KR100624751B1 - 영상에 워터마크를 삽입하는 방법 및 상기 방법을 이용한디지털 비디오 저장장치 - Google Patents

영상에 워터마크를 삽입하는 방법 및 상기 방법을 이용한디지털 비디오 저장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 촬영된 디지털 영상에 실시간으로 워터마크를 삽입 및 검출하여 영상의 위변조 여부 및 위변조의 위치를 확인할 수 있게 하는 워터마크 삽입 및 검출방법에 관한 것이다. 압축과정에서 사용되는 주파수 변환 후의 양자화된 계수를 사용하여 워터마크를 생성하고, 이를 영상에 삽입함으로써 영상의 압축과 워터마크의 삽입이 동시에 수행된다. 원래의 의사 랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트시킨 랜덤 시퀀스를 워터마크로서 영상에 삽입하는 강인한 워터마크 삽입방법이 개시된다. 영상의 MPEG 압축과정 중에서 양자화된 DCT 계수를 사용하여 워터마크를 생성 및 삽입하는 기술이 개시되고, 상기 워터마크의 생성 및 삽입은 매크로 블록 단위 또는 슬라이스 단위로 이루어질 수 있다. 영상의 웨이블렛 압축 과정에서 양자화된 웨이블렛 계수를 사용하여 워터마크를 생성 및 삽입하는 기술이 개시된다. 아울러, 상술의 워터마크 삽입방법에 따라 실시간으로 촬영되는 영상에 워터마크를 삽입하여 저장하는 디지털 비디오 저장장치가 개시된다.

Description

영상에 워터마크를 삽입하는 방법 및 상기 방법을 이용한 디지털 비디오 저장장치 {A METHOD FOR EMBEDDING WATERMARK INTO AN IMAGE AND DIGITAL VIDEO RECOREDER USING SAID METHOD}
도 1 은 본 발명의 워터마크 삽입방법이 적용되는 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2 는 복수의 영상 입력장치로부터의 영상이 워터마크 삽입장치로 수신되는 본 발명의 워터마크 삽입방법이 적용되는 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3a 는 디지털 영상이 압축되기 전에 워터마크를 삽입하는 구성을 나타낸 도면이다.
도 3b 는 디지털 영상의 압축과 동시에 워터마크를 삽입하는 구성을 나타낸도면이다.
도 4 는 디지털 영상이 압축된 후에 워터마크를 삽입하는 본 발명의 시스템 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5a 는 MPEG 압축된 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5b 는 웨이블렛 압축된 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 과정을 나타 내는 도면이다.
도 6a 는 워터마크 삽입된 디지털 영상을 인증하는 장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6b 는 워터마크가 삽입된 디지털 영상에서 RW 또는 FW 를 추출하여 영상을 인증하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7a 는 의사 랜덤 시퀀스를 원형 쉬프트 시키는 기법을 설명하는 도이다.
도 7b 는 원형 쉬프트 기법에 따른 워터마크 검출시 상관관계의 최고값을 나타내는 도이다.
도 8a 는 웨이블렛 변환의 시간, 주파수영역의 분해능을 나타내는 그래프이다.
도 8b 는 2 레벨로 웨이블렛 변환된 이미지를 나타내는 도이다.
도 9a 는 웨이블렛 변환영역에서의 강인한 워터마크의 삽입 과정을 나타내는 블록도이다.
도 9b 는 웨이블렛 변환영역에서의 강인한 워터마크의 삽입 과정의 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 9c 는 변환영역에서의 강인한 워터마크 검출과정을 나타내는 도이다.
도 9d 는 공간영역에서의 강인한 워터마크 검출과정을 나타내는 도이다.
도 10 은 본 발명에 따라 강인한 워터마크가 삽입된 영상을 나타내는 도이다.
도 11a 는 이산코사인 변환영역에서의 강인한 워터마크의 삽입 과정을 나타 내는 블록도이다.
도 11b 는 이산코사인 변환영역에서의 강인한 워터마크의 삽입 과정의 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 11c 는 변환영역에서의 강인한 워터마크 검출과정을 나타내는 도이다.
도 11d 는 공간영역에서의 강인한 워터마크 검출과정을 나타내는 도이다.
도 12 는 본 발명에 따른 워터마킹 기법이 갖는 상호 운용성에 대하여 설명하는 도이다.
도 13 은 MPEG 구조를 설명하는 도면이다.
도 14 는 MPEG 압축과정에서 압축과 동시에 연약한 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 블록도이다.
도 15 는 DCT 블록의 지그재그 스캔을 나타낸 도이다.
도 16a 는 매크로블록 단위로 워터마크를 삽입하는 과정을 도식적으로 나타내는 도이다.
도 16b 는 매크로블록 단위로 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 17a 는 슬라이스 단위로 워터마크를 삽입하는 과정을 도식적으로 나타내는 도이다.
도 17b 는 슬라이스 단위로 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 18a 는 MPEG 압축된 비트스트림에서 연약한 워터마크를 검출하는 과정을 나타내는 블록도이다.
도 18b 는 MPEG 압축된 비트스트림에서 연약한 워터마크를 검출하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 19a 는 JPEG 압축과정에서 압축과 동시에 연약한 워터마크를 삽입하는 과정 및 워터마크를 검출하는 과정을 나타내는 블록도이다.
도 19b 는 JPEG 압축과정에서 워터마크를 삽입하는 과정을 도식적으로 나타내는 도이다.
도 20 은 웨이블렛 변환을 이용해서 영상을 변환 하였을 때의 영상과 변환평면의 계수들의 예를 도시한 도이다.
도 21a 는 웨이블렛 압축과정에서 압축과 동시에 연약한 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 블록도이다.
도 21b 는 웨이블렛 변환영역에서 연약한 워터마크를 삽입하는 과정을 도식적으로 설명하는 도이다.
도 22 는 웨이블렛 변환영역에서 연약한 워터마크가 삽입된 영상에서 워터마크를 검출하는 과정을 설명하는 흐름도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 워터마크 삽입장치 110 : 영상 데이터 처리부 (A/D)
120 : 고정정보 생성부 130 : 임의정보 생성부
140 : 워터마크 생성부 150 : 압축 및 워터마크 생성부
160 : 영상 데이터 처리부 (디코더 + D/A)
170 : 네트워크 연결부 180 : 영상 저장부
190 : 실시간 운영부
본 발명은 영상에 워터마크를 삽입하는 방법 및 상기 방법을 이용한 디지털 비디오 저장장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 촬영된 디지털 영상에 실시간으로 워터마크를 삽입하여 영상의 위변조 여부 및 위변조의 위치를 확인할 수 있게 하는 워터마크 삽입 방법에 관한 것이고, 또한 상기 워터마크의 삽입은 압축과 동시에 수행될 수 있다.
본 발명은 전체적으로 본 발명의 출원인과 동일한 출원인에 의해 출원되었으며 발명의 명칭이 "디지털 영상의 위변조 방지를 위한 네트워크 카메라 장치, 네트워크 카메라 서버 및 디지털 비디오 저장장치, 및 이들 장치로부터 출력된 디지털 영상을 인증하는 장치와 그 방법" 인 한국 특허출원 제 2001-62934 호와 관련되어 있으며, 상기 출원발명은 본 발명에 참조로서 포함된다.
상기 출원발명은 실시간으로 촬영되는 영상 신호에 강인한 워터마크 (RW : Robust Watermark) 및/또는 연약한 워터마크 (FW : Fragile Watermark) 를 삽입하여 영상의 위변조를 방지하는 방법 및 상기 방법을 채용한 네트워크 카메라 장치, 네트워크 카메라 서버, 및 디지털 비디오 저장장치를 개시한다. 특히 상기 출원발명에서는 디지털 영상신호의 압축을 RW 의 삽입 후 FW 의 삽입 전에 별도로 수행 하게 된다.
본 발명은 상기 출원발명의 강인한 워터마크 및 연약한 워터마크의 삽입방법을 개선한 발명으로서, 특히 압축을 수행하는 동시에 RW 및/또는 FW 를 삽입하는 방법, 삽입 정보량을 늘리는 방법, 삽입 속도를 실시간에 가깝게 높이는 방법, 또한 공간영역과 변환영역에서의 워터마크의 삽입 및 검출의 상호운용성 (Interoperability) 을 가능하게 하는 워터마크 삽입방법 등이 개시된다. 또한, 상기 강인한 워터마크 및/또는 연약한 워터마크의 삽입 방법을 채용한 디지털 비디오 저장장치 (DVR) 가 개시된다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명의 방법이 적용되는 디지털 비디오 저장장치에 대해 알아보기로 한다.
디지털 CCTV 방식 시스템인 DVR (Digital Video Recorder) 은 기존의 CCD 카메라와 VCR, TAPE 등으로 구성된 감시시스템을 대체하는 차세대 감시 시스템으로 많이 사용되고 있는데, 아날로그 방식의 감시시스템은 감시하고자 하는 환경을 모니터링하고 필요한 영상데이터를 TAPE 에 녹화하여 검색, 저장하였던 데 비해 DVR 에서는 촬영된 영상 데이터를 디지털 신호로 변환하여, 하드디스크나 DVD-RAM등에 저장하기 때문에 아날로그 장비보다 여러 가지 장점을 가지고 있다고 할 수 있다. 또한, 1 대의 DVR 로 다수의 카메라 (예를들어 16 개의 카메라) 와 다수의 영상 (16 분할 영상) 을 기록하여 관리할 수 있다.
한편, 본 발명에서의 워터마크 삽입 및 추출방법은 주로 주파수 변환평면의 특성을 이용한다. 이에 사용될 수 있는 변환으로는 웨이블렛 변환 (WT : Wavelet Transform) 및 이산 코사인 변환 (DCT : Discrete Cosine Transform) 이 있으며, 이 변환은 주로 압축 알고리즘에서 영상의 공간적인 정보의 불필요한 부분 (Redundancy) 을 제거하기 위해서 사용되는 변환이다.
먼저, 웨이블렛변환은 신호의 변화가 심한 부분에서는 샘플링 간격을 작게 하고, 신호의 변화가 완만한 부분에서는 간격을 크게 하여 신호의 특성을 추출하는데 유리한 변환방식으로, 이에 대해서는 Yang Yan 및 Zhang Dong 저 "Enhancement of Algorithms via M-Band Wavelet Transform" Proceedings of SPIE Biomedical Photonics and Optoelectronic Imaging, 165-169, 2000. 에 개시되어 있다.
웨이블렛 변환은 푸리에 변환과 더불어 1990년대에 많은 연구가 이루어진 신호처리 방법이다. 웨이블렛 변환에서는 주파수가 높은 신호는 시간축상에서 윈도우 사이즈를 작게, 주파수가 낮은 신호인 경우 시간축상에서 윈도우 사이즈를 크게해서 신호를 분석함을 알 수 있다. 따라서 웨이블렛변환을 이용하면 주파수정보 뿐만 아니라 시간정보도 각 대역별로 알 수 있다. 또한 대역별로 신호를 나눌수 있기 때문에 원하는 대역의 신호만을 처리할 수 있다.
