用於檢測水印的方法和裝置的製作方法

2023-10-09 06:04:29 2

專利名稱：用於檢測水印的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於檢測嵌入於信息信號中的水印的方法和裝置。本發明還涉及一種用於從具有內嵌水印的信息信號中除去水印的方法。
背景技術：
水印是一種嵌入於象多媒體材料(如音頻、靜止圖案、動畫或視頻)這樣的信息信號中的在感官上不可察覺的信息。水印可以用於識別信息的版權所有關係，它使得版權所有人通過檢查在複印件是否存在他的水印而追蹤對他的材料所進行的非法複製行為。
水印是通過改變信號的數據樣本(例如，音頻信號的音頻樣本、圖像的像素、變換編碼信號的變換係數，等等)而嵌入信息信號中，使得原件沒有受到明顯的影響。在本領域或已經存在各種製作水印的方法。例如，根據二進位水印圖案的對應數位略微增加或降低原圖的像素數值。
為了檢測是否在某個信息信號中存在內嵌水印，則對該信號進行統計分析。該統計分析結果產生一個參數，在下文中稱為「判定變量」，它表明在該信號中存在水印的程度。例如，如果通過根據水印圖案增加或降低圖像信號的像素數值而對某個圖像信號添加水印，則該判定變量可以是該信號與所採用的水印的參照副本之間的相關量。如果通過改變有選擇的像素而對圖像添加水印，可以從對時間上或空間上相鄰的像素進行計算而預測所述像素。該判定變量可以是與這些預測之間差別足夠大的像素的數目。
現有的水印檢測器產生一個表明「發現水印」或「未發現水印」的二進位輸出信號。這是通過把該判定變量與某個預定的閾值進行比較而獲得的。如果該判定變量超出該閾植，則認為在該信號中存在水印。在象家用錄相機這樣的用戶產品中，通常把該水印檢測器作成一個防止改動的盒子，使得攻擊者既不能對該檢測算法進行反向工程也不能對它所用的參數進行反向工程。但是現在已經發現通過在各種輸入條件下觀察該檢測器二進位輸出信號，攻擊者仍然可以除去水印。
本發明的目的和概述本發明的目的是提供一種用於檢測不易受到攻擊的水印的方法和裝置。
為此目的，根據本發明的方法的特徵是對於低於所述閾值的判定值隨機產生所述輸出信號的步驟。最好，該隨機輸出信號是針對在所述閾值與另一個預定閾值之間的判定信號的範圍而產生的。
本發明基於這樣一種識別技術，即現有的水印檢測器在判定「發現水印」和「未發現水印」之間存在一個明顯的躍變。這種特性使得攻擊者可反覆改變輸入信號並觀察該檢測器的輸出，直到他發現某個輸入信號使得該檢測器在其閾值附近工作。如果這樣發現該躍變點之後就不難產生一個近似於該加水印信號，但又不被識別為加水印信號的輸入信號。通過使該檢測器的躍變點隨機化，則攻擊者從每次信號改變中獲得更少的(或者至少是更不可靠的)信息。
本發明的其他優選實施例在獨立權利要求中限定。
附圖簡述

圖1示出包含一個水印嵌入器和一個水印檢測器的現有系統。
圖2示出用於解釋該圖1中所示的系統的操作的水印圖案。
圖3示出解釋圖1中所示的現有水印檢測器的操作的波形。
圖4示出採用圖1中所示的水印檢測器從一個加水印圖像中除去水印的操作流程圖。
圖5示出解釋根據本發明的水印檢測器的操作的波形。
圖6-8示出根據本發明的水印檢測器的實施例。
圖9示出解釋圖7和圖8中所示的水印檢測器操作的波形。
圖10-12示出根據本發明的水印檢測器的其他實施例。
實施例詳述現在參照一個水印檢測器對本發明進行描述，其中表明在該信號中所存在水印的程度的判定變量是被分析信號與要被檢測的水印的參考副本之間的相關量。但是，該描述不應當被認為本發明只限於這樣一個實施例。
圖1中示出由一個水印嵌入器1和一個水印檢測器2所組成的現有系統。該水印嵌入器接收某個原始信息信號q和一個水印信號w。假設該信息信號q是一個具有8位亮度像素值q(n)數位化圖像。假設該水印w是一個數值w(n)＝1或w(n)＝-1的特定二進位模式。在圖2中示出這種水印圖案的一個實例。該水印嵌入器包括一個把水印值添加到空間上對應的輸入圖像的像素q(n)中的一個加法器[adding stage]10。最好這不會影響該圖像的外觀。該嵌入的水印是在感官上是不可察覺的。在傳輸或存儲之後(未示出)，把信息信號q輸入到該水印檢測器2。該水印檢測器包括聯合構成一個相關電路的一個乘法器[multiplication stage]21和一個求和電路22。該乘法器接收信息信號q和一個要在該信號q中檢測出是否存在水印w的水印參考副本。分別把所接收圖像的像素值q(n)與參考水印的對應數值w(n)分別相乘，然後求和以獲得一個表示輸入信號q與水印w之間的相關量的判定變量y用公式表示如下y=n=1Nw(n)q(n)]]>其中N是像素的總數。
