(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル画像にウォーターマークを挿入する方法において、
(a)前記デジタル画像の輝度成分を周波数領域の係数等に変換させる段階；
(b)ウォーターマークを生成する段階；
(c)前記周波数領域の係数等のうち、第１の周波数領域の係数の絶対値に所定の特性関数を適用して求めた演算結果に、前記ウォーターマークを掛けた後、前記掛け算の結果を、前記周波数領域の係数等のうち、第２の周波数領域の係数と代置し、前記デジタル画像にウォーターマークを挿入する段階；及び、
(d)前記ウォーターマーク挿入済みデジタル画像を逆周波数領域変換させる段階を含み、
前記第１の周波数領域は低周波数領域であり、前記第２の周波数領域は中間周波数領域と高周波数領域との間であることを特徴とするデジタル画像ウォーターマーク挿入方法。
【請求項２】
前記デジタル画像はカラー画像であり、
前記方法は、
前記(a)段階以前に、
(a')前記デジタル画像を、輝度成分を含むカラーモデルに変換し、前記変換されたカラーモデルの輝度成分を抽出する段階を更に含み、
前記(d)段階の後、
(d')前記逆周波数領域変換されたデジタル画像を、前記逆周波数領域変換が行われた輝度成分及び前記周波数領域変換が行われない前記輝度成分を除いた残りの成分を利用し、カラーモデル逆変換を行う段階を含むことを特徴とする請求項１に記載のデジタル画像ウォーターマーク挿入方法。
【請求項３】
前記輝度成分を含むカラーモデルは、HSBモード、YIQモード及びYCbCrモードのいずれか１つであることを特徴とする請求項２に記載のデジタル画像ウォーターマーク挿入方法。
【請求項４】
前記特性関数は、前記周波数領域変換係数のうち、一部をモジュールロ演算した結果、又は前記周波数領域変換係数等の統計的特性を示す関数であることを特徴とする請求項１に記載のデジタル画像ウォーターマーク挿入方法。
【請求項５】
前記(a)段階は、FFT変換、DCT変換及びDWT変換のいずれか１つの変換方法を用いることを特徴とする請求項１に記載のデジタル画像ウォーターマーク挿入方法。
【請求項６】
前記(b)段階は、使用者から入力された使用者キーを暗号化し、疑似難数を生成することにより、ウォーターマークを生成するものであることを特徴とする請求項１に記載のデジタル画像ウォーターマーク挿入方法。
【請求項７】
前記暗号化は、PN−code方式の暗号化であることを特徴とする請求項６に記載のデジタル画像ウォーターマーク挿入方法。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れか一に記載の方法によりウォーターマークが挿入されたウォーターマーク挿入済みデジタル画像について、前記挿入されたウォーターマークを検出し認証するデジタル画像ウォーターマーク認証方法において、
(e)前記ウォーターマーク挿入済みデジタル画像の輝度成分を周波数領域の係数等に変換させる段階；
(f)認証用ウォーターマークを生成する段階；
(g)前記ウォーターマークの挿入に用いた第１の周波数領域の係数及び第２の周波数領域の係数を用いて、前記デジタル画像に挿入された前記ウォーターマークを検出する段階；及び、
(h)前記検出されたウォーターマークと前記認証用ウォーターマークとの相関関係を求めることにより、前記デジタル画像を認証する段階を含むことを特徴とするデジタル画像ウォーターマーク認証方法。
【請求項９】
使用者から入力された使用者キーを暗号化し、疑似難数を生成することにより、前記認証用ウォーターマークを生成されることを特徴とする請求項８に記載のデジタル画像ウォーターマーク認証方法。
【請求項１０】
前記(h)段階は、
(h1)前記検出されたウォーターマークと前記認証用ウォーターマークとの間の相関関係から最大ピーク値及び前記最大ピーク値の位置を求める段階；
(h2)前記相関関係から４次モーメントを求める段階；及び、
(h3)前記４次モーメントが予め定められた臨界値以上であり、前記相関関係の最大ピーク値が予め定められた臨界値以上であり、前記相関関係の最大ピーク値の位置が同一である場合に、前記検出されたウォーターマークと前記認証用ウォーターマークとが一致するものと判断する段階を含むことを特徴とする請求項８に記載のデジタル画像ウォーターマーク認証方法。
【請求項１１】
前記ウォーターマークの挿入過程において、前記使用者キーが、PN−code方式で暗号化された場合に、
前記(h)段階は、前記PN−code方式による相関度が予め定められた臨界値以上である場合に、前記検出されたウォーターマークと前記認証用ウォーターマークとが一致するものと判断する段階を含むことを特徴とする請求項８に記載のデジタル画像ウォーターマーク認証方法。
【請求項１２】
デジタル画像にウォーターマークを挿入する装置において、
前記デジタル画像の輝度成分を周波数領域の係数等に変換させる周波数領域変換手段；
ウォーターマークを生成するウォーターマーク生成手段；
前記周波数領域の係数等のうち、第１の周波数領域の係数の絶対値に所定の特性関数を適用して求めた演算結果に、前記ウォーターマークを掛けた後、前記掛け算の結果を、前記周波数領域の係数等のうち、第２の周波数領域の係数と代置し、前記デジタル画像にウォーターマークを挿入するウォーターマーク挿入手段；及び、
