KR100465359B1 - 디지털부호화비디오및/또는오디오신호의원터마킹방법및장치,그의검출방법및장치,및그의기록매체 - Google Patents

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Abstract

복제 보호 메카니즘의 보안을 크게 증가시킬 수 있는 전자 워터마킹 기술이 제안된다. 상기 워터마킹법은 (MPEG) 소스 신호의 구조에서 하이 레벨로 행해진다. 이에따라 워터마크는 쉽게 검출은 될 수 있지만 상당한 트랜스코딩의 노력없이는 그 제거는 어렵게 된다. 그러한 트랜스코딩은 어렵고 비용이 많이 드는 작업으로 생각되며, 또한 질이 저하되고 비트율이 증가되게 된다.

Description

디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 워터마킹 방법 및 장치, 그의 검출 방법 및 장치, 및 그의 기록매체
본 발명은 디지털적으로 부호화된 비디오 및/또는 오디오 신호를 인증 프로그램 자료(authentic programme material)로서 분류하기 위해 상기 디지털적으로 부호화된 비디오 및/또는 오디오 신호를 마킹(marking)하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 마킹된 신호를 복호화하는 장치 및 상기 마킹된 신호가 기록되어 있는 기록 매체에 관한 것이다.
비디오 신호 및 오디오 신호는 디지털적으로 부호화된 형태, 예컨대, MPEG 비트스트림으로 전송 및 기록되고 있다. 상기 신호를 인증 프로그램 자료로서 분류하기 위해 상기 신호에 마커를 부가해야 하는 필요성이 대두되고 있다. 디지털 신호의 마킹은 특히 복제 방지 응용에 유용하다. 워터마크(watermark)라 칭하는 상기 마크는 상기 신호가 복제 방지된 자료로 구성됨을 나타내는 단일 비트의 형태, 또는 상기 자료의 공급원을 나타내는 멀티 비트 코드의 형태를 가질 수 있다. 워터마킹은 비디오 및 오디오 신호 상에 전자 스탬프를 배치하는 것과 유사하다.
오디오 및 비디오 압축에 관한 공지된 MPEG 규격에서, 복제 방지 비트는 그 목적을 위해 규정되어 있다. 하지만, 이 공지된 방법의 단점은 상기 보호 비트를 쉽게 검출 및 수정하여 저작권 보호 메카니즘을 회피할 수 있다는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 부호화기를 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 복호화기를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 동작을 나타낸 타이밍도.
도 4는 도 2에 도시된 복호화기를 구비하고 있는 디스크 재생기의 일 실시예를 보인 도면.
본 발명의 목적은 워터마크를 검출하기는 쉽지만 그 워터 마크를 삭제하기는 어렵도록 하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 상기 방법은 수정될 경우, 상기 비디오 신호를 정확하게 복호화하기 위해, 복수의 다른 파라미터들이 수정되어야 하는 소정의 부호화 파라미터에 소정의 값을 할당하는 단계에 의해 특징 지워진다.
본 발명은 압축된 오디오 또는 비디오 신호(예컨대, MPEG 비트스트림)가 복수의 부호화 파라미터를 가지고 있다는 사실을 기초로 하고 있다. 다수의 부호화 파라미터의 값은 상기 비트스트림을 복호화하지 않고도 쉽게 검출될 수 있다. 하지만, 일반적으로 일부 파라미터의 수정에 의해, 규정된 포멧(예컨대, MPEG 신택스)을 더 이상 충족시켜 주지 않는 비트스트림이 생성되거나, 복호화 프로세스시 오류가 생성된다. 따라서, 그러한 부호화 파라미터에 소정의 값을 할당함으로써 얻어진 워터마크는 수정없이, 즉 소거에 의해 쉽게 검출될 수 있다. 상기 워터마크의 수정은, 상기 신호를 먼저 픽셀 영역으로 복호화한 후에, 새로운 비트스트림으로 다시 부호화되도록 한다. 이러한 동작은 고가의 부호화 장비가 사용되지 않으면, 질의 저하를 유발한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 소정의 부호화 파라미터는 선택된 MPEG 부호화 비디오 프레임들내의 슬라이스(slice)의 개수이다. 선택된 프레임들은 모든 프레임들 또는 특정 형태의 프레임들(I,P,B)만을 포함하고 있을 수도 있다. 또한, 선택된 프레임은 GOP의 첫번째 I-프레임을 의미할 수도 있다.
