数字水印嵌入装置和方法以及数字水印检测装置和方法

专利名称：数字水印嵌入装置和方法以及数字水印检测装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将数字水印信息嵌入到内容例如数字化的静止图像数据、活动图象数据、语音数据以及音乐数据中的数字水印嵌入装置和方法，以及一种用于检测内容中的数字水印信息的数字水印检测装置和方法。
背景技术：
(数字水印)数字水印是一种用于通过将内容改变到其品质不会很大退化的程度而将某些信息嵌入到数字内容(数字书面作品数据)例如数字化的静止图像数据、活动图象数据、语音数据以及音乐数据中的技术。例如，版权人或内容用户的识别信息、涉及版权人权利的信息、使用内容的条件、使用内容所需的秘密信息，或复制控制信息等(在下文称作“水印信息”)被嵌入，使得它不容易被察觉。必要时，这样嵌入的水印信息在内容中检测，并且用于控制内容的使用或者用于促进内容的二次使用。此外，已经提议将水印信息用于这种目的例如版权人的识别或认证、指纹识别、内容的认证，以及广播的监控。
(数字水印的要求)为了水印信息用来防止数字内容的非法使用，必须使信息对于可能对内容施加的各种操作或攻击企图是稳健的(防止内容丢失或者被非法改变)。
(几何畸变)如果数字内容是图像数据(静止图像或活动图象)，有通过几何畸变来擦除嵌入到其中的数字水印的攻击企图。几何畸变意味着图像的坐标变换。也就是，几何畸变改变像素的位置。在像素位置的改变之后，某些类型的数字水印信息不能正确地检测。
几何畸变大体上分类为全局变换和局部变换。全局变换意味着整个图像的按比例缩放、旋转和平行位移。全局变换表示为仿射变换。另一方面，局部变换包括由局部参数表示的变换和由与位置无关的参数表示的变换例如全局变换。换句话说，全局变换是局部变换的特例。
(拓扑数字水印)已知同形空间具有称作“拓扑不变量”的恒定性质。同伦类是其中的实例(参见例如Iwanami Mathematic Dictionary 3rdEdition，Topological Space，pp.22-34；Homotopy Theory，pp.1142-1150)。
数字水印可以通过把局部几何畸变看作同形映射而与拓扑不变量相关。拓扑数字水印系统是一种用于实现对局部几何畸变的稳健性的技术(参见例如日本专利申请公开发表2002-142094号)。在拓扑数字水印中，数字水印是在局部几何畸变下不变的拓扑不变量(例如同伦类)，并且由与预先确定的同伦类b相对应的函数Ψb来表示。数字水印通过从所检测的函数Ψ’b计算同伦类b来检测。
在常规数字水印技术中，数字水印信息以简单方式作为拓扑不变量而嵌入到内容中。

发明内容
本发明已经根据上面而研制，并且旨在提供数字水印嵌入和检测装置，其显示对StirMark攻击或局部变换例如D-A-D转换的稳健性，并且即使数字水印算法的全部或部分被公开，其仍然是可靠的。本发明也旨在提供在装置中使用的数字水印嵌入和检测方法和程序。
根据本发明第一方面，提供一种数字水印嵌入装置，包括获取单元，配置以获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息待嵌入到其中的目标内容；函数产生单元，配置以产生与拓扑不变量相对应的拓扑函数；随机化函数产生单元，配置以基于密钥信息产生随机化函数，并且通过随机化函数和拓扑函数的复合来计算复合函数；以及函数嵌入单元，配置以将复合函数嵌入到目标内容中。
根据本发明第二方面，提供一种数字水印检测装置，包括获取单元，配置以获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息待嵌入到其中的目标内容；函数检测单元，配置以检测嵌入到目标内容中的嵌入函数；有序化函数产生单元，配置以基于密钥信息产生有序化函数，并且通过有序化函数和嵌入函数的复合来计算复合函数；以及拓扑不变量计算单元，配置以基于复合函数来计算拓扑不变量，该拓扑不变量用作数字水印信息。
根据本发明第三方面，提供一种数字水印嵌入方法，包括获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息待嵌入到其中的目标内容；产生与拓扑不变量相对应的拓扑函数；基于密钥信息产生随机化函数；通过随机化函数和拓扑函数的复合来计算复合函数；以及将复合函数嵌入到目标内容中。
根据本发明第四方面，提供一种数字水印检测方法，包括获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息待嵌入到其中的目标内容；检测嵌入到目标内容中的嵌入函数；基于密钥信息产生有序化函数；通过有序化函数和嵌入函数的复合来计算复合函数；以及基于复合函数来计算拓扑不变量，该拓扑不变量用作数字水印信息。
