在编码信号中嵌入补充数据

本发明涉及在编码信号中嵌入补充数据的装置和方法。

日益增长地需要把补充数据包容到诸如编码的音频和视频信号 的编码数据中，最好不增加数据速率。特别是如果补充数据被用作水 印，则它应当以感觉上不易看到的方式被加上。水印可以包括有关文 件和音频-视频节目的来源或版权状态的信息。它们可被使用来提供 版权拥有者的合法证明，以及允许跟踪非法翻印和支持知识产权的保 护。

超级音频软盘(SACD)格式，例如，规定了无损编码(LLC)，允许 实际上在软盘上的数据的两倍。要求无损编码器允许以SACD质量重 放多信道音频长达74分钟的重放时间。正如名词“无损编码”所指 出的，任何数据的所需要的贮存容量被减小，以使得在译码后，原先 的信号是以比特相同的方式被复原的。在“Improved Lossless Coding of 1-Bit Audio Signals(改进的1比特音频信号的无损编码)”，Fons Bruekers，Werner Ooman，Rene van der Vleuten，Leon van de Kerkhof，Audio Engineering Society，103rd Convention 1997， September 26-29，New York，4563(I-6)中描述了这样的编码器/译码 器。编码是通过把输入数据流划分成帧以及对于每个帧确定一组最佳 化参量而完成的。这些参量的一部分被发布用于预测，以去除冗余 度。原先的信号与预测信号之间的差别，被称为剩余信号，只包括少 得多的有关信息，如果可以找到良好的预测参量的话。由于无损编码 是设想的，剩余信号不能被省略，但如果它包括较少的有关信息，则 它可通过使用某些其它部分的最佳化参量，被非常有效地“熵”编码。 由于在参量组中保持有冗余信息，参量组和被“熵”编码的剩余信号 被存储，以及是对于无损译码所需要的。

如果为了打水印的目的而需要补充信息，则该补充信息可以被加 上，正如相当广泛地知道的，即通过把它这样地加到原先的信号上， 以使得信号修改不被收听者注意到。像这样地改变的信号不再能认为 是(比特真实的)原先的信号。另外，这样加水印的缺点在于，不进行 无损译码不可能检测出在编码信号中存在的水印。为了简化水印译码 器，希望有这样的任选项，即能够在无损译码以前检测水印。

本发明的一个目的是提供用于在编码的数据信号中嵌入补充数 据的设备和方法，它允许嵌入的补充数据不用对整个信号译码就被读 出，以及不影响音乐质量。

为此，按照本发明的方法的特征在于，为了嵌入的补充数据，补 充信息被插入到数据中，以及为编码补充数据所需要的辅助信息可以 从在编码过程中可提供的其它数据中得出。

本发明的优点是，通过把数据插入到要被译码的数据中，补充信 息只有在打扰编码信号的内容时才能被除去。由于为编码补充信息所 需要的辅助信息是从在编码过程中可提供的其它数据中得出的，所 以，为编码补充信息所需要的辅助信息不需要被记录或被存储供以后 的译码处理用。因此，这个方法对于比特速率是非常经济的。

本发明的另一个目的是提供对第一种解决办法的替换例。

为此，按照本发明的另一种方法的特征在于，为了把补充数据嵌 入到编码信号中，参量组受到补充数据影响。这样，为了读出水印， 不需要译码全部的完整数据，而只需要译码其中包含用来进行编码/ 译码的参量的一部分数据。由于补充信息被嵌入在参量组中，不必花 费额外的比特用于该补充信息。

补充信息可以通过选择偶数个或奇数个参量，或通过改变(例如) 第一参量的最低位，而被嵌入。例如，偶数个参量代表水印比特数值 “1”；而奇数个参量代表水印比特数值“0”。

本发明的优点是由于：对于实际的原因(计算能力，花费，…)，对 于编码不能确定最好的参量组，而只有相当良好的参量组。所以，作 为一个法则，这些算法已被设计来作用于次最佳的参量组。参量组中 的小的改变，如改变参量的最低位，加上一个名义上的参量以达到奇 数或偶数个参量，为嵌入水印比特所需要的无论什么参量，或甚至略 去一个参量以达到奇数或偶数个参量，通常对于编码效率都将没有重 大的影响。有时，参量的这样的小的变化甚至可能或多或少地改进编 码过程。

