СПОСОБ ВСТАВКИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННЫЙ СИГНАЛ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВСТАВКИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННЫЙ СИГНАЛ И НОСИТЕЛЬ ДАННЫХ Российский патент 2004 года по МПК G11B20/00 H04N5/913 H04N7/52 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способу и устройству для вставки дополнительных данных в информационный сигнал. Информационный сигнал кодируют кодером, содержащим контур обратной связи. Избранные выборки кодированного сигнала изменяют в контуре обратной связи для представления дополнительных данных и комбинации битов синхронизации. Измененные выборки, представляющие дополнительные данные, разносят друг от друга, по меньшей мере, на первое число выборок.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Существует растущая потребность включения "водяных знаков" в аудио- и видеосигналы. "Водяные знаки" представляют собой сообщения о дополнительных данных, вставленных в мультимедийные ресурсы, предпочтительно таким образом, что они перцептуально невидимы. Они содержат информацию, например, об источнике документов и аудиовизуальных программ или состоянии авторских прав на них. Они могут использоваться для юридической защиты владельца авторских прав и позволяют отслеживать пиратское использование и обеспечивают защиту интеллектуальной собственности.

Известный способ вставки дополнительных данных в информационный сигнал, охарактеризованный во вводном абзаце, описан в публикации международной заявки на патент WO-A-98/33324. В этом известном способе комбинацию "водяных знаков" вставляют в (сигма-) дельта-модулированный аудиосигнал. Каждый бит такого побитно-кодированного сигнала является выборкой сигнала. "Водяной знак" вставляют в кодированный аудиосигнал путем изменения избранных битов этого сигнала. Например, каждый сотый бит заменяют битом комбинации "водяного знака". Операцию изменения кодированного аудиосигнала осуществляют внутри контура обратной связи кодера, чтобы скомпенсировать влияние изменения на последующих операциях кодирования.

Известный способ предназначен для записи высококачественного аудиосигнала на аудиоверсии цифрового многофункционального диска (ЦМФД). Для получения отношения "сигнал-шум", равного 115 дБ, будет использоваться частота выборки (дискретизации) 2822400 Гц (64-44100). Замена каждого сотого бита сигма-дельта-модулированного аудиосигнала битом "водяного знака" лишь на 1 дБ увеличивает шум квантования. Это соответствует выражаемой в битах скорости передачи "водяных знаков" порядка 28000 бит в секунду.

В вышеупомянутой публикации заявки на патент WO-A-98/33324 также описано устройство для извлечения "водяного знака". Устройство содержит делительный каскад и детектор синхронизации. Делительный каскад делит скорость передачи битов на то число битов, которыми биты "водяных знаков" отделены друг от друга (например, 100, если каждый сотый бит сигнала представляет собой бит дополнительных данных). Детектор синхронизации изменяет фазу делительного каскада до тех пор, пока комбинация битов синхронизации (для краткости именуемая в дальнейшем синхрокомбинацией) не будет обнаружена в потоке битов.

Следует признать, что детектор синхронизации обязательно включает в себя регистр сдвига (или преобразователь последовательного кода в параллельный) для запоминания части потока битов. В результате этого на практике требуется "длинный" регистр сдвига. Длина регистра сдвига зависит от длины синхрокомбинации и расстояния между битами "водяных знаков". Если каждый М-й бит сигнала является битом дополнительных данных, а синхрокомбинация содержит N битов, детектор синхронизации обязательно должен запоминать (N-1)-M+1 битов.

В немецкой заявке на патент DE-A-3717315 такой известный детектор синхронизации описан более подробно. В этой публикации указано, что каждый пятнадцатый бит является дополнительным битом, а синхрокомбинация представляет собой слово из четырех бит. В соответствии с этим преобразователь последовательного кода в параллельный (позиция 5 на фиг.2 публикации DE-A-3717315) хранит 46 бит.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения заключается в том, чтобы разработать способ вставки дополнительных данных в информационный сигнал, который обеспечивает экономичное извлечение дополнительных данных.

Способ, соответствующий изобретению, отличается тем, что при операции изменения осуществляют разнесение измененных выборок, представляющих комбинацию бита синхронизации, по большей мере, на второе число выборок, которое значительно меньше, чем первое число выборок.

