专利名称：具有加密的检测密钥的多比特取证水印的制作方法
技术领域：
本发明涉及在主信号中嵌入辅助数据的方法，特别是在信号中嵌 入多比特水印和加密相关的检测密钥。而且，本发明涉及从数据信号 中提取辅助数据的方法，特别是从数据信号中提取多比特水印。本发 明还涉及水印嵌入器、水印检测器和计算机可读的代码。
背景技术：
数字水印已被证明是针对数字形式的版权材料的非法分发的有效
威慑，所述非法分发例如通过计算机网络，经由电子内容分发(ECD)应 用或经由手递手的公共分发。
水印通常由在其中生成水印的预编码级和转码水印嵌入级实施， 在转码水印嵌入级中，在原始数据信号内的单个或一系列位置上把水
印加到该数据信号上。随后，水印检测器可以在版权识别过程中从加 水印的数据信号中提取水印。
取证(forensic)跟踪水印被嵌入在多媒体内容中，追踪非法分 发的拷贝。检测在现有的多媒体内容中的水印在计算机功率方面潜在 地是复杂的操作。为了减小集中式服务器的负荷和使得水印检测过程 最佳化，希望在网络的客户侧执行检测。然而，当把水印检测器分发 到潜在的不守信用的客户时，存在检测密钥可能被偷走或泄漏的风险。
在公布的美国专利申请US 2005/0060550中，提出用于l比特消 息的水印检测协议，其中水印密钥是水印本身的加扰版本，这样，知 晓水印密钥并不意味着知晓水印。
发明内容
本发明的发明人已认识到，现有技术的缺点在于，只有1比特的 信息可被嵌入到主信号中，使得它不适用于取证跟踪用途，并且还认 识到，使用嵌入和/或提取多比特水印的版权保护的改进手段是有利 的，因此设计本发明。本发明寻求提供用于版权保护的改进手段，优 选地，本发明单个地或以任何组合地减轻、緩和、或消除了现有技术的一个或多个缺点。
按照本发明的第一方面，提供了把辅助数据嵌入到主信号的方法，
该方法包括以下步骤 -提供参考水印，
一生成与参考水印有关的加密的检测密钥，
-通过把多比特有效栽荷编码到参考标记中而生成多比特水印，
-把多比特水印嵌入到主信号。
本发明允许把多比特有效栽荷嵌入到主信号，其中最终得到的检 测密钥被加密，由此除了拷贝控制型应用以外，还允许对主信号取证 跟踪，因为多比特有效载荷对于取证跟踪用途而言是必须的。
本发明是特别但不排他地有利的，因为它以保密的和低复杂度的 方式实行分布式的取证水印检测，由此，例如通过把水印检测器放置 在客户设备中而允许把水印检测分布到潜在的不可信任的、或甚至敌 对的环境中。水印检测器可以安全地放置在潜在的不可信任的设备中， 因为检测密钥被加密，这样，知晓水印检测密钥并不意味着知晓水印。 而且，本发明特别但不排他地有利于成本节省，因为与集中式解决方 案相比较，对于检测设施只需要很少的投资，因为本发明用软件模块、 电子电路等等实施，在用户设备中只需要很少的，或甚至不要，附加 硬件。而且，本发明特别但不排他地有利于实施高吞吐量，因为与集 中式的解决方案相比较，水印检测可以在更多的信号中潜在地实现， 增强总的性能。
如在权利要求2中规定的任选的特性是有利的，因为通过把参考 水印的循环旋转版本加到水印上而给水印提供多比特有效载荷，从而 提供了施加多比特有效载荷的有效方法。
如在权利要求3中规定的任选的特性是有利的，因为通过在适于 读出主信号的设备中使用加密检测密钥作为水印检测密钥，使得有可 能在客户设备处进行本地水印检测。
如在权利要求4中规定的任选的特性是有利的，因为通过用扰码 来加扰参考水印而加密检测密钥，得到鲁棒的和有效的加密，使得检 测密钥的安全分发成为可能。
如在权利要求5到7中规定的任选的特性是有利的，因为它们描 述了通过把扰码与适于读出主信号的设备，与用户ID，或与二者的组合相联系而把扰码与主信号的用户相联系的重要方法。
如在权利要求8中规定的任选的特性是有利的，因为通过把用户 ID编码到有效栽荷中，用户被直接链接到信号本身。
如在权利要求9中规定的任选的特性是有利的，因为它们便于把 辅助数据嵌入到主信号的一个或多个可能的重叠分段中。这是有利的， 因为可能只需要把水印嵌入到主信号的一个分段中，某些分段可以呈 现最适用于水印嵌入的特性，如果只要考虑一个或多个分段，这可以 使得嵌入过程和/或提取过程甚至是更有效的。
