способ и устройство для извлечения дополнительных данных из информационного сигнала

Формула изобретения

1. Способ извлечения дополнительных данных из информационного сигнала, содержащего, по меньшей мере, первый (z₁) и второй (z₂) канал, каждый из которых имеет одинаковые выборки (w) дополнительных данных, вставленные в заданные позиции выборки сигнала, заключающийся в том, что сравнивают (62) первую последовательность заданных выборок сигнала первого канала, разделенных заданным числом (М) выборок сигнала, с соответствующей второй последовательностью выборок сигнала второго канала и сдвигают (65) первую и вторую последовательности на одну позицию выборки и повторяют операцию сравнения сдвинутых первой и второй последовательности до тех пор, пока последовательности не будут одинаковыми.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно запоминают (63) выборки данных сигнала, которые являются одинаковыми в сравниваемых последовательностях.

3. Устройство для извлечения дополнительных данных из информационного сигнала, содержащего, по меньшей мере, первый (z₁) и второй (z₂) канал, каждый из которых имеет одинаковые выборки (w) дополнительных данных, вставленные в заданные соответствующие позиции выборки сигнала, содержащее средство (52) для сравнения первой последовательности заданных выборок сигнала первого канала, разделенных заданным числом (М) выборок сигнала, с соответствующей второй последовательностью выборок сигнала второго канала и средство (51) для сдвига первой и второй последовательности на одну позицию выборки, при этом повторяют сравнение сдвинутых первой и второй последовательности до тех пор, пока последовательности не будут одинаковыми.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и устройству для вставки дополнительных данных в информационный сигнал, заключающемуся в том, что вставляют выборки дополнительных данных в заданные определенные позиции информационного сигнала. Изобретение также относится к способу и устройству для извлечения дополнительных данных из такого информационного сигнала.

Уровень техники

Имеется возрастающая необходимость помещать водяные знаки в аудио и видео сигналах. Водяные знаки являются сообщениями дополнительных данных, вставляемыми в мультимедийные ресурсы предпочтительно невидимым для восприятия способом. Они содержат информацию, например, об источнике или статусе авторского права документов и аудиовизуальных программ. Они могут использоваться для обеспечения юридической защиты владельца авторского права и дают возможность поиска пиратства и обеспечивают защиту интеллектуальной собственности.

Известный способ вставки дополнительных данных в информационный сигнал, как определено во вводном разделе, раскрыт, между прочим, в международной заявке на патент WO-A-98/33324. В этом способе, известном из уровня техники, кодовая комбинация водяного знака вставляется в (сигма) дельта-модулированный аудиосигнал. Водяной знак вставляется в закодированный аудио сигнал модификацией его выбранных битов. Например, каждый 100-ый бит заменяется битом кодовой комбинации водяного знака. Операция модификации закодированного аудиосигнала выполняется внутри цепи обратной связи кодера так, чтобы компенсировать действие модификации при последующих операциях кодирования.

Способ, известный из уровня техники, предусмотрен для записи высококачественного звука на аудиоверсии универсального цифрового диска (УЦД). Частота выборки 2822400 Гц (64^* 44100) будет использоваться для получения отношения сигнал-шум 115 дБ. Замена каждого 100-го бита сигма-дельта-модулированного аудиосигнала битом водяного знака за счет только 1 дБ увеличивает шум квантования. Это соответствует частоте бита водяного знака приблизительно 28000 битов в секунду.

Вышеупомянутая заявка на патент WO-A-98/33324 также раскрывает устройство для извлечения водяного знака. Синхронизирующая комбинация бит (далее синхронизирующая комбинация для краткости) помещается в потоке бит для идентификации позиций битов дополнительных данных. Устройство содержит каскад делителя и детектор синхронизации. Каскад делителя делит частоту бит на число битов, на которые биты водяного знака отстоят друг от друга (например, 100, если каждый 100-ый бит сигнала является битом дополнительных данных). Детектор синхронизации изменяет фазу каскада делителя до тех пор, пока не будет обнаружена синхронизирующая комбинация. Такой детектор синхронизации включает относительно длинный регистр сдвига или последовательно-параллельный преобразователь для хранения части потока бит. Если каждый М-ый бит сигнала является битом дополнительных данных и синхронизирующая комбинация содержит N битов, детектор синхронизации должен обязательно хранить (N-1)·M+1 битов.

