KR20010104817A - 컬러 이미지 워터마크를 이용한 디지털 오디오 워터마킹방법 및 장치 - Google Patents

컬러 이미지 워터마크를 이용한 디지털 오디오 워터마킹방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

비교적 큰 사이즈의 컬러 이미지가 워터마크로서 오디오 신호 데이터에 삽입된다. 그리고, 이미 워터마크가 삽입되어 있는 오디오 신호 데이터는 원래의 오디오 신호의 음질에 매우 가까운 음질로 재생될 수 있다. 원래의 오디오 데이터는 웨이블렛 변환되기 이전에 컬러 이미지 파일의 행렬 형태에 대응하는 행렬 형태로 재구성되는 반면, 컬러 이미지 파일은 이산 코사인 변환되기 이전에 포맷이 변환된다. 변환된 오디오 신호 데이터 및 재 포맷 변환된 컬러 이미지의 계수들은 역 행렬 재구성되기 전에 조합되고, 이어서 역 웨이블렛 변환되어, 결과적으로 컬러 이미지 워터마크가 삽입된 오디오 신호가 생성된다.

Description

컬러 이미지 워터마크를 이용한 디지털 오디오 워터마킹 방법 및 장치{DIGITAL AUDIO WATERMARKING METHOD AND APPARATUS USING A COLOR IMAGE AS A WATERMARK}
본 발명은 오디오, 비디오, 및 멀티미디어 데이터 등의 데이터를 디지털 워터마킹하는 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 컬러 이미지와 같이 데이터 사이즈가 비교적 큰 워터마크 신호를 디지털 오디오 데이터에 삽입하는 기술에 관련된다.
이미지, 비디오, 멀티미디어 데이터 등의 디지털화된 저작물이 급증함에 따라, 이러한 디지털 저작물의 출처를 용이하게 식별할 수 있는 보안 시스템이 필요하게 되었다. 특히, 녹음된 음악을 디지털 포맷으로 전송하기 위해 인터넷을 사용하는 일이 크게 늘고 있다. 따라서, 콘텐츠 공급자들, 예컨대 상술한 디지털 포맷의 녹음된 음악에 대한 소유권자들에게는, 멀티미디어 데이터에 관한 제어, 관리, 및 그 저작권을 인증하기 위해, 차후에 소프트웨어 및/또는 하드웨어 장치로 검출할 수 있는 소정의 마크를 멀티미디어 데이터에 삽입할 필요가 있게 됨으로써, 식별가능한 데이터를 멀티미디어 데이터에 삽입하는 기술로서 디지털 워터마킹이 개발되었다.
종래에, 오디오 신호를 워터마킹하기 위해 사용된 워터마크 신호는 일련의 코드 부호와 같이 비교적 단순한 신호들이었다. 왜냐하면, 이미지나 비디오에 워터마크 신호를 삽입하는 것과는 달리, 오디오 신호에 큰 워터마크 신호를 삽입하면 원래의 오디오를 감청하는 데 영향을 주었기 때문이다. 더욱이, 종래의 워터마킹 기술에서는 워터마크가 인증없이 제거될 수가 있으므로, 저작권으로 보호받는 저작물의 출처를 추적하는 것이 곤란하게 된다.
본 발명의 목적은, 오디오 신호를 재생할 때 오디오 신호의 품질을 손상시키지 않고도 오디오 신호 데이터에 비교적 큰 컬러 이미지 데이터를 삽입할 수 있는 디지털 오디오 워터마킹 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 워터마킹 삽입 방법은 원래의 오디오 신호와 워터마킹된 버전의 오디오 신호 간의 높은 상관 관계를 제공한다. 이러한 목적은, 삽입될 이미지 파일에 대응하도록 오디오 데이터 구조를 재구성하고, 주파수 영역 변환을 행함으로써 달성된다.
도 1은 본 발명에 따라 워터마크 신호를 오디오 신호 데이터에 삽입하는 프로세스를 도시하는 블럭도.
