KR20010106815A - 정지 영상 및 동화상 워터마킹 방법 및 장치 - Google Patents

정지 영상 및 동화상 워터마킹 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정지 영상 및 동화상 워터마킹에 관한 것으로 특히 워터마크 삽입 후에도 화질저하를 방지하기에 적당하도록 한 정지 영상 및 동화상 워터마킹 방법 및 장치에 관한 것이다. 이와 같은 정지 영상 워터마킹 방법은 정지영상을 여러 개의 영상 블록으로 나눈 다음 상기 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 이산 코사인 변환을 수행하여 상기 여러 개의 영상 블록 각각의 이산 코사인 변환(DCT)계수를 구하는 단계, 상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 제이페그(JPEG) 양자화 테이블의 역함수를 사용하여 주파수 감도를 구하고, 휘도 감도와 콘트라스트 감도를 구한 후, 엔트로피 마스킹 모델을 이용하여 상기 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 구하는 단계와, 상기 워터마킹 계수의 최대 범위를 구한 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 한계 정규 분포에서 구한 난수를 곱하여 워터마킹이 추가된 영상을 생성하는 단계와, 상기 워터마킹이 추가된 여러 개의 영상블록을 역이산 코사인 변환하여 워터마킹이 추가된 정지영상을 생성하는 단계로 이루어진다.

Description

정지 영상 및 동화상 워터마킹 방법 및 장치{Watermarking method and apparatus in still picture with moving picture}
본 발명은 정지 영상 및 동화상 워터마킹에 관한 것으로서, 특히 워터마크 삽입 후에도 화질저하를 방지하기에 적당하도록 한 정지 영상 및 동화상 워터마킹 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 멀티미디어의 제작과 공급이 늘게 되고 인터넷과 네트워크를 통한 분배가 이루어지면서 디지털 데이터의 저작권보호(copyright protection)를 위한 방법이 강구되고 있으며, 저작권 보호를 위해 현재까지 알려진 유일한 대안은 정지 영상이나 동화상 내의 사람이 인식하기 어려운 곳에 워터마킹 계수를 첨가하는 것이고, 이를 위해 제시된 것이 디지털 워터마킹(digital watermarking)이다. 이는 데이터 내부에 지각(知覺)적으로 인식되지 않는 신호(watermark)를 삽입하여 저작권을 보호하는 방법이다.
정지 영상에서의 워터마킹은 영상 자체에 워터마킹 계수를 첨가하는 방법과, 영상을 변환 후 변환 계수에 워터마킹 계수를 첨가한 후, 다시 역변환하는 방법이 알려져 있다. 그리고, 영상을 변환하는 방법은 다시 전체 영상을 대상으로 변환을 수행하는 방법과, 영상을 각 블록으로 나눈 후, 블록 변환을 이용하는 방법이 제시되어 있다.
여기서 영상을 각 블록으로 나눈 후 블록 변환을 이용하는 방법은 워터마킹방법으로 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform : DCT)을 사용하며, 이는현재 정지 영상 압축의 표준으로 제시되어 있는 JPEG(Joint Photographic Expert Group)의 이산 코사인 변환(DCT)과 동일한 변환 영역에서 수행함으로써, 실제 운용환경에 적용하기 용이하다.
그리고 동화상 워터마킹은 크게 공간영역(spatial domain)과 주파수영역(frequency domain)의 두 분야에서 연구되어 왔다.
공간영역에서의 워터마킹 방법은 동화상 자체에 워터마킹 계수를 첨가하는 방법이고, 주파수 영역에서의 워터마킹 방법은 동화상을 주파수 변환 후 변환 계수에 첨가한 후 다시 역변환는 방법이 있고, 이는 다시 전체 영상을 대상으로 하는 변환을 수행하는 방법과, 영상을 각 블록으로 나눈 후 블록 변환을 이용하는 방법이 있다.
이와 같은 주파수 영역에서는 압축이나 잡음에 크게 영향받는 고주파 영역을 제외하고 시각적으로 큰 의미를 갖는 저주파 영역에 워터마크를 삽입한다.
이와 같은 주파수 영역에서의 워터마킹은 현재 동화상 압축의 표준으로 제시되어 있는 MPEG(Motion Picture Expert Group)의 이산 코사인 변환(DCT : Discrete Cosine Transform) 영역에서 수행함으로써, 실제 운용환경에 적용하기 용이하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 정지 영상 워터마킹 방법을 설명하기로 한다.
