水印檢測的方法與裝置的製作方法

2023-09-22 11:21:45 1

專利名稱：水印檢測的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於檢測在一個信息信號中的水印的方法，該信息信號可能已經通過根據一個水印圖案的(時域或空間)相應值修改所述信息信號值來附加了水印。本發明還涉及一個用於檢測水印的裝置。
背景技術：
在國際專利申請WO-A-98/03014中公開了一個在開頭段中定義的現有方法。水印通過計算所懷疑的信息信號與一個提供的水印圖案的相關值，並將該相關值與一個預定閾值相比較來檢測。如果該相關值大於閾值，則說水印存在，否則說水印不存在。該相關值越大，則檢測越可靠，可以允許更多的處理直至不能檢測出更多的水印。如WO-A-98/03014所公開的，該信息信號和/或水印圖案可以在計算相關值之前通過匹配濾波。從而可以顯著地改善水印檢測的可靠性。
現有的水印檢測方法的一個問題是相對於信息信號而言，水印圖案的(時域或空域)位置並不是完全知道的。如果提供給檢測器的水印位置與嵌入時的位置不同，則相關值將很小，而可能錯誤地檢測為水印不存在。
本發明的目的和概述本發明的一個目的是進一步改善檢測一個水印的方法。
該目的通過權利要求1中所限定的方法和權利要求6中所限定的裝置來實現。而在從屬權利要求中限定了可取的實施例。
本發明認識到對於水印的大量可能位置而言，信息信號和所提供的水印的相關值最好在傅立葉域計算，檢測的穩健性和可靠性可以通過在相關之前提供對稱相位只匹配濾波(SPOMF)給信息信號和水印來改善。SPOMF，它可在圖案識別領域中已知，假定傅立葉係數的相位中攜帶了相關性檢測所需的多數有關信息。由此，復傅立葉係數的幅度被規範化以具有基本相同的幅度。
雖然在SPOMF的表達中的形容詞「對稱」指同時對信息信號和水印進行濾波，本發明人已發現將傅立葉變換後的信息信號規範化對相關性檢測的改善貢獻最大。對傅立葉變換後的水印的幅度規範化構成本發明的一個實施例。
規範化復傅立葉係數的幅度的步驟包括將每一個傅立葉係數除以其絕對值。然而，本發明人還發現如果將每一個係數除以其實部或虛部(根據其中誰最大)不會使檢測強度顯著降低。這對於規範化(該幅度可以在1和
之間變化)的一個近似，但相當大地減少了計算量。
附圖簡述

圖1示意性顯示了一個用於將一個水印嵌入信號的裝置。
圖2和3顯示了一個圖1所示的嵌入器的操作的示意圖。
圖4示意性顯示了一個用於檢測該嵌入的水印的裝置。
圖5，6A，和6B顯示了一個圖4所示的檢測器的操作的示意圖。
圖7顯示了一個用於回放一個具有嵌入水印的視頻比特流的設備。
圖8示意性地顯示了一個用於根據本發明檢測該嵌入水印的裝置的實施例。
圖9A和9B顯示了圖8所示的檢測器的操作示意圖。
圖10示意性顯示了根據本發明用於檢測該嵌入水印的裝置的另一個實施例。
優選實施例詳述為方便起見，根據本發明的嵌入水印機制將用一個用於將不可見標記附在視頻內容上的系統來描述，但所述原理明顯也可用於其他內容，包括音頻和多媒體。我們將在下文中將該方法稱為JAWS(只是另一個嵌入水印系統)。
圖1顯示了一個用於提供背景信息的水印嵌入器的實用實施例。該嵌入器包括一個產生一幅圖象的圖象源11，和將水印W加到該圖象P上的加法器12。該水印W是一個與圖象大小一樣的噪聲圖案，例如水平為N1個象素而垂直為N2個象素。該水印W代表了一個密鑰K，即將在接收端提取的多-比特碼。
為避免為在大的N1×N2空間上搜索水印W所需的水印檢測過程，可以在圖象的範圍內通過重複，和如果需要，切斷被稱為「瓦片」(「tile」)W(K)的較小單元來產生水印。瓦片W(K)具有一個固定的尺寸M×M。該瓦片尺寸M不應太小較小的M意味著在W(K)中的對稱，並因此有更大的安全隱患。另一方面，M不應太大一個大的M值意味著對於檢測器的大的搜索空間，並因此帶來更大的複雜性。在JAWS中，我們選擇M＝128作為折衷。
