JP4624359B2 - 電子透かし装置 - Google Patents
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Description
電子署名を実施する方法の原理は、発行者がデジタルデータのハッシュ値などを暗号化することにより認証用コードを作成し、その認証用コードをデジタルデータと一緒に送信する。
受信側では、発行者から送信された認証用コードを復号するとともに、そのデジタルデータのハッシュ値を再計算し、そのハッシュ値と当該認証用コードを比較して、そのデジタルデータの真正性を確認する。
非特許文献1には、特にMPEG(Motion Pictures Experts Group)で符号化された動画像データに対して、そのDCT(Discrete Cosine Transform)係数からハッシュ値を計算し、そのハッシュ値を電子透かしとして埋め込む方法が開示されている。この方法によれば、符号化データの中のDCT係数の値が少しでも変化すれば、受信側でその変化を検知することが可能である。
なお、非特許文献1に開示されている電子透かし装置では、符号量の削減を図るため、動画像では時間的に隣接する画像が互いに似ているという性質を利用して、その差分だけを伝送する予測符号化を実施するようにしている。
また、この発明は、上記の電子透かし装置から提供されるマルチメディアデータを認証する認証処理装置と、そのマルチメディアデータを復号する復号処理装置と、そのマルチメディアデータを再量子化する再量子化装置とを得ることを目的とする。
また、署名手段が、符号化手段の量子化器から出力された量子化インデックスを復号して差分信号を出力する逆量子化器と、その逆量子化器から出力された差分信号と参照信号を加算する加算器と、その加算器から出力された加算信号を量子化し、その加算信号の量子化インデックスを出力する量子化器と、その量子化器から出力された量子化インデックスから認証子を演算する認証子演算回路と、その認証子演算回路により演算された認証子に応じて量子化器から出力された量子化インデックスの一部を変調する変調器とから構成されているようにしたものである。
また、符号化における雑音抑圧機能を阻害することなく、見かけ上、雑音の少ない符号化画像を得ることができる効果がある。
参考例1.
図1はこの発明の参考例1による電子透かし装置を示す構成図であり、図において、署名回路1は入力信号である画像信号を量子化して、その画像信号の量子化インデックスから認証子を演算し、その認証子を当該量子化インデックスの中に埋め込む処理を実施する。なお、署名回路1は署名手段を構成している。
符号化器2は画像信号と参照信号の差分信号を求め、署名回路1により認証子が埋め込まれた量子化インデックスに応じて当該差分信号を量子化し、その差分信号の量子化インデックスを出力する。なお、符号化器2は符号化手段を構成している。
符号化器2の減算器12は変換器11の変換結果である周波数領域の信号T(X)から過去に符号化された参照画像信号Xp(ただし、Xpは参照画像信号のベクトルである)の周波数領域の信号T(Xp)を減算して、その差分信号である周波数領域の予測誤差T(X)−T(Xp)を求める。
署名回路1の補正回路14は量子化器13から出力された量子化インデックスQw(T(X))を補正し、補正後の量子化インデックスQw(T(X))を認証子演算回路15及び変調器16に出力する。
署名回路1の認証子演算回路15は補正回路14による補正後の量子化インデックスQw(T(X))から認証子W(ただし、Wは認証子のベクトルである)を演算する。
署名回路1の変調器16は認証子演算回路15により演算された認証子Wに応じて補正後の量子化インデックスQw(T(X))の一部を変調し、その変調結果Ywを出力する。
符号化器2の逆量子化器18は量子化器17から出力された予測誤差の量子化インデックスYを逆量子化して予測誤差T(X)−T(Xp)を復号する。
符号化器2の加算器19は逆量子化器18により復号された予測誤差T(X)−T(Xp)とスイッチ23から出力された参照画像信号Xpの周波数領域の信号T(Xp)を加算して、その加算信号T(X)を出力する。
