KR101025311B1 - 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템 - Google Patents

복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템 Download PDF

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오태우
이민정
김경수
이해연
이지원
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Abstract

본 발명은 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템에 관한 것으로서, 원본 참조 신호를 사용하는 기존 방법과 달리, 삽입 대상 동영상에 워터마크 원소 신호와 참조 신호를 삽입 후, 워터마크 원소 신호와 공간적 동기성이 항상 일치하는 참조 신호를 워터마킹된 영상으로부터 직접 추출하여 사용함으로써, 복합적 기하학 왜곡을 겪은 동영상에서도 추가적인 공간적 동기화 과정없이 간단하게 워터마크 삽입 유무를 판단할 수 있는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 참조 신호 및 워터마크 원소 신호를 서로 다른 시간 간격 동안에, 미리 정의된 동영상 프레임의 공간적으로 동일한 위치에 삽입하는 워터마크 삽입기; 및 참조 신호 및 워터마크 원소 신호가 삽입된 프레임의 관심영역(ROI)로부터 워터마크 삽입 여부를 판단하는 단일 통과 검출기; 를 포함한다.

Description

복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템{ROBUST HIGH DEFINITION VIDEO WATERMARKING SYSTEM BASED ON SELF SYNCHRONIZING SIGINAL AGAINST COMPOSITE DISTORTIONS}
본 발명은 고화질 동영상 워터마킹 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프레임율 변환과 영상 포맷 변환과 같은 일반적인 동영상 처리과정뿐 아니라, 불법적인 캠코더 촬영에 의한 복합적 기하학 왜곡에도 강인한 고화질 동영상 워터마킹 시스템에 관한 것이다.
네트워크 기술의 발전 및 고해상도 LCD TV, 휴대용 멀티미디어 플레이어 및 고성능 휴대전화와 같은 다양한 디스플레이 장치의 확산에 따라, 디지털 비디오 산업의 양적인 성장 및 질적인 성장이 두드러지고 있다. 그러나, 이와 동시에 디지털 비디오 콘텐츠를 더 완벽하게 복제하여 배포하는 저작권 침해 역시 늘어나고 있는 추세이다.
불법 행동이 콘텐츠 제공자 및 시장에 대한 극심한 금융적인 손실을 초래하므로, 디지털 저작권 관리(Digital Right Management: DRM) 시스템에 대한 역할이 중요하다. DRM 시스템으로서의 동영상 워터마킹은 디지털 콘텐츠의 불법 복제 및 배포에 대한 해결책으로 주목을 받고 있다.
동영상 워터마킹의 원리는 원본 비디오 콘텐츠 내에 비밀 신호를 삽입하는 것이다. 삽입된 워터마크 신호는 대체로 제공자 또는 소유자를 표시하는 저작권 정보를 나타낸다. 동영상의 개개의 사본 내에 삽입된 워터마크로 인해 불법적으로 복제된 사본들은 그들이 유래된 수취인으로 역추적된다.
워터마크가 삽입된 동영상은 프레임율(frame-rate) 변환, 비트율 변화, 크기변환(scaling), 다양한 포맷으로의 변환부호화(trans-coding) 및 자르기(cropping)와 같은 많은 멀티미디어 애플리케이션 또는 장치에 적절한 다양한 조작을 겪는다.
삽입된 워터마크는 이들 조작에 의해 제거되거나 파괴될 수 있으므로, 이들 조작은 워터마크가 삽입된 동영상에 대한 공격으로서 취급된다. 특히, 회전, 크기변환, 이동(translation) 및 투영(projection)과 같은 기하학적 왜곡은 워터마크 검출에 필요한 동기의 부족을 초래하므로, 기하학적 왜곡은 블라인드 워터마킹 시스템(blind watermarking system) 내에서 다루어지는 대다수의 다루기 힘든 공격이다.
최근 고성능 캠코더의 확산으로 인해 불법적으로 캡처된 비디오가 쉽게 제작된다. 비디오가 캠코더에 의해 캡처될 때, 몇 가지 혼합식 기하학적 왜곡이 D-A/A-D(디지털-아날로그/아날로그-디지털) 변환과 함께 캡처된 동영상에 적용된다. 이로 인해 공간 동기 문제가 더 다루기 힘들게 된다.
정지 영상에 대해 기하학적 공격에 대한 강인성을 갖는 다양한 연구가 있었다. 이들 방안은 기하학적으로 불변인 도메인 내에 삽입하는 경우, 템플릿과 같은 동기 마크를 삽입하는 경우, 주기적인 워터마크 패턴을 활용하는 경우 및 코너(corner), 에지(edge) 및 텍스처(texture)와 같은 영상 특징(image features)을 사용하는 경우와 같은 네 개의 카테고리로 분류된다.
