KR101140700B1 - 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템 - Google Patents

고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보안성 향상을 위해 비밀키를 이용하여 이차원 기본 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00151
을 생성하고, 크기 변환 및 다양한 영상처리 공격에 강인하게 하기위해 확장된 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00152
을 생성하는 워터마크 생성모듈; NVF 마스킹 수단을 통해 NVF(Noise Visibility Function) 마스크
Figure 112010048736711-pat00153
를 생성하고, 적응 디더링 마스킹 수단을 통해 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00154
를 생성하며, 윤곽 마스킹 수단을 통해 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00155
를 생성하는 마스크 생성모듈; 및 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00156
, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00157
및 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00158
를 곱하는 연산을 수행하여 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00159
를 생성하고, 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00160
와 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00161
를 곱한 후, 원본이미지의 휘도채널에 삽입하는 워터마크 삽입수단;을 포함한다.

Description

고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템{SYSTEM FOR COMPLEX MASKING HIGH-DEFINITION VIDEO WATERMARKING TAKE CARE OF VISIBILITY IMPROVE}
본 발명은 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인간 시각 시스템(human visual system, HVS)을 고려한 NVF(noise visibility function, 노이즈 가시성 기능) 마스크, 적응 디더링(adaptive dithering) 마스크 및 윤곽 마스크를 포함하는 복합 마스크를 통해 워터마크가 삽입되는 비디오의 지각 품질을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
디지털 비디오 컨텐츠를 위한 하부구조와 산업의 성장에 따라, 비디오 컨텐츠는 용이하게 처리되고, 전달되며 저장되기 때문에, 비디오 컨텐츠의 불법 복제와 불법 배포가 증가하고 있는 실정이다.
이러한 불법 행위는 컨텐츠 제공자와 관련 시장에 커다란 금전상의 손해를 초래하기 때문에, 디지털 권리 관리 시스템(digital right management system)으로서의 비디오 워터마킹은 더욱 중요해지고 있다.
그 대안으로 비가시 비디오 워터마킹의 저작권 정보를 포함하는 신호를 원래 비디오 컨텐츠에 인식할 수 없도록 삽입하는 기법을 통해 불법적으로 복제된 복제물들을 역추적하는 방법이 있다.
최근, 고해상도 비디오 컨텐츠의 확산은 비디오 워터마킹 시스템에 몇 가지 필요조건을 요구하고 있는데, 첫째로, 비디오 컨텐츠에 삽입된 워터마크는 인간 관찰자에게 인식되지 않아야 한다. 비디오 컨텐츠의 품질이 높을수록, 비가시성은 더욱 중요하다. 둘째로, 고해상도 비디오 컨텐츠는 일반적으로 LCD TV, 휴대용 멀티미디어 플레이어 및 고성능 핸드폰과 같은 다양한 디스플레이 장치에 맞도록 수정된 몇몇 조작을 삽입하게 된다. 실제 상황에서, 이러한 조작은 주로 다운 스케일링, 다양한 포맷에 대한 트랜스코딩 및 프레임률 변환을 포함한다. 그 삽입된 워터마크는 주된 조작에 불구하고 안정되게 감지되어야 한다. 최종적으로, 비디오 워터마킹 시스템은 낮은 계산 비용으로 처리되어야 한다. 특히, 실시간 워터마킹 시스템은 고품질 주문형 비디오 서비스의 보호를 위해서 필요하다.
전술한바와 같이 비디오 컨텐츠에 삽입된 워터마크 패턴의 각 요소는, 워터마킹된 비디오가 다운 스케일링되어 삽입된 워터마크 패턴의 크기가 축소되더라도 안정적으로 검출될 수 있도록 반복하여 확장된다. 하지만 이와 같은 경우 삽입된 워터마크 패턴의 저주파수 특성이 강화됨으로써 블록 아티팩트가 발생하고 결과적으로 비가시성이 낮아지게 된다.
도 1의 (a)는 원본 이미지이고, 도 1의 (b)는 확장되지 않은 패턴이 삽입된 이미지 이며, 도 1의 (c)는 8배 확장된 패턴이 삽입된 이미지이다. 도 1의 (a) 내지 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 블록아티팩트는 8배 확장의 경우에 명확하게 보여진다. 비록 도 1의 (b)와 도 1의 (c)에 최대 신호 대 잡음비가 38dB로서 동일하다면, 도 1의 (c)의 비가시성이 더 작을 것이다.
