JP4767927B2 - デジタル信号の保護を容易にする方法 - Google Patents
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Description
透かしは、デジタルグッズのコンテンツ所有者の権利(つまりデジタルグッズ)を保護する最も有望な手法の1つである。一般に、透かしとは、知覚的特性が保存されるようにデジタルグッズを改変するプロセスのことである。より具体的には、「透かし」とは、コンテンツ所有者および/または保護された権利を識別するために使用できるデジタルグッズに挿入するビットのパターンである。
透かしを検出するために、ある種の透かし手法では、元のマークが付いてないデジタルグッズまたはマークが付いているデジタルグッズの素の標本へのアクセスが必要なものもある。もちろん、透かし検出器が公開されていると、これらの手法は望ましいものではない。公開されていると、悪意ある攻撃者が元のマークが付いてないデジタルグッズまたはマークが付いているデジタルグッズの素の標本にアクセスできる可能性がある。その結果、これらの種類の手法は、公開されている検出器には使用されない。
検出前に、透かしの入っている信号はユーザや配布環境によりさまざまな変更が加えられる可能性がある。こうした変更には、ノイズや歪みなどの意図しない修正が含まれることがある。さらに、マークが付けられている信号は、多くの場合、透かしの検出を無効にすることを特に目指す悪意ある攻撃者の対象となる。
透かし技術は、コンテンツ発行者の著作権の保護を促進する非常に望ましい目標(つまり、要件)をいくつか持つ。以下に、そのような目標のいくつかを列挙する。
透かし手法を開発するときに、誤った警報を発生する可能性が高まるようにしたくない。つまり、透かしが検出されたが何も存在していないという場合である。これは、発生しなかった犯罪の証拠を見つけるようなものである。誰かが不正動作を誤って告訴される可能性がある。
そのために、透かし埋め込みの際に信号(たとえば、ホストデータ)にインデックスを付けて透かしを埋め込む方法を提案するものもある。この手法は、量子化インデックス変調(QIM)と呼ばれており、これについてすでに簡単に説明している。
・B.ChenおよびG.W.Wornell著「ディザ変調:デジタル透かし技術と情報埋め込みの新しい方式」Proc.of SPIE:Security and Watermarking of Multimedia Contents、vol.3657、pp.342−353、1999年
・B.ChenおよびG.W.Wornell著「量子化インデックス変調:デジタル透かし技術と情報埋め込みの適切さが実証可能な方法のあるクラス」IEEE Trans.Inform.Theory、1999年および2000年
しかし、従来のQIMの重要な問題として、攻撃と歪みを受けやすいという点がある。従来のQIMは、信号の特定の表現(たとえば、時間領域や周波数領域で)に関して局所的特性に依存する。量子化するために、従来のQIMは信号の表現の「個別係数」の値にのみ依存する。このような「個別係数」の例として、画像の個別ピクセルの色がある。
以下の同時係属出願は参照により本明細書に取り込まれる(すべてMicrosoft Corporationに譲渡されている)。
・1999年9月7日出願の「画像に透かしを入れる手法とその結果得られる透かしの入っている画像」という表題の米国特許出願第09/390271号 ・1999年9月7日出願の「マークされた画像内の透かしを検出する手法」という表題の米国特許出願第09/390272号
・2000年7月12日出願の「改良された秘密オーディオ透かし」という表題の米国特許出願第09/614660号
・1999年5月22日出願の「二重透かしによるオーディオ透かし」という表題の米国特許出願第09/316899号
ここで説明する、本実施形態の1つまたは複数の実施の例は、図1の非局所的QIM透かしアーキテクチャ100および/または図6に示されているようなコンピューティング環境により(全部または一部)実施できる。
従来のQIMは、信号(つまり、デジタルグッズ)内の局所的特性に依存する。量子化するために、従来のQIMはホスト信号の「個別要素」の値にのみ依存する。量子化する際に、「個別要素」の局所的特性のみが考慮される。これらの局所的特性は、個別ビット(たとえば、ピクセル)の値(たとえば、色、振幅)および相対的位置決め(たとえば、時間領域および/または周波数領域の位置決め)を含むことができる。
非局所的特性は、個別要素のグループまたは集合の一般的特性を表す。このようなグループをセグメントと呼ぶ。非局所的特性は、個別要素の個別局所的特性を表さず、むしろ、グループ(たとえば、セグメント)を全体として表す。