또한, 캠코더 캡처에 의한 다양한 기하학적 공격에 초점을 맞춘 몇 가지 비디오 워터마킹 방법이 있다. Leest 등은 공간 탈동기(spatial de-synchronization)에 대해 영향을 받지 않는 도메인으로서 시간 축 내의 각각의 프레임의 평균 휘도값을 사용하는 동영상 워터마킹 방안을 제안했다. 워터마크는 평균 휘도를 증가시키거나 감소시킴으로써 삽입되고, 워터마크가 삽입된 비디오 프레임의 평균 휘도를 시간적으로 저역 필터링(low-pass filtering)한 후에 추정함으로써 검출된다. 이러한 접근법이 기하학적 공격에 대해서 대체로 강인한 특성을 보이더라도, 프레임 폐기(frame dropping) 및 프레임율 변화와 같은 시간적 왜곡에 취약한 특성을 보인다.
Lee 등은 어파인 변환(affine transform)은 물론 원근 왜곡(perspective distortion)을 다루는 국부적 자기상관 함수(local auto-correlation function: LACF) 기반 방법을 제안했다. 그 방법은 LACF를 사용하여 기하학적 왜곡 매개변수를 추정했다. 추정된 매개변수를 활용함으로써 워터마크 신호를 기하학적 왜곡으로부터 복원한 후에 워터마크가 검출된다. 그러나, 몇 가지의 신호 처리 공격 이후에는 LACF의 피크가 선명하지 않으므로, 그 피크를 이용해 기하학적 왜곡 매개변수를 추정하기가 힘들어 진다. 또한, 그 방법은 혼합식 기하학적 왜곡에 대해 여전히 강인하지 않다.
본 발명에서는 프레임율 변환 및 다양한 포맷으로의 변환부호화와 같은 통상적인 비디오 처리 공격은 물론 복합적인 기하학 공격에 대해 강인한 실용적인 비디오 워터마킹 방법을 제시한다.
참조 신호는 동영상의 미리 정해진 프레임 내에 확산 스펙트럼 방법에 의해 연속적으로 삽입되며, 워터마크가 삽입된 동영상으로부터 직접 추정된다. 추정된 참조 신호는 워터마크 원소 신호와 항상 공간적으로 자기 동기화되므로, 검출기는 추가적인 공간 동기화 단계 없이 워터마크 원소를 간단하게 식별한다.
제안된 방법에서, 시간적 탈동기(temporal de-synchronization)에 의해 발생되었던 참조 신호의 오추정(mis-estimation) 문제는 이중 통과 검출기(two pass detector)에 의해 해결된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 원본 참조 신호를 사용하는 기존 방법과 달리, 삽입 대상 동영상에 워터마크 원소 신호와 참조 신호를 삽입 후, 워터마크 원소 신호와 공간적 동기성이 항상 일치하는 참조 신호를 워터마킹된 영상으로부터 직접 추출하여 사용함으로써, 복합적 기하학 왜곡을 겪은 동영상에서도 추가적인 공간적 동기화 과정없이 간단하게 워터마크 삽입 유무를 판단할 수 있는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템에 관한 것으로서, 참조 신호 및 워터마크 원소 신호를 서로 다른 시간 간격 동안에, 미리 정의된 동영상 프레임의 공간적으로 동일한 위치에 삽입하는 워터마크 삽입기; 및 참조 신호 및 워터마크 원소 신호가 삽입된 프레임의 관심영역(ROI)로부터 워터마크 삽입 여부를 판단하는 단일 통과 검출기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 프레임율 변환, 동영상 포맷 변환과 같이 실제로 많이 사용되는 변환에도 견고하며, 시간적으로 절삭된 영상에서도 안정적으로 워터마크 삽입 유무를 판단할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 복합적 기하학 왜곡에 강인성을 보이지 못하던 기존방법과 달리, 검출단에서 추가적인 공간적 동기화 과정을 요구하지 않으므로 검출 복잡도를 낮출 수 있는 효과도 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 동영상 콘텐츠 서비스가 활성화되고 있는 현 시점에서, 캠코더 촬영으로 인한 동영상 콘텐츠의 불법 유통 및 복제를 방지함으로써, 콘텐츠 저작권 보호를 강화할 수 있으며, 디지털 콘텐츠 서비스 시장 규모의 성장을 촉진할 수 있는 효과도 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 워터마크 삽입기에 관한 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 참조 신호 및 워터마크 원소 신호의 삽입을 보여주는 일예시도.
도 3 은 본 발명에 따른 프레임 당 워터마크 원소 4개 또는 16개의 원소를 갖는 프레임의 관심 영역(ROI)을 나타낸 일예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 단일 통과 검출기에 관한 구성도.
도 5 는 본 발명에 따른 이중 통과 검출기에 관한 구성도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템에 관하여 도 1 내지 도 5 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템의 워터마크 삽입기(100)에 관한 구성도로서, 워터마크 삽입기(100)는 참조 신호 및 워터마크 원소 신호를 서로 다른 시간 간격 동안에, 미리 정의된 동영상 프레임의 공간적으로 동일한 위치에 삽입하는 기능을 수행하는 바, 도시된 바와 같이 워터마크 생성부(110), 참조 신호 생성부(120), 지각 모델링부(130), 참조 신호 삽입부(140) 및 워터마크 원소 신호 삽입부(150)를 포함하여 이루어진다.