DCT 변환은 이차원 공간의 데이터를 2차원 주파수 평면으로 변환시키는 변환이다. DCT 변환의 결과 발생되는 2차원 신호는 동일한 크기를 갖고 실수 값으로만 표현된다. 또한, 대부분의 영상신호가 저주파 영역에 집중되어 있어, 대부분의 영이 아닌 계수들은 저주파수 대역부분에 모여있고, 고주파수 성분들의 계수들은 대부분 영 또는 작은 크기를 갖는다. 따라서, 저주파수 대역의 의미있는 계수만을 취하여 이를 이산 코사인 역변환 (IDCT) 하면 영상에서 고주파 성분이 제거된 영상신호가 얻어진다. 따라서, 공간영역에서의 각 픽셀들의 계수를 이용하여 압축하는 것보다 DCT변환을 한 후 저주파 대역의 계수들을 이용하여 압축을 수행하는 것이 훨씬 압축효율을 높일 수 있다.
본 발명의 목적은 실시간으로 촬영되어 저장되는 영상의 인증 및 위변조의 방지가 가능하게 하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 압축을 수행하는 과정과 동시에 강인한 워터마크 및/또는 연약한 워터마크를 삽입하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 워터마크로서 삽입되는 정보량을 늘리고, 또한 워터마크의 삽입 속도를 실시간에 가깝게 높이는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공간영역과 변환영역에서의 워터마크의 삽입 및 검출의 상호운용성을 가능하게 하는 워터마크 삽입방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 위와 같은 강인한 워터마크 및/또는 연약한 워터마크의 삽입 방법을 채용한 디지털 비디오 저장장치 (DVR) 를 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 원래의 의사 랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트 (circular shift) 시킨 랜덤 시퀀스를 워터마크로서 영상에 삽입하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 영상에 워터마크를 삽입 하는 방법에 있어서, 의사랜덤 시퀀스를 생성하는 단계; 상기 의사랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트시켜 워터마크 시퀀스를 생성하는 단계; 상기 워터마크 시퀀스에 워터마크 삽입강도를 나타내는 계수를 승산하는 단계; 상기 승산된 워터마크 시퀀스를 웨이블렛 변환된 원 영상과 합산시켜 주파수 변환영역에서의 워터마크가 삽입된 영상을 생성하는 단계; 및 상기 워터마크가 삽입된 영상을 웨이블렛 역변환하여 공간영역에서의 워터마크가 삽입된 영상을 생성하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 의사랜덤 시퀀스를 생성하는 단계; 상기 의사랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트시켜 워터마크 시퀀스를 생성하는 단계; 상기 워터마크 시퀀스를 웨이블렛 역변환하는 단계; 상기 웨이블렛 역변환된 워터마크 시퀀스에 워터마크 삽입강도를 나타내는 계수를 승산하는 단계; 및 상기 승산된 워터마크 시퀀스를 공간영역의 원 영상과 합산시켜 워터마크가 삽입된 영상을 생성하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 의사랜덤 시퀀스를 생성하는 단계; 상기 의사랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트시켜 워터마크 시퀀스를 생성하는 단계; 원 영상을 이산 코사인 변환시키는 단계; 상기 원 영상의 이산코사인 변환된 계수 중 DC 계수의 LSB 를 상기 워터마크 시퀀스로 대체하는 단계; 및 상기 LSB 가 대체된 영상을 이산 코사인 역변환하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 의사랜덤 시퀀스를 생성하는 단계; 상기 의사랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트시켜 워터마크 시퀀스를 생성하는 단계; 상기 워터마크 시퀀스를 이산코사인 역변환하는 단계; 및 상기 이산코사인 변환된 워터마크 시퀀스를 원 영상과 합산하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 영상의 MPEG 압축을 수행하는 과정과 동시에 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 입력 영상을 이산코사인 변환하는 단계; 상기 이산코사인 변환된 영상을 양자화하는 단계; 상기 양자화된 DCT 계수를 이용하여 워터마크를 구성하는 단계; 상기 워터마크를 상기 영상에 삽입하는 단계; 및 상기 워터마크 삽입된 영상에 가변 길이 코딩 과정을 수행하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 영상의 MPEG 압축을 수행하는 과정과 동시에 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 상기 영상의 해당 매크로 블록의 양자화된 DCT 계수를 입력받는 단계; 상기 해당 매크로 블록의 각 DCT 블록을 특징 추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할하는 단계; 상기 특징추출영역의 양자화된 DCT 계수와 사용자 정보를 조합하는 단계; 상기 조합된 값을 해쉬함수의 입력값으로하여 해쉬값을 구하는 단계; 및 상기 워터마크 삽입영역의 양자화된 DCT 계수의 LSB 에 상기 해쉬값을 삽입하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 영상의 MPEG 압축을 수행하는 과정과 동시에 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 상기 영상의 해당 슬라이스 내의 모든 매크로 블록 의 양자화된 DCT 계수를 입력받는 단계; 상기 매크로 블록 각각의 DCT 블록을 특징 추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할하는 단계; 상기 특징추출영역의 양자화된 DCT 계수와 사용자 정보를 조합하는 단계; 상기 조합된 값을 해쉬함수의 입력값으로하여 해쉬값을 구하는 단계; 상기 해당 슬라이스 다음번 슬라이스의 워터마크 삽입영역의 양자화된 DCT 계수의 LSB 에 상기 해쉬값을 삽입하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 영상의 JPEG 압축을 수행하는 과정과 동시에 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 입력 영상을 이산코사인 변환하는 단계; 상기 이산코사인 변환된 영상을 양자화하는 단계; 상기 양자화된 DCT 계수를 이용하여 워터마크를 구성하는 단계; 상기 워터마크를 상기 영상에 삽입하는 단계; 및 상기 워터마크 삽입된 영상에 엔트로피 코딩 과정을 수행하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 영상의 웨이블렛 압축을 수행하는 과정과 동시에 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 웨이블렛 압축 과정 중의 양자화된 웨이블렛 계수들을 특징추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할하는 단계; 상기 특징추출영역의 양자화된 DCT 웨이블렛 계수와 사용자 정보를 조합하는 단계; 상기 조합된 값을 해쉬함수의 입력값으로하여 해쉬값을 구하는 단계; 상기 워터마크 삽입영역의 LSB 를 영으로 만들고, 이에 상기 해쉬값 비트를 삽입하는 단계를 포함하는 워터마크 삽입방법을 제공한다.
아울러, 본 발명은 상술한 워터마크 삽입방법에 따라 실시간으로 촬영되는 영상에 워터마크를 삽입하여 저장하는 디지털 비디오 저장장치를 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 워터마크 삽입방법이 적용되는 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1 의 시스템은 촬영되어 입력되는 영상 신호를 압축하고 또한 워터마크를 삽입하는 구성이 적용될 수 있는 네트워크 카메라, 카메라 서버 등이 될 수 있으며, 특히 디지털 비디오 저장장치일 수 있다.
도 1 을 참조로 하면, 본 발명의 워터마크 삽입장치 (100) 는 영상데이터 처리부(A/D)(110), 고정정보 생성부 (120), 임의정보 생성부 (130), 워터마크 생성부 (140), 압축 및 워터마크 삽입부 (150), 영상 데이터 처리부 (디코더+A/D) (160), 네트워크 연결부 (170), 및 영상 저장부 (180) 를 포함하여 구성될 수 있다.
영상데이터 처리부 (A/D)(110) 는 촬영되어 입력되는 영상신호가 아날로그일 경우에 필요한 구성요소로서, 아날로그 영상신호를 디지털 영상신호로 A/D(Analog to Digital) 변환하는 부분이다.
고정정보 생성부 (120) 는 영상저장장치의 고유숫자, 입력영상의 카메라 정보등을 생성하는 부분이고, 임의정보 생성부 (130) 는 영상이 녹화되는 시간과 사용자가 임의로 저장하고자 하는 정보를 생성하는 부분이다.
워터마크 생성부 (140) 는 상기 고정정보 생성부 (120) 와 임의정보 생성부 (130) 에서 생성된 정보를 이용하여 디지털 영상에 삽입될 워터마크를 생성하는 부분이다.
압축 및 워터마크 삽입부 (150) 는 입력되는 디지털 영상에 압축과 워터마크삽입을 수행하는 부분으로, 이 부분에 대해서는 도 3 을 참조로 하여 후에 자세히 설명한다.
실시간 운영부 (190) 는 도 1 의 시스템의 구성요소들의 기능 수행이 실시간으로 이루어질 수 있도록 제어하는 부분이다.
압축 및 워터마크 삽입부 (150) 로 출력된 워터마크가 삽입된 압축 영상신호는 영상데이터 처리부 (디코더 + D/A) (160), 네트워크 연결부 (170), 또는 영상저장부 (180 : 하드디스크, DVD-RAM, CD-RW 마그네틱 테이프 등의 디지털 저장장치) 로 입력될 수 있다.
영상데이터 처리부 (디코더 + D/A) (160) 는 압축된 영상의 압축을 해제하고, 동시에 압축이 해제된 디지털 영상을 아날로그 영상으로 변환하는 부분이다. 아날로그로 변환된 영상은 모니터 등의 영상출력부를 통하여 일반 사용자가 이를 관찰할 수 있게 된다.
네트워크 연결부 (170) 는 압축된 디지털 영상을 원격지에서 저장, 관찰할 수 있도록 네트워크로 데이터를 전송하는 부분이다.
영상저장부 (180) 는 압축된 디지털 영상을 저장하여 보관하는 부분이다. 영상저장부 (180) 에 저장된 디지털 영상은 디지털영상출력장치에 의해 외부로 출력될 수 있다. 디지털 출력장치는 플로피디스크, 범용시리얼버스장치(USB), CD등과 같은 장치가 될 수 있다.
도 2 는 본 발명의 워터마크 삽입방법이 적용되는 시스템의 구성을 나타내는 블록도로서 워터마크 삽입장치로 복수의 영상 입력장치로부터의 영상이 수신되는 것이 도 1 의 시스템과의 차이이다. 도 2 의 시스템은 특히 본 발명의 워터마크 삽입방법이 디지털 비디오 저장장치 (DVR) 에 적용되는 예가 될 수 있다. 현재 사용되고 있는 DVR 은 보통 4 ~ 16 채널의 카메라 입력을 받아들여 이를 각각 별도의 파일로 저장 관리한다.
도 2 의 시스템의 일반적인 구성요소 및 그 기능은 도 1 의 시스템과 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 다만, 복수의 영상 입력장치 (202) 로부터 영상 신호가 입력되고, 입력된 영상 신호는 영상신호 통합부 (204) 에서 시 분할 방법으로 통합되어 영상 데이터 처리부 (210) 로 입력되게 된다.
