JP3722470B2 - 電子透かしの埋め込み方法およびその装置、並びに、オリジナルデータの検証方法およびその装置 - Google Patents
電子透かしの埋め込み方法およびその装置、並びに、オリジナルデータの検証方法およびその装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静止画像（スチル）データ、映像（ビデオ）データ、音楽（オーディオ）データ等のオリジナルデータに対して電子透かしを埋め込む方法および装置、並びに、電子透かしが埋め込まれたオリジナルデータが改竄されたかを検証する方法および装置に関する。特に、医療画像データ、裁判における証拠となる画像データ等のオリジナルデータが改竄されたことを容易に検証し得る電子透かしの埋め込み方法及び装置、並びに、オリジナルデータの検証方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像データ、音楽データ等のディジタルデータに対して、オリジナルデータの改竄、コピー等を防止するために、電子透かしが設けられるようになっている。オリジナルデータに対する電子透かしは、強固な電子透かし技術と脆弱な電子透かし技術の２種類が知られている。強固な電子透かし技術では、オリジナルデータが改竄されても、電子透かしは消えない特性を有しており、電子透かしを検証することにより、オリジナルデータが利用されていることを容易に確認することができる。従って、著作権の保護に有効である。脆弱な電子透かし技術では、オリジナルデータを改竄することによって、埋め込まれた電子透かしが消滅する。従って、オリジナルデータが改竄されていないことを容易に検証することができる。
【０００３】
「M.Yeung and F.Mintzer，"An invisible watermarking technique for image verification，”Proceeding of ICIP，Santa Barbara，CA，Oct．26−29，1997，vol．2，pp.680−683」には、脆弱な透かし技術の原理が提案されている。この脆弱な電子透かし技術は、同じサイズの２値透かし画像と原本画像（オリジナルデータ）とに対して、まず、透かし抽出関数を作成し、原本画像に、抽出関数にて定められた演算を、画素単位で行うようになっている。
【０００４】
この場合、乱数を鍵として、多値入力、２値出力のＬＵＴ（Look Up Table）を発生させる。次に、抽出関数の出力を、ＬＵＴに通して２値化する。２値化された抽出関数の値が、埋め込む電子透かしの値と一致する場合には、原本画像の画素値は、そのままの状態とする。２値化された抽出関数の値が、埋め込む電子透かしの値と一致しない場合には、一致するまで、画素値を繰り返して変更して調節する。これにより、電子透かし入り画像が完成する。
【０００５】
電子透かしを抽出する場合には、電子透かし入りの画像に対して抽出関数に基づいて演算し、演算結果をＬＵＴでマッピングして２値化画像を得る。得られた２値化画像を検査すれば、その画像が改竄されているかを検証することができる。
【０００６】
「P.W.Wong, "A public key watermark for image verification and authentication," Proceedings of ICIP, 1998，Chicago, pp.455-459.」には、脆弱な電子透かし技術が提案されている。この電子透かし技術は、グレースケール原本画像と２値透かし画像とに対して、まず、原本画像と透かし画像とを、ｎ×ｎ（例えば８×８）画素の一定サイズのブロックに分割して、画素値の最下位ビットをゼロにする。次いで、残った上位ビットと画像サイズ等のパラメータに基づいて、ｈａｓｈ関数を使用して、画像数列が反映される値を演算する。演算された値のビット列から、順番に、１ブロックの画素数ｎ×ｎ個のビットを切り出し、切り出されたビット列と対応する電子透かし画像との排他的論理和演算を行う。さらに、その演算結果を公開鍵暗号システム（例えば、ＲＳＡ）の秘密鍵を使って暗号化する。最後に、その演算結果を原本画像の最下位ビットに書きこむことによって、電子透かしが形成される。
【０００７】
電子透かしの抽出は、電子透かしを埋め込む場合と同様に、ブロック単位で行う。この場合には、まず、同じｈａｓａ関数にて、透かし入り画像の最下位以外のビット、画像サイズ等の数列を演算して、順番に、ｎ×ｎ個のビットを切り出す。次に最下位のビット列を公開鍵によって符号化し、符号化されたビット列と切り出したビット列の排他的論理和演算を行う。この論理演算結果により電子透かしが抽出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
Yeungらの脆弱な透かし技術では、乱数によって生成されたＬＵＴを使用して、画素値の調節することにより、２値透かし画像を生成しているために、ＬＵＴの内容によっては、透かし入り画像の画質が低下するおそれがある。また、電子透かしを自動認証するためには、電子透かし画像が必要であるという問題がある。さらに、この電子透かし技術は、圧縮画像フォーマットおよび音声等の他のディジタルデータには適用することができないという問題もある。
【０００９】
Wongらの脆弱な電子透かし技術では、画素値の変化が小さな平坦な画像部分における最下位ビットに電子透かしを埋め込むようになっているために、白黒の文章画像のように、階調の少ない画像に適用すると、電子透かしが容易に認識される。このために、電子透かしを偽造する際の手がかりを与えて、容易に偽造されるというおそれがある。また、電子透かしを自動認証するためには、電子透かし画像が必要であり、さらには、圧縮画像フォーマットおよび音声等の他のディジタルデータには適用することができないという問題もある。
【００１０】
特開平９−１９１３９４号公報、特開平１０−３０８８６７号公報、特開平１０−１４５７５７号公報、特開２０００−２３６４３号公報には、強固な透かし技術が開示されている。これらの公報に開示された強固な透かし技術は、偽造が容易ではなく、画質に悪影響を与えるおそれはない。しかしながら、埋め込まれた電子透かしは、オリジナルデータが改竄されても消滅しないために、オリジナルデータが改竄されていることを検証することは容易でないという問題がある。また、埋め込まれた電子透かしを認証するためには、特定の電子透かしを利用して認証することができないために、演算量が多くなるという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、埋め込まれる電子透かしによって画像の画質に影響を与えるおそれがなく、しかも、偽造が容易でなく、画像を圧縮／伸長処理する場合にも適用することができる電子透かしの埋め込み方法および装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、電子透かしが埋め込まれたディジタルデータが改竄されているかを容易に検証することができるディジタルデータの検証方法および装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子透かしの埋め込み方法は、ディジタルデータであるオリジナルデータをデータ変換するデータ変換工程と、次いで、乱数シードを用いて平均値が０になるように生成された擬似乱数を透かし数列とし、該透かし数列の各数値であるデータを、前記データ変換工程にてデータ変換された変換データに対して、順次、該変換データの関数で示される埋め込み強度で埋め込んで順番に透かし入りデータとする際に、得られた透かし入りデータと予め設定された閾値とを比較して、その比較の結果、前記透かし入りデータが前記閾値以下になっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを変更せずに繰り返し、前記透かし入りデータが前記閾値よりも大きくなっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを次のデータに変更する、透かしデータ埋め込み工程と、前記乱数シードおよび閾値を、暗号化してヘッダに保存する工程と、を包含することを特徴とする。
【００１４】
前記データ変換工程におけるデータ変換は、ウェーブレット変換である。
【００１５】
前記オリジナルデータは、ＪＰＥＧフォーマット画像データまたはＭＰＥＧフォーマット画像データであり、該ＪＰＥＧフォーマット画像データまたは該ＭＰＥＧフォーマット画像データは、前記データ変換工程にてデータ変換された後に量子化される。
【００１６】
前記データ変換工程におけるデータ変換は、離散コサイン変換である。
【００１７】
本発明の電子透かしの埋め込み装置は、ディジタルデータであるオリジナルデータをデータ変換するデータ変換手段と、乱数シードを用いて平均値が０になるように生成された擬似乱数を透かし数列とし、該透かし数列の各数値であるデータを、前記データ変換手段にてデータ変換された変換データに対して、順次、該変換データの関数で示される埋め込み強度で埋め込んで順番に透かし入りデータとする際に、得られた透かし入りデータと予め設定された閾値とを比較して、その比較の結果、前記透かし入りデータが前記閾値以下になっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを変更せずに繰り返し、前記透かし入りデータが前記閾値よりも大きくなっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを次のデータに変更する、透かしデータ埋め込み手段と、前記乱数シードおよび閾値を、暗号化して画像ヘッダに保存する手段と、を具備することを特徴とする。
【００１８】
前記データ変換手段によるデータ変換は、ウェーブレット変換である。
【００１９】
前記オリジナルデータは、ＪＰＥＧフォーマット画像データまたはＭＰＥＧフォーマット画像データであり、該ＪＰＥＧフォーマット画像データまたは該ＭＰＥＧフォーマット画像データは、前記データ変換手段によってデータ変換された後に量子化される。
【００２０】
前記データ変換手段によるデータ変換は、離散コサイン変換である。
【００２１】
また、本発明のオリジナルデータの検証方法は、前記電子透かしの埋め込み方法によって電子透かしが埋め込まれたオリジナルデータの認証方法であって、前記ヘッダに保存された透かし数列に関する暗号化されたパラメータである乱数シードおよび閾値をオリジナルデータから分離する工程と、分離された乱数シードおよび閾値を復号化して、復号化された乱数シードに基づいて透かし数列を生成する工程と、生成された透かし数列と、前記オリジナルデータにおける透かし入りデータが復号化された閾値よりも大きくなっている場合における該透かし入りデータとの積和と、前記埋め込み強度の総和とを正規化して類似度正規化値を求め、該類似度正規化値の分布に基づいてオリジナルデータが改竄されたかを検証する検証工程と、を包含することを特徴とする。
【００２２】
さらに、本発明のオリジナルデータの検証装置は、前記電子透かしの埋め込み方法によって電子透かしが埋め込まれたオリジナルデータの検証装置であって、ヘッダに保存された透かし数列に関する暗号化されたパラメータである乱数シードおよび閾値をオリジナルデータから分離する手段と、分離された乱数シードおよび閾値を復号化して、復号化された乱数シードに基づいて透かし数列を生成する手段と、生成された透かし数列と、前記オリジナルデータにおける透かし入りデータが復号化された閾値よりも大きくなっている場合における該透かし入りデータとの積和と、前記埋め込み強度の総和とを正規化して類似度正規化値を求め、該類似度正規化値の分布に基づいてオリジナルデータが改竄されたかを検証する検証手段と、を具備することを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の電子透かしの埋め込み方法の実施に使用される装置の一例を示す概略構成図である。この電子透かしの埋め込み装置は、圧縮処理されないグレースケール（白黒）のディジタルの画像データ（オリジナルデータ）に対して電子透かしを埋め込むようになっており、原本画像における画像データＸを所定の状態になるようにデータ変換するデータ変換手段１１と、このデータ変換手段１１によってデータ変換された画像データＶに対して透かし数列を埋め込む透かしデータ埋め込み手段１２とを有している。
