JP4861705B2

JP4861705B2 - ハーフトーンスクリーンへの様々な透かし情報の埋め込み

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Publication number: JP4861705B2
Application number: JP2006010808A
Authority: JP
Inventors: ジーワンシェン; ファンジーガン
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: US7436977B2; US20060165255A1; JP2006211658A

Description

ここに示すのは、一般に、ハーフトーン化の際に様々な透かし情報を印刷デジタル画像に埋め込むシステム及び方法である。

デジタル画像取り込み装置は、典型的には画像ピクセルを生成するものであり、各画像ピクセルは、幾つかの入手可能な輝度の１つを表すグレイスケール値を有する。例えば、８ビットワードを用いて輝度を定義するデバイスにおいては、各ピクセルは２５６（２⁸）の異なるレベルの出力データの１つを表示することができるであろう。デジタルプリンタは、デジタル画像取り込み装置とは異なり、典型的にはバイナリ出力データを提供する。従って、グレイスケール入力データは、典型的にはハーフトーン処理を用いて、その連続したトーン効果を模擬するバイナリ出力パターンに変換されなければならない。

典型的なハーフトーン処理においては、各ピクセルのグレイスケール値はハーフトーンスクリーンの対応する位置にある閾値と比較され、グレイスケール値が閾値を超えるか否かにより各位置に０又は１が割り当てられる。デバイスの中には、「確率的」ハーフトーンスクリーン、すなわち、高い空間周波数を有する非周期的バイナリ出力データを生み出す閾値アレイを用いてグレイスケール入力データを処理するものがある。空間周波数が充分高い場合には、画像を見たとき人間の目は個々のドットを連続したトーンパターンにまとめるであろう。

ハーフトーンスクリーンの設計は、デジタルプリンタ設計の際に行われる時間のかかる複雑な工程である。特定のプリンタ用のハーフトーンスクリーンがメモリに事前に格納されており、入力画像を受け取る際に入力画像をハーフトーン化するのに用いられる。プリンタの基準ハーフトーンスクリーンを修正することによって透かしハーフトーンスクリーンを作製できることが知られており、透かしハーフトーンスクリーンを用いることにより、修正されたスクリーンを用いて処理される全ての画像に特定の透かしを組み込むことができる。

より具体的には、確率的透かしスクリーンは、透かしを組み込むために、基準スクリーンを複製し、透かしの記述を取得し、基準スクリーンの閾値を修正することによって生成される。１つの実施形態においては、確率的透かしハーフトーンスクリーンの一部分は実質的に基準ハーフトーンスクリーンの対応する領域と対の関係にあり、確率的透かしハーフトーンスクリーンの残りの部分は基準ハーフトーンスクリーンの対応する領域とは無関係である。次に、入力画像は確率的透かしハーフトーンスクリーンを用いてハーフトーン化され、透かし入りの画像が生成される。

注目すべきことに、確率的透かしハーフトーンスクリーンは、特定のパターンを生成するように設計することのみが可能である。言い換えれば、異なる透かしを入力画像に組み込むためには、新しい透かしハーフトーンスクリーンを設計しなければならない。さらに、ハーフトーンスクリーンが適切に設計されないと、透かしが可視となることがある。従って、不可視の透かしを組み込むには、確率的透かしスクリーンの最適化によりその閾値を理想的な確率的スクリーンの閾値に近似させるという追加ステップが必要である。従って、デジタル透かしを組み込むことができるプリンタには、ハーフトーンスクリーンの修正版が事前に格納されている場合が多く、この修正版は、入力画像に適用されたときに透かしが埋め込まれた出力画像を生成する。

