专利名称：用于水印检测的缩放搜索的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及检测在媒体信号中嵌入的附加数据的领域，诸如检测例如在音频信号中的水印，更具体而言，本发明涉及一种使得能够检测在媒体信号中嵌入的附加数据的方法、装置和计算机程序产品，以及一种包括这种使得能够检测的装置的附加数据检测装置。
背景技术：
在媒体信号(诸如音频信号)中提供附加数据是众所周知的，其中所述数据可以是与媒体内容有关的附加信息以及水印，以便保护内容所有者的权利不被侵犯和欺诈。
这里的信号通常以模拟信号的样值的数字形式提供。在数字音频中，例如以离散时间间隔采样模拟信号并使用给定的分辨率量化该样值是常见的。
当在媒体播放器中重放这些信号时，在标称采样频率上无意识的错误会表现为处理的结果，其中重放的数字信号会略有不同并且可能与信号的标称频率相比其频率随时间变化(例如，大约1％)。此外，广播电台会选择来通过将信号缩短到例如4％的音调不变量音速变化而缩短回放时间。因此重放信号的时间缩放就变得困难了。
由于上述举例的改变时间缩放的情况，因此就可能无法检测水印，除非采取一些措施。
WO-03/083859描述了一种解决上述问题的方法。在该文件中，一种可能标上水印的信号首先被构造(framed)，然后计算该被构造的样值的能量。在计算该能量时，执行隐含的下采样以便提供水印估计值。在下采样之后，使用缩放因子执行内插以便再估计在能量计算中的信息损失。在内插之后，提供了水印估计值，该估计值被传递到相关器，该相关器执行估计水印和真实水印之间的相关性。因此，相关值被传递到水印检测器，在那里，进行可能的水印检测。在该系统中，保留不同估计值的缓冲并进行新的内插，直到已经使用了所有的缩放因子变量或者已经检测到了水印。
因此在该现有技术中，首先在能量计算阶段就丢弃信息，然后在内插阶段重建或估计该损失的信息。这对输入信号中提供的信息的使用是不充分的。
因此需要能够检测信号(该信号的时间缩放有可能是错误的)中水印或其他类型数据，这可以提供更有效的对信号中提供的信息的使用。
发明内容
因此本发明的目的是，如果信号已经进行了可能的时间缩放，当检测所述信号中的附加数据时，提供一种更好使用媒体信号中提供的信息的方法。
根据本发明的第一个方面，该目的是通过一种使得能够检测在媒体信号中嵌入的附加数据的方法来实现的，该方法包括以下步骤获得媒体信号的至少一个信号样值，检测所述信号样值的包络并提供第一被提取的窄带包络信号样值，和使用取决于缩放因子变量值的下采样率来下采样该窄带包络信号样值，用来提供第一附加数据估计值的至少一个样值，以便允许检测所述信号样值中的附加数据。
根据本发明的第二个方面，该目的也可以通过一种使得能够检测在媒体信号中嵌入的附加数据的装置来实现，该装置包括包络识别单元，所述包络识别单元提供第一被提取的窄带包络信号样值，和变量缩放下采样单元，用于使用取决于缩放因子变量值的下采样率来下采样该窄带包络信号样值，用来提供第一附加数据估计值的至少一个样值，以便允许检测所述信号样值中的附加数据。
根据本发明的第三个方面，该目的也可以通过一种附加数据检测装置来实现，该附加数据检测装置包括根据第二个方面的使得能够检测附加数据的装置、相关单元和附加数据检测单元。
根据本发明的第四个方面，该目的也可以通过一种使得能够检测在媒体信号中嵌入的附加数据的计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括计算机程序代码，当所述程序加载在计算机上时，其执行
获得媒体信号的至少一个信号样值，检测所述信号样值的包络并提供第一窄带包络信号样值，和使用取决于缩放因子变量值的下采样率来下采样该窄带包络信号样值，用来提供第一附加数据估计值的至少一个样值，以便允许检测所述信号样值中的附加数据。
本发明的优点在于不会不必要地浪费在原始信号中提供的信息。因此，不需要内插步骤来恢复损失的信息。本发明还能够节省存储空间，因为几个不同的附加数据估计值不必同时被存储。此外，进行该计算也相对简单。
本发明的基本思想在于媒体信号样值的包络被检测，而所得到的窄带包络信号然后在使用取决于变量缩放因子的下采样率的情况下被下采样。这允许检测在媒体信号中嵌入的附加数据，而不必试图恢复损失的信息。
