CN1256839A - 嵌入和检测图象中的水印 - Google Patents

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Abstract

通过局部地改变图象的几何特征来给数字图象信号加上水印。水印包括伪随机的稠密的图象象素子集,例如线条(20)的图案。确定有效图象象素(21,22,23),即,对预定的处理操作给出最高响应的象素,然后把它们移动(24)到线条图案的附近(δ)。由于这种“变形”的结果,大多数有效图象象素(21,22)最终位于线条图案附近的范围内。在接收端,再次确定输入图象的最有效象素。如果统计学上高百分比的有效象素位于线条图案附近范围内,则所述图象是加了水印的图象。

Description

嵌入和检测图象中的水印
本发明涉及把水印嵌入图象中的方法和装置。本发明还涉及检测图象中的水印的方法和装置。应当把措词“图象”理解为指的是静止图象以及视频信号。
加数字水印是一种用来证明数字图象或视频信号内容的所有权的技术。通过用察觉不到的方式把这种所有权信息隐匿在数字内容中，就可以避免这种内容被非法翻印和非法使用。加水印的典型应用场合包括数字视频信号和广播的防复制监督。
最新的用于给数字图象加水印的技术归结起来是把伪噪声水印图案附加到图象中。这种附加可以在象素域或频域中进行。实际上这意味着加水印后的图象的亮度和/或彩色分量稍微不同于原始图象。通过把可疑图象与待检测的水印图案相联系来进行水印的检测。这种先有技术方法特别公开在国际专利申请WO-A-98/03014中。
加水印的方法必须满足若干基本要求。附加水印图案不可以影响图象的视觉外观。应当有许多不同的水印图案，因为每一个版权持有者应当至少有一个不同的水印。必须有可能在不使用原始图象的情况下检测水印。水印应当不容易被攻击者消除。对于如下的可以用于图象或视频信号的各种变换和操作，所述方法还必须是健壮的：例如，彩色变换；诸如比例缩放、平移或旋转的几何变换；诸如JPEG(联合图象专家组标准)/MPEG(活动图象专家组标准)的数据压缩；噪声；其它水印的嵌入；灰度调整；图象平滑；专用变换；模数和数模转换，PAL(帕尔制)/NTSC(全国电视制式委员会(美国))转换等等。
上述各种要求是彼此冲突的，因此不存在完全满足所有要求的已知方法。许多方法可以被拥有一些归其支配的加水印的图象的攻击者轻易地滥用。由于检测基于相关性(这是一种线性操作)，所以，攻击者只需要对水印的适当的估测，然后，他可以利用这种估测来从图象中去掉所猜测的水印，以便迷惑检测。检测过程中，耗费大量的计算时间而只能够涉及诸如旋转或比例缩放的简单的几何变换。还难于确保水印的充分的变化。利用一种相关性能够嵌入的位的数目是有限的。
本发明的目的是提供能够减轻上述缺点的用来嵌入水印的方法和装置。
为此，本发明提供一种把水印嵌入图象中的方法，它包括以下步骤：标识规定数目的最有效图象象素；确定象素图案形式的水印；以及使图象局部变形，以便使相当大百分比的最有效图象象素移动到水印图案附近。
检测水印的对应的方法包括以下步骤：标识规定数目的最有效图象象素；确定所述最有效图象象素到水印图案的距离；以及如果所述各最有效象素到水印图案的平均距离显著地小于所有图象象素到水印图案的平均距离，则产生表示所述预定的水印被嵌入所述可疑图象中的检测信号。
这样，通过轻微地改变图象的几何特征而不是改变亮度或彩色分量来嵌入所述水印。与在大多数当前方法中对所有图象简单地从图象中去掉预测的水印形成对照，使得消除水印成为复杂的任务，因为，它需要图象相关操作。由于能够在最短时间内完成检测，所以，所述方法还在抗诸如比例缩放和旋转的几何变换方面更加健壮。此外，所述方法允许所用的水印图案的充分的变化。对照许多不同的水印图案来校核可疑图象，这是在计算方面对当前方法的重大改进。
图1示意地示出用来按照本发明把水印嵌入图象中的装置。
图2和图3A-3B示出举例说明图1中所示的装置的操作的图象。
图4示意地示出用来按照本发明检测图象中的水印的装置的第一实施例。
图5示出用来把水印嵌入图象中的另一个实施例。
