JP6937007B2 - Digital watermarking device and method - Google Patents

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本発明は,デジタル画像データに著作権情報などを埋め込む電子透かし法で、特に印刷耐性を有す不可視の電子透かし装置および方法に関するものである。 The present invention relates to a digital watermarking method for embedding copyright information or the like in digital image data, and more particularly to an invisible digital watermarking device and method having print resistance.

現在のデジタル情報社会において,情報の複製により多くの人が情報を共有することが可能となり,社会が大きく発展してきた。しかし,その利便性が,個人の著作物を違法に複製し流通させることにより,著作権侵害などの事件が起こるようになった。画像においては,近年のデジタルカメラやプリンタの高画質化により,原画と寸分も違わぬ複製が容易に得られるようになり,著作権を侵害した違反コピーだけでなく,紙幣や有価証券等の偽造行為という悪質な犯罪行為を助長させる結果となっている。 In the current digital information society, the duplication of information has made it possible for many people to share information, and the society has greatly developed. However, due to its convenience, cases such as copyright infringement have come to occur due to the illegal copying and distribution of personal works. With the recent improvement in the image quality of digital cameras and printers, it has become easier to obtain duplicate images that are exactly the same as the original images, and not only infringing copies but also forgery of banknotes and securities. This has resulted in the promotion of malicious criminal acts called acts.

そのような状況の中で,画像情報の中に別の情報,例えば,著作者情報等を埋め込み,著作権を保護する電子透かし(Digital Watermark)技術が発展してきた。この電子透かし技術は、著作物の中に著作権者の名前や連絡先、取り扱い事項などを埋め込み、利用者に注意を喚起するのみならず、不正利用の追跡ができることなど、著作権の管理・保護、ならびにセキュリティー対策として広く使われ始めている。電子透かし技術は、安全性および信頼性確保のため、第三者からの削除のための攻撃を想定して,攻撃に対する強い耐性が要求される。 Under such circumstances, digital watermarking technology that protects copyright by embedding other information, such as author information, in image information has been developed. This digital watermarking technology not only draws the attention of the user by embedding the name, contact information, handling items, etc. of the copyright holder in the copyrighted work, but also can track unauthorized use, etc. It is beginning to be widely used as a protection and security measure. Digital watermarking technology is required to have strong resistance to attacks in order to ensure safety and reliability, assuming an attack for deletion from a third party.

デジタルデータとしての電子透かしは,そのまま複製される限りは劣化や消失を生じない。しかし,画像編集や加工を行ったり、画像圧縮を行った場合、画像データに種々の演算や変換が行われるために、埋め込まれた情報が消失しやすい。このため編集加工に耐えるためには埋め込むデータの強度を大きくし深層に埋め込み、耐性を向上させなければならない。 Digital watermarks as digital data do not deteriorate or disappear as long as they are duplicated as they are. However, when image editing, processing, or image compression is performed, the embedded information is likely to be lost because various operations and conversions are performed on the image data. Therefore, in order to withstand editing, it is necessary to increase the strength of the embedded data and embed it in a deep layer to improve the resistance.

さらにプリンタに出力した場合には、画像の編集加工の操作に加えて、印刷のためのさまざまな画像処理が施される。さらに、プリント時にはプリンタの空間周波数応答特性(MTF)や階調再現特性,印字ドットの飛散、ドットゲインなどのエンジン特性により、埋め込んだ透かし情報が一層消失しやすくなる。したがって、印刷に対する電子透かしは、これらの事態に備えて、さらにロバストで強靭な技術が必要となる。 Further, when the image is output to a printer, various image processing for printing is performed in addition to the operation of editing and processing the image. Further, at the time of printing, the embedded watermark information is more likely to be lost due to the engine characteristics such as the spatial frequency response characteristic (MTF) of the printer, the gradation reproduction characteristic, the scattering of printed dots, and the dot gain. Therefore, digital watermarking for printing requires more robust and robust technology to prepare for these situations.

これまで画像データに対する印刷耐性のある電子透かし技術として、多くの方法が提案されてきた。その一例としてパッチワーク法がある。パッチワーク手法による情報埋め込みは、統計量を利用するアプローチであるため、局所的な攻撃に対して強い耐性を示す。
この手法は、実空間(画素空間)において多数の画素ペアにわずかな偏差を与え透かし情報として埋め込む。まず、ランダムに画素のペアを選び、一方の輝度値をδ だけ上げ,他方のの輝度度値をδだけ下げる。この操作を繰り返すことにより分布の期待値に偏りが生じる。この偏りを統計的に求めることにより透かし情報を抽出することが可能となる。
しかしながら、この手法は統計的な偏りを生じさせるため、埋め込める情報量は少ない。さらに、印刷耐性を満たすためには,埋め込みデータ値δを大きくする必要があり,実空間(画素空間)で埋め込むため、埋め込み領域(パッチ)が視覚的に目につくようになるし、輝度値に直接変動を与えるため、印刷や読み取りにおける濃度ムラや階調変動等に弱いという問題がある。
So far, many methods have been proposed as digital watermarking techniques that are print-resistant to image data. One example is the patchwork method. Since information embedding by the patchwork method is an approach that uses statistics, it shows strong resistance to local attacks.
This method gives a slight deviation to a large number of pixel pairs in the real space (pixel space) and embeds them as watermark information. First, a pair of pixels is randomly selected, one brightness value is increased by δ, and the other brightness value is decreased by δ. By repeating this operation, the expected value of the distribution becomes biased. Watermark information can be extracted by statistically obtaining this bias.
However, since this method causes statistical bias, the amount of information that can be embedded is small. Furthermore, in order to satisfy the print resistance, it is necessary to increase the embedded data value δ, and since it is embedded in the real space (pixel space), the embedded area (patch) becomes visually noticeable and the brightness value. There is a problem that it is vulnerable to density unevenness, gradation fluctuation, etc. in printing and reading because it directly fluctuates.

別の方法として周波数空間で透かし情報を埋め込む方法がある。画像全体をDCT(Discrete cosine transformation)やフーリエ変換およびWavelet変換を行い,ある特定の中間周波数帯に埋め込む方法である。埋め込まれた情報は実空間では画像全体に分散するため,視覚的に目立ちにくいという特徴がある。埋め込み周波数帯は、視覚的に影響が少なく、かつ、スキャナーで読み取れる中間周波数帯を利用する。しかしながら,スキャナーで読み取れるほどに印刷耐性を高めるためには、埋め込み強度を強くする必要があり,埋め込み周波数のパターンが発生する。このパターンは周期的であるため、画像とのモアレ縞が発生したり、画像の平たん部で目につきやすなり、画質低下をもたらす。 Another method is to embed watermark information in the frequency space. This is a method of embedding the entire image in a specific intermediate frequency band by performing DCT (Discrete cosine transform), Fourier transform, and Wavelet transform. Since the embedded information is dispersed throughout the image in the real space, it is not visually noticeable. As the embedded frequency band, an intermediate frequency band that has little visual influence and can be read by a scanner is used. However, in order to increase the print resistance so that it can be read by a scanner, it is necessary to increase the embedding strength, and a pattern of embedding frequency is generated. Since this pattern is periodic, moire fringes with the image may occur, or the flat portion of the image may be easily noticeable, resulting in deterioration of image quality.

また、これらの透かし技術は、紙幣や有価証券の偽造防止や追跡、原本保証などのセキュリティー技術として利用されることが多く、通常、アルゴリズムは公開されない。このため標準化や普及が阻止されるという問題もある。 In addition, these watermarking technologies are often used as security technologies such as anti-counterfeiting and tracking of banknotes and securities, and guarantee of originals, and algorithms are usually not disclosed. Therefore, there is also a problem that standardization and dissemination are prevented.

