专利名称：图像验证签名的嵌入的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及信号验证领域，尤其涉及在音频视频信号中嵌入用于图像和视频验证的签名。
背景技术：
数字成像和视频的成功已经使该技术在日常生活的许多领域中得到了广泛的应用。编辑，改变或者修改数字图像或者视频序列的技术已经能够在商业上获得，并且允许不留痕迹地对这些音频视频信号的内容进行修改。对于各种应用，例如法律强制执行中的证据成像、医疗文件、用于保险目的的毁坏情况估计等，需要保证图像或者视频没有被修改并且与原始拍摄的图像或者视频完全相同。这带来了图像或者视频验证系统的发展，在附图1中表明了一个这样的例子，其中在1.20为一个数字信号(即，图像或者视频)产生了一个签名或者一个水印，所述图像或者视频是在1.10捕获的。在1.30将签名嵌入在数字图像或者视频当中。以后，在1.40处理或者篡改图像或者视频，在1.50播放，记录或提取，并且最后在1.60对信号进行校验，从而保证数字图像或者视频的验证已经被证明，或者数字图像或者视频的修改已经被揭示。为了实现验证，必须能够得到来自于原始图像的签名。在一些应用中，签名可以被处理成“元数据”，即除了图像/视频信道本身以外，还存在一个分离的信道用于传输和/或存储签名。但是，在多数应用中，不存在这样额外的信道。在这些情况下，可以使用水印将签名嵌入到图像本身当中。
可嵌入的签名位的数量这样来确定，即具有嵌入签名的音频视频信号与原始的音频视频信号在视觉上不能分辨。可嵌入能力通常由人的视觉模型来确定，并且利用一个知觉阈值来判断一个期望的有效载荷是否能够被嵌入，即不能在视觉上分辨具有嵌入签名的音频视频信号与原始的音频视频信号，或者该有效载荷是否不能被嵌入，即能够在视觉上分辨具有嵌入签名的音频视频信号与原始的音频视频信号。
在上下文中使用的音频视频信号的验证被定义为对音频视频信号的真实性的验证，即校验一个音频视频信号的知觉内容，例如一个数字图像或者视频与原始捕获的音频视频信号完全相同。
诸如将被验证的数字图像或者视频的音频视频信号可以包含具有平面(flat)内容的平滑区域，即具有很少或者根本没有诸如边缘、纹理等图像特征的区域。由于平滑区域中的任何改变都能够被感知为平滑区域内的修改或者失真，因此在这样的平滑区域内不嵌入任何有效载荷。因此不可能在平滑区域内嵌入签名位。但是，由于期望精确地检测和定位音频视频信号中的篡改，即甚至具有平面内容的区域，因此需要验证包含具有平面内容的平滑区域的图像的真实性。
用于验证的脆水印技术通过将一个水印嵌入到音频视频信号中的所有区域来操作。在其中以后能够检测到水印存在的区域被判断为真实区域，不能检测出水印的区域被认为是已经作了修改的区域。这种方法的缺陷是由于具有平面内容的区域造成的。如上所述，在水印不能可见的限制下，实际上不可能在平面区域嵌入足够的水印能量从而使它们被验证。如果图像水印嵌入和真实性校验之间进行了可允许的操作，例如压缩或者噪声去除，就尤其是这样。
而且，如果一个伪造者利用平面内容替换了一个明显真实的音频视频信号(例如数字图像)中的真实内容，没有办法判断是否在图像区域当中发生了水印检测失败，因为图像内容本来就是平面的，或者因为真实的图像内容已经被平面内容所取代。因此，任何这样的篡改都不能通过脆水印方法来检测。基于嵌入签名的验证方案通常包括下列步骤1.将音频视频信号分成具有特定尺寸的块，例如64×64像素，2.为每个块生成一些签名位，3.将签名位嵌入到生成这些签名位的块当中。
平面图像区域给这种方法带来与脆水印方法相同的问题首先，不可能成功地嵌入和从包含平面内容的块中提取签名位。其次，不可能分辨不能从中提取出签名位的区域是否是原始的平面内容，或者平面内容是否是篡改所造成的。
在M.Wu，B.Liu在Proc.ICIP’98，Chicago，1998年10月中的“用于图像验证的水印(Watermarking for Image Authentication)”中改进了一个小步骤来解决上述的问题，其中每个签名位在两个空间分离的位置上通过“备份嵌入”嵌入到一幅数字图像当中。备份嵌入位置是可以确定识别的，并且与原始的嵌入位置具有固定的空间关系。这样，当两个选定的嵌入位置都包含平面内容时，当验证数字图像的真实性时，不能提取出块的签名位。而且，在包含一个平滑区域的备份块的图像区域被篡改的情况下，该平滑区域不再能被验证，这样一个图像的一个区域的篡改阻止了对全部其他区域的验证。因此上述的平面内容所引起的问题并没有被引用的公开文件所解决。
