專利名稱：水印檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種檢測(cè)嵌入在可疑圖像中的水印的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
嵌入水印是一種確認(rèn)圖像或視頻所有權(quán)的技術(shù)。通常嵌入水印是將一種低振幅噪聲圖案加入到圖像之中。噪聲圖案意指水印。在接收端計(jì)算可疑圖像與已嵌入了該水印的圖像的相關(guān)值并將相關(guān)值與一閥值進(jìn)行比較，由此來(lái)檢測(cè)可疑圖像中是否嵌入了該水印。如果相關(guān)值大于閥值，說(shuō)明應(yīng)用的水印存在，反之則不存在。
申請(qǐng)人以前申請(qǐng)的國(guó)際專利申請(qǐng)IB99/00358(PHN 17.316)提出了一種檢測(cè)水印的設(shè)備，水印是通過(guò)在圖像區(qū)域內(nèi)重復(fù)小塊基本水印圖案的方式嵌入的。這樣一種“貼瓷磚”式的操作使得水印檢測(cè)處理變成在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)搜索水印，從而提高了檢測(cè)的可靠性。
眾所周知，大多數(shù)水印嵌入技術(shù)都無(wú)法克服圖像的幾何扭曲。平移、尺度變換、旋轉(zhuǎn)、伸展等處理破壞了處理后圖像與所應(yīng)用水印之間的相關(guān)性。上面提到的現(xiàn)代技術(shù)下的水印檢測(cè)儀器抗平移，但如果圖像進(jìn)行了尺度變換、旋轉(zhuǎn)或伸展，就失去檢測(cè)水印的能力了。
發(fā)明的目的和簡(jiǎn)述發(fā)明的目的是提出一種改進(jìn)的水印檢測(cè)方法和設(shè)備。
要達(dá)到這個(gè)目的，在可疑圖像中檢測(cè)水印的方法包括下列步驟檢測(cè)該圖像中是否含有周期性重復(fù)嵌入的數(shù)據(jù)圖案；判定該周期性重復(fù)的數(shù)據(jù)圖案代表的是一種嵌入的水印。此發(fā)明基于這樣的認(rèn)知，即如果該水印是通過(guò)上面提到的“貼瓷磚”操作的方式而嵌入的，那么尺度變換、旋轉(zhuǎn)和伸展這樣的操作會(huì)改變但不會(huì)破壞水印的周期。因此，只要可疑圖像中有周期性重復(fù)的數(shù)據(jù)圖案存在就可以說(shuō)明該圖像被嵌入了水印。
對(duì)于嵌入水印是否是一明確給定的水印的檢測(cè)要通過(guò)處理可疑圖像或給定水印來(lái)完成，也就是恢復(fù)原始相關(guān)性的方法。在方法的具體實(shí)現(xiàn)中完成此任務(wù)要包括下列步驟確定所述的數(shù)據(jù)圖案的周期；應(yīng)用具有給定周期的給定水印；處理可疑圖像和/或給定水印以使處理后可疑圖像中的數(shù)據(jù)圖案的周期與處理后給定水印的周期相匹配；檢測(cè)處理后的可疑圖像中的數(shù)據(jù)圖案是否符合處理后的給定水印。處理可疑圖像這一步驟的目的是要撤消可疑圖像在嵌入水印之后所受到的操作(尺度變換、旋轉(zhuǎn)、伸展)。
美國(guó)專利申請(qǐng)US-A-5,636,292提出了把一個(gè)獨(dú)立的校準(zhǔn)信號(hào)(例如，確定頻率的正弦波)加入到圖像的步驟。在圖像變換尺度或旋轉(zhuǎn)時(shí)，正弦波的頻率改變，這會(huì)使圖像頻譜中的波峰搬移。此發(fā)明與該現(xiàn)有技術(shù)的差別在于周期水印圖案自身就提供了校準(zhǔn)參數(shù)。
此發(fā)明的這些以及其它方面通過(guò)下面描述的實(shí)施例是明了的并且會(huì)被闡述。
附圖簡(jiǎn)述

圖1說(shuō)明了一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的水印嵌入設(shè)備。
圖2給出了一幅嵌入了水印的圖像來(lái)說(shuō)明圖1顯示的水印嵌入設(shè)備的操作。
圖3說(shuō)明了一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的水印檢測(cè)設(shè)備。
圖4示意性的說(shuō)明了圖3顯示的水印檢測(cè)設(shè)備所執(zhí)行的操作。