워터마크 생성부(110)는 비밀 키(secret key)에 의해 워터마크 시퀀스를 랜덤 생성한다. 여기서, 워터마크 시퀀스는 각각의 워터마크 원소 -1 또는 1 로 구성된다.
워터마크 원소는, 표준 정규 분포 N(0,1)를 따르는 2D 신호에 의해 부호화된다. 본 발명에서는 이러한 2D 신호를 n 으로 표시하도록 한다. 또한, n 과 그에 대한 음신호인 -n 은 1과 -1을 각각 나타낸다.
이때, 워터마크 시퀀스(w)는 다음의 [수학식 1] 로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112010004094103-pat00001
여기서, l 은 워터마크 원소의 개수이다.
참조 신호 및 워터마크 원소 신호로서 사용되는 기본 2D 신호는, 그 크기가
Figure 112010004094103-pat00002
인 2D 직사각형 신호를 기반으로 생성되며, 표준 정규 분포 N(0,1)을 따른다.
이때, 참조 신호 생성부(120)는 크기가
Figure 112010004094103-pat00003
인 2D 기본 직사각형 신호를 바탕으로, 높이와 폭이 α배만큼 연장되어 그 크기가
Figure 112010004094103-pat00004
인 참조 신호(n)을 생성한다.
한편, 참조 신호의 삽입은 지각 품질을 낮추지 않아야 한다. 즉, 신호의 인지 불가능성과 강인성 간의 관계로 인해, 참조 신호의 삽입세기에 영항을 미칠 수 있다. 따라서, 인간 시각 체계(Human Visual System: HVS)에 기반하는 지각 모델을 사용하여 참조 신호의 삽입 세기를 제어하도록 한다.
지각 모델링부(130)는 참조 신호의 삽입 세기를 제어하기 위한 국부적 가중치 계수(λ)를 추출한다. 이때, 지각 모델링부(130)는 NVF(Noise Visibility Fuction) 기반의 국부적 가중치 계수를 사용하며, 국부적 가중치 계수는 [수학식 2] 와 같다.
[수학식 2]
Figure 112010004094103-pat00005
여기서, S0는 에지 및 텍스처 영역 내의 상한(upper bound)이고, S1은 평탄하고 평활한 영역 내에서 가시도의 하한이다. i와 j는 워터마크 원소 관심영역(ROI) 내의 공간 좌표이며, k와 m은 각각 프레임의 인덱스와 프레임 내의 워터마크 원소 관심영역(ROI)의 래스터 주사식 지수이다. 프레임 당 워터마크 원소의 개수가 p일 때, 0≤m≤p-1 이다.
이때, NVF는 다음의 [수학식 3] 과 같이 주어진다.
[수학식 3]
Figure 112010004094103-pat00006
여기서,
Figure 112010004094103-pat00007
는 삽입되는 영역의 국부적 분산이고, D는 크기변환 상수이며,
Figure 112010004094103-pat00008
는 국부적 분산의 최대값이다.
참조 신호 삽입부(140)는 국부적 가중치 계수에 따라 삽입 세기가 변조된 참조 신호를 미리 정해진 프레임의 관심영역(ROI)에 특정 시간 간격동안 연속적으로 삽입한다.
구체적으로, 참조 신호 삽입부(140)는 참조 신호 n과, 국부적 가중치 계수 λ 와의 곱으로서 산출된 신호를 미리 정해진 프레임의 관심영역에 삽입한다.
이에 따라, 참조 신호가 삽입된 프레임의 관심영역(Region of Interest: ROI) I' 은 다음의 [수학식 4] 와 같이 나타낸다.
[수학식 4]
Figure 112010004094103-pat00009
여기서,
Figure 112010004094103-pat00010
은 k번째 프레임의 m번째 관심영역이다. 참조 신호 삽입은 정해진 간격인 u초 동안 유지된다.
또한, 참조 신호와 같은 방향의 신호(n) 및 음방향의 신호(-n)로 구성되는 워터마크 원소 신호는 미리 정의된 나머지 프레임에 삽입되어야 한다. 삽입되는 워터마크 원소 신호는 워터마크 시퀀스(w)에 따라 달라진다. 삽입되는 워터마크 원소가 1이면 참조 신호 n이 삽입되며, 0 또는 -1인 경우 -n이 삽입된다.
워터마크 원소 신호 삽입부(150)는 워터마크 원소 신호를 미리 정해진 프레임에 특정 시간 간격동안 연속적으로 삽입한다. 이때, 워터마크 원소 신호 삽입부(150)는 상기 참조 신호와 공간적으로 같은 위치에 워터마크 원소 신호를 삽입한다.
구체적으로, 워터마크 원소 신호 삽입부(150)는 워터마크 시퀀스(w)에 따라 참조 신호와 같은 방향의 신호(n) 또는 음방향의 신호(-n)와, 국부적 가중치 계수(λ)와의 곱으로서 산출된 신호를, 미리 정의된 특정 시간 간격동안 프레임의 관심영역(Region of Interest: ROI)으로 연속적으로 삽입한다.
