專利名稱：電子水印插入裝置及電子水印插入方法
技術領域：
本發明一般涉及一種電子水印插入裝置及其方法。具體涉及一種能夠實時地在諸如靜止圖象和/或運動圖象等類型的輸入圖象數據中插入任意電子水印信息的電子水印插入裝置和方法。
目前隨著對諸如音頻信息、視頻信息和圖象等類型的電子處理數據版權保護需求的不斷增長，水印技術受到了越來越多的關注。而將電子水印信息插入到圖象數據中后，一般將很難看出來，使其在保護版權的同時也不至破壞被疊印圖象數據的圖象質量。
到目前為止，已提出了多種水印技術，例如在日本專利申請未決公開No.Hei 10-155151中所提出的方法。即，此專利申請介紹了一種用于將電子水印插入到壓縮編碼圖象數據中的電子水印插入裝置。圖5所示為一種包含由上述日本專利申請中所提出的電子水印插入裝置20的圖象數據處理裝置的方框圖。該種數據處理裝置20由用于輸入原始圖象數據的輸入電路21、用于將真實空間域(real spatial region)(時間域)原始圖象數據變換為空間頻域原始圖象數據的離散余弦變換器22、以及用于將保存在電子水印存儲器24中的任意電子水印信息嵌入到所變換圖象的特征部分(featured portion)中的電子水印混合器23組成。此種圖象數據處理裝置另外包括用于將其中嵌入有電子水印信息的空間頻域圖象數據反變換為原始圖象數據的反離散余弦變換器25，以及用于輸出反變換所得圖象數據的輸出電路26。該種圖象數據處理裝置輸出由來自輸出電路26的數字圖象數據構成的復制數據。
圖6所示的電子水印檢測裝置能夠檢測出任意圖象數據中是否插入有電子水印。此種電子水印檢測裝置由用于輸入所要檢測的圖象數據的輸入電路、用于將此輸入圖象數據變換為空間頻域圖象數據的離散余弦變換器32、用于檢測變換所得的空間頻域數據與電子水印存儲器34中所存儲的電子水印信息之間的相對關系(relative relation)的相關關系檢測器33、以及用于在其上顯示檢測結果的顯示單元35組成。
一般來說，在包含有電子水印插入裝置的數據處理裝置中，原始圖象數據被細分為顯示屏上的多個分別由縱向和橫向上一定數目的象素構成的圖象塊(block)。另外，對這些細分的圖象塊分別進行離散余弦變換可以將原始圖象數據變換到空間頻域。在空間頻域中，可以產生對應于信號強度的混合比率(mixing ratio)，隨后將先前存儲在電子水印插入裝置中的任意電子水印信息疊印到所輸入的原始圖象數據上。此后，將圖象上疊印有電子水印信息的區域量化，以按照可變長度編碼技術來進行編碼，由此來對該圖象數據進行壓縮。隨后，再將壓縮所得的具有電子水印信息的圖象數據傳送出去。
在上述常規類型的電子水印插入裝置中，時間域的輸入圖象數據先被變換為空間頻域的圖象數據，再在變換所得的空間頻域輸入圖象數據上疊印任意的電子水印信息，而此后，再將疊印有電子水印的空間頻域圖象數據將反變換為時間域的圖象數據。在此情況中，為了能夠以較高的速度在圖象數據上疊印電子水印信息，需要配備離散余弦變換電路和反離散余弦變換電路，因此整個電路的規模將增大許多。由于這一原因，在該類電子水印插入裝置中將會出現電路規模過大的問題。
例如，離散余弦變換運算對應于諸如混合有乘法和加法的重復性計算。為了執行一次離散余弦變換，所需要進行的重復操作次數為(圖象塊總數據數×log2總數據數)2。同樣，對于反離散余弦變換也將需要執行類似的計算。現在假設一個圖象塊中縱向/橫向總象素數等于88，則對于每個圖象塊上述計算將必須執行576次。
