KR20040058289A - 정보 신호 내에 부가 데이터를 삽입하는 방법 - Google Patents

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KR20040058289A
KR20040058289A KR10-2004-7007390A KR20047007390A KR20040058289A KR 20040058289 A KR20040058289 A KR 20040058289A KR 20047007390 A KR20047007390 A KR 20047007390A KR 20040058289 A KR20040058289 A KR 20040058289A
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반데르빈미네
알퐁스 에이.엠.엘 브루엑커스
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

정보 신호(x(n)), 예를 들면, 오디오 신호 내에 삽입될 부가 데이터 신호(wm(n))를 조절하는 방법이 개시된다. 방법은 미리 결정된 크기의 영역에 걸쳐 평균화된 정보 신호의 제 1 특성 함수(Mx(n))와 상기 영역에 걸쳐 평균화된 상기 부가 데이터 신호의 제 2 특성 함수(Mwm(n))의 상대 크기(g(n))를 결정하는 단계(107), 및 상기 결정된 상대 크기에 따라 부가 데이터 신호를 조절하는 단계(407)를 포함한다.

Description

정보 신호 내에 부가 데이터를 삽입하는 방법{Embedding supplementary data in an information signal}
최근, 디지털 멀티미디어 데이터의 배포와 사용에 대한 증가추세가 적절한 복제방지, 저작권보호 및 그러한 데이터의 소유권 입증에 대한 필요성을 증가시켜왔다.
디지털 워터마킹(watermarking)은 저작소유권의 증명, 불법복제 추적, 복제 제어 장비 제어, 방송 모니터링, 신빙성 입증, 멀티미디어 신호들 내에 보조 정보의 부가 등과 같은, 다양한 목적들을 위해 사용될 수 있는 최근 만들어진 기술이다.
워터마크는 그 신호의 샘플들을 다소 변경함으로써 정보 신호 내에 삽입되는 부가 데이터를 포함한다. 바람직하게는, 워터마킹 설계(watermarking scheme)는 감지할 수 없도록, 즉 정보 신호의 질에 중대하게 영향을 미치지 않도록, 설계되어야 한다.
워터마킹 오디오 신호들의 분야 내에는, 많은 삽입 알고리즘들이 알려져 있다. 예를 들면, 변환 기반 알고리즘들(transform-based algorithms)내에서, 디지털 오디오 신호의 계수들은 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환되며, 변환된 신호의 계수들은 부가 데이터 신호에 일치하도록 변경되고, 변경된 계수들은 시간 영역으로 다시 변환된다. 공지된 접근방식의 일반적인 문제는 시간 영역 내에서 이들의 해상도가 떨어진다는 것이다. 결과적으로, 부가 데이터 신호는 시간 내에서 펼쳐질 수 있고 지각할 수 있는 왜곡들(distortions)로 나타날 수 있다.
M.D. Swanson 등에 의한 "Robust Audio watermarking suing perceptual masking"(Signal Processing 66(1998) 337-355)에는, 시간 이득 함수(temporal gain function)가 호스트 오디오 신호(host audio signal)의 엔벨로프(envelope)를 설계함에 의해 계산되는 방법이 개시되어 있다. 오디오 신호의 평가된 엔벨로프는 오디오 신호로 증가되어 급격히 감쇠한다. 평가된 엔벨로프는 그 삽입에 앞서 부가 데이터 신호에 곱해지고, 그로 인해, 오디오 세그먼트의 부가 데이터 신호가 형성된다.
그러나, 상술한 종래 기술의 방법은 삽입된 데이터의 에너지의 불필요한 감소를 유발할 수 있는 문제점을 내포한다.
본 발명은 정보 신호 내에 부가 데이터(supplementary data)를 삽입(embedding)하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 정보 신호 내에 삽입될 부가 데이터 신호를 조절하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정보 신호 내에 워터마크를 삽입하기 위한 장치를 도시하는 개략도.
도 2는 강하고도 갑작스런 진폭 변화들로 호스트 오디오 신호 내에 삽입된 부가 데이터 신호와 접속에 있어서 프리 및 포스트 에코 왜곡들의 영향을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시하는 흐름도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 부가 데이터 신호를 조절하는 장치를 도시하는 개략도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 부가 데이터 신호 지연 영향을 설명하는 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 부가 데이터 신호를 조절하는 장치를 도시하는 개략도.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따라 필터함수(En(n))를 실현하기 위한 2개의 실시예들의 장치를 도시하는 도면.
상술한 문제점은 정보 신호 내에 삽입될 부가 데이터 신호를 조절하는 방법에 의해 해결되며, 상기 방법은,
- 미리 결정된 크기의 영역에 걸쳐 평균화된 정보 신호의 제 1 특성함수(first property function) 및 상기 영역에 걸쳐 평균화된 상기 부가 데이터 신호의 제 2 특성 함수(second property function)의 상대 크기를 결정하는 단계;
- 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하는 단계를 포함한다.
결과적으로, 부가 데이터 신호의 조절 레벨은 호스트 신호와 부가 데이터 신호 모두의 국부 특성들(local properties)에 의해 결정된다. 그로 인해, 오디오 신호가 부가 데이터 신호에 비해 약하게 되는 곳에서는 부가 데이터 신호가 감쇠되고 오디오 신호가 비교적 강하게 되는 곳에서는 증폭되도록 허용한다. 그러므로, 부가 데이터 신호의 적합한 감쇠가 달성되어, 최종 신호의 지각품질(perceptual quality)을 유지하면서 삽입된 워터마크 에너지의 고정도(high degree)를 제공한다.
