KR100538414B1

KR100538414B1 - 디씨티 기반의 영상 압축 시스템을 위한 데이터 위변조방지 방법

Info

Publication number: KR100538414B1
Application number: KR10-2004-0033298A
Authority: KR
Inventors: 김종현
Original assignee: (주)펜타마이크로
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-12-22
Also published as: KR20050108515A

Abstract

본 발명은 동영상 데이터를 공간적으로 또는 시간적으로 위변조하는 것을 방지하는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디지털 영상 데이터에 대하여 화질 열화를 최소화하면서 워터마크를 삽입하고 추출하는 기술에 관한 것이다.

본 발명은 워터마크를 주파수 변환된 DCT 계수 상에서 고주파 성분, 즉 복잡도가 높은 영상 부위에 삽입하는 알고리즘을 사용함으로써 화질의 열화를 방지할 수 있으며, 더욱이 워터마크를 수개의 매크로 블록 단위로 삽입하므로 공간상 화면의 어느 곳에 위변조를 하였는지 그 위변조 위치를 정확히 알 수 있는 장점이 있다. 더욱이, 본 발명은 공간상의 위변조뿐 아니라 프레임 사이의 위변조 즉, 시간상의 위변조에 대해서도 위변조 여부를 검출해낼 수 있는 장점이 있다.

Description

디씨티 기반의 영상 압축 시스템을 위한 데이터 위변조 방지 방법{METHOD OF PROTECTION OF DCT IMAGE DATA AGAINST FORGERY}

최근 들어, 보안 감시 장치(Security System)에 있어서 디지털 비디오 레코더(Digital Video Recorder; DVR)를 이용한 디지털 CCTV 감시 시스템이 활용되고 있는데, DVR 시스템은 카메라가 촬영한 영상의 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환한 후 디지털 영상 데이터를 압축하여 저장하는 시스템으로서, 한 대의 DVR로 복수 개의 카메라가 전송하는 영상을 화면 분할 디스플레이 하는 방식으로 관리할 수 있다.

더욱이, 최근 들어 전술한 DVR에 기록된 영상 자료는 범죄 사건의 증거 자료 또는 기타 사건 해결의 열쇠로써 사용되고 있다. 그런데, 보안 감시 카메라가 촬영하여 DVR에 압축 저장되었던 영상 자료가 제 구실을 하기 위해서는 상기 영상 자료가 위변조 되지 않았는지 여부가 확인되어야 한다.

즉, DVR에 저장된 영상 자료에 대해서 위변조가 쉽게 가능한 경우 범행 사실을 입증하는 주요 부분을 삭제하거나, 새로운 부분을 첨가시킴으로써 영상 데이터를 악의적으로 위변조 하는 것이 발생되게 된다. 이 경우, DVR에 저장되었다고 주장하는 영상 자료는 더이상 신뢰할 수 없게 된다.

현재 시장에서 판매되고 있는 DVR 시스템의 경우 JPEG 및 MPEG와 같은 DCT(Discrete Cosine Transform) 변환을 기반으로 하는 영상 압축 방법이 주로 사용되고 있다. 디지털 영상 데이터의 위변조 또는 도용 방지를 위해서 워터마크 (watermark) 또는 디지털 지문(fingerprint)을 데이터에 삽입하는 기술이 사용되고 있는데, 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 기술은 대한민국 특허공개 제10-2004-0007719호, PCT 특허공개 WO 2002/9374호, 대한민국 특허공개 제10-2004-0000299호 등에 상술되어 있다.

전술한 선행 기술자료에서 사용되고 있는 워터마크 삽입 기술은 DCT 계수를 해쉬 함수(Hash Function) 혹은 비밀키 암호 발생 알고리즘을 사용하여 MAC (Message Authentication Code)를 생성한 후, DCT 계수에 첨가하거나 압축된 스트림의 헤더 파일에 추가하는 방식에 기초하고 있다.

