KR100654081B1 - 이미지에 워터마크를 임베딩하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지에 워터마크를 임베딩하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 워터마크는 의사-랜덤(pseudo-random)한, 예를 들어 라인(20)의 패턴과 같은 이미지 픽셀들의 조밀한 서브세트로 구성되어 있다. 예를 들어, 국부 극단(local extremes), 코너 또는 엣지와 같은 다수의 돌출 이미지 픽셀들(21-26)은 식별되고, 그들이 라인 패턴(21-23) 상에[예를 들어, 부근(δ)에 있거나, 또는 라인 패턴(24-26) 상에 있지 않는지의 여부를 결정는지의 여부가 결정된다. 워터마크되지 않은 이미지(도2a)에 있어서, 워터마크 상에 있는 최고 돌출 픽셀들(21)의 수는 워터마크 상에 있지 않은 최고 돌출 픽셀들(25, 26)의 수와 실질적으로 동일하다. 이미지는 최고 돌출 픽셀들(21, 23, 25)중 거의 대부분(21, 23)이 라인 패턴의 부근내에 결과적으로 있게 되도록 돌출 픽셀들의 돌출성을 변경시켜 워터마크(도2b)된다.

워터마크, 돌출성, 돌출 픽셀, 워터마크 임베딩 방법

Description

이미지에 워터마크를 임베딩하는 방법 및 장치{Embedding watermarks in images}

본 발명은 이미지에 워터마크(watermark)를 임베딩하는 방법에 관한 것으로서, 이미지 픽셀들의 돌출성을 계산하는 단계, 돌출 이미지 픽셀들을 식별하는 단계, 최고 돌출 이미지 픽셀들의 미리 결정된 퍼센티지가 미리 결정된 워터마크 패턴의 부근에 있게 하는 방식으로 이미지를 처리하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 이미지에 워터마크를 임베딩하기 위한 장치에 관한 것이다.

서두에 정의된 워터마크를 임베딩하는 알려진 방법은 M.J.J.B. Maes 및 C.W.A.M. van Overveld: "Digital Watermarking by Geometric Warping", Proceedings of the 1998 International Conference on Image Processing, October 4-7,1998,pages 424-426 에 기재되어 있다. 알려진 방법에서, 워터마크는 예를 들어, 라인들의 패턴인 미리 결정된 이미지 패턴이다. 이미지는, 이미지의 돌출 픽셀들의 통계적으로 높은 퍼센티지가 워터마크 패턴의 부근에 있는 경우에 워터마크된다. 이는 돌출 픽셀들을 식별하고, 식별된 돌출 픽셀들을 워터마크 패턴의 부근으로 이동("warping")시킴으로써 성취된다. 그러므로, 이미지 처리 단계는 이미지의 기하학 특성을 국부적으로 변경하는 단계를 포함한다.

본 발명의 목적은 이미지 처리의 대안적인 방법을 이용하여 워터마크를 임베딩시키기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 이미지를 처리하는 단계는 돌출 픽셀들의 돌출성을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 워터마크는, 이미지 픽셀들을 다른 곳으로 이동시키는 대신에, 이미지 픽셀들의 돌출성을 변경시켜 임베딩된다. 돌출성은 워터마크 패턴의 부근에 있지 않은 최고 돌출 픽셀들의 돌출성을 감소 및/또는 워터마크 패턴의 부근에 위치한 돌출 픽셀들의 돌출성을 증가시킴으로써 변경된다. 돌출 픽셀들을 식별 및 변경하는 양호한 실시예들은 본원의 특허청구 범위의 종속항에 정의되어 있다.

도 1은 본 발명에 따라 이미지에 워터마크(watermark)를 임베딩하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 도면.

도 2a 및 도 2b는 도면 1에서 도시한 장치의 작용을 설명하기 위해 워터마크 패턴 및 돌출 픽셀들을 도시한 도면.

도 3a 및 도 3b는 도 1에서 도시한 장치를 설명하기 위한 히스토그램들을 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따라 이미지에 워터마크를 임베딩하기 위한 장치의 실시예를 도시한 도면.

