DE10129239C1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Audiosignal - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein AudiosignalInfo
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Abstract
Zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Audiosignal werden zunächst eine spektrale Darstellung des Audiosignals und eine spektrale Darstellung des Wasserzeichensignals ermittelt. Hierauf wird die spektrale Darstellung des Wasserzeichensignals abhängig von einer psychoakustischen Maskierungsschwelle des Audiosignals verarbeitet. Das verarbeitete Wasserzeichensignal wird mit dem Audiosignal kombiniert, um ein Wasserzeichen-behaftetes Audiosignal zu erhalten. Die Verarbeitung der spektralen Darstellung des Wasserzeichensignals wird iterativ durchgeführt, indem zunächst ein vorbestimmter Wasserzeichen-Startwert gewählt wird, die durch den vorbestimmten Wasserzeichen-Startwert in die spektrale Darstellung des Audiosignals nach einer Quantisierung der spektralen Darstellung des Audiosignals eingeführte Störung ermittelt wird, und dann, falls die durch den Wasserzeichen-Startwert eingeführte Störung größer als die vorbestimmte Störungsschwelle ist, der Wasserzeichen-Startwert so lange verändert wird, bis die durch einen veränderten Wasserzeichen-Startwert in die spektrale Darstellung des Audiosignals nach der Quantisierung eingeführte Störung kleiner oder gleich der vorbestimmten Störungsschwelle ist. Der am Ende der Iteration vorhandene veränderte Wasserzeichen-Startwert wird als verarbeitetes Wasserzeichensignal zum Kombinieren mit dem Audiosignal verwendet. Dadurch ist es nicht mehr möglich, daß ein Wasserzeichen herausquantisiert wird. Stattdessen wird eine volle ...
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der
Audiocodierung und insbesondere auf Verfahren und Vorrich
tungen zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Audiosi
gnal.
Moderne Audiocodierverfahren verarbeiten zeitdiskrete Au
dio-Abtastwerte, um einen Bitstrom zu liefern, der gegen
über dem ursprünglichen Audiosignal komprimiert ist. Der
Strom von zeitdiskreten Audio-Abtastwerten wird zunächst
gefenstert, um aus dem Strom von Audio-Abtastwerten aufein
anderfolgende Blöcke von gefensterten Audio-Abtastwerten zu
erzeugen. Die weitere Verarbeitung findet blockweise statt.
Ein durch Fensterung erzeugter Block von Audio-Abtastwerten
wird typischerweise mittels einer Analyse-Filterbank in ei
ne spektrale Darstellung umgesetzt. Die spektrale Darstel
lung umfaßt frequenzmäßig nebeneinanderliegende Spektral
werte von der Frequenz 0 bis zur maximalen Audio-Frequenz,
welche beispielsweise bei 16 kHz liegen kann. Die Audio-
Spektralwerte werden in Skalenfaktorbändern gruppiert und
quantisiert. Die Quantisierung findet derart statt, daß das
durch die Quantisierung eingeführte Quantisierungsrauschen
derart dimensioniert ist, daß es von dem Audiosignal mas
kiert wird. Hierzu wird ein psychoakustisches Modell einge
setzt, das auf der Basis des Audiosignals für jedes Skalen
faktorband einen Energiewert liefert, der angibt, bis zu
welchem Energiepegel Quantisierungsrauschen maskiert wird,
d. h. im wieder decodierten Audiosignal nicht hörbar sein
wird. Liegt das durch den Quantisierer eingeführte Quanti
sierungsrauschen dagegen oberhalb der psychoakustischen
Maskierungsschwelle, so wird das wieder decodierte Audiosi
gnal hörbare Störungen enthalten. Die Quantisierungsstufen
des Quantisierers werden abhängig von der Maskierungsschwelle
berechnet. Wenn die Quantisierungsstufen berechnet
sind, werden die Audio-Spektralwerte anhand dieser Quanti
sierungsstufen quantisiert, um quantisierte Audio-
Spektralwerte zu erhalten. Aus Dateneffizienzgründen werden
die quantisierten Audiospektralwerte einer Entropie-
Codierung, wie z. B. eine Huffman-Codierung, unterzogen, um
einen Bitstrom mit Codeworten zu liefern, die die Audio
spektralwerte darstellen. Mittels eines Bitstrom-
Multiplexers werden dem Strom von Codeworten Seiteninforma
tionen hinzugefügt, welche unter anderem die Skalenfaktoren
umfassen, auf deren Basis ein Audio-Decodierer die Quanti
sierungsstufen ermitteln kann, die im Codierer verwendet
worden sind.
Zur Audio-Decodierung wird der Bitstrom samt Seiteninforma
tionen mittels eines Bitstrom-Demultiplexers in einerseits
Codewörter und andererseits Seiteninformationen aufgesplit
tet. Zunächst wird die Entropie-Codierung rückgängig ge
macht. Anschließend werden die Entropie-decodierten Werte,
d. h. die quantisierten Audio-Spektralwerte, einer inversen
Quantisierung unterzogen, um invers quantisierte Spektral
werte zu erhalten. Diese werden dann mittels einer Synthe
se-Filterbank vom Frequenzbereich in den Zeitbereich umge
setzt. Am Ausgang der Synthese-Filterbank liegt das wieder
decodierte Audiosignal vor.
Es sei darauf hingewiesen, daß es sich hierbei um ein ver
lustbehaftetes Codierverfahren handelt, da im Codierer eine
Quantisierung vorgenommen worden ist. Das wieder decodierte
Audiosignal entspricht nicht exakt dem ursprünglichen Au
diosignal. Wenn die Codierung und Decodierung erfolgreich
war, wird jedoch der subjektive Höreindruck des decodierten
Audiosignals dem subjektiven Höreindruck des ursprünglichen
Audiosignals entsprechen, da das durch den Quantisierer im
Codierer eingeführte Quantisierungsrauschen wegmaskiert
wird, d. h. es wird unterhalb der psychoakustischen Maskie
rungsschwelle "versteckt".
Aus Dateneffizienzgründen wird es bevorzugt, möglichst gro
ße Quantisierungsschritte zu verwenden. Andererseits führen
zu große Quantisierungsschritte zu einem zu großen Quanti
sierungsrauschen, das sich im wieder decodierten Signal als
hörbare Störung äußern kann. Moderne Audiocodierverfahren
versuchen einen optimalen Kompromiß zwischen diesen beiden
Forderungen zu erreichen.
Die psychoakustische Maskierungsschwelle eines Audiosignal
abschnitts hängt von dem tatsächlichen Eingangs-Audiosignal
ab. Ändert sich das Audiosignal über der Zeit, so ändern
sich auch die Maskierungseigenschaften über der Zeit. Aus
Dateneffizienzgründen wird es bevorzugt, immer so viel
Quantisierungsrauschen in das Audiosignal einzuführen, wie
möglich ist, d. h. das Quantisierungsrauschen sollte mög
lichst gut der psychoakustischen Maskierungsschwelle ent
sprechen. Audiosignalabschnitte mit guten Maskierungseigen
schaften können daher mit einem relativ geringen Bitaufwand
codiert werden, während andererseits Audiosignalabschnitte
mit relativ schlechten Maskierungseigenschaften, wie z. B.
tonale Audiosignalabschnitte, sehr fein quantisiert werden
müssen, was wiederum bedeutet, daß zur Codierung dieser Au
diosignalabschnitte eine große Anzahl von Bits aufgewendet
werden muß. Ein Codierer, der versucht, immer genau die
Menge an Störung einzuführen, die durch die Maskierungs
schwelle gegeben wird, wird daher ein Audiosignal mit kon
stanter Qualität erzeugen. Aufgrund des zeitlich variieren
den Wesens des Eingangssignals führt dies jedoch am Ausgang
des Codierers zu einer variablen Bitrate. Obgleich ein Co
dieren mit konstanter Qualität - und damit mit variabler
Bitrate - aus Dateneffizienz-Gründen einerseits und Audio
qualitäts-Gründen andererseits attraktiv ist, ist dieses
Konzept dahingehend nachteilig, daß es nur für Anwendungen
geeignet, die eine variable Übertragungsrate unterstützen,
wie z. B. die Speicherung von komprimierten Audiosignalen
oder die Übertragung von komprimierten Audiosignalen über
Paket-basierte Netze, wie z. B. das Internet.
Viele Anwendungen fordern jedoch einen Audiocodierer mit
einer konstanten Übertragungsrate. Aufgrund der zeitlich
variierenden spektralen und zeitlichen Eigenschaften eines
Audiosignals führt dies unweigerlich zu einer variablen
Qualität. Insbesondere kann je nach Bitrate der Fall ent
stehen, in dem Abschnitte des Audiosignals, die relativ ge
ringe Maskierungseigenschaften haben, nicht ausreichend
fein quantisiert werden können, d. h. unter-codiert werden
und im decodierten Signal unter Umständen hörbare Störungen
enthalten, während andererseits leicht zu codierende Seg
mente, d. h. Audiosignalabschnitt mit guten Maskierungsei
genschaften, genauer als nötig codiert werden müssen, d. h.
