KR100359506B1 - 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법 - Google Patents

디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 워터마크가 삽입된 영상이 인쇄되거나 디더링이나 하프톤과 같은 이미지 변형을 거치더라도 워터마크가 양호하게 검출될 수 있을 뿐만 아니라, 원본 디지털 영상없이도 워터마크를 검출할 수 있는 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법가 제공된다.
따라서, 본 발명은, 디지털 영상의 밝기 성분을 주파수 영역 계수들로 변환시키고, 워터마크를 생성한 다음, 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제1 주파수 영역의 계수를 사용하여, 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제2 주파수 영역의 계수에 워터마크를 삽입한다. 또한, 본 발명은, 워터마크가 삽입된 디지털 영상의 밝기 성분을 주파수 영역의 계수로 변환시키고, 주파수 영역의 계수 중 제1 주파수 영역 및 제2 주파수 영역의 계수를 사용하여, 워터마크를 검출한 후, 검출된 워터마크와 인증용 워터마크의 일치 여부를 판별하여, 일치하는 경우에 디지털 영상을 인증하게 된다.

Description

디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법{DIGITAL IMAGE WATERMARKING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 디지털 영상 워터마킹(watermarking) 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는, 워터마크가 인쇄 또는 다양한 이미지 변형에도 강인하게 남아있도록 하여 삽입된 워터마크를 양호하게 검출할 수 있으면서도 디지털 영상의 품질을 저하시키지 않으며, 원본 영상없이도 워터마크를 검출할 수 있는 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법에 관한 것이다.
사진 이미지와 같은 정지 영상이나, 애니메이션 등의 동영상과 같은 디지털 영상물의 창작과 유통이 급증함에 따라, 이들 디지털 영상물이 다양한 저장 매체들 또는 네트워크를 통해 유통되면서 불법 복제 또는 불법 변경되는 일 또한 크게 증가하게 되었다. 디지털 영상물이 불법적으로 변경되거나 복제 또는 유통되는 것을 방지하기 위해, 여러 방안들이 개발되어 왔는데, 본 발명의 발명자는 이러한 목적을 달성하기 위한 방안으로서 디지털 워터마킹 기술에 주목하였다.
디지털 워터마킹 기술은 디지털 데이터 저작물에 육안으로는 식별할 수 없는 추가적인 정보를 삽입하여 디지털 데이터 저작물의 소유권자의 허락없이 복사, 배포, 변경, 판매 등이 행하여지는 것을 방지하기 위한 기술이다. 지금까지 잘 알려진 디지털 워터마킹 기술로는, 공간 영역법, 주파수 영역법, 스프레드 스펙트럼 커뮤니케이션법 등이 있다. 이들 디지털 워터마킹 기술들은 제각기, 워터마크의 삽입이 용이하다거나 (공간 영역법), 워터마크의 삭제가 곤란하다는 (주파수 영역법) 등의 장점들을 갖는 반면에, 필터링과 같은 작업에 약하다거나 (공간 영역법), 계수 값에 따라 영상이 손실된다거나 (주파수 영역법), 또는 워터마크를 검출하기 위해 원본 영상이 필요하고, 워터마크를 삽입하면 본래의 디지털 영상이 크게 변형된다는 (스프레드 스펙트럼 커뮤니케이션법) 등의 여러 가지 단점들을 갖는다.
즉, 상술한 종래의 디지털 워터마킹 기술들로는 디지털 영상의 불법적인 변경과 복제 및 유통을 방지하는 데 요구되는 다음과 요건들, 상세히는
1) 디지털 영상에 삽입된 워터마크는 삭제되기가 곤란하거나 불가능해야 한다 (접근의 곤란성);
2) 디지털 영상이 인쇄되더라도, 또는 인쇄를 위한 이미지 변형 예컨대, 디더링(dithering)이나 하프톤(halftone) 등을 거치더라도, 디지털 영상에 삽입된 워터마크는 이러한 인쇄 또는 이미지 변형 후에도 검출될 수 있을 정도로 강인해야 한다 (변형의 강인성);
3) 디지털 영상에 워터마크를 삽입하였을 때, 워터마크에 의한 디지털 영상 의 품질 저하를 최소화시키거나 없도록 하여야 한다 (디지털 영상 품질의 보존성); 및
4) 삽입된 워터마크는 저작권자 및 사용이 허가된 자 이외에는 발견할 수 없어야 한다 (삽입 정보의 은닉성)
는 요건들을 동시에 모두 충족시키지 못하여 그 적용 범위가 매우 한정적이고, 상술한 목적을 충분히 달성하기가 곤란하였다.