본 발명에 따른 워터마크 삽입 방법은 (1) 디지털 영상이 압축되기 전에 워터마크 (특히 RW) 를 삽입하는 방법 (도 3a), (2) 디지털 영상의 압축과 동시에 워터마크를 삽입하는 방법 (도 3b), 및 (3) 디지털 영상이 압축된 후에 워터마크를 삽입하는 방법 (도 4) 로 분류되며, 이하에서는 도 3 내지 도 4 를 참조로 이를 설명하기로 한다.
도 3a 는 디지털 영상이 압축되기 전에 워터마크를 삽입하는 구성을 나타낸 도면이다. 이와 같은 디지털 영상의 압축 및 워터마크의 삽입은 도 1 또는 도 2 의 시스템 내의 압축 및 워터마크 삽입부 (300a) 에서 이루어진다.
디지털 영상은 먼저 RW 삽입부 (310a) 로 입력된다. RW 삽입부 (310a) 는 디지털 영상에 강인한 워터마크(Robust Watermark)를 삽입하는 부분으로, 이때 강인한 워터마크는 공간영역 (spatial domain)에서 삽입된다.
영상 압축부 (320a) 는 RW 가 삽입된 디지털 영상을 MPEG, MJPEG, Wavelet등의 압축기법을 이용하여 압축하는 부분이고, FW 삽입부 (330a) 는 연약한 워터마크(Fragile Watermark)를 삽입하는 부분으로서 압축 스트림에 연약한 워터마크를 삽입하는 부분이다.
도 3a 의 실시예에서 FW 의 삽입은 영상의 압축과 동시에 수행된다. 즉 디지털 영상을 압축하는 과정에서 연약한 워터마크를 삽입하며, 이에 따라 종래에 비하여 워터마크의 삽입속도가 매우 빠른 효과가 있다. 그 이유는 종래의 경우 디지털 영상을 압축한 후에 FW 를 삽입하였으며 이 경우에는 압축파일에 워터마크를 삽입하기 위하여 압축파일을 다시 복원한 후에 FW 를 삽입하고 FW 를 삽입한 후에 다시 압축하는 과정을 거쳐야 하였으므로 FW 의 실시간 삽입이 어려웠던 반면에, 본 발명에서는 압축을 하는 과정에서 FW 를 삽입하므로 압축파일을 다시 복원하는 과정이 불필요하기 때문이다. FW 의 삽입과 영상 압축의 동시 수행에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
도 3b 는 디지털 영상의 압축과 동시에 워터마크를 삽입하는 구성을 나타낸도면이다. 즉, 디지털 영상의 압축, RW 의 삽입, 및 FW 의 삽입이 모두 동시에 수행되는 실시예이다.
이 때 디지털 영상 내의 RW 가 삽입되는 영역과 FW 가 삽입되는 영역은 서로 중첩될 수도 있고, 또한 서로 달리할 수도 있다. 그러나, FW 의 삽입에 의해 RW 의 추출됨에 있어 받는 영향을 최소화하기 위해, 바람직하게는 RW 와 FW 는 그 영역을 달리하여 삽입 및 추출된다. RW 및 FW 의 삽입과 영상 압축의 동시 수행에 대한 구체적인 설명 또한 후술하기로 한다.
도 4 는 디지털 영상이 압축된 후에 워터마크를 삽입하는 본 발명의 시스템 구성을 나타내는 블록도이다. 즉, 도 1 내지 도 3 의 실시예와는 달리 압축과 동시에 RW 및/또는 FW 를 삽입하지 않고, 압축되어 저장된 영상 데이터를 외부로 가져갈 때 워터마크를 삽입하는 방법이다.
도 4 의 실시예는 특히 현재 워터마킹 기능이 없는 DVR 에 적용되기에 적합한 기술이다. 즉, 촬영되어 입력되는 디지털 영상을 먼저 압축부 (450) 에서 압축하여 DVR 내의 영상 저장부 (480) 에서 저장한 후에, 별도의 워터마크 삽입부 (492) 에서 디지털 영상에 RW 및/또는 FW 를 삽입하는 경우이다.
도 4 의 실시예에서는 디지털 영상을 압축하여 저장한 후에 압축된 영상 데이터에 워터마크를 삽입하므로, 워터마크를 실시간으로 삽입해야할 필요성은 없다.
이하에서는 압축된 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 방법을 각각 디지털 영상이 MPEG 압축된 경우와 웨이블렛 압축된 경우로 나누어 설명한다.
도 5a 는 MPEG 압축된 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 도면이다.
디지털 영상이 압축되어 생성된 비트 스트림이 워터마크 삽입부에 입력되면 워터마크 삽입에 앞서 디코딩을 수행해서 압축을 해제한 후에 워터마크를 삽입하고, 그리고 다시 압축을 수행하여 원래의 비트 스트림으로 복원한다.
도 5a 를 참조로 하면, 입력된 MPEG 비트스트림은 가변 길이 디코딩 (VLD : Variable Length Decoding) 이 수행된 후, 역 양자화 (DQ : Dequantization) 과정 을 거친다. 역 양자화된 계수는 역 이산 코사인 변환 (IDCT) 를 거치고, 움직임보상 (MC : Motion Compansation) 을 하여, 비트 스트림은 공간 영역의 원 비디오 데이터 (Raw Video Data) 로 복원된다.
원 비디오 데이터로부터 다시 MPEG 비트 스트림을 만들기 위해서는, 먼저 움직임 추정 (ME : Motion Estimation) 을 수행하고 이를 이용하여 얻어진 영역의 데이터를 매크로블록 단위로 이산 코사인 변환 (DCT) 한다. DCT 된 계수는 양자화 (Q) 를 거치고 가변 길이 코딩 (VLC : Variable Length Coding) 과정을 거쳐서 다시 MPEG 비트스트림으로 된다.
이와 같은 도 5a 에서의 MPEG 비트스트림의 원 비디오 데이터로의 복원과정 및 원 비디오 데이터로부터 다시 MPEG 비트 스트림으로 만드는 과정 중에 워터마크를 삽입 및 추출할 수 있는 방법은 도 5a 에 도시된 5 가지의 가능한 경우, 즉 (1),(1') ~ (5),(5') 가 있다.
(1),(1') 단계에서 워터마크를 삽입 및 추출하는 방법은, MPEG 비트 스트림을 전혀 디코딩하지 않고 워터마크를 삽입하는 방법이고, 따라서 워터마크의 삽입 및 추출 방법의 복잡도는 낮은 반면에 삽입된 워터마크의 강인성이 부족하다.
반면에 (5),(5') 단계에서 워터마크를 삽입 및 추출하는 방법은 MPEG 비트 스트림을 원 비디오 데이터 영역까지 디코딩한 후에, 워터마크를 공간 영역에서 삽입하고 다시 압축하는 방법으로 다른 방법에 비하여 삽입된 워터마크의 강인성은 뛰어난 반면에, 그 삽입 및 추출 알고리즘의 복잡도가 높다.
본 발명에서는 상기 가능한 방법 중 (2),(2') 방법을 사용하여 압축된 MPEG 비트스트림에의 워터마크의 삽입 및 추출을 수행한다. 워터마크의 삽입 및 추출 방법의 상세한 설명은 후술하기로 한다.
도 5b 는 웨이블렛 압축된 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5b 를 참조로 하면, 입력된 웨이블렛 압축된 비트 스트림에 엔트로피 디코딩을 한다. 엔트로피 디코딩을 거친 계수들은 역양자화를 거치고 다시 웨이블렛 역변환을 거쳐 원 비디오 영상 데이터로 복원된다.
복원된 원 비디오 영상 데이터는 웨이블렛 변환되고, 웨이블렛 변환 계수가 양자화되고, 양자화된 계수에 엔트로피 코딩을 수행하여 다시 웨이블렛 압축 비트 스트림이 생성된다.
본 발명에서는 상기 과정 중에 (1),(1') 의 과정에서 워터마크를 삽입 및 추출하며, 구체적인 워터마크의 삽입 및 추출방법은 후술하기로 한다.
다음으로, 도 6a 및 도 6b 를 참조로 하여, 도 1 내지 도 5 의 실시예에 따라 워터마크가 삽입된 디지털 영상을 인증하는 장치 및 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 6a 는 워터마크 삽입된 디지털 영상을 인증하는 장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이고, 도 6b 는 워터마크가 삽입된 디지털 영상에서 RW 또는 FW 를 추출하여 영상을 인증하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
이와 같은 영상의 인증은 주로 오프라인에서 수행되며, 일반적으로 PC에서 인증하고자 하는 영상 데이터를 입력 받아 위변조 여부를 판단하게 된다. 즉, 이러한 워터마크 검출을 이용한 영상 인증은 실시간이 아닌, 영상이 저장된 후 일정시간 이후에 별도의 장비를 이용하여 인증하는 경우가 대부분이다.
도 6a 를 참조로 하면, 영상입력부는 인증 대상의 디지털 영상을 수신하여, 입력된 영상에서 워터마크를 추출하기 쉽도록 영상을 변환시켜주는 기능을 수행한다. 영상인증부는 RW 의 추출에 의해 영상 인증을 수행하는 RW인증부와 FW 의 추출에 의해 영상 인증을 수행하는 FW 인증부로 구성된다. 영상인증결과 출력부는 영상인증부에서의 인증결과를 표시해 주는 부분이다.
도 6b 를 참조로 하면, 먼저 인증할 영상을 불러오고 (S500), 불러온 영상으로부터 RW 또는 FW 를 추출한다 (S510). 또한, 촬영된 영상의 저장과정에서 삽입된 워터마크 (RW 또는 FW) 를 영상 인증용 정보를 이용하여 생성한다 (S5020).
추출된 RW 또는 FW 의 변형 여부를 판단하기 위해, 상기 추출된 워터마크와 영상 인증용 정보를 이용하여 생성된 워터마크를 상호 비교하여 그 상관 관계를 계산한다 (S520).
상기의 결과로 계산된 상관도에 따라 RW 또는 FW 의 변형 여부를 판단하는데 (S530), 워터마크가 변형되었다고 판단되면 위변조된 영상으로 판정 및 위변조된 위치를 판정하고 (S540), 그렇지 않다고 판단되면 인증된 영상으로 판정한다 (S550).
이하에서는 본 발명의 특징적인 워터마크 삽입 및 검출방법에 대하여, 강인한 워터마킹 기법과 연약한 워터마킹 기법으로 나누어 설명하기로 하며, 또한 이들 각각을 웨이블렛 변환영역에서의 워터마킹 기법 및 이산 코사인 변환 영역에서의 워터마킹 기법으로 나누어 설명하기로 한다.
1. 강인한 워터마킹 기법
본 발명에서는 압축과 동시에 강인한 워터마크를 삽입하기 위해 비밀키에 의해 발생된 의사 랜덤 시퀀스를 삽입하고자 하는 정보 d 만큼 원형 쉬프트 (Circular Shift)시킴으로써 워터마크를 삽입하는 방법을 사용하였다.