在此情況中，例如，采用NTSC TV系統的電視接收機的電視屏幕的分辨率為720象素×480象素，而一個圖象塊的大小為8列×8行。因此，一屏(screen)由5,400個圖象塊構成。其結果是，在向NTSCTV系統的輸入圖象數據中嵌入電子水印信息時，將需要執行3,110,400(即5,400×576)次離散余弦變換運算。類似地，也將必須執行3,110,400次反離散余弦變換。在此種NTSC TV系統中，為了顯示一幀圖象，由于后續的處理操作需要在16毫秒內完成，所以為了能夠實時地嵌入電子水印信息，相應地其所需電路的規模將相應增大。在這些處理運算中，將進行上述離散余弦變換/反離散余弦變換，計算空間頻域內信號的強度，以及將電子水印信息疊印到輸入圖象數據上。
提出本發明的初衷正是考慮到了上述問題，因此，本發明的一個目的是提供一種能夠在電視接收機或諸如此類裝置的輸入圖象數據中插入電子水印信息、同時電路結構仍不復雜的簡單電子水印插入裝置。
為了實現上述目的，根據本發明的第一方面，其提供了一種用于在靜止圖象或運動圖象中插入任意電子水印信息的電子水印插入裝置，其特征在于包括圖象分塊電路，用于將輸入圖象數據劃分為顯示屏上的多個象素塊，這些象素塊由縱向和橫向上的一定數目的象素構成；幅值測量電路，用于分別為每個象素塊測量輸入圖象數據的幅值；混合比率確定電路，用于根據為每個象素塊所測量出的幅值來為每個象素塊確定輸入圖象數據與電子水印信息之間的混合比率；以及混合裝置，用于根據為每個象素塊所確定的混合比率將輸入圖象數據與電子水印信息混合在一起。
根據本發明的第二方面，其提供了一種用于將任意電子水印信息嵌入到靜止圖象或運動圖象中的電子水印插入裝置，其特征在于包括圖象分塊電路，用于將輸入圖象數據劃分為顯示屏上的多個象素塊，這些象素塊由縱向和橫向上一定數目的象素構成；頻率特性測量電路，用于測量輸入圖象數據的頻率特性；混合比率確定電路，用于根據為每個象素塊所測量出的頻率特性來為每個象素塊確定輸入圖象數據與電子水印信息之間的混合比率；以及混合裝置，用于根據為每個象素塊所確定的混合比率將輸入圖象數據與電子水印信息混合在一起。
根據本發明的第三方面，提供了一種用于在靜止圖象或運動圖象中嵌入任意電子水印信息的電子水印插入方法，其特征在于包括如下步驟將輸入圖象數據劃分為顯示屏上的多個象素塊，這些象素塊分別由縱向和橫向上的一定數目的象素構成；為每個象素塊測量輸入圖象數據的幅值；根據為每個象素塊所測量出的幅值來為每個象素塊確定輸入圖象數據與電子水印信息之間的混合比率；以及根據為每個象素塊所確定的混合比率將輸入圖象數據與電子水印信息混合在一起。
根據本發明的第四方面，提供了一種用于在靜止圖象或運動圖象中嵌入任意電子水印信息的電子水印插入方法，其特征在于包括如下步驟將輸入圖象數據劃分為顯示屏上的多個象素塊，這些象素塊由縱向和橫向上一定數目的象素構成；測量輸入圖象數據的頻率特性；根據為每個象素塊所測量出的頻率特性來為每個象素塊確定輸入圖象數據與電子水印信息之間的混合比率；以及根據為每個象素塊所確定的混合比率將輸入圖象數據與電子水印信息混合在一起。
在本發明的電子水印插入裝置和方法中，輸入圖象數據被細分為圖象塊，在將所劃分的圖象數據保持為時間域的同時，測量每個象素塊的諸如頻率特性或幅值特性等類型的數據特性，并為圖象數據的每個細分圖象塊確定各自的電子水印信息對圖象數據的混合比率。其結果是，此種電子水印插入裝置和插入方法將變得十分簡單，從而不再需要復雜的離散余弦變換電路，同時也不再需要復雜的反離散余弦變換電路。
優選地，用于測量圖象數據的頻率特性的頻率特性測量電路可以包括一個用于沿水平方向測量象素塊的頻率特性的第一濾波器組，以及用于沿垂直方向測量象素塊的頻率特性的第二濾波器組，第一濾波器組和第二濾波器組分別具有一個帶通濾波器，其中心頻率位于與水平方向上的采樣頻率和垂直方向上的采樣頻率有關的頻率上。
