DE10129239C1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Audiosignal - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Audiosignal

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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.
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.
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.
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.
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