CN1184294A - 向图象嵌入鉴定信息的系统及图象改变检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供具有向图象嵌入鉴定信息功能的数字相机,该鉴定信息用来检测拍摄的图象正本。其中,光学系统输入的光转移为电信号,CCD输出图象的模拟信号。信号处理装置响应该模拟信号产生图象的数字信号。区域划分单元用来划分图象为第一、第二图象区域,鉴定信息产生装置用来产生鉴定信息,加密装置用来对鉴定信息加密,隐藏装置用来向第二图象区域嵌入加密的鉴定信息,区域组合装置用来组合第一图象区域和嵌入了鉴定信息的第二图象区域。

Description

向图象嵌入鉴定信息的系统及图象改变检测系统
本发明涉及用于嵌入图象摘要的系统，并特别涉及把摄影图象的鉴定信息添加到图象中的数字相机。
近来数字相机已经迅速地得到广泛应用。数字相机用来拍摄景物等并在存储卡等之中作为数字数据存储景物。数字相机迅速广泛应用的原因自然在于主要元件价格的下降及其突出的轻便性，但是更重要是在于所拍摄的照片能够作为数字图象保存。数字数据易于由计算机等对其内容进行处理，并易于通过网络等传播。因而，对于能够简单地提供这种数字图象的数字相机的需求预料将会不断增长。
另一方面，由于数字数据易于进行诸如组合之类的改变而不留任何痕迹，作为证据所拍摄的数字图象可能引起问题。这种问题在一般用户作为爱好的拍照中可能并不常发生，但是在为商业目的拍照中这可能成为严重问题。有些情形，例如，数字相机用来提供施工工程的记录的情形，以及拍摄的数字图象通过网络在业主和承包商之间发送和接收的情形。在这些情形下，所拍摄的数字图象的内容的正本必须在该数字图象能够展示作为照片证据的功能之前进行检测。于是对于能够在拍摄的数字图象的正本上添加鉴定信息的数字相机有很大的需求。
图1是传统的数字相机图象处理系统的一个框图。拍摄的对象由CCD 12通过光学系统11转换为电子模拟信号。这信号由信号处理单元13处理，并作为图象数据D这样一种数字信号输出。所产生的图象数据D输入到摘要计算单元14。摘要计算单元14计算整个图象数据的散列值H。散列值是通过基于图象数据的计算唯一确定的并表示图象的特征的一个数值(摘要)。散列值H作为一个摘要与图象内容有关。加密单元15使用密钥SK对散列值H进行加密，并输出加密的散列值H。这一加密的散列值H即是鉴定信息，该信息是作为与图象数据D分开的一个文件附加的。
为了确定图象数据是否与原始图象数据为同一个，换言之，即图象数据是否改动过，需要以下类型的信息。
(1)  图象数据
(2)  鉴定信息(作为分开的文件附加到图象数据)
(3)  对应于该密钥的公开密钥PK(从授权人士那里分开获得的)
为了检测改变，计算要进行改变检测的图象数据的散列值H1。然后，从附加的文件中鉴定信息标识散列值H2。由于鉴定信息是通过由密钥SK(散列值H)对原始图象D的散列值H加密获得的，故散列值H2不能由鉴定信息本身标识。这样，公开密钥PK是从保有对应于密钥SK的公开密钥PK的授权人士获得的，并且鉴定信息基于此解码。然后，所获得的散列值H2与计算出的散列值H1进行比较。如果作为接收改变检测的对象的图象与原始图象D相同，则两者的数值必定相同。因为如果图象内容不同，则作为摘要的散列值必须具有不同的值。于是，如果散列值相同，则判定检测到正本；否则判定已经有改变。
如上所述，在背景技术的鉴别检测中，鉴定信息是与图象数据分开附加的，并在进行认证时，是在假设附加鉴定信息情形下进行改变检测的。于是，在没有鉴定信息情形下，不能作出任何认证。于是，检验者必须密切注意鉴定信息的存储和管理。
