將電子水印插入數字圖像並對其進行檢測的方法及裝置的製作方法
2023-09-22 11:18:55 1
專利名稱：將電子水印插入數字圖像並對其進行檢測的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及數字處理領域，更具體的涉及將具有特定信息的識別數據(電子水印數據)嵌入或插入數字圖像中的技術。
因此，為了防止數字圖像的非法使用和複製，已經考慮使用一種方法，其中特定信息被(指下面描述的電子水印數據)被嵌入數據圖像中。對於此種的用於數字圖像的水印數據，可使用諸如可視及不可視的兩類電子水印數據。
可視電子水印數據通過對圖像合成特定的字或代碼而成為直觀可視的。雖然插入此種的可視電子水印數據會引起圖像質量的降低，其可直觀的防止對用戶的數字圖像的非法轉換。
在日本專利公開No.平-8-241403種揭示了一個可視的電子水印數據的實例。在此例中，當可視電子水印數據被合成到原始圖像中時，在不改變顏色成分的情況下，通過一個換算值只改變對應於電子水印數據的暗色部分的像素的亮度成分就可將電子水印數據合成到原始圖像中。換算值由顏色成分，隨機數及電子水印數據的像素值決定。
相反的，在不可視電子水印數據的情況下，當電子水印數據被嵌入在圖像中，並防止圖像質量降低的情況下，對來源於插入電子水印數據的圖像質量幾乎不會造成損壞，從而嵌入的電子水印數據不是直觀可視的。如果將可識別作者的作為電子水印數據的信息嵌入在圖像中，即使在已進行了非法複製後，通過檢測此電子水印數據就可識別出作者。另外，如果嵌入了禁止複製的作為電子水印數據的信息，當複製裝置檢測到複製禁止信息時，例如，複製裝置可通知用戶圖像為禁止複製數據，或啟動複製裝置中的複製禁止機制限制磁帶錄像機或類似裝置的複製。
作為一種將不可視電子水印數據嵌入數字圖像中的方法，在該方法中，作為電子水印數據的特定信息被嵌入某一部分中，而對圖像質量(例如像素的最低有效位(LSB)或類似量)不會造成太大的影響。然而，在此方法中，電子水印數據可很容易的被從圖像中刪除。例如，如果對嵌入有電子水印數據的圖像進行低通濾波，像素的LSB的信息會喪失，從而電子水印數據在無任何可察覺的損壞的情況下而被刪除。另外，作為一種圖像壓縮技術，其通過減少對圖像質量影響較小的部分中的信息量而減少數據量，通過對具有嵌入的電子水印數據的圖像數據進行壓縮和解壓縮過程，從而可在對圖像質量影響較小的情況下刪除掉電子水印數據。
另外，在日本的專利申請特開平6-315131中揭示了另一種實例。其所描述的內容是，當通過利用連續幀中圖像的相似性對圖像進行再現時，檢測即使用外部區域替換該區域時，該區域的圖像質量也不會損壞的區域，並通過改變要被轉換區域的數據從而將特定區域嵌入該區域中。該方法在複製圖像時，是通過用如下方法重構圖像的，首先識別通過用喪失信號部分已嵌入識別數據的區域並轉換信息，然後用識別區域中的外圍數據校正識別區域。
同時在日本特開平5-30466中揭示了一種方法，其中圖像信號的頻率被轉換，並嵌入頻率低於已被轉換的圖像信號頻率範圍的信息。此方法用高通濾波器取出原始圖像信號，並用低通濾波器提取嵌入的識別數據。
作為另外一個頻率轉換實例，在該方法中，對圖像進行頻率轉換，並在已完成頻率轉換後，在圖像信號中嵌入具有較強頻率成分的區域(1996年4月22日，《Nikkei電子》No.660，13頁)。此方法是通過將電子水印數據嵌入具有較強頻率成分的區域中，從而，即使對圖像進行諸如壓縮和解壓縮過程或濾波過程，電子水印數據也不會喪失。只要原始數據被損壞，電子水印數據就不會被刪除。此外，通過採用根據正態分布的隨機數，可防止電子水印數據間的幹擾，另外通過嵌入數據，可防止已嵌入電子水印數據的圖像質量的下降。
