JP3672143B2 - How to create an electronic watermark - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は音声や画像をデイジタル符号であらわして伝送や蓄積すると同時に、そのビット系列に秘密の情報(電子すかし情報)を埋め込んで不正利用を防ぐ、いわゆる電子すかし作成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子すかしは具体的には以下の2つの条件を同時に満たす仕組みを提供するものである。
(1)通常の復号器では音声や画像が再生できるが、秘密の情報(電子すかし情報)はどこに書かれているか見つけることができないし、その秘密の情報を書き換えたり消したりしようとすると、再生された音声や画像に大きな劣化を生じる。
【0003】
(2)一方、検査用の復号器では、別の暗号化された情報を使って秘密の情報(電子すかし情報)がどこに埋め込まれているかを捜して、秘密の情報を読み出すことができる。
従来の電子すかし作成方法は画像などの情報圧縮ビット系列のうち、再生した時にほとんど品質が変わらないようなビット位置の中から、電子すかし情報(秘密の情報)を書き込む位置を選択してすかし情報を書き込む方法が知られている。しかし、情報圧縮率が高い場合や、音声や音楽の圧縮ビット系列ではすでに符号化されたビット系列のビットを強制的に書き換えると、大きな歪が生じる場合が多く、品質が変わらないようなビット位置がきわめて限定される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は電子すかし情報を書きこむ際にもとの音声や画像の量子化歪の増加を最小限に抑えることができる電子すかし作成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】
請求項1の発明によれば、入力ベクトルと、電子すかし情報と、その電子すかし情報を埋め込むべきビット位置を指定する埋め込み位置指定情報とを入力し、
上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されていない部分については符号帳から、上記入力ベクトルとの予め決められた尺度での歪が最小となる量子化ベクトルのインデックスを求めて、そのインデックスを上記デイジタル符号として出力し、
上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されている部分については、上記符号帳中の上記埋め込み指定されたインデックスのビットを、上記電子すかし情報に固定し、その固定されたインデックス中の量子化ベクトルから入力ベクトルとの予め決められた尺度での歪が最小となるものを選択し、そのインデックスを上記デイジタル符号として出力する。
【0006】
請求項2の発明によれば、ベクトル量子化されたインデックスよりなるデイジタル符号列と、電子すかし情報と、その電子すかし情報を埋め込むべきビット位置を指定する埋め込み位置指定情報とを入力し、
上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されていない部分については上記入力デイジタル符号をそのまま出力し、
上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されている部分については、上記ベクトル量子化に用いた符号帳の上記埋め込み指定されたインデックスのビットを、上記電子すかし情報に固定し、その固定されたインデックス中の量子化ベクトルから、上記入力インデックスと対応する量子化ベクトルとの予め決められた尺度での歪が最小となるものを選択し、そのインデックスを出力する。
【0007】
請求項3の発明では請求項2の発明において、上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されている部分については、当該入力デイジタル符号を、上記ベクトル量子化に用いた符号帳で復号して量子化ベクトルを得、この量子化ベクトルと、上記固定されたインデックス中の量子化ベクトルから、上記歪最小となる量子化ベクトルを選択する。
【0008】
請求項4の発明では請求項2の発明において、上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されている部分については、上記符号帳の各量子化ベクトルごとに、その他の量子化ベクトルとの歪みが予め求められたテーブルから、上記入力デイジタル符号の上記符号帳のインデックスを求め、これと、上記埋め込み指定され、上記すかし情報で固定された上記符号帳中のインデックスとの歪を上記テーブルより求め、その最小のインデックスを求める。
【0009】
以上述べたようにこの発明では一旦符号化されたビット系列に入力ベクトルと無関係に電子すかし情報を埋め込むのではなく、ベクトル量子化の符号帳探索の中で、電子すかし情報を埋め込んだ条件での最適なインデックスを探索することが特徴で、歪の増加を最小限に抑えることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1Aはこの発明の請求項第1項に対応する実施例を示す構成図である。この例では符号器11の処理の段階で、すかし情報を考慮した量子化ベクトルの探索を行なう。つまり図1Bに示すように入力端子12よりの画像信号、音響信号などの入力ベクトルが入力され、符号帳13から選択され、復号器14で復号された復号ベクトルと、入力ベクトルとの差が加算手段15でとられ、歪計算制御部16で予め決められた尺度での復号ベクトルと入力ベクトルに対する歪が最小となる量子化ベクトルが符号帳13から選択され、その選択された量子化ベクトルを示す符号帳13のインデックスInが符号化出力端子17から出力される。
【0011】