도 5 및 도6은 돌출 픽셀들을 식별 및 변경하기 위한 선택 조건들의 작용을 설명하기 위해 서브-이미지들을 도시한 도면.

도 1은 본 발명에 따라 이미지에 워터마크를 임베딩하기 위한 장치의 실시예를 도시한다. 상기 장치는 돌출점 추출 모듈(10), 결정 모듈(11), 및 이미지-처리 모듈(12)을 포함한다. 상기 장치는 입력 이미지(I) 및 워터마크(W)를 수신하고, 워터마크된 이미지(Iw)를 발생시킨다.

도 2a는 워터마크의 한 예를 도시한다. 이 예에서, 워터마크(W)는 라인(20)의 한 패턴이라고 추정되지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 돌출 픽셀들은 도면에서 원들(21-26)로 나타난다. 원의 직경은 픽셀의 돌출성을 나타낸다. 픽셀로부터 가장 가까운 라인(20)까지의 거리가 미리 결정된 값보다 작다면, 픽셀은 워터마크의 부근에 있다고 한다. 미리 결정된 거리는 고정된 값 δ가 된다. 라인(20)이 "두께(thickness)" 2δ를 갖는 부근에 대한 정의는 본 명세서의 나머지 전부분을 통해 고수될 것이다. 또한 "워터마크의 부근에 있다"는 표현은 자주 "워터마크 상에 있다"로 불리워질 것이다. 도 2a에서, 픽셀(21-23)들은 워터마크상에 있는 반면에, 픽셀(24-26)들은 워터마크상에 있지 않다.

대안적으로, "워터마크의 부근에 있다"는 표현은 돌출성 대 거리의 비율이 미리 결정된 최소값을 갖는다는 의미로 정의될 수 있다. 그러므로, 도 2a에서, 픽셀(25)은 워터마크의 부근에 있다고 할 수 있는 반면에 가장 가까운 라인(20)까지 픽셀의 보다 먼 거리는 픽셀(25)의 보다 큰 돌출성에 의해 보상되어지기 때문에, 예를 들어, 픽셀(22)은 그렇지 않다고 말할 수 있다.

워터마크 패턴(W)은 주어진 조밀도(density)를 갖는다. 이것은 자신의 부근을 포함하는 워터마크 패턴이 그 이미지의 주어진 퍼센티지(P)를 커버하는 것을 의미한다고 이해된다. 이하에서, 워터마크가 그 이미지의 P=50%를 커버한다고 가정될 것이다. 따라서, 워터마크되지 않은 이미지의 돌출 픽셀들의 대략 P=50%는 워터마크 상에 있을 것이다.

도 1에서 도시한 장치는 다음과 같이 작동한다. 돌출 픽셀 추출 모듈(10)은 이미지 픽셀들의 돌출성을 계산하기 위한 돌출성-계산 수단(101)을 포함한다. 그것들의 실시예들은 뒤에서 설명될 것이다. 모듈(10)은 돌출 픽셀들을 선택하는 선택 회로(102)를 더 포함한다. 돌출 픽셀들의 수는 이미지 픽셀들의 총 수와 비교하면 작다. 픽셀의 돌출성을 변경하는 것이 가까운 돌출 픽셀들의 초기 변화에 영향을 주는 것을 피하기 위해, 돌출 픽셀들은 이미지에 걸쳐서 상당히 균등하게 분산되어있다. 이것은 특히, 이미지를 블럭들로 나누고, 각 블럭 당 하나 또는 몇몇의 돌출 픽셀들을 선택함으로써 성취될 수 있다. 그것은 또한 돌출 지점들 사이에 최단 거리를 요청함으로써 성취될 수 있다. 이미 설명된 것처럼, 도 2a의 픽셀들(21-26)은 돌출 픽셀들이다.

