JP4184339B2 - 損失のないデータ埋込み - Google Patents

Description

本発明は、ホスト信号内に損失なくデータを埋め込む方法および装置に関するものである。本発明はまた、そのデータを取り出し、ホスト信号を復元する方法および装置にも関するものである。

多くの透かし入れ（ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ）およびデータ隠蔽方式の１つの好ましくない副次的効果は、任意のデータの埋込先である複合信号（たとえば、画像、映像、音声）が、歪ませられることである。そのため、埋込データの量と誘起される歪み（ひずみ）との最適なバランスを見出すことは、活発に研究がなされている分野である。透かし入れおよびデータ隠蔽方式の、容量対歪みの側面の本質的な限界の理解においては、これまでかなりの進歩があった。

ときには、ほとんど歪みなくデータを埋め込むことのみならず、かかる歪みを完全に除去できることが望まれるときもある。そのような能力を与えるデータ埋込方式は、損失のないまたは可逆性のデータ隠蔽または埋込方式と呼ばれる。もとのホスト信号のいかなる劣化も許容されないケースでは、損失のないデータ隠蔽方式が重要である。これは、たとえば、医療画像や、貴重なオリジナル作品のマルチメディア・アーカイブの場合に当てはまる。

１つの既知の損失のないデータ隠蔽方法が、Ｊｅｓｓｉｃａ Ｆｒｉｄｒｉｃｈ、Ｍｉｒｏｓｌａｖ ＧｏｌｊａｎおよびＲｕｉ Ｄｕ、「あらゆる画像フォーマットのための損失のないデータ埋込み（Ｌｏｓｓｌｅｓｓ Ｄａｔａ Ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ ｆｏｒ ａｌｌ Ｉｍａｇｅ Ｆｏｒｍａｔｓ）」、ＳＰＩＥ予稿集、マルチメディア・コンテンツのセキュリティおよび透かし入れ（Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ Ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｃｏｎｔｅｎｔｓ）、サンホセ、カリフォルニア、２００２年に開示されている。この既知の方法では、信号Ｘの特徴またはサブセットＢ（たとえば、ビットマップイメージの最も重要でないビット平面、または、ＪＰＥＧ画像の具体的なＤＣＴ係数の最も重要でないビット）が、信号Ｘから抽出され、損失のない圧縮に供される。圧縮されたサブセットＢは、任意のデータ（ペイロード）と連結され、信号Ｘ内のもとのサブセットの位置に挿入される。この方法は、サブセットＢが、（ｉ）損失なく圧縮でき、（ｉｉ）信号Ｘの知覚される品質を維持しながら無作為化できるものであるという仮定に基づいている。

受信側においては、歪みを受けた複合信号を、従来型の装置を用いて再生することができる。歪みを完全に取り除くために、圧縮されたサブセットを含む連結されたビットストリームが抽出され、復元される。その後、もとのサブセットＢが、信号Ｘ内に再び挿入される。

このＦｒｉｄｒｉｃｈらの記事は、損失のないデータ隠蔽の実用的な例を開示したものではあるが、損失のない埋込方式の理論的限界には、ほとんど注意を払っていない。

本発明の１つの目的は、レート対歪みの面でより効率のよい、損失のないデータ埋込方式を提供することである。

この目的のため、本発明は、任意のデータをホスト信号内に埋め込む方法および装置を提供する。この方法は、所与の埋込レートと歪みとを有する予め決められたデータ埋込方法を用いて、複合信号を生成する工程と、その埋込レートの一部を用いて、上記の複合信号上に調整されたホスト信号を特定する修復用データを収容する工程と、残りの埋込レートを用いて、上記の任意のデータを埋め込む工程とを含む。

本発明は、受信側においては、受信された複合信号を受けて、もとのホスト信号の不確実さを除去すれば十分であるという洞察を掘り下げたものである。この不確実さを除去するために必要とされるデータの量は、もとのホスト信号自体を符号化するために必要とされるデータの量よりも少ない。本発明の発明者はまた、損失のないデータ埋込容量の理論的限界を定式化した。