前記周波数領域に変換され、ウォーターマーク挿入済みデジタル画像を逆周波数領域変換する逆周波数領域変換手段を含み、
前記第１の周波数領域は低周波数領域であり、前記第２の周波数領域は中間周波数領域と高周波数領域との間であることを特徴とするデジタル画像ウォーターマーク挿入装置。
【請求項１３】
前記デジタル画像が、白黒画像であるか、カラー画像であるかを判別する白黒画像/カラー画像の判別手段を更に含み、
前記デジタル画像がカラー画像である場合に、
前記デジタル画像の輝度成分を含むカラーモデルに変換し、前記変換されたカラーモデルの輝度成分を抽出し、前記周波数領域変換手段に提供するカラーモデル変換手段；及び、
前記逆周波数領域変換手段において変換されたデジタル画像を、前記逆周波数領域変換が行われた輝度成分及び、前記周波数領域変換が行われない前記輝度成分を除いた残りの成分を利用し、カラーモデル逆変換を行うカラーモデル逆変換手段を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載のデジタル画像ウォーターマーク挿入装置。
【請求項１４】
前記ウォーターマーク生成手段は、
使用者から入力された使用者キーを暗号化し、疑似難数を生成することにより、ウォーターマークを生成することを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載のデジタル画像ウォーターマーク挿入装置。
【請求項１５】
請求項１２に記載のデジタル画像ウォーターマーク挿入装置を用いてウォーターマークが挿入されたウォーターマーク挿入済みデジタル画像について、前記挿入されたウォーターマークを検出し認証するデジタル画像ウォーターマーク認証装置において、
前記ウォーターマーク挿入済みデジタル画像の輝度成分を周波数領域の係数等に変換させる周波数領域変換手段；
認証用ウォーターマークを生成するウォーターマーク生成手段；
前記ウォーターマークの挿入に用いた第１の周波数領域の係数及び第２の周波数領域の係数を用いて、前記デジタル画像に挿入された前記ウォーターマークを検出するウォーターマーク検出手段；及び、
前記検出されたウォーターマークと前記認証用ウォーターマークとの相関関係を求めることにより、前記デジタル画像を認証する相関関係の計算手段を含むことを特徴するデジタル画像ウォーターマーク認証装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル画像ウォーターマーキング（watermarking）装置及び方法に関するものであり、更に、ウォーターマークが印刷又は多様なイメージ変形にも強靱に残るようにし、挿入されたウォーターマークを良好に検出しながら、デジタル画像の品質を低下させることなく、画像原本無しでもウォーターマークを検出することができるデジタル画像ウォーターマーキング装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
写真のイメージのような静止画像や、アニメーション等の動画像のようなデジタル画像物の創作と流通が急増するにつれ、これらのデジタル画像物が、多様な保存媒体等又はネットワークを通じて流通されながら、不法複製又は不法変形されることも亦大きく増加するようになってきた。デジタル画像物が、不法変形されたり、複製又は流通されることを防止するために、多様な方法等が開発されてきたが、本発明の発明者は、このような目的を達成するための方法としてデジタルウォーターマーキング技術に注目した。
【０００３】
デジタルウォーターマーキング技術は、デジタルデータ著作物に肉眼では識別することができない追加的な情報を挿入し、デジタルデータ著作物の所有権者の許可無しに複写、配布、変形、販売等が行われることを防止するための技術である。
【０００４】
これまでよく知られていたデジタルウォーターマーキング技術としては、空間領域法、周波数領域法、スプレッドスペクトルコミュニケーション法等がある。これらのデジタルウォーターマーキング技術等は、それぞれウォーターマークの挿入が容易であったり（空間領域法）、ウォーターマークの削除が困難である（周波数領域法）等の長所を有する反面、フィルタリングのような作業に脆弱であったり（空間領域法）、係数値によって画像が損なわれたり（周波数領域法）、又はウォーターマークを検出するために画像原本が必要であり、ウォーターマークを挿入すると、本来のデジタル画像が大きく変形される（スプレッドスペクトルコミュニケーション法）等の様々な短所を有している。
【０００５】
即ち、上述の従来のデジタルウォーターマーキング技術では、デジタル画像の不法的な変形、複製及び流通を防止するのに要求される要件等、詳細には、
1)デジタル画像に挿入されたウォーターマークは、削除することが困難であるか、不可能でなければならない（削除の困難性）；
2)デジタル画像の印刷、又は印刷のためのイメージ変形、ディザーリング（dithering）やハーフトーン（halftone）等を経ても、デジタル画像に挿入されたウォーターマークは、検出され得る程度に強靱でなければならない（変形への強靱性）；
