KR100440085B1 - 비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치 및 그방법과, 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 검출장치 및 그 방법 - Google Patents

비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치 및 그방법과, 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 검출장치 및 그 방법 Download PDF

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KR100440085B1 KR10-2001-0050422A KR20010050422A KR100440085B1 KR 100440085 B1 KR100440085 B1 KR 100440085B1 KR 20010050422 A KR20010050422 A KR 20010050422A KR 100440085 B1 KR100440085 B1 KR 100440085B1
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Abstract

본 발명은 비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치 및 그 방법과, 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 검출 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 비트플레인 분리부는 디지털 영상 신호를 입력받아서 상위 비트플레인 데이터와 하위 비트플레인 데이터로 분리한다. 제1 워터마크 삽입부는 상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 상위 비트플레인 데이터에 특정의 제1 키를 이용하여 특정의 제1 워터마크를 삽입하여 생성되는 데이터를 출력한다. 제2 워터마크 삽입부는 상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 하위 비트플레인에 특정의 제2 키를 이용하여 특정의 제2 워터마크를 삽입하여 생성되는 데이터를 출력한다. 최종 신호 생성부는 상기 제1 워터마크 삽입부에서 출력되는 데이터, 상기 제2 워터마크 삽입부에서 출력되는 데이터, 및 상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 하위 비트플레인 데이터를 결합하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 생성한다. 본 발명에 따르면, 복잡한 주파수 변환을 이용하지 않기 때문에 영상의 무결성 및 인증을 고속화할 수 있다. 또한, 영상에 관한 정보들이 대부분 상위 비트플레인에 존재하기 때문에 영상의 컨텐츠를 변경하는 경우에 손쉽게 영상의 변조 여부를 확인할 수 있다.

Description

비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치 및 그 방법과, 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 검출 장치 및 그 방법 {Apparatus for inserting watermarks using bitplane informations and method thereof, and apparatus for detecting whether the watermarked digital data was modulated and method thereof}
본 발명은 워터마크(watermark) 삽입 및 변조 검출에 관한 것으로, 특히 비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치 및 그 방법과, 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 검출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
컴퓨터 시스템의 이용이 급격하게 증가함에 따라 디지털 영상과 같은 멀티미디어 데이터의 이용 및 보급이 일반화되고 있다.
디지털 데이터의 특성은 컴퓨터 시스템을 이용하여 누구나 손쉽게 복사가 가능하며 또한 다양한 편집 도구를 이용하여 조작이 가능하다는 것이다.
따라서, 디지털 데이터를 조작함으로써 데이터의 진위를 의심하게 하거나 제3자를 모함할 수도 있다.
지금까지 디지털 데이터의 무결성 및 인증을 위한 가장 일반적인 방법은 암호학에서의 해쉬 함수를 이용하거나 전자 서명을 이용하는 방법이 있으나, 이러한 방법은 원래의 디지털 데이터와 무결성 및 인증을 확인하기 위한 데이터가 서로 분리되어 있기 때문에 디지털 데이터에 조작을 수행하고 난후 새로운 인증 데이터를 부가하는 경우에는 데이터의 무결성을 확인할 수 없다.
이와 달리, 인증 데이터를 디지털 데이터와 분리할 수 없도록 하기 위해 무결성 및 인증 데이터를 워터마크로써 디지털 데이터 내에 삽입하는 방법이 제안되었다. 삽입되는 워터마크는 사람이 인지할 수 없도록 하여야 하며, 조작의 여부를 확인하기 위해서는 조그마한 처리에도 쉽게 제거되거나 손실되어야 한다.
이와 같이 영상의 무결성 및 인증을 위한 워터마크를 삽입하기 위해서 만족해야 하는 첫 번째의 요구 조건으로는 삽입되는 워터마크는 가능한 디지털 영상의 화질이 저하되지 않도록 삽입되어야 한다는 것이다. 두 번째의 요구 조건으로는 조그마한 영상 처리의 영향에 의해 워터마크가 쉽게 제거 또는 손상을 받아야 한다는 것이다. 세 번째의 요구 조건으로는 워터마크가 삽입된 영상이 조작되었을 경우에 조작의 위치를 특정할 수 있어야 한다는 것이다.
이러한 워터마크 삽입 또는 검출과 관련된 기술로 R. B. Wolfgang 등은 워터마크 삽입 영상과 변조된 가능성이 있는 영상과의 상관값을 이용하여 변조 여부를 검출하는 방법을 제안하였다('Fragile watermarking using the VW2D watermark', Proc. SPIE:Security and Watermarking of Contents, Vol. 3657, pp. 204-213, 1999).
또한, D. Kundur 등은 영상에 웨이브렛 변환을 수행하여 각 해상도에서의 주파수 계수를 워터마크에 따라 양자화함으로써 변조 여부를 검출하는 방법을 제안하였다('Digital watermarking for telltale tamper proofing and authentication', Proc. of the IEEE, Vol. 87, No. 7, pp. 1167-1180, 1999).