기존 워터마킹 시스템 중에서 이와 같은 블록킹 현상을 줄이기 위해 디더링 마스킹을 사용하는 방법이 제안된 적이 있다. 그러나, 그 방법의 경우 삽입된 영역의 모든 워터마크 패턴이 커버 영상의 특성을 고려하지 않고서 같은 마스킹 정도로 디더링되기 때문에 워터마크 삽입 강도를 조절하는데 한계가 있으며, 그 결과 불인식성에 대한 성능이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 종래에는 인간 시각 시스템에 기반한 NVF(noise visibility function) 마스킹을 활용하고 있는데, 이러한 NVF에 의한 워터마크는 평탄한 영역보다는 윤곽이나 텍스쳐 영역에서 더욱 강하게 삽입될 수 있다.
그러나, 윤곽이나 에지 영역은 인간 시각 시스템에 따라 텍스쳐 영역보다는 노이즈의 부각에 대해 더욱 민감하지만 평탄한 영역보다는 덜 민감하므로, 텍스쳐 영역과 윤곽 영역은 서로 구분되어야 할 필요가 있다. 하지만 NVF 마스크와 같은 종래의 마스크는 윤곽 영역과 높은 텍스쳐 영역을 구별하지 못하는 문제점이 있다. 즉, 종래의 마스크를 직접 사용할 경우, 윤곽 영역은 워터마크 노이즈가 강하게 삽입되기 때문에 결과적으로 비디오에 대한 심한 왜곡을 초래한다.
본 발명의 목적은, 적응 디더링(adaptive dithering) 마스크를 통해 다양한 다운 스케일링 공격에 대한 강인성을 위해 워터마크 기본 패턴을 확장시킴으로써, 발생되는 블록 아티팩트(block artifact) 문제를 해결함에 그 목적이 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은, 윤곽 마스크를 통해 텍스쳐 영역과 에지 및 윤곽 영역을 따로 구분하지 못하는 NVF 마스크의 단점을 보완함에 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템은, 보안성 향상을 위해 비밀키를 이용하여 이차원 기본 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00001
을 생성하고, 크기 변환 및 다양한 영상처리 공격에 강인하게 하기위해 확장된 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00002
을 생성하는 워터마크 생성모듈; NVF 마스킹 수단을 통해 NVF(Noise Visibility Function) 마스크
Figure 112010048736711-pat00003
를 생성하고, 적응 디더링 마스킹 수단을 통해 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00004
를 생성하며, 윤곽 마스킹 수단을 통해 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00005
를 생성하는 마스크 생성모듈; 및 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00006
, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00007
및 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00008
를 곱하는 연산을 수행하여 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00009
를 생성하고, 생성된 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00010
가 적용된 워터마크 패턴을 원본이미지의 휘도채널에 삽입하는 워터마크 삽입수단;을 포함한다.
그리고, 상술한 시스템을 기반으로 하는 본 발명의 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 방법은, 워터마크 생성모듈이 비밀키 생성기를 통해 생성한 비밀키를 이용하여 스펙트럼 확산 워터마킹 기법에 의해 삽입될 워터마크패턴
Figure 112010048736711-pat00011
을 생성하는 (a) 단계; 마스크 생성모듈이 원본이미지의 Y채널에 삽입될 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00012
, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00013
및 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00014
를 생성하는 (b) 단계; 및 워터마크 삽입모듈이 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00015
, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00016
및 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00017
를 곱하는 연산을 수행하여 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00018
를 생성하고, 생성된 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00019
가 적용된 워터마크 패턴을 원본이미지의 휘도채널에 가합삽입하는 (c) 단계;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 적응 디더링(adaptive dithering) 마스크를 통해 다양한 다운 스케일링 공격에 대한 강인성을 위해 워터마크 기본 패턴을 확장시킴으로써, 발생되는 블록 아티팩트(block artifact) 문제를 해결하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 윤곽 마스크를 통해 텍스쳐 영역과 에지 및 윤곽 영역을 따로 구분하지 못하는 NVF 마스크의 단점을 보완하는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, NVF 마스크, 적응 디더링 마스크 및 윤곽 마스크를 포함하는 복합 마스크를 통해 일반적인 비디오 처리뿐만 아니라 다운 스케일링에 대한 강인성 및 실시간 수행 성능을 유지하면서 비가시성을 높이는 효과가 있다.