圖5A-5C分別顯示了水印圖像變換尺度、旋轉(zhuǎn)和剪裁的效果。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明制造的水印檢測(cè)設(shè)備。
圖7A-7C給出了相關(guān)圖案來(lái)舉例說(shuō)明圖6顯示的水印檢測(cè)設(shè)備的操作。
圖8-10進(jìn)一步顯示了根據(jù)此發(fā)明的水印檢測(cè)器的具體實(shí)現(xiàn)。
圖11顯示了應(yīng)用到給定水印的不同類型的處理，以此來(lái)說(shuō)明圖10顯示的水印檢測(cè)器的操作。
圖12給出了應(yīng)用到水印圖像上的組合處理的效果。
具體實(shí)現(xiàn)的描述為提供一些背景知識(shí)，首先講述一下現(xiàn)有技術(shù)下的水印嵌入器和水印檢測(cè)器。圖1給出了現(xiàn)有技術(shù)印嵌入器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。嵌入器包括生成圖像P的源圖像11和一個(gè)將給定水印W′加到圖像P的加法器。水印W′是與圖像同樣大小的噪聲圖案，即水平有N1個(gè)像素，垂直有N2個(gè)像素(例如，對(duì)于PAL-TV是720×576)。它是通過(guò)重復(fù)，必要情況下截取，小的基本圖案或“瓷磚”來(lái)覆蓋圖像區(qū)域而生成的。圖2說(shuō)明了這種由貼瓷磚電路13完成的貼瓷磚式的操作?；緢D案W的固定大小為M1×M2，例如是128×128個(gè)像素。
圖像3顯示了現(xiàn)有技術(shù)下的水印檢測(cè)器的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)器接收到可能被嵌入了水印的圖像Q。將圖像(或許多累加的視頻幀)分割成要檢測(cè)的基本水印圖案大小的M1×M2的塊(這里是128×128)。然后將圖像塊壓入到M1×M2大小的緩沖器q中，如圖4所示。這些操作由交迭和緩沖電路31完成。
要檢測(cè)緩沖器q中是否包含有給定水印圖案，緩沖器內(nèi)容和該水印圖案W要服從相關(guān)性。對(duì)可疑信息信號(hào)q與水印圖案w的相關(guān)性計(jì)算包括計(jì)算信息的信號(hào)值與水印圖案對(duì)應(yīng)值的內(nèi)積d＝<q，w>。對(duì)于二維的M1×M2圖像塊q＝{qij}和水印圖案W＝{wij}，其內(nèi)積的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫(xiě)成d=1M1M2Σi=1M1Σj=1M2qijwij]]>由于可疑圖像Q在水印檢測(cè)之前可能已經(jīng)受到平移或剪裁之類的處理，檢測(cè)器無(wú)法知曉水印圖案相對(duì)于圖像塊q邊界的空間位置。因此必須要為所有可能的變換矩陣k(水平kx個(gè)像素，垂直ky個(gè)像素)計(jì)算多個(gè)相關(guān)量dkdk=1M1M2Σi=1M1Σj=1M2qijwi+kx,j+ky]]>該相關(guān)量dk可以使用(快速)傅立葉變換同時(shí)計(jì)算出來(lái)。緩沖器內(nèi)容q和基本水印圖案W都可以在變換電路32和33中分別進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)。這些操作會(huì)得到q^=FFT(q)]]>和w^=FFT(w),]]>其中 和 是復(fù)數(shù)集。
相關(guān)性計(jì)算類似于計(jì)算q和W共軛的卷積，在變換域?qū)?yīng)于d^=q^⊗conj(w^)]]>其中符號(hào)表示點(diǎn)乘，conj()表示反轉(zhuǎn)參數(shù)虛部的符號(hào)。在圖3中，的共軛由共軛電路34計(jì)算?，F(xiàn)在相關(guān)量集合d＝{dk}可由上述乘積的反傅立葉變換求得d=IFFT(d^)]]>反FFT電路37執(zhí)行這一計(jì)算。隨后相關(guān)量dk在閥值電路37中與給定閥值進(jìn)行比較。如果相關(guān)量之一有明顯的峰值，即大于閥值，就檢測(cè)到水印圖案W存在。