把相關值y輸入到比較器23，與一個閾值ythr相比較。如圖3中所示，對於y＞ythr的情況，比較器產生一個輸出D＝1(發現水印)，對於y＜ythr的情況，比較器產生一個輸出D＝0(未發現水印)。要仔細選擇水印圖案w和閾值ythr，以防止經常發生錯誤的判定。
下面參照圖4中所示的操作流程圖描述用上述現有的水印檢測器從加水印圖像中除去水印的方法。該攻擊方法應用於任何在判定「發現水印」和「未發現水印」之間有明顯的躍變的水印檢測器。
在第一步驟11中，構造一個接近於將要除去水印的狀態的測試圖像。在此無論結果圖案是否與原始圖案相似都無關緊要。唯一的標準是只對該測試圖案作最少改變而引起該檢測器以某一個足夠與「0」或「1」相區分的概率作出「發現水印」或「未發現水印」的響應。該測試圖像的構造可以通過逐步改變一個加水印圖像(y＞＞ythr)，直到檢測器做出「未發現水印」的響應而進行。一種方法是逐步減小在圖像中的對比度使其剛好低於檢測器報告存在水印的閾值。另一種方法是用一個中間的灰度值逐步代替圖像中的像素。在此肯定存在某一點使得該檢測器從「發現水印」躍變到「未發現水印」的狀態。否則這一步驟最終會導致產生一幅均勻灰色的圖象，這樣任何一個合理的水印檢測器都不會作出在這樣的一幅圖像中存在水印的判斷。
如果通過這種方法找到一幅適合的測試圖像，則可以在步驟12中改變該圖像的一部分，例如，增加和降低某個特定像素值，直到檢測器再次檢測出該水印。這樣就能夠了解水印嵌入器是如何改變該像素的數值的。在該圖像中對每個像素重複步驟12。請注意除了一個像素接一個像素地進行試驗之外，攻擊者也可以用另外一組圖像的正交變換進行試驗，例如增加或降低離散餘弦變換編碼圖像的DCT(離散餘弦變換)係數。
知道該檢測器對每個像素的改變的敏感度之後，在步驟13中估計對該檢測器具有最大影響的像素值的組合。然後，在步驟14中，從原始標記圖像中減去該估計值。可能需要把該估計值減去λ次以使得檢測器做出未發現水印的報告。λ值是通過試驗而找到的，它越小越好。
上述處理過程產生一幅新的沒有被識別為嵌入了水印的圖像，但是它與嵌入水印的圖像或與未標記的原始圖像相比只有較小的失真。如果該水印是嵌入於離散餘弦變換(DCT)域的，則該攻擊方法也同樣有效。如果懷疑該加水印的算法中含有非線性或與圖像相關的因素則可以重複該處理過程。現有的模擬和搜索技術(包括模擬退火處理)可以應用於這一迭代過程。
根據本發明的水印檢測器從根本上減小了受到這種攻擊的可能性。如圖5中所示，如果判定變量y具有在給定間隔y1＜y＜y2之內的數值，則該檢測器對從D＝0(未發現水印)到D＝1(發現水印)的躍變點進行隨機化。當該檢測器在這一間隔內操作時(在圖4中的步驟12)，略微改變所輸入的信號不會給攻擊者提供任何可靠的反饋。相應地，也不再能夠估計出該水印。當在閾值y1與y2之間的距離較大時，該檢測器不易受到攻擊。
具有該所需特性的水印檢測器的實施例可以容易地由本領域內的專業人士所設計出來。在圖6中示出一個簡單的實例。在該實例中，乘法器21、求和電路22和比較器23與圖1中所示相同。該檢測器包括用於把相關量y與較低閾值y1相比較的另一比較器24，和一個產生隨機數值R(0或1)的偽隨機二進位序列(PRBS)發生器25。一個包含一個「與」門26和一個「或」門27的邏輯電路根據如下真值表結合這兩個比較器的輸出與該隨機數值R獲得判定輸出信號D，其中真值表如下
對於如圖6中所示的實施例，檢測器從產生D＝1到產生D＝R之間切換的間隔端點y＝y2可以相對容易地被攻擊者所找到。當在該間隔中產生D＝0的概率是50％時，如果逐步改變一個加水印的圖像(在圖4中的步驟11)，第一次發生D＝0情況則可以合理地判斷出已經找到所述端點。為了減輕這一問題，該水印檢測器的另一個實施例被設計為當y變得接近該閾值y2時以一個增加的概率(最好是平滑地增加)在間隔y1＜y＜y2中產生該輸出信號D。
