專利名稱：用于直接流數(shù)字信號的堅(jiān)韌水印的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，更具體地說，涉及編碼到直接流數(shù)字(DSD)信號中的堅(jiān)韌數(shù)字水印。
相關(guān)技術(shù)說明最初開發(fā)出激光唱盤(CD)時，脈沖編碼調(diào)制(PCM)是對要錄制到光盤上的數(shù)字音頻信號進(jìn)行編碼的使用最多的技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的CD格式具有16位分辨率，取樣頻率為44.1kHz。
隨著專業(yè)錄制技術(shù)的不斷進(jìn)展，標(biāo)準(zhǔn)CD格式的分辨率和取樣速度已不再能滿足保存在各種數(shù)字演播室制作的錄制品的音頻質(zhì)量的要求。


圖1A示出標(biāo)準(zhǔn)CD信號的典型音頻頻譜。如圖所示，標(biāo)準(zhǔn)CD的信號頻帶在20kHz后急劇減弱。
超音頻小型光盤是高分辨率音頻CD格式，它利用直接流數(shù)字(DSD)，而不是PCM，來錄制音頻信號。DSD錄制格式直接錄制從∑-Δ模擬數(shù)字(A/D)變換器輸出的1位信號，取樣頻率為2.8224MHz。在DSD中使用的∑-ΔA/D變換器包括噪聲整形濾波器，以便有效地將噪聲移出音頻頻帶之外，即將噪聲移出到20kHz以上，就聽不見了。
DSD避免了可能因PCM中使用的提取過程和內(nèi)插過程而導(dǎo)致的信號質(zhì)量下降。DSD錄制品具有改進(jìn)的頻率響應(yīng)，所述頻率響應(yīng)可擴(kuò)寬到100kHz。此外，當(dāng)∑-ΔA/D變換器中包括第五階(或更高階)的噪聲整形濾波器時，DSD頻率響應(yīng)具有120dB的動態(tài)范圍。圖1B輸出DSD信號的音頻頻譜。
雖然人耳一般不能聽出20kHz以上的清楚的音調(diào)，但較高的頻率確實(shí)含有瞬態(tài)性質(zhì)的音頻信息(即，聲音如何開始和停止)，這種信息由人的大腦感知，提供一種對音樂的更為“自然”的感覺。通過將這種信息保留在高頻頻帶中(即在噪聲頻帶中)，DSD技術(shù)提供一種更為精確的脈沖響應(yīng)和清晰的瞬時特性。這是DSD錄制品超過標(biāo)準(zhǔn)CD錄制品的優(yōu)越的音頻質(zhì)量的重要原因。
關(guān)于數(shù)字錄制技術(shù)，和音頻質(zhì)量一起必需考慮的一個重要問題是保護(hù)錄制的內(nèi)容不被非法復(fù)制和銷售。用于保護(hù)數(shù)字錄制知識產(chǎn)權(quán)(IP)的一種機(jī)制就是編碼水印。
水印包括嵌入在數(shù)字內(nèi)容中的識別數(shù)據(jù)，它可規(guī)定所述內(nèi)容的所有權(quán)和預(yù)期的接收者，并有助于對內(nèi)容的使用(例如，復(fù)制和銷售)實(shí)施限制。水印可用來識別數(shù)字內(nèi)容的非法復(fù)制件，檢測內(nèi)容中的非法改變。
有些水印用來試圖防止數(shù)字IP的非法復(fù)制和銷售。例如，某些類型的CD記錄裝置可包括特殊的復(fù)制保護(hù)機(jī)制，它能檢測要錄制的內(nèi)容中的水印。如果檢測到的水印表明不允許復(fù)制或所述內(nèi)容為非法獲得，所述機(jī)制就阻止裝置的錄制操作。
或者，水印的目的可以是識別對內(nèi)容的非法復(fù)制和銷售，以便產(chǎn)權(quán)所有人從侵權(quán)方尋求合法的賠償。
水印一般包括編碼到數(shù)字內(nèi)容中信號，它符合某些統(tǒng)計(jì)特性，這樣就能以原來的形式從內(nèi)容中提取出來。但是，加入這樣一種信號常會導(dǎo)致數(shù)字錄制的音頻信號的聲音質(zhì)量下降。最好能提供一種水印，其存在不會導(dǎo)致音頻錄制的聲音質(zhì)量有任何可感知的下降。
更好的是提供一種堅(jiān)韌的水印，即不嚴(yán)重影響水印所嵌入的音頻信號的質(zhì)量，就很難去除或修改所述水印。相應(yīng)地，水印必需設(shè)置在對感官的知覺來說重要的音頻信號成分(例如頻帶)中。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種用于以DSD格式錄制的音頻信號的堅(jiān)韌水印，它不會導(dǎo)致音頻質(zhì)量的顯著下降。
