CN1241395C - 处理压缩媒体信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于处理压缩媒体信号的方法和装置，例如，在MPEG2视频信号中嵌入水印。通过有选择地丢弃最小的量化DCT系数来嵌入(123)水印、即空间噪声图案(140)。随后将所丢弃的系数合并到其它游程/电平对的游程中。为了补偿过大的比特率降低，没有对一些新的游程/幅值对进行变长编码(124)，而是根据提供更长码字的另一编码规则(125)、例如MPEG的“转义编码”用更长的码字表示。

Description

处理压缩媒体信号的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于处理压缩媒体信号的方法和装置，其中所述媒体信号的样本根据第一编码规则，用可变长度码字表示，该方法包括如下步骤：把选择的可变长度码字解码成相应的选择信号样本；根据给定信号处理算法修改所述选择的信号样本；以及根据所述的第一编码规则，将所修改的信号样本编码成经修改的可变长度码字。
具体地说，本发明涉及在MPEG编码的视频信号中嵌入水印的过程，其中的信号样本是DCT(离散余弦函数变换)系数。
背景技术
在压缩媒体信号中嵌入水印的已知方法公开于F.Hartung和B.Girod的题为“比特流域中MPEG2编码的视频信号中的数字水印”中(出版于ICASSP Vol.4，1997，pp.2621-2624)。在该现有技术出版物中，媒体信号是视频信号，其信号样本是通过把图像像素经过离散余弦函数变换而得到的DCT系数。水印是经DCT变换的伪噪声序列。通过把此DCT变换的噪声序列加入到相应的DCT系数中来嵌入水印。MPEG编码信号的零系数不受影响。
现有技术的水印嵌入方案存在的一个问题是：在已经压缩了的比特流中修改DCT系数会改变比特率，因为该DCT系数用可变长度码字表示。增加了的比特率通常不可接受。因此，现有技术嵌入器检查传输带水印的系数是否增加了比特率，如果增加了比特率，则传输原始的系数。然而，也不希望降低比特率。在MPEG系统中，例如，改变比特率可能导致解码器中缓冲器的上溢或者下溢，并可能改变比特流中定时信息的位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善上述缺陷的水印嵌入方法。
为此，根据本发明的方法的特征在于，它包括以下步骤：测试所述编码步骤是否降低了压缩媒体信号的比特率，如果情况是这样，则根据第二编码规则，把信号样本重新编码成更长的码字。所述的重新编码成更长的码字补偿了由加水印过程引起的比特率的下降。重新编码的信号样本最好但不一定是修改的信号样本。
为了能够对压缩信号解码，解码器必须知道第二解码规则。为此，第二编码规则可在比特流中传送。然而，本发明有利地与已经提供这种第二编码规则的压缩标准结合使用。MPEG视频压缩标准是它的一个例子。MPEG标准提供可变长度码字，用于频繁出现的零DCT系数的游程和之前或之后的一个非零DCT系数的组合(对)。对于统计上少见的游程/幅值(level)对，MPEG定义了一种“转义编码”方法，它提供较长的固定长度码字。本发明的一个最佳实施例利用了这种见解：MPEG的转义编码规则可以用于任何游程/幅值对。
如果加水印过程把游程/幅值对的第二值(例如非零的DCT系数)修改成第一值(例如零DCT系数)，则本发明特别有利。这种加水印过程在申请人未公开的较早欧洲专利申请01200277.0(代理人档案号PHNL010062)中提议。它使游程/幅值对被修改成若干个零构成的游程，该游程随后与之后或者之前的游程/幅值对构成的游程合并。这极大地降低了比特率，并需根据第二编码规则调整新的游程/幅值对的重新编码，以便补偿比特率的降低。
附图说明
图1示意执行根据本发明的方法的装置。
图2A-2C以及3A-3C显示说明图1所示装置的操作图。
图4显示图1所示比特率控制器所执行的操作的流程图。
具体实施方式
尽管本发明既不受限于视频信号，也不受限于特定的压缩标准，但现在将参照在根据MPEG2标准压缩的视频信号中嵌入水印的装置来对本发明进行说明。注意，压缩信号可以已嵌入了水印。在这种情况下，在该信号中嵌入另一水印。在已加水印的信号中加水印的过程通常称之为“重标记”。
图1显示执行根据本发明的方法的一个最佳实施例的装置的示意图。该装置包括分析单元110，VLC处理单元120，输出单元130，水印缓冲器140以及比特率控制器150。该装置的工作原理将参照图2A-2C以及3A-3C描述。
该装置接收表示视频图像序列的MPEG视频流MPin。图2A显示一个这样的视频图像，作为例示性的例子。视频图像被分成8×8像素块，其中之一在图2A中用210表示。像素块用各自的8×8DCT系数块表示。这样一个DCT块的左上方变换系数表示对应像素块的平均亮度，通常称之为DC系数。其它系数表示空间频率，称之为AC系数。左上方的AC系数表示图像的粗略细节，右下方系数表示精细细节。对AC系数进行量化。这种量化过程使DCT块的许多AC系数取零值。图3A显示表示图2A中图像块210的DCT块310的一个典型例子。
