專利名稱：嵌入和檢測(cè)圖象中的水印的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及把水印嵌入圖象中的方法和裝置。本發(fā)明還涉及檢測(cè)圖象中的水印的方法和裝置。應(yīng)當(dāng)把措詞“圖象”理解為指的是靜止圖象以及視頻信號(hào)。
加數(shù)字水印是一種用來(lái)證明數(shù)字圖象或視頻信號(hào)內(nèi)容的所有權(quán)的技術(shù)。通過(guò)用察覺(jué)不到的方式把這種所有權(quán)信息隱匿在數(shù)字內(nèi)容中，就可以避免這種內(nèi)容被非法翻印和非法使用。加水印的典型應(yīng)用場(chǎng)合包括數(shù)字視頻信號(hào)和廣播的防復(fù)制監(jiān)督。
最新的用于給數(shù)字圖象加水印的技術(shù)歸結(jié)起來(lái)是把偽噪聲水印圖案附加到圖象中。這種附加可以在象素域或頻域中進(jìn)行。實(shí)際上這意味著加水印后的圖象的亮度和/或彩色分量稍微不同于原始圖象。通過(guò)把可疑圖象與待檢測(cè)的水印圖案相聯(lián)系來(lái)進(jìn)行水印的檢測(cè)。這種先有技術(shù)方法特別公開(kāi)在國(guó)際專利申請(qǐng)WO-A-98/03014中。
加水印的方法必須滿足若干基本要求。附加水印圖案不可以影響圖象的視覺(jué)外觀。應(yīng)當(dāng)有許多不同的水印圖案，因?yàn)槊恳粋€(gè)版權(quán)持有者應(yīng)當(dāng)至少有一個(gè)不同的水印。必須有可能在不使用原始圖象的情況下檢測(cè)水印。水印應(yīng)當(dāng)不容易被攻擊者消除。對(duì)于如下的可以用于圖象或視頻信號(hào)的各種變換和操作，所述方法還必須是健壯的例如，彩色變換；諸如比例縮放、平移或旋轉(zhuǎn)的幾何變換；諸如JPEG(聯(lián)合圖象專家組標(biāo)準(zhǔn))/MPEG(活動(dòng)圖象專家組標(biāo)準(zhǔn))的數(shù)據(jù)壓縮；噪聲；其它水印的嵌入；灰度調(diào)整；圖象平滑；專用變換；模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換，PAL(帕爾制)/NTSC(全國(guó)電視制式委員會(huì)(美國(guó)))轉(zhuǎn)換等等。
上述各種要求是彼此沖突的，因此不存在完全滿足所有要求的已知方法。許多方法可以被擁有一些歸其支配的加水印的圖象的攻擊者輕易地濫用。由于檢測(cè)基于相關(guān)性(這是一種線性操作)，所以，攻擊者只需要對(duì)水印的適當(dāng)?shù)墓罍y(cè)，然后，他可以利用這種估測(cè)來(lái)從圖象中去掉所猜測(cè)的水印，以便迷惑檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程中，耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間而只能夠涉及諸如旋轉(zhuǎn)或比例縮放的簡(jiǎn)單的幾何變換。還難于確保水印的充分的變化。利用一種相關(guān)性能夠嵌入的位的數(shù)目是有限的。
本發(fā)明的目的是提供能夠減輕上述缺點(diǎn)的用來(lái)嵌入水印的方法和裝置。
為此，本發(fā)明提供一種把水印嵌入圖象中的方法，它包括以下步驟標(biāo)識(shí)規(guī)定數(shù)目的最有效圖象象素；確定象素圖案形式的水??；以及使圖象局部變形，以便使相當(dāng)大百分比的最有效圖象象素移動(dòng)到水印圖案附近。
檢測(cè)水印的對(duì)應(yīng)的方法包括以下步驟標(biāo)識(shí)規(guī)定數(shù)目的最有效圖象象素；確定所述最有效圖象象素到水印圖案的距離；以及如果所述各最有效象素到水印圖案的平均距離顯著地小于所有圖象象素到水印圖案的平均距離，則產(chǎn)生表示所述預(yù)定的水印被嵌入所述可疑圖象中的檢測(cè)信號(hào)。
