CN1551639B - 应用数字水印编码和解码运动图像的装置及其方法 - Google Patents

应用数字水印编码和解码运动图像的装置及其方法 Download PDF

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Abstract

一种用于编码/解码运动图像的装置及其方法应用数字水印来达到版权保护和/或其他识别的目的。以数字水印形式通过在另一照相机获得的第二运动图像中嵌入通过一照相机获得的第一运动图像的信息来实现这个目的。通过运动补偿编码第二运动图像。通过从第二运动图像编码数据中提取数字水印和解码第二运动图像，而第一运动图像应用已提取的数字水印被运动补偿解码。因此，可提高具有大量数据量的多视点运动图像的压缩率。

Description

应用数字水印编码和解码运动图像的装置及其方法
技术领域
本发明一般涉及处理多媒体信息，尤其涉及应用数字水印技术编码和/或解码运动图像的装置及其方法。
背景技术
为了传递真实和自然外观的图像，已经开发出大量的三维图像通信技术。在下一代图像处理中，应用双目图像(例如，该图像的深度可通过以人类的双目感觉到)的三维图像处理方法已经是一个重要考虑的问题。因为目前大多数图像是彩色运动图像，所以在通信通道上的传输率和处理速度是非常重要的考虑因素。为了提高传输率和处理速度，增加为了获得所谓的立体效果所需的图像信息量已经成为关键的因数。因此，当保持立体图像的图片质量时，急需开发一种用于简单有效地压缩图像信息的方法。
图1a和1b示出了现有技术用于获得三维运动图像的方法。人类的左眼和右眼显示了彼此不同的二维图像，当这两种图像经过视网膜传输给大脑时，大脑精确地把它们融合为一个图像。因此，可再现原三维图像的深度(depth)和真实性。在此，三维运动图像意指考虑人类视觉特征，利用多个照相机获得的图像。
图1a示出了现有技术用于获得一个视点的三维运动图像(立体运动图像)的方法。图像5、7通过对应于人类双眼的照相机1、3被分别照相。这些图像被融合产生具有一个视点的运动图像(立体运动图像)。在此，视点意指一点，在该点上通过两个图像5、7感知深度(或立体效果)。
图1b示出了现有技术用于获得具有多视点的三维运动图像的方法。为了提高深度和真实性，通过多个照相机11-14照相的图像21-24融合产生一具有多视点的运动图像。
在编码具有多视点的三维运动图像过程中，产生或所需的数据量与视点的数量是成正比的，例如，对于不同的二维运动图像编码，数据量随着视点的数量增加而增加。为了缩减所涉及的大数据量，现有技术的运动图像编码装置执行视差(disparity)估计来消除视点之间的重叠。
在编码二维运动图像过程中，应用视差估计来消除在时间轴(temporal axis)上的图像帧之间的重叠。这种技术被应用于三维运动图像的视点。因此，差异估计是一种用于在三维运动图像中搜索视点之间重叠的技术。例如，在立体运动图像中，差异估计意指搜索最相似左图像块的右图像块。
运动估计包括通过执行两图像帧之间的运动估计来计算运动矢量，包括根据运动矢量执行运动补偿，消除在同一时间轴上的图片帧之间的重叠，和传输运动补偿的前一帧和当前帧之间的差别。
图2示出了一种用于估计立体运动图像的差异和运动的方法，其以通常的三维运动图像为例。在包括I图像(内图像)，P图像(预示图像)和B图像(双向预示图像)的图像单元中处理通常的运动图像。该I图像是内编码图像，P图像是根据I图像向前预示的图像，以及该B图像是嵌入在I图像和P图像之间的图像。更具体地说，该B图像是从I图像向前预示，从P图像向后预示的图像。
在通常的立体运动图像中，左序列是应用通常的运动估计的运动编码图像，而右序列是应用矢量值和应用通过差异估计获得的差异图像的运动编码图像。
