KR101899554B1 - 동영상 보안 전송 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축 코딩하여 I 프레임, P 프레임 및 B 프레임을 갖는 동영상을 송수신함에 있어서, I 프레임을 이미지 퍼즐화 방식으로 암호화한 동영상을 송신하고, 수신측에서는 I 프레임을 복호화하여 동영상을 복원하며, 이미지 퍼즐화 정도를 I 프레임의 픽셀수, 동영상의 프레임 레이트, 또는 P 프레임 및 B 프레임의 데이터량에 따라 탄력적으로 가변한다.

Description

동영상 보안 전송 시스템{SECURITY SYSTEM FOR TRANSMITTING VIDEO DATA}
본 발명은 압축 코딩하여 I 프레임, P 프레임 및 B 프레임을 갖는 동영상을 송수신함에 있어서, I 프레임을 이미지 퍼즐화 방식으로 암호화한 동영상을 송신하고, 수신측에서는 I 프레임을 복호화하여 동영상을 복원하되, I 프레임 픽셀수, 프레임 레이트 또는 비암호화 프레임 데이터량에 따라 암호화 정도 및 암호화 소요 시간을 탄력적으로 조절할 수 있는 동영상 보안 전송 시스템에 관한 것이다.
이미지를 비롯한 다양한 형식의 데이터를 암호화하는 방식으로서, 행렬 형태의 배열을 갖거나 또는 행렬 형태의 배열을 갖게 재배열한 데이터를 복수의 서브블록으로 분할한 후 서브블록의 배열 위치를 랜덤하게 변경하여 암호화하는 기술이 있다.
본 발명의 발명자는 이러한 퍼즐화 방식의 암호화 기술을 개량하기 위해서 서브 블록의 크기 및 서블 블록의 위치 변경 횟수(즉, 셔플링 횟수)를 사용자가 임의로 변경하게 하여서 보안을 강화한 기술을 창안하였고, 등록특허 제10-1112157호로 특허 등록을 받았다.
그런데, 이러한 암호화 기술은 서브블록의 크기 및 셔플링 횟수를 적절하게 선정하여야만 보안을 강화할 수 있는 데, 이미지 프레임의 연속적인 연결에 의해 구현되는 동영상 데이터(즉, 비디오 데이터)에 적용하는 경우, 암호화에 소요되는 시간이 문제가 될 수 있다.
즉, 예를 들어 HD, FULL HD, UHD 등의 서로 다른 해상도 및 15, 20, 30, 60 등의 서로 다른 프레임 레이트(frame rate)를 갖고 있어서 화질의 차이가 있는 동영상 데이터에 대해 서브블록의 크기 및 셔플링 횟수를 일률적인 값으로 선정 사용하거나, 임의로 선정하여 사용하면, 동영상을 신호처리하는 데 암호화 소요 시간만큼 지연되고, 예를 들어 실시간 스트리밍 서비스를 제공할 시에 문제가 될 수 있다.
한편, 동영상 데이터는 통상적으로 I 프레임, P 프레임 및 B 프레임으로 갖게 압축 코딩하여 사용하며, 이때, I 프레임만 온전한 이미지를 갖고 있다.
등록특허 제10-0732056호에 따르면, 이러한 압축 코딩 구조를 고려하여, I 프레임만을 암호화한다. 이에 따라, 암호화 소요 시간을 단축할 수 있고, 오버헤드(overhead)도 감소시킬 수 있다.
그렇지만, 동영상 데이터가 지원하는 화질의 차이에 따라 암호화 소요 시간의 편차가 심하게 나타나고, 적절한 암호화를 보장하기도 어려우며, 동영상 처리를 안정적으로 처리하지 못하는 경우도 발생할 수 있다.
KR 10-1112157 B1 2012.01.27. KR 10-0732056 B1 2007.06.19.
따라서, 본 발명은 지원하는 화질의 차이가 있는 동영상에 대해서도 암호화 과정을 탄력으로 가변 운용하여, 암호화 소요 시간 및 암호화 정도를 적절하게 조절할 수 있는 동영상 보안 전송 시스템을 제공하는 데 목적을 둔다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 동영상 보안 전송 시스템에 있어서, 동영상의 I 프레임을 복수의 이미지 조각으로 분할한 상태에서 2개의 이미지 조각을 랜덤하게 선택하여 위치 교환하는 셔플링(shuffling)의 반복에 의해 암호화 I 프레임을 생성한 후, 동영상의 I 프레임을 암호화 I 프레임으로 대치하는 암호화부(11)와, 암호화부(11)에서 사용할 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 포함한 암호화 조건을 I 프레임의 픽셀수에 따라 가변적으로 설정하는 암호화 조건 설정부(12)를 포함하여 구성되며, 동영상을 전송하는 송신 단말(1)에 설치되어서, I 프레임을 암호화한 동영상을 전송하게 하는 전송측 보안모듈(10); 및 동영상을 수신하는 수신 단말(2)에 설치되어서, 수신하는 동영상의 I 프레임을 암호화 조건의 이미지 조각 크기로 분할한 상태에서 암호화 조건의 셔플링 횟수만큼 역순의 셔플링을 반복하여 복호화 I 프레임을 생성한 후, 수신하는 동영상의 I 프레임을 복호화 I 프레임으로 대치하여 암호화 이전 동영상으로 복원하는 수신측 보안모듈(20);을 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전송측 보안모듈(10)과 수신측 보안모듈(20)은 시이드(seed) 값에 따라 동일 난수를 발생하는 난수 발생기를 사용하고, 상기 전송측 보안모듈(10)은 2개의 이미지 조각을 셔플링 횟수만큼 랜덤하게 선택하기 위해 적용한 시이드 값을 상기 암호화 조건에 포함시켜 상기 수신측 보안모듈(20)에 전송함으로써, 복호화할 수 있게 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전송측 보안모듈(10)은 동영상의 프레임 레이트(frame rate)에 따라 상기 암호화 조건을 조절하여 설정 사용한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전송측 보안모듈(10)은 I 프레임에 종속적인 P 프레임과 B 프레임의 데이터량에 따라 셔플링 횟수를 재설정하여서, I 프레임 별로 셔플링 횟수를 상이하게 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전송측 