KR100828163B1 - 오디오 동기 암호화 방법, 복호화 방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
오디오 동기 암호화 방법, 복호화 방법 및 그 장치가 개시된다.
본 발명에 따른 오디오 동기 암호화 방법은 오디오 신호를 폴리페이즈 필터를 이용하여 서브밴드들로 분할하는 단계, 상기 소정의 서브밴드의 샘플들을 변형 이산 여현 변환하는 단계, 상기 변환된 샘플 중 저주파 서브밴드의 계수에 워터마크를 삽입하는 단계, 및 상기 삽입된 워크마크에 따라서 소정의 고주파 서브밴드의 계수를 스크램블링하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 오디오 동기 암호화 장치는 오디오 신호를 폴리페이즈 필터를 이용하여 서브밴드들로 분할하는 서브밴드 분할부, 상기 소정의 서브밴드의 샘플들을 변형 이산 여현 변환하는 변형 이산 여현 변환부, 상기 변환된 샘플들 중 저주파 서브밴드의 계수에 워터마크를 삽입하는 워터마크 삽입부, 및 상기 삽입된 워터마크에 따라서 소정의 고주파 서브밴드의 계수를 스크램블링하는 스크램블링부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 워터마킹 암호화 방법과 이와 동기적으로 스크램블링 암호화 방법을 적용함으로써 높은 수준의 보안성을 제공하여 오디오 데이터의 대량 복제와 배포를 방지할 수 있으며, 암호화 과정 간 발생할 수 있는 압축 비트열의 초과를 최소화하고, 암호화 처리속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
도 1은 오디오 코덱 부호화기를 도시한 것이다.
도 2는 변형 이산 여현 변환을 거친 신호의 주파수에 따른 진폭의 크기를 도시한 것이다.
도 3은 단위 채널의 변형 이산 여현 변환 계수들의 서브밴드를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 오디오 암호화 장치의 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 오디오 암호화 방법의 흐름도이다.
도 6은 도 5의 워터마크 삽입 과정의 상세흐름도이다.
도 7은 도 5의 스크램블링 과정의 상세흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 오디오 복호화 장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명에 따른 오디오 복호화 과정의 흐름도이다.
도 10은 도 9의 워터마크 추출과정의 상세 흐름도이다.
도 11은 도 9의 역스크램블링 과정의 상세흐름도이다.
본 발명은 디지털 데이터에 관한 것으로서, 특히 오디오 동기 암호화 방법, 복호화 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근 디지털 미디어의 보편화와 다양한 멀티미디어 콘텐츠의 디지털화 및 인터넷과 같은 디지털 통신망의 급속한 발전 등으로 아날로그 시대에서 디지털 시대로 빠르게 전환되어 가면서 다양한 멀티미디어 데이터가 매우 빠르고 쉽게 배포되고 있다.
그러나, 이로 인하여 상기 정보의 급속한 배포 및 보급과 관련하여 저작권을 가지는 디지털 정보가 무단 복제 및 불법 배포된다는 문제점을 가지게 되면서 가상 공간에서의 디지털 정보의 무단 복제 및 배포에 대한 지적 재산권 침해는 급속히 심각해 지고 있다. 따라서 디지털 정보의 원저작자의 지적재산권을 불법 사용자들의 불법적인 복제 및 배포로부터 보호하기 위하여 암호화, 방화벽 등과 같은 방법들이 개발되고 있지만, 이러한 방법들은 데이터에 대한 접근 자체를 차단하므로 적합하지 못하며, 또한 한번 암호가 풀린 디지털 콘텐츠는 불법적으로 복사되고 배포될 수 있다. 또 접근이 허가된 사용자에 의해서도 디지털 콘텐츠는 악용될 수도 있다. 그러므로 최근 급속히 발전하고 있는 콘텐츠 시장과 전자상거래 등에서 이러한 기술을 이용하여 저작권과 소유권을 효과적으로 보호하기에 많은 어려움이 있다.
따라서 최근에는 디지털 콘텐츠 자체에 소유권 정보를 삽입하여 불법적인 복제나 배포를 막고, 효율적으로 저작권을 보호를 위한 기술인 디지털 워터마킹에 관심이 집중되고 있다.
오디오의 저작권 보호를 위해서 사용하는 방법은 크게 2가지가 있다. 하나는 오디오에 워터마크를 삽입하는 방법이고, 또 하나는 오디오에 스크램블링하는 방법이다.
디지털 워터마킹이란 멀티미디어에 사람이 인지할 수 없는 저작권자의 신호를 삽입하고, 추후에 멀티미디어에 삽입된 워터마크를 추출함으로써, 저작권 문제를 해결하는 저작권 보호기술의 일종이다. 워터마크는 사람이 볼 수 있는 로고 형태로 삽입될 수도 있으나, 워터마크의 삭제의 용이성과 멀티미디어 품질의 훼손 등으로 인하여 최근에는 사람이 볼 수 없는 형태로 워터마크를 삽입하는 방법이 많이 연구되고 있다.
