专利名称：在信息信号中嵌入辅助数据的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在信息信号中嵌入辅助数据的方法和装置。本发明亦涉及一种用于检测所述辅助数据的方法和装置。
背景技术：
在PCM编码信息信号中嵌入辅助数据的已知方法，亦被称为易碎水印(fragile watermarking)，被公开于欧洲专利EP-B 0 205 200中。在这种现有技术方法中，每第n个信号采样的最低有效位被辅助数据位替换。这种嵌入方案的改进变化被公开于欧洲专利申请EP-A 0359 325中。不仅依赖于实际辅助数据位，而且依赖于相同PCM采样的一个或多个其它位，PCM采样的最低有效位在此被修改。
发明目的和概述本发明的目的是进一步改进在PCM信号中嵌入辅助数据的方法。
依照本发明，这是通过如在权利要求1中所限定的方法而实现的。该方法导致速率失真(rate-distoration)比的改进。
附图简述
图1示出辅助数据嵌入和解码系统的通用示意图。
图2示出说明依照本发明的嵌入方法实施例的操作的曲线图。
实施例描述图1示出辅助数据嵌入和解码系统10的通用示意图。离散无记忆源11发出符号x1...xN的主(host)序列x。编码器12，亦被称为嵌入器，以概率1/M来接收符号0...M的消息w。嵌入器将序列x1...xN修改成作为x和w的函数的符号y1...yN的合成序列。合成序列y被应用于目的地13，并亦由解码器14来观测，其被需要以便可靠地重构所嵌入的消息w。
在起始段中所提及的现有技术嵌入方法中，主信号符号的一半不被修改，这是因为PCM采样的最低有效位已等于欲被嵌入的数据位。通过交换(flip)最低有效位以使所述位等于欲被嵌入的数据位，符号的另一半被修改。这样，被修改的符号与主PCM采样差+1或-1。这被概括于以下的表I中。表I
修改主符号引入了失真。对于PCM编码信息信号(如音频采样、图像像素)，“平方误差”常被使用，定义为D(x，y)＝(y-x)2现有技术嵌入方案的平均失真为D=14{02+(+1)2+(-1)2+02}=14(2·02+2·12)=0.5.]]>现有技术嵌入方案的嵌入速率为R＝1位/符号，并因此速率失真比为R/D＝2。
现有技术嵌入方法是一种最低有效位的替换，在其中消息在信号符号的R个最低有效位(R为正整数)中被嵌入。以下的表IIa示出R＝2的最低有效位的替换方案。
表IIa在此情况下，平均失真为D=116(4·02+6·12+4·22+2·32)=2.5]]>而速率失真比为R/D＝0.8。
应指出，在表IIa的R＝2嵌入方案中，主符号的两个最低有效位被2位消息w替换。如该表所示，这可导致每个符号D＝32的失真。显然，从采样减1来取代加3是较好的。对于R＝2，这个策略被概括于以下的表IIb中。
表IIb在此情况下，失真为D=116(4·02+8·12+4·22)=1.5]]>而速率失真比为R/D＝1.33，其大大好于在表IIa中所示方案的比R/D＝0.8。
本发明人发现了理论上可实现的速率失真曲线，其表明一定有具有较好速率失真比的嵌入方案。这个“边界”曲线在图2中被表示为20。对应于表I和IIb的两个(R，D)对(1，0.5)和(2，1.5)在该图中分别被表示为21和22。如将被理解的，有提高速率失真比的余地。例如，对于R＝1可在理论上实现失真D≈0.2(R/D≈5)，而对于R＝2可在理论上实现D≈0.9(R/D≈2)。我们感兴趣的是寻找组合大嵌入速率R与小失真D的嵌入策略，即大速率失真比R/D。
“编码的”LSB调制依照本发明的第一方面，消息符号由矢量的校正子(syndrome)来表示，该矢量由一组L(L＞1)个主符号中每个的最低有效位形成，在此亦被称为LSB矢量。词语“校正子”是误差校正领域内众所周知的概念。在误差校正方案中，所接收的数据字(输入矢量)被处理以获得其校正子。通常(但不是必须)，所述处理意味着用给定矩阵乘以数据字。如果校正子为零，则数据字的所有位是正确的。如果校正子不等于零，则非零值表示错误位的位置(或多个位置)。汉明码(Hamming)具有汉明距离3并由此允许1个错误位被校正。其它码如戈莱码(Golay code)允许数据字的多个位被校正。
