CN100584005C - 在固定图像或活动图像中插入信息的方法和设备 - Google Patents

在固定图像或活动图像中插入信息的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将包括预定数目的符号的信息插入至少一个图像的图像序列中的方法，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包含预定数目的像素，所述方法包括：生成具有插入图像序列谱中的梳状谱的函数集，所述函数集对于要插入的信息的每个符号而言包括相应的函数；以表示要插入的信息的相应符号的值相移函数集的每个函数；叠加相移后的函数；以及将图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所得到的结果进行组合。

Description

在固定图像或活动图像中插入信息的方法和设备
技术领域
本发明涉及在固定图像或活动图像中插入信息。
本发明尤其但不唯一应用于在图像或图像序列中创建和插入水印，插入信息以便为序列的图像编索引，或者加扰视频图像。在插入水印和为图像编索引的应用中，信息的插入必须不易被觉察。相反，在图像加扰的应用中，该插入应该显著降低图像的质量。
背景技术
对诸如固定图像或活动图像的内容进行数字化的技术允许不限制数量、不降低质量地实现对该内容的拷贝。同时，信息网络和个人计算机的发展导致这些内容不受控制地传播。因此，尊重该内容的著作权变得越来越困难。
存在一些保护技术，允许控制受著作权保护的作品的传播，这些技术可以分为两类。第一类结合加密技术，该加密技术包括对数字化内容实施加密，使其在没有解密密钥时不可读出。第二类结合插入不可觉察的包含信息的水印的技术，所述信息使得可以识别作品的合法拷贝或者限制复制可能性的代码。
为使插入水印的技术有效，水印绝不能在对图像质量没有造成实质损害的情况下从内容中除去。特别是，绝不能通过组合同一内容的多个拷贝来除去水印。此外，图像，特别是视频序列，通常要经历多种处理，诸如模数和数模转换、压缩/解压处理、标度变换或重对齐或亮度调整、对比度调整和颜色调整处理。水印也必须经得起这些处理。
所用技术还必须允许插入足够的信息量，考虑到该信息量增加的越多，插入水印对图像质量并因此对水印牢固性的影响就越大。
存在多种用于在固定图像或活动图像中插入水印的技术，这些或多或少经得起破坏和图像处理操作。在这些技术中，专利US 6 557 103描述了一种暗号书写法，涉及通过扩谱序列对要插入图像中的信息进行预调制。与其他水印插入技术相比，该方法在插入图像中的信息的带宽和牢固性方面具有好的性能。
然而，该方法虽然通用，但是在图像的情况下并非最佳，该方法需要使用纠错编码对要插入图像中的信息进行预编码，这导致带宽减小或者能被插入图像中的有用信息的量减少。
发明内容
本发明的目的是消除上述缺点。该目的通过提供将包括预定数目的符号的信息插入至少一个图像的图像序列中的方法来实现，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包含预定数目的像素。
根据本发明，该方法包括以下步骤：
-生成具有插入图像序列谱中的梳状谱的函数集，所述函数集对于要插入的信息的每个符号而言包括相应的函数，
-以表示要插入的信息的相应符号的值相移函数集中的每个函数，
-叠加相移后的函数，以及
-将图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所得到的结果进行组合。
根据本发明的一个优选实施例，该方法还包括在所述函数集的每个函数相移之前对要插入的信息的符号进行交织的步骤。
根据本发明的一个优选实施例，该方法包括在所述函数集的每个函数的相移调制之前生成伪随机序列的步骤以及利用该伪随机序列混排要插入的信息的符号的步骤，该伪随机序列对于要插入的信息的每个符号都包括相应的符号。
优选地，所述混排步骤包括按照异或运算来组合要插入的信息的符号和所述伪随机序列。
根据本发明的一个优选实施例，所述函数集的函数具有相应的主谱线，该主谱线以与所述图像序列的行频率对应的恒定间距隔开。
根据本发明的一个优选实施例，所述图像序列具有梳状谱，所述函数集的梳状谱相对于图像序列谱偏移调整的频率。
根据本发明的一个优选实施例，将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所得到的结果进行组合是通过调整所述图像序列像素的亮度来执行的。
根据本发明的一个优选实施例，将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所得到的结果进行组合是通过旋转所述图像序列像素的颜色分量来执行的。
根据本发明的一个优选实施例，该方法还包括预处理图像的步骤，以避免当将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所得到的结果进行组合时所述图像序列的像素的饱和现象。
根据本发明的一个优选实施例，该方法还包括对要插入的信息的符号进行编码的步骤，以对于所述图像序列的像素的每个颜色分量得到不同的符号序列，所述函数集的函数按得到的每个符号序列相移、叠加、然后分别与所述图像序列的像素的颜色分量进行组合。