도 2는 도 1에 도시된 고속 웨이블렛 변환(FWT)기의 프로세스를 도시하는 도면.
도 3은 도 1에 도시된 역 고속 웨이블렛 변환(FWT)기의 프로세스를 도시하는 도면.
도 4는 실험에서 사용된 컬러 이미지 워터마크를 도시하는 도면.
도 5는 원래의 디지털 오디오의 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 6은 본 발명에 따라 워터마크가 삽입된 디지털 오디오의 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 7은 워터마크가 삽입된 디지털 오디오로부터 추출된 컬러 이미지 워터마크를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명에 따라 워터마킹된 오디오 데이터의 배포(distribution) 메커니즘을 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 행렬 구조 재구성기
20 : 웨이블렛 변환기
30 : 컬러 이미지 포맷 변환기
40 : 이산 코사인 변환(DCT)기
50 : 컬러 이미지 정보 추출기
60 : 행렬 계수 조절기
70 : 역 행렬 구조 재구성기
80 : 역 웨이블렛 변환기
도 1을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
원래의 오디오 디지털 데이터를, 차후에 워터마크로서 삽입될 컬러 이미지와 동일한 행렬 포맷으로 재구성하기 위해, 행렬 구조 재구성기(10)가 배치된다. 원래의 오디오 데이터 스트림은 다수의 섹터로 분할된다. 이 때, 각 섹터의 사이즈는 이미지 파일의 크기와 동일하다. 이미지 파일은 간헐적으로 삽입되는 것이 바람직하지만, 오디오 데이터의 모든 섹션에 삽입될 수도 있다. 컬러 이미지 포맷 변환기(30)는 BMP(bitmap)나 JPEG(Joint Photographic Experts Group)과 같은 포맷의 원래의 컬러 워터마크 이미지 파일을 YIQ 포맷으로 변환한다. 여기서, Y는 조도(luminescence)이고, I는 동위상(in-phase) 성분이며, Q는 직각(quadrature) 성분을 나타낸다. 이러한 변환으로, 이후의 단계에서 큰 컬러 이미지를 고속으로 프로세싱하는 것이 가능하게 된다. 본 발명에서는, Y 성분만을 사용한다. 이러한 변환 이후에, 변환된 이미지 파일의 스케일, 사이즈, 컬러 정보, 비트 구조는, 컬러 이미지 정보 추출기(50)에 의해 추출되고, 상술한 바와 같이, 이러한 정보들을 이용하여 원래의 오디오 데이터를 재구성하도록 행렬 구조 재구성기(10)에 제공된다.
재구성된 오디오 데이터 및 YIQ 변환된 이미지 데이터는 각각 웨이블렛 변환기(20) 및 이산 코사인 변환기(40, 이하 DCT기라 함)에 의해 주파수 영역으로 변환된다. 푸리에 변환은 워터마크의 내용을 은닉하기 위해 워터마크를 주파수 영역으로 변환하도록 사용된다. 임펄스형 워터마크가 변환되는 경우에 그 스펙트럼의 계수들은 스펙트럼 전반에 걸쳐 전체에 확산되므로, 일단 워터마크가 목표 데이터에 삽입되면 삽입된 워터마크를 제거하는 것은 어렵게 된다. 그러나, 푸리에 변환 계수들은 복소수이므로, 이 계수들을 목표 데이터에 삽입하는 것은 용이하지 않다. 그러므로, DCT기(40)에서 DCT를 행하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, DCT는 푸리에 변환, 특히 고속 푸리에 변환과 유사하지만 변환된 영역에서 실수인 계수만을 생성하기 때문이다. 종래에, DCT는 신호를 인코딩하는 데 사용되었다. 예를 들어, JPEG 표준에서는 데이터 압축용으로 사용되었다. 기본적으로, DCT는 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.
여기서, s는 N의 원래의 값이고, t는 N의 변환된 값이다. 또한, 계수 c는 다음의 수학식 2와 같이 정의된다.
상술한 2가지 정의를 이용하면, 2차원 DCT는 다음의 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
여기서, N, s, t는 1차원 DCT의 파라메터와 동일한 파라메터를 나타내고, c(i, j)는 다음의 수학식 4와 같이 정의된다.
