JP2018207247A - Digital watermarking apparatus and method - Google Patents

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Abstract

To provide an apparatus and method which can keep high image quality, embed digital watermarks with strong resistance and extract watermarks, and safely remove and re-embed watermark information.SOLUTION: An image is divided into blocks and a dot pattern showing the blue noise characteristic reduced in a low frequency range of a spatial frequency is embedded into each of the blocks as watermark information. In the extraction, highly reliable watermark information can be obtained when the block embedded with the highly reliable watermark information is selected. In addition, the watermarks can be removed and re-embedded by a key.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は,デジタル画像データに著作権情報などを埋め込む電子透かし法で,特に高画質な不可視の電子透かし装置および方法に関するものである. The present invention relates to a digital watermark method for embedding copyright information and the like in digital image data, and particularly to an invisible digital watermark apparatus and method with high image quality.

現在のデジタル情報社会において,情報の複製により多くの人が情報を共有することが可能となり,社会が大きく発展してきた.しかし,その利便性が,個人の著作物を違法に複製し流通させることにより,著作権侵害などの事件が起こるようになった.画像においては,近年のデジタルカメラやプリンタの高画質化により,原画と寸分も違わぬ複製が容易に得られるようになり,著作権を侵害した違反コピーだけでなく,紙幣や有価証券等の偽造行為という悪質な犯罪行為を助長させる結果となっている. In today's digital information society, it has become possible for many people to share information by duplicating information, and societies have developed greatly. However, due to its convenience, illegal copying and distribution of personal works has caused incidents such as copyright infringement. In recent years, with high-quality digital cameras and printers, it has become possible to easily reproduce images that are not different from the original images. This is a result of promoting a malicious criminal act.

そのような状況の中で,画像情報の中に別の情報,例えば,著作者情報等を埋め込み,著作権を保護する電子透かし(Digital Watermark)技術が発展してきた.この電子透かし技術は,著作物の中に著作権者の名前や連絡先,取り扱い事項などを埋め込み,利用者に注意を喚起するのみならず,不正利用の追跡ができることなど,著作権の管理・保護,ならびにセキュリティー対策として広く使われ始めている.電子透かし技術は,安全性および信頼性確保のため,第三者からの削除のための攻撃を想定して,攻撃に対する強い耐性が要求される. Under such circumstances, digital watermark technology that protects copyright by embedding other information such as author information in image information has been developed. This digital watermark technology embeds the name, contact information, and handling information of the copyright holder in the copyrighted work, not only alerts the user, but also enables tracking of unauthorized use. It is starting to be widely used as a protection and security measure. In order to ensure security and reliability, digital watermarking technology is required to have strong resistance to attacks, assuming attacks for deletion from third parties.

デジタルデータとしての電子透かしは,そのまま複製される限りは劣化や消失を生じない.しかし,画像編集や加工を行ったり,画像圧縮を行ったりした場合,画像データに種々の演算や変換が行われるために,埋め込まれた情報が消失しやすい.このため編集加工に耐えるためには埋め込むデータの強度を大きくし深層に埋め込み,耐性を向上させなければならない. Digital watermarks as digital data do not deteriorate or disappear as long as they are copied as they are. However, when image editing, processing, or image compression is performed, the embedded information is easily lost because various calculations and conversions are performed on the image data. Therefore, in order to withstand the editing process, the strength of the embedded data must be increased and embedded in the deep layer to improve the durability.

一般に,耐性の強さと画像品質はトレードオフの関係にある.強く埋め込み耐性を強くすれば画質は劣化し,逆に画質を優先すれば,耐性は弱い.したがって,耐性と画質を同時に満足させることは大変困難である. In general, there is a trade-off between robustness and image quality. If the embedding tolerance is increased strongly, the image quality deteriorates. Conversely, if the image quality is prioritized, the tolerance is weak. Therefore, it is very difficult to satisfy the tolerance and the image quality at the same time.

これまで画像データに対する耐性のある電子透かし技術として,多くの方法が提案されてきた.その一例としてパッチワーク法がある.パッチワーク手法による情報埋め込みは,統計量を利用するアプローチであるため,局所的な攻撃に対して強い耐性を示す.
この手法は,実空間(画素空間)において多数の画素ペアにわずかな偏差を与え透かし情報として埋め込む.まず,ランダムに画素のペアを選び,一方の輝度値をδ だけ上げ,他方のの輝度度値をδだけ下げる.この操作を繰り返すことにより分布の期待値に偏りが生じる.この偏りを統計的に求めることにより透かし情報を抽出することが可能となる.
しかしながら,この手法は耐性を高めるためには埋め込みデータ値δを大きくする必要があり,実空間(画素空間)で埋め込むため,埋め込み領域(パッチ)が視覚的に目につくようになる.また、埋め込める情報量は極端に少ない.
So far, many methods have been proposed as digital watermark technology that is resistant to image data. One example is the patchwork method. Information embedding by the patchwork method is an approach that uses statistics, so it is highly resistant to local attacks.
This method gives a small deviation to many pixel pairs in real space (pixel space) and embeds them as watermark information. First, a pixel pair is selected at random, and the brightness value of one is increased by δ, and the brightness value of the other is decreased by δ. By repeating this operation, the expected value of the distribution is biased. It is possible to extract watermark information by statistically obtaining this bias.
However, this method needs to increase the embedded data value δ in order to increase the tolerance, and since it is embedded in real space (pixel space), the embedded region (patch) becomes visually noticeable. The amount of information that can be embedded is extremely small.

別の方法として周波数空間で透かし情報を埋め込む方法がある.画像全体をDCT(Discrete cosine transformation)やフーリエ変換およびWavelet変換を行い,ある特定の中間周波数帯に埋め込む方法である.埋め込まれた情報は実空間では画像全体に分散するため,視覚的に目立ち難いという特徴がある.しかしながら,埋め込み強度を強くすると,周期的パターンが発生し,画像の平たん部で目につきやすなり,画像とのモアレ縞が発生するなどして画質低下をもたらす. Another method is to embed watermark information in frequency space. In this method, the entire image is subjected to DCT (Discrete cosine transformation), Fourier transform, and Wavelet transform and embedded in a specific intermediate frequency band. The embedded information is distributed in the entire image in real space, so it is not visually noticeable. However, when the embedding strength is increased, a periodic pattern is generated, and it becomes easy to see in the flat part of the image, and moire fringes with the image are generated.

一方,グリーンノイズノイズ法特性を示すドットプロファイルを用いた手法を特許文献1(特開2016-163197) において提案した.かかる発明は高域と低域の周波数応答性が低下するグリーンノイズノイズ特性のあるドットプロファイルを用いて印刷耐性のある電子透かし法を実現したものである.前述の電子透かし法に比べ,印刷耐性は高く,印刷画像においても人間の視覚特性によるローパス効果から明視の距離において観察する限りは画質の劣化を感じさせない.しかしながら,ディスプレイなどで観察する場合は拡大して見る時も多く、高域の空間周波数が低下しているため画質が十分ではない. On the other hand, Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2016-163197) proposed a method using a dot profile showing the characteristics of the green noise noise method. This invention realizes a digital watermarking method with printing durability by using a dot profile with green noise characteristics that lower frequency response in high and low frequencies. Compared to the above-mentioned digital watermarking method, the printing tolerance is high, and even in the printed image, as long as it is observed at a clear distance from the low-pass effect due to human visual characteristics, the image quality is not perceived. However, when observing on a display, etc., the image is often enlarged, and the image quality is not sufficient because the spatial frequency of the high frequency is reduced.

特開2016-163197公報JP 2016-163197

W.Blender, D.Gruhl, N.Morimoto; “Techniques for data hiding”, Proceedings of SPIE, Vol.2020, pp.2420-2440 (1995).W. Blender, D. Gruhl, N. Morimoto; “Techniques for data hiding”, Proceedings of SPIE, Vol.2020, pp.2420-2440 (1995). 水本匡,松井甲子雄;”DCTを用いた電子透かしの印刷取り込み耐性の検討”, 電子情報通信学会誌A, Vol J85-A, No.4, pp.451-459 (2002)Minoru Mizumoto, Koko Matsui; “Examination of digital watermark printing tolerance using DCT”, IEICE Journal A, Vol J85-A, No.4, pp.451-459 (2002)

このため,透かしの入った画像をディスプレイで表示した場合,モアレや画質の劣化が少なく,かつ拡大表示しても画質劣化の少ない電子透かし法を得ることが課題である.かつ外部から透かし情報を除去しようとする様々な攻撃に対して耐性を有すことが必要である. For this reason, when displaying an image with a watermark on a display, it is a problem to obtain a digital watermark method with little moiré and image quality degradation and little image quality degradation even when enlarged. And it is necessary to be resistant to various attacks that try to remove watermark information from outside.

