JP4082131B2 - 透かし挿入方法、装置、プログラム、媒体および画像販売方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、復号された変換係数に作用する、デジタル画像及びビデオ用の規格又はフォーマット整合性を有する可視透かし挿入技術に関する。該技術は、装置、方法及びソフトウェア等の命令のプログラムにおいて実施化することができる。
【0002】
【関連技術の説明】
透かしは、デジタル画像のようなホスト信号の原内容に埋め込まれるデジタルパターンである。透かしは、空間ドメイン表現におけるピクセル値を操作することにより、又は周波数(例えば、DCT)ドメイン表現における或る変換係数を変更することにより、デジタル画像に挿入することができる。JPEG又はMPEG圧縮規格において使用されているもののようなブロック型DCT表現の場合、選択されたブロックにおける周波数係数を変更することにより、所望の透かし模様を生成することができる。
【0003】
異なる目的によって、異なるタイプの透かしが存在する。或るタイプの透かしはデジタル画像又はビデオフレーム(又は複数のフレーム)に見えるように適用されて、該画像又はビデオの無許可の使用を防止し又は牽制する。透かしは、画像又はビデオフレームの角部における小さなロゴ等の、何か単純で目立たないものとすることもできる。しかしながら、このような透かしは、品質の重大な損失無しに、容易に切除(クロッピング)したり、又は隠蔽することができる。他の極端な例では、キーにより元に戻す(アンドゥする)ことができるような態様で、全体の画像を崩す(“コラプトさせる”)こともできる。これは、素直な暗号化がデータフォーマットの整合性をたもてない点を除けば、全てのデータを暗号化することに類似している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、上述した両極端の間に存在する可視透かしの挿入の問題に対処する透かし挿入技術を提供し、静止画像及びビデオに関する一連の解決策を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の1つの態様によれば、デジタルデータに透かしを挿入する方法が提供される。該透かしが挿入されるデジタルデータは、符号化された変換係数の複数のブロックを有し、これらブロックの各々はDC係数のような第1型係数とAC係数のような複数の第2型係数とのうちの1つを含む。該方法は、上記デジタルデータの所定のパターン領域における各ブロックにスクランブル処理アルゴリズムを適用して、結果としての透かし挿入されたデジタルデータがフォーマット整合性を有するように上記透かしを該デジタルデータに挿入するようなステップを有する。上記スクランブル処理アルゴリズムは、少なくとも下記スクランブル処理のうちの少なくとも1つを実行することにより適用される。即ち、(i)上記パターン領域におけるブロックの少なくとも幾つかに対して、第2型係数のうちの選択されたものの各々の絶対値(magnitude)ビットを擬似乱数で排他的論理和(XOR)処理する、(ii)上記パターン領域における選択された数のブロック対に対して、各対における一方のブロックからの複数の第2型係数を当該対における他方のブロックからの複数の第2型係数と入れ替える(スワップする)、(iii)上記パターン領域における第1系列のブロックにおけるブロックに対して、該第1系列におけるブロックの間で第1型係数の差分値をシャッフルする、又は(iv)上記パターン領域における第2系列のブロックにおけるブロックに対して、第1型係数の選択されたビットを該第2系列におけるブロックの間でシャッフルする。
【0006】
上記の挿入された透かしは、好ましくは、見えるもので且つ目立つものとし、上記スクランブル処理アルゴリズムは好ましくは可逆的なものとする。
【0007】
好ましくは、前記第2型係数の各々は、Viの1の補数表現の最下位位置からのs(Vi)のビットが後続するようなコード(Ri,s(Vi))により符号化される。そして、前記スクランブル処理アルゴリズムが少なくとも前記処理(i)を実行することにより適用されるなら、前記第2型係数のうちの選択されたものの各々の、擬似乱数により排他的論理和処理される振幅ビットは、好ましくは、当該係数のs(Vi)ビットを有するようにする。
【0008】
前記スクランブル処理アルゴリズムが少なくとも前記処理(ii)を実行することにより適用される場合は、好ましくは、該処理(ii)が適用される前記選択された数のブロック対が前記デジタルデータの所定の数の行内に位置するように制限されるようにする。
【0009】
前記スクランブル処理アルゴリズムが少なくとも前記処理(iii)を実行することにより適用される場合は、好ましくは、前記第1型係数の差分値が、前記第1系列内のブロックの間で、該第1系列のブロックにおける第1型係数の値の和を変化させずにシャッフルされるようにする。
【0010】
前記スクランブル処理アルゴリズムが少なくとも前記処理(iv)を実行することにより適用される場合は、好ましくは、前記第2系列におけるブロック間でシャッフルされる前記第1型係数の選択されたビットが、選択された左端ビットであるようにする。
【0011】
本発明の他の態様は、ビデオフレーム(又は複数のビデオフレーム)を含むことができる画像に複数の透かしを挿入する方法に関する。該画像は、各ブロックが第1型係数及び複数の第2型係数の1つを含むような複数のブロックの符号化された変換係数を有する。そして、本方法は、第1透かしを前記画像の第1所定パターン領域における各ブロックに適用するステップと、第2透かしを前記画像の第2所定パターン領域における各ブロックに適用するステップとを有し、前記複数の透かしは結果としての透かし挿入された画像がフォーマット整合性を持つように挿入され、各透かしは上述したスクランブル処理(i)、(ii)、(iii)及び(iv)のうちの少なくとも1つを実行することにより適用される。
【0012】
この方法の場合、好ましくは、前記第1所定パターン領域が前記画像の中心領域を有し、前記第2所定パターン領域が該中心領域を囲む周辺環状部を有するようにする。
【0013】
