DE60033500T2 - Wasserzeicheneinbettung und -detektion - Google Patents

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Description

  • TECHNICHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Wasserzeichenmarkierung eines Informationssignals, zum Beispiel eines Audio- oder Videosignals. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren und eine Anordnung zur Detektion eines Wasserzeichens in einem derartigen Informationssignal.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Ein bekanntes Verfahren zur Wasserzeichenmarkierung eines Videosignals ist in der Internationalen Patentanmeldung WO-A-99/45705 offenbart. Bei diesem Verfahren wird dem Videosignal ein Wasserzeichenmuster hinzugefügt. Ein Wasserzeichendetektor korreliert dieses Muster mit dem verdächtigen Signal. Wenn die Korrelation eine gegebene Schwelle überschreitet, wird das Muster als vorhanden bezeichnet. Das Vorhandensein oder Fehlen des Musters stellt ein einzelnes Bit an Information dar. Das eingebettete Wasserzeichen kann auch eine Mehrbit-Nutzlast tragen. Im System, das in WO-A-99/45705 offenbart ist, ist die Nutzlast als eine Kombination von einem oder mehreren Grundmustern und räumlich verschobenen Versionen davon dargestellt. Die Nutzlast ist in die jeweiligen Verschiebungsvektoren codiert. Der Wasserzeichendetektor korreliert jedes Grundmuster mit dem verdächtigen Signal und bestimmt die räumfichen Positionen der Grundmuster in Bezug zueinander. Der Detektor prüft ferner, ob diese Positionen eine gültige Nutzlast bilden.
  • Das Dokument HANGSHENG XU ET AL.: "Applications of digital watermarking technology in audio signals" J. AUDIO ENG. SOC, JOURNAL OF THE AUDIO ENGINEERING SOCIETY, Vol. 47, Nr. 10, Oktober 1999 (1999-10), Seiten 805 812, XP000928475 USA offenbart ein Verfahren zum Einbetten eines Wasserzeichens, wobei ein Wasserzeichen auf Basis des Inhalts eines Signals, in das dieses Wasserzeichen eingebettet werden soll, hergestellt wird. Der ursprüngliche Ton wird gemäß seinen Eigenschaften in der Zeitdomäne in verschiedene Arten von Segmenten geteilt. Für jedes ankommende Tonsegment wird eine Frequenzmerkmalanalyse verwendet, um den Inhalt des Tonsegments zu beschreiben. Unter Verwendung der Frequenzmerkmale wird das Tonsegment in eine dieser vordefinierten Arten eingeteilt. Gemäß der Nummer der Art wird ein Einbettungsschema gewählt. Es wird nur ein Grundwasserzeichenmuster verwendet.
  • Der Prozess des Korrelierens von Wasserzeichenmustern mit dem verdächtigen Signal erfordert, dass der Wasserzeichendetektor Versionen der Muster lokal gespeichert hat. Angesichts dessen ist erwünscht, dass das Wasserzeichenmarkierungssystem nur wenige unterschiedliche Muster einsetzt. Die verwendeten Muster werden der Außenwelt gegenüber geheim gehalten. Doch selbst ohne Kenntnis der Muster kann ein Hacker das System gefährden, wenn ein einschlägiger Einbetter zu seiner Verfügung steht. Er kann ein willkürliches Eingabesignal zum Einbetter führen und das Signal von seiner wasserzeichenmarkierten Version subtrahieren. Das so erhaltene Differenzsignal ist abhängig vom Wahrnehmungsmodell, das im vorhandenen Wasserzeicheneinbetter verwendet wird, dem Wasserzeichen jedes beliebigen anderen wasserzeichenmarkierten Signals ähnlich. Wenn das Differenzsignal mit einem wasserzeichenmarkierten Signal kombiniert wird (z.B. dazu addiert oder davon subtrahiert wird), wird das eingebettete Wasserzeichen im Wesentlichen ausgelöscht werden oder zumindest nicht länger eine gültige Nutzlast darstellen. In beiden Fällen wurde das eingebettete Wasserzeichen unwirksam gemacht.