さらに,画像編集や加工を行うためには、高画質化を維持するためには、一旦鍵を用いて透かしを除去できることも課題である.編集加工後,新たな透かし情報、例えば、第2著作権の情報などを、この鍵を用いて書き込むことも必要となる.このとき,用途によっては、配布時に印刷耐性のある透かし埋め込みが必要となる場合があり、除去後に別の電子透かし法を使用することを可能とする. Furthermore, in order to maintain image quality, it is also necessary to remove the watermark once using a key for image editing and processing. After editing, it is also necessary to write new watermark information, such as second copyright information, using this key. At this time, depending on the application, it may be necessary to embed a watermark that is resistant to printing at the time of distribution, and it is possible to use another digital watermark method after removal.

一方,鍵の紛失に対して,被害が広範囲に広がらないような鍵の安全性を確保することも課題である.さらに,普及するためにアルゴリズムを公開しても安全性が保たれること等を満たすことも課題である. On the other hand, it is also a problem to secure the security of the key so that the damage does not spread over a wide range against the loss of the key. Furthermore, it is also a problem to satisfy that the security is maintained even if the algorithm is disclosed in order to spread.

さらに,元画像(透かしを入れる前の画像データ)を編集加工し切り抜いたりして使用される例が多く,透かし抽出を困難にする原因となっている.透かし抽出を高精度に行うためには,少なくとも元画像がどのような編集加工をされたかという情報を得ることにより抽出精度を高めることができる.すなわち,埋め込まれた画像データから原画像のサイズや方向などを推定できることも課題である. In addition, there are many cases where the original image (image data before watermarking) is edited and cut out and used, which makes it difficult to extract the watermark. In order to perform watermark extraction with high accuracy, it is possible to improve the extraction accuracy by obtaining at least information about how the original image was edited. In other words, the size and direction of the original image can be estimated from the embedded image data.

以上の課題を解決するために,本発明は,周波数空間において帯域制限を与えたランダムなドットパターンを原画像に重畳し埋め込むことにより,高画質でありながら耐性のある電子透かしを実現する装置および方法を提供するものである. In order to solve the above problems, the present invention provides an apparatus for realizing a high-quality but durable digital watermark by superimposing and embedding a random dot pattern with a band limitation in a frequency space on an original image, and It provides a method.

埋め込みに用いられるランダムなドットパターンは,低域で強度が低下したスペクトル特性を示す.ランダムであるがゆえに原画像とのモアレも生じない.また,きわめて細かなドットパターンのため,また人の視覚特性からは認識されにくいことが特徴である.このためディスプレイで拡大表示しても画質劣化を感じない.また、強く埋め込むことにより印刷耐性も高くすることが可能である. The random dot pattern used for embedding shows a spectral characteristic with reduced intensity at low frequencies. Because it is random, there is no moiré with the original image. It is also characterized by a very fine dot pattern and difficult to recognize from human visual characteristics. For this reason, even if it is enlarged on the display, it does not feel image quality degradation. Moreover, it is possible to increase printing durability by embedding it strongly.

また,外部からの攻撃に対して耐性が高く,必要に応じて透かしを除去できる鍵を有す.鍵は埋め込む透かし情報のドットパターンを含み,かかるパターンはランダムで多数のドットから構成されるため逆解析が困難であり,さらに,画像データごとにパターン構成を変更することにより,仮に,一つの画像の透かし情報が解読されたとしても,この情報で他の画像の透かし除去をすることはほぼ不可能である. In addition, it is highly resistant to external attacks and has a key that can remove the watermark if necessary. The key includes a dot pattern of watermark information to be embedded, and such a pattern is made up of a large number of random dots, making reverse analysis difficult. Furthermore, by changing the pattern configuration for each image data, Even if the watermark information of is decoded, it is almost impossible to remove the watermark of other images with this information.

かかる課題を解決するために,本発明は,ブルーノイズ特性を示すドットパターンを使用して原画像に埋め込む.このブルーノイズパターンを空間周波数空間でみた場合,0周波数近傍はスペクトルが存在しない.一方,画像データは0周波数近傍に分布するため,両者のスペクトルの重なりは少ない.このため,それぞれのスペクトルを分離することにより埋め込まれた情報を抽出する際,分離性がよく抽出できるという特性がある.かつ,ドットのパターンは分散型で粒状性が低く,視覚的に目立たないため原画像の高品質を維持することが可能である.逆の言い方をすれば,埋め込みの強度(gain)を大きくしても画質劣化は感じられないため,耐性向上が得られる. In order to solve this problem, the present invention embeds the original image using a dot pattern exhibiting blue noise characteristics. When this blue noise pattern is viewed in the spatial frequency space, there is no spectrum near 0 frequency. On the other hand, since the image data is distributed near the 0 frequency, there is little overlap between the spectra. For this reason, when extracting embedded information by separating each spectrum, there is a characteristic that it can be extracted well. In addition, the dot pattern is distributed, low graininess, and visually inconspicuous, so it is possible to maintain the high quality of the original image. To put it the other way around, even if the embedding strength (gain) is increased, the image quality is not deteriorated, so the tolerance is improved.

透かし情報の埋め込みは,デジタル画像データをR画素×R画素 のブロックに分割し,それぞれのブロックに対して埋め込む透かし情報のビット情報(0あるいは1)に対応して,フーリエスペクトルが低周波域で低減したブルーノイズ特性を示す複数の異なるドットパターンを用いて,透かし埋め込みを行う.透かし情報の抽出は,受信あるいは読み取った画像データを補正した後,ブロックに分割し,それぞれのブロックのフーリエスペクトルの分布を求め,そのスペクトル分布をコントラスト改善した後,分布のパターン認識により埋め込みの情報を抽出する. To embed watermark information, the digital image data is divided into R pixel x R pixel blocks, and the Fourier spectrum has a low frequency range corresponding to the bit information (0 or 1) of the watermark information embedded in each block. Watermark embedding is performed using several different dot patterns that exhibit reduced blue noise characteristics. In the extraction of watermark information, the received or read image data is corrected, then divided into blocks, the Fourier spectrum distribution of each block is obtained, the contrast of the spectrum distribution is improved, and the embedding information is recognized by the distribution pattern recognition. Is extracted.

さらに,透かし情報を抽出する際,信頼度を計算し,信頼度の高い透かし情報を選択することにより精度の高い透かし情報の抽出が可能となる. Furthermore, when extracting watermark information, it is possible to extract watermark information with high accuracy by calculating reliability and selecting watermark information with high reliability.

本発明により,高画質性を保持し,強靭な透かし埋め込みが可能となる.さらに,画像の編集や加工で施されたAffine変換の係数(拡大縮小率や回転角)をこのドットパターンから探知することができる.そして,この係数から補正画像を求めることにより,精度の高い透かし抽出を行うことができる. According to the present invention, it is possible to maintain a high image quality and to embed a strong watermark. In addition, the Affine transform coefficients (enlargement / reduction ratio and rotation angle) applied in image editing and processing can be detected from this dot pattern. And, by obtaining the corrected image from this coefficient, it is possible to extract the watermark with high accuracy.

さらに,透かしの埋め込まれた画像に対して,鍵を得ることにより,埋め込み前の画像(原画)に戻すことが可能である.鍵は配信画像ごとに異なり,他の画像には無力である.その鍵を用いて新たな二次著作権情報を電子透かしとして埋め込むことも可能である. Furthermore, it is possible to return to the original image (original image) by obtaining the key for the image with embedded watermark. The key is different for each distribution image, and it is powerless for other images. It is possible to embed new secondary copyright information as a digital watermark using the key.

本発明の電子透かしの埋め込みおよび抽出の装置の図Diagram of the digital watermark embedding and extracting device of the present invention 透かし入り画像のインターネットでの配信を示した図Diagram showing the delivery of watermarked images over the Internet 埋め込みに用いたドットプロファイルを得るための処理フローを示した図Diagram showing the processing flow for obtaining the dot profile used for embedding ドットパターンとそのスペクトルを表した図で,(a)は縦長楕円のスペクトル特性を有すもの,(b)はそれを90度回転したもの,(c)はAffine係数検出用,(d)はヘッダー検出用This figure shows the dot pattern and its spectrum. (A) is the one with the elliptical spectral characteristics, (b) is rotated 90 degrees, (c) is for Affine coefficient detection, (d) is For header detection 実際に埋め込んだ図で,(a)は埋め込まれた画像,(b)は抽出したスペクトル画像In the actual embedded image, (a) is the embedded image, (b) is the extracted spectral image. 拡大したスペクトル画像の図Enlarged spectral image gain を変えて埋め込んだ画像と拡大図Image and enlarged view with different gain embedded 透かし埋め込みのフローを示す図Diagram showing watermark embedding flow 透かし埋め込み時のgain自動調整処理フローを表す図Diagram showing gain automatic adjustment processing flow when embedding watermark 透かし抽出時の補正画像を取得するフローを表す図The figure showing the flow which acquires the correction picture at the time of watermark extraction 透かし抽出の処理フローを表す図Diagram showing the processing flow of watermark extraction 透かし抽出のマスクパターンの図Illustration of mask pattern for watermark extraction 透かし抽出のマスク処理を示す図The figure which shows the mask processing of watermark extraction 透かし抽出のマスク処理で信頼度向上を示す図The figure which shows reliability improvement by the mask processing of watermark extraction 同一スペクトルで異なるドットパターンを示した図Diagram showing different dot patterns in the same spectrum

本電子透かしは,著作権を保護したい画像に埋め込まれ,主にネット配信における著作権の追跡と保護を行う.著作権者はインターネットによりかかる透かし情報の入った画像を公開するが,透かしがあるため不正利用を追跡することが可能である.また,購入者は,透かし解除と再書き込みを,鍵を用いることにより可能となり,新たな著作者情報を埋め込むことが可能である. This digital watermark is embedded in an image whose copyright is to be protected, and mainly tracks and protects the copyright in online distribution. The copyright holder publishes images with such watermark information on the Internet, but it is possible to track unauthorized use because of the watermark. In addition, the purchaser can release the watermark and rewrite it by using a key, and can embed new author information.

