TEKNILLINEN KORKEAKOULU Automaatio- ja systeemitekniikan osasto

Transkriptio

1 TEKNILLINEN KORKEAKOULU Automaatio- ja systeemitekniikan osasto Mikko Nuutinen Värillisyyden modulointiin perustuvat digitaaliset vesileimatekniikat digitaalisen ja painetun median linkityssovelluksissa Lisensiaatintyö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi tekniikan lisensiaatin tutkintoa varten Espoossa Työn valvoja: Professori Pirkko Oittinen

2 TEKNILLINEN KORKEAKOULU LISENSIAATINTYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Mikko Nuutinen Työn nimi: Värillisyyden modulointiin perustuvat digitaaliset vesileimatekniikat digitaalisen ja painetun median linkityssovelluksissa Päivämäärä: Sivumäärä: 95 Osasto: Professuuri: Työn valvoja: Automaatio- ja systeemitekniikan osasto AS-75 Viestintätekniikka Professori Pirkko Oittinen Tämän lisensiaatintyön tavoitteena oli analysoida ja simuloida digitaalisen vesileimatekniikan käyttöä digitaalisen ja painetun median linkityssovelluksien mahdollistavana teknologiana. Erityisen mielenkiinnon kohteena oli määrittää optimaalinen väriavaruuskomponentti, jota käytetty digitaalinen vesileimatekniikka modifioi. Optimaalinen väriavaruuskomponentti on kestävä jatkuvasävyisen värikuvan paino- ja lukuprosessien aiheuttamille vääristymille. Lisäksi ihmisen näköjärjestelmä ei havaitse herkästi optimaaliseen väriavaruuskomponenttiin suoritettua modifiointia. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa digitaalinen vesileima upotettiin eri vahvuisina ominaisuuksiltaan erilaisiin jatkuvasävyisiin värikuviin käyttäen RGB-, CMYK-, HSV- sekä YCbCr-väriavaruuksien komponentteja. Kuvat tulostettiin mustesuihkutulostimella ja tulostetut kuvat kuvattiin kamerapuhelimella. Tämän jälkeen digitaaliset vesileimat dekoodattiin kamerapuhelimen tuottamista kuvista. Tietyn väriavaruuskomponentin suorituskyky määritettiin kestävyyden sekä häiritsevyyden mitoilla. Kestävyyttä mitattiin bittivirhesuhteella ja häiritsevyyttä subjektiivisin arvioin. Tutkimuksen toisessa vaiheessa valmistettiin tulostus- ja kuvausprosessien simulointimalli. Simulointimallin avulla arvioitiin tulostus- ja kuvausprosessin eri osien vaikutusta käytetyn digitaalisen vesileimatekniikan suorituskykyyn. Lisäksi simulointimallin avulla määritettiin tutkimuksessa käytettyjen jatkuvasävyisten värikuvien ominaisuuksien merkitystä käytetyn digitaalisen vesileimatekniikan suorituskykyyn. Tulosten perusteella YCbCr-väriavaruuden Y-komponentin suorituskyky oli tutkituista komponenteista korkein kestävyyden mitalla määritettynä. CMYK-väriavaruuden Y-komponentin suorituskyky oli korkein häiritsevyyden mitalla määritettynä. Kestävyyden ja häiritsevyyden mitan kompromissina määritettiin kuitenkin, että RGB-väriavaruuden B-komponentin kokonaissuorituskyky oli korkein tutkituista komponenteista. Vastaavasti määritettiin, että YCbCr-väriavaruuden Cb- ja Cr-komponenttien kokonaissuorituskyky oli korkea. Tutkimuksen perusteella suorituskykyyn sekä kestävyyden että häiritsevyyden mitoilla määritettynä vaikuttaa käytetyn jatkuvasävyisen kuvan ominaisuudet. Simulointimallin avulla mitattiin, että erityisesti jatkuvasävyisen kuvan värikanavien intensiteettijakaumien muoto vaikuttaa kestävyyden mittaan. Tutkimuksessa määritettiin, että tämä liittyy tulostusja kuvausprosessin sävyntoiston suorituskykyyn. Kuvausprosessin optiikan suorituskyvyllä tai tulostus- ja kuvausprosessin kohinatuotolla ei havaittu vastaavaa vaikutusta kestävyyden suorituskykyyn. Avainsanat: Digitaalinen vesileimaus, linkityssovellus, kamerapuhelin, simulointimalli, väriavaruuskomponentti

3 HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE LICENTIATE S THESIS Author: Mikko Nuutinen Name of the thesis: Digital watermarking technologies based on color modulations in the linking applications field Date: Number of pages: 95 Department: Professorship: Supervisor: Department of Automation and System Technology AS-75 Media Technology Professor Pirkko Oittinen The thesis handles the issues concerning the digital watermarking as an technology which links the printed products and the materials of digital media. The main objective was to find out the optimal color model component which is used embedding the watermark in the continuous tone color image. The optimal color model component has robustness to distortions which are occurred by image printing and reading processes. In addition, the embedded watermark in the host image should be imperceptibility or undistracting for the human visual system. The first part of thesis involved embedding the digital watermarks in images with different properties using different color model components. Host images were printed by ink jet printer. After that, printed images were shooted by camera phone and digital watermarks were decoded from the produced images. The performance of each color model components were specified by measuring robustness and annoyance properties. The robustness was defined by bit error rate measure and the annoyance was estimated by subjective testing. In the second part of thesis, the simulation model of printing and imaging channel was prepared. The goal of the simulation model was to find out how different parts of the printing and imaging channel are affecting to the performance of the embedded watermark. Based on the results the watermark in the luminance component of YCbCr color model was the most robust. Respectively the watermark in the yellow component of CMYK color model was least distracting for the human visual system. However, based on compromise of robustness and distracting the blue component of RGB color model was defined the most optimal color model component for embedding watermark in images to be used as a link to a digital content. It was also found out that chrominance components of YCbCr color model are high total performance. Host image properties had strong effect on the embedded watermark robustness and distracting level. With aid of the simulation model it was defined that especially distribution of colors in host image affected the robustness of embedded watermark. This is relating to tone reproduction performance of the printing and imaging processes. Optical properties of imaging process or noise of printing and imaging process had not equal affect for the robustness level of the embedded watermark. Keywords: Digital watermarking, linking application, camera phone, simulation model, color model component

4 ALKUSANAT Tämä lisensiaatintyö tehtiin Teknillisen korkeakoulun Viestintätekniikan laboratoriossa osana Tekesin rahoittamaa PrintInteract-projektia vuosien aikana. Työn valvojana toiminutta professori Pirkko Oittista haluan kiittää työn tarjoamisesta sekä sen aikana saamistani arvokkaista neuvoista sekä rakentavasta kritiikistä. Heidi Hännistä haluan kiittää hyvin toteutetuista ja tutkimukseeni integroituneista mittauksista. Lisäksi haluan kiittää Viestintätekniikan laboratorion työntekijöitä hyvästä työilmapiiristä. Espoossa Mikko Nuutinen

5 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO Tutkimuksen tausta Tutkimuksen tavoite ja rajaus Raportin rakenne DIGITAALINEN VESILEIMATEKNIIKKA Jatkuvasävyisen värikuvan menetelmät Suorituskyky Johtopäätökset TUTKIMUKSEN TAVOITTEET JA HYPOTEESIT KOKEELLISEN TUTKIMUKSEN TOTEUTTAMINEN Informaationvälitysprosessi Kooderi-ohjelma Dekooderi-ohjelma Väriavaruusmuunnoselementti Mittausympäristö Suorituskykymitat Kestävyys Häiritsevyys KOKEELLISEN TUTKIMUKSEN TULOKSET Kestävyys RGB-väriavaruus HSV-väriavaruus CMYK-väriavaruus YCbCr-väriavaruus Häiritsevyys Kokonaissuorituskyky Referenssimittaus TULOSTUS-KUVAUS-KANAVAN SIMULOINTIMALLI Simulointimallin tarve Aikaisempia simulointimalleja Tutkimuksen simulointimalli SYÖTEPARAMETRIEN MITTAAMINEN Menetelmät Radiaalinen vääristymä ja optinen keskipiste Fotometrinen vääristymä Spatiaalinen näytteenotto Syöttösignaalitoisto Kohina Tulokset Radiaalinen vääristymä ja optinen keskipiste Fotometrinen vääristymä Spatiaalinen näytteenotto Syöttösignaalitoisto... 57