  • AUFGABE UND KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein sichereres Verfahren und eine sicherere Anordnung zur Einbettung und Detektion eines Wasserzeichens in einem Informationssignal, selbst wenn einem Hacker ein Wasserzeicheneinbetter zur Verfügung steht, bereitzustellen.
  • Zu diesem Zweck umfasst das Verfahren nach der Erfindung die Schritte des Analysierens einer gegebenen Eigenschaft des Informationssignals und des Bestimmens eines tatsächlichen Werts dieser Eigenschaft, des Verbindens unterschiedlicher Wasserzeichen mit bestimmten Werten der Eigenschaft, und des Einbettens des Wasserzeichens, das mit dem tatsächlichen Wert verbunden ist. Das entsprechende Wasserzeichendetektionsverfahren umfasst die Schritte des Analysierens einer gegebenen Eigenschaft des Informationssignals und des Bestimmens eines tatsächlichen Werts dieser Eigenschaft, des Verbindens unterschiedlicher Wasserzeichen mit bestimmten Werten der Eigenschaft, und des Detektierens des Wasserzeichens, das mit dem tatsächlichen Wert verbunden ist.
  • Mit dieser Erfindung wird erreicht, dass sich das eingebettete Wasserzeichenmuster von Zeit zu Zeit als eine Funktion des Informationssignalinhalts verändert. Das wie oben beschriebene Führen eines willkürlichen Signals zu einem Einbetter, um ein Signal zu erzeugen, das dem Wasserzeichen ähnlich ist, funktioniert nicht länger, da das willkürliche Signal andere Eigenschaften aufweist. Ein bedeutender Vorteil der Erfindung ist, dass die Anzahl der unterschiedlichen Wasserzeichenmuster, die der Detektor speichern muss, viel geringer gehalten werden kann. Diese Anzahl ist ein Ergebnis des Aufwiegens der Detektorkomplexität mit der Sicherheit.
  • Es gibt zahlreiche Beispiele für Eigenschaften des Informationssignals, die verwendet werden können, um das einzubettende Wasserzeichenmuster zu wählen. Die einzige Anforderung, die erfüllt werden muss, ist ihre Robustheit oder Beständigkeit in Bezug auf das eingebettete Wasserzeichen. Vorteilhafte Beispiele für Eigenschaften sind bestimmte Verteilungen von Helligkeitswerten eines Videosignals, oder bestimmte Formen des Frequenzspektrums eines Audiosignals.
  • Weitere Gesichtspunkte der Erfindung werden aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen offensichtlich werden und unter Bezugnahme darauf erklärt werden. Die Beispiele betreffen die Wasserzeicheneinbettung und -detektion von Videosignalen, doch wird man verstehen, dass die Erfindung gleichermaßen auf Audiosignale oder jede beliebige andere Art von Multimediasignal Anwendung findet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt schematisch ein Diagramm eines Wasserzeicheneinbetters nach der Erfindung.
  • 2 schematisch zeigt ein Diagramm eines Wasserzeichendetektors nach der Erfindung.
  • 3 zeigt eine Anordnung, um den Betrieb des Wasserzeicheneinbetters und des -detektors zu veranschaulichen.
  • 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsformen des Wasserzeicheneinbetters nach der Erfindung.
  • 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Wasserzeichendetektors nach der Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt schematisch ein Diagramm einer Ausführungsform eines Wasserzeicheneinbetters 1 nach der Erfindung. Es wird hier angenommen werden, dass das eingebettete Wasserzeichen eine 1-Bit-Nutzlast darstellt. Zum Beispiel gibt das Fehlen eines Wasserzeichens an, dass das Videosignal frei kopiert werden kann, wohingegen das Vorhandensein eines vorbestimmten Wasserzeichens bedeutet, dass das Herstellen einer Kopie des Signals verboten ist.