違法な複製や利用は,透かし抽出ソフトウェアにより監視できる.この透かし抽出ソフトウェアには秘密性はなく,例えば,著作権者のホームページなどから自由にダウンロードできるようにして広く公開しだれでも使用できる.第三者はこれにより画像の所有者や著作権情報,連絡先などを知ることができるため,不正使用の警告にもなる. Unlawful duplication and use can be monitored by watermark extraction software. This watermark extraction software has no confidentiality, and can be used by anyone who has made it widely available, for example, it can be freely downloaded from the copyright holder's homepage. This allows third parties to know the owner of the image, copyright information, contact information, etc., and can also be used as a warning of unauthorized use.

かかる電子透かしを実施する為,本発明においては,原画像に埋め込むための異なる複数のドットパターンを用いる.かかるドットパターンはブルーノイズ特性を呈し,埋め込むビット情報の0,1やヘッダー情報(文字列の先頭)に応じて,埋め込みパターンを選択する.また,Affine変換の係数を解析するパターンやヘッダー用のパターンを含む. In order to implement such digital watermarking, the present invention uses a plurality of different dot patterns to be embedded in the original image. This dot pattern exhibits blue noise characteristics, and the embedding pattern is selected according to 0, 1 of the bit information to be embedded and header information (the beginning of the character string). It also includes patterns for analyzing the coefficients of Affine transforms and patterns for headers.

かかるドットパターンは,疑似乱数から生成したランダムなドットパターンから繰り返し演算にて得られたブルーノイズパターンである.これらのパターンを用いて,例えば,著作権者の名前やメールアドレス,URLなどの文字列をビット情報に変換し,画像データに埋め込む.また,埋め込まれた情報を除去し,元の画像に戻すための“鍵”の一部としても用いられる.かかる鍵は,ドットパターン情報,埋め込み強度(gain)情報,埋め込まれた文字情報などから構成される.かかる鍵情報は,生成されるドットパターンの乱数の初期値をかえることにより異なるドットパターンとなる.このため鍵情報はドットパターンごとに異なる.しかし、透かしの抽出ソフトウェアは変更はいらない. Such a dot pattern is a blue noise pattern obtained by iterative calculation from a random dot pattern generated from pseudo-random numbers. Using these patterns, for example, the copyright holder's name, email address, URL, and other character strings are converted to bit information and embedded in the image data. It can also be used as part of a “key” to remove embedded information and restore the original image. Such a key consists of dot pattern information, embedding strength (gain) information, embedded character information, and the like. Such key information becomes a different dot pattern by changing the initial random number of the generated dot pattern. For this reason, the key information is different for each dot pattern. However, there is no need to change the watermark extraction software.

以下,実施例に沿って詳しく説明する.
図1は本発明の情報埋め込みと抽出のための電子透かしシステムの構成図である.著作権保有者のコンピュータ3 には,著作権を有す画像データが,例えばハードディスクなどのデータメモリ7に保管されている.画像データは,プログラムメモリ6にある画像処理プログラムにより,CPU11,ROM 4,RAM5などを用いて画像処理され,モニター8に表示される.コンピュータ3にはスキャナー1,プリンタ2が接続され,処理された画像はモニター8に表示されたりプリンタから出力されたりし,またスキャナー1から画像読み取りができる.かかる画像処理は負荷の高い処理が多いため,GPUなどの高速化を図るための処理ボードが入っている場合もある.
In the following, the details will be described along the examples.
FIG. 1 is a block diagram of a digital watermark system for embedding and extracting information according to the present invention. The copyright owner's computer 3 stores copyrighted image data in a data memory 7 such as a hard disk. The image data is processed by the image processing program in the program memory 6 using the CPU 11, ROM 4, RAM 5, etc., and displayed on the monitor 8. A scanner 1 and a printer 2 are connected to the computer 3, and the processed image is displayed on the monitor 8 or output from the printer, and the image can be read from the scanner 1. Since such image processing is expensive, there are cases where processing boards for speeding up such as GPUs are included.

図2は,インターネット配信の処理手順を示すものである.透かし情報を埋め込まれた画像は,著作権者16のコンピュータからインターネット12により公開される(13).それを見た購入希望者17は,購入希望を配信者に連絡する(14).所定の手続き後,著作権者は透かしの埋め込みと除去のための秘密鍵を配信する(15).購入者は,著作権者との契約に基づき,送付された画像の埋め込まれた電子透かしを除去し,画像の編集加工を行う. Figure 2 shows the processing procedure for Internet distribution. The image in which the watermark information is embedded is published on the Internet 12 from the computer of the copyright holder 16 (13). The purchase applicant 17 who sees it notifies the distributor of the purchase request (14). After a predetermined procedure, the copyright holder distributes a secret key for embedding and removing the watermark (15). Based on the contract with the copyright holder, the purchaser removes the digital watermark embedded in the sent image and edits the image.

さらに購入者は,編集加工された画像データを,2次著作権者として自己の著作情報やURLなどの情報をこの秘密鍵を用いて埋め込むことができる.これらの透かし情報を埋め込まれた画像は,市場に流通し様々な利用がなされる. Further, the purchaser can embed the edited image data as the secondary copyright holder with his / her copyright information and URL information using this secret key. Images with embedded watermark information are distributed in the market and used in various ways.

違法な複製や利用の監視には,透かし抽出ソフトウェアにより画像から透かし情報を抽出し,自己の著作物であることを確認できる.この透かし抽出ソフトウェアには秘密性はなく,例えば,著作権者のホームページなどから自由にダウンロードできるようにして広く公開しだれでも使用できる.第三者はこれにより画像の所有者や著作権情報,連絡先などを知ることができるため,不正使用の警告にもなる. In order to monitor illegal copying and usage, watermark extraction software can extract watermark information from an image and confirm that it is a copyrighted work. This watermark extraction software has no confidentiality, and can be used by anyone who has made it widely available, for example, it can be freely downloaded from the copyright holder's homepage. This allows third parties to know the owner of the image, copyright information, contact information, etc., and can also be used as a warning of unauthorized use.

秘密鍵は埋め込む画像ごとに1対1で対応する.このため,著作権者は悪用されないように画像ごとに異なる鍵を用いる.このためこの鍵を用いて他の画像の透かしを除去することはできない.また後述の様に結託攻撃に対しても耐性がある.このとき,透かし読み出しのソフトウェアは,前述の様に,鍵が異なっても共通に使える. There is a one-to-one correspondence between the private key and the embedded image. For this reason, the copyright holder uses a different key for each image so that it cannot be misused. For this reason, the watermark of other images cannot be removed using this key. It is also resistant to collusion attacks as described below. At this time, the watermark reading software can be used in common even if the keys are different, as described above.

ここで,まず本発明に用いられるドットプロファイル作成アルゴリズムを図3に沿って説明する.
今,求めるドットプロファイルのサイズをR×R ( R=2^m,^はべき乗を表す)として,まず,疑似乱数発生器により,R^2/2個のランダムドット(初期状態はホワイトノイズ)を重ならないようにして発生させ,p(i,j)とする.この時,疑似乱数発生器のSEED値を変えることにより初期状態のドットプロファイルを変更可能である.
STEP1:p(i,j)ドットプロファイルの二次元フーリエ変換を行い,P(u,v)を得る.
STEP2:P(u,v)にフィルタD(u,v)を掛けて,新たなP'(u,v)を得る.ここで,D(u,v)は低域が0となるフィルタである.
STEP3:P'(u,v)に逆フーリエ変換を行い,多値の点プロファイルp'(i,j)を得る.
STEP4: 誤差関数e(i,j)=p'(i,j)-p(i,j)を求め,各画素位置での誤差の大きい順に白,黒反転する.
STEP5: 上記操作を誤差が許容量以内になるまで繰り返す.
以上の操作を行い最終的に目的とするブルーノイズ特性を示すドットプロファイルを得る.
Here, the dot profile creation algorithm used in the present invention will be described with reference to FIG.
The size of the desired dot profile is now R × R (R = 2 ^ m, where ^ represents a power), and R ^ 2/2 random dots (initially white noise) using a pseudo-random number generator. Generate p (i, j) so that they do not overlap. At this time, the initial dot profile can be changed by changing the SEED value of the pseudo-random number generator.
STEP1: Perform two-dimensional Fourier transform of the p (i, j) dot profile to obtain P (u, v).
STEP2: P (u, v) is multiplied by filter D (u, v) to obtain a new P '(u, v). Here, D (u, v) is a filter whose low frequency is zero.
STEP3: Perform inverse Fourier transform on P '(u, v) to obtain a multivalued point profile p' (i, j).
STEP4: The error function e (i, j) = p '(i, j) -p (i, j) is obtained, and white and black are reversed in descending order of error at each pixel position.
STEP5: Repeat the above operation until the error is within the allowable range.
Perform the above operation to finally obtain a dot profile that exhibits the desired blue noise characteristics.

