KR20020088086A - 압축된 정보 신호를 워터마킹하는 방법 - Google Patents

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KR20020088086A
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란겔라게리트씨.
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

MPEG 압축된 비디오 스트림에서 워터마크를 삽입하기 위한 방법 및 장치가 기재되어 있다. 워터마크(공간 잡음 패턴)는 가장 작은 양자화된 DCT 계수들을 선택적으로 버림(discard)으로써 삽입된다. 버려진 계수들은 남은 계수들의 런(run)들에 이어서 병합된다(merge). 계수가 버려지는지 또는 그렇지 않은 지의 결정은 미리 계산된 워터마크 버퍼 및 8×8 DCT 블록 당 이미 버려진 계수들의 수에 기초하여 행해진다. 이 방법에서의 이점들로는 i) 비율 제어 시스템이 매우 간단하다는 것이며, ⅱ) 편차 보상(drift compensation)이 필요하지 않는다는 것이다. 알고리즘은 메모리 요구 조건들 및 계산상의 복잡성에 대해 매우 효과적인 방식으로 구현될 수 있다.

Description

압축된 정보 신호를 워터마킹하는 방법{Watermarking a compressed information signal}
압축된 비디오 신호에 워터마크를 삽입하는 공지된 방법은 ICASSP, Vol.4, 1997, pp.2621-2624에 공표된, F. Hartung 및 B. Girod: "Digital Watermarking of MPEG-2 Coded Video in the Bitstream Domain"에 기재되어 있다. 워터마크는 원래의 신호 도메인에서 의사 잡음 시퀀스(pseudo-noise sequence)이다. 워터마크는 삽입하기 전에 이산 코사인 변환된다. 압축된 신호의 0이 아닌 DCT 계수들은 거기에 변환된 워터마크 시퀀스의 대응하는 계수들을 부가함으로써 변형된다.
종래 기술의 워터마크 삽입 스킴(watermark embedding scheme)은 몇 가지 결점들을 갖는다. MPEG2와 같은, 움직임이 보상된 코딩(motion-compensated coding)에 적용될 때, 변환 계수들의 변형(modification)은 시간 내에 전파할 수 있다. 이전 프레임들로부터 워터마크들은 현재 프레임 내에 축적할 수 있으며 시각적인왜곡이 생긴다. 이를 피하기 위해, 종래 기술의 워터마크 삽입기(watermark embedder)는 편차 보상(drift compensation)을 필요로 한다. 게다가, 이미 압축된 비트스트림에서 DCT 계수들의 변형은 비트율에 영향을 미친다. 그러므로 종래 기술의 삽입기는 워터마크된 계수의 전송이 비트율을 증가시키는지 여부를 체크하고, 그런 경우 원래의 계수를 전송한다.
본 발명은 소정의 제 1 값을 갖는 제 1 신호 샘플들과 상이한 값을 갖는 다른 신호 샘플들을 포함하도록 압축된 정보 신호 내에 워터마크를 삽입하는 방법에 관한 것이다. 이러한 압축된 정보 신호의 전형적인 예는 비디오 영상들이 변환 계수들에 의해 나타나는 MPEG2 비디오 신호이며 그 중 상당수는 제 1 값 0을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2a 내지 도 2c 및 도 3a 내지 도 3g는 도 1에 도시된 장치의 동작을 도시하는 도면.
상기된 결점들을 완화하는 워터마크를 삽입하는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
이 목적을 위해, 본 발명에 따른 방법은 변형된 신호 샘플이 상기 변형으로 인해 제 1 값을 취하는 경우 변형 단계가 신호 샘플들에 적용되는 것을 특징으로 한다. 그것에 의해 제 1 값을 갖는 신호 샘플들의 수가 증가하고 일반적으로 낮은 비트율에 이르는 것이 달성된다. 비트들의 수에 대한 샘플 변형의 영향을 사실상 테스트할 필요는 없다.
