Audiosignals gespeist, das aus einer Quelle 108 für das Audiosignal stammt. Wie es in Fig. 5 gezeigt ist, wird die Maskierungsschwelle des Audiosignals durch ein psy- choakustisches Modell 110 berechnet. In der Technik sind psychoakustische Modelle bekannt, weshalb im nachfolgenden nicht weiter auf solche Modelle und ihre Funktionsweise eingegangen wird. Allgemein sei jedoch festgehalten, daß übliche psychoakustische Modelle eine spektrale Maskierungs- schwelle ausgeben, die anzeigt, wieviel Energie in einem Frequenzband des Audiosignals sein darf, ohne daß ein Signal, das diese Energie hat, hörbar wird. Anders ausgedrückt wird das Signal, das eine Energieverteilung hat, die der spektralen Maskierungsschwelle folgt, für einen menschlichen Hörer laut Theorie unhörbar sein wird.
Wenn das in die Einrichtung 106 zum Manipulieren eingegebene spektrale und gespreizte Informationssignal eine konstante Energieverteilung hat, d. h. alle Spektrallinien die gleiche Energie haben, so kann das Manipulieren in der Einrichtung 106 einfach dadurch durchgeführt werden, daß die Spektrallinien derart skaliert werden, daß sie in ihrer Energie identisch zu der psychoakustischen Maskierungsschwelle sind. Wird als Spreizsequenz eine Pseudo-Noise-Codesequenz verwendet, so kann im Mittel davon ausgegangen werden, daß das transformierte gespreizte Informationssignal einen frequenz- mäßig konstanten Energieverlauf haben wird.
Sollen dagegen auch Amplitudeninformationen des spektralen gespreizten Informationssignals berücksichtigt werden, so kann die Einrichtung 106 zum Manipulieren ausgeführt sein, um in einem Kurzzeitspektrum des gespreizten transformierten Informationssignals die maximale Amplitude in jedem Frequenzband zu suchen. Hierauf ist dann für jedes Frequenzband einen Skalierungsfaktor zu bestimmen, durch den das manipulierte Informationssignal am Ausgang der Einrichtung 106 einen spektralen Energieverlauf hat, der gleich oder unterhalb der psychoakustischen Maskierungsschwelle ist. Die Frequenzbänder sind dabei an das Gehör angepaßt .
Das gewichtete Informationssignal muß schließlich noch mit dem Audiosignal mittels einer Einrichtung 112 zum Kombinieren der beiden Signale kombiniert werden. Die Einrichtung 112 zum Kombinieren kann derart ausgestaltet sein, daß sie zunächst eine Rücktransformation des gewichteten Informationssignals vom Frequenzbereich in den Zeitbereich durchführt, und dann eine abtastwertweise Addition mit dem Audiosignal aus der Quelle 108 für das Audiosignal realisiert. Alternativ könnte genauso das Audiosignal in den Frequenzbereich transformiert werden, um dann eine spektrallinienweise Addition mit dem gewichteten Informationssignal auszuführen, und um dann das kombinierte Signal wieder in den Zeitbereich zu transformieren, um das Audiosignal mit den unhörbar eingebrachten Informationen zu erhalten.
In Fig. 6 wird allgemein eine bekannte Vorrichtung zum Ermitteln der in das Audiosignal eingebrachten Informationen beschrieben. Allgemein gesagt muß eine solche Vorrichtung das Audiosignal empfangen und dann die eingebrachten Informationen extrahieren. Das Extrahieren kann grundsätzlich in zwei Abschnitte eingeteilt werden. Der erste Abschnitt besteht darin, daß das Audiosignal mit den eingebrachten Informationen einem Korrelator 114 zugeführt wird, der mit der Spreizsequenz "gespeist" wird, die auch beim Spreizen 102 (Fig. 5) während des Einbringens der Informationen in das Audiosignal eingesetzt worden ist. Der Korrelator 114 könnte beispielsweise als sogenanntes Matched-Filter implementiert sein, wobei dieses Filter auf die Spreizsequenz angepaßt ist. Die Korrelationsergebnisse sind dann besonders gut, wenn die Spreizsequenz eine Pseudo-Noise-Sequenz ist. In diesem Fall ist der Abstand zwischen einer Ausgangsspitze des Korrelators, die eine Korrelation anzeigt, und einer Ausgangsspitze, die keine Korrelation anzeigt, maximal.
Am Ausgang des Korrelators 114 liegt dann ein Signal vor, das hohe positive bzw. negative Spitzen hat und zwischen zwei hohen Spitzen eine Vielzahl von kleinen positiven oder negativen Spitzen hat, wobei der Abstand zwischen zwei hohen Spitzen durch die Länge der Spreizsequenz gegeben ist. In einer Einrichtung 116 zum Nachbearbeiten wird das Ausgangs- signal des Korrelators typischerweise derart nachbearbeitet, daß die kleinen, nicht signifikanten Spitzen zwischen den hohen Spitzen eliminiert werden, und daß lediglich das Vorzeichen der hohen Spitzen, jedoch nicht deren Betrag ermittelt werden, um daraus typischerweise wieder ein "sauberes" digitales Signal zu erzeugen. Die Einrichtung 116 zum Nachbearbeiten kann auch einen Schwellenentscheider haben, der angibt, daß eine Spitze, deren Höhe oberhalb eines Schwellenwerts liegt, als signifikant erachtet wird, während eine Spitze, deren Höhe unterhalb des Schwellenwerts liegt, als nicht-signifikant betrachtet wird. Am Ausgang der Einrichtung 116 zum Nachbearbeiten können dann die eingebrachten Informationen abgenommen und weiterverwendet werden, um ihren Informationsgehalt zu interpretieren.
Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist die Tatsache, daß die in das Audiosignal eingebrachten Informationen in dem Audiosignal eine stark schwankende Energie haben. Anders ausgedrückt dürfte in bestimmten Bereichen des Audiosignals, in denen die psychoakustische Maskierungsschwelle hoch ist, d. h. in denen ein Signal mit relativ hoher Energie noch maskiert wird, ein relativ hohes Signal/Störung-Verhältnis vorhanden sein. Andererseits dürfte in Bereichen, in denen die psychoakustische Maskierungsschwelle gering ist, d. h. in denen nur eine geringe Energie in das Audiosignal eingebracht werden kann, um nicht die Qualität des Audiosignals zu verschlechtern, das Signal/Störung-Verhältnis relativ gering sein. Durch das Frequenzspreizungsverfahren, das durch die Einrichtung 102 (Fig. 5) durchgeführt wird, wird zwar ein inhärenter sogenannter Prozeßgewinn oder "Process Gain" erreicht, der darin besteht, daß ein Informationsbit mit einer wesentlich höheren Bandbreite als theoretisch notwendig übertragen wird. Andererseits wird durch das Spreizen die Datenrate der Informationen in dem Audiosignal entsprechend reduziert. Um bei dem bekannten Konzept, das in den Fig. 5 und 7 dargestellt ist, ein sicheres Decodieren, d. h. Ermitteln der Informationen, zu erreichen, könnte die Spreizsequenz sehr lang gemacht werden. Mit zunehmender Länge der Spreizsequenz können jedoch immer weniger Informationen pro Zeiteinheit in das Audiosignal eingebracht werden.