따라서, 본 발명은 상술한 목적과 요건들을 충족시키는 디지털 영상 워터마킹 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다. 보다 상세히는, 본 발명은 인쇄나 다양한 이미지 변형을 거치더라도 삽입된 워터마크의 검출이 가능하고, 비가시적인 워터마크의 삽입 방법을 사용하여 워터마크로의 접근을 곤란하게 하며, 워터마크의 검출 시에 원본 영상을 필요로 하지 않는 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명에 따른 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법에 의하면, 주파수 영역 특성을 이용하여 워터마크를 삽입하기 때문에 디지털 영상의 품질도 크게 저하되지 않을 뿐만 아니라, 워터마크가 삽입된 디지털 영상이 낮은 해상도로 출력되거나 디더링이나 하프톤 등에 의한 이미지 변형에 대해서도 워터마크의 보존성이 높은 강인한 특징을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법에 의하면, 사용자로부터 입력받은 사용자 키값을 암호화하여 워터마크로 생성한 뒤 삽입하며, 디지털 영상에서 워터마크를 검출하고 난 후, 사용자로부터 입력된 사용자 키로부터 생성된 워터마크와 검출된 워터마크가 일치하는 지를 판별하여, 두 워터마크가 일치하는 경우에만 인증받도록 하므로, 워터마크의 보안성을 보다 강화시킨 특징을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법에 의하면, 사용자 키값과 워터마크의 상관 관계에서 4차 모멘트(Kurtosis)를 이용한 첨예도와 최대값 및 그 위치를 이용함으로써, 워터마크 검출 및 인증의 정확성을 극대화시킨 특징을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따라 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 프로세스를 수행하는 워터마크 삽입 장치(100)를 개념적으로 도시한 블럭도.
도 2는 본 발명에 사용되는 필터뱅크에 의한 이산 웨이블렛 변환의 프로세스를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 사용되는 필터뱅크에 의한 이산 웨이블렛 역 변환의 프로세스를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 사용되는 일반적인 이산 웨이블렛 변환 후의 계수 분포를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따라 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 전체적인 프로세스(300)를 설명하기 위한 흐름도.
도 6은 본 발명에 따라 디지털 영상에서 워터마크를 검출하고, 검출된 워터마크의 상관 관계의 산술 및 분석으로부터 인증 결과를 출력하는 프로세스를 수행하는 워터마크 검출 및 인증 장치(200)를 개념적으로 도시한 블럭도.
도 7은 본 발명에 따라 디지털 영상에서 워터마크를 검출하고, 검출된 워터마크로의 상관 관계의 산술 및 분석으로부터 인증 결과를 출력하는 전체적인 프로세스(400)를 설명하기 위한 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 워터마크 삽입 장치
110, 210 : 흑백 영상/컬러 영상 판별기
120, 220 : 컬러 모델 변환기
125, 225 : 주파수 영역 변환기
130, 230 : 워터마크 생성기
131, 231 : 사용자 키 암호화기
132, 232 : 의사 난수 생성기
140 : 워터마크 삽입기
150 : 역 주파수 영역 변환기
155 : 역 컬러 모델 변환기
200 : 워터마크 검출 및 인증 장치
240 : 상관 관계 산술 및 분석기
250 : 인증 결과 출력기
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 5를 참조하여, 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 장치와방법에 대하여 함께 설명한다. 도 1은 본 발명에 따라 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 프로세스를 수행하는 워터마크 삽입 장치(100)를 개념적으로 도시한 블럭도이고, 도 5는 본 발명에 따라 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 전체적인 프로세스(300)를 설명하기 위한 흐름도이다. 도 1의 워터마크 삽입 장치(100)에 의해 수행되는 일련의 프로세스는 도 5에 도시된 프로세스(300)에 대응한다. 도 1에는 워터마크 삽입 장치(100)에 포함된 구성 요소들이 기능 블럭별로 도시되어 있고, 도 5에는 도 1의 구성 요소들에 의해 수행되는 삽입 과정이 도시되어 있다.
먼저, 디지털 영상 원본(OI)이 워터마크 삽입 장치(100)에 포함된 흑백 영상/컬러 영상 판별기(110)에 입력된다 (도 5의 단계 310). 흑백 영상/컬러 영상 판별기(110)는 워터마크를 삽입하고자 하는 디지털 영상 원본(OI)이 흑백 영상인지 컬러 영상인지를 구별하기 위해 전단에 배치된 것이다. 흑백 영상/컬러 영상 판별기(110)는 입력된 디지털 영상 원본(OI)의 포맷 등에 관한 이미지 정보 데이터를 추출하여, 추출된 이미지 정보 데이터로부터 흑백 영상인지 컬러 영상인지를 판별한다 (단계 320).
다음으로, 흑백 영상/컬러 영상 판별기(110)에 의해 판별 과정을 거친 디지털 영상 원본(OI)은 주파수 영역 변환기(125)에 의해 주파수 영역으로 변환된다. 이 때, 흑백 영상은 밝기(intensity) 성분만을 가지므로, 흑백 영상/컬러 영상 판별기(110)에 의한 결과가 흑백 영상인 경우에는 밝기 성분에 대한 주파수 영역 변환만을 수행하면 되어, 곧바로 주파수 영역 변환기(125)에 의해 주파수 변환이 수행된다 (단계 330a). 이와 달리, 상술한 판별기(110)에 의한 결과가 컬러 영상인경우에는 먼저, 컬러 모델 변환기(120)에서, 예컨대 RGB 모드 등의 컬러 모델로부터 HSB(H:hue, S:saturation, B:brightness) 모드, YIQ(Y:luminance, I:in-phase, Q:quadrature) 모드 또는 YCbCr(Y:luminance, Cb/Cr:chrominance) 모드의 컬러 모델로 변환되고, 변환된 컬러 모델의 밝기 성분이나 휘도(luminance) 성분이 추출된다 (단계 325). 컬러 모델 변환기(120)에 의해 변환된 컬러 모델의 밝기 성분 또는 휘도 성분은 주파수 영역 변환기(125)에 의해 주파수 영역으로 변환된다 (단계 330b). 디지털 영상 원본(OI)을 주파수 영역으로 변환하는 기법에는 여러 가지가 있겠으나, 대표적으로는 FFT 변환(Fast Fourier Transform), DCT 변환(Discrete Cosine Transform), DWT 변환(Discrete Wavelet Transform) 등이 적용될 수 있다. 본 발명에서는 워터마크의 삽입과 검출을 위해 주파수 영역법을 사용하는데, 그 이유는 주파수 영역법에 의한 변환들은 디지털 영상을 주파수 영역으로 변환시킴으로써 워터마크를 디지털 영상에 은닉시켜 워터마크의 제거를 어렵게 하며, 디지털 영상 원본의 품질을 크게 저하시키지 않는 장점을 갖기 때문이다. 주파수 영역 변환기(125)에 의하면 디지털 영상의 DCT 계수나 FFT 계수 또는 DWT 계수(FOI)를 얻게 된다.