此帶通濾波器由模擬電路中的乘法元件、加法元件和延遲元件組合而成。當此帶通濾波器的截止頻率特性較為尖銳時，這些元件的總數將會增大。然而，如果乘法電路所用的乘數是1/2、1/4、1/8以及通過將這些數乘以一個整數所得的值，則通過實際上進行移位操作來取代乘法，可以實現數字式的濾波電路。在此情況中，由于移位操作是通過僅僅偏移(shift)布線連接(connection)來實現的，所以其可以不再需要復雜的乘法電路，并且通過只采用一個加法器和延遲元件便可以構成數字式濾波電路。因此，盡管數據計算的總數依然一樣，但帶通濾波器的電路規模將大為減小。
為了更好地理解本發明，接下來將參照附圖對本發明進行詳細地說明，其中
圖1所示為根據本發明一種實施例的電子水印插入裝置的結構示意簡圖；圖2所示為圖1所示電子水印插入裝置的電子水印插入操作的流程圖；圖3所示為圖1所示BPF組中的第一組BPF(帶通濾波器)的增益特性的示意圖；圖4所示為圖1所示BPF組中的第二組BPF(帶通濾波器)的增益特性的示意圖；圖5所示為包含有常規電子水印插入裝置的信號處理電路的簡要方框圖；圖6所示為常規電子水印插入裝置的簡要方框圖。
現在將參照附圖，對本發明的多種優選實施例進行詳細地說明。
圖1所示為根據本發明第一實施例的電子水印插入裝置的配置示意簡圖。參照圖1，此種電子水印插入裝置包括輸入電路(A/D變換器)11，用于輸入模擬輸入圖象數據并用于將此模擬輸入圖象數據變換為數字圖象數據；圖象分塊單元12，其用于輸入該數字圖象數據，并將此輸入數字圖象數據劃分為顯示屏上的多個象素塊，這些象素塊分別由8(寬度方向)×8(長度方向)個象素所構成；以及一個帶通濾波器(BPF)組13，其用于同時沿縱向和橫向從這些象素塊的每一個中濾出多種特定頻率。此種電子水印插入裝置另外包括頻譜測量單元14，其用于測量從BPF組13所輸出的這些特定頻率分量的頻譜強度；幅值測量電路15，用于沿縱向和橫向測量從圖象分塊單元12中輸出的數字圖象數據；混合比率確定單元16，用于根據頻譜測量單元14的頻譜強度輸出和幅值測量電路15的幅值輸出，為每個象素塊確定數字圖象數據與電子水印信息的混合比率；電子水印混合單元17，用于根據為每個象素塊所確定的混合比率將電子水印信息疊印到數字圖象數據上；電子水印存儲器18，用于存儲所要疊印的電子水印信息；以及一個輸出電路(D/A變換器)19，用于將從電子水印混合單元17輸出的數字圖象數據變換為模擬信號，以產生重放數據。
一般來說，當電子水印信息被疊印到圖象信號上時，原始圖象的質量均將受到破壞。而對于人眼的特性來說，當電子水印或諸如此類被作為噪聲嵌入到其頻率較為恒定的圖象中時，將很容易地感覺到圖象質量的惡化。而當電子水印信息被輸入到直線邊緣或弧線中時，由于這些直線將發生變化而具有鋸齒形，因此也將很容易地感覺出圖象質量的惡化。其結果是，在向圖象數據中嵌入電子水印信息時，需要先檢測此圖象數據的特征，并在隨后調節圖象數據對電子水印信息的比率，以使其不至于引起圖象質量的這種惡化。電子水印插入處理操作圖2所示為由根據第一實施例的上述電子水印插入裝置所執行的電子水印插入處理操作的流程圖。在由該種電子水印插入裝置所執行并如圖2所示的處理中，輸入圖象數據首先在步驟S1由輸入電路11進行A/D變換。接著，在步驟S2利用圖象分塊單元12，將此數字輸入圖象數據分為多個圖象塊。當該數據是一屏具有720×480象素的電視圖象且一個圖象塊由8×8個象素構成時，圖象分塊單元12可以將該數據劃分為例如5400個圖象塊。隨后，在步驟S3，由BPF組13對這些細分所得的圖象塊每一個的圖象數據進行濾波，以從細分所得的每個圖象塊中提取出某種頻率分量。
