KR101362449B1 - 디지털 워터마킹 장치 및 그 방법 - Google Patents

디지털 워터마킹 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR101362449B1
KR101362449B1 KR1020120116523A KR20120116523A KR101362449B1 KR 101362449 B1 KR101362449 B1 KR 101362449B1 KR 1020120116523 A KR1020120116523 A KR 1020120116523A KR 20120116523 A KR20120116523 A KR 20120116523A KR 101362449 B1 KR101362449 B1 KR 101362449B1
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이흥규
문성원
현대경
최정호
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 동영상 정보의 은닉 및 위변조 판별이 가능한 디지털 워터마킹 장치에 관한 것으로, 상기 발명은 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 정보 은닉을 위한 내성 워터마크(robust watermark)를 삽입하는 제1 삽입부; 및 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 위변조 판별을 위한 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 삽입하는 제2 삽입부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 본 발명은 동영상 등의 정보의 은닉 및 위변조 판별을 효과적으로 수행할 수 있다.

Description

디지털 워터마킹 장치 및 그 방법{Apparatus and method for digital watermarking}
본 발명은 디지털 워터마킹 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 동영상 등의 정보의 은닉 및 위변조 판별을 위한 디지털 워터마킹 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
정보통신 기술의 발전으로 인한 정보화 사회로의 변화는 디지털 기기의 대중화를 불러 일으켰다. 최근에 출시되는 디지털 기기들은 저렴한 가격으로 출시됨에도 불구하고 과거의 디지털 기기와 비교해 뛰어난 성능을 보인다. 이로 인해 일반 사용자가 디지털 기기를 손쉽게 접할 수 있게 되었고, 그에 따라 디지털 기기에 의해 생성되는 자료의 신뢰성은 점차 중요해지고 있다.
디지털 워터마킹은 동영상 콘텐츠에 가시, 비가시 정보를 워터마크로 삽입하고 이를 검출하여 콘텐츠의 저작권 보호, 저작자 판별, 변형 여부 판별 등에 이용되는 기술이다.
내성 워터마크(Robust watermark)는 변형에 강인하여 다양한 변형 이후에도 삽입된 정보를 확인할 수 있어 영상의 저작권 정보 및 원저작자 정보를 표시하는 용도에 적합하다.
연성 혹은 준-연성 워터마크(Fragile or semi-fragile watermark)는 영상에 변형이 가해지면 검출이 되지 않는 특성을 가지고 있어 동영상 콘텐츠의 무결성 인증에 활용되며 이를 이용하여 영상에 변형이 가해졌는지 여부를 판별할 수 있다.
그러나, 종래 내성 워터마크의 주요 기능인 저작권 보호기능과 종래 연성 혹은 준-연성 워터마크의 주요 기능인 무결성 인증기능을 동시에 구현하여 동영상 등의 정보의 은닉 및 위변조 판별 분야에 응용하기 위한 노력은 아직 미미한 수준이다.
KR 10-2011-0007789 A, 2011. 01. 25, 도면 5
본 발명의 목적은 종래 디지털 워터마킹의 기술 중 내성 워터마크(Robust watermark) 및 연성 혹은 준-연성 워터마크(Fragile or semi-fragile watermark) 기술을 이중으로 이용함으로써 동영상 등의 정보의 은닉 및 위변조 판별을 효과적으로 수행할 수 있는 디지털 워터마킹 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 디지털 워터마크 장치는 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 정보 은닉을 위한 내성 워터마크(robust watermark)를 삽입하는 제1 삽입부; 및 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 위변조 판별을 위한 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 삽입하는 제2 삽입부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 내성 워터마크는 사전에 정해진 키값을 이용하여 평균 0 및 분산 1의 가우시안(gaussian) 분포를 따라 생성된 제1 패턴으로 마련될 수 있다.
상기 제1 패턴은 하나의 패턴에 1비트의 정보가 삽입되거나, 패턴의 좌우 반전을 통해 하나의 패턴에 2비트의 정보가 삽입될 수 있다.
상기 내성 워터마크는 상기 제1 패턴을 사전에 정해진 배수로 확대하고 상기 확대된 제1 패턴을 수평방향으로 i번, 수직방향으로 j번 반복 삽입하여 생성된 제2 패턴으로 마련될 수 있다.
상기 사전에 정해진 배수는 상기 프레임의 세로길이를 기초로 정해질 수 있다.