본 발명의 추가적인 장점으로는, 부가 데이터 신호를 조절하는 유용하면서도 수치적인 효과적 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 제 1 특성 함수는 정보 신호의 국부 에너지 함수(local energy function)이며, 제 2 특성 함수는 부가 데이터 신호의 국부 에너지 함수이다. 결과적으로, 오디오 신호 및 부가 데이터 신호의 국부 에너지들은 직접 계산되고 비교된다. 부가 데이터 신호는 그 에너지가 정보 신호의 에너지에 따르는 장소에서는 감쇠하고 그 밖의 장소에서는 증폭된다. 그러므로, 워터마크 에너지의 고정도가 삽입될 수 있고, 그로 인해, 검출결과 대(vs) 지각품질에 관하여 개선된 성능을 이루게 된다.
제 1 특성 함수가 정보 신호의 국부 크기이고 제 2 특성 함수가 부가 데이터 신호의 국부 크기일 때, 부가 데이터 신호를 조절하는 계산적으로 쉬운 방법이 달성되어 제곱근을 계산하고 제곱하는 것과 같은 계산적으로 복잡한 동작들을 피한다.
어떤 예들에서는, 결정된 상대 크기는 원하지 않는 동작, 예를 들면, 매우 크게되거나 진폭이 빠르게 변할 수 있는 등의 원하지 않는 동작을 할 수 있다. 상기 결정된 상대 크기에 따른 부가 데이터 신호를 조절하는 단계가 상기 결정된 상대 크기를 정규화(regularising)하는 단계를 더 포함할 때, 시간 영역 함수의 원하지 않는 효과들이 감소될 수 있다.
정규화단계가 미리 결정된 최대값에 대하여 상대 크기의 진폭을 제한하는 단계를 포함할 때, 부가 데이터 신호의 원치 않는 강한 증폭이 회피된다.
정규화단계가 결정된 상대 크기에 저역 통과 필터를 적용하는 단계를 포함할 때, 진폭에서의 신속한 변화들이 감소된다.
평균화된 특성 함수들이 상대 크기에서의 변화가 상기 신호들에 비해 지연되기 때문에, 특히 정보 신호가 신속하게 변하는 영역들에서 일시적으로, 원하지 않는 효과들이 발생할 수 있다. 이러한 효과들을 회피하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 결정된 상대 크기에 따라 부가 데이터 신호를 조절하는 단계는,
- 미리 결정된 지연에 의해 부가 데이터 신호를 지연하는 단계, 및
미리 결정된 상대 크기에 따라 지연된 부가 데이터 신호를 조절하는 단계를 포함한다.
결과적으로, 계산된 상대 크기의 지연은 보상된다.
상기 미리 결정된 지연이 상기 영역의 크기에 일치할 때, 프리-에코 왜곡들(pre-echo distortions)의 개선된 억제가 달성된다. 인간청각시스템(HAS; human auditory system)이 포스트-에코들(post-echoes)보다 프리-에코들에 훨씬 더 민감하기 때문에, 프리-에코 왜곡들의 억제는 최종 신호의 지각품질의 개선을 만들 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 결정된 상대 크기에 따라 부가 데이터 신호를 조절하는 단계는,
- 결과적으로 지연된 신호를 유발하도록, 상기 영역의 크기에 일치하는 지연에 의해 상기 부가 데이터 신호를 지연하는 단계,
- 결과적으로 제 1 지연된 조절된 신호를 유발하도록, 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 지연된 신호를 조절하는 단계,
- 결과적으로 조절된 신호를 유발하도록, 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하는 단계,
- 결과적으로 제 2 지연된 조절된 신호를 유발하도록, 상기 영역의 크기에 일치하는 지연에 의해 상기 조절된 신호를 지연시키는 단계, 및
- 상기 제 1 및 제 2 지연된 조절된 신호들을 결합하는 단계를 포함한다.
결과적으로, 프리 및 포스트 에코 왜곡들 모두 개선된 억제가 달성된다.
본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예에서, 상대 크기를 결정하는 단계는,
- 제 3 특성 함수를 계산하는 단계,
- 지연된 특성 함수를 얻기 위해 상기 제 3 특성 함수를 지연시키는 단계, 및
- 상기 제 2 특성 함수를 얻기 위해 상기 지연된 특성 함수와 상기 제 3 특성 함수를 결합하는 단계를 포함한다.
결과적으로, 그러한 효과들의 더 개선된 억제가 달성되며, 이는 특히, 상기 정보 신호가 신속하게 변하는 일시적인 영역들에서 상기 신호들에 비해 평균화된 특성 함수들의 상대 크기에서의 변화들의 지연에 의해 유발된다.
본 발명은 또한, 정보 신호 내에 삽입될 부가 데이터 신호를 조절하기 위한 장치(arrangement)에 관한 것이며, 상기 장치는,
- 미리 결정된 크기의 영역에 걸쳐 평균화된 정보 신호의 제 1 특성 함수 및 상기 영역에 걸쳐 평균화된 상기 부가 데이터 신호의 제 2 특성 함수의 상대 크기를 결정하기 위한 수단, 및
- 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명은 또한, 정보 신호 내에 부가 데이터 신호를 삽입하기 위한 디바이스(device)에 관한 것이며, 상기 디바이스는 상기 정보 신호 내에 삽입될 부가 데이터 신호를 조절하기 위한 장치를 포함하며, 상기 장치는,
- 미리 결정된 크기의 영역에 걸쳐 평균화된 정보 신호의 제 1 특성 함수 및 상기 영역에 걸쳐 평균화된 상기 부가 데이터 신호의 제 2 특성 함수의 상대 크기를 결정하기 위한 수단, 및
- 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명은 또한, 그 안에 부가 데이터 신호를 삽입하고 있는 정보 신호에 관한 것이며, 상기 부가 데이터 신호는,
- 미리 결정된 크기의 영역에 걸쳐 평균화된 정보 신호의 제 1 특성 함수 및 상기 영역에 걸쳐 평균화된 상기 부가 데이터 신호의 제 2 특성 함수의 상대 크기를 결정하는 단계, 및
- 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하는 단계를 포함하는 방법에 의해 조절된다.
