专利名称：量化水印的方法
量化水印的方法发明领域本发明涉及量化水印视听对象的方法。此外，该发明涉及能执行 所述方法的设备，还涉及用于实施所述方法、可在计算硬件上执行的 软件。而且，该发明涉及根据上述方法而受到量化水印处理的视听对 象。
背景技术：
数字水印包括嵌入辅助信息到视听对象中，例如到视听数据对象 和音频数据对象中。当要求对视听对象进行版权保护时、当监控与这 样的视听对象分发相关的版税时、以及当潜在地提供真实性的指示给 视听对象的买方时，这样的水印是至关重要的。对包括信号S的视听 对象进行水印处理的一种传统方法是添加己知的似噪音信号W来生 成相对应的水印信号(W + W。随后经由计算来生成需要的项々，^> 和干扰项々，^>的自相关，从而完成水印检测。现在人们认为，似 噪音信号添加不是对视听对象进行水印处理的最优方法。量化水印(QIM)提供了一种更先进的水印处理方法，J.Eggers， R. Baiiml， R. Tzchoppe禾卩B. Girod在IEEE Transactions on Signal Processing上的2004年第4期51巻1003-1019页发表表的"Scalar Costa Scheme for information embedding"中对其迸行了描述，例如为 了描述本发明，在此其以引用方式加入。这样的QIM水印处理与宿 主信号s的空间S有关，在该宿主信号s中选择N组代码点Cn; N 是数值上等于将要嵌入的消息数量的参数，即水印荷载。当实施QIM 水印处理时，通过修改宿主信号s而在宿主信号s中嵌入消息m，得 到相对应的信号？，由此-(a) 信号s， 在感知上彼此相近；(b) 水印信号Z比任意其它代码组Cn中的任意其它点更接近
于代码点组Cm中的点，下标"和m具有相互不同的值。为方便起见，代码组的点之间的距离称为网格参数或者量化步长D。上述量化水印(QIM)提供的水印处理方法和方案使用了抖动矢 量量化和失真补偿。抖动矢量量化和失真补偿的这种组合产生一类名 为"失真补偿量化索引调制水印"的技术，其縮写成DC-QIM。虽然在有高斯加性白噪声时QIM式的水印处理方案能够提供最 大的荷载容量，但是在实践中人们发现这样的方案容易受到实际的攻 击，例如伪造者的攻击。这些实际攻击可能包含几何变换，例如应用 到视听信号上的时基修改、视频信号和静止图像的放大、旋转及其它 仿射变换。因此，产生的一个技术问题是QIM式的水印方案对于 蓄意的实际攻击来说是不够鲁棒的。发明内容本发明的目的是提供一种对实际攻击来说更具鲁棒性的水印处 理方案。根据本发明的第一个方面，提供了一种检测嵌在信号中的水印的 方法，所述水印经由量化索引调制(QIM)而嵌在信号内，所述方法包括以下步骤(a) 接收内嵌有水印的信号；(b) 对该信号应用QIM检测，以由此获得水印的第一符号矢量;(c) 处理第一符号矢量，以由此确定应用于该接收信号的几何变换；(d) 把在步骤(c)中确定的几何变换的反变换应用到接收信号，以生成几何标准化接收信号；(e) 对几何标准化接收信号应用QIM检测，以获得表示嵌在接收信号中的水印的第二符号矢量。本发明的优点在于水印对实际的攻击，例如经由仿射(affined) 变换的遮蔽化(obscuration)来说是更具鲁棒性的。优选地，所述方法的步骤(c)包括通过生成其自相关来处理第
