用图象水印保护图象的制作方法

专利名称：用图象水印保护图象的制作方法
本申请涉及数字图象处理领域。更具体地说，本申请涉及工件上识别标记的插入和检测。
我们经常努力去发现在图象中放入可见或不可见的识别标记的改进技术。这通常对于确定所有权、原作和真实性十分有用，而对于阻止那些可能想盗取或侵占作品的人也十分有用。识别标记还对于验证未经认可的更改或公开有用。
这里将可见的标记划分为或者是牢靠可见的(visible robust)，或者是脆弱可见的(visible fragile)。如果一种标记可被肉眼看到，而且如果完全不留警示证据、就不易从工件中消除，这种标记就被划为“牢靠可见的”。如果标记本身在企图更改工件或其包装时可以见到改动了，这种标记就被划为“脆弱可见的”。
这里将不可见的标记相对于该标记对于具有普通视觉灵敏度的人的外观来划分。如果，当没有标记的图象与有标记的图象副本一起显示时，人们选择这两份图象的可能性相等，那么，这个图象上的标记就被划为具有“不察觉的不可见”的不可见等级的。不察觉的不可见的标记在人刚好注意到的差异之处或之下。如果图象上的标记不使人分心，尽管它在人刚好注意到的差异之上，这种标记就被划为具有“潜意识的不可见”的不可见等级的。如果图象标记不导致被标记的图象因为标记而失去其用途或价值，这种标记被划为“边缘不可见”的。如果图象标记导致图象的用途和/或价值降低，这种标记被划为“劣质不可见”的。
目前，硬拷贝文件的可见和不可见的标记都被用作确定所有权和真实性的一般可靠的方法。这些经受时间考验的方法对于标记“软拷贝数字化图象”，这里也称数字图象或图象，也十分有用。数字图象是被扫描并作为对应于该图象的(一个或多个)色平面(color plane)的数字矩阵存储在计算机存储器里的物理图象的抽象化。每个对应于物理图象的一个很小的区域的矩阵单元称为图象元素或“象素”。对于单色图象，与每个象素相关的数值表示其在单色(黑白)平面上的平均亮度。对于彩色图象，每个象素具有相关并表示代表其三个色平面的“三色”色彩成分的光度或平均亮度的值。其它图象表示法对于每个象素具有三个以上色彩成分。不同的值与每个不同的图象色平面相关。
下文中，每当提到色平面时，要明白包括了被特定图象数字化技术用来确定象素色彩特性的任何数量的色平面。这包括了只有确定单色图象的单个色平面的情况。
只有当独个的象素作为白点或彩色亮点显示在显示器上，或者作为黑点或彩色墨点或着色点显示在硬拷贝上时，对于观看者来说，数字化图象才可以作为图象辨认出来。象素间隔通常近到人类视觉系统无法分解。这导致相邻的象素被人的视觉系统融合为原物理图象的表现。人的视觉系统的图象融合使图象的不可见标记或相对不可见标记成为可能。这种特性在这里描述的方法中被充分地利用来在数字化图象上加给所需不可见等级的水印，并随后验证其存在。牢靠的不可见标记，这里称为不可见水印，在数字图象上的加给与验证检测是本发明的主要方面。
将不可见的水印加给专有数字化图象的合适的不可见水印技术须满足几个特点。所加水印应该让具有正常或矫正视力调节的任何人都在所需不可见等级上看不出来。显然，标记的程度取决于两个方面。在保护图象不被非法使用与不让水印令人不快地改变图象外观之间要达到一个平衡。这通常意味着，当向统一的色平面加水印时，可辨图案在标记图象中不应该出现。这种要求不允许通过改变其象素的色调来标记图象，因为人的视觉系统对色调变化比对亮度变化敏感得多。这种要求可通过一项以合适方式实现的、基于改变象素亮度的技术来满足。基于改变象素亮度的技术也允许用于彩色图象的标记技术同样地用于单色图象。
合适的不可见水印技术的另一个特点是，它应该具有检测方案，以便把假阳性检测的可能性减为最小。本发明的目的在于，在图象中检测不存在的水印的可能性小于百万分之一。当该技术基于统计时，满足这种要求一般困难很小。
合适的不可见水印技术的又另一个特点是，它应该可能改变用于图象的标记的程度。这样，可以使水印根据特定应用具有必要的可检测性。这个特点在经常需要增加标记的强度、以增加检测的可能性的结构致密的图象中十分重要。这与具有低对比度、降低标记强度以减少水印本身的不需要的可见假象才好的图象相反。
也很希望，当所验证的水印的存在被检测到时，它可以转化为具有高对比度的、具有比较醒目的特征的可辨视觉图象。否则，不是比较醒目的所验证视觉图象的特征可能很难说明水印在废除其保护的企图中是否受到侵袭。
最后，所加水印应该牢靠，因为它必须很难被消除或变成检测不到。它应当经受得住在其内部的其使用性能之外的不破坏图象的这种图象处理。这包括，但不限于联合照相专家组(JPEG)“有损耗的”压缩、图象旋转、线性或非线性恢复尺寸、发亮、锐化、“despeckling”、象素编辑，以及相关或不相关的噪声场在图象上的叠加。企图废除或消除水印通常比购买图象使用权更费劲、费钱。如果图象具有珍贵价值，就希望水印很难消除，以致其警示踪迹几乎总能恢复。
本发明的一个方面是提供将水印加给数字化图象的方法，它包括步骤提供数字化图象，以及按照预定亮度倍增系数、倍增与图象象素中的至少一个相关的亮度数据。图象包括多个象素，其中，每个象素包括亮度数据，如果图象是单色时表示一个亮度值、或者，如果图象具有多种色彩时表示多个亮度数据值。在实施例中，亮度倍增系数范围从0.9到1.1。亮度倍增系数与取自一个随机数列的数字相关，其关系为线性再变换(remapping)，以提供所需调制强度。
在实施例中，每个象素在矩阵中具有表示数字化图象的行列位置，亮度倍增系数采用对应于其行列位置顺序的取自牢靠的(robust)随机数列的数字的不同的顺序组合。
本发明的另一个方面是提供产生水印图象的方法，其中，水印被加在具有多个带着原亮度的原单元的数字化图象之上。该方法包括步骤提供包括多个水印单元的数字化水印平面；提供水印亮度倍增系数，以及与原单元建立一一对应关系。它还包括步骤通过以其中水印不可见的对应水印单元的亮度倍增系数倍增每个原单元的原亮度，来产生水印图象。在实施例中，原图象构成原平面，水印图象构成比原平面小的水印平面，该方法还包括步骤通过平铺扩展水印平面、以便水印平面覆盖原平面，和/或又包括步骤当确定水印平面扩展超过原平面时、切短水印平面、以便水印平面覆盖原平面。
本发明的另一个方面是提供构成包括多个单元、每个单元具有倍增值的水印平面的方法。该方法包括步骤产生具有第一多位的安全随机整数数列；将该随机数列线性再变换、以构成提供所需调制强度的亮度倍增系数的再变换数列；计算再变换数列的离散傅里叶变换、以构成具有频率坐标的傅里叶数列；扩展频率坐标、以构成扩展数列；以及计算扩展数列的反向傅里叶变换、以得到水印值数列。
实施例还包括以下一条或多条扩展步骤通过零填充(zero-padding)来完成；该方法还包括步骤利用水印数列来为每个单元提供倍增值；该方法还包括步骤硬剪切(hardclip)水印数列、以构成具有数列项的硬剪切数列，并利用不同的数列项为每个单元提供倍增值；该方法还包括步骤调节水印数列、以构成具有等于单位值与调制强度之差的平均值和中值的标准化数列，并提供最大单位值，利用标准化数列为每个单元提供倍增值；该方法还包括步骤提供具有多个原象素的未标记的图象、每个象素至少具有一个亮度、其中原象素的第一数字大于多个单元的第二数字，通过平铺扩展水印平面、覆盖未标记的原图象、以便每个象素具有一个取自单元的对应单元；将每个象素的至少一个亮度以对应单元的倍增值倍增。