まず、従来の圧縮およびビット置換方式について、より全般的に述べる。Ｆｒｉｄｒｉｃｈらの信号ソースは、信号サンプルのシーケンス、たとえば１つの画像の複数の画素のシーケンスを生成する。圧縮された信号のサブセットＢ（ビット平面、具体的なＤＣＴ係数の最も重要でないビット）は、２値記号ｘ_１・・・ｘ_Ｎのソースを構成する。ここで、確率ｐ_０＝Ｐｒ｛ｘ＝０｝とｐ_１＝Ｐｒ｛ｘ＝１｝とは等しくない、すなわちこのソースのエントロピーＨ（ｐ_０）＝−ｐ_０ｌｏｇ_２（ｐ_０）−ｐ_１ｌｏｇ_２（ｐ_１）は１未満であると仮定する。その場合、情報理論の教えるところによれば、Ｎ個の記号のシーケンスは、より短いＫ＝Ｎ×Ｈ（ｐ_０）個の記号のシーケンスｙ_１・・・ｙ_Ｋに圧縮することができる。Ｎ×（１−Ｈ（ｐ_０））個の任意のデータ記号を、シーケンスｙ_１・・・ｙ_Ｋに追加することにより、可逆性のデータ隠蔽方式が得られる。たとえば、ｐ_０＝０．９かつｐ_１＝０．１である場合、ソースのエントロピーは
であるので、（大きなＮに対し）もとのホスト記号を表すのに必要とされるビットは、たった０．４７×Ｎビットである。したがって、シーケンスｙ_１・・・ｙ_Ｎの残りの部分に、０．５３×Ｎ個の任意のデータ記号をペイロードとして埋め込むことができる。デコーダ側では、ｙ_１・・・ｙ_Ｋを復元することにより、もとのシーケンスｘ_１・・・ｘ_Ｎが修復される。シーケンスの残りの部分ｙ_Ｋ＋１・・・ｙ_Ｎは、任意のデータとして翻訳される。

Ｆｒｉｄｒｉｃｈらの埋込方式のデータレートは、Ｒ＝１−Ｈ（ｐ_０）ビット／サンプルである。圧縮されたシーケンスｙ_１・・・ｙ_Ｋのビットはｘ_１・・・ｘ_Ｎのビットと相関関係がなく、任意のデータはランダムに選択されるので、ｘ_１・・・ｘ_Ｎとｙ_１・・・ｙ_Ｎとの間の歪みはＤ＝０．５であることが容易に分かる。ｘ_１・・・ｘ_Ｎ中の割合α分の記号に対してのみ上記の構築を実行することにより、Ｆｒｉｄｒｉｃｈらの方式の歪みは低減することができる。このことは、時分割と呼ばれる。この時分割によれば、データレートと歪みとの双方が、割合αだけ減少させられる。この「単純な（ｓｉｍｐｌｅ）」時分割埋込方式において結果として得られるデータレートおよび歪みは、それぞれＲ＝α（１−Ｈ（ｐ_０））およびＤ＝α／２であり、すなわち
である。

ｐ_０＝０．９のときの、この線形レート−歪み関数が、図１に一点鎖線１１で示されている。

本発明の発明者は、この線形式（１）が最適な式でないことを見出した。また、本発明の発明者は、損失のないデータ埋込の容量の理論的限界を見出した。より具体的には、メモリのない２値ソースのための可逆性の埋込方式における達成可能なデータレートＲ_ｒｅｖは、ｐ_０≧０．５、０≦Ｄ≦０．５のとき、
である。

ｐ_０＝０．９のときの、このレート−歪み関数が、図１に実線１２で示されている。式（２）は、非対称なチャネルに対して一般に適用可能である（本発明の発明者は、データ埋込部（ｄａｔａ ｅｍｂｅｄｄｅｒ）を指して「チャネル」との用語を用いる）。対称なチャネルについては、レートは
である。

ｐ_０＝０．９のときの、このレート−歪み関数が、図１に破線１３で示されている。対称なチャネルについての埋込レートは、常に、最適な埋込レートと時分割埋込レートとの間のレートとなる。対称なチャネルと非対称なチャネルの実用的な例は、後に挙げる。図１中の線１１、１２および１３は、ｐ_０＝０．９（かつｐ_１＝０．１）に関するものである。説明のため、ｐ_０＝０．８に対する同様の線１４、１５および１６も示してある。