도 1은 종래 정지 영상 워터마킹 방법을 설명하기 위한 워터마킹 시스템을 나타낸 블록 구성도이다.
종래 정지 영상 워터마킹 방법을 설명하기 위한 워터마킹 시스템은 입력되는원 영상(orignal image I) 신호를 가로, 세로로 8 ×8의 크기를 가지는 블록으로 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform : 이하 DCT라 약칭 함)하여 8 ×8 DCT 계수를 출력하는 이산 코사인 변환부(1)와, 상기 64개의 DCT 변환 계수에 대하여 주파수 감도(F : frequency)와, 휘도 감도(L : luminance sensitivity)과, 콘트라스트 감도(C : contrast)를 이용하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 설정하는 마스킹 설정부(3)와, 이산 코사인 변환된 영상에 첨가할 수 있는 최대 범위의 워터마킹 계수를 삽입하는 워터마크 삽입부(2)와, 워터마킹 계수가 삽입된 DCT 계수의 역변환을 수행하여 워터마킹이 삽입된 영상을 출력하는 역이산 코사인 변환부(4)로 구성된다.
이와 같은 종래 정지영상 워터마킹 시스템에서는 워터마킹을 첨가하고 싶은 원 영상(orignal image I) 신호가 이산 코사인 변환부(1)에 입력되면, 영상은 가로 8, 세로 8의 크기를 가지는 블록으로 분할되고, 각 블록들은 이산 코사인 변환부(1)에서 8 ×8 DCT 변환 계수로 바뀌고, 8 ×8의 64개의 DCT 계수인 X u,v,b들은 각각 마스킹 설정부(3) 및 워터마크 삽입부(2)로 출력된다.
마스킹 설정부(3)에서는 코사인 변환부(1)에서 출력된 64개의 DCT 계수에 대하여 워터마킹 계수의 최대 수를 결정하게 되는데, 마스킹 설정부(3)는 주파수 감도(F : frequency)와, 휘도 감도(L : luminance sensitivity)과, 콘트라스트 감도(C : contrast)를 이용하여, 최종 콘트라스트 마스킹(contrast masking) C를 결정하게 되고, 콘트라스트 마스킹 C는 해당 DCT 계수에 대해 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위인 V u,v,b가 되어 워터마크 삽입부(2)로 출력된다.
워터마크 삽입부(2)에서는 설정된 범위 내에서, 보안성을 높이기 위해 평균 0, 분산 1을 가지는 정규분포 N (0,1)에서 난수 W'를 구하여 워터마킹 계수의 최대 범위인 V u,v,b와 곱하면, 실제 워터마킹 계수인 X*u,v,b가 생성되어 역이산 코사인 변환부(4)에 입력된다.
역이산 코사인 변환부(4)에서는 워터마킹 첨가가 끝난 실제 워터마킹 계수인 X*u,v,b가 입력되면, 역 변환을 수행하여, 워터마킹이 추가된 영상을 만들어낸다.
여기서, 주파수 감도(frequency sensitivity), 휘도 감도(luminance sensitivity) 및 콘트라스트 감도(contrast sensitivity)를 계산하기 위한 계산식은 각각 다음의 수학식과 같이 주어진다.
위의 수식 중, 주파수 감도(frequency sensitivity)는 비 공개되어 있다. 그리고 X0,0,b는 8x8 DCT 블록의 평균 값이며(여기서, DCT 계수의 DC 성분이 된다), X0,0은 전체 영상을 구성하는 각 블록의 들의 평균치로 계산한다. 여기서, α(Alpha) 값과 β(Beta) 값은 각각, 0.649와 0.7로 설정한다.
그리고 동화상 워터마킹 방법을 위한 동화상 워터마킹 시스템과 워터마킹 방법은 도 1에서 설명한 정지 영상 워터마킹 시스템과 그를 이용한 워터마킹 방법과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같은 종래 정지 영상 워터마킹 시스템을 이용한 정지영상에 대한 워터마킹에 있어서는 화질 저하문제 때문에 전체 영상 중 적은 부분에만, 작은 크기로 워터마킹 계수를 첨가시켜, 보안성이 떨어지는 문제점이 있었고, 실제 운용 환경에 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 화질저하 없이 정지 영상 및 동화상에 워터마크를 삽입할 수 있는 정지영상 및 동화상 워터마킹 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 따르면, 정지영상을 여러 개의 영상 블록으로 나눈 다음 상기 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 이산 코사인 변환을 수행하여 상기 여러 개의 영상 블록 각각의 이산 코사인 변환(DCT)계수를 구하는 단계, 상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 제이페그(JPEG) 양자화 테이블의 역함수를 사용하여 주파수 감도를 구하고, 휘도 감도와 콘트라스트 감도를 구한 후, 엔트로피 마스킹 모델을 이용하여 상기 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 구하는 단계와, 상기 워터마킹 계수의 최대 범위를 구한 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 한계 정규 분포에서 구한 난수를 곱하여 워터마킹이 추가된 영상을 생성하는 단계와, 상기 워터마킹이 추가된 여러 개의 영상블록을 역이산 코사인 변환하여 워터마킹이 추가된 정지영상을 생성하는 단계로 이루어진다.