【００２５】
透かしデータ埋め込み手段１２には、乱数列発生手段１４にて発生する透かし数列Ｗである擬似乱数列が与えられており、透かしデータ埋め込み手段１２は、データ変換手段１１から出力される画像データＶに対して、透かし数列Ｗの各数値である透かしデータが挿入される。乱数列発生手段１４は、乱数シード発生手段１３にて発生された初期条件としての乱数シードに基づいて擬似乱数列である透かし数列Ｗを生成して、生成された透かし数列Ｗを、透かしデータ埋め込み手段１２に出力する。
【００２６】
透かしデータ埋め込み手段１２では、データ変換手段１１によってデータ変換された画像データＶに対して、乱数列発生手段１４にて発生した透かし数列Ｗの各透かしデータを挿入する。そして、透かしデータが挿入された透かし入り画像データＶ’の画像ヘッダには、暗号化された乱数シード、閾値等のパラメータが保存される。透かし入り画像データＶ’に基づいて表示される画像は、透かし入り画像Ｖ*となる。
【００２７】
データ変換手段１１では、原本画像のオリジナルデータが、データ変換される。データ変換の方法は、フーリエ変換、コサイン変換等、様々な方法があるが、本実施の形態では、２種類のフィルタを使用するウェーブレット変換を採用しており、９／７（９タップと７タップ）フィルタと呼ばれるハイパスフィルタおよびローパスフィルタを使用している。使用されるハイパスフィルタおよびローパスフィルタのパラメータは、以下の通りである。
【００２８】
ハイパスフィルタ：−0.064539、0.040689、0.418092、−0.788486、0.418092、0.040689、−0.064539。
【００２９】
ローパスフィルタ：0.037828、−0.023849、−0.110624、0.377403、0.852699、0.377403、−0.110624、−0.023849、0.037828。
【００３０】
図２は、白黒スケールの原本画像の画像データに対して３階層のウェーブレット変換処理してデータ変換することにより、周波数域を分割した結果を、２次元周波数領域によって示している。図２において、垂直周数領域および水平周波数領域は、それぞれ矢印の方向になるにつれて周波数域が高くなっている。
【００３１】
原本画像の画像データは、まず、水平方向周波数成分に対してハイパスフィルタによってフィルタ処理されるとともに、垂直方向周波数成分に対してローパスフィルタによってフィルタ処理される。これにより、データサイズが１／４に縮小された周波数域画像データＨＬ１が得られる。同様に、水平方向周波数成分に対するハイパスフィルタによるフィルタ処理と、垂直方向周波数成分に対するハイパスフィルタによるフィルタ処理とにより、周波数域画像データＨＨ１が得られる。
【００３２】
さらに、水平方向周波数成分に対するローパスフィルタによるフィルタ処理と、垂直方向周波数成分に対するハイパスフィルタによるフィルタ処理とにより、周波数域画像データＬＨ１が得られ、水平方向周波数成分に対するローパスフィルタによるフィルタ処理と、垂直方向周波数成分に対するローパスフィルタによるフィルタ処理とにより、周波数域画像データＬＬ１が得られる。
【００３３】
このようにして、１階層のウェーブレット変換処理によって、４つの周波数域画像データＨＬ１、ＨＨ１、ＬＨ１、ＬＬ１が得られると、最も低周波数領域の周波数域画像データＬＬ１に対して、さらに、同様のフィルタ処理を行うことによって、データサイズがそれぞれ１／４に縮小された４つの周波数域画像データＨＨ２、ＨＬ２、ＬＨ２、ＬＬ２が得られる。
【００３４】
さらに、このような２階層のウェーブレット変換処理によって、４つの周波数域画像データＨＬ２、ＨＨ２、ＬＨ２、ＬＬ２が得られると、最も低周波数領域の周波数域画像データＬＬ２に対して、さらに、同様のフィルタ処理を行うことによって、データサイズがそれぞれ１／４に縮小された４つの周波数域画像データＨＨ３、ＨＬ３、ＬＨ３、ＬＬ３が得られる。
【００３５】
このような３階層のウェーブレット変換処理によって、最も低い周波数領域の周波数域画像データＬＬ３以外の各周波数域画像データＨＬ１、ＨＨ１、ＬＨ１、ＨＬ２、ＨＨ２、ＬＨ２、ＨＬ３、ＨＨ３、ＬＨ３が得られる。得られた周波数域画像データＶ（＝ｖ1，ｖ2，…，ｖi，…）は、各周波数域において、最上列から下側の列にかけて順番に、しかも、各列においては、最も左側の画素から右側にかけて順番に、各画素のデータが、透かしデータ埋め込み手段１２に出力される。
【００３６】
図３（ａ）は、乱数列発生手段１４の具体例として、平均値０の擬似ランダム乱数を生成させるために使用されるｎ段のレジスタ符号発生器を示している。透かし数列データＷとなる擬似乱数列は、平均値０のランダム分布にて定められた関数、あるいは、平均値０および分散１の正規分布関数によって発生させることができるが、ここでは、平均値０の擬似ランダム乱数を生成するレジスタ符号発生器について説明する。
【００３７】
図３（ａ）に示すレジスタ符号発生器におけるシフトレジスタの各段は、ｂi、ｂi+1、ｂi+2、…、ｂi+n-1で示されており、各段の出力に対する係数(０または１）が、ａ0、ａ1、…、ａn-1で示されている。このレジスタ符号発生器は、（２n−１）の周期で、０または１の数字（データ）による数列を発生させる。
【００３８】
図３（ｂ）は、レジスタ符号発生器を簡単に説明するために、４段のシフトレジスタ（ｎ＝４）によって構成されたレジスタ符号発生器を示している。このレジスタ符号発生器は、（２4−１）＝１５周期で、０または１の数値の数列を発生する。例えば、初期条件として、乱数シード「１００１」を設定すると、発生する数列は、「１００１１０１０１１１１０００１００…」となり、周期が１５であるために、１６番目からの数字は、１番目からの数字の繰り返しになる。
【００３９】
平均値を０にするためには、図３（ｂ）に示すレジスタ符号器では、その出力に対して０．５を減算処理し、処理された値に２を乗じることにより、−１と１の数字の乱数列が得られ、平均値が０になる。このように平均値が０になる数列とすることにより、後の演算が容易になる。本実施の形態では、レジスタ符号器の出力に２を乗じて得られた−１と１との数値の乱数列を、透かし数列Ｗとしている。
【００４０】
なお、透かし数列が容易に解読されないように、乱数シード発生手段１３によって、乱数列を発生させる際の初期条件である乱数シードをランダムに生成する構成、あるいは、レジスタの各段の出力に対する係数を変更する構成等としてもよい。
【００４１】
透かしデータ埋め込み手段１２では、データ変換手段１１から入力される各周波数域画像データＶ（＝ｖ1、ｖ2、…、ｖi、…、ｖn）に対して、乱数列発生手段１２にて順次発生された透かし数列Ｗのデータ（＝ｗ1、ｗ2、…、ｗj、…、ｗn）が、次の（１１ａ）式に基づいて順番に埋め込まれて、透かし入り画像データｖ'ｉとされる。
【００４２】
ｖ'i＝ｖi＋ｆ（ｖi）・ｗj …（１１ａ）
但し、関数ｆは、透かし数列データＷを埋め込む際の埋め込み強度を示す実数関数である。
【００４３】
この場合、得られる透かし入り画像データＶ’に対して実数閾値δが設定されており、ｉ番目に得られた透かし入り画像データｖ'iが閾値δよりも大きくなっている場合（ｖ'i＞δ）には、次の（１１ｂ）式に示すように、次のｉ＋１番目の透かし入り画像データｖ'i+1を得るために、乱数列発生手段１２にてｗjの次に発生した透かし数列データｗ ｊ +1 を埋め込む。これに対して、ｉ番目に得られた透かし入り画像データｖ'iが閾値δ以下になっている場合（ｖ'i≦δ）には、（１１ｃ）式に示すように、次のｉ＋１番目の透かし入り画像データｖ'i+1を得るために、ｉ＋１番目の画像データｖi+1に対して、ｉ番目の周波数域画像データｖiに埋め込まれた透かし数列データｗjが、繰り返して埋め込まれる。
【００４４】
ｖ'i+1＝ｖi+1＋ｆ（ｖi+1）・ｗj+1 …（１１ｂ）
ｖ'i+1＝ｖi+1＋ｆ（ｖi+1）・ｗj …（１１ｃ）
透かしを埋め込む強度を示す実数関数ｆ（ｖi）は、次の（１２）式で表される。
【００４５】
ｆ（ｖi）＝α｜ｖi｜ …（１２）
但し、α∈（−1，１）であり、αは実数である。
【００４６】
この（１２）式に基づいて、前記（１１ａ）〜（１１ｃ）式は、それぞれ、次の（１２ａ）〜（１２ｃ）とされる。
【００４７】
ｖ'i＝ｖi＋α・｜ｖi｜・ｗj …（１２ａ）
但し、ｖ'i＞δ の場合
ｖ'i+1＝ｖi+1＋α・｜ｖi+1｜・ｗj+1 …（１２ｂ）
ｖ'i≦δの場合
ｖ'i+1＝ｖi+1＋α・｜ｖi+1｜・ｗj …（１２ｃ）
このようにして透かし入り画像データｖ'iが順番に得られると、レジスタ符号発生器の乱数シード、閾値等のパラメータが、例えばＳＲＡ方法によって暗号化され、暗号化されたパラメータが、画像データのヘッダに保存される。これにより、電子透かしの埋め込みが終了する。
【００４８】
なお、原本画像がカラー画像の場合には、ＲＧＢまたはＹＵＶフォーマットによって、３つのカラー成分毎にウェーブレット変換を行って、ウェーブレット変換によって得られたＲＧＢまたはＹＵＶフォーマットの画像データに対して、それぞれ電子透かしを埋め込む。この場合も、透かし数列データは、白黒画像の場合と同様に、ＲＧＢまたはＹＵＶの各カラー毎の周波数域画像データを、１つの数列と見なして、乱数列発生手段１４にて発生される透かし数列の数値が、順次、埋め込まれる。
【００４９】
図４は、このようにして得られる透かし入り画像の画像データが改竄されているかを証するため装置の一例を示す概略構成図である。この装置では、透かし入り画像Ｖ*が画像データ分離手段２１に入力されて、検証対象画像データにおける画像ヘッダに保存された暗号化乱数シード、閾値等のパラメータが、透かし入り画像データＶ’から分離される。そして、透かし入り画像データ分離手段２１によって分離された画像データＶ’は、画像データＶ’と電子透かしとの相関関係を計算する相関関係計算手段２２に与えられる。
【００５０】
他方、透かし入り画像データ分離手段２１によって分離された乱数シード、閾値等の暗号化されたパラメータは、復号化手段２３に与えられて、この復号化手段２３によって復号化される。そして、復号化された乱数シード、閾値等のパラメータは、透かし数列生成手段２４に与えられて、透かし数列生成手段２４にて、透かし数列データＷが生成される。透かし数列生成手段２４にて生成された透かし数列データＷは、相関値計算手段２２に与えられる。
【００５１】
相関値計算手段２２は、透かし入り画像データ分離手段２１によって分離された検証対象である透かし入り画像データＶ’と、透かし数列生成手段２４にて生成された透かし数列データＷとに基づいて、検証対象の画像データと電子透かしとの相関値を計算する。
【００５２】
この場合、検証対象の画像データＶ’と、生成された透かし数列データＷとの相関値として、透かし入り画像データＶ'（＝ｖ1，…，ｖi，…）と透かし数列データＷ（＝ｗ1，…，ｗj，…）との積和（類似度）σ1を、次の（２１）式に基づいて演算する。但し、この場合における透かし入り画像データＶ'は、閾値δよりも大きなものとされ、前述の（１１ａ）式から得られた透かし入り画像データｖ'iとされる。
【００５３】
【数１】
また、次の（２２）式に基づいて、検証される透かし入り画像における電子透かしの埋め込み強度の総和σ2を演算する。
【００５４】
【数２】
このようにして、認証対象の透かし入り画像データの類似度σ1および電子透かしの埋め込み強度の総和σ2が得られると、それらが、相関値の正規化処理手段２５に与えられて、この相関値の正規化手段２５は、相関値（類似度）σ1および電子透かしの埋め込み強度の総和σ2とを、次の（２３）式に基づいて正規化する。
【００５５】
ψ＝σ１／σ２ …（２３）
