JP4271018B2 - 電子透かし埋め込み方法、電子透かし検出方法及び装置並びにプログラム - Google Patents

Description

この発明は、例えば著作権管理を目的として画像や音楽などのディジタルデータに他の情報、いわゆる署名データを秘匿する電子透かし技術に係り、特に署名データを電子透かしとして埋め込む方法、その検出方法及びこれらを用いる装置、これらをコンピュータに実行させるプログラムに関するものである。

電子透かし情報をディジタルデータに埋め込むにあたり、その埋め込み強度をディジタルデータの部分的な性質に応じて変調する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、電子透かし情報をディジタル画像に埋め込む際、画像中の局所的性質に応じて電子透かし強度を変調する。

簡単に説明すると、電子透かし情報の埋め込み対象の画像信号を解析し、画素ごとに電子透かし情報を埋め込む際に変更可能な上限値を求める。この上限値は、埋め込みに際して画素値が変更されても視覚的にその変更が検知されない範囲で与えられる。

具体的には、例えばエッジ保存型の低域通過フィルタ（ＬＰＦ）に画像信号を通し、画像中のエッジ部分と原画との差から画素値の変更に係る上限値を決定する。つまり、画像中の局所的な性質としてエッジ部分か否かに着目し、エッジ部分以外の平坦な領域とエッジ部分からなる雑然とした複雑な領域とを分類する。

エッジ部分は視覚的に劣化が検知しやすいため、平坦な領域より複雑な領域における画素値の変更に係る上限値が大きくなるように設定する。これにより、画像中の局所的な性質に応じて、電子透かし強度を変調することができる。このあと、電子透かし情報の埋め込みは、電子透かし情報の１ビットごとの値に応じて上限値で規定される範囲内で画素値を変更し、変更後の値を整数に量子化することによって実行される。

特開平１１−２８４８３６号公報

従来の方法では、電子透かし情報を埋め込むディジタルデータの部分的な性質に応じて電子透かし強度の変調処理を行っているが、十分にその効果を得ることができないという課題があった。
具体的に説明すると、従来の方法では、１画素ごとに電子透かし情報の１ビットの値を独立に埋めこみ、その値の変更量を画像中の局所的な視覚特性に応じて制限している。しかしながら、視覚特性の制限から電子透かし情報の所定のビット値を埋め込むことができず、所望の強度制御ができない場合がある。

このような場合、画像中の複数箇所に同じビット値を埋め込んで多数決などで真値を検出することも考えられるが、所望の電子透かし強度が得られない上、視覚特性の制限からどの程度真値が埋め込まれるかが未知であり、多数決の検出結果が確実に真値である保証はない。

さらに、従来の方法では、埋め込み強度の変調処理を画素単位に閉じて行っているので、画像中の視覚特性が十分に反映されない場合がある。つまり、ある視覚特性を有する領域に対して画素ごとに変更量の制限が設定されることから、当該領域の視覚特性からすれば高い上限で変更されるべき画素であるにも関わらず、画素ごとの制限から画素値が変更されなかったり、小さな変更しかされなかったりすることもあり得る。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、電子透かし情報をディジタルデータに埋め込むにあたり、ディジタルデータの部分的な性質を適応的に反映させて電子透かし強度を制御することができ、符号化などの処理を施しても電子透かしが劣化しない頑強な電子透かしの埋め込み方法及びその検出方法を得ることを目的とする。

また、この発明は、上記方法を用いた電子透かし埋め込み装置、電子透かし検出装置及びこれらをコンピュータに実現させるプログラムを得ることを目的とする。

この発明に係る電子透かし埋め込み方法は、複数の要素の集合で表現可能な電子情報に対して電子透かしを埋め込む電子透かし埋めこみ方法において、上記電子情報を構成する集合から、上記電子透かしを構成する各ビットに対応させた当該ビット数組の相重ならない部分集合を抽出し、上記電子情報を構成する集合の各要素の時間的又は空間的な分布を規定する関数の変数に、上記電子透かしの同一ビットに対応する上記部分集合の要素の実現値をそれぞれ代入して、上記電子透かしを構成するビット数組の上記部分集合の関数値を算出し、０，１のディジタル値にそれぞれ対応して設けられ、互いに同一の代表値が選択されないように排他的に数値が設定された代表値群から、上記電子透かしを構成する各ビットの値に対応する代表値群をそれぞれ選択し、選択した代表値群から上記ステップで算出した上記関数値に最も近い数値を、上記電子透かしを構成する当該ビットの量子化代表値として決定し、上記部分集合の各要素の上記電子情報における時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係を特徴付ける統計量を算出し、上記量子化代表値とこれに対応する上記関数値とが一致するように、上記部分集合の各要素の上記統計量により規定される上記時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係に従って、上記各要素の実現値を変更し、上記ステップで実現値を変更した要素で上記電子情報の対応する要素を置き換えることにより、当該電子情報を電子透かし埋め込み済みの情報として出力するものである。

この発明によれば、複数の要素の集合で表現可能な電子情報に対して電子透かしを埋め込む電子透かし埋めこみ方法において、上記電子情報を構成する集合から、上記電子透かしを構成する各ビットに対応させた当該ビット数組の相重ならない部分集合を抽出し、上記電子情報を構成する集合の各要素の時間的又は空間的な分布を規定する関数の変数に、上記電子透かしの同一ビットに対応する上記部分集合の要素の実現値をそれぞれ代入して、上記電子透かしを構成するビット数組の上記部分集合の関数値を算出し、０，１のディジタル値にそれぞれ対応して設けられ、互いに同一の代表値が選択されないように排他的に数値が設定された代表値群から、上記電子透かしを構成する各ビットの値に対応する代表値群をそれぞれ選択し、選択した代表値群から上記ステップで算出した上記関数値に最も近い数値を、上記電子透かしを構成する当該ビットの量子化代表値として決定し、上記部分集合の各要素の上記電子情報における時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係を特徴付ける統計量を算出し、上記量子化代表値とこれに対応する上記関数値とが一致するように、上記部分集合の各要素の上記統計量により規定される上記時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係に従って、上記各要素の実現値を変更し、上記ステップで実現値を変更した要素で上記電子情報の対応する要素を置き換えることにより、当該電子情報を電子透かし埋め込み済みの情報として出力するので、電子透かしの検出性能に影響を与えることなく、電子透かしの埋め込み対象情報の部分的な性質（部分集合の特性）に応じて電子透かし信号の埋め込み強度を制御することができるという効果がある。これにより、符号化などの処理を施しても電子透かしが劣化しない頑強な電子透かし埋め込みを実行することができるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電子透かし埋め込み装置の構成を示すブロック図であり、この図に沿って実施の形態１による電子透かし埋め込み方法を説明する。なお、以降では説明の簡単のため、電子透かし埋め込み装置１による電子透かし情報の埋め込み対象が画像情報である場合を例として説明する。