この実施例では符号器11に端子18からすかし情報と、端子19から埋込み位置指定情報とが入力される。埋込み位置指定情報により埋込みが指定されていない場合は、入力ベクトルに対する符号化は先に述べたように従来と同様に行うが、埋込み位置指定情報によりすかし情報の埋込みが指定されている場合は、符号帳13のインデックス中の上記埋込み指定位置を、その時のすかし情報で固定して、符号帳13の量子化ベクトルを探索する。つまり図1Bに示すように選択制御部21において、埋込み位置指定情報とすかし情報とにより、符号帳13から検索する量子化ベクトルが制限される。
【0012】
例えば図2Aに示すように5ビットごとのインデックスIn1,In2,…の符号化ビット系列のうち、図2Bに示す埋込み位置指定情報により指定された位置のビットが図2Cのすかし情報で固定される。この例ではインデックスIn1は本来は、5ビット32ベクトルの中から歪が最も小さくなる量子化ベクトルを探索するが、埋込み位置指定情報により3番目のビットが、すかし情報により0に固定される。従って図2Dに示すように符号帳13中の3番めのビットが0であるインデックスに対する量子化ベクトル(計16個)の中から歪が一番小さいものが選ばれる。
【0013】
この16個の中から選ばれたものはもともと32個の中でも最も歪が小さいものであったものと同一かも知れず、そうでなくても、16個中から選択されたものは最適な量子化ベクトルとの差は平均的には非常に小さい。言い換えれば、このすかし情報が埋め込まれた符号化ビット系列を通常の復号器で再生すると、本来の出力との差は僅かである。
【0014】
またどのビットが固定されて探索されたかは通常の復号器では検出は困難である。何故なら、符号化出力ビットを1ビットずつ反転して再生してみても、符号帳13の構成に依存して再生出力は劣化するが、特にすかし情報のビットでも同じように劣化し、そのビットのみで特徴があるわけではないからである。
従来の方法では、入力を考慮せずに、符号化ビットの一部を反転してすかし情報を書き込むので、そのビットを反転することでかえって品質が向上する場合がある。よってこの品質が向上するビットを検出してすかし情報を消去することが可能であるが、この発明の実施例では1ビットのみの反転では品質が向上する可能性は非常に少ない。確かにこの図の例では、32種類のすべての組合わせでインデックスを変更すると品質が向上する場合があるが、その品質向上はごくわずかであるからその向上するインデックスと符号化されたインデックスとを比較しても、すかし情報の位置やその情報を特定することはできない。また入力の原音や原画の情報がなければ、客観的に品質が向上したかどうか検査する手段はなく、すかし情報の改ざんは難しい。
【0015】
以上のすかし情報の改ざんは、通常の復号器の動作、つまり復号化手順、および復号化符号帳や、ビットの位置がすべて公開されていることを前提にしているが、つまり全ての量子化ベクトルとそのインデックスとの関係がわかっていることを前提としている。しかし符号帳の一部でも非公開のビットがあると、すかし情報の改ざんは不可能と見なせる。例えば秘密の特定のビットに対する誤り検出符号(例えばパリテイビット)を追加して、そこで誤りが検出されれば復号を中止する処理を通常の復号器に組合わせることが考えられる。すかし情報の部分のインデックスを少ない劣化で他のインデックスにたまたま置き換えること、つまり改ざんすることができても誤り検出符号で、それが検出され、出力を停止させることが可能であり、改ざんしたものを再生することはできない。
【0016】
以上のようにこの実施例で符号化ビット系列に電子すかし情報を埋込むことができ、その電子すかし情報が埋込まれた符号化ビット系列が出力端子17に出力される。このすかし情報付符号化ビット系列は伝送又は蓄積された後、通常の復号器24、つまりすかし情報が埋込まれない符号化ビット列に対する復号器24により復号化され、その出力端子25からすかし情報の付加にかかわらず、歪の劣化が少ない出力ベクトルが得られる。
【0017】
すかし情報は符号化ビット系列から、すかし情報を取出すにはすかし情報復号器26に入力し、符号器11側より得た埋込み位置指定情報により、すかし情報付符号化ビット系列からすかし情報ビットのみを取出すことにすかし情報を出力端子27に得る。埋込み位置指定情報は通常、特別のものしか入手できないように、暗号化され、すかし情報復号器26側で埋込み位置指定情報を復号化して、その埋込みビット位置を検出する。
【0018】
図3Aは請求項2の発明に対応する実施例を示すものである。
この例では入力端子31にすかし情報とは無関係に符号化された符号化ビット系列が入力される。つまり通常の符号器11で符号化された符号化ビット系列が伝送され、又は蓄積されたものが読出されて入力端子31よりすかし情報埋込み器32に入力され、原入力ベクトルの情報なしにすかし情報が書き込まれる。この際もとの音声や画像の劣化を小さく抑えるために、符号帳の中のすかし情報ビットが固定されたインデックスに対応する量子化ベクトルの中で、本来の再生ベクトルに最も近いもののインデックスに置き換える。つまりすかし情報埋込み器32においては、その入力端子31に入力された符号化ビット系列が符号化された際に用いた符号帳と同一の符号帳を備え、入力符号化ビット系列を再生し、その再生ベクトルを、図1について説明したように、端子19の埋込み位置指定情報にもとづき、符号帳のインデックスの1つのビットを、端子18のすかし情報で固定した、インデックスから選択した量子化ベクトル中の歪最小のもののインデックスを出力する。
【0019】
あるいは決められた歪尺度が、一定の場合は、例えば図3Bに示すように、各インデックスIn1,In2,…それぞれの量子化ベクトルについて、これと、他の各インデックスの量子化ベクトルとの歪をそれぞれ計算した歪表を用意しておき、また、各埋込み位置指定情報とすかし情報の組合せについて選択可能なインデックスの組を図3Cに示すように選択可能表として作っておき、端子18,19のすかし情報と埋込み位置指定情報とから、図3Cの選択可能インデックス表を参照して選択可能インデックスの組を検出し、その検出した選択可能インデックスの組中のインデックスと、端子31に入力されたインデックスとの歪が最小のインデックスを図3Bの歪表を参照して探し、そのインデックスを出力端子17へ出力してもよい。あるいは、各入力インデックスについて、すかし情報とその埋込み位置の各場合について、歪最小のインデックスを予め求めておき、これを直ちに出力するようにしてもよい。
