JP4294962B2 - ハードコピー電子透かし - Google Patents

Description

デジタル情報テクノロジの急速な開発、それにインターネット等の通信ネットワークによりデータを複製し分配することの簡易性が組合されることにより、コンテンツプロバイダは自身のコンテンツを保護するという真の難題に直面させられた。この難題により、高性能な電子透かしと情報隠蔽方法が研究され開発されることとなった。

ハードコピー電子透かしでは、デジタルイメージのハードコピー（たとえば、プリントバージョン）に秘密情報を埋込むようにデジタルイメージを変更することが必要である。秘密情報は、イメージに関する情報、イメージの所有者に関する情報、偽造防止情報等であってもよい。秘密情報は可視でなく、もしくは雑音として知覚される。しかしながら、ハードコピーをデジタルイメージに変換し、デジタルイメージを復号化することにより、秘密情報を検出することができる。

ハードコピー電子透かしのための設計パラメータは、プリント、スキャンおよび他の影響（たとえば、クロッピング、ずれ、しみおよび引掻き）によって加えられる画質劣化を考慮して復号化する頑強性と、ハードコピーの視覚的品質と、符号化レートと、を含む。符号化レート、すなわち、デジタルイメージに確実に埋込むことができる秘密情報の相対的な量は、典型的には、視覚的品質および頑強性とのトレードオフを伴う。符号化レートが高いほど多くの情報をイメージに埋込むことができるが、イメージの視覚的品質とメッセージを復号化する際の頑強性とが低減する傾向がある。逆に、符号化レートが低いと、提供される情報が少なくなる傾向があるが、イメージの視覚的品質は高くなり、復号化はより頑強になる。頑強であり、高い符号化レートを有し、ハードコピーの視覚的品質を劣化させないハードコピー電子透かしを実行することが望ましい。

電子透かし入りイメージを復号化するには、一般的にはオリジナルイメージにアクセスする必要がある。しかしながら、オリジナルイメージが入手可能でない場合がある。また、オリジナルイメージにアクセスすることなく復号化を実行することが望ましい場合もある。

本発明の一態様によれば、変換係数をデジタルイメージの変換領域表現において変更することにより、デジタルイメージにハードコピー電子透かしが埋込まれる。その変換係数は、メッセージのビット値にしたがって変更される。本発明の別の態様によれば、電子透かし入りイメージの変換領域表現を統計的に復号化することによって、ハードコピー電子透かし入りイメージ中のメッセージを識別する。本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を例として示す添付図面を考慮して以下の詳細な説明から明らかとなろう。

例示の目的のために図面に示すように、本発明を、デジタルイメージにｎビットの「メッセージ」を埋込み、その後デジタルイメージのハードコピーにおいてメッセージを識別するハードコピー電子透かしシステムにおいて具体化する。メッセージは、たとえば、イメージに関する情報、イメージの所有者に関する情報、偽造防止情報等を有してもよい。本システムが実行するハードコピー電子透かしは、頑強であり、高符号化レートを有し、ハードコピーの視覚的品質を劣化させない。メッセージをオリジナルイメージに頼らずに識別することができる。代りに、メッセージをデジタルイメージの劣化した／プリントされた／スキャンされたバージョンから識別してもよい。

図１を参照するが、図１は、デジタル入力イメージ（ｉ_ｏ）においてｎビットのデジタル「メッセージ」（ｍ）を符号化し後にメッセージ（ｍ^★）を識別する、ハードコピー電子透かしシステム１０を示す。入力イメージ（ｉ_ｏ）のピクセルを、ｋビットワードで表してもよい。たとえば、各ｋビットワードは、その対応するピクセルの赤、緑および青成分を示してもよい。

システム１０は、エンコーダ１２と、プリント／スキャンチャネル１４と、デコーダ１６と、を含む。エンコーダ１２は、入力イメージ（ｉ_ｏ）を変換領域表現（domain representation）（たとえば、ＤＣＴ）に変換し、メッセージ（ｍ）のビット値にしたがって表現の選択された変換係数を変更する。変換のために中間周波数領域の変換係数を選択する。エンコーダ１２の出力は、電子透かし入りイメージ（ｉ_ｗ）を提供する。