W.Blender, D.Gruhl, N.Morimoto; “Techniques for data hiding”, Proceedings of SPIE, Vol.2020, pp.2420-2440 (1995).W.Blender, D.Gruhl, N.Morimoto; “Techniques for data hiding”, Proceedings of SPIE, Vol.2020, pp.2420-2440 (1995). 水本匡,松井甲子雄;”DCTを用いた電子透かしの印刷取り込み耐性の検討”, 電子情報通信学会誌A, Vol J85-A, No.4, pp.451-459 (2002)Tadashi Mizumoto, Koshio Matsui; "Study of print capture resistance of digital watermarks using DCT", Journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers A, Vol J85-A, No.4, pp.451-459 (2002)

このため,印刷耐性があり、強く埋め込んでもモアレや画質の劣化が少ない電子透かし法を得ることが課題である。さらに、外部からの様々な攻撃に対して透かし情報が除去されないこと、必要に応じて鍵を用いて透かしを除去できること、普及するためにアルゴリズムを公開しても安全性は保たれること等を満たすことも課題である。 Therefore, it is a problem to obtain a digital watermarking method that is print-resistant and has little moire and deterioration of image quality even if it is strongly embedded. Furthermore, the watermark information is not removed against various attacks from the outside, the watermark can be removed by using a key if necessary, and the security is maintained even if the algorithm is released for widespread use. Satisfying is also an issue.

かかる課題を解決するために、本発明は、周波数の帯域制限を与えたランダムなクラスタードットパターンで埋め込むことにより、モアレの発生や画質劣化が少なく、印刷耐性のある電子透かし装置および方法を提供するものである。 In order to solve such a problem, the present invention provides a digital watermarking device and a method that are print-resistant with less occurrence of moire and image quality deterioration by embedding in a random cluster dot pattern with frequency band limitation. It is a thing.

さらに、ランダムなパターンのため規則性がなく、外部からの攻撃に対して耐性が高い。 また、必要に応じて透かしをその画像固有の鍵を用いて、除去することができる。 Furthermore, because of the random pattern, there is no regularity, and it is highly resistant to external attacks. Also, if necessary, the watermark can be removed using the image-specific key.

本発明の電子透かしは、クラスター型のグリーンノイズ特性を示すドットパターンを使用する。このため、空間周波数空間でみた場合、0周波数近傍はスペクトルが存在しない。一方、画像データは0周波数近傍に分布するため、両者のスペクトルの重なりは少ない。このため、分離性がよく、かつ、グリーンノイズ特性を示すクラスタードットのパターンは分散型で異方性(anisotropy)が少なく,明視の距離で観察した場合、視覚的に目立たないなど高品質性を維持できる。これらの特質があるため、強靭の透かしといえども、埋め込みの強度(gain)は小さくてもよく、画質劣化は感じられない。 The digital watermark of the present invention uses a dot pattern exhibiting cluster-type green noise characteristics. Therefore, when viewed in the spatial frequency space, there is no spectrum near the 0 frequency. On the other hand, since the image data is distributed in the vicinity of 0 frequency, there is little overlap between the two spectra. For this reason, the cluster dot pattern, which has good separability and exhibits green noise characteristics, is dispersed and has little anisotropy, and when observed at a clear vision distance, it is visually inconspicuous and has high quality. Can be maintained. Due to these characteristics, even if the watermark is tough, the strength of embedding (gain) may be small, and no deterioration in image quality is felt.

このため、本発明は、以下の方法で透かし情報の埋め込みと抽出を行う。
透かし情報の埋め込みは、デジタル画像データをR画素×R画素 のブロックに分割し、それぞれのブロックに対して埋め込む透かし情報のビット情報(0あるいは1)に対応して,フーリエスペクトルが低周波域および高周波域で低減したグリーンノイズ特性を示す複数の異なるドットパターンpi(x,y) (i=0,1,2,…)を用いて,透かし埋め込み画像w(x,y)=i(x,y) + gain * pi(x,y) を生成し(ここで、gainは埋め込み強度で1より小さな値),
透かし情報の抽出は、受信あるいは読み取った画像データを補正した後、ブロックに分割し、それぞれのブロックのフーリエスペクトルの分布を求め、そのスペクトル分布をコントラスト改善した後、分布のパターン認識により埋め込みの情報を抽出する。
Therefore, the present invention embeds and extracts watermark information by the following method.
For watermark information embedding, the digital image data is divided into blocks of R pixels × R pixels, and the Fourier spectrum corresponds to the bit information (0 or 1) of the watermark information embedded in each block, and the Fourier spectrum is in the low frequency range and Watermark embedded image w (x, y) = i (x, ...) using multiple different dot patterns pi (x, y) (i = 0,1,2, ...) showing reduced green noise characteristics in the high frequency range Generate y) + gain * pi (x, y) (where gain is less than 1 in embedded strength),
Watermark information is extracted by correcting the received or read image data, dividing it into blocks, obtaining the distribution of the Fourier spectrum of each block, improving the contrast of the spectrum distribution, and then embedding information by pattern recognition of the distribution. Is extracted.

さらに、透かしの埋め込まれた画像w(x,y)に対して、埋め込み時のドットパターンpi(x,y),埋め込み時のgain および埋め込み情報のセットを秘密鍵として入手することにより、埋め込み前の原画像 i(x,y)=w(x,y) - gain * pi(x,y) を復元可能とし、その鍵を用いて新たな情報を電子透かしとして埋め込むことが可能である。 Furthermore, for the image w (x, y) with a watermark embedded, the dot pattern pi (x, y) at the time of embedding, the gain at the time of embedding, and the set of embedding information are obtained as a private key before embedding. The original image i (x, y) = w (x, y) --gain * pi (x, y) can be restored, and new information can be embedded as a digital watermark using the key.

本発明により、高画質性を保持し、印刷耐性のある強靭な透かし埋め込みが可能となる。印刷においてもクラスタードットの主周波数の変動が少ないため安定出力が可能である。さらに、編集で施されたAffine係数をこのドットパターンから探知することができる。そして、この係数から補正画像を求めることにより、精度の高い透かし抽出を行うことができる。さらに,二値化のハーフトーニングで印刷耐性を高めることも可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to embed a tough watermark with print resistance while maintaining high image quality. Stable output is possible even in printing because the fluctuation of the main frequency of the cluster dots is small. Furthermore, the edited Affine coefficient can be detected from this dot pattern. Then, by obtaining the corrected image from this coefficient, highly accurate watermark extraction can be performed. Furthermore, it is possible to increase the print resistance by binarizing half toning.

さらに、透かしの埋め込まれた画像w(x,y)に対して、鍵を得ることにより、埋め込み前の画像(原画)に戻すことが可能である。鍵は配信画像ごとに異なり、他の画像には無力である。その鍵を用いて新たな二次著作権情報を電子透かしとして埋め込むことも可能である。 Furthermore, it is possible to return to the image (original image) before embedding by obtaining the key for the image w (x, y) in which the watermark is embedded. The key is different for each delivered image and is powerless for other images. It is also possible to embed new secondary copyright information as a digital watermark using the key.

本発明の電子透かしの埋め込みおよび抽出の装置の図、The figure of the apparatus for embedding and extracting a digital watermark of the present invention, 透かし入り画像のインターネットでの配信を示した図、Diagram showing the distribution of watermarked images on the Internet, 生成したディザマトリックスでの階調ごとのドットパターンとそのフーリエスペクトルを表した図A diagram showing the dot pattern for each gradation in the generated dither matrix and its Fourier spectrum. 階調ごとのグリーンノイズパターンの主波長の変化を表す図Diagram showing changes in the main wavelength of the green noise pattern for each gradation 電子透かし埋め込みのパターンを示す図で、(a)は縦長楕円リングのスペクトル特性を有すもの、(b)はそれを90度回転したもの、(c)はヘッダーやレジストレーション、およびAffine係数検出用。In the figure showing the pattern of digital watermark embedding, (a) has the spectral characteristics of a vertically elongated elliptical ring, (b) is a 90-degree rotation of it, and (c) is header and registration, and Affine coefficient detection. for. gainを変えて埋め込んだ画像とその一部拡大した図で、(a)はgain=0.0625, (b)は0.125、(c)は0.25。In the image embedded with different gains and a partially enlarged view, (a) is gain = 0.0625, (b) is 0.125, and (c) is 0.25. gain=0.125で埋め込んだ時の512画素x512画素の画像データと、印刷して読み取ったときの画像データおよびそのスペクトル分布を表す図。The figure which shows the image data of 512 pixels × 512 pixels at the time of embedding with gain = 0.125, the image data at the time of printing and reading, and the spectrum distribution thereof. Affine変換係数の導出を示す図The figure which shows the derivation of the Affine transformation coefficient 評価のために用いた10枚の標準画像10 standard images used for evaluation 評価結果を示したもの。Shows the evaluation results. 二値化の時に埋め込んだ画像とそのスペクトル、The image embedded at the time of binarization and its spectrum, 埋め込み画像をデジタルカメラで読み取って抽出を行った時の図で、(a)は二値化時に埋め込まれた画像、(b)はモニターをカメラで撮影した画像、(c)は(b)から切り出した画像、(d)はスペクトル画像。The figure when the embedded image is read by a digital camera and extracted, (a) is the image embedded at the time of binarization, (b) is the image taken by the camera with the monitor, and (c) is from (b). The clipped image, (d) is a spectrum image. 同じスペクトル形状で異なる2種類のパターンを示す図、A diagram showing two different patterns with the same spectral shape, 異なるスペクトル分布(丸型と四角型)を示すディザマトリックスを用いた時の埋め込まれた画像とそのスペクトル分布を示す図。The figure which shows the embedded image and the spectral distribution when using the dither matrix which shows the different spectral distribution (round type and square type). パターン認識の識別器のマスクパターンを表す図、Diagram showing the mask pattern of the pattern recognition classifier, gain=0.125の時の、補正画像処理の有無の画像とそのスペクトルを示した図。The figure which showed the image with and without correction image processing and its spectrum at the time of gain = 0.125. 人の視覚系の応答特性を示す図、Diagram showing the response characteristics of the human visual system, 視覚応答特性を考慮した時の埋め込み画像を示した図。The figure which showed the embedded image when the visual response characteristic was taken into consideration.

