(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数分解が可能な情報であって、画像情報を埋め込む対象となる処理対象情報に対して複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行う変換処理手段と、  前記変換処理手段が生成した変換対象成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化を行う平滑化手段と、  前記変換処理手段の周波数変換により生成され、前記平滑化手段により平滑化された複数の前記変換対象成分のうちの一又は複数の任意の前記変換対象成分に前記画像情報を埋め込む画像埋込手段と、  前記変換処理手段が行う周波数変換の逆変換を行って、前記処理対象情報に前記画像情報が埋め込まれた画像埋込情報を生成する埋込情報生成手段とを備え、  前記変換処理手段が、前記複数の変換対象成分を生成する過程の演算において、一部又は全部の演算を区間演算で行うことを特徴とする情報処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の情報処理装置において、
前記画像情報が２値の画像情報であることを特徴とする情報処理装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の情報処理装置を用いて生成された前記画像埋込情報から、埋め込まれている前記画像情報を抽出する情報抽出装置であって、
前記画像埋込手段が前記画像情報を埋め込む対象とした前記一又は複数の変換対象成分を特定する成分特定情報を記憶する成分特定情報記憶手段と、
前記画像埋込情報に対して複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行う抽出用変換処理手段と、
前記抽出用変換処理手段により生成された複数の抽出用変換対象成分のうち、前記成分特定情報記憶手段に記憶された前記成分特定情報から特定される、前記画像情報が埋め込まれた前記抽出用変換対象成分を選択する抽出用成分選択手段と、
選択された前記抽出用変換対象成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化して抽出用平滑化変換対象成分を生成する抽出用平滑化手段と、
選択された前記抽出用変換対象成分と平滑化された前記抽出用平滑化変換対象成分との差分に基づいて、埋め込まれた前記画像情報を抽出する画像抽出手段とを備えることを特徴とする情報抽出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の情報抽出装置において、
前記画像情報が２値の画像情報であり、
前記画像抽出手段が、前記抽出用変換対象成分と前記抽出用平滑化変換対象成分との差分の符号及び予め設定された閾値に応じて、前記画像情報を抽出することを特徴とする情報抽出装置。
【請求項５】
周波数分解が可能な情報であって、画像情報を埋め込む対象となる処理対象情報に対して複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行う変換処理手段と、
前記変換処理手段の周波数変換により生成された変換対象成分のうちの一又は複数の任意の前記変換対象成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化を行う平滑化手段と、
平滑化された前記変換対象成分に前記画像情報を埋め込む画像埋込手段と、
前記変換処理手段が行う周波数変換の逆変換を行って、前記処理対象情報に前記画像情報が埋め込まれた画像埋込情報を生成する埋込情報生成手段とを備えることを特徴とする情報処理装置。
【請求項６】
コンピュータが、
周波数分解が可能な情報であって、画像情報を埋め込む対象となる処理対象情報に対して複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行う変換処理ステップと、
前記変換処理ステップで生成された変換対象成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化を行う平滑化ステップと、
前記変換処理ステップでの周波数変換により生成され、前記平滑化ステップにより平滑化された複数の前記変換対象成分のうちの一又は複数の任意の前記変換対象成分に前記画像情報を埋め込む画像埋込ステップと、
前記変換処理ステップが行う周波数変換の逆変換を行って、前記処理対象情報に前記画像情報が埋め込まれた画像埋込情報を生成する埋込情報生成ステップとを実行し、
前記変換処理ステップが、前記複数の変換対象成分を生成する過程の演算において、一部又は全部の演算を区間演算で行うことを特徴とする情報処理方法。
【請求項７】
周波数分解が可能な情報であって、画像情報を埋め込む対象となる処理対象情報に対して複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行う変換処理手段、
前記変換処理手段が生成した変換対象成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化を行う平滑化手段、
前記変換処理手段の周波数変換により生成され、前記平滑化手段により平滑化された複数の前記変換対象成分のうちの一又は複数の任意の前記変換対象成分に前記画像情報を埋め込む画像埋込手段、
前記変換処理手段が行う周波数変換の逆変換を行って、前記処理対象情報に前記画像情報が埋め込まれた画像埋込情報を生成する埋込情報生成手段としてコンピュータを機能させ、
