專利名稱：數(shù)字音頻水印插入/檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)數(shù)字音頻水印，更確切地說，涉及到在高質(zhì)量音頻解碼過程中在位流(bit stream)內(nèi)插入(insert)和檢測(cè)(detect)水印信息的裝置和方法。
背景技術(shù)：
標(biāo)記水印是指將稱為“水印”的機(jī)密信息嵌入如視頻、圖象、音頻及文本的媒體中。嵌入的水印信息能夠僅限于由了解該信息的人提取。具有水印的媒體在一般用戶看來與普通媒體相同。
特別地，由于與類似媒體相比，其中通過電波或通信網(wǎng)絡(luò)，存取、傳輸、編輯和保管容易而且數(shù)據(jù)分布時(shí)不產(chǎn)生數(shù)據(jù)消減的優(yōu)勢(shì)，數(shù)字媒體產(chǎn)生新的版權(quán)保護(hù)的問題。數(shù)字水印作為保護(hù)版權(quán)的方法而受到注意。
數(shù)字水印不僅用于插入信息來辨別所有者以保護(hù)版權(quán)，也用于插入反盜版、分布確認(rèn)(distribution confirmation)、廣播監(jiān)控等的控制信息或用于將信息如演示時(shí)間控制信息、同步(lip-sync)、內(nèi)容信息和歌詞插入到實(shí)時(shí)媒體如音頻、視頻等并傳送插入的信息。
這樣，數(shù)字水印根據(jù)各種使用目的而具有不同的特性，但不可見性(imperceptibility)和魯棒性(robustness)無疑是主要的。
作為最基本要求的不可見性是指當(dāng)用戶進(jìn)行視或聽時(shí)，原始媒體和插入有水印的媒體不能彼此區(qū)分。
魯棒性是指，即使插入有水印的媒體受到如分布及傳送需要的濾波、壓縮、噪聲加入和消減而變形，插入的水印也應(yīng)該被保留。
尤其，用于版權(quán)保護(hù)和反盜版的水印應(yīng)該是穩(wěn)固的以便其能夠?qū)Ω吨荚谙撍〉挠幸夤簟Ｍ瑫r(shí)，當(dāng)其變形或被操作時(shí)沒有偽造的水印容易消除。
另外，用于將附加信息如演示時(shí)間控制信息、lip-sync、內(nèi)容信息和歌詞嵌入媒體的水印具有抵抗有意攻擊或失真的相對(duì)低的魯棒性。
圖1所示為數(shù)字水印的一般方法。
如圖1所示，通過水印插入系統(tǒng)1，水印數(shù)據(jù)嵌入數(shù)字媒體(音頻、視頻、圖象、文本等)中。這時(shí)，根據(jù)水印算法，能夠另外使用用于安全的密或公鑰。
其后，通過水印提取系統(tǒng)2，插入的水印能夠從插入有水印的媒體中提取出來。這時(shí)，根據(jù)水印算法可能需要原始媒體，并且僅使用插入時(shí)需要的公鑰也能進(jìn)行解碼。
在水印提取過程不需要原始媒體的系統(tǒng)被稱為“盲水印(blindwatermarking)”。
在水印方法中，音頻信號(hào)水印方法有多種實(shí)例，如LSB(最低有效位Least Significant Bit)編碼方法、回音隱藏(echo hiding)方法、及擴(kuò)展頻譜(spread spectrum)通信方法等。
在LSB編碼方法中，量化的音頻樣本的最低有效位被變形以插入期望的信息。LSB編碼方法利用了音頻信號(hào)最低有效位的變形幾乎不影響音質(zhì)這一特征。LSB編碼方法的優(yōu)點(diǎn)在于，插入和檢測(cè)易于進(jìn)行并且音質(zhì)較少地失真，但其缺點(diǎn)在于，對(duì)于信號(hào)處理如有損壓縮或?yàn)V波來說易受攻擊。
另外，在回音隱藏方法中，一個(gè)聽不到的回音被插入到音頻信號(hào)中。也就是說，回音隱藏方法根據(jù)將被插入的二進(jìn)制水印信息，將具有不同時(shí)間延遲的回音插入并編碼到以預(yù)定間隔細(xì)分的音頻信號(hào)中。在解碼過程中，通過檢測(cè)每一細(xì)分的持續(xù)時(shí)間內(nèi)的回音時(shí)間延遲，二進(jìn)制信息被解碼。這樣，插入的信號(hào)不是噪聲，而是具有與原始信號(hào)相同特性的音頻信號(hào)本身。因此，即使插入的信號(hào)被聽到，插入的信號(hào)也不會(huì)被識(shí)別為失真信號(hào)。插入信號(hào)還被認(rèn)為提供更好的音色。因此，回音隱藏方法適用于高質(zhì)量音頻水印，但其缺點(diǎn)在于，因?yàn)橥ㄟ^倒譜(Cepstrum)操作進(jìn)行檢測(cè)，解碼的操作數(shù)量非常高，而且如果在時(shí)域細(xì)分的持續(xù)時(shí)間同步缺失，便無法進(jìn)行解碼。