根据本发明的一个优选实施例，为了得到用于每个颜色分量的不同符号序列，对要插入的信息的符号施加的编码为卷积型编码。
根据本发明的一个优选实施例，将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所得到的结果进行组合，以便在所述图像序列中是相对不可见的。
根据本发明的一个优选实施例，将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所得到的结果进行组合，以便加扰图像序列中的图像。
本发明还涉及一种用于从至少一个图像的图像序列中提取信息的方法，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素。根据本发明，根据以上限定的插入方法插入了信息。
本发明还涉及一种用于解扰至少一个图像的图像序列的方法，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素。根据本发明，该图像序列根据以上限定的插入方法进行了加扰。
本发明还涉及一种用于将包括预定数目的符号的信息插入至少一个图像的图像序列中的设备，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素。根据本发明，该设备包括用于实施以上限定的信息插入方法的装置。
本发明还涉及一种用于从至少一个图像的图像序列中提取信息的设备，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素。根据本发明，该设备包括用于实施以上限定的信息提取方法的装置。
本发明还涉及一种用于解扰至少一个图像的图像序列的设备，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素。根据本发明，该设备包括用于实施以上限定的图像解扰方法的装置。
附图说明
下面，将结合附图，示例性而非限制性地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了视频图像序列谱；
图2示意地示出了根据本发明的用于将信息插入固定图像或图像序列中的设备；
图3示意地示出了根据本发明的用于提取使用图2所示的设备插入固定图像或图像序列中的信息的设备；
图4示意地示出了根据本发明的用于恢复使用图2所示的设备扰乱的图像的设备；
图5示意地示出了图2所示的设备的变型；
图6示意地示出了根据本发明的用于提取使用图5所示的设备插入固定图像或图像序列中的信息的设备；以及
图7示意地示出了根据本发明的用于恢复使用图5所示的设备扰乱的图像的设备。
具体实施方式
本发明基于基带(未调制)图像或数字图像序列的谱形(spectralform)，如图1所示。在该图中，可以注意到图像序列的谱能量分布在以图像频率间隔开的谱线的组中，谱线的每个组在图像行(line)的行频fH的倍数频率n.fH处具有能量最大值。因此，两个连续的能量最大值以行频fH(H表示水平)间隔开。
本发明提出使用对应于行频fH的倍数的能量峰值之间的谱间隔，以便在其中插入形成标记的信息。还可以想到在以图像频率隔开的谱线之间插入信息。
图2示出了根据本发明的用于将标记插入图像或图像序列中的设备。该设备包括产生同步信号的用于提取图像参数的模块1，同步信号使得可以在图像中和(如果是图像序列的话)在图像序列中定位行和像素。
行和像素频率的同步信号被施加到函数发生器，例如正交函数发生器3，这些函数具有相互正交的特征，在此正交是在函数的标积意义上定义的。此外，这些函数必须形成在函数的向量空间中的正交基，从而形成如图1所示的插入图像谱中的梳状谱。函数的数目是可变的并且与组成要插入图像中的信息的符号的数目有关。在图1的示例中，所用的正交函数是正弦函数，其相应的频率以行频fH间隔开并且相对于在图像的位于频率n.fH处的能量最大值偏移一定间距，例如等于fH/2。这样的正交函数的形式为：
sin(kωt)，
其中，k是在1和K之间变化的可作参数的整数，ω＝2π(fH+fd)，而fd是正弦函数的偏移频率，其等于行频fH的一部分。有利地精细调整形成梳状谱的每个正弦函数在间隔[n.fH，(n+1).fH]中的频率位置，即偏移频率fd，以便优化标记在图像中的牢固性和可见度。测试容易地示出在fd＝0.9fH的情况下获得了优化条件。
还可以施加等于行频fH的整数倍的频率f0偏移，以便调整由正交函数集形成的整个梳状谱相对于图像谱的频率位置。因此，往往优选朝着高频移动正交函数的梳状谱，在高频处，插入图像中的信息受图像信号干扰较少。
这些调整使得可以获得相对于图像谱的准正交条件。然而，并不是总是需要这个条件。事实上，如果希望对图像进行加扰，则该精确偏移可用于抑制梳状谱和图像谱之间的正交性。
可以想到使用其他函数，诸如小波函数(如哈尔函数(Haar function)或哈达玛函数(Hadamard function)，或者加窗正弦函数(windowedsinusoids))。这些函数的形式如下：
Re[exp(jkωHt)]×F(t)