前記変換処理手段が、前記複数の変換対象成分を生成する過程の演算において、一部又は全部の演算を区間演算で行うことを特徴とする情報処理プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル情報に透かし画像を埋め込む情報処理装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタル情報に対する透かしの埋め込み技術で多くの手法が提案されている。透かし技術は、透かしを検出する際に、オリジナルのデジタル情報を参照するかしないか（Ｂｌｉｎｄ／Ｎｏｎ−Ｂｌｉｎｄ）に大きく大別することができる。Ｎｏｎ−Ｂｌｉｎｄは、検出時にオリジナルのデジタル情報が必要であり、Ｂｌｉｎｄは、検出時にオリジナルのデジタル情報が不要である。実際には、検出時にオリジナルのデジタル画像が利用できない場合があるので、Ｎｏｎ−Ｂｌｉｎｄに比べて、Ｂｌｉｎｄの方が便利である。
【０００３】
透かし技術の大部分は、空間領域又は変換領域のいずれかのアルゴリズムに分類することができる。空間領域の手法は、一般的な画像処理操作で透かしを除去することができるように、画素値を直接変更することで透かしを埋め込む。対照的に、変換領域は信号処理の攻撃に対してよりロバストである。透かし技術でよく使われる変換は、離散コサイン変換（ＤＣＴ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｃｏｓｉｎｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）や離散ウェーブレット変換（ＤＷＴ：Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｗａｖｅｌｅｔ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）のような周波数領域に基づく変換である。
【０００４】
これまで、画像圧縮技術は、ＤＣＴベースのＪＰＥＧからＤＷＴベースのＪＰＥＧ２０００に代わりつつある。それにともない、多くのＤＷＴベースの透かし手法が提案されてきた。それらのほとんどは、非特許文献１に示すような、ダウンサンプリング型のウェーブレット変換を用いている。しかしながら、これらの提案の欠点は、シフト不変性に欠けることである。このような背景から、近年、２重ツリーの複素離散ウェーブレット変換（ＤＴ−ＣＤＷＴ：Ｄｕａｌ−Ｔｒｅｅ  Ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｗａｖｅｌｅｔ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）をベースにした手法が提案されている（例えば、非特許文献２−４を参照）。ＤＴ−ＣＤＷＴはシフト不変であり、信号がm次元のとき２ｍの冗長度を有する。
【０００５】
非特許文献２に示す技術は、６つの高周波成分や低周波成分に透かしを埋め込むＢｌｉｎｄ型の手法である。非特許文献３に示す技術は、低周波成分に透かしを埋め込むＮｏｎ−Ｂｌｉｎｄ型の手法である。非特許文献４に示す技術は、オリジナル画像から抽出されたサブイメージがＤＴ−ＣＤＷＴを使って変換され、透かしは擬似乱数行列を用いてそれぞれの低周波成分に埋め込まれる。
【０００６】
また、透かしに関する技術として特許文献１に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、対象データに対して区間演算により時間周波数変換を行うことで、当該対象データが有する冗長部を拡張し、その拡張された冗長部に透かしを埋め込むことでＨＶＳ（Ｈｕｍａｎ  Ｖｉｓｕａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）等を意識しなくても任意の成分（高周波成分を含む全ての成分）に透かしを埋めることができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１７２８７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Daubechies, I.: Ten Lectures on Wavelets. SIAM(1992)
【非特許文献２】Baolong, G., Leida, L., Jeng-Shyang, P., Liu, Y., and Xiaoyue, W. "Robust Image Watermarking Using Mean Quantization in DTCWT Domain" Eighth International Conference on Intelligent System Design and Applications, 19-22(2008)
【非特許文献３】Lee, J.J., Kim, W., Lee, N.Y., and Kim G.Y "A new incremental watermarking based on dual-tree complex wavelet transform" The Journal of Supercomputing, Vol.33, 133-140(2005)
【非特許文献４】Mabtoul, S., Ibn-Elhaj, E., and Aboutajdine, D. "A Blind Chaos-Based Complex Wavelet-Domain Image Watermarking Technique" IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, Vol.6, No.3, March, 134-139(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献２に示す技術は、５０％のＪＰＥＧ圧縮に耐性があるが、回転に対してロバストではない。非特許文献３に示す技術は、透かし画像の品質と使用されるパラメータの決定方法に言及されていないが、埋め込み画像の品質が相対的に低いものである。非特許文献４に示す技術は、Ｂｌｉｎｄ型の手法で、いくらかの攻撃に対して耐性を有しているが、回転に対する耐性を有するためには、透かしの再構築において直交軸と同期を取る必要がある。