바람직하게, 변형될 자격이 있는 신호 샘플들은 가장 작은 0이 아닌 값(즉, MPEG 비디오 계수들이 +1 또는 -1로서 양자화되는)을 갖는 샘플들이다. 이 계수들이 잡음형 정보를 나타내고 변화들이 매우 작을 때(±양자화 스텝), 편차 보상은 필요하지 않으며, 삽입된 워터마크는 지각할 수 없지만, 그럼에도 불구하고 검출할 수 있다.
본 발명이 비디오 신호들에도 특정 압축 표준에도 한정되지 않는다 하더라도, 본 발명은 MPEG2 표준에 따라 압축된 비디오 신호에서 워터마크를 삽입하기 위한 장치에 관하여 이제 기술되어질 것이다. 압축된 신호가 삽입된 워터마크를 이미 가지고 있을 수 있음에 유념해야 한다. 그 경우에, 부가적인 워터마크가 신호에 삽입된다. 이미 삽입된 신호를 워터마킹하는 이러한 처리는 보통 "리마킹(remarking)"이라고 불린다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하는 장치의 개략도를 도시한다. 그 장치는 파싱 유닛(parsing unit)(110), VLC 처리 유닛(120), 출력단(130) 및 워터마크 버퍼(140)를 포함한다. 그 동작은 도 2a 내지 도 2c 및 도 3a 내지 도 3g를 참조하여 기술되어질 것이다.
장치는 비디오 영상들의 시퀀스를 나타내는 MPEG 기본 비디오 스트림(MPin)을 수신한다. 이러한 하나의 비디오 영상은 예로서 도 2a에 도시된다. 비디오 영상들은 8×8 화소들의 블록들로 분할되며, 그 중 하나는 도 2a에서 201로 표기된다. 화소 블록들은 8×8 DCT(이산 코산인 변환) 계수들의 각 블록들로 표시된다. 이러한 DCT 블록의 상부 좌측 변환 계수는 대응하는 화소 블록의 평균 휘도를 나타내며, 일반적으로 DC 계수로서 불린다. 다른 계수들은 공간 주파수들을 나타내며,AC 계수들로서 불린다. 상부 좌측 AC 계수들은 영상의 조잡한 세부들(coarse details)을 나타내며, 하부 우측 계수들은 영상의 미세한 세부들(fine details)을 나타낸다. AC 계수들은 양자화되었다. 이 양자화 처리는 DCT 블록의 많은 AC 계수들로 하여금 0 값을 취하도록 한다. 도 3a는 도 2a에서 화소 블록(201)에 대응하는 DCT 블록(300)의 전형적인 예를 도시한다.
DCT 블록의 계수들은 지그재그 패턴(도 3a에서 301)에 따라 순차적으로 스캔되고 가변 길이 인코딩되었다. 가변 길이 인코딩 스킴은 허프만 코딩(Huffman coding)과 런-길이 코딩(run-length coding)의 조합이다. 보다 구체적으로, 영 AC 계수들 및 순차적인 영이 아닌 AC 계수의 각 런은 단일의 가변 길이 코드 워드로 인코딩되는 런 레벨 쌍(run level pair)을 구성한다. 도 3b는 DCT 블록(300)의 런 레벨 쌍들을 도시한다. EOB(End-Of-Block) 코드는 DCT 블록에서 다른 영이 아닌 계수들의 부재를 표시한다. 도 3c는 장치에 의해 수신된 바와 같이 DCT 블록(300)을 나타내는 일련의 가변 길이 코드 워드들을 도시한다.
MPEG2 기본 비디오 스트림에서, 4개의 이러한 DCT 휘도 블록들 및 2개의 DCT 색차(chrominance) 블록들은 매크로 블록을 구성하며, 다수의 매크로 블록들은 슬라이스를 구성하며, 다수의 슬라이스들은 화상(필드 또는 프레임)을 구성하며, 일련의 화상들은 비디오 시퀀스를 구성한다. 몇몇 화상들은 자동적으로 인코딩되며(I-화상들), 다른 화상들은 움직임 보상으로 예측 인코딩된다(P- 및 B-화상들). 후자의 경우에, DCT 계수들은 화소들 그 자체보다는 오히려 현재 화상의 화소들과 기준 화상의 화소들간의 차이들을 나타낸다.
