專利名稱：可變比特率信號的水印的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于嵌入和檢測在信息信號中，尤其是在能夠以多種比特率傳輸的信息信號中的水印的裝置和方法。
背景技術：
信息信號的水印是一項與信號一起傳輸附加數據的技術。例如，水印技術能夠用于向諸如音頻、視頻和數據信號的多媒體信號中嵌入版權和復制控制信息。
一種水印方案的主要要求是它不可見(即，在音頻信號的情況下，它不能被聽到；在視頻信號的情況下，它不能被看到)，同時對于從信號中除去水印的攻擊是魯棒的(例如，除去水印將損壞信號)。應當理解的是水印的魯棒性一般將與嵌入水印后的信號質量保持折衷。例如，如果一個水印牢固地嵌入到一個音頻信號(并從而很難除去)，則很可能音頻信號的質量將降低。
信息信號能夠以多種比特率傳輸。一些信號，比如MPEG2信號在比特流中編碼比特率。
本發明的一個目的是提供一種適于在能夠以不同比特率傳輸的信息信號中嵌入水印的水印嵌入方案。
本發明的一個目的是提供一種主要用于解決現有技術的至少一個問題的水印方案，不管它是涉及這些還是其他的問題。

發明內容
在第一方面，本發明提供一種在一個信息信號中嵌入水印的方法，其中水印嵌入過程由至少一個嵌入參數控制，嵌入參數的值取決于信息信號的比特率。
通過根據信號的比特率選擇水印的嵌入參數，能夠在水印保持魯棒和不明顯可見之間做出一個最佳的性能折衷。試驗已經顯示出，如果單一的一組嵌入參數與信號比特率無關的使用，則水印更可能在低比特率觀察到，同時在高比特率相對不魯棒。
在另一方面，本發明提供一種用于在一個信息信號中嵌入一個水印的裝置，該裝置包括一個嵌入裝置，用于利用由至少一個嵌入參數控制的嵌入過程在信息信號中嵌入一個水印，嵌入參數的值取決于信息信號的比特率。
在進一步的方面，本發明提供一種加水印后的信號，其中原始信息信號已經通過由至少一個嵌入參數控制的水印過程進行加水印，嵌入參數的值取決于信息信號的比特率。
在另一方面，本發明提供一種包括上述加水印后的信息信號的記錄載體。
在進一步的方面，本發明提供一種檢測信息信號中的一個水印的方法，該方法包括分析可能潛在包含一個水印的信息信號，從而檢測水印，該分析過程取決于信息信號的比特率。
在另一方面，本發明提供一種用于檢測一個信息信號中的水印的裝置，該裝置包括分析裝置，用于分析可能潛在包含一個水印的信息信號，從而檢測水印，該分析裝置的操作取決于信息信號的比特率。
在進一步的方面，本發明提供一種用于執行至少上述方法之一的計算機程序。
在另一方面，本發明提供一種包括上述的計算機程序的記錄載體。
在進一步的方面，本發明提供一種使得能夠下載上述計算機程序的方法。
本發明的其他方面將由從屬權利要求說明。


為了更好的理解本發明并為了顯示本發明的實施例如何可以產生影響，將借助于例子對附隨的草圖作出參考，其中圖1示出了按照本發明的一個優選實施例適于嵌入一個水印的裝置的示意圖；圖2A-2G示出了說明圖1所示裝置的操作的圖；和圖3示意性示出了按照本發明的一個實施例的水印檢測裝置。
具體實施例方式
本發明根據信息信號的比特率選擇不同的水印嵌入參數設置(包括可控制所利用的水印方法類型的參數)。
試驗已經顯示某些參數設置有可能提供高比特率信號(例如高清晰度MPEG信號)魯棒性和可見性之間的折衷。但是，如果相同的算法與用于低比特率信號的相同參數一起使用，信號的視覺質量差。因此，發明人認識到不應當提供用于水印的一個通用參數設置，而通過根據信息信號的比特率，利用不同的水印嵌入參數設置和/或不同的水印方法大大改善系統性能。
本發明尤其適用于壓縮的多媒體信號，其中比特率在比特流中編碼或者能夠從比特流中確定。這便于信息流比特率的檢測。例如，在MPEG中比特率能夠通過每秒的幀數結合對表示一個圖像開始的任意兩個連續的開始條件之間的字節數計數來確定。