【００１０】
特許文献１に示す技術は、区間演算により対象データの冗長部を拡張することで、透かしを任意の位置に埋め込むことができ、ＨＶＳ等を意識しなくても秘匿性が高く、高画質な埋め込み画像を生成することができるが、通常のウェーブレット変換では埋め込む成分が４つしかなく、秘匿性が十分でないと共に、回転に対する耐性が考慮されていない。また、検出時にはオリジナルのデジタル情報が必要となる。
【００１１】
本発明は、ＤＴ−ＣＤＷＴに基づく新しいＢｌｉｎｄ型の透かし技術である。本発明においては、前記非特許文献２−４に記載のＤＴ−ＣＤＷＴとは異なるＤＴ−ＣＤＷＴを用いる。このＤＴ−ＣＤＷＴは、変換に冗長性を挿入することで再構築を可能とし、完全なシフト不変性を実現する。また、ＤＴ−ＣＤＷＴの演算に区間演算を用いる。ＤＴ−ＣＤＷＴと区間演算は、低周波成分を含んだ高周波成分を生み出すことができ、オリジナルの情報の冗長性を拡張させる。
【００１２】
本発明は、透かし画像が埋め込まれた埋込情報であって、秘匿性を高めつつ高画質で様々な攻撃に対して耐性を有し、抽出時にはオリジナルの情報を必要としない埋込情報を生成する情報処理装置等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る情報処理装置は、周波数分解が可能な情報であって、画像情報を埋め込む対象となる処理対象情報に対して複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行う変換処理手段と、前記変換処理手段の周波数変換により生成された複数の変換対象成分のうちの一又は複数の任意の前記変換対象成分に前記画像情報を埋め込む画像埋込手段と、前記変換処理手段が行う周波数変換の逆変換を行って、前記処理対象情報に前記画像情報が埋め込まれた画像埋込情報を生成する埋込情報生成手段とを備え、前記変換処理手段が、前記複数の変換対象成分を生成する過程の演算において、一部又は全部の演算を区間演算で行うものである。
【００１４】
このように、本発明に係る情報処理装置においては、処理対象情報に対して区間演算を用いた複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行い、変換された複数の成分のうち任意の一又は複数の成分に画像情報を埋め込むため、区間演算により各成分の冗長性が拡張され、すなわち変換後の全ての成分に低周波成分が含まれるこことなり、ＨＶＳ等を考慮した複雑な処理による埋め込み処理を行うことなく、任意の成分に画像情報を埋め込むことが可能になるという効果を奏する。また、複素離散ウェーブレット変換により処理対象情報が１６に分割され、その中の一又は複数の成分に任意に画像情報を埋め込むことができるため、様々な攻撃に対する耐性と情報の秘匿性を従来に比べて格段に高めることができるという効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る情報処理装置は、前記変換処理手段が生成した前記変換対象成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化を行う平滑化手段を備え、前記埋込情報生成手段が、平滑化された前記変換対象成分に前記画像情報を埋め込むものである。
【００１６】
このように、本発明に係る情報処理装置においては、シフト不変性を有する複素離散ウェーブレット変換による周波数変換された成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化を行うため、回転に対する耐性を有することができるという効果を奏する。
【００１７】
本発明に係る情報処理装置は、前記画像情報が２値の画像情報であるものである。
このように、本発明に係る情報処理装置においては、画像情報が２値の画像情報であるため、画像を抽出する際に符号のみを意識すればよく、処理を単純化することができるという効果を奏する。
【００１８】
本発明に係る情報抽出装置は、前記情報処理装置を用いて生成された前記画像埋込情報から、埋め込まれている前記画像情報を抽出する情報抽出装置であって、前記画像埋込手段が前記画像情報を埋め込む対象とした前記一又は複数の変換対象成分を特定する成分特定情報を記憶する成分特定情報記憶手段と、前記画像埋込情報に対して複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行う抽出用変換処理手段と、前記抽出用変換処理手段により生成された複数の抽出用変換対象成分のうち、前記抽出用成分特定情報記憶手段に記憶された前記成分特定情報から特定される、前記画像情報が埋め込まれた前記抽出用変換対象成分を選択する抽出用成分選択手段と、選択された前記抽出用変換対象成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化して抽出用平滑化変換対象成分を生成する抽出用平滑化手段と、選択された前記抽出用変換対象成分と平滑化された前記抽出用平滑化変換対象成分との差分に基づいて、埋め込まれた前記画像情報を抽出する画像抽出手段とを備えるものである。
【００１９】
このように、本発明に係る情報抽出装置においては、画像情報が埋め込まれた画像埋込情報に対して離散ウェーブレット変換を行って複数の成分に変換し、画像情報が埋め込まれている成分を選択して所定のブロック領域単位で平滑化し、それぞれの差分を取って埋め込まれている画像を抽出するため、画像情報を抽出する際にオリジナルの処理対象情報が不要となり、作業を効率化することができるという効果を奏する。
