JP2004518373A - 圧縮情報信号のウォーターマーキング - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、所与の第1の値を持つ第1の信号サンプルと異なる値を持つ他の信号サンプルとを含むように圧縮される情報信号にウォーターマークを埋め込む方法に関する。このような圧縮情報信号の典型的な例は、ビデオ画像が変換係数により表されるMPEG2ビデオ信号であり、かなりの数の変換係数は、第1の値ゼロを有している。
【0002】
【従来の技術】
圧縮ビデオ信号にウォーターマークを埋め込む既知の方法は、F. Hartung及びB. Girodの「Digital Watermarking of MPEG−2 Coded Video in the Bitstream Domain」(ICASSP, Vol.4, 1997, pp.2621−2624)に開示されている。ウォーターマークは、元の信号ドメインにおける擬似ノイズのシーケンスである。このウォーターマークは、埋め込まれる前に離散コサイン変換される。圧縮される信号の非ゼロDCT係数は、該非ゼロDCT係数に変換されたウォーターマークのシーケンスの対応する係数を加えることにより変更される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術のウォーターマークを埋め込む方式は、幾つかの欠点を有している。MPEG2のような動き補償符号化に適用される場合、変換係数の変更は、やがて伝搬する。以前のフレームからのウォーターマークが、現在のフレームに蓄積され、画像の歪みを引き起こす。これを回避するために、従来技術のウォーターマーク埋め込み器は、ドリフト補償を必要としている。また、既に圧縮されたビットストリームにおけるDCT係数の変更は、ビットレートに影響を及ぼす。従って,従来技術の埋め込み器は、ウォーターマークが付加された係数の伝搬がビットレートを増加させているかどうか、及び、その場合に元の係数を伝えているかどうかを調べる。
【0004】
本発明の目的は、上述した欠点を改善するウォーターマークの埋め込み方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この目的のため,本発明による方法は、変更ステップが、変更されるサンプルが変更により第1の値を呈する場合に、当該信号サンプルに適用されることを特徴としている。これにより、上記第1の値を持つ信号サンプルの数が増加し、これは、一般に、より低いビットレートをもたらす。実際に、ビット数についてサンプルの変更の影響を試す必要がない。
【0006】
変更のために量子化される上記信号サンプルは、最小の非ゼロ値(+1又は−1として量子化されるMPEGビデオ係数)を持つサンプルであることが好ましい。これらの係数はノイズのような情報を表し、変化が非常に小さい(±量子化ステップ)ので、ドリフト補償が不要であり、埋め込まれるウォーターマークは感じ取れない程であるが、依然として検出可能である。
【0007】
【発明の実施の形態】
ここでは、MPEG2規格に従って圧縮されたビデオ信号にウォーターマークを埋め込む装置を参照して本発明が説明されるが、本発明は、ビデオ信号に制限されるものではなく、特定の圧縮規格に制限されるものでもない。上記圧縮信号は、埋め込まれたウォーターマークを既に有し得ることに注意されたい。その場合、当該信号に追加のウォーターマークが埋め込まれる。既にウォーターマークが付加された信号にウォーターマークを付加するこのプロセスは、通常、「リマーキング」と呼ばれている。
【0008】
図1は、本発明による方法を実行する装置の模式図を示している。この装置は、解析ユニット110と、VLC処理ユニット120と、出力段130と、ウォーターマークバッファ140とを有している。この装置の動作は、図2A〜図2C及び図3A〜図3Gを参照して説明される。
【0009】