図1は本発明の情報埋め込みと抽出のための電子透かしシステムの構成図である。著作権保有者のコンピュータ3 には、著作権を有す画像データが、例えばハードディスクなどのデータメモリ7に保管されている。画像データは、プログラムメモリ6にある画像処理プログラムにより、CPU11,ROM 4,RAM5などを用いて画像処理され、モニター8に表示される。コンピュータ3にはスキャナー1、プリンタ2が接続され、処理された画像はプリンタから出力され、またスキャナー1から画像読み取りができる。 かかる画像処理は負荷の高い処理が多いため、GPUなどの高速化を図るための処理ボードが入っている場合もある。 FIG. 1 is a block diagram of a digital watermarking system for embedding and extracting information of the present invention. The copyright holder's computer 3 stores copyrighted image data in a data memory 7 such as a hard disk. The image data is image-processed by the image processing program in the program memory 6 using the CPU 11, ROM 4, RAM 5, and the like, and displayed on the monitor 8. A scanner 1 and a printer 2 are connected to the computer 3, the processed image is output from the printer, and the image can be read from the scanner 1. Since such image processing is often a high-load process, a processing board such as a GPU may be included to increase the speed.

ここで、画像中に著作権情報を埋め込むために、キーボード9から、例えば、著作者の名前や、URLなどの文字情報を入れる。入れられる文字数は画像サイズおよびブロックサイズにより異なる。512画素x512画素でブロックサイズ64x64の時、最大8バイト、ブロックサイズ32x32の時、最大32バイト可能である。用途・目的により適宜選択される。これらの情報は、画像の中に埋め込まれ、不可視型の電子透かし情報として人の目には見えにくいため、第三者には気づきにくい。 Here, in order to embed the copyright information in the image, for example, the name of the author and character information such as URL are input from the keyboard 9. The number of characters that can be inserted depends on the image size and block size. When the block size is 64x64 with 512 pixels x 512 pixels, a maximum of 8 bytes is possible, and when the block size is 32x32, a maximum of 32 bytes is possible. It is appropriately selected according to the application and purpose. Since this information is embedded in the image and is difficult for the human eye to see as invisible digital watermark information, it is difficult for a third party to notice.

図2は、インターネット配信の処理手順を示すものである。透かし情報を埋め込まれた画像は、著作権者16のコンピュータからインターネット12により配信される(13)。それを見た購入希望者17、購入希望を配信者に連絡する(14)。所定の手続き後、著作権者は透かしの埋め込みと除去のための秘密鍵を配信する(15)。購入者は、著作権者との契約に基づき、送付された画像の埋め込まれた電子透かしを除去し、画像の編集加工を行う。 FIG. 2 shows a processing procedure for Internet distribution. The image in which the watermark information is embedded is distributed by the Internet 12 from the computer of the copyright holder 16 (13). 17 who wants to purchase after seeing it, and inform the distributor of the desire to purchase (14). After the prescribed procedure, the copyright holder distributes the private key for embedding and removing the watermark (15). Based on the contract with the copyright holder, the purchaser removes the digital watermark embedded in the sent image and edits the image.

さらに購入者は、編集加工された画像データを、2次著作者として自己の著作情報やURLなどの情報をこの秘密鍵を用いて埋め込むことができる。これらの透かし情報を埋め込まれた画像は、市場に流通し様々な利用がされる。 Further, the purchaser can embed the edited and processed image data as a secondary author by using the private key to embed information such as his / her own copyright information and URL. Images with these watermark information embedded are distributed in the market and used in various ways.

違法な複製や利用の監視には、透かし抽出ソフトウェアにより画像から透かし情報を読みだし、自己の著作物であることを確認できる。この透かし抽出ソフトウェアは秘密性はなく、例えば著作権者のホームページなどから自由にダウンロードできるようにして広く公開し、だれでも使用できる。第三者はこれにより画像の所有者や著作権情報、連絡先などを知ることができるため、不正使用の警告にもなる。 To monitor illegal copying and use, you can use watermark extraction software to read watermark information from images and confirm that it is your own copyrighted work. This watermark extraction software is not confidential, and can be freely downloaded from the copyright holder's homepage, etc., and widely published, and anyone can use it. This allows a third party to know the owner, copyright information, contact information, etc. of the image, which also warns of unauthorized use.

秘密鍵は埋め込む画像ごとに1対1で対応する。このため、著作権者は悪用されないように画像ごとに異なる鍵を用いる。このためこの鍵を用いて他の画像の透かしを除去することはできない。また後述の様に結託攻撃に対しても耐性がある。このとき、透かし読み出しのソフトウェアは、前述の様に、鍵が異なっても共通に使える。 There is a one-to-one correspondence between the private keys and each image to be embedded. For this reason, copyright holders use different keys for each image to prevent misuse. Therefore, this key cannot be used to remove watermarks in other images. It is also resistant to collusion attacks as described below. At this time, the watermark reading software can be used in common even if the keys are different, as described above.

以下、実施例に沿って説明する。
本発明は、電子透かしとしてグリーンノイズ特性示すクラスター型のドットプロファイルを画像データに加算する方法である。そこで、まず、グリーンノイズ特性を示すドットプロファイル作成アルゴリズムについて説明するが、出願済みの特開2016-163197 にて詳細説明されているためここでは概要説明する。
今,求めるディザマトリックスサイズをR×R ( R=2^m)として,階調を表す黒化率をg(0≦g≦1:g =1が全黒,g =0 が全白)とする。まず,中間(g=1/2)のドットプロファイルを、黒化率g,点(i,j)におけるドットプロファイルを p(i,j,g)として、以下の様に行う。
(1)まず,乱数発生器により、R^2/2個のランダムドット(初期状態はホワイトノイズ)を発生させ、p(i,j,1/2)とする.ドットプロファイルの二次元フーリエ変換を行い,P(u,v,1/2)を得る。
(2)P(u,v,1/2)にフィルタD(u,v,1/2)を掛けて、新たなP'(u,v,1/2)を得る。ここで、D(u,v,1/2)はラジアル周波数frがfmin〜fmaxの領域に値を持つフィルタである。
(3)P'(u,v,1/2)に逆フーリエ変換を行い,多値の点プロファイルp'(i,j,1/2)を得る。
(4)誤差関数e(i,j,1/2)=p'(i,j,1/2)-p(i,j,1/2)を求め,各画素位置での誤差の大きい順に白,黒反転する。
(5)上記操作を誤差が許容量以内になるまで繰り返し,最終的にg=1/2のドットプロファイルを得る。
Hereinafter, description will be given with reference to Examples.
The present invention is a method of adding a cluster-type dot profile showing green noise characteristics as a digital watermark to image data. Therefore, first, a dot profile creation algorithm showing green noise characteristics will be described, but since it is described in detail in the applied Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-163197, an outline will be described here.
Now, let the dither matrix size to be obtained be R × R (R = 2 ^ m), and set the blackening rate representing gradation to g (0 ≤ g ≤ 1: g = 1 is all black, g = 0 is all white). do. First, the intermediate (g = 1/2) dot profile is set to the blackening rate g, and the dot profile at the point (i, j) is p (i, j, g), and the following is performed.
(1) First, the random number generator generates R ^ 2/2 random dots (white noise in the initial state), and sets them as p (i, j, 1/2). Two-dimensional Fourier transform of the dot profile is performed to obtain P (u, v, 1/2).
(2) Apply the filter D (u, v, 1/2) to P (u, v, 1/2) to obtain a new P'(u, v, 1/2). Here, D (u, v, 1/2) is a filter whose radial frequency fr has a value in the region of fmin to fmax.
(3) Perform an inverse Fourier transform on P'(u, v, 1/2) to obtain a multi-valued point profile p'(i, j, 1/2).
(4) Find the error function e (i, j, 1/2) = p'(i, j, 1/2) -p (i, j, 1/2) in descending order of error at each pixel position. Invert white and black.
(5) Repeat the above operation until the error is within the permissible amount, and finally obtain a dot profile with g = 1/2.