這樣，通過(guò)輕微地改變圖象的幾何特征而不是改變亮度或彩色分量來(lái)嵌入所述水印。與在大多數(shù)當(dāng)前方法中對(duì)所有圖象簡(jiǎn)單地從圖象中去掉預(yù)測(cè)的水印形成對(duì)照，使得消除水印成為復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)?，它需要圖象相關(guān)操作。由于能夠在最短時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)，所以，所述方法還在抗諸如比例縮放和旋轉(zhuǎn)的幾何變換方面更加健壯。此外，所述方法允許所用的水印圖案的充分的變化。對(duì)照許多不同的水印圖案來(lái)校核可疑圖象，這是在計(jì)算方面對(duì)當(dāng)前方法的重大改進(jìn)。


圖1示意地示出用來(lái)按照本發(fā)明把水印嵌入圖象中的裝置。
圖2和圖3A-3B示出舉例說(shuō)明圖1中所示的裝置的操作的圖象。
圖4示意地示出用來(lái)按照本發(fā)明檢測(cè)圖象中的水印的裝置的第一實(shí)施例。
圖5示出用來(lái)把水印嵌入圖象中的另一個(gè)實(shí)施例。
圖6A-6B示出舉例說(shuō)明用來(lái)按照本發(fā)明嵌入和檢測(cè)水印的更一般的裝置的操作的水印圖象。
圖7示意地示出用來(lái)把水印嵌入圖象中的裝置的更一般的實(shí)施例。
圖8示意地示出用來(lái)檢測(cè)可疑圖象中的水印的裝置的更一般的實(shí)施例。
圖1示出用來(lái)按照本發(fā)明把水印W嵌入圖象I中的裝置的實(shí)施例。該裝置包括突點(diǎn)提取模塊10，匹配模塊11和變形模塊12。該裝置接收輸入的圖象I和水印W。
圖2示出水印W的例子。假定它是線條20的圖案，但是這不是必不可少的。如果從一個(gè)象素到最近的線條20的距離小于閾值δ，則稱該象素位于“水印上”或“水印附近”。據(jù)此，象素21位于水印上，而象素22和23不位于水印上。在本實(shí)施例中，水印是稠密的。這應(yīng)當(dāng)理解為相當(dāng)大百分比的圖象象素(例如，p＝50％)位于所述線條之一附近。
突點(diǎn)提取模塊10標(biāo)識(shí)輸入圖象I的固定數(shù)目K個(gè)最高有效象素(為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下文也稱為最突出點(diǎn)或突點(diǎn))。突點(diǎn)尤其可以是對(duì)邊緣檢測(cè)濾波器給出最高響應(yīng)的象素，但是，存在尋找有效點(diǎn)的許多其它方法。有效點(diǎn)的其它例子是邊角、或者局部最大值、或者局部最小值?？梢詮南笏氐牧炼?，色度或者兩者得出象素的突出性。
如果所述有效點(diǎn)密集在一起，則可能在加水印方法中出現(xiàn)可見(jiàn)的人為特征。為了避免這種情況，可以把圖象細(xì)分成一些塊，選擇每塊一個(gè)或幾個(gè)有效點(diǎn)，除非在該塊中不存在圖象象素變化。
所述突點(diǎn)構(gòu)成圖象象素集S。把該象素集加到匹配模塊11，后者把所述突點(diǎn)與水印匹配，并且標(biāo)識(shí)位于水印W上的突點(diǎn)集S1和不位于水印W上的突點(diǎn)集S0。
把突點(diǎn)集S1和S0加到變形模塊12。該模塊把小的局部的幾何變化引入圖象中，使得相當(dāng)高百分比的象素從集S移動(dòng)到線條附近。圖2中用箭頭24舉例說(shuō)明這種情況，它表示象素22已經(jīng)移動(dòng)到水印的線條上。這樣，變形后的圖象Iw構(gòu)成具有嵌入的水印的圖象。通過(guò)變形引入的幾何變化以平滑的方式影響象素集S的鄰域，使得在給定象素的一定距離處，所述幾何變化減退到零。所述變形算法最好是這樣的，使得它不產(chǎn)生太多的新的有效點(diǎn)。使點(diǎn)在什么方向變形要適應(yīng)局部圖象特征，使得它不引入可見(jiàn)的人為特征。