통상적으로, 비디오 프레임의 슬라이스의 개수는 비디오 내용에 따라 달라진다. 본 발명에 따르면 슬라이스의 개수는 미리 조절된다. 따라서,워터마크는 상기 부호화기로 하여금 소정의 개수의 슬라이스를 발생하도록 함으로써 발생된다. 슬라이스의 개수는 반드시 고정될 필요는 없다. 또한, 슬라이스의 개수는 정수(N)의 정수배가 될 수도 있다 . 본 발명의 바람직한 실시예에서, 슬라이스들의 개수는 교대로 선택된 프레임들에서 N의 정수배 및 M의 정수배가 되어야 한다 . "표준(normal)" 부호화기가 그러한 다수의 슬라이스들을 생성할 가능성은 상기 입력 신호가 고정되어 있더라도 매우 낮다.
적합한 부호화 파라미터들의 다른 예로는 양자화 매트릭스 설정값, MPEG 비트스트림의 PES 패킷 길이, 또는 MPEG 신호의 인트라프레임(intraframe; 1), 예측 부호화된 프레임(predictively encoded frame; P) 및 양방향 부호화된 프레임(bidirectionally encoded frame; B)의 시퀀스를 들 수 있다.
도 1에는 본 발명에 따른 부호화기가 도시되어 있다. 참조 부호 101은 슬라이스 레벨까지 비디오 시퀀스를 부호화하는 회로를 나타내고, 참조 부호 102는 슬라이스 부호화기를 나타내며, 참조 부호 103은 하나의 슬라이스내의 화상 데이터를 부호화하는 회로를 나타낸다. 참조 부호 104는 슬라이스 경계를 결정하는 회로를 나타낸다. 이들 회로(100-104)는 종래 MPEG 부호화기 부분이므로 이에 대해서는 추가적인 설명이 필요 없다. 종래 MPEG 부호화기에서, 상기 슬라이스 경계는 비디오 소스 자료에 의해 결정되어 상기 슬라이스 부호화기(102)의 입력(105)측에 바로 인가된다. 상기 부호화기에 의해 생성된 비트스트림은 각 프레임의 시작부분에 프레임 시작 헤더(F)를 가지고 있고, 그리고 각 슬라이스의 시작부분에 슬라이스 시작 코드(S)를 가지고 있다.
도 1에 도시된 상기 부호화기에서, 상기 슬라이스 경계는 슬라이스 경계 수정 회로(106)에 의해 수정된다. 상기 슬라이스 경계는 이제 시퀀스 발생기(107)에 의해 발생된 신호에 응답하여 선택된다. 이 신호는 각 프레임의 슬라이스의 개수를 결정한다. 본 실시예에서, 상기 시퀀스 발생기는 n mod N = 0 및 m mod M = 0이 되도록 하는 방법으로 정수 n과 정수 m을 교대로 생성한다. N과 M은 각각 3과 7일 수 있다. 따라서, 슬라이스의 개수는 교호 프레임들에서는 3과 7의 정수배가 되어야 한다. 이 특정 패턴이 워터마크를 나타낸다. 종래 MPEG 부호화기가 프레임 당 상기 개수의 슬라이스를 가지고 있는 비트스트림을 생성할 가능성은 매우 낮다. 그 외에도, 상기 부호화기는 또한 특정 소스 자료에 필요한 것보다 더 자주 양자화 스케일 값을 채용할 수 있다. 이에 의해, 해커가 슬라이스의 개수를 수정하기가 더욱 어려워진다.