Длина регистра сдвига в детекторе синхронизации теперь определяется длиной синхрокомбинации и вторым числом битов. Второе число битов может быть выбрано независимо от первого числа и может быть произвольно малым или даже равным нулю. В последнем случае биты синхрокомбинации представляют собой последовательные биты кодированного сигнала. Тогда длина регистра сдвига соответствует длине синхрокомбинации.

В предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения комбинация битов синхронизации представляет собой комбинацию битов, которая обычно не генерируется кодером. Например, сигма-дельта-модулятор, который предназначен для записи высококачественного аудиосигнала на ЦМФД, выдает поток битов с высокочастотной комбинацией нулей и единиц. Этот модулятор пытается изменить выходные биты как можно быстрее, чтобы вывести ошибки квантования из аудиодиапазона. Как правило, сигма-дельта-модулятор не выдает большое число единиц с последующим большим числом нулей. Например, в музыкальных записях не обнаружена комбинация битов 11110000. Если модулятор заставляют генерировать такую нетипичную или нехарактерную комбинацию в контуре обратной связи, то модулятор будет вынужден быстро заменять поток битов высокочастотной комбинацией, упомянутой выше. Такая нетипичная комбинация является превосходным кандидатом для составления синхрокомбинации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 изображает обобщенную принципиальную схему устройства для вставки дополнительных данных в информационный сигнал в соответствии с изобретением.

Фиг.2 изображает принципиальную схему сигма-дельта-модулятора в соответствии с изобретением.

Фиг.3-6 изображают сигналы, поясняющие работу устройства, которое показано на фиг.2.

ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг.1 изображает обобщенную принципиальную схему устройства для вставки дополнительных данных в информационный сигнал в соответствии с изобретением. Устройство содержит кодер 1 с предсказанием, схему 2 изменения и управляющую схему 3.

Кодер 1 с предсказанием принимает (аналоговый или цифровой) входной сигнал х и содержит блок 11 вычитания, предназначенный для вычитания сигнала предсказания из входного сигнала х. Сигнал е ошибки предсказания, полученный таким образом, подается на кодирующий каскад 12. Кодер с предсказанием также содержит цепь обратной связи для получения сигнала предсказания, содержащий декодирующий каскад 13, сумматор 14 и блок 15 задержки. В данной области техники известны различные конкретные варианты осуществления кодера 1 с предсказанием, например, дельта-модуляторы, сигма-дельта-модуляторы, дифференциальные импульсно-кодовые модуляторы или видеокодеры, соответствующие стандарту Экспертной группы по кинематографии (ЭГК-видеокодеры).

Схема 2 изменения принимает кодированный сигнал у ошибки и предназначена для изменения избранных выборок этого сигнала. Схема изменения находится между кодирующим каскадом 12 и цепью 13-15 обратной связи, т.е. внутри контура кодера 1. Таким образом, сигнал предсказания получают из измененного кодированного сигнала z, а не из неизмененного кодированного сигнала у. Поэтому любая "ошибка" кодирования, внесенная схемой 2 изменения, возвращается обратно в кодирующий каскад 12, в результате чего ошибка кодирования, по существу, кодируется таким образом, что ее влияние компенсируется.

Измененный кодированный сигнал z подается в приемник или запоминается на носителе данных (не показан). Важно отметить, что приемник может иметь или не иметь устройство для извлечения дополнительных данных. Обычный приемник, который не имеет такого устройства, должен быть выполнен с возможностью декодирования и воспроизведения измененного кодированного сигнала. Таким образом, неизбежно должна осуществляться вставка дополнительных данных. Приемники для декодирования и воспроизведения декодированных данных из кодеров, как показано на фиг.1, в основном идентичны цепи (13-15) обратной связи кодеров и поэтому не показаны отдельно.