其中，Re(c)是复数c的实部，而F(t)是周期窗函数，诸如Hanning、Hamming或Blackmann函数，或者升余弦函数，或者高斯截断函数(truncated Gaussian function)，或者小波函数(诸如哈尔函数)。
正交函数发生器3产生的正交函数集例如以软件表或索引存储的形式生成。
还可以想到正交函数不是以行频率fH间隔开，而是以通常为几十赫兹的图像频率间隔开。
此外，要插入图像或图像序列中的信息由模块4处理，模块4用起始标记信号和结束标记信号使该信息完整，在图像序列的情况下，模块4通过复制或切割该信息使该信息分布到N个连续的图像中。
要插入每个图像中的信息的每个部分可被交织模块7处理，交织模块7执行信息的部分的位的置换。交织使得信息的符号能够均衡地分布在基函数(basic function)上。交织在等于一定行数Le的持续时间内执行。每Le行，调整置换法则。
图2所示的设备还可以包括模块2，模块2基于输入端接收的初始值和行同步信号生成用作混排序列的伪随机序列。
生成的混排序列通过异或运算5与模块4或7输出端的信息结合，生成信息的基本符号。
混排序列对信息的处理，使得能够避免眼睛或电子设备能够觉察的冗余。该混排在等于一定行数Lb的时段内执行。每Lb行，调整混排序列。
运算5的输出端的信息的基础符号被施加到移相器6，移相器6还在输入端接收由正交函数发生器3产生的所有基函数。移相器6使用来自运算5的信息的每个基础符号，以判断每个基函数的原点处的相位。在正弦函数基的情况下，这相当于对每个函数应用BPSK(二进制相移键控，Binary Phase-Shift Keying)类型的相位调制，其节奏(rhythm)取决于与信息相关的同步信号和参数Le、Lb。容易将该原理扩展到例如QPSK(正交相移键控，Quadrature Phase-Shift Keying)或QAM(正交幅度调制，Quadrature Amplitude Modulation)类型的调制，或者甚至扩展到GMSK(高斯最小偏移键控，Gaussian Minimum-Shift Keying)类型的非线性调制。
移相器6给出的相移后的函数通过加法器9叠加或相加，从而得到结果函数，随后该结果函数被采样，然后通过用于转换图像的转换模块10与图像混合，转换模块10对图像的像素施加取决于结果函数的相应采样的转换。
对图像的像素施加的转换可以是，例如，通过增加移相器获得的结果函数的采样来调整亮度，或者旋转(rotate)图像的颜色分量，或者对像素基础分量的任何其他操作。根据本发明在插入水印或加扰图像方面的应用，可较高或较低地选择转换的幅度。
在插入水印的情况下，为了在通过转换模块10插入水印时避免饱和，在图像转换之前，可以对图像施加预处理操作8，以便减小像素值变化的动态范围。因此，例如，如果像素的每个颜色分量从0到255(针对8比特)被编码，则该预处理可以包括转变像素分量的值，以便使这些值在16和235之间。
参数Le和Lb最好与要插入图像中的标记中的符号的整数数目相对应。但是，在相反的情形下，可以选择用具体符号使图像的每行完整或重复标记的最后的符号直到该行结束。
图3示出了允许从图像或图像序列中提取标记的设备。该设备包括用于提取图像参数的提取模块21，提取模块21根据标记了的图像生成同步信号，同步信号使得可以定位图像的行和像素，以及插入信息的起始标记和结束标记，并且如果是图像序列的话，则同步信号允许定位序列的图像。
像素和行同步信号被施加到正交函数发生器22，正交函数发生器22类似于图2所示的设备中使用的正交函数发生器。
标记了的图像被施加到模块23，模块23接收正交函数，并通过将正交函数发生器22生成的正交函数分别与图像的像素相乘来逐个像素地提取信息的符号。得到的信息的符号在本地累加器24中累加，本地累加器24同步于由提取模块21生成的标记频率，并接收限定图像的行的数量的参数Le和Lb，对图像的这些行施加了同样的置换法则和同样的混排序列。
行、图像和标记同步信号被施加到去混排和去交织模块25，模块25在输入端接收由图2所示的设备使用的混排序列和置换法则。相对于图2所示的设备的模块2、5和7执行的操作，模块25执行相反的操作，以便获得插入图像中的字的位，所述位在累加器26中累加，累加器26最后提供插入图像中的字。
图4示出了对加扰的图像进行解码的设备。该设备与图2所示的设备相同，只是去掉了模块4，模块1由图3的设备的模块21代替，模块21提取的不是图像同步信号，而是标记同步信号，以便在图像中检测标记起始和结束的标识，用于转换图像的转换模块10由用于从图像中提取像素的提取模块31代替，相对于转换模块10施加的转换，提取模块31执行相反的转换，以便获得原始图像像素。
在图5所示的插入设备的变型中，可将在运算器5的输出端获得的标记信号施加到编码模块41，以便为图像的每个颜色分量生成不同的标记信号。所获得的标记信号被施加到相应的移相器42的输入端，移相器42对于每个基函数和图像的每个颜色分量生成相移函数。随后这些函数由相应的加法器44针对每个颜色分量进行叠加，并被施加到转换模块43的输入端，转换模块43将分别叠加的函数与图像像素的颜色分量进行组合。