그런데, 푸리에 변환은 변환 영역의 계수가 복소수로 이루어지므로 푸리에 변환 계수에 목표 데이터를 삽입하는 데 어려움이 있는 반면에, DCT 변환은 푸리에 변환과 유사한 특성을 포함하기도 하지만 변환 영역의 계수가 실수만으로 이루어지므로, 푸리에 변환보다 유리하고 용이하다. 여기서는 디지털 영상에 대한 DCT 변환 계수 또는 DWT 변환 계수에 워터마크를 삽입하는 실시예로서 설명한다. DCT 변환은 기본적으로 FFT 변환과 밀접한 관련이 있으며, 표준 JPEG 압축 등에서 널리 사용되는 변환 기법이다. DCT 변환의 수식으로부터 그 변환 계수를 알 수 있다. 1차원 DCT 변환은 다음의 수학식 1a와 같이 정의된다:
상기 수학식 1a에서, s는 N개의 원래 값이고, t는 N개의 변환 값이며, 계수 c는 다음의 수학식 1b와 같이 주어진다:
(단, 1≤k≤N-1인 경우).
한편, 정방 행렬에 대한 2차원 DCT 변환은 다음의 수학식 2a와 같이 정의된다:
상기 수학식 2a에서, N, s, t는 1차원 DCT 변환과 같은 의미이고, c(i, j)는 다음의 수학식 2b와 같이 주어진다:
(단, i≠0, j≠0인 경우).
또한, DCT 변환은 역변환을 갖는데, 1차원 및 2차원에 대해 각각 다음의 수학식 3a 및 수학식 3b로 정의된다:
다음으로, DWT 변환에 대해 알아본다. 푸리에 변환이 사인 함수 및 코사인 함수를 기저 함수로 사용하는 변환이라면, 웨이블렛 변환은 기저 함수로서 웨이블렛을 사용하는 변환으로서, 크게 연속 웨이블렛 변환 및 이산 웨이블렛 변환으로 나누어 볼 수 있다. 연속 웨이블렛 변환은 다음의 수학식 4와 같이 정의된다:
상기 수학식 4에서, s는 스케일링(scaling)을, τ는 위치이동(translation)을 나타내며, Ψ(s, t)는 스케일링되고 위치이동된 형태의 웨이블렛을 나타낸다.
스케일링은 주파수와 관련되는데, 낮은 스케일링 즉, 압축된 웨이블렛은 고주파 성분을 추출하고, 높은 스케일링 즉, 확장된 웨이블렛은 저주파 성분을 추출한다. 통상적으로, 연속 웨이블렛 변환은 변환을 통해 얻어지는 웨이블렛 계수가스케일링과 위치이동의 함수로서 무한개가 얻어지므로 실제 구현이 불가능하다. 따라서, 스케일링과 위치이동에 대해서 일정한 부집합만을 선택하는 이산 웨이블렛 변환을 사용하면 보다 효과적으로 구현할 수 있다. 그러나, 이산 웨이블렛 변환 역시 컴퓨터로 구현하기에는 많은 연산량의 부담이 따르기 때문에, 고속 웨이블렛 변환인 필터뱅크를 사용하여 영상 이미지를 변환시키는 것이 바람직하다. 이 방법은 고전적인 2채널 서브밴드 코딩과 피라미드 알고리즘을 이용하며, 역변환을 위한 필터뱅크 사이의 관계(PR-QMF : Perfectly reconstruction quadrature mirror filter)만 성립되면 간단히 구현할 수 있는 장점을 갖는다. 필터뱅크를 이용한 고속 웨이블렛 변환의 개요는 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같다. 도 2는 본 발명에 사용되는 필터뱅크에 의한 이산 웨이블렛 변환의 프로세스를 도시하는 도면이고, 도 3은 본 발명에 사용되는 필터뱅크에 의한 이산 웨이블렛 역 변환의 프로세스를 도시하는 도면이며, 도 4는 본 발명에 사용되는 일반적인 이산 웨이블렛 변환 후의 계수 분포를 나타내는 도면이다.
한편, 본 발명의 일 특징에 의하면, 워터마크의 생성에 있어서, 일정한 권리가 있는 사용자로부터 소정의 사용자 키를 입력받아, 입력받은 사용자 키로부터 워터마크를 생성한다. 사용자 키를 워터마크로 이용하면, 검출된 워터마크와 사용자 키로부터 생성된 워터마크 간의 상관 관계를 통해 디지털 영상의 진위나 변경 여부를 보다 정확하게 판단할 수 있어, 워터마크의 보안성을 강화시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 특징에 의하면, 입력받은 사용자 키를 암호화한 다음,이로부터 디지털 영상에 삽입될 워터마크를 생성한다. 사용자 키가 암호화 과정을 거치면 사용자 키값이 쉽게 변형되지 않을 뿐만 아니라 사용자 키 자체를 은닉시킬 수 있으므로, 암호화된 사용자 키로부터 생성된 워터마크를 디지털 영상에 삽입하면, 이후에 디지털 영상에서 워터마크를 검출할 때 사용자 키 자체가 공개될 우려가 없다는 장점이 있다. 암호화는 통상적인 암호화 방식, 예컨대, DES(data encryption standard) 방식, RSA 방식, ECC 방식 등을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 암호화할 데이터가 코딩되어 그 결과가 의사 난수(pseudo random number)로 출력되는 PN-code 방식을 사용한다.