보안모듈(10)은 P 프레임과 B 프레임의 데이터량에 따라 재설정 하기 이전 셔플링 횟수를 이미지 조각 크기와 함께 동영상의 헤더에 기록하고, P 프레임과 B 프레임의 데이터량에 따라 재설정한 셔플링 횟수를 I 프레임의 헤더로 기록하며, 상기 수신측 보안모듈(20)은 동영상 헤더에 기록한 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수에 따라 I 프레임을 복호화하되, 셔플링 횟수가 헤더에 기록된 I 프레임에 대해서만 셔플링 횟수를 I 프레임 헤더에 기록된 값으로 사용한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전송측 보안모듈로 동영상을 암호화하여 통신모듈(1a)을 통해 전송하는 송신 단말(1) 및 통신모듈(2a)를 통해 수신되는 동영상을 수신측 보안모듈로 복호화하는 수신 단말(2)을 포함하여 구성되는 동영상 보안 전송 시스템에 있어서, 전송측 보안모듈 및 수신측 보안모듈을 상기 전송측 보안모듈(10) 및 수신측 보안모듈(20)로 구성한다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 I 프레임만을 암호화하면서, 암호화 소요 시간을 좌우하는 분할 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 I 프레임 이미지의 픽셀수에 따라 가변함으로써, 동영상이 지원하는 화질에 따라 암호화 소요 시간을 탄력적으로 가감하며 운영할 수 있으며, 이에, 송신측의 암호화 소요시간 및 수신측의 복호화 소요시간을 적절하게 조절하며 송수신 보안을 강화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 프레임 레이트 또는 비암호화 프레임(P 프레임 및 B 프레임)의 데이터량에 따라 I 프레임의 이미지 조각 크기 또는 셔플링 횟수를 탄력적으로 재설정 사용함으로써, 복호화 소요시간의 평균은 크게 늘리지 아니하면서 보안을 더욱 강화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 동영상 보안 전송 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 동영상 보안 전송 시스템에 있어서, 전송측 보안모듈(10)에 의해 이루어지는 보안 전송 단계(S100)의 순서도.
도 3은 도 2에 도시한 보안 전송 단계(S100)를 도식적으로 보여주는 도면.
도 4는 셔플링(shuffling)을 반복함에 따라 변동하는 이미지를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 동영상 보안 전송 시스템에 있어서, 수신측 보안모듈(20)에 의해 이루어지는 보안 수신 단계(S200)의 순서도.
본 발명에 따른 동영상 보안 전송 시스템은 I 프레임, P 프레임 및 B 프레임으로 코딩(coding)된 동영상을 송신측에서 I 프레임만을 암호화 I 프레임으로 대치한 후 전송하고, 수신측에서는 수신한 동영상을 I 프레임만을 복호화 I 프레임으로 대치하여 복원하다.
암호화 I 프레임은 I 프레임의 데이터 영역에 있는 이미지를 복수의 이미지 조각으로 분할한 상태에서, 2개의 이미지 조각을 랜덤(random)하게 선택하여 2개 이미지 조각의 위치를 교환하는 셔플링(shuffing)을 소정 횟수 반복하여서, 퍼즐화된 이미지를 갖게 하며, 이에, 암호화 조건인 이미지 조각 크기, 랜덤 시퀀스 및 셔플링 횟수를 모두 알 수 있게 한 수신측에서만 원 이미지를 복원할 수 있게 한다.
나아가, 암호화 소요 시간을 좌우하는 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 I 프레임의 픽셀수에 따라 가변적으로 설정 사용함으로써, 해상도(resolution)가 상이한 동영상에 대해서 암호화 소요 시간의 차이가 나지 않게 하거나 또는 그 차이를 줄일 수 있고, 마찬가지로, 수신측에서도 복호화 소요 시간의 차이가 나지 않게 하거나 또는 그 차이를 줄일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 동영상의 프레임 레이트(frame rate)에 따라 이미지 조각의 크기 및 셔플링 횟수를 재설정 사용할 수 있게 하고, 암호화하지 않는 P 프레임과 B 프레임의 합산 데이터량에 따라서도 셔플링 횟수의 횟수 증가량을 가감함으로써, 정보량이 많은 GOP(Group of Picture)일수록 보안을 강화한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 동영상 보안 전송 시스템의 구성도이다.
도 2는 전송측 보안모듈(10)에 의해 이루어지는 보안 전송 단계(S100)의 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시한 보안 전송 단계(S100)를 도식적으로 보여주는 도면이고, 도 4는 셔플링(shuffling)을 반복함에 따라 변동하는 이미지를 보여주는 도면이다.
도 5는 수신측 보안모듈(20)에 의해 이루어지는 보안 수신 단계(S200)의 순서도이다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 동영상 보안 전송 시스템은 I(Intra) 프레임, P(Predictive) 프레임 및 B(Bi-directionary predictive)으로 구분되는 프레임을 갖도록 코딩된 동영상을 통신모듈(1a)을 통해 전송하는 송신 단말(1) 내에 설치 운용하여서 동영상을 암호화하여 전송하게 하는 전송측 보안모듈(10)과, 송신 단말(1)에서 전송하여 통신 경로(3)를 경유하는 암호화 동영상을 통신모듈(2a)을 통해 수신하는 수신 단말(2) 내에 설치 운용하여서 암호화 동영상을 복호화하여 얻게 하는 수신측 보안모듈(20)을 포함하여 구성된다.
