CN1477555A - 从包含重复水印的数据中提取水印的方法和装置 - Google Patents

从包含重复水印的数据中提取水印的方法和装置 Download PDF

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Abstract

提供一种从带水印数据中提取水印的方法和装置，该方法包括：(a)从带水印原始数据中提取多个水印；(b)计算各提取水印的可靠度；以及(c)根据各提取水印算出可靠度，以确定最终水印。

Description

从包含重复水印的数据中提取水印的方法和装置
本申请要求2002年6月18日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请2002-34137号的优先权，在此将其全文引作参考。
技术领域
本发明涉及一种水印，特别涉及一种从包含重复水印的数据中提取水印的方法和装置。
背景技术
由于基于网络的通信技术的发展，以数字格式存储和传输多媒体数据已变得更加频繁。然而，在数字数据的情况下，区分原始数据与其拷贝件几乎是不可能的。因此，需要将预定标识信息(以下称作“水印”)插入到原始数据中，从而保护原始数据的版权。预定标识信息即水印包括原始数据的版权信息，版权人的签名和其他标记。
在现有技术中，将水印重复插入到原始数据中，然后传输包含重复水印的数据。因此，即使插入到原始数据中的水印的某些值由于传输期间发生的错误、数据处理或对原始数据的有意攻击而遭到破坏，从包含其他未遭破坏水印的、带重复水印的数字数据中提取完整的水印仍然是可能的。多数规则方式已被采用以从由于错误而具有不同值的多个水印中选择一个水印。
图1是示出将水印重复插入到原始数据中然后传输带重复水印数据的方法的图。参照图1，在发送端，将水印“101010’三次插入到原始数据中，从而使水印1到3位于原始数据的不同位置。此后，对带水印数据进行传输。然而，由于在传输信道上对带水印数据的攻击，在接收端可能检测到被破坏的水印。在图1中，水印的破坏部分用斜线阴影表示。具体而言，如图1所示，水印1和2遭到破坏，从而使“1010”变形为“0101”。因此，根据使用多数规则方式确定最终水印的传统方法，“010110”而不是原始水印“101010”被确定为最终水印。
如上所述，根据使用多数规则方式确定最终水印的传统方法，尤其是当带水印数据遭到严重破坏时，错误的比特值更可能选作组成最终水印的比特值。
发明内容
本发明提供一种即使当带水印数据遭到严重破坏时也从包含重复水印的数据中提取水印的方法和装置。
根据本发明的一方面，提供一种从包含重复水印的原始数据中提取水印的方法。该方法包括：(a)从带水印原始数据中提取多个水印；(b)计算各提取水印的可靠度；以及(c)根据各提取水印算出可靠度，以确定最终水印。
最好，步骤(b)包括(b1)计算各提取水印的每位比特的可靠度，并且步骤(c)包括(c1)将提取水印比特值的同一数位中具有最高可靠度的比特值作为组成最终水印的比特值。
最好，步骤(c)包括(c2)从提取水印中选择具有最高可靠度的水印作为最终水印。
最好，步骤(c2)包括从提取水印中选出最可靠比特值最多的水印，该比特值比其他比特值更可靠。
最好，步骤(b1)包括根据各提取水印的每位比特的统计特性，确定各提取水印的每位比特的可靠度。
最好，步骤(b1)包括获得各提取水印的每位比特的映射值的方差，并且确定方差越大，可靠度越低。
最好，步骤(b1)包括获得各提取水印的每位比特的映射值中最大值与最小值之间的差值，并且确定各提取水印的每位比特的映射值中最大值与最小值之间的差值越大，可靠度越低。
根据本发明的另一方面，提供一种从使用映射来重复插入水印的图像中提取水印的方法。该方法包括：(a)从包含重复水印的图像中提取插入水印的映射值；(b)计算各提取的映射值的误差；以及(c)选择水印作为最终水印，该水印所插入的映射值在所提取的映射值中具有最小的误差。
最好，步骤(a)包括(a1)通过比较原始图像和包含重复水印的图像来提取映射值。
最好，步骤(a)包括(a2)根据重复插入到原始图像中的水印及其插入位置，提取映射值。