嵌入電子水印數據的方法如下，用DCT(離散餘弦變換)或類似方法將原始圖像轉換為頻率成分，在頻域內選擇代表高值的n個數據f(1)，f(2)，....f(n)，從均值為0及方差為1的正態分布中選擇電子水印數據w(1)，w(2)，...w(n)，用下面的公式計算每個i。
F(i)＝f(i)+α×|f(i)|×w(i)其中α為換算係數。
通過對F(i)進行反DCT變換，獲得嵌入電子水印數據的圖像。
用下面的方法進行電子水印數據的檢測。在此檢測方法中，原始圖像f(i)及侯選的電子水印數據w(i)(其中i為1，2，...n)必須是已知的。
首先，用DCT將具有電子水印數據的圖像轉換為頻率成分，對應於在頻域中已嵌入電子水印數據的f(1)，f(2)...f(n)的元素值被轉換成F(1)，F(2)，...F(n)。用下面的公式通過f(i)及F(i)計算和獲得w(i)和W(i)的統計相似程度。
w(i)＝(F(i)-f(i))/f(i)接著，使用矢量內積及下面的公式計算w(i)及W(i)的統計相似程度。
C＝W·w/(WD/wD)其中W＝(W(1)，W(2)，...，W(n))；w＝(w(1)，w(2)，...，w(n))；WD＝矢量W的絕對值wD＝矢量w的絕對值；及·為矢量的內積。
當統計相似程度C大於某些特定值時，可以預測可能嵌入了電子水印數據。
如果用此方法將電子水印數據嵌入圖像中，當具有原始圖像的作者對被懷疑為非法複製品的數字圖像進行檢測時是很有效的。此方法需要原始圖像，從而當作者對被懷疑為非法複製品的圖像數據進行檢測時可以檢測到電子水印數據，然而，由於再現裝置不具備原始圖像，從而在再現裝置的每個終端內都無法檢測到電子水印數據。
因此，對此方法進行改進，並將其用於對終端進行處理，特別用於MPEG系統。在此方法中，原始圖像被分割為8像素×8像素的塊，而電子水印數據被嵌入作為處理單元的塊內並從其中抽取電子水印數據。
用下面的工藝進行電子水印數據的嵌入過程。首先，在頻域的MPEG解碼工藝中已進行離散餘弦的變換後，在交流成分中從較低的頻率成分順序定義f(1)，f(2)，...f(n)，從均值為0而方差為1的正態分布選擇w(1)，w(2)，...w(n)，用下面的公式計算每個iF(i)＝f(i)+α×avg(f(i))×w(i)其中α為換算係數，而avg(f(i))為f(i)的鄰近三個點的絕對值的平均值的部分平均值。
然後，用F(i)代替f(i)進行隨後的MPEG的解碼過程。
用下面的過程對電子水印數據進行檢測。在此檢測方法中，不需要原始圖像，但只需知道電子水印數據的侯選值w(i)(其中i為1，2，3，...n)。
在完成MPEG的解壓縮或解碼過程中，在逆量化後的塊的頻域中，從較低的頻率成分順序確定F(1)，F(2)，...F(n)。F(i)的鄰近的三個點F(i-1)，F(i)，及F(i+1)的絕對值的平均值被定義為部分平均值avg(F(i))，而電子水印數據W(i)用下面的公式進行計算W(i)＝F(i)/avg(F(i))並對每個i計算圖像的「和」WF(i)。
接著，用矢量的內積及下面的公式計算w(i)及WF(i)的統計相似程度。
C＝WF·w/(WFD×wD)當統計相似程度大於某些特定值時，可以認為已嵌入了電子水印數據。
在日本特開平6-315131所揭示的實例中，電子水印信息並未嵌入所有的幀中，從而對於未嵌入電子水印的幀就無法防止非法複製。另外，此實例假設連續幀為靜止圖像，且在連續幀中不存在變化，從而在包括快速運動圖像的電影圖像中，無法識別其中嵌入電子水印數據的區域，使得其無法嵌入電子水印數據。