圖3所示為包含于BPF組13中并被用來沿水平方向提取頻率分量的第一組BPF(包含LPF)的增益特性，而圖4所示為包含于BPF組13中并被用來沿垂直方向提取頻率分量的第二組的BPF(包含LPF)的增益特性。圖3中，用于沿水平方向提取頻率分量的第一組BPF對應于利用13.5MHz MPEG系統的水平采樣頻率的一半作為參考頻率所獲得的BPF5到BPF1。BPF5到BPF1的中心頻率分別為6.75MHz；5.06MHz(3.375MHz+1.69MHz)；1.69MHz；和0MHz。BPF5到BPF1每一個的帶寬是在其中心頻率左右±0.5MHz的頻率范圍。圖4中，用于沿垂直方向提取頻率分量的第二組BPF(包括LPF)對應于利用垂直方向上15.75KHz的掃描頻率的一半作為參考頻率所獲得的BPF10到BPF6。BPF10到BPF6的中心頻率分別為7.87KHz、5.90KHz(3.93KHz+1.97KHz)、1.97KHz、和0KHz。BPF10到BPF6每一個的帶寬是在中心頻率左右±0.66KHz的頻率范圍。在步驟S3，在連續地沿水平方向和垂直方向輸出圖象塊圖象數據的同時，利用BPF組13來提取各自的頻率分量。
接著，在步驟S4，頻譜測量單元14對每個頻率分量提取某種頻譜量。換句話說，將處理先前步驟S3所提取出的各自頻率分量的頻譜強度。
接著，在步驟S5，幅值測量單元15檢測原始圖象數據的幅值及其特性的變化。
接著，在步驟S6將對所檢測出的幅值進行量值(magnitude)的檢測。當該幅值較小、也就是當圖象較暗時，以及當該幅值較大、也就是當該圖象較亮時，由于電子水印信息將很難被看出來，所以電子水印信息對圖象數據的混合比率將被設置為一個較大的數值(步驟S7)。另外，當在步驟S6判定該幅值大約為中間值時，人眼將能夠很好地識別出該中間頻率。然而，由于該混合比率將隨電子水印信息的頻率分量的量值變化而變化，因此可以根據如下的頻率特性來確定混合比率在步驟S8，混合比率確定單元16首先判斷縱向和橫向上這些細分圖象塊每一個的圖象數據是否在該電子水印信息的頻率鄰域中的頻率上具有峰值。在此情況中，縱向和橫向上這些細分圖象塊的每一個的圖象數據在靠近電子水印信息頻率的頻率上具有較大的頻譜強度，由于該電子水印信息被隱藏在圖象數據之下，混合比率確定單元16將把該混合比率設置為一個較大的數值(步驟S9)。在前一步驟S8，當各個圖象塊的圖象數據具有與電子水印信息相差很多的頻率特性時，混合比率確定單元16將判斷在每個圖象塊圖象數據的高頻段上的某個頻譜量是否很大(步驟S10)。在此情況下，當圖象塊圖象數據在該高頻段上具有相對較小的頻譜，則此混合比率確定單元16將把混合比率設置為一個較小的數值(步驟S11)。相反地，當圖象塊圖象數據在高頻段上具有較大的頻譜時，混合比率確定單元16將把混合比率設置為一個中間值(步驟S12)。此后，在任何情況下，在電子水印混合單元19中根據所確定的混合比率將電子水印信息疊印到圖象數據上。
通常，對每個圖象塊的輸入圖象數據100，電子水印的混合比率均被設置為0到1之間范圍內的數值。而當圖象數據的幅值較大，即此圖象較亮時，以及當圖象數據的幅值較小，即此圖象較暗時，由于電子水印信息將很難被看出來，所以可以將電子水印信息與圖象數據的混合比率設置為一個較大的數值。然而，當圖象數據的幅值處于中間水平時，人眼將能夠很好地識別出此圖象數據，由此也將使電子水印信息很容易地內看出來。其結果是，需要將電子水印信息的混合比率設置為一個較小的數值。另外，當圖象數據的幅值處于中間水平，且此圖象數據包含有很少量的相同頻率分量時，盡管電子水印信息能夠被很容易地看出來，但如果圖象數據的頻率與該電子水印信息的頻率彼此分離，則其仍將很難看出電子水印信息。其結果是，在某種程度上，可以將此電子水印信息插入到圖象數據中。在任何情況下，可以根據幅值特性和頻率特性，優選地確定該混合比率，同時使得電子水印信息很難被看出來。