스크램블링은 암호화를 하는 방법인데 이 방법은 적극적으로 데이터를 암호화를 시키거나 품질을 저하시켜 비권리자가 정상적인 청취를 불가능하게 하는 기술이다. 서로 약속된 키를 이용하여 스크램블을 시킨 후 전송을 하고 실제 사용을 할 때는 권리자의 경우 약속된 키를 이용하여 역스크램블링을 하여 사용을 한다.
그러나, 종래의 워터마킹 방법은 대량으로 복제되어 무권리자들이 청취를 하여도 품질에는 아무런 지장이 없고 또 단속을 통하지 않는한 권리행사가 어려우며, 종래의 스크램블링 방법은 저작물이 역스크램블링 된 후에는 대량복제되고 배포된 저작물에는 권리를 행사할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 디지털 저작물이 대량 복제되고 배포가 된 이후에도 권리를 행사할 수 있고, 대량복제된 후에도 정 상적으로 저작물을 이용할 수 없도록 하는 워터마킹과 스크램블링을 동기적으로 적용한 오디오 암호화 및 복호화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 암호화 및 복호화 방법을 이용한 오디오 동기 암호화 및 복호화 장치를 제공하는 것이다.
상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
오디오 신호를 폴리페이즈 필터를 이용하여 서브밴드들로 분할하는 단계, 상기 소정의 서브밴드의 샘플들을 변형 이산 여현 변환하는 단계, 상기 변환된 샘플 중 저주파 서브밴드의 계수에 워터마크를 삽입하는 단계, 및 상기 삽입된 워크마크에 따라서 소정의 고주파 서브밴드의 계수를 스크램블링하는 단계를 포함하는 오디오 동기 암호화 방법을 제공한다.
상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
워터마크가 삽입되고 상기 워터마크에 따라 스크램블링된 오디오를 언패킹하고, 상기 언패킹된 오디오를 역양자화하는 단계, 상기 역양자화된 오디오신호의 저주파 서브밴드의 계수로부터 워터마크를 추출하는 단계, 상기 추출한 워터마크로부터 스크램블링된 고주파 서브밴드를 검출하고 소정의 암호키에 따라 상기 서브밴드의 소정의 블록을 역스크램블링하는 단계, 상기 역스크램블링된 오디오를 역 변형 이산 여현 변환하는 단계, 및 상기 변환된 오디오 신호를 합성하여 상기 합성된 오디오 신호를 출력하는 단계를 포함하는 오디오 동기 복호화 방법을 제공한다.
상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
오디오 신호를 폴리페이즈 필터를 이용하여 서브밴드들로 분할하는 서브밴드 분할부, 상기 소정의 서브밴드의 샘플들을 변형 이산 여현 변환하는 변형 이산 여현 변환부, 상기 변환된 샘플들 중 저주파 서브밴드의 계수에 워터마크를 삽입하는 워터마크 삽입부, 및 상기 삽입된 워터마크에 따라서 소정의 고주파 서브밴드의 계수를 스크램블링하는 스크램블링부를 포함하는 오디오 동기 암호화 장치를 제공한다.
상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
워터마크가 삽입되고 상기 워터마크에 따라 스크램블링된 오디오의 압축 비트열를 언패킹하고, 상기 언패킹된 오디오를 역양자화하는 역양자화부, 상기 역양자화된 오디오신호의 저주파 서브밴드의 계수로부터 워터마크를 추출하는 워터마크 추출부, 상기 추출된 워터마크로부터 스크램블링된 고주파 서브밴드를 검출하고 소정의 암호키에 따라 상기 서브밴드의 소정의 블록을 역스크램블링하는 역스크램블링부, 상기 역스크램블링된 오디오 신호를 역 변형 이산 여현 변환하는 역 변형 이산 여현 변환부, 및 상기 변환된 오디오 신호를 합성하여 상기 합성된 오디오 신호를 출력하는 합성 필터 뱅크부를 포함하는 오디오 동기 복호화 장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 1은 오디오 코덱 부호화기를 도시한 것이다. MPEG Audio Layer-3(MP3) 오디오 압축은 하이브리드 필터 뱅크(100), 청각 심리 모델(110), 양자화(120), 그리고 허프만 코딩(130)으로 구성되어 있다.
입력 펄스 코드 변조(Pulse Code Modulation:PCM) 신호는 하이브리드 필터 뱅크(100)와 청각 심리 모델(110) 양쪽에서 처리된다. 우선, 하이브리드 필터 뱅크(100)는, 1152 개의 PCM신호 샘플들을 왼쪽과 오른쪽 신호 채널로 나누어 저장하고, 각각의 신호들을 폴리페이즈(Polyphase) 필터를 통해 32개의 서브 밴드로 나눈다. 서브 밴드로 나누어진 샘플들은 청각 심리 모델(110)에서 주어진 파라미터로 변형 이산 여현 변환(Modified Discrete Cosine Transform:MDCT) 과정을 거치게 된다.
