JP2009122680A - アナログ信号への情報の埋込みおよび抽出を分布信号特徴を用いて行なう装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、アナログ信号への情報の符号化および復号化のための装置に関し、ソース情報の知覚に対して最小限の影響を有する形でアナログ・ホスト信号またはカバー信号にディジタル化された情報を埋め込み、また、抽出する。
【解決手段】アナログのホスト信号またはカバー信号にディジタル・データを埋め込むかまたは埋め込むための装置および方法が提供される。特定の定義域（時間、周波数または空間）におけるカバー信号の分布信号特徴が計算され、符号化される情報シンボルに対応する所定の量子化値の集合と比較される。信号特徴を判定されたターゲット量子化値へ変更するのに要求された変化の量が計算され、それにしたがって、カバー信号は、所定の区間にわたって特徴値が変化するように変更される。情報シンボルは、反対のプロセスによって抽出される。一実施の形態では、所定の値が、カバー信号の短期自己相関値である。
【選択図】図１

Description

本発明は、アナログ信号への情報の符号化および復号化のための装置および方法に関し、例えばオーディオ信号、ビデオ信号およびデータ信号等の、無線送信または有線送信のいずれかによって伝送され、または光ディスク、磁気ディスク、磁気テープまたは固体メモリ等の記録媒体に記憶されるアナログ信号への情報の符号化および復号化のための装置および方法に関する。

本発明のいくつかの実施の形態に特に関係する分野は、音楽録音の市場に関する。現在、多数の人々が、ラジオまたはテレビジョンで音楽録音を聴取する。彼らは、購入に十分なだけ気に入る録音を聞くが、歌、それを演奏する芸術家またはそれを含むレコード、テープまたはCDアルバムの名前を知らないことがしばしばである。その結果、人々が購入する録音の数は、彼らがラジオまたはテレビジョンで聴く録音のうちで購入を希望するものを人々が識別するための簡単な方法がある場合の数より少ない。

本発明のいくつかの実施の形態に関係するもう１つの分野が、コピー制御である。現在、音楽録音など、オーディオ・ソフトウェア製品の大きな市場が存在する。この市場での問題の１つが、そのような製品を製造したものに支払わずにそのような製品を簡単にコピーできることである。この問題は、コピーを非常に高品質のものとすることができるディジタル・オーディオ・テープ（digital audio tape: DAT）などの録音技術の出現に伴って、特に問題になりつつある。したがって、放送電波を介するオーディオ作品放送の許可されないコピーを含む、オーディオ録音の許可されないコピーを防止する方式を開発することが望ましい。また、著作権行使のために、著作権者を識別するディジタル著作権情報をオーディオ信号またはビデオ信号などのプログラム素材に挿入でき、視聴者には気付かれないままで、この情報を適当な装置によって検出して、プログラムの著作権者を識別できることが望ましい。

ソース信号に追加情報を符号化するためのさまざまな従来技術の方法が既知である。たとえば、信号をパルス幅変調して、少なくとも２つの情報部分または他の有用な部分を搬送する普通の信号または符号化された信号を提供することが既知である。ヤング（Yang）への１９８５年の米国特許第４，４９７，０６０号明細書では、２進データが、論理「０」および「１」を表すための２つの異なるパルス幅（たとえば、「１」のパルス幅継続時間が「０」の継続時間の２倍）を有する信号として送信される。この対応はクロック信号の判定も可能とする。

ワイツ（Weitz）等への１９９０年の米国特許第４，９３７，８０７号明細書は、ディジタル信号と共に音声伝送を作るための信号を符号化して、そのような信号の格納された表現に対処できるようにするための方法および装置を開示している。具体的に言うと、ワイツ（Weitz）等の装置は、そのような音声伝送を作るために、各チャネルについてオーディオ・データ・ストリーム（audio data stream）、ステップ・サイズ・ストリーム（step-size steam）およびエンファシス・ストリーム（emphasis stream）を備えたクロック・ディジタル信号へアナログ信号を変換する。

オーディオ信号がオーディオ伝送を作るシステムに関して、ベスト（Best）等への１９８９年の米国特許第４，８７６，６１７号明細書およびベスト（Best）等への１９９２年の米国特許第５，１１３，４３７号明細書は、オーディオ信号の中音域周波数に相対的に薄く浅いノッチ（たとえば幅１５０Hz、深さ５０dB）を形成するためのエンコーダを開示している。これらの特許の前者は、約２８８３ｚおよび３４１７Hzの周波数を中心とする対になったノッチ・フィルタ（notch filters）を開示しており、後者の特許は、ノッチに追加された情報のフィルタリングを消去または禁止することを妨害するためにランダムに変化する周波数対を有するノッチ・フィルタを開示している。これらのエンコーダは、その後、「０」を表すより低い周波数と「１」を表すより高い周波数での信号の形態でディジタル情報を追加する。後者のベスト（Best）等の特許は、エンコーダがオーディオ信号をサンプリングし、その信号レベルを計算する間にその信号を遅延させ、その遅延の間にデータ信号を追加するか否かを決定し、追加する場合にはその信号レベルを決定する。後者のベスト（Best）等の特許は、ノッチの移動での「擬似ランダムな形（pseudo-random manner）」が、データ信号を聴覚的に検出することを困難にすることも注記されている。

他の従来技術の技法では、人間の知覚特性の音響心理学モデルを使用して、ホスト信号に変調されたまたは変調されないトーンを挿入し、それらが既存の信号成分によってマスクされ、したがって、知覚されないようにする。たとえば、プレウス（Preuss）等への米国特許第５，３１９，７３５号明細書、およびヤンセン（Jensen）等への米国特許第５，４５０，４９０号明細書を参照されたい。このような技法は、実施が非常に高価で複雑であると同時に、マスクされた信号成分を除去するために設計された知覚ベースの圧縮方式によって重畳される信号歪みに対する堅牢さが欠けていることから損害をこうむっている。