돌출 픽셀들 및 그들의 돌출성은 결정 모듈(11)에 인가된다. 이 모듈은 워터마크 패턴(W)을 수신하고, 최고 돌출 픽셀들의 어떤 부분이 워터마크 상에 있는지를 결정한다. 워터마크되지 않은 이미지에서, 최고 돌출 픽셀들의 퍼센티지P(여기서 P=50%)는 워터마크 상에 있을 것이다. 도 2a에서, 최고 돌출 픽셀들은 속이 찬 원들로 도시된다. 이 최고 돌출 픽셀들 중에서, 픽셀(21)은 워터마크 상에 있는 반면에, 픽셀들(25 및 26)은 그렇지 않다. 만약 워터마크(W) 상에 있지 않은 최고 돌출 픽셀들의 퍼센티지가 실질적으로 P=50%와 다르지 않다면, 결정 모듈(11)은 결정 신호 D=0를 발생시킨다. 이 신호에 응답하여, 이미지-처리 모듈(12)은 최고 돌출 픽셀들의 상당한 퍼센티지가 워터마크 상에 있게 되도록 돌출 픽셀들의 돌출성을 변경한다. 추출 모듈(10) 및 결정 모듈(11)은 연대하여 워터마크 디텍터를 구성한다는 것을 주의하라.

이미지-처리 모듈(12)은 워터마크 상에 있지 않은 돌출 픽셀들의 돌출성을 감소 및/또는 워터마크 상에 있는 돌출 픽셀들의 돌출성을 증가시킨다. 도 2b는 변경 후 돌출 픽셀(21-26)의 돌출성들을 도시한다. 워터마크 상에 있는 픽셀들(21-23)의 돌출성들이 증가되고, 워터마크 상에 있지 않은 픽셀들(24-26)의 돌출성들은 감소되었다. 변경 처리는 "가까운 대부분의 돌출 픽셀들"을 최고 픽셀들로 변화시키며, 그의 반대도(vice verse) 수행한다. 도 2b에서, 워터마크 상에 있는 픽셀(23)은 현재 최고 돌출 픽셀들 중 하나이고, 그러므로 속이 찬 원으로 도시된다. 워터마크 상에 있지 않은 픽셀(26)은 더이상 최고 돌출 픽셀들 중 하나가 아니다. 그러므로, 변경 처리 후 네개의 최고 돌출 픽셀들 중 세개는 워터마크 상에 있다.

도 3a 및 3b는 히스토그램의 형태로 변경 처리를 설명한다. 참조 번호(30)은 돌출성에 대한 돌출 픽셀들의 수의 그래프이다. 번호(31)은 워터마크 패턴(W) 상에 있는 픽셀들의 표시이다. 번호(32)는 워터마크 상에 있지 않은 픽셀들의 표시이다. 그늘진 부분은 최고 돌출 픽셀들의 집합의 표시이다. 이 예에서, 이 집합은 주어진 값(S₁)보다 큰 돌출성을 가진 모든 픽셀들을 포함한다. 대안적으로, 이 집합은 미리 결정된 수의 최고 돌출 픽셀들을 갖는다. 도 3a는 최고 돌출 픽셀들 중 55%가 워터마크 상에 있는 워터마크되지 않은 이미지의 히스토그램을 도시한다. 도 3b는 (라인(31)을 오른쪽으로 이동한)워터마크 상에 있는 픽셀들의 돌출성을 증가 및 (라인(32)을 왼쪽으로 이동한)워터마크 상에 있지 않은 픽셀들의 돌출성을 감소한 후에 히스토그램을 도시한다. 이 단계 후, 최고 돌출 픽셀들의 70%는 워터마크 상에 있다.

본 장치의 양호한 실시예에 있어서, 돌출성 변경 처리는 최고 돌출 픽셀들의 대다수, 예를 들어 75%와 같은, 가 워터마크 상에 있는 것이 발견될 때까지 반복된다. 그런 실시예는 도 4에서 도시된다. 장치는 처리된 이미지(Iw)가 최고 돌출 픽셀들 중 상당한 퍼센티지가 워터마크 상에 있는 것이 발견될 때까지 추출 모듈(10)로 피드백된다는 점에서 도 1에서 도시된 것과 다르다. 그리고, 결정 모듈(11)은 신호 D=1을 발생시킨다.