über-codiert werden.
Um die Nachteile des Über-Codierens und Unter-Codierens zu
überwinden, wird üblicherweise eine Bitsparkassenfunktion
eingesetzt. Die Bitsparkasse wird gefüllt, wenn leicht zu
codierende Audioabschnitte codiert werden, derart, daß
Bits, die nicht benötigt werden, um diese leicht zu codie
renden Abschnitte zu codieren, nicht einfach durch eine
feiner als nötige Quantisierung "verschwendet" werden, son
dern daß dennoch eine gröbere Quantisierung verwendet wird
und die überzähligen Bits in die Bitsparkasse "gesteckt"
werden.
Kommen dagegen Audioabschnitte vor, die schwer zu codieren
sind, d. h. bei denen eine geringere Quantisiererschritt
weite eingesetzt werden muß als eigentlich durch die gefor
derte konstante mittlere Datenrate möglich ist, so wird zu
diesem Zweck die Bitsparkasse "geleert", um trotz der ge
forderten Datenrate eine feinere Quantisierung als eigent
lich möglich einzusetzen, so daß im decodierten Audiosignal
auch in diesen Abschnitten keine hörbare Störung enthalten
ist. Die Bitsparkassenfunktion fungiert somit als Puffer,
um aus einem "inneren" Audiocodierer mit variabler Bitrate
nach "außen" einen Audiocodierer mit konstanter Bitrate zu
machen.
Heutzutage entwickelt sich die Musikverteilung beispiels
weise über das Internet zu einer zunehmend wichtigeren
Technologie. Der meiste Musikinhalt ist komprimiert, um
Speicherplatz zu sparen und die Übertragung über Übertra
gungskanäle mit begrenzter Bandbreite zu beschleunigen. Das
Überwachen der Verwendung der in Übertragungsnetzen ver
teilten Musikstücke oder das Verfolgen von illegalen Kopien
derselben wird jedoch zu einem immer größeren Problem. Wäh
rend einerseits eine breite Verteilung von Audiostücken
wünschenswert ist, müssen dennoch Urheberrechte respektiert
werden. In diesem Zusammenhang stellt die "Wasserzeichen
technik" (Watermarking) einen nützlichen Mechanismus dar,
um solche illegalen Kopien zu verfolgen, oder um Urheber
rechts-Informationen oder allgemein das geistige Eigentum
an den Stücken im Audiosignal unterzubringen.
Das Einbringen von Wasserzeichen in nicht-komprimierte Mul
timediadaten, wie z. B. Bildern, Video, Audio usw. ist be
kannt. Um Wasserzeichen in komprimiertes Material einzu
bringen, wird jedoch ein schnelles, Qualitäts-bewahrendes
Wasserzeichenverfahren benötigt.
Die Fachveröffentlichung "Audio Watermarking of MPEG-2-AAC
Bit Streams", Christian Neubauer, Jürgen Herre, 108. AES
Convention, Paris 2000, Preprint 5101 lehrt zunächst, eine
spektrale Darstellung eines Audiosignals zu erzeugen. Zu
dieser wird dann ein gespreiztes und spektral transformier
tes Wasserzeichensignal addiert. Aus dem Summensignal wird
durch Quantisierung und Huffman-Codierung ein neuer
Bitstrom erzeugt. Dieses sogenannte Bitstrom-
Wasserzeichenverfahren zeichnet sich durch eine niedrige
Rechenkomplexität aus, da keine volle Decodierung des mit
einem Wasserzeichen zu versehenden Bitstroms erfolgen muß.
Weiterhin hat dieses Verfahren den Vorteil der hohen Audio
qualität, da das Quantisierungsgeräusch und das Wasserzei
chengeräusch aufeinander abgestimmt werden können, wenn die
durch das Wasserzeichen in das Audiosignal eingeführte
Energie unterhalb der psychoakustischen Maskierungsschwelle
liegt. Das Verfahren zeichnet sich ferner durch eine ho
he Robustheit aus, da das Wasserzeichen nicht aus dem wie
der decodierten Audiosignal beispielsweise durch einen il
legalen Verbreiter des Audiosignals entfernt werden kann,
ohne die Audioqualität zu beeinträchtigen.
Nachteilig an dem beschriebenen Verfahren ist jedoch die
Tatsache, daß durch die Quantisierung des Wasserzeichen
beaufschlagten Signals das Wasserzeichen unter Umständen
wegquantisiert oder geschwächt wird. Dies ist darauf zu
rückzuführen, daß die Energie des Wasserzeichensignals mit
unter im Bereich des Quantisierungsintervalls liegt. Wei
terhin besteht nur eingeschränkt eine Kontrolle über die
durch das Wasserzeichen eingebrachte Störung, was sich z. B.
in einem Audioqualitätsverlust auswirken kann.
Ein weiteres Wasserzeichenverfahren ist die Einbettung des
Wasserzeichens während der Komprimierung des Audiosignals.
Dieses Konzept ist in der Fachveröffentlichung "Combined
Compression/Watermarking for Audio Signals", Frank Sieben
haar, Christian Neubauer und Jürgen Herre, 110. AES Conven
tion, 12. bis 15 Mai 2001, Amsterdam, Preprint 5344, be
schrieben. Zunächst wird ein unkomprimiertes Audiosignal
einem psychoakustischen Modell zugeführt, um die Maskie
rungsschwelle zu bestimmen. Hierauf wird das Audiosignal in
den Frequenzbereich transformiert. Das gespreizte, spektral
repräsentierte Wasserzeichensignal wird anhand der Maskie
rungsschwelle im Frequenzbereich gewichtet und zum Spektrum
des Eingangsaudiosignals addiert. Anhand der Maskierungs
schwelle werden die Parameter für die Quantisierung ermit
telt, woraufhin das Wasserzeichen-beaufschlagte Signal
quantisiert und codiert wird. Auch dieses Verfahren zeich
net sich durch eine niedrige Rechenkomplexität aus, da
durch die Zusammenziehung von Wasserzeicheneinbettung und
Codierung bestimmte Operationen, wie z. B. die Berechnung
des Maskierungsmodells und die Überführung des Audiosignals
in eine spektrale Darstellung, nur einmal durchgeführt wer
den müssen. Das Verfahren liefert ferner üblicherweise eine
gute Audioqualität, da Quantisierungsgeräusch und Wasser
zeichengeräusch aufeinander abgestimmt werden können.
Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch ebenfalls die
Tatsache, daß durch die Quantisierung des Wasserzeichen
beaufschlagten Signals das Wasserzeichen unter Umständen
wegquantisiert oder geschwächt wird. Dies ist wieder darauf
zurückzuführen, daß die Energie des Wasserzeichensignals
mitunter im Bereich des Quantisierungsintervalls liegt.
Weiterhin besteht nur eingeschränkt eine Kontrolle über die
durch das Wasserzeichen eingebrachte Störung, was sich z. B.
in einem Audioqualitätsverlust auswirken kann.
Wenn die spektrale Darstellung des Audiosignals betrachtet
wird, so ist eine Vielzahl von Audiospektralwerten zu se
hen. Das gespreizte Wasserzeichensignal ist ebenfalls durch
eine Vielzahl von Spektrallinien gekennzeichnet. Damit das
Wasserzeichen jedoch nicht zu hörbaren Störungen im wieder
decodierten Audiosignal führt, ist die Höhe der Wasserzei
chen-Spektrallinien wesentlich geringer als die Höhe der
Audiosignal-Spektrallinien. Nach einer Addition des Wasser
zeichen-Spektrums zum Audio-Spektrum ist das kombinierte
Spektrum nur leicht gegenüber dem ursprünglichen Spektrum
verändert. Die dann folgende Quantisierung des kombinierten
Spektrums wird das Wasserzeichen immer dann ersatzlos ent
fernen, wenn die Quantisierungs-Schrittweite größer ist als
die Höhe der Wasserzeichen-Spektrallinien, die mit dieser
Quantisiererschrittweite quantisiert werden. Werden zu vie
le Wasserzeichen-Spektrallinien durch das darauffolgende
Quantisieren "wegquantisiert", so kann der Wasserzeichende
tektor kein eindeutiges Wasserzeichen mehr extrahieren.