权利要求3、9和14在于归一化所提取的窄带信号样值。该特征的优点在于简化或者删除了随后处理第一附加数据估计值的需要，其降低了所需的处理能力。
根据权利要求4和15，第一附加数据估计值被处理，其是检测已经使用一些嵌入方案被嵌入的附加数据所必须的，和/或其能够提供更鲁棒的检测。
根据权利要求5和7，该处理包括以下步骤所处理的数据除以基于具有奇数和偶数索引的样值之和的因子。该措施提供了比第一估计值更好的第二附加数据估计值，尤其如果没有归一化时，从而允许了更加鲁棒地对附加数据的检测。
根据权利要求6，处理的步骤包括从具有偶数索引的样值中减去具有奇数索引的样值，反之亦然，该步骤是需要的，以便检测已经使用双相位窗口整形函数被嵌入的附加数据。
根据权利要求8，第一被提取的窄带包络信号样值被下采样。该措施的优点在于在更少的处理时间和更少的存储器使用方面具有更高的性能。
根据权利要求10和11，通过对输入媒体信号进行平方和低通滤波而进行包络检测，并且所述低通滤波优选地使用其系数匹配信号中所嵌入的附加数据的特性的滤波器来完成的。该特征的优点在于提供了更好的被提取的窄带包络信号，从而获得更好的附加数据估计值。
根据权利要求12，缩放因子变量值被随机选择以用于窄带包络信号样值的下采样。这样做的优点在于加速了平均处理时间。
本发明的这些和其他方面将通过参考以下说明的实施例而变得显而易见和易于理解。
现在将参考附图来更详细地描述本发明，其中图1a和b示意性地示出了用于将水印嵌入媒体信号的升余弦和双相位窗口整形函数；图2示意性地示出了根据本发明第一实施例的水印检测装置，被提供用于使用双相位窗口整形函数嵌入的水印；图3示意性地示出了在图2的水印检测装置中使用的包络识别单元；图4示意性地示出了根据本发明第二实施例的也基于双相位窗口整形函数的水印检测装置；图5示意性地示出了根据本发明第三实施例的也基于双相位窗口整形函数的水印检测装置；图6示意性地示出了根据本发明第四实施例的基于升余弦窗口整形函数的水印检测装置；图7示意性地示出了根据本发明第五实施例的也基于升余弦窗口整形函数的水印检测装置；和图8示意性地示出了包括用于执行本发明教导的计算机程序代码的计算机程序产品。
具体实施例方式
本发明的目的在于检测在媒体信号中嵌入的附加数据。这种附加数据优选地是水印。但是本发明并不限于水印，而是可以应用到其他类型的附加数据。该媒体信号在以下将与音频信号相关地被描述。但是不应当认为本发明限于该类型的信号，而是可以应用在任何类型的媒体信号上，例如图像样值。本说明将进一步主要面向时域水印，但是应当理解其也可以应用于频域水印。
水印通常使用窗口整形函数嵌入在音频信号中，其中图1A示出被称为升余弦的这样一个函数，图1B示出了被称为双相位的另一个这样的函数。这里可以看出，双相位窗口整形函数将水印能量均匀地分布在DC电平周围相反的方向上，而升余弦窗口整形函数将所有的水印能量仅仅放在DC电平的上面或者下面的一个方向上。这意味着根据这两个不同的函数嵌入的水印必须被不同地处理。但是当在音频信号的样值中嵌入水印时如何使用这些函数是本领域所公知的，实现其的一个很好的解释参见WO03/083859，这里全部引入作为参考。
以下，将描述各种水印检测的方法。在本说明书中，不同的索引用来指示信号样值，所述索引为n，m和k。这些索引用来指示已经执行了再采样，因此这些样值的时间缩放在使用不同索引的步骤之间是不同的。
在图2中示出了根据本发明第一实施例的基于双相位窗口整形函数的以水印检测装置10形式的附加数据检测装置。该水印检测装置10显示为虚线框，并包括检测阶段14和估计值提供阶段12。估计值提供阶段12包括连接到归一化单元N的包络识别单元ED。该归一化单元N连接到变量缩放下采样单元VSDS，其又连接到处理单元P，该处理单元P提供水印估计值wd[k]到检测阶段14。该估计值提供阶段12还包括第一低通滤波器LPF1，其连接到包络识别单元ED的输出端和归一化单元N。检测阶段14这里包括相互连接的相关单元C和附加数据或水印检测单元D。该相关单元C还连接到估计值提供阶段12的处理单元P。该水印检测单元D还连接到估计值提供阶段12的变量缩放下采样单元VSDS。
图3示出了包络识别单元ED的实施例。其包括连接到第二低通滤波器LPF2的平方单元SQR。第二低通滤波器LPF2这里可以是其系数匹配所嵌入的水印的特性的滤波器，即它匹配所使用的窗口整形函数，该窗口整形函数在图1中就是双相位窗口整形函数。应当理解，这仅是提供包络识别单元的一种方法。