이에 따라, 워터마크 원소 신호가 삽입된 프레임의 관심영역(Region of Interest: ROI) I' 은 다음의 [수학식 5] 와 같이 나타낸다.
[수학식 5]
Figure 112010004094103-pat00011
여기서,
Figure 112010004094103-pat00012
이며, x는 워터마크되는 주어진 동영상의 프레임율(초당 프레임: frame per second(fps))이다. 워터마크 원소 신호 삽입은 정해진 간격인 v초 동안 유지된다.
삽입 이후, 상기 u, v 및 p 값들은 부대 정보로서 검출기로 보내진다.
도 2 는 참조 신호 및 워터마크 원소 신호의 삽입을 보여주는 일예시도로서, u와 v 는 참조 신호 및 워터마크 원소가 삽입되는 각각의 초 단위의 시간 간격을 의미한다. 도시된 바와 같이 간격이 주기적으로 반복되므로, 긴 동영상은 몇 개의 워터마크 섹션을 가질 수 있다.
앞서 서술한 바와 같이, 참조 신호와 워터마크 원소 신호는 각각의 프레임의 공간적으로 동일한 위치에 삽입된다. 따라서, 워터마크가 삽입된 동영상이 기하학적으로 왜곡되면, 참조 신호와 워터마크 원소는 동영상을 통해 동일하게 왜곡된다. 다시 말해, 두 개의 신호가 그들의 공간 동기를 항상 스스로 유지하는 것이다.
도 3 은 프레임 당 워터마크 원소 4개 또는 16개의 원소를 갖는 프레임의 관심 영역(ROI)을 나타낸 일예시도이다. 여기서, 회색 사각형은 삽입 관심영역이며, 흑색 사각형은 검출 관심영역이다.
4개의 원소인 경우에, u초 동안에 각각의 프레임의 4개의 ROI 내에 신호 n이 참조 신호로서 삽입된다. 그런 다음, 삽입되는 워터마크 원소가 '1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, 1'이면, 각각의 프레임은 삽입 관심영역(ROI) 내에서 래스터 주사식 순서(raster scanned order)로 처음 v초 동안에는 워터마크 원소 신호 'n, -n, -n, n'을 삽입하고, 다음 v초 동안에는 워터마크 요소 신호 '-n, n, n, n'을 삽입한다.
본 발명에서는, 삽입 및 검출을 위한 관심영역(ROI)의 크기는 다르다. 기하학적 공격이 발생한 이후에도 검출을 위한 공간 관심영역(ROI)은 삽입된 신호의 일부분을 포함해야 하므로, 도 3 에 도시된 바와 같이 검출을 위한 공간 관심영역(ROI)은 삽입 관심영역(ROI)보다 작아야 한다. 흑색 사각형은 검출 영역이다.
도 3 의 (b) 및 (d) 는 워터마크가 삽입된 프레임이 기하학적으로 왜곡되더라도 삽입된 신호의 일부분은 검출 관심영역(ROI) 내에 안정적으로 유지된다는 것을 도시한다.
참조 신호 및 워터마크 원소 신호는, 양 또는 음 상관 관계이며 항상 공간 동기화 상태이므로, 삽입된 워터마크 원소는 검출 관심영역(ROI) 내에서 획득된 신호들 사이의 상관 결과의 부호에 의해 식별될 수 있다. 또한, 검출 관심영역(ROI)에 비해 삽입 관심영역(ROI)의 크기가 더 클수록 제안된 방법은 심각한 기하학적 왜곡에 대해 더 강인하다. 예를 들어, 4개의 워터마크 원소인 경우가 16개의 워터마크 원소인 경우보다 기하학적 공격에 더 강인하다. 프레임 당 워터마크의 수는 기하학적 공격에 대한 강인성과 워터마크 페이로드 사이의 타협(trade-off)에서 결정될 필요가 있다.
워터마크 검출은 단일 통과 검출기 및 이중 통과 검출기로 나누어 볼 수 있다. 먼저, 시간적으로 손상되지 않은 동영상인 경우에 사용되는 단일 통과 검출기(200)를 살피면 다음과 같다.
워터마크가 삽입된 프레임이 기하학적으로 왜곡되더라도, 이러한 과정의 입력은 삽입 신호의 구성을 포함하는 프레임의 워터마크가 삽입된 관심영역(ROI)의 일부 영역이다. 참조 신호가 추가 방법에 의해 비가시성 노이즈로서 프레임의 관심영역(ROI) 내로 삽입되므로, 본 발명에서는 이들 신호를 추정하기 위해 노이즈 제거 필터를 사용한다. 워터마크가 삽입된 관심영역(ROI)과 그 영역에 대해 노이즈 제거 필터링된 것 사이의 차이를 계산함으로써 구해질 수 있다. 본 발명에서는 적응적 위너 필터(adaptive Wiener filter)가 노이즈 제거 필터로서 사용된다.
