JP3984301B2 - 画像への透かしの埋め込み及び検出 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明の画像に透かしを埋め込む方法及び装置に関するものである。本発明は画像中の透かしを検出する方法及び装置にも関するものである。なお“画像”とは静止画像並びにビデオを意味するものとする。
発明の背景
電子透かしを付けることは、ディジタル画像又はビデオコンテンツの所有権を証明するのに用いられる技法である。ディジタルコンテンツに斯様な所有権情報を気づかれないように隠すことによって、このコンテンツの著作権侵害及び不法使用を防止することができる。透かしを付けることの代表的に用途にはディジタルビデオ及び放送監視に関わるコピー防止が含まれる。
ディジタル画像に透かしを付けるのに目下用いられている技法は、画像に擬似雑音の透かしパターンを付加かることに要約される。この付加は画像領域内又は周波数領域内にて行うことができる。実際上、このことは透かしを付けた画像の輝度及び/又は色成分を原画像のものとはわずかに異ならせることを意味する。透かしの検出は、疑わしい画像と、検出すべき透かしパターンとの相関を取ることによって行われる。このような従来法については、特に国際特許出願WO-A-98/03014に開示されている。
透かしを付ける方法は多数の基本的な要件を満たさなければならない。先ずは、透かしパターンを付けることが画像の可視的な見掛けに悪影響を及ぼしてはならない。各著作権所有者は少なくとも1つの個別の透かしを有することからして、多くの種々の透かしパターンがあるようにすべきである。透かしの検出は原画像を用いないで行うことができなければならない。この検出は、ビデオ中の透かしを検出したり、或いは透かしを付けた画像に対するワールド ワイド ウェッブを走査したりすることができるように高速なものとしなければならない。アタッカーが透かしを容易に除去できるようであってはならない。透かしを付ける方法は、色変換や、スケーリング、並進又は回転の如き幾何学的変換や、JPEG/MPEGの如きデータ圧縮や、雑音や他の透かしを埋め込んだりすることや、グレイスケーリングや、画像の平滑化や、専用の変換や、A/D及びD/A変換や、PAL/NTSC変換等の如き画像又はビデオに適用し得る変換又は操作に対して強固なものとしなければならない。
上記用件は競合し、全ての用件を十分に満足する既知の方法はない。多くの方法は多数の透かし付きの画像を有するアタッカーが勝手に容易にハックすることができる。検出は相関（これは線形演算である）に基づいて行われるから、アタッカーは透かしを首尾良く推定するだけで済み、その彼はこれを用いて検出を斯くために画像からその推測した透かしを取り除くことができる。回転や、スケーリングの如き簡単な幾何学的変換は、検出中のかなりの計算時間を犠牲にして対処し得るだけである。十分なバリエーションの透かしを確保するのも困難である。ある相関関係を用いて埋め込むことができるビット数を制限される。
発明の目的及び概要
本発明の目的は、上述した諸欠点を軽減する透かしを埋めこむための方法及び装置を提供することにある。
このために本発明は、或る所定数の最有意画素を識別するステップと；透かしを或る画素パターンの形態に規定するステップと；前記最有意画素のうちのかなりの割合の画素を前記透かしパターンの近くに動かすように前記画像を局所的にワープさせるステップと；を具えている、画像に透かしを埋めこむ方法を提供する。
透かしを検出する対応する方法は、或る所定数の最有意画素を識別するステップと；前記透かしのパターンまでの前記最有意画素の距離を決定するステップと；透かしパターンまでの前記最有意画素の平均距離が、透かしパターンまでの全画素の平均距離よりもかなり短い場合に、前記予定した透かしが疑わしい画像中に埋め込まれている旨を示す検出信号を発生するステップと；を具えるようにする。
このように、透かしは輝度又は色成分を変える代わりに、画像の幾何学的特徴部を僅かに変えることにより埋め込まれる。これは透かしを除去するタスクを複雑にする。その理由は、画像から或る推定した透かしを単に取り除くこととは異なり、最新式の方法で全ての画像に作用する画像依存処理を必要とするからである。斯かる方法は検出を短時間で行うことができるから、スケーリング及び回転の如き幾何学的な変換に対してもかなり強固である。さらに、本発明による方法には十分なバリエーションの透かしパターンを用いることができる。多くの種々の透かしパターンに対して或る疑わしい画像をチェックするのに計算上、現行法よりも劇的な改善をもたらす。
