CN1288564A - 在信息信号中嵌置和析取补充数据 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍一种在诸如∑－δ－调制音频信号的信息信号中嵌置补充数据的方法与装置。该编码信号包括两个或更多的信道,例如左信道位流(z1)和右信道位流(z2)。在各位流的对应的预定位位置,例如每一个第M位位置,提供相同的补充数据(w)。这使得不需要在信号中提供同步模式就能检测和析取该补充数据。在接收端,将来自第一信道的第M位的序列与来自第二信道的对应的第M位序列进行比较。如果它们相同,该序列就是候选的补充数据序列。对不同的序列位置(m)进行这种操作,直到找到补充数据。

Description

在信息信号中嵌置和析取补充数据
本发明涉及一种在信息信号中嵌置补充数据的方法与装置，包含在信息信号的预定位置嵌置补充数据样本的步骤。本发明也涉及一种从这种信息信号析取补充数据的方法与装置。
对在音频和视频信号中提供水印的需要日渐增长。水印是-最好以不可见的方式-嵌入在多媒体资产中的补充数据信息。它们包含例如关于文档和视听节目的来源或版权状态的信息。它们可用来提供版权拥有人的合法证据，并且便于追踪盗版行为，支持对知识产权的保护。
在国际专利申请WO-A-98／33324中，尤其在开篇段落的定义中披露了一种在信息信号中嵌置补充数据的已知方法。在这个现有技术的方法中，将水印模式(watermark pattern)嵌置在(∑-)δ-调制的音频信号中。水印在编码的音频信号中的嵌置是通过修改其中的选定位而进行的。例如，将每个第100位替换为水印模式的一位。修改编码的音频信号的步骤在编码器的反馈回路的内部执行，以便在后继的编码步骤中补偿该修改的效果。
该现有技术的方法是为在数字通用盘(DVD)唱盘上录制高质量音频而设想的。将用一个2822400Hz(64*44100)的取样频率来产生115dB的信噪比。以仅仅1dB的代价用一个水印位替换∑-δ-调制的音频信号的每个第100位，增加了量化噪声。这相当于每秒大约28000位的水印比特率。
上述专利申请WO-A-98／33324也披露一种用于析取水印的装置。在位流中提供一个同步位模式(synchronization bit pattern，以下简称同步模式)，用来标识补充数据位的位置。该装置包含一个除法器级(stage)和一个同步检测器。除法器级将比特率除以各水印位相隔的位数(例如，如果信号的每个第100位是补充数据位，则该位数为100)。同步检测器改变除法器级的相位(phase)，直到同步模式被找到。这种同步检测器包含一个相对长的移位寄存器或串行-并行转换器，用来存储一部分位流。如果信号的每个第M位是补充数据位，同步模式包含N个位，则同步检测器必须能存储(N-1)·M+1个位。
德国专利申请DE-A-3717315更详细地披露了这样一种已知的同步检测器。在该说明书中，信号的每个第15位是补充数据位，同步模式是个4位的字。按照该专利申请，移位寄存器(DE-A-3717315的图2中的串行-并行转换器5)能容纳46位。
为了减少移位寄存器的长度，在该申请人未公开、共同未决的专利申请PHN 17148中提出使同步模式位之间的间隔大大地小于水印位之间的间隔。然而，这个解决方案影响编码性能，且增加了∑-δ调制器的信噪比。
本发明的一个目的是提供一种在信息信号中嵌置补充数据的方法，它允许以交替的方式检测补充数据位的位置。
为此，按照本发明的方法的特征在于，信息信号包含至少两个信号信道，该方法包括在这些信道的对应位置嵌置该同一的补充数据样本的步骤。现在就能省去对同步模式的传输，这是因为，通过搜索这至少两个信道的样本为相同的位置就能容易地找出所嵌置水印位的位置。
相应的从信息信号中析取补充数据的方法包含的步骤是，将预定的第一信道信号样本的第一序列与相应的第二信道信号样本的第二序列进行比较，将第一和第二序列移动一个样本位置，只要这两个序列不相同，就对移位后的第一和第二序列重复比较步骤。
图1是按照本发明的用于在∑-δ-调制的音频信号中嵌置补充数据的装置的较佳实施例的示意图。