本发明的优点在于，如果数据保持为无损编码形式，则不译码信 号和用改变的参量组重复地无损编码改数据，就不能去除水印。由于 无损译码器需要所有的系数，丢失的或不正确的系数(为了删除水印 而被去除或被改变)将导致对于所有的信道在一个帧的持续时间内的 信号丢失。

图1显示了用于把两个独立的补充数据x，y嵌入到无损编码的信 号的设备。第一数据x被使用来嵌入水印信息w。由于水印w的长度 长于可由补充数据存储的信息长度，水印w被分组产生器1打包到一 个输送分组中，它允许把数据分组的比特像一个串行信号那样嵌入。 借助于被包括在输送分组的数据头中的同步图案，该输送分组的开始 部分可被容易地恢复。输送分组的比特x被逐个比特地嵌入到无损编 码信号中，作为所谓的DST_X_Bit。

第二数据y以所谓的DST_Y_Bit被嵌入。嵌入的DST_Y_Bit被设 置为数值“1”，以表示无损编码信号应用于最新格式。如果将来需 要有一个标志，则可以使用DST_Y_Bit。本领域技术人员应当看到， 在其它记录系统中的DST_Y_Bit也可以以结构的数据流的形式被使用 来嵌入长于单个比特的信息。

为了编码n个并行数据流(被称为数据信道C0，…，Cn-1)，把立体声 或多信道DSD记录划分成帧。在本发明的实施例中，每秒75个帧被 使用于每个信道Ci。虽然，水印信号w的数据速率取决于帧速率，但 本发明并不限于特定的帧速率。

对于每个帧，控制装置(未示出，因为它不是本发明的一部分)鉴 别哪个模式被使用来编码：是LLC简单模式还是LLC编码模式。LLC 简单模式被使用于如果帧的压缩比是不足的例外的情形，以及实际上 包含简单的DSD。

选择的LLC算法是基于预测滤波器和概率表的。为了优化LLC编 码模式的压缩比，参量控制单元4再次每个帧分开地分析每个信道。 参量控制单元4对于每个信道Ci计算对于每个预测滤波器的预测滤波 器系数组Ai=ai(1)，…，ai(ki)以及对于每个概率表的概率表系数组 ∏i=πi(1)，…，πi(mi)。在本发明的实施例中，预测滤波器系数ai的长 度是9比特，而预测滤波器系数的数目ki是可变的，但限制于128的 最大值。每个概率表系数πi的长度是7比特。概率表系数πi的数目mi 也是可变的，但限制于64的最大值。典型地，它是处在32和64之 间。这些数目作为例子被给出，以及代表已被找到为给出对于音频信 号的最佳结果的数目，但不应当解释为本发明限制于这些数目。该数 目当然取决于帧速率、预测滤波器算法、和源信号的内容。然而，可 能找到允许更好的压缩比的其它数目。

确定最佳系数a，π，是困难的，它需要大量的计算功率。所以，作 出折衷，只选择合理的良好的系数组。由于分开的系数组Ai，πi是对 于每个信道Ci计算的，对于每个信道使用的系数将是互相不同的，但 并不需要在每种情况下都是不同的。

为了把DST_Y_Bit插入到一个帧中，标志发生器3改变第一滤波 器系数a0(1)的最低位LSB。正如前面已提到的，编码性能上的无显著 的降低，应当通过略微改变滤波器系数来实现。

组A和∏的所有的系数，包括修正的系数a0(1)，对于编码信号是 重要的，因此必须被记录，供以后读数或译码过程使用。由于所有的 系数组A以及∏仍旧具有冗余性，第一和第二压缩器5，6被使用来产 生压缩的数据字A’，∏’。优选地，使用压缩算法，这将允许以最容易 的方式的A’和∏’的相应的解压，以使得可以不用很大的努力就读出 嵌入的DST-Y-Bit。

