專利名稱：對壓縮的信息信號加水印的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在壓縮的信息信號中嵌入脆弱和魯棒水印的方法。這種壓縮的信息信號的一個典型實例是一個MPEG2視頻信號，在其中視頻圖像由變換系數代表，很大數量的變換系數具有最初值零。
許多尋求保護數字數據的復制保護方案既利用魯棒水印又利用脆弱水印。魯棒水印通常用于表明該數字內容受版權或其它保護。脆弱水印通常用于表明該數字內容是真實的還是已被篡改。旨在使魯棒水印經受得住各種各樣的數字處理操作。這樣，即便主題數據已被處理，例如被壓縮、重新格式化或經因特網或其它數據媒介傳輸，魯棒水印也仍將存在。然而，旨在使脆弱水印被輕易地‘破壞’。這意味著如果主題數據已被變更或篡改，例如，被編輯或重新格式化，那么該脆弱水印數據將被毀壞，因而表明該數據是不再真實的。
在現有技術的應用中，魯棒和脆弱水印算法是結合使用的，力圖確保在其安全數字域外處理的多媒體數據被阻止再進入該安全數字域。在這種應用中，魯棒水印充當一個觸發器。一檢測到該觸發的魯棒水印，一個檢測的應用便搜索該脆弱水印。如果該脆弱水印被破壞或丟失，該應用便知道該主題數據已被處理。這個處理可以包含使用DIVX或經一個模擬系統(通稱為一個傳統裝置)記錄。該檢測的應用則能夠做出是否允許已處理的數據再進入安全數字域的判決。
對壓縮的多媒體數據具有兩個獨立的水印有多種缺點。加水印趨向于使源數據的質量降級，所以兩個水印的添加可能導致雙倍的降級。一個水印的添加可能變更表示一個圖像、聲音或其它對象所要求的數據的量。由于這個原因，加水印處理趨向于要求一個比特率控制機制。兩個水印的添加可能要求一個非常復雜的比特率控制機制，這可能增加相關的設備所要求的處理能力，這不可避免地影響到這種設備的復雜度，以及因此影響到它的費用。
一個進一步的問題是同步。例如，如果魯棒水印存在，它或許不可能去保證脆弱水印在一個壓縮的數據流中的存在。如果脆弱水印丟失了，那么這也許是因為它已被一個黑客移除或者這也許是由于流特性所致。例如，也許只存在太少的系數以致不能成功地嵌入一個脆弱水印。
國際專利申請WO 02/060182 A1公開了一種方法和設備，用于在MPEG壓縮的視頻流中嵌入水印。該水印(一個空間噪聲圖案)通過有效地丟棄最小量化的DCT系數來被嵌入。被丟棄的系數隨后被合并(merge)在剩余系數的游程(run)中。一個系數被丟棄與否的判決是在一個預先計算的水印緩沖器的基礎上、連同對在一個具有給定大小的DCT系數塊中已經被丟棄的系數數量的計數而做出的。該現有技術文檔僅公開了魯棒水印的嵌入。
本發明的實施方案的目的在于克服，或者至少改進上文提及的現有技術的加水印系統所經歷的問題。
根據本發明，在此提供了一種用于在壓縮的信息信號中嵌入魯棒和脆弱水印的方法，使得包含具有一個最初給定值的最初信號采樣和具有一個不同值的另外的信號采樣，其中嵌入該魯棒水印包括步驟—如果修正動作導致修正的信號采樣呈現該最初值，則依照一個水印圖案修正信號采樣；以及—嵌入該脆弱水印包括變更該魯棒水印、使得在該魯棒水印中的所述調節代表該脆弱水印的步驟。
優選地，調節該魯棒水印的步驟包含計數作為嵌入該魯棒水印的結果而在該信號中剩余的‘一’的數量(R)；以及計數作為嵌入該魯棒水印的結果而從該信號中丟棄的‘一’的數量(D)。
優選地，如果R＝0且D＝0，則沒有脆弱凈荷(payload)。
優選地，如果R＝0且D≥1，則沒有脆弱凈荷。
優選地，如果R≥1，D＝0且R的奇偶性匹配于該凈荷比特，則有一個有效的脆弱凈荷。
優選地，如果R≥2，D＝0且R的奇偶性不匹配于該凈荷比特，則最后的‘一’被合并，且有一個有效的脆弱凈荷。
