KR100560429B1 - 비선형 양자화를 이용한 워터마킹 장치 및 그 방법 - Google Patents

비선형 양자화를 이용한 워터마킹 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 장치 및 그 방법은 워터마크가 삽입될 원신호를 입력받아 프레임단위로 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 소정의 개수의 서브밴드단위로 출력하는 입력신호처리부; 상기 이산 푸리에 변환의 계수를 입력받아 신호 대 마스크비(Signal to Mask Ratio;SMR)를 계산하는 심리인지모델부; 상기 서브밴드중에서 소정의 중간주파수밴드에 대한 이산 푸리에 변환 계수와 상기 워터마크 및 신호 대 마스크비를 기초로 비선형 양자화를 수행하는 워터마크 인코더; 및 상기 중간주파수를 제외한 대역의 각 서브밴드의 신호와 상기 워터마크 인코더의 출력신호를 합쳐 역이산푸리에변환을 하여 출력하는 합성부;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의한 비선형 양자화 기반의 워터마킹 기법은 양자기 크기에 발생하는 오차에 대해서 강인하므로 삽입된 워터마크 신호의 영향이나 손실 압축으로 인한 영향에 의해서 워터마크 추출기에서 추정된 양자기의 크기에 오차가 발생할 경우에도 올바르게 워터마크 정보를 추출할 수 있다.

Description

비선형 양자화를 이용한 워터마킹 장치 및 그 방법{Apparatus for digital watermarking using nonlinear quatization and method thereof}
도 1은 본 발명에 의한 워터마크 삽입 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 의한 워터마크 추출장치의 블록도이다.
도 3은 도 1의 워터마크 인코더의 세부 블록도이다.
도 4는 도 2의 워터마크 디코더의 세부 블록도이다.
도 5는 본 발명에 의한 워터마크 삽입 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 의한 워터마크 추출 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 의한 워터마크 삽입 장치 및 방법을 적용하여 실행한 모의 실험 결과를 보여주는 도면이다.
본 발명은 디지털 신호에 워터마크를 삽입하고 추출하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 심리인지모델을 적용하여 워터마크를 정교하게 삽입하며 동시에 손실 압축과 신호 크기와 같은 공격에 대한 강인성을 가지는 비선형양자화 기반의 워터마킹 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
디지털 미디어의 무손실 복제가 용이하다는 특성 및 초고속 통신망의 확산으로 인하여 디지털 멀티미디어 데이터의 불법 복제 및 확산이 빈번하게 일어나고 있다. 이러한 불법 복제에 대한 저작권 보호의 방법으로 디지털 워터마킹이 개발되었다. 디지털 워터마킹은 원신호에 사용자가 인지할 수 없는 변화를 통하여 저작권 정보를 삽입하는 기술로 기존의 암호화 기반의 보호 기술이 할 수 없는 사용자에게의 배포 이후의 저작권 보호를 할 수 있다. 디지털 워터마킹은 기본적으로 다음과 같은 요구 사항을 만족해야 한다.
(1)보안성(Security); 삽입된 워터마크는 저작권 소유자에 의해서만 접근이 가능해야 한다. 또한 워터마킹 알고리즘을 알고 있더라도 비밀키가 없으면 워터마크에 접근이 불가능해야 한다.
(2) 강인성(Robustness) ; 삽입된 워터마크는 필터링, 잡음첨가, 기하학적 공격등에 견딜 수 있어야 한다.
(3) 비인지성(Transparency) ; 워터마크가 삽입된 신호는 사용자에 의해서 원신호와 구별될 수 없어야 한다.
한편 블라인드 워터마킹 기법은 워터마크가 삽입되기 이전의 원 신호를 사용하지 않고 삽입된 워터마크를 추출하는 방식이다. 초기의 블라인드 워터마킹 기법은 통신에서 쓰이는 대역 확산 기반의 기법이 주를 이루었다. 대역 확산 기반의 워터마킹 기법에서는 원 신호에 의한 간섭을 랜덤 노이즈로 여겼고 길이가 긴 유사 임의 수열을 이용한 변조를 통해서 원 신호로 인한 간섭을 감소시켰다. 이후에 제안된 보다 발전된 기법에서는 원 신호를 워터마크 삽입 과정에서 알 수 있는 부가 정보(side information)으로 해석하였다. 워터마크 삽입 과정에서 주어진 원 신호 정보를 이용하여 검출 과정에서의 원 신호로 인한 간섭을 최대한 줄일 수 있도록 신호를 선택하였다.