6 7.2.5 Kohina SIMULOINTIMALLIN SOVELTAMINEN Käyttö ja analysointi RGB-väriavaruus HSV-väriavaruus CMYK-väriavaruus YCbCr-väriavaruus JOHTOPÄÄTÖKSET LÄHDELUETTELO LIITE 1 KANTOKUVAT LIITE 2 MITTAUS- JA LUKUYMPÄRISTÖ LIITE 3 MITATUT BITTIVIRHESUHDEARVOT LIITE 4 MITATTU HÄIRITSEVYYS LIITE 5 OPTIIKAN MODUULI LIITE 6 TULOSTUS- JA KUVASENSORIMODUULI LIITE 7 ENNUSTETUT BITTIVIRHESUHDEARVOT

7 SANASTO Bittivirhesuhdearvo B-komponentin menetelmä C-komponentin menetelmä Cb-komponentin menetelmä Cr-komponentin menetelmä Datakapasiteetti G-komponentin menetelmä Häiritsevyys Kantokuva Kestävyys Koodausmenetelmä Koodi-informaatio M-komponentin menetelmä Modifiointitekniikka Näkyvyys R-komponentin menetelmä S-komponentin menetelmä Upotusmenetelmä Upotettu koodi-informaatio Upotuskomponentti Upotusvahvuus V-komponentin menetelmä y-komponentin menetelmä Y-komponentin menetelmä Koodausmenetelmän kestävyyden mitta, jota määrittää väärin tulkittujen ja upotettujen koodi-informaatiobittien suhdearvo RGB-väriavaruuden B-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä CMYK-väriavaruuden C-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä YCbCr-väriavaruuden Cb-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä YCbCr-väriavaruuden Cr-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä Koodausmenetelmän mahdollistama maksimibittimäärä, joka on mahdollista tulkita kantokuvasta. Datakapasiteetti ei sisällä virheenkorjaus- tai synkronointibittejä. RGB-väriavaruuden G-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä Tässä työssä häiritsevyydellä viitataan mittaan, joka määrittää kantokuvaan lisätyn koodi-informaation aiheuttamaa subjektiivista häiritsevyyden kokemusta Digitaalisessa tai analogisessa muodossa esitetty luonnollinen kuva, joka sisältää tai tulee sisältämään koneellisesti tulkittavaa koodi-informaatiota Tässä työssä kestävyys viittaa todennäköisyyteen, että koodi-informaatio tulkitaan oikein, kun kantokuva on kulkenut informaationvälitysprosessin läpi Tässä työssä koodausmenetelmällä tarkoitetaan digitaalista vesileimatekniikkaa, joka upottaa koodi-informaation modifioimalla jotakin kantokuvan väriavaruuskomponenttia Binaarimuodossa esitetty informaatio, joka upotetaan kantokuvaan jollakin koodausmenetelmällä ja tulkitaan kantokuvasta koodausmenetelmää vastaavalla dekoodausmenetelmällä CMYK-väriavaruuden M-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä Tässä työssä modifiointitekniikalla tarkoitetaan periaatetta, jonka mukaan koodausmenetelmä muuttaa pikseliarvoja, kun koodi-informaatiobitti upotetaan kantokuvaan Tässä työssä näkyvyydellä viitataan mittaan, joka määrittää näkyykö tai havaitseeko ihmisen näköjärjestelmä kantokuvaan lisätyn koodi-informaation RGB-väriavaruuden R-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä HSV-väriavaruuden S-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä Synonyymi termille koodausmenetelmä Koodausmenetelmällä kantokuvaan koodattu koodi-informaatio Koodausmenetelmän modifioima väriavaruuskomponentti Upotuskomponentin modifioinnin vahvuus HSV-väriavaruuden V-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä YCbCr-väriavaruuden Y-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä CMYK-väriavaruuden Y-komponenttia modifioiva koodausmenetelmä

8 SYMBOLIT α Upotusvahvuus α Dekoodattu upotusvahvuus c Kantokuvaan koodattu koodi-informaatio c Kantokuvasta dekoodattu koodi-informaatio I Kooderi-ohjelman ulostulokuva I Tulostus-kuvaus-kanavan ulostulokuva k Lukulaitteen radiaalinen vääristymävakio η Tulostus-kuvaus-kanavan kohinakomponentti P LUT r d r u R v R h s Lukulaitteen fotometrisen vääristymän korjausvakiomatriisi Vääristynyt radiaalinen etäisyys optisesta keskipisteestä Vääristymätön radiaalinen etäisyys optisesta keskipisteestä Lukulaitteen vertikaalinen spatiaalinen näytteenotto Lukulaitteen horisontaalinen spatiaalinen näytteenotto Koodattujen bittien lukumäärä s Väärin dekoodattujen bittien lukumäärä µ α Keskimääräinen dekoodattu upotusvahvuus µ ber Keskimääräinen bittivirhesuhde x 0,y 0 Lukulaitteen optinen keskipiste x d,y d Vääristynyt pikselisijainti lukulaitteen koordinaatistossa x u,y u Vääristymätön pikselisijainti lukulaitteen koordinaatistossa LYHENTEET BER CMYK GRS HSV RGB X RGB YCbCr Bit Error Rate, bittivirhesuhde Syaani, magenta, keltainen ja musta Graphical Rating Scale, graafinen arviointiasteikko Sävy, kylläisyys ja kirkkaus Punainen, vihreä ja sininen Muunnos väriavaruudesta X väriavaruuteen RGB Luminanssi, kelta-sini-akseli ja puna-viher-akseli