3)デジタル画像にウォーターマークを挿入した際、ウォーターマークによるデジタル画像の品質低下を最小化させるか、無いようにしなければならない（デジタル画像品質の保存性）；及び
4)挿入されたウォーターマークは、著作権者及び使用が許可された者以外には検出することができないようにしなければならない（挿入情報の隠匿性）
等の要件等を全て、同時に満たすことができず、その適用範囲が極めて限定的であり、上述の目的を達成することが困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、上述の要件等を全て満たすデジタル画像ウォーターマーキング技術を提供することにある。更に、印刷や多様なイメージ変形を経ても、挿入されたウォーターマーク検出が可能であり、非可視的なウォーターマークの挿入方法を用いてウォーターマークへの接触を困難にし、ウォーターマーク検出の際に、画像原本を必要としないデジタル画像ウォーターマーキング装置及び方法を提供するのにその目的がある。
【０００７】
本発明の他の目的は、周波数領域特性を利用し、ウォーターマークを挿入するため、デジタル画像の品質も大きく低下しないだけでなく、ウォーターマーク挿入済みデジタル画像の高い解像度で出力、ディザーリングやハーフトーン等によるイメージ変形に対しても、ウォーターマークの保存性が高い強靱なデジタル画像ウォーターマーキング装置及び方法を提供することである。
【０００８】
本発明の又他の目的は、使用者から入力された使用者キー値を暗号化し、ウォーターマークに生成した後挿入し、デジタル画像からウォーターマークを検出した後、使用者から入力された使用者キーから生成されたウォーターマークと、検出されたウォーターマークとが一致するか否かを判別し、２つのウォーターマークが一致する場合にのみ認証を受けるようにし、ウォーターマークの保安性をより強化したデジタル画像ウォーターマーキング装置及び方法を提供することである。
【０００９】
本発明の更なる目的は、使用者キー値とウォーターマークの相関関係において、４次モーメント（Kurtosis）を利用した先鋭度と最大値及びその位置を利用し、ウォーターマーク検出及び認証の正確性を拡大化させたデジタル画像ウォーターマーキング装置及び方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述のような目的を達成するために、本発明は、デジタル画像にウォーターマークを挿入する装置において、前記デジタル画像の輝度成分を周波数領域の係数等に変換させる周波数領域変換手段；ウォーターマークを生成するウォーターマーク生成手段；前記周波数領域の係数等のうち、第１の周波数領域の係数の絶対値に所定の特性関数を適用して求めた演算結果に、前記ウォーターマークを掛けた後、前記掛け算の結果を、前記周波数領域の係数等のうち、第２の周波数領域の係数と代置し、前記デジタル画像にウォーターマークを挿入するウォーターマーク挿入手段；及び、前記周波数領域に変換され、ウォーターマーク挿入済みデジタル画像を逆周波数領域変換する逆周波数領域変換手段を含み、前記第１の周波数領域は低周波数領域であり、前記第２の周波数領域は中間周波数領域と高周波数領域との間であるデジタル画像ウォーターマーク挿入装置を提供する。
【００１１】
本発明の他の目的を達成するために、本発明は、前記デジタル画像ウォーターマーク挿入装置おけるウォーターマーク挿入済みデジタル画像を認証する装置において、前記ウォーターマーク挿入済みデジタル画像の輝度成分を周波数領域の係数等に変換させる周波数領域変換手段；認証用ウォーターマークを生成するウォーターマーク生成手段；前記第１の周波数領域の係数及び前記第２の周波数領域の係数を用いて、前記デジタル画像に挿入されたウォーターマークを検出するウォーターマーク検出手段；及び、前記検出されたウォーターマークと前記認証用ウォーターマークとの相関関係を求めることにより、前記デジタル画像を認証する相関関係の計算手段を含むデジタル画像ウォーターマーク認証装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施例によるデジタル画像ウォーターマーキンング装置及び方法について詳細に説明する。
【００１３】
通常、デジタル画像ウォーターマーキング装置は、大別してウォーターマークをデジタル画像に挿入するためのデジタル画像ウォーターマーク挿入装置と、ウォーターマーク挿入済み画像を認証するためのデジタル画像ウォーターマーク認証装置からなり、これらの装置等は、実施形態によって独立又は統合されて用いられる。
【００１４】
まず、図１及び図５を参照し、デジタル画像にウォーターマークを挿入する装置と方法について共に説明する。図１は、本発明によるウォーターマーク挿入装置の構成を概略的に示したブロック図であり、図５は、本発明により、デジタル画像にウォーターマークを挿入するプロセスを説明するフローチャートである。
【００１５】
図１のウォーターマーク挿入装置(100)により行われる一連のプロセスは、図５に示されたプロセスに対応する。図１には、ウォーターマーク挿入装置(100)に含まれた構成要素等が機能ブロック別に示されており、図５には、図１の構成要素等によって行われる過程等が示されている。
【００１６】