本发明的又另一个方面是提供在标记图象中检测水印的方法。标记图象被具有多个水印单元的水印平面所标记。每个图象象素至少具有一个亮度值，每个水印单元具有一个亮度倍增系数。该方法采用选择器和观察仪，以及至少一个计数器，用来存储来自以下比较过程的比较数据对于多个选择器单元和位置中的每一个，把图象象素和水印平面单元的统计亮度与相邻单元/象素的统计亮度进行比较。该方法还包括步骤显示观察仪重合图象(coincidence image)、以便用户可以确定经观察仪象素编码的图案是否可被识别及水印是否已被检测。
通过结合附图阅读、进一步考虑本发明的以下详细描述，本发明的这些及其它目的、特征和优点将变得更清楚，其中

图1表示根据本发明的实施例、适于使用的图象捕捉与分配系统的方框图。
图2表示根据本发明构成水印平面的实施例。
图3表示加水印的步骤的实施例。
图4表示图象对准的步骤的概览。
图5表示标记图象与相关参考平面粗略对准的步骤。
图6表示标记图象与相关参考平面精确对准的步骤。
图7表示在标记图象中寻找水印的步骤。
图8表示选择器矩阵在水印平面和图象平面上的随机放置。
图9表示典型的观察仪图案。
图10表示验证出现水印的方法。
图11表示图9的观察仪得出的在1％调制强度下所加水印的检测的结果。
图12表示图9的观察仪得出的在2％调制强度下所加水印的检测的结果。
图13表示图9的观察仪得出的在4％调制强度下所加水印的检测的结果。
图14表示当图象没有水印时的检测结果。
图15表示在标记图象中寻找水印的替代方法的步骤。
本发明提供以高度随机的象素亮度倍增器数列在数字化图象上加水印的牢靠的方法。随机数列由四个仅被标记者和/或标记物(marking entity)选择并知道的“牢靠水印参数”构成。水印平面产生了，它具有与所标记的数字化图象的一个或多个单元矩阵一一对应的单元矩阵。根据牢靠随机数列和指定的亮度调制强度，为水印平面的每个单元分配随机值。通过以水印平面中其对应单元值、将每个象素的一个或多个亮度值倍增，如此产生的水印平面就被加在数字化图象上。所得修正的亮度值将随机而相对不可见的水印加在数字化图象上。检测所加水印要求知道水印所加在其上的水印平面。水印平面的再生要求知道用在其组成(formulation)中的牢靠标记参数。这通常只有标记者和/或标记物知道。一旦再生，水印平面就与位于“观察仪”中的校验图象一起使用，以验证水印的存在。
根据本发明，亮度改变是加水印的实质。这里所用的象素亮度表示这样的可见色质亮度，后者根据CIE 1931标准色度观察仪和坐标系统(Standard Colorimetric Observer and Coordinate System)三色分亮度X、Y和Z；所述三色分亮度对应于三种参考色质的匹配混合。象素亮度的更详细的描述见于G.Wyszecki和W.S.Styles所著《色彩科学概念与方法，定量数据与公式》(Color ScienceConcepts andMethods，Quantitative Data and Formulae)，John Wiley & Sons，Inc.纽约1982年第二版第164至169页，这里全部参考引用。CIE 1931标准指定三种特殊的参考色质。该色质为辐射量，因此以辐射单位、如瓦特表示。几乎所有现代色度基于其上的Grassmann定律要求使用三种特定的参考色质，或者三种为其不同的线性合成的其它色质。这讨论于D.B.Judd和G.Wyszecki所著《商业、科学和工业中的色彩》(Color in Business，Science and Industry)，John Wiley & Sons，Inc.纽约1975年第三版第45至47页，这里全部参考引用。通过只改变一个象素的亮度，其色调和饱和度所代表的色彩并不改变。这通过在改变Y的光度时、保持X∶Y和Z∶Y的比值来实现。在任一非线性色彩空间(color space)中表示的象素，比如在色彩印刷中所用的减色染料青色、洋红、黄和黑(CMYK)，在象素的亮度被改变之前，将被转换为X、Y、Z色彩空间(或与之线性相关的色彩空间)。
图1表示根据本发明、用于将相对不可见的水印加在数字化图象上的系统实施例的方框图。图1示出根据本发明的实施例、适于使用的图象捕捉与分配系统150。扫描器100从物理源102捕捉图象数据101。物理源102通常是绘画或相片。图象将数据101发送到数字计算机104。计算机104包括通常包括在计算机随机存取存储器中的工作存储器106；通常为传统硬盘驱动器的图象存储器108，以及可能为磁带或磁盘存储器的图象档案110。计算机104也包括许多软件摸块。这些包括对扫描器100提供的图象数据进行定标和增强等图象处理的前端图象处理软件112。它也包括根据本发明的原理操作的色彩保护水印软件114，以及完成诸如压缩水印图象等其它处理功能的后端图象处理软件116。很经常地，未经处理的或前端数字化原图象101被发送给图象档案110，以保存为未加水印格式。
另一个实施例具有无需扫描器100即可得到的数字化格式101的原图象。水印软件114将相对不可见的水印根据本发明的原理加在数字化图象101上。也可以在档案图象的副本上，或其它全部或部分装载于计算机的工作存储器106的、经扫描并处理的图象数据上进行图象处理。
由软件模块112-116的组合产生的经处理、加水印及压缩的图象，从工作存储器106或图象存储器108发送到与数字网络120相连的图象服务器118。如果合适，数字网络可与局域网(LAN)、诸如互联网(Intemet)等广域网(WAN)或其二者互连。与数字网络120连接的其它系统122可通过数字网络120索取并接收存储于图象服务器118的图象。有些情况下，系统于是就可以在显示设备124上显示所接收的图象，和/或在图形打印机126上打印图象。本专业的技术人员将注意到，还有许多实施本发明的其它系统配置。图1的系统通常对于以随后描述的方式检测和验证水印的存在也有用。
用牢靠的水印给图象加标记在一个实施例中，加在数字化图象上的水印是覆盖数字化图象的、这里称“水印平面”的单色图案。该图案通过从由一组牢靠数列发生参数构成的牢靠随机数列中选择其单元值来形成。这些参数用来产生通常以本专业技术人员熟悉的方式高度编码的随机数列。这些参数这里称作“牢靠水印参数”。在最佳实施例中，这些参数包括密钥、线性随机数字发生器的两个系数，以及随机数字发生器的初始值。
牢靠随机数列的每个值或每组值与数字化图象的象素之一相关。很经常地，随机数列的值线性再变换至满足特定标准。每个象素的多个色平面的所有亮度值以称作其亮度倍增系数或倍增系数的相关线性再变换牢靠随机数列值倍增。改变单元亮度值不到百分之十的亮度倍增系数这里称作产生相对不可见的水印的亮度倍增系数。我们注意到，根据加水印的图象的结构，亮度值通常只平均改变百分之0.3到4的百分系数，很少达到百分之6。这是为了使标记更难看见。百分系数这里称作调制强度。所使用的实际调制强度取决于特定用途所要求的不可见等级。我们建议不要使用大于1(unity)的亮度倍增系数。这样会导致一些象素的亮度值大于1。如果使用了，最好把所有大于1的亮度值剪裁为1的值。这会改变象素的色彩，因此改变图象的外观。
