CN1832558A - 数字水印检测设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种数字水印检测装置，该装置能在不增加计算量和电路规模的情况下精确检测出被诸如图像剪裁、缩放等类似攻击所削弱的水印信息。该数字水印检测设备包括用于从嵌有水印的图像中采集特定频率分量信号的采集器10、用于计算采集信号的正交变换图像以及嵌有水印的图像的正交变换图像的第一正交变换器11A及11B、用于根据两个正交变换图像之振幅差值对两个正交变换图像之振幅进行振幅调节的振幅调节器12A及12B、用于对两个振幅变换后的正交变换图像进行合成的合成器13、用于对合成信号进行正交变换以获得第二正交变换信号的第二正交变换器14以及用于在第二正交变换信号中出现的峰值的基础上估测出水印信息的估测器15。

Description

数字水印检测设备及其方法

技术领域

本发明涉及一种数字水印检测设备及其方法，该设备能有效地防止对通过诸如记录媒质提供的数字视频信号所做的不正当复制。

发明背景

随着诸如数字式VTR、DVD(数字多功能盘片)或其类似物的用于记录和重放数字图像数据的设备之普及，提供了大量可通过上述设备重放的数字移动画面。此外，多种多样的数字移动画面正借助互联网、广播卫星、通信卫星等通过数字电视广播进行传播，使用户得以使用高品质的数字移动画面。

对数字移动画面的高品质复制可在数字信号层面上很容易地进行。因此，若对这些数字移动画面既不实施复制禁止又不实施复制控制，则存在对其进行无限制复制的危险。为了防止数字移动画面的不正当复制或控制正式用户进行复制的次数，故而设想出一种将复制控制信息加入数字移动画面并藉由该附加信息防止不正当复制或限制复制的方法。

作为如上所述的一种将其他不同附加信息叠加在数字移动画面之上的技术，数字水印技术已为人们所公知。根据数字水印技术，诸如内容(数字化声音、音乐、移动画面、静止画面或其类似物)版权所有者和内容用户的身份信息、版权所有者的权利信息、内容的使用条件、使用该内容需要的秘密信息、诸如上述复制控制的信息等多种信息(以下称作“水印信息”)嵌入在上述内容之中，并在此后需要时通过从所述内容中检测出该水印信息来实现包括使用控制和复制控制的版权保护，或者促进次级使用。

已设想出多种用作数字水印系统的方法。作为这些数字水印系统之一，应用了扩频技术的一种系统为人们所公知。根据此系统，水印信息按照下面的过程嵌入到数字移动画面之中。

[步骤E1]

将图像信号乘以PN(伪随机噪声)序列，进行扩频调制。

[步骤E2]

将经过扩频调制的图像信号进行频率变换(例如，DCT变换)。

[步骤E3]

通过改变特定频率分量的值，嵌入水印信息。

[步骤E4]

进行频率逆变换(例如，IDCT变换)。

[步骤E5]

进行逆扩频调制(将图像信号乘以与步骤E1相同的PN序列)。

按照下面的过程，从如上所述嵌入了水印信息的数字移动画面中进行水印信息的检测。

[步骤D1]

将图像信号乘以PN(伪随机噪声)序列(与步骤E1相同的PN序列)，进行扩频调制。

[步骤D2]

将经过扩频调制的图像信号进行频率变换(例如，DCT变换)。

[步骤D3]

注意特定频率分量的值，采集所嵌入的水印信息。

作为一种对嵌入在移动画面之中的数字水印进行检测的方法，已设想出一种通过采集输入图像信号而得到的采集信号与嵌有水印的图像之间的相关性(互相关性)来检测水印信息的技术，其中，在上述移动画面中按照水印信息嵌有图像信号。例如，专利文件1(JP-A-2002-325233的权利要求2、图7)和专利文件2(JP-A-2002-218404的权利要求1、图1)披露了此项技术。

当数字水印用于防止非授权使用时，获版权保护的数字作品需要具有这样一种特性(鲁棒性)，即水印信息不会因各种各样的操作或假定的通常对获版权保护的数字作品所做的蓄意攻击而丢失或被伪造。可将图像的剪裁、缩放(放大/缩小)等可以视同为使水印信息不能由嵌有水印信息的数字图像中检测得出的攻击。

根据传统技术，当输入遭受这种攻击的图像时，在检测水印信息时，首先对嵌入水印信息时步骤E1所用的PN序列进行估测处理，并恢复PN序列的同步。接着，进行步骤D1到D3的处理，以采集出所嵌入的水印信息。当仅从图像信号恢复PN序列同步时，需要进行这样一种搜寻操作，即使用多个备选项进行尝试，并挑选出一种使检测得以实现的备选项作为水印信息。另外，这一方法的问题是计算量和电路规模都增加了。此外，对于遭受攻击的图像而言，该图像的水印信息被削弱，因此，即使在发觉出该图像的剪裁或缩放并进行适应于该图像剪裁或缩放的检测时，仍可能检测不出水印信息。

发明简述

本发明的一个目的是提供一种数字水印检测设备及其方法，该设备能在不增加计算量和电路规模的条件下对被诸如图像剪裁、缩放或类似攻击所削弱的水印信息进行更精确的检测。

根据本发明的实施例，当对从嵌入目标图像中采集的特定频率分量信号依照水印信息进行变换，并生成了嵌有水印的图像时，数字水印检测设备用于从嵌有水印的图像中检测出水印信息，其中，在嵌有水印的图像中，以电学方式嵌入了水印信息。上述数字水印检测设备包括：采集处理器单元，该单元以与数字水印嵌入设备相同的采集方法从嵌有水印的图像中采集出特定频率分量的采集信号；第一正交变换处理器单元，该单元计算出采集信号的正交变换图像、嵌有水印的图像的正交变换图像；振幅调节处理器单元，该单元依照上述两个正交变换图像的振幅分量之差值，对上述两个正交变换图像之振幅或其中一个图像之振幅进行调节；合成处理器单元，该单元对以这样的方式进行振幅调节后的上述两个正交变换图像进行合成，得到合成信号；第二正交变换器单元，该单元对合成信号进行正交变换或正交逆变换，得到第二正交变换信号；水印信息估测处理器单元，该单元基于上述第二正交变换信号中出现的峰值，估测出水印信息。