如果可疑圖像受到過(guò)會(huì)影響嵌入水印圖案大小和/或幾何形狀的處理，則現(xiàn)有技術(shù)下的檢測(cè)方法性能不高。這類處理的例子有尺度變換、旋轉(zhuǎn)和伸展(或剪裁)。這類處理的特性是直線保持筆直，平行線保持平行，但非平行線的夾角會(huì)改變，故常常被看作是仿射變換。圖5A-5C分別顯示了圖2給出的水印圖像進(jìn)行了尺度變換、旋轉(zhuǎn)和剪裁的效果。與圖2相類似，基本水印圖案象征性的顯示為一清晰可見(jiàn)的W。但在實(shí)際中每一個(gè)W都是一個(gè)低振幅的、察覺(jué)不到的噪聲圖案。要意識(shí)到圖5A-5C中給出的可疑圖像與原始嵌入水印(見(jiàn)圖2)之間的相關(guān)性已經(jīng)被嚴(yán)重破壞了。
圖6示意性的給出了根據(jù)此發(fā)明的水印檢測(cè)器。檢測(cè)器計(jì)算可疑圖像的自相關(guān)量并確定該相關(guān)量是否證明有一周期性的圖案。圖6顯示的水印檢測(cè)器的具體實(shí)現(xiàn)是計(jì)算可疑圖像的自相關(guān)量。更詳細(xì)一點(diǎn)講，檢測(cè)器計(jì)算可疑圖像Q與同一圖像的變換圖像對(duì)所有可能變換矩陣k(水平kx個(gè)像素，垂直ky個(gè)像素)的相關(guān)量dk=1N1N2Σi=1N1Σj=1N2qi+kxqj+ky]]>在上面介紹圖3的時(shí)候已經(jīng)講到，要求的計(jì)算可以通過(guò)使用(快速)傅立葉變換同時(shí)進(jìn)行。對(duì)應(yīng)的，檢測(cè)器由FFT電路61、共軛電路62、用于變換圖像與其共軛圖像點(diǎn)乘的乘法器63和反FFT電路64組成。
反FFT電路64的輸出是相關(guān)量dk的N1×N2矩陣。這個(gè)矩陣的中心(0，0)表示的是kx＝0，ky＝0時(shí)的相關(guān)量。由于它表示的是可疑圖像與其自身的相關(guān)性，因此該值非常大。相關(guān)量隨著位移加大而快速下降。但是如果圖像包含重復(fù)的水印圖案，矩陣在圖像中的水印圖案和與其一致的變換圖案的坐標(biāo)處存在局部峰值。圖7A-7C分別給出了圖5A-5C中顯示的處理后圖像的此類峰值圖案。為了完整性，必須要提到的是矩陣可能會(huì)由于偽信號(hào)而在坐標(biāo)|kx|＝N1/2和|ky|＝N2/2處存在峰值。這些峰值通常值較低，在圖7A-7C中沒(méi)有顯示出來(lái)。
峰值檢測(cè)與分析電路65檢測(cè)峰值并分析峰值圖案是否證明是一重復(fù)圖案。要達(dá)到這一目的，電路要確定是否至少有一個(gè)峰值的子集構(gòu)成了一規(guī)則圖案。在技術(shù)上已經(jīng)有這樣的分析算法。例如，存在搜索基本矢量的數(shù)學(xué)算法，用這些矢量通過(guò)線性組合可以重構(gòu)出周期性的峰值圖案。在圖7A-7C中這樣發(fā)現(xiàn)的示例基本矢量表示為k1和k2。如果通過(guò)數(shù)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)有一重復(fù)峰值圖案，電路65輸出一檢測(cè)信號(hào)D來(lái)表明可疑圖像非?？赡苁且环ㄟ^(guò)上面解釋過(guò)的貼瓷磚方式嵌入水印的圖像。電路65還輸出基本向量k1和k2以供下面將要講述的另外一個(gè)處理電路使用。
圖8顯示了水印檢測(cè)器的另一種具體實(shí)現(xiàn)。這個(gè)檢測(cè)器計(jì)算的是不同圖像區(qū)域間的相關(guān)量，而不是自相關(guān)量。檢測(cè)器包括有一個(gè)圖像分割電路81，該電路將圖像分割成兩個(gè)區(qū)域，例如左半?yún)^(qū)域QL和右半?yún)^(qū)域QR。相關(guān)量電路包括有第一FFT電路82、第二FFT電路83、共軛電路84、乘法器85和以上面講述的方式來(lái)計(jì)算兩個(gè)半幅圖像相關(guān)量的IFFT電路86。它生成一幅為目前圖像一半大小的峰值圖案。峰值圖案輸入到峰值檢測(cè)與分析電路87，該電路的操作方式與圖6中的峰值檢測(cè)與分析電路65類似。與圖6中的單邊FFT電路(61)相比，計(jì)算復(fù)雜度的減少在很大程度上補(bǔ)償了圖8中兩個(gè)FFT電路(82，83)的需求。可以意識(shí)到，通過(guò)將圖像分割成更多的區(qū)域會(huì)進(jìn)一步減少計(jì)算復(fù)雜度。