정보 신호는 인트라넷(intranet), 엑스트라넷(extranet), 인터넷, 근거리 네트워크 무선 또는 유선 네트워크 등과 같은 통신 네트워크 내에서 통신 신호로써 삽입될 수 있다.
정보 신호는 또한, 저장 매체 상에 저장될 수도 있다. 용어 "정보 매체"는 자기테이프, 광디스크, 디지털 오디오 디스크(DVD), 콤팩트 디스크(CD 또는 CD-ROM), 미니-디스크, 하드디스크, 플로피디스크, 페로-일렉트릭 메모리(ferro-electric memory), 이이피롬(EEPROM), 플래시메모리, 이피롬(EPROM), 롬(ROM), 에스램(SRAM), 디램(DRAM), 에스디램(SDRAM), 강자성체 메모리, 광저장 장치, 전하 결합 디바이스(charge coupled devices), 스마트카드, PCMCIA 카드 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 면들 및 다른 면들은 실시예들 및 도면들을 참조하면 명료해지고 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 정보 신호 내에 워터마크를 삽입하기 위한 장치의 개략도를 도시한다. 장치는 호스트 오디오 신호(x(n))를 분할하기 위해 프레임들(xi(n))로 적응시키고, 회로(102)는 상기 프레임들을 변환하기 위해 퓨리에 영역(Fourier domain)으로 변환시켜, 예를 들면, 고속 퓨리에 변환(FFT)을 적용함으로써 퓨리에 계수들(Xi(k))을 유발한다. 장치는 또한, 워터마크 시퀀스(W(k))에 따라 각 프레임의 퓨리에 계수들(Xi(k))을 약간 수정하도록 적응되어, 워터마크 샘플들(Xi(k)·W(k))을 생산한다. 워터마크 시퀀스(W(k))는 의사 랜덤 시퀀스(pseudo-random sequence), 예를 들면, 제로평균(zero mean) 및 단위 표준 편차(unit standard deviation)를 갖는 정상적으로 분포된 의사 랜덤 시퀀스일 수 있다. 장치는 또한, 워터마킹된 샘플들(Xi(k)·W(k))을 변환하기 위해, 예를 들면 역고속 퓨리에 변환(IFFT)을 적용함으로써, 시간영역으로 적응된다. 순차적으로, 워터마크는 곱셈회로(multiplier circuit;106)에 의해 전체에 걸친 삽입 강도(strength) s가 곱해진 재구성된 워터마크 신호(wm(n))를 얻기 위해 회로(105)에 의해 연결된다. 장치는 또한, 곱셈기(108)에 의해 스케일된(scaled) 워터마크 신호(s·wm(n))와 곱해진 시간 이득 함수(g(n))를 계산하도록 적응된 회로(107)를 포함한다. 최종적으로, 스케일된 워터마크 신호(s·g(n)·wm(n))는 덧셈기(109)에 의해 호스트 오디오 신호(x(n))에 더해져서, 워터마크 오디오 신호 y(n) = x(n) + s·g(n) ·wm(n)이 얻어진다.
주파수 영역에서의 곱셈(W(k)·Xi(k))은 시간 영역에서 사이클 콘볼루션(cycle convolution)과 일치함을 알아야 한다. 그러므로, 주어진프레임(i) 내의 워터마크 신호는 wmi(n)= w(n)xi(n)와 같이 표현될 수 있고, 여기서 w(n)은 시간영역에서의 대응하는 워터마크 신호이다.
그러나, 워터마크 프레임을 회로(104)에 의해 다시 시간 영역으로 변환하는 단계동안에는, 워터마크 에너지가 전체 프레임에 걸쳐 확장될 수 있다. 이 효과는 특히 강하고 갑작스런 진폭 변화들이 존재하는 경우, 지각할 수 있는 왜곡들을 유발할 수 있고, 이것은 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명될 것이다. 워터마킹된 신호를 적절하게 선택된 이득 함수(g(n))와 곱함으로써, 오디오 워터마크의 시간특성들이 개선될 수 있다. 본 발명에 따른 그러한 이득 함수를 계산하는 방법은 아래에 설명될 것이다.
다른 형태들의 수학적 변화들이 고속 퓨리에 변환 대신 사용될 수 있음을 알아야 한다. 그러한 변화들의 예들은, 이산 퓨리에 변환(DFT), 이산 코사인 변환(DCT), 웨이브렛 변환(wavelet transform) 등을 포함한다.
또한, 다른 삽입 방법들이 사용될 수도 있음을 알아야 한다. 예를 들면, 선형 콘볼루션(linear convolution)을 계산하는 FIR 워터마크 필터가 워터마킹된 오디오 신호들을 계산하는데 사용될 수 있다. 변환 기반 알고리즘(transform-based algorithms)과 대비하여, 선형 콘볼루션의 계산은 호스트 신호(x(n))의 분할(segmentation)을 포함하지 않는다. 이 실시예에 따르면, 워터마킹된 오디오 신호는 방정식 y(n) = x(n) + s·g(n)·x(n) ▤ w(n)에 따라 계산되며, 여기서 심볼 ▤은 선형 콘볼루션을 표시한다. 즉, x(n) ▤ w(n) =이다.