米国特許第４，４９７，０６０号 米国特許第４，９３７，８０７号 米国特許第４，８７６，６１７号 米国特許第５，１１３，４３７号 米国特許第５，３１９，７３５号 米国特許第５，４５０，４９０号

従来技術は、オーディオ周波数信号またはビデオ周波数信号が、補助信号の符号化の前ならびに後に、実質的に同一に人間に知覚される伝送を作るように、人間に知覚される伝送（すなわち音声または画像）を作るために、アナログのオーディオ周波数信号またはビデオ周波数信号に補助のアナログ情報信号またはディジタル情報信号を符号化し、復号化するための方法および装置を提供することができない。従来技術はまた、ディジタル情報を定義する信号を伴う、人間に知覚されるオーディオ伝送を作るために、オーディオ周波数信号またはビデオ周波数信号を符号化し、復号化するための、比較的単純な装置および方法も提供することができない。従来技術はまた、人間に知覚されるオーディオ伝送を作るためにオーディオ周波数信号またはビデオ周波数信号の許可されないコピーを制限するための方法および装置も開示することができない。

本発明は、アナログ信号が、スピーカ、ディスプレイ・モニタまたは他の電気／電子装置などの適当な出力装置に印加（apply）された場合に、ソース情報の知覚に対して最小限の影響を有する形でアナログ・ホスト信号またはカバー信号（cover signal）にディジタル化された情報を埋め込むか符号化し、抽出するか復号化するための装置および方法を提供する。

本発明は、さらに、カバー信号をコピーする装置の能力を制御する、アナログ・カバー信号内の機械可読信号を埋め込み、抽出するための装置および方法を提供する。

手短に言うと、本発明は、ホスト信号またはカバー信号を変調して、所定の領域内の信号の分布特徴（distributed feature）を変更することによって、アナログ・ホストまたはカバー信号内へのデータ信号の符号化または埋込みを提供する。ホスト信号の分布特徴は、埋め込まれるデータ信号のデータ・シンボルまたは２進数字に対応する所定の量子化値（quantization value）へ変更される。その後、埋め込まれたデータ信号は、変更された分布特徴値を検出し、検出された値を、データ・シンボルと量子化分布特徴値との間の所定の関係と相関させることによって回復される。

以下で使用される用語カバー信号は、オーディオ、ビデオまたは他の情報信号など、埋め込まれるか隠されるディジタル化されたデータを搬送するか搬送することを意図されたホストまたはソース信号を指す。以下で使用される用語分布特徴または信号特徴（signal feature）は、データ埋込み変調が適用される定義域（すなわち時間、周波数および／または空間）内の領域の全体にわたってカバー信号値を処理することによって得られるスカラ値を指す。そのような処理の望ましい特性の１つが、雑音または他の信号歪みによって引き起こされる信号の大きさのランダムな変化が、信号特徴値に対して最小限の影響を有すると同時に、所定の領域にわたるディジタル化されたデータの埋込みに関する信号の大きさの変調の組み合わされた影響が、特徴値の測定可能な変化を生じることである。

具体的に言うと、本発明は、所定の領域にわたるカバー信号の分布信号特徴値を計算するステップと、計算された信号特徴値を所与の情報シンボルに対応する量子化値の所定の集合と比較し、埋め込まれる情報シンボルに対応するターゲット量子化値を判定するステップと、計算された信号特徴をターゲット量子化値へ変更するためにカバー信号内で必要な変化の量を計算するステップと、計算された変化の量に従ってカバー信号を変更するステップとを備えた、アナログ・カバー信号内に情報シンボルを埋め込むための方法を提供する。

本発明の別の形態によれば、所定の領域にわたってカバー信号の分布信号特徴値を計算するステップと、計算された信号特徴値を所与の情報シンボルに対応する量子化値の所定の集合と比較し、どの量子化値が計算された信号特徴値に対応するかを判定するステップと、判定された量子化値を、カバー信号内に含まれる情報シンボルに変換し、情報シンボルを出力するステップとを備えた、アナログ・カバー信号に埋め込まれた情報シンボルを抽出するための方法が提供される。

本発明は、上の方法に従って情報を埋め込むための装置と、埋め込まれた情報をカバー信号から抽出するための装置とをさらに提供する。

本発明の上記および他の態様は、下記の添付図面と下記の好適な実施の形態の詳細な説明から完全に理解される。

本発明は、カバー信号の周波数定義域、時間定義域および／または空間定義域の選択された領域でのカバー信号の分布特徴の値の変調または変更によって、情報またはデータを、オーディオ信号、ビデオ信号または他のアナログ信号などのカバー信号に埋め込むための方法および装置を対象とする。符号化される情報またはデータは、ディジタル信号またはディジタル化された信号であることが好適である。本発明は、ディジタル・プロセッサのソフトウェア・プログラミングによるか、離散型の構成要素電子デバイスとしてのアナログ集積回路、ディジタル集積回路または混合信号集積回路もしくはそのような実施の組合せのいずれかとして、複数の形で実施できる。

本発明の第１の好適な実施の形態によれば、１つまたは複数の選択された自己相関（autocorrelation）遅れで、時間上の補助情報の関数として、ホスト信号の短期自己相関関数（short-term autocorrelation function）を変調または変更することによって、オーディオ信号、ビデオ信号または他のデータ信号などのホスト信号またはソース信号に補助情報を符号化するための方法および装置が提供される。補助情報は、アナログ信号またはディジタル信号とすることができる。短期自己相関関数は、信号にそれ自体の遅れた版（delayed version）を乗じ、その積を所定の積分区間で積分することによって得られる。

短期自己相関関数は、元のホスト信号と正または負の相関を有するホスト変更信号（host modifying signal）をホスト信号へ加えることによって変調または変更される。埋め込まれた信号は、選択された自己相関遅れによって遅らされるか進まされる（本発明の目的のために、進みは、負の遅れと考慮される）ホスト信号の制御可能に減衰された版であることが好適である。