여기서, I 프레임, P 프레임 및 B 프레임은 연속적인 각 프레임이 정지 동영상 이미지로 된 코딩 이전 동영상 데이터에 대해 GOP(Group of Picture) 단위로 압축하여 얻는 프레임으로서, 공지의 압축 코딩 기술에 의해 얻어지므로, 상세한 설명은 생략하고 본 발명의 이해를 위해서 도 3에 도시한 동영상 데이터의 코딩 구조를 참조하며 간략하게 설명한다.
I 프레임은 코딩 이전 GOP에서 취하여 얻는 프레임으로서, 일반 이미지처럼 코딩 이전 프레임 내의 모든 이미지 데이터를 그대로 갖고 있는 독립적인 프레임이고, GOP 내에서 기준 프레임이 된다. 이러한 I 프레임은 정지영상처럼 예를 들어 DCT 변환하여 압축 사용할 수 있다.
P 프레임과 B 프레임은 I 프레임을 참조하여 얻는 모션 벡터라는 변환값을 갖는 프레임으로서, I 프레임에 종속적이다.
구분하여 설명하면, P 프레임은 기준이 되는 I 프레임과의 차이점만을 보충하여 재생할 수 있게 코딩한 프레임으로써, 그 다음에 재생할 P 프레임의 기준이 되기도 한다.
B 프레임은 앞 프레임, 뒷 프레임 또는 앞뒤 프레임 모두를 참조하여 코딩한 프레임으로서, I 프레임과 P 프레임의 사이, 또는 P 프레임과 다음 P 프레임 사이에 배치된다.
또한, I, P, B 프레임은 적어도 프레임 종류를 식별하기 위한 코드를 기록하는 헤더(header)를 갖고 있다.
따라서, I, P, B 프레임 중에 I 프레임이 가장 많은 데이터량을 갖게 되고, 온전한 이미지를 갖고 있어서, 보안을 위해 I 프레임만을 암호화하더라도, I 프레임에 종속적인 P 프레임 및 B 프레임만으로는 동영상 복원이 거의 불가능하다.
이러한 이유로, I, P, B 프레임을 헤더로 구분하여 식별한 후 I 프레임만을 암호화함으로써, 암호화 소요 시간을 단축하고 전송측 보안모듈(10)를 효율적으로 운용할 수 있다. 물론, I, P, B 프레임으로 된 동영상도 헤더를 갖고 있어, 동영상 관련 헤더 정보를 기록할 수 있다.
I 프레임을 암호화하기 위해 송신 단말(1)에 설치 운용하는 전송측 보안모듈(10)은 도 1에 도시한 바와 같이 암호화할 시에 적용할 암호화 조건을 설정하는 암호화 조건 설정부(12) 및 암호화 조건에 따라 동영상의 I 프레임을 암호화하는 암호화부(11)를 포함하여 구성된다.
상기 암호화부(11)는 동영상의 I, P, B 프레임 중에 I 프레임 이미지를 추출하여 복수의 이미지 조각으로 분할한 상태에서, 2개의 이미지 조각을 랜덤하게 선택하여 위치 교환하는 셔플링(shuffling)을 반복함으로써, 이미지 퍼즐화 방식의 암호화 I 프레임 이미지를 생성하고, 이후, 동영상의 I 프레임을 암호화 I 프레임 이미지로 대치하여 얻는 암호화 동영상을 출력한다. 이에, 송신 단말(1)에서 I 프레임을 암호화하고 P 프레임 및 B 프레임은 암호화 이전과 동일하게 한 동영상을 통신모듈(1a)을 통해 전송할 수 있게 한다.
이때, I 프레임 이미지를 퍼즐화 방식으로 암호화하기 위해서는 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 I 프레임 이미지의 픽셀수에 따라 적절한 값으로 정하여야 한다.
또한, 동영상을 실시간 암호화하는 경우를 예로 들어 설명하자면, 동영상의 프레임 레이트(frame rate)가 크면 클수록 단위 시간당 암호화할 I 프레임의 개수가 많아지고, 그만큼, 단위 시간당 암호화 소요시간도 많아지므로, 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 프레임 레이트에 따라 조절하는 것이 좋다.
이러한, I 프레임 이미지 픽셀수 및 프레임 레이트는 동영상 전체에 걸쳐서 동일하게 적용되므로, 전송할 동영상이 정해지만 당해 동영상에 대해서는 변경 없이 사용된다.
또한, I 프레임을 복호화하면, I 프레임에 종속적인 P 프레임 및 B 프레임을 이용하여 해당 I 프레임이 속한 GOP 내의 전체 프레임을 얻을 수 있고, P 프레임 및 B 프레임의 데이터량이 크면 클수록 해당 GOP 내의 전체 프레임이 갖고 있는 정보도 많은 것이 되므로, 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 P 프레임 및 B 프레임의 데이터량에 따라 조절하는 것이 좋다.
이러한 P 프레임 및 B 프레임의 데이터량은 동영상의 각 GOP별로 달라지는 가변적인 값이므로, 이러한 가변적인 값에 맞춰 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 모두 변경하는 것보다는 셔플링 횟수만 변경하는 것이 좋다.
