CN1113355C - 将电子水印插入数字图像并对其进行检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一个图像被分割为多个块，用DCT变换器(103)，电子水印数据插入器(104)，及IDCT变换器(107)将不同的电子水印数据嵌入每个块内，在此时参考用于确定在不同图像块中插入不同电子水印的电子水印数据插入表(105)及电子水印数据表(106)。

Description

将电子水印插入数字图像并对其进行检测的方法及装置

技术领域

本发明涉及数字处理领域，更具体的涉及将具有特定信息的识别数据(电子水印数据)嵌入或插入数字图像中的技术。

背景技术

近年来，非法进行数字图像的复制已成为一个问题。为了防止此类的非法复制，已考虑将数字图像数据进行编码，并且只有具有合法密钥的再现系统才可再现被解码的数字数据。然而，一旦密码被解密，此系统无法防止随后的复制行为。

因此，为了防止数字图像的非法使用和复制，已经考虑使用一种方法，其中特定信息被(指下面描述的电子水印数据)被嵌入数据图像中。对于此种的用于数字图像的水印数据，可使用诸如可视及不可视的两类电子水印数据。

可视电子水印数据通过对图像合成特定的字或代码而成为直观可视的。虽然插入此种的可视电子水印数据会引起图像质量的降低，其可直观的防止对用户的数字图像的非法转换。

在日本专利公开No.平-8-241403种揭示了一个可视的电子水印数据的实例。在此例中，当可视电子水印数据被合成到原始图像中时，在不改变颜色成分的情况下，通过一个换算值只改变对应于电子水印数据的暗色部分的像素的亮度成分就可将电子水印数据合成到原始图像中。换算值由颜色成分，随机数及电子水印数据的像素值决定。

相反的，在不可视电子水印数据的情况下，当电子水印数据被嵌入在图像中，并防止图像质量降低的情况下，对来源于插入电子水印数据的图像质量几乎不会造成损坏，从而嵌入的电子水印数据不是直观可视的。如果将可识别作者的作为电子水印数据的信息嵌入在图像中，即使在已进行了非法复制后，通过检测此电子水印数据就可识别出作者。另外，如果嵌入了禁止复制的作为电子水印数据的信息，当复制装置检测到复制禁止信息时，例如，复制装置可通知用户图像为禁止复制数据，或启动复制装置中的复制禁止机制限制磁带录像机或类似装置的复制。

作为一种将不可视电子水印数据嵌入数字图像中的方法，在该方法中，作为电子水印数据的特定信息被嵌入某一部分中，而对图像质量(例如像素的最低有效位(LSB)或类似量)不会造成太大的影响。然而，在此方法中，电子水印数据可很容易的被从图像中删除。例如，如果对嵌入有电子水印数据的图像进行低通滤波，像素的LSB的信息会丧失，从而电子水印数据在无任何可察觉的损坏的情况下而被删除。另外，作为一种图像压缩技术，其通过减少对图像质量影响较小的部分中的信息量而减少数据量，通过对具有嵌入的电子水印数据的图像数据进行压缩和解压缩过程，从而可在对图像质量影响较小的情况下删除掉电子水印数据。

另外，在日本的专利申请特开平6-315131中揭示了另一种实例。其所描述的内容是，当通过利用连续帧中图像的相似性对图像进行再现时，检测即使用外部区域替换该区域时，该区域的图像质量也不会损坏的区域，并通过改变要被转换区域的数据从而将特定区域嵌入该区域中。该方法在复制图像时，是通过用如下方法重构图像的，首先识别通过用丧失信号部分已嵌入识别数据的区域并转换信息，然后用识别区域中的外围数据校正识别区域。

同时在日本特开平5-30466中揭示了一种方法，其中图像信号的频率被转换，并嵌入频率低于已被转换的图像信号频率范围的信息。此方法用高通滤波器取出原始图像信号，并用低通滤波器提取嵌入的识别数据。

