水印 本发明涉及在一个信息信号中嵌入一个水印。本发明进一步涉及检测一个嵌入在一个信息信号中的水印。
近年来，一个日益增加的使用和发行数字多媒体数据的趋势，已经导致一个对足够的拷贝保护、版权保护、以及这样数据的所有权验证的增加的需要。
数字水印是一种可以用于各种目的，诸如检验版权所有权、追踪非法拷贝、控制复制控制设备、广播监控、真实性验证、添加辅助信息到多媒体信号中等的新兴技术。
水印是一个通过稍微修改信号采样而嵌入到一个信息信号中的标记。更可取地是，水印方案应当这样设计，以便该水印是难以觉察的，即它不会显著地影响该信息信号的质量。在许多应用中，水印应当被进一步加强，即在可能的信号处理操作之后，它应当仍然是可可靠地检测的。在音频信号领域中，这样的处理操作示例包含压缩、修剪、D/A和A/D转换、均衡、临时按比例缩放、群时延失真、滤波、以及除去或者插入采样。
尽管已经公布了对静止图像和视频加水印的许多方案，但是只有相对少的、有关对音频加水印的文献。大部分公布的技术使用诸如回声隐藏或者噪音添加的方法，它们利用人类听觉系统的瞬间及/或频谱屏蔽模式。
于2000年10月30日到11月3日、在洛杉矶进行的ACM multimedia2000 workshops会议(119-122页)公开了一种在频率域中操作的嵌入技术。依据这种现有技术方法，一个音频信号被分段到帧中，而且各个帧被傅立叶变换了。对于每一个帧，产生的傅立叶分量被稍微修改了，并且在该时间域中的水印信号作为该修改的频率分量地反相傅立叶变换而被获得。最后，该水印信号被成比例缩放并且被添加到该音频信号中。从这个现有技术方法中可知：用乘法修改一个信号的频率分量产生坚固并且感性的透明水印方案。
然而，上述现有技术方法涉及该水印产物可以在该帧边界处出现的问题。在一个音频信号的情况下，这些产物可以由一个收听器作为喀喇音察觉到。
通过一种在一个信息信号中嵌入一个水印的方法，可以解决上述及其它问题，该方法包含步骤：用表示该水印的一个预定密钥序列计算该信息信号的一个卷积来获得一个卷积序列，以及把该信息信号和该卷积序列组合。
因此，依据本发明的方法提供了一种满足高坚固和感知需求而没有边界现象的水印方案。
因为依据本发明的方法基于用一个水印卷积该信息信号而不是修改该信息信号中的单个帧，依据本发明的方法克服了由于在上述现有技术中的帧产物而产生的问题。
因为用水印卷积该信息信号可以被解释为在傅立叶领域中的一个乘法，因此保留了对频率分量的乘法修改的优点。因此依据本发明的方法产生了坚固和难以觉察的水印。
本发明的一个进一步优点是该水印检测不对在嵌入和检测期间的帧同步敏感，由此提供了一个可以被可靠地检测的水印。
本发明的一个进一步优点是对一个采样的修改与任何选定的帧边界无关。因此，该修改，举例来说，不对在一个音频流开始处的采样添加或者删除灵敏。
此外，在本发明的一个有利实施例中，可以通过计算一个预定水印序列的一个变换产生预定的密钥序列。该变换可以是一个逆傅立叶变换。做为选择，可以使用其它变换，举例来说一个离散余弦变换或者一个子波变换。
本发明的一个优点是可以在该频率域内造型该水印序列。因为人类听觉系统的模式可以很好地在频率域中描述，所以和在时间域中相比，该水印序列的一个恰当造型在频率域中更为普遍。
本发明的另一个优点是在频率域中的水印序列可以在检测水印期间被很容易地使用。
当把该信息信号和该卷积序列组合的步骤进一步包含步骤：用一个预定的比例因子乘以该卷积序列的每个采样来获得一个成比例的卷积序列，以及添加该成比例的卷积序列到该信息信号中时，该嵌入水印的能量可以由该比例因子控制。因此，该水印的嵌入可以被控制以便满足一个给定水印应用的坚固和感知性需求。
当利用一个水印信号计算该信息信号卷积的步骤进一步包含执行一个重叠快速傅里叶变换卷积的步骤时，则提供了一种计算该卷积的计算有效方法。重叠的快速傅里叶变换卷积方法的示例包含在信号处理技术已知的所谓交叠相加和交叠储存方法。