图3是一框图，示出了通常的立体运动图像编码装置。该装置包括：第一运动估计器30，第二运动估计器32，差异估计器34，运动补偿编码器36和运动/差异补偿编码器38。第一运动估计器利用输入左序列执行运动估计，并输出与左序列帧相关的运动矢量31。第二运动估计器利用右序列执行运动估计，并输出与右序列帧相关的运动矢量41。差异估计器执行第一运动估计器的左序列帧和第二运动估计器的右序列帧之间的差异估计。运动补偿编码器应用从第一运动估计器输出的运动矢量来编码左序列帧，并输出左序列编码数据43。运动/差异补偿编码器应用运动矢量41和差异矢量42编码右序列帧，并输出已编码的右序列数据44。
现在描述通常的立体运动图像编码装置的操作。第一运动估计器30估计关于左序列的运动，并输出一运动矢量。另外，第一运动估计器输出通过运动矢量恢复的图像(左图像)和原始图像(原始左图像)之间的差别图像。运动补偿编码器36通过应用运动矢量和差别图像(在左序列中的差别图像)编码左序列帧来输出左序列编码数据43。
与第一运动估计器一样，第二运动估计器32执行用于右序列的运动估计，输出带有运动矢量41的差别图像(在右序列中的差别图像)。差异估计器34通过发现左图像和右图像之间的冗余来输出差异矢量42。运动/差异补偿编码器38利用运动矢量41、差别图像(在右序列中的差别图像)和差异矢量42来编码右序列帧。
这样，通常的立体运动图像编码装置接收从运动补偿编码器36中输出的左序列编码数据43和从运动/差异补偿编码器38中输出的右序列编码数据44。因此，左序列编码数据43和右序列编码数据44顺序地被接收。
与左序列编码数据43不同，右序列编码数据44是通过编码用于右序列的运动矢量41、差别图像(在右序列中的差别图像)和差异矢量42获得的数据。在估计左图像和右图像之间的差异之后，传输左序列编码数据、右图像的运动矢量、差别图像和估计的差异矢量。
通常的立体运动图像解码装置接收左序列编码数据、右序列的运动矢量、差别图像和差异矢量，应用左序列编码数据恢复左图像，然后，使用恢复的左图像信息、运动矢量和右图像的差别图像及差异矢量来补偿和恢复右图像。
但是，在通常的立体运动图像编码装置中，因为使用左序列编码数据和右序列编码数据(运动矢量和右图像的差别图像以及差异矢量)，所以要传输的数据量增加，其大于现有技术第二运动图像编码器的数据量。从而，以常规的传输通道的传输率和处理速度不能平稳地处理数据。另外，通过应用多视点运动图像，数据量增加更多。
发明内容
本发明的一个目的是解决现有技术中的一个或更多问题，来达到至少下列优点之一。
本发明的另一个目的是提供一种用于应用数字水印编码/解码运动图像的装置及其方法，其通过数字水印在图像中嵌入编码信息来提高压缩率，与通常的运动图像编码/解码装置兼容。
根据一个实施例，应用数字水印来编码/解码运动图像的装置包括：一运动图像编码单元，用于在第二运动图像中嵌入第一运动图像的编码信息作为数字水印格式，并通过运动补偿来编码第二运动图像，并且，其估计第一运动图像的运动并输出相应的第一运动矢量，且估计第二运动图像的运动，并输出相应的第二运动矢量；以及一运动图像解码单元，用于从运动图像编码单元传输的第二运动图像编码数据中提取数字水印，通过应用已提取的数字水印来解码第二运动图像和运动补偿解码该第一运动图像，其中，通过第一运动图像的第一运动矢量，以及第一运动图像的第一运动矢量和第二运动图像的第二运动矢量之间的差异矢量产生该数字水印。
第一运动图像是配置(configuring)多视点三维运动图像的运动图像之一，而第二运动图像是另一配置多视点三维运动图像的运动图像之一。
该运动图像编码单元包括第一运动估计器，用于估计第一运动图像的运动和输出第一运动矢量；第二运动估计器，用于估计第二运动图像的运动和输出第二运动矢量；差异估计器，用于执行第一运动图像和第二运动图像之间的差异估计，并输出差异矢量；水印嵌入单元，用于设置第一运动图像的运动矢量、和第一运动图像与第二运动图像之间的差异矢量作为数字水印，并在第二运动图像中嵌入数字水印；以及运动补偿编码器，用于编码在其中嵌入了数字水印的第二运动图像。
