УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ, УСТРОЙСТВО ДЕКОДИРОВАНИЯ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ, СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИГНАЛА С ВОДЯНЫМ ЗНАКОМ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ, СОДЕРЖАЩИХ ДИСКРЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ, И СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДАННЫХ, СОДЕРЖАЩИХ ДИСКРЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ, В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СИГНАЛА С ВОДЯНЫМ ЗНАКОМ Российский патент 2016 года по МПК G10L19/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением относятся к устройству формирования водяных знаков для обеспечения сигнала с водяным знаком на основе данных, содержащих дискретные значения. Дополнительные варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением относятся к устройству декодирования водяных знаков для обеспечения данных, содержащих дискретные значения, в зависимости от сигнала с водяным знаком. Дополнительные варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением относятся к способу обеспечения сигнала с водяным знаком на основе данных, содержащих дискретные значения. Дополнительные варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением относятся к способу обеспечения данных, содержащих дискретные данные, в зависимости от сигнала с водяным знаком. Дополнительные варианты осуществления относятся к соответствующим компьютерным программам.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ниже будут коротко рассмотрены различные системы простановки водяных знаков.

Система простановки водяных знаков может рассматриваться как система связи. Пусть, поразрядная информация, которая будет передаваться, представлена сигналом "wm" водяного знака, который является эталонным сигналом. Сигнал wm «внедряется» в главный сигнал "a" путем сложения двух сигналов (сигнала wm водяного знака и главного сигнала a), получая сигнал "awm" с водяным знаком. По отношению к водяному знаку, главный сигнал может рассматриваться как аддитивное искажение. Это означает, что awm отклоняется от своего идеального значения wm, нарушая технологический процесс декодирования (если исходный главный сигнал не известен на устройстве декодирования). Сигнал awm дополнительно подвержен влиянию канала передачи, поскольку канал вносит искажения. Примерами каналов передачи являются сжатие сигнала awm с использованием алгоритма кодирования/ декодирования звука, такого, как AAC, а также воспроизведение сигнала awm с помощью громкоговорителя, его распространение в воздухе, и его захват с помощью микрофона.

Характерной особенностью систем водяных знаков является то, что одна часть искажения, а именно главный сигнал, известна на передающем устройстве. Если эта информация применяется при внедрении, способ называется информированным внедрением или простановкой водяных знаков с побочной информацией (см. также Ingemar J. Cox, Ed., "Digital watermarking and steganography", в серии The Morgan Kaufmann series in multimedia information and systems. Издательство Morgan Kaufmann, Берлингтон, 2-е издание, 2008). В принципе взвешивание водяного знака wm в соответствии с уровнями мощности, задаваемыми моделью восприятия, уже представляет собой случай информированного внедрения. Однако эта информация используется просто для масштабирования водяного знака, чтобы сделать его незаметным, при этом главный сигнал по-прежнему рассматривается как неизвестный источник шума в отношении формирования водяного знака до взвешивания. В некоторых случаях можно создавать сигнал водяного знака таким образом, чтобы компенсировать искажение, наведенное главным сигналом, так что только наведенное каналом искажение нарушает декодирование. Такие способы называются способами с отбрасыванием помех главного сигнала (см. также Chen and Wornell, "Quantization index modulation: A class of provably good methods for digital watermarking and information embedding", IEEE TRANSACTION ON INFORMATION THEORY, Май 2001, Том 47).

В заявке на Европейский патент без предварительной публикации 10154964.0-1224 было представлено дифференциальное кодирование в сочетании с сигнализацией BPSK (двоичная фазовая манипуляция), чтобы получить систему, которая является устойчивой по отношению к движению устройства декодирования (например, если сигнал захватывается микрофоном), возможному частотному рассогласованию между гетеродинами на сторонах передачи (Tx) и приема (Rx) и возможным чередованиям фаз, вносимым частотно-избирательным каналом, таким, как распространение в реверберирующей среде.

Устойчивость является следствием того факта, что информация кодируется разностью фаз между двумя соседними символами, так что система фактически не подвержена влиянию медленно сдвигающегося чередования фаз созвездия модуляции.

Хотя способ, описанный в заявке на Европейский патент 10154964.0-1224 использует информацию о главном сигнале a, масштабируя сигнал wm водяного знака, чтобы сделать его незаметным, главный сигнал a по-прежнему является дополнительным источником неизвестного шума с точки зрения системы связи. Другими словами, сигнал wm водяного знака (до масштабирования в целях восприятия) формируется вне зависимости от каких-либо сведений о главном сигнале a.

Некоторые системы простановки водяных знаков используют способы информированного внедрения какого-то вида, но лишь немногие принадлежат к группе способов с отбрасыванием помех главного сигнала. Их примерами служат модуляция младших битов (LBM) (Mitchell D. Swanson; Bin Zhu; Ahmed H. Tewfik, "Data hiding for video-in-video", международная Конференция по Обработке изображения IEEE, 1997, том 2, стр. 676-679; Brian Chen and Gregory W. Wornell, "Quantization index modulation methods for digital watermarking and information embedding of multimedia", Journal of VLSI Signal Processing, том 27, стр. 7-33, 2001) и модуляция индексов квантования (QIM), которая представлена в документах (Chen and Wornell, "Quantization index modulation: A class of provably good methods for digital watermarking and information embedding", IEEE TRANSACTION ON INFORMATION THEORY, Май 2001, Том 47, и Brian Chen and Gregory Wornell, "System, method, and product for information embedding using an ensemble of non-intersecting embedding generators", 1999, WO99/60514A).

В QIM, в первую очередь необходимо выбрать один или несколько параметров представления сигнала, например, комплексные коэффициенты частотно-временного представления. Затем выбранные параметры квантуются в соответствии с информацией, которая будет внедрена. Фактически каждый несущий информацию символ связывается с некоторым квантующим устройством; как вариант, целое сообщение связывается с последовательностью квантующих устройств. В зависимости от информации, которая будет передаваться, сигнал квантуется квантующим устройством или последовательностью квантующих устройств, связанных с этой информацией. Например, если квантуемым параметром было положительное вещественное число, квантующее устройство, которое используется для внедрения 0, могло бы задаваться шагами квантования 0, 2, 4, 6,…, тогда как квантующее устройство для 1 может быть 1, 3, 5,…. Если бы текущее значение главного сигнала было 4,6, устройство внедрения изменило бы значение на 4 в случае бита 0 и на 5 в случае 1. На принимающем устройстве, вычисляется расстояние между представлением принятого сигнала и всеми вероятными квантованными представлениями. Решение принимается по минимальному расстоянию. Другими словами, принимающее устройство пытается идентифицировать, какое из доступных квантующих устройств использовалось. Таким образом, может быть достигнуто отбрасывание помех главного сигнала.

Конечно, квантование некоторых параметров сигнала может привнести ощутимое искажение в главный сигнал. Чтобы это предотвратить, ошибка квантования может частично добавляться обратно в сигнал, что называют QIM с компенсацией искажения (DC-QIM) (см. также Antonius Kalker, "Quantization index modulation (QIM) digital watermarking of multimedia signals", 2001, WO03/053064). Это является дополнительным источником искажения на принимающем устройстве. Хоть и было показано, что DC-QIM оптимальна для канала AWGN (аддитивный белый гауссов шум), а регулярная QIM почти оптимальна (см. также Chen and Wornell, "Quantization index modulation: A class of provably good methods for digital watermarking and information embedding", IEEE TRANSACTION ON INFORMATION THEORY, Май 2001, том 47), эти способы имеют определенные недостатки. Они допускают высокие скорости передачи битов, но чрезвычайно чувствительны к воздействиям масштабирования по амплитуде (см. также Fabricio Ourique; Vinicius Licks; Ramiro Jordan; Fernando Perez-Gonzalez, "Angle qim: A novel watermark embedding scheme robust against amplitude scaling distortions", IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), Март 2005).

Другой способ (полученный на основе QIM) называется «угловая QIM» (AQIM), и он был предложен в статье Fabricio Ourique; Vinicius Licks; Ramiro Jordan; Fernando Perez-Gonzalez, "Angle qim: A novel watermark embedding scheme robust against amplitude scaling distortions", IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), Март 2005. В нем информация внедряется при помощи квантованных угловых координат. Таким образом, может быть достигнута устойчивость к масштабированию по амплитуде. Этот способ не обеспечивает дифференциальную модуляцию, а поэтому не устойчив к сдвигу фазы.

Существуют другие системы простановки водяных знаков, в которых информация внедряется в фазу аудиосигнала. Способы, представленные в статье W. Bender, D. Gruhl, N. Morimoto, and Aiguo Lu, "Techniques for data hiding", IBM Syst. J., том 35, номер 3-4, стр. 313-336, 1996 и S. Kuo, J.D. Johnston,W. Turin, and S.R. Quackenbush, "Covert audio watermarking using perceptually tuned signal independent multiband phase modulation", IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, (ICASSP), 2002, том 2, стр. 1753-1756, не являются слепыми способами и, следовательно, ограничены лишь небольшим количеством приложений. В статье Michael Arnold, Peter G. Baum, and Walter Voesing, "A phase modulation audio watermarking technique", стр. 102-116, 2009 предлагается метод простановки водяного знака в аудиоданных с помощью слепой фазовой модуляции, что именуется адаптивной модуляцией по расширенной фазе (ASPM). Дополнительно, эти способы фазовой модуляции не обладают свойством отбрасывания помех главного сигнала и не учитывают дифференциальное кодирование.

Существует много других способов простановки водяных знаков, в том числе способы с расширенным спектром или с сокрытием в эхо-сигнале. Но, как уже было изложено в заявке на Европейский патент 10154964.0-1224, эти способы могут быть неприменимы к некоторым представляющим интерес задачам, например, к передаче водяного знака по акустическому тракту в реверберирующей среде.

Задачей настоящего изобретения является создание концепции простановки водяных знаков, которая предусматривает повышенную устойчивость сигнала водяного знака, который внедряется в главный сигнал и передается в главном сигнале по каналу связи.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эта задача успешно выполняется устройством формирования водяного знака в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения, устройством декодирования водяного знака в соответствии с пунктом 11 формулы изобретения, способом обеспечения сигнала водяного знака на основе данных, содержащих дискретные значения, в соответствии с пунктом 14 формулы изобретения, способом обеспечения данных, содержащих дискретные значения, в зависимости от сигнала с водяным знаком в соответствии с пунктом 15 формулы изобретения и компьютерной программой в соответствии с пунктом 16 формулы изобретения.