Außerdem wird eine Vorrichtung zum Ermitteln der in das Audiosignal eingebrachten Informationen aufgrund der Tatsache, daß sie bisher nicht weiß, in welchen Bereichen ein hohes bzw. niedriges Signal/Störung- erhältnis für die eingebrachten Informationen ist, durch Bereiche mit niedrigem Signal/Störung-Verhältnis sogar fehlgeleitet, derart, daß Korrelatorspitzen aufgrund der hohen Störsignale nicht mehr sicher erkannt werden können. Allgemein ausgedrückt führt die stark schwankende Energie des in das Audiosignal eingebrachten Informationssignals somit zu erheblichen Problemen beim Decodieren, d. h. beim Ermitteln der Informationen im Empfänger.
Insbesondere in dem Anwendungsbereich, in dem das Konzept des unhörbaren Einbringens von Informationen in ein Audiosignal zum Urheberrechtsschütz eingesetzt werden soll, ist schon allein aufgrund der juristischen Dimension ein sicheres nicht anzweifelbares Ermitteln der Informationen von Bedeutung. Ein Musikpirat kann nur dann verurteilt werden, wenn seine Identität sicher und zweifelsfrei festgestellt werden kann, bzw. wenn sicher und zweifelsfrei festgestellt werden kann, daß er in illegaler Weise gegen Kopierbestimmungen verstoßen hat . Stör- und Angriffssicherheit beim Decodieren bzw. Ermitteln der Informationen sind somit wesentlich für eine Durchsetzung eines solchen Konzepts zum Urheberrechtsschutz in der Praxis.
Die Fachveröffentlichung "On the design of a watermarking System: considerations and rationales" von Jean-Paul Lin- nartz, Geert Depovere und Ton Kalker, Proceedings of the Third International Information Hiding Workshop in Dresden, Oktober 1999, S. 303 - 314, bezieht sich auf die Wasserzei- chen-Detektion im Hinblick auf MPEG-codierte Videobilder. Es wird eine Wasserzeichenerfassung beschrieben, bei der das Bild vor der Wasserzeichendetektion gefiltert wird. Hierbei ist zunächst das lineare Filtern im allgemeinen angesprochen. Weiterhin ist ein Kantenverbesserungsfilter oder ein Median-Filter erwähnt, um eine Prädiktion durchzuführen, die von der aktuellen Luminanz abhängt . Darüberhinaus wird ein Whitening-Prefilter diskutiert, bei dem das Videobild zunächst derart gefiltert wird, daß sein gesamtes Frequenz- spektrum ausreichend weiß ist . Ferner wird ein weiteres Whitening-Filter beschrieben, das die Amplitude aller Ortsfrequenzen auf den Wert 1 einstellt. Bezüglich der Frage, ob das Wasserzeichen in wahrnehmungsmäßig relevanten oder wahrnehmungsmäßig irrelevanten Spektralfrequenzbereichen plaziert werden sollte, wird vorgeschlagen, das Wasserzeichen in günstiger Weise in den oberen Ortsfrequenzbereichen zu plazieren, welche gerade noch nicht so hoch sind, daß sie durch MPEG-Artefakte stark beeinflußt werden.
Die WO 97/09797 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transportieren von Hilfsdaten in Audiosignalen. Ein Whitening-Block, der das Spektrum des in dem Wasserzeichen-Decodierer einlaufenden Signals weiß macht, wird vor dem Detektieren der Hilfsdaten verwendet. Ein alternativer Hilfsdaten-Decodierer verwendet statt des Whitening-Filters ein LPC-Prädiktionsfilter (LPC = Linear Prediction Coding) . Dieses LPC-Filter wird dazu verwendet, eine im Codierer vorgenommene LPC-Filterung rückgängig zu machen.
Nachteilig an allen diesen Verfahren ist jedoch die Tatsache, daß die Besonderheiten der Psychoakustik nicht mehr erfaßt werden, wie z. B. die Tonalität, die Asymmetrie zwischen TMN (TMN = Tone Masking Noise) und NMT (NMT = Noise Masking Tone) bzw. die Verdeckung zu benachbarten Frequenzen, die in der Technik auch als "Inter Band Masking" bezeichnet wird.
Das U.S. -Patent Nr. 5,450,490 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen eines Codes in Audiosignale und zum Extrahieren und Decodieren des Codes aus den mit einem Code versehenen Audiosignalen. Zwei Synchronisations- symbole und der Wert "0" eines Datenbits und der Wert "1" eines Datenbits werden durch jeweils 10 Frequenzkomponenten dargestellt, wobei die Information dadurch codiert ist, daß die 10 Spektralkomponenten von einer Bezugsfrequenz, wie z. B. 2 kHz, um einen bestimmten variablen Abstand beabstandet sind. Je nach zu codierendem Bit werden die 10 Spektralkomponenten bei den entsprechenden Frequenzwerten bereitgestellt und gewichtet, um von dem Audiosignal maskiert zu sein. Die gewichteten Spektralkomponenten werden dann mit dem Audiosignal kombiniert. Im Decodierer wird ein analoges Audiosignal zunächst mittels Konditionierungsschaltungen verstärkt, einer AGC unterzogen und einer Anti-Aliasing- Tiefpaßfilterung unterzogen, um dann analog-digital gewandelt zu werden. Das digitale Signal wird dann einer FFT unterzogen, um unter Verwendung statistischer Methoden entsprechende 10 Frequenzkomponenten zu ermitteln, die auf eine codierte Information hinweisen.
Die DE 196 40 825 AI offenbart einen Codierer zum Einbringen eines nicht-hörbaren Datensignals in ein Audiosignal und einen Decodierer zum Decodieren eines nicht-hörbar in einem Audiosignal enthaltenen Datensignals. Das Signal mit den eingebrachten Informationen wird vor dem Extrahieren der eingebrachten Informationen Tiefpaß-gefiltert, einer optionalen AGC-Operation unterzogen und analog/digital-gewandelt, um dann eine Code-Extraktion mittels eines Matched-FIR-Fil- ters durchzuführen.
