PL191867B1

PL191867B1 - Sposób i układ do osadzania danych dodatkowych w sygnale

Info

Publication number: PL191867B1
Application number: PL335415A
Authority: PL
Inventors: Petrus Nuijten
Original assignee: Koninkl Philips Electronics Nv
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2006-07-31
Also published as: JP2001513973A; WO1999033266A3; AU1256199A; ATE250311T1; HUP0001250A2; KR100589706B1; CN1156144C; DE69818228D1; HUP0001250A3; PL335415A1; CN1252914A; RU2220511C2; KR20000075599A; MY119833A; EP0962094B1; EP0962094A2; ID22836A; DE69818228T2; TW401678B; WO1999033266A2

Abstract

1. Sposób osadzania danych dodatkowych w sygnale, w którym koduje sie sygnal zgodnie zprocesem kodowania zawierajacym etap podawania zwrotnego zakodowanego sygnalu do utworzenia predykcyjnego procesu kodowa- nia, oraz modyfikuje sie, co najmniej jedna, wy- brana próbke zakodowanego sygnalu majaca reprezentowac dane dodatkowe, znamienny tym, ze wybrana próbke (21) modyfikuje sie przed zwrotnym podaniem zakodowanego sy- gnalu y oraz modyfikuje sie, co najmniej jedna, kolejna próbke (22) zakodowanego sygnalu y, poprzedzajaca wybrana próbke (21), jezeli okaze sie, ze modyfikacja tej kolejnej próbki (22) poprawia jakosc kodowania. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu i układu do osadzania danych dodatkowych w sygnale.

Istnieje rosnące zapotrzebowanie na umieszczanie danych dodatkowych w sygnałach audio i video, w niezauważalny sposób. Na przykład, w materiałach multimedialnych osadza się znaki wodne, w celu identyfikacji źródła albo stanu praw autorskich dokumentów i programów audiowizualnych. Ten znak wodny stanowi prawny dowód dla właściciela praw autorskich, umożliwia wykrywanie piractwa i zapewnia ochronę własności intelektualnej.

Sposób znakowania sygnału video znakiem wodnym został ujawniony w pracy F.Hartunga i B.Girosa, pt.: „Cyfrowe znakowanie znakiem wodnym pierwotnego i upakowanego sygnału video”, SPIE tom 2952, strony 205-213. Znakowanie znakiem wodnym uzyskuje się tutaj przez modyfikację wybranych współczynników DCT w wyjściowym strumieniu bitów kodera MPEG2. Powszechnie wiadomo, że koder MPEG2 jest koderem predykcyjnym, zawierającym pętlę sprzężenia zwrotnego do sterowania procesem kodowania. Koduje się błąd predykcyjny (różnicę pomiędzy sygnałem wejściowym i jego predykcją) zamiast samego sygnału wejściowego. Sygnał predykcyjny uzyskuje się przez lokalne dekodowanie zakodowanego sygnału.

W znanym sposobie, znaki wodne wstawia się po konwencjonalnym kodowaniu. Pojemność dostępna dla znakowania znakiem wodnym zakodowanego sygnału wydaje się być ograniczona.

Celem wynalazku jest zapewnienie takiego sposobu osadzania danych dodatkowych w zakodowanym sygnale audio albo video, który dopuszcza zmianę większej liczby bitów zakodowanego sygnału bez znaczącego pogorszenia wyczuwalnej jakości.

Sposób osadzania danych dodatkowych w sygnale, w którym koduje się sygnał zgodnie z procesem kodowania, zawierającym etap podawania zwrotnego zakodowanego sygnału do utworzenia predykcyjnego procesu kodowania, oraz modyfikuje się, co najmniej jedną, wybraną próbkę zakodowanego sygnału mającą reprezentować dane dodatkowe, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że wybraną próbkę modyfikuje się przed zwrotnym podaniem zakodowanego sygnału oraz modyfikuje się, co najmniej jedną, kolejną próbkę zakodowanego sygnału, poprzedzającą wybraną próbkę, jeżeli okaże się, że modyfikacja tej kolejnej próbki poprawia jakość kodowania.

