对承载用于对音频或视频信号添加水印的有效载荷数据的符号进行编码/解码的方法及设备

摘要

水印信息(表示为WM)由若干符号组成，这些符号通过参考序列调制被连续地嵌入于音频或视频信号中。在解码器侧，通过将所接收的信号与相应的参考序列进行相关，来恢复WM。这些符号构成水印数据帧。本发明针对每个有效载荷符号中的比特值“0”和“1”以及水印数据帧中的每个有效载荷符号使用不同的参考序列，而不使用同步符号。在WM解码器中执行对数搜索以减少所要执行的相关计算的次数。本发明使得对关键声音信号的水印添加更为健壮。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对承载用于对音频或视频信号添加水印的有效载荷数据的符号进行编码的方法及设备，并且涉及一种对承载着添加水印后的音频或视频信号的有效载荷数据的符号进行解码的方法及设备。

背景技术

水印信息(表示为WM)由若干符号组成，这些符号被连续地嵌入于承载内容，如(编码后的)音频或视频信号中，以例如标识这些信号的作者。例如，在将扩频(spread spectrum)用作基本技术的情况下，通过将所接收的信号与已知的m-序列进行相关，在解码器侧恢复WM。大多数WM技术发送用于纠错的冗余比特。

在许多音频水印添加系统中，以帧的形式来组织有效载荷数据。帧以一个或多个同步符号开始，后接一个或多个有效载荷符号。同步符号信号仅仅是有效载荷比特的开始，而有效载荷符号承载包括用于纠错的比特在内的实际有效载荷比特。图3的上半部分示出了3个连续帧FR_n-1、FR_n和FR_n+1。帧包括：用于检测解码器侧帧起始位置的多个同步块SYNBL(至少一个同步块)、以及承载实际信息的多个有效载荷块PLBL(至少一个有效的有效载荷块或符号)。根据具体技术，将帧以同步或异步方式插入音频流中。有效载荷块的插入是连续进行的，即，在SYNBL块之后有效载荷块的插入获得同步。每个有效载荷块保存一个或多个比特的信息。

许多音频水印添加技术(如，扩频或EP05090261中公开的相位成形(phase shaping))，将某种参考序列嵌入承载信号中。如果使用二进制相位键控(binary phase keying)，则序列的极性对比特值进行编码。对于码移键控(CSK)，针对所发送的比特值的不同值使用不同的序列。图3的下半部分示出了这样的帧：该帧以3个同步符号S1、S2和S3开始，后接8个有效载荷符号Pld1至Pld8。在解码器处或在接收机侧，例如由于受到攻击，无法对所接收的错误水印符号进行解码。接着，对有效载荷数据进行纠错和解码。

发明内容

然而，同步符号SYNBL对于解码来说是必须的。如果在接收机侧不能对所有同步块进行解码，那么即使可以对所有有效载荷符号进行(纠错和)解码，整个帧也将丢失。

本发明要解决的问题是，提供一种水印添加，其中即使正确接收到的同步符号不可用，也可以将有效载荷符号解码。通过权利要求1、3和7公开的方法解决了该问题。在权利要求2、4和8中公开了使用这些方法的设备。

本发明允许发送和对没有同步符号或比特的帧进行解码，虽然额外需要的处理能力很小，但这却出乎意料地使得WM检测更为健壮。在现有技术水印添加处理中使用两个参考序列来表示比特值“0”和“1”。本发明针对帧中的每个有效载荷符号使用不同的参考序列，针对每个有效载荷符号中的比特值“0”和“1”使用不同的参考序列，而不使用同步符号，并且在WM解码器中执行对数搜索以减少所要执行的相关计算的次数。

本发明使得对关键声音信号的水印添加更为健壮，这可以区分接收到WM与根本没接收到WM。

原则上，本发明的编码方法适于对承载用于对音频或视频信号添加水印的有效载荷数据的符号进行编码，所述添加水印利用参考序列进行调制，其中，所述有效载荷数据符号可以通过使用相应的参考序列进行解调在解码侧予以恢复，并且，在所有情况下N个所述有效载荷数据符号一起构成水印数据帧，并为每个有效载荷数据符号分配M个水印数据比特，该编码方法包括步骤：

-使用所述参考序列中的N*2^M个不同参考序列对当前水印数据帧的所述有效载荷数据进行调制，并在未添加同步符号的情况下组合所述当前水印数据帧的所述有效载荷数据符号，其中，每个水印数据比特值对应一个参考序列，N是大于“1”的整数，“M”是大于“0”的整数；

-对所述当前水印数据帧进行心理声学成形，并且将其嵌入所述音频或视频信号中以供输出；

-对于下一个水印数据帧继续执行相应的步骤。

原则上，本发明的解码方法适于对承载添加水印后的音频或视频信号的有效载荷数据的符号进行解码，其中，在所有情况下N个所述有效载荷数据符号一起构成水印数据帧，并为每个有效载荷数据符号分配M个水印数据比特，