Заявка Германии на патент DE-A-3717315 раскрывает такой известный детектор синхронизации более подробно. В этой публикации каждый 15-ый бит сигнала является дополнительным битом и синхронизирующая комбинация является 4-битовым словом. В соответствии с этим регистр сдвига (последовательно-параллельный преобразователь 5 на фиг.2 DE-A-3717315) содержит 46 битов.

Для того чтобы уменьшить длину регистра сдвига, предлагается в неопубликованной, ожидающей решения заявке на патент заявителя PHN 17.148 делать промежутки между битами синхронизирующей комбинации значительно меньше, чем промежутки между битами водяного знака. Однако это решение влияет на производительность кодирования и увеличивает отношение сигнал-шум сигма-дельта модулятора.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа вставки дополнительных данных в информационный сигнал, который позволяет обнаруживать позиции битов дополнительных данных альтернативным образом.

В связи с этим способ, в соответствии с изобретением отличается тем, что информационный сигнал содержит, по меньшей мере, два канала сигнала, при этом вставляют одинаковые выборки дополнительных данных в соответствующие позиции упомянутых каналов. Передача синхронизирующей комбинации может быть теперь пропущена, так как позиция вставленных битов водяного знака может быть легко обнаружена при поиске позиций, в которых, по меньшей мере, две выборки каналов являются одинаковыми.

Соответствующий способ извлечения дополнительных данных из информационного сигнала заключается в том, что сравнивают первую последовательность заданных выборок сигнала первого канала с соответствующей второй последовательностью выборок сигнала второго канала, сдвигают первую и вторую последовательности на одну позицию выборки и повторяют операцию сравнения для сдвинутых первой и второй последовательности до тех пор, пока последовательности не будут одинаковы.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает принципиальную схему предпочтительного примера осуществления устройства для вставки дополнительных данных в сигма-дельта-модулированныи аудиосигнал в соответствии с изобретением.

Фиг.2 и фиг.3 изображают форму сигнала для иллюстрации работы сигма-дельта модуляторов, которые изображены на фиг.1.

Фиг.4 изображает форму сигнала для иллюстрации работы устройства для вставки дополнительных данных в сигнал, в соответствии с изобретением.

Фиг.5 изображает принципиальную схему примера осуществления устройства для извлечения дополнительных данных из сигнала.

Фиг.6 изображает блок-схему операций способа для иллюстрации примера осуществления способа извлечения дополнительных данных из сигнала.

Описание предпочтительного примера осуществления

Изобретение будет объяснено со ссылкой на фиг.1, которая изображает принципиальную схему предпочтительного примера осуществления устройства для вставки дополнительных данных в сигма-дельта-модулированный аудиосигнал, в соответствии с изобретением. Устройство принимает стерео аудиосигнал, содержащий сигнал x ₁ левого канала и сигнал х₂ правого канала. Сигналы х₁ и x₂ подаются в обычные сигма-дельта модуляторы 1 и 2, соответственно. Оба сигма-дельта модулятора являются одинаковыми, так что только один из них будет описан.

Сигма-дельта модулятор 1 содержит блок 11 вычитания, фильтр 12 полуволны, детектор 13 полярности и цепь 14 обратной связи. Блок 11 вычитания вычитает закодированный выходной сигнал z ₁ (имеющий уровень + 1В или -1В) из входного сигнала x ₁. Фильтр 12 полуволны фильтрует разностный сигнал. Отфильтрованный сигнал подается в детектор 13 полярности, который создает с частотой, определяемой частотой f_s выборки, закодированный сигнал у, имеющий значение бита “1” (+1B) или “0” (-1В).