図に示すように、本実施の形態による電子透かし埋め込み装置１は、アドレス発生回路（抽出処理部）２、ブロック化回路（抽出処理部）３、関数値演算回路（関数値算出部）４、量子化回路（量子化処理部）５、ビット発生回路（量子化処理部）６、減算器７、統計量演算回路（統計量算出部）８、変更量演算回路（変更処理部）９、加算器１０及びブロック解除回路（情報出力部）１１から構成される。電子透かし埋め込み装置１は、例えば汎用コンピュータなどを用いて、本発明に従う電子透かし埋め込みプログラムを実行させることによって具現化することができる。

つまり、電子透かし埋め込みプログラムをコンピュータに実行させて上記構成要素２〜１１として機能させることにより、電子透かし埋め込み装置１による特徴的なデータ処理を実行することができる。

以下の説明において、電子透かし埋め込み装置１を具現化するコンピュータ自体の構成及びその基本的な機能については、当業者が当該分野の技術常識に基づいて容易に認識できるものであり、本発明の本質に直接関わるものでもないので詳細な記載を省略する。

次に動作について説明する。
先ず、電子透かし情報の埋め込み対象である入力画像ｘを電子透かし埋め込み装置１に入力する。この入力画像ｘは、装置１内のブロック化回路３及び統計量演算回路８にそれぞれ取り込まれる。電子透かし情報は、所定のビット数のビット列からなるディジタル情報であって、ここではビット数Ｎ（Ｎは正の整数）であるものとする。

アドレス発生回路２は、ブロック化回路３に取り込まれた入力画像ｘを解析して、電子透かしのビット数に応じたＮ個分のブロックに対応する領域に含まれる画素の位置を決定する。

ブロック化回路３では、アドレス発生回路２から入力した画像ｘの画素位置に関する情報に基づいて、電子透かしのビット数に応じたＮ組の集合（ブロック）を抽出する。ここでは、電子透かしのビット数に応じたＮ組の集合Ａｎ，Ｂｎが入力画像ｘから抽出されるものとする。但し、ｎは１からＮまでの正の整数であり、集合Ａｎ，Ｂｎのそれぞれの実現値（各画素の画素値）からなるベクトルがａ_ｎ，ｂ_ｎであるものとする。

また、上述したアドレス発生回路２が、ブロック化回路３によってブロック化される部分集合Ａｎ，Ｂｎの要素である画素が一様に分布するように画素位置に関するアドレス情報を発生するように構成しても良い。このとき、画像上で一様に画素が分布していさえすれば、ランダムに画素が配置されていても、画素が規則的な配列をなしていてもよい。

このように画素の抽出位置が空間的に偏らないように集合を抽出することで、同じ集合の中に性質の異なる画素が含まれるようになり、電子透かしを埋め込むにあたり集合ごとの画像領域の局所的な特性を適応的に反映させることができる。

なお、上述した画像上での画素の一様な分布としては、各ブロックで規定される画素が画像全体に対して一様に分布している場合の他に、各ブロック内で画素を一様に分布する場合が考えられる。これらは、電子透かし埋め込みに対する所望の制御条件などを考慮して適宜決定される。

また、画像上での画素の一様な分布を決定するには、埋め込み対象画像を構成する画素の画素値を変数とする空間関数を用いて画素位置を特定することができる。また、本発明は、空間又は時間の関数としてその要素を規定することができる情報であれば適用することができる。そこで、音声データなどの時間の関数で表現できる情報を透かし埋め込み対象とする場合、音声データ中で時間的に一様に要素が分布するように上記関数にて要素を特定すればよい。

続いて、ブロック化回路３によって抽出された各ブロック（集合Ａｎ，Ｂｎ）の実現値であるベクトルａ_ｎ、ｂ_ｎは、関数値演算回路４及び加算器１０に出力される。関数値演算回路４では、予め設定された関数ｆのパラメータとしてブロック化回路３から入力したベクトルａ_ｎ、ｂ_ｎを代入して関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を演算する。

関数値演算回路４は、上述のようにして算出した関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を量子化回路５及び減算器７に出力する。量子化回路５には、関数値演算回路４からの関数値の他に、画像ｘに埋め込むべき電子透かし情報のビットごとのディジタル値がビット発生回路６から入力されている。

ここで、量子化回路５は、ビット発生回路６から入力した電子透かし情報のビットごとのディジタル値（埋め込み情報）に応じて、予め設定した量子化代表値群から関数値演算回路４から受けた関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）に最も近い値を求めて量子化を実行する。

例えば、ビット発生回路６から入力したディジタル値が０であると、｛・・・，−８，−４，０，＋４，・・・｝を関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）と対比すべき代表値群として量子化代表値を選択する。一方、ビット発生回路６から入力したディジタル値が１である場合は、ビット発生回路６からのビット値が０の場合の代表値と重複しないように上記代表値群に対して排他的に選択された｛・・・，−６，−２，＋２，＋６，・・・｝を関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）と対比すべき代表値群として量子化代表値を選択する。