自己相関関数は、ホスト信号全体またはその一部だけを使用して変調することができる。好適な実施の形態では、ホスト信号の周波数帯域、時間的領域および／または空間的領域は、ホスト信号に対する外乱（disturbance）が信号の出力の知覚（すなわち、オーディオ品質またはビデオ品質）に影響するので、ホスト信号に対する外乱を最小にするように選択される。

多重ホスト変更信号成分は、異なる自己相関遅れを有するホスト変更信号成分を生成することによって、ホスト信号の、同一のまたは異なる周波数帯域と、時間的および／または空間的領域とに加えることができる。多重ホスト変更信号成分は、総合補助情報スループットを増やすために異なる補助情報を表すことができ、または補助情報信号伝送の堅牢性（robustness）または安全性を高めるために同一の補助情報を表すことができる。

安全性は、システムのエンコーダとデコーダだけが知っているホスト変更信号の特定のパラメータに関する情報を秘密に保つことによって強化される。ホスト変更信号成分は、本明細書で「遅れホッピング・パターン（delay hopping pattern）」と参照される所定のシーケンスまたはパターンに従って、時間と共に変化する自己相関遅れを有することもできる。

第１の実施の形態
ここで図面を参照すると、図１は、本発明の第１の実施の形態によるシステム全体のブロック図を示す。このシステムは、符号化された信号４を作るために、補助情報信号６と共にホスト信号２（オーディオ・プログラムまたはビデオ・プログラムもしくはソース信号など）を符号化するためのエンコーダ１０を備えている。符号化された信号４は、通信媒体、チャネルまたは信号線を介して伝送されることができ、または、磁気テープ、光学メモリ、固体メモリまたは電磁メモリなどの記録媒体に記憶することができ、また符号化された補助情報を損なわず、劣化させずに、フィルタリング、適応利得制御または他の信号処理技術などによってさらに処理することができる。符号化された信号４は、その後、デコーダ２０内で復号化されて、補助情報信号６が取り出される。

図２は、ホスト信号２と補助情報信号６とを受け取るホスト変更信号ジェネレータ１１によって作られる単一のホスト変更信号８によってホスト信号が変更される、第１の実施の形態のエンコーダ１０の第１の実施例の詳細を示す。ホスト変更信号は、加算器１４内でホスト信号に加算されて、符号化された信号４が供給される。

ホスト変更信号は、図３に示された形で得られるものであり、図３は、ホスト変更信号ジェネレータ１１の一実施の形態を示す。この実施の形態では、ホスト信号２が、フィルタ／マスク１１０によって、フィルタリングおよび／またはマスキングされる。フィルタ／マスク１１０は、スピーカまたはビデオ・モニタなどの出力装置に印加された時のホスト信号の出力特性に対する最小の外乱を生じる形でホスト信号の周波数、周期または空間的内容を変更する。フィルタ／マスクが、ホスト信号を無変更のままで渡すことも可能であり、この場合には、フィルタリング／マスキングされた信号３は、ホスト信号２と等しくなる。信号３は、その後、ホスト変更信号成分ジェネレータ１１１に入力され、そこで、入力の補助情報信号６に従って変更されて、ホスト変更信号８が作られる。ホスト変更信号成分ジェネレータ１１１の詳細は、図４に示される。

図に示されるように、フィルタリングされたホスト信号３は、遅れ／進み（delay/advance）回路１１１０に入力されて、遅れた／進んだ信号３ａが作られる。信号３は、補助情報信号６と共に利得計算器１１１２にも入力される。利得計算器１１１２の目的は、ホスト変更信号８を得るために遅れた信号３ａに適用される可変利得減衰回路１１１３の利得を計算することである。遅れ／進み回路１１１０によって印加される遅れ（または進み）の量は、ホスト信号が変調される自己相関遅れに対応する。

任意の時間領域または空間領域で信号３ａに印加される利得の量は、補助情報信号６とフィルタリングされた信号３の値の関数として、利得計算器１１１２によって決定される。フィルタリングされた信号３の短期自己相関は、次式によって表すことができる。

ここで、s(t)はフィルタリングされた信号３、R(t,τ)はs(t)の短期自己相関、τは自己相関が評価される遅れ、Tは積分区間、tは時間である。

ホスト変更信号e(t)をフィルタリングされた信号s(t)に加えることによって、自己相関関数R(t,τ)が変調されて、変調された自己相関関数R_ｍ(t,τ)が得られる。

ホスト変更信号e(t)を適当に選択することによって、短期自己相関関数の増加または減少を達成することができる。多数の異なる種類のホスト変更信号を使用して、この変調を達成することができることは明白になるだろう。好適な実施の形態では、ホスト信号の遅れたまたは進んだ版に選択された利得または減衰を乗じたものを、ホスト変更信号e(t)として使用する。具体的には、

e(t)＝gs(t−τ) （３ａ）
または
e(t)＝gs(t＋τ) （３ｂ）
である。式（３ａ）および（３ｂ）をそれぞれ式（２）に代入することによって、結果の変更された信号の短期自己相関を次のように記述できることがわかる。

R_ｍ(t,τ)＝R(t,τ)＋gR(t,2τ) ＋gR(t−τ,0）＋g^２R(t−τ,τ） （４ａ）
または
R_ｍ(t,τ)＝R(t,τ)＋gR(t,0) ＋gR(t＋τ,2τ）＋g^２R(t＋τ,τ） （４ｂ）

式（４ａ）および（４ｂ）の右辺に現れるホスト信号の自己相関関数R(t,τ)は、測定することができ、この値が、変調された自己相関関数R_ｍ(t,τ)の所望の値を作る利得gの解を得るのに使用される。通常は、ホスト変更信号をホスト信号の知覚者にとって透明に保つために、gの小さい値を有することが望ましい。そうである場合には、式（４ａ）および（４ｂ）の項g^２を無視できるものとして無視することができ、正確な利得値は、次式によってよく近似することができる。