根据本发明第五方面，提供一种存储在计算机可读媒体中以使计算机能够用作数字水印嵌入装置的程序，包括用于指示计算机获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息待嵌入到其中的目标内容的手段；用于指示计算机产生与拓扑不变量相对应的拓扑函数的手段；用于指示计算机基于密钥信息产生随机化函数的手段；用于指示计算机通过随机化函数和拓扑函数的复合来计算复合函数的手段；以及用于指示计算机将复合函数嵌入到目标内容中的手段。
根据本发明第六方面，提供一种存储在计算机可读媒体中以使计算机能够用作数字水印检测装置的程序，包括用于指示计算机获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息待嵌入其中的目标内容的手段；用于指示计算机检测嵌入到目标内容中的嵌入函数的手段；用于指示计算机基于密钥信息产生有序化函数的手段；用于指示计算机通过有序化函数和嵌入函数的复合来计算复合函数的手段；以及用于指示计算机基于复合函数来计算拓扑不变量的手段，该拓扑不变量用作数字水印信息。


图1是说明包括根据本发明实施方案的数字水印嵌入和检测装置的内容循环系统的配置的示意框图；图2是说明实施方案的数字水印嵌入装置的配置实例的框图；图3是说明实施方案的数字水印嵌入装置的过程实例的流程图；图4是说明实施方案的数字水印检测装置的配置实例的框图；图5是说明实施方案的数字水印检测装置的过程实例的流程图；图6是用于解释基空间如何看作等价于二维球面的视图；图7是用于解释当活动图象是目标内容时在实施方案中使用的用于计算亮度差值的方法实例的视图；
图8显示基空间和目标空间的实例；图9是用于解释环绕基空间中赤道的一个圆与环绕目标空间中赤道的一个圆之间的对应的视图；图10是用于解释环绕基空间中赤道的一个圆与环绕目标空间中赤道的一个圆之间的对应的视图；图11是用于解释环绕基空间中赤道的一个圆与环绕目标空间中赤道的一个圆之间的对应的视图；图12是用于解释环绕基空间中赤道的一个圆与环绕目标空间中赤道的一个圆之间的对应的视图；图13是用于解释实施方案中使用密钥信息的随机化的视图；图14是用于解释实施方案中使用密钥信息的有序化方法的视图；图15是用于解释实施方案的数字水印嵌入装置的过程实例的流程图；图16显示函数随机化单元的配置实例；图17是用于解释实施方案的数字水印检测装置的过程实例的流程图；图18显示实施方案中函数有序化单元的配置实例；以及图19显示实施方案中同伦类计算单元的配置实例。
具体实施例方式
本发明的实施方案将关于附随附图详细地描述。
本发明可适用于为了各种目的(例如版权保护，包括使用或复制的控制、二次使用的加速等)将各种类型的水印信息嵌入到内容(例如数字化的静止图像数据、活动图象数据、语音数据，以及音乐数据)中，以及检测它们的情况。各种类型的水印信息包括，例如关于内容的版权人或用户的识别信息、关于版权人的所有权信息、使用内容的条件、使用内容所需的秘密信息、复制控制信息等，单独地或组合地。
图1是说明包括根据本发明实施方案的数字水印嵌入和检测装置的系统的方案视图；数字水印嵌入装置1用来将水印信息嵌入到目标内容中。装置1接收目标内容、待嵌入到目标内容中的数字水印信息，以及密钥信息，并且输出嵌入水印信息的内容。数字水印嵌入装置1在内容供应者方提供并管理。
由数字水印嵌入装置1获得的嵌入数字水印的内容通过由例如存储媒体、通信媒体等形成的分发通道3来分发。此刻，在分发通道3中，局部几何畸变例如StirMark攻击或D-A-D转换可能施加到内容上(局部变换可能有意或无意地施加)。
数字水印检测装置2用来从目标内容检测数字水印信息。数字水印检测装置2接收目标内容和密钥信息，并且输出在内容中检测到的水印信息。数字水印检测装置2可以在用户方内容使用装置中提供，以便当内容被使用时保护内容的版权。可选地，装置2可以在内容供应者方提供，使得内容供应者可以检测所分发内容中的数字水印信息。
如随后将详细描述的，数字水印嵌入装置1嵌入水印信息，使得即使StirMark攻击或D-A-D转换施加到水印信息，水印信息的内容也可以保持。因此，即使StirMark攻击或D-A-D转换施加到分发通道3中的目标内容，数字水印检测装置2也可以正确地检测由数字水印嵌入装置1嵌入的水印信息。
此外，仅当数字水印检测装置2使用合法的密钥信息(例如，如果使用公用密钥加密系统，与由数字水印嵌入装置1用于目标内容的密钥信息相同的密钥信息)时，它可以正确地检测嵌入到目标内容中的数字水印信息。因此，即使数字水印的算法被公开，系统仍然是安全的，除非密钥信息被公开。
虽然在实施方案中，数字水印嵌入装置1接收数字内容并且数字水印检测装置2输出数字内容，数字水印嵌入装置1可以具有在嵌入水印信息之前将输入的模拟内容转换为数字内容的功能。可选地或者同时，数字水印检测装置2可以具有在检测水印信息之前将输入的模拟内容转换为数字内容的功能。
数字水印嵌入装置1可以由硬件或软件(程序)来实现。类似地，数字水印检测装置2可以由硬件或软件(程序)来实现。
