KR100753490B1 - Robust image watermarking using scale invariant feature transform - Google Patents

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KR100753490B1 KR1020060001107A KR20060001107A KR100753490B1 KR 100753490 B1 KR100753490 B1 KR 100753490B1 KR 1020060001107 A KR1020060001107 A KR 1020060001107A KR 20060001107 A KR20060001107 A KR 20060001107A KR 100753490 B1 KR100753490 B1 KR 100753490B1
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Abstract

본 발명은 크기불변특징변환을 이용한 디지털 워터마킹 방법에 관한 것으로, 특히 워터마크의 위치를 동기화하기 위해 기하학적 변환에 강인한 크기불변특징변환을 통해 추출한 원형 패치(circular patch)에 대하여 적용한 부가적인 워터마킹 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a digital watermarking method using size invariant feature transformation, and in particular, additional watermarking applied to circular patches extracted through size invariant feature transformation, which is robust to geometric transformation, in order to synchronize watermark positions. It is about a method.

본 발명의 크기불변특징변환을 이용한 디지털 워터마킹 방법은 크게 삽입 단계와 검출 단계로 구성되어진다.The digital watermarking method using the size invariant feature transformation of the present invention is largely composed of an insertion step and a detection step.

워터마크 삽입 단계는, 난수 발생기를 이용하여 가우스 분포를 따르는 2차원 직사각형 워터마크를 생성하고 SHIF를 이용하여 원형 패치를 생성하며 원형 패치의 크기에 따라 직사각형 워터마크를 역폴라 매핑하여 원형 워터마크로 변환하는 단계등을 포함하며, 워터마크 검출 단계는 SHIF를 이용하여 원형 패치를 생성하고 Wiener 필터를 적용하여 노이즈를 계산함으로서 상기 원형 패치에서 삽입된 워터마크를 검출하며 상기 검출된 원형 워터마크를 폴라매핑을 통하여 직사각형 워터마크로 변환하는 단계등을 포함한다.In the watermark embedding step, a 2D rectangular watermark following a Gaussian distribution is generated by using a random number generator, a circular patch is generated by using SHIF, and the inverted polarization of the rectangular watermark according to the size of the circular patch is converted into a circular watermark. The watermark detection step includes generating a circular patch using a SHIF and calculating a noise by applying a Wiener filter to detect a watermark inserted in the circular patch and polarize the detected circular watermark. Converting into a rectangular watermark through the;

디지털 워터마킹, 강인한 워터마킹, 워터마크 동기화, 크기불변특징변환 Digital watermarking, robust watermarking, watermark synchronization, size-invariant feature conversion

Description

크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법{ROBUST IMAGE WATERMARKING USING SCALE INVARIANT FEATURE TRANSFORM}Digital watermarking method using size-invariant feature transformation {ROBUST IMAGE WATERMARKING USING SCALE INVARIANT FEATURE TRANSFORM}

도 1는 본 발명의 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 삽입 방법을 나타낸 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a digital watermarking insertion method using a size invariant feature transform (SIFT) of the present invention.

도 2는 본 발명의 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 검출 방법을 나타낸 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a digital watermarking detection method using a size invariant feature transform (SIFT) of the present invention.

도 3은 DoG 함수에 의한 스케일 공간 및 스케일 공간 상에서 하나의 픽셀에 대한 이웃 픽셀들을 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating neighboring pixels for one pixel in a scale space and a scale space by a DoG function.

도 4는 (a) 원본 이미지, (b) 평균 필터링된 이미지, (c) 메디안 필터링된 이미지, (d) 부가적 균일 잡음 이미지, (e) 10° 회전된 이미지, 및 (f) 1.2× 스케일링된 이미지에서 본 발명의 방법에 의해 생성된 원형 패치이다.4 shows (a) original image, (b) average filtered image, (c) median filtered image, (d) additional uniform noise image, (e) 10 ° rotated image, and (f) 1.2 × scaling In the image obtained is a circular patch produced by the method of the invention.

도 5은 본 발명의 직사각형 워터마크와 원형 워터마크 간의 극좌표 매핑을 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating polar coordinates mapping between a rectangular watermark and a circular watermark of the present invention.

도 6는 본 발명의 워터마크 삽입 프레임워크을 나타낸 도면이다6 is a diagram illustrating a watermark embedding framework of the present invention.

도 7는 본 발명의 워터마크 검출 프레임워크을 나타낸 도면이다.7 illustrates a watermark detection framework of the present invention.

도 8는 본 발명의 유사도 값 및 그의 감마 분포의 히스토그램을 나타낸 도면이다.8 shows a histogram of the similarity value and gamma distribution thereof of the present invention.

도 9는 본 발명의 워터마크 검출기의 에러 확률 및 그의 임계값를 나타낸 표이다.9 is a table showing error probabilities and thresholds of the watermark detector of the present invention.

도 10는 본 발명의 정확하게 재검출된 패치의 비율 및 여러 가지 공격 하에서의 실패 이미지의 수를 나타낸 표이다.10 is a table showing the proportion of correctly redetected patches of the present invention and the number of failed images under various attacks.

도 11는 본 발명의 정확하게 검출된 워터마크 패치의 비율, 실패 이미지의 수, 및 통상의 신호 처리 공격 하에서의 유사도를 나타낸 표이다.11 is a table showing the proportion of correctly detected watermark patches, the number of failed images, and similarity under normal signal processing attacks of the present invention.

도 12는 본 발명의 정확하게 검출된 워터마크 패치의 비율, 실패 이미지의 수, 및 기하학적 변형 공격 하에서의 유사도를 나타낸 표이다.12 is a table showing the proportion of correctly detected watermark patches, the number of failed images, and the similarity under geometric deformation attack of the present invention.

도 13은 본 발명의 호수, 원숭이, 우유 및 다리 이미지에서의 (a) 원본 이미지, (b) 워터마킹된 이미지, 및 (c) 잔류 이미지를 나타낸 도면이다.FIG. 13 shows (a) original image, (b) watermarked image, and (c) residual image in lake, monkey, milk and leg images of the present invention.

본 발명은 크기불변특징변환(SIFT)(Scale Invariant Feature Transform)를 이용한 디지털 워터마킹 방법에 관한 것으로, 특히 워터마크의 위치를 동기화하기 위해 크기변환이나 위치변환에 강인한 크기불변특징변환(SIFT)를 통해 추출한 원형 패치(circular patch)에 대하여 적용한 부가적인 워터마킹 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a digital watermarking method using a scale invariant feature transform (SIFT), and particularly to a size invariant feature transform (SIFT) that is robust to size transformation or position transformation in order to synchronize the position of a watermark. The present invention relates to an additional watermarking method applied to a circular patch extracted through the patch.

컴퓨터 기술의 발전에 따라 각종의 멀티미디어 콘텐츠가 디지털화 되고 있다. 디지털 멀티미디어는 아날로그 미디어에 비해 많은 이점을 갖는다. 즉, 디지털 멀티미디어는 품질의 열화 없이 손쉽게 여러 번 액세스, 복사, 및 배포될 수 있다. 그렇지만, 디지털 멀티미디어의 광범위한 사용은 또한 저작권의 보호에 관한 문제를 야기하였다.With the development of computer technology, various multimedia contents have been digitized. Digital multimedia has many advantages over analog media. In other words, digital multimedia can be easily accessed, copied, and distributed many times without degradation in quality. However, widespread use of digital multimedia has also caused problems with the protection of copyright.

디지털 워터마킹은 저작권 보호를 위한 효율적인 해결책으로서, 이는 저작권 정보, 즉 워터마크를 콘텐츠 자체에 삽입한다. 콘텐츠의 소유권은 삽입된 워터마크를 검색함으로써 입증될 수 있다. 『 F. A. P. Petitcolas, R. J. Anderson, and M. G. Kuhn, "Attacks on copyright marking systems", Proc. Int. Workshop on Information Hiding, 218-238 (1998).』에서 여러 가지 공격들이 워터마킹 방법에 대해 효과적인 것으로 보고되었다. 그 중에서, 기하학적 변형은 막아내기 가장 어려운 공격 중 하나인 것으로 알려져 있다. 기하학적 변형은 워터마크의 위치를 비동기화시키며 따라서 부정확한 워터마크 검출을 야기한다. 이러한 경우, 워터마크 동기화 프로세스를 통해 워터마크 삽입 및 검출 이전에 워터마크 위치를 계산해야만 하며 이는 워터마킹 시스템의 강인성을 위해 아주 중요하다.Digital watermarking is an efficient solution for copyright protection, which inserts copyright information, i.e., a watermark, into the content itself. Ownership of the content can be verified by searching the inserted watermark. F. A. P. Petitcolas, R. J. Anderson, and M. G. Kuhn, "Attacks on copyright marking systems", Proc. Int. In Workshop on Information Hiding, 218-238 (1998)., Several attacks have been reported to be effective against watermarking methods. Among them, geometric deformation is known to be one of the most difficult attacks to prevent. Geometric deformations asynchronous the position of the watermark and thus cause inaccurate watermark detection. In this case, the watermark synchronization process must calculate the watermark position prior to watermark insertion and detection, which is very important for the robustness of the watermarking system.

워터마크 동기화와 관련된 여러 건의 연구가 그 동안 진행되어 왔다. Several studies related to watermark synchronization have been conducted for some time.

그 중에는 주기적 시퀀스를 사용한 방식, 템플릿를 사용한 방식, 불변 변환(invariant transform)를 사용한 방식등이 있다. 미디어 콘텐츠를 사용한 워터마크 동기화에 방식이 있으며 본 발명의 방법은 이 방식에 속한다. 미디어 콘텐츠는 기하학적 변형에 대한 불변의 기준을 나타내며, 따라서 콘텐츠를 참조함으로써 워터마크 동기화의 문제를 해결할 수 있다. 『 M. Kutter, S.K. Bhattacharjee, and T. Ebrahimi, "Toward second generation watermarking schemes", IEEE Int. Conf. on Image Processing 1, 320-323 (1999). 』에서 워터마크의 위치는 이미지 좌표가 아니라 이미지 시맨틱스(image semantics)에 관련되어 있다. 이하에서, 워터마크 삽입 및 검출을 위한 위치를 패치(patch)라고 부른다.Among them are methods using periodic sequences, methods using templates, and methods using invariant transforms. There is a scheme for watermark synchronization using media content and the method of the present invention belongs to this scheme. Media content represents an invariant criterion for geometric deformations, and therefore, the problem of watermark synchronization can be solved by referring to the content. `` M. Kutter, S.K. Bhattacharjee, and T. Ebrahimi, "Toward second generation watermarking schemes", IEEE Int. Conf. on Image Processing 1, 320-323 (1999). The position of the watermark is in relation to image semantics, not image coordinates. In the following, a position for watermark embedding and detection is called a patch.