도 2에는 본 발명에 따른 복호화기가 도시되어 있다. 입력(1)측의 MPEG 비트스트림은 스위치(2)가 닫힐 때마다 출력측으로 전송된다. 스위치(2)는 차단 신호(9)에 의해 제어된다. 슬라이스 검출기 회로(3)는 상기 MPEG 비트스트림에 슬라이스 시작 코드(S)가 존재하는지를 검출한다. 마찬가지로, 프레임 검출기 회로(4)는 프레임 시작 헤더(F)가 존재하는지를 검출한다. 카운터(13)는 각 프레임에 있는 슬라이스의 개수를 카운트한다. 상기 카운터는 지연(12)을 통해 입력된 새로운 프레임의 시작에서 리셋된다. 비교기(6)는 카운터(13)의 출력이 제어 회로(11)에 의해 인가된 모듈러스 값(modulus value)과 동일하면 상기 카운터(13)를 리셋시킨다. 상기 부호화기의 설명을 감안해 볼 때, 상기 모듈러스 값은 교호 프레임의 경우 N과 M이면 바람직하다. 따라서, 상기 카운터(13)는 mod N 및 mod M 카운터로서 교대로 동작한다. 다른 비교기(5)는 그 입력이 제로이면 1을 출력한다. AND 게이트(7)는 새로운 프레임이 시작될 때 상기 카운터 상태가 제로이면 펄스신호(8)를 발생한다. 지연(12)은 상기 카운터(13)가 상기 프레임 시작 헤더에 의해 리셋되기 전에 제로 검출이 수행되는 것을 보장한다. 제어 회로(11)는 특정 개수의 프레임의 기간에 걸쳐서 프레임 당 슬라이스의 개수 mod N이 복제 마킹된 이미지에 특정된 규칙에 따라 작용하는지를 체크한다.
상기 비트스트림이 복제 방지되어 있으면, 제어 회로(11)는 또한 인증 신호(10)가 존재하는지를 체크한다. 상기 신호가 복제 방지되어 있지만 어떤 인증 신호도 존재하지 않으면. 상기 MPEG 신호는 불법 복제이다. 이러한 경우에, 제어 회로(11)는 스위치(2)를 개방하며, 이에 따라 상기 MPEG 신호는 출력측으로 전송되지 않는다. 원래의 복제 방지된 MPEG 비트스트림이 유효 인증 신호(10)를 수반하고 있는 경우에, 상기 스위치(2)는 닫히고 상기 비트스트림이 복호화 되게 된다. 복제 방지되지 않은 홈 기록 자료도 이와 같이 검출되어 상기 스위치가 닫히게 된다.
슬라이스 헤더를 제거함에 있어서 중요한 점은 q 스케일 파라미터가 채용되어야 하고 매크로 블록 주소가 포함되어 있어야 한다는 점이다. 상기 MPEG 스트림에서의 이러한 변화에 의해 장기적으로는 버퍼 내용이 부정확해진다.
