JP4336460B2

JP4336460B2 - 画像に透かし模様を挿入する方法

Info

Publication number: JP4336460B2
Application number: JP2000614664A
Authority: JP
Inventors: セブリーヌボードリ，; ディディエニコルソン，; キャトリーヌシモン，; フィリップン’ギエン，
Original assignee: タレス
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: EP1173980B1; EP1173980A1; JP2002543692A; CA2367420A1; DE60000933D1; KR20020001840A; FR2792797B1; ES2188526T3; FR2792797A1; AU3826600A; WO2000065840A1; ATE229251T1; DE60000933T2; US7058979B1

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、静止及びビデオ画像の加工と伝送のために画像に透かしを入れる方法に係わる。
【０００２】
【従来技術】
電気通信において、画像の透かし挿入は、当該画像または受信画像シーケンスに知覚可能な変化を生じさせずに、１枚の画像または連続した画像によって、情報を送信する技術である。この処理は、「透かし」としてもよく知られている。
【０００３】
この定義は、秘匿（隠された）方法によってメッセージを送信する技術である、サブリミナルチャネル伝送とも呼ばれる、権限を有する受信者によってのみ読み取り可能な隠されたメッセージを含む外見上無害な情報を使用する、ステガノグラフィの定義を連想させるものである。暗号化とは異なって、ステガノグラフィは、サブリミナルメッセージの存在自体を隠すものである。
【０００４】
画像の透かしとステガノグラフィとの間の本質的な相異は、秘匿メッセージを含む生文メッセージを意味する、「カバーチャネル」の選択にある。
【０００５】
透かしの場合、送信者が選択をしなければならないのに対して、ステガノグラフィでは、送信者自身がこの選択を実施することができる。ステガノグラフィの送信者は、検閲する者が疑念を想起しないようなやり方で秘密情報の通信を望んでいるのに対して、透かし画像の送信者は、秘匿メッセージが知覚的に著作を妨げるべきではなく、容易にスクランブルがかけられるべきではないということを望んではいるが、画像に秘匿メッセージが存在することに誰もが気づく可能性があるという事実は問題ではなく、反対に、例えば、透かしを当該画像が著作権や使用料の支払いによって保護されていることの証として使用する時は、有益な抑止効果を与えることができるので、２つの技術を使用する目的は同一ではない。
【０００６】
この場合、当該透かしは、当該著作、および、その所有者を特徴づける情報を１画像または連続画像内に埋め込むことで実現される。埋め込まれた情報の自動読み出しによって、当該著作が違法に流されたものか否か、または、著作者が実際に相応の使用料の支払いを受けているか否かを検査することが可能になる。埋め込まれた情報が、購入者の特徴を示すものであれば、違法複製または不正配給が行われた場合には、画像透かしによって、追跡を行い、不正行為を行った者を自動的に突き止めることが可能となる。
【０００７】
画像の自動スライドまたは画像シーケンスの適用についても同じである。
【０００８】
透かし技術を使用する魅力は、自動チェックが可能な点である。多数の伝送チャネルが存在することを考えると、オーディオビジュアル著作の放送を手動でチェックすることは、実際上、不可能である。画像の透かしは、著作物に基づいて識別番号およびできればその発生源を自動的に決定することを可能にし、当該著作が合法的に放送されているか否かを著作者組合に任せることによって、この問題を部分的に解決することができる。「ディジタルビデオディスク」の標準的な略称である「ＤＶＤ」のハードウェア的な保護とは異なり、様々な当事者との間の標準化や事前合意を必要としない利点を有する。
【０００９】
画像を介してメッセージの伝送を可能とするために、何らかの方法で画像を修正する必要がある。しかし、透かしによる当該修正は、想定される利用態様に適合するように、複数の条件を満足しなければならない。
【００１０】
このように、透かしは、画像修正によって目に見えて品質低下を招くべきではない。したがって、透かしは慎重に行われるべきである。
【００１１】
後に示すように、当該分野の文献に記述された多くの透かしの方法は、メッセージを読み込むときに、修正画像に加えて、元の画像の存在を必要とする。実際に透かしを読み込むことによって当該著作物がその著作者の物であると証明される前に、当該著作を当該著作者に属する物であると表示して違法に放送することを前提としているので、これらの方法は、著作権による著作の保護には全く適していない。この場合は、透かしを読み込むよりも２つの著作を比較するほうがずっと速い。修正画像のみからの透かしの読み込みは、自動「監視」アプリケーションを可能にする。しかし、読み込み時に２つの画像を使用した透かしの方法は、上記にて遠回しに言及している追跡アプリケーション、確認される著作の同一性を条件として、複製発生源に関する通知を可能にする透かしに利用されるに過ぎない。
