JP4709961B2 - 情報信号中の補助データ検知 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、情報信号に埋め込まれた透かしの相対位置及び／若しくは相対極性にエンコードされたペイロード・データを検知する方法及び装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
国際特許出願第ＷＯ−Ａ−９９／４５７０５号は、情報信号中の複数ビットから成るペイロード・データの検知方法を開示している。ペイロードは、複数の（場合によっては同数の）埋め込まれた透かしパターンの相対位置及び極性にエンコードされる。従来技術の検知方法は、信号に対する透かしパターンの位置関数として、埋め込まれた透かしパターンと情報信号との相関を計算することを含む。この計算工程から、埋め込まれた透かしパターンの位置及び極性が大きな正の若しくは負のピークによって表される相関関数が得られる。ピーク間の相対距離、及びピークの符号がペイロード・データを表す。
【０００３】
理想的な場合、ディラック・パルス（Ｄｉｒａｃ−ｐｕｌｓｅｓ）に似た相関関数のピーク及びそれらピークの位置は、充分正確に決定されることが可能である。しかし、多くの実際の状況において、位置及び極性は良好に決定されない。これは信号が処理された場合は特に著しい。例えば映像処理は、相関ピークを不鮮明にする。ピークが広がると、中央の位置がもはや良好に決まらない。ピークの符号でさえも、大きな負側のロブのせいで不正確に導かれ得る。
【０００４】
この問題の解決策として、ＷＯ−Ａ−９９／４５７０５は、すべての可能性ある位置のサブ・グリッドに対して許されるピーク位置の制限を課すことを教示する。すると、ピーク・ジッタは、最寄りのサブ・グリッドに対して量子化することによって解決される。しかし、該方法では、透かしのペイロード容量が減ってしまう。更に、該方法は、ピーク極性の反転を解決していない。
【０００５】
（本発明の目的及び要約）
本発明の目的は、情報信号に埋め込まれた複数の透かしパターン間の距離を検知する向上された方法及び装置を提供することである。前記透かしパターンの相対極性を検知する向上された方法及び装置を提供することも、本発明の目的である。
【０００６】
このために、ピークの相対位置を求める工程は、前記ピークの一の周辺の窓における相関関数の、前記ピークの別の一の周辺の窓における相関関数に対する類似点性を、前記窓の少なくとも一つの複数位置に対して、計算する工程と、前記類似点が極値を有する前記窓の位置を求める工程とを有する。
【０００７】
本発明は、相関関数のピークが不鮮明である場合、それらはすべて同じ態様で不鮮明であるという認識に基づいている。ピークの近傍における相関関数（波形）は、大きな範囲において互いに類似する。本発明は、相関関数が互いに最も類似する近傍を特定し、個々のピーク間の距離の代わりに該特定された近郷間の距離を求めることによって、上記ピークの特性を利用する。
【０００８】
同じ解決方法は、ピークの相対極性の検知にも適用できる。本発明によれば、前記ピークの相対極性を求める工程は、前記ピークの一の周辺の窓における相関関数の、前記ピークの別の一の周辺の窓における相関関数に対する類似点を計算する工程と、前記類似点の符号を求める工程とを有する。該符号が正であれば、２つのピークは同じ極性を有する。該符号が負であれば、２つのピークは反対の極性を有する。
【０００９】
（発明の実施の形態）
図１は、国際特許出願第ＷＯ−Ａ−９９／４５７０５号の教えによれば、補助データはいかにビデオ画像に埋め込まれるかを説明するための、透かし埋め込み器の概略図である。
【００１０】
該装置は、動画映像信号Ｘを受信し、透かし映像信号Ｙを出力する。該装置は、ペイロード・エンコーダ１０、敷き詰め回路１１、及び加算器１２を有する。図２は、ペイロード・エンコーダ１０の動作を図示している。エンコーダは、限られた相関の取られていない「基本の」透かしパターン（Ｗ１，Ｗ２）群を受信する。基本透かしはそれぞれ、ランダムなノイズ輝度値の所定パターンであるが、この例では便宜上人間が認識可能な内容（四角形及び三角形、それぞれ）が与えられる。
【００１１】
埋め込まれた透かしパターンＷは、前記基本パターン及び／若しくはそれが周期的にシフトされたバージョンの組み合わせである。この例では、エンコーダ１０は、Ｗ＝Ｗ１−Ｗ２_ｋを行う。ここで、Ｗ２_ｋは、基本パターンＷ２が周期的にシフトされたバージョンである。符号及びシフト・ベクトル（ｋ）は、ペイロード・データＫを表す。複雑さを減らすために、透かしパターンＷは、比較的小さいＭ×Ｍピクセル・サイズ（例えば、１２８×１２８）を有する。図３に示すように、該パターンは、敷き詰め回路１１によって、より大きい画像エリア上に敷き詰められる。続いて、同じ透かしＷＭが、動画映像信号の連続したフレームに埋め込まれる。
【００１２】
図４は、本発明に係る透かし検知器の概略図である。透かし検知器は、透かしが埋め込まれているかもしれない画像Ｑを受信する。該画像は、Ｍ×Ｍサイズ（Ｍ＝１２８）のブロックに分割され（２１）、すべてのブロックは、Ｍ×ＭサイズのバッファＢにスタックされる（２２）。この動作は畳み込みとして知られている。バッファＢが透かしＷ１及びＷ２の１以上のバージョンを含むか否かを検知するために、バッファの中身Ｂとそれぞれの透かしパターンとの相関が取られる。この相関を計算することには、情報信号値ｑ＝｛ｑ_ｉｊ｝と透かしパターンの対応する値ｗ＝｛ｗ_ｉｊ｝との内積ｄ＝＜ｑ，ｗ＞を計算することが含まれる。２次元のＭ×Ｍ画像にとって、内積ｄは、
【００１３】
【数１】