図２は、本発明に係る、損失のないデータ埋込装置の全体の概略図を示している。この装置は、知覚的なホスト信号、たとえば画像Ｉｍの、デジタル表現を受け取る。そこから、抽出ステージ２１が、任意のデータの埋込先である、ホスト記号のシーケンスＸ＝｛ｘ_１・・・ｘ_Ｎ｝を抽出する。Ｆｒｉｄｒｉｃｈらの埋込方式と同様に、ホスト信号は、画像のビット平面または具体的なＤＣＴ係数の最も重要でないビットから抽出することにより、取得され得る。

この装置はさらに、データ埋込部２３を含んでいる。このデータ埋込部は、ホスト信号内に歪みを導入するものであるという意味で、従来型のものである。この歪みを表すために、「自乗誤差」
がよく用いられる。

埋込処理は、複合信号Ｙ＝｛ｙ_１・・・ｙ_Ｎ｝を生成する。まず、ホスト信号Ｘおよび複合信号Ｙが、記号体系｛０，１｝の２値信号であると仮定する。複合信号Ｙは、挿入ステージ２２により画像内に戻されるように挿入され、透かし入れ画像Ｉｍ’が取得される。

修復用エンコーダ２４は、ホスト信号Ｘと複合信号Ｙとを受け取る。修復用エンコーダは、どのホスト記号がどのような変更を受けたかの記録を保持し、その情報を修復用データｒに符号化する。上記の「どのホスト記号がどのような変更を受けたか」との表現は、広く解釈されなくてはならない。歪みがＤ＝０かＤ＝１のいずれかである場合（この実施形態はこの場合に当たる）、どの記号が歪みを受けたかを特定するだけで足りる。他のタイプの埋込部２３についても、歪みの量は符号化されなくてはならない。修復用エンコーダ２４は、本発明の機能上の特徴を代表している点に留意されたい。この回路が、物理的にそれとして存在している必要はない。以下に説明するこの装置の実用的な実施形態では、どの記号が歪みを受けたかの情報が、埋込部２３自体によって、内部的に生成される。

ビット／記号単位の修復用データレートは、埋込部２３の埋込レートよりも小さいことを以下に示す。残りの埋込容量は、任意のデータ（ペイロード）ｗを埋め込むために使われる。修復用データｒとペイロードｗとは、連結回路２５において連結される。この連結データｄが、埋込みのために埋込部２３に適用される。

この装置の１つの好ましい実施形態では、埋込部２３は、Ｍ．ｖａｎ ＤｉｊｋおよびＦ．Ｍ．Ｊ．Ｗｉｌｌｅｍｓによる記事「グレイスケール画像内への情報の埋込み（Ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｒａｙｓｃａｌｅ Ｉｍａｇｅｓ）」、オランダのエンスヘデー、ベネルクスで開催された第２２回情報理論シンポジウムの予稿集、２００１年５月１５−１６日、第１４７−１５４頁が教えるところに従って動作する。この記事では、著者らは、効率のよいレート−歪み比を有する、損失を伴う埋込方式を説明している。より具体的には、ある個数Ｌ（Ｌ＞１）のホスト信号サンプルがまとめられて、ホスト記号のブロックまたはベクトルが与えられる。１つのブロックのシンドロームが、１つまたは複数（ただしＬ未満）の埋め込まれたメッセージ記号ｄを表すものとなるような方法で、そのブロックのホスト記号が変更される。

上記の「シンドローム」との表現は、エラー訂正の分野ではよく知られた用語である。エラー訂正方式においては、受信されたデータワードのシンドロームは、そのデータワードに所与の行列を掛け合わせることによって決定される。シンドロームがゼロの場合、そのデータワードは正しいものである。シンドロームがゼロでない場合、そのゼロでない値は、エラーを有するデータワード記号の１つまたは複数の位置を表す。ハミングエラー訂正コードは、ハミング距離３を有する。これらによって、エラーを有する１つのデータ記号を訂正することができる。ゴレイコード（Ｇｏｌａｙ ｃｏｄｅ）等の他のコードも、データワードの複数の記号の訂正を可能にする。

数学的な意味では、Ｍ．ｖａｎ Ｄｉｊｋらが教示するデータ埋込方法は、エラー訂正に似ている。Ｌ個のホスト記号ｘ_１・・・ｘ_Ｌのブロック内にメッセージ記号ｄを埋め込むために、埋込部は、そのブロックの１つまたは複数のホスト記号を変更しなくてはならない。数学的には、所望のシンドロームを有し、かつハミング的な意味でｘ_１・・・ｘ_Ｌに最も近い、出力ブロックｙ_１・・・ｙ_Ｌが計算される。例として、ブロック長Ｌ＝３のハミングコードを用いたデータ埋込みを、簡単に要約して説明する。