根据本发明的实施例，在不增加计算量和电路规模的条件下，无论是否遭受诸如图像剪裁、缩放或类似的攻击，可以精确地检测出水印信息。

附图说明

图1为一框图，其示出根据本发明第一实施例的数字水印检测设备之结构；

图2为一框图，其示出根据本发明第二实施例的数字水印检测设备之结构；

图3为一流程图，其示出根据上述第一实施例的数字水印检测方法的步骤；

图4为一流程图，其示出根据上述第二实施例的数字水印检测方法的步骤；

图5为一框图，其示出根据本发明第一实施例的数字水印检测程序之结构；

图6为一框图，其示出根据本发明第二实施例的数字水印检测程序之结构；

图7为一框图，其示出根据本发明第一实施例的数字水印嵌入设备之结构；

图8为一框图，其示出根据本发明第二实施例的数字水印嵌入设备之结构；

图9为一图表，其示出采集信号之相移；

图10为一图表，其示出上述数字水印检测设备中相关值峰值搜寻以及水印信息检测之实例；

图11为一图表，其示出相位限定相关法之概念；

图12为一图表，其示出第七振幅调节方法；

图13为一图表，其示出第一振幅调节方法；

图14为一图表，其示出第二振幅调节方法；

图15为一图表，其示出第三振幅调节方法；

图16为一图表，其示出第四振幅调节方法；

图17为一图表，其示出第五振幅调节方法；

图18为一图表，其示出第六振幅调节方法；

图19为一框图，其示出根据上述第一和第二实施例的数字水印检测设备的硬件结构。

发明详述

第一实施例

将要介绍的是根据本发明第一实施例的数字水印嵌入设备和数字水印检测设备。

数字水印嵌入设备

首先，参照图7和图9，介绍根据本发明第一实施例的数字水印嵌入设备。

图7为示出了上述数字水印嵌入设备之基本结构的框图。

作为应在其中嵌入水印信息的图像(以下称为“嵌入目标图像103”)，将移动画面或静止画面的数字化图像信号输入到数字水印嵌入设备。嵌入目标图像信号103可能既包含亮度信号又包含色差信号，但也可能仅包含亮度信号。嵌入目标图像信号被分路为三个部分，并输入到特定频率分量采集器20、特征量采集器21和水印信息叠加部分23。

特定频率分量采集器20包括频率范围的数字滤波器，例如，截止频率预先确定的低通滤波器或高通滤波器，或者带通中心频率预先确定的带通滤波器。特征频率分量采集器20从嵌入目标图像信号103中对特定频率分量，例如，相对高频分量，进行采集。在下面的介绍中，特定频率分量采集器20的输出信号将称为“特定频率分量信号”。

经由相位和振幅变换器22，对来自特定频率分量采集器20的特定频率分量输出进行相位和振幅变换。在这种情况下，可以仅变换相位或仅变换振幅。将水印信息102提供给相位和振幅变换器22，其中，上述的水印信息102对应于将要嵌入到嵌入目标图像信号103之中的数字信息。

相位和振幅变换器22的设计使特定频率分量信号得以进行带有预先确定之固有相位变换量的相位变换以及带有预先确定之固有振幅变换量的振幅变换。具体而言，相位和振幅变换器22的相位变换藉由单重或多重数字移相器来实现，且上述相位变换量等于该移相器的相移量。

图9示出了藉由相位变换器112进行移相的实施形态。在此实例中，特定频率分量信号通过保持其波形来简单进行移相。具体而言，相位和振幅变换器22的振幅变换藉由单重或多重异或电路或数字乘法器来实现，且上述振幅变换量即为与输入的特定频率分量信号相乘的系数。水印信息102输入到该相位和振幅变换器22，且相位和振幅变换器22的相位变换量(相移量)以及振幅变换量(系数)依照水印信息102进行控制。

此外，藉由特征量采集器21采集上述嵌入目标图像信号103的特征量，例如代表图像复杂程度的活度(activity)。特征量的信息输入到相位和振幅变换器22。在相位和振幅变换器22中，相位变换量(相移量)以及振幅变换量(系数)依照该输入的特征量进行控制。特征采集器21并非绝对必要，可以省去。

将经由相位和振幅变换器22进行相位变换和振幅变换后的特定频率分量信号作为嵌入信号提供给包括数字加法器的水印信息叠加部分23，并叠加在嵌入目标图像信号103之上。也就是说，特定频率分量采集器20采集到的特定频率分量信号经由相位和振幅变换器22进行数字水印嵌入设备所固有的相位变换和振幅变换，相位变换量和振幅变换量二者或其一由水印信息102控制。因此，水印信息叠加部分23生成了嵌有水印的图像101，在上述嵌有水印的图像101中，水印信息102嵌入在嵌入目标图像信号103之中。

经由特定频率分量采集器20采集并经由相位和振幅变换器22进行相位和振幅变换的特定频率分量信号可能存在于多个信道。也就是说，在这种情况下，水印信息叠加部分23中有多个信道的特定频率分量信号叠加在嵌入目标图像信号103之上。

如上所述，其中嵌入了水印信息的图像信号(下文称作“嵌有水印的图像信号101”)通过诸如DVD系统或其类似物的数字图像记录和重放设备记录于记录媒质之中，或通过诸如互联网、广播卫星、通信卫星或其类似物的传播媒质进行传播。

数字水印检测设备

参照附图将介绍对上述嵌有水印的图像信号101进行检测时，数字水印检测设备的第一实施例。

根据第一实施例的数字水印检测设备将参照图1、图3、图5以及图9到图19进行介绍。

1 数字水印检测设备的结构

图1示出了根据第一实施例数字水印检测设备的结构。

将图1中嵌有水印的图像信号101通过记录媒质或传播媒质输入，其中，在上述嵌有水印的图像信号101中，特定频率分量信号藉由上文介绍的数字水印嵌入设备依照水印信息102进行控制并进行嵌入。假设数字信号“1”或“0”作为水印信息嵌入。

