CN1267999A - 电子水印插入装置及电子水印插入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电子水印插入装置,其中,输入电路(11)将图象数据变换为数字图象数据,图象分块单元(12)将变换所得数据细分为显示屏上的多个图象块,然后经BPF滤波器(13)滤波。频谱测量单元(14)对每个象素块测量图象数据的频率特性。对每个象素块测量输入图象数据的幅值,根据所测幅值或其变化为每个象素块确定图象数据与电子水印信息的混合比率。电子水印混合单元(16)根据该混合比率将电子水印插入图象数据中。

Description

电子水印插入装置及电子水印插入方法

本发明一般涉及一种电子水印插入装置及其方法。具体涉及一种能够实时地在诸如静止图象和/或运动图象等类型的输入图象数据中插入任意电子水印信息的电子水印插入装置和方法。

目前随着对诸如音频信息、视频信息和图象等类型的电子处理数据版权保护需求的不断增长，水印技术受到了越来越多的关注。而将电子水印信息插入到图象数据中后，一般将很难看出来，使其在保护版权的同时也不至破坏被叠印图象数据的图象质量。

到目前为止，已提出了多种水印技术，例如在日本专利申请未决公开No.Hei 10-155151中所提出的方法。即，此专利申请介绍了一种用于将电子水印插入到压缩编码图象数据中的电子水印插入装置。图5所示为一种包含由上述日本专利申请中所提出的电子水印插入装置20的图象数据处理装置的方框图。该种数据处理装置20由用于输入原始图象数据的输入电路21、用于将真实空间域(real spatial region)(时间域)原始图象数据变换为空间频域原始图象数据的离散余弦变换器22、以及用于将保存在电子水印存储器24中的任意电子水印信息嵌入到所变换图象的特征部分(featured portion)中的电子水印混合器23组成。此种图象数据处理装置另外包括用于将其中嵌入有电子水印信息的空间频域图象数据反变换为原始图象数据的反离散余弦变换器25，以及用于输出反变换所得图象数据的输出电路26。该种图象数据处理装置输出由来自输出电路26的数字图象数据构成的复制数据。

图6所示的电子水印检测装置能够检测出任意图象数据中是否插入有电子水印。此种电子水印检测装置由用于输入所要检测的图象数据的输入电路、用于将此输入图象数据变换为空间频域图象数据的离散余弦变换器32、用于检测变换所得的空间频域数据与电子水印存储器34中所存储的电子水印信息之间的相对关系(relative relation)的相关关系检测器33、以及用于在其上显示检测结果的显示单元35组成。

一般来说，在包含有电子水印插入装置的数据处理装置中，原始图象数据被细分为显示屏上的多个分别由纵向和横向上一定数目的象素构成的图象块(block)。另外，对这些细分的图象块分别进行离散余弦变换可以将原始图象数据变换到空间频域。在空间频域中，可以产生对应于信号强度的混合比率(mixing ratio)，随后将先前存储在电子水印插入装置中的任意电子水印信息叠印到所输入的原始图象数据上。此后，将图象上叠印有电子水印信息的区域量化，以按照可变长度编码技术来进行编码，由此来对该图象数据进行压缩。随后，再将压缩所得的具有电子水印信息的图象数据传送出去。

在上述常规类型的电子水印插入装置中，时间域的输入图象数据先被变换为空间频域的图象数据，再在变换所得的空间频域输入图象数据上叠印任意的电子水印信息，而此后，再将叠印有电子水印的空间频域图象数据将反变换为时间域的图象数据。在此情况中，为了能够以较高的速度在图象数据上叠印电子水印信息，需要配备离散余弦变换电路和反离散余弦变换电路，因此整个电路的规模将增大许多。由于这一原因，在该类电子水印插入装置中将会出现电路规模过大的问题。