一符号矢量，以确定应用于接收信号的几何变换。可选地，所述方法的步骤(b)和(e)用于当包括视听数据对象、 音频数据对象、图像的一个或多个时，处理接收信号。所述方法的好处在于它适用于这些数据对象类型，其已经成为分发程序内容最普 遍使用的现代方式。根据本发明的第二个方面，提供了一种水印检测器，其用于处理 水印信号以生成表示包括在水印信号中的水印的相应符号矢量，所述 检测器用于根据本发明第一方面的方法处理水印信号，并且所述检测器包括用于处理水印的处理器，所述水印是经由量化索引调制(QIM)而加入到水印信号中。根据本发明的第三个方面，提供了一种经由量化索引调制(QIM) 将水印嵌入到信号中以生成相对应的水印信号的方法，所述方法包括 以下步骤(a) 强加自相关结构到水印上；(b) 嵌入与水印相关联的至少一个符号矢量到信号中以生成水 印信号，所述信号受其中具有彼此相似值的符号矢量值的游程分布的 控制。可选地，所述方法用于在信号中嵌入水印，所述信号包括视听数 据对象、音频数据对象、图像的至少一个。可选地，所述方法用于通过在信号的预定区域上重复一个或多个水印符号矢量值来对至少一个符号矢量应用游程控制。可选地，所述方法用于控制具有彼此相似值的符号矢量值的游程 分布。可选地，水印是用一个抖动因子嵌入水印信号中的，该抖动因子的幅度小于用于量化索引调制(QIM)的量化区间。根据本发明的第四个方面，提供了一种嵌入器，其用于将表示水 印的消息矢量嵌入到信号中来生成水印信号，该嵌入器用于根据本发 明的第三方面执行所述方法。根据本发明的第五个方面，提供了存储在数据载体上的并且可在 计算硬件上执行的软件，用于根据本发明的第一方面实施所述方法。根据该发明的第六个方面，提供了存储在数据载体上的并且可在 计算硬件上执行的软件，用于根据本发明的第三方面实施所述方法。根据本发明的第七个方面，提供了根据权利要求6的方法所生成 的水印信号，所述信号包括位于数据载体上或者用于通过通信网络通 信的一个或多个数据对象。应该理解的是，本发明的特征容许在不背离本发明的保护范围下 结合成任意组合。
以下将参考附图，以举例的方式对本发明的实施例进行描述，其中图1是水印信号的两个相邻像素A、 &+1的示意图，其中两个信 号都已经进行QIM编码而嵌入水印荷载数据的"0"值； 图2是由不同样本值所引起的错误编码的示意图； 图3是由不同水印荷载消息值所引起的错误编码的示意图 图4是由已经应用的不同抖动值所引起的错误编码的示意图； 图5是根据本发明的水印检测器的示意图； 图6是根据本发明的水印嵌入器的示意图。
具体实施方式
为了在上下文中描述本发明的实施例，首先阐明使水印更能抵抗 几何变换的三种现有的一般方法。在对被称为"自相关"的视听对象进行水印处理的第一种现有方 法中，对视听对象进行水印处理所使用的水印信号具有已知的自相 关。当向视听对象添加这样的水印信号时，缩放所得的经过水印处理 的视听对象会导致把水印信号的自相关函数加入正在相应地变形的 对象中。当执行水印检测时，从经过水印处理的视听对象中估计嵌入 的水印信号的自相关。自相关估计函数的估计与嵌入水印的自相关函 数的已知版本相比。根据比较结果，就可以确定在执行水印检测之前 已经应用于经过水印处理的视听对象上的任意变形。其后，考虑到变
形，对经过水印处理的视听对象执行第二次水印检测。在对视听对象进行水印处理的第二种现有方法中，添加基准信号 到视听对象，由此生成相对应的水印视听对象；该基准信号也被称为 "注册模板"。水印视听对象的随后几何变换导致也变换包括在其中 的基准信号，但是仍然容易检测到，因此提供了变换的方法。然后能 够对变换后的视听对象应用反变换来生成正确的縮放视听对象，然后 能够容易地提取所述縮放视听对象的水印信号。这样的注册模板的使 用能够与，例如，上述的第一种现有方法相结合。在第三种现有方法中，首先变换视听对象到不变域中，其对有关 几何失真(例如对频域)并不敏感。然后添加水印信号到变换视听对 象以生成相对应的变换和水印视听对象。然后对变换水印视听对象执 行相对应的反变换，以生成加入反变换状态的水印信号的视听对象的 水印版本。在随后的检测时，变换视听对象的水印版本到不变域中， 在那里水印信号是立即可以检测的。上述第二种方法和第三种方法容许提高扩展频谱水印系统以及 上述QIM水印方案的鲁棒性。此外，第一种方法适合于处理几何变 换；本发明针对第一方法不可能直接与QIM结合的问题。