接著計算(16)局部深度映射圖或可見度屏障λ(P)。在每一象素位置，λ(P)提供了一個用於附加噪聲的量度。映射圖λ(P)被構建為具有等於1的平均值。隨後用λ(P)調製(17)擴展序列W(K)，即在每一位置平鋪的水印W(K)乘以在該位置的λ(P)的可見度值。因此所得的噪聲序列W(K，P)取決於密鑰K和P的圖象內容。我們成W(P，K)為適應性水印，因為它適應於圖象P。
最後，最終水印的強度由一個全局深度參量d決定，d提供了一個W(K，P)的全局比例(18)。一個大的d值對應於一個穩健但可能可見的水印。一個小的d值對應於一個幾乎不可感知但不穩健的水印。d的實際選擇可以是在穩健性與感知度要求之間的折衷。水印圖象Q通過將W＝d×W(K，P)與P相加(12)，四捨五入為了整象素值並限制到所允許的象素值範圍中來獲得。
為了將多位碼K嵌入水印W中，可以由有限組的非相關基本或原始瓦片{W1...Wn}和其移動版本根據以下公式來構建每一瓦片W(K)，W(K)=i,jsijshift(Wi,kij)]]>這裡「shift(Wi，
)」代表了一個基本M*M瓦片Wi繞一個矢量
周期性旋轉的一個空域移動。符號s∈{-1，+1}而移動k通過一個編碼函數E(13)而取決與密鑰K。檢測器的任務是在檢索到符號sI和移動kj後重構K。注意，每一基本瓦片Wi可以產生幾次。在圖1中，編碼器13產生W(K)＝W1+W2-W2』，其中W2』是W2的移動版本。圖3圖示說明了這一操作過程。
圖4顯示了一個水印檢測器的原理示意圖。水印檢測器接收可能嵌入水印的圖象Q。在JAWS中不是對每一單獨幀，而是對幀組進行水印檢測。通過將許多幀累加(21)，可以改善檢測的統計特性並因此改進檢測的可靠性。隨後，累加的幀分離為(22)一些大小為M×M(M＝128)的塊，而所有的塊堆積在(23)一個大小為M×M的緩存器q中。該操作被稱為摺疊。圖5示出了這一摺疊過程。
檢測過程中的下一步驟是確定在緩存器q中一個特定噪聲圖案的存在。為了檢測該緩存器q中是否包括一個特定的水印圖案W，將緩存器內容與所述水印圖案進行相關。計算一個懷疑的信息信號q與一個水印圖案w之間的相關性包括計算該信息信號值與該水印圖案的相應值的內積d＝q，w。對應一個一維信息信號q＝{qn}和水印圖案w＝{wn}，所述計算過程可以寫為以下數學形式d=1Nn=1Nqnwn]]>對於二維M×M圖象q＝{qij}而水印圖案W＝{wij}，內積為d=1M2i=1Mj=1Mqijwij]]>理論上，瓦片Wi繞其移動的矢量ki可以通過連續地將Wi和不同的矢量k提供給檢測器，而確定對應哪一個k，其相關性最大。然而，這種強制搜索算法太浪費時間。此外，圖象W在水印檢測之前可能經歷了各種形式的處理過程(諸如移動或剪裁)，這樣檢測器將不知道基本水印圖案Wi相對於圖象的空間位置。
替換強制搜索，JAWS利用了圖案W(K)的結構。為確定這些原始圖案，其符號和移動的存在而檢測緩存器q。圖象q與一個通過一個矢量k(水平方向為kx象素而垂直方向為ky象素)而移動的原始圖案w的相關度dk為dk=1M2i=1Mj=1Mqijwi+kx,j+ky]]>使用快速傅立葉變換同時計算一個基本圖案WI的所有可能移動矢量k的相關值dk。如圖4所示，緩存器q的內容和該基本水印圖案Wi分別在變換電路24和25中都經歷了一次快速傅立葉變換(FFT)。這些操作過程如下q^=FFT(q)]]>和w^=FFT(w)]]>這裡
和
為複數組。
計算相關值類似於計算q與WI的共軛的卷積。在變換域，這對應於如下公式d^=q^conj(w^)]]>這裡符號表示逐點相乘，而conj表示將變量的虛部的符號反相。在圖4中，
的共軛由共軛電路26實施，而逐點相乘由乘法器27實施。現在通過將所述乘法的結果進行逆傅立葉變換而獲得該組相關值d＝{dk}d=IFFT(d^)]]>該運算在圖4中由逆FFT電路28實施。如果一個相關值dk大於一個給定閾值，則檢測存在一個水印圖案Wi。