상기한 바와 같은 기술들은 물론 지금까지 제안된 디지털 영상의 무결성 및 인증을 위한 워터마크 삽입 및 검출 방법들은 복잡한 주파수 변환 기법들을 이용하거나 또는 영상의 암호학적 해쉬 값을 이용한다. 그러나, 주파수 변환을 이용하는 경우에는 워터마크 삽입 및 검출 속도가 떨어지는 문제점이 있으며, 암호학적 해쉬 값을 이용하는 경우에는 해쉬 값을 저장하여야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공간 영역에서 영상의 가장 최소 단위인 비트들의 집합인 비트플레인 정보를 이용하여 워터마크를 삽입하고, 삽입된 워터마크를 이용하여 변조 여부를 검출함으로써 워터마크의 고속 삽입 및 변조 검출이 용이한 워터마크 삽입 장치 및 그 방법과, 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 검출 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 워터마킹 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 변조 검출 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 전체 화면이 크기 k x k의 블록으로 분할된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 분할된 각 블록의 비트플레인을 상위 비트플레인 및 하위 비트플레인으로 분리한 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치에 의해 상위 비트플레인 데이터에 워터마크가 삽입되는 동작을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치에 의해 하위 비트플레인 데이터에 워터마크가 삽입되는 동작을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치에 의해 일부 하위 비트플레인에 워터마크 삽입 정보가 기록되는 동작을 개략적으로 도시한 도면이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 워터마크 삽입 장치는,
디지털 영상 신호에 워터마크를 삽입하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 제공하는 장치에 있어서,
디지털 영상 신호를 입력받아서 상위 비트플레인 데이터와 하위 비트플레인데이터로 분리하는 비트플레인 분리부; 상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 상위 비트플레인 데이터에 특정의 제1 키를 이용하여 특정의 제1 워터마크를 삽입하여 생성되는 데이터를 출력하는 제1 워터마크 삽입부; 상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 하위 비트플레인에 특정의 제2 키를 이용하여 특정의 제2 워터마크를 삽입하여 생성되는 데이터를 출력하는 제2 워터마크 삽입부; 및 상기 제1 워터마크 삽입부에서 출력되는 데이터, 상기 제2 워터마크 삽입부에서 출력되는 데이터, 및 상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 하위 비트플레인 데이터를 결합하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 생성하는 최종 신호 생성부를 포함한다.
여기서 상기 비트플레인 분리부는 상기 디지털 영상 신호를 입력 받아서 각각 소정의 크기를 가지는 블록으로 분할한 후, 각 블록에 대해 상위 비트플레인 데이터 및 하위 비트플레인 데이터로 분리한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 워터마크 삽입 방법은,
디지털 영상 신호에 워터마크를 삽입하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 제공하는 방법에 있어서,
디지털 영상 신호를 입력받아서 상위 비트플레인 데이터와 하위 비트플레인 데이터로 분리하는 제1 단계; 상기 단계에서 분리되는 상위 비트플레인 데이터 및 하위 비트플레인 데이터 각각에 특정의 키에 의해 생성되는 랜덤계열을 이용하여 특정의 워터마크를 삽입하는 제2 단계; 및 상기 특정의 워터마크가 삽입된 각 데이터 및 상기 분리된 하위 비트플레인 데이터를 결합하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 생성하는 제3 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 변조 검출 장치는,
워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 입력받아서 상위 비트플레인 데이터와 하위 비트플레인 데이터로 분리하는 비트플레인 분리부; 상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 상위 비트플레인 데이터 및 하위 비트플레인 데이터를 입력받아서 각각 논리 연산하여 그 결과값을 출력하는 상하위 비트 연산부; 특정의 제1 키 및 제2 키를 이용하여 각각의 랜덤계열을 생성하여 출력하는 제1 및 제2 랜덤화부; 상기 비트플레인 분리부에서 분리되는 하위 비트플레인 데이터와 상기 제1 및 제2 랜덤화부에서 각각 출력되는 랜덤계열과의 상관값을 각각 산출하여 출력하는 상관 검출부; 상기 상하위 비트 연산부에서 출력되는 각각의 결과값과 상기 상관 검출부에서 출력되는 각각의 상관값을 통해 제1 워터마크 및 제2 워터마크를 검출하는 워터마크 검출부; 및 상기 워터마크 검출부에서 출력되는 제1 워터마크 및 제2 워터마크와 특정의 제1 워터마크 및 제2 워터마크를 비교하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 여부 검출 신호를 출력하는 워터마크 비교부를 포함한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 변조 검출 방법은,
워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 여부 및 변조 위치를 검출하는 방법에 있어서,
상기 입력되는 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 상위 비트플레인 데이터와 하위 비트플레인 데이터로 분리하는 제1 단계; 상기 하위 비트플레인 데이터와 특정의 키를 이용하여 생성되는 랜덤계열과의 상관값을 산출하는 제2 단계; 상기 상위 비트플레인 데이터 및 하위 비트플레인 데이터와 상기 산출된 상관값을 통해 워터마크를 검출하는 제3 단계; 및 상기 검출된 워터마크와 특정의 워터마크를 비교하여 상기 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 여부 및 변조 위치를 검출하는 워터마크 비교부를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 워터마킹 시스템의 블록도이다.