并且其中，水印数据帧的所述有效载荷数据是使用N*2^M个不同参考序列进行调制的，并且在未添加同步符号的情况下组合所述水印数据帧的所述有效载荷数据符号，其中，每个水印数据比特值对应一个参考序列，N是大于“1”的整数，“M”是大于“0”的整数，

并且其中，对所述水印数据帧进行心理声学成形，并将其嵌入所述音频或视频信号中，

所述解码方法包括以下步骤：

-将所述添加水印后的音频或视频信号进行谱白化，所述谱白化使所述心理声学成形逆转；

-通过以下步骤对当前水印数据帧的所述调制后的有效载荷数据进行解调，以得到所述有效载荷数据：

a)将所述N*2^M个不同参考序列分成第一半和第二半；

b)将所述第一半的所有参考序列相加，并且将所述第二半的所有参考序列相加；

c)将所述谱白化后的添加水印后的音频或视频信号的相应部分与所述第一半的求和信号相关，并与所述第二半的求和信号相关；

d)如果第一相关强于第二相关，则将所述参考序列的第一半分成第一半和第二半，将所述第一半的参考序列相加并且将所述第二半的参考序列相加，继续执行步骤c)，

否则，将所述参考序列的第二半分成第一半和第二半，将所述第一半的参考序列相加并且将所述第二半的参考序列相加，继续执行步骤c)；

e)如果所述相加所得的求和信号仅包含所述参考序列之一，或者如果所述当前一半仅包含所述参考序列之一，则认为该参考序列是用于解调相应的有效载荷数据符号的正确的参考序列。

原则上，本发明的编码设备适于对承载用于对音频或视频信号添加水印的有效载荷数据的符号进行编码，所述水印添加利用参考序列进行调制，其中，所述有效载荷数据符号可以通过使用相应的参考序列进行解调在解码侧予以恢复，并且，在所有情况下N个所述有效载荷数据符号一起构成水印数据帧，并为每个有效载荷数据符号分配M个水印数据比特，该编码设备包括：

-适于使用所述参考序列中的N*2^M个不同参考序列对当前水印数据帧的所述有效载荷数据进行调制，并在未添加同步符号的情况下组合所述当前水印数据帧的所述有效载荷数据符号的装置，其中，每个水印数据比特值对应一个参考序列，N是大于“1”的整数，“M”是大于“0”的整数；

-适于对所述当前水印数据帧进行心理声学成形，并将其嵌入所述音频或视频信号中以供输出的装置，

据此，此后所述装置继续对下一水印数据帧进行处理。

原则上，本发明的解码设备适于对承载添加水印后的音频或视频信号的有效载荷数据的符号进行解码，其中，在所有情况下N个所述有效载荷数据符号一起构成水印数据帧，并为每个有效载荷数据符号分配M个水印数据比特，

并且其中，水印数据帧的所述有效载荷数据是使用N*2^M个不同参考序列进行调制的，并且在未添加同步符号的情况下组合所述水印数据帧的所述有效载荷数据符号，其中，每个水印数据比特值对应一个参考序列，N是大于“1”的整数，“M”是大于“0”的整数，

并且其中，对所述水印数据帧进行心理声学成形，并将其嵌入所述音频或视频信号中，

所述解码设备包括：

-适于将所述添加水印后的音频或视频信号进行谱白化的装置，所述谱白化使所述心理声学成形逆转；

-适于通过以下步骤对当前水印数据帧的所述调制后的有效载荷数据进行解调，以得到所述有效载荷数据的装置：

a)将所述N*2^M个不同参考序列分成第一半和第二半；

b)将所述第一半的所有参考序列相加，并且将所述第二半的所有参考序列相加；

c)将所述谱白化后的添加水印后的音频或视频信号的相应部分与所述第一半的求和信号执行相关，并与所述第二半的求和信号执行相关；

d)如果第一相关强于第二相关，则将所述参考序列的第一半分成第一半和第二半，将所述第一半的参考序列相加并且将所述第二半的参考序列相加，继续执行步骤c)，

否则，将所述参考序列的第二半分成第一半和第二半，将所述第一半的参考序列相加并且将所述第二半的参考序列相加，继续执行步骤c)；

e)如果所述相加所得的求和信号仅包含所述参考序列之一，或者如果所述当前一半仅包含所述参考序列之一，则认为该参考序列是用于解调相应的有效载荷数据符号的正确的参考序列。