图2和图3表示用来解释图1中所示∑-δ调制器的操作的波形图。
图4表示用来解释按照本发明的用于在信号中嵌置补充数据的装置的操作的波形图。
图5表示用于从信号中析取补充数据的装置的实施例的示意图。
图6表示用来解释从信号中析取补充数据的方法的实施例的流程图。
现在将结合图1来解释本发明，该图是按照本发明的用于在∑-δ-调制的音频信号中嵌置补充数据的装置的较佳实施例的示意图。该装置接收一个包含左信道信号x1和右信道信号x2的立体声音频信号。信道x1和信道x2分别被施加到普通的∑-δ调制器1和2。这两个∑-δ调制器是相同的，所以只对其中之一加以说明。
∑-δ调制器1包含减法器11、环路滤波器(loop filter)12、极性检测器13和反馈路径14。减法器11从输入信号x1中减去(具有+1V或-1V电平的)编码输出信号z1。环路滤波器过滤该差信号。将该滤波的信号施加到极性检测器13，后者以采样频率fs所确定的速率，产生一个有位值“1”(+1V)或“0”(-1V)的编码信号y1。
图2表示用来解释常规∑-δ调制器的操作的波形图。更具体地说，该图表示输入信号x和编码信号y。输入信号变得越大，∑-δ调制器生成的正样本数就越多。如图所示，-0．5V的的输入电压被编码为位序列0001(三个-1V脉冲加一个+1V脉冲)，0V的的输入电压被编码为高频位模式01010(交替的-1V脉冲和+1V脉冲)，+0．5V的输入电压被编码为位序列1110(三个+1V加一个-1V)。
编码信号是在接收端通过对所接收的脉冲再整形并将它们通过一个低通滤波器而被解码的。在这个简化的例子中，假设编码信号是通过平均13个信号样本而解调的。图2中也显示了解调的信号x’，只是有个由该低通滤波器的操作引起的时间延迟。该图中，解调信号x’就是这样与输入信号x而被时间对齐的(time-aligned)。
修改电路3和4被连接在各自∑-δ调制器的极性检测器13与反馈路径14之间。根据控制电路5发出的控制信号c，修改电路(多路转换器)用水印位w替换编码信号y1和y2的每个第M位。修改后的编码信号z1和z2被多路转换器6组合起来，构成一个用于向接收器传送或在存储媒体上记录的单一位流。水印信息W被存储在控制电路5的寄存器501中。值得注意的是，同一个水印W被施加到修改电路3和4二者上。
图3表示用来解释如果各修改电路都活动时∑-δ调制器的操作的波形图。该图表示了与图2所示相同的输入信号x，以及修改后的编码信号z。该例中，已经将(图2的)编码信号y的“-1”样本20替换为“+1”样本30，以表示一个水印位w=1。由于该修改被反馈到输入，修改的负作用随后将被编码级(encoding stage)补偿。这样，输出信号z的紧接在补充数据位30之后的部分就不同于图2中的对应部分。据此，图3中的解调信号x’也暂时与图2中的同一个信号不同。注意，各图中的时间定位(time alignment)导致在补偿数据位被嵌置之前，这种差别已经变得明显。
从图2与图3的比较可知，这种差别实际上几乎是觉察不到的。用于以采样频率fs=2，822，400Hz(64*44，100)来编码高质量音频信号的∑-δ调制器，具有115dB的信噪比。已经发现，每100个样本替换一个样本，只提高量化噪音一个dB。
图4表示由图1所示的装置产生的多信道音频位流的简单例子。在这个例子中，信道位流z1和z2的每个第10位是补充数据位。嵌置的水印数据位w在图中以阴影表示。它们在两个信道中是相同的。编码信号位一般是不相同的。实际上，如果音频信号是单声道信号时这个叙述甚至也是正确的。每个M位系列中的位位置m按0…M-1编号。
应当明白，接收器装置的目的是识别各补充数据位的位位置(图4中m=2)。这是通过搜索其中的信号样本z1与信号样本z2完全相同的多信道位流中的各位位置而实现的。一旦制定了这个目标，本领域的熟练人员就能容易地设计出搜索这些位位置的装置。作为例证，现在将说明两个实施例。
