ОБНАРУЖЕНИЕ СКРЫТОГО ЗНАКА Российский патент 2004 года по МПК H04N5/913 H04N1/32 

Область техники
Изобретение относится к способу обнаружения скрытого знака в информационном сигнале, который возможно был помечен скрытыми знаками с помощью модифицирования значений упомянутого информационного сигнала в соответствии с (временными или пространственными) соответствующими значениями картины скрытого знака. Изобретение также относится к устройству для обнаружения скрытого знака.

Уровень техники
Способ предшествующего уровня техники, который определен в предыдущем абзаце, раскрыт в международной заявке на патент WO-A-98/03014. Скрытый знак обнаруживается путем вычисления значения корреляции подозрительного информационного сигнала с приложенной картиной скрытого знака и сравнения значения корреляции с заданным пороговым значением. Если значение корреляции больше порогового, то полагают, что скрытый знак присутствует, и если наоборот, то полагают, что он отсутствует. Чем больше значение корреляции, тем больше надежность обнаружения, и тем больше по времени процесс обработки, который может продолжаться до тех пор, пока скрытый знак не будет обнаружен еще раз. Как раскрыто в заявке WO-A-98/03014, перед вычислением значения корреляции информационный сигнал и/или картину можно подвергнуть процедуре согласованной фильтрации. Таким образом значительно повышается надежность обнаружения скрытого знака.

Недостаток способа обнаружения скрытого знака предшествующего уровня техники заключается в том, что (временное или пространственное) положение картины скрытого знака по отношению к информационному сигналу не является абсолютно известным. Если положение скрытого знака, который подается в обнаружитель, отличается от местоположения в процессе его ввода, то значение корреляции будет маленьким, и при обнаружении скрытый знак можно ошибочно посчитать отсутствующим.

Задача и краткое описание изобретения
Задача изобретения заключается в дополнительном усовершенствовании способа обнаружения скрытого знака.

Это достигается с помощью способа по п.1 и устройства по п.6. Преимущественные варианты осуществления определены в подпунктах.

В изобретении предполагается, что значение корреляции информационного сигнала и введенный скрытый знак для ряда возможных положений скрытого знака лучше всего вычислять в Фурье-области, и что устойчивость к нежелательным, но возможным воздействиям, и надежность обнаружения можно повысить за счет применения к информационному сигналу и скрытому знаку перед вычислением значения корреляции метода согласованной фильтрации только для симметричной фазы (СФТСФ). В методе СФТСФ, известном по существу ("per se") в области распознавания образов, утверждается, что большую часть существенной информации, необходимой для обнаружения значения корреляции, получают путем определения фазы коэффициентов Фурье.

В соответствии с этим, величины комплексных коэффициентов Фурье нормируют для того, чтобы получить по существу одинаковые величины.

Хотя прилагательное "симметричный" в выражение СФТСФ относится к фильтрации как информационного сигнала, так и скрытого знака, изобретатели обнаружили, что нормировка Фурье-преобразованного информационного сигнала больше всего вносит вклад в улучшение качества корреляционного обнаружения. К тому же, этап нормировки величин Фурье-преобразованного скрытого знака входит в вариант осуществления изобретения.

Этап нормировки величины комплексных коэффициентов Фурье включает в себя операцию деления каждого коэффициента Фурье на свое абсолютное значение. Однако изобретателями обнаружено, что вероятность обнаружения значительно не увеличивается, если каждый коэффициент разделить на свою действительную или мнимую часть, зависимость от которой является слишком большой. Это позволяет получить обучающуюся аппроксимацию для нормировки (величины будут изменяться в пределах 1 и ) и, кроме того, значительно уменьшить число вычислений.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 схематически изображает устройство для ввода скрытого знака в сигнал;
фиг. 2 и 3 изображают схемы, иллюстрирующие работу устройства для ввода (фиг.1);
фиг. 4 схематически изображает устройство для обнаружения введенного скрытого знака;
фиг. 5 и 6A и 6B изображают схемы, иллюстрирующие работу обнаружителя (фиг.4);
фиг. 7 изображает устройство для воспроизведения потока битов видеосигнала с введенным скрытым знаком;
фиг.8 изображает вариант осуществления устройства для обнаружения введенного скрытого знака согласно изобретению;
фиг. 9A и 9B изображают схемы для иллюстрации работы обнаружителя (фиг. 8);
фиг. 10 схематически изображает другой вариант осуществления устройства для обнаружения введенного скрытого знака согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Схема для ввода скрытых знаков согласно настоящему изобретению будет описана, исходя из удобства рассмотрения, как система для ввода невидимых меток в содержимое видеосигнала, но ее можно, очевидно, использовать для любых других приложений, включая аудио и мультимедиа. Заявители часто ссылаются на этот способ, как на способ СВТДСЗ (система для ввода только других скрытых знаков (JAWS)).