도 1은 워터마크 패턴의 확장에 따라 가시성을 비교한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템의 원본 이미지에 대한 YUV채널을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템의 적응 디더링 마스크의 구성요소를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템에 따라 적응 디더링 후에 도 1(a)의 이미지에 8배 확장된 워터마크 패턴을 삽입한 이미지를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템의 윤곽 마스크를 구하는 절차를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템 중 윤곽 마스킹의 성능을 보여주는 도면으로서, 좌측 이미지들은 NVF 마스킹만 적용한 것이고, 우측 이미지들은 NVF 마스킹과 윤곽 마스킹을 함께 적용한 이미지를 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템의 비가시성, 강인성 및 실시간성 측정을 위한 테스트 비디오영상을 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 방법을 도시한 순서도.
도 10은 본 발명에 따른 화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 방법의 제S20 단계의 세부과정을 도시한 순서도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 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.
도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템(S)은 워터마크 생성모듈(100), 마스크 생성모듈(200) 워터마크 삽입모듈(300) 및 워터마크 검출모듈(400)을 포함하여 구성된다.
이하에서는 그 언급을 생략하겠으나, 본 발명에 따른 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템(S)의 워터마크는 도 3에 도시된 바와 같이, 휘도 신호인 Y채널, 휘도 신호와 청색 성분의 차인 U채널 및 휘도 신호와 적색 성분의 차인 V채널 중에 Y채널에 삽입되는 것으로 상정한다.
먼저, 워터마크 생성모듈(100)은 비밀키를 기반으로 크기
Figure 112010048736711-pat00020
의 기본 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00021
을 생성하고, 스펙트럼 확산 워터마킹 기법에 의해 삽입될 확장된 워터마크패턴
Figure 112010048736711-pat00022
을 생성한다.
구체적으로, 워터마크 생성모듈(100)은 기본 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00023
의 각 요소가 일반적인 비디오 처리 공격뿐만 아니라 스케일링 공격에 대한 강인성을 향상시키기 위해 수직 및 수평방향으로
Figure 112010048736711-pat00024
배 만큼 반복하여 패턴의 사이즈를 확장시켜 삽입할 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00025
을 생성한다. 즉, 삽입될 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00026
의 크기는
Figure 112010048736711-pat00027
이다.
한편, 마스크 생성모듈(200)은 NVF 마스킹 수단(210), 적응 디더링 마스킹 수단(220) 및 윤곽 마스킹 수단(230)을 통해 원본이미지의 Y채널에 삽입될 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00028
, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00029
및 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00030
를 생성한다.
먼저, NVF 마스킹 수단(210)은 [수학식 1]에 의해 NVF(Noise Visibility Function) 마스크
Figure 112010048736711-pat00031
를 도출하는데, 여기에서
Figure 112010048736711-pat00032
는 에지 및 텍스쳐 영역의 상부 경계이며,
Figure 112010048736711-pat00033
은 평평하며 부드러운 영역에서 가시성의 하부 경계이다.
Figure 112010048736711-pat00034
또한, [수학식 1]의
Figure 112010048736711-pat00035
는 아래의 [수학식 2]에 의해서 도출되며, 여기서
Figure 112010048736711-pat00036
는 스케일링 상수이며,
Figure 112010048736711-pat00037
는 국부 분산의 최대치이다.
Figure 112010048736711-pat00038
다음으로, 적응 디더링 마스킹 수단(220)은 아래의 [수학식 3]에 의해 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00039
를 생성하며, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00040
의 구성요소는 도 4에 도시된 바와 같다.
Figure 112010048736711-pat00041
여기에서,
Figure 112010048736711-pat00042
와
Figure 112010048736711-pat00043
은 각각 최대와 최소 경계이며, 그 범위는
Figure 112010048736711-pat00044
이다. 가변값
Figure 112010048736711-pat00045
은 평탄한 영역에서는
Figure 112010048736711-pat00046
에 가까우며, 에지나 텍스트 영역에서는
Figure 112010048736711-pat00047
에 가깝다.
또한, 도 5는 8배 확장 워터마크가 적응 디더링 마스킹 후에 도 1a의 정지 이미지에 삽입된 결과인바, 도시된 바와 같이 블록 아티팩트가 도 1c에 비해서 줄어드는 것을 알 수 있다.
