KR20030043173A - 디지털 워터마크 삽입 및 검출 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
디지털 오디오 데이터에 웨이브렛 변환과 심리음향모델을 적용하여 디지털 워터마크를 삽입함으로써 공격에 강하고 연산량이 작으며 비가청성을 유지할 수 있는 디지털 워터마크 삽입 방법 및 시스템이 제공된다. 워터마크 정보는 PN 코드에 의해 확산되고 코사인 함수와 곱해진다. 오디오 신호는 웨이브렛 변환되고 웨이브렛 변환된 신호로부터 심리음향모델이 계산된다. 계산된 심리음향모델과 엔트로피에 의해 확산된 워터마크 정보의 스케일링값을 구하여 확산된 워터마크 정보를 적절한 레벨로 스케일링한다. 스케일링된 워터마크 정보는 웨이브렛 변환된 오디오 신호와 합쳐지고, 다시 역웨이브렛 변환됨으로써 워터마크 정보가 삽입된 오디오 신호가 생성된다. 워터마크 정보가 삽입된 오디오 신호로부터 워터마크 정보를 검출할 때에는 이를 웨이브렛 변환하고 코사인 함수를 곱함으로써 확산된 워터마크 정보를 추출하고, 이를 다시 정합필터를 사용하여 역확산시킴으로써 워터마크 신호를 추출한다.
Description
본 발명은 디지털 워터마크를 삽입하는 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디지털 오디오 데이터에 웨이브렛 변환과 심리음향모델을 적용하여 디지털 워터마크를 삽입함으로써 공격에 강하고 연산량이 작으며 비가청성을 유지할 수 있는 디지털 워터마크 삽입 방법 및 시스템에 관한 것이다.
21세기는 지식 사회로서 그 정점에는 '인터넷'이라는 거대한 정보 네트워크가 위치하고 있음에는 반론의 여지가 없다. 인터넷의 힘은 누구든지 신속하게, 그리고 공간의 이동 없이도 자신이 원하는 정보를 얻을 수 있는 정보의 공유에 있다고 할 수 있다. 그러나, 이러한 인터넷의 매력은 새로운 문제를 야기시키기도 한다. 그중의 하나가 인터넷을 통한 멀티미디어 컨텐츠, 소프트웨어, 또는 음란물의 불법 유통이다. 이러한 불법 유통이 가능한 것은 모든 데이터들이 디지털화 되어버리기 때문이다. 즉, 디지털 데이터의 복사는 컴퓨터를 이용하여 누구든지 쉽게 복사할 수 있고, 복사된 데이터의 품질은 원본과 동일하기 때문이다. 이와 같이 디지털화된 멀티미디어 컨텐츠의 지적 재산권 보호를 기술적으로 대처하기 위한 새로운 기술이 디지털 워터마킹(digital watermarking) 기술이다.
디지털 워터마킹이란 원래의 디지털 데이터에 저작권이나 소유권, 사용권 등과 관련된 워터마크 정보를 삽입하고, 디지털 데이터를 사용 또는 배포할 때 워터마크 정보를 확인함으로써 디지털 데이터의 불법 배포, 불법 사용을 방지하는 것이다.
디지털 워터마킹에 대해서 도 5를 참조하여 디지털 오디오 데이터를 예로 들어 설명한다. 도 5의 (a)에 도시한 것처럼, 원 오디오 데이터에 워터마크 삽입기(100)를 사용하여 저작권, 소유권, 사용권 등과 관련된 워터마크 정보를 삽입한 후에 이를 판매, 배포한다. 워터마크 정보가 삽입된 오디오 데이터를 오디오 데이터의 재생장치(A)를 사용하여 재생(play)할 때에는, 반대로 워터마크 검출기(200)를 사용하여 워터마크가 삽입된 오디오 데이터로부터 워터마크를 추출한다. 워터마크 판별기(300)는 워터마크 검출기(200)에서 검출된 워터마크와 재생장치(A)가 가지고 있는 워터마크 정보를 비교하여 정당한 사용권이 있는지를 판별한다. 정당한 사용권이 있는 경우에는 오디오 재생기(400)가 워터마크가 삽입된 오디오 데이터를 재생(play)하게 된다.
