JP5889601B2 - 音響信号に対する改ざん検出方法及び改ざん検出装置 - Google Patents
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Description
[改ざん検出システムの構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る改ざん検出システムの概要を示す説明図である。図1に示すように、本実施の形態の改ざん検出システムは、音響信号に対して電子透かしデータを埋め込む電子透かし埋込装置1と、音響信号に対する改ざんを検出する改ざん検出装置2とを備えている。音響信号の所有者は、所有している音響信号を電子透かし埋込装置1に対して入力する。電子透かし埋込装置1は、音響信号の入力を受けて、当該音響信号に対して電子透かしデータを埋め込む。このようにして生成された電子透かしデータ入りの音響信号(以下、「透かし入り音響信号」という)は、インターネット等の通信ネットワーク及びその他の手段を介して各利用者に対して配布される。
図2は、本発明の実施の形態1に係る電子透かし埋込装置の構成を示すブロック図である。図2に示すように、電子透かし埋込装置1は、CPU11、ROM12、RAM13、信号入力部14、信号出力部15及びハードディスク16を備えており、これらのCPU11、ROM12、RAM13、信号入力部14、信号出力部15及びハードディスク16は、バス17によって接続されている。
図3は、CPU11の構成を示す機能ブロック図である。図3に示すとおり、CPU11は、電子透かしデータ生成部101と、電子透かしデータ埋込部102と、符号化処理部103とを備えている。電子透かしデータ生成部101は、信号入力部14を介して外部から供給された所有者情報を用いてビット列のデータである画像データ(電子透かしデータ)を生成する。この生成は、ハッシュ法等を用いて行われる。
図4に示すように、電子透かしデータ埋込部102は、音響信号x(n)をフレーム化するフレーム処理部102aと、2つの蝸牛遅延フィルタ102b及び102cと、電子透かしデータs(k)の値に応じて第1蝸牛遅延フィルタ102b及び第2蝸牛遅延フィルタ102cの何れかを選択するフィルタ選択部102dとを備えている。
以下、第1蝸牛遅延フィルタ102b及び第2蝸牛遅延フィルタ102cの詳細について説明する。これらの第1蝸牛遅延フィルタ102b及び第2蝸牛遅延フィルタ102cは、人間の聴覚の蝸牛遅延特性を模擬したデジタルフィルタであり、具体的には、振幅成分にはまったく影響を与えず、位相特性のみを変化させる全域通過フィルタで構成される。
このように、第1蝸牛遅延フィルタ102b及び第2蝸牛遅延フィルタ102cを1次の無限インパルス応答型全域通過フィルタで構成することにより、高速な処理が可能になる。
図6は、本発明の実施の形態1に係る改ざん検出装置の構成を示すブロック図である。図6に示すように、改ざん検出装置2は、CPU21、ROM22、RAM23、信号入力部24、ハードディスク25、表示部26、及び音響出力部27を備えており、これらのCPU21、ROM22、RAM23、信号入力部24、ハードディスク25、表示部26、及び音響出力部27は、バス28によって接続されている。
図7は、CPU21の構成を示す機能ブロック図である。図7に示すとおり、CPU21は、埋め込みデータ検出部201と、電子透かしデータ生成部202と、データ照合部203と、改ざん検出部204とを備えている。埋め込みデータ検出部201は、信号入力部24を介して外部から供給された音響信号に埋め込まれている埋込データを検出する。この埋め込みデータ検出部201の詳細な構成については図8を参照しながら後述する。
第1チャープz変換部201b及び第2チャープz変換部201cが実行するチャープz変換(CZT)は、周波数スペクトルのフレキシブルな分析を可能とする手法として知られ(例えば、「Wang, T. T. “The segmented chirp z-transform and its application in spectrum analysis,” IEEE Trans. Instrumentation and measurement, 39(2), 318-323, 1990」を参照)、高速フーリエ変換(FFT)の実装にも活用されている。このチャープz変換は、離散フーリエ変換(DFT)と比較して、周波数分解能及び周波数応答のダイナミックレンジを自由に変えられるという特徴を有している。また、z平面上で任意のM点でのz変換を効率良く求めることができるという特徴も有している。