现在将介绍图2中的装置的功能。包络识别单元ED接收音频信号的样值yb[n]，并对这些样值进行平方和低通滤波以便提供第一被提取的窄带包络信号样值we[n]。该第一被提取的窄带包络信号样值是通过计算输入信号样值的滑动平均而获得的，而平方单元则平方该信号，而低通滤波则提供了该被平方的输入样值的求和，根据下式we[n]=Σi=n+1n+Ts/2y2[i]---(1)]]>其中Ts是非缩放的水印码元周期，i是运行索引。注意到针对除了双相位之外的窗口整形函数，必须相应地选择上述求和的极限。
该第一被提取的窄带包络信号然后被传递到归一化单元N，其使用未加水印的音频信号的估计的包络wp[n]来归一化该窄带包络信号。该估计的包络wp[n]是通过提供第一窄带信号we[n]到第一低通滤波器LPF1而获得的，其中该低通滤波器低通滤波该信号。因此归一化的第一窄带包络信号wn[n]然后被传递到变量缩放下采样单元VSDS，其使用依赖于缩放因子变量值η的变化的下采样比率Tη下采样该信号wn[n]。实际的下采样是根据下式进行的Tη＝(1+η)Ts/2， (2)其中η是所述缩放因子变量，允许其有几个百分比的变化，并且在ηmin和ηmax之间变化，并且这里该缩放因子变量从ηmin开始，然后递增，直到ηmax，如果需要的话。因此，该下缩放的信号wn[k]，其是第一水印估计值，然后被提供到处理单元P，对其进行进一步处理。因为在该实施例中，水印检测是基于双相位窗口整形函数提供的，这意味着该两个相位的水印能量应当相加成正确缩放的信号，以便提供第二水印估计值wd[k]，其能够进行可靠的检测。该处理单元因此根据下式在第一估计信号上执行减法运算wd[k]＝we[2k]-we[2k+1](3)这表示奇数索引的样值从具有偶数索引的样值中减去。此外应当理解该减法也可以以其他方法执行，例如，通过从具有奇数索引的样值中减去偶数索引的样值。
因此所提供的第二水印估计值然后被提供到检测阶段14的相关单元C，该相关单元C将该估计值和参考水印信号进行相关以便提供相关值Rww。该相关值Rww然后被提供到检测单元D，该检测单元D比较该相关值Rww与阈值T。如果该相关值然后超过所述阈值T，那么检测单元D就检测到了水印。但是如果相关值Rww低于所述阈值T，那么检测单元D就调查是否刚使用的该缩放因子η是最后一个，即是否其在该实例中低于ηmax，如果不是，那么其通知变量缩放下采样单元VSDS继续工作。该变量缩放下采样单元VSDS然后增加该缩放因子η，并使用新的缩放因子执行新的下采样，接着是处理和相关。以这种方式，水印检测装置10继续，直到检测到水印或者已经使用了所有的缩放因子。应当理解，该缩放因子变量不必从ηmin到ηmax，也可以从相反方向进行，即从ηmax到ηmin，或者任何其他合适的方式。例如可以随机地选择缩放因子变量，然后也可以将该随机选择与格栅求精算法(诸如在WO03/083859中描述的算法)相结合。通过使用随机选择的缩放因子，平均处理时间将被加速。另一个可能的变型方案就是该缩放因子变量值的选择是根据水印已经被检测的前一个缩放因子。
通过以这种方式执行包络检测和缩放，就可以确保当检测到水印时不会损失重要的信息。通过使用归一化，该第一估计值的处理可以在执行的计算量上进一步大大简化。该方法节省了时间或计算能量或者两者的结合。其还节省了存储空间，因为几个不同的估计值不必被存储。相反，只需要存储一个估计值。所做的计算被进一步相对简化。
根据图4所示的第二实施例的水印检测器，与图2只有一处不同。这里，在包络识别单元ED和归一化单元N之间提供了下采样单元DS。该下采样单元DS下采样该第一被提取的窄带包络信号样值we[n]用于提供第二被提取的窄带包络信号样值we[m]。该第二被提取的窄带包络信号样值we[m]此外被用作输入以便提供未加水印的音频信号的包络的估计值wp[m]。该下采样单元DS以十分低的速率采样该第一被提取的窄带包络信号，例如比原始采样频率低9倍的速率，而不会损失有用信息，也就是具有相同的精度。这只有当满足Nyquist定理才有效，即所述窄带包络的最大频率并不超过所述原始采样频率的1/18，这可以通过适当地选择LPF2来保证。这允许了在更少的处理时间和更少的存储器使用方面具有更高的性能。