도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 워터마킹 시스템은 디지털 영상 신호에 제1 키 및 제2 키를 이용하여 제1 워터마크 및 제2 워터마크를 삽입하는 워터마크 삽입 장치(100), 및 워터마크 삽입 장치(100)에 의해 워터마크가 삽입된 영상을 직접 또는 다른 경로를 통해 입수하여 상기 제1 키 및 제2 키를 이용하여 입수된 영상으로부터 워터마크를 검출하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 여부 및 변조 위치를 검출하는 변조 검출 장치(200)를 포함할 수 있다.
여기서 워터마크 삽입 장치(100) 및 변조 검출 장치(200)는 각각 또는 모두가 하나의 워터마킹 시스템을 이룰 수 있다.
워터마크 삽입 장치(100) 및 변조 검출 장치(200)가 각각 사용하는 제1 키, 제2 키, 제1 워터마크, 및 제2 워터마크는 각각 동일하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치(100)의 블록도이다.
도 2에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 워터마크 삽입 장치(100)는 비트플레인 분리부(102), 상위 비트 연산부(104), 제1 워터마크 결합부(106), 곱셈부(108, 116), 제1 랜덤화부(110), 하위 비트 연산부(112), 제2 워터마크 결합부(114), 제2 랜덤화부(118)를 포함한다.
비트플레인 분리부(102)는 디지털 영상 신호를 입력받아서 크기가 n인 블록으로 분할한 후, 상위 비트플레인과 하위 비트플레인으로 분리한다.
첨부한 도 4를 참조하여 설명하면, 디지털 영상 신호가 예를 들어 한 화면에 해당되는 영상 신호, 예를 들어 프레임 신호로 분리 가능한 경우, 비트플레인 분리부(102)는 먼저 화면 전체를 크기가 n인 블록으로 분할한다. 이 때, 크기가 n이라는 것은 여기에서는 n개의 화소에 대응되는 영상 데이터에 해당되며, 블록의 형태는 직사각형 또는 정사각형 중 어떠한 형태라도 좋으나, 본 실시예에서는 k x k 크기의 정사각형 형태로 분할하는 것으로 가정하여 설명한다. 예를 들어 전체 화면의 크기가 480 x 640이고 n을 16으로 하는 경우, 전체 화면은 4 x 4의 블록으로 분할된다.
이와 같이 디지털 영상 신호가 크기 n인 블록으로 분할되면 이후부터의 처리는 각 블록별로 수행된다. 따라서, 본 실시예에서는 하나의 블록을 대상으로 하여 설명하지만, 이러한 설명이 전체 디지털 영상 신호에 확대 적용될 수 있다는 것은 본 기술분야의 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다.
다음 비트플레인 분리부(102)는 상기 분할된 k x k 크기의 블록 내에 있는 각 화소의 영상 신호를 각각 상위 비트플레인과 하위 비트플레인으로 분리한다.
본 실시예에서는 한 화소의 영상 신호가 8비트의 크기를 갖는 것으로 가정하여 설명한다. 따라서, 상위 비트플레인은 상위 4비트의 화소 데이터로 이루어지는 비트플레인이며, 하위 비트플레인은 하위 4비트의 화소 데이터로 이루어지는 비트플레인이다. 이러한 상위 비트플레인 및 하위 비트플레인이 도 5에 도시되어 있다.
비트플레인 분리부(102)는 상기에서 분리된 상위 비트플레인 및 하위 비트플레인에 해당되는 화소 데이터를 각각 출력한다.
상위 비트 연산부(104)는 비트플레인 분리부(102)로부터 출력되는 상위 비트플레인의 화소 데이터를 입력받아서 각 화소에 대응되는 상위 4비트의 데이터를 XOR 연산한 후 그 결과값을 출력한다.
첨부한 도 6을 참조하면, 상위 비트플레인 데이터로부터 각 화소에 대응되는 4비트 데이터를 추출한 후 모두 XOR 연산하여 그 결과값(X')를 출력한다. 이 때, 상위 4비트에 대한 XOR 연산 방법으로는 여러 가지가 있으나, 본 실시예에서는 상위 4비트 중 상위 2비트와 하위 2비트를 먼저 XOR 연산한 후 각 결과값을 다시 XOR 연산하여 X'값을 출력한다.
하나의 블록이 k x k개의 화소를 가지고 있고, 이 값이 n 이므로 결국 하나의 블록에 대한 상위 비트 연산 결과 n개의 X'값, 즉 X' = {X'1, X'2, …, X'n}이 출력된다.
제1 워터마크 결합부(106)는 상위 비트 연산부(104)로부터 출력되는 결과값 (X')에 외부로부터 입력되는 제1 워터마크(W1)를 XOR 연산하여 그 결과값(S')을 출력한다. 본 실시예에서는, 제1 워터마크(W1)로 {0, 1}의 값 중 하나를 선택해 사용하는 것으로 하여 설명한다. 이 때, S'값도 n개의 X'값에 대해 각각 생성되므로 S'은 다음과 같다.