因此，本发明所要解决的问题被定义为如何提供对包含具有平面内容的区域的音频视频信号的可靠验证。
发明内容
根据所附的独立权利要求，本发明克服了现有技术中的上述缺陷，并且通过提供水印嵌入的方式来解决上述问题，，通过水印嵌入每个签名位被扩散到整个图像，或者至少大部分图像区域当中。签名从所有的图像区域，包括具有平面内容或者不能加水印的内容的区域中导出位，这样能够进行所有图像区域的验证。嵌入水印从而实现有效载荷的尺寸、稳定性以及可见度之间的最佳的折衷。这样实现的技术效果是能够提取所有图像区域的签名位，即使原始内容是平面的或者已经通过篡改来替代。而且，嵌入方法变得与签名生成无关。
根据本发明的实施例，公开了一种验证音频视频信号的方法、设备以及计算机可读介质，由此至少为音频视频信号的第一区域产生一个签名。通过将所述签名的位扩散到所述音频视频信号的一部分，将所述签名嵌入在所述音频视频信号当中，其中所述部分大于所述第一区域。
下面将参照附图，详细地描述本发明的优选实施例，其中附图1表明了一个现有技术的验证系统；附图2表明了本发明的一个优选实施例；附图3表明了根据本发明的另一个实施例的一种设备；以及附图4表明了根据本发明的又一个实施例的一种计算机可读介质。
具体实施例方式
在根据附图2所示的本发明的一个优选实施例中，在用于验证所述音频视频信号20的方法中，在包含平面区域的音频视频信号20中嵌入签名的方法2包括在2.20为2.10中生成的图像块导出签名位。然后在2.40应用一个加水印方案，这是通过使用来自于2.30的所有块的组合签名位生成水印来实现的，该水印通过使用例如扩展频谱水印来嵌入一个覆盖整个图像的签名位。由于在2.10中将整个图像分成了块，并且在2.20中为每个块计算了签名位，因此在2.30产生的组合签名包括来自于所有图像区域的位。通过使用一个扩展频谱水印，签名嵌入集中在音频视频信号区域中的失真，在该区域它们对于人眼来说最不易察觉，并且留下了相对没有改变的平面区域。这允许所有区域的签名位都能够被提取，而不论它们的内容平面与否。扩展频谱加水印技术的一个合适的例子公开在T.Kalker等人的“用于广播监视的视频加水印系统(A Video Watermarking System for BroadcastMonitoring)”，SPIE Security and watermarking of multimediacontents，San Jose，1999年1月。所公开的加水印技术被称为JAWS(恰好另一种加水印技术)，在图像中嵌入了多个噪声图案，并且编码有效载荷数据，在这种情况下，上述数据是噪声图案之间的相对平移偏移的签名位。利用JAWS不可能识别嵌入特定位的空间位置；实际上每个位都扩散到整个图像。JAWS是分解有效载荷位的一个特殊情况，在这种情况下，签名位这样的信息需要从多个区域或者单个大的区域提取，从而评价原始的签名位。JAWS扩展频谱嵌入表明了每个签名位在每个图像像素上的分解，即扩展的限制。
除了通过扩展频谱水印嵌入签名位以外，在另一个实施例中可以通过在不同的位置多次嵌入每个签名位的方式来嵌入签名位，由此这些位置不需要彼此之间或者与包含平面内容的区域的原始位置之间具有固定的关系。优选地根据音频视频信号的内容确定位置并且签名位优选地嵌入在具有诸如边缘、纹理等充分图像特征的区域，从而保证在视觉上尽可能地不能分辨具有嵌入签名的音频视频信号与原始的音频视频信号。平面区域的真实性是通过这些区域的签名位来校验的，如果使用诸如JAWS的扩展频谱加水印技术，这些签名位能被正确提取。如果将签名位嵌回到导出该签名位的块中，并且保持不可见性，那么在平面块中的签名位就不能够可靠提取。这样，由于篡改或者原始内容是平面的，就不知道是否发生了签名误差。这样，当伪造者利用平面内容替代音频视频信号区域中的原始内容时，能够检测和证明篡改。
每个签名位优选地扩散到尽可能多的图像当中。这使得扩展频谱加水印技术的使用非常合适用于嵌入签名。此外，扩展频谱水印(例如上述的飞利浦的JAWS技术)也具有良好的稳定性。只要图像的足够部分保持没有被篡改，那么该技术就允许根据水印来恢复签名位。