このようにして、相関値の正規化処理手段２５によって、類似度正規化値ψが求められると、得られた類似度正規化値ψが原本検証手段２６に与えられて、この原本検証手段２６において、類似度正規化値ψに基づいて、原本画像が改竄されているかが判定される。原本検証手段２６は、類似度正規化値ψが１の周辺に集中していれば、原本画像は改竄されていないものと判定し、類似度正規化値ψが０の周辺に集中していれば、原本画像が改竄されていると判定する。そして、その検証結果が、原本検証手段２６から出力される。
【００５６】
透かし入り画像データと電子透かしの透かし数列の類似度σ1は、前述したように、（２１）式によって求められる。この場合、透かし数列Ｗの各データｗjは既知であり、｜α｜＜１であるために、検証対象である画像データｖiの絶対値｜ｖi｜は、前記（１２ａ）式から、次の（２４）式によって求めることができる。
【００５７】
【数３】
（２４）式において、ｓｉｇｎ（ｖi）は、ｖiの符号関数である。
【００５８】
（２４）式によって｜ｖi｜が求められると、（２２）式の埋め込み強度の総和σ2は、次の（２５）式によってを求められる。
【００５９】
【数４】
このようにして求められた電子透かしの埋め込み強度の総和σ2に基づいて、前記（２３）式によって、類似度σ1を正規化する。そして、原本検証手段２６は、類似度正規化値φに基づいて、検証対象画像が改竄されているかを判定する。
【００６０】
この場合、図５に示すように、正規化された類似度σ1が１の周辺に集中していれば、原本画像は改竄されていないものと判定され、０の周辺に集中していれば、原本画像は改竄されていると判定される。そして、その検証結果が、原本検証手段２６から出力される。
【００６１】
原本画像の検証手順について、さらに具体的に説明する。なお、原本画像は、グレースケールの画像であり、埋め込まれた透かし数列の個数をＮ0とする。透かし入りの原本画像は、改竄されていない場合には、条件｜ｖi｜＞δでは、前記（２１）式から、次の（２６ａ）式が得られる。そして、この（２６ａ）式は、前述した（１２ａ）式の条件から、次の（２６ｂ）式が得られる。さらに、この（２６ｂ）式において、平均値が０である１または−１の乱数列は、画像データｖjとは無相関であることを利用すると、次の（２６ｃ）式が得られる。
【００６２】
【数５】
これに対して、原本画像に改竄が加えられている場合について考える。電子透かしが入れられた原本画像を逆データ変換して、白黒のグレースケールレベルとして局所的に編集した後に、データ変換して元のフォーマットに戻すことにより、電子透かし入り画像データを改竄すると、この改竄による変化は、まず、周波数域画像データＨＬ１に現われる。この周波数域画像データＨＬ１においては、改竄によって、例えば、Ｎ1番目のデータが、閾値δを超えた状態、あるいは閾値δを下回った状態になっていると、（２１）式から、次の（２７ａ）式が得られる。この（２７ａ）式における第２項は、改竄によって、埋め込まれた透かしデータが、透かしデータを埋め込んだ当初の状態からずれた状態になっているために、相関関係がなく、ゼロになり、次の（２７ｂ）式が得られる。さらに、各変数の相関関係を利用することにより、（２７ｃ）式とされる。
【００６３】
【数６】
（２７ｃ）式を用いて得られる類似度σ1を、（２５）式によって得られた埋め込み強度の総和σ2によって、（２３）式に基づいて正規化する。この場合、Ｎ0＞＞Ｎ1であるために、（２３）式に基づく類似度正規化値φは、１よりも小さくなる。
【００６４】
透かし数列を埋め込んだ原本画像を逆データ変換し、原本画像に改竄を加えることなく、データ変換して元のフォーマットに戻す処理をしても、透かし入り画像データは、周波数の全域において、閾値δを超えたり、下回ったりすることが、かなりの頻度で発生する。その原因は、逆データ変換およびデータ変換が、高精度で実施されないことによる。実験によれば、このような場合には、改竄されていない原本画像を示す類似度正規化値φの分布は、図５に示すように、０および１の周辺に集中する。
【００６５】
これに対して、図６（ａ）に示すように、透かし入りの原本画像に対して、悪意を持って、逆データ変換して特定の周波数域の画像データを改竄し、再び、データ変換することにより、改竄した周波数域の画像データ以外の部分を改竄しない状態としても、図６（ｂ）に示すように、改竄された周波数域の画像データによって変化が発生する。その結果、類似度σ1は、図７に示すように、０に対して若干ずれた正の値の周辺に集中することになる。これにより、悪意を持った原本画像の改竄を検証することができる。
【００６６】
検証対象画像がカラー画像の場合には、透かしを埋め込む場合と同様に、ＲＧＢまたはＹＵＶフォーマットの周波数域データを、１つの数列と見なして、白黒画像と同様に改竄の有無を検証することができる。
【００６７】
図８は、透かし入り画像を表示するために使用される装置の一例を示す概略構成図である。透かし入り画像データに基づく画像を表示する場合には、まず、透かし入り画像Ｖ*が透かし入り画像データ分離手段３１に入力されて、この透かし入り画像データ分離手段３１によって、画像ヘッダに保存された暗号化乱数シード、閾値等のパラメータが透かし入り画像データＶ’から分離される。透かし入り画像データ分離手段３１によって分離された透かし入り画像データＶ’は、原本画像の復号化手段３２に与えられるとともに、逆データ変換手段３５に与えられる。そして、逆データ変換手段３５によって、透かし入り画像データ分離手段３１にて分離された画像データＶ’は、前述した３階層の周波数域毎に分割するウェーブレット変換とは逆のデータ変換である逆ウェーブレット変換が実施される。
【００６８】
従って、逆データ変換手段３５では、透かしを埋め込む際のデータ変換手段１１と同様に、９／７（９タップと７タップ）フィルタと呼ばれるハイパスフィルタおよびローパスフィルタを使用している。使用されるハイパスフィルタおよびローパスフィルタのパラメータは、以下の通りである。
【００６９】
ハイパスフィルタ：−0.037828、−0.023849、0.110624、0.377403、−0.852699、0.377403、0.110624、-0.023849、−0.037828。
【００７０】
ローパスフィルタ：−0.064539、−0.040689、0.418092、0.788486、−0.418092、−0.040689、−0.064539。
【００７１】
逆データ変換手段３５では、低周波数域のデータに対しては、ローパスフィルタによってフィルタ処理するとともに、高周波数域のデータに対しては、ハイパスフィルタによってフィルタ処理して逆ウェーブレット変換する。すなわち、周波数域画像データＬＬ３、ＨＬ３、ＨＨ３、ＬＨ３から、周波数域画像データＬＬ２を得て、得られた周波数域画像データＬＬ２と、周波数域画像データＨＬ２、ＨＨ２、ＬＨ２とによって、周波数域画像データＬＬ１を得る。さらに、得られた周波数域画像データＬＬ１と、周波数域画像データＨＬ１、ＨＨ１、ＬＨ１とによって、画像が得られる。
【００７２】
逆データ変換手段３５は、透かし入り画像データ分離手段３１にて分離された画像データを、復号化することなく、逆ウェーブレット変換する場合と、透かし入り画像データ分離手段３１にて分離された画像データを、原本画像の復号化手段３２によって復号化された後に、逆ウェーブレット変換する場合とがある。
【００７３】
画像データを、復号化することなく、逆ウェーブレット変換する場合は、比較的精度の低い表示画像が得られることになる。通常は、このように、暗号化された画像データを復号化することなく得られた比較的低い精度の表示画像であっても、特に問題はない。
【００７４】
これに対して、高精度な表示画像を得る場合には、透かし入り画像データ分離手段３１によって分離された乱数シード、閾値等の暗号化データは、パラメータ復号化手段３３に与えられて、このパラメータ復号化手段３３によって復号化される。そして、復号化された乱数シード、閾値等のパラメータは、透かし数列生成手段３４に与えられて、透かし数列生成手段３４にて、透かし数列Ｗが生成される。透かし数列生成手段３４にて生成された透かし数列Ｗは、原本画像復号化手段３２に与えられる。
【００７５】
原本画像復号化手段３２は、透かし数列生成手段３４にて生成された透かし数列Ｗに基づいて、透かし入り画像データを復号化し、復号化された画像データが、逆データ変換手段３５によって、逆ウェーブレット変換される。この場合、逆データ変換手段３５は、透かし数列生成手段３４にて生成された透かし数列Ｗに基づいて、復号化された画像データを逆ウェーブレット変換しているために、高精度の表示画像が得られる。
【００７６】
本発明は、このように、圧縮処理されない画像のみならず、ＪＰＥＧ、ＭＰＥＧ等の圧縮／伸長処理される画像に対しても、電子透かしを埋め込むことができる。図９は、ＪＰＥＧフォーマットの圧縮／伸長処理される画像に対して電子透かしの埋め込みに使用される装置の概略構成図である。この電子透かしの埋め込み装置は、データ変換手段４１において、離散コサイン変換（ＤＣＴ）により、原本画像における画像データＸを所定のデータ変換した後に、量子化処理手段４２によって量子化処理し、透かしデータ埋め込み手段４３によって、量子化処理データＵに対して透かし数列Ｗを埋め込むようになっている。
【００７７】
透かしデータ埋め込み手段４３には、乱数列発生手段４５にて発生する擬似乱数列である透かし数列Ｗが与えられており、透かしデータ埋め込み手段４３は、量子化処理データＵに対して、透かし数列データＷを埋め込む。乱数列発生手段４５は、乱数シード発生手段４４にて発生された初期条件としての乱数シードに基づいて擬似乱数列を生成して、生成された擬似乱数列が、透かし数列Ｗとして、透かしデータ埋め込み手段４３に出力される。
【００７８】
透かしデータ埋め込み手段４３の基本的な機能は、図１に示す透かしデータ埋め込み手段１２と同様である。また、乱数シード発生手段４４および乱数列発生手段４５の機能は、図１に示す乱数シード発生手段１３および乱数列発生手段１４と同様になっている。
【００７９】
この場合、ＪＰＥＧ圧縮処理は、８×８画素の領域毎に実施されるために、透かしデータ埋め込み手段４３による量子化処理データＵ（＝ｕ1，ｕ2，…，ｕi，…）に対する透かし数列データＷの埋め込みも、８×８画素の領域毎に実施される。量子化処理手段４２は、高周波数成分を削除して、低周波数成分を残すことにより、データ量を削減する量子化処理を実施している。高周波数成分のように明るさの変化が小さい場合には、低周波数成分のように明るさの変化が大きい場合に比べて、人間の目では分かりにくいために、高周波数成分を削除してデータ量を削減しても、特に問題はない。
【００８０】
透かしデータ埋め込み手段４３では、各量子化処理データＵ（＝ｕ1、ｕ2、…、ｕi、…、ｕn）に対して、乱数列発生手段４５にて順次発生された透かし数列データ（＝ｗ1、ｗ2、…、ｗj、…、ｗn）が、次の（３１ａ）式に基づいて埋め込まれて、透かし入り画像データｕ'iとされる。
【００８１】
ｕ'i＝ｕi＋ｉｎｔ（ｆ（ｕi）・ｗj） …（３１ａ）
但し、ｆ（ｕi）は、透かし数列データＷを埋め込む際の埋め込み強度を示す実数関数であり、ｆ（ｕi）＝α｜ｕi｜である。但し、α∈（−1，１）であり、αは実数である。また、関数ｉｎｔは、実数を四捨五入して整数とする関数である。
【００８２】
この場合、得られる透かし入り量子化データＵ’に対して実数閾値δが設定されており、ｉ番目に得られた画像データｕ'iが閾値δよりも大きくなっている場合（ｕ'i＞δ）には、次の（３１ｂ）式に示すように、次のｉ＋１番目の画像データｕ'i+1を得るために、乱数列発生手段４５にてｗjの次に発生した透かし数列データｗj+1を埋め込む。これに対して、ｉ番目に得られた画像データｕ'iが閾値δ以下になっている場合（ｕ'i≦δ）には、（３１ｃ）式に示するように、次のｉ＋１番目の画像データｕ'i+1を得るために、ｉ＋１番目の量子化データｕi+1に対して、ｉ番目の量子化データｕiに埋め込まれた透かし数列データｗjが、繰り返して埋め込まれる。
【００８３】
ｕ'i＞δの場合、