本発明は、アナログ補助情報信号の符号化に同等に適用可能であるが、以下の議論では、補助情報信号が、ディジタル信号であり、Tsがシンボル区間またはシンボル期間を表すものとして、時刻ｔ＝iTsに送信されるＭ項のシンボルの集合di∈｛±１，±３，．．．±（２Ｍ−１）｝、ここで i＝１，２，３，．．．からとられる値を有すると仮定する。本発明の第１の好適な実施の形態によれば、各補助情報シンボルは、短期自己相関関数の対応する値と関連付けられる。シンボルを自己相関関数値定義域に写像すると同時に、ホスト変更信号をホスト信号に関して小さく保つ方法の１つが、次式を使用することである。

R_ｍ(iTs,τ）＝ξdiR_ｍ(iTs,0） （６）

ここで、ξは、信号の堅牢さの要求と、ホスト変更信号が知覚者にとって透明であるという要求とのバランスをとるために選択される小さい値である。式（４ａ）および（４ｂ）をそれぞれ式（６）に挿入することによって、gに関する２次式が得られ、その解によって、時刻ｔ＝iTsに送信されるシンボルに適当な利得giがもたらされる。その代わりに、giの近似値を、式（５ａ）または（５ｂ）を使用して得ることができる。利得は、誤差を最小にするために、シンボル区間にわたって一定に保持される。giの所望の値からのそれ以上の偏差を、シンボル区間の境界で使用して、ホスト変更信号の透明性の要求を危うくする可能性があるホスト変更信号の急激な変化を避けることができる。そのような平滑化によって引き起こされる変調誤差は、符号化システムの性能を大きく低下させない。積分区間Tは、シンボル間干渉を最小にするために、Ts−τより短くしなければならない。しかし、補助チャネル帯域幅を増やすために、隣接シンボル間のいくらかのオーバーラップを許容することができる。

代替実施例では、利得計算器１１１２が、印加される固定利得を、補助情報信号６の値だけに従って、フィルタリング／マスキングされた進んだ／遅れた信号３ａに写像することができる。この実施の形態によれば、利得計算器は、信号３の値を無視し、したがって、信号３の入力線を省略することができる。この実施の形態では、利得計算器は、補助信号６の値に応じて固定量の利得を印加する。たとえば、補助信号が２進信号の場合には、利得計算器は、「０」の補助信号には所定の正の利得を印加し、「１」の補助信号には所定の負の利得を印加する。この手法は、エンコーダの複雑さを減らすことができる。しかし、ビット誤り率または信号の堅牢さに関して同一の性能特性を得るために、より大きい変更信号が必要になる。

符号化された信号４から補助情報信号６を回復するために、符号化された信号は、デコーダ２０に印加される。デコーダ２０の一実施の形態の詳細は図６に示される。この実施の形態によれば、デコーダは、短期自己相関ジェネレータ２１と補助信号抽出回路２２とからなる。図７に示されるように、短期自己相関ジェネレータ２１には、符号化された信号４をフィルタリングおよび／またはマスキングするフィルタ／マスク２１０が含まれ、その後、フィルタリングされた符号化された信号を自乗回路（squaring circuit）２１２、遅延回路２１４および乗算器２１６に印加することによって自己相関信号が得られる。自乗回路２１２の出力と乗算器２１６の出力は、短期積分器２１８ａおよび２１８ｂに印加される。積分器２１８ｂの出力は、自己相関信号５である。積分器２１８ａおよび２１８ｂの出力は、正規化回路２２０にも印加されて、正規化された自己相関信号５ａが作られる。フィルタ／マスク２１０は、エンコーダのフィルタ／マスク１１０と同一の特性を有することができ（異なる特性を有することもできる）、状況によっては、完全に省略することができる。遅延回路２１４では、エンコーダの遅れ／進み回路１１１０で使用されたものと同一の遅れτが使用される。自乗回路２１２は、フィルタリングされた符号化された信号の２乗を計算するが、これは、０の遅れを有し、区間Tで積分される短期自己相関の計算と同一である。正規化回路２２０は、次式に等しい正規化された自己相関信号d(t)を出力する。

補助信号が２進データの形である特別な例では、情報シンボルは、個々のサンプリングされたシンボル区間でのR_ｍ(t,τ)の符号（＋または−）を判定することによって回復でき、したがって、ゼロ遅れ自己相関と正規化された自己相関信号を計算する必要がなくなるはずである。

補助情報信号は、補助信号抽出回路２２によって、正規化された自己相関信号から得られる。信号に歪みがない場合、d(t)は、Tsによって分離された時間的に離散した点で、入力シンボルの大きさに正比例する値を有する。信号抽出は、フィルタリング、マスキング、等化、同期化、サンプリング、閾値比較および誤り制御コード化関数など、ディジタル通信の分野で周知の１つまたは複数の技法によって実行することができる。このような技法は周知であるから、これ以上詳しく述べることはしない。

第２の実施例によれば、補助データ・シンボルのそれぞれに、短期自己相関値の集合を関連付けることができ、補助データ・シンボルの値に基づいてgの値を最小にするために特定の集合が選択される。１例として、２進値補助シンボルの場合、時刻iTsに送信されるビットは、「１」の場合には自己相関値の集合2jξR_ｍ(iTs,0) ここで j＝０，±１，±２，．．．に関連付けられ、「０」の場合には集合(2j−1)ξR_ｍ(iTs,0） ここで j＝０，±１，±２，．．．に関連付けられる。各ビットのｊの値は、式（４ａ）または（４ｂ）の解を介して得られるgの大きさが最小になるように選択される。その代わりに、値がR(t,τ)に最も近くなるようにjが選択される場合には、式（５ａ）または（５ｂ）を使用して近似計算を実行することができる。この実施の形態では、デコーダは、複数の自己相関値が同一の補助情報シンボルに写像されることを除いて、第１の実施の形態と同一の形で動作する。