圖6A顯示了如果在圖象Q中檢測到一個水印圖案W1的存在時的相關值dk的曲線。峰61指示確實發現W1。該峰的位置(0，0)顯示提供給檢測器的圖案W1相對於圖象Q的空域位置碰巧與提供給嵌入器的圖案W1相對於圖象Q的空域位置相同。圖6B顯示了如果水印W2提供給檢測器時的相關值曲線。現在發現兩個峰。在(0，0)的正峰62表示了水印W2的存在，而在(48，80)的負峰63表示了水印-W2』的存在。後一個峰63與峰62(或，類似的，峰61)的相對位置揭示了W2』相對W2的相對位置(以象素為單位)，即位移矢量k。所嵌入數據K由所發現的矢量而獲得。
所嵌入的信息可以標識諸如版權所有者或內容的描述。在DVD的防止複製機制中，它允許材料被標註為「只複製一次」，「未複製」，「無限制」，「不再複製」，等等。圖7示出了一個用於回放記錄在光碟71中的MPEG比特流的DVD驅動器。所記錄的信號經一個開關72提供給一個輸出端子73。輸出端子連接到一個外部MPEG解碼器和顯示設備(未示出)。假定該DVD驅動器不可回放具有預定嵌入水印的視頻信號，除非其他與本發明不相關的條件實現。例如，嵌入水印的信號只在光碟71包括一給定「搖擺式」密鑰時才可被回放。為了檢測水印，該DVD驅動器包括一個如上所述的水印檢測器74。該檢測器接收所記錄的信號並響應於水印是否檢測到來控制開關72。
傅立葉係數
為複數，也即，它們具有一個實部和一個虛部，或一個幅度和一個相位。本發明人已發現如果去掉該幅度信息而只考慮該相位信息，則檢測器的可靠性將顯著提高。圖8示出了根據本發明的檢測器的相關電路的一個實施例。該實施例不同於圖4所示的實施例，其中在乘法器27和逆傅立葉變換電路30之間插入了一個幅度規範化電路30。規範化電路的操作包括逐點地將每一係數除以它的幅度。數學公式為d^=d^abs(d^)----(1)]]>這裡Φ表示逐點相除而abs表示abs(d^k)=R(d^k)2+I(d^k)2----(2)]]>這裡R和I分別表示該變量的實部和虛部。
幅度的所述規範化被稱為對稱的僅相位匹配濾波(SPOMF)。圖9A和9B顯示了SPOMF相關的效果。更具體地，圖9A示出了當使用線性相關，即沒有幅度規範化電路時的係數值d00。在整個標準偏差矩陣的單元中表示的係數值d00的數值為9.79。圖9B顯示了當使用SPOMF相關時的係數值。該係數值d00現在為標準偏差的62.77倍。可取的是，圖9B中的峰可以比圖9A中的峰更可靠地檢測。
因為對
的幅度的規範化等效於對
和
的幅度的規範化，所以圖8中的規範化電路30可以由在FFT電路24和25之後的兩個規範化電路來代替。然而，由於所嵌入的水印實際上是偽隨機噪聲圖案，其中每一樣本都是獨立和相同地從一個標準分布中提取，所以它將已是一個合理的白(平坦)頻譜。由此來看，只對信息信號幅度的規範化已被發現是足夠的。圖10顯示了這樣一個實施例。該幅度規範化電路30現在位於FFT電路24與乘法器27之間。在這一實施例中，
的幅度並非精確，但基本上是相同的。
還可進一步注意到所提供的水印Wi的FFT和共軛(例如在圖4，8和10中分別為電路25和26)以及
的幅度的可選性規範化可以預先計算並存儲在存儲器中。
本發明人已進一步發現如果對於規範化運算使用一個更進一步的近似，檢測強度不會顯著降低。除了如公式(1)和(2)所限定的，將每一傅立葉係數除以其幅度以外，將每一係數根據哪一個大而除以其虛部或實部就足夠了。從而，該幅度將在1和
之間變化，而檢測強度只降低1％。優點是降低了計算複雜度，因為在公式(2)中的平方根不需要計算了。在這個實施例中，規範化電路30執行以下算法ifR(d^k)I(d^k)]]>thend^k:=d^k/R(d^k)]]>elsed^k:=d^k/I(d^k)]]>這裡
為
