JP4491237B2 - ロバストな特徴を使用するウォーターマークの保全性の改善 - Google Patents

ロバストな特徴を使用するウォーターマークの保全性の改善 Download PDF

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Description

本発明は、情報信号、例えばビデオ信号、オーディオ信号又はより広くはマルチメディアコンテンツの中にウォーターマークなどの補助データを埋め込む方法及び装置に関する。本発明はまた、前記ウォーターマークパターンを検出する方法及び装置と、情報信号を記録及び／又は再生する機器とに関する。
補助データは、例えば、デジタルウォーターマークであってもよく、それは、（必ずしもそうとは限らないが）好ましくは、例えば、マルチメディアコンテンツ、ビデオ、オーディオなどを有する情報／ホスト信号に埋め込まれる／付加される知覚できないラベルである。ラベルは、例えば、著作権情報、データ(material)の所有権者の名前、ユーザの権利などを含み得る。ウォーターマーク中に記憶され得る又はウォーターマークに基づいて導き出され得る情報の量は、通常ペイロードと呼ばれ、ビットで表される。
ほとんどのウォーターマーク方式において、ウォーターマークは、擬似ランダムノイズシーケンス（pn-シーケンス）であり、前記シーケンスは、時間領域、空間領域又は変換領域（例えば、フーリエ、離散コサイン又はウェーブレット領域）のいずれかにおいてホスト信号／情報信号に付加される。その場合に、ウォーターマーク検出は、通常、ウォーターマークと埋め込まれたホスト信号との間の相関関係に基づく。この場合に、ウォーターマークのための１ビット・ペイロード、即ち、ノイズシーケンスが、あるか、ないかの１ビット・ペイロードを持つ。
ウォーターマークを入れるセキュリティにおける認識されている問題は、所謂コピーアタック(copy attack)である。このアタックは、埋め込まれたホスト信号からウォーターマークを推定し、次いで、推定されたウォーターマークは第２信号中に移植され得る。元々、第２信号には透かしが入れられてなかった場合には、ウォーターマークを入れる観点から、埋め込まれたホスト信号の素性(identity)と仮定する信号が生成される。更に、第２信号に既にウォーターマークによる透かしが入れられていた場合には、新たに作成される信号は、ウォーターマーク検出器を混乱させ得る。
コピーアタックを回避するための１つの選択肢は、ホスト信号のコンテンツに依存するウォーターマークを作成するというものである。これは、ホスト信号のコンテンツからロバストな署名(signature)（ロバストな特徴のセット）を抽出することによって行なわれ、この署名に依存するウォーターマークが作成される。ロバストな署名は、ホスト信号の必須の要素を表す変数のセットである。例えば、ホスト信号がビデオ信号である場合には、理想的には、ビデオ信号によって表される画像におけるわずかな変化は、署名における変化を招かないが、完全に異なる画像は、根本的に異なる署名をもたらす。
署名とウォーターマークとの間の結合を達成する既知の方法は、ウォーターマークパターンを署名に依存させることによって達成する方法である。これは、関数f(・)を用いることによって行なわれ、署名が挿入される場合に関数f(・)からウォーターマークパターンがもたらされる。これはまた、W=f(S)と記載され得る。ここで、Wはウォーターマークパターンであり、Sは署名ビットストリングである。関数f(S)は、例えば、ウォーターマークを生成する乱数生成器であり得る。ここで、署名Sは、生成器のシードとして用いられる。他の例においては、多数の固定基本パターンWiが利用可能であり、Wは、

W=ΣbiWi
に基づいて決定される。ここで、biは署名ビットである。
更に別の可能性は、予め生成されたウォーターマークパターンのセットからウォーターマークパターンWを選択するものであり、ここで、この選択は署名Sに基づく。これは、国際特許出願公開公報第WO01/39121号に記載されている。
上記の方法は、「閃光のような(flashy)」ビデオクリップのように署名が非常に素早く変化する場合に検出の問題を招く。既知のウォーターマークを入れるシステムにおいては、ウォーターマークはホスト信号のフレーム中に埋め込まれる。ホスト信号中のウォーターマークを検出する場合、例えば２秒という期間内の全フレームがバッファ中に蓄積される。その結果、各フレーム中のウォーターマークは首尾一貫してつじつまが合い、ウォーターマーク検出のための信号対雑音比を改善する。蓄積ステップ後、バッファはウォーターマークパターンと互いに関係づけられ、この結果はしきい値と比較される。上記の方法において記載されているように署名があまりに素早く変化する場合には、ウォーターマークパターンが非常に素早く変化し、それ故、蓄積の可能性がほとんどなく、結果としてウォーターマーク検出は非常に複雑且つあてにならなくなる。