因而，本发明的一个目的是提出鉴定信息能够与图象数据一同提供的新型系统。
进而，本发明的另一个目的是无需由检验者存储鉴定信息而能够进行图象数据检验。
另外，本发明的另一个目的是不降低图象数据的画面质量向图象嵌入鉴定信息。
为了解决上述问题，第一发明提供了用于向图象的一个装置嵌入鉴定信息的系统，该系统具有用来划分图象为第一图象区域和第二图象区域的区域划分装置，用来从第一图象区域中的数据产生鉴定信息的鉴定信息产生装置，用来通过操作第二图象区域中的数据向第二图象区域嵌入鉴定信息的隐藏装置，以及用来把图象中的第一图象区域与嵌入了鉴定信息的第二图象区域组合起来的区域组合装置。
第二个发明提供了一种图象改变检测系统，该系统具有用来标识图象中第一图象区域和第二图象区域的区域标识装置，第二图象区域包含通过操作数据而嵌入的信息，用来从第一图象区域中的数据产生第一鉴定信息的鉴定信息产生装置，用来从第二图象区域析取第二鉴定信息的析取装置，以及更改检测装置，该装置用来判定如果第一鉴定信息与第二鉴定信息相同则图象中没有更改并判定如果它们不同则图象中有更改。
第三发明提供了用于向图象的一个装置嵌入鉴定信息的方法，该方法具有：划分图象为第一图象区域和第二图象区域的步骤，从第一图象区域中的数据产生鉴定信息的步骤，通过操作第二图象区域中的数据向第二图象区域嵌入鉴定信息的步骤，以及用来把图象中的第一图象区域与嵌入了鉴定信息的第二图象区域组合起来的步骤。
第四个发明提供了一种对于图象的正本改变的检测方法，该方法具有标识图象中第一图象区域和第二图象区域的步骤，第二图象区域包含通过操作数据而嵌入的信息，从第一图象区域中的数据产生第一鉴定信息的步骤，从第二图象区域析取第二鉴定信息的步骤，以及判定步骤，判定如果第一鉴定信息与第二鉴定信息相同则图象中没有更改。
在这种结构中，(第二)鉴定信息是嵌入到第二图象区域中的。(第二)鉴定信息是用来检测图象的正本的信息，该信息唯一地取决于第一图象区域中的内容。如果第一图象区域中的数据有改变，则基于改变了的数据所产生的第一鉴定信息具有不同于嵌入到第二图象区域中的第二鉴定信息的数值。于是，通过析取嵌入到第二图象区域的第二鉴定信息，并与从第一图象区域新产生的第一鉴定信息比较，对于图象是否有改变可作出检验。
图1是传统的数字相机图象处理系统的框图；
图2是本实施例中的数字相机图象处理系统的框图；
图3是本实施例中检测图象正本的系统的框图；
图4是本实施例中检测图象正本的系统的框图；
图5是说明使用PBC数据的隐藏和析取的图示。
附图中的各符号定义如下：
21…光学系统
22…CCD
23…信号处理单元
24…区域划分单元
25…隐藏单元
26…区域组合单元
27…图象处理器
28…存储器
29…摘要计算单元
30…加密单元
[数字相机]
图2是本实施例中数字相机图象处理系统的框图。拍摄对象由CCD2通过一个光学系统与模拟电信号相联系。该信号由图象处理器27进行处理，该处理器具有：信号处理单元23，区域划分单元24，隐藏单元25，及区域组合单元26，该信号作为数字信号的图象数据D输出，并存储在诸如存储卡等存储器28中。由于这一图象数据D包含由隐藏单元25嵌入在图象数据D中预定的的图象区域中的散列值，该数据不可能与图象数据D完全相同，尽管视觉上不可分辨这种差异。
图象数据D，即信号处理单元23的输出，由区域划分单元24分割为两个区域。图3是用来说明图象区域的划分与组合概念视图。同一图中如(a)的图象D被划分为给出产生散列值的输入数值的一个图象区域D1和所产生散列值H嵌入到其中的一个图象区域D2(参见同一图的(b))。本实施例中，图象区域D2由图象右下角的40×40个象素形成，并且理想上，可在其中嵌入160位的信息。