上記装置は、ビデオ画像のシーケンスを表すMPEGエレメンタリビデオストリームMPinを受け取る。このようなビデオ画像の1つが実例として図2Aに示されている。このビデオ画像は8×8画素のブロックに分割されており、そのうちの1つが図2Aの201で示されている。上記画素ブロックは、8×8のDCT(離散コサイン変換)係数の各ブロックにより表される。このようなDCTブロックの左上の変換係数は、対応する画素ブロックの平均輝度を表しており、通常DC係数と呼ばれている。他の係数は空間周波数を表しており、AC係数と呼ばれている。左上方のAC係数は、画像のコースのディテールを表しており、右下方の係数は精細なディテールを表している。これらAC係数は、量子化される。この量子化プロセスは、DCTブロックの多くのAC係数が値ゼロを呈するようにする。図3Aは、DCTブロック300の典型的な例を示すものであり、図2Aの画素ブロック201に対応している。
【0010】
上記DCTブロックの係数は、ジグザグパターン(図3Aの301)に従って順次スキャンされ、可変長符号化される。この可変長符号化の方式は、ハフマン符号化とランレングス符号化とを組み合わせたものである。より具体的には、ゼロAC係数及び連続する非ゼロAC係数の各ランが、単一の可変長符号語に符号化されるランレベルのペアを構成する。図3Bは、DCTブロック300のランレベルのペアを示している。EOB(End−Of−Block)の符号は、当該DCTブロックに更なる非ゼロ係数が存在しないことを表している。図3Cは、上記装置により受け取られたままのDCTブロック300を表す一連の可変長符号語を示している。
【0011】
MPEG2エレメンタリビデオストリームでは、4つのこのようなDCT輝度ブロックと2つのDCTクロミナンスブロックとがマクロブロックを構成し、幾つかのマクロブロックがスライスを構成し、幾つかのスライスがピクチャ(フィールド又はフレーム)を構成し、一連のピクチャがビデオシーケンスを構成する。ピクチャの中には、自主的に符号化されるもの(Iピクチャ)もあれば、動き補償を伴って予測符号化されるもの(Pピクチャ及びBピクチャ)もある。後者の場合、DCT係数は、画素自体ではなく、現在のピクチャの画素と基準ピクチャの画素との差分を表している。
【0012】
上記MPEG2エレメンタリビデオストリームMPinは、解析ユニット110(図1)に供給される。この解析ユニットは、上記MPEGビットストリームを部分的に変換し、該ストリームを輝度DCT係数を表す可変長の符号語(以下、VLCという。)と他のMPEG符号とに分割する。このユニットはまた、ブロックの座標、符号化のタイプ(フィールド又はフレーム)、スキャンのタイプ(ジグザグ又はオルタネート)のような情報を収集する。上記VLC及び関連する情報は、VLC処理ユニット120に供給される。上記他のMPEG符号は、出力段130に直接供給される。
【0013】
埋め込まれるべきウォーターマークは、空間ドメインにおける擬似ランダムノイズのシーケンスである。上記装置のこの実施態様では、128×128の基本のウォーターマークパターンが画像の範囲を超えてタイルのように並べられる。この動作は、図2Bに示されている。より良好な視覚化のために、128×128の基本の擬似ランダムノイズウォーターマークパターンが、ここでは符号Wにより表されている。
【0014】
上記基本のウォーターマークの空間画素値は、MPEGストリームのビデオコンテンツと同じ表現に変換される。この目的のため、上記128×128の基本的なウォーターマークのパターンは、8×8のブロックに分割され、その1つが図2Bに202で示されている。これらのブロックは、離散コサイン変換され、量子化される。変換動作及び量子化動作は、専ら一度に行われる必要があることに注意されたい。このようにして計算されたDCT係数は、上記装置の128×128のウォーターマークバッファ140に蓄積される。
【0015】
ウォーターマークバッファ140は、VLC処理ユニット120に接続されており、このVLC処理ユニット120において実際のウォーターマークの埋め込みが行われる。上記VLC処理ユニットは、ビデオ画像を表す選択された可変長の符号語をランレベルのペアに復号し(121)、一連のランレベルのペアを2次元の8×8のDCT係数アレイに変換する(122)。ウォーターマークは、変更段123において、各ビデオDCTブロックに空間的に対応するウォーターマークDCTブロックを加えることにより埋め込まれる。従って,図2Bにおいてウォーターマークブロック202を表すDCTブロックは、図2Aにおいて画像ブロック201を表すDCTブロックに付加される。しかしながら、本発明の好ましい実施態様によれば、この動作によってゼロ係数に変わるDCT係数のみがウォーターマーキングの目的のために選択される。例えば、図3Aにおいて値2を持つAC係数は、対応するウォーターマークの係数が値−2を有する場合にのみ変更される。数学的な表記では、