Фиг. 1 изображает практический вариант осуществления устройства ввода скрытых знаков для получения фоновой информации. Устройство ввода содержит источник 11 изображения, который вырабатывает изображение Р, и сумматор 12, который суммирует скрытый знак W с изображением Р. Скрытый знак W имеет шумовую картину того же самого размера, как и у изображения, например N₁ пикселей ("элементов изображения") по горизонтали и N₂ пикселей по вертикали. Скрытый знак W представляет собой ключ К, то есть, многобитовый код, который необходимо найти на приемном конце.

Для того чтобы избежать ситуацию, при которой в процессе обнаружения скрытого знака необходимо производить поиск скрытого знака W во всем большом пространстве N₁•N₂; скрытый знак вырабатывают с помощью повторения, и при необходимости укорочения, меньших по размеру блоков, которые называются "мозаикой" W(K), на всем протяжении изображения. Эта операция (15) "построения мозаики" изображена на фиг.2. Мозаика W(K) имеет фиксированный размер М•М. Размер М мозаики не должен быть слишком маленьким: меньшее значение М подразумевает большую симметрию в W(K) и, следовательно, более высокую защищенность. С другой стороны, значение М не должно быть слишком большим: большое значение М подразумевает большую область поиска для обнаружителя и, следовательно, более высокую сложность. В способе СВТДСЗ с учетом компромиссных требований заявителями выбрано значение М=128.

Затем вычисляют (16) карту локальной глубины или маску λ(Р) видимости. В каждом положении пикселя, λ(Р) предусматривает измерение видимости аддитивного шума. Карта λ(Р) строится так, чтобы среднее значение было равно 1. Растянутую последовательность W(K) по существу модулируют (17) с помощью λ(Р), то есть, значение мозаичного скрытого знака W(K) в каждом положении умножают на значение λ(Р) видимости в том же самом положении. Поэтому результирующая шумовая последовательность W(K, P) зависит от ключа К и содержимого изображения Р. Заявители рассматривают W(K, P) как адаптивный скрытый знак, который адаптируется к изображению Р.

В итоге, интенсивность конечного скрытого знака определяется с помощью параметра d общей глубины, который обеспечивает общее масштабирование (18) W(K, P). Большое значение d соответствует устойчивому, но, возможно, видимому скрытому знаку. Маленькое значение соответствует почти незаметному, но слабому скрытому знаку. Фактический выбор d будет производиться на основании компромисса между параметрами устойчивости и скрытности. Изображение Q с введенными скрытыми знаками получают с помощью суммирования (12) W=d•W(K, P) с Р, округления до целых значений пикселей и сжатия до допустимого диапазона значений пикселей.

Для того чтобы ввести многобитовый код К в скрытый знак W, каждая мозаика W(K) строится на основе ограниченного набора некоррелированных основных или элементарных мозаик {W₁...W_н} и его разновидностей со сдвигом в соответствии с уравнением

где "shift (W_i, k_ij)" - пространственный сдвиг основной М•М мозаики W_i по вектору k_ij с циклическим оборотом. Знаки s∈{-1,+1} и сдвиги k зависят от ключа К как функция Е(13) кодирования. Задача обнаружителя заключается в распознавании К после нахождения знака s_i и сдвигов k_i. Следует отметить, что каждая основная мозаика W_i может встречаться несколько раз. Кодер 13 (фиг.1) вырабатывает W(К)=W₁+W₂-W₂', где W₂' является разновидностью W₂ со сдвигом. Фиг.3 изображает эту операцию.

Фиг. 4 изображает схему обнаружителя скрытых знаков. В обнаружитель скрытых знаков поступают, по возможности, изображения Q с веденными скрытыми знаками. Обнаружение скрытого знака в способе СВТДСЗ не производится для каждого отдельного кадра, а делается для группы кадров. При накоплении (21) числа кадров улучшается статистика обнаружения и, следовательно, надежность обнаружения. Накопленные кадры по существу делят на части (22) в блоки размером М•М (М=128) и все блоки накапливают (23) в буфере q размером М•М. Эта операция известна как свертка. На фиг.5 изображена эта операция свертки.

