专利名称：鲁棒的检查和的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分析输出信号正确性的方法，所述输出信号从对一个输入信号进行变换而获得。更具体而言，本发明涉及一种检查有损变换正确操作的方法。在这种变换中，部分信号按照信号理论观点被删除，但是，对于人的感知，所述信号基本上维持不变。本发明还涉及一种信号分析器，更具体而言，涉及采用本发明所述方法的接收器和/或发送器。
有损变换被认为与无损变换如例如无损压缩或其它形式的无损数据编码相对照。在信号的无损变换中，在输入信号与输出信号之间维持一对一的关系，或作为另一选择，在信号变换中在所变换的和所接收的信号之间维持一对一的关系。在这个方面，无损编码器提供一个已编码的信号，经过编码后所述信号是与其输出信号从位到位相同的信号。这样，对于这种编码变换即其中信号被编码且在后期阶段被解码的变换，则有可能向数据增加检验装置以确保在变换过程中数据的完整性。这种检验是必要的，因为所接收的数据由于噪声或损坏可能会是错误的。也有可能在解码步骤中，在接收信号之后，因硬件或软件的缺陷引入错误。纯粹未经处理的错误信号的发送当然会导致讨厌的或无法忍受的现象象例如在声频系统中太高的噪声级。
一种检验所接收数据正确性的方法如下在发送器中，得到一个检查和并将其添加到数据中。在接收器中，再次得到一个检查和且将其与从发送器接收到的检查和相比较。如果这两个检查和相等，则认为所述发送是正确的，且如果这两个检验和不同，则认为所接收的数据是错误的。
两个检查和相等意味着，具有大的可能性地是所接收的数据与所发送的数据从位到位相同。所述数据的小变形将引起检查和不同。如果检查和不同，则可以在输出数据后接着进行校正方案，例如数据可以被重新发送、减弱声音或内插。通过这种方式，防止了错误信号的输出或至少将其以可接受的方式进行处理。
在有损编码器中，不能应用上述方法。在有损编码发送中，部分信号将损失，因此出现术语“有损的”。因此，即使在正常条件下，虽然从感知上差异是不相关的，但是在输入与输出信号之间不存在从位到位的精确映射。因此，在发送器侧上数据的检验和将不同于在接收器侧的检验和，因此不同的检验和并不表明信号的错误变换。
本发明旨在克服这个问题并且提供一种检查信号变换正确操作的方法，其中甚至在有损变换中，可以执行鲁棒的检验以确保在变换中数据的完整性。在这一点上，引入术语“鲁棒的”来标识这样一种检验程序，这种检验程序在某种程度上不随数据处理而改变(只要处理保持一个可接受的内容质量)。通过这种方法，即使变换是有损的象例如在其中因为大部分信号与人类感知不相关因而信号被删除的压缩算法中，也可以评定信号变换的正确性。
相应地，本发明的方法包括下述步骤-接收从输入信号得到的第一鲁棒特性，其中输入信号通过信号变换已经被变换成输出信号；-从输出信号得到第二鲁棒特性；以及-识别所述第一鲁棒特性与所述第二鲁棒特性之间的相似程度。
在另一个实施例中，所述方法包括依靠所述相似程度将输出信号校正成已校正的信号。
根据本发明的方法尤其适用于数据传输领域，其中数据(通常以压缩的形式)以其鲁棒特性被传输。因此，在所优选的实施例中，本发明的方法包括下述步骤将输入信号编码成一个已编码的信号，以及传输所述已编码的信号和第一鲁棒特性。
所述方法还可能包括接收一个已编码的信号并且将所述已编码的信号解码成一个输出信号。
虽然鲁棒特性可以在一个单独信道中被发送，但是在本发明的一个特殊实施例中，所述方法包括这样的步骤，即将所述第一鲁棒特性通过水印技术嵌入已编码的信号中。
从每个所述的输入和输出信号中得到鲁棒特性的优选方法是通过将一个信息信号分裂成连续的时间间隔，并且根据每个时间间隔内信息信号的标量属性或矢量属性计算出无用信息值。