最好，步骤(b)包括(b1)计算各提取映射值关于插入映射值的方差，并且步骤(c)包括(c1)将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值在所提取的映射值中具有最小的方差。
最好，步骤(b)包括(b2)获得各提取映射值的最大值与最小值之间的差值，并且步骤(c)包括(c2)将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值在其最大值与最小值之间具有最小的差值。
最好，步骤(b)包括(b3)获得提取映射值对(a’，b’)(a’＜b’)中a’的最大值与b’的最小值之间的差值，并且步骤(c)包括(c3)将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值对在a’的最大值与b’的最小值之间的具有最小的差值。
根据本发明的另一方面，提供一种从使用映射来重复插入水印的图像中提取水印的装置。该装置包括：(a)提取器，从包含重复水印的图像中提取插入水印的映射值；(b)可靠度计算器，计算各提取映射值的误差；以及(c)比较器，选择水印作为最终水印，该水印所插入的映射值在所提取的映射值中具有最小的误差。
最好，提取器比较原始图像与包含重复水印的图像，并且根据比较结果提取映射值。
最好，提取器根据重复插入到原始图像中的水印及其插入位置，提取映射值。
最好，可靠度计算器计算各提取映射值关于插入映射值的方差，并且比较器将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值在所提取的映射值中具有最小的方差。
最好，可靠度计算器获得各提取映射值的最大值与最小值之间的差值，并且比较器将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值在其最大值与最小值之间具有最小的差值。
最好，可靠度计算器获得提取映射值对(a’，b’)(a’＜b’)中a’的最大值与b’的最小值之间的差值，并且比较器将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值对在a’的最大值与b’的最小值之间的具有最小的差值。
根据本发明的另一方面，提供一种从重复插入水印的原始数据中提取水印的装置。该装置包括：提取器，从包含重复水印的原始数据中提取多个水印；可靠度计算器，计算各提取水印的可靠度；以及比较器，根据各提取水印算出可靠度，以确定最终水印。
附图说明
通过参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的上述和其他特性和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是示出将水印重复插入到原始数据中并且传输原始数据的方法的图；
图2是根据本发明一个优选实施例的水印发送和接收装置的示意图；
图3A和3B是示出根据本发明一个优选实施例的通过使用水印插入器来插入水印的方法的图；
图4是示出根据本发明一个优选实施例的通过使用可靠度计算器来计算可靠度的方法的图；
图5是示出根据本发明另一个优选实施例的通过使用可靠度计算器来计算可靠度的方法的图；
图6是示出根据本发明另一个优选实施例的通过使用可靠度计算器来计算可靠度的方法的图；以及
图7是示出根据本发明一个优选实施例的最终水印确定方法的图。
具体实施方式
下面将参照示出本发明多个优选实施例的附图，对本发明进行更全面的描述。
图2是根据本发明一个优选实施例的水印发送和接收装置的示意图。参照图2，该装置包括发送器1和接收器2。发送器1包括水印插入器11。水印插入器11将水印重复插入到原始数据中。在本实施例中，原始数据是图像数据，并且通过使用后面将要更详细描述的映射方法将水印插入到原始数据中。本发明不直接涉及将水印插入到原始数据中的方法。因此，可以采用各种方法包括传统水印插入方法和不久或以后将要开发的将来水印插入方法，将水印插入到原始数据中。
接收器2包括提取器21、可靠度计算器22和比较器23。当带水印数据通过预定信道传输到接收器2时，提取器21从带水印数据中提取多个水印。可靠度计算器22计算各提取水印的可靠度。在此，计算各提取水印的可靠度的方法将在后面更详细地描述。然而，计算各提取水印的可靠度的方法不限于在此阐述的方法。而是，可以采用各种方法来获得各提取水印的可靠度。比较器23根据算出的各提取水印的可靠度，确定所提取水印之一作为最终水印。
