JP4004736B2 - 画像内へのウォーターマーク埋め込み - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像内にウォーターマーク(watermark)を埋め込む方法に関する。この方法は、画像ピクセルの突出を計算するステップ、突出画像ピクセルを識別するステップ及び既定の割合の突出画像ピクセルが既定のウォーターマークパターンの周辺に置かれるように画像を処理するステップを有する。本発明は、画像内にウォーターマークを埋め込む装置にも関する。
【０００２】
冒頭の段落に規定されたウォーターマークを埋め込む既知の方法は、M.J.J.B. Maes及びC.W.A.M. van Overveld著、「Digital Watermarking by Geometric Warping」October 4-7, 1998 頁424-426に開示されている。この既知の方法において、ウォーターマークは、例えばラインのパターンのような既定の画像パターンである。統計的に高い割合の画像の突出ピクセルがウォーターマークパターンの周辺に置かれる場合、この画像はウォーターマークされる。これは、突出ピクセルを識別し、これらピクセルをウォーターマークパターンの周辺に移動させる（歪める）ことで達成される。画像処理のステップは、このように、画像の幾何学的特性を局部的に変化させるステップを有している。
【０００３】
本発明の目的は、他の方法の画像処理を用いたウォーターマークを埋め込むことである。
【０００４】
このために、本発明に係る方法は、前記画像を処理するステップが突出画像ピクセルの突出を修正するステップを有することを特徴とする。前記ウォーターマークはこれにより、画像ピクセルを異なる位置に移動する代わりに、これら画像ピクセルの突出を修正することで埋め込まれる。この突出は、ウォーターマークパターンの周辺に置かれていない突出画像ピクセルの突出を減少させ、ウォーターマークパターンの周辺に置かれる突出画像ピクセルの突出を増大させることで修正される。突出画像ピクセルを識別し、修正する有利な実施例が従属請求項に規定されている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に従う、画像内にウォーターマークを埋め込む装置の実施例を示している。この装置は、突出点抽出モジュール１０、決定モジュール１１及び画像処理モジュール１２を有する。この装置は、入力画像Ｉ及びウォーターマークＷを入力し、ウォーターマークされた画像Ｉ_ｗを生成する。
【０００６】
図２Ａは、ウォーターマークの実施例を示している。この実施例において、ウォーターマークＷは、ライン２０のパターンであると仮定されているがこれは絶対に必要というわけではない。突出ピクセルは、当該図において円２１−２６として示されている。円の直径は、ピクセルの突出を示している。これらピクセルから最も近いラインへの距離が既定値よりも小さい場合、ピクセルはウォーターマークの周辺に置かれていると言われる。この既定距離は、固定値δでもよい。ライン２０が２δの「厚さ」を持っている所がここでいう周辺のという定義は、明細書の残りの全てにおいて守られる。「ウォーターマークの周辺に置かれる」という表現はしばしば「ウォーターマーク上に置かれる」とも呼ばれる。図２Ａにおいて、ピクセル２１−２３は、ウォーターマーク上に置かれている一方、ピクセル２４−２６は、ウォーターマーク上に置かれていない。
【０００７】
代わりに、「ウォーターマークの周辺に置かれる」という表現は、突出−距離比(saliency-to-distance ratio)が既定された最低限の値を持つことを意味するように定めることもできる。これによって、図２Ａのピクセル２５の最も近いライン２０までのより大きな距離が、このピクセルのより大きな突出により補償されるので、このピクセル２５はウォーターマークの周辺に置かれるのに対し、ピクセル２２は置かれない。
【０００８】
ウォーターマークＷは、所与の密度を有する。これは、その周辺部を含むウォーターマークパターンが画像の所与の部分（ｐ）をカバーしていることを意味するように解される。以下に、ウォーターマークが画像のｐ＝５０％をカバーすると仮定する。よって、ウォーターマークされない画像の突出ピクセルの約ｐ＝５０％がこのウォーターマーク上にある。
【０００９】