このように、量子化回路５は、ビット発生回路６からの電子透かしのビットごとのディジタル値に応じて量子化代表値群を選択し、この代表値群の中から電子透かしのビット数Ｎに応じた数の関数値ｆ（ａ_１，ｂ_１）〜ｆ（ａ_Ｎ，ｂ_Ｎ）について最も近い値をそれぞれ選択する。この代表値をＱ（ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ））とする。

また、量子化回路５は、関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を量子化するにあたり、ミッドライズ型の量子化特性を与えるようにしてもよい。一般に、量子化器には、０を代表値として有するミッドトレッド型の量子化器と、０を代表値としないミッドライズ型の量子化器がある。これらの量子化代表値は、電子透かしの埋め込み情報となる各ビットの値が０の場合又は１の場合のそれぞれに対応して選択される。

ここで、ミッドトレッド型の量子化器では、０という特異な代表値があるため、埋め込み情報のビット値が０又は１である場合でその検出特性に偏りがでやすくなる。そこで、ミッドライズ型の量子化特性を与えることで、埋め込み情報の値に応じた検出特性の偏りをなくすことができ、電子透かしの性能が各埋め込み情報に依存することを防ぐことができる。

ミッドライズ型の量子化器で量子化回路５を実現した場合、例えば埋め込み情報のビット値が０であると、代表値に０を含まない｛・・・，−７，−３，＋１，＋５，・・・｝から量子化代表値を求め、ビット値が１であると上記代表値群に対して排他的に選択されて代表値に０を含まない｛・・・，−５，−１，＋３，＋７，・・・｝から量子化代表値を求めればよい。

量子化回路５が求めた関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）についての量子化代表値Ｑ（ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ））は、減算器７に送出される。減算器７では、量子化代表値Ｑ（ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ））から関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を減算したｄ＝Ｑ（ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ））−ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）の値を求めて変更量演算回路９に出力する。

一方、統計量演算回路８は、電子透かしの埋め込み対象である画像ｘと、図示はしてないがアドレス発生回路２からブロック化回路３に抽出させるべき集合（ブロック）Ａｎ，Ｂｎごとの画素位置に関する情報とを入力して、集合Ａｎ，Ｂｎを構成する各画素についてその画素位置における画像ｘの局所的な統計量を算出し、変更量演算回路９に出力する。

また、特許文献１に記載されるような方法で統計量を求めてもよい。簡単に説明すると、統計量演算回路８が、人間の視覚にとって重要なエッジ情報、即ち物体の輪郭や面の性質の変化する部分について形状を保存する特性を有する画像フィルタなどを用いた画像処理を画像ｘの集合Ａｎ，Ｂｎに施して、人間には知覚できない、あるいは、人間が画像を参照する際に妨害とならないように画素値（輝度値など）を変更する。そして、統計量演算回路８は、当該画像処理の前後の画素値から集合Ａｎ，Ｂｎを構成する各画素について画素値の変更可能範囲を求め、これを統計量として変更量演算回路９に出力する。

変更量演算回路９では、集合Ａｎ，Ｂｎの個々の画素についての関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）がこれに対応する量子化代表値Ｑ（ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ））に等しくなるように、集合Ａｎ，Ｂｎにおける各画素の画素値変更量を算出する。

具体的には、変更量演算回路９が、減算器７から入力したｄ値だけ関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を変更させるにあたり、変更量演算回路９から入力した集合Ａｎ，Ｂｎの個々の画素についての統計量に基づいて各画素値の変更量を算出する。ここで、集合Ａｎ，Ｂｎの各画素の画素値変更量からなるベクトルを、それぞれδａ_ｎ及びδｂ_ｎとする。

集合Ａｎ，Ｂｎの各画素の統計量に基づく画素値の変更量決定処理としては、例えば統計量について所定の閾値を設け、これより統計量が大きい画素に対して画素値が大きく変更されるように、反対に統計量が小さい画素については画素値が小さく変更されるように各画素ごとに変更量を決定する。

このようにして求められた変更量（δａ_ｎ，δｂ_ｎ）は、変更量演算回路９から加算器１０に送出される。加算器１０では、ブロック化回路３からの（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）に当該変更量（δａ_ｎ，δｂ_ｎ）を加算し、ブロック解除回路１１に出力する。

ブロック解除回路１１は、加算器１０からの加算値を元にして電子透かしを埋め込んだ情報を画像信号に戻す処理を実行し、電子透かし埋め込み済みの画像として出力する。このようにして、電子透かしの埋め込み対象情報の部分的な性質（各部分集合Ａｎ，Ｂｎの特性）に応じて電子透かし信号の埋め込み強度を制御することができる。

なお、上述したアドレス発生回路２が、画素がある一定の空間的な規則に沿って配置された、いわゆる空間的に組織化されたブロックが構成されるように画素位置を決定してもよい。空間的に組織化されたブロックとしては、例えば集合Ａｎの画素と集合Ｂｎの画素が互いに隣接するように配置されたものが考えられる。

このように、電子透かし埋め込み対象の画像からブロックを抽出するにあたり、空間的に組織化された配置になるように画素を選択することで、電子透かしのビットごとの埋め込み情報が画像中のある一定の空間的な規則に沿って埋め込まれることとなる。

このとき、電子透かし信号は、埋め込み対象の画素の配置に起因した特定の周波数成分の特性を有するようになる。そこで、対象画像の局所的な特性を十分に反映できるように、上記周波数を選択して埋め込み情報の埋め込みや検出を実行することで、電子透かしの埋め込みによる視覚的な妨害を軽減したり、ＭＰＥＧ（Moving Picture Coding Experts Group)やＪＰＥＧ（Joint Photographic Experts Group）などの圧縮に対する耐性を持たせることができる。

なお、上述した画像中のある一定の空間的な規則とは、埋め込み対象画像を構成する画素の画素値を変数とする空間関数を用いて規定することができる。また、本発明は、空間又は時間の関数としてその要素を規定することができる情報であれば適用することができる。そこで、音声データなどの時間の関数で表現できる情報を埋め込み対象とする場合、上記関数を用いて音声データ中のある一定の時間的な規則（周期）でその要素が分布するように構成すればよい。