상술한 하나의 방법처럼 변환 기반 알고리즘과 유사하게, 선형 콘볼루션을 기초한 삽입 방법은 제한된 시간 해상도 및 현저한 지각할 수 있는 왜곡들로부터 좋지 않을 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 강하고 갑작스런 진폭 변화들로 호스트 오디오 신호 내에 삽입된 부가 데이터 신호와 연결된 프리 및 포스트 에코 왜곡들의 영향을 설명한다. 도 2a는 정상화된 진폭(A)이 시간(t)의 함수로서 좌표 설정되는 호스트 오디오 신호의 예를 도시한다. 도 2a의 예에서의 오디오 신호는 강하고 갑작스런 진폭 변화들(201,202)을 포함하는 캐스터넷츠(castanets)를 갖는 오디오 발췌(audio excerpt)의 짧은 세그먼트를 나타낸다. 그러나 진폭 변화들은 "어택크들(attacks)" 또는 "과도들(transients)"이 라고 언급될 수 있다.
도 2b는 그러나, 시간 이득 함수를 사용하지 않고, 도 1과 연관되어 설명된 방법에 따라 도 2a에서의 호스트 신호로부터 계산된 워터마크 신호를 나타낸다. 도 2b로부터 알 수 있는 바와 같이, 어택크들(201,202)의 위치들(207,208) 주위에, 개별적으로 워터마크 신호는 분석 프레임에 대응하는 폭에 걸쳐 흐리게된다. 분석 윈도우(analysis window)의 폭은 어택크 위치(207)에 대한 수평선들(209 내지 210) 및 어택크 위치(208)에 대한 수평선들(211 내지 212)에 의해 각각 나타내어진다. 도 2b는 또한, 왜곡들이 어택크 위치들, 즉 각각 영역들(203,205) 이전, 및 어택크 위치들, 즉 각각 영역들(210,212) 다음 모두 도입된다. 이러한 왜곡들은 지각할 수 있는 프리-에코 및 포스트-에코 왜곡들 각각에서 상승을 줄 수 있다. 그러므로, 도 2a 및 도 2b로부터, 워터마크 신호에 의해 도입된 지각할 수 있는 왜곡들은 어택크들의 존재에서 특히 현저하게 됨을 알 수 있다.
본 발명의 장점은, 그러한 변화들의 위치를 결정할 필요 없이 강하고 갑작스런 진폭 변화들과 관련하여 지각할 수 있는 왜곡들을 제거하는 빠르고도 계산적으로 간편한 방법을 제공하는 것이다. 결과적으로, 어택크 검출 실패에 의해 유발되는 가능한 왜곡들이 감소된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 워터마크 신호를 조절하기 위한 시간 이득 함수를 계산하는 방법의 흐름도를 도시한다. 이 실시예에 따르면, 시간 영역 워터마크 함수(wm(n))는 호스트 오디오 신호(x(n))를 기초로 하여, 예를 들면, 도 1과 관련하여 설명된 방법들 중 하나에 따라 생성된다. 단계(301)에서, 부가 데이터 신호의 움직임 에너지(moving energy)는,
에 따라 계산된다.
여기서, E(n)은 진폭 1 및 길이 N을 갖는 정방형 윈도우 함수(rectangular window function)이고, 즉, 0≤n≤N에서는 E(n)=1이고, 그 밖의 영역에서는 E(n)=0이다. 바람직하게는, N은 도 1과 관련되어 설명한 바와 같이, 프레임 기반 삽입 설계(frame-based embedding scheme)에서의 프레임들의 길이 또는 FIR계 설계에서의 필터의 크기보다 훨씬 더 작도록 선택된다. N이 매우 작게 선택될 경우, 이득 함수는 상당하게 변동되어서, 그로 인해 신호 내에 노이즈를 유발하게 될 것이다. N이 프레임의 길이의 순으로 크게 선택될 경우, 시간 이득 함수는 약간의 변화만 있어서, 강하고 갑작스런 진폭 변화들과 관련된 왜곡들을 억제하는 효과를 유발하게 될 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, N은 대략 7msec에 대응하도록 선택될 수 있다. 길이 2048 샘플들의 워터마크 필터를 갖는 44.1kHz 오디오의 일예에 있어서, 이것은 대략 301 샘플들에 대응한다. 그러나, 이것은 단지 예일 뿐이며, 1~20msec의 범위의 다른 값들 또한 사용될 수 있다.
유사하게, 단계(302)에서, 부가 데이터 신호의 움직임 에너지는,
에 따라 계산된다.
단계(303)에서는, 이득 함수는 계산된 에너지 신호들:
의 비율로써 계산된다.
여기서, 작은 파라미터(ε)는 제로에 의해 가능한 분할을 막도록 분모에 더해진다. 바람직하게, ε는 작은 양의수가 되도록 선택된다. 즉 0＜ε＜＜1. 예를 들어 ε는 0.001과 0.1사이에서 선택될 수 있다. 그러나, 다른 값들도 가능하다.
q(n)의 값은 삽입된 워터마크 신호가 호스트 신호에 비해 얼마나 강한지를 나타낸다. 1보다 작은 q(n)의 값은 워터마크의 국부 에너지가 호스트 신호의 국부 에너지를 초과함을 나타낸다. 결과적으로, 워터마크 신호와 q(n)를 곱함으로써, 워터마크 신호는 이러한 위치들에서 감쇠된다. 1보다 큰 q(n)의 값들은 워터마크 에너지가 호스트 신호보다 작음을 나타낸다. 따라서, 이러한 위치들에서, 워터마크신호는 지각 품질을 유지하면서 그것과 q(n)를 곱함으로서 증폭된다.