상기 제1 삽입부는 상기 제2 패턴으로 마련된 내성 워터마크를 사전에 정해진 시간 동안 상기 동영상 컨텐츠에 반복 삽입할 수 있다.
상기 내성 워터마크의 비 가시성을 확보하기 위해, 동영상 컨텐츠에 인간시각시스템(Human Visual System: HVS)을 고려한 마스킹을 수행할 수 있다.
상기 제2 삽입부는, 동영상 컨텐츠의 프레임이 수평방향 및 수직방향으로 분할되어 생성된 블록들 별로 상기 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 삽입할 수 있다.
상기 준-연성 워터마크는 평균 0 및 분산 1의 가우시안(gaussian) 분포를 따라 생성될 수 있다.
상기 준-연성 워터마크는 상기 블록의 공간영역 상의 위치와, 상기 블록의 시간 축 상의 위치와, 상기 프레임 당 평균시간으로 이루어진 비밀키를 이용하여 생성될 수 있다.
상기 준-연성 워터마크는 상기 내성 워터마크가 상기 프레임에 삽입된 후 삽입될 수 있다.
상기 준-연성 워터마크가 삽입되는 것은, 상기 블록들 각각에 DCT(discrete cosine transform)를 적용하고, 상기 DCT를 통해 계산된 DCT계수를 지그재그 스캔방식으로 정렬하며, 상기 정렬된 DCT계수들 중 사전에 정해진 N개의 DCT계수들을 순서적으로 선정하고, 상기 선정된 N개의 DCT계수들에 상기 준-연성 워터마크가 분할되어 생성된 길이 N의 분할 준-영상 워터마크를 삽입하는 것에 의해 수행될 수 있다.
본 디지털 워터마크 장치는 동영상 컨텐츠로부터 내성 워터마크를 검출하는 제1 검출부; 및 동영상 컨텐츠로부터 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 검출하는 제2 검출부를 더 포함할 수 있다.
제1 검출부는 상기 내성 워터마크를 검출하기 전에 동영상 컨텐츠에 대해 잡음 제거 필터링을 수행하여 원본 동영상 및 내성 워터마크를 추정할 수 있다.
상기 잡음 제거 필터링은 Wiener 필터에 의해 수행될 수 있다.
상기 제1 검출부는, 상기 추정된 내성 워터마크를 기본 내성 워터마크의 크기로 축소한 후 겹치는 과정을 통해 상기 내성 워터마크의 검출율을 높일 수 있다.
상기 제1 검출부는, 상기 추정된 내성 워터마크와 상기 기본 내성 워터마크의 사이의 정규화 상호상관연산(nomalized cross correlation)을 이용하여 상기 내성 워터마크의 검출여부를 판단할 수 있다.
상기 제2 검출부는, 동영상 컨텐츠의 프레임이 복수개로 분할되어 생성된 블록들 별로 상기 준-연성 워터마크를 검출할 수 있다.
상기 준-연성 워터마크는, 상기 프레임으로부터 상기 블록의 공간영역 상의 위치와, 상기 블록의 시간 축 상의 위치와, 상기 프레임 당 평균시간으로 이루어진 비밀키를 계산하고, 상기 계산된 비밀키를 이용하여 생성될 수 있다.
상기 제2 검출부는, 상기 블록들 각각에 DCT(discrete cosine transform)를 적용하고, 상기 DCT를 통해 계산된 DCT계수를 지그재그 스캔방식으로 정렬하며, 상기 정렬된 DCT계수들 중 사전에 정해진 N개의 DCT계수들을 순서적으로 선정하고, 상기 선정된 DCT계수들과 상기 준-연성 워터마크와의 상관도를 분석하여 상기 준-연성 워터마크의 검출여부를 결정할 수 있다.
상기 N개의 DCT계수들을 벡터 C로 표현하고, 상기 준-연성 워터마크를 Wf로표현한 경우, 상기 선정된 DCT계수들과 상기 준-연성 워터마크와의 상관도는 식 1에 의해 계산될 수 있다.
식 1:
Figure 112012085194891-pat00001
상기 제2 검출부는, 상기 상관도와 식 2에 의해 계산되는 임계치 Tf를 비교하는 것에 의해 상기 준-연성 워터마크의 검출 성공 여부를 판별할 수 있다.