9 1 1 JOHDANTO 1.1 Tutkimuksen tausta Kamerallisten mobiilipuhelimien eli kamerapuhelimien levinneisyys on kasvanut voimakkaasti viime vuosien aikana. Kamerasta on tullut perusominaisuus keski- ja kalliimman hintaluokan matkapuhelimissa. Kamerapuhelimien kameroiden suorituskyky kuvan laadun mitalla määriteltynä ei kuitenkaan vielä korvaa digitaalikameraa perinteisessä valokuvauksessa. Kamerapuhelimille on kehitetty kuitenkin myös muita käyttötapoja, joissa kamera toimii eräänlaisena ympäristösensorina. Kirjallisuudessa on esitetty esimerkiksi menetelmiä, joissa kamerapuhelinta käytetään optisena merkintunnistajana /6,56,77/. Kamerapuhelin voi toimia myös elektronisten laitteiden toiminnan laukaisijana /7,76/. Lisäksi on esitetty menetelmiä, joissa kamerapuhelimella tuotetun kuvan perusteella määritetään kuvatun objektin sijainti tai muuta objektiin liittyvää informaatiota /89,90/. Tutkimusta on myös kohdistettu kamerapuhelimen avulla toteutettaviin digitaalisen ja painetun median linkitysmenetelmiin. Linkitysmenetelmillä voidaan esimerkiksi tuotepakkauksiin ja sanoma- tai aikakauslehtiin liittää elektronisessa muodossa esitettävää perinteisen painotuotteen ominaisuuksia sekä elinkaarta laajentavaa lisäinformaatiota. PrintAccess-hankkeessa ( ) tutkittiin kaksidimensionaalisiin kooditekniikoihin perustuvia linkitysmenetelmiä. Kaksidimensionaaliset koodit painettiin mustavalkoisina, monivärisinä tai fluoresoivalla musteella /45,60,61/. Mustavalkoiset sekä moniväriset kaksidimensionaaliset koodit todettiin kamerapuhelimella toimiviksi. Kaksidimensionaaliset koodit eivät sisällä kuitenkaan ihmissilmälle mitään visuaalista merkitystä. Lisäksi ne täyttävät painotilaa, eikä niitä voida yleensä pitää erityisen esteettisinä. PrintInteracthankkeessa ( ) tutkitaan kehittyneempiä linkitysmenetelmiä. Eräs tällainen menetelmä on digitaalinen vesileimatekniikka. Digitaalisen vesileimatekniikan avulla kuvainformaatioon voidaan upottaa tai sisällyttää vastaava koodi-informaatio kuin painettuihin kaksidimensionaalisiin koodeihin. Digitaalisiin vesileimatekniikoihin on aikaisemmin kohdistunut paljon tutkimuspanoksia. Aikaisempi tutkimus on painottunut digitaalisen median tekijänoikeutta määrittäviin sovelluksiin. Linkityssovelluksien vaatimukset eroavat merkittävästi tekijänoikeutta määrittävistä sovelluksista. Linkityssovelluksissa digitaalisen vesileiman sisältävä kuva eli kantokuva painetaan paperille, josta se kuvataan kamerapuhelimella. Digitaalisen median tekijänoikeutta määrittävissä sovelluksissa kantokuva on usein koko elinkaarensa ajan digitaalisessa muodossa. Linkityssovelluksissa on toivottua, että digitaalinen vesileima voidaan upottaa jatkuvasävyiseen värikuvaan. Jatkuvasävyinen värikuva esitetään tietyssä väriavaruudessa. Väriavaruus määritetään väriavaruuskomponenttien avulla. Digitaalisen vesileiman upottaminen voidaan toteuttaa modifioimalla jotakin käytetyn väriavaruuden väriavaruuskomponenteista.

10 1.2 Tutkimuksen tavoite ja rajaus Tämän lisensiaatintyön tavoitteena on määrittää digitaalisia vesileimatekniikoita hyödyntävien linkityssovelluksien sovellusalueelle optimaalinen väriavaruuskomponentti. Tarkoituksena on määrittää väriavaruuskomponentti, jonka modifiointi digitaalisen vesileimauksen keinoin on kestävä painatus- ja kuvausprosessin aiheuttamille vääristymille. Lisäksi modifiointi tulisi olla ihmisen näköjärjestelmälle huomaamaton tai häiritsemätön. Työssä kehitetään myös tulostus- ja kuvausprosessin simulointimalli. Simulointimallin tarkoituksena on ennustaa ja määrittää tietyn digitaalisen vesileimatekniikan kestävyyttä painatus- ja kuvausprosessin eri osissa tapahtuville vääristymille. Lisäksi simulointimallin tarkoituksena on selvittää kantokuvan ominaisuuksien merkitystä käytetyn digitaalisen vesileimatekniikan kestävyydelle. Käytetty digitaalinen vesileimatekniikka ei ota huomioon vesileiman upotuksessa käytetyn kantokuvan spatiaalista rakennetta eli tekniikka ei sisällä lokaalia upotusvahvuuden säätöä. Tutkimuksen ulkopuolelle rajattiin kantokuvan spatiaalisen rakenteen vaikutus käytetyn digitaalisen vesileimatekniikan suorituskykyyn. Lisäksi tutkimuksen ulkopuolelle rajattiin paperin sekä tiettyjen ympäristömuuttujien vaikutus. Kantokuvien tulostuksessa käytettiin samaa paperilaatua ja ne kuvattiin samassa valaistuksessa sekä kuvausasennossa läpi tutkimuksen. 1.3 Raportin rakenne Tutkimusraportti koostuu kahdesta erillisestä osasta. Ensimmäisessä osassa (luvut 2 5) määritellään kokeellisella tutkimuksella digitaalisen vesileimatekniikan optimaalinen väriavaruuskomponentti tutkimuksen sovellusalueella. Luku 2 sisältää kirjallisuuskatsauksen, jossa esitellään aikaisemmissa tutkimuksissa toteutettuja digitaalisia vesileimatekniikoita. Tutkimuksen tavoitteet, rajaukset sekä hypoteesit on määritelty luvussa 3. Luvussa 4 esitellään kokeellisen tutkimuksen toteutus ja luvussa 5 esitellään kokeellisen tutkimuksen mittaustulokset ja niiden analyysit. Tutkimusraportin toisessa osassa (luvut 6 8) esitellään simulointimallin toteutus ja soveltaminen. Luku 6 sisältää kirjallisuuskatsauksen, jossa esitellään aikaisemmissa tutkimuksissa toteutettuja erilaisten kuvantoistoketjujen simulointimalleja. Lisäksi luvussa 6 esitellään tutkimuksessa toteutetun simulointimallin rakenne. Luvussa 7 esitellään tutkimuksessa toteutetun simulointimallin syöteparametrien mittausmenetelmät. Simulointimallin avulla toteutetun mittauksen tulokset sekä analyysit esitellään luvussa 8. Tutkimuksen johtopäätökset on esitetty luvussa 9. Johtopäätöksiin on sisällytetty myös osio, jossa analysoidaan tutkimuksessa havaittuja puutteita sekä mahdollisia jatkotoimenpiteitä. 2

11 3 2 DIGITAALINEN VESILEIMATEKNIIKKA 2.1 Jatkuvasävyisen värikuvan menetelmät Jatkuvasävyisen digitaalisen värikuvan pikseliarvot esitetään yleensä kolmella komponentilla. Käytetty väriavaruus määrittää komponenttien merkityksen. Jatkuvasävyisen värikuvan digitaalisen vesileimatekniikan toteutus sisältää kolme tai neljä vaihetta. Ensimmäinen vaihe määrittää käytetäänkö spatiaali- vai jotakin muunnosavaruutta. Kun digitaalinen vesileima upotetaan spatiaaliavaruudessa, modifioidaan suoraan kuvan pikselien intensiteettiarvoja. Kun digitaalinen vesileima upotetaan jossakin muunnosavaruudessa, modifioidaan pikseliarvoja esimerkiksi kuvan taajuuskertoimien välityksellä. Toinen vaihe määrittää miten kuvaa modifioidaan eli miten pikselien intensiteettiarvoja tai kuvan taajuuskertoimia muokataan. Kolmas vaihe määrittää käytettävän väriavaruuskomponentin. Neljäs ja valinnainen vaihe määrittää digitaaliselle vesileimalle lokaalin upotusvahvuusarvon. Lokaalin upotusvahvuusarvon määritys perustuu usein kuvan rakenteeseen. Eri vaiheiden toteutusjärjestyksen ei tarvitse vastata edellä kuvattua järjestystä. Seuraavassa on esitetty kirjallisuudessa määritettyjä tapoja toteuttaa vaiheet kaksi, kolme ja neljä painottaen vaihetta kolme. Useat kirjallisuudessa esitetyt jatkuvasävyisen värikuvan digitaaliset vesileimatekniikat modifioivat kantokuvan luminanssi- tai väriarvoja. Kun modifioidaan luminanssiarvoja, voidaan esimerkiksi kantokuvan tiettyjen pikselisijaintien tai pikseliblokkien luminanssiarvoja kasvattaa tai vähentää riippuen upotettavasta bittiarvosta /24,30,50,65,87/. Toinen vaihtoehto on kasvattaa kantokuvan pikseliblokkien luminanssiarvoja muodostaen spatiaalisia kuvioita. Nakamura ym. /59/ ovat esittäneet digitaalisen vesileimatekniikan, joka kasvattaa luminanssiarvoja pikseliblokeissa niin, että kantokuvaan syntyy vasemmalle tai oikealle kallellaan olevia palkkikuvioita. Luminanssiarvojen modifiointi säilyttää mahdollisuuden digitaalisen vesileiman tunnistukseen, vaikka jatkuvasävyinen kuva muunnetaan jälkikäteen monokromaattiseksi. Schyndel ym. /75/ ovat esittäneet digitaalisen vesileimatekniikan, joka upottaa koodiinformaatiota modifioimalla sävyarvoja HSV-väriavaruudessa. Väriarvojen modifioinnissa otetaan useassa tapauksessa kuitenkin huomioon ihmisen näköjärjestelmän ominaisuudet. Ihmisen näköjärjestelmällä on korkea herkkyys muutoksille värin sävyssä ja matala herkkyys korkeille taajuuksille sini-kelta-akselilla /69/. Tämän seurauksena useat digitaaliset vesileimatekniikat upottavat koodi-informaatiota modifioimalla RGB-väriavaruudessa pikselien B-komponentin intensiteettiarvoja /4,14,46,47,58/. Vastaavasti Hwang ym. /38/ ovat esittäneet väriarvoja modifioivan tekniikan, joka upottaa koodi-informaatiota modifioimalla CIELAB väriavaruudessa kantokuvan pikselien kylläisyysarvoja. Tekniikka modifioi kahden, tietyssä pikseliblokissa sijaitsevien pikselijoukkojen kylläisyysarvoja suhteessa toisiinsa riippuen upotettavan informaation bittiarvosta.