1차원 및 2차원으로 정의되는 역 DCT는 각각 다음과 같이 정의된다.
재구성된 오디오 데이터를 변환하기 위해, 웨이블렛 변환기(20)에서 웨이블렛 변환이 이용된다. 푸리에 변환이 기저 함수로서 사인 및 코사인 함수를 이용하는 바와 같이, 웨이블렛 변환은 기저 함수로서 웨이블렛을 이용한다. 웨이블렛 변환은 2가지로 분류된다. 그 중 하나는 연속적인 웨이블렛 변환으로서, 푸리에 변환과 유사하게 정의되며 그 정의는 다음과 같다.
확장된 웨이블렛은 높은 스케일로 저주파수 성분을 나타내는 반면, 압축된 웨이블렛은 낮은 스케일로 고주파수 성분을 나타낸다. 따라서, 스케일과 주파수는 반비례의 관계에 있다. 연속적인 웨이블렛 변환에 의해 생성되는 계수는 스케일링과 위치 이동 함수이므로, 연속적인 웨이블렛 변환에 의해 생성되는 계수의 수는 무한하다. 따라서, 스케일링과 위치 이동의 부 집합에 기초하는 이산 웨이블렛 변환이 사용된다. 멱(dyadic)에 따라 스케일링 및 위치 이동을 결정함으로써 보다 효과적인 알고리즘이 제공될 수 있다. 그럼에도 불구하고 여전히, 상당한 양의 연산은 불가피하다. 이러한 결점을 해결하기 위해, 고속 웨이블렛 변환이 제안된다. 고속 웨이블렛 변환 기법은 종래의 2채널 서브밴드 코딩과 피라미드 알고리즘을 채용하고, 역 변환을 위한 필터 뱅크 간의 상호 연결 관계에 기초하는 소위 완전 재구성 직각 대칭 필터(PR-QMF : Perfectly Reconstruction Quadrature Mirror Filter)를 이용하여 비교적 간단하게 구현될 수 있다. 도 2 및 도 3은 각각 고속 웨이블렛 변환 및 역 고속 웨이블렛 변환의 프로세스를 도시하는 도면이다.
상술한 바와 같은 변환 이후에, 워터마크 삽입으로 인해 원래의 오디오가 왜곡되는 것을 최소화하기 위해, 이렇게 생성된 변환된 오디오 데이터 및 이미지의 각 계수들은 행렬 계수 조절기(60)에서 예를 들어 스케일링 인수를 승산함으로써 조정된다. 이러한 조정 후에, 2세트의 계수들은 서로 합산된다. 그 후, 역 행렬 구조 재구성기(70)에서는, 합산된 계수들이 원래의 오디오 데이터의 구조와 동일하도록, 합산된 계수들을 재구성한다. 마지막으로, 재구성된 계수들을 역 웨이블렛 변환기(80)에서 역 웨이블렛 변환하여, 컬러 이미지가 삽입된 오디오 신호 데이터를 생성한다.
도 4는 원래의 오디오 신호의 스펙트럼을 도시하는 도면이고, 도 5는 실험에서 오디오 신호에 삽입될 컬러 이미지를 도시하는 도면이다. 도 6은 본 발명에 따라 컬러 이미지가 삽입된 오디오 신호의 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 이들 도면으로부터 용이하게 알 수 있듯이, 2가지 스펙트럼이 거의 동일하며, 이는 원래의 오디오가 부정적인 영향을 받지 않았다는 것을 의미하는 것이다. 두 신호 간의 상관 관계는 본 기술 분야에서 널리 사용되는 다음의 수학식 8을 이용하여 구해질 수 있다.
