專利名稱：針對水印檢測器的量化步長估計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及加有水印的媒體信號以及檢測嵌入在媒體信號中的水印的領域。更具體來說，本發(fā)明針對一種通過量化宿主信號來允許至少識別已嵌入在媒體信號中的數據符號的方法、設備和計算機程序產品。
背景技術：
對媒體信號加水印來保護內容所有者的權利以防止侵權和盜用，這是眾所周知的。
兩種這樣的加水印方案是所謂的QIM(量化系數調制)和DC-QIM(失真補償量化系數調制)加水印方案，其中通過在采樣柵格上選擇樣本值來將水印嵌入在所謂的宿主信號中。為了在加水印之后獲得與原始信號的更好的統計相似性，通常將高頻振動(dither)添加到加有水印的信號中。
然而，當將這樣的加有水印的宿主信號發(fā)送到接收器時，所使用的縮放因子可能被重新縮放，而該縮放因子與量化步長成正比。因為量化步長是不準確的，因此很難或者甚至不可能執(zhí)行對水印的檢測。對縮放因子的所述重新縮放可能由于各種原因而發(fā)生，比如所使用的傳輸信道的屬性。一個原因可能是由于該信道是具有未知增益因子的模擬信道。另一個原因可能是由惡意的一方對信號的攻擊。
WO 03/052689描述了一種從所接收的可能經過重新縮放的宿主信號中取回所述縮放因子的方式。在該文獻中，將所接收的信號樣本劃分到三個不同的高頻振動值間隔中。然后，使用部分概率密度函數對每個間隔中的信號樣本創(chuàng)建直方圖，并且可以通過分析這三個直方圖來獲得原始縮放因子以及DC偏移量。因此，在分析前與許多變化的高頻振動值一起成組地提供信號樣本，這意味著所述信號樣本中的某些信息可能不會用于確定縮放因子。該文獻還提及在縮放因子的取回過程中使用導頻信號。
然而，提供另一種確定所接收的媒體信號的縮放因子的方法是有益處的，該方法在確定該縮放因子時使用不同信號樣本中的更多信息。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個目的在于提供另一種確定所接收的媒體信號的縮放因子的方法，該方法能比現有技術利用所接收信號樣本中的更多的信息。
根據本發(fā)明的第一方面，通過一種允許至少識別已被嵌入在媒體信號中的數據符號的存在的方法來實現該目的，該方法包含以下步驟獲得經傳輸的媒體信號，其包括宿主信號的可能失真的版本，其中已經通過使用特定量化步長進行量化而將數據符號嵌入在該宿主信號中，并且已經將一組高頻振動值添加到該宿主信號中；提供該組內的幾個高頻振動值間隔，其中每個間隔對應于一個或少數幾個高頻振動值；為每個高頻振動值間隔確定直方圖，其中為經傳輸的媒體信號的一組信號樣本的所有樣本值確定直方圖，并且在相應的高頻振動值間隔中具有高頻振動值；將對應于各間隔的各分離的直方圖合并為單個直方圖；以及根據該合并后的直方圖至少確定重新縮放因子，以便估計所述量化步長。
根據本發(fā)明的第二方面，該目的還通過一種允許至少識別已嵌入在媒體信號中的數據符號的存在的設備來實現，該設備包括信號獲得單元，其被配置成獲得包括宿主信號的可能失真的版本的經傳輸的媒體信號，其中已經通過使用特定量化步長進行量化而將數據符號嵌入在該宿主信號中，并且已經將一組高頻振動值添加到該宿主信號中；以及信號失真確定單元，其被配置成提供該組內的幾個高頻振動值間隔，其中每個間隔對應于一個或少數幾個高頻振動值；為每個高頻振動值間隔確定直方圖，其中為經傳輸的媒體信號的一組信號樣本的所有樣本值確定直方圖，并且在相應的高頻振動值間隔中具有高頻振動值；將對應于各間隔的各分離的直方圖合并為單個直方圖；以及根據該合并后的直方圖至少確定重新縮放因子，以便估計所述量化步長。