그런데, 전술한 종래 기술은 디지털 영상 데이터 자체의 위조 또는 변조의 검출 자체는 가능하지만, 위변조가 발생한 영상 데이터 내에서 위변조가 발생한 부위를 정확히 어느 곳인지 색출하는 것이 용이하지 않은 단점이 있다. 더욱이, 시간적으로 순차 연결된 동영상 데이터에 대하여 사건의 발생 순서(즉, 타임 프레임)를 뒤바꾸어 소위 '시간적 위변조'를 한 경우에는, 이에 대한 위변조 검출을 위하여 별도의 방법을 추가적으로 사용해야 하는 기술적 한계가 있다. 이와 같은 시간적 위변조는 범행 시각을 은폐하기 위하여 의도적으로 저장된 영상 데이터를 타임 프레임에서 뒤바꾸는 행위가 된다.

또한, 종래 기술에 따른 워터마킹 기술은 워터마크를 DCT 계수에 삽입하게 되므로 근본적으로 화질의 열화를 감내하여야 하며, 일률적으로 MAC를 삽입하는 경우에는 화질이 상당히 열화되는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 디지털 영상 데이터에 위조 또는 변조를 방지하기 위한 워터마크를 삽입함에 있어서, 위변조 검출뿐 아니라 위변조가 발생한 부분을 정확히 찾아내고, 별도의 부가적 처리 과정 없이 공간적 위변조뿐 아니라 시간적 위변조도 검출해낼 수 있는 디지털 영상 데이터 워터마킹 방법 및 이를 이용한 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 디지털 영상 데이터에 워터마크를 삽입하되 화질의 열화 문제가 발생하지 않는 디지털 영상 데이터 워터마킹 및 이를 이용한 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 DCT 기반의 디지털 영상 데이터에 대해서, 선정된 개수의 매크로 블록을 워터마크 생성 단위 블록으로 하여, 상기 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수를 해쉬 함수에 적용하여 워터마크를 생성하고, 생성된 워터마크 비트스트림을 후속하는 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수에 삽입하되, 삽입하기 이전에 워터마킹된 후속 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수들의 LSB를 영으로 만들어 선처리하고, 상기 워터마크 비트스트림을 영상의 복잡도가 높은 것을 나타내는 고주파 성분의 DCT 계수로부터 저주파 성분의 DCT 계수에까지 순차적으로 삽입하되 DCT 계수가 영인 경우에는 워터마크 비트스트림을 삽입하지 않는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 데이터 워터마크 삽입 방법을 제공한다.

이하에서는, 첨부 도면 도1 내지 도3을 참조하여 본 발명에 따른 디지털 영상 데이터 위변조 방지 기술을 상세히 설명한다.

본 발명은 영상 데이터 압축 과정에서 특정 정보, 즉 워터마크(watermark)를 삽입하여 영상 데이터를 저장한 후, 저장된 데이터가 위변조 되었는지 확인하기 위하여 삽입된 워터마크를 검출하여 위변조 유무를 판단하게 되는데, 본 발명에 따른 위변조 방지 기술은 DCT를 기반으로 하는 모든 영상 압축 시스템에 적용 가능하다.

본 발명에서는 워터마크를 생성하고 이를 삽입하기 위하여, DCT 처리가 끝난 후 소정의(예를 들어, 5개) 매크로 블록(macro block)에 포함된 DCT 계수에서 해쉬(hash) 함수를 적용하여 해쉬 코드를 생성하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 해쉬 코드는 위변조 방지를 위한 워터마크로 사용되며, 이와 같이 해서 생성된 워터마크는 다음 매크로 블록에 삽입되고, 특정 프레임의 제일 마지막 매크로 블록의 경우에는 다음 프레임의 첫번째 매크로 블록에 삽입된다.

즉, 본 발명은 현재 처리 중인 프레임의 매크로 블록에서 생성한 워터마크를 현재의 매크로 블록에 삽입하는 것이 아니라, 다음 매크로 블록에 속하는 DCT 계수에 삽입하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 함으로써, 워터마크가 생성될 때에 소정의(예를 들어, 5개) 매크로 블록을 버퍼(buffer)할 필요가 없게 되어서 필요한 메모리 사이즈를 대폭으로 감소시킬 수 있게 된다.

더욱이, 본 발명은 특정 프레임에서 생성한 워터마크를 다음 후속 프레임의 첫번째 매크로 블록에 삽입하게 되므로, 공간 영역에서의 위변조뿐 아니라 시간 영역에서의 위변조를 근원적으로 차단하게 된다.