식 2:
Figure 112012085194891-pat00002
,
Figure 112012085194891-pat00003
= 상수
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 디지털 워터마킹 방법은 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 정보 은닉을 위한 내성 워터마크(robust watermark)를 삽입하는 단계; 및 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 삽입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 내성 워터마크는 사전에 정해진 키값을 이용하여 평균 0 및 분산 1의 가우시안(gaussian) 분포를 따라 생성된 제1 패턴으로 마련될 수 있다.
상기 내성 워터마크는 상기 제1 패턴을 사전에 정해진 배수로 확대하고 상기 확대된 제1 패턴을 수평방향으로 i번, 수직방향으로 j번 반복 삽입하여 생성된 제2 패턴으로 마련될 수 있다.
상기 내성 워터마크의 비 가시성을 확보하기 위해, 동영상 컨텐츠에 인간시각시스템(Human Visual System: HVS)을 고려한 마스킹을 수행할 수 있다.
상기 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 삽입하는 단계는, 동영상 컨텐츠의 프레임이 수평방향 및 수직방향으로 분할되어 생성된 블록들 별로 수행될 수 있다.
상기 준-연성 워터마크는 상기 내성 워터마크가 상기 프레임에 삽입된 후 상기 블록들 별로 삽입될 수 있다.
본 디지털 워터마킹 방법은 동영상 컨텐츠로부터 내성 워터마크를 검출하는 단계; 및 동영상 컨텐츠로부터 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 내성 워터마크를 검출하는 단계는 잡음 제거 필터링 과정을 포함할 수있다.
상기 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 검출하는 단계는 동영상컨텐츠의 프레임들로부터 준-연성 워터마크를 검출한 결과 상기 준-연성 워터마크가 검출된 프레임들의 비율이 10% 미만인 경우 상기 동영상 컨텐츠는 위조된 것으로 판별하는 과정을 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 동영상에 이중으로 디지털 워터마크를 삽입함으로써 동영상에 임의 정보를 보이지 않게 할 수 있고, 워터마크가 삽입된 동영상에 변환 공격이 가해진 이후에도 내성 워터마크를 통해 저작권 정보 등을 검출할 수 있고, 준-연성 워터마크를 통해 동영상의 위변조 여부를 파악할 수 있어 궁극적으로 동영상의 보안을 강화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 준-연성 워터마크를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내성 워터마크의 추정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치의 비가시성의 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치의 내성 워터마크 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치의 준-연성 워터마크의 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치 및 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 디지털 워터마킹 장치(1)는 제1 삽입부(10), 제2 삽입부(20), 제1 검출부(30) 및 제2 검출부(40)로 이루어질 수 있다.제1 삽입부(10)는 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 정보 은닉을 위한 내성 워터마크(robust watermark)를 삽입할 수 있다. 내성 워터마크는 사전에 정해진 키값을 이용하여 평균 0 및 분산 1의 가우시안(gaussian) 분포를 따라 생성된 제1 패턴(Wb)으로 마련될 수 있다.
예를 들면 제1 패턴(Wb)은 m×n크기를 가질 수 있고, 기본적으로 존재 유무에 따라서 1비트(bit)의 정보를 삽입할 수 있다. 그리고 제1 패턴(Wb)은 해당 패턴의 좌, 우 반전을 통하여 하나의 패턴에 2비트의 정보를 삽입할 수 있다.
내성 워터마크는 제1 패턴(Wb)을 사전에 정해진 배수 k배로 확대하고 확대된 제1 패턴(Wb)을 수평방향으로 i번, 수직방향으로 j번 반복 삽입하여 생성된 제2 패턴(Wr))으로 마련될 수 있다. 이에 의해 제1 패턴(Wb)에 비해 강인성과 검출 성공률을 높일 수 있다.
사전에 정해진 배수 k는 프레임의 세로길이를 기초로 정해질 수 있다. 즉 k는 프레임의 세로길이를 특정계수로 나눈 값으로 정해질 수 있다.
제1 삽입부(10)는 제2 패턴(Wr)으로 마련된 내성 워터마크를 사전에 정해진 시간 Tr 동안 상기 동영상 컨텐츠에 반복 삽입할 수 있다. 이렇게 삽입된 제2 패턴(Wr)에 의한 내성 워터마크는 제1 패턴(Wb)에 의한 내성 워터마크를 수식 i×j×Tr×프레임레이트(frame rate)만큼 삽입한 것으로 볼 수 있다. 이에 따라 내성 워터마크의 검출율을 높일 수 있다.
