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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung
zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Informationssignal nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5. Insbesondere bezieht sich die
vorliegende Erfindung auf das Einbetten eines Wasserzeichens in
ein Bewegungsvideosignal.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wasserzeichenmarkierung
ist eine Technik zum Bescheinigen der Eigentümerschaft von (digitalem) Informationsinhalt.
Durch unmerklichen versteck eines Wasser-Zeichens in dem Inhalt ist es möglich, Piraterie
und illegale Verwendung dieses Inhaltes zu vermeiden. Typische Applikationen
umfassen Kopierschutz für
digitales Audio und Video und Rundfunküberwachung.
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Das
Wasserzeichen, typischerweise eine bestimmte pseudobeliebige Rauschsequenz,
wird üblicherweise
dem Inhalt in der ursprünglichen
(zeitlichen oder räumlichen)
Signaldomäne
hinzugefügt. Die
jüngsten
Wasserzeichendetektionsverfahren basieren auf Korrelation des betreffenden
Signals mit der pseudobeliebigen Rauschsequenz. Wenn die Korrelation
eine bestimmte Schwelle übersteigt,
soll das Wasserzeichen anwesend sein.
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Ein
Verfahren und eine Anordnung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw.
5 ist in EP-A-1136946 beschrieben, was eine Veröffentlichung entsprechend Art.
54(3) und (4) EPC ist.
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Ein
anderes Beispiel eines bekannten Verfahrens zum Einbetten eines
Wasserzeichens ist in der Internationalen Patentanmeldung WO-A-99/45707
beschrieben. Das bekannte Verfahren bezieht sich auf die Wasserzeichenmarkierung eines
Bewegungsvideosignals. Aus Komplexitätsgründen wird dasselbe Wasserzeichen
in jedes Bild (Bild oder Teilbild) des Videosignals eingebettet.
Um die Komplexität
noch weiter zu reduzieren wird über das
Bild ein kleines Wasserzeichenmuster "gekachelt". Eine typische Kachelgröße ist 128 × 128 Pixel. An
der Detektionsseite werden die Kachel einer Anzahl Bilder zu einem
128 × 128
Puffer gefaltet. Danach wird Detektion durchgeführt, und zwar durch Korrelation
des Pufferinhalts mit dem kleinen Wasserzeichenmuster.
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Die
pseudobeliebige Rauschsequenz ist ein geheimer Schlüssel. Wenn
ein Hacker die Sequenz und den Einbettungsalgorithmus kennt, kann
er eine Schätzung
des eingebetteten Wasserzeichens erhalten, beispielsweise durch
Hinzufügung
einer Vielzahl von Kacheln. Er kann dann das Wasserzeichen durch
Subtraktion der geschätzten
Sequenz von dem mit einem Wasserzeichen versehenen Signal entfernen.
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AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
und eine Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens auf eine sicherere
Art und Weise zu schaffen.
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Dazu
ist das Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Informationssignal
gekennzeichnet durch den Schritt der Randomisierung der Größen der
Fourier-Koeffizienten
des genannten Wasserzeichens.
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Die
Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass sie Mittel aufweist zur Randomisierung der Größen der
Fourier-Koeffizienten des genannten Wasserzeichens.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Detektionsverfahren
in Bezug auf vorbestimmte Eigenschaften des eingebetteten Wasserzeichens
oft unveränderlich
sind. So ist beispielsweise das bekannte in der oben genannten internationalen
Patentanmeldung WO-A-99/45707 beschriebene Detektionsverfahren unveränderlich
in Bezug auf die Größen des
Fourier-transformierten Bildes.
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Das
bekannte Detektionsverfahren ist auch verschiebungsunveränderlich.