Die DE 195 81 594 T1 offenbart eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Einfügen von Codes in Audiosignale und zum
Decodieren des Codes. Hierzu wird eine Verdeckungseignung
eines ersten Satzes aus einer Anzahl von Audiosignal-
Frequenzkomponenten bewertet, um wenigstens eine Code-
Frequenzkomponente gegenüber der menschlichen Hörwahrneh
mung zu verdecken, um eine erste Verdeckungsbewertung zu
erzeugen. Ferner wird ein zweiter Satz aus der Anzahl von
Audiosignal-Frequenzkomponenten entsprechend bewertet, um
eine zweite Verdeckungsbewertung zu erzeugen. Ein Amplitu
denzuweisungsmittel dient zum Zuweisen einer Amplitude an
wenigstens eine Code-Frequenzkomponente auf der Grundlage
einer Verdeckungsbewertung, die unter den ersten und zwei
ten Verdeckungsbewertungen ausgewählt ist. Schließlich ist
ein Code-Einfügungsmittel vorgesehen, um die wenigstens ei
ne Code-Frequenzkomponente in das Audiosignal einzufügen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
verbessertes Konzept zum Einbetten eines Wasserzeichens in
ein Audiosignal zu schaffen, das einerseits eine gute Au
dioqualität liefert, und das andererseits auch eine gute
Wasserzeichen-Detektierbarkeit sicherstellt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Einbetten eines
Wasserzeichens in ein Audiosignal gemäß Anspruch 1 oder
durch eine Vorrichtung zum Einbetten eines Wasserzeichens
in ein Audiosignal gemäß Anspruch 16 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß eine bessere Wasserzeichendetektierbarkeit erreicht
wird, wenn bei der Wasserzeicheneinbettung die Tatsache be
rücksichtigt wird, daß das Audiosignal samt Wasserzeichen
einer Quantisierung unterzogen wird. Ein Wasserzeichen wird
nur dann detektierbar sein, wenn eine Spektrallinie, die
Wasserzeichen und Audiosignal darstellt, durch das Wasser
zeichen in eine andere Quantisierungsstufe fällt als wenn
kein Wasserzeichen eingebettet wird. Nur in diesem Fall
wird ein Wasserzeichendetektor, der lediglich quantisierte
Informationen erhält, ein Wasserzeichen detektieren können.
In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß dann, wenn
eine Spektrallinie, die Wasserzeichen und Audiosignal dar
stellt, in dieselbe Quantisierungsstufe fällt wie die ent
sprechende Spektrallinie, die nur das Audiosignal dar
stellt, die Wasserzeicheneinbettung vergeblich war, da im
quantisierten Signal kein Energieanteil, der von dem Was
serzeichen herrührt, zu sehen sein wird. Das Wasserzeichen
ist wegquantisiert worden.
Erfindungsgemäß wird daher die spektrale Darstellung des
Wasserzeichensignals derart verarbeitet, daß sichergestellt
wird, daß das durch den Schritt des Verarbeitens verarbei
tete Wasserzeichensignal so gestaltet ist, daß es auch nach
einer Quantisierung noch vorhanden sein wird. Um dies zu
erreichen wird ein vorbestimmter Wasserzeichen-Startwert
gewählt, welcher von der spektralen Darstellung des Wasser
zeichensignals abhängt. Natürlich darf das Wasserzeichen zu
keiner oder nur zu einer sehr geringen Störung des Audiosi
gnals führen. Aus diesem Grund wird eine durch den vorbe
stimmten Wasserzeichen-Startwert in die spektrale Darstel
lung des Audiosignals eingeführte Störung ermittelt, bei
der jedoch die Verhältnisse nach einer Quantisierung der
spektralen Darstellung des Audiosignals zugrunde gelegt
werden. Damit ist es einerseits möglich, zu sehen, ob nach
der Quantisierung etwas vom Wasserzeichen verbleibt. Ande
rerseits kann sichergestellt werden, daß die Störung des
Wasserzeichens nach der Quantisierung so ist, wie sie sein
soll. Falls die durch den Wasserzeichen-Startwert einge
führte Störung größer als eine vorbestimmte Störungsschwel
le ist, wird der Wasserzeichen-Startwert so lange verän
dert, bis die durch einen veränderten Wasserzeichen-
Startwert in die spektrale Darstellung nach der Quantisie
rung eingeführte Störung kleiner oder gleich der vorbe
stimmten Störschwelle ist. Der dadurch erhaltene veränderte
Wasserzeichen-Startwert wird dann mit dem Audiosignal kom
biniert, um das Wasserzeichen-behaftete Audiosignal zu er
halten, in das das Wasserzeichen eingebettet ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß nun
nicht mehr Verhältnisse berücksichtigt werden, die letzt
endlich nicht den Ausgangsverhältnissen entsprechen, näm
lich die Audiosignal/Wasserzeichen-Verhältnisse vor der
Quantisierung, sondern daß das Wasserzeichen z. B. iterativ
so lange verändert wird, bis eine gewünschte Wasserzeichen-
"Störenergie" gefunden ist. Erfindungsgemäß werden nunmehr
die Verhältnisse nach dem Quantisierer berücksichtigt, d. h.
die Verhältnisse, die für den Audiosignal-Decodierer und
für den Wasserzeichen-Extraktor maßgeblich sind.
Obgleich im Stand der Technik üblicherweise die Wasserzei
chenenergie derart eingestellt worden ist, daß die Wasser
zeichenenergie kleiner oder gleich der psychoakustischen
Maskierungsschwelle ist, blieb dennoch die Unwägbarkeit zu
rück, was mit dem Wasserzeichensignal während der Quanti
sierung geschieht. Wie es ausgeführt worden ist, konnte zum
einen der Fall auftreten, daß das Wasserzeichen wegquanti
siert wird, was dazu führt, daß im decodierten Signal kein
Wasserzeichen oder nur ein sehr schwaches Wasserzeichen ex
trahiert werden konnte. Andererseits konnte auch der Fall
auftreten, daß durch das Wasserzeichen, obwohl es so gewichtet
worden ist, daß es unterhalb der Maskierungsschwel
le liegt, dennoch Störungen eingeführt worden sind, die im
decodierten Signal hörbar waren.
Erfindungsgemäß wird nunmehr aufgrund der Verarbeitung des
Wasserzeichens auf der Basis der Verhältnisse nach der
Quantisierung eine genaue Kontrolle erreicht. Diese Kon
trolle hat den Vorteil, daß nicht nur einerseits sicherge
stellt werden kann, daß das Wasserzeichen zu keiner oder
nur minimal hörbaren Störung führt, sondern daß gleichzei
tig auch eine ausreichende Wasserzeichen-Detektierbarkeit
sichergestellt wird. Andererseits liefert das erfindungsge
mäße Verfahren den Vorteil, daß für Fälle, bei denen es be
sonders auf eine gute Detektierbarkeit ankommt, auch bewußt
zugunsten einer höheren Wasserzeichen-Detektierbarkeit ge
wisse - tolerierbare - Störungen in das Audiosignal einge
führt werden, während in anderen Fällen, bei denen die Was
serzeichen-Detektierbarkeit nicht unter allen Umständen zu
jedem Zeitpunkt sichergestellt werden muß, Kompromisse hin
sichtlich der Wasserzeichen-Detektierbarkeit eingegangen
werden können, um höchste Audioqualitäts-Ansprüche zu er
füllen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird das Wasserzeichensignal vor der Quantisie
rung dem Audiosignal hinzugefügt, um ein kombiniertes Si
gnal zu erhalten. Das kombinierte Signal wird dann quanti
siert und wieder invers quantisiert und mit dem ursprüngli
chen Audiosignal verglichen. Aus dem Vergleich wird be
stimmt, ob die durch das Wasserzeichen eingeführte Störung
tolerabel ist. Wird festgestellt, daß die Störung nicht to
lerabel ist, so wird das Spektrum des Wasserzeichensignals
iterativ unter Verwendung bestimmter Strategien gewichtet,
um dann wieder eine Quantisierung und inverse Quantisierung
durchzuführen, bis festgestellt wird, daß die Störung nun
tolerabel ist. Das durch diese Verarbeitung erhaltene Was
serzeichen-Spektrum wird dann dem ursprünglichen Audiospek
trum hinzuaddiert. Das addierte bzw. kombinierte Signal
wird dann quantisiert, Entropie-codiert und mit Seitenin
formationen versehen, um einen Audiobitstrom zu erhalten,
in dem das Wasserzeichen vorhanden ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er
findung wird das ursprüngliche Audiosignal quantisiert. Dem
Audiosignal wird ein quantisiertes Wasserzeichen hinzuad
diert, um das kombinierte Signal zu erhalten. Das kombi
nierte Signal wird dann nicht mehr, wie beim ersten Ausfüh
rungsbeispiel, noch einmal quantisiert, sondern unmittelbar
Entropie-codiert. Das dem quantisierten Audiosignal hinzu
gefügte "quantisierte" Wasserzeichensignal wird hierbei
derart eingestellt, daß einerseits die Forderung nach to
lerabler Störung erfüllt ist und andererseits eine er
wünschte Wasserzeichen-Detektierbarkeit erreicht wird.
Unabhängig davon, ob das kombinierte Signal noch quanti
siert wird, oder ob das kombinierte Signal bereits in quan
tisierter Form vorliegt, wird gemäß der vorliegenden Erfin
dung eine genaue Steuerung der durch das Wasserzeichen ein
geführten Störung in das auf dem Signal erreicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vor
richtung zum Einbetten eines Wasserzeichens in
ein Audiosignal;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vor
richtung zum Einbringen eines Wasserzeichens in
ein Audiosignal gemäß einem ersten Ausführungs
beispiel;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einbetten
eines Wasserzeichens in ein Audiosignal gemäß ei
nem zweiten Ausführungsbeispiel; und
Fig. 4a bis 4d eine schematische Erläuterung des Liniense
lektions-Algorithmus beim zweiten Ausführungsbei
spiel der vorliegenden Erfindung.
Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt
einen Audioeingang 10 und einen Wasserzeicheneingang 12.
Sowohl das Audiosignal an dem Audioeingang 10 als auch das
Wasserzeichensignal an dem Wasserzeicheneingang 12 werden
mittels einer Einrichtung 14 bzw. 16 in eine spektrale Dar
stellung überführt. Die spektrale Darstellung des Audiosi
gnals umfaßt Audiospektralwerte, während die spektrale Dar
stellung des Wasserzeichensignals Wasserzeichenspektralwer
te aufweist. In einer Einrichtung 18 zum Kombinieren werden
die Audiospektralwerte mit veränderten Wasserzeichen-
Spektralwerten kombiniert, um an einem Ausgang 20 das kom
binierte Audiosignal zu erhalten, in das das Wasserzeichen
eingebettet ist. Erfindungsgemäß ist hierzu eine Einrich
tung 22 zum Verarbeiten der spektralen Darstellung des Was
serzeichensignals abhängig von einer über einen Eingang 24
gelieferten psychoakustischen Maskierungsschwelle vorgese
hen. Die spektrale Darstellung des Wasserzeichensignals
wird abhängig von der über den Eingang 24 erhaltenen psy
choakustischen Maskierungsschwelle verarbeitet, um ein ver
arbeitetes Wasserzeichensignal zu erhalten, so daß eine
durch das verarbeitete Wasserzeichensignal in das Audiosi
gnal eingeführte Störung unter einer vorbestimmten Stö
rungsschwelle ist, die von der psychoakustischen Maskie
rungsschwelle abhängt.
Hierzu umfaßt die Einrichtung 22 zum Verarbeiten der spek
tralen Darstellung des Wasserzeichensignals eine Einrich
tung 26 zum Wählen eines vorbestimmten Wasserzeichen-
Startwerts, der von der spektralen Darstellung des Wasser
zeichensignals abhängt. In einer Einrichtung 28 wird eine
durch den vorbestimmten Wasserzeichen-Startwert in die
spektrale Darstellung des Audiosignals nach einer Quanti
sierung der spektralen Darstellung des Audiosignals eingeführte
Störung ermittelt. Hierzu werden von einer Einrich
tung 30 zum Liefern von Quantisierungsinformationen Quanti
sierungsinformationen zugeführt. Die Einrichtung 30 liefert
Quantisierungsinformationen, die von dem ursprünglichen Au
diosignal, also dem Audiosignal ohne Wasserzeichen, abhän
gen.
In einer Einrichtung 32 wird untersucht, ob die ermittelte
Störung größer als die vorbestimmte Störschwelle ist. Ist
dies nicht der Fall, d. h. ist die Störung akzeptabel, so
wird der Wasserzeichen-Startwert unmittelbar der Einrich
tung 18 zum Kombinieren zugeführt. Ist dies dagegen der
Fall, d. h. ist die eingeführte Störung zu groß, bzw. an
ders als gewünscht, so wird eine Einrichtung 34 zum Verän
dern des Wasserzeichen-Startwerts aktiviert, bis die durch
einen veränderten Wasserzeichen-Startwert in die spektrale
Darstellung des Audiosignals nach der Quantisierung einge
führte Störung kleiner oder gleich der vorbestimmten Stör
schwelle ist. Zu diesem Zweck muß die in der Einrichtung 22
zum Verarbeiten skizzierte Schleife möglicherweise mehrmals
iterativ durchlaufen werden, um irgendwann am Ausgang der
Einrichtung 32 einen veränderten Wasserzeichen-Startwert zu
erhalten, der als verarbeitetes Wasserzeichensignal verwen
det wird und der Einrichtung 18 zum Kombinieren zugeführt
wird, um das Audiosignal am Ausgang 20 zu erhalten, in das
das Wasserzeichen eingebettet ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, das in Fig. 2 gezeigt ist, wird das Kombinieren
mittels einer Addition 18 vor dem Quantisieren durchge
führt. Die Einrichtung 28 zum Ermitteln der durch den Block
Wasserzeichen-Gewichtung 26 festgelegten Startwert in das
Audiosignal eingeführten Störung wird dadurch ermittelt,
daß zunächst in einer Quantisierer/Inversquantisierer-
Einrichtung 28a das kombinierte Signal quantisiert und in
vers quantisiert wird. In einer Einrichtung 28b wird dann
beispielsweise durch Differenzbilden und Quadrieren der
Differenzwerte die durch das Wasserzeichen eingeführte Störung
berechnet und dann in der Einrichtung 32 mit der psy
choakustischen Maskierungsschwelle 24 verglichen. Ist die
Störung zu groß, wird die Einrichtung 34, die in Fig. 2 mit
"Gewichtungskontrolle" bezeichnet ist, angesteuert, um dem
Block 26 veränderte Gewichtungsfaktoren zuzuführen, um dann
das verändert gewichtete Wasserzeichen-Spektrum in der Ein
richtung 18 mit dem ursprünglichen Audiosignal in spektra
ler Darstellung zu kombinieren und die Iterationsschleife
von neuem zu durchlaufen.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird es
bevorzugt, als Wasserzeichen-Startwert das mit einem für
alle Spektrallinien gleich gewichteten Wasserzeichen-
Spektrum zu nehmen. Der Gewichtungsfaktor für jede Spek
trallinie ist daher für alle Spektrallinien gleich einer
Konstanten, die so gewählt ist, daß die Wasserzeichenener
gie über der Maskierungsschwelle liegt. Dann wird die Was
serzeichenenergie schrittweise reduziert, um dann die Ener
gie des Wasserzeichens unter die Maskierungsschwelle zu
"iterieren".
Wenn also zunächst von der Einrichtung 32 festgestellt
wird, daß die Störung zu groß wird, ist die Einrichtung 34
zur Kontrolle der Gewichtungsfaktoren ausgebildet, um alle
Gewichtungsfaktoren zu verkleinern, z. B. zu halbieren.
Wenn dann die Störung immer noch zu groß ist, könnten in
einem nächsten Iterationsschritt alle aktuellen Gewich
tungsfaktoren erneut halbiert werden usw. Dies kann fortge
führt werden, bis die Einrichtung 32 feststellt, daß die
Störung nun in Ordnung ist.
Nachdem die Kombination von Audiosignal und verarbeitetem
Wasserzeichensignal im Spektralbereich, also nicht im Quan
tisierungsbereich, sondern vor der Quantisierung stattfin
det, muß noch eine Quantisierung durchgeführt werden. Hier
zu empfiehlt es sich, den Quantisierer-Abschnitt der Ein
richtung 28a zu verwenden, um die Ausgangswerte des Quantisiererabschnitts
als Audiosignal samt eingebettetem Wasser
zeichen auszugeben.
Mittels einer Analyse-Synthese-Iteration, wie sie in Fig. 2
gezeigt ist, wird somit die durch das Wasserzeichen nach
der Quantisierung entstandene Störung bestimmt. Somit läßt
sich einerseits sicherstellen, daß auch nach der Quantisie
rung Wasserzeichenenergie im Signal verbleibt. Andererseits
kann die tatsächlich eingebrachte Störung ermittelt werden,
was zur Erzielung einer hohen Audioqualität von Vorteil
ist. Das spektral dargestellte Wasserzeichensignal wird so
mit, wie es anhand von Fig. 2 ausgeführt worden ist, mit
tels einer Gewichtungsfilterbank, die in dem Block 26 ent
halten sein kann, spektral mit den von dem Block 34 zur
Verfügung gestellten aktuellen Gewichtungsfaktoren gewich
tet. Das entstehende Signal wird zu dem ursprünglichen Au
diosignal addiert. Wie es ausgeführt worden ist, wird das
kombinierte Signal am Ausgang der Einrichtung 18 quanti
siert und invers quantisiert und ergibt das am Ausgang der
Einrichtung 28a vorliegende Signal, das in die Einrichtung
28b genauso wie das ursprüngliche Audiosignal eingespeist
wird. Die Einrichtung 28b vergleicht nunmehr das Original
signal mit dem quantisierten und wieder invers quantisier
ten Signal und bestimmt daraus das Quantisierungs-
Fehlersignal, das der Einrichtung 32 zugeführt wird. Anhand
der Einrichtung 32 wird wiederum die Gewichtungskontrolle
im Block 34 angesteuert, um neue bessere Gewichtungsfakto
ren zu bestimmen. Hierzu steht die von dem Maskierungsmo
dellen ermittelte Maskierungsschwelle zur Verfügung, die
angibt, wieviel Störung in das Signal an einer bestimmten
Stelle im Signalspektrum "erlaubt" ist. Wenn der Block Ge
wichtungskontrolle 34 optimale Gewichtungsfaktoren hin
sichtlich auf die gewünschte Audiosignalstörung und ge
wünschte Wasserzeichendetektierbarkeit, d. h. Wasserzeiche
nenergie, ermittelt hat, bricht das Verfahren ab. Die zu
letzt von dem Block 28a ermittelten quantisierten Spektral
werte des Kombinationssignals werden dann als Resultat zum
Bitstrommultiplexer weitergegeben, um dort mit den Seiten-
Informationen zusammen zu einem Audio-Bitstrom geformt zu
werden.
