專利名稱：無(wú)損數(shù)據(jù)嵌入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)損地將數(shù)據(jù)嵌入宿主信號(hào)的方法和設(shè)備。此外，本發(fā)明還涉及那些用于重現(xiàn)數(shù)據(jù)以及重建宿主信號(hào)的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
很多水印和數(shù)據(jù)隱藏方案都有一個(gè)不好的副作用，即嵌入了輔助數(shù)據(jù)的復(fù)合信號(hào)(例如圖像、視頻、音頻)將會(huì)出現(xiàn)失真。因此，尋找嵌入數(shù)據(jù)量與所引發(fā)失真之間的最優(yōu)平衡點(diǎn)就成了一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。而在理解水印及數(shù)據(jù)隱藏方案的容量-失真的基本限制的過(guò)程中也已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。
有時(shí)，人們不僅希望得到只有少量失真的嵌入數(shù)據(jù)，而且還希望能夠徹底地消除所述失真。提供這種能力的數(shù)據(jù)嵌入方案則稱為無(wú)損或可逆數(shù)據(jù)隱藏或嵌入方案。如果不允許初始宿主信號(hào)降級(jí)，那么無(wú)損數(shù)據(jù)隱藏方案將是非常重要的。舉例來(lái)說(shuō)，這種情況對(duì)于醫(yī)學(xué)成像和貴重原著的多媒體存檔而言都是成立的。
在下面這篇文章中公開(kāi)了一種已知的無(wú)損數(shù)據(jù)隱藏方法Jessica Fridrich、Miroslav Goljan和RuiDu，“Lossless DataEmbedding for all Image Formats”，Proceedings of SPIE，Securityand Watermarking of Multimedia Contents，San Jose，California，2002。在這種已知的方法中，信號(hào)X的一個(gè)特征或子集B(例如位像的最低有效位平面，或是JPEG圖像的特定DCT系數(shù)的最低有效位)是從信號(hào)X中提取出來(lái)的并且經(jīng)歷了無(wú)損壓縮。經(jīng)過(guò)壓縮的子集B與輔助數(shù)據(jù)(凈荷)級(jí)聯(lián)并且被插入到信號(hào)X中，以便取代初始子集。該方法基于這樣一種假設(shè)，那就是在保持信號(hào)X的感觀質(zhì)量的同時(shí)，可以對(duì)子集B(i)無(wú)損壓縮以及(ii)隨機(jī)化。
在接收機(jī)一端則可以通過(guò)使用常規(guī)設(shè)備來(lái)再現(xiàn)這種失真的復(fù)合信號(hào)。為了完全去除該失真，將會(huì)提取并解壓縮那些包含壓縮子集的級(jí)聯(lián)比特流。隨后則將初始子集B重新插入到信號(hào)X中。
Fridrich等人的論文雖然公開(kāi)了無(wú)損數(shù)據(jù)隱藏的實(shí)際實(shí)例，但是根本沒(méi)有注意到無(wú)損嵌入方案的理論極限。
發(fā)明目的和概述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供那些在比率-失真方面更為有效的無(wú)損數(shù)據(jù)嵌入方案。
為此目的，本發(fā)明提供了一種用于將輔助數(shù)據(jù)嵌入宿主信號(hào)的方法和設(shè)備，所述方法包括如下步驟使用一個(gè)具有給定嵌入比率和失真的預(yù)定數(shù)據(jù)嵌入方法來(lái)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合信號(hào)；使用一部分所述嵌入比率來(lái)接納恢復(fù)數(shù)據(jù)，其中所述恢復(fù)數(shù)據(jù)識(shí)別的是那些取決于復(fù)合信號(hào)的宿主信號(hào)；以及使用剩余的嵌入比率來(lái)嵌入輔助數(shù)據(jù)。
本發(fā)明利用的是這樣一種見(jiàn)解，那就是在給出了接收到的復(fù)合信號(hào)的情況下，接收機(jī)有能力消除初始宿主信號(hào)的不確定性。消除不確定性所需要的數(shù)據(jù)量要小于對(duì)初始宿主信號(hào)本身進(jìn)行編碼所需要的數(shù)據(jù)量。此外，發(fā)明人還用公式表示了無(wú)損數(shù)據(jù)嵌入容量的理論極限。
附圖簡(jiǎn)述

圖1顯示了一個(gè)表示無(wú)損數(shù)據(jù)嵌入方案的極限的圖示。
圖2示意性顯示了根據(jù)本發(fā)明而在宿主信號(hào)中無(wú)損嵌入輔助數(shù)據(jù)的設(shè)備的圖示。