Фиг.2 изображает формы сигнала для объяснения работы обычного сигма-дельта модулятора. Более конкретно, фигура изображает входной сигнал х и закодированный сигнал у. Сигма-дельта модулятор создает больше положительных выборок, когда входной сигнал становится большим. Как изображает фигура, входное напряжение -0,5В кодируется как последовательность бит 0001 (три импульса -1В и один импульс +1B), входное напряжение 0В кодируется как высокочастотная комбинация бит 01010 (чередующая импульсы -1В и +1B), а входное напряжение +0,5В кодируется как последовательность бит 1110 (три импульса +1B и один импульс -1В).

Закодированный сигнал декодируется на приемном конце посредством восстановления формы принимаемых импульсов и пропускания их через фильтр нижних частот. В этом упрощенном примере предполагается, что закодированный сигнал демодулируется усреднением 13 выборок сигнала. Демодулированный сигнал х¹ также изображен на фиг.2, не считая временную задержку, вызываемую работой упомянутого фильтра нижних частот. На фигурах демодулированный сигнал х¹, таким образом, является выровненным по времени со входным сигналом х.

Схемы 3 и 4 модификации включены между детектором 13 полярности и цепью 14 обратной связи соответствующих сигма-дельта модуляторов. В ответ на управляющий сигнал с, подаваемый схемой 5 управления, схемы модификации (мультиплексоры) заменяют каждый М-ый бит закодированных сигналов y₁ и у₂ битом w водяного знака. Модифицированные закодированные сигналы z₁ и z ₂ объединяются мультиплексором 6 для формирования единого потока бит для передачи в приемник или записи на запоминающую среду. Сообщение W водяного знака запоминается в регистре 501 схемы 5 управления. Важно заметить, что тот же самый водяной знак W подается в обе схемы 3 и 4 модификации.

Фиг.3 изображает формы сигналов для объяснения работы сигма-модулятора, если соответствующая схема модификации является активной. Фигура изображает тот же самый входной сигнал х, как изображено на фиг.2, и преобразованный закодированный сигнал z. В примере выборка 20 "-1" (фиг.2) закодированного сигнала у заменена на выборку 30 “+1” так, чтобы представлять бит w=1 водяного знака. Поскольку модификация подается обратно на вход, отрицательные последствия модификации будут затем компенсированы каскадом кодирования. Таким образом, часть выходного сигнала z, непосредственно следующая за битом 30 дополнительных данных, отличается от соответствующей части, изображенной на фиг.2. В соответствии с этим демодулированный сигнал х' на фиг.3 также является временно отличным от того же сигнала на фиг.2. Заметим, что выравнивание по времени на фигурах вызывает то, что разница проявляется уже перед тем, как вставляется бит дополнительных данных.

Как будет понятно из сравнения фиг.2 и фиг.3, разница практически едва заметна. Сигма-дельта модулятор для кодирования высококачественных аудио сигналов при частоте выборки f_s=2822400 Гц (64 ^*44100) имеет отношение сигнал-шум 115 дБ. Было обнаружено, что замена 1 выборки на 100 выборок увеличивает шум квантования только на 1 дБ.

Фиг.4 изображает упрощенный пример многоканального аудио потока бит, который создается устройством, изображенным на фиг.1. В этом примере каждый 10-ый бит потоков z₁ и z₂ бит каналов является битом дополнительных данных. Биты w вставленных данных водяного знака заштрихованы на фигуре. Они являются одинаковыми в обоих каналах. Биты закодированного сигнала обычно не одинаковы. Это также верно на практике, если аудио сигнал является моно сигналом. Позиции бит в каждой последовательности М битов пронумерованы 0...М-1.

Будет понятно, что задачей устройства приемника является идентификация позиции бита битов дополнительных данных (m=2 на фиг.4). Это выполняется посредством поиска позиций битов многоканального потока бит, в котором выборки z₁ и z₂ сигнала являются одинаковыми. Если эта задача сформулирована, устройство для поиска этих позиций бит может быть легко сконструировано специалистом в данной области техники. Для иллюстрации теперь будут описаны два примера осуществления.