通过采集器10，从嵌有水印的图像信号101中仅采集特定的分量。采集器10为数字滤波器，其与上文描述的数字水印嵌入设备所用的特定频率分量采集器有着相同的频率范围，例如，截止频率预先确定的低通滤波器或高通滤波器，或者通带中心频率预先确定的带通滤波器。采集器10从嵌有水印的图像信号101中对特定频率分量进行采集，例如相对高频分量。采集得到的信号将称为“采集信号”。

采集器10采集得到的采集信号藉由第一正交变换器11A进行诸如正交变换或其类似变换的正交变换处理，且嵌有水印的图像信号101藉由第一正交变换器11B进行诸如正交变换或其类似变换的正交变换处理。也可以考虑这样一种情况，即采集器采集了所有频率分量。

通过振幅调节器12A，对第一正交变换器11A的振幅分量进行振幅调节，使其与第一正交变换器11B的振幅分量之差值抑制在预先确定的一个范围内。类似地，通过振幅调节器12B，对第一正交变换器11B的振幅分量进行调节，使其接近于第一正交变换器11A的振幅分量。

藉由合成器13，对上述经振幅调节后的两个信号进行复数合成。

藉由第二正交变换器14，对经复数合成后的合成信号进行正交变换或正交逆变换。要求在此情况下的正交变换与第一正交变换中的变换构成一对，若第一正交变换采用傅里叶变换，则第二正交变换必须为傅里叶变换或傅里叶逆变换。

将经第二正交变换后的合成信号输入到估测器15。参照图9和图10，将介绍估测器15从上述变换后的合成信号中估测出水印信息102的一种方法。假设如上所述数字信号“1”或“0”作为水印信息嵌入。

如图9所示，计算变换后的合成信号经移相后与未经移相的原始合成信号之间的相关性。图10示出了互相关值与相移量之间的关系。

如图10所示，若观察互相关值的变化，峰值出现在某个相移量的位置上，且峰值的极性表示水印信息102。例如，若嵌有水印的图像信号101正遭受缩放攻击，使得如此攻击后特定频率分量信号的相移量与在数字水印嵌入设备中提供给特定频率分量信号的相移量不同。

因此，在本实施例中，藉由估测器15，连续或步进式地控制相移量，搜寻与上述控制有关的互相关值输出之峰值，在如此搜寻到的峰值极性的基础上估测和检测出水印信息。互相关值的峰值依照水印信息的值取正值或负值。例如，在图10所示实例中，若峰值为正值，判断水印信息为“1”。若峰值取负值，判断水印信息为“0”。如上所述，对遭受缩放攻击的图像，输出藉由估测器15检测到的水印信息102。

如上所述，根据本实施例，采集信号由嵌有水印的图像信号中采集，且在采集信号与嵌有水印的图像信号之间的相位限定相关之互相关性结果的基础上检测出水印信息。在这种情况下，通过在改变相位的同时进行相关性计算，可搜寻到相关值的峰值，因此，从遭受缩放攻击的嵌入后的图像信号中也能容易地检测到水印信息。

2 相位限定相关法

上述限定相位的相关性方法称为“相位限定相关法”，参照图11，下面介绍此方法。

相位限定相关：POC(Phase only Correlation)是计算要被分配的输入图像31与原始的已配准图像(registered image)30之间相关性(相似度)的一种方法。

首先，藉由正交变换，将数字信号化的已配准图像30进行数学处理，分解为振幅32A(明暗数据(shading data))和相位33A(图像的轮廓数据)。另外，藉由正交变换，将数字信号化的输入图像31也进行数学处理，分解成为振幅32B(明暗数据)和相位33B(图像的轮廓数据)。

第二，将分解后的已配准图像30的振幅33B进行振幅压缩，这是因为这一算法是一种用于使用输入图像31的相位33B进行校对的算法，也就是说，是一种仅使用相位信息而不使用振幅信息的对相关性的图像处理算法，其中，上述两种信息中不包括形状信息。类似地，对分解后的输入图像31的振幅32B也进行振幅压缩。通常所用的振幅压缩方法是将振幅在所有频率上固定为1的方法。

第三，由已配准图像30和输入图像31的两个相位信息来形成合成图像34，对该合成图像进行正交逆变换，由此得到相关图像35。

上述相位限定相关完全不同于传统的二维相关方法和传统的采用振幅信息的特征采集方法，且具有这样的特点，即对外部扰动具有强抵抗力和不出现大的误差。

2-1 传统振幅压缩方法

在传统的相位限定相关中，如上所述，将振幅在所有频率上固定为1。

然而，当假设有诸如图像剪裁、旋转或类似的攻击时，由于振幅固定为1，攻击前后的振幅误差(差值)被扩大，故而可以估计其对攻击的抵抗力不高。

因此，对相互关联的两个振幅值进行调节，使二者彼此接近，以防止振幅误差出现扩大，由此可望提高对攻击的抵抗力。

下面介绍振幅调节单元的实例。

2-2 本实施例中的振幅调节方法

下面依次介绍本实施例用于调节采集信号的正交变换图像之振幅和嵌有水印的图像的正交变换图像之振幅的振幅调节方法。

2-2-1 第一振幅调节方法

参照图13，介绍用于调节采集信号的正交变换图像之振幅和嵌有水印的图像的正交变换图像之振幅的第一振幅调节方法。

图13为示出了振幅调节之实例的图表，上述振幅调节中，对采集信号和嵌有水印的图像信号在正交变换后的图像之振幅分量间存在的幅度差值进行抑制，将该差值抑制在预先确定的范围内，且藉由采集信号的振幅调节器12A调节振幅。

