CN1305296C

CN1305296C - 信息处理装置及其控制方法、计算机程序和存储介质

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Publication number: CN1305296C
Application number: CNB021054037A
Authority: CN
Inventors: 林淳一
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-09
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2022-02-09
Also published as: US7639835B2; US20020199106A1; ATE505905T1; CN1373609A; DE60239718D1; KR100465950B1; EP1231767A3; US20060294385A1; KR20020066203A; EP1231767B1; EP1231767A2; US7146502B2

Abstract

依据本发明，当鉴别信息从数字信息以不可分割的方式设置时，总能检测到信息是否被干扰，而且只要数字数据没受干扰，就能将其恢复。为了实现这个目的，当将鉴别信息嵌入到由图像输入单元(201)输入的数字信息时，散列值计算单元(202)产生基于该数字信息的鉴别信息，加密单元(203)使用加秘密钥对鉴别信息加密，以及数字水印形成单元(204)将加密的信息作为数字水印嵌入到数字信息。

Description

信息处理装置及其控制方法、计算机程序和存储介质

技术领域

本发明涉及一种用于标识和鉴别数字信息的信息处理方法和装置及存储介质。

背景技术

近年来，计算机和网络飞速发展，多种数字信息例如文本数据、图像数据、音频数据等被利用。这些数据信息不会因为例如老化而损坏，并且能被永久地、良好地保存。而且数字信息能被容易的编辑和处理。这种做法对于编辑和处理数字信息的用户来说会更有利。

然而，对于在意外事件处理中使用证据照片的保险公司或是记录建筑场所的进展情况的建筑公司，数字数据比模拟数据的可靠性低，而且数字数据作为证据的证明力比较弱。

因此，检查任何篡改和/或伪造数字数据的视频输入装置和系统被提了出来。

例如，众所周知的一种使用数字签名的系统是用于检测任何篡改和/或伪造的系统。以下将简要介绍数字签名。

通过使用数字签名，发送器可以同时发送数据以及与该数据相应的特征数据，并且接收器通过检验特征数据而检查数据的可靠性。如下所述，利用散列函数和公共密码术而产生的数字签名检验数据的可靠性。

令Ks为一个密钥，Kp为一公共密钥。那么，发送器通过利用散列函数来压缩纯文本数据M以执行一种算术运算，该算术运算用于计算出给定长度(例如128字节)的输出h。发送器在经过这样的算术运算来产生数字签名数据s：用密钥Ks变换h，也就是，D(Ks，h)＝s。之后，发送器发送数字签名数据s以及纯文本数据M。

另一方面，接收器产生这样一种算术运算：用公共密钥Kp对接收到的数字签名数据s进行变换，即，E(Kp，s)＝E(Kp，D(Ks，h″))＝h″，同时产生这样一种算术运算：通过使用与发送器相同的散列函数来压缩接收到的纯文本数据M以计算h′。如果h′和h″相匹配，接收器确定接收到的数据M′是可靠的。

如果纯文本数据M在发送器和接收器之间被篡改了，E(Kp，s)＝E(Kp，D(Ks，h″))＝hh″与通过使用与发送器同样的散列函数压缩接收到的纯文本数据M′而得到的h′不相匹配，则检测出数据被篡改。

如果对数字签名数据s的篡改和对纯文本数据M的篡改相一致，那么将无法检查到这种篡改。然而在这种情况下，纯文本数据M必须从h计算得出，但由于散列函数的单向性而不能产生这样的操作。如上所述，通过使用利用了公共密码术和散列函数的数字签名可以正确的鉴别数据。

下面将解释散列函数，散列函数用来以高速产生数字签名等。散列函数具有这样一种功能，它可以处理任意长度的纯文本数据M，并输出一确定长度的输出h。注意输出量h称为纯文本数据M的散列值( 或者信息摘要，数字指纹)。散列函数需要有单向性和抗冲突性。单向性意味着如果h是确定的，在计算上就不可能得出满足h＝H(M)的文本数据M。抗冲突性意味着如果文本数据M是确定的，在计算上就不可能得出满足H(M)＝H(M′)的纯文本数据M′(M≠M′)，也不可能计算出满足H(M)＝H(M′)和M≠M′的纯文本数据M和M′。

作为散列函数，MD-2，MD-4，MD-5，SHA-1，RIPEMD-128，RIPEMD-160等等是公知的，并且这些算法是普遍的。

下面将介绍公共密码术。在公共密码术中，加密和解密密钥是不同的，加密密钥是公知的，而解密密钥是保密的。公共密码术具有如下特征，

(a)既然加密和解密密钥是不同的而且加密密钥是公如的，那么不需要加密传送加密密钥，且很容易进行密钥传送；

(b)既然每一个用户的加密密钥是公开的，用户只需将他或她的解密密钥保密；

(c)可以实现接收器使用的一个鉴别函数来鉴别信息发送者是否是非法的，且信息是否被篡改；

例如，如果使用公共加密密钥Kp对纯文本数据M进行加密由E(Kp，M)表示，使用私人解密密钥Ks进行解密由D(Ks，M)表示，则公共密码术的算法满足下列两个条件：

(1)如果Kp已知，容易得到E(Kp，M)，如果Ks已知，容易得到D(Ks，M)。

(2)如果Ks未知，即使Kp，E，C＝E(Kp，M)能够确定，在算法上也不能确定M。

如果在满足上述条件(1)和(2)的同时，满足下面条件(3)，则保密通信能够实现。

(3)可以将E(Kp，M)定义为用于所有文本数据M且D(Ks，E(Kp，M)))＝M。那就是说，既然Kp为公众所知，任何人都能得到E(Kp，M)，但是只有知道私人密钥Ks的人才能通过计算D(Ks，E(Kp，M)))而得出M。如果在满足上述条件(1)和(2)的同时，满足下面条件(4)，则能够实现鉴别通信。

(4)可以将D(Ks，M)定义为用于所有文本数据M且E(Kp，D(Ks，M))＝M。那就是说，只有知道私人密钥s的人能够得到D(Ks，M)，如果第三者将他或她伪装成了解密钥Ks的人，通过使用一个错误的密钥Ks′计算D(Ks′，M)，则由于E(Kp，D(Ks′，M))≠M，所以接收器能够确定接收到的信息是非法的。甚至当D(Ks，M)被篡改时，也会由于E(Kp，D(Ks′，M))≠M，使接收器能够确定接收到的信息是非法的。

作为能够实现保密通信和鉴别通信的典型实施例，RSA密码学，R密码学，W密码学等都是熟知的。

现代广泛使用的RSA密码学的加密和解密提供如下：

加密：加密密钥(e，n)加密变换C＝M^c(mod n)

解密：解密密钥(d，n)解密变换M＝C^d(mod n)

n＝p·q(这里p和q是两个完全不同的素数)

如上所述，由于RSA密码学在加密和解密中都要进行幂和余数的数学运算，所以与公共密码术例如DES等进行比较，需要巨大的数学运算量，也就不容易达到高速处理。

如上所述，为了发现在前的数据是否被篡改和/或伪造，除了数字数据之外还需要一数字签名。一般的，数字签名被附加到数字数据的首部而发送。然而，添加的数字签名很容易随着数字数据的格式变换而被消除。如果数字签名被消除了，数字数据将不能被鉴别。

日本专利公开号10-164549所披露的方法能解决上述问题。在日本专利10-164549中，数字信息被分成两个字段，数字签名产生于分割的第一字段，并且所述数字签名被嵌入分割的第二字段作为数字水印，从而产生签名的数字信息。另一方面，鉴别装置将标记信息分割为第一、第二字段，从第一字段产生一第一数字签名，并且从第二字段提取出作为数字签名而被嵌入的一个第二标记。如果第一、第二数字签名相匹配，可以认定数字信息没有被篡改和伪造。

如上所述，为了鉴别数字数据，重要的一点是不能抛开数字信息而单独设定鉴别信息。在日本专利10-164549公开的方法中，由于为了鉴别原始图像签名信息是作为数字水印而被嵌入的，而且数字水印不能消除，所以不能获得原始图像。一些应用和用户可能将嵌入数字水印本身作为“篡改”。