워터마크(W)를 생성하기 위해서는, 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 사용자 키가 워터마크 생성기(130)에 입력되면 (단계 341), 워터마크 생성기(130)에 포함된 사용자 키 암호화기(131) 및 의사 난수 생성기(132)는 입력된 사용자 키를 이용하여 암호화하고 의사 난수를 생성하여 (단계 343 및 단계 345), 디지털 영상 원본(OI)의 주파수 영역 변환 계수(FOI)에 삽입될 워터마크(W)를 생성한다.
사용자 키로부터 생성된 워터마크(W)는, 워터마크 삽입기(140)에 의해 다음의 수학식 5와 같은 방식의 프로세싱을 통해, 디지털 영상에 삽입된다 (단계 350a 또는 단계 350b).
여기서, fx는 디지털 영상 원본에 삽입될 워터마크의 강도를 조절하기 위한 특성 함수이다. fx는 다양하게 설정할 수 있는데, 디지털 영상 원본(OI)의 주파수 영역변환 계수(FOI) 중 일부를 모듈로(modulo) 연산하거나 다수의 변환 계수들의 평균, 표준편차, 분산 등 통계적인 특성값을 뽑아내는 함수일 수 있다. FOI'은 디지털 영상 원본(OI)의 주파수 영역 변환 계수(FOI)에 특성 함수 fx를 적용한 값에 워터마크(W)가 곱해진 결과를 나타낸다. 상기 수학식 5에서 변환 계수(FOI)는 디지털 영상의 주파수 영역의 값이므로 2차원 배열의 형태이고, 워터마크(W)는 1차원 순열(sequence)의 형태를 가지기 때문에, 변환 계수(FOI)를 순열 형태로 만들어 주거나 워터마크(W)를 2차원 블럭화하여 연산한다. 연산을 위해서 영상의 주파수 계수 하나에 워터마크 하나를 매칭시켜 계산할 수도 있고, 영상의 주파수 계수 여러 개의 통계적인 특성을 뽑아 하나의 워터마크와 연산하는 방법이 있다.
수학식 5를 참고하여 워터마크가 삽입되는 과정을 보다 상세히 설명하면, 워터마크 삽입기(140)는 소정의 특정 주파수 영역의 변환 계수(이하, 삽입 계수라 함)의 절대값에 특성 함수 fx를 적용하여 얻은 값과 워터마크를 곱한 결과(FOI', 이하, 대치 계수라 함)를 다른 소정의 특정 주파수 영역의 변환 계수와 대치(replacement)하는 프로세싱을 수행한다. 예를 들면, 디지털 영상을 저주파수 영역, 중간주파수 영역 및 고주파수 영역으로 나누었을 때, 디지털 영상의 정보가 상대적으로 적게 포함된 중간주파수 영역 또는 고주파수 영역에 워터마크를 삽입하게 되는데, 저주파수 영역의 변환 계수(삽입 계수)에 특성 함수 fx를 적용한 결과에 워터마크를 곱한 결과(대치 계수)를, 기존의 중간주파수 영역이나 고주파수 영역의 변환 계수에 대치함으로써, 워터마크의 삽입이 완료된다. 이러한 방식에 의하면, 고주파수 부분을 일부 버리는 압축 과정이나, 블러링과 같은 변형이 있다고해도, 워터마크는 저주파수 영역의 계수와 곱하여져 고주파수 영역에 대치되는 것이고, 변형 후에도 고주파수 영역이 상당 부분 남아 있게 되므로 변형에 강인하다는 장점이 있다. 본 명세서에서는 워터마크가 저주파수 영역의 계수의 절대치에 특성 함수 fx를 적용한 결과와 곱하여져 고주파수 영역에 대치되는 것을 일례로서 개시하고 있지만, 디지털 영상의 품질을 저하시키지 않는 범위의 주파수 영역들을 선택하여 워터마크를 삽입할 수도 있다. 예컨대 고주파 영역의 변환 계수의 절대치에 특성 함수를 적용한 결과에 워터마크를 곱한 다음 고주파수 영역에 대치하는 것이 가능한 바, 주파수 영역으로 변환된 디지털 영상에 워터마크를 삽입하는 방법은 이에 한정되지 않고 여러 주파수 영역에서도 응용될 수 있다.
또한, 본 발명은 인쇄에 의해서 영상의 전체적인 특징이 잘 변하지 않는다는 점에 착안하여, 임의의 주파수 영역의 계수로 다른 주파수 영역의 계수를 보상함으로써 영상의 전체적인 특성에 변화를 주지 않는다는 주파수 영역의 특성을 이용하면 인쇄에 강인한 특징을 갖게 되므로, 인쇄 등에 의해서 워터마크가 없어지는 것을 방지할 수가 있게 된다. 또한, 상술한 주파수 영역의 특성을 이용한 워터마크의 삽입법에 의하면, 워터마크를 삽입한다 할지라도 디지털 영상의 전체적인 특성이 변하지 않으므로 즉, 디지털 영상 원본의 품질이 저하되지 않으므로, 인쇄 후에도 디지털 영상 원본의 품질을 감상하는 것이 가능하다.