Podczas dalszej modyfikacji sukcesywnie koduje się segment sygnału wejściowego za pomocą różnych kombinacji kolejnych zmodyfikowanych próbek aż do znalezienia kombinacji odpowiadającej wyższej jakości kodowania.

Korzystnie, podczas dalszej modyfikacji sukcesywnie koduje się segment sygnału za pomocą różnych kombinacji kolejnych zmodyfikowanych próbek, wyznacza się jakość kodowania dla każdej kombinacji i wybiera się kombinację odpowiadającą najwyższej jakości kodowania.

Proces kodowania jest kodowaniem pojedynczego bitu.

Korzystnie, kodowanie jest modulacją sigma-delta.

Jakość kodowania określa się jako najdłuższy szereg kolejnych tych samych wartości zakodowanego sygnału z osadzonymi danymi dodatkowymi.

Korzystnie, jakość kodowania określa się przez amplitudę międzyszczytową występującą w wybranym stopniu filtra pętlowego w modulatorze sigma-delta.

Korzystnie, jakość kodowania określa się przez średnie odchylenie amplitud w wybranym stopniu filtra pętlowego w modulatorze sigma-delta.

Korzystnie, jakość kodowania określa się przez maksymalną wartość amplitudy występującej w wybranym stopniu filtra pętlowego w modulatorze sigma-delta.

Układ do osadzania danych dodatkowych w sygnale, zawierający modulator delta z detektorem biegunowości, dekoderem i z układem odejmującym odbierającym na swym pierwszym wejściu sygnał x, przy czym wyjście układu odejmującego jest dołączone do wejścia detektora biegunowości, a drugie wejście układu odejmującego jest sprzężone z wyjściem dekodera, zaś wyjście detektora biegunowości, poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego, jest połączone z wejściem dekodera, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że w pętlę sprzężenia zwrotnego, między wyjściem detektora biegunowości a wejściem dekodera, jest włączony obwód modyfikacji. Pierwsze wejście tego obwodu modyfikacji jest połączone z wyjściem detektora biegunowości, do drugiego wejścia obwodu modyfikacji jest dołączone wyjście rejestru danych znaku wodnego, a do trzeciego wejścia obwodu modyfikacji jest doprowadzony sygnał selekcji. Natomiast wyjście obwodu modyfikacji jest dołączone do wejścia dekodera i wyjścia urządzenia.

PL 191 867 B1

Drugi wariant układu do osadzania danych dodatkowych w sygnale, zawierający modulator sigma-delta z filtrem pętlowym, detektorem biegunowości i z układem odejmującym, odbierającym na swym pierwszym wejściu sygnał x, przy czym wyjście układu odejmującego jest dołączone do wejścia filtra pętlowego, którego wyjście jest dołączone do wejścia detektora biegunowości, zaś wyjście detektora biegunowości, poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego jest połączone z drugim wejściem układu odejmującego, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że w pętlę sprzężenia zwrotnego, między wyjściem detektora biegunowości a drugim wejściem układu odejmującego, jest włączony obwód modyfikacji. Pierwsze wejście tego obwodu modyfikacji jest połączone z wyjściem detektora biegunowości, do drugiego wejścia obwodu modyfikacji jest dołączone wyjście rejestru danych znaku wodnego, a do trzeciego wejścia obwodu modyfikacji jest doprowadzony sygnał selekcji. Natomiast wyjście obwodu modyfikacji jest dołączone do drugiego wejścia układu odejmującego i do wyjścia urządzenia.

Osadzanie danych dodatkowych przed zwrotnym podaniem sygnału zaproponowano również wnie opublikowanym europejskim zgłoszeniu patentowym zgłaszającego 97200197.8. Uzyskuje się tu kompensację niekorzystnych skutków modyfikacji próbki w kolejnych operacjach kodera. Jednak początkowe zakłócenie modyfikacji próbki pozostaje. Wynalazek opiera się na uznaniu, że jakość kodowania poprawia się bardziej przez rozważną modyfikację jednej albo więcej próbek sygnału poprzedzających wybraną próbkę. W rzeczywistości, zakodowany sygnał zostaje nieznacznie wstępnie zniekształcony aby zminimalizować błędy kodowania, które mają się jeszcze pojawić.