ワンパス・システムにおいては、グレイスケール画像データは、リアルタイムで生成され、処理され、及びレンダリングされる。従って、確率的スクリーンの設計工程の複雑さゆえに、現在、リアルタイムで透かしをデジタル画像に組み込むことは不可能である。さらに、現在の工程は、比較的サイズが小さく、形状が単純で、位置が固定されている透かしを提供する。
Ｓ．Ｇ．Ｗａｎｇによる１９９７年のＰｒｏｃ．ＮＩＰ１３：デジタル印刷技術に関する国際会議“Ｓｔｏｃｌｕｓｔｉｃ（ＳｔｏｃｈａｓｔｉｃＣｌｕｓｔｅｒｅｄ）ＨａｌｆｔｏｎｅＳｃｒｅｅｎＤｅｓｉｇｎ”が開示するのは、透かしを直接入力画像に組み込むのではなく、確率的ハーフトーンスクリーンを用いて不可視の透かしを印刷されたハーフトーン画像に組み込むことであり、これにより、このスクリーンを用いてハーフトーン化される全ての画像が自動的に透かし情報を所有することになる。

従って、透かしハーフトーンスクリーンの設計を変える必要なく、透かしをリアルタイムでデジタル画像に組み込むことができ、かつ、透かしのサイズ、形状、及び位置を変化させることができれば、有益であろう。

システムは、グレイスケール入力画像をハーフトーン化するのに適した確率的基準ハーフトーンスクリーンを提供する基準スクリーン記憶装置と、グレイスケール入力画像に透かしを組み込むための透かし位置基準を提供する透かし位置認識部と、確率的基準ハーフトーンスクリーンの閾値と負の相関関係にある閾値を有する確率的透かしハーフトーンスクリーンを少なくとも１つ提供する透かしスクリーン記憶装置と、グレイスケール入力画像を受け取るグレイスケール画像入力部と、確率的基準ハーフトーンスクリーン及び確率的透かしハーフトーンスクリーンから区画化された確率的透かしハーフトーンスクリーンを形成し、その区画化された確率的透かしハーフトーンスクリーンをハーフトーン化の際にグレイスケール入力画像に適用することによってグレイスケール入力画像を透かし入り出力画像に変換するハーフトーン・プロセッサとを含む。

以下の用語は、開示されるシステム及び方法の様々な側面を説明するために用いられてきたものである。

「グレイスケール画像データ」は、幾つかの異なる輝度を用いて画像を表す情報である。「グレイスケール値」は、特定のデバイスについての最小輝度から最大輝度までの範囲内にある特定の輝度を表す数値である。

「ハーフトーンセル」は、連続したトーンの画像を、特定の光学濃度を模擬するバイナリパターンに変換するのに用いることができる閾値アレイ値である。

「ハーフトーンスクリーン」は、ハーフトーンセルを所望の領域に複製することにより形成される閾値アレイである。

２つのハーフトーンスクリーンが、同一のサイズと形状を有し、対応する位置に対応する閾値を有するとき、それらは「相関関係」にある。例えば、２つの「同一」のハーフトーンスクリーンは、同一のサイズと形状を有し、対応する位置に同一の閾値を有する一方、２つの「対」のハーフトーンスクリーンは、同一のサイズと形状を有するものの、対応する位置に逆の閾値を有する。相関関係にあるハーフトーンスクリーンは相関関係の度合いによってもまた説明が可能であり、２つの同一のハーフトーンスクリーンは最大限の正の相関関係にあり、２つの対になるハーフトーンスクリーンは最大限の負の相関関係にある。

ここに開示するシステムと方法を用いることで、ロゴ、文字、画像、その他の透かしパターンをデジタルプリンタの出力画像に埋め込むことが可能になる。様々な形状、サイズ、出力位置を持つ透かしを、通常のハーフトーン処理速度にてリアルタイムでデジタル画像に埋め込むことができる。透かし埋め込みは、プリンタドライバにおいて、文書が印刷のために処理されハーフトーン化される間に行うことができる。埋め込まれた透かしは、可視表示するためにデジタルファイル又は文書のハードコピーから後で引き出すことができる。

図１は、透かしをデジタル画像に組み込むために用いることができるデジタル画像形成システム１０を示す。図示のように、システム１０は、ｎビットのグレイスケール画像データ２２を生成できるラスタ入力スキャナ、デジタル画像ファイル・リポジトリ、又はその他のデバイスのような画像入力部（ＩＩＤ）２０と、デジタルプリンタ３０を含む。システム１０はまた、ｍビットの画像データ