例如，离散余弦变换运算对应于诸如混合有乘法和加法的重复性计算。为了执行一次离散余弦变换，所需要进行的重复操作次数为(图象块总数据数×log₂总数据数)²。同样，对于反离散余弦变换也将需要执行类似的计算。现在假设一个图象块中纵向/横向总象素数等于88，则对于每个图象块上述计算将必须执行576次。

在此情况中，例如，采用NTSC TV系统的电视接收机的电视屏幕的分辨率为720象素×480象素，而一个图象块的大小为8列×8行。因此，一屏(screen)由5,400个图象块构成。其结果是，在向NTSCTV系统的输入图象数据中嵌入电子水印信息时，将需要执行3,110,400(即5,400×576)次离散余弦变换运算。类似地，也将必须执行3,110,400次反离散余弦变换。在此种NTSC TV系统中，为了显示一帧图象，由于后续的处理操作需要在16毫秒内完成，所以为了能够实时地嵌入电子水印信息，相应地其所需电路的规模将相应增大。在这些处理运算中，将进行上述离散余弦变换/反离散余弦变换，计算空间频域内信号的强度，以及将电子水印信息叠印到输入图象数据上。

提出本发明的初衷正是考虑到了上述问题，因此，本发明的一个目的是提供一种能够在电视接收机或诸如此类装置的输入图象数据中插入电子水印信息、同时电路结构仍不复杂的简单电子水印插入装置。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，其提供了一种用于在静止图象或运动图象中插入任意电子水印信息的电子水印插入装置，其特征在于包括：

图象分块电路，用于将输入图象数据划分为显示屏上的多个象素块，这些象素块由纵向和横向上的一定数目的象素构成；

幅值测量电路，用于分别为每个象素块测量输入图象数据的幅值；

混合比率确定电路，用于根据为每个象素块所测量出的幅值来为每个象素块确定输入图象数据与电子水印信息之间的混合比率；以及

混合装置，用于根据为每个象素块所确定的混合比率将输入图象数据与电子水印信息混合在一起。

根据本发明的第二方面，其提供了一种用于将任意电子水印信息嵌入到静止图象或运动图象中的电子水印插入装置，其特征在于包括：

图象分块电路，用于将输入图象数据划分为显示屏上的多个象素块，这些象素块由纵向和横向上一定数目的象素构成；

频率特性测量电路，用于测量输入图象数据的频率特性；

混合比率确定电路，用于根据为每个象素块所测量出的频率特性来为每个象素块确定输入图象数据与电子水印信息之间的混合比率；以及

混合装置，用于根据为每个象素块所确定的混合比率将输入图象数据与电子水印信息混合在一起。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于在静止图象或运动图象中嵌入任意电子水印信息的电子水印插入方法，其特征在于包括如下步骤：

将输入图象数据划分为显示屏上的多个象素块，这些象素块分别由纵向和横向上的一定数目的象素构成；

为每个象素块测量输入图象数据的幅值；

根据为每个象素块所测量出的幅值来为每个象素块确定输入图象数据与电子水印信息之间的混合比率；以及

根据为每个象素块所确定的混合比率将输入图象数据与电子水印信息混合在一起。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于在静止图象或运动图象中嵌入任意电子水印信息的电子水印插入方法，其特征在于包括如下步骤：

将输入图象数据划分为显示屏上的多个象素块，这些象素块由纵向和横向上一定数目的象素构成；

测量输入图象数据的频率特性；

根据为每个象素块所测量出的频率特性来为每个象素块确定输入图象数据与电子水印信息之间的混合比率；以及

根据为每个象素块所确定的混合比率将输入图象数据与电子水印信息混合在一起。

在本发明的电子水印插入装置和方法中，输入图象数据被细分为图象块，在将所划分的图象数据保持为时间域的同时，测量每个象素块的诸如频率特性或幅值特性等类型的数据特性，并为图象数据的每个细分图象块确定各自的电子水印信息对图象数据的混合比率。其结果是，此种电子水印插入装置和插入方法将变得十分简单，从而不再需要复杂的离散余弦变换电路，同时也不再需要复杂的反离散余弦变换电路。

