KR19990052568A

KR19990052568A - 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 및 복호화 방법

Info

Publication number: KR19990052568A
Application number: KR1019970072061A
Authority: KR
Inventors: 한종욱; 박춘식
Original assignee: 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1999-07-15

Abstract

본 발명은 스펙클(speckle) 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 및 복호화 방법에 관한 것이다.

종래에는 홀로그램에 저장되는 원영상을 랜덤한 위상 마스크를 사용하여 암호화하고, 암호화 과정에 사용하였던 동일한 위상 마스크를 이용하여 원래의 입력 영상을 통과한 광 신호를 생성하므로써 영상을 복호화하였다. 그러나 이 경우 홀로그램이 갖는 부분 입력에 대한 연상 복원 능력으로 인하여 암호화 과정시 사용하였던 위상 마스크의 부분 위상 값을 입력하게 된다면, 원래의 입력 영상 광 신호의 추출이 가능하게 되어 정보 보호의 안정성이 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는, 스펙클 이론을 기반으로 원래의 영상에 랜덤한 영상을 더하는 방법으로 암호화 과정을 수행하고, 암호화 과정시 사용하였던 동일한 랜덤한 영상을 암호화된 영상으로부터 뺌으로써 복호화를 수행하며, 이중 노출 방법을 이용하여 암호화 및 복호화 홀로그램을 생성하므로써, 홀로그램 메모리로 구성되는 메모리 유니트의 보호 및 3차원 TV에서의 정보를 효과적으로 보호할 수 있는 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 및 복호화 방법이 제시된다.

Description

스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 및 복호화 방법

본 발명은 스펙클(speckle) 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 및 복호화 방법에 관한 것으로, 특히 광학적인 암호화 및 복호화 광정의 수행시 스펙클 이론을 이용하여 두 영상을 광학적으로 더하고 빼며, 이중 노출 방법을 이용하여 암호화 및 복호화 홀로그램을 생성하는 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 및 복호화 방법에 관한 것이다.

현대가 점점 정보화 사회로 되어감에 따라 개인 정보 등에 대한 중요성이 더욱 요구 되므로 여권, 신용카드등 개인 인증등에 필요한 영상 암호화 기술이 점점 더 필요해지고 있다. 2차원 영상은 1차원 신호에 비하여 정보의 양이 훨씬 방대하고 또한 사람의 눈에 의하여 직관적으로 어느정도 정보의 해석이 가능한 특징을 지니므로 1차원 신호 처리 기술과는 다른 처리 기술이 요구된다. 그러므로 2차원 영상의 암호화 방법도 기존의 1차원 암호화 방법과는 달리 처리 속도 및 정보 양 측면에서 2차원 정보 그대로 처리하는 것이 훨씬 효율적이라고 할 수 있다. 그러므로 이러한 2차원적인 처리를 기반으로 하여 2차원 영상의 암호화 방법이 사용되고 있다.

도 1은 종래의 홀로그램용 영상 암호화 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도로서, 홀로그램에 저장 되는 원영상을 랜덤한 위상 마스크(12)를 사용하여 암호화하는 방법을 보여준다. 즉, 홀로그램 필름(13)에 입력 영상(11)을 통과한 광 신호와 기준 광 신호가 동시에 입사되어 간섭이 발생되고 이 간섭 무늬가 홀로그램 필름(13)에 기록이 된다. 이때, 기준 광 신호는 랜덤한 위상 마스크(12)를 통과하여 랜덤한 위상 값을 갖는 광 신호 형태로 변화하게 되므로, 홀로그램 필름(13)에는 입력 영상(11)을 통과한 광 신호와 랜덤 위상 마스크(12)의 위상 값을 갖는 광 신호간의 간섭 무늬로 홀로그램이 생성된다. 홀로그램의 특성에 의하여 홀로그램 작성시 사용되었던 영상 광 신호가 입력되면 위상 마스크(12)의 위상 값을 갖는 광 신호가 생성되고, 마찬가지로 위상 마스크(12)를 통과한 광 신호가 홀로그램에 입사되면 저장되어 있던 입력 영상(11)이 재생되게 된다. 따라서 홀로그램은 기준 광 신호와 영상 광 신호의 간섭으로 생성되어 두 광 신호중 하나의 광 신호가 홀로그램에 입력이 되면 나머지 광 신호가 재생이 되므로, 광정보 처리 분야에서 2차원 영상의 저장 매체로 많이 응용이 되고 있으며 차세대 3차원 메모리로서 관심을 받고 있다. 즉, 이 방법에서는 기준 광 신호가 랜덤 마스크를 통하여 홀로그램 필름(13)에 입력이 되고 있는데, 영상 복원시 홀로그램 작성시 사용하였던 위상 마스크(12)와 다른 마스크를 사용하게 된다면 원래의 입력 영상(11)의 복원이 이루어지지 않게 되므로 위상 마스크(12)가 암호화용 키 마스크 역할을 하는 것이다.