Im nachfolgenden wird auf Fig. 3 eingegangen, um eine Vor
richtung zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Audiosi
gnal gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegen
den Erfindung darzustellen. Im Gegensatz zu dem in Fig. 2
gezeigten ersten Ausführungsbeispiel, bei dem ein nicht-
quantisiertes Audiosignal mit einem nicht-quantisierten
Wasserzeichensignal kombiniert wird, findet diese Kombina
tion 18 in Fig. 3 im "Quantisierungsbereich" statt, d. h.
es wird ein quantisiertes Audiosignal mit einem quantisier
ten Wasserzeichen kombiniert. Dies kann dadurch erreicht
werden, daß entweder mittels eines Quantisierers 42 durch
Quantisieren des ursprünglichen Audiosignals die Quantisie
rerstufen berechnet werden, oder daß die Quantisierungsstu
fen aus einem codierten Audiosignal extrahiert werden. An
sprechend auf die durch die Einrichtung 42 bereitgestellten
Quantisierungsstufen wird eine Einrichtung 40a zum Berech
nen des quantisierten Audiosignals minus einer vorbestimm
ten Anzahl von n Quantisierungsstufen und eine Einrichtung
40b zum Berechnen des quantisierten Audiosignals plus eine
vorbestimmte Anzahl von n Quantisierungsstufen betrieben.
Im Gegensatz zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbei
spiel, bei dem für jedes kombinierte Audiosignal eine Quan
tisierungsberechnung und eine inverse Quantisierungsberech
nung durch die Einrichtung 28a durchzuführen war, und zwar
innerhalb der Iterationsschleife, findet dies bei dem in
Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel a-priori
statt, d. h. durch eine Vorberechnung außerhalb einer Ite
rationsschleife. Hierzu wird zunächst als vorbestimmter
Wasserzeichen-Startwert mittels einer Einrichtung 36 ein
sogenanntes "maximales" Wasserzeichen berechnet. Zur Be
rechnung des vorbestimmten maximalen Wasserzeichens werden
zunächst nur die Vorzeichen des Wasserzeichen-Spektrums
verwendet. Hat das Wasserzeichen-Spektrum ein positives
Vorzeichen, so wird der entsprechende Spektralwert des ursprünglichen
quantisierten Audiosignals um n Quantisie
rungsstufen vergrößert, wobei n eine Ganzzahl größer oder
gleich 1 ist. Ist das Vorzeichen eines Wasserzeichen-
Spektralwerts dagegen negativ, so wird der entsprechende
quantisierte Spektralwert, d. h. der Spektralwert des Au
diosignals bei derselben Frequenz wie der Spektralwert des
Wasserzeichensignals, dessen Vorzeichen gerade betrachtet
wird, um n Quantisierungsstufen verkleinert. Hieraus ergibt
sich ein maximales Wasserzeichen, wobei der Ausdruck "maxi
mal" dahingehend zu verstehen ist, daß das maximale Wasser
zeichensignal auf jede Spektrallinie des ursprünglichen Au
diosignals nach der Quantisierung eine Auswirkung hat. Die
ser Fall ist zwar hinsichtlich einer sehr guten Wasserzei
chendetektierbarkeit wünschenswert, dürfte jedoch erfah
rungsgemäß zu viel Störung in das Audiosignal einführen. Um
die Störung auf ein vertretbares Maß zurückzunehmen, wobei
ein vertretbares Maß beispielsweise die psychoakustische
Maskierungsschwelle sein kann, wird eine Einrichtung 38,
die einen Linienselektionsalgorithmus implementiert, vorge
sehen. Die Einrichtung 38 ermittelt die durch das von der
Einrichtung 36 zur Verfügung gestellte maximale Wasserzei
chen eingeführte Störung in das Audiosignal. Falls die Stö
rung größer als die vorbestimmte Störungsschwelle ist, wird
durch die Einrichtung 38 das "maximale" Wasserzeichen durch
Selektion von einzelnen Linien so lange verändert, bis die
durch das Wasserzeichen eingeführte Störung kleiner oder
gleich der vorbestimmten Störschwelle ist. Ist diese Bedin
gung erfüllt, wird das - bereits in quantisierter Form -
vorliegende Wasserzeichen ebenso wie das quantisierte ur
sprüngliche Audiosignal dem Addierer 18 zugeführt, um aus
gangsseitig das quantisierte Wasserzeichen-behaftete Audio
signal zu erhalten.
Im nachfolgenden wird anhand der Fig. 4a bis 4d auf die
Funktion und Arbeitsweise der Einrichtung 36 und 38 einge
gangen. Fig. 4a zeigt beispielshalber ein quantisiertes Au
diosignal, das aufgrund der Übersichtlichkeit der Darstel
lung lediglich drei Spektralwerte 50a-50c darstellt. Typischerweise
hat ein Audiospektrum je nach gewählter Fenster
länge und Transformation z. B. 1024 Spektralwerte. Die An
zahl der von Null verschiedenen quantisierten Spektralwerte
ist abhängig davon, wie viele Audiospektralwerte auf 0
quantisiert worden sind. Selbstverständlich haben die quan
tisierten Audiospektralwerte im realen Fall unterschiedli
che Höhen. Fig. 4b zeigt nun ein mit plus bzw. minus n
Quantisierungsstufen (abhängig vom Vorzeichen der Wasser
zeichen-Spektralwerte) beaufschlagtes Audiospektrum. Die
dem Audiospektralwert 50a von Fig. 4a entsprechende Spek
tralkomponente des Wasserzeichens hat für das in Fig. 4b
gezeigte Beispiel ein negatives Vorzeichen. Die Spektral
komponente des Wasserzeichens, die dem Audiospektralwert
50b von Fig. 4a entspricht, hat bei dem in Fig. 4b gezeig
ten Beispiel ein positives Vorzeichen, während die dritte
Spektralkomponente des Wasserzeichens wiederum ein negati
ves Vorzeichen hatte. Der Betrag der Wasserzeichen-
Spektralkomponenten spielt zunächst keine Rolle, da davon
ausgegangen wird, daß eine Wasserzeichendetektion bereits
dann möglich ist, wenn die quantisierten Audiospektralwerte
50a-50c durch das Wasserzeichen verändert werden. Das maxi
male Wasserzeichen, das durch die Einrichtung 36 von Fig. 3
bestimmt wird, ist für den in Fig. 4b gezeigten Fall in
Fig. 4c dargestellt. Es hat ein Spektrum, das sich dadurch
auszeichnet, daß jeder quantisierte ursprüngliche Audio
spektralwert um eine Quantisierungsstufe verändert wird,
und zwar entweder vergrößert, wenn das Wasserzeichen ein
positives Vorzeichen hat, oder verkleinert, wenn das Was
serzeichen ein negatives Vorzeichen hatte.
Bei dem in Fig. 4b gezeigten Beispiel könnte der Betrag ei
ner Wasserzeichen-Spektrallinie dahingehend berücksichtigt
werden, daß nicht nur um eine Quantisierungsstufe inkremen
tiert bzw. dekrementiert wird, sondern daß um mehrere Quan
tisierungsstufen inkrementiert bzw. dekrementiert wird,
wenn der Betrag der Wasserzeichen-Spektrallinie entspre
chend groß ist.
Anhand von Fig. 4d wird nunmehr die Funktion der Einrich
tung 38 von Fig. 3 beschrieben. Stellt die Einrichtung 38
fest, daß für die linke quantisierte Audiospektralkomponen
te die Situation so ist, daß die durch das Wasserzeichen
eingeführte Störung zu groß ist, wenn die linke quantisier
te Audiospektralkomponente 50a um eine Quantisierungsstufe
verringert wird, wie es durch die Spektralkomponente 50a
dargestellt ist, so wird diese Spektralkomponente von der
Einrichtung 38 nicht selektiert, was sich in den veränder
ten Wasserzeichen-Spektralwerten nach der Linienselektion
so bemerkbar macht, daß das veränderte Wasserzeichen an
dieser Stelle eine Spektrallinie von 0 hat. Bei der mittle
ren und der rechten Spektralkomponente des quantisierten
Audiosignals wurde dagegen festgestellt, daß die durch die
Spektrallinien 50b' und 50c' eingeführten Störungen in Ord
nung waren, so daß an diesen Stellen so viel Wasserzeiche
nenergie zu den quantisierten Audiospektralwerten hinzuge
fügt werden kann, daß diese um eine Quantisierungsstufe er
höht (50b') bzw. um eine Quantisierungsstufe verringert
(50c') werden können.