続いて、g±Δgでの点プロファイルを以下の手順で作成する。
(1)p(i,j,g±Δg)のフーリエ変換を行いP(u,v,g±Δg)を得る。
(2)P(u,v,g±Δg)にフィルタD(u,v,g±Δg)を掛けて新たなP'(u,v,g±Δg)を得る。ここで、D(u,v,g±Δg)はgによってfminおよびfmaxが変化するフィルタである。
(3)P'(u,v,g±Δg)に逆フーリエ変換変換を行い,多値のドットプロファイルp'(i,j,g±Δg)を得る。
(4)誤差関数e(i,j,g±Δg)=p'(i,j,g±Δg)-p(i,j,g±Δg)を求め, 各画素位置での誤差の大きい順にN=R^2/2^n個だけ白,黒反転する。
上記(1)〜(4)を繰り返し,g=0,1で本操作を終了する。
Then, a point profile with g ± Δg is created by the following procedure.
(1) Fourier transform of p (i, j, g ± Δg) is performed to obtain P (u, v, g ± Δg).
(2) Apply the filter D (u, v, g ± Δg) to P (u, v, g ± Δg) to obtain a new P'(u, v, g ± Δg). Here, D (u, v, g ± Δg) is a filter in which fmin and fmax change depending on g.
(3) Perform an inverse Fourier transform on P'(u, v, g ± Δg) to obtain a multi-valued dot profile p'(i, j, g ± Δg).
(4) Find the error function e (i, j, g ± Δg) = p'(i, j, g ± Δg) -p (i, j, g ± Δg) in descending order of error at each pixel position. Only N = R ^ 2/2 ^ n are inverted in white and black.
Repeat steps (1) to (4) above, and end this operation with g = 0,1.

ここで、ラジアル周波数fmaxおよびfminの設定について説明する。
フィルタD(u,v,g)のfmaxおよびfminは,gによって可変とし,明暗部においてはブルーノイズ特性に接近するようにする。gにおける平均的ドット間隔による周波数は,
0≦g≦0.5 の時 fo=√g・fn
0.5<g≦1 の時 fo=√(1-g)・fn
で与えられ,fmax及びfminはfoを基準として,
a・fn≡fmax - fo
b・fn≡fmin - fo
として、パラメータ(a,b)を用いて表す(fnはナイキスト周波数)。(a,b)を変えてクラスターサイズの異なるディザマトリックスを得ることができる。
Here, the settings of the radial frequencies fmax and fmin will be described.
The fmax and fmin of the filter D (u, v, g) are made variable by g so that they approach the blue noise characteristics in the bright and dark areas. The frequency due to the average dot spacing in g is
When 0 ≤ g ≤ 0.5 fo = √g ・ fn
When 0.5 <g ≤ 1, fo = √ (1-g) ・ fn
Given by, fmax and fmin are based on fo
a ・ fn≡fmax --fo
b ・ fn≡fmin --fo
Is expressed using the parameters (a, b) (fn is the Nyquist frequency). By changing (a, b), dither matrices with different cluster sizes can be obtained.

図3に(a,b)=(1/8,-1/8) のドットプロファイルとそのスペクトル特性を,図4に階調に対する主波長(principal wavelength)の変動を示す。階調の広範囲で主波長が一定であることが分かる。これは、環境変動に弱い電子写真プリンタでも安定した画像出力が可能であることを物語っている。以上の様にしてグリーンノイズ特性を有すドットプロファイルp(i,j)を得るが,目標スペクトル分布がx軸,y軸に対して対象であるため,p(i,j)の虚数部は0となる。 Fig. 3 shows the dot profile of (a, b) = (1/8, -1/8) and its spectral characteristics, and Fig. 4 shows the variation of the principal wavelength with respect to the gradation. It can be seen that the main wavelength is constant over a wide range of gradations. This shows that stable image output is possible even with an electrophotographic printer that is vulnerable to environmental changes. As described above, the dot profile p (i, j) with green noise characteristics is obtained, but since the target spectral distribution is symmetrical with respect to the x-axis and y-axis, the imaginary part of p (i, j) is It becomes 0.

続いて、多値画像データへの透かし埋め込みアルゴリズムについて説明する。
今、周波数空間においてブロック単位で異種のスペクトルパターンを埋め込むこととして、異なるスペクトルパターンをPi (u,v) (i=0,・・・,n)とする.Piは前述のグリーンノイズ特性をしめす。fminは埋め込まれる画像の最大周波数よりも大きい周波数を選ぶことが理想的であるが、必ずしもこれに限定されるわけではない。
画像ブロックの周波数スペクトルをI(u,v)とすると,埋め込まれたスペクトルW(u,v)は,
W(u,v)=I(u,v)+gain・Pi (u,v)
となる。ここで,不可視となるためには,gain≪1でなければならない。透かし情報Pi (u,v)が精度よく抽出されるためには,I(u,v)とPi (u,v)の重なりが少ないようにすることが望ましい。
Next, a watermark embedding algorithm for multi-valued image data will be described.
Now, let's assume that different spectral patterns are embedded in block units in the frequency space, and the different spectral patterns are Pi (u, v) (i = 0, ..., N). Pi shows the above-mentioned green noise characteristics. Ideally, fmin should be chosen to have a frequency higher than or equal to the maximum frequency of the embedded image, but it is not necessarily limited to this.
Assuming that the frequency spectrum of the image block is I (u, v), the embedded spectrum W (u, v) is
W (u, v) = I (u, v) + gain ・ Pi (u, v)
Will be. Here, gain << 1 must be satisfied in order to be invisible. In order for the watermark information Pi (u, v) to be extracted accurately, it is desirable that there is little overlap between I (u, v) and Pi (u, v).

透かし情報の埋め込みは実空間で行う。前式を実空間(画素空間)に変換する(小文字であらわす)と,
w(x,y)=i(x,y)+gain・pi (x,y) (1)
となる.透かし情報は,前に説明した異なるグリーンノイズ特性を示すディザパターンpi (x,y,g)を用意する.埋め込むビット情報(0,1)に対して,
埋め込みビット=0の時 → p0(x,y,1/2)
埋め込みビット=1の時 → p1(x,y,1/2)
として埋め込む。ここで、p0およびp1は、1/2の階調でのパターンを意味する。画像データが1画素8ビットの場合、128レベルのドットパターンを意味する。また、p0およびp1は(1,0)の二値であるが,平均輝度を保存するため(1/2,-1/2)とする。したがって、gain=1は±128の値を加算することを意味する。
Watermark information is embedded in real space. When the previous equation is converted to real space (pixel space) (represented in lowercase letters),
w (x, y) = i (x, y) + gain · pi (x, y) (1)
It becomes. For the watermark information, prepare the dither pattern pi (x, y, g) showing the different green noise characteristics explained earlier. For the bit information (0,1) to be embedded
When embedded bit = 0 → p0 (x, y, 1/2)
When embedded bit = 1 → p1 (x, y, 1/2)
Embed as. Here, p0 and p1 mean a pattern with a gradation of 1/2. When the image data is 1 pixel and 8 bits, it means a 128-level dot pattern. Also, p0 and p1 are binary values of (1,0), but they are set to (1/2, -1 / 2) to preserve the average brightness. Therefore, gain = 1 means to add a value of ± 128.