在插入水印的应用中，对于插入图像的印记，模块41实现的编码优选为在图像颜色分量之间更多引入冗余。因此，该编码例如是1/3卷积型。在图像加扰的应用中，模块41实现的编码优选为相反地在分别插入图像的颜色分量中的标记之间抑制冗余。
图6示出了提取使用图5所示的设备插入的标记的设备。相对于图3所示的设备，该设备包括从信息中提取符号的模块，该模块产生用于图像像素的每个颜色分量的信息符号。该提取设备接下来包括用于每个颜色分量的处理链，所述处理链包括本地累加模块52、去混排和去交织模块以及累加模块54，这些模块与图3所示的设备的那些模块相同。该提取设备还包括解码模块55，实现与模块41的功能相反的功能，以便根据由累加模块54针对每个颜色分量累加后的标记字来恢复标记字。如果编码模块41施加的编码是1/3卷积型，则解码器55可以例如是维特比解码器(Viterbi decoder)。
图7示出了允许对使用图5所示的插入设备加扰的图像进行解码的设备。该设备类似于图4所示设备，并且具有与为了得到图5所示的设备对图2所示的设备进行的改变相同的改变。此外，图4的设备中的从图像中提取像素的提取模块31由提取模块45代替，提取模块45从加扰的图像中提取累加器44分别针对颜色分量而得到的叠加函数。

Claims (30)

1.一种用于将包括预定数目的符号的信息插入至少一个图像的图像序列中的方法，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包含预定数目的像素，其特征在于所述方法包括以下步骤：
-生成具有插入图像序列谱中的梳状谱的函数集，所述函数集对于要插入的信息的每个符号而言包括相应的函数；
-以表示要插入的信息的相应符号的值相移函数集中的每个函数；
-叠加相移后的函数；以及
-将图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在使所述函数集的每个函数发生相移之前，所述方法还包括对要插入的信息的符号进行交织的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述函数集的每个函数的相移调制之前，所述方法还包括生成伪随机序列的步骤以及利用该伪随机序列混排要插入的信息的符号的步骤，所述伪随机序列对于要插入的信息的每个符号都包括相应的符号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述混排步骤包括按照异或运算来组合要插入的信息的符号和所述伪随机序列。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述函数集的函数具有相应的主谱线，所述主谱线以与所述图像序列的行频相对应的恒定间距间隔开。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述图像序列具有梳状谱，所述函数集的梳状谱相对于图像序列谱偏移调整的频率fd。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合是通过调整所述图像序列的像素的亮度来执行的。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合是通过旋转所述图像序列的像素的颜色分量来执行的。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括预处理图像的步骤，以避免当将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合时所述图像序列的像素的饱和现象。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对要被插入的信息的符号进行编码的步骤，以便对于所述图像序列的像素的每个颜色分量获得不同符号序列，所述函数集的函数按所获得的每个符号序列相移、叠加、然后分别与所述图像序列的像素的相应颜色分量进行组合。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，为了获得针对每个颜色分量的不同符号序列，对要插入的信息的符号施加的编码为卷积型编码。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合，以便在所述图像序列中是相对不可见的。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合，以便加扰所述图像序列的图像。
14.一种用于从至少一个图像的图像序列中提取信息的方法，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素，其特征在于，根据如权利要求1到12之一所述的插入方法插入了所述信息。
15.一种用于解扰至少一个图像的图像序列的方法，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素，其特征在于，根据如权利要求1到11和13之一所述的插入方法加扰了所述图像序列。