도 3에는 MPEG 비트스트림을 관측하는 경우에 디스크가 불법 복제일 확률(P)이 도식적으로 도시되어 있다. 상기 디스크의 재생은 t=ta에서 시작되고, 제1PES 헤더가 t=to 에 도달한다. 해커 또는 권리 침해에 의해서 종래 복제 비트가 제거 또는 수정되지 않은 경우에는, 기본 엔진이 다음의 PES 헤더를 수신할 때 부정 디스크가 바로 인식된다(곡선 a). 상기 비트는 수정되었지만, 해쉬 함수(hash function)가 제거되지 않은 경우에는, 상기 위조는 조금 후에 확실하게 밝혀진다(곡선 b). 보다 정교한 헤커가 상기 해쉬 체크를 제거하였으나 워터마크를 제거하지 못한 경우에는, 상기 복제는 확률 1-e를 가지고 위조됨이 t=tb에서 판명될 수 있다(곡선 c). 상기 헤커가 또한 상기 워터마크의 일부분을 변조하였거나, 내용 제공자가 부정확한 워터마크를 포함하고 있으면(예컨대, 오디오 바이트가 F 또는 S 시퀀스를 시뮬레이팅하면), 상기 불법 복제는 나중에 인식되게 된다. 일반적으로, e는 흠 비디오가 복제 방지 워터마크(위조 경보)를 우발적으로 시뮬레이팅하지 않도록 매우 작은 값으로 선택되게 된다. 발견 기간(td - to)은 랜덤 코더에 의해 발생된 MPEG 시퀀스와 랜덤하게 선택된 내용이 상기 워터마크를 시뮬레이팅할 확률과의 타협없이 충분히 작도록 설계되어야 한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 워터마크는 양자화 매트릭스에서 선택된 특정값으로 구성되어 있다. 상기 양자화 매트릭스는 MPEG 시퀀스 헤더를 체크함으로써 간단하게 평가될 수 있다. 상기 매트릭스는 존재한다면 62 비트를 스킵한 후에 발견된다. 상기 헤더 바이트 이후의 특정 비트는 상기 매트릭스가 존재하는지의 여부를 지시해 준다. 후자의 경우에, 디폴트값이 고려된다.
워터마크는 또한 오디오 신호에 포함되어 있다. 오디오의 각 프레임(24msec)마다, 각각의 서브 밴드(최대 32개의 서브밴드)에 4 양자화 비트가 특정된다.
이제, 기억 매체, 예컨대, 멀디미디어 CD의 복제 방지의 응용에 대해 설명한다. 앞서 제안된 복제 방지 방식은 상기 디스크가 기록가능 디스크인지 아니면 전문가 주도 판독 전용 MM-CD(read-only professionally mastered MM-CD)인지를 지시하는 매체 마커(와블 키(wobble key))와 상기 내용이 복제 방지되어 있는지를 지시하는 내용 마커의 조합을 사용한다. 상기 내용 마커는 복제 비트, 기타 다른 데이터와 상기 복제 비트에 대한 해쉬 함수 및 앞에서 설명한 바와 같은 워터마크를 포함하고 있는 하나의 마크 세트이다. 상기 해쉬 함수가 존재하면(홈 비디오에는 해당되지 않을 수 있음), CD 재생기/레코더는 상기 해쉬 함수가 "복제 방지" 설정된 복제 비트와 내용이 일치하는지를 체크한다. 상기 해쉬 함수와 워터마크는 상기 복제 비트의 소거를 기술적으로 보다 어렵게 하기 위해 포함되어 있다. 상기 해쉬 함수는 상기 비트스트림으로부터 생략될 수 있지만, 적어도 PES 길이의 재멀티플렉싱(remultiplexing)과 재정의를 필요로 하게 된다. 상기 워터마크의 소거는 상기 MPEG 오디오 또는 비디오 내용의 적어도 부분적인 트랜스코딩(transcoding)을 필요로 한다.
도 4를 참조하면, 워터마크 검출 회로(41)는 CD(42)로부터 판독된 비트스트림에 포함되어 있는 워터마크를 탐색한다. 와블 키 검출 회로(43)는 와블 키의 존재를 검증한다. 상기 워터마크 검출 회로(43)는 CD 드라이브의 제어 루프에 포함되어 있을 수 있거나, 상기 디스크의 반사율을 측정할 수 있다. 검증회로(44)는 다음의 표에 주어진 간단한 부울리언 연산(boolean operation)을 수행한다. 워터마크가 정확한 와블 그루브(groove) 키와 더불어 존재하거나 어떤 워터마크도 존재하지 않으면, 스위치(45)를 닫음으로써 MPEG 비트스트림이 디멀티플렉서(46)와 MPEG 복호화기(47)에 인가된다. 상기 워터마크는 존재하지만, 대응하는 와블이 존재하지 않으면, 상기 CD 리더는 상기 스위치(45)를 개방함으로써 상기 내용을 차단한다.