【００２０】
本発明に係る情報抽出装置は、前記画像情報が２値の画像情報であり、前記画像抽出手段が、前記抽出用変換対象成分と前記抽出用平滑化変換対象成分との差分の符号及び予め設定された閾値に応じて、前記画像情報を抽出するものである。
【００２１】
このように、本発明に係る情報抽出装置においては、画像情報が２値の画像情報であり、抽出用変換対象成分と前記抽出用平滑化変換対象成分との差分の符号及び予め設定された閾値に応じて画像情報を抽出するため、画像情報を抽出する処理を簡略化することができるという効果を奏する。
【００２２】
本発明に係る情報処理装置は、周波数分解が可能な情報であって、画像情報を埋め込む対象となる処理対象情報に対して複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行う変換処理手段と、前記変換処理手段の周波数変換により生成された変換対象成分のうちの一又は複数の任意の前記変換対象成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化を行う平滑化手段と、平滑化された前記変換対象成分に前記画像情報を埋め込む画像埋込手段と、前記変換処理手段が行う周波数変換の逆変換を行って、前記処理対象情報に前記画像情報が埋め込まれた画像埋込情報を生成する埋込情報生成手段とを備えるものである。
【００２３】
このように、本発明に係る情報処理装置においては、処理対象情報に対して複素離散ウェーブレット変換による周波数変換を行い、変換された複数の成分のうち任意の一又は複数の成分に所定のブロック領域単位で平滑化を行って画像情報を埋め込むため、回転に対する耐性を有することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】電子透かし技術の概要を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る情報処理装置のハードウェア構成図である。
【図３】第１の実施形態に係る情報処理装置の機能ブロック図である。
【図４】第１の実施形態に係る情報処理装置の複素離散ウェーブレット変換の処理を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態に係る情報処理装置における平滑化処理を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る情報処理装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】第１の実施形態に係る情報処理装置の処理を示す図である。
【図８】第２の実施形態に係る情報抽出装置の機能ブロック図である。
【図９】第２の実施形態に係る情報抽出装置の動作を示すフローチャートである。
【図１０】第２の実施形態に係る情報抽出装置の処理を示す図である。
【図１１】実験に使用した処理対象画像及び透かし画像を示す図である。
【図１２】実験において攻撃されていない場合の埋込画像と透かし画像を示す図である。
【図１３】マーキング攻撃を行った場合の実験結果を示す図である。
【図１４】クリッピング攻撃を行った場合の実験結果を示す図である。
【図１５】メディアンフィルタを用いて攻撃を行った場合の実験結果を示す図である。
【図１６】ガウシアンホワイトノイズを用いて攻撃を行った場合の実験結果を示す図である。
【図１７】ゴマ塩ノイズ用いて攻撃を行った場合の実験結果を示す図である。
【図１８】ＪＰＥＧ圧縮、ＪＰＥＧ２０００圧縮で攻撃を行った場合の実験結果を示す図である。
【図１９】回転攻撃を行った場合の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００２６】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る情報処理装置について、図１ないし図７を用いて説明する。図１は、電子透かし技術の概要を示す図、図２は、本実施形態に係る情報処理装置のハードウェア構成図、図３は、本実施形態に係る情報処理装置の機能ブロック図、図４は、本実施形態に係る情報処理装置の複素離散ウェーブレット変換の処理を示す模式図、図５は、本実施形態に係る情報処理装置における平滑化処理を示す図、図６は、本実施形態に係る情報処理装置の動作を示すフローチャート、図７は、本実施形態に係る情報処理装置の処理を示す図である。
【００２７】
電子透かしは、図１に示すように、オリジナルの情報に透かし情報を埋め込んでおき、透かし情報の有無や状態により不正利用や改竄等を検出して、オリジナルの情報の著作権を主張するための技術であり、現在多くの手法が研究・開発されている。電子透かし技術に重要な要素として、画質、埋込データ量及び透かしの強さ（耐性）が要求されるが、その全てを同時に満たすのは難しい。
【００２８】
本実施形態に係る情報処理装置は、上記特許文献１に示す区間演算を用いて画像や音声情報の冗長な部分を拡張し、その拡張された冗長部に透かし情報を埋め込む。その際にシフト不変なウェーブレット変換（参考文献１：Toda, H., and Zhang, Z. "Perfect translation invarience with a wide range of shapes of Hilbert transform pairs of wavelet bases" International Journal of Wavelets, Multiresolution and Information Processing, Vol.8, No.4, 501-520(2010)）を用いる。また、変換後の成分に対して平滑化を行って透かし画像を埋め込むものである。以下、本実施形態に係る情報処理装置について詳細を説明するが、ここでは、オリジナルの画像情報（処理対象画像とする）に２値の透かし画像を埋め込み、処理対象画像に透かし画像が埋め込まれた埋込画像を生成する情報処理装置について説明する。