また、上述した説明では、関数値演算回路４が関数値を求めるために利用する関数について述べなかったが、例えばベクトルａ_ｎとベクトルｂ_ｎの各成分に対して単調に値が増減する関数を設定しても良い。

このようにすることで、ベクトルａ_ｎ及びベクトルｂ_ｎの成分のうち、関数値を増加又は減少させる成分を一意に決定することができる。これにより、ある関数値を目標値とするためのベクトルａ_ｎとベクトルｂ_ｎの成分の変更を容易に行うことができる。

これにより、ｄが正の値であるときは、集合Ａｎを構成する画素の画素値を増加させ、且つ集合Ｂｎを構成する画素の画素値を減少させれば、関数値が目標の量子化代表値に等しくなるように画素値を変更することができる。

一方、ｄが負の値であるときは、逆に集合Ａｎを構成する画素の画素値を減少させ、集合Ｂｎを構成する画素の画素値を増加させれば、関数値と目標の量子化代表値とが等しくなるように画素値を変更することができる。

また、上記関数では、各集合で複数（Ｍ個）の画素値の関数値を求めることから、画像信号中に含まれるランダムな信号の電力がＭ分の１に減衰する。よって、符号化などの際に画像信号中にランダムな雑音が付加されても、圧縮符号化などによる歪みの影響が小さくなっていることから電子透かしの耐性を強化することができる。

上述した説明において、電子透かしの埋め込み対象の情報を複数の要素から構成される集合Ｘと考えた場合、これらの要素が整数値しかとらない場合、変更量演算回路９の出力も整数値となるように構成することが望ましい。

これは、変更量演算回路９からの変更量を小数精度で出力しても、ブロック解除回路１１が、透かしの埋め込み済み情報を出力するにあたり、元の情報の要素値と同様に整数値となるように小数部を切り捨てるため、小数精度の出力が無意味となるからである。

また、統計量演算回路８から出力された統計量に応じて、変更量演算回路９が、画素ごとに変更量δを離散的に決定することで、上述した整数化処理などによって埋め込み情報が消失することを抑制することができる。

さらに、変更量演算回路９が、特に有限な集合から変化量δを選択するように構成してもよい。例えば、変更量演算回路９が、変化量群Δ＝｛−２，−１，０，＋１，＋２｝の中から、統計量演算回路８から出力された統計量に応じて変更量δを選択する。

さらに、上述したように集合Ａｎと集合Ｂｎを空間的に組織化されたブロックを構成するように抽出する場合、統計量演算回路８が各ブロックについてその要素を用いてブロック間の関係を特徴付ける統計量を算出し、変更量演算回路９がブロックごとの統計量とブロックの個々の要素の統計量との両方を用いて制御するように構成しても良い。

この場合、例えば統計量の大きい順にブロックを選択し、選択されたブロック内の要素をその要素の統計量に応じて変更する。このように処理することによって、各ブロックの対象情報における空間的な組織構造を維持しながら電子透かしを埋め込むことができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、Ｎビットの電子透かし情報を画像ｘに秘匿するにあたり、画像ｘからＮ組の画素の集合である集合Ａｎと集合Ｂｎを抽出し、これら集合Ａｎ，Ｂｎの実現値のベクトルであるａ_ｎとｂ_ｎの関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を演算すると共に、関数ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）の値を電子透かし情報のｎ番目のビット値に応じて量子化し、関数ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）の値がこの量子化代表値に一致するように、集合Ａｎと集合Ｂｎを構成する各画素の近傍における画素値についての統計量に基づいてベクトルａ_ｎ，ｂ_ｎを変更し、これらを要素とする画像を電子透かしの埋め込み済み画像として出力するので、電子透かしの検出性能に影響を与えることなく、電子透かしの埋め込み対象の画像情報の局所的な性質に応じて電子透かし信号の埋め込み強度を制御することができる。これにより、符号化などの処理を施しても電子透かしが劣化しない頑強な電子透かし埋め込みを実行することができる。

なお、上記実施の形態１では、電子透かしの埋め込み対象情報を画像情報として説明したが、空間又は時間の関数としてその要素を規定することができる情報であれば、何にでも適用することができる。

例えば、音声や音楽信号などは、音を伝える媒体の振動を複数の時刻においてサンプリングしたデータとして空間又は時間の関数で表現することができる。これにより、情報の部分的な特性を規定することができることから、本発明による電子透かし埋め込み方法を十分に適用することが可能である。また、動画像情報についても、例えば１フレームごとの静止画像について処理することで、本発明による電子透かし埋め込み方法を適用することができる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による電子透かし埋め込み装置の構成を示すブロック図であり、この図に沿って実施の形態２による電子透かし埋め込み方法を説明する。なお、以降では説明の簡単のため、電子透かし埋め込み装置１Ａによる電子透かし情報の埋め込み対象が画像情報である場合を例として説明する。

図に示すように、電子透かし埋め込み装置１Ａは、周波数変換回路（変換処理部）１２、埋め込み回路１３及び逆変換回路（逆変換処理部）１４から構成される。ここで、埋め込み回路１３は、上記実施の形態１で示した電子透かし埋め込み装置１と同様に動作する。なお、電子透かし埋め込み装置１Ａは、上記実施の形態１と同様に、例えば汎用コンピュータなどを用いて本発明に従う電子透かし埋め込みプログラムを実行することによって具現化することができる。

次に動作について説明する。
先ず、電子透かし情報の埋め込み対象である入力画像ｘを電子透かし埋め込み装置１Ａに入力する。この入力画像ｘは、装置１Ａ内の周波数変換回路１２に取り込まれる。周波数変換回路１２では、入力画像信号を周波数成分に変換する。画像信号を周波数成分に変換する処理としては、例えばＤＣＴ（Discrete Cosine Transform)、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）や、ウェーブレット変換などがある。

周波数変換回路１２によって求められた周波数成分は、埋め込み回路１３に出力される。埋め込み回路１３では、上記実施の形態１と同様にして上記周波数成分に電子透かしを埋め込む。