그리고, 윤곽 마스킹 수단(230)은 윤곽과 텍스쳐 영역을 구별하지 못하는 NVF 마스킹의 단점을 보완하여 윤곽 및 에지 영역을 분리하는 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00048
를 생성한다.
윤곽 마스크는 Y채널, U채널 및 V채널에서 복합 동작에 의해 도출되는데, 일반적인 비디오 디코더의 경우에, Y채널의 크기는 U채널 및 V 채널의 크기보다 더 크기 때문에 U채널 또는 V채널의 크기는 Y채널의 크기로 증대되어야 한다. 이와 같은 스케일링 후에 U채널 또는 V채널의 경우, 다음의 공정이 수행된다.
먼저, 윤곽 마스킹 수단(230)이 U채널과 V채널의 노이즈 및 큰 활성 영역을 평균 필터에 의해 억제시키고, 0 내지 255로 이루어진 이진화 결과를 Otsu 스레쉬홀딩 방법(Otsu thresholding method)에 의해 도출한다.
이어서, 윤곽 마스킹 수단(230)이 형태학적 알고리즘으로서 침식과 팽창 동작이 부분적으로 남아있는 큰 활성 영역을 제거하고, 형태학적 결과의 기울기는 소벨 에지 감지기(Sobel edge detector)를 사용하여 계산하며, 그 후 기울기의 크기를 0 또는 1로 이진화 한다. 이 때의 U채널 및 V 채널의 결과들은 UE 및 VE로 표시되며, 최종적으로, 조합된 결과 CE가 UE와 VE 사이의 배타적(Exclusive) OR 연산에 의해 도출되고, 그 결과인 CE를 명료하게 하기 위해서, 팽창시켜 CED를 도출해 낸다.
한편, Y 채널의 경우, 윤곽 마스킹 수단(230)이 Y 채널의 기울기를 소벨 에지 감지기를 통해 도출하고, 그 후 0 내지 255의 범위로 정규화한다.
이어서, 윤곽 마스킹 수단(230)이 정규화된 결과를 Otsu 스레쉬홀딩 방법에 의해 0 또는 1로 이진화하고, 이진화 결과는 YE로 표시하며, 에지 및 텍스쳐 영역을 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 최종적으로 윤곽 또는 에지 영역 결과 FE는 YE 및 CED 사이의 AND 논리 연산에 의해 근사화된다.
전술한바와 같은 윤곽 마스킹 수단(230)의 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00049
는 다음의 [수학식 4]에 의해서 도출된다.
Figure 112010048736711-pat00050
여기에서,
Figure 112010048736711-pat00051
은 가중계수로서 경험적으로 0.5로 설정된다.
Figure 112010048736711-pat00052
가 0과 1로 이루어져 있기 때문에,
Figure 112010048736711-pat00053
에 따라
Figure 112010048736711-pat00054
이다. 달리 말하면,
Figure 112010048736711-pat00055
는 평평하거나 큰 활성 영역에서는 1이며 윤곽이나 에지 영역에서는 0과 1 사이의 값이다.
도 7은 본 발명에 따른 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템 중 윤곽 마스킹의 성능을 보여주는 도면으로서, 좌측 이미지들은 NVF 마스킹만 적용한 것이고, 우측 이미지들은 NVF 마스킹과 윤곽 마스킹을 함께 적용한 이미지를 도시한 도면.
도 7에 도시된 바와 같이, 윤곽 마스킹 수단(230)에 의해 생성된 윤곽 마스크와 NVF 마스킹 수단(210)에 의해 생성된 NVF 마스크가 함께 적용된 결과들은 단지 NVF 마스킹만 적용된 결과에 비해 윤곽이나 에지부분에서 상대적으로 희미해진 결과를 보인다. 이것은 워터마크가 텍스쳐 영역보다 윤곽이나 에지 부분에 상대적으로 약하게 삽입되는 것을 의미한다. 따라서, 윤곽이나 에지 영역에서의 워터마크 삽입 강도는 도출된 윤곽 마스크에 의해서 제어될 수 있다.
한편, 워터마크 삽입수단(300)은 마스크 생성모듈(200)에 의해 생성된 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00056
, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00057
및 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00058
를 곱하는 연산을 수행하여 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00059
를 생성하고, 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00060
가 적용된 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00061
를 [수학식 5]를 통해 원본이미지의 휘도채널에 삽입한다.
