DE69822773T2 - Videosignalverarbeitung für elektronisches Wasserzeichensetzen - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft Bildsignalverarbeitungssysteme. Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Durchführen der digitalen Wasserzeichenmarkierung eines digitalen Bildes oder einer Bildsequenz.
  • Mit dem Aufkommen der Digitalisierung von Bildern, der digitalen Bildverteilung und der Verfügbarkeit digitaler Videos ist der Schutz des Urheberrechts solcher digitaler Videos und solcher digitaler Bilder ein wesentlicher Punkt für Bildverlage und Autoren geworden. Eine Technik, die verwendet wird, um die Urheberschaft eines digitalen Bildes zu identifizieren, ist ein digitales "Wasserzeichen", das in ein Bild oder eine Bildsequenz eingebettet wird. Solche Wasserzeichen müssen sicher und widerstandsfähig gegenüber beabsichtigter Zerstörung und gegenüber der Komprimierungsverarbeitung sein, dürfen nicht unverhältnismäßig komplex sein, um sie einzubetten und zu extrahieren, und müssen kompatibel und dialogfähig mit konventionellen Bildverarbeitungssystemen sein. Das Wasserzeichen ist im allgemeinen für einen Betrachter unsichtbar. In manchen Anwendungsfällen ist es jedoch wünschenswert, ein sichtbares Wasserzeichen zu erzeugen, das durch einen autorisierten Bilddecoder entfernt werden kann und das von einem nicht autorisierten Decoder nicht entfernt werden kann.
  • Verschiedene digitale Wasserzeichenmarkierungstechniken wurden sowohl für stillstehende Bilder als auch für Videobilder mit variierendem Erfolgsgrad versucht. Die Verwendung von Breitspektrumtechniken ist beschrieben in Hartung et al., "Digital Watermarking of Raw and Compressed Video", Systems for Video Communication, Oktober 1996, S. 205–213, und in Hartung et al., "Watermarking of MPEG-2 Encoded Video Without Decoding and Reencoding", Proceedings of SPIE 3020, Multimedia Computing and Networking 97 (MMCN 97), Februar 1997, und in der EP 0 766 468 . Die erste dieser Veröffentlichungen beschreibt eine Technik, die die Energie eines Wasserzeichenbildes über eine Videosequenz, welche mit dem Wasserzeichen versehen werden soll, unter Verwendung eines Pseudorauschsignals ausdehnt. Sobald das Pseudorauschsignal in die Videosequenz eingebettet wurde, codiert das System die Videosequenz, die das Wasserzeichen enthält.
  • Auf diese Art und Weise wird eine Wasserzeichenmarkierung im Pixelraum verwirklicht. Jegliche Codierverluste in dem Videocodierprozeß wirken als solche sowohl auf das Wasserzeichen wie auch auf die Bilder in der Videosequenz. Am Decoder wird das verteilte Wasserzeichen korreliert und aus der Videosequenz extrahiert. Die Verwendung einer Breitspektrumtechnik erfordert eine beachtliche Synchronisation und eine Signalverarbeitungshardware sowohl am Codierer als auch am Decodierer, um die Wiedergewinnung des Wasserzeichens und des Videos zu ermöglichen. Im Grunde genommen werden Pixelraumwasserzeichenmarkierungsprozesse im allgemeinen vermieden.
  • Beide der vorerwähnten Veröffentlichungen beschreiben eine Wasserzeichenmarkierungstechnik im Bitstromraum, wo der "Block" eines Einzelbildes innerhalb der Videosequenz codiert und dann mit einem codierten Wasserzeichensignal kombiniert wird. Genauer gesagt ist ein Block im allgemeinen ein 8 × 8-Pixelabschnitt eines Einzelbildes. Der Block wird unter Verwendung einer diskreten Kosinustransformation (DCT) codiert, um einen codierten Block zu bilden. Ein Wasserzeichenbild wird in ähnlicher Weise in Blöcke aufgeteilt und DCT-codiert. Die DCT-Koeffizienten, die den codierten Wasserzeichenblock und den codierten Bildblock darstellen, werden dann zusammenaddiert, um einen kombinierten Block zu bilden. Der kombinierte Block wird quantisiert und fehlercodiert. Danach wird ein Auswahlprozeß durchgeführt, um nur die "wasserzeichenmarkierten" Koeffizienten zu übertragen, was die notwendige Bitrate, um die codierte Videosequenz zu übertragen, nicht erhöhen wird. Dieser Auswahlprozeß vergleicht die Anzahl von Bits, die notwendig ist, um die Koeffizienten des kombinierten Blocks mit der Anzahl der erforderlichen Bits zu kombinieren, um die Koeffizienten nur des Bildblocks zu codieren. Wenn die Anzahl von kombinierten Blockbits größer als die Anzahl der Bildblockbits ist, überträgt das System die Bildblockbits; anderenfalls wird der kombinierte Block übertragen. Es ist klar, daß solch ein Auswahlprozeß einen Teil der Wasserzeicheninformation eliminiert und daher das Wasserzeichen verzerrt bzw. verformt. In manchen extremen Fällen kann die Wasserzeicheninformation überhaupt nicht mehr übertragen werden oder es kann nur solch eine geringe Menge übertragen werden, daß das Wasserzeichen nutzlos wird.