논문『 P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). 』에서 Bas 등은 콘텐츠 기반 동기화 방법을 제안하였으며, 여기서는 먼저 두드러진 특징점을 추출하고 이어서 Delaunay 분할(Delaunay tessellation)을 통해 이미지를 일련의 삼각형(disjoint triangle)으로 분해한다. 이 일련의 삼각형(패치)은 공간 도메인(spatial domain)에서 워터마크를 삽입 및 검출하는데 사용된다. 이 방법의 단점은 원본 이미지 및 변형된 이미지로부터의 추출된 특징점이 일치하지 않는다는 것이다. 따라서, 워터마크 삽입 및 검출 동안에 생성된 일련의 삼각형이 서로 다르며, 그 결과 패치가 일치하지 않는다.P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). Bas et al. Proposed a content-based synchronization method, which first extracts prominent feature points and then decomposes the image into a series of disjoint triangles through Delaunay tessellation. This series of triangles (patches) is used to insert and detect watermarks in the spatial domain. The disadvantage of this method is that the extracted feature points from the original image and the deformed image do not coincide. Thus, the series of triangles generated during watermark embedding and detection are different from each other, so that the patches do not match.

논문『A. Nikolaidis and I. Pitas, "Region-based image watermarking", IEEE Trans. Image Process. 10 (11), 1726-1740 (2001).』에서 Nikolaidis 및 Pitas는 이미지 분할(image-segmentation) 기반 동기화 방법을 제안하였다. 적응적 k-평균 클러스터링(adaptive k-mean clustering) 기술을 적용함으로써, 이들은 이미지를 분할하고, 몇 개의 가장 큰 영역을 선택하며, 그 영역들을 타원체로서 근사화한다. 타원체를 둘러싸는 최소의 직사각형이 패치로서 사용된다. 이 방법에서의 문제점은 이미지 분할이 이미지 콘텐츠에 의존하며, 따라서 이미지 변형이 분할 결과에 심각하게 영향을 미친다는 것이다.Thesis A. Nikolaidis and I. Pitas, "Region-based image watermarking", IEEE Trans. Image Process. 10 (11), 1726-1740 (2001). Nikolaidis and Pitas proposed an image-segmentation based synchronization method. By applying adaptive k-mean clustering techniques, they segment the image, select some of the largest regions, and approximate them as ellipsoids. The smallest rectangle surrounding the ellipsoid is used as the patch. The problem with this method is that image segmentation depends on the image content, so that image deformation seriously affects the segmentation result.

논문『C-W. Tang and H-M. Hang, "A feature-based robust digital image watermarking scheme", IEEE Trans. Signal Process. 51 (4), 950-959 (2003).』에서 Tang 및 Hang은 밝기값 (intensity) 기반의 특징 추출 및 이미지 정규화를 사용하는 동기화 방법을 소개하였다. 이들은 멕시코 모자 웨이브렛 스케일 상호작용(Mexican hat wavelet scale interaction)에 의해 특징점을 추출하고, 각각의 특징점에 중심을 둔 고정된 반경의 디스크의 내용을 사용하여 정규화를 수행한다. 이들 정규화된 디스크가 패치로서 사용된다. 그렇지만, 정규화는 사용되는 이미지 콘텐츠에 민감하고, 따라서 이들 패치의 강인성은 이미지가 변형될 때 감소된다.Thesis C-W. Tang and H-M. Hang, "A feature-based robust digital image watermarking scheme", IEEE Trans. Signal Process. 51 (4), 950-959 (2003). ”Tang and Hang introduced a synchronization method using feature-based feature extraction and image normalization. They extract feature points by Mexican hat wavelet scale interaction and perform normalization using the contents of a fixed radius disk centered on each feature point. These normalized disks are used as patches. However, normalization is sensitive to the image content used, so the robustness of these patches is reduced when the image is deformed.

콘텐츠 기반 동기화 방법에 있어서 강인한 워터마킹를 달성하기 위해서 특징의 선택은 중요하다. 그러나, 종례의 워터마크 동기화는 기하학적 변형에 강인한 SIFT 특징을 사용하는 워터마킹 방법을 제시하지 못하는 문제점이 있다.In the content-based synchronization method, feature selection is important to achieve robust watermarking. However, conventional watermark synchronization has a problem in that it does not provide a watermarking method using the SIFT feature, which is robust to geometric deformation.

이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 워터마크의 위치를 동기화하기 위해 크기변환이나 위치변환에 강인한 크기불변특징변환(SIFT)를 통해 추출한 원형 패치(circular patch)에 대하여 적용한 부가적인 워터마킹 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problem, the present invention provides an additional water applied to a circular patch extracted through a size invariant feature transform (SIFT) that is robust to size conversion or position conversion in order to synchronize watermark positions. It is an object to provide a marking method.

본 발명의 크기불변특징변환을 이용한 디지털 워터마킹 방법은 크게 삽입 단계와 검출 단계로 구성되어지며, 먼저 워터마크 삽입 단계는, 난수 발생기를 이용하여 가우스 분포를 따르는 2차원 직사각형 워터마크를 생성하는 제 1단계; 크기불 변특징변환(Scale Invariant Feature Transform)을 이용하여 원형 패치를 생성하는 제 2단계; 상기 원형 패치의 크기에 따라 직사각형 워터마크를 역폴라 매핑하여 원형 워터마크로 변환하는 제 3단계; 상기 원형 패치에 대한 인식 마스크를 계산하는 제 4단계; 상기 원형 워터마크와 인식 마스크를 사용하여 공간 영역에서 워터마크를 부가적인 방식으로 삽입하는 제 5단계;를 포함하고, 워터마크 검출 단계는 크기불변특징변환(Scale Invariant Feature Transform)을 이용하여 원형 패치를 생성하는 제 1단계; Wiener 필터를 적용하여 노이즈를 계산함으로서 상기 원형 패치에서 삽입된 워터마크를 검출하는 제 2단계; 상기 검출된 원형 워터마크를 폴라매핑을 통하여 직사각형 워터마크로 변환하는 제 3단계; 및 원형 컨볼루션(Convolution)을 통해 삽입과정에 사용된 참조 워터마크와 상기 검출된 워터마크를 비교하여 유사성을 검증하는 제 4단계;를 포함하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법을 제시한다.The digital watermarking method using the size-invariant feature transformation of the present invention is largely composed of an inserting step and a detecting step. The first step of inserting a watermark includes a method of generating a two-dimensional rectangular watermark following a Gaussian distribution using a random number generator. Stage 1; Generating a circular patch using a scale invariant feature transform; A third step of converting a rectangular watermark into a circular watermark by inverse polar mapping according to the size of the circular patch; A fourth step of calculating a recognition mask for the circular patch; And a fifth step of additionally inserting a watermark in a spatial domain using the circular watermark and the recognition mask, wherein the watermark detection step includes a circular patch using a scale invariant feature transform. Generating a first step; A second step of detecting a watermark inserted in the circular patch by calculating a noise by applying a Wiener filter; A third step of converting the detected circular watermark into a rectangular watermark through polar mapping; And a fourth step of comparing similarity between the reference watermark used in the insertion process and the detected watermark through a circular convolution, and verifying the similarity. To present.

도 1은 본 발명의 크기불변특징변환을 이용한 디지털 워터마크의 삽입 과정을 나타낸 흐름도이다. 먼저, 난수 발생기를 이용하여 가우스 분포를 따르는 2차원 직사각형 워터마크를 생성한다 (S100). 크기불변특징변환(SIFT)을 이용하여 이미지 상에 존재하는 원형 패치들을 생성한다 (S200). 각 원형 패치들에 대해 상기 직사각형 워터마크를 패치의 크기에 역 폴라 매핑을 통하여 원형 워터마크로 변환한다 (S300). 각 원형 패치에 대해 인식 마스크를 계산한다 (S400). 상기 원형 워터마크와 인식 마스크를 사용하여 공간 영역에서 부가적인 방식으로 워터마크를 삽입한다 (S500).1 is a flowchart illustrating a process of embedding a digital watermark using the size invariant feature transformation of the present invention. First, a two-dimensional rectangular watermark along the Gaussian distribution is generated using a random number generator (S100). A circular patch existing on the image is generated using a size invariant feature transform (SIFT) (S200). For each circular patch, the rectangular watermark is converted into a circular watermark through inverse polar mapping to the size of the patch (S300). A recognition mask is calculated for each circular patch (S400). Using the circular watermark and the recognition mask, a watermark is inserted in an additional manner in a spatial area (S500).

도 2는 본 발명의 크기불변특징변환을 이용한 디지털 워터마크의 검출 과정을 나타낸 흐름도이다. 먼저 크기불변특징변환(SIFT)을 이용하여 이미지 상에 존재하는 원형 패치들을 생성한다 (E100). 각원형 패치에 대해 Wiener 필터를 적용하여 이미지에 삽입된 노이즈를 계산함으로써 삽입된 워터마크를 검출한다 (E200). 검출된 원형 워터마크를 폴라매핑을 통해 직사각형 워터마크로 변환한다 (E300). 원형 컨볼루션(Convolution)을 통해 워터마크 삽입과정에 사용된 참조 워터마크와 검출된 워터마크의 비교하여 유사성을 검증하여 소유권을 판단한다 (E400).2 is a flowchart illustrating a process of detecting a digital watermark using the size invariant feature transformation of the present invention. First, circular patches existing on an image are generated using a size invariant feature transform (SIFT) (E100). The inserted watermark is detected by applying a Wiener filter to the angular patch to calculate the noise embedded in the image (E200). The detected circular watermark is converted into a rectangular watermark through polar mapping (E300). Through the circular convolution, the ownership is determined by comparing the reference watermark used in the watermark embedding process with the detected watermark to verify similarity (E400).

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.

1. 국소 불변 특징(Local Invariant Feature)1.Local Invariant Feature

물체 인식 및 이미지 검색 응용에서의 어파인 (Affine) 국소 불변 특징에 대해 최근 연구되어 왔다. 이들 국소 불변 특징은 아주 뚜렷이 구별되고 또 큰 이미지 변형에 대해 높은 확률로 재검출된다. 콘텐츠 기반 워터마크 동기화에서, 패치의 강인한 추출은 워터마킹 시스템의 강인성과 연관되어 있으며 국소 이미지 특성의 고려는 패치의 신뢰성있는 추출에 도움이 된다. 본 발명은 SIFT에 기반한 새로운 동기화 방법을 제안한다.Affine local invariant features in object recognition and image retrieval applications have recently been studied. These local invariant features are very distinct and are redetected with high probability for large image deformations. In content-based watermark synchronization, robust extraction of patches is associated with the robustness of the watermarking system, and consideration of local image characteristics helps in reliable extraction of patches. The present invention proposes a new synchronization method based on SIFT.

(1) SIFT(1) SIFT

『D.G. Lowe, "Distinctive image features from scale-invariant keypoints", Int. J. Comput. Vision 60 (2), 91-110 (2004).』에서 Lowe는 SIFT를 제안하였으며, 이미지 회전, 스케일링, 이동, 부분 조명 변화 및 투영 변환 (projective transform)에 불변인 특성을 갖고 있다. 국소 이미지 특성을 고려하여, SIFT는 특징의 위치 (t1, t2), 스케일 s 및 방향 θ 등 그의 속성을 추출한다.DG Lowe, "Distinctive image features from scale-invariant keypoints", Int. J. Comput. In Vision 60 (2), 91-110 (2004)., Lowe proposed SIFT, which is invariant to image rotation, scaling, shifting, partial illumination variation, and projective transform. In view of the local image characteristics, the SIFT extracts its properties such as the position of the feature (t 1 , t 2 ), the scale s and the direction θ.