DCT块的系数已经按照锯齿图案(图3A中的301)顺序扫描并进行可变长度编码。可变长度编码方案是霍夫曼编码和游程长度编码的组合。更具体地讲，若干零值AC系数的游程和随后的非零AC系数构成游程/幅值对，该游程/幅值对被编码成单个可变长度码字。图3A的标号311显示表示DCT块310的游程/幅值对系列。块结束码(EOB)指示在DCT块中再没有非零系数。图3A的标号312显示对应的根据MPEG2视频压缩标准的可变长度码字。
在MPEG2视频流中，四个这样的DCT亮度块和两个DCT色度块构成一个宏块，若干宏块构成一条(slice)，若干条构成一个图像(场或帧)，一系列图像构成一个视频序列。一些图像自主编码(I图像)，其它图像用运动补偿作预测编码(P和B图像)。在后一种情形中，DCT系数表示当前图像的像素和参考图像的像素之间的差异而不是像素本身。
将MPEG2视频流MPin输入到分析单元110(图1)。该分析单元对该MPEG比特流作部分解释，并把该流分成表示亮度DCT系数的可变长度码字(以下称为VLC)以及其它MPEG码。该单元搜集这类信息，例如：块的坐标，编码类型(场或者帧)，扫描类型(锯齿或隔行扫描)。将VLC和相关信息输入到VLC处理单元120。其它MPEG码直接送到输出级130。
要嵌入的水印是像素域的伪随机噪声序列。在本装置的这个实施例中，128×128的基本水印图案“平铺”(嵌)在图像范围之上。这种平铺操作如图2B所示。128×128的基本伪随机水印图案这里显示为符号W，以得到更好的视觉效果。基本水印的空间噪声值变换成与MPEG流中视频内容一样的表示。为此，同样把128×128的基本水印图案分成8×8块，其中之一在图2B中表示为220。对这些块执行离散余弦变换和量化。注意，变换和量化操作只需要进行一次。如此计算的DCT系数存储在装置的128×128水印缓冲器140中。
缓冲器140连接到VLC处理单元120，实际的水印嵌入在其中实现。VLC处理单元将选择的表示视频图像的可变长度码字解码(121)为游程/幅值对，并把游程/幅值对转换成二维8×8DCT系数阵列。在修改单元123中，通过把空间上对应的水印块加到各个视频块中，从而嵌入水印。水印块220(图2B)就这样加到空间上对应的图像块210(图2A)。这个操作在DCT域执行。根据本发明的最佳实施例，只选择由这个操作变成零系数的DCT系数，用于水印嵌入目的。例如，仅当对应的水印系数值为-2时，才会修改图3A中值为2的系数。在如下数学表示中：
如果cin(i，j)+w(i，j)＝0
则cout(i，j)＝0
否则cout(i，j)＝cin(i，j)
其中cin是视频DCT块的系数，w是空间对应的水印DCT块的系数，而cout是已加水印的视频DCT块的系数。根据另一实施例，只将水印图案的DCT系数的符号存放于水印缓冲器140中，从而该缓冲器只存储+1和-1值。这将该缓冲器的存储容量减少为每个系数一个比特(总共128×128比特)。实验表明只要把水印嵌入应用到最高有效DCT系数就足够了(最高有效DCT系数是首先出现在锯齿扫描中的那些系数)。这更进一步降低了存储要求。图3B显示DCT域中水印块320的一个典型例子，它对应于图2B中的噪声220块。
图3C显示已加水印的视频DCT块330，该块通过上述把水印DCT块320“加到”视频DCT块310得到。可以理解，DCT块中零值系数的数目通过这种操作得以增加。在这个具体例子中，两个非零值系数变成零值系数。它们在图3C中加了阴影。新的零值系数合并到其它游程/幅值对构成的游程中。图3C中的标号331显示了已加水印的DCT块330的游程/幅值对。而之前的游程/幅值对(1/-1)和(0/2)已经合并成新的游程/幅值对(2/2)，以前的游程/幅值对(2/1)和(7/-1)已经合并成新的游程/幅值对(10/-1)。
重新对新的游程/幅值对进行编码。在图1所示的装置中，由可变长度编码器124和固定长度编码器125执行所述的重新编码操作。编码器124和125符合相关的压缩标准。在这个例子中，它们遵照MPEG的DCT系数表，该表定义了用于频繁出现的游程/幅值对的短的可变长度码字以及用于其它游程/幅值对的长的固定长度(24比特)的“转义码”。图3C中的标号332显示可变长度编码器124响应于收到的游程/幅值对331的输出。与对应的输入312相比(见图3A)，水印嵌入过程看来已经节省了4比特。类似的比特开销减少可能已经在以前的块中出现。
本发明利用这种见解：MPEG的固定长度“转义编码”规则也可以用于在可变长度编码表中有项目的游程/幅值对。固定长度编码器125产生各(或者至少各个新的)游程/幅值对的固定长度码字。选择器126选择由编码器124产生的可变长度码字或者由编码器125产生的更长的固定长度码字。选择是由比特率控制处理器150控制的。
