KR20030073369A - 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법 - Google Patents

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KR20030073369A
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김진호
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 디지털 데이터의 저작권 보호에 관한 것으로, 특히 디지털 이미지나 비디오 등에 디지털 데이터의 소유권을 나타내는 워터마크 정보를 인간의 시각이나 청각에 식별되지 않고, 편집 등의 여러 공격 후에도 검출 될 수 있는 워터마크를 삽입 및 추출 확인방법으로서, 모든 압축방식에 사용할 수 있는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시간 비디오 워터마킹 방법은 블라인드 방식으로 간단하며, 원본 프레임의 8x8 픽셀블록에 DCT를 수행하고 강인성을 향상시키기 위하여 저주파 성분에 워터마크를 삽입한다. 또한, 본 발명은 모든 블록에 DCT를 수행하는 것이 아니기 때문에 비디오 프레임의 크기에 관계없이 항상 빠른 수행속도를 가진다. 또한, 삽입된 워터마크를 추출하여 확인하는 데에 있어서, 호스트신호와 워터마크신호 사이의 간섭현상을 제거하여 워터마크의 추출 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 압축스트림에 워터마크를 삽입하지 않고 압축되지 않은 로우(raw)프레임에 삽입하고 추출함으로 어떠한 압축방식에도 사용될 수 있다. 즉 활용범위가 상당히 크다.

Description

양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법 {A Real-time Blind Video Watermarking Method using Quantization}
본 발명은 디지털 데이터의 저작권 보호에 관한 것으로, 특히 디지털 이미지나 비디오 등에 디지털 데이터의 소유권을 나타내는 워터마크 정보를 인간의 시각이나 청각에 식별되지 않고, 편집 등의 여러 공격 후에도 검출 될 수 있는 워터마크를 삽입 및 추출확인 방법으로서, 모든 압축방식에 사용할 수 있는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법에 관한 것이다.
정보처리 시스템과 네트워크 인프라의 눈부신 발달로 인해 디지털 미디어의 사용은 급격하게 증가되었다. 멀티미디어 데이터의 생산, 분배, 가공 등은 모두 디지털 형태로 이루어 지고 있다. 디지털 미디어는 아날로그 미디어에 대해 여러 가지 장점이 있는데, 예를 들어 미디어의 화질을 생각할 수 있다. 디지털 미디어의 화질이 아날로그 미디어의 화질보다 더욱 선명하며, 더구나 복사를 할 때에는 화질의 열화 없이 완벽하게 복사할 수 있다. 디지털 미디어의 이러한 특징은 다른 여러 가지 새로운 가능성을 열어둔다. 예를 들어 디지털 미디어의 어떤 픽셀값을 정확히 알기 때문에 미디어의 변형이 완전히 자유롭다. 이는 저작권 보호라는 새로운 문제를 제기시킨다. 불법으로 복사된 미디어의 저작권 관리가 어려우며 또한 불법적으로 변형된 미디어의 저작권 관리는 더욱 어려워진다.
이를 위해 DRM(Digital Rights Management)이라는 기술이 제안되었다. DRM이란 디지털 컨텐츠를 보호, 보안 및 관리, 즉 유통되는 디지털 컨텐츠의 불법사용을 금지하고 컨텐츠의 사용에 따라 발생하는 관련 저작권자 및 라이센스 소유권자, 유통자들의 권리와 이익을 지속적으로 보호, 관리해주는 일련의 기술을 의미한다.
이를 위해 여러 가지 요소기술이 필요한데 그 중 저작권 보호를 위해 필요한 것이 워터마킹기술이다. DRM기술을 이용하여 컨텐츠를 패키징할 때, 워터마크된 컨텐츠를 패키징하기 때문에 워터마킹 기술이 선행되어야 디지털 저작권 관리가 가능하다.
워터마킹기술이란 텍스트, 영상, 비디오, 오디오등의 디지털 컨텐츠에 인간의 시각이나 청각에 식별이 불가능한 소유권정보를 삽입하여 저작권 분쟁이 발생하였을 경우 이를 추출하여 원 저작권을 보호하는 기술이다. 이를 위해 워터마킹 시스템에는 몇 가지 요구조건이 선행된다.
첫째, 워터마크의 비 가시성(Invisibility)으로, 워터마크의 삽입으로 인해 발생하는 원 영상의 화질 저하가 발생하지 않아야 하며, 발생하더라도 이는 인간의 시각에 의해서 감지되지 않아야 한다.