如果内容供应者使用数字水印嵌入装置1和数字水印检测装置2，装置1和2可以作为集成单元来实现。
如果数字水印检测装置2在用户方内容使用装置中提供，需要安全地构建数字水印检测装置2，以防止用户操作、分析或攻击数字水印检测装置2。
下面描述的配置可以是硬件的配置，或者功能模块或软件过程(程序)的配置。
虽然在实施方案中，活动图像数据主要用作数字内容的实例，其他媒体，例如静止图像数据、语音数据等可以使用。关于活动图像数据，如果数据以帧为单位来处理，局部变换例如StirMark攻击或D-A-D转换意味着几何畸变。另一方面，如果活动图像数据根据其时间位置在多个帧上处理，局部变换意味着几何畸变以及具有时间消逝的变换(时空变换)。在静止图像数据的情况下，局部变换意味着数据的几何畸变。此外，在语音数据的情况下，局部变换意味着具有时间消逝的变换。
在实施方案中，为了赋予对局部变换例如StirMark攻击或D-A-D转换的稳健性，水印信息作为拓扑不变量而嵌入到目标内容中(例如目标内容的像素值被改变，使得从目标内容获得的拓扑不变量对应于水印信息)。在下面的描述中，假设拓扑不变量直接用作水印信息，并且同伦不变量用作拓扑不变量的实例。
代替直接使用拓扑不变量作为水印信息，用于将给定的水印信息转换为待嵌入拓扑不变量的水印信息/拓扑不变量转换单元可以在数字水印嵌入装置1方提供。此外，在这种情况下，用于将所检测的拓扑不变量转换为相应的水印信息的拓扑不变量/水印信息转换单元可以在数字水印检测装置2方提供。
关于拓扑不变量、同伦不变量或同伦类到数字水印信息的应用，可以利用在日本专利申请公开发表2002-142094号中公开的思想。
图2显示根据实施方案的数字水印嵌入装置的配置实例。
实施方案的数字水印嵌入装置接收数字内容(在该实施方案中，活动图象)、作为待嵌入数字水印信息的同伦类，以及密钥信息，并且输出具有嵌入到其中的数字水印信息的内容。
如从图2看到的，实施方案的数字水印嵌入装置包括函数产生单元11、函数随机化单元12和函数嵌入单元13。
图3显示实施方案的数字水印嵌入装置的过程实例。
首先，输入数字水印信息待嵌入到其中的目标图像、密钥信息以及水印信息(在该实施方案中，同伦类)(步骤S1)。
随后，产生与输入的同伦类相对应的拓扑函数(步骤S2)。
随机化函数根据输入的密钥信息来产生，并且复合函数从该随机化函数以及与同伦类相对应的拓扑函数来产生(步骤S3)。
这样产生的复合函数嵌入到目标图像中(步骤S4)。
输出具有嵌入到其中的数字水印信息的图像(步骤S5)。
函数产生单元11的功能将被描述。
这里，图像由像素构成。并且图像包括活动图象。
每个像素由图像中的相应位置和该位置处的颜色来定义。
由图像中的像素位置形成的空间B称作基空间，而由像素颜色形成的空间C称作色空间。例如，在一帧静止或活动图像的情况下，基空间B是二维有限区域。在彩色图像的情况下，色空间C是三维有限区域。
假设预先确定子空间T⋐Cn]]>在由n(n≥1)个色空间C形成的乘积空间Cn(＝C×C×...×C)中创建，并且称作“目标空间T”。此外，假设包含目标空间T的预先确定子空间S⊃T]]>在色空间C中设置，并且称作随机化空间。严格上，空间T，S，Cn不是拓扑空间，因为它们是离散的。但是，在实施方案中，它们被近似地看作拓扑空间。
在实施方案中，与基空间B的同形相对应的不变量看作水印信息。更具体地说，从基空间B到目标空间T的映射对应的同伦类用作拓扑不变量。
当作为待嵌入信息的同伦类b已经输入时，函数产生单元11产生与同伦类b相对应的拓扑函数ΨbB→T。
函数随机化单元12的功能现在将描述。
函数随机化单元12产生从一个随机化空间S到另一个随机化空间S的映射，即根据输入的密钥信息k而变化的函数(随机化函数)gkS→S。其后，单元12产生基于密钥信息k的函数gk以及与同伦类b相对应的并且由函数产生单元11产生的函数Ψb的复合函数gk○ΨbB→S(符号“○”表示在该符号之前和之后指定的函数的复合函数)。
函数嵌入单元13的功能将被描述。
函数嵌入单元13将由函数随机化单元12产生的复合函数gk○Ψb嵌入到目标图像中。该嵌入操作被执行以改变图像，使得与基空间B中的每个点相对应的随机化空间S中的值由该复合函数给出。其后，输出具有嵌入到其中的数字水印信息的目标图像。
图4显示实施方案的数字水印检测装置的配置实例。
实施方案的数字水印检测装置接收数字内容(在实施方案中，活动图象)和密钥信息，并且输出检测到的同伦类作为数字水印信息。
如从图4看到的，实施方案的数字水印检测装置包括函数检测单元21、函数有序化单元22和同伦类计算单元23。
图5显示实施方案的数字水印检测装置的过程实例；首先，输入待检测数字水印信息的目标图像以及密钥信息(步骤S11)。
随后，检测嵌入到目标图像中的函数(步骤S12)。
与上述随机化函数相对应的有序化函数根据输入的密钥信息来产生，并且该有序化函数和嵌入函数的复合函数被产生(步骤S13)。