ｕ'i+1＝ｕi+1＋ｉｎｔ（ｆ（ｕi+1）・ｗj+1） …（３１ｂ）
ｕ'i≦δの場合、
ｕ'i+1＝ｕi+1＋ｉｎｔ（ｆ（ｕi+1）・ｗj） …（３１ｃ）
（３１ａ）〜（３１ｃ）式は、それぞれ、前述した埋め込み強度関数の式から、次の（３２ａ）〜（３２ｃ）とされる。
【００８４】
ｕ'i＝ｕi＋ｉｎｔ（α・｜ｕi｜・ｗj） …（３２ａ）
但し、ｕ'i＞δ の場合
ｕ'i+1＝ｕi+1＋ｉｎｔ（α・｜ｕi+1｜・ｗj+1） …（３２ｂ）
ｕ'i≦δの場合
ｕ'i+1＝ｕi+1＋ｉｎｔ（α・｜ｕi+1｜・ｗj） …（３２ｃ）
このようにして透かし入り画像データｕ'iが順番に得られると、得られた透かし入り画像データｕ'iが、エンコーダー４６によって、ハフマン符号化によるエンコード処理される。そして、レジスタ符号発生器の乱数シード、閾値等のパラメータが、例えばＳＲＡ方法によって暗号化されて、透かし入り画像データの画像ヘッダに保存される。これにより、電子透かしの埋め込みが終了する。
【００８５】
図１０は、意識的な改竄を容易に検出できるように、まず、Ｕ信号の全画面に電子透かしを埋め込んだ後に、Ｙ信号およびＶ信号に、電子透かしを埋め込む構成を示している。なお、このように、Ｕ信号、Ｙ信号、Ｖ信号の順番に電子透かしを埋め込む構成に限らず、Ｙ信号、Ｕ信号、Ｖ信号の順番、あるいはＶ信号、Ｙ信号、Ｕ信号の順番に電子透かしを埋め込むようにしてもよい。
【００８６】
図１１は、このようにして得られる透かし入り画像の画像データが改竄されていないことを検証するための装置の一例を示す概略構成図である。この装置では、透かし入り画像の原本検証を実施する場合に、まず、検証対象画像データにおける画像ヘッダに保存された暗号化乱数シード、閾値等のパラメータが、画像データ分離手段５１によって、透かし入り画像データＵ’から分離される。そして、透かし入り画像データ分離手段５１によって分離された画像データＵ’は、原本画像復号化手段５２を介して、画像データと電子透かしとの相関関係を計算する相関関係計算手段５３に与えられる。
【００８７】
他方、透かし入り画像データ分離手段５１によって分離された乱数シード、閾値等のパラメータの暗号化データは、パラメータ復号化手段５４に与えられて、このパラメータ復号化手段５４によって復号化される。そして、復号化された乱数シード、閾値等のパラメータは、透かし数列生成手段５５に与えられて、透かし数列生成手段５５にて、透かし数列Ｗが生成される。そして、透かし数列生成手段５５にて生成された透かし数列Ｗは、相関値計算手段５３に与えられる。
【００８８】
相関値計算手段５３は、透かし入り画像データＵ’と、透かし数列生成手段５５にて生成された透かし数列データＷとに基づいて、検証対象画像データと電子透かしとの相関値を計算する。
【００８９】
透かし入り画像データと発生された乱数との積和（類似度）σ1は、次の（３３）式によって求められる。
【００９０】
【数７】
この場合、透かし数列Ｗの各データｗjは既知であり、｜α｜＜１であるために、認証対象である周波数域画像データｕiの絶対値｜ｕi｜は、前記（１２ａ）式から、次の（３４）式によって求めることができる。
【００９１】
【数８】
（３４）式において、ｓｉｇｎ（ｕi）は、ｕiの符号関数である。
【００９２】
（３４）式によって｜ｕi｜が求められると、相関値の正規化処理手段５６は、（３５）式に基づいて、埋め込み強度の総和σ2が求められる。
【００９３】
【数９】
また、埋め込み強度の総和σ2は、前述した埋め込み強度関数から、次の（３６）式となる。
【００９４】
【数１０】
このようにして求められた埋め込み強度の総和σ2に基づいて、相関値の正規化処理手段５６は、類似度σ1を正規化する。類似度正規化値φは、次の（３７）式によって得られる。
【００９５】
φ＝σ1／σ2 …（３７）
そして、原本検証手段５７は、類似度正規化値φに基づいて、原本画像が改竄されているかを判定する。この場合、正規化された類似度σ1が１の周辺に集中していれば、原本画像は改竄されていないと判定され、０の周辺に集中していれば、原本画像が改竄されていると判定される。そして、その検証結果が、原本検証手段５７から出力される。
【００９６】
図１２は、得られる透かし入り画像を表示するために使用される装置の一例を示す概略構成図である。透かし入り画像データに基づく画像を表示する場合には、まず、透かし入り画像Ｕ*が透かし入り画像データ分離手段６１に与えられて、透かし入り画像データ分離手段６１によって、画像ヘッダに保存された乱数シード、閾値等の暗号化パラメータが分離される。透かし入り画像データ分離手段６１によって分離された透かし入り画像データＵ’は、デコーダー６２を介して、原本画像の復号化手段６５に与えられるとともに、逆量子化およびデータ変換手段６６に与えられる。そして、逆量子化および逆データ変換手段６６によって、画像データＵ’は、逆量子化および逆データ変換される。
【００９７】
逆量子化および逆データ変換手段６６では、量子化処理手段４２とは反対の手順によって逆量子化するとともに、電子透かしを埋め込む際のデータ変換手段４１とは逆の手順によって、周波数を逆データ変換している。
【００９８】
逆量子化および逆データ変換手段３５は、デコーダー６２からの出力を、直接、逆量子化処理および逆データ変換して伸長する場合には、比較的精度の低い表示画像が得られることになる。通常は、このように、暗号化された画像データを原本画像に復号化することなく得られた比較的低い精度の表示画像であっても、特に問題はない。
【００９９】
これに対して、高精度な表示画像を得る場合には、透かし入り画像データ分離手段６１によって分離された乱数シード、閾値等の暗号化データは、パラメータ復号化手段６３に与えられて、このパラメータ復号化手段６３によって復号化される。そして、復号化された乱数シード、閾値等のパラメータは、透かし数列生成手段６４に与えられて、透かし数列生成手段６４にて、透かし数列Ｗが生成される。透かし数列生成手段６４にて生成された透かし数列Ｗは、原本画像復号化手段６５に与えられる。
【０１００】
原本画像復号化手段６５は、透かし数列生成手段６４にて生成された透かし数列Ｗに基づいて、透かし入り画像データを復号化し、復号化された画像データが、逆量子化および逆データ変換手段６５によって、逆量子化および逆データ変換される。この場合、逆データ変換手段６５は、前記(３４）式に基づく次の（３８）式から、逆量子化および逆データ変換する。
【０１０１】
ｕi＝ｓｉｇｎ（ｕ'i）｜ｕi｜ …（３８）
このように、透かし数列生成手段６４にて生成された透かし数列データＷに基づいて、復号化された画像データを逆量子化および逆データ変換しているために、高精度の表示画像が得られる。
【０１０２】
ＭＰＥＧフォーマットでの電子透かしの埋め込み、原本検証、画像表示も、基本的には、ＪＰＥＧフォーマットと同様であるが、図１３に示すように、電子透かしを、より効果的に埋め込むために、Ｋフレームの画面を１本のデータと見なして処理することもできる。
【０１０３】
なお、電子透かしの隠匿性をさらに高めるためには、シフトレジスタ符号発生器の初期条件である乱数シードの生成をランダムに発生させる構成、シフトレジスタ符号発生器における係数を可変にする構成以外にも、電子透かしを埋め込む際の閾値を複数化する構成、透かし数列の埋め込みを適当な間隔をあけて実施する構成等とするようにしてもよく、この場合には、電子透かし情報の隠匿性がさらに向上する。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明の電子透かし埋め込み方法は、このように、埋め込まれる電子透かしによって画像の画質に影響を与えるおそれがなく、しかも、偽造が容易でなく、画像を圧縮／伸長処理する場合にも適用できる。
【０１０５】
また、本発明のオリジナルデータの検証方法および装置は、電子透かしが埋め込まれたディジタルデータが改竄されているかを容易に検証することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子透かしの埋め込み方法の実施に使用される装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】白黒スケールの原本画像の画像データに対して３階層のウェーブレット変換処理によって、データ変換することにより、周波数域を分割した結果を、２次元周波数領域によって示す図である。
【図３】（ａ）は、乱数列発生手段の具体例として、平均値０の擬似ランダム乱数を生成させるために使用されるｎ段のレジスタ符号発生器を示す概略構成図、（ｂ）は、レジスタ符号発生器を簡単に説明するために、４段のシフトレジスタによって構成されたレジスタ符号発生器を示す概略構成図である。
【図４】透かし入り画像の画像データが改竄されていないことを検証する装置の一例を示す概略構成図である。
【図５】正規化された類似度σ1によって原本画像が改竄されたかを検証する場合の判定基準を示すグラフである。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、画像データを改竄した場合における周波数域画像データの変化を示す概略図である。
【図７】その場合における正規化された類似度σ１を示すグラフである。
【図８】透かし入り画像を表示するために使用される装置の一例を示す概略構成図である。
【図９】ＪＰＥＧフォーマットの圧縮／伸長処理される画像に対して電子透かしの埋め込みに使用される装置の概略構成図である。
【図１０】意識的な改竄の検出が容易になるように、Ｕ信号の全画面に電子透かしを埋め込んだ後に、Ｙ信号およびＶ信号の順に電子透かしを埋め込む場合の説明図である。
【図１１】透かし入り画像の画像データが改竄されていないことを検証する装置の一例を示す概略構成図である。
【図１２】透かし入り画像を表示するために使用される装置の一例を示す概略構成図である。
【図１３】ＭＰＥＧフォーマットでの電子透かしの埋め込みをする際の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１１ データ変換手段
１２ 透かしデータ埋め込み手段
１３ 乱数シード発生手段
１４ 乱数列発生手段
２１ 透かし入り画像データ分離手段
２２ 相関関係計算手段
２３ 復号化手段
２４ 透かし数列生成手段
２５ 相関値の正規化処理手段
２６ 原本検証手段
３１ 画像データ分離手段
３２ 原本画像の復号化手段
３３ パラメータ復号化手段
３４ 透かし数列生成手段
３５ 逆データ変換手段
４１ データ変換手段
４２ 量子化処理手段
４３ 透かしデータ埋め込み手段
４４ 乱数シード発生手段
４５ 乱数列発生手段
４６ エンコーダ
５１ 透かし入り画像データ分離手段
５２ 原本画像復号化手段
５３ 相関関係計算手段
５４ パラメータ復号化手段
５５ 透かし数列生成手段
５６ 相関値の正規化処理手段
５７ 原本検証手段
６１ 透かし入り画像データ分離手段
６２ デコーダー
６３ パラメータ復号化手段
６４ 透かし数列生成手段
６５ 逆データ変換手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、静止画像（スチル）データ、映像（ビデオ）データ、音楽（オーディオ）データ等のオリジナルデータに対して電子透かしを埋め込む方法および装置、並びに、電子透かしが埋め込まれたオリジナルデータが改竄されたかを検証する方法および装置に関する。特に、医療画像データ、裁判における証拠となる画像データ等のオリジナルデータが改竄されたことを容易に検証し得る電子透かしの埋め込み方法及び装置、並びに、オリジナルデータの検証方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像データ、音楽データ等のディジタルデータに対して、オリジナルデータの改竄、コピー等を防止するために、電子透かしが設けられるようになっている。オリジナルデータに対する電子透かしは、強固な電子透かし技術と脆弱な電子透かし技術の２種類が知られている。強固な電子透かし技術では、オリジナルデータが改竄されても、電子透かしは消えない特性を有しており、電子透かしを検証することにより、オリジナルデータが利用されていることを容易に確認することができる。従って、著作権の保護に有効である。脆弱な電子透かし技術では、オリジナルデータを改竄することによって、埋め込まれた電子透かしが消滅する。従って、オリジナルデータが改竄されていないことを容易に検証することができる。