본 발명에 따른 단일 통과 검출기(200)는 참조 신호 및 워터마크 원소 신호가 삽입된 프레임의 관심영역(ROI)로부터 워터마크 삽입 여부를 판단하는 기능을 수행하는 바, 도 4 에 도시된 바와 같이 노이즈 제거부(210), 누적결과 산출부(220), 상관값 계산부(230), 누적 결과값 향상부(240) 및 워터마크 삽입 판단부(250)를 포함한다.
노이즈 제거부(210)는 적응적 위너 필터로서, 워터마크가 삽입된 관심영역(ROI)의 노이즈를 제거한다. 이때, 노이즈가 제거된 신호는 다음의 [수학식 6] 과 같다.
[수학식 6]
Figure 112010004094103-pat00013
여기서,
Figure 112010004094103-pat00014
는 손상된 채널을 통해 지나가는 워터마크가 삽입된 동영상의 k번째 프레임 내의 m번째 ROI이며,
Figure 112010004094103-pat00015
와
Figure 112010004094103-pat00016
는 각각 국부적 평균과 국부적 분산값이다.
Figure 112010004094103-pat00017
는 노이즈 분산이지만, 그 값이 검출기에서 입수 가능하지 않으므로,
Figure 112010004094103-pat00018
의 평균값으로 대체된다.
누적결과 산출부(220)는 노이즈가 제거된 신호와, 상기 참조 신호 및 워터마크 원소 신호의 특정 시간간격 정보를 이용하여, 참조 신호 및 워터마크 원소 신호의 누적결과를 각각 산출한다.
앞서 서술한 바와 같이, 참조 신호 및 워터마크 원소 신호의 삽입 시간간격은 각각 u초 및 v초 이며, 그 결과는 각각
Figure 112010004094103-pat00019
과
Figure 112010004094103-pat00020
로 나타낸다.
상관값 계산부(230)는 삽입된 워터마크 원소 신호가 -1 인지 또는 1 인지 결정하기 위하여, 참조 신호 및 워터마크 원소 신호가 누적된 결과(
Figure 112010004094103-pat00021
과
Figure 112010004094103-pat00022
)값 사이에 정규화된 상관값을 다음의 [수학식 7] 과 같이 계산한다.
[수학식 7]
Figure 112010004094103-pat00023
여기서, L과 H는 각각의 관심영역(ROI) 사각형의 폭과 높이를 각각 나타낸다.
정규화된 상관값이 미리 정해진 문턱값을 초과하면, 워터마크 원소의 값이 다음과 같이 결정된다.
Figure 112010004094103-pat00024
여기서,
Figure 112010004094103-pat00025
는 추출된 워터마크 원소이고,
Figure 112010004094103-pat00026
는 가성 양성 오차율(false positive error rate)에 따라 달라지는 미리 정해진 문턱값이다. 또한,
Figure 112010004094103-pat00027
이며,
Figure 112010004094103-pat00028
과 x'는 각각 삽입된 워터마크 원소의 개수와 검출되는 비디오의 프레임율이다.
한편, 워터마크 원소를 추정하기 전에, 참조 신호의 누적된 결과값(
Figure 112010004094103-pat00029
)의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 누적 결과값 향상부(240)는 워터마크 원소 신호가 누적된 결과(
Figure 112010004094103-pat00030
)값의 부호를 제어함으로써, 참조 신호의 누적된 결과값을 향상시킨다.
Figure 112010004094103-pat00031
마지막으로, 워터마크 삽입 판단부(250)는 상관값 계산부(230)를 통해 계산된 워터마크 시퀀스(w')와, 원본 워터마크 시퀀스(w)와의 교차 상관을 [수학식 8] 과 같이 연산함으로써, 동영상 내에 워터마크가 삽입되었는지 여부를 판단한다.
[수학식 8]
Figure 112010004094103-pat00032
이때, 교차 상관 연산은 [수학식 8] 에 감소된 시간 복잡도를 이용하여 계산되며, *는 복소 켤레 연산을 나타낸다.
워터마크 삽입 판단부(250)는 상기 [수학식 8] 을 통해 연산된 정규화된 교차 상관 결과의 최대값이 적응적 문턱값(
Figure 112010004094103-pat00033
)를 초과하면 워터마크가 동영상 내에 삽입되었다고 판단한다.
한편, 워터마크가 삽입된 동영상이 캠코더에 의해 부분적으로 캡처되거나 편집 도구에 의해 시간축으로 클리핑(clipping)되면, 정확한 참조 신호가 단일 통과 알고리즘에 의해 획득될 수 없으며, 결과적으로 손실된 시간적 동기에 의해 워터마크 검출이 실패할 것이다. 즉, 워터마크 동영상이 부분적으로 클리핑(clipping)되면, 시간적 동기 부재로 인해 단일 통과 검출기가 혼동될 수 있다. 참조 신호 및 워터마크 원소 신호 간격의 일치하지 않는 동기는 참조 신호의 부정확한 누적을 야기한다.
이에 따라, 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 이중 통과 검출기(300)를 제시한다.