第３の実施例によれば、補助情報シンボルは、所定の時間の瞬間での短期自己相関関数の差として符号化される。たとえば、シンボル区間は、２つの等しい部分に分割され、自己相関関数は、その部分ごとに決定される。したがって、２つの自己相関関数の差が、補助データを表すために変更される。iTsでのデータ・シンボルがdi∈｛±１，±３，．．．±（２Ｍ−１）｝，ここで i＝１，２，３，．．．である場合には、所望の差は、次式によって表すことができる。

R_ｍ(iTs,τ)−R_ｍ((i＋0.5)Ts，τ)＝ξdiR_ｍ(iTs,0) （８）

ここで、ξは、堅牢さ／透明性の要求のバランスをとるために決定される小さい量である。式（４ａ）または（４ｂ）で式（８）を置換することによって、シンボル区間の前半分でホスト変更信号に適用されるgの値を得るために解くことができるgの２次式が得られる。大きさは等しいが符号（極性）が反対の利得が、シンボル区間の第２の半分でホスト変更信号に印加される。シンボル間干渉を最小にするために、積分区間を（Ts/2）−τより短くしなければならない。ビット速度の向上を達成するために、少量の干渉を許容することができる。

もう１つの実施例によれば、ホスト変更信号は、図５に示されたエンコーダによって得られた複数の補助信号シンボル成分の和からなる。この場合、複数のフィルタ／マスク１１０ａ〜１１０ｍが、複数のホスト変更成分ジェネレータ１１１ａ〜１１１ｍに複数のホスト信号を供給し、これらが加算器１３、１３ａなどで互いに加算されて、ホスト変更信号８ａが作られる。この実施の形態では、Ｍ個の補助信号成分が、成分ジェネレータのそれぞれで異なる量の遅れを使用して生成される。補助信号６ａ〜６ｍは、それぞれ異なるものとすることができ、堅牢性と安全性・レベルを高めるために同一とすることができる。制約は、等しい量の遅れを有し、同一または重なり合う周波数帯域、時間区間または空間的マスクに現れる２つの成分ジェネレータについて、補助信号が同一でなければならないということである。この例では、好適なホスト変更信号は、次式の形を有する。

ここで、τ_ｍとg_ｍとは、ｍ番目のホスト変更シンボル成分の遅れと利得とを表す。式（９）で式（２）を置換することによって、次式が得られる。

ランダムな信号s(t)と十分に大きいτの場合、R(t,τ)はR(t,0)よりはるかに小さくなる。したがって、遅れの集合｛τ_ｍ｝は、式（１０）に従ってτ＝±τ_ｍについて計算されるR_ｍ(t,τ)が、短期自己相関遅れが０に等しい項を１つだけ有するように選択されなければならない。この項は、R_ｍ(t,τ_ｍ)の変調に対して支配的な影響を有する。異なるτ_ｍが選択されるので、式（１０）の異なる項が、この合計で支配的になり、効果的に異なるホスト変調成分が「同調」される。

この実施の形態に関連するデコーダを、図８に示す。このデコーダは、それに対するホスト変更信号成分が生成された遅れの量のそれぞれについて１つの、複数の短期自己相関ジェネレータ２１ａ〜２１ｎを含む。生成された自己相関信号は、補助信号抽出回路２２によって一緒に処理され、補助信号を得るために組み合わされるか、複数の補助情報信号を抽出するために独立に処理される。

本発明の第１の実施の形態による第５の実施例によれば、ホスト変更信号成分は、「遅れホッピング（delay hopping）」と称する所定の遅れパターンに従って、対応する自己相関遅れ量τを時間にわたって変更することができる。補助信号の安全性は、遅れホッピング・パターンを秘密に保つことによって強化される。ホッピング・パターンは、連続する自己相関遅れとそれらの継続時間（duration）のリストとして定義することができる。許可されたデコーダは、ホッピング・パターンならびにフィルタリング／マスキング・パラメータおよびシグナリング・パラメータ（シンボルの継続時間および他のシンボルの特徴）を知る必要がある。多重補助信号のホッピング・パターンが別個である場合には、他のフィルタリング／マスキング・パラメータおよびシグナリング・パラメータが同一であっても、複数の補助信号をホスト信号内で同時に搬送することができる。

上述の本発明の第１の実施の形態は、本明細書を読めば当業者に明白になるように、多数の形で変更することができる。たとえば、上記本発明の第１の好適な実施の形態の説明では、「知覚者（perceiver）」によるホスト信号の知覚に言及した。本発明に関して、知覚者は、ホスト信号が通信信号である場合に、コンピュータ、レーダ検出器または他の電気／電子装置などの装置とすることができ、また、オーディオまたはビデオのホスト信号の場合には人間とすることができる。さらに、本発明の実施は、ASIC（Application Specific Integrated Circuits −特定用途向け集積回路）、汎用ディジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサおよび同等の装置などのディジタル回路ならびにアナログ回路を使用して実行することができる。さらに、可変継続時間の特性変化を有することのできる所定のパターンに従って、フィルタ／マスクの特性を時間上で変更することが可能である。最後に、本発明の機能に類似の機能は、いくつかの状況では、高速フーリエ変換またはFFTなどの既知のアルゴリズムを使用して実施することのできる、変換定義域処理技法（フーリエ定義域またはケプストラム定義域など）を使用して得ることができることに留意されたい。

第２の実施の形態
図９を参照すると、本発明の第２の好適な実施の形態によれば、本発明は、埋め込み器１０ａを使用して、ステゴ信号４ａを生成するものであり、ステゴ信号４ａは、カバー信号２によって搬送される情報の内容および品質に関して実質的に同一である。たとえば、カバー信号２が、ビデオ信号またはオーディオ信号である場合、ステゴ信号４ａは、ビデオ・ディスプレイまたはラウドスピーカなどの出力装置に印加された時に、本質的に同一のビデオまたはオーディオのプログラムまたは情報を生じる。

