在编码信号中嵌入补充数据的制作方法

专利名称：在编码信号中嵌入补充数据的制作方法
技术领域：
本发明涉及在编码信号中嵌入补充数据的装置和方法。
日益增长地需要把补充数据包容到诸如编码的音频和视频信号的编码数据中，最好不增加数据速率。特别是如果补充数据被用作水印，则它应当以感觉上不易看到的方式被加上。水印可以包括有关文件和音频-视频节目的来源或版权状态的信息。它们可被使用来提供版权拥有者的合法证明，以及允许跟踪非法翻印和支持知识产权的保护。
超级音频软盘(SACD)格式，例如，规定了无损编码(LLC)，允许实际上在软盘上的数据的两倍。要求无损编码器允许以SACD质量重放多信道音频长达74分钟的重放时间。正如名词“无损编码”所指出的，任何数据的所需要的贮存容量被减小，以使得在译码后，原先的信号是以比特相同的方式被复原的。在“Improved Lossless Codingof 1-Bit Audio Signals(改进的1比特音频信号的无损编码)”，FonsBruekers，Werner Ooman，Rene van der Vleuten，Leon van deKerkhof，Audio Engineering Society，103rd Convention 1997，September 26-29，New York，4563(I-6)中描述了这样的编码器/译码器。编码是通过把输入数据流划分成帧以及对于每个帧确定一组最佳化参量而完成的。这些参量的一部分被发布用于预测，以去除冗余度。原先的信号与预测信号之间的差别，被称为剩余信号，只包括少得多的有关信息，如果可以找到良好的预测参量的话。由于无损编码是设想的，剩余信号不能被省略，但如果它包括较少的有关信息，则它可通过使用某些其它部分的最佳化参量，被非常有效地“熵”编码。由于在参量组中保持有冗余信息，参量组和被“熵”编码的剩余信号被存储，以及是对于无损译码所需要的。
如果为了打水印的目的而需要补充信息，则该补充信息可以被加上，正如相当广泛地知道的，即通过把它这样地加到原先的信号上，以使得信号修改不被收听者注意到。像这样地改变的信号不再能认为是(比特真实的)原先的信号。另外，这样加水印的缺点在于，不进行无损译码不可能检测出在编码信号中存在的水印。为了简化水印译码器，希望有这样的任选项，即能够在无损译码以前检测水印。
本发明的一个目的是提供用于在编码的数据信号中嵌入补充数据的设备和方法，它允许嵌入的补充数据不用对整个信号译码就被读出，以及不影响音乐质量。
为此，按照本发明的方法的特征在于，为了嵌入的补充数据，补充信息被插入到数据中，以及为编码补充数据所需要的辅助信息可以从在编码过程中可提供的其它数据中得出。
本发明的优点是，通过把数据插入到要被译码的数据中，补充信息只有在打扰编码信号的内容时才能被除去。由于为编码补充信息所需要的辅助信息是从在编码过程中可提供的其它数据中得出的，所以，为编码补充信息所需要的辅助信息不需要被记录或被存储供以后的译码处理用。因此，这个方法对于比特速率是非常经济的。
本发明的另一个目的是提供对第一种解决办法的替换例。
为此，按照本发明的另一种方法的特征在于，为了把补充数据嵌入到编码信号中，参量组受到补充数据影响。这样，为了读出水印，不需要译码全部的完整数据，而只需要译码其中包含用来进行编码/译码的参量的一部分数据。由于补充信息被嵌入在参量组中，不必花费额外的比特用于该补充信息。
补充信息可以通过选择偶数个或奇数个参量，或通过改变(例如)第一参量的最低位，而被嵌入。例如，偶数个参量代表水印比特数值“1”；而奇数个参量代表水印比特数值“0”。
本发明的优点是由于对于实际的原因(计算能力，花费，…)，对于编码不能确定最好的参量组，而只有相当良好的参量组。所以，作为一个法则，这些算法已被设计来作用于次最佳的参量组。参量组中的小的改变，如改变参量的最低位，加上一个名义上的参量以达到奇数或偶数个参量，为嵌入水印比特所需要的无论什么参量，或甚至略去一个参量以达到奇数或偶数个参量，通常对于编码效率都将没有重大的影响。有时，参量的这样的小的变化甚至可能或多或少地改进编码过程。
