水印嵌入与检测 【技术领域】
本发明涉及对信息信号加水印的方法和设备，比如对音频或视频信号。本发明也涉及在这些信息信号中检测水印的方法和设备。
【发明背景】
众所周知的一种向视频信号加水印的方法公开在国际专利申请WO-A-99/45705上。在这种方法中，水印图案加入在视频信号中。水印检测器将同样的图案与待检信号关联起来。如果关联的结果超过了给定的界限，就说图案是存在的。图案的存在或者缺少代表了一个信息位。嵌入的水印也可以携带多位有效载荷。在WO-A-99/45705公开的系统中，有效载荷是用一种或者多种基本图案和其中空间位置变化了的版本(version)组成。有效载荷被译码成各种移动向量。水印检测器将每种基本图案和待检信号关联起来，检测这些基本图案彼此的空间位置。此外检测器检测是否这些位置组成了合理的有效负荷。
把水印图案和待检信号关联起来地过程要求水印检测器可以就地存储这些图案的一些版本。鉴于此，最理想的情况是水印系统只采用几种不同的图案。目前正使用的系统对外界是保密的。然而，对于一个黑客而言，即使他不知道这些图案，只要他可以支配相关的嵌入器，他就会危及到系统的安全。他可以向该嵌入器输入任一种信号，并从加水印的版本中将信号提取出来。依赖手边的水印嵌入器的感知模式，这样获得的差信号类似于其它加水印的信号的水印。如果把差信号复合到加水印的信号中(比如从中增加或者剔除)，被嵌入的水印将被消除或者至少不再代表合理的有效载荷。在任何一种情况下，嵌入的水印会失效。
发明目的及概述
本发明的目的是提供一种在信息信号中嵌入及检测水印的更安全的方法和系统，即使黑客手边有他可处置的水印嵌入器也可以确保系统的安全。
为此目的，本发明的方法包含了步骤：对于信息信号的给定性能作分析、确定所述性能的实际值、将不同的水印和上述性能不同的值关联起来、以及将与上述实际值相关的水印嵌入。对应的水印检测方法包括以下步骤：分析信息信号的给定性能、确定所述性能的实际值、将不同的水印和上述性能的不同的值相关联，以及检测与上述实际值相关的水印。
本发明所取得的成果是，嵌入的水印图案是经常变化的，是信息信号内容的函数。如上面所述，提供任一个信号给嵌入器以产生一个类似于水印的信号的做法将不再可行，因为任意的信号具有不同的性能。本发明很大的一个优点是检测器必须存储的不同图案的数目大大减少。所述数目是平衡检测器复杂一安全性能的结果。
信息信号有多种性能可以用来选择被嵌入的水印图案。唯一需要满足的要求是嵌入水印性能的坚固性和不变性。更有利的性能是视频信号亮度值不同分布状态，或者是音频信号频谱的不同形状。
本发明的再一些方面将参考下文描述的实施例予以阐述，从中可以很清楚地了解。这些例子是关于视频信号的水印嵌入及检验，但是可以理解到本发明同样可用于音频信号和其它类型多媒体信号中。
附图的简要描述
图1所示为本发明水印嵌入器的示意图。
图2所示为本发明水印检测设备的示意图。
图3所示为该系统结构，用来说明水印嵌入器和检测设备的工作情况。
图4，5所示进一步说明本发明水印嵌入器的实施例。
图6所示进一步说明本发明水印检测设备的实施例。
最佳实施例的描述
图1所示为本发明水印嵌入器1的示意图。此处假定嵌入的水印代表1位有效负荷。比如，缺少水印表明视频信号可以随意被拷贝，然而出现预先指定的水印表明不允许拷贝该信号。
嵌入器接收一系列图像的形式的输入视频信号I，它包含加法器11，用来把水印图案Wi加入到每张图像中。此外，嵌入器包含了图像分析器12，选择器13和只读存储器14，在只读存储器中存储多种不同的水印图案W1…WN。分析器12接收视频信号，将视频信号的给定性能P作为时间的函数进行分析。分析器12得到的性能P的实际值传递给选择器13。与之相应，选择器选择存储的水印图案W1…WN之一送给加法器11来嵌入。
分析器12可以采用多种形式。我们可以举出一些例子向熟练的人员提供足够的教导，用来设计适当的替代方案。要分析的性能可以是沿着图像亮度值的分布(空间分布)，也可以是沿着一系列图像的亮度值分布(时间分布)。在第一个例子中，分析器把每张图像分成一些子图像，确定这些子图像中哪张具有最高的平均亮度。相关的子图像的序号就是性能P的实际值。在第二个例子中，分析器将每张具有低平均亮度的子图像赋值为0，将每张具有高平均亮度的子图像赋值为1。每一张视频图像有一个n位代码表征，其中n是子图像的序号。相关的n位代码就是性能P的实际值。被分析的性能也可以是局部图像行为。这种分析可以很容易地在频域范围内进行。