둘째, 디지털 데이터의 소유권 정보인 워터마크가 여러가지 공격에도 검출될 수 있는 강인성(Robustness)으로, 삽입된 워터마크는 데이터의 전송시에 발생하는 여러 가지 비 고의적인 데이터의 변형이나 삽입된 워터마크를 삭제하려 하는 여러 가지 고의적인 공격에도 검출될 수 있도록 강인해야 한다.
일반적으로 생각할 수 있는 디지털 데이터의 공격으로는 JPEG과 같은 손실 압축 기법, 영상의 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 아날로그/디지털 변환, 디지털/아날로그 변환 등 다양한 방법 등을 생각할 수 있는데 이는 모두 비고의적인 공격이다.
고의적인 공격으로는 디스토션 공격(distortion attack), 프리젠테이션 공격(presentation attack), 모자이크 공격(mosaic attack), 프로토콜 공격(protocol attack)등이 있다.
셋째, 워터마크는 유일성(Unambiguity)이 있어야 하는 것으로, 삽입된 워터마크가 누구의 것인지 정확히 밝힐 수 있어야 하는 성질을 말한다. 즉, 삽입되지 않은 워터마크를 삽입되었다고 판별하거나, 삽입된 워터마크를 타인의 워터마크로 오인하는 등의 문제가 없어야만 한다.
마지막으로 삽입된 워터마크의 보안성(Security)으로, 워터마킹 시스템의 보안성은 알고리즘의 보안성에 의존해서는 안되고, 비밀키에 의해 보안성이 보장되어야 한다. 또한 실제 시스템에 적용하기 위해서는 블라인드 방식이 필요하게 된다.
종래의 블라인드 워터마킹 방법은 유사도에 기반한 방법, 오디오 워터마킹에서 많이 쓰이는 에코 하이딩(echo-hiding) 방법, 그리고 이미지 워터마킹에서 많이 쓰이는 샘플확장을 이용한 패치워크(patchwork) 방법 등이 있다.
상술한 종래의 방법들은 호스트신호와 워터마크사이의 간섭현상으로 인한 추출오류가 비교적으로 높다. 최근에는 코스타(Costa)의 결과에 기반한 방법이 많이 제안되는데, 이러한 방법은 호스트신호와 워터마크신호 사이의 간섭을 상당부분 감소시킨다.
한편, 선행논문 IEEE Trans. on Info. Theory , Vol. 47 No 4 , pp 1423-1443, May 2001, "Quantization index modulation: a class of provably good methods for digital watermarking and information embedding"을 보면, 주어진 백색잡음하에서 정보를 삽입할 때에 어떤 방법으로 하여야 최대의 정보량(rate)과 최소의 왜곡(distortion), 최대의 강인성(robustness)을 얻을 수 있는가에 대한 내용이 있는데, 이를 워터마킹 시스템에서 보면 최대의 강인성을 가지고 최대의 페이로드를 삽입하는 방법에 관한 내용이다.
구성은 주어진 원 신호를 벡터형태로 만드는 부분과 이를 코사인 변환하는 부분, 그리고 메시지의 개수에 따라서 다른 양자화기를 사용하여 양자화 하는 부분으로 나누어지고 워터마크를 추출할 때는 비슷하게 벡터형태로 만들어서 주어진 값이 어떤 양자화기로 양자화 되었는지를 계산하여 워터마크를 추출한다. 상술한 선행논문은 백색잡음이 더해진 경우에 이론상으로 가장 많은 페이로드를 삽입할 수 있는 효과가 있다.
또한, 선행특허 등록번호 10-2001-0025383호 "엠피이지 비디오 스트림상의 블록 유닛 양자화를 이용한 실시간 동영상 워터마크 삽입방법 및 검출"은 저작권 보호를 위해 비디오 프레임을 8x8블록으로 나누어 DCT를 수행하고 적응성 양자화를 하여 DC값을 두개 셋의 바이너리 코드로 매핑한 후 워터마크를 삽입한다. 구성은 MPEG스트림을 역다중화하여 비디오를 디코딩하고 워터마크를 삽입할 프레임을 뽑아내어 이를 8x8블록으로 DCT한다. 이 값을 적응성 양자화를 이용하여 양자화 하고 DC 값의 바이너리 코드로 매핑하여 워터마크 시퀀스와 비교한다. 이때 워터마크 비트와 DC값의 비트가 같으면 그대로 그렇지 않으면 DC값을 변화시킨다.
작용은 워터마크를 DC부분에 삽입하였기 때문에 시각적 열화만 피할 수 있다면 견고성이 높을 수 있다.
선행특허는 워터마크 삽입으로 인한 비디오의 열화를 줄이기 위해 적응성 양자화라는 개념을 도입하였다. 이렇게 하여 블라인드 방식으로 실시간에 가까운 속도로 워터마크를 삽입 추출하여 저작권 보호를 할 수 있다.