実施例の説明
図１は画像Ｉに透かしWを埋め込む本発明による装置の実施例を示す。この装置は、凸角点抽出モジュール１０と、突合せモジュール１１と、ワーピングモジュール１２と具えている。この装置は入力画像Ｉ及び透かしWを受信する。
図２は透かしWの例を示す。この透かしをライン２０のパターンとするが、これは必ずしもラインパターンとする必要はない。或る画素から、その画素に最も近いライン２０までの距離が或る閾値δよりも短い場合に、その画素は“透かし上”又は“透かしの近く”にあると云う。これにより、画素２１は透かし上にあるのに対して、画素２２及び２３は透かし上にはないことになる。この例における透かしは稠密なものである。このことからして、かなりの割合の画素（例えば、ｐ＝５０％）がそれぞれのラインの近くにあることになる。
凸角点抽出モジュール１０は、入力画像Ｉの最有意画素（以後これらの画素を非常に目立つ点又は単に凸角点とも称する）のうちの一定数のK個の画素を識別する。これらの凸角点は、特に、エッジ検出フィルタに対して最高のレスポンスを呈する画素とすることができるが、こうした有意点を見つけるには他の多くの方法がある。有意点の他の例としては、エッジの隅部又は局所的に最大又は最小の個所とすることができる。このような目立つ画素は、画素の輝度、クロミナンス或いはこれらの双方から取り出すことができる。
有意点が共に接近している場合に、この透かし法では可視点なアーティファクトが生じることがある。これをなくすために、画像をブロックに細分割し、ブロック内の画素に変化がなくても、ブロック当りの有意点を１個又は数個に選定するのが良い。
凸角点は１つの画素組Sを構成する。この画素組を突合せモジュール１１に供給し、このモジュールにてそれらの凸角点を透かしと突合せ、透かしW上にある凸角点の組S₁及び透かしW上にない凸角点組S₀とを識別する。
これらの凸角点の組S₀及びS₁をワーピングモジュール１２に供給する。このモジュールは、凸角点の組Sからのかなり高い割合の画素を透かしのライン付近へと動かすように、画像に局所的な小さな幾何学的な変化を導入する。これを図２に、画素２２を透かしのラインまで動かしたことを示す矢印２４によって示してある。このようにしてワープさせた（ゆがませた）画像Ｉ_wは、透かしを埋め込んだ画像を構成する。ワーピングによって導入される幾何学的な変化は、或る距離離れた個所の所定画素の幾何学的な変化がゼロに減衰するように、画素組Sの近隣の画素に及ぼす影響をスムースにする。ワーピングアルゴリズムは、それがあまり多すぎない新規の有意点を造るようにするのが好適である。或る点をワープする方向は局所的な画像特徴部に適合させて、可視的なアーティファクトを導入しないようにすべきである。
ワーピング法は写真処理の分野にて周知な方法である。図３A及び図３Bは写真編集用の市販のPCソフトウエアパッケージで作ったものである。図３Aは凸角点３１，３２，３３及び透かしパターンのライン３４，３５，３６を有する原画像を示す。図３Bは透かしを付けた画像を示し、この画像では凸角点の画素をそれに最も近いラインに対してワープさせている（判りやすくするために、拡大して示してある）。
実際の実験にて、画像が１０１４個の有意点を有し、このうちの５４１個（５３％）がラインパターンの近くに位置することを確かめた。透かし上にない４７３個の中からの３５４個をワープさせて、画像の８９５個の凸角点（８８％）を透かしを付けた後のパターン付近に位置付けるようにした。
図４は画像Jにおける透かしWを検出するための本発明による装置の第１実施例を示す。この装置は、図１のモジュール１０と同じ凸角点抽出モジュール４０と、図１のモジュール１１と同じ突合せモジュール４１と、判定モジュール４２とを具えている。この検出装置は或る疑わしい入力画像Jと、その入力画像Jに存在するチェックすべき透かしWとを受信する。検出装置の動作は上述した透かし埋め込み装置の説明から明らかである。凸角点抽出モジュール４０は、透かしを埋め込むのに用いたのと同じ方法によって疑わしい画像中の最有意画素の組Sを決定する。突合せモジュール４２は凸角点を透かしのラインパターンと突合せる。検出判定モジュール４２は、満足のゆくかなり高い割合の凸角点がラインパターンの近辺内（組S₁）近くにあるかどうかを検出する。かなり多くの凸角点がラインパターンの近くにある場合には、透かしが存在し、検出信号D=1を発生するが、そうでない場合には、検出信号は発生せず、D=0となる。
