原始信息嵌水印、传带水印信息、重构水印的装置和方法

摘要

一种用于在原始信息中嵌入水印、传送带水印的信息和重构水印的装置和方法。该方法包括:(a)在原始信息中嵌入构成水印的多个分量的预定数目的分量；和(b)使用其余的分量作为用于重构水印的密钥。根据该方法,由于大大降低了要嵌入的数据长度,防止了带水印的信息的退化,并且,面对在传送信息时以各种手段产生的攻击,信息变得更健壮了。

说明书

技术领域

本发明涉及水印，更具体地说，涉及用于在原始信息中嵌入水印、传送带水印的信息、和重构水印的装置和方法。

背景技术

随着基于网络的通信技术的发展，以数字形式存储或传送多媒体信息越来越频繁。在拷贝数字信息时，几乎不可能区分拷贝的数字信息与原始数字信息。因此，作为声明关于原始信息的权利的方法，是在原始信息中嵌入标识信息(下面称为“水印”)。用作水印的主要是原始信息的版权信息、版权人的签名或标记。

如果增加在原始信息中嵌入的数据的尺寸，则面对外部攻击，带水印的信息就变得健壮了，但是，带水印的信息的质量就降低了。如果降低嵌入原始信息的数据尺寸，则结果相反。即，在水印的尺寸和带水印的信息的质量之间存在一种取舍(trade-off)。在文本数据作为水印嵌入时，文本数据通常少于100比特，因此，没有问题。但是，当图像数据作为水印嵌入时，例如，即使是相对小的32×32像素的二进制图像，也需要嵌入1024比特，因此原始信息的质量就降低了。然而，由于图像数据比文本数据更易识别且界面更友好，所以，嵌入水印图像的需要增加了。

在现有技术中，已经公开了各种水印嵌入方法。无论怎样，所有的方法主要是关于在哪里、和如何将带水印的数据嵌入到原始信息中。

发明内容

为解决上述问题，本发明的第一个目的是提供了一种用于在原始信息中嵌入水印、传送带水印的信息、和重构水印的装置和方法，其中，大大减小了嵌入的数据的尺寸。

本发明的第二个目的是提供了一种用于在原始信息中嵌入水印、传送带水印的信息、和重构水印的装置和方法，其中，大大减小了嵌入的数据的尺寸，并且，面对攻击，水印更健壮了。

本发明的第三个目的是提供了一种用于在原始信息中嵌入水印、传送带水印的信息、和重构水印的装置和方法，其中，水印能容易地重构于目的地。

相应地，为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了在原始信息中嵌入水印的方法。该方法包括：(a)在原始信息中嵌入构成水印的多个分量的预定数目的分量；和(b)使用其余的分量作为用于重构水印的密钥。

最好是，步骤(a)包括(a1)将水印分解成多个分量，并且，步骤(a1)包括将带水印的图像分解成颜色分量、位置分量和尺寸分量。

同样最好是，分解包括：(a11)通过将带水印的图像分成具有一致的颜色分量的区域，以获得多个子块；(a12)产生表示所获得的子块的颜色分量的比特流；和(a13)在原始信息中嵌入所产生的比特流。

同样最好是，步骤(a11)包括将带水印的图像分成至少一个二进制图像，并且，通过将获得的二进制图像分成由一致的比特值表示其颜色分量的区域，以获得多个子块。

为实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了在原始信息中嵌入水印图像的方法。该方法包括：(a)在改变区域的尺寸时检索水印图像，并且，如果有由一致的比特值表示其颜色分量的区域，则抽取该区域作为子块；(b)产生表示所抽取的子块的颜色分量的比特流；和(c)在原始信息中嵌入所产生的比特流。

最好是，步骤(a)包括：(a1)将水印图像分成至少一个二进制图像；(a2)在改变区域的尺寸时检索水印图像，并且，如果有由一致的比特值表示其颜色分量的区域，则抽取该区域作为子块，和(a3)对于其余的二进制图像重复步骤(a2)。

同样最好是，步骤(b)包括通过以子块尺寸的顺序安排与子块相对应的比特值，以产生表示颜色分量的比特流。

为实现上述目的，根据本发明的又另一方面，提供了一种用于在原始信息中嵌入水印和传送原始信息的方法。该方法包括：(b)在原始信息中仅嵌入构成水印的多个分量的预定数目的分量，并传送原始信息；和(c)传送作为用于重构水印所需要的密钥的其余的分量。