另外，在日本特開平5-30466所揭示的一個實例中，電子水印數據被嵌入頻率低於已對圖像進行頻率轉換的頻域的頻域中，從而使用高通濾波器可以很容易的將電子水印數據刪除掉。
此外，在已對圖像進行頻率轉換後，將電子水印數據嵌入頻率成分中較強的部分的實例中，通過濾波器或類似方法無法將電子水印數據刪除掉。然而，當將多個電子水印數據嵌入一個圖像中時，存在一個問題，即如果多個電子水印數據被嵌入同一頻率中，電子水印數據彼此幹擾，從而在檢測時就降低了它的可檢測性。
根據本發明的插入識別數據(電子水印數據)的方法中，對j×k像素(其中j和k為自然數)的每個塊的圖像進行頻率轉換，並當電子水印數據被插入被轉換的頻率成分中時，在對將要插入的電子水印數據的種類進行改變後，對每個塊都插入電子水印數據，從而在彼此互不幹擾的情況下將電子水印數據插入，並對每個塊進行檢測。更具體的，還提供了電子水印數據插入位置表，其表示將哪一種的電子水印數據插入圖像中的哪一塊中，且將一個適用的電子水印數據插入插入區域表中所示的區域中。當檢測電子水印數據時，與插入時相類似的電子水印數據抽取表被用於檢測電子水印數據。
在本發明中，當將多個電子水印數據插入圖像中時，對每個塊插入不同的電子水印數據，從而在互不幹擾和損壞的情況下插入電子水印數據，同樣即使當嵌入多個電子水印數據時，也可正確的檢測電子水印數據。
圖1為當將n中電子水印數據插入圖像數據中時電子水印數據插入裝置的方框圖。
參考圖1，根據本發明的插入裝置的實施例包含輸出從圖像取出的j×k像素的塊的位置信息的DCT變換器103並對該信息進行諸如離散餘弦變換(DCT)，並在正交變換後輸出數據；一個電子水印數據插入位置表105，其記錄將要插入的n類電子水印數據的每一類在圖像中的塊位置；一電子水印數據表106，其存儲n類電子水印數據；一電子水印數據插入器104，其根據電子水印數據插入位置表105及和DCT變換器103從電子水印數據表106抽取適用的電子水印數據，並在DCT轉換後將電子水印數據插入到數據中；及IDCT轉換器107，其在DCT轉換後對塊內的數據進行反離散餘弦變換(IDCT)，其中在塊內插入數據。
圖2為當將n類電子水印數據插入圖像數據中時的用於電子水印數據的檢測裝置的方框圖。
參考圖2，根據本發明的檢測裝置的實例包含輸出從圖像取出的j×k像素的塊的位置信息的DCT變換器203並對該信息進行諸如離散餘弦變換(DCT)，並在DCT變換後輸出數據；一個電子水印數據抽取位置表205，其存儲表示n類電子水印數據中的每一類被從圖像塊中取出的位置的信息；及一個所抽取的數據表206，其存儲整屏的n類所抽取的數據；一電子水印數據表208，其存儲n類電子水印數據；一電子水印數據抽取器204，其根據由DCT轉換器203輸出的位置信息從由DCT轉換器203輸出的j×k像素的頻率數據提取電子水印數據，並將提取的電子水印數據存儲到抽取數據表206中的預定位置；及一電子水印數據檢測器207，其從電子水印數據表208及被提取的數據表206提取第m個數據(m＝1，2，3，...n)，並計算被提取數據與電子水印數據的統計相似性。
在本發明中，電子水印數據表及相應數目的電子水印數據位置表的內容必須在插入方及檢測方彼此一致。也即，在插入及檢測方的第m個(m＝1，2，3，...n)電子水印數據表的相應的內容必須彼此對應。另外，插入裝置方的電子水印數據插入位置表105的內容必須與檢測裝置方的電子水印數據抽取位置表205的內容也必須一致。
參考圖1，將描述電子水印數據插入裝置的操作。