【００２９】
図２に、情報処理装置１のハードウェアの構成を示す。情報処理装置１は、ＣＰＵ１１、ＲＡＭ１２、ＲＯＭ１３、ハードディスク（ＨＤとする）１４、通信Ｉ／Ｆ１５、及び入出力Ｉ／Ｆ１６を備える。ＲＯＭ１３やＨＤ１４には、オペレーティングシステムや各種プログラム（例えば、情報処理プログラム、情報抽出プログラム等）が格納されており、必要に応じてＲＡＭ１２に読み出され、ＣＰＵ１１により各プログラムが実行される。通信Ｉ／Ｆ１５は、他の装置（例えば、サーバ、上位装置等）と通信を行うためのインタフェースである。入出力Ｉ／Ｆ１６は、キーボードやマウス等の入力機器からの入力を受け付けたり、プリンタやディスプレイ等にデータを出力するためのインタフェースである。この入出力Ｉ／Ｆ１６としてＵＳＢやＲＳ２３２Ｃ等が用いられる。また、必要に応じて、光磁気ディスク、フロッピーディスク、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ−Ｒ等のリムーバブルディスクに対応したドライブを接続することができる。
【００３０】
図３に、情報処理装置１の機能ブロック図を示す。情報処理装置１は、処理対象画像３０ａに対して、区間演算による２重ツリー複素離散ウェーブレット変換（ＤＴ−ＣＤＷＴ）を用いて１６の成分情報３０ｂに変換する変換処理部３１と、変換された成分情報３０ｂのうち、任意の一又は複数の成分情報３０ｂ（透かし画像を埋め込む対象となる成分情報３０ｂ）に、所定のブロック単位で平滑化を行う平滑化処理部３２と、平滑化した成分に対して透かし画像３０ｃを埋め込むと共に、埋め込みの対象となった成分の情報を成分特定情報記憶部３４に書き込む画像埋込部３３と、全ての成分情報３０ｂに対して、変換処理部３１が行った変換の逆変換を行って埋込画像３０ｄを生成する埋込情報生成部３５とを備える。以下に、各処理部の処理について説明する。
【００３１】
変換処理部３１が行うＤＴ−ＣＤＷＴ及び区間演算（ＩＡ：Ｉｎｔｅｒｖａｌ  ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ）について説明する。参考文献１によれば、任意のデジタル信号｛ｆｌ｝の実スケーリング関数φＲ（ｔ−ｋ）、複素スケーリング関数φＩ（ｔ−ｋ）、ｋ∈Ｚによる補間は次のように表せる。
【００３２】
【数１】
0005935972.tif 000002
【００３３】
関数ｆ（ｔ）はデジタル信号｛ｆｌ｝を補間する。つまり、ｆｎ＝ｆ（ｎ），ｎ∈Ｚが成立する。ただし、φ（ｔ）￣は、φ（ｔ）の複素共役を表し、Ｚは整数の集合である。このとき、ＤＴ−ＣＤＷＴは、次の分解アルゴリズムによって計算される。
【００３４】
【数２】
0005935972.tif 000003
【００３５】
ここで、｛ａＲｎ，ｂＲｎ｝は実分解数列で、｛ａＩｎ，ｂＩｎ｝は複素分解数列である。また、｛ａＲｎ，ａＩｎ｝はローパスフィルタで、｛ｂＲｎ，ｂＩｎ｝はハイパスフィルタである。
逆ＤＴ−ＣＤＷＴは、次の再構成アルゴリズムによって計算される。
【００３６】
【数３】
0005935972.tif 000004
【００３７】
ここで、｛ｇＲｎ，ｈＲｎ｝は実再構成数列で、｛ｇＩｎ，ｈＩｎ｝は複素再構成数列である。（３）と（１）とを用いれば、分解数列から原信号｛ｆｎ｝を求めることができる。
【００３８】
次に、区間演算について説明する。Ｒを実数の集合とするとき、区間とはＡ＝［ａ１，ａ２］＝｛ｔ｜ａ１≦ｔ≦ａ２，ａ１，ａ２∈Ｒ｝の形をした集合である。区間Ａの下限と上限をそれぞれｉｎｆ（Ａ）＝ａ１，ｓｕｐ（Ａ）＝ａ２と表し、区間Ａの幅をｗ（Ａ）＝ａ２−ａ１と定義する。２つの区間Ａ＝［ａ１，ａ２］とＢ＝［ｂ１，ｂ２］の四則演算は、
【００３９】
【数４】
0005935972.tif 000005
【００４０】
と定義する。区間ベクトルや区間行列については、成分ごとに計算するものとする。四則演算の定義（４）より、一般的には計算量が増えれば増えるほど区間の幅が大きくなり、これを区間拡張と呼ぶ。
【００４１】
次に、ＩＡを利用したＤＴ−ＣＤＷＴについて説明する。ＩＡを利用したＤＴ−ＣＤＷＴを次式で定義する。
【００４２】
【数５】
0005935972.tif 000006
【００４３】
ここで、Ｉ（Δｋ）＝［１−Δｋ，１＋Δｋ］，Δｋは正の実数である。全ての演算をＩＡで行うと、ｃＲｊ−１，ｎ⊂Ｉ（ｃＲｊ−１，ｎ），ｄＲｊ−１，ｎ⊂Ｉ（ｄＲｊ−１，ｎ），ｃＩｊ−１，ｎ⊂Ｉ（ｃＩｊ−１，ｎ），ｄＩｊ−１，ｎ⊂Ｉ（ｄＩｊ−１，ｎ）が成立する。つまり、ＩＡに基づいたＤＴ−ＣＤＷＴによる成分は、通常のＤＴ−ＣＤＷＴによる成分を含む。この意味で、ＩＡに基づいたＤＴ−ＣＤＷＴは、原信号から冗長成分を作り出している。実際の計算では、分解（５）を計算するときに、上記参考文献１に示された分解数列を使い、実装するときには区間演算ソフトを利用するようにしてもよい。
【００４４】
画像の場合は、（２）又は（５）を水平方向と垂直方向に適用する。画像に対してＤＴ−ＣＤＷＴを実行した場合の図を図４に示す。図４に示すように、処理対象画像Ｃ０に対して垂直方向の補間を行いＣＲ成分とＣＩ成分とする。それぞれの成分を垂直方向に高周波成分（ＣＲＨ，ＣＩＨ）と低周波成分（ＣＲＬ，ＣＩＬ）に分解する。各成分に対して水平方向の補間を行い（ＣＲＨＲ，ＣＲＨＩ，ＣＩＨＲ，ＣＩＨＬ）成分と（ＣＲＬＲ，ＣＲＬＩ，ＣＩＬＲ，ＣＩＬＩ）成分とする。各成分を水平方向に高周波成分と低周波成分に分解することで、図４に示すような１６成分（ＣＲＲ−１，ＤＲＲ−１，・・・，ＦＩＩ−１）に分解される。上記演算に区間演算を用いることで冗長部が拡張され、分解された全ての成分に低周波成分が含まれることとなり、全ての成分を対象として透かし画像を埋め込むことが可能となる。すなわち、全ての成分に対して、透かし画像を埋め込む領域（低周波領域）が存在するように演算することができ、ＨＶＳ等を考慮した複雑な処理を行う必要がなく、任意の一又は複数の成分を選択して透かし画像を埋め込むことが可能となる。