次に,フィルタD(u,v)について説明する.D(u,v)は異方性を持たせるため,u軸方向とv軸方向で異なるフィルタとする.これは楕円であっても矩形であってもよい.U軸方向のカットオフ周波数(fmin)をfu とし,f0=(1/2)^(1/2)・fn としたとき,
b=(fu-f0)/fn
とすると,Rに非依存のドットプロファイルが得られる.ここで,fnはナイキスト周波数を示す.v軸方向はu軸方向のβ倍であるとする.
Next, filter D (u, v) is explained. Since D (u, v) has anisotropy, a different filter is used in the u-axis direction and the v-axis direction. This can be an ellipse or a rectangle. When the cutoff frequency (fmin) in the U-axis direction is fu and f0 = (1/2) ^ (1/2) · fn,
b = (fu-f0) / fn
Would give a dot profile independent of R. Where fn is the Nyquist frequency. The v-axis direction is β times the u-axis direction.

一例として,R=64で,b=-1/16 ,β=1.5の時の楕円フィルタで求めたドットプロファイルを図4に示す.かかるドットプロファイルp0(i,j)とし,そのパターンとスペクトル特性P0を図3(a)に示す.β=1.5とは,フィルタD(u,v)がy軸方向に1.5倍に拡大されていることを意味する.スペクトル分布がu軸,v軸に対して対象であるため,p0(i,j)の虚数部は0となる.同図(b)のドットパターンp1(i,j)はp0(i,j)を90°回転したもので,スペクトルも同様に90°回転したものとなる.同図(c),(d)はそれぞれAffine係数検出パターンとヘッダー用パターンで後述する. As an example, Fig. 4 shows the dot profile obtained with an elliptic filter when R = 64, b = -1 / 16, and β = 1.5. This dot profile p0 (i, j) is shown in Fig. 3 (a). β = 1.5 means that the filter D (u, v) is expanded 1.5 times in the y-axis direction. Since the spectral distribution is targeted for the u-axis and v-axis, the imaginary part of p0 (i, j) is 0. The dot pattern p1 (i, j) in Fig. 2 (b) is obtained by rotating p0 (i, j) by 90 °, and the spectrum is also rotated by 90 °. (C) and (d) in the figure are an Affine coefficient detection pattern and a header pattern, which will be described later.

続いて,多値画像データへの透かし埋め込みアルゴリズムについて説明する.
透かし情報の埋め込みは,カラー画像データをY,Cb,Crに変換し,輝度Yに透かし情報を埋め込む.Blue(印刷時はイエロー)に埋め込むのがもっとも理想的である.ただし,精度よく色分離することが必要である.
Next, the watermark embedding algorithm for multi-valued image data is explained.
To embed watermark information, color image data is converted to Y, Cb, and Cr, and watermark information is embedded in luminance Y. Ideally, it should be embedded in Blue (yellow when printed). However, accurate color separation is necessary.

今,周波数空間においてブロック単位で異種のスペクトルパターンを埋め込むこととして,異なるスペクトルパターンをPi (u,v) (i=0,・・・,n)とする.Piはそのスペクトルが前述のブルーノイズ特性を示す.ブルーノイズのカットオフ周波数fminは埋め込まれる画像の最大周波数よりも大きい周波数を選ぶことが理想的である.画像のスペクトルをブルーノイズスペクトルの0領域(低域部)に押し込めることができるため、分離が容易であるからである.
画像ブロックの周波数スペクトルをI(u,v)とすると,埋め込まれたスペクトルW(u,v)は,
W(u,v)=I(u,v)+gain・Pi (u,v) ---------- (1)
となる.ここで,不可視となるためには,gain≪1でなければならない.透かし情報Pi (u,v)が精度よく抽出されるためには,前述のようにI(u,v)とPi (u,v)の重なりを少なくすることが望ましい.
Assuming that different spectrum patterns are embedded in the frequency space in block units, let different spectrum patterns be Pi (u, v) (i = 0, ..., n). The spectrum of Pi shows the blue noise characteristics described above. Ideally, the cutoff frequency fmin of blue noise should be selected to be higher than the maximum frequency of the embedded image. This is because the spectrum of the image can be pushed into the zero region (low frequency region) of the blue noise spectrum, so separation is easy.
If the frequency spectrum of the image block is I (u, v), the embedded spectrum W (u, v) is
W (u, v) = I (u, v) + gain ・ Pi (u, v) ---------- (1)
It becomes. Here, in order to be invisible, it must be gain << 1. In order to extract watermark information Pi (u, v) with high accuracy, it is desirable to reduce the overlap of I (u, v) and Pi (u, v) as described above.

実際の透かし情報の埋め込み作業は実空間で行う.前式を実空間(画素空間)に変換する(小文字で表す)と,
w(x,y)=i(x,y)+gain・pi (x,y) ---------- (2)
となる.透かし情報として、0,1の1ビットのデータを埋め込むとして,2つの異なるブルーノイズ特性を示すドットパターンpi(x,y)(i=1,2)を用意する。そのうえで、埋め込むビット情報(0,1)に対して,
埋め込みビット=0の時 → p0(x,y))
埋め込みビット=1の時 → p1(x,y)
として埋め込む.ここで,p0およびp1は(1,0)の二値であるが,平均輝度を保存するため(1/2,-1/2)とする.
もし、2ビットの多値データを埋め込む場合には、4つのドットパターンを用意すればよい。
The actual watermark information is embedded in real space. Converting the previous expression into real space (pixel space) (represented in lower case)
w (x, y) = i (x, y) + gain ・ pi (x, y) ---------- (2)
It becomes. As watermark information, 1-bit data of 0 and 1 is embedded, and two dot patterns pi (x, y) (i = 1, 2) showing different blue noise characteristics are prepared. In addition, for the bit information (0,1) to be embedded,
When padding bit = 0 → p0 (x, y))
When embedded bit = 1 → p1 (x, y)
Embed as. Here, p0 and p1 are binary values of (1,0), but they are (1/2, -1/2) in order to preserve the average luminance.
If 2-bit multi-value data is embedded, four dot patterns may be prepared.

p0およびp1のドットパターンが透かし情報に応じて並置されるが、ランダムなドットであるため,両者の境界は目立たない.また,ブルーノイズ特性を示すハーフトーンスクリーンは,プリンタのFMスクリーンとしてよく用いられ,分散性ドットで均一性にすぐれているため人の視覚にも一様で粒状性も感じさせない.しかしながら、ドットの異方性を大きくすると目につくようになるため、βが1.5以内にする必要がある。 The dot patterns of p0 and p1 are juxtaposed according to the watermark information, but because they are random dots, the boundary between them is not noticeable. In addition, halftone screens exhibiting blue noise characteristics are often used as FM screens in printers, and they are uniform in dispersive dots, so they are uniform and do not feel grainy. However, if the anisotropy of the dots is increased, it becomes noticeable, so β needs to be within 1.5.

図4の(c)および(d)は,矩形フィルタを用いてブルーノイズパターンを求めたものである.(c)はb=-3/16 の矩形フィルタからの生成パターンである.また,(d)は,b=0の矩形バンドフィルタから生成されたドットパターンである.(c)のパターンは後述のAffine変換係数の探索に,(d)のパターンは文字列の先頭におかれ,繰り返しの区切りパターンとして用いられる. Figures 4 (c) and 4 (d) show the blue noise pattern obtained using a rectangular filter. (C) is a pattern generated from a rectangular filter with b = -3 / 16. (D) is a dot pattern generated from a rectangular band filter with b = 0. The pattern (c) is used to search for the Affine transform coefficient, which will be described later, and the pattern (d) is used at the beginning of the character string, and is used as a repeated delimiter pattern.