在另一个优选的实施例中，从每个所述输入和输出信号中得到鲁棒特性包括将在时间间隔内的信息信号变换成不相交带、计算在每个所述带中信号的属性、将带中的属性与相应的阈值相比较并且通过无用信息(采样)值的相应位表示出所述比较的结果。
所述带可能是一个具有作为频率的函数而增加的带宽的频带。所述属性可能是带的能量；所述属性也可能是带的调子。其它带及其属性也是可行的。
虽然所述方法可以被应用到任何类型的变换，但是当变换是一个有损变换时所述方法被有利地应用。
在一个特定优选实施例中，所述方法包括a)从输入信号中计算出对应于第一时间间隔的第一连续的无用信息值块；b)从输出信号中计算出对应于第二时间间隔的第二连续的无用信息值块，所述第二时间间隔与所述第一时间间隔至少部分重叠；c)从所述第一和第二无用信息值块之一中选择出一个无用信息值；d)在所述第一和第二无用信息值块的另一个中搜寻所述无用信息值；e)计算出所述第一和第二无用信息值块之间的差，在所述第一和第二无用信息值块中，在步骤(d)中发现的无用信息值与在所述第一和第二块另一个中选择出的无用信息值具有相同的位置；f)针对下一个选择的无用信息值重复步骤(c)-(e)，直至所述的差低于预先设定的阈值，或直至所要选择的无用信息值的数量低于预先设定的阈值；g)如果所述的差低于预先设定的阈值则断定所述信号变换的正确操作，或如果所要选择的无用信息值的数量低于预告设定的阈值，则断定所述信号变换的错误操作。
在信号中不存在固定帧边界的情况下，后一实施例则特别地作为优选。
在这个实施例中，所述下一个所选择的无用信息值可能是第一无用信息值块的另一个无用信息值。另外，所述下一个所选择的无用信息值可能通过将从前所选择的无用信息值的位反转而获得。在再一个实施例中，所述方法包括下面的步骤，即接收表示所选择无用信息值位的可靠性的信息，并且使用所述信息来确定是否使用所选择的无用信息值。另外，所述方法还包括这样的步骤，即接收表示所选择无用信息值位的可靠性的信息，并且使用所述信息来确定要被反转的位。
本发明还涉及一种接收器，其包括-用于接收输出信号的装置，所述输出信号通过对输入信号进行信号变换而获得；-用于第一鲁棒特性的接收装置，其中所述第一鲁棒特性从所述输入信号中得到；-用于从输出信号中得到第二鲁棒特性的分析装置；-用于识别从输入信号中得到的第二鲁棒特性与所述鲁棒特性之间相似程度的比较装置。
所述接收器可能是接收这种信号及其鲁棒特性的收音机、电视机、计算机或其它设备，但是它也可能是接收所述信号的一个微电路或电路的一部分。
在另一个实施例中，所述接收器包括响应于比较装置的校正装置，所述校正装置用于将输出信号校正成一个已校正的信号。
在另一个实施例中，所述接收器从发送器接收已编码的信号，所述接收器还包括用于将已编码的信号变换成输出信号的解码装置。
本发明还涉及一个发送器，其适用于发送即将由所述接收器所接收的已编码信号，所述的发送器包括-用于从输入信号中得到第一鲁棒特性的分析装置；-用于将所述输入信号编码成已编码信号的编码器；以及-用于发送已编码的信号和第一鲁棒特性的发送装置。
本发明还涉及一种数据载体，其包括一个对应于多媒体信号的数据信道以及一个对应于与所述多媒体信号相关的鲁棒特性的数据信道。
从附图中本发明的进一步目的和特性将变得显而易见，其中
图1为无损编码过程的示例；图2为从信号中得到鲁棒特性的示例；图3为比较输入与输出信号的鲁棒特性的示例；图4示出将数据传输到接收器的发送器的示意性实施例，其中应用了根据本发明的所述方法。
在所述附图中，相似或相同的部件用相同的数字来注明。
