DE69912514T2

DE69912514T2 - Elektronisches Wasserzeichenseinführungsgerät

Info

Publication number: DE69912514T2
Application number: DE69912514T
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Minato-ku Nakano
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2019-05-01
Also published as: DE69912514D1; KR100299728B1; KR19990088065A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Einrichtung zum Einfügen von Wasserzeichen, die sich für digitale Bilder eignet, und insbesondere eine elektronische Einrichtung zum Einfügen elektronischer Wasserzeichen in digitale Bilder.
Neuerdings sind illegale Kopien digitaler Bilder zu einem wichtigen Problem geworden. Im Gegensatz zu analogen Bildern, können digitale Bilder ohne jeglichen Verlust an Bildqualität wiederholt kopiert werden, da sie an Hand von 0- und 1-Werten erkannt werden. Diese inhärente Eigenschaft hat den Eigentümern von Urheberrechten an digitalen Bildern großen Schaden erbracht.
Um solches illegales Kopieren zu verhindern, wurde die Gestaltung eines Vervielfältigungssystems erwogen, welches digitale Bilddaten verschlüsselt und einen gültigen geheimen Entschlüsselungs-Schlüssel aufweist, wobei die verschlüsselten digitalen Bilddaten reproduziert werden können. Nachdem die Verschlüsselung einmal entschlüsselt wurde, kann dieses System jedoch nachträgliches Kopieren nicht verhindern.
Um die illegale Verwendung oder Reproduktion digitaler Bilder zu verhindern, wurde das Verfahren in Betracht gezogen, in welchem besondere Information (hiernach "elektronische Wasserzeichendaten" genannt) in einem digitalen Bild selbst eingebettet wird.
Zwei Arten von Daten, sichtbare und unsichtbare elektronische Wasserzeichendaten umfassend, werden als elektronische Wasserzeichendaten für digitale Bilder angesehen.
Die sichtbaren elektronischen Wasserzeichendaten, die besondere Schriftzeichen oder Symbole kombiniert mit einem Bild aufweisen, können visuell wahrgenommen werden. Diese elektronischen Wasserzeichendaten können zwar die Bildqualität beeinträchtigen, sie haben jedoch den Vorteil, daß sie Benutzer warnen, um widerrechtliche Verwendung der Bilder zu verhindern.
Ein Beispiel der Einbettung solcher sichtbaren elektronischen Wasserzeichendaten ist in JP-A-241403/1996 offenbart. Diese Patentschrift offenbart ein Verfahren um einem digitalen Bild ein sichtbares Wasserzeichen hinzuzufügen. Dieses Verfahren umfaßt die Schritte der Bereitstellung eines Original-Digitalbildes sowie der Überlagerung des Wasserzeichens auf dem Originalbild, ohne den Farbton der Pixel des Originalbildes beim Einbringen des Wasserzeichens zu verändern, um ein mit Wasserzeichen versehenes Bild zu erzeugen. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der bilderzeugende Schritt die Helligkeit (nicht die Farbe) respektiver undurchsichtiger Pixel in einem mit Wasserzeichen versehenem Bild variiert, um Pixel entsprechend dem Originalbild zu korrigieren. In diesem Verfahren wird nur die Helligkeit der Pixel, die undurchsichtigen Bereichen der elektronischen Wasserzeichendaten entsprechen, variiert, so daß sichtbare elektronische Wasserzeichendaten mit dem Originalbild ohne Veränderung der Farbkomponenten zusammengeführt werden. Der Skalierungswert zum Variieren der Pixel-Helligkeitskomponente ist von den Farbkomponenten, von Zufallszahlen, von den Pixelwerten elektronischer Wasserzeichendaten, oder anderen Faktoren abhängig. Die Sichtbarkeit des Wasserzeichens wird vom Skalierungswert bestimmt.
Bei unsichtbaren elektronischen Wasserzeichendaten werden die elektronischen Wasserzeichendaten mit Berücksichtigung der Beeinträchtigung der Bildqualität in einem Bild eingebettet. Da die Beeinträchtigung der Bildqualität nicht im wesentlichen vernachlässigbar ist, sollte das Wasserzeichen nicht visuell erkannt werden können.
Wie oben beschrieben, da spezielle Information, die von einem Autor erkannt werden kann, als elektronische Wasserzeichendaten eingebettet ist, kann der Autor auch nach illegalem Kopieren ermittelt werden, indem die elektronischen Wasserzeichendaten erfaßt werden. Zusätzlich kann Information bezüglich unerwünschtem Kopieren in einem Bild eingebettet werden. In einem solchen Fall, wenn zum Beispiel das Reproduktionsgerät die Kopierverbotsinformation erkennt, kann die Reproduktion mit einem Videokassettenrecorder oder äquivalentem Gerät eingeschränkt werden, indem der Benutzer informiert wird, daß die erfaßte Information Daten mit Kopierverbot aufweist, oder indem die Einrichtung zum Verhindern des Kopierens im Kopiergerät aktiviert wird.
Als ein Verfahren zum Einbetten unsichtbarer elektronischer Wasserzeichendaten in Digitalbildern wird spezielle Information als elektronische Wasserzeichendaten in Bereichen eingebettet, welche die Bildqualität nicht wesentlich beeinflussen, z. B. als LSBs (niedrigstwertige Bits) der Pixeldaten. Bei diesem Verfahren können die elektronischen Wasserzeichendaten leicht aus den Bildern entfernt werden. Zum Beispiel kann die Information bezüglich der LSBs der Pixel mit einem Tiefpaßfilter unterdrückt werden. Der Bildkompressionsvorgang verwirft die Informationsmenge, welche die Bildqualität nicht nachteilig beeinflußt, um somit die Datenmenge zu verkleinern. Dies bedeutet, daß die elektronischen Wasserzeichendaten verlorengehen. Folglich ergibt sich das Problem, daß es schwierig ist, die elektronischen Wasserzeichendaten wieder zu erkennen.