原画像への埋め込み可能なデータ量(最大ビット数)Nは,画像サイズをW画素×H画素の画像データに対して,
N=int(W/R)×int(H/R) ---------- (3)
で与えられる.ここで,int()は少数以下切り捨てを表す.埋め込み可能文字数は,ASCII文字の場合は,int(N/8)となる.通常,著作権保護希望の対象画像はHDサイズ(1980画素×1024画素)以上の画像であり,HD画像では,N=480ビット=60バイトとなり,著作権情報の埋め込みとしては十分である.しかしながら,小さいサイズの画像で十分な情報量を必要とする場合には,R=32として埋め込めば,例えば,512画素×512画素の場合,N=256ビット=32バイトの情報量が埋め込み可能である.
The amount of data that can be embedded in the original image (maximum number of bits) N is the image size for image data of W pixels x H pixels.
N = int (W / R) × int (H / R) ---------- (3)
Is given by. Here, int () represents rounding down to the nearest whole number. The number of characters that can be embedded is int (N / 8) for ASCII characters. Usually, the target image for copyright protection is an image of HD size (1980 pixels x 1024 pixels) or larger. In HD images, N = 480 bits = 60 bytes, which is sufficient for embedding copyright information. However, if a small size image requires a sufficient amount of information, if R = 32 is embedded, for example, if 512 pixels × 512 pixels, an information amount of N = 256 bits = 32 bytes can be embedded. is there.

図5は1024画素×576画素の画像にR=64のドットパターンを埋め込んだものである.
したがって,この画像は,
N=int(1024/64)×int (576/64)= 16×9=144ビット=18バイト
となり,最大18バイト(ASCIIの場合)までの文字情報が埋め込み可能である.同図(a)は埋め込まれた画像を示す.埋め込みのgainは0.0625で,ある.すなわち,原画に±8 のドットパターンを合成したものである.同図(b)は後述の抽出結果で正答が得られている.図6は図5(b)の一部を拡大したものである,画像のスペクトルは楕円型のスペクトルの内部に包含されている.このため,両者のスペクトルを分離することが容易であることが分かる.
Figure 5 shows an image of 1024 pixels by 576 pixels embedded with a dot pattern of R = 64.
Therefore, this image is
N = int (1024/64) x int (576/64) = 16 x 9 = 144 bits = 18 bytes, and character information of up to 18 bytes (in the case of ASCII) can be embedded. Figure (a) shows the embedded image. The gain of embedding is 0.0625. In other words, a dot pattern of ± 8 is synthesized with the original image. In the figure (b), the correct answer is obtained from the extraction results described later. Fig. 6 is an enlarged view of a part of Fig. 5 (b). The spectrum of the image is included in the elliptical spectrum. Therefore, it is easy to separate the two spectra.

埋め込み画像はgain を大きくすることにより,印刷耐性を高めることが可能である.しかしながら,gainを大きくするとドットパターンが見えるようになる.図7はgainを変えて埋め込んだ場合の画像を示す.同図(a)のgain=0.125の場合,埋め込みは視覚的にほとんどわからないが,gainが増大するにつれ拡大画像でドット構造が目につくようになる.しかしながら,ブルーノイズ特性のため、拡大率が極端に大きくなければ,人の視覚特性によりほとんど目立たない. It is possible to increase the printing durability of embedded images by increasing the gain. However, increasing gain makes the dot pattern visible. Figure 7 shows the image when the gain is changed and embedded. In the case of gain = 0.125 in Fig. 5 (a), the embedding is hardly visible visually, but the dot structure becomes noticeable in the enlarged image as the gain increases. However, due to the blue noise characteristics, it is hardly noticeable due to human visual characteristics unless the magnification ratio is extremely large.

図8は透かし埋め込み処理フローを示す.まず,埋め込むための透かし情報ビット列wm(i,j)を用意する(20).ここでiは埋め込む文字のi番目を,jはそのjビット目を表す(MSBを0ビット目とする).ASCII文字の場合,8ビット/文字 であるので,j=0,1,…7である.また,iは,1≦i≦N/8である.ただしNは式(3)で示された埋め込み最大ビット数である.続いて,画像データをR×Rのブロックに分割し(21),ブロック単位でドットパターンを合成していくが,文字列の先頭であるか否か(22)で,先頭の場合はヘッダーパターン(pHeadder)を埋め込む.さらに,文字のMSB(Most Significant Bit)であるか否か(23)で,MSBの場合は,後述のAffine検出用のパターン(pAffine)を埋め込む.そのどちらでもない場合は,埋め込みビットが0の場合はp0, 埋め込みビットが1の場合はp1のパターンを埋め込む(24).全ブロックに埋め込みが終わった段階で終了する.ただし、Affine検出用パターンはヘッダーパターンで兼用される場合は必ずしも必要でない。 Figure 8 shows the watermark embedding process flow. First, a watermark information bit string wm (i, j) for embedding is prepared (20). Where i is the i-th character to be embedded and j is the j-th bit (MSB is the 0th bit). Since ASCII characters are 8 bits / character, j = 0,1, ... 7. I is 1 ≦ i ≦ N / 8. N is the maximum number of bits embedded in equation (3). Subsequently, the image data is divided into R × R blocks (21), and a dot pattern is synthesized in units of blocks. Whether or not it is the head of the character string (22). Embed (pHeadder). Further, whether or not the MSB (Most Significant Bit) is a character (23). In the case of the MSB, an Affine detection pattern (pAffine) described later is embedded. Otherwise, the pattern of p0 is embedded when the embedding bit is 0, and the pattern of p1 is embedded when the embedding bit is 1 (24). The process ends when all blocks have been embedded. However, the Affine detection pattern is not necessarily required when the header pattern is also used.

埋め込んだ透かし情報が,埋め込みのgainが小さいために抽出できない場合がある.原画像の該当するブロックの空間周波数が高いとそのようなことが生じる.図9はgainの自動調整を行うフローを示したもので,まず,gain=g として透かし情報wm(i,j)を画像の全ブロックに埋め込む(31).全ブロックを埋め込んだら,次に透かし読み取りを行う(32).ここでは,抽出した透かし情報wm’(i,j)と,埋め込む前の透かし情報 wm(i,j)を比較し一致するか否かを判定する.それと同時に,後述の抽出ビットの信頼度wmrel’(i,j)が,ある一定の閾値以上か判定する(33).透かし情報が一致しない場合や,一致していても信頼度が閾値以下の場合は,gainに一定値Δgを足して(34),再び透かしの埋め込みを行う.信頼度の定量化が可能なため,以上のようにして最適な透かし強度での埋め込みを自動で行うことができる. The embedded watermark information may not be extracted because the gain of the embedding is small. This happens when the spatial frequency of the corresponding block in the original image is high. FIG. 9 shows a flow for performing automatic gain adjustment. First, watermark information wm (i, j) is embedded in all blocks of an image with gain = g (31). After all blocks are embedded, the watermark is read (32). Here, the extracted watermark information wm ′ (i, j) is compared with the watermark information wm (i, j) before embedding to determine whether or not they match. At the same time, it is determined whether the reliability wmrel ′ (i, j) of the extracted bit, which will be described later, is greater than a certain threshold (33). If the watermark information does not match, or if the watermark information matches but the reliability is below the threshold, add a constant Δg to gain (34) and embed the watermark again. Since the reliability can be quantified, embedding with the optimal watermark strength can be performed automatically as described above.

透かし情報の抽出は,読み取った画像の大きさ,傾きを補正後,ブロック単位でスペクトル画像を求める.式(2)をフーリエ変換して,
F{w(x,y)}=F{i(x,y)} + gain・F{pi (x,y)} ---------- (4)
となる.ただし,F{ }はフーリエ変換を表す.通常,F{i(x,y)}は原画像のスペクトルで,0周波数付近に局在し,F{pi (x,y)}はそれを取り巻くスペクトルとなる.このため,両者の重なりは少なく,両者を分離することは容易である.
The watermark information is extracted by correcting the size and inclination of the scanned image and then obtaining the spectral image in blocks. Fourier transform of equation (2)
F {w (x, y)} = F {i (x, y)} + gain ・ F {pi (x, y)} ---------- (4)
It becomes. Where F {} represents the Fourier transform. Usually, F {i (x, y)} is the spectrum of the original image, localized near the 0 frequency, and F {pi (x, y)} is the spectrum surrounding it. For this reason, there is little overlap between the two, and it is easy to separate them.

図10は補正画像の処理フローを示したものである.まず,画像の中から対象画像を切り出し(36),R×Rのウィンドウに該当する部分にFFTを施し矩形パターンを探す(37).印刷画像が縮小や拡大されているため,場合によっては一辺が R/2^n (nは整数)のウィンドウサイズで行ってもよい.矩形パターンが見つかると,Affine係数を求めることができる(38).その後,逆Affine変換を行い元の画像サイズと方向に戻す(39).続いてエッジ強調を画像に施し(40),補正画像を得る. Fig. 10 shows the processing flow of the corrected image. First, the target image is cut out from the image (36), and the portion corresponding to the R × R window is subjected to FFT to search for a rectangular pattern (37). Since the printed image is reduced or enlarged, in some cases, the window size may be R / 2 ^ n (where n is an integer). If a rectangular pattern is found, the Affine coefficient can be determined (38). After that, inverse Affine transformation is performed to restore the original image size and direction (39). Subsequently, edge enhancement is applied to the image (40) to obtain a corrected image.