  • Es besteht daher im Stand der Technik das Bedürfnis nach einer Wasserzeichenmarkierungstechnik, die nicht einen Teil des Wasserzeichensignals entfernt, um die Wasserzeichenmarkierung einer Videosequenz zu erleichtern, ohne ein vorbestimmtes Bitbudget zu überschreiten.
  • Aspekte der Erfindung werden in den Ansprüchen spezifiziert.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung trachtet danach, die Nachteile, die mit dem Stand der Technik verknüpft sind, zu reduzieren oder zu überwinden. Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Verfahrens und einer Vorrichtung trachtet danach, ein Bild oder eine Sequenz aus Bildern mit einem Wasserzeichen zu markieren, ohne das Wasserzeichensignal zu beschränken. Die Wasserzeichenmarkierungsvorrichtung der Ausführungsform beinhaltet eine konventionelle DCT-Einheit und einen Quantisierer für das Erzeugen einer Anordnung von quantisierten DCT-Koeffizienten. Die Anordnung wird mit einem Wasserzeichen markiert durch Maskieren der Anordnung, um bestimmte der DCT-Koeffizienten auszuwählen, die dann durch Nullwerte ersetzt werden, um eine maskierte Anordnung zu bilden. Die maskierte Anordnung wird weiterverarbeitet durch einen Wasserzeicheneinfüger, der die nullwertigen Koeffizienten durch vorbestimmte Wasserzeichenkoeffizienten ersetzt, um eine mit einem Wasserzeichen markierte Anordnung von DCT-Koeffizienten, z. B. ein wasserzeichenmarkiertes Bit, zu bilden. Das Bild, das wasserzeichenmarkiert ist, wird im allgemeinen in eine Mehrzahl von Blöcken aus Pixeln unterteilt, wobei jeder Block in der obigen Art und Weise auf einer Block-per-Block-Basis mit einem Wasserzeichen markiert wird.
  • Eine Ausführungsform dieser Erfindung wird im allgemeinen in einem blockbasierten Bildcodierer, wie z. B. einem MPEG-Codierer, verwendet, wo die maskierte Anordnung an einen eingebetteten Decoder angewendet wird, so daß hieraus ein vorhergesagtes Bild erzeugt wird. Das vorhergesagte Bild wird mit dem Eingangsbild verglichen, um ein Restbild zu erzeugen, das in der oben beschriebenen Art und Weise mit einem Wasserzeichen markiert wird. Dadurch, daß die wasserzeichenmarkierte Maske innerhalb der Schleife arbeitet, die das vorhergesagte Bild erzeugt, wird die Codierung in der geschlossenen Schleife im wesentlichen die Bildverzerrung kompensieren, die durch das Nullsetzen einiger der DCT-Koeffizienten zu dem Bild hinzugefügt wird. Da die nullgesetzten Koeffizienten jedoch im allgemeinen die Hochfrequenzkoeffizienten sind, ist die Störung gering. Abhängig von der Größe der Wasserzeichenwerte und ihrer Plazierung in der DCT-Anordnung, kann die Wasserzeichenmarkierung wahlweise sichtbar oder unsichtbar sein.
  • Diese Art und Weise der Wasserzeichenmarkierung eines Bildes ermöglicht eine eher einfache Technik, die verwendet wird, um ein sichtbares Wasserzeichen innerhalb eines autorisierten Decoders aus dem Bild zu entfernen. Der autorisierte Decoder muß ein Referenzwasserzeichen enthalten, das zu dem Bildwasserzeichen paßt. Wenn das Wasserzeichen unter Verwendung eines Pseudozufallscodes erzeugt wird, kann der Kern des Codes innerhalb der Benutzerdaten in dem Bitstrom übertragen werden. Im Grunde genommen kann die Wasserzeichenreferenz durch den Decoder aus dem Keim (seed) erzeugt. Folglich können Decoder selektiv autorisiert werden, bestimmte Bildsequenzen zu decodieren und das Wasserzeichen zu entfernen.