이미지-처리 모듈(12)에 의해서 전달되는 픽셀의 돌출성을 증가시키는 단계는 국부적으로 휘도 및/또는 채도(luminance and/or chrominance) 이미지(ΔI)를 돌출성 S가 증폭되도록 이미지(I)에 추가시키는 것을 의미한다. 마찬가지로, 픽셀의 돌출성을 감소시키는 것은 휘도 및/또는 채도 이미지(ΔI)를 돌출성 S가 약화되도록 이미지 I에 추가시키는 것을 의미한다. 이러한 관점에서, 돌출성 변경 방법이 돌출성 계산 방법과 깊이 관련되어 있음은 인정되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 장치의 한 실시예에 있어서, 2-차원 필터는 돌출성-계산 수단(101)을 구성한다. 그런 필터는 아래에서 행렬(F)에 의해, 예를 들어, 다음의 3*3 행렬로 나타날 것이다.

픽셀 I_i,j의 돌출성 S_i,j(i 및 j는 세로 및 가로의 픽셀 위치들의 표시인)는 다음 수식에 의해 정의된다.

본 발명의 한 실시예에서, 필터(F)는 라플라스 필터(Laplace filter)이다. 이것은 픽셀 값들의 지역 최소값들 및 최대값들을 지시하는 값을 돌려주는 하이-패스 필터(high-pass filter)이다. 만약 픽셀 값(I_i,j)이 그 주변의 평균과 같다면, 값(0)이 돌아온다. 3*3 라플라스 필터는 다음 행렬에 의해 표현된다.

이 실시예에서, 픽셀의 돌출성 S_i,j는 행렬(F)의 가중된 버전을 이미지에 추가시킴으로써 변경된다. 수학적 표기에서,

돌출성을 증가시키기 위해, Im = I+λF (Eq.2)

돌출성을 감소시키기 위해, Im = I-λF (Eq.3)

λ가 주어진 가중된 요소(weighting factor)에서, I는 중앙에 돌출 픽셀을 가진 3*3 서브-이미지이다. 그리고, Im은 변경된 3*3 서브-이미지이다.

도 5는 이런 변경 처리의 한 예를 도시한다. 번호(51)은 중앙에 세기(I_i,j=9)를 갖는 돌출 픽셀을 가진 3*3 서브-이미지의 표시이다. 픽셀은 Eq.1에 따라 돌출성(S_i,j=45)를 갖는다. 번호(52)는 Eq.2 및 λ=0.1에 따라 처리한 후의 서브-이미지의 표시로, 돌출성을 S_i,j=52.5로 증가시킨다. 번호(53)은 Eq.3 및 λ=0.1에 따라 처리한 후의 서브-이미지의 표시로, 돌출성을 S_i,j=37.8로 감소시킨다.

돌출성 S_i,j를 증가시키는 대안적인 방법은 S_i,j가 이미 크고, 서브-이미지(I) 자신이 돌출성을 증폭(즉, Im = I+λI)시키는데 이용될 수 있다는 인식에 기초한다.

본 장치의 다른 실시예에서, 돌출성-계산 수단(101)은 엣지 및/또는 코너 디텍터(edgy and/or corner detector)에 의해 구성되고, 픽셀의 돌출성은 엣지 또는 코너 강도에 의해 나타난다. 코너 디텍터들은 그 자체로 알려져 있다. 양호한 실시예는 C.Harris and M.Stephens: "A Combined Corner and Edge Detector", Proceedings of the 4^th Alvey Vision Conference,1988,pages 147-151에서 설명된다. 이 코너 디텍터는 행렬로 정의된다.

w(x,y)=

는 표준 편차(σ)를 갖는 가우시안 함수(Gaussian Function)에서, 심볼(*)은 컨볼루션(convolution)의 표시이고, I_x=∂I/∂x 및 I_y=∂I/∂y는 각각 명령 x 및 y에서 이미지의 부분적인 파생물들(partial derivatives)이다. 행렬(M)은 다음 이산의 근사치(descrete approximations)를 이용함으로써 각각 쉽게 계산될 수 있다.