Affine係数は以下のようにして求める.今,埋め込み画像w(x,y)がa倍に拡大されたとすると,そのフーリエ変換は,変倍前のフーリエスペクトルをP(fx,fy )とすると,
F{w(x/a,y/a)}=F{i(x/a,y/a)}+gain・F{p(x/a,y/a) }
=F{i(x/a,y/a) }+gain・|a|・P(au,av)
となり,スペクトル空間で1/aに縮小される.また,画像をθ回転させたものは,フーリエスペクトルでもθ回転する.したがって,埋め込まれた画像のスペクトルの分布を計測することにより施されたAffine係数を求めることができる.検出用の窓サイズは小さくてもかまわない.例えば,レジストレーション考慮をせずに40画素×40画素の窓サイズで抽出を試みる場合,余白を設けて64画素×64画素にしてFFT(高速フーリエ変換)を施しても,検出は可能である.
The Affine coefficient is obtained as follows. Now, assuming that the embedded image w (x, y) is enlarged a times, the Fourier transform is P (fx, fy), where the Fourier spectrum before scaling is P (fx, fy)
F {w (x / a, y / a)} = F {i (x / a, y / a)} + gain ・ F {p (x / a, y / a)}
= F {i (x / a, y / a)} + gain ・ | a | ・ P (au, av)
And is reduced to 1 / a in the spectral space. Also, if the image is rotated by θ, it is also rotated by θ in the Fourier spectrum. Therefore, the Affine coefficient applied by measuring the spectrum distribution of the embedded image can be obtained. The detection window size can be small. For example, when extraction is attempted with a window size of 40 pixels × 40 pixels without considering registration, detection is possible even if a margin is provided and 64 pixels × 64 pixels are applied and FFT (Fast Fourier Transform) is performed. .

図11に透かし抽出の処理フローを示す.まず補正画像をR×Rのブロックに分割し(41),最初のブロックにFFTを行う(42).続いて得られたスペクトル画像にヒストグラムイコライゼーションを施す(43).これはスペクトルパターンのコントラストを向上させると同時に,後述の信頼度の定量化での規格化を図るためである.続いて後述のマスク処理を行い(44),透かし情報wm’(i,j) および信頼度wmrel’(i,j)を得る.すべてのブロックが終了したか否かを判断し(46),終了しなければ次のブロックへ行き,再び同様の処理を行う. Figure 11 shows the watermark extraction process. First, the corrected image is divided into R × R blocks (41), and FFT is performed on the first block (42). Subsequently, histogram equalization is applied to the obtained spectral image (43). This is to improve the contrast of the spectral pattern and to standardize the reliability by quantifying the reliability described later. Subsequently, a mask process described later is performed (44) to obtain watermark information wm ′ (i, j) and reliability wmrel ′ (i, j). It is judged whether or not all the blocks are finished (46). If not finished, the process goes to the next block and the same processing is performed again.

図12はフーリエ変換後のスペクトル分布からパターン認識により透かし情報の抽出を行う識別器としてのマスクパターンを示す.縦長および横長の楕円形状のマスクで,埋め込み用のドットパターンのスペクトル特性に対応したものである.図中黒の領域は値が0,白部分は値が1であるとする.透かしの入ったスペクトルにこのマスクを重ね,重なり部分の積分輝度値の差分から,ビットが0か1かを判断する.すなわち,図13において,ブロックのスペクトルパターンW(i,j)に対して,以下の積分輝度値の出力Q0 ,Q1 を得る(40).
Q0=M0◎W=(1/Z)ΣM0(i,j)・W(i,j)
Q1=M1◎W=(1/Z)ΣM1(i,j)・W(i,j) ---------- (5)
ここで◎はマスク演算を,Zはマスクの値が1の画素数を表す.かかる出力から,
Q0>Q1 の時, 抽出ビット=wm’(i,j)=0
Q1>Q0 の時, 抽出ビット=wm’(i,j)=1
となる(41).同時に,以下のように信頼度を得る(42).
wmrel’(i,j)=|Q0-Q1|
かかる信頼度はその値が大きいほど抽出ビットの信頼度が高い.
Figure 12 shows a mask pattern as a discriminator that extracts watermark information from the spectral distribution after Fourier transform by pattern recognition. Vertical and horizontal elliptical masks that correspond to the spectral characteristics of embedding dot patterns. In the figure, the black area has a value of 0, and the white area has a value of 1. This mask is overlaid on the watermarked spectrum, and it is judged whether the bit is 0 or 1 from the difference of the integrated luminance value of the overlapping part. That is, in FIG. 13, the following integrated luminance value outputs Q0 and Q1 are obtained for the spectrum pattern W (i, j) of the block (40).
Q0 = M0 ◎ W = (1 / Z) ΣM0 (i, j) ・ W (i, j)
Q1 = M1 ◎ W = (1 / Z) ΣM1 (i, j) ・ W (i, j) ---------- (5)
Where ◎ represents the mask operation, and Z represents the number of pixels with a mask value of 1. From this output,
When Q0> Q1, extraction bit = wm '(i, j) = 0
When Q1> Q0, extraction bit = wm '(i, j) = 1
(41). At the same time, the reliability is obtained as follows (42).
wmrel '(i, j) = | Q0-Q1 |
The greater the reliability, the higher the reliability of the extracted bits.

図14に透かし情報の精度および信頼性の向上策について説明する.画像のサイズにより式(3)から埋め込み最大ビット数Nが与えられる.今埋め込みたいビット数がnで n<N であるとすると,重複してビット列を埋め込むことができる.図10の透かし情報の抽出では,ビット数にかかわらず(文字列の繰り返しを考慮せずに)Nまでの連続した透かし情報wm’ と信頼度wmrel’ を得た.この連続した文字列から信頼度の高いものを選択してnまでの透かし情報を求めていく. Fig. 14 explains how to improve the accuracy and reliability of watermark information. The maximum number of embedded bits N is given by equation (3) depending on the size of the image. If the number of bits to be embedded is n and n <N, the bit string can be embedded in duplicate. In the extraction of the watermark information in FIG. 10, continuous watermark information wm ′ and reliability wmrel ′ up to N were obtained regardless of the number of bits (without considering the repetition of the character string). From this continuous character string, a highly reliable one is selected to obtain watermark information up to n.

まず,iを埋め込んだ文字列のi番目の文字番号(0<i≦N),jをビット番号(0≦j≦7)としたとき,nを法としてその剰余kは,k=i mod n で表され(50),(i,j)番目の信頼度wmrel’が
wmrel’(i,j)>wmrel(k,j) の時信頼度が高いため,
wm(k,j)=wm’(i,j)
wmrel(k,j)=wmrel’(i,j) ---------- (6)
として(52),透かし情報を置き換える.これを全ビット及び全ブロックで,iがNまで,すなわち埋め込みビット数Nが終了するまで行う.
First, when the i-th character number (0 <i ≦ N) of the character string in which i is embedded and j is the bit number (0 ≦ j ≦ 7), the remainder k is k = i mod (50), the (i, j) th reliability wmrel '
The reliability is high when wmrel '(i, j)> wmrel (k, j).
wm (k, j) = wm '(i, j)
wmrel (k, j) = wmrel '(i, j) ---------- (6)
(52) to replace the watermark information. This is performed for all bits and all blocks until i is N, that is, until the number of embedded bits N is complete.

上記操作により埋め込みビット列の,最も信頼度の高い透かし情報が選ばれ,埋め込まれた文字の信頼度が高くなり,正しく抽出される.この方法は多数決で決める手法に比べて精度が高い. By the above operation, the watermark information with the highest reliability of the embedded bit string is selected, and the reliability of the embedded character is increased and extracted correctly. This method is more accurate than the method of deciding by majority vote.