Figure 112010048736711-pat00062
여기에서,
Figure 112010048736711-pat00063
는 프레임이 삽입된 휘도 채널이며,
Figure 112010048736711-pat00064
은 워터마킹 ROI(region of interest, 관심 영역) 내의 공간좌표이다. Y는 프레임의 휘도 채널이고,
Figure 112010048736711-pat00065
는 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00066
, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00067
및 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00068
을 포함하는 복합 마스크이며,
Figure 112010048736711-pat00069
는 워터마크 패턴이다.
한편, 워터마크 검출모듈(400)은 적응 위너 필터(adaptive Wiener filter)를 노이즈 제거 필터로 활용하여 이미지에 삽입된 워터마크 패턴을 검출하는데, 먼저, 워터마크가 삽입된 이미지의 각 프레임으로부터 워터마크를 추정하고, 워터마크의 정확성을 증대시키기 위해서 기 설정된 시간 동안 누적시킨다.
이어서, 워터마크 검출모듈(400)에서 기 설정된 시간동안 누적 이후, 정규화된 상관값이 누적된 추정 결과와 비밀키에 의해 생성된 원래 워터마크 사이에서 계산된다. 만약 상관값이 기 설정된 임계값을 초과하는 경우, 삽입은닉된 메시지가 정확하게 추출된 것으로 판단한다. 여기서, 기 설정된 임계값은 근사 가우시안 방법(approximate Gaussian method)에 따라 결정된다.
이하, 도 8에 도시된 비디오에 대하여 본 발명의 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템(S)의 비가시성, 강인성 및 실시간성을 측정한 결과를 살피면 다음과 같다.
상기 측정 결과는 도 8에 도시된 바와 같이 길이가 40초이며 프레임률이 30fps인 세 개의 MPEG-2 Full-HD(완전 고선명)해상도(1920x1080)를 갖는 다양한 장르의 비디오에 대해 수행되었다.
여기서, 상관을 위한 누적 시간은 2초이며, 각 비디오 프레임의 중심에 삽입된 워터마크 패턴은 48x48 크기의 기본 워터마크 패턴을 수직 및 수평방향으로 6배로 반복해서 확장함으로써 288x288 크기를 갖는다. [수학식 2]에서의 파라미터
Figure 112010048736711-pat00070
와 [수학식 3]에서의 파라미터
Figure 112010048736711-pat00071
는 각각 150, 4, 1, 0.15 및 0.85로 설정되었다.
[비가시성 테스트]
비가시성 테스트는 평균 PSNR과 평균 wPSNR이 객관적인 척도로 사용되는데, wPSNR는 PSNR보다 인간 지각에 더 가깝다. 인간 시각 시스템을 반영하는 wPSNR이 아래의 [수학식 6]에 의해 계산된다.
Figure 112010048736711-pat00072
Figure 112010048736711-pat00073
Figure 112010048736711-pat00074
NVF 마스크만을 사용한 방법과 본 발명에 의한 비가시성을 전통적인 마스킹 방법과 비교하였다. 테스트의 공정성을 위하여, 두 경우의 워터마크 삽입 강도를 균일하게 조정하였다. 추가적으로, ITU-R Rec. 500-11 품질 등급화 척도를 사용해서 워터마킹된 비디오의 품질을 주관적 측면에서도 평가하였다. 주관적 테스트의 경우 워터마크 알고리즘의 상세한 내용을 잘 알고 있으며 시각 아티팩트를 감지할 수 있는 10명의 참석자를 포함시켰고, 테스트 비디오는 10lx 밝기의 방에서 SAMSUNG PAVV 650 LCD TV에서 디스플레이되었다. 아울러, 그들은 ITU-R Rec. 500-11의 바람직한 관찰 거리 규칙에 따라서 LCD 스크린 높이의 5배의 거리에서 워터마킹된 비디오를 관찰하였다.
방법 장르 다큐멘터리 쇼 액션영화
PSNR(dB) 제안된 마스크 47.8 47.1 48.3
전통적 마스크 47.7 46.8 47.9
wPSNR(dB) 제안된 마스크 50.7 50.2 50.9
전통적 마스크 48.2 47.8 48.4
주관적 점수 제안된 마스크 4.5 4.7 4.6
전통적 마스크 3.9 4.3 4.0
[표 1]은 테스트 결과를 보여준다. PSNR와 wPSNR은 ROI에서의 결과이다. 비록 두 방법간의 PSNR 결과가 유사하지만, wPSNR과 주관적 테스트 결과는 제안된 마스킹 방안이 전통적인 마스킹 방법에 비해 비가시성 측면에서 더욱 우수한 결과를 보인다는 것을 입증한다.