となる。透かしｗは、相関ｄが所定の閾値を超える場合に存在すると言われる。
【００１４】
図４に示される装置は、国際特許出願第ＷＯ−Ａ−９９／４５７０７号によれば、画像について基本透かしｗのすべての考え得るシフトに対する相関値ｄを同時に計算するために、高速フーリエ変換を用いる。この動作は、簡単にまとめられる。バッフＢの中身ｑ及び基本透かしパターンｗの両者は、変換回路２３及び２４において、それぞれ高速フーリエ変換（ＦＦＴ）される。これらの動作から、
【００１５】
【数２】

及び
【００１６】
【数３】

が得られる。ここで、
【００１７】
【数４】

及び
【００１８】
【数５】

は複素数の組である。
【００１９】
相関を計算することは、ｑの重畳及びｗの共役を計算することに似ている。該変換領域において、このことは、
【００２０】
【数６】

に対応する。ここで、記号
【００２１】
【数７】

は点毎の乗算を示し、「ｃｏｎｊ（）」は、項の虚部の符号を反転させることを示す。図４において、
【００２２】
【数８】

の共役は、共役回路２５によって実行され、点毎の乗算は、乗算器２６によって実行される。ここで、相関値ｄの組は、前記乗算の結果を逆フーリエ変換：
【００２３】
【数９】