이에, 상기 암호화 조건 설정부(12)는 I 프레임 픽셀수, 프레임 레이트(frame rate), 및 P 프레임과 B 프레임 데이터량을 암호화 여건으로 하여 획득하고 암호화 여건에 따라 암호화 조건을 설정하기 위해서, 동영상 암호화를 시작하기에 앞서서 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 I 프레임 이미지 픽셀수 및 프레임 레이트에 따라 가변적으로 설정하는 초기 설정부(12a)와, 동영상 암호화를 시작하여 동영상에 순차적으로 나타나는 I 프레임을 암호화할 시에 각 I 프레임 별로 적용할 셔플링 횟수를 P 프레임 및 B 프레임의 데이터량에 따라 가변적으로 설정 변경하는 순시 재설정부(12b)를 구비한다.
그리고, 상기 암호화부(11)는 초기 설정부(12a)에 의해 설정된 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 동영상 헤더에 기록하고, 순시 재설정부(12b)에 의해 설정된 셔플링 횟수는 대응되는 I 프레임의 헤더에 기록한다. 즉, I 프레임 별로 적용한 셔플링 횟수는 해당 I 프레임 헤더에 기록함으로써, 해당 I 프레임에 대해서만 재설정한 셔플링 횟수를 사용하였음을 수신측 보안모듈(20)에서 인지할 수 있게 한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 상기 전송측 보안모듈(10)에 대해 보다 상세하게 설명한다.
상기 암호화 조건 설정부(12)의 초기 설정부(12a)는 동영상의 해상도를 나타내는 I 프레임 이미지의 픽셀수와, 1초당 프레임 개수를 나타내는 프레임 레이트(frame rate)를 초기 암호화 여건으로 하여 동영상으로부터 획득한 후(S111), 암호화 조건인 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 초기 설정하는(S112) 초기 암호화 조건 설정 단계(S110)를 동영상 암호화 이전에 미리 수행한다.
이미지 조각의 크기 및 셔플링 횟수는 상호 상관성을 가질 뿐만 아니라, I 프레임의 암호화에 소요되는 시간을 좌우하며, 이에, 암호화 소요 시간을 적정 수준으로 맞추기 위해서 I 프레임 이미지 픽셀수 및 프레임 레이트(frame rate)에 따라 가변적으로 설정하는 것이다.
도 3에 도시한 I 프레임 이미지를 참조하며 설명하면, 동영상에서 추출한 I 프레임 이미지를 a X b 픽셀 크기를 갖는 이미지 조각으로 분할한 후, 2개 이미지 조각을 랜덤하게 선택하여 셔플링하는 과정을 반복할 시에, 셔플링 횟수를 충분히 하여야만 가시적으로 어떤 이미지인지 알아볼 수 없게 하고, 데이터로서 원 이미지 데이터로 복원하기 어렵게 한다.
그런데, 이미지 조각의 크기를 작게 할수록 분할하여 얻는 이미지 조각의 개수는 많아지고, 이미지 조각의 개수가 많아지면 셔플링 횟수도 많아져야 한다.
본 발명의 발명자는 이미지 개수와 적정 셔플링 횟수 사이의 상관관계를 나타내는 아래의 수학식 1의 결과를 확률에 대한 수학적 이론을 이용하여 얻을 수 있었고, 분할 이미지 조각의 개수 N을 달리하며 퍼즐화하여 얻는 이미지로부터 수학식 1의 상관관계를 검증하였다. 그리고, 수학식 1의 결과를 적절하게 가감하여 이미지 조각의 개수가 많을수록 셔플링 횟수를 많아지게 하는 규칙 또는 데이터테이블을 마련함으로써 이미지 크기에 따라 적정 셔플링 횟수를 설정할 수 있었다.
Figure 112017122485475-pat00001
수학식 1에서, k는 적정 셔플링 회수이고, N은 분할 이미지 조각의 개수이고, β는 셔플링 과정을 반복함에 따라 어느 하나의 특정 이미지 조각이 확률적으로 분할 위치에 관계없이 균일 확률로 존재할 수 있는 정상 분포(stationary distribution)로의 수렴도(convergence rate)를 나타낸다.
또한, 암호화부(11)의 구현을 위해 작성하여 본 프로그램의 수행 시간을 보면, 이미지 조각의 크기가 클수록 분할 이미지 조각의 개수는 적어져서, 1회 셔플링에 소요되는 시간은 길어지는 반면에 셔플링 횟수를 줄여도 되었고, 이에 셔플링 횟수의 감소에 따른 시간 절약은 가능하였다.
즉, 이미지 조각 크기에 따른 수행 시간은 증가 요인뿐만 아니라 감소 요인도 있다.
그런데, 분할 이미지 조각 크기를 작게 하여 1회 셔플링의 수행 시간은 상대적으로 짧아지게 하고, 대응되는 셔플링 횟수는 상대적으로 많게 하는 것이 분할 이미지 조각의 크기를 크게 하여 1회 셔플링의 수행 시간은 상대적으로 길어지게 하고, 대응되는 셔플링 횟수는 상대적으로 적게 하는 것보다 퍼즐화(암호화) 소요 시간을 줄일 수 있다.
이는, 상대적으로 큰 분할 이미지 조각을 위치 교환하는 데 필요한 프로그램 코드의 실행이 퍼즐화 소요 시간에 더욱 큰 영향을 주는 것을 의미하며, 본 발명의 발명자가 암호화 프로그램을 작성하여 이미지 조각의 크기를 가변하면서 이미지 조각의 크기에 대해 적절한 셔플링 횟수를 적용하여 암호화 프로그램을 실행시켜 본 결과, 이미지 크기를 작게 할수록 I 프레임 이미지의 퍼즐화, 즉 암호화에 소요되는 시간이 줄어듬을 확인할 수 있었다.