청각 심리 모델(110)은 대부분의 음악 데이터는 인간이 실제 듣지 못하는 데이터가 같이 담겨져 있다는 성질을 이용하여 음악 데이터를 모델링한다. 폴리페이즈 필터를 통해 나누어진 서브밴드 중에서 소정의 밴드가 청각 심리 모델(110)을 이용해 결정한 대역 중에서 가장 강하게 들리는 음의 시작이면 이 대역은 인코딩하지 않는다.
청각 심리 모델(110)을 적용하여 하이브리드 필터 뱅크(100)는 오디오 신호를 32개의 서브 밴드로 나누어서 MDCT과정에서 폴리페이즈 필터를 통한 계수들을 주파수 영역으로 변환한다.
그리고 양자화기(120)에서 양자화를 수행한다. 양자화는 데이터의 손실이 오더라도 사람이 감각적으로 감지하기 힘들게 된다면 데이터에 손실을 가하여 압축률을 높이는 방법이다.
양자화기를 거쳐서 허프만 코딩(130)을 수행한다. 허프만 코딩은 허프만 테이블을 적용하여 신호의 통계적 편중을 주파수 대역별로 최적화하여 압축하는 방법 이다.
도 2는 변형 이산 여현 변환을 거친 신호의 주파수에 따른 진폭의 크기를 도시한 것이다.
변형 이산 여현 변환을 거친 신호의 계수들은 개별적으로 코딩되고 이산 여현 변환 계수들은 이 과정에서 크게 3개의 영역으로 분할되게 되고 더 세분화하면 32개의 주파수 밴드영역으로 분할된다. 도 2를 참조하면, 이산 여현 변환 계수들은 주파수에 따른 진폭값에 따라 대 영역, 소 영역, 0값 영역으로 분할된다. 그리고 대 영역은 다시 서로 허프만 테이블이 적용되는 3개의 서브 영역으로 분할된다. 전체적으로 이산 여현 변환 계수들은 32개의 서브밴드들로 나누어 지게 되고, 대 영역은 서브밴드 0, 서브밴드 1, 서브밴드 2로 나누어지게 된다. 워터마크는 위 서브밴드 0에 삽입되게 되는데 이는 서브밴드 0의 각 계수의 값이 상대적으로 큰값을 가지고 있으므로 워터마크를 삽입하기가 용이하기 때문이다. 한편 0 내지 4 이내의 계수 값을 가지는 계수들은 소 영역으로 분할되고 그 이외는 0 값을 가지는 영역으로 구분된다. MP3인코더는 0 값 영역을 삭제하는데 이 영역은 다른 신호에 의해 마스킹(Masking)되어 인간의 귀로는 인지할 수 없는 대역이기 때문에 0 값 영역을 삭제하여 압축률을 높이게 된다.
도 3은 단위 채널의 변형 이산 여현 변환 계수들의 서브밴드를 도시한 것이다. 즉, 도 3은 채널당 서브밴드의 맵(300)을 도시한 것이다. 입력 펄스 코드 모듈레이션 데이터는 하이브리드 필터 뱅크를 거켜 32개의 서브 밴드별 주파수 성분으로 나누어지게 된다. 서브밴드 0 영역(330)은 저주파 이산 여현 변환 계수 성 분(310)이 위치하는 영역이고, 서브밴드 1 내지 서브밴드 31 까지의 영역은 상대적으로 고주파 이산 여현 변환 계수 성분(320)이 위치하는 영역이다.
본 발명은 워터마크를 삽입하는 암호화 방법과 이와 동기적으로 스크램블링을 행하는 암호화 방법을 적용한다. 도 3을 참조하면 서브밴드 0 영역(330)은 워터마크가 삽입되고 서브밴드 1 내지 서브밴드 31 까지의 영역(340)은 스크램블링을 행하는 영역이다. 각 서브밴드는 36개의 샘플을 포함하며 36개의 샘플은 6개의 블록으로 구획된다. 따라서 1 채널당 1152개의 샘플을 포함하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 오디오 암호화 장치의 블록도이다.
서브밴드 분할부(410)는 오디오 입력신호를 폴리페이즈 필터를 이용하여 서브밴드로 분할한다.
MPEG 오디오를 비롯한 최근의 서브밴드 부호화에서는 앨리어싱(Alising)을 일으키지않고 대역을 필터뱅크에 의해 분할하여 서브 샘플링하는 것이 필요하다. 이와 같은 주파수 분할에 최초로 사용된 것이 직교 미러 필터(Quadrature Mirror Filter:QMF)이다.
그러나 QMF의 연산량은 밴드 수에 거의 비례하므로, 32 밴드로 분할하려면 막대한 연산량이 필요하다. 이 문제를 해결하는데 폴리페이즈 필터 뱅크가 필요하다. 폴리페이즈 필터뱅크는 수학적 방법으로 32 밴드를 한꺼번에 처리함으로써 앨리어싱도 상쇄시키고 계산효율을 높일 수 있다.
변형 이산 여현 변환부(420)는 서브밴드 분할부(410)에서 생성된 서브밴드의 밴드들을 시간 신호로부터 주파수 신호로 변환한다.
변형 이산 여현 변환부(420)는 512 샘플을 한번에 시간신호로부터 주파수 신호로 변환한다. 이는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform:FFT)과 같은 고속 알고리즘을 사용하여 승산 횟수 등을 크게 줄일 수 있다.