计算出输入到振幅调节器12A的、采集信号经正交变换后的图像振幅(下文仅称作“采集信号振幅”)1A之大小，接着，与嵌有水印的图像经正交变换后的图像振幅(下文仅称作“嵌有水印的图像之振幅”)2A之大小进行比较。如图13所示，由于采集信号振幅1A大于嵌有水印的图像之振幅2A，藉由振幅调节，调节采集信号振幅1A的大小，故将采集信号振幅1A与嵌有水印的图像之振幅2A之间大小的差值抑制到预先确定的范围。

在本实例中，进行振幅调节器12A的振幅调节。然而，可在振幅调节器12B上进行相同的振幅调节。此外，可在某特定频段上进行相同的振幅调节。

2-2-2 第二振幅调节方法

参照图14，介绍用于调节采集信号的正交变换图像之振幅和嵌有水印的图像的正交变换图像之振幅的第二振幅调节方法。

图14为示出了振幅调节之实例的图表，上述振幅调节中，对正交变换后的两个图像之振幅分量间存在的在斜率上的差值进行抑制，将该差值抑制在预先确定的范围内，且藉由采集信号的振幅调节器12A调节振幅。

由输入到振幅调节器12A的采集信号来计算出振幅3A的斜率，并将该斜率与嵌有水印的图像之振幅4A的斜率进行比较。如图14所示，由于采集信号振幅3A大于嵌有水印的图像之振幅4A，藉由振幅调节，调节采集信号振幅3A的大小，将采集信号振幅3A和嵌有水印的图像之振幅4A在斜率上的差值抑制在预先确定的范围。

在本实例中，进行振幅调节器12A的振幅调节。然而，可对振幅调节器12B进行相同的振幅调节。此外，可在某特定频段上进行相同的振幅调节。

2-2-3 第三振幅调节方法

参照图15，介绍用于调节采集信号的正交变换图像之振幅和嵌有水印的图像的正交变换图像之振幅的第三振幅调节方法。

图15为示出了振幅调节之实例的图表，上述振幅调节中，若存在一频率，在该频率上采集信号经正交变换后的图像之振幅或嵌有水印的图像经正交变换后的图像之振幅小于预先确定的阈值，则在该频率上缩小上述两振幅中的每一个使之小于预先确定的该阈值。在本实例中，藉由采集信号的振幅调节器12A调节振幅。

检查是否存在任何这样的频率，在该频率上采集信号振幅5A和嵌有水印的图像之振幅6A中每一个的大小小于预先确定的阈值。在本实例中，发现在高频上振幅6A小于该阈值。因此，藉由振幅调节，将该高频上采集信号振幅5B缩小到小于该阈值。

在本实例中，进行振幅调节器12A的振幅调节。然而，可在振幅调节器12B上进行相同的振幅调节。此外，上述实例中，对高频分量进行振幅调节，不过，可在某特定频段上进行相同的振幅调节。

2-2-4 第四振幅调节方法

参照图16，介绍用于调节采集信号的正交变换图像之振幅和嵌有水印的图像的正交变换图像之振幅的第四振幅调节方法。

图16为示出了振幅调节之实例的图表，上述振幅调节中，将滤波器应用于采集信号经正交变换后的图像之振幅或嵌有水印的图像经正交变换后的图像之振幅，将二振幅之差值抑制到预先确定的范围。在本实例中，藉由采集信号的振幅调节器12A调节振幅。

将与嵌有水印的图像之振幅8A具有相同振幅特性的数字滤波器用于采集信号振幅7A，以进行振幅调节，由此得到采集信号振幅7B。

在本实例中，进行振幅调节器12A的振幅调节。然而，可在振幅调节器12B上进行相同的振幅调节。此外，在上述实例中，在所有频段上应用滤波器来进行振幅调节，不过，可在某一频段上进行相同的振幅调节。

2-2-5 第五振幅调节方法

参照图17，介绍用于调节采集信号的正交变换图像之振幅和嵌有水印的图像的正交变换图像之振幅的第五振幅调节方法。

图17为示出了振幅调节之实例的图表，上述振幅调节中，若采集信号经正交变换后的图像之振幅超出一特定阈值(以下称为“阈值1”)，将该振幅固定为上述阈值1；同样，若嵌入水印信息后的图像经正交变换后的图像之振幅超出一阈值(下文称为“阈值2”)，将该振幅固定为上述阈值2。阈值1与阈值2彼此不同。

将采集信号振幅9A与阈值1相比较，判断振幅9A是否超出阈值1。若振幅9A超出阈值1，将振幅9A固定为阈值1。此外，将嵌有水印的图像之振幅10A与阈值2相比较，若振幅10A被判断为超出阈值2，将振幅10A固定为阈值2。因此得到采集信号振幅9B和嵌有水印的图像之振幅10B。

阈值1与阈值2可设置为不同值或相同值。此外，在上述实例中，在所有频段上对振幅与阈值进行比较。不过，可在某特定频段上进行相同的振幅调节。

2-2-6 第六振幅调节方法

参照图18，介绍用于调节采集信号的振幅和嵌有水印的图像的振幅的第六振幅调节方法。

图18为示出了振幅调节之实例的图表，上述振幅调节中，将采集信号经正交变换后的图像之振幅或嵌有水印的图像经正交变换后的图像之振幅进行常数乘法或与常数相加，使得二振幅在平均值或功率上相等，且若二振幅超出同一特定阈值，将它们固定为该阈值。

将采集信号振幅11A的平均值与嵌有水印的图像之振幅12A的平均值进行比较，在嵌有水印的图像之振幅12A上加上一常数，使得嵌有水印的图像之振幅12A的平均值等于采集信号振幅11A的平均值。判断采集信号振幅11A和嵌有水印的图像之振幅12B中的每一个是否超出阈值3。若上述振幅超出阈值3，将该振幅固定为阈值3，故得到采集信号振幅11B和嵌有水印的图像之振幅12C。