[수학식 1]
S' = X' XOR W1 = {S'1, S'2, …, S'n}
여기서 S'은 추후 워터 마크 검출이 용이하도록 하기 위해 그 값이 0이면 -1로 변환하여 출력한다. 즉 S'값은 {-1, 1} 중 하나의 값이 사용된다.
따라서, 상기 결과값(S')은 원신호인 상위 4비트에 제1 워터마크(W1)가 결합된 결과값에 해당된다.
한편, 제1 랜덤화부(110)는 외부로부터 입력되는 제1 키를 이용하여 n개의 이진 랜덤계열(P' = {P'1, P'2, …, P'n})을 생성하여 출력한다.
곱셈부(108)는 제1 워터마크 결합부(106)로부터 출력되는 값(S')과 제1 랜덤화부(110)로부터 출력되는 랜덤계열(P')을 서로 곱하여 그 결과값(R')을 출력한다. 이 결과값(R')은 다음과 같은 수식에 의해 결정된다.
[수학식 2]
R' = S' x P' = {S'1P'1, S'2P'2, …, S'nP'n} = {R'1, R'2, …, R'n}
이상 비트플레인 분리부(102)에 의해 분리된 상위 비트플레인에 대한 처리에 대해 설명하였으며, 나머지 하위 비트플레인에 대한 처리도 상기한 바와 같은 동일한 과정에 의해 수행된다.
하위 비트 연산부(112)는 비트플레인 분리부(102)로부터 출력되는 하위 비트플레인의 화소 데이터를 입력받아서 각 화소에 대응되는 하위 4비트의 데이터를 XOR 연산한 후 그 결과값을 출력한다.
첨부한 도 7을 참조하면, 하위 비트플레인 데이터로부터 각 화소에 대응되는 4비트 데이터를 추출한 후 상위의 2비트만 XOR 연산하여 그 결과값(X" = {X"1, X"2, …, X"n})를 출력한다.
제2 워터마크 결합부(114)는 하위 비트 연산부(104)로부터 출력되는 결과값(X")에 외부로부터 입력되는 제2 워터마크(W2)를 XOR 연산하여 그 결과값을 다음과 같이 구한다.
[수학식 3]
S" = X" XOR W2 = {S"1, S"2, …, S"n}
따라서, 상기 결과값(S")은 원신호인 하위 4비트에 제2 워터마크(W2)가 결합된 결과값에 해당된다. 본 실시예에서는, 제2 워터마크(W2)도 {-1, 1}의 값 중 하나를 선택해 사용한다.
한편, 제2 랜덤화부(118)는 외부로부터 입력되는 제2 키를 이용하여 n개의 이진 랜덤계열(P" = {P"1, P"2, …, P"n})을 생성하여 출력한다.
곱셈부(116)는 제2 워터마크 결합부(114)로부터 출력되는 값(S")과 제2 랜덤화부(118)로부터 출력되는 랜덤계열(P")을 서로 곱하여 그 결과값(R")을 출력한다. 이 결과값(R")은 다음과 같은 수식에 의해 결정된다.
[수학식 4]
R" = S" x P" = {S"1P"1, S"2P"2, …, S"nP"n} = {R"1, R"2, …, R"n}
다음, 최종 신호 생성부(120)는 곱셈부(108)로부터 출력되는 결과값(R'), 곱셈부(116)로부터 출력되는 결과값(R"), 및 비트플레인 분리부(102)로부터 출력되는 하위 비트플레인의 화소당 각 4비트의 데이터를 입력받는다.
최종 신호 생성부(120)는 비트플레인 분리부(102)로부터 출력되는 화소당 4비트의 하위 데이터 중 최하위 2비트 데이터를 취해서 십진수로 변환한 후 상기 결과값(R', R")에 각각 더한다. 여기서 4비트의 하위 데이터 중 최하위 2비트 데이터의 십진수로 변환된 값을 D = {D1, D2, …, Dn}라 하는 경우, 상기 연산 결과값(Q)은 D + R' + R" 로 표현되고 그 값(Q)은 다음과 같이 구해진다.
[수학식 5]
Q = D + R' + R" = {D1+R'1+R"1, D2+R'1+R"1, …, Dn+R'n+R"n}
그 후, 최종 신호 생성부(120)는 상기 결과값(Q)을 다시 이진수로 변환하여 상기 4비트의 하위 데이터 중 최하위 2비트 데이터에 기록한다. 이와 같이 본 실시예에서는 영상의 화질에 커다란 영향을 미치지 않는 하위 데이터에 워터마크를 결합하여 삽입한다. 상기한 바와 같은 동작 과정이 첨부한 도 8에 도시되어 있다.
