DE69908550T2 - Wasserzeichenerkennung - Google Patents

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Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Detektieren eines Wasserzeichens in einem verdächtigen Bild, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: das Vorverarbeiten des verdächtigen Bildes, das Ermitteln des Betrags der Korrelation zwischen dem vorverarbeiteten Bild und dem Wasserzeichen, und das Erzeugen eines Wasserzeichendetektionssignals in Abhängigkeit von dem genannten Betrag an Korrelation. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Ein Verfahren zum Detektieren eines Wasserzeichens, wie eingangs definiert, ist in der internationalen Patentanmeldung WP-A 98/03014 beschrieben. Wie in dieser Patentanmeldung beschrieben, basiert herkömmliche Wasserzeichendetektion auf der Bestimmung des Betrags an Korrelation eines verdächtigen Bildes mit dem zu detektieren- den Wasserzeichen. Wenn der Betrag an Konelation kleiner ist als eine bestimmte Schwelle, heißt es, dass es kein Wasserzeichen gibt, sonst ist es vorhanden. Je größer die Korrelation desto zuverlässiger ist die Detektion und desto mehr Verarbeitung des mit einem Wasserzeichen versehenen Bildes ist erlaubt, bis das Wasserzeichen überhaupt nicht mehr detektiert werden kann.
  • Zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Wasserzeichendetektion wird das verdächtige Bild vorverarbeitet. Bei dem bekannten Wasserzeichen-Detektionsverfahren umfasst die Vorverarbeitung eine prediktive oder Matched-Filterung des verdächtigen Bildes vor der herkömmlichen Wasserzeichendetektion. Eine derartiges Matched-Filter ist ein Faltungsfilter, d. h. das gefilterte Bild ist eine räumlich-invariante lineare Kombination globaler Verlagerungen desselben Bildes. Es wird optimiert, die Frequenzen zu dämpfen, für die das Bild über das Wasserzeichen dominiert. Es wirkt gleichermaßen auf das Wasserzeichen und auf das unterliegende Bild.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zu schaffen zum Detektieren des Wasserzeichens.
  • Dazu weist das Verfahren das Kennzeichen auf, dass die genannte Vorverarbeitung die nachfolgenden Schritte umfasst: das Durchführen eines Nicht-Faltungsfiltervorgangs an dem verdächtigen Bild zum Erhalten eines verzerrten aber gleichenden Bildes, das weniger Korrelation mit dem Wasserzeichen hat, und das Subtrahieren des genannten verzerrten Bildes von dem verdächtigen Bild.
  • Unter einem Nicht-Faltungsfilter wird in diesem Zusammenhang ein nichtlineares Filter oder ein räumlich-varantes lineares Filter verstanden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die meisten Wasserzeichenschemen nicht beständig sind gegen (sogar kleine) nicht-lineare oder räumlich variante Verzemingen. Solche Verzemingen brauchen das perzeptuelle Aussehen des Bildes nicht unbedingt zu beeinträchtigen, sondern sie zerstören die Wasserzeicheninformation. Das verzerrte Bild gleicht dem ursprünglichen Bild, hat aber weniger Korrelation mit dem Wasserzeichen. Diese Eigenschaft wird hier benutzt zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Detektion des Wasserzeichens. Aber Subtraktion des verzerrten Bildes von dem verdächtigen Bild ergibt ein Differenzbild, in dem das Verhältnis zwischen der Wasserzeicheninformation und dem unterliegenden Bildinhalt ist sehr gesteigert. Die Leistung des nachfolgenden herkömmlichen Wasserzeichendetektors wird dadurch wesentlich verbessert.
  • Beispiele nicht linearer Filter sind Median Filter, örtliches Minimum Filter und örtliches Maximum Filter. Beispiele räumlich varianter Vorgänge sind Straffung, Schrumpfung, Scherung, Drehung, Bewegungskompensation und gebietsbasierte Verschiebung. Einige vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Durchführen des Verfahrens zum Detektieren eines Wasserzeichens nach der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zum Detektieren des Wasserzeichens nach der vorliegenden Erfindung.
  • 3A–3C zeigen eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung, die in 2 dargestellt ist.