符号化器2の記憶回路21は逆変換器20から出力された参照画像信号Xpをうごき時間分だけ記憶して出力する。
符号化器2の変換器22は記憶回路21から出力された参照画像信号Xpを周波数領域に変換し、その周波数領域の信号T(Xp)を出力する。
符号化器2のスイッチ23は変換器22から出力された周波数領域の信号T(Xp)を減算器12と加算器19に与える。ただし、動画像を符号化する場合には、他の画像を参照することなく復号できる画像を適当に混合する必要があるので、この場合には、“0”を減算器12と加算器19に与える。このときは、量子化器17が現在の入力画像をそのまま符号化するように動作する。
まず、符号化器2の変換器11は、画像信号Xを入力すると、その画像信号Xをブロック単位で周波数領域に変換し、その周波数領域の信号T(X)を減算器12及び署名回路1の量子化器13に出力する。
ここで、T()は、変換器11の演算子である。
一方、署名回路1の量子化器13は、変換器11から周波数領域の信号T(X)を受けると、その周波数領域の信号T(X)を量子化し、その信号T(X)の量子化インデックスQw(T(X))を出力する。
ここで、Qw()は、量子化器13の演算子である。
補正回路14の具体的な処理内容は後述する。
この認証子の演算は、例えば、伊藤他、「JPEG画像の真正性を証明する電子透かしの方法」(電子情報通信学会全国大会、2003年3月)に述べられた方法などを用いればよい。
この方法は、N個の変換ブロックをひとまとめにして、その全ての量子化インデックスのハッシュ値を計算し、そのハッシュ値を暗号化したものを署名とするものである。なお、ハッシュ値のビット数がNに等しいとすれば、1個の変換ブロックに対して1ビットの認証子が計算されることになる。
Yw=Qw(T(X))+W (1)
具体的には、変調器16は、上記文献に述べられた方法などを用いて、量子化インデックスQw(T(X))の中に認証子Wを埋め込むものである。
上記文献の方法では、各変換ブロックにおいて、ジグザグスキャンの最後の量子化インデックスの値を、認証子Wのビットが“0”か“1”かに応じて、“−1”または“+1”に変更するものである。
なお、ここでは、それぞれの変換ブロックに1ビットの署名を埋め込む方法を説明したが、Nの値をハッシュ値のビット数よりも大きく設定すれば、変化の激しいブロックを優先して、電子透かしを埋め込むことができる。
即ち、量子化器17は、下記の式(2)が成立する条件の下で、式(3)のdが最小となる量子化インデックスYを出力する。
Qw(Qc-1(Y)+T(Xp))=Yw (2)
d=|Qc-1(Y)−(T(X)−T(Xp))| (3)
また、式(2)において、Qc-1(Y)+T(Xp)は参照フレームの変換係数に、逆量子化した予測誤差信号を加算したものであり、受信側で復号される画像の変換係数を表している。
式(2)は復号される変換係数が、Qwで量子化したときにYwとなるという条件を与えるものであり、式(3)は予測誤差の復元値と真の値との差T(X)−T(Xp)を与えるものである。
したがって、量子化器17は、署名回路1の変調結果Ywが、復号される画像信号に保存されるという条件の下で、符号化による歪みを最小とするような予測誤差T(X)−T(Xp)の量子化インデックスYを出力する。
量子化器17は、変換係数のそれぞれに対して、上記の動作を実施すればよい。
上側がQwの量子化特性、下側がQcの量子化特性を示しており、量子化インデックスとその量子化範囲で表している。
中央の数直線上の点はQcの量子化代表値である。また、ベクトルの右肩の添え字kは、ベクトルのk番目の成分であることを示している。qc kとqw kはこの変換係数に対するQcとQwの量子化幅であり、式(4)となるように設定されている。
qc k≦qw k (4)
しかし、その量子化代表値は、Qwのi番目の量子化範囲に入っておらず、Y=1は式(2)の条件を満たさない。代表値がQwのi番目の量子化範囲に属するT(X)kに最も近い量子化インデックスがY=2であるので、これが量子化器17の出力となる。