오디오에 대한 디지털 워터마킹 기술중에서 가장 간단한 방법으로 샘플링된 오디오 샘플에 대해 최하위 비트(LSB)에 워터마크를 대체시키는 방법을 이용할 수 있다. 그러나, 이 방법은 간단한 진폭변환(즉 증폭 또는 감쇠)만으로도 삽입된 워터마크가 손실되는 단점이 있다.
또한, 시간영역의 원 신호를 DCT, DCT 등에 의해서 주파수 영역으로 변환시켜 각 계수를 일정 레벨로 가산(감산)하여 워터마크를 삽입하는 방법이 가능하다. 이 방법은 워터마크를 추출할 때 원래의 오디오 데이터가 요구된다고 하는 단점이 있다.
또 다른 방법으로는 오디오 신호의 위상을 조작하여 위상 차를 이용한 워터마킹 기술이 있다. 이 방식은 음질에 영향이 적다고 하지만 동기가 일치되지 않는 경우 워터마크 검출이 불가능하게 되고 D/A·A/D 변환에 취약하게 된다.
이외에도 에코를 이용한 방법으로 원 신호와 에코의 시간차를 이용하여 워터마크에 따라 두 종류의 에코를 원 신호에 가산함으로써 워터마크를 삽입하게 된다. 에코는 D/A·A/D 변환에도 유지되기 때문에 내성이 있다고 생각되지만 이 방식에 의해 처리된 사실을 알아차리면 오디오로부터 에코를 제거하거나 다른 에코를 가산함으로써 원래의 에코 제거, 즉 워터마크 제거가 가능하게 된다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 워터마크를 제거하려는 공격에 강인한 워터마크 삽입 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 오디오의 품질을 떨어뜨리지 않으면서 워터마크를 삽입할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 워터마크의 삽입시에 연산량이 작은 워터마크 삽입 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 워터마크 삽입기의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 웨이브렛 패킷 변환을 보여주는 도면이다.
도 3은 FAFT의 흐름을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 워터마크 검출기의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 5는 디지털 워터마킹을 설명하기 위한 개념도이다.
워터마크 정보는 PN 코드에 의해 확산되고 코사인 함수와 곱해진다. 오디오 신호는 웨이브렛 변환되고 웨이브렛 변환된 신호로부터 심리음향모델이 계산된다. 계산된 심리음향모델과 엔트로피에 의해 확산된 워터마크 정보의 스케일링값을 구하여 확산된 워터마크 정보를 적절한 레벨로 스케일링한다. 스케일링된 워터마크 정보는 웨이브렛 변환된 오디오 신호와 합쳐지고, 다시 역웨이브렛 변환됨으로써 워터마크 정보가 삽입된 오디오 신호가 생성된다. 워터마크 정보가 삽입된 오디오 신호로부터 워터마크 정보를 검출할 때에는 이를 웨이브렛 변환하고 코사인 함수를 곱함으로써 확산된 워터마크 정보를 추출하고, 이를 다시 정합필터를 사용하여 역확산시킴으로써 워터마크 신호를 추출한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
< 워터마크의 삽입 >
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 워터마크 삽입방법에 대해서 상세히 설명한다.
1. 웨이브렛 변환(110)
오디오 신호를 웨이브렛 변환한다. 도 2는 웨이브렛 팻킷변환을 보여주는 도면이다. N 포인트의 입력신호를 웨이브렛 변환 할 경우 먼저 첫 단계의 approximation(A1)과 디테일(detail)(D1)이 나타나고 각각을 다시 웨이브렛 변환을 하게되면, (AA2, DA2, AD2, DD2)등이 나타나게 된다. 이는 입력신호를 웨이브렛 필터로 필터링 한후, 이를 다운샘플한 경우로 볼 수 있다. 이 영역들에 워터마크를 삽입하게 된다.