図１に示される装置は次のように動作する。突出ピクセル抽出モジュール１０は、画像ピクセルの突出を計算する突出計算手段１０１を有する。これの実施例は、後に説明される。このモジュール１０はさらに選択回路１０２を有し、この回路が突出ピクセルを選択する。突出ピクセルの数は、画像ピクセルの総数に比べて少ない。ピクセルの突出を修正することが隣接する突出ピクセルの早い変化に影響することを避けるために、これら突出ピクセルは、前記画像間に無理なく一様に分配される。これはとりわけ、前記画像をブロックに分け且つブロック毎に１つ又は数個のピクセルを選択することによって達成される。それは、突出点間の最小距離を要求することでも達成される。既に述べられたように、図２Ａのピクセル２１−２６は、突出ピクセルである。
【００１０】
突出ピクセル及びこれら突出は、決定モジュール１１に与えられる。このモジュールはウォーターマークパターンＷを入力し、突出画像ピクセルのどの部分がウォーターマーク上に置かれるかを決定する。ウォーターマークされない画像において、突出画像ピクセルの割合ｐ（ここではｐ＝５０％）が、ウォーターマーク上に置かれる。図２Ａにおいて、これら突出画像ピクセルは、塗りつぶした円として示される。これら突出画像ピクセルについて、ピクセル２１が、ウォーターマーク上に置かれるのに対し、ピクセル２５及び２６はウォーターマーク上に置かれない。ウォーターマークＷ上に置かれる突出画像ピクセルの割合がｐ＝５０％とそれ程異ならない場合、決定モジュール１１は決定信号Ｄ＝０を生成する。この信号に応じて、画像処理モジュール１２は、かなりの割合の突出画像ピクセルがウォーターマーク上に置かれるように突出ピクセルの突出を修正する。抽出モジュール１０及び決定モジュール１１は、ウォーターマーク検出器を一緒に構成していることに注意されたい。
【００１１】
画像処理モジュール１２は、ウォーターマーク上に置かれていない突出ピクセルの突出を減少させ及び／又はウォーターマーク上に置かれる突出ピクセルの突出を増大させる。図２Ｂは、修正後の突出ピクセル２１−２６の突出を示す。ウォーターマーク上に置かれるピクセル２１−２３の突出は増大し、ウォーターマーク上に置かれていないピクセル２４−２６の突出は減少する。修正する工程は、「ほぼ突出画像ピクセル」を突出画像ピクセルに変化させる及びその逆に変化させる。図２Ｂにおいて、ウォーターマーク上に置かれるピクセル２３はここでは突出画像ピクセルの１つであり、よって塗りつぶした円で示される。ウォーターマーク上に置かれていないピクセル２６は、もはや突出画像ピクセルの１つではない。これにより、４つの突出画像ピクセルのうち３つが修正の工程の後、ウォーターマーク上に置かれる。
【００１２】
図３Ａ及び図３Ｂは、前記工程をヒストグラム形式で説明する。参照番号３０は、突出数に対する突出ピクセル数のグラフである。番号３１は、ウォーターマークパターンＷ上に置かれるピクセルを示し、番号３２はウォーターマーク上に置かれていないピクセルを示す。陰影を付けたエリアは突出画像ピクセルのセットを示す。この実施例において、前記セットは、与えられた値Ｓ_１よりも大きい突出を有する全てのピクセルを含んでいる。代わりに、前記セットが突出画像ピクセルを既定数持ってもよい。図３Ａは、ウォーターマーク上に置かれる突出画像ピクセルの５５％を有するウォーターマークされない画像のヒストグラムを示す。図３Ｂは、（ライン３１を右にシフトする）ウォーターマーク上に置かれるピクセルの突出を増大させ、（ライン３２を左にシフトする）ウォーターマーク上に置かれていないピクセルの突出を減少させた後のヒストグラムを示す。このステップの後、突出画像ピクセルの７０％がウォーターマーク上に置かれる。
【００１３】
前記装置の好ましい実施例において、突出を修正する工程は、突出画像ピクセルの既定された多くの数、例えば７０％がウォーターマーク上に置かれることが分かるまで繰り返されてもよい。このような実施例は図４に示される。前記装置は、かなりの割合の突出画像ピクセルがウォーターマーク上に置かれたことが分かるまで、処理された画像Ｉ_ｗは抽出モジュール１０にフィードバックされ、決定モジュール１１が信号Ｄ＝１を生成するという点で図１に示される装置とは異なる。
【００１４】
画像処理モジュール１２により実行されるピクセルの突出を増大させるステップは、この突出Ｓを増やすように輝度及び／又はクロミナンス画像ΔＩを画像Ｉに局部的に加えることを含んでいる。同様に、ピクセルの突出を減少させることは、突出Ｓを減らすように輝度及び／又はクロミナンス画像ΔＩを画像Ｉに加えることを含んでいる。この観点において、修正する方法は、突出を計算する方法とかなり関係があることが理解される。
【００１５】
本発明に係る装置の１つの実施例において、二次元フィルタは、突出計算手段１０１を形成する。このようなフィルタは、例えば式１のような３×３の行列である行列Ｆによって以下に示される。
【式１】