Die Patentschrift WO 98 030 14 betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines in einem Informationssignal eingebetteten Wasserzeichens, basierend auf einem Korrelationsschritt zum Korrelieren des Signals mit einem vorgegebenem Wasserzeichen und einem Auswertungsschritt zum Auswerten des Ergebnisses der Korrelation. Zusätzlich offenbart sie auch eine Anordnung zum Erkennen eines in einem digitalen Videosignal eingebetteten Wasserzeichens. Die Anordnung umfaßt einen Wasserzeichendaten-Signalgenerator, einen Multiplizierer, eine Additionsschaltung und eine Auswertungsschaltung sowie auch erste und zweite Vorhersagefilter.
Die Patentschrift EP 0 840 513 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zum Einfügen eines Wasserzeichensignals in Daten, z. B. Bilddaten, Videodaten und Audiodaten, aufweisend ein Mittel zur diskreten Cosinustransformation (DCT), um ein Eingabebild einer diskreten Cosinustransformation zu unterwerfen, und Mittel zum Erzeugen elektronischer Wasserzeichen, um elektronische Wasserzeichendaten in Daten einzufügen, die mittels der DCT konvertiert wurden.
JP-A-Nr. 315131/1994 zeigt ein weiteres Beispiel des Verfahrens zum Einbetten elektronischer Wasserzeichen. Diese Patentschrift offenbart das Verfahren des Einbettens spezifischer Information, indem die Korrelation zwischen fortlaufenden Einzelbildsequenzen genutzt und der Bereich erfaßt wird, in welchem auch dann keine Beeinträchtigung der Bildqualität auftritt, wenn Substitution in peripheren Bereichen bei der Wiedergabe stattfindet. Gemäß diesem Verfahren wird ein Bild wiederhergestellt, indem ein Bereich eingebetteter Indentifizierungsdaten angegeben wird mit Verwendung des Signalaustastteils und Konversionsinformation bei der Wiedergabe, wobei der entsprechende Teil dann korrigiert wird.
Als weiteres Beispiel offenbart JP-A-Nr. 30466/1993 das Verfahren der Konversion der Frequenz eines Videosignals, wonach die Information eingebettet wird mit Signalen niedrigerer Frequenzen als der Frequenzbereich des Konvertierten Videosignals. In diesem Verfahren extrahiert ein breites Bandpaßfilter das originale Videosignal, während ein Tiefpaßfilter die eingebetteten Indentifizierungsdaten extrahiert.
In einem weiteren Beispiel wird das Verfahren der Frequenzkonversion der Bilder gefolgt vom Einbetten elektronischer Wasserzeichendaten in Bereichen mit starken Frequenzkomponenten eines Videosignals nach der Frequenzkonversion genutzt (siehe "NIKKEI Electronics", 1996, 4.22 (Nr. 660), Seite 13). Da die elektronischen Wasserzeichendaten in Frequenzkomponenten eingebettet sind, gehen in diesem Verfahren die elektronischen Wasserzeichendaten nicht durch den Kompressions- oder Bildfilter-Vorgang verloren. Ferner, indem normalverteilte Zufallszahlen als elektronische Wasserzeichendaten eingesetzt werden, ist es schwierig, Interferenz zwischen den elektronischen Wasserzeichendaten zu verhindern und die elektronischen Wasserzeichendaten zu zerstören, ohne das gesamte Bild wesentlich zu beeinflussen.
Im Verfahren des Einbettens elektronischer Wasserzeichendaten wird das Originalbild zuerst mittels der DCT (diskrete Cosinustransformation) in seine Frequenzkomponenten transformiert 703. Datenelemente mit hohen Werten im Bereich hoher Frequenzen werden selektiert als f(1), f(2), ..., f(n). Die elektronischen Wasserzeichendaten w(1), w(2), ... w(n) werden aus einer Normalverteilung selektiert, die den Mittelwert 0 und Dispersion 1 aufweist. Die Formel F(i) = f(i) + α × |f(i)| × w(i), wobei α ein Skalierungsfaktor ist, wird berechnet, um die respektiven (i) zu gewinnen. Schließlich wird das Bild, in welchem die elektronischen Wasserzeichendaten eingebettet sind, auf der Basis der Frequenzkomponente erhalten, in welcher f(i) an Stelle von F(i) eingesetzt wird.
Außerdem werden die elektronischen Wasserzeichendaten gemäß folgendem Verfahren ermittelt. In diesem Ermittlungsverfahren müssen sowohl das Originalbild wie auch die Kandidaten w(i) (wobei i = 1, 2, ..., n) der elektronischen Wasserzeichendaten bekannt sein.
Zuerst wird das die elektronischen Wasserzeichendaten enthaltende Bild insgesamt, beispielsweise mittels der DCT, zu den entsprechenden Frequenzkomponenten konvertiert. Die Werte, die den Faktorwerten (f(1), f(2), ... f(n) entsprechen, wobei jeder ein elektronisches Wasserzeichen enthält, werden respektive als F(1), F(2), ..., F(n) eingestellt. Der Ausdruck W(i) = (F(i) – f(i))/ f(i) wird mit den Werten f(i) und F(i) berechnet, um die elektronischen Wasserzeichendaten W(i) zu extrahieren. Im nächsten Schritt wird die statistische Ähnlichkeit C zwischen w(i) und W(i) mit der folgenden Formel ermittelt, die ein inneres Produkt der Vektoren aufweist: C = W·w/(WD × wD)und wobei W = (W(1), W(2), ..., W(n); w = (w(1), w(2), ..., w(n); WD = der Absolutwert eines Vektors W; wD = der Absolutwert eines Vektors w; und da Symbol · ein inneres Produkt bedeutet.
