JP7142256B2 - Digital watermarking device and method - Google Patents
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Description
本発明は,著作権保護や偽造防止を目的としてデジタル画像データに情報を埋め込む電子透かし法で、特に第三者からの攻撃による透かし除去に対して高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 is an electronic watermarking method for embedding information in digital image data for the purpose of copyright protection and anti-counterfeiting. It is about.
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,他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 today's digital information society, information duplication has made it possible for many people to share information, and society has developed significantly. However, this convenience has led to incidents such as copyright infringement due to the illegal duplication and distribution of other people's works. In the case of images, the high image quality of digital cameras and printers in recent years has made it possible to easily obtain exact reproductions of original images. It is a result of encouraging vicious 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,著作権を保護したり、違法複写に警告を与えたりする不可視の電子透かし(Digital Watermark)技術が発展してきた。この電子透かし技術は、例えば、著作権保護の目的には、文書や画像の著作物の中に著作権者やURL、連絡先、利用条件などを埋め込み、利用者に注意を喚起するのみならず、不正利用された場合には、その追跡を可能とする。また、違法複写においては警告を与えると同時に、複写装置において複写を止めたり、黒塗りの画像で出力するなどを可能とする。このように、著作権の管理・保護、ならびに不正複写の監視など、セキュリティー対策として電子透かしが広く使われ始めている。 In such a situation, invisible digital watermark technology embeds other information, such as author information, in image information to protect copyright or warn against illegal duplication. has developed. For example, for the purpose of copyright protection, this digital watermarking technology not only embeds the copyright owner, URL, contact information, terms of use, etc. , and in case of unauthorized use, it is possible to trace it. Also, in the case of illegal copying, a warning is given, and at the same time, copying can be stopped in the copying machine, or a black image can be output. In this way, electronic watermarking has begun to be widely used as a security measure for managing and protecting copyrights and monitoring unauthorized copying.
このセキュリティ対策としての電子透かしは、頑強で簡単に消失あるいは除去できないものでなければならない。もしも、簡単な操作で透かし情報を除去や消去ができるならば、不正使用して追跡や監視の目から逃れることができるからである。 The electronic watermark as a security measure must be robust and cannot be easily lost or removed. This is because if watermark information can be removed or erased by a simple operation, unauthorized use can escape tracking and surveillance.
デジタルデータとしての電子透かしは,電子データのまま複製される限りは劣化や消失を生じない。しかし,画像を拡大や縮小、回転などの変換による画像編集や加工を行ったり、JPEGなどの画像圧縮を行ったりした場合には、埋め込まれた情報が消失しやすい。また、画像の一部を切り取って使うクロッピングでは、埋め込まれた透かし情報が壊れてしまう。以上のような事態を避け、著作権を保護や偽造防止をするためには、これら編集・加工に耐える強靭な電子透かし技術が必要である。 Electronic watermarks as digital data do not deteriorate or disappear as long as they are copied as electronic data. However, when an image is edited or processed by conversion such as enlargement, reduction, or rotation, or when image compression such as JPEG is performed, the embedded information is likely to be lost. Cropping, which cuts out a part of the image, destroys the embedded watermark information. In order to avoid such a situation and to protect copyrights and prevent counterfeiting, a robust digital watermarking technology that can withstand such editing and processing is required.
さらに、第三者が不正利用のために透かし情報を除去すること(第三者の攻撃)が想定される。様々な方法、様々な画像で埋め込みアルゴリズムを解析・推定することにより、埋め込み画像から透かし情報を除去し、原画に戻すことにより、不正利用を可能とする。このため、電子透かしアルゴリズムはこのような攻撃に対して防御する必要がある。 Furthermore, it is assumed that a third party removes the watermark information for unauthorized use (third party attack). By analyzing and estimating the embedding algorithm with various methods and images, the watermark information is removed from the embedded image and restored to the original image, making unauthorized use possible. Therefore, watermarking algorithms need to defend against such attacks.
したがって、電子透かし法は、画像の編集・加工および第三者からの攻撃に対して、耐性が強靭(ロバスト)である必要がある。一方、強靭にするためには埋め込みの強度(gain)を強くする必要があるが、一般に、大きなgainは画質劣化を生じ、アーティファクトが視認されるようになる。ストックフォト等の営利目的のインターネット配信などでは、画像品質が重要で、著作権を保護するための策として画質劣化の生じない不可視の電子透かしが有効で、透かし埋め込み画像でも品質は原画に近いことが要請される。 Therefore, the digital watermarking method must be robust against image editing/processing and attacks from third parties. On the other hand, it is necessary to increase the strength (gain) of embedding for robustness, but in general, a large gain causes deterioration in image quality, and artifacts become visible. Image quality is important for commercial Internet distribution of stock photos, etc. Invisible digital watermarks that do not cause image quality deterioration are effective as a measure to protect copyrights, and the quality of watermarked images is close to the original image. is requested.
通常、かかる耐性と画質はトレードオフの関係にある。すなわち、耐性を強くすると画質は低下し、画質劣化を少なくすると耐性は弱くなる。著作権保護を目的とする電子透かしは、画質と耐性の両方を両立させるアルゴリズムと手法が必要となる。 Normally, there is a trade-off relationship between such durability and image quality. That is, if the resistance is strengthened, the image quality deteriorates, and if the deterioration of the image quality is reduced, the resistance is weakened. Digital watermarking for copyright protection requires algorithms and methods that achieve both image quality and robustness.
かかる要請を満たす電子透かし法として、周波数空間で透かし情報を埋め込む方法がある。画像を周波数変換を行い,埋め込み情報をある特定の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。 As a digital watermarking method that satisfies such a request, there is a method of embedding watermark information in frequency space. This is a method of frequency transforming an image and embedding information in a specific frequency band. Since the embedded information is distributed over the entire image in real space, it is visually inconspicuous.
周波数空間での電子透かし法として非特許文献1は、画像をDCT変換(離散コサイン変換)し、DCT空間での中間周波数帯に透かし情報を埋め込む手法を提案している。埋め込まれた情報は実空間では画像全体に分散され希薄化する。埋め込み強度のgain を強くするとアーティファクトが強く発現し、埋め込み位置によりアーティファクトの形状が変化する。埋め込む位置が直流成分(0周波数)位置より放射状の中間周波数の複数点に埋め込んだ場合、実空間では斜め線の筋とり、長い筋の低周波ノイズとなり視認され画質が低下する。
As an electronic watermarking method in frequency space, Non-Patent
一方、Wavelet変換後に埋め込む電子透かし法では、画像をDWT(Discrete Wavelet Transform)変換し、そのWavelet成分に透かしの埋め込みを行う。gain を大きくした場合、逆変換した画像上に埋め込まれたパターンがアーティファクトとして発現する。この理由はWavelet変換は画像の空間位置を保存したスペクトル強度変換であるため,実空間で画像全体に分散されず埋め込み位置にそのまま表れるからである。LL成分に埋め込んだものは、HH成分に埋め込んだものより強く現れる。また、多階層変換では上位階層に埋め込むほどアーティファクトは強くなる.このためエッジ部に埋め込み分散させるなどの方法がとられるが画像依存性が強い。gainを小さくすれば画質上は問題とならないが,高耐性を必要とする場合は重要な問題となる。 On the other hand, in the digital watermark method of embedding after Wavelet transformation, an image is DWT (Discrete Wavelet Transform) transformed and a watermark is embedded in the Wavelet component. When gain is increased, embedded patterns appear as artifacts on the inverse transformed image. The reason for this is that the Wavelet transform is a spectral intensity transform that preserves the spatial position of the image, so it appears as it is at the embedding position without being distributed over the entire image in real space. Those embedded in the LL component appear stronger than those embedded in the HH component. In addition, in multi-layered transformations, the higher the layer is embedded, the stronger the artifact becomes. For this reason, methods such as embedding and dispersing them in edge portions are taken, but they are highly dependent on the image. If the gain is reduced, there is no problem in terms of image quality, but it becomes a serious problem when high tolerance is required.