Теперь изобретение будет пояснено со ссылками на фиг.2, где изображено устройство для вставки дополнительных данных в сигма-дельта-модулированный сигнал. Устройство содержит обычный сигма-дельта-модулятор 20, включающий в себя блок 21 вычитания, фильтр 22, детектор 23 полярности и цепь 24 обратной связи. Блок 21 вычитания вычитает кодированный выходной сигнал z (имеющий уровень +1 В или -1 В) из входного сигнала х. Сигнал d разности фильтруется фильтром 22. Фильтрованный сигнал f подается в детектор 23 полярности, который с частотой, определяемой частотой выборки (дискретизации) f_s (не показана), выдает выходной бит "1" (+1 В) для f>0 или "0" (-1 В) для f<0.

Схема 2 изменения подсоединена между детектором 23 полярности и цепью 24 обратной связи. В ответ на управляющий сигнал с, подаваемый управляющей схемой 3, схема изменения (мультиплексор) заменяет избранные биты кодированного сигнала у битом w_i "водяного знака" или битом S_j синхрокомбинации. "Водяной знак" W и синхрокомбинация S запоминаются в регистрах 301 и 302 соответственно управляющей схемы 3. Работа управляющей схемы станет ясной из нижеследующего описания.

Фиг.3 изображает сигналы, поясняющие работу устройства, если схема 2 изменения не включена. Более конкретно, на этом чертеже изображены входной сигнал х и выходной сигнал z (который является таким же, как кодированный сигнал у, поскольку схема изменения не включена). Сигма-дельта-модулятор выдает больше положительных выборок, так как входной сигнал становится больше. Как показано на чертеже, входное напряжение -0,5 В кодируется в виде последовательности битов 0001 (три импульса -1 В и один импульс +1 В), входное напряжение 0 В кодируется в виде высокочастотной комбинации битов 01010 (чередующиеся импульсы -1 В и +1 В), а входное напряжение +0,5 В кодируется в виде последовательности битов 1110 (три импульса +1 В и один импульс -1 В). Важно отметить, что пары длинных серий нулей и длинных серий единиц не возникают.

Поток битов z декодируется на приемном конце (не показан) путем повторного формирования принимаемых импульсов и пропускания их через фильтр нижних частот. В этом упрощенном примере сигнал демодулируется путем усреднения 13-ти выборок из потока битов. На фиг.3 также показан демодулированный сигнал х', за исключением временной задержки, вызываемой операцией фильтрации нижних частот. Таким образом, показанный на этом чертеже демодулированный сигнал х' совмещен во времени со входным сигналом х.

Фиг.4 изображает сигналы, поясняющие работу устройства, если схема 2 изменения включена. В этом примере выборка 30 "-1" (фиг.3) сигма-дельта-модулятора заменена выборкой 40 "+1", чтобы отобразить бит "водяного знака". W_i=1. Поскольку изменение подано обратно на вход, негативное влияние изменения будет, по существу, скомпенсировано кодирующим каскадом. Таким образом, часть кодированного сигнала z, следующая сразу же за битом 40 дополнительных данных, отличается от соответствующей части, показанной на фиг.3. В соответствии с этим демодулированный сигнал х' на фиг.4 также отличается во времени от того же сигнала на фиг.3. Отметим, что совмещение во времени, показанное на чертежах, вызывает появление различия уже перед вставкой бита 40 дополнительных данных. На фиг.3 и 4 соответствующие части демодулированного сигнала обозначены позициями 31 и 41 соответственно.

Как будет очевидно из сравнения фиг.3 и 4, это различие трудно обнаружить на практике. Сигма-дельта-модулятор для кодирования высококачественных аудиосигналов с частотой выборки (дискретизации) f_s=2822400 Гц (64·44100) имеет отношение "сигнал-шум", равное 115 дБ. Обнаружено, что замена 1 выборки из 100 выборок увеличивает шум квантования лишь на 1 дБ. Отметим, что пары длинных серий нулей и длинных серий единиц по-прежнему не появляются при вставке бита дополнительных данных. Именно это свойство позволяет вставлять в поток битов синхрокомбинацию, которую можно легко обнаружить на приемном конце.