发明内容

本发明是在考虑了前面提到的问题而提出的，本发明的目的是提供一种信息处理装置和控制方法、计算机程序和存储介质，能够在不脱离数字信息而设置鉴别信息的同时确定数字信息是否被篡改，并且只要数字信息不被篡改，就可恢复出原始的数字信息。

为了实现上述目的，例如，按照本发明，能够附加鉴别信息的信息处理装置包括下列结构。

也就是在数字信息处理装置中嵌入鉴别信息的信息处理装置包括：

在将要嵌入鉴别信息的数字信息的基础上产生鉴别信息的装置；和

将所产生的鉴别信息嵌入到可恢复的数字信息的数字标记装置。

另外，能够鉴别信息的信息处理装置包括如下结构。

即，能够鉴别其中嵌入有作为数字水印的鉴别信息的数字信息的信息处理装置包括：

从数字信息中提取出所嵌入的作为数字水印的鉴别信息作为第一鉴别信息的提取装置；

数字水印消除装置用于消除从数字信息提取的作为数字水印的鉴别信息并暂时恢复原始数字信息；

依据由数字水印装置消除数字水印、从而暂时恢复出的原始数字信息产生第二鉴别信息的发生装置；和第一鉴别信息和第二鉴别信息比较单元。通过参考附图所作的以下说明将使本发明的其它特征和有点更加明显，在所有附图中相同的参考标记表示相同或相似的部件。

附图说明

图1为应用于本发明实施例中的计算机方框图；

图2为本发明实施例的签名装置的方框图；

图3为本发明实施例中鉴别装置的方框图；

图4为图2所示数字水印装置的详细方框图；

图5为拼凑方法的原理解释图；

图6表示关于提取数字水印的可靠性间隔d的频率分布状态图；

图7为本发明实施例中数字水印单元的方框图；

图8为应用于本发明另一个实施例中的信息处理装置的方框图；

图9为本发明另一个实施例中的数字水印形成装置的方框图；

图10为本发明另一个实施例中的图像恢复装置的方框图；

图11示出了本发明另一实施例中的代码序列w的例子；

图12为本发明又一实施例中的数字水印形成装置的方框图；

图13为本发明又一实施例中的图像恢复装置的方框图；

图14示出了嵌入数字水印的过程的要点；

图15示出了恢复原始数据的过程的要点；

图16示出了嵌入数字水印时发生溢出的例子；

图17示出了溢出发生时原始数据不能恢复的例子；

图18为在本发明的另一个实施例中数字水印形成顺序的流程图；

图19为本发明另一个实施例中原始数据恢复顺序的流程图；

图20示出了本发明又一实施例中的代码序列w的例子；

图21示出了本发明又一实施例中用于解释纠错过程的像素分布状态的例子；

具体实施例

下面将结合相关的附图来描述本发明的最佳实施例。

下面将说明用于把鉴别信息嵌入信息的签名装置和用于鉴别所述信息的鉴别装置。

<签名装置>

下面将结合图2说明本实施例的签名装置。

参照图2，代号201代表图像输入单元；202代表散列值计算单元；203代表加密单元；204代表数字水印单元；205代表图像输出单元。

图像信号以光栅扫描顺序输入到图像输入单元201。任何图像扫描仪、存储图像的存储介质、借助于通信接收来自于远程碟片的图像的通信装置等都可作为图像输入单元201的输入源。下面介绍表示单色多值图像的图像信号。如果图像信号表示含有许多色彩分量的彩色图像等的图像，可将R、G、B色彩分量中的每一个或者亮度和色度分量中的一个当作单色分量来处理。

输入图像信号I被输入到散列值计算单元202和数字水印形成单元204。

散列值计算单元202计算并输出一输入图像信号I的散列值H。使用散列函数来计算散列值H。本发明并未限定为特殊散列函数，并且使用了例如MD-2、MD-4、MD-5、SHA-1、PIPEMD-128、RIPEND-160等类似的、对公众也是熟知的不同算法。算出的散列值H被输入到加密单元203。

加密单元203利用私人密钥S给输入的散列值H加密并输出加密的散列值。并未将本发明限制为用来加密的任何特殊的加密算法，可以使用RSA密码术等作为公共密码术。经过加密的散列值Es(H)输入到数字水印形成单元204。

数字水印形成单元204将加密的散列值Es(H)作为可逆的数字水印嵌入到输入的图像信号I，并且输出该图像信号(可逆的数字水印将在后面介绍)。将嵌有数字水印的图像信号wI输出到图像输出单元205。输出的对象没有特殊限制并且该图像信号可以输出到存储介质、通信线等上面。

<鉴别装置>

下面将通过图3介绍本实施例的鉴别装置。

参见图3，标号301表示图像输入单元；302表示数字水印提取单元；303表示解密单元；304表示散列值运算单元；305表示比较单元。

一图像输入信号wI′以光栅扫描的顺序被输入到图像输入单元301。该输入图像wI′又被输出到数字水印提取单元302。注意wI′最好能与图2所示的特征单元的输出wI相等，但是由于该输入图像信号可能被篡改或伪造，所以它用wI′表示。

数字水印提取单元302从输入的图像信号wI′提取被嵌入的数字水印E′s(H)，并消除可逆的数字水印。然后输出被提取的数字水印E′s(H)和消除了数字水印的图像信号I′。

如果wI′等于wI，将提取Es(H)作为数字水印(即Es(H)＝E′s(H))。此外，在这种情况下，可逆的数字水印将被完全消除，并输出图像数据I(即I＝I′)。另外，如果wI′与wI不同，则不同于Es(H)的数据将被作为数字水印输出(即Es(H)≠E′s(H)。此外，在这种情况下，并没有完全消除可逆的数字水印(即I≠I′)。

而且，如果数字水印被嵌入到输入的图像，数字水印提取单元302还有检测的功能。利用这项功能，如果其中没有作为数字信号而嵌入的数字签名的图像数据输出为wI′，则数字水印提取单元输出“无信息”，并且在稍后不执行鉴别处理。在这种情况下，将利用例如显示器输出一条信息“图像数据不能被鉴别”。

提取的数字水印E′s(H)被输出到解密单元303，消除了数字水印的图像数据I′被输出到散列值运算单元304。

解密单元303对输入的数据E′s(H)解密并将其输出。关于解密，将使用与在签名装置中使用的私人密钥s相对应的公共密钥p。被解密的数据H被输入到比较单元305。

散列值运算单元304将对输入的图像数据I′的散列值H′进行计算并将其输出。作为用来计算散列值的散列函数，该散列函数与在签名装置中使用的散列函数等同。计算得出的散列值H′将被输出到比较单元305。

比较单元305对输入的散列值H和H′进行比较以检验wI′是否被篡改或伪造了。如果H和H′彼此相等，则wI＝wI′，也就是能够确定输入的数据没有被篡改或伪造。如果H和H′彼此不等，则wI≠wI′，也就是说能够确定输入的数据被篡改或伪造了。在这种情况下，将在显示设备上显示表明这一点的信息。

<数字水印形成单元>

下面将介绍本实施例的数字水印形成单元204的细节。简要的介绍一个过程，数字水印装置嵌入信息以便在嵌入数字水印之前完全恢复图像数据。

图4示出了数字水印形成单元204的内部结构。下面将参照图4介绍处理流程。

图像数据I被输入到数字水印形成单元204，并且一嵌入位置确定单元401确定将被嵌入到图像数据I的数字水印的嵌入位置。该图像数据I被输入到附加信息嵌入单元402，并且依照附加的信息Es(H)在由嵌入位置确定单元401确定的位置嵌入数字水印。

为了实现上述目的，嵌入位置确定单元401将输入的图像数据I和指示图像位置的数据(指定了每一个区域的坐标和大小)输出到附加信息嵌入单元402，其中所述的图像位置是将要嵌入附加信息Es(H)的一个位置。