本実施の形態では、上記のチャープz変換を用いることにより、第1蝸牛遅延フィルタ102b及び第2蝸牛遅延フィルタ102cを用いて音響信号に埋め込まれた電子透かしデータのブラインド検出を実現する。以下、このブラインド検出の原理について説明する。
次に、上述したように構成された本実施の形態の電子透かし埋込装置1及び改ざん検出装置2の動作について、図11乃至図13に示すフローチャートと図4及び図8等とを参照しながら説明する。
図11は、本発明の実施の形態1における電子透かし埋込装置1が実行する電子透かし埋込処理の手順を示すフローチャートである。
電子透かし埋込装置1は、フレーム処理部102aにおいて、外部から入力された音響信号(原信号)を各フレームに分割する(S101)。次に、電子透かし埋込装置1は、フィルタ選択部102dにおいて、電子透かしデータのビット値に応じて適用する蝸牛遅延フィルタの選択を行う。具体的には、2進数表現のデータである電子透かしデータ(本実施の形態では画像データ)のビット値が“0”及び“1”の何れであるかを判定し(S102)、その判定結果に応じて第1蝸牛遅延フィルタ102b及び第2蝸牛遅延フィルタ102cの何れかを選択する。
次に、上述したようにして電子透かしデータが埋め込まれた透かし入り音響信号が各利用者に配布された後、改ざん検出装置2が外部から取得した音響信号に対して改ざんが施されているか否かを判定する改ざん検出処理について、(a)埋め込みデータ検出処理(ブラインド検出)及び(b)改ざん判定処理の2つに分けて説明する。なお、音響信号の取得の態様としては、インターネット等の通信ネットワークを介して取得したり、CD−ROM等の可搬型記録媒体から取得したり等、様々なものが想定される。
図12は、本発明の実施の形態1における改ざん検出装置2が実行する埋め込みデータ検出処理の手順を示すフローチャートである。
改ざん検出装置2は、フレーム処理部201aにおいて、外部から取得した改ざん検出対象の音響信号を各フレームに分割する(S201)。次に、改ざん検出装置2は、処理対象のセグメントを設定し(S202)、第1チャープz変換部201bにおいて、当該セグメントの音響信号に対してチャープz変換を行う(S203)。さらに、第2チャープz変換部201cにおいて、同じ音響信号に対してチャープz変換を行う(S204)。
図13は、本発明の実施の形態1における改ざん検出装置2が実行する改ざん判定処理の手順を示すフローチャートである。
改ざん検出装置2は、データ照合部203において、電子透かしデータ生成部202によって生成された電子透かしデータ(ビット列)と、埋め込みデータ検出部201により上述したようにして検出されて復元された埋め込みデータ(ビット列)とをビット毎に照合する(S301)。その結果、両データにおける全てのビットについてビット値が一致した場合(S302でYES)、改ざん検出装置2は、改ざん検出対象の音響信号からは改ざんが検出されなかったことを示す改ざん非検出メッセージを表示部26にて表示する(S303)。他方、不一致のビット値が一つでもあった場合(S302でNO)、改ざん検出装置2は、不一致ビットを特定し(S304)、そのビットについて改ざんがなされていることを示す改ざん検出メッセージを表示部26にて表示する(S305)。
実施の形態2では、ノンブラインド検出により埋め込みデータの検出を行う。以下、実施の形態2の電子透かし埋込装置及び改ざん検出装置の構成及び動作について説明する。なお、これらの電子透かし埋込装置及び改ざん検出装置のハードウェア構成については実施の形態1の場合と同様であるので説明を省略する。
図14は、実施の形態2に係る電子透かし埋込装置及び改ざん検出装置の構成を示す機能ブロック図である。図14に示すように、電子透かし埋込装置3は、電子透かしデータを所定の表現のデータに変換する符号化部301と、第1蝸牛遅延フィルタ302a及び第2蝸牛遅延フィルタ302bと、後述する選択的荷重和処理を実行する選択的荷重和接合部303とを備えている。本実施の形態において、これらの符号化部301、第1蝸牛遅延フィルタ302a及び第2蝸牛遅延フィルタ302b、並びに選択的荷重和接合部303は、電子透かし埋込装置3のCPUが、後述する電子透かし埋込処理のための電子透かし埋込プログラムを実行することによって実現される。なお、第1蝸牛遅延フィルタ302a及び第2蝸牛遅延フィルタ302bは、実施の形態1における第1蝸牛遅延フィルタ102b及び第2蝸牛遅延フィルタ102cと同様であるので、説明を省略する