Wenn die statistische Ähnlichkeit einen vorgegebenen Wert C überschreitet wird angenommen, daß sich die elektronischen Wasserzeichendaten in einem eingebetteten Zustand befinden.
Wenn die elektronischen Wasserzeichendaten in einem Bild eingebettet sind, ist das oben beschriebene Verfahren fähig, einen Autor im Besitz des Originalbildes erkennen zu lassen, daß die vorliegende Digitaldaten vermutlich eine illegale Kopie sind.
Das oben beschriebenem Verfahren benötigt ein Originalbild, was bedeutet, daß der Verfasser als Besitzer des Originalbildes erkennen kann, daß bestimmte Bilddaten wahrscheinlich eine illegale Kopie sind. Das Reproduktionsgerät in jedem Terminal kann jedoch keine elektronischen Wasserzeichendaten erkennen, weil das Originalbild fehlt.
Um dieses Problem zu überwinden, wurde eine Verbesserung des oben beschriebenen Verfahrens für die Terminalbearbeitung vorgeschlagen. Im verbesserten Verfahren wird das Originalbild in Blöcke unterteilt, die jeweils k Pixel × k Pixel umfassen. Die elektronischen Wasserzeichendaten werden in Blockverarbeitungseinheiten eingebettet bzw. extrahiert.
Im Vorgang des Einbettens der elektronischen Wasserzeichendaten werden die AC-Frequenzkomponenten als f(1), f(2), ..., f(n) in aufsteigender Reihenfolge der Frequenz über einen Frequenzbereich mit der diskreten Cosinustransformation ermittelt. Die elektronischen Wasserzeichendaten w(1), w(2), ..., w(n) werden aus der Normalverteilung mit Mittelwert 0 und Dispersion 1 selektiert. Um die respektiven (i) zu ermitteln, wird die Formel F(i) = f(i) + α × avg (f(i)) × w(i) berechnet, wobei α ein Skalierungsfaktor und avg(f(i)) ein gleitender Mittelwert für drei beachbarte Punkte zu f(i) ist. Ein Bild mit eingebetteten elektronischen Wasserzeichendaten kann von den Frequenzkomponenten erzeugt werden, indem f(i) gegen F(i) ausgetauscht wird.
Elektronische Wasserzeichendaten werden mit folgendem Verfahren wiedererkannt. Dieses Verfahren benötigt kein Originalbild. Es ist lediglich erforderlich, daß der elektronische Wasserzeichendaten-Kandidat w(i) bekannt ist, wobei i = 1, 2, ..., n.
Wenn das Bild im Frequenzbereich, in welchem elektronische Wasserzeichendaten enthalten sind, einer diskreten Cosinustransformation unterworfen wird, werden die Frequenzkomponenten als F(1), F(2), ... F(n) in aufsteigender Frequenzreihenfolge erzeugt. Der Mittelwert von drei benachbarten Punkten in den Wasserzeichendaten (Fi) wird als gleitender Mittelwert avg(F(i)) ermittelt. Die elektronischen Wasserzeichendaten W(i) werden mittels Berechnung der folgenden Formel erhalten W(i) = F(i)/avg(F(i))
Außerdem, die Summe WF(i) wird gewonnen, indem w(i) für jedes Einzelbild mit der oben genannten Formel berechnet wird. Im nächsten Schritt wird die statistische Ähnlichkeit C zwischen w(i) und WF(i) durch Berechnen der folgenden Formel, die ein inneres Vektorprodukt aufweist, ermittelt: C = WF·w/(WFD × wD)wobei WF = (WF(1), WF(2), ... WF(n); w = (w(1), w(2), ..., w(n); WFD = der Absolutwert eines Vektors WF; wD = der Absolutwert eines Vektors w; und das Symbol · ein inneres Produkt bedeutet. Wenn die statistische Ähnlichkeit C einen bestimmten Wert überschreitet, wird angenommen, daß entsprechende elektronische Wasserzeichendaten im eingebetteten Zustand vorhanden sind.
Die 3 zeigt ein elektronischen Wasserzeicheneinführungsgerät nach dem Stand der Technik, welches mit dem oben beschriebenem Verfahren arbeitet. Bezugnehmend auf 3, wird das Eingabebild 310 mittels einer diskreten Cosinustransformations-Einheit 320 aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert. Die Einführungseinheit (320) für das elektronische Wasserzeichen fügt die elektronischen Wasserzeichendaten 340 in die Ergebnisdaten ein. Die eingebetteten elektronischen Wasserzeichendaten werden mittels der inversen diskreten Cosinustransformations-Einheit 350 vom Frequenzbereich in den Zeitbereich transformiert. Dies ergibt das Ausgabebild mit den eingebetteten elektronischen Wasserzeichendaten.
Diese Vorrichtung gemäß den Stand der Technik kann jedoch die elektronischen Wasserzeichendaten gleichmäßig und wiederholt einfügen in einem Bild, welches bereits solche Daten enthält.