しかし、g=1/2以外のパターンを用いてもかまわない。この場合は平均輝度を合わせるためにプラス側とマイナス側に振り分ける値を不均等にする必要がある。g=1/2にするのが。最も対称性がよく、かつ、簡便である。 However, a pattern other than g = 1/2 may be used. In this case, it is necessary to make the values distributed to the plus side and the minus side uneven in order to match the average brightness. It is better to set g = 1/2. It has the best symmetry and is simple.

次に、二値化での透かし埋め込みについて説明する。画像データへの透かし情報は,多重の編集加工により消失しやすいこと、クロッピングやトリミングなどといった処理により一部分が消失することなどから、完全には保証されない。そこで印刷時の二値化処理に電子透かしを挿入することが有効である。これはまた、プリンタの機材番号を入れると、偽造等の違法コピーの追跡用の電子透かしとして用いることができる。
二値化時の透かし情報の埋め込みは,多値画像と同様、R×Rのブロック単位で,
埋め込みビット=0の時、 ディザマトリックス → p0 (x,y,g)
埋め込みビット=1の時、 ディザマトリックス → p1 (x,y,g)
を用いディザ法による二値化を行う。
Next, watermark embedding in binarization will be described. Watermark information on image data is not completely guaranteed because it is easily lost by multiple editing processes and part of it is lost by processing such as cropping and trimming. Therefore, it is effective to insert a digital watermark in the binarization process at the time of printing. It can also be used as a watermark for tracking illegal copies such as forgery by entering the printer equipment number.
Embedding of watermark information at the time of binarization is done in R × R block units, as in the case of multi-valued images.
When the embedded bit = 0, the dither matrix → p0 (x, y, g)
When the embedded bit = 1, dither matrix → p1 (x, y, g)
Binarization is performed by the dither method using.

多値画像の埋め込みはg=1/2のパターンのみを用いたが、二値化時の埋め込みは、g全域を用いるため、ディザマスクの出来栄えで出力画像の品質が決まる。グリーンノイズ特性を示すクラスター型のハーフトーンスクリーンは、クラスター型のFMスクリーンとしてよく用いられ、分散性ドットで均一性にすぐれている。また、ディザマトリックスの境界が通常目立つが、ランダムなドットであるためこの問題は生じない。 Only the pattern of g = 1/2 was used for embedding the multi-valued image, but since the embedding at the time of binarization uses the entire g, the quality of the output image is determined by the workmanship of the dither mask. A cluster-type halftone screen that exhibits green noise characteristics is often used as a cluster-type FM screen, and has excellent uniformity with dispersed dots. Also, the boundaries of the dither matrix are usually noticeable, but this problem does not occur because of the random dots.

二値化時の埋め込みは,一旦、多値画像データの透かし情報を鍵により除去した後に行われる。ただし、埋め込みが強くない場合は、除去せずにそのまま二値化してもかまわない。グリーンノイズ型の分散性のクラスタードットで出力されるため,記録エンジンの変動を吸収し,高画質に出力できる。
この二値化手法は、プリンタへ組み込むことが望ましい。ときにプリンタ内部の二値化手法(例えば,誤差拡散法など)との干渉が生じるからである。また,カラー画像に対しては、例えば、イエローインク/トナーに対して埋め込みを行うことが望ましい。その時、YMCインクの分光特性に重なりがあるため、色分離性能を良くするには、スキャナーでの読み取りはブルーの狭帯域干渉フィルターを通すことが望ましい。しかし特別な読み取り系となるため、通常、単色で出力する。
二値化時の電子透かしは、二次元バーコードの様にスマートフォンやデジタルカメラで画像を取り込み,ネットとリンクさせるようなアプリケーションが可能である。
Embedding at the time of binarization is performed after the watermark information of the multi-valued image data is once removed by the key. However, if the embedding is not strong, it may be binarized as it is without removing it. Since it is output as green noise type dispersed cluster dots, it can absorb fluctuations in the recording engine and output with high image quality.
It is desirable to incorporate this binarization method into a printer. This is because sometimes there is interference with the binarization method inside the printer (for example, the error diffusion method). For color images, for example, it is desirable to embed in yellow ink / toner. At that time, since the spectral characteristics of the YMC ink overlap, it is desirable that the scanner reads through a blue narrow band interference filter in order to improve the color separation performance. However, since it is a special reading system, it is usually output in a single color.
Digital watermarking at the time of binarization can be applied to applications such as capturing images with a smartphone or digital camera and linking them to the Internet, such as a two-dimensional bar code.

透かし情報の抽出は,読み取った画像の大きさ,傾きを補正後,ブロック単位でスペクトル画像を求める。
式(1)をフーリエ変換して,
F{w(x,y)}=F{i(x,y) + gain・pi (x,y,1/2)}
=F{i(x,y)} + gain・F{pi (x,y,1/2)}
となる。ただし,F{ }はフーリエ変換を表す。通常,F{i(x,y)}は0周波数付近に局在し,F{pi (x,y,1/2)}は図5のようにそれを取り巻くリング状のスペクトルとなる。このため,両者の重なりは少なく、gainを小さくしても両者を分離することは容易である。
To extract the watermark information, the size and inclination of the read image are corrected, and then the spectrum image is obtained in block units.
Fourier transform Eq. (1)
F {w (x, y)} = F {i (x, y) + gain · pi (x, y, 1/2)}
= F {i (x, y)} + gain · F {pi (x, y, 1/2)}
Will be. However, F {} represents the Fourier transform. Normally, F {i (x, y)} is localized near 0 frequency, and F {pi (x, y, 1/2)} is a ring-shaped spectrum surrounding it as shown in Fig. 5. Therefore, the overlap between the two is small, and it is easy to separate the two even if the gain is made small.

画像の補正は,施されたAffine変換の係数をまず求める。今,埋め込み画像w(x,y)がa倍に拡大されたとすると,そのフーリエ変換は,変倍前のフーリエスペクトルをP(fx,fy )とすると,
F{w(x/a,y/a)}=F{i(x/a,y/a)}+gain・F{p(x/a,y/a) }
=F{i(x/a,y/a) }+gain・|a|・P(au,av)
となり,スペクトル空間で1/aに縮小される.また,画像をθ回転させたものは,フーリエスペクトルでもθ回転する。したがって,埋め込まれた画像のスペクトルの分布を計測することにより施されたAffine係数を求めることができる。検出用の窓サイズは小さくてもかまわない。例えば、レジストレーション考慮をせずに40x40の窓サイズで抽出を試みる場合、64x64に余白を設けてFFT(高速フーリエ変換)を施しても、検出は可能である。
To correct the image, first find the coefficient of the applied Affine transformation. Now, if the embedded image w (x, y) is magnified a times, the Fourier transform is that the Fourier spectrum before scaling is P (fx, fy).
F {w (x / a, y / a)} = F {i (x / a, y / a)} + gain ・ F {p (x / a, y / a)}
= F {i (x / a, y / a)} + gain ・ | a | ・ P (au, av)
And is reduced to 1 / a in the spectral space. In addition, the image rotated by θ is also rotated by θ in the Fourier spectrum. Therefore, the Affine coefficient applied by measuring the distribution of the spectrum of the embedded image can be obtained. The size of the detection window may be small. For example, when attempting extraction with a window size of 40x40 without considering registration, detection is possible even if FFT (Fast Fourier Transform) is performed with a margin of 64x64.

透かし情報は埋め込みパターンを知ることにより,除去し原画像を得ることができる。式(1)より,
i(x,y)=w(x,y) - gain・pi (x,y)
となり,埋め込みパターンpi (x,y),およびgainを“鍵”として受け取ることにより原画像に戻すことができる。完全に元の画像に戻すためには,埋め込み画像のオーバーフロー,アンダーフローを避けるため,あらかじめダイナミックレンジを制限しておく必要がある。
後述の様に,同じスペクトル特性を有す多数のパターンが存在するため,同一の鍵により他の画像の埋め込まれた透かしデータを除去することはできない。
The watermark information can be removed to obtain the original image by knowing the embedding pattern. From equation (1)
i (x, y) = w (x, y) --gain · pi (x, y)
By receiving the embedded pattern pi (x, y) and gain as "keys", the original image can be restored. In order to completely restore the original image, it is necessary to limit the dynamic range in advance to avoid overflow and underflow of the embedded image.
As will be described later, since there are many patterns having the same spectral characteristics, it is not possible to remove the embedded watermark data of another image with the same key.