そこで、特許文献1に示されるグリーンノイズパターンを画像データに埋め込む手法(以降、グリーンノイズ拡散法と呼ぶ)を、高耐性・高画質の電子透かし法として、以前提案した。グリーンノイズパターンは,そのスペクトルが特定の帯域f_(max)~f_minに閉じ込められ、その主周波数は、人の視覚特性で認識できにくい周波数帯に設定できる。このため、電子透かしに用いた場合、埋め込み画像を明視の距離で観察した場合、ドットパターンは低い応答性を示し認識されにくい。このため、埋め込み強度(gain)を上げて編集・加工に強靭にしてもアーティファクトが感じられず,高画質性が保たれたまま高耐性を保持できる。
Therefore, a method of embedding a green noise pattern in image data (hereinafter referred to as a green noise diffusion method) disclosed in
グリーンノイズ拡散法では、画像をブロック分割し、埋め込みビットに応じたグリーンノイズドットパターンを画像データに重畳することにより埋め込み操作が行われる。透かしの抽出は、埋め込まれた画像をブロック単位でFFT(高速フーリエ変換)を施し、そのスペクトルの分布から埋め込み情報を抽出する。埋め込みは実空間で、抽出は周波数空間で行ういわゆる非対称型であり、かつ,グリーンノイズパターンはランダムドットのパターンのため、それ自体でも透かしを消去あるいは改ざんすることが難しい方式である。 In the green noise diffusion method, an embedding operation is performed by dividing an image into blocks and superimposing a green noise dot pattern corresponding to embedding bits on the image data. For watermark extraction, FFT (Fast Fourier Transform) is applied to the embedded image on a block-by-block basis, and embedded information is extracted from the spectrum distribution. It is a so-called asymmetric type in which the embedding is performed in real space and the extraction is performed in frequency space, and since the green noise pattern is a pattern of random dots, it is difficult to erase or tamper with the watermark itself.
しかしながら,原画像や平坦部のパターン,複数の画像などから透かしパターンを特定する、いわゆる結託攻撃(collusion attack)により、透かしが除去されることが想定される。埋め込まれた画像と原画像の差分をとることにより、埋め込みパターンを抽出することができる。原画像がなくても、画像の平坦部(例えば空の風景や海の風景など)に埋め込まれた画像から、ブロック単位で透かしパターンを部分的に抽出し、多数のブロックから埋め込みパターン全体を推定することが可能である。この問題を回避し、よりセキュリティーを高めるためには、これらの攻撃に対してさらに耐性を高めることが必要である。 However, it is assumed that the watermark will be removed by a so-called collusion attack in which the watermark pattern is specified from the original image, the pattern of the flat portion, a plurality of images, or the like. The embedded pattern can be extracted by taking the difference between the embedded image and the original image. Even if the original image is not available, the watermark pattern is partially extracted block by block from the image embedded in the flat part of the image (e.g. skyscape, seascape, etc.), and the entire embedding pattern is estimated from many blocks. It is possible to In order to avoid this problem and improve security, it is necessary to further improve resistance to these attacks.
画像の編集や加工に対する耐性があり、強く埋め込んでも画質の劣化が少ない電子透かしで、第三者からの攻撃に対しても透かし情報が除去されない強い耐性を示す電子透かし法を得ることが課題である。さらに,著作者および購入者が必要に応じて透かしを除去できることも課題である。そして、鍵の紛失に対して,被害が広範囲に広がらないようなセキュアなシステムにすることも課題である。 The challenge is to obtain a digital watermarking method that is resistant to image editing and processing, has little deterioration in image quality even when strongly embedded, and exhibits strong resistance to attacks from third parties, in which watermark information is not removed. be. A further challenge is that authors and purchasers can remove watermarks if desired. Another challenge is to create a secure system that prevents the damage from spreading over a wide area in the event of key loss.
以上の課題を解決するために、本発明は、画像をブロック分割し、ブロックごとにグリーンノイズ特性を示すランダムなクラスタードットパターンを原画像に重畳し埋め込む電子透かし埋め込みを行う。 In order to solve the above problems, the present invention performs digital watermark embedding by dividing an image into blocks and superimposing and embedding a random cluster dot pattern exhibiting green noise characteristics on the original image for each block.
画像データをブロックに分割し、それぞれのブロックにおいて,グリーンノイズ特性を示し異なるスペクトル形状を呈す2つの基本ドットパターンp0 , q0、およびその反転パターンの中から、埋め込む透かしのビット情報(0あるいは1)および選択リストにより埋め込みパターンを選択し、かかるパターンにgainを乗じて画像データに重畳し、透かし埋め込み画像を生成し、
透かし情報の抽出は、透かしの埋め込まれた画像データをブロックに分割し、ブロックのフーリエスペクトルパターンの形状から,埋め込みビット情報を抽出する。
The image data is divided into blocks, and in each block, the bit information (0 or 1) of the watermark to be embedded is selected from two basic dot patterns p0 and q0 that exhibit green noise characteristics and exhibit different spectral shapes, and their inverse patterns. and selecting an embedding pattern from the selection list, multiplying the pattern by a gain and superimposing it on the image data to generate a watermark-embedded image,
The watermark information is extracted by dividing the watermarked image data into blocks and extracting the embedded bit information from the shape of the Fourier spectrum pattern of the blocks.
ここで、反転ドットパターンは、前記2個の基本ドットパターンp0,q0から生成され、
p1,q1:上下反転ドットパターン、
p2,q2:左右反転ドットパターン、
p3,q3:上下および左右反転ドットパターン、
p4,q4:p0,q0のネガドットパターン、
p5,q5:p1,q1のネガドットパターン、
p6,q6:p2,q2のネガドットパターン、
p7,q7:p3,q3のネガドットパターン、
となる各々7個の反転パターンを含めた各々8個のドットパターンpi, qi (i=0,1,…,7)のすべて、あるいはその一部であり、
前記選択リストは、pi, qiドットパターンの選択順を示したものである。
Here, the inverted dot pattern is generated from the two basic dot patterns p0 and q0,
p1,q1: upside down dot pattern,
p2,q2: left-right reversed dot pattern,
p3,q3: vertical and horizontal reversed dot pattern,
p4,q4: negative dot pattern of p0,q0,
p5,q5: negative dot pattern of p1,q1,
p6,q6: negative dot pattern of p2,q2,
p7,q7: negative dot pattern of p3,q3,
All or part of 8 dot patterns pi, qi (i = 0, 1, …, 7) including 7 inversion patterns each,
The selection list indicates the selection order of the pi, qi dot patterns.
また、基本ドットパターンp0,q0は、おのおのスペクトル形状は同一であるがドットパターンが異なるk個のパターンから成り、反転ドットパターンを含めた全部で8×k個のドットパターンのすべて、あるいはその一部を埋め込み用のドットパターンとし、
選択リストは、それらのドットパターンの選択順を示したものである。
The basic dot patterns p0 and q0 consist of k patterns each having the same spectral shape but different dot patterns. part is a dot pattern for embedding,
The selection list indicates the selection order of those dot patterns.
そして、かかる選択リストは、用いられる複数のドットパターンの選択順を乱数発生器によりランダムに順序を発生したものである Such a selection list is obtained by randomly generating the selection order of the plurality of dot patterns to be used by a random number generator.
さらに、かかる電子透かしは、i個の基本ドットパターンpiおよびqi, それにgain、埋め込み情報および選択リストから構成された鍵により、埋め込まれた透かしを除去することができる。 Furthermore, such a digital watermark can remove the embedded watermark by a key composed of i basic dot patterns pi and qi, gain, embedded information and a selection list.
もし、基本ドットパターンqiが基本ドットパターンpiを用いて生成されたものを用いる場合は、かかる電子透かしはi個の基本ドットパターンpiとgain、埋め込み情報および選択リストから構成された鍵により、埋め込まれた透かしを除去することができる。 If the basic dot pattern qi is generated using the basic dot pattern pi, the digital watermark is embedded using a key composed of i basic dot patterns pi and gain, embedding information and a selection list. You can remove watermarks that have been
本発明により、第三者からの攻撃に対して強靭な透かし埋め込みが可能となる。透かし埋め込みドットパターンは反転ドットパターンを含め複数あるため、原画との差分や、画像の平坦部から基本ドットパターンを推定することは困難となる。 The present invention enables robust watermark embedding against attacks from third parties. Since there are a plurality of watermark-embedded dot patterns, including reversed dot patterns, it is difficult to estimate the basic dot pattern from the difference from the original image and the flat portion of the image.