上記実施の形態１では、入力信号に直接電子透かしを埋め込む例を示したが、本実施の形態２は、入力画像情報から求められた複数の帯域の周波数成分のうちの一部を、電子透かしを埋め込むべき周波数成分として選択する。具体的には、アドレス発生回路２が、所定の周波数成分の要素を特定する情報を生成し、ブロック化回路３によってブロックとして抽出させる。このあとの処理は、上記実施の形態１と同様である。

埋め込み回路１３によって電子透かしが埋め込まれた周波数成分は、逆変換回路１４に出力される。逆変換回路１４では、電子透かしが埋め込まれた周波数成分信号を時間関数に戻して画像信号として出力する。

以上のように、この実施の形態２によれば、電子透かしの埋め込み対象の画像情報をその局所的な特性を有する周波数成分ごとの情報に可逆的に変換し、当該周波数成分に対して電子透かしを埋め込むので、符号化処理などに対する耐性の強い電子透かし埋め込みを実行することができる。例えば、周波数変換回路１２が入力画像に対してウェーブレット変換を実行し、埋め込み回路１３がウェーブレット変換で得られた低域周波数成分に電子透かしを埋め込むことによって画像処理や非可逆符号化に対する電子透かしの耐性を向上させることができる。

なお、上記実施の形態２では、電子透かしの埋め込み対象情報を画像情報として説明したが、上記実施の形態１と同様に、空間又は時間の関数としてその要素を規定することができる情報であれば、何にでも適用することができる。

例えば、音声や音楽信号などは、音を伝える媒体の振動を複数の時刻においてサンプリングしたデータとして空間又は時間の関数で表現することができる。これにより、情報の部分的な特性を規定することができることから、本発明による電子透かし埋め込み方法を十分に適用することが可能である。また、動画像情報についても、例えば１フレームごとの静止画像について処理することで、本発明による電子透かし埋め込み方法を適用することができる。

また、上記実施の形態２では、画像情報を周波数成分ごとの情報に変換する例を示したが、電子透かしの埋め込み対象の情報をその部分的な特性を示す成分情報ごとの情報に可逆的に変換する処理であればよく、特に上記実施の形態での変換例に限定されるものではない。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３による電子透かし検出装置の構成を示すブロック図であり、この図に沿って実施の形態３による電子透かし検出方法を説明する。なお、以降では説明の簡単のため、電子透かし検出装置１５による電子透かし情報の検出対象が画像情報である場合を例として説明する。

図に示すように、本実施の形態による電子透かし検出装置１５は、アドレス発生回路（抽出処理部）１６、ブロック化回路（抽出処理部）１７、関数値演算回路（関数値算出部）１８及び判定回路（復元処理部）１９から構成される。電子透かし検出装置１５は、例えば汎用コンピュータなどを用いて、本発明に従う電子透かし検出プログラムを実行させることによって具現化することができる。

つまり、電子透かし検出プログラムをコンピュータに実行させて上記構成要素１６〜１９として機能させることにより、電子透かし検出装置１５による特徴的なデータ処理を実行することができる。

以下の説明において、電子透かし検出装置１５を具現化するコンピュータ自体の構成及びその基本的な機能については、当業者が当該分野の技術常識に基づいて容易に認識できるものであり、本発明の本質に直接関わるものでもないので詳細な記載を省略する。

次に動作について説明する。
図３において、実施の形態１と同じ働きをする回路は同一の番号を付けた。ブロック化回路３はアドレス発生回路２からの制御によって、入力信号から、集合ＡｎとＢｎを抽出する。
先ず、電子透かし情報の検出対象である入力画像を電子透かし検出装置１５に入力する。この入力画像は、装置１５内のブロック化回路１７に取り込まれる。電子透かし情報は、所定のビット数のビット列からなるディジタル情報であって、ここではビット数Ｎ（Ｎは正の整数）であるものとする。

アドレス発生回路１６は、ブロック化回路１７に取り込まれた入力画像を解析して、上記実施の形態１で示した電子透かし埋め込み装置１が設定したブロックが抽出されるように、電子透かしのビット数に応じたＮ個分のブロックに対応する領域に含まれる画素の位置を決定する。

ブロック化回路１７では、アドレス発生回路１６から入力した画像の画素位置に関する情報に基づいて、電子透かしのビット数に応じたＮ組の集合（ブロック）を抽出する。ここでは、上記実施の形態１と同様に、電子透かしのビット数に応じたＮ組の集合Ａｎ，Ｂｎが入力画像ｘから抽出されるものとする。但し、ｎは１からＮまでの正の整数であり、集合Ａｎ，Ｂｎのそれぞれの実現値（各画素の画素値）からなるベクトルがａ_ｎ，ｂ_ｎであるものとする。

また、電子透かし埋め込み装置１によってブロックで規定される画像中で一様に分布するように画素位置が決定されている場合、アドレス発生回路１６は、これに沿ってブロック化回路１７によってブロック化されるＡｎ，Ｂｎ内の画素が一様に分布するように画素位置に関するアドレス情報を発生する。このとき、画像上で一様に画素が分布していさえすれば、ランダムに画素が配置されていても、画素が規則的な配列をなしていてもよい。

このように画素の抽出位置が空間的に偏らないように集合を抽出することで、同じ集合の中に性質の異なる画素が含まれるようになり、電子透かしを検出するにあたり集合ごとの画像領域の局所的な特性を適応的に反映させることができる。

続いて、ブロック化回路１７によって抽出された各ブロック（集合Ａｎ，Ｂｎ）の実現値であるベクトルａ_ｎ、ｂ_ｎは、関数値演算回路１８に出力される。関数値演算回路１８では、予め設定された関数ｆのパラメータとしてブロック化回路１７から入力したベクトルａ_ｎ、ｂ_ｎを代入して関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を演算する。

関数値演算回路１８は、上述のようにして算出した関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を判定回路１９に出力する。判定回路１９では、電子透かし埋め込み装置１の量子化回路５に設定された代表値群内の量子化代表値と、関数値演算回路１８から入力した関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）とを比較して、最も近い代表値に割りつけられたビット値を検出ビットとして出力する。