(對於其他情形，或是
或
)的復傅立葉係數，
和I(
分別是
的實部和虛部，而/表示除法。
如果規一化運算只包括2為冪的除法，則可以進一步降低複雜度。則該幅度將在1和
之間變化，該檢測強度將降低2.5％。以2為冪的除法在大多數通用浮點數系統中特別有效，其中復係數的實部和虛部表示為sign·mantissa·2exp這裡mantissa是一個在1與2之間的數的定點表示。上述規範化運算現在可以簡化如下ifexp(R(d^k))exp(I(d^k))]]>thenfdivider:=exp(R(d^k))]]>elsedivider:=exp(I(d^k))]]>exp(R(d^k))=exp(R(d^k))-divider]]>exp(I(d^k))=exp(I(d^k))-divider]]>總之，本發明公開了一種用於檢測在一個信息(例如圖象或視頻)信號中的水印的改進方法和裝置。通過在檢測在所懷疑的圖象(q)和將被檢測的水印(Wi)之間的相關性數值之前將所述信號經過對稱僅相位匹配濾波(24-28，30)而使得檢測更可靠和較不脆弱。
權利要求
1.一種用於檢測在一個信息信號中的水印的方法，包括以下步驟-計算一個表示所述信息信號與所述水印的相關性的值；和-檢測所述相關性值是否大於一個預定閾值；其特徵在於-所述計算過程包括將該信息信號和水印傅立葉變換為各自的傅立葉係數，將相應的係數相乘以獲得表示相關性值的傅立葉係數，以及對表示該相關性值的傅立葉係數逆變換的步驟，每一個表示相關性值的傅立葉係數相應於該水印相對於該信息信號的多個位置中的一個，所述檢測步驟包括檢測是否有至少一個所述相關性值大於預定閾值；該方法還進一步包括將表示該相關性值的傅立葉係數規範化為基本相同幅度的步驟。
2.權利要求1中所述的方法，其中，所述規範化步驟被用於表示該信息信號的傅立葉係數。
3.權利要求2中所述的方法，其中，所述規範化步驟還進一步用於表示該水印的傅立葉係數。
4.權利要求1中所述的方法，其中，所述規範化步驟包括將每一傅立葉係數除以其自身幅度。
5.權利要求1中所述的方法，其中，所述規範化步驟包括將每一傅立葉係數根據其實部和虛部哪一個大而除以其實部或虛部。
6.權利要求5中所述的方法，其中，所述除法包括以2為冪的除法。
7.一種用於檢測在一個信息信號中的水印的裝置，包括-用於計算一個表示所述信息信號與所述水印的相關性的值(d)的裝置(24-28)；和-用於檢測所述相關性值是否大於一個預定閾值的裝置(29)；其特徵在於-所述計算裝置包括用於將該信息信號和水印傅立葉變換為各自的傅立葉係數的裝置(24，25)，用於將相應的係數相乘以獲得表示相關性值的傅立葉係數的裝置(27)，以及用於對表示該相關性值的傅立葉係數逆變換的裝置(28)，每一個表示相關性值的傅立葉係數相應於該水印相對於該信息信號的多個位置中的一個；-所述檢測裝置(29)被配置來檢測是否有至少一個所述相關性值大於預定閾值；-該裝置還進一步包括用於將表示該相關性值的傅立葉係數規範化為基本相同幅度的裝置(30)。
8.一種用於記錄和/回放一個信息信號的設備，包括一個用於根據在所述信號中存在一個水印而使得不能記錄和/回放該視頻信號的裝置(72)，其特徵在於，該設備還包括一個用於如權利要求7所述的檢測在該信號中所述水印的裝置(74)。
全文摘要
本發明公開了一種用於檢測在一個信號(例如圖象或視頻)信號中的水印的改進方法和裝置。通過在檢測在所懷疑的圖象(q)和將被檢測的水印(Wi)之間的相關性數值之前將所述信號經過對稱僅相位匹配濾波(24—28,30)而使得檢測更可靠和較不脆弱。
文檔編號G06K9/46GK1266587SQ99800689
公開日2000年9月13日 申請日期1999年3月2日 優先權日1998年3月4日
發明者J·A·海特斯馬, A·A·C·M·卡爾克, A·J·M·德尼森 申請人:皇家菲利浦電子有限公司