また、基本ドットパターンを複数個用いた場合には、その反転パターンを含めるとドットパターンはさらに多くなる。かつ、選択リストはランダムなため規則性がない。このためドットパターンの推定はさらに困難である。 Also, when a plurality of basic dot patterns are used, the number of dot patterns increases when the inverted patterns are included. Moreover, since the selection list is random, there is no regularity. This makes dot pattern estimation even more difficult.
一方、除去すおるための鍵は、通常、すべてのドットパターンを必要とするが、反転ドットパターンは基本ドットパターンから生成されるため、鍵情報としては基本ドットパターンp0,q0、gain、埋め込み情報および選択リストのみで済み、除去するための鍵は少容量でよい。 On the other hand, the key for elimination normally requires all dot patterns, but since the reverse dot pattern is generated from the basic dot pattern, the key information is the basic dot patterns p0, q0, gain, embedded information and a selection list, and a small amount of keys to remove.
さらに、基本ドットパターンq0がp0から生成された場合は、鍵情報はp0、gain、埋め込み情報および選択リストのみで済み、除去するための鍵はさらに少容量となる。 Furthermore, when the basic dot pattern q0 is generated from p0, the key information is only p0, gain, embedding information, and selection list, and the key to be removed becomes even smaller.
かかる鍵により、透かしの埋め込まれた画像から透かしを除去し、元の画像(原画)に復元することができる。鍵は配信画像ごとに変えることにより、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。 With such a key, the watermark can be removed from the watermarked image to restore the original image (original image). By changing the key for each distributed image, it is useless for other images. It is also possible to embed new secondary copyright information as an electronic watermark using the key.
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たり、またスキャナー1から画像読み取りができる。かかる画像処理は大きなサイズの画像を取り扱う場合,演算負荷が増大するため,並列処理を行ったり、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 configuration diagram of a digital watermarking system for information embedding and extraction according to the present invention. In the copyright holder's
画像中に機密情報や著作権情報を埋め込むためには、キーボード9から、例えば、著作者の名前や日付、URLなどの文字情報を入れる。埋め込み可能な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64画素×64画素の時、最大8バイト、ブロックサイズ32画素×32画素の時、最大32バイト可能である。これはASCIIコードに限れば,それぞれ8文字,32文字である。 In order to embed confidential information and copyright information in the image, character information such as the author's name, date, URL, etc. is input from the keyboard 9 . The number of characters that can be embedded varies depending on the image size and block size. When the block size is 512 pixels x 512 pixels and the block size is 64 pixels x 64 pixels, the maximum size is 8 bytes, and when the block size is 32 pixels x 32 pixels, the maximum size is 32 bytes. This is 8 characters and 32 characters, respectively, if limited to ASCII code.
図2は、一つの運用形態で,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、配信者あるいは著作権者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は、購入希望を配信者に連絡する(14)。所定の手続き後、配信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、配信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ことができる。
FIG. 2 shows a processing procedure for Internet distribution in one operation mode. The image embedded with the watermark information is distributed via the
図2は、一つの運用形態で,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、配信者あるいは著作権者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は、購入希望を配信者に連絡する(14)。所定の手続き後、配信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、配信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ことができる。
FIG. 2 shows a processing procedure for Internet distribution in one operation mode. The image embedded with the watermark information is distributed via the
その画像を見た第三者は、透かし抽出ソフトにより、この画像が著作権があることを確認できる。透かし抽出ソフトウェアは秘密性はなく、例えば,配信者や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、不正使用の防止・警告にもなる。 A third party who sees the image can confirm that the image has the copyright by using watermark extraction software. The watermark extracting software is not confidential and can be freely downloaded, for example, from the homepages of distributors and copyright holders, and made widely available for anyone to use. Third parties can know the owner of the image, copyright information, contact information, etc. by this, so it can also prevent unauthorized use and warn.
一方、著作権者や二次著作権者は、その透かしにより、著作物としての画像データの追跡と監視を行うことが可能である。もし、第三者が不正に使用した場合、著作権者や二次著作権者は、監視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、さらに第三者が無断で使用している場合には摘発が可能となる。 On the other hand, copyright holders and secondary copyright holders can track and monitor image data as copyrighted works by using the watermark. If a third party uses the image illegally, the copyright holder or secondary copyright holder will read the watermark information from the image using monitoring software, confirm that it is their own work, and that the third party will use it without permission. If so, it can be detected.
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。鍵の紛失や第三者による結託攻撃による鍵の取得が起きても、その被害は該当する1枚の画像のみで、他の画像に対しては透かし除去はできない。このとき、透かし読み出しのソフトウェアは、鍵が異なっても共通に使える。また。鍵の発行はほぼ無限に行えるため,同じ鍵となる確率は極めて低い。 A key corresponds to each embedded image on a one-to-one basis. For this reason, the copyright holder uses a different key for each image to prevent abuse. This key cannot be used to remove watermarks on other images. Even if the key is lost or the key is obtained through a collusion attack by a third party, the damage will be limited to one image, and the watermark cannot be removed from the other images. At this time, the watermark reading software can be used in common even if the keys are different. Also. Since keys can be issued almost infinitely, the probability of having the same key is extremely low.
以下、実施例に沿って詳しく説明する。
ここで,まず本発明に用いられる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.
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。黒化率g,点(x,y)におけるドットプロファイルを p(x,y)として、中間濃度(g=1/2)のドットプロファイルを以下の様にして求める。
(STEP1) まず,疑似乱数発生器により、(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(x,y)とする.この時,疑似乱数発生器のSEED値を変えることにより初期状態のドットプロファイルを変更可能である。かかるドットプロファイルの二次元フーリエ変換を行い,P(fx,fy)を得る。
(STEP2) P(fx,fy)にフィルタD(fx,fy)を掛けて、新たなP'(fx,fy)を得る。ここで、D(fx,fy)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。
(STEP3) P'(fx,fy)に逆フーリエ変換を行い,多値の点プロファイルp'(x,y)を得る。
(STEP4)誤差関数e(x,y)=p'(x,y)-p(x,y)を求め,各画素位置での誤差の大きい順に白,黒反転する。
(STEP5)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p0を得る。
A detailed description will be given below along with examples.
Here, first, the dot profile creation algorithm showing the green noise characteristics used in the present invention will be explained.
Let R×R (R=2^m) be the desired dither matrix size, and g (0≤g≤1: g = 1 is all black, g = 0 is all white). do. Assuming that the blackening rate is g and the dot profile at the point (x, y) is p(x, y), the intermediate density (g=1/2) dot profile is obtained as follows.
(STEP 1) First, (R^2)/2 random dots (white noise in the initial state) are generated by a pseudo-random number generator, and let p(x,y) be generated. At this time, the dot profile in the initial state can be changed by changing the SEED value of the pseudo-random number generator. A two-dimensional Fourier transform is performed on this dot profile to obtain P(fx,fy).
(STEP 2) Multiply P(fx,fy) by filter D(fx,fy) to obtain new P'(fx,fy). Here, D(fx,fy) is a filter whose radial frequency fr has a value in the range of fmin to fmax.
(STEP 3) Perform an inverse Fourier transform on P'(fx,fy) to obtain a multivalued point profile p'(x,y).
(STEP 4) Obtain an error function e(x, y)=p'(x, y)-p(x, y), and perform white and black inversion in descending order of error at each pixel position.
(STEP 5) Repeat the above operation until the error is within the allowable amount, and finally obtain a dot profile p0 of g=1/2.