실험에 의하면, 98.5%의 상관 관계를 보이고 있는데, 이러한 실험 결과는 95%의 최소 상관 관계보다 우수한 것이다. 왜냐하면, 본 발명은 비교적 큰 이미지 파일을 삽입하면서도 원래의 오디오 파일의 왜곡을 감소시킬 수 있기 때문이다. 더욱이, 추출된 워터마크는 원래의 워터마크 이미지와 75% 이상의 상관 관계를 갖는다. 도 7은 워터마크가 삽입된 신호로부터 추출된 이후의 도 5의 워터마크를 도시하는 도면이다. 추출된 워터마크는 원래의 워터마크로서 쉽게 알아볼 수 있다.
도 8은 본 발명이 이용되는 환경들 중 하나를 도시하는 도면이다. 도 1을 참조하여 상술한 바와 같이, 워터마킹기(100)로부터 생성된 워터마킹된 오디오는, 주문형(on-demand) 서버(400)를 통해 원격지의 컴퓨터들(600)로 온-라인 배포/다운로드를 하기 위해 데이터베이스(200)에 저장될 수 있다. 이를 위해서는, 이와 같은 주문형 서버가 예를 들어 B-ISDN 또는 ATM-LAN과 같은 고속 통신 네트워크로 형성된 통신 네트워크에 접속되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 통신 네트워크는인터넷(500)과 같은 개방형 네트워크이거나, 퍼스널 컴퓨터 통신 등의 전용 회선을 사용하는 네트워크이다. 따라서, 원격 컴퓨터나 단말기를 사용하여, 데이터베이스에 저장된 워터마킹된 오디오를 제공하는 서버에 접속하는 것이 가능하다. 추출된 워터마크가 진짜(genuine)인 지를 검증하기 위해, 인증된 개인이 다운로드할 수 있도록 워터마크 자체는 또 다른 데이터베이스(300)에 저장될 수 있다.
또한, 본 발명은, 최근 그 중요성을 깨닫고 넓게 인식되어 있으며, 디지털 이미지를 검증하고 보호할 목적으로 메모리에 저장되어 보전된 디지털 이미지를 검증 및 보호하는 단계를 포함하는 디지털 이미지 검증 및 보호의 분야에 사용될 수 있다.
본 발명은 디지털 오디오/이미지가 변조되었는 지를 판단하는 것에 관련된다. 본 발명의 기술에서는, 정보/워터마크가 원래의 오디오/멀티미디어 데이터에 "새겨져 있다(stamping)". 이러한 스탬핑 기술은 청각적/시각적 인위물이 원래의 데이터에 영향을 끼치지 않는다.
워터마크 신호를 이산 코사인 변환하고 원래의 오디오 데이터를 웨이블렛 변환함으로써 컬러 이미지 워터마크 데이터를 삽입하기 위한 방법 및 시스템을 기술고 예시하였지만, 본 기술 분야의 숙련자라면, 첨부된 특허 청구 범위의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 원리 및 교시로부터 벗어나지 않으면서도 본 발명을 변경하거나 변형하는 것이 가능하다는 것은 명백할 것이다.
오디오 신호를 재생할 때 오디오 신호의 품질을 손상시키지 않고도 오디오신호 데이터에 비교적 큰 컬러 이미지 데이터를 삽입하는 본 발명에 의하면, 워터마크 신호로서 일반적인 컬러 이미지를 사용하고, 워터마크 삽입으로 인한 원래의 데이터의 왜곡이 거의 없으며, 개인 사용자가 원하는 특정한 컬러 이미지를 자유롭게 삽입할 수 있고, 상관도 분석에 의한 수치적 방법이 아니라 직접적으로 이미지를 확인할 수 있으며, 포맷이 서로 다른 멀티미디어 데이터의 혼합 및 분리가 가능하다.