Один из вариантов осуществления в соответствии с настоящим изобретением создает устройство формирования водяного знака для обеспечения сигнала водяного знака в виде последовательности последующих коэффициентов водяного знака на основе данных, содержащих дискретные значения. В некоторых случаях устройство формирования водяного знака содержит устройство обработки информации, выполненное с возможностью обеспечения, в зависимости от единиц информации данных, содержащих дискретные значения, потока последовательных потоковых значений, таких, что поток представляет данные, содержащие дискретные значения. Устройство формирования водяного знака дополнительно содержит устройство дифференциального кодирования, выполненное с возможностью обеспечения сигнала водяного знака. Устройство дифференциального кодирования выполняется с дополнительной возможностью применения чередования фаз к текущему потоковому значению из потоковых значений, представляющих данные, содержащие дискретные значения, или к текущему символу водяного знака, причем текущий символ водяного знака соответствует текущему потоковому значению из потоковых значений, представляющих данные, содержащие дискретные значения, чтобы получить текущий коэффициент водяного знака сигнала водяного знака. Устройство дифференциального кодирования выполняется с дополнительной возможностью извлечения фазы предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком, который является объединением главного сигнала и сигнала водяного знака. Устройство дифференциального кодирования выполняется с дополнительной возможностью обеспечения такого сигнала водяного знака, что фазовый угол чередования фаз, применяемый к текущему потоковому значению или к текущему символу водяного знака, зависит от фазы предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком.

Идея настоящего изобретения заключается в том, что сигнал водяного знака более устойчив, особенно по отношению к деградации, например, вследствие доплеровского эффекта, если дифференциальное кодирование коэффициентов водяного знака выполняется таким образом, что фаза текущего коэффициента водяного знака основывается на фазе предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком, который должен быть внедрен в главный сигнал. Варианты осуществления настоящего изобретения объединяют отбрасывание помех главного сигнала с дифференциальным кодированием. Эта концепция извлечения фазы текущего коэффициента водяного знака на основании фазы предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком снижает искажение, наведенное главным сигналом, и, таким образом, улучшает технологический процесс декодирования, например, в устройстве декодирования, выполненном с возможностью выделения сигнала водяного знака из сигнала с водяным знаком.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения устройство обработки информации может быть выполнено с возможностью обеспечения потока, представляющего данные, содержащие дискретные значения, в частотно-временной области, так, что каждое потоковое значение потока соотносится с частотным подканалом со средней частотой, и с временным интервалом. Устройство дифференциального кодирования может быть выполнено с возможностью получения текущего коэффициента водяного знака в частотно-временной области, так, что частотный подканал, соотнесенный с текущим коэффициентом водяного знака, идентичен частотному подканалу, соотнесенному с текущим потоковым значением, и так, что временной интервал, соотнесенный с текущим коэффициентом водяного знака, идентичен временному интервалу, соотнесенному с текущим потоковым значением. Другими словами, текущее потоковое значение и текущий коэффициент водяного знака, который соответствует текущему потоковому значению, могут соотноситься с одними и теми же частотным подканалом и временным интервалом.

Устройство обработки информации может, например, выполнять разнесение по времени и разнесение по частоте единиц информации данных, содержащих дискретные значения, так что каждая единица информации данных, содержащих дискретные значения, представлена по меньшей мере двумя разными потоковыми значениями потока, представляющего данные, содержащие дискретные значения, при этом разные потоковые значения, представляющие одну и ту же единицу информации, различаются соотнесенными с ними частотными подканалами и/или временными интервалами.

Кроме того, устройство дифференциального кодирования может быть выполнено с возможностью извлечения спектральных коэффициентов сигнала с водяным знаком в частотно-временной области, так, что каждый спектральный коэффициент сигнала с водяным знаком соответствует частотному подканалу и временному интервалу. Устройство дифференциального кодирования может выполняться с дополнительной возможностью определения чередования фаз, так, что временной интервал, соотнесенный с предыдущим спектральным коэффициентом сигнала с водяным знаком, в зависимости от которого выбирается фазовый угол чередования фаз, применяемый к текущему потоковому значению или к текущему символу водяного знака, и временной интервал, соотнесенный с текущим потоковым значением, являются смежными во времени. Сигнал с водяным знаком, например, может быть последовательностью последующих спектральных коэффициентов, а текущий спектральный коэффициент сигнала с водяным знаком может быть смежным во времени (или может следовать за ним) с предыдущим спектральным коэффициентом сигнала с водяным знаком. Каждый спектральный коэффициент сигнала с водяным знаком может быть объединением спектрального коэффициента главного сигнала, соотнесенного с теми же частотным подканалом и временным интервалом, что и спектральный коэффициент сигнала с водяным знаком, и коэффициента водяного знака, соотнесенного с теми же частотным подканалом и временным интервалом, что и спектральный коэффициент сигнала с водяным знаком. Текущий спектральный коэффициент сигнала с водяным знаком, следовательно, может основываться на текущем коэффициенте главного сигнала и текущем коэффициенте водяного знака, при этом фаза текущего коэффициента водяного знака основывается (или даже идентична ей в некоторых случаях) на фазе предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком. Частотный подканал, соотнесенный с предыдущим спектральным коэффициентом сигнала с водяным знаком, может быть идентичен частотному подканалу текущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком, а следовательно, также и частотным подканалам текущего коэффициента главного сигнала, текущего потокового значения и текущего коэффициента водяного знака.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением будут описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 демонстрирует структурную схему устройства формирования водяного знака, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 демонстрирует структурную схему устройства дифференциального кодирования для использования в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 3a-3c демонстрируют графические изображения примера для чередования фаз и масштабирования, применяемых в устройстве дифференциального кодирования, изображенном на Фиг. 2;

Фиг. 4 демонстрирует структурную схему устройства дифференциального кодирования для использования в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 5 демонстрирует графическое изображение примера отображения потоковых значений в символы водяного знака;

Фиг. 6a демонстрирует графические изображения возможных выходов для различных потоковых значений в зависимости от максимального числа символов водяного знака, соотнесенных с одним и тем же потоковым значением;

Фиг. 6b демонстрирует графическое изображение примера того, как коэффициент водяного знака извлекается в M-точечном созвездии при помощи устройства дифференциального кодирования, изображенного на Фиг. 4;

Фиг. 7 демонстрирует структурную схему устройства формирования водяного знака в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 8a демонстрирует, для сравнения с примером на Фиг. 7, структурную схему устройства формирования водяного знака, которое описано в заявке на Европейский патент 10154964;

Фиг. 8b демонстрирует графическое изображение в качестве примера для принципа внедрения в устройстве формирования водяного знака, изображенном на Фиг. 8a;

Фиг. 9 демонстрирует структурную схему устройства обеспечения аудиосигнала с водяным знаком с устройством формирования водяного знака в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 10 демонстрирует блок-схему последовательности операций способа в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 11 демонстрирует структурную схему устройства декодирования водяного знака в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения; и

Фиг. 12 демонстрирует графическое изображение примера отображения различных диапазонов фазового угла в дискретные значения данных, содержащих дискретные значения, как это выполняется устройством декодирования водяного знака, изображенным на Фиг. 11.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Прежде, чем давать более подробное раскрытие вариантов осуществления настоящего изобретения, со ссылкой на сопроводительные чертежи, следует заметить, что одинаковые или функционально равноценные элементы снабжены одинаковыми ссылочными значениями, и что повторное описание этих элементов должно быть опущено. Описания элементов, снабженных одинаковыми ссылочными значениями, следовательно, взаимозаменяемы.

Устройство формирования водяного знака согласно Фиг. 1

Ниже будет описано устройство 100 формирования водяного знака со ссылкой на Фиг. 1, которая демонстрирует структурную схему такого устройства формирования водяного знака. Устройство 100 формирования водяного знака выполнено с возможностью обеспечения сигнала 102 водяного знака, также обозначаемого как "wm", в виде последовательности последующих коэффициентов водяного знака. Устройство формирования водяного знака содержит вспомогательное устройство 106 обработки информации и устройство 108 дифференциального кодирования. Устройство 106 обработки информации выполняется с возможностью обеспечения в зависимости от единиц информации (например, биты) данных 104, содержащих дискретные значения, (например, двоичные данные), первого потока 110 последующих потоковых значений, таких, что поток 110 представляет данные 104, содержащие дискретные значения. Устройство 108 дифференциального кодирования выполняется с возможностью обеспечения сигнала 102 водяного знака и применения чередования 112 фаз к текущему потоковому значению (например, потоковому значению b(i, j)) из потоковых значений, представляющих данные 104, содержащие дискретные значения, или к текущему символу водяного знака (например, символу x_k(i,j) водяного знака), соответствующему текущему потоковому значению (например, потоковому значению b(i, j)) из потоковых значений, представляющих данные 104, содержащие дискретные значения, чтобы получить текущий коэффициент водяного знака (например, коэффициент wm(i, j) водяного знака) сигнала 102 водяного знака.

Устройство 108 дифференциального кодирования, таким образом, может выполнять вспомогательное отображение 114 потокового значения в символ водяного знака.

Устройство 108 дифференциального кодирования выполняется с дополнительной возможностью извлечения фазы 116 спектрального коэффициента (например, спектрального коэффициента awm(i, j-1)) сигнала с водяным знаком. Сигнал с водяным знаком представляет собой объединение главного сигнала 118 и сигнала 102 водяного знака. Сигнал с водяным знаком также может обозначаться как "awm", а главный сигнал также может обозначаться как "a".

Устройство 108 дифференциального кодирования выполняется с возможностью обеспечения сигнала 102 водяного знака, так, что фазовый угол чередования 112 фаз, применяемый к текущему потоковому значению или к текущему символу водяного знака, зависит от фазы 116 предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, фазовый угол чередования 112 фаз, применяемый к текущему потоковому значению или к текущему символу водяного знака, равен фазовому углу предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком.

Чтобы извлечь фазу 116 предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком, устройство 108 дифференциального кодирования может выполнять извлечение 120 фазы на предыдущем спектральном коэффициенте сигнала с водяным знаком. Предыдущий спектральный коэффициент может, например, подаваться от ступени, которая является внешней для устройства 100 формирования водяного знака, или устройство 108 дифференциального кодирования может быть выполнено с возможностью определения спектральных коэффициентов сигнала с водяным знаком путем объединения коэффициентов водяного знака и спектральных коэффициентов главного сигнала 118. Например, устройство 108 дифференциального кодирования может быть выполнено с возможностью извлечения предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком на основании объединения предыдущего коэффициента водяного знака (например, коэффициента wm(i, j-1) водяного знака) и предыдущего спектрального коэффициента (например, спектрального коэффициента a(i, j-1)) главного сигнала 118. Другими словами, устройство дифференциального кодирования может извлекать не только коэффициенты водяного знака, но также и спектральные коэффициенты сигнала с водяным знаком.

Устройство 106 обработки информации может быть выполнено с возможностью обеспечения первого потока 110, представляющего данные 104, содержащие дискретные значения, в частотно-временной области, так, что каждое потоковое значение потока 110 соотносится с частотным подканалом и временным интервалом.

Индекс "i", использованный выше, может указывать частотный подканал, а индекс "j" может указывать "номер символа" или, иначе говоря, временной интервал соответствующего коэффициента или символа. Другими словами, "i" обозначает частотный подканал (на средней частоте f_i), а "j" обозначает временной индекс или временной интервал значения, соответствующего ему.