優選地，如果R＝1，D＝0且R的奇偶性不匹配于該凈荷比特，則最后的‘一’被合并，且沒有脆弱凈荷。
優選地，如果R≥1，D≥1且R的奇偶性匹配于該凈荷比特，則有一個有效的脆弱凈荷。
優選地，如果R≥1，D≥1且R的奇偶性不匹配于該凈荷比特，則最后執行的合并被撤銷，且有一個有效的脆弱凈荷。
優選地，脆弱水印包括一個在先前數據幀內容的基礎上計算的散列值。在第一幀的情況下，采用一個零散列值。
根據本發明的第二方面，在此提供了一種通過以下方式來確定一個壓縮的數據信號是否真實的方法，即比較提取的脆弱水印與預期值，并在該預期的值和提取的值不同時確定該壓縮的數據信號為不真實。
優選地，該預期值等于一個先前數據幀的散列值。
優選地，提供被安排去執行依照本發明的實施方案的方法的裝置。
本發明的實施方案有利地提供了一種加水印系統，它使魯棒和脆弱水印都能夠被嵌入到壓縮的數據信號中，而不經歷現有技術的加水印系統中普遍存在的過多數據降級和再同步的問題。
為了更好的理解本發明，并理解可如何實現本發明，本發明將參照附圖，僅通過實例的方式被描述，其中
圖1示出了一種設備的示意圖，用于實行根據本發明的一個實施方案的方法；圖2a-2c和3a-3g例示了本發明的實施方案的操作；以及圖4例示了該水印嵌入處理的一個優選實施方案。
本發明的實施方案利用了上面引用的國際專利申請WO 02/060182A1中公開的發明的某些特征。因此，該文檔的內容據此被整體引入以供參考。對本發明的實施方案的理解可以通過研究上文提及的文檔的某些特征來增強。特別是，它公開了一種算法，其可被應用于壓縮的MPEG數據以便嵌入一魯棒水印。
圖1示出了一種設備的示意圖，實現依照上文提及的文檔的嵌入魯棒水印的方法。該設備包括一個解析單元110、一個VLC處理單元120、一個輸出級130和一個水印緩沖器140。它的操作將參照圖2A-2C和3A-3G被進一步描述。
該設備接收到一個MPEG基本視頻流MPin，它代表一個視頻圖像的序列。一個這樣的視頻圖像在圖2A中以圖例方式示出。該視頻圖像被分割為8×8像素的塊，其中的一塊在圖2A中被指示為201。這些像素塊由各自的8×8DCT(離散余弦變換)系數塊所代表。這樣一個DCT塊的左上部變換系數代表對應的像素塊的平均亮度，并且通常被稱為DC系數。其它的系數代表空間頻率，并且被稱為AC系數。左上部的AC系數代表圖像的粗糙細節，右下部的系數代表精細細節。該AC系數已被量化。量化處理引起DCT塊的許多AC系數呈零值。圖3A示出了一個DCT塊的典型實例300，其對應于圖2A中的像素塊。
DCT塊的系數已依照z字形圖案(圖3A中的301)被依序地掃描，并被進行可變長度編碼。該可變長度編碼方案是一個漢明編碼和游程長度編碼的結合。更特別地，每個零AC系數的游程和一個后續的非零AC系數組成一個游程水平(run level)對，其被編碼進一個信號可變長度碼字中。圖3B示出了DCT塊300的游程水平對。一個塊結束碼(EOB)指示該DCT塊中沒有更多的非零系數。圖3C示出了由該設備接收的代表DCT塊300的可變長度碼字系列。
在一個MPEG2基本視頻流中，四個這樣的DCT亮度塊和兩個DCT色度塊組成一個宏塊，多個宏塊組成一個片(slice)，多個片組成一幅圖片(場或幀)，并且一系列圖片組成一個視頻序列。一些圖片自主地被編碼(I-圖片)，其它圖片被通過運動補償而可預測地編碼(P-圖片和B-圖片)。在后一情況中，DCT系數代表當前圖片的像素與一個參考圖片的像素間的差異，而不是像素本身。MPEG2基本視頻流Mpin被施加到解析單元110。該解析單元部分地解譯該MPEG比特流，并把該流分為代表亮度DCT系數的可變長度碼字(此處及之后VLC)和其它MPEG碼。該單元也搜集信息，如塊的坐標、編碼類型(場或幀)、掃描類型(z字形或隔行的)。VLC和相關的信息被供給VLC處理單元120。其它的MPEG碼被直接加到輸出級130。