透かし情報の埋め込みは、カラー画像データをY,Cb,Crに変換し,輝度Yに透かし情報を埋め込む。Blue(印刷時はイエロー)に埋め込むのがもっとも理想的である。ただし、精度よく色分離することが必要である.多くの情報を埋め込みたい場合は32画素×32画素をブロックサイズとすると、32バイトの埋め込みが可能である。また、同じ情報を繰り返し埋め込み、抽出時の信頼度を高めることも可能である。このとき、後述のヘッダー情報を文章の先頭ビットに入れる必要がある。 To embed the watermark information, the color image data is converted into Y, Cb, Cr, and the watermark information is embedded in the brightness Y. It is most ideal to embed in Blue (yellow when printing). However, it is necessary to perform color separation with high accuracy. If you want to embed a lot of information, you can embed 32 bytes by setting 32 pixels x 32 pixels as the block size. It is also possible to repeatedly embed the same information to increase the reliability at the time of extraction. At this time, it is necessary to put the header information described later in the first bit of the sentence.

図5(a),(b)に、埋め込みに使用した2種類のディザマスクp0 (x,y)および p1 (x,y)を示す。p0 (x,y)は (a,b)=(-1/16,-5/16) で,楕円率1.3とした。p1 (x,y)はそれを90°回転したものである。ランダムなドットのため両者の境界は目立たない。図6にgain=0.0625, 0.125および0.25で埋め込んだ画像とその一部拡大を示す。gainを上げた場合クラスタードットが目立つようになる。 Figures 5 (a) and 5 (b) show the two types of dither masks p0 (x, y) and p1 (x, y) used for embedding. p0 (x, y) was (a, b) = (-1/16, -5/16), and the ellipticity was 1.3. p1 (x, y) is a 90 ° rotation of it. The boundary between the two is inconspicuous due to the random dots. Figure 6 shows the image embedded with gain = 0.0625, 0.125 and 0.25 and a partial enlargement of the image. If you increase the gain, the cluster dots will stand out.

2種類のディザマスクの一方は、他方のディザマスクの90°回転したものを使えば、”鍵”としては1種類だけを送付すればよい。しかしながら安全性を高めるためには、それぞれ別々に異なる乱数から得た方が好ましい。この場合、両方の鍵がそろって、初めて透かしの除去が可能となるからである。 If one of the two types of dither mask is rotated by 90 ° from the other dither mask, only one type of "key" needs to be sent. However, in order to improve security, it is preferable to obtain them from different random numbers. In this case, the watermark can be removed only when both keys are available.

図7は、512画素×512画素の画像にgain=0.125で,8文字の英数字を埋め込んだ画像データとプリント画像およびそのスペクトル特性を示す。64画素×64画素単位で1ビットの情報を埋め込み,合計8バイトの文字情報("Kawamura”)を埋め込み,スキャナで読み取り抽出したものである。プリンタおよびスキャナーは,市販の家庭用のものでよい。プリントは188ppi(512画素×512画素の画像で69mm×69mm)で出力し,読み取りは600dpiで読み取った。透かしの抽出は64画素×64画素単位でフーリエ変換を施した後,スペクトル分布をパターン認識により透かし情報を抽出した。 FIG. 7 shows image data in which 8-character alphanumeric characters are embedded in an image of 512 pixels × 512 pixels with gain = 0.125, a printed image, and its spectral characteristics. One bit of information is embedded in units of 64 pixels x 64 pixels, and a total of 8 bytes of character information ("Kawamura") is embedded and read and extracted by a scanner. The printer and scanner may be commercially available household items. The print was output at 188 ppi (69 mm x 69 mm for an image of 512 pixels x 512 pixels), and the reading was performed at 600 dpi. Watermark extraction was performed by performing a Fourier transform in units of 64 pixels x 64 pixels, and then watermark information was extracted by pattern recognition of the spectral distribution.

Affine変換検出用として,図5(c)に示す矩形スペクトル分布となるドットプロファイルを導入し,変倍率および回転角の検出を行うことができる。図8は125%に拡大し,8°の回転を行ったものを印刷してスキャナで読んだものである。フーリエ変換後,矩形パターンを計測することにより,Affine係数を得ることが可能である。かかるAffine検出用パターンは埋め込み文字をASCIIコードに限れば,最上位ビット(MSB)に割り当てることができる。これはまた,レジストレーション用パターンおよび文字列の区切り記号としても用いることができる。 For Affine transformation detection, a dot profile having a rectangular spectral distribution shown in FIG. 5 (c) can be introduced to detect the variable magnification and the angle of rotation. FIG. 8 is enlarged to 125%, rotated by 8 °, printed, and read by a scanner. The Affine coefficient can be obtained by measuring the rectangular pattern after the Fourier transform. Such an Affine detection pattern can be assigned to the most significant bit (MSB) if the embedded characters are limited to ASCII code. It can also be used as a registration pattern and string delimiter.

透かし情報の抽出精度を向上させるためには、読み取り画像の補正が必須となる。補正はAffine係数からサイズや傾きを補正すること,およびエッジ強調によるパターンの強調である.しかる後、ブロックごとにフーリエ変換を行う。このままではブロックごとに平均輝度が異なり次のパターン認識が困難になる。そのためパターン認識の前処理として、ヒストグラム・イコライゼーションによりコントラストの改善と規格化を図った。 In order to improve the extraction accuracy of the watermark information, it is essential to correct the scanned image. The correction is to correct the size and slope from the Affine coefficient, and to emphasize the pattern by edge enhancement. After that, Fourier transform is performed for each block. If nothing is done, the average brightness will differ for each block, making it difficult to recognize the next pattern. Therefore, as a pre-processing for pattern recognition, we tried to improve and standardize the contrast by histogram equalization.

引き続き、フーリエ変換後のスペクトル分布からパターン認識により透かし情報の抽出を行う。図15はパターン認識で用いた識別器のマスクパターンを示す。識別器1は、縦長および横長の楕円リング形状のマスクで、透かしの入ったスペクトルにこのマスクを重ね、重なり部分の積分輝度値の差分から、ビットが0か1かを判断する。識別器2は楕円の周辺のみの部分を検出する識別器、識別器3は、画像のスペクトルがx軸、y軸にそってノイズとして広がるので、この部分を除いたものである。それぞれの識別器からの出力で、最も信頼度の高いものを選ぶか、あるいは線形結合して総合判断する方法でもよい。また、これらのパターン以外のパターンも考えられ、機械学習により認識率を高めることも可能である。 Subsequently, the watermark information is extracted by pattern recognition from the spectrum distribution after the Fourier transform. FIG. 15 shows a mask pattern of the classifier used in pattern recognition. The classifier 1 is a vertically long and horizontally long elliptical ring-shaped mask, and this mask is superimposed on the spectrum with a watermark, and it is determined whether the bit is 0 or 1 from the difference of the integrated luminance values of the overlapping portions. The classifier 2 is a classifier that detects only the periphery of the ellipse, and the classifier 3 excludes this part because the spectrum of the image spreads as noise along the x-axis and the y-axis. The most reliable output from each classifier may be selected, or a linear combination may be used to make a comprehensive judgment. In addition, patterns other than these patterns are also conceivable, and it is possible to increase the recognition rate by machine learning.

次に、本手法の精度確認のため、評価を行った。図9に評価に用いた画像を示す.256画素×256画素の10種類の標準画像に16ビットのデータを埋め込み,188ppi(34mm×34mm)で印刷後,スキャナで読み取り抽出を行った。図10に印刷画像からの透かし情報抽出の正答率を示す。gain =0.25,0.125では100%正答を得たが,gain =0.0625では16ビット中,1〜3ビットの誤りが生じた。したがって,gain=0.125 以上で使用すれば,印刷画像からの透かし情報の抽出はほぼ可能であると思われる。 Next, an evaluation was performed to confirm the accuracy of this method. Figure 9 shows the image used for the evaluation. 16-bit data was embedded in 10 types of standard images of 256 pixels x 256 pixels, printed at 188 ppi (34 mm x 34 mm), and then read and extracted with a scanner. Figure 10 shows the correct answer rate for extracting watermark information from printed images. When gain = 0.25 and 0.125, 100% correct answers were obtained, but when gain = 0.0625, errors of 1 to 3 bits out of 16 bits occurred. Therefore, if it is used with gain = 0.125 or higher, it seems that it is almost possible to extract the watermark information from the printed image.