qw k>=Tmaxk (5)
y=(2Y+sign(Y))Q (6)
y=(2Y+sign(Y))Q−sign(Y) (7)
ただし、yは復元される量子化代表値、sign(Y)は、Y<0のとき−1、Y=0のとき0、Y>0のとき1となる関数である。
qw k=3Q (8)
qw k=3Q−1 (9)
符号化器2の加算器19は、逆量子化器18が予測誤差T(X)−T(Xp)を復号すると、その予測誤差T(X)−T(Xp)と変換器22からスイッチ23を介して出力された参照画像信号Xpの周波数領域の信号T(Xp)を加算して、その加算信号T(X)を出力する。
符号化器2の変換器22は、記憶回路21からうごき時間分だけシフトした参照画像信号Xpを読み出して、その参照画像信号Xpを周波数領域に変換し、スイッチ23を介して、その周波数領域の信号T(Xp)を減算器12と加算器19に与える。
なお、スイッチ23は、動画像を符号化する場合には、他の画像を参照することなく復号できる画像を適当に混合する必要があるので、この場合には、“0”を減算器12と加算器19に与える。このときは、量子化器17が現在の入力画像をそのまま符号化するように動作する。
このブロックの選択方法には自由度があるので、できるだけ妨害の目立たないブロック(変調に伴う影響が少ない部分)を選択して変調を加えれば、認証子Wの埋め込みによる画質劣化を軽減することができる。ただし、どのブロックに変調を加えたかを、復号時に検出できなければならない。
上述したように、認証子演算回路15が、参照画像に関係なく、現在入力されている画像信号Xに基づいて認証子Wを演算し、量子化器17が、この認証子Wが埋め込まれた量子化インデックスYwを保存するように予測誤差T(X)−T(Xp)を量子化するので、符号化器2から出力される信号は、画像信号をフレーム単位で認証するための完全な署名情報を保持している。この署名情報は、後述するように、動画像の中から一部のフレームを抽出して、その変換係数を再符号化するような場合(例えば、MPEGで符号化された動画像の一部をJPEGで再符号化するような場合)には、再符号化された信号の中に欠落なく継承させることが可能である。
署名回路1の補正回路14は、復号された信号がダイナミックレンジを大きく超えないように、量子化インデックスQw(T(X))を修正する。
この修正は、例えば、図3に示すような手順で行うことができる。
次に、補正回路14は、0の埋め込み結果がダイナミックレンジを大きく超えないことを判定する(ステップST2)。
即ち、補正回路14は、電子透かしが埋め込まれた量子化インデックスYwをQwに対応して逆量子化を行い、これを逆変換して、時間領域のベクトルxを求める。
x=T-1(Qw-1(Qw(T(X))+W)) (10)
d(x、A)≦D (11)
補正回路14は、最短距離d(x、A)が一定値D以内であれば、0の埋め込み結果がダイナミックレンジを大きく超えないと認定する。
なお、D=0のときは、xがAに含まれるときだけ、判定の条件は満たされるものとする。
次に、補正回路14は、1の埋め込み結果がダイナミックレンジを大きく超えないことを判定する(ステップST4)。この判定方法は、ステップST2の判定方法と同様であるため説明を省略する。
補正回路14は、1の埋め込み結果がダイナミックレンジを大きく超えないと認定すると、量子化インデックスQw(T(X))に電子透かしである認証子Wを埋め込んだ後も、量子化インデックスQw(T(X))が集合Aに近いことが保証されるので、その量子化インデックスQw(T(X))を認証子演算回路15及び変調器16に出力する。
t=T(P(T-1(Qw-1(Qw(T(X)))))) (12)
ただし、P()は集合Aに対する直交射影を表す演算子であり、tはQw(T(X))を逆量子化して逆変換したベクトルをsとするとき、集合Aに属する全てのベクトルの中で最もsに近いベクトルをTで変換したものである。