计算与所产生的复合函数相对应的同伦类(步骤S14)。
输出所计算的同伦类作为数字水印信息(步骤S15)。
函数检测单元21的功能将被描述。
当接收到目标图像时，函数检测单元21在图像中检测与基空间S中的每个点相对应的随机化空间S中的值，从而获得嵌入函数ΦB→S。
函数有序化单元22的功能将被描述。
像函数随机化单元12一样，函数有序化单元22产生从一个随机化空间S到另一个随机化空间S的映射，即根据输入的密钥信息k而变化的函数gk-1S→S。gk-1是gk的反函数。也就是，gk-1○gk＝1。
此外，函数有序化单元22产生基于密钥信息k的有序化函数gk以及由函数产生单元11产生的嵌入函数Φ的复合函数gk-1○ΦB→S。
如果检测目标是具有嵌入到其中的数字水印信息的图像，并且函数有序化单元22使用与数字水印嵌入装置1的函数随机化单元12所使用的密钥信息相同的密钥信息，由函数有序化单元22产生的复合函数ΞB→S是Ξ＝gk-1○Φ＝gk-1○gk○Ψb＝Ψb。Ψb表示与作为数字水印信息而给出的同伦类b相对应的函数(ΨbB→T)。因此，复合函数Ξ的范围应该处于目标空间T中。换句话说，ΞB→T。
当对于目标图像，函数有序化单元22使用与数字水印嵌入装置1的函数随机化单元12所使用的密钥信息不同的密钥信息k’时，Ξ’＝gk’-1○Φ＝gk’-1○gk○Ψb被建立。一般地，Ξ’≠Ψb。这不能保证复合函数Ξ’的范围处于目标空间T中。因此，难以确定目标内容是否包含数字水印信息，并且难以检测正确的Ξ(因此，难以知道所嵌入的数字水印信息的正确内容)。
同伦类计算单元23的功能将被描述。
同伦计算单元23从由函数有序化单元22获得的复合函数ΞB→T来计算与复合函数相对应的同伦类，并且输出计算结果作为所获得的数字水印信息。
在实施方案中，已经给出由数字水印嵌入装置1用来确定随机化函数的密钥信息与由数字水印检测装置2用来确定有序化函数的密钥信息相同的情况的描述。但是，如果可以使由嵌入装置1产生的随机化函数与由检测装置2产生的有序化函数互为反函数时，装置1和2可以使用不同的密钥信息项。
实施方案将更详细地描述。
由包含在图像中的像素的位置形成的基空间B开始是由例如(512×512)像素形成的二维有限区域。但是，如果基空间S畸变使得其周边可以看作等价于一个点，那么它可以看作二维球面S2。图6说明该思想。
作为上面设想的结果，基空间B的坐标可以由二维球面的极坐标，欧拉角，(θ，)来表示(θ∈
，(∈
]。假设基空间B的原始坐标是(x，y)，并且x∈
，∈
1/2密度差用来代替像素颜色的差(即单色图像用作实例)。因此，色空间C是仅与亮度有关的一维区域C＝
，Y∈[-256g，256g]，Z∈[-256g，256g](严格地，X，Y，Z∈[-255g，255g])。
具有直径ε的二维球面S2在空间S中创建，并且设为目标空间T。
极坐标(Θ，Φ)表示目标空间T(Θ∈
]>的随机化空间S。在这种情况下，即使使用相同的检测算法，也不能获得有意义信息，因为环绕基空间中赤道的一个圆仅仅对应于目标空间中的随机位置。换句话说，不仅正确的同伦类即数字水印信息不能被获得，而且数字水印信息的存在本身也不能被检测到。仅当用于嵌入的密钥信息已知时，如图14中所示的有序化可以执行来检测与每个像素位置相对应的嵌入值，因此正确的同伦类即数字水印信息可以获得。
因而，即使用于获得数字水印信息的算法被公开，数字水印信息也不能被检测到，除非密钥信息被公开。
图15是用于解释实施方案的数字水印嵌入装置的过程实例的流程图。
首先，数字水印信息待嵌入到其中的目标图像、作为待嵌入数字水印信息的同伦类，以及密钥信息被提供给数字水印嵌入装置(S21)。
随后，函数产生单元11产生与所提供的同伦类相对应的函数(S22)。
函数产生单元11的操作实例将被描述。
函数产生单元11包括X分量产生部分、Y分量产生部分和Z分量产生部分(没有显示)。可以使用各种类型的函数。例如，可以使用下面的函数Θ＝θ(1)Φ＝b(mod 2π) (2)其中b表示作为数字水印信息的同伦类，并且b∈ZZ＝＝π2(S2)。
除上面以外的函数也可以用作与同伦类相对应的函数。此外，可以使用非周期函数。
此外，函数可以选自先行准备的函数，其通过使用相应的函数设置内容的拓扑不变量来估算以最小地影响内容。
与目标空间T中的点相对应的值(X，Y，Z)通过某个函数而与值(Θ，Φ)相关。通过上面的等式，值(Θ，Φ)与看作等价于基空间B的空间S2中的值(θ，)相关。与基空间B中的每个点相对应的值(X，Y，Z)可以通过联合等式中的基本函数来计算。使用基本函数的计算可以参考关于函数的输入/输出对应表来实现。
因而，当数字水印信息b∈ZZ被输入时，函数产生单元11输出与基空间B中的每个点相对应的值(X，Y，Z)。
其后，函数随机化单元12根据提供给它的密钥信息来产生随机化函数，从而计算该函数与由函数产生单元11产生的函数的复合函数(S23)。