Das U.S. -Patent Nr. 5,473,631 offenbart ein Konzept zum gleichzeitigen Übertragen von Daten und Audiosignalen bei gehörangepaßter Codierung, wobei keine audiosignalspezifi- sche Vorverarbeitung stattfindet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zu schaffen, durch das ein sicheres Ermitteln der in ein Audiosignal eingebrachten Informationen möglich wird, ohne daß die Datenrate der in das Audiosignal eingebrachten Informationen stark verringert wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ermitteln von in ein Audiosignal eingebrachten Informationen nach Patentanspruch 1, durch eine Vorrichtung zum Ermitteln von in ein Audiosignal eingebrachten Informationen nach Patentanspruch 16, durch ein Verfahren zum Einbringen von Informationen in ein Audiosignal nach Patentanspruch 11, oder durch eine Vorrichtung zum Einbringen von Informationen in ein Audiosignal nach Patentanspruch 17 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Audiosignal mit den eingebrachten Informationen vor dem Korrelieren mit der beim Einbringen der Informationen verwendeten Spreizsequenz vorverarbeitet bzw. entzerrt werden muß. Diese Entzerrung findet im Frequenzbereich oder Zeitbereich statt, derart, daß der spektral stark schwankende Energieverlauf der in das Audiosignal eingebrachten Informationen beeinflußt wird, um eine Extraktion der in das Audiosignal eingebrachten Informationen besser durchführen zu können. Dieses Vorverarbeiten wird unter Berücksichtigung einer audiosignalspezifischen Charakteristik des Audiosignals, die auf ein Maß der für die Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen hinweist, durchgeführt, da die Energie des Audiosignals für die Manipulation des Informationssignals beim Einbringen der zusätzlichen Informationen maßgeblich war und insbesondere dafür verantwortlich ist, daß die Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen über der Frequenz ohne Vorverarbeitung sehr stark schwankt, was bei der Korrelation zur Extraktion der Informationen nachteilig ist.
In anderen Worten ausgedrückt wird erfindungsgemäß nicht mehr einfach eine Vorverarbeitung in Form eines Whitening- Filters etc. durchgeführt, die völlig unabhängig von dem Signal ist, in das die Informationen eingebracht sind, sondern es wird eine intelligente Vorverarbeitung durchgeführt, die audiosignalspezifisch und insbesondere spezifisch hinsichtlich der Energie der eingebrachten Informationen ist. Dies bringt eine gute Entzerrung des stark schwankenden Energieverlaufs der eingebrachten Informationen mit sich, da die Schwankung des Energieverlauf sehr stark mit der audiosignalspezifischen Charakteristik korreliert ist. Die psy- choakustische Maskierungsschwelle oder das Tonalitätsmaß sind beispielsweise interessierende audiosignalspezifische Charakteristika. Generell können sämtliche audiosignalspezi- fische Charakteristika verwendet werden, die darauf Einfluß haben, wie der schwankende Energieverlauf der in das Audiosignal eingebrachten Informationen zustande gekommen ist . Jedes derartige Charakteristika kann dazu nützlich sein, um diesen Energieverlauf signalspezifisch und damit effizient und wirkungsvoll vor der Korrelation zu entzerren.
Das vorverarbeitete Audiosignal wird einem Korrelator und vorzugsweise einer Nachbearbeitungsstufe zugeführt, um die Informationen aus dem Audiosignal zu extrahieren.
Vorzugsweise wird die Vorverarbeitung im Frequenzbereich durchgeführt, so daß vor dem Vorverarbeiten eine Hintrans- formation und nach dem Vorverarbeiten eine Rücktransformation erforderlich sind.
Das Vorverarbeiten im Frequenzbereich führt dazu, daß nun die Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen über der Frequenz gleichmäßiger verläuft als wenn das Audiosignal nicht vorverarbeitet worden wäre, was für ein Korrelieren und allgemein gesagt für das Decodieren überhaupt und das anschließende Nachbearbeiten günstig ist . Alternativ oder kombiniert dazu können durch die Vorverarbeitung auch Audiosignalanteile entweder frequenzmäßig oder zeitmäßig eliminiert werden, in denen das Signal/Störung- Verhältnis hinsichtlich der eingebrachten Informationen schlecht ist. Solche Anteile sind beispielsweise tonale Anteile mit hohem Abstand zwischen Audiosignalpegel und psychoakustischer Maskierungsschwelle. Durch Elimination solcher Anteile vor der Korrelation werden unerwünschte Stδrsignale bereits vor dem Korrelator entfernt, so daß sie die Korrelatoroperation nicht mehr negativ beeinflussen können.
Das Vorverarbeiten des Audiosignals unter Berücksichtigung der psychoakustischen Maskierungsschwelle kann auf mehrere Arten und Weisen durchgeführt werden.
Es kann beispielsweise eine inverse psychoakustische Manipulation durchgeführt werden, indem von dem Audiosignal mit den eingebrachten Informationen wieder wie in der Vorrichtung zum Einbringen der Informationen die Maskierungsschwelle berechnet wird und die Manipulation beim Einbringen der Informationen invers durchgeführt wird, d. h. rückgängig gemacht wird. Diese Vorverarbeitung führt zwar zu einer starken Verzerrung des Audiosignals, was jedoch keine Rolle spielt, da beim Wasserzeichen-Decodieren das Audiosignal ohnehin als "Störung" betrachtet wird.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Energie der in das Audiosignale eingebrachten Informationen in einem Block von Abtastwerten des Audiosignals nahezu konstant ist. Nachteilig ist jedoch, daß relativ viel Störsignale durch das hohe Verstärken von Frequenzbändern mit einer relativ geringen psychoakustischen Maskierungsschwelle bzw. einem relativ hohen Abstand zwischen dem Signalpegel und der Maskierungs- schwelle eingeführt werden, was unter Umständen beim Decodieren mittels Korrelation Probleme bereiten kann.
Durch Berechnen der Maskierungsschwelle unter Verwendung eines psychoakustischen Modells können ferner auch Informationen über tonale Bänder im Audiosignal, d. h. die Tonali- tätseigenschaften des Audiosignals über der Frequenz, erhalten werden. Da das Signal/Störung-Verhältnis der in das Audiosignal eingebrachten Informationen in tonalen Bändern eher gering ist, kann dann gemäß einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Dämpfung der tonalen Bänder durchgeführt werden, um diese Bänder beim Korrelieren überhaupt nicht mehr zu berücksichtigen. Durch diese Maßnahme werden bereits vor dem Korrelationsdetektor Störsignale unterdrückt. Gleichzeitig nimmt jedoch die Gesamtenergie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen etwas ab. Im Vergleich zur Störsignalunterdrückung ist dieser Nachteil jedoch lediglich marginal.
Die Unterdrückung tonaler Bänder kann dadurch erreicht werden, daß die Spektrallinien des Audiosignals in den tonalen Bändern einfach zu Null gesetzt werden. Damit werden die tonalen Bänder aus dem Audiosignal gewissermaßen herausgeschnitten.
Da besonders die tonalen Bänder zur starken Schwankung des Energieverlaufs der in das Audiosignal eingebrachten Informationen beigetragen haben, führt ihre Entfernung aus dem Audiosignal ebenfalls dazu, daß die spektrale Verteilung der in das Audiosignal eingebrachten Informationen an einen konstanten Wert zumindest angenähert wird. Die starke Schwankung des Energieverlaufs des Wasserzeichens kommt daher, daß tonale Bänder eine sehr niedrige Maskierungsschwelle und damit sehr wenig WasserZeichenenergie haben.