することによって得られる。この逆フーリエ変換は、逆ＦＦＴ回路２７によって実行される。
【００２４】
図５Ａは、基本透かしパターンＷ１が検知器に適用された場合の相関値のグラフを示す。この相関関数は、ピーク３１を表している。該ピークは、正の極性を有し、この例ではたまたま（０，０）に位置する。画像Ｑが変換若しくはクロッピングなどの処理を受けている場合、このピークの絶対位置は異なり得ることに注意。図５Ｂは、基本透かしパターンＷ２が検知器に適用された場合の相関値のグラフを示す。ここでは、相関関数は、負のピーク３２を（２４，４０）において表している。このピークのピーク３１の位置に対する相対位置は、Ｗ１に対するＷ２_ｋの（ピクセル）距離、即ちシフト・ベクトルｋを明らかにする。
【００２５】
シフト・ベクトル取得回路２８は、以下に説明される方法で、ピーク・パターンからシフト・ベクトルｋを取り出す。最後に、ペイロード・デコーダ２９は、このようにして求められたベクトルｋ及び該ピークの極性から埋め込まれたペイロードＫをデコードする。
【００２６】
図６は、より簡単にするために、１次元領域における相関関数を示す。ピーク３１及び３２の間の距離ｋは、理想的なケースでは正確に求めることができる。しかし、多くの実際の状況では、ピークの位置及び極性は、それほど良好に決められない。映像処理は、相関ピークを不鮮明にする。ピークは広がり、中央位置はもはや良好に決められない。ピークの符号でさえも、大きな負側のロブのせいで、不正確に求められ得る。この様子を図７に図示する。図７は、理想的でない状況下での相関関数を示す。ここで、ピーク３３及び３４は、異なる位置で検知されている。この現象は、ピーク・ジッタと呼ばれる。ピーク３４は、更に、誤った極性を有しており、ゆえに検知器はシフト・ベクトルの方向を決定できない。もちろん、図７におけるベクトルｋ’は、ペイロードＫの誤った検知を引き起こし得る。
【００２７】
シフト・ベクトル取得回路２８（図４）は、ピークが不鮮明な場合であってもシフト・ベクトルｋを正確に取り出せるようにアレンジされている。ここで、この回路の一実施形態の動作を図８を参照して説明する。図８は、動作工程のフローチャートを示す。
【００２８】
工程５１：｜Ｂ｜（Ｂの絶対値）の最大値の位置ｐ_１が所定の閾値Ｔより大きいか判断し、更に｜Ｂ｜の二番目に大きい値の位置ｐ_２が適切に選択されたｐ_１の近傍に属していないかを判断する。ｐ_１の適切な近傍からの排除は、ｐ_１の大きなサブ・ピークがｐ_２として選択されることを防ぐ。閾値Ｔは、国際特許出願第ＷＯ−Ａ−９９／４５７０６号の教えに従って設定され得る。
【００２９】
工程５２：ｐ_１を含む窓ｗ_１（図７の３５）、及びｐ_２を含む同じサイズの窓ｗ_２（図７の３６）を選択する。窓は、２次元ピーク・パターンの場合、四角形でも円でもよい。
【００３０】
工程５３：ｗ_１及びｗ_２における相関関数が互いに似ている範囲を決定する。このために、回路は一致値ｅ（ｗ_１，ｗ_２）を計算する。一致値を計算する多様な方法が既に知られている。単純な相関は、適切な選択である。窓内の波形が互いに似ているほど、ｅ（ｗ_１，ｗ_２）の絶対値は大きくなる。ｅ（ｗ_１，ｗ_２）の符号は、窓ｗ_１における波形が窓ｗ_２における波形に似ているか、それとも反転させた波形に似ているのかを示す。
【００３１】
工程５４：窓ｗ_１及び／若しくはｗ_２のすべての考え得る位置に対して工程５３を繰り返す。埋め込み器によって周期的シフトが適用されることに注意。バッファＢの一端を超えた窓は包み込まれなければならない。
【００３２】
工程５５：一致値ｅ（ｗ_１，ｗ_２）の絶対値の最大値及びその符号を求める。
【００３３】
工程５６：ｅ（ｗ_１，ｗ_２）の絶対値が最大となる窓間の相対距離を求める。図７において、前記窓は、それぞれ３７及び３８で示されている。このようにして求められた距離が、探し求めていたベクトルｋである。
【００３４】
上記述べた方法は、いつくかの欠点を有する。上記方法は、計算量が多い。なぜなら、すべての考え得る窓の組について評価するからである。更に、窓の構成及びサイズが固定されている。窓が大きすぎれば、マッチングの多くが、サブ・ピークでは無いが、ノイズ・サンプルである相関バッファＢのサンプルについて為されることになる。窓が小さすぎ、ピークが広ければ、誤ったベクトルが抽出され得る。図９は、ベクトル取得回路の別の実施形態によって実行される動作工程のフローチャートを示す。ここでは、該動作を図１０を参照して説明する。図１０は、２次元空間相関関数の上面図を示す。
【００３５】