该运动图像解码单元包括运动补偿解码器，用于通过应用运动补偿来解码第二运动图像编码数据；水印提取器，用于从在运动补偿编码器中解码的帧的相关位置中提取数字水印，并从提取的水印中确定第一运动图像的运动矢量、和第一运动图像与第二运动图像之间的差异矢量；及运动/差异补偿解码器，用于通过应用第一运动图像的运动矢量、和第一运动图像与第二运动图像之间的差异矢量及解码的第二运动图像来解码第一运动图像。
一种应用数字水印的运动图像编码/解码方法，包括：设置通过一照相机获得的第一图像的编码信息作为一数字水印；将数字水印嵌入通过另一照相机获得的第二图像；对嵌入了数字水印的第二图像进行运动补偿编码；传输已编码的第二图像；以及运动补偿解码该传输的第二图像，其中，通过第一运动矢量，以及第一运动矢量和第二运动矢量之间的差异矢量产生数字水印。
根据本发明的再一方面，提供了一种用于编码图像数据的方法，包括下列步骤：从第一运动图像信号中生成数字水印；嵌入数字水印至第二运动图像信号；及编码具有嵌入的数字水印的第二运动图像信号，其中，生成数字水印的步骤进一步包括：从第一运动图像序列中得出第一运动矢量；从第二运动图像序列中得出第二运动矢量；根据第一和第二运动矢量之间的差异来产生差异矢量；及根据差异矢量和第一运动矢量产生数字水印。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于编码图像数据的装置，包括：发生器，其从第一运动图像信号中产生数字水印；嵌入器，其将水印嵌入至第二运动图像信号；及编码器，其以嵌入的数字水印编码第二运动图像信号，其中，通过从第一运动图像序列产生的第一运动矢量，以及第一运动矢量和从第二运动图像序列产生的第二运动矢量之间的差异矢量产生该数字水印。
附图说明
图1a和1b示出了现有技术的用于获得三维运动图像的方法。
图2示出了现有技术的用于估计立体运动图像的差异和运动的方法。
图3是一框图，示出了现有技术的通常的立体运动图像编码装置。
图4是一框图，示出了根据本发明优选实施例的应用数字水印的运动图像编码装置。
图5是一框图，示出了根据本发明优选实施例的应用数字水印的运动图像解码装置。
图6A和6B是流程图，示出了根据本发明的优选实施例的用于编码和解码多视点运动图像的方法。
具体实施方式
随着网络、计算机通讯、互联网和数字数据传输增强的快速发展，通过非法复制已经侵犯版权和知识产权保护的其他形式。因此，研究数字水印技术来防止非法复制，以有效地保护知识产权。这些技术包括在知识产权的数字格式中嵌入数字水印，例如，将位图(bit pattern)嵌入在数字图像或数字音频及视频文件中。
为了有效地应用数字水印，该数字水印可具有诸如不可见性、抗错性(robustness)和无歧义性的特性。当不可见的数字水印被嵌入在原始图像中时，因为在原始的图像中很少变化，所以很难检测到水印。当一抗错性的数字水印被嵌入在信号的重要部分中时，即使有各种变形或攻击也可提取水印。当应用无歧义的数字水印时，即使水印被提取它也保持其准确性。因此，可声称确定的所有权。
数字水印方法可分为在空间域中执行的方法和在频域中执行的方法。当数字水印在空间域中时，通过直接转换图像的像素值而不应用转换方程式来嵌入水印。但是，这种数字水印方法易受到图像变形或噪音的影响。当数字水印方法在频域中时，通过改变频率系数来嵌入水印。例如，应用离散余弦变换(DCT)，一个重要的频域系数可被提取出来，并且能将水印嵌入在这种系数中。应用离散傅里叶变换(DFT)，可将水印嵌入在相位中。
根据本发明的一个或多个实施例，嵌入在数字文件中的数字水印能被用于编码运动图像。然后将关于图像(通过照相机获得)的编码信息通过嵌入另一图像(通过另一照相机获得)来传输。
图4是一框图，示出了根据本发明优选实施例的应用数字水印编码运动图像的装置。该装置包括第一运动估计器100，第二运动估计器110，差异估计器120，水印嵌入单元130和运动补偿编码器140。第一运动估计器估计第一图像帧的运动，并输出第一运动矢量105。第二运动估计器估计第二图像帧的运动，并输出第二运动矢量115。差异估计器执行第一运动估计器的第一图像和第二运动估计器的第二图像之间的差异估计，并输出因此发生的差异矢量125。水印嵌入单元根据第一运动矢量105和差异矢量125来设置数字水印135，并在第二图像的编码中嵌入设定的数字水印。运动补偿编码器应用第二运动矢量115编码第二图像，并输出第二图像编码数据145。