На следующем этапе в процессе обнаружения необходимой является операция утверждения наличия в буфере q конкретной шумовой картины. Для того чтобы обнаружить, имеется или нет в буфере q картина W конкретного скрытого знака, содержимое буфера и картину скрытого знака подвергают операции корреляции. Процесс вычисления значения корреляции подозрительного информационного сигнала q и картины w скрытого знака содержит вычисление скалярного произведения d=<q,w> значений информационного сигнала и соответствующих значений картины скрытого знака. Для одномерного информационного сигнала q={q_n} и картина w={w_n} скрытого знака, математически это можно записать в виде:

Для двухмерного изображения М•М q={q_ij} и картины W={w_ij} скрытого знака скалярное произведение равно:

В принципе, вектор k_i, с помощью которого мозаика W_i получает сдвиг, можно найти с помощью последовательной подачи W_i с различными векторами k в обнаружитель и определения, для какого k значение корреляция является максимальным. Однако этот алгоритм сильно приближенного поиска занимает много времени. Более того, изображение Q можно подвергнуть различным видам обработки (таким как трансляция или сбор) перед обнаружением скрытого знака, поэтому обнаружитель не имеет информации о пространственном местоположении основной картины W_i скрытого знака по отношению к изображению Q.

Вместо алгоритма сильно приближенного поиска, в способе СВТДСЗ используется структура картин W(K). Буфер q проверяют на наличие этих элементарных картин, их знаков и сдвигов. Корреляция d_k изображения q и элементарной картины w со сдвигом на вектор k (k_x пикселей по горизонтали и k_y пикселей по вертикали) имеет вид:

Значения d_k корреляции для всех возможных векторов k, имеющих сдвиг, основной картины W_i одновременно вычисляют с использованием быстрого преобразования Фурье. Как показано на фиг.4, содержимое буфера q и основную картину W_i скрытого знака подвергают быстрому преобразованию Фурье (БПФ (FFT)) в схемах 24 и 25 преобразования соответственно. Эти операции приведены в виде:


где являются наборами комплексных чисел.

Вычисление значения корреляции подобно вычислению свертки q и сопряжению W_i. В области преобразования это соответствует:
,
где символ ⊗ - поточечное умножение и conj() инвертирование знака мнимой части аргумента. Сопряжение w (фиг.4) выполняется с помощью схемы 26 сопряжения, и поточечное умножение выполняется с помощью умножителя 27. Набор значений d={d_k} корреляции получают с помощью обратного преобразования Фурье полученного результата умножения
,
которое выполняется (фиг.4) с помощью схемы 28 обратного БПФ. Картину W_i скрытого знака обнаруживают как присутствующую, если значение d_k корреляции больше заданного порогового значения.

Фиг.6а изображает график значений d_k корреляции, если было уже проверено наличие картины W₁ скрытого знака (фиг.1 и 3) в изображении Q. Максимум 61 показывает, что картина W₁ действительно найдена. Положение (0, 0) этого максимума показывает, что картина W₁, подаваемая в обнаружитель, имеет тоже самое пространственное положение по отношению к изображению Q, как и у картины W₁, которая подается в устройство ввода. Фиг.6В изображает график значений корреляции в случае, если картина W₂ скрытого знака подается в обнаружитель. В этом случае находят два максимума. Положительный максимум 62 в точке (0,0) обозначает наличие скрытого знака W₂, a отрицательный максимум 63 в точке (48, 80) обозначает наличие скрытого знака -W₂'. Относительное положение последнего максимума 63 по отношению к максимуму 62 (или подобному максимуму 61) показывает относительное положение (в пикселях) W₂' по отношению к W₂, то есть, к вектору К сдвига. Введенные данные К получают из векторов, найденных таким образом.

Введенную информацию можно идентифицировать, например, с помощью держателя прав или описания содержимого. При защите от записи ЦУД (цифровой универсальный диск (DVD)), материал может быть помечен как "одна копия", "нет копий", "нет ограничений", "больше ни одной копии" и так далее. Фиг.7 изображает дисковод ЦУД для воспроизведения потоков битов ГЭКИ (группа экспертов по киноизображениям (MPEG)), которые записывают на диск 71. Записанный сигнал подается в выходное оконечное устройство 73 через переключатель 72. Выходное оконечное устройство подсоединяется к внешнему декодеру ГЭКИ и устройству отображения (не показано). Предполагается, что дисковод ЦУД может не воспроизводить видеосигналы с заданным введенным скрытым знаком, если другие условия, которые не относятся к изобретению, не выполняются. Например, сигналы с введенным скрытым знаком можно только воспроизвести, если диск 71 включает в себя заданный "качающийся" ключ. Для того чтобы обнаружить скрытый знак, дисковод ЦУД содержит обнаружитель 74 скрытого знака.