결국, 최종 신호 생성부(120)는 상위 4비트와 상기와 같이 워터마크가 결합된 하위 4비트를 결합하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호로 구성하여 출력하게 되며, 이와 같이 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호가 내부 또는 외부로 전달되어 사용된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 변조 검출 장치(200)의 블록도이다.
도 3에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 비트플레인 정보를 이용한 변조 검출 장치(200)는 비트플레인 분리부(202), 상위 비트 연산부(204), 제1 랜덤화부(206), 상관 검출부(208), 제1 워터마크 검출부(210), 워터마크 비교부 (212), 하위 비트 연산부(214), 제2 랜덤화부(216), 및 제2 워터마크 검출부(218)를 포함한다.
비트플레인 분리부(202), 상위 비트 연산부(204), 제1 랜덤화부(206), 하위 비트 연산부(214), 및 제2 랜덤화부(216)는 도 2에서 설명한 워터마크 삽입 장치 (100)의 비트플레인 분리부(102), 상위 비트 연산부(104), 제1 랜덤화부(110), 하위 비트 연산부(112), 및 제2 랜덤화부(118)와 그 구성 및 기능이 동일하므로 여기에서는 간단하게 설명한다.
먼저, 비트플레인 분리부(202)는 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 입력받아서 크기가 n = k x k인 블록으로 분할한 후, 상위 비트플레인과 하위 비트플레인으로 분리하여 해당 데이터를 상위 비트 연산부(204)로 출력한다.
상위 비트 연산부(204)는 비트플레인 분리부(202)로부터 출력되는 상위 비트플레인의 화소 데이터를 입력받아서 각 화소에 대응되는 상위 4비트의 데이터를 XOR 연산한 후 그 결과값을 출력한다.
상위 비트 연산부(204)도 워터마크 삽입 장치(100)의 상위 비트 연산부(104)와 동일하게 동작하므로 도 6에 도시된 바와 같이 상위 4비트의 데이터를 모두 XOR 연산하여 그 결과값을 출력하는데 여기에서는 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호에 대해 연산하기 때문에 그 결과값을 Y'(= {Y'1, Y'2, …, Y'n})로 한다.
제1 랜덤화부(206)는 워터마크 삽입 장치(100)의 제1 랜덤화부(110)와 마찬가지로 제1 랜덤화부(110)에서 사용된 제1 키를 이용하여 n개의 이진 랜덤계열(P' = {P'1, P'2, …, P'n})을 생성하여 출력한다.
상관 검출부(208)는 비트플레인 분리부(202)에서 출력되는 4비트 하위 데이터 중 최하위 2비트 데이터를 취해서 십진수로 변환하고, 이 변환된 값(Q)과 랜덤화부(206)에서 출력되는 랜덤계열(P')과의 상관값()을 계산한다. 이러한 상관값은 다음과 같이 구할 수 있다.
= < Q, P' >
= < D + R' + R", P' > --------------------- [수학식 5] 참조
= < D·P' > + < R'·P' > + < R"·P' >
= < D·P' > + < S'P'·P' > + < S"P"·P' > --- [수학식 2 및 4] 참조
= < S'P'·P' > = ΣS'(P')2= S'Σ(P')2
이와 같이 구해진 상관값()이 양수이면 S' = 1이고, 음수이면 S' = -1이 되어 결국 S' = 0의 값으로 변환된다.
상관 검출부(208)는 이와 같이 상관값()에 의해 결정되는 S'값을 출력한다.
제1 워터마크 검출부(210)는 상위 비트 연산부(204)에서 출력되는 결과값 (Y')과 상관 검출부에서 출력되는 결과값(S')을 입력받아서 제1 워터마크(W1)를 검출한다.
[수학식 1]에서 S' = X' XOR W1을 참조하면
S' XOR Y' = X' XOR W1 XOR Y' = X' XOR Y' XOR W1 이 된다.
이 때, 워터마크가 삽입된 디지털 영상 데이터 중 상위 비트 플레인 데이터가 중간 전달 경로 상에서 변조되지 않는 경우 X'과 Y'가 동일해야 하기 때문에 X'과 Y'가 동일한 경우 상기 수식은
X' XOR Y' XOR W1 = 0 XOR W1 = W1 이 된다. 즉, 중간 전달 경로 상에서 변조되지 않은 경우에는 검출되는 제1 워터마크(W1)가 동일하다.
그러나 중간 유통 경로 상에서 변조된 경우 X'과 Y'가 다르기 때문에 상기 수식은
X' XOR Y' XOR W1 = 1 XOR W1 =이 된다. 즉, 중간 전달 경로 상에서 변조된 경우에는 검출되는 제1 워터마크(W1)가 달라지게 된다.
따라서 제1 워터마크 검출부(210)는 상위 비트 연산부(204)에서 출력되는 결과값(Y')과 상관 검출부(208)에서 출력되는 결과값(S')을 XOR 연산하여 검출되는 워터마크(W1)를 출력한다.