MPEG2 기본 비디오 스트림(MPin)은 파싱 유닛(110)(도 1)에 적용된다. 이 파싱 유닛은 MPEG 비트스트림을 부분적으로 해석하며, 스트림을 휘도 DCT 계수들(하기에서: VLCs) 및 다른 MPEG 코드들을 나타내는 가변 길이 코드 워드들로 분할한다. 유닛은 또한 예를 들어 블록들의 좌표들, 코딩 타입(필드 또는 프레임), 스캔 타입(지그재그 또는 다른 것)과 같은 정보를 모은다. VLCs 및 연관된 정보는 VLC 처리 유닛(120)에 인가된다. 다른 MPEG 코드들은 출력단(130)에 직접 인가된다.
삽입될 워터마크는 공간 도메인에서 의사 랜덤 잡음 시퀀스(pseudo-random noise sequence)이다. 본 실시예의 장치에서, 128×128 기본 워터마크 패턴은 영상의 범위를 너머 타일화된다("tiled"). 이 동작은 도 2b에 도시된다. 128×128 기본 의사-랜덤 워터마크 패턴은 여기서 보다 양호한 가시성을 위해 심볼 W로 표시된다.
기본 워터마크의 공간 화소값들은 MPEG 스트림에서 비디오 컨텐트와 동일한 표시로 변환된다. 이 목적을 위해, 128×128 기본 워터마크 패턴은 8×8 블록들로 분할되며, 그 중 하나는 도 2b에서 202로 표기된다. 블록들은 이산 코사인 변환되며 양자화된다. 변환 및 양자화 동작은 단지 한번 실행될 필요가 있음에 유념해야 한다. 이와 같이 계산된 DCT 계수들은 장치의 128×128 워터마크 버퍼(140)에 저장된다.
워터마크 버퍼(140)는 워터마크의 실제 삽입이 발생하는 VLC 처리 유닛(120)에 접속된다. VLC 처리 유닛은 런-레벨 쌍들 내에 비디오 영상을 나타내는 선택된 가변 길이 코드 워드들을 디코딩하며(121), 일련의 런-레벨 쌍들을 2차원 어레이의8×8 DCT 계수들로 변환한다(122). 워터마크는 변형 단(123)에서, 공간적으로 대응하는 워터마크 DCT 블록을 각 비디오 DCT 블록에 부가함으로써 삽입된다. 도 2b에서 워터마크 블록(202)을 나타내는 DCT 블록은 도 2a에 영상 블록(201)을 나타내는 DCT 블록에 이와 같이 부가된다. 그러나, 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 이 동작에 의해 영 계수들로 변하게 되는 DCT 계수들만이 워터마킹을 하기 위해 선택된다. 예를 들어, 도 3a에서 2 값을 갖는 AC 계수는 대응하는 워터마크 계수가 -2 값을 갖는 경우에만 변형되어질 것이다. 수학적인 표시에서,
만약 cin(i,j)+w(i,j)=0이면,
cout(i,j)=0이고,
그렇지 않으면, cout(i,j)=cin(i,j)이다.
여기서, cin는 비디오 DCT 블록의 계수이며, w는 공간적으로 대응하는 워터마크 DCT 블록의 계수이고, cout는 워터마크화된 비디오 DCT 블록의 계수이다.
DCT 블록에서 0 계수들의 수가 이 동작에 의해 증가되어서 워터마크화된 비디오 DCT 블록이 원래의 DCT 블록보다 더 효율적으로 인코딩될 수 있음이 이해되어질 것이다. 이는 특히 MPEG 압축된 신호들에 대한 경우이며, 이는 새로운 영 계수가 다른 런-레벨 쌍(런 병합)의 런에 포함될 것이기 때문이다. 재인코딩은 가변 길이 인코더(124)에 의해 수행된다(도 1). 워터마크화된 블록은 출력단(130)에 인가되며, 그 출력단(130)은 파싱 유닛(110)에 의해 제공된 MPEG 코드들을 복사하고VLC 처리 유닛(120)에 의해 제공된 재생된 VLCs를 삽입함으로써 MPEG 스트림을 재생한다. 게다가, 출력단(130)은 원래의 비디오 비트율과 동일한 출력 비트율을 만들기 위해 스터핑 비트(stuffing bit)들을 삽입할 수 있다.