ステゴ・キー９は、ディジタル・データ６が埋め込まれる、カバー信号２の時間定義域、周波数定義域および／または空間定義域の特定の領域ならびに、変更されるカバー信号の分布特徴と、ディジタル・データ値と分布特徴量子化レベルを相関させるグリッドまたはテーブルを決定し、指定するのに使用される。たとえば、オーディオ信号の場合、特定の周波数帯域と時間区間によって、データ信号を埋め込むための領域が定義される。ビデオ信号の場合、埋込み領域は、周波数帯域と、画像フィールド、フレームまたは一連のフレームの形の時間区間と、フィールドまたはフレーム内の特定の区域によって指定される。図１３は、オーディオ・カバー信号の場合の、周波数帯域、時間区間、分布信号特徴およびシンボル量子化グリッドのステゴ・キー指定の例を示す図である。分布信号特徴の具体的な例は、下で示す。

埋め込み器は、カバー信号２を適当に変調または変更して、ステゴ信号４ａを得る。ステゴ信号４ａは、送信するか、後の再呼出しおよび／または送信のために磁気テープ、CD−ROM、固体メモリおよび類似物などの記憶媒体に記憶することができる。埋め込まれたディジタル・データは、ディジタル・データ６を抽出するためにステゴ信号４ａに作用するステゴ・キー９の知識またはこれへのアクセスを有する抽出器２０ａによって回復される。

図１０は、埋め込み器１０ａの一実施の形態のブロック図を示す。図に示されるように、カバー信号２、ステゴ・キー９およびディジタル・データ６は、埋め込み信号ジェネレータ１１ａに入力される。埋め込み信号ジェネレータは、ステゴ・キー９およびディジタル・データ６に従ってカバー信号２の所定の分布特徴を変調または変更し、埋め込まれた信号８ａを生成する。その後、カバー信号２は、加算器１２内で埋め込まれた信号８ａにカバー信号を加算することによって変更されて、ステゴ信号４ａが作られる。

図１１は、単一の埋め込まれるデータ信号を生成するのに使用される埋め込み信号ジェネレータ１１ａの詳細を示す。カバー信号２は、フィルタリング／マスキング・ブロック３０でフィルタリングおよび／またはマスキングを受けて、フィルタリング／マスキングされた信号３１が作られる。フィルタリング／マスキングされた信号３１は、ステゴ・キー９によって指定されるカバー信号の選択された領域からなり、このステゴ・キー９は、その後、データ・シンボルの埋込みに使用される。信号３１は、特徴抽出ブロック３２に入力され、そこで、ステゴ・キー９によって指定される、変更される分布特徴が抽出され、変調パラメータ計算モジュール３４に供給される。モジュール３４は、カバー信号に埋め込まれるディジタル・データ６を受け取り、特徴が、埋め込まれるディジタル・データ・シンボルまたはビットに対応する量子化値にほぼ等しくなるようにするのに必要な、特徴の変調の量を決定する。計算結果７は、その後、変調モジュール３６に印加され、変調モジュール３６は、フィルタリングされた信号３１を変更して、適当な埋め込まれた信号成分８を得る。埋め込まれた信号成分８は、その後、第１０に示されるように、加算器１２内でカバー信号に加算されて、ステゴ信号４ａが得られる。

さらに、それぞれが異なるステゴ・キーを使用して、カバー信号の異なる特徴を変更し、および／またはカバー信号の異なる領域を使用して、それぞれがカバー信号２に加算される複数の埋め込まれた信号成分を作るために、複数の埋め込み信号ジェネレータを使用することによって、カバー信号２に複数のディジタル・データ信号を埋め込むことが可能である。あるいはまた、ある埋め込み器の出力が、異なるステゴ・キーを使用する別の埋め込み器の入力になる形で、異なるデータ信号をカスケード式に埋め込むことができる。
代替実施の形態によれば、フィルタリング／マスキング・モジュール３０を削除することができる。この場合、カバー信号は、ステゴ信号を作るために、埋め込み信号ジェネレータによって直接に変更される。したがって、図１０の加算器１２は、この代替実施の形態では不要になるはずである。

ステゴ信号に埋め込まれたディジタル・データの回復に使用される抽出器２０ａのブロック図が図１２に示される。ステゴ信号は、フィルタ／マスク・モジュール３０ａでフィルタリング／マスキングされて、ディジタル・データが埋め込まれた領域が分離される。フィルタリングされた信号３１ａは、特徴抽出モジュール３２ａに入力されて、ここで特徴が抽出される。抽出された特徴３３ａは、データ回復モジュール４０に入力されて、ここで、抽出された特徴が、量子化特徴値と特定のデータ・シンボルを相関させる量子化テーブルまたはグリッドに写像される。その後、複数の抽出されたデータ・シンボルが、周知の誤り検出、誤り訂正および同期化技法を受けて、実際のメッセージの存在とメッセージの内容の正しい解釈を検証される。データを埋め込むためのカバー信号分布特徴変調の具体的な例を、以下で示す。

第１の例
この例では、カバー信号２はオーディオ信号である。この実施の形態では、オーディオ信号は、まず、特定のデータ・メッセージの埋込みに使用される特定の周波数帯域を分離するためにフィルタリングされて、フィルタリングされたオーディオ信号s(t)が作られる。他の周波数帯域は、並列にまたはカスケード処理技法のいずれかで、他のメッセージを埋め込むのに使用することができる。さらに、変調される周波数帯域を信号スペクトル全体の一部だけに制限することによって、ホスト信号またはカバー信号に対するそのような変調の影響が減る。しかし、フィルタリング・ステップは、埋込み処理の効率または埋め込まれるデータの堅牢性のいずれかに影響することなく、省略することができる。