通过以倍增系数改变每个象素的亮度来在数字化图象上加水印时，通过满足Grassmann定律来保持每个象素的色彩。在选择调制强度时通常会进行折衷。较小的百分数使水印更难看见，但也更难检测。较大的百分数使之更易检测，并验证水印的存在，但也使水印更易看见。高度致密的图象可能要求使用较高的调制强度。如果调制强度小于0.5％，甚至当未标记的数字化图象是统一的半灰度时，这所有情况下，标记水印被认为是不察觉的不可见的。对于具有更实际的和更有价值的特征的数字化图象，潜意识不可见的水印根据图象自身的结构变化程度、通常具有1％至3％的调制强度。
根据本发明所加的水印被选择让具有正常或矫正视力调节的任何人都相对不可见。当水印不存在时，在图象中假阳性检测水印的可能性小于百万分之一。有可能改变加在图象上的水印的程度，以便水印被做成在具有所需不可见等级的同时尽量容易检测。检测到的水印可转换为具有较醒目的特征和很高的对比度的可辨认的视觉图象。一旦加上水印，就很难消除或变成检测不到、而不降低数字化图象的用途和/或价值。
在本发明的实施例中，用不可见的水印标记数字化图象需要构成水印平面。不可见的水印这里以数字单元矩阵表示，以下称作具有I行、J列的“水印平面”。该I行和J列对应于整个原数字化图象或所用到的其一部分的尺寸。
当原数字化图象很大时，通过在任何必要覆盖整个图象的方向上平铺复制来扩展不够大得覆盖整个原图象的所产生的水印平面。如果如此平铺的水印平面扩展超过原图象的任何一边，就要切短平面。本实施例采用这些约定来允许原图象的每个象素改变其亮度，并保证标记图象的尺寸等于原图象。这形成水印平面中的单元位置与原图象的色平面的象素之间的一一对应。这通常是所希望的情况，即使另一个实施例不要求将整个图象加上水印。
在最佳实施例中，矩阵中确定水印平面的每个单元的值线性再变换为以下范围的随机数1≥w(i，j)≥(1-2β) (1)这里，1≤i≤I (2)以及，1≤j≤J (3)为矩阵的行和列指数，β为水印的调制强度，这样，0.1≥β≥0 (4)此外，作为集合对待的、在所产生的水印平面中的所有单元调整为具有1-β的平均值和中值。
将水印加给图象开始于这个水印平面的产生。水印通过以水印平面中的其对应单元的值、倍增与每个原图象象素的色平面相关的全部所加亮度值，来加在原图象上。
构成水印平面水印平面的结构对于保证所加水印的牢靠、及承受均匀确定的(even determined)冲击的能力是重要的。为此，选择水印平面单元的值的过程基于加密和二维信号处理原理技术。这些用来满足水印平面的特定要求特征。
不可预测的随机性特征现在考虑满足不可预测的随机性特征的水印平面单元的值。不可预测的随机性要求每个单元的值应该从其邻近值随机改变，单元值的顺序应该实际上不可预测。要使水印变成相对不可见就要求单元随机改变。由于图案识别是人的视觉系统的最主要特征之一，所以在水印平面的单元中的任何图案的出现都可使之可见。数值顺序的不可预测性被要求用来使水印牢靠及较不易受冲击破坏。可见，如果在水印平面中的所有值可以预测，水印处理就很容易改变，标记就很容易消除。因此，这可以用来将标记图象实质上恢复到原未标记的图象的极为相近的副本上。所以，产生高度不可预测的随机数列的装置最好。
通过同余(congruence)方法产生随机值、通常几乎全是普通伪随机数字产生算法，这里都不考虑用来提供合适的不可预测水平。这些数列只有适中的加密强度，较容易被加密分析技术所识别。这描述于1985年第17届计算机理论ACM讨论年会发表的报告、J.Hastad和A.Shamir著的《缩短线性相关变量的加密安全》(TheCryptographic Security of Truncated Linearly Related Variables)第356至362页，这里参考引用。
鉴于本发明的目的，通过使用诸如国家标准数据加密算法(National Standard Data Encryption Algorithm)等可靠的加密方法，产生一个数列。这描述于纽约美国国家标准协会1981年ANSI X.392《国家标准数据加密算法》；以及IBM系统杂志1980年第2期第19卷A.G.Konheim等著的《IPS加密程序》(The IPS CryptographicPrograms)第253至283页，这里参考引用。
要加密的八位值的数列由标记者选择，且希望由同余算法产生。然而，牢靠安全数列由可靠的加密算法作用于该数据产生。用这种方法，可以产生高度不可预测的水印平面。而且，通过仅仅知道其四个“牢靠水印参数”，它就可以准确再生。这些参数是初始状态、同余算法的两个系数，以及加密算法所用的密钥。这些算法通常产生八位值的数列。称作α(i，j)的十六位值通过将加密算法产生的两个连续的八位值连接起来产生。这样产生的每个十六位值线性再变换至成为以下确定水印平面的矩阵的一个单元w(i,j)=1-2β[1-α(i,j)65535]]]>此外，作为集合对待的、在w(i，j)矩阵中的所有单元调整为具有1-β的平均值和中值两者。所得加密数列的再生的简捷性对于随后讨论的水印检测和验证技术是很重要的。产生特殊要求的结果的其它再变换或标准化技术为本专业技术人员所熟悉。
显式低频成份特征实施例的另一个重要考虑是利用显式低频成份(explicit lowfrequency content)的特征。当水印平面通过在每个单元中放入唯一随机值而形成时，导致相当高的频率成份。虽然高频成份对于使水印更加不可见是有利的，但它也使之易受破坏或废弃水印的冲击。这点从以下分析中显而易见。在数字图象中达到的最高图案频率通过复制一对具有相反极值的相邻象素来得到。当图象尺寸缩小时，如果使用了图象缩小过滤，相邻象素的值合成为加权平均值、形成缩小图象的象素值。如果使用了图象抽取(decimation)，象素就被选择性地淘汰。在两者中任一种情况下，原图象的高频成份在缩小的图象中丢失。在所加水印平面中的任何相当高的频率成份在缩小图象中被删除。若不是不可能的话，在尺寸缩小之前对所加水印的随后检测十分困难。有目的地加入低频成份使水印不易受这种冲击破坏。然而，在水印平面中故意加入相当低的频率成份又有两个方面。其加入当然使水印不易受正常图象处理破坏，因此更易检测。然而，它通常因为在水印平面中产生具有较大特征的图案而使水印更易看见。通常最好是只加入控制数量的低频成份。
向原水印平面故意加入低频成份在实施例中通过采用二维离散傅里叶变换来完成。首先，形成尺寸缩小的水印平面，其单元根据上述安全数列统一分配随机值。为讨论起见，使用具有0≤μ≤L-1行和0≤v≤L-1列的矩形平面w(μ，v)。计算矩形平面的离散傅里叶变换。因为所有w(μ，v)的值都是实数，所以，可以就便取其共轭复数对称值。整个傅里叶变换可指定为具有尺寸0≤σ≤L-1和0≤τ≤L/2的复数W(σ，τ)矩阵，用符号表示为W(σ，τ)＝F[w(μ，v)](5)频率范围矩阵W(σ，τ)空间再变换至扩展矩阵W(s，t)，其中，0≤s≤L-1，0≤t≤L/2，及L＝2ρL (6)这样将(σ，τ)在各方向上扩大系数2ρ倍，形成(s，t)空间。如果定义W(σ，τ)以使W(0，0)为恒定系数或“零频”条件，那么，W(L-s，t)＝W(L-σ，τ)(7)和W(s，t)＝W(σ，τ) (8)对于0≤s＝σ＜L/2与0≤t＝τ≤L/2 (9)和W(s，t)＝0 (10)对于其它s和t值。这项技术这里称作“零填充”(zero-padding)。