除了图像信息I之外，附加信息嵌入单元402还接收附加信息Es(H)(若干位的信息)。通过使用数字水印技术，附加的信息Es(H)将在所确定的图像数据I的嵌入位置被嵌入。随后将介绍利用数字水印技术嵌入附加信息Es(H)。附加信息嵌入单元402输出嵌入了附加信息Es(H)并且经数字水印处理的数据wI。

在本实施例中，为了简化的目的，输入到数字水印装置的数据为每像素(256个灰度级)具有8比特灰度精度的灰度图像数据。然而，输入图像数据可能为彩色图像数据。当输入彩色图像时，利用彩色图像的一个信道的像素值或彩色图像的亮度值，则可以执行一个相似的嵌入处理。

当输入音频信号时，图像的2维位置信息将被作为时间的1维信息，可以使用相同的执行方案。当输入移动图像数据时，由于它可被看作是沿时间轴方向的多个二维图像，所以能用相同的方案处理每一个二维图像，基本应用了本发明。因此，本发明的范围也包括数字水印嵌入到彩色图像、音频和活动图像的情况。

下面将介绍本实施例中数字水印的嵌入和分离(提取)的基本原理。

<拼凑方法>

本实施例使用称为拼凑方法的原理来嵌入附加的信息Inf(与上述实施例中的Es(H)一致)。拼凑方法在1997年2月24日出版的Nikkei Elctronics，由Walter Bender、Daniel Gruhl、Norishige Morimoto和Anthony Lu等提出的“Data Hiding Technique that Supports Digital Watermarking(Vol.1)”有所披露。首先将介绍拼凑方法的原理。

在拼凑方法中，通过在统计上偏离图像，可以嵌入附加信息Es(H)。

下面将通过图5来介绍拼凑原理。图5中，A和B是从一原始图像中选出的两个子集。假定子集A是由许多子集a_i501表示的子集组成的，而子集B是由许多子集bi502表示的子集组成的。

如果这两个子集不互相重叠，那么通过本实施例的拼凑方法可以嵌入附加信息Inf。

假定子集A和B中的每一个都包含N个元素(A＝{a₁，a₂，…，a_N}，B＝{b₁，b₂，…，b_N})。子集A和B中的元素a_i和b_i表示具有像素值的像素或一组这样的像素。

下一个指数d定义为d＝1/N·∑(a_i-b_i)，此处∑为i＝1至N的和。

这就表示出了两组像素值之间不同的期望值。

当从一般自然的图像中适当选择子集A和B并且定义指数d，如果N的值足够大，我们将得到：

d≈0

在下文中d将被作为可靠性间隔。

另一方面，作为组成附加信息Es(H)的各个位嵌入操作，例如，当嵌入位信息“1”时，将产生这样的操作：

a′_i＝a_i+c

b′_i＝b_i-c

这样的操作将在子集A的所有元素的像素值加上“c”，而对子集B的所有元素的像素值都减去“c”。在本实施例的下文中“c”将被作为“嵌入深度”。

象上面的情况，当从一图像中选择了嵌入附加信息Es(H)的子集A和B，指数d为：

d＝1/N·∑(a_i-b_i)

＝1/N·∑{(a_i+c)-(b_i-c)}

＝1/N·∑{(a_i-b_i)+2c)}

≈2c

(∑为i＝1至N的和)

也就是说，d呈现为这样一个值，它与0相差一给定间隔。

为了嵌入其它的位信息(位信息“0”)，将执行以下操作：

a′_i＝a_i-c

b′_i＝b_i+c

那么可靠性间隔d为：

d＝1/N·∑(a_i-b_i)

＝1/N·∑{(a_i-c)-(b_i+c)}

＝1/N·∑{(a_i-b_i)-2c)}

≈-2c

也就是间隔d假定为这样一个值，它在负方向上与0相差一个给定的距离。

当给定了某一图像，通过计算图像的可靠性距离d，就能够确定图像中是否嵌入了附加信息。

即：如果可靠性距离d≈0，则没有嵌入附加信息Es(H)；如果可靠性距离d为一预先确定的正值或为比0大得多的值，则嵌入位信息“1”；如果可靠性距离d为一预先确定的负值或为比0小得多的值，则嵌入位信息“0”。

本实施例中，通过利用先前提到的拼凑方法原理，可以在单一的图像中嵌入大量位信息片段。

本实施例中，在单一图像的不同区域，不但可以采用子集A和B的组合，而且可以采用许多子集A′和B′、A″和B″、…的组合来嵌入包含有许多位的附加信息Es(H)。注意子集A和B、A′和B′、A″和B″、…的分布不能重叠。

下面将检验从其中嵌入了大量位信息的数据中提取位信息的方法。

图6中标号601表示从没有嵌入数字水印的数据中计算得出的可靠性距离d的分布状态。分布曲线601示出了最有可能出现的可靠性距离d的值，因为对应该可靠性距离d的出现频率的分布较大。

分布曲线602和603分别为由嵌入了位信息“1”和位信息“0”的数据计算得到的可靠性分布距离d。

同样地，每个分布曲线602和603分别示出了最有可能出现的可靠性距离d的值，因为对应该可靠性距离d的出现频率的分布较大。注意一个位信息对应一个可靠性距离d。

图6中的分布曲线601、602、603都为正态分布状态。下面将利用中心极限定理来介绍该正态分布曲线的组成原因。

<中心极限定理>

该定理揭示了：当从具有均值m_c和标准误差δ_c的全体域(不需要为正态分布)中随机抽取大小为n_c的样本时，具有样本均值s_c的分布近似于具有增大的n_c的正态分布N(m_c，s_c/√n_c)²)。

一般地，全体域的标准误差δ_c是未知的，然而，如果样本数n_c足够大，且全体域中的数N_c足以比样本数n_c更大，那么在常规的做法中，可以使用样本的标准误差s_c来代替δ_c。

本实施例中，每个子集A和B都包括N个元素(A＝{a₁，a₂，…，a_N}，B＝{b₁，b₂，…，b_N})，且这些集合为具有子集A和B元素的像素值，如图5所示。如果设定N足够大且像素值a_i和b_i没有关联，则可靠性间隔d(∑(a_i-b_I)/N)的期望值变为0。正如从中心极限定理能够得知：该可靠性间距d构成了一正态的分布。

因此当从可靠性间距d确定嵌入的位信息时，将在0到可靠性间距2c之间引入一个适当的门限值，并且当可靠性间距的绝对值比门限值大时，则确定信息已被嵌入，则在统计上完成了信息的可靠提取。

例如，令δ为正态分布601的标准误差。那么，如果没有嵌入附加信息，则在图6阴影部分所示出的-1.96δ到+1.96δ(95％的可靠性范围)的范围内，可靠性间距有95％出现的可能性。

因此，在门限值范围以外出现可靠性间距d的概率随着门限值的增加而降低，则能够提取高可靠性信息。

另外，如果设定一个大的嵌入深度“c”，则正态分布602和603将从分布状态601分离开，因而能设置一个大的临界值。

如果子集A和B中的元素数N是大的，则正态分布601、602和603的标准误差δ变小，并且如果嵌入深度c保持不变，则能确定更高的可靠性。

已经介绍了拼凑方法的基本思想。

本实施例中，数字水印形成单元204和数字水印提取单元30就是使用前述的拼凑方法。

下面将介绍常规的述字水印嵌入、提取和消除方法。

<嵌入位置确定单元>

由于拼凑方法嵌入包括许多位的附加信息，每个位信息都需要子集A和B。因此，为了嵌入多条位信息，必须确定A和B、A′和B′、A″和B″、…的位置。

图4的嵌入位置确定单元401确定需要嵌入若干条位信息的嵌入位置。作为一个简单的嵌入位置确定方法，可能使用利用随机数来确定位置的方法。许多比特以良好的稳定性嵌入整个图像，以便相应的子集元素几乎是均匀分布的，而且子集之间不互相重叠。