从数学上来说，依照本发明的数据嵌入方法类似于误差校正。为了在一组L个主符号中嵌入许多数据位，编码器(图1中的12)修改所述组的一个或多个主符号。在数学上，在汉明意义上最接近x1...xL的输出矢量y1...yL被计算。解码器(图1中的14)只需要确定所接收LSB矢量的校正子。该校正子表示所嵌入的辅助数据。
在以下实例中，(7，4，3)汉明码被用于在主符号的最低有效位中嵌入数据。在误差校正领域，(7，4，3)汉明码允许使用7-4＝3个奇偶校验位来校正7位数据字中的1个位(汉明距离为3)。与此类似，嵌入实施例允许在7个主符号中嵌入3个消息位。为计算校正子，7个主符号的LSB矢量被乘以(所有数学运算均为模2运算)以下的3×7矩阵000111101100111010101]]>这个矩阵的列包括所有可能的位组合，除了000。
假定七个主符号具有最低有效位0，0，1，1，0，1，0，即输入LSB矢量为(0011010)。这个矢量与以上矩阵的模2乘法得到000111101100111010101×0011010=001]]>这个乘法的输出(001)为输入矢量(0011010)的校正子。正是这个校正子表示所嵌入的消息符号。
显然，由原始主符号表示的校正子通常不是欲被嵌入的消息符号。仅一个主符号的最低有效位必须因此被修改。这是通过以下步骤而实现的-计算原始LSB矢量校正子和欲被嵌入消息之间的差。例如，如果欲被嵌入的消息为(010)，则模2差为(010)-(001)＝(011)。
-确定矩阵中所述差的列位置d。在这个实例中，在矩阵的第三(d＝3)列发现所述差(011)。
-修改第d个主符号的最低有效位。
这样，第3个主符号的最低有效位在本实例中被修改，其导致被修改的矢量(0001010)。在解码器中，这个矢量受校正子确定的控制。结果为000111101100111010101×0001010=010]]>其真正表示消息符号(010)。
每7个符号的失真为18·02+78·12=78]]>(没有主符号被改变的概率为1/8，而一个符号被改变±1的概率为7/8)，因此每个符号的平均失真为D＝1/8。嵌入速率为每7个符号3位，即R＝3/7。相应的(R，D)对被示出为在图2中表示为23的+标记。速率失真比为R/D≈3.4。
较通常地，基于汉明码的嵌入允许将m位消息符号嵌入到2m-1个主符号中，嵌入速率R=m2m-1,]]>而失真D=12m.]]>对应于m＝2，3，4和5的(R，D)对被示出为图2中的+标记。速率失真比为R/D=m·2m2m-1,]]>对于大m，其近似等于m。对于m＝10，该比率比低位调制大约大5倍。这个明显的提高是以嵌入和解码硬件或软件的中等复杂度而实现的。
取代二进制汉明码，戈菜码可被使用。有一个二进制戈莱码(23，12，7)戈莱码。在误差校正码领域，戈莱码可检测并校正具有12个信息位和23-12＝11个保护位的23位数据字中的3个错误位(汉明距离为7)。与此类似，通过修改最多3个符号，(23，12，7)戈莱码可在23个主符号中嵌入11个数据位。应用戈莱码导致R=1123≈0.478,]]>和D=231·1+232·2+233·32048.23≈0.124.]]>相应的(R，D)对由在图2中被表示为24的◇标记示出。速率失真比为R/D≈3.85，其比用LSB调制可实现的几乎好2倍。
三进制嵌入方法依照本发明的第二方面，消息符号由主符号的所谓“类”来表示。对于w＝0，1，2，如果x mod 3＝w，则符号x被称作在“类w”中。换句话说-PCM值0，3，6，...(类0)表示消息符号w＝0，-PCM值1，4，7，...(类1)表示消息符号w＝1，并且-PCM值2，5，8，...(类2)表示消息符号w＝2。
数据嵌入器12(见图1)现在修改输入符号xi以使所修改的符号yi为类w。这亦被称为“低三进制数位调制(low-trits modulation)”。以下的表III示出主符号xi＝9，10和11的嵌入方案。
表III嵌入速率为R＝log23≈1.585，而平均失真速率为D＝1/9·6＝2/3。相应的(R，D)对在图3中被示出为表示为30的◇标记(为便于参照，图2中所示的边界20和(R，D)对21和22亦在此图中被示出)。速率失真比为R/D≈2.378，这是相当好的。