그리고, MPEG 오디오 표준화에 있어서 폴리페이즈 필터 뱅크와 변형 이산 여현 변환의 두 개의 장치를 포함함으로써 주파수별 해상도를 더욱 높일 수 있다.
워터마크 삽입부(430)는 암호화하고자 하는 워터마크를 서브밴드에 삽입한다. 도 3을 참조하면 워터마크 삽입부(430)는 암호화하고자 하는 워터마크를 서브밴드 0(330)의 이산 여현 변환 계수에 삽입한다. 각 서브밴드는 36개의 샘플을 포함하고 위 샘플은 6개의 구획으로 나뉘어진다. 워터마크는 서브밴드 0(330)의 각 블록의 첫번째 샘플에 삽입된다.
스크램블링부(440)는 워터마크 삽입부(430)가 삽입한 워터마크 비트 값에 따라 스크램블링될 서브밴드를 정하여 소정의 암호키에 따라 서브밴드의 소정의 블록을 스크램블링한다. 소정의 블록은 당업자가 임의로 정할 수 있는 블록으로써, 본 발명에서는 한 서브밴드가 36개의 샘플을 포함하고 있으며 그 중 6개의 샘플을 구획한 것을 블록이라 정의한다. 이 중 워터마크 비트 값과 미리 정해진 암호키에 따라 블록1, 블록 3 및 블록 5 또는 블록 2, 블록 4 및 블록 6을 스크램블링한다.
마지막으로, 워터마크 삽입부(430)와 스크램블링부(440)을 거친 오디오 데이터는 양자화부(미도시)와 비트스트림 포맷부(미도시)를 거치게 되고, 암호화된 오디오 데이터가 출력된다.
도 5는 본 발명에 따른 오디오 암호화 방법의 흐름도이다.
우선 오디오 신호를 서브밴드로 분할한다(510 과정).
원본 오디오 펄스 코드 모듈레이션(Pulse Code Modulation:PCM) 데이터는 분석 필터 뱅크(Analyser filter bank)를 거쳐 32개의 서브밴드별 주파수 성분으로 나누어지게 된다. 이는 크리티컬 밴드 등의 청각특성을 효율적으로 이용하기 위해서는 우선 신호를 주파수 성분으로 나누는 것이 필요하다. 이 때문에 인코더(Encoder)에서는 전 대역을 32개의 밴드로 등 간격 주파수 폭으로 세분한다.
그러나, 통상의 필터로 1/32의 주파수 대역을 취하는 경우 이상적인 필터가 아니기 때문에 부 표본화의 시점에서 앨리어싱(Alising)을 일으킨다. 앨리어싱 잡음을 소거하기 위해 폴리 페이즈 필터 뱅크라고 불리는 필터를 사용한다.
32개의 서브밴드별 주파수 성분으로 나누어진 오디오 데이터를 변형 이산 여현 변환한다(520 과정). 변형 이산 여현 변환 과정에서 오디오 데이터의 512 샘플을 한번에 시간 신호로부터 주파수 신호로 변환하여 변형 이산 여현 변환 계수를 생성한다. 이는 분석 필터 뱅크에서 오디오 데이터가 시간 신호로부터 주파수 신호로 변환되고, 변형 이산 여현 변환 과정을 한번 더 거치게 됨으로써 주파수별 해상도를 더욱 높일 수 있다.
변형 이산 여현 변환된 오디오 데이터에 워터마크를 삽입한다(530 과정).
상기 도 3을 참조하면 오디오 데이터의 한 채널(300)은 변형 이산 여현 변환 과정(520 과정)을 거치게 됨으로써 32개의 서브밴드로 나누어진다. 그 중 서브밴드 0(330)은 저주파 밴드(310)이고 나머지 서브밴드 1 내지 서브밴드 31은 고주파 밴드(320)이다. 본 발명에서 워터마크가 삽입되는 영역은 서브밴드 0(330) 영역이다. 이는 저주파 변형 이산 여현 변환 계수들은 오디오의 음질에 거의 영향을 주지않고 손실압축에 의해서도 쉽게 영향을 받지 않는다는 성질을 이용한 것이다.
워터마크에 따라 고주파 서브밴드를 스크램블링한다(540 과정).
워터마크 시퀀스는 워터마크인 동시에 스크램블링 키로서 동기를 맞추어서 사용된다. 변형 이산 여현 변환을 하면 32개의 서브밴드로 나누어지는데 에너지는 서브밴드 0 내지 서브밴드 6 사이에 집중되어 있다. 스크램블링은 이 대역에서 행할 수 있다. 즉, 서브밴드 0(330)에서 워터마크가 삽입되고 이와 동기적으로 워터마크에 따라서 서브밴드 1 내지 서브밴드 6(340)의 블록을 스크램블링 한다. 스크램블링은 미리 정해진 소정의 암호키에 따라서 서브밴드의 각 블록의 주파수 성분의 계수에 가중치를 부여하는 과정이다.