优选地，用于测量图象数据的频率特性的频率特性测量电路可以包括一个用于沿水平方向测量象素块的频率特性的第一滤波器组，以及用于沿垂直方向测量象素块的频率特性的第二滤波器组，第一滤波器组和第二滤波器组分别具有一个带通滤波器，其中心频率位于与水平方向上的采样频率和垂直方向上的采样频率有关的频率上。

此带通滤波器由模拟电路中的乘法元件、加法元件和延迟元件组合而成。当此带通滤波器的截止频率特性较为尖锐时，这些元件的总数将会增大。然而，如果乘法电路所用的乘数是1/2、1/4、1/8以及通过将这些数乘以一个整数所得的值，则通过实际上进行移位操作来取代乘法，可以实现数字式的滤波电路。在此情况中，由于移位操作是通过仅仅偏移(shift)布线连接(connection)来实现的，所以其可以不再需要复杂的乘法电路，并且通过只采用一个加法器和延迟元件便可以构成数字式滤波电路。因此，尽管数据计算的总数依然一样，但带通滤波器的电路规模将大为减小。

为了更好地理解本发明，接下来将参照附图对本发明进行详细地说明，其中：

图1所示为根据本发明一种实施例的电子水印插入装置的结构示意简图；

图2所示为图1所示电子水印插入装置的电子水印插入操作的流程图；

图3所示为图1所示BPF组中的第一组BPF(带通滤波器)的增益特性的示意图；

图4所示为图1所示BPF组中的第二组BPF(带通滤波器)的增益特性的示意图；

图5所示为包含有常规电子水印插入装置的信号处理电路的简要方框图；

图6所示为常规电子水印插入装置的简要方框图。

现在将参照附图，对本发明的多种优选实施例进行详细地说明。

图1所示为根据本发明第一实施例的电子水印插入装置的配置示意简图。参照图1，此种电子水印插入装置包括：输入电路(A/D变换器)11，用于输入模拟输入图象数据并用于将此模拟输入图象数据变换为数字图象数据；图象分块单元12，其用于输入该数字图象数据，并将此输入数字图象数据划分为显示屏上的多个象素块，这些象素块分别由8(宽度方向)×8(长度方向)个象素所构成；以及一个带通滤波器(BPF)组13，其用于同时沿纵向和横向从这些象素块的每一个中滤出多种特定频率。此种电子水印插入装置另外包括频谱测量单元14，其用于测量从BPF组13所输出的这些特定频率分量的频谱强度；幅值测量电路15，用于沿纵向和横向测量从图象分块单元12中输出的数字图象数据；混合比率确定单元16，用于根据频谱测量单元14的频谱强度输出和幅值测量电路15的幅值输出，为每个象素块确定数字图象数据与电子水印信息的混合比率；电子水印混合单元17，用于根据为每个象素块所确定的混合比率将电子水印信息叠印到数字图象数据上；电子水印存储器18，用于存储所要叠印的电子水印信息；以及一个输出电路(D/A变换器)19，用于将从电子水印混合单元17输出的数字图象数据变换为模拟信号，以产生重放数据。

一般来说，当电子水印信息被叠印到图象信号上时，原始图象的质量均将受到破坏。而对于人眼的特性来说，当电子水印或诸如此类被作为噪声嵌入到其频率较为恒定的图象中时，将很容易地感觉到图象质量的恶化。而当电子水印信息被输入到直线边缘或弧线中时，由于这些直线将发生变化而具有锯齿形，因此也将很容易地感觉出图象质量的恶化。其结果是，在向图象数据中嵌入电子水印信息时，需要先检测此图象数据的特征，并在随后调节图象数据对电子水印信息的比率，以使其不至于引起图象质量的这种恶化。电子水印插入处理操作