次に、上述したように構成された本実施の形態の電子透かし埋込装置3及び改ざん検出装置4の動作について説明する。
図15は、実施の形態2における電子透かし埋込装置3が実行する電子透かし埋込処理の手順を示すフローチャートである。
電子透かし埋込装置3は、符号化部301において、音響信号に埋め込む電子透かしデータを、2進数表現のデータに変換する(S401)。この電子透かしデータは、実施の形態1の場合と同様に、ビットマップ形式の画像データである。
このようにして2進数表現に変換された電子透かしデータは、選択的荷重和接合部303に出力される。
このようにして第1蝸牛遅延フィルタ302a及び第2蝸牛遅延フィルタ302bを用いて位相変調された二つの音響信号は、選択的荷重和接合部303に出力される。
選択的荷重和処理では、電子透かしデータのビットが0のときは第1蝸牛遅延フィルタ302aから出力された音響信号が、1のときは第2蝸牛遅延フィルタ302bから出力された音響信号がそれぞれ選択される。そして、これらの選択された音響信号同士が接合されることにより、電子透かしデータが埋め込まれた透かし入り音響信号が生成される。
まず、ステップS401において、電子透かしデータが2進数表現のデータs(k)へと変換される。
本実施の形態においても、実施の形態1の場合と同様、改ざん検出処理には埋め込みデータ検出処理及び改ざん判定処理が含まれる。このうち、改ざん判定処理については実施の形態1の場合と同様であるので説明を省略する。以下、埋め込みデータ検出処理(ノンブラインド検出)について説明する。
改ざん検出装置4は、位相算出部401a及び401bのそれぞれにおいて、高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)により、音響信号(原信号)及び改ざん検出対象の音響信号の位相スペクトルを求める(S501)。ここでは、電子透かし埋込処理で利用されたビット単位で、各音響信号の位相スペクトルが算出される。
このようにして求められた各音響信号の位相スペクトルは、位相差検出部402に出力される。
このようにして電子透かしデータのすべてのビットの値が検出された後、それら検出されたビット値が復号部403に出力される。
以上のようにして、蝸牛遅延フィルタを用いて音響信号に埋め込まれた埋め込みデータを検出することができる。
まず、ステップS501において、音響信号x(n)及び改ざん検出対象の音響信号y(n)の位相スペクトルがFFTにより求められ、ステップS502において、両音響信号の位相スペクトルの差Φ(ω)が次の式(7)により算出される。
Φ(ω)=arg(FFT[y(n)])−arg(FFT[x(n)]) … (7)
ΔΦ0=Σ|Φ(ω)−arg(H0(ejω))| … (8)
ΔΦ1=Σ|Φ(ω)−arg(H1(ejω))| … (9)
s(k)=0,ΔΦ0<ΔΦ1 又は 1,ΔΦ0≧ΔΦ1 … (10)
最後に、ステップS505において、これらの検出されたビット値s(k)を用いて埋め込みデータが復元される。
次に、上述した実施の形態1及び2による改ざん検出とLSB(Least Significant Bit replacement)法(N. Cvejic and T. Seppanen, “Digital audio watermarking techniques and technologies,” IGI Global, 2007)による場合との比較評価を行う。以下では、実施の形態1におけるブラインド検出方法をCD(Blind)法と表現し、実勢の形態2におけるノンブラインド検出方法をCD(Non-Blind)法と表現する。
上記の各実施の形態においては、電子透かしデータの埋め込み処理及び改ざん検出処理がソフトウェアにより実現されているが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、これらの処理の全部又は一部が、DSP(Digital Signal Processor)等の専用のハードウェア回路によって実現されてもよい。
11 CPU
12 ROM
13 RAM
14 信号入力部
15 信号出力部
16 ハードディスク
16A 電子透かし埋込プログラム
17 バス
101 電子透かしデータ生成部
102 電子透かしデータ埋込部
102a フレーム処理部
102b 第1蝸牛遅延フィルタ