上述形式的三进制嵌入被称为“未编码”三进制调制，在其中每个主符号都具有被嵌入的数据。然而，还有可能以类似于以上关于“编码”LSB调制所述的方式，即通过在主符号组中嵌入三进制符号来进行“编码”三进制调制。亦再次有可能通过使用(三进制)汉明码或(三进制)戈莱码来这样做。
现在将较详细地示出有m＝2个奇偶校验检查、使用三进制汉明码的嵌入操作。依照以上提出的用于二进制汉明码的原理，人们将期望矩阵具有3m-1＝8列(除00外的所有组合)。然而，为其它列的倍数的列不需要被包括在矩阵中。相应地，列数为(3m-1)/2＝4。此亦为形成矢量的主符号数。该矩阵为01111012]]>这个三进制汉明码允许两个三进制消息符号被容纳于具有相应类1，2，0和1的4个主符号的组中。主矢量(1，2，0，1)的校正子为(应指出，所有数学运算现在为模3)01111012×1201=00]]>我们想在这组主符号中嵌入两个三进制符号(1，2)。差为(1，2)-(0，0)＝(1，2)。该差可在矩阵的第4列中发现。相应地，第4个主符号被修改。如果该差在矩阵中发现，则相关的主符号通过其原始PCM值加1而被修改。主符号组由此被修改为(1，2，0，2)。在解码器中，这个矢量受校正子确定的控制。结果为01111012×1202=12]]>其真正表示消息符号(1，2)。
如果我们想在主符号组中嵌入三进制符号(2，2)，则差为(2，2)-(0，0)＝(2，2)。在矩阵中没有具有这个值的列，这是因为(2，2)是(1，1)的倍数。这个值可在矩阵的第3列中发现。相应地，第3个符号被修改，但现在修改涉及相应的PCM值加2(或减1)，而不是加1。主符号组由此被修改为(1，2，2，1)。在解码器中，这个矢量受校正子确定的控制。结果为01111012×1221=22]]>其真正表示消息符号(2，2)。
通常，当汉明码与给定数量m的奇偶校验检查符号一起使用时，码字长度为(3m-1)/2。因此R=m·log23(3m-1)/2,]]>D=23m,]]>并且R/D=m·3m·log233m-1.]]>两个(R，D)对在图3中由□标记示出并被表示为31(m＝2)和32(m＝3)。
戈莱码可再次取代汉明码而被使用。仅有一个三进制戈莱码(11，6，5)戈莱码。这个码可通过修改最多2个符号(汉明距离为5)在11个主符号中嵌入11-6＝5个三进制符号。应用戈莱码导致R=5log2311≈0.72,]]>D=111·1·2+112·2·4243.11=42243≈0.173,]]>并且R/D≈4.169。相应的(R，D)对由图3中被表示为33的+标记示出。
应指出，三进制嵌入(类＝x mod 3)是较一般的n进制嵌入(类＝x mod 3)的特殊情况。先前所述的LSB嵌入即n＝2，亦为其特殊情况。本发明适用于任何整数n。
二维码依照本发明的第三方面，消息符号在主符号对中被嵌入。这是上述嵌入方法的二维版本。在这个编码模式中，符号对(xa，xb)的二维符号空间被用5个颜色“染色”。点阵(grid)上的每个点表示一个符号对，并具有不同于其相邻的颜色。颜色被编号为0...4，并且每个颜色代表一个消息符号w∈{0，1，2，3，4}。以下的表IV示出(部分)二维点阵。
表IV解码器恰好查看所接收符号对(ya，yb)的颜色。编码器检查(xa，xb)是否具有欲被嵌入的颜色w。如果不是，它改变符号对(xa，xb)以使被修改的对具有颜色w。例如，如果消息w＝4欲在具有颜色3的主符号对(xa，xb)＝(76，79)中被嵌入，则嵌入器将符号修改为具有颜色4的一对，例如对(ya，yb)＝(75，78)。这个嵌入方案的参数为R=log252≈1.16,]]>D=1.0+4.15.2=0.4,]]>并且R/D≈2.90。
相应的(R，D)对被示出为图4中表示为40的◇标记(为方便起见，边界2以及LSB参数21和22亦在此图中被示出)。
将理解，二维嵌入方案可被扩展到较多维。例如，在三维点阵中，每个点不能只被“移动”到相同层中的四个相邻，亦应被向上或向下移动。在这个方案中，七个颜色即七个消息符号是可用的。
类似于上述LSB调制和三进制调制方法，二维方法亦可借助5进制汉明或戈莱码来编码。对于给定数量m的奇偶校验检查，获得了(5m-1)/4个5进制符号的码长度。该编码方案处理(5m-1)/2个符号。其参数为R=2mlog255m-1,]]>并且D=25m.]]>两个这样的(R，D)对在图4中由□标记示出并被表示为41(m＝2)和42(m＝3)。