도 7a 는 의사 랜덤 시퀀스를 원형 쉬프트 시키는 기법을 설명하는 도이다.
도 7a 를 참조로 하면, 이 기법에서는 의사 랜덤 시퀀스(Pseudo-Random Sequence)를 원형 쉬프트(circular shift)시키는데, 쉬프트 된 d 가 워터마크 정보가 된다. 따라서 발생된 의사 랜덤 시퀀스의 길이에 따라 삽입시킬 수 있는 페이로드, 즉 정보량도 결정되어지는데 가령 1024개의 의사 랜덤 시퀀스를 발생시킨 경우, 원형 쉬프트의 경우 210=1024 이므로 최대 10 비트의 워터마크 정보 삽입이 가능하다. 
본 발명의 방법에서는 만일 "0000000010" 인 10 비트 데이터를 삽입하기 위한 랜덤 시퀀스는 원래의 랜덤시퀀스 (Original Random Sequence : w') 에 거리 2 만큼 원형이동 (circular shift) 한 랜덤시퀀스 (w2) 를 워터마크 (w) 로서 사용하며 이는 하기의 (1) 식과 같다.
w = w2 (1)
본 발명의 주목할 만한 점은 워터마크 생성과정이 변환 평면에서 이루어진다 는 점에 있다. 즉, 압축과정에서 사용되는 주파수 변환을 이용하여 워터마크를 삽입하는 것이다. 또한, 본 발명에서는 좀더 나은 신뢰성 확보를 위해 약간의 페이로드를 줄여 허용오차대역을 둔다. 이는 변환평면에서 생성되어진 시퀀스는 공간영역에서 생성된 잡음보다 압축등과 같은 변형에 강인한 특성을 가지고 있기 때문이다.
도 7b 는 원형 쉬프트 기법에 따른 워터마크 검출시 상관관계의 최고값을 나타내는 도이다.
즉, 도 7b 에 도시된 것처럼 2n 시퀀스를 2m의 간격(interval)으로 양자화를 함으로써 워터마크 검출시 상관관계의 최고값(Peak Value)에 허용오차 대역을 줌으로써 신뢰성을 확보하였다.
워터마크 시퀀스가 변환영역에서 생성되어지기 때문에, 상관관계를 구함에 있어 최고값이 외부적인 요인에 의해 약간의 쉬프트가 발생하여 검출되었을때 많은 비트에러를 발생되게 할 수 있으므로 이를 방지하기 위해서 상관관계 최고값의 허용오차 대역을 두었다.
예를 들면 도 7b 에서 상관관계의 최고값은 2x2m+2 에서 나타난 것으로 도시하고 있다. 이로부터 워터마크 정보를 검출하면 (2x2m+2)/2m = 2.xxxx가 된다. 이를 대표값 2로 매핑하면 검출된 워터마크 비트는 비트길이 (n-m)비트 길이를 가지는 값, 즉 2 = (0000……0010)b 의 워터마크 정보를 가진다. 이를 일반화 시켜 보면 하기의 식 (2) 와 같다.
Figure 112003014749338-pat00001
(2)
Figure 112003014749338-pat00002
: Truncation, 내림 연산
2n : 랜덤 시퀀스의 길이
2m : 허용오차 대역폭
여기에서 2m-1를 더해준 이유는 반올림을 위한 것이고 Info는 (n-m) bits 의 길이를 가지는 이진 데이터이다.
이하에서는 상기 원형 쉬프트 기법을 이용하여 웨이블렛 변환영역과 이산 코사인 변환영역에서 워터마크를 생성하여 삽입하는 방법 및 이를 검출하는 방법을 설명한다.
(1) 웨이블렛 변환영역에서의 강인한 워터마킹 기법
일반적으로 비디오 데이터는 연속된 이미지의 열이므로 이미지 워터마킹 기법을 그대로 적용 할 수 있다. 그러나 이미지 워터마킹 기법을 그대로 비디오 워터마킹 기법으로 사용하는데 가장 큰 문제점으로 부각되는 사항이 계산 복잡도이다. 이 계산 복잡도를 줄이는 것이 현재 비디오 워터마킹 기법에서 해결해야 할 중요한 과제라고 할 수 있다.
본 발명에서도 계산복잡도를 줄이면서 변환영역에서의 워터마크의 강인성을 확보하기 위해 여러 가지 기술적인 제안을 하고 있다. 비디오 워터마킹 기술도 이미지 워터마킹 기법과 비슷하게 주파수 변환기법이나 공간 영역 기법 사용하여 워터마크를 삽입할 수 있다.
공간 영역 기법은 압축에 약하기 때문에 본 발명에서 제안된 알고리즘은 압축에 그 초점을 둔 주파수 영역 기법을 사용했다. 주파수 영역 기법에 사용되는 변환 방법에는 DCT, FFT, DWT 등의 방법이 존재한다. 이산 웨이블렛 변환 (DWT) 방법은 일반적으로 원하는 대역까지 영상을 변환할 수 있으며, 또한 압축에 강인한 대역을 임의적으로 선택할 수 있다.
그러나 주파수 변환 기법에 의한 워터마킹의 삽입은 동영상 워터마킹 기법에서 필수적으로 요구되는 실시간 처리가 어렵다. 왜냐하면 변환기법은 워터마크 삽입 시 매번 신호를 변환해야 하기 때문이다. 따라서 본 발명에서는 변환 기법의 실시간 처리와 압축 및 외부공격의 강인성을 위한 기술을 개발하게 된 것이며, 그 기술들은 이하에서 서술되어 진다.
도 8a 는 웨이블렛 변환의 시간, 주파수영역의 분해능을 나타내는 그래프이다. 도 8a 를 참조하면, 주파수가 높은 신호인 경우는 시간축에서 윈도우 사이즈를 작게하고, 주파수가 낮은 신호인 경우에는 시간축상에서 윈도우 사이즈를 크게해서 신호를 분석함을 알 수 있다. 따라서 웨이블렛 변환을 이용하면 주파수정보 뿐만 아니라 시간정보도 각 대역별로 알 수가 있다. 또한 대역별로 신호를 나눌 수 있기 때문에 원하는 대역의 신호만을 처리할 수 있게 된다.
웨이블렛 변환된 각각의 대역은 FFT 보다는 포괄적인 주파수 영역을 포함한다. 일반적으로 영상의 경우 저주파영상이 대부분이기 때문에 저주파 대역일수록 에너지의 값이 더욱 크다. 또한 MPEG 압축이 수행되어질 경우 영상은 저주파 영역부터 근사화가 수행이 되어지기 때문에 실제 워터마크도 저주파 영역에 삽입되어야 압축 시 워터마크가 살아남을 확률이 높아진다. 하지만 저주파 영역에 워터마크를 삽입할 경우 압축에는 강인하지만 약간의 계수 변화에도 쉽게 눈에 띄는 문제점을 가지게 된다. 그러나 고주파 영역에 워터마크를 삽입한다면 쉽게 식별할 수는 없지만  압축에 매우 약하다는 단점을 가지게 된다. 따라서 적당한 대역의 선택을 위해 여러 대역을 선택하여 실험한 결과 2 레벨로 웨이블렛 변환된 영상에서 도 8b 와 같은 LH2, HL2, HH2대역을 사용하였을 경우 압축에 강하면서 눈에 쉽게 띄지 않는 결과를 보였다. 도 8b 는 2 레벨로 웨이블렛 변환된 이미지를 나타내는 도이다.
다음으로 도 9a 및 도 9b 를 참조하여 본 발명의 원형 시프트 기법에 의한 강인한 워터마크의 삽입을 웨이블렛 변환영역에서 수행하는 과정을 설명하기로 한다.
도 9a 는 웨이블렛 변환영역에서의 강인한 워터마크의 삽입 과정을 나타내는 블록도이다.
일반적으로 워터마킹 삽입은  하기의 식 (3) 과 같다.
F'= F + αw                 (3)
여기에서, F 는 웨이블렛 변환된 원영상을 말하며, α는 삽입강도, w는 워터마크, F' 는 워터마크 삽입된 영상을 의미한다.
도 9a 의 워터마크 삽입과정은 변환평면에서 워터마크를 생성하여 압축과 동시에 강인한 워터마크를 삽입할 수 있다 (도 4 와 관련됨) 는 것에 특징이 있으며, 그 구체적인 과정은 아래와 같다.
전처리 과정으로서, 먼저 비밀키를 사용하여 WM 부에서 의사 랜덤 시퀀스를 생성한다. 의사 랜덤 시퀀스는 {-1, 1} 로 매핑되어진다. 다음으로, 워터마크 정보를 나타내는 d 만큼 의사랜덤시퀀스를 원형 쉬프트시켜 변환영역에서의 워터마크 시퀀스 (w) 를 생성한다.
생성된 워터마크 시퀀스 (w) 를 웨이블렛 계수 영역 중 선택된 대역에 위치시킨다 (예를 들어 도 8b 의 3개 영역). 삽입된 랜덤잡음을 제외한 모든 대역의 계수들은 '0' 값을 갖게 한다. 워터마크 시퀀스 (w) 는 스케일링 팩터(α)로 강도가 조절되어 αw 가 된다.
원 영상 (f) 는 DWT 부에서 이산 웨이블렛 변환 (DWT) 을 거쳐 웨이블렛 변환된 원 영상 (F) 가 되고, 웨이블렛 변환된 원 영상 (F) 는 상기 강도조절된 워터마크 시퀀스 ( αw) 와 변환영역 (즉, 주파수영역) 에서 합산되어 워터마크 삽입된 영상 (F') 가 되고, 다시 이산 웨이블렛 역변환 (IDWT) 를 거쳐서 변환평면에서 워터마크 삽입된 공간영역에서의 영상 (f') 가 생성된다.
한편, 도 9a 의 실시예에 따르면, 워터마크가 삽입된 영상 (F') 는 웨이블렛 영역에서 워터마크가 삽입되었기 때문에 필수적으로 다시 역변환되어야 공간영역에 서 볼 수 있는 영상이 된다. 그 결과, 이와 같은 방법이 강인한 워터마크의 삽입과 영상의 압축의 동시수행의 효과는 있으나, 한번 워터마킹을 할 때마다 영상이 두 번의 웨이블렛 변환 (웨이블렛 변환과 웨이블렛 역변환) 을 거쳐야 하므로 워터마크의 삽입의 실시간 처리를 어렵게 한다.
이와 같은 워터마크 삽입의 실시간 처리를 가능하게 해주는 방법으로 이하에서 설명하는 도 9b 의 실시예와 같이 워터마크를 삽입하는 방법이 있다.
도 9b 는 웨이블렛 변환영역에서의 강인한 워터마크의 삽입 과정의 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.
주파수 변환기법들은 하기의 식 (4) 및 (5) 의 공통된 특징을 가지고 있다.
Figure 112003014749338-pat00003
(4)
Figure 112003014749338-pat00004
(5)
즉, 각각의 변환기법은 선형적 특징을 가지고 있으며, 이것은 워터마크 삽입의 실시간 구현의 해법을 제공해 준다.