본 발명에 따른 이중 통과 검출기(300)는 참조 신호 및 워터마크 원소 신호가 삽입되어 있으며, 클리핑(clipping)된 동영상의 모든 프레임의 관심영역(ROI)로부터 워터마크 삽입 여부를 판단하는 기능을 수행하는 바, 도 5 에 도시된 바와 같이 전체적으로 제 1 통과부(310) 및 제 2 통과부(320)를 포함한다.
제 1 통과부(310)는 클리핑된 동영상의 각각의 프레임으로부터 추정된 모든 신호를 누적함으로써, 참조 신호와 유사한 신호를 산출하는 기능을 수행하는 바, 도시된 바와 같이 노이즈 제거부(311) 및 누적결과 산출부(312)를 포함한다.
노이즈 제거부(311)는 클리핑(clipping)된 동영상의 모든 프레임 관심영역(ROI)에 대하여 노이즈 제거 필터를 이용하여 삽입된 신호를 추출한다.
누적결과 산출부(312)는 모든 프레임의 관심영역(ROI) 내에서 추출된 신호를 누적한다.
이때, '1'과 '-1'로 구성되어 삽입된 워터마크 시퀀스는 비밀 키 의존형 의사 난수 발생기(pseudo-random generator)에 기반하므로, 클리핑된 동영상내에서 워터마크 원소 구간에 삽입된 신호 n과 ??n의 비율이 유사하며, 결과적으로 워터마크 원소 구간 내에서 추정된 신호의 누적값은 거의 0이다.
그러므로, 본 발명에 따른 누적결과 산출부(312)는 클리핑된 동영상의 각각의 프레임으로부터 추정된 신호를 단순히 누적함으로써 참조 신호
Figure 112010004094103-pat00034
과 거의 유사한 신호를 산출할 수 있으며, 이는 [수학식 13] 을 통해 표현될 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112010004094103-pat00035
여기서,
Figure 112010004094103-pat00036
과
Figure 112010004094103-pat00037
는 각각 참조 신호 구간과 워터마크 원소 신호 구간에서 추정된 신호이다. a와 b는 두 개의 간격 내의 프레임 개수이며, b는 워터마크 원소의 양성 신호와 음성 신호를 각각 포함하는 프레임 개수인 b1과 b2로 분할된다.
제 2 통과부(320)는 워터마크 원소 신호의 누적 결과값과, 상기 제 1 통과부(310)로부터 산출된 참조 신호의 누적 결과값을 바탕으로 동영상 내에 워터마크가 삽입되었는지 여부를 판단하는 기능을 수행하는 바, 도시된 바와 같이 노이즈 제거부(321), 누적결과 산출부(322), 상관값 계산부(323) 및 워터마크 삽입 판단부(324)를 포함한다.
노이즈 제거부(321)는 클리핑(clipping)된 동영상의 모든 프레임 관심영역(ROI)에 대하여 노이즈 제거 필터를 이용하여 삽입된 신호를 추출한다.
누적결과 산출부(322)는 모든 프레임의 관심영역(ROI) 내에서 추출된 신호를 특정 시간(v초)간격 동안 누적하여, 워터마크 원소 신호의 누적결과(
Figure 112010004094103-pat00038
)를 산출한다.
상관값 계산부(323)는 삽입된 워터마크 원소 신호가 -1 인지 또는 1 인지 결정하기 위하여, 상기 제 1 통과부(310)의 누적결과 산출부(312)를 통해 산출한 참조 신호
Figure 112010004094103-pat00039
과, 제 2 통과부(320)의 누적결과 산출부(322)를 통해 산출한 워터마크 원소 신호
Figure 112010004094103-pat00040
값 사이에 정규화된 상관값을 상기 [수학식 7] 과 같이 계산한다.
[수학식 7]
Figure 112010004094103-pat00041
여기서, L과 H는 각각의 관심영역(ROI) 사각형의 폭과 높이를 각각 나타낸다.
정규화된 상관값이 미리 정해진 문턱값을 초과하면, 워터마크 원소의 값이 다음과 같이 결정된다.
Figure 112010004094103-pat00042
여기서,
Figure 112010004094103-pat00043
는 추출된 워터마크 원소이고,
Figure 112010004094103-pat00044
는 가성 양성 오차율(false positive error rate)에 따라 달라지는 미리 정해진 문턱값이다. 또한,
Figure 112010004094103-pat00045
이며,
Figure 112010004094103-pat00046
과 x'는 각각 삽입된 워터마크 원소의 개수와 검출되는 비디오의 프레임율이다.
상기 단일 통과 검출기(200)와 이중 통과 검출기(300)의 차이는, 이중 통과 검출기의 워터마크 시퀀스(w')가 참조 신호 구간에서 결정된 결과를 포함하기 때문에 연속적인 '1' 을 포함한다는 것이다.
워터마크 삽입 판단부(324)는 상관값 계산부(323)를 통해 계산된 워터마크 시퀀스(w')와, 원본 워터마크 시퀀스(w)와의 교차 상관을 상기 [수학식 8] 과 같이 연산함으로써, 동영상 내에 워터마크가 삽입되었는지 여부를 판단한다.