現在將參照已知的水印方案說明本發明的優選實施例。利用一個單一的嵌入算法。確定信息信號(以MPEG2格式的一個多媒體信號為例)的比特率，并且根據確定的比特率從預定組中選擇一組參數。在參數組中，不同的組對應于不同的比特率范圍。
該優選實施例中利用的特定嵌入算法是在WO02/060182中更詳細描述的游程-合并算法。
游程-合并算法通過有選擇的丟棄最小量化DCT系數在一個MPEG壓縮視頻流中嵌入一個水印。丟棄的系數隨后合并到剩余系數的游程中。對一個系數是否丟棄的判斷在預先計算的水印緩沖器和每8×8個DCT塊已經丟棄的系數數量的基礎上作出。
圖1示出了按照優選實施例的一個裝置的示意圖。該裝置包括一個語法分析單元110，一個VLC處理單元120，一個輸出級130，一個水印緩沖器140和一個比特率檢測器142。該裝置用于接收表示一個視頻圖像序列的MPEG基本視頻流MPin。
一個MPEG視頻圖像通過把每個圖像分為8×8像素塊形成。像素塊按順序由各個8×8DCT(離散余弦變換)系數表示。
圖2A示出了一個DCT塊300的典型例子。這樣的一個DCT塊的左上角的轉換系數表示對應像素塊的平均亮度，并一般稱為DC系數。其他系數表示空間頻率并稱為AC系數。左上角的AC系數表示圖像的粗略細節，右下角系數表示精細細節。AC系數已經被量化。該量化過程造成一個DCT塊的很多AC系數采用零值，尤其是那些表示精細細節的系數。
為了形成MPEG比特流，DCT塊300的系數依次以之字形模式(如圖2A中的301所示)進行掃描，并隨后進行可變長編碼。可變長編碼方案是霍夫曼編碼和游程-長度編碼的結合。每個零AC系數和隨后的非零AC系數的游程構成一個游程對，該游程對被編碼為單個可變長代碼字。圖2B示出了DCT塊300的游程-等級對。圖2C示出了表示DCT塊300的可變長代碼字(VLCs)序列，這可能由圖1所示的裝置作為信號MPin接收。
在MPEG2基本視頻流中，四個這種DCT亮度塊和兩個或多個DCT色度塊構成一個宏塊，許多宏塊構成一個片斷，許多片斷構成一幅圖像(場或幀)，并且一系列圖像構成一個視頻序列。一些圖像自主編碼(I-圖像)，其他圖像用運動補償預測編碼(P-和B-圖像)。在P-和B-圖像中，DCT系數表示當前圖像像素和一個或多個參考圖像像素之間的差，而不是實際像素本身。
MPEG2基本視頻流MPin應用到語法分析單元110。語法分析單元110局部中斷MPEG比特流，并且把數據流分為表示亮度DCT系數的可變長代碼字(VLCs)，其他MPEG代碼包括代表信號比特率的代碼。該單元也收集諸如塊的坐標、編碼類型(場或幀)、掃描類型(之字形或其他類型)的信息。VLCs和相關信息應用到VLC處理單元120。其他MPEG代碼直接應用到輸出級130，比特率信息的一個復制應用到比特率確定單元142。
在該實施例中，將被嵌入的水印是空間域的一個偽隨機噪聲序列。例如，水印能夠設想為一個二維圖片圖像。基礎水印的空間像素值轉換為與MPEG流中的視頻內容相同的表示。換句話說，水印圖像分為一個8×8像素塊，相關模塊進行離散余弦變換和量化。應當注意的是變換和量化操作必需只對任意特定水印進行一次。這樣計算出的DCT系數存儲在水印緩沖器140中。
水印緩沖器140連接到VLC處更理單元120，其中發生水印的實際嵌入。VLC處理單元把所選的表示視頻圖像的可變長代碼字解碼(121)為游程-等級對，并把一系列游程-等級對轉換(122)為8×8DCT系數的二維陣列。水印通過在修正級123中對每個視頻DCT塊加入空間對應水印DCT塊來嵌入。該加入按照嵌入參數執行，這將在下面更詳細的說明。
圖2D示出了對應于一個空間水印的一部分的水印DCT塊302的典型例子。圖2E示出了通過把進行加水印后的DCT塊302加入到視頻DCT塊300獲得一個進行加水印后的視頻DCT塊303。