[강인성 테스트]
본 발명의 복합 마스크를 사용한 워터마킹 방법의 강인성을 평가하기 위해서, 강인성 테스트가 수행되었으며, 테스트 대상이 되는 비디오들은 상기 비가시성 테스트에 사용된 삽입 강도에 의해서 워터마킹된 것 들이다.
본 테스트에서는 고품질 비디오에 일반적으로 발생하는 조합 공격에 대한 강인성에 초점을 맞추었다. 조합 공격은 임의 비율의 다운 스케일링, MPEG-4 변환, 30fps로부터 24fps로의 프레임률 변환을 포함한다.
공격 장르 다큐멘터리 쇼 액션영화
1280*720 +복합적 공격 0.41 0.47 0.39
640*480 +복합적 공격 0.32 0.36 0.33
480*360 +복합적 공격 0.30 0.31 0.28
320*180 +복합적 공격 0.21 0.22 0.25
[표 2]는 그 결과를 정규화된 상관값으로 나타낸 것이다. 복합적 공격은 프레임률 변환과 트랜스코딩을 의미하며, 임계치는 10-8의 거짓 긍정 에러 확률을 만족시키는 0.09이다. 모든 상관값은 임계치를 충분히 초과한다. NVF 마스크만을 사용하는 전통적인 경우의 결과가 이 표에 기재되어 있지 않더라도, 그 결과는 제안된 방법의 결과들과 거의 유사하다. 실험 결과는 제안된 마스킹을 통한 워터마킹 방법이 일반적인 신호 처리 조작뿐만 아니라 다양한 다운 스케일링 공격에 대해 강인성을 갖는 다는 것을 보여준다.
[실시간 성능 테스트]
인텔 통합 성능 프리미티브 라이브러리를 사용하여 제안된 방법을 구현하였으며, Intel(R) Core2 Duo CPU 2.0 GHz, 2GB RAM에서 테스트되었다. 일반적으로 워터마킹 시스템이 실시간성을 만족하기 위해서는, 비디오 스트림을 디코딩하고, 워터마크를 삽입하거나 감지하며, 워터마킹된 비디오를 디스플레이하기 위한 세 개의 서브 기능들이 0.03sec/frame 이내로 처리되어야 한다.
디코딩과 디스플레이의 경우 처리 시간이 일정하기 때문에 워터마킹 알고리즘의 처리시간이 실시간성을 결정한다. [표 3]은 Full-HD 비디오의 처리시간 결과를 보여준다. 시간 단위는 초이다. 이러한 결과는 제안된 마스킹 방법이 매우 간단하며 따라서 발명된 워터마킹 시스템이 실시간 성능을 가진다는 것을 증명한다.
디코딩 시간 워터마크 공정시간 디스플레이시간 총시간
삽입 0.0112 0.0095 0.0038 0.0245
탐지 0.0012 0.0162
즉, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 복합 마스크는, 스케일링 공격에 대한 강인성을 위한 워터마크 패턴의 연장에도 불구하고 가시성을 유지할 수 있는 비디오 워터마킹 방안이다.
이 복합 마스크는 인간 시각 시스템을 고려하여 적응 디더링 마스크, 윤곽 마스크의 조합으로 만들어진다. 전술된 실험 결과는 본 발명에 따라 삽입된 워터마크의 비가시성이 우수하며, 다양한 공격에 대한 강인성 및 수행의 실시간성도 여전히 유지할 수 있다는 것을 보여준다.
한편, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 방법에 대해 살피면 아래와 같다.
도 9를 참조하면, 워터마크 생성모듈(100)이 비밀키 생성기를 통해 생성된 비밀키를 이용하여 스펙트럼 확산 워터마킹 기법에 의해 삽입될 워터마크 패턴
Figure 112010048736711-pat00075
을 생성한다(S10).
이어서, 마스크 생성모듈(200)이 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00076
, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00077
및 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00078
를 생성한다(S20).
뒤이어, 워터마크 삽입모듈(300)이 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00079
, 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00080
및 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00081
를 곱하는 연산을 수행하여 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00082
를 생성하고, 생성된 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00083
가 적용된 워터마크 패턴을 상기 원본이미지의 휘도채널에 가합삽입한다(S30).