W(s，t)的反向傅里叶变换提供具有0≤m≤L-1行和0≤n≤L-1列的修正水印平面w(m，n)。如果，比如，ρ＝2与L＝512，那么，w(m，n)为具有2048行和列的矩阵。然而，更重要的是，w(m，n)具有最小周期(2ρ＝22＝4)比20482图象平面中可能的最小周期长四倍的、确保的低频成份。因为其产生核心w(μ，v)包括262，144个取自安全数列的随机值，它受暴力复制冲击的易损性较小。如果这样标记的图象看来易受破坏，其核心可以很容易地加大。
更低的频率可通过使用ρ＝3、使最高频率成份为原最高频率的八分之一来标记(impress)。最佳实施例使用ρ＝2，以便不过分采用可能使水印变得不希望地可见的低频成份。
如此产生的水印平面的一些单元的值可能超过1。因为每个值要用作象素亮度的倍增系数，所以可能产生大于1的倍增象素亮度，这是不能物理显示的亮度。在这种情况下，任何大于1的倍增象素亮度必须剪切为可以显示的最大值。然而，最佳实施例采用另外的处理步骤来避免剪切的可能必要。在使用所产生的修正水印平面之前，调整其构成集合的单元、使它们的平均值和中值两者都等于1-β，而最大值等于1。通过这些调整，满足了对于所有i和j的要求1≥w(i，j)≥(1-2β) (11)在这点上，有时最好“硬剪切”这些单元。在这种情况下，其值大于或等于1-β的单元设为1，其值小于1-β的单元设为1-2β。硬剪切一般增加检测水印的可能性，但不幸的是，它也倾向于使水印假象在标记图象中更易看见。
平铺平面扩展特征水印平面w(m，n)作为反向离散傅里叶变换的结果而产生的事实十分有用。如果水印平面不够大得覆盖整个未标记的图象，在L＜I或L＜J的情况下，可通过向下或向右平铺复制品、使平面大到所需、每个平铺扩展加入额外4,194,304个单元，来无缝拉大。对于这里使用的实施例尺寸，平铺复制为w(m’，n’)＝w(m，n)(12)其中，m’＝(2048p)+m (13)n’＝(2048q)+n (14)p与q为非负整数。
在实施例中，水印平面随图2中步骤202-216形成。这些步骤这里称作“理想插值水印平面产生方法”。首先，产生八位伪随机数列，202。所产生的数列加密、以构成八位值的安全数列，204。通过将取自安全数列的两个相邻值连接起来构成十六位整数标本，206。十六位整数标本线性再变换并构成w(μ，v)矩阵，因此，1≥w(μ，v)≥(1-2β) (15)208。傅里叶变换频率范围矩阵W(σ，τ)从w(μ，v)计算，210。W(σ，τ)坐标通过零填充扩展、以构成扩展频率范围矩阵W(s，t)，212。初级水印平面矩阵w(m，n)通过取W(s，t)的相反离散傅里叶变换来计算，214。初级矩阵w(m，n)的单元调整为共同具有平均值和中值(1-β)和最大值1，216a。或者，w(m，n)单元硬剪切至只有值1或1-2β、中值为1-β，216b。所得经调整的矩阵w(m，n)为水印平面，它的单元是用于调整要加水印的图象的对应象素的亮度倍增系数。
这里提出的采用正向和反向离散傅里叶变换来产生水印平面的方法，是具有确保低频成份的“理想插值”。本专业技术人员熟悉的其它方法也可得到。这些包括使用二维插值过滤、可类似用来产生可接受的结果的方法。
然后，所产生的水印平面加在原未标记的数字化图象上。图3表示加水印的步骤的实施例。首先，通过平铺扩展水印平面、以完全覆盖要加水印的图象，302。这形成在扩展水印平面中的单元和在原图象中的象素一一对应。在原图象中的每个象素的亮度值被扩展水印平面中的其对应单元的值倍增，304。所得到的具有新亮度值的图象构成水印图象。在图象中的水印的相对可见性结合所希望的可见等级标记来观察。如果标记比所指定的更易看见，图2和3的步骤为较低的调制强度重复。随低调制强度产生的水印通常不易被检测和验证存在。另一方面，如果所得到的水印比所指定的更难看见，图2和3的步骤可能重复、以提供具有较高的调制强度的水印。在较高的调制强度下产生的水印通常易于检测并验证其存在。一旦加上，不可见的水印只服务于其是否可被检测并显示存在的目的。
发现隐藏在标记图象中的不可见水印最希望的是，以具有醒目的特征的可见图象验证水印的存在。这在这里通过使用称作“观察仪”的图象矩阵来采用。根据本发明验证所加水印的存在需要再生用来标记的水印平面。这通常只能由单独知道构成该应用的“牢靠水印参数”的四个参数的标记者和/或标记物完成。产生用于构成水印平面的牢靠随机数列要求知道这些参数。牢靠随机数列根据这四个参数被改造。数列的值用来确定单元的值。如果在水印平面的产生中采用线性再变换处理，单元值使用相同的处理线性再变换、以确定扩展水印平面。如此改造的扩展水印平面结合观察仪来使用、以验证图象中扩展水印平面的存在。这如水印检测考虑概览之后描述的那样来完成。
寻找藏于标记数字化图象中的不可见的水印是一个较困难的问题，它更多地这样通过可能已经产生的水印图象处理来进行。对于其自身内部在使用性能之外的不破坏图象的图象处理，水印经受得住并可被检测。在几乎所有这种情况下，本发明的检测方法可以以高度把握找出所加水印。本方法的很大优势在于水印检测不需要存取整个原图象的副本。在大多情况下，所需要的一切就是用于将水印加在图象上的水印平面。水印平面的完好副本由其四个确定参数重新组成。如果副本可得到，或者甚至如果仅原图象的一部分可得到，检测就可有一定高的成功可能性。
水印平面的重取向和再生尺寸寻找水印的第一个考虑是确定标记图象如何及多少已被处理。它可能缩小尺寸。缩小尺寸甚至可能非线性进行，因此，其水平和垂直尺寸可能以不同系数缩小。图象也可能经过旋转，但非明显的90度旋转、而是小角度的旋转。有助于这种确定的是知道在未处理标记图象中的象素值直接与水印平面中的对应单元相关。如果可以得到原图象的很大部分，未处理标记图象的一部分可以重新构成。不管是重新构成的水印平面，还是重新构成的标记图象的部分，都是合适的“相关参考平面”。
重新构成经处理的水印图象的步骤概览见图4。首先，用来将水印加在图象上的水印平面从通常只有标记者或标记物知道的四个“牢靠水印参数”中再生，402。其次，标记图象被再生尺寸并旋转，到达其已知原尺寸，404。再其次，再生尺寸并旋转过的图象与扩展再生水印平面对准，以提供每个单元与其它单元的一一对应，406。
在实际执行中，对标记图象重新取位并再生尺寸的步骤可能划分为粗略定位、然后是精确对准。粗略定位通过视觉检查覆盖相关参考平面的对应部分或全部的标记图象的部分或全部的显示副本来完成。相关参考平面通过轴向缩小或扩展、平移和/或旋转而被重新取向并再生尺寸、到达标记图象的尺寸和位置。这采用本专业技术人员熟知的技术来完成。粗略定位通常使相关参考平面到达处理标记图象的尺寸的百分之四范围内及其取向的四度范围内。
图5表示进行粗略定位的实施例的步骤。标记图象和相关参考平面两者都显示在公共显示器上，502。相关参考平面显示的垂直轴向和水平轴向放大率、偏置和角旋转被改变，以使所显示的相关参考平面紧密覆盖所显示的处理标记图象的对应部分，504。放大/缩小系数、水平和垂直偏置及旋转角度被记录并存储，506。整个标记图象以所记录的值的倒数缩放、平移和旋转，以使它视觉上匹配相关参考平面，508。如此粗略处理的重新构成的标记图象进一步进行精确对准处理。