另外，擴(kuò)展頻譜通信方法是一種典型的水印方法，其在視頻水印中流行并最多用于音頻水印的研究。在擴(kuò)展頻譜通信方法中，音頻信號(hào)通過離散傅立葉變換(DFT)變換為頻率，并其后二進(jìn)制水印信息被頻率擴(kuò)展到PN(偽噪聲)序列以將擴(kuò)展信息插入頻率變換的音頻信號(hào)中。利用PN序列的高自動(dòng)關(guān)聯(lián)特性，插入的水印能夠通過相關(guān)器(correlator)檢測(cè)，并具有抗干擾的魯棒性以及優(yōu)良的加密性的特性。反之，擴(kuò)展頻譜通信方法其缺點(diǎn)在于聲音質(zhì)量下降，插入和檢測(cè)的操作數(shù)量非常高，而且如果在插入有大功率水印以增強(qiáng)其魯棒性時(shí)壓縮編碼不能被完成。
這樣，概括傳統(tǒng)的音頻水印，傳統(tǒng)的音頻水印缺點(diǎn)在于因?yàn)橥ǔＴ谠夹盘?hào)被壓縮和解碼前水印信息被插入到原始信號(hào)中，其實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，因此當(dāng)其壓縮時(shí)需要較多的操作數(shù)量并且原始信號(hào)容易變形。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的涉及一種能夠?qū)嵸|(zhì)性的消除由于現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)而造成的一個(gè)或多個(gè)問題的數(shù)字音頻水印插入/檢測(cè)裝置及方法。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種數(shù)字音頻水印插入/檢測(cè)裝置及方法，其中當(dāng)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)被壓縮和編碼時(shí)水印數(shù)據(jù)被插入到位流中，以防止原始信號(hào)和插入的水印的失真并且易于水印數(shù)據(jù)的插入。
本發(fā)明其他的優(yōu)點(diǎn)、目的和特征部分地將在以下的說明中被闡述，并且部分地對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過對(duì)下面的說明的考察能夠理解本發(fā)明或從本發(fā)明的實(shí)踐中認(rèn)識(shí)。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過文字說明書及其權(quán)利要求和附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)得到實(shí)現(xiàn)和獲得。
為達(dá)到這些目的和其他優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合本文所述的本發(fā)明的目的，提供一種具有通過利用比例因子表對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行編碼的步驟的數(shù)字音頻水印插入方法，該方法包括以下步驟將數(shù)字音頻信號(hào)變換為多個(gè)子帶樣本(sub-band sample)；提取比例因子，該比例因子為變換的子帶樣本的幅度因子；通過比例因子表將提取的比例因子變換為比例因子索引；以及在提取的比例因子的變換中，將水印信號(hào)插入比例因子索引。
當(dāng)插入水印信號(hào)時(shí)，按照水印信號(hào)的一位分配一個(gè)比例因子索引。
比例因子索引根據(jù)水印信號(hào)的一位“0”或“1”而變?yōu)榕紨?shù)或奇數(shù)。
如果比例因子索引為“0”，那么水印信號(hào)沒有被插入。
將被傳送的每幀水印信號(hào)的最小位數(shù)量是預(yù)定的。
如果傳送的比例因子少于水印信號(hào)的預(yù)定位數(shù)量，一個(gè)位被強(qiáng)制性地分配給一任意子帶，其后水印信號(hào)被插入到相應(yīng)的比例因子索引中。
對(duì)于強(qiáng)制性地分配位以插入水印信號(hào)的子帶，子帶樣本全部定義為“0”。
尤其，理想的是被傳送的幀被打包以調(diào)整水印位率(bit rate)。
密/公鑰用于使插入的水印信號(hào)區(qū)別于其他信號(hào)。
在本發(fā)明的另一方面，提供一種數(shù)字音頻水印插入方法，其中通過數(shù)字音頻編碼步驟水印信號(hào)被插入到數(shù)字音頻信號(hào)中，該方法包括以下步驟將數(shù)字音頻信號(hào)變換為多個(gè)子帶樣本以消除數(shù)字音頻信號(hào)的統(tǒng)計(jì)冗余；提取比例因子，該比例因子為變換的子帶樣本的幅度因子；接收數(shù)字音頻信號(hào)以通過傅立葉變換將該接收的音頻信號(hào)變換為頻率范圍；在變換的頻率范圍中根據(jù)所提取的比例因子，獲得聽不到的噪聲電平的掩蔽閾值，并且以所獲的掩蔽閾值為基礎(chǔ)在各子帶樣本計(jì)算SMR(Signal-to-Mask Ratio)；在計(jì)算的SMR上將一個(gè)位分配給各子帶樣本；接收提取的比例因子以根據(jù)數(shù)字音頻信號(hào)的編碼標(biāo)準(zhǔn)通過比例因子表將該接收的比例因子變換為比例因子索引；在比例因子的變換中，改變比例因子索引以將水印信號(hào)插入比例因子索引；通過分配給各子帶樣本的位和比例因子索引，分別量化多個(gè)子帶樣本；以及產(chǎn)生量化的信號(hào)作為位流。
