JP2010245876A - 改ざん検出用電子透かしの埋め込み方法及び装置、並びにプログラム、電子透かしを用いた改ざん検出及び装置、並びにプログラム。 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】撮影画像に通常のJPEG符号化のDCT係数の量子化までを施す(S22〜S25)。電子透かしデータのbit数を冗長化した誤り検出符号化とし(S27)、誤り検出符号化データを暗号化する(S28)。DCTブロックを暗号化済み符合データのbit数と同一個数のグループに分割する(S29)。各DCTブロック内の量子化係数を変調させて暗号化済み符合データを埋め込む(S30)。通常のJPEG符号化のエントロピー圧縮・JFIF形式への整形を行う(S31.S32)。
【選択図】図3
Description
本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、画質劣化を抑えつつ改ざんを検出する技術を提供することを解決課題とする。
さらに、DCTブロック内の量子化係数の変調方法では、量子化係数の絶対値の最大値Aと、乱数発生手段から得た乱数と量子化係数をハッシュ処理した値とから所定の演算を経て得られる値Bを用いる。
図2は、本発明の実施形態に係る改ざん検出用電子透かしの埋め込み装置を示している。この埋め込み装置1は、例えばデジタルカメラ,デジタルビデオカメラ,カメラ付き携帯電話などのデジタル映像記録装置に内蔵されたコンピュータで構成されている。
まず、前記最大値選択手段8は、64個の量子化係数の中から絶対値の最大値Aを探索する。ここでは量子化係数は、図9に示すように、8×8の正方形に並んでおり、左上が直流成分であり右下に行くほど高周波成分を表す。絶対値の最大値が複数個ある場合は次のようにして定める。
前記B値算出手段9のB値算出方法を図7に示す。B値は、各DCTブロックにつき1個算出する。Bの値は0か1を取る。ここではB値を算出するために、乱数発生器10から得られた乱数のハッシュ値を用いる(非特許文献5 p.162〜p.175参照)。ハッシュ関数により算出されるハッシュ値のbit長をHとする。Hは使用するハッシュ関数により異なるが、ここでは一例としてSHA−1ハッシュ関数(非特許文献4.非特許文献5のp.176〜p.184参照)を用いるので、H=160とする。なお、SHA−1以外のハッシュ関数を用いてもよい。
前記暗号化済み符号データ埋め込み手段11は、埋め込むbitによりA値を調整する。すなわち、S28で生成された暗号化済み符号データのbit「1」を埋め込むDCTブロックであれば「A−B=奇数」となるように調整する一方、該暗号化済み符号データのbit「0」を埋め込むDCTブロックであれば「A−B=偶数」となるようにAを調整する。
図14は、本発明の実施形態に係る改ざん検出装置を示している。この検出装置20は、前記埋め込み装置1で電子透かしを埋め込まれたJPEG画像列の改ざんの有無を検出する。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、埋め込む電子透かしデータのbit数の多寡、誤り検出符号の種類、暗号化方法の種類、乱数発生方法の種類などを、以下の態様などに変更することで多種多様なバリエーションが得られる。なお、本発明はデジタル映像のみならず、静止画像にも適用することができる。
(1)S26の電子透かしデータのbit数は、誤り検出符号の面からすれば誤り検出符号が構成できる条件で任意の値を取り得る。例えば最小としたいのなら、データ1bitとパリティ1bitとなる。最大値の方は映像の大きさで決まる。例えば640×480画素のVGA画像を用いる場合は、Y成分とCb成分とCr成分を合わせたDCT個数は7200個であるから、この場合のデータbit数の最大値、誤り検出符号を加えて7200以下ということになる。