그리고 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 동화상의 하나의 프레임을 여러 개의 화상 블록으로 나눈 다음 상기 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 이산 코사인 변환을 수행하여 상기 여러 개의 화상 블록 각각의 이산 코사인 변환(DCT)계수를 구하는 단계, 상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 제이페그(JPEG) 양자화 테이블의 역함수를 사용하여 주파수 감도를 구하고, 휘도 감도와 콘트라스트 감도를 구한 후, 엔트로피 마스킹 모델과 움직임 엔트로피 마스킹 모델을 이용하여 상기 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 구하는 단계와, 상기 워터마킹 계수의 최대 범위를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 한계 정규 분포에서 구한 난수를 곱하여 워터마킹이 추가된 화상을 생성하는 단계와, 상기 워터마킹이 추가된 여러 개의 화상블록을 역이산 코사인 변환하여 워터마킹이 추가된 하나의 프레임을 생성하는 단계로 이루어진다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 입력되는 원 영상(orignal image I) 신호를 여러 개의 영상 블록으로 나눈다음 상기 영상 블록의 각각에 대하여 이산 코사인 변환(DCT : Discrete Cosine Transform)을 수행하여 여러 개의 이산 코사인 변환(DCT) 계수를 출력하는 이산 코사인 변환부와, 상기 여러 개의 이산 코사인 변환(DCT) 계수를 구한 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도(F : frequency)와, 휘도 감도(L : luminance sensitivity) 및 콘트라스트 감도(C : contrast)를 구한 후에, 엔트로피마스킹(entropy masking) 모델을 이용하여 상기 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 설정하는 마스킹 설정부와, 상기 워터마킹 계수의 최대 범위를 구한 여러 개의 영상블록의 각각에 대하여 워터마킹 계수를 삽입하는 워터마크 삽입부와, 상기 워터마킹 계수가 삽입된 여러 개의 영상블록을 역이산 코사인 변환시켜 워터마킹이 삽입된 정지 영상을 출력하는 역이산 코사인 변환부로 구성된다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징에 따르면 입력되는 하나의 동화상 프레임을 신호를 여러 개의 화상블록으로 나눈 다음 상기 여러 개의 화상 블록의 각각에 대한 이산 코사인 변환을 수행하여 상기 여러 개의 화상 블록 각각의 이산 코사인 변환 계수를 구하는 이산 코사인 변환부와, 상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도(F : frequency), 휘도 감도(L : luminance sensitivity) 및 콘트라스트 감도(C : contrast)를 구한 후에, 엔트로피 마스킹(entropy masking) 모델과 움직임 엔트로피 마스킹(motion entropy masking) 모델을 이용하여 상기 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 설정하는 마스킹 설정부와, 상기 워터마킹 계수의 최대 범위를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 한계 정규 분포에서 구한 난수를 곱하여 워터마킹이 추가된 화상을 생성하는 워터마크 삽입부와, 상기 워터마킹이 추가된 여러 개의 화상 블록에 대한 역이산 코사인 변환을 수행하여 워터마킹이 삽입된 동화상을 출력하는 역이산 코사인 변환부로 구성된다.