수학식 5에서, 디지털 영상 원본(OI)에 워터마크(W)가 삽입되었을 때 워터마크(W)의 강도의 세기를 조절하는 것은 fx 함수이다. 이 특성 함수값은 사용자의 임의대로 설정할 수 있으므로 어떠한 값도 가능하며, 특히 워터마크(W)의 삽입에의한 디지털 영상의 품질이 저하되지 않도록 적절한 함수로 결정할 수 있다. 즉, 워터마크의 강도의 세기와 디지털 영상의 품질의 변형은 서로 반비례한 관계에 있으므로, 워터마크의 사용 환경과 디지털 영상의 품질 유지 측면을 고려하여 정하는 것이 바람직하다.
이제, 워터마크가 삽입된 디지털 영상을 얻기 위해, 역 주파수 영역 변환기(150)는 주파수 영역으로 변환된 디지털 영상을 복원시킨다 (단계 360a 또는 단계 360b). 상술한 주파수 영역 변환기(125)가 DCT 변환이나 DWT 변환 또는 FFT 변환을 이용한 경우, 역 주파수 영역 변환기(150)는 역 DCT 변환이나 역 DWT 변환 또는 역 FFT 변환을 이용한다. 여기서, 디지털 영상 원본(OI)이 컬러 영상인 경우에는 역 컬러 모델 변환기(155)에 의해, 역 주파수 영역 변환이 수행된 밝기 성분 또는 휘도 성분과, 주파수 영역 변환을 거치지 않았던 밝기 성분 또는 휘도 성분을 제외한 나머지 성분을 이용하여, HSB 모드, YIQ 모드 또는 YCbCr 모드의 컬러 모델에서 원래의 컬러 모델로 복구된다 (단계 370). 마지막으로, 워터마크가 삽입된 디지털 영상(WI)을 획득하게 됨으로써 (단계 380), 워터마크의 디지털 영상으로의 삽입 프로세싱이 완료된다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 워터마크가 삽입된 디지털 영상으로부터 워터마크를 검출하고, 검출된 워터마크와 사용자 키로부터 생성된 워터마크 간의 상관 관계를 통해, 인증 결과를 출력하는 장치 및 방법에 대하여 설명한다. 도 6은 본 발명에 따라 디지털 영상에서 워터마크를 검출하고, 검출된 워터마크의 상관 관계의 산술 및 분석으로부터 인증 결과를 출력하는 프로세스를 수행하는 워터마크검출 및 인증 장치(200)를 개념적으로 도시한 블럭도이고, 도 7은 본 발명에 따라 디지털 영상에 워터마크를 검출하고, 검출된 워터마크로의 상관 관계의 산술 및 분석으로부터 인증 결과를 출력하는 전체적인 프로세스(400)를 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6의 워터마크 검출 및 인증 장치(200)에 의해 수행되는 일련의 프로세스는 도 7에 도시된 프로세스(400)에 대응한다. 도 6에는 워터마크 검출 및 인증 장치(200)에 포함된 구성 요소들이 기능 블럭별로 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 구성 요소들에 의해 수행되는 검출 및 인증 과정이 도시되어 있다.
도 1 및 도 5와 마찬가지로, 워터마크가 삽입된 디지털 영상(WI)을 워터마크 검출 및 인증 장치(200)의 흑백 영상/컬러 영상 판별기(210)에 입력한다 (도 7의 단계 410). 도 6의 흑백 영상/컬러 영상 판별기(210), 컬러 모델 변환기(220) 및 주파수 영역 변환기(225)는 도 1의 흑백 영상/컬러 영상 판별기(110), 컬러 모델 변환기(120) 및 주파수 영역 변환기(125)와 동작 및 기능 면에서 동일하다. 즉, 워터마크가 삽입된 영상(WI)이 흑백 영상인지 컬러 영상인지를 판별하여 (단계 420), 워터마크가 삽입된 영상(WI)이 흑백 영상이면, 주파수 영역 변환기(225)에 의해 밝기 성분에 대한 주파수 영역 변환이 수행되고 (단계 430a), 컬러 영상이면 먼저 컬러 모델 변환기(220)에 의해 HSB 모드, YIQ 모드 또는 YCbCr 모드 등의 컬러 모델로 변환된 다음 (단계 425), 주파수 영역 변환기(225)에 의해 밝기 성분 또는 휘도 성분에 대하여 DCT 변환, DWT 변환, FFT 변환 등의 주파수 영역 변환이 수행된다 (단계 430b).
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 워터마크 생성기(230)는 사용자 키를 입력받으면 (단계 441), 사용자 키 암호화기(231)에 의해 워터마크 삽입과 동일한 방법으로 암호화되고 (단계 443), 의사 난수 생성기(232)에 의해 PN-code 방식에 의한 워터마크(W)를 생성하게 된다 (단계 445). 도 6 및 도 7의 워터마크 생성기(230) 및 워터마크 생성 과정(440)은 도 1 및 도 2의 워터마크 생성기(130) 및 워터마크 생성 과정(340)과 동일하다.