물론, 퍼즐화 프로그램을 작성한 결과, 이미지 조각의 크기를 크게 하여 셔플링 횟수를 줄이는 경우에 암호화 소요 시간을 줄일 수 있다면, 암호화 소요 시간을 줄이기 위해서 이미지 조각의 크기를 키우고, 대신에 이미지 조각의 크기에 대해 상한선을 두면 되지만, 본 발명의 출원인이 확인한 퍼즐화 프로그램에 의하면, 이미지 조각의 크기를 작게 할수록 암호화 소요 시간이 줄어든다.
이에, 본 발명의 실시 예에서는 I 프레임 이미지의 픽셀수가 많을수록 증가하는 암호화(퍼즐화) 소요 시간을 줄이기 위해서, I 프레임의 픽셀수가 많을수록 픽셀수가 적은 이미지 조각의 크기를 갖게 설정하는 규칙 또는 룩업테이블을 마련하여 적용하였다. 규칙에 대한 예를 들면, 분할 이미지 조각의 크기는 I 프레임 픽셀수에 반비례하는 규칙을 이용할 수 있다.
그런데, 분할 이미지 조각의 개수가 지나치게 많으면 그만큼 필요한 의사 난수(pseudo random number)도 지나치게 많아져서, 의사 난수 발생기의 성능 및 동작 시간에 의해 영향을 크게 받는다. 그리고, 이미지 조각의 크기가 너무 크면 퍼즐화 과정을 모르는 상황에서도 역퍼즐화가 가능할 수 있다.
이에, 이미지 조각의 개수에 상한을 두어서 이미지 조각 크기에 대해 최소치를 정하고, 이미지 조각 크기의 최대치는 역퍼즐화의 어려움 정도에 따라 적절하게 정하며, 정한 범위 내에서 이미지 조각의 크기를 설정하도록 규칙 또는 룩업테이블을 결정하는 것이 좋다.
또한, 초기 설정부(12a)는 I 프레임 이미지의 픽셀수에 따라 설정한 이미지 조각의 크기를 프레임 레이트(frame rate)에 따라 변경한다.
예를 들어, 프레임 레이트가 클수록 이미지 조각의 크기를 작게 하는 방식으로 할 수 있으며, 이에 따라, 프레임 레이트가 상이하더라도 암호화 소요 시간의 차이를 줄일 수 있다.
물론, 이미지 조각 크기를 변경하면, 변경한 이미지 조각 크기에 대응되는 분할 이미지 조각의 개수도 변경되므로, 셔플링 횟수도 그에 맞게 변경한다.
한편, 일반적으로 사용하는 동영상에 따르면, I 프레임 이미지의 전체 픽셀수(또는 화소수) 및 프레임 레이트가 한정되어 있으므로, I 프레임 이미지의 전체 픽셀수 및 프레임 레이트에 대응되는 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 룩업테이블로 작성하여 사용하는 방식도 좋다.
이와 같이 설정한 초기 암호화 조건은 동영상의 헤더에 기록하고, 이후 암호화부(11)에 의해서 동영상 암호화가 수행된다.
동영상 암호화는 I 프레임 추출 단계(S120), 암호화 단계(S130) 및 I 프레임 대치 단계(S140)를 동영상의 I 프레임 별로 순차 수행하고, 수행 결과에 따라 암호화한 동영상 데이터를 출력시킨다.
상기 I 프레임 추출 단계(S120)는 도 2,3에 도시한 바와 같이 I 프레임을 추출할 시에, 암호화 조건 설정부(12)의 순시 재설정부(12b)에 의해서 추출 I 프레임에 종속적인 P 프레임 및 B 프레임의 데이터량을 순시 암호화 여건으로 하여 획득한 후(S121), 추출 I 프레임에게만 적용할 셔플링 횟수를 재설정할 수 있다(S122).
이를 위해서, 순시 재설정부(12b)는 추출하는 I 프레임에 종속적인 P 프레임 및 B 프레임의 데이터량을 추출한 후 P 프레임 및 B 프레임의 합산 데이터량을 얻고(S121), 합산 데이터량에 따라 셔플링 횟수를 증가시켜 셔플링 횟수를 재설정한다(S122).
도 3에는 GOP 내의 프레임에 한정하여 압축 인코딩함으로써 I, P, B 프레임을 생성한 closed GOP를 예시하였으므로, 추출한 I 프레임에 이어지면서 GOP 내에 존재하는 P, B 프레임의 데이터량을 추출한다. 그렇지만, open GOP도 지원하게 할 경우에는 추출한 I 프레임 이전에 나타나는 프레임을 포함하도록 범위 조절하며, 다만 open GOP 내에 존재하는 P, B 프레임에 한정하면 된다.
여기서의 셔플링 횟수 재설정은 P, B 프레임의 합산 데이터량이 많을수록 셔플링 횟수의 증가 횟수를 많게 하는 방식으로서, 동상영의 각 GOP에 적응하여 재설정하는 것이라 하겠다.
이는, 상기한 바와 같이 초기 설정부(12a)에 의해 셔플링 횟수를 정하였더라도, P, B 프레임의 데이터량이 크면 클수록 셔플링 횟수의 증가량을 더욱 크게 하여서, I 프레임에 대한 보안을 강화하기 위함이다.
물론, 셔플링 횟수를 직접 조절하였으므로, 설정한 분할 이미지 조각의 크기에 대해서는 수정하지 아니한다.
한편, 셔플링 횟수가 많을수록 암호화 소요 시간이 길어지므로, 셔플링 횟수의 증가 횟수를 미리 정한 상한선을 넘지 아니하도록 제한한다.