본 발명의 이로운 실시예에서, 워터마크 패턴의 DCT 계수들의 부호들만이 워터마크 버퍼에 저장되며, 그 버퍼는 단지 +1 및 -1 값들만을 저장한다. 이는 계수당 1 비트(총 128×128)로 버퍼의 메모리 용량을 감소시킨다. 게다가, 실험들은 최상위 DCT 계수들(최상위 계수들은 지그재그 스캔에서 처음 발생하는 것들이다)에만 삽입하는 워터마크를 적용하는데 충분함을 보여주고 있다. 이는 다른 메모리 요구 조건들을 훨씬 더 감소시킨다. 도 3d는 도 2b에서 공간 워터마크 블록(202)에 대응하는 워터마크 DCT 블록(302)의 전형적인 예를 도시한다.
도 3e는 비디오 DCT 블록(300)에 워터마크 DCT 블록(302)을 부가함으로써 획득된 워터마크화된 비디오 DCT 블록(303)을 도시한다. 이 특정 예에서, 영이 아닌 계수들 중 하나(도 3a에서 -1 값을 갖는 것)는 영 계수로 변하게 되며, 이는 공간적으로 대응하는 워터마크 계수가 +1 값을 갖기 때문이다. 도 3f는 워터마크화된 DCT 블록의 런-레벨 쌍들을 도시한다. 전자의 런-레벨 쌍들(1,-1) 및 (0,2)이 하나의 런-레벨 쌍(2,2)으로 대체되었음에 유념한다. 도 3g는 대응하는 출력 비트스트림을 도시한다. 런 병합(run merge) 동작은 이 예에서 한 비트를 절약하는 것처럼 보인다.
도 2c는 장치의 출력 신호(MPout)에 의해 나타난 워터마크화된 영상을 도시한다. 이 도면에서 203으로 표기된 화소 블록은 도 3e에서 워터마크화된 비디오DCT 블록(303)에 대응한다. 도 2c에 표시되었던 바와 같이 삽입하는 워터마크의 양은 타일(tile)에서 타일까지 그리고 블록에서 블록까지 변한다.
상기된 예에서, 단지 가장 작은 계수들(+1 및 -1)만이 변형될 자격이 있다. 이는 특히 변형된 계수들의 수가 소정의 최대수(예를 들어, 3)로 경계지어지는 경우, 편차 보상에 대한 필요성을 회피하며 워터마크를 알아차릴 수 없도록 한다.
상기된 실시예에서 워터마크 계수 값들(+1 및 -1)이 또한 대응하는 영상 계수가 변형되어지는 방향(각각, 양 및 음)을 의미하도록 할당될 수 있음에 유념해야 할 것이다. 예를 들어, 소정 범위의 음의 DCT 계수들(예를 들어 -2 및 -1)이 워터마크 값 +1에 의해 영들로 변하고, 반면에 소정 범위의 양의 DCT 계수들(예를 들어, +2 및 +1)이 워터마크 계수 값 -1에 의해 영들로 변함이 규정될 수 있다.
MPEG2 기본 비디오 스트림이 필드 코딩된 DCT 블록들 및 프레임 코딩된 DCT 블록들을 포함할 수 있음에 또한 유념해야 한다. 그에 따라, 워터마크 버퍼(140)는 2개의 워터마크 패턴들, 필드 코딩된 블록들용 하나와 프레임 코딩된 블록들용 하나를 포함하도록 구성될 수 있다. 그 다음 워터마크를 삽입하기 위해 사용되어지는 패턴은 입력 비디오 스트림 내에 수용된 필드/프레임 선택 식별 신호에 의해 선택된다.