도 6은 도 5의 워터 마크 삽입 과정(530 과정)의 상세흐름도이다.
오디오 데이터는 변형 이산 여현 변환 과정(520 과정)을 거쳐 32개의 서브밴드로 분할되고, 각 서브밴드는 36개의 샘플을 포함한다.
우선, 36개의 샘플을 6개의 단위의 블록들로 분할한다(631 과정).
32개의 서브밴드 중 저주파 서브밴드의 분할된 블록의 첫 번째 계수에서 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수를 카운트한다(632 과정). 32개의 서브밴드 중에서 워터마크가 삽입되는 영역은 서브밴드 0(330) 영역이다. 한 서브밴드는 36개의 샘플을 포함하고 각 블록은 6개의 샘플을 포함하는데, 워터마크가 삽입되는 부분은 각 블록의 첫 번째 샘플의 계수이다. 이 계수의 값을 판단하여 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수를 카운트한다.
워터마크 시퀀스 비트값이 0인지의 여부를 판단한다(633 과정).
워터마크 시퀀스 비트값이 0이라면 상기 카운트한 변형 이산 여현 변환 계수의 0의 갯수를 짝수로 만들고, 워터마크 시퀀스 비트값이 1이라면 상기 카운트한 변형 이산 여현 변환 계수의 0의 갯수를 홀수로 만든다.
워터마크 시퀀스 비트값이 0일 경우 상기 카운트한 변형 이산 여현 변환 계수의 0의 갯수가 짝수인지를 판단한다(634 과정). 0의 갯수가 홀수일 경우 변형 이산 여현 변환 계수에 가중치를 부여하여 (636 과정), 변형 이산 여현 변환 계수에 워터마크를 삽입한다(637 과정).
워터마크 시퀀스 비트값이 1일 경우 상기 카운트한 변형 이산 여현 변환 계수의 0의 갯수가 홀수인지를 판단한다(635 과정). 0의 갯수가 짝수인 경우 변형 이산 여현 변환 계수에 가중치를 부여하여(636 과정), 변형 이산 여현 변환 계수에 워터마크를 삽입한다(637 과정).
가중치를 부여한 변형 이산 여현 변환 계수(Watermarked coeff)는 수학식 1로 표현할 수 있다.
변형 이산 여현 변환 계수를 변형하는 방법은 간단히 10으로 나누어 주면 되지만 그럴 경우에는 변형 이산 여현 변환 계수의 값이 조금만 변할 경우에도 변형 이산 여현 변환 계수의 0의 갯수가 쉽게 변할 수 있다. 이것을 방지하기 위해 계수 의 값을 10으로 나누는 방법이 아닌 계수의 값을 수학식 1로 변환을 시키면 계수의 값이 조금 변하더라도 이산 여현 변환 계수의 0의 갯수는 변할 가능성이 줄어든다. 즉, 삽입하고자 하는 워터마크 비트가 1이고 계수의 값이 0.00032002일 경우 소수점 이하로 연속되는 0의 갯수는 3이 되고 이것은 홀수이므로 변환을 하지 않고 워터마크 조건을 만족한다. 그러나 계수의 값이 0.00000032002일 경우 0의 갯수는 6이 되고 이것은 0의 갯수가 홀수가 되어야한다는 조건에 맞지 않으므로 10으로 나누어 0의 갯수가 7이 되게 만든다. 그리고 이후의 스케일링 과정과 양자화 과정에서 0의 갯수가 변형될 가능성을 줄이기 위하여 5를 곱하여 0.00000005로 만들어 준다.
도 7은 도 5의 스크램블링 과정(540 과정)의 상세흐름도이다.
워터마크 시퀀스 비트값에 의해 워터마크를 저주파 서브밴드 0(330) 영역에 삽입하고, 이와 동기적으로 고주파 서브밴드(320) 영역에 스크램블링을 수행한다. 오디오의 주 데이터는 서브밴드 0 내지 서브밴드 6(340)에 포함되어 있다. 따라서 서브밴드 0(330)에는 워터마크를 삽입하고 이와 동기적으로 서브밴드 1 내지 서브밴드 6(340)에는 스크램블링을 수행할 수 있다.
우선 워터마크 시퀀스 비트값이 0인지의 여부를 판단한다(741 과정).
워터마크 시퀀스 비트값이 0인 경우에는 서브밴드 1, 서브밴드 3 및 서브밴드 5를 선택한다(742 과정). 미리 정해진 암호키에 따라서 서브밴드 1, 서브밴드 3 및 서브밴드 5의 블록 1, 블록 3 및 블록 5를 스크램블링하여(743 과정) 스크램블링된 변형 이산 여현 변환계수를 출력한다(746 과정). 스크램블링은 암호키에 따라 서 상기 블록의 변형 이산 여현 변환 계수에 가중치를 부여하는 과정일 수 있다.
워터마크 시퀀스 비트값이 1인 경우에는 서브밴드 2, 서브밴드 4 및 서브밴드 6을 선택한다(744 과정), 미리 정해진 암호키에 따라서 서브밴드 2, 서브밴드 4 및 서브밴드 6의 블록 2, 블록 4 및 블록 6를 스크램블링하여(745 과정) 스크램블링된 변형 이산 여현 변환계수를 출력한다(746 과정).