本発明の他の態様によれば、上述した方法又は斯かる方法のステップの何れかは命令のプログラム(即ち、ソフトウェア)として実施化することができ、斯かるプログラムは、実行のために、コンピュータ又は他のプロセッサ制御装置上に記憶し、又は斯かる装置に伝送することができる。他の例として、本方法及び斯かる方法のステップの何れかは機能的に等価なハードウェア(例えば、特定用途専用集積回路(ASIC)及びデジタル信号処理回路等)又はソフトウェアとハードウェアとの組合せを用いて実施化することもできる。
【0014】
他の態様においては、本発明は、各ブロックが第1型係数及び複数の第2型係数の1つを含むような複数のブロックの符号化された変換係数を有するデジタルデータに透かしを挿入する装置に関係する。該装置は、前記デジタルデータの所定のパターン領域における各ブロックにスクランブル処理アルゴリズムを適用して、該デジタルデータに前記透かしを、結果としての透かし挿入されたデジタルデータがフォーマット整合性を持つように挿入するよう構成された処理装置を有する。上記スクランブル処理アルゴリズムは、前述したスクランブル処理(i)、(ii)、(iii)及び(iv)のうちの少なくとも1つを実行することにより適用される。
【0015】
好ましくは、前記処理装置は、マイクロプロセッサ、特定用途用集積回路及びデジタル信号プロセッサのうちの少なくとも1つであるとする。
【0016】
本発明の他の態様によれば、ネットワークを介して画像(ビデオを含むことができる)を販売する方法が提供される。この方法は、ネットワーク閲覧ソフトウェアによりアクセス可能なネットワークサイト上に複数の画像を維持するステップと;前記ネットワーク閲覧ソフトウェアを実行する顧客が、前記ネットワークサイトにアクセスして前記複数の画像の各々の低品質版を見るのを可能にするステップと;前記顧客が、前記画像の少なくとも1つを選択すると共に、選択された各画像の透かし挿入版を取り込むのを可能にするステップと;指定された支払いと引き替えに前記顧客にキーを送信し、これにより前記支払いが受領された選択された各画像の高品質無透かし版を前記顧客が見又は印刷することができるようにするステップとを有し、前記選択された各画像上の透かしはスクランブル処理アルゴリズムにより当該画像の所定のパターン領域に、結果としての透かし挿入された各画像がフォーマット整合性を持つように挿入されており、前記スクランブル処理アルゴリズムは、前述したスクランブル処理(i)、(ii)、(iii)及び(iv)のうちの少なくとも1つを実行することにより適用される。
【0017】
好ましくは、前記顧客により見ることが可能な前記各画像の低品質版は、サムネイル版であるとする。
【0018】
更に、前記キーは、逆スクランブラ及びプリンタドライバを含むものとすることができると共に、セッションに基づくものとすることもできる。
【0019】
ネットワークを介して画像(ビデオを含む)を販売する他の方法は、ネットワーク閲覧ソフトウェアによりアクセス可能なネットワークサイト上に複数の画像を維持するステップと;前記ネットワーク閲覧ソフトウェアを実行する顧客が、前記ネットワークサイトにアクセスして前記複数の画像の各々の低品質版を見るのを可能にするステップと;前記顧客が、前記画像の少なくとも1つを選択するのを可能にすると共に、中心領域のような第1所定パターン領域に第1透かしを有し且つ上記中心領域を囲む周辺環状部のような第2所定パターン領域に第2透かしを有するような選択された各画像のバージョンを取り込むのを可能にするステップと;第1の指定された支払いと引き替えに前記顧客に第1キーを送信し、該キーにより、前記第1の指定された支払いが受領された選択された各画像の前記第1透かしを前記顧客が除去することができるようにするステップと;第2の指定された支払いと引き替えに前記顧客に第2キーを送信し、該キーにより、前記第2の指定された支払いが受領された選択された各画像の前記第2透かしを前記顧客が除去することができるようにするステップとを有し、前記第1及び第2透かしは、透かし挿入された各画像がフォーマット整合性を持つように、且つ、前述したスクランブル処理(i)、(ii)、(iii)及び(iv)のうちの少なくとも1つを実行することにより挿入されている。
【0020】
本発明の他の目的及び利点並びに完全な理解は、下記の詳細な説明及び請求項を添付図面と共に参照することにより明らかとなり且つ認識されるであろう。
【0021】
【発明の実施の形態】
A.概要
本発明は、透かし挿入されたデジタルデータの無許可の使用を防止又は牽制し、このようにすることにより、現実の及び実際的な市場の画像処理アプリケーションで生じる種々の問題を解決するような可視透かし挿入技術を提供するものである。この発明により提供される該解決策の概要を以下に説明する。
【0022】
図1の(a)に示すような静止画像Iを考察してみよう。本発明は、I’=S(I,K)がIと同一の寸法の画像であり、且つ、特有なパターンを形成する或る領域におけるものを除いてIと類似するような、キーにより保護されたスクランブル処理アルゴリズムSを設ける。可視透かしを有するこれらの領域において、スクランブル処理された画像I’は乱れて又は崩れて見える。全体としての及び意図する効果が、図1の(b)の画像により例示されている。該スクランブル処理は、攻撃者がキーKを知らずにはI’から原画像を再生することが殆ど不可能であるという意味で安全である。更に、該スクランブル処理は、該キーが与えられれば、完全に可逆的である。即ち、D(I’,K)がIと正確に同一となるような相補的逆スクランブル処理アルゴリズムDが存在する。ビデオの場合における効果も、本質的に同一であり、スクランブル処理されたビデオは見ることができるが、ビデオフレームの少なくとも幾つかの部分を崩すような特有のパターンを示す。比較のため、2つの伝統的な可視透かし挿入方法の例も、図1の(c)及び(d)に示されている。図1の(c)は、単純なアルファ混合により生成された“混合された”可視透かしを示し、図1の(d)は最も簡単な可視透かし、即ち画像の角部におけるロゴ、を示している。
【0023】