4 ist eine schematische Darstellung des Konzepts für das Einbetten elektronischer Wasserzeichendaten in einem Frequenzbereich. Das Frequenzspektrum 440 nach dem Vorgang des Einbettens der elektronischen Wasserzeichendaten wird gebildet, indem das Frequenzspektrum 420 der elektronischen Wasserzeichendaten dem Frequenzbereich eines Eingabebildes hinzugefügt wird. Die Zuweisung einer bestimmten Region des Eingabebildes ist nicht von der Art der elektronischen Wasserzeichendaten abhängig. Wenn der Vorgang des Einbettens elektronischer Wasserzeichendaten mehrmals ausgeführt wird, werden die gleichen elektronischen Wasserzeichendaten wieder im Frequenzspektrum eines Bildes eingebettet, in welchem sie zuvor eingebettet wurden. Wenn die gleichen elektronischen Wasserzeichendaten zweimal oder dreimal eingebettet werden, wird der obere Schwarzanteil, der dem eingebetteten Betrag entspricht, nach dem Einbettungsvorgang größer im Frequenzspektrum 440'. Wenn der Frequenzbereich des Spektrums in den Zeitbereich konvertiert wird, wird das Rauschsignal der Einbettung größer, so daß die Bilder mit den verstärkten Rauschkomponenten behaftet sind.
Jedes Element der elektronischen Wasserzeichen wird als sehr schwaches Rauschsignal eingebettet, verglichen mit dem Originalbild, und ist somit vom menschlichen Auge nicht wahrnehmbar. Es besteht jedoch das Problem, wenn die wiederholt eingefügten Rauschkomponenten groß sind, daß sie vom menschlichen Auge wahrgenommen werden können, was zu einer Beeinträchtigung der Bildqualität führt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist so gestaltet, daß sie die oben genannten Probleme löst.
Außerdem ist es das Ziel der Erfindung, ein elektronisches Wasserzeicheneinführungsgerät zu gestalten, welches die gleichen elektronischen Wasserzeichendaten nur einmal, nicht mehrmals, in einem Bild einbetten läßt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird erreicht mit einem elektronischen Wasserzeicheneinführungsgerät, welches Orthogonaltransformierungsmittel zum Unterwerfen eines Eingabebildes einer Orthogonaltransformation; elektronische Wasserzeichen-Einbettungsmittel zum Einbetten elektronischer Wasserzeichendaten in den transformierten Daten mit dem Orthogonaltransformationsmittel; Erkennungsmittel für elektronische Wasserzeichen, um festzustellen, ob die vom Mittel zum Einbetten elektronischer Wasserzeichendaten einzufügenden elektronischen Wasserzeichendaten im Eingabebild bereits vorhanden sind; und Selektiermittel zum Selektieren der Ausgabedaten aus dem Orthogonaltransformations-Mittel, wenn das Erkennungsmittel für elektronische Wasserzeichen feststellt, daß elektronischen Wasserzeichendaten bereits im Eingabebild eingefügt wurden oder zum Selektieren der Ausgabedaten vom Mittel für das Einbetten des elektronischen Wasserzeichens, wenn das Mittel zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen feststellt, daß die elektronischen Wasserzeichendaten noch nicht bereits im Ausgabebild eingefügt wurden; und Mittel, um die vom Selektionsmittel selektierten Daten einer inversen Orthogonaltransformation zu unterwerfen, aufweist.
Im elektronischen Wasserzeicheneinführungsgerät gemäß vorliegender Erfindung entscheidet das Erkennungsmittel für elektronische Wasserzeichen, daß entsprechende elektronische Wasserzeichen eingebettet sind, wenn die statistische Ähnlichkeit C einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Außerdem, im elektronischen Wasserzeicheneinführungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung konvertiert das Mittel zur Erkennung elektronischer Wasserzeichen ein Bild mit elektronischen Wasserzeichendaten zuerst zu einer Frequenzkomponente; berechnet und extrahiert die elektronischen Wasserzeichendaten W(i) mit der Formel W(i) = (F(i) – f(i))/f(i), wobei ein Originalbild wie auch der elektronische Wasserzeichendaten-Kandidat w(i) (wobei i = 1, 2, ... n) bekannt sind; wobei f(1), f(2), ... f(n), zu welchen elektronische Wasserzeichen respektive eingebettet sind, in einem Frequenzbereich korrespondierende Faktorenwerte F(1), F(2), ... F(n) aufweisen; im nächsten Schritt eine statistische Ähnlichkeit C zwischen w(i) und W(i) mit der Formel C = W·w/ (WD × wD) berechnet, wobei W = (W(1), W(2), ... W(n)), w = (w(1), (w(2), ... w(n)), WD = der Absolutwert eines Vektors W, und wD = der Absolutwert eines Vektors w), und das Symbol · ein inneres Vektorprodukt bedeutet; und feststellt, daß eingebettete elektronische Wasserzeichendaten vorhanden sind, wenn die statistische Ähnlichkeit C einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Im elektronischen Wasserzeicheneinführungsgerät gemäß vorliegender Erfindung ermittelt das Mittel zum Einbetten elektronischer Wasserzeichen die AC-Frequenzkomponenten (f(1), f(2), ..., f(n)) in aufsteigender Reihenfolge der Frequenzen über einen Frequenzbereich mittels einer diskreten Cosinustransformation; selektiert dann die elektronischen Wasserzeichendaten w(1), w(2), ..., w(n) aus einer Normalverteilung mit Mittelwert 0 und Dispersion 1; und berechnet respektive (i) gemäß der Formel F(i) = f(i) + α × |f(i)| × w(i) (wobei α ein Skalierungsfaktor ist), so daß sich ein Bild, in welchem die elektronischen Wasserzeichendaten eingebettet sind, aus der Frequenzkomponente ergibt, in welcher f(i) gegen F(i) ausgetauscht ist.
