CN1291331A - 往信息信号中嵌入附加数据 - Google Patents

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Abstract

一种往信息信号(x)中嵌入附加数据(例如水印W)的设备,包括一个一般的∑－δ调制器(20)和一个修正装置(2),前者供对声频信号(x)进行编码,后者供定期用水印的一个二进制位(Wi)取代编码信号(y)的一个二进制位。同步模式(s)以同样的方式嵌入信号中。同步位(Si)以小于水印位的距离嵌入。同步模式最好是编码器一般不产生的邻接二进制位。∑－δ调制器的这种模式为一连串1之后有基本上等长的一连串0的模式,或其相反的模式。

Description

往信息信号中嵌入附加数据
发明领域
本发明涉及一种往信息信号中嵌入附加数据的方法和设备。信息信号由装有反馈环路的编码器编码。经选择的编码信号取样在反馈环路中经过修正，表示附加数据和同步位模式。经修正表示附加数据的取样中间为至少第一数量的取样所隔开。
发明背景
目前，愈来愈要求给音频和视频信号提供水印(Watermarks)。水印是最好以隐含但可辨认的形式嵌入多媒体器材中的附加数据字幕，由例如关于文件和视听节目的来源或版权现况的信息组成，可用以提供版权所有人的合法性证明，可跟踪侵权行为和支援知识产权保护。
本发明书开端所述往信息信号中嵌入附加数据的现行方法在国际专利申请WO-A-98／33324中有介绍。在现有技术的这个方法中，水印图形嵌入∑-δ调制音频信号中。这种设备位编码信号的每一位为信号取样。水印通过修正其经选择的各位嵌入编码声频信号中，举例说，每第100个位用水印模式的一个位取代。修正编码信号的步骤是在编码器反馈环路内进行的，为的是补偿在以后各端码步骤中的作用。
上述现有技术的方法是为在音响式数字多功能光盘(DVD)上记录优质音响而设想的。为产生115分贝的信噪比，采用2，822，400赫(64×44，100)的采样频率。只以1分贝为代价取代每第100位∑-δ调制声频信号增加了量化噪声，这相当于大约每秒28000位的水印位速率。
上述专利申请WO-A-98／33324还公开了一种提取水印的装置。所述装置由一个除法器级和一个同步检测器组成。除法器级将位速率除以将水印位分隔开的位个数(例如，若每第100位信号为一个附加数据位则为100)。同步检测器改变除法器级的相位直到在位流中检测出同步位模式(以下简称同步模式)为止。
不言而喻，同步检测器当然有一个移位寄存器(或串并行转换器)，供存储一部分位流。在上述现有技术的方法中，水印中设有同步模式，即多个同步模式的二进制位为与水印位同数量的二进制位所隔开。实际上这需要一个长的移位寄存器。移位寄存器的长度取决于同步模式的长度和水印位之间的间距。若信号的每第M个位为附加数据位且同步模式由N个位组成，则同步检测器当然必须存储(N-1)·M+1个二进制位。
德国专利申请DE-A-3717315更详细地公开了这种现有技术的同步检测器。在此专利公报中，信号的每第15个位为附加位，同步模式为4位字。按照该专利，串并行转换器(DE-A-3717315图2中的编号5)存储46个位。
发明简介
本发明的目的是提供一种往信息信号中嵌入附加数据的方法，该方法能以更为经济实惠的方式提供附加数据。
为达到此目的，本发明具有这样的特点：修正步骤是用数量最多等于大致小于所述第一取样数量的第二取样将表示同步位模式经修正的取样分隔开。
这时，同步检测器中移位寄存器的长度就由同步模式的长度和第二位数确定。所述第二个数目可与第一数目无关进行选取，且可任意地小或甚至为零。在后一种情况下，同步模式位为编码信号的连续位。于是，移位寄存器的长度相当于同步模式的长度。
在本发明的一个最佳实施例中，同步位模式为一般不是编码器产生的位模式。举例说，为在DVD上记录优质音响而设想的∑-δ调制器产生高频模式由多个0和多个1组成的位流。调制器试图尽快更迭各输出位，以便从音频带中剔除量化误差。一般说来，∑-δ调制器不产生后面是大量的0的大量的1。举例说，音乐的记录中就不会出现11110000的位模式。强迫调制器在反馈环路中产生这种不正常或不具特色的模式会使调制器迅速将位流改变成上述高频模式。这类不正常的模式是构成同步模式优异的选择对象。
附图简介
图1是本发明往信息信号中嵌入附加数据的设备的一般原理图。
图2是本发明∑-δ调制器的原理图。
图3-6是说明图2中所示装置的操作过程的波形图。
实施例说明
图1示出了本发明往信息信号中嵌入附加数据的设备的一般原理图。该设备包括预测编码器1、修正电路2和控制电路3。
预测编码器1接收(模拟或数字)输入信号X，且具有一个减法器11供从输入信号X中去掉预测信号 X ^ 。由此得出的预测误差信号e加到编码给12上。预测编码器还有一个反馈通路供获取预测信号 X ^ ，反馈通路包括解码级13、加法器14和延迟电路15。预测编码器1的各种实施例是本技术领域中所周知的，例如增量调制器∑-δ调制器、差分脉冲代码调制器或MPEG图像编码器。
修正电路2接收经编码的误差信号y，且设计得使其修正此信号经选择的取样。此修正电路安置在编码级12与反馈通路13-15之间，即在编码器1的环路内。因此，预测信号 X ^ 是从经修正的编码信号z而不是从未经修正的编码信号获得的。于是，修正级2引起的任何编码“误差”都反馈给编码级12，从而使编码误差以后都编码得使其作用得到补偿。
修正后的编码信号z加到一个接收机上或存储在存储媒体(图中未示出)上。有一点很重要应该指出的是，接收机可能设计得可以提取或不可以提取附加数据。一般不能提取附加数据的接收机必须能破译和重现经修正的编码信号。因此，附加数据必须以不引入注目的形式嵌入。如图1中所示的那种破译和重现编码器来的编码信号的接收机通常和编码器的反馈通路(13-15)一模一样，因而没有分别示出。
