为保护一个信号的多个拷贝而嵌入水印

摘要

本发明涉及简化在一个媒体信号(x)的不同拷贝中嵌入水印的方法、装置和信号。将加水印的过程分为两个部分，一部分根据随信号而定的特性，另一部分根据特定于水印的特性。预先确定随信号而定的特性，而特定于水印的特性则在媒体信号的交付时确定。媒体信号(x)的随信号而定的特性(p)在一个特性确定单元(14)中被确定，并被存储在一个信号特性存储器(16)中，使得随信号而定的特性(p)能被用于在媒体信号的不同拷贝中嵌入多于一个的水印(WA，WB，WC)。这样就有可能以较小的时间延迟在同一个媒体信号的多个拷贝中嵌入水印。

说明书

本发明一般涉及媒体信号的加水印的领域，更具体来说，涉及用于简化在媒体信号的不同拷贝中嵌入水印的方法、装置和媒体信号。

为了防止对媒体信号的非法拷贝和分发而对媒体信号加水印是众所周知的。这样，媒体信号的合法所有人就能侦测例如是否某个媒体信号已经被非法拷贝。

随着因特网的引入，通过允许从电子内容交付系统(ElectronicContent Delivery Systems)下载媒体信号，在媒体内容的分发领域内发生了革命。内容提供商于是可以拥有一个包含不同媒体信号的数据库，并能通过因特网把这些媒体信号的拷贝交付给不同的用户。这种内容的购买者于是常常期望对内容的访问的即时的或直接的交付。为了保护这些媒体信号不受非法拷贝，有必要用独特的水印对所分发的每个拷贝加水印。

然而，在许多情况下，加水印是比较耗费时间的，并且牵涉到复杂的计算操作。这意味着如果一个内容提供商要同时向不同的客户发送一个媒体信号的许多拷贝，则对媒体信号的每个拷贝加水印的过程将花费很长时间，这会导致许多客户在相当长的延迟后才能收到他们订购的媒体信号，这在许多情况下是不可接受的。

因此，需要更快地对媒体信号的不同拷贝进行加水印，同时仍然保证每个加了水印的拷贝有独特的水印。

文献“Real-time Concepts for Block-based WatermarkingSchemes(基于块的加水印方案的实时概念)”(作者Michael Arnold和Oliver Lobisch，WEDELMUSIC Conference，2002，Darmstadt，Germany，pp.156-160)描述了一种减少所用的计算时间的系统。其中，一个媒体信号被用两个不同的水印加水印。然后，将该媒体信号的两个加有水印的拷贝存储起来。就在向不同的客户分发该信号之前，以随客户而定的方式将带水印的信号进行混合，以便为不同的客户提供独特的水印。这个技术在媒体信号以帧的形式被提供时的效果最佳。于是，在每个帧边界处，两个带水印的信号中的一个被混合到输出信号中。这样，就能提供一个输出媒体信号，使得逐帧地提供这两个水印的一个序列。该特定的序列于是代表某个客户的水印。该文献此外还描述了使用一种密钥，该密钥确定所述两个水印被提供的次序。文献WO00/56059中也描述了一个类似的系统。

许多类型的加水印不用帧。例如在掩模编码(mask coding)中，有一个连续的符号序列。在这个环境中，水印的混合是可能的。不过难以进行这种混合，并且这样混合的水印还难以检测。有效载荷能力还受到加水印序列中的可能的改变的最大数目的限制。如果加水印算法特性不允许水印的较快变化，并且/或者内容大小较小，则总的有效载荷可能受到限制。由于所述两种水印的存储空间要求，还需要显著地增加用于存储水印的存储容量。

因此需要一种可替代的方法来提供对一个媒体信号的不同拷贝的加水印，这种方法速度更快，同时保证每个带水印的拷贝有独特水印，并且还限制所需的存储量，尤其对于小规模的媒体内容来说允许独特水印的更大变化，并且也能用于那些不使用帧的其它加水印技术。