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)のfmaxおよびfminにおけるg=1/2での平均的ドット間隔による周波数は,
fo=√g・fn=√(1/2)・fn
で与えられ,fmax及びfminはfoを基準として,
a≡(fmax fo)/fn
b≡(fmin fo)/fn
として、パラメータ(a,b)を定義する。 ここで,fnはナイキスト周波数を示す。(a,b)を変えてクラスターサイズの異なるドットパターンを得ることができる。
Here, setting of the radial frequencies fmax and fmin will be described. The frequency due to the average dot spacing at g=1/2 at fmax and fmin of filter D(u,v) is
fo=√g・fn=√(1/2)・fn
and fmax and fmin are based on fo,
a≡(fmax fo)/fn
b≡(fmin fo)/fn
Define the parameters (a,b) as Here, fn indicates the Nyquist frequency. By changing (a,b), dot patterns with different cluster sizes can be obtained.
一例として,R=32で,(a,b)=(-1/16,-5/16) ,楕円率1.5の時のドットプロファイルを求める。透かし埋め込みのためには埋め込みビット(0,1)に対応した2種類のパターンが必要である。そのためp0は縦長の楕円、q0は横長の楕円パターンとなるようにする。ドットパターンp0とスペクトル特性を図3(a)に示す。楕円率1.5とは,フィルタD(fx,fy)がy軸方向に1.3倍に拡大されていることを意味する。スペクトル分布がx軸,y軸に対して対象であるため,虚数部は0となる。。図(b)はドットパターンq0を示す。これは個別に生成するが、後述の鍵のメモリ容量を小さくするためにはp0を90°回転したもので代用される。スペクトルも同様に90°回転したものとなる。同図(c)および(d)は、R=64の場合のp0,q0を示す。スペクトル形状がより明確になる。 As an example, find the dot profile when R=32, (a,b)=(-1/16,-5/16), and ellipticity 1.5. Two types of patterns corresponding to embedding bits (0, 1) are required for watermark embedding. Therefore, p0 is a vertically long ellipse, and q0 is a horizontally long ellipse pattern. The dot pattern p0 and spectral characteristics are shown in FIG. 3(a). An ellipticity of 1.5 means that the filter D(fx,fy) is enlarged 1.3 times in the y-axis direction. The imaginary part is 0 because the spectral distribution is symmetrical with respect to the x and y axes. . Figure (b) shows the dot pattern q0. This is generated individually, but in order to reduce the memory capacity of the key described later, p0 rotated by 90 degrees is substituted. The spectrum is similarly rotated by 90°. (c) and (d) of the figure show p0 and q0 when R=64. The spectral shape becomes clearer.
続いて、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。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視覚的には認識されにくく理想的であるが、印刷画像やモニター画像をカメラやスキャナーで読み取った画像から精度よく色分離することが難しいためである。 Next, an algorithm for embedding watermarks in image data will be described. In embedding watermark information, color image data is converted into Y, Cb, and Cr, and watermark information is embedded in luminance Y. Embedding in blue (yellow when printing) is ideal because it is the least visually recognizable, but this is because it is difficult to accurately separate colors from printed images and monitor images read by cameras and scanners. .
続いて、画像データをR画素×R画素のブロックに分割する。これはドットパターンのサイズと同じサイズにする必要がある。ブロックサイズとしては通常、64画素×64画素を用いるが、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、4倍の情報の埋め込みが可能である。 Subsequently, the image data is divided into blocks of R pixels×R pixels. It should be the same size as the dot pattern size. A block size of 64 pixels×64 pixels is normally used, but if a large amount of information is desired to be embedded, a block size of 32 pixels×32 pixels enables embedding of four times as much information.
透かし情報の埋め込みは実空間でブロック単位に行う。今、画像データをi(x,y),埋め込み強度をgain、透かしの埋め込まれた画像をw(x,y)とすると、
埋め込みビット=0の時: w(x,y)=i(x,y)+gain・p0(x,y) (1)
埋め込みビット=1の時: w(x,y)=i(x,y)+gain・q0(x,y) (2)
となる.透かし情報は,あらかじめ文字列をビット列に変換しておき、ブロック単位で順次透かし情報を埋め込む。ここで、p0およびq0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。
Watermark information is embedded block by block in real space. Let i(x,y) be the image data, gain be the embedding strength, and w(x,y) be the watermarked image.
When padding bit = 0: w(x,y)=i(x,y)+gain・p0(x,y) (1)
When padding bit = 1: w(x,y)=i(x,y)+gain・q0(x,y) (2)
becomes. As for the watermark information, a character string is converted into a bit string in advance, and the watermark information is sequentially embedded in block units. Here, p0 and q0 are binary values of (1,0), but are set to (1/2,-1/2) to preserve the average luminance.
p0およびq0はランダムドットであるため,両者の境界は目立たない。グリーンノイズ特性を示すドットパターンは、印刷におけるFMスクリーンとしても用いられ、分散性ドットで均一性にすぐれているため視覚的にも一様で粒状性も感じさせない。 Since p0 and q0 are random dots, the boundaries between them are inconspicuous. The dot pattern, which exhibits green noise characteristics, is also used as an FM screen in printing. Dispersive dots are excellent in uniformity, so they are visually uniform and do not give the impression of graininess.
このp0,q0だけで画像データに埋め込んだ場合、第三者がパターンを解析することにより、埋め込みパターンを再現される危険性がある。p0,q0のパターンが繰り返し埋め込まれるため、それらを細かく観察することにより元のパターンを推定することができる。特に一様な背景、例えば空や海など、がある画像ではドットパターンが識別しやすく、各ブロックから得られた情報をもとに推定パターンを得ることが可能である。 If only p0 and q0 are embedded in the image data, there is a risk that the embedded pattern will be reproduced by a third party analyzing the pattern. Since the patterns of p0 and q0 are repeatedly embedded, the original pattern can be estimated by observing them closely. Especially in images with a uniform background, such as the sky or the sea, the dot pattern is easy to identify, and it is possible to obtain an estimated pattern based on the information obtained from each block.
このため、本発明では多数の埋め込みパターンを用いることにより、容易に推定できないようにする。図4は一つのグリーンノイズドットパターンp0,q0から反転ドットパターンを生成することにより、それぞれ8種類のパターンに増殖させたものである。
P0,q0を基本ドットパターンとすると、p0,q0から以下の反転ドットパターンを以下のように生成する。
p1,q1:上下反転ドットパターン、
p2,q2:左右反転ドットパターン、
p3,q3:上下および左右反転ドットパターン、
p4,q4:p0,q0のネガ・ポジ反転ドットパターン、
p5,q5:p1,q1のネガ・ポジ反転ドットパターン、
p6,q6:p2,q2のネガ・ポジ反転ドットパターン、
p7,q7:p3,q3のネガ・ポジ反転ドットパターン、
図4に32×32の場合の反転ドットパターン、pi, qi (i=0,1,…,7)を示す。このドットパターンのすべて、あるいはその一部を用いて画像に透かし情報を埋め込む。
For this reason, the present invention uses a large number of embedding patterns to prevent easy estimation. In FIG. 4, by generating reversed dot patterns from one green noise dot pattern p0, q0, each pattern is multiplied into eight patterns.
Assuming that P0 and q0 are basic dot patterns, the following inverted dot patterns are generated from p0 and q0 as follows.
p1,q1: upside down dot pattern,
p2,q2: left-right reversed dot pattern,
p3,q3: vertical and horizontal reversed dot pattern,
p4,q4: p0,q0 negative/positive inverted dot pattern,
p5,q5: p1,q1 negative/positive inverted dot pattern,
p6,q6: p2,q2 negative/positive inverted dot pattern,
p7,q7: p3,q3 negative/positive inverted dot pattern,
FIG. 4 shows inverted dot patterns pi, qi (i=0, 1, . . . , 7) for 32×32. All or part of this dot pattern is used to embed watermark information in the image.