根据第三实施例的水印检测装置如图5所示。该装置不同于图4之处在于删除了归一化单元和第一低通滤波器。处理单元P还具有不同类型的处理。因此这里，下采样单元DS的输出端被直接连接到变量缩放下采样单元VSDS。因为在该实施例中没有提供归一化单元，处理单元P具有略微不同的功能方式，以便也提供归一化。
这里，第二估计值wd[k]根据下式提供wd[k]=wn[2k]-wn[2k+1]wn[2k]+wn[2k+1]---(4)]]>因此，这里估计值wd[k]用除法提供，其中分子是在具有偶数索引的样值减去奇数索引的那些样值(反之亦然)情况下的第一估计值的表达式，分母是在奇数索引的样值加到那些具有偶数索引的样值情况下的第一估计值的表达式。
该实施例的优点在于提供了更精确和更鲁棒的检测。这是因为使用了归一化，即表达式4的分母在这里比第一和第二实施例中的估计值更加精确。
对于该第三实施例可以有许多变化。首先，可以排除下采样单元DS，符合图2中的实施例所示，其次，如果包括下采样单元，那么可以将其与变量缩放下采样单元VSDS以及中间缓冲器一起结合成一个再采样单元。
至今为止的描述就是检测使用双相位窗口整形函数所嵌入的水印。此外，也可以将本发明性的概念应用到使用升余弦窗口整形函数所嵌入的水印的检测器中。图6示出了根据本发明第四实施例的这样一个水印检测装置10，其工作符合第一实施例的原理。与图2所示的第一实施例相比，不同之处在于没有处理单元P，因此这里变量缩放下采样单元VSDS直接连接到相关单元C。在所有其他方面，该装置与图2所示的装置相同。这里不需要该处理单元，因为所有的水印能量被使用相同的极性提供，从而不需要再处理它。
图7示出了用于升余弦窗口整形水印信号的水印检测装置的第五实施例，其工作符合第二实施例的装置的原理。与第二实施例唯一的不同之处也在于不需要处理单元。
还应当理解，用于升余弦窗口整形水印信号的水印检测装置也可以符合第三实施例的原理而被提供。根据第六实施例的装置可以看起来象图5的装置，但是其中处理单元P与第三实施例中的装置的工作略有不同。
在该第六实施例中，第二估计值应当根据下式提供wd[k]=wn[k]1L*Σi=k-L/2k+L/2wn[i]---(5)]]>其中L是大于6的整数。
在所有其他方面中，其与根据第三实施例的装置的基本功能相同。根据该第六实施例的装置还可以与根据第三实施例的装置的变型相同。
如上所述，本发明还可以用于嵌入在频域中的水印。在该情况下，可以使用在所有上述实施例中列出的相同结构。但是该检测装置需要构造输入信号，将该构造的信号变换到频域，获取多个帧上面相应的FFT值的绝对值并将其平均，以便提供频域信号样值，然后该频域信号样值被提供给包络识别单元。之后就根据任何一个上述实施例来执行处理。
与用于检测水印的装置和包含这种装置的水印检测装置相关地，已经描述了本发明。该装置的一个或两个优选地以一个或多个包含用于执行根据本发明的处理的程序代码的处理器的形式提供。该程序代码也可以提供在计算机程序介质上，诸如CD ROM 16，其主要如图8所示。然后当来自所述CD ROM的程序加载在计算机上时，就执行上述在本发明装置的单元中的操作。该程序代码还可以例如经由因特网从服务器下载。
应当强调的是，本说明书中使用的术语“包括/包含”是指定某些称述的特征、变量值、常数、步骤或组件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、变量值、常数、步骤或组件的存在或添加。还应当理解，在权利要求中出现的附图标记不应当理解为限制本发明的范围。
权利要求
1.一种使得能够检测嵌入在媒体信号(y)中的附加数据的方法，该方法包括以下步骤获得媒体信号的至少一个信号样值(yb[n])，检测所述信号样值的包络并提供第一被提取的窄带包络信号样值(we[n])，以及使用取决于缩放因子变量值(η)的下采样率来下采样该窄带包络信号样值，用来提供第一附加数据估计值(wn[k])的至少一个样值，以便允许检测所述信号样值中的附加数据。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤检测在所述估计值中是否存在该附加数据，以及在没有检测到所述附加数据的情况下使用另一个缩放因子变量值重复下采样步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤使用所述媒体信号的包络的估计值(wp[n])来归一化所述第一被提取的窄带包络信号(we[n])。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤处理所述第一附加数据估计值(wn[k])，以便提供第二附加数据估计值(wd[k])，其用来检测附加数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述处理包括步骤所述第一附加数据估计值除以基于具有奇数索引的样值和具有偶数索引的样值之和(wn[2k]+wn[2k+1])的因子。
