Optimizing Embedding Process in Audio Watermarking

Every day the amount of recorded audio data and the possibilities to distribute it (i.e. by the Internet, CD recorders, etc) are growing. These factors can lead to an increase in the illicit recording, copying and distributing of audio material without respect to the copyright or intellectual property of the legal owners. In this context, audio watermarking has become a technology of choice for copyright protection applications in the music industry, and it can be used in a wide variety of applications, like copy protection, monitoring or distribution tracing. All these applications share the same requirements concerning the embedding of a robust and not perceivable watermark into the raw data. In addition to the general requirements of the quality of the watermarked copies, the robustness and security of the embedded watermarks, some applications extend the range of the necessary features of the underlying algorithm. For example in so-called media-on-demand applications media data like delivering MP3 files or MPEG-movies multiple users have to be served simultaneously. In order to enable customer identification or distribution tracking, different watermarks have to be embedded right at the time of delivery. To build such a service a necessary assumption about the underlying watermarking method is not only to embed the watermarks in real-time but in a multiple thereof. In application scenarios like active broadcasting and large-scale production of watermarked audio CDs, the embedding time is also of prime importance for the applicability of a watermarking system. Therefore, the watermarking can even not be applied in several applications if the embedding process is to slow. In this diploma thesis, concepts to improve the speed of block-based watermarking algorithms are proposed. In this present thesis, we use the ACWA algorithm developed by Fraunhofer IGD as an instance to illustrate how to accelerate embedding speed in a block-based watermarking system. The way from idea to implementation was detailed. The fast watermarking system based on proposed concepts can be integrated into an audio-on-demand model. We also proposed a solution to choose a suitable watermarking system considering several scenarios. The principal benefits that can be expected from the proposed concepts are the following: - The concepts presented are independent of the underlying watermarking approach as long as the method used is a block-based one. - The developed fast watermarking system can be used in a wide range of applications in which the speed of embedder is of vital importance besides the requirement of quality and robustness of the watermarked copies. - Because speed of embedder can be viewed not only as technological but also as economic issue on the business models involved, the presented concepts can help building media-on-demand service on the Internet. - The fast watermarking system separates the use of perceptual model from watermarking process, and shares the result of perceptual analysis. Therefore, it makes change of perceptual model possible. Furthermore, it is flexible to use considering several data formats. In letzter Zeit ist die Musikindustrie mit einer unausweichlichen Tatsache konfrontiert: Bespielbare CDs (CD-Rs, CD-RWs), hochwertige Internet-Musikdateien (im MP3-Kompressionsformat) und Tauschbörse der Musikdaten stehen gegenwärtig für eine der massivsten Bedrohungen der internationalen Musikindustrie. Vor diesem Hintergrund kann das digitale Wasserzeichen-Verfahren (Watermarking-Verfahren) dazu einen Beitrag leisten, eine Gegenmaßnahme gegen Vertreiben illegaler Kopien zu entwickeln. Das Watermarking-Verfahren lässt sich in verschiedene Anwendungsszenarien einsetzen, z.B. Identifikation des Urhebers, Identifikation des Musikstückes und Identifikation des Kunden. In Bezug auf solche Anwendungen soll ein Wasserzeichen-Verfahren verschiedene Anforderungen erfüllen, z.B. die Unhörbarkeit der markierten Datei, die Robustheit des eingebetteten Wasserzeichens und die Sicherheit des Wasserzeichen-Systems. Ferner gibt es weitere Anwendungen, die eine hohe Geschwindigkeit beim Einbetten von Wasserzeichen anfordern, sollte das Watermarking-Verfahren in solche Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel: Audio-On-Demand Service im Internet, oder Live Übertragung. Dies gilt auch für Massenproduktion mit Wasserzeichen markierter CDs. Solange der Einbettungsprozess die geforderte Geschwindigkeit nicht erreicht, bleibt das Watermarking-Verfahren für diese Anwendungen nicht einsetzbar. Verschiedene Lösungskonzepte zum Beschleunigen des Einbettungsprozesses wurden in dieser Diplomarbeit entwickelt. Das von Fraunhofer IGD entwickelten ACWA-Verfahren wurde als Beispiel eines blockbasierten Verfahrens dementsprechend optimiert. Das auf den Konzepten basierte Fast Watermarking System wurde im Lauf der Diplomarbeit implementiert. Für verschiedene Anwendungsszenarien wurde ein geeignetes Lösungskonzept vorgeschlagen. Ausführlich wurde die Anwendung von Audio-On-Demand diskutiert. Anschließend wurden die Geschwindigkeitsbesserung, die Qualität der mit Fast Watermarking System markierten Audiodaten und die Robust des eingebettet Wasserzeichen evaluiert. Zusammenfassend hat Fast Watermarking Verfahren folgende Vorteile: - Erst die Geschwindigkeitsverbesserung ermöglicht Einsatz der Watermarking-Verfahren in verschiedenen Anwendungen. - Geschwindigkeit kann unter Kostenaspekt betrachtet werden. Somit hilft es beim Aufbau einer Audio-On-Demand Service - Fast Watermarking Verfahren ist auf alle blockbasierten Verfahren anwendbar - Fast Watermarking Verfahren kann ein blockbasiertes Watermarking-Verfahren echtzeitfähig machen - Das psychoakustische Modell wird als Komponente vom Hauptprozess abgetrennt. Somit ist zukünftige Anpassung von verbesserten PAM möglich