図11は印刷の二値化処理時に埋め込みを行ったものをスキャナで読み取り、精度評価を行ったものである.二値画像でコントラストが高いため,多値画像よりも安定して抽出できる。
さらに,デジタルカメラで表示画面を撮影し、透かしの抽出を行った結果を図12に示す。256画素x256画素の画像を二値化し、2バイトの情報を埋め込み、約2000万画素のデジタルカメラで同図(b)のように撮影し、(c)の様に切り出したもので透かしの抽出を行ったが、高い信頼度で抽出できた。二値化であるのでgainは関係なく、コントラストが高いためである。照明ムラや,像の歪みに影響を受けにくく,抽出はドットが再現できれば可能である。二値化されたハーフトーン画像は、クラスター型のFMスクリーンと同等であるため、画像品質は問題ない。
FIG. 11 shows an accuracy evaluation performed by scanning the embedded material during the binarization process of printing with a scanner. Since the binary image has high contrast, it can be extracted more stably than the multi-valued image.
Further, FIG. 12 shows the result of taking a picture of the display screen with a digital camera and extracting the watermark. An image of 256 pixels x 256 pixels is binarized, 2 bytes of information are embedded, a digital camera of about 20 million pixels is used to take a picture as shown in Fig. (B), and a watermark is extracted by cutting out as shown in (c). However, it was possible to extract with high reliability. This is because the contrast is high regardless of gain because it is binarized. It is not easily affected by lighting unevenness and image distortion, and extraction is possible if the dots can be reproduced. Since the binarized halftone image is equivalent to the cluster type FM screen, the image quality is not a problem.

次に本手法の攻撃耐性について説明する。電子透かしに対する攻撃としては,例えば信号の強調(シャープネス調整),ノイズの付加,フィルタリング(線形,非線形),非可逆圧縮(JPEG,MPEG),変形(回転,拡大縮小)などがある.これらの攻撃は輝度情報への攻撃であり,本手法の様に分散ドットの集合による埋め込みは,解像度方向への攻撃(例えば,強いローパスフィルタなど)がない限りは保持でき,一般に強靭であるといえる.さらに,gainを大きくすることにより,耐性を高めることができる。 Next, the attack resistance of this method will be described. Attacks on digital watermarks include, for example, signal enhancement (sharpness adjustment), noise addition, filtering (linear, non-linear), lossy compression (JPEG, MPEG), and deformation (rotation, scaling). These attacks are attacks on luminance information, and embedding by a set of distributed dots as in this method can be retained unless there is an attack in the resolution direction (for example, a strong low-pass filter), and is generally tough. I can say. Furthermore, resistance can be increased by increasing gain.

また,透かしの埋め込まれていない原画像や,複数の埋め込み画像から,透かしパターンを特定するような,結託攻撃(collusion attack)に対しては,画像ごとに埋め込みパターンを変更することにより回避できる。 In addition, a collusion attack that identifies a watermark pattern from an original image without a watermark or a plurality of embedded images can be avoided by changing the embedding pattern for each image.

図13は,同じスペクトル特性を有す異なるクラスタードットパターンを示す。これらはドットプロファイル作成時の初期値(乱数のSEED値)により異なったクラスタードットが形成され,無数のプロファイルが生成可能である。スペクトルの分布は同じため透かしの抽出ソフトウェアの変更は必要ない。したがって,画像ごとにドットパターンのプロファイルを変えることにより結託攻撃を回避することができる。著作権者は購入者に対してそれぞれ異なる乱数から求めたドットプロファイルを”秘密鍵”として提供する。購入者ごとにこの鍵は異なるため、他の購入者の画像から透かしを除去することはできない。 FIG. 13 shows different cluster dot patterns with the same spectral characteristics. Different cluster dots are formed depending on the initial value (random number SEED value) at the time of dot profile creation, and innumerable profiles can be generated. Since the spectrum distribution is the same, there is no need to change the watermark extraction software. Therefore, collusion attacks can be avoided by changing the profile of the dot pattern for each image. The copyright holder provides the purchaser with a dot profile obtained from different random numbers as a "private key". Since this key is different for each purchaser, it is not possible to remove the watermark from the images of other purchasers.

通常の電子透かしは、原画と照らし合わせることで透かしの埋め込みアルゴリズムが概略推測できる。例えば周波数空間に埋め込んだものは、原画と差分を取った後、あらゆる直交変換を試してみれば大体の推測はできる。時間はかかるがアルゴリズムは解明される。このため、透かしアルゴリズムは非公開が原則である。
一方、本アルゴリズムはアルゴリズムを公開しても、透かしを除去する鍵は原則、1枚の画像に対して1つであるため、仮に鍵情報を解読できても、他の画像にその鍵を使って透かしを除去することはできない。可能な鍵の数は、ブロックサイズR×Rでは、R×Rの中の、R×R/2の組み合わせ(対称性を考えるとその半分)であるため、
鍵の数=(1/2)x(R^2)C(R^2/2)
となる、ここでCは組み合わせを示す。したがって同一の鍵が出現する確率は極めて低い。
For a normal digital watermark, the watermark embedding algorithm can be roughly estimated by comparing it with the original image. For example, what is embedded in the frequency space can be roughly guessed by trying all orthogonal transformations after taking the difference from the original image. It takes time, but the algorithm is elucidated. Therefore, in principle, the watermark algorithm is not disclosed.
On the other hand, even if the algorithm is disclosed, the key to remove the watermark is basically one for one image, so even if the key information can be decrypted, the key is used for other images. The watermark cannot be removed. Since the number of possible keys is a combination of R × R / 2 in R × R (half of that when considering symmetry) in the block size R × R.
Number of keys = (1/2) x (R ^ 2) C (R ^ 2/2)
Here, C indicates a combination. Therefore, the probability that the same key will appear is extremely low.

また、透かしをそのまま除去せずに用いることもできる。埋め込まれた画像を、通常のサイズで明視の距離で観察する場合は,視覚系のMTF特性からパターンは殆ど認識されない。本発明の電子透かし法は、実空間におけるスペクトラム拡散のアナロジーであり、gainを小さくしても印刷耐性が保持できる。実験ではgain=0.125で十分耐性があることが得られた。この値は,画素データが8ビットの場合,±16のデータを埋め込むことに相当する。 It can also be used without removing the watermark as it is. When observing an embedded image at a normal size and a clear vision distance, the pattern is hardly recognized due to the MTF characteristics of the visual system. The digital watermarking method of the present invention is an analogy of spread spectrum in real space, and print resistance can be maintained even if the gain is reduced. In the experiment, gain = 0.125 was found to be sufficiently resistant. This value corresponds to embedding ± 16 data when the pixel data is 8 bits.

図18は、gain=0.25で透かしの埋め込まれた画像を人の視覚系応答特性VTF(Visual Transfer Function)を通してみた画像をシミュレーションしたものである。図17にVTFカーブを示す。明視の距離(L=300mm)で見た状態では、大きなgainで埋め込んだにもかかわらずVTFにより高周波成分が減衰しクラスタードットパターンが目立たなくなっていることが分かる。したがって、gain=0.125ではほとんど目立たないと言える。 FIG. 18 is a simulation of an image in which a watermark is embedded with gain = 0.25 and viewed through a human visual system response characteristic VTF (Visual Transfer Function). FIG. 17 shows the VTF curve. When viewed at a clear vision distance (L = 300 mm), it can be seen that the high-frequency component is attenuated by VTF and the cluster dot pattern becomes inconspicuous even though it is embedded with a large gain. Therefore, it can be said that gain = 0.125 is hardly noticeable.