12 4 Reedin ja Hanniganin /69/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodiinformaatiota CMYK-väriavaruudessa pääasiassa kantokuvan Y-komponenttiin. Tekniikka pyrkii minimoimaan muutoksen sävyarvossa. Muutos sävyarvossa minimoidaan määrittämällä keltaisen prosentuaalinen osuus kyseisessä värissä. Mikäli keltainen on hallitseva väri, kasvatetaan hallitsevien värien intensiteettiä, mikä vastaa värin kylläisyyden modifiointia. Mikäli keltainen on toissijainen väri, pienennetään toissijaisten värien intensiteettiä, mikä vastaa värin kirkkauden modifiointia. Alattarin ja Reedin /1/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota modifioimalla painoprosessissa käytettyjen spottivärien intensiteettiä tietyn painotusfunktion perusteella. Painotusfunktion avulla upotetun koodi-informaation kestävyys ja näkyvyys normalisoidaan riippumatta käytetystä spottiväristä. Battiaton ym. /9/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota modifioimalla pikselien väriarvoja jossakin vastaväri-avaruudessa. Vastaavasti Fleetin ja Heegerin /29/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota sinikäyrän muodossa kelta-sini-komponenttiin vastaavasti jossakin vastaväri-avaruudessa. Informaation upotus toteutetaan iteratiivisella prosessilla, jonka perusta on S-CIELABvärimallin avulla laskettu väriero alkuperäisen ja modifioidun kuvan välillä. S-CIELABmallin avulla tekniikka määrittää modifioinnin havaittavuutta kantokuvan spatiaalisen rakenteen avulla. Arain ja Arakawan /3/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodiinformaatiota YIQ-väriavaruudessa modifioimalla pikselien Q-komponentin intensiteettiarvoja. Vastaavasti Liun ym. /53/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodiinformaatiota YUV-väriavaruudessa käyttäen tiettyä ICPM (image complexity and perceptibility model) mallia. ICPM-mallin avulla määritetään kantokuvasta alueet, joihin koodiinformaation upotus on optimaalisinta havaittavuuden ja kestävyyden kannalta. Benedetton ym. /11/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota kehitetyssä YST-väriavaruudessa modifioimalla pikselien T-komponentin intensiteettiarvoja. Kehitetyssä YST-väriavaruudessa Y-komponentti vastaa YUV- ja YCbCrväriavaruuksien Y-komponenttia. S-komponentti on määritetty vastaamaan ihmisen kasvojen keskimääräisiä väriarvoja. T-komponentti on määritetty niin, että YST-väriavaruuden esitys on ortogonaalinen. Kehitetyn YST-väriavaruuden päämäärä on minimoida koodiinformaation upotuksen aiheuttamat vääristymät kuvassa ihmisen kasvojen alueella. Upotetun koodi-informaation näkyvyys ihmisen näköjärjestelmällä riippuu käytetyn komponentin ja kantokuvan spatiaalisen rakenteen lisäksi kantokuvan esitys- tai tulostustavasta. Reedin ja Rogersin /70/ esittämä menetelmä käyttää kantokuvassa lokaalisti säätyvää upotusvahvuutta riippuen tulostusprosessissa käytetyn paperityypin ominaisuuksista. Päämäärä on upotetun koodi-informaation yhtäläinen havaittavuus koko kantokuvan alueella.

13 5 Pitasin /65/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota modifioimalla kantokuvan histogrammia. Kantokuvan histogrammista poistetaan tietyt harmaasävyryhmät eli histogrammiin tuotetaan aukkoja. Aukkojen lukumäärä sekä sijainti määrittävät upotetun informaation ominaisuudet. Värikuville sovellettuna tekniikka modifioi HSI-väriavaruuden I-komponentin histogrammia vastaavalla tavalla /87/. Kehittynyt versio tekniikasta modifioi xyz-väriavaruudessa xy-tason kuvaamaa kromaattista kaksiulotteista histogrammia tai kolmiulotteista värihistogrammia /19/. Vastaavasti Roy ja Chang /72/ ovat esittäneet digitaalisen vesileimatekniikan, joka modifioi YCbCrväriavaruuden CbCr-tason kromaattista histogrammia. Jatkuvasävyisen kuvan digitaalinen vesileimatekniikka voi perustua myös koodiinformaation monikerroksiseen upotukseen. Jiang-Bingin ym. /41/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota YCbCr-väriavaruuden Cb- ja Crkomponentteihin. Vastaavasti Chareyronin ja Trémeaun /20/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota modifioimalla kantokuvan luminanssi-, kylläisyys- sekä väriarvoja YCbCr-väriavaruudessa. Koodi-informaation upotus ja modifioitavien komponenttien valinta riippuu kantokuvan sisällöstä ja ihmisen näköjärjestelmän herkkyydestä suoritettavalle modifioinnille. Ashourianin ym. /5/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota samanaikaisesti R- ja B-komponentteihin. Rongron ja Quiqin /71/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota samanaikaisesti G- ja B-komponentteihin. Koodi-informaation upotussijainnit määritetään R-komponentin pikseliarvojen perusteella. Vastaavasti useat digitaaliset vesileimatekniikat upottavat koodi-informaatiota samanaikaisesti kaikkiin RGB-väriavaruuden komponentteihin /8,52,66,67/. Sayrolin ym. /74/ esittämä digitaalinen vesileimatekniikka upottaa koodi-informaatiota vaihtoehtoisesti RGBväriavaruuden tai vastavärimallin komponentteihin. Usean modifioitavan komponentin käyttöä on perusteltu sillä, että se parantaa informaation kestävyyttä tai sen avulla voidaan kasvattaa datakapasiteettia. Lisäksi käytettyä upotusvahvuutta voidaan sovittaa komponenttikohtaisesti perustuen ihmisen näköjärjestelmän herkkyyteen. Esimerkiksi Pivan ym. /66/ esittämä menetelmä upottaa koodi-informaation B- komponenttiin kymmenkertaisella vahvuudella verrattuna G-komponenttiin ja viisinkertaisella vahvuudella verrattuna R-komponenttiin.