Биты s_j синхрокомбинации S вставляют таким же образом. Поэтому в соответствии с изобретением расстояние между последовательными битами синхронизации s_j значительно короче, чем расстояние между последовательными битами W_i "водяного знака" W. Фиг.5 изображает упрощенный пример получаемого таким образом потока битов аудиосигнала. В этом примере каждый десятый бит потока битов представляет собой бит "водяного знака" W_i. Таким образом, биты "водяных знаков" разнесены на 9 битов аудиосигнала. Для идентификации положений битов "водяных знаков" в потоке битов, а возможно, и для идентификации первого бита w₀ кадра сообщения, помеченного "водяными знаками", в потоке битов размещают синхрокомбинацию S, содержащую 6 битов s₀...s₅. В примере биты синхронизации s_j отстоят друг от друга только на 1 бит аудиосигнала. Биты вставленных дополнительных данных показаны затененным фоном на чертеже.

Детектор синхронизации (не показанный, так как он сам по себе известен, например, из немецкой заявки на патент DE-А-3717315), включает в себя регистр сдвига, который в данном примере покрывает окно 5·2+1=11 бит. Если детектор синхронизации находится в режиме поиска, регистр сдвига настроен на имеющуюся в канале скорость передачи битов. Если окно содержит синхрокомбинацию S в своем положении первого, третьего,..., одиннадцатого бита, то синхрокомбинация обнаружена. На фиг.5 этот факт изображен в виде окна 50. В ответ на это детектор синхронизации блокируется и начинает работать схема пересчета на 10, чтобы идентифицировать положения битов "водяного знака" w_i. Отметим, что если бы биты синхронизации s_j являлись частью вставленного "водяного знака", как это происходит в известных технических решениях, т.е. если бы они также были отделены друг от друга 9-ю битами аудиосигнала, то регистр сдвига должен был бы содержать 5·10+1=51 бит. На практике, например, для сигма-дельта-модулированного аудиосигнала, имеющего собственные биты "водяного знака", разнесенные на 100 или даже 1000 бит, и имеющего длинную синхрокомбинацию, потребовался бы регистр сдвига значительно большей емкости.

Как показано на фиг.5 в виде дополнительного окна 51, не исключено, что синхрокомбинация S присутствует еще где-нибудь в потоке битов. Если эта комбинация обнаружена в режиме поиска, детектор синхронизации подвергнется ложной блокировке и извлечение "водяного знака" не будет правильным. Для повышения надежности синхрокомбинацию и расстояние друг от друга битов синхрокомбинации выбирают таким, чтобы наступление такой ложной блокировки было очень маловероятным.

Как упоминалось выше со ссылками на описание фиг.3 и 4, пары длинных серий нулей и длинных серий единиц не появляются в сигма-дельта-модулированном сигнале. Если появляется серия единиц, последующая серия нулей будет иметь значительно отличающуюся длину (и наоборот). Пары из серии единиц и серии нулей, по существу, равной длины называются нетипичными или нехарактерными комбинациями. Примерами сигма-дельта-модулированного аудиосигнала являются 1111000, 11110000, 111100000, 1111100000 или их инвертированные версии. Они не обнаружены в элементах реальных аудиосигналов. В предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, такую нетипичную комбинацию вставляют в поток битов для построения синхрокомбинации S. Фиг.6 изображает сигналы, поясняющие работу устройства, если в поток битов вставлена синхрокомбинация 111000 (обозначенная позицией 60). Показаны те же сигналы, что и на фиг.3 и 4. Как можно увидеть на этом чертеже, демодулированный сигнал х' значительно искажен. Однако это упрощенный пример. Обнаружено, что на практике такое искажение трудно заметить.

При необходимости, негативное влияние вставки синхрокомбинации можно уменьшить. Например, один или более битов, предшествующих синхрокомбинации, можно "предварительно изменить" таким образом, что ошибка уменьшается. Альтернативой является оценка негативного влияния вставки синхрокомбинации в зависимости от, например, отношения "сигнал-шум" и отсрочка вставки синхрокомбинации до тех пор, пока не будет обнаружено некоторое место в потоке битов, где отношение "сигнал-шум" окажется приемлемым.