プリント／スキャンチャネル１４では、電子透かし入りイメージ（ｉ_ｗ）のハードコピーを作成し、そのハードコピーを後に再びデジタルイメージ（ｉ_ｓ）に変換する。たとえば、電子透かし入りイメージ（ｉ_ｗ）をプリントアウトし後にスキャンする。プリント、スキャンおよび他の影響（たとえば、クロッピング、ずれ、しみおよび引掻き）により、スキャンイメージ（ｉ_ｓ）に雑音（ｒ）が付加される。スキャンイメージ（ｉ_ｓ）を周波数変換領域で表す場合、雑音（ｒ）は典型的には、１）高周波数領域では変換係数を一掃し中間周波数領域では変換係数を減衰させ、２）両領域に対し統計的に独立した雑音を付加する。

しかしながら、エンコーダ１２によって変更された変換係数は、入力イメージ（ｉ_ｏ）の変換係数とは大幅に異なる。変換係数を変更する際、エンコーダ１２は、電子透かし入りイメージ（ｉ_ｗ）に、スキャンイメージ（ｉ_ｓ）の変換係数に「トレース」を残すほど強い、強度な電子透かし信号を生成する。このトレースはまだ、スキャンイメージ（ｉ_ｓ）の変換領域表現において検出可能である。

デコーダ１６は、統計的技法を使用してスキャンイメージ（ｉ_ｓ）の変換領域表現におけるメッセージ（ｍ^★）を推定する。メッセージを推定するのは、スキャンイメージ（ｉ_ｓ）のその変換領域表現において、変更された変換係数が減衰しているためである。メッセージの各ビットを、「０」かまたは「１」のいずれかである可能性にしたがって推定する。かかる統計的技法の１つは、「最大尤度」技法である。

デコーダ１６は、入力イメージ（ｉ_ｏ）に頼ることなくメッセージ（ｍ^★）を推定することができる。しかしながら、デコーダ１６が入力イメージ（ｉ_ｏ）にアクセスすることができる場合、統計値はより正確になり、したがってメッセージの推定がより正確になる。誤り訂正符号技法を使用して、推定の精度を向上させそれにより頑強性をさらに向上させてもよい。

エンコーダ１２を、プロセッサとメモリとを有するコンピュータによって実現してもよく、エンコーダのメモリはエンコーダのプロセッサに対し符号化を実行するよう命令する命令を格納する。デコーダ１６を、プロセッサおよびメモリを有するコンピュータによって実現してもよく、デコーダのメモリはデコーダのプロセッサに対して復号化を実行するよう命令する命令を格納する。

ここで図２を参照するが、図２は、エンコーダ１２をより詳細に示す。エンコーダ１２は、入力イメージ（ｉ_ｏ）を変換領域表現（ｉ_Ｔ）に変換する（ブロック１０２）。例示的な変換領域には、離散コサイン変換（Discrete Cosine Transform）（DCT）と、デジタルフーリエ変換（Digital Fourier Transform）（DFT）と、離散波長変換（Discrete Wavelength Transform）（DWT）と、がある。

エンコーダ１２は、メッセージ（ｍ）を受取り冗長データをメッセージに付加する（ブロック１０４）。冗長データを、誤り訂正符号（ＥＣＣ）として使用する。結果は、Ｎビットメッセージ（Ｂ＝［ｂ_１、ｂ_２、…、ｂ_Ｎ］）である。

エンコーダ１２は、変換領域表現（ｉ_Ｔ）の中間周波数領域における変換係数のうちの２Ｎ個を選択する。これらの画像変換係数を、擬似乱数的に選択してもよい。

選択した２Ｎ個の変換係数を、メッセージ（Ｂ）のビット値にしたがって変換する（ブロック１０６）。すなわち、
ｂ＝０の場合、ｘ_2i-1＝ｆ_ｕ（ｓ_2i-1），ｘ_２ｉ＝ｆ_ｌ（ｓ_2i）
ｂ＝１の場合、ｘ_2i-1＝ｆ_ｌ（ｓ_2i-1），ｘ_２ｉ＝ｆ_ｕ（ｓ_2i）
ここで、ｓ_ｉは、選択される、０＜ｉ≦Ｎである場合のｉ番目の変換領域係数を表し、ｘ_ｉは、変更されるｉ番目の係数である。関数ｆ_ｕは、係数に実質的なエネルギーを付加する上位埋込み関数を表す。関数ｆ_ｌは、実質的に係数のエネルギーを低減する下位埋込み関数を表す。この「歪み」エネルギーを実質的に付加／低減することにより、プリント／スキャンチャネル１４を生き延びることができる強度な電子透かし信号が生成される。このため、入力イメージ（ｉ_ｏ）がＫ個の変換係数を含む場合、電子透かし入りイメージ（ｉ_ｗ）は、２Ｎ個の変更された係数（Ｘ）とオリジナルの変換係数のうちのＫ−２Ｎ個とを含む。