14 2.2 Suorituskyky Tietyn digitaalisen vesileimatekniikan kokonaissuorituskyky voidaan määrittää seuraavien, toisistaan riippuvaisten ominaisuuksien avulla: huomaamattomuus (engl. imperceptibility), kestävyys (engl. robustness) ja datakapasiteetti (engl. payload size). Ominaisuus huomaamattomuus määrittää digitaalisen vesileiman visuaalisen näkyvyyden kantokuvassa. Toinen moniulotteisempi, visuaalisuuteen liittyvä ominaisuus on häiritsevyys (engl. annoyance). Häiritsevyys ilmaisee digitaalisen vesileiman visuaalisen häiritsevyyden kantokuvassa. Joissakin kirjallisuudessa esitetyissä tutkimuksissa näkyvyyden mitta on korvattu käsitteellä kuvan laatu (engl. image quality) /63/. Levyn ja Rodriguezin /51/ mukaan näkyvyys tulisi mitata jollakin subjektiivisella menetelmällä. Joissakin tutkimuksissa kuvan laatua tai näkyvyyttä ei ole kuitenkaan mitattu tai niitä on mitattu ainoastaan jollakin objektiivisella menetelmällä /30,67/. /54/ Ominaisuus kestävyys viittaa todennäköisyyteen, että digitaalinen vesileima dekoodataan oikein /54/. Kestävyyttä on mitattu esimerkiksi bittivirhesuhteen (engl. bit-error-rate) tai korrelaation mitoilla /63,67/. Bittivirhesuhde määrittää digitaalisen vesileimatekniikan suorituskyvyn säilyttää koodattu koodi-informaatio muuttumattomana. Korrelaatio määrittää digitaalisen vesileimatekniikan suorituskyvyn säilyttää koodattu koodi-informaatio muodossa, josta voidaan päätellä alkuperäinen koodi-informaatio. Ominaisuus datakapasiteetti viittaa digitaalisen vesileimatekniikan mahdollistamaan maksimibittimäärään, joka on mahdollista tulkita kantokuvasta /51/. Termi maksimibittimäärä tarkoittaa kantokuvaan upotetun digitaalisen vesileiman viestin kokoa, eikä se sisällä virheenkorjaus- tai synkronointibittejä /54/. Edellä esitettyjä ominaisuuksia säädetään tiettyjen parametrien avulla. Parametri rakeisuus (engl. granularity) viittaa kantokuvan kokoon. Rakeisuutta säädetään kantokuvan resoluutiolla tai fyysisellä tulostuskoolla. Parametri upotusvahvuus (engl. embedding strength) viittaa digitaalisen vesileiman upotuksessa käytetyn väriavaruuskomponentin modifiointivahvuuteen. Parametri suorituskyky (engl. performance) viittaa digitaalisen vesileimatekniikan toteutuksessa käytetyn algoritmin laskennalliseen monimutkaisuuteen. /51/ Seuraavassa on esitetty aikaisemmissa tutkimuksissa toteutettuja suorituskykyvertailuja eri väriavaruuskomponenteille. Moroo ja Noda /58/ mittasivat sinisen ja kirkkauskanavan pikseliarvojen yhtäläisen modifioinnin näkyvyyden tulostetussa näytteessä. Mittaus perustui subjektiiviseen arvioon. Tulosten perusteella modifiointi näkyy vahvemmin kirkkauskanavassa kuin sinisessä kanavassa. 6

15 7 Paris ym. /63/ mittasivat aalloke-avaruudessa upotetun digitaalisen vesileiman kestävyyden JPEG-pakkaukselle. Digitaalinen vesileima upotettiin esimerkiksi sekä RGB- että XYZväriavaruuksien komponentteihin. Käytetyn komponentin kestävyyden lisäksi määritettiin komponentin vaikutus kuvan laatuun. Kestävyyden mitta oli koodatun ja dekoodatun digitaalisen vesileiman korrelaatiokerroin (-1 CC 1). Tutkimuksen tekijät määrittivät, että komponentti oli kestävä, kun CC oli suurempi kuin 0,35. Tutkitun digitaalisen vesileimatekniikan sovellusalue oli tekijänoikeuksien määritys. Sovellusalue selittää raja-arvoksi määritetyn korrelaatiokertoimen matalan arvon riittävyyttä. Sovellusalueella on tarve määrittää riittävällä luotettavuustasolla onko kuvaan upotettu tietty koodi-informaatio. Sovellusalueella ei ole tarvetta upotetun koodi-informaation virheettömään tulkintaan. Käytetyn komponentin vaikutus kuvan laatuun mitattiin subjektiivisella testillä. Tulosten perusteella RGB-väriavaruuden B-komponenttiin upotettu vesileima ei merkittävästi laskenut kuvan laatua. B-komponenttiin upotettu vesileima ei ollut kuitenkaan kestävä. RGB-väriavaruuden G-komponenttiin upotettu vesileima oli kestävä, mutta laski selkeästi kuvan laatua. RGB-väriavaruuden R-komponenttiin upotettu vesileima ei ollut riittävän kestävä ilman kuvan laadun merkittävää laskua. Kun digitaalinen vesileima upotettiin RGB-väriavaruuden R-, G- tai B-komponenttiin tietyllä upotusvahvuuden arvolla, ainoastaan G-komponentti oli kestävä (CC G > 0,5). Kun digitaalinen vesileima upotettiin XYZ-väriavaruuden X-, Y- tai Z-komponenttiin vastaavalla upotusvahvuuden arvolla, X- ja Y-komponentit olivat kestäviä (CC X > 0,6 ja CC Y > 0,7). Lisäksi X- ja Y-komponenteilla kuvan laatu vastasi G-komponentin kuvan laatua. Tutkimuksen perusteella XYZ-väriavaruus on RGB-väriavaruutta suorituskykyisempi kestävyyden ja kuvan laadun mitoilla määritettynä. Puech ym. /67/ mittasivat spatiaaliavaruudessa upotetun digitaalisen vesileiman kestävyyden vastaavasti JPEG-pakkaukselle. Muuttujana oli pakkausaste. Digitaalinen vesileima upotettiin RGB-väriavaruuden yksittäiseen komponenttiin tai samanaikaisesti kaikkiin komponentteihin. Kestävyyden mitta oli bittivirheiden lukumäärä pakkausasteen funktiona. Tulosten perusteella bittivirheiden lukumäärä sai matalampia arvoja, kun digitaalinen vesileima upotettiin samanaikaisesti kaikkiin RGB-väriavaruuden komponentteihin. Kuvan laatu mitattiin objektiivisella signaali-kohinasuhteen mitalla (PSNR, Peak Signal Noise Ratio). Tulosten perusteella kuvan laatu oli korkeampi, kun digitaalinen vesileima oli upotettu B-komponenttiin tai samanaikaisesti kaikkiin RGB-väriavaruuden komponentteihin. Barni ym. /8/ mittasivat DCT-avaruudessa (Discrete Cosine Transform) upotetun digitaalisen vesileimatekniikan kynnysupotusvahvuusarvon. Termillä kynnysupotusvahvuusarvo tarkoitettiin maksimaalista upotusvahvuusarvoa, joka ei laske kuvan laatua. Tutkimuksessa verrattiin RGB-väriavaruuden monikerroksista menetelmää luminanssikanavan menetelmään. Mittaus toteutettiin neljällä eri kantokuvalla. Lisäksi digitaalinen vesileima upotettiin kantokuvaan visuaalisen suotimen avulla tai ilman visuaalista suodinta. Visuaalinen