圖3顯示了一個(gè)對(duì)依照本發(fā)明的無(wú)損數(shù)據(jù)嵌入設(shè)備的實(shí)施例的性能進(jìn)行描述的圖示。
圖4顯示的是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明來(lái)重建宿主信號(hào)的設(shè)備的示意圖。
圖5和6描述的是根據(jù)本發(fā)明而在宿主信號(hào)中接納恢復(fù)數(shù)據(jù)的實(shí)施例。
圖7和8顯示的是描述對(duì)稱與非對(duì)稱信道之間差別的圖示。
優(yōu)選實(shí)施例的描述這里首先對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的壓縮和比特替換方案進(jìn)行更一般的論述。Fridrich等人的信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)采樣序列，例如圖像像素。所壓縮信號(hào)的子集B(位平面，特定DCT系數(shù)的最低有效比特位)構(gòu)成了一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)源x1...xN。假設(shè)概率p0＝Pr{x＝0}與p1＝Pr{x＝1}并不相等，也就是說(shuō)，信源熵H(p0)＝-p0log2(p0)-p1log2(p1)小于1。在這種情況下，信息論中的教導(dǎo)是可以將N個(gè)符號(hào)的序列壓縮成一個(gè)具有K＝N×H(p0)個(gè)符號(hào)的更短序列y1...yK?，F(xiàn)在，通過(guò)將N×(1-H(p0))個(gè)輔助數(shù)據(jù)符號(hào)附加于序列y1...yK，可以獲取一種可逆的數(shù)據(jù)隱藏方案。舉例來(lái)說(shuō)，如果p0＝0.9并且p1＝0.1，那么信源熵將是H(p0)≈0.47，由此(對(duì)很大的N來(lái)說(shuō))只需要0.47×N個(gè)比特就能表示初始宿主符號(hào)。相應(yīng)地，在這里也可以將0.53×N個(gè)輔助數(shù)據(jù)符號(hào)作為凈荷嵌入序列y1...yN的剩余部分。在解碼器一端，初始序列x1...xN是通過(guò)解壓縮y1...yK而得到恢復(fù)的。序列的剩余部分yK+1...yN則解譯成了輔助數(shù)據(jù)。
對(duì)Fridrich等人的嵌入方案來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)比率是R＝1-H(p0)比特/采樣。由于壓縮序列y1...yK的各位與x1...xN的各位不相關(guān)并且輔助數(shù)據(jù)是隨機(jī)選擇的，因此很容易看出x1...xN與y1...yN之間的失真是D＝0.5。只要對(duì)x1...xn中的一小部分α的符號(hào)進(jìn)行構(gòu)造，就可以減少Fridrich等人的方案中的失真。這種處理稱為時(shí)間共享技術(shù)。然后，數(shù)據(jù)比率和失真都會(huì)下降因數(shù)α。這種“簡(jiǎn)單”的時(shí)間共享嵌入方案的最終數(shù)據(jù)比率和失真分別是R＝α(1-H(p0))以及D＝α/2，或者RSimple(D)＝2D(1-H(p0)) (1)在圖1中，p0＝0.9的線性比率失真函數(shù)顯示為點(diǎn)劃線11。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)線性等式(1)并不是最優(yōu)的。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了無(wú)損數(shù)據(jù)嵌入容量的理論極限。更為特別的是，對(duì)用于無(wú)記憶二進(jìn)制信源的可逆嵌入方案和p0≥0.5的情況而言，可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)比率Rrev是Rrev＝H(max(p0-D，0.5))-H(p0) (2)其中0≤D≤0.5就p＝0.9的情況而言，這個(gè)比率失真函數(shù)是作為實(shí)線12而在圖1中顯示的。等式(2)一般適用的是非對(duì)稱信道(發(fā)明人將“信道”這一概念用于數(shù)據(jù)嵌入器)。而對(duì)那些對(duì)稱信道而言，所述比率為Rsym＝H(p0+(1-2p0)D)-H(p0) (3)就p0＝0.9的情況而言，這個(gè)比率失真函數(shù)是作為虛線13而在圖1中顯示的。對(duì)稱信道的嵌入比率始終介于最佳嵌入比率與時(shí)間共享嵌入比率之間。稍后將會(huì)給出關(guān)于對(duì)稱和非對(duì)稱信道的實(shí)用范例。在圖1中，線條11、12和13涉及的是p0＝0.9(以及p1＝0.1)。出于例示目的，在這里還顯示了p0＝0.8的相似線條14、15和16。