  • Genauer gesagt weist ein Decoder für den Bitstrom, der das Wasserzeichen enthält, einen Eingangsprozessor, einen Wasserzeichenentferner/-vergleicher und einen konventionellen blockbasierten Decoder auf. Der Eingangsprozessor verarbeitet den Eingangsbitstrom, um die Kopfzeileninformation, die Bewegungsvektoren und die Anordnungen (Blöcke) von DCT-Koeffizienten, die die Wasserzeichenwerte enthalten, zu extrahieren. Jeder Block ist auf einer Block-per-Block-Basis mit einem Wasserzeichenentferner/-vergleicher verbunden. Der Wasserzeichenentferner/-vergleicher extrahiert die Wasserzeichenwerte und vergleicht sie mit einem Referenzwasserzeichen. Wenn die extrahierten Werte mit der Referenz übereinstimmen, wird ein Authentifizierungssignal erzeugt und der Wasserzeichenentferner/-vergleicher nullt dann die Koeffizienten in dem Block, der die Wasserzeichenwerte enthält. Der Block wird dann in einer konventionellen Art und Weise decodiert, um die rekonstruierten Bilder zu erzeugen. Wenn die extrahierten Wasserzeichenwerte jedoch nicht mit der Referenz übereinstimmen, bleiben die Wasserzeichenwerte in dem Block der DCT-Koeffizienten und die rekonstruierten Bilder werden durch das sichtbare Wasserzeichen gestört.
  • Die Lehren der vorliegenden Erfindung können leicht verstanden werden durch Betrachten der folgenden anschaulichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines blockbasierten Videocodierers darstellt, der eine digitale Wasserzeichenmarkierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält,
  • 2 ein Flußdiagramm einer Wasserzeichenmarkierungsroutine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt,
  • 3 einen anschaulichen Block von quantisierten DCT-Koeffizienten darstellt,
  • 4 den Block von 2 mit einer hieran angewandten Wasserzeichenmaske darstellt,
  • 5 den Block von 3 darstellt mit durch die Wasserzeichenkoeffizienten ersetzten "maskierten" DCT-Koeffizienten, und
  • 6 einen blockbasierten Videodecoder darstellt, der eine Wasserzeichenentfernvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthält.
  • Um das Verständnis zu erleichtern, wurden identische Bezugszahlen verwendet, wo dies möglich war, um identische Elemente zu bezeichnen, die in den Figuren gemein sind.
  • 1 stellt einen blockbasierten Videocodierer 100 dar, der einen Wasserzeichenprozessor 102 enthält. Der blockbasierte Codierer 100 ist anschaulich ein Codierer, der die Normen der Moving Pictures Experts Group (MPEG) für solche Codierer von Videobildsequenzen erfüllt, d. h. der Codierer wird allgemein als ein MPEG-Codierer bezeichnet. Die erfinderische Wasserzeichenmarkierungsvorrichtung sollte jedoch als bei jedem Bild- oder jedem Bildsequenzcodierprozeß anwendbar angesehen werden, der DCT-Koeffizienten verwendet, um den Codierungsprozeß zu erleichtern, z. B. JPEG, H.261, MPEG-1, MPEG-2 und dergleichen.
  • Genauer gesagt weist der anschauliche MPEG-Codierer 100 konventionelle Komponenten auf, wie z. B. einen Subtrahierer 104, einen Intra-Inter-Switch bzw. -Schalter 106, eine DCT-Einheit 108, einen Quantisierer 110, einen Ausgabeprozessor 112 und einen Intea-Inter-Entscheider 114 und einen eingebetteten Decodierer 116. Wie gut bekannt ist, arbeitet ein MPEG-Codierer auf einem Einzelbild, das einer Sequenz von Videobildern entnommen ist. Das Einzelbild wird in eine Mehrzahl von "Blöcken" unterteilt, die konventionell eine Gruppe aus 16 × 16 Pixeln enthalten. Bei dem, was als eine 4:2:0-Abfragestruktur bekannt ist, wird dieser Block aus Pixeln verarbeitet, um einen Block mit Luminanzinformation (z. B. vier 8 × 8-Blöcke von Luminanzpixeln) zu bilden, und der 16 × 16-Block wird unterteilt, um zwei 8 × 8-Blöcke aus Pixeln, die Farbinformation enthalten, zu bilden. Die Kombination dieser sechs Blöcke aus Pixelinformation ist als "Makroblock" bekannt. Um jedoch die Allgemeinheit beizubehalten, wird die vorliegende Erfindung als ein Zielbild verarbeitend erörtert, das als eine Anordnung von Pixeln irgendeiner Größe oder Form interpretiert werden sollte.