根據本發(fā)明的第三方面，該目的還通過一種允許至少識別已嵌入在媒體信號中的數據符號的存在的計算機程序產品來實現，其包括計算機可讀介質，所述計算機可讀介質上具有計算機程序代碼裝置，當所述程序被加載到計算機中時，該計算機程序代碼裝置使計算機執(zhí)行以下操作對于包括宿主信號的可能失真的版本的所獲得的經傳輸的媒體信號執(zhí)行下面的操作，其中已經通過使用特定量化步長進行量化而將數據符號嵌入在該宿主信號中，并且已經將一組高頻振動值添加到該宿主信號中提供該組內的幾個高頻振動值間隔，其中每個間隔對應于一個或少數幾個高頻振動值；為每個高頻振動值間隔確定直方圖，其中為經傳輸的媒體信號的一組信號樣本的所有樣本值確定直方圖，并且在相應的高頻振動值間隔中具有高頻振動值；將對應于各間隔的各分離的直方圖合并為單個直方圖；以及根據該合并后的直方圖至少確定重新縮放因子，以便估計所述量化步長。
權利要求2和6還針對估計經傳輸的媒體信號的偏移量。
權利要求3和7針對使用所述重新縮放因子對經傳輸的媒體信號進行重新縮放。
權利要求4和8針對處理經過重新縮放的信號，以便檢測或提取所嵌入的數據。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點對于不同信號樣本值使用各直方圖中的所有信息以便估計量化步長。由于具有大量的直方圖，因此進一步易于發(fā)現各直方圖之間的周期性，從而允許魯棒地確定量化步長。此外，本發(fā)明不依賴于接收導頻信號以估計量化步長。
本發(fā)明的本質思想在于，對所嵌入的信息進行檢測的檢測器最優(yōu)地利用其所具有的關于與各樣本位置相對應的高頻振動值的知識。特別地，該檢測器使用其關于哪些樣本位置具有相同高頻振動值的知識。對于對應于某個高頻振動值的所有樣本位置，構建(稀疏)直方圖。然后，將這些稀疏直方圖合并為單個性能良好的直方圖，從該直方圖可以導出相關的縮放參數。
通過參照下面描述的各實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將變得顯而易見。


現在將參考附圖更詳細地解釋本發(fā)明，其中圖1示出根據本發(fā)明的設備的示意框圖；圖2示出根據本發(fā)明的方法的流程圖；圖3示出所接收的圖像信號的直方圖，所述直方圖是利用根據本發(fā)明的方法計算得到的；圖4示出圖3中的直方圖的傅立葉變換的曲線；圖5示出圖4中的變換后的直方圖的相位關系的曲線；以及圖6示出包括用于執(zhí)行根據本發(fā)明的方法的計算機程序代碼的計算機程序產品。
具體實施例方式
本發(fā)明針對估計所接收的加有水印的信號的原始縮放因子，以便能夠從所接收的宿主信號中檢測或者提取水印。為了更好地理解本發(fā)明，現在將解釋關于QIM(量化系數調制)和DC-QIM(失真補償量化系數調制)的一些基本概念。
根據QIM，通過在采樣柵格上選擇量化值而將水印嵌入在宿主信號中?？梢詫谠摲椒ǖ募铀」娇醋鱭＝(ROUND(s/D-d-b/N)+d+b/N)*D (1)其中q是加有水印的信號，s是原始信號，D是量化步長，d是間隔0＜＝d＜1內的高頻振動值，b是水印信息，而N是該水印信號中的信息符號數。在許多實際應用中，N等于2，這表示所謂的二進制字母表。
這里提供的高頻振動具有很寬范圍的值，其在本發(fā)明的一個實施例中是在0和1之間的128個不同的值。該高頻振動值是獨立于信息符號的固定的偽隨機變量。稍候將使用所述高頻振動以便確定縮放因子，這將在下面進行描述。在加有水印的信號中提供高頻振動的原因在于，加有水印的信號q與原始信號s實際上是不可辨別的，這可以通過研究加有水印的信號和原始信號的直方圖來確定。
上面描述了QIM加水印處理。該處理的一個變型是DC-QIM方法，其中用失真補償分量來升級基本的量化方法。
于是，根據該處理的加水印公式看起來如下qdc＝s+a*(ROUND(s/D-d-b/N)+d+b/N-s/D)*D (2)其中，a是0和1之間的適當選擇的因子。
關于這些加水印方案的更多細節(jié)可以在WO 03/052689以及B.Chen和G.W.Wornell的文章“Quantization Index ModulationA Class of Provably GoodMethods for Digital Watermarking and Information Embedding”(IEEE Transactionson Information Theory，Vol.47，No.4，2001年5月)中找到，在此并入所述文獻以供參考。
