CN1950842A - 对压缩的信息信号加水印 - Google Patents
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Abstract
公开了一种于在压缩的信息信号中嵌入鲁棒和脆弱水印的方法,使得包含具有一最初给定值的最初信号采样和具有一个不同值的另外的信号采样,其中嵌入了该鲁棒水印。该方法包括步骤:如果修正动作导致修正的信号采样呈现该最初值,则依照一个水印图案修正该信号采样;以及其中嵌入该脆弱水印包括步骤:计数作为嵌入该鲁棒水印的结果而在该信号中剩余的‘一’的数量(R);计数作为嵌入该鲁棒水印的结果而从该信号中丢弃的‘一’的数量(D);以及在所述剩余(R)和丢弃(D)的‘一’的基础上确定一个脆弱净荷。
Description
本发明涉及一种在压缩的信息信号中嵌入脆弱和鲁棒水印的方法。这种压缩的信息信号的一个典型实例是一个MPEG2视频信号,在其中视频图像由变换系数代表,很大数量的变换系数具有最初值零。
许多寻求保护数字数据的复制保护方案既利用鲁棒水印又利用脆弱水印。鲁棒水印通常用于表明该数字内容受版权或其它保护。脆弱水印通常用于表明该数字内容是真实的还是已被篡改。旨在使鲁棒水印经受得住各种各样的数字处理操作。这样,即便主题数据已被处理,例如被压缩、重新格式化或经因特网或其它数据媒介传输,鲁棒水印也仍将存在。然而,旨在使脆弱水印被轻易地‘破坏’。这意味着如果主题数据已被变更或篡改,例如,被编辑或重新格式化,那么该脆弱水印数据将被毁坏,因而表明该数据是不再真实的。
在现有技术的应用中,鲁棒和脆弱水印算法是结合使用的,力图确保在其安全数字域外处理的多媒体数据被阻止再进入该安全数字域。在这种应用中,鲁棒水印充当一个触发器。一检测到该触发的鲁棒水印,一个检测的应用便搜索该脆弱水印。如果该脆弱水印被破坏或丢失,该应用便知道该主题数据已被处理。这个处理可以包含使用DIVX或经一个模拟系统(通称为一个传统装置)记录。该检测的应用则能够做出是否允许已处理的数据再进入安全数字域的判决。
对压缩的多媒体数据具有两个独立的水印有多种缺点。加水印趋向于使源数据的质量降级,所以两个水印的添加可能导致双倍的降级。一个水印的添加可能变更表示一个图像、声音或其它对象所要求的数据的量。由于这个原因,加水印处理趋向于要求一个比特率控制机制。两个水印的添加可能要求一个非常复杂的比特率控制机制,这可能增加相关的设备所要求的处理能力,这不可避免地影响到这种设备的复杂度,以及因此影响到它的费用。
一个进一步的问题是同步。例如,如果鲁棒水印存在,它或许不可能去保证脆弱水印在一个压缩的数据流中的存在。如果脆弱水印丢失了,那么这也许是因为它已被一个黑客移除或者这也许是由于流特性所致。例如,也许只存在太少的系数以致不能成功地嵌入一个脆弱水印。
国际专利申请WO 02/060182 A1公开了一种方法和设备,用于在MPEG压缩的视频流中嵌入水印。该水印(一个空间噪声图案)通过有效地丢弃最小量化的DCT系数来被嵌入。被丢弃的系数随后被合并(merge)在剩余系数的游程(run)中。一个系数被丢弃与否的判决是在一个预先计算的水印缓冲器的基础上、连同对在一个具有给定大小的DCT系数块中已经被丢弃的系数数量的计数而做出的。该现有技术文档仅公开了鲁棒水印的嵌入。
本发明的实施方案的目的在于克服,或者至少改进上文提及的现有技术的加水印系统所经历的问题。
根据本发明,在此提供了一种用于在压缩的信息信号中嵌入鲁棒和脆弱水印的方法,使得包含具有一个最初给定值的最初信号采样和具有一个不同值的另外的信号采样,其中嵌入该鲁棒水印包括步骤:
—如果修正动作导致修正的信号采样呈现该最初值,则依照一个水印图案修正信号采样;以及
—嵌入该脆弱水印包括:变更该鲁棒水印、使得在该鲁棒水印中的所述调节代表该脆弱水印的步骤。