선행 미국 특허(등록 번호 제 6,483,927)에서는 양자화에 기반한 워터마킹 기법과 여러가지 공격이 가해졌을 경우에 공격의 내용을 추정하여 보상해주는 기법에 대해서 제시하고 있다.
선행 논문 J. J. Eggers, R. B?ml, R. Tzschoppe and B. Girod, "Scalar Costa Scheme for Information Embedding," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 51, No. 4, Apr., 2003, pp. 1003-1019 에서는 uniform scalar quantizer를 사용하여 만들어진 부호책을 이용하여 워터마크의 삽입 및 검출을 하는 방식인 Scalar Costa Scheme (SCS)을 제안하였다. 원 신호로 인한 간섭을 감소시켜 주는 위의 방식은 실용적인 구현을 위하여 uniform scalar quantizer를 채택하고 있다.
Uniform scalar quantizer를 채택한 워터마킹 시스템은 구현이 간단하므로 실용성이 우수하지만, 워터마크 추출기 입력 신호의 크기가 변했을 경우에 워터마크 추출 과정에서 오류가 발생할 수 있다. 따라서, 신뢰성 있는 워터마크 추출을 위해서 워터마크 추출시 사용되는 양자기의 크기를 신호에 가해진 크기 변화에 맞추어 조절해야 한다. 통상적인 워터마크 추출기에서는 양자기의 크기를 조절하지 않은 채로 워터마크 추출 과정을 수행하게 되는데, 이 경우 성능의 심각한 저하가 발생할 수 있다. 선행 논문 J. J. Eggers, R. Bauml, R. Tzschoppe and B. Girod, "Scalar Costa Scheme for Information Embedding," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 51, No. 4, Apr., 2003, pp. 1003-1019 에서는 크기가 변화된 신호로부터 워터마크를 신뢰성 있게 검출하기 위해서, 파일럿 신호를 이용한 크기 변화 추정 알고리즘을 제안하였다.
선행 논문의 알고리즘에서는 SCS 방식으로 파일럿 신호를 삽입하였고 복호기 입력 신호에서 추출된 파일럿 신호의 히스토그램들의 푸리에 해석을 통해서 크기 변화를 추정하였다. 정확한 크기 변화의 추정을 위해서는 파일럿 신호의 길이가 충분히 길어야 하며 따라서 전체 신호의 길이가 짧을 경우에는 크기 변화의 추정이 불가능하게 된다.
또한 심리 음향 모델 등의 심리 인지 모델을 사용하여 신호 구간 별로 정교하게 워터마크 삽입 세기 조절을 하는 경우에는 양자기의 크기가 신호 구간 별로 결정된다. 이 경우 각 신호 구간에 따른 양자기의 크기를 부가 정보로 보내는 방식은 실용적이지 못하며 또한 양자기의 크기가 결정되는 신호의 구간이 길이가 짧으므로 크기 변화에 의한 추정 방식은 사용될 수 없는 문제점들이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 심리 인지 모델을 사용한 정교한 삽입이 가능하며 동시에 손실 압축과 신호 크기와 같은 공격에 대한 강인성을 가지는 비양자화 기반의 워터마킹 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 장치는 워터마크가 삽입될 원신호를 입력받아 프레임단위로 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 소정의 개수의 서브밴드단위로 출력하는 입력신호처리부; 상기 이산 푸리에 변환의 계수를 입력받아 신호 대 마스크비(Signal to Mask Ratio,SMR)를 계산하는 심리인지모델부; 상기 서브밴드중에서 소정의 중간주파수밴드에 대한 이산 푸리에 변환 계수와 상기 워터마크 및 신호 대 마스크비를 기초로 비선형 양자화를 수행하는 워터마크 인코더; 및 상기 중간주파수를 제외한 대역의 각 서브밴드의 신호와 상기 워터마크 인코더의 출력신호를 합쳐 역이산푸리에변환을 하여 출력하는 