Wynalazek jest szczególnie użyteczny dla osadzania danych dodatkowych w sygnałach kodowanych bitami jednostkowymi. Kodery bitów jednostkowych, jak modulatory delta, modulatory sigma-delta i kodery kształtu szumu wytwarzają jednobitową próbkę wyjściową w każdym etapie kodowania. Zakodowany sygnał jest bardzo podatny na uszkodzenia od znakowania znakiem wodnym. Na przykład, modulatory sigma-delta, które są przeznaczone do zapisywania wysokiej jakości sygnału audio na DVD-Audio z częstotliwością próbkowania 2 822 400 (64*44100) Hz mają stosunek sygnału do szumu 115 dB. Znakowanie znakiem wodnym takiego sygnału modulowanego sigma-delta, w sposób znany, czyli po konwencjonalnym kodowaniu, wydaje się znacznie podnosić szum kwantyzacji. Na przykład, zastąpienie co setnego bitu sygnału audio modulowanego sigma-delta przez bit znaku wodnego podniesie szum kwantyzacji do -60 dB, co oczywiście jest niedopuszczalne. Znakowanie znakiem wodnym, zaproponowane w europejskim zgłoszeniu patentowym 97200197.8 umożliwia zastąpienie co setnego bitu kosztem wzrostu szumu kwantyzacji tylko o 1dB.

Wynalazek poprawia jakość kodowania nie tylko jeżeli chodzi o redukcję stosunku sygnału do szumu. Wiadomo, że modulatory sigma-delta z filtrem pętlowym rzędu >2 powodują niestabilność dla silnych sygnałów wejściowych. Niestabilności zapobiega się zwykle przez uniemożliwienie przekroczenia ustalonego poziomu przez sygnał wejściowy.

Wynalazek zapewnia rozwiązanie problemów niestabilności i ograniczania amplitudy.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania, został objaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ do osadzania danych dodatkowych w sygnale modulowanym delta, na schemacie blokowym; fig. 2-4 przebiegi ilustrujące działanie układu z fig. 1; fig. 5 -sieć działań ilustrującą działanie obwodu modyfikującego z fig. 1; fig. 6 - układ do osadzania danych dodatkowych w sygnale modulowanym sigma-delta, w schemacie blokowym; fig. 7 - filtr modulatora sigma-delta trzeciego rzędu, w schemacie blokowym, stosowany w układzie z fig. 6; fig. 8, 9, 10A-10D, 11A-11C pokazują przebiegi sygnału ilustrujące działanie układu z fig. 6.

Opis wynalazku odnosi się do koderów bitu jednostkowego, ale można tu zastosować również inne rodzaje koderów predykcyjnych, takich jak kodery DPCM (na przykład MPEG). Najpierw zostanie opisany układ modulatora delta, a następnie układ modulatora sigma-delta, którego praktyczne zastosowanie w systemach kodowania jest bardziej prawdopodobne.

Figura 1 pokazuje układ do osadzania danych dodatkowych w sygnale modulowanym delta.

Układ zawiera konwencjonalny modulator delta 1, który zawiera układ odejmujący 11, detektor biegunowości 12 i dekoder 13. Układ odejmujący 11 generuje sygnał błędu predykcyjnego e odejmując sygnał predykcyjny x od sygnału wejściowego x. Błąd predykcyjny e dostaje się do detektora biegunowości 12, który generuje, z szybkością określoną przez częstotliwość próbkowania f_s (niepokazana), próbkę wyjściową „+1” dla x>x i próbkę wyjściową „-1” dla x<x. W pętli sprzężenia zwrotnego 14 znajduje się dekoder 13 (sumator albo integrator), na którego wyjściu uzyskuje się sygnał predykcyjny x.

W konwencjonalnym modulatorze delta pętla sprzężenia zwrotnego 14 jest dołączona do wyjścia detektora biegunowości 12. Na figurze2 są przedstawione: sygnał wejściowy x, sygnał predyk4

PL 191 867B1 cyjny x i zakodowany sygnał wyjściowy y konwencjonalnego modulatora delta. Przy tym, sygnał predykcyjny x jest również sygnałem wyjściowym odbiornika (niepokazanego na fig. 1).