图2所示为本发明水印检测器2的优选实施例的示意图。检测器接收被检测视频信号J，它包含有图像分析器22，选择器23和只读存储器24，只读存储器和嵌入器1中的相应部分完全一样。相应地，分析器22分析视频信号同一性能P，和在嵌入器中一样，选择器23从存储图案W1…WN中选择同样的水印图案W。
此外检测器包含了关联电路21，它用来计算采用的水印图案Wi和被检测视频信号每张图像的相关性。如果相关性超过了预先指定的界限，就说选择的水印图案Wi存在(D＝1)，反之，则没有(D＝0)。
更适宜的情况，关联电路21对所选用水印的所有空间位置与图像进行关联。这种关联电路公开在WO-A-99/45705中。它产生一个关联图案，图案表示出对每个水印空间位置都有一个最高峰。WO-A-99/45705中所述，多个尖峰位置可以表示一个有效负荷。然而，正如上面所述的那样，在这个例子中有效负荷是1位拷贝控制信号。检测电路2将把存在两个或者更多尖峰认作无效的有效负荷(D＝0)。
这里假定水印图案W1…WN是保密的，并且不可能通过询问嵌入器和检测电路来找回。正如要结合附图3所介绍的那样，当黑客碰巧有嵌入器可以使用时，本发明可以阻止他侵害系统。在附图3中，一个高明的黑客接收到一个正在被嵌入器la加水印的视频信号V′。信号V′可以是被记录了的信号，此时实际的嵌入操作很久以前就发生了。嵌入器1a是上述附图1中所描述的那种类型。
黑客可以支配一个同样的嵌入器1b。将任一视频信号X施加到该嵌入器中来就地产生一个加水印的视频信号X′。加法器3从加水印版本X′中剔除信息信号X。差信号(很像被嵌入的水印图案)被后面的加法器4和加水印的信号V’组合(相加或者相减)。经这样处理的待检信号V″施加到上述附图2所示的水印检测器2中。
如果没有本发明，嵌入器1a和1b在各自的输入信号中嵌入了同样的水印。这样导致的结果，要么是在待检信号V″中取消水印，要么是由于在不同的位置多次出现水印图案W因而作为无效负荷。在这两种情况下，检测器产生输出信号D＝0，这样黑客袭击就成功了。
而采用本发明，由于原始视频信号V和X中的内容不同，信号V′中的水印Wi(i＝1，…N)一般来说也不同于信号X′中的水印Wj(j＝1，…N)。检测器2的性能分析算法响应信号V″中的内容，它和原始信号V中的内容一样。结果，被检测器2检测的水印图案是已经被嵌入器1a嵌入的水印图案Wi。检测器忽略了附加的不同图案Wj的存在，因而黑客攻击失败了。
可能的办法是向嵌入器1b输入加水印的信号V′而不是任一信号X，以便强迫嵌入器1b和1a一样产生同样的水印Wi。为了避免这个问题，嵌入器1a和1b最好是禁止在已经加水印的信号中再嵌入水印。图4中所示就是这样的一种嵌入器。它和附图1中所示的嵌入器一样包含了同样的加法器11，图像分析器12，选择器13和ROM14。此外它包含了附图2中所示的检测器关联电路21。关联电路21检测输入信号I中是否包含了要被嵌入的水印图案Wi。如果是(D＝1)的情况，就控制开关15来阻止水印图案Wi被多次嵌入。
图5所示为一种用来在视频信号中嵌入多位有效负荷的水印嵌入器的示意图。嵌入器包含如前面附图1所示的加法器11，图像分析器12，选择器13和ROM14。ROM14存储多组水印图案。此外嵌入器还包含编码电路16，用来接收选定的一组基本水印图案Wi，1，Wi，2…同时把多位有效负荷d编码成上述图案的相关位置。基本图案的尺寸较小(比如128×128象素)。由编码器16产生的水印图案被倾斜电路17在图像上倾斜。ROM14对于不同值的信号性能P存储不同组的基本图案。实际施加到编码器16中的基本图案组是由性能P的实际值控制并作为时间函数而变化的。
图6是相应的水印检测器。检测器包含折叠电路25，用来在相关前将128×128象素的图像片段存储和叠合到缓冲器中。此外和附图2中一样，检测器还包括同样的关联电路21，图像分析器22，和只读存储器24。ROM24对于信号性能P的不同值，存储不同的基本图案组。实际被应用到关联电路21的那组基本图案要受到性能P实际值的控制。
需要注意的是，本发明并不限于上面实施例所描述的这些水印系统。例如，众所周知，有一种水印系统，使用n种不同的水印图案，每种图案对应于n位有效负荷中的1位。本发明中，这样的系统中嵌入器和检测设备包含了不同的n个位图案。对应于信号性能的实际值只选择特定的一组。
总之，此处公开了一种在信息信号中嵌入和检测水印的方法和设备。嵌入的水印(Wi)是从众多的水印(W1…Wn)中根据信号的性能P选择出来的。这种性能的一个例子就是由分析电路12计算的当前视频图像亮度值分布。对应的水印检测器进行同样的操作：根据同一信号性能寻找水印。本发明取得的成就是嵌入的水印作为信息信号内容的函数不时地变化，以至于系统不会轻易被黑客攻击。