在照片處理領(lǐng)域所述變形是眾所周知的。已經(jīng)利用市場(chǎng)上可以買(mǎi)得到的照片編輯用的PC軟件包作出圖3A和3B。圖3A表示具有突點(diǎn)31、32、33和水印圖案線條34、35、36的原始圖象。圖3B表示加水印后的圖象，其中，已經(jīng)將突出象素變形到最近的線條上(為清楚起見(jiàn)，以夸大的方式示出)。
在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)圖象具有1014個(gè)有效點(diǎn)，其中541個(gè)有效點(diǎn)位于線條圖案附近。473個(gè)未處在水印上的點(diǎn)中，354個(gè)點(diǎn)被變形，使得在變形之后，圖象的895個(gè)突點(diǎn)(88％)被置于所述圖案附近。
圖4示出用于按照本發(fā)明檢測(cè)圖象J中的水印W的裝置的第一實(shí)施例。該裝置包括與圖1中的模塊10相同的突點(diǎn)提取模塊40；與圖1中的模塊11相同的匹配模塊41；以及判定模塊42。所述裝置接收可疑輸入圖象J和準(zhǔn)備檢查其在輸入圖象J中的存在的水印W。鑒于上述嵌入器(embedder)的描述，該裝置的操作是顯而易見(jiàn)的。突點(diǎn)提取模塊40用與嵌入過(guò)程中所使用的相同的方法確定可疑圖象中最有效象素集S。匹配模塊41把突點(diǎn)與水印線條圖案比較。判定模塊42檢測(cè)是否在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有高百分比的突點(diǎn)處在所述線條圖案附近的范圍內(nèi)(集S1)。如果是這種情況，則存在水印，并且產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)D＝1，否則，不存在水印，并且不產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)(D＝0)。
在上述嵌入過(guò)程(embedder)的實(shí)施例(其中，水印圖案覆蓋50％的圖象象素)中，如果基本上多于50％的可疑圖象的突點(diǎn)位于線條圖案上，則檢測(cè)到水印。在上述實(shí)際實(shí)施例中，發(fā)現(xiàn)加水印后的圖象的1014個(gè)突點(diǎn)中708個(gè)突點(diǎn)(70％)位于所述圖案上。注意，加水印后的圖象中的突點(diǎn)的數(shù)目可以不同于原始圖象中突點(diǎn)的數(shù)目，因?yàn)?，變形處理可以影響象素的“突出性”?br> 圖5示出用于嵌入水印的裝置的另一個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例與圖1中所示的裝置的不同之處在于該嵌入器(embedder)包括與圖4中的模塊42相同的檢測(cè)模塊13。這樣，現(xiàn)在的嵌入器包括水印檢測(cè)器。檢測(cè)模塊13把檢測(cè)信號(hào)D加到變形電路12。此外，變形后的圖象Iw被反饋到突點(diǎn)提取模塊10。圖4中所示的裝置按照迭代步驟系列嵌入水印。最初，僅僅將圖象I的有限數(shù)目的突點(diǎn)變形。接著，將加水印后的圖象Iw反饋，以便進(jìn)行“更嚴(yán)格的”嵌入，直至檢測(cè)模塊13判定變形量足夠?yàn)橹埂Ｃ恳淮?，選擇其變形具有最小的人為特征的那些象素，例如，位于最靠近線條的位置的象素。這樣，就可以避免象圖2中象素23那樣的象素的被夸大的變形。
在上述嵌入和檢測(cè)水印的實(shí)施例中，將突點(diǎn)變形，使得它們落在水印上(參見(jiàn)圖2中的象素22)。更一般地說(shuō)，控制靠近線條圖案的緊密度。不是簡(jiǎn)單地對(duì)多少點(diǎn)實(shí)際處在線條圖案附近δ范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，而是能夠根據(jù)有效點(diǎn)和線條圖案之間的平均距離進(jìn)行檢測(cè)。相應(yīng)的嵌入過(guò)程基于改變所述平均距離。