最好是，在步骤(b)之前，该方法还包括(a)将水印分解成多个分量。

为实现上述目的，根据本发明的又另一个方面，提供了一种用于重构水印的方法。该方法包括：(a)从原始信息中抽取构成水印的多个分量中的预定数目的分量；和(b)通过结合作为密钥所接收的其余的分量来重构水印。

最好是，步骤(a)包括(a1)从带水印的原始信息中抽取表示水印的颜色分量的比特流。

同样最好是，步骤(b)包括(b1)接收作为密钥的水印的位置和尺寸的分量；和通过将该密钥和颜色分量结合而重构水印。

为实现上述目，根据本发明的又另一个方面，提供了一种用于在原始信息中嵌入水印的装置。该装置包括：水印分解单元，将水印分解成多个分量；水印嵌入单元，嵌入通过水印分解单元所获得的多个分量中的预定数目的分量；和密钥产生单元，输出作为用于重构水印的密钥的、通过水印分解单元所获得的多个分量的其余分量。

最好是，水印分解单元，通过将水印图像分成具有一致的颜色分量的区域，以获得多个子块，并产生表示所获得的子块的颜色分量的比特流；和水印嵌入单元，在原始信息中嵌入通过水印分解单元产生的比特流。

附图说明

通过参照附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和其它优点将变得更明显，其中：

图1是根据本发明的优选实施例的水印嵌入装置的结构图；

图2是增加到图1的水印嵌入装置中并存储或传送带水印的原始信息的装置的结构图；

图3是根据本发明的用于分解水印的过程的参考图；

图4是示出了用于分解水印的过程的优选实施例的参考图；

图5A和图5B是示出了根据本发明的优选实施例分解带水印的图像的过程的参考图；

图6是示出了在另一个系统中用于重构水印的过程的参考图；

图7是用于解释根据本发明的水印嵌入方法的流程图；

图8是用于解释根据本发明的优选实施例的水印嵌入方法的流程图；

图9是用于解释根据本发明的另一个优选实施例的水印传送方法的流程图；

图10是用于解释水印重构方法的流程图；

图11示出了用于试验的带水印的图像的例子；

图12是用于比较根据本发明从图11的测试图像中抽取的颜色分量的比特流的表；

图13示出了用于试验的原始图像；

图14是比较根据本发明而获得的带水印的图像的图像质量与根据现有技术而获得的图像的图像质量的图；

图15是示出了根据本发明的带水印的图像的健壮性的图；

图16是示出了根据本发明的带水印的图像的滤波(filtering)健壮性的参考图；

图17是根据本发明的带水印的图像的剪切(cropping)健壮性的参考图；和

图18是根据本发明的带水印的图像的扭曲(warping)健壮性的参考图。

具体实施方式

参见图1，根据本发明的优选实施例的水印嵌入装置10接收原始信息和水印。将构成水印的部分数据嵌入到原始信息中，并输出带水印的信息和密钥。水印嵌入装置10是由水印分解单元11、密钥产生单元12和水印嵌入单元13形成的。

水印分解单元11将水印分解成多个分量。水印可以由多种表示方法之一来表示。例如，如果根据预定的加密算法加密带水印的数据，则水印被分解成数据分量和密钥分量。如果水印是视频或声音数据且根据分配到每个频带的波段的量化比特的数目而量化，则水印可以分解成量化的数据分量和被分配到每个频带的许多量化比特。如果水印是语音信号，则水印可以分解成激励源和频谱定形滤波器(spectral shaping filter)。另外，水印可以分解成共振峰和包络线。如果水印是视频或声音数据，水印可以分解成频率分量和系数分量。即，水印分解单元11将水印分解成在以后能够结合重构该水印的两个或多个分量。这时，当输入的水印图像不是二进制图像时，水印图像被转换成至少一个二进制图像，然后，被分解。例如，当水印图像是颜色图像时，水印图像按颜色分成二进制图像，并且，每个二进制图像都被分解。在本实施例中，二进制水印图像被分解成颜色分量、位置分量和尺寸分量。

密钥产生单元12产生校验密钥。校验密钥表示从带水印的信息中抽取水印或由抽取的数据重构水印所需要的数据。在本实施例中，密钥产生单元12存储作为用于重构水印的密钥的其余的分量，即，除了嵌入原始信息中的分量外的通过水印分解单元11获得的多个分量，或在传送水印图像时，与水印信息分离地向目的端传送其余分量。