本発明の目的は、情報信号中に付加的な／補助のデータを埋め込む方法及び装置であって、上記の問題を解決する方法及び装置を提供することにある。
これは、情報信号(X)中にウォーターマークパターン(W)を埋め込む方法（及び対応する装置）であり、前記情報信号(X)のロバストな特徴のセットとしてロバストな署名(S)を決定するステップと、予め規定された基本ウォーターマークパターン(V)に適用される第１署名依存関数(fS(・))に基づいてウォーターマークパターン(W)を生成するステップと、前記ウォーターマークパターン(W)を前記情報信号(X)中に埋め込み、ウォーターマーク入り信号(Y)をもたらすステップとを有する方法（及び対応する装置）であって、前記第１署名依存関数(fS(・))と第２署名依存関数(gS(・))との関係があり、前記関係が、前記ウォーターマーク入り信号(Y)及び前記基本ウォーターマークパターン(V)に適用される前記第１関数(fS(・))における所与の検出動作(D)、即ちD(Y; fS(V))が、該ウォーターマーク入り信号(Y)に適用される前記第２関数(gS(・))及び該基本ウォーターマーク(V)における該検出動作(D)、即ちD(gS(Y);V)に対応することによって与えられる方法（及び対応する装置）によって達成される。
埋め込みウォーターマークパターン(W)を持つ情報信号(Y)において基本ウォーターマークパターン（V）を検出する対応する方法（及び対応する装置）は、前記情報信号(Y)におけるロバストな特徴のセットとしてロバストな署名(S)を決定するステップと、前記情報信号(Y)の第２署名依存関数(gS(・))に基づいて信号(Z)を生成するステップと、前記信号(Z)から前記基本ウォーターマークパターン（V）を検出するステップとを有する対応する方法（及び対応する装置）であって、前記第２署名依存関数(gS(・))と第１署名依存関数(fS(・))との関係があり、前記関係が、前記情報信号(Y)及び前記基本ウォーターマークパターン(V)に適用される前記第１関数(fS(・))における所与の検出動作(D)、即ちD(Y; fS(V))が、該情報信号(Y)に適用される前記第２関数(gS(・))及び該基本ウォーターマーク(V)における該検出動作(D)、即ちD(gS(Y);V)に対応することによって与えられる対応する方法（及び対応する装置）である。
本発明の好ましい実施例はサブクレームにおいて規定されている。
この結果、ウォーターマーク中の情報は情報信号に依存し、前記ウォーターマークは、前記情報信号からの情報と組み合わせてしか検出され得ない。その結果、前記ウォーターマークをコピーし、異なる情報を持つ別の情報信号において該ウォーターマークを使用することは出来なくなる。
便宜上、本発明を、好ましくは人間の目には見えないラベルをビデオコンテンツに埋め込む／取り付けるシステムとして記載するが、この教えは、明らかに、オーディオ及びマルチメディアを含む如何なる他のコンテンツにも適用され得る。更に、或るラベルを検出するための実施例も記載する。
図１は、本発明による埋め込み装置の実施例を示している。供給源は、補助情報／ウォーターマークを埋め込まれるべき情報信号Xを供給する。供給源は、例えば、画像、オーディオ信号、マルチメディアコンテンツを備える信号などを供給し得る。以下において用いられる例のように、情報信号XはDVDビデオ信号などの時間依存信号である。情報信号／画像XにウォーターマークWを付加する埋め込み手段（１０７）も示されている。
ウォーターマークWは、最初に情報信号Xからロバストな署名を抽出することによって生成され、このロバストな署名は、情報信号Xのコンテンツから抽出されるロバストな特徴のセットである。この抽出は、署名抽出手段（１０１）を用いて行なわれ、署名抽出手段（１０１）の出力は署名Sである。
署名Sは、基本ウォーターマークパターンとも呼ばれる固定基本パターンVと一緒にウォーターマーク生成手段（１０５）に対する入力として用いられる。ウォーターマーク生成手段（１０５）は、基本ウォーターマークパターンVの署名依存可逆線形関数fS(・)としてウォーターマークパターンWを決定する。