도 1은 종래 정지 영상 워터마킹 방법을 설명하기 위한 워터마킹 시스템을 나타낸 블록 구성도
도 2는 본 발명에 따른 정지 영상 워터마킹 방법을 설명하기 위한 워터마킹 시스템을 나타낸 블록 구성도
도 3은 도 2에 나타낸 정지 영상 워터마킹 방법에서 사용하기 위한 주파수 민감도를 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명에 따른 동화상 워터마킹 방법을 설명하기 워터마킹 시스템을 나타낸 블록 구성도
도 5는 도 4에 나타낸 동화상 워터마킹 방법에서 사용하기 위한 주파수 민감도를 설명하기 위한 도면
도 6은 도 4에 나타낸 동화상 워터마킹 방법에서 움직임 엔트로피를 계산하기 위한 움직임 벡터 분류자를 나타낸 도면
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11, 21 : 이산 코사인 변환부 12, 22 : 워터마크 삽입부
13, 23 : 마스킹 설정부 14, 24 : 역이산 코사인 변환부
이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 정지 영상 워터마킹 방법을 설명하기 위한 워터마킹 시스템을 나타낸 블록 구성도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 정지 영상 워터마킹 방법에서 사용하기 위한 주파수 민감도를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 보다 많은 영상의 부분에, 보다 큰 크기의 영상 워터마크를 시각적인 화질 저하 없이 추가하고자 하는 것으로 평균 0, 분산 1의 정규분포를 사용함으로써 발생하는 화질 저하를 줄이기 위해, 평균 0, 분산 1의 한계 정규분포 (Bounded Normal Distribution : [0..1] 외의 값을 생성하지 않는 정규분포)를 이용하며, 콘트라스트 마스킹(contrast masking)에 더하여, 엔트로피 마스킹 모델 (entropy masking)에서 모델링되는 V를 추가한 점이다. 여기서 엔트로피를 간략히 설명하면, 엔트로피는 정보 이론에 있어서, 상호 배타적이면서 각각이 모두 특정한 발생 확률을 갖는 어떤 유한개의 사상(event) 가운데서, 임의의 하나의 사상이 발생함으로써 전달되는 정보 측도의 평균치로써 수학적으로는 확률 p(x1)···p(xn)을 갖는 사상의 집합(x1···xn)의 엔트로피 H(x)는 개개 사상의 정보량 I(x I)의 수학적 기대치 또는 평균치와 동등하다.
이와 같은 본 발명 정지 영상 워터마킹 방법을 설명하기 위한 워터마킹 시스템은 입력되는 원 영상(orignal image I) 신호를 가로, 세로로 8 ×8의 크기를 가지는 블록으로 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform : 이하 DCT라 약칭함)하여 8 ×8 DCT 계수를 출력하는 이산 코사인 변환부(11)와, 상기 64개의 DCT 변환 계수에 대하여 주파수 감도(frequency sensitivity) F와, 휘도 감도(luminance sensitivity) L과, 콘트라스트 감도(contrast sensitivity) C를 구한 후에, 엔트로피 마스킹(entropy masking) 모델에서 모델링되는 V를 이용하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 설정하는 마스킹 설정부(13)와, 이산 코사인 변환된 영상에 첨가할 수 있는 최대 범위의 워터마킹 계수를 삽입하는 워터마크 삽입부(12)와, 워터마킹 계수가 삽입된 DCT 계수의 역변환을 수행하여 워터마킹이 삽입된 영상을 출력하는 역이산 코사인 변환부(14)로 구성된다.
그리고, 도면의 이해를 돕기 위해 각 문자들을 정리하면 다음과 같다.
I는 워터마킹을 첨가하고 싶은 정지 영상이고, X는 정지영상의 8x8 블록에 대한 DCT 변환 블록 중의 해당 수평/수직 주파수에 해당하는 변환 계수이며, V는 앞에서 설명한 X로 주어진 DCT 변환 계수에 첨가할 수 있는, 워터마킹 계수의 최대 범위이고, W'는 정규분포에서 얻어지는 [0..1] 사이의 정규분포를 갖는 난수이며, X*은 DCT 변환 계수 X에 워터마킹 계수를 첨가하여 수정된 DCT 변환 계수이고, I*는 수정된 변환 계수 X*을 역 변환하여 만들어지는 워터마킹이 추가된 영상이다.
이와 같은 본 발명 정지영상 워터마킹 시스템에서는 워터마킹을 첨가하고 싶은 원 영상(orignal image I) 신호가 이산 코사인 변환부(11)에 입력되면, 영상은 가로 8, 세로 8의 크기를 가지는 블록으로 분할되고, 각 블록들은 이산 코사인 변환부(11)에서 8 ×8 DCT 변환 계수로 바뀌고, 8 ×8의 64개의 DCT 계수인 Xu,v,b들은 각각 마스킹 설정부(13) 및 워터마크 삽입부(12)로 출력된다.