作为另外一个频率转换实例，在该方法中，对图像进行频率转换，并在已完成频率转换后，在图像信号中嵌入具有较强频率成分的区域(1996年4月22日，《Nikkei电子》No.660，13页)。此方法是通过将电子水印数据嵌入具有较强频率成分的区域中，从而，即使对图像进行诸如压缩和解压缩过程或滤波过程，电子水印数据也不会丧失。只要原始数据被损坏，电子水印数据就不会被删除。此外，通过采用根据正态分布的随机数，可防止电子水印数据间的干扰，另外通过嵌入数据，可防止已嵌入电子水印数据的图像质量的下降。

嵌入电子水印数据的方法如下，用DCT(离散余弦变换)或类似方法将原始图像转换为频率成分，在频域内选择代表高值的n个数据f(1)，f(2)，....f(n)，从均值为0及方差为1的正态分布中选择电子水印数据w(1)，w(2)，...w(n)，用下面的公式计算每个i。

F(i)＝f(i)+α×|f(i)|×w(i)

其中α为换算系数。

通过对F(i)进行反DCT变换，获得嵌入电子水印数据的图像。

用下面的方法进行电子水印数据的检测。在此检测方法中，原始图像f(i)及侯选的电子水印数据w(i)(其中i为1，2，...n)必须是已知的。

首先，用DCT将具有电子水印数据的图像转换为频率成分，对应于在频域中已嵌入电子水印数据的f(1)，f(2)...f(n)的元素值被转换成F(1)，F(2)，...F(n)。用下面的公式通过f(i)及F(i)计算和获得w(i)和W(i)的统计相似程度。

w(i)＝(F(i)-f(i))/f(i)

接着，使用矢量内积及下面的公式计算w(i)及W(i)的统计相似程度。

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的绝对值

      wD＝矢量w的绝对值；及

      ·为矢量的内积。

当统计相似程度C大于某些特定值时，可以预测可能嵌入了电子水印数据。

如果用此方法将电子水印数据嵌入图像中，当具有原始图像的作者对被怀疑为非法复制品的数字图像进行检测时是很有效的。此方法需要原始图像，从而当作者对被怀疑为非法复制品的图像数据进行检测时可以检测到电子水印数据，然而，由于再现装置不具备原始图像，从而在再现装置的每个终端内都无法检测到电子水印数据。

因此，对此方法进行改进，并将其用于对终端进行处理，特别用于MPEG系统。在此方法中，原始图像被分割为8像素×8像素的块，而电子水印数据被嵌入作为处理单元的块内并从其中抽取电子水印数据。

用下面的工艺进行电子水印数据的嵌入过程。首先，在频域的MPEG解码工艺中已进行离散余弦的变换后，在交流成分中从较低的频率成分顺序定义f(1)，f(2)，...f(n)，从均值为0而方差为1的正态分布选择w(1)，w(2)，...w(n)，用下面的公式计算每个i：

F(i)＝f(i)+α×avg(f(i))×w(i)

其中α为换算系数，而avg(f(i))为f(i)的邻近三个点的绝对值的平均值的部分平均值。

然后，用F(i)代替f(i)进行随后的MPEG的解码过程。

用下面的过程对电子水印数据进行检测。在此检测方法中，不需要原始图像，但只需知道电子水印数据的侯选值w(i)(其中i为1，2，3，...n)。

在完成MPEG的解压缩或解码过程中，在逆量化后的块的频域中，从较低的频率成分顺序确定F(1)，F(2)，...F(n)。F(i)的邻近的三个点F(i-1)，F(i)，及F(i+1)的绝对值的平均值被定义为部分平均值avg(F(i))，而电子水印数据W(i)用下面的公式进行计算：

W(i)＝F(i)/avg(F(i))

并对每个i计算图像的“和”WF(i)。

接着，用矢量的内积及下面的公式计算w(i)及WF(i)的统计相似程度。

C＝WF·w/(WFD×wD)