(2)暗号化方式の面からは、暗号化方式の選び方でbit数が制約を受ける。前述のようにcamellia暗号はブロック暗号と呼ばれ、128bit長を1ブロックとしたデータを、128bitの暗号化された符号データに変換する。この場合、誤り検出符号を加えたbit数はブロック長128の倍数であることが望ましい。ここで必須ではなく望ましい理由としては、128の倍数でなくても、bit数が足りない分は0か1のデータを付加(パディング)することにより128の倍数に出来るからである。もっとも、パディングにより無意味なデータを付加するよりは、何かしら意味のあるデータを付加した方がアプリケーション面では有利と言える。
(3)埋め込むデータを何にするかはアプリケーションに依存するが、例えば映像を証拠に利用する場合は、カメラ固有ID、撮影時刻(あればカメラ内時計より取得する)、撮影場所(GPS等により取得する)を埋め込んでもよい。また、改ざん場所を特定するためには、映像をグループ分けしたそれぞれのグループに0あるいは1から通し番号を振り、それを埋め込んでもよい。埋め込むデータフォーマットの例を図18に示す。埋め込むデータとフォーマットはこの例に限らずアプリケーションの要求により任意に設計し得る。
(1)行パリティ
まず、S27で誤り検出符合に使用する行パリティを補足説明する。この行パリティは、最も簡単な誤り検出符号であり、図10に示すように、元bitデータを行列の形に並べ、各行にパリティbitを1bit付加したものである。偶数パリティならば、パリティbitも含めた各行の1の数が偶数個になるようにパリティbitを選択する。奇数パリティであれば、1の数が奇数個になるようにパリティbitを選択する。パリティbitを付加した分、全体のbit数が増える。詳細な説明では元データ448bitを64行に並べていたため、総bitは64bit増えて448+64=512bitとなる。行パリティと類似するものに列パリティがある。パリティの付加を列単位に行うことのみ異なり、他は行パリティと同じである。S27などの誤り検出符合には、列パリティのほかに次のものが使用できる。
行列パリティは、元bitデータを行列の形に並べ、各行と各列にパリティbitを付加したものである。垂直水平パリティとも呼ばれる。この行列パリティは、行パリティ・列パリティ単独よりも付加するパリティbitは増えるが、これを本発明に採用すれば、誤り検出の精度はより高くなる。
ハミング符号(非特許文献1 p47〜p53)によれば、元データbitをk個、検査bit(冗長bit)をm個とすると、2m−m≧k+1の関係となる。例えば総bit数が500bit程度と仮定するとm=9,k=502の組み合わせがある。すなわち、元データが502bitで、検査bitが9bit、総bitが511bitである。なお、ハミング符号は誤り検出だけでなく誤り訂正も可能であるが、本発明では誤り訂正機能を使用しない。
巡回符号(非特許文献1 p54〜p65)は、ハードウェア化しやすいという特徴を持つ。この巡回符号も誤り検出だけでなく誤り訂正が可能であるが、本発明では誤り訂正機能を使用しない。
BCH符号(非特許文献1 p66〜p75)は、巡回符号の一種でランダム誤りの訂正能力が高い。もっとも、本発明では誤り訂正機能を使用しないため、BCH符号を採用するのは、既にBCH符号化モジュールが存在しており、それを流用することでコスト的な利点があるときに限られる。
RS符号(非特許文献1 p76〜p81)は、巡回符号の一種でバースト誤りの訂正能力が高い。もっとも、本発明では誤り訂正機能を使用しないため、RS符号を採用するのは、既にRS符号化モジュールが存在しており、それを流用することでコスト的な利点があるときに限られる。