  • In der anschaulichen Anwendung der vorliegenden Erfindung innerhalb eines MPEG-Codierers wird jeder 8 × 8-Block aus Pixelinformation nacheinander an den Eingang des Codierers als ein "Ziel"-Bild angelegt. Das Zielbild wird mit einem bewegungskompensierten, vorhergesagten Bild, das von dem eingebetteten Decodierer 116 erzeugt wird, verglichen. Der Vergleich wird in dem Subtrahierer 104 durchgeführt, indem die Bildinformation, die in den beiden Bildern gleich ist, einen Nullwert erzeugt und alle Unterschiede als "Residuen" innerhalb eines Restbildes erscheinen. Die Residuen wandern durch den Inter-Intra-Schalter 106 und werden im allgemeinen in den Frequenzraum transformiert durch die DCT-Einheit 108. Im Grunde genommen erzeugt die DCT-Einheit 108 eine 8 × 8-Anordnung aus DCT-Koeffizienten, die Frequenzkomponenten der Pixelbildinformation in dem 8 × 8-Zielblock darstellen. Die DCT-Koeffizienten werden dann von dem Quantisierer 110 quantisiert. Wenn jedoch der Intra-Inter-Entscheider 114 bestimmt, daß der Codierer das Zielbild selbst effizienter als die Residuen codieren würde, wird der Intra-Inter-Schalter 116 eingestellt, um das Zielbild direkt mit der DCT-Einheit 108 zu verbinden, d. h. das Zielbild wird das Restbild. Eine Entscheidung, das Zielbild anstelle des Restbildes zu verwenden, tritt im allgemeinen nach einem Szenenwechsel (ebenso bekannt als Szenenschnitt) in der Videosequenz auf.
  • Die quantisierten DCT-Koeffizienten werden dann mit dem Wasserzeichenprozessor 102 verbunden. Der Wasserzeichenprozessor 102 weist einen Wasserzeichengenerator 123, eine Wasserzeichenmaske 118 und einen Wasserzeicheneinfüger 120 auf. Die Wasserzeichenmaske 118 wählt bestimmte der quantisierten DCT-Koeffizienten aus und stellt den Wert von jedem ausgewählten Koeffizienten auf Null ein. Ein Steuersignal, das von dem Wasserzeichengenerator erzeugt wird, bestimmt die bestimmten Koeffizienten, die zu maskieren sind. Die maskierte Anordnung von Koeffizienten, die die "genullten" Koeffizienten enthält, wird mit dem eingebetteten Decoder 116 verbunden und verwendet, um ein vorhergesagtes Bild zu erzeugen.
  • Der maskierte Block aus DCT-Koeffizienten wird mit dem Wasserzeicheneinfüger 120 verbunden, wo die genullten Koeffizienten durch Wasserzeichenkoeffizienten ersetzt werden. Die Wasserzeichenkoeffizienten werden durch das Wasserzeichensteuersignal geliefert.
  • Der wasserzeichenmarkierte Block von DCT-Koeffizienten wird dann mit dem Ausgangsprozessor verbunden, der die Bewegungsvektoren und die Kopfzeileninformation mit den DCT-Koeffizienten kombiniert und auf konventionelle Weise die Sammlung codiert unter Verwendung der Zick-Zack-Abtastung, der Laufniveaucodierung (RLC) und der variablen Längencodierung (VLC), um einen MPEG-konformen Bitstrom zu bilden. Ein Steuersignal wird dem Block 112 bereitgestellt, so daß bestimmte Wasserzeichendecodierinformation in beispielsweise die Benutzerdatenfelder des Bitstroms eingefügt werden können. Wenn beispielsweise ein dynamisch variables Wasserzeichen verwendet wird, wird die Synchronisierungsinformation in den Bitstrom eingefügt, um zu ermöglichen, daß ein Decoder das Wasserzeichen findet und extrahiert. Ebenso wird für pseudozufallserzeugte Wasserzeichen ein Keim für die Decodierung des Wasserzeichens in den Bitstrom beispielsweise als Bildlayerbenutzerdaten eingefügt. Im Grunde genommen kann die Wasserzeichen betreffende Decodierungsinformation so oft wie jedes Bild eingefügt werden, muß jedoch nicht.
  • Der maskierte Block aus Koeffizienten ist mit dem eingebetteten Decoder 116 verbunden. Der eingebettete Decoder 116 weist einen inversen Quantisierer 122, eine inverse DCT-Einheit 124, einen Summierer 126, einen Inter-Intra-Schalter 130 und einen Bewegungskompensationsprozessor 180 auf. Diese Sammlung von Komponenten decodiert den vorher codierten Block und bewegungskompensiert den Block in einer konventionellen Art und Weise. Genauer gesagt wird der maskierte Block invers quantisiert und invers DCT-verarbeitet. Im Grunde genommen wird ein Block aus rekonstruierten Residuen gebildet. Diese rekonstruierten Residuen sind nahezu dieselben wie die Residuen, die bei dem Subtrahierer 104 erzeugt werden, ihnen fehlt jedoch die maskierte Bildinformation. Die rekonstruierten Residuen werden zu einem vorhergesagten Bild innerhalb des Summierers 126 addiert und der summierte rekonstruierte Block wird innerhalb des Bewegungskompensationsprozessors 108 bewegungskompensiert, um ein vorhergesagtes Bild zu bilden. Der Inter-Intra-Schalter 130 arbeitet in der gleichen Art und Weise wie der Schalter 120 und unterliegt ebenso der Steuerung durch den Inter-Intra-Entscheider 114. Im Grunde genommen wird das vorhergesagte Bild verwendet, um den rekonstruierten Block zu bilden, und wird nur dann über den Schalter 130 verbunden, wenn die Residuen ursprünglich codiert wurden. Ansonsten ist die Ausgabe der inversen DCT-Einheit ein rekonstruiertes Zielbild, das, ohne zu einem vorhergesagten Bild addiert zu werden, mit dem Bewegungskompensator verbunden wird.