如在权利要求10中规定的任选的特性是有利的，因为基于相关性 的水印检测器是鲁棒的和有效的水印检测器。
如在权利要求ll中规定的任选的特性是有利的，因为通过施加按 照预定的花费函数(例如L,距离)使得在扰码与参考水印之间的乘积 和在扰码与多比特水印之间的乘积的和值最小化的约束条件，检测性 能被最佳化。
如在权利要求12中规定的任选的特性公开了按照数据信号的可能 的内容的有益实施例。数据信号可以包括以下的至少一项音频、视
频、图像、多媒体软件、多维图形模型、软件结构。
按照本发明的第二方面，提供了从数据信号中提取辅助数据的方
法，该方法包括以下步骤
-接收包括参考水印和多比特有效载荷的数据信号，
-提供与参考水印有关的加密的检测密钥，
-根据加密检测密钥从数据信号提取多比特有效载荷。
按照第二方面的本发明是特别但不排他地有利的，因为它从数据
信号提取多比特有效栽荷，诸如通过按照本发明的第一方面的方法被 嵌入的多比特有效载荷。而且，因为检测密钥被加密，即使在潜在的 不可信任的设备中也可以执行提取。
按照本发明的第三和第四方面，提供了水印嵌入器，包括
-用于提供参考水印的装置，
-用于生成与参考水印有关的加密的检测密钥的装置， -用于通过把多比特有效载荷编码到参考标记中而生成多比特水 印的装置，
-用于把多比特水印嵌入到主信号的装置，和水印检测器，包括
-用于接收包括参考水印和多比特有效载荷的数据信号的装置，
-用于提供与参考水印有关的加密的检测密钥的装置，
-用于根据加密检测密钥从数据信号提取多比特有效载荷的装置。
本发明第三方面的水印嵌入器是按照本发明第一方面的方法提供
的，第一方面的方法可被实施用于控制本发明第三方面的水印嵌入器。
第四方面的水印检测器是按照本发明第二方面提供的，第二方面的方
法可被实施用于控制本发明第四方面的水印检测器。
在本发明的第五方面，提供了用于实施第一方面的方法的计算机
可读代码。
通常，本发明的各个方面可以以本发明的范围内可能的任何方式 被组合和耦合。参照此后描述的实施例，将明白和阐述本发明的这些 和其它方面、特征和/或优点。
下面参照附图，仅仅作为例子，描述本发明的实施例，其中 图1示意地显示按照本发明的实施例用于把多比特有效载荷嵌入 到主信号中的策略。
图2显示水印嵌入过程的示意图。 图3显示水印检测过程的示意图。
图4显示按照本发明实施例的有效载荷提取过程的示意图。
具体实施例方式
图1示意地显示按照本发明的实施例、用于把辅助数据(这里显 示为多比特有效载荷)嵌入到主信号x的策略10。嵌入过程的输入包 括识别号i，参考水印Wa和主信号X。在一个实施例中，辅助数据的嵌 入可以在一个或多个计算机系统处执行，作为水印嵌入器或编码器执 行，例如在位于内容拥有者的计算机系统处。嵌入过程的输出包括加 密密钥hi和加水印的信号y。加密密钥然后或者连同加水印的信号y 一起，或者与其分开地分发到用户或客户。
主信号可以是要被分发到信号的客户或用户的信号。信号可以经 由计算机网络，经由电子内容分发(ECD)应用，经由记录载体，诸如可
7记录的或ROM光记录载体或基于半导体或磁的载体等等被分发。信号 的用户然后可以在适于读出主信号的设备上，诸如在CD播放器、DVD 播放器、计算机、便携式重放设备、游戏控制台等等上呈现或播放信 号。
在第一步骤，提供或确定参考水印Wk。参考水印可以是任何适当 类型的数字水印，诸如被嵌入在信号基带中的空间水印，或要在频域 中检测的时间水印。参考水印被使用来生成2要被嵌入到主信号中的 多比特水印，并被使用来生成5加密检测密钥。
多比特有效栽荷Wp被编码l，多比特有效栽荷可以是n比特有效载 荷，n是任何数目，例如取决于在要被嵌入的辅助数据的期望数量与有 效载荷的提取时间之间的折衷，因为可能要求，有效栽荷在每次重放 加水印的信号的内容之前实时地被提取。有效栽荷可以是参考水印的 循环旋转的版本，这样，循环旋转的版本的存在与否可以表示有效载 荷的一个比特。在一个实施例中，用户ID 6或其它识别辅助数据可被 编码到有效栽荷中。
多比特有效栽荷Wp然后被加到参考水印2，最终得到的标记被加到 主信号3，所以生成加水印的信号y:
<formula>formula see original document page 8</formula>