【００１６】
（ｉ及びｊはそれぞれ垂直及び水平ピクセル位置を示す）ピクセルＩ_ｉ，ｊの突出Ｓ_ｉ，ｊは、式２によって定められる。
【式２】

【００１７】
本発明の１つの実施例において、フィルタＦはラプラスフィルタ(Laplace filter)である。これは、ピクセル値の局部的最小及び最大を示す値を戻すハイパスフィルタである。ピクセル値Ｉ_ｉ，ｊがそれの隣接部の平均と等しい場合、フィルタは値０を戻す。３×３のラプラスフィルタは、行列で表される。
【式３】

【００１８】
この実施例において、ピクセルの突出Ｓ_ｉ，ｊは、マトリックスＦの重み付けらたバージョンを画像に加えることで修正される。数学的表記において、式４は突出を増大させ、式５は突出を減少させる。
【式４】

【式５】

ここでλは、与えられた重み付け因子であり、Ｉは中央に突出ピクセルを有する３×３の副画像であり、Ｉ_ｍは修正された３×３の副画像である。
【００１９】
図５はこの修正工程の実施例を示す。番号５１は中央にＩ_ｉ，ｊ＝９の強さを持つ突出ピクセルを備える３×３の副画像を示す。このピクセルは式２に従ってＳ_ｉ，ｊ＝４５の突出を有する。番号５２は式４とλ＝０．１とに従って処理された後の副画像を示し、これは突出をＳ_ｉ，ｊ＝５２．５に増大させる。番号５３は、式５とλ＝０．１とに従って処理された後の副画像を示し、これは突出をＳ_ｉ，ｊ＝３７．８に減少させる。
【００２０】
突出Ｓ_ｉ，ｊを増大させる代わりの方法は、Ｓ_ｉ，ｊは既に大きく、副画像Ｉそれ自身は、突出を増やすのに使用、すなわちＩ_ｍ＝Ｉ＋λＩを使用するという認識に基づいている。
【００２１】
装置の他の実施例において、突出計算手段１０１は、端部及び／又はコーナー検出器によって形成され、ピクセルの突出はこの端部又はコーナーの強さで示される。コーナー検出器自体は知られている。有利な実施例は、C.Harris及びM.Stephens著、「A Combined Corner and Edge Dector」Proceedings of the 4th Alvey Vision Conference,1988 頁147-151に記載されている。このコーナー検出器は、式６の行列で規定される。
【式６】

【式７】

【式８】

式７は標準偏差σを持つガウス関数であり、式６の記号^＊はたたみ込みを示し、式８はそれぞれｘ方向及びｙ方向における画像の偏導関数である。行列Ｍは以下の離散的近似(discrete approximation)を用いることにより比較的容易に計算することができる。
【式９】

【式１０】

式１０の形式で書かれるこの行列Ｍは、行列式Ｄ＝ＡＢ−Ｃ^２及びトレースＴ＝Ａ＋Ｂを持つ。コーナーの強さＲは、ここでＲ＝ｋＴ^２により規定される。ここでｋは、例えばｋ＝０．０１であるような適当な定数である。コーナーの強さＲは、コーナーに対しては正であり、端部に対しては負であり、平面範囲においてはほぼ０である。
【００２２】
図６は、５×５の副画像の例を幾つか示す。これら副画像の中央ピクセルが大きなコーナーの強さを持っていることがわかる。これらピクセルがマルチビットの輝度及びクロミナンスレベルを持ったとしても、前記副画像は２値（バイナリ）画像として示される、つまり平均又は中間値よりも強い強さを持つピクセルは白、平均又は中間値よりも弱い強さを持つピクセルは黒で示される。幾つかの副画像に対し、中央ピクセルが実際にコーナーにあることが直ちに明らかとなるのに対し、幾つかの副画像はそうではないことに注意されたい。
【００２３】
前記コーナーの強さを増すことは、コーナーを示すピクセルと補充ピクセルとの間のコントラストを増大させること、例えば図６における白色ピクセルの強さに量ΔＩを加え、及び／又は図６における黒色ピクセルから量ΔＩを抜き取ることで達成される。前記コーナーの強さを弱めることは、反対の操作、すなわち白色ピクセルからΔＩを抜き取り、黒色ピクセルにΔＩを加えることで得られる。
【００２４】
上述において、突出ピクセルのかなりの割合がウォーターマークパターンの周辺に置かれる場合に画像がウォーターマークされると仮定されている。しかしながら、補足的定義が実際に用いられてもよい、すなわち、突出ピクセルのかなりの割合がウォーターマークパターンの外側に置かれる場合に、画像がウォーターマークされることが理解されるであろう。
【００２５】
不十分な突出ピクセルが入力画像の一定のエリアに見られることも更に注意されたい。これは特に、例えば漫画のような人工的な画像の一様なエリアの場合でもよい。この場合において、ウォーターマーク上に置かれる突出ピクセルが、とりわけ、特定のノイズパターンを画像の前記エリアに加える、ラプラスフィルタのフィルタ係数に対応する強さを加える又はコーナーを人工的に作り出すことで作り出される。
【００２６】
要約すると、画像内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る。このウォーターマークは、例えばライン（２０）のパターンのような画像ピクセルの疑似ランダムであり稠密な副セットからなる。例えば局部的な極値、コーナー又は端部のような多数の突出画像ピクセル（２１−２６）が識別され、これらがラインパターン（２１−２３）に（すなわちこのパターンの周辺δ内に）置かれるかが決定される。ウォーターマークされていない画像において（図２Ａ）、ウォーターマーク上に置かれる突出画像ピクセル（２１）の数は、ウォーターマーク上に置かれていない突出画像ピクセル（２５，２６）の数と実質的に同じである。突出画像ピクセル（２１，２３，２５）の大多数（２１，２３）が前記ラインパターンの周辺にそのうち位置するように突出ピクセルの突出を修正することで、前記画像がウォーターマークされる（図２Ｂ）。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る画像内にウォーターマークを埋め込む装置を概略的に示す。
【図２Ａ】 図２Ａは、図１に示される装置の動作を説明するために、ウォーターマークパターン及び突出ピクセルを示す。
【図２Ｂ】 図２Ｂは、図１に示される装置の動作を説明するために、ウォーターマークパターン及び突出ピクセルを示す。
【図３Ａ】 図３Ａは、図１に示される装置の動作を説明するためにヒストグラムを示す。
【図３Ｂ】 図３Ｂは、図１に示される装置の動作を説明するためにヒストグラムを示す。
【図４】 図４は、本発明に係る画像内にウォーターマークを埋め込む装置の更なる実施例を示す。
【図５】 図５は、突出ピクセルを識別及び修正する他のオプションの動作を説明するために副画像を示す。
【図６】 図６は、突出ピクセルを識別及び修正する他のオプションの動作を説明するために副画像を示す。
【符号の説明】
１０ 突出点抽出モジュール
１１ 決定モジュール
１２ 画像処理モジュール
１０１ 突出計算手段
１０２ 選択回路
２０ ライン
２１、２２、２３、２４、２５、２６ 突出ピクセル