SIFT 는 스케일 공간(scale-space)에서 안정점(stable point)을 식별하는 일련의 단계적 필터링 과정을 통해서 특징을 추출한다. 즉, (1) DoG(difference-of-Gaussian) 함수로부터 생성한 스케일 공간에서 국부 최대 혹은 최소점을 탐색함으로써 특징의 후보를 선택하고, (2) 그의 안정도(stability)의 치수를 사용하여 각 특징을 국소화하며, (3) 인접 픽셀들의 방향성 정보에 기반하여 해당 특징의 방향을 할당한다.SIFT extracts features through a series of stepwise filtering processes that identify stable points in the scale-space. That is, (1) the candidate of the feature is selected by searching for the local maximum or minimum point in the scale space generated from the difference-of-Gaussian (DoG) function, and (2) the feature of each feature using its stability dimension. And localize (3) assign the direction of the feature based on the directional information of the adjacent pixels.

특징의 후보 위치를 추출하기 위해, DoG 함수를 사용하여 스케일 공간 D(x,y,σ)이 계산된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 가변 스케일 (σ1, σ2 및 σ3) 가우시안 함수로 원본 이미지를 연속적으로 평활화하고 2개의 연속적인 평활화된 이미지를 차감함으로써 스케일-공간 이미지를 계산한다. 파라미터 σ는 가우시안 함수의 분산(스케일이라고 함)이다. 스케일-공간 이미지의 스케일은 가우시안 평활화된 이미지의 인접 스케일 (σ1, σ2 또는 σ3)에 의해 결정된다. 이들 스케일-공간 이미지에서, 동일한 스케일에서 8개의 가장 가까운 이웃점들 및 그 하위 및 그 상위의 스케일에서의 9개의 이웃점들을 검사하여 모든 국소 최대 및 최소를 검색한다. 이들 극한값(extrema)은 이미지의 스케일 및 방향 변화에 불변인, SIFT 특징의 위치 (t1, t2) 및 스케일 s 특징을 결정한다. 본 발명에서는, 스케일-공간 이미지를 생성하기 위해, 1.0부터 32.0까지 가우시안 함수의 스케일을 적용하고 상 수 인자

Figure 112006000613077-pat00001
를 곱하여 스케일을 증가시킨다.To extract candidate positions of features, the scale space D (x, y, σ) is calculated using the DoG function. As shown in Fig. 3, the scale-space image is calculated by continuously smoothing the original image with the variable scale (σ1, σ2 and σ3) Gaussian functions and subtracting the two successive smoothed images. The parameter σ is the variance (called scale) of the Gaussian function. The scale of the scale-space image is determined by the adjacent scale (σ1, σ2 or σ3) of the Gaussian smoothed image. In these scale-space images, the eight nearest neighbors on the same scale and the nine neighbors on the lower and upper scales are examined to retrieve all local maximums and minimums. These extremes determine the position (t 1 , t 2 ) and scale s features of the SIFT feature, which are invariant to changes in the scale and orientation of the image. In the present invention, to generate a scale-space image, the scale of the Gaussian function is applied from 1.0 to 32.0 and a constant factor
Figure 112006000613077-pat00001
Multiply by to increase the scale.

후보 위치가 발견된 후에, 각각의 특징의 위치 (t1, t2) 및 스케일 s를 3-D 이차 함수 (quadratic function) 로 상세한 모델링 수행한 후에 정확한 값을 계산한다. 또한 낮은 콘트라스트를 갖거나 에지를 따라 열악하게 국소화된 후보 위치는 수학식 1과 같이 2×2 헤시안 행렬(Hessian matrix) H를 사용하여 각 특징의 안정도(Stability)를 측정한 후에 제거된다.After the candidate positions are found, the precise values are calculated after detailed modeling of the positions (t 1 , t 2 ) and scale s of each feature with 3-D quadratic functions. In addition, candidate positions having low contrast or poorly localized along the edges are removed after measuring the stability of each feature using a 2 × 2 Hessian matrix H as shown in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112006000613077-pat00002
Figure 112006000613077-pat00002

여기서, e 값은 가장 큰 고유값과 가장 작은 고유값 간의 비이고 안정도를 제어하는 데 사용되며 e 값으로 10을 사용한다.

Figure 112006000613077-pat00003
,
Figure 112006000613077-pat00004
, 및
Figure 112006000613077-pat00005
는 스케일-공간 이미지의 도함수이다.Here, the value e is the ratio between the largest and smallest eigenvalues and is used to control the stability and uses 10 as the value of e.
Figure 112006000613077-pat00003
,
Figure 112006000613077-pat00004
, And
Figure 112006000613077-pat00005
Is the derivative of the scale-space image.

이미지 회전에 대한 불변성을 달성하기 위해, 각 특징에 일관된 방향을 할당한다. 추출된 SIFT 특징의 스케일을 갖는 가우시안 평활화된 이미지에서, 특징 위치의 원형 윈도우 내의 모든 샘플점의 방향성 정보를 계산하고 이를 사용하여 방향 히스토그램을 형성한다. 이 히스토그램에서의 최대점이 그 특징의 우세 방향(dominant direction)에 대응한다.To achieve invariance to image rotation, assign a consistent direction to each feature. In a Gaussian smoothed image with the scale of the extracted SIFT feature, the directional information of all sample points in the circular window of the feature location is calculated and used to form a directional histogram. The maximum point in this histogram corresponds to the dominant direction of the feature.

(2) 워터마킹을 위한 변형(2) variants for watermarking

여기서는, SIFT를 사용하여 워터마크 삽입 및 검출을 위해 원형 패치를 어떻 게 생성하는지를 기술한다. SIFT로부터의 국소 특징은 워터마킹에 직접 적용할 수 없는데, 그 이유는 특징의 수 및 분포가 이미지 콘텐츠 및 텍스처에 의존하기 때문이다. 게다가, SIFT 는 원래 이미지-매칭 응용을 위해 고안된 것이며, 따라서 이는 전체 이미지에 걸쳐 조밀한 분포를 갖는 많은 특징을 추출한다. 따라서, 우리는 특징의 수, 분포 및 스케일을 조정하고 워터마크 공격에 취약한 특징들을 제거한다.Here, we describe how to create a circular patch for watermark embedding and detection using SIFT. Local features from SIFT cannot be applied directly to watermarking because the number and distribution of features depends on the image content and texture. In addition, SIFT was originally designed for image-matching applications, thus extracting many features with dense distribution over the entire image. Thus, we adjust the number, distribution, and scale of features and remove features that are vulnerable to watermark attacks.

SIFT는 위치 (t1, t2), 스케일 s 및 방향 θ 등의 속성을 갖는 특징을 추출한다. 실제로, 원본 이미지 및 변형된 이미지에서 추출한 SIFT의 방향 속성은 정확하게 일치하지 않는다. 따라서, 수학식 2와 같이 추출된 SIFT특징의 위치 (t1, t2), 및 스케일 s 만을 사용하여 원형 패치를 만든다.SIFT extracts features with attributes such as position (t 1 , t 2 ), scale s and direction θ. In fact, the orientation properties of the SIFT extracted from the original image and the deformed image do not exactly match. Therefore, a circular patch is made using only the position (t 1 , t 2 ) of the extracted SIFT feature and scale s as shown in Equation 2.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112006000613077-pat00006
Figure 112006000613077-pat00006

여기서, k는 원형 패치의 반경을 제어하는 확대 계수(magnification factor)이다. 이 계수를 결정하는 방법은 네 번째 단락에서 설명된다. 이들 패치는 이미지 스케일링 및 이동은 물론 신호 처리 공격에 불변이다. 특징 추출 전에 가우시안 필터 등의 프리필터를 적용함으로써, 노이즈의 간섭을 감소시키고 또 추출된 원형 패치의 강인성을 향상시킬 수 있다.Where k is a magnification factor that controls the radius of the circular patch. The method of determining this coefficient is described in the fourth paragraph. These patches are immutable to signal scaling attacks as well as image scaling and movement. By applying a prefilter such as a Gaussian filter before feature extraction, the interference of noise can be reduced and the robustness of the extracted circular patch can be improved.

SIFT로부터 도출된 특징의 스케일은 스케일 공간에서의 가우시안 함수의 스케일링 인자에 관련되어 있다. 작은 스케일을 갖는 특징은 재검출될 확률이 낮은 데, 그 이유는 이미지 콘텐츠가 수정될 때 그 특징들이 쉽게 사라지기 때문이다. 큰 스케일을 갖는 특징도 역시 변형된 이미지에서 재검출될 확률이 낮은데, 그 이유는 그들의 위치가 다른 위치로 쉽게 움직이기 때문이다. 게다가, 큰 스케일의 특징을 사용한다는 것은 패치가 서로 중첩한다는 것을 의미하고, 이 결과 워터마킹된 이미지의 지각적 화질(perceptual quality)의 열화를 가져온다. 따라서, 본 발명에서는 a 이상 또는 b 이하의 스케일을 갖는 특징을 제거하고 a 및 b를 각각 2.0 및 10.0으로 설정하였다.The scale of the feature derived from the SIFT is related to the scaling factor of the Gaussian function in scale space. Features with a small scale are less likely to be redetected because they are easily lost when the image content is modified. Features with large scales are also less likely to be redetected in the deformed image because their positions easily move to other positions. In addition, the use of large scale features means that the patches overlap each other, resulting in degradation of the perceptual quality of the watermarked image. Thus, in the present invention, features having a scale above a or below b are removed and a and b are set to 2.0 and 10.0, respectively.

SIFT를 통해 추출된 SIFT특징은 이미지 콘텐츠에 따라 스케일 s에 있어서 다른 값을 갖는다. 워터마크 삽입 및 검출에서는 직사각형 워터마크를 원형 패치의 형상과 일치하게 변환하기 위해 또는 그 역으로 변환하기 위해 반드시 보간(Interpolation)을 해야만 한다. 보간을 통한 워터마크의 변형을 최소화하기 위해, 패치의 크기(즉, 반경)는 워터마크의 크기와 유사하거나 그보다 커야만 한다. 추출된 SIFT 특징의 스케일 s는 2.0에서 10.0까지 변한다. 따라서, 특징의 스케일을 2개의 범위로 나누어 서로 다른 확대 계수 k1 및 k2를 적용하며, 이 계수는 워터마킹된 이미지의 크기가 과도하게 변하지 않는다는 가정 하에 경험적으로 결정된다.SIFT features extracted through SIFT have different values in scale s depending on the image content. Watermark embedding and detection must interpolate to convert the rectangular watermark to match the shape of the circular patch or vice versa. In order to minimize deformation of the watermark through interpolation, the size of the patch (ie, the radius) must be similar to or larger than the size of the watermark. The scale s of the extracted SIFT feature varies from 2.0 to 10.0. Thus, the scale of the feature is divided into two ranges to apply different magnification coefficients k1 and k2, which are determined empirically on the assumption that the size of the watermarked image does not change excessively.