다음으로, 상관 관계 산술 및 분석기(240)는, 워터마크 삽입의 역 과정을 수행하여, 주파수 영역 변환의 결과 얻게 된 워터마크가 삽입된 디지털 영상의 주파수 영역으로의 변환 계수(FWI)로부터 디지털 영상에 삽입되어 있던 워터마크(WE)를 검출하고, 두 워터마크(W 및 WE) 간의 상관 관계를 산술한다 (단계 450). 워터마크의 검출 시에는, 소정의 특정 주파수 영역의 계수에 특성 함수를 적용한 결과에 워터마크를 곱하여 다른 소정의 특정 주파수 영역의 계수에 삽입하는 프로세싱을 역 프로세싱하는 것으로서, 워터마크가 삽입된 디지털 영상으로부터, 상술한 특정 주파수 영역에 삽입되어 있는 대치 계수(FOI')와, 대치 계수(FOI') 계산에 사용되었던 삽입 계수(FOI)를 구하고, 이 삽입 계수 및 대치 계수를 이용하여 워터마크를 복원한다. 이 복원된 워터마크(WE)와 워터마크 삽입시 사용된 방법에 의해서 생성된 워터마크(W) 간의 상관 관계를 구함으로써 디지털 영상에 소정의 워터마크가 있는지 검출할 수 있다.
도면에는 도시되어 있지 않지만, 사용자 키로부터 워터마크를 생성하는 방법 이외에, 예를 들어 소정의 저장 매체에 미리 저장되어 있던 여러 가지 워터마크들 중 어느 한 워터마크를 삽입 및 검출하는 예도 있을 수 있다. 이렇게 사용자 키가입력되지 않은 경우에는, 삽입 계수와 대치 계수로부터 구한 워터마크를 예컨대 미리 저장되어 있는 여러 가지 워터마크들과 비교하여 소정의 워터마크가 삽입되어 있는 지를 판단할 수 있다.
어떤 경우이건 워터마크가 삽입된 영상의 주파수 영역의 계수값들로부터 직접 워터마크를 검출할 수 있으므로, 원본 영상이 필요하지 않다.
그런데, 워터마크가 임의의 크기값을 갖는 순열인 경우에는 워터마크를 복원하기 위하여 삽입 계수와 대치 계수의 값을 사용해야 하지만, 예를 들어 워터마크가 1과 -1만을 갖는 이진 수열인 경우에는 특성 함수 fx의 값이 항상 양수라는 가정 하에, 대치 계수의 부호만으로도 워터마크의 값을 복원할 수 있다.
상관 관계 산술 및 분석기(240)는 이렇게 검출된 워터마크(WE)와, 사용자로부터 입력된 키를 사용하여 생성된 워터마크(W) 간의 상관 관계 및 그 상관값을 구하여, 사용자가 지정한 워터마크가 삽입된 것임을 확인함으로써, 워터마크 검출 및 인증 장치(200)에 의해 검사받는 디지털 영상의 진위, 변경 여부를 알 수 있다.
이하, 상관 관계 산술 및 분석기(240)의 두 워터마크(WE 및 W) 간의 상관 관계 및 그 상관값을 구하는 방법에 대해 설명한다.
두 워터마크(WE 및 W) 간의 상관 관계는 다음의 수학식 6에 의해 구할 수 있다:
여기서,는 FFT(W)의 공액 복소수를 나타내고, IFFT(W)는 역FFT(W)를 나타낸다.
상기 수학식 6으로부터 구해진 상관 관계 결과는 어떤 하나의 값이 아니라 시퀀스의 형태(χ1, …, χN)이므로 구해진 복수 개의 값들(χ1~ χN)을 비교하여 최대 피크값 M 및 그 위치 P를 구한다.
그 다음, 수학식 6으로부터 구해진 상관 관계 결과로부터 첨예도 즉, 4차 모멘트(Kurtosis) K를 다음의 수학식 7에 의해 구한다:
여기서, χ1, …, χN는 상술한 바와 같이 수학식 6으로부터 얻은 수열로서, 두 워터마크(W 및 WE) 간의 상관 관계 결과값이고,는 χ1, …, χN의 평균을, σ는 표준 편차를 나타낸다.
이렇게 구해진 상관값들 K, M, P을 분석하면 (단계 460), 소정의 사용자 키로 생성된 워터마크(W)와 검출된 워터마크(WE)가 일치하는 지를 판별할 수 있다. 상세히 설명하면, 상관값 K 즉, 커토시스(Kurtosis)가 소정의 임계치 미만이면 두 워터마크(W와 WE)가 일치하지 않음을 나타내고, 최대 피크값(M)이 소정의 임계치 미만인 경우에도 두 워터마크(W와 WE)가 일치하지 않음을 나타낸다. 또한, 두 워터마크(W 및 WE)의 최대 피크값의 위치(P)가 항상 동일한 경우에만 두 워터마크(W 및 WE)가 일치하는 것을 의미한다. 또한, 워터마크 생성기(440)에 의해 생성된 PN-code는 자기 자신의 신호 외의 PN-code와는 상관도가 '0'이므로, PN-code에 의한 상관도 역시 소정의 임계치 이상인 경우에는 두 워터마크(W 및 WE)가 일치하는 것을 의미한다. 따라서, 디지털 영상이 상술한 상관값들의 조건을 모두 충족시킨다면, 두 워터마크(W 및 WE)가 일치하는 것임을 의미하는 것이므로, 디지털 영상의 인증을 확정할 수 있게 된다. 일례로서, 도 7의 단계 347과 같이 상관값들의 조건을 분석한 결과에 따라 워터마크된 디지털 영상이 인쇄된 증명서의 소지자를 인증하거나, 예컨대 통과를 허가하거나 (단계 480a), 또는 인증을 거절하거나, 예컨대 통과를 거절하거나 경고할 수도 있다 (단계 480b).