本发明的一个进一步优点是该卷积序列的频谱密度是原有信息信号的一个成比例版本，这是因为从一个安全性观点上看，在信息信号和水印序列之间的相似性是有利的。
本发明进一步提供了一种减去一个水印的方法、用于嵌入和减去一个水印的方案、一个具有一个嵌入的水印的信息信号、一个已经在其上记录了这样一个信号的存储介质、一个适合于在这样一个信号中检测一个水印的方案、一个包含一个用于嵌入水印的方案的用于传输一个信息信号的设备、以及一个包含一个用于减去水印的方案的用于处理多媒体内容的设备。本发明的上述方面在独立的权利要求中公开了。因为本发明这些方面的优点和最佳实施例对应于如上所述以及在下面所述的方法的优点和最佳实施例，因此在此将不会重复这些。
以下将结合附图和一个最佳实施例对本发明进行更加充分的说明，其中：
图1a显示了一种依据本发明的第一实施例、嵌入一个水印的方法的一个示意图；
图1b显示了一种依据本发明的第二实施例、嵌入一个水印的方法的一个示意图；
图2显示了一个依据本发明的第三实施例、用于嵌入一个水印的方案的一个示意图；
图3显示了依据本发明的一个实施例、一个接收一个信息信号的播放器的一个示意视图；
图4显示了一种依据本发明的一个实施例、检测一个水印的方法的一个示意图；以及
图5显示了一种依据本发明的一个实施例、从一个信息信号中减去一个水印的方法的一个示意图。
图1a显示了一种依据本发明的第一实施例、嵌入一个水印的方法的一个示意图。该方法包含用密钥序列v(n)计算信息信号x(n)的一个卷积x(n)·v(n)。在此以及在下面，表示一个卷积，即x(n)·v(n)的操作。可以被写为：
x(n)·v(n)＝∑kx(n-k)·v(k)
因为x(n)和v(n)不被要求是周期函数，所以x(n)·v(n)被称为一个非循环卷积，亦被称为线性或者非周期卷积。信息信号x(n)被表示为由n索引的一个信号样本序列。举例来说，在一个音频信号的情况下，n表示一个离散时间。因此，我们将参考由n索引的信号作为在该时间域中的信号。然而当然理解：对于其它类型的信息信号，n可以表示其它坐标，诸如空间座标。该水印由在该时间域中的一个密钥序列v(n)表示。更可取地是，该密钥序列具有以下属性：
更可取地是，v(n)是一个具有有限支持的伪随机密钥序列。v(n)的长度可以是，举例来说，在500-5000个采样的范围内，例如1024或者2048个采样。一个长的密钥序列允许一个高的水印有效负载，但是在另一方面，它可能增加该信息信号的失真、嵌入者的延迟和复杂度。从一个可听度角度来看，v(n)长度的最佳选择还可以取决于取决于该信息信号的采样率。
更可取地是，该密钥序列v(n)包含奇数个的采样，即它可以由采样v(n)表示，n＝-M，...，0....，M，其中M可以是，举例来说，511或者1023。
更可取地是，信号v(n)是这样产生，以便它的能量等于1。这个条件允许对该嵌入水印能量的一个简单控制，因为它保证在非常适度的假定下面，该卷积x(n)·v(n)的能量等于x(n)的能量。
更可取地是，v(n)是实数的，以保证水印信号是实数的。更可取地是，v(n)是对称的，即v(-n)＝v(n)。这具有避免了该水印信号的相位失真的优点。它具有进一步的优点，即该嵌入处理所必要的操作数量被减小了，由此减小了实现该嵌入方法的一个电路的复杂度和成本。
更可取地是，v(0)＝0以及∑nv(n)＝0，即v(n)没有DC分量。
仍然参见图1a，在步骤102中，卷积信号x(n)·v(n)与信息信号x(n)相结合，产生水印信号y(n)。
图1b显示了一种依据本发明的第二、更有效的实施例，嵌入一个水印的方法的一个示意图。依据这个实施例，依据下面的表达式计算水印信号y(n)：
x(n)→y(n)＝x(n)·[1+λ·v(n)]
这里，λ是一个可以用来控制该嵌入水印能量以便满足一个水印应用程序的坚固和感知性限制条件的预定嵌入强度。