根据傅里叶平移法则、旋转法则和缩放法则，平移、旋转和缩放特性超过图象的傅里叶变换，而且，如果出现在w(m，n)中，每个也将出现(或者，缩放情况下，其倒数将出现)在W(s，t)中。这对于确定相关参考平面相对于标记图象的更精确的旋转角度、水平和垂直缩放系数、及平移偏置是有用的。这通过首先建立三维“相位相关极值矩阵”来实现。该矩阵的三个轴对应于相关参考平面相对于标记图象的水平缩放系数、垂直缩放系数、及旋转角度。相位相关定义如下。令W(s，t)为相关参考平面的离散傅里叶变换、U(s，t)为标记图象u(m，n)的傅里叶变换、及U*(s，t)为U(s，t)的共轭复数。相位相关平面p(m，n)用以下关系式计算p(m,n)=F-1[w(s,t)U*(s,t)|w(s,t)U*(s,t)|].-----(16)]]>每个矩阵点上的值为对应相位相关平面的最大幅度。它用经放大并旋转的相关参考平面来计算。标记图象的任一色平面通常满足所要求的矩阵u(m，n)。在三维矩阵的值之间的插值产生最大的相位相关极值坐标。从这些坐标中，相关参考平面相对于标记图象的水平和垂直缩放系数和旋转角度的值可直接读取。然后，相关参考平面缩放并旋转至更精确地与处理标记图象对准。作最后相位衡量，以确定经修正的相关参考平面相对于处理标记图象的相对水平和垂直偏置。最后，整个标记图象根据所测量的值经过缩放、平移和旋转，使之恢复其原尺寸和位置。如此修正的标记图象现在已准备用于表现水印存在于处理标记图象中的检测和验证处理。
在一个实施例中，相关参考平面相对于标记图象的精确对准通过衡量相位相关极值的三维矩阵、然后在该矩阵中插值以找出这些极值的最大值的位置来进行。矩阵的轴为有规则地用于相关参考平面的水平放大率、垂直放大率和角度旋转。以下增加步骤的所有组合确定矩阵坐标的值。w(m，n)的垂直轴以2％的增幅从原图象尺寸的96％放大/缩小到104％。以相似的方式，w(m，n)的水平轴以2％的增幅从原图象尺寸的96％放大/缩小到104％。也以相似的方式，w(m，n)相对于原位置以2度的步值从-5度旋转到+5度。在相关参考平面的垂直放大、水平放大和角度旋转的每个组合中，相位相关平面p(m，n)如上重新计算。平面中的最大点值p(m*，n*)存储于对应于垂直放大、水平放大和角度旋转增加调整值中每一个的坐标的相位相关极大值三维矩阵中。
本实施例的流程图见图6。本专业的技术人员知道，可得到许多放大/缩小及旋转数字化图象的满意算法。这些算法中的任一种都可用于下述相关参考平面的处理。如上所述，产生标记图象U(s，t)的离散傅里叶变换，602。为步进改变设定初始值，垂直放大率为Vm＝0.96，水平放大率为Hm＝0.96，角度旋转为Ar＝-5·，604。相关参考平面根据Vm垂直放大/缩小，606。然后，如此调整的平面根据Hm水平放大/缩小，608。然后，如此调整的平面根据Ar角度旋转，609。产生如此调整的平面W(s，t)的离散傅里叶变换，610。相位相关平面p(m，n)用方程(16)的关系式计算，611。检查p(m，n)平面、以找出其最大值的坐标(m*，n*)，612。坐标(m*，n*)和p(m*，n*)存储于所形成的三维矩阵中。三维矩阵以Vm、Hm和Ar作为指数，613。检查Ar的值，614。如果小于正五度，它就被增加正二度，重复步骤609-614、直到在步骤614中发现Ar为正五度。615。当在步骤614中发现Ar为正五度时，检查Hm的值，616。如果Hm小于1.04，它就被增加0.02，且Ar重置为负五度，617。重复步骤608-616、直到在步骤616中发现Hm为1.04。当发现Hm为1.04时，检查Vm的值，618。如果Vm小于1.04，它就被增加0.02，且Ar重置为负五度，Hm重置为0.96，619。重复步骤606-618、直到在步骤618中发现Vm具有值1.04。当发现Vm等于1.04时，三维矩阵的值被插值、以找出最高点的最大值，620。所得到的最高峰的最大值的坐标为垂直倍增器、水平倍增器和旋转角度提供终值、以最好地对准处理标记图象和相关参考平面。极值的最大值的对应结果值m*和n*提供处理标记图象相对于相关参考平面的偏置移位。然后，处理标记图象以所发现的垂直与水平倍增器的倒数缩放。它以所找到的旋转角度的倒数(负值)旋转，以m*和n*的相反数偏置，622。这完成了重新取向和恢复尺寸的精确设置处理。
对于本专业的技术人员来说，显然，不管是相关参考平面，还是处理标记图象，都可以再生尺寸并重新取向，使一个与另一个对准。最佳实施例对处理标记图象再生尺寸并重新取向，使之与相关参考平面对准，因此使之与水印平面单元对单元对准。
检测标记图象中的水印水印检测的处理被设计为产生可见地识别的小图象，作为其最终产品。可识别的最终产品在依靠基于安全随机数列的水印的存在与知道的步骤中得到。该处理利用极复杂、且尚未完全明白的人的视觉系统图案识别能力。正是通过利用这点，破坏所加水印才变得十分困难。称作选择器的小矩阵被设想来进行检测处理。选择器矩阵尺寸必须大大小于它所要作用的标记图象的矩阵。这是为了允许数百次在图象上覆盖选择器而不重复。必须使选择器矩阵足够大，以便具有相同尺寸的象素矩阵可以包含可识别的二元图象。更复杂的实施例使用色彩而非二元图象作为参考。这里描述的实施例使用了具有32行和128列的选择器。它运用于具有一百万个象素以上的标记图象。
选择器用来把象素的矩形簇(rectangular cluster)定位在标记图象中，以及把对应的单元簇定位在重新构成的水印平面中。这些簇随机分布在非重叠位置。簇的随机分布进一步挫败欲破坏水印保护的企图。选择器的每个单元包括一个或多个与用来存储部分水印检测方案结果的变量相关的设备。实施例使用两个选择器设备，一个称作“重合计数器”，另一个称作“非重合计数器”。
确定一个变量，它统计性地将正在考虑的单元的属性与其相邻单元的属性相关联。对于标记图象中的每个象素，第一变量针对该象素计算，第二变量针对该象素在重新构成的水印平面中的对应单元计算。当所计算的第一变量具有与所计算的第二变量相同的结果、或相近或统计性地视为相等的结果时，测试结果为正。如果视为结果不同，则测试结果视为负。对于每个象素的色平面，第一变量被重新计算，并与第二变量比较。对于每个产生正结果的色平面，与该选择器单元相关的重合计数器按单位增加，而对于每个产生负结果的色平面，非重合计数器按单位增加。每个单元的重合与非重合计数器的目的，是将具有只让标记者和/或标记物知道的随机数列的水印识别秘密等级(confidence level)与该单元相关联。
对于三色图象和每个象素簇，每个重合计数器值的范围是从零到正三。如果对于所有三个色平面，测试结果为负，就得到零。如果对于所有三个色平面，测试结果为正，就得到正三。每个非重合计数器的范围也是从零到正三，但相反，如果对于所有三个色平面，测试结果为正，就得到零；如果对于所有三个色平面，测试结果为负，就得到正三。在每个重合计数器中的计数，是在每个簇位置的对应象素的正结果计数的累计总数，而在每个非重合计数器中的计数，是在每个簇位置的对应象素的负结果计数的累计总数。大于其对应非重合计数器值的重合计数器值与部分水印检测相关。对于选择器单元的优势而言，大于其对应非重合计数器值的重合计数器值的合成源于且对应于所检测的水印。
在实施例中，测试结果和/或比较过程通过减法操作来完成。在特定的实施例中，所用属性为象素的亮度值。统计关系是关于相邻象素的平均亮度值。在这个实施例中，水印检测以图7所示的步骤进行。选择选择器矩阵尺寸，702。在这个实施例中，选择器矩阵尺寸为32×128单元。所有重合和非重合计数器都通过设定它们读零来初始化，704。选择器的指定特殊单元放置在扩展水印平面的初始位置，706。特定第一单元经常是位于其左上角的选择器单元。当标记图象与扩展水印平面对准时，该特定单元也将把对应象素及其成分定位于标记图象的所有色平面中。