优选地,调节该鲁棒水印的步骤包含:计数作为嵌入该鲁棒水印的结果而在该信号中剩余的‘一’的数量(R);以及计数作为嵌入该鲁棒水印的结果而从该信号中丢弃的‘一’的数量(D)。
优选地,如果R=0且D=0,则没有脆弱净荷(payload)。
优选地,如果R=0且D≥1,则没有脆弱净荷。
优选地,如果R≥1,D=0且R的奇偶性匹配于该净荷比特,则有一个有效的脆弱净荷。
优选地,如果R≥2,D=0且R的奇偶性不匹配于该净荷比特,则最后的‘一’被合并,且有一个有效的脆弱净荷。
优选地,如果R=1,D=0且R的奇偶性不匹配于该净荷比特,则最后的‘一’被合并,且没有脆弱净荷。
优选地,如果R≥1,D≥1且R的奇偶性匹配于该净荷比特,则有一个有效的脆弱净荷。
优选地,如果R≥1,D≥1且R的奇偶性不匹配于该净荷比特,则最后执行的合并被撤销,且有一个有效的脆弱净荷。
优选地,脆弱水印包括一个在先前数据帧内容的基础上计算的散列值。在第一帧的情况下,采用一个零散列值。
根据本发明的第二方面,在此提供了一种通过以下方式来确定一个压缩的数据信号是否真实的方法,即:比较提取的脆弱水印与预期值,并在该预期的值和提取的值不同时确定该压缩的数据信号为不真实。
优选地,该预期值等于一个先前数据帧的散列值。
优选地,提供被安排去执行依照本发明的实施方案的方法的装置。
本发明的实施方案有利地提供了一种加水印系统,它使鲁棒和脆弱水印都能够被嵌入到压缩的数据信号中,而不经历现有技术的加水印系统中普遍存在的过多数据降级和再同步的问题。
为了更好的理解本发明,并理解可如何实现本发明,本发明将参照附图,仅通过实例的方式被描述,其中:
图1示出了一种设备的示意图,用于实行根据本发明的一个实施方案的方法;
图2a-2c和3a-3g例示了本发明的实施方案的操作;以及
图4例示了该水印嵌入处理的一个优选实施方案。
本发明的实施方案利用了上面引用的国际专利申请WO 02/060182A1中公开的发明的某些特征。因此,该文档的内容据此被整体引入以供参考。对本发明的实施方案的理解可以通过研究上文提及的文档的某些特征来增强。特别是,它公开了一种算法,其可被应用于压缩的MPEG数据以便嵌入一鲁棒水印。
图1示出了一种设备的示意图,实现依照上文提及的文档的嵌入鲁棒水印的方法。该设备包括一个解析单元110、一个VLC处理单元120、一个输出级130和一个水印缓冲器140。它的操作将参照图2A-2C和3A-3G被进一步描述。
该设备接收到一个MPEG基本视频流MPin,它代表一个视频图像的序列。一个这样的视频图像在图2A中以图例方式示出。该视频图像被分割为8×8像素的块,其中的一块在图2A中被指示为201。这些像素块由各自的8×8DCT(离散余弦变换)系数块所代表。这样一个DCT块的左上部变换系数代表对应的像素块的平均亮度,并且通常被称为DC系数。其它的系数代表空间频率,并且被称为AC系数。左上部的AC系数代表图像的粗糙细节,右下部的系数代表精细细节。该AC系数已被量化。量化处理引起DCT块的许多AC系数呈零值。图3A示出了一个DCT块的典型实例300,其对应于图2A中的像素块。
DCT块的系数已依照z字形图案(图3A中的301)被依序地扫描,并被进行可变长度编码。该可变长度编码方案是一个汉明编码和游程长度编码的结合。更特别地,每个零AC系数的游程和一个后续的非零AC系数组成一个游程水平(run level)对,其被编码进一个信号可变长度码字中。图3B示出了DCT块300的游程水平对。一个块结束码(EOB)指示该DCT块中没有更多的非零系数。图3C示出了由该设备接收的代表DCT块300的可变长度码字系列。