Außerdem, im elektronischen Wasserzeicheneinführungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung stellt das Mittel zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens die AC-Frequenzkomponenten (f(1), f(2), ..., f(n) in die Reihenfolge aufsteigender Frequenzen über einen Frequenzbereich gemäß einer diskreten Cosinustransformation; selektiert elektronische Wasserzeichendaten w(1), w(2), ..., w(n) aus einer Normalverteilung mit Mittelwert 0 und Dispersion 1; und berechnet respektive (i) mit der Formel F(i) = f(i) + α × avg |f(i)| × w(i) (wobei α in Skalierungsfaktor ist und avg f(i) ein gleitender Mittelwert der Absolutwerte von f(i) an drei benachbarten Punkten ist), so daß sich ein Bild, in welchem die elektronischen Wasserzeichendaten eingebettet sind, aus der Frequenzkomponente, in welcher f(i) gegen F(i) ausgetauscht ist, ergibt.
Außerdem, gemäß der vorliegenden Erfindung, umfaßt ein elektronisches Wasserzeicheneinführungsgerät Mittel zum Orthogonaltransformieren, um ein Eingabebild einer Orthogonaltransformation zu unterwerfen; Mittel zum Einbetten elektronischer Wasserzeichen, um elektronische Wasserzeichendaten in den vom Mittel zur Orthogonaltransformation konvertierten Daten einzufügen; Mittel zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen, um festzustellen, ob die vom Mittel zum Einfügen elektronischer Wasserzeichen einzufügenden elektronischen Wasserzeichendaten bereits in Eingabebild eingefügt wurden; Selektiermittel zum Selektieren der Ausgabedaten vom Mittel zur Orthogonaltransformation, wenn das Mittel zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen feststellt, daß die elektronischen Wasserzeichendaten bereits im Eingabebild eingefügt wurden, oder zum Selektieren der Ausgabedaten vom Mittel zum Einbetten elektronischer Wasserzeichen, wenn das Mittel zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen feststellt, daß die elektronischen Wasserzeichendaten noch nicht im Eingabebild eingefügt wurden; und Mittel, um die vom Selektiermittel selektierten Daten einer inversen diskreten Cosinustransformation zu unterwerfen.
Außerdem, umfaßt ein elektronisches Wasserzeicheneinführungsgerät gemäß vorliegender Erfindung Mittel zur Orthogonaltransformation, um ein Eingabebild einer Orthogonaltransformation zu unterwerfen; Mittel zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen, um festzustellen, ob die einzufügenden elektronischen Wasserzeichendaten bereits im Eingabebild eingefügt wurden; Selektionsmittel für elektronische Wasserzeichendaten, mit welchen das Eingabebild durch das Dateneinfügen nicht beeinflußt wird, wenn das Mittel zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen feststellt, daß die elektronischen Wasserzeichendaten bereits im Eingabebild eingefügt sind, oder zum Selektieren der einzufügenden elektronischen Wasserzeichendaten, wenn das Mittel zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen feststellt, daß keine elektronischen Wasserzeichendaten im Ausgabebild eingebettet sind; Mittel zum Einbetten elektronischer Wasserzeichen, um die elektronischen Wasserzeichendaten, die vom Mittel zum Selektieren elektronischer Wasserzeichendaten selektiert wurden, in die vom Mittel für die Orthogonaltransformation konvertierten Daten einzufügen; und Mittel, um die Daten, in welchen die elektronischen Wasserzeichendaten vom Mittel zum einbetten elektronischer Wasserzeichen eingefügt wurden, einer inversen Orthogonaltransformation zu unterwerfen.
Im elektronischen Wasserzeicheneinführungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung entscheidet das Mittel zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen, daß ein entsprechendes elektronisches Wasserzeichen eingebettet ist, wenn eine statistische Ähnlichkeit C einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Im elektronischen Wasserzeicheneinführungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung führt das Mittel zur Orthogonaltransform eine diskrete Fouriertransformation, eine diskrete Cosinustransformation, eine Hadamard-Walsch-Transformation oder eine Karhunen-Loeve-Transformation aus.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Dies und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und Figuren, in welchen:
1 ein Blockdiagramm ist, welches ein elektronisches Wasserzeichendateneinführungsgerät gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein Blockdiagramm ist, welches ein elektronisches Wasserzeichendateneinführungsgerät gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ein Blockdiagramm ist, welches ein elektronisches Wasserzeichendateneinführungsgerät gemäß dem Stand der Technik darstellt; und
4 ein Diagramm ist, welches ein Verfahren zum Einbetten elektronischer Wasserzeichendaten in einem Frequenzbereich erläutert.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die angefügten Figuren beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Mit Bezugnahme auf 1 umfaßt das elektronische Wasserzeichendateneinführungsgerät ein Eingabebild 110, eine Einheit 120 zur diskreten Cosinustransformation (DCT) zum Transformieren eines Eingabebildes vom Zeitbereich in den Frequenzbereich, eine Einfügungseinheit 130 für elektronische Wasserzeichen, um elektronische Wasserzeichendaten in die von der Einheit 120 für die diskrete Cosinustransformation zu einem Frequenzbereich konvertierten Daten einzufügen, von der elektronischen Wasserzeicheneinführungseinheit 130 einzufügende elektronische Wasserzeichendaten 140, einen Detektor 180 für elektronische Wasserzeichen, um zu erkennen, ob die elektronischen Wasserzeichendaten 140 in den Ausgabedaten der Einheit 120 für die diskrete Cosinustransformation eingebettet sind, ein Pufferspeicher 170 zum vorübergehenden Speichern der Ausgabedaten der Einheit 120 für die diskrete Cosinustransformation, ein Selektor 190 zum Selektieren der Daten aus der Einheit 130 zum Einfügen elektronischer Wasserzeichen oder Daten aus dem Pufferspeicher 170, entsprechend dem Ausgabesignal vom Detektor 180 zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen, eine Einheit 150 zum Ausführen einer inversen diskreten Cosinustransformation (inverse DCT), um die Daten vom Selektor 190 vom Frequenzbereich zum Zeitbereich zu transformieren, und ein Ausgabebild 160, welches von der Einheit 150 für die inverse diskrete Cosinustransformation auszugeben ist.