102c 第2蝸牛遅延フィルタ
102d フィルタ選択部
103 符号化処理部
2,4 改ざん検出装置
21 CPU
22 ROM
23 RAM
24 信号入力部
25 ハードディスク
25A 改ざん検出プログラム
26 表示部
27 音響出力部
28 バス
201 埋め込みデータ検出部
201a フレーム処理部
201b 第1チャープz変換部
201c 第2チャープz変換部
201d ビット値検出部
202 電子透かしデータ生成部
203 データ照合部
204 改ざん検出部
Claims (12)
- 蝸牛遅延特性を模擬する蝸牛遅延フィルタを用いて、デジタルデータである音響信号に位相変調を施すことにより、当該音響信号に電子透かしデータを埋め込むステップ(a)と、
前記電子透かしデータが埋め込まれた前記音響信号を外部から取得するステップ(b)と、
前記蝸牛遅延フィルタが模擬する蝸牛遅延特性に基づいて、取得した前記音響信号に埋め込まれている埋め込みデータを検出するステップ(c)と、
検出した前記埋め込みデータと前記電子透かしデータとを照合するステップ(d)と、
照合の結果に基づいて、前記音響信号が改ざんされているか否かを判定するステップ(e)と
を有する、改ざん検出方法。 - 前記ステップ(e)において前記音響信号が改ざんされていると判定した場合、当該音響信号の改ざん箇所を特定するステップ(f)
をさらに有する、請求項1に記載の改ざん検出方法。 - 前記ステップ(f)において、前記埋め込みデータと前記電子透かしデータとが一致しない箇所に基づいて、前記改ざん箇所を特定する、
請求項2に記載の改ざん検出方法。 - 前記ステップ(e)において前記音響信号が改ざんされていると判定した場合、当該音響信号の少なくとも一部が別の音響信号に入れ替えられているか否かを判定するステップ(g)
をさらに有する、請求項1乃至3の何れかに記載の改ざん検出方法。 - 前記ステップ(e)において前記音響信号が改ざんされていると判定した場合、当該音響信号の少なくとも一部に別の音響信号が付与されているか否かを判定するステップ(h)
をさらに有する、請求項1乃至4の何れかに記載の改ざん検出方法。 - 前記ステップ(a)において、前記電子透かしデータとして画像データを前記音響信号に埋め込む、
請求項1乃至5の何れかに記載の改ざん検出方法。 - 前記電子透かしデータが埋め込まれている音響信号に基づいて、当該音響信号に位相変調を施した蝸牛遅延フィルタが模擬する蝸牛遅延特性を推定するステップ(i)をさらに有し、
前記ステップ(c)において、前記ステップ(i)によって推定された蝸牛遅延特性に基づいて、前記埋め込みデータを検出する、
請求項1乃至6の何れかに記載の改ざん検出方法。 - 蝸牛遅延特性を模擬する蝸牛遅延フィルタを用いて、デジタルデータである音響信号に位相変調を施すことにより、当該音響信号に電子透かしデータが埋め込まれた後に、当該音響信号に対する改ざんを検出する改ざん検出装置であって、
前記音響信号を外部から取得する音響信号取得手段と、
前記蝸牛遅延フィルタが模擬する蝸牛遅延特性に基づいて、前記音響信号取得手段によって取得された音響信号に埋め込まれている埋め込みデータを検出する埋め込みデータ検出手段と、
前記埋め込みデータ検出手段によって検出された埋め込みデータと前記電子透かしデータとを照合する照合手段と、
前記照合手段による照合の結果に基づいて、前記音響信号が改ざんされているか否かを判定する改ざん判定手段と
を備える、改ざん検出装置。 - 前記改ざん判定手段によって前記音響信号が改ざんされていると判定された場合、当該音響信号の改ざん箇所を特定する改ざん箇所特定手段
をさらに備える、請求項8に記載の改ざん検出装置。 - 前記改ざん箇所特定手段が、前記埋め込みデータと前記電子透かしデータとが一致しない箇所に基づいて、前記改ざん箇所を特定するように構成されている、
請求項9に記載の改ざん検出装置。 - 前記改ざん判定手段によって前記音響信号が改ざんされていると判定された場合、当該音響信号の少なくとも一部が別の音響信号に入れ替えられているか否かを判定する第1改ざん態様判定手段
をさらに備える、請求項8乃至10の何れかに記載の改ざん検出装置。 - 前記改ざん判定手段によって前記音響信号が改ざんされていると判定された場合、当該音響信号の少なくとも一部に別の音響信号が付与されているか否かを判定する第2改ざん態様判定手段
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