在相应的从属权利要求中公开了本发明的有优势的附加实施例。

附图说明

参考附图描述了本发明的示例实施例，附图中：

图1是本发明的水印信号编码器；

图2是本发明的水印信号解码器；

图3是现有帧构成；

图4是根据本发明的水印帧构成。

具体实施方式

如上所述，使用图3的现有WM帧结构的缺点是，高度依赖于同步符号的检测。例如，在上述帧中的三个同步符号不可检测的情况下，由于不知道哪个恢复值与哪个符号相对应，所以即使可以恢复所有8个有效载荷符号，还是会丢失这8个有效载荷符号。

如图4的帧结构所示，本发明根本不使用任何同步符号，在图4的帧结构中，在每个帧或每个由8个有效载荷符号Pld1至Pld8构成的组之后是下一帧或下一个由8个有效载荷符号构成的组。

帧中的每个符号使用唯一的参考序列来对其有效载荷进行编码。例如，如果每个符号发送一比特，则符号1或有效载荷Pld1使用序列0来对比特值“0”进行编码，并且使用序列1对比特值“1”进行编码，符号2或有效载荷Pld2使用序列2对比特值“0”进行编码，并且使用序列3对比特值“1”进行编码，...，符号8或有效载荷Pld8使用序列14对比特值“0”进行编码，并且使用序列15对比特值“1”进行编码。此后，在后续的帧中，符号1/有效载荷Pld1再次使用序列0对比特值“0”进行编码，并且再次使用序列1对比特值“1”进行编码，等等。

这种处理比使用同步比特要健壮得多，这是因为：可以通过纠错来纠正有效载荷符号中的误差，使得例如即使错过前几个符号还是可以恢复有效载荷，而在使用同步符号的情况下则并非如此。

如果N是每个帧的符号数，M是在每个符号内发送的比特数，则本发明的处理技术需要N*2^M个不同的参考序列，每个参考序列具有以例如16比特表示的长度。然而这还导致要在检测侧执行N*2^M次相关。然而，因为参考序列是正交的或几乎正交的，所以可以使用以下处理技术来极大地减少对每个符号进行解码所需要的相关的次数：

1)将N*2^M个参考序列分成第一半和第二半。

2)将第一半的所有参考序列相加，并且将第二半的所有参考序列相加(这分别表示时域中N*M个模拟信号的相加。输出是两个数字时域求和信号，每个求和信号具有例如16比特的相应长度)。

3)将音频信号的相应部分与第一半的求和信号进行相关，并与第二半的求和信号进行相关。

4)如果第一相关高于或强于第二相关，则将参考序列的第一半分成第一半和第二半，将所述第一半的参考序列相加并且将所述第二半的参考序列相加，继续执行步骤3，否则，将参考序列的第二半分成第一半和第二半，将所述第一半的参考序列相加并且将所述第二半的参考序列相加，继续执行步骤3。

5)如果上述处理技术中的求和信号仅包含一个序列，或者如果当前一半仅包含单个参考序列，则针对当前符号找到了正确的参考序列并退出循环。

在上述示例中，需要8*2¹＝16个参考序列。这意味着，还需要针对每个有效载荷符号计算16次相关。

使用上述处理技术将其减少至：

-与8个序列的和进行2次相关；

-与4个序列的和进行2次相关；

-与2个序列的和进行2次相关；

-与1个序列进行2次相关。

总计，这导致8次相关，从而将必要计算能力减少了一半。

有利地，如果使用具有同步符号的上述已知帧结构，并且每符号发送一个以上比特，即，每符号要测试两个以上参考序列，则可以使用相同的对数查找处理。

在图1的水印添加编码器中，将要用于对音频信号AS添加水印的有效载荷数据PLD输入至可选的纠错和/或检测编码步骤或阶段ECDE，所述ECDE添加冗余比特，冗余比特有助于恢复在解码器中错误检测的符号。阶段ECDE的输出经过调制和谱扩展步骤或阶段MS到达可选的心理声学成形(psycho-acoustical shaping)PAS，其中，如上所述使用例如16个不同的参考序列(即，每有效载荷比特2个参考序列)来调制一个WM帧的8个有效载荷符号，所述PAS对WS信号进行成形使得WM不可闻或不可见。在未添加同步符号的情况下，步骤或阶段PAS接收音频流信号AS并且逐符号地处理WM帧。在完成WM帧的处理之后，输出嵌入音频信号中的相应地添加水印后的帧WAS。此后，继续执行对当前帧之后的帧FR_n+1的处理。

在图2的水印添加解码器中，音频信号的添加水印后的帧经过可选的谱白化步骤或阶段SPW(所述SPW使阶段PAS中实现的成形逆转)以及解扩和解调步骤或阶段DSPDM，所述DSPDM使用上述处理步骤1)至5)从信号WAS中获取嵌入的数据。此后，可以将WM符号传送到纠错和/或检测解码步骤或阶段ECDD，所述ECDD输出有效的有效载荷数据PLD。

本发明不限于使用扩频技术。例如，作为替代，可以使用基于载波的技术或回波隐匿(echo echohiding)技术来实现水印添加编码和解码。