KR100343604B1 - 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법 - Google Patents

셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 워터마크 삽입 방법에 있어서, 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 고주파 패딩 패턴으로 패딩한 후, 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 대상으로 역셔플링한 다음에 삽입한 패딩 패턴을 삭제하여 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체를 생성하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 비쥬얼 객체 단위로 디지털 워터마크를 삽입·추출할 수 있도록 함과 동시에 셔플링 기법에 의해 고도의 저작권 보호 능력을 보유할 수 있는 이점이 있다. 특히, 영상이 고압축될 경우에도 저작권 보호가 가능하며, 다른 공격자가 자신의 영상이라 주장하는 소유권 주장과 커루젼과 같은 공격에도 강한 특성을 보일 뿐만 아니라 영상에 크기변환, 클리핑 및 여러 가지 필터링과 같은 인위적인 후처리를 가하더라도 저작권 보호가 가능한 장점이 있다.

Description

셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법{Method for Inserting Object-based Digital Watermark Using Shuffling Technique}
본 발명은 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디지털 워터마크 삽입 방법에 있어서, 패딩과 셔플링 및 대역 확산 기법에 입각하여 비쥬얼 객체 단위로 디지털 워터마크를 삽입·추출할 수 있도록 함으로써 고도의 저작권 보호 능력을 구비하도록 한 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법에 관한 것이다.
멀티미디어 산업의 확장과 인터넷과 같은 네트워크 기술이 급격하게 발전함에 따라 디지털화된 매체인 음성이나 정지영상 및 동영상 등에 대한 수요도 급격하게 증가하고 있다. 이와 같은 디지털 매체의 수요의 증가는 웹(World Wide Web)을 통하여 제공되는 데이터를 쉽게 복사할 수 있다는 큰 장점을 가지는 반면에 바로 그 점 때문에 디지털 매체에 대한 저작권 보호의 필요성이 요구되고 있다.
디지털 데이터의 저작권 보호를 위해서는 다음과 같은 다수의 저작권 보호 방법이 공지되어 있다. 우선, 디지털 영상정보의 보호방법으로 공개키, 공통키 등과 같은 암호화 기법이 있다. 이 방법은 영상을 암호화함으로써 그 영상에 해당하는 키(key)를 가진 사용자만이 영상을 소유할 수 있다. 다음으로, 방화벽(firewall)을 사용함으로써 원초적으로 영상에 접근하지 못하게 하는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법들은 디지털 영상에 대하여 접근이 제한되는 단점을 가지게 된다. 따라서 새로운 방법이 부각되고 있는데 이것이 바로 디지털 워터마크(digital watermark)이다. 디지털 워터마크란 디지털 데이터신호에 특정한 코드나 패턴을 삽입함으로써 영상의 소유권을 보호해주는 기술을 말한다. 이 방법을 사용함으로써 인터넷과 같은 디지털 매체에 대한 제한의 폭이 적어지게 되어 근래에 들어와 가장 주목받고 있는 방법이 되고 있다.
이러한 기술적 추이에 편승하여 다양한 디지털 워터마킹 방법이 공지되어 있는 데, 디지털 워터마킹 방법과 관련된 대표적인 선출원예들로는, 공개특허 제1999-082729호, '디지털 워터마크를 이용한 인간이 인식가능한 데이터 세트의 배포와 인증 방법 및 그 장치', 공개특허 제1999-077409호, '동화상 전자 디지털 워터마크 시스템', 공개특허 제1999-076464호, '비디오 데이터의 복제 제어 장치 및 그 방법', 공개특허 제1999-046183호, '웨이브렛 변환 및 이산 코사인 변환을 이용한 칼라이미지의 디지털 워터마킹 방법', 공개특허 제1999-044818호, '웨이브렛 변환 및 이산 코사인 변환을 이용한 디지털 영상이미지의 워터마킹방법', 공개특허 제1999-044661호, '정보 신호안에 삽입된 디지털 워터마크 검출 방법 및 장치', 공개특허 제1999-029765호, '전자 디지털 워터마크를 구비한 광 디스크와 그 재생 장치 및 이를 이용한 복제 방지 방법', 공개특허 제1999-029442호, '전자 디지털 워터마크 정보를 기록 및 재생하기 위한 방법 및 장치와 기록 매체', 공개특허 제1998-080152호, '디지털 워터마크의 삽입 방법', 공개특허 제1998-069987호, '화상 검증용 인비지블 화상 디지털 워터마크', 공개특허 제1998-042061호, '디지탈 디지털 워터마크 삽입 및 추출 방법', 미합중국 특허공고 제US05930369호,'Secure spread spectrum watermarking for multimedia data', 미합중국 특허공고 제US05825892호, 'Protecting images with an image watermark', 미합중국 특허공고 제US05991426호, 'Field-based watermark insertion and detection', 미합중국 특허공고 제US05809139호, 'Watermarking method and apparatus for compressed digital video', 미합중국 특허공고 제US05889868호, 'Optimization methods forthe insertion, protection, and detection of digital watermarks in digitized data', 미합중국 특허공고 제US05854673호, 'Method of authenticating watermarked paper', 미합중국 특허공고 제US05664018호, 'Method for protecting content using watermarking', 미합중국 특허공고 제US05664018호, 'Watermarking process resilient to collusion attacks', 미합중국 특허공고 제US05488664호, 'Method and apparatus for protecting visual information with printed cryptographic watermarks', 미합중국 특허공고 제US05915027호, 'Digital watermarking', 미합중국 특허공고 제US05933798호, 'Detecting a watermark embedded in an information signal', 미합중국 특허공고 제US05848155호, 'Spread spectrum watermark for embedded signalling', 미합중국 특허공고 제US04296326호, 'Watermark detection', 미합중국 특허공고 제US05530759호 등을 들 수 있다.
