Система впровадження водяного знака

Реферат: Винахід стосується способу, у якому використовуються передавач (1) і приймач (2) та за допомогою якого в системах із кількома несучими впроваджують інформацію (водяний знак) у звукові сигнали з урахуванням їх рівнів потужності. UA 108366 C2 (12) UA 108366 C2 UA 108366 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки Цей винахід стосується способу впровадження інформації у звукові сигнали в системах із кількома несучими. Рівень техніки Існують різні системи для впровадження водяних знаків у звукові сигнали (позначення звукового сигналу водяними знаками). У деяких із цих систем для формування водяних знаків використовується кілька несучих. Одна із таких систем розкрита в патентному документі США № US6915002B2. У цьому документі розкривається пристрій для впровадження водяних знаків, який формує водяний знак шляхом кодування за більш ніж двома каналами і потім впроваджує згаданий водяний знак в основний сигнал. Інша система, яка впроваджує інформацію у звукові сигнали, розкрита в патентному документі США № US2004204943. У системі, описаній у цьому документі, передбачений детектор рівня потужності. За допомогою цього детектора в заданому проміжку часу вимірюється потужність сигналу і потім приймається рішення, здійснювати впровадження в сигнал водяного знака чи ні. Коли в заданому проміжку часу виявляється надмірно великий перепад рівнів потужності, впровадження в сигнал водяних знаків не виконується з метою уникнення сприйманої органами слуху часової дисперсії. Зараз високі вимоги до обчислювальної потужності приймача, необхідної в такій системі, обмежують застосування такого приймача в портативних пристроях (наприклад, у стільникових телефонах) з обмеженими можливостями або з малим енергоспоживанням. До того ж приймач може демонструвати низьку якість роботи внаслідок перешкод, що впливають на звуковий сигнал (А), який передається передавачем (Фіг. 1 і Фіг. 2). Суть винаходу Метою цього винаходу є створення способу впровадження водяного знака, який позначає звуковий сигнал, із використанням у приймачах і передавачах кількох несучих. Іншою метою цього винаходу є створення способу впровадження водяного знака, у якому у звуковому сигналі виділяють кадри за частотою і за часом та інформаційний сигнал впроваджують у позначувану область. Ще однією метою цього винаходу є створення способу впровадження водяного знака, який би передбачав використання приймача простої конструкції, що здобуває інформацію із звукового сигналу з використанням кадрів за частотою і за часом. Ще однією метою цього винаходу є створення способу впровадження водяного знака, який би запобігав погіршенню характеристик якості роботи приймача внаслідок перешкод, що виникають у приймачі. Детальний опис винаходу Спосіб впровадження водяних знаків, запропонований для досягнень цілей цього винаходу, ілюструється з використанням графічних фігур, де: Фіг. 1 - схематичне зображення відомого передавача (1’), що містить кодер (К); Фіг. 2 - схематичне зображення відомого приймача (2’), що містить демодулятор; Фіг. 3 - схематичне зображення передавача, використовуваного в способі впровадження водяного знака, який пропонується згідно з цим винаходом; Фіг. 4 - схематичне зображення приймача, використовуваного в способі впровадження водяного знака, який пропонується згідно з цим винаходом; Фіг. 5 - блок-схема демодулятора приймача, використовуваного в способі впровадження водяного знака, який пропонується згідно з цим винаходом; Фіг. 6 - графік аналізу рівнів потужності звукового файлу (взятого для прикладу), у який впроваджується водяний знак із використанням способу впровадження водяного знака, що пропонується згідно з цим винаходом; Фіг. 7 - графік аналізу рівнів потужності, із позначенням