图6A-6B示出举例说明用来按照本发明嵌入和检测水印的更一般的装置的操作的水印图象。
图7示意地示出用来把水印嵌入图象中的装置的更一般的实施例。
图8示意地示出用来检测可疑图象中的水印的装置的更一般的实施例。
图1示出用来按照本发明把水印W嵌入图象I中的装置的实施例。该装置包括突点提取模块10，匹配模块11和变形模块12。该装置接收输入的图象I和水印W。
图2示出水印W的例子。假定它是线条20的图案，但是这不是必不可少的。如果从一个象素到最近的线条20的距离小于阈值δ，则称该象素位于“水印上”或“水印附近”。据此，象素21位于水印上，而象素22和23不位于水印上。在本实施例中，水印是稠密的。这应当理解为相当大百分比的图象象素(例如，p＝50％)位于所述线条之一附近。
突点提取模块10标识输入图象I的固定数目K个最高有效象素(为了简单起见，下文也称为最突出点或突点)。突点尤其可以是对边缘检测滤波器给出最高响应的象素，但是，存在寻找有效点的许多其它方法。有效点的其它例子是边角、或者局部最大值、或者局部最小值。可以从象素的亮度，色度或者两者得出象素的突出性。
如果所述有效点密集在一起，则可能在加水印方法中出现可见的人为特征。为了避免这种情况，可以把图象细分成一些块，选择每块一个或几个有效点，除非在该块中不存在图象象素变化。
所述突点构成图象象素集S。把该象素集加到匹配模块11，后者把所述突点与水印匹配，并且标识位于水印W上的突点集S1和不位于水印W上的突点集S0。
把突点集S1和S0加到变形模块12。该模块把小的局部的几何变化引入图象中，使得相当高百分比的象素从集S移动到线条附近。图2中用箭头24举例说明这种情况，它表示象素22已经移动到水印的线条上。这样，变形后的图象Iw构成具有嵌入的水印的图象。通过变形引入的几何变化以平滑的方式影响象素集S的邻域，使得在给定象素的一定距离处，所述几何变化减退到零。所述变形算法最好是这样的，使得它不产生太多的新的有效点。使点在什么方向变形要适应局部图象特征，使得它不引入可见的人为特征。
在照片处理领域所述变形是众所周知的。已经利用市场上可以买得到的照片编辑用的PC软件包作出图3A和3B。图3A表示具有突点31、32、33和水印图案线条34、35、36的原始图象。图3B表示加水印后的图象，其中，已经将突出象素变形到最近的线条上(为清楚起见，以夸大的方式示出)。
在实际实验中，发现图象具有1014个有效点，其中541个有效点位于线条图案附近。473个未处在水印上的点中，354个点被变形，使得在变形之后，图象的895个突点(88％)被置于所述图案附近。
图4示出用于按照本发明检测图象J中的水印W的装置的第一实施例。该装置包括：与图1中的模块10相同的突点提取模块40；与图1中的模块11相同的匹配模块41；以及判定模块42。所述装置接收可疑输入图象J和准备检查其在输入图象J中的存在的水印W。鉴于上述嵌入器(embedder)的描述，该装置的操作是显而易见的。突点提取模块40用与嵌入过程中所使用的相同的方法确定可疑图象中最有效象素集S。匹配模块41把突点与水印线条图案比较。判定模块42检测是否在统计学上有高百分比的突点处在所述线条图案附近的范围内(集S1)。如果是这种情况，则存在水印，并且产生检测信号D＝1，否则，不存在水印，并且不产生检测信号(D＝0)。
在上述嵌入过程(embedder)的实施例(其中，水印图案覆盖50％的图象象素)中，如果基本上多于50％的可疑图象的突点位于线条图案上，则检测到水印。在上述实际实施例中，发现加水印后的图象的1014个突点中708个突点(70％)位于所述图案上。注意，加水印后的图象中的突点的数目可以不同于原始图象中突点的数目，因为，变形处理可以影响象素的“突出性”。
图5示出用于嵌入水印的装置的另一个实施例。该实施例与图1中所示的装置的不同之处在于：该嵌入器(embedder)包括与图4中的模块42相同的检测模块13。这样，现在的嵌入器包括水印检测器。检测模块13把检测信号D加到变形电路12。此外，变形后的图象Iw被反馈到突点提取模块10。图4中所示的装置按照迭代步骤系列嵌入水印。最初，仅仅将图象I的有限数目的突点变形。接着，将加水印后的图象Iw反馈，以便进行“更严格的”嵌入，直至检测模块13判定变形量足够为止。每一次，选择其变形具有最小的人为特征的那些象素，例如，位于最靠近线条的位置的象素。这样，就可以避免象图2中象素23那样的象素的被夸大的变形。