本发明的优点在于，如果数据保持为无损编码形式，则不译码信号和用改变的参量组重复地无损编码改数据，就不能去除水印。由于无损译码器需要所有的系数，丢失的或不正确的系数(为了删除水印而被去除或被改变)将导致对于所有的信道在一个帧的持续时间内的信号丢失。


图1显示了用于把两个独立的补充数据x，y嵌入到无损编码的信号的设备。第一数据x被使用来嵌入水印信息w。由于水印w的长度长于可由补充数据存储的信息长度，水印w被分组产生器1打包到一个输送分组中，它允许把数据分组的比特像一个串行信号那样嵌入。借助于被包括在输送分组的数据头中的同步图案，该输送分组的开始部分可被容易地恢复。输送分组的比特x被逐个比特地嵌入到无损编码信号中，作为所谓的DST_X_Bit。
第二数据y以所谓的DST_Y_Bit被嵌入。嵌入的DST_Y_Bit被设置为数值“1”，以表示无损编码信号应用于最新格式。如果将来需要有一个标志，则可以使用DST_Y_Bit。本领域技术人员应当看到，在其它记录系统中的DST_Y_Bit也可以以结构的数据流的形式被使用来嵌入长于单个比特的信息。
为了编码n个并行数据流(被称为数据信道C0，…，Cn-1)，把立体声或多信道DSD记录划分成帧。在本发明的实施例中，每秒75个帧被使用于每个信道Ci。虽然，水印信号w的数据速率取决于帧速率，但本发明并不限于特定的帧速率。
对于每个帧，控制装置(未示出，因为它不是本发明的一部分)鉴别哪个模式被使用来编码是LLC简单模式还是LLC编码模式。LLC简单模式被使用于如果帧的压缩比是不足的例外的情形，以及实际上包含简单的DSD。
选择的LLC算法是基于预测滤波器和概率表的。为了优化LLC编码模式的压缩比，参量控制单元4再次每个帧分开地分析每个信道。参量控制单元4对于每个信道Ci计算对于每个预测滤波器的预测滤波器系数组Ai=ai(1)，…，ai(ki)以及对于每个概率表的概率表系数组∏i=πi(1)，…，πi(mi)。在本发明的实施例中，预测滤波器系数ai的长度是9比特，而预测滤波器系数的数目ki是可变的，但限制于128的最大值。每个概率表系数πi的长度是7比特。概率表系数πi的数目mi也是可变的，但限制于64的最大值。典型地，它是处在32和64之间。这些数目作为例子被给出，以及代表已被找到为给出对于音频信号的最佳结果的数目，但不应当解释为本发明限制于这些数目。该数目当然取决于帧速率、预测滤波器算法、和源信号的内容。然而，可能找到允许更好的压缩比的其它数目。
确定最佳系数a，π，是困难的，它需要大量的计算功率。所以，作出折衷，只选择合理的良好的系数组。由于分开的系数组Ai，πi是对于每个信道Ci计算的，对于每个信道使用的系数将是互相不同的，但并不需要在每种情况下都是不同的。
为了把DST_Y_Bit插入到一个帧中，标志发生器3改变第一滤波器系数a0(1)的最低位LSB。正如前面已提到的，编码性能上的无显著的降低，应当通过略微改变滤波器系数来实现。
组A和∏的所有的系数，包括修正的系数a0(1)，对于编码信号是重要的，因此必须被记录，供以后读数或译码过程使用。由于所有的系数组A以及∏仍旧具有冗余性，第一和第二压缩器5，6被使用来产生压缩的数据字A’，∏’。优选地，使用压缩算法，这将允许以最容易的方式的A’和∏’的相应的解压，以使得可以不用很大的努力就读出嵌入的DST-Y-Bit。
重要的是，其数值已被修改的系数也被使用于无损编码，代替原先的估值的系数。否则，译码过程将失败。在本发明的这个实施例中，无损编码器的功能被分裂成用于每个信道Ci的编码预测单元7，和算术编码器9，它对于所有的编码预测单元7是通用的。图2上显示了编码预测单元7的结构。
编码预测单元7包括预测滤波器71，它是用相应的滤波器参量组Ai初始化的。借助于电平变换器72，在把输入信号输入到预测滤波器71以前，输入信号xi的二进制“0”被变换成数字值“-1”以及二进制“1”被变换成数字值“+1”。预测滤波器71的输出信号被第一和第二量化器73，74量化。第一量化器73的删除借助于异或门75与输入信号xi进行异或，以及形成剩余信号ei，它是编码预测单元7的两个输出信号的第一个输出信号。第二量化器74的输出信号用作为被存储在阵列76中的概率表的标号αi。概率表包含概率参量组∏i。阵列76的输出信号形成编码预测单元7的第二个输出信号，概率信号pi。在前面段落中阐述的论文中更详细地描述了概率表的使用法。