隨后，產生的加水印后的DCT塊由一個可變長編碼器124再編碼。加水印后的VLCs應用到輸出級130，它通過復制由語法分析單元110提供的MPEG代碼并插入由VLC處理單元120提供的再次產生的VLCs再次產生MPEG流。而且，輸出級可以插入填充比特使得輸出比特率等于原始視頻比特率。
水印DCT系數應用到信號DCT系數的方式由許多嵌入參數控制。這樣的參數能夠確定應用水印的規則。
例如，在圖2A-2E所示的例子中，當合成的各個值將等于零時，塊302所示的水印系數只加入到原始圖像塊300的DCT系數中。在該特定例子中，只有一個非零系數(圖2A中值為-1的那個)變為塊2E中的零系數，因為塊302中空間對應的水印系數具有值+1。圖2F示出了加水印后的DCT塊的游程-等級對。注意以前的游程-等級對(1，-1)和(0，2)已經由一個游程-等級對(2，2)代替。圖2G示出了對應的輸出比特流。因此游程-合并操作出現以在該例子中具有只改變一個的AC DCT系數。
各種嵌入參數可以用于控制嵌入處理，并實現應用水印的強度和如何應用水印。
表1說明了在MPEG編碼標準中的不同比特率的三種不同參數設置。
能夠看出，對10MB/s的比特率的高清晰度(HD)內容利用一組參數，同時對5-8MB/s和1-5MB/s范圍內的各個比特率利用不同的參數設置。
“改變的數量”值表示在任意單個8×8DCT塊中允許作為DCT系數屬性的最大改變數量。
EI，EP，EB表示對于I-幀、P-幀和B-幀的各個能量等級，其中該能量能夠根據DCT塊的當前量化因子在每個DCT塊進行丟棄。這考慮到了DCT塊的縮放因子并降低了能夠由水印改變的系數數量。
CDR(內容依賴比)系數的值確定是否進行檢測來確定頻率內容是否在MPEG流中被認為很重要。例如，可回想到諸如塊300的一個8×8塊中的低頻內容出現在塊的左上角，同時高頻成分出現在塊的右下角的情況。在示出的示例塊中，將看到只有相對小數量的低頻成分存在，即高頻成分將不認為對圖像內容看來很重要。
表1

ULQ(使用線性量化器)值確定能量計算是根據一個線性量化比例還是一個指數比例執行。這樣的能量計算用于確定例如通過縮放水印系數值加入信號的水印能量。這將確定產生的水印對水印信號的可觀察性的影響，以及水印能夠被檢測到的程度是怎樣的(大多數水印檢測器的精度取決于水印中的能量相對于水印嵌入的信號的能量的數量)。
最后，EI％、EP％和EB％設置關于通過水印的應用任意給定DCT塊的多少百分比的能量能夠被丟棄的閾值。
通過根據確定的比特率適當選擇不同的嵌入參數，能夠優化一個信息信號內的魯棒性和水印的可觀察性之間的折衷。
很明顯以上實施例只借助于例子提供。例如，盡管在優選實施例中預定的參數設置已經對每個考慮的比特率(或比特率的范圍)利用，但實際上參數設置能夠通過預定的算法與比特率聯系起來。
同樣，盡管描述的參數在給出的例子中對信息信號內嵌入水印的強度有影響，但是嵌入參數實際上能夠用于選擇一個適當的水印方案來向信息信號應用水印，和/或改變應用到信息信號的水印。因此在這樣的情況下，比特率將影響水印能夠被檢測的過程。
圖3示出了按照本發明的一個實施例的水印檢測器200。在該例子中，假定水印嵌入過程由一個比特率依賴參數改變，從而對不同比特率信號將需要不同的檢測過程。水印檢測器200包括一個用于接收可能潛在進行水印的信息信號的輸入端210。比特率檢測器230將接收信號的比特率確定為一個預定精度(這樣的一個比特率能夠通過分析信號或者如果比特率在信號中被編碼能通過解碼信號的一部分來確定)。關于比特率的信息接著傳送到水印參數緩沖器240，并用于選擇將由水印檢測器220所使用的適當的參數。
水印檢測器220接收選擇的水印參數的一個復制和接收到的信息信號的一個復制，并且隨后在輸出端250提供一個關于接收到的信號實際上是否進行了水印的指示。例如，水印的存在或不存在能夠確定是否允許信息信號的復制。
對技術人員來說將意識到沒有特別描述的各種執行方式將被理解為落入到本發明的范圍內。例如，盡管只描述了嵌入和檢測裝置的功能，將認識到該裝置能夠實現為一個數字電路、一個模擬電路、一個計算機程序或它們的組合。