在上述嵌入和检测水印的实施例中，将突点变形，使得它们落在水印上(参见图2中的象素22)。更一般地说，控制靠近线条图案的紧密度。不是简单地对多少点实际处在线条图案附近δ范围内进行计数，而是能够根据有效点和线条图案之间的平均距离进行检测。相应的嵌入过程基于改变所述平均距离。
现在将参考图6A和6B描述这种更一般的装置的操作。图6A示出与图2中所示的相同的线条图案20和突出的图象象素21-23。线条20不再具有“厚度”2δ。从突出的象素21、22和23到最近的线条的距离分别标为di，1，di，2和di，3，其中，指标i表示所述距离涉及输入图象的象素。图6B示出加水印之后的所述图案和图象象素。已经将突出的象素21-23变形，使得它们各自到最近的线条20的距离发生变化(减小或加大)。不是所有象素都必须变形。所述象素中没有一个象素必须按照和别的象素的一样的距离或因子进行变形。图6B中，变形后的距离分别表示为dw，1，dw，2和dw，3。
在描述按照本实施例的嵌入器和检测器的操作之前，必须指出，未加水印的图象的突点(集S)的平均距离 di，即，
(其中，K是突出的象素的数目)，等于该图象的所有象素的平均距离，只要突点的数目足够大并且均匀地分布。据此，所述平均距离 di在统计学上与图象内容无关，而仅仅取决于水印图案W。
图7示意地示出用来把水印W嵌入图象I中的装置的相应的实施例。该装置包括突点提取模块70和变形模块71。它们分别与图1中的模块10和12相同。
图8示意地示出用来检测可疑图象J中的水印W的装置的相应的实施例。该装置包括：突点提取模块80；电路81，用来按照下式确定可能加了水印的图象J的突点的平均距离 dw， d - w = 1 K Σ k ∈ S d w , k ,
；电路82，用来按照以上方程1确定未加水印的图象的突点的平均距离 di；以及检测电路83。下面将指出，如果平均距离 dw明显地小于平均距离 di，则检测电路83得出可疑图象J加了水印(D＝1)的结论，否则，检测电路83得出可疑图象J未加水印(D＝0)的结论。
按照本发明的加水印的方法具有低的视觉影响。由于线条图案相对于图象是稠密的，所以，人们总能够找到足够多的能够被变形而不会太大地影响图象的候选的有效象素。候选的有效点位置和采用先进技术的变形还有助于减小视觉人为特征。
由于具有大的供寻找的线条图案库，所以，本发明还保证充足的水印变化。不但能够容易地校验是否嵌入了一个给定水印，而且由于其相关的计算的简单性，就有可能检查许多不同的线条图案。
关于检测的速度，现在将给出检测方法的复杂性分析。对于每一个待试验的水印，确定具有分辨率n2的图象的K个最有效点。这种操作需要O(n2)时间。一旦选择了图象的这K个点，把它们与许多水印线条图案相比较，在计算上比象先有技术讲授的那样计算整个图象和同样多的水印图案之间的相关性要简单得多。就是说，对于尺寸为n×n个象素的图象，计算相关性需要O(n2)时间。注意，稠密的线条图案包含O(n)条线条，并且，当允许对线条图案进行预处理时，寻找最靠近给定的疑问点的线条需要O(log n)。一旦已经找到K个点，每一个被试验的水印的时间复杂性变成O(klog n)。
本发明还提供嵌入更多位。可以在图象的不同区域使用不同的线条图案。可以把不同的线条图案(各自具有较低密度)组合起来。应用不同的有效点提取方法也是可能的。例如，一种方法仅仅用于提取局部的最大值，另一种方法仅仅用于提取右上角，等等。
所嵌入的水印是难于被攻击者消除的。对于攻击者来说，确定形成水印的特定的线条图案不是容易的。甚至当攻击者有对所述图案的适当的猜测时，消除水印仍然不是直截了当的，因为，攻击者还必须应用变形，后者比起简单地去掉噪声图案更加复杂。