本发明可被总结如下。信息信号如灰度级图像或音频信号被表示为PCM信号采样的序列。为在信号中嵌入辅助数据，采样被轻微失真。有所谓的“速率失真函数”(20)，其给出给定某一失真水平D的最大嵌入速率R。表明现有技术嵌入方案如LSB替换(21，22)的效率可被提高。本发明公开了这样的嵌入方案(23，24)。依照本发明，信号被分为L(L＞1)个信号采样(x)的组。对于每组信号采样，信号采样的最低有效部分(x mod n)的矢量被生成。对于n＝2，该矢量包括每个信号采样的最低有效位。所述矢量的校正子(如在误差检测和校正领域所定义的)表示所嵌入的数据。一组的仅一个(或几个，在任何情况下都小于L)信号采样需要被修改以实现矢量为所需校正子值。
权利要求
1.一种通过依照辅助数据符号修改所选信号采样的最低有效部分在由信号采样流表示的信息信号中嵌入辅助数据方法，该方法包括步骤-将所述流分为信号采样的组，-对于每组信号采样，形成表示信号采样所述最低有效部分的符号的矢量，-修改一组信号采样以使相应的矢量满足给定的校正子约束，所述矢量的校正子表示一个或多个辅助数据符号。
2.权利要求1的方法，其中表示信号采样最低有效部分的所述符号为x mod n值，其中x为信号采样，n为整数，而mod表示x被n除之后的余数。
3.权利要求1的方法，其中表示信号采样最低有效部分的所述符号为被分配给较多维空间中信号采样组合的符号，不同的符号被分配给在所述空间中彼此为相邻的组合。
4.权利要求1的方法，其中所述矢量的校正子通过用给定矩阵乘以所述矢量来确定。
5.一种用于在由信号采样流表示的信息信号中嵌入辅助数据的装置，包括用于依照辅助数据符号修改所选信号采样的最低有效部分的装置(12)，所述修改装置被安排以-将所述流分为信号采样的组，-对于每组信号采样，形成表示信号采样所述最低有效部分的符号的矢量，-修改一组信号采样以使相应的矢量满足给定的校正子约束，所述矢量的校正子表示一个或多个辅助数据符号。
6.一种通过依照辅助数据符号修改所选信号采样的最低有效部分而检测被嵌入在由信号采样流表示的信息信号中的辅助数据的方法，该方法包括步骤-将所述流分为信号采样的组，-对于每组信号采样，形成表示信号采样所述最低有效部分的符号的矢量，-确定所述矢量的校正子，所述校正子表示一个或多个辅助数据符号。
7.权利要求6的方法，其中表示信号采样最低有效部分的所述符号为x mod n值，其中x为信号采样，n为整数，而mod表示x被n除之后的余数。
8.权利要求6的方法，其中表示信号采样最低有效部分的所述符号为被分配给较多维空间中信号采样组合的符号，不同的符号被分配给在所述空间中彼此为相邻的组合。
9.权利要求6的方法，其中确定矢量校正子的所述步骤包括用给定矩阵乘以所述矢量。
10.一种通过通过依照辅助数据符号修改所选信号采样的最低有效部分而检测在由信号采样流表示的信息信号中被嵌入的辅助数据的装置(14)，该装置包括被安排以进行以下的装置-将所述流分为信号采样的组，-对于每组信号采样，形成表示信号采样所述最低有效部分的符号的矢量，-确定所述矢量的校正子，所述校正子表示一个或多个辅助数据符号。
全文摘要
信息信号如灰度级图像或音频信号被表示为PCM信号采样的序列。为在信号的最低有效位中嵌入辅助数据，采样被轻微失真。有所谓的“速率失真函数”(20)，其给出给定某一失真水平D的最大嵌入速率R。表明现有技术嵌入方案如LSB替换(21，22)的效率可被提高。本发明公开了这样的嵌入方案(23，24)。依照本发明，信号被分为L(L＞1)个信号采样(x)的组。对于每组信号采样，信号采样的最低有效部分(xmod n)的矢量被生成。对于n＝2，该矢量包括每个信号采样的最低有效位。所述矢量的校正子(如在误差检测和校正领域所定义的)表示所嵌入的数据。一组的仅一个(或几个，在任何情况下小于L)信号采样需要被修改以实现矢量为所需校正子值。
文档编号G11B20/18GK1462443SQ02801656
公开日2003年12月17日 申请日期2002年5月15日 优先权日2001年5月15日
发明者M·E·范迪克, F·M·J·维勒姆斯 申请人:皇家菲利浦电子有限公司