图3A和3B是示出根据本发明一个优选实施例，通过使用水印插入器11来插入水印的方法的图。在图3A和3B中，原始数据表示图像数据，并且通过使用下面方程(1)所示的映射方法来将水印插入到原始数据中。
      如果(W＝1)，则A’＝a                        …(1)
      否则如果(W＝0)，则A’＝b
在方程(1)中，W表示水印，并且A’表示带水印图像的预定分量。换句话说，如果水印W的比特值为0，则原始图像的分量A映射到a。另一方面，如果水印W的比特值为1，则原始图像的分量A映射到b。换句话说，A用值为a或b的A’代替。
映射方法还可以用下面方程(2)表示。
      如果(W＝1且满足条件C)，则A’＝a             …(2)
      否则如果(W＝0且满足条件D)，则A’＝b
在方程(2)中，W表示水印，并且A’表示带水印图像的分量。换句话说，如果水印W的比特值为1并且满足条件C，则原始图像的分量A映射到a。另一方面，如果水印W的比特值为0并且满足条件D，则原始图像的分量A映射到b。换句话说，A用A’代替。
例如，假定原始图像由256色的像素组成，即，像素值在0到255之间，如图3A所示。如果比特值为0的水印插入到原始图像的像素A(A＝102)，则带水印图像的分量A’的值为100。另一方面，如果比特值为1的水印插入到原始图像的像素A，则A’的值为105。
如图3B所示，在该映射方法中，分别表示原始图像分量的一系列值的范围，例如范围0-255分为预定数目的相同宽度部分，并且将要插入水印处的原始图像分量A根据水印的比特值，映射到表示分量A的值所属预定部分的最小值或最大值。如图3B所示，值范围分为多个宽度为5的部分。如果水印的比特值为0，则原始图像分量A映射到100。如果水印的比特值为1，则原始图像分量A映射到105。在此，100和105称作映射值。通过这种方式，将多个水印插入到原始图像中。换句话说，原始图像预定处的像素值可以用映射值代替。在将水印多次插入到图像中的情况下，最好插入水印均匀或随机分布在原始图像上。通过这样做，可以使插入水印更能抵抗各种攻击。然而，水印可以插入到输入图像的各处。
接收器2的提取器21通过比较原始图像与带水印图像或者简单使用从发送器1接收的水印位置信息，算出带水印图像中插入水印的位置，然后从带水印图像中提取水印。在带水印图像通过预定信道传输到接收器2的时候受到攻击或者简单地由于数据传输错误而遭到破坏的情况下，提取水印可能包含被破坏比特值。
图4是示出根据本发明一个优选实施例的通过使用可靠度计算器22来计算可靠度的方法的图。参照图4，发送器1通过使用映射方法，将三个水印1到3插入到原始图像分量中。其中插入水印1到3的分量映射到其相应部分的最小值或最大值。换句话说，其中插入水印1到3的分量用映射值代替，然后通过传输信道传输带水印图像。
映射值可能由于带水印图像在通过信道的时候受到攻击或者简单地由于数据传输错误而遭到破坏。如果映射值遭到破坏，它们具有高斯分布模式。映射值的破坏越严重，映射值的高斯分布方差就越大。因此，映射值的高斯分布方差可以视作映射值可靠度的基准。可靠度计算器22计算并输出映射值的高斯分布方差值，它对于确定映射值是否可靠是必要的。
参照图4，插入到原始图像中的原始水印1、2和3为“101010”。如图4所示，虽然原始水印1在比特值没有颠倒的情况下从原始图像中正确提取出来，但是原始水印2和3的一些比特值被错误检测，从而分别获得“010011”和“001001”作为提取水印2和3。具体而言，原始水印2的四个比特值和原始水印3的两个比特值被错误检测。在使用传统多数规则方法确定最终水印的情况下，将确定“001011”作为最终水印，这表示原始水印“101010”的两个比特值被错误检测。