디지털 워터마크에서는 영상에 특정한 코드나 패턴을 삽입하는 것이기 때문에 영상의 화질에 민감하게 작용할 수 있다. 따라서 디지털 워터마크의 삽입 시 인간시각특성(HVS; Human Visual System)을 고려하여 디지털 워터마크를 삽입시키는 것이 중요한 기술로 떠오르고 있다. 또한 JPEG, MPEG-1,2와 같은 표준안에 의해서 디지털 영상에 대한 기본 처리단위는 프레임(frame)을 기반으로 하고 있다. 마찬가지로 영상보호의 기본단위도 이와 같은 표준안에 의거하여 프레임을 기반으로 두고 있다. 그러나 차세대 압축 표준안인 MPEG-4에서는 기존의 영상 정보의 기본단위인 프레임기반에서 벗어나 비쥬얼 객체(visual object)라는 새로운 기본 단위로 모든 처리가 이루어진다. 따라서 영상 정보의 기본단위도 프레임에서 벗어나 비쥬얼 객체 단위로 처리되어야만 한다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 기술적 요구에 부응하기 위해 안출된 것으로, 디지털 워터마크 삽입 방법에 있어서, 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 고주파 패딩 패턴으로 패딩한 후, 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 대상으로 역셔플링한 다음에 삽입한 패딩 패턴을 삭제하여 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체를 생성함으로써 비쥬얼 객체 단위로 디지털 워터마크를 삽입·추출할 수 있도록 함과 동시에 셔플링 기법에 의해 고도의 저작권 보호 능력을 보유하도록 한 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법의 바람직한 실시예를 나타낸 순서도,
도 2는 단일 패턴이 배경에 삽입되어지는 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면,
도 3a 및 도 3b는 각각 일정한 혼합 패턴과 랜덤한 혼합 패턴을 삽입한 예를 나타낸 예시도,
도 4a 및 도 4b는 셔플링된 비디오 객체 평면과 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 후에 역셔플링된 비디오 객체 평면을 나타낸 예시도,
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법은, 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진 사각형 영역을 비디오 객체 평면(VOP; Video Object Plane)으로 설정한 후, 상기 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 고주파 성분을 포함하는 패딩 패턴(padding pattern)으로 채워넣고, 상기 패딩된 비디오 객체 평면의 전영역을 기설정된 크기의 블록 단위로 분할한 후, 셔플링 키 코드(shuffling key code)를 이용하여 상기 블록 단위로 셔플링(shuffling)한 다음에 상기 셔플링된 비디오 객체 평면에 대역 확산 기법을 적용하여 디지털 워터마크를 삽입하고, 이어서, 상기 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 역셔플링(de-shuffling)한 후, 상기 삽입한 패딩 패턴을 삭제함으로써 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체를 생성하는 것이 특징이다.