次に、フィルタリングされたオーディオ信号s(t)の関数f(s(t))を、次式に従って計算する。
f(s(t))＝abs^α(s(t)) （１１）
ここで、abs( )は、絶対値計算を表し、αはパラメータである。α＝１およびα＝０．５を使用するシステムが、本発明人によって成功裡に実施された。

次に、長さTの連続時間区間にわたって関数f(s(t))を積分して、次の値を得る。

ここで、区間Tは、シンボルの継続時間に対応する。

第４ステップでは、i番目のシンボルの分布特徴Ｆ_ｉを、次式に従って計算する。

ここで、g_ｊ，ｊ＝１，２，．．．，Ｎは、下で示すように、前のＮ個のシンボルについて計算された利得値である。

次のステップでは、特徴値Ｆ_ｉがステゴ・キー９によって定義される特定のシンボルに属する量子化レベルの集合と比較される。Ｆ_ｉに最も近い量子化レベルを判定する。たとえば、２進数字の例では、それぞれビット「０」および「１」に対応する２つの集合Q_０およびQ_１が存在する。集合Q_０およびQ_１のそれぞれの量子化レベルの集合は、次のように定義される。

Q_０＝q(2kε)，k＝０，１，２，．．． （１４）
Q_１＝q((2k＋1)ε)，k＝０，１，２，．．．
ここで、εは、堅牢さ／透明性のトレードオフを決定する量子化区間であり、q(x)は、単調関数である。q(x)＝xおよびq(x)＝log(x)を使用するシステムが、成功裡に実施された。

次に、i番目のシンボル区間に適用される利得値g_ｉを、次式に従って計算する。

g_ｉ＝(Q_ｉ/F_ｉ)^１／α−１ （１５）
ここで、Q_ｉは、i番目のシンボルに属する量子化集合のうちで最も近い要素である。

次のステップでは、利得g_ｉがi番目のシンボル区間のすべての信号振幅に印加され、その結果がオーディオ・カバー信号に加算される。あるいはまた、この利得がをシンボル区間の中央部分だけに完全に印加され、シンボル区間の両端に向かってテーパーを付けて減らすことができる。この手法は、信号の堅牢さのわずかな低下を犠牲にして、信号変調の知覚を減らす。

埋め込まれたデータを抽出するためには、抽出器は、まず、ステゴ・キー９によって定義されるステゴ信号を、埋め込み器と同一の形でフィルタリングする。次に、式（１１）〜（１３）に従って特徴を計算する。このとき、時間区間Tは、前もってステゴ・キー９によって指定されるものとして既知であり、埋め込まれたメッセージの先頭は、抽出処理の開始と一致すると仮定する。

次のステップでは、埋め込まれたデータ・シンボルが、式（１４）によって定義される（ステゴ・キー９によって供給される）量子化テーブルまたはグリッドに計算された特徴値を写像し、最も近い一致を見つけ、量子化値を対応するシンボルに変換することによって抽出される。

次のステップでは、連続して抽出されたシンボルをつなぎあわせ、可能なメッセージの集合と比較する。一致が見つかる場合には、そのメッセージをユーザまたはより上位のデータ・プロトコル層に出力する。一致が見つからない場合には、区間Tの小さい部分（たとえば、0.01T〜0.1T）であるdTだけメッセージの開始時刻をわずかにシフトすることによって、抽出の試みを繰り返す。

第２の例
この例では、第１の例に類似のフィルタリング／マスキング・ステップの後に、フィルタリングされたオーディオ信号s(t)の関数f(s(t))が、次式に従って計算される。

f(s(t))＝s^２ｍ(t) （１６）
ここで、ｍは整数である。ｍ＝１およびｍ＝２を使用するシステムが、成功裡に実施された。

次に、i番目のシンボル区間の第１の半分と第２の半分について、２つの積分をそれぞれ生成する。

次のステップでは、i番目のシンボルの分布特徴Ｆ_ｉを、次式に従って計算する。

次に、計算された特徴F_ｉを、埋め込まれる所与のシンボルの量子化値の所定の集合と比較し、最も近い量子化値を選択する。この実施の形態では、２進数シンボル「０」および「１」の量子化値の集合Q_０およびQ_１は、次のように定義される。

Q_０＝q((2k＋0.5)ε)，k＝０，±１，±２，．．． （１９）
Q_１＝q((2k−0.5)ε)，k＝０，±１，±２，．．．
ここで、εは、堅牢さと透明性のトレードオフを決定する量子化区間であり、q(x)は、単調関数である。q(x)＝xおよびq(x)＝x＋ε/2について、成功裡の実施が実行された。

次のステップでは、i番目のシンボル区間に適用される利得g_ｉを、次式に従って計算する。

ここで、Q_ｉは、i番目のシンボルに属する量子化集合のうちで最も近い要素である。式（２０）は、小さい値のg_ｉに関するよい近似として導出され、システムの堅牢性に対する無視できる影響を有しつつ、正確な式に関する計算量を減らす。

次に、計算された利得g_ｉがi番目のシンボル区間のすべての信号振幅に印加され、その結果がカバー信号に加算される。あるいはまた、この利得は区間の中央部分だけに完全に印加され、区間の両端に向かってテーパーを付けることができる。

抽出器の処理は、第１の例について上で説明したものに類似のシーケンスに従う。
このように本発明を説明してきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、本発明に多数の形で変更を加えることができることは、当業者には明白であろう。当業者に明白なこのような変更のすべてが、以下の請求の範囲によって含まれることが意図されている。