本發(fā)明的示范實(shí)施例針對一種堅(jiān)韌水印，它這樣嵌入在DSD音頻信號中，使得所述水印在高于20kHz的特定頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻譜。在低于20kHz的頻帶，所述水印的頻率響應(yīng)基本上為零。
在本發(fā)明的又一示范實(shí)施例中，水印的特定頻率范圍不超過100kHz以上。
在本發(fā)明的又一示范實(shí)施例中，用擴(kuò)頻制水印法將堅(jiān)韌水印編碼到DSD音頻信號中。
在本發(fā)明的又一示范實(shí)施例中，堅(jiān)韌水印的特定頻率范圍選擇得較低，以便把水印設(shè)置在對感官的知覺來說更為重要的頻帶中，因而去除水印就會嚴(yán)重降低音頻質(zhì)量。
在本發(fā)明的又一示范實(shí)施例中，堅(jiān)韌水印的特定頻率范圍選擇得較高，使得水印的存在導(dǎo)致的音頻信號的質(zhì)量下降很小。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)通過以下的詳細(xì)說明即可更明確。但是，顯然，這些詳細(xì)說明和具體實(shí)例雖然代表了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但僅是為了說明，因?yàn)閷δ切┍緦I(yè)的技術(shù)人員而言，在閱讀所述詳細(xì)說明后，在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)作各種變動和修改是顯而易見的。
附圖的簡要說明從以下的詳細(xì)說明和附圖就可對本發(fā)明有更充分的理解，這些說明和附圖僅是為了說明，而不是對本發(fā)明作任何限制。
圖1A示出標(biāo)準(zhǔn)CD信號的典型音頻頻譜。
圖1B示出DSD信號的音頻和噪聲頻譜。
圖2A是按照示范實(shí)施例的DSD信號記錄裝置的方框圖，其中在將音頻信號編碼成DSD信號之前，將模擬水印信號嵌入到模擬音頻信號中。
圖2B是按照示范實(shí)施例的DSD信號記錄裝置的方框圖，其中將數(shù)字水印信號嵌入到DSD編碼音頻信號中。
圖3是示范實(shí)施例的水印嵌入器的方框圖，其中使用SSW技術(shù)將堅(jiān)韌水印嵌入到音頻信號中。
圖4A示出堅(jiān)韌水印的頻譜，其中為較大的堅(jiān)韌性而選擇所述堅(jiān)韌水印的頻帶。
圖4B示出堅(jiān)韌水印的頻譜，其中為較小的聲音質(zhì)量降低而選擇所述堅(jiān)韌水印的頻帶。
圖5示出按照示范實(shí)施例的∑-Δ調(diào)制器，其中將軟水印插入到DSD信號中。
示范實(shí)施例的詳細(xì)說明本發(fā)明提供一種水印，它被編碼到DSD音頻信號的特定頻帶中，所述頻帶最好不擴(kuò)展到20kHz以下或100kHz以上。由于人耳通常不能感知20kHz以上的諧波，故數(shù)字水印不會顯著降低錄制的聲音質(zhì)量。但是，個人企圖通過對錄制的20kHz以上的信號進(jìn)行低通濾波來除去所述水印的任何努力，都會導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量下降，使得DSD錄制的聲音質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)CD錄制相比并不更好。
圖2A示出按照示范實(shí)施例的DSD信號記錄裝置100的方框圖，其中在將音頻信號編碼成DSD信號之前，將模擬水印信號嵌入到模擬音頻信號中。在圖2A的記錄裝置中，將模擬音頻信號和模擬水印信號輸入到水印嵌入器20中。水印嵌入器20的輸出連接到∑-Δ調(diào)制器40上?！?Δ調(diào)制器40的輸出發(fā)送到DSD信號記錄裝置50上。
圖2A中DSD信號記錄裝置100的工作如下。水印嵌入器20將水印信號插入到特定頻率范圍的音頻信號中。按照示范實(shí)施例，所述范圍選擇成頻率下限不延伸到低于大約20kHz，而頻率上限不延伸到高于大約100kHz。但按照另一實(shí)施例，頻率范圍的下限可以設(shè)置到20kHz以下，以水印質(zhì)量為代價來獲得更為堅(jiān)韌的水印。以下結(jié)合圖3對示范水印嵌入器20作更詳細(xì)的說明。