워터마크를 삽입하는 공간은 시간영역이나 주파수 영역 어느 영역이나 상관없다. 이러한 공간의 결정은 외부의 공격에 입력신호의 변화가 없는 영역을 선택하는 것이 좋을 것이다. 물론, 시간영역에 워터마크를 삽입한다고 해도 외부의 공격에 약한 것은 아니지만, 웨이브렛 변환과 같이 입력신호를 새로운 영역(Domain)으로 변환시켜 그 영역에 삽입하는 것은 외부의 영향을 덜 받을 수 있다. 또한, 입력신호의 중요한 요소를 잘 표현해주는 영역일 경우는 더욱 좋다. 예를 들면 압축을 하더라도 저주파수영역의 노이즈는 많이 추가되지 않는다. 따라서 워터마크가 저주파수 영역에 들어가면 공격에 덜 영향을 미치게 된다. 따라서, 신호의 중요한 부분에 워터마크를 집어넣는 것이 좋다. 웨이브렛 변환은 이러한 면을 잘 표현한다. 신호를 주파수와 시간에 대해 표현할 수 있어서, 중요한 요소에 삽입된 신호는 외부의 공격에 잘 변형되지 않는 특성을 가지게 된다. 따라서, 본 발명에서는 웨이브렛 변환을 한 영역에 워터마크를 삽입하고 있다.
2. 확산(140)
워터마크로 사용될 신호를 PN 코드(130)를 사용하여 확산(spreading)한다. 워터마크 정보비트w i (전체 워터마크 정보중i번째 비트)는 PN 코드p[n](길이가 127 또는 255)을 이용하여 확산된다.
p w [n]=w i ×p[n]
3. 확산된 신호
p
w
을 cosω
t
와 곱한다(150).
확산된 신호를 변조(modulation)시키기 위하여 cosωt를 곱한다. 즉, 이를 이산공간에서 표현하면 p w [n]×cosω(n/N)와 같다. 이와 같이 함으로써, 확산된 신호의 스펙트럼을 웨이브렛 패킷 대역의 중심으로 이동시키게 된다.
이때, ω는 웨이브렛 변환된 서브밴드의 중심주파수를 가지게 된다. 워터마크가 삽입되는 서브밴드는 [ AAA3, DAA3, ADA3, DDA3]와 [AA2, DA2] 그리고, [A1]의 총 7개의 밴드에 각각의 다른 워터마크 정보를 삽입할 수 있어 다중 워터마크도 가능하다. 중심주파수는 각각 [1.3 , 4.2, 6.1, 9] [2.75, 7.75] [5.5](kHz)를 갖게 된다.
이외에 웨이브렛 변환된 모든 서브밴드에 삽입이 가능하지만, 일반적인 공격에 삭제가 잘 되기 때문에 사용하지는 않는다. 그러나, 약한(fragile) 워터마크 방식을 이용할 경우는 기존의 7밴드 이외의 영역에 삽입하여도 된다.
4. 심리음향모델 및 엔트로피 계산(120)
웨이브렛 변환된 오디오 신호에서 심리음향 모델을 구성한다. 그러나, 일반적으로 MPEG과 같은 곳에서 사용하는 심리음향모델은 FFT(Fast Fourier Transform)를 다시 계산하여야 함으로 중복된 계산을 해야 한다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 중복된 연산을 제거하기 위해서, 웨이브렛 변환된 신호에서 DFT(Discrete Fourier Transform) 계수를 얻기 위하여 FAFT(Fast Approximate Fourier Transform)를 이용한다. FAFT에 대한 방법은 H.Guo의 논문(H. Guo, C. S. Burrus, "Fast Approximate Fourier Transform via Wavelet Transform", IEEE, Transaction on signal processing, 1997.)을 참고 하기 바라며 이에 대한 계산 과정은 다음과 같다.