도 9b 와 같이 워터마크 삽입 알고리즘이 구현되면 (상세한 설명은 후술한다), 매번 주파수 영역으로 바꾸어서 워터마크를 삽입할 필요가 없으며, 공간영역에서 워터마크를 삽입하여도 주파수 영역에 워터마크를 삽입할 때와 동일한 효과를 줄 수가 있다.
이는 공간영역에서의 덧셈연산은 변환영역에서도 덧셈연산이 유지된다는 변 환의 선형적인 특성을 이용한 것이다. 워터마크를 삽입하는 것은 단지 공간영역에서 원 영상에 워터마크 신호를 더하기만 하면 된다. 그렇기 때문에 영상을 두 번 변환 (즉, DWT 와 IDWT) 해야 하는 복잡성을, 워터마크를 역변환하여 공간영역에서 덧셈을 수행함으로써 워터마크의 실시간 삽입이 가능하도록 하였으며, 그 구체적인 과정은 아래와 같다.
전처리 과정으로서, WM 부에서 비밀키를 사용하여 의사 랜덤 시퀀스를 생성한다. 의사 랜덤 시퀀스는 {-1, 1}로 매핑되어진다. 워터마크 정보를 나타내는 d 만큼 의사랜덤시퀀스를 원형 쉬프트시켜 변환영역에서의 워터마크 시퀀스( w) 를 생성한다.
생성된 워터마크 시퀀스 (w) 를 웨이블릿 계수 영역 중 선택된 대역에 위치시킨다. 삽입된 랜덤잡음을 제외한 모든 대역의 계수들은 '0' 값을 갖게 한다. 생성된 워터마크 시퀀스 (w) 는 IDWT 부에서 이산 웨이블렛 역변환을 거쳐 공간영역에서의 워터마크 시퀀스 (W) 를 생성시킨다.
생성된 워터마크 시퀀스와 같은 크기의 블록 단위로 원 영상 (f) 을 분할하고, 분할된 이미지 블록의 픽셀에 대응되는 워터마크 시퀀스값을 α 로 스케일한 후 더하여 워터마크 삽입된 공간 영역에서의 영상 (f') 가 생성된다. 여기에서 α 는 이미지의 전역적인 (global) 특성 및 지역적 (local)인 특성을 반영한 스케일링 팩터이다.
본 발명에서 제안하고 있는 이와 같은 강인한 워터마킹 알고리즘은 웨이블렛 변환기법을 사용하여 워터마크를 삽입하였다. 또한 삽입 정보량(Payload)를 높 이기 위하여 쉬프트 워터마크 기법을 사용하였으며, 실시간 삽입을 위하여 변환기법의 선형성을 이용하였다 (도 9b 의 실시예).
다음으로, 도 9c 및 도 9d 를 참조로 하여, 상기 웨이블렛 변환영역에서 강인한 워터마크가 삽입된 영상에서 워터마크를 검출하는 과정을 설명하기로 한다. 도 9c 는 변환영역에서의 강인한 워터마크 검출과정을 나타내는 도이고, 도 9d 는 공간영역에서의 강인한 워터마크 검출과정을 나타내는 도이다.
도 9c 를 참조하면, 먼저 이미지 공간영역에서의 픽셀 영상을 얻고, 픽셀 영상을 워터마크 삽입과정에서 사용하였던 블록단위로 분할한 후 블록단위로 웨이블렛 변환을 진행한다.
웨이블렛 변환된 블록 영상의 워터마크가 삽입된 특정대역의 웨이블렛 계수들과 워터마크 삽입과정에서 사용한 키에 의해서 생성된 랜덤잡음과의 상호상관도 (Cross Correlation) 를 구한다. 만일 입력된 영상에 워터마크가 삽입되어져 있다면 피크가 존재하고 그 피크가 임의의 임계값보다 클 경우 워터마크가 삽입된 영상으로 판정하고 워터마크를 해석한다. 여기에서는 피크의 위치가 워터마크 정보가 된다. 임계값보다 작은 경우 워터마크가 없는 것으로 판정한다.
도 9d 의 실시예는 공간영역에서 상관도를 계산하여 워터마크를 검출하는 실시예에 관한 것이다.
위에서 제안한 워터마킹 알고리즘을 이용하여 워터마크 정보를 삽입한 후의 영상을 도 10 에 나타내었다. 도 10 은 본 발명에 따라 강인한 워터마크가 삽입된 영상을 나타내는 도이다. 왼쪽영상이 원본 영상이고 오른쪽 영상이 워터마크 가 삽입된 영상이다. 시각적으로 워터마크 삽입여부를 구분할 수 없으며, PSNR도 40dB이상 되었다. 352×288 이미지를 대상으로한 결과는 하기의 표 1 과 같다.
<표 1>
검사항목 성능
삽입속도 0.01초/프레임 이하
추출속도 80비트/10초
검지율 MPEG1,2 : 100% (1.5Mbps)
PSNR 40dB 이상
(2) 이산코사인 변환영역에서의 강인한 워터마킹 기법
이산 코사인 변환 (DCT) 은 현재 정지영상이나 동영상 압축에 가장 범용적으로 사용되어지고 있는 변환이다. 본 발명에서는 이산 코사인 변환 영역에서 실시간으로 워터마크를 삽입하기 위해 인트라 프레임의 DCT 계수 중 DC 또는 AC 계수의 LSB에 쉬프트 시퀀스 워터마킹 기법을 이용하여 워터마크를 삽입한다. 이 방법을 이용하면 매우 간단하면서 효율적으로 워터마크가 삽입되어질 수 있고, 압축에 매우 강인한 특성을 보여준다.
또한 이 방법은 공간영역에서 삽입되어진 워터마크가 변환영역에서 검출이 가능하고 그 역도 가능한 상호 운용성 (Interoperability) 의 특성을 가진다 (이에 대한 구체적인 설명은 후술한다). 본 명세서의 실시예에서는 간단한 워터마크 삽입을 위해 DCT DC 계수를 사용하고 있지만 워터마크의 페이로드나 강인성을 더 높이기 위해 저주파 영역의 AC 계수들도 같은 방법으로 사용되어질 수 있다. DCT AC 계수가 사용되어짐으로써 많은 데이터를 더 강인하게 삽입할 수 있지만 대 신 계산복잡도가 증가하는 단점이 있다.
다음으로 도 11a 및 도 11b 를 참조하여 본 발명의 원형 시프트 기법에 의한 강인한 워터마크의 삽입을 이산코사인 변환 (DCT) 영역에서 수행하는 과정을 설명하기로 한다.
도 11a 는 이산코사인 변환영역에서의 강인한 워터마크의 삽입 과정을 나타내는 블록도이다.
도 11a 의 워터마크 삽입과정은 일반적인 압축표준인 MPEG과 같은 8×8 블록단위로 진행된다.
도 11a 를 참조하면, 공간 영역에서의 원 영상 (f(i,j)) 는 DCT 부에서 8×8 블록단위로 이산 코사인 변환되며, 랜덤 시퀀스 발생부 (Random Seq. Generation) 에서는 사용자가 정의한 임의의 비밀키를 사용하여 N(0,1)의 분포를 가지는 의사 랜덤 시퀀스를 발생시킨다.
발생된 의사 랜덤 시퀀스 (r) 는 쉬프트 시퀀스부 (Shifted Sequence) 에서 워터마크 정보인 d 만큼 원형 쉬프트 되어 워터마크 시퀀스 (w) 를 발생시킨다. LSB 변경부에서 8×8 블록단위 이산코사인 변환된 계수 중 DC 또는 AC 계수의 LSB 를 워터마크 시퀀스 (w) 로 대체시킨다. 이산코사인 역변환부 (IDCT) 에서 영상 신호는 다시 이산코사인 역변환되어 워터마크 삽입된 공간영역에서의 영상 (f'(i,j)) 이 출력된다.
이와 같은 워터마크 삽입의 실시간 처리를 가능하게 해주는 방법으로 이하에서 설명하는 도 11b 의 실시예와 같이 워터마크를 삽입하는 방법이 있다.
도 11b 는 이산코사인 변환영역에서의 강인한 워터마크의 삽입 과정의 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 11b 는 도 11a 와 삽입 방법은 동일하나 변환영역에서 삽입을 하지 않고 공간영역에서 삽입을 진행한다는 것에 차이가 있다. 즉, 도 11a 에서와 같이 영상이 두 번의 이산코사인 변환 (DCT 및 IDCT) 을 거치는 것 아니라, 워터마크 시퀀스 (w) 를 이산코사인 역변환 한 후 공간영역에서 덧셈을 하여 워터마크를 삽입함으로서 실시간 워터마크의 삽입을 가능하게 하는 것이다. 앞서 설명한 도 9b 의 실시예와 같은 원리이며 주파수 변환의 연산의 선형성을 이용하였다. 공간영역에서의 이미지값을 구성할 때 해당하는 계수에 대해 8×8 픽셀값을 계산해서 구성하고 그 값을 이미지의 대응되는 픽셀에 더한다.
다음으로, 도 11c 및 도 11d 를 참조로 하여, 상기 이산코사인 변환영역에서 강인한 워터마크가 삽입된 영상에서 워터마크를 검출하는 과정을 설명하기로 한다. 도 11c 는 변환영역에서의 강인한 워터마크 검출과정을 나타내는 도이고, 도 11d 는 공간영역에서의 강인한 워터마크 검출과정을 나타내는 도이다.
도 11c 를 참조하면, 랜덤 시퀀스 발생부에서는 워터마크 삽입과정에서 사용했던 비밀키를 사용하여 {-1, 1} 로 구성된 의사 랜덤 시퀀스를 발생시킨다. 워터마크 삽입된 영상은 이산코산인 변환부에서 이산코사인 변환된 후, LSB 추출부에서 워터마크가 삽입되어 있는 계수로부터 LSB 만이 추출되어 {-1, 1}로 매핑된 시퀀스가 생성된다.
상관관계 계산부에서, 상기 비밀키를 이용하여 발생된 의사 랜덤 시퀀스와 사기 추출된 LSB 시퀀스의 상호 상관도 (Cross Correlation) 가 계산된다. 계산된 상호 상관도가 최대가 되는 지점의 인덱스 d 를 파악하여 워터마크 정보를 검출한다.
도 11d 의 실시예는 공간영역에서 상관도를 계산하여 워터마크를 검출하는 실시예에 관한 것이다.
다음으로, 도 12 를 참조로 하여 상술한 웨이블렛 변환영역 및 이산코사인 변환영역에서의 강인한 워터마킹 기법이 지니는 상호 운용성 (Interoperability) 에 대하여 설명하기로 한다. 도 12 는 본 발명에 따른 워터마킹 기법이 갖는 상호 운용성에 대하여 설명하는 도이다.