【００４５】
なお、この変換処理は、全ての演算を区間演算で行ってもよいし、一部の演算のみを区間演算で行うようにしてもよい。一部の演算のみを区間演算にすることで、その演算パターン自体を秘匿情報として利用することが可能である。その場合、一部の演算を区間演算とし、それにより分解された区間成分のうちの一部のみに、透かし画像を埋め込むようにしてもよい。
【００４６】
平滑化処理部３２は、変換処理部３１の処理で分解された１６の成分のうち、透かし画像を埋め込む対象とする一又は複数の成分に所定のブロック単位（例えば、ｎ画素×ｎ画素のブロック単位（ｎは処理対象画像の最大画素数未満））で平滑化を行う。この平滑化の処理を模式的に示したものを図５に示す。ここでは、２５×２５画素の画像に対して、２１×２１画素のブロック単位で平滑化を行う処理の一部を示している。図に示すように、対象画素の画素値をブロックにおける全ての画素値の平均値で置き換える。これを全ての画素値について行うことでブロック単位での平滑化を行う。
【００４７】
画像埋込部３３は、ブロック単位で平滑化された成分に透かし画像３０ｃを埋め込む。このとき、透かし画像３０ｃを抽出する際に必要な情報となる、埋め込みの対象となった成分に関する情報を成分特定情報記憶部３４に書き込んでおく。埋込情報生成部３５は、分解された各成分を変換処理部３１の変換と逆の変換を行うことで、透かし画像３０ｃが埋め込まれた埋込画像３０ｄを生成する。
【００４８】
以下に、本実施形態に係る情報処理装置の動作について図６及び図７を用いて説明する。図６に情報処理装置の動作をフローチャートを示す。ここでは、透かし画像３０ｃ（Ｗとする）は‐１と１からなる２値画像とする。なお、議論を簡単にするために、レベル０から‐１のみについて考えることとする。まず、変換処理部３１が、処理対象画像３０ａの水平方向に対してＩＡに基づいたＤＴ−ＣＤＷＴを適用し（Ｓ６１）、垂直方向に通常のＤＴ−ＣＤＷＴを適用する（Ｓ６２）ことで、図４の各成分ＣＲＲ−１，ＤＲＲ−１，・・・，ＦＩＩ−１に対応した区間成分Ｉ（ＣＲＲ−１），Ｉ（ＤＲＲ−１），・・・，Ｉ（ＦＩＩ−１）が得られる。すなわち、図７に示すように、処理対象画像３０ａが１６個の（区間）成分情報３０ｂに分解される。
【００４９】
１６個の（区間）成分情報３０ｂから一又は複数の成分を選び（Ｓ６３）、これをＩ（Ｓｉ）（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ，１＜Ｎ＜１６）と表す。図７においては、Ｉ（ＤＲＲ−１）、Ｉ（ＤＲＩ−１）、Ｉ（ＦＩＩ−１）の３つの成分が選択され、それぞれＩ（Ｓ２）、Ｉ（Ｓ４）、Ｉ（Ｓ１６）と表す。このときの成分の選び方は、例えば利用者が任意に選択してもよいし、装置内でランダムに選択するようにしてもよい。また、一部の成分のみが区間成分として分解されている場合は、区間成分であるものの中から一又は複数の成分が選択される。
【００５０】
Ｓ’ｉ＝ｓｕｐ（Ｉ（Ｓｉ））とし、選択された区間成分における上限値を求める（Ｓ６４）。図７においては、Ｉ（Ｓ２）、Ｉ（Ｓ４）、Ｉ（Ｓ１６）から、Ｓ’２、Ｓ’４、Ｓ’１６が得られる。なお、ここでは区間成分の上限値を求めているが、区間成分内であればどの値を取得してもよい。また、選択された（区間）成分情報３０ｂ以外の他の（区間）成分情報３０ｂについては、浮動小数点演算でＤＴ−ＣＤＷＴを行って得られた成分情報３０ｂと置き換える。
【００５１】
平滑化処理部３２が、選択された（区間）成分情報３０ｂの上限値について、ブロック単位で平滑化処理（ブロック形式のスライディング・ウインドウ）を行う（Ｓ６５）。計算式を以下に示す。
【００５２】
【数６】
0005935972.tif 000007
【００５３】
このとき、ｋ，ｌは固定された自然数（例えば、ｋ＝１０，ｌ＝１０）であり、また
【００５４】
【数７】
0005935972.tif 000008
【００５５】
である。図７においては、Ｓ’２、Ｓ’４、Ｓ’１６からＳ２、Ｓ４、Ｓ１６が得られる。画像埋込部３３が、次式を使って透かし画像３０ｃ（Ｗ）を埋め込む（Ｓ６６）。
【００５６】
【数８】
0005935972.tif 000009
【００５７】
ここで、０＜α＜１は、攻撃耐性を調整するパラメータである。埋込情報生成部３５が、求めたＳ〜ｉ（以下、「〜」は直前の文字のチルダとする）を用いて（選択された成分以外を浮動小数点演算で求めた値に置き換えている場合は、これらの成分も用いて）、図７に示すような逆ＤＴ−ＣＤＷＴ変換を行い、埋込画像３０ｄ（Ｃ〜０）を生成して（Ｓ６７）、透かし画像３０ｃの埋込処理を終了する。
【００５８】
このように、本実施形態に係る情報処理装置によれば、区間演算により各成分の冗長性が拡張され、すなわち変換後の全ての成分に低周波成分が含まれるこことなり、ＨＶＳ等を考慮した複雑な処理による埋め込み処理を行うことなく、任意の成分に画像情報を埋め込むことが可能になる。また、複素離散ウェーブレット変換により処理対象情報が１６に分割され、その中の一又は複数の成分に任意に画像情報を埋め込むことができるため、様々な攻撃に対する耐性と情報の秘匿性を従来に比べて格段に高めることができる。
【００５９】
さらに、シフト不変性を有する複素離散ウェーブレット変換による周波数変換された成分に対して、所定のブロック領域単位で平滑化を行うため、回転に対する耐性を有することができる。