Auf entsprechende Weise umfasst der Schritt der Erzeugung verschiedener
Versionen des Wasserzeichens eine beliebige Verschiebung (beispielsweise
mit einer niedrigen zeitlichen Frequenz) der räumlichen Lage des Wasserzeichens
gegenüber
dem Videobild in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Ein
anderes Verfahren zum Detektieren eines Wasserzeichens, vorgeschlagen
in der (nicht veröffentlichten)
Europäischen
Patentanmeldung 99203143.5 der Anmelderin, ist unveränderlich
gegenüber
Skalierung und Drehung des eingebetteten Wasserzeichens. In Kombination
mit einem derartigen Detektor kann das eingebettete Wasserzeichen beliebig
skaliert und/oder gedreht werden.
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Auf
diese Weise wird mit der vorliegenden Erfindung erreicht, dass eine
Skala von Wasserzeichen eingebettet wird, wobei diese Wasserzeichen
in der Signaldomäne
verschieden sind, aber von dem Detektionsalgorithmus als die gleichen
gesehen werden.
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Die
UK Patentanmeldung
GB 2 325 765 beschreibt
ein Verfahren zum Verstecken von Daten in einem Videosignal, wobei
in diesem Verfahren Framemuster verschiedener Blockmuster in die
Videoframes eingebettet werden. Ein beliebiges Element wird in ein
Blockmuster eingeführt.
Insbesondere wird ein bestimmtes Blockmuster zu dem Videosignal hinzugefügt und an
derselben Stelle jedes Frames von demselben subtrahiert. Es wird
ein Detektionsmuster verwendet, das kein beliebiges Element enthält. Das
beliebige Element sorgt dafür,
dass an dem Ausgang des Detektors beliebig eine +1 oder eine –1 erscheint.
Der Detektor erscheint nicht um in Bezug auf das Vorzeichen des
Einbettungsvorgangs unveränderlich
zu sein. Dieses bekannte Dokument beschreibt deswegen nicht Randomisierung
einer Eigenschaft, die zur Detektion des Wasserzeichens irrelevant
ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Anordnung
zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Videosignal nach der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine
Darstellung der Wirkungsweise eines Nutzlastcodierers, der in 1 dargestellt
ist,
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3 ein
durch die Anordnung nach 1 in ein Videosignal eingebettetes
Wasserzeichen,
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4 und 5 alternative
Ausführungsformen
der in 1 dargestellten Anordnung,
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6 ein
durch die Anordnungen nach den 4 und 5 in
ein Videosignal eingebettetes Wasserzeichen,
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7 eine
schematische Darstellung einer Anordnung zum Detektieren eines Wasserzeichens in
einem verdächtigen
Videosignal,
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8A und 8B Korrelationsmuster,
welche die Wirkungsweise des Detektors nach 7 illustrieren,
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9 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Anordnung
zum Einbetten eines Wasserzeichens in ein Videosignal nach der vorliegenden
Erfindung,
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10 ein
durch die Anordnung nach 9 in ein Videosignal eingebettetes
Wasserzeichen,
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11A und 11B Korrelationsmuster, welche
die Wirkungsweise des Detektors aus 7 illustrieren.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung wird in Bezug auf das Einbetten eines Wasser-Zeichens in Bewegungsvideosignale
beschrieben. Es dürfte
einleuchten, dass die Beschreibung auch auf andere Typen von Informationssignalen
angewandt werden kann. 1 ist eine schematische Darstellung
einer ersten Ausführungsform
einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung ist
eine weitere Verbesserung der in der Internationalen Patentanmeldung
WO-A-99/45707 beschriebenen Einbettungsanordnung.