非圧縮生画像に関しては、図1(b)に示す所望の効果は、例えば、上記パターン領域におけるピクセル値を、キーにより保護された擬似乱数系列により排他的論理和(XOR)処理することにより達成することができる。この方法は、非圧縮画像に対しては許容できるものであるが、(損失性)圧縮データに対しては特に有効ではない。圧縮は複雑さを招く。即ち、生ピクセルを変更する方法は、先ず画像が伸張され、次いで変更が加えられ、そして該画像が再び圧縮されるという、損失性処理を必要とする。このような方法においては、原画像が後の逆スクランブル処理において正確に再現され得ることを保証するのは困難である。
【0024】
本発明は、この問題を解決するために、変換係数符号化されたホスト信号(例えば、ハフマン符号化されたJPEG画像)に対してスクランブラS及び逆スクランブラDを設ける。本発明によれば、圧縮画像Iがスクランブル処理されて、同一の圧縮フォーマットにおいて有効な画像であると共に固有のパターンを示すようなI’=S(I,K)を生成する。(当該説明は圧縮画像に対するものであるから、表記は、圧縮画像を示すためのc(I)のような如何なる追加の修飾子によっても複雑化されていないことに注意されたい。)このフォーマット整合型可視透かし挿入方法の非常に有利な特徴は、該I’を、Iを見ることができる如何なる画像ビューアによっても見ることができると共に、画像及び/又はネットワークシステムの如何なる圧縮認識(compression−aware)構成要素をも通過させることができる点にある。
【0025】
幾つかの実施例においては、上記スクランブル処理アルゴリズムは、他の望ましい特性、即ち何の符号化オーバーヘッドも導入しないという特性も同様に提供する。即ち、I’の(バイトでの)サイズは、Iのものと同一である。他の実施例においては、透かしが一層強く表れるように少しのサイズの増加を生じるような変形スクランブル処理アルゴリズムが提供される。
B.JPEGの検討
JPEG(“Joint Photographic Experts Group”)圧縮規格は、画像の効率的な記憶及び伝送のために広く使用されている変換型画像圧縮/伸張アーキテクチャである。本発明の技術は他の既知の圧縮/伸張フォーマットと共に使用することもできるが、かかる技術は上記の広く受け入れられているJPEG規格に配慮しながら特別に設計されている。従って、本発明の可視透かし挿入技術に関連する部分を強調しながら、JPEGの幾つかの核心的概念を以下に考察する。
【0026】
JPEG画像は、離散コサイン変換(DCT)を使用して変換され、64のスカラ量子化器のテーブルを用いて量子化され、次いでエントロピ符号化された8x8ブロックからなっている。該画像の8x8ブロックは最小符号化単位(MCU)にグループ化される。各MCUは当該画像の等しい面積に対応し、この面積の寸法は8の倍数である。MCUを有する異なるカラー面からの8x8ブロックの数は、サブサンプリングに依存して相違してもよく、これに関する詳細は多数のJPEG文献の何れにおいても見付けることができる。本発明の目的のためには、Nカラー面からなるJPEG画像Iの構造を以下のように要約するだけで充分である。
1.Iは符号化されたMCUの系列である。各々がwのMCUのh行が存在する。これらMCUはラスタ順序で符号化される。
2.各MCUは、カラー成分番号n(0≦n<N)からのmnの8x8ブロックからなる。
3.MCUは、カラー成分番号0からのm0ブロックを(当該MCU内のラスタ順で)、次いで成分1からのm1ブロックを、等々と符号化することにより符号化される。
【0027】
このJPEG画像構造をカラー成分毎の態様で考察するのが有効である。即ち、8x8ブロックを各(サブサンプルされ得る)カラー成分毎に別個に、及びJPEGフォーマット内で見付かるであろう相対順序で見る。これは、MCUに関して更なる詳細を参照する必要がないので、提示を簡略化する。Fn,kが、カラー成分番号nからのk番の8x8ブロックの量子化係数を示すものとする。この表記は、サブサンプリング及びMCU構造故に、kは必ずしもブロックのラスタインデックスである必要はないという事実を取り込んでいることに注意されたい。ここで、0≦n<N及び0≦k<whmkである。この表記が図2に図示され、該図はY、Cb、Crフォーマットの典型的なJPEG画像の3つのカラー面を示し、ここでクロミナンス成分(Cb及びCr)は水平方向及び垂直方向の両方において2によりサブサンプルされている。太い線はMCUを分離する一方、細い線は当該MCUのY成分内の8x8ブロックを分離している。各々のCb及びCrのMCUは、1つの8x8ブロックのみからなっている。透かし模様上に位置するブロックは陰影で示されている。画像の幅は160で、MCUは当該画像の16x16の領域である。
【0028】
Fn,k(Z)を、JPEGに使用されるジグザグ順序における係数番号z(0≦z≦63)を示すものとする。最初の係数Fn,k(0)はDC係数であり、該係数は8x8ブロックにおける全ピクセル値のスケールされた平均である。各カラー面のブロックにおけるDC値は、ブロック間の相関を利用するためにJPEGにおいては差分的に符号化される。このように、k>0に関しては、ビットストリームにおいて符号化される値はFn,k(0)−Fn,k−1(0)である。Dn,0=Fn,0(0)であることに配慮しながら、Dn,kがこの差分DC値を示すものとしよう。
【0029】
JPEG規格は、エントロピ符号化のために、ハフマン符号化又は算術符号化の何れかが使用されるのを許容している。本発明の技術は如何なる既知のエントロピ符号化と共に使用することもできるが、ハフマン符号化が殆どの場合に選択される代替例であるので、下記の議論はハフマン符号化された画像に焦点を合わせる。ハフマン符号化されたJPEG画像においては、差分DC値Dn,kは下記のように符号化される。符号化すべき値vが与えられたとして、s(v)はvの“絶対値分類(magnitude category)”を示し、これは|v|における最上位の1までのビットの数である。例えば、s(0)=0、s(1)=s(−1)=1、s(3)=s(2)=s(−2)=s(−3)=2、等々となる。JPEGビットストリームは、s(Dn,k)に対するハフマンコードに、Dn,kの1の補数からのs(Dn,k)個の最下位側ビットが後続したものからなる。DCハフマン符号化テーブルは、異なるカラー成分に対しては相違することができ、又は斯かるテーブルの幾つかは同一とすることもできる。