кадрів і позицій водяних знаків, впроваджуваних у звуковий файл, показаний на Фіг. 6, із використанням способу впровадження водяного знака, який пропонується згідно з цим винаходом. Елементи, зображені на фігурах, позначені позиціями, які позначають таке: 1 Передавач 11 Блок аналізу потужності 12 Модулятор 13 Кодер із захистом від помилок 14 Блок об'єднання сигналів 15 Генератор інформації 2 Приймач 21 Детектор потужності 1 UA 108366 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 22 Блок частотного аналізу 23 Фільтр 24 Демодулятор 241 Блок грубого виявлення 242 Погоджений фільтр 243 Дискретизатор 244 Блок порівняння з пороговим значенням 245 Блок точного виявлення 246 Блок прийняття рішення 247 Еквалайзер 248 Пригнічувач перешкод 25 Блок об'єднання даних 26 Декодер із корекцією помилок 27 Блок інтерпретації інформації А: Основний сигнал В: Інформаційний сигнал С: Відновлений інформаційний сигнал D: Дія Н: Джерело звуку (гучномовець) М: Датчик приймача (a)L: Складова частина основного сигналу, що передається на відповідній несучій (є L сигналів "а", де "L" - це натуральне число, яке дорівнює одиниці або більше і відповідає кількості несучих) (b)L: Складова частина інформаційного сигналу, що передається на відповідній несучій (є L сигналів "b", де "L" - це натуральне число, яке дорівнює одиниці або більше і відповідає кількості несучих) (с)L: Складова частина інформаційного сигналу, відновлена у відповідному демодуляторі (є L сигналів "b", де "L" - це натуральне число, яке дорівнює одиниці або більше) (а+b)fL: Складова частина сигналу на виході відповідного фільтра (є "L" сигналів "(а+b) fL, де "L" - це натуральне число, яке дорівнює одиниці або більше і відповідає кількості фільтрів). У способі за цим винаходом використовуються передавач (1) і приймач (2). Передавач (1) містить щонайменше один блок (11) аналізу потужності, щонайменше один модулятор (12), щонайменше один кодер (13) із захистом від помилок, блок (14) об'єднання сигналів і, залежно від застосування, щонайменше один генератор (15) інформації, який генерує інформацію. Приймач (2) містить щонайменше один детектор (21) потужності, який визначає початок і кінець сигналу, щонайменше один блок (22) частотного аналізу, щонайменше один фільтр (23), щонайменше один демодулятор (24), блок (25) об'єднання даних, декодер (26) із корекцією помилок і, залежно від застосування, щонайменше один блок (27) інтерпретації інформації, який відновлює інформацію (В), що подається на вхід. Дія (D) виконується щодо користувача відповідно до даних, сформованих блоком (27) інтерпретації інформації. Приймач (2) виконаний із можливістю використання в портативному пристрої, такому як стільниковий телефон. Наприклад, якщо в блоці (27) інтерпретації інформації сформовані дані у вигляді двох бітів "00", то абоненту GSM нараховуються передплачені хвилини і про це надсилається повідомлення на портативний пристрій відповідного абонента. Як інший приклад, якщо в блоці (27) інтерпретації інформації сформовані дані у вигляді двох бітів "11", то абоненту GSM надається підписка на додаткові види обслуговування, і про це надсилається повідомлення на портативний пристрій відповідного абонента. Демодулятор (24) містить щонайменше один блок (241) грубого виявлення, щонайменше один погоджений фільтр (242), щонайменше один дискретизатор (243), щонайменше один блок (244) порівняння з пороговим значенням, щонайменше один блок (245) точного виявлення, щонайменше один блок (246) прийняття рішення, щонайменше один еквалайзер (247) і щонайменше один пригнічувач (248) перешкод. Блок (11) аналізу потужності в передавачі (1) визначає у звуковому файлі, який є основним сигналом (А), фрагменти з високим рівнем потужності, що будуть використані у процесі впровадження водяних знаків, і відповідні кадри за частотою і за часом. Блок (11) аналізу потужності виявляє ці кадри відповідно до таких параметрів, як вікно, амплітуда і форма сигналу. Згаданий блок (11) передає визначену ним інформацію, що стосується відповідних параметрів кадрів, у модулятор (12) для здійснення впровадження водяного знака. 