CN1411590A - 用于在信息信号中嵌入水印的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及将水印W嵌入信息信号P中的一种方法，将水印W嵌入信息信号P中的一种相应的装置，具有嵌入水印W的一种信息信号P，和在其上存储具有嵌入水印W的信息信号P的存储介质(50)。通过根据所述信息信号P的数据为所述水印确定局部加权因数λ(P)，来实施这种方法，其中确定所述局部加权因数，以使当嵌入所述信息信号时该嵌入的水印W基本上不能感知。利用所述确定的局部加权因数λ(P)对所述水印W进行局部加权。然后将所述局部加权的水印嵌入所述的信息信号P中。当确定所述水印W的所述局部加权因数λ(P)时考虑所述信息信号的临时数据。

Description

用于在信息信号中嵌入水印的方法和装置
发明领域
本发明涉及一种用于在信息信号中嵌入水印的方法和装置，一种具有嵌入水印的信息信号，以及在其上储存具有嵌入水印的信息信号的一种存储介质。
发明背景
前述中的多媒体数据的数字化已经具有双重的效果。一方面在已经实现了信号的更快、更有效的存储、转送和处理的同时，另一方面，这种信号的复制和控制也已经变得非常简单和不可察觉的。随着像互联网之类的计算机网络的发展，在多媒体数据的版权侵犯上所涉及的安全也已经增加，它使得任何未经认可的复制的快速且无错误的动作以及可能操作复制多媒体信息。因此存在一种需要来在此种公开环境中保持一些类的版权信息。这些版权信息将需要既易于检测可是又难于删除。仅有的解决方案表现为：把一种次信号粘合到图像、视频或音频数据中，该次信号是不可察觉的并且与不能分的原始数据结合得如此好，并经受得住任意种类的多媒体信号处理。将这样的次信息通常称为水印。
水印图像本质上是按照如下方式的一种改变图像的像素值的过程，该方式确保该图像的观众在原始和水印图像之间不会注意到任何知觉改变。以任意的方式改变大量的像素值将导致引人注目的人为产物。一个图像的每个像素值只能够被改变到不对该图象质量产生可察觉差异的一个确定极限。
从WO 99/45705中已知一种用于把辅助数据嵌入信号中的方法。将该数据编码到一个或多个基础水印模型的相对位置或相位(phase)中。为了避免该水印检测过程需要在一个大空间上查找水印，则通过在图像的范围上重复称为″片″(tile)的较小单元来产生该水印。此外，计算也称为局部加权的一个局部深度映射或可见度屏蔽λ(P)。在每一像素位置，λ(P)提供了加性噪声的可见度的测量。
换言之，λ(P)测量对加性噪声引起的恶化的图像的局部灵敏度，并且在实际的情形中由一个Langrangian高通滤波器的响应幅度来确定L＝[-1 -1 -1；-1 8 -1，-1 -1 -1]。将在每个位置处片水印的值乘以在那个位置处λ(P)的可见度值。因此，具有嵌入水印的信息信号的方程式如下：
    Q＝P+λ(P)W                             (1)
在此，P是水印W被嵌入其中导致具有嵌入水印W的信息信号Q的那个信息信号。
下一步骤将检测一个特定的水印模型W是不是被包含在正被讨论的信号中。正被讨论的信号Q和水印模型W经受相关，其中，正被讨论的信号Q可能被预先滤波以便增加检测稳定性。如果相关值比一个给定的门限值更大则该水印模型W被检测为存在。
在Steven Weiss，Geoffrey Hoffman在计算机科学631：多媒体系统(Cornell大学，Ithaca，NY，1998)(也公布在如下网页上：http：//llholfy.hoffyiand.com/watermark/final.html)中的“水印MPEG视频”中，建议一种用于水印MPEG视频的方法。水印主要被应用到一个MPBG视频序列中的I帧。由于只有Y(亮度)信道被水印，为了编码这些帧，将一个帧首先从RGB分量转换为YUV分量，以便使得水印对任何种类的颜色改变更强。为了把该帧转换成为频率系数，对整个帧执行一个二维DCT以便获得包含所有DCT系数的一个相同尺寸的阵列。通过用DCT系数值换算水印值而把水印加到该帧中。这样，低值系数未被破坏同时仍然可能对大值系数产生一个影响。为了获得回到原来的图象，对该数据执行一个反离散余弦变换I-DCT。