圖2顯示的是依照本發(fā)明的無(wú)損數(shù)據(jù)嵌入設(shè)備的概括性示意圖。該設(shè)備接收?qǐng)D像Im這類(lèi)感知宿主信號(hào)的數(shù)字表示。提取級(jí)21從中提取一個(gè)將要嵌入輔助數(shù)據(jù)的宿主符號(hào)序列X＝{x1...xN}。與Fridrich等人的嵌入方案相類(lèi)似的是，所述宿主信號(hào)可以通過(guò)從圖像中提取位平面或特定DCT系數(shù)的最低有效位來(lái)獲取。
該設(shè)備還包括一個(gè)數(shù)據(jù)嵌入器23，從嵌入器引入宿主信號(hào)失真這個(gè)意義上講，所述數(shù)據(jù)嵌入器是一個(gè)常規(guī)設(shè)備。此外通常是使用“均方誤差(squared error)”來(lái)表示所述失真的D(x，y)＝(y-x)2嵌入過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合信號(hào)Y＝{y1...yN}。一開(kāi)始，假設(shè)宿主信號(hào)X與復(fù)合信號(hào)Y都是結(jié)合了字母表{0，1}的二進(jìn)制信號(hào)。插入級(jí)22會(huì)將復(fù)合信號(hào)Y回插到圖像中，以便獲取一個(gè)印有水印的圖像Im′。
恢復(fù)編碼器24接收宿主信號(hào)X和復(fù)合信號(hào)Y?；謴?fù)編碼器保持了對(duì)哪些宿主符號(hào)進(jìn)行何種修改的記錄，并且將所述信息編碼到恢復(fù)數(shù)據(jù)r中。在這里必須對(duì)關(guān)于“對(duì)哪些宿主符號(hào)進(jìn)行何種修改”的表述進(jìn)行概括性的解釋。如果失真是D＝0或D＝1(這是本實(shí)施例中的情況)，那么它有能力識(shí)別哪些符號(hào)遭受到失真。而對(duì)其它類(lèi)型的嵌入器23來(lái)說(shuō)，其中還必須對(duì)失真量進(jìn)行編碼。應(yīng)該注意的是，恢復(fù)編碼器24表示的是本發(fā)明的一個(gè)功能性特征。同樣，所述電路無(wú)需以物理方式給出。在以下介紹的關(guān)于設(shè)備的實(shí)用實(shí)施例中，關(guān)于哪些符號(hào)出現(xiàn)失真的信息固有地由嵌入器23自身所產(chǎn)生。
在這里將會(huì)顯示，以比特/符號(hào)為單位的恢復(fù)數(shù)據(jù)比率要小于嵌入器23的嵌入比率。而剩余嵌入容量則被用于嵌入輔助數(shù)據(jù)(凈荷)w?；謴?fù)數(shù)據(jù)r與凈荷w是在級(jí)聯(lián)電路25中級(jí)聯(lián)的。此外，出于嵌入目的而被應(yīng)用于嵌入器23的是級(jí)聯(lián)數(shù)據(jù)d。
在該設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，嵌入器23是依照下述論文中的教導(dǎo)來(lái)操作的M.van Dijk和F.M.J.willems，“EmbeddingInformation in Gray scale Images”，Proceedings of the 22ndSymposium on Information Theory in the Benelux，Enschede，TheNetherlands，2001年5月15～16日，pp.147-154。在這篇論文中，作者描述了具有高效的比率-失真比率的有損嵌入方案。更為特別的是，這其中將數(shù)量為L(zhǎng)(L＞1)的宿主信號(hào)采樣聚集在一起，從而提供了一個(gè)宿主符號(hào)塊或矢量。塊中的宿主符號(hào)是以這樣一種方式修改的，其中所述塊的校正子代表了一個(gè)或多個(gè)(但是少于L)嵌入消息符號(hào)d。
在糾錯(cuò)領(lǐng)域中，表述“檢驗(yàn)子”是一個(gè)眾所周知的概念。在糾錯(cuò)方案中，接收數(shù)據(jù)字的檢驗(yàn)子是通過(guò)將接收數(shù)據(jù)字與給定矩陣相乘而被確定的。如果檢驗(yàn)子為零，那么數(shù)據(jù)字是正確的。如果檢驗(yàn)子不等于零，那么所述非零值表示的是出錯(cuò)數(shù)據(jù)字符號(hào)的位置(或多個(gè)位置)。漢明糾錯(cuò)碼具有大小為3的漢明距離。它們能夠糾正1個(gè)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)符號(hào)。諸如戈萊碼之類(lèi)的其他編碼則允許糾正數(shù)據(jù)字的多個(gè)符號(hào)。