を可視のフォーマットで表示することができるビデオモニタ、手持ち式デバイス、又はその他の出力デバイス、及び／又は、そのような画像を格納することができる１つ又はそれ以上のデバイスを含むこともある。

システム１０はまた、画像プロセッサ（ＩＰ）４０を含み、該画像プロセッサは、グレイスケール画像データ２２を受け取り、それに１つ又はそれ以上の処理を行う。ＩＩＤ２０により生成された画像の印刷コピーを生成することができるシステム１０においては、ＩＰ４０は、典型的には、グレイスケール画像データ２２をデジタルプリンタ３０による出力に適したバイナリ画像データ４４に変換するハーフトーン・プロセッサ４２を含むであろう。通常、ハーフトーン・プロセッサ４２は、基準スクリーン記憶装置３２から基準ハーフトーンスクリーン５０を引き出し、各ピクセルのグレイスケール値を基準ハーフトーンスクリーン５０の対応する位置の閾値と比較する。入力データが閾値を超える各位置には「１」が割り当てられ、残りの位置には「０」が割り当てられる。こうして、基準スクリーン５０を用いることにより、ハーフトーン・プロセッサ４２は、入力画像の外観を模擬したバイナリ出力データ４４を生成する。

透かしを印刷デジタル画像に組み込むことができるシステム１０においては、１つ又はそれ以上の透かしハーフトーンスクリーンを透かしスクリーン記憶装置３４に格納することができる。このようなデバイスにおいては、ハーフトーン・プロセッサ４２は、記憶装置から入手可能な透かしハーフトーンスクリーンを引き出し、入力画像の各ピクセルのグレイスケール値を透かしハーフトーンスクリーンの対応する位置の閾値と比較し、入力データが閾値を超える各位置に「１」を割り当てることによって、可視の透かしを組み込んだ印刷可能な出力データを生成することができる。

図２は、例示的な基準ハーフトーンスクリーン５０の閾値とバイナリ出力パターン５２を示すものであり、バイナリ出力パターン５２は、ディザリング・ルール、すなわち

である位置にＢ（ｘ、ｙ）＝１を、Ｇ（ｘ、ｙ）＜Ｔ（ｘ、ｙ）である位置にＢ（ｘ、ｙ）＝０を適用し、Ｂ（ｘ、ｙ）＝１である各位置にマーキング材料を堆積させることによって得られる。図３は、基準ハーフトーンスクリーン５０と対になるハーフトーンスクリーン６０の閾値と、上述したディザリング・ルールをハーフトーンスクリーン６０に適用することによって得られるバイナリ出力パターン６２を示す。図示のように、基準ハーフトーンスクリーン５０とその対になるハーフトーンスクリーン６０は、Ｔ₂（ｘ、ｙ）＝Ｍ−Ｔ₁（ｘ、ｙ）という閾値を有し、ＭはＩＰ４０により受け取られるグレイ・レベルの総数である。同一のハーフトーンスクリーンは同一の閾値、Ｔ₁（ｘ、ｙ）＝Ｔ₂（ｘ、ｙ）を有するであろう。

グレイスケール画像データ２２をハーフトーン化するために用いることができる透かしハーフトーンスクリーンの既知の生成方法は、基準ハーフトーンスクリーン５０を複製し、入力画像に埋め込まれる特定の透かしに関する基準、すなわち形状、サイズ、色、及び位置を取得することを含む。複製されたスクリーンの閾値は、次に、透かし内部のピクセルに対応する位置の透かし基準（透かし位置基準）に基づいて修正される。

透かしハーフトーンスクリーンは、ハーフトーン化の際にその閾値を理想的な確率的スクリーンの閾値に近似するように修正することにより、隣接するハーフトーンセルとの継ぎ目が「不鮮明」になるように随意的に最適化してもよい。その後、透かしハーフトーンスクリーンは透かしスクリーン記憶装置３４に格納される(図１)。実際には、デジタルプリンタは、透かしスクリーン記憶装置３４に格納された透かしハーフトーンスクリーンを幾つか有することがあり、その各々は、入力グレイスケール画像データ２２に異なる透かしを組み込むために設計されたものである。