從水印嵌入器20輸出的水印信號發(fā)送到∑-Δ調(diào)制器40，所述調(diào)制器將水印信號量化成1位DSD編碼信號。∑-Δ調(diào)制器40利用負(fù)反饋回路累積DSD編碼位流。累積的信號被發(fā)送到第五階噪聲整形濾波器。所述濾波器42的輸出由量化器44量化成“1”或“0”。量化器44的1位輸出通過單樣值延遲單元46和數(shù)字-模擬信號變換器48反向循環(huán)?！?Δ調(diào)制器的位流輸出由DSD信號記錄裝置50錄制到例如SACD盤上。
按照另一示范實(shí)施例，記錄裝置100可在插入水印前先將模擬音頻信號編碼成DSD信號。圖2B示出根據(jù)此示范實(shí)施例的DSD信號記錄裝置的方框圖。
圖2B中，將模擬音頻信號輸入到∑-Δ調(diào)制器40中。由∑-Δ調(diào)制器40輸出的DSD編碼信號輸入到水印嵌入器20中，水印嵌入器20的輸出連接到DSD信號記錄裝置50上。在圖2B的記錄裝置中，水印包括位組合，所述位組合被編碼到DSD音頻信號的特定頻帶中，所述特定頻帶基本上不延伸到20kHz以下或100kHz以上。
按照示范實(shí)施例，水印通過一種稱為擴(kuò)頻制水印法(SSW)的過程被插入到DSD信號中。所述過程類似于擴(kuò)頻無線通信，其中窄帶信號在大得多的帶寬上傳輸，以致在任何單一頻率上的能量就不可檢測。SSW過程將水印信號擴(kuò)展到數(shù)字內(nèi)容的很寬頻帶上，其中所述頻帶對感官的知覺來說是重要的。
當(dāng)把水印加到音頻信號上時，SSW過程將水印擴(kuò)展到影響信號的總聲音質(zhì)量的頻率成分上。由于水印被隱藏在比實(shí)際需要的寬得多的頻帶上，所以水印在內(nèi)容中采取比較弱的噪聲的形式，對想要去除掉水印的個人來說這種弱噪聲實(shí)際上是無法檢測到的。所以，唯一能去除水印的途徑就是濾除音頻信號的重要頻率成分，而這樣就會導(dǎo)致聲音質(zhì)量的明顯下降。于是，SSW過程的水印可以非常堅(jiān)韌。
在擴(kuò)頻制水印法中，利用水印的給定頻率范圍內(nèi)的子頻帶選擇組將水印信號插入到音頻信號中。利用稱為跳頻的方案，水印的子頻帶每秒突變許多次。在此方案中，可以利用所產(chǎn)生的偽噪聲來調(diào)制所述水印信號，然后將其定標(biāo)到較低的功率電平。
由于在每個時間點(diǎn)上水印子頻帶是偽隨機(jī)地確定的，故它以弱噪聲的形式出現(xiàn)在頻域中。但是，水印驗(yàn)證過程知道水印嵌入其中的全部子頻帶，因此有可能將這些比較弱的信號組合成具有高的信噪比(SNR)的單一信號。檢驗(yàn)其內(nèi)容就可驗(yàn)證所述組合信號。
圖3示出水印嵌入器20，它用SSW過程將堅(jiān)韌水印嵌入到音頻信號中。調(diào)制器24利用由偽噪聲發(fā)生器22產(chǎn)生的偽噪聲信號調(diào)制水印。按照本發(fā)明的示范實(shí)施例，偽噪聲信號的產(chǎn)生要能將水印擴(kuò)展到特定頻率范圍內(nèi)，所述頻率范圍基本上不延伸到20kHz以下或100kHz以上。調(diào)制后的水印信號通過放大器26，在所述放大器中，水印信號被定標(biāo)到適當(dāng)?shù)碾娖?。然后利用加法元?8將所述水印信號與輸入音頻信號組合，得到具有水印的音頻信號。
如果將圖3的水印嵌入器20與圖2A的記錄裝置結(jié)合使用，則輸入的音頻信號和水印信號包括模擬信號。或者，如果將圖3的水印嵌入器20與圖2B的記錄裝置結(jié)合使用，則輸入的音頻信號包括DSD編碼信號而水印包括數(shù)字位組合。
應(yīng)當(dāng)指出，其它SSW方法，包括子頻帶分解制水印技術(shù)也可用來將水印插入DSD信號中。此外，本發(fā)明決不限于利用擴(kuò)頻制水印過程來把水印加到音頻信號中。也可以使用其它方法來將水印編碼到DSD音頻信號的特定頻率范圍中，本專業(yè)的普通技術(shù)人員很易理解這一點(diǎn)。
按照本發(fā)明的示范實(shí)施例，用于把水印嵌入到DSD信號中的特定頻率范圍被選擇得相當(dāng)?shù)?。例如，所述頻率范圍可以設(shè)置在大約20和30kHz之間。圖4A示出在這種頻率范圍的水印頻譜。試圖通過低通濾波去除所述水印會導(dǎo)致DSD信號的音頻質(zhì)量明顯下降。這是因?yàn)榈屯V波會在頻率成分超過20kHz時將所有瞬時信息從音頻信號中去除。而且，以截止頻率20kHz對音頻信號進(jìn)行低通濾波還會導(dǎo)致阻斷能被聽眾感知的諧波。