Als Nächstes wird nun die Funktionsweise des in 1 dargestellten Mittels zum Einbetten elektronischer Wasserzeichendaten beschrieben, mit Bezugnahme auf die Figuren.
Die Einheit 120 zum Ausführen der diskreten Cosinustransformation (DCT) führt eine Orthogonaltransformation des Eingabebildes 110 von einem Zeitbereich in einen Frequenzbereich aus. Die konvertierten Daten werden in die Einheit 130 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens, in den Detektor 180 zum Erkennen des elektronischen Wasserzeichens und in den Pufferspeicher 170 eingegeben.
Die Einheit 130 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens fügt die elektronischen Wasserzeichendaten 140 in die konvertierten Daten ein. Gleichzeitig erkennt der Detektor 180 für das elektronische Wasserzeichen, ob die elektronischen Wasserzeichendaten 140 in den Eingabedaten vorhanden sind. Der Pufferspeicher 170 speichert die Augabedaten der Einheit 120 für die diskrete Cosinustransformation vorübergehend.
Der Selektor 190 selektiert entweder die Ausgabedaten von der Einheit 130 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens oder die Ausgabedaten vom Pufferspeicher 170, in Abhängigkeit vom Erkennungsergebnis des Detektors 180 für das elektronische Wasserzeichen. Das heißt, der Selektor 190 selektiert die Ausgabedaten von der Einheit 130 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens, wenn der Detektor 180 für das elektronische Wasserzeichen keine Ausgabedaten erkennt, oder die Ausgabedaten vom Pufferspeicher 170, wenn der Detektor 180 für das elektronische Wasserzeichen Ausgabedaten erkennt.
Die vom Selektor 190 selektierten Daten entsprechen dem Ausgabebild 160, welches von der Einheit 150 zur inversen Cosinustransformation vom Frequenzbereich zum Zeitbereich transformiert wurde.
Wie oben beschrieben, werden die elektronischen Wasserzeichendaten im Eingangsbild eingefügt, nur wenn das Eingangsbild 110 die elektronischen Wasserzeichendaten nicht enthält.
In dieser Ausführungsform wird der Pufferspeicher 170 verwendet, um die zwei Daten miteinander zu synchronisieren, die vom Selektor 190 selektiert werden können, um die Verarbeitungszeit der Einheit 130 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens zu berücksichtigen. Auf den Pufferspeicher 170 kann verzichtet werden, wenn die Verarbeitungszeit der Einheit 130 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens praktisch vernachlässigbar kurz ist.
(Zweite Ausführungsform)
Als Nächste wird nun die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die im Anhang befindlichen Figuren beschrieben.
Mit Bezug auf 2, umfaßt das elektronische Wasserzeichendateneinführungsgerät ein Eingabebild 210, eine Einheit 220 zur Ausführung der diskreten Cosinustransformation (DCT), um ein Eingabebild von einem Zeitbereich zu einem Frequenzbereich zu transformieren, die einzufügenden elektronischen Wasserzeichendaten B245, den Detektor 289 zum Erkennen elektronischer Wasserzeichen, um festzustellen, ob die elektronischen Wasserzeichendaten 245 in den Ausgabedaten von der Einheit 220 für die diskrete Cosinustransformation vorhanden sind, einen Selektor 290 für elektronische Wasserzeichendaten, um die elektronischen Wasserzeichendaten A240 oder die elektronischen Wasserzeichendaten B245 zu selektieren, in Abhängigkeit vom Erkennungsergebnis des Detektors 280 für elektronische Wasserzeichen, eine Einheit 230 zum Einbetten elektronischer Wasserzeichen, um die vom Selektor 290 für elektronische Wasserzeichendaten selektierten elektronischen Wasserzeichendaten einzubetten in den Daten, die mit der Einheit 220 zum Ausführen der diskreten Cosinusfunktion zu einem Frequenzbereich transformiert wurden, eine Einheit 250 zum Ausführen der inversen diskreten Cosinustransformation (inverse DCT), um die Ausgabedaten der Einheit 230 zum Einbetten der elektronischen Wasserzeichendaten vom Frequenzbereich zum Zeitbereich zu transformieren, und ein Ausgabebild 260, welches von der Einheit 250 zum Ausführen der inversen diskreten Cosinustransformation ausgegeben wird.
Als Nächstes wird nun die Funktionsweise der Einheit zum Einbetten der elektronischen Wasserzeichendaten mit Bezug auf 2 beschrieben.
Die Einheit 220 zum Ausführen der diskreten Cosinustransformation (DCT) transformiert das Eingabebild 210 vom Zeitbereich in den Frequenzbereich. Die transformierten Daten werden in die Einheit 230 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens und in den Detektor 280 für elektronische Wasserzeichen eingegeben.
Der Detektor 280 für elektronische Wasserzeichen erkennt, ob elektronische Wasserzeichendaten B245 in den Eingabedaten eingebettet sind. Der Selektor 290 für elektronische Wasserzeichendaten selektiert elektronische Wasserzeichendaten in Abhängigkeit vom Erkennungsergebnis des Detektors 280 für elektronische Wasserzeichen. Das heißt, der Selektor 290 für elektronische Wasserzeichendaten selektiert den Detektor 280 für elektronische Wasserzeichen, wenn dieser keine elektronischen Wasserzeichendaten B245 erkennt. Wenn der Detektor 280 für elektronische Wasserzeichendaten elektronische Wasserzeichendaten erkennt, selektiert der Selektor für elektronische Wasserzeichendaten die elektronischen Wasserzeichendaten A245.