MPEG 인코딩된 신호 내에 워터마크를 삽입하기 위한 상기된 장치에서, 런-레벨 쌍들의 "레벨" 부분은 변화된다. 그러나, 레벨은 AC 계수의 실제 값은 아니지만, 그것의 양자화된 버전이다. 예를 들어, 도 3b에서 런-레벨 쌍(1, -1)은 실제로 계수 X=-104를 나타낼 수 있다. 다른 블록에서, 동일한 쌍(1, -1)이 양자화기의 스텝 크기에 따라, 계수 X=-6을 나타낼 수 있다. AC 계수를 -104에서 0으로 바꾸는 효과는 일반적으로 동일한 AC 계수를 -6에서 0으로 바꾸는 것보다 삽입된 워터마크의 지각(perceptibility)에 상이한 영향을 미칠 것임은 말할 필요도 없다.
그러므로 워터마크 삽입 처리를 제어할 필요가 있으며, 그래서 그것에 대한 가시성의 효과는 감소된다. 이 목적을 위해, 삽입 방법의 다른 실시예는 양자화기의 스텝 크기(quantizer step size)에 따라 변형되는 계수들의 수 및/또는 위치들을 제어하는 단계를 포함한다.
MPEG 디코더에서, 역 양자화는 양자화기의 스텝 크기와 수신된 레벨 x(n)를 곱함으로써 달성된다. 양자화기의 스텝 크기는 블록내의 스텝 크기를 변형하는 가중 매트릭스 W(n)와 (매크로-)블록에서 (매크로-)블록까지 스텝 크기를 변형하는 배율 QS에 의해 제어된다. 다음 식은 디코딩된 레벨 x(n)로부터 AC 계수 X(n)를 재구성하기 위해 MPEG의 산술(arithmetic)을 지정한다:
X(n)=x(n)×W(n)×QS
여기서 n은 지그재그 스캔의 순서에서 인덱스를 표기한다.
변형되도록 허용되는 계수들의 수에 대한 상부 경계(upper bound)를 생성하기 위한 여러 가지 방법들이 있다. 일 실시예에서, 대응하는 양자화하는 스텝 크기 Q(n)=W(n)×QS가 소정 임계보다 작은 경우 레벨 x(n)은 단지 변형될 수 있다. 그것에 의해 상이한 임계들이 DCT 블록에서 상이한 위치들(즉, 상이한 인덱스들 n)에 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 블록에서 변형되어지도록 허용되는 계수들의 최대 수 N은양자화기의 배율(quantizer scale factor) QS의 함수여서 QS가 증가할 때 N은 감소한다. 이 실시예의 실행 가능성(feasibility)은 얼마나 강한 DCT 블록이 양자화되었는지를 배율이 실제로 나타내도록 실현하는 경우 쉽게 이해될 수 있다. 배율이 커지면 커질수록, 즉 양자화 스텝 크기가 커지면 커질수록, 그 영향을 지각할 수 없게 하기 위해서 계수들이 점점 더 작아지게 변화될 수 있다. 이러한 함수의 예는
이며,
여기서 c는 소정의 상수값이다.
양자화기의 배율 QS은 파라미터quantizer_scale_code및 파라미터q_scale_type의 조합으로서 MPEG 비트스트림들에 수용된다. 파라미터quantizer_scale_code는 5-비트 코드이다. 파라미터q_scale_type은 상기 코드가 2 및 62 사이의 선형 범위의 QS-값들 또는 1 및 112 사이의 지수 범위의 값들을 나타내는지 여부를 나타낸다. 두 경우들에서, 코드는 스텝 크기를 나타낸다. 따라서, 상술된 함수에서 항 QS는 또한 파라미터quantizer_scale_code로 대체될 수 있다.
또한 양자화기의 스텝 크기에 따라 워터마크 처리에 의해 변형되어지는 계수들의 위치들을 제어하는 것이 이점이다. 양자화기의 스텝 크기가 커지면 커질수록 지그재그 스캔에서 더 느려지며, 원하는 변형들이 실행된다. 이는 영향을 받지 않는 저주파 계수들을 방치하며 워터마크 삽입 처리의 가시성을 고주파 계수들로 한정한다.