if cin(i,j)+w(i,j)=0
then cout(i,j)=0
else cout(i,j)=cin(i,j)
である。ここで、cinはビデオDCTブロックの係数であり、wは空間的に対応するウォーターマークのDCTブロックの係数であり、coutはウォーターマークが付加されたビデオDCTブロックの係数である。
【0016】
この動作により上記DCTブロックのゼロ係数の数が増加し、ウォーターマークが付加されたビデオDCTブロックは、元のDCTブロックよりも効率的に符号化され得ることがよく理解されるであろう。これは、特にMPEG圧縮信号に関する場合である。その理由は、新しいゼロ係数が他のランレベルのペアのランに含まれる(ランマージ)からである。この再符号化は、可変長符号化器124(図1)により行われる。ウォーターマークが付加された上記ブロックは、出力段130に供給され、出力段130は、解析ユニット110により与えられる上記MPEG符号を複製し、VLC処理ユニット120により与えられる再生成VCLを挿入することによって、MPEGストリームを再生成する。また、出力段130は、出力ビットレートを元のビデオビットレートに等しくするようにスタッフィングビットを挿入することが可能である。
【0017】
本発明の有利な実施形態では、ウォーターマークパターンのDCT係数の符号(sign)のみが、ウォーターマークバッファ140に蓄積され、その結果、このバッファは+1及び−1の値のみを蓄積する。これは、バッファのメモリ容量を係数あたり1ビット(合計で128×128ビット)に低減する。また、実験では、最も重要なDCT係数(最も重要な係数は、ジグザグスキャンする際に最初に生じるものである。)にのみウォーターマークの埋め込みを供給すれば十分であることが示された。これは、メモリの要求を更に一層低減させる。図3Dは、ウォーターマークDCTブロック302の典型的な例を示しており、これは、図2Bにおける空間的なウォーターマークブロック202に対応している。
【0018】
図3Eはウォーターマークが付加されたビデオDCTブロック303を示しており、これは、ウォーターマークDCTブロック302をビデオDCTブロック300に付加することにより得られたものである。この特定の例では、非ゼロ係数の1つ(図3Aにおいて値−1を持つもの)がゼロ係数に変えられる。これは、空間的に対応するウォーターマーク係数が値+1を有しているからである。図3Fは、上記ウォーターマークが付加されたDCTブロックのランレベルのペアを示している。以前のランレベルのペア(1,−1)及び(0,2)は、1つのランレベルのペア(2,2)により置き換えられていることに注意されたい。図3Gは、対応する出力ビットストリームを示している。上記ランマージの動作は、この例では1ビットを不要にするようである。
【0019】
図2Cは、上記装置の出力信号MPoutにより表されるウォーターマークが付加された画像を示している。この図において符号203で示されている画素ブロックは、図3Eにおいてウォーターマークが付加されたビデオDCTブロック303に対応している。図2Cにおいて説明するために試みられているように、ウォーターマークの埋め込み量は、タイルからタイルまで及びブロックからブロックまで変化する。
【0020】
上述した例では、最も小さい係数(+1及び−1)のみが変更のために量子化される。これは、ドリフト補正をしなくても済むようにし、ウォーターマークを感じ取ることができないようにし、特に、変更される係数の数がある最大値(例えば3)内である場合にこのようにされる。
【0021】
上述した実施態様のウォーターマークの係数値+1及び−1は、対応する画像の係数が変更されるべきである(正及び負のそれぞれの)方向を意味するように割り当てられてもよい。例えば、負のDCT係数のある範囲(例えば、−2及び−1)がウォーターマーク係数値+1によりゼロに変えられるのに対して、正のDCT係数の範囲(例えば、+2及び+1)がウォーターマーク係数値−1によりゼロに変えられることが規定され得る。
【0022】