如前所述，如果通過低通濾波將全部超過20kHz的信號都從DSD錄制品中去除，則所得信號的聲音質(zhì)量就不會比標(biāo)準(zhǔn)CD錄制品更好。因此，不值得費(fèi)功夫非法去除水印并進(jìn)行SACD盤錄制品的復(fù)制，因?yàn)樗鰪?fù)制品不能與SACD的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相媲美。
雖然已針對頻率范圍在大約20和30kHz的數(shù)字水印對所述實(shí)施例作了說明，但是應(yīng)當(dāng)指出，所述范圍僅僅是通用原理(即，具有較低給定頻率范圍的數(shù)字水印如果被去除就會導(dǎo)致DSD音頻信號大得多的質(zhì)量下降)的示例。
但是，為水印選擇低的頻率范圍有一個缺點(diǎn)。具體地說，僅是這種水印在DSD信號中的存在就會引起聲音質(zhì)量的某些下降。在以上對SSW過程的討論中，已指出水印在音頻信號中取噪聲的形式。即使其頻率范圍稍稍高于20kHz，這種噪聲也會影響音頻質(zhì)量。
按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，水印的頻率范圍選擇在較高的頻率范圍，使得其存在不對DSD信號有負(fù)面影響。圖4B示出頻率范圍大約在90和100kHz之間的數(shù)字水印實(shí)例。由于在接近100kHz的頻率成分的瞬時信息不易被聽眾感知，故在此頻率范圍內(nèi)插入的水印所引起的質(zhì)量下降一點(diǎn)也不顯著。
相應(yīng)地，圖4B的實(shí)例示出所述實(shí)施例的通用原理，即在DSD信號的較高頻率范圍插入的水印對聲音質(zhì)量引起的下降較少。但是，利用高頻率水印確實(shí)具有以下缺點(diǎn)，即，可以通過對DSD信號進(jìn)行具有較高截止頻率的低通濾波來去除水印，導(dǎo)致所述信號的較小的質(zhì)量下降。按照本發(fā)明的又一實(shí)施例，可以把在上述實(shí)施例中所說明的堅(jiān)韌水印嵌入到含有軟水印的DSD音頻信號中。
軟水印的概念在美國專利號6,157,330中作了說明，所述專利的主題已作為參考文件包括在本文中。通過用水印模式的位來代替輸出位流的所選位，就可將軟水印插入到DSD信號中。
例如，可以用圖5所示的∑-Δ調(diào)制器40將軟水印插入到DSD信號中。所述∑-Δ調(diào)制器40包括位修改電路45，用于接收量化器44輸出的位。量化器44的功能就是將第五階噪聲整形濾波器的輸出量化成“1”和“0”。位修改電路45可以配置成例如每隔99位就用對應(yīng)于軟水印位組合的位來替代從量化器44輸出的所選位。
或者，可以用連續(xù)倒置位之間的位周期數(shù)來表示軟水印數(shù)據(jù)。這樣，位修改電路45可以配置成將量化位流中的所選位倒置。
插入軟水印僅導(dǎo)致量化噪聲有1dB的增加，在DSD信號的120dB的動態(tài)范圍內(nèi)這是聽不出的。雖然軟水印不會明顯降低音頻質(zhì)量，但幾乎可用任何類型的信號處理很容易地將它們從DSD信號中去除。因此，軟水印不被認(rèn)為是堅(jiān)韌水印。但這種水印仍然有用，因?yàn)樵贒SD錄制品中如果沒有軟水印表示所述音頻信號為復(fù)制品。
因此，可以把軟水印與堅(jiān)韌水印結(jié)合使用，嵌入在DSD信號中?？梢杂抿?yàn)證過程來確定軟水印是否已從DSD內(nèi)容中丟失，即內(nèi)容是否已被復(fù)制。如果確實(shí)如此，可以用堅(jiān)韌水印來識別內(nèi)容的所有人或權(quán)利持有人，以便進(jìn)行合法賠償。
已針對嵌入在基本上不低于20kHz和基本上不超過100kHz的DSD信號的頻率范圍內(nèi)的數(shù)字水印對上述實(shí)施例作了說明。但水印也可插入在低于20kHz和超過100kHz的頻率范圍內(nèi)，并不背離本發(fā)明的精神和范圍。例如，可以在如此短而少的時間間隔內(nèi)將水印插入到遠(yuǎn)低于20kHz的音頻信號的頻率成分中，使得聽眾是聽不到所述水印。