도 8는 본 발명에 따른 오디오 복호화 장치의 블록도이다.
역 양자화부(800)는 허프만 디코딩을 거친 신호의 계수를 원래의 신호의 계수로 복원한다. 즉, 워터마크가 삽입되고 상기 워터마크에 따라 스크램블링된 오디오의 압축 비트열은 허프만 부호화 테이블을 적용하여 허프만 디코딩되어 언패킹된다. 역양자화부(800)는 허프만 디코딩된 양자화된 데이터를 압축 해제하여 원래의 신호의 계수로 복원한다.
워터마크 추출부(810)는 저주파 서브밴드에 삽입된 워터마크를 추출한다. 워터마크가 삽입된 부분은 오디오 신호의 저주파 서브밴드 0(330)의 각 블록의 첫 번째 계수이다. 첫 번째 계수의 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수를 카운트하여 카운트된 0의 갯수로 부터 워터마크 비트를 추출한다.
추출하고자 하는 워터마크 비트에 대해서 저주파 서브밴드 0(330)의 블록의 첫번째 계수 값이 0.00032002일 경우 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수는 3이 되고 이것은 홀수이므로 삽입된 워터마크 비트는 1이 된다. 그러나 계수의 값이 0.00000032002일 경우 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수는 6이 되고 이 경우 삽입된 워터마크 비트는 0이된다.
그러나, 한 채널당 1개의 워터마크 비트를 삽입하는데, 암호화 과정에서 워터마크가 삽입된 블록의 계수 값이 양자화 과정과 스케일링 과정을 거치면서 변형될 우려가 있으므로 본 발명에서 서브밴드 0의 6개의 블록의 첫 번째 계수에 워터마크 비트를 삽입하여 복호화 과정에서 발생할 수 있는 오류를 차단한다.
역스크램블링부(820)는 추출한 워터마크 비트와 미리 설정된 암호키를 사용하여 오디오 신호를 역스크램블링한다.
워터마크 추출부(810)에서 추출된 워터마크 비트로부터 스크램블링된 서브밴드를 검출하고 미리 설정된 암호키를 적용하여 스크램블링된 서브밴드의 소정의 블록의 계수를 원 계수로 복원한다.
역 변형 이산 여현 변환부(830)는 주파수 영역으로 변환된 신호를 시간 영역의 신호로 복원한다. 오디오 신호의 암호화에서 크리티컬 밴드 등의 청각특성을 효율적으로 이용하기 위해서 신호를 주파수 성분으로 나누는 것이 필요하다. 이 때문에 인코더에서 전 대역을 32개의 밴드로 등 간격 주파수 폭으로 세분화하여 서브밴드 부호화하므로 오디오 데이터의 복호화에서 역 변형 이산 여현 변환부(830)는 주파수 영역으로 변환된 신호를 시간 영역의 신호로 복원한다.
합성 필터 뱅크부(840)는 시간 영역의 신호로 복원된 오디오 데이터를 합성하여 펄스 코드 모듈레이션(Pulse Code Modulation:PCM) 오디오 신호를 출력한다.
도 9는 본 발명에 따른 오디오 복호화 과정의 흐름도이다.
워터마크가 삽입되고 상기 워터마크에 따라 스크램블링된 오디오의 압축 비트열을 언패킹하고, 언패킹된 오디오의 압축 비트열을 역 양자화한다(900 과정).
오디오 암호화 과정에서 허프만 테이블을 적용하여 압축한 오디오 데이터를 복호화 과정에서 다시 허프만 테이블을 적용하여 오디오의 압축 비트열을 압축 해제한다. 그리고 암호화 과정에서 원 오디오 데이터에 손실을 가하여 압축률을 높인 오디오 데이터를 복호화 과정에서 역 양자화한다. 이는 압축 해제하여 원래의 오디오 신호로 복원하는 과정이다.
역 양자화된 오디오 신호의 저주파 서브밴드의 계수로부터 워터마크를 추출한다(910 과정). 워터마크가 삽입된 부분은 오디오 신호의 저주파 서브밴드 0(330)의 각 블록의 첫 번째 계수이다. 첫 번째 계수의 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수를 카운트하여 카운트된 0의 갯수로 부터 워터마크 비트를 추출한다.
추출한 워터마크로부터 스크램블링된 고주파 서브밴드를 검출하고, 이미 설정된 소정의 암호키에 따라 서브밴드의 소정의 블록을 역스크램블링한다(920 과정). 스크램블링되는 서브밴드는 워터마크 비트에 의해 결정되므로, 워터마크 추출과정(910 과정)에서 추출한 워터마크로부터 스크램블링된 서브밴드를 검출하고 암호키에 따라서 서브밴드의 블록을 역스크램블링한다.
역스크램블링된 오디오 신호를 역 변형 이산 여현 변환한다(930 과정).