Im Grenzfall, wenn lediglich die Bänder mit einer hohen Atonalität nicht unterdrückt werden, könnte sogar - ebenso wie beim inversen Manipulieren - ein nahezu vollständig konstanter Energieverlauf erzeugt werden. Die Unterdrückung von Bändern mit einer Maskierungsschwelle unter einem Grenzwert muß jedoch behutsam durchgeführt werden, um nicht zu viel Wasserzeichenenergie zu verlieren. Mit anderen Worten kann der Grenzwert so eingestellt werden, daß ein optimaler Kompromiß zwischen Energieverlust einerseits und Störsignalunterdrückung andererseits erreicht werden kann. Damit ist erkennbar, daß das erfindungsgemäße Konzept optimal an verschiedene Audiostücke, wie z. B. sehr tonal oder sehr wenig tonal angepaßt werden kann.
Dies führt dazu, daß auch in der Vorrichtung zum Einbringen der Informationen erfindungsgemäße Verbesserungen vorgenommen werden können. Ist es nämlich bekannt, daß eine Vorrichtung zum Ermitteln der Informationen tonale Bänder auf jeden Fall zu Null setzt, so kann beim Einbringen der Informationen auch ganz darauf verzichtet werden, in tonale Bänder Energie einzubringen. Auch beim Wasserzeichencodieren kann somit abhängig von der zu codierenden Musik ein optimaler Tonalitäts-Grenzwert eingesetzt werden, der festlegt, welche Bänder gedämpft bzw. ganz unterdrückt werden sollten.
Da anders gesagt erkannt wurde, daß tonale Bänder auf jeden Fall kein besonders gutes Signal/Störung-Verhältnis haben und somit ein sicheres Ermitteln der eingebrachten Informationen in diesen Bändern generell zweifelhaft ist, kann auch gleich auf das Einbringen von Energie in die tonalen Bänder verzichtet werden.
Dies hat den angenehmen Nebeneffekt, daß Qualitätsverluste durch das Einbringen der Informationen noch besser vermieden werden, da tonale Bänder für die Qualität besonders kritisch sind. Dieser Ansatz ist um so mehr gerechtfertigt, wenn die tonalen Bänder beim Ermitteln der Informationen, d. h. beim Decodieren, so und so nicht berücksichtigt werden, da hier im wesentlichen Störsignale erzeugt werden, jedoch kein signifikanter Signalgehalt. Damit kann die Qualität des Audiosignals bewahrt werden, ohne daß wirklich wichtige Informationsverluste auftreten.
Es sei an dieser Stelle in Erinnerung gerufen, daß das in der Praxis verwendete psychoakustische Modell die psychoaku- stische Maskierungsschwelle lediglich schätzt und nicht exakt berechnet, so daß, selbst wenn Energie unterhalb der geschätzten psychoakustischen Maskierungsschwelle in tonale Bänder eingebracht wird, dennoch Qualitätsverluste auftreten können. Aufgrund der nicht exakten Schätzung können daher Qualitätsverluste auftreten, auch wenn die geschätzte psychoakustische Maskierungsschwelle beim Einbringen von Informationen in das Audiosignal genau eingehalten wird.
In dem Audiosignal, aus dem die Wasserzeicheninformationen extrahiert werden sollen, variiert das Signal/Rausch-Verhältnis der Wasserzeicheninformationen als Signal zu dem Audiosignal als "Rauschen" stark. Diese Variation des S/N- Verhältnisses hängt stark von dem sogenannten Verdeckungsmaß ab. Das Verdeckungsmaß ist durch das Verhältnis der Audiosignalenergie zu der psychoakustischen Maskierungsschwelle definiert. Das Verdeckungsmaß kann pro spektralem Bereich als spektrales Verdeckungsmaß angegeben werden.
Ist das Verdeckungsmaß groß, so existiert ein hoher Abstand zwischen Audiosignalenergie und Maskierungsschwelle, was wiederum bedeutet, daß das Verhältnis der Wasserzeichenener- gie zur Audiosignalenergie gering ist und damit das S/N-Verhältnis schlecht ist. Ist dagegen das Verdeckungsmaß klein, so existiert ein kleiner Abstand zwischen Audiosignalenergie und Maskierungsschwelle, so daß das Verhältnis der Wasserzeichenenergie zu der Audiosignalenergie eher hoch ist und ein gutes S/N-Verhältnis für das Wasserzeichen existiert. Eine Vorverarbeitung des Audiosignals unter Verwendung des Verdeckungsmaßes als audiosignalspezifische Charakteristik vor dem Extrahieren der Informationen aus dem Audiosignal führt daher in Analogie zu den Prinzipien der Wiener-Filterung ebenfalls dazu, daß das S/N-Verhältnis des Wasserzeichens nach dem Vorverarbeiten einen eher konstanten Verlauf als vor der Vorverarbeitung hat.
Im Gegensatz zu einem Funkkanal, der ein zeitlich und spektral sich änderndes S/N-Verhältnis hat, das im allgemeinen schlecht oder nicht vorhersagbar ist, wird die audiosignalspezifische Charakteristik des Audiosignals, und bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Verdeckungsmaß, dazu verwendet, das S/N-Verhältnis des Wasserzeichens im Audiosignal zu bestimmen. Auf der Basis dieser Informationen wird das Audiosignal dann vorverzerrt, um eine bessere Extraktion der in das Audiosignal eingebrachten Informationen, also des Wasserzeichens, zu erreichen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Blockdiagrammdarstellung des erfindungsgemäßen Konzepts zum Ermitteln von in ein Audiosignal eingebrachten Informationen;
Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des Konzepts zum Ermitteln von in ein Audiosignal eingebrachten Informationen gemäß einem alternativen Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Konzept zum Einbringen von Informationen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein alternatives Konzept zum Einbringen von Informationen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 ein Blockdiagramm einer bekannten Vorrichtung zum Einbringen von Informationen in ein Audiosignal; und
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer bekannten Vorrichtung zum Ermitteln von in einem Audiosignal eingebrachten Informationen.
Im nachfolgenden wird der systemtheoretische Hintergrund des erfindungsgemäßen Verfahrens beleuchtet, bevor dann eine detaillierte Beschreibung der Figuren folgt . Wie es bereits bezugnehmend auf die Fig. 5 und 6 dargelegt worden ist, führt die Manipulation des gespreizten Informationssignals unter Berücksichtigung der psychoakustischen Maskierungsschwelle dazu, daß die Energie des gespreizten Informations- signals einerseits spektral stark variiert und andererseits auch zeitlich stark variiert, je nach dem, wie die psychoakustische Maskierungsschwelle des Audiosignals zeitlich und frequenzmäßig verläuft.
Das Einbringen der Informationen in das Audiosignal unter Berücksichtigung der psychoakustischen Maskierungsschwelle kann daher auch als eine Übertragung des gespreizten Informationssignals über einen sehr stark sowohl zeitlich als auch spektral variierenden Kanal betrachtet werden. Nachdem die psychoakustische Maskierungsschwelle abhängig von der Frequenz stark variieren kann, kann der Übertragungskanal im systemtheoretischen Sinne als stark frequenzabhängiger Kanal betrachtet werden.