振幅之功率可用于代替振幅之平均值，常数乘法也可用于代替与常数相加。

此外，振幅是在全部波段上与阈值相比较的，不过，可在某特定频段上进行相同的振幅调节。

2-2-7 第七振幅调节方法

参照图12，介绍用于调节采集信号的正交变换图像之振幅和嵌有水印的图像的正交变换图像之振幅的第七振幅调节方法。

图12为示出了上述振幅调节器12A之实例的图表。

对于输入到振幅调节器12A的采集信号，由攻击估测器40估测嵌有水印的图像遭受的攻击。也就是说，在振幅特性的基础上，对施加到嵌有水印的图像上的变动进行估测。藉由振幅调节器41，进行与估测到的攻击相一致的振幅调节，接着，由振幅调节器12A输出。

如上所述，振幅的变化与每种假定攻击相一致，由此增强了对每种攻击的抵抗力。

在本实施例中，攻击估测器包含在振幅调节器12A中，不过，攻击估测器可以布置在振幅调节器12A之外。若限定为预想的攻击，振幅调节可以在不对任何攻击进行预测的情况下进行。

另外，相同的功能可以不仅提供给振幅调节器12A，还提供给振幅调节器12B。

此外，还可提供多个振幅调节器，且可根据假定的攻击类型，改变从这些振幅调节器中选出的振幅调节器。可供选择的振幅调节器的个数没有限制，个数的设置可与假定攻击类型一致。

2-2-8 第八振幅调节方法

上述七种调节方法可以接连应用于嵌有水印的图像，并在其后可应用具有最高相关性的相位调节方法。

2-2-9 其他振幅调节方法

上面介绍了振幅调节方法的八个实例，可以借助这些实例的任意组合进行振幅调节。

3 正交变换的计算量

这里，介绍将FFT(快速傅里叶变换)用作本实施例正交变换时正交变换中的计算量。假设输入图像由N行M列构成。

二维FFT的计算量如下所示。

公式一

$\frac{1}{2}\×N\×M\×(\log M+\log N)$

此外，在本实施例中，由于使用三次正交变换(两个图像的第一正交变换/第二正交变换)，需要如下所示的计算量。

公式二

$\frac{3}{2}\×N\×M\×(\log M+\log N)$

4 数字水印检测方法的步骤

下面，参照图3的流程图，介绍根据本实施例的数字水印检测方法之步骤。

在采集步骤S10中，从嵌有水印的图像信号101中仅采集特定频率的分量。本步骤对应于数字滤波器，且该数字滤波器与上文所述数字水印嵌入步骤中所用的待配对的特定频率分量采集器具有相同的频率范围。

在第一正交变换步骤S11B中，对采集步骤S10采集的信号进行诸如傅里叶变换或类似变换的正交变换处理。在第一正交变换步骤S11A中，对嵌有水印的图像信号101进行诸如傅里叶变换或类似变换的正交变换处理。

在振幅调节步骤S12A中，对第一正交变换步骤S11A的振幅分量在振幅上进行调节，使其接近于第一正交变换步骤S11B的振幅分量。类似地，在振幅调节步骤S12B中，对第一正交变换步骤S11B的振幅分量在振幅上进行调节，将其与第一正交变换步骤S11A的振幅分量之差值抑制在预先确定的范围内。

在合成步骤S13中，对经过振幅调节后的两个信号进行复数合成。

在第二正交变换步骤S14中，对复数合成后的信号进行正交变换或正交逆变换。要求此情况下的正交变换与第一正交变换中的变换构成一对。若将傅里叶变换用作第一正交变换，第二正交变换采用傅里叶变换或傅里叶逆变换。

将第二正交变换后的数据提供到估测步骤S15的输入端。在水印信息估测步骤S15中，如图9、图10所示，在进行移相的同时搜寻互相关值的峰值，由之估测和检测出水印信息。观察到相关值的变化时，峰值在某个相移量位置出现，且峰值的极性表示水印信息102。

5 数字水印检测程序的结构

下面，参照图5，介绍根据本实施例的数字水印检测程序之结构。

藉由采集功能F10，从嵌有水印的图像信号101中仅采集特定频率的分量。采集功能为数字滤波器，该数字滤波器具有与数字水印嵌入操作中所用的特定频率分量采集功能相同的频带，数字水印嵌入操作中所用的特定频率分量采集功能与该采集功能构成一对。

藉由第一正交变换功能F11B，对采集功能F10采集到的采集信号进行诸如傅里叶变换的正交变换处理。藉由第一正交变换功能F11A，对嵌有水印的图像信号101进行诸如傅里叶变换的正交变换处理。

藉由振幅调节功能F12A，对第一正交变换功能F11A的振幅分量在振幅上进行调节，将其与第一正交变换功能F11B的振幅分量之差值抑制在预先确定的范围内。类似地，藉由振幅调节功能F12B，对第一正交变换功能F11B的振幅分量在振幅上进行调节，使其接近于第一正交变换功能F11A的振幅分量。

藉由合成功能F13，对经过振幅调节后的两个信号进行复数合成。

藉由第二正交变换功能F14，对复数合成后的信号进行正交变换或正交逆变换。要求此时的正交变换与第一正交变换中的变换构成一对。若以傅里叶变换用作第一正交变换，第二正交变换采用傅里叶变换或傅里叶逆变换。

将第二正交变换后的数据提供到估测功能F15的输入端。如图9、图10所示，通过在进行移相的同时搜寻互相关值的峰值，水印信息估测功能F15估测和检测出水印信息。当观察到相关值的变化时，峰值在某个相移量位置出现，且峰值的极性表示水印信息102。

6 数字水印检测设备的硬件结构

通过将图19所示的通用计算机设备1用作基本硬件，也可实施数字水印检测设备。

令安装在该计算机设备中的处理器2执行程序，可实施采集功能、第一正交变换功能、振幅调节功能、合成功能、第二正交变换功能以及估测功能。

此时，通过将上述程序预先安装在存储设备3上，或在记录媒质5中存储并通过存储媒质读取设备4获取该程序，或通过网络传播并从通信设备6中将该程序正确安装到计算机设备上，可实施上述数字水印检测设备，其中，存储设备3为诸如计算机设备之存储器、硬盘或其类似物，记录媒质5为诸如CD-ROM或其类似物。