M=

의 형태로 나타낼 수 있는 행렬(M)은 행렬식 D=AB-C² 및 트레이스(trace) T=A+B를 갖는다. 코너 강도(R)는 R=D-kT² 에 의해 정의되며 여기서, k는 적당한 상수, 예를 들어, k=0.01에서, 코너 강도(R)는 코너에 대해 포지티브이고, 엣지에 대해 네가티브이고, 플랫 영역에서 거의 0 이다.

도 6은 중앙 픽셀들이 큰 코너 강도를 갖도록 된 5*5 서브-이미지의 몇가지 예를 도시한다. 픽셀들이 다중-비트 휘도 및 채도 레벨들을 가짐에도 불구하고, 서브-이미지들은 여기서 2진 이미지(binary images)로 도시된다. 즉, 평균 또는 중간값보다 큰 세기를 갖는 픽셀들은 하얀색으로 도시되고, 상기한 평균 또는 중간값보다 작은 세기를 갖는 픽셀들은 검정색으로 도시된다. 몇몇 서브-이미지에서 중앙 픽셀이 실제로 코너인 것은 즉시 지워지는 반면, 몇몇 서브-이미지에서는 그렇지 않다는 것을 주의하라.

코너 강도를 증폭하는 것은 코너를 나타내는 픽셀들과 컴플리멘터리 픽셀들(complementary pixels)사이에 콘트라스트(contrast)를 증가시킴으로써, 예를 들어, 도 6에서 하얀 픽셀들의 세기에 ΔI 양을 추가 및/또는 도 6에서 검정 픽셀들로부터 ΔI 양을 공제함으로써 성취된다. 코너 강도를 약화시키는 것은 반대의 수행에 의해, 즉, 하얀 픽셀들로부터 ΔI 양을 공제하고 검정 픽셀들에 ΔI 양을 추가함으로써 얻어진다.

앞서 말한 것에서, 만약 돌출 픽셀들의 상당한 퍼센티지가 워터마크 패턴의 부근에 있다면 이미지가 워터마크된다는 것은 추정되어진다. 그러나, 컴플리멘터리 정의는, 예를들어 돌출 픽셀들의 상당한 퍼센티지가 워터마크 패턴의 부근밖에 있다면 이미지는 워터마크 되는 것과 같이 실제로 이용될 수 있다는 것은 인정될 것이다.

부족한 돌출 픽셀들은 입력 이미지의 일정한 지역에서 발견된다는 것은 더 주의되어야 한다. 이것은 만화(cartoons)와 같은 통합적인 이미지들의 균일한 지역인 특정한 경우가 된다. 이 경우에, 워터마크 상에 있는 돌출 픽셀들은, 내부 alia에서, 특정한 노이즈 패턴을 이미지의 상기 지역에 추가시키거나, 라플라스 필터의 필터 계수들에 상응하는 세기를 추가시키거나, 코너들을 인위적으로 생성시킴으로써 생성될 수 있다.

요약하면, 이미지에 워터마크를 임베딩하기 위한 방법 및 장치는 밝혀졌다. 워터마크는 의사-랜덤(pseudo-random)한, 예를 들어 라인(20)의 패턴과 같은 이미지 픽셀들의 조밀한 서브세트로 구성되어 있다. 예를 들어, 국부 극단(local extremes), 코너 또는 엣지와 같은 다수의 돌출 이미지 픽셀들(21-26)은 식별되고, 그들이 라인 패턴(21-23) 상에[예를 들어, 부근(δ)에 있거나, 또는 라인 패턴(24-26) 상에 있지 않는지의 여부를 결정는지의 여부가 결정된다. 워터마크되지 않은 이미지(도2a)에 있어서, 워터마크 상에 있는 최고 돌출 픽셀들(21)의 수는 워터마크 상에 있지 않은 최고 돌출 픽셀들(25, 26)의 수와 실질적으로 동일하다. 이미지는 최고 돌출 픽셀들(21, 23, 25)의 주요 대부분(21, 23)이 라인 패턴의 부근에 결과적으로 있게 되도록 돌출 픽셀들의 돌출성을 변경시켜 워터마크(도2b)된다.