作為存儲在電子水印存儲器18中的電子水印信息，例如，可以采用顯示在整個屏幕上的電子水印信息，或只顯示在屏幕的預定部分上的電子水印信息。另外，也可以將電子水印信息只插入到特定頻率上的具有等于或高于預選幅值水平的幅值的圖象數據圖象塊中。
在上述實施例中，在步驟S6對圖象數據的幅值進行完判斷之后，混合比率確定單元16將在步驟S8進行檢測，以判斷相同的頻率分量是否很大。另外，在步驟S6和S8所執行的處理操作也可以按照相反的順序來執行。
在上述實施例中，是針對其中是根據頻率特性并通過檢測圖象數據上的幅值的量值來確定混合比率的實例來進行說明的，但本發明并不僅局限于此。另選地，不再是利用頻率特性，例如，也可以通過檢測頻率特性的變化特性，即通過檢測頻譜量沿水平方向或垂直方向是如何改變的特性來確定混合比率。
在此另選情況中，如果頻率變化變得很大，則電子水印信息將很難被看出來。其結果是，混合比率將被設置為一個較大的數值。另選地，也可以只根據幅值和/或幅值變化來確定該混合比率。另外，還可以只根據頻率特性來確定該混合比率。
另外，對于用于測量圖象數據頻率特性的頻率特性測量電路，其提供了第一濾波器組和第二濾波器組。第一濾波器組沿水平方向測量象素塊的頻率特性。而第二濾波器組則沿垂直方向測量象素塊的頻率特性。第一濾波器組和第二濾波器組均由帶通濾波器構成，帶通濾波器的中心頻率位于與水平方向的采樣頻率和垂直方向的采樣頻率有關的頻率上。
根據本發明的這種帶通濾波器由乘法元件、加法元件和延遲元件組合而成。當此帶通濾波器的截止頻率特性比較尖銳時，這些元件的總數將增大。然而，如果1/2、1/4、1/8以及通過將這些數值乘以整數所得的數值被用作乘法電路的乘數，通過實際進行移位操作而不是乘法，就可以實現數字式的濾波電路。在這種情況下，由于移位是通過僅僅移動布線連接來實現的，所以其將不再需要復雜的乘法電路，同時只采用一個加法器和延遲元件便可以構成數字式的濾波電路。因此，盡管數據計算的總數依然相同，但帶通濾波器的電路規模將大為減小。
盡管上文中已根據上述優選實施例對本發明進行了說明，但本發明的電子水印插入方法和裝置并不僅局限于這些優選實施例的結構，而是可以在不背離本發明的技術精神和范圍的情況下進行各種形式的修正、變型和替代。
在本發明的電子水印插入裝置中，輸入圖象數據被細分為多個圖象塊，并在將其保持在時間域內的同時獲得其頻率特性或幅值，同時在不需要將圖象數據變換到空間頻域中的情況下來確定電子水印信息與圖象數據的混合比率。其結果是，其具有能夠使該種電子水印插入裝置和插入方法變得更為簡單的效果，并且不再需要進行復雜的離散余弦變換和反離散余弦變換。
權利要求
1.一種用于在靜止圖象或運動圖象中嵌入任意電子水印信息的電子水印插入裝置，其特征在于包括圖象分塊電路，用于將輸入圖象數據劃分為顯示屏上的多個象素塊，所述象素塊由縱向和橫向上一定數目的象素構成；幅值測量電路，用于為每個象素塊測量輸入圖象數據的幅值；混合比率確定電路，用于根據為每個象素塊所測量出的幅值來為每個象素塊確定輸入圖象數據與電子水印信息之間的混合比率；以及混合裝置，用于根據為每個象素塊所確定的混合比率將輸入圖象數據與電子水印信息混合在一起。
2.一種用于在靜止圖象或運動圖象中嵌入任意電子水印信息的電子水印插入裝置，其特征在于包括圖象分塊電路，用于將輸入圖象數據劃分為顯示屏上的多個分別由縱向和橫向上一定數目的象素構成的象素塊；頻率特性測量電路，用于測量輸入圖象數據的頻率特性；混合比率確定電路，用于根據為每個象素塊所測量出的頻率特性來為每個象素塊確定輸入圖象數據與電子水印信息之間的混合比率；以及混合裝置，用于根據為每個象素塊所確定的混合比率將輸入圖象數據與電子水印信息混合在一起。