复接器8把剩余信号e0，…，en-1合并成e，以及把概率信号p0，…，pn-1合并成p。水印发生器2的输出也被馈送到复接器8的一个输入端。为了嵌入水印信息的DST_X_Bit，复接器8把DST_X_Bit插在e的前面。由于算术编码器9的设计，用来编码DST_X_Bit的概率系数，此后称为水印概率系数pw，是不可缺少的。在本发明的实施例中为了节省贮存空间，水印概率系数pw是从第一预测滤波器系数a0(1)得出的。为此，第一信道的第一预测滤波器系数a0(1)被馈送到水印概率模块10。借助于这个模块，系数a0(1)的头七个比特以相反的次序被解译为无正负号的整数D，在其上加上数值1。通过使用对于水印概率系数的得到的数值，不需要记录水印概率系数，在编码的数据块中也不需要补充比特。这样，嵌入DST_X_Bit将只或多或少地加长编码的LLC块。
算术编码器9从信号e和概率信号p产生编码的DSD信号。
由于DST_X_Bit被插入为要被算术编码器9编码的每个块的第一比特，DST_X_Bit可能没有作为单个比特位于编码的DSD信号中。所以，不译码编码的DSD信号就不能把它去除。删除或改变一个或某些比特，将不可避免地造成整个帧的数据的丢失。另一方面，原始的算术译码器对于读出水印是足够的。所以，它以完美的方式满足水印的概念难以去除而易于读出。然而，它不是强制性地把DST_X_Bit插入到信号e的前面，但它将稍微简化水印的译码过程，因为只需要估计编码的DSD信号的开始部分。
以下的表格显示了以LLC编码模式编码的帧的大略的句法。
在这种情况下，比特LLC具有数值“1”，表示LLC编码模式数据块。CNTRL子块的比特包含某些控制信息，诸如预测滤波器系数的数目ki，和给定的信道Chi的概率系数的数目mi。接着的两个子块A’和∏’包含以压缩形式的预测滤波器系数组A和概率系数组∏。最后的块，CODED DSD，最后包含编码的DSD信号。如前面解释的，数据块A，P和CODED DSD的长度逐帧地变化。
LLC编码的数据块被写在数据载体，诸如SACD或DVD上。由于写到数据载体上的过程和从数据载体上读数的过程不是本发明的一部分，大量的适当的装置是本领域技术人员熟知的，这不在这里被描述，而用虚线11符号表示，以及被称为软盘接口。
在本发明的实施例(例如，SACD或DVD放象机)的读数装置中，如果第一比特，即LLC比特，具有数值“1”，则数据块被检测为LLC编码块。在这种情况下，数据块借助于包含在控制数据块CNTRL中的数据被划分成它的子块A’，∏’和CODED DSD。子块A’和∏’被第一和第二解压器12，13解压，以便重新得出系数组Ai，∏i。对于每个信道，提供了分开的译码预测单元14，每个译码预测单元14包括预测滤波器和概率表。在开始译码LLC编码块时，系数组Ai，∏i被装载到译码预测单元14的适当的预测滤波器和概率表。
译码预测单元14也重新构建概率信号p0，…，pn-1，它们被读数装置的复接器15组合成信号p。信号p被馈送到算术译码器16，它借助于概率信号p把被包含在子决CODED DSD中的数据解压为数据流e。借助于分接器17，数据流e被分裂成各个信道的不同的剩余信号e0，…，en-1，以及被馈送到译码预测单元14。
图3上显示了译码预测单元14的结构。每个信道的剩余信号ei被馈送到译码子单元的异或门的第一输入端。异或门的输出形成每个信道Chi的输出信号。该输出信号也被馈送到电平变换器，它执行与前面描述的记录设备中的电平变换器同样的运行。电平变换器的输出被馈送到预测滤波器。滤波器的输出被馈送到两个量化器。第一量化器的输出与异或门的第二输入端相连接，量化器的第二输出被用作为对于被存储在阵列的概率表的标号αi。由标号αi选择的全部的数值pi通过复接器被馈送到算术译码器。
标志译码器18被使用来重新构建嵌入的DST_Y_Bit。由于DST_Y_Bit被存储在第一系数中，只有压缩的A’块的开始部分需要被标志检测器18检验。标志检测器18只解压A’块的开始部分，以及取出第一信道的第一滤波器系数a0(1)，以及分析其最低位，以决定DST_Y_Bit的数值。由于对于A和∏块的压缩算法被选择为允许易于解压，水印检测器，比起总的译码器来说，可被非常初步地被设计。