카메라가 촬영한 아날로그 영상 데이터는 HSB, YIQ 또는 YC_bC_r 등의 컬러 모델 디지털 데이터로 변환되고(종래 기술과 차이가 없으므로 도시하지 않음), 컬러 모델의 밝기 성분 또는 휘도 성분은 주파수 영역으로 변환된다. 디지털 영상 데이터를 주파수 영역으로 변환하는데는 흔히 고속 푸리에 변환(FFT), DCT 변환 (discrete cosine transform) 또는 DWT 변환(discrete wavelet transform) 등이 사용되는데, 이하에서는 DCT 변환된 데이터를 일 실시예로 하여 설명하기로 한다.

도1은 일 실시예로서 640 × 480 크기의 영상에 대하여 DCT 변환한 데이터 구조를 나타낸 도면이다. 통상적으로 8 × 8 으로 이루어진 Y 계수 4개와 8 × 8 크기의 C_b 및 C_r 계수, 즉 총 16 × 24 크기의 DCT 계수를 매크로 블록이라 부른다. 본 발명에서는 매크로 블록(100) 복수개를 취해서 워터마크 생성을 위한 하나의 단위 블록(이하에서, '워터마크 생성 단위 블록'이라 부르기로 한다; 200)을 구성한다.

본 발명의 양호한 실시예에 따라, 워터마크 생성 단위 블록(200)은 5개의 매크로 블록으로 구성할 수 있다. 여기서, 워터마크 생성 단위 블록(200)의 블록의 크기를 5개보다 더 작게 하는 경우, 위변조한 곳의 위치를 쉽게 찾을 수 있는 장점이 있지만, 삽입될 워터마크 비트스트림(예를 들어 130 비트)을 삽입하는데 공간 부족으로 인한 어려움을 겪을 수 있다.

이와 같이, 양호한 실시예에 따라 5개의 매크로 블록(200)에 포함된 DCT 계수들을 해쉬 함수 처리를 통해 해쉬 코드가 만들어지며, 생성된 해쉬 코드는 워터마크 생성 단위 블록(200) DCT 계수 속에 삽입되어야 한다. 이 때에, 본 발명은 워터마크 생성 단위 블록(200)의 DCT 계수를 해쉬 함수 처리하며 만든 워터마크 비트스트림을 해당 워터마크 생성 단위 블록(200)에 삽입하는 것이 아니라, 다음 후속하는 워터마크 생성 단위 블록(201)의 DCT 계수에 삽입하는 것을 특징으로 한다.

도2는 본 발명에 따른 서로 인접한 두개의 프레임과 워터마크 생성 단위 블록을 나타낸 도면이다. 도2를 참조하면, n 번째 프레임의 마지막 워터마크 생성 단위 블록(203)으로부터 생성된 워터마크는 (n + 1) 번째 프레임의 최초 워터마크 생성 단위 블록(204)의 DCT 계수에 삽입하게 되므로, 시간 프레임 상의 위변조를 방지할 수 있게 된다.

한편, DCT 계수에 워터마크 비트스트림을 삽입하는 과정에서, 삽입할 워터마크는 화질 저하를 최소화할 수 있는 곳에 삽입되도록 하여야 한다. 이렇게, 워터마크가 삽입될 DCT 계수들은 미리 전처리 과정을 겪게 되는데, 전처리 과정을 통해 워터마크가 삽입될 DCT 계수들의 LSB(Least Significant Bit)를 모두 영(zero)으로 만든다. 그리고 나면, 우선 순위가 높은 계수부터 검색을 하여 영이 아닌 계수들에 대해 워터마크를 삽입하게 된다.

여기서, 매크로 블록에 삽입되는 워터마크 크기의 바람직한 실시예는 130 비트이며, 영상의 복잡도에 따라 감소시키게 된다. 즉, 영상이 복잡한 경우, 즉 주파수 성분이 높은 경우에는 워터마크를 많이 삽입시키고, 주파수 성분이 낮은 단조로운 영상에 대해서는 워터마크를 적게 삽입시킨다.