现在参看图2进一步说明本发明。图2示出了往∑-δ调制信号中嵌入附加数据的设备。这种设备有一个一般的∑-δ调制器20包括减法器21、环路滤波器22、极性检测器23和反馈通路24。减法器21从输入信号x去掉经编码的输出信号z(其电平为+1伏或-1伏)。差值信号d由滤波器22进行滤波。滤波器的信号f加到极性检测器23上，极性检测器23以采样频率fs(图中未示出)所确定的速率在fzo时产生输出位“1”(+1伏)，在f＜o时产生“o”(-伏)。
修正电路2连接在极性检测器23与反馈通路24之间。根据控制电路3提供的控制信号c，修正电路(一个多路复用器)用水印位Wi或同步模式位Sj取代编码信号经选择的各二进制位。水印W和同步模式S分别存入控制电路3的寄存器301和302中。从下面的说明可以清楚理解控制电路的工作过程。
图3示出了说明修正电路2不起作用时设备工作过程的波形。更具体地说，图中示出了输入信号x和输出信号z(由于修正电路不起作用因而与编码信号y相同)。随着输入信号越来越大，∑-δ调制器产生的正取样越多。如图中所示，-0．5伏的输入电压作为位席列0001(三个-1伏脉冲和一个+1伏脉冲)编码，0伏输入电压作为高频位模式01010(交换的-1伏和+1伏脉冲)编码，+0．5伏的输入电压作为位序列1110(三个+1伏脉冲和一个-1伏脉冲)编码。有一点很重要应该指出的是，没有出现成对的长串0和长串1。
位流z通过改造收到的各脉冲并将其传送到一个低通滤波器在接收端(图中未示出)解码。在此简化的实例中，信号是通过求出位流13个取样的平均值解调的。图3除示出所述低通滤波器滤波引起的时延外还示出解调后的信号X＇。图中，解调后的信号X＇因此与输入信号X在时间上一致。
图4示出了说明修正电路2起作用时设备工作过程的波形。实例中，∑-δ调制器的“-1”取样30(图3)用“+1”取样40取代，为的是表示水印位Wi=1。由于修正反馈到输入端，因而修正的有害影响以后由编码级加以补偿。这样，编码信号z紧跟附加数据位40的一部分与图3中所示相应的部分不同。与此相应，图4中解调后的信号X＇也临时与图3中的同一信号不同。应该指出的是，各图中时间的一致性使得差值在嵌入附加数据位40之前就已明白显示出来。图3和图4中，解调信号的有关部分分别以31和41表示。
比较一下图3和图4可知，差值几乎实际上看不出来。在采样频率fs=2，822，400赫(64×44，100)下对优质声频信号进行编码的∑-δ调制器，其信噪比为115分贝。发现每100个取样取代其中的一个取样，量化噪声只增加1分贝。应该指出的是，已插入一个附加数据位时，仍然没有出现成对的长串和长串1。正是这种性能使同步模式可嵌入不难在接收端可靠检测出的位流中。
同步模式的二进制位Sj以同样的方式插入。按照本发明，连续的各同步位Sj之间的间距从而基本上小于水印W连续的各二进制位Wi之间的间距。图5示出了如此得出的声频位流的简化实例。在此实例中，位流的每第10个二进制位为水印位Wi。这样，水印位为9个声频信号位所分隔。为确定各水印位在位流中的位置，而且可能的话也鉴别打上水印的字幕帧的第一二进制位Wo，往位流中加入由6个位S0……S5组成的同步模式S。在此实例中，同步位Sj只为1个声频位所分隔。嵌入的附加数据在图中加了阴影线。
同步检测器(这种检测器本身由于特别是可从德国专利申请DE-A-3717315了解到，因而图中没有示出)包括一个移位寄存器，这个寄存器在本实例中的窗口范围为5×2+1=11位。在同步检测器的检索状态下，移位寄存器在通道位速率下同步。若窗口在其第1、第3……第11位的位置包括同步模式S，则这个同步模式是经过检测的。图5中，这一点是用窗口50表示的。根据这一点，同步检测器自动跟踪并启动被10除计数器以确定水印位Wi的位置。应该指出的是，若同步位Sj如现有技术所教导的那样为所嵌入水印的部分，即若它们也为9个声频位所分隔，则移位寄存器可能包括5×10+1=51位。实际上，举例说，一个其水印位为100个或甚至1000个位所分隔经∑-δ调制过的声频信号，所需要的移位寄存器可能会非常之大。
如图5中由另一个窗口51所示的那样，这里并不能排除同步模式S还会出现在位流中另一处。若在检索状态下发现这个模式，同步检测器的自动跟踪会不可靠，从而不能正确提取水印。为提高可靠性，同步模式和同步模式位的分隔选择得使这类不可靠的自动跟踪不可能出现。
前面说明图3和图4时说过，∑-δ调制信号中不出现成对的长串0和长串1。若出现一长串的1，接下去的一连串0的长度大致不同(反过来也是一样)。成对的一连串的1和基本上等长的长串0叫做不正常或非特色模式。∑-δ调制过的音频信号的例子有1111000，11110000，111100000，1111100000及其反的形式。在实际音频信号中从未发现过这些模式。在本发明的一个最佳实施例中，将这种不正常的模式嵌入位流中以构成同步模式S。图6示出了说明同步模式111000(以编号60表示)插入位流中时设备工作过程的波形。可以看到，波形与图3和图4的相同。从图中可以看出，解调信号X＇受到的影响相当大。但这是个简化的实例。实际上发现畸变的状况几乎看不出来。
必要时插入同步模式的有害影响是可以减少的。举例说，可以“预修正”同步模式之前的一个或多个二进制位从而减少误差。这是通过预先观察哪一个“预修正”产生最佳的编码质量。申请人未公布的欧洲专利申请97204056．2(PHN16．669)中提出过这个概念。另一个办法是就例如信噪比方面评估插入同步模式的有害影响并推迟同步模式的插入时间，直到在位流中找到所述信噪比认为可接受的时机为止。
总起来说，这里公开了一种往信息信号(x)中嵌入附加数据(例如水印W)的设备。在本发明的一个实施例中，所述设备有一个一般的∑-δ调制器20和一个修正装置(2)，前者供对声频信号(x)进行编码，后者供定期用水印的二进制位(Wi)取代编码信号(y)的一个二进制位。同步模式(s)以同样的方式嵌入信号中。同步位(Si)的嵌入距离小于水印位。同步模式最好是编码器一般不会产生的邻接二进制位组成的模式。至于∑-δ调制器的这种模式，那是一连串的1后面有基本上等长的一连串的0的模式，或与此相反的模式。