마스킹 설정부(13)에서는 코사인 변환부(11)에서 출력된 64개의 DCT 계수에 대하여 워터마킹 계수의 최대 수를 결정하게 되는데, 마스킹 설정부(13)는 주파수 감도(F : frequency)와, 휘도 감도(L : luminance sensitivity)과, 콘트라스트 감도(C : contrast)를 이용하여, 최종 콘트라스트 마스킹(contrast masking) C를 결정하게 되고, 콘트라스트 마스킹 C에 정지 영상 엔트로피 E를 이용하여 최종 영상 마스킹 V를 구하여 해당 DCT 계수에 대해 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위인 Vu,v,b를 구하여 워터마크 삽입부(12)로 출력한다.
워터마크 삽입부(12)에서는 설정된 범위 내에서, 보안성을 높이기 위해 평균 0, 분산 1을 가지는 한계 정규분포 BN(0,1)에서 난수를 생성하고, 워터마킹 계수의 최대 범위인 Vu,v,b와 곱하면 실제 워터마킹 계수인 X*u,v,b가 생성되어 역이산 코사인 변환부(14)에 입력된다.
역이산 코사인 변환부(14)에서는 워터마킹 첨가가 끝난 실제 워터마킹 계수인 X*u,v,b가 입력되면 역 변환을 수행하여 워터마킹이 추가된 영상을 만들어낸다.
여기서, 주파수 감도(frequency sensitivity), 휘도 감도(luminance sensitivity), 및 콘트라스트 감도(contrast sensitivity) 및 래터럴 억제 마스킹(Lateral inhibition masking)을 계산하기 위한 계산식은 각각 다음의 수학식과 같이 주어진다.
위의 수식 중, X0,0,b는 8x8 DCT 블록의 평균값이며(여기서, DCT 계수의 DC 성분이 된다), X0,0은 전체 영상을 구성하는 각 블록의 들의 평균치로 계산한다. 여기서, α(Alpha) 값과 β(Beta) 값은 각각, 0.649와 0.7로 설정하고, г(gamma)는 0.5로 설정한다.
그리고, Nu,v,b는 해당 DCT 계수의 8개 이웃 화소를 의미한다.
주파수 감도(frequency sensitivity)는 비 공개되어 있다. 따라서, 본 발명에서는 도 3에 나타낸 바와 같은 JPEG(Joint Photographic Expert Group)의 양자화 테이블의 역함수를 이용한다.
도 4는 본 발명에 따른 동화상 워터마킹 방법을 설명하기 워터마킹 시스템을 나타낸 블록 구성도이고, 도 5는 도 4에 나타낸 동화상 워터마킹 방법에서 사용하기 위한 주파수 민감도를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 4에 나타낸 동화상 워터마킹 방법에서 움직임 엔트로피를 계산하기 위한 움직임 벡터 분류자를 나타낸도면이다.
본 발명에 다른 동화상 워터마킹 방법은 보다 많은 동화상 부분에 보다 큰 크기의 동화상 워터마크를 시각적인 화질 저하 없이 추가하고자 하는 것으로 평균 0, 분산 1의 정규분포를 사용함으로써 발생하는 화질 저하를 줄이기 위해, 평균 0, 분산 1의 한계 정규분포 (Bounded Normal Distribution : [0..1] 외의 값을 생성하지 않는 정규분포)를 이용하며, 정지 영상에서의 콘트라스트 마스킹(contrast masking)에 더하여 움직임 엔트로피 마스킹 모델 (entropy masking)에서 모델링되는 W를 추가한다.
이와 같은 본 발명 동영상 워터마킹 방법을 설명하기 위한 워터마킹 시스템은 입력되는 원 영상(orignal image I) 신호를 가로, 세로로 8 ×8의 크기를 가지는 블록으로 이산 코사인 변환(Discrete Cosine Transform : 이하 DCT라 약칭 함)하여 8 ×8 DCT 계수를 출력하는 이산 코사인 변환부(21)와, 상기 64개의 DCT 변환 계수에 대하여 주파수 감도(F : frequency)와, 휘도 감도(L : luminance sensitivity)과, 콘트라스트 감도(C : contrast)를 구한 후에, 엔트로피 마스킹(entropy masking) 모델에서 모델링되는 V를 구한 후 움직임 엔트로피 마스킹(motion entropy masking)을 이용하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위 W를 설정하는 마스킹 설정부(23)와, 이산 코사인 변환된 영상에 첨가할 수 있는 최대 범위의 워터마킹 계수를 삽입하는 워터마크 삽입부(22)와, 워터마킹 계수가 삽입된 DCT 계수의 역변환을 수행하여 워터마킹이 삽입된 영상을 출력하는 역이산 코사인 변환부(24)로 구성된다.