まず、デジタル画像原本(OI)は、ウォーターマーク挿入装置(100)に含まれた白黒画像/カラー画像判別器(110)に入力される(段階310)。白黒画像/カラー画像判別器(110)は、ウォーターマークを挿入しようとするデジタル画像原本(OI)が、白黒画像であるか、カラー画像であるかを区別するために前段に配置されたものである。白黒画像/カラー画像判別器(110)は、入力されたデジタル画像原本(OI)のフォーマット等に関するイメージ情報データを抽出し、抽出されたイメージ情報データから白黒画像であるか、カラー画像であるかを判別する(段階320)。
【００１７】
次に、白黒画像/カラー画像判別器(110)により、判別過程(段階320)を経たデジタル画像原本(OI)は、周波数領域変換器(125)により、周波数領域に変換される。この際、白黒画像は、輝度(luminance)成分のみを有しているので、白黒画像/カラー画像判別器(110)による結果が、白黒画像である場合は、輝度成分に対する周波数領域変換のみを行い、直ちに周波数領域変換器(125)により周波数変換が行われる(段階330a)。
【００１８】
これとは異なり、上述の判別器(110)における結果がカラー画像である場合は、まず、カラーモデル変換器(120)において、例えばRGBモード等のカラーモデルからHSB(H:hue、S:saturation、B:brightness)モード、YIQ(Y:luminance、I:in−phase、Q:quadrature)モード又はYCbCr(Y:luminance、Cb/Cr:chrominance)モードのカラーモデルに変換され、変換されたカラーモデルの輝度成分が抽出される(段階325)。カラーモデル変換器(120)により変換されたカラーモデルの輝度成分は、周波数領域変換器  (125)により周波数領域に変換される(段階330b)。
【００１９】
デジタル画像原本(OI)を周波数領域に変換する技法には、様々なものがあるが、代表的には、FFT変換(Fast  Fourier  Transform)、DCT変換(Discrete  Cosine  Transform)、DWT変換(Discrete  Wavelet  Transform)等が用いられる。
【００２０】
本発明においては、ウォーターマークの挿入と検出のために、周波数領域法を用いる。周波数領域法による変換等は、デジタル画像を周波数領域に変換させることにより、ウォーターマークをデジタル画像に隠匿させる。これによりウォーターマークの除去を困難にさせ、デジタル画像原本の品質を大きく低下させない長所を有する。周波数領域変換器(125)において、デジタル画像のDCT係数、FFT係数又はDWT係数(FOI)を得るようになる。
【００２１】
ところが、フーリエ変換は、変換領域の係数が複素数からなるので、フーリエ変換係数にウォーターマーク情報を挿入するのに困難がある反面、DCT変換はフーリエ変換と類似する特性を含むこともあるが、変換領域の係数が実数のみからなるので、フーリエ変換より有利でかつ容易である。ここでは、デジタル画像に対するDCT変換係数又はDWT変換係数にウォーターマークを挿入する実施例として説明する。DCT変換は、基本的にFFT変換と密接な関連があり、標準JPEG圧縮等で広く用いられる変換技法である。
【００２２】
１次元DCT変換は、次の数１のように定義される；
【数１】
0003876135.tif 000002
前記数１において、sは本来信号値であり、tは変換された信号値である。Nは信号の長さを示し、係数cは次の数２のように与えられる；
【数２】
0003876135.tif 000003
(但し、１≦k≦N-1である場合)
一方、正方行列に対する２次元DCT変換は、次の数３のように定義される；
【数３】
0003876135.tif 000004
前記数３において、N、s、tは、１次元DCT変換におけるそれと同意義であり、c(i、j)は次の数４のように与えられる；
【数４】
0003876135.tif 000005
(但し、i≠0、j≠0である場合）
又、DCT変換は逆変換を有するが、１次元及び２次元に対し、それぞれ次の数５及び数６で定義される；
【数５】
0003876135.tif 000006
【数６】
0003876135.tif 000007
【００２３】
次に、DWT変換について検討してみる。フーリエ変換が、サイン関数及びコサイン関数を基底関数として用いる変換であれば、ウェーブレット変換は基底関数としてウェーブレットを用いる変換であり、大きく連続ウェーブレット変換及び離散ウェーブレット変換に分けることができる。連続ウェーブレット変換は、次の数７のように定義される；
【数７】
0003876135.tif 000008
上記数７において、sはスケーリング(scaling)を、τは位置移動(translation)を示し、ψ(s、t)はスケーリングされ、位置移動された形態のウェーブレットを示す。
【００２４】
スケーリングは、周波数と関連されるが、低いスケーリング、即ち圧縮されたウェーブレットは高周波成分を抽出し、高いスケーリング、即ち拡張されたウェーブレットは低周波成分を抽出する。通常、連続ウェーブレット変換は、変換を通じて得られるウェーブレット係数が、スケーリングと位置移動の関数として無限個に得られるため、実際具現が不可能である。