  • Der Einbetter erhält ein Eingangsvideosignal I in der Form einer Abfolge von Bildern, und umfasst einen Addierer 11, der jedem Bild ein Wasserzeichenmuster Wi hinzufügt. Der Einbetter umfasst ferner einen Bildanalysator 12, einen Wähler 13 und einen Nurlesespeicher 14, in dem mehrere unterschiedliche Wasserzeichenmuster W1... WN gespeichert sind. Der Analysator 12 erhält das Videosignal und analysiert eine gegebene Eigenschaft P des Videosignals als eine Funktion der Zeit. Der tatsächliche Wert der Eigenschaft P, der durch den Analysator 12 gefunden wird, wird an den Wähler 13 angelegt. Als Reaktion darauf wählt der Wähler eines der gespeicherten Wasserzeichenmuster W1... WN zur Einbettung für den Addierer 11.
  • Der Analysator 12 kann zahlreiche Formen annehmen. Es werden einige Beispiele gegeben werden, um ausreichende Lehren bereitzustellen, um es einem Fachmann zu ermöglichen, passende alternative Ausführungsformen zu gestalten. Die analysierte Eigenschaft kann die Verteilung von Helligkeitswerten über das Bild (räumliche Verteilung) oder über eine Abfolge von Bildern (zeitliche Verteilung) sein. In einem ersten Beispiel teilt der Analysator jedes Bild in Subbilder und bestimmt, welches der Subbilder die höchste Durchschnittshelligkeit aufweist. Die einschlägige Subbildnummer ist der tatsächliche Wert der Eigenschaft P. In einem zweiten Beispiel teilt der Analysator jedem Subbild, das eine niedrige Durchschnittshelligkeit aufweist, eine "0" und jedem Subbild, das eine hohe Durchschnittshelligkeit aufweist, eine "1" zu. Jedes Videobild wird nun durch einen n-Bit-Code beschrieben, wobei n die Anzahl der Subbilder ist. Der einschlägige n-Bit-Code ist der tatsächliche Wert der Eigenschaft P. Die Eigenschaft, die analysiert wird, kann auch die lokale Bildaktivität sein. Eine derartige Analyse kann leicht in der Frequenzdomäne ausgeführt werden.
  • 2 zeigt schematisch ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Wasserzeichendetektors 2 nach der Erfindung. Der Detektor erhält ein verdächtiges Videosignal J und umfasst eine Bildanalysator 22, einen Wähler 23 und einen Nurlesespeicher 24, die den entsprechenden Gegenstücken des Einbetters 1 ähnlich sind. Demgemäß analysiert der Analysator 22 die gleiche Eigenschaft P des Videosignals, und wählt der Wähler 23 das gleiche Wasserzeichenmuster W wie der Einbetter aus den gespeicherten Mustern W1... WN.
  • Der Detektor umfasst ferner eine Korrelationsschaltung 21, die die Korrelation zwischen jedem Bild des verdächtigen Videosignals und dem angewendeten Wasserzeichenmuster Wi berechnet. Wenn die Korrelation eine bestimmte Schwelle überschreitet, wird das gewählte Wasserzeichenmuster Wi als vorhanden (D = 1) bezeichnet, andernfalls wird es als fehlend (D = 0) bezeichnet.
  • Die Korrelationsschaltung 21 ist vorzugsweise von einer Art, die die Korrelation für alle möglichen räumlichen Positionen des angewendeten Wasserzeichens in Bezug auf das Bild durchführt. Eine derartige Korrelationsschaltung ist in WO-A-99/45705 offenbart. Sie erzeugt ein Korrelationsmuster, das für jede räumliche Position des Wasserzeichens eine Spitze zeigt. WO-A-99/45705 beschreibt, dass mehrere Spitzenpositionen eine Nutzlast darstellen können. Doch wie oben erwähnt ist die Nutzlast in diesem Beispiel ein 1-Bit-Kopierschutzsignal. Die Detektionsschaltung 2 wird das Vorhandensein von zwei oder mehr Spitzen als eine ungültige Nutzlast (D = 0) betrachten.