DCT變換器103從原始圖像取出尺寸為8×8像素的塊數據102以進行DCT變換。電子水印數據插入器104在由DCT變換器103輸出的塊的位置數據的基礎上從電子水印數據插入位置表105中取出要被插入的多個電子水印數據。然後，電子水印數據插入器104從電子水印數據表106取出數字與由電子水印數據插入位置表105取出的數字相等的電子水印數據，以將電子水印數據插入由DCT變換器103輸出的DCT變換後的數據中。
IDCT變換器107對由電子水印數據插入器104輸出的數據進行IDCT變換，並將數據存入相同位置109，該位置與DCT變換器103已在將要插入數據的圖像存儲區108中取出塊數據的位置相同。
對由電子水印數據插入位置表105指定的所有塊進行上面所述的操作。另外，塊中未被電子水印數據插入位置表指定的原始圖像數據101被直接複製到存儲器中，該存儲器暫時通過圖1中未示出的處理路徑存儲圖像數據108。
接著，參考圖2，將對電子水印數據檢測裝置的操作進行描述。
DCT變換器203從圖像201取出尺寸為8×8像素的塊數據202以進行DCT變換。電子水印數據抽取器204在由DCT變換器203輸出的8×8塊位置數據的基礎上從電子水印數據抽取位置表205中取出要被抽取的多個電子水印數據。然後，電子水印數據抽取器204從由DCT變換器203輸出的DCT變換後的頻率數據中抽取電子水印抽取數據，並將數據存入對應於從被抽取的數據存儲區206中的電子水印數據抽取表205中獲得的電子水印數據的位置。
對由電子水印數據抽取位置表205指定的所有的塊進行上述的操作。
在一屏的抽取數據被存儲進抽取數據存儲區206後，電子水印數據檢測器207從抽取數據存儲區及電子水印數據表208取出相應的被抽取的數據及電子水印數據，並計算統計相似程度以輸出結果。
當有n類電子水印數據時，電子水印數據檢測器207重複n次上述的操作，並計算所有電子水印數據及被抽取數據的統計相似程度，以輸出結果209。
圖3為電子水印數據插入位置表的示意圖，其中的插入位置表表示每個電子水印數據被插入的位置及當插入四類電子水印數據時的檢測位置表的值。整屏的圖像數據被分割為尺寸為圖3中所示的j×k的塊，並且存入表示對於每一塊的將要插入的電子水印數據的順序數。
圖3的實例指出，當圖像的左上方被設定為原始值時，在列號為1及行號為1的塊內插入第一電子水印數據，在水平方向位移一個塊的塊內插入第二電子水印數據。
參考圖1到圖3，將更具體的描述電子水印數據插入裝置的操作。
DCT變換器103從原始圖像101的行號及列號都為1的位置取出尺寸為j×k的塊數據102，進行DCT變換，並在DCT變換後輸出表示行和列號及頻率數據的數據。電子水印數據插入器104在由DCT變換器103輸出的塊的行號1及列號1的位置數據的基礎上從電子水印數據插入位置表105取出要插入的標號為1的電子水印數據。
然後，電子水印數據插入器104從電子水印數據表106取出與標號為1的電子水印數據相對應的第一個電子水印數據，並將第一個電子水印數據插入由DCT變換器103輸出的DCT變換後的頻率數據中。IDCT變換器107對由電子水印數據插入器104輸出的數據進行IDCT變換，並將數據存入行號及列號都為1的位置，該位置與DCT變換器已經從區域108中提取數據的位置相同，在區域108中存入已被插入電子水印數據的圖像。
然後，對行號及列號都為1的塊數據進行類似的操作。對由電子水印數據插入位置表105指定的所有塊進行上述的操作(在圖3的實例中，針對圖像數據中的所有數據)。
接著，參考圖2及圖3，將更具體的描述電子水印數據檢測裝置的操作。
DCT變換器203從圖像201的行號及列號都為1的位置提取出尺寸為8×8的像素的塊數據並進行DCT變換，在DCT變換後輸出行及列號數據及頻率數據。電子水印數據抽取器204在由DCT變換器203輸出的行號及列號都為1的塊的位置數據的基礎上從電子水印數據抽取表205獲得標號為1的要被抽取的電子水印數據。