对于所有选择器单元、对于每个象素的所有色平面及对于所有所选择的簇，检测方案的以下部分反复重复。相邻两个八位整数从再生的安全随机数列中选取，708。当方案从第一选择器单元开始时，在步骤708中所选的相邻两个八位整数实际上是安全随机数列的头两个八位整数。两个八位整数被缩放、构成相对初始或起先选择器位置的随机水平和垂直偏置，并且选择器移向该位置，710。选择器单元数列复位到初始特定选择器单元的坐标，711。该选择器单元用来将水印平面中的对应特定单元定位，712。计算其在水印平面中的相邻单元的平均光度，713。在本实施例中，这是位于特定单元在矩阵中心的、11×11单元矩阵中的特定单元的相邻单元的平均光度。如果选择器单元太接近水印平面的边缘、位于其相邻单元的中心，矩阵相邻单元移动，以至包围特定单元的最近120个现成相邻单元。
选择下一个色平面，714。在这个反复的方案开始时，该下一个色平面实际上是第一色平面。在单色图象情况下，这是唯一的色平面。特定选择器单元的坐标用来将该下一个色平面中的对应象素色彩单元定位，715。以相同于上述对水印平面单元的方式计算相邻的120个象素色彩单元的平均亮度，716。将特定水印平面单元和对应象素色彩单元的值与其各自对应的相邻单元平均值比较。如果两个值都等于或大于其各自的相邻单元平均值，717，或如果两个值都小于其各自的相邻单元平均值，718，那么，该特定选择器单元的重合计数器增值，719a。如果一个值小于其各自的相邻单元平均值，而另一个值等于或大于其各自的相邻单元平均值，那么，该特定选择器单元的非重合计数器增值，719b。在每个重合计数器中的值的光度相对于在其对应的非重合计数器中的值的光度，是与水印数列验证的可能性相关的。
如果所有色平面被选择用来测试它们相对于其相邻单元平均值的对应亮度值，就作出决定，720。否则，程序返回步骤714，以选择下一个色平面。步骤715至720就该色平面重复。这继续到步骤720指示所有色平面都被测试。当最后(或唯一)色平面被测试过，如果该选择器的每个单元都被选取，就作出决定，724。否则，就选择下一个选择器单元，726。总之，下一个单元是在该行上下一个右边相邻的单元。如果在该行上没有下一个相邻的单元，下一个单元就是在下一个选择器的行的最左边的单元。该下一个选择器单元成为新的特定单元。步骤712-714重复至所有选择器单元都被选取并测试。当步骤724确定所有单元已被选取时，如果所有不重复的选择器位置都被选取，就作出决定，728。否则，步骤708至728便就所有选择器单元和标记图象色平面重复。当步骤728确定所有选择器位置已被测试时，所有重合计数器就具有了它们的测试结果值。
图8表示执行图7的程序导致的、选择器平面802中选择器810的位置的随机多个总数。图8表示水印平面804和标记图象的三个色平面806-808。所处理的第一个选择器单元经常是在每个选择器位置中的选择器的最左上的单元812。我们注意到，虽然每个选择器位置从前面选择的位置随机偏置，各位置相互不会重复。
包含在每个重合和非重合计数器中的值将它们的对应选择器的单元与具有只让标记者和/或标记物知道的随机数列的水印识别秘密等级相关联。如果重合计数器值少于其各自的非重合计数器值的差值的优势(preponderance)为非负数，水印就视为已被检测。因此，检查这些非负差值的总数足够清楚地宣布水印是否已被检测。当然，这可被视为水印检测技术的结束。
然而，我们注意到，差值的“优势”为非负数至多是一种不准确的尺度。很清楚，如果仅仅简单地大多数差值为非负数，水印是否已被检测至多是判断请求(judgment call)。更可能地，这会被认为是未被检测。为了帮助这里的判断，本发明利用人的视觉系统的能力来识别杂乱场中的图案。这通过构成称作观察仪的二元图象来完成。观察仪构成具有相同于选择器的尺寸(例如，32×128象素)。能清楚地识别的图案被放于观察仪中。典型的观察仪图案见图9，900。围绕观察仪的黑色边框不被看成观察仪的一部分。该图案是构成易于识别的图案的黑色方块和白色象素的排列。典型的象素902在C字样的下端。除了组成字母IBM，904、版权符，906和观察仪的外框，908外，观察仪图象全是白色的。
观察仪图案用于提供重合计数器的“优势”的实际程度为非负数时的视觉图象。在图10中用方框图表示的方法步骤用来提供有关观察仪图案的水印签名。水印签名通过结合重合计数器差值数据、利用观察仪图案来得到，以构成这里所谓的“观察仪重合图象”。
在一个实施例中，观察仪重合图象以图10所示的步骤构成。构成具有尺寸等于选择器单元矩阵的象素矩阵的观察仪图案，1002。观察仪矩阵包括白色和黑色的象素，其中，白色赋值1，黑色赋值0。检查所有选择器矩阵的单元，以确定观察仪重合图象的象素内容。为此，选择器单元数列复位，并选择数列的第一单元，1004。对于所选的选择器单元，其对应非重合计数器中的计数被从其对应的重合计数器中的计数内减去，构成差值，1006。测试差值的符号，1008，如果为负，观察仪的对应象素被颠倒(白色变为黑色，黑色变为白色)，并放于观察仪重合图象的对应象素中，1010b。如果为正，观察仪的对应象素不经改变、放于观察仪重合图象的对应象素中，1010a。测试选择器单元数列，看看是否所有单元被选，1012，如果不是，就选择下一个单元，1014，并重复步骤1006至1012。如果所有选择器单元被选，就显示观察仪重合图象，1016。对观察仪重合图象中的图案是否被识别为观察仪图案的再生作出判断，1018。如果被识别，水印就肯定被检测，1020a。否则，水印就没有被检测，1020b。
对本专业的技术人员来说，显然，如果在建立观察仪重合图象中仅仅使用重合计数器中的计数少于其对应的非重合计数器中的计数的差值的符号，那么，对于每个选择器单元只需一个计数器。这种情况下，图7的步骤719a就应该是“减少选择器单元的计数器”。
图11表示对于在1％调制强度下所加的水印、图8的观察仪得出的检测结果，1102。如上所述，在所有情况下，黑色边框不是观察仪重合图象的一部分。对于在2％调制强度下所加的水印得出的观察仪的更强的复制结果见图12，1202。对于在4％调制强度下所加的水印得出的观察仪的再更强的复制结果见图13，1302。
企图在没有水印的图象中、或者在水印平面不能重新构成的图象中检测水印，就会产生这样的观察仪图案，该观察仪图案是不可识别的随机混乱一片。图14表示当没有检测到水印时的典型的观察仪重合图象，1402。这当许多观察仪单元经颠倒时发生。不需颠倒的单元的优势(preponderance)表示水印检测。这种方法实际上具有极低的假阳性检测可能性。即使在高度致密的标记图象中，观察仪图案也应该能被清楚地识别，以表明很高可靠度的水印检测。