합성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 비선형 양자화 기반의 워터마크 추출 장치는 워터마크가 삽입된 신호에서 블라인드 방식으로 워터마크를 추출하는 장치에 있어서, 상기 신호를 프레임단위로 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 소정의 개수의 서브밴드단위로 분리하는 입력부; 상기 이산 푸리에 변환의 계수를 입력받아 심리인지모델을 적용하여 상기 워터마크 삽입시 사용된 양자기의 크기를 추정하는 심리인지모델부; 및 상기 서브밴드중에서 소정의 중간주파수밴드에 대한 이산 푸리에 변환 계수와 상기 추정된 양자기의 크기를 기초로 상기 워터마크를 추출하는 워터마크 디코더;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 방법은 워터마크가 삽입될 원신호를 프레임단위로 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 소정의 개수의 서브밴드단위로 분리하는 단계; 상기 이산 푸리에 변환의 계수에 심리인지모델을 적용하여 신호 대 마스크비(Signal to Mask Ratio,SMR)를 계산하는 단계; 상기 서브밴드중에서 소정의 중간주파수밴드에 대한 이산 푸리에 변환 계수와 상기 워터마크 및 신호 대 마스크비를 기초로 비선형 양자화를 수행하는 단계; 및 상기 중간주파수를 제외한 대역의 각 서브밴드와 상기 (c)단계의 출력신호를 합쳐 역이산푸리에변환을 하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 비선형 양자화 기반의 워터마크 추출 방법은 워터마크가 삽입된 신호에서 블라인드 방식으로 워터마크를 추출하는 방법에 있어서, 상기 신호를 프레임단위로 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 소정의 개수의 서브밴드단위로 분리하는 단계; 상기 서브밴드로 분리된 원신호에 심리인지모델을 적용하여 상기 워터마크 삽입시 사용된 양자기의 크기를 추정하는 단계; 및 상기 서브밴드중에서 소정의 중간주파수밴드에 대한 이산 푸리에 변환 계수와 상기 추정된 양자기의 크기를 기초로 상기 워터마크를 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하도록 한다. 다만 설명의 편의를 위하여 장치와 방법을 묶어서 서술하도록 한다. 설명에 앞서 본 발명의 개요를 간단하게 서술하도록 한다.
본 발명에서는 A-law companding을 이용한 비선형 양자화를 기반으로 하는 워터마킹 기법을 개시한다. 본 발명에 의하여 개시된 기법은 양자기의 크기에 발생하는 오차에 대해서 강인한 특성을 가지므로 워터마크 삽입 신호에 가해질 수 있는 크기 변화 공격에 대해서 강인하며 또한 별도로 양자기의 크기 정보를 전송하지 않 아도 되므로 심리 인지 모델을 사용한 정교한 워터마크 삽입을 가능하게 해 준다.
손실 압축 및 일반 신호 처리에 대한 강인성을 위해서 워터마크는 주파수 영역중 중간대역 주파수에 해당되는 변환 계수에 삽입되었다. 삽입된 워터마크 정보의 안전성(security)를 위해서 워터마크는 무작위 치환(random permutation)과 하다마드 변환(Hadamard transform)을 순차적으로 적용한 변환 계수에 삽입되었다. 또한 사용자가 삽입된 워터마크를 인지할 수 없도록 워터마크의 삽입 강도는 심리 인지 모델을 통하여 결정하였다.
심리 인지 모델을 사용함으로써 신호의 각 구간에 대해서 워터마크 삽입 세기가 결정되며 그에 따른 양자기의 크기가 결정되게 된다. 각 구간에 대한 양자기의 크기를 부가 정보로 전송하는 대신 추출장치에서 입력신호로부터 각 구간에 해당하는 양자기의 크기를 추정하여 사용하는 방식을 택하였다.
따라서 본 발명에서는 비선형 양자기를 이용한 양자기 크기의 변화에 대해서 강인한 방식을 사용하므로 워터마크 추출장치에서 추정된 양자기 크기에 오차가 발생할 경우에도 워터마크 정보를 올바르게 추출할 수 있다.