这样问题 的出现，原因在于依靠水印嵌入器的第一种方法对信号w进行完全 控制；通过完全控制，嵌入器能够确保信号w的自相关满足预先确 定的关联结构。相比之下，在QIM水印中，信号w的值不仅取决于 水印参数，而且还取决于宿主信号s。因此，嵌入器不能直接强加特 定的自相关结构到信号w上。另外，发明人的理解是，QIM类型的 水印对几何变换通常相对敏感，其能够使这些水印潜在地不可检测。 因此，发明人的理解是，自相关是最好的一种方法，但是有不能直接 与QIM水印组合的缺点。在量化索引调制中，选择固定的量化区间D，构造两个代码组 Q)和C1;区间D也称为量化步长。代码组Q)由量化区间D的偶数 倍组成，而代码组Ct由区间D的奇数倍组成。将要添加水印信号的 视听物体包括由索引j标识的一系列信号样本。每个信号样本由它的 索引j标识，其相应的抖动值为Vj。在简单情况下，抖动值v只能取二进制值0禾[U;抖动值取值为0表示，将分别解释区间D的偶数和奇数倍为0和1值，而抖动值取值为1表示，将分别解释区间D的 偶数和奇数倍为1和0。这样的QIM水印处理能够应用到视听对象 的K长度上，即信号f Gp ...，化)。信号s，即(&，…，化)，使 用分别具有消息—(&， ...， 6k)的水印来进行水印处理，由此对于 每个索引j，取决于消息值6j和抖动值Vj，信号A移动到区间D的最 接近的倍数；消息6也称为符号矢量。虽然在此描述的实施例中消息 6是二进制比特串，但是应该理解的是，消息6能够来源于更大的字 母表{0， 1， ...， M-l}。代码组Co也可以来源于更大的字母表(O， 1，... CM-1}，对于代码组C,也同样如此。这里引用J. Eggers等的上述论 文。在对经受了这样的QIM水印处理的给定信号？中的水印进行 检测期间，可以通过将,的分量取整到跨距为量化区间D的网格上， 然后判断每次出现区间D的偶数倍的比特值为0，以此来确定原始的 相应消息6。类似地处理具有0抖动的区间D的奇数倍、具有1抖动 的偶数倍、具有l抖动的奇数倍。QIM水印处理方便地用数学表示为公式1 (式l):<formula>formula see original document page 9</formula>其中s/D是样本值s的量化索引，该索引被取整为偶整数集的移 位版本(即偶整数集减去"v + 6"，由此"6"是值0或者1的任意一 个，由此抖动值"v"能够是位于值-1和+1之间的任意实数)。当消息6的值使得6 = 0或者6 = 1时，相对应的调制索引位于两 个截然不同的子集中。例如，当抖动值v取值为O时，0位与偶整数 相对应；此外，当抖动值v取值为l时，l位与偶整数相对应。当实 施公式1时，应用与区间D相对应的因子进行相乘来恢复样本s的原 始规模。因此，样本s的最大失真值等于区间D。通过计算量化索引、应用抖动补偿，再结合结果的校正奇偶校验， 式2其中》-来自恢复的估计消息值。失真补偿作为QIM水印处理的一部分而被加入。在上文的公式 1中，根据公式3 (式3)能够定义水印样本w为原始样本信号s和水印信号S'之差j'w + iv 式3在公式3 (式3)中，水印样本w解释为由嵌入到样本s里的水 印引入的修改，或者由量化器引入的误差。现在引入附加参数a作为 失真补偿，如公式4 (式4)所示■y'=5 + (a,) 式4当参数a-l时，适合于正常QIM的情况。当参数a-0时，没 有应用实现失真校正的修改。因此参数a能用来控制失真出现的量。如上所述，QIM水印对几何变换敏感。当对QIM水印视听信号 应用这样的几何变换时，变换信号中的样本值将是相对应的原始信号 中的样本值附近加权平均。在图1中提供了这样的值表示，其中有两 个数据对象信号的相邻像素A和受到水印处理，这些像素&和 具有分别由10和20表示的比例。为了传送0位水印荷载数据，像素 10、 20两者都已经量化到合适的级别。中间比例30提供对视听信号 的变换版本中的像素。的内插值。即使像素n的值从具有相同的相对 应图像位的两个样本中内插，像素n也将解码为值l，而不是值0。 这样的错误解码由以下三个潜在的不同原因中的一个或多个所引起(a) 在图像序列中相邻样本之间的值的不同；(b) 嵌在相邻样本处的消息(水印荷载)符号或者位之间的不同；(c) 相邻样本处的抖动值之间的不同。