圖6和圖8中給出的水印檢測(cè)器沒(méi)有提供關(guān)于嵌入的水印是否是明確給定水印的信息。圖9給出了一個(gè)能夠在可能被處理過(guò)的圖像中檢測(cè)給定水印的水印檢測(cè)器。水印檢測(cè)器包含有一個(gè)解釋圖3時(shí)講述到的常規(guī)水印檢測(cè)設(shè)備3。根據(jù)此發(fā)明，現(xiàn)在可疑圖像Q在用于常規(guī)檢測(cè)器3之前會(huì)被圖像處理器9所處理。圖像處理器9的任務(wù)是撤消圖像Q在嵌入了水印之后所受到的操作。要達(dá)到這一目的，圖像處理器9接收來(lái)自分析設(shè)備6的該處理的參數(shù)樣本。該分析設(shè)備與解釋圖6或圖8時(shí)講述的設(shè)備一樣。由設(shè)備得到的基本向量k1和k2(見(jiàn)圖7A-7C)是圖像Q中基本水印圖案周期性表示的參數(shù)示例。作為對(duì)該參數(shù)的響應(yīng)，圖像處理器9被安排用于處理圖像Q(尺度變換、旋轉(zhuǎn)、剪裁或它們的組合)，因此處理后的圖像Q′呈現(xiàn)出給定的周期性。更特別的是，處理可疑圖像以便處理后圖像中的兩個(gè)各自長(zhǎng)度為M1和M2(這里是128)的基本向量是正交的。可以用以完成這一處理的算法在圖像處理領(lǐng)域中是常見(jiàn)算法。
當(dāng)要檢測(cè)的水印受到與可疑圖像同樣的處理時(shí)，得到的結(jié)果是相同的，并且隨后檢測(cè)到可疑圖像中被處理后的該水印的存在。圖10給出了這樣一個(gè)水印檢測(cè)器的具體實(shí)現(xiàn)。分析設(shè)備6得到的處理參數(shù)k1和k2現(xiàn)可用于處理電路10，該電路對(duì)基本水印圖案進(jìn)行同樣的處理。因此128×128大小的水印圖案W被轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)于可疑圖像中的圖案W′。圖11說(shuō)明了這一點(diǎn)，它給出了一幅尺度變換的水印圖案11a、旋轉(zhuǎn)過(guò)的水印圖案11b和剪裁過(guò)水印圖案11c，分別對(duì)應(yīng)于圖5A-5C中給出的圖像處理。
圖9和圖10給出的水印檢測(cè)器的潛在問(wèn)題是，通過(guò)基本矢量k1和k2，圖像處理器9或處理器10所執(zhí)行的處理操作通過(guò)基本的矢量k1和k2是不明確定義的。作為它的例子，圖12A顯示了將圖像旋轉(zhuǎn)90°，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行剪裁的效果。峰值圖案由分析設(shè)備6得到，因此周期實(shí)際上與只是被剪裁過(guò)的圖像(圖5C)的周期相同。如果圖像處理器只是撤消了剪裁操作，將不會(huì)檢測(cè)到水印。幸運(yùn)的是，導(dǎo)致相同峰值圖案的處理數(shù)量(組合)是有限的，而且其中很多在實(shí)際中不會(huì)使用。水印檢測(cè)器的首選實(shí)現(xiàn)中的處理電路(圖9中的9，圖10中的10)執(zhí)行適當(dāng)候選逆處理的多數(shù)，而水印檢測(cè)器3在表現(xiàn)出最大相關(guān)性的一幅的基礎(chǔ)上檢測(cè)水印的存在。由前面的敘述，一個(gè)熟練的人可以很容易地設(shè)計(jì)出這樣的具體設(shè)備，因此就不再更為詳細(xì)的講述了。
此發(fā)明總結(jié)如下。大多數(shù)水印方案無(wú)法克服嵌入水印圖像的幾何扭曲，原因在于這樣的操作破壞了原始水印和處理后圖像中的水印之間的相關(guān)性。這里提出了一種恢復(fù)相關(guān)性的方法和裝置。要達(dá)到這個(gè)目的，需要分析可疑圖像(Q)以判定重復(fù)數(shù)據(jù)圖案的存在。如果發(fā)現(xiàn)有這樣的圖案，就可以判定圖像是通過(guò)在圖像范圍內(nèi)“貼”滿小塊水印圖案的方式嵌入了水印。接下來(lái)進(jìn)行水印是否是給定水印W的實(shí)際檢測(cè)，方法是確定在可疑圖像中得到的圖案的周期，并且為了使處理后圖像的周期與要檢測(cè)水印的給定周期相匹配而對(duì)可疑圖像進(jìn)行處理(9)。如果可疑圖像確實(shí)包含給定的水印W，那么幾何處理因此會(huì)被撤消，而且常規(guī)水印檢測(cè)器(3)也會(huì)相應(yīng)的表明這一點(diǎn)。如果有一個(gè)操作組合會(huì)產(chǎn)生相同的周期，檢測(cè)步驟將會(huì)包含可能組合的集合。