３ビットのブロックまたはベクトルのシンドロームを計算するためには、そのベクトルに、以下の３×２のパリティチェック行列が掛け合わされる。

ここで、すべての数学的演算は、２進数の演算である点に留意されたい。たとえば、
なので、入力ベクトル（００１）のシンドロームは（１１）である。

埋込データを表すのは、このシンドローム（１１）である。明らかなことであるが、ホストベクトルのシンドロームは、一般的には埋め込まれるメッセージではない。したがって、ホスト記号のうちの１つが変更される必要がある。たとえば、（１１）ではなくメッセージ（０１）が埋め込まれるべき場合には、埋込部２３は、もとのホストベクトル（００１）が（０１１）に変更されるように、２番目のホスト記号を変更する。つまり、
である。

３つの記号ごとのこの埋込方式の歪みは、
である（いずれのホスト記号も変更されない確率が１／４であり、１つの記号が±１だけ変更される確率が３／４）ので、１記号ごとの平均の歪みはＤ＝１／４である。埋込レートは、１ブロックにつき２ビット、すなわちＲ＝２／３ビット／記号である。図３に、対応の（Ｒ，Ｄ）の対が、参照番号３０２を付された＋符号で示されている。

同様にして、３データビットを７個の信号記号のブロック内に埋め込むことができ、４ビットを１５個の信号記号内に埋め込むことができ、以下同様である。より一般的に言えば、ハミングコード・ベースの埋込方式は、多くとも１個のホスト記号を変更することにより、ｍ個のメッセージ記号を、Ｌ＝２^ｍ−１個のホスト記号内に埋め込むことを可能とする。ここで、埋込レートは
であり、歪みは
である。

図３に、この（損失を伴う、不可逆性の）埋込方式の、ｍ＝２，３，・・・６に対応する（Ｒ，Ｄ）の対が、参照番号３０２，３０３，・・・３０６を付された＋符号で示されている。ｍ＝１（単なるビット置換）に対する（Ｒ，Ｄ）の対も、参照番号３０１を付された＋符号で示されている。ここで、（Ｒ，Ｄ）の値は、２値ソースのエントロピーＨ（ｐ）に依存しない点に留意されたい。図３にはまた、Ｆｒｉｄｒｉｃｈらの損失のない埋込方式の、ｐ_０＝０．９のときの（Ｒ，Ｄ）の対３００も示されている（Ｒ＝０．５３ビット／記号、Ｄ＝０．５）。参考のため、ｐ_０＝０．９のときの、損失のない埋込方式の理論的限界１１、１２および１３も、図３に示されている（図１も参照）。

本発明によれば、埋め込まれたメッセージのデータビットｄの一部が、信号サンプルのうちの１つが変更されたか否かを特定し、変更されていた場合は、さらにそれがどのサンプルであるかを特定するために用いられる。ブロック長３のハミングコード（ｍ＝２，Ｌ＝３）については、４つの可能性がある。すなわち、３個のホスト記号のいずれも変更されていないか、１番目の記号が変更されているか、２番目の記号が変更されているか、または３番目の記号が変更されているかである。信号ソースのエントロピーＨ（ｐ）が１に等しい場合は、すべてのイベントが同じ確率を有する。その場合、修復のためには、１つのブロックにつき、両方の埋め込まれたメッセージのビットが必要となる。しかしながら、信号ソースのエントロピーＨ（ｐ）が１に等しくない場合は、各イベントは異なる確率を有し、必要な修復用ビットはｍビット未満となる。このことは、ホスト記号のブロック内に、「実質的な」任意のデータビット（ペイロードとも呼ぶ）を埋め込む余地を作る。

ここで、Ｆｒｉｄｒｉｃｈらの例と同様に、ｐ_０＝０．９であると仮定する。そのため、ソースがホストベクトル（０００）を生成する確率ｐ（ｘ＝０００）は、
であり、ソースがホストベクトル（００１）を生成する確率ｐ（ｘ＝００１）は、
であり、以下同様である。この装置の埋込部２３が、複合ベクトルｙ＝０００を生成したと仮定する。もとのホストベクトルｘは、（０００）であったかもしれない。その場合、もとの信号サンプルはいずれも変更されていないことになる。しかしながら、もとのホストベクトルはまた、（００１）、（０１０）または（１００）であったかもしれない。その場合、ホスト記号のうちの１つが変更されていることになる。ｙ＝０００の生成を受けて、ホストベクトルがｘ＝０００であった確率は、
となる。