Обнаружитель принимает закодированный сигнал и управляет переключателем 72 в ответ на то, что обнаруживается или нет скрытый знак.

Коэффициенты Фурье являются комплексными числами, то есть, они имеют действительную часть и мнимую часть, или величину и фазу. Изобретателями обнаружено, что надежность обнаружителя значительно повышается, если информация о величине вовсе не учитывается, а рассматривается только фаза. Фиг.8 изображает вариант осуществления схемы корреляции обнаружителя согласно изобретению. Вариант осуществления отличается от показанного на фиг.4 тем, что схема 30 нормировки величины вводится между умножителем 27 и схемой 28 обратного преобразования Фурье. Работа схемы нормировки содержит поточечное деление каждого коэффициента на свою величину. В математической записи

где Ф обозначает поточечное деление и abs() обозначает

где R() и I() обозначают действительную и мнимую часть аргумента, соответственно.

Упомянутая нормировка величин относится к методу согласованной фильтрации только симметричной фазы (СФТСФ (SPOMF)). Фиг.9А и 9В изображают результат нахождения значения корреляции методом СФТСФ. Более конкретно, фиг. 9А изображает значения d_k корреляции в случае, когда используется линейная корреляция, то есть, без схемы 30 нормировки величины. Значение d₀₀ корреляции, выраженное в единицах стандартной девиации целой матрицы, составляет 9,79. Фиг. 9В изображает значения корреляции в случае, когда используется корреляция СФТСФ, Значение d₀₀ корреляции в этом случае составляет 62,77 раз от стандартной девиации. Следует оценить, что максимум (фиг.9В) можно более надежно обнаружить по сравнению с максимумом (фиг.9А).

Так как нормировка величин d эквивалентна нормированию величин q и w, схему 30 нормировки (фиг. 8) можно заменить на две схемы нормировки после схем 24 и 25 БПФ. Однако введенный скрытый знак будет уже иметь фактически спектр частот белого шума (плоский спектр частот), так как на практике он представляет собой картину псевдослучайного шума, в котором каждая выборка независимо и одинаковым образом выбирается из нормального распределения. С учетом этого, считается достаточным нормировка только величины информационного сигнала. Схема 30 нормировки величины в этом случае располагается между схемой 24 БПФ и умножителем 27. В этом варианте осуществления величины d являются не точными, но по существу теми же самыми.

Кроме того, следует отметить, что БПФ и сопряжение введенного скрытого знака W_i (см. схемы 25 и 26 соответственно на фиг.4, 8 и 10), а также дополнительная нормировка величин w, можно предварительно вычислить и сохранить в памяти.

Кроме того, изобретателями обнаружено, что интенсивность обнаружения не уменьшается значительно, если для нормировки используется более оправданная аппроксимация. Вместо деления каждого коэффициента Фурье на свою величину, как следует из уравнений (1) и (2), достаточно разделить каждый коэффициент на свою действительную или мнимую часть, зависимость от которой является самой большой. Если величины затем будут изменяться в интервале 1 и , то интенсивность обнаружения уменьшается только на 1%. Преимуществом в этом случае является уменьшение уровня сложности вычисления, так как квадратный корень в уравнении (2) не обязательно вычислять. В этом варианте осуществления схема 30 нормировки выполняет следующий алгоритм:
,
,
,
где - комплексный коэффициент Фурье (или , или , как случай, который может иметь место), и - действительная и мнимая часть соответственно и / - знак деления.

Дополнительное снижение уровня сложности можно получить, если нормировка включает в себя деление только на показатель степени 2. Величины будут затем изменяться в интервале 1 и , а интенсивность обнаружения при этом уменьшается на 2,5%. Деление на показатель степени 2 является практически эффективным в более общих системах счисления с плавающей точкой, в которых действительная и мнимые части комплексных коэффициентов выражаются в виде
sign•mantissa•2^exp,
где мантисса является выражением с фиксированной точкой числа в интервале 1 и 2. Выше описанную нормализацию можно в этом случае упростить следующим образом.

,
,
,
,
.

В итоге, раскрыты усовершенствованный способ и устройство для обнаружения скрытого знака в информационном сигнале (например, в изображении или в видеосигнале). Обнаружение является более надежным и менее уязвимым при обработке изображений, которой повергается подозрительное изображение (q) и скрытый знак, который необходимо обнаружить (W_i), в методе согласованный фильтрации только симметричной фазы (24-28, 30) перед обнаружением (29) значения корреляции (d) между упомянутыми сигналами.