16 8 suodin määritti koodi-informaatiolle lokaalin upotusvahvuusarvon. Lokaali upotusvahvuusarvo riippui kantokuvan spatiaalisesta rakenteesta. Kantokuvan yksityiskohtia sisältävälle alueelle koodi-informaatio upotettiin korkeammalla upotusvahvuusarvolla. Vastaavasti kantokuvan tasaisille alueille koodi-informaatio upotettiin matalammalla upotusvahvuusarvolla. Taulukossa 1 on esitetty RGB-väriavaruuden eri komponenttien sekä monikerroksisen menetelmän ja luminanssikanavan tutkimuksessa /8/ mitatut kynnysupotusvahvuusarvot. Tulosten perusteella digitaalisen vesileiman voi upottaa RGB-väriavaruuden komponenteista B-komponenttiin suurimmalla upotusvahvuudella ja G-komponenttiin pienimmällä upotusvahvuudella. Vastaavasti digitaalisen vesileiman voi upottaa RGB-väriavaruudessa monikerroksisella menetelmällä suuremmalla upotusvahvuudella kuin luminanssikanavan menetelmällä. Monikerroksisen menetelmän kynnysupotusvahvuusarvo laskettiin R-, G- ja B-komponenttien keskiarvona. Tutkimuksen perusteella kynnysupotusvahvuus riippui käytetystä kantokuvasta. Vastaavasti tutkimuksen perusteella visuaalisen maskin avulla voidaan käyttää korkeampaa upotusvahvuutta laskematta kuvan laatua. Taulukko 1. Maksimaalinen digitaalisen vesileiman upotusvahvuus kuvan laadun kannalta luminanssi, monikerroksisella sekä R-, G- ja B-komponenttien menetelmillä ilman visuaalista suodinta ja visuaalisen suotimen kanssa tutkimuksen /8/ perusteella Kantokuva Visuaalinen suodin α y α rgb α r α g α b α y α rgb α r α g α b Baboon 0,120 0,146 0,147 0,107 0,346 0,300 0,292 0,294 0,214 0,692 Airplane 0,050 0,097 0,098 0,072 0,230 0,100 0,122 0,123 0,089 0,288 Lena 0,080 0,097 0,098 0,072 0,230 0,150 0,122 0,123 0,089 0,288 Pepper 0,100 0,170 0,171 0,125 0,404 0,150 0,196 0,196 0,143 0,461 Li ja Xue /52/ mittasivat digitaalisen vesileimatekniikan kestävyyttä sekä RGBväriavaruuden monikerroksisella että luminanssikanavan menetelmillä. Digitaalinen vesileima upotettiin DCT-avaruudessa. Kestävyyden mitta oli bittivirhesuhde. Muuttujina mittauksessa oli lisätty kohina, JPEG-pakkaus sekä kantokuvan geometriset muunnokset. Geometrisia muunnoksia olivat rajaus, skaalaus sekä rotaatio. Tutkimuksen perusteella RGB-väriavaruuden monikerroksinen menetelmä oli kestävämpi kuin luminanssikanavan menetelmä. Gilani ym. /31/ määrittivät DHT-avaruudessa (Discrete Hadamard Transform) upotetun digitaalisen vesileiman kestävyyden. Digitaalinen vesileima upotettiin IHS-, L*a*b*-, YIQja YUV-väriavaruuksien komponentteihin. Tutkimuksen päämäärä oli määrittää parhaiten soveltuva väriavaruus digitaalisille vesileimatekniikoille. Määritetty sovellusalue oli tekijänoikeuksien suojaus. Kestävyyden mitta oli koodatun ja dekoodatun koodi-informaation samankaltaisuus. Tekijöiden mukaan voidaan määrittää, että koodattu ja dekoodattu koodiinformaatio ovat yhtäläisiä, kun samankaltaisuuden mitta saa suurempia arvoja kuin kuusi. Mittaus suoritettiin neljällä eri kantokuvalla. Kantokuvan laadulle asetettiin vakioarvo. Di-

17 9 gitaalinen vesileima upotettiin kantokuvaan aina upotusvahvuusarvolla, jolla signaalikohinasuhde sai arvon välillä db. Taulukossa 2 on esitetty tutkimuksessa /31/ käytettyjen väriavaruuksien eri komponenttien mitattu samankaltaisuus. Tulosten perusteella YUV- ja YIQ-väriavaruuksien krominanssikomponenttien suorituskyky oli korkein. Tekijöiden mukaan tämä perustuu siihen, että YUV- ja YIQ-väriavaruuksien värimuunnokset ovat lineaarisia ja korreloimattomia. Vastaavasti matalamman suorituskyvyn L*a*b*- ja IHS-väriavaruuksien värimuunnokset ovat epälineaarisia ja korreloivia. Taulukko 2. Koodatun ja dekoodatun digitaalisen vesileiman mitattu samankaltaisuus eri väriavaruuksien eri komponenteilla tutkimuksen /31/ perusteella Kantokuva Y-U-V Y-I-Q L*-a*-b* I-H-S Watch Peppers Lena Lochness Johtopäätökset Aikaisemmissa tutkimuksissa toteutetut digitaaliset vesileimatekniikat ovat usein suunniteltu digitaalisen median tekijänoikeutta määrittävien sovelluksien tarpeisiin. Tämän tutkimuksen sovellusalueella digitaalisen vesileimatekniikan tulee olla kestävä sekä painatusettä kuvausprosesseille. Lisäksi mobiililaitteiden matala laskentateho asettaa rajoituksia digitaalisen vesileiman tulkinnassa käytetyn algoritmin monimutkaisuudelle. Tutkimuksen sovellusalueella kantokuvasta tulkitun digitaalisen vesileiman bittivirhesuhdearvo tulee olla matala. Mikäli bittivirhesuhdearvo ei ole matala, kantokuvaan koodattua koodi-informaatiota ei voida tulkita oikein edes soveltamalla vahvaa virheenkorjausalgoritmia. Vastaavasti tutkimuksen sovellusalueella digitaalisen vesileimatekniikan suorituskyky näkyvyyden mitalla tulee olla riittävä. Näkyvyyden mitan korvaaminen häiritsevyyden mitalla saattaa olla perusteltua. Riittävä suorituskyky kestävyyden mitalla voi vaatia sen, että digitaalinen vesileima näkyy ja havaitaan painetusta kuvasta. Digitaalisen vesileimatekniikan kokonaissuorituskyky saattaa riittää, mikäli digitaalinen vesileima ei ole käyttäjäarvion mukaan liian häiritsevä. Aikaisemmissa tutkimuksissa näkyvyyden mittana on usein käytetty jotakin objektiivista kuvan laatua määrittävää mittaa. Usein käytetty kuvan laadun mitta on ollut signaalikohinasuhteen arvo. Joissakin tutkimuksissa on käytetty subjektiivista arviointia. Useassa tapauksessa subjektiivisen arvioinnin toteutus ja tulokset on raportoitu puutteellisesti. Raportoinnissa ei ole esimerkiksi ilmoitettu testihenkilöiden lukumäärää tai testin toteutustapaa. Tutkimuksen sovellusalueella ei voida käyttää digitaalisesta kuvasta suoraan laskettavia mittoja. Mittaus tulee tapahtua aina painetusta kuvasta. Ei voida olettaa, että digitaalisen vesileiman näkyvyys digitaalisessa ja painetussa kuvassa vastaavat toisiaan.