【0020】
この場合、入力情報を使う図1に示した実施例の場合よりすかし情報を埋込むことによる歪は大きくなるが、大きな劣化にはならず、通常の復号器で復号できる。また通常の復号器で、インデックスを取り替えることで品質が改善される可能性も図1の場合より少し大きくなる。しかし、すかし情報をいれるために毎回符号化する必要がないので処理が簡単になる。
【0021】
なお例えば聴覚重み付けベクトル量子化した場合のように歪尺度が、符号化ビット中のほかのパラメータに依存する場合には、そのパラメータを復号して歪尺度を計算し、その尺度で、最も近い量子化ベクトルのインデックスに置き換える必要がある。
【0022】
【発明の効果】
この発明によれば、下記の電子すかしの機能を実現でき、しかもこれによる本来の音声や画像からの劣化は僅かなものに抑えることが可能である。
(1)通常の復号器では音声や画像が再生できるが、秘密の情報(すかし情報)はどこに書かれているか見つけることが困難であり、その秘密情報を書き換えたり消したりしようとすると、音声や画像に大きな劣化を生じる。
【0023】
(2)一方、検査用の復号器では、別の暗号化された埋込み位置指定情報を使って情報がどこに埋め込まれているかを捜して、秘密の情報を読み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Aは請求項1の発明の実施例および請求項5の発明の実施例を示す構成図、Bはその符号器11の具体例を示す機能構成図である。
【図2】A,B,Cはそれぞれ符号化ビット系列、埋込み位置指定情報、すかし情報を示す図、Dは符号帳の例を示す図である。
【図3】Aは請求項2の発明の実施例を示すブロック図、Bは歪表を示す図、Cは選択可能インデックス組の表を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention simultaneously transmits and accumulates represent audio and images digital code to prevent unauthorized use by embedding the secret information (digital watermark information) on the bit sequence relates to the so-called electronic watermark creator how.
[0002]
[Prior art]
Specifically, the electronic watermark provides a mechanism that simultaneously satisfies the following two conditions.
(1) Normal decoders can reproduce audio and images, but cannot find where the secret information (electronic watermark information) is written, and if you try to rewrite or delete the secret information, The reproduced sound and image are greatly degraded.
[0003]
(2) On the other hand, the inspection decoder can read out the secret information by searching where the secret information (electronic watermark information) is embedded using another encrypted information.
The conventional digital watermark creation method selects a position to write electronic watermark information (secret information) from bit positions whose quality hardly changes when reproduced from an information compression bit sequence such as an image. A method for writing watermark information is known. However, if the information compression rate is high, or if the bit sequence of a bit sequence that has already been encoded is forcibly rewritten in a compressed bit sequence of speech or music, a bit position that often causes large distortion and does not change the quality. Is very limited.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The purpose is to provide an electronic watermarking how it is possible to minimize the increase of quantization distortion of the original sound and images when writing a digital watermark information in the present invention.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, an input vector, electronic watermark information, and embedded position designation information for designating a bit position in which the electronic watermark information is to be embedded are input.