Da die Erkennung sich auf das zu einem Frequenzbereich konvertierte Eingabebild bezieht, ist es nicht erforderlich, Wasserzeicheninformation über den ganzen Raum des Eingabebildes einzubetten. Wenn jedoch eine Wasserzeichenabbildung in einem Teil der unterteilten Blöcke des Eingabebildes eingebettet ist, kann die fehlende Information zu einem Block mit Information über einen anderen Block restauriert werden.
Die Einheit 230 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens fügt die vom Selektor 290 zum Selektieren elektronischer Wasserzeichendaten selektierten elektronischen Wasserzeichendaten in einem Bild ein. Die Einheit 250 zum Ausführen der inversen diskreten Cosinustransformation transformiert die Ausgabedaten der Einheit 230 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens vom Frequenzbereich zum Zeitbereich und gibt dann das Ausgabebild 260 aus.
Das Eingeben der elektronischen Wasserzeichendaten A240 ohne Frequenzkomponenten hat keinen nachteiligen Einfluß auf das Eingabebild. Deshalb wird das Eingabebild, welches die elektronischen Wasserzeichendaten B245 bereits enthält, nicht wesentlich durch das Einfügen der elektronischen Wasserzeichendaten beeinflußt und wird somit ohne Veränderung ausgegeben.
In dieser Ausführungsform wird angenommen, daß die Verarbeitungszeit des Detektors 280 für das elektronische Wasserzeichen und des Datenselektors 290 vernachlässigbar kurz ist. Wenn die Verarbeitungszeit nicht vernachlässigbar ist, wird ein Pufferspeicher an den Eingang der Einheit 230 zum Einbetten des elektronischen Wasserzeichens angeschlossen. Der Pufferspeicher dient zur vorübergehenden Speicherung der Ausgabedaten der Einheit 220 zum Ausführen der diskreten Cosinustransformation und gibt diese Daten dann in den Detektor 230 für das elektronische Wasserzeichen ein. So kann die Verarbeitungszeit des Detektors 280 für das elektronische Wasserzeichen und des Selektors 290 für die elektronischen Wasserzeichendaten kompensiert werden.
Wenn die Block-Koordinaten bekannt sind, kann die Erkennung des elektronischen Wasserzeichens gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform durchgeführt werden. Die Kenntnis der räumlichen Block-Koordinaten ist zwar nicht erforderlich, aber die Blockgröße (k Pixel × k Pixel), die Regel für die Konversion zu Frequenzbereichen, die elektronischen Wasserzeichendaten und ähnliche Informationen müssen bekannt sein. Diese Informationen werden zwischen dem elektronischem Wasserzeicheneinführungsgerät und dem Detektor vereinbart. Wenn diese Information an Dritte gelangt, könnten Daten illegal kopiert werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform werden die Originalbilder einer diskreten Cosinustransformation (DCT) unterworfen. Das Frequenzspektrum kann mit der Ausführung von Orthogonalkonversionen ermittelt werden, darunter Hadarmad-Transformation (Hadamard-Walsch-Transformation), Wellenpaket-Transformation, Mehrfachauflösung, Unterbandverfahren; diskrete Fouriertransform, Haar-Transformation, Karhunen-Loeve-Transformation, Gradienten-Hadamard-Transformation und weitere solche Transformationen.
Jede oben beschriebene Ausführungsform weist als Beispiel die Einbettung unsichtbarer elektronischer Wasserzeichendaten auf, jedoch liegt auch das Einbetten sichtbarer elektronischer Wasserzeichendaten innerhalb des Konzepts der Erfindung.
Außerdem kann in jeder Ausführungsform der Skalierungsparameter von Skalierungsparametern selektiert werden, die einen zusätzlichen Wasserzeichenwert hinzufügen, welcher die visuelle Qualität der Daten nachteilig beeinflußt. Der Wasserzeichenwert kann der Normalverteilung entsprechend gewählt werden.
Wie oben beschrieben, hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß Beeinträchtigung der Bildqualität vermieden werden kann, da die gleichen elektronischen Wasserzeichendaten nicht mehrmals in einem Bild eingebettet werden können.
Außerdem kann die vorliegende Erfindung mit sichtbaren oder unsichtbaren elektronischen Wasserzeichendaten arbeiten. Somit kann die Beeinträchtigung der Bildqualität bestimmter Bildpartien, in welchen die gleichen elektronischen Wasserzeichendaten überschrieben werden, vermieden werden, indem das Vorhandensein oder die Abwesenheit der gleichen elektronischen Wasserzeichendaten innerhalb eines Bildes mit elektronischen Referenz-Wasserzeichendaten erkannt wird. Sogar der Originalinhaber der Urheberrechte für das Bild kann keine elektronischen Wasserzeichendaten dem Originalbild zweimal oder mehrmals hinzufügen, so daß das persönliche Recht des Autors im wesentlichen gültig aufrecht erhalten bleibt.