이하, 본 발명에 따른 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도 1을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법의 바람직한 실시예를 나타낸 순서도이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도 1에 도시한 바와 같이, 디지털 워터마크 삽입 방법에 있어서, 디지털 워터마크(digital watermark)를 삽입할 해당 영상에서 적어도 하나 이상의 비쥬얼 객체(visual object)에 대한 형상 정보를 추출하는 비쥬얼 객체 추출 단계(S10)와;
상기 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진 사각형 영역을 비디오 객체 평면(VOP; Video Object Plane)으로 설정하는 제 1 비디오 객체 평면 설정 단계(S20)와;
상기 설정된 비디오 객체 평면에서 상기 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 고주파 성분을 포함하는 패딩 패턴(padding pattern)으로 채워넣는 제 1 패딩 단계(S30)와;
상기 패딩된 비디오 객체 평면의 전영역을 기설정된 크기의 블록 단위로 분할한 후, 셔플링 키 코드(shuffling key code)를 이용하여 상기 블록 단위로 셔플링(shuffling)하는 제 1 셔플링 단계(S40)와;
상기 셔플링된 비디오 객체 평면에 대역 확산 기법을 적용하여 디지털 워터마크를 삽입하는 디지털 워터마크 삽입 단계(S50)와;
상기 셔플링된 상태에서 상기 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 역셔플링(de-shuffling)한 후, 상기 삽입한 패딩 패턴을 삭제하여 다시 원영상 형태의 비쥬얼 객체로 변환함으로써 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체를 생성한 후에 저장하거나 원격지로 전송하는 단계(S60)와;
상기 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체와 상기 패딩 패턴 및 상기 셔플링 키 코드를 입력받는 단계(S70)와;
상기 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진 사각형 영역을 비디오 객체 평면으로 설정하는 제 2 비디오 객체 평면 설정 단계(S80)와;
상기 설정된 비디오 객체 평면에서 상기 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 상기 패딩 패턴(padding pattern)으로 채워넣는 제 2 패딩 단계(S90)와;
상기 패딩된 비디오 객체 평면의 전영역을 기설정된 크기의 블록 단위로 분할한 후, 상기 셔플링 키 코드(shuffling key code)를 이용하여 상기 블록 단위로 셔플링(shuffling)하는 제 2 셔플링 단계(S100)와;
상기 셔플링된 비디오 객체 평면에서 상기 대역 확산 기법에 기반한 디지털 워터마크 삽입 과정의 역순으로 상기 디지털 워터마크를 추출하는 디지털 워터마크추출 단계(S110); 및
상기 셔플링된 상태에서 상기 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 역셔플링(de-shuffling)한 후, 상기 삽입한 패딩 패턴을 삭제하여 다시 원영상 형태의 비쥬얼 객체로 변환함으로써 상기 디지털 워터마크가 삭제된 비쥬얼 객체를 획득하는 단계(S120)를 수행하도록 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 따른 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법의 바람직한 실시예의 수행 절차를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
우선, 비쥬얼 객체 추출 단계(S10)에서는 디지털 워터마크(digital watermark)를 삽입할 해당 영상에서 적어도 하나 이상의 비쥬얼 객체(visual object)에 대한 형상 정보를 추출한다.
형상 정보의 추출 방법에는 영상의 종류와 시스템의 성격에 따라 그에 해당하는 다양한 방법이 공지되어 있는 데, 배경을 특정한 색으로 해서 카메라로 촬영하고, 촬영 영상으로부터 후처리에 의한 특정한 색의 화소를 비쥬얼 객체 밖의 화소로서 분리하는 크로마키(chroma-key) 분리법과, 자연 영상을 대상으로 자동 또는 반자동 방식에 기초해서 수학적 형태학(morphology)이나 워터쉐드 알고리즘(watershed algorithm) 등을 적용하여 원하는 비쥬얼 객체를 추출하는 영역 분할 기법 등이 대표적이다.
또한, 컴퓨터 그래픽스 등에 의해 생성된 비쥬얼 객체는 생성 시에 형상 정보나 투과도 정보에 상당하는 신호를 자동적으로 생성할 수 있음에 따라 직접적으로 비쥬얼 객체를 얻을 수 있으며, 특히, 애니메이션(animation) 영상은 셀 영상(cell image)이라 부르는 영상을 여러 장 겹쳐 한 장의 프레임 영상을 구성함에 따라 각 셀 영상을 하나의 비쥬얼 객체로 사용할 수 있다.
그리고, 자연 영상의 경우에도 널리 보급된 그래픽 응용 프로그램을 통해 사용자 입력을 인가하여 비쥬얼 객체를 용이하게 추출할 수도 있다.
이후, 제 1 비디오 객체 평면 설정 단계(S20)에서는 이렇게 추출된 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진 사각형 영역을 비디오 객체 평면으로 설정한다.
통상, 비디오 객체 평면(VOP)은 MPEG-4에서와 같이, 해당 비쥬얼 객체를 포함하는 복수의 매크로블록(MB; Macroblock)으로 그 평면을 구성하는 것에 반해, 본 발명에서는 추출된 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진, 새로운 개념의 사각형 영역을 비디오 객체 평면으로 설정함으로써 패딩에서 오는 부작용을 최소화할 수 있도록 하고 있다.
이어서, 제 1 패딩 단계(S30)에서는 상기 설정된 비디오 객체 평면에서 상기 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 고주파 성분을 포함하는 패딩 패턴(padding pattern)으로 채워넣는다. 이때, 패딩 패턴으로는 랜덤한 혼합 패턴의 값들을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 적용할 수 있는 패딩 패턴은 다양한 것이 있을 수 있는 데, 굳이 고주파 성분을 포함하는 패딩 패턴을 사용하는 이유는 통상, 디지털 워터마크를 삽입하려는 비쥬얼 객체는 상대적으로 저주파 성분으로 구성되어 있음에 기인한다.