그리고, 도면의 이해를 돕기 위해 각 문자들을 정리하면 다음과 같다.
I는 워터마킹을 첨가하고 싶은 동화상을 구성하는 한 개의 화상(Frame)이고, X는 각 프레임의 8x8 블록에 대한 DCT 변환 블록 중의 해당 수평/수직 주파수에 해당하는 변환 계수이며,W는 X로 주어진 DCT 변환 계수에 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위이고, W'는 정규분포에서 얻어지는 [0..1] 사이의 정규분포를 갖는 난수이며, X*은 DCT 변환 계수로서, X에 워터마킹 계수를 첨가하여 수정된 DCT 변환 계수이고, I*는 수정된 변환 계수 X*를 역 변환하여 만들어지는 워터마킹이 추가된 프레임이다.
이와 같은 본 발명 동화상 워터마킹 시스템에서는 워터마킹을 첨가하고 싶은 동화상(orignal image I)을 구성하는 개별 프레임 I가 이산 코사인 변환부(21)에 입력되면, 각 프레임은 가로 8, 세로 8의 크기를 가지는 블록으로 분할되고, 각 블록들은 이산 코사인 변환부(21)에서 8 ×8 DCT 변환 계수로 바뀌고, 8 ×8의 64개의 DCT 계수인 Xu,v,b들은 각각 마스킹 설정부(23) 및 워터마크 삽입부(22)로 출력된다.
마스킹 설정부(23)에서는 코사인 변환부(21)에서 출력된 64개의 DCT 계수에 대하여 워터마킹 계수의 최대 수를 결정하게 되는데, 마스킹 설정부(23)는 주파수 감도(F : frequency)와, 휘도 감도(L : luminance sensitivity)과, 콘트라스트 감도(C : contrast)를 이용하여, 최종 콘트라스트 마스킹(contrast masking) C를 결정하게 되고, 콘트라스트 마스킹 C에 정지 영상 엔트로피 E를 이용하여 엔트로피 마스킹 V를 구하고, 움직임 엔트로피 마스킹을 이용하여 해당 DCT 계수에 대해 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위인 Wu,v,b를 구하여 워터마크 삽입부(22)로 출력한다.
워터마크 삽입부(22)에서는 설정된 범위 내에서, 보안성을 높이기 위해 평균 0, 분산 1을 가지는 한계 정규분포 BN(0,1)에서 난수를 생성하고, 워터마킹 계수의 최대 범위인 Wu,v,b와 곱하면, 실제 워터마킹 계수인 X*u,v,b가 생성되어 역이산 코사인 변환부(24)에 입력된다.
역이산 코사인 변환부(24)에서는 워터마킹 첨가가 끝난 실제 워터마킹 계수인 X*u,v,b가 입력되면 역 변환을 수행하여 워터마킹이 추가된 프레임을 만들어낸다.
이어서, 동화상을 구성하는 모든 개별 프레임에 대해 워터마킹을 첨가한다.
여기서, 주파수 감도(frequency sensitivity), 휘도 감도(luminance sensitivity), 및 콘트라스트 감도(contrast sensitivity) 및 래터럴 억제 마스킹(Lateral inhibition masking)을 계산하기 위한 계산식은 각각 다음의 수학식과 같이 주어진다.
· ,
위의 수식 중, X0,0,b는 8x8 DCT 블록의 평균값이며(여기서, DCT 계수의 DC 성분이 된다), X0,0은 전체 영상을 구성하는 각 블록의 들의 평균치로 계산한다. 여기서, α(Alpha) 값과 β(Beta) 값은 각각, 0.649와 0.7로 설정하고, г(gamma)는 0.5로 설정한다.
그리고, Nu,v,b는 해당 DCT 계수의 8개 이웃 화소를 의미한다.
주파수 감도(frequency sensitivity) Fu,v는 비 공개되어 있다. 따라서, 본 발명에서는 도 5에 나타낸 바와 같은 JPEG(Joint Photographic Expert Group)의 양자화 테이블의 역함수를 이용한다.
위의 수식에서, 움직임 엔트로피 M은 각 블록(b)의 움직임 벡터를 구하고, 각 블록의 움직임 벡터를 도 6과 같은 움직임 벡터 분류자로 구분한 후에, 각 분류에 속하는 움직임 벡터의 빈도 수(확률(р))를 구한 다음 수학식9와 같이 빈도수를확률로 설정하여 Mb를 계산하고, 이를 전체 분류에 대해 합해서 전체 움직임 엔트로피 M을 구하게 된다. 위의 수식에서 г(gamma) 값은 0.5로 설정하여, M이 1이상일 경우에만 영향을 미치도록 고려한다.