對(duì)于沒有分配位的子帶樣本，該方法包括以下步驟根據(jù)每幀將被傳送的水印信號(hào)的預(yù)定最小位數(shù)量，強(qiáng)制性地分配位給沒有分配位的子帶樣本；設(shè)置對(duì)應(yīng)將被插入的水印信號(hào)的比例因子一任意偶或奇數(shù)；以及將所有強(qiáng)制性地分配位的子帶樣本定義為“0”。
在本發(fā)明另一個(gè)方面，提供一種數(shù)字水印檢測(cè)方法，其中從數(shù)字音頻信號(hào)的壓縮和傳送的位流中檢測(cè)水印信號(hào)，該方法包括以下步驟；從位流中提取比例因子索引信息；和確定提取的比例因子索引的偶數(shù)/奇數(shù)以提取“0”和“1”二進(jìn)制水印信息。
在本發(fā)明又一個(gè)方面，提供一種數(shù)字音頻水印插入裝置，其中通過數(shù)字音頻編碼器，水印信號(hào)被插入到數(shù)字音頻信號(hào)(PCM)中，該裝置包括一個(gè)子帶濾波器組，用于將數(shù)字音頻信號(hào)(PCM)變換為多個(gè)子帶樣本；一個(gè)比例因子提取器，用于提取比例因子，該比例因子為變換的子帶樣本的幅度因子；以及一個(gè)水印插入及比例因子編碼單元，用于根據(jù)數(shù)字音頻信號(hào)的編碼標(biāo)準(zhǔn)通過比例因子表將提取的比例因子變換為比例因子索引，并改變變換的比例因子索引以將水印信號(hào)插入比例因子索引。
在本發(fā)明又一個(gè)方面，提供一種數(shù)字音頻水印檢測(cè)裝置，其中從數(shù)字音頻信號(hào)的壓縮和傳送的位流中檢測(cè)水印信號(hào)，該裝置包括一個(gè)多路分解器，用于從位流中提取比例因子索引信息；和一個(gè)水印提取器，用于確定提取的比例因子索引的偶數(shù)/奇數(shù)以提取“0”或“1”的二進(jìn)制水印信息。
因此，本發(fā)明具有當(dāng)水印被有效地插入時(shí)不會(huì)產(chǎn)生另外的噪聲或失真的效果。
可以理解本發(fā)明上述一般說明和下述詳細(xì)說明是示例性的和說明性的并旨在對(duì)要求的本發(fā)明提供進(jìn)一步的解釋。


本發(fā)明包含的附圖提供對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的理解，結(jié)合并組成本發(fā)明的一部分，圖示本發(fā)明的實(shí)施例并將與說明一起解釋本發(fā)明的原理。
附圖中圖1為一般數(shù)字音頻水印方法的概念圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明整個(gè)數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的視圖；圖3為具有根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字音頻水印插入裝置的運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)音頻解碼器的結(jié)構(gòu)的框圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明使用的MPEG音頻編碼方法的比例因子表的視圖；圖5為MPEG音頻位流結(jié)構(gòu)的視圖，其中根據(jù)本發(fā)明水印被插入到比例因子索引；以及圖6為具有本發(fā)明的數(shù)字音頻水印檢測(cè)裝置的MPEG音頻解碼器的框圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其實(shí)施例在附圖中說明。只要可能，在整個(gè)附圖中，相同的數(shù)字表示相同或相似的部分。
貫穿于本發(fā)明，選用的是普及的通用術(shù)語，但由于特定術(shù)語是申請(qǐng)人隨意選擇的且其意義在本發(fā)明的詳細(xì)描述中作了詳細(xì)描述，所以對(duì)本發(fā)明的理解應(yīng)基于術(shù)語的意義，而非術(shù)語的名稱。
根據(jù)本發(fā)明，在高質(zhì)量音頻編碼過程中，水印被插入位流中，且執(zhí)行盲水印處理(blind watermarking)以檢測(cè)插入的水印，而不需要原始媒體。
為此，根據(jù)作為一種高質(zhì)量音頻編碼方法的MPEG層-II音頻編碼方法，描述本發(fā)明的實(shí)施方案。