Следовательно, каждое потоковое значение потока 110 соотносится с частотным подканалом i и временным интервалом j. Кроме того, устройство 108 дифференциального кодирования может быть выполнено с возможностью получения текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака в частотно-временной области, так, что частотный подканал i, соотнесенный с текущим коэффициентом wm(i, j) водяного знака, идентичен частотному подканалу i, соотнесенному с текущим потоковым значением b(i, j), и так, что временной интервал j, соотнесенный с текущим коэффициентом wm(i, j) водяного знака, идентичен временному интервалу j, соотнесенному с текущим потоковым значением b(i, j).

Другими словами, частотный подканал и временной интервал или номер символа коэффициента водяного знака сигнала wm водяного знака, которые соотнесены с потоковым значением из потоковых значений потока 110, могут быть идентичны частотному подканалу и временному интервалу или номеру символа соответствующего потокового значения.

Кроме того, устройство 108 дифференциального кодирования может быть выполнено также с возможностью извлечения спектральных коэффициентов сигнала с водяным знаком в частотно-временной области, так, что каждый спектральный коэффициент сигнала с водяным знаком соотносится с частотным подканалом и временным интервалом. Устройство 108 дифференциального кодирования, следовательно, может быть выполнено с возможностью определения чередования 112 фаз, так, что временной интервал j-1, который соотнесен с предыдущим спектральным коэффициентом awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком, в зависимости от того, какой выбран фазовый угол чередования 112 фаз, применяемый к текущему потоковому значению b(i, j) или к текущему символу X_k(i, j) водяного знака, и временной интервал j, соответствующий текущему потоковому значению b(i, j), являются смежными во времени. Другими словами, текущий спектральный коэффициент awm(i, j), который является объединением текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака и текущего спектрального коэффициента a(i, j) главного сигнала 118, может непосредственно следовать за предыдущим спектральным коэффициентом awm(i, j-1) во времени, если сигнал с водяным знаком рассматривается как последовательность последующих спектральных коэффициентов awm(i, j) (i, j∈N). Более того, устройство 108 дифференциального кодирования может быть выполнено таким образом, что частотные подканалы i текущего потокового значения b(i, j), текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака и спектрального коэффициента awm(i, j) идентичны. Это означает, что устройство 108 дифференциального кодирования может выполнять технологический процесс извлечения сигнала водяного знака для каждого частотного подканала, в который отображены единицы информации данных 104, содержащих дискретные значения. Это выгодно, потому что в реверберирующей среде к различным частотным подканалам могут применяться различные чередования фаз в отношении передаваемого сигнала. Фаза текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака, следовательно, может основываться только на предыдущем спектральном коэффициенте awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком, соотнесенного с тем же частотным подканалом i, что и текущий коэффициент wm(i, j) водяного знака.

Устройство дифференциального кодирования согласно Фиг. 2, использующее двухточечное созвездие

Ниже будет разъясняться устройство 208 дифференциального кодирования для использования в устройстве формирования водяного знака согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, со ссылкой на Фиг. 2, 3a-3c. В дальнейшем, главный сигнал 118 будет аудиосигналом, и может также называться главным аудиосигналом, в который должен быть внедрен сигнал водяного знака. Тем не менее, варианты осуществления настоящего изобретения также могут использоваться для внедрения сигналов водяного знака и в сигналы, отличные от аудиосигнала, например, в видеосигналы. Функциональные возможности устройства 208 дифференциального кодирования могут быть эквивалентны функциональным возможностям устройства 108 дифференциального кодирования, но устройство 208 дифференциального кодирования может содержать и дополнительные функциональные средства, продемонстрированные на Фиг. 2.

Устройство 208 дифференциального кодирования выполняется с возможностью приема главного сигнала 118 в форме главного аудиосигнала a(t) во временной области. Устройство 208 дифференциального кодирования, следовательно, может содержать, как продемонстрировано на Фиг. 2, банк 202 фильтров анализа, выполненный с возможностью получения спектральных коэффициентов (например, текущего спектрального коэффициента a(i, j)) главного сигнала 118 в частотно-временной области. Этот банк 202 фильтров анализа также может использоваться в соответствующем устройстве декодирования водяного знака. Другими словами, звуковые коэффициенты (спектральные коэффициенты главного сигнала 118) в устройстве кодирования могут быть получены путем применения того же банка 202 фильтров анализа, который используется в устройстве декодирования. Получение спектрального коэффициента главного сигнала 118 может быть частью извлечения 120 фазы, которое выполняется устройством 208 дифференциального кодирования. Для получения текущего спектрального коэффициента awm(i, j) сигнала с водяным знаком, устройство 208 дифференциального кодирования может выполнять, в ходе извлечения 120 фазы, объединение 204 текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака и текущего спектрального коэффициента a(i, j) главного сигнала 118, например, согласно следующему уравнению:

awm(i, j)=a(i, j)+wm(i, j) $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (1)

Полученный текущий спектральный коэффициент awm(i, j) сигнала с водяным знаком может быть сохранен в устройстве 208 дифференциального кодирования (символически изображено в виде элемента 206 задержки устройства 208 дифференциального кодирования). Потом сохраненный текущий спектральный коэффициент awm(i, j) сигнала с водяным знаком может использоваться для определения следующего коэффициента wm(i, j+1) водяного знака.

Для нахождения текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака для частотного подканала i, фаза 116 предыдущего спектрального коэффициента awm(i, j-1), который также называется предыдущим звуковым коэффициентом с водяным знаком сигнала с водяным знаком, вычисляется, например, в ходе технологического процесса 210 вычисления фазы в рамках технологического процесса 120 извлечения фазы, с использованием следующего уравнения:

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (2)

В этой заявке "j" обозначает мнимую единицу (квадратный корень из -1), не следует путать с индексом j для временных интервалов.

Фаза 116 (представленная комплексным значением e ^{jφ(i, j-1)}) или фазовый угол φ(i, j-1) предыдущего спектрального коэффициента awm(i, j-1) используется устройством 208 дифференциального кодирования в чередовании 112 фаз, которое применяется к текущему потоковому значению b(i, j) потока 110. Если нет изменения фазы для передачи, например, если текущее потоковое значение b(i, j) равно 1, фаза текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака идентична фазе 116 предыдущего спектрального коэффициента awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком, или, иными словами, текущий коэффициент wm(i, j) водяного знака указывает в том же направлении, что и предыдущий спектральный коэффициент awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком. Если должно передаваться изменение фазы на π (180°) (например, если текущее потоковое значение b(i, j) равно -1), текущий коэффициент wm(i, j) водяного знака может указывать в противоположном направлении по сравнению с предыдущим спектральным коэффициентом awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком. Потоковые значения могут быть, в частности, двоичными данными, например, потоковые значения могут быть:

b(i, j)={-1, 1} $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (3)

В начале потока 110, то есть для j=0 или если фаза 116 (e^{jφ(i, j)}) не задана, фаза 116 или e^{jφ(i, j)} могут устанавливаться равными 1.

Устройство 208 дифференциального кодирования может дополнительно выполнять масштабирование текущего потокового значения b(i, j) с текущим масштабирующим множителем γ(i, j) (i, j∈N, γ∈R) или с текущим множителем, который меньше текущего масштабирующего множителя γ(i, j). Масштабирование 210 может применяться к текущему потоковому значению b(i, j) перед применением чередования 112 фаз или после применения чередования 112 фаз (как это показано на Фиг. 2). Текущий масштабирующий множитель γ(i, j) обеспечивается модулем психоакустической обработки (не показан на Фиг. 2), в зависимости от главного сигнала 118, в который должен быть внедрен сигнал 102 водяного знака. Масштабирующий множитель γ(i, j) описывает маскирующую характеристику главного сигнала 118. Текущий масштабирующий множитель γ(i, j) может определять максимальную амплитуду текущего символа wm(i, j) водяного знака, так, что текущий коэффициент wm(i, j) водяного знака остается неслышимым в сигнале с водяным знаком.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения всегда используется максимальная амплитуда текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака, разрешенная психоакустической моделью.

Устройство 208 дифференциального кодирования, таким образом, может определять текущий коэффициент wm(i, j) водяного знака как:

wm(i, j)=b(i, j)·γ(i, j)·e^{jφ(i, j-1)} $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (4)

В результате использования уравнения 4, стратегия кодирования может стать оптимальной, это означает, что отношение сигнал-шум в устройстве декодирования после дифференциального декодирования может быть максимальным. Из уравнения 4 видно, что дифференциальное кодирование осуществляется неявно, так что сигнал b_diff(i, j)=b(i, j)·b_diff(i, j-1), который должен вычисляться согласно заявке на Европейский патент 10154964, не должен вычисляться в вариантах осуществления настоящего изобретения.

Кроме того, следует отметить, что в вариантах осуществления настоящего изобретения вводится чередование 112 фаз в ходе дифференциального кодирования, чтобы добиться отбрасывания помех главного сигнала при неявном дифференциальном кодировании, что является существенным преимуществом, особенно по сравнению со способом внедрения, изложенном в заявке на Европейский патент 10154964.

На Фиг. 3a-3c приводится пример для технологического процесса внедрения.

Фиг. 3a демонстрирует в виде графического изображения главный сигнал плюс водяной знак для предыдущего временного интервала, то есть предыдущий спектральный коэффициент awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком, в виде вектора 310 в комплексной плоскости. Кроме того, текущий спектральный коэффициент a(i, j) главного сигнала 118 показан в виде другого вектора 312 в комплексной плоскости. Текущий аудиосигнал a(i, j) или текущий спектральный коэффициент a(i, j) главного сигнала 118 представляет собой центр окружности, на которой чередование 112 фаз может применяться к текущему потоковому значению b(i, j). Кроме того, радиус окружности после масштабирования текущего потокового значения b(i, j) может устанавливать границы некоторой области маскировки главного сигнала 118.

Другими словами, радиус окружности может масштабироваться на основании текущего масштабирующего множителя γ(i, j). Как можно увидеть на Фиг. 3a, текущее потоковое значение b(i, j) может содержать фазу 0 или фазу π, в зависимости от его значения. Как показано в уравнении 3, текущее потоковое значение b(i, j) может принимать значение либо -1, либо +1, это правило может применяться, если данные 104, содержащие дискретные значения, являются двоичными данными, а поток 110, следовательно, может содержать только двоичные потоковые значения. Вектор b^(a)(i, j) может, следовательно, соответствовать первому значению (например, -1) текущего потокового значения b(i, j), а вектор b^(b)(i, j) может соответствовать дополняющему значению (например, +1) текущего потокового значения b(i, j).

Фиг. 3b демонстрирует окружность, изображенную на Фиг. 3a, после того, как было применено чередование 112 фаз к текущему потоковому значению b(i, j). На Фиг. 3b видно, что фазовый угол φ(i, j-1), на который повернута окружность, изображенная на Фиг. 3a, совпадает с фазовым углом φ(i, j-1) предыдущего спектрального коэффициента awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком. Другими словами, текущее потоковое значение b(i, j) сдвигается по фазе на фазу 116 предыдущего спектрального коэффициента awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком.