국소 특징의 분포는 워터마킹 시스템의 성능과 관련이 있다. 환언하면, 인접 특징들 간의 거리는 주의하여 결정되어야만 한다. 거리가 작으면, 패치는 인접 패치와 중첩되는 면적이 크고, 거리가 크면, 워터마크의 효과적인 삽입을 위한 패치의 수가 충분하지 않게 된다. 추출된 특징의 분포를 제어하기 위해, 『 P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). 』에서 Bas 등에 의해 사용된 것과 유사한 원형 이웃 제약(circular neighborhood constraint)을 적용하였고, 이를 통해 가장 큰 세기를 갖는 특징이 원형 패치를 생성하는데 사용된다. DoG 함수로부터의 값이 각 특징의 세기를 측정하는 데 사용된다. 인접한 특징들 간의 거리는 이미지의 치수에 의존하며 수학식 3과 같이 r 값에 의해 양자화된다.The distribution of local features is related to the performance of the watermarking system. In other words, the distance between adjacent features must be carefully determined. If the distance is small, the patch has a large area overlapping with the adjacent patch, and if the distance is large, the number of patches for effective insertion of the watermark is insufficient. To control the distribution of the extracted features, see P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). We applied a circular neighborhood constraint similar to that used by Bas et al., Whereby the feature with the largest intensity is used to create a circular patch. The value from the DoG function is used to measure the strength of each feature. The distance between adjacent features depends on the dimensions of the image and is quantized by the r value as shown in equation (3).

[수학식 3] [Equation 3]

Figure 112006000613077-pat00007
Figure 112006000613077-pat00007

여기서, 이미지의 폭 및 높이는 각각 w 및 h로 표시된다. r 값은 인접한 특징들 간의 거리를 제어하는 상수이며 삽입 및 검출 프로세스에서 각각 16 및 32로 설정된다.Here, the width and height of the image are represented by w and h, respectively. The r value is a constant that controls the distance between adjacent features and is set to 16 and 32 respectively in the insertion and detection process.

도 4는 이미지의 신호 처리 필터, 부가적 균일 잡음(additive uniform noise), 회전 및 스케일링에서의 본 발명에서 제안된 동기화 방법으로부터의 원형 패치를 나타낸 것이다. 식별의 편의상, 하나의 패치만을 나타내었으며 패치는 이미지가 변형될 때에도 강인하게 생성되는 것을 확인할 수 있다.4 shows a circular patch from the synchronization method proposed in the present invention in the signal processing filter, additive uniform noise, rotation and scaling of the image. For convenience of identification, only one patch is shown and it can be seen that the patch is robustly generated even when the image is deformed.

2. 워터마킹 방식2. Watermarking method

본 발명에서는 상기와 같이 크기불변특징변환(SIFT)를 이용하여 원형 패치를 추출한다. 2-D 워터마크가 생성되고 각 패치에 적합하도록 원형 형태로 변환된다. 원형 워터마크가 패치에 부가적으로 삽입 및 검출된다. 먼저 워터마크 생성 절차에 대해 기술하고 이어서 워터마크 삽입 및 검출에 대해 설명한다.In the present invention, a circular patch is extracted using a size invariant feature transform (SIFT) as described above. A 2-D watermark is generated and converted into a circular shape to fit each patch. A circular watermark is inserted and detected in addition to the patch. First, a watermark generation procedure will be described, followed by watermark embedding and detection.

(1) 워터마크 생성(1) watermark creation

난수 발생기를 사용하여 가우시안 분포를 따르는 2-D 직사각형 워터마크를 생성한다. 원형 패치에 삽입시키기 위해, 이 워터마크는 그의 형상이 원형이 되도록 변환되어야만 한다. 직사각형 워터마크를 극좌표 매핑된(polar-mapped) 워터마크인 것으로 간주하며, 원형 패치의 삽입 위치를 할당하기 위해 그를 역 극좌표 매핑(inversely polar-map)한다. 이와 같이, 회전 공격은 직사각형 워터마크에 있어서 이동으로서 매핑되고, 워터마크는 여전히 상관 검출기를 사용하여 검출될 수 있다. 유의할 점은 원형 패치의 크기가 서로 다르며, 따라서 각각의 패치에 대해 별도의 원형 워터마크를 생성해야만 한다.A random number generator is used to generate a 2-D rectangular watermark that follows a Gaussian distribution. To be inserted into a circular patch, this watermark must be converted so that its shape is circular. Consider a rectangular watermark as a polar-mapped watermark and inversely polar-map it to assign the insertion location of the circular patch. As such, the rotational attack is mapped as a movement in a rectangular watermark, which can still be detected using a correlation detector. Note that the size of the circular patches is different and therefore a separate circular watermark must be created for each patch.

직사각형 워터마크의 x 및 y 크기를 각각 M 및 N으로 표시한다. 원의 반경 r은 원형 패치의 반경(크기)와 같다. 도 5에 도시한 바와 같이, 원, 즉 원형 패치를 동심 영역(homocentric region)으로 분할한다. 직사각형 워터마크의 x축 및 y축은 원의 반경 및 각도 방향으로 역 극좌표 매핑된다. 직사각형 워터마크와 원형 워터마크의 좌표 간의 관계는 수학식 4와 같이 표현된다.The x and y sizes of the rectangular watermark are denoted by M and N, respectively. The radius r of the circle is equal to the radius (size) of the circular patch. As shown in FIG. 5, the circle, ie, circular patch, is divided into homocentric regions. The x and y axes of the rectangular watermark are inverted polar coordinates in the radial and angular directions of the circle. The relation between the coordinates of the rectangular watermark and the circular watermark is expressed as in Equation 4.

[수학식 4] [Equation 4]

Figure 112006000613077-pat00008
Figure 112006000613077-pat00008

여기서, x 및 y는 직사각형 워터마크 좌표이고 ri 및 θ 는 원형 워터마크의 좌표이다. rM은 원의 반경 r이고, ro은 rM으로부터 상대적으로 결정되는 원의 반경이다. 본 발명에서는 ro

Figure 112006000613077-pat00009
으로 설정하였다. 효과적인 변환을 위해, ro
Figure 112006000613077-pat00010
보다 커야 하고 rM와 ro간의 차가 N보다 커야 한다. 이들 제약이 만족되지 않는 경우, 직사각형 워터마크는 샘플링되어야만 하고, 그로 인해 효율적으로 변환하기가 어렵다.Where x and y are rectangular watermark coordinates and r i and θ are the coordinates of the circular watermark. r M is the radius of the circle r and r o is the radius of the circle determined relatively from r M. In the present invention, r o
Figure 112006000613077-pat00009
Set to. For effective conversion, r o is
Figure 112006000613077-pat00010
It must be greater than and the difference between r M and r o must be greater than N. If these constraints are not satisfied, the rectangular watermark must be sampled, thereby making it difficult to convert efficiently.

삽입된 워터마크의 강인성 및 비가시성을 향상시키기 위해, 매핑될 직사각형 워터마크를 원의 상반부로만 변환한다, 즉 직사각형 워터마크의 y축이 완전한 원 2π의 각도가 아니라 반원의 각도 π만큼 스케일링된다. 원의 하반부는 원의 상반부를 사용하여 대칭적으로 설정된다(도 5 참조). 유사한 세기의 잡음이 인접 영역에 모이는 경우 해당 잡음을 인식할 수 있다. 본 발명에서는, 직사각형 워터마크 내의 픽셀은 극좌표 매핑 동안에 원형 워터마크 내의 인접한 몇 개의 픽셀로 매핑된다. 환언하면, 동일한 잡음(일종의 잡음을 구성하는 워터마크)이 원형 워터마크의 동심 영역에 삽입된다. 따라서, 동심 영역의 크기가 크면, 삽입된 워터마크는 엠보싱 효과(embossing effect)처럼 나타난다. 대칭적 매핑을 통해, 동심 영역의 크기를 작게 만들 수 있으며, 따라서 워터마크를 비가시적으로 삽입할 수 있다. 게다가, 워터마크가 크로핑(cropping) 등의 공격을 견뎌낼 가능성을 향상시킬 수 있다.To improve the robustness and invisibility of the embedded watermark, the rectangular watermark to be mapped is converted only to the upper half of the circle, i.e., the y axis of the rectangular watermark is scaled by the angle π of the semicircle, not the angle of the complete circle 2π. The lower half of the circle is set symmetrically using the upper half of the circle (see FIG. 5). If noise of similar intensity gathers in adjacent areas, the noise can be recognized. In the present invention, pixels in a rectangular watermark are mapped to several adjacent pixels in the circular watermark during polar mapping. In other words, the same noise (watermark constituting some kind of noise) is inserted in the concentric region of the circular watermark. Therefore, when the size of the concentric region is large, the inserted watermark appears as an embossing effect. By symmetrical mapping, the size of the concentric region can be made small, and thus a watermark can be inserted invisibly. In addition, it is possible to improve the likelihood that the watermark will withstand attacks such as cropping.

(2) 워터마크 삽입(2) Insert watermark

워터마크 삽입의 제1 단계는 패치를 추출하기 위해 이미지 콘텐츠를 분석하는 것이다. 이어서, 워터마크는 모든 패치들에 반복하여 삽입된다. 워터마크 삽입 프로세스는 도 6에 도시되어 있다.The first step of watermark embedding is to analyze the image content to extract the patch. The watermark is then repeatedly inserted in all the patches. The watermark embedding process is shown in FIG.

(단계 a) SIFT를 이용하여 원형 패치를 추출한다. 단일 이미지는 다수의 패치를 포함할 수 있다. 강인성을 향상시키기 위해 워터마크를 모든 패치에 삽입한다.(Step a) Extract the circular patch using SIFT. A single image can contain multiple patches. Insert watermarks into all patches to improve robustness.

(단계 b.1) 각 패치의 반경(크기)에 따라 원형 워터마크를 생성한다. 원형 패치를 추출하는 동안 패치의 반경 r 이 직사각형 워터마크의 x 및 y 크기와 유사하거나 그보다 크도록 패치를 구성하려고 노력하였기 때문에, 직사각형 워터마크 (w) 내의 픽셀은 원형 워터마크 (wc) 내의 몇 개의 픽셀로 매핑된다. 이것은 워터마크 검출 과정에서 원형 패치의 위치 및 크기에 대한 에러를 보상할 수 있다.(Step b.1) A circular watermark is generated according to the radius (size) of each patch. While extracting the circular patch, we tried to configure the patch so that the radius r of the patch is similar to or larger than the x and y size of the rectangular watermark, so that the pixels in the rectangular watermark (w) may be a few pixels in the circular watermark (wc). Mapped to pixels This may compensate for errors in the position and size of the circular patch in the watermark detection process.

(단계 b.2) 워터마크의 삽입은 이미지의 품질에 영향을 주어서는 안된다. 이 제약은 워터마크의 삽입 강도(insertion strength)와 관계가 있다. 다음의 수학식 5의 인식 마스크(perceptual mask)

Figure 112006000613077-pat00011
를 적용한다.(Step b.2) The embedding of the watermark should not affect the quality of the image. This constraint is related to the insertion strength of the watermark. Perceptual mask of the following equation (5)
Figure 112006000613077-pat00011
Apply.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112006000613077-pat00012
Figure 112006000613077-pat00012

여기서, α는 편평하고 평탄한 영역에서의 가시성의 하한이고, β는 에지가 있는 텍스처 영역에서의 상한이다. 잡음 가시성 함수NVF(i,j)는 수학식 6에 의해 계산된다. Where α is the lower limit of visibility in flat and flat areas and β is the upper limit in textured areas with edges. The noise visibility function NVF (i, j) is calculated by equation (6).