Aus dieser Betrachtung wird deutlich, daß durch Vorberech
nung der Quantisierungsstufen durch die Einrichtungen 40a
und 40b der Schritt der Quantisierung und inversen Quanti
sierung, d. h. die Einrichtung 28a von Fig. 2, entfallen
kann, da die Größe der Störung durch Veränderung des Quan
tisierungs-Index a-priori vorberechnet werden kann. Ferner
ist aus Fig. 3 zu sehen, daß auch die Einrichtung 26, d. h.
die Gewichtung der Wasserzeichen-Spektrallinien, entfallen
ist.
Die quantisierten Audio-Spektralwerte werden nunmehr anhand
des Wasserzeichensignals, d. h. anhand des Vorzeichens des
Wasserzeichensignals um z. B. plus oder minus eine Quanti
sierungsstufe verändert. Dieses Prozedere bringt Vorteile
dahingehend, daß Rechenzeit eingespart werden kann, da die
Quantisierung und inverse Quantisierung (Einrichtung 28a
von Fig. 2) und die Gewichtung des Wasserzeichens (Einrich
tung 26 von Fig. 2) ersatzlos entfallen können.
Anhand der bereits vorberechneten Audiospektren, d. h. des
Originalspektrums und des Originalspektrums minus n Quanti
sierungsstufen oder des Originalspektrums plus n Quantisie
rungsstufen wird linienweise das maximale Wasserzeichen
(Fig. 4c) bestimmt. Dies ergibt sich als Differenz zwischen
dem Originalspektrum (Fig. 4a) und dem um eine Anzahl von n
Quantisierungsstufen veränderten Audiospektrum (Fig. 4b),
wobei die Differenz das gleiche Vorzeichen wie das unge
wichtete Wasserzeichen hat.
Der Linienselektions-Algorithmus, der in der Einrichtung 38
ausgeführt wird, berücksichtigt den Betrag der ungewichte
ten Wasserzeichenspektrallinien, die Maskierungsschwelle 24
und gegebenenfalls eine Bitsparkassenfunktion 44 des Audio
codierers.
Um sowohl eine gute Audioqualität als auch eine gute Was
serzeichendetektierbarkeit sicherzustellen, wird es bevor
zugt, die Linien des maximalen Wasserzeichens so zu selek
tieren, daß das Wasserzeichen-Spreizbandsignal breitbandig
eingebettet wird, d. h. daß möglichst viele Linien des
quantisierten Audiosignals verändert werden. Weiterhin soll
die Maskierungsschwelle oder, falls eine von der Maskie
rungsschwelle abweichende Schwelle verwendet wird, diese
vorbestimmte Störungsschwelle nicht verletzt werden.
Schließlich soll die Struktur des Wasserzeichens innerhalb
eines Frequenzbandes möglichst wenig verändert werden.
Alle anderen Linien des maximalen Wasserzeichens werden
nicht berücksichtigt. Dies bedeutet, daß nach der Addition
des Wasserzeichens die quantisierten Audiospektralwerte der
selektierten Linien um plus bzw. minus n Quantisierungsstu
fen verändert werden, während die quantisierten Audiospek
tralwerte der nicht selektierten Wasserzeichen-Linien un
verändert übernommen werden.
Das quantisierte Wasserzeichen-behaftete Audiosignal am
Ausgang 20 der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung muß nunmehr
noch Entropie-codiert werden.
Abhängig von dem verwendeten Audiocodierverfahren, in das
das erfindungsgemäße Konzept integriert ist, existiert eine
Bitsparkassenfunktion, die späteren Signalblöcken zusätzli
che Bits zur Verfügung stellen kann, wie es ausgeführt wor
den ist. Die Linienselektionsstrategie ist vorzugsweise an
den Füllstand der Bitsparkasse angepaßt, um so beispiels
weise bei gefüllter Bitsparkasse zu erlauben, daß auch
quantisierte Audiospektralwerte des ursprünglichen Audiosi
gnals, die den Wert 0 haben, mit einem Wasserzeichen beauf
schlagt werden, was normalerweise aufgrund des Bitbedarfs
nicht zulässig wäre. Damit kann die Wasserzeichendetektion
spürbar verbessert werden.
Bei der Anwendung der kombinierten Einbettung/Codierung
stehen neben den bereits quantisierten Audiospektralwerten
zusätzlich die Originalwerte nach der Transformation in den
Frequenzbereich zur Verfügung. Die Quantisierung der origi
nalen Audiospektralwerte kann ebenfalls als eine Art Was
serzeicheneinbettung angesehen werden, da sowohl bei der
Quantisierung als auch bei der Addition eines Wasserzei
chensignals eine gewisse Störung des Audiospektrums resul
tiert. Die durch die Quantisierung eingebrachte Störung ist
dabei aufgrund ihrer zufälligen Natur nicht als Wasserzei
chen anzusehen. Wenn jedoch die eingebrachte Störung auf
grund der Quantisierung vorzeichenrichtig mit dem Wasser
zeichen ist, unterstützt das Quantisierungsrauschen die De
tektierbarkeit des Wasserzeichens. Hieraus ergeben sich
folgende Fälle.
Durch die Quantisierung einer Audiospektrallinie wird das
Wasserzeichen vorzeichenrichtig eingebracht. Hier ist die
Einrichtung 38 von Fig. 3 vorzugsweise so angeordnet, daß
sie aufgrund der Tatsache, daß bereits durch die Quantisierung
phasenrichtig zum Wasserzeichen-Spektralwert für eine
bestimmte Frequenz eine Störung eingebracht worden ist, an
geordnet, um auf das Einbringen einer weiteren Wasserzei
chen-Störung zu verzichten. Alternativ könnte noch eine
Quantisierungsstufe hinzugefügt werden, um die Detektier
barkeit noch weiter zu verbessern.
Wenn dagegen durch die Quantisierung einer Audiospektralli
nie eine Störung eingebracht wird, die das entgegengesetzte
Vorzeichen hat wie das Wasserzeichensignal, was dazu führt,
daß das Wasserzeichen durch die gegenläufige Quantisierung
gewissermaßen verschlechtert wird, ist aufgrund der Linien
selektionsstrategien, die weiter oben ausgeführt worden
sind, abzuwägen, ob für diese Linie die Robustheit des Was
serzeichens gewährleistet werden muß und somit der quanti
sierte Audiospektralwert verändert werden muß, um das Quan
tisierungsrauschen gewissermaßen wieder "rückgängig" zu ma
chen, oder ob in Hinblick auf eine bessere Audioqualität
das eingebettete Wasserzeichen an dieser Stelle, d. h. das
Quantisierungsrauschen an dieser Stelle, ein "falsches"
Vorzeichen besitzen soll.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, findet bei modernen
Codierverfahren die Berechnung der psychoakustischen Mas
kierungsschwelle nicht linienweise statt, sondern skalen
faktorbandweise. Dies bedeutet, daß nicht Energien einzel
ner Spektrallinien betrachtet werden, sondern die Gesamte
nergien z. B. 20 Spektrallinien in einem Skalenfaktorband.
Es kann jedoch in einem Skalenfaktorband, in dem viele Was
serzeichen-Spektrallinien tolerierbar sind, ohne weiteres
auf ein paar Linien im Sinne einer guten Audioqualität ver
zichtet werden, ohne daß die Wasserzeichen-Detektierbarkeit
signifikant leidet. Diese Funktionalität kann auch bei dem
in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht
werden, daß die Gewichtungskontrolle 34 von Fig. 2 derart
ausgestaltet ist, daß nicht über der Frequenz gleiche Ge
wichtungsfaktoren eingesetzt werden, sondern daß unter
schiedliche Gewichtungsfaktoren für verschiedene Spektralwerte
eingesetzt werden, und daß insbesondere auf Gewich
tungsfaktoren von 0 für einzelne Spektrallinien vorkommen.
Als vorbestimmter Wasserzeichen-Startwert kann es bei dem
in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel auch von Vorteil
sein, vor dem Beginn der Iteration die Wasserzeichen-
Gewichtung so zu gestalten, daß sie von der psychoakusti
schen Maskierungsschwelle abgeleitet ist.
Zusammenfassend stellt sich das erfindungsgemäße Konzept
derart dar, daß zunächst ein spektral dargestelltes Wasser
zeichensignal erzeugt wird. Dies wird mittels Gewichtungs
faktoren gewichtet. Das gewichtete Signal wird zum Origi
nal-Audiosignal, das in spektraler Darstellung vorliegt,
hinzuaddiert. Alternativ wird auf der Basis des Wasserzei
chen-Signals eine Veränderung der Linien des Original-
Audiosignals, das in spektraler Darstellung vorliegt,
durchgeführt. Hierauf wird die nach der Quantisierung ein
gebrachte Störung bestimmt, wobei die Störung durch Quanti
sieren, invers Quantisieren und Differenzbildung zum Origi
nal ermittelt wird, oder wobei die Störung vorberechnet
ist.