從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，M.van Dijk等人所教導(dǎo)的數(shù)據(jù)嵌入方法與糾錯(cuò)技術(shù)相類(lèi)似。為了將消息符號(hào)d嵌入一個(gè)具有L個(gè)宿主符號(hào)x1...xL的塊中，嵌入器修改了該塊的一個(gè)或多個(gè)宿主符號(hào)。輸出塊y1...yL是以數(shù)學(xué)方式計(jì)算得到的，所述輸出塊具有預(yù)期的檢驗(yàn)子，以及從漢明碼的意義上講，它是最接近x1...xL的。作為實(shí)例，現(xiàn)在將對(duì)使用了塊長(zhǎng)L＝3的漢明碼的數(shù)據(jù)嵌入處理進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。
為了計(jì)算3比特的塊或矢量的檢驗(yàn)子，所述矢量將與以下的3×2奇偶校驗(yàn)矩陣相乘011101]]>應(yīng)該注意的是，所有數(shù)學(xué)運(yùn)算都是模2運(yùn)算。例如，輸入矢量(001)的檢驗(yàn)子是(11)，因?yàn)?11101×001=11]]>這個(gè)檢驗(yàn)子(11)表示的是被嵌入的數(shù)據(jù)。很明顯，宿主矢量的檢驗(yàn)子通常并不是所要嵌入的消息。因此必須對(duì)其中一個(gè)宿主符號(hào)進(jìn)行修改。舉例來(lái)說(shuō)，如果所要嵌入的是消息(01)而不是(11)，那么嵌入器23將會(huì)改變第二個(gè)宿主符號(hào)，由此將初始宿主矢量(001)改為(011)011101×011=01]]>對(duì)這種依照三個(gè)符號(hào)的嵌入方案來(lái)說(shuō)，其失真為14·02+34·12=34]]>(宿主符號(hào)不變的概率是1/4，其中一個(gè)符號(hào)改變了±1的概率是3/4)，這樣一來(lái)，每個(gè)符號(hào)的平均失真是D＝1/4。嵌入比率是2比特/塊，即R＝2/3比特/符號(hào)。在圖3中，相應(yīng)(R，D)對(duì)是由302所表示的標(biāo)記+來(lái)顯示的。
在一種類(lèi)似方式中，可以將3個(gè)數(shù)據(jù)比特嵌入一個(gè)具有7個(gè)信號(hào)符號(hào)的塊，并且可以將4個(gè)比特嵌入15個(gè)信號(hào)符號(hào)等等。更一般來(lái)說(shuō)，基于漢明碼的嵌入方案允許通過(guò)修改至多一個(gè)宿主符號(hào)而在具有L＝2m-1個(gè)宿主符號(hào)的塊中嵌入m個(gè)消息符號(hào)。嵌入比率為R=m2m-1]]>并且失真為D=12m]]>圖3把與m＝2、3、......、6相對(duì)應(yīng)的(有損，不可逆)嵌入方案的相應(yīng)(R，D)對(duì)顯示為302、303、......306所示的標(biāo)記+。在這里將對(duì)應(yīng)于m＝1(這是簡(jiǎn)單的比特替換)的(R，D)對(duì)顯示成由301表示的標(biāo)記+。應(yīng)該注意的是，(R，D)的值不取決于二進(jìn)制信源熵H(p)。此外，圖3還顯示了Fridrich等人給出的p0＝0.9的無(wú)損嵌入方案的(R，D)對(duì)300(R＝0.53比特/符號(hào)，D＝0.5)。作為參考，在圖3中還顯示了p0＝0.9(參看圖1)的無(wú)損嵌入方案的理論極限11、12和13。
依照本發(fā)明，現(xiàn)在使用了一部分嵌入消息數(shù)據(jù)比特d來(lái)識(shí)別是否修改了其中一個(gè)信號(hào)采樣，如果是的話，則識(shí)別所修改的是哪一個(gè)信號(hào)采樣。對(duì)塊長(zhǎng)為3(m＝2，L＝3)的漢明碼來(lái)說(shuō)，這其中存在4種可能性并未修改這三個(gè)宿主符號(hào)中的任何一個(gè)符號(hào)，修改了第一個(gè)符號(hào)，修改了第二個(gè)符號(hào)或者修改了第三個(gè)符號(hào)。如果信號(hào)源的熵H(p)等于1，那么所有事件都具有相同概率。這種情況下則需要恢復(fù)每一個(gè)塊的嵌入消息比特。然而，如果信號(hào)源的熵H(p)不等于1，那么這些事件將會(huì)具有不同概率，并且只有少于m個(gè)恢復(fù)比特是必需的。由此為宿主符號(hào)塊中的被嵌入“真實(shí)”輔助數(shù)據(jù)比特(也稱為凈荷)留下了空間。
與Fridrich等人所給出的實(shí)例相類(lèi)似的是，在這里假設(shè)p0＝0.9。相應(yīng)地，信源產(chǎn)生宿主矢量(000)的概率P(x＝000)是(0.9)3≈0.729。信源產(chǎn)生宿主矢量(001)的概率P(x＝001)是(0.9)2×(0.1)≈0.081，等等。假設(shè)所述設(shè)備的嵌入器23產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)合矢量y＝000。初始宿主矢量x有可能是(000)。在這種情況下，沒(méi)有一個(gè)初始信號(hào)采樣已經(jīng)被修改。然而，初始宿主矢量也可以是(001)、(010)或(100)。這種情況下將會(huì)有一個(gè)宿主信號(hào)已經(jīng)被修改。