【００１２】
透かし画像がどんな方法でも修正されないことが確かである場合には、透かしは些細な課題となる。それは、画素の下位ビットを修正することで十分であり、これは、完全に目に見えない操作であって、存在する画素と同じ数のビットを埋め込むことが可能となる。しかし、画像、および、特に画像シーケンスは、伝送中に受信可能なビット速度を得るために、あるいは、格納時の記憶領域を節約するために、ほとんど常に圧縮されているので、この理想的な場合に、実際上、決して遭遇することはない。この圧縮は、「ＪＰＥＧｕｓｅｌｅｓｓ」という名の通り、無損失であるかもしれないが、普通、圧縮は、ＪＰＥＧやＭＰＥＧによれば、たいていの場合は、画像伝送にかかる有効性に起因して復元不可能である。したがって、当該透かしがこれらの変換に準拠しうることは、不可欠なものである。これは、圧縮が低いビット率で行われるので一層困難である。結果として、マーキングは十分に強くなければならず、これは、上記の不可視の要件と相反するものである。
【００１３】
特に放映中に、著作が伝送を容易にするために修正されることはまれではない。ポストプロダクションは、例えば、「クロッピング」、つまり、シーケンスのカット割を頻繁に挿入する。それらの形式は特に、アメリカのテレビの標準（３０Ｈｚで７２０×４８０の画像）からヨーロッパ形式（２５Ｈｚで７２０×５７６の画像）への転送時に、同様に変更される可能性がある。画像の拡大、または、縮小のための再サンプリングも頻繁である。
【００１４】
画像の透かしの流れにおいて、これらの変換は２つの形式の課題を提案する。一方、チョッピング時及び画像の縮小時に画像の高周波数の情報の多くが失われるので、一般的に復元不可能である。他方、元の画像と変換された画像との間に存在している変換は一般的に未知である。従って、透かしは、幾何学的な変換に対して不変であるか、あるいは同期を可能とする付加情報を伴っていることが必要である。この変換は、実施された変換を決定することを可能とした独特の透かしの形式を採用する。
【００１５】
デジタル画像及びフィルムの操作は、使用者が非常に基本的な画像ソフトウェアを使うなら、特に容易である。最も単純な幾何学的な変換は、画像チョッピング、拡大または縮小、複数のシーケンスのモンタージュ、コラージュ、および、かなりまれに、回転である。周波数の変更は、カラーから白黒に、または、フィルムではその逆に転換する測色操作と同様に、ヒストグラムの変換などであって、比較的容易である。画像の複写、ビデオデッキのデジタル化などのデジタルからアナログの変換、または、その逆は、幾何学的または比色的歪と同様に付加的な雑音を伴うことに注目する必要がある。
【００１６】
透かしは、著作権料を支払わずに著作を放映することができるように、マークを破壊する目的で行う著作権侵害者からの意図的な攻撃に対する防御も必要である。その攻撃過程は、２つのタイプがあり、１つは、やみくもに、もしくは、マーキングのアルゴリズムの部分的または完全な知識を得て、マーキング処理の逆をたどっていく試み、他は、例えば雑音を付加することやフィルタ処理によってメッセージに雑音を混入することを内容とするものである。攻撃の第１番目のタイプには、秘密キーを使用する暗号過程と同様の過程を使用して対抗することができる。攻撃の２番目のタイプにおいて、著作権侵害者は、雑音混入と結果的に生じる品質低下との間で妥協点を見つける必要がある。この状況は、ごく僅かだけ可視性の閾値以下である力でマークして良好な透かしを実現するために利用することができ、課題はつまり、この閾値を正確に決定することである。
【００１７】
最後に、透かしは、複雑性の低いものでなければならない。複雑性は、実際の体系においては非常に重要な課題である。書き込みが場合によってはオフラインで実行されるのに対し、「監視」アプリケーションについてはオンラインで読み込み可能であることは必須であり、この過程は、計算時間に関して最も不経済な過程である。
【００１８】
透かし技術分野は、比較的近年の技術であるが、多数の文献にはすでに多くの手法が提案されている。それらは、空間的なまたは画素式の透かし方式、変換ベースまたは周波数ベースの方式、および、符号化ベースの透かし方式に分類される様々な透かし方式である。
【００１９】
他の手法は、オーディオの透かしに対しても研究されており、文章、または、コンピュータで作り出された画像形式は、独自のアルゴリズムを提案する。他の提案は、本課題のさらに全般的で系統的な論述を、特に、情報理論に関して提案している。それらを記述する論文は、透かしメッセージに有効な周波数通過帯を更に正確に量子化しようとしている。他の論文は、特定の、または、さらに一般的な透かし技術に対する攻撃方法を明らかにしている。同時に、さらに強いシステムを創作することを目的として、例えば、ゲーム理論または暗号及びステガノグラフィの概念を使用して、これらの攻撃技術を定式化する技術が発表されている。
【００２０】
空間透かし方式において、メッセージの書き込みは、一般的には、画素の輝度を変更することによって、画像の面に直接実行される。
【００２１】
変換ベースの透かしの方式では、メッセージの書き込みは、画像、または、シーケンスの変換によって実行される。使用される変換は、全般的にフーリエ変換、余弦変換またはウェーブレットタイプの変換である。