重要的是，其数值已被修改的系数也被使用于无损编码，代替原 先的估值的系数。否则，译码过程将失败。在本发明的这个实施例中， 无损编码器的功能被分裂成用于每个信道Ci的编码预测单元7，和算 术编码器9，它对于所有的编码预测单元7是通用的。图2上显示了 编码预测单元7的结构。

编码预测单元7包括预测滤波器71，它是用相应的滤波器参量组 Ai初始化的。借助于电平变换器72，在把输入信号输入到预测滤波 器71以前，输入信号xi的二进制“0”被变换成数字值“-1”以及二 进制“1”被变换成数字值“+1”。预测滤波器71的输出信号被第一 和第二量化器73，74量化。第一量化器73的删除借助于异或门75 与输入信号xi进行异或，以及形成剩余信号ei，它是编码预测单元7 的两个输出信号的第一个输出信号。第二量化器74的输出信号用作 为被存储在阵列76中的概率表的标号αi。概率表包含概率参量组∏i。 阵列76的输出信号形成编码预测单元7的第二个输出信号，概率信 号pi。在前面段落中阐述的论文中更详细地描述了概率表的使用法。

复接器8把剩余信号e0，…，en-1合并成e，以及把概率信号 p0，…，pn-1合并成p。水印发生器2的输出也被馈送到复接器8的一 个输入端。为了嵌入水印信息的DST_X_Bit，复接器8把DST_X_Bit 插在e的前面。由于算术编码器9的设计，用来编码DST_X_Bit的概 率系数，此后称为水印概率系数pw，是不可缺少的。在本发明的实施 例中为了节省贮存空间，水印概率系数pw是从第一预测滤波器系数 a0(1)得出的。为此，第一信道的第一预测滤波器系数a0(1)被馈送到 水印概率模块10。借助于这个模块，系数a0(1)的头七个比特以相反 的次序被解译为无正负号的整数D，在其上加上数值1。通过使用对 于水印概率系数的得到的数值，不需要记录水印概率系数，在编码的 数据块中也不需要补充比特。这样，嵌入DST_X_Bit将只或多或少地 加长编码的LLC块。

算术编码器9从信号e和概率信号p产生编码的DSD信号。

由于DST_X_Bit被插入为要被算术编码器9编码的每个块的第一 比特，DST_X_Bit可能没有作为单个比特位于编码的DSD信号中。所 以，不译码编码的DSD信号就不能把它去除。删除或改变一个或某些 比特，将不可避免地造成整个帧的数据的丢失。另一方面，原始的算 术译码器对于读出水印是足够的。所以，它以完美的方式满足水印的 概念：难以去除而易于读出。然而，它不是强制性地把DST_X_Bit插 入到信号e的前面，但它将稍微简化水印的译码过程，因为只需要估 计编码的DSD信号的开始部分。

以下的表格显示了以LLC编码模式编码的帧的大略的句法。 LLC比特     CNTRL     A’     ∏’ CODED DSD

在这种情况下，比特LLC具有数值“1”，表示LLC编码模式数 据块。CNTRL子块的比特包含某些控制信息，诸如预测滤波器系数的 数目ki，和给定的信道Chi的概率系数的数目mi。接着的两个子块A’ 和∏’包含以压缩形式的预测滤波器系数组A和概率系数组∏。最后的 块，CODED DSD，最后包含编码的DSD信号。如前面解释的，数据块A， P和CODED DSD的长度逐帧地变化。

LLC编码的数据块被写在数据载体，诸如SACD或DVD上。由于写 到数据载体上的过程和从数据载体上读数的过程不是本发明的一部 分，大量的适当的装置是本领域技术人员熟知的，这不在这里被描 述，而用虚线11符号表示，以及被称为软盘接口。

在本发明的实施例(例如，SACD或DVD放象机)的读数装置中，如 果第一比特，即LLC比特，具有数值“1”，则数据块被检测为LLC 编码块。在这种情况下，数据块借助于包含在控制数据块CNTRL中的 数据被划分成它的子块A’，∏’和CODED DSD。子块A’和∏’被第一和 第二解压器12，13解压，以便重新得出系数组Ai，∏i。对于每个信道， 提供了分开的译码预测单元14，每个译码预测单元14包括预测滤波 器和概率表。在开始译码LLC编码块时，系数组Ai，∏i被装载到译码 预测单元14的适当的预测滤波器和概率表。