在本发明的运动图像编码装置中，通过设置关于第一图像(通过第一照相机获得)的编码信息，即，差异矢量和运动矢量，作为数字水印，以及在第二图像(通过第二照相机获得)中嵌入数字水印来编码嵌入数字水印的第二图像。
例如，考虑一立体运动图像，这里，第一图像是右图像，第二图像是左图像。第一运动估计器100估计右序列帧的运动，并输出第一运动矢量105，第二运动估计器110估计左序列帧的运动，并输出第二运动矢量。差异估计器120执行右序列帧和左序列帧之间的差异估计，输出差异矢量125。
水印嵌入单元130设置第一运动矢量105和差异矢量125作为数字水印，并当左图像被编码时，将数字水印嵌入到那里预定的位置中。
运动补偿编码器140通过应用嵌入水印的左图像和第二运动矢量来编码左序列帧，并输出左序列编码数据145。因此，根据本发明，在运动图像编码装置中，关于右图像的编码信息编码以数字水印形式嵌入的左图像，并传输产生的编码的左图像数据。
水印嵌入单元130预先确定要嵌入在左图像中的数字水印的位置。运动图像编码装置和运动图像解码装置已知预定的数字水印位置。
例如，在频域内执行数字水印，当图像数据被划分为频带(例如，应用DFT)时，在中间频带嵌入数字水印示出了(例如)抗压缩损耗噪音、对比差异、亮度差异等等的抗错性(robustness)。因此，图像数据的中间频带优选作为数字水印的嵌入位置。该嵌入位置优选地设置为具有低损耗率的位置。
左图像数据可划分为确定的尺寸块(N*M尺寸)。当数字水印的嵌入位置被设置时，水印嵌入单元130在设定的位置中嵌入数字水印的相关位。因此，运动补偿编码器140编码在相关位置中具有嵌入的数字水印的左图像块数据。
在应用数字水印，通过在左图像中嵌入关于右图像的编码信息并传输来执行运动图像编码过程中，可在没有实现数据量增加的条件下，有效地传输已编码的运动图像数据。
图5是一框图，示出了根据本发明的优选实施例的应用数字水印的运动图像解码装置。该装置包括运动补偿解码器200、水印提取器210和运动/差异补偿解码器220。运动补偿解码器通过运动补偿解码第二图像编码数据。水印提取器从在运动补偿解码器中解码的每一帧的相关位置中提取数字水印，并从已提取的数字水印中确定运动矢量和第一图像的差异矢量。运动/差异补偿解码器应用第一图像的运动矢量和差异矢量及解码的第二图像来解码第一图像。
现描述根据本发明的应用数字水印的运动图像解码装置的操作。在解码一立体运动图像过程中，第一图像可认为是右图像，而第二图像可认为是左图像。
在不支持立体运动图像的解码功能的用于解码二维运动图像的解码装置中，当接收嵌入右图像的编码信息作为数字水印的左图像编码数据时，通常的运动图像解码装置仅以单一模式解码左图像。因此，本发明与通常的运动图像解码装置兼容。
在根据本发明的运动图像解码装置中，当接收嵌入右图像的编码信息作为数字水印的左图像编码数据时，运动图像解码装置的运动补偿解码器200解码左图像。在立体运动图像解码功能中，水印提取器210从左图像的解码过程中解码的帧的相关位置中提取数字水印，并决定右图像的编码信息，即，从来自提取的数字水印中的运动矢量和差异矢量。运动/差异补偿解码器220应用运动矢量、差异矢量和在运动补偿解码器200中解码的左图像来解码右图像。因此，根据本发明的运动图像解码装置可恢复立体的运动图像。
以下将参照图1b和图6A，根据本发明优选实施例来描述用于编码多视点运动图像的方法。在频域内执行数字水印的过程中，通过块单元执行图像编码信息提取和数字水印。
更具体地说，将第一图像(通过第一照相机11获得)的编码信息(例如，运动矢量，差异矢量)以数字水印格式嵌入到第二图像(通过第二照相机12获得)中。然后，并编码第二图像22。同时，将第三图像(通过第三照相机13获得)的编码信息以数字水印格式嵌入到第四图像(通过第四照相机获得)中，并编码第四图像24(步骤S10-S14)。因此，当多视点三维运动图像包括第一图像、第二图像、第三图像和第四图像时，在不用传输所有编码数据的条件下，仅传输第二图像和第四图像的编码数据。