【００２２】
最後に、符号化ベースの透かし方式において、当該透かしは、復号化時に得られた複数の要素を直接変更して挿入される。これは、例えば、ＭＰＥＧ符号化の運動ベクトル、ブロックでの符号化、または、フラクタル圧縮の符号化する「適合ブロック」に関連する。「離散余弦変換」の省略として、余弦変換によるＤＣＴ符号化方法は、このカテゴリーの中にも含まれるであろう。
【００２３】
これらの大きなファミリーは、ブロック毎の符号化方式と画像符号化方式を含む２つの下位ファミリーに分けることも可能である。例えば、ＤＣＴ形式のブロック毎の符号化方式、または、画素符号化方式において、符号化ユニットは、１つ以上のビットが挿入されるブロックである。画像符号化方式において、透かしは、例えば、画像の全フーリエ変換を使用することによって、画面上で画像全体に対して実行される。
【００２４】
空間方式は、最も古くて、最も単純である。これらの方法の長所は、それらによれば、フーリエ変換に基づく場合とは異なり、複雑な変換を必要とせずに透かしの高速な書き込みが可能なことである。しかし、それらは、ＤＣＴ変換演算に基づく圧縮技術に比較すれば耐性が低い。
【００２５】
特に、空間透かし方式の中で、ベンダー、グルウル、モリモトによって「パッチワーク」と呼ばれる、ＳＰＩＥ公報の９５年２月、Ｖｏｌ．２４２０、ｐ．４０にて公表された「データ秘匿技術」という題名の論文に開示されたアルゴリズムは、任意に選択された大きな値であるＮ個に関して「平均的」には同一な、パワーの小さいノイズのように見える輝度の小さな変化に対しては、視覚は鈍感であるという測定結果に依拠するものである。
【００２６】
このアルゴリズムにおいて、書き込みは秘密のキーと画像での擬似ランダム的に選択される、輝度ａ_ｉとｂ_ｉのそれぞれ各点の組Ａ_ｉとＢ_ｉを使用することによって行われる。選択された点の輝度は、ａ_ｉ’＝ａ_ｉ＋１及びｂ_ｉ’＝ｂ−１の関係に従って変更される。当該点は、ランダムに選択され、差ａ_ｉ−ｂ_ｉは、Ｎが十分に大きいと概ねゼロになる。もう一方で、差ａ_ｉ’−ｂ_ｉ’は、概ね２と等しくなり、結果的に復号化が可能になる。
【００２７】
初期点を再び見つけ出すために、読み込みは、秘密のキーを用いて行われる。総和Ｓの計算式
【数１】

は、Ｓ≒２Ｎであれば、画像に透かしが挿入されていると決定することができる。
【００２８】
この方法によれば、画像に１ビットを挿入することだけが可能であるが、複数のばらばらの点のセットを選択することによって、複数のビットに関する一般化を行うことができる。その方法は、不可視性が高く、圧縮、雑音の付加のような変換に対して良好な耐性を示す長所を有し、特に数字Ｎが大きい場合には効果が大きい。それは、情報が分散しているために画像のチョッピングに対して良好な耐性を有し、キーが知られてさえいなければ攻撃にも良好な耐性を示す。
【００２９】
もう一方で、幾何学的変換に対して耐性が低く、挿入されるべきビット数とメッセージの耐性との間の妥協が必要になる欠点がある。
【００３０】
「振幅変調を使用したカラー画像のデジタル信号」と題する、クッター、ジョーダン、ボッセンによる、ＳＰＩＥＥＩ９７によって出版された論文に掲載された色差の振幅変調を使用した別の方法は、目が比較的鈍感な色差信号の青色成分を修正し、網膜は輝度そのものよりもコントラストに対して感度が高い事実と輝度が高い場合には目の感度が落ちる事実に基づいて輝度信号を変調してマーキング機能を持たせる方法である。ジグザグの走査を実行することによって画像の大きさを無視する。読み取りは、線形予測によって実行される。この方法によると、当該メッセージは、同じビットを複数回挿入することによって、耐性の高い書き込みを行う。ジグザグに走査することで、画像の大きさを無視することと、画像の下または左が切り取られても同期を無視することができる。この方法は、攻撃に対する耐性も良好である。他方で、この方式は、パラメーター空間において極めて大がかりな調査を要するので、幾何学的な変換を実施する必要がある場合の演算の複雑さは莫大である。
【００３１】
「デジタル透かし」と言うタイトルで、９７年１月のタリスマン計画報告書で、著者ジャンフランソワデレグルとブノワマックによって記述された別の空間透かしの方式は、寸法ｎ×ｎの画像ブロックごとに１ビットの挿入を可能にするアルゴリズムを実現するものである。ブロックは画素ＡとＢの２つのグループに分けられる。２つのグループの画素の値は、グループＡとＢの輝度の平均の差が送信されるべきビットを表すように変更される。これらの変更は、良好な不可視性を維持するように、ブロックの輝度の平均を変更することなく実行される。マーキング力は、パラメータＩに依存する。この方法は、マーキング輝度レベルＩ＝５に対して、５％の誤り率で７０％のＪＰＥＧ標準による符号化に対する耐性を生じる。当該マーキングは、８＞Ｉという高すぎない程度のマーキングレベルの場合には目に見えないが、所定のマーキングレベルにおいては、可視性と耐性がブロックの大きさに依存する。しかし、この方法は、言い換えると、幾何学的な変換と行削除または列削除形式の攻撃に対する耐性が低いという大きな欠点がある。
【００３２】