要被嵌入的魯棒水印是空間域中的一個偽隨機噪聲序列。在本設備的實施方案中，一個128×128的基本水印圖案被“鋪(tile)”在圖像的范圍上。該操作被示例于圖2B中。為了更形象化，該128×128基本偽隨機水印圖案在此用一個符號W代表。該基本水印的空間像素值被變換為與MPEG流中視頻內容相同的表示。為此，128×128的基本水印圖案被分割為8×8的塊，其中的一個在圖2B中被指示為202。這些塊被進行離散余弦變換和量化。需要注意的是變換和量化操作只需要被進行一次。所計算的DCT系數被存儲在該設備的128×128水印緩沖器140中。水印緩沖器140連接到VLC處理單元120，在其中發生實際的魯棒水印的嵌入。VLC處理單元將被選擇的、代表視頻圖像的可變長度碼解碼(121)為游程水平對，并將系列的游程水平對轉換(122)為一個8×8DCT系數的二維陣列。在修正級123中魯棒水印通過以下方式被嵌入，即給每個視頻DCT塊加上空間上對應的水印DCT塊。代表圖2B中的水印塊202的DCT塊因而被加到代表圖2A中的圖像塊201的DCT塊。然而，依照上文提及的公開內容的一個優選方法，僅僅是通過該操作被轉為零系數的DCT系數被選擇用于加水印的目的。例如，在圖3A中具有值2的AC系數僅當對應的水印系數具有值-2時才被修正。以數學符號表示如果cin(i，j)+w(i，j)＝0那么cout(i，j)＝0否則cout(i，j)＝cin(i，j)其中cin是視頻DCT塊的一個系數，W是空間上對應的水印DCT塊的一個系數，并且cout是對該視頻DCT塊的水印的一個系數。
應當了解，DCT塊中零系數的數量通過該操作而增加，所以被加水印的視頻DCT塊能夠比原始DCT塊更有效地編碼。對于MPEG壓縮信號情況尤其如此，因為新的零系數將被包含在另一個游程水平對的游程(游程-合并)中。重新解碼由一個可變長度編碼器124執行。水印塊被施加到輸出級130，其通過以下方式重新生成了MPEG流，即復制由解析單元110提供的MPRG碼，和插入由VLC處理單元120提供的重新生成的VLC。進一步的，輸出級130可以插入填充比特以使得輸出比特率等于原始視頻比特率。
在上文提及的文檔中公開的一個特殊變例中，僅水印圖案的DCT系數的符號被存儲在水印緩沖器140中，所以緩沖器僅存儲了值+1和-1。這將緩沖器的存儲容量減少到每系數1比特(總共128×128比特)。另外，上文提及的文檔公開了將魯棒水印嵌入僅應用到最有效的DCT系數便足夠了(最有效的系數是那些在zig-zag掃描中首先出現的系數)。這更進一步地減少了存儲器要求。圖3D示出了一個水印DCT塊的典型實例302，其對應于圖2B中的空間水印塊202。
圖3E示出了一個被加水印的視頻DCT塊303，其是通過向視頻DCT塊300添加水印DCT塊302獲得的。在這個特定的實例中，非零系數中僅有一個(圖3A中具有值-1的那個)被轉變為零系數，因為空間上對應的水印系數具有值+1。圖3F示出了被加水印的DCT塊的游程水平對。值得注意的是，前面的游程水平對(1，-1)和(0，2)已被一個游程水平對(2，2)代替。圖3G示出了對應的輸出比特流。游程合并操作在這個特殊的實例中表現為節省了一個比特。
圖2C示出了由設備的輸出信號MPout代表的被加水印的圖像。在該圖中被指示為203的像素塊對應圖3E中被加水印的視頻DCT塊303。圖2C示范了不同水平的魯棒水印，其通過鋪在原始圖像上的不同格式的W字符而嵌入。