まず、S28などの暗号化に使用されるcamellia暗号を補足説明する。Camellia暗号は共通鍵方式128bitブロック暗号であり、暗号化と復号化には共通の鍵を用いる。ここで128bitブロック暗号とは、128bitの元データを128bitの暗号化データに暗号化及び128bitの暗号化データを128bitの元データに復号化できることを示す。暗号化と復号化の際には共通鍵が必要である。共通鍵は128bit長、196bit長、256bit長のいずれかを使うことができる。鍵長が長いほど暗号強度(暗号の破られ難さ)が高い。S28などの暗号化には、camellia暗号に限られず、例えばAES暗号も使用することができる。
前記乱数発生器10に用いる線形合同法を具体的に説明する。線形合同法は、擬似乱数列を生成するアルゴリズムである。アルゴリズムは漸化式Xn+1=(A*Xn+B)mod Mにて与えられる。A,B,Mは定数でM>A,M>B,A>0,B>0である。X0が乱数の種であり、これを決めると以降のX1,X2,...が再現可能な形で得られる。前記乱数発生器10では、M,A,Bは予め適当な値を決めておき、その情報を埋め込み側と検出側で共有するものとする。乱数の種X0も適当な値を決めておいて、埋め込み側と検出側で共有しておけば良いが、前記乱数発生器10では暗号鍵に使った値をそのまま用いるのが簡単である。ここでは線形合同法以外に例えば混合合同法などが用いられる。
デジタルカメラなどのデジタル映像記憶装置には、前記画像取得手段2(光学センサなどの光学部)と電子回路とが一体化されたカメラモジュールを使用して製造されたタイプがある。この映像記憶装置によれば、前記画像取得手段2の光学部で受光した映像の各フレーム画像は、カメラモジュールからJPEGフォーマットデータとして出力される。この場合にはJPEG符号化途中(S22〜S25)のDCT係数を外へ取り出して加工を施すことできない。そこで、図19及び図20に示すように、前処理手段40のJPEGフォーマットデータ(S22〜S32の処理後)を前処理手段41に伝送し、該前処理手段41を通じてJFIF形式からのデータ整形・エントロピー復号(S33.S34)を行ってDCT係数を得る。以後は、図3のフローチャートと同様に図20のS26以降の処理ステップを実行する。この埋め込み装置1の構成変更によれば、図2の装置構成と同様にDCT係数を変更することが可能となる。
本発明は、前記埋め込み装置1としてコンピュータを機能させるための改ざん検出用電子透かしの埋め込み用プログラムとしても構築することができる。このプログラムは、前記埋め込み装置1の各手段2〜14,2.4〜14.40.41の全部あるいは一部として機能させるものでもよい。このプログラムによれば、前記埋め込み装置1のS21〜S32.S41〜S46.S51〜S54.S61〜S65.S81〜S85などの各種処理の全部あるいは一部をコンピュータに実行させる。
2…映像取得手段(撮影手段)
3.22.40.41…前処理手段
4…電子透かしデータ入力手段
5…誤り検出符号化手段
6…暗号化手段
7…DCTブロックグループ分割手段(グループ分割手段)
8…最大値Aの選択手段(最大値A選択手段)
9…B値算出手段(値B算出手段)
10…乱数発生器(乱数発生手段)
11…暗号化済み符合データ埋め込み手段(埋め込み手段)
12…最終ブロック演算値ヘッダー保存手段(ヘッダー保存手段)
13…エントロピー圧縮手段(圧縮手段)
14…JFIF形式整形手段(整形手段)
23…ビットデータ取得手段
24…暗号復号化手段
25…比較手段
26…誤り検出復号化手段
27…逆量子化手段
28…逆DCT手段
29…色空間変換手段
30…誤り発生箇所重畳表示手段
Claims (8)
- 撮影手段をもって撮影した画像をJPEG符号化すると同時に該撮影画像に改ざん検出用電子透かしを埋め込む方法であって、
前処理手段が、前記撮影画像にYCbCr変換・ダウンダンプリング・離散コサイン変換・DCT係数の量子化を施し、各DCTブロック内に量子化係数が存在する状態に処理する第1ステップと、