在一个MPEG2基本视频流中,四个这样的DCT亮度块和两个DCT色度块组成一个宏块,多个宏块组成一个片(slice),多个片组成一幅图片(场或帧),并且一系列图片组成一个视频序列。一些图片自主地被编码(I-图片),其它图片被通过运动补偿而可预测地编码(P-图片和B-图片)。在后一情况中,DCT系数代表当前图片的像素与一个参考图片的像素间的差异,而不是像素本身。MPEG2基本视频流Mpin被施加到解析单元110。该解析单元部分地解译该MPEG比特流,并把该流分为代表亮度DCT系数的可变长度码字(此处及之后:VLC)和其它MPEG码。该单元也搜集信息,如块的坐标、编码类型(场或帧)、扫描类型(z字形或隔行的)。VLC和相关的信息被供给VLC处理单元120。其它的MPEG码被直接加到输出级130。
要被嵌入的鲁棒水印是空间域中的一个伪随机噪声序列。在本设备的实施方案中,一个128×128的基本水印图案被“铺(tile)”在图像的范围上。该操作被示例于图2B中。为了更形象化,该128×128基本伪随机水印图案在此用一个符号W代表。该基本水印的空间像素值被变换为与MPEG流中视频内容相同的表示。为此,128×128的基本水印图案被分割为8×8的块,其中的一个在图2B中被指示为202。这些块被进行离散余弦变换和量化。需要注意的是变换和量化操作只需要被进行一次。所计算的DCT系数被存储在该设备的128×128水印缓冲器140中。水印缓冲器140连接到VLC处理单元120,在其中发生实际的鲁棒水印的嵌入。VLC处理单元将被选择的、代表视频图像的可变长度码解码(121)为游程水平对,并将系列的游程水平对转换(122)为一个8×8DCT系数的二维阵列。在修正级123中鲁棒水印通过以下方式被嵌入,即:给每个视频DCT块加上空间上对应的水印DCT块。代表图2B中的水印块202的DCT块因而被加到代表图2A中的图像块201的DCT块。然而,依照上文提及的公开内容的一个优选方法,仅仅是通过该操作被转为零系数的DCT系数被选择用于加水印的目的。例如,在图3A中具有值2的AC系数仅当对应的水印系数具有值-2时才被修正。以数学符号表示:
如果cin(i,j)+w(i,j)=0
那么cout(i,j)=0
否则cout(i,j)=cin(i,j)
其中cin是视频DCT块的一个系数,W是空间上对应的水印DCT块的一个系数,并且cout是对该视频DCT块的水印的一个系数。
应当了解,DCT块中零系数的数量通过该操作而增加,所以被加水印的视频DCT块能够比原始DCT块更有效地编码。对于MPEG压缩信号情况尤其如此,因为新的零系数将被包含在另一个游程水平对的游程(游程-合并)中。重新解码由一个可变长度编码器124执行。水印块被施加到输出级130,其通过以下方式重新生成了MPEG流,即:复制由解析单元110提供的MPRG码,和插入由VLC处理单元120提供的重新生成的VLC。进一步的,输出级130可以插入填充比特以使得输出比特率等于原始视频比特率。
在上文提及的文档中公开的一个特殊变例中,仅水印图案的DCT系数的符号被存储在水印缓冲器140中,所以缓冲器仅存储了值+1和-1。这将缓冲器的存储容量减少到每系数1比特(总共128×128比特)。另外,上文提及的文档公开了将鲁棒水印嵌入仅应用到最有效的DCT系数便足够了(最有效的系数是那些在zig-zag扫描中首先出现的系数)。这更进一步地减少了存储器要求。图3D示出了一个水印DCT块的典型实例302,其对应于图2B中的空间水印块202。
图3E示出了一个被加水印的视频DCT块303,其是通过向视频DCT块300添加水印DCT块302获得的。在这个特定的实例中,非零系数中仅有一个(图3A中具有值-1的那个)被转变为零系数,因为空间上对应的水印系数具有值+1。图3F示出了被加水印的DCT块的游程水平对。值得注意的是,前面的游程水平对(1,-1)和(0,2)已被一个游程水平对(2,2)代替。图3G示出了对应的输出比特流。游程合并操作在这个特殊的实例中表现为节省了一个比特。
图2C示出了由设备的输出信号MPout代表的被加水印的图像。在该图中被指示为203的像素块对应图3E中被加水印的视频DCT块303。图2C示范了不同水平的鲁棒水印,其通过铺在原始图像上的不同格式的W字符而嵌入。