エンコーダ１２は、電子透かし入り領域変換表現（ｉ_Ｔ’）を逆変換させることにより電子透かし入りイメージｉ_w’＝Ｆ^-1（ｉ_Ｔ’）を取得する（ブロック１０８）。イメージ（ｉ_ｗ’）に対して雑音低減を実行することにより、アーティファクトを低減し画質を向上させてもよい（ブロック１１０）。たとえば、エンコーダ１２は、イメージ（ｉ_ｗ’）のピクセルの小さい近傍の平滑性を確定してもよい。近傍が平滑である場合、エンコーダ１２は、［０，１］の間の値を有する減衰係数分だけ、平滑な近傍における電子透かし信号（ｉ_ｗ’−ｉ_０）の強度を低減する。減衰係数の値は、平滑性測定値に反比例する。

変換係数に付加される歪みエネルギーの総量は、アプリケーション固有である。電子透かし入りイメージ（ｉ_ｗ）のハードコピーが入力イメージ（ｉ_ｏ）のハードコピーに知覚的に類似したものにするために、歪みエネルギーの総量は、以下の歪み制約を当てはめることができる。

1／2N・Σｄ_ｉ（ｘ_ｉ，ｓ_ｉ）＜Ｄ
ここで、ｄ_ｉ（・）は歪み測定値でありＤは歪みレベルである。視覚的品質と符号化レートとの間のトレードオフは、パラメータＮおよびＤによって確定される。電子透かし変換係数の数を増加させたり、係数歪みを増大させたりする結果、情報レートは高くなるが画質は低下する。逆に、電子透かし変換係数の数を減少させたり、係数歪みを低減させたりする結果、情報レートは低くなるが画質は向上する。

雑音低減を実行することにより、平滑領域における歪みエネルギーは低減するが、非平滑ピクセル近傍における歪みエネルギーは影響を受けない。しかしながら、雑音低減が実行されなかった場合より、同じ視覚的品質に対し多くの総歪みエネルギーを変換係数に付加することができる。

ここで図３を参照するが、図３は、デコーダ１６をより詳細に示す。デコーダ１６は、スキャンイメージ（ｉ_ｓ）を位置合せしそのサイズを変更することにより、入力イメージ（ｉ_ｏ）の寸法および向きと一致させる（ブロック２０２）。そして、デコーダ１６は、エンコーダ１２によって使用されたものと同じ変換を使用してサイズ変更され／再度位置合せされたイメージの変換領域表現を計算する（ブロック２０４）。また、デコーダ１６は、エンコーダ１２によって変更されたものと同じ２Ｎ個の変換係数（Ｙ）を選択する（ブロック２０６）。選択された変換係数（Ｙ）は、恐らくは、雑音がプリント／スキャンチャネル１４によって付加されるため、変更された変換係数（Ｘ）とは異なる。

サイズ変更／位置合せ（ブロック２０２）と２Ｎ個の係数の選択（ブロック２０４）とを実行するために、デコーダ１６は、入力イメージ（ｉ_ｏ）のサイズ／位置合せと２Ｎ個の変更された係数の位置とが既知である。イメージサイズ（たとえば、６００×６００ピクセル）と、位置合せと、変更された変換係数の位置とに関し、エンコーダ１２とデコーダ１６との間に事前の合意があってもよい。代替的に、エンコーダ１２が、入力イメージ（ｉ_ｏ）のサイズおよび位置合せと変更された変換係数の位置とに関する情報をデコーダ１６に渡してもよい。

デコーダ１６は、選択された変換係数（Ｙ）を使用して、統計パラメータ、すなわち上位埋込み関数ｆ_ｕによって変更された係数の第１の条件付き確率と、下位埋込み関数ｆ_ｌによって変更された係数の第２の条件付き確率とを推定する（ブロック２０８）。第１の条件付き確率Ｐ（ｙ_2i-1,ｙ_２ｉ｜ｂ_ｉ＝１）は、ｂ_ｉ＝１である場合の係数ｙ_2i-1およびｙ_２ｉを観察する確率である。第２の条件付き確率Ｐ（ｙ_2i-1,ｙ_2i｜ｂ_ｉ＝０）は、ｂ_ｉ＝０である場合の係数ｙ_2i-1およびｙ_２ｉを観察する確率である。