Изобретение относится к способу обнаружения скрытого знака в информационном сигнале, который возможно был им помечен с помощью модифицирования значения информационного сигнала в соответствии с соответствующими значениями картины скрытого знака. Техническим результатом является создание более надежного и менее уязвимого способа обнаружения при обработке изображений и устройства для обнаружения скрытого знака в информационном сигнале (например, в изображении или видеосигнале). Технический результат достигается тем, что при обработке подозрительного изображения со скрытым знаком, который необходимо обнаружить, используют метод согласованной фильтрации только симметричной фазы (SPOMF) перед обнаружением величины корреляции между информационным сигналом и скрытым знаком. Упомянутое значение величины корреляции между сигналами вычисляют с использованием прямого и обратного преобразования Фурье информационного сигнала и скрытого знака в соответствующие коэффициенты Фурье и затем сравнивают значения корреляции с заданным пороговым значением. Превышение порога указывает на обнаруженный скрытый знак. 4 с. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ обнаружения скрытого знака в информационном сигнале, содержащий этапы, при которых вычисляют значение, показывающее корреляцию информационного сигнала и скрытого знака, и обнаруживают, является ли значение корреляции больше заданного порогового значения, отличающийся тем, что при вычислении осуществляют преобразование Фурье информационного сигнала в соответствующие коэффициенты Фурье, представляющие информационный сигнал, осуществляют преобразование Фурье скрытого знака в соответствующие коэффициенты Фурье, представляющие скрытый знак, умножают соответствующие коэффициенты и получают коэффициенты Фурье, представляющие значения корреляции, каждое из которых соответствует одному из множества положений скрытого знака по отношению к информационному сигналу, и выполняют обратное преобразование коэффициентов Фурье, представляющих собой значения корреляции в указанных значениях корреляции, на этапе обнаружения осуществляют обнаружение, является ли, по меньшей мере, одно из упомянутых значений корреляции больше заданного порогового значения, причем способ дополнительно включает в себя этап нормировки по существу абсолютных значений коэффициентов Фурье, представляющих значения корреляции.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап нормировки применяется в отношении коэффициентов Фурье, представляющих информационный сигнал.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что этап нормировки дополнительно применяется в отношении коэффициентов Фурье, представляющих скрытый знак.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при этапе нормировки осуществляют операцию деления каждого коэффициента Фурье на его абсолютное значение.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при этапе нормировки осуществляют деление каждого коэффициента Фурье на его действительную или мнимую часть, зависимость от которой является самой большой.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при операции деления осуществляют деление на показатель степени 2.7. Устройство для обнаружения скрытого знака (w) в информационном сигнале (q), содержащее средство (24-28) для вычисления значения (d), показывающего корреляцию информационного сигнала и скрытого знака, и средство (29) обнаружения, выполненное с возможностью определения является ли значение корреляции больше заданного порогового значения, отличающееся тем, что средство для вычисления содержит средство (24) для преобразования Фурье информационного сигнала в соответствующие коэффициенты Фурье, представляющие информационный сигнал, средство (25) для преобразования Фурье скрытого знака в соответствующие коэффициенты Фурье, представляющие скрытый знак, и средство (27) для умножения соответствующих коэффициентов и для получения соответствующих коэффициентов Фурье, представляющих собой значения корреляции, каждое из которых соответствует одному из множества положений скрытого знака по отношению к информационному сигналу, и средство (28) для обратного преобразования коэффициентов Фурье, представляющих собой значения корреляции в указанных значениях корреляции, причем указанное средство (29) для обнаружения размещается с возможностью обнаружения, является ли, по меньшей мере, одно из упомянутых значений корреляции больше заданного порогового значения, при этом устройство дополнительно включает в себя средство (30) нормировки по существу абсолютных значений коэффициентов Фурье, представляющих значения корреляции, которое вводится между указанным средством (27) для умножения соответствующих коэффициентов и средством (28) обратного преобразования коэффициентов Фурье.8. Устройство для воспроизведения информационного сигнала, содержащее средство (72) для отключения воспроизведения информационного сигнала в зависимости от наличия скрытого знака в информационном сигнале, отличающееся тем, что устройство содержит устройство (74) обнаружения скрытого знака в информационном сигнале по п.7.9. Устройство для записи информационного сигнала, содержащее средство (72) для отключения записи информационного сигнала в зависимости от наличия скрытого знака в информационном сигнале, отличающееся тем, что устройство содержит устройство (74) для обнаружения скрытого знака в информационном сигнале по п.7.