18 10 Kirjallisuudessa on esitetty kaksi digitaalista vesileimatekniikka, jotka on suunniteltu tutkimuksen sovellusalueelle. Toinen digitaalinen vesileimatekniikka modifioi RGBväriavaruuden B-komponentin intensiteettiarvoja /58/. Toinen digitaalinen vesileimatekniikka modifioi luminanssikomponentin intensiteettiarvoja /59/. Tekijät eivät kuitenkaan raportoineet sitä, minkä väriavaruuden luminanssikomponenttia tekniikka modifioi. Molemmissa tekniikoissa digitaalinen vesileima upotetaan spatiaaliavaruudessa. Spatiaaliavaruuden käyttöä on perusteltu laskentatehon tarpeen minimoinnilla. Useiden aikaisempien tutkimuksien perusteella luminanssikanava tai RGB-väriavaruuden B-komponentti ei kuitenkaan ole optimaalinen digitaalisen vesileiman upotuskomponentti. RGB-väriavaruuden B-komponentin suorituskyky oli korkea näkyvyydellä mitattuna ja matala kestävyydellä mitattuna. Vastaavasti luminanssikomponentin suorituskyky oli korkea kestävyydellä mitattuna ja matala näkyvyydellä mitattuna. Aikaisempien tutkimusten perusteella suorituskyky oli korkea sekä kestävyyden että näkyvyyden mitoilla, kun digitaalinen vesileima upotettiin krominanssiarvon määrittelevään komponenttiin. Vastaavasti suorituskyky oli korkea, kun digitaalinen vesileima upotettiin RGB-väriavaruudessa samanaikaisesti useaan komponenttiin. Tämän perusteella jokin krominanssiarvoa kuvaava komponentti saattaa olla optimaalinen upotuskomponentti. Vastaavasti RGB-väriavaruuden eri komponenttien samanaikainen käyttö saattaa olla optimaalinen upotustapa. Usein digitaalisten vesileimatekniikoiden suorituskyky on mitattu perustuen digitaalisen median tekijänoikeutta määrittävien sovelluksien vaatimuksiin. Kestävyyden mittauksessa muuttujana on ollut esimerkiksi JPEG-pakkaus. Tämän seurauksena aikaisempien tutkimusten tuloksia ei voida suoraan soveltaa tämän tutkimuksen sovellusalueelle. Vastaavasti esille nousee tarve suorituskyvyn mittaamiselle perustuen tutkimuksen sovellusalueen vaatimuksiin. Kantokuva vaikuttaa merkittävästi sekä kestävyyden että näkyvyyden mitattuun arvoon. Syitä kantokuvien välisiin eroihin ei kirjallisuudessa ole kuitenkaan määritetty. Lisäksi usein on raportoitu suorituskyvyn mitatut arvot ainoastaan yksittäisen kantokuvan tapauksesta.

19 11 3 TUTKIMUKSEN TAVOITTEET JA HYPOTEESIT Tutkimuksen tavoite on määrittää jatkuvasävyisen kuvan digitaalisen vesileimatekniikan optimaalinen väriavaruuskomponentti tutkimuksen sovellusalueella. Tutkimuksen sovellusalueella digitaalinen vesileima upotetaan digitaaliseen kuvaan, joka tulostetaan. Tämän jälkeen tulostettu kuva kuvataan matalalaatuisella digitaalikameralla. Sekä tulostus- että kuvausprosessi asettavat erityisiä vaatimuksia käytetyn digitaalisen vesileimatekniikan kestävyydelle. Tutkimuksen ulkopuolelle rajataan digitaalisen vesileiman upotuksessa käytetyn modifiointitekniikan vaikutus suorituskykyyn. Tutkimuksen läpi käytetään samaa modifiointitekniikkaa. Mitattu suorituskyky saattaisi olla korkeampi jollakin toisella modifiointitekniikalla. Tutkimuksessa käytetyn modifiointitekniikan valintaa voidaan perustella sen matalalla laskentatehon tarpeella. Lisäksi tutkimuksen ulkopuolelle rajataan digitaalisen vesileiman lokaali upotusvahvuuden säätö. Käytetty digitaalinen vesileimatekniikka ei sisällä lokaalia upotusvahvuuden säätöä. Optimaalinen väriavaruuskomponentti määritetään käytetyn digitaalisen vesileimatekniikan kestävyyden ja häiritsevyyden mitoilla. Kestävyys mitataan objektiivisilla ja häiritsevyys subjektiivisilla mitoilla. Datakapasiteetti saa mittauksissa vakioarvon. Luvussa 2.3 esitettyjen johtopäätösten perusteella tutkimuksen ensimmäinen hypoteesi on: Luminanssikomponentti tai RGB-väriavaruuden B-komponentti ei ole digitaalisen vesileiman optimaalinen väriavaruuskomponentti tutkimuksen sovellusalueella. Hypoteesia voidaan perustella sillä, että RGB-väriavaruuden B-komponentin suorituskyky oli korkea näkyvyyden mitalla, mutta matala kestävyyden mitalla. Vastaavasti luminanssikomponentin suorituskyky oli matala näkyvyyden mitalla, mutta korkea kestävyyden mitalla. Tutkimuksen toinen hypoteesi on: Krominanssiarvoa määrittävä komponentti on optimaalinen väriavaruuskomponentti tutkimuksen sovellusalueella. Hypoteesia voidaan perustella sillä, että aikaisempien tutkimusten perusteella krominanssiarvoa määrittävän komponentin suorituskyky oli korkea sekä näkyvyyden että kestävyyden mitalla. Vastaavasti RGB-väriavaruuden useaan komponenttiin upotetulla digitaalisella vesileimalla oli korkea suorituskyky sekä kestävyyden että näkyvyyden mitoilla. Aikaisempien tutkimusten perusteella kantokuva vaikuttaa merkittävästi sekä kestävyyden että näkyvyyden mitattuun arvoon. Tämän perusteella tutkimuksen kolmas hypoteesi on: Käytetyn kantokuvan ominaisuudet vaikuttavat sekä kestävyyden että näkyvyyden mittaan. Aikaisemmissa tutkimuksissa ei ole määritetty syitä kantokuvakohtaisiin eroihin. Tässä tutkimuksessa määritetään kantokuvakohtaisia eroja kestävyyden mitassa simulointimallin avulla.

20 12 4 KOKEELLISEN TUTKIMUKSEN TOTEUTTAMINEN 4.1 Informaationvälitysprosessi Tässä tutkimuksessa termillä informaationvälitysprosessi viitataan prosessiin, jossa tietty koodi-informaatio koodataan kantokuvaan, lähetetään, vastaanotetaan ja tulkitaan kantokuvasta. Tutkimuksessa käytetyn informaationvälitysprosessin eri osat on esitetty kuvassa 1. Informaationvälitysprosessi rakentuu kooderi- ja dekooderi-ohjelmista sekä kantokuvan tulostus- ja kuvausprosesseista. Kuvan tulostus- ja kuvausprosessiin viitataan tästä eteenpäin termillä tulostus-kuvaus-kanava. Tulostus-kuvaus-kanava sisältää tulostuselementin sekä kuvauselementin. Tulostuselementti toteuttaa tulostusprosessin ja kuvauselementti toteuttaa kuvausprosessin. Tulostuselementti koodaa kantokuvan CMYK-väriavaruuteen. Kuvauselementti koodaa kantokuvan RGB-väriavaruuteen. Kooderi-ohjelma koodaa koodi-informaation kantokuvaan ja lähettää kantokuvan tulostus-kuvaus-kanavaan. Dekooderi-ohjelma vastaanottaa kantokuvan tulostus-kuvaus-kanavasta ja tulkitsee koodi-informaation kantokuvasta. Voidaan määrittää, että kantokuva toimii eräänlaisena informaation välityskanavana. Vastaavasti voidaan määrittää, että tulostus-kuvaus-kanava toimii välityskanavan kohinalähteenä. Kuva 1. Kokeellisessa tutkimuksessa käytetyn informaationvälitysprosessin rakenne Tutkimuksen kooderi- ja dekooderi-ohjelmat toteutettiin Matlab-ympäristössä. Kooderi- ja dekooderi-ohjelmien toimintaperiaate on esitetty luvuissa 4.2 ja 4.3. Kooderi-ohjelma sisältää kaksi väriavaruusmuunnoselementtiä ja dekooderi-ohjelma yhden. Väriavaruusmuunnoselementin toiminta ja tutkimuksen kokeellisessa osassa käytetyt väriavaruuskomponentit on esitetty luvussa 4.4. Tutkimuksessa käytetyn tulostus-kuvaus-kanavan laitteet ja niiden parametrit on esitetty luvussa 4.5.