在图2中，说明了由不同样本值引起的相对于比例40表示的内 插误差。此外，在图3中，说明了由不同的水印荷载消息值引起的相 对于比例50表示的内插误差。另外，在图4中，说明了由已经使用 的不同抖动值引起的相对于比例60表示的内插误差。本发明与由图 2至4中说明的这三个不同原因引起的縮小内插误差有关。在本发明中，添加水印荷载数据到数据对象上的方法包括强加 自相关结构到荷载数据上；自相关结构是已知的，它可以包括，例如， 加在图像中的重复水印图案、经由QIM而加入的重复图案和所控制 的关于稍后阐明的它的游程(nm-length)的图案。当实施所述方法 时，通过根据相对应的水印荷载位h量化每个样本 从而嵌入消息 6。随后恢复水印荷载的互补方法包括以下四个连续步骤步骤l:接收和解码水印信号^ ，就好像没有对其应用几何变 换一样。这样的解码生成与所接收的水印信号大小相同的中间消息 6i。步骤2:通过计算检测消息&的自相关而生成应用几何变换的估计。步骤3:对接收信号S'应用在步骤2中确定的估计几何变换的反变换，来生成几何标准化接收信号r。步骤4:从标准化信号r中解码水印，这样的解码生成输出信息 62，例如位字符串。为了有效地执行本发明的方法，从用于中间消息^所计算的自 相关中获取几何参数；例如，几何参数能够与所应用的縮放或者旋转有关。为了进一步阐明本发明，以下将描述该方法的示例。在该示例中，在信号s中每N个样本重复使用QIM嵌入器嵌入的水印比特串Z)。 在水印比特串6的随后检测期间，当计算出比特串6的自相关时，在 N、 2N、 3N等等位置，自相关函数中的峰值将是可见的。现在假定在该示例中，水印信号s是用因子"进行縮放来形成相 对应的接收信号s'的。接下来，对接收信号Z应用QIM检测器。 因此QIM检测器生成第二比特串&。该第二比特串^将大不同于嵌 入比特串6，但是当计算第二比特串&的自相关时，与重复相对应的峰值将仍是可见的。然而，由于所应用的縮放，现在峰值将在aN、 2aN、 3aN、等等位置处。因此，知道比特串&的N以及确定其自相 关，就有可能估计比例因子"的值。在下一步骤中，具有因子"的縮 放能够通过用因子1/"縮放接收信号^来实现反变换，以生成标准 化信号r。随后对标准化信号r应用QIM检测器，计算比特串62，其 应该与嵌入比特串6有很好的对应性。由于图3中说明的第二原因所引起的误差能够通过编码该消息 (例如比特串，即水印荷载)而减少，因此编码相邻样本将有在其中 编码相似消息值的高概率。这样的更高概率能够通过以下步骤完成(a) 在预先定义好的区域上重复消息值；或者(b) 当在水印处理期间执行消息的编码时，使用游程受限的代 码，其中使用的编码策略能实现具有彼此相似值的消息值的最小游 程。应该理解的是，本发明的方法同样适用于视频数据对象以及音频 数据对象。在该方面，实现最小游程并不局限于l维的情况，例如在 音频数据对象中，而且适用于高阶维数，如用于视听数据对象，例如 视频数据对象的2维和3维。这样的游程控制(其中实现最小游程) 实际上与显著增加包括在嵌入水印信息数据(即水印数据荷载)中的 低频分量相对应。通过强制使抖动信号中有低通内容，能够去掉或者至少减少由如 图4中说明的第三原因引起的误差。此外，通过确保抖动信号具有相 对较小的幅度，例如小于上述区间D，能够进一步减少所引起的误差。举例来说，音频、视听和视频对象，例如数据对象，如上文所示 根据本发明的水印，容许经过数据载体(比如CD、 DVD、小格式光 盘、小格式磁盘)以及经过通信网络(比如因特网)进行通信。此外， 水印嵌入的方法以及在上文描述的水印检测的互补方法容许在硬件 和/或在软件控制下操作的数据处理器中实现。在图6中，示出了根据本发明的水印嵌入器200。嵌入器200， 也被称为编码器，包括用于接收水印数据(即消息6)的第一单元210。