另外，当接收分别具有嵌入数字水印的第二图像编码数据和第四图像编码数据时，如图6B所示，根据本发明的运动图像解码装置通过从第二图像编码数据中提取数字水印来解码第二图像和第一图像。然后，从第四图像编码数据中解码第四图像和第三图像(步骤S20-S24)。因此，根据本发明的运动图像解码装置应用第一至第四图像可解码多视点三维运动图像。
如上描述，根据本发明，在应用数字水印编码运动图像的装置及其方法中，通过嵌入通过一照相机获得的编码信息(运动矢量和差异矢量)至通过另一照相机获得的图像中作为数字水印格式并传输它，可仅以通过一照相机获得的编码量来执行三维运动图像的编码。
同样，在根据本发明的应用数字水印编码运动图像的装置及其方法中，当接收通过一照相机获得的编码数据时，可通过从接收到的图像编码数据中提取数字水印来解码三维运动图像。根据本发明，应用数字水印编码运动图像的装置及其方法与通常的二维运动图像编码/解码装置兼容。
同样，本发明可几乎以与通常的二维运动图像的编码/解码中的数据量相同的数据量来执行编码/解码。
同样，包括立体运动图像的本发明，在多视点运动图像的编码/解码过程中，对比现有技术的编码/解码方法，可充分地减少数据量。

Claims (27)

1.一种应用数字水印用于编码和解码运动图像的装置，其包括：
一编码器，其在第二运动图像中编码第一运动图像的信息作为数字水印，并通过运动补偿编码第二运动图像，并且，其估计第一运动图像的运动并输出相应的第一运动矢量，且估计第二运动图像的运动，并输出相应的第二运动矢量；及
一解码器，其从编码器传输的第二运动图像编码数据中提取数字水印，解码第二运动图像，且应用提取的数字水印运动补偿的解码该第一运动图像，
其中，通过第一运动图像的第一运动矢量，以及第一运动图像的第一运动矢量和第二运动图像的第二运动矢量之间的差异矢量产生数字水印。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
从第一照相机获得第一运动图像；
从第二照相机获得第二运动图像；及
从第一运动图像和第二运动图像中形成具有一个视点的立体运动图像。
3.如权利要求1所述的装置，其中，第一运动图像是用于配置多视点三维运动图像的至少两个运动图像之一，以及第二运动图像是用于配置多视点三维运动图像的至少两个运动图像另外一个。
4.如权利要求1所述的装置，其中，第一运动图像的编码信息包括第一运动矢量、和第一运动矢量与第二运动矢量之间的差异矢量。
5.如权利要求1所述的装置，其中，该编码器包括：
一水印嵌入单元，其设置第一运动图像的运动矢量、和第一运动图像与第二运动图像之间的差异矢量作为数字水印，并在第二运动图像中嵌入数字水印；及
一运动补偿编码器，其编码被嵌入数字水印的第二运动图像。
6.如权利要求5所述的装置，其中，该编码器进一步包括：
第一运动估计器，其估计第一运动图像的运动，并输出相应的第一运动矢量；
第二运动估计器，其估计第二运动图像的运动，并输出相应的第二运动矢量；及
差异估计器，其执行第一运动图像的第一运动矢量和第二运动图像的第二运动矢量之间的差异估计，并输出相应的差异矢量。
7.如权利要求1所述的装置，其中，该解码器包括：
一运动补偿解码器，其应用运动补偿解码第二运动图像编码数据；
一水印提取器，其从运动补偿解码器中解码的帧的预定位置中提取数字水印，并从已提取的水印中确定第一运动图像的运动矢量、和第一运动图像和第二运动图像之间的差异矢量；及
一运动/差异补偿解码器，其应用第一运动图像的运动矢量、和第一运动图像和第二运动图像之间的的差异矢量及解码的第二运动图像来解码第一运动图像。
8.如权利要求7所述的装置，进一步包括：
在编码器和解码器中指示水印的预定位置的开始信息。
9.如权利要求8所述的装置，其中，该预定位置作为数字水印具有最小损耗率的位置。