양자화기의 스텝 크기에 따라 변경할 수 있는 계수들의 최대 수 및/또는 위치들을 제어하는 특징은 단지 장치의 보다 작은 변형을 필요로 한다. 이러한 변형은 당업자에 의해 쉽게 실행될 수 있으며, 그러므로 도시되지 않는다.
MPEG 압축된 비디오 스트림에서 워터마크를 삽입하기 위한 방법 및 장치가 기재되어 있다. 워터마크(공간 잡음 패턴)는 가장 작은 양자화된 DCT 계수들을 선택적으로 버림(discard)으로써 삽입된다. 버려진 계수들은 남은 계수들의 런(run)들에 이어서 병합된다(merge). 계수가 버려지는지 또는 그렇지 않은 지의 결정은 미리 계산된 워터마크 버퍼 및 8×8 DCT 블록 당 이미 버려진 계수들의 수에 기초하여 행해진다. 이 방법에서의 이점들로는 i) 비율 제어 시스템이 매우 간단하다는 것이며, ⅱ) 편차 보상(drift compensation)이 필요하지 않는다는 것이다. 알고리즘은 메모리 요구 조건들 및 계산상의 복잡성에 대해 매우 효과적인 방식으로 구현될 수 있다.

Claims (8)

  1. 소정의 제 1 값을 갖는 제 1 신호 샘플들과 상이한 값을 갖는 다른 신호 샘플들을 포함하도록 압축된 정보 신호 내에 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서, 상기 방법은 워터마크 패턴에 따라 신호 샘플들을 변형하는 단계를 포함하며,
    상기 변형 단계는 변형된 신호 샘플이 상기 변형으로 인해 제 1 값을 취하는 경우 신호 샘플들에 적용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 값은 영이며, 변형될 자격이 있는 신호 샘플들은 가장 작은 영이 아닌 값을 갖는 신호 샘플들인, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 신호 샘플들은 양자화기의 스텝 크기로 양자화되며, 변형될 자격이 있는 신호 샘플들은 소정의 임계보다 작은 스텝 크기로 양자화되는 신호 샘플들인, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 정보 신호는 섹션들로 분할되며, 변형될 자격이 있는 신호 샘플들의 수는 섹션당 소정의 최대 수로 한정되는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 섹션의 신호 샘플들은 양자화기의 스텝 스케일에 따라 양자화되었으며, 상기 방법은 상기 양자화기의 스텝 스케일에 의존하여 변형된 신호샘플들의 상기 최대수를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 정보 신호는 섹션들로 분할되며, 섹션의 신호 샘플들은 양자화기의 스텝 스케일에 따라 양자화되었으며, 상기 방법은 상기 양자화기의 스텝 스케일에 의존하여 섹션내에서 변형될 자격이 있는 신호 샘플들의 위치들을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 압축된 신호는 제 1 신호 샘플들과 다음의 또는 선행하는 다른 신호 샘플의 런을 각각 식별하는 가변 길이 코드 워드들을 포함하며, 상기 방법은,
    - 상기 변경 단계 전에 가변 길이 코드 워드들을 각각 제 1 및 다른 신호 샘플들로 디코딩하는 단계와;
    - 제 1 신호 샘플들의 새로운 런을 얻기 위해 변경된 신호 샘플을 다음의 또는 선행하는 제 1 신호 샘플들과 병합하는 단계와;
    - 제 1 신호 샘플들과 다음의 또는 선행하는 다른 신호 샘플의 새로운 런을 새로운 가변 길이 코드 워드로 인코딩하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 소정의 제 1 값을 갖는 제 1 신호 샘플들과 상이한 값을 갖는 다른 신호 샘플들을 포함하도록 압축된 정보 신호 내에 워터마크를 삽입하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는 워터마크 패턴에 따라 신호 샘플들을 변형하기 위한 수단을 포함하며,
    상기 변형 수단은 변형된 신호 샘플이 상기 변형으로 인해 제 1 값을 취하는 경우 신호 샘플들을 변형하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
KR1020027012438A 2001-01-23 2001-12-21 압축된 정보 신호를 워터마킹하는 방법 KR20020088086A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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