然後，電子水印數據抽取器204從由DCT變換器203輸出的進行DCT變換後的頻率數據抽取電子水印數據，並將其存入對應於抽取數據存儲區域206中的標號1的電子水印數據的第一抽取區。
接著，對行號和列號都為1的塊數據進行類似的處理。對由電子水印數據抽取位置表指定的所有塊數據進行上述的操作(在圖3的實例中，是針對圖像數據中的所有塊)。
在將整屏的抽取數據存入抽取數據存儲區後，電子水印數據檢測器207從抽取數據存儲區206取出第一抽取數據及從電子水印數據表208取出第一電子水印數據，並計算統計相似程度以輸出結果。
接著，電子水印數據檢測器207從抽取數據存儲區206取出第二抽取數據及從電子水印數據表208取出第二電子水印數據，並計算統計相似程度以輸出結果。
通過類似的方式，同樣對第三抽取數據和第三電子水印數據及第四抽取數據和第四電子水印數據進行類似的處理。
如上所述，本發明將一個圖像分割為j×k像素的塊單位，並改變每個塊的要插入的電子水印數據，從而，當將多個電子水印數據插入圖像中時，可防止多個電子水印數據相互幹擾的問題。
對本領域中的技術人員而言，對本發明所做的各種的變更及修改都在由所附權利要求所限定的範圍內。
權利要求
1.一種將電子水印數據插入數字圖像中的裝置，其特徵在於包含一個正交變換器，它從數字圖像取出尺寸為j×k(j及k為自然數)的圖像塊的，並對該信息進行正交變換，並輸出取出的圖像塊的位置信息及正交變換後的數據；一個電子水印數據抽取位置表，它存儲信息，該信息表示n類的電子水印數據的每一類被從圖像塊中取出的位置；一個被抽取的數據表，它存儲整屏的n類被抽取的數據；一電子水印數據表，它存儲n類電子水印數據；一電子水印數據抽取器，它根據由所述正交轉換器輸出的位置信息從所述電子水印數據抽取位置表提取電子水印數據，從由所述正交變換器輸出的塊的頻率數據抽取包含電子水印數據的頻率數據，並將數據存儲到所述抽取數據表中的預定位置，所述抽取數據表與取出的電子水印數據數相一致；及一電子水印數據檢測器，它從所述電子水印數據表及所述被提取的數據表提取第m個數據(m＝1，2，3，...n)，並計算被提取數據及電子水印數據的統計近似。
2.一種檢測數字圖像中的電子水印數據的方法，其特徵在於包含如下步驟預先製備電子水印數據抽取表，它記錄將包含n類電子水印數據的圖像數據從圖像中的尺寸為j×k像素(j和k為自然數)的塊中取出的位置，及電子水印數據表，它存儲n類電子水印數據；從數字圖像取出圖像塊，進行正交變換，並獲取取出的圖像塊及DCT變換後的數據的位置信息；在所述位置信息的基礎上從所述電子水印數據抽取位置表取出所述電子水印數據，從由所述DCT變換器輸出的塊的頻率數據取出包含電子水印數據的頻率數據，並將數據存儲進與所取出的電子水印數據數相一致的抽取數據表的預定位置；從所述電子水印數據表及所述抽取數據表取出第m個數據(m＝1，2，...n)，並計算被抽取的數據及電子水印數據的統計相似程度；及對所述n個電子水印數據的每一個估算此統計相似程度的大小。
全文摘要
一個圖像被分割為多個塊，用DCT變換器(103)，電子水印數據插入器(104)，及IDCT變換器(107)將不同的電子水印數據嵌入每個塊內，在此時參考用於確定在不同圖像塊中插入不同電子水印的電子水印數據插入表(105)及電子水印數據表(106)。
文檔編號H04N1/387GK1441593SQ02156019
公開日2003年9月10日 申請日期2002年12月11日 優先權日2002年12月11日
發明者若洲豐 申請人:日本電氣株式會社