例えば、電子透かし埋め込み装置１の量子化回路５に設定された量子化代表値が、電子透かしの埋め込みビット値が０であるとき、代表値群｛・・・，−７，−３，＋１，＋５，・・・｝から選択され、埋め込みビット値が１であるとき、代表値群｛・・・，−５，−１，＋３，＋７，・・・｝から選択される場合を考える。

このとき、判定回路１９は、関数値演算回路１８からの関数値が０．２５であれば、これに一番近い量子化代表値は＋１であるから、この関数値を与える画素に対して埋め込みビット値０が秘匿されていたものと判断して検出ビットとして出力する。このようにして、電子透かしの埋め込み対象情報の局所的な性質（集合Ａｎ，Ｂｎの特性）に応じて電子透かし信号の埋め込み強度が制御された画像情報から電子透かし情報を検出することができる。

なお、上記実施の形態１で示したアドレス発生回路２が、画素がある一定の空間的な規則に沿って配置された、いわゆる空間的に組織化されたブロックが構成されるように画素位置を決定している場合、本実施の形態におけるアドレス発生回路１６も同様に画素位置を決定するように構成してもよい。空間的に組織化されたブロックとしては、例えば集合Ａｎの画素と集合Ｂｎの画素が互いに隣接するように配置されたものが考えられる。

上記実施の形態１で説明したように、電子透かし埋め込み対象の画像からブロックを抽出するにあたり、空間的に組織化された配置になるように画素を選択することで、電子透かしのビットごとの埋め込み情報が画像中である一定の空間的な規則に沿って埋め込まれることとなる。

このとき、電子透かし信号は、埋め込み対象の画素の配置に起因した特定の周波数成分の特性を有するようになる。そこで、対象画像の局所的な特性を十分に反映できるように、上記周波数を選択して埋め込み情報の埋め込みや検出を実行することで、電子透かしの埋め込みによる視覚的な妨害を軽減したり、ＭＰＥＧ（Moving Picture Coding Experts Group)やＪＰＥＧ（Joint Photographic Experts Group）などの圧縮に対する耐性を持たせることができる。

また、上述した説明では、関数値演算回路１８が関数値を求めるために利用する関数について述べなかったが、上記実施の形態１で示した関数値演算回路４が、例えばベクトルａ_ｎとベクトルｂ_ｎの各成分に対して単調に値が増減する関数で関数値を算出していれば、この単調関数を関数値演算回路１８に設定して透かし検出を実行させる。

特に、上記実施の形態１で示した関数値演算回路４に対して、集合Ａｎと集合Ｂｎの複数（Ｍ個）の画素値を用いる関数ｆが設定されている場合、各集合でＭ個の画素値の関数値を求めることから、画像信号中に含まれるランダムな信号の電力がＭ分の１に減衰する。よって、符号化などの際に画像信号中にランダムな雑音が付加されても、圧縮符号化などによる歪みの影響が小さくなっていることから電子透かしを正確に検出することができ、検出処理の信頼性を向上させることができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様にしてＮビットの電子透かし情報が秘匿された画像ｘから当該電子透かし情報を検出するにあたり、Ｎ組の画素の集合である集合Ａｎと集合Ｂｎを抽出し、これら集合Ａｎ，Ｂｎの実現値のベクトルであるａ_ｎとｂ_ｎの関数値ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）を演算すると共に、関数ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）の値と電子透かし情報のｎ番目のビット値に応じて関数値を量子化した量子化代表値とを比較して、関数ｆ（ａ_ｎ，ｂ_ｎ）の値に最も近い量子化代表値に対応するビット値を、電子透かし情報のｎ番目の検出ビットとして復元するので、電子透かしの埋め込み対象の画像情報の局所的な性質に応じて電子透かし信号の埋め込み強度が制御された画像情報から電子透かし情報を正確に検出することができる。

なお、上記実施の形態３では、電子透かしの検出対象情報を画像情報として説明したが、空間又は時間の関数としてその要素を規定することができる情報であれば、何にでも適用することができる。

例えば、音声や音楽信号などは、音を伝える媒体の振動を複数の時刻においてサンプリングしたデータとして空間又は時間の関数で表現することができる。これにより、情報の部分的な特性を規定することができることから、本発明による電子透かし検出方法を十分に適用することが可能である。また、動画像情報についても、例えば１フレームごとの静止画像について処理することで、本発明による電子透かし検出方法を適用することができる。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４による電子透かし検出装置の構成を示すブロック図であり、この図に沿って実施の形態４による電子透かし検出方法を説明する。なお、以降では説明の簡単のため、電子透かし検出装置１５Ａによる電子透かし情報の検出対象が画像情報である場合を例として説明する。

図に示すように、電子透かし検出装置１５Ａは、周波数変換回路（変換処理部）２０及び検出回路２１から構成される。ここで、検出回路２１は、上記実施の形態３で示した電子透かし検出装置１５と同様に動作し、その構成も同様であるものとする。なお、電子透かし検出装置１５Ａは、上記実施の形態３と同様に、例えば汎用コンピュータなどを用いて本発明に従う電子透かし埋め込みプログラムを実行することによって具現化することができる。

次に動作について説明する。
先ず、電子透かし情報の検出対象である入力画像を電子透かし検出装置１５Ａに入力すると、装置１５Ａ内の周波数変換回路２０に取り込まれる。この入力画像には、上記実施の形態２と同様な操作によって電子透かしが埋め込まれているものとする。

周波数変換回路２０では、上記実施の形態２で示した周波数変換回路１２と同様にして入力画像信号を周波数成分に変換する。画像信号を周波数成分に変換する処理としては、例えばＤＣＴ（Discrete Cosine Transform)、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）や、ウェーブレット変換などがある。

周波数変換回路２０によって求められた周波数成分は、検出回路２１に出力される。検出回路２１は、上記実施の形態３と同様にして上記周波数成分から電子透かしを埋め込みビットごとに検出する。検出回路２１によって検出されたビット値は、電子透かしの埋め込みビットとして出力される。