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Die
Anordnung empfängt
ein Bewegungsvideosignal X und liefert ein mit einem Wasserzeichen versehenes
Videosignal Y aus. Die Anordnung umfasst einen Nutzlastcodierer 10,
einen Eigentumsrandomisierer 11, eine Kachelschaltung 12,
und einen Addierer 13. 2 illustriert
die Wirkungsweise des Nutzlastcodierers 10. Ein Wasserzeichenmuster
W wird dadurch erhalten, dass ein begrenzter Satz nicht korrelierter "Basis" Wasserzeichenmuster
(W1, W2) und zyklisch verschobene Versionen (W2k)
davon hinzugefügt
wird. In diesem Beispiel erzeugt der Codierer 10 W = W1
+ W2 – W2k, wobei W2k eine
zyklisch verschobene Version des Basismusters W2 ist. Die Vorzeichen
und die Verschiebungsvektoren (k) stellen eine Netzlast K dar. Um
die Komplexität
zu reduzieren hat das Wasserzeichenmuster W eine relativ geringe
Größe von M × M (beispielsweise
128 × 128)
Pixeln. Dieses Muster wird durch die Kachelanordnung 12 über das
größere N1 × N2 Bildgebiet
gekachelt. In der bekannten Anordnung wird die gleiche Wasserzeichenkachel
W über
das Bild gekachelt. Weiterhin wird dasselbe Wasserzeichen WM in
aufeinander folgende Frames eines Bewegungsvideosignals eingebettet.
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Die
Anordnung, die in 1 dargestellt ist, umfasst einen
Eigentumsrandomisierer 11. Die einzubettende Wasserzeichenkachel
W wird in dem vorliegenden Fall einer schnellen Fourier-Transformation 110 ausgesetzt.
Die Fourier-Koeffizienten haben eine Größe abs und eine Phase φ. Die Größen abs werden
mit Hilfe einer Randomisierungsschaltung 111 randomisiert
(oder durch beliebige Größen ersetzt).
Die randomisierten Größen abs' und die ursprünglichen
Phasen φ werden
danach durch eine inverse schnelle Fourier-Transformation 112 in
die räumliche
Domäne
zurück
transformiert. Die auf diese Art und Weise erzeugte Wasserzeichenkachel
W' weicht von dem
Wasserzeichenkachel W in der räumlichen
Domäne
ab.
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Der
Eigentumsrandomisierer 11 erzeugt ein anderes Wasserzeichenmuster
W' für jede Kachel des
Bildes. 3 zeigt das Wasserzeichen WM
nach dem Kachelvorgang 12. In dieser Figur wird das Eigentum,
das für
den Detektionsprozess irrelevant ist (d.h. die Größen der
Fourier-Koeffizienten) durch dien Linienstil dargestellt. Dieses
Eigentum ist von Kachel zu Kachel anders. Das Eigentum, das für den Detektionsprozess
relevant ist (d.h. die Phasen der Fourier-Koeffizienten) wird durch
die betreffenden Symbole dargestellt und ist für jede Kachel die gleiche.
Die Wasserzeichenkacheln sind in der räumlichen Domäne anders
und sind deswegen schwer zu "hacken".
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Wasserzeicheneinbettungsanordnung, mit der der gleiche Effekt
erreicht wird. Diese Ausführungsform
weicht von der aus 1 darin ab, dass der Eigentumsrandomisierungsvorgang
einzeln auf die Basiswasserzeichenmuster W1 und/oder W2 vor Codierung
der Netzlast angewandt wird. Für
jedes Basiswasserzeichen wird ein betreffender Eigentumsrandomisierer 13, 14 verwendet,
der dem Randomisierer aus 1 entspricht.
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5 zeigt
eine Abwandlung dieser Ausführungsform.
Darin werden die Basiswasserzeichenmuster in der Fourier-Domäne statt
in der räumlichen Domäne definiert.
Insbesondere werden die Basiswasserzeichen W1 und W2 in Termen der
Phasen φ der
Fourier-Koeffizienten definiert. Die betreffenden Eigentumsrandomisierer 15, 16 brauchen
nicht länger
schnelle Fourier-Transformationsschaltungen (siehe 110 in 1).
Die Größen oder
die Fourier-Koeffizienten werden nun von beliebigen Generatoren 151 bzw.
161 beliebig erzeugt.