For a portion where embedding is not designated by the embedding position designation information, an index of a quantization vector that minimizes distortion on a predetermined scale with the input vector is obtained from the codebook, and the index is converted to the digital Output as a sign,
For the portion where embedding is designated by the embedding position designation information, the bit of the index designated for embedding in the codebook is fixed to the electronic watermark information, and the quantization vector in the fixed index The input vector with the smallest distortion on a predetermined scale is selected, and the index is output as the digital code.
[0006]
According to the invention of
For the portion where embedding is not designated by the embedding position designation information, the input digital code is output as it is,
For the portion where embedding is designated by the embedding position designation information, the bit of the index designated for embedding of the codebook used for the vector quantization is fixed to the electronic watermark information, and the fixed index From among the quantized vectors, the one that minimizes the distortion on a predetermined scale between the input index and the corresponding quantized vector is selected, and the index is output.
[0007]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, with respect to a portion for which embedding is designated by the embedding position designation information, the input digital code is decoded by the codebook used for the vector quantization and quantized. A vector is obtained, and a quantization vector that minimizes the distortion is selected from the quantization vector and the quantization vector in the fixed index.
[0008]
According to a fourth aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, with respect to a portion for which embedding is designated by the embedding position designation information, distortion with other quantization vectors is previously determined for each quantization vector of the codebook. An index of the codebook of the input digital code is obtained from the obtained table, and a distortion between this and the index in the codebook specified by embedding and fixed by the watermark information is obtained from the table, Find its smallest index.