Фиг. 3c демонстрирует окружность, изображенную на Фиг. 3b, после масштабирования 210 подвергнутого чередованию фаз текущего потокового значения b(i, j). Таким образом, окружность устанавливает границы области маскировки. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения водяной знак wm(i, j) или текущий коэффициент wm(i, j) водяного знака строится либо как wm^(a)(i, j), либо как wm^(b)(i, j), в зависимости от текущего потокового значения b(i, j). В качестве примера для сравнения, варианты для обычного способа, изложенного в заявке на Европейский патент 10154964, а именно $$\tilde{w}$$ m^(a)(i, j) или $$\tilde{w}$$ m^(b)(i, j), тоже продемонстрированы. Можно увидеть, что для обычного способа текущие коэффициенты $$\tilde{w}$$ m^(a)(i, j) или $$\tilde{w}$$ m^(b)(i, j) водяного знака строятся независимо от фазы предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком. Другими словами, сравнивая эти две стратегии, можно заметить, что варианты осуществления настоящего изобретения поворачивают обычное решение на угол, зависящий от предыдущего сигнала awm(i, j-1) с водяным знаком или от предыдущего спектрального коэффициента awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком.

Подводя итог, текущий спектральный коэффициент awm(i, j) сигнала с водяным знаком может быть получен в результате суммирования текущего спектрального коэффициента a(i, j) главного сигнала 118 и повернутой (и, в оптимальном случае, масштабированной) версии текущего потокового значения b(i, j), так что текущий спектральный коэффициент awm(i, j) лежит на окружности, или в ее пределах, причем ее центр задается текущим спектральным коэффициентом a(i, j) главного сигнала 118, а ее радиус определяется величиной текущего потокового значения b(i, j) и диапазоном значений текущего масштабирующего множителя γ(i, j).

Эта стратегия внедрения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения снижает искажение, наведенное главным сигналом 118, и, таким образом, улучшает технологический процесс декодирования в устройстве декодирования.

На Фиг. 3c можно увидеть, что текущий спектральный коэффициент awm(i, j) сигнала с водяным знаком может быть вычислен в зависимости от текущего потокового значения b(i, j) следующим образом:

awm^(a)(i, j)=a(i, j)+wm^(a)(i, j) $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (5)

или

awm^(b)(i, j)=a(i, j)+wm^(b)(i, j), $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (6)

в зависимости от значения текущего потокового значения b(i, j).

Текущий масштабирующий множитель γ(i, j) и фаза 116 (e^{jφ(i, j-1)}) предыдущего спектрального коэффициента awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком уже входят в wm^(a)(i, j) и wm^(b)(i, j) (см. уравнение 4).

Окружность радиуса γ(i, j) устанавливает границы участка комплексной плоскости, где может быть задан текущий коэффициент wm(i, j) водяного знака, который выражается в виде вектора с центром на текущем спектральном коэффициенте a(i, j) главного сигнала 118. Текущий масштабирующий множитель γ(i, j) обеспечивается психоакустической моделью и гарантирует, что водяной знак будет неслышим. Для достижения наивысшего SIR, то есть самого высокого отношения сигнала к помехе (т.е. к главному сигналу 118), оптимальным может быть размещение текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака на окружности, а не внутри ее. Другими словами, оптимальным может быть использование максимально допустимой мощности коэффициентов водяного знака сигнала 102 водяного знака. Другими словами, оптимальным может быть использование текущего масштабирующего множителя γ(i, j), обеспеченого психоакустической моделью для масштабирования 210, а не другого (тоже допустимого) масштабирующего множителя, который меньше текущего масштабирующего множителя γ(i, j).

Было обнаружено, что при таком маскирующем круге, показанном на Фиг. 3a-3c, допустим не только wm(i, j)=b(i, j)·γ(i, j) при b(i, j)∈{-1, 1}, но что вместо этого также и wm(i, j)=γ(i, j)·e^jθ·b(i, j) при θ∈[0, 2π) тоже может использоваться. Варианты осуществления настоящего изобретения используют этот результат, применяя чередование 112 фаз к текущим потоковым значениям потока 110 на основании фаз предыдущих спектральных коэффициентов сигнала с водяным знаком. Другие области маскировки тоже могли бы быть возможны. Например, если исследования показали, что изменения фазы звукового коэффициента (спектрального коэффициента главного сигнала 118) менее критичны для слуха, чем изменения амплитуды, область маскировки (которая является кругом на Фиг. 3a-3c) может иметь овальную форму.

Для простоты, в вариантах осуществления, описываемых в данной заявке, предполагается круговая область маскировки.

В описанном выше варианте осуществления настоящее изобретение было представлено для более конкретного случая, речь идет о двухточечном решении, в котором не выполняется отображение потокового значения в символ водяного знака. Это двухточечное решение может иметь большое значение для текущих практических приложений. Однако, более общие многоточечные решения могут представлять интерес для будущих приложений. Поэтому, в дальнейшем, будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения, который расширяет частное двухточечное решение на более общее решение высшего порядка.

Обобщение до созвездия высшего порядка, с использованием устройства дифференциального кодирования согласно Фиг. 4

Следуя тем же принципам, что использовались в предыдущих разделах, теперь настоящее изобретение обобщается до M-точечного созвездия. Чтобы сделать это, мы допускаем отображение разных символов в одну и ту же информацию, как показано на Фиг. 5. На этом графике, предусмотрено два символа для каждого битового состояния. Например, для битового состояния "1" предусматривается первый комплексный символ 510 с фазой 0 и второй комплексный символ 512 с фазой π. Для второго битового состояния "0", предусматривается третий комплексный символ 520 с фазой π/2 и четвертый комплексный символ 522 с фазой 3π/2. Выбор между различными символами может осуществляться, опять же следуя идее информированного внедрения, под этим понимается рассмотрение текущего главного аудиосигнала (т.е. текущего спектрального коэффициента a(i, j) главного сигнала 118), а также (для дифференциального кодирования) предыдущего сигнала с водяным знаком (т.е. предыдущего спектрального коэффициента awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком).

Фиг. 4 демонстрирует структурную схему устройства 408 дифференциального кодирования, для использования в устройстве формирования водяного знака в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Устройство 408 дифференциального кодирования отличается от устройства 208 дифференциального кодирования тем, что оно выполняется с возможностью осуществления отображения 114 потокового значения в символ водяного знака, что также упоминается как вспомогательная функция устройства 100 формирования водяного знака, изображенного на Фиг. 1. Для выполнения этого отображения 114 потокового значения в символ водяного знака, устройство 408 дифференциального кодирования содержит устройство 402 выбора подсозвездия и решающее устройство 404. Решающее устройство 404 также может называться многоточечным решающим устройством 404. Устройство 402 выбора подсозвездия выполняется с возможностью выборочного обеспечения множества текущих символов x_k(i, j) (i, j, k∈N) водяного знака, которые составляют подсозвездие, в зависимости от текущего потокового значения b(i, j). Индекс "k" соотносится с номером символа текущего символа водяного знака. Если одно потоковое значение отображается в подмножестве M символов водяного знака, принадлежащих двум разным подсозвездиям, для каждого подсозвездия k может принимать значения от k=1 до k=M/2. Первое подсозвездие может соотноситься с первым потоковым значением (например, +1), а второе подсозвездие может соотноситься со вторым потоковым значением (например, -1).

Кроме того, устройство 408 дифференциального кодирования может быть выполнено с возможностью применения чередования 112 фаз к каждому из текущих символов x_k(i, j) водяного знака подсозвездия, соответствующего текущему потоковому значению b(i, j), чтобы получить множество текущих возможных коэффициентов wm_k(i, j) водяного знака. Как можно видеть на Фиг. 4, устройство 408 дифференциального кодирования может быть выполнено с дополнительной возможностью осуществления масштабирования 210 для каждого из текущих символов x_k(i, j) водяного знака на основании текущего масштабирующего множителя γ(i, j), обеспеченного упомянутым психоакустическим модулем. Текущий масштабирующий множитель γ(i, j) одинаков для каждого из текущих символов x_k(i, j) водяного знака подсозвездия, соответствующего текущему потоковому значению b(i, j). Устройство 408 дифференциального кодирования, следовательно, может быть выполнено также и с возможностью применения чередования 112 фаз к масштабированной версии текущих символов x_k(i, j) водяного знака.

Согласно дополнительным вариантам осуществления настоящего изобретения устройство 408 дифференциального кодирования может сначала выполнять чередование 112 фаз, а затем выполнять масштабирование 210.

Решающее устройство 404 может быть выполнено с возможностью выбора одного из текущих возможных коэффициентов wm_k(i, j) водяного знака в качестве текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака.

Для примера, устройство 408 дифференциального кодирования, или, точнее, устройство 402 выбора подсозвездия, может в любом случае кодировать 1 бит (одно потоковое значение потока 110) всегда M символами. В дальнейшем предполагается, что поток 110 состоит только из двоичных значений, или, другими словами, потоковые значения потока 110 могут принимать только двоичные значения. Например, потоковые значения могут быть или -1 или +1. Текущее потоковое значение b(i, j), следовательно, может быть ∈ {-1, 1}. Текущее потоковое значение b(i, j) или бит b(i, j) подается на вход блока выбора подсозвездия или устройства 402 выбора подсозвездия. Выходные данные устройства 402 выбора подсозвездия содержат, как указано на Фиг. 6, M/2 комплексных символов x₁(i, j), …, x_M/2(i, j) водяного знака. M/2 точек составляют подсозвездие, которое соответствует одному битовому состоянию, или, другими словами, подсозвездие соответствует текущему потоковому значению b(i, j). Выражаясь математическим языком, k-я точка подсозвездия может быть вычислена как:

x_k(i, j)=exp(j(2Δ·(k-1)+η(i, j))) $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (7)

где

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (8)

и

η(i, j)=0 для b(i, j)=1

η(i, j)=Δ для b(i, j)=- 1.

Как можно видеть на Фиг. 6a, при M=2 есть только один символ в каждом подсозвездии, и мы имеем просто x₁(i, j)=b(i, j), что имело место в случае устройства 208 дифференциального кодирования, изображенного на Фиг. 2.

На Фиг. 6 можно увидеть, что для каждого состояния бита b(i, j) или для каждого значения текущего значения b(i, j) устройством 402 выбора подсозвездия обеспечиваются разные подсозвездия. Кроме того, можно заметить, что устройство 402 выбора подсозвездия может обеспечить множество текущих символов x_k(i, j) водяного знака в виде комплексных значений, так, что различные текущие символы водяного знака отличаются только по фазе, и так, что разности фаз различных смежных текущих символов водяного знака, соотнесенных с одним и тем же текущим потоковым значением b(i, j), равны. Например, при M=8, разность фаз между символами водяного знака одного и того же подсозвездия всегда составляет π/2.

Кроме того, первое подсозвездие может соответствовать первому значению текущего потокового значения b(i, j), например, b(i, j)=1, а второе подсозвездие может соответствовать второму значению текущего потокового значения b(i, j), например, b(i, j)=-1. Кроме того, разность фаз между двумя смежными символами водяного знака различных подсозвездий всегда одинакова и составляет половину разности фаз между двумя смежными символами водяного знака одного и того же подсозвездия.