特許出願ＤＥ１９５２１９６９で記述された１つのような、周波数変換を元とした符号化方法は、２つの意味において魅力的である。１つには、変更の可能性が極めて小さい画像要素に透かし情報を書き込むことによって圧縮に備えることが可能となり、また、人間の目が最も知覚しにくい成分をマークに使用するよう人の視覚特性を利用するからである。
【００３３】
圧縮技術は特に視覚特性に依存しているので、これらの２つの局面は理論的には相反するものである。
【００３４】
「複製保護のための耐性の高いラベルの画像挿入」と題した論文で、エックハードコッチとジアンザオによって公表された、最初の手法によれば、９５年８月、オーストリアウィーンの専門情報、知識及び新技術の知的財産権国際会議論文集で、透かしメッセージの書き込みは、圧縮時に透かしが確実に残るように、ＪＰＥＧまたはＭＰＥＧ処理に従って実行された画像圧縮に伴う量子化雑音を予想することによってＤＣＴ離散余弦変換係数を変更する。この手法は、量子化雑音がマーキング時に予期されるので、量子化雑音はもはやランダム雑音ではないために、良好な圧縮耐性を得ることを可能にする。その耐性は、当然、マーキング時に使用される量子化要素Ｑによって決まる。要素Ｑが高いほど、耐性が向上するが、目に見えるようになる可能性がある。その方法は、透かしアルゴリズムが、透かしアルゴリズムをＪＰＥＧやＭＰＥＧ符号化器に直接導入して、圧縮時に実施されたＤＣＴ係数の計算を直接利用することができる点においても魅力的である。しかし、画像のＤＣＴ係数のブロックが元の画像の係数ブロックと一致しないとき、その方法の性能は顕著に劣化するが、例えば、画像が僅かにずれているときに、量子化雑音はもはや予測不可能となり、この様なことが起こる。
【００３５】
「マルチメディアの安全な拡散スペクトラムの透かし」というタイトルで９７年１２月のＮｏ．１２、Ｖｏｌ．６画像処理に関するＩＥＥＥ論文集で公表された論文において、インジマーコックス、ジョーキリアン、トムソンレイトン、タラルシャムーンによって発表された別の方法は、ＤＣＴ係数を計算した後に、画像のすべての周波数成分に透かしメッセージを挿入した「拡散帯域」によって、周波数それぞれにおいて、メッセージのエネルギーを識別できなくして、他方、信号対雑音比を高くする手法である。周波数成分によるマーキング力の重み付けを行うために、さらに可視基準を使用する。この方法の長所は、ＪＰＥＧとＭＰＥＧ形式の圧縮に非常に良好な耐性を示し、これらの変換が周知である以上、幾何学変換に非常に良好な耐性を提供することである。その方法は、複数透かしの可能性を示唆する。その方法は、異なる透かしを有する文書に関して平均化することによって意図的な攻撃に対する耐性を備え、また、透かしメッセージを知らなければ、透かしを破壊するために、画像の視覚品質を低下させるほどに強い雑音をすべての周波数に付与する必要があるために、雑音を混入させる攻撃に対しても耐性がある。。しかし、この方法は言い換えると、透かしを復元するために元の画像が必要性であるという大きな欠点を有し、透かしは、変換された元の画像から変換された透かし付き画像を引き算することによって得られる。
【００３６】
サンタバーバラでのＩＥＥＥＩＣＩＰ論文梗概集９７Ｖｏｌ．１、ｐ５３６−５３９で公表された「回転、測定度、転換の不変デジタル画像の透かし」と題する、ジョセフオルアナイド、チアリープンによる論文にて記述された別の方法は、画面上で実行される幾何学的変換を無視するために、回転、転換及び測定度において、不変である空間を使用することを内容とするものである。これは、フーリエ−メリン変換の特性を利用することによって行われる。その方法は、予め同期を行うことなく、幾何学変換に高い耐性を示す長所がある。しかし、そのフーリエ−メリン変換の不変特性は、循環変換が、「クロッピング」によって置き換えられた場合は、もう維持されない。さらに、対数−極平面座標で変換を要求する計算は、相対的に複雑である。
【００３７】
ＩＣＩＰ９６によって公表された「デジタル画像の位相透かし」というタイトルでジョセフオルアナイド、Ｗ．ダウリング、Ｆ．ボランドによる論文に記述された別の方法は、位相変調を用いて透かしメッセージを書き込むフーリエ変換を使用する。その方法は、ＪＰＥＧとＭＰＥＧの圧縮過程に耐性を提供する長所を有する。しかし、位相変化は振幅変調よりも見やすいという欠点を有する。
【００３８】
９８年５月号Ｎｏ．４Ｖｏｌ．１６通信に選定された地域にてＩＥＥＥ論文集で公表された「知覚モデルを使用したマルチ解像度画面ベースのビデオ透かし」というタイトルでミッチェルスワンソン、ビンジュ、アハメッドテゥフィックによる論文で記述された別の方法は、明らかにビデオシーケンスの透かしを目的としている。それは、知覚モデルを使用した時間の関数であるウェーブレットに分解して得られた変換空間を使用する。その方法によれば、透かしメッセージは、２つのキーを用いて作成し、１つは送信情報に対応するもので、もう１つは、元のビデオシーケンスを用いて計算されものである。２番目のキーは、所有者のメッセージを具備したシーケンスを再度透かしをして、その後、所有者の透かしの所有権を請求して著作権侵害を防止するといわれている、周知の問題を解決することを可能にする。この情報は、ＢＢＳ発生器を用いて暗号化される。ビデオシーケンスは、その後、シーン別に分割されて、各シーンは、シーンの各統計的な要素を低周波数にて生じさせて、シーンの動的要素を高周波数に生じさせるために、時間の関数であるウェーブレットに分解される。