10.一种应用数字水印用于编码和解码运动图像的方法，其包括下列步骤：
设置通过一照相机获得的第一图像的编码信息作为数字水印；
将数字水印嵌入通过另一照相机获得的第二图像；
对嵌入了数字水印的第二图像进行运动补偿编码；
传输已编码的第二图像；及
运动补偿的解码已传输的第二图像，
其中，该第一图像的编码信息包括第一图像的运动矢量和第一图像与第二图像之间的差异矢量。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：
获得的第一图像是用于配置多视点三维运动图像的至少两个图像之一，而第二图像是用于配置多视点三维运动图像的至少两个图像的另外一个。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该多视点三维运动图像是立体运动图像，并且其中该第一图像是右图像，而第二图像是左图像。
13.如权利要求10所述的方法，其中，该数字水印包括：
在预定的嵌入位置中嵌入数字水印的位图。
14.如权利要求10所述的方法，其中，该运动补偿解码包括：
解码已传输的第二图像；
从解码的第二图像帧的预定位置中提取数字水印；
应用已提取的数字水印确定第二图像的运动矢量和差异矢量；及
应用解码的第二图像和确定的运动矢量和差异矢量来解码第一图像。
15.一种用于编码图像数据的方法，包括下列步骤：
从第一运动图像信号中生成数字水印；
嵌入数字水印至第二运动图像信号；及
编码具有嵌入的数字水印的第二运动图像信号，
其中，生成数字水印的步骤进一步包括：
从第一运动图像序列中得出第一运动矢量；
从第二运动图像序列中得出第二运动矢量；
根据第一和第二运动矢量之间的差异来产生差异矢量；及
根据差异矢量和第一运动矢量产生数字水印。
16.如权利要求15所述的方法，其中编码第二运动图像信号包括运动补偿。
17.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
从左图像序列和右图像序列之一中得出第一运动图像信号；及
从左图像序列和右图像序列另外一个中得出第二运动图像信号。
18.如权利要求15所述的方法，其中，嵌入水印包括：
在与第二运动图像信号相关联的图像数据的频域内嵌入水印。
19.如权利要求18所述的方法，其中，将水印嵌入与第二运动图像信号相关的图像数据的预定频带中。
20.如权利要求19所述的方法，其中，该预定频带是一中间频带，其示出至少抗压缩损耗、噪音、对比差异和亮度差异中之一的抗错性。
21.一种用于编码图像数据的装置，包括：
发生器，其从第一运动图像信号中产生数字水印；
嵌入器，其将水印嵌入至第二运动图像信号；及
编码器，其以嵌入的数字水印编码第二运动图像信号，
其中，通过从第一运动图像序列产生的第一运动矢量，以及第一运动矢量和从第二运动图像序列产生的第二运动矢量之间的差异矢量产生该数字水印。
22.如权利要求21所述的装置，进一步包括：
第一估计器，其从第一运动图像序列中产生第一运动矢量；
第二估计器，其从第二运动图像序列中产生第二运动矢量；
第三估计器，其根据第一和第二运动矢量之间的差异产生差异矢量，其中该发生器根据差异矢量和第一运动矢量产生数字水印。
23.如权利要求21所述的装置，其中，该编码器运动补偿第二运动图像信号。
24.如权利要求21所述的装置，其中，该第一运动图像信号是从左图像序列和右图像序列之一得出的，而第二运动图像信号是从另一左图像序列和右图像序列之一得出的。
25.如权利要求21所述的装置，其中，该嵌入器在与第二运动图像信号相关联的图像数据的频域中嵌入数字水印。
26.如权利要求25所述的装置，其中，该嵌入器嵌入数字水印至与第二运动图像信号相关联的图像数据的预定频带中。
27.如权利要求26所述的装置，其中，该预定的频带是一中间频带，其示出至少抗压缩损耗、噪音、对比差异和亮度差异之一的抗错性。
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