Nachdem andererseits die psychoakustische Maskierungsschwelle auch sehr stark mit der Zeit variieren kann, d. h. ein normales Musikstück kann und wird auch ein zeitlich dynamisches Verhalten haben, ist der Übertragungskanal im systemtheoretischen Sinne auch stark zeitabhängig. Die Abhängigkeit des Kanals von der Frequenz und von der Zeit wird allein durch das Audiosignal bestimmt, das ja die psychoaku- stische Maskierungsschwelle festlegt.
Das Einbringen von Informationen in das Audiosignal kann somit auch als ein Übertragen von Informationen über einen stark zeitlich und frequenzmäßig variierenden Kanal betrachtet werden, wobei das Audiosignal eine im allgemeinen farbige Störung darstellt, und die unterhalb der geschätzten Maskierungsschwelle eingebrachten Informationen das Nutzsignal sind.
Optimal arbeitende Decoder, d. h. Vorrichtungen zum Ermitteln der Informationen aus dem Audiosignal benötigen dagegen möglichst glatte Eingangssignale bzw. Informationen über die Güte von EingangsSignalen, damit sie "unergiebige" Abschnitte entsprechend geringer gewichten, d. h. bei ihrer Entscheidung weniger berücksichtigen, als "ergiebigere" Abschnitte.
Erfindungsgemäß wird daher eine Entzerrung des Audiosignals mit den eingebrachten Informationen aufgrund von psychoakustischen Vorgaben vor dem Extrahieren der Informationen aus dem Audiosignal durchgeführt, um ein hinsichtlich der Energie des Wasserzeichens im Spektrum konstanteres Eingangssignal in den Korrelator zu erzeugen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung soll der Einfluß der psychoakustischen Maskierungsschwelle, die stark von der Frequenz abhängt, rückgängig gemacht werden bzw. zumindest gelindert werden.
Dazu wird das Audiosignal mit den eingebrachten Informationen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, in eine Einrichtung 10 zum Transformieren des Audiosignals in den Frequenzbereich eingespeist. Die Einrichtung 10 zum Transformieren kann als Filterbank, als FFT-Block oder als etwas ähnliches ausgeführt sein.
Darüberhinaus wird das Audiosignal in eine Einrichtung 13 zum Abschätzen einer audiosignalspezifischen Charakteristik, wie z. B. der pschoakustischen Maskierungsschwelle oder eines Tonalitätsmaßes, eingespeist. Je nach dem verwendeten psychoakustischen Modell wird die zeitliche Darstellung des Audiosignals oder die spektrale Darstellung des Audiosignals benötigt .
Anschließend wird das in den Frequenzbereich transformierte Audiosignal, d. h. die spektrale Darstellung desselben, in eine von der Einrichtung 13 angesteuerte Vorverarbeitungs- einrichtung 12 geführt, um eine vorverarbeitete spektrale Darstellung am Ausgang des Einrichtung 12 zu erhalten, in der die spektrale Verteilung der Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen geglättet bzw. für den Korrelator konditioniert wird.
Die vorverarbeitete spektrale Darstellung wird schließlich mittels einer Einrichtung 14 zum Rücktransformieren von dem Frequenzbereich in den Zeitbereich eingespeist, um ein nun vorverarbeitetes Audiosignal zu erhalten, in das die Informationen eingebracht sind, wobei jedoch nun die spektrale Energieverteilung in dem vorverarbeiteten Audiosignal an den konstanten Wert zumindest angenähert ist.
Wenn das zeitliche Audiosignal vorverarbeitet wird, können die Einrichtungen 10 und 14 entfallen, wie es durch die gestrichtelten Linien 11 in Fig. 1 symbolisiert ist.
Dieses Annähern an einen konstanten Wert oder Konditionieren wird durch ein psychoakustisch gesteuertes Vorverarbeiten (12), z. B. durch ein inverses Manipulieren, durch ein Unterdrücken von Bändern mit sehr niedriger Energie, also durch ein Aussortieren von "Ausreißern", durch eine Kombination beider Verfahren oder durch ein anderes Vorverarbeiten erreicht, das abhängig von einer audiosignalspezi- fischen Charakteristik, die auf die Energie der eingebrachten Informationen hinweist oder dieselbe maßgeblich bestimmt, wie z. B. die psychoakustische Maskierungsschwelle, auf die spektrale Verteilung der eingebrachten Informationen wirkt, um dieselbe für einen Korrelator günstig zu konditio- nieren.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß es für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich ist, daß die spektrale Darstellung des Audiosignals unter Berücksichtigung der Maskierungsschwelle vorverarbeitet wird. Alternativ könnte auch das im Zeitbereich vorliegende Audiosignal z. B. durch ein Warp-Filter gefiltert, also vorverarbeitet werden, um das von der Maskierungsschwelle gesteuerte Manipulieren des Informationssignals beim Einbringen der Informationen zumindest teilweise wenn nicht sogar vollständig rückgängig zu machen.
Analog zur Einrichtung 10 zum Transformieren kann die Einrichtung 14 zum Rücktransformieren ebenfalls als FFT-Block, als inverse Filterbank oder durch eine ähnliche Einrichtung ausgeführt sein.
Das vorverarbeitete Audiosignal am Ausgang der Einrichtung 14 zum Rücktransformieren wird schließlich in eine Einrichtung 16 zum Korrelieren bzw. Nachbearbeiten unter Verwendung der beim Einbringen der Informationen verwendeten Spreizsequenz korreliert und nachbearbeitet, um die eingebrachten Informationen zu erhalten.
Die Vorverarbeitungseinrichtung 12 kann beliebig ausgestaltet sein, so lange sie bewirkt, daß das vorverarbeitete Signal abhängig von der psychoakustischen Maskierungsschwelle, der Tonalitat, etc. eine glattere spektrale Energieverteilung hinsichtlich der in das Audiosignal eingebrachten Informationen hat als das Signal am Eingang der Vorverarbeitungseinrichtung, um dem Korrelator im Block 16 die Arbeit zu erleichtern und/oder gegebenenfalls Störsignale vorzuenthalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird beim Vorverarbeiten eine komplette inverse psychoakustische Manipulation durchgeführt, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Hierzu wird, wie es bereits ausgeführt worden ist, das Audiosignal mit den eingebrachten Informationen zunächst in eine Einrichtung zum Transformieren 10 eingespeist, um eine spektrale Darstellung des Audiosignals mit den eingebrachten Informationen zu erzeugen. Daraufhin wird mit der spektralen Darstellung des Audiosignals, das die eingebrachten Informationen enthält, ein inverses Manipulieren 12c abhängig von der psychoakustischen Maskierungsschwelle durchgeführt, die durch ein auch in der Vorrichtung zum Ermitteln bzw. Abschätzen der Informationen vorhandenes psychoakustisches Modell 13 ständig, also pro Block von Abtastwerden des Audiosignals abhängig von der Frequenz, berechnet wird.