当统计相似程度大于某些特定值时，可以认为已嵌入了电子水印数据。

在日本特开平6-315131所揭示的实例中，电子水印信息并未嵌入所有的帧中，从而对于未嵌入电子水印的帧就无法防止非法复制。另外，此实例假设连续帧为静止图像，且在连续帧中不存在变化，从而在包括快速运动图像的电影图像中，无法识别其中嵌入电子水印数据的区域，使得其无法嵌入电子水印数据。

另外，在日本特开平5-30466所揭示的一个实例中，电子水印数据被嵌入频率低于已对图像进行频率转换的频域的频域中，从而使用高通滤波器可以很容易的将电子水印数据删除掉。

此外，在已对图像进行频率转换后，将电子水印数据嵌入频率成分中较强的部分的实例中，通过滤波器或类似方法无法将电子水印数据删除掉。然而，当将多个电子水印数据嵌入一个图像中时，存在一个问题，即如果多个电子水印数据被嵌入同一频率中，电子水印数据彼此干扰，从而在检测时就降低了它的可检测性。

发明内容

本发明的一个目的是电子水印数据插入器及检测器，其中即使当将多个电子水印数据插入图像中，其也不会相互干扰，且在检测时，可准确的检测到电子水印数据。

本发明提供一种将电子水印数据插入数字图像中的装置，其包含：

一个正交变换器，它对从图像取出的j×k像素的块进行正交变换，并在正交变换之后输出该块的位置信息以及变换后的数据；

一个电子水印数据插入位置表，它记录将要插入的n类电子水印数据的每一类在图像中的块位置；

一电子水印数据表，它存储n类电子水印数据；

一电子水印数据插入器，它根据从所述正交变换器输出的位置信息及和从所述电子水印数据表取出的电子水印数据数相一致的电子水印数据将电子水印数据插入到正交变换后的数据中；

一逆正交变换器，它对其中已插入电子水印数据的图像块进行逆正交变换。

本发明还提供一种将电子水印数据插入数值图像中的方法，其包含如下步骤：

预先制备电子水印数据插入表，它记录将要插入的n类电子水印数据的每一类在图像中的尺寸为j×k像素(j和k为自然数)的块中的位置，及电子水印数据表，它存储n类电子水印数据；

从数字图像取出图像块，进行正交变换，并获取取出的图像块及正交变换后的数据的位置信息；

在所述位置信息的基础上从所述电子水印数据插入位置表的适宜位置取出电子水印数据数，取出与从所述电子水印数据表取出的电子水印数据数相一致的电子水印数据，并将电子水印数据插入正交变换后的数据中；

对其中已插入电子水印数据的块进行逆正交变换。

在本发明中，当将多个电子水印数据插入图像中时，对每个块插入不同的电子水印数据，从而在互不干扰和损坏的情况下插入电子水印数据，同样即使当嵌入多个电子水印数据时，也可正确的检测电子水印数据。

附图说明

图1为根据本发明的电子水印数据插入装置的方框图；

图2为根据本发明的电子水印数据检测装置的方框图；

图3为对每中的电子水印数据在图像中的插入位置的示意图。

具体实施方式

下面参考相应的附图对本发明的实施例进行详细的描述。

图1为当将n中电子水印数据插入图像数据中时电子水印数据插入装置的方框图。

参考图1，根据本发明的插入装置的实施例包含输出从图像取出的j×k像素的块的位置信息的DCT变换器103并对该信息进行诸如离散余弦变换(DCT)，并在正交变换后输出数据；一个电子水印数据插入位置表105，其记录将要插入的n类电子水印数据的每一类在图像中的块位置；一电子水印数据表106，其存储n类电子水印数据；一电子水印数据插入器104，其根据电子水印数据插入位置表105及和DCT变换器103从电子水印数据表106抽取适用的电子水印数据，并在DCT转换后将电子水印数据插入到数据中；及IDCT转换器107，其在DCT转换后对块内的数据进行反离散余弦变换(IDCT)，其中在块内插入数据。

