CN100474928C

CN100474928C - 可变比特率信号的水印

Info

Publication number: CN100474928C
Application number: CNB038248301A
Authority: CN
Inventors: G·C·兰格拉亚尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: RU2327302C2; JP2006505173A; CN1695380A; WO2004040913A1; AU2003263529A1; KR20050073591A; RU2005113230A; BR0315738A; US20060053292A1; EP1570677A1; PL376469A1

Abstract

描述了一种用于在一个信息信号(MPin)中嵌入一个水印的方法和装置。水印嵌入过程由至少一个嵌入参数控制。嵌入参数的值取决于信息信号(MPin)的比特率。

Description

可变比特率信号的水印

技术领域

本发明涉及用于嵌入和检测在信息信号中，尤其是在能够以多种比特率传输的信息信号中的水印的装置和方法。

背景技术

信息信号的水印是一项与信号一起传输附加数据的技术。例如，水印技术能够用于向诸如音频、视频和数据信号的多媒体信号中嵌入版权和复制控制信息。

一种水印方案的主要要求是它不可见(即，在音频信号的情况下，它不能被听到；在视频信号的情况下，它不能被看到)，同时对于从信号中除去水印的攻击是鲁棒的(例如，除去水印将损坏信号)。应当理解的是水印的鲁棒性一般将与嵌入水印后的信号质量保持折衷。例如，如果一个水印牢固地嵌入到一个音频信号(并从而很难除去)，则很可能音频信号的质量将降低.

信息信号能够以多种比特率传输.一些信号，比如MPEG2信号在比特流中编码比特率。

本发明的一个目的是提供一种适于在能够以不同比特率传输的信息信号中嵌入水印的水印嵌入方案。

本发明的一个目的是提供一种主要用于解决现有技术的至少一个问题的水印方案，不管它是涉及这些还是其他的问题。

发明内容

在第一方面，本发明提供一种在一个信息信号中嵌入水印的方法，其中水印嵌入过程由至少一个嵌入参数控制，嵌入参数的值取决于信息信号的比特率。

通过根据信号的比特率选择水印的嵌入参数，能够在水印保持鲁棒和不明显可见之间做出一个最佳的性能折衷。试验已经显示出，如果单一的一组嵌入参数与信号比特率无关的使用，则水印更可能在低比特率观察到，同时在高比特率相对不鲁棒。

在另一方面，本发明提供一种用于在一个信息信号中嵌入一个水印的装置，该装置包括一个嵌入装置，用于利用由至少一个嵌入参数控制的嵌入过程在信息信号中嵌入一个水印，嵌入参数的值取决于信息信号的比特率。

在进一步的方面，本发明提供一种加水印后的信号，其中原始信息信号已经通过由至少一个嵌入参数控制的水印过程进行加水印，嵌入参数的值取决于信息信号的比特率。

在另一方面，本发明提供一种包括上述加水印后的信息信号的记录载体。

在进一步的方面，本发明提供一种检测信息信号中的一个水印的方法，该方法包括分析可能潜在包含一个水印的信息信号，从而检测水印，该分析过程取决于信息信号的比特率。

在另一方面，本发明提供一种用于检测一个信息信号中的水印的装置，该装置包括分析装置，用于分析可能潜在包含一个水印的信息信号，从而检测水印，该分析装置的操作取决于信息信号的比特率。

在进一步的方面，本发明提供一种用于执行至少上述方法之一的计算机程序。

在另一方面，本发明提供一种包括上述的计算机程序的记录载体。

在进一步的方面，本发明提供一种使得能够下载上述计算机程序的方法.

本发明的其他方面将由从属权利要求说明。

附图说明

为了更好的理解本发明并为了显示本发明的实施例如何可以产生影响，将借助于例子对附随的草图作出参考，其中：

图1示出了按照本发明的一个优选实施例适于嵌入一个水印的装置的示意图；

图2A-2G示出了说明图1所示装置的操作的图；和

图3示意性示出了按照本发明的一个实施例的水印检测装置。

具体实施方式

本发明根据信息信号的比特率选择不同的水印嵌入参数设置(包括可控制所利用的水印方法类型的参数).