Dazu wird das Audiosignal mit den eingebrachten Informationen vor der Einrichtung 10 zum Transformieren abgezweigt und in den Block 13 eingespeist. Das inverse Manipulieren 12c unter Verwendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle führt dazu, daß am Ausgang ein. vorverarbeitetes Audiosignal erzeugt wird, bei dem nun nicht zwingend die spektrale Verteilung des Audiosignals einen identischen Wert hat, bei dem jedoch die spektrale Verteilung der in das Audiosignal eingebrachten Informationen konstant ist, d. h. vollständig an den konstanten Wert angenähert ist .
Zum inversen Manipulieren kann der konstante Wert, auf den die spektrale Verteilung der Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen angenähert werden soll, vorgegeben werden. Durch die psychoakustische Maskierungsschwelle, die von dem psychoakustischen Modell 13 ständig als Energiewert für jedes gehörangepaßte Frequenzband, also für ein Frequenzband mit einer Bandbreite von 1 BARK, ausgegeben wird, weiß der Block 12c, wie hoch die Energie des Informationssignals in jedem Frequenzband ist, und wie stark dieses Frequenzband verstärkt werden muß, um die Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen auf den konstanten Wert zu bringen.
Das Ausgangssignal des Blocks 12c kann unter Umgehung eines Blocks 18 zum Dämpfen tonaler Frequenzbänder, auf den später noch eingegangen wird, der Einrichtung 14 zum Rücktransformieren zugeführt werden, um dann eine Extraktion im Block 16 zu erreichen. Dadurch werden die eingebrachten Informationen erhalten. Der Block 16 wird dann problemlos arbeiten können, da zwar die Energie des Audiosignals nicht mehr vollständig konstant ist, aber nun die Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen über der Frequenz, also in allen gehörangepaßten Frequenzbändern bzw. allgemein in Frequenzbändern des Audiosignals einen konstanten Wert hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es jedoch bevorzugt, den Ausgang des Blocks 12c nicht direkt mit dem Eingang des Blocks 14 zu verbinden, sondern zusätzlich die tonalen Bänder des invers gewichteten Audiosignals mit den eingebrachten Informationen zu dämpfen. Dazu muß bestimmt werden, welche Frequenzbänder in dem Audiosignal tonal sind. Diese To- nalitätsinformationen werden ebenfalls vorzugsweise durch das psychoakustische Modell 13 unter Verwendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle berechnet .
Das Dämpfen tonaler Bänder durch den Block 18 hat den Vorteil, daß von dem Korrelator im Block 16 Störsignale abgehalten werden, da tonale Signalanteile in der Regel nur sehr wenig eingebrachte Energie haben. Werden sie beim Korrelieren überhaupt nicht berücksichtigt, so wird der Korrelator vor unnötigen Störsignalen geschützt. Eine bevorzugte Form des Dämpfens tonaler Frequenzbänder wird somit darin bestehen, tonale Frequenzbänder ab einem bestimmten Tonalitatsmaß vollständig zu Null zu setzen. Alternativ kann jedoch eine Skalierung durchgeführt werden, derart, daß eher atonale Frequenzbänder noch verstärkt werden, während eher tonale Frequenzbänder bereits gedämpft werden. Es muß also nicht eine Ja/Nein-Entscheidung durchgeführt werden, sondern es könnte auch eine kontinuierliche Skalierung abhängig von dem Tonalitatsmaß durchgeführt werden. Zwecks der Einfachheit der Implementation wird es jedoch bevorzugt, Frequenzbänder mit einem Tonalitatsmaß ab einer bestimmten Schwelle zu Null zu setzen.
In der Technik sind mehrere Arten und Weisen zum Berechnen der Tonalität, wie beispielsweise mittels Prädiktionsmethoden und Auswertung des Prädiktionsfehlers, etc., bekannt.
Bevorzugterweise wird das Audiosignal mit den eingebrachten Informationen einer VorVerarbeitung unterzogen, die entweder nur das inverse Manipulieren oder nur das Dämpfen der tonalen Bänder oder aber auch beide Maßnahmen umfassen kann. Alternativ können jedoch auch sämtliche anderen Vorverarbeitungsoperationen durchgeführt werden, mit denen unter Berücksichtigung der psychoakustischen Eigenschaften des Audiosignals eine Energieverteilung der in das Audiosignal eingebrachten Informationen frequenzmäßig und bevorzugterweise auch zeitmäßig, also von Block zu Block, an einen konstanten Wert zumindest angenähert wird.
Das in die Einrichtung 16 zum Extrahieren eingespeiste rücktransformierte vorverarbeitete Audiosignal, in dem die tonalen Frequenzbänder gedämpft bzw. unterdrückt sind, hat nun den Vorteil, daß in den Korrelator in der Einrichtung 16 zum Extrahieren lediglich Signale eingespeist werden, die einen signifikanten Informationsgehalt, d. h. ein gutes Signal/Störung-Verhältnis haben, während keine Signale mehr eingespeist werden, die nicht-signifikant sind, d. h. die ein schlechtes Signal/Störung-Verhältnis haben.
Das in Fig. 2 dargestellte Konzept des Dämpfens der tonalen Frequenzbänder im Decodierer bzw. in der Vorrichtung zum Ermitteln der Informationen läßt auch günstige Rückschlüsse auf einen verbesserten Codierer, d. h. auf eine verbesserte Vorrichtung zum Einbringen der Informationen zu. Wenn nämlich ohnehin bekannt ist, daß eine Vorrichtung zum Ermitteln der Informationen Energie in tonalen Frequenzbändern über- haupt nicht berücksichtigt, so muß in die tonalen Frequenzbänder auch keine Energie eingebracht werden.
Dies hat den Vorteil, daß an besonders empfindlichen Stellen des Audiosignals, die tonale Frequenzbänder sind, keine Störenergie zugeführt wird, wodurch das Risiko vermieden wird, an diesen besonders empfindlichen Stellen die Audioqualität des Audiosignals hörbar zu beeinträchtigen.
Anhand von Fig. 3 wird im nachfolgenden auf eine solchermaßen verbesserte WasserzeicheneinbringungsVorrichtung eingegangen. Im einzelnen umfaßt der Block des Manipulierens 20 der in Fig. 3 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einbringen von Informationen einen ersten Block 20a zum Skalieren der Spektrallinien unter Berücksichtigung der psychoakustischen Maskierungsschwelle sowie einen zweiten Block 20b zum Zu-Null-Setzen der Energie des Informationssignals in tonalen Bändern des Audiosignals. Das manipulierte Informationssignal am Ausgang des Blocks 20 entspricht dann dem Ausgangssignal des Blocks 106 der bekannten Vorrichtung, die in Fig. 5 gezeigt sind, jedoch mit dem wesentlichen Unterschied, daß in Frequenzbändern des manipulierten Informationssignals, die tonale Frequenzbänder des Audiosignals sind, keine Energie steckt. Dies wurde durch das nach dem Skalieren der Spektrallinien im Block 20a durchgeführte nachträgliche Zu-Null-Setzen tonaler Frequenzbänder im Block 20b erreicht. Allgemein kann somit gesagt werden, daß das spektrale gespreizte Informationssignal nach dem Block 104 zum Transformieren (Fig. 5) mit der psychoakustischen Maskierungsschwelle gewichtet wird, wobei ferner das spektrale Tonalitatsmaß berücksichtigt wird, um das gewichtete Informationssignal zu erzeugen, bei dem die Energie der eingebrachten Informationen gleich oder unterhalb der Maskierungsschwelle liegt, und bei dem ein Spektralbereich, der ein Tonalitatsmaß hat, das auf eine geringe Tonalität hinweist, gegenüber einem spektralen Bereich des Audiosignals, der eine vergleichsweise hohe Tonalität hat, bei der Manipulation bevorzugt wird. Ein atonales Frequenzband wird dadurch bevorzugt, daß es mehr Energie enthält als ein tonales Frequenzband. Das tonale Frequenzband wird bei der Energieverteilung daher benachteiligt und vorzugsweise so stark benachteiligt, daß es bei der Energieverteilung überhaupt nicht berücksichtigt wird, d. h. nach dem Gewichten keine Störenergie hat.