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Es
sei bemerkt, dass die Eigentumsrandomisierer 13, 14 (4)
und 15, 16 (5) nicht
physikalisch in den betreffenden Einbettungsanordnungen vorhanden
zu sein brauchen. Es ist möglich,
eine Anzahl randomisierter Versionen jedes Basiswasserzeichenmusters
in der Einbettungsanordnung vorher zu speichern. In dem Fall selektiert
die Einbettungsanordnung (beliebig) eine der gespeicherten Versionen für jede Bildkachel.
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6 zeigt
das gekachelte Wasserzeichen WM, erzeugt von den in den 4 und 5 dargestellten
Ausführungsformen.
Das Wasserzeichen weicht von dem aus 3 darin
ab, dass das Basismuster W1 einerseits und die Muster W2 und W2k andererseits verschieden randomisiert werden.
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Der
Vollständigkeit
der Beschreibung der vorliegenden Erfindung halber wird nun die
Wirkungsweise des Wasserzeichendetektors kurz zusammengefasst. Eine
detaillierte Beschreibung lässt sich
in der Internationalen Patentanmeldung WO-A-99/45707 finden. 7 ist
eine schematische Darstellung der Anordnung. Der Detektor teilt
(20) jedes Bild eines verdächtigen Signals Q in Blöcke mit der
Größe M × M (M =
128) auf und steckt alle Blöcke in
einen Puffer B mit der Größe M × M. Dieser
Vorgang ist als Faltung bekannt. Um zu detektieren, ob der Inhalt
q des Faltungspuffers B ein bestimmtes (möglicherweise verschobenes)
Basiswasserzeichenmuster w (W1 oder W2) enthält, werden der Pufferinhalt
und das genannte Basiswasserzeichenmuster einer Korrelation ausgesetzt.
Der Inhalt q des Puffers und das Basiswasserzeichenmuster w werden
in den Transformationsschaltungen 22 bzw. 23 einer schnellen
Fourier-Transformation (FFT) ausgesetzt. Diese Vorgänge ergeben: q ^ = FFT(q) und w ^ = FFT(w)wobei q ^ und w ^ Sätze komplexer
Nummern sind. Berechnung der Korrelation entspricht der Berechnung der
Faltung von q und der Konjugation von w. In der Transformationsdomäne entspricht
dies: d ^ = q ^⊗ conj(w ^)
wobei das Symbol ⊗ eine
punktweise Multiplikation bezeichnet und wobei conj() Konjugation
bezeichnet. Die Konjugation (wobei das Vorzeichen des imaginären teils
invertiert wird) von w ^ wird von einer Konjugationsschaltung 24 durchgeführt, und
die punktweise Multiplikation wird von einem Multiplizierer 25 durchgeführ. Es sei
bemerkt, dass FFT 23 und die Konjugation 24 des
angebrachten Wasserzeichens W vorher berechnet und in einem Speicher
gespeichert werden kann.
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Die
Fourier-Koeffizienten d ^ sind komplexe Zahlen. Wie in der Internationalen
Patentanmeldung WO-A-99/45707 beschrieben, wird die Zuverlässigkeit
des Detektors wesentlich verbessert, wenn die Größeninformation weggezogen und
nur die Phase in Be tracht gezogen wird. Dazu umfasst der Detektor eine
Größennormalisierungsschaltung 26,
die punktweise jeden Koeffizienten durch seine Größe teilt: d ^: = d ^Φabs(d ^)wobei Φ eine punktweise
Teilung bezeichnet.
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Ein
M × M
Muster von Korrelationswerten d = {dk} wird
nun durch eine invertierte Fourier-Transformation des Ergebnisses
der genannten Multiplikation erhalten: d = IFFT(d ^)die
durch eine invertierte FFT Schaltung 27 durchgeführt wird.
Das Basiswasserzeichenmuster W wird als anwesend detektiert, wenn
dk größer ist
als eine bestimmte Schwelle. 8A zeigt,
dass das M × M Korrelationsmuster
eine starke positive Spitze 80 am Ursprung (0,0) zeigt,
wenn das Basiswasserzeichen W1 der Anordnung zugeführt wird.