相应地，结合图1a描述的、组合信息信号x(n)与卷积x(n)·v(n)的步骤102进一步包含把该卷积x(n)·v(n)的采样和嵌入强度λ相乘的步骤102a。在步骤102b中，产生的水印信号
wx(n)＝λx(n)·v(n)＝λ∑kx(n-k)·v(k)
被添加到信息信号x(n)中，以产生水印信号y(n)。做为选择，把x(n)与x(n)·v(n)组合的步骤102可以包含一个对应于λ＜0的减法或者可以包含其它功能，诸如在一个1位音频格式情况下的XOR功能。
因此，如果v(n)具有一个有限的支持，以便对于所有的n∉{-M,···,0,···,M},]]>v(n)＝0，则采样x(n)的修改仅仅取决于密钥序列、嵌入强度和在某些在n周围的邻项x(n-M)，...，x(n)，...，x(n+M)中的信息信号。
还要注意到：wx(n)的频谱密度是原有信号x(n)的一个成比例版本。此外，听取wx(n)的一个收听器在特定声学条件下面可以察觉到该信号类似于听取x(n)。从一个安全性角度上看，已经知道在wx(n)和x(n)之间的相似性是有利的。
此外，依据本发明的这个实施例，在步骤103中，通过在步骤101中计算卷积x(n)·v(n)之前计算该w(k)逆傅立叶变换，从一个水印序列w(k)中导出该密钥序列v(n)。如果信息信号x(n)表示在该时间域中的一个音频信号，则水印序列w(k)对应于该密钥序列v(n)的频率分量。因此，因为依据该人类听觉系统一个模式的一个水印信号的造型更可取地是在该频率域中进行，所以把w(k)当做一个起始点是有利的。此外，w(k)可以直接用作到一个用于在一个信号中检测水印w(k)存在的检测方案的输入，如将结合图4进行的描述那样。更可取地是，w(k)具有以下属性：
更可取地是，w(k)是一个实数、对称以及具有有限支持的伪随机序列，以保证v(n)是实数、对称以及具有有限支持的。
更可取地是，w(k)是DC自由的，即∑kw(k)＝0。这进一步保证v(0)＝0。
此外，在步骤101中执行的卷积使用一种有效的方法执行，该方法减小了实现该卷积操作的复杂度。直接计算卷积x(n)·v(n)是在计算上是代价高的。然而，一种克服这个复杂度的有效方法是使用一种重叠的快速傅里叶变换卷积方法，亦称为重叠的FFT滤波。依据这种方法，使用了一个窗口函数r(n)，例如一个支持比v(n)的支持要大的矩形窗口函数。使用这个窗口函数，可以定义一组移位的窗口函数rk(n)＝r(n-k.N)，其中N为该窗口函数的宽度。更可取地是，rk(n)定义了一的划分，即∑krk(n)＝1。因此，卷积x(n)·v(n)可以被写为
x(n)·v(n)＝v(n)·[∑kx(n)·r(n-kN)]
＝∑kv(n)·[x(n)·r(n-kN)]
＝∑kv(n)·xk(n)＝∑kx’k(n)
其中xk(n)＝x(n)·r(n-k·N)以及x’k(n)＝v(n)·xk(n)，即大的卷积可以用在具有有限支持的函数之间的卷积总和代替。
此外，r(n-kN)可以这样定义，以便它在边界处包含足够多的零点以保证用于一个循环卷积取消的所有循环绕回项。因此，该卷积x(n)·v(n)等于循环卷积，并且因此可以使用快速傅里叶变换(FFT)和乘法来有效地计算。举例来说，在一个一维音频信号x(n)和一个长度为L的水印信号v(n)的情况下，上述方法可以使用大小为2L的快速傅里叶变换实现。
在图1b的实施例中，通过步骤101实现这个方法，其中步骤101包含把该信息信号x(n)和移位的窗口函数rk(n)相乘以获得函数xk(n)的步骤101。随后，在步骤101b中，使用FFT计算v(n)和xk(n)的卷积。在步骤101c中，然后求和产生的部分卷积x′k(n)。
这个实施例的一个进一步优点是它在频率域中操作并且涉及有限的支持信号xk(n)。因此，水印的嵌入可以适用于信号xk(n)的频谱的本地感知特征，尤其是如果r(n)具有一个足够的平稳衰减的话。