在圖7中示出具有這種增加概率功能的水印檢測器的一個實施例。該檢測器包括一個由一減法器28和一乘法器29所構成的算術電路，它用於根據如下公式把判定變量y變為信號zz=y-y1y2-y1]]>信號z輸入到接收由一個隨機數發生器30所產生的一個具有在0與1之間的數值的隨機數r的比較器23。可以容易理解，對於具有相關量y＞y2和y1＜y2的圖像，該檢測器可以完全按照在圖6中所示的檢測器的方式進行運作。但是，如果該相關量在y1與y2之間(即，0＜z＜1)，則比較器輸出信號D取決於r的實際數值，而產生D＝1的概率根據下述公式線性增加Pr(D=1|y)=y-y1y2-y1]]>圖8中示出根據本發明的水印檢測器的另一實施例。在該實施例中，在0與y2-y1之間的隨機數r』由隨機數發生器31所產生，並通過加法器32加到判定值y中。然後把信號y+r』與閾值y2相比較。如在圖9中所示，該比較器總是對於y＜y1產生輸出D＝0，並對於y＞y2產生輸出D＝1，而對y1＜y＜y2隨機產生0或1。請注意，在y值剛好大於y1的情況下，y+r』大於y2(結果為D＝1)的概率非常小，而在y值剛好小於y2的情況下，y+r』大於y2(結果為D＝1)的概率非常大。結果，本實施例實質上具有隨著y變大而線性增加產生D＝1的概率的特性。該線性概率曲線如圖9中的91所示。
本發明發現在間隔y1＜y＜y2的概率函數的最佳形式是(或基本上類似於)上升的餘弦函數Pr(D-1|y)=12-12cos(y-y1y2-y1)]]>該概率曲線(在圖9中的92所示)可以通過把一個適當的數學函數F應用於隨機數發生器31的輸出而獲得。在圖8中，該函數可以由在隨機數發生器31和加法器32之間的變換電路所執行。
重複地把相同的輸入圖像輸入到任何一個上述水印檢測器的實施例中，然後對檢測器產生D＝0或D＝1的次數進行計數，這樣攻擊者就知道該檢測器運作於該概率曲線的哪一點上。圖10和11中示出能夠克服這一缺點的另一個改進的水印檢測器。在這些實施例中，隨機數發生器是一種帶有種子(seed)輸入的隨機數發生器。無論何時，當該發生器接收相同的種子時就會產生相同的隨機數。該種子輸入來自於所輸入的圖像，這樣無論何時當輸入相同的圖像時，水印檢測器產生相同的輸出數據D。結果，通過重複的輸入相同的圖像，攻擊者可以獲得關於該檢測器在該概率曲線上的工作點的統計信息。
在圖10中所示的實施例中，該種子是從輸入圖像中通過把輸入圖像q轉換為一個具有較少數位的數字的電路34而獲得的。電路34的函數通常稱為「散列」函數。然後把該種子(例如對所有圖像像素值之和對N的模數)輸入到隨機數發生器31。在圖11中所示的實施例中，相關電路(21、22)用作為該散列函數。現在把判定值y施加到隨機數發生器31的種子輸出上。請注意，把種子輸入到隨機發生器的特點也可以用於圖6和7中所示的實施例。
具有種子特徵與不具有種子特徵的水印檢測器之間的區別可以由一個實例來進行解釋。把相同輸入圖像重複100次地輸入到不具有種子特徵的水印檢測器中，可能會使得所述檢測器90次產生輸出D＝1(發現水印)並且10次輸出D＝0(未發現水印)。而把相同的輸入圖像重複100次地輸入到具有種子特徵的水印檢測器將會使該檢測器100次地產生相同的輸出，其中D＝1的概率為90％，而D＝0的概率為10％。在後一種情況中，攻擊者不能通過重複地用相同圖像進行水印測試而獲得統計信息。
如果水印檢測器結合上述特點(平滑地增加概率的函數、通過散列函數提供種子和通過判定變量本身提供種子)，則該水印檢測器特別不容易受到攻擊。該實施例在圖12中示出。
通過隨機選擇用於計算該判定變量y(或者，相反地，選擇所不用的像素)也可以實現水印檢測點的隨機化。為此目的，隨機選擇的像素q(n)和相應的水印值w(n)輸入到圖1中所示的相關電路21、22。例如，如果考慮水印圖案中的60％的像素，並且該圖像沒有被攻擊者所改變，則儘管該判定值小於考慮所有像素的情況，該檢測器仍然產生D＝1。但是，如果該圖像的像素被改變，該判定值會降低，這可能會產生D＝0的結果，這取決於被改變的像素的數目。
本發明可以總結如下最近開發的用於防止複製的方法依靠於水印檢測器判斷多媒體內容是否可以被複製。在這種防止複製的方案中，水印檢測器檢測該多媒體內容並輸出表明是否存在水印的信號(D)。現有的水印檢測器確定表明水印所存在的程度的判定變量(y)，例如，該判定變量可以是輸入信號與要被檢測的水印的參考副本之間的相關量。如果判定變量超過某個預定的閾值(y2)，則檢測出水印。這種在本專利申請書中所述的檢測器易於受到攻擊。