工程６１：バッファＢにおける２つのピークｐ_１及びｐ_２を決定する。この工程は、図８における工程５１と同様である。
【００３６】
工程６２：ｐ_１の近傍において局所的に大きいピーク（閾値Ｔより大きい）から成る窓ｗ_１を選択する。図１０において、局所ピークは、塗り潰されたピクセルとして示される。
【００３７】
工程６３：ベクトルｖ＝ｐ_２−ｐ_１を計算する。このベクトル（図１０の７１）は、捜し求めているベクトルｋの第一の推定値と考えられる。
【００３８】
工程６４：窓ｗ_１及びｗ_２における相関パターン間のベクトルｖに対する一致値ｅ（ｗ_１，ｗ_２）を求める。ここで、ｗ_２＝ｗ_１＋ｖ（図１０の７２）である。この工程は、ｗ_１におけるピークでないもの（図１０における白い四角形）に対する相関ノイズが零（ゼロ）に設定される。
【００３９】
工程６５：ｖの近傍におけるすべての考え得るベクトルに対して工程６４を繰り返す。この例では、該近傍は、ｖ周辺の１１×１１ピクセルの正方形のエリア７７である。ｖの近傍におけるこのようなベクトルの一は、図１０において、７３で示され、これに対応する窓ｗ２は７４で示される。
【００４０】
工程６６：一致値ｅ（ｗ_１，ｗ_２）の絶対値の最大値及びその符号を求める。図１０において、最大となる一致値に対するベクトル及び窓ｗ_２は、それぞれ７５及び７６で示される。窓７６における局所ピーク（塗り潰された四角形として示される）は、窓ｗ_１における局所ピークに対する最良一致のように見える。
【００４１】
工程６７：前記最大値に関連付けられたベクトルＫ及びその符号から埋め込まれたペイロードＫを導く。
【００４２】
ペイロード・データは更に、複数の透かしの相対極性のみによって表され得ることも更に注意されるべきである。この場合、検知器は、最も似ている窓ｗ_１及びｗ_２間の距離を求める必要はなく、単に一致値ｅ（ｗ_１，ｗ_２）の符号を求めればよい。
【００４３】
上記説明した方法は、ピークのクラスタを求め、これらクラスタに一致するような最適な変換を決定する。より正確には、ピークの第一及び第二のクラスタを決定することによって、ｖを超えてシフトされた第一のクラスタが第二のクラスタ若しくはそのインバースに取り得る最良の方法で一致するように、ベクトルｖを探す。このようなマッチングの結果は、ベクトルｖ及び符合ｓであり、該符号は、クラスタが同じ若しくは反対の極性を持つか否かを表す。ピークのクラスタに絶対符号を割り当てることは困難であることがわかっている。したがって、ペイロードのエンコーディングは、絶対符号に頼るべきでない（ベクトルｋ及び−ｋは、好ましくは同じペイロード・データを表すべきである）。
【００４４】
本発明は、以下のようにまとめることができる。ペイロードを複数の（場合によっては同数の）埋め込まれた透かしの相対位置及び／若しくは相対極性にエンコーディングすることによって、情報信号にデータが隠されている。ペイロードは、位置の関数として透かしと信号とを相関を取ることによって導かれる。相関関数のピーク間の距離がペイロードを表す。ピークが不鮮明であったとしても前記距離を正確に検知するために、一ピーク（ｐ_１）周辺の窓（ｗ_１）における相関関数を別の一ピーク（ｐ_２）周辺の不鮮明な窓（ｗ_２）における相関関数と比較する。この処理は、前記窓の位置を変えて複数回行われる。相関関数が互いに最も共通する窓（３７、３８）間の距離（ｋ）がペイロードを表す距離である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 補助データはいかにビデオ画像に埋め込まれるかを説明するための、透かし埋め込み器の概略図である。
【図２】 図１に示された透かし埋め込み器の動作を説明するための図である。
【図３】 図１に示された透かし埋め込み器の動作を説明するための図である。
【図４】 本発明に係るペイロード・データ検知装置の概略図である。
【図５Ａ】 図４に示された装置の動作を概略的に説明するための２次元相関関数を示す図である。
【図５Ｂ】 図４に示された装置の動作を概略的に説明するための２次元相関関数を示す図である。
【図６】 図４に示された装置の動作を概略的に説明するための１次元相関関数を示す図である。
【図７】 本発明に係る方法の一実施形態を説明するための１次元相関関数を示す図である。
【図８】 本発明に係る装置の一実施形態によって実施される動作工程のフローチャートである。
【図９】 本発明に係る装置の別の一実施形態によって実施される動作工程のフローチャートである。
【図１０】 本発明に係る方法の別の一実施形態を説明するための２次元相関ピーク・パターンを示す図である。