由区域划分单元24划分的图象区域D1输入到作为鉴定信息产生单元的摘要计算单元29。摘要计算单元29计算整个孤立的图象区域D1中的数据散列值H。该散列值是通过基于图象数据的计算表示图象的特征的摘要。该摘要是表示图象数据特征的一个摘要，并且散列值H的特征在于敏感地反应即使是图象内容中一个象素的改变并变为完全不同的数值。于是可以认为，该数值是与自然图象数据特别地具有一对一关系的数值。
散列值H特别地由以下方程式表示。
H＝H1(d[0]//d[1]//d[2]//…//d[I])
以上方程式中，H1是散列函数。运算符号“//”是指消息阵列每一元素的连接。进而，d[i]表示包含在图象区域D1中的每一象素值。例如对此的具体计算可以是属于阵列元素的数据的异或(exclusive OR)。然而如果使用异或，则消息阵列数值的序列没有反应到计算结果中。例如，使用称为CRC(循环冗余检验)的方法，能够反应出序列关系。这一算法是用来计算检验和的算法之一，并产生与数据链内容及数据链序列相关的输出。
这一散列值H1是用来对具有Bm个字节的字节长度的输入(阵列数值d[i])及具有不同字节长度K的输出(散列值)进行计算的函数。由于这一函数是单向函数，它实际上不可能在H(x)＝y中从y估计x。该散列值只作为初始值用于数据隐藏，并且只需要对于不同的输入有效地保证不同的输出。这样，散列值本身并不具有特别的意义。重要的事情在于，表示阵列的特征的数值通过其计算输出，即散列值是基于全体阵列元素的内容唯一确定的，并且该数值依赖于整个阵列的内容而不同。
加密单元30使用密钥SK对散列值H进行加密，并输出加密的散列值H。加密的散列值H为鉴定信息。密钥SK对于每一数字相机是不同的，并保持在相机中。
作为鉴定信息加密的散列值H送往图象处理器27中的隐藏单元25。隐藏单元25通过操作图象区域D2中的数据将散列值H嵌入到图象区域D2。嵌入可通过在实空间或频率空间中操作图象区域D2中的数据(例如象素值)进行。有各种不同的嵌入方法，其具体例子将在稍后说明。在日本专利申请No.8-159330(公司卷号No.JA996-044)及日本专利申请No.8-272721(公司卷号No.JA996-074)中对此也有详细说明。
为了向图象区域D2嵌入散列值H，要对在该区域中的数据进行操作，因而该部分中的画面质量与原始图象有很大不同。然而由于视觉上几乎不能辨别这种差别，故不存在可看得出的画面质量的降低。
区域组合单元26把原始图象中的图象区域D1与嵌入了散列值H的图象区域D2组合在一起(参见图3(c))。然后组合的图象D存储在存储器28中。
从以上说明可见，进行图象区域的划分是为了标识与摘要计算无关的用来嵌入的区域。如果不划分图象区域计算整个图象的摘要，并嵌入该结果，那么嵌入之后整个的图象新的摘要与已经嵌入的的原始的摘要不同。因而按这种方法，不能进行图象正本的检测。于是，通过从摘要计算中忽略要嵌入摘要的图象区域，保证了计算的摘要与嵌入的摘要之间的匹配。就此来看，其中只有图象区域D2部分以诸如黑色或白色等信号颜色填充的原始图象D，可用作图象区域Dt。这种情形下，计算原始图象D填充部分的摘要，并嵌入到图象区域D2。这样，即使嵌入之后也能够保证摘要之间的匹配。
进而，本实施例的数字相机中，补充的信息，诸如用于照片拍摄的相机的ID，拍摄的日期等时间印记，及由GPS测量的位置信息能够嵌入到图象区域D1。这种情形下，很重要的是要首先向图象区域D1嵌入补充信息，然后向图象区域D2嵌入所得到的散列值H。其中的原因在于，如果在补充信息嵌入之前图象的散列值H被嵌入图象区域D2，则补充信息的后继嵌入将造成散列值不同，故不能检测到正本。