透かし入り画像は、所望の透かし基準を選択し、透かしスクリーン記憶装置３４から対応する透かしハーフトーンスクリーンを引き出し、引き出した透かしハーフトーンスクリーンを用いてグレイスケール画像データ２２をハーフトーン化することによって印刷される。次に、ハーフトーン化された画像データ４４が印刷され、こうして透かしが埋め込まれた印刷画像が生成される。

入力画像が異なるスクリーンを用いて部分ごとにハーフトーン化されることになる一方、２つのスクリーンによって生成されるハーフトーンパターンが別々に見たときほぼ同一に見えるのは、２つのスクリーンが共に同じ確率的スクリーン最適化に基づいたものであるためである。しかしながら、１つのパターンが正確にもう１つのパターンに位置合わせされ重ねられると、２つの画像において同一の関係と対になる関係との両方が存在することが明白になる。従って、透かしの検出は、透かし入り画像を走査し、デジタル化し、基準スクリーン５０の対になる出力データを電子的にこの走査画像に重ね合わせることによって行われる。

既知の透かし埋め込み方法においては、１つの透かしハーフトーンスクリーンをグレイスケール画像データ２２にそのハーフトーン化の間に適用することにより、透かし入りハードコピー画像を印刷する。これらの方法は、特定的に設計された透かしハーフトーンスクリーンを用いて、所定の透かしをこのスクリーンにより処理される各入力画像に組み込むことを必要とする。このシステム及び方法は、時間のかかる透かし設計工程を透かし入り画像の印刷工程から分け、これが透かしをリアルタイムで組み込むことを可能にする。さらに、このシステムは特定の設計と関連する透かしを埋め込むわけではないため、透かしを様々な形状及びサイズで様々な位置に埋め込むことができる。

図４は、典型的なハーフトーン処理を用いてグレイスケール入力画像に様々な透かし情報を埋め込むために用いることができる透かしハーフトーンスクリーンの実例Ｗを示す。２つに区画化された透かしハーフトーンスクリーンＷは、Ｗの白いブロックに対応する、基準スクリーン５０の閾値と対になる閾値を持つ第１区画Ｗ１と、Ｗの黒いブロックに対応する、基準スクリーン５０の閾値と同一の閾値を持つ第２区画Ｗ２とを有することができる。Ｗ１とＷ２を構成するブロックは、例えば、４×４、８×８、又は１６×１６ピクセルのサイズを有する正方形とすることができる。

図４に示す透かしハーフトーンスクリーンＷは市松模様として示されているが、このシステム及び方法は、このようなパターンの配列に限定されないことに注目されたい。通常、透かしハーフトーンスクリーンＷは、グレイスケール画像データ２２の透かし内部の領域を透かし外部の領域と関係なくスクリーニングするいずれの方法で配列されてもよい。このシステム及び方法は、３つ又はそれ以上の区画を含む透かしハーフトーンスクリーンと共に用いてよいことにも注目されたい。

このシステム及び方法は、選択された透かしの基準を用いて、選択された透かしを組み込むことになるグレイスケール画像データ２２のピクセルを識別する。言い換えれば、透かし基準は、各グレイスケール画像データ２２のピクセルを、透かしの内部にあるか又は外部にあるものとして分類するために用いられる。従って、複数のハーフトーンスクリーンを所定のグレイスケール入力画像の部分ごとに適用することによって、ハードコピー画像を透かし入りで印刷することができる。
入力画像の各位置は、その対応するピクセルのグレイスケール値を、複数のハーフトーンスクリーンの中からこの画像をハーフトーン化するために用いられることになる１つのハーフトーンスクリーンの対応する位置の閾値と比較することによって処理され、このハーフトーンスクリーンは、透かし基準に基づいて選択された各位置を処理するために用いられることになる。

図１を再び参照すると、様々な透かしデータを組み込んだハードコピー画像を生成することができるシステム１０は、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３などの複数の透かしハーフトーンスクリーンを有するプリンタ３０を含み、各透かしハーフトーンスクリーンは、透かしスクリーン記憶装置に格納されている基準スクリーン５０との異なる度合いの相関関係を有する。