水印嵌入单元13在原始信息中嵌入由水印分解单元11所产生的多个分量中的一些。原始信息通常是一个图像(静止图像和运动图像)或声音(包括语音信号)。可以在各种方式中选择用于在原始信息中嵌入水印的方法。可以使用任何现有技术的水印嵌入方法。例如，在一种方法中，在通过离散余弦变换(DCT)、快速傅立叶变换(FFT)、或离散子波变换(Discrete WaveletTransform(DWT))将原始信息转换成在频域中的数据之后，可以将水印嵌入到人类视力不太敏感的部分中。另外，在嵌入水印时，可以分配至少一个比例因子。当原始信息是图像时，这个比例因子是在水印的健壮性和带水印的图像的图像质量之间调节取舍的因子。在分配该比例因子时，比例因子的值可以彼此不同。但是，由于应当在目的端完整地重构水印，所以，最好是，不使用有损失的压缩的嵌入方法。同样，最好是，考虑到由攻击造成的差错，不使用能够造成差错传播的压缩方法，如游程长度(run-length)方法。

图2是增加到图1的水印嵌入装置中的、存储或传送带水印的原始信息的装置的结构图。

参见图2，水印传送装置包括存储器单元20和服务器30。存储器单元20存储根据本发明的带水印的信息和密钥。存储器单元20可以实现为用于存储带水印的信息的普通存储器单元和用于存储密钥的安全存储器单元。服务器30通过网络向另一个系统50传送带水印的信息和密钥。网络可以是局域网(LAN)或如因特网等的广域网(WAN)，或包括两者。系统50能够通过使用接收的密钥，从带水印的信息中抽取和重构水印。另外，通过显示装置(未示出)和/或打印装置(未示出)，系统50能够显示或打印带水印的信息和重构的水印。

图3和图4是示出了用于根据本发明分解水印的过程的参考图。

参见图3，水印分解单元11将水印分解成M个分量(这里M是整数)。在M个分量中，为m(m是比M小的整数)个分量的A，作为水印，被嵌入到原始信息中，并且，为其余分量(M-m)的B用作密钥。

参见图4，根据本发明的优选实施例，水印图像被分解成颜色分量、位置分量、和尺寸分量。然后，颜色分量被嵌入到原始信息中，位置分量和尺寸分量用作密钥。

图5A和图5B是示出了根据本发明的优选实施例的用于分解水印图像的过程的参考图。

如上所述，水印分解装置11将水印图像分成二进制图像，然后，分解该二进制图像。参见图5A，二进制图像被表示为由1到4表示的4个区域。阴影部分表示比特‘0’，无阴影部分表示比特‘1’。由于区域3和区域4具有相同的颜色分量，即，由相同的比特表示的颜色分量，所以，抽取区域3和区域4作为子块W(0)。接下来，抽取区域1作为子块W(1)。然后，在区域2中，抽取由相同比特表示其中的颜色分量的区域2-1和区域2-3，以作为子块W(2)。在其余的区域中，抽取由相同比特表示其中的颜色分量的区域2-4，以作为子块W(3)。然后，分别抽取区域2-2-1、区域2-2-2、区域2-2-3、和区域2-2-4，以作为子块W(4)、子块W(5)、子块W(6)、和W(7)。如果安排与按抽取顺序的子块相对应的比特，则获得比特流‘10010101’。即，‘10010101’是表示颜色分量的比特流。

参见图5B，示出了在图5A的水印图像分解过程中所获得的尺寸和位置分量。矩形的尺寸表示相对应的子块的尺寸分量，并且，在矩形中标出的参考标号表示相对应的子块的位置分量。可以用各种方式表示尺寸和位置分量。

图6是示出了用于在另一个系统中重构水印的过程的参考图。参见图6，系统50从带水印的图像中抽取表示颜色分量的比特流‘10010101’，然后，通过结合作为密钥所接收的尺寸和位置分量而重构水印。

基于上述的结构，现在，将解释根据本发明的优选实施例的水印嵌入方法和传送方法。

图7是用于解释根据本发明的水印嵌入方法的流程图。

参见图7，在步骤701中，水印嵌入装置将构成水印的多个分量中的一些嵌入到原始信息中，并且，在步骤702中，使用其余的分量作为用于重构水印的密钥。在此，使用这些分量作为密钥的意思是，当把在步骤701中获得的带水印的信息传送到目的地时，存储作为密钥的分量或传送作为密钥的分量。