  • Es wird angenommen, dass die Wasserzeichenmuster W1... WN geheim sind und weder durch Abfragen der Einbetter- noch der Detektorschaltung abgerufen werden können. Wie nun unter Bezugnahme auf 3 erklärt werden wird, hindert die Erfindung einen Hacker daran, das System zu gefährden, wenn ihm zufällig ein Einbetter zur Verfügung steht. In 3 erhält ein potentieller Hacker ein Videosignal V', das durch einen Einbetter 1a wasserzeichenmarkiert ist. Das Signal V' kann ein aufgezeichnetes Signal sein, in welchem Fall die tatsächliche Einbettung vor einer langen Zeit stattfand. Der Einbetter 1a ist von einer wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Art.
  • Dem Hacker steht ein identischer Einbetter 1b zur Verfügung. Ein willkürliches Videosignal X wird an den Einbetter 1b angelegt, um lokal ein wasserzeichenmarkiertes Videosignal X' zu erzeugen. Ein Addierer 3 subtrahiert das willkürliche Signal X von seiner wasserzeichenmarkierten Version X'. Das Differenzsignal (das eine starke Ähnlichkeit mit dem eingebetteten Wasserzeichenmuster aufweist) wird dann durch einen weiteren Addierer 4 mit dem wasserzeichenmarkierten Signal V' kombiniert (dazu addiert oder davon subtrahiert). Das so bearbeitete verdächtige Signal V'' wird wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben an einen Wasserzeichendetektor 2 angelegt.
  • Ohne die Maßnahmen der Erfindung betten beide Einbetter 1a und 1b das gleiche Wasserzeichen in die jeweiligen Eingangssignale ein. Dies führt entweder zu einer Auslöschung des Wasserzeichens im verdächtigen Signal V'' oder zu einer ungültigen Nutzlast aufgrund mehrerer Vorkommnisse des Wasserzeichenmusters W an verschiedenen Positionen. In beiden Fällen erzeugt der Detektor ein Ausgangssignal D = 0 und ist der Hackangriff erfolgreich.
  • Mit den Maßnahmen der Erfindung wird sich das Wasserzeichen Wi (i = 1... N) im Signal V' allgemein vom Wasserzeichen Wj (j = 1, ... N) im Signal X' unterschieden, da die Inhalte der ursprünglichen Videosignale V und X unterschiedlich sind. Der Eigenschaftsanalysealgorithmus des Detektors 2 reagiert auf die Inhalte des Signals V'', die im Wesentlichen den Inhalten von V gleich sind. Folglich ist das Wasserzeichenmuster, das durch den Detektor 2 geprüft wird, das Wasserzeichenmuster Wi, das durch den Einbetter 1a eingebettet wurde. Der Detektor ignoriert das zusätzliche Vorhandensein eines unterschiedlichen Musters Wj, weshalb der Hackangriff fehlschlägt.
  • Eine mögliche Umgehung ist, das wasserzeichenmarkierte Signal V' anstelle eines willkürlichen Signals X zum Einbetter 1b zu führen, um den Einbetter 1b zu zwingen, das gleiche Wasserzeichen Wi wie der Einbetter 1a zu wählen. Um dies zu vermeiden, sind die Einbetter 1a und 1b vorzugsweise von einer Art, die die Einbettung eines Wasserzeichens in ein Signal, das bereits wasserzeichenmarkiert wurde, unterlassen. 4 zeigt ein schematisches Diagramm eines derartigen Einbetters. Er umfasst den gleichen Addierer 11, den gleichen Bildanalysator 12, den gleichen Wähler 13 und den gleiche ROM 14 wie der Einbetter, der in 1 gezeigt ist. Er umfasst ferner die Korrelationsschaltung 21 des Detektors, der in 2 gezeigt ist. Die Korrelationsschaltung 21 detektiert, ob das Eingangssignal I das Wasserzeichenmuster Wi, das eingebettet werden soll, bereits enthält. Wenn dies der Fall ist (D = 1), wird ein Schalter 15 gesteuert, um zu verhindern, dass das Wasserzeichenmuster Wi mehrere Male eingebettet wird.