因此，本发明的一个目的是对一个媒体信号的不同拷贝进行加水印，这种方法速度快，同时仍然保证每个带水印的拷贝有独特水印，它限制所需的存储量，允许独特水印的更大变化，并且能用于不使用帧的加水印技术。

按照本发明的第一个方面，这个目的是通过一种简化在一个媒体信号的不同拷贝中嵌入水印的方法而实现的，该方法包含以下步骤：

确定随一个媒体信号而定的加水印特性；和

存储所述随信号而定的特性，以便当在该媒体信号的不同拷贝中嵌入独特水印时，能使用所述随信号而定的特性。

按照本发明的第二个方面，这个目的也通过一种在一个媒体信号中嵌入水印的方法实现，该方法包含以下步骤：

接收一个媒体信号和随该媒体信号而定的特定加水印特性；以及

在该媒体信号的一个拷贝中根据所述随信号而定的特性而嵌入一个水印。

按照本发明的第三个方面，这个目的还通过一种用于简化在一个媒体信号的不同拷贝中嵌入水印的装置而实现，该装置包含一个服务器单元，该服务器单元包括：

一个特性确定单元，用于确定一个媒体信号的随信号而定的加水印特性；

一个信号特性存储器，用于存储所述随信号而定的特性，以便当在该媒体信号的不同拷贝中嵌入独特水印时，能使用所述随信号而定的特性。

按照本发明的第四个方面，这个目的也通过一个用于在一种在媒体信号中嵌入水印的装置实现，该装置包含：

一个接收单元，用于接收一个媒体信号和随该媒体信号而定的特定加水印特性；以及

一个加水印单元，用于在该媒体信号的一个拷贝中根据所述信号特性而嵌入一个水印。

按照本发明的第五个方面，这个目的也通过一种用于向接收者提供媒体内容的信号实现，该信号包含一个媒体信号和随该媒体信号而定的特定加水印特性。

权利要求2和12旨在向接收者发送媒体信号和至少基于所述随信号而定的特性的信息。

权利要求3和13旨在用所述随信号而定的特性在媒体信号的拷贝中嵌入水印，然后向接收者发送包括一个独特水印的媒体信号。这样，在向接收者交付之前，水印被嵌入。

权利要求4和14旨在在媒体信号的拷贝中混合水印。这使得只用有限的额外处理就能根据有限数目的原始水印而在媒体信号的拷贝中提供独特水印。

权利要求5和15旨在向接收者发送媒体信号和所述随信号而定的特性。这样，被信任的客户自己就能在媒体信号中嵌入独特水印。这也允许事先检查在媒体信号上加水印的效果，从而允许在嵌入之前修改一个水印的随信号而定的特性。

权利要求6、10、16和19旨在在媒体信号中对随信号而定的特性进行无损编码和解码。这样做的优点是，对所述随信号而定的特性的传输不需要额外的带宽。

权利要求7和17旨在用一种人类感应系统的感知模型来确定所述随信号而定的特性。

本发明也具有允许以少量的时间延迟在相同媒体信号的多个拷贝中嵌入水印的优点。与存储几个并行水印的情况相比，这样做的存储要求更小。

因此，本发明背后的总的构思是把加水印过程分解成两部分，一个部分是基于所述随信号而定的特性，另一个部分是基于水印特定的特性。随信号而定的特性被事先确定，而水印特定的特性则是在交付媒体信号时确定的。