  • 4 und 5 zeigen je eine weitere Ausführungsform einer Anordnung zum Detektieren des Wasserzeichens nach der vorliegenden Erfindung.
  • 6A–6C je eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise weiterer Ausführungsformen einer Verzerrungsschaltung nach 1.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt eine Anordnung zum Detektieren eines Wasserzeichens in einem verdächtigen Bild nach der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung empfängt ein verdächtiges Bild I. Bevor das verdächtige Bild einem herkömmlichen Wasserzeichendetektor 1 zugeführt wird, wird das Bild durch eine Anordnung mit einem Nicht-Faltungsfilter 2 (nachstehend auch als Verzerrungsschaltung bezeichnet) und einer Subtrahierschaltung 3, die das verzerrte Bild I' von dem verdächtigen Bild I subtrahiert, vorverarbeitet. Das Differenzbild Q wird dem herkömmlichen Wasserzeichendetektor 1 zugeführt.
  • Der herkömmliche Wasserzeichendetektor 1 umfasst einen Multiplizierer 11, eine Summierschaltung 12 und eine Schwellenschaltung 13. Der Multiplizierer 11 und die Summierschaltung 12 bilden eine Korrelationsschaltung. Der Multiplizierer empfängt das Differenzbild Q und ein zugeführtes Wasserzeichen W. Das Wasserzeichen W ist eine Matrix von Datenwerten wji, die auf eine perzeptuell unauffällige Art und Weise zu den entsprechenden Pixeln pji eines Bildes P hinzugefügt worden sind.
  • Die Aufgabe der Anordnung, die in 1 dargestellt ist, ist zu detektieren, ob das verdächtige Bild I mit einem Wasserzeichen versehen ist (I = P + W) oder nicht (I = P). Dazu berechnet die Korrelationsschaltung (11, 12) das Skalarprodukt <Q, W> aus dem Differenzbild Q und dem Wasserzeichen W, definiert als:
    Figure 00030001
    wobei N1 und N2 die Breite und die Höhe des Bildes in Anzahl Pixel ist, wobei qij den Pixelwert des Differenzbildes Q an der Stelle (i, j) bezeichnet und wobei wij der Wasserzeichendatenwert an der Pixelstelle (i, j) ist. Es dürfte einleuchten, dass, wenn das Bildsignal ein analoges Signal ist, die Summierschaltung 12 ein Integrator sein wird.
  • Die Berechnung der Korrelation <Q, W> wird oft in der Fourier-Domäne durchgeführt. Weil der dynamische Bereich des Differenzbildes Q in der Fourier-Domäne klein ist, kann das Differenzbild durch ganze Zahlen statt durch Gleitkomma-Zahlen dargestellt werden. Dies verringert die Komplexität der Hardware wesentlich.
  • Das Ausgangssignal <Q, W> der Summierschaltung 12 stellt einen Betrag an Korrelation zwischen dem Eingangssignal Q und dem zugeführten Wasserzeichen W dar. Die Schwellenschaltung 13 bestimmt, ob der genannte Betrag an Konelation eine vorbestimmte Schwelle übersteigt. Sollte dies der Fall sein, so wird das Detektionssignal D = 1 erzeugt um das Vorhandensein des Wasserzeichens anzugeben. Sonst soll das Wasserzeichen fehlen (D = 0).
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der Wasserzeichendetektionsanordnung nach der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist das verdächtige Bild I ein Bild einer Reihe von Bildern, die zusammen ein Bewegt-Videosignal bilden. Die Verzerrungsschaltung 2 umfasst eine Bewegungsschätzschaltung 21, einen Speicher 22 und eine Bewegungskompensationsschaltung 23. Ein früheres Bild der Reihe ist an dem Ausgang des Speichers 22 verfügbar. Das frühere Bild (nachstehend als Bezugsbild bezeichnet) kann das vorhergehende Bild oder ein Bild in einem Abstand davon sein. Es kann das gleiche Wasserzeichen haben wie das aktuelle Bild. Das Bezugsbild und das aktuelle Bild werden der Bewegungsschätzschaltung 21 zugeführt. Bewegungsschätzung ist ein durchaus bekannter Vorgang im Bereich der Bildcodierung und braucht an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung. Es reicht zu erwähnen, dass die Bewegungsschätzschaltung 21 für jeden Bildblock des aktuellen Bildes I den am meisten gleichenden Bildblock in dem Speicher 22 sucht und einen Bewegungsvektor mv erzeugt, der die relative Lage des auf diese Art und Weise gefundenen Blocks angibt. Es ist wichtig zu bemerken, dass die Bewegungsschätzung von dem eingebetteten Wasserzeichen kaum beeinträchtigt wird, wenn überhaupt, weil der Bildinhalt dominant ist.