MPEG2エレメンタリビデオストリームは、フィールド符号化DCTブロック及びフレーム符号化DCTブロックを含むことにも注意されたい。これによれば、ウォーターマークバッファ140は、1つはフィールド符号化ブロック用であり、1つはフレーム符号化ブロック用である2つのウォーターマークのパターンを含むように設けられ得る。その場合、ウォーターマークを埋め込むために用いられるパターンは、入力ビデオストリームに収容されたフィールド/フレーム選択識別信号により選択される。
【0023】
MPEG符号化信号にウォーターマークを埋め込むための上述した装置では、ランレベルのペアの「レベル」の部分が変化する。しかしながら、レベルは、AC係数の実際の値ではなく、その量子化されたバージョンである。例えば、図3Bにおけるランレベルのペア(1,−1)は、実際には係数X=−104を表し得る。他のブロックでは、同じペア(1,−1)が、量子化ステップサイズに依存して係数X=−6を表し得る。言うまでもなく、AC係数を−104から0に変化させることの作用は、一般に、埋め込まれるウォーターマークの認知に関して、同じAC係数を−6から0も変化させる場合とは異なる作用を及ぼす。
【0024】
このように、視認度についての作用を低減するようにウォーターマークの埋め込みプロセスを制御する必要がある。この目的のために,埋め込み方法の他の実施態様は、量子化ステップサイズに依存して変更される係数の数及び/又は場所を制御するステップを含んでいる。
【0025】
MPEG復号器では、受け取ったレベルx(n)に量子化ステップサイズを掛け合わせることによって逆量子化が実現される。上記量子化ステップサイズは、ブロック内において上記ステップサイズを変更する重み付けマトリクスW(n)と、(マクロ)ブロックから(マクロ)ブロックまで上記ステップサイズを変更するスケールファクタQSとにより制御される。下記の式は、復号されるレベルx(n)からAC係数X(n)を復元するためのMPEGの演算を規定する。
X(n)=x(n)×W(n)×QS
ここで、nはジグザグスキャンする際の順序を示すものである。
【0026】
変更され得る係数の数に関する上限をもたらす種々の形態が存在する。ある実施態様では、レベルx(n)は、対応する量子化ステップサイズQ(n)=W(n)×QSが所定の閾値よりも小さい場合にのみ変更され得る。それにより、DCTブロックの種々の場所に関して(すなわち、種々の順序の指標nに関して)異なる閾値が用いられ得る。
【0027】
他の実施態様では、ブロックにおいて変更され得る係数の最大数Nは、量子化スケールファクタQSが増加するとNが減少するような量子化スケールファクタQSの関数である。この実施態様の実現性は、上記スケールファクタが実際にはDCTブロックがどの程度強く量子化されたかを示していることを理解すれば、容易に理解され得る。上記スケールファクタが大きい程、すなわち量子化ステップサイズが大きい程、効果が感じ取られないようにするために、より少ない数の係数が変えられ得る。このような関数の一例は、N=c/QS(但し、cはある一定の値)である。
【0028】
量子化スケールファクタQSは、パラメータquantizer_scale_code及びパラメータq_scale_typeの組み合わせとしてMPEGビットストリームに収容され得る。上記パラメータquantizer_scale_codeは、5ビットの符号である。上記パラメータq_scale_typeは、該符号が2〜62の線形性の範囲のQS値を表しているかどうか、又は1〜112の指数関数的な範囲の値を表しているかどうかを示している。どちらの場合にも、上記符号は、ステップサイズを示す。従って、上述した関数のQSの項は、パラメータquantizer_scale_codeによって置き換えられ得る。
【0029】
量子化ステップサイズに依存してウォーターマークプロセスにより変更される係数の場所を制御することも有利である。量子化ステップサイズが大きい程、ジグザグスキャンのより後方において所望の変更が実行される。これは、低周波数の係数を影響を受けないままにし、高周波の係数に対してウォーターマークの埋め込みプロセスの視認性を制限する。
【0030】
量子化ステップサイズに依存して変更可能な係数の最大数及び/又は場所を制御するという特徴は、装置の最小限の変更しか必要としない。このような変更は、当業者によって容易に実行され得る。従って、ここでは図示はしない。
【0031】