元のマークなしのデジタルグッズが与えられたとすると、非局所的QIM透かし入れ装置例は、性質上局所的でない堅牢な特性を導出する。たとえば、非局所的QIM透かし入れ装置例は、ランダム化された不可逆変換を使用し、知覚的歪みを生ずることなく修正できる堅牢な非局所的特性を生み出すことができる。これらの特性は、通常、統計および/または数学の理論により表現される。
図1は、元のコンテンツを生成し、ネットワーク124上でコンテンツをクライアント126に配布するコンテンツプロデューサ/プロバイダ122を持つデジタルグッズ制作および配布アーキテクチャ100(つまり、非局所的QIM透かし入れアーキテクチャ100)を示している。コンテンツプロデューサ/プロバイダ(content producer/provider)122は、元のコンテンツを含んでいるデジタルグッズを格納するコンテンツストレージ(content storage)130を備える。コンテンツプロデューサ122は、透かし埋め込みシステム132を備え、コンテンツをオリジナルであると一意に識別する透かしのサインをデジタル信号に入れる。透かし埋め込みシステム132は、スタンドアローンのプロセスとして実施することも、また他のアプリケーションやオペレーティングシステムに組み込むこともできる。
図2は、非局所的QIM透かし埋め込みシステム例200を示しており、これは、非局所的QIM透かし入れアーキテクチャ100の一部の実施の例である。このシステムは、図1の透かしエンコーディングシステム132として採用できる。
図3は、非局所的QIM透かし埋め込みシステム例200(またはその一部)の方法論的実施を示している。具体的には、この図は非局所的QIM透かし入れ装置例の透かし埋め込みの方法論的実施を示している。この方法論的実施は、ソフトウェア、ハードウェア、またはソフトウェアとハードウェアの組み合わせで実行することができる。
図4は、非局所的QIM透かし検出システム例400を示しており、これは、非局所的QIM透かし入れアーキテクチャ100の一部の実施の例である。このシステムは、図1の透かし検出システム152として採用できる。
図5は、非局所的QIM透かし検出システム例400(またはその一部)の方法論的実施を示している。具体的には、この図は非局所的QIM透かし入れ装置例の透かし検出の方法論的実施を示している。この方法論的実施は、ソフトウェア、ハードウェア、またはソフトウェアとハードウェアの組み合わせで実行することができる。
誤った警報の確率(PF)、ミスの確率(PM)、およびセグメントの平均サイズの間に関係がある。PFは、透かしが存在していないのに存在していると宣言する確率である。PMは、透かしが実際には存在しているのに存在していないと宣言する確率である。一般に、平均セグメントサイズは、PFに比較的直接的に比例するが、PMに比較的間接的に比例する。
非局所的QIM透かし入れ装置例の実施の以下の説明では、以下を仮定する。
非局所的QIM透かし入れ装置例は、Xに対し順方向変換TFを適用することによりベクトルμを計算する。非局所的QIM透かし入れ装置例では、Xがグレースケール画像であると想定しており、そうでない場合は、輝度画像を得るために色付き画像に線形変換を適用できる。(色付き画像については、エネルギーのほとんどが輝度平面に集中する)。情報を隠すプロセスが量子化を介して実行されると、
変換TFおよびTRは、堅牢性を高めるのに役立つ。TFで有意な画像特性を保持するために、初期段階で離散ウェーブレット変換(DWT)を使用できる。次に、セグメントの半大域的(つまり、非局所的)統計量を画像について判定する。局所的統計量は堅牢ではない。
NをX内のピクセルの個数とし、s:=[s1,...,sN]を昇順でソートしたXのピクセルからなるベクトルとする。t:=round(N(1−β)γ)およびt′:=round(N(1+β)γ)とするサブベクトルsL:=[st,...,st′]およびu:=round(N[1−(1−β)γ])およびu′:=round(N[(1+β)γ])とするサブベクトルsH:=[su,...,su′]を作成する。ここで、round(r)は、rの直近整数に等しく、システムパラメータは0<β,γ≪1である。mとMをそれぞれsLおよびsHの要素の平均値とする。点演算子P[x]=255*(x−m)/(M−m)をXの各要素に適用してX′を得る。
上のエンコードの第1の部分と同様に、Yに対する対応する点演算子を見つける。そこで、演算子をYに適用し、出力に対して、LレベルDWTを適用し、DCサブバンドを抽出して、それをYAと呼ぶ。
図6は、非局所的QIM透かし入れ装置例が本実施形形態で説明しているように(完全にまたは部分的に)実施できる適当なコンピューティング環境900の例を示している。コンピューティング環境900は、本実施形態で説明しているコンピュータおよびネットワークアーキテクチャで利用できる。