Ｎビット２進シーケンスＢ^★を推定する（ブロック２１０）。２進シーケンスＢ^★を、最大尤度（ＭＬ）アルゴリズムを使用することによって推定してもよい。ＭＬアルゴリズムは、第１および第２の条件付き確率を利用して、対応するメッセージビットが０または１である場合に、各ｉ＝１，…,Ｎに対する変換係数ｙ_2i-1およびｙ_2iの対を観察する確率を計算する。ＭＬアルゴリズムを使用することにより、デコーダ１６は、Ｎが合意された符号化メッセージ長である場合、あり得るすべてのＮビットメッセージ（Ｃ）を列挙し、それらの各々に対してスコアＳｃ（Ｃ）を割当てる。スコアを、以下のように計算してもよい。

最高スコアを有するメッセージ（Ｃ）を、推定されたシーケンスＢ^★として選択する。

そして、推定されたＮビットシーケンスＢ^★をＥＣＣ復号化することにより（ブロック２１２）推定されたメッセージ（ｍ^★）を取得する。ＥＣＣ復号化により、推定の精度が向上する。

ここで、ハードコピー電子透かしシステム１０の例示的な実施形態を説明する。

符号化側では、入力イメージ（ｉ_ｏ）のＤＦＴ変換を計算する。ＤＦＴ係数を、ＤＣ係数が係数マトリクスの中心にあるように周期的に循環させる。

ＤＦＴ領域の中間周波数領域において変換係数のＮ個の対を選択する。各対を、小さい正方形に対して固定位置に配置してもよい。これらのオーバラップしない正方形を、ＤＦＴ領域における中間周波数リングの半分に擬似乱数パターンで分散させる（図４参照、そこでは、^★は大きさが増大する係数を示し、ｏは大きさが減少する係数を示す）。分散を、電子透かし入りイメージにおけるアーティファクトが出現しないように設計する。

メッセージビットのブロックを適当なコードワードにマップする線形誤り訂正符号を使用することにより、メッセージ（ｍ）がＥＣＣ符号化される。

得られる長さＮの２進シーケンスＢを使用して、２Ｎ個の画像変換係数（Ｓ）を変更する。係数ｓ_２ｉ、ｓ_2i-1の各対を、以下のように対応する符号化メッセージビットの符号にしたがって各々ｘ_２ｉおよびｘ_2i-1に変換する。

（１）Ｂ_ｉビットが値「０」を有する場合、ｓ_２ｉの絶対値を一定の係数（歪みレベルＤによって確定される）だけ増大させ、ｓ_2i-1の絶対値をごくわずかな値まで減少させる。ｓ_２ｉおよびｓ_２ｉ−１両方の極性（実際の係数の符号かまたは複素係数の位相）を保存する。

（２）Ｂ_ｉビットが値「１」を有する場合、ｓ_２ｉの絶対値をごくわずかな値まで減少させ、ｓ_2i-1の絶対値を一定の係数だけ増大させる。ｓ_２ｉおよびｓ_2i-1両方の極性を保存する。

その結果、変更された変換係数（Ｘ）を含む変換領域表現が得られる。電子透かし入りイメージピクセルに対する実際の値を保存するために、シーケンス（Ｘ）のエントリに対して対称的なＤＦＴ係数を、各対称な係数が対応する電子透かし入りエントリの複素共役であるように変更する。

電子透かし入りＤＦＴ領域表現を逆変換して電子透かし入りイメージを取得する。電子透かし信号によって平滑ピクセル近傍にもたらされる視覚的アーティファクトを減衰させることにより最終的な電子透かし入りイメージを取得する。電子透かし入りイメージをプリントする。

復号化側では、デコーダ１６はスキャンイメージ（ｉ_ｓ）を受取り、スキャンイメージを入力イメージと一致する寸法および向きになるように再度位置合せしサイズを変更する。デコーダ１６は、サイズを変更し向きを変えたイメージのＤＦＴ変換を計算し、エンコーダ１２によって選択され変更された係数の対と同じ位置を有する変換係数のＮ個の対を選択する。