이하의 설명에서는 디지털 오디오 신호에의 워터마킹을 위주로 기술하겠지만 정지영상이나 비디오 신호에도 심리음향모델을 심리시각모델로 대치하면 동일한 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 워터마크 삽입 장치의 블록도이고, 도 3은 도 1의 워터마크 인코더(130)의 세부 블록도이다. 그리고 도 5는 본 발명에 의한 워터마크 삽입 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
워터마크가 삽입될 원신호 즉 입력 오디오 신호는 프레임 단위로 구분되어 처리가 된다. 즉 입력신호처리부(100)는 DFT부(101)과 서브밴드분할부(102)로 세분되어 DFT부(101)는 입력되는 입력 오디오 신호를 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform, DFT)을 하여 서브밴드분할부(102)와 심리인지모델부(120)로 출력한다. 서브밴드분할부(102)는 입력된 DFR계수들에 대하여 32개의 서브밴드(subband)로 분할하여 출력하며, 손실 압축등에 대한 강인성을 고려하여 이 가운데 중간 주파수 대역에 해당되는 서브밴드가 워터마크가 삽입될 영역으로 선택되어 진다. 워터마크가 삽입될 중간주파수대역의 범위는 상기 32개의 서브밴드중 4번째부터 19번째까지의 16개 서브밴드를 선택하는 것이 바람직하다(510단계).
한편 심리인지모델부(120)는 상기 DFT계수들을 입력받아 심리 음향 모델을 통하여 신호 대 마스크 비(signal to mask ratio, SMR)를 계산하여 출력한다(520단계). 계산된 SMR과 중간주파수대역의 DFT계수는 워터마크인코더(130)으로 입력된다.
워터마크인코더(130)의 세부 구성블럭은 도 3을 참조하여 설명한다.선택되어진 각각의 서브밴드에 대해서 SMR값이 원 신호 대 워터마크 비(document to watermark ratio, DWR)값으로써 사용되며, 삽입된 워터마크의 안전성을 위해서 제1처리부(310)는 DFT계수에 무작위 치환(random permutation)을 수행하여 출력하고 제2처리부(320)는 무작위 치환된 DFT 계수에 대하여 하다마드 변환(Hadamard transform)을 순차적으로 적용시켜 출력한다(530단계). 여기서 DWR은 워터마크가 삽입된 세기를 나타내며, DWR값이 작아질 수록 워터마크가 강하게 삽입되어 있는 상태를 지시한다. 그 후 워터마크 삽입이 이루어지는데, 각 서브밴드별 워터마크 삽입 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
워터마크 삽입장치에서의 워터마크 삽입은 dithered scalar quantizer(340) 와 양자화를 비선형으로 만들어주는 A-law 압축함수(compressor function, G)를 적용하는 압축부(330)를 통하여 구현된다. 상수인 입력 x에 대해서, A-law 압축함수 G는 다음의 수학식 1a 내지 수학식 1b와 같이 정의 된다.
Figure 112003048234996-pat00001
Figure 112003048234996-pat00002
여기서, sgn(x)는 signum함수이며, K는 실수로서 워터마크 삽입장치를 운용할 때 조절할 수 있는 값이고, A는 A-law 양자화 계수이다(540단계). 위 수학식 1에서처럼 A-law 압축함수는 선형 영역(linear region)과 로그 영역(logarithmic region)으로 구분되어 각각 다른 형태의 함수가 적용되게 된다. 워터마크 삽입시 하다마드변환의 계수중 DC성분은 0의 값을 나타내도록, 즉 양자기의 색인이 짝수가 되도록 한다.
압축부(330)를 거친 후 dithered양자화부(340)는 압축함수 G에 의하여 양자화된 중간주파수대역의 DFT계수와 워터마크신호를 입력받아 다음의 수학식 2를 적 용하여 출력한다.
Figure 112003048234996-pat00003
여기서
Figure 112003048234996-pat00004
는 임의의 실수 c에 대해서 c보다 작거나 같은 최대의 정수를 의미한다. 양수인 상수 Δ는 양자화기의 크기를 나타내고, d는 이진값을 가지는 dither 신호를 나타낸다(550단계).
제3처리부(350)는 신장부(351), 역HT부(352),그리고 역RP부(353)으로 이루어지며, 신장부(351)는 압축부(330)을 거친 중간주파수대역의 DFT계수와 dithered양자화부(340)을 거친 신호에 대하여 각각 가중치를 적용하여 가산한 된 신호를 압축부(330)의 압축함수 G의 역함수인 G-1를 적용하여 신장(decompressing)한다(560단계). 또한 역HT부(352)는 역하다마드변환을 수행하여 출력하고 역RP부는 제1처리부(310)에서 수행한 무작위 치환의 역치환을 수행한 후 출력한다(570단계).