空間的知覚マスクは、各ウェーブレット係数を計算し、それから各ウェーブレット係数は、周波数マスクを設定し、このように決定されたマスクを用いて透かしの形の具現化を実行し、時間関数としてのウェーブレットに適用するように、ＤＣＴ係数の計算によって分解される。受信側にて透かしメッセージを検波するために、挿入された透かしメッセージと同様に、元のシーケンスも認識することが必要である。これは、復元したシーケンスに関して時間同期情報無しで実行することができる。その方法は、ビデオシーケンスにて実行された変更に良好な耐性を示し、マスキング基準の使用を通じて可視性によって適切な方法を設定でき、複数の周波数帯で行われる情報の書き込みで高い余剰性を示す長所を有する。しかし、この方法の短所は、透かしの読み込みのために元のシーケンスの使用を必要とすることと、単一ビットの挿入のみを許可することである。
【００３９】
符号化の方法において、透かしは、例えば、ＭＰＥＧ標準、または、フラクタル圧縮の「マッチングブロック」による符号化の運動ベクトルのような、符号化時に得られた画像の一定の要素を変更することによって挿入される。これらの方法によれば、復号化画像を直接処理することが可能であり、これは、書き込み、及び、さらに高速の透かしの読み取りを可能にする。それらの方法は、符号化によって生じた歪をうまく考慮することも許可する。残念ながらこの上述の点は、異なるパラメーターで再び復号化したときには当てはまらない可能性がある。
【００４０】
複製保護とＩＣＩＰ９６のマルチメディアサービスのアクセス制御の上で特別なセッションの前もって印刷された「運動ベクトルを使用したビデオシーケンスにおけるデジタル信号の挿入」と題した、Ｔ．バイン、Ｆ．ジョーダンにより記述された第１番目の方法は、ＭＰＥＧ符号化過程の運動ベクトルを変更することによって透かしメッセージを書き込むことを内容としたものである。復号化手続きは、透かし情報を挿入するために、画像に１セットのブロックを選択し、各ブロックについて前の画像に関する最適運動ベクトルを計算することによって開始する。メッセージの書き込みは、運動ベクトルの成分の下位ビットを変更することによって実行される。透かしの可視性は、元の運動ベクトルと変更された運動ベクトルを用いて得られたブロックの差異が十分近似していることを保証することによって低減することができる。この方法の長所は、ＭＰＥＧの送信の流れで直接透かしを入れることが可能なことである。もう一方では、この方法は、使用された運動推定量と再復号化に影響されやすい。
【００４１】
９６年１０月号、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ完全サービスネットワークのビデオ技術とソフトウェア「デジタル信号を画像に挿入すべきフラクタル圧縮図の使用」と題した論文に記述された著者、ジョーンピュート、Ｆ．ジョーダンの第２番目の符号化方法は、フラクタル符号化で使用されたパラメータを変更することによって透かしを書き込むことを内容としたものである。その方法の耐性は、符号化を実行するために使用された画像のパーティションブロックの大きさによって決定される。ブロックの大きさが大きくなるほど、この方法の耐性は増すが、獲得した画像の品質は低下する。他方では、計算時間は、かなり大きい。
【００４２】
本発明の目的は、前述の短所を軽減することである。
【００４３】
したがって、本発明は、初期画像の原点座標を受信側で決定し、挿入されたメッセージを読み込むことが可能なように、この原点に関して受信画像を登録できるように、２値行列Ｐを画像に周期的に挿入することによって相互透かしを実行することを特徴とする、送信前に、画像のデータ特性を変更して画像にメッセージを埋め込む静止またはビデオ画像処理と送信のための画像の透かしを挿入する方法を目的とする。
【００４４】
本発明による方法は、同時に耐久性と信頼性と複雑性の低さを具備した透かしの実行が可能となる長所を有する。
【００４５】
透かしの不可視性は、超高品質で専門的な視覚機器に対しても申し分のないものである。
【００４６】
前述従来技術の方法とは異なり、当該透かしは、透かしの入っていない元の画像を必要とせずに、読み出し可能である。このことによって、当該方法を放送に対して自動的に適用することが可能になる。
【００４７】
マーキングは、ＭＰＥＧとＪＰＥＧ圧縮に対して強い耐性がある。
【００４８】
相互透かし方法は、現在のビデオ符号化及び送信システムにおいて重要な要件である、画像チョッピングに対して耐性がある。読み込みに関するこのアルゴリズムの複雑性の低さは、例えば、ＥＰＦＬの空間アルゴリズムのような全面検索による同調方法に対して明白な長所を有する。
【００４９】
最後に、このメッセージの品質に関する情報を与えることによって、メッセージ読み出しの信頼性を確実にすることが可能である。結論待ち時間と同様に、最終メッセージの誤り率は、各アプリケーションにおける制約を調整するためにパラメーター化することができる。
【００５０】
【詳細な説明】
図１に示される本発明による画像送信の透かし過程は、透かしメッセージを画像に挿入可能にする基礎透かしアルゴリズム１、空間的な画像がずれた時に、それを空間的に再同調させる相互透かしアルゴリズム２、及び、基礎透かし４と相互透かし５の読み込みから得られるデータに信頼性を与える後処理アルゴリズム３の３つアルゴリズムを実施する。これらのアルゴリズムは、静止画像の処理にも、ビデオ画像の透かしにも使用できる。