【００２５】
従って、スケーリングと位置移動に対し、一定の周波数領域のみを選ぶ離散ウェーブレット変換を用いれば、より効果的に具現することができる。しかし、離散ウェーブレット変換も亦、コンピュータで具現するには多くの演算量の負担を伴うため、高速ウェーブレット変換であるフィルタバンクを用いて、画像イメージを変換させるのが好ましい。この方法は、古典的な２チャンネルサブバンドコーティングとピラミッドアルゴリズムを利用し、逆変換のためのフィルタバンク間の関係(PR-QMF:Perfectly  reconstruction  quadrature  mirror  filter)さえ成立されれば、簡単に具現することができる長所を有する。
【００２６】
フィルタバンクを利用した高速ウェーブレット変換の概要は、図２、図３及び図４に示されたとおりである。図２は、本発明に用いられるフィルタバンクによる離散ウェーブレット変換のプロセスを示した図であり、図３は、本発明に用いられるフィルタバンクによる離散ウェーブレット逆変換プロセスを示した図である。図４は、本発明に用いられる一般的な離散ウェーブレット変換後の係数分布を示す図である。
【００２７】
一方、本発明の１実施例による、ウォーターマークの生成において、一定の権限のある使用者が所定の使用者キーを入力し、入力された使用者キーからウォーターマークを生成する。使用者キーをウォーターマークとして利用すれば、検出されたウォーターマークと使用者キーから生成されたウォーターマークとの間の相関関係を通じ、デジタル画像の真偽や変更の有無をより正確に判断することができ、ウォーターマークの保安性を強化させることができるという長所がある。
【００２８】
又、本発明の１実施例によれば、入力された使用者キーを暗号化した後、これからデジタル画像に挿入されるウォーターマークを生成する。使用者キーが暗号化過程を経ると、使用者キー値が、容易に変更されないだけでなく、使用者キーそのものを隠匿させることができるので、暗号化された使用者キーから生成されたウォーターマークをデジタル画像に挿入すると、以後にデジタル画像からウォーターマークを検出する際、使用者キーそのものが公開される恐れがないという長所がある。
【００２９】
暗号化は通常の暗号化方式、例えばDES(date  encryption  standard)方式、RSA方式、ECC方式等を用いることができる。本発明の１実施例においては、図１に示されたとおり、暗号化するデータがコーディングされ、その結果が疑似難数(pseudo  random  number)に出力されるPN−code方式を用いる。
【００３０】
ウォーターマーク(W)を生成するためには、図１及び図５に示されたとおり、使用者キーが、ウォーターマーク生成器(130)に入力されると(段階341)、ウォーターマーク生成器(130)に含まれた使用者キー暗号化器(131)及び疑似難数生成器(132)は、入力された使用者キーを利用して使用者キーを暗号化し、疑似難数を生成し(段階343及び段階345)、デジタル画像原本(OI)の周波数領域変換係数(FOI)に挿入されるウォーターマーク(W)を生成する(段階340)。
【００３１】
使用者キーから生成されたウォーターマーク(W)は、ウォーターマーク挿入器(140)により、次の数８のような方式のプロセシングを通じて、デジタル画像に挿入される(段階350a又は段階350b)。
【数８】
0003876135.tif 000009
ここで、fxはデジタル画像原本(OI)に挿入されるウォーターマークの強度を調節するための特性関数である。fxは、多様に設定することができるが、デジタル画像原本(OI)の周波数領域変換係数(FOI)のうち、一部をモジュールロ(modulo)演算するか、多数の変換係数等の平均、標準偏差、分散等の統計的な特性値を取り出す関数である。
【００３２】
FOI'は、デジタル画像原本(OI)の周波数領域変換係数(FOI)に特性関数fxを適用した値にウォーターマーク(W)が掛けられた結果を示す。前記数８において、変換係数(FOI)は、デジタル画像の周波数領域の値であるので、２次元配列の形態であり、ウォーターマーク(W)は１次元順列(sequence)の形態を有するために、変換係数(FOI)を順列形態になったり、ウォーターマーク(W)を２次元ブロック化して演算する。演算のため画像の周波数係数の１つにウォーターマークの１つをマッチングさせて計算することができ、画像周波数係数の幾つかの統計的な特性を取り出し、１つのウォーターマークと演算する方法がある。
【００３３】
数８を参照し、ウォーターマークが挿入される過程を更に詳細に説明すれば、ウォーターマーク挿入器(140)は、所定の特定周波数領域の変換係数（以下、挿入係数という）の絶対値に特性関数fxを適用して得た値とウォーターマークを掛けた結果（FOI'、以下代置係数という）を他の特定周波数領域の変換係数と代置(replacement)するプロセシングを行う。
【００３４】
例えば、デジタル画像を低周波数、中間周波数及び高周波数領域に分けた時、デジタル画像の情報が、相対的に少なく含まれた中間周波数又は高周波数領域に、ウォーターマークを挿入するようになるが、低周波数領域の変換係数(挿入係数)に特性関数fxを適用した結果に、ウォーターマークを掛けた結果（代置係数）を、既存の中間周波数領域や高周波数領域変換係数に代置することにより、ウォーターマークの挿入が完了される。