워터마킹에서 상호 운용성 특성이란 워터마크 삽입 및 추출이 공간영역에서 하거나 변환영역에서 하거나 상관없이 모두 삽입 및 추출이 가능하다는 의미인 것으로, 공간영역에서 삽입되어진 워터마크는 공간영역에서 뿐만 아니라 변환영역에서도 검출이 되고 또 그 역으로 변환영역에서 삽입되어진 워터마크가 변환영역뿐만 아니라공간영역에서도 검출이 되는 특성을 말한다.
따라서 본 발명에서 제안하는 상술한 강인한 워터마킹 알고리즘은 공간영역에서 또는 압축되는 과정의 변환영역에서 모두 강인한 워터마크를 삽입, 추출할 수 있다. 이러한 특징 때문에 도 3a 및 도 3b 에서의 압축 및 워터마크 삽입부 구성이 가능한 것이다. 도 12 에서 "Codec-Compliant Transform" 이란 해당 압축 표준에 사용되어지는 변환을 말하는 것으로, MPEG 압축인 경우에는 DCT 가 되고 JPEG2k 인 경우는 웨이블렛 변환이 된다.
이와 같은 본 발명의 워터마킹 방법의 상호 운용성은 변환방법이 무손실이라는 것에 기인합니다. 즉, 이산코사인 변환이나 웨이블렛 변환에서, 변환전의 값과 이를 변환하고 다시 역변환 한 후의 값이 양자화 에러 정도를 제외하고는 거의 같다는 것에 기인합니다.
또한, 이는 상술한 변환의 선형성에 의한 특성, 즉 워터마크 삽입 과정이나 워터마크 생성과정에서 공간영역에서의 더해지는 값들의 특성이 변환영역에서도 유지가 되도록 설계가 되었기 때문이기도 합니다. 이와 같은 특성은 상술한 도 9a 내지 도 9d 및 도 11a 내지 11d 에서 구체적으로 설명한 바와 같다.
지금까지, 본 발명의 특징적인 강인한 워터마킹 기법에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 본 발명의 특징적인 연약한 워터마킹 기법에 대하여 설명하기로 하며, 또한 이를 이산 코사인 변환 영역에서의 워터마킹 기법과 웨이블렛 변환영역에서의 워터마킹 기법으로 나누어 설명하기로 한다.
2. 연약한 워터마킹 기법
연약한 워터마크는 영상의 위변조 여부와 위변조된 영역을 찾기 위해서 사용된다. 강인한 워터마크는 원영상의 일부분을 위변조한 경우에도 워터마크 정보가 추출될 수 있기 때문에, 강인한 워터마크의 삽입, 검출만으로는 정확한 위변조 영역을 찾아내는 것은 불가능하다. 따라서 본 발명의 목적인 촬영되어 A/D 변환된 디지털 영상의 위변조의 방지 및 위변조 영역 검출을 위해서는 반드시 연약한 워터마크가 사용되어져야 한다. 본 발명에서 제안되는 연약한 워터마킹 기법은 압축과정과 동시에 워터마크를 삽입하는 방법이며, 영상의 압축과정에서 압축된 비트 스트림에 연약한 워터마크를 삽입하는 방법이다.
(1) 이산코사인 변환영역에서의 연약한 워터마킹 기법
삽입되는 비트 스트림의 위치를 알기 위해서 대표적인 동영상 압축포맷인 MPEG-2 구조를 도 13 에 도시하였다. 도 13 은 MPEG 구조를 설명하는 도면이다.
도 13 을 참조하면, 압축 비트스트림층 (Sequence Layer) 는 다수의 GOP (Group Of Picture) 와 이에 따르는 헤더로 구성된다. 그 하위층으로 GOP 층이 있으며, GOP 층은 다수의 픽쳐들로 이루어져 있다. 픽쳐들 중 I 는 Intra-Picture 를, B 는 Bidirectionally predictive-Picture 를, P 는 Predictive-Picture 를 각각 의미한다.
그 하위층은 픽쳐층으로 각각의 픽쳐는 다수의 슬라이스 (Slice) 로 구성된다. 그 하위층인 각 슬라이스층은 다수의 매크로블록 (Macro Block : MB) 로 이루어져 있다. 각 매크로블록층은 4 개의 블록층으로 이루어져 있고, 각각의 블록에는 8×8 픽셀에 해당하는 영상신호를 압축한 데이터가 저장되어있다.
본 발명에서는 연약한 워터마크를 매크로블록 (MB) 단위로 삽입하고 추출한다. 이와 같이 본 발명에서는 워터마크를 MPEG 압축과정에서 사용하는 매크로블록 단위로 삽입처리하기 때문에 워터마크의 삽입이 압축과정 중 압축과 동시에 이루어지는 것이 가능한 것이다 (도 3a 및 3b 참조). 이와같이 매크로블록 단위로 워터마크를 삽입함에 따라 따라 위변조 영역을 검출할 수 있는 최소 단위는 16×16 픽셀의 영상구간이다.
도 14 를 참조로 하여, MPEG 압축을 수행하는 과정에서 양자화된 DCT계수를 이용하여 워터마크를 삽입하는 과정을 설명한다. 도 14 는 MPEG 압축과정에서 압축과 동시에 연약한 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 블록도이다. 즉, 앞서의 도 3a 및 도 3b 의 압축 및 워터마크 삽입부에서 압축과 동시에 연약한 워터마크를 삽입하는 것에 관한 것이다.
움직임 보상 예측기 (Motion compensated Predictor : MC) 와 움직임 추정기 (Motion Estimation : ME) 를 이용하여 움직임 벡터들이 구해진다.
DCT 부는 입력되는 영상에 대해서 이산코사인 변환 (DCT) 을 수행한다. 양자화부 (Q) 는 양자화 (Quantization) 과정을 수행하는 부분이고, 역양자화부 (Q-1) 와 이산코사인 역변환부 (IDCT) 는 모두 움직임 벡터를 생성하기 위해서 사용되는 부분이다.
본 발명에서는 MPEG 압축을 수행하는 과정에서 워터마크를 삽입하는 것으로 이와 같은 압축 수행과정과 동시에 워터마크를 삽입하는 것이 가능한 것은 본 발명에서는 주파수 변환후의 양자화된 계수를 사용하여 워터마크를 삽입하기 때문이다.
구체적으로, 연약한 워터마크의 삽입을 위하여 양자화부 (Q) 에서 양자화된 DCT 계수를 2 부분으로 분할한다. 즉, 양자화된 DCT 계수를 특징 (Signature) 을 추출하는 부분인 특징 추출영역의 DCT 계수와 워터마크 정보를 삽입하는 부분인 워터마크 삽입영역의 DCT 계수로 분할한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 특징 (Signature) 을 추출하기 위한 방법으로 해쉬함수 (hash function) 를 사용한다. 해쉬 함수로는 MD4, MD5 등의 어떠한 해쉬함수를 사용하여도 무방하나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 MD5 (Message Digest 5) 를 사용하였다.
특징추출 영역의 양자화된 DCT 계수를 이용하여 특징을 추출하고, 추출된 특징과 사용자 정보 (예를들어, 업체 고유번호, 제품 고유번호 등) 를 조합하여 워터마크 정보를 구성한다. 구성된 워터마크 정보를 다시 워터마크 삽입영역의 양자화된 DCT 계수에 삽입한다. 여기에서, 특징 추출영역과 워터마크 삽입영역을 선택하는 방법은 임의적으로 할 수 있다.
가변 길이 코딩 (Variable Length Coding : VLC) 은 입력되는 데이터를 무손실 압축하는 방식으로, 보통 빈도수가 높은 입력 데이터에 대해서는 길이가 짧은 코드를 할당하고 빈도수가 낮은 입력 데이터에 대해서는 긴 코드를 할당하여, 전체적으로 최소한의 코드로 입력 데이터를 압축하는 방식이다.
버퍼는 현재 프레임 및 이전 프레임의 데이터를 임시 보관하는 장소로서, 연속되는 프레임간의 필요없는 부분 (Redundancy) 을 제거하여 압축의 효율성을 높이기 위함이다. 이와 같은 과정을 거쳐 연약한 워터마크가 삽입된 압축 MPEG 비트 스트림이 출력된다.
본 발명에서는 워터마크의 삽입을 (1) 매크로 블록 단위로 하거나, 또는 (2) 슬라이스 단위로 하게된다. 이하에서는 이를 나누어 설명하기로 한다.
먼저 매크로 블록 단위의 워터마크 삽입에 대하여 설명한다. 각 매크로블록(MB)은 16×16의 크기로 8×8 DCT 블록 4 개가 모여 구성된다. 각각의 DCT 블록은 위에서 설명된 바와 같이 특징 추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할한다.
도 15 는 DCT 블록의 지그재그 스캔을 나타낸 도이다. 본 발명의 일실시예에서는 도 15 의 지그재그 스캔에서의 DCT 의 AC 계수 6 ~ 20 번까지의 계수를 워터마크 삽입영역으로 설정하고, 나머지 계수들을 특징 추출영역으로 설정한다. 물론, 이는 설명을 위한 하나의 예에 불과하고, 다른 임의의 영역을 특징추출영역과 워터마크 삽입영역으로 설정할 수 있음은 당업자에 있어 자명하다.
이하에서는 도 16a 와 도 16b 를 참조로 하여 매크로블록 단위로 워터마크를 삽입하는 방법에 대하여 설명한다. 도 16a 는 매크로블록 단위로 워터마크를 삽입하는 과정을 도식적으로 나타내는 도이고, 도 16b 는 매크로블록 단위로 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 16a 및 도 16b 를 참조하면, 먼저 매 픽쳐 중에서 i 번째 매크로블록 (MB) 의 양자화된 DCT 계수 데이터를 입력 받는다 (S600). 입력된 매크로블록의 각 8×8 DCT 블록마다 이를 특징 추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할한다 (S610).
특징 추출영역의 양자화된 DCT 계수와 사용자 정보를 조합하여 해쉬함수의 입력값으로 취한다 (S620). 해쉬함수의 출력값인 해쉬값이 워터마크 정보로서 생성, 출력되며 (S630), 동일한 i 번째 매크로블록의 워터마크 삽입영역의 DCT 계수의 LSB (Least Significant Bit) 에 해쉬값을 삽입한다 (S640). 다음으로, 워터마크 삽입과정은 i+1 번째 매크로블록으로 이동한다 (S650).
다음으로, 도 17a 와 도 17b 를 참조로 하여 슬라이스 단위로 워터마크를 삽입하는 방법에 대하여 설명한다. 도 17a 는 슬라이스 단위로 워터마크를 삽입하는 과정을 도식적으로 나타내는 도이고, 도 17b 는 슬라이스 단위로 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 13 에서 도시한 바와 같이 하나의 픽쳐는 다수의 슬라이스로 구성되어 있다. MPEG 압축의 경우 압축코덱에서 실시간 구현을 위해서 대부분 압축과정을 매크로블록 단위로 처리한다. 위에서 설명한 바와 같이, 하나의 슬라이스에는 다수의 매크로블록이 있다. 따라서 실시간 워터마크의 삽입을 위해서는 이전 슬라이스의 매크로블록들의 특징값들을 추출해서 해쉬값을 구한 후, 다음 슬라이스의 매크로블록들로 그 해쉬값을 워터마크로서 삽입하는 것이 필요하다.