또한 제2 패턴(Wr)에 의한 내성 워터마크를 삽입하면 각 Tr초 마다 2비트의 메시지를 삽입할 수 있다. 이에 의해 특정 부분을 변형시키는 로고 삽입이나 프레임당 시간을 변경하는 프레임율 변환 등의 공격에 더욱 강인한 내성 워터마크를 생성할 수 있다.
또한 제2 패턴(Wr)에 의한 내성 워터마크는 하나의 워터마크 패턴을 삽입할 때보다 각 패턴의 세기를 약하게 하여도 검출이 가능해 비가시성을 확보하기에 용이한 측면이 있다.
본 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치(1)는 내성 워터마크의 비 가시성을 확보하기 위해, 동영상 컨텐츠에 인간시각시스템(Human Visual System: HVS)을 고려한 마스킹을 수행할 수 있다.
예를 들면, HVS를 고려한 마스킹은 영상에 잡음이 삽입되었을 경우 잡음의 인지 가능한 정도를 나타내는 척도인 NVF(Noise Visibility Function)를 이용한 마스킹, HVS가 밝거나 어두운 영역에 둔감한 것을 이용한 밝기 마스킹, HVS가 프레임간 변화시 움직임이 많은 것에 둔감한 것을 이용한 움직임 마스킹 등이 있다.
제2 삽입부(20)는 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 위변조 판별을 위한 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 삽입할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 준-연성 워터마크를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 준-연성 워터마크는 동영상 컨텐츠의 프레임이 수평방향 Nw회, 수직방향 Nh회 분할되어 생성된 블록들 별로 삽입될 수 있다.
준-연성 워터마크는 평균 0 및 분산 1의 가우시안(gaussian) 분포를 따라 생성될 수 있다. 준-연성 워터마크는 도 2에 도시된 바와 같이 3가지 요소 즉 블록의 공간영역 상의 위치 K1와, 블록의 시간 축 상의 위치 K2와, 프레임 당 평균시간 K3으로 이루어진 비밀키 K를 이용하여 생성될 수 있다. 일 예로서 준-연성 워터마크는 비밀키 K를 사용한 난수생성기를 통해 생성될 수 있다.
비밀키 K는 다음 수학식 1과 같이 계산되며, 비밀키 간의 중복을 막기 위해 특정한 계수를 곱하여 생성할 수 있다.
Figure 112012085194891-pat00004
준-연성 워터마크는 내성 워터마크가 프레임에 삽입된 후 삽입될 수 있다. 그 과정은 다음과 같다. 먼저, 블록들 각각에 b×b DCT(discrete cosine transform)를 적용하고, DCT를 통해 계산된 DCT계수를 지그재그 스캔방식으로 정렬한다.
다음 정렬된 DCT계수들 중 사전에 정해진 N개의 DCT계수들을 순서적으로 선정하고 선정된 N개의 DCT계수들에 준-연성 워터마크가 분할되어 생성된 길이 N의 분할 준-영상 워터마크를 삽입한다. 즉 정렬된 DCT계수들 중 (L+1)번째 계수부터 (L+N)번째 계수를 취하여 여기에 준-연성 워터마크 Wf를 분할하여 생성한 길이 N의 분할 준-연성 워터마크 Ws를 삽입한다.
예를 들면, 워터마크를 길이 1의 워터마크로 분할하여 삽입할 수 있고, 준-연성 워터마크 Wf의 길이는 블록을 분할한 수로 정해질 수 있다.
분할 준-연성 워터마크가 삽입된 DCT계수
Figure 112012085194891-pat00005
는, Ci가 대상 동영상의 DCT계수 즉 정렬된 DCT계수들 중 선정된 DCT계수이고, α가 워터마크의 세기를 조절하는 계수이며, Xs가 삽입되는 상기 분할 준-연상 워터마크의 값인 경우, 다음 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112012085194891-pat00006
제1 검출부(30)는 내성 워터마크를 검출하기 전에 동영상 컨텐츠에 대해 잡음 제거 필터링을 수행하여 원본 동영상 및 제2 패턴으로 마련된 내성 워터마크 Wr를 추정할 수 있다.