이상의 설명에서와 같은 본 발명 정지영상 및 동화상 워터마킹 방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 정지 영상 워터마킹 방법은 보다 많은 영상의 부분에, 보다 큰 크기의 영상 워터마크를 시각적인 화질 저하 없이 첨가할 수 있다. 또한 현재 정지 영상 압축의 표준으로 제시되어 있는 JPEG (Joint Photographic Expert Group)의 DCT와 동일한 변환 영역에서 수행함으로써, 실제 운용환경에 적용하기 용이하다. 특히, 고주파수 성분이 많은 하이 콘트라스트(high contrast) 영상의 경우에, 종래의 노멀(Normal) 분포를 사용함으로써 생기는 화질 저하 부분(edge에서의)의 문제점을 해결할 수 있다.
둘째, 동화상 워터마킹에 있어서는 보다 많은 동화상의 부분에, 보다 큰 크기의 동화상 워터마크를 시각적인 화질 저하 없이 첨가할 수 있다. 즉 현재 동화상 압축의 표준으로 제시되어 있는 MPEG (Motion Picture Expert Group)의 DCT (Discrete Cosine Transform) 변환 영역에서 수행함으로써, 실제 운용환경에 적용하기 용이하다. 또한, MPEG 코딩 시, 각 블록 당 생성되는 움직임 벡터를 이용해서 움직임 엔트로피를 취함으로써 쉽게 적용이 가능하다. 특히, 움직임 벡터를 이용해서, 움직임이 많은 영역(사람의 눈으로 쉽게 인식하기 어려운 영역)에 많은 워터마킹을 첨가함으로써, 시각적인 저하 없이 강인한 동화상 워터마킹 기법을 구현할 수 있다.

Claims (16)

  1. 정지영상을 여러 개의 영상 블록으로 나눈 다음 상기 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 이산 코사인 변환을 수행하여 상기 여러 개의 영상 블록 각각의 이산 코사인 변환(DCT)계수를 구하는 단계;
    이산 코사인 변환 계수를 구한 상기 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도를 구하고, 휘도 감도와 콘트라스트 감도를 구한 후, 엔트로피 마스킹 모델을 이용하여 상기 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 구하는 단계와;
    상기 워터마킹 계수의 최대 범위를 구한 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 한계 정규 분포에서 구한 난수를 곱하여 워터마킹이 추가된 영상을 생성하는 단계와;
    상기 워터마킹이 추가된 여러 개의 영상블록을 역이산 코사인 변환하여 워터마킹이 추가된 정지영상을 생성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정지 영상 워터마킹 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도를 구하는 경우에 제이페그(JPEG) 양자화 테이블의 역함수를 사용하는 것을 특징으로 하는 정지 영상 워터마킹 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 워터마킹 계수의 최대 범위는 상기 콘트라스트 감도를 구한 후, 상기 콘트라스트 감도와 상기 엔트로피 마스킹 모델을 곱한 값을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 정지 영상 워터마킹 방법.
  4. 동화상의 하나의 프레임을 여러 개의 화상 블록으로 나눈 다음 상기 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 이산 코사인 변환을 수행하여 상기 여러 개의 화상 블록 각각의 이산 코사인 변환(DCT)계수를 구하는 단계;
    상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도(F)를 구하고, 휘도 감도(L)와 콘트라스트 감도(C)를 구한 후, 엔트로피 마스킹 모델과 움직임 엔트로피 마스킹 모델(M)을 이용하여 상기 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위(W)를 구하는 단계와;
    상기 워터마킹 계수의 최대 범위를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 한계 정규 분포에서 구한 난수를 곱하여 워터마킹이 추가된 화상을 생성하는 단계와;
    상기 워터마킹이 추가된 여러 개의 화상블록을 역이산 코사인 변환하여 워터마킹이 추가된 하나의 프레임을 생성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동 화상 워터마킹 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도를 구하는 경우에 제이페그(JPEG) 양자화 테이블의 역함수를 사용하는 것을 특징으로 하는 동화상 워터마킹 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 워터마킹 계수의 최대 범위는 상기 엔트로피 마스킹 모델에 상기 각 프레임내의 움직임 벡터들을 분류한 움직임 엔트로피를 곱하여 구하고, 상기 워터마킹은 움직임이 많은 화상 블록에 삽입하는 것을 특징으로 하는 동화상 워터마킹 방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 주파수 감도(F)를 Fu,v라 하고,
    상기 휘도 감도(L)는라 하며,
    콘트라스트 감도(C)를라 하는 경우,
    상기 워터마킹 계수의 최대 범위(W)는 움직임 엔트로피(M)를 구한 다음·MηMb]를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 동화상 워터마킹 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 움직임 엔트로피(M)는 임의의 블록 b가 속한 모션 벡터 클래스(c)에 대하여Mb=p(C(b))·log을 이용하는 것을 특징으로 하는 동화상워터마킹 방법.