Claims (6)

1. 情報信号に埋め込まれた第１及び第２の透かしの相対位置にエンコードされたペイロード・データを検知する方法であって、
   前記信号に対する前記第１の透かしの位置の関数として該第１の透かしと前記信号との間の第１の相関関数、及び前記信号に対する前記第２の透かしの位置の関数として該第２の透かしと前記信号との間の第２の相関関数を計算する工程と、
   前記第１の相関関数のピークの第１の位置及び前記第２の相関関数のピークの第２の位置を求める工程と、
   を有し、
   前記第１の相関関数の前記ピークの前記第１の位置の周辺の第１の窓における該第１の相関関数の、前記第２の相関関数の前記ピークの前記第２の位置の周辺の第２の窓における該第２の相関関数に対する波形の一致値を、前記第１及び第２の窓のうちの少なくとも一つの窓の複数の位置に対して、計算する工程と、
   前記波形の一致値が最大の絶対値を有する前記第１及び第２の窓の相対位置を求める工程と、
   前記相対位置から前記ペイロード・データを得る工程と、
   を有する、
   ことを特徴とする方法。
2. 情報信号に埋め込まれた第１及び第２の透かしの相対極性にエンコードされたペイロード・データを検知する方法であって、
   前記信号に対する前記第１の透かしの位置の関数として前記第１の透かしと前記信号との間の第１の相関関数、及び前記信号に対する前記第２の透かしの位置の関数として該第２の透かしと前記信号との間の第２の相関関数を計算する工程と、
   前記第１の相関関数のピークの第１の位置及び前記第２の相関関数のピークの第２の位置を求める工程と、
   を有し、
   前記第１の相関関数の前記ピークの前記第１の位置の周辺の第１の窓における該第１の相関関数の、前記第２の相関関数の前記ピークの前記第２の位置の周辺の第２の窓における該第２の相関関数に対する波形の一致値を、前記複数の窓のうちの少なくとも一つの窓の複数の位置に対して、計算する工程と、
   前記波形の一致値が最大の絶対値を有する前記第１及び第２の窓の相対位置の前記波形の一致値の符号を求める工程と、
   前記符号から前記ペイロード・データを得る工程と、
   を有する、
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２記載の方法であって、
   一ピークの周辺の窓における相関関数は、前記窓における局所ピークの相関値によって表される方法。
4. 情報信号に埋め込まれた第１及び第２の透かしの相対位置にエンコードされたペイロード・データを検知する装置であって、
   前記信号に対する前記第１の透かしの位置の関数として該第１の透かしと前記信号との間の第１の相関関数、及び前記信号に対する前記第２の透かしの位置の関数として該第２の透かしと前記信号との間の第２の相関関数を計算する手段と、
   前記第１の相関関数のピークの第１の位置及び前記第２の相関関数のピークの第２の位置を求める手段と、
   を有し、
   前記第１の相関関数の前記ピークの前記第１の位置の周辺の第１の窓における前記第１の相関関数の、前記第２の相関関数の前記ピークの前記第２の位置の周辺の第２の窓における前記第２の相関関数に対する波形の一致値を、前記第１及び第２の窓の少なくとも一つの窓の複数位置に対して、計算する手段と、
   前記波形の一致値が最大の絶対値を有する前記第１及び第２の窓の相対位置を求める手段と、
   前記求められた相対位置から前記ペイロード・データを得る手段と、
   を有する、
   ことを特徴とする装置。
5. 情報信号に埋め込まれた第１及び第２の透かしの相対極性にエンコードされたペイロード・データを検知する装置であって、
   前記信号に対する前記第１の透かしの位置の関数として該第１の透かしと前記信号との間の第１の相関関数、及び前記信号に対する前記第２の透かしの位置の関数として該第２の透かしと前記信号との間の第２の相関関数を計算する手段と、
   前記第１の相関関数のピークの第１の位置及び前記第２の相関関数のピークの第２の位置を求める手段と、
   を有し、
   前記第１の相関関数の前記ピークの前記第１の位置の周辺の第１の窓における該第１の相関関数の、前記第２の相関関数の前記ピークの前記第２の位置の周辺の第２の窓における該第２の相関関数に対する波形の一致値を、前記複数の窓のうちの少なくとも一つの窓の複数の位置に対して、計算する手段と、
   前記波形の一致値が最大の絶対値を有する前記第１及び第２の窓の相対位置の前記波形の一致値の符号を求める手段と、
   前記符号から前記ペイロード・データを得る手段と、
   を有する、
   ことを特徴とする装置。
6. 請求項４又は５記載の装置であって、
   一ピークの周辺の窓における相関関数は、前記窓における局所ピークの相関値によって表される装置。

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