본 발명에 적용할 수 있는 패딩 기법으로는 원칙적으로 기존에 공지된 어떠한 패딩 방법을 이용하더라도 무방하지만, 이를 좀 더 구체적으로 열거하면, 단일 패턴 삽입 방법, 혼합 패턴 삽입 방법, MPEG-4의 패딩 기법 등을 들 수 있다.
우선, 단일 패턴 삽입 방법은 비쥬얼 객체가 차지하는 비디오 객체 평면(VOP) 상에서 비쥬얼 객체를 제외한 나머지 배경(background)부분에 단일 패턴을 삽입하는 방법이다.
도 2는 단일 패턴이 배경에 삽입되어지는 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
비디오 객체 평면에 삽입되어지는 패턴이 비쥬얼 객체에 미치는 영향을 최소화하기 위해 MPEG-4에서 사용하는 개념의 비디오 객체 평면(도 2의 (a)에 도시)가 아닌 비쥬얼 객체에 밀착하여 만든 도 2의 (b)와 같은 새로운 개념의 사각형을 이용한다.
도 2의 (b)의 사각형 상에서 비쥬얼 객체를 제외한 배경에 도 2의 (c)와 같이, 0 또는 255와 같은 한가지 패턴의 값들을 배경에 삽입한다. 한가지 패턴의 값이 삽입되어지기 때문에 비쥬얼 객체에 비하여 상대적으로 저주파영역이 삽입된다.
통상, 이러한 패딩 과정을 거친 후에 콕스(Cox) 등이 제안한 대역 확산 기법을 이용하여 디지털 워터마크를 삽입하게 되는 데, 대역 확산 기법은 DC 계수값(Direct Current coefficient)을 뺀 AC 계수값(Alternating Current coefficient)에 크기순으로 N개의 디지털 워터마크를 삽입하는 것이 일반적이다.
따라서, 크기순으로 N개의 디지털 워터마크를 삽입했을 경우 대부분이 영상의 저주파 부분에 삽입된다. 도 2의 (c)와 같이 한가지 패턴의 값을 배경에 삽입할 경우 배경 부분이 비쥬얼 객체에 비하여 저주파 성분에 해당한다. 그러므로, 이러한 방법은 원하는 비쥬얼 객체에 디지털 워터마크가 적게 삽입되어지는 결과를 가져온다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 배경에 다른 패턴의 값을 삽입하는 것이 요구되어진다.
단일 패턴의 값을 배경부분에 삽입하였을 경우의 단점을 극복하기 위하여 혼합 패턴의 값을 삽입하는 방법이 요구된다. 혼합 패턴의 값을 삽입하는 방법으로는 일정한 값을 한번씩 번갈아 가며 삽입하는 방법과 난수를 발생하여 배경에 삽입하는 방법이 있다. 도 3a 및 도 3b는 각각 일정한 혼합 패턴과 일정하지 않은, 즉, 랜덤한 혼합 패턴을 삽입한 예를 나타낸 예시도이다.
도 3a에서처럼, 사각형의 배경 화면에 일정한 혼합 패턴을 삽입할 수 있다. 이 방법은 단일 패턴의 삽입에서 오는 단점을 극복할 수 있다. 즉, 0과 255의 혼합패턴으로 배경에 삽입하였기 때문에 원하는 비쥬얼 객체보다 고주파 성분이 된다.
AC 계수값의 크기순으로 N개의 디지털 워터마크를 삽입하기 때문에 이와 같은 패턴으로 사각형의 배경 화면에 삽입시켰을 경우, 배경에 비해 상대적으로 저주파 성분인 비쥬얼 객체에 디지털 워터마크의 대부분이 삽입된다.
따라서 일정한 패턴의 배경 삽입보다 더 많은 디지털 워터마크를 삽입시킬 수 있다. 그러나 일정한 혼합 패턴의 배경 삽입을 했을 경우 디지털 워터마크 시퀀스를 유추당할 가능성이 높아지는 단점이 있다.
원 영상에 대한 소유권에 주장하기 위해서는 디지털 워터마크 시퀀스가 타인에 의해 유추되지 말아야 함은 주지의 사실이다. 누군가가 디지털 워터마크 시퀀스를 알아내어 디지털 워터마크를 제거하거나 디지털 워터마크 시퀀스에 손상을 입히게 되면 원영상에 대한 소유권을 주장할 수 없음은 명백하다.
대역 확산 기법의 디지털 워터마크 삽입 방법은 여러 가지 장점이 있는 반면에 디지털 워터마크 시퀀스를 유추할 수 있는 약점을 가지고 있다. 따라서 일정하지 않은 혼합패턴으로 사각형 배경에 삽입하는 방법이 필요하다. 도 3b에서처럼 사각형의 배경 화면에 랜덤한 혼합패턴을 삽입할 수 있다. 이 방법은 일정한 혼합 패턴의 삽입에서 오는 단점을 어느 정도 극복할 수 있다. 사각형의 배경 부분에 난수를 발생시켜 삽입시켰기 때문에 비쥬얼 객체에 비하여 상대적으로 고주파 성분을 많이 차지하게 된다. 따라서 일정한 혼합 패턴과 마찬가지로 상대적으로 저주파 성분인 비쥬얼 객체에 디지털 워터마크의 대부분이 삽입된다. 또한 난수를 삽입하기 때문에 배경에 삽입되는 값들로 인하여 디지털 워터마크를 유추할 수 없는 장점이 있다.