同様にして、ｙ＝０００という結果がホストベクトル（００１）、（０１０）または（１００）からもたらされたものである確率を、計算することができる。その結果、
となる。

すなわち、各複合ベクトルｙは、それに付随する条件確率ｐ（ｘ｜ｙ）の組を有する。これらを、以下の表にまとめて示す。この表にはまた、各ブロックｙについての、対応の条件エントロピーＨ（ｘ｜ｙ）が含まれている。この条件エントロピーは、ベクトルｙを受けての、もとのベクトルｘの不確実さを表す。この表にはさらに、メッセージ００、０１、１０および１１がいずれも等しい確率１／４を有すると仮定した場合の、各ベクトルｙについての確率ｐ（ｙ）が含まれている。たとえば、確率ｐ（ｙ＝０００）は、
のようにして計算されたものである。

すべてのブロックｙに亘って平均したソースの条件エントロピーＨ（Ｘ｜Ｙ）は、ｙを受けてｘを復元するためのビット数を表す。この例では、この平均のエントロピーは、
に等しい。

したがって、もとのブロックを特定するために、１ブロックにつき０．８６４２個の修復用ビットが必要とされる。このため、２−０．８６４２＝１．１３５８ビット／ブロックが、ペイロードの埋込用に残される。したがって、データレートＲは、
である。

ここで、複合信号の歪みＤは、埋め込まれたデータｄに割り当てられている具体的な意味に影響されない点に留意されたい。すでに述べたように、この損失のない埋込方式の歪みは、Ｄ＝１／４である。

図３に、対応の（Ｒ，Ｄ）の対が、参照番号３１２を付された◇符号で示されている。この損失のない埋込方式は、同じ歪みを有するＦｒｉｄｒｉｃｈらの損失のない埋込方式（３３３参照）よりも、かなり高い埋込レートＲを有していることが分かるであろう。同様にして、長さが７、１５、３１、６３等であるハミングコードに対するレート−歪みの対も、計算することができる。図３に、ｍ＝３，・・・，６に対応する（Ｒ，Ｄ）の対が、参照番号３１３，・・・，３１６を付された◇符号で示されている。

図４は、受信した複合信号から、もとのホスト信号を復元する装置の、概略図を示している。この装置は、透かし入れされた画像Ｉｍ’を受信する。この受信された画像は、もとの画像Ｉｍが僅かに歪ませられたものである。これは、表示のため、再生装置に直接適用することのできるものである。この装置はさらに、受信した画像から、データｄが埋め込まれている複合信号Ｙ＝｛ｙ_１・・・ｙ_Ｎ｝（たとえば、所与のビット平面）を抽出する、抽出ステージ４１を含んでいる。抽出ステージ４１は、図２に示した埋込装置の抽出ステージ２１と同一である。

複合信号Ｙは、複合信号内に埋め込まれているデータｄを取り出すデータ取出回路４３に適用される。長さＬのハミングコードを用いてデータが埋め込まれている好ましい実施形態では、取出回路４３は、記号ｙ_１・・・ｙ_Ｌの各ブロックのシンドロームを特定する。抽出されたデータは、ペイロードｗと修復用ビットｒとが連結されたものである。これらのペイロードｗと修復用ビットｒとは、図２に示した連結回路２６と逆の処理動作を行う分離部４４において、分離される。こうして、ペイロードｗが取り出される。

復元ユニット４５は、修復用ビットｒと複合信号Ｙとを用いて、もとのホスト信号Ｘを復元する。この復元ユニットは、もとのホスト信号Ｘ＝ｘ_１・・・ｘ_Ｎに適用された変更を元どおりにするように構成されている。好ましい実施形態では、修復用データｒは、ブロックＹ中の記号のうちの１つが変更されたか否かを特定し、変更されていた場合は、さらにそれがどの記号であるかを特定する。より一般的に言えば、修復用データは、記号ｙ_１・・・ｙ_Ｎの歪みＤを特定する。最後に、挿入ステージ４２により、復元されたホスト信号Ｘが、画像内に戻されるように挿入され、もとの画像Ｉｍが取得される。挿入ステージ４２は、図２に示した埋込装置の挿入ステージ２１と同一である。