圖2為表示根據(jù)本發(fā)明的整個(gè)數(shù)字音頻水印系統(tǒng)的視圖。
如圖2所示，數(shù)字音頻水印系統(tǒng)包括高質(zhì)量音頻編碼器10和高質(zhì)量音頻解碼器20，以插入和提取水印信號(hào)。
高質(zhì)量音頻編碼器10同時(shí)編碼高質(zhì)量音頻信號(hào)和水印信號(hào)。高質(zhì)量音頻編碼器10通過利用數(shù)字音頻水印插入裝置插入水印信號(hào)，而該數(shù)字音頻水印插入裝置通過部分改變一般高質(zhì)量音頻編碼器的結(jié)構(gòu)獲得。這一內(nèi)容由圖3表示。
進(jìn)而，高質(zhì)量音頻解碼器20通過利用數(shù)字音頻水印提取裝置提取插入的水印信息，而該數(shù)字音頻水印提取裝置通過部分改變用于解碼音頻位流以生成輸出音頻信號(hào)的一般高質(zhì)量音頻解碼器的結(jié)構(gòu)獲得。
這時(shí)，不具有水印提取裝置的解碼器解碼音頻位流以僅生成不具有水印信號(hào)的輸出音頻信號(hào)(PCM)。這一內(nèi)容由圖6所示。
參考附圖，上述結(jié)構(gòu)的水印系統(tǒng)的描述如下。
如上所述，圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的具有數(shù)字音頻水印插入裝置的運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)音頻編碼器的結(jié)構(gòu)的框圖。特別地，運(yùn)動(dòng)圖像專家組(MPEG)音頻編碼器作為高質(zhì)量音頻編碼器的示例。
首先，與其它高質(zhì)量音頻編碼技術(shù)類似，MPEG音頻編碼器采用基于人類聽覺特征的心理聲學(xué)模型，以消除音頻信號(hào)的知覺冗余(perceptual redundancy)，并具有與一般數(shù)據(jù)壓縮方式接合的類型，以消除音頻信號(hào)的統(tǒng)計(jì)冗余。
如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明與MPEG音頻編碼器連接的音頻水印插入裝置包括子帶濾波器組11，用于將音頻信號(hào)(PCM)轉(zhuǎn)變?yōu)?2子帶樣本，以消除音頻信號(hào)(PCM)的統(tǒng)計(jì)冗余；比例因子提取器12，用于提取作為子帶樣本的幅度因子的比例因子；快速傅立葉轉(zhuǎn)換器(FFT)13，用于接收音頻信號(hào)(PCM)，以通過傅立葉轉(zhuǎn)換將接收的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率范圍(frequency area)；信號(hào)掩蔽比(SMRSignal-to-Mask Ratio)計(jì)算器14，用于在轉(zhuǎn)換的頻率范圍中參考提取的比例因子而獲得聽不到的噪音電平的掩蔽閾值，并基于獲得的掩蔽閾值計(jì)算各子帶處的SMR；位分配器15，用于基于SMR將位分配給各子帶；水印插入及比例因子編碼裝置16，用于接收和編碼提取的比例因子，并改變提取的比例因子的編碼過程，以插入二進(jìn)制水印信息；量化器17，用于利用分配的位和編碼的比例因子分別量化32子帶；以及多路復(fù)用器18，用于生成量化的子帶與附加信息一起作為位流。
下面描述根據(jù)本發(fā)明的與MPEG音頻編碼器連接的上述結(jié)構(gòu)的水印插入裝置的操作。
首先，子帶濾波器組11將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為子帶樣本，以消除音頻信號(hào)(PCM)的統(tǒng)計(jì)冗余。該子帶濾波器組11包括32權(quán)重疊加相加子帶濾波器(32 weighted-superposition adding sub-band filter)。
SMR計(jì)算器14獲得作為聽不到的噪音電平的掩蔽閾值，以通過基于心理聲學(xué)模型的人類聽覺特征消除音頻信號(hào)的知覺冗余，并基于獲得的掩蔽閾值計(jì)算各子帶的SMR。
位分配器15基于計(jì)算的SMR將位分配到各子帶，從而量化噪聲能夠由信號(hào)主觀地掩蔽(參考文檔ISO/IEC JTC/SC29/WG11 71號(hào)“高達(dá)1.5兆比特/秒的數(shù)字存儲(chǔ)媒體的運(yùn)動(dòng)圖象和相關(guān)音頻的編碼-CD11172-3(第三部分.MPEF-音頻)”，1992)。
同時(shí)，比例因子提取器12接收32子帶樣本以提取為大小因子(sizefactor)的比例因子。
每一子帶具有三個(gè)比例因子。換句話說，在一個(gè)子帶的36個(gè)樣本被分別分成3個(gè)區(qū)組(granule)后，每一區(qū)組的最大值成為比例因子備選值(candidate value)。