例如，简要介绍使用与图像具有同样大小的白噪声掩码的方法。

白噪声掩码是由二维分布的掩码像素组成的，每个掩码都有一个在0至255范围内的系数。在0至255之间的白噪声掩码的每个系数都被赋予了差不多相同数目的掩码像素。

例如，当原始图像具有2000×2000像素(＝4000000个像素)时，由于一个白噪声掩码配置了与原始图像像素数相同的掩码像素数，则有15625(＝4000000/256)个掩码像素具有“0”值。这样的掩码像素是随机分布的，以形成白噪声掩码。

因此，一旦嵌入1比特附加信息，则当将具有奇数灰度级的掩码像素指定给子集A，而将具有偶数灰度级的掩码像素指定给子集B时，则子集A和B具有相同的像素数且互相不重叠，而附加信息能以良好的稳定性嵌入整个图像。

当嵌入许多(M)条位信息时，像素数被均匀的分配给每个位信息(1至M)(例如，将设定的白噪声掩码的范围除以2M，余数均匀的分配给子集A或B)，则嵌入多条位信息。

如果每个像素都用8比特表示，则由于灰度级数为256，因而能嵌入的最大的比特数M为128。该最大值仅满足一个散列值(64或128比特)，但如果加入另外的信息(如版权保护信息)，该值将不充分。然而，当一幅图像被分割为四部分，且为相关的分割块配置白噪声掩码，则能嵌入128×4＝512比特。如果分割块数大于4，嵌入的比特数也会增加。然而，如果分割块数增加，则由于正态分布很难形成，所以嵌入信息的提取可能会经常失败。因此，确定分割块数应与原始图像的大小相应。

因此嵌入位置确定装置仅需产生事先准备的掩码模式。注意在嵌入中使用的、相同的掩码是在提取和分离数字水印的一侧准备并使用的。

<附加信息嵌入单元>

附加信息嵌入单元402接收图像数据I、附加信息E_s(H)，以及如上所述的由嵌入位置确定单元401确定且与相应的比特一致的嵌入位置。

按照组成输入的附加信息E_s(H)的位信息，计算与每个二进制数相对应的子集A和B的像素的像素值。

如在拼凑方法部分中介绍的，如果位信息为“1”。则从子集A的像素的像素值加上“C”，而从子集B的像素的像素值减去“C”。如果位信息为0，则从子集A的像素的像素值减去“C”，而把子集B的像素的像素值加上“C”。通过前述的处理，附加信息嵌入单元402嵌入附加信息E_s(H)。

通过前述方法可以嵌入附加信息。然而，如果执行上面的方法，同时满足c＞a_i或a_i＞255-c和c＞b_i或b_i＞255-c的嵌入的像素的像素值a_i′和b_i′变为a_i′(b_i′)＜0或a_i′(b_i′)＞255。因此数字水印消除单元(后面将介绍)在这些像素位置不能恢复原始图像的像素(即a_i和b_i)。

本实施例用于实现满足这样的条件的像素的嵌入处理：c≤a_i≤255-c和c≤b_i≤255-c，而对落在该范围之外的像素值不执行任何嵌入。所以，在上面的叙述中，当嵌入M比特时，“白噪声掩码呈现的范围被划分成2M份”，但必须提前排除那些范围。注意不进行嵌入处理的像素的位置信息必须作为溢出位置信息输出，并输入到数字水印提取单元和数字水印消除单元(后面将介绍)。

<数字水印提取装置>

下面将介绍本实施例中的数字水印提取装置302。数字水印提取装置302具有如图7所示的结构。

如图7所示，数字水印提取装置302包括嵌入位置确定单元701、附加信息提取单元702、统计测试单元703、比较单元704和附加信息消除单元705。

数字水印提取装置接收数字水印嵌入数据wI′。嵌入位置确定单元701产生在该位置处嵌入数字水印(与在数字水印形成装置204中使用的白噪声掩码相同的模式)的位置信息。在输入的将要从其嵌入数字水印的位置信息的基础上，对于数字水印嵌入数据，附加信息提取单元702执行一预定的过程，则计算与嵌入到图像数据wI′内的附加信息E′_s(H)相对应的可靠性间距d。统计测试单元703统计测试与由附加信息提取单元702计算的附加信息E′_s(H)相对应的数据的精度。如果确定附加信息E′_s(H)足够精确，则比较单元704提取附加信息E_s(H)。如果附加信息不准确，则输出“无信息”。如果嵌入了信息，附加信息消除单元705利用输入的图像数据wI′、来自于嵌入位置确定单元701的嵌入位置信息和溢出位置信息来消除数字水印。

下面将详细介绍用于从嵌入有数字水印的图像数据wI′来提取附加信息E′_s(H)的数字水印提取单元的操作。

<嵌入位置确定单元>

嵌入位置确定单元701确定从其提取出附加信息E′_s(H)的图像数据wI′的区域。嵌入位置确定单元701执行与嵌入位置确定单元401相同的操作。由此单元401和801确定相同的嵌入位置。确定的嵌入位置信息被输出到附加信息提取单元702和附加信息消除单元705。

<附加信息提取单元>

附加信息提取单元702计算与每个比特相对应的可靠性间距d，该比特来自于嵌入位置确定单元701确定的嵌入位置。在这种情况下，由于像素中没有嵌入附加信息，单元702不使用在计算可靠性距离d中由输入的溢出位置信息表示的像素。

<统计测试单元>

统计测试单元703统计的分析与从附加信息提取单元702输出的每个比特相对应的可靠性距离d的精度。如果嵌入了多条位信息，将获得多个可靠性间距d。如果嵌入附加信息E′_s(H)，则可靠性间距d出现在与图6内中心O相距2c的一个位置上。

这时，随着增大的嵌入深度c，可靠性距离d出现在离图6中心O更远的位置上。因此，如果门限值限定在位置c，而且获得比c大的可靠性间距d，则确定嵌入的位信息为“1”；如果获得可靠性距离d比-c小，则确定嵌入的位信息为“0”。

因此，，随着嵌入深度“c”的增加，一旦嵌入附加信息，正态分布601、602和603之间的间隔也随之增加，并确保提取信息的更高可靠性。同时，随着子集A和B的元素数N的增大，正态分布601、602和603的标准误差随之下降。因此，通过增加嵌入深度“c”以及子集A和B的元素的数目N，即使在门限值为“c”时，也能得到高可靠性的提取信息。

注意当没有嵌入信息时，可靠性间距d(更可能的)出现在从-c到c的一个窄范围内而且通过利用该因素可以确定这样的情况。

尤其是，当与若干比特相应的给定数目的或更多数目的可靠性距离d出现在范围-c到c之间时，本实施例的统计测试单元703确定没有嵌入信息，并显示一条消息来表示这样的结果。

<比较单元>

图7中的比较单元704被提供有与经过附加信息提取单元702和统计测试单元703输出的各条位信息相对应的可靠性间距d的值。

由于与输入到比较单元704的若干条位信息相对应的可靠性间距d是高度可靠的，那么仅仅依据与每个位信息相应的可靠性间距d的正负号来确定是“1”或“0”。

尤其是，如果给定的用于组成附加信息E′_s(H)的位信息的可靠性间距d比“c”大，则确定出该位信息为“1”，如果可靠性间距d比“-c”小，则确定该位信息为“0”。

<附加信息消除单元>

下面介绍附加信息消除单元705执行的操作。附加信息消除单元705接收附加信息E′_s(H)的嵌入位置、图像数据wI′和溢出位置信息，并输出其中消除了附加信息的图像数据I′。

在与数字水印形成单元中附加信息嵌入单元402嵌入的位置相同的位置上，在嵌入时通过改变嵌入深度“c”的符号将嵌入深度“c”加到与相应的比特相匹配的子集，以此来消除附加信息并恢复原始图像。