然而，根据本发明，可靠度计算器22提供映射值的分布方差值作为映射值可靠度的基准。由于原始水印1的映射值分布具有最小方差值，因此确定水印1即“101010”作为最终水印。具体而言，水印1、2和3分别插入到原始图像的不同分量中。水印中的比特值“1”映射到一个预定值，而水印中的比特值“0”映射到另一个预定值。在将水印1、2和3插入到图像中的情况下，可以获得六个映射值、六个高斯分布和六个方差值。另外，在提取水印1的比特值中，三个“1”具有相同的可靠度，并且三个“0”具有相同的可靠度。提取水印2的“1”和“0”均具有相同的可靠度，并且水印3也是如此。如图4所示，由于提取水印1的比特值“1”或“0”的映射值的高斯分布具有最小方差值，因此提取水印1的比特值“1”和“0”被认为是最可靠的。因此，确定提取水印1即“101010”作为最终水印。
在本实施例中，组成水印的所有比特值插入到属于同一部分的原始图像分量中。然而，比特值可以插入到属于不同部分的原始图像分量中，从而它们可以分布在原始图像上。另外，如果多个水印中同一数位的所有比特值映射到同一部分的相同值，则这些水印中同一数位的比特值的映射值具有相同的方差，从而不可能相互比较比特值的可靠度。因此，水印中同一数位的比特值需要映射到至少两个不同映射值。最好，水印中同一数位的比特值映射到不同映射值。
图5A和5B是示出根据本发明另一个优选实施例的使用可靠度计算器22计算可靠度的方法的图。具体而言，图5A和5B示出当插入到图像中的水印的比特值“0”和“1”分别映射到映射值‘a’和‘b’时接收端的映射值‘a’和‘b’的分布。在本实施例中，可靠度计算器22提供映射值‘a’的最大值‘max’与映射值‘b’的最小值‘min’之间的差值即max-min作为计算比特值“0”和“1”的可靠度所需的基准值。换句话说，带水印图像破坏越严重，映射值‘a’的最大值‘max’就越大，并且映射值‘b’的最小值‘min’就越小。另外，‘max’与‘min’之间的差值越大被认为是映射值“a”和“b”的可靠度越低。在图5A中，max-min为正值，而图5B的对应物为负值。因此，图5A比图5B具有更低的可靠度。在本实施例中，插入到属于同一部分的原始图像分量中的水印比特值“1”和“0”具有相同的可靠度。
图6是示出当插入到原始图像中的水印比特值“1”和“0”分别映射到映射值‘a’和‘b’时接收端的映射值‘a’和‘b’的分布。在本实施例中，可靠度计算器22提供映射值‘a’的最大值‘max_a’和最小值‘min_a’之间的差值即max_a-min_a，以及映射值‘b’的最大值‘max_b’和最小值‘min_b’之间的差值即max_b-min_b，作为计算映射值“a”和“b”的可靠度所需的基准值。换句话说，带水印图像破坏越严重，映射值‘a’和‘b’的各自最大值和最小值之间的差值就越大，并且差值越大表示映射值“a”和“b”的可靠度越低。
在下面段落中将描述本发明的根据水印发送和接收装置的结构确定最终水印的方法和本发明的可靠度计算方法。
图7是示出根据本发明一个优选实施例的最终水印确定方法的图。参照图7，提取器21提取J个水印，其中每个水印由I比特组成。组成各提取水印的每位比特用W_j(i)表示(i是1至I之间的值，并且j是1至J之间的值)。
可靠度计算器22计算组成各提取水印的每位比特的可靠度。换句话说，可靠度C_j(i)对应于比特W_j(i)。在插入水印的原始图像的预定分量值属于同一部分并且插入到分量中的比特值相同的情况下，比特值具有相同的可靠度。只要插入水印的原始图像的预定分量值属于同一部分，就可以通过使用本发明的可靠度计算方法来使比特值具有相同的可靠度而与插入到原始图像的预定分量中的比特值是否相同无关。比较器23逐数位地比较J个提取水印的比特值的可靠度，然后确定具有最高可靠度的比特值为组成最终水印的比特值，它可以用下面方程(2)表示。W_final(i)＝func{MAX(C_1(i)，C_2(i)，C_3(i)…，C_j(i)，…，C_J(i))}  …(2)
在方程(2)中，W_final(i)和func{}分别表示组成最终水印的比特值和水印提取函数。
方程(2)可以改写为下面方程(3)。W_final(i)＝func{MIN(e_1(i)，e_2(i)，e_3(i)，…，e_j(i)，…，e_J(i))}…(3)e_1(i)＝A_1(i)-A_1′(i)e_2(i)＝A_2(i)-A_2′(i)…e_j(i)＝A_j(i)-A_j′(i)…e_J(i)＝A_J(i)-A_J′(i)