【０００３】
「M.Yeung and F.Mintzer，"An invisible watermarking technique for image verification，”Proceeding of ICIP，Santa Barbara，CA，Oct．26−29，1997，vol．2，pp.680−683」には、脆弱な透かし技術の原理が提案されている。この脆弱な電子透かし技術は、同じサイズの２値透かし画像と原本画像（オリジナルデータ）とに対して、まず、透かし抽出関数を作成し、原本画像に、抽出関数にて定められた演算を、画素単位で行うようになっている。
【０００４】
この場合、乱数を鍵として、多値入力、２値出力のＬＵＴ（Look Up Table）を発生させる。次に、抽出関数の出力を、ＬＵＴに通して２値化する。２値化された抽出関数の値が、埋め込む電子透かしの値と一致する場合には、原本画像の画素値は、そのままの状態とする。２値化された抽出関数の値が、埋め込む電子透かしの値と一致しない場合には、一致するまで、画素値を繰り返して変更して調節する。これにより、電子透かし入り画像が完成する。
【０００５】
電子透かしを抽出する場合には、電子透かし入りの画像に対して抽出関数に基づいて演算し、演算結果をＬＵＴでマッピングして２値化画像を得る。得られた２値化画像を検査すれば、その画像が改竄されているかを検証することができる。
【０００６】
「P.W.Wong, "A public key watermark for image verification and authentication," Proceedings of ICIP, 1998，Chicago, pp.455-459.」には、脆弱な電子透かし技術が提案されている。この電子透かし技術は、グレースケール原本画像と２値透かし画像とに対して、まず、原本画像と透かし画像とを、ｎ×ｎ（例えば８×８）画素の一定サイズのブロックに分割して、画素値の最下位ビットをゼロにする。次いで、残った上位ビットと画像サイズ等のパラメータに基づいて、ｈａｓｈ関数を使用して、画像数列が反映される値を演算する。演算された値のビット列から、順番に、１ブロックの画素数ｎ×ｎ個のビットを切り出し、切り出されたビット列と対応する電子透かし画像との排他的論理和演算を行う。さらに、その演算結果を公開鍵暗号システム（例えば、ＲＳＡ）の秘密鍵を使って暗号化する。最後に、その演算結果を原本画像の最下位ビットに書きこむことによって、電子透かしが形成される。
【０００７】
電子透かしの抽出は、電子透かしを埋め込む場合と同様に、ブロック単位で行う。この場合には、まず、同じｈａｓａ関数にて、透かし入り画像の最下位以外のビット、画像サイズ等の数列を演算して、順番に、ｎ×ｎ個のビットを切り出す。次に最下位のビット列を公開鍵によって符号化し、符号化されたビット列と切り出したビット列の排他的論理和演算を行う。この論理演算結果により電子透かしが抽出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
Yeungらの脆弱な透かし技術では、乱数によって生成されたＬＵＴを使用して、画素値の調節することにより、２値透かし画像を生成しているために、ＬＵＴの内容によっては、透かし入り画像の画質が低下するおそれがある。また、電子透かしを自動認証するためには、電子透かし画像が必要であるという問題がある。さらに、この電子透かし技術は、圧縮画像フォーマットおよび音声等の他のディジタルデータには適用することができないという問題もある。
【０００９】
Wongらの脆弱な電子透かし技術では、画素値の変化が小さな平坦な画像部分における最下位ビットに電子透かしを埋め込むようになっているために、白黒の文章画像のように、階調の少ない画像に適用すると、電子透かしが容易に認識される。このために、電子透かしを偽造する際の手がかりを与えて、容易に偽造されるというおそれがある。また、電子透かしを自動認証するためには、電子透かし画像が必要であり、さらには、圧縮画像フォーマットおよび音声等の他のディジタルデータには適用することができないという問題もある。
【００１０】
特開平９−１９１３９４号公報、特開平１０−３０８８６７号公報、特開平１０−１４５７５７号公報、特開２０００−２３６４３号公報には、強固な透かし技術が開示されている。これらの公報に開示された強固な透かし技術は、偽造が容易ではなく、画質に悪影響を与えるおそれはない。しかしながら、埋め込まれた電子透かしは、オリジナルデータが改竄されても消滅しないために、オリジナルデータが改竄されていることを検証することは容易でないという問題がある。また、埋め込まれた電子透かしを認証するためには、特定の電子透かしを利用して認証することができないために、演算量が多くなるという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するものであり、その目的は、埋め込まれる電子透かしによって画像の画質に影響を与えるおそれがなく、しかも、偽造が容易でなく、画像を圧縮／伸長処理する場合にも適用することができる電子透かしの埋め込み方法および装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、電子透かしが埋め込まれたディジタルデータが改竄されているかを容易に検証することができるディジタルデータの検証方法および装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子透かしの埋め込み方法は、ディジタルデータであるオリジナルデータをデータ変換するデータ変換工程と、次いで、乱数シードを用いて平均値が０になるように生成された擬似乱数を透かし数列とし、該透かし数列の各数値であるデータを、前記データ変換工程にてデータ変換された変換データに対して、順次、該変換データの関数で示される埋め込み強度で埋め込んで順番に透かし入りデータとする際に、得られた透かし入りデータと予め設定された閾値とを比較して、その比較の結果、前記透かし入りデータが前記閾値以下になっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを変更せずに繰り返し、前記透かし入りデータが前記閾値よりも大きくなっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを次のデータに変更する、透かしデータ埋め込み工程と、前記乱数シードおよび閾値を、暗号化してヘッダに保存する工程と、を包含することを特徴とする。
【００１４】
前記データ変換工程におけるデータ変換は、ウェーブレット変換である。
【００１５】
前記オリジナルデータは、ＪＰＥＧフォーマット画像データまたはＭＰＥＧフォーマット画像データであり、該ＪＰＥＧフォーマット画像データまたは該ＭＰＥＧフォーマット画像データは、前記データ変換工程にてデータ変換された後に量子化される。
【００１６】
前記データ変換工程におけるデータ変換は、離散コサイン変換である。
【００１７】
本発明の電子透かしの埋め込み装置は、ディジタルデータであるオリジナルデータをデータ変換するデータ変換手段と、乱数シードを用いて平均値が０になるように生成された擬似乱数を透かし数列とし、該透かし数列の各数値であるデータを、前記データ変換手段にてデータ変換された変換データに対して、順次、該変換データの関数で示される埋め込み強度で埋め込んで順番に透かし入りデータとする際に、得られた透かし入りデータと予め設定された閾値とを比較して、その比較の結果、前記透かし入りデータが前記閾値以下になっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを変更せずに繰り返し、前記透かし入りデータが前記閾値よりも大きくなっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを次のデータに変更する、透かしデータ埋め込み手段と、前記乱数シードおよび閾値を、暗号化して画像ヘッダに保存する手段と、を具備することを特徴とする。
【００１８】
前記データ変換手段によるデータ変換は、ウェーブレット変換である。
【００１９】
前記オリジナルデータは、ＪＰＥＧフォーマット画像データまたはＭＰＥＧフォーマット画像データであり、該ＪＰＥＧフォーマット画像データまたは該ＭＰＥＧフォーマット画像データは、前記データ変換手段によってデータ変換された後に量子化される。
【００２０】
前記データ変換手段によるデータ変換は、離散コサイン変換である。
【００２１】
また、本発明のオリジナルデータの検証方法は、前記電子透かしの埋め込み方法によって電子透かしが埋め込まれたオリジナルデータの認証方法であって、前記ヘッダに保存された透かし数列に関する暗号化されたパラメータである乱数シードおよび閾値をオリジナルデータから分離する工程と、分離された乱数シードおよび閾値を復号化して、復号化された乱数シードに基づいて透かし数列を生成する工程と、生成された透かし数列と、前記オリジナルデータにおける透かし入りデータが復号化された閾値よりも大きくなっている場合における該透かし入りデータとの積和と、前記埋め込み強度の総和とを正規化して類似度正規化値を求め、該類似度正規化値の分布に基づいてオリジナルデータが改竄されたかを検証する検証工程と、を包含することを特徴とする。
【００２２】
さらに、本発明のオリジナルデータの検証装置は、前記電子透かしの埋め込み方法によって電子透かしが埋め込まれたオリジナルデータの検証装置であって、ヘッダに保存された透かし数列に関する暗号化されたパラメータである乱数シードおよび閾値をオリジナルデータから分離する手段と、分離された乱数シードおよび閾値を復号化して、復号化された乱数シードに基づいて透かし数列を生成する手段と、生成された透かし数列と、前記オリジナルデータにおける透かし入りデータが復号化された閾値よりも大きくなっている場合における該透かし入りデータとの積和と、前記埋め込み強度の総和とを正規化して類似度正規化値を求め、該類似度正規化値の分布に基づいてオリジナルデータが改竄されたかを検証する検証手段と、を具備することを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の電子透かしの埋め込み方法の実施に使用される装置の一例を示す概略構成図である。この電子透かしの埋め込み装置は、圧縮処理されないグレースケール（白黒）のディジタルの画像データ（オリジナルデータ）に対して電子透かしを埋め込むようになっており、原本画像における画像データＸを所定の状態になるようにデータ変換するデータ変換手段１１と、このデータ変換手段１１によってデータ変換された画像データＶに対して透かし数列を埋め込む透かしデータ埋め込み手段１２とを有している。
【００２５】
透かしデータ埋め込み手段１２には、乱数列発生手段１４にて発生する透かし数列Ｗである擬似乱数列が与えられており、透かしデータ埋め込み手段１２は、データ変換手段１１から出力される画像データＶに対して、透かし数列Ｗの各数値である透かしデータが挿入される。乱数列発生手段１４は、乱数シード発生手段１３にて発生された初期条件としての乱数シードに基づいて擬似乱数列である透かし数列Ｗを生成して、生成された透かし数列Ｗを、透かしデータ埋め込み手段１２に出力する。
【００２６】
透かしデータ埋め込み手段１２では、データ変換手段１１によってデータ変換された画像データＶに対して、乱数列発生手段１４にて発生した透かし数列Ｗの各透かしデータを挿入する。そして、透かしデータが挿入された透かし入り画像データＶ’の画像ヘッダには、暗号化された乱数シード、閾値等のパラメータが保存される。透かし入り画像データＶ’に基づいて表示される画像は、透かし入り画像Ｖ*となる。