非局所的QIM透かし入れ装置例の実施については、1つまたは複数のコンピュータまたはその他のデバイスによって実行される、プログラムモジュールなどのコンピュータ実行可能命令の一般的状況において説明できる。一般に、プログラムモジュールには、特定のタスクを実行する、あるいは特定の抽象データ型を実施するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などが含まれる。通常、プログラムモジュールの機能をさまざまな実施形態での必要に応じて組み合わせるか、または分散させることができる。
図6は、非局所的QIM透かし入れ装置例を実施できる適当な操作環境900の例を示している。特に、本発明で説明している非局所的QIM透かし入れ装置例は、図6またはその一部の任意のプログラムモジュール928a、928b〜930a、930bおよび/またはオペレーティングシステム926a、926bにより(全部または一部)実施できる。
非局所的QIM透かし入れ装置例の実施は、ある形式のコンピュータ読み取り可能媒体に格納またはある形式のコンピュータ読み取り可能媒体を介して送信することができる。コンピュータ読み取り可能媒体は、コンピュータによってアクセス可能な媒体であればどのようなものでも利用できる。たとえば、コンピュータ読み取り可能媒体として、「コンピュータストレージ媒体」や「通信媒体」などがあるが、これらに限られるわけではない。
本実施形態は、構造機能および/または方法論的ステップに特に向いている言語で説明されているが、特許請求の範囲で定められている発明は必ずしも説明した特定の機能やステップに限定されるわけではないことを理解すべきである。むしろ、特定の機能およびステップは、発明の好適な形態として開示されている。
122 コンテンツプロデューサ/プロバイダ
124 ネットワーク
126 クライアント
130 コンテンツストレージ
132 透かしエンコーディングシステム
134 配布サーバ
140 プロセッサ
142 メモリ
144 コンテンツ出力デバイス
150 オペレーティングシステム
152 透かし検出システム
154 コンテンツローダ
200 非局所的QIM透かし埋め込みシステム
205 マークのない信号(X)
210 振幅正規化装置
220 変換器
230 パーティショナ
240 セグメント統計量計算機
250 セグメント量子化器
260 デルタシーケンスファインダ
279 信号マーカ
400 非局所的QIM透かし検出システム
405 マークのない信号(Y)
410 振幅正規化装置
420 変換器
430 パーティショナ
440 セグメント統計量計算機
450 セグメントMAPデコーダ
460 透かし存在判定器
470 プレゼンター
480 表示装置
900 コンピュータ環境
902 コンピュータ
904 プロセッサ
906 システムメモリ
908 システムバス
910 RAM
912 ROM
914 BIOS
916 ハードディスクドライブ
918 磁気ディスクドライブ
920 リムーバル不揮発性磁気ディスク
922 光ディスクドライブ
924 リムーバル不揮発性光ディスク
926a、926b オペレーティングシステム
928a、928b アプリケーションプログラム
930a、930b その他のプログラムモジュール
932a、932b プログラムデータ
934 キーボード
936 マウス
938 他のデバイス
940 入力/出力インタフェース
942 モニタ
944 ビデオインタフェース
946 プリンタ
948 リモートコンピューティングデバイス
950 LAN
952 インターネット
954 ネットワークアダプタ
956 モデム
958 リモートアプリケーションプログラム
960 データ媒体インタフェース
Claims (11)
- デジタル信号に電子透かしを埋め込んで、該デジタル信号の保護を容易にする方法であって、
マーク付けされていない原信号であるデジタル信号の振幅を正規化するステップと、
前記正規化された信号を変換するステップと、
前記変換された信号を、オーバーラップせず且つ不連続であるセグメントに分割するステップであって、秘密鍵Kから導出されたランダム文字列を疑似ランダムジェネレータのシードとして使用して、疑似ランダムに前記セグメントのサイズを設定し、前記セグメントを疑似ランダムに配置するステップと、
各々のセグメントに対して、
前記セグメントの統計量を計算するステップと、
セグメントの前記統計量を量子化するステップと、
前記変換された信号と、前記量子化されたセグメントの前記統計量の組合せとの差を推定する疑似ランダムシーケンスZを求めるステップと、
を繰り返すステップと、