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112006000613077-pat00013
Figure 112006000613077-pat00013

여기서,

Figure 112006000613077-pat00014
Figure 112006000613077-pat00015
는 각각 5개의 픽셀 내의 이웃 픽셀의 국소 분산 및 최대값을 나타낸다. D는 크기를 나타내는 상수값이다.here,
Figure 112006000613077-pat00014
And
Figure 112006000613077-pat00015
Represents the local variance and the maximum of neighboring pixels in each of the five pixels. D is a constant value representing magnitude.

(단계 b.3) 상기 원형 워터마크를 공간 도메인에 부가적으로 삽입한다. 워터마크의 삽입은 수학식 7과 같이 이미지의 픽셀과 원형 워터마크의 픽셀 간의 공간 가산으로서 표현된다.(Step b.3) The circular watermark is additionally inserted into the spatial domain. The insertion of the watermark is expressed as a spatial addition between the pixels of the image and the pixels of the circular watermark as shown in equation (7).

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112006000613077-pat00016
Figure 112006000613077-pat00016

여기서,

Figure 112006000613077-pat00017
Figure 112006000613077-pat00018
는 각각 이미지 및 원형 워터마크의 픽셀을 표시한다.
Figure 112006000613077-pat00019
는 워터마크의 삽입 강도를 제어하는 인식 마스크를 나타낸다.here,
Figure 112006000613077-pat00017
And
Figure 112006000613077-pat00018
Displays pixels of an image and a circular watermark, respectively.
Figure 112006000613077-pat00019
Denotes a recognition mask that controls the embedding strength of the watermark.

(3) 워터마크 검출(3) watermark detection

워터마크 삽입과 유사하게, 워터마크 검출의 제1 단계는 패치를 추출하기 위해 이미지 콘텐츠를 분석하는 것이다. 이어서, 워터마크는 패치로부터 검출된다. 워터마크가 적어도 하나의 패치로부터 정확하게 검출되면, 소유권을 성공적으로 증 명할 수 있다. 워터마크 검출 프로세스는 도 7에 도시되어 있다.Similar to watermark embedding, the first step of watermark detection is to analyze the image content to extract the patch. The watermark is then detected from the patch. If the watermark is correctly detected from at least one patch, then ownership can be proved successfully. The watermark detection process is shown in FIG.

(단계 a) 원형 패치를 추출하기 위해, 상기 SIFT를 사용한다. 이미지 내에 몇 개의 패치가 있으며, 모든 패치로부터 워터마크를 검출하려고 시도한다.(Step a) To extract the circular patch, use the SIFT. There are several patches in the image, and I try to detect the watermark from all the patches.

(단계 b.1) 공간 도메인에서의 부가적 워터마크 방법은 워터마크를 이미지 콘텐츠에 잡음으로서 삽입한다. 따라서, 이 잡음을 추출하기 위해 Wiener 필터를 적용하였다. 필터에는 Wiener 필터, Inverse 필터, 가우시안 필터등 여러가지가 있으나 여기서는 Wiener 필터를 적용하였다. 즉 워터마킹된 이미지와 그의 Wiener-필터링된 이미지 간의 차를 계산하고 이를 검색된 워터마크로서 간주하였다. 워터마크 삽입 프로세스에서와 같이, 인식 마스크에 의해 수정을 보상하지만, 이러한 보상은 워터마크 검출의 성능에 크게 영향을 주지 않는다.(Step b.1) The additional watermark method in the spatial domain embeds the watermark as noise in the image content. Therefore, Wiener filter is applied to extract this noise. There are various kinds of filters such as Wiener filter, Inverse filter, Gaussian filter, but here Wiener filter is applied. That is, the difference between the watermarked image and its Wiener-filtered image was calculated and considered as a retrieved watermark. As in the watermark embedding process, correction is compensated by the recognition mask, but this compensation does not significantly affect the performance of watermark detection.

(단계 b.2) 워터마크 삽입 동안에 생성된 참조 워터마크와 검색된 워터마크 간의 유사도를 측정하기 위해, 검색된 원형 워터마크는 상기 극좌표 매핑을 적용함으로써 직사각형 워터마크로 변환되어야만 한다. 워터마크가 대칭적으로 삽입된다는 사실을 고려하여, 2개의 영역으로부터의 평균값을 취한다. 이 매핑에 의해, 원형 패치의 회전은 이동으로서 표현되고, 따라서 본 발명의 워터마킹 방식에 대한 회전 불변성을 달성할 수 있다.(Step b.2) In order to measure the similarity between the reference watermark generated during watermark insertion and the retrieved watermark, the retrieved circular watermark must be converted to a rectangular watermark by applying the polar mapping. Taking into account the fact that the watermark is symmetrically inserted, the average value from the two areas is taken. By this mapping, the rotation of the circular patch is represented as a movement, thus achieving rotational invariance for the watermarking scheme of the present invention.

(단계 b.3) 참조 워터마크 및 검색된 워터마크에 순환 콘볼루션(circular convolution)을 적용한다. 워터마크 검출기의 응답이라고 하는, 이 둘 간의 유사 정도는 수학식 8과 같이 순환 콘볼루션의 최대값으로 표현된다.(Step b.3) Apply circular convolution to the reference watermark and the retrieved watermark. The similarity between the two, called the response of the watermark detector, is expressed by the maximum value of the cyclic convolution as shown in Equation (8).

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112006000613077-pat00020
Figure 112006000613077-pat00020

여기서, w는 참조 워터마크이고, w*는 검색된 워터마크이다. 유사도 값의 범위는 -1.0에서 1.0까지이다. 워터마크의 X와 Y 크기를 각각 M, N이라고 하면 m, n은 워터마크 상의 좌표로 0≤m<M, 0≤n<N을 만족한다. 최대값을 갖는 r을 찾아냄으로써 패치의 회전각 (π / r)을 확인할 수 있다. 유사도가 소정의 임계값을 초과하는 경우, 참조 워터마크가 삽입된 것으로 생각할 수 있다. 임계값을 결정하는 방법은 이하의 섹션에서 기술된다.Where w is the reference watermark and w * is the retrieved watermark. Similarity values range from -1.0 to 1.0. If the X and Y sizes of the watermark are M and N, respectively, m and n satisfy 0 ≦ m <M and 0 ≦ n <N as coordinates on the watermark. The rotation angle (π / r) of the patch can be checked by finding r having the maximum value. If the similarity exceeds a predetermined threshold, it can be considered that the reference watermark has been inserted. The method of determining the threshold is described in the section below.

(단계 c) 상기한 바와 같이, 이미지 내에 몇 개의 원형 패치가 있다. 따라서, 워터마크가 적어도 하나의 패치로부터 검출되면, 소유권은 증명되고, 그렇지 않은 경우 증명되지 않는다. 단지 하나가 아니라 몇 개의 원형 패치에 워터마크를 삽입한다는 사실은 제안된 방식이 이미지 변형 이후라도 워터마크를 검출할 가능성을 높게 해준다.(Step c) As described above, there are several circular patches in the image. Thus, if a watermark is detected from at least one patch, ownership is verified, otherwise it is not. The fact that watermarks are inserted into several circular patches rather than just one increases the likelihood that the proposed scheme will detect watermarks even after image transformation.

본 발명의 워터마킹 방식은 기하학적 변형 공격은 물론 신호 처리 공격에 강인하다. SIFT로부터 원형 패치를 추출함으로써 스케일링 및 이동 불변성이 달성된다. 회전 불변성은 극좌표 매핑된 원형 패치에 있어서 회전 변환이 이동 변환으로 표현되는 속성을 사용함으로써 성공적으로 획득된다.The watermarking method of the present invention is robust to geometric deformation attack as well as signal processing attack. Scaling and movement invariance are achieved by extracting circular patches from SIFT. Rotational invariance is successfully obtained by using an attribute whose rotational transformation is represented as a translational transformation for polar mapped circular patches.

(4) 에러 확률(4) error probability

유사도가 소정의 임계값을 초과하는지 여부를 결정함으로써 소유권이 검증되기 때문에, 워터마크 검출기가 에러를 발생할 확률은 어떤 임계값이 선택되는가에 달려 있다. 에러는 거짓 양성 판정 에러(false positive error) 및 거짓 음성 판정 에러(false negative error) 의 두 종류로 분류된다. 거짓 양성 판정 에러는 이미지가 워터마킹되어 있지 않을 때 워터마크가 정확하게 검출될 확률을 말한다. 거짓 음성 판정 에러는 방법이 워터마킹된 이미지로부터 삽입된 워터마크를 검색하지 못할 확률을 말한다. 실제로, 광범위한 가능한 공격들로 인해 거짓 음성 판정 에러를 분석하기는 어렵다. 따라서, 거짓 양성 판정 에러에 기초한 임계값을 선택하는 것이 통상적이다.Since ownership is verified by determining whether the similarity exceeds a predetermined threshold, the probability that the watermark detector will generate an error depends on which threshold is selected. Errors are classified into two types: false positive error and false negative error. False positive determination error refers to the probability that a watermark will be detected correctly when the image is not watermarked. False speech determination error refers to the probability that the method fails to retrieve the inserted watermark from the watermarked image. Indeed, it is difficult to analyze false negative judgment errors due to the wide range of possible attacks. Therefore, it is common to select a threshold based on a false positive decision error.

워터마크 검출기의 거짓 양성 판정 에러 확률을 추정하기 위해, 자연 경치 및 초상화를 포함한 100개의 랜덤하게 수집된 이미지로부터 100개의 랜덤한 워터마크를 검색하려고 시도하였다. 워터마크를 검출하기 위해 총 168,500개의 원형 패치가 처리되었는데, 그 이유는 각각의 이미지가 몇 개의 패치를 포함하고 있기 때문이다. 직사각형 워터마크의 크기는 32×32 픽셀이었다. 유사도 값(정규 상관값)의 히스토그램 및 그의 감마 분포가 도 8에 도시되어 있다.In order to estimate the probability of false positive determination error of the watermark detector, an attempt was made to retrieve 100 random watermarks from 100 randomly collected images including natural scenery and portraits. A total of 168,500 circular patches were processed to detect the watermark, because each image contains several patches. The size of the rectangular watermark was 32 x 32 pixels. A histogram of the similarity value (normal correlation value) and its gamma distribution are shown in FIG. 8.