  • 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Wasserzeicheneinbetters zur Einbettung einer Mehrbit-Nutzlast in das Videosignal. Der Einbetter umfasst den gleichen Addierer 11, den gleichen Bildanalysator 12, den gleichen Wähler 13 und den gleichen ROM 14, wie sie vorher unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurden. Der ROM 14 speichert nun mehrere Sätze von Wasserzeichenmustern. Der Einbetter beinhaltet ferner eine Codierungschaltung 16, die einen gewählten Satz i von Grundwasserzeichenmustern Wi,1, Wi,2, ..., erhält und eine Mehrbit-Nutzlast d in die jeweiligen Positionen der Muster codiert. Die Grundmuster weisen eine verhältnismäßig geringe Größe auf (z.B. 128×128 Pixel). Das durch den Codierer 16 erzeugte Wasserzeichenmuster wird anschließend durch eine Legeschaltung 17 über das Bild gelegt. Der ROM 14 speichert unterschiedliche Sätze von Grundmustern für unterschiedliche Werte der Signaleigenschaft P. Der tatsächliche Satz von Grundmustern, der an den Codierer 16 angelegt wird, wird durch den tatsächlichen Wert der Eigenschaft P gesteuert und verändert sich als eine Funktion der Zeit.
  • 6 zeigt den entsprechenden Wasserzeichendetektor. Der Detektor umfasst eine Faltungsschaltung 25, um Bildsegmente von 128×128 Pixel vor der Korrelation zu falten und in einem Zwischenspeicher zu speichern. Der Detektor umfasst ferner die gleiche Korrelationsschaltung 21, den gleichen Bildanalysator 22, den gleichen Wähler 23 und den gleichen Nurlesespeicher 24, wie sie vorher unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurden. Der ROM 24 speichert unterschiedliche Sätze von Grundmustern für unterschiedliche Werte der Signaleigenschaft P. Der tatsächliche Satz von Grundmustern, der an die Korrelationsschaltung 21 angelegt wird, wird durch den tatsächlichen Wert der Eigenschaft P gesteuert.
  • Es sollte bemerkt werden, dass die Erfindung nicht auf die in den Ausführungsformen beschriebenen Wasserzeichenmarkierungssysteme beschränkt ist. Zum Beispiel ist ein Wasserzeichenmarkierungssystem bekannt, das n unterschiedliche Wasserzeichenmuster verwendet, wobei jedes Muster einem Bit einer n-Bit-Nutzlast entspricht. Nach dieser Erfindung enthalten der Einbetter und der Detektor eines derartigen Systems unterschiedliche Sätze von n Mustern. Ein bestimmter Satz wird dann als Reaktion auf den tatsächlichen Wert einer Signaleigenschaft gewählt.
  • Zusammengefasst sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Einbettung und Detektion eines Wasserzeichens in einem Informationssignal offenbart. Das eingebettete Wasserzeichen (Wi) wird in Abhängigkeit von einer Eigenschaft P des Signals aus mehreren Wasserzeichen (W1... WN) gewählt (13). Ein Beispiel für eine derartige Eigenschaft ist die wie durch eine Analyseschaltung (12) berechnete Verteilung der Helligkeitswerte des gegenwärtigen Videobilds. Der entsprechende Wasserzeichendetektor führt die gleiche Tätigkeit durch: das gesuchte Wasserzeichen hängt von der gleichen Signaleigenschaft ab. Mit der Erfindung wird erreicht, dass sich das eingebettete Wasserzeichen von Zeit zu Zeit als eine Funktion des Informationssignalinhalts verändert, so dass es nicht leicht gehackt werden kann.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Einbettung eines Wasserzeichens in ein Informationssignal, wobei das eingebettete Wasserzeichen durch einen Satz von Grundwasserzeichenmustern gebildet ist, die durch eine Kombination von zwei oder mehr Grundwasserzeichenmustern gebildet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Analysieren einer gegebenen Eigenschaft des Inhalts des Informationssignals und Bestimmen eines tatsächlichen Werts der Eigenschaft; – Verbinden von unterschiedlichen Sätzen von Grundwasserzeichenmustern mit bestimmten Werten der Eigenschaft; und – Wählen des Satzes von Grundwasserzeichenmustern, der mit dem tatsächlichen Wert verbunden ist, zur Einbettung in das Informationssignal.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Informationssignal eine Abfolge von Videobildern ist, wobei der Schritt des Analysierens das Analysieren einer räumlichen oder zeitlichen Verteilung von Helligkeitswerten ist, wobei jede bestimmte Verteilung von Helligkeitswerten einen Wert der Eigenschaft des Inhalts des Informationssignals bildet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Informationssignal eine Abfolge von Audiosignalsegmenten ist, wobei der Schritt des Analysierens das Analysierens einer Form des Frequenzspektrums der Audiosegmente ist, wobei jede bestimmte Form des Frequenzspektrums einen Wert der Eigenschaft des Inhalts des Informationssignals bildet.