【0030】
AC係数(1≦z≦63)も、絶対値分類関数s(.)を使用する。更に、JPEGフォーマットにおいては、AC係数系列内の零の長いランの頻繁な発生状況も利用される。ブロックFn,kにおけるAC係数の系列に関して、
(R0,V0),(R1,V1),…,(RL,VL)
なる表現を考察する。
【0031】
ここで、R0は最初の非零係数(値V0を持つ)に繋がる零のランの長さである。これには、R1個の零のランが後続し、次いで他の非零値(V1)が、等々となる。JPEGビットストリームは、(Ri,s(Vi))の対に関するハフマンコードからなる。このような各コードには、Viの1の補数表現における最下位位置からとられるs(Vi)の追加のビットが後続する。ACハフマン符号化テーブルも、異なるカラー成分に関しては相違してもよい。
C.スクランブル処理アルゴリズム
スクランブル処理の目標は、前記パターン領域内に位置する8x8ブロックを“崩す”一方、復号された画像が該パターン外では崩れることがないことを保証すると共に、この崩れが逆スクランブラにより元に戻す(アンドゥ)することができることも保証することである。
【0032】
ρ(n,k)を、Fn,k(成分番号nからのブロック番号k)が当該パターン領域内に位置する場合、且つ斯かる場合にのみ1となるような二進関数とする。該関数ρ(従って、当該パターン)は秘密である必要はなく、従って如何なる攻撃者にも利用可能である。幾つかの実施例においては、該スクランブル処理アルゴリズムはJPEG画像I’=S(I,K)を、ρ(i,j)が零であるようなMCUに関してはI’及びIが正確に同一となるように、且つ、ρ(i,j)が1の場合は明確に相違するように、効率的に生成する。言い換えると、ρが1であるブロックはSによりスクランブル処理される。逆スクランブラDは、正しいキーで以って、該スクランブル処理を完全に逆処理する。
【0033】
該スクランブル処理アルゴリズムは一連の処理を有する。或る実施例においては、これらの処理の全てが適用される一方、他の実施例においては、これらの処理の部分集合が適用される。現実的な実施化においては、選択された処理(又は複数の処理)が当該画像を介しての単一のパスで適用される。明瞭化のために、これら処理の各々を以下に別々に説明する。当該スクランブル処理及び逆スクランブル処理アルゴリズムは、好ましくは、秘密キーを種とする共通の擬似乱数発生器(PRNG)を使用する。PRNGは、マスキング値、並びにランダムな順列(permutations)及び選択(selections)を発生するためにも使用することができる。当該表記を単純に維持するよう、値、順列又は選択がPRNGを起動することにより得られたことを示すために下付け文字PRNGが使用される。
C.1. ACマスク
ρ(n,k)=1が成り立つ各ブロックFn,kに対して、AC係数の絶対値ビットが、PRNGから得られた値とXOR処理することによりマスクされる。前述したように、AC係数は、これら係数をラン値の対(Ri,Vi)にグループ化することにより符号化され、符号化されたビットストリームは(Ri,s(Vi))に対するハフマンコードにViの1の補数表現の最下位位置からのs(Vi)のビットが後続するものからなる。これらのs(Vi)ビットをBと呼ぶと、当該ACマスキング処理はBのB(XOR)XPRNGによる置換を有し、ここでXPRNGは乱数を表す。この処理はフォーマット整合性を維持すると共に、符号化された画像のサイズを変更することはない。当業者にとっては、逆スクランブラが上記処理をXPRNGによりXOR処理することにより逆処理することができることは明らかであろう。
C.2. ACスワップ
AC係数はブロックからブロックへと独立に符号化されるので、AC係数の全体はρが1であるような如何なる2つのブロックの間でもスワップ(交換)することができる。即ち、ρ(n,k1)=ρ(n,k2)=1であれば、Fn,k1(1,…,63)はFn,k2(1,…,63)と入れ替えることができる。この処理はビットレートを全く変えることはない。事実、2つのカラー成分に関するACハフマンテーブルが同一であれば(JPEG画像におけるクロミナンス成分Cb及びCrに関して通常そうであるように)、これらの成分の間でも斯かるスワップを実行することができる。
【0034】
実際には、スクランブラ及び逆スクランブラのバッファ処理要件を最小化するために、斯かるスワップは少数の行内でのみ実行する方がよい。このように、一実施例においては、当該ACスワップ処理は、バッファされる量のMCUの行内に位置するように制限された複数の対のブロックFn1,k1、Fn2,k2を(前記PRNGを用いて)選択し、両方の選択されたブロックが当該パターン内に位置すると共に同一のACハフマンテーブルを使用するようにする。このような対の各々に関して、全AC係数が入れ替えられる。
C.3. DCシャッフル
上述した2つの処理はAC係数を変更した。しかしながら、実際には、DC係数に対する変更の方が、AC係数に対する変更よりも透かしの見え方に一層大きな影響を有する。従って、この及び次の節はDC係数を変更する処理を説明する。
【0035】
各々が当該パターン上に位置する、
Fn,k,Fn,k+1,…,Fn,k+L−1
なる最大の連続した系列のL個のブロックを(カラー成分番号n内で)考察する。これは、ρ(n,k−1)=ρ(n,k+L)=0、及びk≦i<k+Lに対してρ(n,i)=1となる意味で最大である。DCシャッフル処理は差分DC値をシャッフルすることにより、該系列内で各ブロックのDC値を崩す一方、該系列後の最初のブロックに関するDC値は変更されないままとなり、所要のビットは同一のままとなることを保証する。
【0036】
Fn,kに対する差分DC値を示すためにDn,kなる表記が使用されることを思い出すと、上記系列の後のブロックに関するDC値は、
なる式(1)により与えられる。
【0037】
このように、和
が変化しない限り、個々のDn,i値は当該系列後の最初のブロックのDC値に影響を与えることなく自由に変更することができる。更に、該変更が単に上記Dn,iを交換(permute)することによりなされるなら、ビットレートも正確に同一となるであろう。