如果在MPBG序列中的足够信息保持恒量或接近于恒量，则只有编码的I帧能够给出非常好的结果，并且同时也将是相当快速的。如果更多信息正在改变，则最好也对P帧进行编码。如果速度是最高优先级同时信号仍然需要被水印，那么仅仅水印I帧将给出不错的结果，只是稍微慢一点。
在第6次的ACM International Multimedia Conference(第6次的ACM国际多媒体会议)的Kankanhalli等人的“ContentBased Watermarking of Images”(基于图像水印的内容)(1998，Bristol，UK)中(也公布在网页上：http：//info.acm.org/sigmm/MM98/electronic_roceedings/kankanhalli/index.html)，建议一种基于诸如质地、边缘和亮度信息之类的局部区域图像内容来分析每个像素的噪声灵敏度的新方法。这导致被水印的图像的一个引人注目的失真掩模。然后，将水印的每个比特用伪噪声序列进行空间扩展并整形，以使它的幅度保持低于它被嵌入其中的那个像素的噪声灵敏度。
有关人类对图像的感觉的研究已经导致一个所谓的人类视觉系统(HVS)。在其上的细节被刊登于IEEE会议中Johnston等人的“Signal compression based on models of human perception”(基于人类感觉模型的信号压缩)(1993年10月，81(10)，第1385页到1422页)中。
根据HVS，图像区域中的失真可见度取决于：
-图像的边缘信息，它是对于一个图像的感觉的一个很重要的因素。它具有最小的噪声灵敏度并因此必须保持边缘完整性以便保护图象质量；
-平滑的区域与边缘信息一起影响我们的感觉；
-质地上，失真可见度低，即，一个坚固质地区域具有一个很高的噪音灵敏度级别；
-亮度灵敏度：当噪音平方的平均值与背景的相同时，该噪音趋向于对中央灰色背景是最明显的，即与其他区域相比，中央灰色区域对噪声更敏感。
通过根据特定图像区域的噪声灵敏度对水印进行换算或加权，将水印嵌入图象中。这确保水印引起失真区域的其灵敏改变最少，并利用高细节和结构的区域中的可察觉的空间冗余度。
现有技术中已知的水印嵌入方法共有的是：它们只利用空间可察觉的冗余度来把水印能量合并到信息信号中。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于把水印嵌入信号中的方法，其中，与已知水印相比，所述水印更强健同时水印检测保持无变化。还提供了一种用于在信息信号中嵌入水印的相应装置，一种具有嵌入水印的信息信号，以及在那上面储存具有嵌入水印的信息信号的一种存储介质。
根据本发明通过如权利要求1中阐明的一种方法、通过如权利要求8中阐明的一种装置、通过如权利要求9阐明的一种信息信号以及通过权利要求10中阐明的一种存储介质，实现了此目的。
本发明主要是以如下构思为基础的：即，通过使用所述信息信号的临时数据来估计水印的局部换算因数从而把一个水印嵌入所述信息信号中。估算该局部换算因数使得当根据该换算因数把水印嵌入所述信息信号中时使得嵌入水印大体上是不能感知的。使用确定的局部换算因数来局部地换算该水印。最后，将该局部换算的水印嵌入所述信息信号中。因此，对于换算因数的估计，可利用信息信号中的暂时冗余度以使更多水印能量能够被结合到信息信号中而不导致可察觉的失真。
根据本发明的另外一个方面，使用所述信息信号的空间的和临时的数据来估计水印的局部换算因数。
根据本发明的一个方面，当估计换算因数时，将人类视觉系统对于静止和/或移动图像的性质考虑进去。
在本发明的另外一个方面中，基于信息信号的移动数据来估计水印的局部换算因数。
在本发明的再一个方面中，检测信息信号中的场景改变，并且基于该检测的场景改变来估计所述局部换算因数。因此，可将更多水印能量结合到信息信号的特定区域中，增加了总的嵌入水印能量。
在本发明的又一个实施例中，对所述信息信号执行移动估计并且根据该移动估计来估计所述局部换算因数。该移动估计的结果能因此被用来更有选择性地把更多水印能量合并到所述信息信号中。
在本发明的另外一个方面中，将为视频压缩早已计算出的移动向量用来估计所述局部换算因数。