예를 들면, 제1 검출부(30)는 잡음 제거 필터링을 위해 잡음 제거 필터 중 하나인 Wiener 필터를 이용할 수 있다. Wiener 필터는 내성 워터마크가 동영상에 잡음 형태로 삽입되기 때문에 내성 워터마크가 삽입되기 전의 원본 동영상을 추정하기 위한 방법으로 적용될 수 있다.
Wiener 필터를 사용한 원본 동영상 추정 및 이를 통한 내성 워터마크 Wr의 추정 과정은 수학식 3과 같이 표현할 수 있다. 수학식 3에서 X는 대상 동영상의 프레임을 의미하며 X*는 Wiener 필터를 통하여 잡음을 제거한 프레임을 의미한다.
Figure 112012085194891-pat00007
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내성 워터마크의 추정방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3과 같이, 제1 검출부(30)는 잡음 제거 필터링에 의해 추정된 내성 워터마크 Wr를 제1 패턴으로 마련된 내성 워터마크 Wb의 크기로 축소한 후 겹치는 과정을 통해 내성 워터마크 Wr의 검출율을 높이고 방향성을 강하게 할 수 있다.
제1 검출부(30)는 위와 같이 검출율이 높아진 상기 제2 패턴으로 마련된 내성 워터마크 Wr과 상기 제1 패턴으로 마련된 내성 워터마크 Wb 사이의 정규화 상호상관연산(nomalized cross correlation)을 이용하여 내성 워터마크의 검출여부를 판별할 수 있다.
즉 제1 검출부(30)는 전술한 정규화 상호상관연산을 구하여 임계치 Tr과 비교해 내성 워터마크의 검출 여부를 판별할 수 있다. 정규화 상호상관연산 Z 및 임계치 Tr를 구하는 방법은 수학식 4와 같이 표현할 수 있다. 수학식 4에서 μz는 Z의 평균, αz는 실험 계수, σz는 Z의 표준 편차를 의미한다.
Figure 112012085194891-pat00008
제2 검출부(40)는 동영상 컨텐츠의 프레임이 복수개로 분할되어 생성된 블록들 별로 준-연성 워터마크 Wf를 검출할 수 있다. 즉 제2 검출부(40)는, 동영상의 위변조 여부를 파악하기 위해 영상을 복수개의 블록으로 분할한 후 각 블록들로부터 별로 준-연성 워터마크 Wf를 검출한다.
준-연성 워터마크 Wf는 프레임으로부터 블록의 공간영역 상의 위치와, 블록의 시간 축 상의 위치와, 프레임 당 평균시간으로 이루어진 비밀키를 계산하고, 계산된 비밀키를 이용하여 생성될 수 있다.
제2 검출부(40)는 상기 블록들 각각에 DCT(discrete cosine transform)를 적용하고, 상기 DCT를 통해 계산된 DCT계수를 지그재그 스캔방식으로 정렬하며, 상기 정렬된 DCT계수들 중 사전에 정해진 N개의 DCT계수들을 순서적으로 선정하고, 상기 선정된 DCT계수들과 상기 준-연성 워터마크와의 상관도를 분석하여 상기 준-연성 워터마크의 검출여부를 결정할 수 있다.
제2 검출부(40)는 삽입된 준-연성 워터마크를 추정하기 위해 블록들을 b×b DCT하고 지그재그 스캔을 이용하여 DCT계수를 정렬한다. 정렬된 DCT 계수 ci w 중 (L+1) 번째 계수 부터 (L+N) 번째 계수로 벡터 C = {c1 w, c2 w,..., cN w}를 생성한다. 여기서 N은 분할된 준-연성 워터마크의 길이를 의미한다.
준-연성 워터마크는 공간 영역이 아닌 DCT 영역에 삽입되어 이를 검출하기 어렵지만 DCT 중간계수 영역에 들어가기 때문에 DCT 계수 자체가 워터마크의 방향성에 따르는 경향을 보인다. 따라서 준-연성 워터마크가 삽입되는 영역인 벡터 C와 reference 준-연성 워터마크 Wf간의 상관도를 분석하여 준-연성 워터마크의 검출 여부를 결정할 수 있다.