图8是用于解释根据本发明优选实施例的水印嵌入方法的流程图。

参见图8，在步骤801中，水印嵌入装置将带水印的图像分成具有一致的颜色分量的多个子块，并且，在步骤802中，产生表示所获得的子块的颜色分量的比特流。更具体地说，当在构成水印图像的二进制图像中的许多像素是X×Y＝(x，y)时，则水印嵌入装置将构成子块的像素数目设置为(x，y)，并将k值初始化为‘0’。接下来，水印嵌入装置搜索二进制图像的整个区域，如果有由一致的比特值表示的且具有与首先设置的子块的尺寸相同的区域时，则抽取该区域作为子块W(k)。如果在抽取的子块中的所有的比特是‘1’，则W(k)是1，并且，如果在抽取的子块中的所有的比特是‘0’，则W(k)是0。如果抽取该子块，则k值增加1。通过将子块的尺寸改变成(x/2，y)和(x，y/2)，水印嵌入装置再次搜索和检索水印图像。在此时，从搜索中排除抽取的子块。通过在宽度上或长度上将像素的数目减小一半，重复地执行搜索和检索，以抽取相对应的子块，直到(x，y)＝(1，1)。如果按照子块尺寸的顺序安排从每个子块获得的比特，则产生比特流。

在步骤803中，水印嵌入装置将获得的比特流嵌入到原始信息中。作为用于将比特流嵌入到原始信息中的方法，可以使用可适用的现有技术的水印嵌入方法。另外，通过对比特给予不同的比例因子，可以嵌入比特。对重要的分量给予大的比例因子，而对不太重要的分量给予小的比例因子。例如，对具有相对大尺寸的子块的比特分配大的比例因子，而对具有相对小尺寸的子块的比特分配小的比例因子。同时，在步骤804中，将子块的尺寸和位置分量用作密钥。

图9是用于解释根据本发明的另一个优选实施例的水印传送方法的流程图。

参见图9，在步骤901中，水印传送装置，将带水印的图像分成具有一致的颜色分量的多个子块。并且，在步骤902中，产生表示与以尺寸顺序的子块相对应的颜色分量的比特流。这些步骤与图8的步骤801和步骤802是相同的。另外，在步骤903中，对相对大的子块给予具有较大值的比例因子。接下来，在步骤904中，水印传送装置将分配了比例因子的比特流嵌入到原始图像中，并将原始图像传送到另一个系统50。该原始图像既包括静止图像也包括运动图像。同样地，作为用于在原始图像中嵌入比特流的方法，可以使用可适用的现有技术的方法。另外，通过对比特给予不同的比例因子，就可以嵌入比特。对较重要的分量给予大的比例因子，而对不太重要的分量给予小的比例因子。例如，大的比例因子分配给具有相对大尺寸的子块的比特，而对具有相对小尺寸的子块的比特分配小的比例因子。同时，在步骤905中，按照子块尺寸的顺序安排尺寸和位置分量，然后，作为密钥，传送到另一个系统50。

图10是用于解释水印重构方法的流程图。

参见图10，在步骤1001中，通过网络，系统50接收带水印的图像和密钥，并在步骤1002中，从带水印的图像中抽取表示子块的颜色分量的比特流。同时，在步骤1003中，系统50从接收的密钥中抽取子块的尺寸和位置分量。根据在步骤1002中抽取的比特流和在步骤1003中抽取的尺寸分量，重构具有相对应的尺寸和比特值的子块。最后，在步骤1004中，参照位置分量，通过重新安排重构的子块而重构水印图像。

如上所述，根据本发明，为了重构水印图像，嵌入的分量和密钥应当是精确的。这个精确度保证了用于嵌入和传送水印的方法和装置的健壮性。例如，如果接收了其他的水印图像的位置和尺寸信息来作为密钥，则子块的数目不匹配，就不能够重构水印。即使当用于嵌入水印的算法抽取表示嵌入的分量的比特流时，如果不知道子块的尺寸和位置分量，也不能够正确地重构水印图像。尽管窃取了密钥，如果不知道嵌入的颜色分量，则子块的比特不能够填充，因此，也不能够重构。