【００３５】
このような方式によれば、高周波数部分を一部捨てる圧縮過程やブラーリング(blurring)のような変形に対しても、ウォーターマークは低周波数領域の係数と掛けられ、高周波数領域に代置されるものであり、変形後にも高周波数領域が相当部分残るようになるので、強靱である長所がある。
【００３６】
本明細書においては、ウォーターマークが、低周波数領域の係数の絶対値に特性関数fxを適用した結果と掛けられ、中間周波数と高周波数領域との間に代置されることを一例として開示しているが、デジタル画像の品質を低下させない範囲の周波数領域等を選び、ウォーターマークを挿入することもできる。例えば、高周波数領域の変換係数の絶対値に特性関数を適用した結果に、ウォーターマークを掛けた後、高周波数領域に代置することが可能であり、周波数領域に変換されたデジタル画像にウォーターマークを挿入する方法は、これに限定されず、様々な周波数領域においても応用することができる。
【００３７】
又、本発明は、印刷により画像の全体的な特性が、全く変わらないという点に着目して、任意の周波数領域の係数を補償し、画像の全体的な特性に変化を与えないという周波数領域の特性を利用すれば、印刷に強靱な特性を有するようになり、印刷等によりウォーターマークが無くなることを防止することができるようになる。又、上述の周波数領域の特性を利用したウォーターマークの挿入法によれば、ウォーターマークを挿入しても、デジタル画像の全体的な特性が変わらない。即ちデジタル画像原本の品質が低下しないため、印刷後もデジタル画像原本の品質を保持することが可能である。
【００３８】
数８において、デジタル画像原本(OI)にウォーターマーク(W)が挿入された際、ウォーターマーク(W)の強度の強さを調節するのはfx関数である。この特性関数値は、使用者の任意で設定することができ、どんな値も可能であり、特にウォーターマーク(W)の挿入によるデジタル画像の品質が低下しないように、適切な関数に決定することができる。即ち、ウォーターマークの強度の強さとデジタル画像の品質の変形は、互いに反比例の関係にあるので、ウォーターマークの使用環境とデジタル画像の品質維持の側面を考慮して定めることが好ましい。
【００３９】
ウォーターマーク挿入済みデジタル画像を得るために、逆周波数領域変換器(150)は、周波数領域に変換されたデジタル画像を復元させる(段階360a又は段階360b)。上述の周波数領域変換器(125)が、DCT変換、DWT変換又はFFT変換を利用した場合、逆周波数領域変換器(150)は、逆DCT変換、逆DWT変換又は逆FFT変換を利用する。ここで、デジタル画像原本(OI)がカラー画像である場合は、逆カラーモデル変換器(155)により、逆周波数領域変換が行われた輝度成分と、周波数領域変換を経なかった輝度成分を除く残りの成分を利用し、HSBモード、YIQモード又はYCbCrモードのカラーモデルから本来のカラーモデルに復元される(段階370)。その後、ウォーターマーク挿入済みデジタル画像(WI)を獲得し(段階380)、ウォーターマークのデジタル画像への挿入プロセシングが完了される。
【００４０】
以下、図６及び図７を参照し、ウォーターマーク挿入済みデジタル画像からウォーターマークを検出し、検出されたウォーターマークと使用者キーから生成されたウォーターマークとの間の相関関係を通じて、認証結果を出力する装置及び方法について説明する。
【００４１】
図６は、本発明によるウォーターマーク認証装置の構成を概略的に示したブロック図であり、図７は、本発明により、デジタル画像からウォーターマークを検出し、検出されたウォーターマークへの相関関係の算術及び分析から、認証結果を出力するプロセスを説明するフローチャートである。
【００４２】
図６のウォーターマーク認証装置(200)により行われる一連のプロセスは、図７に示されたプロセスに対応する。図６には、ウォーターマーク検出及び認証装置(200)に含まれた構成要素等が、機能ブロック別に示されており、図７には、図６の構成要素等により行われる検出及び認証過程が示されている。
【００４３】
まず、ウォーターマーク挿入済みデジタル画像(WI)をウォーターマーク検出及び認証装置(200)の白黒画像/カラー画像判別器(210)に入力する(段階410)。図６の白黒画像/カラー画像判別器(210)、カラーモデル変換器(220)及び周波数領域変換器(225)は、図１の白黒画像/カラー画像判別器(110)、カラーモデル変換器(120)及び周波数領域変換器(125)と動作及び機能面において同一である。
【００４４】
即ち、ウォーターマークが挿入された画像(WI)が、白黒画像であるか、カラー画像であるかを判別し(段階420)、ウォーターマーク挿入済み画像(WI)が白黒画像であれば、周波数領域変換器(225)により、輝度成分に対する周波数領域変換が行われ(段階430a)、カラー画像であれば、まず、カラーモデル変換器(220)によりHSBモード、YIQモード又はYCbCrモード等のカラーモデルに変換された後(段階425)、周波数領域変換器(225)により輝度成分に対し、DCT変換、DWT変換、FFT変換等の周波数領域変換が行われる(段階430b)。