尤其在组成附加信息E′_s(H)的预定的位信息的嵌入位置，如果位信息为“1”，则执行操作：

a′_i＝a_i-c

b′_i＝b_i+c

如果位信息为“0”，则执行操作：

a′_i＝a_i+c

b′_i＝b_i-c

则在嵌入前恢复像素值。在这种情况下，利用了输入的溢出位置信息。因此，由于在溢出位置上的像素中没有嵌入附加信息，该像素不用进行消除。

通过前面提到的运算，附加信息消除单元705从嵌入了数字水印的数据wI′中消除了数字水印并输出其中的消除了数字水印的图像数据I′。

在前述的实施例中介绍了使用数字签名作为鉴别信息的方法。然而，本发明不局限于该特殊的方法，包括例如，使用MAC(消息鉴别码)作为鉴别信息的方法。另外，除了数字签名和MAC，还可能包括至少一个或更多的日期信息、位置信息、时间信息、装置的独特信息和签名人的专有信息。

此外，在上面的实施例中，使用的附加信息可以转换为纠错码。通过这种方式可以进一步改善提取的附加信息Inf的可靠性。

注意在嵌入信息的一端和鉴别嵌入的信息的一端可以通过软件来实现装置的大部分组合元件，即图2和图3中所示的相关处理装置能由软件来实现。

在这种情况下，装置的结构可以是这样一种通用的装置：普通个人电脑或类似装置，例如，能使用图1所示的结构。

图1示出了应用于本实施例的图像处理装置的总体结构。参照图1，主机101为例如广泛使用的个人电脑。

在主机101内，通过总线107把下面将要介绍的相关部分连接起来以交换不同的数据。

参照图1，标号103表示CPU，它能控制相关内部单元的操作或执行内部存储的程序。标号104表示一能存储引导程序和BIOS的ROM。标号105表示一暂时存储用于CPU执行操作时的程序或将要处理的图像数据的RAM。标号106表示一硬盘(HD)，它能预先存储将要传送到RAM或类似单元的程序和图像数据，并能保存处理过的图像数据。当主机作为签名装置使用时，硬盘106存储与图2相应的、在操作时被调入RAM 105的程序。当主机作为鉴别装置使用时，硬盘106存储与图3相应的、在操作时被装入RAM 105的程序。

标号108表示一CD驱动装置：它能装入存储在作为一种外置的存储介质CD(CD-R)上的数据，或者将数据写在CD-R上。标号109表示一与CD驱动装置108类似的且能从FD装入数据或将数据写入FD的FD驱动装置。标号110表示一与CD驱动装置108相似的且能从DVD装入数据或将数据写入DVD的DVD驱动装置。注意当图像编辑程序或打印机驱动程序存储在CD、FD、DVD或类似物上时，这样的程序在需要时被装入HD 106并传送到RAM 105。这些存储介质用来存储原始图像，并在存储的图像中嵌入特征信息，或者鉴别存储在现有存储介质上的标识图像。

标号113表示一连接到键盘111和鼠标112以接收从其输入的指令的接口(I/F)。标号114表示一包括有图像控制器和视频存储器(未示出)的显示控制器，用以产生与显示有关的控制，并通过把映射到视频存储器上的图像输出到显示设备115来显示图像。标号115表示用于连接到互联网的通讯接口(例如，调制解调器、以太网转换器或类似装置)。通过通信接口115能发送或接收附加有特征信息的信息。

注意用于输入图像数据的装置不局限于前面提到的装置，也可代之以扫描仪或类似物。

如上所述的，依据本实施例，数字信息和签名信息以不可分割的状态设置，而且签名信息经过类似的格式变换而被发送到鉴别装置。

[变换类型]

在上述实施例中，应用了拼凑方法。下面的叙述中将介绍本申请的其它例子。

另外提出了从图中提取嵌入的作为数字水印的信息并且从该图像完全恢复原始图像的技术。

一种嵌入方法简单的表示为：

I′_j，i＝I_j，i+c_j×a_i×x_i (1)

其中j为表示附加信息Inf的区域和比特位置的正数，i为表示像素位置的正数，I′_j，I为嵌入了数字水印的图像，如果Inf_j＝“1”，则c_j为常数+1，如果Inf_j＝“0”，则c_j为常数-1，a_i为加权系数，而x_i为落在-1到+1之间的伪随机数序列。x_i称为用来嵌入数字水印的载波信号。

在恢复操作时，首先提取嵌入的数字水印。利用提取的数字水印，通过下述等式恢复原始图像：

I″_j，i＝I′_j，i-c_j×a_i×x_i (2)

其中I″_j，i为被恢复的图像数据，I′_j，i为输入到图像恢复装置的图像数据，如果由数字水印提取单元提取的附加信息Inf中的位元为“1”，则c_j为常数+1，如果位元为“0”，则c_j为常数-1，而a_i和x_i与等式(1)中表示的相同。

下面将详细介绍等式(1)给出的数字水印的形成和等式(2)给出的原始图像恢复。

图14示出了由等式(1)给出的数字水印的形成的例子。各个矩阵表示图像的各个部分。图14示出了位信息为1即c_j＝+1的情况。

在恢复端，首先提取数字水印。下面简要介绍该提取算法。检测在输入图像I′的一个4×4的像素区域内的像素值和一个伪随机数序列x_i(如上所述的，与在嵌入侧产生的随机数序列相同)之间的相关性。如果输入的图像I′和伪随机数序列x_i之间的相关性高，则确定嵌入的位元为“1”。另外，如果输入的图像I′和-x_j(通过改变相应的伪随机数序列的元素的符号而获得的结果)之间的相关性高，则确定嵌入的位元为“0”。如果两个相关性都低，则确定没有嵌入数字水印信息。在图14中解释了4×4像素区。然而，如果一个位元仅仅嵌入到一个区域，则不能期望得到高精度，如图14所示，对许多区域(例如n像素区)采取这样的方法来改善整体的精度。如果嵌入了m个位元，则重复m次向n像素区中嵌入一个位元这样的过程。

在以这样的方式提取数字水印之后，执行消除该数字水印信息的过程。

图15示出了消除图14所示的例子中嵌入的数字水印的过程。在这种情况下，嵌入的位信息为“1”。如图14和15所示，一般情况下可完全消除嵌入的数字水印并恢复原始图像。

另外，图16也示出了由等式(1)给出的数字水印形成的例子。在图16所示的例子中，嵌入有数字水印的图像数据包括溢出的像素(那些在数字水印的形成之后具有像素值“262”和“261”的像素)。在这种情况下，采取了图16所示的舍入处理。数字水印可能从没有进行任何舍入处理的图像中被正确的提取，但是原始图像不能从进行了舍入处理的部分完美的恢复。

本质上，通过前面提到的方法，可从嵌入有数字水印的数字数据恢复在数字水印形成之前的数字数据，但是如果由于数字水印的形成而发生了溢出，则不可能完全的恢复在数字水印形成之前的数字数据，如上所述。注意溢出是这样一种现象：如果I_i，j由0到255之间的整数(8位)表示，在经过等式(1)的处理后，I′_i，j具有落在该范围之外的值。小于0的值通常被舍入为0，大于255的值通常被舍入为255。如果执行了这样的舍入处理，则不可能通过数字水印消除装置完全的消除数字水印。

由于这个原因，则很难在发生溢出的地方完全恢复原始图像部分。

因此本实施例能够实现原始数字数据的完美再现。

[数字水印的形成]

下面将介绍本实施例中的数字水印形成装置。本实施例中的数字水印形成装置嵌入附加信息以便能够完美的再现在数字水印形成之前的图像数据。

图9示出了数字水印形成装置的内部结构。下面将利用图9来解释数字水印形成装置的处理流程图。

图像I被输入到数字水印形成装置。为了简化，图像I为具有每像素8比特精度的灰度多值图像数据。然而，本发明不局限于这样的特定数据，而且可能输入具有预定数目比特的灰度多值图像数据。另外，当输入一包括有许多元素的彩色图像时，可以选择一个或许多元素作为输入的图像或图像组。该输入的图像I被输入到溢出区域检测单元2201和数字水印形成单元2203。

首先将介绍溢出区域检测单元2201。该溢出区域检测单元2201接收图像I，并且如果由下一个数字水印形成单元2203进行的数字水印形成处理后发生了溢出，则检测用于组成输入的图像I的所有像素，提取发生溢出的所有像素的位置。同时输出这些像素的坐标信息。