다음으로, 제 1 셔플링 단계(S40)에서는 상기 패딩된 비디오 객체 평면의 전영역을 기설정된 크기의 블록 단위로 분할한 후, 셔플링 키 코드(shuffling key code)를 이용하여 상기 블록 단위로 셔플링(shuffling)한다.
패딩된 사각형 영역을 8 ×8 블록으로 분할한 후, 분할된 블록 단위로 셔플링을 한다. 소유권자만이 아는 셔플링 키 코드를 사용하여 셔플링을 함으로써 사각형 상에 더욱 많은 고주파 성분이 생기고 또한 셔플링 키 코드의 소유권자만이 주파수의 분포를 알 수 있다. 따라서 셔플링 키 코드를 알고 있는 사람만이 디지털워터마크를 추출할 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 셔플링된 비디오 객체 평면과 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 후에 역셔플링된 비디오 객체 평면을 나타낸 예시도이다.
이후, 디지털 워터마크 삽입 단계(S50)에서는 상기 셔플링된 비디오 객체 평면에 대역 확산 기법을 적용하여 디지털 워터마크를 삽입하게 되는 데, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 이를 좀 더 상술하기로 한다.
인간의 시각 시스템은 주파수 측면에서 보면 고주파 성분에 대해서는 둔감하나 저주파 성분에 대해서는 민감한 특성이 있다. 그러므로 영상 압축 알고리즘의 경우, 저주파보다는 고주파 성분을 제거함으로써 압축된 영상을 얻게 된다. 따라서 디지털 워터마크가 압축 과정을 거친 후 보존이 되기 위해서는 인간 시각적으로 민감한 저주파 성분에 디지털 워터마크를 삽입하여야 하고 동시에 삽입된 디지털 워터마크가 육안으로 감지될 수 없어야 하는 상반된 조건을 만족해야 한다. 이와 같이 인간의 시각 특성에 민감한 부분에 인간 시각이 감지될 수 없는 디지털 워터마크를 삽입하는 방법으로 대역 확산(spread spectrum) 기법이 다수 공지되어 있다.
대역 확산 통신에서는 협대역(narrow band) 신호를 훨씬 큰 대역폭에 걸쳐서 보냄으로써 하나의 주파수에서 볼 때 신호의 에너지는 아주 작은 양이 된다. 그러나 주파수의 위치와 변화량을 알고 있는 소유권자에 의해 주파수 성분을 모으면 높은 신호 대 잡음비로 신호(즉, 디지털 워터마크)를 검출할 수 있다. 이와 같이 디지털 워터마크를 영상의 대역폭내 스펙트럼에 확산시킴으로써 디지털 워터마크가존재하는 위치가 불분명해지고 시각적으로 중요한 주파수 성분에도 디지털 워터마크를 넣을 수 있어 더욱 강인한 디지털 워터마크를 삽입할 수 있다. 콕스(I. J. Cox) 등이 제안한 대역 확산 기법에서는 원영상의 전체크기에 대한 DCT(Discrete Cosine Transform)를 수행한 후, DC 성분을 제외한 절대치한 계수 중에서 가장 큰 N개의 계수(N은 약 1000개)에 N개의 실수로 구성된 수열, 즉 디지털 워터마크를 더하는 방법으로 이루어진다.
대역 확산 기법에 대한 참고 문헌으로는 콕스(I. J. Cox) 등이 1995년 및 1996년에 각각 NEC Research Institute Technical Report 및 Proc. IEEE internet. Conf. on Image Processing(ICIP'96)를 통해 발표한 'Secure Spread Spectrum Watermarking for Multimedia' 및 'Secure Spread Spectrum Watermarking for Images, Audio, and Video'가 대표적인 데, 대역 확산 기법에 대한 더 이상의 자세한 설명은 이를 참조하기로 한다.
참고로, 디지털 워터마크를 디지털 영상에 삽입하기 위해서는 다음과 같은 사항이 요구되어진다.
1. 비가시성(Invisibility) : 디지털 워터마크는 보이지 않고, 영상의 질감 또한 감퇴하지 않아야 한다.
2. 강인성(Robustness) : 압축, 확대/축소, 이동, D/A변환, A/D변환과 같은 여러 가지 영상처리에 의해 소유권을 주장하기 위한 디지털 워터마크가 살아 남아있어야 한다.