所述方法是健壮的，因为可以这样实现有效点的提取，使得那些充分保护图象的质量或本质的转换(例如，压缩、噪声附加或彩色变化)将使最有效象素的位置原封不动。关于比例缩放和几何变换，应当指出，把缩放后或旋转后的点集与缩放后或旋转后的线条图案相比较，在计算上是比计算相关性简单的任务。
应当指出，用来把有效象素变形到它上面的图案不一定必须是线条图案及其附近。也可以使用任意的稠密的点图案。
这样，通过局部地改变图象的几何特征来给数字图象信号加上水印。水印包括伪随机的、稠密的图象象素子集，例如一些线条(20)的图案。确定一些有效图象象素(21，22，23)，即，对预定的处理操作给出最高响应的象素，然后把它们移动(24)到所述线条图案的附近(δ)。由于这种“变形”的结果，大多数有效图象象素(21，22)最终位于所述线条图案附近的范围内。在接收端，再次确定图象的最有效象素。如果统计学上高百分比的有效象素位于所述线条图案附近范围内，则所述图象是加了水印的图象。

Claims (16)

1.一种把水印嵌入图象中的方法，它包括以下步骤：
标识规定数目的最有效图象象素；
确定象素图案形式的水印；以及
使所述图象局部变形，以便使相当大百分比的最有效图象象素移动到所述水印图案附近。
2.权利要求1的方法，其特征在于：所述变形步骤包括把最有效象素移动到所述水印图案附近，使得其到达所述水印图案的距离小于预定的阈值。
3.权利要求2的方法，其特征在于：所述水印图案和由所述阈值确定的其附近区域基本上覆盖所述图象象素的50％。
4.权利要求1的方法，其特征在于：所述水印图案是线条图案。
5.权利要求1的方法，其特征在于：所述标识最有效象素的步骤包括避免有效象素密集地聚集在一起。
6.权利要求5的方法，其特征在于：所述避免步骤包括把图象分成一些邻接的块，并且在每一块中标识最有效象素。
7.权利要求1的方法，其特征在于：所述突出性操作是边缘检测滤波操作。
8.权利要求1的方法，其特征在于：所述最有效象素是局部最大值或者局部最小值。
9.权利要求1的方法，其特征在于：所述最有效象素是图象实体的拐角。
10.一种检测图象中水印的方法，它包括以下步骤：
标识规定数目的最有效图象象素；
确定所述最有效图象象素到所述水印图案的距离；以及
如果所述各最有效象素到所述水印图案的平均距离显著地小于所有图象象素到所述水印图案的平均距离，则产生表示所述预定的水印被嵌入所述可疑图象中的检测信号。
11.权利要求10的方法，其特征在于：
所述确定最有效图象象素到所述水印图案的所述距离的步骤包括确定具有小于预定阈值的距离的最有效象素的数目；以及
如果具有所述距离的最有效象素的所述数目是最有效象素的所述数目的相当高的百分比，则产生所述检测信号。
12.一种用来把水印嵌入图象中的装置，它包括：
用来标识规定数目的最有效图象象素的装置；
用来确定象素图案形式的水印的装置；以及
用来使所述图象局部变形，以便使相当大百分比的所述最有效图象象素移动到所述水印图案附近的装置。
13.一种用来检测图象中的水印的装置，它包括：
用来标识规定数目的最有效图象象素的装置；
用来确定所述最有效象素到所述水印图案的距离的装置；以及
用来当所述各最有效象素到所述水印图案的平均距离显著地小于所有象素到所述水印图案的平均距离时，产生表示所述预定的水印被嵌入所述可疑图象中的检测信号的装置。
14.权利要求13的方法，其特征在于：
所述用来确定最有效图象象素到所述水印图案的所述距离的装置包括用来确定具有小于预定阈值的距离的最有效象素的数目的装置；以及
如果具有所述距离的最有效象素的所述数目是最有效象素的所述数目的相当高的百分比，则产生所述检测信号。
15.一种代表具有预定的象素图案形式的嵌入的水印的图象的图象信号，其特征在于：给定数目的最有效图象象素到所述水印图案的平均距离显著地小于所有图象象素到所述水印图案的平均距离。
16.权利要求15的图象信号，其特征在于：到所述水印图案的距离小于预定阈值的最有效象素的所述数目是最有效象素的所述数目的相当高的百分比。
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