为了提取水印w，由水印标志检测器18的确定的系数a0(1)被馈送到读数设备的水印概率模块19。水印概率模块计算水印概率系数pw，正如对于记录设备所描述的。水印概率系数pw被馈送到算术译码器，以译码DST_X_Bit。由于DST_X_Bit是由算术译码器输出的第一比特，它可由水印检测器20容易地提取出。然而，通过更精制高级的译码器，它可以在无论何处确定插入它的位置处，从信号中被提取。格式化器21从DST_X_Bit提取水印信息w，这些DST_X_Bit是借助于同步图案从串行比特流被重新变换成数据块的。
虽然水印检测功能可以被集成在读出设备的其它译码装置中，但这个结构表明水印检测可在独立情形下完成。不需要译码整个编码的DSD信号。所以，水印标志检测器18，水印概率模块19，水印检测器20和格式化器21也可被集成在其本身的设备中，以及不用在译码预测单元14中引入的更复杂的功能而运行。
至此为止已描述了LLC编码模式。如上所述，如果有时编码不能减小比特速率，则信号可只作为简单DSD被存储。这个数据模式被称为LLC简单模式，以及被显示为
LLC比特被设置为数值“0”，以表示该帧包含简单的DSD。跟随在LLC比特后面的比特被用来以简单格式存储水印的DTS_X_Bit。DTS_X_Bit后面跟随简单的DSD数据。这确保每个编码的块包含DTS_X_Bit，而不管它是编码的DSD还是简单的DSD块。这具有这样的优点，DTS_X_Bit的串行数据流不依赖于所使用的格式，另一方面，简单DSD的简单DTS_X_Bit确实可被改变，而不会对简单DSD中的块的信号内容有任何伤害。然而，由于简单DSD是大多数情况中的例外，将会有绰绰有余的未中断的编码的DSD块以全部长度来载送水印。
在本发明的另一个实施例中，通过改变参量的一个以上的LSB，而把一个以上的补充比特嵌入到无损编码信号。无论每帧嵌入两个比特，例如，第一音频信道的第一和第二预测滤波器系数a1(0)，a2(0)是无用的。这两个比特可被使用来表示以下的信息
由于每帧只提供一个水印比特供使用，水印信息必须以串行数据格式被写入。所以，同步符号“10”用来检测水印信息的开始部分。
权利要求
1．借助于辅助信息(p)编码数据(e)的方法，其特征在于，为了嵌入补充数据(x)，补充信息(x)被插入到数据(e)中，以及为编码补充数据所需要的补充信息(pw)从其它数据(a0(1))中得出。
2．用于提取如权利要求1限定的、编码数据的补充数据的方法。
3．通过把数据划分成帧、确定对于每帧的参量组、应用一个由参量组控制的算法减小输入信号的数据速率而编码输入数据的方法，由此，编码的数据包括参量组或可被使用来得出参量组的至少的数据和数据速率减小的信号，其特征在于，为了把补充数据(y)嵌入到编码的信号，参量组由补充数据(y)来改变。
4．用于提取如权利要求3所限定的、被嵌入到编码信号的参量组中的信息的方法。
5．包括如权利要求1或3要求的编码数据的信号。
6．带有如权利要求5要求的记录信号的数据载体。
7．用于执行如权利要求1，2，3，或4要求的方法的装置。
8．带有如权利要求2和/或4所限定的装置的重放设备。
9．如权利要求7要求的重放设备，其特征在于，它是发布用于音频和音频-可视媒体的软盘单放机。
全文摘要
有两种把补充数据(例如,用于水印)嵌入到编码信号的方法。(Ⅰ)对于需要用于编码的辅助信息(在这里,=概率信息)的编码器,编码补充数据的辅助信息是从在编码过程中使用的其它数据中得出的。这样,得出的辅助数据不需要被存储,这使得嵌入从比特总量看来是经济的。(Ⅱ)在用于超级音频CD的编码过程中,一组参量(例如,滤波器系数)被编码器使用,由此,必须存储这些参量,因为需要它们用于译码。对于嵌入的补充数据,至少一个选择的参量(例如,第一系数的LSB)根据要被嵌入的补充数据的数值被设置为专用的数值。因此,比特速率将不受影响。
文档编号H03M7/36GK1296701SQ00800329
公开日2001年5月23日 申请日期2000年1月10日 优先权日1999年1月13日
发明者F·L·A·J·卡姆珀曼, A·A·M·L·布吕克尔斯, R·J·范德弗洛伊滕 申请人:皇家菲利浦电子有限公司