Im Gegensatz zu dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Energie des zusätzlichen Informationssignals zunächst in das Spektrum eingebracht wird, um anschließend zu Null gesetzt zu werden, kann alternativ das in Fig. 4 gezeigte Konzept verwendet werden, bei dem zunächst die spektralen Bereiche, die im Audiosignal tonal sind, ermittelt werden (Block 22a) , woraufhin nur die Spektrallinien skaliert werden, die in nicht-tonalen spektralen Bereichen liegen, während die tonalen Spektrallinien des spektralen gespreizten Informationssignals ohne vorherige Skalierung gleich zu Null gesetzt werden.
Das in Fig. 3 gezeigte Konzept verringert zwar die Energie pro Bit eingebrachter Informationen und verschlechtert dadurch das Signal/Störung-Verhältnis insgesamt geringfügig. Da das Signal/Störung-Verhältnis in den tonalen Bereichen sowieso sehr gering ist, ist diese Verschlechterung aber nicht wesentlich.
Das zweite Verfahren vermeidet diese (kleine) Verschlechterung dadurch, daß die gesamte Energie des spektralen gespreizten Informationssignals in spektrale Bereiche des gespreizten Informationssignals verteilt wird, die im Audiosignal nicht tonal sind.
Obwohl es im vorhergehenden nicht näher ausgeführt worden ist, ist es für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich, auf welche Arten die von der Quelle für Informationen (100, Fig. 5) ausgegebenen Informationen verarbeitet werden. Sie können vor dem Transformieren und Manipulieren einer Kanalcodierung unterworfen werden, um mehrere Informa- tionskanäle unabhängig voneinander decodieren zu können. In diesem Fall müssen für unterschiedliche Informationskanäle verwendete SpreizSequenzen möglichst orthogonal sein, um eine zuverlässige Trennung der Informationskanäle in einer Vorrichtung zum Ermitteln der Informationen erreichen zu können.
Für die dann verwendeten mehreren SpreizSequenzen bzw. für die bezugnehmend auf die Fig. 5 und 7 bzw. Fig. 1 dargestellte Spreizsequenz gilt, daß sogenannten Pseudo-Noise- SpreizSequenzen, die ein weißes Spektrum haben, im Hinblick auf die Qualität der im Empfänger erhaltenen Korrelatorer- gebnisse optimal sein werden. Pseudo-Noise-Sequenzen werden daher als Spreizsequenzen bevorzugt, da sie im Falle einer Korrelation sehr deutliche Spitzen ergeben und im Falle einer nicht vorhandenen Korrelation sehr niedrige Ausgangssignale liefern, d. h. zu einem guten Signal/Störung-Verhältnis hinter dem Korrelator führen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln von in ein Audiosignal eingebrachten Informationen, die eine Energie aufweisen, mit folgenden Schritten:
Abschätzen (13) einer audiosignalspezifischen Charakteristik des Audiosignals, die auf ein Maß für die Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen hinweist;
Vorverarbeiten (12) des Audiosignals auf der Basis der abgeschätzten audiosignalspezifischen Charakteristik, um die Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen audiosignalspezifisch zu beeinflussen, so daß ein vorverarbeitetes Audiosignal erhalten wird; und
Extrahieren (16) der Informationen aus dem vorverarbeiteten Audiosignal.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die audiosignalspe- zifische Charakteristik die psychoakustische Maskierungsschwelle, das Verdeckungsmaß oder die Tonalität des Audiosignals ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
bei dem der Schritt des Vorverarbeitens des Audiosignals auf der Basis einer abgeschätzten psychoakustischen Maskierungsschwelle als audiosignalspezifische Charakteristik so durchgeführt wird, daß die Energie der eingebrachten Informationen in dem vorverarbeiteten Audiosignal im Frequenzbereich weniger stark als in dem Audiosignal vor dem Schritt des Vorverarbeitens schwankt .
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 , bei dem der Schritt des Vorverarbeitens des Audiosignals auf der Basis eines Tonalitätsmaßes des Audiosignals so durchgeführt wird, daß ein Anteil des Audiosignals, der ein Verhältnis der Energie der Informationen zu einer Energie des Audiosignals kleiner als einen vorbestimmten Schwellenwert hat, unterdrückt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem vor dem Schritt des Vorverarbeitens, ein Schritt des Überführens (10) einer zeitlichen Darstellung des Audiosignals, in das die Informationen eingebracht sind, in eine spektrale Darstellung des Audiosignals ausgeführt wird;
bei dem im Schritt des Vorverarbeitens eine vorverarbeitete spektrale Darstellung des Audiosignals erzeugt wird,
bei nach dem Schritt des Vorverarbeitens, ein Schritt des Überführens (14) der vorverarbeiteten spektralen Darstellung in eine zeitliche Darstellung durchgeführt wird, und
bei dem die Informationen aus der zeitlichen Darstellung des vorverarbeiteten Audiosignals extrahiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , bei dem im Schritt des Ab- schätzens (13) einer audiosignalspezifischen Charakteristik des Audiosignals die psychoakustische Maskierungsschwelle oder das Verdeckungsmaß als Funktion der Frequenz ermittelt wird, wobei jeweils ein Wert für die psychoakustische Maskierungsschwelle oder das Verdeckungsmaß pro einem Frequenzband erzeugt wird, wobei die spektrale Darstellung eine Mehrzahl von Frequenzbändern aufweist,
bei dem im Schritt des Vorverarbeitens immer die Spek- tralwerte der spektralen Darstellung gleich vorverarbeitet werden, die in einem Frequenzband liegen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Vorverarbeitens folgenden Schritt aufweist :
inverses Manipulieren (12c) der spektralen Darstellung unter Verwendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle oder des Verdeckungsmaßes, so daß eine Manipulation eines Informationssignals unter Verwendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle beim Einbringen der Informationen in das Audiosignal im wesentlichen rückgängig gemacht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 , das ferner folgenden Schritt aufweist:
Berechnen (13) eines spektralen Tonalitätsmaßes für das Audiosignal als audiosignalspezifische Charakteristik des Audiosignals, das die Tonalität des Audiosignals als Funktion der Frequenz angibt; und
bei dem der Schritt des Vorverarbeitens (12) folgenden Schritt aufweist :
Dämpfen (18) eines Abschnitts der spektralen Darstellung des Audiosignals, der ein Tonalitatsmaß hat, das einen hohen Grad an Tonalität anzeigt, gegenüber einem Abschnitt der spektralen Darstellung des Audiosignals mit einem Tonalitatsmaß, das einen vergleichsweise niedrigen Grad an Tonalität anzeigt .