權(quán)利要求
1.一種在可疑圖像(Q)中檢測(cè)水印(W)的方法，包括檢測(cè)(61-64)該可疑圖像是否包含有周期性重復(fù)嵌入的數(shù)據(jù)圖案的步驟，和該周期性重復(fù)的數(shù)據(jù)圖案代表嵌入水印的推論(65)。
2.如權(quán)利要求1的方法，更進(jìn)一步講包括下列步驟●該數(shù)據(jù)圖案的周期性確定(6)；●具有給定周期的給定水印(W)的應(yīng)用；●為將處理后可疑圖像中的數(shù)據(jù)圖案的周期與處理后給定水印的周期相匹配而對(duì)可疑圖像和/或給定水印的處理(9；10)；●處理后可疑圖像中的數(shù)據(jù)圖案是否符合處理后給定水印的檢測(cè)(3)。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中處理(9；10)可疑圖像和/或給定水印的步驟包含對(duì)可疑圖像和/或給定水印進(jìn)行仿射變換處理。
4.如權(quán)利要求2或3的方法，其中處理(9；10)可疑圖像和/或給定水印的步驟重復(fù)用于一有限組的預(yù)定處理操作。
5.一在可疑圖像(Q)中檢測(cè)水印(W)的設(shè)備，包括檢測(cè)(61-64)該可疑圖像是否包含周期性重復(fù)嵌入的數(shù)據(jù)圖案的裝置，和推斷(65)該周期性重復(fù)的數(shù)據(jù)圖案代表嵌入水印的裝置。
6.如權(quán)利要求5的設(shè)備，進(jìn)一步包括●檢測(cè)(6)該數(shù)據(jù)圖案周期的裝置；●應(yīng)用具有給定周期的給定水印(W)的裝置；●為將處理后可疑圖像中的數(shù)據(jù)圖案的周期與處理后給定水印的周期相匹配而處理(9；10)可疑圖像和/或給定水印的裝置；●檢測(cè)(3)處理后可疑圖像中的數(shù)據(jù)圖案是否符合處理后給定水印的裝置。
7.如權(quán)利要求6的設(shè)備，其中處理(9；10)可疑圖像和/或給定水印的裝置是安排用來(lái)把可疑圖像和/或給定水印進(jìn)行仿射變換操作。
8.如權(quán)利要求6或7的設(shè)備，其中處理(9；10)可疑圖像和/或給定水印的裝置是安排用來(lái)對(duì)一有限組的預(yù)定處理操作進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行該處理。
全文摘要
大多數(shù)水印方案無(wú)法克服嵌入水印圖像的幾何扭曲,原因在于這樣的操作破壞了原始水印和處理后圖像中的水印之間的相關(guān)性。這里提出了一種恢復(fù)相關(guān)性的方法和裝置。要達(dá)到這個(gè)目的,需要分析可疑圖像(Q)以判定重復(fù)數(shù)據(jù)圖案的存在。如果發(fā)現(xiàn)有這樣的圖案,就可以判定圖像是通過(guò)在圖像范圍內(nèi)“貼”滿小塊水印圖案的方式嵌入了水印。接下來(lái)進(jìn)行水印是否是給定水印W的實(shí)際檢測(cè),方法是確定在可疑圖像中得到的圖案的周期,并且為了使處理后圖像的周期與要檢測(cè)水印的給定周期相匹配而對(duì)可疑圖像進(jìn)行處理(9)。如果可疑圖像確實(shí)包含給定的水印W,那么幾何處理因此會(huì)被撤消,而且常規(guī)水印檢測(cè)器(3)也會(huì)相應(yīng)的表明這一點(diǎn)。如果有一個(gè)操作組合會(huì)產(chǎn)生相同的周期,檢測(cè)步驟將會(huì)包含可能組合的集合。
文檔編號(hào)H04N7/081GK1322331SQ00802078
公開(kāi)日2001年11月14日 申請(qǐng)日期2000年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月27日
發(fā)明者M·J·R·奧普德貝克, J·A·海特斯馬, A·A·C·M·卡爾克 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司