  • Die Bewegungsvektoren mv und das Bezugsbild werden danach der Bewegungsschätzschaltung 23 zugeführt zum Erhalten einer Prädiktion für das aktuelle Bild. Das Prädiktionsbild I' gleicht dem aktuellen Bild aber das Wasserzeichen ist durch die Bewegungsvektoren aufgewühlt worden. Dies ist beispielsweise in den 3A – 3C dargestellt. In 3A sind die Bewegungsvektoren, die von der Bewegungsschätzschaltung 21 erzeugt worden sind, durch Pfeile dargestellt. So bezeichnet beispielsweise der Bewegungsvektor 31, dass es sich herausgestellt hat, dass der Bildblock 33 des Bezugsbildes dem Bildblock 32 des aktuellen Bildes I sehr gleicht. 3B zeigt das Wasserzeichen, das in dem aktuellen Bild und in dem Bezugsbild dasselbe ist. Der Deutlichkeit halber ist das Wasserzeichenmuster extrem einfach in diesem Beispiel. In der Figur ist der Bildinhalt nicht dargestellt, obschon es in der Praxis über das Wasserzeichen herrscht. 3C zeigt das Prädiktionsbild I', das von der Bewegungskompensationsschaltung erzeugt worden ist. Der Bildblock 34 dieses Prädiktionsbildes ist dasselbe wie der Bildblock 33 des Bezugsbildes (siehe 3B) und gleicht folglich dem Block 32 des aktuellen Bildes, aber das Wasserzeichen ist verschoben worden. Auch hier ist in der Figur der dominierende Bildinhalt nicht dargestellt.
  • Das Differenzbild Q, erhalten nach Subtraktion des Prädiktionsbildes I' von dem verdächtigen Bild I kann wie folgt geschrieben werden: Q = I – I' = (P + W) – (P' + W') = (P – P') + W – W'wobei P' und W' den bewegungskompensierten Bildinhalt bzw. das bewegungskompensierte Wasserzeichen bezeichnen (siehe 3C).
  • Im Falle einer einwandfreien Bewegungsschätzung ist der Bildrest (P – P') sehr gering, so dass die von dem Wasserzeichendetektor 1 berechnete Korrelation wie folgt angenähert werden kann: <Q, W> ≈ <W, W> – <W, W'>
  • Anhand der 3B und 3C dürfte es einleuchten, dass der Term <W, W'>, der die Korrelation zwischen dem Wasserzeichen W und dem bewegungskompensierten Gegenteil W' darstellt, gering ist, vorausgesetzt, dass die Bewegungsvektoren genügend verschieden sind. Die Korrelation <Q, W> wird auf diese Weise hauptsächlich durch den gewünschten Term <W, W> definiert.
  • Es sei bemerkt, dass Bewegungsschätzung (21), Bewegungskompensation (23) und Subtraktion(3) bereits am Codierungsende einer Videoübertragungskette durchgeführt worden ist. So umfassen beispielsweise MPEG-codierte Videosignale prädiktiv codierte (P- und B-) Bilder. Sie werden als Restbilder plus Bewegungsvektoren übertragen. Im Hinblick darauf dürfte es einleuchten, dass ein Wasserzeichen in einem empfangenen MPEG-Videosignal am besten dadurch detektiert werden kann, dass das Restbild einer Wasserzeichendetektion ausgesetzt wird.