以上のようにして透かしの抽出が行われるが,前述の図5の(b)は抽出時のスペクトル分布を示す.埋め込みはASCII文字で“kawamura” の8文字を埋め込んだものである.各文字をビットに展開し,図3で説明したように,”0“に対してp0を,”1“に対してはp1のパターンを埋め込む.またASCII文字の先頭ビット(MSB)はすべて0であるため,これをAffine変換係数検出用のパターン,文字列の最初の文字の先頭ビットを文字列区切り用のヘッダーパターンを用いた.図からわかるように,直交する2つの楕円スペクトルパターンと大小2つの矩形パターンが検出される.大きな矩形パターンは文字列のヘッダーパターンで,小さな矩形パターンはAffine検出用である.埋め込み可能文字数は18バイトで,8文字の文字列が2回と2文字が埋め込み可能であるため,信頼度の高いものを選ぶことにより抽出結果の精度を向上させることができると同時に,各文字の信頼度を定量化できる. The watermark is extracted as described above. FIG. 5B shows the spectrum distribution at the time of extraction. Embedding is an ASCII character with 8 characters “kawamura” embedded. Each character is expanded into bits and, as explained in Fig. 3, p0 is embedded for "0" and p1 pattern is embedded for "1". Since the first bit (MSB) of ASCII characters is all 0, we used a pattern for detecting the Affine transform coefficient, and the first bit of the character string was the header pattern for character string delimiter. As can be seen, two orthogonal elliptical spectral patterns and two large and small rectangular patterns are detected. The large rectangular pattern is the header pattern for the string, and the small rectangular pattern is for Affine detection. The number of characters that can be embedded is 18 bytes, and an 8-character string can be embedded twice and 2 characters. Therefore, by selecting a highly reliable one, the accuracy of the extraction result can be improved, and at the same time The reliability of can be quantified.

透かし情報は埋め込みパターンを知ることにより,除去し原画像を得ることができる.すなわち式(2)より,
i(x,y)=w(x,y) - gain・pi (x,y)
となり,埋め込みパターンpi (x,y),およびgainを“鍵”として受け取ることにより原画像に戻すことができる.完全に元の画像に戻すためには,埋め込み画像のオーバーフロー,アンダーフローを避けるため,あらかじめダイナミックレンジを制限しておく必要がある.
画像データが8ビットの場合、画像データDataに対して、
Data'=Data+gain(128-Data) ----------(7)
なる変換で、ダイナミックレンジをリニアに圧縮し、出力データData'を得る。透かし除去後はこの逆変換することにより完全に元の画像に戻すことができる。すなわち、
Data=(Data'-128・gain)/(1-gain) ----------(8)
かかる変換は、gain を与えることで自動的に行うことができる。通常、gain≪1 であるので、画質に与える影響は少ない。
The watermark information can be removed and the original image can be obtained by knowing the embedding pattern. That is, from equation (2)
i (x, y) = w (x, y)-gain ・ pi (x, y)
The embedding pattern pi (x, y) and gain can be received as a “key” to return to the original image. In order to restore the original image completely, it is necessary to limit the dynamic range in advance to avoid overflow and underflow of the embedded image.
When the image data is 8 bits,
Data '= Data + gain (128-Data) ---------- (7)
With this conversion, the dynamic range is linearly compressed to obtain output data Data ′. After the watermark is removed, the original image can be completely restored by performing the inverse transformation. That is,
Data = (Data'-128 ・ gain) / (1-gain) ---------- (8)
Such conversion can be done automatically by giving gain. Usually, gain << 1, so there is little effect on image quality.

透かしの除去は,画像を編集加工する際に必要である.強度の弱い透かしの場合,埋め込まれた状態で行ってもよいが,高品質な画像を必要とする場合は,いったん除去して行う.
編集後の最終データは,2次著作権情報を透かし情報を新たに埋め込むことが可能である.その場合,透かし埋め込みのソフトウェアを使い,鍵に含まれる埋め込みパターンを利用する.
Watermark removal is necessary when editing images. If the watermark is weak, it may be embedded, but if you need a high-quality image, remove it once.
The final data after editing can be embedded with secondary copyright information and watermark information. In that case, watermark embedding software is used and the embedding pattern included in the key is used.

さらに,公開する画像に別の電子透かし情報を埋め込んでもよい.例えば,印刷耐性を高めたグリーンノイズパターンを埋め込む電子透かしなどである.このように,ユーザビリティーに応じたシステムを適宜構成することが可能となる. In addition, other digital watermark information may be embedded in the published image. For example, a digital watermark that embeds a green noise pattern with enhanced printing resistance. In this way, it is possible to configure a system according to usability as appropriate.

次に本手法の攻撃耐性について説明する.電子透かしに対する攻撃としては,例えば信号の強調(シャープネス調整),ノイズの付加,フィルタリング(線形,非線形),非可逆圧縮(JPEG,MPEG),変形(回転,拡大縮小)などがある.これらの攻撃は輝度情報への攻撃であり,本手法の様に分散ドットの集合による埋め込みは,解像度方向への攻撃(例えば,強いローパスフィルタなど)がない限りは保持でき,一般に強靭であるといえる.さらに,gainを大きくすることにより,耐性を高めることができる. Next, the attack resistance of this method is explained. Examples of attacks on digital watermarks include signal enhancement (sharpness adjustment), noise addition, filtering (linear and nonlinear), lossy compression (JPEG, MPEG), and transformation (rotation and scaling). These attacks are attacks on luminance information, and embedding with a set of dispersed dots as in this method can be maintained unless there is an attack in the resolution direction (for example, a strong low-pass filter), and is generally robust. I can say that. Furthermore, tolerance can be increased by increasing gain.

また,透かしの埋め込まれていない原画像や,複数の埋め込み画像から,透かしパターンを特定するような,結託攻撃(collusion attack)に対しては,画像ごとに埋め込みパターンを変更することにより回避できる.同じスペクトル特性を有す多数のドットパターンが存在する。このため,画像ごとに埋め込みパターンを変えれば、同一の鍵により他の画像の埋め込まれた透かしデータを除去することはできない. In addition, a collusion attack that identifies a watermark pattern from an original image without watermark embedded or multiple embedded images can be avoided by changing the embedded pattern for each image. There are many dot patterns with the same spectral characteristics. For this reason, if the embedding pattern is changed for each image, the watermark data in which another image is embedded cannot be removed with the same key.

図15は,ドットパターン作成時の初期値(乱数のSEED値)を変えて異なったクラスタードットパターンp0を生成したものである.スペクトル分布は同一であり,抽出ソフトウェアは共通であるが,ドットプロファイルは異なる.R=64の場合,異なるパターン数は,(4096)C(2048) 個だけ可能であり(CはCombination を表す),同じパターンとなる確率は極めて低いため,安全性は高い.スペクトルの分布は同じため透かしの抽出ソフトウェアの変更は必要ない.したがって,画像ごとにドットパターンのプロファイルを変えることにより結託攻撃を回避することができる.著作権者は購入者に対してそれぞれ異なる乱数から求めたドットプロファイルを”秘密鍵”として提供する.購入者ごとにこの鍵は異なるため,他の購入者の画像から透かしを除去することはできない. FIG. 15 shows a different cluster dot pattern p0 generated by changing the initial value (random SEED value) at the time of dot pattern creation. The spectral distribution is the same and the extraction software is common, but the dot profiles are different. When R = 64, only (4096) C (2048) different patterns are possible (C represents Combination), and the probability of the same pattern is very low, so the safety is high. Since the spectrum distribution is the same, there is no need to change the watermark extraction software. Therefore, collusion attacks can be avoided by changing the dot pattern profile for each image. The copyright holder provides the purchaser with a dot profile obtained from different random numbers as a "secret key". Since this key is different for each purchaser, the watermark cannot be removed from the images of other purchasers.

さらに,90°回転したドットパターンp1を異なる乱数パターンから新規に作成することにより,安全性はさらに高まる.この場合,鍵パターンは2つ必要となり,両方の鍵がそろって,初めて透かしの除去が可能となる. Furthermore, the security is further enhanced by creating a new dot pattern p1 rotated 90 ° from a different random number pattern. In this case, two key patterns are required, and the watermark can be removed only when both keys are available.

通常の電子透かしは,原画と照らし合わせることで透かしの埋め込みアルゴリズムが概略推測できる.例えば周波数空間に埋め込んだものは,原画と差分を取った後,あらゆる直交変換を試してみれば大体の推測はできる.時間はかかるがアルゴリズムは解明される.このため,透かしアルゴリズムはセキュリティ上、原則非公開である.
一方,本アルゴリズムはアルゴリズムを公開しても,逆解析により透かし情報を解読するには多大の労力を要す。さらに、透かしを除去する鍵は原則,1枚の画像に対して1つであるため,仮に鍵情報を解読できても,他の画像にその鍵を使って透かしを除去することはできない.
For ordinary digital watermarks, the watermark embedding algorithm can be roughly estimated by comparing it with the original image. For example, if you embed the image in the frequency space, after taking the difference from the original image, you can roughly guess if you try any orthogonal transform. It takes time, but the algorithm is solved. For this reason, the watermarking algorithm is not disclosed in principle for security reasons.
On the other hand, even if this algorithm is disclosed, it takes a lot of effort to decipher watermark information by reverse analysis. Furthermore, in principle, there is only one key for removing a watermark for one image, so even if the key information can be decrypted, the watermark cannot be removed using the key for other images.

また、画像は、透かしをそのまま除去せずに用いることも可能である.埋め込まれた画像はブルーノイズ特性の高周波数ドットパターンで,視覚系のローパス特性からパターンは殆ど認識されないため、高画質を保持できる。輝度変換に関わる編集加工処理であれば、元の透かし情報は保持できる。 Images can also be used without removing the watermark. The embedded image is a high-frequency dot pattern with blue noise characteristics, and since the pattern is hardly recognized from the low-pass characteristics of the visual system, high image quality can be maintained. The original watermark information can be retained if it is an editing process related to luminance conversion.