2 UA 108366 C2 5 10 15 20 25 30 35 Генератор (15) інформації - це блок, що формує інформацію (В), тобто біти водяного знака, який підлягає передаванню. Цей блок формує різну інформацію залежно від застосування. Кодер (13) із захистом від помилок зменшує вплив помилок у бітах інформації (В), що залежать від впливу каналу і поточного рівня шуму. Модулятор (12) - це модулятор, який використовує кілька несучих та особливості звукового файлу (А) для формування водяного знака, адаптивно впроваджуваного у звуковий файл (А). Блок (14) об'єднання сигналів поміщає водяний знак для системи з кількома несучими, сформований модулятором (12), у фрагменти використовуваного основного сигналу, які характеризуються високим рівнем потужності (А), у такий спосіб, що водяний знак знаходиться в певних кадрах за частотою і за часом. У варіанті реалізації цього винаходу, якому надається перевага, сигнал водяного знака формується в модуляторі з використанням такої формули (1): d[k]  L 1 n bi,naiwi[k] cos( fik / Fs )pi(k  nT ) (1) 2 i i Значення змінних у формулі (1): d[k] - сигнал водяного знака L - кількість використовуваних несучих bi,n - біт інформаційного сигналу (В), відповідного несучій I ai - амплітуда несучої I wi[k] - віконна функція для несучої I fi - значення частоти несучої I Fs - частота дискретизації (зазвичай застосовується значення 22050 Гц) pi(k) - форма сигналу, використовувана для несучої та в передавачі (1) Ti - довжина хвилі для несучої i (період коливання) n - кількість символів Після формування сигналу водяного знака в модуляторі він передається з модулятора (12) в блок (14) об'єднання сигналів. У блоці (14) об'єднання сигналів сигнал водяного знака (d[k]) впроваджується в основний сигнал (s[k]). Потім блок (14) об'єднання сигналів передає об'єднані ним основний сигнал (s[k]) і сигнал водяного знака (d[k]) на гучномовець (Н) для мовлення. Сигнал, який передається через гучномовець (Н), виходить із такої формули (2) t[k]=s[k] + d[k] (2) Значення змінних у формулі (2): t[k] сигнал, переданий із гучномовця (Н) d[k] сигнал водяного знака s[k] основний сигнал В одному з прикладів застосування винаходу як основний сигнал (А) використано кудкудакання курки. На Фіг. 6 показаний розподіл потужності сигналу кудкудакання курки із звукового файлу за часом і за частотою. У цьому звуковому файлі в області звукових компонентів із великою потужністю приховані дві несучі частоти (Фіг. 7). Параметри прихованих даних (інформації) наведені в Таблиці 1. 40 Таблиця 1 Розташування в часовій і частотній області взятого для прикладу водяного знака, впровадженого в кудкудакання курки (Фіг. 6), вибране як основний сигнал (А): 45 Рівні потужності сигналу з водяним знаком, прийнятого датчиком (М) приймача, визначаються детектором (21) потужності у приймачі (2). Крім того, після запису сигналу з водяним знаком можуть мати місце фрагменти "тиші", на початку і в кінці сигналу. Ці фрагменти виявляються шляхом перевірки потужності сигналу детектором (21) потужності, і потім вони із записаного сигналу з водяним знаком видаляються. Хоча переданий інформаційний сигнал (В) знаходиться в певному кадрі за частотою і за часом, через вплив апаратних засобів приймача (2) і передавача (1) можливе відхилення 3 UA 108366 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 значень частоти, що приймається. Блок (22) частотного аналізу дозволяє виявляти ці відхилення і отримувати коректне значення частоти. Фільтр (23) пропускає сигнали (а+b)flfL, які відповідають значенням частоти з блоку (22) частотного аналізу, тоді як інші сигнали не пропускаються. Блок (25) об'єднання даних - це блок, який дозволяє відновити дані (C) 1L, які були рознесені по кільком несучим (загальним числом L) і часовим кадрам. Декодер (26) із корекцією помилок знижує вплив помилок, що трапляються в бітах унаслідок впливу каналу і поточного рівня шуму. Блок (27) інтерпретації інформації - це блок, який інтерпретує значення бітів, отриманих від декодера (26) з корекцією помилок, і відновлює сигнал водяного знака (С). Блок (241) грубого виявлення в демодуляторі (24) - це блок, який приблизно визначає межі в часі кадру сигналу, що фільтрують відповідно до конкретних значень частот, і в такий спосіб, що в ньому немає фрагментів "тиші". Сигнал, розбитий на кадри за частотою і за часом, із блоку (241) грубого виявлення передається на погоджений фільтр (242). Погоджений фільтр (242) використовується для отримання значень інформації (В). Ці дані з виходу погодженого фільтра (242) передаються на дискретизатор (243). У цьому блоці дані дискретизуються з певним часовим інтервалом, наприклад – Ti, або із більш короткими часовими інтервалами. Блок (244) порівняння з пороговим значенням адаптивно визначає значення таких параметрів, як вікно, амплітуда, форма сигналу, що необхідні для коректної роботи приймача (2). Блок (245) точного виявлення — це блок, який визначає часові межі для сигналу, що не містить фрагментів "тиші" та відфільтрований відповідно до конкретних частот, і з інтервалами дискретизації, меншими за Тi. Блок (246) прийняття рішення визначає значення, які в цій системі відповідають значенням bi,n, що надходять від погодженого фільтра (242), відповідно до дискретних значень, які може формувати дискретизатор (243). Наприклад, коли у двійковій системі надсилаються значення +1, -1 і коли погоджений фільтр (242) видає значення 0,8, блок (246) прийняття рішення визначає, яке саме значення використовувати замість нього. Наприклад, у цій системі, оскільки значення 0,8 ближче до +1, то блок прийняття рішення може вирішити, що передана 1. Або, якщо погоджений фільтр видає значення, ближче до -1, то блок (246) прийняття рішення може вирішити, що передане значення, відповідне 0. Еквалайзер (247) - це блок, який послаблює або усуває спотворювальний вплив багатопроменевого поширення сигналу на очікуваний інформаційний сигнал. Пригнічувач (248) перешкод - це блок, який на основі прийнятого відфільтрованого сигналу (А+В) визначає наслідки впливу каналу радіозв'язку на сигнал (А) і потім усуває їх із сигналу, який був прийнятий "по повітрю" за допомогою датчика (М) приймача, завдяки чому зменшується кількість помилок і поліпшуються характеристики роботи системи. За допомогою згаданого пристрою (248) можна виключити вплив на звуковий сигнал таких явищ, як втрата потужності і луна, що трапляються при передаванні сигналу "по повітрю" від гучномовця (Н) до мікрофона (М). Сигнал із водяним знаком, прийнятий датчиком (М) приймача у приймачі, надходить на детектор (21) потужності. В одному з варіантів реалізації винаходу сигнал із водяним знаком обчислюється у приймачі (2) згідно з формулою (3), наведеною нижче. r[k] = t[k]*h[k]+n[k] (3) де r[k] - сигнал із водяним знаком, прийнятий датчиком (М) приймача, наприклад, мікрофоном, і дискретизований у цифрову форму h[k] - імпульсна характеристика каналу * - оператор згортки n[k] - адитивний білий шум із нормальним (гаусівським) розподілом. Значення r[k] може бути представлене такою формулою (4): r[k]=d[k]*h[k]+s[k]*h[k]+n[k]=d[k]*h[k]+Перешкода+Шум (4) За умови, що складові Перешкода та Шум, зазначені у формулі (4), не заважають прийому сигналу, у приймачі (2) можна отримати дані {bi,n}, які були передані за допомогою демодулятора (24). 