３４及びハーフトーン・プロセッサ４２を含むＩＰ４０は、入手可能なハーフトーンスクリーンを選択的に入力画像に適用する。

一般に、ハーフトーン・プロセッサ４２は、透かし基準に基づいて、選択的に複数の入手可能なハーフトーンスクリーンの中から１つを入力画像に適用する。ハーフトーン・プロセッサ４２は、基準スクリーン５０及び１つ又はそれ以上の透かしハーフトーンスクリーンＷ１、Ｗ２、Ｗ３などを選択的に入力画像に適用することができる。従って、このシステム及び方法は、特別に設計されるハーフトーンスクリーンを設計し、適用するのではなく、２つのハーフトーンスクリーンを交互に用いて入力画像をハーフトーン化することにより、様々な透かしデータをリアルタイムで組み込むことができる。

このシステム及び方法は、選択された透かしの基準を用いて、２つの異なるハーフトーンスクリーンから区画Ｗ１及びＷ２を透かしハーフトーンスクリーンＷとして組み合わせる。より具体的には、２つに区画化された透かしハーフトーンスクリーンＷは、各区画Ｗ１からの閾値を透かし内部のピクセルに対応する各位置に割り当て、区画Ｗ２からの閾値を透かし外部のピクセルに対応する各位置に割り当てることによって生成される。

一般に、ハーフトーン・プロセッサ４２は、基準スクリーン５０を入力画像の透かし外部にある位置に適用する。ハーフトーン・プロセッサ４２は、基準スクリーン５０と対になる透かしハーフトーンスクリーンＷ１を画像の透かし内部にある位置に適用することができる。別の態様においては、ハーフトーン・プロセッサ４２は、基準スクリーン５０と部分的に負の相関関係にある透かしハーフトーンスクリーンＷ２を適用することもある。このシステム及び方法は、特定的に設計された透かしハーフトーンスクリーンではなく、入力画像に組み込まれることになる透かしの基準を用いて印刷透かし入り画像を生成するため、特定的に設計された透かしハーフトーンスクリーンを用いる必要なく、所望の形状、サイズ、色、及び位置を有する透かしを組み込むことができる。

透かしスクリーン、特に理想的な確率的ハーフトーンスクリーンの設計は、非常に複雑で時間のかかる工程であることから、透かしを組み込むために現在用いられているハーフトーンスクリーンは、画像のハーフトーン化に用いられる前に入念に設計されなければならない。従って、透かしは、例えば時間や日付を表示するために設計されることがあるが、正確な時間や日付の透かしが画像に埋め込まれて表示されるように設計することはできない。さらに、特定的に設計された透かしハーフトーンスクリーンを用いてハーフトーン化される全ての画像には、それらがいつ画像に埋め込まれたかとは無関係に、同じ時間や日付が表示されることになるであろう。

対照的に、このシステム及び方法を用いることによって、様々なデータを透かしとして組み込んだハードコピー画像を印刷することができる。従って、このシステム及び方法は、ハーフトーン化の際に、画像が処理された正確な時間及び日付、その他の様々なデータを用いて透かしを組み込むことができる。重要なことに、この様々なデータは、リアルタイムで、グレイスケール画像データ２２のいずれの位置にも組み込むことができる。

上述したように、ハーフトーン・プロセッサ４２は、確率的基準スクリーン５０、透かし位置基準、及び透かしスクリーンＷを取得し、透かし基準に従って基準スクリーン５０と透かしスクリーンＷとを選択的に適用することにより入力画像をハーフトーン化する。例に示すように、透かしハーフトーンスクリーンＷは、４×４ピクセルのブロックから形成されている。日付、時間、その他の様々な情報は、例えば通信回線を通じて受け取られ、透かし基準に基づいてグレイスケール画像データ２２に組み込むことができる。様々なデータは、複数のハーフトーンスクリーンでグレイスケール画像データ２２をハーフトーン化することによって印刷画像に組み込むことができ、透かし基準により透かし７２の外部と識別されたピクセルに対応する位置に基準スクリーン５０が適用され、透かし位置基準により透かし７２の内部と識別されたピクセルに対応する位置に透かしハーフトーンスクリーンＷが適用される。
このシステム及び方法は、特定の透かし用に透かしスクリーンを設計する必要がないため、透かしを素早く入力画像に埋め込み、画像の取り込みに間に合わせることができる。透かしの区画は固定位置ではないため、透かしを様々なサイズ、形状で入力画像に埋め込むことができ、又、出力画像の様々な位置に埋め込むことができる。注目すべきことに、テキストメッセージ、シリアル番号、時間スタンプ、及び実時間データのような無作為に生成されるパターン及び画像の空間配置がＩＰ４０に転送され、これをレンダリングの際に出力画像に埋め込むことができる。