  • Es ist wichtig, zu bemerken, daß die Wasserzeichenmaskierung 118 innerhalb der "Schleife" liegt, die das Zielbild codiert und decodiert, um ein vorhergesagtes Bild zu bilden, während der Was serzeicheneinfüger 120 außerhalb dieser Schleife liegt. Durch das Stellen der Wasserzeichenmaske in die Schleife wird ein autorisierter MPEG-Decoder den eingebetteten Decoder verfolgen, nachdem das Wasserzeichen entfernt wird.
  • Der Wasserzeicheneinfüger 120 liegt außerhalb der Schleife, um sicherzustellen, daß die mit einem Wasserzeichen markierten Werte in dem Bitstrom "markiert" werden. Man bemerke, daß die wasserzeichenmarkierten DCT-Koeffizienten in der letztmöglichen Codierungsstufe modifiziert werden und daß keine weitere "verlustbehaftete" Verarbeitung erfolgt, nachdem die Wasserzeichenkoeffizienten in die maskierte Anordnung von DCT-Koeffizienten eingefügt wird. Alle Prozesse, die von dem Ausgangsprozessor durchgeführt werden, sind verlustfrei, z. B. das Zick-Zack-Scannen, VLC und RLC.
  • Unter Verwendung der Ausführungsform der Wasserzeichenmarkierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein nicht autorisierter MPEG-Decoder den eingebetteten Decoder nicht verfolgen, da ein nicht autorisierter Decoder nicht in der Lage sein wird, das Wasserzeichen aus dem decodierten Block zu entfernen. Im Grunde genommen werden die Ausgangsbilder von einem nicht autorisierten Decoder ein periodisch fluktuierendes Rauschen enthalten, dessen Sichtbarkeit durch den Wert der wasserzeichenmarkierten Koeffizienten gesteuert wird. Ein Decoder, der verwendet werden kann, um ein Wasserzeichen zu entfernen, das in der oben erwähnten Weise eingebettet ist, wird in Bezug auf 5 unten beschrieben.
  • 2 stellt ein Blockdiagramm des Prozesses dar, der verwendet wird, um das Wasserzeichen in ein Bild einzubetten und die 3, 4 und 5 stellen graphisch die Anordnung von DCT-Koeffizienten, wie sie von der gegenwärtigen Ausführungsform verarbeitet wird, dar. Um den Prozeß am besten zu verstehen, sollte der Leser gleichzeitig auf die 2, 3, 4 und 5 Bezug nehmen.
  • Genauer gesagt beginnt die anschauliche Wasserzeichenmarkierungsroutine 200 gemäß der Erfindung in Schritt 202 mit einem Eingangsbild, z. B. dem Restbild. In Schritt 204 wird das Eingangsbild in den Frequenzraum konvertiert unter Verwendung einer diskreten Kosinustransformation des Bildinhaltes und durch anschließende Quantisierung der DCT-Koeffizienten. 3 stellt graphisch einen 8 × 8-Block oder eine Anordnung 300 von quantisierten DCT-Koeffizienten dar. Die Wasserzeichenmaske wird in Schritt 206 angelegt, um bestimmte der DCT-Koeffizienten auszuwählen. In Schritt 208 werden die ausgewählten Koeffizienten "genullt", d. h. ihnen wird ein Nullwert zugewiesen. 4 stellt graphisch den Block 300 von 2 dar, nachdem eine Wasserzeichenmaske an den Block angelegt wurde und die ausgewählten DCT-Koeffizienten auf einen Nullwert eingestellt wurden. In Schritt 210 erzeugt die Routine die maskierte Anordnung als einen Ausgang. Wie oben beschrieben wurde, kann in einer MPEG-Decoderanwendung die maskierte Anordnung von einem eingebetteten Codieren verwendet werden, um ein vorhergesagtes Bild zu erzeugen.