上文提及的文档也公开了几个变化,可对已公开的设备做出这些变化来达到各种期望的效应。一个特殊的变体是,给定范围的负DCT系数(例如,-2和-1)通过水印系数值+1被转变为零,反之,一些正DCT系数(例如+2和+1)通过水印系数值-1被转变为零。这样,系统设计师可以进行选择以根据特殊要求对系统做出各种折衷。
进一步的,MPEG2基本视频流数据可被场编码或者帧编码。上文提及的文档陈述了水印缓冲器150可被安排为含有两个不同的水印图案,一个用于被场编码的块,以及一个用于被帧编码的块。用于嵌入鲁棒水印的图案则根据输入视频流中包含的一个恰当的识别信号来选择。
在上文描述的用于在MPEG编码的信号中嵌入鲁棒水印的设备中,游程水平对的“水平”部分被改变了。然而,一个水平不是一个AC系数的实际值,而是关于它的一个量化版本。例如,图3B中的游程水平对(1,-1)事实上可代表一个系数X=-104。在另一个块中,同样的对(1,-1)可代表一个系数X=-6,这取决于量化器的步长。不必说,把一个AC系数从-104转变为零的影响,较之把同一个AC系数从-6转变为零,通常将在嵌入的鲁棒水印的可感知性上具有不同的影响。
因而可能需要控制鲁棒水印的嵌入处理,以使它对可见性的影响被减少。为此,一个在现有技术嵌入方法中的进一步的变体包含步骤:依靠量化器步长来控制被修改的系数的数量和/或位置。
在一个MPEG解码器中,反量化通过将接收到的水平X(n)与量化器步长相乘来达到。量化器步长被一个加权矩阵W(n)(在一个块内部修正步长)和一个标度因子QS(从(宏)块到(宏)块修正步长)控制。以下的等式指定了MPEG的从解码出的水平x(n)重构一个AC系数X(n)的算法:
X(n)=x(n)×W(n)×QS
其中n指示按照z字形扫描顺序的索引。
有各种方式去生成一个被允许修正的系数数量的上界。在一个实施方案中,一个水平x(n)仅当对应的量化步长:
Q(n)=W(n)×QS
小于预确定的阈值时才可被修正。不同的阈值从而可被用于一个DCT块中的不同位置(即用于不同的索引n)。
在上文提及的现有技术文档的另一个变体中,一个块中被允许修正的系数的最大数量N是量化器标度因子QS的一个函数,以使N随着QS增加而减少。如果一个人认识到标度因子实际上表明一个DCT块已被多么强地量化,则该技术的可行性可以容易地被理解。标度因子越大,即量化步长越大,则为了使该影响变得极细微,越少的系数可被改变。这样的函数的一个实例是:
其中c是一个给定的常数值。
量化器标度因子QS被容纳在MPEG比特流中,作为参数quantizer_scale_code(量化器标度码)和参数Q_scale_type(Q标度类型)的一个结合。参数quantizer_scale_code是一个五比特码。参数Q_scale_type表明所述码何处代表在2与62之间的QS值的一个线性范围,或者在1与112之间的值的一个指数范围。在两种情况下,该码表明步长。据此,在上文提及的函数中的术语QS也可被参数quantizer_scale_code代替。
现有技术文档WO 02/060182的上文描述被包含是为了通过使用所谓的游程-合并算法而给出对鲁棒水印的嵌入的了解和理解。本发明的实施方案是基于该文档中公开的方法和装置的修正和增强。
本发明的实施方案能够在一个处理步骤中同时嵌入鲁棒和脆弱水印。现有技术的嵌入鲁棒水印的方法在上文中被详细描述,其是通过选择性地减少绝对值等于1的系数的数量来有效地操作。本发明的实施方案开发了通过以特定方式解译剩余的一来嵌入第二个脆弱水印的技术。
在本发明的一个特定的实施方案中,举例来说,每个数据帧被分割为32个部分,其中每个部分保存一个脆弱净荷比特(在D1 PAL系统中,这表示每个部分含有大约200个8×8的块)。用于嵌入脆弱水印的算法可操作,来取决于必须被嵌入的脆弱净荷数据,而强制在游程合并处理级期间存在偶数或奇数数量的一。如果一的数量是偶数,这表示脆弱净荷比特等于零。如果一的数量是奇数,这表示脆弱净荷比特等于一。如果没有剩余的一,那么那个特定部分不含有一个脆弱净荷比特。