上記実施の形態３では、入力信号から直接電子透かしを検出する例を示したが、本実施の形態４は、入力画像情報から求められた複数の帯域の周波数成分のうちの一部を、電子透かしを検出すべき周波数成分として選択する。

以上のように、この実施の形態４によれば、上記実施の形態２と同様に電子透かしの埋め込み対象の画像情報をその局所的な特性を有する成分ごとの情報に可逆的に変換し、当該成分に対して電子透かしを埋め込んだ画像情報を、上記実施の形態２と同様に変換して周波数成分から電子透かしの埋め込みビットを復元するので、符号化処理などに対する耐性の強い電子透かし検出を実行することができる。例えば、周波数変換回路２０が入力画像に対してウェーブレット変換を実行し、検出回路２１がウェーブレット変換で得られた低域周波数成分から電子透かしの埋め込みビットを復元することによって画像処理や非可逆符号化に対する電子透かしの耐性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１よる電子透かし埋め込み装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２よる電子透かし埋め込み装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３よる電子透かし検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４よる電子透かし検出装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１Ａ 電子透かし埋め込み装置、２，１６ アドレス発生回路（抽出処理部）、３，１７ ブロック化回路（抽出処理部）、４，１８ 関数値演算回路（関数値算出部）、５ 量子化回路（量子化処理部）、６ ビット発生回路（量子化処理部）、７ 減算器、８ 統計量演算回路（統計量算出部）、９ 変更量演算回路（変更処理部）、１０ 加算器、１１ ブロック解除回路（情報出力部）、１２，２０ 周波数変換回路（変換処理部）、１３ 埋め込み回路、１４ 逆変換回路（逆変換処理部）、１５，１５Ａ 電子透かし検出装置、１９ 判定回路（復元処理部）、２１ 検出回路。

Claims (15)