如果產(chǎn)生y＝000，那么宿主矢量為x＝000的概率是p(x=000|y=000)=p(x=000)p(x=000)+p(x=001)+p(x=010)+p(x=100)=0.75]]>在一種相似方式中，可以對(duì)y＝000源自宿主矢量(001)、(010)或(100)的概率進(jìn)行計(jì)算。這將會(huì)產(chǎn)生p(x＝001|y＝000)＝0.083p(x＝010|y＝000)＝0.083p(x＝100|y＝000)＝0.083因此，每一個(gè)合成矢量都具有一個(gè)關(guān)聯(lián)條件概率集合p(x|y)。在下表中對(duì)其進(jìn)行了概括。所述表格還包含了每一個(gè)塊y的相應(yīng)條件熵H(x|y)。所述條件熵表示的是在給出了y的情況下的初始矢量x的不確定性。此外，該表還包含了在假設(shè)消息00、01、10和11具有相同概率1/4的情況下的各個(gè)矢量y的概率p(y)。舉例來(lái)說(shuō)，所述概率P(y＝000)是如下計(jì)算的p(y=000)=14p(x=000)+14p(x=001)+14p(x=010)+14p(x=100)=0.2430]]>
在給出了y的情況下，在所有塊y上求平均值的信源條件熵H(X|Y)代表了重建x的比特?cái)?shù)目。在本實(shí)例中，所述平均熵等于
相應(yīng)地，在這里需要每個(gè)塊都具有0.8642個(gè)恢復(fù)比特，以便對(duì)初始?jí)K進(jìn)行識(shí)別。由此將會(huì)為嵌入凈荷留下2-0.8642＝1.1358比特/塊。這樣一來(lái)，數(shù)據(jù)比率R為
應(yīng)該注意的是，現(xiàn)在指定給嵌入數(shù)據(jù)d的特定意義并不影響復(fù)合信號(hào)的失真D。如先前所述，這種無(wú)損嵌入方案的失真是D＝1/4在圖3中，相應(yīng)的(R，D)對(duì)是由312所表示的標(biāo)記◇來(lái)顯示的。應(yīng)該了解的是，與Fridrich等人提出的具有相同失真(參見(jiàn)333)的無(wú)損嵌入方案相比，這種無(wú)損嵌入方案具有高出很多的嵌入比率R。在類(lèi)似方式中也可以對(duì)長(zhǎng)度為7、15、31、63等等的漢明碼的比率失真對(duì)進(jìn)行計(jì)算。圖3則將m＝3...6的相應(yīng)(R，D)對(duì)顯示成由313...316所表示的標(biāo)記◇。
圖4顯示的是用于從接收到的復(fù)合信號(hào)中重建初始宿主信號(hào)的設(shè)備的示意圖。該設(shè)備接收一個(gè)帶有水印的圖像Im′。接收到的圖像則是初始圖像Im的略帶失真的版本。并且所述圖像可以直接施加給一個(gè)再現(xiàn)設(shè)備，以便進(jìn)行顯示。所述設(shè)備還包括一個(gè)從接收到的圖像中提取嵌入了數(shù)據(jù)d的復(fù)合信號(hào)Y＝{y1...yN}(例如給定位平面)的提取級(jí)41。該提取級(jí)41與圖2所示的嵌入設(shè)備的提取級(jí)21是相同的。
復(fù)合信號(hào)Y施加給一個(gè)數(shù)據(jù)重現(xiàn)電路43，其中所述電路重現(xiàn)那些嵌入到復(fù)合信號(hào)中的數(shù)據(jù)d。在通過(guò)使用長(zhǎng)為L(zhǎng)的漢明碼來(lái)嵌入數(shù)據(jù)d的優(yōu)選實(shí)施例中，所述重現(xiàn)電路43將會(huì)確定每一個(gè)符號(hào)塊y1...yL的檢驗(yàn)子。所提取的數(shù)據(jù)是級(jí)聯(lián)的凈荷w和恢復(fù)比特r。它們是在一個(gè)分離器44中分離的，其中所述分離器執(zhí)行的是圖2所示的級(jí)聯(lián)電路26的逆操作。并且由此可以重現(xiàn)凈荷w。
重建單元45使用恢復(fù)比特r以及復(fù)合信號(hào)Y來(lái)重建初始宿主信號(hào)X。在這里安排重建單元來(lái)消除應(yīng)用于初始宿主信號(hào)X＝x1...xn的一個(gè)或多個(gè)修改。在優(yōu)選實(shí)施例中，恢復(fù)數(shù)據(jù)r識(shí)別是否修改了塊Y中的一個(gè)符號(hào)，如果是的話，則識(shí)別所修改的是哪一個(gè)符號(hào)。在更常見(jiàn)的作法中，恢復(fù)數(shù)據(jù)識(shí)別的是符號(hào)y1...yN的失真D。最終，重建的宿主信號(hào)X由插入級(jí)42回插到圖像中，以便獲取初始圖像Im。所述插入級(jí)42與圖2所示的嵌入設(shè)備的插入級(jí)21是相同的。