21 4.2 Kooderi-ohjelma Kooderi-ohjelma rakentuu informaation upotuselementistä sekä kahdesta väriavaruusmuunnoselementistä. Informaation upotuselementti saa syötteenä jatkuvasävyisen, tiettyyn väriavaruuteen väriavaruusmuunnoselementillä (RGB X) koodatun kuvan I. Lisäksi syötteenä annetaan upotettava koodi-informaatio c sekä upotusvahvuus α. Koodiinformaatio esitetään bittijonon muodossa. Upotusvahvuus määrittelee informaation upotuselementin käyttämän modifiointivahvuuden ja saa arvoja välillä 0 1. Mikäli upotusvahvuus saa arvon 0, kooderi-ohjelma ei modifioi kuvaa I. Mikäli upotusvahvuus saa arvon 1, kooderi-ohjelma modifioi kuvaa I maksimaalisella vahvuudella. Esimerkiksi kooderi-ohjelma muuttaa kahdeksalla bitillä koodatun kuvan I tietyn modifioitavan pikseliarvon 0 pikseliarvoksi 255. Vastaavasti upotusvahvuudella 0,2 kooderi-ohjelma muuttaa kahdeksalla bitillä koodatun kuvan I tietyn modifioitavan pikseliarvon 0 pikseliarvoksi 51. Seuraavassa on määritetty kooderi-ohjelman käyttämä modifiointitekniikka. Kooderi-ohjelman informaation upotuselementti jakaa aluksi kuvan I tasakokoisiin pikseliblokkeihin, S i [i = 1,2,...,2s]. Pikseliblokkien kokonaislukumäärä i on kaksinkertainen verrattuna upotettavan koodi-informaation c bittimäärään s. Yksittäisen pikseliblokin pikselimäärä riippuu kuvan I pikselimäärästä sekä upotettavan koodi-informaation bittimäärästä. Yksittäinen koodi-informaatiobitti upotetaan modifioimalla käytetyn väriavaruuden tietyn komponentin kahta peräkkäisestä pikseliblokkia C i kuvassa I (Kuva 2). 13 Kuva 2. Koodi-informaatiobitti upotetaan modifioimalla kantokuvan kahta peräkkäistä pikseliblokkia Kun kahden peräkkäisen pikseliblokin sijainnille upotetaan bittiarvo 0, modifioidaan järjestyksessä ensimmäistä pikseliblokkia S k. Kun kahden peräkkäisen pikseliblokin kohtaan upotetaan bittiarvo 1, modifioidaan järjestyksessä toista pikseliblokkia S k+1. Pikseliblokkien S k ja S k+1 yleinen, kooderi-ohjelman käyttämä modifiointiperiaate on esitetty yhtälöissä 1 ja 2: µ S ' k µ S ' k + 1 α, kun Ci = 0 (1), µ µ α, kun C 1 (2), S ' k S ' k + 1 i =

22 14 jossa µ S i on pikseliblokin i upotuskomponentin pikselien intensiteetin keskiarvo. Informaation upotuselementin tuloskuva syötetään väriavaruusmuunnoselementtiin (X RGB). Väriavaruusmuunnoselementti (X RGB) antaa ulostulona RGB-väriavaruuteen koodatun kuvan I. Kuva I koostuu modifioiduista pikseliblokeista S i ja sisältää upotetun koodi-informaation. Kooderi-ohjelma lisää vielä kuvaan I synkronointikehykset. Synkronointikehysten merkitys ja käyttö on esitetty luvussa Dekooderi-ohjelma Dekooderi-ohjelma rakentuu informaation dekoodaus-, väriavaruusmuunnos- sekä synkronointielementeistä. Synkronointielementti saa syötteenä lukulaitteella tuotetun kuvan I. Kuva I on usein projektiivisesti vääristynyt. Jotta kooderi-ohjelmalla upotettu koodiinformaatio voidaan tulkita oikein, suoritetaan kuvalle I projektiivinen käänteismuunnos. Projektiivinen käänteismuunnos palauttaa lukulaitteella tuotetun kuvan spatiaaliset pikselisijainnit vastaamaan kooderi-ohjelmassa käytettyjä spatiaalisia pikselisijainteja (Kuva 3). Kuva 3. Vasemmalla puolella oleva kehys sijaitsee kooderi-ohjelman koordinaatistossa ja oikealla puolella oleva kehys sijaitsee lukulaitteen koordinaatistossa 62 Tutkimuksessa käytetty projektiivinen käänteismuunnos vaatii kahdeksan parametrin, b i, ratkaisun. Parametrit voidaan ratkaista neljän lukulaitteen koordinaatiston (x,y ) pisteen sekä neljän alkuperäisen eli kooderi-ohjelman koordinaatiston (x,y) pisteen avulla (yhtälöt 3 ja 4) /42/. b0 x' i + b1 y' i + b2 x i = (3), b x' + b y' i 7 i b3x' i + b4 y' i + b5 y i = (4). b x' + b y' i 7 i Kooderi-ohjelman koordinaattipisteiden arvot ovat tunnettuja, mutta lukulaitteen koordinaattipisteiden arvoja ei tunneta. Eräässä tutkimuksessa /42/ toteutettiin mobiililaitteen laskentateholle optimoitu menetelmä kuvan nurkkapisteiden määritykseen. Menetelmä perustuu kuvaan liitettäviin synkronointikehyksiin (Kuva 4). Tutkimuksen dekooderiohjelman synkronointielementti käyttää kyseistä menetelmää. Seuraavassa on kuvattu menetelmää.

23 15 Menetelmä skannaa lukulaitteella tuotetun kuvan reunojen keskikohdasta kohti keskustaa (vaihe 1 ja 4). Kun menetelmä löytää kuvan synkronointikehyksen, menetelmä skannaa synkronointikehyksen reunaa pitkin ylös ja alas (vaiheet 2 ja 3 sekä 5 ja 6). Kun menetelmä löytää synkronointikehysten ylä- ja alanurkat, syötetään koordinaattiarvot projektiivisen muunnoksen määrittävään synkronointielementin osaan. Kuva 4. Dekooderi-ohjelma suorittaa kantokuvalle projektiivisen käänteismuunnoksen kooderiohjelmassa tuotettujen synkronointikehyksien avulla Dekooderi-ohjelman väriavaruusmuunnoselementti (RGB X) saa syötteenä synkronointielementin tuloskuvan. Informaation dekoodauselementti saa syötteenä väriavaruusmuunnoselementin (RGB X) tiettyyn väriavaruuteen koodatun tuloskuvan ja upotetun koodiinformaation bittimäärän s. Dekooderi-ohjelma antaa ulostulona tulkitun koodiinformaation c, joka sisältää s-s oikein tulkittua bittiarvoa. Termillä s viitataan väärin tulkittujen bittien lukumäärään. Informaation dekoodauselementin toiminta perustuu informaation upotuselementin käänteisprosessiin. 4.4 Väriavaruusmuunnoselementti Kuva muunnetaan aina RGB-väriavaruudesta tiettyyn väriavaruuteen ennen kuin kuva syötetään informaation upotus- tai dekoodauselementtiin. Vastaavasti informaation upotuselementin tuloskuva muunnetaan aina takaisin RGB-väriavaruuteen ennen kuin se syötetään tulostuselementtiin. Tutkimuksen kokeellisessa osassa käytettiin koodi-informaation upotuksessa RGB-, CMYK-, HSV- ja YCbCr-väriavaruuksien komponentteja. Liitteen 1 taulukoissa on esitetty tutkimuksen kooderi-ohjelmalla tuotettuja kuvia. Kuvat on koodattu tutkimuksessa käytettyjen väriavaruuksien komponenttien menetelmillä. Upotusvahvuusarvo oli 0,08. Tutkimuksessa käytettyjen väriavaruuksien ja niiden komponenttien valintaa voidaan perustella seuraavilla tekijöillä. RGB-väriavaruus on luonnollinen valinta johtuen digitaalisen kuvauslaitteen RGB-väreihin perustuvasta kuvantuottotavasta. Aikaisempien tutkimusten perusteella RGB-väriavaruuden komponenttien suorituskyky oli kuitenkin matala joko kestävyyden tai näkyvyyden mitalla. RGB-väriavaruuden komponenttien valintaa voidaan