【0038】
一実施例においては、当該DCシャッフル処理はランダム順列σPRNGを発生し、該順列をDn,i値の系列(k≦i<k+L)に適用する。該系列の後の最初のブロックの差分DC値も該順列に加入するが、正味の結果としては該ブロックのDC値(実際の、差分ではない)は変化されないことに注意されたい。
C.4. DCビットシャッフル
図3は、前の節で識別されたDC値の系列を示している。ここで、最初のL個のブロックは崩されるべきものであるが、ブロックFn,k+Lはρ(n,k+L)=0を有しており、伸張時に変更されずに残される必要がある。該図は、右端の列(番号0)から開始し当該差分DC値の絶対値分類に対応する列番号までの1及び0ビット値を示している。このように、行Dn,iにおいてはs(Dn,i)及びそれより大きい番号の全ての列はXにより印され、これらビットが当該ビットストリームには存在しないことを示している。
【0039】
ここで、このブロック系列(k≦i<k+L)におけるDn,i値のビット的構成を考察する。簡略化のために、下付け文字nは省略されている。siがs(Dn,i)を示し、(0≦j<si)のbi(j)がDn,iの1の補数表現のsi個のビットを示すとする。この場合、
となる。ここで、最初の項は、左端のビット(即ち、ビット番号si−1)が0である場合に適切な負の数が減算演算2si−1により得られることを保証するだけである。式(2)は、
と書き換えることができる。1の補数の表現のために、各Dn,iの左端のビットbi(si−1)が不均衡な(disproportionate)重みを有していることに注意されたい。
【0040】
式(3)からのDn,iの値を式(1)に代入することにより、当該系列の後の最初のブロックのDC値(即ち、Fn,k+L(0))は、定数に、左端のビット以外のビットに対する重みを2jとした場合の全bi(j)値の重み付けされた和を加えたものであることが分かる。左端の各ビットの重みは3x2j−1−1である。
【0041】
このように、左端のビットと左端以外のビットとを混同しないように注意する限りにおいて、これらのビットにビット面順列を適用することができる一方、Fn,k+L(0)を変化しないように維持することができる。qが、k≦i<k+Lの場合のsiの最大値を示すものとする。この場合、各ビット面j(0≦j<q)に関して、bi(j)値内で2つの擬似ランダム順列が適用される、即ちσPRNG(j)及びπPRNG(j)である。第1順列σPRNG(j)においては、ビット面jからの左端のものであるビットのみが参加する。即ち、si−1=jとなるようなbi(j)のみがσPRNG(j)に参加する。左端以外のビットは第2順列に参加する。即ち、si−1>jとなるようなbi(j)のみがπPRNG(j)に参加する。
【0042】
これらの2qの順列(各ビット面上の2つの互いに素な順列σPRNG(j)及びπPRNG(j))を適用することは、当該パターン領域内のDC値が安全に崩される一方、最初の後続のブロックのDC値は影響されないことを保証する。更に、符号化されたサイズは、該処理の前のものと正確に同一のままとなる。
【0043】
本発明のスクランブル処理アルゴリズムに適用される4つの処理について説明した。逆スクランブラは、単に逆の処理を適用するという点で素直なものである。上記スクランブル処理は、これら処理が可逆的となるように設計されている。スクランブル処理の間になされる決定(s(Dn,i)値のような)は、当該スクランブル処理によっては影響されず、従って逆スクランブラにより同一の結果で繰り返すことができる。
C.5. 少しのサイズの増加を伴う変形例
前記4つの処理は、スクランブル処理された画像I’の圧縮されたサイズが原画像Iのものと正確に同一となるのを保証するように設計されている。時には、このようなことは厳格な要件とはならず、サイズの少しの増加を伴うことが許容される場合がある。このような状況においては、透かしの可視性を1つの追加の処理により著しく増加させることができる。ここでは、擬似乱数を当該パターン領域内の各DC値に加算することができる。かくして、ρ(n,k)=1ならば、
Fn,k(0)=Fn,k(0)+XPRNG
に設定し、ここでXPRNGは正又は負とすることができる。この処理は、上記加算をDC差分値の絶対値の限界をモジュロとして実行することに注意する場合、可逆処理となることに注意されたい。このような実際の各DC値が変更されるので、差分DC値も変化する。更に、これら変化は圧縮されたサイズを維持することを保証しない。確かに、DC係数差分の“ランダムさ”が増加されるから、圧縮されたサイズも増加するであろう。しかしながら、XPRNGの加算値に限界を設けることにより、このサイズの増加を小さく保つことができる。
D.透かし挿入処理のフローチャートによる要約
図4のフローチャートは、本発明の実施例による透かし挿入処理を例示として要約し図示したものである。この図に示されたように、ステップ41において、透かし挿入されるべき画像/フレームの復号された変換(例えば、DCT)係数のブロックが得られる。次に、ステップ42において、当該画像/フレームのうちの所定のパターン領域におけるブロックが識別される。ステップ43において、該パターン領域におけるブロックのAC係数にACマスキング処理が適用される。第2透かし挿入処理がステップ44において実行される。ここでは、当該パターン領域における或る数のブロックの対が選択され、これらブロック対の間でAC係数がスワップされる。ステップ45及び46においては、当該パターン領域内のブロックの系列におけるDC係数に対し、該系列の後の最初のブロックのDC係数に影響を及ぼすことがないように、透かし挿入処理が実行される。ステップ45において、上記パターン領域内のブロックの系列におけるブロック間で差分DC値がシャッフルされる一方、ステップ46において、該パターン領域内のブロックの系列におけるDC係数間でDCビットがシャッフルされる。これら4つの処理の何れも、当該画像のバイトサイズを増加させることはない。このことが厳格な要件ならば、当該処理は判断ブロック47の“No”端子を介して進み、透かし挿入された画像/フレームを発生する。しかしながら、少しのサイズの増加が許容されるなら、当該処理はブロック47の“Yes”端子を介してステップ48に進むことができ、該ステップにおいて他の透かし挿入処理が適用される。ここでは、当該パターン領域内の各DC係数に擬似乱数が加算され、次いで、透かし挿入された画像/フレームが生成される。