誤り符号化手段が、前記電子透かしデータのbit数に冗長化性を付与した誤り検出符号化データを生成する第2ステップと、
暗号化手段が、前記誤り検出符号化データに暗号化を施した暗号化済み符合データを生成する第3ステップと、
グループ分割手段が、前記各DCTブロックをY,Cb,Cr色成分に応じて、前記暗号化済み符合データのbit数と同一個数ごとのグループに分割する第4ステップと、
最大値A選択・値B算出手段が、前記各DCTブロック内の量子化係数を変調させるために、前記各DCTブロック内の量子化係数のうち絶対値が最大の値Aを選択し、該値Aとの差を演算する値Bを乱数発生手段の乱数のハッシュ関数を用いて求める第5ステップと、
埋め込み手段が、前記DCTブロックに埋め込む前記暗号化済み符合データのbit値(0 or 1)に応じて前記値A.Bの差の偶奇を調整するために、前記値Aに「−K,0,K」のいずれかを加算する第6ステップと、
ヘッダー保存手段が、(最終番号−1)グループの最終DCTブロックの前記B値を算出するために用いたハッシュ関数のハッシュ値と、該DCTブロックに前記値Aの調整済みの量子化係数を連結した数値のハッシュ値との排他的論理和を演算し、該演算値を暗号化後にJPEGフォーマットのヘッダー内のコメント欄に保存する第7ステップと、
圧縮・整形手段が、前記暗号済み符合データのbit値を埋め込んだ各DCTブロックの量子化係数を、エントロピー圧縮およびJFIF形式整形する第8ステップと、
を有することを特徴とする改ざん検出用電子透かしの埋め込み方法。 - 撮影手段をもって撮影されたJPEGフォーマット画像に改ざん検出用の電子透かしを埋め込む方法であって、
前処理手段が、前記JPEGフォーマット画像にJFIF形式からのデータ整形とエンピロー復号とを施し、各DCTブロックに量子化係数が存在する状態に処理する第1ステップと、
誤り符号化手段が、前記電子透かしデータのbit数に冗長化性を付与した誤り検出符号化データを生成する第2ステップと、
暗号化手段が、前記誤り検出符号化データを暗号化した暗号化済み符合データを生成する第3ステップと、
グループ分割手段が、前記各DCTブロックをY,Cb,Cr色成分に応じて、前記暗号化済み符合データのbit数と同一個数ごとのグループに分割する第4ステップと、
最大値A選択・値B算出手段が、前記DCTブロック内の量子化係数を変調させるために、前記各DCTブロック内の量子化係数のうち絶対値が最大の値Aを選択し、該値Aとの差を演算する値Bを乱数発生手段の乱数のハッシュ関数を用いて求める第5ステップと、
埋め込み手段が、前記DCTブロックに埋め込む前記暗号化済み符合データのbit値(0 or 1)に応じて前記値A.Bの差の偶奇を調整するために、前記値Aに「−K,0,K」のいずれかを加算する第6ステップと、
ヘッダー保存手段が、(最終番号−1)グループの最終DCTブロックの前記B値を算出するために用いたハッシュ関数のハッシュ値と、該DCTブロックに前記値Aの調整済みの量子化係数を連結した数値のハッシュ値との排他的論理和を演算し、該演算値をJPEGフォーマットのヘッダー内のコメント欄に暗号化して保存する第7ステップと、
圧縮・整形手段が、前記暗号済み符合データのbit値を埋め込んだ前記各DCTブロックの量子化係数を、エントロピー圧縮およびJFIF形式整形する第8ステップと、
を有することを特徴とする改ざん検出用電子透かしの埋め込み方法。 - 請求項1または2のいずれか1項に記載の方法をもって電子透かしを埋め込んだJPEG画像の改ざんを検出する方法であって、
前処理手段が、入力されたJPEG符号化画像にJFIF形式からのデータ整形とエンピロー復号とを施し、各DCTブロックに量子化係数が存在する状態に処理する第1ステップと、
グループ分割手段が、前記各DCTブロックをY,Cb,Cr色成分に応じて、前記電子透かしの埋め込み時に使用した暗号化済み符合データのbit数と同一個数ごとのグループに分割する第2ステップと、