  • Die Ausführungsform der Wasserzeichendetektionsanordnung aus 2 leidet an einer reduzierten Leistung, wenn es zwischen dem verdächtigen Bild und dem Bezugsbild keine Bewegung gibt (alle Bewegungsvektoren sind Null). Die Leistung wird ebenfalls reduziert, wenn große Bildgebiete derselben Bewegung ausgesetzt werden (alle Bewegungsvektoren sind gleich). 4 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung, wobei dieses Problem verringert ist. Die Ausführungsform weicht von der Ausführungsform nach 2 darin ab, dass eine Schaltungsanordnung 24 zum beliebigen Modifizieren der Bewegungsvektoren mv zwischen den Bewegungsschätzer 21 und dem Bewegungskompensator 24 eingefügt wird. Dadurch wird erreicht, dass das Wasserzeichen W und dessen bewegungskompensierter Gegenteil W' dekorreliert werden, ungeachtet ob das Bild (oder große Teile desselben) einer einheitlichen Bewegung ausgesetzt wird oder nicht. Ein Nachteil der Randomisierung der Bewegungsvektoren ist, dass der Restbildinhalt (P – P' in den obenstehenden Formeln) zunimmt, sogar, wenn die Bewegungsschätzung einwandfrei ist. Dies kann nötigenfalls dadurch gelöst werden, dass die Bewegungsvektoren nur in den Bildgebieten modifiziert werden, in denen sie im Wesentlichen Null oder identisch sind.
  • Es hat sich herausgestellt, dass die Leistung der Wasserzeichendetektion durch die Bewegungsvektor-Randomisierung nicht dramatisch beeinträchtigt wird. Diese Wahrnehmung hat zu einer weiteren Ausführungsform geführt, die in 5 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Bewegungsschätzschaltung fortgelassen und durch eine Schaltungsanordnung 25 zum beliebigen Erzeugen von Bewegungsvektoren ersetzt worden. Diese Ausführungsform ist nicht nur kosteneffektiv im Hinblick auf das Fehlen eines teuren Bewegungsschätzers, sie kann auch benutzt werden zum Detektieren eines Wasserzeichens in isolierten Bildern ohne Bezug auf frühere Bilder mit dem gleiche Wasserzeichen. Dazu empfängt die Bewegungskompensationsschaltung 23 das verdächtige Bild statt eines früheren Bezugsbildes. Im Wesentlichen erzeugt die Verzerrungsschaltung in 5 ein verzerrtes Bild I' durch beliebige Verlagerung von Gebieten des verdächtigen Bildes I, wie in 3C dargestellt.
  • Die 6A–6C zeigen Darstellungen zur Erläuterung weiterer Beispiele räumlich varianter, linearer Filtervorgänge, durchgeführt durch die Verzerrungsschaltung 2. In den Figuren stellt das Rechteck ABCD das verdächtige Bild I das und das Polygon A' B' C' D' stellt das verzerrte Bild I' dar. In 6A wird das verzerrte Bild durch Dehnung erhalten (oder durch Schrumpfung, wenn die Bildgröße verringert wird). In 6B wird das verzerrte Bild durch Scherung erhalten. In 6C wird das verzerrte Bild durch Drehung erhalten.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ist das Verzerrungsfilter 2 ein nicht lineares Filter. Ein Beispiel eines derartigen Filters ist ein Median Filter. Ein Median Filter ist ein Filter, das eine Reihe von N Eingangsabtastwerten empfängt, diese Reihe in Reihenfolge abfallender oder ansteigender Werte neu gliedert und den mittleren Abtastwert der neu gegliederten Reihe selektiert. In diesem Zusammenhang wird unter einem Median Filter auch ein Filter verstanden, das den n. Abtastwert (nicht unbedingt den mittleren Abtastwert) der Reihe selektiert. Es hat sich herausgestellt, dass Median Filterung eines mit einem Wasserzeichen versehenen Bildes ein sehr gut gleichendes Bild ergibt insofern es den Bildinhalt betrifft, aber das eingebettete Wasserzeichen stark zerstört. Auf diese Weise wird nach Subtraktion des gefilterten Bildes I' von dem verdächtigen Bild I die Bildinformation reduziert und das Wasserzeichen beibehalten. Bei der in 6 dargestellten Ausführungsform ist das Median Filter ein 3*3 Median Filter. Jedes Pixel des verdächtigen Bildes wird durch den Mittelwert der Reihe mit dem ursprünglichen Pixel und den acht Nachbarpixeln ersetzt.