本发明的这些和其它方面显见于下文说明的实施例，并将参照这些实施例而得到阐明。

现在将结合以下作为举例的附图更详细地解释本发明：

图1表示按照本发明第一实施例的一种用于简化在一个媒体信号的拷贝中嵌入水印的装置的示意框图；

图2表示图1中的装置工作时所根据的一种简化在一个媒体信号的拷贝中嵌入水印的方法的流程图；

图3表示一种能被用于图1的装置的加水印单元的示意框图；

图4表示按照本发明第二实施例的一种用于简化在一个媒体信号的拷贝中嵌入水印的装置的示意框图；

图5表示按照本发明第三实施例的一种用于简化在一个媒体信号的拷贝中嵌入水印的服务器装置和对应的客户机装置(clientdevice)的示意框图；

图6表示图5中的服务器装置工作时所根据的一种简化在一个媒体信号中嵌入水印的方法的流程图；

图7表示图5中的客户机装置工作时所根据的一种简化在一个媒体信号中嵌入水印的方法的流程图；以及

图8表示按照本发明第四实施例的一种用于简化在一个媒体信号的拷贝中嵌入水印的服务器装置和对应的客户机装置的示意框图。

本发明一般涉及在媒体信号中提供水印的领域，并且特别被安排成用于在电子媒体信号交付系统中提供水印。

图1表示按照本发明第一实施例的一种用于简化在一个媒体信号的拷贝中嵌入水印的装置的示意框图。该装置包括彼此相连接的一个服务器单元10和一个媒体信号交付单元20。现在将结合表示该装置工作时所根据的方法的流程图的图2来解释该装置的功能。该服务器单元包括一个媒体存储器MS 12，其包括多个媒体信号，例如多个音频信号，比如多首歌曲。媒体存储器12与一个分析单元14相连接，该分析单元14确定加水印特性p，所述加水印特性p所根据的是要被加水印的媒体信号x，步骤30。在确定了这些特性之后，分析单元14将这些特性p存储在一个特性存储器PS 16中，步骤32。对于存储器12中的所有信号进行这种确定，并且离线地进行这种确定，也就是说，在向客户或接收者交付一个媒体信号或者客户或接收者请求交付一个媒体信号之前进行这种确定。

当该装置接收到对特定媒体内容的请求时，该服务器单元把信号存储器中的该媒体信号x和对应于该信号的特性p转发到信号交付单元20中的多个加水印单元22、24、26，步骤34。在图1中，表示了三个这样的单元，每个在媒体信号x中嵌入一个独特的水印w_a、w_b、w_c，步骤36。水印w_a、w_b、w_c在这里可以被看作随水印而定的特性。在进行这种嵌入时，加水印单元使用随信号而定的特性p。下文将更详细地说明这是如何做到的。

之后，将带水印的信号x_a、x_b、x_c提供给发送单元28，后者把如此加了水印的媒体信号x_a、x_b、x_c发送到接收者，步骤38。这个发送在图1中用粗箭头表示。在这里，实际的加水印是在线提供的，即在信号要被交付时提供的，这样，加水印在信号就要被交付之前进行，这使得即使有许多客户都希望接收一个媒体信号也能按需交付。该发送当然也是在线提供的。该发送单元是一个适合用于有关传输介质的标准接口，在本例中，所述传输介质是因特网。

用这种装置具有许多优点。有可能以少量的时间延迟在相同媒体信号的多个拷贝中嵌入水印，这是因为所述随信号而定的特性已经预先被确定。与存储几个并行水印的情况相比，其存储要求更小，这是因为仅仅存储了这些信号特性的一个拷贝，随后对于被嵌入在媒体信号的所有水印都使用该拷贝。

这个第一实施例显然有一些变体。首先，有可能只有一个加水印单元而不是三个加水印单元，该加水印单元可提供所有的加水印。于是，该加水印单元将有不同的水印作为输入信息。因此也应当认识到，可以并行地使用更多或更少的加水印单元。另一个显然的改变是，可以把单元10和20组合成单个单元。也可以在一个网络中提供它们，于是，该网络优选地是一个与信号被发往客户时所在的网络分离的网络，当然，这并非必要。也有可能提供几个单元20，每个都与服务器10通信。