워터마크 비교부(212)는 제1 워터마크 검출부(210)에서 출력되는 검출된 제1 워터마크(W1)와 도 2의 워터마크 삽입 장치(100)에서 사용된 제1 워터마크(W1)를비교하여 서로 동일하면 상위 비트플레인의 데이터가 변조되지 않은 것으로 판단하고, 그 결과를 변조 검출 신호로 출력한다. 반면에, 제1 워터마크 검출부(210)에서 출력되는 검출된 제1 워터마크(W1)와 도 2에서 사용된 제1 워터마크(W1)가 서로 다른 경우에는 해당 데이터가 변조된 것으로 판단하고, 해당 결과를 변조 검출 신호로 출력한다.
한편, 비트플레인 분리부(202)로부터 출력되는 하위 비트플레인의 화소 데이터에 대해서도 상기한 바와 같은 유사한 동작에 의해 그 변조 여부가 검출된다.
먼저, 하위 비트 연산부(214)는 비트플레인 분리부(202)로부터 출력되는 하위 비트플레인의 화소 데이터를 입력받아서 각 화소에 대응되는 하위 4비트 중 상위 2비트의 데이터를 XOR 연산한 후 그 결과값을 출력한다.
이러한 하위 비트 연산부(214)도 도 2의 워터마크 삽입 장치(100)의 하위 비트 연산부(112)와 동일하게 동작하므로 도 7에 도시된 바와 같이 하위 4비트 중 상위 2비트의 데이터를 XOR 연산하여 그 결과값을 출력하는데 여기에서는 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호에 대해 연산하기 때문에 그 결과값을 Y"(= {Y"1, Y"2, …, Y"n})로 한다.
한편, 제2 랜덤화부(216)도 도 2의 워터마크 삽입 장치(100)의 제2 랜덤화부 (110)와 마찬가지로 제2 랜덤화부(110)에서 사용된 제2 키를 이용하여 n개의 이진 랜덤계열(P" = {P"1, P"2, …, P"n})을 생성하여 출력한다.
상관 검출부(208)는 상기에서 이미 구한 십진수 값(Q)과 제2 랜덤화부(216)에서 출력되는 랜덤계열(P")과의 상관값()을 계산한다. 즉, 비트플레인 분리부 (202)에서 출력되는 4비트 하위 데이터 중 최하위 2비트 데이터를 취해서 십진수로 변환한 값(Q)과 랜덤화부(216)에서 출력되는 랜덤계열(P")과의 상관값()을 계산한다. 이러한 상관값()은 다음과 같이 구할 수 있다.
= < Q, P" >
= < D + R' + R", P" > --------------------- [수학식 5] 참조
= < D·P" > + < R'·P" > + < R"·P" >
= < D·P" > + < S'P'·P" > + < S"P"·P" > --- [수학식 2 및 4] 참조
= < S"P"·P" > = ΣS"(P")2= S"Σ(P")2
이와 같이 구해진 상관값()이 양수이면 S" = 1이고, 음수이면 S" = -1이 되어 결국 S" = 0의 값으로 변환된다.
상관 검출부(208)는 이와 같이 상관값()에 의해 결정되는 S"값을 출력한다.
제2 워터마크 검출부(218)는 하위 비트 연산부(214)에서 출력되는 결과값(Y")과 상관 검출부(208)에서 출력되는 결과값(S")을 입력받아서 제2 워터마크(W2)를 검출한다.
[수학식 3]에서 S" = X" XOR W2을 참조하면
S" XOR Y" = X" XOR W2 XOR Y" = X" XOR Y" XOR W2 이 된다.
이 때, 워터마크가 삽입된 디지털 영상 데이터 중 하위 비트 플레인 데이터가 중간 전달 경로 상에서 변조되지 않는 경우 X"과 Y"가 동일해야 하기 때문에 X"과 Y"가 동일한 경우 상기 수식은
X" XOR Y" XOR W2 = 0 XOR W2 = W2 이 된다. 즉, 중간 전달 경로 상에서 변조되지 않은 경우에는 검출되는 제2 워터마크(W2)가 동일하다.
그러나 중간 유통 경로 상에서 변조된 경우 X"과 Y"가 다르기 때문에 상기 수식은
X" XOR Y" XOR W2 = 1 XOR W2 =이 된다. 즉, 중간 전달 경로 상에서 변조된 경우에는 검출되는 제2 워터마크(W2)가 달라지게 된다.
따라서 제2 워터마크 검출부(218)는 하위 비트 연산부(214)에서 출력되는 결과값(Y")과 상관 검출부(208)에서 출력되는 결과값(S")을 XOR 연산하여 검출되는 제2 워터마크(W2)를 출력한다.
워터마크 비교부(212)는 제2 워터마크 검출부(218)에서 출력되는 검출된 제2 워터마크(W2)와 워터마크 삽입 장치(100)에서 사용된 제2 워터마크(W2)를 비교하여 서로 동일하면 하위 비트플레인의 데이터가 변조되지 않은 것으로 판단하고, 그 결과를 변조 검출 신호로 출력한다. 반면에, 제2 워터마크 검출부(218)에서 출력되는 검출된 제2 워터마크(W2)와 도 2에서 사용된 제2 워터마크(W2)가 서로 다른 경우에는 해당 데이터가 변조된 것으로 판단하고, 해당 결과를 변조 검출 신호로 출력한다.