【００６０】
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る情報抽出装置について、図８ないし図１０を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る情報抽出装置の機能ブロック図、図９は、本実施形態に係る情報抽出装置の動作を示すフローチャート、図１０は、本実施形態に係る情報抽出装置の処理を示す図である。
【００６１】
なお、本実施形態において、前記第１の実施形態と重複する説明については省略する。また、本実施形態に係る情報抽出装置は、第１の実施形態に係る情報処理装置と一体的な装置として構成してもよいし、異なる装置として構成してもよい。
【００６２】
図８において、本実施形態に係る情報抽出装置１００は、埋込画像３０ｄに対して、ＤＴ−ＣＤＷＴを用いて１６の抽出用成分情報８０ｂに変換する抽出用変換処理部８１と、成分特定情報記憶部３４に記憶されている情報を読み込んで、抽出用成分情報８０ｂから透かし画像３０ｃが埋め込まれている成分を選択する抽出用成分選択部８２と、選択した抽出用成分情報８０ｂに対して所定のブロック単位で平滑化を行う抽出用平滑化処理部８３と、平滑化された抽出用成分情報８０ｂと平滑化されていない抽出用成分情報８０ｂとの差分から透かし画像３０ｃを抽出する透かし画像抽出部８４とを備える。以下に、各処理部の処理について説明する。
【００６３】
抽出用変換処理部８１は、埋込画像３０ｄに対してＤＴ−ＣＤＷＴを用いて周波数変換を行うが、変換処理部８１と異なり区間演算を用いる必要はない。抽出用成分選択部８２は、成分特定情報記憶部３４から読み込んだ情報に基づいて、透かし画像３０ｃが埋め込まれている抽出用成分情報８０ｂを選択する。成分特定情報記憶部３４には、図３における画像埋込部３３が書き込んだ情報で、透かし画像３０ｃが埋め込まれている成分の情報が書き込まれている。抽出用平滑化処理部８３は、図３における平滑化処理部３２と同様の処理を行う。透かし画像抽出部８４は、抽出用平滑化処理部８３が平滑化した抽出用成分情報８０ｂと、それに対応する抽出用変換処理部８１が変換処理した抽出用成分情報８０ｂ（平滑化処理がされていない抽出用成分情報８０ｂ）との差分の符号を演算し、演算結果を所定の閾値により２値化して透かし画像３０ｃを抽出する。
【００６４】
以下に、本実施形態に係る情報抽出装置の動作について図９及び図１０を用いて説明する。図９に情報処理装置の動作をフローチャートで示す。透かし画像を抽出する際には、どこの成分に透かし画像が埋め込まれているかが分かっていればよい。まず、抽出用変換処理部８１が、埋込画像３０ｄに対してＤＴ−ＣＤＷＴを適用して周波数変換を行う（Ｓ９１）。すなわち、埋込画像３０ｄ（Ｃ〜０）を１６個の抽出用成分情報８０ｂ（Ｃ〜ＲＲ−１，Ｄ〜ＲＲ−１，・・・，Ｆ〜ＩＩ−１）に分解する（図１０を参照）。
【００６５】
抽出用成分選択部８２が、成分特定情報記憶部３４に記憶されている情報を読み出して、分解された抽出用成分情報８０ｂのうち、透かし画像３０ｃが埋め込まれている成分（Ｓ〜ｉ）を選択する（Ｓ９２）。図１０においては、透かし画像３０ｃが埋め込まれたＳ〜２、Ｓ〜４、Ｓ〜１６が選択されている。
【００６６】
抽出用平滑化処理部８３が、選択された抽出用成分情報８０ｂに対して、埋込処理時に行った平滑化と同様の平滑化処理を行う（Ｓ９３）。図１０においては、Ｓ〜２、Ｓ〜４、Ｓ〜１６が平滑化されてＳ〜２、Ｓ〜４、Ｓ〜１６が得られる。
【００６７】
透かし画像抽出部８４が、以下の式により、選択した抽出用成分情報８０ｂと平滑化された抽出用成分情報８０ｂとの差分の符号を取得し、その合計値を演算する（Ｓ９４）。
【００６８】
【数９】
0005935972.tif 000010
【００６９】
Ｗ〜ｅを閾値によって２値化して透かし画像３０ｃ（Ｗ〜）を抽出して（Ｓ９５）、処理を終了する。つまり、Ｗ〜を抽出する際に、透かし画像３０ｃが埋め込まれた画像Ｗｉを足し合わせるため、攻撃耐性を高めることができる（図１０を参照）。
【００７０】
このように、本実施形態に係る情報抽出装置によれば、透かし画像を抽出する際にオリジナルの処理対象情報が不要となり、作業を効率化することができる。また、上述したように攻撃耐性を高めて透かし画像を確実に抽出することができる。
【００７１】
なお、上記各実施形態において、透かし画像を埋め込む対象を処理対象画像としたが、音声情報や動画情報のように、周波数分解が可能な情報であれば本発明を適用することができる。例えば、１次元の情報であれば、所定の長さで区切って２次元に配列することで本発明の適用が可能となる。
【実施例】
【００７２】
本発明に係る情報処理装置及び情報抽出装置について実験を行った。通常、電子透かし技術は、透かし画像のロバスト性と品質の間でトレードオフの関係を伴う。低周波成分に透かしを埋め込むことによりロバスト性が向上するが、画像を表現する重要な要素の大半が低周波成分に含まれるため透かし画像を埋め込むことで画像の品質が低下する。画質を維持するために、高周波成分に透かしを埋め込む必要があるが、そうすることでロバスト性が低下してしまう。しかしながら、区間演算により得られた高周波成分には低周波成分が含まれている。したがって、本願の手法を用いることで、高周波成分に透かしを埋め込む場合であってもロバスト性が維持されることを期待できる。
【００７３】
本実験では、４つの成分（Ｉ（ＤＲＲ−１），Ｉ（ＤＲＩ−１），Ｉ（ＤＩＲ−１），Ｉ（ＤＩＩ−１））に透かし画像を埋め込む。また、デシベル単位のＰＳＮＲ（Ｐｅａｋ  Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）が大幅に減少しないように、（５）式のΔｋ＝０．０２、（６）式のｋ＝ｌ＝１０、（８）式のα＝０．９にパラメータを設定した。ＰＳＮＲは、以下の式で演算される。