도 2는 종래의 홀로그램용 영상 복호화 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도로서, 암호화 과정인 홀로그램 작성시 사용하였던 동일한 위상 마스크(21)를 이용하여 원래의 입력 영상을 통과한 광 신호를 생성하는 것이다. 이때 위상 마스크(21)를 통과한 광 신호가 홀로그램 필름(22)에 기록되므로써 재생된 입력 영상은 홀로그램 작성시 입력 영상이 위치하였던 홀로그램 반대면에 생성되며, 이 영상은 원래의 입력 영상의 허상이 된다. 복호화시 사용하였던 위상 마스크(21)는 복호화용 키 마스크가 되며 암호화용 키 마스크와 동일해야만 한다.

이와 같은 방법에서, 홀로그램용 암호화 및 복호화 장치의 안전성은 위상 마스크(21)의 랜덤성에 의존하게 되며, 위상 마스크(21)의 해상도로 볼 때 기존의 디지털 방식에 의한 암호화 장치에 비하여 안전한 방법이라고 할 수 있다. 그러나 홀로그램의 연상 메모리 특성상 암호화시 사용하였던 기준 광 신호와 비슷한 광 신호가 입력되게 되면 원래의 광 신호의 일부가 재생이 될 수가 있으므로 실제 사용시 문제가 될 수 있는 단점을 갖고 있다. 즉, 위상 마스크(21)는 고 해상도의 2차원 형태로 구성되므로 많은 경우의 수가 가능하지만 홀로그램이 갖고 있는 부분 입력에 대한 연상 복원 능력으로 인하여 암호화 과정시 사용하였던 위상 마스크(21)의 부분 위상 값을 입력하게 된다면 원래의 입력 영상 광 신호의 추측이 가능하게 된다. 또한 일부분의 기준 영상 광 신호로 일부분의 입력 영상을 추출한 후 다시 추출한 입력 영상을 홀로그램에 입력을 하게 되면 다시 처음에 사용하였던 일부분의 기준 영상 광신호보다 더 많은 원래 기준 영상에 관련된 정보를 갖게 되는 기준 영상 광 신호를 얻을 수 있다. 그러므로 출력으로 얻게된 기준 영상 광 신호를 홀로그램에 입력하게 되면 좀 더 원래 입력 영상에 가까운 입력 영상 광 신호를 얻게 된다. 이와 같이 반복적으로 입력 영상 광 신호와 기준 영상 광 신호를 암호화된 홀로그램에 입력하게 되면 원래의 근접한 입력 영상을 얻을 수가 있게된다. 즉, 종래의 홀로그램 암호화 방법은 홀로그램이 갖는 연상 메모리 특성에 의하여 암호화 키 정보가 되는 기준 영상에 대한 일부분의 정보만 갖고 있으면, 원래의 입력 영상과 근접한 영상 광 신호를 얻을 수 있게 되므로 정보의 안정성을 보장할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 스펙클 이론을 기반으로 원래의 영상에 랜덤한 영상을 더하는 방법으로 암호화 과정을 수행하고, 암호화 과정시 사용하였던 동일한 랜덤한 영상을 암호화된 영상으로부터 뺌으로써 복호화를 수행하며, 이중 노출 방법을 이용하여 암호화 및 복호화 홀로그램을 생성하므로써, 홀로그램 메모리로 구성되는 메모리 유니트의 보호 및 3차원 TV에서의 정보를 효과적으로 보호할 수 있는 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 및 복호화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 방법은 스펙클 패턴을 통과하여 원 입력 영상을 거친 광 신호와 기준 광 신호와의 간섭 무늬를 홀로그램 필름에 기록하는 단계와, 스펙클 패턴을 통과하여 랜덤 영상을 거친 광 신호와 기준 광 신호와의 간섭 무늬를 홀로그램 필름에 기록하여 암호화된 홀로그램을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 복호화 방법은 암호화용 홀로그램에 홀로그램 작성시 사용되었던 제 1 기준 광 신호를 인가하여 암호화된 중첩 영상을 생성하는 단계와, 상기 암호화된 중첩 영상을 제 1 기준 광신호와 동일한 제 2 기준 광 신호와 간섭하여 홀로그램 필름에 기록하는 단계와, 암호화 과정에서 사용하였던 것과 동일한 스펙클 패턴과 랜덤 영상 및 기준 광신호를 사용하여 상기 홀로그램 필름에 재기록하여 상기 랜덤 영상을 제거하므로써 복호화된 홀로그램을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 홀로그램용 영상 암호화 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도.