上記に説明した実施形態では、ホスト信号Ｘ、複合信号Ｙおよびデータ記号は、記号体系｛０，１｝の２値信号であると仮定されていた。しかしながら、本発明は、２値信号に限られるものではない。たとえば、ｖａｎ Ｄｉｊｋらの記事に開示されているような、３進法の埋込方式を用いてもよい。３進法のデータ埋込部では、データ記号ｄは、記号体系｛０，１，２｝に属する。より具体的に言えば、
−信号サンプル値ｙ＝０，３，６，・・・は、メッセージ記号ｄ＝ｙ ｍｏｄ ３＝０に相当し、
−信号サンプル値ｙ＝１，４，７，・・・は、メッセージ記号ｄ＝ｙ ｍｏｄ ３＝１に相当し、
−信号サンプル値ｙ＝２，５，８，・・・は、メッセージ記号ｄ＝ｙ ｍｏｄ ３＝２に相当する。

この場合、データ埋込部２３（図２参照）は、もとの画像信号を受け取り（回路２１と２２とは余計となる）、変更後のサンプルｙ_ｉの中に埋め込まれるデータがｄとなるように、信号サンプルｘ_ｉの最も重要でない部分を変更する。２値形式の埋込みについて説明したのと同様にして、３進法の記号も、ホスト記号の群の中に埋め込むことができる。ここでも、（３値）ハミングコードまたは（３値）ゴレイコードを用いて、この埋込みを行うことが可能である。その例は、未公開の本願出願人の国際特許出願ＩＢ０２／０１７０２（本願出願人整理番号ＰＨＮＬ０１０３５８）に記載されている。

さらに別のデータ埋込方式では、メッセージ記号ｄは、信号サンプルの対の中に埋め込まれる。この方式では、信号サンプル（ｘ_ａ，ｘ_ｂ）の２次元記号空間が、５つの色で「色付け」される。格子上の各点は、信号サンプルの１つの対を表しており、その隣接点とは異なる色を有する。色は、０・・・４と番号付けされており、各色が、１つのメッセージ記号
を表している。この実施形態では、埋込部２３は、（ｘ_ａ，ｘ_ｂ）が埋込みされるべき色ｄを有しているか否かを確認する。その色ｄを有していなければ、埋込部２３は、変更後の対が色ｄを有するものとなるように、記号の対（ｘ_ａ，ｘ_ｂ）を変更する。この２次元の埋込方式は、より多次元の方式に拡張可能であることが理解されよう。たとえば、３次元格子では、各点は、同一層内の４つの隣接点に「移動」させられるだけでなく、上および下にも移動させられる。その場合、７つの色、すなわち７個のメッセージ記号が利用可能とされる。

ここで、修復用データｒをデータｄ内に収容する具体的な方法の、実用的な実施形態を説明する。ここでは、所与の埋込器２３を用いて達成可能な埋込レートＲ（たとえば、ブロック長３のハミングコードを用いた２値形式の埋込みについては、Ｒ＝０．３７８６ビット／記号）は、最大のレートである点に留意されたい。この埋込レートは、ホスト信号サンプルの長いシーケンス（大きなＮ）のためのアプローチを受けてもよい。

本発明に係る方法の第１の実施形態では、ホスト信号は、十分大きなセグメントに分割される。各セグメントに対しての修復用データは、後続の１つのセグメント内に収容される。残りの容量が、ペイロードの埋込みのために使用される。このことは、図５に示されている。図中の参照番号５１は、もとのホスト信号Ｉｍを指す。信号は、セグメントＳ（ｎ）に分割され、これらのセグメントＳ（ｎ）は、それぞれ所与の数の信号サンプル（ここでは画像の画素）を含む。参照番号５２は、信号との時間的アラインメントがとられた埋込データストリームｄを指す。図示のとおり、セグメントＳ（ｎ）に対しての修復用ビットｒ（ｎ）は、セグメントＳ（ｎ＋１）内に埋め込まれている。セグメントＳ（ｎ＋１）の残りの部分は、ペイロードｗを収容するために使用されている。ここで、修復用ビットの厳密な数は、セグメントごとに異なっていてもよい点に留意されたい。たとえば修復用ビットの各列に適当なエンドコードを付与する等により、１つのセグメント内における修復用ビットｒとペイロードｗとの境界を特定することが有利である。