Как можно видеть на Фиг. 4, каждый символ в подсозвездии, иначе говоря, каждый символ x_k(i, j) водяного знака подсозвездия масштабируется согласно текущему масштабирующему множителю γ(i, j), заданному психоакустической моделью, а затем поворачивается в соответствии с фазой 116 предыдущего спектрального коэффициента awm(i, j-1) сигнала с водяным знаком. Каждый масштабированный и повернутый символ в подсозвездии, поступающий на вход решающего устройства 404, например, в качестве кандидатов wm_k(i, j) на текущий водяной знак, является кандидатом на текущий коэффициент wm(i, j) водяного знака.

Решающее устройство 404 выбирает, какой из кандидатов, обозначенных wm₁(i, j), …, wm_M/2(i, j), должен использоваться в качестве водяного знака (в качестве текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака).

Один вариант заключается в выборе кандидата из текущих возможных коэффициентов wm_k(i, j) (k=1, …, M/2) водяного знака, который обеспечивает максимальное отношение сигнал-шум сигнала с водяным знаком относительно шума канала. В этом случае решающее устройство 404 может быть выполнено с возможностью добавления каждого кандидата wm_k(i, j) (k=1, …, M/2) к текущему спектральному коэффициенту a(i, j) главного сигнала 118, для получения кандидатов awm₁(i, j), …, awm_M/2(i, j) на сигнал с водяным знаком, которые также именуются как текущие возможные спектральные коэффициенты awm_k(i, j) (k=1, …, M/2) с водяным знаком, и выбора кандидата с самой высокой мощностью. В математических терминах:

, $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (9)

так что сигнал водяного знака или текущий коэффициент водяного знака

, $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (10)

Другими словами, решающее устройство 404 может быть выполнено с возможностью извлечения множества текущих возможных спектральных коэффициентов awm_k(i, j) (k=1, …, M/2) с водяным знаком на основании объединений текущего спектрального коэффициента a(i, j) главного сигнала 118 с множеством возможных коэффициентов wm_k(i, j) (k=1, …, M/2) водяного знака, для определения текущего возможного спектрального коэффициента водяного знака с самой высокой мощностью из множества текущих возможных спектральных коэффициентов awm_k(i, j) (k=1, …, M/2) с водяным знаком, чтобы выбрать текущий возможный коэффициент водяного знака, соответствующий текущему возможному спектральному коэффициенту с водяным знаком, имеющему самую высокую мощность, в качестве текущего коэффициента водяного знака.

Следует еще раз отметить, что варианты осуществления настоящего изобретения реализуют дифференциальное кодирование неявно.

Для использования M более высокого порядка отношение сигнал-шум сигнала с водяным знаком может быть улучшено, это означает, что водяной знак может легче выдерживать вносимые искажения, например из-за микрофонного шума. С другой стороны, символы в подсозвездии располагаются ближе при большем M (это означает, что разность фаз становится меньше). Это подразумевает, что частота появления ошибочных битов (BER - Bit Error Rate) будет увеличиваться. Учитывая этот негативный побочный эффект, выбор M зависит от целевого приложения.

Фиг. 6b показывает на примере, как решающее устройство 404 принимает решение о том, какой текущий возможный коэффициент водяного знака из множества текущих возможных коэффициентов wm_k(i, j) (k=1, …, M/2) водяного знака использовать в качестве текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака. В этом примере предполагается, что устройство 402 выбора подсозвездия кодирует один бит одним из восьми в общей сложности символов. Это означает, что M=8. Кроме того, предполагается, что значение текущего потокового значения b(i, j)=1. На Фиг. 6a подсозвездие для этого случая может быть найдено в первом столбце, третьей строке таблицы, показанной на Фиг. 6a. Подсозвездие, таким образом, содержит четыре текущих возможных символа x₁(i, j)-x₄(i, j) водяного знака, которые разнесены друг от друга на фазу π/2. На Фиг. 6b текущие символы x₁(i, j)-x₄(i, j) водяного знака уже были масштабированы и подвергнуты чередованию фаз для получения текущих возможных коэффициентов wm₁(i, j)-wm₄(i, j) водяного знака. Многоточечное решающее устройство 404 извлекает на основании объединения текущего спектрального коэффициента a(i, j) главного сигнала 118 и текущих возможных коэффициентов wm₁(i, j)-wm₄(i, j) водяного знака текущие возможные спектральные коэффициенты awm₁(i, j)-awm₄(i, j) с водяным знаком. Затем решающее устройство 404 выбирает текущий возможный коэффициент водяного знака, который соответствует текущему возможному спектральному коэффициенту с водяным знаком с самой высокой мощностью. В примере, показанном на Фиг. 6b, решающее устройство 404 выбрало бы текущий возможный коэффициент wm₃(i, j) водяного знака в качестве текущего коэффициента wm(i, j) водяного знака, так как его соответствующий текущий возможный спектральный коэффициент awm₃(i, j) с водяным знаком имеет самую высокую мощность из текущих возможных спектральных коэффициентов awm₁(i, j)-awm₄(i, j) с водяным знаком.

Другими словами, коэффициенты wm(i, j) водяного знака выбираются таким образом, что awm(i, j) лежит в пределах области маскировки, а отношение сигнал-шум в устройстве декодирования после дифференциального декодирования является максимальным, например, при использовании правила декодирования, как в уравнении 13.

Следует отметить, что для получения частного случая, показанного в варианте осуществления на Фиг. 2, а именно M=2, схема на Фиг. 4 значительно упрощается. Как уже упоминалось, устройство 402 выбора подсозвездия может быть излишним, поскольку у нас есть только один кандидат, которым является x₁(i, j)=b(i, j). Следовательно, решающее устройство 404 тоже может быть убрано, поскольку нет необходимости в выборе.

После описания двух устройств 208, 408 дифференциального кодирования, в дальнейшем, со ссылкой на Фиг. 7, будет разъясняться другое устройство формирования водяного знака, которое может использовать устройства 208, 408 дифференциального кодирования.

Устройство формирования водяного знака согласно Фиг. 7

Фиг. 7 демонстрирует структурную схему устройства 700 формирования водяного знака в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Функциональные возможности устройства 700 формирования водяного знака могут быть подобны функциональным возможностям устройства 100 формирования водяного знака. Устройство 700 формирования водяного знака может содержать вспомогательные функции, показанные на Фиг. 7. Устройство 700 формирования водяного знака содержит устройство 706 обработки информации, устройство 708 дифференциального кодирования и устройство 710 модуляции. Функциональные возможности устройства 706 обработки информации могут быть подобны функциональным возможностям устройства 106 обработки информации, но устройство 706 обработки информации может содержать дополнительные функции, показанные на Фиг. 7. Устройство 708 дифференциального кодирования может быть устройством 108 дифференциального кодирования, устройством 208 дифференциального кодирования, устройством 408 дифференциального кодирования или другим устройством дифференциального кодирования в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Для описания устройства 700 формирования водяного знака предполагается поток 104 двоичных данных, выраженных как {-1, 1}. Блок 712 сигнализации устройства 706 обработки информации организует данные в пакеты равной длины и добавляет в конец служебные биты. Пакет битов с полезной информацией вместе со служебными данными называется сообщением.

Устройство 714 кодирования каналов устройства 706 обработки информации добавляет избыточность к сообщению в целях прямого исправления ошибок.

После этого, данные разносятся по частоте, например, двоичные данные для различных подканалов i формируются устройством 716 разнесения по частоте устройства 706 обработки информации.

Чтобы облегчить декодирование, вставляется сигнал синхронизации посредством умножения матрицы двоичной информации на конкатенацию синхронизирующих последовательностей. Это вставление схемы синхронизации может выполняться устройством 718 вставления схемы синхронизации устройства 706 обработки информации.

Устройство 720 разнесения по времени устройства 706 обработки информации осуществляет разнесение во временной области, а значит, добавляет дополнительную избыточность, чтобы получить большую устойчивость к шуму. Выходные данные устройства 706 обработки информации представляют собой двоичные данные (например, поток 110 последующих потоковых значений, также обозначенных как b(i, j)), где i указывает подканал, а j указывает временной интервал или номер символа.

Устройство 708 дифференциального кодирования осуществляет отбрасывание помех главного сигнала и технологический процесс дифференциального кодирования на потоке 110 последующих потоковых значений, который обеспечивается устройством 720 разнесения по времени. Устройство 708 дифференциального кодирования также может именоваться как блок 708 отбрасывания помех главного сигнала и дифференциального кодирования. Устройство 708 дифференциального кодирования, например, может быть подобным или таким же, как устройство 108 дифференциального кодирования на Фиг. 1, как устройство 208 дифференциального кодирования на Фиг. 2 или как устройство 408 дифференциального кодирования на Фиг. 4. Устройства 108, 208, 408 дифференциального кодирования были описаны ранее, поэтому повторное описание устройства 708 дифференциального кодирования опускается.

Устройство 708 дифференциального кодирования обеспечивает сигнал 102 водяного знака в частотно-временной области в виде последовательности последующих коэффициентов wm(i, j) (i, j∈N) водяного знака для множества частотных полос. Другими словами, выходные данные устройства 708 дифференциального кодирования состоят из коэффициентов wm(i, j) (i, j∈N) водяного знака. Устройство 710 модуляции выполняется с возможностью извлечения сигнала водяного знака во временной области на основании последующих коэффициентов водяного знака сигнала 102 водяного знака в частотно-временной области. Устройство 710 модуляции, следовательно, обеспечивает сигнал 722 водяного знака в виде сигнала 722 водяного знака во временной области, который также обозначается как wm(t). Другими словами, задача оставшегося устройства 710 модуляции состоит в преобразовании коэффициентов wm(i, j) (i, j∈N) водяного знака в сигнал времени wm(t).

Полученный в результате сигнал 722 водяного знака во временной области (wm(t)) представляет собой водяной знак, который может быть добавлен к главному (аудио) сигналу a(t).

В дальнейшем, устройство формирования водяного знака, которое описано в заявке на Европейский патент 10154964, будет вкратце разъяснено в качестве сравнительного примера для устройства 700 формирования водяного знака в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, показанного на Фиг. 7.