この修正により、量子化インデックスQw(T(X))が集合Aに近づくことになる。なお、量子化インデックスQw(T(X))が既に十分目標ベクトルtに近い場合には、目標ベクトルtを集合Aの中心のベクトル(全ての成分が中間のグレーレベルであるようなベクトル)に変換したものに切り換えて、量子化インデックスQw(T(X))の修正を繰り返すようにする。
即ち、下記の式(13)は、丸め誤差によって、電子透かしが消失しない十分条件である。
qw k≧R (13)
8×8のDCTの場合には、R=8とし、全ての係数の量子化幅を8以上とすることによって、丸め誤差の影響を除くことができることを証明することができる。
即ち、Qが奇数のときは、式(14)により設定し、Qが偶数のとき、式(15)により設定すればよい。
Qw=max(8,3Q) (14)
Qw=max(8,3Q−1) (15)
図4はこの発明の実施の形態1による電子透かし装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
符号化器2の量子化器31は減算器12により演算された周波数領域の予測誤差T(X)−T(Xp)を量子化し、その予測誤差T(X)−T(Xp)の量子化インデックスYを出力する。
署名回路1の逆量子化器32は量子化器31から出力された量子化インデックスYを復号して周波数領域の予測誤差T(X)−T(Xp)を出力する。
符号化器2の修正回路34は変調器16の変調結果Yw(変調器16により認証子Wが埋め込まれた量子化インデックス)に応じて量子化器31から出力された量子化インデックスYを修正する。
具体的には、下記のとおりである。
署名回路1の逆量子化器32は、量子化器31から量子化インデックスYを受けると、その量子化インデックスYを復号して周波数領域の予測誤差T(X)−T(Xp)を加算器33に出力する。
署名回路1の加算器33は、逆量子化器32から出力された予測誤差T(X)−T(Xp)とスイッチ23から出力された参照画像信号Xpの周波数領域の信号T(Xp)を加算して、その加算信号T(X)を量子化器13に出力する。
量子化器13から変調器16に至る処理内容は、上記参考例1と同様であるため説明を省略する。
即ち、修正回路34は、下記の式(16)が成立する条件の下で、式(17)のdが最小となる量子化インデックスYを出力する。
Qw(Qc-1(Y)+T(Xp))=Yw (16)
d=|Qc-1(Y)−(T(X)−T(Xp))| (17)
図5はこの発明の参考例2による認証処理装置を示す構成図であり、図において、係数取得部41は例えば図1や図4の電子透かし装置により認証子が埋め込まれた符号化信号を受けると、その符号化信号の変換係数を取得する。
量子化器42は係数取得部41により取得された変換係数を量子化して量子化インデックスを認証子演算回路43及び認証子検出器44に出力する。なお、係数取得部41及び量子化器42から量子化手段が構成されている。
認証子検出器44は量子化器42より出力された量子化インデックスに埋め込まれている認証子を検出する。なお、認証子検出器44は認証子検出手段を構成している。
比較器45は認証子検出器44により検出された認証子と認証子演算回路43により演算された認証子を比較し、両者が一致する場合には画像の真正性が保たれていると認定し、一致しない場合には画像の真正性が失われていると認定する。なお、比較器45は比較手段を構成している。
加算器52は係数取得部41により復元された予測誤差の変換係数と変換器55により変換された参照画像の変換係数を加算し、その加算結果を符号化信号の変換係数として出力する。
逆変換器53は加算器52より出力された変換係数から時間領域の画像信号を復号し、その画像信号を記憶回路54に格納する。
変換器55は記憶回路54に格納されている画像信号を参照画像の変換係数に変換し、その変換係数を加算器52に出力する。
係数取得部41は、例えば図1や図4の電子透かし装置により認証子が埋め込まれた符号化信号を受けると、その符号化信号の変換係数を取得する。
なお、入力された信号が、変換係数が符号化されている信号系列である場合には、その信号系列から該当する部分を抽出すればよいが、入力された信号が、時間領域に復号された画像である場合には、係数取得部41が入力画像を周波数領域に変換する変換器56(図7を参照)を用いて、変換係数を取得すればよい。