前述した透かし埋め込み装置の例（透かしパターンが画素の５０％を占める）では、疑わしい画像における５０％よりもかなり多い凸角点がラインパターン上にある場合に、透かしが検出される。前述した実際の実験では、透かしを付けた画像の１０１４個の凸角点の中からの７０８個（７０％）がパターン上にあることを確かめた。なお、透かしを付けた画像における凸角点の数は、原画像における凸角点の数とは相違し得る。その理由は、ワーピング処理が画素の“顕著性”に影響を及ぼすからである。
図５は透かし埋め込み装置の他の実施例を示す。この例の埋め込み装置が図１に示した装置と異なる点は、この装置が図４のモジュール４２と同じ検出モジュールを具えている点にある。従って、この場合の埋め込み装置は透かし検出器を含むものである。検出モジュール１３は検出信号Dをワーピング回路１２へ供給する。さらに、ワープした画像Ｉ_wを凸角点抽出モジュールに帰還させる。図５に示す装置は透かしを反復ステップのシーケンスで埋め込む。先ずは、入力画像Ｉの或る限定数の凸角点のみをワープする。その後、ワープして透かしを付けた画像Ｉ_wを帰還させて、ワーピング量が十分であることを検出モジュール１３が判定を下すまで“もっと強固な”埋め込みを行うようにする。常に、こうした凸角点の画素は、例えば或るラインに対して最も近くにある画素に対してワーピングが最小のアーティファクトを呈するものを選択する。このようにして、図２における画素２３のような画素の大げさなワーピングをなくすことができる。
上述した、透かしを埋め込んだり、検出したりするための実施例では、凸角点の画素を、これらが透かしパターンのライン上に位置するようにワープさせる（図２の画素２２参照）。もっと一般的には、ラインパターンへの接近度を制御する。ラインパターンの近隣のδの範囲内にどれほど多くの凸角点が実際にあるのかを実際に計数する代わりに、こうした有意点とラインパターンとの間の平均距離に基づいて、これらの有意点を検出することもできる。これに対応する埋め込み処理は前記平均距離の変更に基づくものである。
斯様なもっと一般的な装置の動作を図６A及びず６Bを参照して説明する。図６Aは図２に示したのと同じライン２０のパターン及び凸角点の画素２１-２３を示す。この場合のライン２０は、最早“太さ”２δを有していない。凸角点の画素２１，２２及び２３から最も近いラインまでの距離をｄ_i,1，ｄ_i,2及びｄ_I,3でそれぞれ示し、ここに指数ｉは、その距離が入力画像の画素に関するものであることを示している。図６Bは透かしを付けた後のパターン及び画素を示す。凸角点の画素２１-２３は、最も近いライン２０までのそれらの各距離が変わる（減ったり、又は増えたりする）ようにワープされている。必ずしも全ての画素をワープする必要もなければ、画素を同じ距離又はファクタだけワープさせる必要もない。図６Bには、ワーピング後の距離をｄ_w,1、ｄ_w,2及びｄ_w,3にてそれぞれ示してある。
この実験例による埋め込み装置及び検出器の動作を説明する前に、透かしを付けてない画像の凸角点（凸角点の組S）の平均距離ｄ_i、即ち、

（ここに、Kは凸角点の個数である）は、凸角点の個数が十分に多数あり、しかも均一に分配されているものとすれば、画像の全ての画素の平均距離に等しくなることに留意する。これによれば、平均距離ｄ_iは画像内容には統計的に無関係で、透かしパターンWのみに依存することになる。
図7は画像Ｉに透かし情報Wを埋め込む装置の対応する実施例を図式的に示したものである。この装置は凸角点抽出モジュール70及びワーピングモジュール71を具えている。これらは図1におけるモジュール10及び12とそれぞれ同じものである。
図8は、或る疑わしい画像J中の透かしWを検出する装置の対応する実施例を図式的に示したものである。この装置は、凸角点抽出モジュール80と、ことによると透かしを付けてある画像Jの凸角点の平均距離ｄ_wを次式、即ち、

に従って求める回路８１と、透かしを付けてない画像の凸角点の平均距離ｄ_iを式1に従っても留める回路82と、検出回路83とを具えている。平均距離ｄ_wが平均距離d_iよりもかなり短い場合には、疑わしい画像Jに透かしがつけられており（D＝１）、さもなければ、透かしがつけられていないと結論ずけることができることは明らかである。