Die Stelle (0,0) der Spitze gibt an, dass die räumliche Lage des zugeführten Wasserzeichenmusters
der räumlichen Lage
des eingebetteten Wasserzeichens in dem Faltungspuffer entspricht. 8B zeigt,
dass das Korrelationsmuster eine starke positive Spitze 81 am
Ursprung (0,0) und eine starke negative Spitze 82 an einer
anderen Stelle zeigt, wenn das Basiswasserzeichen W2 der Anordnung
zugeführt
wird. Der relative Abstand zwischen und die Vorzeichen von den Spitzen 81 und 82 stellen
den Verschiebungsvektor k dar. Eine Nutzlastdecoder 28 (7)
identifiziert den genannten Verschiebungsvektor k und decodiert
die entsprechenden Nutzlastdaten K.
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Ein
etwaiger Hacker wird eine Schätzung
der Phasen des Wasserzeichens erhalten, wenn er eine Vielzahl Kacheln
hinzufügt.
Er kann den Detektor dadurch täuschen,
dass er beliebige Größen für das Wasserzeichen
wählt und
danach das geschätzte Wasserzeichen
von dem mit Wasserzeichen versehenen Videosignal subtrahiert. Dies
wird aber Artefakte einführen,
weil das eingebettete Wasserzeichen räumlich anders ist als das geschätzte Wasserzeichen.
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9 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der Wasserzeicheneinbettungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung.
In dieser Ausführungsform
ist das Eigentum des Wasserzeichens WM, das randomisiert wird, die räumliche
Lage gegenüber
dem Bildgebiet. Dazu umfasst die Anordnung einen Positionsrandomisierer 19.
In diesem Beispiel liegt der Randomisierer zwischen der Kachelschaltung 12 und dem
Addierer 13. Auf alternative Weise kann der Randomisierer
zwischen dem Nutzlastcodierer 10 und der Kachelschaltung 12 vorgesehen
werden.
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10 zeigt
ein gekacheltes Wasserzeichen WM',
erzeugt von dieser Ausführungsform.
Es ist zyklisch um einen Vektor s verschoben worden, dies im vergleich
zu dem in 3 und 6 dargestellten Wasserzeichen
WM. Auf vorteilhafte Weise wird die Position von Frame zu Frame
mit einer relativ niedrigen Frequenz modifiziert. Die 11A und 11B zeigen
die M × M
Korrelationsmuster, wenn die Basiswasserzeichenmuster Q1 bzw. W2
dem Detektor zugeführt
werden. Die Spitzen 80–82 sind
um den Vektor s im vergleich zu den Spitzen in den 8A und 8B verschoben.
Aber der relative Abstand zwischen und die Vorzeichen von den Spitzen,
die den Verschiebungsvektor k darstellen (und folglich die Nutzlastdaten
K) sind nicht geändert
worden.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen (Randomisierung
von Größen und
Randomisierung der Position) können
auf vorteilhafte Weise kombiniert werden. Zusammenfassend wird Folgendes
geschaffen: eine Anordnung zum Einbetten eines Wasserzeichens in
ein Informationssignal. Um das eingebettete Wasserzeichen gegen
Hacking robuster zu machen wird eine Eigenschaft des Wasserzeichens randomisiert
(11), was für
die Wasserzeichendetektion irrelevant ist. Ein Beispiel ist Randomisierung (111)
der Größen (abs)
des Fourier-transformierten Wasserzeichens. Ein anderes Beispiel
ist die beliebige Verschiebung der räumlichen oder zeitlichen Position
des Wasserzeichens gegenüber
dem Signal mit einer relativ niedrigen zeitlichen Frequenz. Die vorliegende
Erfindung ermöglicht
eine Einbettung (13) räumlich
verschiedener Wasserzeichen ohne Beeinträchtigung der Leistung eines
Detektors.