여기서S N 은 입력신호의 DFT 계수이고,W N/L 은 L레벨 웨이브렛 계수이고,K N/L 은 N/L길이 웨이브렛 계수의 주파수 응답(Frequency response)이다.F N/L 은 N/L길이의 DFT 행렬이다.
도 3에서 X는K N/L 을 이용한 버터플라이 연산을 의미한다.
4.1 심리음향 모델의 구성
본 발명에서는 심리음향 모델을 구하기 위하여 MPEG I(ISO/IEC 11172-3)의 모델 1을 사용하였다. 모델 1의 구성과정은 다음과 같다. 웨이브렛 변환된 오디오 신호는 FAFT를 거쳐 DFT 계수값으로 변환되어 이 계수x[n]을 가지고 다음과 같은 과정을 거친다.
① PSD구하기
DFT 계수x[n]에서 PSD(Power Spectral Density)를 구한다.
최대값은 SPL(Sound Pressure Level)을 96 dB로 정규화(normalize)한다.
② Tonal과 Non-tonal성분 구하기
대역별로 tonal 성분(대역에서 가장 중요한 성분)과 nontonal 성분(tonal을제외한 다른 성분)을 구한다.
③ 개별 마스킹 임계치(Individual Masking Threshold) 구하기
확산함수(Spreading function)에 의해서 마스킹 커브를 구한다.
4.2 스케일링값 설정
마지막으로,과 각 서브밴드의 엔트로피(웨이브렛 변환된 계수의 엔트로피)중 최소값을 스케일링값 α로 설정한다.
5. 워터마크 정보의 스케일링(160)
확산된 워터마크 정보에 cosωt를 곱한 다음, 이를 스케일링값 α를 곱하여 적절한 레벨로 스케일링한다.
6. 워터마크 정보의 삽입(170)
오디오 신호에 대한 심리음향모델에 의하여 스케일링된 확산된 워터마크 정보를 웨이브렛 변환된 신호입력신호W[n]에 더함으로써 워터마크 정보를 오디오 신호에 삽입하게 된다.
W'[n] =W[n]+αp w [n]cosω(n/N)n= 0...블록사이즈/L
여기서 블록 사이즈는 웨이브렛 변환시 입력되는 오디오 신호의 블럭 길이를 말하며, 입력신호의 블록사이즈는 1024 또는 2048이 바람직하다.
7. 역웨이브렛 변환(180)
마지막으로W'[n]은 웨이브렛 역변환되어 워터마크가 삽입된 오디오 신호가 생성된다.
< 워터마크의 검출 >
이와 같이 워터마크가 삽입된 오디오 신호를 수신한 수신자가 워터마크 신호를 검출해내는 방법의 일예에 대해서 도 4를 참조하여 설명한다.
워터마크가 삽입된 오디오 신호는 먼저 웨이브렛 변환된다(210). 그러면,W'[n]이 추출된다. 여기에 다시 cosωt를 곱하여 확산된 워터마크 정보p w [n]를 추출한다(220). 이 신호를 다시 정합필터(230)를 사용하여 역확산시킴으로써 워터마크 신호를 검출해낸다.
이상 본 발명을 몇가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명에 따르면 웨이브렛 변환된 영역에 워터마크를 삽입하고 다시 웨이브렛 역변환을 하므로 워터마크를 제거하려는 공격에 강인하다고 하는 효과가 있다.
또한, 심리음향모델에 의해 적절히 스케일링된 확산된 워터마크 정보를 웨이브렛 도메인으로 변환된 오디오 신호에 삽입함으로써 오디오의 품질을 떨어뜨리지 않으면서 공격에 강한 워터마크를 삽입할 수 있다고 하는 효과가 있다.
또한, 웨이브렛 변환을 사용하고 심리음향모델을 구할 때 FAFT를 사용하므로 FFT나 DCT를 이용하는 경우보다는 워터마크의 삽입 및 검출시에 연산량이 작다고 하는 효과가 있다.