本発明による透かし埋め込み法は可視的なインパクトが低い。ラインパターンを画像に対して密なものとするから、画像にさほど影響を及ぼすことなくワープされることができる有意画素の候補を常にかなり多く見つけることができる。有意点の位置を専用に決め、且つワーピングを精巧に行うことによって、可視的なアーティファクトをもっと低減させることができる。
本発明はさらに、捜し求めるラインパターンのライブラリを多くすることによって十分なバリエーションの透かしをサポートすることができる。透かしが埋め込まれているかどうかを容易に検証し得るだけでなく、それに関連する計算が簡単になるために、多くの種々のラインパターンをチェックすることもできる。
検出速度に関しては、その検出法の解析はこの際複雑になる。テストすべき各透かしに対しては、解像度がｎ²の画像のK個の最有意点を決定する。この演算には0（n²）時間を必要とする。或る画像のこれらK個の点を一旦選択したら、これらの点を多くの種々の透かしラインパターンと突合せることは計算上、従来技術によって教示されるような、完全な画像と、同じく多くの透かしパターンとの間の相関関係を計算することよりもはるかに簡単なタスクである。即ち、n*n個の画素から或る画像の場合には、相関関係を計算するのに0（n²）時間を必要とする。なお、密のラインパターンは0（n）本のラインを包含し、或る所定の問い合わせ点までの最も短いラインを見つけるのに、ラインパターンの前処理が許される場合には、0（logｎ）の時間を要する。K個の点を一旦見つけておけば、テストする透かし当りの時間複雑性は0（k log n）となる。
本発明はさらに、多くのビットを埋め込むようにする。異なるラインパターンを画像の種々の領域にて用いることができる。（各々が低密度の）種々のラインパターンを組み合わせることができる。種々の有意点抽出法を適用することもできる。例えば、或る方法は局所的に最大のものだけを抽出するのに用い、また、或る方法は右上隅部だけを抽出するのに用いるようにすることもできる。
埋め込んだ透かしをアタッカーが除去するは困難である。アタッカーが、透かしを形成している特定のラインパターンを特定することは容易でない。アタッカーがそのパターンをうまく推測し得たとしても、それでもその透かしをその通りに除去することはできない。その理由は、アタッカーはノイズパターンを単に取り除くことよりももっと複雑なワーピング処理も適用しなければならないからである。
本発明による方法は、画像の品質又は主要点を十分に保持するような（圧縮、ノイズの追加又は色変化の如き）変換が有意画素の位置をそのままとするようにして、有意点の抽出を行うことができるから、強固な方法であると言える。スケーリング及び幾何学的な変換に関しては、縮尺又は回転させた有意点の組と、縮尺又は回転させたラインパターンとの突合せの方が、相関関係を計算することよりも計算上はるかに簡単なタスクであることに留意すべきである。
なお、有意画素をワープさせるパターンは必ずしもラインパターン及びそれに近いものとする必要はない。任意の稠密な点パターンを用いることもできる。
斯くして、画像の幾何学的特徴部を局所的に変えることにより、ディジタル画像信号に透かしを付ける。透かしは、画素の擬似ランダムな稠密のサブセット、例えばライン（20）のパターンで構成する。多数の有意画素（２１，２２，２３）、即ち或る予定した処理動作に高速に応答する画素を決定し且つ次いでこれらの画素をラインパターンの近く（δ）にまで移動させる（２４）。この“ワーピング”により、有意画素（２１，２２）の大多数が結局はラインパターンの近辺に位置付けられる。受信端では、入力画像の最有意画素を再度決定する。統計的に高い割合の画素がラインパターンの近辺内に或る場合に、画像は透かし付きの画像と言うことになる。
【図面の簡単な説明】
図1は画像に透かしを埋め込む本発明による装置を図式的に示したものである。
図2及び図３A-3Bは、図1に示した装置の動作を説明するための画像を示す。
図4は画像中の透かしを検出するための本発明による装置の第1実施例を図式的に示したものである。
図５は画像に透かしを埋め込む装置の他の実施例を示したものである。
図６A-6Bは透かしの埋め込み及び検出用の本発明によるもっと一般的な装置の動作を説明するための透かしの画像を示す。
図７は画像に透かしを埋め込むための装置のさらに一般的な例を図式的に示したものである。
図８は或る疑わしい画像中の透かしを検出する装置のさらに一般的な装置を図式的に示したものである。

Claims (14)

1. 画像に透かしを埋め込む方法が：
   或る所定数の凸角点の画素を識別するステップと；