W = fS(V)
ウォーターマークパターンWは、埋め込み手段（１０７）によって情報信号X中に埋め込まれ、ウォーターマークパターンWを有する情報信号Yが生成される。
Y = X + W
= X + fS(V)
他の例においては、情報信号X中に埋め込まれるウォーターマークパターンは、ウォーターマークパターンWのタイルドウォーターマークパターン(tiled watermark pattern)である。
特定の実施例においては、関数fS(・)は置換関数であり、即ち、前記関数は、入力のビットの順序が、変更、シャッフルなどされる出力を生成する。置換／計算手段（１０５）は、署名Sに依存して基本パターンの置換を行なう。この特定の場合には、基本ウォーターマークパターンV及びウォーターマークWが、
V = {vK}, K=1..N,
W = {wL}, L=1..N,
と規定され、ここで、可逆署名依存関数ΦSが規定され、ウォーターマーク信号Wは、
wi=vj
に基づいて決定され、ここで、
j= ΦS(i)
である。
別の実施例においては、Nに対して互いに素(coprime)である正の整数qSが署名Sの各値に対して規定され、ウォーターマーク信号Wは、
wi=vj
に基づいて決定される。ここで、
j= qS*i
mod N
である。
更に別の実施例においては、署名Sに依存する関数fS(・)が、基本ウォーターマークパターンVの符号を変更する。基本ウォーターマークパターンVと同じ大きさを持つ署名依存パターンPSが、特定の署名に依存する+1又は-1と等しいPSの各エントリを用いて生成され得る。この方法においては、署名に依存する関数fS(・)は、
W = fS(V) = PS*V
即ち、
wi=(PS)ivi
に基づいて規定され得る。ここで、
(PS)i=1又は(PS)i=-1
である。
図２は、本発明による検出器の概略図を図示している。おそらくは検出されるべきウォーターマークを含む情報／ホスト信号Yが示されている。
署名Sが情報信号Yから抽出される。この抽出は、署名抽出手段（２０１）を用いて行なわれ、署名抽出手段（２０１）の出力は署名Sである。
署名Sは、逆署名依存関数fS -1を生成するのに用いられ、信号Zは、逆署名依存関数fS -1(・)に対する入力としてウォーターマーク入り信号Yを用いる（２０３）によって生成される。
Z = fS -1(Y)
それによって、信号Zが得られ、基本ウォーターマークパターンVをZと相関させることによって、信号Zの中に基本ウォーターマークパターンVがあるか否かを検出することが可能である。Y = X + fS(V)であるから、
Z = fS -1(Y)= fS -1(X + fS(V))= fS -1(X) + V
である。
この検出は、入力として信号Z及び基本ウォーターマークパターンVを持つウォーターマーク検出手段（２０５）によって行なわれる。
より大まかに言えば、以下のことから基本ウォーターマークパターンを再生することが可能である。
埋め込み演算子E及び検出演算子Dがあり、
Y = E(X,W)
R = D(Y,W)
であり、ここで、Rは検出結果を示す。
関数fS(・)は、D(Y, fS(V)) = D(gS(Y),V)となるような別の関数gS(・)が存在するような関数であるべきである。付加的な埋め込みの場合には、これは、fSが線形であり、gS
= fS -1であるという必要な特性（従って、fが可逆であるという必要な特性）をもたらす。
ウォーターマーク検出がフレーム／サンプルのグループに対して行なわれる他の有利な実施例が図３に示されている。蓄積手段（３０４）を用いて多数のフレームを蓄積することによって、検出の統計が改善され、それ故、検出の信頼性も改善される。実際には、雑音信号／ウォーターマークの一部しか埋め込まれないことから本ウォーターマークの相関値の値はより小さくなることから、これはとりわけ有利である。この場合には、Zが蓄積バッファ／手段（３０４）に付加される。Vは署名に依存せず、故に、ウォーターマークパターンVは、蓄積バッファにおいて首尾一貫してつじつまが合い、それによって、署名依存データを蓄積する問題を回避する。