Obwód modyfikacji 2 (fig. 1), który jest włączony pomiędzy detektorem biegunowości 12 a pętlą sprzężenia zwrotnego 14, modyfikuje niektóre wybrane bity wyjściowe detektora biegunowości 12, wodpowiedzi na sygnał selekcji s. W szczególności, obwód modyfikacji 2 zastępuje każdy setny bit zakodowanego sygnału y wzorem danych znaku wodnego w, przechowywanego w rejestrze danych znaku wodnego 3. Alternatywnie, obwód modyfikacji 2 odwraca wybrane bity, a liczba okresów bitowych pomiędzy tymi odwróconymi bitami reprezentuje wzór danych znaku wodnego.

Efekt modyfikacji wybranego bitu 20 zakodowanego sygnału y za pomocą bitu danych znaku wodnego w jest pokazany na fig. 3. Na tej figurze są przedstawione: sygnał wejściowy x (ten sam co na fig. 2), sygnał predykcyjny i zmodyfikowany sygnał zakodowany z. Jak próbowano pokazać na figurze, osadzony bit znaku wodnego 21 ma wartość „-1”, która różni się od wartości „+1” bitu 20 zakodowanego sygnału. Biorąc pod uwagę, że sygnał predykcyjny x jest również sygnałem wyjściowym odbiornika, można łatwo zobaczyć, że modyfikacja bitu zwiększa szum kwantyzacji. Ponieważ zmodyfikowany sygnał zostaje doprowadzany z powrotem do wejścia kodera, błąd kwantyzacji zostanie następnie skompensowany i ewentualnie wyeliminowany.

Obwód modyfikacji 2 (fig. 1) jest tak zaprojektowany, że modyfikuje również, co najmniej jeden z bitów poprzedzających znak wodny, jeżeli okaże się, że poprawia to jakość kodowania. Przykład jest pokazany na fig. 4. Przedstawiono tu: sygnał wejściowy x, sygnał predykcyjny x, zmodyfikowany zakodowany sygnał z i bit znaku wodnego 21. Ponadto, bit 22 poprzedzający bit znaku wodnego 21 jest również zmodyfikowany. Porównanie fig. 3 z fig. 2 pokazuje od razu, że łączny błąd kwantyzacji zostaje dzięki temu dalej zmniejszony. Jakość kodowania podwyższa się znacznie.

W przykładzie pokazanym na fig. 3 dobrą jakość kodowania osiąga się modyfikując bit bezpośrednio poprzedzający bit znaku wodnego. Nie jest to jedyny przypadek. Modyfikacja drugiego, trzeciego itd. bitu poprzedzającego bit znaku wodnego, albo modyfikacja ich kombinacji, może jeszcze bardziej poprawić jakość kodowania.

Aby uzyskać efekt opisany powyżej, układ pokazany na fig. 1 jest dostosowany do wykonywania procesu modulacji delta dla różnych kombinacji poprzedzających bitów i wybierania kombinacji, która daje najlepszy wynik. Wspomniane testowanie różnych kombinacji bitowych jest zwane tu również „przepatrywaniem w przód”, a bity poprzedzające bit znaku wodnego, których modyfikację bierze się pod uwagę, są nazywane bitami „przepatrywanymi w przód”.

Proces modyfikacji wykonuje się pod kontrolą obwodu modyfikacji 2. Obwód może zostać zrealizowany w oprogramowaniu albo w postaci sprzętu, zależnie od aspektów praktycznych takich jak szybkość i złożoność sprzętowa.

Figura 5 pokazuje sieć działań ilustrującą działanie obwodu modyfikacji 2. Zakłada się, że sygnał wejściowy x jest przechowywany na nośniku danych (niepokazanym na fig. 1) i że co setny bit zakodowanego sygnału y ma zostać zastąpiony bitem znaku wodnego w. W tym celu sygnał wejściowy x dzieli się na segmenty, z których każdy zawiera 100 próbek wejściowych x0...x99. Dla każdego segmentu sygnał wyjściowy z zawiera 100 bitów z0...z99, w których bity z0...z2 to trzy bity przeszukiwania w przód, a bit z3 jest bitem znaku wodnego.