본 발명에 의한 디지털 워터마킹 장치 및 방법에 대한 평가를 위해서, 256×256 크기의 디지털 영상에 워터마크를 삽입한 후, 디더링, 하프톤, 블러링과 같은 변형을 가한 다음, 워터마크를 검출하는 실험을 실시하였다. 이 실험에 대하여 약 99.92%의 검출 결과를 얻을 수 있었고, 이 실험에 연속하여, 300dpi 해상도의 프린터로 인쇄한 다음, 인쇄된 영상을 스캐너 및 디지털 카메라를 사용하여 다시 디지털 영상으로 생성한 후에 워터마크를 검출하는 실험을 실시하였다. 이 실험에 대해서 95% 이상의 높은 검출율을 보임으로써, 인쇄에 의한 변형에 대해 강인한 워터마킹 기술임을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법에 의하면, 주파수 영역 특성을 이용한 본 발명의 원리에 의해, 워터마크의 삽입 및 검출에 대한 원본 영상의 품질을 보장함과 동시에, 인쇄나 이미지 변형 등에 강인한 특징을 갖고, 원본 영상없이도 워터마크를 검출할 수 있는 장점이 있다. 또한, 사용자 키를 워터마크로 하여 삽입하고, 워터마크 검출 시 사용자로부터 입력된 사용자 키로부터 생성된 워터마크와 검출된 워터마크가 일치한 경우에만 인증되도록 하고 4차 모멘트와 같은 상관값들의 산출로, 워터마크의 보안성 및 정확성을 크게 강화시킨 특징을 갖는다.
인쇄에 강인하고, 보안성이 강화된 특성을 갖는 본 발명에 의한 장치 및 방법은, 인쇄물로서 저작권이나 인증, 개인 정보의 확증을 요구하는 다양한 응용예에 적용될 수 있는 매우 큰 장점을 갖는다. 즉, 본 발명의 장치 및 방법은, 인터넷과 같은 대규모 네트워크 상에서의 전자 상거래, 전자 인증서, 전자 식별 카드, 전자 등록증, 인터넷 쿠폰, 전자 화폐, 신분증, 성적표 등의 활성화를 위한 전제 조건인 정보 보안 장치 및 방법을 제공하며, 비밀 유지를 필요로 하는 정보에 대한 위조, 변조 등의 불법적인 변형 또는 사용을 막을 수 있으므로 개인의 신상 정보의 보호는 물론, 디지털 영상 저작물의 지적 재산권의 보호 산업 분야에도 널리 적용될 수 있다.
지금까지, 본 발명에 따른 디지털 영상 워터마킹 장치 및 방법에 대한 바람직한 실시예가 개시되고 예시로서 설명되었지만, 이는 본 기술 분야의 숙련된 자에게 있어, 이러한 실시예가 오직 예시를 위한 것이지 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형, 치환, 대체될 수 있음은 명백할 것이다. 또한, 본 발명의 기술적 사상은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 오직 첨부된 특허 청구 범위 및 그에 동등한 기술적 원리에 의해서만 한정될 뿐임을 이해하여야 한다.

Claims (18)

  1. 디지털 영상에 워터마크를 삽입하기 위한 장치에 있어서,
    상기 디지털 영상의 밝기(intensity) 성분을 주파수 영역 계수들로 변환시키는 수단;
    워터마크를 생성하는 수단; 및
    상기 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제1 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제2 주파수 영역의 계수에 상기 워터마크를 삽입하는 수단
    을 포함하는 디지털 영상 워터마크 삽입 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 영상이 흑백 영상인지 컬러 영상인지를 판별하는 수단;
    상기 디지털 영상이 컬러 영상인 경우, 본래의 컬러 모델의 영상을 밝기 성분을 포함하는 컬러 모델의 영상으로 변환하는 수단; 및
    상기 워터마크가 삽입된 디지털 영상의 밝기 성분의 주파수 영역 계수를 역변환하고, 역변환된 밝기 성분 및 상기 밝기 성분을 포함하는 컬러모델의 밝기 성분 외의 성분들을 사용하여 상기 본래의 컬러 모델의 영상으로 변환하는 수단
    을 더 포함하는 디지털 영상 워터마크 삽입 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 생성 수단은, 양 또는 음의 부호를 갖는 수들의 순열(sequence)로 이루어진 워터마크를 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 삽입 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 워터마크 생성 수단은, 양 또는 음의 부호를 갖고 절대값이 같은 수들의 순열로 이루어진 워터마크를 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 삽입 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 생성 수단은, 사용자로부터 입력받은 사용자 키를 암호화한 데이터를 사용하여 워터마크를 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 삽입 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 암호화는 PN(pseudo random number)-code 방식의 암호화인 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 삽입 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 워터마크 삽입 수단은, 상기 제1 주파수 영역의 계수의 절대값에 기설정된 함수를 적용하여 구한 연산 결과에 상기 워터마크를 곱한 다음, 상기 곱셈의 결과를 상기 제2 주파수 영역의 계수와 대치시키는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 삽입 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기설정된 함수는 주파수 영역 계수에 모듈로 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 삽입 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기설정된 함수는 주파수 영역 계수의 통계적 특성을 나타내는 값을 연산결과로서 제공하는 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 삽입 장치.