【0044】
図4に示す処理が全てサイズ保存型透かし挿入処理を採用していることが分かるであろう。これは好ましい実施例であるが、唯一の実施例ではない。他の実施例においては、適用される処理が多いほど結果としての透かし挿入は一層効果的となることに配慮しながら、これらの処理の種々の部分集合を種々の程度の有効性を達成するために適用することができる。
E.ビデオデータ
種々のMPEGフォーマットにおけるようなDCT符号化されたビデオデータの場合、動き予測は問題を生じる。前述したスクランブル処理アルゴリズムをMPEGビデオに適用する結果として、上記パターンの外側のブロック(ρが零である)の崩れが生じ得る。何故なら、これらブロックの動きベクトルは、崩された他のフレームの領域から予測され得るからである。このように、当該ビデオにおいては特有のパターンが見られるが、該パターンの外側にも付加的な崩れがあり得る。この付加的な崩れは、ビデオシーケンス及び符号化の間に使用されるブロックマッチングアルゴリズムに依存して小さくなるか又は著しくなり得る。
【0045】
この問題を軽減する1つの方法は、上記スクランブル処理を双方向符号化フレーム(Bフレーム)に対してのみ適用することである。何故なら、これらのフレームは如何なるブロック又は他のフレームの予測にも使用されないからである。典型的には、Bフレームは全フレームの重要な部分を有し、そのような場合、上記パターンは明確ではあるが、フラッシュ態様で見える。しかしながら、時には、符号化されたビデオシーケンスが如何なるBフレームも含まない場合もある。このような場合には、適切に崩され得る(即ち、該崩れを他のフレーム上の任意の領域に伝搬させることなしに)フレームは、非予測フレーム(Iフレーム)の直前の単方向予測フレーム(Pフレーム)のみである。
【0046】
請求項における“画像”及び“複数の画像”なる用語は、静止画像(又は複数の静止画像)に加えてビデオも含むことを意図するものである。
F.実施化
本発明による技術は、好都合には、図5に示す型式の画像処理システム上で実行することができるようなソフトウェアとして実施化することができる。図5に示すように、該システム50は計算資源を提供すると共に当該コンピュータを制御するような中央処理装置(CPU)51を含んでいる。CPU51は、マイクロプロセッサ等を用いて実施化することができると共に、グラフィックスプロセッサ及び算術計算用の浮動小数点双対プロセッサを含むこともできる。システム50は更にシステムメモリ52を含み、該メモリはランダムアクセスメモリ(RAM)及び読取専用メモリ(ROM)の形態とすることができる。
【0047】
多数のコントローラ及び周辺装置も、図5に示すように設けられる。入力コントローラ53は、キーボード、マウス又はスタイラスのような1以上の入力装置54に対するインターフェースを表している。本発明により処理されるべき画像を含む文書をデジタル化するためのスキャナ56又は同等の装置と通信するコントローラ55も存在する。記憶コントローラ57は1以上の記憶装置58とインターフェースし、これら装置の各々はオペレーティングシステム、ユーティリティ及びアプリケーション用の命令のプログラムを記録するために使用することが可能な磁気テープ若しくはディスク等の記憶媒体、又は光学媒体を含む。上記アプリケーションは本発明の種々の態様を実施化するプログラムの実施例を含むことができる。記憶装置(又は複数の記憶装置)58は、本発明により処理されるべきデータを記憶するために使用することもできる。表示コントローラ59は表示装置61に対するインターフェースを提供し、該表示装置は陰極線管(CRT)、薄膜トランジスタ(TFT)表示器又はビデオプレーヤとすることができる。プリンタコントローラ62も、本発明により処理された画像を含む文書を印刷するためにプリンタ63と通信するように設けられている。通信コントローラ64は通信装置65とインターフェースし、該通信装置は当該システム50が、インターネット、ローカルエリアネットワーク(LAN)若しくは広域ネットワーク(WAN)を含む種々のネットワークの何れかを介して、又は赤外線信号を含む何らかの適切な電磁搬送信号を介して、遠隔装置に接続するのを可能にする。
【0048】
図示のシステムにおいては、全ての主要なシステム構成要素はバス66に繋がり、該バスは1より多い物理的バスを表すことができる。
【0049】
本発明の特定のアプリケーションに応じて、種々のシステム構成要素は互いに物理的に接近状態にすることができるか、又はすることができない。例えば、入力データ(例えば、S又はDが適用されるべき入力画像)及び/又は出力データ(例えば、S又はDが適用された出力画像)は或る物理的位置から他の位置へと遠隔的に伝送することができる。また、本発明の種々の態様を実施化するプログラムは、ネットワークを介して遠隔位置(例えば、サーバ)からアクセスすることができる。このようなデータ及び/又はプログラムは、磁気テープ若しくはディスク又は光ディスクを含む種々のコンピュータ読み取り可能な媒体、ネットワーク信号、又は赤外線信号を含む如何なる何らかの適切な電磁搬送信号の何れかを介して伝送することができる。
【0050】
本発明はソフトウェアを用いて都合良く実施化することができるが、ハードウェアによる実施化又は組み合わされたハードウェア/ソフトウェアによる実施化も可能である。ハードウェアによる実施化は、例えば、ASIC(若しくは複数のASIC)又はデジタル信号処理回路等を用いて実現することができる。このようであるので、装置読み取り可能な媒体なる用語は、ハードウェア結線された命令のプログラムを有するハードウェアを含むものとする。これらの実施化代替例を考慮しながら、各図及びそれに伴う説明は、所要の処理を実行するためのプログラムコード(即ち、ソフトウェア)を書くために、又は斯かる処理を実行するための回路を製造するために当業者が必要とするであろう機能的情報を提供していると理解されるべきである。