多比特水印(wx + wP)可以按照主信号的掩蔽特性(masking property)进行缩放，即，感知的掩蔽可:f皮应用到多比特水印上。
也可以生成与参考水印有关的加密检测密钥。在一个实施例中， 只有参考水印用扰码Ci进行扰码，而不是其中编码了多比特有效栽荷 的部分。扰码可以经由识别号i，例如通过把具有识别号i的扰码分配 给特定的用户和/或特定的设备而与用户ID和/或适于读出主信号的设 备相联系。扰码可以是随机生成的密钥。检测密钥可被表示为
<formula>formula see original document page 8</formula>
图2显示水印嵌入过程的示意图。识别号21、参考水印22和主信 号23被输入到水印嵌入器20。水印嵌入器生成和嵌入多比特有效载荷 以及检测密钥。嵌入过程的输出包括加密密钥24和加水印的信号25。
嵌入过程可以在水印嵌入器20(或编码器)中实施，水印嵌入器包 括用于提供22参考水印的装置，诸如用于生成或选择参考水印的装置； 用于生成5与参考水印有关的加密检测密钥的装置；用于通过把多比特有效载荷编码到参考水印中而生成1多比特水印的装置；用于把多 比特水印嵌入到主信号的装置。这些装置典型地可以作为软件实施方 案或硬件实施方案分开实现或在单个处理单元中实现。
图3显示水印检测过程的示意图。检测过程可以是内容的重放活 动(playback seance )的一部分。水印检效'J可以在用户设备中被实施 以进行取证跟踪，以及在以下的用户设备中实施所述用户设备内的 一个协议保证仅仅在信号中检测到有效的水印或有效栽荷时才执行内 容的重放。
水印检测器可以依赖于信号的类型。对于在诸如MPEG视频那样的 视频信号中的水印检测，水印检测器可以至少部分是视频(MPEG)译码 器，而对于在诸如MP3那样的音频信号中的水印检测，水印检测器可 以至少部分是音频(MP3)译码器。译码器可以作为重放设备本身的一部 分，或作为重放应用的一部分纟皮实施。
在一个实施例中，水印检测器30接收可能的加水印信号31，用于 验证在信号中确实存在水印，以及如果是的话，用于提取嵌入的多比
特有效载荷。水印检测器还接收或访问与加水印的信号有关的加密的 检测密钥32。检测密钥仅仅与参考水印有关，而与有效载荷无关。 在一个实施例中，水印的检测由基于相关性的水印检测器得到。
计算信号与检测密钥的相关性，包括计算信号与检测密钥之间的内积 d-<y， hi>，相关性按照y和hi而作出，因为仅仅加扰的密钥和加水印
的信号是可得到的，导致
d=<y， hi>=xwR+ xCi+wRCi+ wRwR+ WpWR+ wFCi ， 其中大的d值典型地表示水印的存在。
水印检测过程的输出可包括用于重放的信号33本身以及多比特有 效载荷34。
将会看到，检测结果包括失真分量WaCi和WpCi.所以，可以通过约 束限制扰码"使得仅仅扰码满足(WaCi+WpCi)被最小化的要求，来最佳
化检测性能。
图4显示按照本发明的实施例用于基于相关性的检测器的有效载 荷提取过程的示意图。在第一步骤，可以预处理40信号y。预处理可 以取决于嵌入方法，预处理可以是预滤波，诸如把信号变换到不同的 域，例如通过离散傅立叶变换、离散余弦变换、等等。信号与检测密钥hi进行相关41,并且提取42有效载荷。例如，通过找出参考图案 与有效栽荷序列之间的相对旋转。
水印检测器30可包括用于接收31包括参考水印和多比特有效载 荷的数据信号的装置；用于提供32与参考水印有关的加密的检测密钥 的装置；和用于根据加密检测密钥从数据信号提取34多比特有效载荷 的装置。这些装置典型地作为软件实施方案或作为硬件实施方案被分 开实施或在单个处理单元中实施。
本发明的所有的方面可以以包括硬件、软件、固件或这些部件的 任何组合的任何适当的方式被实施。本发明或本发明的某些特征可以 作为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机 软件^f皮实施。本发明的实施例的元件和部件可以以任何适当的方式被 物理地、功能地、和逻辑地实施。实际上，功能可以在单个单元，在 多个单元或作为其它功能单元的一部分被实施。这样，本发明可以在 单个单元中被实施，或可以物理地和功能地分布在不同的单元与处理 器之间。