【００５１】
基礎透かしアルゴリズム１の機能は、画像の変換ブロックのＤＣＴ係数を変調することである。この変換を実施する前に、画像がＮ×Ｎの大きさの隣接したブロックに分解され、次に、各ブロックは、周知の関係を通じて得られたＮ×Ｎの係数Ｆ（ｕ，ｖ）のブロックにて変換される。
【数２】

【００５２】
図２の例によって示されたように、Ｎ×Ｎ画素の画像の各ブロック４は、Ｎ×ＮのＤＣＴ係数のブロック５の基となる。画像ブロックにおいて、各画素が当該ブロックの原点に関する座標（ｘ，ｙ）によって参照しやすく配列されている。同様に、ＤＣＴブロックの各係数は、当該ブロックの原点に関する座標（ｕ，ｖ）によって参照しやすく配列されている。透かしメッセージの挿入は、図２と３に表されているように、ＤＣＴブロックを構成する係数を変更することによって実現される。当該ブロックとその係数は、各ブロックの変更すべき係数を決定するブロックアドレス発生器６を用いて、図４で表示すように、ランダムに選択される。挿入されるべき当該メッセージの各ビットｂ_ｉは、画像ブロックと関連づけられる。このビットは、このブロックの２つの係数ｃ_０とｃ_１を変更することによって挿入される。
【００５３】
これらの係数の選択はキーに依存する。それらは、一般的に、ＤＣＴ係数ブロックの底部左角に位置する、画像の低周波数成分から選択される。安全性だけの理由で、２つの係数値ｃ_０とｃ_１は、ランダム表示によって図３に示されたように選択される。この選択は、各ビットｂ_ｉに対して、係数（ｕ_０ｖ_０）及び（ｕ_１ｖ_１）を具備した２つのアドレスを選択するブロックアドレス６のランダム発生器から図４で表されたように実施される。選択されたＤＣＴ係数の当該組ｃ_０及びｃ_１のマップが記憶領域７に格納される。透かしの作成そのものは、図５のフローチャート上で表された処理ステップ９から１９までに述べられた過程によって、係数ｃ_０とｃ_１の値を変更することによって実行される。この過程によれば、ステップ９で計算された各組の係数ｃ_０、ｃ_１のＤＣＴ係数の絶対値は、ステップ１０で特定の閾値Ｓと比較される。ステップ１０で実行された比較の結果が閾値Ｓより小さくない場合、係数ブロックはステップ１１で拒絶されて、その過程は、次のブロックの係数組の分析のためにステップ１４に進む。逆に、ステップ１０で、比較結果が閾値Ｓより小さい場合、ビットｂ_ｉの挿入が、選択されたＤＣＴ係数の組の値を変更することによって実行される。この変更は、関数ｆが、｜ｃ’_１｜−｜ｃ’_０｜≧ｄの関係を満たすような、関数ｆを介して１対１の方法で各組の係数（ｃ_０，ｃ_１）を新規の組（ｃ’_０，ｃ’_１）に変換する、ステップ１２から１７_ｂを実行することによって行われる。ステップ１２において、挿入されるべきビットｂ_ｉの値が０である場合、係数ｃ_１の絶対値は、ステップ１３_ａで指定された成長値を係数ｃ’_０の絶対値に付加することによって得られた絶対値｜ｃ’_１｜を取る。逆の場合、ステップ１２において、書き込まれるべきビットｂ_ｉの値が１なら、他の係数ｃ_０の値が、ステップ１３_ｂで、成長値ｄを係数ｃ’_１の絶対値に付加することによって得られた絶対値｜ｃ’_０｜と変更した値となる。係数ｃ’_０とｃ’_１の記号を決定するために、ステップ１５_ａと１５_ｂでテストが実行される。テスト１５_ａと１５_ｂの結果が正である場合、それぞれ係数ｃ’_０、ｃ’_１に与えられた記号は正である。さもなければ、記号は、ステップ１６_ａ、１６_ｂ及び１７_ａ、１７_ｂで表されるように、負となる。
【００５４】
一定のビットｂ_ｉは、ステップ１０のテストが正である係数ｃ_０とｃ_１を導くので、使用できないという事実を補うために、アルゴリズムはすべての画像ブロックに対して繰り返され、このために、例えば、フレーム当たりに５７６行と７２０列を具備したテレビ画像標準に対して、６４８０ブロックが透かし挿入可能である。
【００５５】
受信側において、図１のフローチャートのステップ５にて実行される透かしメッセージの読み込みは、透かしメッセージの各ビットｂ_ｉに対応した係数の組ｃ_０、ｃ_１の復号化によって、図６のフローチャートのステップ１８から２２までで表されたように行われる。ステップ１８において、係数ｃ_０、ｃ_１の組の絶対値の差の絶対値は、ビットｂ_ｉの挿入時に、送信に使用された閾値Ｓと比較される。比較の結果が正である場合、対応するビットｂ_ｉの値は、ステップ１９では確定していないものとみなされ、その過程は、次に挿入されるビットｂ_ｉ＋１に対応した係数ブロックの係数の組ｃ_０，ｃ_１の復号化に進む。他方、ステップ１８で、テストの結果が負である場合、ビットｂ_ｉの値を決定することが可能となり、係数ｃ_０，ｃ_１の絶対値の差をゼロと比較するステップ２０に移り、ステップ２０の比較結果が正であれば、ステップ２１において、ビットｂ_ｉが、「ゼロ」と決定し、ステップ２０の比較結果が負であれば、ステップ２２において、ビット値ｂ_ｉは「１」と決定する、。
【００５６】