函数随机化单元12的操作实例将被描述。
当密钥信息k被输入时，函数随机化单元12产生随机化函数。
随机化函数是从一个空间S到另一个空间S的映射，该映射根据密钥信息的值而变化。
一个实例将被描述。
空间S被分成256个块。
为了标明每个坐标中的256个块，需要8位。因此，为了标明三个坐标(X，Y，Z)的全部块，需要24位。当表示坐标(X，Y，Z)的24位信息被标明时，一个空间S中的全部区域被标明。在这种情况下，区域的替换根据密钥信息来执行。为此，使当已接收到24位信息时输出24位信息的双射映射函数依赖密钥信息是足够的。根据这一点，实施方案使用一种用于构造分组密码的方法。
利用Feistel网络的方法是分组密码构造方法的一种。例如，DES(数据加密标准)是该方法的一种。
实施方案使用如图16中所示的利用Feistel网络的结构。
在图16中，参考数字121表示逐位异或单元。在由参考数字122表示的单元中，参考数字1221表示S盒，并且1222表示逐位异或单元。S盒是8输入/8输出的双射函数单元并且执行随机变换。通过重复相同的操作r次，S盒的输入和输出可以具有随机关系。“k1”～“kr”表示构成密钥信息k的密钥信息项。密钥信息k具有8r位的长度。随机化函数gk用来替换上述区域。
从图16中所示结构的上部，使用由函数产生单元11产生的函数而计算的值被输入。从图16结构的下部，基于输入到随机化函数的值而计算的值被输出。
函数随机化单元12从由函数产生单元11产生的用于从基空间B映射到目标空间T的函数Ψb以及用于从一个空间S映射到另一个空间S(S⊇T)]]>的随机化函数gk来产生用于从基空间B映射到空间S的复合函数gk○Ψb。这通过根据由随机化函数确定的对应，将与基空间B中的每个点相对应的目标空间T中的点转换到空间S中的相应点来执行。
虽然在上面的描述中，对X，Y和Z分量使用相同的随机化函数，可以对它们使用不同的随机化函数。在这种情况下，在随后描述的有序化过程中，对X，Y和Z分量使用与不同的随机化函数相对应的不同的有序化函数。
复合函数的X，Y和Z分量的每个基于每组包括g个帧的两个组来求出并嵌入(S24-1，S24-2，S24-3)。最后，具有嵌入到其中的数字水印信息的目标图像被输出(S25)。
函数嵌入单元13的操作实例将被描述。
函数嵌入单元13将从函数随机化单元12输出的复合函数gk○ΨbB→S嵌入到目标图像中。
如上所述，6g个帧分成六个组G0-G5，并且复合函数的X，Y和Z分量以下面方式嵌入到组G0和G1，G2和G3，以及G4和G5的相应对中[X分量]组G0f0→f0+(ε/2)[gk○Ψb]x组G1f1→f1-(ε/2)[gk○Ψb]x[Y分量]组G2f2→f2+(ε/2)[gk○Ψb]y组G3f3→f3-(ε/2)[gk○Ψb]y[Z分量]组G4f4→f4+(ε/2)[gk○Ψb]z组G5f5→f5-(ε/2)[gk○Ψb]z如果，例如关于X分量，在嵌入之前检测的组G0的亮度差是f0，嵌入通过改变每个帧的每个像素值来执行，使得嵌入之后获得的亮度差将是f0+(ε/2)[gk○Ψb]x。
数据嵌入到每个fi中可以被执行，使得嵌入对于属于一组的g个帧均匀地执行，或者使得嵌入强度以帧为单位而变化。此外，是均匀嵌入还是非均匀嵌入被执行可以以基空间B中的点为单位来确定。可选地，嵌入强度可以以基空间B中的点为单位来改变。
此外，数字水印信息可以嵌入到包含在与全部像素相对应的全部位中的预先确定中间位平面(其通常包含许多位)，如果该位平面不容易受噪声影响，并且水印信息嵌入到位平面中不会显著地退化图像品质。
图17说明实施方案的数字水印检测装置的过程实例。
首先，数字水印检测装置被提供待检测数字水印信息的目标图像，以及用于嵌入数字水印信息的密钥信息(S31)。
随后，函数检测单元21基于每组包含g个帧的相应两个组来求出嵌入函数的X，Y和Z分量(S32-1，S32-2，S32-3)。
函数检测单元21的操作实例将被描述。
函数检测单元21从如图7中所示的6g个帧来计算X，Y和Z分量。因为当分量被嵌入时常量“ε”乘以每个分量，所以当检测时1/ε乘以每个分量。
因而，函数ΦB→S被确定。
作为函数的表示实例，有一种方法用于列出与基空间B中的各个点相关的函数值。
其后，函数有序化单元22根据所提供的密钥信息来产生有序化函数，并且计算该有序化函数和由函数检测单元21求出的函数的复合函数(S33)。
函数有序化单元22根据所提供的密钥信息k来产生有序化函数。如果与用于嵌入的密钥信息相同的密钥信息被提供，有序化函数是随机化函数的反函数。
函数随机化单元12通过图16中所示的使用Feistel网络的配置来实现随机化函数。另一方面，随机化函数的反函数可以通过图18中所示的配置来实现。
在图18中，参考数字221表示逐位异或单元。在由参考数字222表示的单元中，参考数字2221表示S盒，并且参考数字2222表示逐位异或单元。“k1～“kr”表示密钥信息项。