译码预测单元14也重新构建概率信号p0，…，pn-1，它们被读数装 置的复接器15组合成信号p。信号p被馈送到算术译码器16，它借 助于概率信号p把被包含在子决CODED DSD中的数据解压为数据流 e。借助于分接器17，数据流e被分裂成各个信道的不同的剩余信号 e0，…，en-1，以及被馈送到译码预测单元14。

图3上显示了译码预测单元14的结构。每个信道的剩余信号ei 被馈送到译码子单元的异或门的第一输入端。异或门的输出形成每个 信道Chi的输出信号。该输出信号也被馈送到电平变换器，它执行与 前面描述的记录设备中的电平变换器同样的运行。电平变换器的输出 被馈送到预测滤波器。滤波器的输出被馈送到两个量化器。第一量化 器的输出与异或门的第二输入端相连接，量化器的第二输出被用作为 对于被存储在阵列的概率表的标号αi。由标号αi选择的全部的数值pi 通过复接器被馈送到算术译码器。

标志译码器18被使用来重新构建嵌入的DST_Y_Bit。由于 DST_Y_Bit被存储在第一系数中，只有压缩的A’块的开始部分需要被 标志检测器18检验。标志检测器18只解压A’块的开始部分，以及取 出第一信道的第一滤波器系数a0(1)，以及分析其最低位，以决定 DST_Y_Bit的数值。由于对于A和∏块的压缩算法被选择为允许易于 解压，水印检测器，比起总的译码器来说，可被非常初步地被设计。

为了提取水印w，由水印标志检测器18的确定的系数a0(1)被馈 送到读数设备的水印概率模块19。水印概率模块计算水印概率系数 pw，正如对于记录设备所描述的。水印概率系数pw被馈送到算术译码 器，以译码DST_X_Bit。由于DST_X_Bit是由算术译码器输出的第一 比特，它可由水印检测器20容易地提取出。然而，通过更精制高级 的译码器，它可以在无论何处确定插入它的位置处，从信号中被提 取。格式化器21从DST_X_Bit提取水印信息w，这些DST_X_Bit是 借助于同步图案从串行比特流被重新变换成数据块的。

虽然水印检测功能可以被集成在读出设备的其它译码装置中，但 这个结构表明水印检测可在独立情形下完成。不需要译码整个编码的 DSD信号。所以，水印标志检测器18，水印概率模块19，水印检测器 20和格式化器21也可被集成在其本身的设备中，以及不用在译码预 测单元14中引入的更复杂的功能而运行。

至此为止已描述了LLC编码模式。如上所述，如果有时编码不能 减小比特速率，则信号可只作为简单DSD被存储。这个数据模式被称 为LLC简单模式，以及被显示为：     LLC比特  DTS-X-Bit     简单的DSD

LLC比特被设置为数值“0”，以表示该帧包含简单的DSD。跟随 在LLC比特后面的比特被用来以简单格式存储水印的DTS_X_Bit。 DTS_X_Bit后面跟随简单的DSD数据。这确保每个编码的块包含 DTS_X_Bit，而不管它是编码的DSD还是简单的DSD块。这具有这样 的优点，DTS_X_Bit的串行数据流不依赖于所使用的格式，另一方面， 简单DSD的简单DTS_X_Bit确实可被改变，而不会对简单DSD中的块 的信号内容有任何伤害。然而，由于简单DSD是大多数情况中的例外， 将会有绰绰有余的未中断的编码的DSD块以全部长度来载送水印。

在本发明的另一个实施例中，通过改变参量的一个以上的LSB， 而把一个以上的补充比特嵌入到无损编码信号。无论每帧嵌入两个比 特，例如，第一音频信道的第一和第二预测滤波器系数a1(0)，a2(0) 是无用的。这两个比特可被使用来表示以下的信息：  LSB a0(1)  LSB a0(2)     意义     0     0     水印比特“0”     0     1     水印比特“1”     1     0     同步符号     1     1   保留供将来使用

由于每帧只提供一个水印比特供使用，水印信息必须以串行数据 格式被写入。所以，同步符号“10”用来检测水印信息的开始部分。