Claims

Elektronische Einrichtung zum Einfügen von Wasserzeichen, umfassend: – Orthogonaltransformationsmittel (120) zum Ausführen einer Orthogonaltransformation an einem Eingabebild (110); – ein elektronisches Wasserzeicheneinbaumittel (130) zum Einfügen von elektronischen Wasserzeichendaten (140) in durch das Orthogonaltransformationsmittel (120) umgewandelte Daten; – ein elektronisches Wasserzeichendetektionsmittel (180) zum Ermitteln, ob die durch das elektronische Wasserzeicheneinbaumittel (130) eingefügten elektronischen Wasserzeichendaten (140) im Eingabebild (110) bereits vorhanden sind; – ein Auswahlmittel (190) zum Auswählen von Ausgabedaten von den Orthogonaltransformationsmittel (120), wenn das elektronische Wasserzeichendetektionsmittel (130) ermittelt, daß die elektronischen Wasserzeichendaten (140) bereits in das Eingabebild (110) eingefügt sind, oder zum Auswählen von Ausgabedaten aus dem elektronischen Wasserzeicheneinbaumittel (130), wenn das elektronische Wasserzeichendetektionsmittel (180) nicht feststellt, daß die elektronischen Wasserzeichendaten (140) bereits im Eingabebild (110) eingefügt sind; und – Mittel (150) zum Durchführen einer inversen Orthogonaltransformation an durch das Auswahlmittel (190) ausgewählten Daten.
Elektronische Einrichtung zum Einfügen von Wasserzeichen, nach Anspruch 1, bei welcher das elektronische Wasserzeichendetektionsmittel (180) bestimmt, daß die entsprechenden elektronischen Wasserzeichendaten (140) eingebaut sind, wenn eine statistische Ähnlichkeit C größer als ein spezifischer Wert ist.
Elektronische Einrichtung zum Einfügen von Wasserzeichen, nach Anspruch 1, bei welcher das elektronische Wasserzeichendetektionsmittel (180) zuerst ein Bild mit den elektronischen Wasserzeichendaten (140) in eine Frequenzkomponente orthogonal-verwandelt, elektronische Wasserzeichendaten W(i) unter Verwendung der Formel W(i) = (F(i) – f(i))/f(i) berechnet und extrahiert, wobei sowohl ein ursprüngliches Bild als ein elektronischer Wasserzeichendatenkandidat (140) wi (wobei i = 1, 2, ... n) bekannt sind, wobei f(1), f(2), ... f(n), bei welchen elektronische Wasserzeichen jeweils eingebaut sind, in einem Frequenzbereich Faktorwerten F(1), F(2), ... F(n) entsprechen, als nächstes das elektronische Wasserzeichendetektionsmittel (180) eine statistische Ähnlichkeit C zwischen w(i) und W(i) unter Verwendung der Formel C = W·w/(WD × wD), wobei W = (W(1), W(2), ... W(n)), w = ((w(1), w(2), ... w(n)), WD = Absolutwert von einem Vektor W, und wD = Absolutwert von einem Vektor w, und das Symbol · ein inneres Vektorenprodukt darstellt, und ferner ermittelt, daß die elektronischen Wasserzeichendaten (140) sich in einem eingebauten Zustand befinden, wenn die statistische Ähnlichkeit C einen spezifischen Wert übersteigt.
Elektronische Einrichtung zum Einfügen von Wasserzeichen, nach Anspruch 1, bei welcher das elektronische Wasserzeicheneinbaumittel (130) Wechselfrequenzkomponenten (f(1), f(2), ... f(n)) in einer Reihe zunehmender Frequenz über einen Frequenzbereich nach einer diskreten Cosinustransformation einstellt, elektronische Wasserzeichendaten (140), w(1), w(2), ..., w(n), von einer Normalverteilung mit einem Mittelwert von 0 und einer Streuung von 1 auswählt, und jeweilige (i)'s mit der Formel F(i) = f(i) + α × |f(i) × w(i) (wobei α ein Ska lierungsfaktor ist) auswählt, derart, daß ein Bild, in welchem die elektronischen Wasserzeichendaten (140) eingebaut sind, von der Frequenzkomponente erhalten wird, bei welcher f(i) durch F(i) ersetzt ist.
Elektronische Einrichtung zum Einfügen von Wasserzeichen, nach Anspruch 1, bei welcher das elektronische Wasserzeicheneinbaumittel (130) Wechselfrequenzkomponenten (f(i), f(2), ... f(n)) in einer Reihe zunehmender Frequenz über einen Frequenzbereich nach einer diskreten Cosinustransformation einstellt, elektronische Wasserzeichendaten, w(1), w(2), ... w(n), von einer Normalverteilung mit einem Mittelwert von 0 und einer Streuung von 1 auswählt, und jeweilige (i)'s unter Verwendung der Formel, F(i) = f(i) + α × avg |f(i)| × w(i) (wobei α ein Skalierungsfaktor und avg f(i) ein Teilmittelwert von Absolutwerten von f(i) an drei benachbarten Punkten ist) auswählt, derart, daß ein Bild, in welchem die elektronischen Wasserzeichendaten (140) eingebaut sind, von der Frequenzkomponente erhalten wird, bei welcher f(i) durch F(i) ersetzt ist.
Elektronische Einrichtung zum Einfügen von Wasserzeichen, nach Anspruch 1, bei welcher die Tranformationsmittel (120) ausgebildet sind, um an einem Eingabebild (110) eine Orthogonaltransformation durchzuführen.
Elektronische Einrichtung zum Einfügen von Wasserzeichen, nach Anspruch 6, bei welcher das elektronische Wasserzeichendetektionsmittel (180) bestimmt, daß die entsprechenden elektronischen Wasserzeichendaten eingebaut sind, wenn ein statistische Ähnlichkeit C größer als ein spezifischer Wert ist.
Elektronische Einrichtung zum Einfügen von Wasserzeichen, nach Anspruch 6, bei welchem das Orthogonaltransformationsmittel (120) eine diskrete Fouriertransforma tion, eine diskrete Cosinustransformation, eine Hadamard-Walsh-Transformation oder eine Karhunen-Loeve-Transformation durchführt.