도 17a 및 도 17b 를 참조하면, 먼저 i 번째 슬라이스 내의 모든 매크로블록의 양자화된 DCT 계수 데이터가 입력된다 (S700). 입력된 매크로블록의 각 8×8 DCT 블록마다 이를 특징 추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할한다 (S710).
i 번째 슬라이스 내의 매크로블록의 특징 추출영역의 양자화된 DCT 계수와 사용자 정보를 조합하여 해쉬함수의 입력값으로 취한다 (S720). 해쉬함수의 출력값인 해쉬값이 워터마크 정보로서 생성, 출력된다 (S730).
이렇게 해서 출력된 해쉬값을 i+1 번째의 슬라이스 내의 각 매크로블록의 워 터마크 삽입영역의 양자화된 DCT 계수의 LSB 에 삽입한다 (S740). 이와 같은 과정을 픽쳐가 끝날 때까지 계속한다 (S750 및 S760). 픽쳐의 맨 마지막 슬라이스의 매크로블록의 특징 추출영역의 특징값은 그 다음 픽쳐의 첫 번째 슬라이스의 매크로 블록의 워터마크 삽입영역에 워터마크로서 삽입한다. 이렇게 함으로써 픽쳐가 누락되거나 추간되는 변형이 있었는지의 여부를 알 수 있다.
다음으로, 도 18a 및 도 18b 를 참조로 하여 상술한 매크로블록 단위로 연약한 워터마크가 삽입된 영상에서 워터마크를 검출하는 과정을 설명하기로 한다. 도 18a 는 MPEG 압축된 비트스트림에서 연약한 워터마크를 검출하는 과정을 나타내는 블록도이고, 도 18b 는 MPEG 압축된 비트스트림에서 연약한 워터마크를 검출하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 18a 를 참조로 하면, 입력되는 MPEG 압축 비트 스트림은 버퍼에 임시 저장되고, 이로부터 가변길이 디코딩 (Variable Length Decoding : VLD) 이 수행되어 양자화된 DCT 계수가 출력된다. 여기에서 출력된 양자화된 DCT 계수들을 이용하여 워터마크의 추출 및 추출된 워터마크를 이용한 영상 인증이 수행되며, 워터마크의 구체적인 검출과정에 대해서는 도 18b 를 참조로 하여 설명한다.
도 18b 를 참조로 하면, 우선 위변조 여부를 검지하고자 하는 영역의 매크로블록의 양자화된 DCT 계수가 입력된다 (S800). 입력된 매크로블록의 양자화된 DCT 계수 중에서 워터마크 삽입시에 설정된 영역과 동일한 특징 추출영역의 양자화된 DCT 계수들을 입력 받고, 이를 사용자 정보와 조합하여 해쉬함수의 입력으로 취한다 (S810).
해쉬함수의 출력값 (h1) 을 구하고 (S820), 매크로블록의 양자화된 DCT 계수 중에서 워터마크 삽입영역의 양자화된 DCT 계수의 LSB 값을 이용하여 삽입되어 있던 워터마크 정보 (w1) 를 추출한다 (S830).
해쉬함수의 출력값 (h1) 과 추출된 워터마크 정보 (w1) 가 동일한 지가 판단되고 (S840), 만약 동일하다면 위변조가 안된 영상으로 표시되고, 동일하지 않다면 위변조된 영상으로 표시된다. 위와 같은 과정은 상기 연약한 워터마크의 삽입이 매크로블록 단위로 된 경우에는 매크로 블록 단위로 영상의 위변조가 판정되고, 연약한 워터마크의 삽입이 슬라이스 단위로 된 경우는 슬라이스 단위로 영상의 위변조가 판정된다.
본 발명에 따른 이산코사인 변환 영역에서의 연약한 워터마킹 기법은 상술한 MPEG 압축 시스템 뿐 아니라 후술하는 JPEG 압축 시스템에도 적용될 수 있다. 도 19a 는 JPEG 압축과정에서 압축과 동시에 연약한 워터마크를 삽입하는 과정 및 워터마크를 검출하는 과정을 나타내는 블록도이고, 도 19b 는 JPEG 압축과정에서 워터마크를 삽입하는 과정을 도식적으로 나타내는 도이다.
도 19a 를 참조하면 8×8 픽셀 단위의 이미지블록이 이산코사인변환 (DCT) 되고, 이를 양자화해서 압축을 수행한다. 양자화된 DCT 계수는 특징 추출영역의 DCT 계수와 워터마크 삽입영역의 DCT 계수로 나뉘고, 특징추출 영역의 양자화된 DCT 계수를 이용하여 특징을 추출하고, 추출된 특징과 사용자 정보를 조합하여 워터마크 정보를 구성한다. 구성된 워터마크 정보는 다시 워터마크 삽입영역의 양자화된 DCT 계수에 삽입되고, 워터마크 삽입된 이미지블록은 엔트로피 코딩되어 JPEG 압축 및 연약한 워터마크 삽입과정은 종료한다. 워터마크의 검출은 상기 과정의 역과정으로 설명은 생략하기로 한다.
JPEG 의 경우 보통 8×8 픽셀 단위로 DCT 하여 양자화 및 압축을 수행하게 되고, 상기 워터마크 삽입에서 하나의 8×8 픽셀 단위로 해쉬함수를 동작시켜 해쉬값을 추출한 후 해당 8×8 DCT 계수에 워터마크를 삽입할 수도 있다. 그러나, 이와 같이 하는 경우 워터마크의 삽입공간이 매우 작은 문제가 있고, 또한 연산시간을 단축 시키기 위해 본 발명에서는 16×16픽셀 (즉 4 개의 DCT 블록) 을 하나의 워터마킹 단위로 설정하여 워터마크를 삽입 및 추출하였다.
도 19b 를 참조하면, 휘도를 나타내는 Y는 4 개의 DCT블록 (8×8픽셀) 로 구성되고 색상을 나타내는 정보인 Cb, Cr은 각각 1 개의 DCT 블록으로 구성되는 예를 보여준다. 이는 디지털 영상 포맷의 일종으로 4:2:0 형식으로 표현한 것이다.
이러한 예에서 워터마크 정보인 해쉬값을 구하고 이를 워터마크로서 삽입하며, 워터마크 정보가 삽입된 영상으로부터 워터마크를 추출한다. 하기의 표 2 는 Q (Quality factor) 값을 각각 50, 75, 90으로 했을 때, 압축된 영상을 원영상이라하고, 워터마크를 삽입한 후 압축한 영상을 잡음이 첨가된 영상이라고 했을 때의 PSNR 을 구한 값이다. 거의 대부분의 영상이 40dB 을 넘으며, 따라서 연약한 워터마크를 삽입한 것에 따른 영상훼손은 거의 눈으로 확인할 수 없음을 알 수 있다.
<표 2>
Q = 50 Q = 75 Q = 90
Lenna 40.28 48.95 59.71
Koala 41.05 49.51 59.62
Sky2 52.41 54.50 58.81
internet1 38.54 49.12 59.39
internet9 38.68 49.17 59.61
internet10 43.40 51.25 60.23
(2) 웨이블렛 변환영역에서의 연약한 워터마킹 기법
위에서는 이산코사인 변환영역에서 연약한 워터마크를 압축과정과 동시에 삽입하는 방법에 대하여 설명하였으며, 이하에서는 본 발명에 따라 웨이블렛 변환영역에서 연약한 워터마크를 압축과정과 동시에 삽입하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 20 은 웨이블렛 변환을 이용해서 영상을 변환 하였을 때의 영상과 변환평면의 계수들의 예를 도시한 도이다. 본 실시예에서는 2 단계 웨이브렛 변환을 수행하였다. 도 20(a) 는 원영상을 나타내고, 도 20(b) 는 웨이블렛 변환평면의 계수값들을 나타내며, 도 20(c) 는 웨이블렛 변환의 대역분할 과정을 나타낸다.
도 20(c) 를 참조하면, 우측하단 HH1 이 가장 고주파수 성분을 나타내고, HL1, LH1 은 각각 열방향과 행방향으로 고주파 성분을 나타내는 대역이다. LL2, HL2, LH2, HH2는 LL1 에 해당하는 대역을 다시 2 차원 웨이블렛 변환한 대역이다.
도 20(b) 를 참조하면, 이 중에서 LL2 가 가장 저주파수 성분을 나타내고 있으며, 웨이블렛 변환은 이산코사인 변환보다 저주파수 영역에 신호성분이 더 많이 집중되어 있다. 따라서, 이 저주파수 영역만을 갖고 다시 역웨이블렛 변환을 통한 영상의 복원을 하더라도 원 영상에 가까운 영상을 얻을 수 있다. 이러한 성질을 이용하여 웨이블렛 변환을 압축에 이용한다.
도 20(a) 와 도 20(b) 의 좌측 상단에 도시된 박스들은 웨이블렛 변환을 하였을 때 원 영상에 해당하는 웨이블렛 계수들의 분포를 도시하고 있다. 도 20(a) 의 8×8 픽셀의 영상영역을 웨이블렛 변환 하였을 때 웨이블렛 변환평면에서의 해당 픽셀에 영향을 주는 웨이브렛 계수들을 도 29(b) 에 도시하였다. 이러한 계수들의 특징을 이용하여 연약한 워터마크를 웨이블렛 변환평면의 계수들에 삽입하게된다.
웨이블렛 압축을 수행하는 과정에서 양자화된 웨이블렛 계수를 이용하여 워터마크를 삽입하는 과정을 도 21a 및 도 21b 를 참조로 하여 설명한다. 도 21a 는 웨이블렛 압축과정에서 압축과 동시에 연약한 워터마크를 삽입하는 과정을 나타내는 블록도이다. 즉, 앞서의 도 3a 및 도 3b 의 압축 및 워터마크 삽입부에서 압축과 동시에 연약한 워터마크를 삽입하는 것에 관한 것이다.
도 21a 를 참조하면, 먼저 영상이 입력되고, 영상의 전체 프레임이 입력되면 웨이블렛 변환이 수행된다. 웨이블렛 변환을 이용하면 영상신호의 에너지를 저주파수의 웨이블렛 계수로 압축시키는 효과가 있다. 여기에서 필요없는 부분을 잘라버리기 위해서 양자화를 실시한다. 양자화 과정을 통하여 영상의 인식에 영향을 덜 미치는 고주파수 영역의 웨이블렛 계수들은 영으로 만든다. 즉, 손실 압축이 수행되는 것이다.