도3은 본 발명에 따라 디지털 영상 데이터에 워터마크를 삽입하는 처리기의 구성을 나타낸 도면이다. 도3을 참조하면, 주파수 영역에서 변환된 DCT 계수(10)는 해쉬 함수 처리기(6)에 입력되어 해쉬 코드가 생성되고, DCT 계수 선택기(4)에 의해, 예를 들어 5개의 매크로 블록이 선택되어 단위 워터마크 생성 블록이 형성된다.

한편, 본 발명은 해쉬 함수 생성기(6)가 출력하는 해쉬 코드, 즉 워터마크 비트스트림을 다음 후속하는 매크로 블록에 삽입하게 되므로 후속 매크로 블록의 DCT 계수만을 입력 버퍼(5)에 저장하게 된다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 5개의 매크로 블록을 워터마크 생성 단위 블록으로 하는 경우, 입력 버퍼 메모리의 크기는 1 MB 용량의 RAM을 사용할 수 있다.

이어서, 해쉬 함수 처리기(6)에서 출력되는 워터마크는 워터마크 삽입기(7)를 통해 입력 버퍼(5)에 저장되어 있던 후속 매크로 블록의 DCT 계수에 삽입되게 되며, 그 결과 워터마크가 삽입된 DCT 계수(11)가 출력된다.

도4a 및 도4b는 각각 Y 계수와 C_b & C_r 계수에 대한 워터마크 삽입 위치를 설명하는 도면이다. 본 발명은 워터마크를 고주파 성분을 나타내는 DCT 계수에 삽입하는 것을 특징으로 한다. 도4a를 참조하면, 밝기를 나타내는 8 × 8 Y DCT 계수의 경우, 화살표 방향 즉 우측 방향 및 아래 방향으로 향할수록 고주파 성분을 나타내므로 도4a 에서 63번 DCT 계수부터 워터마크 비트스트림을 삽입하게 된다.

물론, 전술한 바와 같이 워터마크가 삽입될 8 × 8 DCT 계수에 대하여 DCT 계수값을 짝수화시키는 전처리 과정을 수행한다. 8 × 8 DCT 계수를 짝수화시키는 작업은 DCT 계수들의 LSB를 영으로 만드는 작업을 의미하며, 만일 8 × 8 DCT 계수 가운데 홀수값을 지니는 계수(즉, LSB가 1인 계수)가 있다면, 이는 워터마크가 삽입되었음을 의미하게 된다. 그리고, 5개의 매크로 블록에 삽입되는 워터마크의 크기는 최대 130 비트로 하는 것이 바람직하며, 영상의 복잡도에 따라 감소할 수 있다.

도4a를 참조하면, 워터마크는 고주파 성분의 DCT 계수로부터 삽입하게 되므로, 63 → 55 → 62 → 47 → 61 → 54 → 46 → 53 → 38 → 52 → 45 → 37 → 44 → 29 → 43 → … 의 순서로 워터마크가 삽입된다. 도4b를 참조하면, C_b 및 C_r DCT 계수의 경우 고주파 성분의 DCT 계수는 거의 영이 되므로 8 × 8 테이블에서 왼쪽 상단의 대각선 부위에만 계수가 존재하여 워터마크가 삽입된다. 위변조를 검출하기 위해 워터마크를 추출하는 방법은, 워터마크 후보 계수들 중에서 우선 순위가 높은 순서대로 검색을 하여 "영"이 아닌 계수들로부터 워터마크를 추출한다.

이후, DCT 계수들에 대해 해쉬함수를 통해 워터마크를 생성하여 추출한 후 워터마크와 일치하는지를 비교하면 된다. 만일, 위변조가 없는 경우 DCT 계수에서 추출한 워터마크와 해쉬 함수를 사용해서 얻은 워터마크는 100 % 일치하게 된다.