最大値A選択・値B算出手段が、前記DCTブロック内の量子化係数を前記電子透かしの埋め込み時と同様に変調させるために、前記各DCTブロック内の量子化係数のうち絶対値が最大の値Aを選択し、該値Aとの差を演算する値Bを乱数発生手段の乱数のハッシュ関数を用いて求める第3ステップと、
ビットデータ出力手段が、前記各DCTブロックに埋め込まれた前記暗号化済み符合データのbit値(0 or 1)を前記値A.Bの差の偶奇に応じて取得する第4ステップと、
暗号復号化手段が、前記第4ステップの取得値(0 or 1)に対して、前記暗号化済み符合データの埋め込み時と同一の暗号手法および暗号鍵を用いて暗号を復号化する第5ステップと、
誤り検出復号化手段が、前記第5ステップで暗号復号化されたデータに誤り復号化処理を施し、誤りの有無・誤りの発生したDCTブロックを含むグループを検出する第6ステップと、
ヘッダー保存値比較手段が、(最終番号−1)グループの最終DCTブロックの前記B値を算出するために用いたハッシュ関数のハッシュ値と、該DCTブロックに前記値Aの調整済みの量子化係数を連結した数値のハッシュ値との排他的論理和を演算する第7ステップと、
ヘッダー保存値比較手段が、前記第7ステップの演算結果を前記JPEGフォーマットのヘッダー内におけるコメント欄の保存値と同一手法で暗号化し、該暗号化された前記演算結果と前記保存値とを比較することにより、(最終番号−1)グループの最終DCTブロックの誤りを検出する第8ステップと、
逆量子化・逆DCT・色空間変換手段が、第8ステップ後に前記各DCTブロックの量子化係数を逆量子化してDCT係数に戻し、逆DCTと色空間変換を経てJPEG復号化する第9ステップと、
誤り発生箇所表示手段が、前記第6ステップおよび前記第8ステップで検出した誤りの有無・誤りの発生したDCTブロックを含むグループの位置を表示させる第10ステップと、
を有することを特徴とする電子透かしを用いた改ざん検出方法。 - 撮影手段をもって撮影した画像をJPEG符号化すると同時に撮影画像の改ざん検出用の電子透かしを埋め込む装置であって、
前記撮影画像にYCbCr変換・ダウンダンプリング・離散コサイン変換・DCT係数の量子化を施し、各DCTブロック内に量子化係数が存在する状態に処理する手段と、
前記電子透かしデータのbit数に冗長化性を付与した誤り検出符号化データを生成する手段と、
前記誤り検出符号化データを暗号化した暗号化済み符合データを生成する手段と、
前記各DCTブロックをY,Cb,Cr色成分に応じて、前記暗号化済み符合データのbit数と同一個数ごとのグループに分割する手段と、
前記DCTブロック内の量子化係数を変調させるために、前記各DCTブロック内の量子化係数のうち絶対値が最大の値Aを選択し、該値Aとの差を演算する値Bを乱数発生手段の乱数のハッシュ関数を用いて求める手段と、
前記DCTブロックに埋め込む前記暗号化済み符合データのbit値(0 or 1)に応じて前記値A.値Bの差の偶奇を調整するために、前記値Aに「−K,0,K」のいずれかを加算する手段と、
(最終番号−1)グループの最終DCTブロックの前記B値を算出するために用いたハッシュ関数のハッシュ値と、該DCTブロックに前記値Aの調整済みの量子化係数を連結した数値のハッシュ値との排他的論理和を演算し、該演算値をJPEGフォーマットのヘッダー内のコメント欄に暗号化して保存する手段と、を備え、
前記暗号済み符合データを埋め込んだ前記各DCTブロックの量子化係数をエントロピー圧縮およびJFIF形式整形することでJPEG符号化を完了させる
ことを特徴とする改ざん検出用電子透かしの埋め込み装置。 - 撮影手段をもって撮影されたJPEGフォーマット画像に改ざん検出用の電子透かしを埋め込む装置であって、