  • In Schritt 212 ersetzt die Routine die selektiv ausgewählten Koeffizienten mit Wasserzeichenwerten (d. h. mit quantisierten DCT-Koeffizienten, die aus einem Wasserzeichenbild abgeleitet werden). Sorgfalt muß walten gelassen werden bei der Auswahl der DCT-Koeffizienten für die Ersetzung. Wenn das Wasserzeichen eine geringe Sichtbarkeit haben soll, dann ist es wichtig, daß relativ kleine Wasserzeichen-DCT-Werte, z. B. –1, 0, +1, in die Orte, die die höchsten Frequenzkoef fizienten des DCT tragen, eingefügt werden. Solche Höchstfrequenzorte liegen allgemein in der unteren rechten Ecke des DCT-Blocks. Maskieren dieser Koeffizienten wird eine "Baumwollstoff"-artige Erscheinung mit niedrigem Niveau in den rekonstruierten Werten haben. Solch ein Effekt erzeugt jedoch nicht allgemein sichtbare Artefakte in der decodierten Bildsequenz. Um die Sichtbarkeit des Baumwollstoffeffekts weiter zu reduzieren, können die Wasserzeichen-DCT-Werte, die eingefügt werden, von Einzelbild zu Einzelbild bei an demselben Ort liegenden Makroblöcken in der Polarität umgedreht werden können. Im Grunde genommen ist die durchschnittliche Helligkeitsabweichung Null und daher weniger sichtbar. Wenn das Wasserzeichen eine hohe Sichtbarkeit haben soll, sollten große Wasserzeichen-DCT-Werte verwendet werden. 5 stellt graphisch die Anordnung 300 dar, nachdem Wasserzeichen-DCT-Koeffizienten 500 in die maskierten Orte in der Anordnung eingefügt wurden. In Schritt 214 gibt die Routine die mit Wasserzeichen versehene Anordnung von DCT-Koeffizienten aus.
  • Die ersetzten DCT-Koeffizienten werden die Bitzahl, die mit jedem Block in dem Bild verknüpft ist, beeinflussen, d. h. jeder Block in einem Bild, das codiert ist, ist einer bestimmten Anzahl von Bits zugewiesen, die verwendet werden, um den Block zu codieren, und die Addition der Wasserzeichenwerte wird im allgemeinen diese Bitzahl erhöhen. In einigen Fällen kann die Addition eines Wasserzeichens die Bitzahl erniedrigen, jedoch wird in den meisten Fällen (d. h. wo die Hochfrequenz-DCT-Koeffizienten anderenfalls Nullwerte hätten) die Bitzahl erhöht. Die sorgfältige Auswahl der Wasserzeichenkoeffizienten kann jedoch die zusätzliche Bitzahl minimieren. Beispielsweise ist es effizienter, Koeffizienten mit der Größe 0 oder 1 zu codieren, als Codewerte mit größerem Wert zu codieren. Somit sollten niedrige Werte als Wasserzeichenkoeffizienten verwendet werden. Zusätzlich kann die Ratensteuertechnik (d. h. der Algorithmus, der tatsächlich die Codierrate und die Quantisierungsskala für die DCT-Koeffizienten steuert) auf entweder einer lokalen oder einer globalen Basis modifiziert werden, um dem leichten Anstieg in der Bitrate, die das Hinzufügen von Wasserzeichenkoeffizienten erfordern wird, Rechnung zu tragen.
  • Die tatsächlichen Wasserzeichenwerte können deterministisch, pseudozufällig oder kryptographisch innerhalb des Wasserzeichengenerators (132 in 1) erzeugt werden. Der Generator 132 wandelt beispielsweise eine Marke (z. B. XYZ) oder irgendein anderes identifizierendes Wort oder Bild in ein Binäräquivalent (ASCI) um. Die Binärwerte werden z. B. dann verwendet, um den quantisierten Koeffizienten Q (7,7) von 2 mit einer 1 oder 0 in nachfolgenden Blöcken zu ersetzen, die von dem Codierer bearbeitet werden. Auf diese Art und Weise wird nur ein Koeffizient in jeder Koeffizientenanordnung ersetzt.
  • Alternativ könnte ein Pseudozufallssequenzgenerator einen Pseudozufallswert erzeugen, den Wert normalisieren und Q (7,7) mit einer 0 ersetzen, wann immer der normalisierte Wert in dem Bereich von 0 bis 0,5 ist, und könnte Q (7,7) mit 1 ersetzen, wann immer der normalisierte Wert in dem Bereich 0,5 bis 1 liegt. Der Typ des Wasserzeichens, der verwendet wird (deterministisch oder pseudozufällig), kann zu dem Empfangsdecoder übertragen werden unter Verwendung des Benutzerdatenfeldes innerhalb des MPEG-Transportstroms. Wenn ein pseudozufällig erzeugter Code verwendet wird, können die Benutzerdaten ebenso verwendet werden, um einen "Seed" bzw. Keim für den Pseudozufallscode zu übertragen, so daß der Decoder leicht das Wasserzeichen extrahieren kann. Die Verwendung der Benutzerdaten in dieser Art und Weise erlaubt es dem Codierer, der das Wasserzeichen einfügt, den Wasserzeichencode zu verändern, während es dem autorisierten Decoder immer noch erlaubt wird, automatisch das neue Wasserzeichen zu entfernen.