좀 더 상세하게 제3처리부(350)의 처리과정을 살펴보도록 한다. xn이 제2처리부(320)의 출력신호라고 하자. 워터마크 메시지는 유사 랜덤 수열을 이용하여 이진의 수열로 나타내어 진다(도 3의 dn). 실수의 수열 (sn)이 워터마크가 삽입된 신호를 나타낸다고 하면, 워터마크 삽입은 다음의 수학식 3으로 주어진다.
Figure 112003048234996-pat00005
여기서 α(1<α<1)와 Δe는 워터마크 삽입 과정에서 사용되는 부호화 계수로 각 서브밴드별로 다르게 결정 된다. 심리 음향 모델에서 얻어진 DWR및 손실 압축의 스펙으로부터 결정되는 잡음의 세기의 예측 값으로부터 부호화 계수의 값이 결정된다.
이제 합성부(140)는 워터마크가 삽입된 중간주파수대역의 신호와 그 외 대역의 신호를 합성하여 출력하게 되는데, 구체적으로 보면, 서브밴드합성부(141)는 서브밴드분할부(102)에 의하여 각 서브밴드로 분할된 신호중에서 저주파수대역과 고주파수대역의 신호를 그리고 워터마크인코더(130)로부터 워터마크가 삽입된 중간주파수대역의 신호를 하나로 합성한다.
마지막으로 IDFT부(142)는 서브밴드합성부(141)에 의하여 하나로 합쳐진 각 서브대역의 계수들에 대하여 역 이산푸리에 변환을 하여 출력함으로써, 궁극적으로 워터마크가 삽입된 신호가 생성된다(580단계).
이제 도 2, 도 4, 그리고 도 6을 참조하면서 워터마크 추출장치 및 그 방법에 대하여 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명에 의한 워터마크 추출장치의 블록도이고, 도 4는 도 2의 워터마크 디코더의 세부 블록도이다. 그리고 도 6은 본 발명에 의한 워터마크 추출 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.
워터마크 추출장치의 기본 블럭을 보이는 도 2에서 입력부(200)는 워터마크 가 삽입된 신호를 수신하여 이산푸리에변한을 수행한 후 서브밴드별로 분할하여 출력하는 기능을 수행(610단계), DFT부(201)와 서브밴드분할부(202)는 워터마크 삽입장치에서의 대응되는 블럭과 동일한 기능을 수행하므로 설명은 생략한다.
심리인지모델부(210)는 입력되는 신호가 서브밴드로 분할됨과 동시에 심리 음향 모델을 이용하여 워터마크 검출시 사용되는 양자기의 크기 Δd를 추정하게 된다(620단계). 추정된 양자기의 크기는 삽입된 워터마크 신호의 영향과 손실 압축 등에 의해서 워터마크 삽입기에서 사용된 값에 대한 오차를 가질 수 있다. 본 발명에 의한 추출방법은 이 오차에 대해서 강인하므로 올바른 검출 결과를 제공할 수 있다. 워터마크 삽입장치 및 방법에서와 마찬가지로 DFT 계수들은 32개의 서브밴드로 구분되어 선택되어진 서브밴드 신호 즉 중간주파수대역의 신호는 워터마크 디코더(220)로 입력된다. 제1처리부(410)는 입력된 중간주파수대역의 신호에 대하여 무작위 치환을 수행한 후 출력하고, 제2처리부(420)는 다시 하다마드 변환을 수행하여 출력한다(630단계).
이제 각 서브밴드별 워터마크 추출 과정은 설명하도록 한다. 비선형양자화부(430)는 제1내지 제2처리부를 거친 DFT계수들에 대하여 워터마크 삽입장치에서 사용된 압축함수를 변형하여 적용하고 dithered 양자화를 수행하게 된다. 좀 더 분설하면 도 4의 rn이 각 서브밴드별 워터마크 추출기 입력 신호를 나타낸다고 하자. 이 때 하다마드 변환의 DC계수 값은 참조점(reference point)으로 사용되어 워터마크 삽입장치에서의 양자기의 크기 Δe와 워터마크 추출기에서의 양자기의 크기 Δd간의 차이로 인한 오류를 줄이는 목적으로 사용된다. 변형압축부(431)에서는 워터마크 삽입 장치에서 사용된 압축함수(G)가 로그 영역에서 참조점 값을 빼주는 형태로 변형되어서 사용된다. 이렇게 변형압축함수 H는 다음의 수학식 4a 내지 4b처럼 정의된다.