또한, 반복적으로 나타나는 GOP 내에서 P, B 프레임 정보량에 적응하며 I 프레임의 암호화시에 셔플링 횟수를 늘리므로, 늘린 횟수만큼 지연 시간(암호화 소요 시간)이 늘어난다. 이에, 상기 초기 설정부(12a)에 의해 설정하는 셔플링 횟수는 셔플링 횟수의 재설정을 감안하여 수학식 1에 따라 정해지는 값보다 약간 낮춰 설정하는 것이 좋다.
상기 암호화 단계(S130)는 도 2에 도시한 바와 같이 추출한 I 프레임을 퍼즐화방식으로 암호화한 퍼즐화 I 프레임을 생성하는 단계로서, 추출한 I 프레임의 데이터 영역에 있는 I 프레임 이미지를 얻어 설정한 이미지 조각 크기에 따라 격자 형태로 분할한 후, 각 이미지 조각에 번호를 매기는 이미지 분할 단계(S131), 매긴 번호를 랜덤하게 선택하여 난수 수열을 생성하되 시이드(seed)를 선정한 후 시이드에 따라 난수 수열이 결정되는 의사 난수 발생기(pseudo random number generator)를 이용하여 셔플링 횟수의 2배수 난수 수열을 생성하는 난수 생성 단계(S132), 난수 수열의 생성 순서에 따라 2개씩 난수를 취하여 2개의 난수 번호가 매겨져 있는 이미지 조각을 위치 교환하는 셔플링(shuffling) 과정을 셔플링 횟수만큼 반복하는 퍼즐화 단계(S133), 및 퍼즐화 단계(S133)에 의해 이미지 퍼즐화 방식으로 얻어지는 암호화 I 프레임 이미지를 I 프레임의 데이터 영역에 넣어 암호화 이전 I 프레임 이미지를 대치하게 하고, 시이드 값 및 셔플링 횟수를 I 프레임의 헤더(header)에 기록함으로써 복호화 시에 사용할 수 있게 하는 암호화 I 프레임 생성 단계(S134)를 포함한다.
여기서, I 프레임의 헤더(header)에 기록하는 시이드 값 및 셔플링 횟수는 수신 단말(2)에 설치한 수신측 보안모듈(20)과의 사전 약속에 따라 암호화한 코드로 기록하는 것이 바람직하다.
이미지 조각 개수를 63개로 설정한 경우를 가정하여 예시적으로 도시한 도 4를 참조하여 상기 퍼즐화 단계(S133)에 대해 설명하면, 암호화 이전 I 프레임 이미지(A)를 63개의 이미지 조각으로 분할한 후 각 이미지 조각에 a01, a02, ..., a63의 순번을 매긴 후 셔플링을 반복 수행한다.
셔플링을 할 시에는 2개 이미지 조각을 랜덤하게 선택한 후 위치 교환하며, 이에 따라 셔플링의 반복 횟수가 증가할수록 원 위치에서 다른 위치로 이동하는 이미지 조각의 개수도 증가한다.
그리고, 매회 셔플링할 때마다 이미지 조각을 랜덤하게 선택하므로, 셔플링을 반복함에 따라 각 이미지 조각 또는 어느 하나의 특정 이미지 조각이 각 분할 위치에 존재할 수 있는 확률 분포는 분할 위치에 관계없이 균일 확률로 존재할 수 있는 정상 분포(stationary distribution)로 수렴(convergence)하게 된다. 이에, 수학식 1의 수렴도를 적절하게 선택하여, 분할 이미지 조각의 개수에 대응되는 적정 셔플링 횟수를 미리 설정함으로써, 적절하게 퍼즐화할 정도로만 셔플링을 반복하게 한다. 물론, 수학식 1을 그대로 적용하는 것보다는 이미지 크기, 분할 개수 등을 상이하게 하며 퍼즐화한 후, 적절한 셔플링 횟수를 갖게 수정 사용하는 것이 좋다.
상기 I 프레임 대치 단계(S140)는 생성한 암호화 I 프레임을 동영상 데이터에 삽입하여 암호화 이전 I 프레임을 대치함으로써, I 프레임을 암호화하고 P와 B 프레임은 비암호화한 상태로 둔 동영상 데이터를 출력되게 한다.
그리고, 동영상 데이터에서 다음 순서의 I 프레임을 암호화하기 위해 상기 I 프레임 추출 단계(S120)로 넘어간다.
이와 같이 송신 단말(1)에 설치 운용하는 전송측 보안모듈(10)에 의해 암호화하여 출력한 동영상은 I 프레임만을 암호화하고, 초기 설정부(12a)에 의해서 설정한 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 동영상 헤더에 기록하고, 순시 재설정부(12b)에 의해서 I 프레임별로 설정한 셔플링 횟수 및 시이드를 I 프레임 헤더에 기록한 동영상으로서, 통신모듈(1a)을 통해 통신망의 통신 경로(3)로 전송되므로, 수신 모듈(2)에 설치 운용하는 수신측 보안모듈(20)에서 동영상 헤더 및 I 프레임 헤더의 기록 정보를 활용하여 암호화 이전 동영상을 얻을 수 있게 한다.
상기 수신측 보안모듈(20)은 통신 경로(3)를 통해 전송되어 통신모듈(2a)로 수신되는 암호화 동영상에서 암호화 조건을 획득하는 암호화 조건 획득부(22), 및 획득한 암호화 조건에 따라 암호화 동영상을 복호화하는 복호화부(21)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 암호화 조건 획득부(22)는 동영상의 수신 초기에 동영상 헤더에 기록된 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 획득하는 초기 조건 획득부(22a)와, 동영상을 수신하면서 순차적으로 나타나는 I 프레임을 선별하여 I 프레임의 헤더에 기록된 시이드 및 셔플링 횟수를 획득하는 순시 조건 획득부(22b)를 포함하여 구성된다.