图2所示为由根据第一实施例的上述电子水印插入装置所执行的电子水印插入处理操作的流程图。在由该种电子水印插入装置所执行并如图2所示的处理中，输入图象数据首先在步骤S1由输入电路11进行A/D变换。接着，在步骤S2利用图象分块单元12，将此数字输入图象数据分为多个图象块。当该数据是一屏具有720×480象素的电视图象且一个图象块由8×8个象素构成时，图象分块单元12可以将该数据划分为例如5400个图象块。随后，在步骤S3，由BPF组13对这些细分所得的图象块每一个的图象数据进行滤波，以从细分所得的每个图象块中提取出某种频率分量。

图3所示为包含于BPF组13中并被用来沿水平方向提取频率分量的第一组BPF(包含LPF)的增益特性，而图4所示为包含于BPF组13中并被用来沿垂直方向提取频率分量的第二组的BPF(包含LPF)的增益特性。图3中，用于沿水平方向提取频率分量的第一组BPF对应于利用13.5MHz MPEG系统的水平采样频率的一半作为参考频率所获得的BPF5到BPF1。BPF5到BPF1的中心频率分别为6.75MHz；5.06MHz(3.375MHz+1.69MHz)；1.69MHz；和0MHz。BPF5到BPF1每一个的带宽是在其中心频率左右±0.5MHz的频率范围。图4中，用于沿垂直方向提取频率分量的第二组BPF(包括LPF)对应于利用垂直方向上15.75KHz的扫描频率的一半作为参考频率所获得的BPF10到BPF6。BPF10到BPF6的中心频率分别为7.87KHz、5.90KHz(3.93KHz+1.97KHz)、1.97KHz、和0KHz。BPF10到BPF6每一个的带宽是在中心频率左右±0.66KHz的频率范围。在步骤S3，在连续地沿水平方向和垂直方向输出图象块图象数据的同时，利用BPF组13来提取各自的频率分量。

接着，在步骤S4，频谱测量单元14对每个频率分量提取某种频谱量。换句话说，将处理先前步骤S3所提取出的各自频率分量的频谱强度。

接着，在步骤S5，幅值测量单元15检测原始图象数据的幅值及其特性的变化。

接着，在步骤S6将对所检测出的幅值进行量值(magnitude)的检测。当该幅值较小、也就是当图象较暗时，以及当该幅值较大、也就是当该图象较亮时，由于电子水印信息将很难被看出来，所以电子水印信息对图象数据的混合比率将被设置为一个较大的数值(步骤S7)。另外，当在步骤S6判定该幅值大约为中间值时，人眼将能够很好地识别出该中间频率。然而，由于该混合比率将随电子水印信息的频率分量的量值变化而变化，因此可以根据如下的频率特性来确定混合比率：

在步骤S8，混合比率确定单元16首先判断纵向和横向上这些细分图象块每一个的图象数据是否在该电子水印信息的频率邻域中的频率上具有峰值。在此情况中，纵向和横向上这些细分图象块的每一个的图象数据在靠近电子水印信息频率的频率上具有较大的频谱强度，由于该电子水印信息被隐藏在图象数据之下，混合比率确定单元16将把该混合比率设置为一个较大的数值(步骤S9)。在前一步骤S8，当各个图象块的图象数据具有与电子水印信息相差很多的频率特性时，混合比率确定单元16将判断在每个图象块图象数据的高频段上的某个频谱量是否很大(步骤S10)。在此情况下，当图象块图象数据在该高频段上具有相对较小的频谱，则此混合比率确定单元16将把混合比率设置为一个较小的数值(步骤S11)。相反地，当图象块图象数据在高频段上具有较大的频谱时，混合比率确定单元16将把混合比率设置为一个中间值(步骤S12)。此后，在任何情况下，在电子水印混合单元19中根据所确定的混合比率将电子水印信息叠印到图象数据上。