이와 같이, 디지털 영상 신호를 상위 비트와 하위 비트로 분리하여 워터마크를 삽입한 후 검출함으로써, 변조 검출 신호를 참조하는 경우 해당 데이터의 변조여부와 변조 위치도 함께 확인할 수 있다.
상기에서는 디지털 영상 신호에 기초하여 설명하였지만, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않고 디지털로 구성된 모든 형태의 디지털 데이터에 적용될 수 있음은 당연하다.
또한, 디지털 영상 신호를 크기 n인 블록으로 분할하여 처리하는 것으로 설명하였지만, 전체 화면을 하나의 블록으로 설정하여 처리하는 것도 가능하다.
비록, 본 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 상기 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.
본 발명에 따르면, 복잡한 주파수 변환을 이용하지 않기 때문에 영상의 무결성 및 인증을 고속화할 수 있다. 또한, 영상에 관한 정보들이 대부분 상위 비트플레인에 존재하기 때문에 영상의 컨텐츠를 변경하는 경우에 손쉽게 영상의 변조 여부를 확인할 수 있다.

Claims (18)

  1. 디지털 영상 신호에 워터마크를 삽입하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 제공하는 장치에 있어서,
    디지털 영상 신호를 입력받아서 각각 소정의 크기를 가지는 블록으로 분할한 후, 분할된 각 블록에 대해 상위 비트플레인 데이터와 하위 비트플레인 데이터로 분리하는 비트플레인 분리부;
    상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 상위 비트플레인 데이터를 특정 연산하고, 상기 연산 결과에 특정의 제1 워터마크를 삽입한 후, 특정의 제1 키에 의해 생성된 랜덤계열을 곱하여 출력하는 제1 워터마크 삽입부;
    상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 하위 비트플레인 데이터를 특정 연산하고, 상기 연산 결과에 특정의 제2 워터마크를 삽입한 후, 특정의 제2 키에 의해 생성된 랜덤계열을 곱하여 출력하는 제2 워터마크 삽입부; 및
    상기 제1 워터마크 삽입부 및 제2 워터마크 삽입부에서 출력되는 데이터와 상기 하위 비트플레인 데이터 중 일부 데이터를 결합하여 생성된 데이터를 상기 하위 비트플레인 데이터 중 상기 일부 데이터 대신에 삽입하여 최종 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 생성하는 최종 신호 생성부
    를 포함하는 워터마크 삽입 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 워터마크 삽입부가
    상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 상위 비트플레인 데이터를 입력받아서 각각 논리 연산하여 그 결과값을 출력하는 상위 비트 연산부;
    상기 상위 비트 연산부에서 출력되는 결과값과 상기 제1 워터마크를 논리 연산하여 그 결과값을 출력하는 제1 워터마크 결합부;
    상기 제1 키를 이용하여 랜덤계열을 생성하여 출력하는 제1 랜덤화부; 및
    상기 제1 워터마크 결합부에서 출력되는 결과값과 상기 제1 랜덤화부에서 출력되는 랜덤계열을 서로 곱하여 그 결과값을 상기 최종 신호 생성부로 출력하는 제1 곱셈부
    를 포함하는 워터마크 삽입 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 워터마크 삽입부가
    상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 하위 비트플레인 데이터를 입력받아서 논리 연산하여 그 결과값을 출력하는 하위 비트 연산부;
    상기 하위 비트 연산부에서 출력되는 결과값과 상기 제2 워터마크를 논리 연산하여 그 결과값을 출력하는 제2 워터마크 결합부;
    상기 제2 키를 이용하여 랜덤계열을 생성하여 출력하는 제2 랜덤화부; 및
    상기 제2 워터마크 결합부에서 출력되는 결과값과 상기 제2 랜덤화부에서 출력되는 랜덤계열을 서로 곱하여 그 결과값을 상기 최종 신호 생성부로 출력하는 제2 곱셈부
    를 포함하는 워터마크 삽입 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 최종 신호 생성부는
    상기 하위 비트플레인 데이터 중 소정의 하위 비트 데이터를 십진수로 변환하고,
    상기 변환된 십진수값, 상기 제1 워터마크 삽입부의 제1 곱셈부에서 출력되는 결과값, 상기 제2 워터마크 삽입부의 제2 곱셈부에서 출력되는 결과값을 서로 더하여 그 결과값을 산출하며,
    상기 산출된 결과값을 이진수로 변환하여 상기 하위 비트플레인 데이터 중 소정의 하위 비트 데이터로 기록하는
    것을 특징으로 하는 워터마크 삽입 장치.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 논리 연산이 XOR 연산인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입 장치.