図１に示すフローチャートのステップに示した相互透かしは、ステップ４を実行することで、例えば、別の透かしの読み込みに同期させる目的で、受信者によって受信されて、チョップされるか移動されたときに、初期画像の原点座標を復元を可能にする。
【００５７】
画像の原点座標を復元するために、この場合には、第１番目の解決法は、既に述べたウイリアムベンダー、ダニエルグルール、モリモトノリシゲの周知の「パッチワーク」アルゴリズムを用いることである。この場合、合計Ｓが最大となるもののみ原点座標として維持しながら、あらゆる可能な変換、つまり、画像の各点の輝度の差の合計を計算することで十分である。しかし、この読み込みの過程は、複雑かつ時間がかかる。
【００５８】
本発明による相互透かし方法は、例えば、ＭＰＥＧ、ＪＰＥＧ符号化または記録装置によってもたらされた処理の結果として、歪が起こる静止画像または動画像の変換で直面した課題を能率的に解決し、この過程を明らかに単純化することができる。原点の表示なしでは、メッセージを有する透かしを読み取ることは困難または不可能である。
【００５９】
本発明によれば、相互透かし過程は、画像サイズｍ×ｍで、ゼロ平均でかつ、自己相関関数が最小となる位置の原点からの距離が可能な限り小さい２値擬似乱数行列Ｐを使用する。図７で示されたように、この行列は、ビットのｍシーケンスを対称化することによって得られる。例において、生成多項式の方程式はｘ^４＋ｘ^３＋１であるが、原始多項式の他の形式が使用されてもよい。行列Ｐは、図８で表されるように、行列の周期的な繰り返しによって、透かしが入れられるべき画像Ｉのサイズの画像Ｉ_pを作成するために使用される。画像Ｉで座標（ｉ，ｊ）を具備した画素の輝度値Ｉ（ｉ，ｊ）は、以下の関係に従って、２値画像の対応する画素の２値形式「１」または「０」によって決まるマーキング振幅ｄを画像Ｉに適用することによって変更される。
Ｉ_ｐ（ｉ，ｊ）＝１ならばＩ’（ｉ，ｊ）＝Ｉ（ｉ，ｊ）＋ｄ（２）
Ｉ_ｐ（ｉ，ｊ）＝０ならばＩ’（ｉ，ｊ）＝Ｉ（ｉ，ｊ）−ｄ（３）
【００６０】
（２）と（３）の関係を用いて、マーキング振幅は、マーキングの可視性を低下させるように、画像に基づいて作成される。
【００６１】
受信側において、透かしを挿入された画像の読み込みは、図９に表わされたように、受信した透かし入りの画像Ｉ’からｍ×ｍサイズの画像行列Ｍを作成することによって実行される。
【数３】

これは画像のＮ×Ｎサイズのブロック総和に一致する。
【００６２】
行列Ｍと元の２値行列Ｐとの間の相互相関の計算は、その後に、行列Ｍのすべての可能な変換に関して実行される。この計算は、以下の関係に従って実行される。
【数４】

【００６３】
計算の結果として、原点と決めた座標ｘｏとｙｏは、数Ｓ（ｘ，ｙ）が最大値となる座標である。
【００６４】
相互透かしアルゴリズムは、原点モジュロの座標の数ｍを復元することを可能にする。当然のことながら、ｍ＝Ｎで元の画像のサイズになるとき、従来技術の「パッチワーク」アルゴリズムの条件が適用される。
【００６５】
図１のフローチャートの後処理のステップ３を実行する目的は、超低速ビット速度でのＭＰＥＧ送信のように、送信条件が整っていないときに、特に自動点検アプリケーションによって、基礎透かしからのデータの信頼性を点検することである。その使用されたアルゴリズムは、透かしの書き込み時に導かれた冗長性を使用し、統計的基準を用いて、読み出しメッセージの品質と信頼性を評価する。この冗長性は、画像間の冗長または一時的な冗長の形式を取る。画像間の冗長は、静止画像及びビデオ画像の透かしの場合において用いられても良い。それは、メッセージを書き込み時に、誤り訂正符号または繰返し訂正符号によるものである。一時的な冗長は、各ビデオ画面上にて同じメッセージを繰り返すことによって行われ、予め、メッセージ読み出しのビットの分布の概念を与えることによって、メッセージ読み出しの品質を評価することを可能にする。例えば、単一ビットを、画像内にて１０度繰り返して挿入されると仮定すると、この場合、メッセージ読み出しに誤りがなければ、１１１１１１１１１１または００００００００００が読み出される。もし、送信後に、メッセージ読み出しが、０００１００００００である場合、それは、少なくとも１つの誤りがあって、かなりの信頼性で、ゼロビットが送信されていると想定できることを意味する。他方、メッセージ読み出しが０１１１０１００１１の形式である場合、６ビットが１の状態にあって、４ビットが０の状態であるから、１ビットが送信されていると決定することができる。しかし、後者の場合には結果の信頼性は低く、決定を行わないのが慎重な判断である。
【００６６】
このアルゴリズムの実施は、図１０のフローチャートにて説明されている。このフローチャートで、Ｓ_０ｉは、０値が読まれた横列ｉのビットｂ_ｉの数であり、Ｓ_１ｉは、値１を有するビットの数である。ステップ２３で、第１番目のテストが数Ｓ_０ｉ及びＳ_１ｉを比較するために実行される。その数Ｓ_０ｉが、Ｓ_１ｉより小さい場合、ステップ２４において、数Ｓ_０ｉ回の送信誤りがあり、送信ビットが、おそらく、値１を有していたと決定される。他方、逆の場合に、数Ｓ_０ｉが数Ｓ_１ｉより大きい場合、ステップ２５にて、Ｓ_１ｉ回の送信誤りがあり、送信ビットｂ_ｉが、おそらく、０値を有していたと決定される。これらの結果をもたらす信頼の大きさは、その後、ベルヌーイの２項確率則によってモデル化され、それらの２項式のテストによって、次のステップ２７にて規定される。テスト品質が明らかに十分である場合、ビットｂ_ｉはステップ２７で有効になり、逆の場合では、ステップ２８にて却下される。ステップ２７と２８の完了時に、システムは、受信メッセージの次のビットｂ_ｉ＋１のテストに進む。