MPEG圧縮ビデオストリームにウォーターマークを埋め込む方法及び装置が開示された。このウォーターマーク(空間的なノイズのパターン)は、最小の量子化DCT係数を選択的に切り捨てることにより埋め込まれる。上記切り捨てられた係数は、残っている係数のランに順次マージされる。係数が切り捨てられるか否かの判断は、前もって計算される(pre−calculate)ウォーターマークバッファと8×8のDCTブロック当たり既に切り捨てられた係数の数とに基づいて行われる。この方法の利点は、(i)非常に単純なビットレート制御システムであること、(ii)ドリフト補正が不要であることである。このアルゴリズムは、メモリの要求及び計算の複雑さについて、非常に効率的にインプリメントされ得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による方法を実行する装置を模式的に示した図である。
【図2A】図1に示した装置の動作を説明するための図である。
【図2B】図1に示した装置の動作を説明するための他の図である。
【図2C】図1に示した装置の動作を説明するための更に他の図である。
【図3A】図1に示した装置の動作を説明するための更に他の図である。
【図3B】図1に示した装置の動作を説明するための更に他の図である。
【図3C】図1に示した装置の動作を説明するための更に他の図である。
【図3D】図1に示した装置の動作を説明するための更に他の図である。
【図3E】図1に示した装置の動作を説明するための更に他の図である。
【図3F】図1に示した装置の動作を説明するための更に他の図である。
【図3G】図1に示した装置の動作を説明するための更に他の図である。
Claims (8)
- 所与の第1の値を持つ第1の信号サンプルと異なる値を持つ他の信号サンプルとを含むように圧縮される情報信号にウォーターマークを埋め込む方法であり、ウォーターマークのパターンに従って信号サンプルを変更するステップを含む方法において、
前記変更ステップは、変更される信号サンプルが前記変更により前記第1の値を呈する場合に、当該信号サンプルに適用されることを特徴とする方法。 - 前記第1の値がゼロであり、変更のために量子化される前記信号サンプルが最小の非ゼロ値を持つ信号サンプルである請求項1記載の方法。
- 前記信号サンプルがある量子化ステップサイズで量子化されており、変更のために量子化される前記信号サンプルが、所定の閾値よりも小さいステップサイズであれば量子化される信号サンプルである請求項1記載の方法。
- 前記情報信号が区画に分割され、変更のために量子化される信号サンプルの数が、区画当たり所定の最大値に制限される請求項1記載の方法。
- 区画の前記信号サンプルがある量子化ステップのスケールに従って量子化されており、当該方法が、前記量子化ステップのスケールに依存して変更される信号サンプルの前記最大値を制御するステップを含む請求項4記載の方法。
- 前記情報信号が区画に分割され、区画の前記信号サンプルがある量子化サイズのスケールに従って量子化されており、当該方法が、前記量子化ステップのスケールに依存して区画内において変更のために量子化される前記信号サンプルの場所を制御するステップを含む請求項1記載の方法。
- 前記圧縮される信号が可変長の符号語を含み、各符号語が第1の信号サンプルのラン及び後続の又は先行する他の信号サンプルを識別し、当該方法が、
前記変更ステップの前に、前記可変長の符号語を各第1及び他の信号サンプルに復号するステップと、
第1の信号サンプルの新しいランを得るために、後続の又は先行する第1の信号サンプルに前記変更される信号サンプルをマージするステップと、
前記第1の信号サンプルの新しいラン及び後続の又は先行する他の信号サンプルを新しい可変長の符号語に符号化するステップと
を更に含む請求項1ないし6のいずれか1項に記載の方法。 - ある第1の値を持つ第1の信号サンプルと異なる値を持つ他の信号サンプルとを含むように圧縮される情報信号にウォーターマークを埋め込むための装置であり、ウォーターマークのパターンに従って信号サンプルを変更する手段を有する装置において、
前記変更手段は、変更される信号サンプルが前記変更により前記第1の値を呈する場合に、当該信号サンプルを変更するように設けられたことを特徴とする装置。
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