通常，对每个图象块的输入图象数据100，电子水印的混合比率均被设置为0到1之间范围内的数值。而当图象数据的幅值较大，即此图象较亮时，以及当图象数据的幅值较小，即此图象较暗时，由于电子水印信息将很难被看出来，所以可以将电子水印信息与图象数据的混合比率设置为一个较大的数值。然而，当图象数据的幅值处于中间水平时，人眼将能够很好地识别出此图象数据，由此也将使电子水印信息很容易地内看出来。其结果是，需要将电子水印信息的混合比率设置为一个较小的数值。另外，当图象数据的幅值处于中间水平，且此图象数据包含有很少量的相同频率分量时，尽管电子水印信息能够被很容易地看出来，但如果图象数据的频率与该电子水印信息的频率彼此分离，则其仍将很难看出电子水印信息。其结果是，在某种程度上，可以将此电子水印信息插入到图象数据中。在任何情况下，可以根据幅值特性和频率特性，优选地确定该混合比率，同时使得电子水印信息很难被看出来。

作为存储在电子水印存储器18中的电子水印信息，例如，可以采用显示在整个屏幕上的电子水印信息，或只显示在屏幕的预定部分上的电子水印信息。另外，也可以将电子水印信息只插入到特定频率上的具有等于或高于预选幅值水平的幅值的图象数据图象块中。

在上述实施例中，在步骤S6对图象数据的幅值进行完判断之后，混合比率确定单元16将在步骤S8进行检测，以判断相同的频率分量是否很大。另外，在步骤S6和S8所执行的处理操作也可以按照相反的顺序来执行。

在上述实施例中，是针对其中是根据频率特性并通过检测图象数据上的幅值的量值来确定混合比率的实例来进行说明的，但本发明并不仅局限于此。另选地，不再是利用频率特性，例如，也可以通过检测频率特性的变化特性，即通过检测频谱量沿水平方向或垂直方向是如何改变的特性来确定混合比率。

在此另选情况中，如果频率变化变得很大，则电子水印信息将很难被看出来。其结果是，混合比率将被设置为一个较大的数值。另选地，也可以只根据幅值和/或幅值变化来确定该混合比率。另外，还可以只根据频率特性来确定该混合比率。

另外，对于用于测量图象数据频率特性的频率特性测量电路，其提供了第一滤波器组和第二滤波器组。第一滤波器组沿水平方向测量象素块的频率特性。而第二滤波器组则沿垂直方向测量象素块的频率特性。第一滤波器组和第二滤波器组均由带通滤波器构成，带通滤波器的中心频率位于与水平方向的采样频率和垂直方向的采样频率有关的频率上。

根据本发明的这种带通滤波器由乘法元件、加法元件和延迟元件组合而成。当此带通滤波器的截止频率特性比较尖锐时，这些元件的总数将增大。然而，如果1/2、1/4、1/8以及通过将这些数值乘以整数所得的数值被用作乘法电路的乘数，通过实际进行移位操作而不是乘法，就可以实现数字式的滤波电路。在这种情况下，由于移位是通过仅仅移动布线连接来实现的，所以其将不再需要复杂的乘法电路，同时只采用一个加法器和延迟元件便可以构成数字式的滤波电路。因此，尽管数据计算的总数依然相同，但带通滤波器的电路规模将大为减小。

尽管上文中已根据上述优选实施例对本发明进行了说明，但本发明的电子水印插入方法和装置并不仅局限于这些优选实施例的结构，而是可以在不背离本发明的技术精神和范围的情况下进行各种形式的修正、变型和替代。

在本发明的电子水印插入装置中，输入图象数据被细分为多个图象块，并在将其保持在时间域内的同时获得其频率特性或幅值，同时在不需要将图象数据变换到空间频域中的情况下来确定电子水印信息与图象数据的混合比率。其结果是，其具有能够使该种电子水印插入装置和插入方法变得更为简单的效果，并且不再需要进行复杂的离散余弦变换和反离散余弦变换。

Claims (10)