  10. 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제1 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제2 주파수 영역의 계수에 워터마크를 삽입함으로써 생성된, 워터마크가 삽입된 디지털 영상으로부터 워터마크를 검출하여 인증하기 위한 장치에 있어서,
    상기 워터마크가 삽입된 디지털 영상의 밝기 성분을 주파수 영역의 계수로 변환시키는 수단;
    상기 주파수 영역의 계수 중 제1 주파수 영역 및 제2 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 워터마크를 검출하는 수단; 및
    상기 검출된 워터마크와 인증용 워터마크의 일치 여부를 판별하여, 일치하는 경우에 디지털 영상을 인증하는 수단
    을 포함하는 디지털 영상 워터마크 검출 및 인증 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 디지털 영상이 흑백 영상인지 컬러 영상인지를 판별하는 수단; 및
    상기 디지털 영상이 컬러 영상인 경우, 본래의 컬러 모델의 영상을 밝기 성분을 포함하는 컬러 모델의 영상으로 변환하는 수단
    을 더 포함하는 디지털 영상 워터마크 검출 및 인증 장치.
  12. 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제1 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제2 주파수 영역의 계수에 워터마크를 삽입함으로써 생성된, 워터마크가 삽입된 디지털 영상으로부터 워터마크를 검출하여 인증하기 위한 장치에 있어서,
    상기 워터마크가 삽입된 디지털 영상의 밝기 성분을 주파수 영역의 계수로 변환시키는 수단;
    상기 주파수 영역의 계수 중 제2 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 워터마크를 검출하는 수단; 및
    상기 검출된 워터마크와 인증용 워터마크의 일치 여부를 판별하여, 일치하는 경우에 디지털 영상을 인증하는 수단
    을 포함하고,
    상기 워터마크는 양 또는 음의 부호를 갖고 절대값이 같은 수들의 순열로 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 검출 및 인증 장치.
  13. 제10항 또는 제12항에 있어서,
    상기 인증용 워터마크는 사용자로부터 입력받은 사용자 키로부터 생성된 워터마크인 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 검출 및 인증 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 워터마크 판별 및 인증 수단은, 상기 검출된 워터마크와 상기 인증용 워터마크간의 상관 관계로부터 최대 피크값 및 상기 최대 피크값의 위치를 구하는 수단과,
    상기 상관관계로부터 4차 모멘트를 구하는 수단과,
    상기 4차 모멘트가 미리 정해진 임계치 이상이고, 상기 상관 관계의 최대 피크값이 미리 정해진 임계치 이상이며, 상기 상관 관계의 최대 피크값의 위치가 항상 동일한 경우에만 상기 검출된 워터마크와 인증용 워터마크가 일치하는 것으로 판별하고, 상기 디지털 영상을 인증하는 디지털 영상 워터마크 검출 및 인증 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 워터마크 판별 및 인증 수단은, 상기 워터마크를 삽입한 상기 워터마크 삽입 장치의 사용자 키 암호화 수단에 의해 상기 사용자 키가 PN-code 방식으로 암호화된 경우에, 상기 PN-code 방식에 의한 상관도가 미리 정해진 임계치 이상인 경우까지 만족하여야, 상기 두 워터마크가 일치하는 것으로 판별하고, 상기 디지털영상을 인증하는 디지털 영상 워터마크 검출 및 인증 장치.
  16. 디지털 영상에 워터마크를 삽입하기 위한 방법에 있어서,
    상기 디지털 영상의 밝기 성분을 주파수 영역 계수들로 변환시키는 단계;
    워터마크를 생성하는 단계; 및
    상기 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제1 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제2 주파수 영역의 계수에 상기 워터마크를 삽입하는 단계
    를 포함하는 디지털 영상 워터마크 삽입 방법.
  17. 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제1 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제2 주파수 영역의 계수에 워터마크를 삽입함으로써 생성된, 워터마크가 삽입된 디지털 영상으로부터 워터마크를 검출하여 인증하기 위한 방법에 있어서,
    상기 워터마크가 삽입된 디지털 영상의 밝기 성분을 주파수 영역의 계수로 변환시키는 단계;
    상기 주파수 영역의 계수 중 제1 주파수 영역 및 제2 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 워터마크를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 워터마크와 인증용 워터마크의 일치 여부를 판별하여, 일치하는 경우에 디지털 영상을 인증하는 단계
    를 포함하는 디지털 영상 워터마크 검출 및 인증 방법.
  18. 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제1 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 디지털 영상의 밝기 성분의 전체 주파수 영역 계수 중 제2 주파수 영역의 계수에 워터마크를 삽입함으로써 생성된, 워터마크가 삽입된 디지털 영상으로부터 워터마크를 검출하여 인증하기 위한 방법에 있어서,
    상기 워터마크가 삽입된 디지털 영상의 밝기 성분을 주파수 영역의 계수로 변환시키는 단계;
    상기 주파수 영역의 계수 중 제2 주파수 영역의 계수를 사용하여, 상기 워터마크를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 워터마크와 인증용 워터마크의 일치 여부를 판별하여, 일치하는 경우에 디지털 영상을 인증하는 단계
    를 포함하고,
    상기 워터마크는 양 또는 음의 부호를 갖고 절대값이 같은 수들의 순열로 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 영상 워터마크 검출 및 인증 방법.
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