『I. J. Cox, M. L. Miller, and J. A. Bloom, "Chap. 5 in Digital Watermarking, Morgan Kaufmann Publishers", San Francisco, CA (2002).』에서 대부분의 경우에, 에러 확률을 추정하는 가장 간단한 방법은 검출 값의 분포가 가우시안, 또는 근사화된 가우시안 분포 모델을 따르는 것으로 가정한다. 그렇지만, 워터마크 검출기의 응답의 분포는 감마 분포 모델을 더 따르는데, 그 이유는 순환 콘볼루션으로부터 최대값을 취하기 때문이다. 감마 분포는 수학식 9와 같이 정의된다.『I. In most cases, J. Cox, ML Miller, and JA Bloom, "Chap. 5 in Digital Watermarking, Morgan Kaufmann Publishers", San Francisco, CA (2002). Suppose that the distribution of follows a Gaussian or approximated Gaussian distribution model. However, the distribution of the response of the watermark detector further follows the gamma distribution model because it takes the maximum value from the cyclic convolution. The gamma distribution is defined as in Equation 9.

[수학식 9] [Equation 9]

Figure 112006000613077-pat00021
Figure 112006000613077-pat00021

여기서, x는 연속 확률 변수이다. 파라미터 α 및 β는 α > 0 및 β > 0 을 만족시키고 수학식 10과 같이 확률 변수 x의 평균 및 분산을 사용하여 계산된다.Where x is a continuous random variable. The parameters α and β satisfy the α> 0 and β> 0 and are calculated using the mean and variance of the random variable x as shown in equation (10).

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112006000613077-pat00022
Figure 112006000613077-pat00022

이 결과에 기초하여, 검출기 응답 x의 평균 및 분산은 각각 0.1012 및 1.2191e-004이었고, 파라미터 α 및 β의 값은 각각 83.9865 및 0.0012 이었다. 도 9은 이 감마 분포 모델을 사용할 때 워터마크 검출기가 거짓 양성 판정 에러를 발생할 확률 및 워터마크 검출기의 선택된 임계값을 보여준다.Based on this result, the mean and variance of the detector response x were 0.1012 and 1.2191e-004, respectively, and the values of the parameters α and β were 83.9865 and 0.0012, respectively. 9 shows the probability that the watermark detector will generate a false positive determination error and the selected threshold of the watermark detector when using this gamma distribution model.

4. 시뮬레이션 결과4. Simulation Results

여기서는 본 발명의 워터마킹 방식의 성능에 관하여 기술한다. (1) SIFT 에 기초한 워터마크 동기화의 성능 및 (2) 본 발명의 워터마킹 방식의 강인성을 측정하기 위해, 2가지 실험이 수행되었다. 레나(Lena), 원숭이, 호수 및 다리 등의 이미지를 포함한 인터넷으로부터 랜덤하게 수집된 100개의 512×512 이미지를 사용하였다.Here, the performance of the watermarking method of the present invention will be described. In order to measure (1) the performance of watermark synchronization based on SIFT and (2) the robustness of the watermarking scheme of the present invention, two experiments were performed. 100 512 × 512 images randomly collected from the Internet, including images of Lena, monkeys, lakes and bridges, were used.

(1) SIFT 의 성능(1) SIFT performance

SIFT에 기초한 동기화 방법을 논문『 P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). 』의 방법과 비교함으로써 본 발명의 동기화 방법의 성능을 보여준다. 워터마크 검출 동안에, 워터마크 삽입 동안에 추출된 패치의 재검출이 강인성에 중요하다. 재검출 비율을 측정하기 위해, 먼저 원본 이미지 및 공격받은 이미지 둘다로부터 원형 패치를 추출하고 이어서 원본 이미지로부터의 패치의 위치 및 반경을 공격받은 이미지로부터의 패치의 그것과 비교하였다. 비교에 앞서, 기하학적 공격을 받은 이미지로부터의 원형 패치의 위치 및 반경을 원본 이미지에서의 패치의 위치 및 반경으로 전환시켰다. 원본 이미지로부터의 원형 패치와 공격받은 이미지로부터의 패치의 위치 및 반경의 차가 2 픽셀 이하이면, 패치가 정확하게 재검출된 것으로 간주하였다.A synchronization method based on SIFT is described in the paper P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). The performance of the synchronization method of the present invention is shown by comparison with the method of. During watermark detection, redetection of patches extracted during watermark insertion is important for robustness. To measure the redetection rate, a circular patch was first extracted from both the original image and the attacked image and then the position and radius of the patch from the original image were compared with that of the patch from the attacked image. Prior to the comparison, the position and radius of the circular patch from the geometrically attacked image were converted to the position and radius of the patch in the original image. If the difference between the position and the radius of the circular patch from the original image and the patch from the attacked image is 2 pixels or less, the patch was considered to be correctly redetected.

여러 가지 공격, 즉 메디안 필터(2×2, 3×3, 및 4×4), JPEG 압축(Q값(Quality factor) 40, 50, 60, 70, 80 및 90), 가우시안 필터링(3×3), 부가적 균일 잡음, 중앙 크로핑(centered cropping)(5%, 10%, 15%, 20%, 및 25%), 회전+크로핑(0.25°, 0.5°, 1°, 5°, 10°, 및 30°), 및 스케일링(0.75×, 0.9×, 1.1×, 1.3×, 및 1.5×)을 적용하였다.Various attacks: median filters (2 × 2, 3 × 3, and 4 × 4), JPEG compression (Quality factor 40, 50, 60, 70, 80, and 90), Gaussian filtering (3 × 3) ), Additional uniform noise, centered cropping (5%, 10%, 15%, 20%, and 25%), rotation + cropping (0.25 °, 0.5 °, 1 °, 5 °, 10 °, and 30 °), and scaling (0.75 ×, 0.9 ×, 1.1 ×, 1.3 ×, and 1.5 ×) were applied.

100개의 원본 이미지로부터 추출된 원형 패치의 평균 수는 논문『 P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). 』의 방 법에서 22.60 이었고 본 발명의 방법에서는 16.85 이었다. 공격에 대한 비교 결과가 도 10에 나타내어져 있다. 검출률(detection ratio)는 공격받은 이미지로부터의 정확하게 재검출된 패치의 수에 대한 원본 이미지로부터의 추출된 패치의 수의 비를 말한다. 검출률는 워터마크 동기화가 보다 강력하게 수행될 때 높게 나타난다. 검출 실패(detection failure)는 100개 이미지 중에 패치가 하나도 재검출되지 않은 이미지의 수를 나타낸다. The average number of circular patches extracted from 100 original images is described in P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). 22.60 in the method and 16.85 in the method of the present invention. Comparison results for the attack are shown in FIG. 10. Detection ratio refers to the ratio of the number of patches extracted from the original image to the number of correctly redetected patches from the attacked image. The detection rate is high when watermark synchronization is performed more strongly. Detection failure refers to the number of images in which none of the 100 images have been redetected.

도 10에 나타낸 바와 같이, 검출률은 2가지 동기화 방법 모두에 있어서 공격의 강도에 비례하여 떨어지지만, 본 발명의 동기화 방법은 모든 변형에 대해 논문『 P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). 』의 방법보다 더 우수한 성능을 나타낸다. 특히, 공격의 강도가 더 커짐에 따라, 논문『 P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). 』의 방법의 특징점은 제거되거나 새로 생성된다. 그로 인해 특징점들 간의 관계를 고려하여 생성된 패치의 검출률은 급격하게 감소하였고 실패 이미지의 수는 증가하였다. 그렇지만, 본 발명의 방법은 신뢰성있게 수행되는데, 그 이유는 우리가 국소 이미지 특성만을 고려하기 때문이다.As shown in Fig. 10, the detection rate drops in proportion to the strength of the attack in both synchronization methods, but the synchronization method of the present invention is described in P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). Better performance than the In particular, as the intensity of the attack increases, the paper P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). The feature points of the method are removed or newly created. As a result, the detection rate of the patches generated in consideration of the relationship between the feature points is drastically reduced and the number of failed images is increased. However, the method of the present invention is performed reliably because we only consider local image characteristics.

이들 결과는 SIFT가 특징(패치)을 추출하는 신뢰성있는 기술이고 신호 처리 공격 및 기하학적 변형 공격에 대한 강인한 워터마킹에 유용하다는 주장을 뒷받침한다.These results support the claim that SIFT is a reliable technique for extracting features (patches) and is useful for robust watermarking against signal processing attacks and geometric deformation attacks.

(2) 워터마킹 방식의 성능(2) Watermarking performance

여기서는 본 발명의 워터마킹 방식의 성능을 테스트하였다. Here, the performance of the watermarking method of the present invention was tested.

직사각형 워터마크의 크기는 32×32 픽셀이었고, 잡음 가시성 함수의 가중 인자 α 및 β는 각각 5.0 및 1.0으로 설정되었다. 임계값을 0.182로 설정함으로써 제안된 방식에 대해 10-9 에러 확률(신뢰성)을 확보하였고 또 본 발명의 동기화 방법에 의해 야기된 패치 크기의 에러를 보상하기 위해 -2 내지 +2 범위에서 원형 패치 반경을 검색함으로써 삽입된 워터마크를 검출하려고 시도하였다. 원형 패치 간에 몇 개의 중첩된 영역이 있지만, 이들 영역 내의 삽입된 워터마크는 육안으로는 볼 수 없는데, 그 이유는 인식 마스킹(perceptual masking)를 고려하여 워터마크를 삽입하였기 때문이다.The size of the rectangular watermark was 32 × 32 pixels, and the weighting factors α and β of the noise visibility function were set to 5.0 and 1.0, respectively. By setting the threshold to 0.182, a 10-9 error probability (reliability) was obtained for the proposed scheme, and a circular patch in the range of -2 to +2 to compensate for the error of patch size caused by the synchronization method of the present invention. An attempt was made to detect the inserted watermark by searching the radius. There are several overlapping areas between the circular patches, but the inserted watermarks in these areas are not visible to the naked eye because the watermarks are inserted in consideration of the perceptual masking.

원본 이미지와 워터마킹된 이미지 간의 전체적인 PSNR 값은 40dB 이상이었다. 여기서는 워터마크를 원형 패치에 삽입하였고, 이미지는 부분적으로만 수정되었다. 그 결과, 본 발명의 방식은 높은 PSNR 값을 달성하였다. 기지의 원숭이 이미지 등의 세밀한 텍스처를 갖는(highly textured) 이미지에서, PSNR 값은 비교적 낮은데, 그 이유는 잡음이 지각될 수 없을 정도라는 사실로 인해 워터마크를 강하게 삽입하였기 때문이다.The overall PSNR value between the original image and the watermarked image was over 40 dB. Here we inserted a watermark in the circular patch, and the image was only partially corrected. As a result, the scheme of the present invention achieved a high PSNR value. In highly textured images, such as known monkey images, the PSNR value is relatively low because the watermark is strongly inserted due to the fact that the noise cannot be perceived.

여기서는 Stirmark 3.1 공격들 대부분, 즉 메디안 필터, JPEG 압축, 가우시안 필터링, 부가적 균일 잡음, 선형 기하학적 변환, 랜덤 벤딩(random bending), 행-열 제거, 쉬어링(shearing), 중앙 크로핑(centered cropping), 회전+크로핑, 스케일링, 및 회전+스케일링+크로핑을 적용하였다. 이들 공격은 삽입된 워터마크를 제거 또는 감쇠시키고 또 삽입된 워터마크의 위치를 비동기화시키려고 시도한다.Most of the Stirmark 3.1 attacks here, namely median filter, JPEG compression, Gaussian filtering, additional uniform noise, linear geometric transformation, random bending, row-column rejection, shearing, centered cropping ), Rotation + cropping, scaling, and rotation + scaling + cropping were applied. These attacks attempt to remove or attenuate the embedded watermark and to asynchronous the position of the embedded watermark.