Фиг.5 изображает принципиальную схему аппаратной реализации устройства для извлечения дополнительных данных из потока z бит, который создается кодером, изображенным на фиг.1. Устройство содержит демультиплексор 50 для демультиплексирования аудио потока z бит в поток z₁ бит, представляющий левый аудиоканал, и поток z₂ бит, представляющий правый аудио канал. Устройство дополнительно содержит счетчик 51 деления на М. Каждый период М-го бита упомянутый счетчик создает импульс синхронизации, представляющий проверяемую позицию текущего бита m (m=0...М-1). Потоки z₁ и z₂ бит подаются в устройство сравнения 52. В ответ на импульс m синхронизации устройство сравнения создает импульс EQ, если текущие подаваемые биты являются одинаковыми, или импульс NQ, если они различны.

Если биты являются одинаковыми, они являются возможными битами водяного знака. В этом случае возможный бит z₂ (или z₁) водяного знака сдвигается в регистре 53 сдвига в ответ на импульс EQ. Следующий импульс синхронизации теперь происходит на М периодов бит позже. Таким образом, до тех пор, пока каждый М-ый бит z₁ и соответствующий бит z₂ не будут одинаковыми, этот конкретный бит сдвигается в регистре сдвига. Если биты являются не одинаковыми, устройство 52 сравнения создает импульс NQ. Этот импульс подается на вход S сдвига счетчика 51 так, чтобы сдвинуть фазу этого счетчика деления на М на период одного бита. Импульс NQ также подается на вход С сброса регистра 53 сдвига для сброса регистра.

Устройство, изображенное на фиг.5, является простым и недорогим, но имеет недостаток, заключающийся в том, что относительно длительный период времени должен наблюдаться до тех пор, пока может быть предположено, что обнаружена позиция бита водяного знака, и что сообщение водяного знака не полностью принимается с начала. Ожидаемое время наблюдения до тех пор, пока устройство не обнаружит позицию бита водяного знака, зависит от числа бит (М), на которые биты водяного знака отстоят друг от друга, и вероятности (Р) того, что биты в обоих каналах являются одинаковыми (р=1/2 для сигма-дельта модулированных аудиосигналов). Ожидаемый период времени до тех пор, пока не распознается ложная блокировка, равен

Средний период времени для обнаружения позиции бит водяного знака равен

Используя ряд параллельных схем обнаружения, в каждой из которых обрабатывают заменяемую последовательность возможных битов водяного знака, можно ускорить обнаружение и извлечение водяного знака.

Обнаружение и извлечение водяного знака может также выполняться микропроцессором, который загружается соответствующей программой программного обеспечения. Фиг.6 изображает блок-схему операций работы, которые выполняются таким микропроцессором, в соответствии с дополнительным примером осуществления устройства. Опять предполагается, что каждый М-ый бит потока бит каждого канала является битом водяного знака.

Микропроцессор использует для каждой позиции бита (m=0...М-1, смотри фиг.4) элемент R(m) массива для указания, обнаружен ли возможный бит водяного знака в упомянутой позиции бита (R(m)=1) или нет (R(m)=0). При первой операции 60 программы всем элементам R(0)...R(m) массива первоначально присваивается значение 1. При операции 61 проверяемая позиция m бита получает начальное значение 0. Программа затем ожидает приема нового бита из потоков z₁ и z₂ бит канала. При операции 62 оба бита сравниваются. Если они одинаковы, выполняется необязательная операция 63, которая будет описана позже. Соответствующий элемент R(m) массива остается не тронутым. Если биты канала не одинаковы, соответствующему элементу R(m) массива присваивается значение 0 (операция 64) для указания, что позиция m текущего бита определенно не является искомой позицией бита водяного знака. При операции 65 позиция бита получает приращение. При операции 66 проверяется, находится ли увеличенная позиция бита все еще в пределах диапазона 0...М-1. Если это так, программа возвращается к операции 62 для проверки позиции следующего бита. Если это не так, программа сначала выполняет необязательную операцию 67, которая будет описана позже, а затем возвращается к операции 61 (при которой номер позиции бита возвращается в исходное состояние) для проверки следующей последовательности М битов канала.