그리고, 워터마크 검출모듈(400)이 적응 위너 필터를 통해 복합 마스크
Figure 112010048736711-pat00084
가 적용되어 워터마킹된 영상로부터 워터마크 패턴을 검출한다(S40).
이하, 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 방법의 제S20 단계에 대해 세부적으로 살피면 아래와 같다.
먼저, 마스크 생성모듈(200)의 NVF 마스킹 수단(210)이 상기 [수학식 1] 및 [수학식2]를 통해 NVF 마스크
Figure 112010048736711-pat00085
를 생성한다.
이어서, 마스크 생성모듈(200)의 적응 디더링 마스킹 수단(220)이 상기 [수학식 3]을 통해 적응 디더링 마스크
Figure 112010048736711-pat00086
를 생성한다(S22).
그리고, 마스크 생성모듈(200)의 윤곽 마스킹 수단(230)이 도 6에 나타난 과정 및 상기 [수학식 4]를 통해 윤곽 마스크
Figure 112010048736711-pat00087
을 생성한다(S23).
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 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
S: 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템
100: 워터마크 생성모듈 200: 마스크 생성모듈
210: NVF 마스킹 수단 220: 적응 디더링 마스킹 수단
230: 윤곽 마스킹 수단 300: 워터마크 삽입수단
400: 워터마크 검출수단

Claims (12)

  1. 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템에 있어서,
    비밀키를 이용하여 기본 워터마크 패턴
    Figure 112012006890437-pat00088
    을 생성하고, 크기 변환 및 여러 영상 처리에 강인성을 갖기 위해 기본 워터마크 패턴을 반복 확장하여 워터마크패턴
    Figure 112012006890437-pat00089
    을 생성하는 워터마크 생성모듈;
    NVF 마스킹 수단을 통해 NVF(Noise Visibility Function) 마스크
    Figure 112012006890437-pat00090
    를 생성하고, 적응 디더링 마스킹 수단을 통해 적응 디더링 마스크
    Figure 112012006890437-pat00091
    를 생성하며, 윤곽 마스킹 수단을 통해 윤곽 마스크
    Figure 112012006890437-pat00092
    를 생성하는 마스크 생성모듈;
    상기 NVF 마스크
    Figure 112012006890437-pat00093
    , 적응 디더링 마스크
    Figure 112012006890437-pat00094
    및 윤곽 마스크
    Figure 112012006890437-pat00095
    를 곱하는 연산을 수행하여 복합 마스크
    Figure 112012006890437-pat00096
    를 생성하고, 상기 복합 마스크
    Figure 112012006890437-pat00097
    와 확장된 워터마크 패턴
    Figure 112012006890437-pat00098
    를 곱한 후, 원본이미지의 휘도채널에 삽입하는 워터마크 삽입수단; 및
    적응 위너 필터(adaptive Wiener filter)를 노이즈 제거 필터로 활용하여 이미지에 삽입된 워터마크 패턴을 검출하되, 워터마크가 삽입된 이미지의 각 프레임으로부터 워터마크를 추정하고, 워터마크의 정확성을 증대시키기 위해서 기 설정된 시간 동안 누적시키며, 기 설정된 시간동안 누적 이후, 정규화된 상관값이 누적된 추정 결과와 비밀키에 의해 생성된 원래 워터마크 사이에서 계산되고, 상관값이 기 설정된 임계값을 초과하는 경우, 삽입?은닉된 메시지가 정확하게 추출된 것으로 판단하며, 기 설정된 임계값은 근사 가우시안 방법(approximate Gaussian method)에 따라 결정하는 워터마크 검출모듈;을 포함하되,
    상기 워터마크 생성모듈은, 기본 워터마크 패턴
    Figure 112012006890437-pat00099
    의 각 요소가 일반적인 비디오 처리 공격뿐만 아니라 스케일링 공격에 대한 강인성을 향상시키기 위해 수직 및 수평방향으로
    Figure 112012006890437-pat00100
    배 만큼 반복하여 패턴의 사이즈를 확장시켜 상기 워터마크 패턴
    Figure 112012006890437-pat00101
    을 생성하고, 상기 기본 워터마크 패턴
    Figure 112012006890437-pat00102
    의 크기는
    Figure 112012006890437-pat00103
    이고, 상기 워터마크 패턴
    Figure 112012006890437-pat00104
    의 크기는
    Figure 112012006890437-pat00105
    이며,
    상기 윤곽 마스킹 수단은, 상기 워터마크 패턴
    Figure 112012006890437-pat00172
    의 윤곽 및 에지 영역을 분리하여 상기 윤곽 마스크