В заключение отметим, что предложено устройство для вставки дополнительных данных (например, "водяного знака" W) в информационный сигнал (х). В конкретном варианте осуществления изобретения устройство содержит обычный сигма-дельта-модулятор (20) для кодирования аудиосигнала (х) и схему (2) изменения для периодической замены бита кодированного сигнала (у) битом (w_i) "водяного знака". Таким образом, в сигнал вставляется синхрокомбинация (S). Биты синхронизации (s_j) вставляют на меньшем расстоянии друг от друга, чем биты "водяного знака" (w_i). Синхрокомбинация предпочтительно представляет собой комбинацию смежных битов, которая обычно не генерируется кодером. Для сигма-дельта-модулятора такой комбинацией является серия единиц с последующей серией нулей по существу равной длины или наоборот.

Использование: в способах и устройствах для вставки дополнительных данных в информационный сигнал. Сущность изобретения: предложены способ и устройство для вставки дополнительных данных в информационный сигнал, в конкретном варианте осуществления изобретения устройство содержит обычный сигма-дельта-модулятор для кодирования аудиосигнала и средство изменения для периодической замены бита кодированного сигнала битом “водяного знака”. Таким образом, в сигнал вставляется синхрокомбинация. Биты синхронизации вставляют на меньшем расстоянии друг от друга, чем биты “водяного знака”. Синхрокомбинация предпочтительно представляет собой комбинацию смежных битов, которая обычно не генерируется кодером. Для сигма-дельта-модулятора такой комбинацией является серия единиц с последующей серией нулей, по существу, равной длины или наоборот. Предложен также носитель данных с записанным на нем сигналом. Технический результат - обеспечение экономичного извлечения дополнительных данных. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ вставки дополнительных данных в информационный сигнал, заключающийся в том, что кодируют информационный сигнал посредством кодера, содержащего цепь обратной связи для управления указанным кодированием, изменяют внутри цепи обратной связи кодера избранные выборки кодированного сигнала для представления указанных дополнительных данных и комбинации битов синхронизации, причем измененные выборки представляют собой дополнительные данные, разнесенные, по меньшей мере, на первое число выборок, отличающийся тем, что при операции изменения осуществляют разнесение измененных выборок, представляющих комбинацию битов синхронизации, по большей мере, на второе число выборок, которое значительно меньше, чем первое число выборок.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измененные выборки, представляющие комбинацию битов синхронизации, представляют собой последовательные выборки измененного кодированного сигнала.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что комбинация битов синхронизации представляет собой комбинацию битов, которая обычно не генерируется кодером.4. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что кодер представляет собой сигма-дельта-модулятор.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что комбинация битов синхронизации представляет собой пару из серии единиц и серии нулей, по существу, равной длины.6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что комбинация битов синхронизации представляет собой 1111000, 11110000, 111100000, 1111100000 или их инвертированную версию.7. Устройство для вставки дополнительных данных в информационный сигнал, содержащее кодер для кодирования информационного сигнала, содержащий цепь обратной связи для управления указанным кодированием, находящееся внутри цепи обратной связи кодера средство изменения избранных выборок кодированного сигнала для представления указанных дополнительных данных и комбинации битов синхронизации, причем измененные выборки представляют собой дополнительные данные, разнесенные, по меньшей мере, на первое число выборок, отличающееся тем, что указанное средство изменения предназначено для разнесения измененных выборок, представляющих комбинацию битов синхронизации, по большей мере, на второе число выборок, которое значительно меньше, чем первое число выборок.8. Носитель данных, содержащий записанный на нем информационный сигнал, кодированный кодером, причем избранные выборки информационного сигнала изменяются для представления вставленных дополнительных данных и комбинации битов синхронизации, при этом измененные выборки представляют собой дополнительные данные, разнесенные, по меньшей мере, на первое число выборок, отличающийся тем, что измененные выборки, представляющие комбинацию битов синхронизации, разнесены, по большей мере, на второе число выборок, которое значительно меньше, чем первое число выборок.9. Носитель данных по п.8, отличающийся тем, что комбинация битов синхронизации представляет собой комбинацию последовательных выборок, которая обычно не генерируется кодером.10. Носитель данных по п.8, отличающийся тем, что информационный сигнал представляет собой сигма-дельта-модулированный аудиосигнал, а комбинация битов синхронизации представляет собой пару из серии единиц и серии нулей, по существу, равной длины.