6.根据权利要求4所述的方法，其中获得所述第一附加数据估计值的至少两个样值，并且所述处理包括从具有偶数索引的样值中减去具有奇数索引的样值(wn[2k]-wn[2k+1])，或者反过来。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述处理包括步骤所述第一附加数据估计值除以基于具有奇数索引的样值和具有偶数索引的样值之和(wn[2k]+wn[2k+1])的因子。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤下采样所述第一被提取的窄带包络信号样值(we[n])以便提供第二被提取的窄带包络信号样值(we[m])以便用于随后的处理步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括步骤使用所述媒体信号的包络的估计值(wp[m])来归一化所述第二被提取的窄带包络信号(we[m])。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测包络的步骤包括对所获得的信号样值进行平方和低通滤波。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述低通滤波是使用其系数匹配在所述媒体信号中嵌入的附加数据的特性的滤波器来完成的。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤选择随机缩放因子变量值并在窄带包络信号样值的所述下采样中使用所选择的值。
13.一种使得能够检测嵌入在媒体信号(y)中的附加数据的装置(12)，包括包络识别单元(ED)，所述包络识别单元(ED)提供第一被提取的窄带包络信号样值(we[n])，和变量缩放下采样单元(VSDS)，用于使用取决于缩放因子变量值(η)的下采样率来下采样该窄带包络信号样值，用来提供第一附加数据估计值(wn[k])的至少一个样值，以便允许检测所述信号样值中的附加数据。
14.根据权利要求13所述的装置，还包括归一化单元(N)，用来使用所述媒体信号的包络的估计值(wp[n]；wp[m])来归一化所述第一被提取的窄带包络信号(we[n]；we[m])。
15.根据权利要求13所述的装置，还包括处理单元(P)，用来处理所述第一附加数据估计值，以便提供第二附加数据估计值(wd[k])，其用来检测附加数据。
16.一种附加数据检测装置(10)，包括根据权利要求13的使得能够检测附加数据的装置(12)、相关单元(C)和附加数据检测单元(D)。
17.一种使得能够检测嵌入在媒体信号(y)中的附加数据的计算机程序产品(16)，该计算机程序产品包括计算机程序代码，当所述程序加载在计算机上时，其执行获得媒体信号的至少一个信号样值(yb[n])，检测所述信号样值的包络并提供第一被提取的窄带包络信号样值(we[n])，以及使用取决于缩放因子变量值(η)的下采样率来下采样该窄带包络信号样值，用来提供第一附加数据估计值(wn[k])的至少一个样值，以便允许检测所述信号样值中的附加数据。
全文摘要
本发明涉及一种使得能够检测可能已进行缩放的媒体信号中嵌入的附加数据的方法、装置(12)和计算机程序产品。本发明还涉及一种包括使得能够检测的这样装置的附加数据检测装置(10)。包络识别单元(ED)从输入媒体信号样值(y
文档编号G10L19/018GK1977310SQ200580021895
公开日2007年6月6日 申请日期2005年6月23日 优先权日2004年6月29日
发明者A·N·兰马, L·M·范地柯克霍夫, J·F·阿普雷阿 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司