[0009]
Than the mentioned manner rather than once embedding independent electronic watermark information and the input vector to the encoded bit sequence in the present invention, in the codebook search for vector quantization, watermarked information It is characterized by searching for an optimal index under conditions, and an increase in distortion can be minimized.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1A is a block diagram showing an embodiment corresponding to claim 1 of the present invention. In this example, the quantization vector is searched in consideration of watermark information at the stage of processing of the
[0011]
In this embodiment, watermark information is input from the
[0012]
For example, as shown in FIG. 2A, the bit at the position designated by the embedding position designation information shown in FIG. 2B in the encoded bit series of the indexes In1, In2,. The In this example, the index In1 is originally searched for a quantized vector having the smallest distortion from among the 5-
[0013]
The one selected from the 16 may be the same as the one with the least distortion of the 32, but the one selected from the 16 is the optimal quantization. On average, the difference from the vector is very small. In other words, when the encoded bit sequence in which the watermark information is embedded is reproduced by a normal decoder, the difference from the original output is small.
[0014]
In addition, it is difficult for a normal decoder to detect which bits are fixed and searched. This is because even if the encoded output bits are inverted and reproduced one bit at a time, the reproduction output deteriorates depending on the configuration of the
In the conventional method, since the watermark information is written by inverting a part of the coded bit without considering the input, the quality may be improved by inverting the bit. Therefore, it is possible to detect the watermark by detecting the bit whose quality is improved, but in the embodiment of the present invention, there is very little possibility that the quality is improved by inversion of only one bit. Certainly, in the example of this figure, changing the index for all 32 combinations may improve the quality, but the quality improvement is negligible, so the improved index and the encoded index Even if the comparison is made, the position of the watermark information and the information cannot be specified. Also, if there is no input original sound or original picture information, there is no means to inspect whether the quality has been improved objectively, and it is difficult to falsify the watermark information.
[0015]
The above-mentioned alteration of watermark information is based on the assumption that the normal decoder operation, that is, the decoding procedure, the decoding codebook, and all the bit positions are made public, that is, all quantizations. It is assumed that the relationship between the vector and its index is known. However, if there is an undisclosed bit even in a part of the codebook, it can be considered that the watermark information cannot be falsified. For example, it is conceivable to add an error detection code (for example, a parity bit) for a specific secret bit and combine the process of stopping decoding when an error is detected there with a normal decoder. It is possible to accidentally replace the index of the watermark information part with another index with little deterioration, that is, even if it can be tampered with, it can be detected with an error detection code, the output can be stopped, and the tampered Can not play.
[0016]
As described above, in this embodiment, electronic watermark information can be embedded in the encoded bit sequence, and the encoded bit sequence in which the electronic watermark information is embedded is output to the
[0017]
The watermark information is input to the watermark information decoder 26 to extract the watermark information from the coded bit sequence, and the watermark information is coded from the coded bit sequence with watermark information by the embedded position designation information obtained from the
[0018]
FIG. 3A shows an embodiment corresponding to the invention of
In this example, an encoded bit sequence encoded regardless of watermark information is input to the
[0019]
Alternatively, when the determined distortion scale is constant, for example, as shown in FIG. 3B, for each quantization vector of each index In1, In2,..., Distortion between this and the quantization vector of each other index is calculated. Each calculated distortion table is prepared, and a set of indexes that can be selected for each combination of embedding position designation information and watermark information is created as a selectable table as shown in FIG. From the watermark information and the embedding position designation information, a set of selectable indexes is detected with reference to the selectable index table of FIG. 3C, and the index in the detected selectable index set is input to the terminal 31. The index with the smallest distortion with respect to the index may be searched with reference to the distortion table of FIG. 3B, and the index may be output to the
[0020]
In this case, distortion caused by embedding watermark information is larger than in the case of the embodiment shown in FIG. 1 using input information, but it does not deteriorate greatly and can be decoded by a normal decoder. Further, the possibility of improving the quality by replacing the index with a normal decoder is slightly greater than in the case of FIG. However, since it is not necessary to encode each time in order to insert watermark information, the processing becomes simple.