从图18中所示结构的上部，使用由函数检测单元21产生的函数而检测的值被输入。从图18结构的下部，基于输入到有序化函数的值而计算的值被输出。
其后，同伦类计算单元23从所获得的复合函数来计算同伦类(S34)。最后，所计算的同伦类作为数字水印信息而输出(S35)。
由函数有序化单元22计算的复合函数由下面给出ff＝(X，Y，Z)＝(sinΘ·cosΦ，sinΘ·sinΦ，cosΘ)如果与用于嵌入的密钥信息相同的密钥信息提供给函数有序化单元22，作为结果的复合函数是与同伦类b相对应的由数字水印嵌入装置的函数产生单元11产生的函数(ΨbB→T)，并且作为数字水印信息而给出。
与复合函数相对应的同伦类b(ff)由下面给出b(ff)＝(1/4π)∫02πdθ∫0πdff·ff/θ×ff/其中θ和表示被看作等价于基空间B的二维球面S2中的坐标。此外，在向量运算中，当X，Y和Z坐标看作直角坐标时“·”和“×”在空间S中分别表示“内积”和“外积”。∫02π的“0”和“2π”表示积分的范围是0～2π如果同伦类b(ff)由原始基空间B中的积分来表示，下面的等式被给出b(ff)＝(1/4π)∫0Wdx∫0Hdyff·ff/x×ff/y在实际图像中，基空间B是离散空间，因此在上面的等式中，每个积分用求和来代替，并且每个微分用差分来代替。在这种情况下，同伦类b(ff)由下面给出b(ff)＝(1/4π)∑x=0W-1∑y=0H-1ff·Δxff×Δyff其中
Δxff(x，y)＝ff(x+1，y)-ff(x，y)(x≠W-1)Δxff(x，y)＝ff(0，y)-ff(W-1，y)(x＝W-1)Δyff(x，y)＝ff(x，y+1)-ff(x，y)(x≠H-1)Δyff(x，y)＝ff(x，0)-ff(x，H-1)(x＝H-1)∑x=0W-1中的“x＝0”和“W-1”表示求和的范围是x＝0～W-1。
最后，最接近计算结果的整数作为数字水印值而输出。
图19显示同伦类计算单元23的配置实例。
第一微分单元231计算x方向微分，并且第二微分单元232计算y方向微分。外积计算单元233计算两个微分(差分)的外积，并且内积计算单元234计算上述内积和原函数的内积。最后，积分单元235在整个基空间B中积分所获得的内积。必要时，积分结果舍入为整数。
在上面实施方案中，处理基于6g个帧来执行。但是，四个帧可以垂直和水平地连接并且看作一个帧(在这种情况下，处理基于24g个帧来执行)。可选地，一个帧可以垂直和水平地分成看作串行帧的四个帧(在这种情况下，处理基于6g/4个帧来执行)。
虽然在实施方案中，单色图像已经用作实例，该实施方案也适用于彩色图像。在这种情况下，类似于上面的处理可以使用例如g个第一像素的Y分量，g个第二像素的Y分量，g个第一像素的U分量，g个第二像素的U分量，g个第一像素的V分量，以及g个第二像素的U分量分别作为组G0，G1，G2，G3，G4和G5来执行。可选地，类似的处理可以在仅使用Y分量的情况下执行。该处理可以以各种方式来修改。同样在彩色图像中，可以使用任何类型的分组。如果分量、帧和组之间的附属关系预先设置就足够了。
虽然在实施方案中，活动图象数据用作实例，该实施方案也适用于静止图像数据。在这种情况下，例如静止图像分成6g个部分，并且每个部分在处理过程中看作一个帧。
此外，在实施方案中，关于相邻两个组(每组包含例如g个像素)的像素值的差用来嵌入数字水印信息。但是，数字水印信息可以直接地嵌入到单个组(其包含例如g个像素)。
上述嵌入方法仅是实例，并且其他嵌入方法也可以使用。
在实施方案中，当水印信息嵌入到目标数字内容(例如图像数据)时，与待嵌入到目标内容中的水印信息相对应的预先确定的拓扑不变量(例如同伦不变量)被获得，并且通过改变预先确定的目标内容部分来设置到目标内容中。
此外，在实施方案中，当嵌入到内容中的水印信息被检测时，设置在内容中的预先确定的拓扑不变量基于预先确定的内容部分来检测，并且与所检测的拓扑不变量相对应的水印信息被输出。
例如，当允许复制的控制信息作为水印信息而嵌入时，如果例如整个同伦类和整个整数Z是同构的，改变像素值，使得满足同伦类＝+1(除+1以外的值可以设置)。另一方面，如果复制不允许，改变像素值，使得满足同伦类＝-1(除-1以外的值可以设置)。此外，当例如版权人的识别号码作为水印信息而嵌入时，改变像素值，使得如果指定识别号码1，满足同伦类＝1(除1以外的值可以设置)。此外，如果指定识别号码2，满足同伦类＝2(除2以外的值可以设置)。
在实施方案中，因为与待嵌入水印信息相对应的拓扑不变量设置到目标内容中，设置在内容中的拓扑不变量被维持并被保护，即使在例如分发通道中，对内容施加局部变换例如StirMark攻击或D-A-D转换。不管是否对内容施加局部变换，正确的拓扑不变量可以在内容中检测，并且相应的正确水印信息可以获得。
此外，对内容的影响可以通过将表示拓扑不变量的数据写入到内容中来达到最小，使得内容的位串中的变化范围小。