下面是关于根据本发明的水印嵌入装置的性能的试验的结果。首先，在试验中使用的装置使用了一种方法，其中，将原始图像进行DWT变换，以获得DWT系数，如果将被嵌入的比特流的比特值是‘0’，则相应的系数被阈值T1代替，如果比特值是‘1’，则相应的系数被阈值T2代替。确定T1和T2之间的距离的因子是比例因子。可以用各种方式确定比例因子。本试验使用的方法是在“一种基于DWT的健壮的数字水印方法”(“A Robust digitalwatermarking method based on DWT”)(IEEK 2001年夏季会议会记录，第24卷，第一号，pp77-80，2001年6月)一文中，由Sang-Wook Keem，Sang-HeumOh，Yong-Jun Ryu，和Keun-Young Lee公开的方法，其中，比例因子是α，并且，如果0.8≤α≤1，则Δα＝0.2；如果0.45≤α≤0.6，则Δα＝0.15；以及如果0.1≤α≤0.3，则Δα＝0.1。

图11示出了用于试验的水印图像的例子。参见图11，(a)“DW LAB”需要128×128比特/像素，(b)“SAMSUNG”需要150×39比特/像素，和“Signature”需要64×64比特/像素。

图12是用于比较根据本发明从图11的测试图像中抽取的颜色分量的比特流的表。参见图12，该图示出：(a)“DW LAB”能够用1167比特表示，它从现有技术使用的16384比特降低了90％；(b)“SAMSUNG”和“Signature”能够用降低了85％的比特表示。

图13示出了用于试验的原始图像。参见图13，(a)“Lenna”、(b)“Baboon”、和“Camman”中的每一个需要256×256像素。

图14是比较根据本发明获得的水印图像的图像质量与根据现有技术获得的图像的图像质量的图。根据在“一种基于DWT的健壮的数字水印方法”(“A Robust digital watermarking method based on DWT”)(IEEK 2001年夏季会议会记录，第24卷，第一号，pp77-80，2001年6月)一文中，由Sang-WookKeem，Sang-Heum Oh，Yong-Jun Ryu，和Keun-Young Lee公开的方法，水印被嵌入三次。但是，由于在不压缩的情况下，三次嵌入带有诸如“DM LAB”的大量数据的水印图像是不可能的，所以，仅嵌入图像一次。

参见图14，当根据本发明的方法嵌入水印图像时，图像的质量最少改善1.8分贝，最多改善5.6分贝。此处，PSNR表示拾取信噪比(Pick Signal to NoiseRatio)。

图15是示出了根据本发明的带水印的图像的健壮性的图。

参见图15，在“DM LAB”嵌入到“Baboon”，然后被压缩之后，通过将压缩比从10％改变到90％，执行联合图象专家组压缩标准(JPEG)压缩。作为结果，根据本发明的方法显示出2.33％的差错(在16384个比特中的381个)，根据现有技术的方法显示出22.86％的差错(在16384个比特中的3745个)。这表明，本发明比起现有技术，将差错产生率降低了十倍。

图16是示出了根据本发明的带水印的图像的滤波健壮性的参考图。

参见图16，在“SAMSUNG”嵌入到“Camman”，然后被JPEG压缩之后，在其上试验“Stirmark Attack”滤波的健壮性，并示出结果。(a)示出了在通过高斯滤波器之后抽取的水印图像；(b)示出了在通过2×2 MEDIAN滤波器之后抽取的水印图像；(c)示出了在通过3×3 MEDIAN滤波器之后抽取的水印图像；和(d)示出了在3×3带水印的图像的边缘加重时抽取的图像。所有的图表示出了95％以上的重构比。

图17是示出了根据本发明的带水印的图像的剪切健壮性的参考图。

参见图17，(a)示出了被剪切的“Lenna”，和(b)示出了从(a)中重构的带水印的图像“Signature”。尽管有这种剪切攻击，“signature”示出了97％以上重构的健壮性。

图18是示出了根据本发明的带水印的图像的扭曲健壮性的参考图。

参见图18，(a)示出了扭曲的“Lenna”，和(b)示出了从(a)中重构的带水印的图像“SAMSUING”。尽管有这种扭曲，“SAMSUNG”示出了97％以上重构的健壮性。

如上所述，由于根据本发明大大减小了将被嵌入的数据的尺寸，所以，防止了带水印的信息的退化，并且，面对在传送信息中以各种手段产生的攻击，信息变得更加健壮。即，将嵌入的水印被分解成多个分量，仅有一些分量被嵌入，使得图像质量被提高，并且，其余的分量被作为密钥传送，使得信息面对攻击变得更加健壮。这是因为，在目的端，只有结合从原始信息中抽取的一些分量和作为密钥传送的其余分量，才能够完整地重构水印。