此外，嵌有水印的图像信号可以通过适当运用存储设备3或存储媒质5来获取，其中，存储设备3为诸如安装在计算机设备1内或在计算机设备1外部提供的存储器、硬盘，存储媒质5为诸如CD-R、CD-RW、DVD-RAM、DVD-R或其类似物。另外，嵌有水印的图像信号可通过通信设备6由连接到网络的其他设备(例如计算机、服务器等)来获取。

第二实施例

将要介绍的是根据本发明第二实施例的数字水印嵌入设备和数字水印检测设备。

数字水印嵌入设备

首先，参照图8和图9介绍根据第二实施例的数字水印嵌入设备。

图8为示出了上述数字水印嵌入设备之基本结构的框图。

作为嵌入目标图像103，即应在其中嵌入水印信息的图像，将移动画面或静止画面的数字化图像信号输入到数字水印嵌入设备。嵌入目标图像信号103可能既包含亮度信号又包含色差信号，也可能仅包含亮度信号。嵌入目标图像信号103被分路为三个部分，输入到放大/缩小单元16、特征量采集器21和水印信息叠加部分23。

放大/缩小单元16包括某频段的数字滤波器，并生成具有某一特定缩放比率的放大/缩小分量，例如，对嵌入目标图像信号103的0.5的放大率。在下面的介绍中，将把放大/缩小单元16的输出信号称为“放大/缩小信号”。来自放大/缩小单元16的放大/缩小信号输入到特定频率分量采集器20。

特定频率分量采集器20包括某频段的数字滤波器，例如，截止频率预先确定的低通滤波器或高通滤波器，或者通带中心频率预先确定的带通滤波器。特征频率分量采集器20对嵌入目标图像信号103中的特定频率分量进行采集，例如，相对高频分量。在下面的介绍中，特定频率分量采集器20的输出信号将称为“特定频率分量信号”。

经由相位和振幅变换器22，对来自特定频率分量采集器20的特定频率分量输出进行相位和振幅变换。这里，可以仅变换相位或仅变换振幅。将水印信息102提供给相位和振幅变换器22，其中，上述水印信息102对应于将要嵌入在嵌入目标图像信号103中的数字信息。

相位和振幅变换器22的设计使特定频率分量信号得以进行预先确定的固有相位变换量的相位变换，以及预先确定的固有振幅变换量的振幅变换。具体而言，相位和振幅变换器22的相位变换藉由单重或多重数字移相器来实现，且上述相位变换量对应于所述移相器的相移量。图9示出了藉由相位变换器112进行移相的实施形态。在此实例中，特定频率分量信号只进行移相，同时保持其波形。具体而言，相位和振幅变换器22的振幅变换藉由单重或多重异或电路或数字乘法器来实现，且上述振幅变换量即为与要输入的特定频率分量信号相乘的系数。水印信息102输入到该相位和振幅变换器22，且相位和振幅变换器22的相位变换量(相移量)以及振幅变换量(系数)依照水印信息102进行控制。

此外，藉由特征量采集器21采集上述嵌入目标图像信号103的特征量，例如代表图像复杂程度的活度(activity)。特征量的信息输入到相位和振幅变换器22。在相位和振幅变换器22中，相位变换量(相移量)以及振幅变换量(系数)依照如此输入的该特征量进行控制。特征采集器21并非绝对必要，可以省去。

将经由相位和振幅变换器22进行相位变换和振幅变换后的特定频率分量信号作为嵌入信号，提供给包括数字加法器的水印信息叠加部分23，并叠加在嵌入目标图像信号103之上。也就是说，放大/缩小单元16/特定频率分量采集器20采集到的特定频率分量信号经由相位和振幅变换器22进行数字水印嵌入设备所固有的相位变换和振幅变换，相位变换量和振幅变换量二者或其一由水印信息102控制，因此，在水印信息叠加部分23生成了嵌有水印的图像101，在上述嵌有水印的图像101中，水印信息102嵌入在嵌入目标图像信号103之中。

经由特定频率分量采集器20采集、并经由相位和振幅变换器22进行相位和振幅变换的特定频率分量信号可能存在于多个信道。在这种情况下，水印信息叠加部分23中有多个信道的特定频率分量信号叠加在嵌入目标图像信号103之上。

对应于如上所述嵌入了水印信息的图像信号的嵌有水印的图像信号101，通过诸如DVD系统或其类似物的数字图像记录和重放设备被记录下来，或通过诸如互联网、广播卫星、通信卫星或其类似物的传播媒质进行传播。

数字水印检测设备

参照附图，下面介绍对上述嵌有水印的图像信号101进行检测时数字水印检测设备的实施例。

根据第二实施例的数字水印检测设备将参照图2、图4、图6、图9到图11以及图19进行介绍。

1 数字水印检测设备的结构

图2示出了根据本实施例数字水印检测设备的结构。

通过记录媒质或传播媒质，将嵌有水印的图像信号101输入到图2中的数字水印检测设备，其中，在上述嵌有水印的图像信号101中，特定频率分量信号藉由所述数字水印嵌入设备依照水印信息102进行控制并进行嵌入。假设数字信号“1”或“0”作为水印信息嵌入。

藉由放大/缩小单元16，以与上面介绍的数字水印嵌入设备所用缩放比率相同的比率，对嵌有水印的图像信号101进行放大/缩小。藉由采集器10，从该放大/缩小后的信号中仅采集特定的分量。该采集器包括数字滤波器，且该数字滤波器的频率范围与数字水印嵌入设备所用的特定频率分量采集器之频率范围相同，例如，截止频率预先确定的低通滤波器或高通滤波器，或者通带中心频率预先确定的带通滤波器。采集器10对嵌有水印的图像信号101中的特定频率分量进行采集，例如，相对高频分量。

采集器10采集得到的采集信号藉由第一正交变换器11A进行诸如正交变换或其类似变换的正交变换处理，且嵌有水印的图像信号101藉由第一正交变换器11B进行诸如正交变换或其类似变换的正交变换处理。也可考虑这样一种情况，即采集器采集了所有频率分量。