此外，图象区域D2不需要象以上实施例那样集中到一个部分，而是可以使用位置串产生算法形成分布式地存在，或者可以使用低位(Low Bit)部分。
[图象改变检测系统]
现在说明对于由数字相机拍摄的图象，使用嵌入的鉴定信息，进行正本检测的系统。希望进行正本检测的人员必须具有以下信息。注意，鉴定信息是整体嵌入到图象中的，故不需要以分开的文件形式保存。
(1)  图象数据M
(2)  对应于密钥SK的公共密钥PK(从授权人员分开获得)
图4是本实施例中检测图象正本的系统的框图。区域标识单元41标识图象区域D1和图象D中嵌入散列值H的图象区域D2。图象区域D1是存储用来产生散列值的数据的一个区域，而图象区域D2是嵌入作为上述鉴定信息的散列值H的一个区域。
摘要计算单元42基于图象区域D1中的数据重新计算散列值。进而，摘要析取单元43从图象区域D2析取作为鉴定信息嵌入的加密散列值H。稍后将与特定的嵌入方法一同说明特定的析取方法。
解码单元44使用公共密钥PK对析取的散列值H解码。公共密钥PK是对应于密钥SK唯一确定可获得的密钥，并必须从保有该密钥的授权人员获得。
在检测单元45中，通过比较通过摘要计算单元42已经重新计算出的基于图象区域D1中的数据的散列值与解码单元44获得的散列值H，检测正本。即，散列值彼此匹配，则判定图象中没有改变。而如果散列值彼此不匹配，则判定图象中有改变。散列值之间不匹配至少出现在以下两种情形之一。
(1)  图象区域D1中有改变的情形
由于从图象区域D1重新测量散列值改变，嵌入到图象区域D2的散列值H之间不匹配。
(2)  图象区域D2中有改变的情形
由于嵌入到图象区域D2的散列值H改变，在从图象区域D1测量的散列值之间不匹配。
根据本实施例，由于使用数据隐藏技术使鉴定信息整体嵌入到图象中，故不需要向图象数据附加作为分开的文件的鉴定信息。于是，即使检验者没有特别地保有鉴定信息也能够进行检验。
而且，由于鉴定信息是使用公共密钥加密系统加密的(加密编码)，能够有效地防止第三者蓄意重写鉴定信息。此外，公共密钥PK只对应于一个密钥SK。于是通过使得对每一数字相机密钥SK不同，还能够检测出一个具体的数字图象是由哪一个数字相机拍摄的。
而且，为了对付通过打开相机而非法访问保存在数字相机主单元中的信息，使用在蜂窝式电话等中所使用的诸如防窜改模块是有效的。如果进行这种非法访问，则认为密钥SK被盗，并对于由密钥SK加密的图象数据，即使发现摘要是匹配的，也要判定有改变。这就防止了由第三者非法行为引起的损坏。
此外，虽然上述实施例是对于数字相机说明的，但本发明不限于此，而是自然适用于诸如数字视频等数字系统。
本实施例中，对于用来向某些媒体数据中嵌入要隐藏的数据的一个方法进行说明，并转换到象素块编码(以下称为PBC)，这是用来析取嵌入数据的方法的一例。如果使用PBC，则数据的隐藏和析取根据以下所述的一定的转换规则处理。
[基本算法]
一般来说，两个相邻象素的象素数值等的原始特征彼此具有很强的相关性。于是，即使象素数值彼此替换，图象也不会衰变到视觉能够识别的程度。就此性质来看，通过定义具有至少一个象素的图象区域作为象素块，并根据一定的转换规则故意交换相邻象素块的特征值，这一算法隐藏一位数据。即，数据是通过交换相邻象素块的特征值表达的。进而，在数据析取中，数据根据由转换规则确定的析取规则进行析取。
位信息根据以下转换规则通过交换相邻的两个象素块特征值(例如，亮度数值)表达。
位ON<1>：其中一个象素块(PB1)的特征值大于另一个(PB2)特征值的情形。位OFF<0>：其中一个象素块(PB1)的特征值小于另一个(PB2)特征值的情形。