現(xiàn)在將參考圖6A和6B描述這種更一般的裝置的操作。圖6A示出與圖2中所示的相同的線條圖案20和突出的圖象象素21-23。線條20不再具有“厚度”2δ。從突出的象素21、22和23到最近的線條的距離分別標(biāo)為di，1，di，2和di，3，其中，指標(biāo)i表示所述距離涉及輸入圖象的象素。圖6B示出加水印之后的所述圖案和圖象象素。已經(jīng)將突出的象素21-23變形，使得它們各自到最近的線條20的距離發(fā)生變化(減小或加大)。不是所有象素都必須變形。所述象素中沒(méi)有一個(gè)象素必須按照和別的象素的一樣的距離或因子進(jìn)行變形。圖6B中，變形后的距離分別表示為dw，1，dw，2和dw，3。
在描述按照本實(shí)施例的嵌入器和檢測(cè)器的操作之前，必須指出，未加水印的圖象的突點(diǎn)(集S)的平均距離di，即，
(其中，K是突出的象素的數(shù)目)，等于該圖象的所有象素的平均距離，只要突點(diǎn)的數(shù)目足夠大并且均勻地分布。據(jù)此，所述平均距離di在統(tǒng)計(jì)學(xué)上與圖象內(nèi)容無(wú)關(guān)，而僅僅取決于水印圖案W。
圖7示意地示出用來(lái)把水印W嵌入圖象I中的裝置的相應(yīng)的實(shí)施例。該裝置包括突點(diǎn)提取模塊70和變形模塊71。它們分別與圖1中的模塊10和12相同。
圖8示意地示出用來(lái)檢測(cè)可疑圖象J中的水印W的裝置的相應(yīng)的實(shí)施例。該裝置包括突點(diǎn)提取模塊80；電路81，用來(lái)按照下式確定可能加了水印的圖象J的突點(diǎn)的平均距離dw，d-w=1KΣk∈Sdw,k,]]>；電路82，用來(lái)按照以上方程1確定未加水印的圖象的突點(diǎn)的平均距離di；以及檢測(cè)電路83。下面將指出，如果平均距離dw明顯地小于平均距離di，則檢測(cè)電路83得出可疑圖象J加了水印(D＝1)的結(jié)論，否則，檢測(cè)電路83得出可疑圖象J未加水印(D＝0)的結(jié)論。
按照本發(fā)明的加水印的方法具有低的視覺(jué)影響。由于線條圖案相對(duì)于圖象是稠密的，所以，人們總能夠找到足夠多的能夠被變形而不會(huì)太大地影響圖象的候選的有效象素。候選的有效點(diǎn)位置和采用先進(jìn)技術(shù)的變形還有助于減小視覺(jué)人為特征。
由于具有大的供尋找的線條圖案庫(kù)，所以，本發(fā)明還保證充足的水印變化。不但能夠容易地校驗(yàn)是否嵌入了一個(gè)給定水印，而且由于其相關(guān)的計(jì)算的簡(jiǎn)單性，就有可能檢查許多不同的線條圖案。
關(guān)于檢測(cè)的速度，現(xiàn)在將給出檢測(cè)方法的復(fù)雜性分析。對(duì)于每一個(gè)待試驗(yàn)的水印，確定具有分辨率n2的圖象的K個(gè)最有效點(diǎn)。這種操作需要O(n2)時(shí)間。一旦選擇了圖象的這K個(gè)點(diǎn)，把它們與許多水印線條圖案相比較，在計(jì)算上比象先有技術(shù)講授的那樣計(jì)算整個(gè)圖象和同樣多的水印圖案之間的相關(guān)性要簡(jiǎn)單得多。就是說(shuō)，對(duì)于尺寸為n×n個(gè)象素的圖象，計(jì)算相關(guān)性需要O(n2)時(shí)間。注意，稠密的線條圖案包含O(n)條線條，并且，當(dāng)允許對(duì)線條圖案進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，尋找最靠近給定的疑問(wèn)點(diǎn)的線條需要O(log n)。一旦已經(jīng)找到K個(gè)點(diǎn)，每一個(gè)被試驗(yàn)的水印的時(shí)間復(fù)雜性變成O(klog n)。