通过振幅调节器12A调节第一正交变换器11A的振幅分量，使其与第一正交变换器11B中振幅分量之差值抑制在预先确定的一个范围内。类似地，通过振幅调节器12B调节第一正交变换器11B中的振幅分量，使其接近于第一正交变换器11A中的振幅分量。

藉由合成器13，对上述经振幅调节后的两个信号进行复数合成。

藉由第二正交变换器14，对经复数合成后的合成信号进行正交变换或正交逆变换。要求这个情况下的正交变换与第一正交变换中的变换构成一对，若第一正交变换采用傅里叶变换，则第二正交变换为傅里叶变换或傅里叶逆变换。

将经第二正交变换后的合成信号输入到估测器15。参照图9和图10，将介绍估测器15从上述正交变换后的合成信号中估测水印信息102的一种方法。如上所述，假设数字信号“1”或“0”作为水印信息嵌入。

如图9所示，计算变换后的合成信号经移相后与变换后的未经移相的原始合成信号之间的相关性。图10示出了互相关值与相移量之间的关系。

如图10所示，若观察互相关值的变化，峰值出现在某个相移量的位置上，且峰值的极性表示水印信息102。例如，若嵌有水印的图像信号101正遭受缩放攻击，使得如此攻击后特定频率分量信号的相移量与在数字水印嵌入设备中提供给该特定频率分量信号的相移量不同。

因此，在本实施例中，藉由估测器15，连续或步进式控制相移量，搜寻与上述控制有关的互相关值输出之峰值，则在如此搜寻到的峰值极性的基础上估测和检测出水印信息。互相关值的峰值依照水印信息的值取正值或负值。例如，在图10所示实例中，若峰值为正值，判断水印信息为“1”。若峰值取负值，判断水印信息为“0”。如上所述，对遭受缩放攻击的图像，输出藉由估测器15检测到的水印信息102。

如上所述，根据本实施例，对嵌有水印的图像信号进行放大/缩小，从获得的信号中采集得到采集信号，并通过互相关计算，在该采集信号与嵌有水印的图像信号之间相位限定相关的相关性结果的基础上检测出水印信息。在这种情况下，在改变相位并进行相关性计算，可搜寻到相关值的峰值，因此，从遭受缩放攻击的嵌入后的图像信号中也能容易地检测到水印信息。

这里，可用与上文介绍的关于第一实施例的振幅调节方法相同的方法作为相位限定相关的振幅调节单元。

2 数字水印检测方法的步骤

下面，参照图4的流程图，介绍根据本实施例数字水印检测方法的步骤。

在缩放步骤S16中，以与上面介绍的数字水印嵌入设备所用缩放比率相同的比率，对嵌有水印的图像信号101进行放大/缩小。在采集步骤S10中，从该放大/缩小的图像信号中仅采集特定频率的分量。本采集步骤为一数字滤波器，该数字滤波器与上文所述数字水印嵌入操作中所用的与本采集步骤成为一对的特定频率分量采集器具有相同的频率范围。

在第一正交变换步骤S11B中，对采集步骤S10采集到的采集信号进行诸如傅里叶变换或类似变换的正交变换处理。在第一正交变换步骤S11A中，对嵌有水印的图像信号101进行诸如傅里叶变换或类似变换的正交变换处理。在振幅调节步骤S12A中，对第一正交变换步骤S11A的振幅分量在振幅上进行调节，将其与第一正交变换步骤S11B的振幅分量之差值抑制在预先确定的范围内，类似地，在振幅调节步骤S12B中，对第一正交变换步骤S11B的振幅分量在振幅上进行调节，使其接近于第一正交变换步骤S11A的振幅分量。

在合成步骤S13中，对经过振幅调节后的两个信号进行复数合成。

在第二正交变换步骤S14中，对复数合成后的信号进行正交变换或正交逆变换。要求此情况下的正交变换与第一正交变换中的变换构成一对。若将傅里叶变换用作第一正交变换，则第二正交变换采用傅里叶变换或傅里叶逆变换。

将第二正交变换后的数据提供到估测步骤S15的输入端。在水印信息的估测步骤S15中，如图9、图10所示，在进行移相的同时搜寻互相关值的峰值，由之估测和检测出水印信息。当观察到相关值的变化时，峰值在某个相移量上出现，且峰值的极性表示水印信息102。

3 数字水印检测程序的结构

下面，参照图6，介绍根据本实施例的数字水印检测程序的结构。

藉由缩放功能F16，以与上面介绍的数字水印嵌入设备所用缩放比率相同的比率，对嵌有水印的图像信号101进行放大/缩小。藉由采集功能F10，从该放大/缩小的信号中仅采集特定频率的分量。该采集功能为数字滤波器，该数字滤波器具有与所述数字水印嵌入操作中所用的与本采集功能构成一对的特定频率分量采集功能相同的频带。

藉由第一正交变换功能F11B，对采集功能F10采集到的采集信号进行诸如傅里叶变换或类似变换的正交变换处理。藉由第一正交变换功能F11A，对嵌有水印的图像信号101进行诸如傅里叶变换或类似变换的正交变换处理。

藉由振幅调节功能F12A，对第一正交变换功能F11A的振幅分量在振幅上进行调节，将其与第一正交变换功能F11B的振幅分量之差值抑制在预先确定的范围内，类似地，藉由振幅调节功能F12B，对第一正交变换功能F11B的振幅分量在振幅上进行调节，使其接近于第一正交变换功能F11A的振幅分量。

藉由合成功能F13，对经过振幅调节后的两个信号进行复数合成。

藉由第二正交变换功能F14，对复数合成后的信号进行正交变换或正交逆变换。要求此时的正交变换与第一正交变换中的变换构成一对。若以傅里叶变换用作第一正交变换，第二正交变换采用傅里叶变换或傅里叶逆变换。

将第二正交变换后的数据提供到估测功能F15的输入端。如图9、图10所示，通过在进行移相的同时搜寻互相关值的峰值，水印信息估测功能F15估测和检测出水印信息。当观察相关值的变化时，峰值在某个相移量上出现，且这一峰值的极性表示水印信息102。