도 2는 종래의 홀로그램용 영상 복호화 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도.

도 3은 스펙클을 이용한 영상 덧셈 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도.

도 4은 본 발명에 따른 홀로그램용 영상 암호화 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도.

도 5는 본 발명에 따른 홀로그램용 영상 복호화 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도.

도 6은 본 발명에 따라 복호화된 영상의 검출 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

41 : 스펙클 패턴 42 : 스펙클 패턴을 통과한 광 신호

43A : 원 입력 영상 43 B : 랜덤 영상

44 : 기준 광 신호 45 : 홀로그램 필름

51 : 홀로그램 52 : 제 1 기준 광 신호

53 : 중첩 영상 54 : 제 2 기준 광 신호

55 : 홀로그램 필름 56 : 스펙클 패턴

57 : 스펙클 패턴을 통과한 광 신호

58 : 랜덤한 영상

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 스펙클을 이용한 영상 덧셈 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도이다. 스펙클이란 미소한 요철이 있는 표면에 레이저광과 같은 코히어런트(coherent)한 빛을 대면 산한된 빛이 간섭하여 반검성의 모양이 나타나는 형상을 말한다. 본 발명은 스펙클 현상을 이용하여 홀로그램에 두 영상을 더하여 저장하므로써 암호화하고 복호화시에는 뺄셈을 수행하여 복호화하는 방법으로, 저장되는 두 영상 중 하나는 암호화하고자 하는 입력 영상이며 나머지 하나의 영상은 암호화용 키 데이터에 해당하는 랜덤한 영상이다.

산란판(31)은 랜덤한 위상 마스크로서 투명한 매질로 이루어져 있으며 입사되는 광 신호의 위상 값을 변조시키는 역할을 한다. 산란판(31)을 통과한 광 신호는 사진 필름(33)앞에 접착시켜 놓은 물체(32)를 통과하여 물체(32)의 정보를 필름(33)에 기록하게 되는데, 이때 필름(33)에는 물체(32)와 스펙클 패턴이 함께 기록되게 된다. 영상의 더하기를 위해서 처음에는 A라는 물체(32A)를 필름(33)위에 놓고 기록을 한 후 그 다음에는 물체 A(32A) 대신에 물체 B(32B)를 놓고 이중 노출로 기록을 하게 된다. 이때 물체 B(32B)를 기록할 때는 B의 위치를 A의 위치에 대하여 δn 만큼 y축으로 이동시킨 후 기록하게 된다. 이와 같이 이중 노출로 물체 A, B(32A 및 32B)를 기록한 결과로, 필름(33)에는 두 가지 스펙클 패턴이 중첩되어 나타난다. 이 필름(33)을 현상하면 패어링(Paring)이 이루어진 상을 얻을 수 있게 되는데. 물체 A, B(32A 및 32B)에서 한 물체에만 존재하는 상은 패어링(Paring)이 일어나지 않게 된다. 물체 A, B(32A 및 32B)를 기록한 필름(33)은 다시 영상 빼기 과정을 수행하기 위하여 퓨리에 과정에 사용된다

영상 더하기 과정을 수식을 이용하여 설명하면 다음과 같다. 즉, 두 물체 A, B(32A 및 32B)가 스펙클 패턴 G에 의하여 변조가 된다고 하고, 물체 B(32B)는 이중 노출 과정에서 y축을 중심으로 y₀만큼 간격을 두고 이동시켜 기록된다고 하면 전체 광 신호의 세기는 다음의 [수학식 1]과 같다.

t(x,y) = [a(x,y)g(x,y)] * δ(x,y+y₀/2) + [b(x,y)g(x,y)] * δ(x,y-y₀/2)

[수학식 1]은 다시 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.

t(x,y) = [a(x,y)g(x,y)] * [δ(x,y+y₀/2) + δ(x,y-y₀/2)]

-[d(x,y)g(x,y)] * δ(x,y-y₀/2)

여기에서, d(x,y) = a(x,y) - b(x,y)로서 두 영상 a(x,y)와 b(x,y)간의 차를 나타내는 영상이며, g(x,y)는 스펙클 패턴을 의미한다. *는 컨벌류션(Convolution)을 의미하며 δ(·)는 델타 함수이다.

t(x,y)가 광학적으로 퓨리에 변환이 되면 [수학식 2]는 [수학식 3]과 같이 된다.