도5는 본 발명에 따라 워터마크가 삽입된 8 × 8 Y DCT 계수의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 워터마크는 빗금친 대각선 방향으로 오른쪽 하단(8, 8)부터 (0, 0)방향으로 삽입되었을 것이므로, DCT 계수가 홀수인 것만을 추출해 보면 워터마크는 (6, 6) → (6, 5) → (5, 6) → (6, 4) → (4, 6) → (5, 5) → (5, 4) → (4, 5) → (5, 3) → (3, 5) → (4, 4) → (4, 3) → (3, 4) → (4, 2) → (2, 4) → (3, 3) → (3, 2) → (2, 3) → (3, 1) → (1, 3) → (2, 2) → (2, 1) → (1, 2)의 순서로 스캔해서 10110001로 추출된다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허 청구 범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허 청구 범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들은 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명은 워터마크를 주파수 변환된 DCT 계수 상에서 고주파 성분, 즉 복잡도가 높은 영상 부위에 삽입하는 알고리즘을 사용함으로써 화질의 열화를 방지할 수 있으며, 더욱이 워터마크를 수개의 매크로 블록 단위로 삽입하므로 공간상 화면의 어느 곳에 위변조를 하였는지 그 위변조 위치를 정확히 알 수 있는 장점이 있다. 더욱이, 본 발명은 공간상의 위변조뿐 아니라 프레임 사이의 위변조 즉, 시간상의 위변조에 대해서도 위변조 여부를 검출해낼 수 있는 장점이 있다.

도1은 일 실시예로서 640 × 480 크기의 영상에 대하여 DCT 변환한 데이터 구조를 나타낸 도면.

도2는 본 발명에 따른 서로 인접한 두개의 프레임과 워터마크 생성 단위 블록을 나타낸 도면.

도3은 본 발명에 따라 디지털 영상 데이터에 워터마크를 삽입하는 처리기의 구성을 나타낸 도면.

도4a 및 도4b는 각각 Y 계수와 C_b & C_r 계수에 대한 워터마크 삽입 위치를 설명하는 도면.

도5는 본 발명에 따라 워터마크가 삽입된 8 × 8 Y DCT 계수의 일 실시예를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

4 : DCT 계수 선택기

5 : 입력 버퍼

6 : 해쉬 함수 처리기

7 : 워터마크 삽입기

10, 11 : DCT 계수

100 : 매크로 블록

200, 201, 202, 203, 204 : 워터마크 생성 단위 블록

Claims

DCT 기반의 디지털 영상 데이터에 대해서, 선정된 개수의 매크로 블록을 워터마크 생성 단위 블록으로 하여, 상기 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수를 해쉬 함수에 적용하여 워터마크를 생성하고, 생성된 워터마크 비트스트림을 후속하는 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수에 삽입하되, 삽입하기 이전에 워터마킹된 후속 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수들의 LSB를 영으로 만들어 선처리하고, 상기 워터마크 비트스트림을 영상의 복잡도가 높은 것을 나타내는 고주파 성분의 DCT 계수로부터 저주파 성분의 DCT 계수에까지 순차적으로 삽입하되 DCT 계수가 영인 경우에는 워터마크 비트스트림을 삽입하지 않는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 데이터 워터마크 삽입 방법.
제1항에 있어서, 상기 워터마크 비트스트림은 Y, Y_b 및 Y_r의 8 × 8 DCT 계수에 대해서 역대각선 방향(off-diagonal)으로 우측 하단의 고주파 성분으로부터 좌측 상단의 저주파 성분으로 선정된 밴드에 대해서만 순차적으로 삽입하는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 데이터 워터마크 삽입 방법.
제1항에 있어서, 제n 번째 프레임의 최종 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수로부터 생성된 워터마크는 (n+1) 번째 프레임의 최초 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수에 삽입됨을 특징으로 하는 디지털 영상 데이터 워터마크 삽입 방법.
Y, C_b 및 C_r로 구성된 DCT 기반의 디지털 영상 데이터를 입력받아, 복수 개의 매크로 블록을 워터마크 생성 단위 블록으로 하여 처리할 DCT 계수를 선택하는 DCT 계수 선택기와;

상기 DCT 계수 선택기가 선택한 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수를 해쉬 처리해서 워터마크 비트스트림을 생성하는 해쉬 함수 처리기와;

상기 워터마크 생성 단위 블록의 DCT 계수를 저장하는 입력 버퍼 메모리; 및

상기 해쉬 함수 처리기의 출력 워터마크 비트스트림을 상기 DCT 계수 선택기가 선택한 DCT 계수에 삽입하되, 영상의 복잡도가 높은 고주파 영역으로부터 저주파 영역의 순서로 삽입하는 워터마크 삽입기

를 포함하는 디지털 영상 워터마킹 처리기.