Anschließend werden neue Gewichtungsfaktoren bestimmt, wo
bei die Maskierungsschwelle verwendet wird, wobei eine Li
nienselektionsstrategie angewendet wird, oder wobei eine
Linienselektionsstrategie insbesondere derart angewendet
wird, daß Vorzeichen und Betrag der Spektrallinien des un
gewichteten Wasserzeichens verwendet werden, und daß die
Summe von Wasserzeichenlinie und Originalspektrallinie so
bestimmt wird, daß diese neue Spektrallinie in ein anderes
Quantisierungsintervall fällt als die ursprüngliche Spek
trallinie.
Das erfindungsgemäße Konzept ist dahingehend vorteilhaft,
daß es sowohl für Bitstrom-Wasserzeichen-Verfahren als auch
Verfahren einsetzbar ist, die Audiocodierung und Wasserzei
cheneinbettung in einem Schritt vornehmen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts besteht
darin, daß eine volle Kontrolle über die eingebrachte Stö
rung erzielbar ist. Dadurch ist es möglich, das Verfahren
gezielt zugunsten optimaler Wasserzeichendetektion oder op
timaler Audioqualität einzustellen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts ist ei
ne volle Kontrolle über die frequenzmäßige Verteilung des
Wasserzeichen-Spreizbandsignals in das Audiosignal.
Claims (16)
1. Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein
Audiosignal, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen (14) einer spektralen Darstellung des Audiosignals, wobei die spektrale Darstellung des Au diosignals eine Mehrzahl von Audio-Spektralwerten auf weist;
Bereitstellen (16) einer spektralen Darstellung des Wasserzeichensignals, wobei die spektrale Darstellung des Wasserzeichensignals eine Mehrzahl von Wasserzei chen-Spektralwerten aufweist;
Verarbeiten (22) der spektralen Darstellung des Was serzeichensignals abhängig von einer psychoakustischen Maskierungsschwelle (24) des Audiosignals, um ein ver arbeitetes Wasserzeichensignal zu erhalten, so daß ei ne durch das verarbeitete Wasserzeichensignal in das Audiosignal eingefügte Störung unter einer vorbestimm ten Störungsschwelle ist, die von der psychoakusti schen Maskierungsschwelle abhängt; und
Kombinieren (18) des verarbeiteten Wasserzeichensi gnals und des Audiosignals, um ein Wasserzeichen behaftetes Audiosignal zu erhalten, in das das Wasser zeichen eingebettet ist,
wobei der Schritt des Verarbeitens (22) folgende Teil schritte aufweist:
Wählen (26) eines vorbestimmten Wasserzeichen- Startwerts, der von der spektralen Darstellung des Wasserzeichensignals abhängt;
Ermitteln (28) einer durch den vorbestimmten Wasser zeichen-Startwert in die spektrale Darstellung des Audiosignal nach einer Quantisierung der spektralen Dar stellung des Audiosignals eingeführten Störung; und
falls die durch den Wasserzeichen-Spektralwert einge führte Störung größer als die vorbestimmte Störungs schwelle ist (32), Verändern (34) des Wasserzeichen- Startwerts, bis die durch einen veränderten Wasserzei chen-Startwert in die spektrale Darstellung des Audio signals nach der Quantisierung des Audiosignals einge führte Störung kleiner oder gleich der vorbestimmten Störungsschwelle ist, und Verwenden des veränderten Wasserzeichen-Startwerts als das verarbeitete Wasser zeichensignal.
Bereitstellen (14) einer spektralen Darstellung des Audiosignals, wobei die spektrale Darstellung des Au diosignals eine Mehrzahl von Audio-Spektralwerten auf weist;
Bereitstellen (16) einer spektralen Darstellung des Wasserzeichensignals, wobei die spektrale Darstellung des Wasserzeichensignals eine Mehrzahl von Wasserzei chen-Spektralwerten aufweist;
Verarbeiten (22) der spektralen Darstellung des Was serzeichensignals abhängig von einer psychoakustischen Maskierungsschwelle (24) des Audiosignals, um ein ver arbeitetes Wasserzeichensignal zu erhalten, so daß ei ne durch das verarbeitete Wasserzeichensignal in das Audiosignal eingefügte Störung unter einer vorbestimm ten Störungsschwelle ist, die von der psychoakusti schen Maskierungsschwelle abhängt; und
Kombinieren (18) des verarbeiteten Wasserzeichensi gnals und des Audiosignals, um ein Wasserzeichen behaftetes Audiosignal zu erhalten, in das das Wasser zeichen eingebettet ist,
wobei der Schritt des Verarbeitens (22) folgende Teil schritte aufweist:
Wählen (26) eines vorbestimmten Wasserzeichen- Startwerts, der von der spektralen Darstellung des Wasserzeichensignals abhängt;
Ermitteln (28) einer durch den vorbestimmten Wasser zeichen-Startwert in die spektrale Darstellung des Audiosignal nach einer Quantisierung der spektralen Dar stellung des Audiosignals eingeführten Störung; und
falls die durch den Wasserzeichen-Spektralwert einge führte Störung größer als die vorbestimmte Störungs schwelle ist (32), Verändern (34) des Wasserzeichen- Startwerts, bis die durch einen veränderten Wasserzei chen-Startwert in die spektrale Darstellung des Audio signals nach der Quantisierung des Audiosignals einge führte Störung kleiner oder gleich der vorbestimmten Störungsschwelle ist, und Verwenden des veränderten Wasserzeichen-Startwerts als das verarbeitete Wasser zeichensignal.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem im Teilschritt des Wählens 26 Wasserzeichen- Spektralwerte mit Start-Gewichtungsfaktoren gewichtet sind;
bei dem im Schritt des Ermittelns (28) die mit den Start-Gewichtungsfaktoren gewichteten Wasserzeichen- Spektralwerte zu den Audiospektralwerten addiert wer den, um Additions-Spektralwerte zu erhalten,
bei dem die Additions-Spektralwerte quantisiert und anschließend invers quantisiert werden (28a), um in vers quantisierte Additions-Spektralwerte zu erhalten;
bei dem die invers quantisierten Additions- Spektralwerte mit den Audiospektralwerten verglichen werden (28b), um zu ermitteln, ob die in den Additi ons-Spektralwerten enthaltene Störung unter der vorbe stimmten Störungsschwelle ist (32); und
bei dem im Teilschritt des Veränderns (34) die Start- Gewichtungsfaktoren verändert werden.
bei dem im Teilschritt des Wählens 26 Wasserzeichen- Spektralwerte mit Start-Gewichtungsfaktoren gewichtet sind;
bei dem im Schritt des Ermittelns (28) die mit den Start-Gewichtungsfaktoren gewichteten Wasserzeichen- Spektralwerte zu den Audiospektralwerten addiert wer den, um Additions-Spektralwerte zu erhalten,
bei dem die Additions-Spektralwerte quantisiert und anschließend invers quantisiert werden (28a), um in vers quantisierte Additions-Spektralwerte zu erhalten;
bei dem die invers quantisierten Additions- Spektralwerte mit den Audiospektralwerten verglichen werden (28b), um zu ermitteln, ob die in den Additi ons-Spektralwerten enthaltene Störung unter der vorbe stimmten Störungsschwelle ist (32); und
bei dem im Teilschritt des Veränderns (34) die Start- Gewichtungsfaktoren verändert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Start-
Gewichtungsfaktoren für alle Wasserzeichenspektralwer
te gleich sind und einen Betrag haben, der so gewählt
ist, daß die Energie des Wasserzeichens oberhalb der
psychoakustischen Maskierungsschwelle liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Start-
Gewichtungsfaktoren durch Gewichten der Wasserzeichen
spektralwerte mit der psychoakustischen Maskierungs
schwelle erhalten werden, so daß die Energie der mit
der psychoakustischen Maskierungsschwelle gewichteten
Wasserzeichenspektralwerte an die psychoakustische
Maskierungsschwelle angenähert ist und insbesondere
kleiner oder gleich der psychoakustischen Maskierungs
schwelle ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Start-
Gewichtungsfaktoren im Teilschritt des Veränderns (34)
pro einem Iterationsschritt verkleinert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem
der Schritt des Kombinierens (18) das Kombinieren der
Spektralwerte des Audiosignals und der Spektralwerte
des verarbeiteten Wasserzeichensignals und anschlie
ßend den Schritt des Quantisierens des Wasserzeichen
behafteten Audiosignals unter Verwendung von Quanti
sierungsstufen aufweist, die durch Quantisieren der
Audiospektralwerte ohne Wasserzeichensignal unter Ver
wendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle er
mittelt wurden, um ein quantisiertes Wasserzeichen
behaftetes Audiosignal zu erhalten.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem der Teilschritt des Wählens (26) eines Wasser zeichen-Startwerts folgende Unterschritte aufweist:
Ermitteln (42) von Quantisierungsstufen für die Audio spektralwerte ohne das Wasserzeichensignal unter Ver wendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle (24);
Quantisieren (42) der Audiospektralwerte unter Verwen dung der ermittelten Quantisierungsstufen, um quanti sierte Audiospektralwerte zu erhalten;
Extrahieren von Vorzeichen der Wasserzeichen- Spektralwerte;
Berechnen (36) von quantisierten Spektralwerten des Wasserzeichen-Startwerts, so daß ein quantisierter Spektralwert des Wasserzeichen-Startwerts gleich einer Anzahl von Quantisierungsstufen ist, falls das Vorzei chen des entsprechenden Spektralwerts des Wasserzei chensignals positiv ist, und daß ein quantisierter Spektralwert des Wasserzeichen-Startwerts gleich dem Negativen einer Anzahl von Quantisierungsstufen ist, falls das Vorzeichen des entsprechenden Spektralwerts des Wasserzeichensignals negativ ist; und
bei dem der Schritt (34) des Veränderns den Schritt des Einstellens der Anzahl von Quantisierungsstufen und/oder den Schritt des Selektierens (38) von Spek trallinien des Wasserzeichen-Startwerts als veränder ter Wasserzeichen-Startwert aufweist.