上文提及的文檔也公開了幾個變化，可對已公開的設備做出這些變化來達到各種期望的效應。一個特殊的變體是，給定范圍的負DCT系數(例如，-2和-1)通過水印系數值+1被轉變為零，反之，一些正DCT系數(例如+2和+1)通過水印系數值-1被轉變為零。這樣，系統設計師可以進行選擇以根據特殊要求對系統做出各種折衷。
進一步的，MPEG2基本視頻流數據可被場編碼或者幀編碼。上文提及的文檔陳述了水印緩沖器150可被安排為含有兩個不同的水印圖案，一個用于被場編碼的塊，以及一個用于被幀編碼的塊。用于嵌入魯棒水印的圖案則根據輸入視頻流中包含的一個恰當的識別信號來選擇。
在上文描述的用于在MPEG編碼的信號中嵌入魯棒水印的設備中，游程水平對的“水平”部分被改變了。然而，一個水平不是一個AC系數的實際值，而是關于它的一個量化版本。例如，圖3B中的游程水平對(1，-1)事實上可代表一個系數X＝-104。在另一個塊中，同樣的對(1，-1)可代表一個系數X＝-6，這取決于量化器的步長。不必說，把一個AC系數從-104轉變為零的影響，較之把同一個AC系數從-6轉變為零，通常將在嵌入的魯棒水印的可感知性上具有不同的影響。
因而可能需要控制魯棒水印的嵌入處理，以使它對可見性的影響被減少。為此，一個在現有技術嵌入方法中的進一步的變體包含步驟依靠量化器步長來控制被修改的系數的數量和/或位置。
在一個MPEG解碼器中，反量化通過將接收到的水平X(n)與量化器步長相乘來達到。量化器步長被一個加權矩陣W(n)(在一個塊內部修正步長)和一個標度因子QS(從(宏)塊到(宏)塊修正步長)控制。以下的等式指定了MPEG的從解碼出的水平x(n)重構一個AC系數X(n)的算法
X(n)＝x(n)×W(n)×QS其中n指示按照z字形掃描順序的索引。
有各種方式去生成一個被允許修正的系數數量的上界。在一個實施方案中，一個水平x(n)僅當對應的量化步長Q(n)＝W(n)×QS小于預確定的閾值時才可被修正。不同的閾值從而可被用于一個DCT塊中的不同位置(即用于不同的索引n)。
在上文提及的現有技術文檔的另一個變體中，一個塊中被允許修正的系數的最大數量N是量化器標度因子QS的一個函數，以使N隨著QS增加而減少。如果一個人認識到標度因子實際上表明一個DCT塊已被多么強地量化，則該技術的可行性可以容易地被理解。標度因子越大，即量化步長越大，則為了使該影響變得極細微，越少的系數可被改變。這樣的函數的一個實例是N=cQS]]>其中c是一個給定的常數值。
量化器標度因子QS被容納在MPEG比特流中，作為參數quantizer_scale_code(量化器標度碼)和參數Q_scale_type(Q標度類型)的一個結合。參數quantizer_scale_code是一個五比特碼。參數Q_scale_type表明所述碼何處代表在2與62之間的QS值的一個線性范圍，或者在1與112之間的值的一個指數范圍。在兩種情況下，該碼表明步長。據此，在上文提及的函數中的術語QS也可被參數quantizer_scale_code代替。
現有技術文檔WO 02/060182的上文描述被包含是為了通過使用所謂的游程-合并算法而給出對魯棒水印的嵌入的了解和理解。本發明的實施方案是基于該文檔中公開的方法和裝置的修正和增強。
本發明的實施方案能夠在一個處理步驟中同時嵌入魯棒和脆弱水印。現有技術的嵌入魯棒水印的方法在上文中被詳細描述，其是通過選擇性地減少絕對值等于1的系數的數量來有效地操作。本發明的實施方案開發了通過以特定方式解譯剩余的一來嵌入第二個脆弱水印的技術。