需要重点注意的是,这种嵌入脆弱水印的方法不是能够轻易被一个黑客或者其他希望篡改数据的人绕开的。举例来说,不可能移除所有等于1的系数。这是因为具有绝对值1的系数是在MPEG数据流中最频繁出现的系数。任何把它们全部移除的企图都将使数据流变得无用。
本发明的实施方案将一个用已知技术计算出的、先前被加水印的帧的散列值嵌入到当前被加水印的帧之中,使得该散列值充当一个脆弱净荷。一个32比特的散列值在代表DCT系数的VLC上计算出来,用于一个特定的被加水印的帧。该32比特值的最初的比特则被存储在下一帧的脆弱净荷中。在某些环境中,例如,对高度压缩的流,也许不可能存储所有32比特。如果是这种情况,则为检测被加水印数据的改变,仅存储部分散列值是足够的。由于没有帧在首帧(very firstframe)之前,所以首帧的脆弱净荷被设置为零。
在图1中公开了一个设备的图解表示,它适合于执行依照本发明的实施方案的方法。该设备在形式上与前面描述的涉及现有技术的那个是一致的。不同之处在于水印缓冲器140和修正块123的性质。运作在现有技术设备中的修正块123根据一个特殊的游程-合并算法嵌入鲁棒水印。在本发明的实施方案中,为了除鲁棒水印之外还嵌入一个脆弱水印,该游程-合并算法被改写。
每个接收的数据帧被分割为32个部分。这32个部分中的每一个则被使用现有技术的游程-合并算法加上鲁棒水印。嵌入器123执行一个对剩余的一R以及被丢弃的一D的计数。这两个计数控制了脆弱水印净荷的性质。另外,嵌入器123能够撤销最后执行的合并,并且能够合并最后一个任意的一,而不管它在DCT变换的被加水印的图案中的对应系数。在每个部分的结尾(例如,200个8×8的块之后),嵌入器123执行以下动作,如下表格中所列。
R | D | 嵌入器动作 | 导致的脆弱净荷 |
R=0 | D=0 | 无 | 无净荷 |
R=0 | D≥1 | 无净荷 | |
R≥1 | D=0 | ||
如果奇偶性(R)不匹配于净荷比特,并且R≥2,则合并最后的‘一’ | |||
如果奇偶性(R)不匹配于净荷比特,并且R=1,则合并最后的‘一’ | |||
R≥1 | D≥1 | 如果奇偶性(R)匹配于净荷比特,则无动作 | 有效的净荷 |
如果奇偶性(R)不匹配于净荷比特,则撤销最后的合并 | 有效的净荷 |
例如,在嵌入器发现一个或多个剩余的‘一’(R)且没有被丢弃的一(D)的情况下,那么一个进一步的检查被执行,它把R的奇偶性与净荷比特进行比较。上文的表格标明了三个可能的结果,这取决于R的值以及奇偶性比较。
为了在鲁棒和脆弱水印被嵌入后检测它们,可使用不同的技术。鲁棒水印可由一个相关性检测器在一个基带域中被检测。如同已经陈述的,旨在使鲁棒水印经受得住各种不同的处理步骤,并且它的检测将充当一个触发器,让一个检测器去搜出脆弱水印。脆弱水印只能够在数字压缩域中被检测。
通过计数每个部分(200个8×8的块)中绝对值为1的系数的数量,可提取高达32比特的脆弱净荷。该数量的奇偶性确定脆弱净荷比特。如果一的数量为零,在对应的200个块中则没有净荷。当脆弱净荷被从压缩的数据中提取出时,该帧的散列值从DCT系数中计算出来。在帧的结尾,之前计算的散列值与提取的净荷相比较。如果值匹配,这表示脆弱水印是完好的,且被加水印的数据可被认为是真实的或未被篡改的。然而,如果没有匹配,检测器能够发信号通知:脆弱水印被破坏,表示被加脆弱水印的数据在原始水印被嵌入后已被以某方式处理了。一些其它的应用则可以使用该信息去决定如何对待这个可能不真实的数据。
图4示例了出现在块123中的被修正的处理。加水印处理在400开始。在401中鲁棒水印如所描述地被嵌入。在该处理之后剩余的“一”的数量(R)在步骤402中被计数。丢弃的“一”的数量(D)在步骤403中被计数。