상술한 바와 같이 종래의 패치워크(patch work), 에코 하이딩(echo hiding) 등의 방법들은 모두 호스트 신호와 워터마크 신호사이의 간섭이라는 아주 근본적인 문제를 해결하지 못하였다. 더구나 비디오 신호는 데이터의 양이 상당히 많기 때문에 실시간 처리를 위해서는 알고리즘이 간단해야 하는데 간단한 알고리즘으로 강인성 있는 워터마크의 삽입 방법은 아직 제시되지 않았다.
또한, 가장 빠르게 워터마크를 삽입하고 추출하는 방법은 공간영역(spatial domain)에서 LSB(Least Significant Bit)에 워터마크정보를 삽입하는 것이다. 그러나 이는 워터마크의 요구 조건인 강인성에 문제가 생긴다. 따라서 공간영역에서 워터마크를 삽입하는 방법은 편집 등의 여러가지 공격에 강인하지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 디지털 데이터의 저작권을 보호하기 위한 워터마크를 인간의 시각이나 청각에 식별되지 않으며, 화면의 편집 등의 시간축 공격 후에도 검출될 수 있도록 강인한 실시간 워터마킹의 삽입 및 추출 확인하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시간 비디오 워터마킹 시스템은 블라인드 방식이며 간단하다.
본 발명에서는 편집 등의 여러 공격에도 남을 수 있는 강한 워터마크를 삽입시키기 위하여 DCT(Discrete Cosine Transform)를 사용하여 주파수 영역(frequency domain)에 워터마크를 삽입한다. 원 프레임에 임의의 블록을 선정하여 8x8 픽셀블록에 DCT를 수행하고 강인성을 향상시키기 위하여 저주파 성분에 워터마크를 삽입한다. 또한, 본 발명은 모든 블록에 DCT를 수행하는 것이 아니기 때문에 비디오 프레임의 크기에 관계없이 항상 빠른 수행속도를 가진다.
또한, 삽입된 워터마크를 추출하여 확인하는 것은, 워터마크된 신호에서 양자화된, 즉 중심이동시킨 신호를 원 신호로 계산하여 제거함으로써 호스트신호와 워터마크신호 사이의 간섭현상을 제거한다. 이런 과정을 통하여 워터마크의 추출 성능을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 디지털 데이터의 저작권을 보호하는 워터마킹을 삽입하고 추출 확인하는 것으로, 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 워터마킹 방법을 실시하는 개략적인 장치의 구성도.
도 2는 종래의의 PAM방식과 본 발명에서 제안하는 중심이동 방식
도 3은 본 발명의 반복적으로 동기신호를 추출하는 방법
도 4는 본 발명의 동기프레임과 비동기 프레임의 구성도
도 5는 본 발명에 따른 디지털 데이터에 워터마크를 삽입하는 동작 순서도
도 6은 본 발명의 삽입된 워터마크를 추출하는 동작 순서도
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10 : 입력장치 11 : 중앙처리장치
12 : 주기억장치 13 : 보조기억장치
14 : 출력장치
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이미지나 비디오 등의 디지털 데이터의 저작권을 보호하는 워터마크를 삽입하는 데에 있어서, 다수의 원본 프레임을 동기프레임과 비동기프레임으로 나누는 단계, 비밀키를 생성하여 프레임마다 다르게 워터마크가 삽입될 픽셀블록의 위치를 결정하는 단계, 픽셀블록에 DCT를 수행하는 단계, DCT를 수행 후에 픽셀블록에 양자화를 수행하는 단계, 동기 프레임에는 동기신호로서 강한 워터마크를 삽입하는 단계, 비동기 프레임에는 약한 워터마크를 삽입하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 DCT를 수행 후에 픽셀블록에 양자화를 수행하는 단계는, 프레임의 호스트신호와 삽입될 워터마크신호의 간섭현상을 제거하기 위해 low-bound 값을 구하는 단계, low-bound 값을 이용해 호스트신호를 양자화 시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 프레임의 호스트신호와 삽입될 워터마크신호의 간섭현상을 제거하기 위해 low-bound 값을 구하는 단계는, 아래의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 한다.
floor(x)는x보다 작은 가장 큰 정수 값을 반환. vac :프레임의 DCT계수,
△ : 양자화 스텝크기며 이 값이 클수록 강한 워터마크가 삽입되는 것이다.
또한, 본 발명의 low-bound 값을 이용해 호스트신호를 양자화 시키는 단계는, 아래의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 한다.
vm: 양자화된 값 △ : 양자화 스텝크기
또한, 본 발명의 워터마크를 삽입하는 단계는, 아래의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 한다.
vm: 양자화된 값 △ : 양자화 스텝크기.