图4显示由比特率控制处理器150执行的操作的流程图。在步骤401中，处理器跟踪输入流MPin的比特数和输出流MPout的比特数之间的累积差DIF。处理器还接收由VLC编码器124产生的码字的长度nv，且知道FLC编码器125产生的码字的长度nf(这里是24)。只要发现累积差DIF小于nv-nf(在步骤402)，则在步骤403中，该处理器控制选择器126选择可变长度码字。如果累积的差值超过nv-nf，则在步骤404中选择更长的固定长度码字。
图3C中的标号333表示这种选择过程的可能结果。选择长度为nv＝8的用于新的游程/幅值对(2/2)的可变长度码字使累积差加1，因为前游程/幅值对(1/-1)(0/2)的长度为9。选择长度为nv＝9的用于新的游程/幅值对(10/-1)的可变长度码字使累积差加3，因为前游程/幅值对(2/1)(7/-1)的长度为12。后一选择使累积差有可能超过15。为此，处理器150选择24比特的固定长度码。
这样选择的码字随后送到输出级130，该输出级提供加了水印的输出信号MPout。图2C显示已加水印的图像。该图中用230表示的像素块对应于图3C中的已加水印的视频DCT块330。如图2C试图表达的那样，嵌入水印总量随块的不同而变化，随平铺的不同而变化。
要注意的是，不一定由水印嵌入过程创建定长编码的新游程/幅值对。未经修改的游程/幅值对也可能是定长编码。例如，设想水印嵌入过程还把块最后的非零系数(即图3A中的系数值-1)变成零系数。然后，将从比特流中除去各游程/幅值对(图3A中的7/-1)。在这种情况下，设想对之前的未经修改的游程/幅值对进行定长编码(如图3C中的(1/1))。
公开了一种用于处理压缩媒体信号的方法和装置，例如，在MPEG2视频信号中嵌入水印。通过有选择地丢弃最小的量化DCT系数来嵌入(123)水印、即空间噪声图案(140)。随后将所丢弃的系数合并到其它游程/幅值对的游程中。为了补偿过大的比特率降低，没有对一些新的游程/幅值对进行变长编码(124)，而是根据提供更长码字的另一编码规则(125)、例如MPEG的“转义编码”用更长的码字表示。

Claims (6)

1.一种处理压缩媒体信号的方法，其中所述媒体信号的样本根据可变长度编码规则由可变长度码字表示，所述方法包括如下步骤：
把所选的可变长度码字解码成相应的选择游程/幅值对，并将它们变成一个二维的DCT系数阵列；
将一个水印嵌入所述压缩媒体信号中，仅对通过所述嵌入操作变为零系数的那些DCT系数进行修改；以及
根据所述可变长度编码规则把所述修改过的DCT系数编码成修改过的可变长度码字；
其特征在于所述方法包括以下步骤：测试所述编码步骤是否降低了所述压缩媒体信号的比特率，以及如果降低了所述压缩媒体信号的比特率，则根据固定长度编码规则，重新将DCT系数编码成更长的码字。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述重新对DCT系数进行编码的步骤用于所述修改过的DCT系数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：各个选择的可变长度码字的解码的游程/幅值对表示具有零值的若干DCT系数的游程和具有不同的非零值的毗连DCT系数，仅当修改了的毗连DCT系数通过所述修改表现为零值时，才将所述修改步骤应用到所述毗连DCT系数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：重新编码步骤包括以下步骤：把所述修改过的毗连DCT系数和之后或者之前的DCT系数的游程合并，以获得新的DCT系数的游程，以及根据所述可变长度编码规则，把所述DCT系数的新游程和具有非零值的另一毗连DCT系数编码成新的可变长度码字。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述媒体信号分成若干段并将每段中修改的毗连DCT系数的数目限于一个预定的最大值。
6.一种处理压缩媒体信号的装置，其中所述媒体信号的样本根据可变长度编码规则由可变长度码字表示，所述装置包括：
解码器(121)，用于把所选的可变长度码字解码成相应的选择游程/幅值对，并将它们变成一个二维的DCT系数阵列；
修改级(123)，用于将一个水印嵌入所述压缩媒体信号中，仅对通过所述嵌入操作变为零系数的那些DCT系数进行修改；以及
可变长度编码器(124)，用于根据所述可变长度编码规则把所述修改过的DCT系数编码成修改过的可变长度码字；
其特征在于：所述装置包括比特率控制处理器(150)，用于测试所述可变长度编码器(124)是否降低了所述压缩媒体信号的比特率，以及如果降低了所述压缩媒体信号的比特率，则根据固定长度编码规则，控制一个固定长度编码器(125)将DCT系数重新编码成更长的码字。
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