透かし情報の埋め込みは、選択リストLにより埋め込みドットパターンの順序が決められる。選択リストLは、例えば、用いるドットパターン番号のどれを用いるかを選択するリストで、埋め込む前に乱数により決定する。今、すべてのpi,qi (i=0,1,2,…,7)を用いるとすると、0から7までのランダムな数字を乱数発生器によりブロック数だけ発生する。例えば以下の選択リストL を得る。
L={0,7,5,2,4,7,1,5,6,1,6,4,2,7,6,0,3,1,6,0,3,2,7,5,…}(3)
かかる選択リストを用いて、ブロック順に使用されるドットパターンの番号iが決定される。すなわちブロック番号をnとすると、
i=L(n)
となり、pi,qiが決定する。例えば、i=0であればp0,q0、i=7であればp7,q7というように決定する。このpi,qiを用いて、埋め込みはブロックごとに、
埋め込みビット=0の時: w(x,y)=i(x,y)+gain・pi(x,y) (1’)
埋め込みビット=1の時: w(x,y)=i(x,y)+gain・qi(x,y) (2’)
となる。
The order of embedding dot patterns is determined by a selection list L for embedding watermark information. The selection list L is, for example, a list for selecting which dot pattern number to use, and is determined by a random number before embedding. Now, if all pi,qi (i=0,1,2,...,7) are used, random numbers from 0 to 7 are generated by the number of blocks by the random number generator. For example, we obtain the following selection list L.
L={0,7,5,2,4,7,1,5,6,1,6,4,2,7,6,0,3,1,6,0,3,2,7,5 ,...} (3)
Using such a selection list, the number i of the dot pattern to be used in block order is determined. That is, if the block number is n,
i=L(n)
and pi and qi are determined. For example, p0,q0 if i=0, and p7,q7 if i=7. Using this pi,qi, the embedding is done for each block as
When padding bit = 0: w(x,y)=i(x,y)+gain・pi(x,y) (1')
When padding bit=1: w(x,y)=i(x,y)+gain・qi(x,y) (2')
becomes.
埋め込みは、ブロック単位で行われるため、画像サイズは任意のサイズが可能である。画像への埋め込み可能なデータ量(最大ビット数)Nは,画像サイズをW画素×H画素の画像データに対して,
N=int(W/R)×int(H/R)(4)
で与えられる。ここで,int()は少数以下切り捨てを表す。埋め込み可能文字数は,ASCII文字の場合は,int(N/8)文字となる。通常,著作権保護希望の対象画像はフルHDサイズ(1920画素×1080画素)以上の画像であり,フルHD画像では,N=480ビット=60バイトとなり,著作権情報の埋め込みとしては十分である。しかしながら,小さいサイズの画像で十分な情報量を必要とする場合には,R=32として埋め込めば,例えば,512画素×512画素の場合,N=256ビット=32バイトの情報量が埋め込み可能である。
Since embedding is performed in units of blocks, the image size can be any size. The amount of data that can be embedded in an image (maximum number of bits) N is given by
N=int(W/R)×int(H/R) (4)
is given by Here, int() represents rounding down after the decimal point. The number of characters that can be embedded is int (N/8) characters for ASCII characters. Normally, images for which copyright protection is desired are images of full HD size (1920 pixels x 1080 pixels) or larger. For full HD images, N = 480 bits = 60 bytes, which is sufficient for embedding copyright information. . However, if a small size image requires a sufficient amount of information, embedding it with R = 32, for example, in the case of 512 pixels x 512 pixels, N = 256 bits = 32 bytes of information can be embedded. be.
埋め込み画像はgain を大きくすることにより,耐性を高めることができる。しかしながら,gainを大きくするとドットパターンが見えるようになる。図5はgainを変えて埋め込んだ場合の画像とその一部拡大画像を示す。同図(a)はgain=0.0625で埋め込んだもので,埋め込み情報は視覚的にほとんどわからない。しかしながら、透かしの抽出はエラーが出やすい。一方、同図(c)はgain=0.25で埋め込んだもので,透かしの抽出はほぼ100%であるが,ドット構造が目につくようになる。実験の結果,gainが0.125~0.25であれば,グリーンノイズのドットパターンは、視覚特性によるローパス効果により目立たず、耐性もあり実用的であることが分かった。 Embedding images can be made more robust by increasing the gain. However, increasing the gain makes the dot pattern visible. FIG. 5 shows an image embedded with a different gain and its partially enlarged image. (a) of the same figure is embedded with gain=0.0625, and the embedded information is hardly visible. However, watermark extraction is error prone. On the other hand, (c) of the same figure is embedded with gain=0.25, and the watermark extraction is almost 100%, but the dot structure becomes noticeable. As a result of the experiment, it was found that if the gain is 0.125 to 0.25, the green noise dot pattern is inconspicuous due to the low-pass effect due to the visual characteristics, and it is durable and practical.
図6は透かし埋め込み処理フローを示す。埋め込むドットパターンは既にあるものとする。まず,埋め込むための透かし情報ビット列wm(i,j)と選択リストL(n)を用意する(20)。ここでiは埋め込む文字のi番目を,jはそのjビット目を表すが、あらかじめ1次元ビット列に変換しておく。続いて、画像データをR×Rのブロックに分割し(21),ブロック単位でドットパターンを合成していく。まず最初のブロックn=1から始める(22)。次にブロック番号nより選択リストL(n)から選択ドットパターン番号iを得て、埋め込みドットパターンpi,qiを決定する(23)。埋め込みは埋め込みビットが0か1かを判断し(24)、1の場合はqiを埋め込み(25)、0の場合はpiを埋め込む(26)。続いてブロックが終了したかどうかを判断して(27)、終了していなければブロック番号を1加算(28)して、(23)に戻る。全ブロックに埋め込みが終わった段階で終了する。 FIG. 6 shows a watermark embedding processing flow. It is assumed that the dot pattern to be embedded already exists. First, a watermark information bit string wm(i,j) for embedding and a selection list L(n) are prepared (20). Here, i represents the i-th bit of the character to be embedded, and j represents the j-th bit, which are converted in advance to a one-dimensional bit string. Subsequently, the image data is divided into R×R blocks (21), and dot patterns are synthesized for each block. We start with the first block n=1 (22). Next, the selected dot pattern number i is obtained from the selection list L(n) from the block number n, and the embedded dot patterns pi and qi are determined (23). For embedding, it is determined whether the embedding bit is 0 or 1 (24). If it is 1, qi is embedded (25), and if it is 0, pi is embedded (26). Subsequently, it is determined whether or not the block has ended (27), and if not, the block number is incremented by 1 (28), and the process returns to (23). The process ends when all blocks have been filled.
埋め込んだ透かし情報が,埋め込みのgainが小さいために抽出できない場合がある。原画像の該当するブロックの空間周波数が高いとそのようなことが生じる。図7はgainの自動調整を行うフローを示したもので,まず,gain=g として透かし情報wm(i,j)を画像の全ブロックに埋め込む(30)。全ブロックを埋め込んだら,次に透かし読み取りを行う(32)。ここでは,抽出した透かし情報wm’(i,j)と,埋め込む前の透かし情報 wm(i,j)を比較し一致するか否かを判定する。それと同時に,後述の抽出ビットの信頼度wmrel’(i,j)が,ある一定の閾値以上か判定する(33)。透かし情報が一致しない場合や,一致していても信頼度が閾値以下の場合は,gainに一定値Δgを足して(34),再び透かしの埋め込みを行う。信頼度の定量化が可能となったため,以上のようにして最適な透かし強度での埋め込みを自動で行うことができる。なお,透かし情報が一致しても信頼度が閾値以下の場合は,読めない場合があるため,余裕を持たせるためである。 The embedded watermark information may not be extracted because the embedded gain is small. Such happens when the spatial frequency of the corresponding block of the original image is high. FIG. 7 shows the flow of automatic gain adjustment. First, watermark information wm(i,j) is embedded in all blocks of the image with gain=g (30). After embedding all the blocks, the watermark is read (32). Here, the extracted watermark information wm'(i,j) and the watermark information wm(i,j) before embedding are compared to determine whether they match. At the same time, it is determined whether or not the reliability wmrel'(i,j) of extracted bits, which will be described later, is greater than or equal to a certain threshold (33). If the watermark information does not match, or if the reliability is below the threshold value even if the watermark information matches, a constant value Δg is added to the gain (34), and the watermark is embedded again. Since the reliability can be quantified, it is possible to automatically embed watermarks with the optimum watermark strength as described above. Even if the watermark information matches, if the reliability is less than the threshold, it may not be possible to read the watermark.