【図面の簡単な説明】
本発明の他の特徴及び長所は、添付図にある説明を用いて明らかとなる。
【図１】本発明に従って画像透かしの送信を実行する処理過程の原理である。
【図２】本発明に従って実施されたＤＣＴ変換によって符号化することによる透かしの方法の説明である。
【図３】本発明に従って実施されたＤＣＴ変換によって符号化することによる透かしの方法の説明である。
【図４】本発明に従って実施された画面全体にわたってＤＣＴ透かし係数を位置付けする手続きを説明したフローチャートである。
【図５】本発明に従ってフローチャート形式で表された透かし手続きの各図の過程である。
【図６】本発明に従ってフローチャート形式で表された透かし手続きの各図の過程である。
【図７】本発明に従ったて相互透かし行列の取得である。
【図８】本発明に従って相互透かしの書き込みの原理を説明したダイアグラムである。
【図９】本発明に従って相互透かしの読み込みの原理を説明したダイアグラムである。
【図１０】本発明に従ってフローチャート形式で実行された後処理の複数の過程である。

Claims

送信前に、画像のデータ特性を変更して画像にメッセージを埋め込む、静止またはビデオ画像の処理と送信のための透かし挿入方法であって、
受信側で、行列Ｐに基づいて初期画像の原点座標と受信画像を決定し、挿入されたメッセージを読み込むことが可能なように、またこの原点に基づいて受信画像を再同調できるように、
送信側で、２値のｍシーケンスの対称性によって得られたｍ×ｍサイズの擬似乱数行列Ｐである２値行列Ｐを、送信される初期画像に周期的に挿入することによって、
相互透かしを実行することを特徴とする画像に透かし模様を挿入する方法。
擬似乱数行列Ｐの周期的な繰り返しによって、透かしを入れられた画像のサイズの画像Ｉｐを作成して、各画素に対して、透かし行列の周期的な繰り返しによって得られた画像内で一致する画素の値次第でマーキングの振幅によって相互透かし行列の周期的な繰り返しによって得られた画像の座標に相応する画像の座標（ｉ，ｊ）を具備した画素の輝度値Ｉ（ｉ，ｊ）を変更することを特徴とする請求項１に記載の方法。
受信側において初期画像の原点座標を決定するために、
受信画像をｍ×ｍサイズのブロックに分割し、
ｍ×ｍサイズの行列Ｍを形成するために、当該ブロックの輝度値を画素ごとに集計し、
行列Ｐに対する、全ての行列Ｍのシフトに対して、シフトされた行列Ｍと相互透かし２値行列Ｐとの間の相互相関値を計算し、
相互相関値が最大である座標を原点座標として決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
ビデオ画像上に透かしを設けるために、画像をＤＣＴ係数のブロックに変換し、画像の復元時に挿入された複数のビットで構成されるメッセージが見えないよう適応マーキングを実行するためにＤＣＴ係数を変調し、冗長性を用いて劣化に対してメッセージを強化することを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１つに記載の方法。
前記挿入されるべきメッセージの各ビットｂｉにＤＣＴ係数ブロックのうち２つの係数を対応させ、当該挿入されるべきメッセージのビットの２値の関数として選択された２つの係数の値を変更することを特徴とする請求項４に記載の方法。
各ブロックから選ばれた係数の組の絶対値の差を所定の閾値Ｓと比較し、比較の結果が所定の閾値より小さい場合、透かしを実行するために、挿入されるべきメッセージのビットの２値状態の関数として係数の内の１つの絶対値を変更することを特徴とする請求項５に記載の方法。
ビデオ画像の透かしを読み込むために、係数の組の絶対値の差の絶対値を固有の閾値Ｓと比較することによって挿入されたメッセージのビットに対応したＤＣＴ係数の組を復号化し、比較結果が閾値Ｓの値より小さいときには、対応する挿入されたビットの２値状態を決定するために、係数の組の絶対値の差をゼロ値と比較し、あるいは、比較の結果が閾値Ｓの値よりも大きければ挿入されたビットの２値状態は不定であると宣言することを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
画像のすべての点に関して、透かしを実行することを特徴とする請求項１ないし７のうちいずれか１つに記載の方法。
挿入されたメッセージの冗長性を使用することによって挿入されたメッセージの品質と信頼性を評価するために、受信画像に対して後処理（３；２３，．．．，２８）を実行することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。
メッセージの読み出しにおいて、「０」の状態に従って受信される回数及び「１」の状態に従って受信される回数を、透かしメッセージの各ビットに対して比較することによって、あらかじめ定められた回数の間に、各ビデオ画像上で透かしメッセージを繰り返し、このように得られた総和値を、ベルヌーイの２項確率則によって決定された所定の閾値と比較することを特徴とする請求項９に記載の方法。