T(u,v) = 2[A(u,v)*G(u,v)]cos(πvy₀/λ)-[D(u,v)*G(u,v)]exp{-i(πvy₀/λ)}

여기에서, (u,v)는 퓨리에 평면에서의 좌표계이며, λ는 광 신호의 파장이다. [수학식 3]의 첫번째 항은 스펙클 패턴의 이동으로 인한 cos(πvy₀/λ)에 의하여 변조된 영(Young)의 프린지(Fringe)항이며, 두개의 연속된 밝고 어두운 프린지 간격은 λ/y₀이 된다. 따라서 영(Young)의 프린지에 일치하는 슬릿을 갖는 스크린을 퓨리에 렌즈 초점면에 위치시켜 필터링을 하게 되면 첫번째항은 제거되고 두번째 항만이 추출되게 된다. 그러므로 필터링된 출력 패턴을 광학적으로 퓨리에 변환하므로써 영상간의 차가 구해지게 된다. 만일 스펙클 패턴이 영상 평면에서 충분히 세밀하게 정의가 된다면 영상간의 차인 D(u,v)가 필터링에 의하여 완전하게 추출이 가능해지므로 본 발명에서 이용하고자 하는 영상간의 뺄셈 과정은 스펙클 패턴을 이용하여 수행할 수가 있게 된다. 본 발명에서는 이와같은 스펙클 패턴을 이용하여 홀로그램에 2개의 영상을 중첩 저장하고 다시 한 영상을 제거하는 방법으로 홀로그램용 암호화 및 복호화 방법을 사용하였다.

도 4은 본 발명에 따른 홀로그램용 영상 암호화 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도이다.

홀로그램 필름에 원 입력 영상(43A)와 랜덤 영상(43B)를 중첩하여 기록하여야 하며, 이때 입력 영상 광 신호는 스펙클 패턴(41)을 통과한 광 신호(42)를 사용한다. 기준 영상은 변조 과정이 필요없이 일반적인 홀로그램 작성시 사용하는 것과 동일한 평면파 등을 사용한다. 먼저, 스펙클 패턴(41)을 통과한 입력 영상 광 신호(42)가 원 입력 영상(43A)를 거쳐 기준 광 신호(44)와 함께 홀로그램 필름(45)에 간섭 무늬로 기록이 된다. 그 후 랜덤 영상(43B)도 동일한 방법으로 스펙클 패턴(41)을 통과한 광 신호(42)와 기준 광 신호(44)와의 간섭 무늬를 기록하게 되며 결과적으로 최종 홀로그램은 암호화된 홀로그램이 된다. 이때 원 입력 영상(43A) 및 랜덤 영상(43B)은 홀로그램 필름(45)에 이중 노출 방법으로 중첩되어 기록되게 된다. 랜덤 영상(43B)은 랜덤한 영상이 사용되므로, 홀로그램 제작시 사용하였던 기준 광 신호(44)를 입력하게 되면 원 입력 영상(43A)과 랜덤 영상(43B)이 겹쳐서 나타나게 되며, 이에 따라 원 입력 영상(43A)을 추측하기가 어려워지게 된다. 즉, 랜덤 영상(43B)에 의하여 원 입력 영상(43A)이 암호화되므로, 랜덤 영상(43B)에 대한 정보를 갖고 있지 못하면 원 입력 영상(43A)을 추출할 수 없게 되는 것이다.

홀로그램은 물체의 세기 정보뿐만 아니라 위상 정보도 포함하고 있으므로 중첩되어 저장된 원 입력 영상(43A)과 랜덤 영상(43B)은 광학적으로 분리가 가능하다. 그러나 현재 존재하는 CCD 카메라와 같은 광 검출 소자는 위상 정보를 검출할 수 없으므로 디지털적으로 두 물체를 분리하는 것은 어렵다. 본 발명에서는 두 영상의 분리를 위해서 스펙클 패턴을 이용한 방법을 사용하였다. 암호화 홀로그램 제작시 스펙클 패턴을 통과한 광 신호를 사용하였으므로 복호화시에 동일한 스펙클 패턴을 사용하면 원하는 영상을 제거할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 홀로그램용 영상 복호화 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도이다.