图2为当将n类电子水印数据插入图像数据中时的用于电子水印数据的检测装置的方框图。

参考图2，根据本发明的检测装置的实例包含输出从图像取出的j×k像素的块的位置信息的DCT变换器203并对该信息进行诸如离散余弦变换(DCT)，并在DCT变换后输出数据；一个电子水印数据抽取位置表205，其存储表示n类电子水印数据中的每一类被从图像块中取出的位置的信息；及一个所抽取的数据表206，其存储整屏的n类所抽取的数据；一电子水印数据表208，其存储n类电子水印数据；一电子水印数据抽取器204，其根据由DCT转换器203输出的位置信息从由DCT转换器203输出的j×k像素的频率数据提取电子水印数据，并将提取的电子水印数据存储到抽取数据表206中的预定位置；及一电子水印数据检测器207，其从电子水印数据表208及被提取的数据表206提取第m个数据(m＝1，2，3，...n)，并计算被提取数据与电子水印数据的统计相似性。

在本发明中，电子水印数据表及相应数目的电子水印数据位置表的内容必须在插入方及检测方彼此一致。也即，在插入及检测方的第m个(m＝1，2，3，...n)电子水印数据表的相应的内容必须彼此对应。另外，插入装置方的电子水印数据插入位置表105的内容必须与检测装置方的电子水印数据抽取位置表205的内容也必须一致。

参考图1，将描述电子水印数据插入装置的操作。

DCT变换器103从原始图像取出尺寸为8×8像素的块数据102以进行DCT变换。电子水印数据插入器104在由DCT变换器103输出的块的位置数据的基础上从电子水印数据插入位置表105中取出要被插入的多个电子水印数据。然后，电子水印数据插入器104从电子水印数据表106取出数字与由电子水印数据插入位置表105取出的数字相等的电子水印数据，以将电子水印数据插入由DCT变换器103输出的DCT变换后的数据中。

IDCT变换器107对由电子水印数据插入器104输出的数据进行IDCT变换，并将数据存入相同位置109，该位置与DCT变换器103已在将要插入数据的图像存储区108中取出块数据的位置相同。

对由电子水印数据插入位置表105指定的所有块进行上面所述的操作。另外，块中未被电子水印数据插入位置表指定的原始图像数据101被直接复制到存储器中，该存储器暂时通过图1中未示出的处理路径存储图像数据108。

接着，参考图2，将对电子水印数据检测装置的操作进行描述。

DCT变换器203从图像201取出尺寸为8×8像素的块数据202以进行DCT变换。电子水印数据抽取器204在由DCT变换器203输出的8×8块位置数据的基础上从电子水印数据抽取位置表205中取出要被抽取的多个电子水印数据。然后，电子水印数据抽取器204从由DCT变换器203输出的DCT变换后的频率数据中抽取电子水印抽取数据，并将数据存入对应于从被抽取的数据存储区206中的电子水印数据抽取表205中获得的电子水印数据的位置。

对由电子水印数据抽取位置表205指定的所有的块进行上述的操作。

在一屏的抽取数据被存储进抽取数据存储区206后，电子水印数据检测器207从抽取数据存储区及电子水印数据表208取出相应的被抽取的数据及电子水印数据，并计算统计相似程度以输出结果。

当有n类电子水印数据时，电子水印数据检测器207重复n次上述的操作，并计算所有电子水印数据及被抽取数据的统计相似程度，以输出结果209。

图3为电子水印数据插入位置表的示意图，其中的插入位置表表示每个电子水印数据被插入的位置及当插入四类电子水印数据时的检测位置表的值。整屏的图像数据被分割为尺寸为图3中所示的j×k的块，并且存入表示对于每一块的将要插入的电子水印数据的顺序数。

图3的实例指出，当图像的左上方被设定为原始值时，在列号为1及行号为1的块内插入第一电子水印数据，在水平方向位移一个块的块内插入第二电子水印数据。

参考图1到图3，将更具体的描述电子水印数据插入装置的操作。

DCT变换器103从原始图像101的行号及列号都为1的位置取出尺寸为j×k的块数据102，进行DCT变换，并在DCT变换后输出表示行和列号及频率数据的数据。电子水印数据插入器104在由DCT变换器103输出的块的行号1及列号1的位置数据的基础上从电子水印数据插入位置表105取出要插入的标号为1的电子水印数据。