1. 複数の要素の集合で表現可能な電子情報に対して電子透かしを埋め込む電子透かし埋めこみ方法において、
   上記電子情報の集合から、上記電子透かしを構成する各ビットに対応させた当該ビット数組の相重ならない部分集合を抽出する抽出ステップと、
   上記電子情報を構成する集合の各要素の時間的又は空間的な分布を規定する関数の変数に、上記電子透かしの同一ビットに対応する上記部分集合の要素の実現値をそれぞれ代入して、上記電子透かしを構成するビット数組の上記部分集合の関数値を算出する関数値算出ステップと、
   ０，１のディジタル値にそれぞれ対応して設けられ、互いに同一の代表値が選択されないように排他的に数値が設定された代表値群から、上記電子透かしを構成する各ビットの値に対応する代表値群をそれぞれ選択し、選択した代表値群から上記ステップで算出した上記関数値に最も近い数値を、上記電子透かしを構成する当該ビットの量子化代表値として決定する量子化ステップと、
   上記部分集合の各要素の上記電子情報において時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係を特徴付ける統計量を算出する統計量算出ステップと、
   上記量子化代表値とこれに対応する上記関数値とが一致するように、上記部分集合の各要素の上記統計量により規定される上記時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係に従って、上記各要素の実現値を変更する変更ステップと、
   上記ステップで実現値を変更した要素で上記電子情報の対応する要素を置き換えることにより、当該電子情報を電子透かし埋め込み済みの情報として出力する出力ステップとを備えたことを特徴とする電子透かし埋め込み方法。
2. 電子情報を部分的な特性を示す成分情報ごとの情報に可逆的に変換する変換ステップを備え、
   抽出ステップにて、上記電子情報の部分的な特性に応じて電子透かしを埋め込む成分情報を決定し、当該成分情報から部分集合を抽出し、
   出力ステップで上記成分情報ごとに得られた情報に対して上記変換ステップの逆変換を実行して電子透かし埋め込み済みの情報を得る逆変換ステップを備えたことを特徴とする請求項１記載の電子透かし埋め込み方法。
3. 抽出ステップにて、電子情報を構成する集合の要素の時間的又は空間的な分布を規定する関数に従って、当該電子情報を構成する集合において部分集合が時間的又は空間的に一様に分布ように当該部分集合を抽出することを特徴とする請求項１記載の電子透かし埋めこみ方法。
4. 抽出ステップにて、電子情報を構成する集合の要素を規定する時間的又は空間的な関数に従って、部分集合内で各要素が時間的又は空間的に一様に分布するように当該部分集合を抽出することを特徴とする請求項１記載の電子透かし埋めこみ方法。
5. 関数値算出ステップにて、部分集合の要素の実現値に対して単調に増加又は減少する関数を用いることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の電子透かし埋め込み方法。
6. 変更ステップにて、部分集合間の各要素の実現値に対する変更量がそれぞれ離散した値となるように実現値を変更することを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の電子透かし埋めこみ方法。
7. 統計量算出ステップにて、部分集合の各要素についての統計量の他に、部分集合間の時間的又は空間的な近傍における関係を特徴付ける統計量を算出し、
   変更ステップにて、上記部分集合の統計量と、上記部分集合の各要素についての統計量とに基づいて上記部分集合の各要素の実現値を変更することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項記載の電子透かし埋め込み方法。
8. 請求項１記載の電子透かし埋め込み方法で電子透かしが埋め込まれた電子情報から当該電子透かしを検出する電子透かし検出方法において、
   上記電子情報を構成する集合から、上記電子透かしを構成する各ビットに対応させた当該ビット数組の相重ならない部分集合を抽出する抽出ステップと、
   上記電子透かし埋め込み方法で定められた関数の変数に、上記電子透かしの同一ビットに対応する上記部分集合の要素の実現値をそれぞれ代入して、上記電子透かしを構成するビット数組の上記部分集合の関数値を算出する関数値算出ステップと、
   上記電子透かし埋め込み方法で定められた量子化代表値とこれに対応する関数値との関係に従って、上記ステップで算出した関数値に対応する電子透かしの各ビット値を復元し、検出ビットとして出力する復元ステップとを備えたことを特徴とする電子透かし検出方法。
9. 請求項１記載の電子透かし埋め込み方法で、電子情報が部分的な特性を示す成分情報ごとの情報に可逆的に変換されている場合、これと同様にして上記電子情報を変換する変換ステップを備え、
   抽出ステップにて、上記電子情報の部分的な特性に応じて電子透かしが埋め込まれた成分情報から部分集合を抽出することを特徴とする請求項８記載の電子透かし検出方法。
10. 複数の要素の集合で表現可能な電子情報に対して電子透かしを埋め込むにあたり、上記電子情報を構成する集合から、上記電子透かしを構成する各ビットに対応させた当該ビット数組の相重ならない部分集合を抽出する抽出処理部と、
    上記電子情報を構成する集合の各要素の時間的又は空間的な分布を規定する関数の変数に、上記電子透かしの同一ビットに対応する上記部分集合の要素の実現値をそれぞれ代入して、上記電子透かしを構成するビット数組の上記部分集合の関数値を算出する関数値算出部と、
    ０，１のディジタル値にそれぞれ対応して設けられ、互いに同一の代表値が選択されないように排他的に数値が設定された代表値群から、上記電子透かしを構成する各ビットの値に対応する代表値群をそれぞれ選択し、選択した代表値群から上記関数値算出部で算出した上記関数値に最も近い数値を、上記電子透かしを構成する当該ビットの量子化代表値として決定する量子化処理部と、
    上記部分集合の各要素の上記電子情報において時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係を特徴付ける統計量を算出する統計量算出部と、
    上記量子化代表値とこれに対応する上記関数値とが一致するように、上記部分集合の各要素の上記統計量により規定される上記時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係に従って、上記各要素の実現値を変更する変更処理部と、
    上記変更処理部が実現値を変更した要素で上記電子情報の対応する要素を置き換えることにより、当該電子情報を電子透かし埋め込み済みの情報として出力する情報出力部とを備えた電子透かし埋め込み装置。
11. 電子情報を部分的な特性を示す成分情報ごとの情報に可逆的に変換する変換処理部を備え、
    抽出処理部は、上記電子情報の部分的な特性に応じて電子透かしを埋め込む成分情報を決定し、当該成分情報から部分集合を抽出し、
    情報出力部から上記成分情報ごとに出力される情報に対して上記変換処理部の逆変換を実行して電子透かし埋め込み済みの情報を得る逆変換処理部を備えたことを特徴とする請求項１０記載の電子透かし埋め込み装置。
12. 請求項１０記載の電子透かし埋め込み装置によって電子透かしが埋め込まれた電子情報から当該電子透かしを検出する電子透かし検出装置において、
    上記電子情報を構成する集合から、上記電子透かしを構成する各ビットに対応させた当該ビット数組の相重ならない部分集合を抽出する抽出処理部と、
    上記電子透かし埋め込み装置において定められた関数の変数に、上記電子透かしの同一ビットに対応する上記部分集合の要素の実現値をそれぞれ代入して、上記電子透かしを構成するビット数組の上記部分集合の関数値を算出する関数値算出部と、
    上記電子透かし埋め込み装置において定められた量子化代表値とこれに対応する関数値との関係に従って、上記関数値算出部が算出した関数値に対応する電子透かしの各ビット値を復元し、検出ビットとして出力する復元処理部とを備えたことを特徴とする電子透かし検出装置。
13. 請求項１０記載の電子透かし埋め込み装置によって電子情報が部分的な特性を示す成分情報ごとの情報に可逆的に変換されている場合、これと同様にして上記電子情報を変換する変換処理部を備えたことを特徴とする請求項１２記載の電子透かし検出装置。
14. 複数の要素の集合で表現可能な電子情報に対して電子透かしを埋め込むにあたり、上記電子情報を構成する集合から、上記電子透かしを構成する各ビットに対応させた当該ビット数組の相重ならない部分集合を抽出する抽出処理部、
    上記電子情報を構成する集合の各要素の時間的又は空間的な分布を規定する関数の変数に、上記電子透かしの同一ビットに対応する上記部分集合の要素の実現値をそれぞれ代入して、上記電子透かしを構成するビット数組の上記部分集合の関数値を算出する関数値算出部、
    ０，１のディジタル値にそれぞれ対応して設けられ、互いに同一の代表値が選択されないように排他的に数値が設定された代表値群から、上記電子透かしを構成する各ビットの値に対応する代表値群をそれぞれ選択し、選択した代表値群から上記関数値算出部で算出した上記関数値に最も近い数値を、上記電子透かしを構成する当該ビットの量子化代表値として決定する量子化処理部、
    上記部分集合の各要素の上記電子情報において時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係を特徴付ける統計量を算出する統計量算出部、
    上記量子化代表値とこれに対応する上記関数値とが一致するように、上記部分集合の各要素の上記統計量により規定される上記時間的又は空間的な近傍に存在する他の要素との関係に従って、上記各要素の実現値を変更する変更処理部、
    上記変更処理部が実現値を変更した要素で上記電子情報の対応する要素を置き換えることにより、当該電子情報を電子透かし埋め込み済みの情報として出力する情報出力部としてコンピュータを機能させるプログラム。
15. 請求項１０記載の電子透かし埋め込み装置によって電子透かしが埋め込まれた電子情報から当該電子透かしを検出するにあたり、上記電子情報を構成する集合から、上記電子透かしを構成する各ビットに対応させた当該ビット数組の相重ならない部分集合を抽出する抽出処理部、
    上記電子透かし埋め込み装置において定められた関数の変数に、上記電子透かしの同一ビットに対応する上記部分集合の要素の実現値をそれぞれ代入して、上記電子透かしを構成するビット数組の上記部分集合の関数値を算出する関数値算出部、
    上記電子透かし埋め込み装置において定められた量子化代表値とこれに対応する関数値との関係に従って、上記関数値算出部が算出した関数値に対応する電子透かしの各ビット値を復元し、検出ビットとして出力する復元処理部としてコンピュータを機能させるプログラム。

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