现在将参照图3说明如何让一个实际的加水印单元工作。图3表示一个包络调制(envelope modulation)加水印单元22的示意框图。该装置是一个用于对信号样本加水印的装置，所述信号样本例如是音频信号样本，比如PCM样本。不过这只是按照本发明能进行加水印的信号类型的一个例子。应当认识到，本发明的加水印原理既能应用于压缩的音频信号，也能应用于无论是压缩的还是解压缩的图像或视频信号。加水印单元22包括一个带通滤波器44，它对媒体信号x[n]进行滤波，并把经滤波的信号x_b[n]提供给一个乘法单元42，该乘法单元也接收一个水印w_a[n]，并把该水印w_a[n]与经滤波的媒体信号x_b[n]相乘。乘法单元42的输出与一个缩放单元46相连接，该缩放单元用一个缩放参数α缩放来自乘法单元42的输出信号，并把它提供给一个加法单元48，该加法单元也接收媒体信号x[n]。加法单元48的输出于是就是加了水印的媒体信号x_A[n]。缩放因子α被一个信号p[n]控制，这个信号是由随媒体信号而定的加水印特性构成的。这些特性在本例中是根据人类听觉系统的心理声学模型决定的，以便确保水印不是用户或客户可察觉的，或者确保水印是在信号x[n]的一个掩蔽阈值以下被提供的。这些特性高度依赖于媒体信号x，因此被预先计算，并被存储在图1的特性存储器中。对这些特性的计算相当复杂并且需要时间，然而对每个信号只需要进行一次。另外，经带通滤波的信号x_b[n]是固定的，因为它不受水印的影响，并且也能被预先计算，并被存储在特性存储器中。这将使得加水印单元的结构更简单，但是也要求在服务器中有额外的存储空间。应当认识到，随媒体信号而定的加水印特性并不限于是根据人类听觉系统的心理声学模型的。如果媒体信号是一个静止图像或一个视频信号，则使用适当的人类视觉系统的心理视觉模型。因此该模型是一种人类感应系统的模型。关于图3中所示的具体加水印技术的更详细内容，可参看文献“A temporal domainaudio watermarking technique(时域音频加水印技术)”，该文作者为Aweke Negash Lemma、Javier Aprea、Werner Oomen和Leon vande Kerkhof，载于IEEE Transactions on Signal Processing，2003年4月，卷51，1088-1097页，特此引用作为参考。

按照本发明的第二实施例，也有可能把两个水印混合在一起，以便增加水印的有效载荷能力。图4用示意框图表示按照这个第二实施例的用于简化在一个媒体信号的拷贝中嵌入水印的装置。这里的服务器单元10与图1中的服务器单元相同。这里的显著区别是，信号交付单元20包括两个加水印单元22和24而不是三个，该信号交付单元还包括一个配置在发送单元28与加水印单元22、24之间的混合单元50。服务器单元10在这里以与图1中的服务器单元相同的方式工作，因此将不再赘述。加水印单元22和24也以结合图1所述的方式工作，因此将不再赘述。混合器50接收信号x的两个带水印的拷贝x_a和x_b并将它们混合，从而用其中一个水印来对信号x的不同片断加水印，其中加水印的序列由该混合器决定。在图4中，只表示了该混合器的输出信号中的四个片断。然而应当明白，可以提供更多或更少的片断。这样，混合器输出在媒体信号的拷贝中嵌入的水印w_a和w_b的不同组合，其中，在所给的例子中，所述组合的数目可以为16。然而在图中只显示了三个组合，即x_{A，B，A，B}、x_{A，B，B，A}、x_{B，A，A，B}。也要明白的是，如果使用更多的片断，则可能的组合的数目增加。另一个可能的变体是混合两个以上的带水印信号。然后将这样混合的信号提供给发送单元28，用于向不同的客户发送。关于如何进行这种混合的详细内容，见于文献“Real-time Concepts for Block-based Watermarking Schemes”，该文作者为Michael Arnold和Oliver Lobisch，2002年发表于在德国Darmstadt召开的WEDELMUSIC Conference，156-160页，特此引用作为参考。