在根据附图3的本发明的另一个实施例中，在用于验证音频视频信号的系统300中提供了一种用于在包含平面区域的音频视频信号302中嵌入签名的设备301。通过装置310将音频视频信号302分成图像块。在装置320中为装置310中所产生的图像块导出签名位。然后，装置340通过嵌入在装置330中计算的所有块的组合签名位来应用加水印方案。水印，优选的是扩展频谱水印，嵌入如上所述覆盖整个图像的签名位。
在附图4中表明了本发明的另一个实施例。公开了一种用于在包含平面区域的音频视频信号401中嵌入签名的计算机可读介质400。通过程序模块410将指令提供给处理器402，音频视频信号401被分成图像块。在另一个程序模块420中为在程序模块410中产生的图像块导出签名位。然后，程序模块440通过嵌入在程序模块430中计算的所有块的组合签名位来应用加水印方案。
根据本发明对上述信号验证的应用和使用是多种多样的，并且包括如下的示例性领域安全摄像机或者监视摄像机，例如用于法律强制执行、证据成像或者指纹，卫生保健系统，例如远程医疗系统、医疗扫描仪以及病历，保险文件应用，例如车险、财险以及健康保险。
上面参照特定的实施例描述了本发明。但是，除了上述的优选实施例之外的其他实施例在随附的权利要求的范围内同样是可能的，例如，除了上述内容之外的不同的领域模式，通过硬件或者软件来执行上述方法等。
而且，词汇“包括”不排除其他的元件或步骤，词汇“一个”不排除多个，以及单个处理器或者其他单元可以完成权利要求当中记载的多个单元或者电路的功能。
权利要求
1.一种验证音频视频信号的方法，包括通过将签名位扩散到所述音频视频信号的一部分，嵌入为所述音频视频信号的至少第一区域生成的签名，所述部分大于所述第一区域。
2.根据权利要求1所述方法，其中所述部分远大于所述第一区域。
3.根据权利要求1或者2所述方法，其中所述签名作为水印嵌入。
4.根据权利要求3所述方法，其中水印是扩展频谱水印。
5.根据权利要求3或者4所述方法，其中根据所述音频视频信号的有效载荷的尺寸、所述水印的稳定性以及所述水印的可见度之间的最佳折衷来嵌入水印。
6.根据前述任何一个权利要求所述方法，其中在所述部分中的不同位置多次嵌入每个签名位。
7.根据权利要求1-5中任何一个所述方法，其中扩散所述签名位包括将所述签名位分解到所述部分中的多个区域或者单个大区域，这样需要从所述部分中的所述多个区域或者所述大区域中提取信息，从而评价原始签名位。
8.根据权利要求7所述方法，其中所述嵌入将每个签名位在整个音频视频信号上扩散。
9.根据前述任何一个权利要求所述方法，其中所述签名包括所述音频视频信号的多个区域的组合签名位。
10.根据前述任何一个权利要求所述方法，其中所述部分的位置与所述区域没有固定的关系。
11.一种用于验证音频视频信号的设备，包括用于根据权利要求1所述的方法在音频视频信号中嵌入签名的装置，包括用于生成签名的装置，所述签名是为所述音频视频信号的至少第一区域生成的，以及用于在所述音频视频信号中嵌入所述签名的装置，其中所述签名扩散到所述音频视频信号的一部分上，所述部分大于所述第一区域。
12.一种具有多个用于执行根据权利要求1所述方法的计算机可执行指令的计算机可读介质，包括第一程序模块，为计算机产生生成签名的指令，所述签名是为所述音频视频信号的至少第一区域产生的，以及第二程序模块，为计算机生成用于在所述音频视频信号中嵌入所述签名的指令，其中所述签名扩散到所述音频视频信号的一部分上，所述部分大于所述第一区域。
13.根据权利要求1所述方法在监视摄像机或者安全摄像机或者数字图像摄像机或者数字视频摄像机或者医疗成像系统中的应用。
全文摘要
公开了一种方法(2)、一种设备、一种计算机可读介质、以及使用所述方法用于验证诸如数字图像或者视频的音频视频信号(10)。从所有的图像区域，包括具有平面内容或者不可加水印的内容的区域中导出签名。通过组合来自于音频视频信号的所有区域的签名位并且将该签名位扩散到整个音频视频信号或者至少其大部分区域上，优选的是应用扩展频谱加水印技术(2.40)，能够校验平面区域的真实性。
文档编号H04N7/26GK1663275SQ03814672
公开日2005年8月31日 申请日期2003年6月12日 优先权日2002年6月24日
发明者D·K·罗伯特斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司