使用如此计数出的R和D的值,在步骤404中使用之前数据帧的散列值405来嵌入脆弱净荷。
加水印处理在步骤406结束,但当然,可能如所需的多次重复。
尽管具体参考一个优选的实施方案作描述,但本领域的有技术的读者将认识到,也可采用其它的、使得被嵌入的鲁棒水印被改变去代表一个脆弱水印的方案,并且在此公开的方案只是示范性的。
请注意与本申请相关的、与此说明书同时提交或者先于此说明书提交的所有论文和文档,这些论文和文档随此说明书开放来供大众检查,并且所有这样的论文和文档的内容在此引入以供参考。
在本说明书(包含任何伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征,和/或如此公开的任何方法或处理的所有步骤,可能被组合进任何组合中,其中至少某些这种特征和/或步骤是相互排斥的那些组合除外。
除非另外明确地声明,在本说明书(包含任何伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可被服务于相同、等同或相似目的的可替换特征所替代。因此,除非另外明确地声明,公开的每个特征只是一般的系列等同或相似的特征的一个实例。
本发明不限制于前述实施方案的细节。本发明扩展到在本说明书(包含任何伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖个体或新颖结合,或者扩展到如此公开的任何方法或处理的步骤的任何新颖个体或新颖结合。
Claims (14)
1.一种在压缩的信息信号中嵌入鲁棒和脆弱水印的方法,使得包含具有一最初给定值的最初信号采样和具有一个不同值的另外的信号采样,其中嵌入该鲁棒水印包括步骤:
-如果修正动作导致修正的信号采样呈现该最初值,则依照一个水印图案修正该信号采样;以及
-嵌入该脆弱水印包括调节该鲁棒水印、使得在该鲁棒水印中的所述调节代表该脆弱水印的步骤。
2.如权利要求1所述的方法,其中调节该鲁棒水印以嵌入该脆弱水印的步骤包含:计数作为嵌入该鲁棒水印的结果而在该信号中剩余的‘一’的数量(R);以及计数作为嵌入该鲁棒水印的结果而从该信号中丢弃的‘一’的数量(D)。
3.如权利要求2所述的方法,其中如果R=0且D=0,则没有脆弱净荷。
4.如权利要求2或3所述的方法,其中如果R=0且D≥1,则没有脆弱净荷。
5.如权利要求2至4中任一权利要求所述的方法,其中如果R≥1,D=0且R的奇偶性匹配于该净荷比特,则有一个有效的脆弱净荷。
6.如权利要求2至5中任一权利要求所述的方法,其中如果R≥2,D=0且R的奇偶性不匹配于该净荷比特,则最后的‘一’被合并,且有一个有效的脆弱净荷。
7.如权利要求2至6中任一权利要求所述的方法,其中如果R=1,D=0且R的奇偶性不匹配于该净荷比特,则最后的‘一’被合并,且没有脆弱净荷。
8.如权利要求2至7中任一权利要求所述的方法,其中如果R≥1,D≥1且R的奇偶性匹配于该净荷比特,则有一个有效的脆弱净荷。
9.如权利要求2至8中任一权利要求所述的方法,其中如果R≥1,D≥1且R的奇偶性不匹配于该净荷比特,则最后执行的合并被撤销,且有一个有效的脆弱净荷。
10.如前述的权利要求中任一权利要求所述的方法,其中脆弱水印包括一个先前数据帧的散列值。
11.如权利要求10所述的方法,其中对于第一数据帧,一个具有零值的脆弱水印被嵌入。
12.一种通过以下方式确定一个压缩的数据信号是否真实的方法,即:比较一个提取的脆弱水印与一个预期值,并在该预期的值和所提取的值不同时确定该压缩的数据信号为不真实。
13.如权利要求12中所述的方法,其中该预期的值等于在当前帧之前的一帧的散列值。
14.被安排来执行根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法的装置。
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