bei dem der Teilschritt des Wählens (26) eines Wasser zeichen-Startwerts folgende Unterschritte aufweist:
Ermitteln (42) von Quantisierungsstufen für die Audio spektralwerte ohne das Wasserzeichensignal unter Ver wendung der psychoakustischen Maskierungsschwelle (24);
Quantisieren (42) der Audiospektralwerte unter Verwen dung der ermittelten Quantisierungsstufen, um quanti sierte Audiospektralwerte zu erhalten;
Extrahieren von Vorzeichen der Wasserzeichen- Spektralwerte;
Berechnen (36) von quantisierten Spektralwerten des Wasserzeichen-Startwerts, so daß ein quantisierter Spektralwert des Wasserzeichen-Startwerts gleich einer Anzahl von Quantisierungsstufen ist, falls das Vorzei chen des entsprechenden Spektralwerts des Wasserzei chensignals positiv ist, und daß ein quantisierter Spektralwert des Wasserzeichen-Startwerts gleich dem Negativen einer Anzahl von Quantisierungsstufen ist, falls das Vorzeichen des entsprechenden Spektralwerts des Wasserzeichensignals negativ ist; und
bei dem der Schritt (34) des Veränderns den Schritt des Einstellens der Anzahl von Quantisierungsstufen und/oder den Schritt des Selektierens (38) von Spek trallinien des Wasserzeichen-Startwerts als veränder ter Wasserzeichen-Startwert aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem für quantisierte
Spektralwerte des Audiosignals, die gleich 0 sind,
keine Spektralwerte des Wasserzeichen-Startwerts als
veränderter Wasserzeichen-Startwert selektiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Bitsparkassen
funktion (44) vorhanden ist, und bei dem abhängig von
einer Füllung der Bitsparkasse für quantisierte Spek
tralwerte des Audiosignals, die gleich 0 sind, Spektralwerte
des Wasserzeichen-Startwerts als veränderter
Wasserzeichen-Startwert selektiert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem
der Schritt des Veränderns (34) so durchgeführt wird,
daß eine möglichst große Anzahl von veränderten Was
serzeichen-Spektralwerten ungleich 0 ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
bei dem der Schritt des Veränderns (34) so durchge
führt wird, daß der Verlauf des veränderten Wasserzei
chen-Startwerts über der Frequenz dem spektralen Ver
lauf des Wasserzeichen-Signals so weit als möglich
entspricht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
bei dem quantisierte Audiospektralwerte zu selektier
ten Wasserzeichen-Spektralwerten hinzuaddiert werden,
um ein quantisiertes Wasserzeichen-behaftetes Audiosi
gnal zu erhalten.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der Teilschritt des Veränderns (34) abgebro
chen wird, wenn die Störungsschwelle erreicht oder un
terschritten ist, und wenn zugleich die Anzahl der
veränderten Wasserzeichen-Spektralwerte über einer
vorbestimmten Schwelle ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die vorbestimmte
Energieschwelle dadurch definiert ist, daß eine vorbe
stimmte Anzahl von Audiospektralwerten eines Signals,
das die Audiospektralwerte und die veränderten Wasser
zeichen-Spektralwerte umfaßt, um zumindest eine Quan
tisierungsstufe gegenüber den quantisierten Spektral
werten des Audiosignals allein verändert sind.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die psychoakustische Maskierungsschwelle (24)
einen Wert pro einem Skalenfaktorband aufweist, und
bei dem der Schritt des Verarbeitens (22) skalenfak
torbandweise durchgeführt wird.
16. Vorrichtung zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein
Audiosignal, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung zum Bereitstellen (14) einer spek tralen Darstellung des Audiosignals, %bei die spek trale Darstellung des Audiosignals eine Mehrzahl von Audio-Spektralwerten aufweist;
einer Einrichtung zum Bereitstellen (16) einer spek tralen Darstellung des Wasserzeichensignals, wobei die spektrale Darstellung des Wasserzeichensignals eine Mehrzahl von Wasserzeichen-Spektralwerten aufweist;
einer Einrichtung zum Verarbeiten (22) der spektralen Darstellung des Wasserzeichensignals abhängig von ei ner psychoakustischen Maskierungsschwelle (24) des Au diosignals, um ein verarbeitetes Wasserzeichensignal zu erhalten, so daß eine durch das verarbeitete Was serzeichensignal in das Audiosignal eingefügte Störung unter einer vorbestimmten Störungsschwelle ist, die von der psychoakustischen Maskierungsschwelle ab hängt; und
einer Einrichtung zum Kombinieren (18) des verarbeite ten Wasserzeichensignals und des Audiosignals, um ein Wasserzeichen-behaftetes Audiosignal zu erhalten, in das das Wasserzeichen eingebettet ist,
wobei die Einrichtung zum Verarbeiten (22) folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung zum Wählen (26) eines vorbestimmten Wasserzeichen-Startwerts, der von der spektralen Dar stellung des Wasserzeichensignals abhängt;
eine Einrichtung zum Ermitteln (28) einer durch den vorbestimmten Wasserzeichen-Startwert in die spektrale Darstellung des Audiosignal nach einer Quantisierung der spektralen Darstellung des Audiosignals eingeführ ten Störung;
eine Einrichtung (32) zum Feststellen, ob die durch den Wasserzeichen-Startwert eingeführte Störung größer als die vorbestimmte Störungsschwelle ist; und
eine Einrichtung (34) zum Verändern der Wasserzeichen- Spektralwerte, bis die durch einen veränderten Wasser zeichen-Startwert in die spektrale Darstellung des Au diosignals nach der Quantisierung eingeführte Störung kleiner oder gleich der vorbestimmten Störschwelle ist, und zum Verwenden der veränderten Wasserzeichen- Spektralwerte als das verarbeitete Wasserzeichensi gnal.
einer Einrichtung zum Bereitstellen (14) einer spek tralen Darstellung des Audiosignals, %bei die spek trale Darstellung des Audiosignals eine Mehrzahl von Audio-Spektralwerten aufweist;
einer Einrichtung zum Bereitstellen (16) einer spek tralen Darstellung des Wasserzeichensignals, wobei die spektrale Darstellung des Wasserzeichensignals eine Mehrzahl von Wasserzeichen-Spektralwerten aufweist;
einer Einrichtung zum Verarbeiten (22) der spektralen Darstellung des Wasserzeichensignals abhängig von ei ner psychoakustischen Maskierungsschwelle (24) des Au diosignals, um ein verarbeitetes Wasserzeichensignal zu erhalten, so daß eine durch das verarbeitete Was serzeichensignal in das Audiosignal eingefügte Störung unter einer vorbestimmten Störungsschwelle ist, die von der psychoakustischen Maskierungsschwelle ab hängt; und
einer Einrichtung zum Kombinieren (18) des verarbeite ten Wasserzeichensignals und des Audiosignals, um ein Wasserzeichen-behaftetes Audiosignal zu erhalten, in das das Wasserzeichen eingebettet ist,
wobei die Einrichtung zum Verarbeiten (22) folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung zum Wählen (26) eines vorbestimmten Wasserzeichen-Startwerts, der von der spektralen Dar stellung des Wasserzeichensignals abhängt;
eine Einrichtung zum Ermitteln (28) einer durch den vorbestimmten Wasserzeichen-Startwert in die spektrale Darstellung des Audiosignal nach einer Quantisierung der spektralen Darstellung des Audiosignals eingeführ ten Störung;
eine Einrichtung (32) zum Feststellen, ob die durch den Wasserzeichen-Startwert eingeführte Störung größer als die vorbestimmte Störungsschwelle ist; und
eine Einrichtung (34) zum Verändern der Wasserzeichen- Spektralwerte, bis die durch einen veränderten Wasser zeichen-Startwert in die spektrale Darstellung des Au diosignals nach der Quantisierung eingeführte Störung kleiner oder gleich der vorbestimmten Störschwelle ist, und zum Verwenden der veränderten Wasserzeichen- Spektralwerte als das verarbeitete Wasserzeichensi gnal.
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