在上述實(shí)施例中，假設(shè)宿主信號(hào)X、復(fù)合信號(hào)Y以及數(shù)據(jù)符號(hào)都是結(jié)合了字母表{0，1}的二進(jìn)制信號(hào)。然而，本發(fā)明并不局限于二進(jìn)制信號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，在這里也可以使用van Dijk等人的論文中所公開(kāi)的三元嵌入方案。在一個(gè)三元數(shù)據(jù)嵌入器中，數(shù)據(jù)符號(hào)屬于字母表{0，1，2}。更為特別的是信號(hào)采樣值y＝0、3、6...表示的是消息符號(hào)d＝y(tǒng) mod 3＝0，信號(hào)采樣值y＝1、4、7...表示的是消息符號(hào)d＝y(tǒng) mod 3＝1，以及信號(hào)采樣值y＝2、5、8...表示的是消息符號(hào)d＝y(tǒng) mod 3＝2。
現(xiàn)在，數(shù)據(jù)嵌入器23(參見(jiàn)圖2)接收初始圖像信號(hào)(電路21和22是多余的)，并且修改信號(hào)采樣xi的最低有效部分，從而使嵌入在已修改采樣yi中的數(shù)據(jù)將會(huì)是d。在針對(duì)二進(jìn)制嵌入所描述的相似方式中，也可以將三元符號(hào)嵌入宿主符號(hào)組。同樣，在這里也可以使用(三元)漢明碼或(三元)戈萊碼來(lái)完成這個(gè)操作。在申請(qǐng)人提交的未公開(kāi)的國(guó)際專利申請(qǐng)IB02/01702(律師案卷號(hào)PHNL010358)中描述了與之相關(guān)的實(shí)例。
在另一個(gè)數(shù)據(jù)嵌入方案中，消息符號(hào)d嵌入到信號(hào)采樣對(duì)中。在這個(gè)方案中，信號(hào)采樣(xa，xb)的二維符號(hào)空間是用5種顏色“染色”的。網(wǎng)格上的每個(gè)點(diǎn)都表示一對(duì)信號(hào)采樣，并且具有與其鄰居顏色不同的顏色。其中所述顏色是用0...4來(lái)進(jìn)行編號(hào)的，并且每一種顏色都代表了一個(gè)消息符號(hào)d∈{0，1，2，3，4}。在這個(gè)實(shí)施例中，嵌入器23檢查(xa，xb)是否具有將要嵌入的顏色d。如果不是的話，則它改變符號(hào)對(duì)(xa，xb)，從而使經(jīng)過(guò)修改的符號(hào)對(duì)具有顏色d。應(yīng)該了解的是，二維嵌入方案可以擴(kuò)展到更多的維數(shù)。例如在三維網(wǎng)格中，每一個(gè)點(diǎn)不但可以移動(dòng)到同一層的四個(gè)相鄰位置，而且還可以上下移動(dòng)。這時(shí)可用的則是七種顏色，也就是七個(gè)消息符號(hào)。
現(xiàn)在將對(duì)那些在嵌入數(shù)據(jù)d中接納恢復(fù)數(shù)據(jù)r的特定方法的實(shí)用實(shí)施例進(jìn)行描述。在這方面應(yīng)該注意的是，使用給定嵌入器23所獲取的嵌入比率R(例如，對(duì)使用塊長(zhǎng)為3的漢明碼的二進(jìn)制嵌入而言，R＝0.3786比特/符號(hào))是最大的。所述嵌入比率則趨近于長(zhǎng)的(N值很大)宿主信號(hào)采樣序列。
在依照本發(fā)明的方法的第一實(shí)施例中，宿主信號(hào)劃分成足夠大的分段。每一個(gè)分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)則是在后續(xù)分段中接納。剩余的容量將被用于嵌入凈荷。圖5顯示了這種處理，其中數(shù)字51表示初始宿主信號(hào)Im。該信號(hào)分成了若干個(gè)分段S(n)，每一個(gè)分段都包含了給定數(shù)目的信號(hào)采樣(在這里是圖像象素)。數(shù)字52表示的是與信號(hào)時(shí)間對(duì)齊的嵌入數(shù)據(jù)流d。如所述，在這里已經(jīng)將分段S(n)的恢復(fù)比特r(n)嵌入到分段S(n+1)中。分段S(n+1)的剩余部分則被用于接納凈荷w。應(yīng)該注意的是，恢復(fù)比特的確切數(shù)目可能會(huì)隨著分段而不同。此外，舉例來(lái)說(shuō)，較為有利的是通過(guò)給各個(gè)恢復(fù)比特序列提供恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)束碼而在分段中識(shí)別恢復(fù)比特r與凈荷w之間的邊界。
圖5中顯示的圖形只是用于說(shuō)明目的。假設(shè)分段的長(zhǎng)度是N個(gè)(在這里N＝3000)信號(hào)符號(hào)。嵌入器23(參見(jiàn)圖2)基于塊長(zhǎng)為3的漢明碼。該嵌入器的嵌入比率為R(在這里R＝2/3)比特/符號(hào)，它允許將R×N(在這里為2000)個(gè)比特嵌入到各個(gè)分段中。對(duì)給定概率p0(在這里是0.9)而言，信源熵是H(X|Y)(在這里是0.8642/3≈0.3比特/符號(hào))。在給出了Y的情況下，用于消除分段X的不確定性的恢復(fù)比特?cái)?shù)目是H(X|Y)×N(在這里是0.3比特/符號(hào)×3000符號(hào)＝900比特)。由此將會(huì)為凈荷留下R×N-H(X|Y)×N(在這里是2000-900＝1100)個(gè)比特。