W kroku 50 3-bitowo kodowanej binarnie liczbie c nadaje się wartość początkową zero. Liczba c reprezentuje bieżącą kombinację trzech bitów przepatrywanych wprzód. W kroku 51 trzy bity liczby c przypisuje się do z0...z2. To znaczy, zi ustawia się na „+1”, jeżeli odpowiadający bit c wynosi „1”, albo ustawia się na „-1”, jeżeli odpowiadający bit c wynosi „0”. Również w kroku 51 bieżący bit znaku wodnego w, przeznaczonego do osadzenia, przypisuje się do z3 w ten sam sposób. W podprocedurze 52 proces modulacji delta stosuje się dla określonej liczby próbek wejściowych, na przykład x0...x20, aby obserwować zachowanie pętli dla przypisanych wstępnie wartości z0...z3. Odpowiednią sekwencję bitów wyjściowych z₀...z₂₀ zapamiętuje się w pamięci buforowej (nie pokazanej na fig. 1). W kroku 53 wyznacza się jakość kodowania Q(c) procesu modulacji delta dla bieżącej kombinacji c bitów przepatrywanych w przód i zapamiętuje się ją w pamięci buforowej. W tym przykładzie, jakość kodowania jest reprezentowana przez średni błąd kwadratowy (MSE) pomiędzy sygnałem wejściowym i sygnałem predykcyjnym:

2o

MSE(c)=^(xn -Xn )² n=o

PL 191 867 B1

Liczba c zostaje następnie zwiększona o jeden (krok 54), aby utworzyć nową kombinację bitów przepatrywanych wprzód z0...z2 i obliczyć odpowiadającą wartość MSE(c). Modulację delta sekwencji x0...x20 powtarza się tak długo, aż zostaną przetworzone wszystkie kombinacje (krok 55). Jest oczywiste, że stosuje się za każdym razem te same sygnały początkowe integratora. Jeżeli przetworzono już wszystkie kombinacje, w kroku 56 wyznacza się maksymalną jakość kodowania Q(c). W tym celu wyszukuje się w pamięci buforowej liczbę c, dla której MSE(c) jest minimalne. W kroku 57 zakodowaną sekwencję z0...z20, odpowiadającą temu minimalnemu MSE, odczytuje się z pamięci buforowej i doprowadza do wyjścia kodera. Następnie, w podprocedurze 58 koduje się pozostałe próbki x21...x99 segmentu próbek wejściowych i, w kroku 59, doprowadza na wyjście kodera. Po takim zakodowaniu segmentu 100 próbek wejściowych układ wraca do kroku 50, aby przetworzyć następny segment.

Należy zauważyć, że niektóre wartości parametrów opisanego wyżej procesu kodowania, takie jak długość segmentu (tutaj 100), liczba bitów przepatrywanych wprzód (tutaj 3), liczba bitów wyjściowych, które są szacowane (tutaj 20), są podane tylko tytułem przykładu. Jakość kodowania można wyrazić także za pomocą innych parametrów, np. za pomocą największej różnicy pomiędzy próbką wejściową x_n i odpowiadającą jej predykcją x.

Modulację sigma-delta przeznacza się do zapisu sygnału audio wysokiej jakości na nośniku DVD (Digital Versatile Disk). Różni się ona od modulacji delta tym, że sygnał wejściowy x przed zakodowaniem filtruje się za pomocą tego samego filtru, który znajduje się w pętli predykcyjnej modulatora delta. Filtr w gałęzi wejściowej i filtr w gałęzi sprzężenia zwrotnego zostały zastąpione przez pojedynczy filtr w torze w przód pętli kodującej.

Pokazany na fig. 6 układ do osadzania dodatkowych danych w modulowanym sygnale sigmadelta zawiera konwencjonalny modulator sigma-delta 6, który obejmuje układ odejmujący 61, filtr pętlowy 62, detektor biegunowości 63 i pętlę sprzężenia zwrotnego 64. Układ odejmujący 61 odejmuje zakodowany sygnał wyjściowy z (mający wartość „+1 albo „-1) od sygnału wejściowego x. Sygnał różnicowy d jest filtrowany przez filtr 62. Odfiltrowany sygnał f doprowadza się do detektora biegunowości 63, który, z szybkością określoną przez częstotliwość próbkowania fs (niepokazaną), generuje bit wyjściowy „+1, dla f>0, albo bit wyjściowy „-1, dla f<0. Ten sam obwód modyfikacji 2 (jak pokazany na fig. 1) jest włączony pomiędzy detektor biegunowości 63 a pętlą sprzężenia zwrotnego 64. Wodpowiedzi na sygnał selekcji s, obwód modyfikacji 2 zastępuje bit zakodowanego sygnału y przez bit znaku wodnego w, który jest przechowywany w rejestrze danych znaku wodnego 3.