상기 방정식들에서 인자 1/N 은 Mx(n)과 Mwm(n)의 계산에서 생략될 수 있음을 또한 알아야 한다. Mx(n)과 Mwm(n)의 비를 계산할 때, 그러한 인자들은 거의 소거되며 결과에 어떠한 큰 영향을 미치지 않는다.
단계들(301,302)은 지시된 순서대로 수행되지 않을 수 있음을 알아야 한다. 대안으로, 단계(302)는 단계(301)이전에 수행될 수 있고, 또는 바람직하게는, 단계들(301,302)은 병행하여 수행될 수 있다.
신호의 국부 특성들을 측정하는 다른 특성 함수들은 신호 에너지대신에 사용될 수 있음을 또한 알아야 한다. 예를 들면, 에너지의 단조로운 함수(monotonous function), 예를 들면, 방정식들([Mx(n)]P와 [Mwm(n)]P, p>0, 예를 들어 p=1/2)을 사용하는 것에 대응하는, 에너지의 제곱근과 같이 에너지의 파워가 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 신호들(x(n),wm(n))의 절대값들은 개별적으로 사용될 수 있다. 그러므로, 함수들,
은 각각 Mx(n)와 Mwm(n)대신에 계산된다. 이 실시예에서의 장점은, 제곱연산을 포함하지 않기 때문에 수치적인 소스들을 거의 요구하지 않는다.
상술한 바와 같이, 대안으로는, 인자 1/N, 함수들의 제곱, 제곱근을 취하는 것 등을 생략함으로써 상기 방정식들(Mx'(n)와 Mwm'(n))의 단조로운 함수가 사용될 수 있다.
대안으로는, 상기 평균들의 계산에서 정방형 윈도우(rectangular window)을 선택하기 위해, 가중된 평균(weighted average)에 대응하여 다른 윈도우함수들이 사용될 수 있고, 여기서, 예를 들면, 가장 최근의 신호 값들은 먼 것들보다 점차로 더 강하게 가중됨을 알아야 한다.
상기 비율을 대신하여, 상기 국부 에너지들의 상대 크기를 나타내는, 예를 들면, 상기 비율의 임의의 단조로운 함수 또는 도 4와 관련하여 설명될 정규화된 비율을 나타내는 다른 함수들이 사용될 수 있음을 알아야 한다
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터마크 신호를 조절하기 위한 장치의 개략도를 도시한다. 도 4에서, 시간 영역 워터마크 신호(wm(n))는, 예를 들면 도 1을 참조하여 설명된 방법들 중 하나에 따라, 호스트 오디오 신호(x(n))를 기초로 하여 생성된다. 장치는 시간 이득 함수를 계산하도록 적응된 회로(107)를 포함한다. 본 발명의 이 실시예에 따르면, 회로(107)는, 각각 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 워터마크 신호 및 호스트 신호의 움직임 에너지들(Mwm(n), Mx(n))를 계산하도록 적응된 회로들(401,402)을 포함한다. 회로(403)에서, 초기 이득 함수(q(n))는 도 3을 참조하여 설명된 바와 같이, 호스트 신호와 워터마크 신호의 에너지 비율로써 계산된다. 장치는, 시간 이득 함수가 미리 결정된 임계값(gmax)을 초과하지않도록 보장하는 정규화 회로(404;regularixation circuit)를 추가로 포함한다. 즉, 정규화 회로(404)는 다음 연산을 실행한다:
결과적으로, 정규화된 이득 함수(g(n)가 얻어진다. 임계값은 예들 들어, 워터마크 신호의 증폭이 전혀 필요치 않는 경우, 1로 선택될 수 있다. 값들 gmax>1은 상기 신호의 최대 허용된 증폭에 일치한다.
대안으로 또는 추가적으로, 회로(404)는 시간 이득 함수가 어떤 조건들을 만족하도록 하기 위해 다른 정규화 연산들을 실행하도록 적응될 수 있다. 예로써, 시간 이득 함수가 진폭에 있어서 빠르게 요동치지 않도록 보장하는 저역 통과 필터를 적용하는 것이다.
도 3을 참조하여 설명된 파라미터(ε)는 또한 함수(q(n))의 최대 진폭에서 임의의 억제를 실행함을 알아야 한다.
장치는, 회로들(401,402)에서 움직임 에너지들의 계산에 의해 도입된 지연에 대해 보상하기 위해 미리 결정된 지연값에 의해 워터마크 신호(wm(n))를 지연하도록 적응된 지연 회로(405)를 더 포함할 수 있다. 지연값의 바람직한 선택은 도 5a 내지 5d를 참조하여 설명될 것이다. 워터마크의 전체 가중(weight)은, 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 회로(406)에 의해 워터마크 신호(wm(n))와 글로벌 삽입 강도(s)를 곱함으로써 결정된다. 정규화된 이득 함수(g(n))는 곱셈회로(407)에 의해 지연되고 스케일된 워터마크 신호와 곱해진다. 최종적으로, 워터마크 신호는 덧셈회로(409)에 의해 호스트 신호(x(n))에 더해져서, 워터마킹된 신호(y(n))을 생성된다. 장치는 지연 회로(405) 및 g(n)의 계산에 의해 도입된 지연들에 대응하는 덧셈 회로(409)에 앞서 호스트 신호를 지연하도록 적응되는 지연 회로(408)을 더 포함한다.