次に透かしの抽出について説明する。
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(2)をフーリエ変換して,
F{w(x,y)}=F{i(x,y)} + gain・F{pi(x,y) or qi (x,y)}(5)
となる。ただし,F{ }はフーリエ変換を表す。通常,F{i(x,y)}は原画像のスペクトルで,0周波数付近に局在し,F{pi(x,y) or qi(x,y)}は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、両者を分離することは容易である。
Next, watermark extraction will be described.
Extraction of watermark information is performed by correcting the size and inclination of the read image, and then obtaining a spectrum image for each block. By Fourier transforming equation (2),
F{w(x,y)}=F{i(x,y)} + gain・F{pi(x,y) or qi(x,y)} (5)
becomes. where F{ } represents the Fourier transform. Normally, F{i(x,y)} is the spectrum of the original image, localized near 0 frequency, and F{pi(x,y) or qi(x,y)} is the ring-shaped spectrum surrounding it. becomes. Therefore, there is little overlap between the two, and it is easy to separate the two.
図8に透かし抽出の処理フローを示す。まず入力画像をR×Rのブロックに分割し(41),最初のブロックにFFTを行う(42)。続いて得られたスペクトル画像にヒストグラムイコライゼーションを施す(43)。これはスペクトルパターンのコントラストを向上させると同時に,後述の信頼度の定量化での規格化を図るためである。続いて後述のマスク処理を行い(44),透かし情報wm’(i,j) および信頼度wmrel’(i,j)を得る。すべてのブロックが終了したか否かを判断し(46),終了しなければ次のブロックへ行き,再び同様の処理を行う。 FIG. 8 shows the processing flow of watermark extraction. First, the input image is divided into R×R blocks (41), and FFT is performed on the first block (42). The resulting spectral image is then subjected to histogram equalization (43). This is for improving the contrast of the spectral pattern and for standardization in the quantification of the degree of reliability, which will be described later. Subsequently, mask processing (44), which will be described later, is performed to obtain watermark information wm'(i,j) and reliability wmrel'(i,j). It is determined whether or not all blocks have been completed (46), and if not completed, the process goes to the next block and the same processing is performed again.
図9は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識別機としてのマスクパターンを示す。縦長および横長の楕円リング形状のマスクで、埋め込み用のドットパターンのスペクトル特性に対応したものである。図中黒の領域は値が1,白部分は値が0であるとする。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。すなわち,図10において,ブロックのスペクトルパターンW(x,y)に対して,以下の積分輝度値の出力Q0 ,Q1 を得る(40)。
Q0=(1/Z)ΣM0(x,y)・W(x,y)
Q1=(1/Z)ΣM1(x,y)・W(x,y)(6)
かかる出力から,
Q0>Q1 の時, 抽出ビット=wm’(x,y)=0
Q1>Q0 の時, 抽出ビット=wm’(x,y)=1
となる(41)。同時に,以下のように信頼度を得る(42)。
wmrel’(i,j)=|Q0-Q1|(7)
かかる信頼度はその値が大きいほど抽出ビットの信頼度が高い。
FIG. 9 shows a mask pattern as a discriminator for extracting watermark information by pattern recognition from the spectrum distribution after Fourier transform. It is a vertical and horizontal elliptical ring-shaped mask that corresponds to the spectral characteristics of the dot pattern for embedding. Assume that the black area in the figure has a value of 1, and the white area has a value of 0. This mask is superimposed on the watermarked spectrum, and whether the bit is 0 or 1 is determined from the difference in the integrated luminance value of the overlapped portion. That is, in FIG. 10, the following integrated luminance value outputs Q0 and Q1 are obtained for the block spectrum pattern W(x,y) (40).
Q0=(1/Z)ΣM0(x,y)・W(x,y)
Q1=(1/Z)ΣM1(x,y)・W(x,y)(6)
From such output,
When Q0>Q1, extraction bit = wm'(x,y)=0
When Q1>Q0, extraction bit = wm'(x,y)=1
becomes (41). At the same time, the reliability is obtained as follows (42).
wmrel'(i,j)=|Q0-Q1|(7)
The higher the reliability, the higher the reliability of the extracted bit.
図11に透かし情報の精度および信頼性の向上について説明する。画像のサイズにより式(4)から埋め込み最大ビット数Nが与えられる。今埋め込みたいビット数がnで n<N であるとすると,重複してビット列を埋め込むことができる。図8の透かし情報の抽出では,ビット数にかかわらず(文字列の繰り返しを考慮せずに)Nまでの連続した透かし情報wm’ と信頼度wmrel’ を得た。この連続した文字列から信頼度の高いものを選択してnまでの透かし情報を求めていく。 FIG. 11 explains how to improve the accuracy and reliability of watermark information. The size of the image gives the maximum number of embedding bits N from equation (4). Assuming that the number of bits to be embedded is n and n<N, duplicate bit strings can be embedded. In the extraction of watermark information in Fig. 8, continuous watermark information wm' and reliability wmrel' up to N were obtained regardless of the number of bits (without considering character string repetition). Watermark information up to n is obtained by selecting a highly reliable character string from this continuous character string.
まず,埋め込んだ文字列のs番目の文字番号(0<s≦N),tをビット番号(0≦t≦7)としたとき,文字数nを法としてその剰余kは,k=smod n で表され(50),(s,t)番目の信頼度wmrel’が wmrel’(s,t)>wmrel(k,t) の時,信頼度が高いため,
wm(k,t)=wm’(s,t)
wmrel(k,t)=wmrel’(s,t)(8)
として(52),透かし情報を置き換える。これを全ビット及び全ブロックで,sがNまで,すなわち埋め込みビット数Nが終了するまで行う。
First, when the s-th character number (0<s≤N) of the embedded character string and t is the bit number (0≤t≤7), the remainder k modulo the number of characters n is k = smod n (50), when the (s,t)-th reliability wmrel' is wmrel'(s,t)>wmrel(k,t), the reliability is high, so
wm(k,t)=wm'(s,t)
wmrel(k,t)=wmrel'(s,t) (8)
(52) to replace the watermark information. This is done for all bits and all blocks until s reaches N, that is, until the number of embedding bits N ends.
このように信頼度が低い埋め込みブロックに対して,再分割して抽出することにより,信頼度の高い抽出が可能となる。4分割されたブロックはすべて同じスペクトル特性を表すため一つでも高信頼度が抽出されれば,そのブロック全体をその信頼度に格上げされる。このようにして印刷画像に対して,高い信頼度の透かし抽出が可能となる。 By re-dividing and extracting embedded blocks with low reliability in this way, extraction with high reliability is possible. Since all of the blocks divided into four represent the same spectral characteristics, if even one high reliability is extracted, the entire block is upgraded to that reliability. In this way, highly reliable watermark extraction is possible for the printed image.
次に透かしの除去について説明する。
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。すなわち式(1‘)、(2’)より,
埋め込みビット=0の時: i(x,y)= w(x,y)-gain・pi(x,y) (9)
埋め込みビット=1の時: i(x,y)= w(x,y)-gain・qi(x,y) (10)
となり,埋め込みパターンpi (x,y),qi(x,y)およびgain, 埋め込み情報および選択リストを知ることにより現画像に戻すことができる。これらの情報は“秘密鍵”を受け取ることに行うことができる。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。
Next, watermark removal will be described.
By knowing the embedding pattern, the watermark information can be removed to obtain the original image. That is, from equations (1') and (2'),
When padding bit = 0: i(x,y)= w(x,y)-gain・pi(x,y) (9)
When padding bit = 1: i(x,y)= w(x,y)-gain qi(x,y) (10)
and knowing the embedding patterns pi(x,y), qi(x,y) and gain, the embedding information and the selection list, we can return to the current image. These pieces of information can be obtained by receiving a "private key". 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.