9. Verfahren nach Anspruch 8 , bei dem der Schritt des Dämpfens (18) derart durchgeführt wird, daß Abschnitte des Audiosignals, die ein Tonalitatsmaß haben, das über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, zu Null gesetzt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die in das Audiosignal eingebrachten Informationen durch Informationseinheiten dargestellt sind, die mit einer Spreizsequenz beaufschlagt worden sind, um ein gespreiztes Informationssignal zu erzeugen, das nach einer Transformation in den Frequenzbereich unter Verwendung des Audiosignals gewichtet worden ist, wonach das gewichtete gespreizte Informationssignal mit dem Audiosignal kombiniert worden ist, um das Audiosignal zu erzeugen, in das die Informationen eingebracht sind, wobei der Schritt des Extrahierens der Informationen aus dem vorverarbeiteten Audiosignal folgenden Schritt aufweist:
Korrelieren (16) des vorverarbeiteten Audiosignals mit der Spreizsequenz, um Korrelationsspitzen zu erzeugen, die die Informationseinheiten darstellen.
11. Verfahren zum Einbringen von Informationen, die Informationseinheiten aufweisen, in ein Audiosignal, mit folgenden Schritten:
Beaufschlagen (102) der Informationseinheiten mit einer Spreizsequenz, um ein gespreiztes Informationssignal zu erzeugen;
Berechnen (13) eines Tonalitätsmaßes oder eines Verdeckungsmaßes für das Audiosignal;
Manipulieren (20; 22) des gespreizten Informationssignals basierend auf dem Tonalitatsmaß oder dem Verdeckungsmaß, um ein manipuliertes Informationssignal zu erzeugen,
wobei ein spektraler Bereich des manipulierten Informationssignals, der ein Tonalitatsmaß hat, das eine geringe Tonalität anzeigt, oder der ein kleines Verdeckungsmaß hat, gegenüber einem spektralen Bereich des Audiosignals, der ein Tonalitatsmaß hat, das eine vergleichsweise hohe Tonalität anzeigt, oder der ein vergleichsweise hohes Verdeckungsmaß hat, bei der Manipulation bevorzugt wird, und
wobei in einem Bereich, in dem das Audiosignal ein Tonalitatsmaß oder ein Verdeckungsmaß über einem vorbestimmten Schwellwert hat, das manipulierte Informationssignal zu Null gesetzt ist; und
Kombinieren (112) des manipulierten Informationssignals mit dem Audiosignal.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem im Schritt des Ma- nipulierens der spektrale Bereich des gespreizten Informationssignals, der einem spektralen Bereich des Audiosignals mit geringer Tonalität oder mit kleinem Verdeckungsmaß entspricht, überproportional bevorzugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
bei dem das Tonalitatsmaß oder das Verdeckungsmaß ein spektrales Tonalitatsmaß oder spektrales Verdeckungsmaß ist, und
bei dem das gespreizte Informationssignal vor der Manipulation in eine spektrale Darstellung überführt wird, so daß die Manipulation mit der spektralen Darstellung des gespreizten Informationssignals durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei dem der Schritt des Manipulierens (20) folgende Schritte aufweist:
Gewichten des gespreizten Informationssignals unter Verwendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle oder des Verdeckungsmaßes, so daß der Energieverlauf des gespreizten Informationssignals der psychoakustischen Maskierungsschwelle im wesentlichen folgt, um ein gewichtetes Informationssignal zu erhalten; und
nach dem Schritt des Gewichtens, Zu-Null-Setzen (20b) des gewichteten Informationssignals in einem Bereich, in dem das Tonalitatsmaß des Audiosignals oder das Verdeckungsmaß über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
15. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei dem der Schritt des Manipulierens folgende Schritte aufweist:
Ermitteln (22a) eines Bereichs, der ein Tonalitatsmaß oder ein Verdeckungsmaß hat, das über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt; und
Skalieren nur von Spektrallinien in Bereichen des spektralen gespreizten Informationssignals, die ein Tonalitatsmaß oder Verdeckungsmaß unter der vorbestimmten Schwelle haben, unter Verwendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle oder des Verdeckungsmaßes und ZuNull-Setzen des ermittelten Bereichs im gespreizten Informationssignal, so daß die gesamte Energie des gespreizten Informationssignals in Bereiche des gewichteten Informationssignals eingebracht wird, in denen das Audiosignal ein Tonalitatsmaß oder ein Verdeckungs- maß unterhalb des vorbestimmten Schwellenwerts hat.
16. Vorrichtung zum Ermitteln von in ein Audiosignal eingebrachten Informationen, die eine Energie aufweisen, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung zum Abschätzen (13) einer audiosignalspezifischen Charakteristik des Audiosignals, die auf ein Maß für die Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen hinweist; einer Einrichtung zum Vorverarbeiten (12) des Audiosignals auf der Basis der abgeschätzten audiosignalspezi- fischen Charakteristik, um die Energie der in das Audiosignal eingebrachten Informationen audiosignalspezifisch zu beeinflussen, so daß ein vorverarbeitetes Audiosignal erhalten wird; und
einer Einrichtung zum Extrahieren (16) der Informationen aus dem vorverarbeiteten Audiosignal .
17. Vorrichtung zum Einbringen von Informationen, die Informationseinheiten aufweisen, in ein Audiosignal, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung zum Beaufschlagen (102) der Informationseinheiten mit einer Spreizsequenz, um ein gespreiztes Informationssignal zu erzeugen;
einer Einrichtung (13) zum Berechnen eines Tonalitätsmaßes oder ein Verdeckungsmaßes für das Audiosignal;
einer Einrichtung zum Manipulieren (20; 22) des gespreizten Informationssignals basierend auf dem Tonalitatsmaß oder dem Verdeckungsmaß, um ein manipuliertes Informationssignal zu erzeugen,
wobei ein spektraler Bereich des manipulierten Informationssignals, der ein Tonalitatsmaß hat, das eine geringe Tonalität anzeigt, oder der ein kleines Verdeckungsmaß hat, gegenüber einem spektralen Bereich des Audiosignals, der ein Tonalit tsmaß hat, das eine vergleichsweise hohe Tonalität anzeigt, oder der ein vergleichsweise hohes Verdeckungsmaß hat, bei der Manipulation bevorzugt wird, und
wobei in einem Bereich, in dem das Audiosignal ein Tonalitatsmaß oder ein Verdeckungsmaß über einem vorbestimmten Schwellwert hat, das manipulierte In- formationssignal zu Null gesetzt ist; und
einer Einrichtung zum Kombinieren (112) des manipulierten Informationssignals mit dem Audiosignal.
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