도 5a 내지 5d는 시간 이득 함수의 특성들에서 지연 요소(405)의 영향을 설명한다. 일반적으로, N 계수들을 갖는 선형 위상(linear phase) FIR 필터가 (N-1)/2에 대응하는 지연을 도입하며, 여기서, N은 홀수로 가정된다. 결과적으로, 움직임 에너지의 계산은 대응하는 지연을 도입한다. 이것은 도 5a 내지 5d에서 설명되며, 여기서, 워터마크 신호의 단순화된 예가 도시된다. 점선(502)은 도 5a 내지 5d에서 위치(c)에서 강한 어택크를 갖는 오디오 호스트 신호로부터 유발된 것으로 가정되는 단순화된 워터마크 신호의 에너지의 엔벨로프를 설명한다. 도 5a 내지 5d의 예에서, 합성 오디오 호스트 신호는 정방형 워터마크 신호(502)를 유발하는 위치(c)에서의 델타 피크(delta peak;501)를 포함하도록 가정된다. 도 5a에서, 대응하는 계산된 워터마크 에너지 신호(Mwm(n))는 실선(503)으로 도시된다. 도 5a로부터 알 수 있는 바와 같이, 평균화된 에너지 신호는, 그 에너지가 평균화되는 것에 걸쳐 N 신호 샘플들의 간격에 대응하여, 위치들(a,b) 간격 사이에 걸쳐 점진적으로 증가한다. 따라서, 평균화된 신호 에너지는 위치들(d,e) 간격 사이에 걸쳐 감소된다. 도 5a에서, 지연 요소(505)에 의해 어떠한 지연도 도입되지 않는다고 가정한다. 그러므로, 실선(503)의 특성들은 입력 신호(wm(n))에 관련하여 지연되는 국부평균화 함수(Mwm(n))의 특성들과 일치한다. 이 지연은, 워터마크 신호의 엔벨로프가 Mwm(n)동안 갑작스럽게 증가하는 지점들(a,b) 사이의 전이 제로(transition zero)에서 원치 않는 특성들을 유발할 수 있다. 결과적으로, 결과적인 초기 이득 함수(q(n))는 a와 b의 간격 사이에서 점진적으로만 감소하여, 그로 인해 프리-에코 신호의 부적당한 억제를 유발한다. 다른 한편으로, 포스트-에코 신호는 d와 e 천이 영역사이에서 충분하게 억압된다.
도 5b는 워터마크 신호(wm(n);502)가 즉, 평균간격의 길이의 반에 대응하는 지연((N-1)/2)에 의해 지연될 때 이득 함수(q(n))의 효과를 도시한다. 도 5b로부터 알수 있는 바와 같이, 이 지연은 프리-에코 왜곡들의 개선된 억제를 유발하는 반면, d와 e사이의 영역에서의 현재의 포스트-에코 왜곡들은 부분적으로만 억제된다.
도 5c에서, 워터마크 신호는 평균 윈도우(averaging window)의 길이에 대응하는 (N-1) 샘플들에 의해 지연된다. 이 지연은 프리-에코 왜곡들이 b와 c사이의 전체 영역에 걸쳐 소거되는 것을 보장한다. 이 실시예에 따르면, 포스트-에코 왜곡들은 d와 e사이의 영역에서 효율적으로 억제되지 않는다. 그러나, 이것은, HAS가 포스트-에코들보다 프리-에코들에 훨씬 더 민감하기 때문에(예를 들어, E.Zwicker 및 H.Fastl, "psychoacoustics, Facts and Modes", Springer, Berlin, Heidelberg, 1990을 참조), 신호의 지각 품질을 상당하게 감소시키지 않는다. 결과적으로, 평균 윈도우의 길이에 대응하는 지연의 선택은 추가적인 수치적인 복잡성 없이 검출결과들 대 지각품질에 관하여 개선된 성능을 유발한다.
도 5c에 따른 실시예의 전체 포스트-에코 억제(full post-echo suppression)의 결핍은 도 5a 및 5c에 도시된 접근방법들의 결합에 의해 해결될 수 있다. 이 실시예는 도 5d에 개시되며, 여기서 프리-에코 및 포스트-에코 왜곡들 모두가 억제된다. 본 발명의 일 실시예에서, 이 결합은 도 6에 도시된 바와 같은 장치에 의해 달성될 수 있다.
상술한 예들 이외에 다른 지연 값들, 예를 들어, (N-1)/2와 (N-1) 사이의 지연 값들이 사용될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들면, N-1 대신에, 다른 지연이 사용될 수 있으며, 이는 평균을 위해 사용된 간격의 길이(N)으로부터 동일하거나 다소 편차가 발생할 수 있다. 일 예로서, N-1 대신에, N+1, N-3, N+3, N-5, N+5의 지연 값 등이 사용될 수 있다. 그러나, 상기 지연이 N보다 매우 크도록 선택되는 경우, 포스트-에코 효과들은 프리-에코 억제를 더 개선하는 것 없이 점점 더 가청될 수 있다. 유사한 고려사항(consideration)이 지연(N-1)/2를 지원할 수 있다. 또한, N이 짝수인 경우, 상술한 지연들((N-1)/2, (N-1))은 각각 N/2 및 N으로 대체될 수 있음은 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자들에게는 명백할 것이다.