另外，在实施方案中，当水印信息被嵌入时，拓扑函数(即与拓扑不变量相对应的函数)(值)不被嵌入，但是通过基于密钥信息随机化拓扑函数而获得的第一复合函数(即通过复合随机化函数和拓扑函数的而产生的函数)(值)被嵌入。因此，当水印信息被检测时，拓扑不变量不能从嵌入函数(即嵌入到目标内容中的函数)(值)中检测到。仅当与用于嵌入的密钥信息相对应的密钥信息被提供时，基于该密钥信息的有序化处理被执行，从而获得第二复合函数(即通过复合有序化函数和嵌入函数而产生的函数)(值)(如果密钥信息正确，第二复合函数(值)＝拓扑函数(值))，并且从第二复合函数(值)获得正确的拓扑不变量。难以从嵌入函数(值)中检测甚至数字水印信息的存在。即使嵌入函数被先行检测，正确的拓扑不变量也不能检测到。没有正确的密钥信息，正确的拓扑不变量甚至不能从第二复合函数(值)中获得。
在实施方案中使用的随机化和有序化处理不同于常规的不规则化和去不规则化处理。在现有技术中，如果图像数据在被不规则化之后经历几何畸变，它甚至不能通过去不规则化来恢复到原始图像。另一方面，在实施方案中，即使图像数据在基于密钥信息而被随机化之后经历几何畸变，它可以通过基于密钥信息的有序化处理来恢复到原始图像。
如上所述，实施方案可以提供对局部变换例如StirMark攻击或D-A-D转换显示高度稳健性的数字水印信息，并且即使用于产生数字水印信息的算法的全部或部分被公开，它仍然是安全的。
实施方案的进一步修改现在将详细描述。
在上述配置的每个中，已经做了把基空间和目标空间看作空间S2的描述。但是，其他类型的空间例如非明显拓扑基空间或目标空间也可以使用。
例如，基空间可以通过设想图像的上端和下端是等价的，并且图像的左端和右端是等价的来看作圆环面T2。
表示嵌入图像的函数中的变化现在将描述。
表示嵌入图像的函数被设置，使得函数在图像周边附近的改变是温和的，并且使得函数具有这样的值，这些值逐渐更接近于在更接近周边的位置处的某个值。通过这样做，如果在图像中心附近的一部分图像被剪切，失去的周边部分对积分值具有较小影响。因此，如果图像或内容具有集中在其中心附近的重要内容(据估计有许多这种类型的内容)，可以在某种程度上实现对剪切的抵抗。通常，即使仅重要部分被剪切，可以留下通过设置函数而设置的数字水印，以对图像的重要部分具有大的改变。
在语音数据上执行的处理的改变将被描述。
已经给出图像用作目标内容的情况的描述。但是，实施方案也适用于其他媒体的数字内容。例如在日本专利申请公开发表2002-142094号中公开的方法可以用于语音或音乐数字内容。
拓扑不变量的改变将被描述。
虽然实施方案使用同伦类作为拓扑不变量，其他类型的拓扑不变量也可以使用。
很多元素已知为不变量，像同伦群的元素一样。它们包括，例如，同伦群，上同调群，特征类例如向量丝中的Stiefel-Whitney类、Chern类和Pontryagin类，簇的欧拉数、指数或签名。它们也包括关于有节线的Alexander不变量，以及关于盘绕线的Milnor不变量。关于上面，参见例如由日本数学协会编辑并且由IwanamiShoten出版社出版的Iwanami Mathematic Dictionary 3rd Edition。
关于同伦群，由例如Gauss-Bonnet定理给出的积分在实施方案中使用。但是，在特征类例如Chern类的情况下，由Atiyah-Singer指数定理给出的积分可以使用。在这种情况下，如果用于求出同伦群的不变量的积分量代替用作同伦群实例的积分量就足够了。
在实施方案中使用的硬件和软件配置将被描述。
实施方案的数字水印嵌入装置可以仅通过硬件或通过使用软件(用于指示计算机执行预先确定的手段，或者用于指示计算机用作预先确定的手段，或者用于指示计算机实现预先确定的功能的程序)来实现。当数字水印嵌入装置使用软件来实现时，程序可以通过记录媒体或通信媒体来传输。对于数字水印检测装置也是同样的。
此外，当数字水印嵌入和检测装置由硬件来实现时，它们可以做成半导体装置。
另外，当根据本发明的数字水印嵌入装置或程序被构建时，如果它们包括相同配置的块或模块，这些块或模块可以单独地准备。可选地，代替准备相同配置的所有块或模块，一个或一些块或模块可以共用，当执行算法的某些部分时。对于数字水印检测装置或程序是也是同样的。此外，当包括数字水印嵌入和检测装置的系统或者包括数字水印嵌入和检测程序的系统被准备时，相同配置的一个或一些块或模块可以被算法的某些部分共用。
当数字水印嵌入和检测装置使用软件来实现时，多处理器可以用来执行并行处理，从而增加处理速度。
另外的优点和修改将容易由本领域技术人员想到。因此，本发明在其更广泛的方面并不局限于这里所显示和描述的具体细节和典型实施方案。因此，可以不背离由附加权利要求书及其等价物定义的一般发明概念的本质或范围而做各种修改。
权利要求