利用图4中的装置，有效载荷能力得到增加。该装置还允许根据有限数量的原始水印在一个媒体信号的几个拷贝中提供独特的水印而只需要有限的额外处理，因此加水印速度稍慢。

第一和第二实施例是关于一个向客户交付媒体信号的系统来说明的，其中该系统在向客户提供媒体信号之前嵌入水印。这个系统是一个消费者系统，其中客户不是受信任方。然而本发明也适用于其中客户是受信任类型的客户的系统，这种客户例如是一个公司。这个系统例如能被用于向电影院交付携带电影信息的视频信号。

本发明的第三实施例涉及这种环境。图5中以示意框图的形式表示一个用于简化在一个媒体信号的拷贝中嵌入水印的服务器和一个按照这个第三实施例进行水印嵌入的客户机装置。现在也将结合图6和7说明这个系统的功能，图6和7表示所述服务器和客户机装置工作时所根据的方法的流程图。

如上所述，该服务器单元包括一个包含多个媒体信号的媒体存储器MS 12。媒体存储器12与分析单元14相连接，该分析单元14确定加水印特性p，所述加水印特性p所根据的是要被加水印的媒体信号x，步骤58。在确定了这些特性之后，分析单元14将这些特性p存储在存储器PS 16中，步骤60。对存储器12中的所有信号进行这种确定，并且离线地进行这种确定，也就是说，在向客户交付媒体信号之前进行这种确定。服务器单元10也包括一个发送单元52，其发送媒体信号x以及随该媒体信号而定的水印特性p，步骤62。这个发送在图6中用粗箭头表示。此外，优选地用加密方式发送信息。

客户机装置54包括一个接收单元56，所述特性和媒体信号在此被接收，步骤64。该客户机装置也包括一个加水印单元22。接收单元56因此向这个加水印单元提供媒体信号x和特性p，步骤66。该加水印单元然后用所述随信号而定的特性p在该媒体信号中嵌入一个独特水印，步骤68。如果该媒体信号是个视频信号，则该媒体信号然后可以被用于在电影院中向观众显示。不同的客户于是就能在他们接收的媒体信号中嵌入他们自己的独特水印。还能将所述加水印单元安排成嵌入一个随日期和时间而定的水印，使得被显示的媒体信号的拷贝的水印天天改变、时时改变。这样，就更容易追踪非法拷贝和分发。

这样就能在受信任客户处放置简单而受信任的加水印单元，受信任客户然后根据已经预先确定的特性对媒体信号进行本地加水印。内容提供商还能检查内容上的水印的效果，然后人工地修改特定特征p，以使得水印能量在信号的不同帧中更弱或更强。这样，就能确保水印是不可察觉的。

连同媒体信号一起提供所述特性扩大了向客户传输信息所需要的带宽。本发明的第四实施例旨在解决这个问题，以便不需要用于所述特性的额外带宽。

图8中以示意框图的形式表示一个按照本发明的这个第四实施例的系统。图8与图5相似，这里只详细说明差别。其中的服务器包括一个无损编码单元LE 72，它接收媒体信号和特性p，并无损地将所述特性编码在该媒体信号x中，以提供一个修改的信号x’。该修改的信号x’然后被提供给发送单元52，用于向客户发送。客户机装置因此也包括一个无损解码单元74，它从媒体信号中无损地提取特性p，然后把这些特性应用在加水印单元22中。关于如何进行这种无损嵌入的更详细的内容，在欧洲专利申请No.03100093.8中有详细说明，特此引用作为参考。

利用这个第四实施例，就不需要额外的带宽以用于发送所述特性。

除了已经说明的优点之外，本发明还具有许多优点。按照本发明的水印嵌入特别适合用于法庭追踪(forensic tracking)，其中水印被嵌入在通过电子内容交付系统分发的文件中，并被用来跟踪例如在因特网上非法拷贝的内容。