然而，實(shí)際上是一個(gè)六位的比例因子索引，而不是比例因子本身，被傳送到位流。
換句話說，與真實(shí)比例因子最相似的值(大于真實(shí)比例因子的值中最相似的值)出現(xiàn)在具有63個(gè)項(xiàng)的比例因子表中以傳送相應(yīng)索引。比例因子表如圖4所示。
或者，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MPEG層-II編碼過程中，根據(jù)比例因子選擇信息(SCFSI)，一到三個(gè)比例因子分別以不同的模式傳送，以減小比例因子索引的傳送數(shù)量。
也就是說，確定在一個(gè)子帶中計(jì)算的三個(gè)比例因子指數(shù)(indices)的是否相似。如果確定三個(gè)比例因子指數(shù)互相相似，那么其中一個(gè)作為代表值發(fā)送，而如果確定它們互相不同，那么它們被分別發(fā)送。
另外，位分配器15根據(jù)每一子帶的位分配信息控制不傳送比例因子選擇信息(SCFSI)和沒有分配有位的子帶的比例因子索引。因此，將被傳送的比例因子根據(jù)幀能夠在數(shù)量上不同。
如果在特定幀傳送的子帶數(shù)量為30，那么為立體聲模式，并且位分配給全部子帶，傳送的比例因子數(shù)量最大為180(30*2*3)。這樣，結(jié)果每秒傳送約6,890個(gè)比例因子。
根據(jù)本發(fā)明，水印插入及比例因子編碼單元16將水印信號(hào)插入到MPEG音頻位流的比例因子索引部分。
換句話說，一位二進(jìn)制水印被插入到傳送的比例因子索引中。這在下文中將詳細(xì)說明。
如果插入到當(dāng)前比例因子索引的二進(jìn)制水印為“0”，那么相應(yīng)比例因子索引設(shè)為偶數(shù)。如果將被插入的二進(jìn)制水印為“1”，那么相應(yīng)比例因子索引設(shè)為奇數(shù)。
例如，如果當(dāng)前比例因子索引(SI)為35而將插入到當(dāng)前比例因子索引的二進(jìn)制水印為“0”，那么比例因子索引(SI)變?yōu)?4。如果將被插入的二進(jìn)制水印為“1”，那么比例因子索引(SI)保持為35不變。
如果上述例子中將被插入的二進(jìn)制水印為“0”，那么比例因子索引(SI)應(yīng)主要變?yōu)?4，而不是36。這是因?yàn)楸壤蜃铀饕?，在比例因子表上比例因子?參見圖4)。
這時(shí)，如果當(dāng)前比例因子索引為“0”，則二進(jìn)制數(shù)1不能被表示。因此，水印信號(hào)沒有插入。
下表1表示根據(jù)本發(fā)明的水印方法，將12位水印(例如，“011010101100”)插入到12比例因子指數(shù)中變形。
表1

在表1中，如果將被插入的二進(jìn)制水印為“0”，那么相應(yīng)的比例因子索引表示為偶數(shù)。因此，例如，比例因子索引(SI)由35變?yōu)?4。另外，如果將被插入的二進(jìn)制水印為“1”，那么相應(yīng)的比例因子索引表示為奇數(shù)。因此，例如，比例因子索引(SI)由32變?yōu)?1。
量化器17利用使用水印插入的變形的比例因子索引和在位分配器15中分配的位來量化子帶樣本。
量化信號(hào)、分配的位信息和轉(zhuǎn)換的比例因子索引從多路復(fù)用其18接收并轉(zhuǎn)換為位流以產(chǎn)生壓縮的位流。產(chǎn)生的位流不與常規(guī)的音頻位流相區(qū)別。
產(chǎn)生的位流的例子如圖5所示。
換句話說，圖5為MPEG音頻位流的結(jié)構(gòu)視圖，其中根據(jù)本發(fā)明水印插入到比例因子索引中。
如圖5所示，音頻位流結(jié)構(gòu)包括一個(gè)32位包頭部分，其具有采樣頻率、位率、層等信息；一個(gè)CRC碼，用于16位誤差校正；一個(gè)位分配部分，用于在每一子帶表示位分配信息的2到4位；2位字比例因子選擇信息(SCFSI)部分，用于表示涉及比例因子的選擇信息；一個(gè)標(biāo)記水印的比例因子(ScaleFactor)部分，用于存儲(chǔ)6位字標(biāo)記水印和變形的比例因子索引；樣本(Sample)部分，用于存儲(chǔ)量化的樣本；以及輔助數(shù)據(jù)部分，用于存儲(chǔ)輔助信息如歌詞信息。
在結(jié)合MPEG音頻編碼器的水印插入方法中，利用通過在MPEG音頻編碼過程中的水印插入而變形的比例因子索引，子帶樣本被劃分和量化，并且轉(zhuǎn)換的比例因子索引被傳送。因此，水印的插入不會(huì)產(chǎn)生另外的噪聲或失真。
然而，在水印插入方法中即通過比例因子索引變形的水印插入方法，需要注意的方面是比例因子索引的變形利用比例因子選擇信息(SCFSI)結(jié)合位分配和傳送模式確定過程來進(jìn)行。
換句話說，如上所述，在每一子帶確定的三個(gè)初始比例因子索引可能不被SCFSI傳送。這樣，因?yàn)闆]有分配位的子帶沒有進(jìn)行傳送，那么水印根據(jù)這樣的信息被插入。