本發(fā)明還提供嵌入更多位?？梢栽趫D象的不同區(qū)域使用不同的線條圖案。可以把不同的線條圖案(各自具有較低密度)組合起來(lái)。應(yīng)用不同的有效點(diǎn)提取方法也是可能的。例如，一種方法僅僅用于提取局部的最大值，另一種方法僅僅用于提取右上角，等等。
所嵌入的水印是難于被攻擊者消除的。對(duì)于攻擊者來(lái)說(shuō)，確定形成水印的特定的線條圖案不是容易的。甚至當(dāng)攻擊者有對(duì)所述圖案的適當(dāng)?shù)牟聹y(cè)時(shí)，消除水印仍然不是直截了當(dāng)?shù)?，因?yàn)椋粽哌€必須應(yīng)用變形，后者比起簡(jiǎn)單地去掉噪聲圖案更加復(fù)雜。
所述方法是健壯的，因?yàn)榭梢赃@樣實(shí)現(xiàn)有效點(diǎn)的提取，使得那些充分保護(hù)圖象的質(zhì)量或本質(zhì)的轉(zhuǎn)換(例如，壓縮、噪聲附加或彩色變化)將使最有效象素的位置原封不動(dòng)。關(guān)于比例縮放和幾何變換，應(yīng)當(dāng)指出，把縮放后或旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)集與縮放后或旋轉(zhuǎn)后的線條圖案相比較，在計(jì)算上是比計(jì)算相關(guān)性簡(jiǎn)單的任務(wù)。
應(yīng)當(dāng)指出，用來(lái)把有效象素變形到它上面的圖案不一定必須是線條圖案及其附近。也可以使用任意的稠密的點(diǎn)圖案。
這樣，通過(guò)局部地改變圖象的幾何特征來(lái)給數(shù)字圖象信號(hào)加上水印。水印包括偽隨機(jī)的、稠密的圖象象素子集，例如一些線條(20)的圖案。確定一些有效圖象象素(21，22，23)，即，對(duì)預(yù)定的處理操作給出最高響應(yīng)的象素，然后把它們移動(dòng)(24)到所述線條圖案的附近(δ)。由于這種“變形”的結(jié)果，大多數(shù)有效圖象象素(21，22)最終位于所述線條圖案附近的范圍內(nèi)。在接收端，再次確定圖象的最有效象素。如果統(tǒng)計(jì)學(xué)上高百分比的有效象素位于所述線條圖案附近范圍內(nèi)，則所述圖象是加了水印的圖象。
權(quán)利要求
1.一種把水印嵌入圖象中的方法，它包括以下步驟標(biāo)識(shí)規(guī)定數(shù)目的最有效圖象象素；確定象素圖案形式的水印；以及使所述圖象局部變形，以便使相當(dāng)大百分比的最有效圖象象素移動(dòng)到所述水印圖案附近。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述變形步驟包括把最有效象素移動(dòng)到所述水印圖案附近，使得其到達(dá)所述水印圖案的距離小于預(yù)定的閾值。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述水印圖案和由所述閾值確定的其附近區(qū)域基本上覆蓋所述圖象象素的50％。
4.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述水印圖案是線條圖案。
5.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述標(biāo)識(shí)最有效象素的步驟包括避免有效象素密集地聚集在一起。
6.權(quán)利要求5的方法，其特征在于所述避免步驟包括把圖象分成一些鄰接的塊，并且在每一塊中標(biāo)識(shí)最有效象素。
7.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述突出性操作是邊緣檢測(cè)濾波操作。
8.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述最有效象素是局部最大值或者局部最小值。