3.如權利要求2所述的電子水印插入裝置，其特征在于另外包括用于為每個象素塊測量圖象數據的幅值的幅值測量電路，其中混合比率確定電路根據每個象素塊的頻率特性和測量所得的幅值和/或這些幅值中所包含的偏差來確定該混合比率。
4.如權利要求2所述的電子水印插入裝置，其特征在于所述頻率特性測量電路包括用于測量水平方向上的象素塊的頻率特性的第一濾波器組，以及用于測量垂直方向上的象素塊的頻率特性的第二濾波器組；以及所述第一濾波器組和所述第二濾波器組分別具有帶通濾波器，其中心頻率位于與水平方向的采樣頻率和垂直方向的采樣頻率有關的頻率上。
5.如權利要求3所述的電子水印插入裝置，其特征在于所述頻率特性測量電路包括用于測量水平方向上象素塊的頻率特性的第一濾波器組，以及用于測量垂直方向上象素塊的頻率特性的第二濾波器組；以及所述第一濾波器組和所述第二濾波器組分別具有帶通濾波器，其中心頻率位于與水平方向的采樣頻率和垂直方向的采樣頻率有關的頻率上。
6.一種用于在靜止圖象或運動圖象中嵌入任意電子水印信息的電子水印插入方法，其特征在于包括如下步驟將輸入圖象數據劃分為顯示屏上的多個分別由縱向和橫向上一定數目的象素構成的象素塊；為每個象素塊測量輸入圖象數據的幅值；根據為每個象素塊測量所得的幅值來為每個象素塊確定輸入圖象數據與電子水印信息之間的混合比率；以及根據為每個象素塊所確定的混合比率將輸入圖象數據與電子水印信息混合在一起。
7.一種用于在靜止圖象或運動圖象中嵌入任意電子水印信息的電子水印插入方法，其特征在于包括如下步驟將輸入圖象數據劃分為顯示屏上的多個分別由縱向和橫向上一定數目的象素構成的象素塊；為每個象素塊測量輸入圖象數據的頻率特性；根據為每個象素塊所測量出的頻率特性來為每個象素塊確定輸入圖象數據與電子水印信息之間的混合比率；以及根據為每個象素塊所確定的混合比率將輸入圖象數據與電子水印信息混合在一起。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于另外包括用于為每個象素塊測量輸入圖象數據的幅值的步驟，其中混合比率確定步驟根據每個象素塊的頻率特性和測量所得的幅值和/或這些幅值中所包含的變化來確定該混合比率。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述頻率特性測量步驟根據與水平方向采樣頻率相對應的頻率測量水平方向上的象素塊的頻率特性，并根據與垂直方向采樣頻率相對應的頻率來測量垂直方向上的象素塊的頻率特性。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于所述頻率特性測量步驟根據與水平方向采樣頻率相對應的頻率測量水平方向上的象素塊的頻率特性，并根據與垂直方向采樣頻率相對應的頻率來測量垂直方向上的象素塊的頻率特性。
全文摘要
本發明提供一種電子水印插入裝置,其中,輸入電路(11)將圖象數據變換為數字圖象數據,圖象分塊單元(12)將變換所得數據細分為顯示屏上的多個圖象塊,然后經BPF濾波器(13)濾波。頻譜測量單元(14)對每個象素塊測量圖象數據的頻率特性。對每個象素塊測量輸入圖象數據的幅值,根據所測幅值或其變化為每個象素塊確定圖象數據與電子水印信息的混合比率。電子水印混合單元(16)根據該混合比率將電子水印插入圖象數據中。
文檔編號H04N7/26GK1267999SQ0010322
公開日2000年9月27日 申請日期2000年3月17日 優先權日1999年3月19日
發明者松永光浩 申請人:日本電氣株式會社