또한, 본 발명은 디지털 워터마크가 삽입된 이미지 등의 디지털 데이터에서 워터마크를 추출하는 데에 있어서, 입력 프레임으로부터 워터마크를 추출하고, 입력프레임이 동기프레임인지를 판단하는 단계, 입력프레임이 동기프레임이 아니면 다음 프레임을 검사하여 동기프레임을 찾는 단계, 동기프레임을 찾으면 다음 프레임부터 GOW 단위로 워터마크를 추출하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 입력 프레임으로부터 워터마크를 추출하고, 입력 프레임이 동기프레임인지를 판단하는 단계는, 입력 프레임에 동기신호가 있으면 동기프레임으로 판단하고, 동기신호가 없으면 비동기 프레임으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 삽입된 워터마크를 추출하는 단계는, 다음의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 한다.
w e : 추출된 워터마크
v r : 워터마크를 추출하려는 신호
또한, 본 발명의 추출된 워터마크와 입력시킨 워터마크를 비교하여 진위여부를 판단하는 단계는, 아래의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 한다.
si :삽입된 워터마크 비트와 추출된 워터마크 비트가 같으면 1, 그렇지 않으면 0을 가진다. S: 유사도 값으로 바르게 추출된 워터마크의 비트수.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법을 실행할 수 있는 장치의 개략도이다.
중앙처리장치(11)와, 중앙처리장치(11)에 연결된 주기억장치(12)와, 주기억장치(12)에 연결된 보조기억장치(13)와, 중앙처리장치(11)에 연결된 입력장치(10) 및 출력장치(14)를 구비한다.
여기서, 단말기는 전체 동작을 제어하고 관리하는 중앙처리장치(11), 중앙처리장치(11)에서 수행되는 프로그램을 저장하고 작업 수행중 이용되는 또는 작업 수행중에 발생되는 각종 데이터를 저장하는 주기억 장치(12)와 보조기억장치(13) 및 사용자와의 데이터 입출력을 위한 입출력장치(10,15)를 포함한다.
그리고, 보조기억장치(13)는 대량의 데이터를 저장하는 역할을 하며, 입출력장치(10,15)는 일반적인 키보드, 마우스, 타블릿, 터치스크린 등의 사용자 상호작용지원 입력장치와, 디스플레이 장치, 프린터, 비디오 레코더 등의 출력장치 등으로 이루어진다.
먼저, 디지털 데이터의 소유권을 나타내는 워터마크의 생성과 삽입을 설명하면, 0과 1의 조합으로 만드는 워터마크는 두가지 방법으로 가능하다.
난수발생기를 통하여 임의의 0과 1의 비트열을 만들어 워터마크 신호로 쓸 수 있고, 또한 이미지나 오디오 등 의미 있는 신호를 0과 1의 비트열로 만들어서워터마크 신호로 삽입할 수 있다.
본 발명에서는 2-ary PAM (Pulse Amplitude Modulation)방식을 이용하여 워터마크를 삽입하는데, 일반적으로 알려진 바와 같이 워터마크의 강인성을 위해 주파수 영역에 삽입하는데 이때 사용되는 변환은 코사인 변환이다.
푸리에 변환과 다르게 코사인 변환(DCT: Discrete Cosine Transform)은 그 결과가 실수(1차원 신호)이다. PAM을 제외한 다른 방식은 2차원 이상의 신호를 요구하지만 PAM은 1차원 신호를 요구한다.
만약 푸리에 변환영역에서 워터마크를 삽입한다면, QAM, PSK등의 다른 방법도 사용할 수 있다.
기존의 디지털통신 방법(PAM)에서는 레퍼런스신호(zero 에너지)에 정보에 따라 0과 1을 전송한다. 전송된 정보를 복원하기 위해서는 수신된 신호의 크기가 zero보다 큰가 혹은 작은가를 계산하여 정보를 추출한다.
즉 수신된 신호에서 레퍼런스 신호만 제거하면 기존의 방법을 그대로 사용 할 수 있다. 따라서, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 x표시된 부분을 zero로 중심이동하면 된다. 즉 수신된 신호에서 x를 제거하는 것이다. 이를 위해 워터마크된 신호에서 x를 알아내어야 한다. 원 신호를 사용할 수 없는 블라인드 방식에서는 이를 직접 알아낼 수 없으므로, 본 발명에서는 변형된 원 신호를 이용한다.