或者，使用MPEG音頻解碼器的檢測(cè)插入的二進(jìn)制水印的方法如圖6所示。
圖6為具有本發(fā)明的音頻水印檢測(cè)裝置的MPEG音頻解碼器的框圖。
如圖6所示，MPEG音頻解碼器包括一個(gè)多路分解器21，用于從傳送的位流中提取必要的信息；一個(gè)水印提取及比例因子解碼單元23，用于以提取的信號(hào)為基礎(chǔ)對(duì)比例因子進(jìn)行解碼和提取水??；一個(gè)反量化器22，用于通過解碼的比例因子和位分配信息，反向量化子帶樣本；以及一個(gè)合成子帶濾波器組24，用于將反量化的子帶樣本轉(zhuǎn)換為時(shí)域樣本并合成轉(zhuǎn)換的時(shí)域樣本以輸出最終的音頻信號(hào)。
換言之，使用水印提取裝置的MPEG音頻解碼過程執(zhí)行MPEG音頻編碼過程的逆過程。首先，譬如位分配信息、比例因子選擇信息，比例因子索引，及除了頭信息外的量化子帶樣本等必要的信息從多路分解器21中的壓縮和傳輸?shù)奈涣髦刑崛　?br> 比例因子在提取的信息的基礎(chǔ)上解碼。此時(shí)，為了檢測(cè)插入的二進(jìn)制水印，提取的比例因子索引順序地排列并且確定偶數(shù)/奇數(shù)，以提取0和1二進(jìn)制水印信息。這在下表2中被排列。
表2

表2表示了從傳送給解碼階段的12個(gè)比例因子索引中檢測(cè)水印的過程。
如表2所示，通過使用表1的比例因子索引，比例因子索引的偶數(shù)/奇數(shù)決定了插入到編碼過程中的二進(jìn)制水印‘011010101100’。
通過上述過程，在水印提取和比例因子解碼單元23中提取水印。
同時(shí)，水印提取及比例因子解碼單元23通過比例因子索引對(duì)比例因子進(jìn)行解碼。反量化器22通過使用解碼的比例因子和較早提取的位分配信息反向量化子帶樣本。
合成子帶濾波器組24將反向量化的子帶樣本轉(zhuǎn)換成時(shí)域樣本并合成轉(zhuǎn)換的時(shí)域樣本，以獲得最終解碼的音頻信號(hào)(PCM)。
此時(shí)，即使在水印沒有插入到比例因子索引中的普通音頻位流的比例因子索引輸入到水印提取器23中的情況下，也可以確定比例因子是否是偶數(shù)/奇數(shù)。因此可以檢測(cè)二進(jìn)制值。
由于二進(jìn)制值是無意義的信息，所以使用密/公鑰，或者規(guī)定的同步信號(hào)(syncword)在插入水印信號(hào)的位流的時(shí)候插入，從而將有意義的水印信息和無意義的信息進(jìn)行區(qū)別。
作為選擇，如上所述，使用水印插入的比例因子索引的變形在音頻壓縮編碼和解碼過程中不產(chǎn)生另外的噪聲或失真。
這是因?yàn)閷?shí)子帶樣本在編碼過程中根據(jù)比例因子索引進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以進(jìn)行最終傳輸，并且解碼階段通過相同的比例因子恢復(fù)子帶樣本。
作為選擇，根據(jù)本發(fā)明使用比例因子的位流水印具有由于傳輸?shù)谋壤蜃拥木幪?hào)不固定，所以可傳輸?shù)乃〉男畔⒘坎荒芫_地預(yù)計(jì)的缺點(diǎn)。
特殊地，在對(duì)應(yīng)空(啞)間隔的音頻幀被編碼的情況下，分配位的子帶可以不提供，并且水印在音頻幀處不能傳輸。
因此，為了解決這個(gè)問題，預(yù)先設(shè)定每個(gè)幀將要傳輸?shù)乃〉淖钚∥粩?shù)量(bit number)。此外，僅在比例因子的數(shù)量少于每個(gè)幀將要傳輸?shù)乃〉淖钚∥粩?shù)量的情況下，位被強(qiáng)制地分配給一個(gè)沒有分配位的任意的子帶。而且，傳輸相應(yīng)帶的比例因子索引。
此時(shí)，子帶樣本全部定義為零并被傳輸用于強(qiáng)制分配了位的子帶，用于水印傳輸。
通過這樣做，在解碼過程中提供了“0”的結(jié)果。因此，在對(duì)音質(zhì)沒有任何影響的情況下，水印可以和期望的位數(shù)量一樣多地額外地插入。
然而，在這種情況下，比MPEG音頻編碼所需要的更多的位用于進(jìn)行編碼。由于這些來自于零填充部分(zero stuffing portion)的額外的位出現(xiàn)在相應(yīng)幀內(nèi)以保持固定的位速率，所以這不能認(rèn)為是位的浪費(fèi)。
作為選擇，通過將幾個(gè)幀打包以調(diào)整在各個(gè)大單元處的水印位率而不是在各個(gè)幀保持固定的水印位率，在各個(gè)局部幀處水印的傳輸數(shù)量可以變化。
同時(shí)，在上述說明中，本發(fā)明應(yīng)用于作為高質(zhì)量音頻編碼方法之一的MPEG層-II音頻編碼方法中。然而，本發(fā)明不僅適用于其他涉及具有比例因子索引等的表格的高質(zhì)量音頻編碼方法，而且還適用于圖像和視頻編碼方法等等。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字音頻水印裝置和方法具有下述效果。