  4. Verfahren zur Detektion eines Satzes von Grundwasserzeichenmustern in einem Informationssignal, umfassend die folgenden Schritte: – Analysieren einer gegebenen Eigenschaft des Inhalts des Informationssignals und Bestimmen eines tatsächlichen Werts der Eigenschaft; – Verbinden von unterschiedlichen Sätzen von Grundwasserzeichenmustern mit bestimmten Werten der Eigenschaft; und – Wählen und Detektieren des Satzes von Grundwasserzeichenmustern, der mit dem tatsächlichen Wert verbunden ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Informationssignal eine Abfolge von Videobildern ist, wobei der Schritt des Analysierens das Analysieren einer räumlichen oder zeitlichen Verteilung von Helligkeitswerten ist, wobei jede bestimmte Verteilung von Helligkeitswerten einen Wert der Eigenschaft des Inhalts des Informationssignals bildet.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Informationssignal eine Abfolge von Audiosignalsegmenten ist, wobei das Verfahren die Schritte des Berechnens des Frequenzspektrums für jedes Segment umfasst, wobei jede bestimmte Form des Frequenzspektrums einen Wert der Eigenschaft des Inhalts des Informationssignals bildet.
  7. Wasserzeicheneinbetter zur Einbettung eines Wasserzeichens in ein Informationssignal, wobei das eingebettete Wasserzeichen durch einen Satz von Grundwasserzeichenmustern gebildet ist, die durch eine Kombination von zwei oder mehr Grundwasserzeichenmustern gebildet sind, wobei der Einbetter Folgendes umfasst: – ein Mittel (12), um eine gegebene Eigenschaft (P) des Inhalts des Informationssignals zu analysieren und einen tatsächlichen Wert der Eigenschaft zu bestimmen; – ein Mittel (14), um unterschiedliche Sätze von Grundwasserzeichenmustern mit bestimmten Werten der Eigenschaft zu verbinden; und – ein Mittel (13), um den Satz von Grundwasserzeichenmustern, der mit dem tatsächlichen Wert verbunden ist, zur Einbettung (11) in das Informationssignal zu wählen.
  8. Wasserzeichendetektor zur Detektion eines Satzes von Grundwasserzeichenmustern in einem Informationssignal, umfassend: – ein Mittel (22), um eine gegebene Eigenschaft des Inhalts des Informationssignals zu analysieren und einen tatsächlichen Wert der Eigenschaft zu bestimmen; – ein Mittel (24), um unterschiedliche Sätze von Grundwasserzeichenmustern mit bestimmten Werten der Eigenschaft zu verbinden; und – ein Mittel, um den Satz von Grundwasserzeichenmustern, der mit dem tatsächlichen Wert verbunden ist, zu wählen (23) und zu detektieren (21).
  9. Wasserzeicheneinbetter nach Anspruch 7, ferner beinhaltend ein Mittel, um den gewählten Satz von Grundwasserzeichenmustern mit dem Informationssignal zu korrelieren, und ein Mittel (15), um die Einbettung des gewählten Satzes von Grundwasserzeichenmustern als Reaktion darauf, dass das Mittel zur Korrelation den gewählten Satz im Informationssignal feststellt, zu unterlassen.
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