Claims (9)

1. 이미지에 워터마크를 임베딩하는 방법으로서, 이미지 픽셀들의 돌출성(saliency)(S_i,j)을 계산하는 단계(101), 돌출 이미지 픽셀들(21-26)을 식별하는 단계(102), 최고 돌출 이미지 픽셀들(21, 25, 26)의 미리 결정된 퍼센티지가 미리 결정된 워터마크 패턴(20)의 부근(vicinity)(δ)에 있게 하는 방식으로 상기 이미지를 처리하는 단계를 포함하는, 상기 워터마크 임베딩 방법에 있어서,

   상기 이미지를 처리하는 단계는 돌출 픽셀들(23, 26)의 상기 돌출성을 변경하는 단계(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 워터마크 임베딩 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 변경하는 단계는 상기 워터마크 패턴의 상기 부근에 있지 않은 대부분의 돌출 픽셀들의 돌출성을 감소시키는 단계를 포함하는, 워터마크 임베딩 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 변경하는 단계는 상기 워터마크 패턴의 상기 부근에 있는 돌출 픽셀들의 돌출성을 증가시키는 단계를 포함하는, 워터마크 임베딩 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 픽셀들의 돌출성을 계산하는 단계는 상기 이미지를 필터링하는 단계를 포함하고, 상기 이미지를 처리하는 단계는 돌출 픽셀을 포함하는 서브-이미지의 픽셀 세기들(pixel intensities)를 변경하여 상기 돌출 픽셀의 상기 돌출성의 원하는 변경에 따라 필터의 응답을 변경시키기는 단계를 포함하는, 워터마크 임베딩 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 필터는 2-차원 필터이고, 상기 돌출성을 변경하는 단계는 상기 필터의 필터 계수들과 상기 서브-이미지의 선형 조합을 생성하는 단계를 포함하는, 워터마크 임베딩 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 필터는 응답이 코너 강도(corner strength)를 나타내는 코너 검출 필터이고, 상기 변경하는 단계는 상기 코너 강도를 변경시키기 위해 상기 서브-이미지의 상기 픽셀 세기들을 변경하는 단계를 포함하는, 워터마크 임베딩 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 처리된 이미지를 피드백시키고, 상기 최고 돌출 이미지 픽셀들 중 상당한 퍼센티지가 상기 워터마크 패턴의 부근에 있게 될 때 계산, 식별 및 처리하는 단계들을 반복적으로 실행하는 단계를 더 포함하는, 워터마크 임베딩 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 미리 결정된 픽셀 패턴들을 균일한 이미지 영역들에 부가함으로써 상기 균일한 이미지 영역들에 돌출 픽셀들을 생성하는 단계를 더 포함하는, 워터마크 임베딩 방법.
9. 이미지(I)에 워터마크(W)를 임베딩하기 위한 장치로서, 이미지 픽셀들의 돌출성(S_i,j)을 계산하기 위한 수단(101), 돌출 이미지 픽셀들(21-26)을 식별하기 위한 수단(102), 최고 돌출 이미지 픽셀들의 미리 결정된 퍼센티지가 미리 결정된 워터마크 패턴(20)의 부근(δ)에 있게 하는 방식으로 상기 이미지를 처리하기 위한 수단(12)을 포함하는, 상기 워터마크 임베딩 장치에 있어서,

   상기 이미지 처리 수단(12)은 돌출 픽셀들의 상기 돌출성을 변경하도록 배열된 것을 특징으로 하는, 워터마크 임베딩 장치.

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