這樣的計算機程序以及有本發明的嵌入方法產生的任何水印后的信號能夠存儲在任意機器可讀介質(例如，一個計算機存儲器，一個軟盤，一個緊致盤或等效物)，或者能夠通過包括無線和有線媒體的任意傳輸媒體傳輸。本說明書中采用術語記錄載體，從而包括這樣的機器可讀媒體和這樣的傳輸媒體。
在本說明書內，將認識到詞語“包括”不排除其他元件或步驟，“一個”不排除多個，并且一個單一處理器或其他單元可以完成權利要求中提到的幾個裝置的功能。
讀者的注意力指向與本申請同時提出和比本說明書提前提出并且和本說明書一起向公眾檢查公開的所有論文和文件，所有這樣的論文和文件的內容通過參照結合在這里。
本說明書中公開的所有特征(包括任何隨附的權利要求、摘要和附圖)和/或其中公開的任意方法或處理的所有步驟，除了至少一些這樣的特征和/或步驟互相排斥的組合方式以外，可以以任意組合方式合并。
該說明書中公開的每個特征(包括任何隨附的權利要求、摘要和附圖)可以由用于相同、等效或類似目的的替換特征代替，除非以其他方式明確提出不能代替。因此，除非以其他方式明確提出，公開的每個特征只是普通的一系列等效或類似特征的一個例子。
本發明不限于前述實施例的細節。本發明延伸到本說明書中公開(包括任何隨附的權利要求、摘要和附圖)的特征的任意新的實施例或任意新的組合，或其中公開的任何方法或處理的步驟的任意新的實施例或任意新的組合。
權利要求
1.一種在一個信息信號中嵌入水印的方法，其中水印嵌入過程由至少一個嵌入參數控制，嵌入參數的值取決于信息信號的比特率。
2.如權利要求1所要求保護的方法，該方法進一步包括確定信息信號比特率的步驟。
3.如權利要求2所要求保護的方法，其中表示比特率的信息在信息信號中編碼，比特率通過對表示比特率的信息解碼來確定。
4.如權利要求1所要求保護的方法，其中嵌入參數的值根據信息信號的比特率從預定的一組值中選擇。
5.如權利要求1所要求保護的方法，其中水印信號的魯棒性和水印信號的可觀察性的至少一個取決于所述嵌入參數。
6.如權利要求1所要求保護的方法，其中嵌入參數的值確定用于在信息信號中嵌入水印的水印技術。
7.如權利要求1所要求保護的方法，其中水印強度取決于嵌入參數的值。
8.一種用于在一個信息信號中嵌入一個水印的裝置，該裝置包括一個嵌入裝置，用于利用由至少一個嵌入參數控制的嵌入過程在信息信號中嵌入一個水印，嵌入參數的值取決于信息信號的比特率。
9.如權利要求8所要求保護的裝置，該裝置還包括一個用于確定信息信號的比特率的比特率確定裝置。
10.一種加水印后的信號，其中原始信息信號已經通過由至少一個嵌入參數控制的水印過程進行加水印，嵌入參數的值取決于信息信號的比特率。
11.一種包括如權利要求10所要求保護的水印后的信息信號的記錄載體。
12.一種檢測信息信號中的一個水印的方法，該方法包括分析可能潛在包括一個水印的信息信號，從而檢測水印，分析過程取決于信息信號的比特率。
13.一種用于檢測一個信息信號中的水印的裝置，該裝置包括分析裝置，用于分析可能潛在包括一個水印的信息信號，從而檢測水印，該分析裝置的操作取決于信息信號的比特率。
14.一種用于執行至少權利要求1的方法和權利要求12的方法之一的計算機程序。
15.一種包括如權利要求14所要求保護的計算機程序的記錄載體。
16.一種使得能夠下載如權利要求14中請求保護的計算機程序的方法。
全文摘要
描述了一種用于在一個信息信號(MPin)中嵌入一個水印的方法和裝置。水印嵌入過程由至少一個嵌入參數控制。嵌入參數的值取決于信息信號(MPin)的比特率。
文檔編號H04N7/26GK1695380SQ03824830
公開日2005年11月9日 申請日期2003年9月22日 優先權日2002年10月30日
發明者G·C·蘭格拉亞爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司