G.アプリケーション
デジタルデータの無許可の使用を防止し又は牽制するよう設計された本発明の可視透かし挿入技術は、種々の現実の及び実際的な市販イメージングアプリケーションに採用することができる。1つのこのようなアプリケーションは、顧客が遠隔的に購入すると共に印刷するような高品質プロ用芸術作品を販売するインターネット型“画像ショップ”である。その構成が図6に概念的に示されている。販売に供される画像はサーバ72上に画像ファイル71として維持され、該サーバにはインターネット73としてのネットワークを介してアクセスすることができる。クライアントコンピュータ74を使用する顧客は、ウェブブラウザ75等のインターネットクライアントソフトウェアを実行して当該“画像ショップ”のウェブサイトにアクセスすることにより、芸術作品のサムネイルを閲覧すると共に彼(彼女)が興味を持つものを取り込む。彼(彼女)が高品質画像を取り込む場合、サーバ72は彼(彼女)が見ることができる透かし挿入された画像を送る。取り込まれた画像は、見ることはできるものの、目立つた可視透かしのために大幅に劣ったバージョンである。正しいキーと共に、当該顧客には統合された逆スクランブラ及びプリンタドライバを提供することができ、これが上記画像を透かし模様無しで印刷するであろう。キーの管理の問題は全体のシステムの要件に応じて変わるであろうが、上記システムにおけるキーは、例えば、セッションに基づくものとして、当該顧客の支払いに際して上記クライアントソフトウェアにより安全に取り込むことができる。
【0051】
やり取りを容易化するために、サーバ72は本発明による適切な透かし除去ツール76を含み、該ツールはソフトウェアの形態とすることができると共に、キー、逆スクランブラ及びプリンタドライバを含むことができる。上記画像は、サーバ72にアップロードされる前又は後の何れかにおいて透かし挿入することができる。後の場合は、サーバ72は本発明による透かし挿入ツールも含む。サーバ72は適切なソフトウェア77も含み、該ソフトウェアは支払いを検証すると共に上記透かし除去ツールと対話し、これによりクライアント74に対し当該透かし(又は複数の透かし)を除去するための適切なツールを送信することができる。ソフトウェア77は、好ましくは、画像、支払い及び透かし除去ツールの安全な伝送を保証するようなソフトウェアも含むものとする。
【0052】
上記システムにおいて本発明の可視透かし挿入方法を使用する利点は、全画像の単純な暗号化とは対照的に、クライアントソフトウェアが透かし挿入された画像を表示することができる点にある。更に、当該芸術作品の捕らえられるコピー(ネットワークにおいて、及びクライアントのローカルなディスクキャッシュにおいて)は目立った透かしのためにぎりぎりの価値のものに過ぎないことを知った上で、コンテンツをインターネットを介して取り込む標準の技術を使用することができる。
【0053】
ビデオに関しては、サンプルのアプリケーションが衛星又はケーブルネットワークを介して配信することができる。ここでも、透かし挿入されたビデオは、全部を見せることなく、その内容の味わいを与える程度に見ることができる。支払う顧客は、逆スクランブル処理するために要するキー(又は複数のキー)を取り込むと共に透かし挿入されていないビデオを見ることができる。
【0054】
他のアプリケーションは、同一の画像/ビデオを異なるパターン及びキーを用いて複数回透かし挿入するものを含む。例えば、第1の透かし挿入されたパターン領域は小さな中央領域を不明瞭にする。第2の透かし挿入された領域は大きな周辺の環状部を不明瞭にする。ユーザは、或る金額の金銭を支払って、上記周辺環状部上の透かしを除去するためのキーを得る。次いで、ユーザは追加の金額の金銭を支払って、上記中央領域上の透かしを除去する。
【0055】
上記説明が示すように、本発明は変換型圧縮フォーマットのデジタル画像及びビデオに対する可視透かし挿入技術を提供する。挿入アルゴリズムは画像に目立つように印を付けるために当該デジタルデータの部分に可逆的にではあるが安全にスクランブル処理を施す。当該画像に対する完全なアクセスは、当該透かしを完全に除去するための正しいキーを入手して、オリジナルと正確に同一な画像を再現することにより得られる。上記の透かし挿入されたデータは完全にフォーマット整合性を有し、殆どの技術において、オリジナルなものと同一サイズである。
【0056】
上記スクランブル処理及び逆スクランブル処理アルゴリズムは、非常に効率的であり、エントロピ(例えば、ハフマン)コードを復号することにより得られる変換(例えば、DCT)係数に作用する。有利にも、これらアルゴリズムは、上記係数が逆ジグザグ処理され又は逆量子化されることを要しない。事実、これらアルゴリズムは各ブロック内の非零係数の小さな系列を調べるだけである。
【0057】
以上、本発明を幾つかの特定の実施例に関連して説明したが、当業者にとっては上記説明に照らして、多くの他の代替例、修正例、変形例及びアプリケーションが明であろう。このように、ここに記載した本発明は、添付請求項の趣旨及び範囲内に入る限りにおいて、全てのこのような代替例、修正例、変形例及びアプリケーションを含むことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、種々の透かし挿入された画像を示し、(a)は透かし挿入されていない画像を、(b)は本発明の実施例により適用された妨害的な可視透かしを伴う(a)の画像を、(c)は従来の“混合された”可視透かしを伴う(a)の画像を、(d)は角部のロゴの可視透かしを伴う(a)の画像を各々示す。
【図2】図2は、本発明の実施例に使用されるブロック順序の概念図であり、幅160及び水平方向及び垂直方向に2によりサブサンプルされたクロミナンスを持つY−Cb−CrのJPEG画像を用いて図示されている。
【図3】図3は、差分DC値の系列に関する絶対値ビットを示す概念図である。
【図4】図4は、本発明の実施例による透かし挿入処理を示すフローチャートである。
【図5】図5は、本発明の態様を実施化するのに使用することができる例示的な画像処理システムにおける構成要素を図示するブロック図である。