因此，本发明的这个实施例减小了计算复杂性，并且起基于该全局信息信号、在非基于帧方法中结合一个感知模式的作用。
进一步应当注意到：如上所述计算卷积的重叠方法对应于所谓的交叠相加方法。做为选择，可以使用所谓的交叠储存方法。
图2显示了一个依据本发明的第三实施例、用于嵌入一个水印的方案的一个示意图。该方案包含一个把信息信号x(n)当做一个输入并且产生x(n)和密钥序列v(n)的卷积作为输出的卷积电路201。该卷积被送入到一个执行与该嵌入强度λ相乘的乘法电路204。该乘法电路204的输出被送入这样一个加法电路203，其还把原有的信息信号x(n)当做一个输入，并且产生作为水印信号和信息信号x(n)的和的加水印信号y(n)作为一个输出。更可取地是，为了补偿由该卷积电路201引入的延迟，在把该信息信号x(n)馈给加法电路203之前，让它通过一个延迟电路202。该卷积电路201可以是一个具有脉冲响应系数v(n)的有限脉冲响应(FIR)滤波。做为选择，如果该密钥序列v(n)包含奇数个采样，则该卷积滤波201的脉冲响应系数可以被选择为λv(-M)，...，λv(-1)，1，λv(1)...，λv(M)。因此，该滤波器执行操作·(1+λv(n))而且图2中的方案的两条路径可以由一条路径代替，由此节省了延迟电路202。
做为选择，乘法电路204和加法电路203可以用其它实现x(n)与x(n)·v(n)的不同组合的电路代替，如结合图1a-b描述的那样。
此外，应当理解：该卷积电路201可以包含作为一个重叠FFT滤波执行卷积的装置，如结合图1b描述的那样。
还应当理解：图2中的方案可以进一步包含一个产生该密钥序列v(n)作为一个水印序列w(k)的逆傅里叶变换的逆傅里叶变换电路，如结合图1b描述的那样。
图3显示了依据本发明的一个实施例、一个接收一个信息信号的播放器的一个示意视图。播放器304包含一个用于经由通信网络302从一个信号源301接收一个通信信号的接收器304c。该接收的信号，经由一个水印检测电路304d，发送到一个处理单元304a用于进一步处理及/或保存在一个存储介质304b中。该存储介质304b可以包含一个磁带、光盘、数字视频磁盘(DVD)、光盘(CD或者CD-ROM)、小磁盘、软盘、智能卡、铁电体存储器、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器、EPROM、只读存储器(ROM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、铁磁存储器、光存储器、电荷耦合设备，等。该信息信号可以包含多媒体内容，诸如音频、视频、静止图像、图形、动画，等等。
该进一步的处理可以包含播放、记录、显示该多媒体内容，执行其他的信号处理操作，产生一个用于进一步处理的控制信号304e，等等。该水印检测电路304d可以举例来说，使用结合图2描述的一种检测方法的实施例，检测在该接收的信号中的水印，并且发送相应的水印信息到处理单元304a及/或在存储介质304b上存储该相应的信息。基于检测结果，处理单元可以，举例来说，限制该信息信号的播放、存储及/或拷贝。做为选择或者另外，处理单元304a可以包含一个可编程微处理机，而且该存储介质304b可以包含计算机可执行程序代码，当在该处理单元中加载该代码时，该代码适合于执行检测一个水印的方法。做为选择，该处理单元可以包含一个专用集成电路、或者其它的集成电路、智能卡、等等。
信号源301可以包含一个用于经由通信网络302传输该信号的发送器301c、一个适合于在该信息信号中嵌入一个水印的处理单元301a以及一个用于存储原有的信息信号、水印以及相关的系统参数的存储介质301b。