然后，當把根據這兩個方案當中的任一個的加有水印的信號通過信道傳輸到水印檢測器時，很容易在所接收的信號r中檢測到所嵌入的信息b，這可以根據如下公式執(zhí)行b’＝Mod(ROUND(rN/D-Nd)，N) (3)也就是說，通過將值r除以D/N、減去經重新縮放的高頻振動Nd、舍入該結果以及對舍入后的值執(zhí)行模N運算。
這里，假設所接收的信號r對應于具有一些添加的噪聲n的加有水印的信號q。
在實際中，不僅有添加的噪聲，而且可能會有對原始信號的重新縮放。該重新縮放可能是所使用的傳送信道的屬性的結果，當該信道是模擬信道時就會發(fā)生這種情況。該重新縮放也可能是惡意的一方對加有水印的信號進行攻擊的結果。本發(fā)明針對識別所接收信號的重新縮放因子，然后，為了估計原始縮放而縮放該信號以及隨后從所恢復的信號中識別或者提取水印就是一項簡單的任務了。
于是，可以將改變后的信號與原始信號的關系的模型設置如下r＝R*(s+O)+n (4)其中R是乘法降級(multiplicative degradation)，而O代表DC值中的偏移量。通過以下等式可以確定新信號r’，必須從該信號取回所嵌入的水印r’＝r/R-O(5)為了描述本發(fā)明，現在參考圖1和圖2，圖1示出允許識別數據信號的設備，圖2示出允許識別數據信號的流程圖。設備10包括接收單元12，其通過信道(未示出)接收加有水印的媒體信號r，步驟22。這里，該信道可以是模擬信道，在這種情況下，該接收單元可以包括無線電電路。然后將所接收的信號r傳送到信號失真確定單元14，步驟24。在作為本發(fā)明的核心元件的信號失真確定單元14中，隨后執(zhí)行多個進一步的步驟，這將在下面進行描述。
假設所接收的信號r由可能具有在一個值范圍內的值的多個樣本構成，并且同時假設在水印檢測器側已知所述高頻振動間隔，現在信號失真確定單元14首先建立大量高頻振動間隔，比如所述高頻振動所能占據的128個不同的間隔，步驟26。此后，根據高頻振動間隔對所接收信號的各信號樣本值進行分組，也就是說，具有在某一高頻振動間隔內的高頻振動的所有信號樣本值被分組在一起。這里，每個高頻振動值間隔只基于一個高頻振動值。這樣，為每個高頻振動間隔提供多個不同的樣本組，步驟28。然后為每個高頻振動間隔的所有信號樣本確定直方圖，步驟30，以便為每個高頻振動間隔確定或計算直方圖。然后將這些直方圖合并為單個直方圖，步驟31。此后，根據該合并后的直方圖來估計所述重新縮放因子1/R以及偏移量O，步驟32。稍后將更詳細地描述這是如何完成的。此時，可以說(典型地稀疏的)各分離的直方圖被合并為單個(性能更好的)直方圖，并且從中導出相關參數。然后將所確定的偏移量-O從信號失真確定單元14提供給加法單元16，該加法單元16還接收信號r。然后該加法單元16將該偏移量-O加到信號r，從而從所接收的信號中減去偏移量O，步驟34，并且將如此調節(jié)后的接收信號提供給乘法單元18。在已經由信號失真確定單元14估計了重新縮放因子1/R之后，該因子也被前送到乘法單元18。然后，將該重新縮放因子1/R與經過調節(jié)后的所接收信號相乘，以便對該信號進行縮放，步驟36，從而取回該加有水印的信號的原始電平或者原始量化步長。然后將如此重新縮放的信號r’提供給水印檢測器20，在那里執(zhí)行水印檢測，步驟38。
現在將參考圖3來描述如何能夠確定所述縮放因子，圖3示出根據本發(fā)明的原理得到的包含多個直方圖的矩陣，其對應于具有256個信號級和128個高頻振動值間隔的圖像，其中D被設置為16并且N被設置為2。因此，每個直方圖占據一列?？梢钥闯觯喜⒑蟮闹狈綀D一起提供了從左向右延伸的多條線，其中這些線具有略微向上的角度。該角度是由于所述高頻振動提升信號級這一事實。因此，每個直方圖都有助于形成這些線。通過研究線被提升的角度，有可能確定所接收信號的縮放因子，并且根據該因子重新縮放該信號。在圖中，在垂直方向應用了Hanning窗，這解釋了在該矩陣的頂部和底部的變暗。從等于1的系數到等于128的系數存在相移ND＝2D。從該圖中可以看出，乘法降級大約是0.95。此外，對于每個高頻振動間隔還具有清晰的周期性。