在下面的叙述中，发生溢出的像素(0，1，或在某些情况下更多)的位置信息将用溢出信息R来指代。溢出信息R将被输出到编码单元2202和数字水印形成单元2203。后面将更详细的介绍溢出区域检测单元的操作。

下面将介绍编码单元2202。编码单元2202接收溢出信息R和附加信息Inf，并把该溢出信息R和附加信息Inf组合为一简单的代码序列，并输出该组合的代码序列w。例如，w具有图11所示的格式。注意w用来将作为数字水印的代码序列由数字水印提取单元2203嵌入到图像I。由于这个原因，为了实现有效的数字水印形成处理，可以对w进行压缩编码。另外，如果附加信息Inf为私人信息，可加密w。为了即使在嵌入了作为数字水印的附加信息Inf和将把该附加信息作为不同破坏的结果而变更为另一种信息之后，也可以正确提取附加信息Inf，可把w转换为纠错码。在任何情况下，从嵌入处理开始，都包含有由溢出信息R所指示的像素位置，并且利用了在那些位置的原始图像的像素值。

下面将介绍数字水印形成单元2203。数字水印形成单元2203接收图像数据I、溢出信息R和代码序列w，把代码序列w作为数字水印嵌入到图像I，并输出嵌入有数字水印的图像I′。注意由溢出信息R所指示的像素不进行数字水印的形成处理。因此数字水印形成单元2203不会产生任何由于数字水印的形成而引起的溢出。后面将更详细的介绍数字水印形成单元2203的操作。

如上所述的，将作为数字水印的附加信息嵌入到图像I，则产生嵌入有数字水印的图像I′。

[图像恢复装置]

下面将用图10来介绍本实施例的图像恢复装置。图像恢复装置执行这样的过程，用以把嵌入有数字水印的图像恢复为在数字水印形成之前的图像数据。

图像恢复装置通过前面提到的方法接收嵌入有数字水印的图像I′。该输入的图像I′被输入到数字水印提取单元2301和数字水印消除单元2303。

首先解释数字水印提取单元2301。数字水印提取单元2301接收嵌入有数字水印的图像I′，提取嵌入的代码序列w，并输出该提取的代码序列w。数字水印提取单元2301使用输入的图像I′的所有真实像素来提取数字水印。也就是说，对所有像素连同那些由溢出信息R(在由溢出信息R所述的位置没有嵌入数字水印)表示的并排除在数字水印嵌入目标之外的像素进行数字水印提取。后面将更详细介绍数字水印提取单元2301的操作。提取的代码序列w输出到译码单元2302。

下面将介绍译码单元2302。译码单元2302接收由单元2301提取的代码序列w，把它分为组成代码序列w的溢出信息R和附加信息Inf，并输出该分割的溢出信息R和附加信息Inf。当编码单元2202对w进行压缩编码，译码单元2302执行解压译码的处理。同时，当编码单元2202对w进行加密后，译码单元2302执行一个解压译码的处理以对加密数据解密。另外，当编码单元2202把w转换为纠错码时，译码单元2302执行纠错译码处理以便纠正错误。溢出信息R和附加信息Inf被输出到数字水印消除单元2303。

下面将介绍数字水印消除单元2303。数字水印消除单元2303接收嵌入有数字水印、溢出信息R和附加信息Inf的图像I′，利用附加信息Inf在执行数字水印之前从嵌有数字水印的图像I′中恢复出原始图像，并输出该恢复的图像I。在该恢复处理中，排除了由溢出信息R指示的像素。这是因为在通过前述的数字水印形成单元2203由溢出信息R指示的像素没有嵌入数字水印。后面将更详细的介绍数字水印消除单元2303的操作。

如上所述的，从嵌入有数字水印的图像I′恢复出在形成数字水印之前的图像I。

[数字水印处理的细节]

下面将举例说明形成数字水印的细节。

下面将分析n比特信息Inf嵌入图像I(即嵌入上述实施例的信息w)的情况。在这种情况下，图像I被分割为n个不重叠的区域I_j(j＝1，2，…，n)。那么数字水印的形成过程给定为：

I′_j，i＝I_j，i+c_j×a_i×x_i (4)

其中j为表示附加信息Inf的区域和位元位置的正数，I为表示像素位置的正数，I′_j，i为嵌入有数字水印的图像，如果Inf_j＝ “1”，则c_j为常数+1，如果Inf_j＝“0”，则c_j为常数-1，a_i为加权系数，而x_i为落在范围-1到+1之间的一伪随机数序列。x_i称为用于实现嵌入数字水印的载波信号。

令a_max为加权系数呈现的最大值(正值)，而x_max为x_i所能达到的最大值(正值)。那么仅当满足条件：

a_max×x_max≤I≤255-a_max×x_max (4)时执行等式(3)给定的算术操作。

在这种情况下，由于a_I和x_i的相应元素值是同步出现的，并且在用于嵌入数字水印的装置和提取数字水印的装置中时已知的，等式(4)可进一步扩展为：

a_i×x_i≤I≤255-a_i×x_i (4′)

如果不满足等式(4)(或等式(4′))的条件，则把像素位置记录为溢出信息R。在普通的自然图像中，不满足等式(4)给定的条件的像素数(也就是排除嵌入的像素数)比整个图像的像素总数小的多。这表明溢出信息R有相对小的信息量。因此，当通过编码单元2202将溢出信息R作为代码序列w进行组合而后通过数字水印形成单元2203将代码序列w作为数字水印嵌入时，该信息大小也是忽略不记的。如上所述，由于在满足等式(4)(或等式(4′))给定的条件下通过等式(1)嵌入数字水印，则能没有溢出地执行数字水印形成过程。

[图像恢复处理的细节]

下面将举例说明图像恢复处理的细节。

代码序列w作为数字水印而嵌入到输入的图像I′。为了使用等式(3)来提取数字水印，从用于嵌入数字水印的载体信号x和输入到数字水印提取单元的图像I′来计算PFA，而且无论是否嵌入了数字水印，也无论位元为“0”还是“1”，在计算结果的基础上确定是否嵌入了数字水印。

注意PFA表示实际上没有嵌入数字水印时，错误检查数字水印的概率。为了计算该概率，使用了称为统计测试的方法。统计测试对于本领域技术人员来说是公知技术。关于提取数字水印时使用统计测试的例子的更详细的说明，参考1996年9月出版的I.C.I.I.P会刊，215至218页I.Pitas著的“A methodfor signature casting on digital images”。利用统计测试，为每个位元进行计算以测试值q_j。该测试值q_j遵循零均值和误差＝1的标准正态分布，但当数字数据中嵌入有数字水印时，它遵循非零均值和误差＝1的正态分布。依据计算出的分析值q_j和0之间的距离，确定出是否嵌入了数字水印。

另外，使用该计算得到的测试值q_j则能计算作为数字水印而被嵌入的信息。当用等式(3)嵌入数字水印时，如果q_j为正，则确定位元为“1”，或者如果q_j为负，则位元为“0”。

如同用于提取数字水印的原理，参考现有技术的内容。

前述的数字水印提取处理，用于实现所有的像素，也包括那些由于其不满足等式(4)(或等式(4′))给定的条件通过数字水印形成单元2203而没有嵌入数字水印的像素。由于不满足等式(4)(或等式(4′))给定的条件的像素数比整个图像的像素总数小，在提取数字水印时，即使包括上述的那些像素，也能正确的提取数字水印。

以这种方式提取的数字水印为由溢出信息R和附加信息Inf组成的代码序列w，而且代码序列w被分割为溢出信息R和附加信息Inf。之后，数字水印消除单元执行：

If ic R then I″＝I′

else I″＝I′_j，i-c_j×a_i×x_i (5)

其中I″_i，j为恢复的图像数据，I′_i，j为输入到图像恢复装置的图像数据，如果由数字水印提取单元提取的附加信息Inf中的位元为1，则C_j为常数+1，或者如果该位元为“0”，则C_j为常数-1，而a_i和x_i与等式(3)中的意义相同。也就是，如果i不包括在溢出信息R中，则执行与等式(3)相反的处理；如果i包括在溢出信息R中，则没有执行任何处理。