首先，當(dāng)通過改變要傳輸?shù)谋壤蜃铀饕栽诟哔|(zhì)量音頻編碼過程中將水印插入到位流內(nèi)時(shí)，具有不產(chǎn)生額外的噪聲或失真的效果。
第二，根據(jù)本發(fā)明通過水印插入產(chǎn)生具有與傳統(tǒng)的解碼器兼容的位流，具有不同于音頻信號(hào)的單獨(dú)的信息被傳送給規(guī)定的解碼器的效果。也就是，具有在保證單獨(dú)信息傳輸信道的同時(shí)，保持與傳統(tǒng)的解碼器兼容的效果。
第三，根據(jù)本發(fā)明的水印提取方法僅通知給特定用戶的情況下，具有相應(yīng)水印被利用為保密通信的效果。
第四，具有由于插入和提取過程非常簡(jiǎn)單，所以根據(jù)本發(fā)明的高質(zhì)量音頻編碼和音頻水印方法僅通過增加很小的工作量就能實(shí)現(xiàn)的效果。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說能夠?qū)Ρ景l(fā)明作出各種修改和改變是很顯然的。因而，本發(fā)明旨在覆蓋落在所附權(quán)利要求及其等價(jià)范圍內(nèi)的對(duì)本發(fā)明作出的修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種具有通過比例因子表對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行編碼的步驟的數(shù)字音頻水印插入方法，該方法包括以下步驟將數(shù)字音頻信號(hào)變換為多個(gè)子帶樣本；提取比例因子，該比例因子為變換的子帶樣本的幅度因子；通過使用比例因子表將提取的比例因子變換為比例因子索引；以及在變換提取的比例因子時(shí)，將水印信號(hào)插入比例因子索引。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)插入水印信號(hào)時(shí)，按照水印信號(hào)的一位分配一個(gè)比例因子索引。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，根據(jù)水印信號(hào)的一位為“0”或“1”，比例因子索引變?yōu)榕紨?shù)或奇數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，如果水印信號(hào)的位為“0”，那么比例因子索引變?yōu)榕紨?shù)。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，如果水印信號(hào)的位為“1”，那么比例因子索引變?yōu)槠鏀?shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，如果比例因子索引為“0”，那么水印信號(hào)沒有被插入。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將被傳送的每幀水印信號(hào)的最小位數(shù)量是預(yù)定的。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，如果傳送的比例因子少于水印信號(hào)預(yù)定位數(shù)量，那么一個(gè)位被強(qiáng)制性地分配給一任意子帶，并且其后水印信號(hào)被插入到相應(yīng)的比例因子索引中。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，對(duì)于強(qiáng)制性地分配位以插入水印信號(hào)的子帶，子帶樣本全部定義為“0”。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，將被傳送的幀被打包以調(diào)整水印位率。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用密/公鑰使插入的水印信號(hào)區(qū)別于其他信號(hào)。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，預(yù)定的同步信號(hào)被插入以使插入的水印信號(hào)區(qū)別于其他信號(hào)。