W praktycznych modulatorach sigma-delta stosuje się różne filtry pętlowe 62. W niniejszym opisie, dla przykładu, zastosowano filtr trzeciego rzędu przedstawiony na fig. 7. Filtr pętlowy 62 zawiera trzy integratory, które są połączone kaskadowo. Trzy sygnały wyjściowe integratorów są oznaczone odpowiednio przez a, b, c. Sygnał wyjściowy f filtra pętlowego 62 jest sumą ważoną sygnałów integratora. Liczba całkowita poprzedzona # w każdym integratorze oznacza maksymalną wartość próbki, którą może zachować dany integrator. Próbki sygnału przekraczające maksymalną wartość są obcinane. Obcinanie ma związek z przykładami wykonania modulatora sigma-delta.

Na figurze 8 przedstawione są przebiegi sygnału ilustrujące działanie układu modulatora sigma-delta, gdy obwód modyfikacji 2 jest nieaktywny. W szczególności: sygnał wejściowy x, zakodowany sygnał z, sygnał różnicowy d i sygnał odfiltrowany f. Pokazane są również trzy sygnały wyjściowe integratora a, b i c. Przeciętną wartość sygnału wyjściowego modulatora sigma-delta reprezentuje poziom wejściowy. W tym przykładzie, sygnał wejściowy x jest na poziomie 0,5V prądu stałego, co jest kodowane jako strumień bitów zawierający (przeciętnie) trzy bity „+1” i jeden bit „-1”, zgodnie z zależnością:

3x(+1) + 1x(-1) = ₀₅4 ^,

Figura 9 przedstawia przebiegi, ilustrujące efekt osadzenia bitu znaku wodnego 90 w wyjściowym zakodowanym sygnale z.Pokazane są te same sygnały co na fig. 8.Porównanie obu figur pokazuje, że bit znaku wodnego wprowadza dłuższe szeregi tych samych wartości bitów w sygnale zakodowanym z, co wskazuje na wzrost szumu kwantyzacji. Znak wodny powoduje również występowanie większych amplitud sygnału w integratorach, szczególnie w sygnale wyjściowym trzeciego integratora c. Oczywiście jest to spełnione tylko wtedy, gdy bit znaku wodnego i „zwykłe” bity wyjściowe mają przeciwne wartości.

Figura 10A-10D pokazują zakodowany sygnał z i sygnał wyjściowy trzeciego integratora c, wróżnych warunkach. Przebiegi sygnałów pokazane na fig. 10A i 10B są takie same, jak odpowiadające im przebiegi pokazane na fig. 8 i 9, bez znaku wodnego 90 i ze znakiem wodnym 90, odpowiednio. Figura 10C ilustruje efekt ustawienia bitów przepatrywanych wprzód 91 i 92, na „+1” i „-1”, odpo6

PL 191 867B1 wiednio. Przez porównanie z fig. 10B widać, że amplituda sygnału wyjściowego trzeciego integratora jest mniejsza, a długość kolejnych jedynek w zakodowanym sygnale jest skrócona. Zatem błąd kwantyzacji zmniejsza się. Figura 10D pokazuje, że działanie modulatora sigma-delta poprawia się jeszcze bardziej przez kolejne ustawienie bitów przepatrywanych wprzód, mianowicie przez ustawienie obu bitów przepatrywanych wprzód 91 i 92 na „+1”.