前記JPEGフォーマット画像にJFIF形式からのデータ整形とエンピロー復号とを施し、各DCTブロックに量子化係数が存在する状態に処理する手段と、
前記電子透かしデータのbit数に冗長化性を付与した誤り検出符号化データを生成する手段と、
前記誤り検出符号化データを暗号化した暗号化済み符合データを生成する手段と、
前記各DCTブロックをY,Cb,Cr色成分に応じて、前記暗号化済み符合データのbit数と同一個数ごとのグループに分割する手段と、
前記DCTブロック内の量子化係数を変調させるために、前記各DCTブロック内の量子化係数のうち絶対値が最大の値Aを選択し、該値Aとの差を演算する値Bを乱数発生手段の乱数のハッシュ関数を用いて求める手段と、
前記DCTブロックに埋め込む前記暗号化済み符合データのbit値(0 or 1)に応じて前記値A.値Bの差の偶奇を調整するために、前記値Aに「−K,0,K」のいずれかを加算する手段と、
(最終番号−1)グループの最終DCTブロックの前記B値を算出するために用いたハッシュ関数のハッシュ値と、該DCTブロックに前記値Aの調整済みの量子化係数を連結した数値のハッシュ値との排他的論理和を演算し、該演算値をJPEGフォーマットのヘッダー内のコメント欄に暗号化して保存する手段と、を備え、
前記暗号済み符合データを埋め込んだ前記各DCTブロックの量子化係数をエントロピー圧縮およびJFIF形式整形することでJPEG符号化を完了させる
ことを特徴とする改ざん検出用電子透かしの埋め込み装置。 - 請求項1または2のいずれか1項に記載の装置をもって電子透かしを埋め込んだJPEG画像の改ざんを検出する装置であって、
入力されたJPEG符号化画像にJFIF形式からのデータ整形とエンピロー復号とを施し、各DCTブロックに量子化係数が存在する状態に処理する手段と、
前記各DCTブロックをY,Cb,Cr色成分に応じて、前記電子透かしの埋め込み時に使用した暗号化済み符合データのbit数と同一個数ごとのグループに分割する手段と、
前記DCTブロック内の量子化係数を前記電子透かしの埋め込み時と同様に変調させるために、前記各DCTブロック内の量子化係数のうち絶対値が最大の値Aを選択し、該値Aとの差を演算する値Bを乱数発生手段の乱数のハッシュ関数を用いて求める手段と、
前記各DCTブロックに埋め込まれた前記暗号化済み符合データのbit値(0 or 1)を前記値A.Bの差の偶奇に応じて取得する手段と、
前記取得値(0 or 1)に対して、前記暗号化済み符合データの埋め込み時と同一の暗号手法および暗号鍵を用いて暗号を復号化する手段と、
該暗号復号化されたデータに誤り復号化処理を施し、誤りの有無・誤りの発生したDCTブロックを含むグループを検出する手段と、
(最終番号−1)グループの最終DCTブロックの前記B値を算出するために用いたハッシュ関数のハッシュ値と、該DCTブロックに前記値Aの調整済みの量子化係数を連結した数値のハッシュ値との排他的論理和を演算する手段と、
該演算結果を前記JPEGフォーマットのヘッダー内におけるコメント欄の保存値と同一手法で暗号化し、該暗号化された前記演算結果と前記保存値とを比較するにより(最終番号−1)グループの最終DCTブロックの誤りを検出する手段と、
前記各DCTブロックの量子化係数を逆量子化してDCT係数に戻し、逆DCTと色空間変換を経てJPEG復号化する手段と、
前記検出した誤りの有無・誤りの発生したDCTブロックを含むグループの位置を表示させる手段と、
を備えることを特徴とする電子透かしを用いた改ざん検出装置。 - 請求項4または5のいずれか1項に記載の改ざん検出用電子透かしの埋め込み装置を構成する各手段として、コンピュータを機能させるためのプログラム。
- 請求項6記載の電子透かしを用いた改ざん検出装置を構成する各手段として、コンピュータを機能させるためのプログラム。
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