본 발명에서 사용되는 x는 호스트 신호에서도 알 수 있고 워터마크된 신호에서도 알 수 있는 값을 사용했는데, 이로서 양자화된 값을 사용했다.
본 발명은 비디오 편집의 대표적인 예인 시간축 공격에 대응하기 위해 워터마크를 동기 프레임과 비동기 프레임으로 나누어 삽입하며, 동기 프레임에는 강한 워터마크를 비동기 프레임에는 약한 워터마크를 삽입하는데, 이때 강하게 삽입된 워터마크 신호가 바로 동기신호이다.
본 발명에서 사용된 동기프레임은 아주 중요하다. 유사도를 기반으로 워터마크의 존재여부를 확인하는 워터마킹 알고리즘에서는 동기정보가 아주 중요한데 만약 시간축 편집을 하면 이 동기정보를 잃게됨으로 워터마크의 존재여부를 확인할 수 없게된다. 따라서 본 발명에서는 다음과 같은 방법으로 동기신호를 삽입한다. 먼저 시작 프레임의 미리 정해진 위치에 강한 워터마크를 삽입한다. 이 강인하게 삽입된 워터마크가 바로 동기신호인데 이는 매 100프레임단위(GOW: Group of Watermark)로 삽입된다. 동기신호가 삽입되면 그 다음 프레임부터 실제 워터마크정보를 (약한 워터마크: 동기신호에 비해서 약하다는 의미) 삽입하는데 이는 다음 동기신호 (강한 워터마크)가 삽입되기 전까지 삽입된다. 동기신호를 강하게 삽입하는 이유는 이 정보가 아주 중요하기 때문이다.
이렇게 워터마크를 삽입 후, 워터마크를 추출할 때에는 시작 프레임의 미리 정해진 블록에서 워터마크를 추출하여 이 워터마크가 동기신호이면 그 다음 프레임에서부터 워터마크를 추출하여 GOW단위로 유사도를 계산하여 워터마크의 존재여부를 결정한다. 만약 시작 프레임에서 추출된 정보가 동기정보가 아니라면 그 다음 프레임에서 워터마크를 추출하여 이것이 동기정보인지를 계산한다. 이 과정을 동기정보가 검출될 때까지 계속한다. 이런 방법으로 하면 비디오에 적용되는 임의의 시간축 편집에 강인한 워터마킹 알고리즘을 만들 수 있다.
입력프레임에 대하여 워터마크를 삽입할 임의의 블록을 결정하는 것은, 종자(seed)에 의한 난수발생기에서 생성한 비밀키에 의해서 임의의 블록 위치를 결정하며, 해당 8x8 픽셀블록에 2차원 DCT를 수행하는 것이다.
본 발명은 모든 프레임에 워터마크를 삽입하지 않고 비밀키에 의하여 결정한 임의의 블록에만 워터마크를 삽입하는 것이다.
모든 블록에 워터마크를 삽입하면 다중 워터마크 공격에 취약하다. 워터마크된 신호에 다른 워터마크를 삽입하면 이전에 삽입된 관계가 사라지므로 초기에 삽입된 워터마크의 검출이 불가능하기 때문에 난수발생기에서 생성한 임의의 위치에 따라 프레임마다 다른 블록에 워터마크를 삽입하는 것이다. 그러면 초기에 삽입한 워터마크와 다른 위치의 블록에서 워터마크가 검출된다.
또한 임의의 블록에 삽입하면 워터마크된 신호의 화질을 향상시킬 수 있다. 인간시각의 특성에 의하면 프레임마다 같은 위치에 워터마크를 삽입할 때는 화질의 열화가 보이지만 프레임마다 다른 위치에 워터마크를 삽입하면 화질의 열화가 상대적으로 작게 느껴진다.
한편, 워터마크 삽입전과 워터마크 삽입 후에 변하지 않는 값을 얻을 수 있다면 이 값을 제거함으로써 호스트 신호와 워터마크 신호 사이의 간섭을 줄일 수 있다. 이러한 호스트 신호 제거를 위해 DCT계수의 low-bound를 계산한다. low-bound는 다음과 같이 구해진다.
여기서 △는 워터마크 삽입 강도와 관련된 값인데 이는 양자화 레벨과도 관련이 있다. 여기서floor(x)는x보다 작은 가장 큰 정수 값을 반환한다. vac는 원 신호의 DCT계수이고, △는 일종의 양자화 스텝크기를 의미하는데 이 값이 클수록 워터마크가 강하게 삽입된다. 이렇게 low-bound를 구하면 변형된 원 신호인 vm을 계산한다. 즉 이 값이 나중에 워터마크를 추출시에 사용되는 원 신호이다.