図５に示した各数字は、単に説明目的のものである。仮に、セグメント長が、Ｎ個の信号記号分の長さであるとする（ここではＮ＝３０００）。埋込部２３（図２参照）は、ブロック長３のハミングコードに基づいている。この埋込部は、Ｒビット／記号の埋込レートＲを有し（ここではＲ＝２／３）、各セグメント内にＲ×Ｎ個（ここでは２０００個）のビットを埋め込むことを可能としている。所与の確率ｐ_０（ここでは０．９）に対するソースのエントロピーは、
である。Ｙを受けて、Ｘの不確実さを除去するための修復用ビットの数は、Ｈ（Ｘ｜Ｙ）×Ｎ（ここでは０．３ビット／記号×３０００記号＝９００ビット）である。この結果、Ｒ×Ｎ−Ｈ（Ｘ｜Ｙ）×Ｎ個（ここでは２０００−９００＝１１００個）のビットが、ペイロード用に残される。

図６は、修復用ビットを収容するための１つの変更実施形態を示した図である。この実施形態では、所与の初期長を有するセグメントＳ（ｎ）に、ペイロードｗのみが付与される。セグメントＳ（ｎ）に対する修復用ビットｒ（ｎ）は、後続のセグメントＳ（ｎ＋１）内に収容される。この後続のセグメントＳ（ｎ＋１）には、修復用ビットｒ（ｎ）を収容するのに必要な長さが割り当てられる。セグメントＳ（ｎ＋１）は、新たな数の修復用ビットｒ（ｎ＋１）を必要とし、このｒ（ｎ＋１）は、さらに次のセグメントＳ（ｎ＋２）に埋め込まれ、以下同様である。この処理は、たとえば後続のセグメントが所与の閾値よりも小さくなるまで等、複数回繰り返される。その後、所与の初期長を有する新たなセグメントＳ（．）について、全体の処理が繰り返される。

入力記号またはベクトルＸを、出力記号またはベクトルＹに変換するデータ埋込部は、「チャネル」に相当する。上記で説明してきたデータ埋込部は、対称なチャネルを構成するものである。このことは、上記に説明したような、ブロック長３を有するハミングコードに基づいたデータ埋込部の図解表現である、図７から見て取れる。図８は、非対称なチャネルの図解表現である。この具体例は、ｄ＝００が埋め込まれるべき場合（１は、０に変更されないことが好ましい）に、入力ベクトル（００１）、（０１０）および（１００）を、ｙ＝（０００）ではなくｙ＝（１１１）に変更することにより得られたものである。この埋込方式の埋込レートは、Ｒ＝０．４３３５ビット／記号である（参考：対応の対称なチャネルのレートはＲ＝０．３７８６）。この方式では、１個のビットではなく、ベクトルの２個のビットが変更されることがあるため、歪みは僅かに大きくなる。この例では、歪みはＤ＝０．２７０１である（参考：対称なチャネルではＤ＝０．２５）。図３の参照番号３２２は、対応の（Ｒ，Ｄ）の対を指している。この図をみて分かるように、非対称なチャネルの性能は、境界線１２と１３との間にある。

本発明は、以下のように要約できる。透かし入れまたはデータ隠蔽方式の１つの望ましくない副次的効果は、ホスト信号が歪ませられるということである。本発明は、ホスト信号（Ｘ）の完全かつ機械的な（追加の信号形成を要さない）復元を可能とする、可逆性のすなわち損失のないデータ隠蔽方式を開示する。このことは、複合信号を与えられた際にホスト信号を特定する修復用データ（ｒ）を、透かし入れされた信号（Ｙ）の埋込データ（ｄ）内に収容することによって達成される。すなわち、修復用データは、ホスト信号が埋込時（２３）においてどのような変更を受けたかを特定する（２４）。修復用データは、従来型の埋込部（２３）における埋込容量の一部に収容される。残りの容量は、ペイロード（ｗ）の埋込みに使用される。

損失のないデータ埋込方式の限界を表した図 本発明に係る、任意のデータをホスト信号内に損失なく埋め込む装置の概略図 本発明に係る損失のないデータ埋込装置の性能を示した図 本発明に係る、ホスト信号を復元する装置の概略図 本発明に係る、ホスト信号内に修復用データを収容する実施形態を示した図 本発明に係る、ホスト信号内に修復用データを収容する実施形態を示した図 対称なチャネルと非対称なチャネルとの違いを示した図 対称なチャネルと非対称なチャネルとの違いを示した図