量子化インデックス変調(QIM)を用いて、前記疑似ランダムシーケンスZおよび前記セグメントから、マーク付けされた信号セグメントを求めて、前記マーク付けされたセグメントを組み合わせて電子透かし入りデジタル信号を求めるステップと、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記デジタル信号は画像であり、前記変換は離散ウェーブレット変換(DWT)であり、前記セグメントは、疑似ランダムのサイズであって、疑似ランダムに配置された矩形のポリゴンであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 変換する前記ステップは、前記デジタル信号の初期変換のDCサブバンドを求めることを含み、分割する前記ステップは、前記DCサブバンドをセグメントへ分割することを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記統計量は、前記セグメント内の前記変換された信号の平均値、中央値または標準偏差のうちのいずれかであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の方法を実行する命令を記憶させたコンピュータ読取り可能記憶媒体。
- デジタル信号に電子透かしを埋め込むシステムであって、
マーク付けされていない原信号であるデジタル信号の振幅を正規化する振幅正規化装置と、
前記正規化された信号を変換する変換器と、
前記変換された信号を、オーバーラップせず且つ不連続であるセグメントに分割するパーティショナであっって、秘密鍵Kから導出されたランダム文字列を疑似ランダムジェネレータのシードとして使用して、疑似ランダムに前記セグメントのサイズを設定し、前記セグメントを疑似ランダムに配置するパーティショナと、
各々のセグメントに対して、前記セグメントの統計量を計算するセグメント統計量計算機と、
セグメントの前記統計量を量子化するセグメント量子化器と、
前記変換された信号と、前記量子化されたセグメントの前記統計量の組合せとの差を推定する疑似ランダムシーケンスZを求めるデジタルシーケンスファインダと、
量子化インデックス変調(QIM)を用いて、前記疑似ランダムシーケンスZおよび前記セグメントから、マーク付けされた信号セグメントを求めて、前記マーク付けされたセグメントを組み合わせて電子透かし入りデジタル信号を求める信号マーカと、
を備えたことを特徴とするシステム。 - 前記デジタル信号は画像であり、前記変換は離散ウェーブレット変換(DWT)であり、前記セグメントは、疑似ランダムのサイズであって、疑似ランダムに配置された矩形のポリゴンであることを特徴とする、請求項6に記載のシステム。
- 前記変換器は、前記デジタル信号の初期変換のDCサブバンドを求め、前記パーティショナは前記DCサブバンドをセグメントへ分割することを特徴とする、請求項6に記載のシステム。
- 前記統計量は、前記セグメント内の前記変換された信号の平均値、中央値または標準偏差のうちのいずれかであることを特徴とする、請求項6に記載のシステム。
- 量子化インデックス変調を利用して生成された電子透かし入り信号を検出する方法であって、
対象の信号であるデジタル信号の振幅を正規化するステップと、
前記正規化された信号を変換するステップと、
前記変換された信号を、オーバーラップせず且つ不連続であるセグメントに分割するステップであって、前記セグメントを、電子透かしを入れるときに使用されたのと同一の秘密鍵Kから導出されたランダム文字列を疑似ランダムジェネレータのシードとして使用して、疑似ランダムに前記セグメントのサイズを設定し、前記セグメントを疑似ランダムに配置するステップと、
各々のセグメントに対して、
前記セグメントの統計量を計算するステップと、
最大事後確率(MAP)復号方式によって量子化された値を決定し、前記量子化された値と計算された前記統計量との距離に基づいて信頼係数を決定するステップと、
を繰り返すステップと、
前記信頼係数に基づいて、電子透かしが存在しているか否かを判定するステップと、
を備えることを特徴とする方法。 - 量子化インデックス変調(QIM)を利用して生成された電子透かし入り信号を検出するシステムであって、
対象の信号であるデジタル信号の振幅を正規化する振幅正規化装置と、
前記正規化された信号を変換する変換器と、
前記変換された信号を、オーバーラップせず且つ不連続であるセグメントに分割するパーティショナであっって、電子透かしを入れるときに使用したのと同一の秘密鍵Kから導出されたランダム文字列を疑似ランダムジェネレータのシードとして使用して、疑似ランダムに前記セグメントのサイズを設定し、前記セグメントを疑似ランダムに配置するパーティショナと、
各々のセグメントに対して、前記セグメントの統計量を計算するセグメント統計量計算機と、
最大事後確率(MAP)復号方式によって量子化された値を決定し、前記量子化された値と計算された前記統計量との距離に基づいて信頼係数を決定するセグメントMAPデコーダと、
前記信頼係数に基づいて、電子透かしが存在しているか否かを判定するすかし存在判定器と、
を備えたことを特徴とするシステム。
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