3. 분명함(Unambiguousness) : 워터마크를 검색함으로써 자신의 소유권을 분명히 주장할 수 있어야한다.
4. 영상의 소유권자에 의해 워터마크의 추출이 용이해야만 한다.
5. 보안성(Security) : 워터마크의 삽입과정이 알려져 있다 해도 관련된 파라미터 값들을 알고 있지 않는 한 불법적으로 워터마크를 삭제하려는 시도는 불가능해야 한다.
6. 내장된 워터마크가 제거되는 경우에는 반드시 화질의 저하가 이루어져 영상을 사용할 수 없게 해야한다.
7. 저작물에 워터마크가 삽입이 되므로 해서 화질의 저하가 일어나지 말아야한다.
8. 재생된 워터마크는 원래의 워터마크와 동일한 코드를 유지하여야 한다.
실제로 현재까지 연구된 워터마크 기술이 상기의 조건을 100% 만족하는 기술은 없으나 궁극적인 목표로서 위의 조건들을 반드시 만족시키는 워터마크 기술이 필요하다고 할 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 대역 확산 기법에 의한 디지털 워터마크 삽입 방법에 국한하여 설명하고 있으나, 대역 확산 기법 외에도 기존에 공지된 어떠한 디지털 워터마킹 기법을 이용하더라도 무방함은 주지의 사실이다.
최종적으로, 단계 S60에서는 상기 셔플링된 상태에서 상기 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 역셔플링(de-shuffling)한 후, 상기 삽입한 패딩 패턴을 삭제하여 다시 원영상 형태의 비쥬얼 객체로 변환함으로써 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체를 생성한 후에 저장하거나 원격지로 전송한다.
이상과 같은 과정을 통해 생성된 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체로부터 디지털 워터마크를 추출하는 과정은 다음과 같다.
기본적으로, 디지털 워터마크를 추출하는 과정은 삽입 과정을 역순으로 이루어진다.
먼저, 단계 S70에서 상기 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체와 상기 패딩 패턴 및 상기 셔플링 키 코드를 입력받게 되면, 제 2 비디오 객체 평면 설정 단계(S80)에서는 상기 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진 사각형 영역을 비디오 객체 평면으로 설정한다.
이후, 제 2 패딩 단계(S90)에서는 제 1 패딩 단계(S30)와 마찬가지로, 상기 설정된 비디오 객체 평면에서 상기 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 상기 패딩 패턴(padding pattern)으로 채워넣는다.
제 2 셔플링 단계(S100)에서는 상기 패딩된 비디오 객체 평면의 전영역을 기설정된 크기의 블록 단위로 분할한 후, 상기 셔플링 키 코드(shuffling key code)를 이용하여 상기 블록 단위로 셔플링(shuffling)한다.
디지털 워터마크 추출 단계(S110)에서는 상기 셔플링된 비디오 객체 평면에서 상기 대역 확산 기법에 기반한 디지털 워터마크 삽입 과정의 역순으로 상기 디지털 워터마크를 추출한다.
도 5는 대역 확산 기반 디지털 워터마크의 삽입/추출 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
삽입하고자 하는 디지털 워터마크 W는 정상 분포(normal distribution)를 갖는 가우시안 노이즈로 w1, w2, . . . . , wn으로 구성이 되며, I는 디지털 워터마크를 삽입하고자 하는 원영상, 그리고 V는 원영상에서 선택된 주파수 성분들로 v1, v2, . . . . , vn으로 구성된다. V'는 디지털 워터마크 W를 V에 삽입하므로 써 얻을 수 있다. 내장된 디지털 워터마크에 대한 유사성 측정은 다음과 같은 방법으로 수행된다. 도 5의 (b)에서 I''는 디지털 워터마크가 내장된 영상 I'이 의도적인 공격이나 신호 처리 과정을 거친 후 변화된 영상을 의미하며, 이 영상 I''에서 내장되어 있는 디지털 워터마크를 추출하기 위해서는 디지털 워터마크 삽입 과정과 마찬가지로 I''의 주파수 성분 값 V''을 추출한 후 원영상의 주파수 성분 값인 V와 비교하여 그 차이가 되는 W''를 구한다. W''는 원래의 디지털 워터마크 W의 변화된 형태가 되며 수학식 1에 의하여 이 두 값들간에 유사성(correlation, 상관성) Simδ(W, W'')을 측정함으로써 디지털 워터마크의 존재 유무를 결정할 수 있다.
검출된 디지털 워터마크가 원래의 디지털 워터마크와 정확히 일치한다면 유사성 Simδ(W, W'')는 n1/2의 값을 갖고 원래의 디지털 워터마크와 일치하지 않으면인 정규분포를 갖는 작은 값을 갖는다. 따라서 Sim( w, w'')의 값이 임계치 δ (δ= 6)보다 크게 되면 두 디지털 워터마크가 동일한 것으로 인정이 되어 영상의 유효성이 입증이 되고 만약 임계치보다 작게 되면 유효하지 않은 영상으로 판별한다. 디지털 워터마크를 각 주파수 성분에 삽입하는 과정은 수학식 2 및 수학식 3에 의하여 수행이 될 수 있다.