Claims (8)

1. 任意のデータをホスト信号内に埋め込む方法であって、
   前記ホスト信号を、第１のセグメント及び該第１のセグメントに後続する第２のセグメントを少なくとも含む複数の連続したセグメントに分割する工程と、
   所与の埋込レートと歪みとを有する予め決められたデータ埋込方法を用いて、前記任意のデータの第１の部分を前記ホスト信号の前記第１のセグメントに埋め込むことによって、複合信号の第１の部分を生成する工程と、
   前記埋め込みのために歪まされた前記複合信号の前記第１の部分上の前記ホスト信号を特定する前記第１のセグメントについての修復用データを生成する工程と、
   前記第１のセグメントについての前記修復用データを入力し、前記ホスト信号の前記第２のセグメントに、前記埋込レートの一部を用いて前記第１のセグメントについての前記修復用データを埋め込み、残りの前記埋込レートを用いて前記任意のデータの第２の部分を埋め込むことによって、前記複合信号の第２の部分を生成する工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 各セグメントが、任意のデータに加えて、先行のセグメントについての前記修復用データを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. （ａ）所与の長さのセグメント内にのみ、任意のデータを埋め込む工程と、
   （ｂ）後続のセグメント内に、前記先行のセグメントについてのみの修復用データを埋め込む工程と、
   （ｃ）前記後続のセグメントの長さを、該後続のセグメントに埋め込まれる前記修復用データの量に適合させる工程と、
   （ｄ）前記工程（ｂ）および前記工程（ｃ）を、予め決められた回数繰り返す工程とを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記工程（ｄ）が、前記後続のセグメントの前記長さが予め決められた閾値未満となるまで、前記工程（ｂ）および前記工程（ｃ）を繰り返す処理を含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 任意のデータをホスト信号内に埋め込む装置であって、
   所与の埋込レートと歪みとを用いて前記任意のデータを前記ホスト信号に埋め込むことによって複合信号を生成するデータ埋込部と、
   前記埋め込みのために歪まされた前記複合信号上の前記ホスト信号を特定する修復用データを生成する生成手段と、
   を有し、前記データ埋込部が、
   前記ホスト信号の第１のセグメントに前記任意のデータの第１の部分を埋め込む工程と、
   前記生成手段によって生成された前記第１のセグメントについての修復用データを入力し、前記ホスト信号の前記第１のセグメントに後続する第２のセグメントに、前記埋込レートの一部を用いて前記修復用データを埋め込み、前記埋込レートの残りの部分を用いて前記任意のデータの第２の部分を埋め込む工程を行うことを特徴とする装置。
6. 埋込データが埋め込まれた、ホスト信号の歪まされたバージョンを表す複合信号から、該ホスト信号を復元する方法であって、前記埋込データは、任意のデータの埋め込みのために歪まされた前記複合信号上の前記ホスト信号を特定する修復用データ及び任意のデータを含み、前記方法は、
   前記複合信号を、連続したセグメントに分割する工程と、
   前記複合信号の１つのセグメントから、前記埋込データを取り出す工程と、
   前記埋込データを、前記修復用データと前記任意のデータとに分離する工程と、
   前記修復用データを用いて、前記１つのセグメントに先行するセグメントの前記ホスト信号を復元する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
7. 前記複合信号の各セグメントが、任意のデータに加えて、前記ホスト信号の前記先行のセグメントについての前記修復用データを含んでいることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 埋込データが埋め込まれた、ホスト信号の歪まされたバージョンを表す複合信号から、該ホスト信号を復元する装置であって、前記埋込データは、任意のデータの埋め込みのために歪まされた前記複合信号上の前記ホスト信号を特定する修復用データ及び任意のデータを含み、前記装置は、
   前記複合信号を、連続したセグメントに分割する手段と、
   前記複合信号の１つのセグメントから、前記埋込データを取り出す手段と、
   前記埋込データを、前記修復用データと前記任意のデータとに分離する分離手段と、
   前記修復用データを用いて、前記１つのセグメントに先行するセグメントの前記ホスト信号を復元する復元手段と、
   を含むことを特徴とする装置。