很清楚，与以上已经利用的、只有其差值的代数符号被运用的相比，更多的信息出现在重合与非重合计数器值中。将观察仪图象转换为观察仪重合图象的另一方法使用每个重合计数器值的光度和其对应非重合计数器的光度。如果C(i’，j’)为重合计数器关于选择器单元i’，j’的值，而C’(i’，j’)为对应非重合计数器的值，那么，它们的差值e(i’，j’)的标准光度为e(i′,j′)=c(i′,j′)c(i′,j′)+c′(i′,j′)----(17)]]>当C(i’，j’)+C’(i’，j’)＞0(18)以及e(i’，j’)＝1/2 (19)当C(i’，j’)+C’(i’，j’)＝0 (20)在这种情况下，通过将观察仪图象中的每个象素当观察仪象素值为1时，以e(i’，j’)的对应值代替、当观察仪象素值为0时，以1-e(i’，j’)的对应值代替，观察仪图象转换为观察仪重合图象。注意观察仪重合图象不再是二元图象，而包含从黑色变为白色的灰影。关于放在观察仪中的图案在观察仪重合图象中是否可被识别的判断同前面一样，企图在没有水印的图象中或者在有水印、但水印平面不能精确地重新构成的图象中检测水印的存在，也还会在观察仪重合图象中产生不可识别的随机混乱一片。
因此，本方案更多地使用重合和非重合计数器中的实际值。它还是采用其中每个单元是黑色或白色(0或1)的黑白单元观察仪图象图案。然而，所得到的观察仪重合图象的单元具有从0变到1之间的值，因此，在显示时，它具有不同的灰度等级。灰度取决于计数器数据。
这一替代方案的实施例见图15。构成具有尺寸等于选择器单元矩阵的象素矩阵的观察仪图案，1502。
观察仪矩阵包括白色和黑色象素，其中，白色赋值1，黑色赋值0。检查选择器矩阵的所有单元，以确定观察仪重合图象的象素内容。为此，选择器单元数列复位，并选择数列的第一单元，1504。对于所选的选择器单元，计算其对应重合计数器中的计数与其对应重合计数器和非重合计数器中的总计数的比值，1506。测试对应观察仪象素的色彩，1508，如果为黑色，从1中减去比值后放于观察仪重合图象的对应象素中，1510a。如果观察仪象素为白色，比值不经改变、放于观察仪重合图象的对应象素中，1510b。测试选择器单元数列，看看是否所有单元被选，1512，如果不是，就选择下一个单元，1514，并重复步骤1506至1512。如果所有选择器单元被选，就将观察仪重合图象作为高对比度的单色图象显示，1516。对观察仪重合图象中的图案是否被识别为观察仪图案的再生作出判断，1518。如果被识别，检测就肯定到水印，1520a。否则，就没有检测到水印，1520b。
虽然描述是针对特定实施例进行的，但本发明的技术和方法、意图和概念适于其它实施例、技术和方法。例如，在验证处理标记图象中的水印的存在时，明确的选择和最后手段的选择将再次把水印加在未标记的原数字化图象的副本上，并将该重新构成的标记图象的色平面用作水印平面的理想替代。该替代方法的缺点是需要存取未标记原图象的副本。观察仪也可以具有多个色平面。观察仪通过具有至少一个相关于观察仪的每个象素的统计值，而不需选择器就可以使用。选择器在重新构成的水印平面上的顺序重新定位也不必是非重复的。在所提供的实施例中的非重复的选择器位置只代表计算的简化。随机但连贯的小图象也可以包含在水印平面中、位于只有标记者和/或标记物知道的位置；如果如此构成的水印平面被以很强的调制强度加在统一的色平面上，则连贯的图象将不用观察仪而被看见。可以采用水印检测和/或验证的其它方法。例如，这些方法可以利用单元与其相邻或非相邻单元之间的统计关系中的任何统计关系。这里提供的牢靠技术可以结合可见的水印技术或脆弱不可见技术来使用。对本专业的技术人员来说，显然，可对所公开的实施例进行其它修改，而不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.将水印加在数字化图象上的方法，其特征在于包括步骤提供所述包括多个象素的数字化图象，其中，每个所述象素包括表示至少一种色彩的亮度的亮度数据；以及用0.9至1.1范围内的预定亮度倍增系数、倍增与所述象素中的至少一个相关的所述亮度数据。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于每个象素与表示单色亮度的亮度数据值相关。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于每个象素与多个亮度数据值相关。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于所述多个亮度数据值表示红色、绿色和蓝色的亮度。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于所述水印具有不检测时看不见的不可见性等级。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于所述亮度倍增系数与取自随机数列的数字有关系。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于所述关系为线性再变换、以提供所需的调制强度。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于所述调制强度小于0.5％。
9.根据权利要求6的方法，其特征在于每个所述象素在表示所述数字化图象的矩阵中具有行和列位置，所述亮度倍增系数采用取自顺序对应于所述行和列位置的所述随机数列的数字的不同顺序组合。
10.根据权利要求6的方法，其特征在于所述随机数列采用国家标准数据加密算法(National Standard Data Encryption Algorithm)来产生。
11.根据权利要求6的方法，其特征在于所述数列由多个牢靠水印参数构成。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于所述参数包括密钥、两个系数和所述随机数字发生器的初始值。
13.产生水印图象的方法，其中，水印被加在具有多个带着原亮度的原单元的数字化图象之上，其特征在于所述方法包括步骤提供包括多个水印单元的数字化水印平面，提供水印亮度倍增系数，以及与所述原单元建立一一对应关系；以及通过按照对应所述水印单元之一的所述亮度倍增系数倍增每个所述原单元的所述原亮度、来产生水印图象，其中，所述水印是不可见的。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于所述亮度倍增系数在0.9至1.1范围内。
15.根据权利要求13的方法，其特征在于所述原图象构成原平面，所述水印图象构成比所述原平面小的水印平面，所述方法还包括步骤通过平铺扩展所述水印平面、以便所述水印平面至少覆盖所述原平面。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于还包括步骤当确定所述水印平面扩展超过所述原平面时、切短所述水印平面、以便所述水印平面覆盖所述原平面。
17.根据权利要求13的方法，其特征在于每个所述原单元包括对应于红色、绿色和蓝色成分的多个亮度值。
18.构成包括多个单元、每个单元具有亮度倍增值的水印平面的方法，其特征在于所述方法包括步骤产生具有第一多位的安全随机整数数列；将所述随机数列线性再变换、以构成提供所需调制强度的亮度倍增系数的再变换数列；计算所述再变换数列的离散傅里叶变换、以构成具有频率坐标的傅里叶数列；扩展所述频率坐标、以构成扩展数列；计算所述扩展数列的反向傅里叶变换、以得到水印值数列；以及根据所述水印值数列、得出所述水印平面的所述单元的所述亮度倍增值。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于所述扩展步骤通过零填充完成。