试验已经显示某些参数设置有可能提供高比特率信号(例如高清晰度MPEG信号)鲁棒性和可见性之间的折衷。但是，如果相同的算法与用于低比特率信号的相同参数一起使用，信号的视觉质量差.因此，发明人认识到不应当提供用于水印的一个通用参数设置，而通过根据信息信号的比特率，利用不同的水印嵌入参数设置和/或不同的水印方法大大改善系统性能。

本发明尤其适用于压缩的多媒体信号，其中比特率在比特流中编码或者能够从比特流中确定。这便于信息流比特率的检测。例如，在MPEG中比特率能够通过每秒的帧数结合对表示一个图像开始的任意两个连续的开始条件之间的字节数计数来确定。

现在将参照已知的水印方案说明本发明的优选实施例。利用一个单一的嵌入算法。确定信息信号(以MPEG2格式的一个多媒体信号为例)的比特率，并且根据确定的比特率从预定组中选择一组参数。在参数组中，不同的组对应于不同的比特率范围。

该优选实施例中利用的特定嵌入算法是在WO02/060182中更详细描述的游程-合并算法。

游程-合并算法通过有选择的丢弃最小量化DCT系数在一个MPEG压缩视频流中嵌入一个水印。丢弃的系数随后合并到剩余系数的游程中。对一个系数是否丢弃的判断在预先计算的水印缓冲器和每8×8个DCT块已经丢弃的系数数量的基础上作出。

图1示出了按照优选实施例的一个装置的示意图。该装置包括一个语法分析单元110，一个VLC处理单元120，一个输出级130，一个水印缓冲器140和一个比特率检测器142。该装置用于接收表示一个视频图像序列的MPEG基本视频流MPin。

一个MPEG视频图像通过把每个图像分为8×8像素块形成.像素块按顺序由各个8×8DCT(离散余弦变换)系数表示。

图2A示出了一个DCT块300的典型例子。这样的一个DCT块的左上角的转换系数表示对应像素块的平均亮度，并一般称为DC系数.其他系数表示空间频率并称为AC系数.左上角的AC系数表示图像的粗略细节，右下角系数表示精细细节。AC系数已经被量化。该量化过程造成一个DCT块的很多AC系数采用零值，尤其是那些表示精细细节的系数。

为了形成MPEG比特流，DCT块300的系数依次以之字形模式(如图2A中的301所示)进行扫描，并随后进行可变长编码。可变长编码方案是霍夫曼编码和游程-长度编码的结合。每个零AC系数和随后的非零AC系数的游程构成一个游程对，该游程对被编码为单个可变长代码字.图2B示出了DCT块300的游程-等级对。图2C示出了表示DCT块300的可变长代码字(VLCs)序列，这可能由图1所示的装置作为信号MPin接收。

在MPEG2基本视频流中，四个这种DCT亮度块和两个或多个DCT色度块构成一个宏块，许多宏块构成一个片断，许多片断构成一幅图像(场或帧)，并且一系列图像构成一个视频序列。一些图像自主编码(I-图像)，其他图像用运动补偿预测编码(P-和B-图像)。在P-和B-图像中，DCT系数表示当前图像像素和一个或多个参考图像像素之间的差，而不是实际像素本身.

MPEG2基本视频流MPin应用到语法分析单元110。语法分析单元110局部中断MPEG比特流，并且把数据流分为表示亮度DCT系数的可变长代码字(VLCs)，其他MPEG代码包括代表信号比特率的代码.该单元也收集诸如块的坐标、编码类型(场或帧)、扫描类型(之字形或其他类型)的信息。VLCs和相关信息应用到VLC处理单元120。其他MPEG代码直接应用到输出级130，比特率信息的一个复制应用到比特率确定单元142.

在该实施例中，将被嵌入的水印是空间域的一个伪随机噪声序列。例如，水印能够设想为一个二维图片图像。基础水印的空间像素值转换为与MPEG流中的视频内容相同的表示.换句话说，水印图像分为一个8×8像素块，相关模块进行离散余弦变换和量化。应当注意的是变换和量化操作必需只对任意特定水印进行一次。这样计算出的DCT系数存储在水印缓冲器140中。

水印缓冲器140连接到VLC处理单元120，其中发生水印的实际嵌入。VLC处理单元把所选的表示视频图像的可变长代码字解码(121)为游程-等级对，并把一系列游程-等级对转换(122)为8×8DCT系数的二维阵列。水印通过在修正级123中对每个视频DCT块加入空间对应水印DCT块来嵌入。该加入按照嵌入参数执行，这将在下面更详细的说明。