在方程(3)中，A_j(i)表示插入水印的原始图像的信息，A_j′(i)表示被破坏带水印图像的信息，e_j(i)表示带水印图像与被破坏带水印图像之间的误差，并且func{}表示从A_j′(i)中提取水印的函数。
在一种映射技术中，A_j(i)是比特W_j(i)的映射值，并且可以根据比特W_j(i)的值和位置来获得。当用来获得映射值A_j(i)的水印与插入到原始图像中的水印不同时，则获得错误的映射值，并且出现可能影响带水印图像与被破坏带水印图像之间的误差值e_j(i)的误差。由于出现该误差，即使当带水印图像未被破坏时，从带水印图像中提取水印也可能是不可能的。
随着组成水印的比特数或水印插入到原始图像中的次数增加，映射值的数目增大。假定水印的比特值映射到‘a’或‘b’，并且A_a(i)和A_b(i)分别表示用‘a’值表示的一组映射值和用‘b’值表示的一组映射值。在带水印图像未被破坏的情况下，A_a(i)的平均值为‘a’并且方差值为0，而且A_b(i)的平均值为‘b’并且方差值为0。另一方面，如果带水印图像遭到破坏，则A_a(i)和A_b(i)均为具有其自己平均值和方差的高斯分布模式。如上所述，带水印图像破坏越严重，A_a(i)和A_b(i)的各自方差值就越大。因此，A_a(i)或A_b(i)的方差值可以用作计算映射值‘a’或‘b’的可靠度所需的误差值e_j(i)。误差值e_j(i)可以用下面方程(4)表示。
          e_j(i)＝方差(A_a(i))或方差(A_b(i))              …(4)
带水印图像破坏越严重，A_a(i)的最大值与最小值之间的差值就越大。因此，A_a(i)或A_b(i)的最大值与最小值之间的差值可以用作计算A_a(i)或A_b(i)的可靠度所需的误差值，并且该误差值可以用下面方程(5)表示。
e_j(i)＝MAX(A_a(i))-MIN(A_a(i))或MAX(A_b(i))-MIN(A_b(i))  …(5)
如果存在多个映射值对，例如(a_1，b_1)，(a_2，b_2)…，(a_N，b_N)，则具有映射值对(a_n，b_n)的A_a(i)和A_b(i)视作一组A_n，在这种情况下，分配相同可靠度给A_a(i)和A_b(i)的误差值e_j(i)可以用下面方程(6)表示。
        e_j(i)＝方差(A_a_n(i))+方差(A_b_n(i))    …(6)e_j(i)＝[MAX(A_a_n(i))或MIN(A_a_n(i))]-[MAX(A_b_n(i))或MIN(A_b_n(i))]  …(7)
在方程(6)和(7)中，A_a_n表示具有映射值对(a_n，b_n)的映射值a_n的一组，并且B_a_n表示具有映射值对(a_n，b_n)的映射值b_n的一组。
在本发明的最终水印确定方法中，逐比特地计算各提取水印的可靠度，并且根据各提取水印的可靠度确定最终水印。具体而言，可以以将各提取水印的预定数位的比特值中具有最高可靠度的比特值确定为最终水印的预定数位的比特值的方式，逐比特地确定最终水印。可选地，在提取水印中，可以确定最可靠比特值最多的水印为最终水印。
同时，最终水印可以根据各提取水印的可靠度来确定，它可以用下面方程(8)表示。
W_final＝func{MAX(C_1，C_2，C_3，…，C_j，…，C_J)}   …(8)
在方程(8)中，W_final、func{}和C_j分别表示最终水印、水印提取函数和水印W_j的可靠度。
为了以多数规则方式确定最终水印，水印需要至少三次插入到图像中。然而，根据本发明，即使水印仅两次插入到图像中，也可以确定最终水印。
如上所述，根据本发明，即使当包含重复水印的图像遭到严重破坏时，也可以从重复插入水印的图像中正确提取水印。

Claims (20)

1.一种从包含重复水印的原始数据中提取水印的方法，包括：
(a)从带水印原始数据中提取多个水印；
(b)计算各提取水印的可靠度；以及
(c)根据各提取水印算出可靠度，以确定最终水印。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)包括(b1)计算各提取水印的每位比特的可靠度，并且步骤(c)包括(c1)将提取水印比特值的同一数位中具有最高可靠度的比特值作为组成最终水印的比特值。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括(c2)从提取水印中选择具有最高可靠度的水印作为最终水印。