在图1中通过变换信道1示意性例举的无损过程是针对最新研制的用于消费者应用超级音频CD或SACD的高质量音频系统而做的说明，虽然所述过程也可以应用在如例如视频或其它多媒体信号处理的其它技术领域。所述的传输信道1除了别的以外还包括无损编码器2、其中存储由编码器2所编码的信号的盘3以及无损解码器4。为了检查从开始(输入信号5)至结束(输出信号6)的数字音频信号，分别引入检验和7、8。在回放时，比较器9基于帧到帧将无损编码器2之前的输入信号5的检验和与无损解码器4之后的输出信号6的检验和相比较。然后有可能探测出在无损编码/解码变换中的错误，因为一个错误将引起两个检验和之间的差。在输出信号6中有错误的情况下，校正器10将减弱信号的声音或者产生一个已经校正的信号60。对编码系统中的错误进行检查的原因在于这种错误可能导致高电平的噪音信号，这种噪音信号至少令人讨厌。
如图1中所显而易见，在音频编码器2是有损编码器而不是无损编码器的情况下，检查编码/解码变换正确操作的过程并不适合。有损意味着从信号理论意义上讲在输入与输出信号之间存在差异，但是这种差异从感知上是不相关的。这意味着即使在正常条件下输入5与输出6并不是位到位地精确；因此，不可能使用检验和，因为即使当变换被正确执行时，这种检验和也将不匹配。当然，同样在有损编码过程中，一些参数被无损地发送，这样可以使用在这些中间结果中的一些检验和，但是不可能进行开始至结束的检查。
在根据图1的传输信道1中，当音频编码器2是一个有损编码器时，输入与输出信号可能会差异极大(例如通过压缩/解压缩)。然而，人类的感知系统(HPS)在识别“同一性”上不存在问题。如果HPS认为输入与输出信号“相同”，则无用信息功能也应该产生基本上相同的无用信息信号，即可以从相应无用信息信号之间的相似程度中得到信号的“同一性”程度。在这一点上，无用信息功能不应该仅仅能够识别出内容，而且其应该能够识别出时间(间隔)。为此，在此采用鲁棒无用信息的下述定义鲁棒的无用信息是一个使相对于由HPS所察觉到的内容相似性为连续的半唯一位序列与音频内容的每个基本时间单元发生联系的功能。
换句话说，如果HPS识别出两个信号为非常相似，则相关的无用信息值也应该非常相似。更具体而言，如果我们计算原始内容和已变换内容的无用信息值，则无用信息值应该是相同的。另一方面，如果两个信号真地代表不同的内容，则鲁棒的无用信息应该能够辨别这两个信号(半唯一)。通过从鲁棒特性(属性)即基本上随处理不发生改变的特性中得到无用信息功能而获得所要求的无用信息功能的鲁棒性。
图2示出用于从一个输入信号中产生鲁棒特性的装置的一个示意图。在图2实例中为音频信号5的信号是在下采样器(downsampler)11中被首先下采样以减少随后操作的复杂性并且将操作限制到从300-3000Hz的频率范围，这个频率范围对于人类的听觉系统(HAS)最有关联。
在帧形成电路12中，音频信号被划分成具有重叠系数为31/32的帧。所述的重叠以这样的方式被选择，以便于确保随后帧之间无用信息值的高度相关性。通过傅里叶变换电路13计算出每个帧的频谱表达。在下一个块14中，计算出所述(复)傅里叶系数的绝对值。
带划分级15将频谱划分成众多(例如33个)带。在图2中，这由选择器151示意性地示出，每个选择器选择出相应带的傅里叶系数。在装置的优选实施例中，所述带具有对数间距，因为HAS也大约在对数带操作。通过按这种方式来选择带，无用信息值将对处理变化如压缩及滤波较不敏感。在所优选的实施例中，第一带开始于300Hz并且每个带具有一个乐音的调子(即每个带的带宽按照21/12≈1.06的系数增加)。
其次，对于每个带计算出某一(不必要为标量)特征性属性。所述属性的实例是能量、调子及功率谱密度的标准偏差。总体上所选择的属性可以是傅里叶系数的任意函数。用实验方法已经验证每个带的能量是对许多种类处理最为鲁棒的属性。这个能量计算是在能量计算级16中进行的。对于每个带，它包括一个计算所述带中傅里叶系数的绝对值和的级。
为了取得一个二进制的无用信息值，鲁棒属性随后被转换成位。通过计算可能不同帧的鲁棒属性的任意功能并且随后将它与阈值相比较，所述位可以被赋值。所述的阈值本身也可能是鲁棒属性值的另一功能的结果。