【００７４】
【数１０】
0005935972.tif 000011
【００７５】
ＮｘとＮｙは、それぞれ水平方向と垂直方向の画像のサイズである。処理対象画像は、図１１に示すように、２５６階調の２５６×２５６画素のレナ、女性、ボート、ペッパーの画像を用い、透かし画像は、１２８×１２８画素の２値画像を用いた。また、区間演算がサポートされているＭＡＴＬＡＢツールボックスのＩＮＴＬＡＢを実装して、本実験を行った。
【００７６】
図１２は、本発明の手法で得られたＰＳＮＲと、攻撃を受けていない埋込画像から抽出された透かし画像を示している。これらの埋込画像は非常に高品質で、埋め込まれた透かし画像は肉眼で確認されない。
【００７７】
図１３−図１７は、マーキング、クリッピング、メディアンフィルタ、ガウシアンホワイトノイズ、ゴマ塩ノイズで攻撃した場合の結果を示す。図１３は、埋込画像にマーキングをして透かし画像を抽出した結果、図１４は、埋込画像を１９０×１９０のサイズに切り取って透かし画像を抽出した結果、図１５は、埋込画像をメディアンフィルタでフィルタリングして透かし画像を抽出した結果、図１６は、埋込画像に平均値０、分散値０．００１のガウシアンホワイトノイズを付加して透かし画像を抽出した結果、図１７は、埋込画像にノイズ密度が０．００５のゴマ塩ノイズを付加して透かし画像を抽出した結果を示す。各結果において、抽出された透かし画像は劣化しているが、一目で透かし画像の有無を識別することができる。
【００７８】
図１８は、埋込画像をＪＰＥＧとＪＰＥＧ２０００で攻撃した場合に透かし画像を抽出した結果を示す。図１８（Ａ）は、表示している圧縮率でＪＰＥＧ圧縮を行った場合の結果で、左からレナ、女性、ボート、ペッパーから抽出した透かし画像を示す。図１８（Ｂ）は、表示している圧縮率でＪＰＥＧ２０００圧縮を行った場合の結果で、左からレナ、女性、ボート、ペッパーから抽出した透かし画像を示す。透かし画像は劣化しているが、透かし画像の有無を識別することができ、これらの結果は、参考文献２（Minamoto, T., and AOKI, K., "A blind digital image watermarking method using interval wavelet decomposition" international Journal of Signal Processing, Image Processing and Pattern Recognition Vol.3, No.2, 59-72(2010)）や上記に示した非特許文献２のものより優れている。
【００７９】
図１９は、埋込画像に回転の攻撃を付加して透かし画像を抽出した結果を示す。上段に示す結果が、回転角度が１度、５度、１０度、１５度に回転された埋込画像から透かし画像を抽出した結果を示す、下段に示す結果が、回転角度が２０度、２５度、３０度、４５度に回転された埋込画像から透かし画像を抽出した結果を示す。図からわかるように、透かし画像の有無を一目で識別することができる。また、上記に示した非特許文献４の手法と異なり、透かし画像を再構築するために直交軸と同期を取る必要がない。ＤＷＴに基づく手法では実現できない回転耐性が、ＤＴ−ＣＤＷＴにより実現できた。
【００８０】
以上の結果から、本発明の手法を用いることで、ＪＰＥＧ圧縮、ＪＰＥＧ２０００圧縮、クリッピング、メディアンフィルタ、ガウシアン白色ノイズ、ゴマ塩ノイズの付加、回転等の攻撃に対してロバストで、より質の高い埋込画像を実現できることが証明された。また、図１４の結果から明らかなように、切り取られた埋込画像の位置と透かし画像の位置は一致している。すなわち、埋込画像に対して改竄が行われた位置を特定することができる。例えば、車のナンバープレートの位置に透かし画像が検出されなかった場合は、車のナンバープレートが改竄されたと特定することが可能となる。
【符号の説明】
【００８１】
１  情報処理装置
１０  ＣＰＵ
１１  ＲＡＭ
１２  ＲＯＭ
１３  ＨＤ
１４  通信Ｉ／Ｆ
１５  入出力Ｉ／Ｆ
３０ａ  処理対象画像
３０ｂ  成分情報
３０ｃ  透かし画像
３０ｄ  埋込画像
３１  変換処理部
３２  平滑化処理部
３３  画像埋込部
３４  成分特定情報記憶部
３５  埋込情報生成部
８０ｂ  抽出用成分情報
８１  抽出用変換処理部
８２  抽出用成分選択部
８３  抽出用平滑化処理部
８４  透かし画像抽出部
１００  情報抽出装置
【図２】
0005935972.tif 000012
【図３】
0005935972.tif 000013
【図６】
0005935972.tif 000014
【図８】
0005935972.tif 000015
【図９】
0005935972.tif 000016
【図１】
0005935972.tif 000017
【図４】
0005935972.tif 000018
【図５】
0005935972.tif 000019
【図７】
0005935972.tif 000020
【図１０】
0005935972.tif 000021
【図１１】
0005935972.tif 000022
【図１２】
0005935972.tif 000023
【図１３】
0005935972.tif 000024
【図１４】
0005935972.tif 000025
【図１５】
0005935972.tif 000026
【図１６】
0005935972.tif 000027
【図１７】
0005935972.tif 000028
【図１８】
0005935972.tif 000029
【図１９】
0005935972.tif 000030