【図6】図6は、本発明の態様を実施化するのに使用することができるクライアント/サーバコンピュータシステムの構成要素を図示するブロック図である。
【符号の説明】
71:画像ファイル
72:サーバ
73:インターネット
74:クライアント
75:ウェブブラウザ
76:透かし削除ツール
77:他のソフトウェア
Claims (13)
- 各ブロックが第1型係数及び複数の第2型係数の1つを含むような複数のブロックの符号化された変換係数を有するJPEG 圧縮されたデジタルデータに透かしを挿入する方法において、
該方法が、
挿入手段により、前記デジタルデータの所定のパターン領域における各ブロックにスクランブル処理アルゴリズムを適用して前記デジタルデータに前記透かしを、結果としての透かし挿入されたデジタルデータが前記デジタルデータのフォーマットと整合性を持つように挿入するステップを有し、
前記スクランブル処理アルゴリズムが、
(i)前記パターン領域における第1系列のブロック内のブロックに対し、該第1系列内のブロック間において前記第1型係数の差分値の順番を変更し、該系列後の第1ブロックのDC値が変更されないようなスクランブル処理、及び
(ii)前記パターン領域における第2系列のブロック内のブロックに対し、該第2系列内のブロック間において前記第1型係数の選択された左端ビットの順番を変更するようなスクランブル処理、
のうちの少なくとも1つを実行することにより適用されることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記スクランブル処理アルゴリズムが前記スクランブル処理(i)および(ii)のうちの少なくとも2つを実行することにより適用されることを特徴とする方法。
- 請求項1または2に記載の方法において、前記挿入された透かしが可視的で且つ目立つことを特徴とする方法。
- 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の方法において、前記スクランブル処理アルゴリズムが可逆的であることを特徴とする方法。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法において、前記スクランブル処理アルゴリズムが少なくとも前記処理(i)を実行することにより適用され、前記第1型係数の差分値が、前記第1系列内のブロックの間で、該第1系列のブロックにおける前記第1型係数の値の和を変化させずに順番が変更されることを特徴とする方法。
- 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法において、前記スクランブル処理アルゴリズムが少なくとも前記処理(ii)を実行することにより適用され、前記第2系列におけるブロック間で順番が変更される前記第1型係数の選択されたビットが、選択された左端ビットであることを特徴とする方法。
- 各ブロックが第1型係数及び複数の第2型係数の1つを含むような複数のブロックの符号化された変換係数を有するJPEG 圧縮された画像に複数の透かしを挿入する方法において、
該方法が、
第1適用手段により、第1透かしを、前記画像の第1所定パターン領域における各ブロックに適用するステップと、
第2適用手段により、第2透かしを、前記画像の第2所定パターン領域における各ブロックに適用するステップと、
を有し、
前記複数の透かしは、結果としての透かし挿入された画像が前記画像のフォーマットと整合性を持つように挿入され、各透かしが、
(i)前記パターン領域における第1系列のブロック内のブロックに対し、該第1系列内のブロック間において前記第1型係数の差分値の順番を変更し、該系列後の第1ブロックのDC値が変更されないようなスクランブル処理、及び
(ii)前記パターン領域における第2系列のブロック内のブロックに対し、該第2系列内のブロック間において前記第1型係数の選択された左端ビットの順番を変更するようなスクランブル処理、
のうちの少なくとも1つを実行することにより適用されることを特徴とする方法。 - 請求項7に記載の方法において、前記第1所定パターン領域は前記画像の中心領域を有し、前記第2所定パターン領域は該中心領域を囲む周辺環状部を有することを特徴とする方法。
- 各ブロックが第1型係数及び複数の第2型係数の1つを含むような複数のブロックの符号化された変換係数を有するJPEG 圧縮されたデジタルデータに透かしを挿入する装置において、
該装置が、
前記デジタルデータの所定のパターン領域における各ブロックにスクランブル処理アルゴリズムを適用して前記デジタルデータに前記透かしを、結果としての透かし挿入されたデジタルデータが前記デジタルデータのフォーマットと整合性を持つように挿入するよう構成された処理装置を有し、
前記スクランブル処理アルゴリズムが、
(i)前記パターン領域における第1系列のブロック内のブロックに対し、該第1系列内のブロック間において前記第1型係数の差分値の順番を変更し、該系列後の第1ブロックのDC値が変更されないようなスクランブル処理、及び
(ii)前記パターン領域における第2系列のブロック内のブロックに対し、該第2系列内のブロック間において前記第1型係数の選択された左端ビットの順番を変更するようなスクランブル処理、
のうちの少なくとも1つを実行することにより適用されることを特徴とする装置。 - 請求項9に記載の装置において、前記処理装置が、前記スクランブル処理アルゴリズムを前記スクランブル処理(i)および(ii)のうちの少なくとも2つを実行することにより適用するように構成されていることを特徴とする装置。
- 請求項9または10に記載の装置において、前記処理装置が、マイクロプロセッサ、特定用途用集積回路及びデジタル信号プロセッサのうちの少なくとも1つであることを特徴とする装置。
- 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の方法を実行するためのプログラム。
- 請求項12に記載のプログラムを記録する、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体。
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