공격 하에서의 시뮬레이션 결과는 도 11 및 도 12에 나타내어져 있다. 검출률는 워터마크 검출에서 정확하게 검출된 워터마킹된 패치의 수에 대한 삽입된 워터마킹된 패치의 수의 비를 말한다. 100개의 이미지 중에서, 검출 실패는 삽입된 워터마크가 어떤 패치로부터도 검출되지 않은 이미지의 수를 나타내며, 따라서 소유권을 증명하지 못한다. 유사도(similarity)는 정확하게 검출된 워터마킹된 패치로부터의 유사도 값들의 평균이다.Simulation results under attack are shown in FIGS. 11 and 12. The detection rate refers to the ratio of the number of inserted watermarked patches to the number of watermarked patches accurately detected in watermark detection. Of 100 images, the detection failure represents the number of images in which the inserted watermark was not detected from any patch, thus failing to prove ownership. Similarity is the average of similarity values from watermarked patches that are correctly detected.

대부분의 공격에서, 본 발명의 워터마킹 방식은 상당한 수의 원형 패치로부터 삽입된 워터마크를 검출할 수 있고 또 삽입된 워터마크와 검출된 워터마크 간의 유사도는 소유권을 증명하기에 충분할 정도로 높았다. 직사각형 워터마크를 원형 워터마크로 변환할 때, 직사각형 워터마크의 픽셀은 원의 동심 영역 즉 다수의 픽셀로 매핑되며, 그것은 원형 패치에 대한 위치 에러를 보상한다. 결과적으로, 본 발명의 워터마킹 방식은 선형 기하학적 변환, 랜덤 블렌딩, 및 쉬어링 공격에서도 제대로 기능할 수 있었다. 여기서는 특징의 국소 속성만을 고려하기 때문에, 본 발명의 방식은 크로핑 공격에도 제 기능을 할 수 있었다. 회전+크로핑 및 회전+스케일링+크로핑 공격에서, 크로핑 및 스케일링의 강도는 회전 각도에 비례하여 증가하였으며, 따라서 검출률이 떨어졌다.In most attacks, the watermarking scheme of the present invention was able to detect embedded watermarks from a significant number of circular patches and the similarity between the inserted watermarks and the detected watermarks was high enough to prove ownership. When converting a rectangular watermark to a circular watermark, the pixels of the rectangular watermark are mapped to concentric regions of the circle, ie multiple pixels, which compensate for the position error for the circular patch. As a result, the watermarking scheme of the present invention could function well even in linear geometric transformations, random blending, and shearing attacks. Since only local properties of the features are considered here, the scheme of the present invention could also function in cropping attacks. In rotation + cropping and rotation + scaling + cropping attacks, the intensity of cropping and scaling increased in proportion to the angle of rotation, thus reducing the detection rate.

워터마크 동기화가 잘 수행될지라도, 이미지가 JPEG 압축 40, 스케일링 0.70×, 및 중앙 크로핑 50% 등의 방법에 의해 강하게 공격받을 때, 공간 도메인에서의 부가적 워터마킹 방법은 몇 개의 이미지에서 제 기능을 못하였다. 이들 공격에서, 삽입된 워터마크는 변형에 의해 거의 제거, 감쇠 또는 부분적으로 크로핑된다. Although watermark synchronization is well performed, when the image is strongly attacked by methods such as JPEG compression 40, scaling 0.70 ×, and center cropping 50%, an additional watermarking method in the spatial domain is limited in several images. It didn't work. In these attacks, the inserted watermark is almost eliminated, attenuated or partially cropped by deformation.

그럼에도 불구하고, 이들 성능은 논문『 P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). 』 과 논문『C-W. Tang and H-M. Hang, "A feature-based robust digital image watermarking scheme", IEEE Trans. Signal Process. 51 (4), 950-959 (2003).』에서의 다른 대표적인 콘텐츠 기반 방식보다 더 강인하다. Nevertheless, these performances are described in the paper P. Bas, J-M. Chassery, and B. Macq, "Geometrically invariant watermarking using feature points", IEEE Trans. Image Process. 11 (9), 1014-1028 (2002). And the paper C-W. Tang and H-M. Hang, "A feature-based robust digital image watermarking scheme", IEEE Trans. Signal Process. 51 (4), 950-959 (2003).

상기와 같이, 다른 동기화 방법은 본 발명의 동기화 방법보다 낮은 성능을 나타낸다. 논문『C-W. Tang and H-M. Hang, "A feature-based robust digital image watermarking scheme", IEEE Trans. Signal Process. 51 (4), 950-959 (2003).』의 결과에 따르면, 그들의 방식은 JPEG 압축, 가우시안 필터, 및 부가적 균일 잡음 등의 몇 가지 신호 처리 공격에 강인하였다. As mentioned above, other synchronization methods exhibit lower performance than the synchronization method of the present invention. Thesis C-W. Tang and H-M. Hang, "A feature-based robust digital image watermarking scheme", IEEE Trans. Signal Process. 51 (4), 950-959 (2003).], Their schemes were robust against several signal processing attacks, such as JPEG compression, Gaussian filters, and additional uniform noise.

그렇지만, 이미지가 기하학적 변형에 의해 변형되거나 이미지의 픽셀이 메디안 필터, 행-열 제거, 또는 크로핑에 의해 제거될 때, 검출률은 상당히 떨어지고 검출 실패의 확률이 높다.However, when the image is deformed by geometric deformation or the pixels of the image are removed by median filter, row-column removal, or cropping, the detection rate drops considerably and the probability of detection failure is high.

상기 결과는 본 발명의 워터마킹 방식이 여러 가지 이미지 공격에 대해 강인하다는 주장을 뒷받침한다. 본 발명의 장점은 워터마크를 이미지에 여러번 삽입하고, 그 결과 공격 하에서 워터마크가 존속하여 소유권을 올바르게 증명하게 된다는 것이다.The above results support the claim that the watermarking scheme of the present invention is robust against various image attacks. An advantage of the present invention is that the watermark is inserted into the image several times, and as a result the watermark remains under attack, thereby correctly proving ownership.

5. 검토 및 결론5. Review and conclusion

도 10, 도 11 및 도 12에서의 일치하는 항목의 차이는 원형 패치가 잘 동기화되어 있지만 부가적 워터마킹 방법이 삽입된 워터마크를 검출하지 못하는 경우의 원형 패치의 수를 나타낸다. 전술한 바와 같이, SIFT에 기초한 본 발명의 워터마크 동기화는 이미지 공격 후에 또한 복잡한 텍스처를 갖는 이미지에서도 정확하게 패치를 추출할 수 있다. 그렇지만, 공간 도메인에서의 부가적 워터마킹 방법이 삽입된 워터마크를 성공적으로 검출할 수 없었기 때문이다.The difference between the matching items in Figs. 10, 11 and 12 indicates the number of circular patches when the circular patches are well synchronized but the additional watermarking method does not detect the inserted watermark. As mentioned above, the watermark synchronization of the present invention based on SIFT can accurately extract patches even after an image attack and even on images with complex textures. However, this is because the additional watermarking method in the spatial domain was not able to successfully detect the inserted watermark.

도 13는 몇 개의 원본 이미지, 워터마킹된 이미지, 및 원본 이미지와 워터마킹된 이미지 간의 잔류 이미지(residual image)를 나타낸다. 우리는 편의상 잔류 이미지의 히스토그램을 수정하였다. 도 13의 (a) 및 (b)와 같이, 육안으로 보이지 않도록 이미지에 워터마크를 삽입하였다. 도 13의 (c)에 도시한 바와 같이, 잔류 이미지는 원형 패치의 위치 및 반경, 직사각형 워터마크가 어떻게 동심원으로 형성되는지, 및 부가적 워터마킹 방법이 공간 도메인에서 어떻게 워터마크를 삽입하는지를 나타낸다. 본 발명의 방식은 높은 PSNR 값을 달성하는데 그 이유는 이미지가 부분적으로 수정되기 때문이다. FIG. 13 shows several original images, a watermarked image, and a residual image between the original image and the watermarked image. We have modified the histogram of the residual image for convenience. As shown in (a) and (b) of FIG. 13, a watermark is inserted in the image so that it is not visible to the naked eye. As shown in Fig. 13C, the residual image shows the position and radius of the circular patch, how the rectangular watermark is formed concentrically, and how the additional watermarking method embeds the watermark in the spatial domain. The scheme of the present invention achieves a high PSNR value because the image is partially modified.

이미지가 양호한 텍스처를 갖는(well-textured) 경우, 패치는 이미지 전체에 걸쳐 분산되고, 이에 의해 워터마크가 전체 이미지에 걸쳐 삽입될 수 있게 된다. 그렇지만, 이미지의 텍스처가 간단한 경우, 예를 들어 우유에서의 수면 영역 또는 호수의 하늘 영역의 경우, 워터마크는 물체 근방의 영역에 집중된다.If the image is well-textured, the patch is distributed throughout the image, thereby allowing the watermark to be inserted over the entire image. However, if the texture of the image is simple, for example in the sleeping area in milk or in the sky area of the lake, the watermark is concentrated in the area near the object.

본 발명에서는 국소 불변 특징을 사용하는 강인한 워터마킹 방식을 제안하였 다. 즉, 기하학적 변형을 막아내기 위해 본 발명에서는 이동 및 스케일링 변형에 불변인 SIFT를 사용하여 원형 패치를 추출하였다. 이들 원형 패치는 공간 도메인에서 부가적으로 워터마킹되었다. 회전 불변성은 극좌표 매핑된 원형 패치의 이동 속성을 사용하여 달성되었다. In the present invention, a robust watermarking method using local invariant features is proposed. That is, in order to prevent geometric deformation, the present invention extracts a circular patch using SIFT which is invariant to movement and scaling deformation. These circular patches were additionally watermarked in the spatial domain. Rotational invariance was achieved using the movement properties of polar mapped circular patches.

각종 실험을 통해, 시뮬레이션 결과는 본 발명의 방법이 기하학적 변형 공격은 물론 신호 처리 공격에 대해서도 강인하다는 것을 보여주었다. 따라서, 국소 특징의 고려가 강인한 워터마킹 방식의 설계에 중요하며, 본 발명의 방법이 이러한 특징을 사용하는 해결책이 될 것으로 판단된다.Through various experiments, the simulation results show that the method of the present invention is robust against geometric deformation attack as well as signal processing attack. Therefore, consideration of local features is important for the design of a robust watermarking scheme, and it is believed that the method of the present invention will be a solution using these features.