상기 수신측 보안모듈(20)에 대해서는 도 5에 도시한 보안 수신 단계(S200)를 참조하여 자세히 설명한다.
상기 암호화 조건 획득부(22)의 초기 조건 획득부(22a)는 동영상이 수신되면 수신 초기에 동영상 헤더에 기록되어 있는 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 읽어들여 상기 복호화부(21)에서 복호화할 시에 사용하도록 설정한다(S210).
이후, 상기 복호화부(21)는 동영상에 순차적으로 나타나는 I 프레임에 대해 각각 I 프레임 추출단계(S220), 복호화 단계(S230) 및 I 프레임 대치 단계(S240)를 수행하여서, 암호화 이전 동영상으로 복원한다.
여기서, 상기 I 프레임 추출단계(S220)를 수행할 시에, 상기 암호화 조건 획득부(22)의 순시 조건 획득부(22b)는 추출하는 I 프레임의 헤더에 기록되어 있는 시이드 및 셔플링 횟수를 읽어들여 복호화부(21)에 전달한다. 즉, I 프레임 헤더에 셔플링 횟수가 기록되어 있으면, 초기 조건 획득부(22a)에 의해 설정한 셔플링 횟수를 대신하여 I 프레임 헤더의 셔플링 횟수를 해당 I 프레임에 대해서만 한시적으로 사용하게 함으로써, I 프레임 헤더에 기록된 셔플링 횟수를 우선시하게 한다.
상기 복호화 단계(S230)는 상기 암호화부(11)에 의한 상기 암호화 단계(S130)의 순서를 따르되, 이미지 조각의 자리를 바꾸는 반복적인 셔플링을 역순으로 수행하는 차이가 있다.
상기 복호화 단계(S230)를 구체적으로 설명하면, 추출한 I 프레임 이미지를 설정한 이미지 조각 크기로 분할한 후, 상기 암호화 단계(130)의 이미지 분할 단계(S131)와 동일한 방식으로 각 이미지 조각에 번호를 매기는 이미지 분할 단계(S231), 상기 암호화 단계(S130)의 난수 생성 단계(S132)에서 이용한 의사 난수 발생기와 동일한 의사 난수 발생기를 가동시켜 시이드에 따라 셔플링 횟수의 2배수 난수 수열을 생성함으로써 상기 암호화 단계(S130)의 난수 생성 단계(S132)와 동일한 난수 수열을 생성하는 난수 생성 단계(S232), 난수 수열에서 역순으로서 2개씩 난수를 취하여 2개 난수 번호가 매겨져 있는 이미지 조각을 위치 교환하는 셔플링 과정을 셔플링 횟수만큼 반복함으로써 역퍼즐화한 복호화 I 프레임 이미지를 얻는 역퍼즐화 단계(S233), 복호화 I 프레임 이미지를 I 프레임의 데이터 영역에 넣어 복호화 I 프레임을 얻는 복호화 I 프레임 생성 단계(S234)를 포함한다.
즉, 상기 복호화 단계(S230)는 동영상 헤더에 기록된 이미지 조각 크기로 I 프레임 이미지를 분할함으로써 암호화 단계(S130)와 동일하게 이미지 분할하고, I 프레임의 헤더에 기록된 시이드에 따라 암호화 단계(S130)와 동일한 순서의 의사 난수를 I 프레임별로 발생시킬 수 있다.
또한, 시이드에 따라 생성하는 의사 난수는 동영상 헤더에 기록된 셔플링 횟수의 2배수 길이로 생성하되, 셔플링 횟수를 헤더에 기록한 I 프레임에 대해서만 셔플링 횟수를 I 프레임 헤더에 기록한 값으로 사용하고, 셔플링 횟수를 헤더에 기록하지 아니한 I 프레임에 대해서는 초기 조건 획득부(22a)에 획득한 셔플링 횟수를 사용함으로써, 암호화 단계(S130)의 I 프레임별로 생성한 난수 수열과 동일한 난수 수열을 생성한다.
그리고, 각 I 프레임에 대해서, 암호화 단계(S130)와 동일한 난수 수열을 발생시키지만 난수 수열에서 역순으로 2개씩 의사 난수를 선택하여서, 암호화 단계(S130)에서 실행한 셔플링의 역순으로 셔플링을 반복함으로써, 암호화 이전의 I 프레임을 얻을 수 있다. 즉, 도 4에 도시한 순서의 셔플링을 역순으로 수행함으로써 I 프레임 이미지를 복원할 수 있다.
상기 I 프레임 대치 단계(S240)는 상기 복호화 단계(S230)에서 생성한 복호화 I 프레임으로 암호화 동영상의 I 프레임을 대치하여 동영상을 복원한다.
한편, 이미지 조각 크기만 동영상 헤더에 기록하고, 셔플링 횟수 및 시이드 값은 I 프레임의 헤더에 기록할 수도 있으며, 이 경우, 초기 설정부(12a)에 의한 설정한 셔플링 횟수를 I 프레임의 헤더에 기록하고, 순시 재설정부(12b)에 의해 셔플링 횟수가 재설정되면 I 프레임에 기록한 셔플링 횟수를 재설정 값으로 변경한다.
대안으로, 이미지 조각 크기, 셔플링 횟수 및 시이드 값 모두를 I 프레임의 헤더에 기록하여도 좋다.