虽然本发明是结合优选实施例描述的，但不打算把它限于这里阐 述的形式。而是，本发明的范围仅仅由所附权利要求限制。
阐述所公开的实施例的某些具体的细节是为了说明而不是为了限 制，以便提供对于本发明的清晰的和透彻的了解。然而，本领域技术 人员应当看到，本发明可以在与这里阐述的细节不完全一致的其它实 施例中被实践，而不明显地背离本公开内容的精神和范围。而且，在 本上下文中和为了概略性和清晰性，熟知的设备、电路和方法的详细 说明被省略，以避免不必要的细节和可能的混淆。
在权利要求中包含了参考标记，然而，包含这些参考标记仅仅是 为了清楚起见，而不应当看作对权利要求的范围的限制。
权利要求
1. 一种把辅助数据嵌入到主信号的方法，该方法包括以下步骤 -提供参考水印(wR)，-生成与参考水印有关的加密的检测密钥(hi), -通过把多比特有效载荷(wP)编码(1)到参考标记中而生成多比特 水印，-把多比特水印嵌入(3)到主信号(y)。
2. 按照权利要求l的方法，其中通过把参考水印的循环旋转的版 本加到水印而将多比特有效载荷加到参考水印。
3. 按照权利要求l的方法，其中加密检测密钥在适用于读出主信 号的设备中被用作为水印检测密钥。
4. 按照权利要求l的方法，其中通过用扰码加扰参考水印来加密 检测密钥。
5. 按照权利要求4的方法，其中扰码与适用于读出主信号的设备 有关。
6. 按照权利要求4的方法，其中扰码与用户ID有关。
7. 按照权利要求4的方法，其中扰码与用户ID和适用于读出主 信号的设备二者有关。
8. 按照权利要求1的方法，其中主信号的用户ID被编码在多比 特有效载荷中。
9. 按照权利要求l的方法，其中主信号被分段成一个或多个分段， 以及其中-对于至少一个分段提供分段水印，-提供与所述至少一个分段水印有关的加密的分段密钥， -对于至少一个分段水印生成多比特分段水印， -把多比特分段水印嵌入到主信号的分段中。
10. 按照权利要求1的方法，其中水印的检测是由基于相关性的 水印检测器(31)得到的。
11. 按照权利要求10的方法，其中通过用扰码对检测密钥进行加 扰来加密所述检测密钥，以及其中扰码满足在扰码与参考水印之间的 乘积和在扰码与多比特水印之间的乘积的和值按照预定的花费函数被最小化的约束条件。
12. 按照权利要求1的方法，其中主信号包括以下的至少一项 音频、视频、图像、多媒体软件、多维图形模型、软件结构。
13. —种从数据信号中提取辅助数据的方法，包括以下步骤-接收包括参考水印和多比特有效栽荷(Wp)的数据信号，-提供与参考水印(wj有关的加密的检测密钥(hi)，-根据加密检测密钥从数据信号(y)提取多比特有效载荷。
14. 一种水印嵌入器(20)，包括-用于提供(22)参考水印(仏)的装置，-用于生成(5)与参考水印有关的加密的检测密钥(hi)的装置， -用于通过把多比特有效载荷(wP)编码到参考标记中而生成(1)多 比特水印的装置，-用于把多比特水印嵌入(3)到主信号(x)的装置。
15. —种水印检测器(30)，包括-用于接收(31)包括参考水印和多比特有效载荷的数据信号的装置，-用于提供(32)与参考水印有关的加密的检测密钥的装置， -用于根据加密检测密钥从数据信号(y)提取(34)多比特有效栽荷 的装置。
16. 用于实施权利要求1的方法的计算机可读代码。
全文摘要
本发明涉及把多比特有效载荷形式的辅助数据嵌入到主信号，和加密相关的检测密钥。而且，本发明涉及从数据信号提取多比特有效载荷形式的辅助数据。辅助数据通过以下步骤被嵌入到主信号中。首先，提供参考水印，随后生成只与参考水印有关的加密的检测密钥。加密的检测密钥可以是水印的加扰版本。在另一个步骤，生成多比特水印，并把多比特有效载荷编码到参考水印中。最后，多比特水印被嵌入到主信号。
文档编号G06T1/00GK101313331SQ200680043935
公开日2008年11月26日 申请日期2006年11月10日 优先权日2005年11月24日
发明者A·N·莱马, M·U·塞利克, M·范德维恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司