また,ドットの空間分布から情報を抽出するため,濃度ムラや照明ムラに影響を受けにくい.埋め込む情報量を増やすためには,埋め込みブロックサイズを小さく,例えば,32画素×32画素にすればよい.このとき埋め込む情報量は64画素×64画素のときの4倍になる。しかしながら、ブロックサイズを小さくすると含まれるドットの数が減少し、母集団が減るため統計的な意味での精度が低下するので注意を要する。 In addition, since information is extracted from the spatial distribution of dots, it is less affected by uneven density and uneven illumination. To increase the amount of information to be embedded, the embedded block size should be reduced, for example, 32 pixels x 32 pixels. At this time, the amount of information to be embedded is four times as large as 64 pixels × 64 pixels. However, if the block size is reduced, the number of included dots is reduced, and the population is reduced.

本透かしの埋め込みは,ブロック単位の埋め込みでディザ法による二値化と同様,高速に処理可能である.抽出はやや複雑で演算負荷が高いが,ブロック単位で独立であるため,並列処理を行うことにより,並列数に逆比例して演算時間が減少するため,大きなサイズの画像に対して有効である. The embedding of this watermark is a block unit embedding and can be processed at high speed, similar to the binarization by the dither method. Extraction is somewhat complicated and computationally expensive, but because it is independent in units of blocks, parallel processing reduces the computation time in inverse proportion to the number of parallel operations, so it is effective for large images. .

以上,本発明の電子透かし法について説明したが,本手法は実空間でブルーノイズ特性を示すドットパターンを埋め込むため,埋め込まれた画像の画質劣化が少なく,高画質を保持できるものである.また,鍵情報により原画像に復元すること,再埋め込みすることが可能であるなどの特徴がある.このため、画像配信や公開で元の画像品質を保ったまま提示できる。また、違法コピーや不正使用に対しては監視ができ、著作権の保護に貢献できるものである。 The digital watermarking method of the present invention has been described above. Since this method embeds a dot pattern that exhibits blue noise characteristics in real space, the embedded image has little deterioration in image quality and can maintain high image quality. In addition, it can be restored to the original image by key information and re-embedded. For this reason, it can be presented while maintaining the original image quality in image distribution and disclosure. Also, illegal copying and unauthorized use can be monitored and contribute to copyright protection.

また,透かしアルゴリズム,および抽出ソフトウェアは公開しても構わない.このため、本手法を用いたシステムや装置の開発を阻害する要因とはならない。 Also, the watermark algorithm and extraction software may be made public. For this reason, it does not become a factor which inhibits development of the system and apparatus using this method.

1はスキャナー,2はプリンタ,3はコンピュータシステム,4はROM, 5はRAM,6はプログラムメモリ,7はデータメモリ,8はモニター,9はキーボード,10は通信機能,11はCPU,12はインターネット, 13は画像データの配信,14は購入希望の連絡,15は秘密鍵の送付,
16は著作権者のコンピュータ,17は購入者のコンピュータを表す.
1 is scanner, 2 is printer, 3 is computer system, 4 is ROM, 5 is RAM, 6 is program memory, 7 is data memory, 8 is monitor, 9 is keyboard, 10 is communication function, 11 is CPU, 12 is Internet, 13 distribution of image data, 14 contact for purchase request, 15 send private key,
Reference numeral 16 denotes a copyright owner's computer, and 17 denotes a purchaser's computer.

Claims (5)

デジタル画像データi(x,y)に著作権情報などからなるnビットの情報を埋め込む電子透かし法において,
透かし情報の埋め込みは,デジタル画像データをR画素×R画素 のN個のブロックに分割し(N≧n),それぞれのブロックに対して埋め込む透かし情報のビット情報(0あるいは1)に対応して,フーリエスペクトルが低周波域で低減したブルーノイズ特性を示す複数の異なるドットパターンpi(x,y) (i=0,1,2,…)を用いて透かしビット列を繰り返し埋め込むことにより,透かし埋め込み画像 w(x,y)=i(x,y) + gain ・ pi(x,y) を生成し(ただし,gainは埋め込み強度で,gain<<1),
透かし情報の抽出は,受信あるいは読み取った画像データをブロックに分割し,それぞれのブロックのフーリエスペクトル分布と抽出用マスクとのマスク処理により,埋め込みビット情報と信頼度を抽出し、信頼度の高いビット情報を選ぶことを特徴とする電子透かしシステムおよび方法.
In the digital watermarking method of embedding n-bit information consisting of copyright information etc. into digital image data i (x, y),
To embed watermark information, digital image data is divided into N blocks of R pixels x R pixels (N ≥ n), and bit information (0 or 1) of watermark information embedded in each block , Watermark embedding by repeatedly embedding a watermark bit sequence using a plurality of different dot patterns pi (x, y) (i = 0,1,2, ...) showing blue noise characteristics with reduced Fourier spectrum in low frequency range Generate image w (x, y) = i (x, y) + gain pi (x, y) (where gain is the embedding strength, gain << 1),
In the extraction of watermark information, received or read image data is divided into blocks, embedded bit information and reliability are extracted by mask processing of the Fourier spectrum distribution of each block and an extraction mask, and bits with high reliability are extracted. A digital watermarking system and method characterized by selecting information.
前記ブルーノイズ特性を示すドットパターンpi(x,y)は,R^2/2個のランダムドットを,空間周波数の低域で0となるフィルタD(u,v)(但し,u,vは二次元空間周波数)によるフィルタリング操作を行うことによって得られるブルーノイズ特性を示す請求項1に記載の電子透かしシステムおよび方法. The dot pattern pi (x, y) showing the blue noise characteristic is a filter D (u, v) where R ^ 2/2 random dots are zero in the low spatial frequency range (where u, v are 2. The digital watermark system and method according to claim 1, which shows blue noise characteristics obtained by performing a filtering operation based on (two-dimensional spatial frequency). 前記透かしの埋め込まれた画像w(x,y)に対して、埋め込み時のドットパターンpi(x,y),埋め込み時のgain および埋め込み情報のセットを秘密鍵として得ることにより、埋め込み前の画像 i(x,y)=w(x,y) - gain * pi(x,y) を生成可能とし、その鍵を用いて新たな情報を電子透かしとして埋め込むことが可能な請求項2に記載の電子透かしシステム。 An image before embedding is obtained by obtaining, as a secret key, a dot pattern pi (x, y) at the time of embedding, a gain at the time of embedding, and a set of embedding information for the image w (x, y) in which the watermark is embedded. The i (x, y) = w (x, y) -gain * pi (x, y) can be generated, and new information can be embedded as a digital watermark using the key. Digital watermark system. 前記電子透かしの抽出用のマスクは,埋め込みドットパターンのスペクトル特性P0,P1に対応したマスクM0,M1があり,前記マスク処理は,マスクとブロックの抽出スペクトル分布との積分輝度値Q0,Q1で,
Q0>Q1 の時, 抽出ビット=0
Q1>Q0 の時, 抽出ビット=1
であり,また,信頼度は
信頼度=|Q0-Q1|
であり,重複して埋め込まれた透かし情報から,信頼度の高いものを選択して,透かし情報を抽出することを特徴とする請求項3に記載の電子透かしシステムおよび方法.
The digital watermark extraction mask includes masks M0 and M1 corresponding to the spectral characteristics P0 and P1 of the embedded dot pattern, and the mask processing is performed by integrating luminance values Q0 and Q1 of the mask and the extracted spectrum distribution of the block. ,
When Q0> Q1, extraction bit = 0
Extraction bit = 1 when Q1> Q0
And the reliability is reliability = | Q0-Q1 |
4. The digital watermark system and method according to claim 3, wherein the watermark information is extracted by selecting a highly reliable one from the watermark information embedded in duplicate.
前記透かし情報の埋め込みにおいて,まず所定のgain値で透かし情報を画像に埋め込んだ後,埋め込んだ透かし情報の抽出を行い,全ビットが正しく抽出されない場合,あるいは各ビットの信頼度が一定の閾値以下である場合は,gain を増加して再度埋め込みを行い,全ビットが正しく抽出され,かつ,各ビットの信頼度が一定の閾値以上となるまで上記操作を自動で行うことを特徴とする請求項4に記載の電子透かしシステムおよび方法. In embedding the watermark information, the watermark information is first embedded in the image with a predetermined gain value, and then the embedded watermark information is extracted. If all bits are not extracted correctly, or the reliability of each bit is below a certain threshold value. In this case, the gain is increased and embedding is performed again, and the above operation is automatically performed until all bits are correctly extracted and the reliability of each bit is equal to or higher than a certain threshold. 4. The digital watermark system and method according to 4.
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