  • Sobald das Wasserzeichen in ein Bild in der oben erwähnten Art und Weise eingefügt wird, verarbeitet ein nicht autorisierter Decoder (z. B. Standard-MPEG) das Wasserzeichen, als ob es das codierte Bild wäre. Abhängig von den Wasserzeichenkoeffizienten wird das Wasserzeichen in den decodierten Bildern entweder sichtbar oder unsichtbar sein. In einigen Fällen ist es wünschenswert, ein stark sichtbares Wasserzeichen zu haben, das in allen Bildern, die unter Verwendung eines nicht autorisierten Decoders decodiert werden, erscheint. Solch ein sichtbares Wasserzeichen würde jedoch die Entfernung von Bildern, die von einem autorisierten Decoder decodiert wurden, erfordern.
  • 6 stellt ein Blockdiagramm eines blockbasierten Bilddecoders (z. B. eines MPEG-Decoders) für das Decodieren eines Bitstroms, der von dem Codierer von 1 erzeugt wurde, und für das gleichzeitige Entfernen eines Wasserzeichens aus der decodierten Bildsequenz dar. Der Decoder 600 weist einen Eingangsprozessor 602, einen Wasserzeichenentferner/-vergleicher 604 und einen konventionellen Decoder 606 auf. Der Eingangsprozessor 602 verarbeitet den MPEG-konformen Bitstrom durch die variable Längendecodierung, die Lauflängendecodierung, die inverse Zick-Zack-Abtastung und das Entfernen der Kopfzeile, um einen Block (Array) aus quantisierten DCT-Koeffizienten zu erzeugen, der die Wasserzeicheninformation enthält. Die Bildleerbenutzerdaten enthalten Information betreffend die Art und Weise, in der der DCT-Block modifiziert wurde, um das Wasserzeichen aufzunehmen, d. h. die Informationsdetails, welche Orte Wasserzeichendaten enthalten. Der Eingangsprozessor 602 erzeugt aus den Benutzerdaten ein Steuersignal, das mit dem Wasserzeichenentferner/-vergleicher 604 verbunden ist. Dieses Steuersignal stellt die Orte der Koeffizienten bereit, die Wasserzeichenwerte tragen. Um die Authentizität des Wasserzeichens zu verifizieren, extrahiert der Wasserzeichenentferner/-vergleicher die Wasserzeichenwerte aus dem Block und die extrahierten Wasserzeichenkoeffizienten werden in einer gespeicherten Referenz (oder einer Referenz, die pseudozufällig aus einem Seed bzw. Keim, der von dem Codierer zu dem Decodierer übermittelt wurde, erzeugt wird) verglichen. Wenn eine Übereinstimmung auftritt, wird die Authentizität des Wasserzeichens bestätigt und ein Authentifizierungssignal wird erzeugt. Wenn keine Übereinstimmung gefunden wird, dann wurde das Wasserzeichen nicht von einem autorisierten Codierer eingefügt. Wenn eine Übereinstimmung auftritt, dann "nullt" der Wasserzeichenentferner/-vergleicher den Wasserzeichenwert an jedem dieser Orte, um den Block Z zu erzeugen (ebenso in 4 dargestellt). Ohne eine Übereinstimmung wird jedoch der Wasserzeichenentferner/-vergleicher die Wasserzeichenwerte nicht nullen, und im Grunde genommen werden alle rekonstruierten Bilder durch die Wasserzeichenwerte verzerrt.
  • Um die Decodierung des Bitstroms zu vervollständigen, weist der MPEG-Decoder 606 einen inversen Quantisierer 608, eine inverse DCT-Einheit 610, einen Summierer 612, einen Inter-Intra-Schalter 614 und einen Bewegungskompensator 616 auf. Die Bewegungsvektoren und die Intra-Inter-Entscheidungen, die mit jedem Block verknüpft sind, werden von dem Eingangsprozessor 602 aus dem Bitstrom extrahiert und mit dem MPEG-Decoder 606 gekoppelt. Der inverse Quantisierer 606 und die inverse DCT-Einheit 610 arbeiten auf dem Block Z, um den Block invers zu quantisieren und invers DCT zu verarbeiten, um einen Block aus Pixeln zu bilden. Der Summierer 612 summiert die Pixel mit einem vorhergesagten Block aus Pixeln, um ein rekonstruiertes Bild zu bilden. Falls der Block in dem Codierer intracodiert wurde, wird ein vorhergesagter Block nicht an den Summierer 612 angelegt, d. h. der Schalter 614 wird an den Intraanschluß geschaltet, der geerdet ist. Das rekonstruierte Bild wird an dem Decoderausgang erzeugt und ebenso mit dem Bewegungskompensator verbunden, um bewegungskompensiert zu sein, um einen vorhergesagten Block zu bilden.