在本發明的一個特定的實施方案中，舉例來說，每個數據幀被分割為32個部分，其中每個部分保存一個脆弱凈荷比特(在D1 PAL系統中，這表示每個部分含有大約200個8×8的塊)。用于嵌入脆弱水印的算法可操作，來取決于必須被嵌入的脆弱凈荷數據，而強制在游程合并處理級期間存在偶數或奇數數量的一。如果一的數量是偶數，這表示脆弱凈荷比特等于零。如果一的數量是奇數，這表示脆弱凈荷比特等于一。如果沒有剩余的一，那么那個特定部分不含有一個脆弱凈荷比特。
需要重點注意的是，這種嵌入脆弱水印的方法不是能夠輕易被一個黑客或者其他希望篡改數據的人繞開的。舉例來說，不可能移除所有等于1的系數。這是因為具有絕對值1的系數是在MPEG數據流中最頻繁出現的系數。任何把它們全部移除的企圖都將使數據流變得無用。
本發明的實施方案將一個用已知技術計算出的、先前被加水印的幀的散列值嵌入到當前被加水印的幀之中，使得該散列值充當一個脆弱凈荷。一個32比特的散列值在代表DCT系數的VLC上計算出來，用于一個特定的被加水印的幀。該32比特值的最初的比特則被存儲在下一幀的脆弱凈荷中。在某些環境中，例如，對高度壓縮的流，也許不可能存儲所有32比特。如果是這種情況，則為檢測被加水印數據的改變，僅存儲部分散列值是足夠的。由于沒有幀在首幀(very firstframe)之前，所以首幀的脆弱凈荷被設置為零。
在圖1中公開了一個設備的圖解表示，它適合于執行依照本發明的實施方案的方法。該設備在形式上與前面描述的涉及現有技術的那個是一致的。不同之處在于水印緩沖器140和修正塊123的性質。運作在現有技術設備中的修正塊123根據一個特殊的游程-合并算法嵌入魯棒水印。在本發明的實施方案中，為了除魯棒水印之外還嵌入一個脆弱水印，該游程-合并算法被改寫。
每個接收的數據幀被分割為32個部分。這32個部分中的每一個則被使用現有技術的游程-合并算法加上魯棒水印。嵌入器123執行一個對剩余的一R以及被丟棄的一D的計數。這兩個計數控制了脆弱水印凈荷的性質。另外，嵌入器123能夠撤銷最后執行的合并，并且能夠合并最后一個任意的一，而不管它在DCT變換的被加水印的圖案中的對應系數。在每個部分的結尾(例如，200個8×8的塊之后)，嵌入器123執行以下動作，如下表格中所列。
例如，在嵌入器發現一個或多個剩余的‘一’(R)且沒有被丟棄的一(D)的情況下，那么一個進一步的檢查被執行，它把R的奇偶性與凈荷比特進行比較。上文的表格標明了三個可能的結果，這取決于R的值以及奇偶性比較。
為了在魯棒和脆弱水印被嵌入后檢測它們，可使用不同的技術。魯棒水印可由一個相關性檢測器在一個基帶域中被檢測。如同已經陳述的，旨在使魯棒水印經受得住各種不同的處理步驟，并且它的檢測將充當一個觸發器，讓一個檢測器去搜出脆弱水印。脆弱水印只能夠在數字壓縮域中被檢測。
通過計數每個部分(200個8×8的塊)中絕對值為1的系數的數量，可提取高達32比特的脆弱凈荷。該數量的奇偶性確定脆弱凈荷比特。如果一的數量為零，在對應的200個塊中則沒有凈荷。當脆弱凈荷被從壓縮的數據中提取出時，該幀的散列值從DCT系數中計算出來。在幀的結尾，之前計算的散列值與提取的凈荷相比較。如果值匹配，這表示脆弱水印是完好的，且被加水印的數據可被認為是真實的或未被篡改的。然而，如果沒有匹配，檢測器能夠發信號通知脆弱水印被破壞，表示被加脆弱水印的數據在原始水印被嵌入后已被以某方式處理了。一些其它的應用則可以使用該信息去決定如何對待這個可能不真實的數據。
圖4示例了出現在塊123中的被修正的處理。加水印處理在400開始。在401中魯棒水印如所描述地被嵌入。在該處理之后剩余的“一”的數量(R)在步驟402中被計數。丟棄的“一”的數量(D)在步驟403中被計數。
使用如此計數出的R和D的值，在步驟404中使用之前數據幀的散列值405來嵌入脆弱凈荷。
加水印處理在步驟406結束，但當然，可能如所需的多次重復。