  9. 입력되는 원 영상(orignal image I) 신호를 여러 개의 영상 블록으로 나눈다음 상기 영상 블록의 각각에 대하여 이산 코사인 변환(DCT : Discrete Cosine Transform)을 수행하여 여러 개의 이산 코사인 변환(DCT) 계수를 출력하는 이산 코사인 변환부와,
    상기 여러 개의 이산 코사인 변환(DCT) 계수를 구한 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도(F : frequency)와, 휘도 감도(L : luminance sensitivity) 및 콘트라스트 감도(C : contrast)를 구한 후에, 엔트로피 마스킹(entropy masking) 모델을 이용하여 상기 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 설정하는 마스킹 설정부와,
    상기 워터마킹 계수의 최대 범위를 구한 여러 개의 영상블록의 각각에 대하여 워터마킹 계수를 삽입하는 워터마크 삽입부와,
    상기 워터마킹 계수가 삽입된 여러 개의 영상블록을 역이산 코사인 변환시켜 워터마킹이 삽입된 정지 영상을 출력하는 역이산 코사인 변환부로 구성됨을 특징으로 하는 정지 영상 워터마킹 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 영상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도를 구하는 경우 제이페그(JPEG) 양자화 테이블의 역함수가 사용됨을 특징으로 하는 정지 영상 워터마킹 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 워터마킹 계수의 최대 범위는 상기 콘트라스트 감도를 구한 후, 상기 콘트라스트 감도와 상기 엔트로피 마스킹 모델을 곱한 값을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 정지 영상 워터마킹 장치.
  12. 입력되는 하나의 동화상 프레임을 신호를 여러 개의 화상블록으로 나눈 다음 상기 여러 개의 화상 블록의 각각에 대한 이산 코사인 변환을 수행하여 상기 여러 개의 화상 블록 각각의 이산 코사인 변환 계수를 구하는 이산 코사인 변환부와,
    상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도(F : frequency), 휘도 감도(L : luminance sensitivity) 및 콘트라스트 감도(C : contrast)를 구한 후에, 엔트로피 마스킹(entropy masking) 모델과 움직임 엔트로피 마스킹(motion entropy masking) 모델을 이용하여 상기 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 첨가할 수 있는 워터마킹 계수의 최대 범위를 설정하는 마스킹 설정부와,
    상기 워터마킹 계수의 최대 범위를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 한계 정규 분포에서 구한 난수를 곱하여 워터마킹이 추가된 화상을 생성하는 워터마크 삽입부와,
    상기 워터마킹이 추가된 여러 개의 화상 블록에 대한 역이산 코사인 변환을 수행하여 워터마킹이 삽입된 동화상을 출력하는 역이산 코사인 변환부로 구성됨을 특징으로 하는 동화상 워터마킹 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 이산 코사인 변환 계수를 구한 여러 개의 화상 블록의 각각에 대하여 주파수 감도를 구하는 경우 제이페그(JPEG) 양자화 테이블의 역함수가 사용됨을 특징으로 하는 동화상 워터마킹 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 워터마킹 계수의 최대 범위는 상기 엔트로피 마스킹 모델에 상기 각 프레임내의 움직임 벡터들을 분류한 움직임 엔트로피를 곱하여 구하고, 상기 워터마킹은 움직임이 많은 화상 블록에 삽입하는 것을 특징으로 하는 동화상 워터마킹 장치.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 주파수 감도(F)를 Fu,v라 하고,
    상기 휘도 감도(L)는라 하며,
    콘트라스트 감도(C)를라 하는 경우,
    상기 워터마킹 계수의 최대 범위(W)는 움직임 엔트로피(M)를 구한다음·MηMb]이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 동화상 워터마킹 장치.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 움직임 엔트로피(M)는 임의의 블록 b가 속한 모션 벡터 클래스(c)에 대하여 Mb=p(C(b))·log을 이용하는 것을 특징으로 하는 동화상 워터마킹 장치.
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