当通过前述的处理正确提取出代码序列w时，该恢复的图像I″与原始图像I相同。

[实际装置的说明]

对于本领域技术人员来说，通过执行前述处理的程序，容易实现用于嵌入数字水印的装置和用于提取该嵌入的数字水印并恢复原始图像的装置。

图8示出了该装置的实用结构，以及与数字水印的嵌入相关联的过程(程序)，并且在介绍图8之后，介绍恢复处理(程序)。

参照图8，主机2101例如为一广泛使用的个人电脑。

下面将要介绍的，在主机2101内部的相应单元经过总线2107连接起来以交换不同的数据。

参照图8，标号2102代表一监视器(显示设备)，而2103代表一CPU，它能控制相应的内部单元的操作或执行内部存储的程序。标号2104表示一存储引导程序和BIOS的ROM。标号2105代表在由CPU执行一处理时，暂时存储程序或将要处理的图像数据的RAM。标号2106代表一硬盘，它能预先存储将要传递到RAM或类似单元的程序(OS和图像处理程序)和图像数据，并能保存处理过的图像数据。

标号2108表示一CD驱动装置：它能装入存储在作为一种外置的存储介质CD(CD-R)上的数据，或者将数据写在CD-R上。标号2109表示一与CD驱动装置2108类似的且能从FD装入数据或将数据写入FD的FD驱动装置。标号2110表示一与CD驱动装置2108相似的且能从DVD装入数据或将数据写入DVD的DVD驱动装置。注意当CD、FD、DVD或类似物存储图像编辑程序或打印机驱动程序时，这样的程序在需要时被装入HD 106并传送到RAM 105。标号2113代表一与键盘2111和鼠标2112相连的并能接收从其输入的指令的接口(I/F)。标号2114代表用于连接至网络例如互联网的通信接口。

嵌入有数字水印的图像的输出终端可能是类似HD、FD的存储介质，或者是网络上的文件服务器。也同样应用于接收嵌入有数字水印的信息的介质。

当前述的装置用做数字水印嵌入装置时，则按照图18的流程执行。注意下面将要介绍的同该流程关联的程序被安装在HD 2106上。同时，将要嵌入的信息从例如键盘输入。或者也可使用预先存储在HD 2106、ROM 21047、RAM 2105或类似物上的信息。

在步骤S101中，输出将要嵌入数字水印的图象数据。输入源没有特别的限定，图象数据可以是从网络下载的，或是使用图象扫描仪之类的装置输入的。在步骤S102中，检测来自于输入的图象数据的所有溢出像素的位置，并且作为溢出信息R保存在RAM 2105中。预先输入的附加信息Inf和溢出信息R被组合编码(通过可逆编码)来产生将要在应用时嵌入的信息w，且该信息暂时保存在RAM 2105中。

输入的图象数据中的每个像素被选做要研究的像素，并校验所要研究的像素是否包含在溢出信息R中。如果该像素的位置不包括在溢出信息R中，则从信息w中提取1个比特，并且执行与该比特状态相一致的数字水印形成过程。

另外，如果所研究的像素位置包括在溢出信息R中，则没有执行任何数字水印形成过程。

这个过程重复于所有的位信息和像素(步骤S106和S107)。一旦完成用于所有的位信息和所有的像素的处理，则嵌入有数字水印的图象数据被输出到RAM2105或HD 2106(步骤S108)。

如果信息w的所有比特的嵌入是在所有像素的嵌入完成之前完成的，可能嵌入假程序信息或信息w可能被重复嵌入。

其结果，嵌入之后的图象信息I′产生在RAM上。该图象I′作为文件最后被存储在例如HD或类似介质上。之后，该图象I′可能经过网络传递或存储在例如可拆装的介质上。

下面将用图19来解释用于提取数字水印和恢复原始图象的过程。

嵌入有数字水印的图象数据I′输入到RAM 2105(步骤S1201)。如上所述的，输入源并未受到特定限制。之后，在步骤S1202中，从嵌入图像I′中提取出数字水印信息。数字水印的提取原理与上面介绍的相同。

在步骤S1203中，该提取的信息被译码以将信息w(＝溢出信息R+嵌入的信息Inf)存储在RAM 2105中，这样就完成了提取处理。注意嵌入的信息Inf可能显示在显示屏上。

在步骤S1204中，图象数据中的每个像素都被选做为要研究的像素，并校验所研究的像素位置是否包含于溢出信息R中。

如果所研究的像素不包含在溢出信息R中，则在步骤S1205中执行数字水印消除处理。

另外，如果所研究的像素包含在溢出信息R中，则跳过用于该像素的数字水印消除处理，并且利用所输入的图象数据的像素值。

所执行的这种处理用于所有的像素(步骤S1206)。一旦完成用于所有像素的处理，则通过消除数字水印，重现原始图象。在需要时，该结果(原始图象数据)被输出到RAM 2105、HD 2106或类似的装置，并且将之显示。

在上面的实施例中，溢出像素数比整个图象的像素总数相对小的多。即，溢出信息R的信息容量相对较小，并且随数字水印一起相对稳定的嵌入信息R。例如，这种情况适用于类似照片之类的自然图象。

另外，随图象数据的类型，溢出信息R可以有大信息容量。例如，当数字水印嵌入亮度值时，当图象的整个亮度或高或低时，溢出信息R变大。

当溢出信息R的容量变得很大时，包含溢出信息R的代码序列W的信息容量也变得很大，并且该代码序列w不能作为数字水印被嵌入。因此，溢出信息R的信息容量最好减至最小。下面将介绍用于减少溢出信息R的容量的过程的例子。

图12示出了数字水印形成装置的内部结构。与图9所示装置的不同之处在于增加了校正单元2501和用于处理信息的编码单元2503。由于其它操作同图9所示的相同，由此将其省去。

图象数据I被输入到校正单元2501，该单元执行一校正过程以减少溢出信息R的信息容量，并输出校正后的图象数据I和表示执行校正类型的校正信息C。

校正的过程是用于减少溢出信息R的信息容量的过程。例如，当整个图象的亮度为高时，则执行从所有的像素值减去一给定的量(d)的过程。在这种情况下，表示“从整个图象的像素值中减去给定的量(d)”的信息作为校正信息C被输出。

另外，除了溢出信息R和附加信息Inf之外，编码单元2503还对校正信息C编码。如图20所示，编码后的代码序列w包括校正信息C、溢出信息R和附加信息Inf。

通过前述的过程嵌入数字水印。下面将介绍图象恢复装置。

图13示出了本实施例中的图象恢复装置的内部结构。同图10所示装置的不同之处在于增加了反向校正单元2604和处理存储信息的译码单元2602。由于其它操作同图13和10中的相同，则将其省略。

译码单元2602接收由数字水印提取单元2601提取的代码序列w，并对该输入的序列w进行译码以获取附加信息Inf、溢出信息R和校正信息C，并将它们输出。

反向校正单元2604接收通过数字水印消除单元从中将数字水印消除的图象数据I和由译码单元2602对其进行译码的校正信息C，并且该单元执行同校正单元2503执行的过程相反的过程，并输出校正后的图象数据I。例如，如果表示“从整个图象的像素值减去给定的量(d)”的信息作为校正信息被输入，则校正单元2604执行这样的处理：将一给定量(d)加到整个图象的像素值。

通过上面的过程，能从输入到图象恢复装置的图象数据I′完美的再现数字水印形成之前的图象数据I。

下面将举例介绍校正信息C的确定方法。

检测将嵌入数字水印的图象的亮度分布。例如，如果亮度值的出现率比在低亮度区的大，则产生校正以变换发光率至低亮度区。相反地，如果低度值的出现率比在高亮度区的大，则产生校正以变换发光率至高亮度区。