16.一种用于将包括预定数目的符号的信息插入至少一个图像的图像序列中的设备，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素，其特征在于，所述设备包括：
配置为生成具有插入图像序列谱中的梳状谱的函数集的装置，所述函数集对于要插入的信息的每个符号而言包括相应的函数；
配置为以表示要插入的信息的相应符号的值相移函数集中的每个函数的装置；
配置为叠加相移后的函数的装置；以及
配置为将图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合的装置。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，还包括在使所述函数集的每个函数发生相移之前对要插入的信息的符号进行交织的装置。
18.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，还包括在函数集的每个函数的相移调制之前生成伪随机序列的装置以及在函数集的每个函数的相移调制之前利用该伪随机序列混排要插入的信息的符号的装置，所述伪随机序列对于要插入的信息的每个符号都包括相应的符号。
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述混排要插入的信息的符号的装置被配置成按照异或运算来组合要插入的信息的符号和所述伪随机序列。
20.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，所述函数集的函数具有相应的主谱线，所述主谱线以与所述图像序列的行频相对应的恒定间距间隔开。
21.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，所述图像序列具有梳状谱，所述函数集的梳状谱相对于图像序列谱偏移调整的频率fd。
22.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，所述将图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合的装置被配置成通过调整所述图像序列的像素的亮度来执行图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果的组合。
23.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，所述将图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合的装置被配置成通过旋转所述图像序列的像素的颜色分量来执行图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果的组合。
24.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，还包括配置为预处理图像的装置，以避免当将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合时所述图像序列的像素的饱和现象。
25.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，还包括配置为对要被插入的信息的符号进行编码的装置，以便对于所述图像序列的像素的每个颜色分量获得不同符号序列，所述函数集的函数按所获得的每个符号序列相移、叠加、然后分别与所述图像序列的像素的相应颜色分量进行组合。
26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述对要被插入的信息的符号进行编码的装置被配置为通过卷积型编码来获得针对每个颜色分量的不同符号序列。
27.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，所述将图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合的装置被配置成通过将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合来使得在所述图像序列中是相对不可见的。
28.根据权利要求16或17所述的设备，其特征在于，所述将图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合的装置被配置成通过将所述图像序列的像素与通过叠加相移后的函数所获得的结果进行组合来加扰所述图像序列的图像。
29.一种用于从至少一个图像的图像序列中提取信息的设备，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素，其特征在于，根据如权利要求16到27之一所述的用于插入信息的设备插入了所述信息。
30.一种用于解扰至少一个图像的图像序列的设备，所述至少一个图像包括预定数目的行，每行包括预定数目的像素，其特征在于，根据如权利要求16到26和28之一所述的用于插入信息的设备加扰了所述图像序列。
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