1.一种数字水印嵌入装置，包括获取单元，配置成用来获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息将要嵌入到其中的目标内容；函数产生单元，配置成用来产生与拓扑不变量相对应的拓扑函数；随机化函数产生单元，配置成基于密钥信息产生随机化函数，并且通过随机化函数和拓扑函数的复合来计算复合函数；以及函数嵌入单元，配置成用来将复合函数嵌入到目标内容中。
2.根据权利要求1的数字水印嵌入装置，其中拓扑函数包括从关于目标内容中的位置的基空间到关于嵌入量的目标空间的映射，该映射基于拓扑不变量。
3.根据权利要求2的数字水印嵌入装置，其中目标内容包括静止图像数据和活动图象数据的一种；基空间由与目标内容相对应的像素位置来确定；以及目标空间包含在与构成目标内容的像素的一组赋值相对应的拓扑空间中。
4.根据权利要求1的数字水印嵌入装置，其中函数产生单元产生表达拓扑函数的拓扑函数值。
5.根据权利要求4的数字水印嵌入装置，其中随机化函数产生单元通过将随机化函数应用到拓扑函数值来产生复合函数值，该复合函数值表达复合函数。
6.根据权利要求5的数字水印嵌入装置，其中拓扑函数值和复合函数值的每个表示与目标内容中的位置相对应的嵌入量。
7.根据权利要求5的数字水印嵌入装置，其中随机化函数产生单元基于密钥信息使用分组密码来随机化拓扑函数值，以产生复合函数值。
8.根据权利要求5的数字水印嵌入装置，其中函数嵌入单元通过基于复合函数值改变目标内容来嵌入拓扑不变量。
9.根据权利要求1的数字水印嵌入装置，其中函数产生单元产生与包括同伦不变量的拓扑不变量相对应的拓扑函数。
10.一种数字水印检测装置，包括获取单元，配置成用来获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息将要嵌入到其中的目标内容；函数检测单元，配置成用来检测嵌入到目标内容中的嵌入函数；有序化函数产生单元，配置成基于密钥信息产生有序化函数，并且通过有序化函数和嵌入函数的复合来计算复合函数；以及拓扑不变量计算单元，配置成基于复合函数来计算拓扑不变量，该拓扑不变量用作数字水印信息。
11.根据权利要求10的数字水印检测装置，其中复合函数包括从关于目标内容中的位置的基空间到关于嵌入量的目标空间的映射，该映射基于拓扑不变量。
12.根据权利要求11的数字水印检测装置，其中目标内容包括静止图像数据或活动图象数据的一种；基空间由与目标内容相对应的像素位置来确定；以及目标空间包含在与构成目标内容的像素的一组赋值相对应的拓扑空间中。
13.根据权利要求10的数字水印检测装置，其中函数检测单元检测表达嵌入函数的嵌入函数值。
14.根据权利要求13的数字水印检测装置，其中有序化函数产生单元通过将有序化函数应用到嵌入函数值来产生复合函数值，该复合函数值表达复合函数。
15.根据权利要求14的数字水印检测装置，其中嵌入函数值和复合函数值的每个表示与目标内容中的位置相对应的嵌入量。
16.根据权利要求14的数字水印检测装置，其中有序化函数产生单元基于密钥信息使用分组密码来有序化嵌入函数值，以产生复合函数值。
17.根据权利要求14的数字水印检测装置，其中复合函数包括从关于目标内容中的位置的基空间到关于嵌入量的目标空间的映射，该映射基于拓扑不变量，复合函数包括与拓扑不变量有关并确定该映射的参数；以及拓扑不变量计算单元通过基于复合函数值获取参数来计算拓扑不变量。
18.根据权利要求10的数字水印检测装置，其中拓扑不变量计算单元计算包括同伦不变量的拓扑不变量。
19.一种数字水印嵌入方法，包括获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息将要嵌入到其中的目标内容；产生与拓扑不变量相对应的拓扑函数；基于密钥信息产生随机化函数；通过随机化函数和拓扑函数的复合来计算复合函数；以及将复合函数嵌入到目标内容中。
20.一种数字水印检测方法，包括获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息将要嵌入到其中的目标内容；检测嵌入到目标内容中的嵌入函数；基于密钥信息产生有序化函数；通过有序化函数和嵌入函数的复合来计算复合函数；以及基于复合函数来计算拓扑不变量，该拓扑不变量用作数字水印信息。
全文摘要
一种数字水印嵌入装置，包括获取单元，配置成用来获取作为数字水印信息的拓扑不变量、与数字水印信息相对应的密钥信息，以及数字水印信息待嵌入到其中的目标内容；函数产生单元，配置成用来产生与拓扑不变量相对应的拓扑函数；随机化函数产生单元，配置成用来基于密钥信息来产生随机化函数，并且通过随机化函数和拓扑函数的复合来计算复合函数；以及函数嵌入单元，配置成用来将复合函数嵌入到目标内容中。
文档编号H04N7/081GK1512756SQ20031012444
公开日2004年7月14日 申请日期2003年12月26日 优先权日2002年12月27日
发明者村谷博文 申请人:株式会社东芝