9.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述最有效象素是圖象實(shí)體的拐角。
10.一種檢測(cè)圖象中水印的方法，它包括以下步驟標(biāo)識(shí)規(guī)定數(shù)目的最有效圖象象素；確定所述最有效圖象象素到所述水印圖案的距離；以及如果所述各最有效象素到所述水印圖案的平均距離顯著地小于所有圖象象素到所述水印圖案的平均距離，則產(chǎn)生表示所述預(yù)定的水印被嵌入所述可疑圖象中的檢測(cè)信號(hào)。
11.權(quán)利要求10的方法，其特征在于所述確定最有效圖象象素到所述水印圖案的所述距離的步驟包括確定具有小于預(yù)定閾值的距離的最有效象素的數(shù)目；以及如果具有所述距離的最有效象素的所述數(shù)目是最有效象素的所述數(shù)目的相當(dāng)高的百分比，則產(chǎn)生所述檢測(cè)信號(hào)。
12.一種用來(lái)把水印嵌入圖象中的裝置，它包括用來(lái)標(biāo)識(shí)規(guī)定數(shù)目的最有效圖象象素的裝置；用來(lái)確定象素圖案形式的水印的裝置；以及用來(lái)使所述圖象局部變形，以便使相當(dāng)大百分比的所述最有效圖象象素移動(dòng)到所述水印圖案附近的裝置。
13.一種用來(lái)檢測(cè)圖象中的水印的裝置，它包括用來(lái)標(biāo)識(shí)規(guī)定數(shù)目的最有效圖象象素的裝置；用來(lái)確定所述最有效象素到所述水印圖案的距離的裝置；以及用來(lái)當(dāng)所述各最有效象素到所述水印圖案的平均距離顯著地小于所有象素到所述水印圖案的平均距離時(shí)，產(chǎn)生表示所述預(yù)定的水印被嵌入所述可疑圖象中的檢測(cè)信號(hào)的裝置。
14.權(quán)利要求13的方法，其特征在于所述用來(lái)確定最有效圖象象素到所述水印圖案的所述距離的裝置包括用來(lái)確定具有小于預(yù)定閾值的距離的最有效象素的數(shù)目的裝置；以及如果具有所述距離的最有效象素的所述數(shù)目是最有效象素的所述數(shù)目的相當(dāng)高的百分比，則產(chǎn)生所述檢測(cè)信號(hào)。
15.一種代表具有預(yù)定的象素圖案形式的嵌入的水印的圖象的圖象信號(hào)，其特征在于給定數(shù)目的最有效圖象象素到所述水印圖案的平均距離顯著地小于所有圖象象素到所述水印圖案的平均距離。
16.權(quán)利要求15的圖象信號(hào)，其特征在于到所述水印圖案的距離小于預(yù)定閾值的最有效象素的所述數(shù)目是最有效象素的所述數(shù)目的相當(dāng)高的百分比。
全文摘要
通過(guò)局部地改變圖象的幾何特征來(lái)給數(shù)字圖象信號(hào)加上水印。水印包括偽隨機(jī)的稠密的圖象象素子集,例如線條(20)的圖案。確定有效圖象象素(21,22,23),即,對(duì)預(yù)定的處理操作給出最高響應(yīng)的象素,然后把它們移動(dòng)(24)到線條圖案的附近(δ)。由于這種“變形”的結(jié)果,大多數(shù)有效圖象象素(21,22)最終位于線條圖案附近的范圍內(nèi)。在接收端,再次確定輸入圖象的最有效象素。如果統(tǒng)計(jì)學(xué)上高百分比的有效象素位于線條圖案附近范圍內(nèi),則所述圖象是加了水印的圖象。
文檔編號(hào)H04N5/913GK1256839SQ99800214
公開(kāi)日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1999年1月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月9日
發(fā)明者M·J·J·J·P·馬斯, C·范奧弗韋德, P·M·J·羅根 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司