消息6在第一单元210中进行格式化，例如采用游程控制和由此低频 分量，提供的数据在第二单元220中用参数"进行縮放和用相对于区 间D的参数v来进行抖动，从而生成用于输入到第三单元230里的 输出水印消息，在第三单元中，以QIM方式强加该消息到信号s上 以生成水印信号Z 。在图5中示出了水印检测器100，分别包括第一、第二、第三和 第四单元110、 120、 130、 140。第一单元110用于接收水印数据对 象信号？以及以好像没有应用几何变换到信号？ 一样的方式解码 它。该解码动作导致如上文所述的消息&的生成。第二单元120用 于通过对其应用自相关来处理消息&，以确定应用于信号s'的几何 变换的估计E。在第三单元130中，对信号Z应用估计几何变换的 反变换，以生成相对应的标准化接收信号r。第四单元140用于解码 标准化信号r来生成输出信息&。第一、第二、第三和第四单元110、 120、 130、 140分别能够用硬件、或者可在计算硬件上执行的软件、或者软硬件结合的方式来实现。概而言之，量化索引调制(QIM)将信号的样本，例如图像的像 素或者音频信号的时间样本，量化到与将要嵌入到信号中的水印荷载 值相对应的最接近量化级别。在QIM中，量化级别是可选抖动的， 以改善安全性和隐藏干扰。在随后的水印检测期间，执行抖动补偿， 在其后获取来自最接近量化级别的水印荷载。本发明解决了 QIM就几何变换(例如缩放)而言不具鲁棒性的 问题。通过在有加强时间或者空间低频分量的信号中重复嵌入特定的 荷载值序列，在水印嵌入器中解决了该问题。此外，本发明也涉及水印检测的互补方法。该检测方法包括如下 处理步骤(a) 处理接收信号来解码它的荷载，就好像没有对其应用几何 变换一样；这样的处理生成相对应的荷载值序列&，即消息61;(b) 处理消息^来生成该消息^的自相关函数；该自相关产生 表示已经应用到接收信号上的变换类型的自相关峰值；(c) 从在歩骤(b)确定的应用变换中，选取相对应的反变换并
且将其应用于接收信号来生成相对应的标准化信号；(d)处理标准化信号，以便从中提取荷载，即嵌在接收信号中 的水印的消息62。应该理解的是，上文描述的该发明的实施例在没有背离所附权利 要求所限定的该发明的范围下，容许进行更改。在所附权利要求中，包括在括弧内的数字及其它符号用来帮助理 解该权利要求，而不是意图以任何方式限制该权利要求的范围。在解释说明书以及它的相关联的权利要求时，诸如"包含"、"包 括"、"加入"、"容纳"、"是"和"有"之类的措辞应当解释为非排 除的方式，即解释为允许没有明确定义的其它术语或组件也存在。单 数可以解释为复数，反之亦然。该发明总结如下。本发明提供了一种对经由量化索引调制(QIM)而加入信号中的水印进行检测的方法。嵌有水印的信号可以在检测之 前进行几何变换(例如空间或者时间縮放)。为了即使在这样的情况 下也能检测到水印，嵌入器强加自相关结构到嵌入水印数据上，例如 以平铺(tiling)方式。首先，检测器应用传统的QIM检测。该步骤 产生第一符号矢量，当信号未被篡改时其表示嵌入数据，但当信号进 行縮放时其也不泄露嵌入数据。例如，当嵌入器向图像的每个像素中 嵌入一个数据位时，所述图像50%的过采样将使QIM检测器能从3 个过采样的图像像素中获得3个数据位，即从2个原始图像像素中获 得3个数据位。令人惊讶地是，由此获得的第一符号矢量的自相关将 给出特定几何变换(例如特定的縮放因子)的峰值。根据本发明，检 测器计算所述自相关函数，然后使用该结果以应用反变换，即取消缩 放。随后，第二次应用传统QIM检测将接收该嵌入数据。