4.如权利要求3所述的方法，其中，步骤(c2)包括从提取水印中选择最可靠比特值最多的水印，该比特值比其他比特值更可靠。
5.如权利要求2所述的方法，其中，步骤(b1)包括根据各提取水印的每位比特的统计特性，确定各提取水印的每位比特的可靠度。
6.如权利要求5所述的方法，其中，步骤(b1)包括：
获得各提取水印的每位比特的映射值的方差；以及
确定方差越大，可靠度越低。
7.如权利要求5所述的方法，其中，步骤(b1)包括：
获得各提取水印的每位比特的映射值中最大值与最小值之间的差值；以及
确定各提取水印的每位比特的映射值中最大值与最小值之间的差值越大，可靠度越低。
8.一种从使用映射来重复插入水印的图像中提取水印的方法，所述方法包括：
(a)从包含重复水印的图像中提取插入水印的映射值；
(b)计算各提取的映射值的误差；以及
(c)选择水印作为最终水印，该水印所插入的映射值在所提取的映射值中具有最小的误差。
9.如权利要求8所述的方法，其中，步骤(a)包括(a1)通过比较原始图像和包含重复水印的图像来提取映射值。
10.如权利要求8所述的方法，其中，步骤(a)包括(a2)根据重复插入到原始图像中的水印及其插入位置，提取映射值。
11.如权利要求8所述的方法，其中，步骤(b)包括(b1)计算各提取映射值关于插入映射值的方差，并且步骤(c)包括(c1)将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值在所提取的映射值中具有最小的方差。
12.如权利要求8所述的方法，其中，步骤(b)包括(b2)获得各提取映射值的最大值与最小值之间的差值，并且步骤(c)包括(c2)将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值在其最大值与最小值之间具有最小的差值。
13.如权利要求8所述的方法，其中，步骤(b)包括(b3)获得提取映射值对(a’，b’)(a’＜b’)中a’的最大值与b’的最小值之间的差值，并且步骤(c)包括(c3)将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值对在a’的最大值与b’的最小值之间的具有最小的差值。
14.一种从使用映射来重复插入水印的图像中提取水印的装置，所述装置包括：
(a)提取器，从包含重复水印的图像中提取插入水印的映射值；
(b)可靠度计算器，计算各提取映射值的误差；以及
(c)比较器，选择水印作为最终水印，该水印所插入的映射值在所提取的映射值中具有最小的误差。
15.如权利要求14所述的装置，其中，提取器比较原始图像与包含重复水印的图像，并且根据比较结果提取映射值。
16.如权利要求14所述的装置，其中，提取器根据重复插入到原始图像中的水印及其插入位置，提取映射值。
17.如权利要求16所述的装置，其中，可靠度计算器计算各提取映射值关于插入映射值的方差，并且比较器将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值在所提取的映射值中具有最小的方差。
18.如权利要求16所述的装置，其中，可靠度计算器获得各提取映射值的最大值与最小值之间的差值，并且比较器将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值在其最大值与最小值之间具有最小的差值。
19.如权利要求16所述的装置，其中，可靠度计算器获得提取映射值对(a’，b’)(a’＜b’)中a’的最大值与b’的最小值之间的差值，并且比较器将比特值确定为组成最终水印的比特值，该比特值所插入的映射值对在a’的最大值与b’的最小值之间的具有最小的差值。
20.一种从重复插入水印的原始数据中提取水印的装置，包括：
提取器，从包含重复水印的原始数据中提取多个水印；
可靠度计算器，计算各提取水印的可靠度；以及
比较器，根据各提取水印算出可靠度，以确定最终水印。
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