[0021]
Note that when the distortion measure depends on other parameters in the coded bits, for example, when auditory weighted vector quantization is performed, the distortion measure is calculated by decoding the parameter, and the closest quantum in the measure is calculated. It is necessary to replace with the vector vector index.
[0022]
【The invention's effect】
According to the present invention, the following electronic watermark function can be realized, and deterioration from the original sound or image can be suppressed to a slight level.
(1) Normal decoders can reproduce audio and images, but it is difficult to find where secret information (watermark information) is written. If you try to rewrite or delete the secret information, And the image is greatly degraded.
[0023]
(2) On the other hand, the inspection decoder can read out the secret information by searching where the information is embedded by using another encrypted embedded position designation information.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a block diagram showing an embodiment of the invention of
FIG. 2 is a diagram showing an encoded bit sequence, embedded position designation information, and watermark information, respectively, and D is a diagram showing an example of a codebook.
FIG. 3A is a block diagram showing an embodiment of the invention of
Claims (4)
上記入力ベクトルと、上記電子すかし情報と、その電子すかし情報を埋め込むべきビット位置を指定する埋め込み位置指定情報とを入力し、
上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されていない部分については符号帳から、上記入力ベクトルとの予め決められた尺度での歪が最小となる量子化ベクトルのインデックスを求めて、そのインデックスを上記デイジタル符号として出力し、
上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されている部分については、上記符号帳中の上記埋め込み指定されたインデックスのビットを、上記電子すかし情報に固定し、その固定されたインデックス中の量子化ベクトルから入力ベクトルとの予め決められた尺度での歪が最小となるものを選択し、そのインデックスを上記デイジタル符号として出力することを特徴とする電子すかし作成方法。In the method of creating an electronic watermark that digitally encodes an input vector of sound or an image and embeds electronic watermark information in the digital code.
Input the input vector, the electronic watermark information, and embedding position designation information for designating a bit position in which the electronic watermark information is to be embedded,
For a portion where embedding is not designated by the embedding position designation information, an index of a quantization vector that minimizes distortion on a predetermined scale with the input vector is obtained from the codebook, and the index is converted to the digital Output as a sign,
For the portion where embedding is designated by the embedding position designation information, the bit of the index designated for embedding in the codebook is fixed to the electronic watermark information, and the quantization vector in the fixed index A method for creating an electronic watermark comprising: selecting an input vector having a minimum distortion on a predetermined scale and outputting the index as the digital code.
上記デイジタル符号列と、上記電子すかし情報と、その電子すかし情報を埋め込むべきビット位置を指定する埋め込み位置指定情報とを入力し、
上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されていない部分については上記入力デイジタル符号をそのまま出力し、
上記埋め込み位置指定情報により埋め込みが指定されている部分については、上記ベクトル量子化に用いた符号帳の上記埋め込み指定されたインデックスのビットを、上記電子すかし情報に固定し、その固定されたインデックス中の量子化ベクトルから、上記入力インデックスと対応する量子化ベクトルとの予め決められた尺度での歪が最小となるものを選択し、そのインデックスを出力することを特徴とする電子すかし作成方法。In an electronic watermark creation method for embedding electronic watermark information in a digital code string composed of vector quantized indexes,
Input the digital code string, the electronic watermark information, and embedding position designation information for designating a bit position in which the electronic watermark information is to be embedded,
For the portion where embedding is not designated by the embedding position designation information, the input digital code is output as it is,
For the portion where embedding is designated by the embedding position designation information, the bit of the index designated for embedding of the codebook used for the vector quantization is fixed to the electronic watermark information, and the fixed index A method for creating an electronic watermark characterized by selecting from the quantized vectors among them the one that minimizes distortion on a predetermined scale between the input index and the corresponding quantized vector, and outputting the index .
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