次に、デコーダ１６は、選択されたシーケンスＹから、上位および下位埋込み関数ｆ_ｕおよびｆ_ｌに対応する係数の２つのファミリの確率分布を推定する。各係数対の順序を、対応するメッセージビットの符号によって確定する。スキャン／プリントチャネル１４によりいかなる雑音ももたらされなかった場合、デコーダ１６は、単に係数のうちのいずれがより高いエネルギーを有するかを観察することにより、各対からメッセージビットを復号化することができる。しかしながら、プリント／スキャンチャネル１４によってもたらされる雑音は、対のうちのいくつかのエネルギー順を逆転させる可能性がある。デコーダ１６は、各対に対し、低エネルギーまたは高エネルギーの「クリーンな」係数から発生する両係数の確率を推定する。したがって、デコーダ１６において、２つの確率分布がある。なおＰ_ｌ（ｔ）は、本来「低エネルギー係数」がエネルギー値「ｔ」を有する確率であり、Ｐ_ｕ（ｔ）は、本来「高エネルギー係数」がエネルギー値「ｔ」を有する確率である。

これらの確率分布を、以下のように構成する。デコーダ１６は、係数対の各々から、高い方のエネルギーを有する１つの係数を選択する。それは、この「高エネルギー」係数セットに対し、基礎となる分布がガンマ確率分布関数（pdf）Ｇ_{αｘ，βｘ}（ｔ）であるという推定に基づいてパラメータα_ｘ、β_ｘを推定する。そして、デコーダ１６は、残りの係数（各対において低い方のエネルギーを有するもの）を選択し、この「低エネルギー」係数セットに対し、基礎となる分布がガンマpdfＧ_{αｎ，βｎ}（ｔ）であるという推定に基づいてパラメータα_ｎ、β_ｎを推定する。この時、デコーダ１６はプリント／スキャン雑音にも係らず、対における係数エネルギーの順序が保存される（比較的高いが１！に等しくない）確率（ｐ_ｃ）を想定する。したがって、２つのガンマpdfの混合により実際の確率Ｐ_ｌ（ｔ）およびＰ_ｕ（ｔ）が与えられる。

Ｐ_ｕ（ｔ）＝ｐ_ｃＧ_{αｘ，βｘ}（ｔ）＋（１−ｐ_ｃ）Ｇ_{αｎ，βｎ}（ｔ）
Ｐ_ｌ（ｔ）＝（１−ｐ_ｃ）Ｇ_{αｘ，βｘ}（ｔ）＋ｐ_ｃＧ_{αｎ，βｎ}（ｔ）
各あり得るメッセージ（Ｃ）に対するスコアSc（Ｃ）を、以下のＭＬアルゴリズムを使用して選択されたシーケンスＹから推定する。スコアは、メッセージ（Ｃ）が送られた場合に、選択されたシーケンスＹにおいて係数の値を観察する条件付き確率のログを表す。

ここで、δ（・）は標準デルタ関数である。

最高スコアを有する２進シーケンス（Ｃ）を推定されたシーケンスＢ^★として選択し、その後にＥＣＣ復号化することにより推定されたメッセージ（ｍ^★）を取得する。

本発明は上に説明し例示した特定の実施形態には限定されない。代りに、本発明は添付の特許請求の範囲にしたがって解釈される。

ハードコピー電子透かしシステムの図。 ハードコピー電子透かしシステムのエンコーダの図。 ハードコピー電子透かしシステムのデコーダの図。 本システムによって変更される画像変換係数の例示的な位置の図。

Claims (4)

1. デジタルイメージにメッセージをハードコピー電子透かしにより埋込む方法であって、
   ハードコピーに対応する前記デジタルイメージを変換領域表現に変換し、該変換領域表現における所定の位置の複数の変換係数の対を前記メッセージのビット値に従って変更することを含み、
   前記メッセージのビット値が２値の一方であるときには、第１のオリジナルの係数に一定の係数を加えて第１の変更された係数とし、第２のオリジナルの係数はごく小さい値にして第２の変更された係数とし、
   前記メッセージのビット値が２値の他方であるときには、第２のオリジナルの係数に一定の係数を加えて第２の変更された係数とし、第１のオリジナルの係数はごく小さい値にして第１の変更された係数とし、
   前記変換係数の変更後に、前記変換領域表現に対する逆変換を実行してデジタルイメージを得ることと、
   前記逆変換により得られたデジタルイメージに基づいて電子透かしが埋め込まれたハードコピーを得ることとを含む、方法。
2. 前記変換係数の対を変更する前に前記メッセージをＥＣＣ符号化することをさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 前記変更される変換係数を前記イメージの変換領域表現の中間周波数帯域から選択する請求項１に記載の方法。
4. 前記電子透かし入りイメージの平滑領域における電子透かしの振幅を低減することをさらに含む、請求項１記載の方法。

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