이 vm값을 워터마크 추출시에 제거함으로써 호스트신호와 워터마크신호 사이의 간섭을 줄일 수 있다.
여기서 vm은 도 2에서 x표시된 부분이다. 앞으로는 중심이동 되어 변환된 vm을 원 신호로 생각하는 것이다. 워터마크를 추출할 때도 vm을 계산하여 이를 제거함으로써 간섭현상을 제거할 수 있다.
워터마크의 삽입은 다음의 수식을 따른다. 여기서 v'는 워터마크가 삽입된 계수를 의미한다. 이 변형된 값을 역 DCT하여 워터마크가 삽입된 프레임을 얻는다.
한편, 프레임에 삽입된 워터마크의 추출 과정은 워터마크 삽입과정과 유사한 것으로, 설명하면 다음과 같다.
비디오의 시간축 편집에 강인하기 위하여 동기프레임을 삽입하였는데, 먼저 동기신호가 삽입된 동기프레임을 검출해야 한다. 시작 프레임의 정해진 위치에서 워터마크를 추출한 후 이 값이 동기신호인지를 비교하여 동기신호이면 약한 워터마크(실제 삽입된 워터마크 정보) 추출과정으로 넘어가고 그렇지 않으면 다음 프레임의 정해진 블록에서 워터마크를 추출하여 동기신호이지를 비교한다. 이 과정을 동기프레임이 검출 될 때까지 계속한다. 이러한 과정이 도 3에 나타난다. 즉 전체적으로 보면 도 4와 같이 워터마크와 동기정보가 삽입되어 있다.
도면과 같이 동기 프레임(sync frame)은 100 프레임 주기로 입력된다.
워터마크의 추출은 동기신호가 추출된 후에 워터마크 정보를 추출하여 유사도를 측정한다. 워터마크를 추출하기 위해서는 low-bound를 수학식 1을 사용하여 계산하며, 이때 vac대신에 워터마크가 삽입된 신호의 DCT계수를 이용한다. 그리고수학식 2를 이용하여 vm을 계산한다.
워터마크를 추출할 때는 다음의 수식을 이용한다.
여기서w e 는 추출된 워터마크를 나타내고v r 은 수신된 신호이다. 이 신호는 워터마크를 가질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있으며 여러 가지 신호처리를 겪을 수 있다. 위의 수식에서 vm을 제거하는 것은 도 2의 중심이동 과정을 나타낸다.
본 발명은 호스트 신호를 이용하지 않고 변형된 호스트 신호를 이용함으로써 블라인드 방식으로 워터마크정보를 추출할 수 있다. 또한, 워터마크된 신호(vr)에서 변형된 원 신호(vm)를 제거함으로써 간섭현상을 줄인다.
한편, 동기신호를 검출한 후 GOW단위로 약한 워터마크를 추출하여 삽입된 워터마크와 추출된 워터마크 사이의 유사도를 계산하여 워터마크의 진위 여부를 판단하는 것이다. 이때 사용되는 수식은 다음과 같다.
여기서 si는 삽입된 워터마크 비트와 추출된 워터마크 비트가 같으면 1, 그렇지 않으면 0을 가진다. 따라서 이 유사도 값은 바르게 추출된 워터마크의 비트수를 나타내는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 비디오 등의 디지털 데이터 저작권의 보호를 위한 워터마킹의 삽입방법의 일 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 워터마크의 삽입 동작 순서도를 도시한 것이다.
본 발명은 워터마크의 존재여부를 판명할 때 유사도에 기반 하는 방법을 사용하기 때문에 워터마크의 동기정보는 아주 중요하다. 더구나 비디오 신호는 시간축에 대한 편집이 상당히 자주 발생함으로 이에 대한 대비는 꼭 있어야 한다. 본 발명에서는 이를 위해 동기프레임을 만들어서 동기프레임의 발생 이후부터 워터마크를 추출하여 유사도를 측정한다. 동기 프레임 워터마크 정보는 항상 추출되어야 하므로 다른 워터마크보다 강인하게 삽입한다.
워터마크의 삽입동작을 설명하면, 다수의 원본프레임을 동기 프레임과 비동기 프레임으로 나눈다(스텝 S20,S22).
먼저 비 동기프레임에 워터마크를 삽입하는 동작을 설명한다. 난수발생기에 종자(seed)를 입력하여 임의의 수열을 얻는다. 이러한 임의의 수열로 워터마크를 삽입할 8*8 픽셀블록의 위치를 결정하는데, 모든 프레임마다 다른 위치의 픽셀블록을 선택하도록 하는 것이다(스텝 S24).