Claims (9)
- 워터마크 정보를 PN 코드로 확산하는 확산 단계와,확산된 워터마크 정보에 코사인 함수를 곱하는 변조 단계와,오디오 신호를 웨이브렛 변환하는 웨이브렛 변환 단계와,웨이브렛 변환된 오디오 신호로부터 심리음향모델 및 엔트로피를 계산하여 스케일링 팩터를 구하는 단계와,변조된 신호를 상기 스케일링 팩터만큼 증폭하는 스케일링 단계와,스케일링된 변조 신호와 웨이브렛 변환된 오디오 신호를 더하는 워터마크 삽입단계와,워터마크 삽입된 신호를 역웨이블렛 변환하는 역웨이브렛 변환단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 변조 단계에서 코사인 함수의 주파수는 웨이브렛 변환된 서브밴드의 중심주파수인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
- 제1항에 있어서, 상기 워터마크 삽입단계에서 워터마크가 삽입되는 서브밴드는 [AAA3, DAA3, ADA3, DDA3], [AA2, DA2], [A1]의 총 7개 밴드인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
- 제1항에 있어서, 심리음향모델을 구할 때 웨이브렛 변환된 신호에서 DFT 계수를 얻기 위하여 FAFT를 사용하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
- 제1항에 있어서, 상기 스케일링 팩터를 구하는 단계는웨이브렛 변환된 오디오 신호에서 FAFT를 사용하여 DFT 계수를 구하는 단계와,상기 DFT 계수로부터 PSD(Power Spectral Density)를 구하는 단계와,상기 PSD로부터 토널(tonal) 성분과 비토널(non-tonal) 성분을 구하는 단계와,상기 토널 성분으로부터 확산함수에 의해 마스킹 커브 LT를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
- 제5항에 있어서,상기 스케일링 팩터는 심리음향모델에서 구한LT min과 각 서브밴드의 엔트로피 중 최소값인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입방법.
- 워터마크 정보를 PN 코드로 확산하는 확산기와,확산된 워터마크 정보에 코사인 함수를 곱하는 변조기와,오디오 신호를 웨이브렛 변환하는 웨이브렛 변환기와,웨이브렛 변환된 오디오 신호로부터 심리음향모델 및 엔트로피를 계산하여 스케일링 팩터를 구하는 스케일링 팩터 계산부와,변조된 신호를 상기 스케일링 팩터만큼 증폭하는 증폭기와,증폭된 변조 신호와 웨이브렛 변환된 오디오 신호를 더하는 덧셈기와,상기 덧셈기로부터의 출력을 역웨이블렛 변환하는 역웨이브렛 변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 변조기의 변조 주파수는 웨이브렛 변환된 서브밴드의 중심주파수인 것을 특징으로 하는 워터마크 삽입 시스템.
- 워터마크가 삽입된 오디오 신호를 웨이브렛 변환하는 웨이브렛 변환기와,웨이브렛 변환된 오디오 신호에 코사인 함수를 곱하는 복조기와,복조된 오디오 신호를 역확산하는 정합필터를 구비하는 워터마크 검출 시스템.
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR20030043173A true KR20030043173A (ko) | 2003-06-02 |
Family
ID=29571584
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020010074211A KR20030043173A (ko) | 2001-11-27 | 2001-11-27 | 디지털 워터마크 삽입 및 검출 방법 및 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20030043173A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100617165B1 (ko) * | 2004-11-19 | 2006-08-31 | 엘지전자 주식회사 | 워터마크 삽입/검출 기능을 갖는 오디오 부호화/복호화장치 및 방법 |
-
2001
- 2001-11-27 KR KR1020010074211A patent/KR20030043173A/ko active IP Right Grant
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100617165B1 (ko) * | 2004-11-19 | 2006-08-31 | 엘지전자 주식회사 | 워터마크 삽입/검출 기능을 갖는 오디오 부호화/복호화장치 및 방법 |
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