오디오 암호화에서 오디오 신호를 암호화하기 위해 시간영역의 데이터를 주파수 영역의 데이터로 변환하므로, 복호화된 오디오 신호를 출력하기 위해 다시 주파수 영역의 데이터를 시간 영역의 데이터로 변환하는 역 변형 이산 여현 변환을 적용한다.
역 변형 이산 여현 변환된 오디오 데이터를 합성하여 복호화된 오디오 신호 를 출력한다(940 과정).
도 10은 도 9의 워터마크 추출과정의 상세 흐름도이다.
저주파 서브밴드 블록의 0의 갯수를 카운트한다(1011 과정). 저주파 서브밴드 블록의 0의 갯수는 저주파 서브밴드 각 블록의 첫 번째 샘플의 계수의 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수를 의미한다.
워터마크는 저주파 서브밴드 블록의 첫 번째 샘플의 계수의 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수가 짝수인지의 여부에 따라서 결정되므로, 우선 0의 갯수가 짝수인지의 여부를 판단한다(1012 과정).
0의 갯수가 짝수인 경우 워터마크 코드는 0이 삽입되어 있는 것으로 판단하고(1013 과정), 이 비트값 0을 출력한다(1015 과정).
0의 갯수가 홀수인 경우 워터마크 코드는 1이 삽입되어 있는 것으로 판단하고(1014 과정), 이 비트값 1을 출력한다(1015 과정).
도 11은 도 9의 역스크램블링 과정(920 과정)의 상세흐름도이다.
우선, 워터마크 시퀀스 비트값이 0인지의 여부를 판단한다(1111 과정). 스크램블링된 서브밴드는 워터마크 비트 값에 의해 결정되므로, 워터마크 추출과정(910 과정) 으로부터 추출한 워터마크로 부터 스크램블링된 서브밴드를 검출하고, 미리 설정된 암호화 키에 의해 스크램블링된 서브밴드의 블록을 역스크램블링한다.
워터마크 시퀀스 비트값이 0일 경우 서브밴드 2, 서브밴드 4 및 서브밴드 6이 스크램블링 되므로, 동일하게 역스크램블링 과정에서도 서브밴드 2, 서브밴드 4 및 서브밴드 6을 선택한다(1112 과정).
미리 설정된 암호키에 따라 위 서브밴드의 블록 2, 블록 4 및 블록 6을 역스크램블링하여(1113 과정), 복호화된 오디오 신호를 출력한다(1116 과정).
워터마크 시퀀스 비트값이 1일 경우 서브밴드 1, 서브밴드 3 및 서브밴드 5가 스크램블링 되므로, 역스크램블링 과정에서는 서브밴드 1, 서브밴드 3 및 서브밴드 5을 선택한다(1114 과정).
미리 설정된 암호키에 따라 위 서브밴드의 블록 1, 블록 3 및 블록 5를 역스크램블링하여(1115 과정), 복호화된 오디오 신호를 출력한다(1116 과정).
표 1은 여러가지 방법에 의한 음질 테스트 점수를 나타낸 것이다.
5는 음질이 가장 좋은 경우의 점수를 나타내고 1을 가장 나쁜 음질의 점수를 나타낸다. 본 발명에 따른 오디오 데이터 샘플의 진폭 값에 워터마킹과 스크램블링을 동기적으로 적용한 암호화 방법(Watermarking-Scrambling-Amplitude:WSA)은 세가지 종류의 음악의 테스트에서 상대적으로 5보다는 1에 가까운 점수를 나타내고 있으므로 오디오 데이터의 암호화 방법의 성능이 우수하다.
표 2는 본 발명과 종래의 방법에 따른 암호화 방법과 복호화 방법의 상대적인 처리 속도 시간의 비율을 표시한다. 본 발명의 처리 속도를 기준값으로 했을 경우에 본 발명의 암호화 및 복호화 처리속도는 오디오 데이터에 위상을 변경하여 암호화 및 복호화 하는 방법과 마스킹 효과(Masking effect)를 적용한 에코 은닉 방법보다 처리속도가 10배 내지 150배의 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 이는 본 발명은 암호화 및 복호화 처리 속도면에서 종래의 방법보다 우수하다는 것을 나타낸다.
표 3은 오디오 데이터에 여러 가지 프로세싱을 가하였을 때의 비트오류율(Bit Error Rate:BER)을 측정한 값을 표시한 것이다. 표 3을 참조하면 채널 컨버젼, 진폭 압축, 에코 삽입의 모든 경우에 비트 오류율이 0에 가까운 값을 나타내고 있다. 이는 본 발명의 암호화 방법이 외부 공격에 강인함을 나타내는 것이다.
표 4는 본 발명에 따른 암호화 방법을 적용했을 경우의 비트 초과율을 나타낸다. 원 오디오 데이터의 총 비트 수와 비교하면 본 암호화 방법의 비트 초과율은 매우 적고, 이값은 무시할 정도의 수치임을 나타내고 있다.