图5表示从由图1所示的编码器生成的位流z中析取补充数据的装置的硬件实现的示意图。该装置包含多路分解器50，用于将音频位流z多路分解成代表左声道的位流z1和代表右声道的位流z2。该装置进一步包含除以M(divide-by-M)计数器51。每个第M位周期，该计数器产生一个代表当前正在测试的位位置m(m=0…M-1)的定时脉冲。将位流z1和位流z2施加到比较器52。如果当前施加的各位相同，比较器就产生脉冲EQ(相等)，如果它们不同，则产生脉冲NQ(不等)。
如果各位相同，它们可能就是水印位。在这种情况下，就根据EQ脉冲将该可能的水印位z1(或z2)移入移位寄存器53。下一个定时脉冲现在在M位周期以后发生。这样，只要z1的每个第M位和z2的对应位相同，就将该特定位移入移位寄存器。如果各位不同，比较器52产生脉冲NQ。将这个脉冲施加到计数器51的移位输入端S，以便将这个除以M计数器的相位移动一个位周期。也将脉冲NQ施加到移位寄存器53的清除输入端C，以清除该寄存器。
图5所示的装置结构简单，也费用高效，但缺点是，必须观测相当长的时间周期才可以假定已经找到水印位位置，水印信息没有从一开始就被完全获得。到该装置找到水印位位置为止所要观测的期望时间，与水印位之间间隔的位数(M)和两个信道中的位相同的概率(p)(对∑-δ-调制音频信号来说p=l／2)有关。直到识别出错误锁定(false lock)为止的期望时间为：
检测水印位位置的平均时间为：Tlock=M2p／[2(1-p)]
采用若干并行的检测电路-每个处理一个潜在的水印位移位序列，能加快对水印的检测和析取。
水印的检测和析取也能由装有适当软件程序的微处理器来执行。图6表示按照该装置另一个实施例由这种微处理器执行的操作步骤的流程图。再次假设各信道位流的每个第M位是水印位。
微处理器对每个位位置m(m=0…M-1，见图4)用数组元素R(m)来指示是否在该位位置上检测到了可能的水印位(R(m)=1找到，R(m)=0未找到)。在程序的第一个步骤60中，对所有数组元素R(0)…R(m-1)赋初值1。在步骤61中，检测位位置m，得初始值0。程序然后等待从信道位流z1和z2接收新的一位。在步骤62中，比较这两个位。如果它们相同，就执行可选步骤63(该步骤在稍后将作说明)。相应的数组元素R(m)保持不变。如果这两个信道位不同，就对相应的数组元素R(m)赋值0(步骤64)，表示当前位位置m绝对不是正在寻找的水印位位置。在步骤65中，将位位置递增。在步骤66中，检查递增后的位位置仍然在范围0…M-1之内。如果是，程序就返回到步骤62去检测下一个位位置。如果不是，程序先执行可选步骤67(该步骤在稍后将作说明)，然后返回到步骤61(位位置号m在该步骤中被复位)去检测下一个系列的M个信道位。
在以这种方式处理了第一个系列的M个信道位后，已经发现许多位位置不是水印位位置。如果结合图4所示的例子来看，这适用于位位置1、5和7。相应的数组元素R(1)、R(5)和R(7)现在已经得到0值，并且将不再修改-即使这些位置的位以后相同，也不修改。
每当处理了一系列的M个位，就将另外一些位位置从候选水印位位置排除。在图4所示的例子中，位位置0、4、8和9将在第二轮中被排除，位位置6将在第三轮中被排除，最后，位位置3将在第四轮中被排除。在这个简单例子中，该装置至此就识别了水印位位置m=2。
图6中所示方法，一旦一个数组元素R(m)有值1而所有其它数组元素有值0时，就检测到了水印位位置m。为了表明这一点，程序中进一步包含处理步骤67，该步骤中检测是否所有数组元素的和为1。处理步骤67可位于程序中的各个位置。在本例中。执行该检测的时机是，位位置m已经假定为值M，即每当已经处理过一系列的M个候选位位置时。
水印数据信息的获取，可能要推迟到直到水印位位置已经找到。然而，在正在进行对其位置的搜索的同时获得水印信息是有可能的。为此，该装置包含另一个数组W，在数组中获得至此已经收到的每个候选水印信息。为此，图6中所示程序包含步骤63，在该步骤中，将所收到的水印位w添加到当前接收到的信息中。一旦找到了水印位位置m，对应的数组元素W(m)就已经获得了至此为止所接收的水印信息。