요약하면, 복제 방지 기구의 보안을 크게 증가시킬 수 있는 전자 워터마킹기술이 제안되어 있다. 워터마킹법은 (MPEG) 소스 신호의 계층구조에서 하이레벨에서 행해진다. 이에 따라, 상기 워터마크는 쉽게 검출가능하지만, 상당한 트랜스 코딩의 노력없이는 소거하기가 어렵다. 이러한 트랜스코딩은 어렵고 비용이 많이드는 작업으로 생각되며 그 외에도 질이 저하되고 비트율이 증가될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 디지털적으로 부호화된 비디오 및/또는 오디오 신호를 인증 프로그램 자료로서 분류하기 위해 상기 신호를 워터마킹하는 방법에 있어서,
    상기 신호를 규정된 신호 포멧에 따라 부호화하기 위한 디지털 부호화 프로세스(102,103)의 선택된 부호화 파라미터에 소정의 값을 할당하는 단계(107)로서, 상기 부호화 프로세스는 복수의 부호화 파라미터들을 가지며, 상기 선택된 부호화 파라미터는 상기 소정의 값과 다른 값이 할당될 경우, 상기 규정된 신호 포멧을 만족시키도록 복수의 다른 부호화 파라미터들의 변경을 요구하는, 상기 할당 단계(107)와;
    상기 신호를 소정의 값으로 상기 디지털 부호화 프로세스에 따라서 부호화하여 부호화된 신호에 검출가능 워터마크를 표현하는 부호화 단계(102,103)로서, 상기 신호가 상기 선택된 부호화 파라미터의 상기 소정의 값으로 먼저 복호화되고, 그 다음, 상기 선택된 다른 부호화 파라미터 및 상기 선택된 부호화 파라미터들의 상이한 값들로 재부호화되는 경우를 제외하고, 상기 검출가능 워터마크는 상기 선택된 부호화 파라미터 값이 수정되면 정확하게 복호화될 수 없는, 상기 부호화 단계(102,103)를 포함하는, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 워터마킹 방법.
  2. 제1항에 있어서 ,
    상기 디지털적으로 부호화된 신호는 MPEG 신호이고, 상기 소정의 부호화 파라미터는 선택된 부호화된 비디오 프레임들내의 슬라이스의 개수인, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 워터마킹 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    연속적인 선택된 프레임들은 모듈로(modulo)-N개의 슬라이스들과 모듈로-M개의 슬라이스들을 교대로 포함하며, N 및 M은 정수인, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 워터마킹 방법.
  4. 디지털적으로 부호화된 비디오 및/또는 오디오 신호에서 워터마크를 검출하는 방법에 있어서,
    선택된 부호화 파라미터의 값을 복호화하기 위해, 상기 부호화된 신호를 규정된 신호 포멧에 따라 복호화하는 단계(3,4,6,13)로서, 상기 선택된 부호화 파라미터는 소정의 값과 다른 값을 갖는 경우, 상기 규정된 신호 포멧을 만족시키도록 복수의 다른 부호화 파라미터들의 변경을 요구하는, 상기 복호화 단계(3,4,6,13)와;
    상기 선택된 부호화 파라미터가 소정의 값을 갖는 경우, 상기 워터마크를 검출하는 단계를 포함하는, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 워터마크 검출 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디지털적으로 부호화된 신호는 MPEG 신호이고, 상기 검출 단계는 선택된 부호화된 비디오 프레임들의 슬라이스들의 개수가 소정의 개수인지를 검출하는 단계를 포함하는, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 워터마크 검출 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 검출 단계는 연속적인 선택된 프레임들이 모듈로-N개의 슬라이스들과 모듈로-M개의 슬라이스들을 교대로 포함하고 있는지를 검출하는 단계를 포함하며, N과 M은 정수들인, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 워터마크 검출 방법.