본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터(정보 처리 기능을 갖는 장치를 모두 포함한다)가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 테이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사항에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 워터마킹 암호화 방법과 이와 동기적으로 스크램블링 암호화 방법을 적용함으로써 높은 수준의 보안성을 제공하여 오디오 데이터의 대량 복제와 배포를 방지할 수 있으며, 암호화 과정 간 발생할 수 있는 압축 비트열의 초과를 최소화하고, 암호화 처리속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (12)
- 오디오 신호를 폴리페이즈 필터를 이용하여 서브밴드들로 분할하는 단계;상기 소정의 서브밴드의 샘플들을 변형 이산 여현 변환하는 단계;상기 변환된 샘플 중 저주파 서브밴드의 계수에 워터마크를 삽입하는 단계; 및상기 삽입된 워크마크에 따라서 스크램블링될 고주파 서브밴드를 정하고, 소정의 암호키에 따라 상기 서브밴드의 소정의 블록를 스크램블링하는 단계를 포함하는 오디오 동기 암호화 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 워터마크를 삽입하는 단계는,상기 서브밴드들의 계수를 소정 갯수의 블록들로 분할하는 단계;상기 저주파 서브밴드의 각 블록의 첫 번째 계수에서 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수를 카운트하는 단계; 및상기 카운트한 0의 갯수 및 워터마크의 시퀀스 비트 값에 따라 상기 계수에 소정의 가중치를 부여하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 동기 암호화 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 가중치를 부여하는 단계는,상기 워터마크의 시퀀스 비트값이 0이고 상기 카운트한 0의 갯수가 홀수인 경우 또는 상기 워터마크의 시퀀스 비트값이 1이고 상기 카운트한 0의 갯수가 짝수인 경우, 상기 저주파 서브밴드의 각 블록의 첫 번째 계수에 가중치를 부여하는 단계인 것을 특징으로 하는 오디오 동기 암호화 방법.
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- 워터마크가 삽입되고 상기 워터마크에 따라 스크램블링된 오디오의 압축 비트열을 언패킹하고, 상기 언패킹된 오디오를 역양자화하는 단계;상기 역양자화된 오디오신호의 저주파 서브밴드의 계수로부터 워터마크를 추출하는 단계;상기 추출된 워터마크로부터 스크램블링된 고주파 서브밴드를 검출하고 소정의 암호키에 따라 상기 서브밴드의 소정의 블록을 역스크램블링하는 단계;상기 역스크램블링된 오디오 신호를 역 변형 이산 여현 변환하는 단계; 및상기 변환된 오디오 신호를 합성하여 상기 합성된 오디오 신호를 출력하는 단계를 포함하는 오디오 동기 복호화 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 워터마크를 추출하는 단계는,상기 워터마크가 삽입된 저주파 서브밴드의 각 블록의 첫 번째 계수에서 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수를 카운트하는 단계; 및상기 카운트된 0의 갯수로부터 워터마크를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 동기 복호화 방법.
- 오디오 신호를 폴리페이즈 필터를 이용하여 서브밴드들로 분할하는 서브밴드 분할부;상기 소정의 서브밴드의 샘플들을 변형 이산 여현 변환하는 변형 이산 여현 변환부;상기 변환된 샘플들 중 저주파 서브밴드의 계수에 워터마크를 삽입하는 워터마크 삽입부; 및상기 삽입된 워터마크에 따라서 스크램블링될 서브밴드를 정하고 소정의 암호키에 따라 상기 서브밴드의 소정의 블록을 스크램블링하는 스크램블링부를 포함하는 오디오 동기 암호화 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 워터마크 삽입부는,상기 서브밴드들의 계수를 소정 갯수의 블록들로 분할하는 블록분할부;상기 저주파 서브밴드의 각 블록의 첫 번째 계수에서 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수를 카운트하는 제로 카운트부; 및상기 카운트한 0의 갯수 및 워터마크의 시퀀스 비트값에 따라 상기 계수에 소정의 가중치를 부여하는 가중치 부여부를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 동기 암호화 장치.
- 삭제
- 워터마크가 삽입되고 상기 워터마크에 따라 스크램블링된 오디오의 압축 비트열를 언패킹하고, 상기 언패킹된 오디오를 역양자화하는 역양자화부;상기 역양자화된 오디오신호의 저주파 서브밴드의 계수로부터 워터마크를 추 출하는 워터마크 추출부;상기 추출된 워터마크로부터 스크램블링된 고주파 서브밴드를 검출하고 소정의 암호키에 따라 상기 서브밴드의 소정의 블록을 역스크램블링하는 역스크램블링부;상기 역스크램블링된 오디오 신호를 역 변형 이산 여현 변환하는 역 변형 이산 여현 변환부; 및상기 변환된 오디오 신호를 합성하여 상기 합성된 오디오 신호를 출력하는 합성 필터 뱅크부를 포함하는 오디오 동기 복호화 장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 워터마크 추출부는,상기 워터마크가 삽입된 저주파 서브밴드의 각 블록의 첫 번째 계수에서 소수점 이하로부터 연속되는 0의 갯수를 카운트하는 제로 카운트부; 및상기 카운트된 0의 갯수로부터 워터마크를 추출하는 워터마크 유닛 추출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 오디오 동기 복호화 장치.
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Legal Events
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