在此公開的是一種能夠把攻擊者的工作量增加幾個數量級的水印檢測器。為此目的，該檢測器對於在閾值(y2)與另一閾值(y1)之間的判定值(y)的預定範圍產生一個隨機輸出信號。
權利要求
1.一種檢測內嵌於信息信號(q)中的水印(w)的方法，其中包括如下步驟確定一個表明在所述信號中存在所述水印的程度的判定變量y；以及如果該判定變量超過某個預定閾值(y2)，則產生一個表明檢測到水印的輸出信號(D)；其特徵在於，該方法還包括對在判定值小於所述閾值(y2)的情況隨機產生所述輸出信號的步驟。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，該方法還包括對判定值在所述閾值y2與另一個預定閾值y1之間的情況，隨機產生所述輸出信號的步驟。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，當該判定變量變得接近於該預定閾值(y2)時，按增加的概率產生所述隨機輸出信號。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述概率是一個在該閾值(y2)與另一閾值(y1)之間的所述範圍之內的判定變量的線性函數。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述概率是一個在該閾值(y2)與另一閾值(y1)之間的所述範圍之內的判定變量的上升的餘弦函數。
6.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述隨機產生輸出信號的步驟包括無論何時接收到相同信息信號時產生相同的輸出信號。
7.一種用於檢測內嵌於信息信號(q)中的水印(w)的裝置，其中包括用於確定表明在所述信號中存在所述水印的程度的判斷變量(y)的部件(21、22)；以及用於在該判定變量超過某個預定閾值(y2)時，產生一個表明檢測到水印的輸出信號(D)的部件；其特徵在於，該裝置還包括用於對在判定值小於所述閾值(y2)的情況隨機產生所述輸出信號的部件。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，該裝置中包括對在所述閾值y2與另一個預定閾值y1之間的判定值的範圍隨機產生所述輸出信號的部件。
9.如權利要求7或8所述的裝置，其特徵在於，該裝置包括當該判定變量變得接近於該預定閾值(y2)時，按增加的概率產生所述隨機輸出信號的部件。
10.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述用於隨機產生該輸出信號的部件包括具有種子輸入的隨機數發生器，以及用於根據一個預定的函數從該信息信號中導出該種子輸入信號的部件。
11.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述用於確定該判定變量的部件(21、22)構成所述用於導出該種子輸入信號的部件。
12.一種從具有一個內嵌水印的信息信號中除去水印的方法，包括如下步驟把該信息信號輸入到一個水印檢測器，產生一個表明該信息信號是否具有一個內嵌水印的指示；改變該信息信號的選擇部分，直到該水印檢測器相反改變所述指示，以獲得引起該相反改變的一個估計水印的各個部分；以及從該信息信號中減去該估計水印。
13.一種多媒體播放和/或記錄設備中包括在權利要求7-11中的任何一項中所述的裝置。
全文摘要
最近開發的用於防止複製的方法依靠於水印檢測器判斷多媒體內容是否可以被複製。在這種防止複製的方案中,水印檢測器檢測該多媒體內容並輸出表明是否存在水印的信號(D)。現有的水印檢測器確定表明水印所存在的程度的判定變量(y),例如,該判定變量可以是輸入信號與要被檢測的水印的參考副本之間的相關量。如果判定變量超過某個預定的閾值(y
文檔編號H04N1/387GK1249106SQ98801077
公開日2000年3月29日 申請日期1998年5月11日 優先權日1997年5月29日
發明者J·P·M·G·林納茨, M·J·J·J·-B·梅斯, A·A·C·M·卡爾克爾, G·F·G·德波維雷, P·M·J·龍根, C·W·F·弗裡恩斯, M·E·范迪克 申請人:皇家菲利浦電子有限公司