【００２７】
データ変換手段１１では、原本画像のオリジナルデータが、データ変換される。データ変換の方法は、フーリエ変換、コサイン変換等、様々な方法があるが、本実施の形態では、２種類のフィルタを使用するウェーブレット変換を採用しており、９／７（９タップと７タップ）フィルタと呼ばれるハイパスフィルタおよびローパスフィルタを使用している。使用されるハイパスフィルタおよびローパスフィルタのパラメータは、以下の通りである。
【００２８】
ハイパスフィルタ：−0.064539、0.040689、0.418092、−0.788486、0.418092、0.040689、−0.064539。
【００２９】
ローパスフィルタ：0.037828、−0.023849、−0.110624、0.377403、0.852699、0.377403、−0.110624、−0.023849、0.037828。
【００３０】
図２は、白黒スケールの原本画像の画像データに対して３階層のウェーブレット変換処理してデータ変換することにより、周波数域を分割した結果を、２次元周波数領域によって示している。図２において、垂直周数領域および水平周波数領域は、それぞれ矢印の方向になるにつれて周波数域が高くなっている。
【００３１】
原本画像の画像データは、まず、水平方向周波数成分に対してハイパスフィルタによってフィルタ処理されるとともに、垂直方向周波数成分に対してローパスフィルタによってフィルタ処理される。これにより、データサイズが１／４に縮小された周波数域画像データＨＬ１が得られる。同様に、水平方向周波数成分に対するハイパスフィルタによるフィルタ処理と、垂直方向周波数成分に対するハイパスフィルタによるフィルタ処理とにより、周波数域画像データＨＨ１が得られる。
【００３２】
さらに、水平方向周波数成分に対するローパスフィルタによるフィルタ処理と、垂直方向周波数成分に対するハイパスフィルタによるフィルタ処理とにより、周波数域画像データＬＨ１が得られ、水平方向周波数成分に対するローパスフィルタによるフィルタ処理と、垂直方向周波数成分に対するローパスフィルタによるフィルタ処理とにより、周波数域画像データＬＬ１が得られる。
【００３３】
このようにして、１階層のウェーブレット変換処理によって、４つの周波数域画像データＨＬ１、ＨＨ１、ＬＨ１、ＬＬ１が得られると、最も低周波数領域の周波数域画像データＬＬ１に対して、さらに、同様のフィルタ処理を行うことによって、データサイズがそれぞれ１／４に縮小された４つの周波数域画像データＨＨ２、ＨＬ２、ＬＨ２、ＬＬ２が得られる。
【００３４】
さらに、このような２階層のウェーブレット変換処理によって、４つの周波数域画像データＨＬ２、ＨＨ２、ＬＨ２、ＬＬ２が得られると、最も低周波数領域の周波数域画像データＬＬ２に対して、さらに、同様のフィルタ処理を行うことによって、データサイズがそれぞれ１／４に縮小された４つの周波数域画像データＨＨ３、ＨＬ３、ＬＨ３、ＬＬ３が得られる。
【００３５】
このような３階層のウェーブレット変換処理によって、最も低い周波数領域の周波数域画像データＬＬ３以外の各周波数域画像データＨＬ１、ＨＨ１、ＬＨ１、ＨＬ２、ＨＨ２、ＬＨ２、ＨＬ３、ＨＨ３、ＬＨ３が得られる。得られた周波数域画像データＶ（＝ｖ1，ｖ2，…，ｖi，…）は、各周波数域において、最上列から下側の列にかけて順番に、しかも、各列においては、最も左側の画素から右側にかけて順番に、各画素のデータが、透かしデータ埋め込み手段１２に出力される。
【００３６】
図３（ａ）は、乱数列発生手段１４の具体例として、平均値０の擬似ランダム乱数を生成させるために使用されるｎ段のレジスタ符号発生器を示している。透かし数列データＷとなる擬似乱数列は、平均値０のランダム分布にて定められた関数、あるいは、平均値０および分散１の正規分布関数によって発生させることができるが、ここでは、平均値０の擬似ランダム乱数を生成するレジスタ符号発生器について説明する。
【００３７】
図３（ａ）に示すレジスタ符号発生器におけるシフトレジスタの各段は、ｂi、ｂi+1、ｂi+2、…、ｂi+n-1で示されており、各段の出力に対する係数(０または１）が、ａ0、ａ1、…、ａn-1で示されている。このレジスタ符号発生器は、（２n−１）の周期で、０または１の数字（データ）による数列を発生させる。
【００３８】
図３（ｂ）は、レジスタ符号発生器を簡単に説明するために、４段のシフトレジスタ（ｎ＝４）によって構成されたレジスタ符号発生器を示している。このレジスタ符号発生器は、（２4−１）＝１５周期で、０または１の数値の数列を発生する。例えば、初期条件として、乱数シード「１００１」を設定すると、発生する数列は、「１００１１０１０１１１１０００１００…」となり、周期が１５であるために、１６番目からの数字は、１番目からの数字の繰り返しになる。
【００３９】
平均値を０にするためには、図３（ｂ）に示すレジスタ符号器では、その出力に対して０．５を減算処理し、処理された値に２を乗じることにより、−１と１の数字の乱数列が得られ、平均値が０になる。このように平均値が０になる数列とすることにより、後の演算が容易になる。本実施の形態では、レジスタ符号器の出力に２を乗じて得られた−１と１との数値の乱数列を、透かし数列Ｗとしている。
【００４０】
なお、透かし数列が容易に解読されないように、乱数シード発生手段１３によって、乱数列を発生させる際の初期条件である乱数シードをランダムに生成する構成、あるいは、レジスタの各段の出力に対する係数を変更する構成等としてもよい。
【００４１】
透かしデータ埋め込み手段１２では、データ変換手段１１から入力される各周波数域画像データＶ（＝ｖ1、ｖ2、…、ｖi、…、ｖn）に対して、乱数列発生手段１２にて順次発生された透かし数列Ｗのデータ（＝ｗ1、ｗ2、…、ｗj、…、ｗn）が、次の（１１ａ）式に基づいて順番に埋め込まれて、透かし入り画像データｖ'ｉとされる。
【００４２】
ｖ'i＝ｖi＋ｆ（ｖi）・ｗj …（１１ａ）
但し、関数ｆは、透かし数列データＷを埋め込む際の埋め込み強度を示す実数関数である。
【００４３】
この場合、得られる透かし入り画像データＶ’に対して実数閾値δが設定されており、ｉ番目に得られた透かし入り画像データｖ'iが閾値δよりも大きくなっている場合（ｖ'i＞δ）には、次の（１１ｂ）式に示すように、次のｉ＋１番目の透かし入り画像データｖ'i+1を得るために、乱数列発生手段１２にてｗjの次に発生した透かし数列データｗ ｊ +1 を埋め込む。これに対して、ｉ番目に得られた透かし入り画像データｖ'iが閾値δ以下になっている場合（ｖ'i≦δ）には、（１１ｃ）式に示すように、次のｉ＋１番目の透かし入り画像データｖ'i+1を得るために、ｉ＋１番目の画像データｖi+1に対して、ｉ番目の周波数域画像データｖiに埋め込まれた透かし数列データｗjが、繰り返して埋め込まれる。
【００４４】
ｖ'i+1＝ｖi+1＋ｆ（ｖi+1）・ｗj+1 …（１１ｂ）
ｖ'i+1＝ｖi+1＋ｆ（ｖi+1）・ｗj …（１１ｃ）
透かしを埋め込む強度を示す実数関数ｆ（ｖi）は、次の（１２）式で表される。
【００４５】
ｆ（ｖi）＝α｜ｖi｜ …（１２）
但し、α∈（−1，１）であり、αは実数である。
【００４６】
この（１２）式に基づいて、前記（１１ａ）〜（１１ｃ）式は、それぞれ、次の（１２ａ）〜（１２ｃ）とされる。
【００４７】
ｖ'i＝ｖi＋α・｜ｖi｜・ｗj …（１２ａ）
但し、ｖ'i＞δ の場合
ｖ'i+1＝ｖi+1＋α・｜ｖi+1｜・ｗj+1 …（１２ｂ）
ｖ'i≦δの場合
ｖ'i+1＝ｖi+1＋α・｜ｖi+1｜・ｗj …（１２ｃ）
このようにして透かし入り画像データｖ'iが順番に得られると、レジスタ符号発生器の乱数シード、閾値等のパラメータが、例えばＳＲＡ方法によって暗号化され、暗号化されたパラメータが、画像データのヘッダに保存される。これにより、電子透かしの埋め込みが終了する。
【００４８】
なお、原本画像がカラー画像の場合には、ＲＧＢまたはＹＵＶフォーマットによって、３つのカラー成分毎にウェーブレット変換を行って、ウェーブレット変換によって得られたＲＧＢまたはＹＵＶフォーマットの画像データに対して、それぞれ電子透かしを埋め込む。この場合も、透かし数列データは、白黒画像の場合と同様に、ＲＧＢまたはＹＵＶの各カラー毎の周波数域画像データを、１つの数列と見なして、乱数列発生手段１４にて発生される透かし数列の数値が、順次、埋め込まれる。
【００４９】
図４は、このようにして得られる透かし入り画像の画像データが改竄されているかを証するため装置の一例を示す概略構成図である。この装置では、透かし入り画像Ｖ*が画像データ分離手段２１に入力されて、検証対象画像データにおける画像ヘッダに保存された暗号化乱数シード、閾値等のパラメータが、透かし入り画像データＶ’から分離される。そして、透かし入り画像データ分離手段２１によって分離された画像データＶ’は、画像データＶ’と電子透かしとの相関関係を計算する相関関係計算手段２２に与えられる。
【００５０】
他方、透かし入り画像データ分離手段２１によって分離された乱数シード、閾値等の暗号化されたパラメータは、復号化手段２３に与えられて、この復号化手段２３によって復号化される。そして、復号化された乱数シード、閾値等のパラメータは、透かし数列生成手段２４に与えられて、透かし数列生成手段２４にて、透かし数列データＷが生成される。透かし数列生成手段２４にて生成された透かし数列データＷは、相関値計算手段２２に与えられる。
【００５１】
相関値計算手段２２は、透かし入り画像データ分離手段２１によって分離された検証対象である透かし入り画像データＶ’と、透かし数列生成手段２４にて生成された透かし数列データＷとに基づいて、検証対象の画像データと電子透かしとの相関値を計算する。
【００５２】
この場合、検証対象の画像データＶ’と、生成された透かし数列データＷとの相関値として、透かし入り画像データＶ'（＝ｖ1，…，ｖi，…）と透かし数列データＷ（＝ｗ1，…，ｗj，…）との積和（類似度）σ1を、次の（２１）式に基づいて演算する。但し、この場合における透かし入り画像データＶ'は、閾値δよりも大きなものとされ、前述の（１１ａ）式から得られた透かし入り画像データｖ'iとされる。
【００５３】
【数１】
【００５４】
【数２】
【００５５】
ψ＝σ１／σ２ …（２３）
このようにして、相関値の正規化処理手段２５によって、類似度正規化値ψが求められると、得られた類似度正規化値ψが原本検証手段２６に与えられて、この原本検証手段２６において、類似度正規化値ψに基づいて、原本画像が改竄されているかが判定される。原本検証手段２６は、類似度正規化値ψが１の周辺に集中していれば、原本画像は改竄されていないものと判定し、類似度正規化値ψが０の周辺に集中していれば、原本画像が改竄されていると判定する。そして、その検証結果が、原本検証手段２６から出力される。
【００５６】
透かし入り画像データと電子透かしの透かし数列の類似度σ1は、前述したように、（２１）式によって求められる。この場合、透かし数列Ｗの各データｗjは既知であり、｜α｜＜１であるために、検証対象である画像データｖiの絶対値｜ｖi｜は、前記（１２ａ）式から、次の（２４）式によって求めることができる。
【００５７】
【数３】
【００５８】
（２４）式によって｜ｖi｜が求められると、（２２）式の埋め込み強度の総和σ2は、次の（２５）式によってを求められる。
【００５９】
【数４】
【００６０】
この場合、図５に示すように、正規化された類似度σ1が１の周辺に集中していれば、原本画像は改竄されていないものと判定され、０の周辺に集中していれば、原本画像は改竄されていると判定される。そして、その検証結果が、原本検証手段２６から出力される。
【００６１】
原本画像の検証手順について、さらに具体的に説明する。なお、原本画像は、グレースケールの画像であり、埋め込まれた透かし数列の個数をＮ0とする。透かし入りの原本画像は、改竄されていない場合には、条件｜ｖi｜＞δでは、前記（２１）式から、次の（２６ａ）式が得られる。そして、この（２６ａ）式は、前述した（１２ａ）式の条件から、次の（２６ｂ）式が得られる。さらに、この（２６ｂ）式において、平均値が０である１または−１の乱数列は、画像データｖjとは無相関であることを利用すると、次の（２６ｃ）式が得られる。