비밀키(seed)에 의하여 비 동기프레임의 8x8 픽셀블록이 선택되면, 해당 8x8 픽셀블록에 DCT(Discrete Cosine Transform)을 수행한다. 8*8 픽셀 블록에 정방향 2차원 DCT를 수행하여 저주파 성분을 양자화 하는데, 수학식 1과 수학식 2로 이루어진다. 수학식 1은 양자화의 경계값을 구하는 것이고, 수학식 2는 수학식 1에서 얻은 low-bound 경계값으로 양자화된 값을 구하는 것이다(스텝 S26,S28). 이때 사용된 양자화 스템크기는 비교적 작은 값이다.
다음에 상술한 수학식 3에 따라 워터마크를 삽입을 하며, 역방향 2차원 DCT를 수행하여 원 프레임에 대치시키면 워터마크의 삽입과정은 마치는 것이다(스텝 S30,S32).
한편, 동기 프레임에 대한 워터마크의 삽입은 두 가지만 제외하면 비동기 프레임에서의 삽입과정과 일치한다. 먼저 동기프레임에서의 워터마크 삽입위치는 미리 정해진다. 그리고 강인한 워터마크 삽입을 위해 비교적 큰 양자화 스텝을 이용한다.
한편, 강한 워터마크와 약한 워터마크의 차이는 양자화 스텝크기 △의 차이이며, 양자화 스텝크기가 클수록 강한 워터마크가 생성되는 것이다.
이상과 같이, 디지털 데이터의 저작권을 보호하기 위해 사용되는 워터마크의 삽입방법을 설명하면, 다수의 프레임을 동기프레임과 비동기 프레임으로 나눈다.
다음에 비밀키에 의하여 프레임마다 8x8 픽셀블록의 위치를 임의로 선정하며, 해당 픽셀블록에 DCT를 수행하여 양자화 하는 것이다.
동기 프레임에는 강한 워터마크를 삽입하고, 비동기 프레임에는 약한 워터마크를 삽입하며, 동기신호인 강한 워터마크는 매 100프레임 주기로 삽입되어 추출시에 사용한다.
한편, 도 6은 본 발명의 삽입된 워터마크를 추출하여 진위 여부를 판단하는동작 순서도이다.
워터마크가 삽입된 프레임의 정해진 위치의 블럭에서 워터마크를 추출한다(스텝 S70).
스텝 S70에서 추출된 신호가 동기신호인지를 비교하고 이 과정을 동기프레임이 발견될 때까지 계속한다(스텝 S72).
동기프레임이 검출되면 그 다음 프레임부터는 실제 삽입된 워터마크를 추출한다. 즉, 동기프레임 다음에 위치하는 비동기 프레임에 내장된 워터마크를 추출하는 하는 것이다.
먼저 난수발생기를 이용하여 워터마크 삽입할 때에 쓰였던 임의의 수열을 발생시켜 워터마크가 삽입되어있는 8x8 픽셀블록의 위치를 찾는다(스텝 S74).
다음에 해당 8x8 픽셀블록에 2차원 정방향 DCT를 수행하고 워터마크를 삽입할 때와 비슷하게 중심이동하고 그 후 주어진 수학식 4에 의해 삽입된 워터마크를 추출한다(스텝 S76, S78, S80).
이렇게 추출된 워터마크를 GOW(Group of Watermark)단위인 매 100프레임 마다 유사도를 계산하여 워터마크의 존재 여부를 확인한다.
추출된 유사도의 계산은 수학식 5에 따라 실시하며 삽입된 워터마크의 비트와 추출된 워터마크의 비트가 같으면 1, 다른면 0으로 카운트하는 것이다. 따라서 수학식 5의 유사도값은 바르게 추출된 워터마크의 비트수를 나타내는 것이다(스텝 S82).
실시간 비디오 워터마킹 시스템의 구현에서 가장 중요한 부분은 블라인드 워터마킹 알고리즘이다.
본 발명은 양자화된 신호를 원 신호로 가정하고 여기에 워터마크 삽입 추출 알고리즘을 적용하고, 워터마크를 추출할 때에는 원 신호로 가정된 양자화 신호를 계산하여 이를 워터마크된 신호에서 제거함으로써 호스트 신호와 워터마크 신호의 간섭현상을 제거하였다. 또한 종래의 디지털 통신방법을 모두 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그리고 본 발명은 원 비디오 신호의 크기에 상관없이 일정한 속도로 워터마크 삽입 추출을 할 수 있다. 이는 프레임을 8x8블록으로 나누어 정해진 개수의 블록에만 워터마크를 삽입하기 때문이다. 또한 본 발명은 시간축 편집이라는 비디오 편집에 강인하기 위해 동기프레임에 동기정보를 삽입한다. 이 동기정보는 상관관계(correlation)기반의 워터마킹 알고리즘에서 상당히 중요하다. 따라서 이 정보는 꼭 추출되어야 하는데 이는 일종의 퍼블릭 워터마크(public watermark)의 형태로 누구나 추출할 수 있는 정보이고, 또 아주 강하게 삽입되는 정보이다.