圖6顯示的是用于接納恢復(fù)比特的替換實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中為具有給定初始長(zhǎng)度的分段S(n)只提供了凈荷w。而分段S(n)的恢復(fù)比特r(n)則是在后續(xù)分段S(n+1)中接納。現(xiàn)在則為后續(xù)分段S(n+1)指定了一個(gè)接納恢復(fù)比特r(n)所需要的長(zhǎng)度。分段S(n+1)需要將新的數(shù)目的恢復(fù)比特r(n+1)嵌入到另一個(gè)分段S(n+2)中，等等。并且舉例來(lái)說(shuō)，這個(gè)處理將會(huì)多次重復(fù)進(jìn)行，直到后續(xù)分段小于某個(gè)給定閾值。然后則為給定初始長(zhǎng)度的新分段S(.)重復(fù)執(zhí)行整個(gè)處理。
將輸入符號(hào)或矢量X變成輸出符號(hào)或矢量Y的數(shù)據(jù)嵌入器表示的是一個(gè)“信道”。迄今描述的數(shù)據(jù)嵌入器構(gòu)成了一個(gè)對(duì)稱信道。這一點(diǎn)可以在圖7中看出，其中圖7是先前所述的基于塊長(zhǎng)為3的漢明碼的數(shù)據(jù)嵌入器的圖形表示。圖8是非對(duì)稱信道的圖形表示。這個(gè)特定實(shí)施例是通過(guò)在嵌入d＝00時(shí)將輸入矢量(001)、(010)以及(100)修改成y＝(111)而不是y＝(000)來(lái)完成的(優(yōu)選地，1不變?yōu)?)。這種嵌入方案的嵌入比率是R＝0.4335比特/符號(hào)(與相應(yīng)的對(duì)稱信道比率R＝0.3786相比較)。由于矢量的2個(gè)比特而不是1個(gè)比特有時(shí)會(huì)發(fā)生變化，因此失真要稍大一些。在這種情況下，失真是D＝0.2701(與對(duì)稱信道的D＝0.25相比較)。圖3中的參考數(shù)字322表示相應(yīng)的(R，D)對(duì)。從圖中可以看出，非對(duì)稱信道的性能介于界線12與13之間。
本發(fā)明可以概括如下。水印或數(shù)據(jù)隱藏方案具有一個(gè)不期望的副作用，那就是導(dǎo)致宿主信號(hào)失真。本發(fā)明公開(kāi)了一種可逆或無(wú)損數(shù)據(jù)隱藏方案，它允許(在沒(méi)有附加信令的情況下)完整并隱蔽(blind)地重建宿主信號(hào)(X)。在給出了復(fù)合信號(hào)的情況下，這可以通過(guò)在帶有水印信號(hào)(Y)的被嵌入數(shù)據(jù)(d)中接納識(shí)別宿主信號(hào)的恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)，恢復(fù)數(shù)據(jù)識(shí)別(24)在嵌入(23)過(guò)程中宿主信號(hào)受到何種修改?；謴?fù)數(shù)據(jù)在常規(guī)嵌入器(23)的一部分嵌入容量中被接納。而剩余容量則被用于嵌入凈荷(w)。
權(quán)利要求
1.一種在宿主信號(hào)中嵌入輔助數(shù)據(jù)的方法，該方法包括以下步驟使用一個(gè)具有給定嵌入比率和失真的預(yù)定數(shù)據(jù)嵌入方法來(lái)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合信號(hào)；使用所述嵌入比率的一部分來(lái)接納恢復(fù)數(shù)據(jù)，其中所述恢復(fù)數(shù)據(jù)識(shí)別那些取決于所述復(fù)合信號(hào)的宿主信號(hào)；以及使用剩余嵌入比率來(lái)嵌入所述輔助數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟將宿主信號(hào)分成連續(xù)分段；將預(yù)定的數(shù)據(jù)嵌入方法應(yīng)用于所述分段；在一個(gè)分段中接納用于先前分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，每一個(gè)分段都包含了用于所述先前分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟(a)在一個(gè)給定長(zhǎng)度的分段中只提供輔助數(shù)據(jù)；(b)在后續(xù)分段中接納僅僅用于先前分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)；(c)使所述后續(xù)分段的長(zhǎng)度適于其中嵌入的恢復(fù)數(shù)據(jù)量；(d)將步驟(b)和(c)重復(fù)預(yù)定的次數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述步驟(d)包括重復(fù)步驟(b)和(c)，直到后續(xù)分段長(zhǎng)度小于一個(gè)預(yù)定閾值為止。