도 6은 도 5d를 참조하여 설명한 결합된 지연들을 실현하는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 개략도를 도시한다. 장치는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 바와 같이 시간 이득 함수를 계산하도록 적응된 요소(107)을 포함한다. 장치는, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 글로벌 스케일 인자(global scale factor) s와 부가 데이터 신호를 곱하기 위한 회로(405), 지연 요소(408) 및 정보 신호와 스케일된 워터마크 신호를 결합하기 위한 덧셈 회로(409)를 더 포함한다. 본 발명의 이실시예에 따르면, 회로(107)에 의해 계산된 시간 이득 함수(g(n))는 곱셈기(603)에 의해 스케일된 지연되지 않은 부가 데이터 신호와 곱해진다. 장치는, 바람직하게 도 5c를 참조하여 설명된 바와 같이 평균 윈도우의 크기에 대응하는 지연만큼, 스케일된 부가 데이터 신호를 지연하는 지연 요소(605)를 더 포함한다. 지연된 신호는 곱셈기(604)에 의해 이득 함수(g(n))와 곱해진다. 더욱이, 곱셈기(603)의 출력은 지연 요소(605)에 의해 도입된 지연에 대응하는 지연 요소(606)에 의해 지연된다. 장치는 지연요소(606)의 출력 및 곱셈기(604)의 출력의 최소값에 대응하는 출력을 생성하도록 적응되는 회로(607)을 더 포함한다. 최종적으로, 요소(607)의 출력은 회로(409)에 의해 지연된 정보 신호와 결합된다. 결과적으로, 요소(607)의 출력은 도 5d를 참조하여 설명된 방법에 따라 조절된 부가 데이터 신호에 대응하고, 그로 인해, 프리-에코 및 포스트-에코 왜곡들 모두를 억제한다.
대안으로는, 결합된 지연들을 실현하는 다른 방법들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 실현관점으로부터, 계산의 효율은 회로(107)내부의 회로(607)에 따라 비교를 실행함으로써 강화될 수 있다. 그러므로, 다른 실시예에 따르면, 회로(401) 내에서 계산되는 신호(Mwm(n))는 쪼개어질 수 있고, 쪼개진 신호들은 상호 관련하여 지연될 수 있다. 지연된 버전들은 한 샘플씩 기초하여 상호 비교될 수 있고 최대값은 Mwm에 대한 최종 버전으로써 사용될 수 있다.
도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 필터 함수(E(n)를 실현하기 위한 장치들의 2개의 실시예를 도시한다. 도 7a는 포워드 구조(forward structure)를 실현하는 일실시예를 도시한다. 먼저, 도 3 및 도 4의 실시예들에서의 필터 함수(E(n))의 특정 형상은 전달 함수
에 대응한다.
그러므로, 이 필터는 도 7a에서 도시된 바와 같이 포워드 구조에 의해 실현될 수 있다. 도 7a에서, 상기 구조는 예를 들어 N=5인 일예에 대해 도시된다. 도 7a의 장치는 4개의 지연 요소들(701)과 4개의 덧셈기들(702)을 포함한다. 그러므로, 일반적인 경우에, 도 7a에 도시된 구조에 따른 실현은 N-1개의 덧셈기들과 N-1개의 지연 요소들을 필요로 한다.
상기 장치의 복잡성은,
에 따른 순환 구조로써 전달 함수를 실현함으로써 상당히 감소될 수 있다.
이 구조는, 도 7b에 도시된 바와 같이, N=5인 예에서, 소위 "다이렉트 폼2"(예를 들어, Alan V. Oppenheim and Ronald W. Schafer. "Discrete-Time Signal Processing" Prentice Hall, 1999 참조)에 따라 실현될 수 있다. 도시된 바와 같이, 이 실현은 덧셈기들(702)의 수가 2개로 감소된 반면 5개의 지연 요소들(701)을 필요로 한다. 요소들(703)은 인자(-1), 즉 신호에서의 변화에 의한 곱셈을 포함한다. 결과적으로, N의 모든 선택들에 대해, 이 실현은, 지연 요소들의 수는 도 7a의포워드 구조에 비교하여 1개까지 증가된 반면, 덧셈기들의 수를 2개까지 감소시킨다. 그러므로, N의 더 큰 값들에 대해 특히, 복잡성에서 상당한 감소가 달성된다.
다른 대안의 실예들도 또한 사용될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들면, 소위 "다이렉트 폼 1" 구조(Alan V.Oppenheim and Ronald W Schafer. "Discrete-Time Signal Processing", Prentice Hall, 1999 참조)는 N+1개의 지연 요소들과 2개의 덧셈기들을 필요로 한다.
본 발명에 개시된 장치들은 임의의 프로세싱 유닛, 예를 들어, 프로그램가능 마이크로프로세서, 주문형 반도체(application-specific integrated circuit), 또는 다른 집적 회로, 스마트 카드 등에 의해 실현될 수 있음을 알아야 한다.
본 발명은 오디오 신호들의 워터마킹 분야에 있어서 본 발명의 일 실시예와 관련되어 설명되었음을 또한 알아야 한다. 그러나, 상기 방법은 멀티미디어 신호들, 비디오 신호들, 애니메이션들, 그래픽들, 동영상들 등과 같이, 호스트 신호들의 다른 타입들 내에 다른 부가 데이터를 삽입하도록 적용될 수 있음을 알아야 한다. 어떤 실시예들에서, 호스트 신호는 화상과 관련된 공간 영역과 같이, 시간 영역보다 다른 영역들에서 표현될 수 있고, 진폭의 개념은 밝기, 강도 등과 같은 다른 량들로써 대체될 수 있다.
본 발명은, 부가 데이터 신호들이 정보 신호 내에 삽입되는 다양한 응용분야에 관련하여 적용될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들면, 워터마킹 분야에서, 부가 데이터 신호들은 저작소유권의 증명, 불법복제들의 추적, 복사 제어 장비 제어, 방송 모니터링, 신빙성 입증, 멀티미디어 신호들 내의 보조 정보 부가 등으로써 삽입될 수 있다. 일 예로서, 오디오 워터마크들은, 예를 들어 저장매체 등에 저장된 통신 신호로써 오디오 신호의 분배에 앞서 레코더 또는 다른 디바이스에 의해 오디오 신호 내에 삽입될 수 있다.