本発明の第１の実施の形態による補助情報信号の符号化および復号化プロセスのブロック図である。 図１のエンコーダ１０の一実施の形態のブロック図である。 図２のホスト変更信号ジェネレータ１１の一実施の形態のブロック図である。 図３のホスト変更信号成分ジェネレータ１１１の一実施の形態のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態による、代替ホスト変更信号ジェネレータのブロック図である。 図１のデコーダ２０の一実施の形態のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態による短期自己相関ジェネレータ２１のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態による図１の代替デコーダ２０のブロック図である。 本発明の第２の実施の形態によるデータ信号埋込みおよび抽出回路のブロック図である。 図９の埋め込み器（embeddor）１０ａの一実施の形態のブロック図である。 図１０の埋め込み信号ジェネレータ（embedded signal generator）１１ａの一実施の形態のブロック図である。 図９のデータ信号抽出器（data signal extractor）２０ａの一実施の形態のブロック図である。 本発明の第２の実施の形態による、オーディオ信号内のディジタル・データの埋込みおよび抽出に使用される指定ステゴ・キー（stego ley）９の例を示す表である。

Claims (22)

1. ホスト内容上に情報シンボルをコード化する装置であって、
   各構成要素が異なる遅延またはオフセットを有している複数の構成要素を有する補助情報キャリアを生成するための手段と、
   情報シンボルを表す補助情報信号の値を決定するための手段と、
   前記補助情報信号の値および前記補助情報キャリアの定義済み関係に従って前記補助情報信号の前記決定された値に対応する前記補助情報キャリアの値を算出するための手段と、
   前記算出された値に基づいて、前記ホストの内容を変更するためのホスト変更信号を開発するための手段と、
   前記ホスト変更信号で前記ホストの内容を変更するための手段と、
   を備えることを特徴とする装置。
2. 前記のホストを変更する構成要素は、前記ホスト内容に関連があることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記ホスト内容を変更するための前記手段は、前記ホスト変更信号を前記ホスト内容に加えるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記ホスト変更信号を開発する前記手段は、前記定義済み関係、前記ホスト内容の１つ以上の値、及び前記補助情報信号の前記決定された値の関数として、前記ホスト内容の変動の量を変化させるために構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記ホスト変更信号の開発に用いるために、フィルタ処理されたホスト内容を生成するための手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記手段は、
   周波数範囲、
   サンプリングレート、
   時間的領域、又は
   空間的領域
   の１つ以上において前記ホスト内容と異なるフィルタ処理されたホスト内容を生成するために構成されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. ホスト変更信号を生成するための前記手段は、前記ホスト内容に関して定義済みの遅延だけ遅延したホスト変更信号を生成するために構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記定義済みの遅延は、定義済みのパターンに従って時間の関数として変化することを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 補助情報キャリアを生成するための前記手段は、多重の異なる周波数帯を備える補助情報キャリアを生成するために構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
10. 前記補助情報キャリアの値を算出するための前記手段は、前記補助情報信号値だけに従って固定利得値を生成するために構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
11. ホスト内容上にコード化された情報シンボルをデコードする装置であって、
    前記コード化されたホスト内容を定義済みの補助情報キャリアと比較するために構成されたコンパレータであり、前記補助情報キャリアが、前記ホスト内容の定義済みの属性に基づき、かつ、互いに異なる量の遅延又はオフセットを有する複数の構成要素から成っているものと、
    相関構成要素を生成するために、前記コード化されたホスト内容を前記補助情報キャリアの特定の構成要素に関連させるように構成された相関手段と、
    情報シンボルの値と前記補助情報キャリアの構成要素との間の定義済みの関係、及び前記相関構成要素の関数として、情報シンボルの値を算出するために構成された算出手段と、
    を備えることを特徴とする装置。
12. ホスト内容上に情報シンボルをコード化する方法であって、
    生成手段が、各構成要素が異なる遅延またはオフセットを有している複数の構成要素を有する補助情報キャリアを生成する工程と、
    決定手段が、情報シンボルを表す補助情報信号の値を決定する工程と、
    算出手段が、前記補助情報信号の値および前記補助情報キャリアの定義済み関係に従って前記補助情報信号の前記決定された値に対応する前記補助情報キャリアの値を算出する工程と、
    開発手段が、前記算出された値に基づいて、前記ホストの内容を変更するためのホスト変更信号を開発する工程と、
    変更手段が、前記ホスト変更信号で前記ホストの内容を変更する工程と、
    を備えることを特徴とする方法。
13. 前記のホストを変更する構成要素は、前記ホスト内容に関連があることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記変更する工程は、前記ホスト変更信号を前記ホスト内容に加える工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. 前記変更する工程は、前記定義済み関係、前記ホスト内容の１つ以上の値、及び前記補助情報信号の前記決定された値の関数として、前記ホスト内容の変動の量を変化させる工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
16. 前記ホスト変更信号の開発に用いるために、フィルタ処理されたホスト内容を生成する工程を更に備えることを特徴とする請求項１２記載の方法。
17. 前記フィルタ処理されたホスト内容は、前記ホスト内容と、
    周波数範囲、
    サンプリングレート、
    時間的領域、又は
    空間的領域
    の１つ以上において異なることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記ホスト変更信号は、前記ホスト内容に関して、定義済みの遅延だけ遅延していることを特徴とする請求項１２記載の方法。
19. 前記定義済みの遅延は、定義済みのパターンに従って時間の関数として変化することを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記補助情報キャリアは、多重の異なる周波数帯を備えることを特徴とする請求項１２記載の方法。
21. 前記算出する工程は、前記補助情報信号値だけに従って固定利得値を算出する工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
22. ホスト内容上にコード化された情報シンボルをデコードする方法であって、
    コンパレータが、前記コード化されたホスト内容を定義済みの補助情報キャリアと比較する工程であり、前記補助情報キャリアが、前記ホスト内容の定義済みの属性に基づき、かつ、互いに異なる量の遅延又はオフセットを有する複数の構成要素から成っている工程と、
    層間手段が、相関構成要素を生成するために、前記コード化されたホスト内容を前記補助情報キャリアの特定の構成要素に関連させる工程と、
    算出手段が、情報シンボルの値と前記補助情報キャリアの構成要素との間の定義済みの関係、及び前記相関構成要素の関数として、情報シンボルの値を算出する工程と、
    を備えることを特徴とする方法。

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