図12は図4のドットパターンを用いて256画素×256画素の画像に8文字“20181118”を埋め込んだものである。(a)は、gain=0.1875で埋め込んだ時の図を示し、(b)は抽出のためのスペクトルを求めたもので、埋め込んだ透かし情報が正確に抽出できた。(c)は、(a)の埋め込まれた画像から鍵により透かしを除去した画像で、原画像が再現された。 FIG. 12 is obtained by embedding 8 characters "20181118" in an image of 256 pixels×256 pixels using the dot pattern of FIG. (a) shows a diagram when embedded with gain=0.1875, and (b) shows a spectrum for extraction, and the embedded watermark information could be accurately extracted. (c) is an image obtained by removing the watermark from the embedded image of (a) using a key, and the original image is reproduced.
かかる秘密鍵に含まれるドットパターンは基本ドットパターンp0,q0のみでよく、反転ドットパターンはこの基本ドットパターンより生成できる。したがって、鍵のサイズは,R=64の場合はp0,q0 ともに4096ビット(512バイト),それに埋め込み情報、選択リストを加えたものが全容量となるが、埋め込み情報、選択リストは文字数に比例するが、概略、数十バイトから百バイト程度で,ドットパターンの容量がほぼ鍵の容量となる。 Only the basic dot patterns p0 and q0 may be included in the secret key, and the inverted dot pattern can be generated from these basic dot patterns. Therefore, when R = 64, the key size is 4096 bits (512 bytes) for both p0 and q0, plus the embedded information and selection list, which is proportional to the number of characters. However, in general, it is about several tens of bytes to hundreds of bytes, and the capacity of the dot pattern is almost the capacity of the key.
もし、q0の基本ドットパターンをp0の基本ドットパターンを90°回転したパターンで用いる場合は、鍵としては、基本ドットパターンp0,およびgain, 埋め込み情報および選択リストとなり、鍵の容量はさらに小さくなる。 If the basic dot pattern of q0 is a pattern obtained by rotating the basic dot pattern of p0 by 90°, the key will be the basic dot pattern p0, gain, embedded information and selection list, and the key capacity will be even smaller. .
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。gainを大きくすることにより,さらに耐性を高めることができる。 Next, the attack resistance of this method will be explained. Attacks on digital watermarking include signal enhancement (sharpness adjustment), noise addition, filtering (linear, nonlinear), lossy compression (JPEG, MPEG), and transformation (rotation, scaling). These attacks are attacks on luminance information, and embedding by a set of dispersed dots like our method can be maintained as long as there is no attack in the direction of resolution (for example, a strong low-pass filter), and is generally robust. I can say. Tolerance can be further enhanced by increasing gain.
次に,第三者が、不正に埋め込みパターンを検出し除去する可能性について説明する。埋め込みパターンの特定は、一般に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ことが想定される。基本ドットパターンのみであれば、これらが繰り返し使われるため何度も同じパターンが繰り返されるため、各ブロックから得られた部分パターンをつなぎ合わせることにより元のブロックサイズのドットパターンを推定することができる。 Next, the possibility that a third party fraudulently detects and removes the embedded pattern will be described. In order to specify the embedding pattern, it is generally assumed that the watermark pattern is specified from an original image in which no watermark is embedded or a plurality of embedded images. If only the basic dot pattern is used, the same pattern is repeated many times because these are used repeatedly. By connecting the partial patterns obtained from each block, the dot pattern of the original block size can be estimated. .
これを回避するためには基本ドットパターンを数多く持つことが考えられる。複数のドットパターンを使うことによりパターンの特定が困難となるからである。しかしながら、鍵の容量が増大し取り扱いが困難となる。したがって、基本ドットパターンから反転パターンを生成することにより、パターン数を増やすことができ、かつ、鍵サイズの増大を防ぐことができる。 In order to avoid this, it is conceivable to have many basic dot patterns. This is because using a plurality of dot patterns makes it difficult to identify the pattern. However, the capacity of the key increases and becomes difficult to handle. Therefore, by generating an inverted pattern from a basic dot pattern, the number of patterns can be increased and an increase in key size can be prevented.
鍵の紛失や盗難に対しては、画像ごとに異なる基本ドットパターンを用いることにより、同じ鍵で別の画像の透かしを除去することはできない。図13は同じスペクトル特性を持つ、異なるドットパターンを示す。これらは、グリーンノイズパターン生成時の、初期乱数のseed値を変えることによって得られる。スペクトル分布は同一であり,抽出ソフトウェアは共通であるが,ドットプロファイルは異なる.R=64の場合,異なるパターン数は,(_4096^)C_2048 個だけ可能であり,同じパターンとなる確率は極めて低いため,安全性は高い。
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パターン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。
本発明は以上のようにして、第三者からの攻撃を排除した、耐性の強い電子透かしを提供するものである。
For loss or theft of a key, by using different basic dot patterns for each image, the same key cannot remove the watermark of another image. FIG. 13 shows different dot patterns with the same spectral characteristics. These are obtained by changing the seed value of the initial random number when generating the green noise pattern. The spectral distribution is the same, the extraction software is common, but the dot profile is different. In the case of R=64, only (_4096^)C_2048 different patterns are possible, and the probability of having the same pattern is extremely low, so security is high.
The copyright holder provides each purchaser with a dot pattern obtained from different random numbers as a secret key. Since this key is different for each purchaser, it is not possible to remove the watermark from another purchaser's image.
As described above, the present invention provides a highly resistant digital watermark that eliminates attacks from third parties.
次に、基本ドットパターン数を増やし、より攻撃耐性の強い電子透かしを得る方法を示す。図14は基本ドットパターンとして、2つの基本ドットパターン(パターン1およびパターン2)を用いたものである。
下記に示すように、パターン1から7つの反転パターンを含めた8つのパターンp0~p7をえる。パターン2からも同様に8つのパターンp8~p15を得る。
p0, p8:基本ドットパターン
p1, p9:上下反転ドットパターン、
p2, p10:左右反転ドットパターン、
p3, p11:上下および左右反転ドットパターン、
p4, p12:p0, p8つのパターンのネガ・ポジ反転ドットパターン、
p5, p13:p1, p9のネガ・ポジ反転ドットパターン、
p6, p14:p2, p10のネガ・ポジ反転ドットパターン、
p7, p15:p3, p11のネガ・ポジ反転ドットパターン、
p0,p8を90°回転したスペクトルを持つq0,q8からも、同様に反転ドットパターンを生成する。
Next, a method of increasing the number of basic dot patterns and obtaining a digital watermark with higher attack resistance is shown. FIG. 14 uses two basic dot patterns (
As shown below, 8 patterns p0 to p7 including 7 inversion patterns from
p0, p8: basic dot pattern
p1, p9: upside down dot pattern,
p2, p10: left-right reversed dot pattern,
p3, p11: vertical and horizontal reversed dot pattern,
p4, p12: p0, p8 patterns of negative/positive inverted dot patterns,
p5, p13: p1, p9 negative/positive reversed dot pattern,
p6, p14: p2, p10 negative/positive reversed dot pattern,
p7, p15: p3, p11 negative/positive reversed dot pattern,
A reverse dot pattern is similarly generated from q0 and q8, which have spectra obtained by rotating p0 and p8 by 90°.
すべてのパターンを使用する場合、選択リストLはp0~p15、q0~q15の各々16個のパター―からどれを用いるかを選択するするため、乱数発生器により0から15までの数字を全ブロック数分だけ発生させる。例えば以下の選択リストL を得る。
L={4,10,5,12,9,7,14,15,6,11,6,4,2,7,6,8,13,1,6,0,3,12,7,…}(3)
かかる選択リストを用いて、ブロック順に使用されるドットパターンの番号iが決定される。すなわちブロック番号をnとすると、
i=L(n)
となり、pi,qiが決定する。例えば、i=4であればp4,q4、i=10であればp10,q10というように決定する。このpi,qiを用いて、埋め込みはブロックごとに、
埋め込みビット=0の時: w(x,y)=i(x,y)+gain・pi(x,y) (1’)
埋め込みビット=1の時: w(x,y)=i(x,y)+gain・qi(x,y) (2’)
となる。
When using all patterns, the selection list L selects which of the 16 patterns p0 to p15 and q0 to q15 to use. Let it occur for a few minutes. For example, we obtain the following selection list L.