また,ドットの空間分布から情報を抽出するため,濃度ムラや照明ムラに影響を受けにくい。抽出エラーは原画像自身がクラスタードットの周波数に近い空間周波数を有す時に生じる。この場合、クラスタードットの主周波数を高周波側に持っていくことにより抽出精度は向上するが,プリンタの高周波域での高い応答特性が必要で,また印刷用紙の紙質への制限が厳しくなる。もし埋め込む文字数に余裕があれば、一つの解決策として透かし情報を繰り返し埋め込み,抽出の信頼度が高いビットを選ぶことにより精度向上を図ることができる.埋め込む情報量は減少するが,埋め込みブロックサイズを32画素×32画素にすればよい. In addition, since information is extracted from the spatial distribution of dots, it is not easily affected by uneven density and uneven lighting. Extraction errors occur when the original image itself has a spatial frequency close to the frequency of the cluster dots. In this case, the extraction accuracy is improved by moving the main frequency of the cluster dots to the high frequency side, but high response characteristics in the high frequency range of the printer are required, and restrictions on the quality of the printing paper become strict. If there is a margin in the number of characters to be embedded, one solution is to repeatedly embed the watermark information and select a bit with high extraction reliability to improve the accuracy. Although the amount of information to be embedded is reduced, the embedded block size should be 32 pixels x 32 pixels.

図14は別のディザパターンの例で,丸型および四角型のスペクトル特性を示すクラスタードットパターンをディザ閾値としだものである.クラスタードットのブロック境界は,ランダムなドット配列のため目立たない.また,四角型から容易にAffine係数を計測できる. Figure 14 shows another example of the dither pattern, in which the cluster dot pattern showing the spectral characteristics of the round and square shapes is used as the dither threshold. The block boundaries of cluster dots are inconspicuous due to the random dot arrangement. In addition, the Affine coefficient can be easily measured from the square shape.

画像サイズは2のべき乗である必要はない.ブロックサイズで分割し,満たない部分は一定値で埋めればよい。また、フーリエ変換は画像全体ではなく、ブロック単位でフーリエ変換するため、大容量のメモリは不要で、かつ高速に処理が可能である。 The image size does not have to be a power of 2. Divide by block size and fill the less than a certain value. Further, since the Fourier transform is performed in block units instead of the entire image, a large-capacity memory is not required and high-speed processing is possible.

本手法はクラスタードットをエンハンスするエッジ強調処理が透かしの抽出に有効である.図16は,gain=0.125の透かし画像をスキャナーで読み込んだ後、画像をエッジ強調を施し,検出精度を向上させたものである.処理無の場合は、原画像のスペクトルが楕円リングの外に飛び出していたが、強調処理により0周波数近傍の低周波領域に集まり,グリーンノイズのスペクトル分布のfmin内部に閉じ込められるようになり,検出精度は大幅に向上する。かかるエッジ強調処理は、認識のためのみに行うため、強いエッジ強調が効果が高い。 In this method, edge enhancement processing that enhances cluster dots is effective for watermark extraction. Figure 16 shows that after reading a watermark image with gain = 0.125 with a scanner, the image is edge-enhanced to improve the detection accuracy. In the case of no processing, the spectrum of the original image jumped out of the elliptical ring, but due to the enhancement processing, it gathered in the low frequency region near 0 frequency and became confined inside the fmin of the spectrum distribution of green noise, and was detected. The accuracy is greatly improved. Since such edge enhancement processing is performed only for recognition, strong edge enhancement is highly effective.

以上、本発明の電子透かし法について説明したが、本手法は実空間でグリーンノイズ特性を示すドットパターンを埋め込むため,視覚的な違和感が少なく,強く埋め込むことが可能であり、濃度ムラや画像の歪に影響を受け難く、また,鍵情報により原画像に復元することも可能であるなどの特徴があるため、単に著作権保護のみならず、印刷画像と電子データとのリンクによるさまざまなアプリケーションに有効である。 The digital watermarking method of the present invention has been described above. However, since this method embeds a dot pattern showing green noise characteristics in real space, there is little visual discomfort and it is possible to embed it strongly. Since it is not easily affected by distortion and can be restored to the original image by key information, it is not only for copyright protection but also for various applications by linking printed images and digital data. It is valid.

また、透かしアルゴリズム、および抽出ソフトウェアは公開しても構わない。画像固有の鍵がない限りは解除はできない。 In addition, the watermark algorithm and extraction software may be disclosed. It cannot be unlocked without the image-specific key.

1はスキャナー、2はプリンタ、3はコンピュータシステム、4はROM, 5はRAM,6はプログラムメモリ、7はデータメモリ、8はモニター、9はキーボード、10は通信機能、11はCPU、12はインターネット、 13は画像データの配信、14は購入希望の連絡、15は秘密鍵の送付、
16は著作権者のコンピュータ、17は購入者のコンピュータを表す。
1 is scanner, 2 is printer, 3 is computer system, 4 is ROM, 5 is RAM, 6 is program memory, 7 is data memory, 8 is monitor, 9 is keyboard, 10 is communication function, 11 is CPU, 12 is Internet, 13 is distribution of image data, 14 is contact of purchase request, 15 is sending of private key,
16 represents the computer of the copyright holder, and 17 represents the computer of the purchaser.

Claims (2)

デジタル画像データi(x,y)に著作権情報などを埋め込む電子透かし法において、
透かしの埋め込みは、デジタル画像データをR画素×R画素 のブロックに分割し、それぞれのブロックに対して埋め込む透かし情報のビット情報(0あるいは1)に対応して、フーリエスペクトルが低周波域および高周波域で低減したグリーンノイズ特性を示す複数の異なるドットパターンpi(x,y) (i=0,1,2,…)を用いて、透かし埋め込み画像 w(x,y)=i(x,y)+gain・pi(x,y) を生成し(ただし、gainは埋め込み強度で,gain<<1)、
透かしの抽出は、受信あるいは読み取った画像データをブロックに分割し、それぞれのブロックのフーリエスペクトルの分布を求め、そのスペクトル分布をコントラスト改善した後、分布のパターン認識により埋め込みの情報を抽出
透かしの除去は、透かしの埋め込まれた画像w(x,y)に対して、埋め込み時のドットパターンpi(x,y)、埋め込み時のgain および埋め込み情報のセットを秘密鍵として得ることにより、埋め込み前の画像 i(x,y)=w(x,y)-gain・pi(x,y) を生成可能とするものであって、
前記透かしの埋め込みは、画像毎に異なる初期値(乱数のSeed値)により生成されたドットパターンを用い、
前記透かしの除去は、かかる画像毎に異なるドットパターンを内蔵する秘密鍵を用いて透かしの除去を行い、かつ、この鍵を用いて二次著作権情報などを埋め込むことが可能であり、
前記透かしの抽出は、異なる画像に対して秘密鍵が異なっても共通のソフトウェアを用いることができる、
ことを特徴とする電子透かし方法
In the digital watermarking method that embeds copyright information in digital image data i (x, y)
Watermark embedding divides digital image data into blocks of R pixels x R pixels, and the Fourier spectrum corresponds to the bit information (0 or 1) of the watermark information embedded in each block, and the Fourier spectrum is in the low frequency range and high frequency. Watermark embedded image w (x, y) = i (x, y) using multiple different dot patterns pi (x, y) (i = 0,1,2, ...) showing reduced green noise characteristics in the region ) + Gain · pi (x, y) is generated (however, gain is the embedding strength, gain << 1),
Watermark extraction divides receives or reads image data into blocks, obtains the distribution of the Fourier spectrum of each of the blocks, the spectrum distribution after improved contrast, extracts the embedded information by pattern recognition distribution,
Watermark removal is performed by obtaining a set of dot pattern pi (x, y) at the time of embedding, gain at the time of embedding, and embedding information as a secret key for the image w (x, y) with the embedded watermark. Image i (x, y) = w (x, y) -gain · pi (x, y) before embedding can be generated.
The watermark is embedded using a dot pattern generated by an initial value (random number seed value) that is different for each image.
The watermark can be removed by using a secret key having a different dot pattern for each image, and secondary copyright information or the like can be embedded by using this key.
The watermark extraction can use common software for different images even if the private key is different.
A digital watermarking method characterized by that.
該グリーンノイズ特性を示すドットパターンpi(x,y)として、スペクトル特性が矩形を示すパターンを用いて画像に施されたAffine変換の係数を求め、また、埋め込み情報の先頭(ヘッダー)情報として用いる請求項1に記載の電子透かし方法
As the dot pattern pi (x, y) showing the green noise characteristic, the coefficient of the Affine transformation applied to the image using the pattern showing the rectangular spectral characteristic is obtained, and it is also used as the head (header) information of the embedded information. The digital watermarking method according to claim 1 .
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