6.一種用于在宿主信號(hào)(X)中嵌入輔助數(shù)據(jù)(w)的設(shè)備，所述設(shè)備包括預(yù)定數(shù)據(jù)嵌入器(23)，它具有給定的嵌入比率和失真，以便產(chǎn)生一個(gè)帶有嵌入數(shù)據(jù)(d)的復(fù)合信號(hào)(Y)；用于生成對(duì)取決于復(fù)合信號(hào)(Y)的宿主信號(hào)(X)進(jìn)行識(shí)別的恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)的裝置(24，25)；以及用于在所述嵌入數(shù)據(jù)(d)的一部分中接納所述恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)以及在所述嵌入數(shù)據(jù)的剩余部分中提供所述輔助數(shù)據(jù)(w)的裝置(26)。
7.一種從復(fù)合信號(hào)中重建宿主信號(hào)的方法，其中所述復(fù)合信號(hào)表示的是其中嵌入了數(shù)據(jù)的所述宿主信號(hào)的失真版本，所述方法包括以下步驟從復(fù)合信號(hào)中重現(xiàn)嵌入數(shù)據(jù)；將嵌入數(shù)據(jù)分離成恢復(fù)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)；在給出了復(fù)合信號(hào)的情況下，通過(guò)使用重建數(shù)據(jù)來(lái)重建宿主信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括以下步驟將復(fù)合信號(hào)分成連續(xù)的分段；使用分段中接納的恢復(fù)數(shù)據(jù)來(lái)重建宿主信號(hào)的先前分段。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，復(fù)合信號(hào)的每個(gè)分段都包含了宿主信號(hào)的所述先前分段的恢復(fù)數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù)。
10.一種用于從復(fù)合信號(hào)(Y)中重建宿主信號(hào)(X)的設(shè)備，其中所述復(fù)合信號(hào)(Y)表示的是其中嵌入了數(shù)據(jù)(d)的所述宿主信號(hào)的失真版本，所述設(shè)備包括用于從復(fù)合信號(hào)(Y)中重現(xiàn)嵌入數(shù)據(jù)(d)的裝置(43)；用于將嵌入數(shù)據(jù)(d)分離為恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)和輔助數(shù)據(jù)(w)的分離裝置(44)；在給出復(fù)合信號(hào)(Y)的情況下，使用重建數(shù)據(jù)(r)來(lái)重建宿主信號(hào)(X)的重建裝置(46)。
11.一種具有嵌入數(shù)據(jù)(d)的復(fù)合信息信號(hào)(Y)，其中所述嵌入數(shù)據(jù)包含恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)和輔助數(shù)據(jù)(w)，所述恢復(fù)數(shù)據(jù)識(shí)別取決于所述復(fù)合信號(hào)的宿主信號(hào)(X)的失真。
全文摘要
水印或數(shù)據(jù)隱藏方案有一個(gè)不期望的副作用，那就是宿主信號(hào)失真。本發(fā)明公開(kāi)了一種可逆或無(wú)損數(shù)據(jù)隱藏方案，它允許(在沒(méi)有附加信令的情況下)完整并隱蔽地重建宿主信號(hào)(X)。在給出了復(fù)合信號(hào)的情況下，這可以通過(guò)在帶有水印的嵌入數(shù)據(jù)(d)中提供識(shí)別宿主信號(hào)的恢復(fù)數(shù)據(jù)(r)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)，所述恢復(fù)數(shù)據(jù)識(shí)別(24)在嵌入(23)過(guò)程中宿主信號(hào)受到何種修改。所述恢復(fù)數(shù)據(jù)是在常規(guī)嵌入器(23)的一部分嵌入容量中接納的。而剩余容量則被用于嵌入凈荷(w)。
文檔編號(hào)H04N1/387GK1663231SQ03813955
公開(kāi)日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2003年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月17日
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