  • Zusammenfassend wird vorausgesetzt, dass ein Wasserzeichen in einem verdächtigen Bild eingebettet ist, wenn es einen bestimmten Betrag an Korrelation zwischen dem verdächtigen Bild (I) und dem Wasserzeichen (W) gibt. Die Zuverlässigkeit eines derartigen Wasserzeichendetektionsverfahrens wird wesentlich verbessert durch Verzerrung (2) des verdächtigen Bildes derart, dass ein verzerrtes Bild (I') erhalten wird, das dem verdächtigen Bild gleicht, während das Wasserzeichen zerstört wird. Das verzerrte Bild wird dann von dem verdächtigen Bild subtrahiert (3) zum Erhalten eines Restbildes (Q, in dem das Wasserzeichen dominanter ist. Die Verzerrung kann eine räumlich variante lineare Verzerrung sein, wie Dehnung, Schrumpfung, Scherung oder Drehung, oder eine nicht lineare Transformation oder ein Filtervorgang.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Detektieren eines Wasserzeichens in einem verdächtigen Bild, wobei dieses Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst: das Vorverarbeiten (2,3) des verdächtigen Bildes, das Ermitteln (11, 12) des Betrags der Korrelation zwischen dem vorverarbeiteten Bild und dem Wasserzeichen, und das Erzeugen (13) eines Wasserzeichendetektionssignals in Abhängigkeit von dem genannten Betrag an Korrelation, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Vorverarbeitung (2,3) die nachfolgenden Schritte umfasst: das Durchführen eines Nicht-Faltungsfiltervorgangs (2) an dem verdächtigen Bild (I) zum Erhalten eines verzerrten aber gleichenden Bildes (I'), das weniger Korrelation mit dem Wasserzeichen hat, und das Subtrahieren (3) des genannten verzerrten Bildes von dem verdächtigen Bild.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verdächtige Bild ein Bild einer Sequenz von Bildern ist, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: das Schätzen von Bewegung (21) zwischen dem verdächtigen Bild und einem anderen Bild (22) der genannten Sequenz zum Erhalten von Bewegungsvektoren, wobei das verzerrte Bild dadurch erhalten wird, dass an dem genannten anderen Bild unter Verwendung der genannten Bewegungsvektoren Bewegungskompensation (23) angewandt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin mit dem nachfolgenden Schritt: das beliebige Modifizieren (24) der genannten Bewegungsvektoren wenigstens in denjenigen Bildgebieten, in denen die Bewegungsvektoren Null oder identisch sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verdächtige Bild in eine Anzahl Bildgebiete (33) aufgeteilt wird, wobei das verzerrte Bild dadurch erhalten wird, dass die genannten Gebiete verschiedenartig verschoben werden (31).
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verdächtige Bild ein blockbasiertes prädiktiv codiertes Bild eines Bewegungs-Videosignals mit einem Restbild und mit Bewe gungsvektoren ist, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Restbild das verarbeitete Bild bildet.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Schritt der Herleitung des verzerrten Bildes den Schritt umfasst, in dem das verdächtige Bild einem nicht linearen Filtervorgang ausgesetzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das genannte nicht lineare Filter ein Median Filter ist.
  8. Anordnung zum Detektieren eines Wasserzeichens in einem verdächtigen Bild mit Mitteln (2, 3) zum Vorverarbeiten des verdächtigen Bildes, Mitteln (11, 12) zum Ermitteln des Betrags an Korrelation zwischen dem vorverarbeiteten Bild und dem Wasserzeichen, und Mitteln (13) zum Erzeugen eines Wasserzeichendetektionssignals in Abhängigkeit von dem genannten Betrag an Korrelation, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel (2) zur Vorverarbeitung Mittel (2) umfassen, vorgesehen um aus dem verdächtigen Bild ein verzerrtes aber gleichendes Bild herzuleiten, das weniger Konelation mit dem Wasserzeichen hat, und Mitteln (3) zum Subtrahieren des genannten verzerrten Bildes von dem verdächtigen Bild.
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