埋め込み情報は、例えば、著作権保持者、コンテンツの説明及び／又はコンテンツの使用と関連する権利を識別し得る。DVDのコピープロテクトにおいては、それは、データが「コピーワンス」、「ネバーコピー」、「コピーノーモア」などとラベルを付けられることを可能にするであろう。図４は、埋め込みウォーターマークを持つMPEG符号化ビットストリームを記録及び／又は再生する機器、例えばDVDプレーヤを示している。ビットストリームは、DVDディスクのような情報媒体４０１上に記録／記憶される。記録信号はスイッチ４０２を介して出力端子４０３に加えられる。出力端子４０３は、外部MPEG復号器及び表示装置（図示せず）に接続される。DVDプレーヤは、本発明と関連しない他の条件が満たされない限り、所定の埋め込みウォーターマークを持つビデオ信号を再生しないかもしれないと仮定される。例えば、ウォーターマーク入り信号は、媒体４０１が所謂「ウォブル(wobble)」キーを含む場合にしか再生されないかもしれない。ウォーターマークを検出するために、DVDプレーヤは、上記のようなウォーターマーク検出器４０４を有する。検出器は、記録信号を受け取り、ウォーターマークが検出されるか否か及び／又は補助データ／ペイロードの値が何を示すかに応じてスィッチ４０２を制御する。
上記の実施例は、本発明を限定するものでなく、例示するものであること、及び当業者は、添付されている特許請求の範囲の範囲から外れずに多くの別の実施例を設計することが出来るであろうことに注意されたい。特許請求の範囲においては、括弧内に配置されている如何なる参照符号も特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。「有する」という用語は、特許請求の範囲において列挙されている要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を除外しない。本発明は、幾つかの別個の素子を有するハードウェアによって実施されることができ、適当にプログラムされたコンピュータによって実施されることが出来る。幾つかの手段を列挙するデバイスクレームにおいては、これらの手段の幾つかはハードウェアの同一要素によって実施され得る。単に、或る方策が互いに異なる従属項において列挙されているという事実は、これらの方策の組み合わせが有利には用いられ得ないことを示さない。
本発明による埋め込み装置の実施例を示す。 本発明による検出器の概略図を図示する。 本発明による検出器の別の実施例を図示する。 埋め込みウォーターマークを持つ情報マルチメディアビットストリームを記録及び／又は再生する機器を示す。

Claims (18)

  1. 情報信号中にウォーターマークパターンを埋め込む方法であり、
    ・署名抽出手段により前記情報信号のロバストな特徴のセットとしてロバストな署名を決定するステップと、
    ・ウォーターマーク生成手段により予め規定された基本ウォーターマークパターン（V）に適用される第１署名依存関数（f s (・)）に基づいてウォーターマークパターンを生成するステップと、
    ・埋め込み手段により前記ウォーターマークパターンを前記情報信号中に埋め込み、ウォーターマーク入り信号（Y）をもたらすステップとを有する方法であって、
    前記第１署名依存関数は、検出結果を示す検出演算子DについてD(Y, f s (V)) = D(g s (Y), V)となる第２署名依存関数（g s (・)）が存在する関数である、
    方法。
  2. 前記第１署名依存関数が可逆線形関数であり、前記第２署名依存関数が前記第１署名依存関数の逆関数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 情報信号中にウォーターマークパターンを埋め込む方法であり、
    ・署名抽出手段により前記情報信号のロバストな特徴のセットとしてロバストな署名を決定するステップと、
    ・ウォーターマーク生成手段により予め規定された基本ウォーターマークパターンに適用される第１署名依存関数に基づいてウォーターマークパターンを生成するステップと、
    ・埋め込み手段により前記ウォーターマークパターンを前記情報信号中に埋め込み、ウォーターマーク入り信号をもたらすステップとを有する方法であって、
    前記第１署名依存関数が、置換関数、即ち、入力ビットストリングの少なくとも一部の再配列／並べ替えをして再配列された出力ビットストリングをもたらす関数であることを特徴とする方法。
  4. 情報信号中にウォーターマークパターンを埋め込む方法であり、
    ・署名抽出手段により前記情報信号のロバストな特徴のセットとしてロバストな署名を決定するステップと、
    ・ウォーターマーク生成手段により予め規定された基本ウォーターマークパターンに適用される第１署名依存関数に基づいてウォーターマークパターンを生成するステップと、