Claims (12)

  1. 오디오 데이터에 컬러 이미지 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    상기 컬러 이미지 워터마크 데이터를 제1 모드로부터 제2 모드로 변환시키는 단계,
    상기 오디오 데이터를, 상기 제2 모드로 변환된 상기 컬러 이미지 워터마크 데이터의 행렬에 대응하는 행렬로 재구성하는 단계,
    상기 재구성된 오디오 데이터를 주파수 영역으로 웨이블렛 변환하여 제1 스펙트럼 계수를 생성하는 단계,
    상기 제2 모드의 상기 컬러 이미지 데이터를 주파수 영역으로 이산 코사인 변환하여 제2 스펙트럼 계수를 생성하는 단계,
    상기 제1 및 제2 스펙트럼 계수를 조합하는 단계, 및
    상기 조합된 계수를 변환하여 상기 컬러 이미지 워터마크가 삽입된 오디오 데이터를 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 이미지 워터마크 데이터에 관한 정보를 획득하는 단계, 및
    상기 재구성 단계에서 상기 정보를 이용하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 정보는 하나 이상의 상기 이미지 사이즈, 픽셀 당 컬러의 수, 및 비트 어레이 구조를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 조합된 계수를 변환하여 상기 컬러 이미지가 삽입된 오디오 데이터를 생성하는 상기 단계는,
    상기 조합된 계수들을 상기 오디오 데이터의 원래의 데이터 구조로 역으로 재구성하는 단계, 및
    상기 재구성된 조합된 계수들을 역 웨이블렛 변환하여 워터마크가 삽입된 오디오 데이터를 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 모드는 RGB 모드이고, 상기 제2 모드는 YIQ 모드이며, 여기서 R, G, 및 B는 각각 픽셀의 적, 녹, 및 청 성분을 나타내고, Y, I, 및 Q는 각각 픽셀의 조도(luminescence), 동위상(in-phase), 및 직각(quadrature) 성분을 나타내는 방법.
  6. 오디오 데이터에 컬러 이미지 워터마크를 삽입하기 위한 디지털 워터마킹 장치에 있어서,
    상기 컬러 이미지 워터마크 데이터를 제1 모드로부터 제2 모드로 변환하기위한 수단,
    상기 오디오 데이터를, 상기 제2 모드로 변환된 상기 컬러 이미지 워터마크 데이터의 행렬에 대응하는 행렬로 재구성하기 위한 수단,
    상기 재구성된 오디오 데이터를 주파수 영역으로 웨이블렛 변환하여 제1 계수를 생성하기 위한 수단,
    상기 제2 모드의 상기 컬러 이미지 데이터를 이산 코사인 변환하여 제2 계수를 생성하기 위한 수단,
    상기 제1 및 제2 계수를 조합하기 위한 수단, 및
    상기 조합된 계수를 변환하여 상기 컬러 이미지 워터마크가 삽입된 오디오 데이터를 생성하기 위한 수단
    을 포함하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 컬러 이미지 워터마크 데이터에 관한 정보를 획득하기 위한 수단, 및
    상기 재구성하기 위한 수단에서 상기 정보를 이용하기 위한 수단
    을 더 포함하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 정보는 하나 이상의 상기 이미지 사이즈, 픽셀 당 컬러의 수, 및 비트 어레이 구조를 포함하는 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 조합된 계수를 변환하여 상기 컬러 이미지가 삽입된 오디오 데이터를 생성하기 위한 상기 수단은,
    상기 조합된 계수들을 상기 오디오 데이터의 원래의 데이터 구조로 역으로 재구성하기 위한 수단, 및
    상기 재구성된 조합된 계수들을 역 웨이블렛 변환하여 워터마크가 삽입된 오디오 데이터를 생성하기 위한 수단
    을 포함하는 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 제1 모드는 RGB 모드이고, 상기 제2 모드는 YIQ 모드이며, 여기서 R, G, 및 B는 각각 픽셀의 적, 녹, 및 청 성분을 나타내고, Y, I, 및 Q는 각각 픽셀의 조도(luminescence), 동위상(in-phase), 및 직각(quadrature) 성분을 나타내는 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 워터마크가 삽입된 오디오 데이터 및 상기 컬러 이미지 워터마크를 저장하기 위한 저장 수단
    을 더 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 저장 수단에 저장된 상기 워터마크가 삽입된 오디오 데이터를 통신 네트워크에 연결된 원격 단말기로 통신하기 위해 상기 통신 네트워크에 접속된 서버
    를 더 포함하는 장치.
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