13.一種數(shù)字音頻水印插入方法，其中通過數(shù)字音頻編碼步驟水印信號(hào)被插入到數(shù)字音頻信號(hào)中，該方法包括以下步驟將數(shù)字音頻信號(hào)變換為多個(gè)子帶樣本以消除數(shù)字音頻信號(hào)的統(tǒng)計(jì)冗余；提取比例因子，該比例因子為變換的子帶樣本的幅度因子；接收數(shù)字音頻信號(hào)以通過傅立葉變換將該接收的音頻信號(hào)變換為頻率范圍；在變換的頻率范圍中根據(jù)所提取的比例因子，獲得為聽不到的噪聲電平的掩蔽閾值，并且根據(jù)所獲的掩蔽閾值在每一子帶樣本中計(jì)算信號(hào)掩蔽率SMR；在計(jì)算的SMR上將一個(gè)位分配給各子帶樣本；接收提取的比例因子，以根據(jù)數(shù)字音頻信號(hào)的編碼標(biāo)準(zhǔn)通過使用比例因子表將該接收的比例因子變換為比例因子索引；當(dāng)變換比例因子時(shí)改變比例因子索引以將水印信號(hào)插入比例因子索引；通過使用分配給每一子帶樣本的位和比例因子索引分別量化多個(gè)子帶樣本；以及產(chǎn)生量化的信號(hào)作為位流。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，水印信號(hào)的插入包括根據(jù)水印信號(hào)的一個(gè)位為“0”或“1”，通過水印信號(hào)的一位分配一比例因子索引，以將比例因子索引改變?yōu)榕紨?shù)或奇數(shù)的步驟。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，對(duì)于沒有分配位的子帶樣本，該方法包括以下步驟根據(jù)每幀將被傳送的水印信號(hào)的預(yù)定最小位數(shù)量，強(qiáng)制性地分配位給沒有分配位的子帶樣本；設(shè)置對(duì)應(yīng)將被插入的水印信號(hào)比例因子索引一任意偶或奇數(shù)；以及將所有強(qiáng)制性地分配位的子帶樣本定義為“0”。
16.一種數(shù)字水印檢測(cè)方法，其中從數(shù)字音頻信號(hào)的壓縮和傳送的位流中檢測(cè)水印信號(hào)，該方法包括以下步驟從位流中提取比例因子索引信息；和確定提取的比例因子索引的偶數(shù)/奇數(shù)以提取“0”和“1”的二進(jìn)制水印信息。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，如果比例因子索引為偶數(shù)，那么插入的水印信號(hào)的一位為“0”。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，如果比例因子索引為奇數(shù)，那么插入的水印信號(hào)的一位為“1”。
19.一種數(shù)字音頻水印插入裝置，其中通過使用數(shù)字音頻編碼器，水印信號(hào)被插入到數(shù)字音頻信號(hào)PCM中，該裝置包括一個(gè)子帶濾波器組，用于將數(shù)字音頻信號(hào)PCM變換為多個(gè)子帶樣本；一個(gè)比例因子提取器，用于提取比例因子，該比例因子為變換的子帶樣本的幅度因子；以及一個(gè)水印插入及比例因子編碼單元，用于根據(jù)數(shù)字音頻信號(hào)的編碼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范通過使用比例因子表將提取的比例因子變換為比例因子索引，并改變變換的比例因子索引以將水印信號(hào)插入到比例因子索引。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，根據(jù)水印信號(hào)的一個(gè)位為“0”或“1”，水印插入及比例因子編碼單元根據(jù)水印信號(hào)的一位分配一個(gè)比例因子索引，以使比例因子索引變?yōu)榕紨?shù)或奇數(shù)。
21.一種數(shù)字音頻水印檢測(cè)裝置，其中從數(shù)字音頻信號(hào)的壓縮和傳送的位流中檢測(cè)水印信號(hào)，該裝置包括一個(gè)多路分解器，用于從位流中提取比例因子索引信息；和一個(gè)水印提取器，用于確定提取的比例因子索引的偶數(shù)/奇數(shù)以提取“0”或“1”的二進(jìn)制水印信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字音頻水印插入/檢測(cè)方法及裝置。本發(fā)明提供具有通過利用比例因子表對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行編碼的步驟的數(shù)字音頻水印插入方法，該方法包括以下步驟將數(shù)字音頻信號(hào)變換為多個(gè)子帶樣本；提取比例因子，該比例因子為變換的子帶樣本的幅度因子；通過比例因子表將提取的比例因子變換為比例因子索引；以及在變換提取的比例因子時(shí)將水印信號(hào)插入到比例因子索引中。因此，本發(fā)明具有當(dāng)水印被有效的插入時(shí)不會(huì)產(chǎn)生另外的噪聲或失真的效果。
文檔編號(hào)H04N7/26GK1638479SQ20041010343
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2004年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月27日
發(fā)明者吳賢午 申請(qǐng)人:Lg電子有限公司