Figure 112003048234996-pat00006
Figure 112003048234996-pat00007
여기서 rm은 상기 참조점 m에 에 해당하는 신호 rn의 값이다.
Dithered 양자화부(432)는 상기 변환된 압축함수 H(x)를 적용한 출력과 0을 입력으로 하여 위에서 설명한 바와 같은 Dithered양자화를 수행하여 출력한다(이상 640단계).
추출부(440)는 dithered양자화부(432)의 출력과 변형압축부(431)의 출력을 입력받아 그 차이 yn을 구하는 데, 결국 변형압축함수H(x)를 이용한 비선형 양자화에 의한 양자화 오차값을 나타내며 다음의 수학식 5와 같이 정의된다.
Figure 112003048234996-pat00008
추출부(440)의 출력인 추정된 워터마크 신호
Figure 112003048234996-pat00009
는 yn으로부터 구해지며 강판정(hard-decision) 판별과 연판정(soft-decision) 판별의 두 가지 방법에 의해서 구해질 수 있다. 강판정 판별과 연판정 판별은 아래의 두 개의 식을 통해서 이루어진다.
Figure 112003048234996-pat00010
Figure 112003048234996-pat00011
Figure 112003048234996-pat00012
워터마크 삽입을 위해서 유사임의(pseudo random) 코드를 사용한다면 검출 성능을 높이기 위해서 연판정 판별을 이용하는 것이 유리하다. 이 때 사용되는 코드에 관계 없는 채널의 성능을 알아보기 위해서 강판정 판별을 통한 모의 실험을 수행하였으며 도 7a 내지 도 7c에 그 결과가 나타나 있다. 도 7a에서 가로축의 g는 워터마크가 삽입된 신호를 크기 변화시킨 비율(scale factor)를 나타낸 것으로 신호의 크기는 증폭(g>1) 혹은 감소(g<1)될 수 있으나, 도면에서 증폭된 경우에만 나타내었다. 또한 SCS는 기존의 방법을 적용하였을 때를 나타내며, SCSCQ는 본 발명을 적용한 경우의 결과이다. 그리고 WNR(Watermark to noise ratio)은 워터마크가 삽입된 이후에 가해진 잡음의 세기를 나타내는 수치로 WNR이 작아질수록 잡음의 세기가 큰 것을 의미한다. 도 7a 내지 도 7c에서 나타나듯이 본 발명에 의한 비선형 양자화 기반 워터마킹 방식은 기존의 양자화 기반의 워터마킹 방식에 비해서 낮은 비트 오류율(bir error rate, BER)을 가진다. 유사 임의 수열과 연판정 판별 방식을 사용할 경우 워터마크 정보는 추출된 코드
Figure 112003048234996-pat00013
과 부호책 내의 코드들과의 상관도 계산을 통해서 구해진다. 상관도 계산 결과 가장 큰 값을 나타내는 코드의 색인이 삽입된 워터마크 정보에 해당하게 된다
본 발명에 의한 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 혹은 추출 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이타 저장장치등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를들면 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함된다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다. 또한 본 발명에 의한 폰트 롬 데이터구조도 컴퓨터로 읽을 수 있는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이타 저장장치등과 같은 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다.