20.根据权利要求18的方法，其特征在于所述水印单元构成具有矩阵尺寸为32×128的矩阵。
21.根据权利要求18的方法，其特征在于所述第一多位等于十六位，通过选择相邻的所述八位整数对、由第二八位整数系列构成。
22.根据权利要求18的方法，其特征在于所述调制强度为1％，所述倍增系数在从0.98变至1的范围内。
23.根据权利要求18的方法，其特征在于还包括步骤硬剪切所述水印数列、以构成具有数列项的硬剪切数列，并利用不同的所述数列项之一为每个所述单元提供所述倍增值。
24.根据权利要求18的方法，其特征在于还包括步骤调节所述水印数列、以构成具有等于1与所述调制强度之差的平均值和中值的值的线性再变换数列，并具有最大值1；以及利用所述线性再变换数列为每个所述单元提供所述倍增值。
25.根据权利要求18的方法，其特征在于还包括步骤提供具有多个原象素的未标记的原图象、每个所述象素至少具有一个亮度值、其中所述原象素的第一数字大于所述多个单元的第二数字；通过平铺来扩展所述水印平面、以覆盖所述未标记的原图象、以便每个所述象素具有一个取自所述单元的对应单元；以及将每个所述象素的至少一个亮度值以所述对应单元的所述倍增值倍增。
26.在标记图象中检测水印的方法，其中，所述标记图象被水印平面标记，所述标记图象具有至少一个包括多个图象象素的色平面，所述水印平面具有多个水印单元，其中，每个所述图象象素具有至少一个亮度值，每个所述水印单元具有一个亮度倍增系数，其特征在于该方法包括(a)重新构成所述水印平面；(b)将所述水印平面与所述标记图象对准，以便每个水印单元具有一个对应图象象素；(c)提供大小相等的选择器矩阵和观察仪图象，其中，所述选择器矩阵具有多个选择器单元、每个单元具有至少一个计数器，而且其中所述观察仪图象具有多个观察仪象素、每个观察仪象素具有至少一个亮度值，而且其中所述观察仪象素表示显示时可以识别的图案；(d)将所述至少一个计数器复位到零；(e)通过将所述选择器单元与多个对应图象象素和多个对应水印单元对准、来将所述选择器置于初始位置；(f)选择选择器单元，并识别对应的水印单元；(g)识别与所述对应的水印单元相邻的第一多个水印单元；(h)产生表示所述第一多个水印单元的亮度倍增系数的平均的第一平均值；(i)选择所述标记图象的色平面，并找出对应图象象素；(j)识别与所述对应图象象素相邻的第一多个相邻象素；(k)产生表示所述第一多个相邻象素的亮度值的平均的第二平均值；(l)根据第一和第二比较操作，更新所述至少一个计数器，其中，所述第一比较操作比较所述第一平均值与所述对应水印单元的所述亮度倍增系数，第二比较操作比较所述第二平均值与所述对应象素的所述对应亮度值；(m)对于所有色平面重复步骤(i)至(l)；(n)对于所有选择器单元重复步骤(f)至(m)；(o)选择不与前面任何选择器位置重复的新选择器位置；(p)对于所有非重复选择器位置重复步骤(f)至(o)；以及(q)利用所述选择器矩阵和所述观察仪象素的所述至少一个计数器、产生指示所述标记图象中的所述水印的检测的视觉标志。
27.根据权利要求26的方法，其特征在于至少一个计数器包括重合计数器和非重合计数器，其中，所述更新步骤包括步骤通过从所述对应水印单元的所述亮度倍增系数中减去所述第一平均值，来产生第一差值；通过从所述对应象素的所述亮度值中减去所述第二平均值，来产生第二差值；以及如果所述第一和第二差值两个都为正数、则所述重合计数器增值，如果所述第一和第二差值两个都为负数时、则所述重合计数器增值，否则，所述非重合计数器增值。
28.根据权利要求26的方法，其特征在于所述放置步骤通过使用随机垂直和水平偏置来进行。
29.根据权利要求28的方法，其特征在于所述偏置从安全随机数列获取。
30.根据权利要求26的方法，其特征在于所述第一多数是等于120的数量。
31.根据权利要求26的方法，其特征在于所述观察仪图象的每个象素具有单色亮度值。
32.根据权利要求26的方法，其特征在于所述观察仪图象的每个象素具有多个亮度值。
33.根据权利要求26的方法，其特征在于所述观察仪图象的每个象素具有红色、绿色和蓝色亮度值。
34.根据权利要求26的方法，其特征在于产生步骤(q)包括步骤建立具有多个与所述观察仪和所述选择器矩阵的所述单元有一一对应关系的重合象素的观察仪重合图象，对于每个给定的重合象素，所述产生步骤包括步骤识别对应于所述给定重合象素的所述选择器矩阵的第一单元；根据存储在与所述选择器矩阵的所述第一单元相关的所述至少一个计数器中的值产生重合值；识别对应于所述给定重合象素的所述观察仪图象的第一象素；根据所述重合值和所述观察仪图象的所述第一象素的至少一个亮度值，为所述给定重合象素产生至少一个亮度值。
35.根据权利要求34的方法，其特征在于还包括步骤显示所述观察仪重合图象、以便用户可以确定经所述观察仪象素编码的所述图案是否可被识别。
36.根据权利要求34的方法，其特征在于所述至少一个计数器包括重合计数器和非重合计数器，所述更新步骤包括步骤通过从所述对应水印单元的所述亮度倍增系数中减去所述第一平均值，来产生第一差值；通过从所述对应象素的所述亮度值中减去所述第二平均值，来产生第二差值；以及如果所述第一和第二差值两个都为正数、则所述重合计数器增值，如果所述第一和第二差值两个都为负数、则所述重合计数器增值，否则，所述非重合计数器增值。
37.根据权利要求36的方法，其特征在于产生所述重合值的所述步骤包括步骤通过从所述重合计数器中减去所述非重合计数器、来产生第三差值，如果所述第三差值为负数、通过修改所述第一观察仪象素的所述至少一个亮度值、来产生所述给定重合象素的所述至少一个亮度值，否则通过复制所述观察仪图象的所述第一象素的所述亮度值、来产生所述给定重合象素的所述至少一个亮度值。
38.根据权利要求37的方法，其特征在于每个观察仪象素具有单色亮度值，所述修改步骤包括步骤颠倒与所述观察仪图象的所述第一象素相关的所述单色亮度值。
39.根据权利要求36的方法，其特征在于每个观察仪象素具有二元单色亮度值，所述二元单色亮度值第一值表示黑色亮度，第二值表示白色亮度；产生所述重合值的所述步骤包括步骤产生比值R，其中，R表示所述重合计数器计数除以所述重合计数器计数和所述非重合计数器计数的和；以及产生所述给定重合象素的所述至少一个亮度值的所述步骤包括步骤如果所述第一象素的所述二元单色亮度值设定为所述第一值、将所述给定重合象素的至少一个亮度值赋值(1-R)，以及如果所述第一象素的所述二元单色亮度值设定为所述第二值、将所述给定重合象素的至少一个亮度值赋比值R。
40.根据权利要求34的方法，其特征在于还包括步骤显示所述观察仪重合图象、以便用户可以确定是否已检测到所述水印。
全文摘要
本发明提供以高度随机的象素亮度倍增数列在数字化图象上加水印的牢靠的方法。随机数列由仅被标记者和/或标记物选择并知道的“牢靠水印参数”构成。水印平面产生了,它具有与所标记的数字化图象的象素一一对应的单元矩阵。根据牢靠随机数列和特定亮度调制强度,为水印平面的每个单元分配一个随机值。通过以水印平面中其对应单元值、将每个象素的一个或多个亮度值倍增,如此产生的水印平面就被加在数字化图象上。
文档编号G06T1/00GK1183693SQ9711921
公开日1998年6月3日 申请日期1997年9月26日 优先权日1996年10月28日
发明者G·W·布劳达维, F·C·米特泽尔 申请人:国际商业机器公司