Algorytm do wyznaczania, która kombinacja bitów przepatrywanych wprzód zapewnia najlepszą jakość kodowania, może być taki sam, jak opisany dla modulatorów delta z fig. 5. Tak więc jakość Q(c) kodowania danej sekwencji próbek wejściowych (na przykład x0...x20) wyznacza się dla różnych kombinacji c bitów przepatrywanych wprzód (na przykład z0...z2). Wtedy wybiera się sekwencję wyjściową odpowiadającą najwyższej jakości kodowania Q. Ponieważ zdekodowany sygnał nie jest dostępny w koderze sigma-delta, średni błąd kwadratowy jest mniej korzystnym kryterium dla jakości kodowania. Okazało się, że następujące parametry bardzo się nadają do reprezentowania jakości kodowania Q. Mają dodatkowo tę zaletę, że można je łatwo wyliczyć.

• Najdłuższy szereg kolejnych takich samych wartości w sekwencji z0..z20. Te najdłuższe szeregi są oznaczone przez R na fig. 10B-10D. Wybiera się wtedy sekwencję mającą „najkrótszy z najdłuższych szereg kolejnych takich samych wartości. Oczywiście, w tym przykładzie najlepszy wybór to opcja to sekwencja, dla której R=4 (fig. 10D).

• Wartość międzyszczytowa występująca w danym integratorze. Wartość międzyszczytowa w trzecim generatorze jest oznaczana przez V na fig. 10B-10D. Wybiera się tu sekwencję mającą najniższą wartość. Znowu, najlepszą opcją jest sekwencja pokazana na fig. 10D. Okazało się, że trzeci integrator jest bardzo korzystny, nawet gdy stosuje się filtr wyższego rzędu (>3).

• Średnie odchylenie wartości sygnału w danym integratorze.

Kolejnym kryterium wyboru kombinacji bitów przepatrywanych wprzód może być występowanie (albo brak występowania) nadmiaru w danym integratorze. Ponieważ modulatory sigma-delta są bardzo czułe na poziomy sygnałów wejściowych (w przeciwieństwie do modulatorów delta, które są czułe na zbocza sygnału wejściowego), nadmiar może łatwo wystąpić w odpowiedzi na osadzenia bitu znaku wodnego. Jak już wspomniano w odniesieniu do fig. 7, integratory są zabezpieczone przed nadmiarem za pomocą mechanizmu obcinającego, który utrzymuje sygnał wyjściowy każdego integratora na maksymalnej wartości.

Figura 11A-C przedstawiają zakodowany sygnał z i sygnał wyjściowy c trzeciego integratora w warunkach obcięcia. Sygnał wejściowy x jest na poziomie 0,5V prądu stałego. Figura 11A przedstawia sygnał bez znaku wodnego. Na figurze 11B bit znaku wodnego 95 jest osadzony w zakodowanym sygnale. Jego położenie różni się nieco od położenia bitu znaku wodnego 90 w poprzednich przykładach. Liczbą 96 oznaczono obcięcie trzeciego integratora na skutek osadzenia bitu znaku wodnego 90. W przykładzie wykonania obwodu modyfikacji testuje się różne kombinacje bitów przepatrywanych wprzód aż do znalezienia kombinacji, w której nie występuje już obcięcie. Przykład tego jest przedstawiony na fig. 11C, która pokazuje efekt ustawienia bitu przepatrywanego wprzód 97 na „+1.

Reasumując, ujawniony sposób i układ ma zastosowanie do znakowania znakiem wodnym sygnału audio albo video. Sygnał jest kodowany za pomocą kodera, zawierającego pętlę sprzężenia zwrotnego, do sterowania procesem kodowania. Może to być koder DPCM albo modulator sigmadelta. Znak wodny osadza się modyfikując wybrane próbki zakodowanego sygnału. Modyfikację przeprowadza się przed zwrotnym doprowadzeniem zakodowanego sygnału tak, że błędy kwantyzacji wprowadzone przez osadzony znak wodny zostają wyeliminowane przez kolejne operacje kodowania. Ponadto, jedną albo więcej próbek, poprzedzających wybraną próbkę, również modyfikuje się w taki sposób, że błąd spowodowany przez znak wodny coraz bardziej się zmniejsza.

Uzyskuje się to poprzez „przepatrywanie wprzód” poprzednich bitów, których modyfikacja (albo ich kombinacja) daje najlepszą jakość kodowania.