6 数字水印检测设备的硬件结构

像第一实施例的情形一样，通过将图19所示的通用计算机设备1用作基本硬件，可实施本实施例的数字水印检测设备。

变体

本发明并不限于上述实施例，在不脱离本发明之主题的条件下，可做出多种变体和其他选择。此外，可通过对上述实施例中所披露的多个构成要素进行适当的组合来实施本发明。例如，某些构成要素可从上述实施例中披露的全部构成要素中删除。另外，不同实施例的构成要素可适当进行组合。

Claims (12)

1.一种数字水印检测设备，该设备从嵌有水印的图像中检测出以电学方式嵌入于其中的水印信息，该水印信息用于对从嵌入目标图像中采集的特定频率分量信号进行变换，该数字水印检测设备包括：

采集处理器，其配置为通过与数字水印嵌入设备所用方法相同的采集方法，从所述嵌有水印的图像中采集出所述特定频率分量的采集信号；

第一正交变换处理器，其配置为通过对所述采集信号进行正交变换来计算出主要正交变换图像，且通过对所述嵌有水印的图像进行正交变换来计算出附属正交变换图像；

振幅调节处理器，其配置为根据所述主要正交变换图像与所述附属正交变换图像的振幅分量之差值，调节所述主要正交变换图像与所述附属正交变换图像中每一个或任一个的振幅；

合成处理器，其配置为对进行如上所述振幅调节后的所述主要正交变换图像和所述附属正交变换图像进行合成，以获得合成信号；

第二正交变换处理器，其配置为对所述合成信号进行正交变换或正交逆变换，以获得第二正交变换信号；以及

水印信息估测处理器，其配置为在所述第二正交变换信号中出现的峰值的基础上，估测出所述水印信息。

2.如权利要求1所述的数字水印检测设备，

该设备还包括放大/缩小处理器，该放大/缩小处理器配置为进行与所述数字水印嵌入设备所用放大/缩小处理相同的放大/缩小处理以由所述嵌有水印的图像获取放大/缩小信号；因此，从所述嵌入目标图像的放大/缩小后的分量采集得到所述特定频率分量信号，且所述采集处理器采用与前述数字水印嵌入设备所用方法相同的采集方法，从所述放大/缩小信号中采集出所述采集信号。

3.如权利要求1所述的数字水印检测设备，其中，所述正交变换为傅里叶变换。

4.如权利要求1中至少一项所述的数字水印检测设备，其中，所述振幅调节处理器将所述主要正交变换图像与所述附属正交变换图像之间的所述振幅差值抑制在预先确定的范围中。

5.如权利要求1所述的数字水印检测设备，其中，所述振幅调节处理器单元将所述两个正交变换图像的所述振幅的斜率差值抑制在预先确定的范围中。

6.如权利要求1中至少一项所述的数字水印检测设备，其中，若特定频率上所述主要正交变换图像的所述振幅或所述附属正交变换图像的所述振幅之大小小于第一阈值，所述振幅调节处理器使得在上述特定频率上、所述主要正交变换图像与所述附属正交变换图像中每个图像的所述振幅之大小小于第二阈值。

7.如权利要求4所述的数字水印检测装置，其中，所述振幅调节处理器对所述主要正交变换图像之振幅分量或所述附属正交变换图像之振幅分量进行滤波。

8.如权利要求1所述的数字水印检测装置，其中，若所述附属正交变换图像的所述振幅超出第一阈值，所述振幅调节处理器将所述附属正交变换图像的所述振幅固定为第一阈值；且若所述主要正交变换图像的所述振幅超出与所述第一阈值不同的第二阈值，所述振幅调节处理器将所述主要正交变换图像的所述振幅固定为第二阈值。

9.如权利要求1所述的数字水印检测装置，其中，对所述主要正交变换图像的所述振幅或所述附属正交变换图像的所述振幅进行常数乘法或与常数相加，将所述主要正交变换图像的所述振幅与所述附属正交变换图像的所述振幅设置得在平均值或功率上彼此相等；且若如此设置得相等的所述主要正交变换图像的所述振幅和所述附属正交变换图像的所述振幅有超出共有的特定阈值的部分，将该有关超出部分的所述振幅固定为该共有特定阈值。

10.如权利要求1所述的数字水印检测装置，

该设备还包括攻击估测处理器，该攻击估测处理器配置为在所述嵌有水印的图像之振幅特性的基础上，估测出施加于所述嵌有水印的图像的改变；因此，所述振幅调节处理器对所述主要正交变换图像与所述附属正交变换图像中每一个或任一个图像的振幅进行与如此估测的所述改变相一致的调节。

11.如权利要求1所述的数字水印检测装置，其中，在用于这种调节的多种振幅调节方法基础上，所述振幅调节处理器对所述主要正交变换图像与所述附属正交变换图像中每一个或任一个图像的振幅进行调节，并从所述多种振幅调节方法中选择出在所述第二正交变换信号中提供最高的峰值的振幅调节方法。

12.一种数字水印检测方法，该方法从嵌有水印的图像中检测出以电学方式嵌入于其中的水印信息，该水印信息用于对从嵌入目标图像中采集的特定频率分量信号进行变换，该数字水印检测方法包括：

通过与数字水印嵌入设备所用方法相同的采集方法，从所述嵌有水印的图像中采集出所述特定频率分量的采集信号；

由所述采集信号计算出主要正交变换图像，且由所述嵌有水印的图像计算出附属正交变换图像；

根据所述主要正交变换图像与所述附属正交变换图像二者振幅分量之差值，调节所述主要正交变换图像与所述附属正交变换图像中每一个或任一个的振幅；

对进行如上所述振幅调节后的所述主要正交变换图像和所述附属正交变换图像进行合成，获得合成信号；

对所述合成信号进行正交变换或正交逆变换，获得第二正交变换信号；以及

在所述第二正交变换信号中出现的峰值的基础上，估测出所述水印信息。

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