  7. 디지털적으로 부호화된 비디오 및/또는 오디오 신호를 인증 프로그램 자료로서 분류하기 위해 상기 신호를 워터마킹하는 장치에 있어서,
    상기 신호를 규정된 신호 포멧에 따라 부호화하기 위한 디지털 부호화 프로세스(102,103)의 선택된 부호화 파라미터에 소정의 값을 할당하기 위한 수단(107)으로서, 상기 부호화 프로세스는 복수의 부호화 파라미터들을 가지며, 상기 선택된 부호화 파라미터는 상기 소정의 값과 다른 값이 할당될 경우, 상기 규정된 신호 포멧을 만족시키도록 복수의 다른 부호화 파라미터들의 변경을 요구하는, 상기 할당수단(107)과;
    상기 신호를 상기 소정의 값으로 상기 디지털 부호화 프로세스에 따라서 부호화하여 부호화된 신호에 검출가능 워터마크를 표현하기 위한 부호화 수단(102,103)으로서, 상기 신호가 상기 선택된 부호화 파라미터의 상기 소정의 값으로 먼저 복호화되고, 그 다음, 상기 선택된 부호화 파라미터 및 다른 부호화 파라미터들의 상이한 값들로 재부호화되는 경우를 제외하고, 상기 검출가능 워터마크는 상기 선택된 부호화 파라미터 값이 수정되면 정확하게 복호화될 수 없는, 상기 부호화 수단(102,103)을 포함하는, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 워터마킹 장치.
  8. 디지털적으로 부호화된 비디오 및/또는 오디오 신호에서 워터마크를 검출하기 위한 장치에 있어서,
    선택된 부호화 파라미터의 값을 복호화하기 위해, 상기 부호화된 신호를 규정된 신호 포멧에 따라 복호화하기 위한 수단(3,4,6,13)으로서, 상기 선택된 부호화 파라미터는 소정의 값과 다른 값을 갖는 경우, 상기 규정된 신호 포멧을 만족시키도록 복수의 다른 부호화 파라미터들의 변경을 요구하는, 상기 복호화 수단(3,4,6,13)과;
    상기 선택된 부호화 파라미터가 소정의 값을 갖는 경우, 상기 워터마크를 검출하기 위한 수단을 포함하는, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 워터마크 검출 장치.
  9. 복수의 부호화 파라미터들을 갖는 규정된 신호 포맷에 따라 디지털적으로 부호화된 비디오 및/또는 오디오 신호를 저장하는 기록 매체에 있어서,
    상기 신호에 포함된 선택된 부호화 파라미터는 소정의 값을 가지며, 상기 선택된 부호화 파라미터는 상기 소정의 값과 다른 값이 할당될 경우, 상기 규정된 신호 포멧을 만족시키도록 상기 신호들에 포함된 복수의 다른 부호화 파라미터들의 변경을 요구하며; 상기 선택된 부호화 파라미터의 상기 소정의 값은 검출가능 워터마크를 표현하며, 상기 신호가 상기 선택된 부호화 파라미터의 상기 소정의 값으로 먼저 복호화되고, 그 다음, 상기 선택된 부호화 파라미터 및 다른 부호화 파라미터들의 상이한 값들로 재부호화되는 경우를 제외하고, 상기 검출가능 워터마크는 상기 선택된 부호화 파라미터 값이 수정되면 정확하게 복호화될 수 없는, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 기록 매체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 디지털적으로 부호화된 신호는 MPEG 신호이고, 상기 소정의 부호화 파라미터는 선택된 부호화된 비디오 프레임들내의 슬라이스들의 개수인, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 기록 매체.
  11. 제10항에 있어서,
    연속적인 선택된 프레임들은 모듈로-N개의 슬라이스들과 모듈로-M개의 슬라이스들을 교대로 포함하며, N과 M은 정수인, 디지털 부호화 비디오 및/또는 오디오 신호의 기록 매체.
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