다른 대안으로, 이미지 조각 크기, 셔플링 횟수 및 시이드 값을 동영상의 헤더 및 I 프레임의 헤더에 기록하는 것이 아니라, 별도의 데이터 패킷으로 전송하게 하여도 좋다.
다른 한편으로, 하나의 동영상 전체에 대해 시이드 값을 단일로 하는 경우, I 프레임별로 시이드를 기록할 필요가 없고, 초기 시이드 값을 의사 난수 발생기에 입력한 후 연속 생성되는 의사 난수를 I 프레임의 순서에 따라 순차적으로 취하게 한다.
한편, 본 발명에 따른 동영상 보안 전송 시스템은 전송측 보안모듈(10)을 송신 단말(1)에 임베디드(embedded)하고, 수신측 보안모듈(20)을 수신 단말(2)에 임베디드하는 것으로 할 수 있으나, 전송측 보안모듈(10)을 구성요소로 하는 송신 단말(1)과 수신측 보안모듈(20)을 구성요소로 하는 수신 단말(2)로 이루어진 시스템으로도 구성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
1 : 송신 단말 1a : 통신모듈
2 : 수신 단말 2a : 통신모듈
3 : 통신 경로
10 : 전송측 보안모듈
11 : 암호화부
12 : 암호화 조건 설정부
12a : 초기 설정부 12b : 순시 재설정부
20 : 수신측 보안모듈
21 : 복호화부
22 : 암호화 조건 획득부
22a : 초기 조건 획득부 22b : 순시 조건 획득부

Claims (6)

  1. 동영상의 I 프레임을 복수의 이미지 조각으로 분할한 상태에서 2개의 이미지 조각을 랜덤하게 선택하여 위치 교환하는 셔플링(shuffling)의 반복에 의해 암호화 I 프레임을 생성한 후, 동영상의 I 프레임을 암호화 I 프레임으로 대치하는 암호화부(11)와, 암호화부(11)에서 사용할 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수를 포함한 암호화 조건을 I 프레임의 픽셀수 및 동영상의 프레임 레이트(frame rate)에 따라 가변적으로 설정하는 암호화 조건 설정부(12)를 포함하여 구성되며, 동영상을 전송하는 송신 단말(1)에 설치되어서, I 프레임을 암호화한 동영상을 전송하게 하는 전송측 보안모듈(10); 및
    동영상을 수신하는 수신 단말(2)에 설치되어서, 수신하는 동영상의 I 프레임을 암호화 조건의 이미지 조각 크기로 분할한 상태에서 암호화 조건의 셔플링 횟수만큼 역순의 셔플링을 반복하여 복호화 I 프레임을 생성한 후, 수신하는 동영상의 I 프레임을 복호화 I 프레임으로 대치하여 암호화 이전 동영상으로 복원하는 수신측 보안모듈(20);
    을 포함하되,
    상기 암호화 조건 설정부(12)는
    I 프레임의 픽셀수가 많을수록 픽셀수가 적은 이미지 조각의 크기를 갖게 설정하고, 설정한 이미지 조각의 크기에 따른 이미지 조각의 개수가 많을수록 셔플링 횟수를 많아지게 설정하며,
    설정한 이미지 조각의 크기를 프레임 레이트가 클수록 작아지게 재설정하고, 재설정한 이미지 조각의 크기에 대응되는 이미지 조각의 개수에 맞게 셔플링 횟수를 재설정하는
    동영상 보안 전송 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전송측 보안모듈(10)과 수신측 보안모듈(20)은 시이드(seed) 값에 따라 동일 난수를 발생하는 난수 발생기를 사용하고,
    상기 전송측 보안모듈(10)은 2개의 이미지 조각을 셔플링 횟수만큼 랜덤하게 선택하기 위해 적용한 시이드 값을 상기 암호화 조건에 포함시켜 상기 수신측 보안모듈(20)에 전송함으로써, 복호화할 수 있게 하는
    동영상 보안 전송 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전송측 보안모듈(10)은 I 프레임에 종속적인 P 프레임과 B 프레임의 데이터량에 따라 셔플링 횟수를 재설정하여서, I 프레임 별로 셔플링 횟수를 상이하게 할 수 있는
    동영상 보안 전송 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전송측 보안모듈(10)은 P 프레임과 B 프레임의 데이터량에 따라 재설정 하기 이전 셔플링 횟수를 이미지 조각 크기와 함께 동영상의 헤더에 기록하고, P 프레임과 B 프레임의 데이터량에 따라 재설정한 셔플링 횟수를 I 프레임의 헤더로 기록하며,
    상기 수신측 보안모듈(20)은 동영상 헤더에 기록한 이미지 조각 크기 및 셔플링 횟수에 따라 I 프레임을 복호화하되, 셔플링 횟수가 헤더에 기록된 I 프레임에 대해서만 셔플링 횟수를 I 프레임 헤더에 기록된 값으로 사용하는
    동영상 보안 전송 시스템.
  6. 전송측 보안모듈(10)로 동영상을 암호화하여 통신모듈(1a)을 통해 전송하는 송신 단말(1) 및 통신모듈(2a)를 통해 수신되는 동영상을 수신측 보안모듈(20)로 복호화하는 수신 단말(2)을 포함하여 구성되되,
    전송측 보안모듈(10) 및 수신측 보안모듈(20)은 청구항 제1항, 제2항, 제4항 및 제5항 중에 어느 하나의 항에 기재된 전송측 보안모듈(10) 및 수신측 보안모듈(20)로 구성되는 동영상 보안 전송 시스템.
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JP2008118406A (ja) * 2006-11-06 2008-05-22 Dainippon Printing Co Ltd コンテンツ暗号方法、コンテンツ暗号装置及びコンピュータプログラム

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