從數學的角度，可以將圖10的直方圖矩陣描述為h(k，n)＝h(n/R-(k/K+O)D) (6)其中h(k，n)是對應于高頻振動間隔k的樣本n的頻率，K是高頻振動間隔的數目，O是偏移量，以及R是重新縮放因子。由于該矩陣中的每一列是任何其他列的移位版本，并且由于該信號的周期性在頻率域中最容易被取回，因而沿著垂直軸n應用FFT(快速傅立葉變換)，但是在此之前應用窗函數w(n)以便減小環(huán)繞(wrap around)效應。
應用窗函數導致以下等式h’(k，n)＝w(n)*h(k，n) (7)其中假設w(n)足夠快地衰減，從而近似得到h’(k+m，n)＝h’(k，n-m*D/k)，也就是加窗之后的移位方差。隨后根據以下等式應用垂直傅立葉變換H’(k，v)＝Sum_nh’(k，n)exp(-2*π*j*n*v/M) (8)＝exp(-2*π*j*(k/K+O)*D*R*v/M)H’(v)其中，信號值組的大小是M。對于圖3中的每一列，可以看出，傅立葉變換只在相位上有所差別，而在幅度上沒有差別。可以通過根據下式對變量k進行平均|H’(k，v)|來獲得對合并后的直方圖h(n)的估計|H’(v)|(將所有分離的直方圖互相重疊)|H’(v)|≈(Sum_k|H’(k，v)|)/K(9)這在圖4中概述，其中示出相對于v繪制的|H’(v)|曲線。從該圖可以看出，|H’(v)|具有對應于原始直方圖的周期性行為的強峰值，其中峰值之間的距離的周期為RD。在該圖中的第一個強峰值對應于基本周期RD，即在頻域中為基本頻率M*N/(R*D)。在該圖中，該頻率被估計為33，根據該估計可以確定因子R＝0.96。
該基本頻率還可以被用來確定偏移量O，這是由于該基本頻率的相位行為由下式給出(作為k的函數)Phase(k)/(2*π)＝-(k/K+O)*N (10)
在圖5中繪制出該相位關系以及最佳的線性逼近(直線)?？梢郧宄乜闯觯瑥淖钚〉阶畲蟾哳l振動系數，覆蓋了兩個完整周期。所估計的偏移量的值為0.17*D。
所述設備中的各不同單元可以由軟件或者硬件來實現。當用軟件實現時，信號失真確定單元以及可能有加法和乘法單元能夠通過一個或多個處理器的形式來提供，同時還有相應的程序存儲器來包含用于執(zhí)行根據本發(fā)明的方法的程序代碼。所述程序代碼還可以由計算機程序產品來提供，圖6以CD ROM盤40的形式示出了一種計算機程序產品。這里僅僅只是舉例，其他多種計算機程序產品也是可行的。所述程序代碼還可以(或許通過因特網)從服務器下載。
本發(fā)明獲得很多優(yōu)點。直方圖中的有關不同信號樣本值的所有信息都被用于估計量化步長。因為具有大量的直方圖，因此可以很容易地發(fā)現各直方圖之間的周期性，從而允許對于量化步長和偏移量作出魯棒的估計。此外，本發(fā)明不依賴于接收導頻信號來估計量化步長。此外，所述方法還可以很容易地擴展到縮放因子在樣本值范圍內不恒定的情況。
本發(fā)明可以有幾種變型。并不需要在所述設備內接收媒體信號。反之，該設備可以從存儲器中獲取該信號。此外，該設備不需要包括水印檢測器。可以在另外的設備中執(zhí)行所述檢測。所使用的高頻振動值的數目也可以有所變化，而不必局限于128。因此，本發(fā)明僅由所附權利要求書限定。
權利要求
1.一種允許至少識別已被嵌入在媒體信號中的數據符號的存在的方法，包括以下步驟獲得經傳輸的媒體信號(r)(步驟22)，其包括宿主信號的可能失真的版本，其中已經通過使用特定量化步長進行量化而將數據符號嵌入在該宿主信號中，并且已經將一組高頻振動值添加到該宿主信號中；提供該組內的幾個高頻振動值間隔，其中每個間隔對應于一個或少數幾個高頻振動值(步驟26)；為每個高頻振動值間隔確定直方圖，其中為所述經傳輸的媒體信號(r)的一組信號樣本的所有樣本值確定直方圖，并且在相應的高頻振動值間隔中具有一個或多個高頻振動值(步驟30)；將對應于各間隔的各分離的直方圖合并為單個直方圖(步驟31)；以及根據該合并后的直方圖至少確定重新縮放因子(1/R)(步驟32)，以便估計所述量化步長。