另外，根据以下析取规则通过比较两个相邻的象素块的特征值(例如，亮度数值)析取位信息。
其中一个象素块(PB1)的特征值大于另一个(PB2)特征值的情形：位ON<1>情形，其中一个象素块(PB1)的特征值小于另一个(PB2)特征值的情形：位OFF<0>。
图5是说明使用PBC的数据隐藏和析取的图示。象素块PB1和PB2可定义为多个象素的一个集合，例如，3×3，或一个象素也可以定义为一个象素块。由于相邻象素块彼此具有很强的相关性，它们的交换所引起的图象的衰变将不会感觉到视觉可以识别的程度(图5(a))。
考虑一种情形，其中原始图象中象素块的位置如同同一图(b)中所示。首先，比较两个象素块的特征值，并假设结果是PB1的特征值大于PB2的特征值。如果数据“1”隐藏在原始图象中，象素块的特征值没有交换，因为块的特征值满足转换规则中的数据“1”的条件。在数据析取中，由于数据“1”是根据析取规则指定的，如果PB1的特征值较大，则析取数据“1” 。
另一方面，如果数据“0”隐藏在原始图象中，象素块的特征值被交换，因为原始图象中的象素块的特征值之间相互关系不满足转换规则中的数据“0”的条件。然而，这一交换并不能在视觉上识别出。对于析取，根据析取规则从这些块的特征值之间的相互关系析取数据“0”。
如上所述，在PBC中，从图象选择足以隐藏待隐藏信息的象素块数目。然后，通过使得一个被选择的象素块变为灰白并与其相邻，而产生一串这种对子。并从该串的开头顺序地隐藏待隐藏的位。
可以使这一串对应于第一实施例中状态序列S。例如，使一个象素块对应于第一实施例中的媒体阵列M中的阵列元素m。一个对子是由在隐藏作业中顺序产生的状态序列的每一阵列元素(状态数值Sj)，和邻接于它的媒体阵列数值形成。然后，上述处理可施加到这对子上。进而，自然能够基于由一定的随机数种子产生的伪随机数序列作出判定。
在析取中，相同的块串按其在隐藏中被扫描。根据析取规则通过收集在位基上表示位ON还是位OFF的各个对子，析取整个消息。如果形成对子的象素块的特征值相同，则如同在隐藏时那样跳过该对子。如果把块串或产生串的方法做成加密的，则能够使得隐藏的信息避开人的视觉。
此外，在PBC中，用来嵌入的位置最好考虑到画面的质量和析取的精度而确定。即，如果形成待嵌入的对子的象素块的特征值之间的差异太大，则画面质量可能由于交换操作而衰变。为了抑制这种画面质量的衰变，最好设置一个第一阈值(上限)，如果特征值之间的差异大于该阈值，则在该对子中不嵌入位。
而且，如果特征值之间的差异小，则几乎不出现交换操作所至的画面质量衰变，但是反之，相关性或大或小地被噪声的作用被反向，并有可能嵌入的位不能在析取步骤被析取。于是为了抑制析取精度的衰变，最好设置一个第二阈值(下限)，如果特征值之间的差异小于第二阈值，则在该对子中不嵌入位。
不经过任何操作跳过对应于这些情形的的对子。然后，待隐藏的位信息对于下一对子转移和隐藏。
[块的特征值]
作为块的特征值，可使用与象素块的原始特征相关的数值和与次特征相关的数值。原始特征是象素数值的直接参数，诸如象素块的亮度或色度。而次特征是表示统计性质的数值，诸如分解原始特征所得到的平均值或离差。进而，特征值可以是由多个象素数值构成的阵列和预定的的阵列掩码之间的计算结果，或者可以是通过进行频率转换所得到的特定象素数值。一般来说，在两个相邻的象素块中原始特征具有强的相关性。另一方面，次特征在彼此不相邻的两个隔开的块中具有强的相关性。于是要注意，经历过PBC的象素块并不总限于相邻的块。