在本发明的另一实施例中，提供一种用于在信息信号中嵌入水印的装置。所述装置包括：确定装置，基于所述信息信号的临时数据确定所述水印的局部换算因数，其中，确定所述水印的局部换算因数，以使得当嵌入在所述信息信号中时嵌入水印基本上是不可察觉的。所述装置还包括：使用确定的局部换算因数局部换算所述水印的装置，和用于把所述局部换算的水印嵌入在所述信息信号中的嵌入装置。
还将本发明也实施为一种如权利要求9中所述的具有嵌入水印的信息信号，以及实施化为如权利要求10中所述的在那上面储存具有嵌入水印的信息信号的一种存储介质。应该理解，该信息信号和存储介质能被进一步开发并且存在它另外的实施例，这些另外的开发和另外的实施例与在上面参考在信息信号中嵌入水印的方法描述的那些完全相同或类似，并且规定在权利要求1的从属权利要求中。
在从属权利要求中公开了本发明的其他优选实施例。
附图说明
在下文中参考下列附图更详细地解释本发明及其优选实施例，附图中：
图1表示根据本发明的一种用于在信息信号中嵌入水印的装置的示意框图，和
图2表示使用于根据图1用于在信息信号中嵌入水印的装置中的一个参数确定装置的框图。
具体实施方式
在附图1中，一个用于在信息信号中嵌入水印的嵌入器被说明。嵌入器包括：一个图像源11，其产生一个信息信号P；一个参数确定装置16，用于确定加权因数λ(P)和一个整体深度参数d；一个调制器17，用于利用该加权因数λ(P)调制水印W；一个乘法器18，用于把调制水印W(P)与整体深度参数d相乘；和一个加法器12，它把一个水印W加到信息信号P上，导致一个水印信息信号Q。结果的水印信息信号Q能够被储存在一个存储介质50上。
在图2中，参数确定装置16被更详细地示出。参数确定装置16包括：一个场景改变检测装置161，它把信息信号P作为它的输入并在它的输出端上被连接到一个加权因数确定装置166和一个整体深度参数确定装置165；和一个移动估计装置162，它把信息信号P作为它的输入并在它的输出端上被连接到加权因数确定装置166和整体深度参数确定装置165；一个空间数据分析装置163，它把信息信号P作为它的输入并在它的输出端上被连接到加权因数确定装置166和整体深度参数确定装置165；和一个移动数据分析装置164，它把信息信号P接收作为它的输入并在它的输出端上被连接到加权因数确定装置166和整体深度参数确定装置165。加权因数确定装置166还把来自外部视频压缩(未示出)的移动向量接收作为输入信号并产生加权因数λ(P)作为它的输出信号。整体深度参数确定装置165产生整体深度参数d作为它的输出信号。
当确定加权因数λ(P)(利用该加权因数，信息信号P中的每个像素分别被调制，即，与之相乘)时，由空间数据分析装置163根据静止图象的人类视觉系统HVS的性质来分析信息信号P的空间数据。这例如可以通过熟知的JPEG量化表来执行。分析结果提供了有关多少水印能量能够被嵌入信息信号P的各个像素中而不被察觉的信息。根据分析结果，信息信号P中的每一像素的一个加权因数λ(P)被确定，通过把水印像素与各自的局部加权因数相乘来对水印进行加权，并且由所述加法器12把之加到信息信号的各自像素上。可是，这是信息信号P的一个纯粹空间分析。
根据人类视觉系统对于移动图像的性质，人类视觉系统对图像中的某些临时改变是不敏感的。因此可把水印能量合并到具有移动图像的信息信号P中。在移动数据分析装置164中，信息信号P的好几帧被分析以便估计相对于临时区域在所述帧中是否已经发生任何移动。因此，根据人类视觉系统对于移动图像的性质，另外的水印能量能够被结合到在一些帧中蒙受临时改变的图像帧的那些区域中。因此，当确定局部加权因数时，帧间移动被检测并被考虑进去。
术语″移动数据″可以被理解用于从帧A中预知帧B的数据。利用固定的几何机构f0、帧A和B、以及计算出的预测数据M，即移动数据，B将大约是A和M(f(a，M))的一个函数。局部加权因数λ(P)将是预测数据M，即移动数据的一个函数。不仅可以基于转换移动向量移动数据计算移动数据，而且可以基于一个旋转方案、一个剪取方案等等。