Стандартное устройство формирования водяного знака как сравнительный пример

Фиг. 8a демонстрирует структурную схему устройства 800 формирования водяного знака, как оно описано в заявке на Европейский патент 10154964. Устройство 800 формирования водяного знака, как и устройство 700 формирования водяного знака, тоже может выполнять сигнализацию, кодирование канала, разнесение по частоте, вставление схемы синхронизации и разнесение по времени в отношении двоичных данных на его входе, чтобы получить поток 804 двоичных данных в виде последовательности последующих двоичных значений $$\tilde{b}$$ (i, j) (i, j∈N) для множества частотных полос. Устройство 800 формирования водяного знака содержит устройство 802 дифференциального кодирования, которое в этом случае выполняет дифференциальное кодирование на потоке 804 двоичных данных. Выходом устройства 802 дифференциального кодирования является:

, $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (11)

Выходом устройства 802 дифференциального кодирования является поток 808 последующих дифференцированно закодированных двоичных коэффициентов $${\tilde{b}}_{diff}$$ (i, j) (i, j∈N). Устройство 806 модуляции устройства 800 формирования водяного знака преобразует полученные в результате двоичные данные $${\tilde{b}}_{diff}$$ (i, j) (i, j∈N) в сигнал времени и в то же время выполняет масштабирование амплитуды согласно масштабирующим множителям (например, $$\tilde{\gamma }$$ (i, j)), заданным психоакустической моделью. Можно рассматривать дифференцированно закодированные двоичные коэффициенты $${\tilde{b}}_{diff}$$ (i, j) (i, j∈N) как коэффициенты, а устройство 806 модуляции как банк фильтров синтеза, который сначала масштабирует коэффициенты, а затем преобразует их во временную область. Полученный в результате сигнал времени $$\tilde{w}m(t)$$ представляет собой водяной знак, который может быть добавлен к главному аудиосигналу a(t).

Фиг. 8b демонстрирует принцип внедрения системы, предложенной в заявке на Европейский патент 10154964. Обратите внимание, что масштабирующий множитель (i, j) для амплитуд коэффициентов уже входит в $$\tilde{w}m$$ (i, j). Фактически, .

Водяной знак $$\tilde{w}m$$ (i, j) выбирается среди $$\tilde{w}{m}^{(a)}$$ (i, j) или (i, j), в зависимости от (i, j). Другими словами, либо $$\tilde{w}{m}^{(a)}$$ (i, j) либо $$\tilde{w}{m}^{(b)}$$ (i, j) выбирается в качестве водяного знака $$\tilde{w}m$$ (i, j), в зависимости от (i, j).

Можно заметить, что как $$\tilde{w}{m}^{(a)}$$ (i, j), так и $$\tilde{w}{m}^{(b)}$$ (i, j) были построены независимо от главного аудиосигнала (за исключением множителя (i, j), обеспеченного психоакустической моделью, которая (очевидно) проанализировала главный сигнал и отрегулировала множитель (i, j) в соответствии с эффектами частотной маскировки и эффектами временной маскировки).

В дальнейшем будет показан краткий пример для приложения, в котором может использоваться устройство формирования водяного знака в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Пример приложения, использующего устройство 700 формирования водяного знака

Фиг. 9 демонстрирует структурную схему устройства 700 формирования водяного знака, изображенного на Фиг. 7, в сочетании с модулем 902 психоакустической обработки для обеспечения аудиосигнала awm(t) с водяным знаком во временной области. В этом примере устройство 700 формирования водяного знака используется только в качестве примера. Устройство формирования водяного знака, следовательно, может быть заменено любым другим устройством формирования водяного знака в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Как можно увидеть на Фиг. 9, устройство 700 формирования водяного знака принимает в качестве входных данных данные 104, содержащие дискретные значения (в данном примере двоичные данные 104), главный сигнал 118 (в данном примере главный аудиосигнал 118 во временной области) и текущий масштабирующий множитель γ(i, j). Масштабирующий множитель γ(i, j) обеспечивается модулем 902 психоакустической обработки на основании главного аудиосигнала 118 во временной области. Модуль 902 психоакустической обработки обеспечивает масштабирующие множители γ(i, j) (i, j∈N) для каждого потокового значения b(i, j) (i, j∈N), которые формируются внутри устройства 700 формирования водяного знака. Другими словами, модуль 902 психоакустической обработки обеспечивает текущий масштабирующий множитель γ(i, j) в каждом подканале i (на средней частоте f_i) и для каждого временного интервала j.

Как уже упоминалось ранее, полученный в результате сигнал устройства 700 формирования водяного знака является сигналом wm(t) водяного знака во временной области. Этот полученный в результате сигнал времени wm(t) является водяным знаком, который добавляется к главному аудиосигналу a(t) во временной области. Главный сигнал с водяным знаком:

awm(t)=a(t)+wm(t) $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (12)

может передаваться по каналу связи и представляет собой сигнал y(t), принимаемый на принимающем устройстве.

Ниже будет разъяснен способ формирования сигнала водяного знака.

Способ формирования сигнала водяного знака согласно Фиг. 10

Фиг. 10 демонстрирует блок-схему последовательности операций способа 1000 обеспечения сигнала водяного знака в виде последовательности последующих коэффициентов водяного знака на основании данных, содержащих дискретные значения.

Способ 1000 содержит этап 1002, на котором обеспечивают, в зависимости от единиц информации данных, содержащих дискретные значения, первый поток последующих значений, таких, что первый поток представляет данные, содержащие дискретные значения.

Способ 1000 дополнительно содержит этап 1004, на котором применяют чередование фаз к текущему потоковому значению или к текущему символу водяного знака, причем текущий символ водяного знака соответствует текущему потоковому значению из потоковых значений, представляющих данные, содержащие дискретные значения, чтобы получить текущий коэффициент водяного знака сигнала водяного знака.

Способ 1000 дополнительно содержит этап 1006, на котором извлекают фазу спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком, который является объединением главного сигнала и сигнала водяного знака.

Способ 1000 дополнительно содержит этап 1008, на котором обеспечивают сигнал с водяным знаком, таким образом, что фазовый угол чередования фаз, применяемый к текущему потоковому значению или к текущему символу водяного знака, зависит от фазы предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком.

В дальнейшем будет описано устройство декодирования для декодирования сигнала водяного знака, сформированного устройством формирования водяного знака, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Устройство декодирования водяного знака согласно Фиг. 11

На принимающем устройстве, которое содержит устройство декодирования водяного знака, как правило, операции, обратные для упомянутых операций для формирования сигнала водяного знака, осуществляются в обратном порядке для декодирования водяного знака. В случае, когда в устройстве формирования водяного знака для формирования сигнала водяного знака используется устройство 208 дифференциального кодирования, изображенное на Фиг. 2, дифференциальное декодирование может быть выполнено следующим образом:

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (13)

$$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ (14)

где являются нормированными комплексными коэффициентами, заданными банком фильтров анализа в подканале i (на средней частоте f_i), представляющими принятый сигнал y(t), а переменная j является временным индексом. Полученные в результате изменяемые биты $${\widehat{b}}_i(j)$$ , принимающие действительные значения, являются оценками b(i, j). Дифференцированное декодирование работает, поскольку если разность фаз составляет 0, то косинус равен 1, тогда как для разности фаз, равной π, косинус становится -1. y(t) представляет сигнал awm(t) с водяным знаком, который был передан по каналу связи. Этот принцип дифференциального декодирования прекрасно работает для сигналов водяного знака, сформированных устройством 208 дифференциального кодирования, в котором чередование 112 фаз применяется непосредственно к текущим потоковым значениям b(i, j) (i, j∈N) потока 110. Другими словами, этот принцип декодирования работает для устройств дифференциального кодирования, в которых не применяется отображение 114 потокового значения в символ водяного знака. Таким образом, устройство декодирования, которое выполнено с возможностью декодирования сигнала 102 водяного знака, сформированного устройством 208 дифференциального кодирования, может быть подобно устройству декодирования, которое выполнено с возможностью декодирования сигнала водяного знака, сформированного устройством 802 дифференциального кодирования устройства формирования водяного знака, изложенного в заявке на Европейский патент 10154964.

В отличие от этого, использование M-точечного созвездия при M>2 подразумевает использование другого устройства декодирования. Такое M-точечное созвездие было показано на Фиг. 4 вместе с устройством 408 дифференциального кодирования, которое применяет отображение 114 потокового значения в символ водяного знака к каждому потоковому значению b(i, j) (i, j∈N) потока 110.

Фиг. 11 демонстрирует структурную схему устройства 1100 декодирования в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, которое выполняется с возможностью декодирования сигналов водяного знака такого M-точечного созвездия. Устройство 1100 декодирования водяного знака для обеспечения данных 1102, содержащих дискретные значения, содержит устройство 1104 обработки информации и устройство 1106 дифференциального декодирования, при этом устройство 1104 обработки информации выполняется с возможностью обеспечения потока 1108 принимающих комплексные значения спектральных коэффициентов $$b_i^{norm}(j)$$ (i, j∈N), причем поток 1108 представляет сигнал 1101 с водяным знаком.

Устройство 1104 обработки информации может быть выполнено с возможностью обеспечения потока 1108 для каждого частотного подканала i.

Устройство 1106 дифференциального декодирования выполняется с возможностью определения разности 1110 фазовых углов (также обозначенной как $${\varphi }_i^{diff}(j)$$ ) между предыдущим спектральным коэффициентом 1112, принимающим комплексные значения (также обозначенным как $$b_i^{norm}(j-1)$$ ), и текущим спектральным коэффициентом 1114, принимающим комплексные значения (также обозначенным как $$b_i^{norm}(j)$$ ). Устройство 1106 дифференциального декодирования выполняется с дополнительной возможностью отображения разностей фазовых углов в пределах по меньшей мере двух различных диапазонов фазовых углов в первое дискретное значение 1116 данных 1102, содержащих дискретные значения, и отображения разностей фазовых углов в пределах по меньшей мере других двух различных диапазонов фазовых углов во второе дискретное значение 1118 данных 1102, содержащих дискретные значения. Данные 1102, содержащие дискретные значения, например, могут быть двоичными данными, и первое дискретное значение 1116 может, например, соответствовать логической 1, а второе дискретное значение 1118 может, например, соответствовать логическим -1 или 0.

Другими словами, устройство 1106 дифференциального декодирования может быть выполнено с возможностью выбора, в ответ на определяемую разность 1110 фаз, попадающую в диапазоны фазовых углов, отображенные в первое дискретное значение 1116, первого дискретного значения в качестве значения для текущего элемента данных 1102, содержащих дискретные значения, и выбора, в ответ на определяемую разность фаз 1110, попадающую в диапазоны фазовых углов, отображенные во второе дискретное значение 1118, второго дискретного значения в качестве значения для текущего элемента данных 1102, содержащих дискретные значения.

Устройство 1104 обработки информации может быть выполнено с возможностью обеспечения потока 1108 комплексных спектральных коэффициентов в частотно-временной области, таких, что каждый спектральный коэффициент соответствует одному частотному подканалу i и одному временному интервалу j. Устройство 1106 дифференциального декодирования может быть выполнено таким образом, что предыдущий комплексный спектральный коэффициент 1112 и текущий комплексный спектральный коэффициент 1114 соответствуют смежным временным интервалам j, j-1 и одному и тому же частотному подканалу i.

Фиг. 12 демонстрирует, как устройство 1106 дифференциального декодирования может выполнять упомянутое отображение диапазонов фазовых углов. Фиг. 12 демонстрирует частный случай при M=4. Это означает, что два различных диапазона фазовых углов отображаются в первое дискретное значение 1116 данных 1102, содержащих дискретные значения, а другие два различных диапазона фазовых углов отображаются во второе дискретное значение 1118 данных 1102 с дискретными значениями. На Фиг. 12 фазовый угол вычерчивается в направлении против часовой стрелки, начиная от точки 1210 с фазовым углом 0.