認証子演算回路43は、量子化器42から量子化インデックスを受けると、その量子化インデックスから認証子を演算する。
ただし、その量子化インデックスには電子透かしが埋め込まれている場合があるので、この電子透かしが埋め込まれている部分は認証子の計算に用いない。例えば、上記参考例1で述べた方法によって、電子透かしが埋め込まれている場合、電子透かしが埋め込まれたブロックの最後の量子化インデックスは0として認証子を計算する。
例えば、上記参考例1で述べた方法によって、電子透かしが埋め込まれている場合、その電子透かしが埋め込まれたブロックの最後の量子化インデックスの値から認証子を復元する。
図8はこの発明の参考例3による復号処理装置を示す構成図であり、図において、復号回路61は例えば図1や図4の電子透かし装置により認証子が埋め込まれた信号系列を受けると、その信号系列を時間領域の信号に復号する。なお、復号回路61は復号手段を構成している。
係数取得回路62は認証子が埋め込まれた信号系列を受けると、その信号系列から認証子の計算に用いられた変換係数を復元する。
量子化器63は認証子の計算に用いられたものと同じ特性で、係数取得回路62により復元された変換係数を量子化する。なお、係数取得回路62及び量子化器63から量子化手段が構成されている。
補正回路64は量子化器63により量子化された変換係数に応じて復号回路61の復号結果を補正する。なお、補正回路64は補正手段を構成している。
加算器72は逆量子化器71により復元された予測誤差の信号値と参照画像の信号値を加算して、復号画像の変換係数を出力する。
記憶回路74は逆変換器73により変換された時間領域の画像信号を記憶する。
変換器75は記憶回路74により記憶された時間領域の画像信号を参照画像の信号値に変換する。
復号回路61は、例えば図1や図4の電子透かし装置により認証子が埋め込まれた信号系列を受けると、一定の規則にしたがって、その信号系列を時間領域の信号に復号する。
一方、係数取得回路62は、その認証子が埋め込まれた信号系列を受けると、その信号系列から認証子の計算に用いられた変換係数を復元する。ただし、図9に示すように、復号回路61の加算器72が変換係数を復元して量子化器63に出力する場合には、係数取得回路62は不要である。
量子化器63により量子化された変換係数Ywは、復号回路61の復号結果を補正する目標として、補正回路64に与えられる。
即ち、補正回路64は、復号回路61から出力される画像信号の整数ベクトルX(復号結果)を受けると、この画像信号を変換して量子化したときに、その画像信号が変換係数Ywと一致するように画像信号の整数ベクトルXを修正する。この修正が必要な理由は、復号の過程で整数化やクリッピングの処理が含まれると、その処理で生じる誤差によって、電子透かしとして埋め込まれた認証子の情報が消失する場合があるからである。
以下、図10を参照して、補正回路64の処理内容を具体的に説明する。
補正回路64は、画像信号の整数ベクトルXが下記の式(18)の条件を満たすか否かを判定する(ステップST11)。
Qw(T(X))=Yw (18)
ここで、T()は変換を表す演算子であり、Qw()は認証子の計算に用いられたものと同一特性の量子化を行う演算子である。
しかし、式(18)が成立しない場合(ステップST11)、ベクトルXの補正を実施する(ステップST12)。
ベクトルXの補正は、変換係数Ywを復元した実数ベクトルをXwとするとき、ベクトルXの成分の中で、実数ベクトルXwから最も遠い成分を1だけ、実数ベクトルXwに近づけることによって行われる。ここで、実数ベクトルXwは次式で与えられる。
Xw=T-1(Qw-1(Yw)) (19)
量子化Qwについて、式(12)が成り立つとき、実数ベクトルXwに最も近い整数ベクトルは必ず認証子の情報を保有することを証明できるから、ベクトルXの修正を繰り返すことによって、式(18)を満たす整数ベクトルXを必ず見つけることができる。