如果场景改变检测装置161在信息信号P中检测到场景改变，则增加被嵌入信息信号P中的水印能量的一种测量是：整体深度参数确定装置165在场景改变之后立即对于某些帧增加整体深度参数d。然而，检测场景改变的特定方法不附属于本发明而是现有技术中熟知的。
对于具有一个强方向性优先权的图像区域，例如沿着边缘，在现有技术中已知的用于适应水印强度的方法在与面层图像的主要方向垂直的方向上产生人造物品。这些人造物品的原因主要地是水印模型W和局部加权λ(P)的非方向性。因为所述局部加权λ(P)是方向性感觉迟钝的，所以水印嵌入方法引起在主要的局部方向的情况下正交的水印频率成分的引入。
因此，在另一个实施例中，水印模型W被如图1所示的次模型衍生装置30分裂为好几个次模型Wi，在此每个子模型具有一个主要的方向。对于嵌入水印，在空间数据分析装置163中确定在每一主要方向中的主信号的能量(即，信息信号)。此信息被转送给加权因数确定装置166，在此，各个次模型的加权因数因此被确定。每个次模型Wi被乘法器17根据加权因数进行加权并被加法器12加到信息信号上。通过这种把水印模型W分裂成为好几个次模型Wi，使水印模型成为方向敏感的。通过确保模型Wi的总数等于原始模型W，水印检测仍然通过把正被讨论的信号与原始母系模型W相关来达到。
从单个水印模型W正得到的每一子模型Wi具有它集中在一个方向i上最多能量的一个功率谱密度(i＝水平，垂直或对角线)。
通过给出一个示例来最好地解释上面的情况。认为原始的Laplacian灵敏度测量为L[-1 -1 -1；4 8 -1；4 -1 -1]。正如在上面已经提及的，这种灵敏度测量对方向感觉迟钝，但是它能如下轻易地被分裂为四个方向敏感的测量：
Lv＝[-1 -1 -1；2 2 2；-1 -1 -1]
Lh＝[-1 2 -1；-1 2-1；-1 2 -1]                 (2)
Lu＝[2 -1 -1；-1 2-1；-1 -1 2]
Ld＝[-1 -1 2；-1 2-1；2 -1 -1]
这四个方向滤波器(Li)具有这样的特性：即，它们的总和等于原始的灵敏度滤波器L。方向的水印模型Wi现在被构成为：
Wi＝Li(L+e)W                                  (3)
在此，e是在L的零点处避免异常的一个小的正恒量。利用这个定义(i)，模型Wi具有相应于滤波器Li的一个主要方向并且这四个模型的总和大约等于原始的(″母系″)模型W。
W＝Wv+Wh+Wu+Wd                              (4)，
局部加权因数λ(P)能够因此被改变成为四个局部加权因数矩阵或四个局部深度矩阵λ＝Λv+Λh+Λu+Λd。
水印嵌入公式现在变成
W＝P+d∑|Li|Wi                                (5)
在此，d表示整体水印强度。应当指出，在质地的区域中，没有优先的方向，这种嵌入公式实际上等于原始的非方向性嵌入方法
Q＝P+d∑|L|W                        (6)
因为四个模型的每一个仍然与母系模型W具有强相关性(大约W的自相关的1/4)，所以通过使用与单个模型W的相关，水印检测仍然是可能的。
在本发明的一个实施例中，用于水印一个信息信号的移动估计的使用被考虑。当一个图像包含具有大垂直频率(例如水平线模式)的一个块时，λ(P)将在垂直方向很大，所以具有相对大垂直频率WY的最大水印能量将被附加。对于一个静止图象，这是不可见的，可是，对于具有强水平移动分量的一个视频序列，这将不再是这种情况所以人造物品可能出现。这个事实可以从人类视觉系统(HVS)对于移动图像的性质中被理解，因为HVS对正交的噪音比对平行的噪声更敏感。
如果每一像素中的移动向量被表示为一个矩阵M，它可以在水平和垂直方向上被分解，导致M＝Mh+Mv，以及在对角线方向上，M＝Mu+Md。移动向量的计算从现有技术中是熟知的，例如从MPEG2压缩中，并且因此不属于本发明。有时，把图像帧再分成为块是有用的，然后为此计算出移动向量。参考Wo 99/45705，块尺寸可以等于在上面提及的片，而且较大块(最后整个帧)或较小块(最后一个像素)是可能的。因此，嵌入函数可以被改变为：