상술한 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자들은 첨부된 청구의 범위의 내용을 벗어나지 않는 많은 대안의 실시예들을 설계할 수 있음을 알아야 한다. 청구의 범위에서, 괄호 안의 임의의 참조 부호들은 청구의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 단어, "포함하는"은 청구의 범위에 나열된 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하는 것이 아니다. 본 발명은 몇몇 별개의 요소들을 포함하는 하드웨어 및 적절하게 프로그램된 컴퓨터에 의해 실현될 수 있다. 몇몇 수단을 열거하는 장치 청구항에서, 이러한 몇몇 수단들은 하나 및 동일한 하드웨어의 아이템에 의해 구체화될 수 있다. 어떤 측정들이 서로 다른 독립 청구항들에서 열거되는 단순한 사실은 이러한 측정들의 결합이 장점으로 사용될 수 없음을 나타내는 것이 아니다.

Claims (15)

  1. 정보 신호(x(n)) 내에 삽입될 부가 데이터 신호(wm(m))를 조절하는 방법에 있어서,
    - 미리 결정된 크기(N)의 영역에 걸쳐 평균화된 상기 정보 신호의 제 1 특성 함수(Mx(n))와 상기 영역에 걸쳐 평균화된 상기 부가 데이터 신호의 제 2 특성 함수(Mwm(n))의 상대 크기(g(n))를 결정하는 단계, 및
    - 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하는 단계를 포함하는 부가 데이터 신호 조절 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 특성 함수는 상기 정보 신호의 국부 에너지 함수이며, 상기 제 2 특성 함수는 상기 부가 데이터 신호의 국부 에너지 함수인, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 특성 함수는 상기 정보 신호의 국부 크기이며, 상기 제 2 특성 함수는 상기 부가 데이터 신호의 국부 크기인, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하는 단계는, 상기 결정된 상대 크기를 정규화(regularising)하는 단계를 더 포함하는, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 정규화 단계는 미리 결정된 최대값에 상기 상대 크기의 진폭을 제한하는 단계를 포함하는, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 정규화 단계는 상기 결정된 상대 크기에 저역 통과 필터를 적용하는 단계를 포함하는, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하는 단계는,
    - 미리 결정된 지연에 의해 상기 부가 데이터 신호를 지연시키는 단계, 및
    - 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 지연된 부가 데이터 신호를 조절하는 단계를 포함하는, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 지연은 상기 영역의 크기에 대응하는, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하는 단계는,
    - 상기 영역의 크기에 대응하는 지연만큼 상기 부가 데이터 신호를 지연시켜 지연 신호를 유발하는 단계,
    - 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 지연된 신호를 조절하여 제 1 지연된 조절된 신호를 유발하는 단계,
    - 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하여 조절된 신호를 유발하는 단계,
    - 상기 영역의 크기에 대응하는 지연만큼 상기 조절된 신호를 지연시켜 제 2 지연된 조절된 신호를 유발하는 단계, 및
    - 상기 제 1 및 제 2 지연된 조절된 신호들을 결합하는 단계를 포함하는, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상대 크기(g(n))를 결정하는 단계는,
    - 제 3 특성 함수를 계산하는 단계,
    - 지연된 특성 함수를 얻기 위해 상기 제 3 특성 함수를 지연시키는 단계,및
    - 상기 제 2 특성 함수를 얻기 위해 상기 지연된 특성 함수와 상기 제 3 특성 함수를 결합하는 단계를 더 포함하는, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보 신호는 디지털 오디오 신호를 포함하는, 부가 데이터 신호 조절 방법.
  12. 정보 신호(x(n)) 내에 삽입될 부가 데이터 신호(wm(n))를 조절하기 위한 장치에 있어서,
    - 미리 결정된 크기(N)의 영역에 걸쳐 평균화된 상기 정보 신호의 제 1 특성 함수(Mx(n))와 상기 영역에 걸쳐 평균화된 상기 부가 데이터 신호의 제 2 특성 함수(Mwm(n))의 상대 크기(g(n))를 결정하기 위한 수단(107), 및
    - 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하기 위한 수단(407)을 포함하는 부가 데이터 신호 조절 장치.
  13. 정보 신호(x(n)) 내에 부가 데이터 신호(wm(n))를 삽입하기 위한 디바이스에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 정보 신호 내에 삽입될 부가 데이터 신호를 조절하기위한 장치를 포함하며,
    상기 장치는,
    - 미리 결정된 크기(N)의 영역에 걸쳐 평균화된 상기 정보 신호의 제 1 특성 함수(Mx(n))와 상기 영역에 걸쳐 평균화된 상기 부가 데이터 신호의 제 2 특성 함수(Mwm(n))를 결정하기 위한 수단(107), 및
    - 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하기 위한 수단(407)을 포함하는, 부가 데이터 신호 삽입 디바이스.
  14. 부가 데이터 신호(wm(n))가 삽입된 정보 신호(y(n))에 있어서,
    상기 부가 데이터 신호는,
    - 미리 결정된 크기(N)의 영역에 걸쳐 평균화된 상기 정보 신호의 제 1 특성 함수(Mx(n))와 상기 영역에 걸쳐 평균화된 상기 부가 데이터 신호의 제 2 특성 함수(Mwm(n))의 상대 크기(g(n))를 결정하는 단계, 및
    - 상기 결정된 상대 크기에 따라 상기 부가 데이터 신호를 조절하는 단계를 포함하는 방법에 의해 조절된, 정보 신호.
  15. 제 14 항에 따라 정보 신호가 기록되는 저장 매체.
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