Claims

1. Sposób osadzania danych dodatkowych w sygnale, w którym koduje się sygnał zgodnie z procesem kodowania zawierającym etap podawania zwrotnego zakodowanego sygnału do utworzenia predykcyjnego procesu kodowania, oraz modyfikuje się, co najmniej jedną, wybraną próbkę zakodowanego sygnału mającą reprezentować dane dodatkowe, znamienny tym, że wybraną próbkę (21) modyfikuje się przed zwrotnym podaniem zakodowanego sygnału y oraz modyfikuje się, co najmniej

PL 191 867 B1 jedną, kolejną próbkę (22) zakodowanego sygnału y, poprzedzającą wybraną próbkę (21), jeżeli okaże się, że modyfikacja tej kolejnej próbki (22) poprawia jakość kodowania.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas dalszej modyfikacji sukcesywnie koduje się segment sygnału wejściowego x za pomocą różnych kombinacji kolejnych zmodyfikowanych próbek (90, 91, 92) aż do znalezienia kombinacji odpowiadającej wyższej jakości kodowania.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas dalszej modyfikacji sukcesywnie koduje się segment sygnału za pomocą różnych kombinacji kolejnych zmodyfikowanych próbek (90, 91, 92), wyznacza się jakość kodowania dla każdej kombinacji i wybiera się kombinację odpowiadającą najwyższej jakości kodowania.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces kodowania jest kodowaniem pojedynczego bitu.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że kodowanie jest modulacją sigma-delta.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jakość kodowania określa się jako najdłuższy szereg kolejnych tych samych wartości zakodowanego sygnału z osadzonymi danymi dodatkowymi.

7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jakość kodowania określa się przez amplitudę międzyszczytową występującą w wybranym stopniu filtra pętlowego w modulatorze sigma-delta.

8. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jakość kodowania określa się przez średnie odchylenie amplitud w wybranym stopniu filtra pętlowego w modulatorze sigma-delta.

9. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jakość kodowania określa się przez maksymalną wartość amplitudy występującej w wybranym stopniu filtra pętlowego w modulatorze sigma-delta.

10. Układ do osadzania danych dodatkowych w sygnale, zawierający modulator delta z detektorem biegunowości, dekoderem i z układem odejmującym odbierającym na swym pierwszym wejściu sygnał x, przy czym wyjście układu odejmującego jest dołączone do wejścia detektora biegunowości, a drugie wejście układu odejmującego jest sprzężone z wyjściem dekodera, zaś wyjście detektora biegunowości, poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego, jest połączone z wejściem dekodera, znamienny tym, że w pętlę sprzężenia zwrotnego (14) między wyjściem detektora biegunowości (12) a wejściem dekodera (13) jest włączony obwód modyfikacji (2), którego pierwsze wejście jest połączone z wyjściem detektora biegunowości (12), do drugiego wejścia obwodu modyfikacji (2) jest dołączone wyjście rejestru danych znaku wodnego (3), a do trzeciego wejścia obwodu modyfikacji (2) jest doprowadzony sygnał selekcji s, natomiast wyjście obwodu modyfikacji (2) jest dołączone do wejścia dekodera (13) i wyjścia urządzenia.

11. Układ do osadzania danych dodatkowych w sygnale, zawierający modulator sigma-delta z filtrem pętlowym, detektorem biegunowości i z układem odejmującym, odbierającym na swym pierwszym wejściu wymieniony sygnał x, przy czym wyjście układu odejmującego jest dołączone do wejścia filtra pętlowego, którego wyjście jest dołączone do wejścia detektora biegunowości, zaś wyjście detektora biegunowości, poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego jest połączone z drugim wejściem układu odejmującego, znamienny tym, że w pętlę sprzężenia zwrotnego (64), między wyjściem detektora biegunowości (63) a drugim wejściem układu odejmującego (61), jest włączony obwód modyfikacji (2), którego pierwsze wejście jest połączone z wyjściem detektora biegunowości (63), do drugiego wejścia obwodu modyfikacji (2) jest dołączone wyjście rejestru danych znaku wodnego (3), a do trzeciego wejścia obwodu modyfikacji (2) jest doprowadzony sygnał selekcji s, natomiast wyjście obwodu modyfikacji (2) jest dołączone do drugiego wejścia układu odejmującego (61) i do wyjścia urządzenia.