상술한 상세한 설명 및 도면에 개시된 내용은 본 발명을 한정하는 것이 아니 며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 명백한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 비선형 양자화 기반의 워터마킹 장치 및 그 방법은 A-law 컴팬딩(compading)을 이용하여 양자기의 크기에 오차가 발생할 경우에도 강인한 워터마크 추출을 수행할 수 있도록 하였다. 따라서 본 발명에 의한 경우 워터마크 삽입 신호의 크기가 일정 비율로 변할 경우에도 올바른 검출 결과를 제공한다. 또한 본 발명에서는 양자기의 크기를 전송하는 대신 동일한 심리 인지 모델을 사용하여 워터마크 추출기에서 양자기의 크기를 추정하는 방식을 취하였으므로 신호의 각 구간에 따라서 정교하게 워터마크 삽입 세기를 조절하는 것이 가능하다. 비선형 양자화 기반의 워터마킹 기법은 양자기 크기에 발생하는 오차에 대해서 강인하므로 삽입된 워터마크 신호의 영향이나 손실 압축으로 인한 영향에 의해서 워터마크 추출기에서 추정된 양가지의 크기에 오차가 발생할 경우에도 올바르게 워터마크 정보를 추출할 수 있다.

Claims (17)

  1. 워터마크가 삽입될 원신호를 입력받아 프레임단위로 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 소정의 개수의 서브밴드단위로 출력하는 입력신호처리부;
    상기 이산 푸리에 변환의 계수를 입력받아 신호 대 마스크비(Signal to Masking Ratio)를 계산하는 심리인지모델부;
    상기 서브밴드중에서 소정의 중간주파수밴드에 대한 이산 푸리에 변환 계수와 상기 워터마크 및 신호 대 마스크비를 기초로 비선형 양자화를 수행하는 워터마크 인코더; 및
    상기 중간주파수를 제외한 대역의 각 서브밴드의 신호와 상기 워터마크 인코더의 출력신호를 합쳐 역이산푸리에변환을 하여 출력하는 합성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 워터마크 인코더는
    상기 중간주파수 대역의 이산 푸리에 변환 계수를 입력받아 무작위 치환(random permutation)을 수행하여 출력하는 제1처리부;
    상기 제1처리부의 출력에 대하여 하다마드변환(Hadamard Transform)을 수행하여 출력하는 제2처리부;
    상기 제2처리부에서 출력되는 변환된 DFT계수에 대하여 A-law 압축(compressing)을 수행하는 압축부;
    상기 A-law 압축된 DFT 계수와 상기 워터마크신호를 입력으로 하여 dithered 양자화를 수행하여 출력하는 dithered양자화부;
    상기 dithered양자화부의 출력신호에 소정의 가중치를 적용하고 상기 A-law 신장(decompressing)을 수행한 후 역하다마드변환과 역 무작위치환을 수행하여 워터마크가 삽입된 신호를 출력하는 제3처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가중치는
    상기 신호 대 마스크비 및 손실압축 사양에서 예측되는 잡음세기의 예상값을 기초로 결정되며, 상기 중간주파수대역내의 각 서브밴드별로 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 장치.
  4. 워터마크가 삽입된 신호에서 블라인드 방식으로 워터마크를 추출하는 장치에 있어서,
    상기 신호를 프레임단위로 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 소정의 개수의 서브밴드단위로 분리하는 입력부;
    상기 이산 푸리에 변환의 계수를 입력받아 심리인지모델을 적용하여 상기 워터마크 삽입시 사용된 양자기의 크기를 추정하는 심리인지모델부; 및
    상기 서브밴드중에서 소정의 중간주파수밴드에 대한 이산 푸리에 변환 계수와 상기 추정된 양자기의 크기를 기초로 상기 워터마크를 추출하는 워터마크 디코더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화를 기반으로 하는 워터마크 추출장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 워터마크 디코더는
    상기 중간주파수 대역의 이산 푸리에 변환 계수를 입력받아 random permutation을 수행하여 출력하는 제1처리부;
    상기 제1처리부의 출력에 대하여 하다마드변환(Hadamard Transform)을 수행하여 출력하는 제2처리부;
    상기 하다마드변환된 신호를 입력받아 소정의 변형 압축을 수행한 비선형양자화 결과와 상기 추정된 양자기의 크기를 입력으로 하는 dithered 양자화를 수행하는 비선형양자화부; 및
    상기 비선형양자화부의 출력과 dithered 양자화 결과의 오차를 기초로 상기 워터마크를 추출하는 추출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화를 기반으로 하는 워터마크 추출장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비선형양자화부는
    상기 워터마크를 삽입할 때 적용한 압축함수에서 상기 하다마드변환의 DC계수값을 참조점으로 하여 로그 영역에서의 값을 차감하는 상기 변형합축을 수행하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화를 기반으로 하는 워터마크 추출장치.