여기서, α는 스케일 변수로 디지털 워터마크의 가시성(visibility) 또는 강인성을 나타낸다. 따라서 α의 값이 클수록 디지털 워터마크의 강인성은 향상되지만 디지털 워터마크로 인한 영상의 화질 저하를 초래할 수 있다. 참고로 Cox등이 제안한 방법에서는 수학식 2에서의 α는 1로, 수학식 3에서의 α는 0.1로 하고 있다. 그리고 신호 처리 과정을 거친 후 검출된 디지털 워터마크는 수학식 4와 수학식 5와 같이 구할 수 있다.
비록, 디지털 워터마크를 정상 분포를 갖는 가우시안 노이즈를 사용하여 수학식 2와 같이 내장하면, 사용자가 임의로 만든 디지털 워터마크를 사용하는 것보다 영상의 질은 향상시키지만 디지털 워터마크의 강인성은 향상시키지 못하는 단점이 있다. 즉, 원래의 주파수 계수 vi에 비해 삽입되는 디지털 워터마크 값이 너무 작아서 영상 화질에는 영향을 미치지 않지만 삽입된 디지털 워터마크 보다 더 큰 디지털 워터마크가 삽입될 때, 원래 삽입된 디지털 워터마크를 추출할 수 없으며 공모적(collusion) 공격에 취약한 문제점을 가지고 있다. 따라서 디지털 워터마크의 강인성을 보장하기 위해서는 수학식 3과 같이 영상의 스펙트럼과 같은 형태의 디지털 워터마크를 사용하는 것이 디지털 워터마크의 강인성에서 수학식 2보다는더 효율적이다.
최종적으로, 단계 S120에서는 상기 셔플링된 상태에서 상기 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 역셔플링(de-shuffling)한 후, 상기 삽입한 패딩 패턴을 삭제하여 다시 원영상 형태의 비쥬얼 객체로 변환함으로써 상기 디지털 워터마크가 삭제된 비쥬얼 객체를 획득한다.
본 발명에서는 내용 기반의 객체에 대하여 패딩(padding)과 셔플링(shuffling) 기법을 이용하여 차세대 압축 표준안인 MPEG-4를 겨냥한 객체 기반 디지털 워터마크 기법을 제공하고 있다. 특히, 혼합패턴의 패딩기법과 셔플링기법을 이용하여 기존의 DCT(Discrete Cosine Transform), SA(Shape Adaptive)-DCT를 이용한 디지털 워터마크의 결점을 보완한 것이다.
워터마크의 공격에 있어서도 영상이 압축되었을 시에 저작권 보호가 가능하며, 다른 공격자가 자신의 영상이라 주장하는 소유권 주장과 커루젼과 같은 공격에도 강한 특성을 보인다. 또한 영상에 크기변환, 클리핑 및 여러 가지 필터링과 같은 후처리에 대해서도 저작권 보호가 가능한 이점이 있다.
본원에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로써 이는 당분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본원의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본원에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 설명했으므로 본발명의 기술적인 난이도 측면을 고려할 때, 당분야에 통상적인 기술을 가진 사람이면 용이하게 본 발명에 대한 또 다른 실시예와 다른 변형을 가할 수 있으므로, 상술한 설명에서 사상을 인용한 실시예와 변형은 모두 본 발명의 청구 범위에 모두 귀속됨은 명백하다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진 사각형 영역을 비디오 객체 평면(VOP; Video Object Plane)으로 설정한 후, 상기 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 고주파 성분을 포함하는 패딩 패턴(padding pattern)으로 채워넣고, 상기 패딩된 비디오 객체 평면의 전영역을 기설정된 크기의 블록 단위로 분할한 후, 셔플링 키 코드(shuffling key code)를 이용하여 상기 블록 단위로 셔플링(shuffling)한 다음에 상기 셔플링된 비디오 객체 평면에 대역 확산 기법을 적용하여 디지털 워터마크를 삽입하고, 이어서, 상기 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 역셔플링(de-shuffling)한 후, 상기 삽입한 패딩 패턴을 삭제함으로써 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체를 생성하는 본 발명에 따르면, 비쥬얼 객체 단위로 디지털 워터마크를 삽입·추출할 수 있도록 함과 동시에 셔플링 기법에 의해 고도의 저작권 보호 능력을 보유할 수 있는 이점이 있다. 특히, 영상이 고압축될 경우에도 저작권 보호가 가능하며, 다른 공격자가 자신의 영상이라 주장하는 소유권 주장과 커루젼과 같은 공격에도 강한 특성을 보일 뿐만 아니라 영상에 크기변환, 클리핑 및 여러 가지 필터링과 같은 인위적인 후처리를 가하더라도 저작권 보호가 가능한 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 디지털 워터마크 삽입 방법에 있어서,
    디지털 워터마크(digital watermark)를 삽입할 해당 영상에서 적어도 하나 이상의 비쥬얼 객체(visual object)에 대한 형상 정보를 추출하는 비쥬얼 객체 추출 단계와;
    상기 비쥬얼 객체를 포함하는 비디오 객체 평면(VOP; Video Object Plane)을 설정하는 제 1 비디오 객체 평면 설정 단계와;
    상기 설정된 비디오 객체 평면에서 상기 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 패딩 패턴(padding pattern)으로 채워넣는 제 1 패딩 단계와;