따라서 본 발명을 이용하면 시간축 공격 등 여러가지 공격에도 디지털 데이터의 저작권을 확인할 수 있는 강인한 실시간 비디오 워터마킹 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 이미지나 비디오 등의 디지털 데이터의 저작권을 보호하는 워터마크를 삽입하는 데에 있어서,
    다수의 원본 프레임을 동기프레임과 비동기프레임으로 나누는 단계;
    비밀키에 의해 프레임마다 다르게 상기 워터마크가 삽입될 픽셀블록의 위치를 결정하는 단계;
    상기 픽셀블록에 DCT를 수행하는 단계;
    상기 DCT를 수행 후에 상기 픽셀블록에 양자화를 수행하는 단계;
    상기 동기 프레임에는 동기신호로서 강한 워터마크를 삽입하는 단계;
    상기 비동기 프레임에는 약한 워터마크를 삽입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비밀키로부터 프레임마다 다르게 상기 워터마크가 삽입될 픽셀블록의 위치를 결정하는 것은;
    디지털 데이터인 비디오의 열화를 줄이고 다중 워터마크 삽입을 가능하게 하기 위해 프레임마다 다른 위치에 워터마크 삽입을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 DCT를 수행 후에 상기 픽셀블록에 양자화를 수행하는 단계는,
    프레임의 호스트신호와 삽입될 워터마크신호의 간섭현상을 제거하기 위해 low-bound 값을 구하는 단계;
    상기 low-bound 값을 이용해 호스트신호를 양자화 시키는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 프레임의 호스트신호와 삽입될 워터마크신호의 간섭현상을 제거하기 위해 low-bound 값을 구하는 단계는,
    아래의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
    floor(x)는x보다 작은 가장 큰 정수 값을 반환.
    vac :프레임의DCT계수,
    △ : 양자화 스텝크기.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서
    상기 low-bound 값을 이용해 호스트신호를 양자화 시키는 단계는,
    아래의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
    vm: 양자화된 값 △ : 양자화 스텝크기
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 워터마크를 삽입하는 단계는,
    아래의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
    vm: 양자화된 값
    △ : 양자화 스텝크기
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 강한 워터마크와 상기 약한 워터마크는,
    양자화 스텝크기의 차이에 의한 것으로, 상기 양자화 스텝크기가 클수록 강한 워터마크가 만들어 지는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
  8. 디지털 워터마크가 삽입된 이미지 등의 디지털 데이터에서 워터마크를 추출하는 데에 있어서,
    입력 프레임으로부터 워터마크를 추출하고, 상기 입력 프레임이 동기프레임인지를 판단하는 단계;
    상기 입력 프레임이 동기프레임이 아니면 다음 프레임을 검사하여 동기프레임을 찾는 단계;
    상기 동기프레임을 찾으면 다음 프레임부터 GOW 단위로 워터마크를 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 입력 프레임으로부터 워터마크를 추출하고, 상기 입력 프레임이 동기프레임인지를 판단하는 단계는,
    상기 입력 프레임에 동기신호가 있으면 동기프레임으로 판단하고, 상기 동기신호가 없으면 비동기 프레임으로 판단하는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 동기프레임을 찾으면 다음 프레임부터 GOW 단위로 워터마크를 추출하는 단계는,
    프레임에 삽입된 워터마크의 위치를 찾는 단계;
    상기 워터마크가 삽입된 위치에 DCT를 수행하는 단계;
    상기 DCT를 수행 후에 양자화를 실행하는 단계;
    삽입된 상기 워터마크를 추출하는 단계;
    상기 추출된 워터마크와 입력시킨 워터마크를 비교하여 진위여부를 판단하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    삽입된 상기 워터마크를 추출하는 단계는,
    다음의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
    w e : 추출된 워터마크
    v r : 워터마크를 추출하려는 신호
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 추출된 워터마크와 입력시킨 워터마크를 비교하여 진위여부를 판단하는 단계는,
    아래의 수학식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 양자화를 이용한 실시간 블라인드 워터마킹 방법.
    si :삽입된 워터마크 비트와 추출된 워터마크 비트가 같으면 1, 그렇지 않으면 0을 가진다.
    S: 유사도 값으로 바르게 추출된 워터마크의 비트수.
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