图2D示出了对应于一个空间水印的一部分的水印DCT块302的典型例子。图2E示出了通过把进行加水印后的DCT块302加入到视频DCT块300获得一个进行加水印后的视频DCT块303。

随后，产生的加水印后的DCT块由一个可变长编码器124再编码。加水印后的VLCs应用到输出级130，它通过复制由语法分析单元110提供的MPEG代码并插入由VLC处理单元120提供的再次产生的VLCs再次产生MPEG流.而且，输出级可以插入填充比特使得输出比特率等于原始视频比特率.

水印DCT系数应用到信号DCT系数的方式由许多嵌入参数控制.这样的参数能够确定应用水印的规则。

例如，在图2A-2E所示的例子中，当合成的各个值将等于零时，块302所示的水印系数只加入到原始图像块300的DCT系数中。在该特定例子中，只有一个非零系数(图2A中值为-1的那个)变为块2E中的零系数，因为块302中空间对应的水印系数具有值+1。图2F示出了加水印后的DCT块的游程-等级对。注意以前的游程-等级对(1，-1)和(0，2)已经由一个游程-等级对(2，2)代替。图2G示出了对应的输出比特流.因此游程-合并操作出现以在该例子中具有只改变一个的AC DCT系数.

各种嵌入参数可以用于控制嵌入处理，并实现应用水印的强度和如何应用水印。

表1说明了在MPEG编码标准中的不同比特率的三种不同参数设置。

能够看出，对10MB/s的比特率的高清晰度(HD)内容利用一组参数，同时对5-8MB/s和1-5MB/s范围内的各个比特率利用不同的参数设置。

“改变的数量”值表示在任意单个8×8DCT块中允许作为DCT系数属性的最大改变数量。

EI，EP，EB表示对于I-帧、P-帧和B-帧的各个能量等级，其中该能量能够根据DCT块的当前量化因子在每个DCT块进行丢弃.这考虑到了DCT块的缩放因子并降低了能够由水印改变的系数数量.

CDR(内容依赖比)系数的值确定是否进行检测来确定频率内容是否在MPEG流中被认为很重要。例如，可回想到诸如块300的一个8×8块中的低频内容出现在块的左上角，同时高频成分出现在块的右下角的情况。在示出的示例块中，将看到只有相对小数量的低频成分存在，即高频成分将不认为对图像内容看来很重要。

表1

数据类型	HD	D1	D1
数据类型	HD	D1	D1	比特率	10MB/s	5-8MB/s	1-5MB/s
改变的数量	63	3	5	比特率	10MB/s	5-8MB/s	1-5MB/s
改变的数量	63	3	5	EI	500	50	70
EP	500	10	25	EI	500	50	70
EP	500	10	25	EB	500	75	75
CDR	错误	正确	正确	EB	500	75	75
CDR	错误	正确	正确	ULQ	错误	错误	正确
EI％	100	100	25	ULQ	错误	错误	正确
EI％	100	100	25	EP％	100	100	25
EB％	100	100	25	EP％	100	100	25

ULQ(使用线性量化器)值确定能量计算是根据一个线性量化比例还是一个指数比例执行。这样的能量计算用于确定例如通过缩放水印系数值加入信号的水印能量。这将确定产生的水印对水印信号的可观察性的影响，以及水印能够被检测到的程度是怎样的(大多数水印检测器的精度取决于水印中的能量相对于水印嵌入的信号的能量的数量)。

最后，EI％、EP％和EB％设置关于通过水印的应用任意给定DCT决的多少百分比的能量能够被丢弃的阈值。

通过根据确定的比特率适当选择不同的嵌入参数，能够优化一个信息信号内的鲁棒性和水印的可观察性之间的折衷.