  7. 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 입력받아서 각각 소정의 크기를 가지는 블록으로 분할한 후, 분할된 각 블록에 대해 상위 비트플레인 데이터와 하위 비트플레인 데이터로 분리하는 비트플레인 분리부;
    상기 비트플레인 분리부에 의해 분리된 상위 비트플레인 데이터 및 하위 비트플레인 데이터를 입력받아서 각각 논리 연산하여 그 결과값을 출력하는 상하위 비트 연산부;
    특정의 제1 키 및 제2 키를 이용하여 각각의 랜덤계열을 생성하여 출력하는 제1 및 제2 랜덤화부;
    상기 비트플레인 분리부에서 분리되는 하위 비트플레인 데이터 중 일부 데이터와 상기 제1 및 제2 랜덤화부에서 각각 출력되는 랜덤계열과의 상관값을 각각 산출하여 출력하는 상관 검출부;
    상기 상하위 비트 연산부에서 출력되는 각각의 결과값과 상기 상관 검출부에서 출력되는 각각의 상관값을 통해 제1 워터마크 및 제2 워터마크를 검출하는 워터마크 검출부; 및
    상기 워터마크 검출부에서 출력되는 제1 워터마크 및 제2 워터마크와 특정의 제1 워터마크 및 제2 워터마크를 비교하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 여부 검출 신호를 출력하는 워터마크 비교부
    를 포함하는 변조 검출 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 상관 검출부가 상기 하위 비트플레인 데이터 중 소정의 하위 비트 데이터를 취해서 십진수로 변환하고, 상기 변환된 십진수값과 상기 제1 및 제2 랜덤화부에서 출력되는 각각의 랜덤계열과의 상관값을 산출하여 출력하는 것을 특징으로 하는 변조 검출 장치.
  10. 제7항에 있어서
    상기 논리 연산이 XOR 연산인 것을 특징으로 하는 변조 검출 장치.
  11. 디지털 영상 신호에 워터마크를 삽입하여 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 제공하는 방법에 있어서,
    디지털 영상 신호를 입력받아서 각각 소정의 크기를 가지는 블록으로 분할한 후, 분할된 각 블록에 대해 상위 비트플레인 데이터와 하위 비트플레인 데이터로 분리하는 제1 단계;
    상기 분리된 상위 비트플레인 데이터를 특정 연산하고, 상기 연산 결과에 특정의 제1 워터마크를 삽입한 후, 특정의 제1 키에 의해 생성된 랜덤계열을 곱하여 출력하는 동시에, 상기 분리된 하위 비트플레인 데이터를 특정 연산하고, 상기 연산 결과에 특정의 제2 워터마크를 삽입한 후, 특정의 제2 키에 의해 생성된 랜덤계열을 곱하여 출력하는 제2 단계; 및
    상기 제1 및 제2 워터마크가 삽입된 각 데이터와 상기 분리된 하위 비트플레인 데이터 중 일부 데이터를 결합하여 생성된 데이터를 상기 분리된 하위 비트플레인 데이터 중 상기 일부 데이터 대신에 삽입하여 최종 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 생성하는 제3 단계
    를 포함하는 워터마크 삽입 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제3 단계가
    상기 하위 비트플레인 데이터 중 소정의 하위 비트 데이터를 취해서 십진수로 변환하는 단계;
    상기 변환된 십진수값, 상기 제4 단계에서 생성되는 데이터, 및 상기 제5 단계에서 생성되는 데이터를 더하여 그 결과값을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 결과값을 이진수로 변환하여 상기 하위 비트플레인 데이터 중 소정의 하위 비트 데이터로 기록하는 단계
    를 포함하는 워터마크 삽입 방법.
  15. 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 여부 및 변조 위치를 검출하는 방법에 있어서,
    상기 입력되는 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호를 각각 소정의 크기를 가지는 블록으로 분할한 후, 상기 분할된 각 블록에 대해 상위 비트플레인 데이터와 하위 비트플레인 데이터로 분리하는 제1 단계;
    특정의 제1 키 및 제2 키를 이용하여 생성된 각각의 랜덤계열을 생성하여 출력하는 제1 및 제2 랜덤화부;
    상기 분리된 하위 비트플레인 데이터 중 일부 데이터와 특정의 제1 키 및 제2 키를 이용하여 생성된 각각의 랜덤계열과의 상관값을 각각 산출하는 제2 단계;
    상기 상위 비트플레인 데이터 및 하위 비트플레인 데이터를 각각 논리 연산한 값과 상기 산출된 각 상관값을 사용하여 제1 워터마크 및 제2 워터마크를 검출하는 제3 단계; 및
    상기 검출된 제1 워터마크 및 제2 워터마크와 특정의 제1 워터마크 및 제2 워터마크를 비교하여 상기 워터마크가 삽입된 디지털 영상 신호의 변조 여부 및 변조 위치를 검출하는 제4 단계
    를 포함하는 변조 검출 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제15항에 있어서,
    상기 하위 비트플레인 데이터 중 소정의 하위 비트 데이터를 취해서 십진수로 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 십진수값과 상기 생성되는 각각의 랜덤계열과의 상관값을 산출하는 단계
    를 포함하는 변조 검출 방법.
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