【００４５】
図６及び図７に示されたとおり、ウォーターマーク生成器(230)は、使用者キーが入力されると(段階441)、使用者キー暗号化器(231)により、図５おけるウォーターマーク挿入過程と同一の方法で暗号化され(段階443)、疑似難数生成器(232)により、PN−code方式によるウォーターマーク(W)を生成するようになる(段階445)。図６及び図７のウォーターマーク生成器(230)及びウォーターマーク生成過程(440)は、図１及び図５Aのウォーターマーク生成器(130)及びウォーターマーク生成過程(340)と同一である。
【００４６】
次に、相関関係の算術及び分析器(240)は、ウォーターマーク挿入の逆過程を行い、周波数領域変換の結果から得たウォーターマーク挿入済みデジタル画像の周波数領域への変換係数(FWI)からデジタル画像に挿入されていたウォーターマーク(WE)を検出し、２つのウォーターマーク(W及びWE)間の相関関係を算術する(段階450)。
【００４７】
ウォーターマーク検出の際は、所定の特定周波数領域の係数に特性関数を適用した結果にウォーターマークを掛けて、他の特定周波数領域の係数に挿入するプロセシングを逆プロセシングするものであり、ウォーターマーク挿入済みデジタル画像から、上述の特性周波数領域に挿入されている代置係数(FOI')と、代置係数(FOI')の計算に用いられた挿入係数(FOI)を求め、この挿入係数及び代置係数を利用してウォーターマークを復元する。この復元されたウォーターマーク(WE)とウォーターマーク挿入の際、用いられた方法により生成されたウォーターマーク(W)間の相関関係を求めることにより、デジタル画像に所定のウォーターマークがあるかを検出することができる。
【００４８】
図に示されてはいないが、使用者キーからウォーターマークを生成する方法の他に、所定の保存媒体に予め保存されていた様々なウォーターマーク等のうち、いずれか１つのウォーターマークを挿入及び検出する例もある。このように使用者キーが入力されない場合は、挿入係数と代置係数から求めたウォーターマークを、予め保存されている様々なウォーターマーク等と比較し、所定のウォーターマークが挿入されているかを判断することができる。
【００４９】
いずれの場合にも、ウォーターマーク挿入済み画像の周波数領域の係数値等から、直接ウォーターマークを検出することができるので、画像原本は必要ではない。
【００５０】
ウォーターマークが任意の大きさ値を有する順列である場合は、ウォーターマークを復元するために、挿入係数と代置係数の値を用いなければならないが、ウォーターマークが１と−１のみを有する二進数列である場合は、特性関数fxの値がいつも陽数であるという仮定下に、代置係数の符号のみでもウォーターマークの値を復元することができる。
【００５１】
相関関係の算術及び分析器(240)は、このように検出されたウォーターマーク(WE)と、使用者から入力されたキーとを用いて、生成されたウォーターマーク(W)との間の相関関係及びその相関値を求め、使用者の指定したウォーターマークが挿入されたことを確認し、ウォーターマーク検出及び認証装置(200)により、検査されるデジタル画像の真偽、変更の有無が分かる。
【００５２】
以下、相関関係の算術及び分析器(240)の２つのウォーターマーク(WE及びW)間の相関関係及びその相関値を求める方法について説明する。
【００５３】
２つのウォーターマーク(WE及びW)間の相関関係は、次の数９により求めることができる；
【数９】
0003876135.tif 000010
ここで、
0003876135.tif 000011
はFFT(W)の共役複素数を示し、IFFT(W)は逆FFT(W)を示す。
【００５４】
前記数９から求められた相関関係の結果は、ある１つの値ではなく、シーケンスの形態(x1、・・・、xN)であるので、求められた複数個の値等(x1〜xN)を比較して最大ピーク値M及びその位置Pを求める。
【００５５】
次に、数９から求められた相関関係の結果から先鋭度、即ち４次モーメント(Kurtosis)Kを次の数１０により求める。
【数１０】
0003876135.tif 000012
ここで、x1、・・・、xNは、上述のとおり数９から得た数列であり、２つのウォーターマーク(W及びWE)間の相関関係の結果値であり、
0003876135.tif 000013
は、x1、・・・、xNの平均を、σは標準偏差を示す。
【００５６】