很明显以上实施例只借助于例子提供。例如，尽管在优选实施例中预定的参数设置已经对每个考虑的比特率(或比特率的范围)利用，但实际上参数设置能够通过预定的算法与比特率联系起来。

同样，尽管描述的参数在给出的例子中对信息信号内嵌入水印的强度有影响，但是嵌入参数实际上能够用于选择一个适当的水印方案来向信息信号应用水印，和/或改变应用到信息信号的水印.因此在这样的情况下，比特率将影响水印能够被检测的过程。

图3示出了按照本发明的一个实施例的水印检测器200。在该例子中，假定水印嵌入过程由一个比特率依赖参数改变，从而对不同比特率信号将需要不同的检测过程。水印检测器200包括一个用于接收可能潜在进行水印的信息信号的输入端210。比特率检测器230将接收信号的比特率确定为一个预定精度(这样的一个比特率能够通过分析信号或者如果比特率在信号中被编码能通过解码信号的一部分来确定)。关于比特率的信息接着传送到水印参数缓冲器240，并用于选择将由水印检测器220所使用的适当的参数。

水印检测器220接收选择的水印参数的一个复制和接收到的信息信号的一个复制，并且随后在输出端250提供一个关于接收到的信号实际上是否进行了水印的指示。例如，水印的存在或不存在能够确定是否允许信息信号的复制.

对技术人员来说将意识到没有特别描述的各种执行方式将被理解为落入到本发明的范围内。例如，尽管只描述了嵌入和检测装置的功能，将认识到该装置能够实现为一个数字电路、一个模拟电路、一个计算机程序或它们的组合。

这样的计算机程序以及有本发明的嵌入方法产生的任何水印后的信号能够存储在任意机器可读介质(例如，一个计算机存储器，一个软盘，一个紧致盘或等效物)，或者能够通过包括无线和有线媒体的任意传输媒体传输。本说明书中采用术语记录载体，从而包括这样的机器可读媒体和这样的传输媒体.

在本说明书内，将认识到词语“包括”不排除其他元件或步骤，“一个”不排除多个，并且一个单一处理器或其他单元可以完成权利要求中提到的几个装置的功能。

读者的注意力指向与本申请同时提出和比本说明书提前提出并且和本说明书一起向公众检查公开的所有论文和文件，所有这样的论文和文件的内容通过参照结合在这里。

本说明书中公开的所有特征(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)和/或其中公开的任意方法或处理的所有步骤，除了至少一些这样的特征和/或步骤互相排斥的组合方式以外，可以以任意组合方式合并。

该说明书中公开的每个特征(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)可以由用于相同、等效或类似目的的替换特征代替，除非以其他方式明确提出不能代替。因此，除非以其他方式明确提出，公开的每个特征只是普通的一系列等效或类似特征的一个例子。

本发明不限于前述实施例的细节.本发明延伸到本说明书中公开(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)的特征的任意新的实施例或任意新的组合，或其中公开的任何方法或处理的步骤的任意新的实施例或任意新的组合。

Claims

1、一种在以多个块布置的信息信号中嵌入水印的方法，其中所述多个块中的每一个都包括多个系数，以及其中水印嵌入过程通过修改所述系数的值来在所述信息信号中嵌入水印，而且所述水印嵌入过程由至少一个指定可以在任何一个块中改变的系数的最大数量的嵌入参数控制来嵌入所述水印，嵌入参数的值取决于信息信号的比特率。

2、如权利要求1所要求保护的方法，该方法进一步包括确定信息信号比特率的步骤。

3、如权利要求2所要求保护的方法，其中表示比特率的信息编码在信息信号中，比特率通过对表示比特率的信息进行解码来确定。

4、如权利要求1所要求保护的方法，其中嵌入参数的值根据所述信息信号的比特率从预定的一组值中选择。

5、如权利要求1所要求保护的方法，其中水印信号的鲁棒性和水印信号的可观察性的至少一个取决于所述嵌入参数。

6、如权利要求1所要求保护的方法，其中嵌入参数的值确定用于在所述信息信号中嵌入水印的水印技术。

7、如权利要求1所要求保护的方法，其中所述水印强度取决于嵌入参数的值。

8、一种用于在以多个块布置的信息信号中嵌入水印的装置，其中所述多个块中的每一个都包括多个系数，以及该装置包括嵌入装置，用于利用嵌入过程在信息信号中嵌入水印，所述嵌入过程被配置为通过修改所述系数的值来在所述信息信号中嵌入水印，而且所述嵌入过程由至少一个指定可以在任何一个块中改变的系数的最大数量的嵌入参数控制来嵌入所述水印，所述嵌入参数的值取决于所述信息信号的比特率。

9、如权利要求8所要求保护的装置，该装置还包括用于确定信息信号的比特率的比特率确定装置。