4 UA 108366 C2 5 10 15 Також у цьому винаході можливе використання демодулятора (24) іншої конструкції. Демодулятор (24), описаний в описі винаходу, розглянуто як приклад реалізації, що забезпечує простоту функціонування (Фіг. 5). Вираз s[k]*h[k] визначено як "перешкода". Після виконання оцінки каналу в еквалайзері (247) оцінка ĥ[k] надходить на пригнічувач (248) перешкод. У випадку, якщо намічені для оброблення вибірки звукового сигналу відносяться до тієї області, яка обмежена кадром за частотою і за часом, то пригнічувач (248) перешкод може видати значення виразу s[k]ĥ[k]. Після того, як отримано значення виразу s[k]ĥ[k], використання у приймачі значення виразу r[k]-s[k]ĥ[k] поліпшить характеристики роботи системи. У передавачі (1), який використаний у способі за цим винаходом, звук, який чутно, не викликає дискомфорту, незважаючи на те, що рівень потужності впровадженого сигналу водяного знака вищий за рівень потужності основного сигналу (А) (вихідного сигналу). Можуть бути розроблені різноманітні варіанти реалізації способу згідно з цим винаходом. Винахід не може бути обмежений описаними в цьому документі прикладами, але визначається формулою винаходу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Система для впровадження водяного знака, яка впроваджує інформаційний сигнал (В) у 20 фрагменти, які характеризуються високим рівнем потужності, основного сигналу (А), що забезпечується водяним знаком, із виділенням у згаданому інформаційному сигналі (В) кадрів за частотою і за часом, причому згадана система включає в себе: передавач (1), який має: - щонайменше один кодер (13) із захистом від помилок, який зменшує вплив помилок у бітах 25 інформації (В), що залежать від впливу каналу і поточного рівня шуму, - щонайменше один генератор (15) інформації, який формує інформацію (В), тобто біти водяного знака, який підлягає передаванню, приймач (2), що має: - щонайменше один фільтр (23), який пропускає сигнали (a+b) f1fL, які відповідають значенням 30 частоти з блока (22) частотного аналізу, тоді як інші сигнали не пропускаються, - декодер (26) із корекцією помилок, який знижує вплив помилок, що трапляються в бітах унаслідок впливу каналу і поточного рівня шуму, - щонайменше один блок (27) інтерпретації інформації, який інтерпретує значення бітів, отриманих від декодера (26) з корекцією помилок, і відновлює сигнал водяного знака (С), 35 яка відрізняється тим, що також включає в себе: - щонайменше один блок (11) аналізу потужності в передавачі (1), який визначає фрагменти, які характеризуються високим рівнем потужності, звукового файла, що є основним сигналом (А), які будуть використані для впровадження водяного знака, а також кадри за частотою і за часом, які можуть бути використані, визначає кадри за частотою і за часом відповідно до таких 40 параметрів, як вікно, амплітуда і форма сигналу, і передає в модулятор (12) інформацію, що стосується відповідних параметрів кадрів, для впровадження водяного знака, - щонайменше один модулятор (12) в передавачі (1), який є модулятором, який використовує кілька несучих і який використовує особливості звукового файла (А) для формування водяного знака для його адаптивного впровадження у звуковий файл (А), 45 - блок (14) об'єднання сигналів в передавачі (1), який поміщає водяний знак для системи з кількома несучими, сформований модулятором (12), у фрагменти використовуваного основного 5 UA 108366 C2 сигналу (А), які характеризуються високим рівнем потужності, у такий спосіб, що водяний знак знаходиться в певних кадрах за частотою і за часом, - щонайменше один детектор (21) потужності в приймачі (2), який визначає рівні потужності сигналу з водяним знаком, прийнятого датчиком (М) приймача, за допомогою перевірки рівнів 5 потужності сигналу виявляє фрагменти "тиші", які зустрічаються на початку і в кінці сигналу водяного знака, і видаляє їх із записаного сигналу, - щонайменше один блок (22) частотного аналізу в приймачі (2), який виявляє можливе через вплив апаратних засобів приймача (2) і передавача (1) відхилення значень частоти, що приймається, і отримує коректне значення частоти, 10 - блок (25) об'єднання даних в приймачі (2), який дозволяє відновлювати дані (C) 1…L, розподілені за кількома несучими (загальним числом L) і кадрами за часом. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що включає в себе демодулятор (24), який включає в себе: - щонайменше один блок (241) грубого виявлення, який приблизно визначає межі часових 15 інтервалів у сигналі, який фільтрують відповідно до конкретних частот і в такий спосіб, що сигнал не містить фрагментів "тиші", - щонайменше один погоджений фільтр (242), який отримує значення bi, n (біт інформаційного сигналу (В), відповідного несучій і) інформації (В), - щонайменше один дискретизатор (243), в якому дані значень bi, n дискретизуються з певним 20 часовим інтервалом, наприклад Ti , або із більш короткими часовими інтервалами, - щонайменше один блок (244) порівняння з пороговим значенням, який адаптивно визначає значення таких параметрів, як вікно, амплітуда, форма сигналу, що необхідні для коректної роботи приймача (2), - щонайменше один блок (245) точного виявлення, який визначає межі часових інтервалів у 25 сигналі, що не містить фрагментів "тиші", відфільтрований відповідно до конкретних частот і дискретизований із інтервалами, меншими за Ti , - щонайменше один блок (246) прийняття рішення, який визначає значення, які в цій системі відповідають значенням bi, n , що надходять від погодженого фільтра (242), відповідно, до дискретних значень, які може формувати дискретизатор (243), 30 - щонайменше один еквалайзер (247), який послаблює або усуває спотворювальний вплив багатопроменевого поширення сигналу на очікуваний інформаційний сигнал, - щонайменше один пригнічувач (248) перешкод, який на основі прийнятого відфільтрованого сигналу (А+В) визначає наслідки впливу каналу радіозв'язку на основний сигнал (А) і потім усуває їх із сигналу, який був прийнятий "по повітрю" за допомогою датчика (М) приймача, 35 завдяки чому зменшується кількість помилок і поліпшуються характеристики роботи системи. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що модулятор (12) обчислює сигнал водяного знака відповідно до формули d[k]  L 1n bi,naiwi [k] cos( fik / Fs )pi (k  nT ) , 2 i i 6 UA 108366 C2 де d[k] - сигнал водяного знака, L - кількість використовуваних несучих, bi,n - біт інформаційного сигналу (В), відповідного несучій i, ai - амплітуда несучої і, 5 wi [k] - віконна функція для несучої i, fi - значення частоти несучої і, Fs - частота дискретизації, pi (k ) - форма сигналу, використовувана для несучої та в передавачі (1), Ti - довжина хвилі для несучої і (період коливання), 10 n - кількість символів. 4. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що блок (14) об'єднання сигналів отримує з модулятора (12) сформований у ньому сигнал водяного знака, впроваджує сигнал водяного знака (d[k]) в основний сигнал (s[k]) і передає сигнал у гучномовець (Н). 5. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що приймач (12) обчислює сигнал із водяним знаком 15 за формулою r[k]  t[k]  h[k]  n[k] , де r[k] - сигнал із водяним знаком, прийнятий датчиком (М) приймача, наприклад, мікрофоном і дискретизований у цифрову форму, h[k] - імпульсна характеристика каналу, 20  - оператор згортки, n[k] - адитивний білий шум із нормальним, гаусівським, розподілом. 7 UA 108366 C2 8 UA 108366 C2 9 UA 108366 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10