盡管具體參考一個優選的實施方案作描述，但本領域的有技術的讀者將認識到，也可采用其它的、使得被嵌入的魯棒水印被改變去代表一個脆弱水印的方案，并且在此公開的方案只是示范性的。
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本發明不限制于前述實施方案的細節。本發明擴展到在本說明書(包含任何伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的特征的任何新穎個體或新穎結合，或者擴展到如此公開的任何方法或處理的步驟的任何新穎個體或新穎結合。
權利要求
1.一種在壓縮的信息信號中嵌入魯棒和脆弱水印的方法，使得包含具有一最初給定值的最初信號采樣和具有一個不同值的另外的信號采樣，其中嵌入該魯棒水印包括步驟-如果修正動作導致修正的信號采樣呈現該最初值，則依照一個水印圖案修正該信號采樣；以及-嵌入該脆弱水印包括調節該魯棒水印、使得在該魯棒水印中的所述調節代表該脆弱水印的步驟。
2.如權利要求1所述的方法，其中調節該魯棒水印以嵌入該脆弱水印的步驟包含計數作為嵌入該魯棒水印的結果而在該信號中剩余的‘一’的數量(R)；以及計數作為嵌入該魯棒水印的結果而從該信號中丟棄的‘一’的數量(D)。
3.如權利要求2所述的方法，其中如果R＝0且D＝0，則沒有脆弱凈荷。
4.如權利要求2或3所述的方法，其中如果R＝0且D≥1，則沒有脆弱凈荷。
5.如權利要求2至4中任一權利要求所述的方法，其中如果R≥1，D＝0且R的奇偶性匹配于該凈荷比特，則有一個有效的脆弱凈荷。
6.如權利要求2至5中任一權利要求所述的方法，其中如果R≥2，D＝0且R的奇偶性不匹配于該凈荷比特，則最后的‘一’被合并，且有一個有效的脆弱凈荷。
7.如權利要求2至6中任一權利要求所述的方法，其中如果R＝1，D＝0且R的奇偶性不匹配于該凈荷比特，則最后的‘一’被合并，且沒有脆弱凈荷。
8.如權利要求2至7中任一權利要求所述的方法，其中如果R≥1，D≥1且R的奇偶性匹配于該凈荷比特，則有一個有效的脆弱凈荷。
9.如權利要求2至8中任一權利要求所述的方法，其中如果R≥1，D≥1且R的奇偶性不匹配于該凈荷比特，則最后執行的合并被撤銷，且有一個有效的脆弱凈荷。
10.如前述的權利要求中任一權利要求所述的方法，其中脆弱水印包括一個先前數據幀的散列值。
11.如權利要求10所述的方法，其中對于第一數據幀，一個具有零值的脆弱水印被嵌入。
12.一種通過以下方式確定一個壓縮的數據信號是否真實的方法，即比較一個提取的脆弱水印與一個預期值，并在該預期的值和所提取的值不同時確定該壓縮的數據信號為不真實。
13.如權利要求12中所述的方法，其中該預期的值等于在當前幀之前的一幀的散列值。
14.被安排來執行根據前述權利要求中任一權利要求所述的方法的裝置。
全文摘要
公開了一種于在壓縮的信息信號中嵌入魯棒和脆弱水印的方法，使得包含具有一最初給定值的最初信號采樣和具有一個不同值的另外的信號采樣，其中嵌入了該魯棒水印。該方法包括步驟如果修正動作導致修正的信號采樣呈現該最初值，則依照一個水印圖案修正該信號采樣；以及其中嵌入該脆弱水印包括步驟計數作為嵌入該魯棒水印的結果而在該信號中剩余的‘一’的數量(R)；計數作為嵌入該魯棒水印的結果而從該信號中丟棄的‘一’的數量(D)；以及在所述剩余(R)和丟棄(D)的‘一’的基礎上確定一個脆弱凈荷。
文檔編號G06T1/00GK1950842SQ200580013606
公開日2007年4月18日 申請日期2005年4月21日 優先權日2004年4月27日
發明者G·C·蘭格拉爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司