Первый диапазон 1202 углов, который находится в пределах от - π/4 (или 7π/4) до π/4, и второй диапазон 1204 фазовых углов, который находится в пределах от 3π/4 до 5π/4, отображаются устройством 1106 дифференциального декодирования в первое дискретное значение 1116. Третий диапазон 1206 фазовых углов, который находится в пределах от π/4 до 3π/4, и четвертый диапазон 1208 фазовых углов, который находится в пределах от 5π/4 до 7π/4, отображаются устройством 1106 дифференциального декодирования во второе дискретное значение 1118 данных 1102 с дискретными значениями. Сравнивая это графическое изображение, показанное на Фиг. 12, с графическими изображениями, показанными на Фиг. 6a, для случая, когда M=4, можно заметить, что отображение, выполняемое в устройстве декодирования, совпадает с отображением, выполняемым в устройстве кодирования. Размеры диапазонов 1202, 1204, 1206, 1208 фазовых углов одинаковы для всех диапазонов 1202, 1204, 1206, 1208 фазовых углов и составляют 2π/M (в частном случае, который показан на Фиг. 12, при M=4 этот размер составляет π/2). Как можно заметить, объединяя Фиг. 6a и Фиг. 12, фазовый сдвиг по каналу связи меньше, чем π/4 не может привести к битовой ошибке.

Как можно видеть на Фиг. 12, устройство 1106 дифференциального декодирования может быть выполнено с возможностью отображения диапазонов фазовых углов в дискретные значения, так, что смежные диапазоны фазовых углов отображаются в два различных дискретных значения данных 1102 с дискретными значениями.

Из разъяснений, сделанных выше, становится ясно, что использование M-точечного созвездия при M>2 подразумевает использование другого устройства декодирования. Одно существенное отличие от стандартных (обычных) устройств декодирования состоит в отображении битов, поскольку обычная система обычно кодирует log₂(M) битов M символами, тогда как по меньшей мере некоторые из предложенных систем всегда кодируют 1 бит M символами.

Ниже будут вкратце обобщены некоторые аспекты настоящего изобретения.

Схема нанесения водяных знаков, применяемая в вариантах осуществления настоящего изобретения, содержит способ многоканальной дифференциальной BPSK для внедрения цифровой информации в аудиосигнал. Каждый из нескольких подканалов i связан с частотой (f_i) частотно-временного представления аудиосигнала a(t). Информация, которая должна передаваться в одном подканале i, содержится в разности фаз следующих друг за другом коэффициентов b(i, j) (i, j∈N) частотно-временного представления.

Варианты осуществления настоящего изобретения были представлены более частным образом с использованием устройства 208 дифференциального кодирования, изображенного на Фиг. 2, и были представлены более обобщенно с использованием устройства 408 дифференциального кодирования, изображенного на Фиг. 4. Двухточечное решение, показанное на Фиг. 2, может иметь большее значение для современного практического применения. Тем не менее, более общее многоточечное решение, представленное на Фиг. 4, могло бы представлять интерес в будущих приложениях.

По меньшей мере, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения имеют отношение к простановке водяных знаков в цифровой звукозаписи, т.е. к некоторому изменению аудиосигнала для того, чтобы скрыть цифровые данные, и к соответствующему устройству декодирования, способному принимать эту информацию, тогда как воспринимаемое качество измененного аудиосигнала остается неотличимым (на слух) от исходного.

Варианты осуществления настоящего изобретения реализуют дифференциальное кодирование неявно, обеспечивая текущий коэффициент водяного знака на основании предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком.

Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают способ формирования неслышимого водяного знака, представляющий собой дифференциальное кодирование в частотно-временной области. Водяной знак принимает оптимальную, или по меньшей мере почти оптимальную или адаптированную к сигналу, форму с учетом главного аудиосигнала, чтобы максимально повысить эффективность устройства декодирования. Более того, выбор порядка созвездия символов позволяет найти компромисс между устойчивостью к внешним источникам шума (т.е. лучшее отношение сигнал-шум сигнала с водяным знаком) и лучшими частотами появления ошибочных битов.

Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают (частично) способ внедрения водяного знака с отбрасыванием помех главного сигнала, который неявно содержит в себе схему дифференциального кодирования.

Варианты реализации

Хоть некоторые аспекты и были описаны применительно к аппаратным средствам, ясно, что эти аспекты представляют собой также и описание соответствующего способа, при этом блок или устройство соответствуют этапу способа или функции этапа способа. Аналогично, аспекты, описанные применительно к этапу способа, представляют собой также и описание соответствующего блока или элемента или функции соответствующих устройств. Некоторые или все этапы способа могут исполняться аппаратными средствами (или с их помощью), такими, например, как микропроцессор, программируемое вычислительное устройство или электронная схема. В некоторых вариантах осуществления, какой-то один или несколько наиболее важных этапов способа могут исполняться такими устройствами.

В зависимости от определенных требований к реализации, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы в аппаратном обеспечении или в программном обеспечении. Реализация может быть выполнена с использованием цифрового носителя данных, например, гибкого диска, диска DVD, диска Blue-Ray, диска CD, ПЗУ, ППЗУ, СППЗУ, ЭСППЗУ или запоминающего устройства с групповой перезаписью, с сохраненными на нем считываемыми с помощью электроники управляющими сигналами, которые взаимодействуют (или способны взаимодействовать) с программируемой вычислительной системой так, чтобы выполнялся соответствующий способ. Таким образом, цифровой носитель данных может быть считываемым с помощью вычислительного устройства.

Некоторые варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением содержат носитель данных со считываемыми с помощью электроники управляющими сигналами, которые способны взаимодействовать с программируемой вычислительной системой, так, чтобы выполнялся один из способов, описанных в данном документе.

В большинстве случаев, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы в виде компьютерного программного продукта с программным кодом, при этом программный код управляет выполнением одного из способов, когда компьютерный программный продукт работает на вычислительном устройстве. Программный код, например, может храниться на машиночитаемом носителе.

Другие варианты осуществления содержат компьютерную программу для выполнения одного из способов, описанных в данном документе, хранящуюся на машиночитаемом носителе.

Другими словами, одним из вариантов осуществления способа согласно изобретению, следовательно, является компьютерная программа с программным кодом для выполнения одного из способов, описанных в данном документе, при работе этой компьютерной программы на вычислительном устройстве.

Дополнительным вариантом осуществления способов согласно изобретению, следовательно, является носитель данных (или цифровой носитель данных, или считываемый с помощью вычислительного устройства носитель), содержащий, записанную на него, компьютерную программу для выполнения одного из способов, описанных в данном документе. Носитель данных, цифровой носитель данных или записанный носитель, как правило, материальны и/или неизменяемы.

Дополнительным вариантом осуществления способа согласно изобретению, следовательно, является поток данных или последовательность сигналов, представляющих компьютерную программу для выполнения одного из способов, описанных в данном документе. Поток данных или последовательность сигналов могут быть, например, скомпонованы с возможностью переноса через соединение передачи данных, например, через сеть Интернет.

Дополнительный вариант осуществления содержит средство обработки, например, вычислительное устройство, или программируемое логическое устройство, выполненное с возможностью, или адаптированное для этого, выполнения одного из способов, описанных в данном документе.

Дополнительный вариант осуществления содержит вычислительное устройство с установленной на нем компьютерной программой для выполнения одного из способов, описанных в данном документе.

Дополнительный вариант осуществления в соответствии с настоящим изобретением содержит устройство или систему, выполненную с возможностью переноса (например, электронным или оптическим способом) компьютерной программы для выполнения одного из способов, описанных в данном документе, на принимающее устройство. Принимающее устройство, например, может быть вычислительным устройством, подвижным устройством, запоминающим устройством или тому подобным. Устройство или система могут, например, содержать файловый обслуживающий узел для переноса компьютерной программы на принимающее устройство.

В некоторых вариантах осуществления, программируемое логическое устройство (например, программируемая вентильная матрица) может использоваться для выполнения некоторых или всех функциональных возможностей способов, описанных в данном документе. В некоторых вариантах осуществления, программируемая вентильная матрица может взаимодействовать с микропроцессором для того, чтобы выполнять один из способов, описанных в данном документе. Как правило, предпочтительно, чтобы способы выполнялись какими-нибудь аппаратными средствами.

Описанные выше варианты осуществления представляют собой лишь иллюстрацию принципов настоящего изобретения. Следует понимать, что модификации и изменения конструкций и деталей, описанных в данном документе, будут очевидны для специалистов в данной области техники. Таким образом, подразумевается, что объем ограничивается лишь объемом приведенной далее формулы изобретения, а не конкретными деталями, представленными посредством описания и разъяснения вариантов осуществления в данном документе.

Естественно, концепция, описанная в данном документе, также может использоваться и для проставления водяных знаков в видеосигналах или в сигналах изображений.

Изобретение относится к системе связи и предназначено для формирования водяных знаков для обеспечения сигнала с водяным знаком на основе данных, содержащих дискретные значения. Технический результат - повышение устойчивости сигнала водяного знака. Устройство содержит устройство дифференциального кодирования, выполненное с возможностью применения чередования фаз к текущему потоковому значению из потоковых значений или к текущему символу водяного знака, причем текущий символ водяного знака соответствует текущему потоковому значению из потоковых значений, чтобы получить текущий коэффициент водяного знака сигнала водяного знака. Устройство дифференциального кодирования выполнено с возможностью извлечения фазы предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком, который является объединением главного сигнала и сигнала водяного знака, также выполнено с дополнительной возможностью обеспечения сигнала водяного знака, такого, что фазовый угол чередования фаз, применяемый к текущему потоковому значению или к текущему символу водяного знака, зависит от фазы предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Устройство формирования водяного знака для обеспечения сигнала (102, wm) водяного знака в виде последовательности последующих коэффициентов (wm(i, j) (i, j∈N)) водяного знака на основании потока (110) последующих потоковых значений (b(i, j)), представляющих данные (104), содержащие дискретные значения, причем устройство формирования водяного знака содержит:
устройство (108, 208, 408, 708) дифференциального кодирования, выполненное с возможностью обеспечения сигнала (102, wm) водяного знака, при этом устройство (108, 208, 408, 708) дифференциального кодирования выполнено с возможностью применения чередования (112) фаз к текущему потоковому значению (b(i, j)) из потоковых значений (b(i, j)), представляющих данные (104), содержащие дискретные значения, или к текущему символу (x_k(i, j)) водяного знака, причем текущий символ (x_k(i, j)) водяного знака соответствует текущему потоковому значению (b(i, j)) из потоковых значений (b(i, j)), представляющих данные (104), содержащие дискретные значения, чтобы получить текущий коэффициент (wm(i, j)) водяного знака сигнала (102) водяного знака;
при этом устройство (108, 208, 408, 708) дифференциального кодирования выполнено с возможностью извлечения фазы (116, φ(i, j-1)) предыдущего спектрального коэффициента (awm(i, j-1)) сигнала (awm) с водяным знаком, который является объединением главного сигнала (118, а) и сигнала (102, wm) водяного знака;
при этом устройство (108, 208, 408, 708) дифференциального кодирования выполнено с возможностью обеспечения сигнала (102) водяного знака таким образом, что фазовый угол (φ(i, j)) чередования (112) фаз, применяемый к текущему потоковому значению (b(i, j)) или к текущему символу (x_k(i, j)) водяного знака, зависит от фазы (116, (φ(i, j-1)) предыдущего спектрального коэффициента (awm(i, j-1)) сигнала (awm) с водяным знаком; и
при этом главный сигнал (118, а) является аудиосигналом, сигналом изображения или видеосигналом, и сигнал (awm) с водяным знаком является аудиосигналом, сигналом изображения или видеосигналом.