図11はこの発明の参考例4による再量子化装置を示す構成図であり、図において、係数取得回路81は例えば図1や図4の電子透かし装置により認証子が埋め込まれた画像信号を受けると、その画像信号から認証子の計算に用いられた変換係数を復元する。なお、係数取得回路81は変換係数取得手段を構成している。
量子化器82は認証子の計算に用いられたものと同じ特性で、係数取得回路81により取得された変換係数を量子化する。なお、量子化器82は第1の量子化手段を構成している。
量子化器83は量子化器82の量子化結果に応じて係数取得回路81により取得された変換係数を量子化する。なお、量子化器83は第2の量子化手段を構成している。
加算器92は逆量子化器91により復元された予測誤差の信号値と参照画像の信号値を加算して、復号画像の変換係数を出力する。
記憶回路94は逆変換器93により変換された時間領域の画像信号を記憶する。
変換器95は記憶回路94により記憶された時間領域の画像信号を参照画像の信号値に変換する。
係数取得回路81は、例えば図1や図4の電子透かし装置により認証子が埋め込まれた画像信号を受けると、その画像信号から認証子の計算に用いられた変換係数を復元する。
ただし、入力される画像信号は、符号化された信号系列でもよいし、復号された時間領域の信号でもよい。
量子化器83は、量子化器82により量子化された変換係数Ywを受けると、その変換係数Ywが係数取得回路81により取得された変換係数に保存されるように、その変換係数を量子化する。
即ち、量子化器83は、例えば、下記の式(20)の条件の下で、式(21)のdが最小となるベクトルYを出力するように、係数取得回路81により取得された変換係数を量子化する。
Qw(Qc-1(Y))=Yw (20)
d=|Qc-1(Y)−T(X)| (21)
Claims (4)
- 入力信号を量子化して、その入力信号の量子化インデックスから認証子を演算し、その認証子を当該量子化インデックスの中に埋め込む署名手段と、その入力信号と参照信号の差分信号を求め、上記署名手段により認証子が埋め込まれた量子化インデックスに応じて当該差分信号を量子化し、その差分信号の量子化インデックスを出力する符号化手段とを備えた電子透かし装置において、
上記符号化手段は、上記入力信号を周波数領域の信号に変換する変換器と、上記変換器から出力された周波数領域の信号と上記参照信号の差分信号を求める減算器と、上記減算器により求められた差分信号を量子化し、その差分信号の量子化インデックスを出力する第1の量子化器と、上記署名手段により認証子が埋め込まれた量子化インデックスに応じて上記第1の量子化器から出力された量子化インデックスを修正する修正回路とから構成されており、
上記署名手段は、上記符号化手段の第1の量子化器から出力された量子化インデックスを復号して差分信号を出力する逆量子化器と、上記逆量子化器から出力された差分信号と上記参照信号を加算する加算器と、上記加算器から出力された加算信号を量子化し、その加算信号の量子化インデックスを出力する第2の量子化器と、上記第2の量子化器から出力された量子化インデックスから認証子を演算する認証子演算回路と、上記認証子演算回路により演算された認証子に応じて上記第2の量子化器から出力された量子化インデックスの一部を変調する変調器とから構成されている
ことを特徴とする電子透かし装置。 - 上記署名手段は、上記第2の量子化器から出力された量子化インデックスを補正し、補正後の量子化インデックスを上記認証子演算回路及び上記変調器に出力する補正回路を備えていることを特徴とする請求項1記載の電子透かし装置。
- 上記署名手段の第2の量子化器は、上記符号化手段の第1の量子化器の量子化特性に依存して量子化特性が設定されていることを特徴とする請求項1記載の電子透かし装置。
- 上記変調器は、上記第2の量子化器から出力された量子化インデックスのうち、変調に伴う影響が少ない部分を変調することを特徴とする請求項1記載の電子透かし装置。
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