[수학식 8]
Figure 112010004094103-pat00047
이때, 교차 상관 연산은 [수학식 8] 에 감소된 시간 복잡도를 이용하여 계산되며, *는 복소 켤레 연산을 나타낸다.
워터마크 삽입 판단부(324)는 상기 [수학식 8] 을 통해 연산된 정규화된 교차 상관 결과의 최대값이 적응적 문턱값(
Figure 112010004094103-pat00048
)를 초과하면 워터마크가 동영상 내에 삽입되었다고 판단한다.
클리핑된 신호가 몇 개의 워터마킹 섹센을 포함하면, 교차 상관의 결과는
Figure 112010004094103-pat00049
인 간격에 의해 몇 개의 피크를 주기적으로 나타낸다.
지금까지 상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템은, 자기 동기화 신호에 기반하고 있다. 자기 동기화 신호로 인해 추가 동기 단계 없이 검출기는 삽입된 워터마크 원소를 식별할 수 있다. 또한, 양의 워터마크 원소 신호 및 음의 워터마크 원소 신호를 유사한 비율로 삽입함으로 인해 이중 통과 검출기를 활용할 수 있게 되었다.
본 발명에 따른 이중 통과 검출기는, 워터마크가 삽입된 동영상을 클리핑함으로써 초래된 시간적 비동기성 문제를 해결했다. 이에 따라, 시간적으로 그리고 공간적으로 복합적인 변환 공격에 대해 강인하며 또한 동영상 비디오 콘텐츠의 유형에 무관하다는 특징적인 장점을 가진다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 워터마크 삽입기 110: 워터마크 생성부
120: 참조 신호 생성부 130: 지각 모델링부
140: 참조 신호 삽입부 150: 워터마크 원소 신호 삽입부
200: 단일 통과 검출기 210: 노이즈 제거부
220: 누적결과 산출부 230: 상관값 계산부
240: 누적 결과값 향상부 250: 워터마크 삽입 판단부
300: 이중 통과 검출기 310: 제 1 통과부
311: 노이즈 제거부 312: 누적결과 산출부
320: 제 2 통과부 321: 노이즈 제거부
322: 누적결과 산출부 323: 상관값 계산부
324: 워터마크 삽입 판단부

Claims (12)

  1. 참조 신호 및 워터마크 원소 신호를 서로 다른 시간 간격 동안에, 미리 정의된 동영상 프레임의 공간적으로 동일한 위치에 삽입하는 워터마크 삽입기; 및
    참조 신호 및 워터마크 원소 신호가 삽입된 프레임의 관심영역(ROI)로부터 워터마크 삽입 여부를 판단하는 단일 통과 검출기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터마크 삽입기는,
    비밀 키(secret key)에 의해 워터마크 시퀀스를 랜덤 생성하는 워터마크 생성부;
    2D 기본 직사각형 신호를 확장함으로써, 참조 신호(n)를 생성하는 참조 신호 생성부;
    상기 참조 신호의 삽입 세기를 제어하기 위한 국부적 가중치 계수(λ)를 추출하는 지각 모델링부;
    국부적 가중치 계수에 따라 삽입 세기가 변조된 참조 신호를 미리 정해진 프레임에 특정 시간 간격동안 연속적으로 삽입하는 참조 신호 삽입부; 및
    워터마크 원소 신호를 미리 정해진 프레임에 특정 시간 간격동안 연속적으로 삽입하는 워터마크 원소 신호 삽입부; 를 포함하되,
    상기 워터마크 원소 신호는, 상기 참조 신호와 공간적으로 같은 위치에 삽입되는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 워터마크 원소 신호 삽입부는,
    워터마크 시퀀스(w)에 따른 참조 신호와 같은 방향의 신호(n) 또는 음방향의 신호(-n)와, 국부적 가중치 계수(λ)와의 곱으로서 산출된 신호를, 미리 정의된 특정 시간 간격동안 프레임의 관심영역(ROI)으로 연속적으로 삽입하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일 통과 검출기는,
    적응적 위너 필터로서, 워터마크가 삽입된 관심영역(ROI)의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부;
    노이즈가 제거된 신호와, 상기 참조 신호 및 워터마크 원소 신호의 특정 시간간격 정보를 이용하여, 참조 신호 및 워터마크 원소 신호의 누적결과를 각각 산출하는 누적결과 산출부;
    삽입된 워터마크 원소 신호가 -1 인지 또는 1 인지 결정하기 위하여, 참조 신호 및 워터마크 원소 신호가 누적된 결과(
    Figure 112010004094103-pat00050
    과
    Figure 112010004094103-pat00051
    )값 사이에 정규화된 상관값을 계산하는 상관값 계산부; 및
    상기 상관값 계산부를 통해 계산된 워터마크 시퀀스(w')와, 원본 워터마크 시퀀스(w)와의 교차 상관을 연산함으로써, 동영상 내에 워터마크가 삽입되었는지 여부를 판단하는 워터마크 삽입 판단부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 워터마크 삽입 판단부는,
    연산된 정규화된 교차 상관 결과의 최대값이 적응적 문턱값(
    Figure 112010004094103-pat00052