权利要求
1、对嵌在信号中的水印进行检测的一种方法，所述水印是经由量化索引调制(QIM)而加入所述信号内的，所述方法包括以下步骤(a)接收其中嵌有水印的信号；(b)对所述信号应用QIM检测，以由此获得所述水印的第一符号矢量；(c)处理所述第一符号矢量，以由此确定应用于所述接收信号的几何变换；(d)把在步骤(c)中确定的几何变换的反变换应用于所述接收信号，以生成几何标准化接收信号；(e)对所述几何标准化接收信号应用QIM检测，以由此获得表示嵌在所述接收信号中的水印的第二符号矢量。
2、 权利要求1的方法，其中步骤(c)包括 经由生成所述第一符号矢量的自相关来处理所述第一符号矢量，以确定应用于所述接收信号的几何变换。
3、 权利要求1的方法，其中步骤(b)和(e)用于处理包括视 听数据对象、音频数据对象、图像至少之一的接收信号。
4、 一种水印检测器(100)，其用于处理水印信号以生成表示包 括在所述水印信号中的水印的相应输出符号矢量，所述检测器(100) 根据权利要求l的方法处理所述水印信号，并且所述检测器(100) 包括用于处理所述水印的处理器(110、 120、 130、 140)，所述水印 是经由量化索引调制(QIM)而加入到所述水印信号中的。
5、 经由量化索引调制(QIM)将水印嵌入到信号中以生成相应 水印信号的一种方法，所述方法包括以下步骤-(a)强加自相关结构到所述水印上； (b)将与所述水印相关联的至少一个符号矢量嵌入到所述信号 中以生成所述水印信号，所述信号受其中具有彼此相似值的符号矢量 值的游程分布的控制。
6、 权利要求5的方法，其中所述方法用于将所述水印嵌入到包括视听数据对象、音频数据对象、图像至少 之一的信号中。
7、 权利要求5的方法，其中所述方法用于通过在所述信号的预定区域上重复一个或多个水印符号矢量值 来对所述至少一个符号矢量应用游程控制。
8、 权利要求5的方法，其中所述方法用于实现具有彼此相似值的符号矢量值的最小游程。
9、 权利要求5的方法，其中所述水印是使用抖动因子嵌入所述 水印信号中的，所述抖动因子的幅度小于用于量化索引调制(QIM) 的量化区间。
10、 一种嵌入器(200)，用于将表示水印的符号矢量嵌入到信号 中来生成水印信号，该嵌入器(200)用于执行权利要求5的方法。
11、 存储在数据载体上的并且在计算硬件上可执行的软件，其用 于实施权利要求1的方法。
12、 存储在数据载体上的并且在计算硬件上可执行的软件，用于 实施权利要求5的方法。
13、 根据权利要求5的方法生成的水印信号，所述信号包括位于 数据载体上或者用于通过通信网络进行通信的一个或多个数据对象。
全文摘要
本发明提供了一种对经由量化索引调制(QIM)而加入信号中的水印进行检测的方法。嵌有水印的信号可以在检测之前进行几何变换(例如空间或者时间缩放)。为了即使在这样的情况下也能检测到水印，嵌入器强加自相关结构到嵌入水印数据上，例如以平铺方式。首先，检测器应用传统的QIM检测。该步骤产生第一符号矢量，当信号未被篡改时其与嵌入数据相对应，而当信号进行缩放时其与嵌入数据不对应。例如，当向图像的每个像素中嵌入一个数据位时，图像50％的过采样使QIM检测器能从3个接收像素中获得3个数据位，即从2个原始图像像素获得3个数据位。令人惊讶地是，第一符号矢量的自相关将给出特定几何变换(例如特定的缩放因子)的峰值。根据本发明，检测器计算所述自相关函数，然后使用该结果以应用反变换，即取消缩放。随后，第二次应用传统QIM检测将接收该嵌入数据。
文档编号G06T1/00GK101151637SQ200680010816
公开日2008年3月26日 申请日期2006年3月30日 优先权日2005年4月1日
发明者J·C·奥斯特维恩, J·P·迪朗 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司