已參閱示范實(shí)施例對本發(fā)明作了說明。對于本專業(yè)的技術(shù)人員來說，顯然，根據(jù)上述公開的內(nèi)容可以對本發(fā)明作各種修改而不背離權(quán)利要求書的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種方法，它包括將水印插入到直接流數(shù)字信號中以形成水印信號，所述插入的水印分布到所述水印信號的頻率范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述頻率范圍基本上不延伸到20kHz以下。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述頻率范圍基本上不延伸到100kHz以上。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述頻率范圍基本上不延伸到20kHz以下，且基本上不延伸到100kHz以上。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于利用擴(kuò)頻制水印過程來執(zhí)行所述插入步驟。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述插入步驟之前，通過用對應(yīng)于軟水印數(shù)據(jù)的位替代所述直接流數(shù)字信號的所選位來將軟水印插入到所述直接流數(shù)字信號中。
7.一種方法，它包括將水印插入到模擬信號中以形成具有水印的信號，所述插入的水印分布在所述具有水印的信號的一定頻率范圍內(nèi)；將所述具有水印的信號轉(zhuǎn)換成直接流數(shù)字信號。
8.一種包含嵌入的水印的直接流數(shù)字信號，所述水印分布在所述直接流數(shù)字信號的一定頻率范圍內(nèi)。
9.一種數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，其上存儲有如權(quán)利要求8所述的直接流數(shù)字信號。
10.一種記錄裝置(100)，它包括調(diào)制器(40)，用于將輸入信號轉(zhuǎn)換成直接流數(shù)字信號；水印嵌入器(20)，用于將水印嵌入到所述直接流數(shù)字信號中并輸出具有水印的信號，使得所述水印分布在所述具有水印的信號的一定頻率范圍內(nèi)；以及記錄器(50)，用于將所述具有水印的信號記錄在存儲介質(zhì)上。
11.如權(quán)利要求10所述的記錄裝置(100)，其特征在于所述水印嵌入器(20)利用擴(kuò)頻制水印技術(shù)，所述水印嵌入器(20)還包括偽噪聲發(fā)生器(22)，用于產(chǎn)生偽噪聲；調(diào)制器(24)，用于利用所述為噪聲來調(diào)制所述水印，以便產(chǎn)生已調(diào)制水印信號；放大器(26)，用于定標(biāo)所述已調(diào)制水印信號；以及加法元件(28)，用于組合所述直接流數(shù)字信號和所述定標(biāo)后的已調(diào)制水印信號。
12.一種記錄裝置(100)，它包括水印嵌入器(20)，用于將水印嵌入到模擬信號中并輸出具有水印的信號，使得所述水印分布在所述具有水印的信號的一定頻率范圍內(nèi)；調(diào)制器(40)，用于將所述具有水印的信號轉(zhuǎn)換成直接流數(shù)字信號；以及記錄器(50)，用于將所述直接流數(shù)字信號記錄在存儲介質(zhì)上。
全文摘要
一種嵌入到直接流(DSD)音頻信號中的堅(jiān)韌水印，它具有在不延伸到20kHz以下或100kHz以上的特定頻率范圍內(nèi)的平坦的頻率響應(yīng)。因此，所述水印隱藏在DSD信號的噪聲頻譜內(nèi)，使聽眾聽不出來。由于所述噪聲頻譜包含有助于向DSD信號提供鮮明的瞬態(tài)和精確的脈沖響應(yīng)的重要信息，所以，從DSD信號中去除水印就必然嚴(yán)重降低信號的音頻質(zhì)量。
文檔編號H04H20/31GK1552071SQ02817245
公開日2004年12月1日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月5日
發(fā)明者D·雷夫曼, D 雷夫曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司