【００６２】
【数５】
【００６３】
【数６】
【００６４】
透かし数列を埋め込んだ原本画像を逆データ変換し、原本画像に改竄を加えることなく、データ変換して元のフォーマットに戻す処理をしても、透かし入り画像データは、周波数の全域において、閾値δを超えたり、下回ったりすることが、かなりの頻度で発生する。その原因は、逆データ変換およびデータ変換が、高精度で実施されないことによる。実験によれば、このような場合には、改竄されていない原本画像を示す類似度正規化値φの分布は、図５に示すように、０および１の周辺に集中する。
【００６５】
これに対して、図６（ａ）に示すように、透かし入りの原本画像に対して、悪意を持って、逆データ変換して特定の周波数域の画像データを改竄し、再び、データ変換することにより、改竄した周波数域の画像データ以外の部分を改竄しない状態としても、図６（ｂ）に示すように、改竄された周波数域の画像データによって変化が発生する。その結果、類似度σ1は、図７に示すように、０に対して若干ずれた正の値の周辺に集中することになる。これにより、悪意を持った原本画像の改竄を検証することができる。
【００６６】
検証対象画像がカラー画像の場合には、透かしを埋め込む場合と同様に、ＲＧＢまたはＹＵＶフォーマットの周波数域データを、１つの数列と見なして、白黒画像と同様に改竄の有無を検証することができる。
【００６７】
図８は、透かし入り画像を表示するために使用される装置の一例を示す概略構成図である。透かし入り画像データに基づく画像を表示する場合には、まず、透かし入り画像Ｖ*が透かし入り画像データ分離手段３１に入力されて、この透かし入り画像データ分離手段３１によって、画像ヘッダに保存された暗号化乱数シード、閾値等のパラメータが透かし入り画像データＶ’から分離される。透かし入り画像データ分離手段３１によって分離された透かし入り画像データＶ’は、原本画像の復号化手段３２に与えられるとともに、逆データ変換手段３５に与えられる。そして、逆データ変換手段３５によって、透かし入り画像データ分離手段３１にて分離された画像データＶ’は、前述した３階層の周波数域毎に分割するウェーブレット変換とは逆のデータ変換である逆ウェーブレット変換が実施される。
【００６８】
従って、逆データ変換手段３５では、透かしを埋め込む際のデータ変換手段１１と同様に、９／７（９タップと７タップ）フィルタと呼ばれるハイパスフィルタおよびローパスフィルタを使用している。使用されるハイパスフィルタおよびローパスフィルタのパラメータは、以下の通りである。
【００６９】
ハイパスフィルタ：−0.037828、−0.023849、0.110624、0.377403、−0.852699、0.377403、0.110624、-0.023849、−0.037828。
【００７０】
ローパスフィルタ：−0.064539、−0.040689、0.418092、0.788486、−0.418092、−0.040689、−0.064539。
【００７１】
逆データ変換手段３５では、低周波数域のデータに対しては、ローパスフィルタによってフィルタ処理するとともに、高周波数域のデータに対しては、ハイパスフィルタによってフィルタ処理して逆ウェーブレット変換する。すなわち、周波数域画像データＬＬ３、ＨＬ３、ＨＨ３、ＬＨ３から、周波数域画像データＬＬ２を得て、得られた周波数域画像データＬＬ２と、周波数域画像データＨＬ２、ＨＨ２、ＬＨ２とによって、周波数域画像データＬＬ１を得る。さらに、得られた周波数域画像データＬＬ１と、周波数域画像データＨＬ１、ＨＨ１、ＬＨ１とによって、画像が得られる。
【００７２】
逆データ変換手段３５は、透かし入り画像データ分離手段３１にて分離された画像データを、復号化することなく、逆ウェーブレット変換する場合と、透かし入り画像データ分離手段３１にて分離された画像データを、原本画像の復号化手段３２によって復号化された後に、逆ウェーブレット変換する場合とがある。
【００７３】
画像データを、復号化することなく、逆ウェーブレット変換する場合は、比較的精度の低い表示画像が得られることになる。通常は、このように、暗号化された画像データを復号化することなく得られた比較的低い精度の表示画像であっても、特に問題はない。
【００７４】
これに対して、高精度な表示画像を得る場合には、透かし入り画像データ分離手段３１によって分離された乱数シード、閾値等の暗号化データは、パラメータ復号化手段３３に与えられて、このパラメータ復号化手段３３によって復号化される。そして、復号化された乱数シード、閾値等のパラメータは、透かし数列生成手段３４に与えられて、透かし数列生成手段３４にて、透かし数列Ｗが生成される。透かし数列生成手段３４にて生成された透かし数列Ｗは、原本画像復号化手段３２に与えられる。
【００７５】
原本画像復号化手段３２は、透かし数列生成手段３４にて生成された透かし数列Ｗに基づいて、透かし入り画像データを復号化し、復号化された画像データが、逆データ変換手段３５によって、逆ウェーブレット変換される。この場合、逆データ変換手段３５は、透かし数列生成手段３４にて生成された透かし数列Ｗに基づいて、復号化された画像データを逆ウェーブレット変換しているために、高精度の表示画像が得られる。
【００７６】
本発明は、このように、圧縮処理されない画像のみならず、ＪＰＥＧ、ＭＰＥＧ等の圧縮／伸長処理される画像に対しても、電子透かしを埋め込むことができる。図９は、ＪＰＥＧフォーマットの圧縮／伸長処理される画像に対して電子透かしの埋め込みに使用される装置の概略構成図である。この電子透かしの埋め込み装置は、データ変換手段４１において、離散コサイン変換（ＤＣＴ）により、原本画像における画像データＸを所定のデータ変換した後に、量子化処理手段４２によって量子化処理し、透かしデータ埋め込み手段４３によって、量子化処理データＵに対して透かし数列Ｗを埋め込むようになっている。
【００７７】
透かしデータ埋め込み手段４３には、乱数列発生手段４５にて発生する擬似乱数列である透かし数列Ｗが与えられており、透かしデータ埋め込み手段４３は、量子化処理データＵに対して、透かし数列データＷを埋め込む。乱数列発生手段４５は、乱数シード発生手段４４にて発生された初期条件としての乱数シードに基づいて擬似乱数列を生成して、生成された擬似乱数列が、透かし数列Ｗとして、透かしデータ埋め込み手段４３に出力される。
【００７８】
透かしデータ埋め込み手段４３の基本的な機能は、図１に示す透かしデータ埋め込み手段１２と同様である。また、乱数シード発生手段４４および乱数列発生手段４５の機能は、図１に示す乱数シード発生手段１３および乱数列発生手段１４と同様になっている。
【００７９】
この場合、ＪＰＥＧ圧縮処理は、８×８画素の領域毎に実施されるために、透かしデータ埋め込み手段４３による量子化処理データＵ（＝ｕ1，ｕ2，…，ｕi，…）に対する透かし数列データＷの埋め込みも、８×８画素の領域毎に実施される。量子化処理手段４２は、高周波数成分を削除して、低周波数成分を残すことにより、データ量を削減する量子化処理を実施している。高周波数成分のように明るさの変化が小さい場合には、低周波数成分のように明るさの変化が大きい場合に比べて、人間の目では分かりにくいために、高周波数成分を削除してデータ量を削減しても、特に問題はない。
【００８０】
透かしデータ埋め込み手段４３では、各量子化処理データＵ（＝ｕ1、ｕ2、…、ｕi、…、ｕn）に対して、乱数列発生手段４５にて順次発生された透かし数列データ（＝ｗ1、ｗ2、…、ｗj、…、ｗn）が、次の（３１ａ）式に基づいて埋め込まれて、透かし入り画像データｕ'iとされる。
【００８１】
ｕ'i＝ｕi＋ｉｎｔ（ｆ（ｕi）・ｗj） …（３１ａ）
但し、ｆ（ｕi）は、透かし数列データＷを埋め込む際の埋め込み強度を示す実数関数であり、ｆ（ｕi）＝α｜ｕi｜である。但し、α∈（−1，１）であり、αは実数である。また、関数ｉｎｔは、実数を四捨五入して整数とする関数である。
【００８２】
この場合、得られる透かし入り量子化データＵ’に対して実数閾値δが設定されており、ｉ番目に得られた画像データｕ'iが閾値δよりも大きくなっている場合（ｕ'i＞δ）には、次の（３１ｂ）式に示すように、次のｉ＋１番目の画像データｕ'i+1を得るために、乱数列発生手段４５にてｗjの次に発生した透かし数列データｗj+1を埋め込む。これに対して、ｉ番目に得られた画像データｕ'iが閾値δ以下になっている場合（ｕ'i≦δ）には、（３１ｃ）式に示するように、次のｉ＋１番目の画像データｕ'i+1を得るために、ｉ＋１番目の量子化データｕi+1に対して、ｉ番目の量子化データｕiに埋め込まれた透かし数列データｗjが、繰り返して埋め込まれる。
【００８３】
ｕ'i＞δの場合、
ｕ'i+1＝ｕi+1＋ｉｎｔ（ｆ（ｕi+1）・ｗj+1） …（３１ｂ）
ｕ'i≦δの場合、
ｕ'i+1＝ｕi+1＋ｉｎｔ（ｆ（ｕi+1）・ｗj） …（３１ｃ）
（３１ａ）〜（３１ｃ）式は、それぞれ、前述した埋め込み強度関数の式から、次の（３２ａ）〜（３２ｃ）とされる。
【００８４】
ｕ'i＝ｕi＋ｉｎｔ（α・｜ｕi｜・ｗj） …（３２ａ）
但し、ｕ'i＞δ の場合
ｕ'i+1＝ｕi+1＋ｉｎｔ（α・｜ｕi+1｜・ｗj+1） …（３２ｂ）
ｕ'i≦δの場合
ｕ'i+1＝ｕi+1＋ｉｎｔ（α・｜ｕi+1｜・ｗj） …（３２ｃ）
このようにして透かし入り画像データｕ'iが順番に得られると、得られた透かし入り画像データｕ'iが、エンコーダー４６によって、ハフマン符号化によるエンコード処理される。そして、レジスタ符号発生器の乱数シード、閾値等のパラメータが、例えばＳＲＡ方法によって暗号化されて、透かし入り画像データの画像ヘッダに保存される。これにより、電子透かしの埋め込みが終了する。
【００８５】
図１０は、意識的な改竄を容易に検出できるように、まず、Ｕ信号の全画面に電子透かしを埋め込んだ後に、Ｙ信号およびＶ信号に、電子透かしを埋め込む構成を示している。なお、このように、Ｕ信号、Ｙ信号、Ｖ信号の順番に電子透かしを埋め込む構成に限らず、Ｙ信号、Ｕ信号、Ｖ信号の順番、あるいはＶ信号、Ｙ信号、Ｕ信号の順番に電子透かしを埋め込むようにしてもよい。
【００８６】
図１１は、このようにして得られる透かし入り画像の画像データが改竄されていないことを検証するための装置の一例を示す概略構成図である。この装置では、透かし入り画像の原本検証を実施する場合に、まず、検証対象画像データにおける画像ヘッダに保存された暗号化乱数シード、閾値等のパラメータが、画像データ分離手段５１によって、透かし入り画像データＵ’から分離される。そして、透かし入り画像データ分離手段５１によって分離された画像データＵ’は、原本画像復号化手段５２を介して、画像データと電子透かしとの相関関係を計算する相関関係計算手段５３に与えられる。
【００８７】
他方、透かし入り画像データ分離手段５１によって分離された乱数シード、閾値等のパラメータの暗号化データは、パラメータ復号化手段５４に与えられて、このパラメータ復号化手段５４によって復号化される。そして、復号化された乱数シード、閾値等のパラメータは、透かし数列生成手段５５に与えられて、透かし数列生成手段５５にて、透かし数列Ｗが生成される。そして、透かし数列生成手段５５にて生成された透かし数列Ｗは、相関値計算手段５３に与えられる。
【００８８】
相関値計算手段５３は、透かし入り画像データＵ’と、透かし数列生成手段５５にて生成された透かし数列データＷとに基づいて、検証対象画像データと電子透かしとの相関値を計算する。
【００８９】
透かし入り画像データと発生された乱数との積和（類似度）σ1は、次の（３３）式によって求められる。
【００９０】
【数７】
【００９１】
【数８】
【００９２】
（３４）式によって｜ｕi｜が求められると、相関値の正規化処理手段５６は、（３５）式に基づいて、埋め込み強度の総和σ2が求められる。
【００９３】
【数９】
【００９４】
【数１０】
【００９５】
φ＝σ1／σ2 …（３７）