在本装置中，位产生电路17将带的能级转换成一个二进制无用信息值。在简单的实施例中，位产生级为每个带产生一位，例如如果能级高于阈值则位为“1”且如果能级低于所述阈值则位为“0”。所述阈值可能从带到带有所变化。作为另一选择，如果一个带的能级大于其相邻带的能级，则这个带被赋予无用信息值位“1”，否则无用信息值位是“0”。本实施例采用后一选择方案的改进版本。对于连续的帧，为了避免音频信号中主要的单频率将产生相同的无用信息值，还考虑了振幅随时间的变化。更具体地，如果一个带的能级大于其相邻带的能级且如果在前面帧中也是同样情况，则这个带被赋予无用信息值位“1”，否则无用信息值位为“0”。无用信息功能的特定形式可能针对不同的实施例有所变化。
为此目的，位产生电路17包括每个带的第一减法器171、帧延迟172、第二减法器173及比较器174。因此一个音频帧频谱的33个能量级被转换成32位无用信息值H(n.m.)。连续帧的无用信息值最终被存储在由计算机19可访问的缓冲器18中。
在图3中示例出从图2中所示的输入信号得到的无用信息值与根据图2中所示的相同方法从输出信号得到的无用信息值相比较。在这点上，存在分别对应于“鲁棒的”无用信息的输入信号和输出信号的两个块20和21，其具有重叠的时间间隔。
在匹配方法的第一实施例中，将假设常常单个无用信息值没有位的错误。单个无用信息值从第一无用信息块20中选择出来并且与第二无用信息块21的无用信息值相匹配。起初，所选择的无用信息值将是第一无用信息块20的最后无用信息值。在图3所示的实例中，这是无用信息值0x00000001。我们讲这个无用信息值存在于位置p，正如从图中示出所述位置p显然没有对应于正确的位置。在进一步的步骤中，计算机计算出在第一无用信息块的无用信息与第二无用信息值块的无用信息之间存在于位置0直至位置p的位错误率(BER，被定义为错误位数与总位数之间的比率)。在下一步骤中，检查BER是低(＜0.25)还是高。如果BER低，则两个无用信息块匹配的可能性高，在这种情况下断定信号变换已经被正确地执行。如果BER高，则或者是信号变换没有被正确地执行，或者是从前所选择的单个无用信息值包含错误。后一种情况将被认为是在这个实例中的情况。然后选择出另一个单个无用信息值，例如如图3所举例说明的最后的一个单个无用信息值。这个无用信息值显然看起来出现在第二块，如图中所示，在正确位置上。如果输入块无用信息与输出块之间的BER看起来低于例如0.25，可以断定所述信号变换的正确操作。
因此计算机在某一时刻仅注意一个单个无用信息值且认为常常这样的单个无用信息值没有位错误。然后已析取的无用信息块的BER与(在时间轴上)对应的无用信息块相比较。如果BER低于阈值，则将断定信号被正确地变换，否则然后将再试另一个单个无用信息值。如果没有一个单个无用信息值导致成功，则断定所述信号变换的错误操作。
上述方法取决于这样的假定，即常常一个析取的无用信息值没有位错误，即其完全等于对应的所存储的无用信息值。然而，当信号被严格地处理时，无用信息值没有任何位错误是不可能的。匹配方法的另一个实施例使用无用信息析取算法的软信息以便在数据库中发现已析取的无用信息值。通过软信息意味着一个位的可靠性或无用信息位已经被正确地检索的可能性。在这个实施例中，用于析取无用信息值的装置包括用于位可靠性确定电路22(见图2)。这个电路接收以实数形式的差分能量带级。如果一个实数非常接近阈值(在这个实例中其为0)，则相应的无用信息位不可靠。如果相反地，这个实数距离所述阈值非常远，则它是一个可靠的无用信息位。图2中的位可靠性确定电路22导出每个无用信息位的可靠性，因此保证计算机19为每个无用信息值产生最有可能选择的无用信息值清单。通过再次假定可选择的无用信息值至少之一是正确的，可以匹配所述的两个无用信息块。