1.一种用于在静止图象或运动图象中嵌入任意电子水印信息的电子水印插入装置，其特征在于包括：

图象分块电路，用于将输入图象数据划分为显示屏上的多个象素块，所述象素块由纵向和横向上一定数目的象素构成；

幅值测量电路，用于为每个象素块测量输入图象数据的幅值；

混合比率确定电路，用于根据为每个象素块所测量出的幅值来为每个象素块确定输入图象数据与电子水印信息之间的混合比率；以及

混合装置，用于根据为每个象素块所确定的混合比率将输入图象数据与电子水印信息混合在一起。

2.一种用于在静止图象或运动图象中嵌入任意电子水印信息的电子水印插入装置，其特征在于包括：

图象分块电路，用于将输入图象数据划分为显示屏上的多个分别由纵向和横向上一定数目的象素构成的象素块；

频率特性测量电路，用于测量输入图象数据的频率特性；

混合比率确定电路，用于根据为每个象素块所测量出的频率特性来为每个象素块确定输入图象数据与电子水印信息之间的混合比率；以及

混合装置，用于根据为每个象素块所确定的混合比率将输入图象数据与电子水印信息混合在一起。

3.如权利要求2所述的电子水印插入装置，其特征在于另外包括用于为每个象素块测量图象数据的幅值的幅值测量电路，其中混合比率确定电路根据每个象素块的频率特性和测量所得的幅值和/或这些幅值中所包含的偏差来确定该混合比率。

4.如权利要求2所述的电子水印插入装置，其特征在于

所述频率特性测量电路包括用于测量水平方向上的象素块的频率特性的第一滤波器组，以及用于测量垂直方向上的象素块的频率特性的第二滤波器组；以及

所述第一滤波器组和所述第二滤波器组分别具有带通滤波器，其中心频率位于与水平方向的采样频率和垂直方向的采样频率有关的频率上。

5.如权利要求3所述的电子水印插入装置，其特征在于

所述频率特性测量电路包括用于测量水平方向上象素块的频率特性的第一滤波器组，以及用于测量垂直方向上象素块的频率特性的第二滤波器组；以及

所述第一滤波器组和所述第二滤波器组分别具有带通滤波器，其中心频率位于与水平方向的采样频率和垂直方向的采样频率有关的频率上。

6.一种用于在静止图象或运动图象中嵌入任意电子水印信息的电子水印插入方法，其特征在于包括如下步骤：

将输入图象数据划分为显示屏上的多个分别由纵向和横向上一定数目的象素构成的象素块；

为每个象素块测量输入图象数据的幅值；

根据为每个象素块测量所得的幅值来为每个象素块确定输入图象数据与电子水印信息之间的混合比率；以及

根据为每个象素块所确定的混合比率将输入图象数据与电子水印信息混合在一起。

7.一种用于在静止图象或运动图象中嵌入任意电子水印信息的电子水印插入方法，其特征在于包括如下步骤：

将输入图象数据划分为显示屏上的多个分别由纵向和横向上一定数目的象素构成的象素块；

为每个象素块测量输入图象数据的频率特性；

根据为每个象素块所测量出的频率特性来为每个象素块确定输入图象数据与电子水印信息之间的混合比率；以及

根据为每个象素块所确定的混合比率将输入图象数据与电子水印信息混合在一起。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于另外包括用于为每个象素块测量输入图象数据的幅值的步骤，其中混合比率确定步骤根据每个象素块的频率特性和测量所得的幅值和/或这些幅值中所包含的变化来确定该混合比率。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述频率特性测量步骤根据与水平方向采样频率相对应的频率测量水平方向上的象素块的频率特性，并根据与垂直方向采样频率相对应的频率来测量垂直方向上的象素块的频率特性。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述频率特性测量步骤根据与水平方向采样频率相对应的频率测量水平方向上的象素块的频率特性，并根据与垂直方向采样频率相对应的频率来测量垂直方向上的象素块的频率特性。

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