然后，电子水印数据插入器104从电子水印数据表106取出与标号为1的电子水印数据相对应的第一个电子水印数据，并将第一个电子水印数据插入由DCT变换器103输出的DCT变换后的频率数据中。IDCT变换器107对由电子水印数据插入器104输出的数据进行IDCT变换，并将数据存入行号及列号都为1的位置，该位置与DCT变换器已经从区域108中提取数据的位置相同，在区域108中存入已被插入电子水印数据的图像。

然后，对行号及列号都为1的块数据进行类似的操作。对由电子水印数据插入位置表105指定的所有块进行上述的操作(在图3的实例中，针对图像数据中的所有数据)。

接着，参考图2及图3，将更具体的描述电子水印数据检测装置的操作。

DCT变换器203从图像201的行号及列号都为1的位置提取出尺寸为8×8的像素的块数据并进行DCT变换，在DCT变换后输出行及列号数据及频率数据。电子水印数据抽取器204在由DCT变换器203输出的行号及列号都为1的块的位置数据的基础上从电子水印数据抽取表205获得标号为1的要被抽取的电子水印数据。

然后，电子水印数据抽取器204从由DCT变换器203输出的进行DCT变换后的频率数据抽取电子水印数据，并将其存入对应于抽取数据存储区域206中的标号1的电子水印数据的第一抽取区。

接着，对行号和列号都为1的块数据进行类似的处理。对由电子水印数据抽取位置表指定的所有块数据进行上述的操作(在图3的实例中，是针对图像数据中的所有块)。

在将整屏的抽取数据存入抽取数据存储区后，电子水印数据检测器207从抽取数据存储区206取出第一抽取数据及从电子水印数据表208取出第一电子水印数据，并计算统计相似程度以输出结果。

接着，电子水印数据检测器207从抽取数据存储区206取出第二抽取数据及从电子水印数据表208取出第二电子水印数据，并计算统计相似程度以输出结果。

通过类似的方式，同样对第三抽取数据和第三电子水印数据及第四抽取数据和第四电子水印数据进行类似的处理。

如上所述，本发明将一个图像分割为j×k像素的块单位，并改变每个块的要插入的电子水印数据，从而，当将多个电子水印数据插入图像中时，可防止多个电子水印数据相互干扰的问题。对本领域中的技术人员而言，对本发明所做的各种的变更及修改都在由所附权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种将电子水印数据插入数字图像中的装置，其特征在于包含：

一个正交变换器，它对从图像取出的j×k像素的块进行正交变换，并在正交变换之后输出该块的位置信息以及变换后的数据；

一个电子水印数据插入位置表，它记录将要插入的n类电子水印数据的每一类在图像中的块位置；

一电子水印数据表，它存储n类电子水印数据；

一电子水印数据插入器，它根据从所述正交变换器输出的位置信息及和从所述电子水印数据表取出的电子水印数据数相一致的电子水印数据将电子水印数据插入到正交变换后的数据中；

一逆正交变换器，它对其中已插入电子水印数据的图像块进行逆正交变换。

2.一种将电子水印数据插入数值图像中的方法，其特征在于包含如下步骤：

预先制备电子水印数据插入表，它记录将要插入的n类电子水印数据的每一类在图像中的尺寸为j×k像素(j和k为自然数)的块中的位置，及电子水印数据表，它存储n类电子水印数据；

从数字图像取出图像块，进行正交变换，并获取取出的图像块及正交变换后的数据的位置信息；

在所述位置信息的基础上从所述电子水印数据插入位置表的适宜位置取出电子水印数据数，取出与从所述电子水印数据表取出的电子水印数据数相一致的电子水印数据，并将电子水印数据插入正交变换后的数据中；

对其中已插入电子水印数据的块进行逆正交变换。

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