2. Устройство формирования водяного знака по п. 1,
причем устройство формирования водяного знака содержит устройство (106) обработки информации;
при этом устройство (106) обработки информации выполнено с возможностью обеспечения потока (110), представляющего данные (104), содержащие дискретные значения, в частотно-временной области, таким образом, что каждое потоковое значение потока (110) соотносится с частотным подканалом (i) и временным интервалом (j); и
в котором устройство (108, 208, 408) дифференциального кодирования выполнено с возможностью получения текущего коэффициента (wm(i, j)) водяного знака в частотно-временной области таким образом, что частотный подканал (i), соотнесенный с текущим коэффициентом (wm(i, j)) водяного знака, идентичен частотному подканалу (i), соотнесенному с текущим потоковым значением (b(i, j)), и таким образом, что временной интервал (j), соотнесенный с текущим коэффициентом (wm(i, j)) водяного знака, идентичен временному интервалу (j), соотнесенному с текущим потоковым значением (b(i, j)).

3. Устройство формирования водяного знака по п. 2,
в котором устройство (208, 408) дифференциального кодирования выполнено с возможностью извлечения спектральных коэффициентов (awm(i, j)) сигнала (awm) с водяным знаком в частотно-временной области, таким образом, что каждый спектральный коэффициент сигнала с водяным знаком соотносится с частотным подканалом (i) и временным интервалом (j), и
в котором устройство (208, 408) дифференциального кодирования выполнено с возможностью определения чередования (112) фаз таким образом, что временной интервал (j-1), соотнесенный с предыдущим спектральным коэффициентом (awm(i, j-1)) сигнала (awm) с водяным знаком, в зависимости от которого выбирается фазовый угол (φ(i, j)) чередования (112) фаз, применяемый к текущему потоковому значению (b(i, j)) или к текущему символу (x_k(i, j)) водяного знака, и временной интервал (j), соотнесенный с текущим потоковым значением (b(i, j)), являются смежными во времени.

4. Устройство формирования водяного знака по п. 3,
в котором устройство (208, 408) дифференциального кодирования выполнено таким образом, что частотный подканал (i), соотнесенный с предыдущим спектральным коэффициентом (awm(i, j-1)) сигнала (awm) с водяным знаком, и частотный подканал (i), соотнесенный с текущим потоковым значением (b(i, j)), идентичны.

5. Устройство формирования водяного знака по п. 1,
в котором устройство (208, 408) дифференциального кодирования выполнено с возможностью дополнительного масштабирования (210) текущего потокового значения (b(i, j)) или текущего символа (x_k(i, j)) водяного знака с текущим масштабирующим множителем (γ(i, j)) или с текущим множителем, который меньше текущего масштабирующего множителя (γ(i, j)); и
в котором текущий масштабирующий множитель (γ(i, j)) обеспечивается модулем (902) психоакустической обработки в зависимости от главного сигнала (118, а), в который должен быть внедрен сигнал (102, wm) водяного знака, и таким образом, что текущий масштабирующий множитель (γ(i, j)) описывает маскирующую характеристику главного сигнала (118, а).

6. Устройство формирования водяного знака по п. 5,
в котором устройство (208, 408) дифференциального кодирования выполнено с возможностью масштабирования текущего потокового значения (b(i, j)) или текущего символа (x_k(i, j)) водяного знака с текущим масштабирующим множителем (γ(i, j)), чтобы регулировать амплитуду текущего коэффициента (wm(i, j)) водяного знака, таким образом, чтобы водяной знак был неслышимым в сигнале (awm(t)) с водяным знаком, определяемом объединением главного сигнала (118, а) и сигнала (102, wm) водяного знака.

7. Устройство формирования водяного знака по п. 1,
в котором устройство (408) дифференциального кодирования содержит устройство (402) выбора подсозвездия, выполненное с возможностью выборочного обеспечения множества текущих символов (x₁(i, j)-x_M/2(i, j)) водяного знака, которые составляют подсозвездие, в зависимости от текущего потокового значения (b(i, j)),
в котором устройство (408) дифференциального кодирования выполнено с возможностью применения чередования (112) фаз к каждому из текущих символов (x₁(i, j)-x_M/2(i, j)) водяного знака подсозвездия, соответствующих текущему потоковому значению (b(i, j)), или к их масштабированной версии, чтобы получить множество текущих возможных коэффициентов (wm₁(i, j)-wm_M/2(i, j)) водяного знака; и
в котором устройство (408) дифференциального кодирования содержит решающее устройство (404), выполненное с возможностью выбора одного из текущих возможных коэффициентов (wm₁(i, j)-wm_M/2(i, j)) водяного знака в качестве текущего коэффициента (wm(i, j)) водяного знака.

8. Устройство формирования водяного знака по п. 7,
в котором решающее устройство (404) выполнено с возможностью извлечения множества текущих возможных спектральных коэффициентов с водяным знаком на основании объединений текущего спектрального коэффициента (a(i, j)) главного сигнала (118, а) с множеством возможных коэффициентов (wm₁(i, j)-wm_M/2(i, j)) водяного знака, для определения текущего возможного спектрального коэффициента с водяным знаком с самой высокой мощностью из множества текущих возможных спектральных коэффициентов с водяным знаком, чтобы выбрать текущий возможный коэффициент водяного знака, соответствующий текущему возможному спектральному коэффициенту с водяным знаком, имеющему самую высокую мощность, в качестве текущего коэффициента (wm(i, j)) водяного знака.

9. Устройство формирования водяного знака по п. 7,
в котором устройство (402) выбора подсозвездия выполнено с возможностью обеспечения множества текущих символов (х₁(i, j)-x_M/2(i, j)) водяного знака в виде комплексных значений, таких, что различные текущие символы водяного знака отличаются только по фазе, и таких, что разности фаз различных смежных текущих символов водяного знака, соотнесенных с одним и тем же текущим потоковым значением, равны.

10. Устройство формирования водяного знака по п. 1,
которое дополнительно содержит устройство (710) модуляции, выполненное с возможностью извлечения сигнала водяного знака во временной области на основании последующих коэффициентов водяного знака.

11. Устройство декодирования водяного знака для обеспечения данных (1102), содержащих дискретные значения, в зависимости от сигнала (1101) с водяным знаком, причем устройство декодирования водяного знака содержит:
устройство (1104) обработки информации для обеспечения потока (1108) принимающих комплексные значения спектральных коэффициентов, причем поток (1108) представляет сигнал (1101) с водяным знаком; и
устройство (1106) дифференциального декодирования, выполненное с возможностью определения разности фазовых углов между предыдущим спектральным коэффициентом (1112, ), принимающим комплексные значения, и текущим спектральным коэффициентом (1114, ), принимающим комплексные значения,
выполненное с возможностью отображения разностей фазовых углов в пределах по меньшей мере двух различных диапазонов (1202, 1204) фазовых углов в первое дискретное значение (1116) данных (1102), содержащих дискретные значения, и отображения разностей фазовых углов в пределах по меньшей мере других двух различных диапазонов (1206, 1208) фазовых углов во второе дискретное значение (1118) данных (1102), содержащих дискретные значения;
при этом устройство (1106) дифференциального декодирования выполнено с возможностью различения по меньшей мере четырех различных диапазонов (1202, 1204, 1206, 1208) фазовых углов, и
при этом устройство (1106) дифференциального декодирования выполнено с возможностью отображения смежных диапазонов фазовых углов в различные дискретные значения (1116, 1118) данных (1102), содержащих дискретные значения; и
при этом сигнал (1101) с водяным знаком является аудиосигналом, сигналом изображения или видеосигналом.

12. Устройство декодирования водяного знака по п. 11,
в котором устройство (1104) обработки информации выполнено с возможностью обеспечения потока (1108) комплексных спектральных коэффициентов в частотно-временной области таким образом, что каждый комплексный спектральный коэффициент соотносится с одним частотным подканалом (i) и одним временным интервалом (j); и
в котором устройство (1106) дифференциального декодирования выполнено таким образом, что предыдущий комплексный спектральный коэффициент (1112, ) и текущий комплексный спектральный коэффициент (1114, ) соотносятся со смежными временными интервалами (j-1, j) и одним и тем же частотным подканалом (i).

13. Способ формирования сигнала водяного знака в виде последовательности последующих коэффициентов водяного знака на основании данных, содержащих дискретные значения, причем способ содержит этапы, на которых:
обеспечивают (1102), в зависимости от единиц информации данных, содержащих дискретные значения, поток последующих потоковых значений таким образом, что поток представляет данные, содержащие дискретные значения;
применяют чередование (1004) фаз к текущему потоковому значению из потоковых значений, представляющих данные, содержащие дискретные значения, или к текущему символу водяного знака, причем текущий символ водяного знака соответствует текущему потоковому значению из потоковых значений, представляющих данные, содержащие дискретные значения, чтобы получить текущий коэффициент водяного знака сигнала водяного знака;
извлекают (1006) фазу предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком, который является объединением главного сигнала и сигнала водяного знака; и
обеспечивают (1008) сигнал водяного знака таким образом, что фазовый угол чередования фаз, применяемый к текущему потоковому значению или к текущему символу водяного знака, зависит от фазы предыдущего спектрального коэффициента сигнала с водяным знаком;
при этом главный сигнал является аудиосигналом, сигналом изображения или видеосигналом, и сигнал с водяным знаком является аудиосигналом, сигналом изображения или видеосигналом.

14. Способ формирования данных, содержащих дискретные значения, в зависимости от сигнала с водяным знаком, причем способ содержит этапы, на которых:
обеспечивают поток спектральных коэффициентов, принимающих комплексные значения, причем поток представляет сигнал с водяным знаком;
определяют разность фазовых углов между предыдущим спектральным коэффициентом, принимающим комплексные значения, и текущим спектральным коэффициентом, принимающим комплексные значения;
отображают разности фазовых углов в пределах по меньшей мере двух различных диапазонов фазовых углов в первое дискретное значение данных, содержащих дискретные значения, и отображают разности фазовых углов в пределах по меньшей мере других двух различных диапазонов фазовых углов во второе дискретное значение данных, содержащих дискретные значения;
при этом смежные диапазоны фазовых углов отображают в различные дискретные значения данных, содержащих дискретные значения; и
при этом сигнал с водяным знаком является аудиосигналом, сигналом изображения или видеосигналом.

15. Носитель данных, на котором хранится компьютерная программа для выполнения способа по п. 13 или 14, когда компьютерная программа выполняется на компьютере.