在一些情况下，可能进行下述处理。为了容易理解，下面将分析使用图象扫描仪(每像素8比特)来读取印有文本的纸张且该读取的图象作为图象I而被使用的情况。

一般的，如图21所示，当读取印有文本的文件(二元图象)且用亮度值来表示相应的像素时，像素的分布集中在最高和最低亮度值部分，且在它们之间几乎没有像素。

在这种情况下，如果所有的像素值加上或减去一给定的值，则在高或低亮度侧发生溢出。因此，执行以下处理。

由于低亮度范围分布在亮度值0至a之间，则找出与0出现率相一致且满足等式(4)(或等式(4′))的中间亮度值，且用找出的亮度值来代替低亮度值。例如，如果找出50到50+a之间的亮度值，则0至a的亮度值转换为50至50+a之间的值(0转换为50，1转换为51，…)。对于高亮度范围也进行了相似的处理。即高亮度范围变换为较低的亮度范围。

作为上述过程的结果，尤其在类似于文本的二元图象的情况下，如果校正信息C表明亮度值0至a和亮度区b至255之间的转换值，则能完美的恢复原始图象。在上面的叙述中，图象用亮度分量表示，然而，本发明不局限于此，图象也可用其它类似色度的分量表示。

如上所述的，按照上面的实施例，当溢出像素(数字数据的组成元素)没进行嵌入处理且作为数字水印的信息嵌入到任何没有溢出的像素时，能完美的恢复原始图象数据。

注意如上所述的，本发明能通过运行在计算机上的程序来实现。因此，本发明包括一计算机程序。由于本发明能通过给计算机提供程序来实现，则用于将程序代码输给计算机的装置即用于存储程序代码的存储介质也在本发明范围内。

类似这样的存储程序代码的存储介质，例如，可以使用软盘、硬盘、光盘、磁光盘、CD-ROM、磁带、永久性存储器卡、ROM或类似物。

可以独自控制与提供的程序代码相匹配的不同设备的计算机，不但可以通过这样的计算机来实现上述实施例的功能时，而且在协同运行在计算机上的程序代码和OS(操作系统)或其它软件来实现该实施例的功能时，这样的程序代码都包括在本发明的范围内。

另外本发明的范围还包括这样一种情况：提供的程序代码存储于安装在计算机主板上的存储器或与计算机相连的功能扩充装置，安装于该功能扩充板或装置上的CPU在程序代码指令的基础上执行一些或所有的有效过程，并通过这些过程实现本实施例。

如上所述的，依据本发明，当鉴别信息与数字信息不可分开的设置时，总能检测到信息是否被篡改，而且只要原始数据不被篡改总能将其恢复。

可以嵌入数字水印，而且嵌入有数字水印的原始数字数据能被再现。

因为可以在不脱离本发明精神和范围的情况下，产生许多不同的实施例，所以可以理解本发明不局限于所限定的具体实施例而是由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种用于将鉴别信息嵌入数字信息的信息处理设备，包括：

用于产生鉴别信息的装置，用于在将要把鉴别信息嵌入到其中的数字信息的基础上产生该鉴别信息；和

数字水印形成装置，用于通过向数字信息的每个组成元素增加或从数字信息的每个组成元素减去一个预定值，将所产生的鉴别信息嵌入到数字信息；

其中所述数字水印形成装置，如果在增加或减去之后，所述元素具有的值在元素的可变范围之内，则将鉴别信息嵌入组成元素，如果在增加或减少之后，所述元素具有的值在元素的可变范围之外，则不将鉴别信息嵌入组成元素。

2.根据权利要求1的设备，其中所述的鉴别信息为数字签名。

3.根据权利要求1的设备，进一步包括使用私人密钥给数字信息加密的加密装置，并且其中数字签名为使用和人密钥给数字信息加密而获得的数据。

4.根据权利要求1的装置设备，进一步包括用于计算数字信息散列值的散列值计算装置，和使用私人密钥给散列值加密的加密装置，其中数字签名为使用私人密钥给散列值加密而获得的数据。

5.根据权利要求1的设备，其中的鉴别信息为MAC。

6.根据权利要求5的设备，进一步包括用于计算数字信息散列值的散列值计算装置，和使用私人密钥对散列值进行算术运算的算术运算装置，其中MAC为使用私人密钥对数字信息的散列值进行算术运算而获得的数据。

7.根据权利要求2的设备，其中的鉴别信息除了包括有数字签名之外，还至少包括日期信息、位置信息、时间信息、设备的独特信息和签名人的专有信息中的一种。

8.根据权利要求1的设备，还包括用于输出指定要从嵌入过程中排除的组成元素的信息的输出装置。

9.一种用于鉴别数字信息的信息处理设备，其中将鉴别信息作为数字水印嵌入到数字信息，该设备包括：

用于输入指定不向其嵌入数字水印的组成元素位置的溢出信息的装置；

用于通过引用除溢出信息所指定的组成元素之外的组成元素，从数字信息提取出作为数字水印而被嵌入的鉴别信息，作为第一鉴别信息的装置，其中，所述消除是通过向除溢出信息所指定的组成元素之外的组成元素增加或从除溢出信息所指定的组成元素之外的组成元素减去一个预定值来实现的；

数字水印消除装置，用于通过从数字信息消除所述第一鉴别信息来恢复推测的原始数字信息；

生成装置，依据由所述数字水印消除装置恢复的推测的原始数字信息产生第二鉴别信息；和

用于将所述第一鉴别信息与所述第二鉴别信息进行比较的比较装置。

10.根据权利要求9的设备，进一步包括通知装置，在第一鉴别信息与第二鉴别信息互等时，通知输入的数字信息没有受到干扰，而在第一鉴别信息与第二鉴别信息互不相等时，通知输入的数字信息受到了干扰。

11.根据权利要求9的设备，其中所述的鉴别信息为数字签名。

12.根据权利要求9的设备，进一步包括使用私人密钥对数字签名进行加密的加密装置，其中比较单元把由解密第二鉴别信息而得到的信息与第一鉴别信息进行比较。

13.根据权利要求9的设备，进一步包括用于计算其中消除了数字水印的数字信息的散列值的散列值计算装置，和使用公共密钥对数字签名进行解密的解密装置，其中所述比较装置将使用公共密钥解密数字签名而得到的信息与散列值进行比较。

14.根据权利要求9的设备，其中的鉴别信息为MAC。

15.根据权利要求13的设备，进一步包括用于计算其中消除了数字水印的数字信息的散列值计算装置和使用私人密钥对MAC进行算术运算的算术运算装置，并且其中所述比较装置将使用私人密钥解密MAC而得到的信息与散列值进行比较。

16.根据权利要求9的设备，其中的鉴别信息除了包含有数字签名之外，还至少包括日期信息、位置信息、时间信息、设备的独特信息和签名人的专有信息中的一种。

17.一种将鉴别信息嵌入数字信息的方法，包括：

依据将要在其中嵌入鉴别信息的数字信息产生鉴别信息的步骤；和

通过向/从数字信息的每个组成元素增加/减去一个预定值，将所产生的鉴别信息嵌入数字信息的数字水印形成步骤；

其中所述数字水印形成步骤，如果在增加或减去之后，所述元素具有的值在元素的可变范围之内，则将鉴别信息嵌入组成元素，如果在增加或减去之后，所述元素具有的值在元素的可变范围之外，则不将鉴别信息嵌入组成元素。

18.一种鉴别其中将鉴别信息作为数字水印而嵌入的数字信息的方法，该方法包括：

用于输入指定不向其嵌入数字水印的组成元素位置的溢出信息的输入步骤；

提取步骤，通过引用除溢出信息所指定的组成元素之外的组成元素，从数字信息提取出作为数字水印嵌入的鉴别信息，作为第一鉴别信息；

数字水印消除步骤，用于通过从数字信息消除所述第一鉴别信息来恢复推测的原始数字信息，其中，所述消除是通过向除溢出信息所指定的组成元素之外的组成元素增加或从除溢出信息所指定的组成元素之外的组成元素减去一个预定值来实现的；

根据在数字水印消除步骤中恢复的推测的原始数字信息生成第二鉴别信息的生成步骤；和

将所述第一鉴别信息和所述第二鉴别信息进行比较的比较步骤。