    Figure 112012006890437-pat00173
    를 생성하되, 스케일링 후에 Y 채널의 경우, 원본 이미지의 휘도 채널 기울기를 소벨 에지 감지기(Sobel edge detector)를 통해 도출하여 0 내지 255의 범위로 정규화하며, 정규화된 결과를 Otsu 스레쉬홀딩 방법에 의해 0 또는 1로 이진화하여 에지 및 텍스쳐 영역을 분류하고, 이를 AND 논리 연산에 의해 근사화하고,
    상기 윤곽 마스킹 수단은, 상기 워터마크 패턴
    Figure 112012006890437-pat00174
    의 윤곽 및 에지 영역을 분리하여 상기 윤곽 마스크
    Figure 112012006890437-pat00175
    를 생성하되,U채널과 V채널의 노이즈 및 큰 활성 영역을 평균 필터에 의해 억제시키고, 0 내지 255로 이루어진 이진화 결과를 Otsu 스레쉬홀딩 방법(Otsu thresholding method)에 의해 도출하고, 형태학적 알고리즘으로서 침식과 팽창 동작이 부분적으로 남아있는 큰 활성 영역을 제거하고, 형태학적 결과의 기울기는 소벨 에지 감지기(Sobel edge detector)를 사용하여 계산하며, 그 후 기울기의 크기를 0 또는 1로 이진화하며, U채널 및 V채널의 결과들 각각 UE 및 VE로 표시하여 최종적으로, 조합된 결과 CE가 UE와 VE 사이의 배타적(Exclusive) OR 연산에 의해 도출하고, 그 결과인 CE를 명료하게 하기 위해서, 팽창시켜 CED로 표시하는 것을 특징으로 하는 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    NVF 마스킹 수단은,
    [수학식 1] 및 [수학식 2]를 통해 상기 NVF 마스크
    Figure 112010048736711-pat00106
    를 생성하되,
    Figure 112010048736711-pat00107
    는 에지 및 텍스쳐 영역의 상부 경계이며,
    Figure 112010048736711-pat00108
    은 평평하며 부드러운 영역에서 가시성의 하부 경계이고,
    Figure 112010048736711-pat00109
    는 스케일링 상수이며,
    Figure 112010048736711-pat00110
    는 국부 분산의 최대치인 것을 특징으로 하는 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112010048736711-pat00111

    [수학식 2]
    Figure 112010048736711-pat00112
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적응 디더링 마스킹 수단은,
    [수학식 3]을 통해 상기 적응 디더링 마스크
    Figure 112010048736711-pat00113
    를 생성하되,
    Figure 112010048736711-pat00114
    와
    Figure 112010048736711-pat00115
    은 각각 최대와 최소 경계이며, 그 범위는
    Figure 112010048736711-pat00116
    이고, 가변값
    Figure 112010048736711-pat00117
    은 평탄한 영역에서는
    Figure 112010048736711-pat00118
    에 가까우며, 에지나 텍스트 영역에서는
    Figure 112010048736711-pat00119
    에 가까운 것을 특징으로 하는 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템.
    [수학식 3]
    Figure 112010048736711-pat00120
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터마크 삽입수단은,
    상기 NVF 마스크
    Figure 112010048736711-pat00125
    , 적응 디더링 마스크
    Figure 112010048736711-pat00126
    및 윤곽 마스크
    Figure 112010048736711-pat00127
    를 곱하는 연산을 수행하여 복합 마스크
    Figure 112010048736711-pat00128
    를 생성하고, [수학식 5]와 같이 복합 마스크
    Figure 112010048736711-pat00129
    와 워터마크 패턴
    Figure 112010048736711-pat00130
    을 곱한 후 원본이미지의 휘도채널에 삽입하되,
    Figure 112010048736711-pat00131
    는 프레임이 삽입된 휘도 채널이며,
    Figure 112010048736711-pat00132
    은 워터마킹 ROI(region of interest, 관심 영역) 내의 공간좌표인 것을 특징으로 하는 고화질 동영상 워터마킹의 비가시성 향상을 위한 복합 마스킹 시스템.
    [수학식 5]
    Figure 112010048736711-pat00133
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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