    상기 패딩된 비디오 객체 평면의 전영역을 기설정된 크기의 블록 단위로 분할한 후, 셔플링 키 코드(shuffling key code)를 이용하여 상기 블록 단위로 셔플링(shuffling)하는 제 1 셔플링 단계와;
    상기 셔플링된 비디오 객체 평면에 디지털 워터마크를 삽입하는 디지털 워터마크 삽입 단계; 및
    상기 셔플링된 상태에서 상기 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 역셔플링(de-shuffling)한 후, 상기 삽입한 패딩 패턴을 삭제하여 다시 원영상 형태의 비쥬얼 객체로 변환함으로써 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체를 생성한 후에 저장하거나 원격지로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비디오 객체 평면은,
    상기 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진 사각형 영역인 것을 특징으로 하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 패딩 패턴은,
    고주파 성분을 포함하는 랜덤(random)한 혼합 패턴인 것을 특징으로 하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 디지털 워터마크는,
    대역 확산 기법을 적용하여 생성한 것을 특징으로 하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체와 상기 패딩 패턴 및 상기 셔플링 키 코드를 입력받는 단계와;
    상기 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진 사각형 영역을 비디오 객체 평면으로 설정하는 제 2 비디오 객체 평면 설정 단계와;
    상기 설정된 비디오 객체 평면에서 상기 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 상기 패딩 패턴(padding pattern)으로 채워넣는 제 2 패딩 단계와;
    상기 패딩된 비디오 객체 평면의 전영역을 기설정된 크기의 블록 단위로 분할한 후, 상기 셔플링 키 코드(shuffling key code)를 이용하여 상기 블록 단위로 셔플링(shuffling)하는 제 2 셔플링 단계와;
    상기 셔플링된 비디오 객체 평면에서 상기 대역 확산 기법에 기반한 디지털 워터마크 삽입 과정의 역순으로 상기 디지털 워터마크를 추출하는 디지털 워터마크 추출 단계; 및
    상기 셔플링된 상태에서 상기 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 역셔플링(de-shuffling)한 후, 상기 삽입한 패딩 패턴을 삭제하여 다시 원영상 형태의 비쥬얼 객체로 변환함으로써 상기 디지털 워터마크가 삭제된 비쥬얼 객체를 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 삽입 방법.
  6. 디지털 워터마크 추출 방법에 있어서,
    셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체와 패딩 패턴 및 셔플링키 코드를 입력받는 단계와;
    상기 셔플링 기반 디지털 워터마크가 삽입된 비쥬얼 객체를 포함하는 비디오 객체 평면을 설정하는 비디오 객체 평면 설정 단계와;
    상기 설정된 비디오 객체 평면에서 상기 비쥬얼 객체를 제외한 배경 영역을 상기 패딩 패턴(padding pattern)으로 채워넣는 패딩 단계와;
    상기 패딩된 비디오 객체 평면의 전영역을 기설정된 크기의 블록 단위로 분할한 후, 상기 셔플링 키 코드(shuffling key code)를 이용하여 상기 블록 단위로 셔플링(shuffling)하는 제 2 셔플링 단계와;
    상기 셔플링된 비디오 객체 평면에서 디지털 워터마크 삽입 과정의 역순으로 디지털 워터마크를 추출하는 디지털 워터마크 추출 단계; 및
    상기 셔플링된 상태에서 상기 디지털 워터마크가 삽입된 비디오 객체 평면을 역셔플링(de-shuffling)한 후, 상기 삽입한 패딩 패턴을 삭제하여 다시 원영상 형태의 비쥬얼 객체로 변환함으로써 상기 디지털 워터마크가 삭제된 비쥬얼 객체를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 추출 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 비디오 객체 평면은,
    상기 비쥬얼 객체의 최외곽에 접하는 꽉 짜여진 사각형 영역인 것을 특징으로 하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 추출 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 패딩 패턴은,
    고주파 성분을 포함하는 랜덤(random)한 혼합 패턴인 것을 특징으로 하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 추출 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 디지털 워터마크는,
    대역 확산 기법을 적용하여 생성한 것을 특징으로 하는 셔플링을 이용한 객체 기반 디지털 워터마크 추출 방법.
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