Claims (9)

1. 画像ピクセルの突出を計算する計算ステップ、突出画像ピクセルを識別する識別ステップ及び既定の割合の突出画像ピクセルが既定のウォーターマークパターンの周辺に置かれる処理をする処理ステップを有する、画像内にウォーターマークを埋め込む方法において、前記処理ステップは、突出画像ピクセルの突出を減少させ及び／又は増加させることにより突出画像ピクセルの突出を修正する修正ステップを有することを特徴とする方法。
2. 前記修正ステップは、前記ウォーターマークパターンの周辺に置かれていない突出画像ピクセルの突出を減少させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記修正ステップは、前記ウォーターマークパターンの周辺に置かれる突出画像ピクセルの突出を増大させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記計算ステップは、前記画像をフィルタリングするステップを有し、前記処理ステップは、前記突出画像ピクセルの突出の所望の修正に従って前記フィルタの応答を修正するように、前記画像から選択される突出画像ピクセル及び当該選択された突出画像ピクセルを囲む複数のピクセルを含む副画像のピクセル値を変化させるステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記フィルタは二次元フィルタであり、前記修正ステップは、副画像と前記フィルタのフィルタ係数との線形結合を作り出すステップを有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記フィルタはコーナー検出フィルタであり、当該フィルタの応答はコーナーの強さＲを表し、前記修正ステップは前記コーナーの強さを修正するように、前記副画像のピクセル値を変化させるステップを有し、
   前記フィルタは行列
   

   

   で定義され、ここで
   

   

   は標準偏差σによるガウシアン関数、シンボル＊は畳み込み、 I _x ， I _y はそれぞれｘ方向及びｙ方向における画像Ｉの偏導関数
   

   

   及び
   

   

   であり、前記行列が
   

   

   の形式で書かれたときに、コーナーの強さＲが、Ｒ＝Ｄ−ｋＴ ^２ （Ｄ＝ＡＢ−Ｃ ^２ 、Ｔ＝Ａ＋Ｂ）で定義されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 前記処理ステップで処理した画像をフィードバックするステップを有し、前記既定の割合の前記突出画像ピクセルがウォーターマークパターンの周辺に置かれるまで、計算、識別及び処理ステップを繰り返し実行することをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 一様な画像エリアに既定のピクセルパターンを加えることで前記画像エリアに突出画像ピクセルを作り出すステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 画像内にウォーターマークを埋め込む装置であり、画像ピクセルの突出を計算する計算手段、突出画像ピクセルを識別する識別手段及び突出画像ピクセルの既定の割合が既定のウォーターマークパターンの周辺に置かれる処理をする処理手段を有する装置において、前記処理手段は、突出画像ピクセルの突出を減少させ及び／又は増加させることにより前記突出画像ピクセルの突出を修正することを特徴とする装置。

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