벡터 C와 준-연성 워터마크 Wf간의 상관도는 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112012085194891-pat00009
제2 검출부(40)는 위에서 계산된 상관도를 임계치 Tf와 비교함으로써 준-연성 워터마크의 검출 성공 여부를 판별할 수 있다. 임계치 Tf는 수학식 6과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112012085194891-pat00010
여기서,
Figure 112012085194891-pat00011
는 실험을 통해 구한 검출 계수로서 상수에 해당한다.
즉, 본 실시예에 따른 제2 검출부(40)는 준-연성 워터마크가 삽입된 동영상의 위변조 여부를 판별하기 위해서 동영상을 여러 개의 프레임 집합으로 분할한 후 다음과 같은 4단계의 과정을 포함할 수 있다.
먼저, 준-연성 워터마크를 대상 프레임 집합 내의 프레임에서 검출한다. 만약 대상 프레임 집합 내의 프레임 중 90% 이상의 프레임에서 준-연성 워터마크가 검출되지 않는다면, 대상 동영상에 위 변조가 가해졌다고 판별한다. 또한 대상 프레임 집합 내의 프레임 중 일정 비율 이상의 프레임 내에 있는 블록에서 준-연성 워터마크가 검출되지 않고 해당 블록이 모두 같은 공간 영역에 위치한다면 대상 동영상에 위 변조가 가해졌다고 판별한다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치(1)의 효과에 대해 설명한다.
도 4 내지 도 6에 나타난 실험 결과는 15개의 동영상을 사용하여 수행된 결과로서, 각영상의 길이는 5분이며, 해상도가 640×360, 1280×720, 1920×1080인 영상이 각각 5개 사용되었다.
영상의 프레임율은 23.98fps이고 3비트의 CCL(Creative Commons Licsense) 정보를 포함한 40비트 저작권 정보가 내성 워터마크에 삽입되었다. 해상도 640×360인 대상 동영상은 1000kbps, 해상도 1280×720인 대상 동영상은 2000kbps, 해상도 1920×1080인 대상 동영상은 3000kbps로 인코딩 되었으며 사용된 해상도 및 압축률은 YouTube등의 실제환경에서 사용되는 수치를 사용하였다.
도 5의 내성 워터마크의 강인성 실험 결과 및 도 6의 준-연성 워터마크의 강인성 실험 결과를 나타내기 위해 대상 동영상에 가해진 공격은 크기변환, 화면비 변환, 시간축 절삭, 프레임율 변환 및 로고 삽입으로 이루어 졌다.
크기 변환은 대상 동영상의 해상도를 절반으로 낮추는 것에 의해 수행되고, 화면비 변환은 16:9 화면비의 영상의 좌우 영상을 절삭해 4:3 화면비의 영상으로 만드는 것에 의해 수행되며, 시간축 절삭은 영상의 처음 20초를 절삭하는 것에 의해 수행되고, 프레임율 변환은 프레임율을 23.98fps에서 24fps로 변환되는 것에 의해 수행되며, 로고 삽입은 프레임 크기의 5% 이하 크기를 가지는 로고를 영상에 삽입하는 것에 의해 수행되었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치의 비가시성의 실험결과를 나타내는 도면이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치(1)는 내성 워터마크와 준-연성 워터마크를 삽입한 후에도 대상 동영상은 PSNR((Peak Signal to Noise Ratio)이 44dB이상을 유지하여 비가시성을 충족할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치의 내성 워터마크 실험결과를 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치(1)는 크기변환, 화면비 변환, 시간축 절삭, 프레임율 변환, 로고 삽입의 공격이 가해진 이후에도 내성 워터마크 및 삽입된 메시지를 검출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치의 준-연성 워터마크의 실험결과를 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치(1)는 크기변환, 화면비 변환, 시간축 절삭, 프레임율 변환 등의 공격에서 95% 이상의 검출 성공률을 나타낼 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치(1)는 부분 변형에 속하는 로고 삽입의 경우 프레임 전체가 아닌 연속적으로 준-연성 워터마크가 검출되지 않는 현상을 통하여 검출을 수행할 수 있다
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치(1)는 동영상에 이중으로 디지털 워터마크를 삽입하여 워터마크가 삽입된 동영상에 변환 공격이 가해졌는지를 알아낼 수 있으며, 동영상이 외부에 유출 되었을 경우 워터마크를 동하여 그 유출 경로까지 추적할 수 있어, 궁극적으로 동영상의 보안을 강화할 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 방법에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 디지털 워터마킹 방법은 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 정보 은닉을 위한 내성 워터마크(robust watermark)를 삽입하는 단계(S10), 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 위변조 판별을 위한 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 삽입하는 단계(S20), 동영상 컨텐츠로부터 내성 워터마크를 검출하는 단계(S30) 및 동영상 컨텐츠로부터 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 검출하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
S10 단계에서, 내성 워터마크는 사전에 정해진 키값을 이용하여 평균 0 및 분산 1의 가우시안(gaussian) 분포를 따라 생성된 제1 패턴으로 마련될 수 있다. 내성 워터마크는 제1 패턴을 사전에 정해진 배수로 확대하고 확대된 제1 패턴을 수평방향으로 i번, 수직방향으로 j번 반복 삽입하여 생성된 제2 패턴으로 마련될 수 있다.