   透かしを或る画素パターンの形態に規定するステップと；
   前記凸角点の画素のうちの所定の割合の画素を、前記透かしパターンの所定の距離の範囲内に動かすように前記画像の局所的にワープさせるステップと；を具えていることを特徴とする画像に透かしを埋め込む方法。
2. 前記画像をワープさせるワーピングステップが、前記透かしパターンまでの或る凸角点の画素の距離が或る予定した閾値よりも短くなるように、該凸角点の画素を前記透かしパターンの方向にまで動かすステップを具えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記透かしパターン及び前記閾値によって規定される前記距離内の画素が、前記画像の全画素のほぼ５０％を占めるようにすることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記透かしパターンをラインパターンとすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記凸角点の画素を識別するステップが、互いに接近している凸角点の画素を避けるようにする回避ステップを具えてすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記回避ステップが、前記画像を連続するブロックに分け、且つこれらの各ブロック内にて凸角点の画素を識別するステップを具えていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記所定数の凸角点の画素を識別するステップが、エッジ検出フィルタ操作とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記凸角点の画素を局所的に最大又は局所的に最小の画素とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記凸角点の画素を画像オブジェクトの隅部の画素とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 画像中の透かしを検出する方法が：
    或る所定数の凸角点の画素を識別するステップと；
    透かしのパターンまでの前記凸角点の画素の距離を決定するステップと；
    前記凸角点の画素の所定の割合が、透かしパターンまでの所定の距離の範囲内にある場合に、予定した前記透かしが疑わしい画像に埋め込まれている旨を示す検出信号を発生するステップと；
    を具えてすることを特徴とする画像中の透かしを検出する方法。
11. 前記透かしのパターンまでの前記凸角点の画素の距離を決定するステップが、或る予定した閾値よりも短い距離を有する凸角点の画素の個数を決定するステップを具え；且つ
    前記閾値よりも短い距離を有する前記凸角点の画素の個数が、所定の割合の凸角点の画素の個数となる場合に前記検出信号を発生されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 画像に透かしを埋め込む装置が：
    或る所定数の凸角点の画素を識別する手段と；
    透かしを画素パターンの形態に規定する手段と；
    前記凸角点の画素のうちの所定の割合の画素を、前記透かしパターンの所定の距離の範囲内にまで動かすように前記画像を局所的にワープする手段と；
    を具えていることを特徴とする画像に透かしを埋め込む装置。
13. 画像中の透かしを検出する装置が：
    或る所定数の凸角点の画素を識別する手段と；
    透かしのパターンまでの前記凸角点の画素の距離を決定する手段と；
    前記凸角点の画素の所定の割合が、透かしパターンまでの所定の距離の範囲内にある場合に、予定した前記透かしが疑わしい画像中に埋め込まれている旨を示す検出信号を発生する手段と；
    を具えていることを特徴とする画像中の透かしを検出する装置。
14. 前記透かしのパターンまでの前記凸角点の画素の距離を決定する手段が：
    或る予定した閾値よりも短い距離を有する凸角点の画素の個数を決定する手段を具え、；且つ
    前記閾値よりも短い距離を有する前記凸角点の画素の個数が、所定の割合の凸角点の画素の個数となる場合に前記検出信号を発生するようにしたことを特徴とする請求項１３に記載の装置。

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