该通信网络可以是一个远程通信网、一个诸如LAN、WAN、企业内部局域网或者Internet的计算机网络、一个电视或者无线电广播网络、等等。做为选择，该信息信号可以经由其它存储介质303发送，该存储介质303诸如磁带、光盘、数字视频磁盘(DVD)、光盘(CD或者CD-ROM)、小磁盘、软盘、智能卡、等等。
图4显示了一种依据本发明的一个实施例、检测一个水印的方法的一个示意图。本发明的这个实施例利用了在表达式y＝x+λ·v·x中的两项x和λ·v·x在统计上是正交的观察结果。因此，一个加水印信号y的嵌入强度λ可以从下式中估计：α=2λ1+λ2=⟨y·y||y||2,v35⟩]]>
其中竖线算子表示时间倒置，即离散信号y(n)的索引n的阶的倒置，以及<，>表示内积。相应地，一种依据本发明检测一个嵌入的水印的方法可以包含划分窗口、傅立叶变换、以及可能地进一步处理要为水印而被分析的输入信号y(n)的步骤401。在一个后续的步骤402中，产生的傅里叶系数与一个水印序列w(k)相关联。序列w(k)可以通过傅立叶变换密钥序列v(n)获得，或者更可取地，如果密钥序列v(n)作为w(k)的逆傅里叶变换导出，则可以直接使用原有的w(k)。随后，在步骤403中，标识在该相关光谱中的一个主要峰值并且计算一个相关值α。使用上述关系，可以在一个后续的后处理步骤404中估计嵌入强度λ。最后，在步骤405中，嵌入强度与一个预定的阈值t相比较，产生一个表示该水印及/或水印的有效负载存在或者不存在的控制信号406。
应当理解：除傅里叶变换之外的其它变换可以在依据本发明检测一个水印的方法中使用，举例来说，子波变换中的离散余弦变换。
图5显示了一种依据本发明的一个实施例、从一个信息信号中减去一个水印的方法的一个示意图。依据本发明的这个实施例，可以通过计算一个估计的嵌入强度，从一个信息信号中提取一个水印/实质上从中删除一个水印。该方法包含计算在一个信息信号y(n)和水印序列w(k)之间的一个相关值α的步骤501。更可取地是，如结合图4描述的那样，在傅立叶域中执行该计算，其中w(k)是水印信号v(n)的一个傅里叶变换，而且计算该相关值的步骤501进一步包含把该信息信号分段到帧中并且傅立叶变换这些帧的步骤。如结合图4描述的那样，依据本发明，相关值α与作为原有信号x(n)与水印信号v(n)的卷积计算的水印信号的嵌入强度λ有关，其中在α和λ之间的关系，可以由关系α＝2λ/(1+λ2)表示。相应地，依据图5中的实施例的方法包含使用关系α＝2λ/(1+λ2)计算估计的嵌入强度λ的步骤502。该方法进一步包含计算输入信号y(n)和水印信号v(n)的卷积的步骤503。更可取地是，可以使用结合图1b描述的方法计算该卷积。 随后，用计算的嵌入强度λ乘以(504)该卷积信号，并且从该信息信号y(n)中减去(505)以获得其中减去了水印的信号x′(n)。
应当注意到：减法该卷积可以由一个类似于结合图2描述的方案执行，其中该加法电路203用一个减法电路替换，而且其中λ是依据如上所述的方法计算的。
必须注意到：以上描述的实施例仅仅用于说明而不是限制本发明，而且那些在本领域中的技术人员将能够设计出许多替换的实施例而没有背离附加权利要求的范围。在这些权利要求中，放置在括号内的任何参考符号将不会被看作是限制该权利要求。单词’包含’没有排除除了列在一个权利要求内的单元或者步骤之外，还有其它单元或者步骤的存在。本发明能够利用包含几个明确单元的硬件来现实，也可以利用一个适当的程序控制计算机来实现。在一个枚举了几个装置的设备中，这些装置中的某些能够由在硬件中的同一个零件体现。仅有的事实是在互相不相关的权利要求中列举的确信方法并不表示这些方法的组合不能够获得更多优点。
总起来说，公开了一种用于在一个信息信号(x(n))，例如音频信号，中嵌入一个水印的非基于帧的方法和方案。该方法包含计算该信息信号和一个水印信号(v(n))的一个非循环卷积以及把该卷积和信息信号相组合。可以通过重叠的快速傅里叶变换滤波计算该非循环卷积。