2.如權利要求1所述的方法，還包括估計所述經傳輸的媒體信號的偏移量(O)(步驟32)以及從該信號中去除所估計的偏移量的步驟(步驟34)。
3.如權利要求1所述的方法，還包括使用所述重新縮放因子(1/R)來重新縮放所述信號的步驟，以便至少近似地恢復具有已嵌入數據的原始媒體信號(步驟36)。
4.如權利要求3所述的方法，還包括處理所述經重新縮放的信號(r’)以便檢測或者提取所嵌入的數據的步驟(步驟38)。
5.一種允許至少識別已被嵌入在媒體信號中的數據符號的存在的設備(10)，包括信號獲得單元(12)，其被配置成獲得包括宿主信號的可能失真的版本的經傳輸的媒體信號(r)，其中已經通過使用特定量化步長進行量化而將數據符號嵌入在該宿主信號中，并且已經將一組高頻振動值添加到該宿主信號中；以及信號失真確定單元(14)，其被配置成提供該組內的幾個高頻振動值間隔，其中每個間隔對應于一個或少數幾個高頻振動值；為每個高頻振動值間隔確定直方圖，其中為所述經傳輸的媒體信號的一組信號樣本的所有樣本值確定直方圖，并且在相應的高頻振動值間隔中具有高頻振動值；將對應于各間隔的各分離的直方圖合并為單個直方圖；以及根據該合并后的直方圖至少確定重新縮放因子(1/R)，以便估計所述量化步長。
6.如權利要求5所述的設備，其中所述信號失真確定單元進一步被配置成估計所述經傳輸的媒體信號的偏移量(O)并且還包括被配置成從該信號中去除所估計的偏移量的單元(16)。
7.如權利要求5所述的設備，還包括乘法單元(18)，其被配置成將所述經傳輸的媒體信號乘以所述重新縮放因子(1/R)，以便至少近似恢復具有所嵌入的數據的原始媒體信號。
8.如權利要求7所述的設備，還包括水印檢測單元(20)，其被配置成處理所述經重新縮放的信號(r’)，以便檢測或者提取所嵌入的數據。
9.一種允許至少識別已被嵌入在媒體信號中的數據符號的存在的計算機程序產品(40)，其包括計算機可讀介質，該計算機可讀介質上具有計算機程序代碼裝置，當所述程序被加載到計算機中時，該計算機程序代碼裝置使計算機執(zhí)行以下操作對于包括宿主信號的可能失真的版本的所獲得的經傳輸的媒體信號執(zhí)行下面的操作，其中已經通過使用特定量化步長進行量化而將數據符號嵌入在該宿主信號中，并且已經將一組高頻振動值添加到該宿主信號中提供該組內的幾個高頻振動值間隔，其中每個間隔對應于一個或少數幾個高頻振動值；為每個高頻振動值間隔確定直方圖，其中為經傳輸的媒體信號的一組信號樣本的所有樣本值確定直方圖，并且在相應的高頻振動值間隔中具有高頻振動值；將對應于各間隔的各分離的直方圖合并為單個直方圖；以及根據該合并后的直方圖至少確定重新縮放因子，以便估計所述量化步長。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種允許至少識別已嵌入在媒體信號中的數據符號的存在的方法、設備和計算機程序產品。獲得經傳輸的媒體信號(步驟22)，其包括宿主信號的可能失真的版本，其中已經通過使用特定量化步長進行量化而將數據符號嵌入在該宿主信號中，并且已經將一組高頻振動值添加到該宿主信號中。提供該組內的幾個高頻振動值間隔，其中每個間隔對應于一個高頻振動值(步驟26)。為每個間隔確定直方圖(步驟30)，其中為所述經傳輸的媒體信號的一組信號樣本的所有樣本值確定直方圖，并且在相應的間隔中具有高頻振動值。合并各分離的直方圖，并且根據該合并后的直方圖確定重新縮放因子(步驟32)，以便估計所述量化步長。
文檔編號G06T1/00GK1910609SQ200480038244
公開日2007年2月7日 申請日期2004年12月7日 優(yōu)先權日2003年12月22日
發(fā)明者A·A·C·M·卡爾克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司