내성 워터마크의 비 가시성을 확보하는 과정은 동영상 컨텐츠에 인간시각시스템(Human Visual System: HVS)을 고려한 마스킹을 수행하는 것에 의해 수행될 수 있다.
S20 단계에서, 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)는, 동영상 컨텐츠의 프레임이 수평방향 및 수직방향으로 분할되어 생성된 블록들 별로 삽입될 수있다. 준-연성 워터마크는 내성 워터마크가 상기 프레임에 삽입된 후 상기 블록들 별로 삽입될 수 있다.
S30 단계인 내성 워터마크를 검출하는 단계는 잡음 제거 필터링 과정을 포함할 수 있다. S40 단계인 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 검출하는 단계는 동영상컨텐츠의 프레임들로부터 준-연성 워터마크를 검출한 결과 준-연성 워터마크가 검출된 프레임들의 비율이 10% 미만인 경우 동영상 컨텐츠가 위조된 것으로 판별하는 과정을 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 워터마킹 장치 및 디지털 워터마킹 방법은 동영상에 이중으로 디지털 워터마크를 삽입하여 아군이 보유하고 있는 동영상의 보안을 강화하는 것을 궁극적인 목표로 한다. 또한 워터마크가 삽입된 동영상에 변환 공격이 가해졌는지를 알아낼 수 있으며, 동영상이 외부에 유출 되었을 경우 워터마크를 동하여 그 유출 경로까지 추적할 수 있다.
1: 디지털 워터마킹 장치
10: 제1 삽입부
20: 제2 삽입부
30: 제1 검출부
40: 제2 검출부

Claims (4)

  1. 동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 정보 은닉을 위한 내성 워터마크(robust watermark)를 사전에 정해진 시간 Tr 동안 반복 삽입하는 제1 삽입부; 및
    동영상 컨텐츠의 1개 이상의 프레임에 위변조 판별을 위한 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 삽입하는 제2 삽입부;를 포함하되,
    상기 내성 워터마크는 사전에 정해진 키값을 이용하여 평균 0 및 분산 1의 가우시안(gaussian) 분포를 따라 생성된 제 1 패턴 및 상기 제1 패턴을 사전에 정해진 배수 k배로 확대하고 확대된 제1 패턴을 수평방향으로 i번, 수직방향으로 j번 반복 삽입하여 생성된 제2 패턴(Wr))으로 마련되며,
    상기 배수 k는 상기 프레임의 세로길이를 기초로 정해지며,
    상기 내성 워터마크의 검출율을 높이기 위해 상기 제2 패턴에 의한 내성 워터마크는 상기 제1 패턴에 의한 내성 워터마크를 수식 i×j×Tr×프레임레이트(frame rate)만큼 삽입한 것과 동일한 것을 특징으로 하는 디지털 워터마킹 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 준-연성 워터마크는, 상기 프레임으로부터 블록의 공간영역 상의 위치와, 상기 블록의 시간 축 상의 위치와, 상기 프레임 당 평균시간으로 이루어진 비밀키를 계산하고, 상기 계산된 비밀키를 이용하여 생성되며,
    상기 블록은 상기 프레임을 수평방향 및 수직방향으로 분할함으로써 생성되 는 것을 특징으로 하는 디지털 워터마킹 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    동영상 컨텐츠로부터 상기 정보 은닉을 위한 내성 워터마크를 검출하는 제1 검출부; 및
    동영상 컨텐츠로부터 상기 위변조 판별을 위한 준-연성 워터마크(semi-fragile watermark)를 검출하는 제2 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 워터마킹 장치.
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