    ・埋め込み手段により前記ウォーターマークパターンを前記情報信号中に埋め込み、ウォーターマーク入り信号をもたらすステップとを有する方法であって、
    前記ウォーターマークパターン(W)が、
    W = {wL}, L = 1..N,
    と規定され、前記基本ウォーターマークパターン(V)が、
    V = {vK}, K = 1..N,
    と規定され、ここで、前記ウォーターマークパターンWが、ウォーターマーク生成手段により、
    wi=vj,
    に基づいて決定され、ここで、
    j=ΦS(i)
    であり、ΦSは可逆署名依存関数であることを特徴とする方法。
  5. 前記可逆署名依存関数ΦSが、
    j = ΦS(i)= qS*i mod N
    に基づいて規定され、ここで、qSは、Nと互いに素である正の整数であり、前記ロバストな署名(S)の各々に対して規定されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 情報信号中にウォーターマークパターンを埋め込む方法であり、
    ・署名抽出手段により前記情報信号のロバストな特徴のセットとしてロバストな署名を決定するステップと、
    ・ウォーターマーク生成手段により予め規定された基本ウォーターマークパターンに適用される第１署名依存関数に基づいてウォーターマークパターンを生成するステップと、
    ・埋め込み手段により前記ウォーターマークパターンを前記情報信号中に埋め込み、ウォーターマーク入り信号をもたらすステップとを有する方法であって、
    前記ウォーターマークパターン(W)が、前記基本ウォーターマークパターン(V)から、ウォーターマーク生成手段により、
    W = PS*V
    に基づいて該基本パターン(V)の符号を変更することによって得られ、ここで、PSは、前記基本ウォーターマークパターン(V)と同じ大きさを持つ署名依存パターンであり、PSの各エントリは、+1又は-1のいずれかと等しいことを特徴とする方法。
  7. 埋め込みウォーターマークパターンを持つ情報信号（Y）において基本ウォーターマークパターン（V）を検出する方法であり、
    ・署名抽出手段により前記情報信号におけるロバストな特徴のセットとしてロバストな署名を決定するステップと、
    ・信号生成手段により前記情報信号から第２署名依存関数（g s (・)）に基づいて信号を生成するステップと、
    ・ウォーターマーク検出手段により前記信号から前記基本ウォーターマークパターンを検出するステップとを有する方法であって、
    前記第２署名依存関数は、検出結果を示す検出演算子DについてD(Y, f s (V)) = D(g s (Y), V)となる第１署名依存関数（f s (・)）が存在する関数である、方法。
  8. 前記第１署名依存関数が可逆線形関数であり、前記第２署名依存関数が前記第１署名依存関数の逆関数であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. 前記第１署名依存関数が、置換関数、即ち、入力ビットストリングの少なくとも一部の再配列／並べ替えをして再配列された出力ビットストリングをもたらす関数であり、
    ・前記埋め込みウォーターマークパターンは、埋め込み中に、ウォーターマーク生成手段により、前記基本ウォーターマークに前記第１署名依存関数を適用することによって予め規定された署名依存置換として生成されており、
    ・前記信号は、信号生成手段により、前記情報信号において前記予め規定された置換を元に戻すことによって生成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
  10. 前記埋め込みウォーターマークパターン(W)が、
    W = {wL}, L = 1..N,
    と規定され、前記基本ウォーターマークパターン(V)が、
    V = {vK}, K = 1..N,
    と規定され、ここで、前記埋め込みウォーターマークパターンWが、ウォーターマーク生成手段により、
    wi=vj,
    に基づいて決定され、ここで、
    j= ΦS(i)
    であり、ΦSは可逆署名依存関数であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記可逆署名依存関数ΦSが、
    j = ΦS(i)= qS*i mod N