このように求められた相関値等、K、M、Pを分析すると(段階460)、所定の使用者キーから生成されたウォーターマーク(W)と、検出されたウォーターマーク(WE)とが一致するかを判別することができる。詳細に説明すれば、相関値K、即ちカートシス(Kurtosis)が所定の臨界値未満であれば、２つのウォーターマーク(W及びWE)が一致しないことを示し、最大ピーク値(M)が所定の臨界値未満である場合も２つのウォーターマーク(W及びWE)が一致しないことを示す。又、２つのウォーターマーク(W及びWE)の最大ピーク値の位置(P)がいつも同一の場合にのみ２つのウォーターマーク(W及びWE)が一致することを意味する。又、ウォーターマーク生成器(230)により生成されたPN−codeは、自己信号以外のPN−codeとは相関度が‘０’であるので、PN−codeによる相関度も亦、所定の臨界値以上の場合は、２つのウォーターマーク(W及びWE)が一致することを意味する。従って、デジタル画像が上述の相関値等の条件を全て満たせば、２つのウォーターマーク(W及びWE)が一致することを意味し、デジタル画像の認証を確定する。一例として、図７の段階370のように相関値等の条件を分析した結果によって、ウォーターマークされたデジタル画像が印刷された証明書の所持者を認証するか、例えば通過を許可するか(段階480a)、又は認証を拒絶するか、又例えば通過を拒絶するか、警告することもできる(段階480b)。
【００５７】
本発明によるデジタルウォーターマーキング装置及び方法に対する評価のために、256×256の大きさのデジタル画像にウォーターマークを挿入した後、ディザーリング、ハーフトーン、ブラーリングのような変形を加えた後、ウォーターマークを検出する実験を行った。この実験に対し、約99.92%の検出結果を得ることができ、この実験に引き続き、300dpi解像度のプリンタで印刷した後、印刷された画像をスキャナ及びデジタルカメラを用いて、再びデジタル画像に生成した後、ウォーターマークを検出する実験を行った。この実験に対し、95%以上の高い検出率を示すことにより、印刷による変形に対し、強靱なウォーターマーキング技術であることを確認することができた。
【００５８】
【発明の効果】
上述のとおり、本発明によるデジタル画像ウォーターマーキング装置及び方法によれば、周波数領域特性を利用した本発明の原理により、ウォーターマークの挿入及び検出に対する画像原本の品質を保障すると同時に、印刷やイメージ変形等に強靱な特徴を有し、画像原本無しでもウォーターマークを検出することができる長所がある。又、使用者キーをウォーターマークとして挿入し、ウォーターマーク検出の際、使用者から入力された使用者キーから生成されたウォーターマークと、検出されたウォーターマークとが一致する場合にのみ認証され、４次モーメントのような相関値等の算出により、ウォーターマークの保安性及び正確性を大きく強化させた特徴を有する。
【００５９】
印刷に強靱であり、保安性が強化された特性を有する本発明による装置及び方法は、印刷物としての著作権や認証、個人情報の確証を要求する多様な応用例に適用することができる極めて優れた長所を有する。即ち、本発明の装置及び方法は、インターネットのような大規模のネットワーク上における電子商取引、電子認証書、電子識別カード、電子登録証、インターネットクーポン、電子貨幣、身分証、成績表等の活用のための前提条件である情報保安装置及び方法を提供し、秘密維持を必要とする情報に対する偽造、変造等の不法使用を防ぎ、個人の身上情報の保護はもちろん、デジタル画像著作物の知的財産権の保護産業分野にも広く適用することができる。
【００６０】
これまで、本発明によるデジタル画像ウォーターマーキング装置及び方法に対する好ましい実施例を開示し、例として説明したが、これは、本技術の分野の熟練された者にとって、このような実施例が、単に例示のためのものであって、これに限定されるものでなく、本発明の技術的思想の範囲内で多様に変形又は変換、置換、代替され得ることは明白である。又、本発明の技術的思想は、上述の実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲及びそれと同等の技術的原理によってのみ限定されることを理解しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるウォーターマーク挿入装置の構成を概略的に示したブロック図である。
【図２】本発明に用いられるフィルタバンクによる離散ウェーブレット変換プロセスを示した図である。
【図３】本発明に用いられるフィルタバンクによる離散ウェーブレット逆変換プロセスを示した図である。
【図４】本発明に用いられる一般的な離散ウェーブレット変換後の係数分布を示す図である。
【図５】本発明により、デジタル画像にウォーターマークを挿入するプロセスを説明するフローチャートである。
【図６】本発明によるウォーターマーク認証装置の構成を概略的に示したブロック図である。
【図７】本発明により、デジタル画像からウォーターマークを検出し、検出されたウォーターマークへの相関関係の算術及び分析から、認証結果を出力するプロセスを説明するフローチャートである。
【符号の説明】
100  ウォーターマーク挿入装置
110、210  白黒画像/カラー画像判別器
120、220  カラーモデル変換器
125、225  周波数領域変換器  130、230  ウォーターマーク生成器
131、231  使用者キー暗号化器
132、232  疑似難数生成器
140  ウォーターマーク挿入器
150  逆周波数領域変換器
155  逆カラーモデル変換器
200  ウォーターマーク認証装置
240  相関関係の算術及び分析器
250  認証結果出力器
【図１】
0003876135.tif 000014
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003876135.tif 000020