グレイスケール入力画像に様々な透かしデータを組み込むために用いることができるデジタル画像形成システムを示す図である。対になるハーフトーンスクリーンとそれらに対応するバイナリ出力パターンを示す図である。対になるハーフトーンスクリーンとそれらに対応するバイナリ出力パターンを示す図である。デジタル画像に不可視の様々な情報を埋め込むために用いることができる２つに区画化されたハーフトーンスクリーンの実例を提供する図である。

符号の説明

１０：デジタル画像システム
２０：画像入力部
２２：グレイスケール画像データ
３０：デジタルプリンタ
３２：基準スクリーン記憶装置
３４：透かしスクリーン記憶装置
４０：画像プロセッサ
４２：ハーフトーン・プロセッサ
４４：バイナリ画像データ
５０：基準ハーフトーンスクリーン
５２：５０のバイナリ出力パターン
６０：５０と対になるハーフトーンスクリーン
６２：６０のバイナリ出力パターン
７２：透かし
Ｗ：透かしハーフトーンスクリーン
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３：透かしハーフトーンスクリーンの区画

Claims

デジタル画像に透かしを組み込む方法であって、
グレイスケール値を用いて表されるデジタル入力画像に透かしを組み込むために透かし位置基準を取得し、
前記透かし位置基準によって分類された前記透かしを組み込まない部分に適用される確率的基準ハーフトーンスクリーンであって、前記部分は所定の閾値を有する、前記確率的基準ハーフトーンスクリーンを取得し、
前記確率的基準ハーフトーンスクリーンの閾値と同一の正の相関関係にある閾値をもつ第１区画と、前記確率的基準ハーフトーンスクリーンと異なる度合いの相関関係を有し、且つ、互いに異なる閾値を有する第２区画及び第３区画とを有する、区画化された確率的透かしハーフトーンスクリーンであって、前記透かし位置基準によって分類された前記透かしを組み込む部分に適用される前記確率的透かしハーフトーンスクリーンを生成し、
前記入力画像を受け取り、
前記透かし位置基準に基づき、前記確率的基準ハーフトーンスクリーンと前記区画化された確率的透かしハーフトーンスクリーンとを前記入力画像に適用することにより、前記入力画像をハーフトーン化する、
ことを含む方法。
デジタル画像に透かしを組み込む装置であって、
グレイスケール値を用いて表されるデジタル入力画像に透かしを組み込むために透かし位置基準を提供する透かし位置認識部と、
前記透かし位置基準によって分類された前記透かしを組み込まない部分に適用される確率的基準ハーフトーンスクリーンであって、前記部分は所定の閾値を有する、前記確率的基準ハーフトーンスクリーンを提供する基準スクリーン記憶装置と、
前記確率的基準ハーフトーンスクリーンの閾値と同一の正の相関関係にある閾値をもつ第１区画と、前記確率的基準ハーフトーンスクリーンと異なる度合いの相関関係を有し、且つ、互いに異なる閾値を有する第２区画及び第３区画とを有する、区画化された確率的透かしハーフトーンスクリーンであって、前記透かし位置基準によって分類された前記透かしを組み込む部分に適用される前記確率的透かしハーフトーンスクリーンを提供する、透かしスクリーン記憶装置と、
前記入力画像を受け取るグレイスケール画像入力部と、
前記透かし位置基準に基づき、前記確率的基準ハーフトーンスクリーンと前記区画化された確率的透かしハーフトーンスクリーンとを前記入力画像に適用することにより、前記入力画像をハーフトーン化するハーフトーン・プロセッサと、
を含むことを特徴とする装置。