Claims (11)

1．一种往信息信号中嵌入附加数据的方法，包括下列步骤：
用一个包括一个供控制编码过程的反馈环路的编码器对信息信号进行编码；
在编码器的所述反馈环路内修正编码信号经选择的取样，以表示所述附加数据和同步位模式，修正后表示附加数据的取样为至少第一数量的取样所分隔；
其特征在于，修正步骤是用最多为大致小于所述第一数量的第二数量的取样分隔表示同步位模式经修正的取样。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，修正后表示同步位模式的取样为修正后的编码信号组成的连续取样。
3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，同步位模式是编码器一般不产生的位模式。
4．如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，编码器是个∑-δ调制器。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，同步位模式为一对一连串1和基本上等长的一连串0。
6．如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，同步位模式为1111000，11110000，111100000，1111100000或其反的形式。
7．一种往信息信号中嵌入附加数据的设备，包括：
一个编码器，供对信息信号进行编码，有一个反馈环路供控制所述编码过程；
一个修正装置，在编码器的所述反馈环路中，供修正编码信号经选择的取样，以表示附加数据和同步位模式，修正后表示附加数据的取样为至少第一数量的取样所分隔；
其特征在于，所述修正装置设计得使其用最多为大致小于所述第一数量的第二数量的取样分隔表示同步位模式经修正的取样。
8．一种由一个编码器编码的信息信号，信息信号经选择的取样经过修正表示嵌入的附加数据和同步位模式，修正后表示附加数据的取样为起码第一数量的取样所分隔，其特征在于，修正后表示同步位模式的取样为最多为大致小于所述第一数量的第二数量的取样所分隔。
9．如权利要求8所述的信号，其特征在于，同步位模式是编码器一般不产生的连续取样。
10．如权利要求8所述的信号，其特征在于，信息信号为∑-δ调制音频信号，同步位模式为一对一连串1和基本上等长的一连串0。
11．一种存储媒体，上面记录有权利要求8-10中任一权利要求所述的信号。
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