L={4,10,5,12,9,7,14,15,6,11,6,4,2,7,6,8,13,1,6,0,3,12,7,… } (3)
Using such a selection list, the number i of the dot pattern to be used in block order is determined. That is, if the block number is n,
i=L(n)
and pi and qi are determined. For example, if i=4, p4,q4, if i=10, p10,q10. Using this pi,qi, the embedding is done for each block as
When padding bit = 0: w(x,y)=i(x,y)+gain・pi(x,y) (1')
When padding bit=1: w(x,y)=i(x,y)+gain・qi(x,y) (2')
becomes.
以上は、基本ドットパターンp0,q0が2個ずつの場合を説明したが、これをさらに多くして、それぞれがk個のパターンで構成されたとする。反転パターンは各基本ドットパターンにつき最大7個生成されるため、基本ドットパターンと反転ドットパターン合計で最大8×k個あり、それら全部あるいは一部を用いて埋め込み用のドットパターンとする。
選択リストは、それらのドットパターンの選択順を示したものである。
Although the case where there are two basic dot patterns p0 and q0 has been described above, it is assumed that the number of basic dot patterns p0 and q0 is further increased to include k patterns, respectively. Since a maximum of seven reversed patterns are generated for each basic dot pattern, the total number of basic dot patterns and reversed dot patterns is a maximum of 8×k, and all or part of them are used as dot patterns for embedding.
The selection list indicates the selection order of those dot patterns.
透かしの抽出は実施例1の場合と同様に、まず透かしの埋め込まれた画像をR×Rのブロックに分割しブロックごとにFFTを行い、マスク処理を行って、透かし情報及び信頼度を求める。ドットパターン数を増やして埋め込んでも、抽出ソフトウェアは変更不要である。 As in the first embodiment, the watermark is extracted by first dividing the watermarked image into R×R blocks, performing FFT on each block, performing masking, and obtaining watermark information and reliability. Even if the number of dot patterns is increased and embedded, the extraction software does not need to be changed.
ドットパターン数の増大は、第三者からの攻撃を回避するのに有効である。しかしながら、鍵のサイズが増大し取り扱いが難しくなる。本発明は、鍵の容量を下げるため、基本ドットパターンから反転パターンを生成し、基本ドットパタン情報のみ鍵情報とする。このためコンパクトな鍵のため、配信や保管などの取り扱いが容易になる。 Increasing the number of dot patterns is effective in avoiding attacks from third parties. However, the size of the key increases and becomes difficult to handle. In the present invention, in order to reduce the capacity of the key, a reverse pattern is generated from the basic dot pattern, and only the basic dot pattern information is used as the key information. For this reason, the keys are compact and easy to handle, such as distribution and storage.
さらに、90°回転したスペクトル形状を持つ基本ドットパターンq0をp0のドットパターンから生成することにより、鍵サイズはさらに小さくなる。ただし、基本ドットパターン数を少なくすることは攻撃されやすくなるため、耐性のレベルに応じて最適な手法を選ぶことが必要である。 Furthermore, by generating a basic dot pattern q0 with a spectral shape rotated by 90° from the dot pattern of p0, the key size is further reduced. However, since reducing the number of basic dot patterns makes it easier to be attacked, it is necessary to select the optimum technique according to the level of resistance.
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、画像の編集や加工および第三者からの攻撃に対して強い耐性がある。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, but since this method embeds a dot pattern that exhibits green noise characteristics, it is possible to embed strongly with little visual discomfort. Highly resistant to attacks from humans. In addition, since it is possible to restore the original image by key information, it is effective not only for copyright protection but also for various applications by linking printed images and electronic data.
また、本透かしの埋め込みは,ブロック単位で実空間にて埋め込むため、大きなサイズの画像など画像サイズに制限がなく、ディザ法並みに高速に処理可能である。このため動画像のリアルタイム埋め込みも可能で、監視カメラやドライブレコーダなどへの展開も期待できる。 In addition, since the watermark is embedded in the real space in units of blocks, there is no restriction on the size of the image such as a large image, and processing can be performed at a high speed equivalent to that of the dither method. Therefore, it is possible to embed moving images in real time, and it is expected to be applied to surveillance cameras and drive recorders.
本透かし埋め込み及び抽出手法は、アルゴリズムを公開しても問題ない。機密性はすべてドットパターンに集約され、これは秘密鍵として納められる。仮に、鍵の紛失や盗難にあっても、画像ごとに異なるドットパターンを用いれば、鍵は原則、1枚の画像に対して1つであるため、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。このため、安全性は極めて高く、アルゴリズムの公開、標準化、抽出ソフトウェアの公開などは問題とならない。 The present watermark embedding and extraction method is algorithm-friendly. All confidentiality is encapsulated in the dot pattern, which is stored as the private key. Even if the key is lost or stolen, if a different dot pattern is used for each image, since there is, in principle, one key for one image, another image can be watermarked using that key. cannot be removed. For this reason, security is extremely high, and there are no problems with disclosure of algorithms, standardization, and disclosure of extraction software.
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 image data distribution, 14 purchase request notification, 15 secret key delivery, 16 copyright holder's computer, and 17 purchaser's computer.
Claims (6)
透かし情報の抽出は、透かしの埋め込まれた画像データをブロックに分割し、ブロックのフーリエスペクトルパターンの形状から,埋め込みビット情報を抽出することを特徴とする電子透かし方法。 In the digital watermarking method for embedding watermark information in digital image data, the image data is divided into blocks, and in each block, two basic dot patterns p0 and q0 exhibiting green noise characteristics and exhibiting different spectral shapes, and their inverse patterns are used. bit information (0 or 1) of the watermark to be embedded and an embedding pattern are selected from the selection list, and the pattern is multiplied by gain and superimposed on the image data to generate a watermark-embedded image;
An electronic watermarking method characterized by extracting watermark information by dividing watermarked image data into blocks and extracting embedded bit information from the shape of the Fourier spectrum pattern of the block.
p1,q1:上下反転ドットパターン、
p2,q2:左右反転ドットパターン、
p3,q3:上下および左右反転ドットパターン、
p4,q4:p0,q0のネガ・ポジ反転ドットパターン、
p5,q5:p1,q1のネガ・ポジ反転ドットパターン、
p6,q6:p2,q2のネガ・ポジ反転ドットパターン、
p7,q7:p3,q3のネガ・ポジ反転ドットパターン、
となる各々7個の反転パターンを含めた8個のドットパターンpi, qi (i=0,1,…,7)のすべて、あるいはその一部であり、
前記選択リストは、pi, qiドットパターンの選択順を示したものであることを特徴とする請求項1に記載の電子透かし方法。 The reverse pattern is generated from the two basic dot patterns p0 and q0,
p1,q1: upside down dot pattern,
p2,q2: left-right reversed dot pattern,
p3,q3: vertical and horizontal reversed dot pattern,
p4,q4: p0,q0 negative/positive inverted dot pattern,
p5,q5: p1,q1 negative/positive inverted dot pattern,
p6,q6: p2,q2 negative/positive inverted dot pattern,
p7,q7: p3,q3 negative/positive inverted dot pattern,
All or part of 8 dot patterns pi, qi (i = 0, 1, ..., 7) including 7 inversion patterns each,
2. The digital watermarking method according to claim 1, wherein said selection list indicates the selection order of pi, qi dot patterns.
選択リストは、それらのドットパターンの選択順を示したものであることを特徴とする請求項1に記載の電子透かし方法。 The basic dot patterns p0 and q0 are each composed of k patterns having the same spectral shape but different dot patterns, and all or part of a total of 8×k dot patterns including the inverted dot pattern. is the dot pattern for embedding, and
2. The digital watermarking method according to claim 1, wherein the selection list indicates the selection order of those dot patterns.
The digital watermark is characterized in that the basic dot pattern qi is generated from the basic dot pattern pi, and the key is composed of i basic dot patterns pi, gain, embedded information, and a selection list. The digital watermarking method according to claim 4.
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