如上所述，采用本发明的话，由于改变信息是以与图象数据一体化形式提供的，或者是以嵌入到图象中的形式提供的，检验者不需要分开存储鉴定信息。图象数据的画面质量不会由于鉴定信息的这种嵌入而衰变。

Claims (13)

1.一种用于向图象嵌入鉴定信息的系统，所述系统包括：
区域划分单元，用来划分图象为第一图象区域和第二图象区域；
鉴定信息产生单元，用来从所述第一图象区域的数据产生鉴定信息；
隐藏单元，用来通过操作所述第二图象区域中的数据向所述第二图象区域嵌入所述鉴定信息；以及
区域组合单元，用来组合所述图象中所述第一图象区域和嵌入了所述鉴定信息的所述第二图象区域。
2.如权利要求1中所述的系统，其特征在于，所述鉴定信息为所述第一图象区域中的数据的摘要。
3.如权利要求2中所述的系统，其特征在于，所述摘要为所述第一图象区域中的数据的散列值。
4.如权利要求1中所述的系统，其特征在于，进而包括一加密单元，用来对所述鉴定信息加密，其中所述隐藏单元向所述第二图象区域嵌入所述加密的鉴定信息。
5.一种图象改变检测系统，包括：
区域标识单元，用来标识图象中第一图象区域和第二图象区域，所述第二图象区域包含由操作数据而嵌入的信息；
鉴定信息产生单元，用来从所述第一图象区域中的数据产生第一鉴定信息；
析取单元，用来从所述第二图象区域析取第二鉴定信息；以及
改变检测单元，用来判定，如果所述第一鉴定信息与第二鉴定信息相同，则所述图象中没有改变。
6.如权利要求5中所述的系统，其特征在于，所述改变检测单元判定，如果所述第一鉴定信息与所述第二鉴定信息不同，则所述图象中有改变。
7.如权利要求5中所述的系统，其特征在于，所述第一鉴定信息为所述第一图象区域中的数据的一个摘要。
8.如权利要求6中所述的系统，其特征在于，所述摘要为所述第一图象区域中的数据的散列值。
9.如权利要求5中所述的系统，其特征在于，所述第二鉴定信息为加密的信息，
所述系统进而包括一解码单元，用来对所述第二鉴定信息解码。
其中所述改变检测单元判定，如果所述解码的鉴定信息与所述第一鉴定信息相同，则所述图象中没有改变。
10.一种用于向图象嵌入鉴定信息的方法，所述方法包括以下步骤：
划分图象为第一图象区域和第二图象区域；
从所述第一图象区域的数据产生鉴定信息；
通过操作所述第二图象区域中的数据向所述第二图象区域嵌入所述鉴定信息；以及
组合所述图象中所述第一图象区域和嵌入了所述鉴定信息的所述第二图象区域。
11.一种用于检测图象正本的方法，包括步骤：
标识图象中第一图象区域和第二图象区域，所述第二图象区域包含通过操作所述第二图象区域中的数据而嵌入的信息；
从所述第一图象区域中的数据产生第一鉴定信息；
从所述第二图象区域析取第二鉴定信息；以及
判定，如果所述第一鉴定信息与第二鉴定信息相同，则所述图象中没有改变。
12.一种数字相机，包括：
光学系统；
转换器，用来转换通过所述光学系统输入的光为电信号，以便输出图象的模拟信号；
信号处理单元，用来响应所述模拟信号产生图象的数字信号；
区域划分单元，用来响应所述数字信号划分图象为第一图象区域和第二图象区域；
鉴定信息产生单元，用来从所述第一图象区域中的数据产生鉴定信息；
加密单元，用来对所述鉴定信息加密；
隐藏单元，用来通过操作所述第二图象区域中的数据向所述第二图象区域嵌入加密的鉴定信息；以及
区域组合单元，用来组合所述图象中所述第一图象区域和其中嵌入了所述鉴定信息的所述第二图象区域。
13.如权利要求12中所述的数字相机，其特征在于，所述鉴定信息为所述第一图象区域中的数据的散列值。
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