虽然根据本发明的这种方法可以被应用在单电子信号处理装置中，但是通过图4仅描述了该方法的一个示例性应用，在图4中虚线23、24和25分别举例说明了发送器、数据载体和接收器。所述发送器23例如是一个多媒体信号发送器用于传输音频、视频、语音、图形图象等。所述的传输可以是无线传输或通过因特网的传输，事实上任何类型的传输。所述传输也可以通过物理的数据载体如磁盘或CD-rom等来进行。
发送器包括用于从输入信号51中得到第一鲁棒特性72的分析装置71；用于将输入信号编码成一个已编码信号61的编码器装置2；以及用于发送所述已编码信号61及第一鲁棒特性72的发送装置26。所述分析装置71参考图2加以说明且可以被嵌入到硬件、软件等中。同样应用于编码器装置2，其可能是通用的压缩软件或任何类型的专用编码工具。此外，发送装置26可能例如是一台收音机或电视发送器或因特网上的远程服务器。
数据载体24包括对应于多媒体信号61的数据信道27和对应于与多媒体信号51相关的鲁棒特性72的数据信道28。显然地，数据载体24可能是一个物理载体如一个磁盘或CD-rom等，但是它还可能是例如一个通过空气或物理网络传播的电磁信号。
例如将会是电视机、激光唱机或多媒体计算机的接收器25包括下述装置的组合用于接收第一鲁棒特性72的接收装置29；用于从输出信号中得到第二鲁棒特性82的分析装置81；以及用于识别所述鲁棒特性与第二鲁棒特性72之间相似程度的比较装置91。所述接收器还具有响应于比较装置91的校正装置101，其用于将输出信号校正成一个已校正的信号62。接收装置29可以是任何类型的恰当读取装置，其用于拾取数据载体24例如天线、调制解调器或磁性或光学读取单元的数据信道27和28。
对本领域的普通技术人员很清楚的是本发明并没有被局限于参考附图所说明的实施例，而是可能包括其中所有类型的变化。这种变化被认为处在所附权利要求的保护范围之内。
参考号1.变换信道2.无损编码器3.盘4.解码器5.输入信号6.输出信号7.检验和8.检验和9.比较器10.校正器11.下采样器12.帧形成电路13.电路14.块15.级16.能量计算级17.电路18.缓冲器19.计算机20.输入块21.输出块22.电路23.发送器24.数据载体25.接收器26.发送装置27.数据信道28.数据信道29.接收装置
权利要求
1.一种分析输出信号正确性的方法，所述方法包括下面的步骤-接收所述输出信号，所述输出信号从对输入信号进行变换而获得，-接收第一鲁棒特性，所述第一鲁棒特性从所述输入信号得到，-从所述输出信号得到第二鲁棒特性；以及-识别所述第一鲁棒特性与所述第二鲁棒特性之间的相似程度。
2.根据权利要求1的方法，其进一步包括下面的步骤-根据所述相似程度将输出信号校正成已校正的信号。
3.根据权利要求1或2的方法，其进一步包括下面的步骤-将所述输入信号编码成一个已编码的信号；以及-发送所述已编码的信号和所述第一鲁棒特性。
4.根据前述任何一项权利要求的方法，其进一步包括下面的步骤-接收一个已编码的信号；-将所述已编码的信号解码成输出信号。
5.根据权利要求3或4的方法，其进一步包括通过水印技术将所述第一鲁棒特性嵌入已编码的信号中的步骤。
6.根据前述任何一项权利要求的方法，其特征在于对于每个所述的输入和输出信号，通过下面步骤得到一个鲁棒特性-将一个信息信号分裂成连续的时间间隔；以及-根据每个时间间隔内信息信号的标量属性或矢量属性计算出无用信息值。
7.根据前述任何一项权利要求的方法，其特征在于在每个所述的时间间隔内，通过下面的步骤计算出无用信息值-将在时间间隔内的信息信号变换成不相交带；-计算在每个所述带中信号的属性；-将带中的属性与相应的阈值相比较；以及-通过无用信息(采样)值的相应位表示出所述比较的结果。