Q＝P+d∑[ΛiWi(α+Mi)/(1+βMi)]                   (7)在此，α＞1和β＞1是固定恒值。在i方向(Mi＞＞1)中大移动的情况下，发现水印能量被减少了1/β，在i方向(Mi＜＜1)中小移动的情况下，发现水印能量被放大一个因子α。
如WO 99/457O5中所述可实现水印检测。因此，可以应用已知的水印检测方法。

Claims (10)

1.在信息信号(P)中嵌入水印(W)的方法，包括步骤：
基于所述信息信号(P)的数据为所述水印(W)确定局部加权因数(λ(P))，其中，确定所述局部加权因数(λ(P))使得当嵌入在所述信息信号(P)中时该嵌入水印基本上不能感知，
基于所述确定的局部加权因数(λ(P))对所述水印(W)进行局部加权，和
把所述局部加权水印嵌入在所述信息信号(P)中，其特征在于：基于所述信息信号(P)的临时数据来确定所述水印(W)的所述局部加权因数(λ(P))。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：基于所述信息信号(P)的空间数据为所述水印(W)确定局部加权因数λ(P)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：当确定所述局部加权因数(λ(P))时，考虑加到静止和/或移动图像上的人类视觉系统的性质。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：基于所述信息信号(P)的移动数据确定所述水印(W)的所述局部加权因数λ(P)。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：检测所述信息信号(P)中的场景改变，和
基于该检测场景改变来确定所述局部加权因数λ(P)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：对所述信息信号(P)执行移动估计并且基于所述移动估计确定所述局部加权因数(λ(P))。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：将通过外部视频压缩过程计算出的移动向量再用于代替执行移动估计。
8.一种用于在信息信号中嵌入水印(W)的装置，包括：
确定装置(16)，基于所述信息信号(P)的数据为所述水印(W)确定局部加权因数λ(P)，其中，确定所述水印(W)的所述局部加权因数λ(P)以使当嵌入在所述信息信号(W)中时该嵌入的水印基本上不能感知，
加权装置(17)，基于所述确定的局部加权因数(λ(P))，对所述水印(W)进行局部加权，和
嵌入装置(12)，用于把所述局部加权水印(W)嵌入在所述信息信号(P)中，
其特征在于：提供用于为所述水印(W)确定所述局部加权因数(λ(P))的所述确定装置(16)以便基于所述信息信号(P)的临时数据确定所述局部加权因数(λ(P))。
9.一种具有嵌入水印(W)的信息信号(P)，其中，所述水印(W)被嵌入在所述信息信号(P)中，
其中，基于所述信息信号(P)的数据为所述水印(W)确定局部加权因数(λ(P))，其中，确定所述局部加权因数λ(P))以使当嵌入在所述信息信号(P)中时该嵌入水印基本上不能感知，
其中，基于所述确定的局部加权因数(λ(P))来对所述水印(W)进行局部加权，和
其中，把所述局部加权水印(W)嵌入在所述信息信号(P)中，
其特征在于：基于所述信息信号(P)的临时数据确定所述水印(W)的所述局部加权因数λ(P)。
10.一种在其上面储存具有嵌入水印(W)的信息信号(P)的存储介质(50)，其中，所述水印(W)被嵌入在所述信息信号(P)中，
其中，基于所述信息信号(P)的数据为所述水印(W)确定局部加权因数(λ(P))，
确定所述局部加权因数λ(P))以使当嵌入在所述信息信号(P)中时该嵌入水印基本上不能感知，
其中，基于所述确定的局部加权因数(λ(P))来对所述水印(W)进行局部加权，和
其中，把所述局部加权水印(W)嵌入在所述信息信号(P)中，
其特征在于：基于所述信息信号(P)的临时数据确定所述水印(W)的所述局部加权因数λ(P)。
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