  7. (a) 워터마크가 삽입될 원신호를 프레임단위로 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 소정의 개수의 서브밴드단위로 분리하는 단계;
    (b) 상기 이산 푸리에 변환의 계수에 심리인지모델을 적용하여 신호 대 마스크비(Signal to Mask Ratio,SMR)를 계산하는 단계;
    (c) 상기 서브밴드중에서 소정의 중간주파수밴드에 대한 이산 푸리에 변환 계수와 상기 워터마크 및 신호 대 마스크비를 기초로 비선형 양자화를 수행하는 단계; 및
    (d) 상기 중간주파수를 제외한 대역의 각 서브밴드와 상기 (c)단계의 출력신호를 합쳐 역이산푸리에변환을 하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 (c)단계는
    (c1) 상기 중간주파수 대역의 이산 푸리에 변환 계수에 대하여 무작위 치환(random permutation)을 수행한 후 하다마드변환(Hadamard Transform)을 수행하는 단계;
    (c2) 상기 변환된 DFT계수에 대하여 A-law 압축(compressing)을 수행하여 제1신호를 생성하는 단계;
    (c3) 상기 A-law 압축된 DFT 계수와 상기 워터마크신호를 입력으로 하는 dithered 양자화를 수행하여 워터마크가 삽입된 제2신호를 생성하는 단계;
    (c4) 상기 제1신호와 제2신호에 각각 소정의 가중치를 적용한 후 가산하여 제3신호를 생성하는 단계; 및
    (c5) 상기 제3신호에 A-law 신장(decompressing)을 수행한 후 역하다마드변환과 역random permutation을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (c4)단계에서
    상기 가중치는 상기 신호 대 마스크비 및 손실압축 사양에서 예측되는 잡음세기의 예상값을 기초로 결정되며, 상기 중간주파수대역내의 각 서브밴드별로 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 워터마크가 삽입될 원신호가 오디오신호인 경우에
    상기 심리인지모델은 심리음향모델인 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 워터마크가 삽입될 신호가 비디오신호인경우에
    상기 심리인지모델은 심리시각모델인 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 삽입 방법.
  12. 워터마크가 삽입된 신호에서 블라인드 방식으로 워터마크를 추출하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 신호를 프레임단위로 이산 푸리에 변환(DFT)을 하여 소정의 개수의 서브밴드단위로 분리하는 단계;
    (b) 상기 서브밴드로 분리된 원신호에 심리인지모델을 적용하여 상기 워터마크 삽입시 사용된 양자기의 크기를 추정하는 단계; 및
    (c) 상기 서브밴드중에서 소정의 중간주파수밴드에 대한 이산 푸리에 변환 계수와 상기 추정된 양자기의 크기를 기초로 상기 워터마크를 추출하는 단계;를 포 함하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화를 기반으로 하는 워터마크 추출방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 (c)단계는
    (c1) 상기 서브밴드중 중간주파수 대역의 DFT 계수에 대하여 무작위 치환(random permutation)을 수행한 후 하다마드변환(Hadamard Transform)을 수행하는 단계;
    (c2) 상기 하다마드변환된 신호에 소정의 변형 압축을 수행한 후 dithered 양자화를 수행하는 단계; 및
    (c3) 상기 변형압축 결과와 dithered 양자화결과 및 추정된 양자기 크기를 기초로 상기 워터마크를 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화를 기반으로 하는 워터마크 추출방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 (c2)단계는
    상기 변형 압축은 상기 워터마크를 삽입할 때 적용한 압축함수에서 상기 하다마드변환의 DC계수값을 참조점으로 하여 로그 영역에서의 값을 차감하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 양자화를 기반으로 하는 워터마크 추출방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 워터마크가 삽입된 신호가 오디오신호인 경우에
    상기 심리인지모델은 심리음향모델인 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 추출 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 워터마크가 삽입된 신호가 비디오신호인경우에
    상기 심리인지모델은 심리시각모델인 것을 특징으로 하는 비선형 양자화 기반의 워터마크 추출 방법.
  17. 제7항의 워터마크 삽입방법 혹은 제12항의 워터마크 추출방법중 하나의 방법을 컴퓨터에서 실행할 수 있는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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