이상에서 설명한 내용을 통해 본 업에 종사하는 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용만으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의하여 정해져야 한다.It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention through the above description. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited only to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 워터마킹 방법은 크기불변특징변환(SIFT)를 이용함으로써 이미지 공격이 있는 후에도 뚜렷한 원형 패치를 추출하는 것이 가능하여 효율적인 워터마크 동기화를 수행할 수 있고, 폴라 매핑에 기반한 부가적인 워터마킹 방법을 이용함으로써 회전 왜곡에 대하여 불변적으로 삽입 워터마크를 검출하기 때문에 기하학적 왜곡 공격을 물론 신호처리 공격에도 탄력적이다.As described above, the watermarking method according to the present invention is capable of extracting a clear circular patch even after an image attack by using size invariant feature transform (SIFT) to perform efficient watermark synchronization, and based on polar mapping. By using an additional watermarking method, the embedded watermark is invariably detected for rotational distortion, and thus it is flexible to geometric distortion attack and signal processing attack.

Claims (18)

크기불변특징변환(SIFT:Scale Invariant Feature Transform)를 이용한 디지털 워터마킹 방법에서 워터마킹 삽입은,In digital watermarking method using Scale Invariant Feature Transform (SIFT), 난수 발생기를 이용하여 가우스 분포를 따르는 2차원 직사각형 워터마크를 생성하는 제 1단계; Generating a two-dimensional rectangular watermark along a Gaussian distribution using a random number generator; 크기불변특징변환(SIFT :Scale Invariant Feature Transform)을 이용하여 원형 패치를 생성하는 제 2단계; A second step of generating a circular patch using a scale invariant feature transform (SIFT); 상기 원형 패치의 크기에 따라 직사각형 워터마크를 역폴라 매핑하여 원형 워터마크로 변환하는 제 3단계; A third step of converting a rectangular watermark into a circular watermark by inverse polar mapping according to the size of the circular patch; 상기 원형 패치에 대한 인식 마스크를 계산하는 제 4단계; 및A fourth step of calculating a recognition mask for the circular patch; And 상기 원형 워터마크와 인식 마스크를 사용하여 공간 영역에서 워터마크를 부가적인 방식으로 삽입하는 제 5단계;A fifth step of additionally inserting a watermark in a spatial area using the circular watermark and the recognition mask; 를 포함하는 크기불변특징변환를 이용한 디지털 워터마킹 방법.Digital watermarking method using a size-invariant feature transformation comprising a. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 원형 워터마크는 각 패치에 대하여 생성되는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The circular watermark is generated for each patch, digital watermarking method using a size invariant feature transformation (SIFT). 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 직사각형 워터마크가 원의 상반부에는 매핑되고, 원의 하반부에는 원의 상반부를 이용하여 대칭적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The rectangular watermark is mapped to the upper half of the circle, and the lower half of the circle is set symmetrically using the upper half of the circle. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 직사각형 워터마크를 역 폴라 매핑하여 원형 워터마크로 변형하는 것은 수학식11을 사용하는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.And converting the rectangular watermark into a circular watermark by inverse polar mapping, using Equation 11. The digital watermarking method using a size invariant feature transform (SIFT).
Figure 112007012380432-pat00023
Figure 112007012380432-pat00023
(여기서, x 및 y는 직사각형 워터마크 좌표, M은 직사각형 워터마크의 x 크기, N은 직사각형 워터마크의 y 크기, ri 및 θ 는 원형 워터마크의 좌표, rM은 원의 반경 r, ro은 rM으로부터 상대적으로 결정되는 원의 반경이다.)Where x and y are the rectangular watermark coordinates, M is the x size of the rectangular watermark, N is the y size of the rectangular watermark, r i and θ are the coordinates of the circular watermark, r M is the radius of the circle r, r o is the radius of the circle determined relatively from r M )
청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 수학식 11에서 ro
Figure 112006000613077-pat00024
보다 크고 rM와 ro간의 차가 N보다 큰 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.
R o in Equation 11
Figure 112006000613077-pat00024
A digital watermarking method using a size invariant feature transform (SIFT), characterized in that the difference between r M and r o is greater than N.
청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 원형 패치 추출은 수학식 12을 이용하여 추출하는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The circular patch extraction is a digital watermarking method using a size invariant feature transform (SIFT) characterized in that the extraction using the equation (12).
Figure 112006000613077-pat00025
Figure 112006000613077-pat00025
(여기서, k는 원형 패치의 반경을 제어하는 확대 계수(magnification factor), t1, t2는 원형 패치의 중심 좌표값, s는 원형 패치의 추출된 스케일이다.)(Where k is a magnification factor that controls the radius of the circular patch, t 1 , t 2 are the center coordinates of the circular patch, and s is the extracted scale of the circular patch.)
청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 스케일 s는 2.0에서 10.0 까지 변하는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The scale s is a digital watermarking method using a size invariant feature transformation (SIFT), characterized in that varying from 2.0 to 10.0. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 원형 워터마크를 공간영역에서 부가적인 방식으로 삽입하는 것은 수학식13을 사용하여 삽입하는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.And inserting the circular watermark in a spatial manner in an additional manner using Equation 13. The digital watermarking method using a size invariant feature transform (SIFT).
Figure 112006000613077-pat00026
Figure 112006000613077-pat00026
(여기서,
Figure 112006000613077-pat00027
는 워터마크가 들어간 이미지,
Figure 112006000613077-pat00028
Figure 112006000613077-pat00029
는 각각 이미지 및 원형 워터마크의 픽셀값,
Figure 112006000613077-pat00030
는 워터마크의 삽입 강도를 제어하는 인식 마스크를 나타낸 다.)
(here,
Figure 112006000613077-pat00027
Is an image with a watermark,
Figure 112006000613077-pat00028
And
Figure 112006000613077-pat00029
Are the pixel values of the image and the circular watermark,
Figure 112006000613077-pat00030
Indicates a recognition mask that controls the embedding strength of the watermark.)
청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 인식마스크는 수학식 14을 사용하는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The recognition mask is a digital watermarking method using a size invariant feature transformation (SIFT), characterized in that using the equation (14).
Figure 112006000613077-pat00031
Figure 112006000613077-pat00031
여기서, α는 편평하고 평탄한 영역에서의 가시성의 하한값, β는 에지가 있는 텍스처 영역에서의 상한값, NVF(i,j)는 잡음 가시성 함수이다.)Where α is the lower limit of visibility in flat and flat regions, β is the upper limit in textured regions with edges, and NVF (i, j) is a noise visibility function.)
청구항 9에 있어서,The method according to claim 9, 상기 잡음 가시성 함수NVF(i,j)는 수학식 15를 사용하는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The noise visibility function NVF (i, j) is a digital watermarking method using a size invariant feature transform (SIFT) characterized in that using the equation (15).
Figure 112006000613077-pat00032
Figure 112006000613077-pat00032
(여기서,
Figure 112006000613077-pat00033
Figure 112006000613077-pat00034
는 각각 5개의 픽셀 내의 이웃 픽셀의 국소 분산 및 최대값, (i,j)는 이미지 상의 픽셀 좌표, D는 크기를 나타내는 상수값이다.)
(here,
Figure 112006000613077-pat00033
And
Figure 112006000613077-pat00034
Are the local variances and maximum values of neighboring pixels in each of the five pixels, (i, j) are pixel coordinates on the image, and D is a constant value representing magnitude.)
크기불변특징변환(SIFT:Scale Invariant Feature Transform)를 이용한 디지 털 워터마킹 방법에서 워터마킹 검출은,Watermarking detection in digital watermarking method using Scale Invariant Feature Transform (SIFT) 크기불변특징변환(Scale Invariant Feature Transform)을 이용하여 원형 패치를 생성하는 제 1단계; Generating a circular patch using a scale invariant feature transform; 필터를 적용하여 노이즈를 계산함으로서 상기 원형 패치에서 삽입된 워터마크를 검출하는 제 2단계; A second step of detecting a watermark inserted in the circular patch by calculating a noise by applying a filter; 상기 검출된 원형 워터마크를 폴라매핑을 통하여 직사각형 워터마크로 변환하는 제 3단계; 및A third step of converting the detected circular watermark into a rectangular watermark through polar mapping; And 원형 컨볼루션(Convolution)을 통해 삽입과정에 사용된 참조 워터마크와 상기 검출된 워터마크를 비교하여 유사성을 검증하는 제 4단계;A fourth step of verifying similarity by comparing the detected watermark with the reference watermark used in the embedding process through a circular convolution; 를 포함하는 크기불변특징변환를 이용한 디지털 워터마킹 방법.Digital watermarking method using a size-invariant feature transformation comprising a. 청구항 11에 있어서,The method according to claim 11, 상기 원형 워터마크는 각 패치에 대하여 생성되는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The circular watermark is generated for each patch, digital watermarking method using a size invariant feature transformation (SIFT). 청구항 11에 있어서,The method according to claim 11, 상기 필터는 Wiener 필터, Inverse 필터, 가우시안 필터중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The filter is a digital watermarking method using a size invariant feature transformation (SIFT), characterized in that any one of the Wiener filter, Inverse filter, Gaussian filter. 청구항 11에 있어서,The method according to claim 11, 상기 원형 워터마크를 폴라 매핑하여 직사각형 워터마크로 변형하는 것은 수학식16을 사용하는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.And polarizing the circular watermark to transform the rectangular watermark into a rectangular watermark using Equation (16).
Figure 112007012380432-pat00035
Figure 112007012380432-pat00035
(여기서, x 및 y는 직사각형 워터마크 좌표, M은 직사각형 워터마크의 x 크기, N은 직사각형 워터마크의 y 크기, ri 및 θ 는 원형 워터마크의 좌표, rM은 원의 반경 r, ro은 rM으로부터 상대적으로 결정되는 원의 반경이다.)Where x and y are the rectangular watermark coordinates, M is the x size of the rectangular watermark, N is the y size of the rectangular watermark, r i and θ are the coordinates of the circular watermark, r M is the radius of the circle r, r o is the radius of the circle determined relatively from r M )
청구항 14에 있어서,The method according to claim 14, 상기 수학식 16에서 ro
Figure 112006000613077-pat00036
보다 크고 rM와 ro간의 차가 N보다 큰 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.
In equation (16) r o is
Figure 112006000613077-pat00036
A digital watermarking method using a size invariant feature transform (SIFT), characterized in that the difference between r M and r o is greater than N.
청구항 11에 있어서,The method according to claim 11, 상기 참조 워터마크와 상기 검출된 워터마크간의 유사도는 수학식 17와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법The similarity between the reference watermark and the detected watermark is represented by Equation 17. The digital watermarking method using a size invariant feature transform (SIFT).
Figure 112006000613077-pat00037
Figure 112006000613077-pat00037
(여기서, w는 참조 워터마크, w*는 검색된 워터마크, m 및 n은 직사각형 워터마크 상의 각 픽셀 좌표이다.)(Where w is the reference watermark, w * is the retrieved watermark, and m and n are each pixel coordinate on the rectangular watermark.)
청구항 16에 있어서,The method according to claim 16, 상기 유사도(similarity)는 -1.0에서 1.0까지 인 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The similarity (similarity) is from -1.0 to 1.0 Digital watermarking method using a size invariant feature transformation (SIFT). 청구항 11에 있어서,The method according to claim 11, 상기 워터마크 검출은 상관계수 검출기를 이용하여 검출되는 것을 특징으로 하는 크기불변특징변환(SIFT)를 이용한 디지털 워터마킹 방법.The watermark detection is digital watermarking using size invariant feature transform (SIFT) characterized in that it is detected by using a correlation coefficient detector.
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