应当注意到，该检测水印位位置的装置可以进一步被扩展，去检测是否在信道之一中已经发生了偶然的位移。例如，如果水印被嵌置在三个或更多的信道中，可以安排该装置去搜索这些信道之一中的偏移(offset)。或者安排该装置在没能在信号的预定部分或预定的时间周期内识别出水印的情况下故意在其中一个信道中导入一个位移(shift)。
尽管本发明是结合∑-δ-调制(单一位编码的)双信道音频信号来说明的，它并不局限于音频或单一位编码的信号。信号样本可以是多位的样本(例如PCM样本)，水印被嵌置在所述样本的一个或多个较低有效位中。编码算法是不相关的(例如它可以是脉冲编码调制)，也不要求在编码器的反馈环路中执行嵌置补充数据的步骤。本发明的实质特征是，将相同的补充数据样本嵌置在多信道信息信号的两个或更多信道的对应位置。
总之，本发明介绍一种在诸如∑-δ-调制的音频信号的信息信号中嵌置补充数据的方法与装置。该编码信号包括两个或更多的信道，例如左信道位流(z1)和右信道位流(z2)。在各位流的对应的预定位位置，例如每一个第M位位置，提供相同的补充数据(w)。这使得不需要在信号中提供同步模式就能检测和析取该补充数据。在接收端，将来自第一信道的第M位的序列与来自第二信道的对应的第M位序列进行比较。如果它们相同，该序列就是候选的补充数据序列。对不同的序列位置(m)进行这种操作，直到找到补充数据。

Claims (10)

1．一种在信息信号(z)中嵌置补充数据(W)的方法，包含在信息信号的预定位置嵌置(3、4)补充数据样本(w)的步骤，特征在于，该信息信号包含至少两个信号信道(z1、z2)，该方法包含在所述各信道的对应的位置嵌置相同的补充数据样本(w)的步骤。
2．如权利要求1中所要求的方法，其中的各信道是立体音频信号的左和右音频信号成分，该方法包含将各信道(x1、x2)编码(1、2)成各自的位流(y1、y2)并在所述各位流的对应的位位置嵌置(3、4)相同的补充数据位(w)的步骤。
3．一种用于在信息信号中嵌置补充数据的装置，包含在信息信号的预定位置嵌置补充数据样本(w)的装置(3、4)，特征在于，该信息信号包含至少两个信号信道(z1、z2)，该嵌置装置(3、4)被安排在所述各信道的对应的位置嵌置相同的补充数据样本(w)。
4．如权利要求3中所要求的装置，其中的各信道是立体音频信号的左和右音频信号成分，该装置包含将各信道(x1、x2)编码成各自的位流(y1、y2)并在所述各位流的对应的位位置嵌置(3、4)相同的补充数据位(w)的装置(1、2)。
5．一种从包含至少第一信道(z1)和第二信道(z2)的信息信号中析取补充数据的方法，其中各信道在预定的信号样本位置嵌置有相同的补充数据样本(w)，该方法包含的步骤为：
-将由所述数量(M)的信号样本隔开的预定第一信道信号样本的第一序列与第二信道信号样本的对应第二序列进行比较(52、62)；
-只要各序列不同，就把第一和第二序列移动(51、65)一个样本位置，并对移位后的第一和第二序列重复该比较步骤。
6．如权利要求5中所要求的方法，进一步包含存储(53、63)被比较序列中相同的信号数据样本的步骤。
7．一种用于从包含至少第一信道(x1)和第二信道(x2)的信息信号中析取补充数据的装置，其中各信道在预定的相应信号样本位置嵌置有相同的补充数据样本(w)，该装置包含：
-用于将预定第一信道信号样本的第一序列与第二信道信号样本的对应第二序列进行比较的装置(52、62)；
-只要各序列不同，用于把第一和第二序列移动一个样本位置，并对移位后的第一和第二序列重复该比较步骤的装置(51、65)。
8．一种在信号的预定位置有嵌置的补充数据样本的信息信号，特征在于，该信息信号包含至少两个信道，在所述信道的对应位置已嵌置了相同的补充数据样本。
9．如权利要求3中所要求的信号，其中的信道是立体音频信号的左和右音频成分，每个成分被编码成各自的位流，并且在所述各位流的预定位位置嵌置有相同的补充数据位。
10．一种在其上记录了如权利要求8或9中所要求的信号的存储介质。
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