После того, как первая последовательность М битов канала обработана таким образом, число уже найденных позиций бит не являются позициями бит водяного знака. Со ссылкой на пример, изображенный на фиг.4, это относится к позициям бит 1,5 и 7. Соответствующие элементы R(1), R(5) и R(7) массива получают значение 0 и больше не изменяются, даже если биты упомянутых позиций потом будут одинаковыми.

Всякий раз, когда последовательность М битов канала обрабатывается, дополнительное число позиций бит будет исключаться из являющейся возможной позиции бита водяного знака. В примере, изображенном на фиг.4, позиции 0, 4, 8 и 9 бит будут исключены во время второго прохода, позиция 6 бита будет исключена во время третьего прохода и, наконец, позиция 3 бита будет исключена во время четвертого прохода. Устройство теперь идентифицировало позицию m=2 бита водяного знака в этом простом примере.

Способ, изображенный на фиг.6, обнаружил позицию m бита водяного знака, как только один элемент R(m) массива имеет значение 1, а все остальные элементы массива имеют значение 0. Для того чтобы это было так, программа дополнительно включает операцию 67 обработки, при которой проверяется, равна ли сумма всех элементов массива 1. Операция 67 обработки может располагаться в различных местах программы. В этом примере проверка выполняется, если позиция m бита приняла значение М, т.е. всякий раз, когда обработаны М возможных позиций бит.

Получение сообщения данных водяного знака может быть отложено до тех пор, пока не будет обнаружена позиция бита водяного знака. Однако возможно получение сообщения водяного знака в то время, как проходит поиск его позиции. С этой целью устройство включает дополнительный массив W, в котором получается каждое сообщение возможного водяного знака, принимаемое таким образом. С этой целью программа, изображенная на фиг.6, включает операцию 63, при которой принимаемый бит w водяного знака добавляется к текущему принимаемому сообщению. Как только позиция m бита будет обнаружена, соответствующий элемент W(m) массива уже получит сообщение водяного знака, принятое таким образом.

Следует заметить, что устройство для обнаружения позиций бит водяного знака может быть дополнительно расширено для проверки, произошел ли случайный сдвиг в одном из каналов. Например, если водяной знак вставляется в три или более каналов, устройство может быть приспособлено для поиска рассогласования одного из каналов. Или устройство приспосабливается для того, чтобы специально вводить сдвиг в один из каналов, если водяной знак не идентифицирован в заданной части сигнала или в пределах заданного периода времени.

Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на сигма-дельта модулированный (единично битовый закодированный) двухканальный аудиосигнал, оно не ограничивается аудио или единично битовыми закодированными сигналами. Выборки сигнала могут быть многобитовыми выборками (например, выборками ИКМ (импульсно-кодовой модуляции), причем водяной знак вставляется в одну или более менее значимую упомянутую выборку. Алгоритм кодирования не относится к делу (он может быть, например, импульсно-кодовой модуляцией), а также не требуется, чтобы операция вставки дополнительных данных выполнялась внутри цепи обратной связи кодера. Существенным признаком данного изобретения является то, что одинаковые выборки дополнительных данных вставляют в соответствующие позиции двух или более каналов многоканального информационного сигнала.

В разделе сущность изобретения раскрыты способ и устройство для вставки дополнительных данных в информационный сигнал, как, например, сигма-дельта модулированный аудиосигнал. Закодированный сигнал включает два или более каналов, например поток (z₁) бит левого канала и поток (z ₂) бит правого канала. Одинаковые дополнительные данные (w) помещаются в соответствующие заданные позиции бит, например в каждую М-ую позицию бита потока бит. Это дает возможность обнаружения и извлечения дополнительных данных без необходимости помещения синхронизирующей комбинации в сигнал. На приемном конце последовательность М-ых битов из первого канала сравнивается с соответствующей последовательностью М-ых битов из второго канала. Если они одинаковы, последовательность является возможной последовательностью дополнительных данных. Это выполняется для различных позиций (m) последовательности до тех пор, пока не будут обнаружены дополнительные данные.