そして、原本検証手段５７は、類似度正規化値φに基づいて、原本画像が改竄されているかを判定する。この場合、正規化された類似度σ1が１の周辺に集中していれば、原本画像は改竄されていないと判定され、０の周辺に集中していれば、原本画像が改竄されていると判定される。そして、その検証結果が、原本検証手段５７から出力される。
【００９６】
図１２は、得られる透かし入り画像を表示するために使用される装置の一例を示す概略構成図である。透かし入り画像データに基づく画像を表示する場合には、まず、透かし入り画像Ｕ*が透かし入り画像データ分離手段６１に与えられて、透かし入り画像データ分離手段６１によって、画像ヘッダに保存された乱数シード、閾値等の暗号化パラメータが分離される。透かし入り画像データ分離手段６１によって分離された透かし入り画像データＵ’は、デコーダー６２を介して、原本画像の復号化手段６５に与えられるとともに、逆量子化およびデータ変換手段６６に与えられる。そして、逆量子化および逆データ変換手段６６によって、画像データＵ’は、逆量子化および逆データ変換される。
【００９７】
逆量子化および逆データ変換手段６６では、量子化処理手段４２とは反対の手順によって逆量子化するとともに、電子透かしを埋め込む際のデータ変換手段４１とは逆の手順によって、周波数を逆データ変換している。
【００９８】
逆量子化および逆データ変換手段３５は、デコーダー６２からの出力を、直接、逆量子化処理および逆データ変換して伸長する場合には、比較的精度の低い表示画像が得られることになる。通常は、このように、暗号化された画像データを原本画像に復号化することなく得られた比較的低い精度の表示画像であっても、特に問題はない。
【００９９】
これに対して、高精度な表示画像を得る場合には、透かし入り画像データ分離手段６１によって分離された乱数シード、閾値等の暗号化データは、パラメータ復号化手段６３に与えられて、このパラメータ復号化手段６３によって復号化される。そして、復号化された乱数シード、閾値等のパラメータは、透かし数列生成手段６４に与えられて、透かし数列生成手段６４にて、透かし数列Ｗが生成される。透かし数列生成手段６４にて生成された透かし数列Ｗは、原本画像復号化手段６５に与えられる。
【０１００】
原本画像復号化手段６５は、透かし数列生成手段６４にて生成された透かし数列Ｗに基づいて、透かし入り画像データを復号化し、復号化された画像データが、逆量子化および逆データ変換手段６５によって、逆量子化および逆データ変換される。この場合、逆データ変換手段６５は、前記(３４）式に基づく次の（３８）式から、逆量子化および逆データ変換する。
【０１０１】
ｕi＝ｓｉｇｎ（ｕ'i）｜ｕi｜ …（３８）
このように、透かし数列生成手段６４にて生成された透かし数列データＷに基づいて、復号化された画像データを逆量子化および逆データ変換しているために、高精度の表示画像が得られる。
【０１０２】
ＭＰＥＧフォーマットでの電子透かしの埋め込み、原本検証、画像表示も、基本的には、ＪＰＥＧフォーマットと同様であるが、図１３に示すように、電子透かしを、より効果的に埋め込むために、Ｋフレームの画面を１本のデータと見なして処理することもできる。
【０１０３】
なお、電子透かしの隠匿性をさらに高めるためには、シフトレジスタ符号発生器の初期条件である乱数シードの生成をランダムに発生させる構成、シフトレジスタ符号発生器における係数を可変にする構成以外にも、電子透かしを埋め込む際の閾値を複数化する構成、透かし数列の埋め込みを適当な間隔をあけて実施する構成等とするようにしてもよく、この場合には、電子透かし情報の隠匿性がさらに向上する。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明の電子透かし埋め込み方法は、このように、埋め込まれる電子透かしによって画像の画質に影響を与えるおそれがなく、しかも、偽造が容易でなく、画像を圧縮／伸長処理する場合にも適用できる。
【０１０５】
また、本発明のオリジナルデータの検証方法および装置は、電子透かしが埋め込まれたディジタルデータが改竄されているかを容易に検証することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子透かしの埋め込み方法の実施に使用される装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】白黒スケールの原本画像の画像データに対して３階層のウェーブレット変換処理によって、データ変換することにより、周波数域を分割した結果を、２次元周波数領域によって示す図である。
【図３】（ａ）は、乱数列発生手段の具体例として、平均値０の擬似ランダム乱数を生成させるために使用されるｎ段のレジスタ符号発生器を示す概略構成図、（ｂ）は、レジスタ符号発生器を簡単に説明するために、４段のシフトレジスタによって構成されたレジスタ符号発生器を示す概略構成図である。
【図４】透かし入り画像の画像データが改竄されていないことを検証する装置の一例を示す概略構成図である。
【図５】正規化された類似度σ1によって原本画像が改竄されたかを検証する場合の判定基準を示すグラフである。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、画像データを改竄した場合における周波数域画像データの変化を示す概略図である。
【図７】その場合における正規化された類似度σ１を示すグラフである。
【図８】透かし入り画像を表示するために使用される装置の一例を示す概略構成図である。
【図９】ＪＰＥＧフォーマットの圧縮／伸長処理される画像に対して電子透かしの埋め込みに使用される装置の概略構成図である。
【図１０】意識的な改竄の検出が容易になるように、Ｕ信号の全画面に電子透かしを埋め込んだ後に、Ｙ信号およびＶ信号の順に電子透かしを埋め込む場合の説明図である。
【図１１】透かし入り画像の画像データが改竄されていないことを検証する装置の一例を示す概略構成図である。
【図１２】透かし入り画像を表示するために使用される装置の一例を示す概略構成図である。
【図１３】ＭＰＥＧフォーマットでの電子透かしの埋め込みをする際の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１１ データ変換手段
１２ 透かしデータ埋め込み手段
１３ 乱数シード発生手段
１４ 乱数列発生手段
２１ 透かし入り画像データ分離手段
２２ 相関関係計算手段
２３ 復号化手段
２４ 透かし数列生成手段
２５ 相関値の正規化処理手段
２６ 原本検証手段
３１ 画像データ分離手段
３２ 原本画像の復号化手段
３３ パラメータ復号化手段
３４ 透かし数列生成手段
３５ 逆データ変換手段
４１ データ変換手段
４２ 量子化処理手段
４３ 透かしデータ埋め込み手段
４４ 乱数シード発生手段
４５ 乱数列発生手段
４６ エンコーダ
５１ 透かし入り画像データ分離手段
５２ 原本画像復号化手段
５３ 相関関係計算手段
５４ パラメータ復号化手段
５５ 透かし数列生成手段
５６ 相関値の正規化処理手段
５７ 原本検証手段
６１ 透かし入り画像データ分離手段
６２ デコーダー
６３ パラメータ復号化手段
６４ 透かし数列生成手段
６５ 逆データ変換手段
Claims (10)
- ディジタルデータであるオリジナルデータをデータ変換するデータ変換工程と、
次いで、乱数シードを用いて平均値が０になるように生成された擬似乱数を透かし数列とし、該透かし数列の各数値であるデータを、前記データ変換工程にてデータ変換された変換データに対して、順次、該変換データの関数で示される埋め込み強度で埋め込んで順番に透かし入りデータとする際に、得られた透かし入りデータと予め設定された閾値とを比較して、その比較の結果、前記透かし入りデータが前記閾値以下になっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを変更せずに繰り返し、前記透かし入りデータが前記閾値よりも大きくなっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを次のデータに変更する、透かしデータ埋め込み工程と、
前記乱数シードおよび閾値を、暗号化してヘッダに保存する工程と、
を包含することを特徴とする電子透かしの埋め込み方法。 - 前記データ変換工程におけるデータ変換は、ウェーブレット変換である請求項１に記載の電子透かし埋め込み方法。
- 前記オリジナルデータは、ＪＰＥＧフォーマット画像データまたはＭＰＥＧフォーマット画像データであり、該ＪＰＥＧフォーマット画像データまたは該ＭＰＥＧフォーマット画像データは、前記データ変換工程にてデータ変換された後に量子化される請求項１に記載の電子透かし埋め込み方法。
- 前記データ変換工程におけるデータ変換は、離散コサイン変換である請求項３に記載の電子透かし埋め込み方法。
- ディジタルデータであるオリジナルデータをデータ変換するデータ変換手段と、
乱数シードを用いて平均値が０になるように生成された擬似乱数を透かし数列とし、該透かし数列の各数値であるデータを、前記データ変換手段にてデータ変換された変換データに対して、順次、該変換データの関数で示される埋め込み強度で埋め込んで順番に透かし入りデータとする際に、得られた透かし入りデータと予め設定された閾値とを比較して、その比較の結果、前記透かし入りデータが前記閾値以下になっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを変更せずに繰り返し、前記透かし入りデータが前記閾値よりも大きくなっている場合に、次の透かし入りデータを得るために埋め込まれる透かし数列のデータを次のデータに変更する、透かしデータ埋め込み手段と、
前記乱数シードおよび閾値を、暗号化して画像ヘッダに保存する手段と、
を具備することを特徴とする電子透かしの埋め込み装置。 - 前記データ変換手段によるデータ変換は、ウェーブレット変換である請求項５に記載の電子透かし埋め込み装置。
- 前記オリジナルデータは、ＪＰＥＧフォーマット画像データまたはＭＰＥＧフォーマット画像データであり、該ＪＰＥＧフォーマット画像データまたは該ＭＰＥＧフォーマット画像データは、前記データ変換手段によってデータ変換された後に量子化される請求項５に記載の電子透かし埋め込み装置。
- 前記データ変換手段によるデータ変換は、離散コサイン変換である請求項７に記載の電子透かし埋め込み方法。
- 請求項１〜４に記載された方法によって電子透かしが埋め込まれたオリジナルデータの認証方法であって、
前記ヘッダに保存された透かし数列に関する暗号化されたパラメータである乱数シードおよび閾値をオリジナルデータから分離する工程と、
分離された乱数シードおよび閾値を復号化して、復号化された乱数シードに基づいて透かし数列を生成する工程と、
生成された透かし数列と、前記オリジナルデータにおける透かし入りデータが復号化さ れた閾値よりも大きくなっている場合における該透かし入りデータとの積和と、前記埋め込み強度の総和とを正規化して類似度正規化値を求め、該類似度正規化値の分布に基づいてオリジナルデータが改竄されたかを検証する検証工程と、
を包含することを特徴とするオリジナルデータの検証方法。 - 請求項１〜４に記載された方法によって電子透かしが埋め込まれたオリジナルデータの検証装置であって、
ヘッダに保存された透かし数列に関する暗号化されたパラメータである乱数シードおよび閾値をオリジナルデータから分離する手段と、
分離された乱数シードおよび閾値を復号化して、復号化された乱数シードに基づいて透かし数列を生成する手段と、
生成された透かし数列と、前記オリジナルデータにおける透かし入りデータが復号化された閾値よりも大きくなっている場合における該透かし入りデータとの積和と、前記埋め込み強度の総和とを正規化して類似度正規化値を求め、該類似度正規化値の分布に基づいてオリジナルデータが改竄されたかを検証する検証手段と、
を具備することを特徴とするオリジナルデータの検証装置。
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