8.根据权利要求7的方法，其中所述带是一个具有作为频率函数的增加的带宽的频带。
9.根据权利要求7的方法，其中所述属性是带的能量。
10.根据权利要求7的方法，其中所述属性是带的调子。
11.根据前述任何一项权利要求的方法，其特征在于所述变换是一种有损变换。
12.根据前述任何一项权利要求的方法，其特征在于所述方法进一步包括下面的步骤a)从输入信号中计算出对应于第一时间间隔的第一连续的无用信息值块；b)从输出信号中计算出对应于第二时间间隔的第二连续的无用信息值块，所述第二时间间隔与所述第一时间间隔至少部分重叠；c)从所述第一和第二元用信息值块之一中选择出一个无用信息值；d)在所述第一和第二无用信息值块的另一个中搜寻所述无用信息值；e)计算出所述第一和第二无用信息值块之间的差，在所述第一和第二无用信息值块中，在步骤(d)中发现的无用信息值与在所述第一和第二块另一个中选择出的无用信息值具有相同的位置；f)针对下一个选择的无用信息值重复步骤(c)-(e)，直至所述的差低于预先设定的阈值，或直至所要选择的无用信息值的数量低于预先设定的阈值；g)如果所述的差低于预先设定的阈值则断定所述信号变换的正确操作，或如果所要选择的无用信息值的数量低于预先设定的阈值，则断定所述信号变换的错误操作。
13.根据权利要求12的方法，其中所述下一个被选择的无用信息值是所述第一无用信息值块的另一个无用信息值。
14.根据权利要求12的方法，其中所述下一个被选择的无用信息值通过将从前所选择的无用信息值的位反转而获得。
15.根据权利要求14的方法，其进一步包括下面的步骤接收表示所选择无用信息值位的可靠性的信息，并且使用所述信息来确定是否使用所选择的无用信息值。
16.根据权利要求14的方法，其进一步包括下面的步骤接收表示所选择无用信息值位的可靠性的信息，并且使用所述信息来确定要被反转的位。
17.一种接收器，其包括-用于接收输出信号的装置，所述输出信号通过对输入信号进行信号变换而获得；-用于接收第一鲁棒特性的接收装置，所述第一鲁棒特性从输入信号中得到；-用于从输出信号中得到第二鲁棒特性的分析装置；-用于识别从输入信号中得到的第二鲁棒特性与所述鲁棒特性之间相似程度的比较装置。
18.根据权利要求17的接收器，其进一步包括校正装置，所述校正装置用于根据所述的相似性信号将输出信号校正成一个已校正的信号。
19.根据权利要求17或18的接收器，其特征在于所述接收器包括-用于从发送器接收一个已编码信号的接收装置；-用于将已编码信号变换成输出信号的解码装置。
20.一种发送器，其适用于发送即将由根据权利要求19的接收器接收的已编码信号，其包括-用于从输入信号中得到第一鲁棒特性的分析装置；-用于将所述输入信号编码成已编码信号的编码器；以及-用于发送已编码的信号和第一鲁棒特性的发送装置。
21.一种数据载体，其包括一个对应于多媒体信号的数据信道以及一个对应于与所述多媒体信号相关的鲁棒特性的数据信道。
全文摘要
本发明涉及一种检查其中输入信号被变换成输出信号的信号变换的正确操作的方法。所述方法包括从所述输入信号中得到第一鲁棒特性；从所述输出信号中得到第二鲁棒特性；比较所述第一和第二鲁棒特性；在足够相似的情况下，断定所述信号变换的正确操作，并且在不足够相似的情况下，断定所述信号变换的错误操作。在一个特殊实施例中，所述方法被应用，其中通过水印技术所述第一鲁棒特性被嵌入所述输入信号中，由此获得的信号被发送到接收器以便于检索出对应于所述输入信号的输出信号。
文档编号G06T1/00GK1636325SQ01806622
公开日2005年7月6日 申请日期2001年12月18日 优先权日2001年1月17日
发明者A·A·M·L·布吕克尔斯, J·A·海特斯马, M·范德维恩, A·A·C·M·卡尔克 申请人:皇家菲利浦电子有限公司