먼저, 암호화용 홀로그램(51)에 홀로그램 작성시 사용되었던 제 1 기준 광 신호(52)를 인가하여 암호화된 중첩 영상(53)을 생성한 후 이 영상을 제 1 기준 광신호와 동일한 제 2 기준 광 신호(54)와 간섭하여 홀로그램 필름(55)에 기록한다. 그 후, 암호화 과정에서 사용하였던 동일한 스펙클 패턴(56)과 랜덤한 영상(58)을 사용하여 다시 한번 홀로그램 필름(55)에 기록한다. 이때 스펙클 패턴(56)은 암호화 과정시 위치하였던 좌표에 대해서 일정 방향으로 d 만큼 이동시킨 후 사용한다. 이와같은 이중 노출 방법으로 암호화된 중첩 영상(53)과 암호화 과정에서 사용하였던 랜덤 영상을 하나의 홀로그램에 기록하면 스펙클 패턴(56)에 의하여 홀로그램(55)에는 패어링(Paring) 현상이 발생하게 된다.

도 6은 본 발명에 따라 복호화된 영상의 검출 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도로서, 도 5에서 생성된 복호화용 홀로그램으로부터 원래의 영상을 추출하는 과정을 나타낸 것이다.

복호화용 홀로그램(61)에 기준 광 신호(62)를 인가하면 저장되었던 중첩 영상이 생성되게 된다. [수학식 3]과 같이 암호화된 영상인 원래의 영상, 암호화 키인 랜덤 영상의 중첩 영상 및 도 5에서 새로이 저장하였던 암호화 키와 동일한 복호화 키인 랜덤 영상이 서로 중첩되어 출력된다. 이때, 암호화 과정과 복호화용 홀로그램 제작시 사용되었던 랜덤 영상이 동일한 영상이기 때문에 패어어링(paring)이 발생하며, 이 영상을 퓨리에 변환 렌즈(63)를 통하여 변환을 시킨 후, [수학식 3]에 설명한 바와 같이 필터(64)에 의하여 필터링을 하면 동일한 영상은 제거가 되고 오직 원래의 영상 정보만 남게 된다. 이후, 다시 퓨리에 변환 렌즈(65)를 통하여 변환을 하면 원래 저장하였던 최초의 영상이 복원되게 되는 것이다.

이상과 같은 홀로그램용 암호화 및 복호화 장치는 디지털적으로도 실현이 가능하다. 홀로그램은 CGH(Computer Generated Hologram)라는 방법에 의하여 제작이 가능하므로 스펙클 패턴을 포함한 영상의 더하기 및 빼기 과정이 모두 프로그램에 의하여 수행이 될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다. 첫째, 2차원 영상의 사용이 점점 많아지는 현대에 있어 대용량의 메모리 장치의 사용은 필수적이므로 이러한 장치에 본 발명에 의한 암호화 개념을 도입하여 데이터를 암호화 및 복호화하므로써 불법적인 메모리 장치의 탈취시에도 암호화 키를 알지 못하면 메모리 내의 데이터를 전혀 알 수 없게 되므로 매우 안전한 메모리 장치를 구현할 수 있다. 둘째, 홀로그램을 이용한 3차원 TV와 같이 필요에 따라 허가된 사람만 시청하게 하는 방법이 필요한 영상매체의 정보 전송에 있어서 안전성을 확보할 수 있다.

Claims

스펙클 패턴을 통과하여 원 입력 영상을 거친 광 신호와 기준 광 신호와의 간섭 무늬를 홀로그램 필름에 기록하는 단계와,

스펙클 패턴을 통과하여 랜덤 영상을 거친 광 신호와 기준 광 신호와의 간섭 무늬를 홀로그램 필름에 기록하여 암호화된 홀로그램을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 원 입력 영상 및 랜덤 영상은 이중 노출 방법을 이용하여 홀로그램 필름에 중첩되어 기록되는 것을 특징으로 하는 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 암호화 방법.
암호화용 홀로그램에 홀로그램 작성시 사용되었던 제 1 기준 광 신호를 인가하여 암호화된 중첩 영상을 생성하는 단계와,

상기 암호화된 중첩 영상을 상기 제 1 기준 광신호와 동일한 제 2 기준 광 신호와 간섭하여 홀로그램 필름에 기록하는 단계와,

암호화 과정에서 사용하였던 것과 동일한 스펙클 패턴과 랜덤 영상 및 기준 광신호를 사용하여 상기 홀로그램 필름에 재기록하여 상기 랜덤 영상을 제거하므로써 복호화된 홀로그램을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 복호화 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 스펙클 패턴은 암호화 과정시 위치하였던 좌표에 대해서 일정 방향으로 소정거리 이동시킨 후 사용하는 것을 특징으로 하는 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 복호화 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 원 입력 영상 및 랜덤 영상은 이중 노출 방법을 이용하여 홀로그램 필름에 기록되는 것을 특징으로 하는 스펙클 패턴을 이용한 홀로그램용 영상 복호화 방법.