    )를 초과하면 워터마크가 동영상 내에 삽입되었다고 판단하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 단일 통과 검출기는,
    워터마크 원소 신호가 누적된 결과(
    Figure 112010004094103-pat00053
    )값의 부호를 제어함으로써, 참조 신호의 누적된 결과값을 향상시키는 누적 결과값 향상부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  7. 참조 신호 및 워터마크 원소 신호를 서로 다른 시간 간격 동안에, 미리 정의된 동영상 프레임의 공간적으로 동일한 위치에 삽입하는 워터마크 삽입기; 및
    참조 신호 및 워터마크 원소 신호가 삽입되어 있으며, 시간적으로 클리핑(clipping)된 동영상의 모든 프레임의 관심영역(ROI)로부터 워터마크 삽입 여부를 판단하는 이중 통과 검출기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 워터마크 삽입기는,
    비밀 키(secret key)에 의해 워터마크 시퀀스를 랜덤 생성하는 워터마크 생성부;
    2D 기본 직사각형 신호를 확장함으로써, 참조 신호(n)를 생성하는 참조 신호 생성부;
    상기 참조 신호의 삽입 세기를 제어하기 위한 국부적 가중치 계수(λ)를 추출하는 지각 모델링부;
    국부적 가중치 계수에 따라 삽입 세기가 변조된 참조 신호를 미리 정해진 프레임에 특정 시간 간격동안 연속적으로 삽입하는 참조 신호 삽입부; 및
    워터마크 원소 신호를 미리 정해진 프레임에 특정 시간 간격동안 연속적으로 삽입하는 워터마크 원소 신호 삽입부; 를 포함하되,
    상기 워터마크 원소 신호는, 상기 참조 신호와 공간적으로 같은 위치에 삽입되는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 워터마크 원소 신호 삽입부는,
    워터마크 시퀀스(w)에 따른 참조 신호와 같은 방향의 신호(n) 또는 음방향의 신호(-n)와, 국부적 가중치 계수(λ)와의 곱으로서 산출된 신호를, 미리 정의된 특정 시간 간격동안 프레임의 관심영역(ROI)으로 연속적으로 삽입하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 이중 통과 검출기는,
    시간적으로 클리핑된 동영상의 각각의 프레임으로부터 추정된 신호를 누적함으로써, 참조 신호와 유사한 신호를 산출하는 제 1 통과부; 및
    워터마크 원소 신호의 누적 결과값과, 상기 제 1 통과부로부터 산출된 참조 신호의 누적 결과값을 바탕으로 동영상 내에 워터마크가 삽입되었는지 여부를 판단하는 제 2 통과부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 통과부는,
    클리핑(clipping)된 동영상의 모든 프레임 관심영역(ROI)에 대하여 노이즈 제거 필터를 이용하여 삽입된 신호를 추출하는 노이즈 제거부; 및
    모든 프레임의 관심영역(ROI) 내에서 추출된 신호를 누적하는 누적결과 산출부; 를 포함하되,
    상기 누적결과 산출부는,
    클리핑된 동영상의 각각의 프레임으로부터 추정된 신호를 단순히 누적함으로써 참조 신호
    Figure 112010004094103-pat00054
    과 유사한 신호를 산출하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 통과부는,
    클리핑(clipping)된 동영상의 모든 프레임 관심영역(ROI)에 대하여 노이즈 제거 필터를 이용하여 삽입된 신호를 추출하는 노이즈 제거부;
    모든 프레임의 관심영역(ROI) 내에서 추출된 신호를 특정 시간(v초)간격 동안 누적하여, 워터마크 원소 신호의 누적결과(
    Figure 112010004094103-pat00055
    )를 산출하는 누적결과 산출부;
    삽입된 워터마크 원소 신호가 -1 인지 또는 1 인지 결정하기 위하여, 상기 제 1 통과부를 통해 산출한 참조 신호
    Figure 112010004094103-pat00056
    과, 상기 누적결과 산출부를 통해 산출한 워터마크 원소 신호
    Figure 112010004094103-pat00057
    값 사이에 정규화된 상관값을 계산하는 상관값 계산부; 및
    상기 상관값 계산부를 통해 계산된 워터마크 시퀀스(w')와, 원본 워터마크 시퀀스(w)와의 교차 상관을 연산함으로써, 동영상 내에 워터마크가 삽입되었는지 여부를 판단하는 워터마크 삽입 판단부; 를 포함하되,
    상기 워터마크 삽입 판단부는,
    연산된 정규화된 교차 상관 결과의 최대값이 적응적 문턱값(
    Figure 112010004094103-pat00058
    )를 초과하면 워터마크가 동영상 내에 삽입되었다고 판단하는 것을 특징으로 하는 복합적 왜곡에 강인한 자기 동기화 신호 기반의 고화질 동영상 워터마킹 시스템.
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논문:전자공학회 논문지

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