    に基づいて規定され、ここで、qSは、Nと互いに素である正の整数であり、前記ロバストな署名(S)の各々に対して規定されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 前記埋め込みウォーターマークパターン(W)が、埋め込み中に、前記基本ウォーターマークパターン(V)から、ウォーターマーク生成手段により、
    W = PS*V,
    に基づいて該基本パターン(V)の符号を変更することによって生成されており、ここで、
    ・PSは、+1又は-1のいずれかと等しいPSの各エントリを用いる前記基本ウォーターマークパターン(V)と同じ大きさを持つ署名依存パターンであり、
    ・前記信号は、信号生成手段により、前記情報信号において前記符号の前記変更を元に戻すことによって生成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
  13. 蓄積バッファ中に前記信号を記憶するステップと、
    ・ウォーターマーク検出手段により前記蓄積バッファ中の情報を前記基本ウォーターマークパターンと相関させることによって該基本ウォーターマーク(V)を検出するステップとを更に有することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 情報信号中にウォーターマークパターンを埋め込む装置であり、
    ・前記情報信号におけるロバストな特徴のセットとしてロバストな署名を決定する手段と、
    ・予め規定された基本ウォーターマークパターン（V）に適用される第１署名依存関数（f s (・)）に基づいてウォーターマークパターンを生成する手段と、
    ・前記ウォーターマークパターンを前記情報信号中に埋め込み、ウォーターマーク入り信号（Y）をもたらす手段とを有する装置であって、
    前記第１署名依存関数は、検出結果を示す検出演算子DについてD(Y, f s (V)) = D(g s (Y), V)となる第２署名依存関数（g s (・)）が存在する関数である、装置。
  15. 埋め込みウォーターマークパターンを持つ情報信号（Y）において基本ウォーターマークパターン（V）を検出する装置であり、
    ・前記情報信号におけるロバストな特徴のセットとしてロバストな署名を決定する手段と、
    ・前記情報信号から第２署名依存関数（g s (・)）に基づいて信号を生成する手段と、
    ・前記信号から前記基本ウォーターマークパターンを検出する手段とを有する装置であって、
    前記第２署名依存関数は、検出結果を示す検出演算子DについてD(Y, f s (V)) = D(g s (Y), V)となる第１署名依存関数（f s (・)）が存在する関数である、装置。
  16. 情報信号を記録及び／又は再生する機器であり、前記情報信号中に埋め込まれた基本ウォーターマークパターンに依存して該情報信号の記録及び／又は再生を禁止する手段を有する機器であって、請求項１５による前記基本ウォーターマークパターンを検出する装置を更に有する機器。
  17. 情報信号を伝送する機器であり、情報信号中にウォーターマークパターンを埋め込む装置であって、
    ・前記情報信号におけるロバストな特徴のセットとしてロバストな署名を決定する手段と、
    ・予め規定された基本ウォーターマークパターン（V）に適用される第１署名依存関数（f s (・)）に基づいてウォーターマークパターンを生成する手段と、
    ・前記ウォーターマークパターンを前記情報信号中に埋め込み、ウォーターマーク入り信号（Y）をもたらす手段とを有する装置を有する機器であって、
    前記第１署名依存関数は、検出結果を示す検出演算子DについてD(Y, f s (V)) = D(g s (Y), V)となる第２署名依存関数（g s (・)）が存在する関数である、機器。
  18. 埋め込みウォーターマークパターンを持つ情報信号（Y）をその上に記憶している記憶媒体であり、前記ウォーターマークパターンが、予め規定された基本ウォーターマークパターン（V）に適用される第１署名依存関数（f s (・)）に基づいて生成されており、前記関数が、前記情報信号のロバストな署名に依存する記憶媒体であって、
    前記第１署名依存関数は、検出結果を示す検出演算子DについてD(Y, f s (V)) = D(g s (Y), V)となる第２署名依存関数（g s (・)）が存在する関数である、記憶媒体。
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