본 발명의 연약한 워터마크의 삽입은 양자화된 웨이블렛 계수를 이용하여 수 행된다. 양자화된 계수들은 특징추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할되며, 여기에서 분할되는 단위는 임의적으로 될 수 있다. 일반적으로, 영역이 클수록 연산되는 해쉬함수의 빈도가 줄기 때문에 워터마킹 속도가 빨라지고, 영역이 작을수록 연산되는 해쉬함수의 빈도가 높아져서 워터마킹에 따른 부하가 증가된다.
도 21b 는 웨이블렛 변환영역에서 연약한 워터마크를 삽입하는 과정을 도식적으로 설명하는 도이며, 워터마크의 삽입 및 추출 단위를 8×8 로 한 경우를 예로 든 것이다.
해쉬함수의 입력값에 이용되는 특징추출영역의 웨이블렛 계수로서 HH1 (16개), LH1 (16개), HL1 (16개), HH2 (4개) 의 총 52 개의 웨이블렛 계수를 취한다. 상기 특징추출영역의 웨이블렛 계수에 제조업체 고유번호, 제품 고유번호와 같은 사용자 정보를 조합한 데이터를 해쉬함수 입력으로 한다. 이때 출력되는 해쉬값은 고유한 해쉬값이 되는 데, 해쉬함수의 특징상 임의의 입력값이 있을 때 같은 출력값을 갖는 경우는 매우 드물다.
따라서, 위와같이 구한 해쉬값을 워터마크 삽입영역인 LL2 (4개), HL2 (4개), LH2 (4개) 의 총 12개의 웨이블렛 계수에 연약한 워터마크로서 삽입한다. 워터마크를 삽입하는 방식은 위 12개의 LSB 를 영으로 만들고 대신에 위에서 구한 해쉬값 비트를 삽입하는 것이다.
해쉬값이 128 비트 출력을 내는 MD5 를 사용한 경우에는 128 비트 중에 랜덤하게 비트를 선택하여 삽입할 수 있다. 본 예에서는 16바이트 (128비트) 중의 앞에서 부터의 12 바이트를 선택하고 각 바이트의 MSB (Most Significant Bit) 를 워터마크 삽입정보로 하였다.
도 22 는 웨이블렛 변환영역에서 연약한 워터마크가 삽입된 영상에서 워터마크를 검출하는 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 22 를 참조하면, 먼저 위변조를 검지하고자 하는 영역의 양자화된 웨이블렛 계수의 데이터가 입력된다 (S900). 다음으로, 워터마크 삽입시 설정된 특징추출영역의 양자화된 웨이블렛 계수와 사용자 정보를 조합하여 해쉬함수의 입력으로 취한다 (S910). 여기에서의 해쉬함수는 위의 워터마크 삽입시에 사용한 해쉬함수와 동일한 것이고, 해쉬값 (h1) 이 구해진다 (S920).
위변조를 검지하고자 하는 영역의 웨이블렛 계수 중에서 워터마크 삽입영역의 양자화된 웨이블렛 계수의 LSB 를 이용하여 워터마크값 (w1) 을 추출한다 (S930). 상기 해쉬값 (h1) 과 워터마크값 (w1) 이 일치하는 지를 판정하여 (940), 2 개의 값이 일치하면 영상의 위변조가 이루어지지 않은 영상으로 판정하고 (S950), 2 개의 값이 일치하지 않는다면 위변조가 이루어진 영상으로 판정한다 (S960).
위에서 설명한 연약한 워터마크 삽입 방법에서 워터마크 삽입을 위한 계수는 영이 아닌 계수를 선택하여 삽입했다. 또한 워터마크 추출시 워터마크가 삽입된 계수만을 이용하여 워터마크를 추출하도록 하기 위해서 워터마크 삽입 후에 계수의 값이 영이 되지 않게 했다. 즉, 워터마크가 삽입될 계수의 값이 (00000001)b 이고 삽입할 워터마크 값이 0 인경우 계수 (00000001)b 을 0으로 만드는 대신에 이를 (00000010)b 로 만들었다.
본 발명은 위 실시예들을 참조로하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 이는 단지 예시를 위하여 사용된 것이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에서 정의된 것과 같이 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형을 할 수 있음이 이해되어야 할 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 실시간으로 촬영되어 저장되는 영상의 인증 및 위변조의 방지가 가능하게 하는 시스템을 제공하는 효과가 있다.
또한, 압축을 수행하는 과정과 동시에 강인한 워터마크 및/또는 연약한 워터마크를 삽입할 수 있고, 워터마크로서 삽입되는 정보량을 늘리고, 또한 워터마크의 삽입 속도를 실시간에 가깝게 높이는 효과가 있다.
아울러, 공간영역과 변환영역에서의 워터마크의 삽입 및 검출의 상호운용성을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (28)

  1. 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    원래의 의사 랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트 (circular shift) 시킨 랜덤 시퀀스를 워터마크로서 영상에 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터마크는 강인한 워터마크인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항의 워터마크 삽입방법에 따라 실시간으로 촬영되는 영상에 워터마크를 삽입하여 저장하는 디지털 비디오 저장장치.
  5. 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    의사랜덤 시퀀스를 생성하는 단계;
    상기 의사랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트시켜 워터마크 시퀀스를 생 성하는 단계;
    상기 워터마크 시퀀스에 워터마크 삽입강도를 나타내는 계수를 승산하는 단계;
    상기 승산된 워터마크 시퀀스를 웨이블렛 변환된 원 영상과 합산시켜 주파수 변환영역에서의 워터마크가 삽입된 영상을 생성하는 단계; 및
    상기 워터마크가 삽입된 영상을 웨이블렛 역변환하여 공간영역에서의 워터마크가 삽입된 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  6. 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    의사랜덤 시퀀스를 생성하는 단계;
    상기 의사랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트시켜 워터마크 시퀀스를 생성하는 단계;
    상기 워터마크 시퀀스를 웨이블렛 역변환하는 단계;
    상기 웨이블렛 역변환된 워터마크 시퀀스에 워터마크 삽입강도를 나타내는 계수를 승산하는 단계; 및
    상기 승산된 워터마크 시퀀스를 공간영역의 원 영상과 합산시켜 워터마크가 삽입된 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 의사랜덤 시퀀스는 {-1, 1} 로 매핑되는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 워터마크는 강인한 워터마크인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  9. 제 5 항 또는 제 6 항의 워터마크 삽입방법에 따라 실시간으로 촬영되는 영상에 워터마크를 삽입하여 저장하는 디지털 비디오 저장장치.
  10. 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    의사랜덤 시퀀스를 생성하는 단계;
    상기 의사랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트시켜 워터마크 시퀀스를 생성하는 단계;
    원 영상을 이산 코사인 변환시키는 단계;
    상기 원 영상의 이산코사인 변환된 계수 중 DC 또는 AC 계수의 LSB 를 상기 워터마크 시퀀스로 대체하는 단계; 및
    상기 LSB 가 대체된 영상을 이산 코사인 역변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  11. 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    의사랜덤 시퀀스를 생성하는 단계;
    상기 의사랜덤 시퀀스를 거리 d 만큼 원형 쉬프트시켜 워터마크 시퀀스를 생성하는 단계;
    상기 워터마크 시퀀스를 이산코사인 역변환하는 단계; 및
    상기 이산코사인 변환된 워터마크 시퀀스를 원 영상과 합산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 워터마크는 강인한 워터마크인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항의 워터마크 삽입방법에 따라 실시간으로 촬영되는 영상에 워터마크를 삽입하여 저장하는 디지털 비디오 저장장치.
  14. 삭제
  15. 영상의 MPEG 압축을 수행하는 과정과 동시에 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    상기 영상의 해당 매크로 블록의 양자화된 DCT 계수를 입력받는 단계;
    상기 해당 매크로 블록의 각 DCT 블록을 특징 추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할하는 단계;
    상기 특징추출영역의 양자화된 DCT 계수와 사용자 정보를 조합하는 단계;
    상기 조합된 값을 해쉬함수의 입력값으로하여 해쉬값을 구하는 단계; 및
    상기 워터마크 삽입영역의 양자화된 DCT 계수의 LSB 에 상기 해쉬값을 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 매크로 블록은 16×16 의 크기이고, 상기 매크로 블록은 8×8 의 크기의 4 개의 DCT 블록으로 구성되는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  17. 영상의 MPEG 압축을 수행하는 과정과 동시에 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    상기 영상의 해당 슬라이스 내의 모든 매크로 블록의 양자화된 DCT 계수를 입력받는 단계;
    상기 매크로 블록 각각의 DCT 블록을 특징 추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할하는 단계;
    상기 특징추출영역의 양자화된 DCT 계수와 사용자 정보를 조합하는 단계;
    상기 조합된 값을 해쉬함수의 입력값으로하여 해쉬값을 구하는 단계; 및
    상기 해당 슬라이스 다음번 슬라이스의 워터마크 삽입영역의 양자화된 DCT 계수의 LSB 에 상기 해쉬값을 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사용자정보는 제조업체의 고유번호 및 제품 고유번호 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  19. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 워터마크는 연약한 워터마크인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  20. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 워터마크 삽입방법에 따라 실시간으로 촬영되는 영상에 워터마크를 삽입하여 저장하는 디지털 비디오 저장장치.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 영상의 웨이블렛 압축을 수행하는 과정과 동시에 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    웨이블렛 압축 과정 중의 양자화된 웨이블렛 계수들을 특징추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할하는 단계;
    상기 특징추출영역의 양자화된 DCT 웨이블렛 계수와 사용자 정보를 조합하는 단계;
    상기 조합된 값을 해쉬함수의 입력값으로하여 해쉬값을 구하는 단계; 및
    상기 워터마크 삽입영역의 LSB 를 영으로 만들고, 이에 상기 해쉬값 비트를 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 웨이블렛 압축의 웨이블렛 변환은 2 단계 웨이블렛 변환이고,
    상기 워터마크 삽입영역으로 LL2, HL2, 및 LH2 영역이 사용되는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 워터마크는 연약한 워터마크인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  26. 제 23 항 또는 제 24 항의 워터마크 삽입방법에 따라 실시간으로 촬영되는 영상에 워터마크를 삽입하여 저장하는 디지털 비디오 저장장치.
  27. 영상의 JPEG 압축을 수행하는 과정과 동시에 영상에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    상기 영상의 해당 매크로 블록의 양자화된 DCT 계수를 입력받는 단계;
    상기 해당 매크로 블록의 각 DCT 블록을 특징 추출영역과 워터마크 삽입영역으로 분할하는 단계;
    상기 특징추출영역의 양자화된 DCT 계수와 사용자 정보를 조합하는 단계;
    상기 조합된 값을 해쉬함수의 입력값으로하여 해쉬값을 구하는 단계; 및
    상기 워터마크 삽입영역의 양자화된 DCT 계수의 LSB 에 상기 해쉬값을 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
  28. 제 27 항의 워터마크 삽입방법에 따라 실시간으로 촬영되는 영상에 워터마크를 삽입하여 저장하는 디지털 비디오 저장장치.
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