Claims (11)

  1. Videocodierer für das Einfügen eines Wasserzeichens in ein Bild, das eine Mehrzahl von Pixeln enthält, unter Verwendung einer temporären Prädiktion, wobei die Pixel unter Verwendung von diskreten Kosinustransformationskoeffizienten (DCT) codiert wurden, dadurch gekennzeichnet, daß der Videocodierer aufweist: eine Wasserzeichenmaske (118) für das Maskieren einer Anordnung von DCT-Koeffizienten, die das Bild darstellen, für das Einstellen von ausgewählten DCT-Koeffizienten in der Anordnung auf einen Nullwert, um die maskierte Anordnung von Koeffizienten für die Verwendung bei der Konstruktion eines Prädiktionsbildes zu erzeugen, und einen Wasserzeicheneinfüger (120), der mit der Wasserzeichenmaske verbunden ist, für das Einfügen von Wasserzeichenwerten an Orten in der DCT-Koeffizientenanordnung, wo die DCT-Koeffizienten maskiert wurden und auf einen Nullwert eingestellt wurden.
  2. Videocodierer nach Anspruch 1, der weiterhin aufweist: einen Bilddecodierer (116), der mit der Wasserzeichenmaske (118) verbunden ist, für das Erzeugen eines Prädiktionsbildes aus der maskierten Anordnung von DCT-Koeffizienten und einen Ausgangsprozessor (112), der mit dem Wasserzeicheneinfüger (120) verbunden ist für das verlustfreie Codieren der mit einem Wasserzeichen versehenen Anordnung aus DCT-Koeffizienten, um einen Bitstrom zu bilden.
  3. Videocodierer nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin einen Wasserzeichenerzeuger (132) aufweist, für das Erzeugen der Wasserzeichenwerte als quantisierte DCT-Koeffizienten eines vorbestimmten Zeichen-Strings.
  4. Videocodierer nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin einen Wasserzeichenerzeuger (132) aufweist, für das Erzeugen von Wasserzeichenwerten, die pseudozufallserzeugt sind.
  5. Videocodierer nach Anspruch 4, wobei der Wasserzeichenerzeuger (132) mit einem Ausgangsprozessor (112) verbunden ist und dem Ausgangsprozessor bestimmte Information liefert, die bei der Decodierung der Wasserzeichenwerte nützlich ist, wobei der Ausgangsprozessor die bestimmte Information in einen Bitstrom einfügt.
  6. Videocodierer nach Anspruch 5, wobei die bestimmte Information ein Seed für das Decodieren der pseudozufallserzeugten Wasserzeichenwerte ist.
  7. Verfahren zum Einfügen eines Wasserzeichens in ein Bild während des Prozesses des Codierens einer Videosequenz, wobei die Videosequenz das Bild aufweist und das Bild eine Mehrzahl von Pixeln enthält, wobei die Pixel unter Verwendung von diskreten Kosinustransformationskoeffizienten (DCT) codiert werden, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: Maskieren einer Anordnung aus DCT-Koeffizienten, die das Bild darstellen, wobei ausgewählte DCT-Koeffizienten in der Anordnung auf einen Nullwert eingestellt werden, um eine maskierte Anordnung von Koeffizienten für die Verwendung bei der Konstruktion eines Prädiktionsbildes zu erzeugen, und Einfügen von Wasserzeichenwerten an Orten in der DCT-Koeffizientenanordnung, an denen DCT-Koeffizienten maskiert und auf einen Nullwert eingestellt worden sind.
  8. Verfahren für die Authentifizierung eines Wasserzeichens in einem Videobitstrom, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: Extrahieren von DCT-Koeffizienten, die Wasserzeichenwerte enthalten, aus dem Bitstrom, Vergleichen der Wasserzeichenwerte mit Referenzwasserzeichenwerten, Erzeugen eines Authentifizierungssignals, wenn die Wasserzeichenwerte an die Referenzwasserzeichenwerte angepaßt sind, und falls das Authentifizierungssignal erzeugt wird, Einstellen der Wasserzeichenwerte in den DCT-Koeffizienten des Bitstroms auf Null, um das Wasserzeichen aus den DCT-Koeffizienten in dem Bitstrom zu entfernen, wodurch ein Bild ohne die Erscheinung eines Wasserzeichens decodiert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin den Schritt des erneuten Aufrufens der Referenzwasserzeichenwerte aus dem Speicher aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin den Schritt aufweist: Decodieren von Information innerhalb des Bitstroms, um die Referenzwasserzeichenwerte zu erzeugen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Information ein Seed ist für einen Pseudozufallscode, der die Basis für die Referenzwasserzeichenwerte bildet.
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