KR20050034040A

KR20050034040A - 전자책을 위한 숨은 그림 기반 암호화기술

Info

Publication number: KR20050034040A
Application number: KR1020030069823A
Authority: KR
Inventors: 차정준
Original assignee: (주)와이즈인터네셔날코리아
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-04-14

Abstract

본 발명에 따른 전자책을 위한 숨은 그림 기반 암호화 기술은, 샘플확장계수를 이용한 샘플 확장 방법을 도입하여 종래의 패치워크 방식에 기반을 둔 워터마킹 방식의 공통적인 취약점, 예컨대 JPEG과 같은 압축 공격에 견고하지 못한 것을 근본적으로 개선한 것이다. 즉, 샘플 확장을 샘플군에 적용하면, 삽입되는 워터마크는 저주파 성분을 더 많이 포함하게 되고 고주파 성분의 비율이 그만큼 줄어든다. 그러므로 JPEG 과 같은 영상압축에 의해 워터마크의 고주파 성분이 손상을 입더라도 상대적으로 워터마크의 손상을 줄일 수 있으며, 또한 삽입되는 워터마크 값이 화소의 평균값에 비례하도록 적응형(adaptive) 워터마크 삽입 방식을 고려할 수 있으며, 기존의 패치워크 방식 혹은 패치워크 방식을 변형한 방식들의 단점인 영상 압축 공격에 취약한 점을 극복하기 위해, 샘플링시 단일 화소가 아닌 샘플 확장된 화소를 취하고 타일별로 화소 평균값에 비례하는 워터마크 값을 사용하는 공간영역 블라인드 워터마킹 방법을 제시한다.

Description

전자책을 위한 숨은 그림 기반 암호화 기술{Watermarking Technology for eBook}

본 발명은 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법에 관한 것으로서, 특히 디지털 컨텐츠 중 디지털 이미지 혹은 디지털 비디오의 저작권 정보를 보호하기 위해 적용하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법에 관한 것이다.

워터마킹이란, 이미지나 오디오 혹은 비디오 등의 디지털 데이터에 사람이 인지할 수 없는 저작자의 신호를 삽입하고, 추후에 영상에 삽입된 워터마크를 추출함으로써 저작권을 주장할 수 있도록 하는 저작권 보호 기술의 일종이다. 워터마크(Watermark)는 사람이 볼 수 있는 로고 형태로 삽입될 수도 있으나, 워터마크의 삭제의 용이성과 영상 품질의 훼손 등으로 인하여 최근에는 사람이 볼 수 없는 형태로 워터마크를 삽입하는 방법이 많이 연구, 이용되고 있다.

이와 같이 보이지 않는 워터마크를 삽입할 경우 몇 가지 요구 조건이 존재한다.

첫째, 삽입된 워터마크는 사람의 눈으로 판별할 수 없는 비인식성을 가져야 한다. 즉, 워터마크의 삽입으로 인해 발생하는 원 영상의 화질 저하가 발생하지 않아야 하며, 발생하더라도 거의 발생하지 않아야 한다.

둘째, 워터마크는 견고성을 가져야 한다. 즉, 삽입된 워터마크는 여러 가지 영상 처리나, 워터마크를 삭제하려는 타인의 고의적인 공격을 받더라도 삭제되지 않아야 한다. 삽입된 워터마크를 삭제할 수 있는 영상처리에는 여러 가지가 있는데, JPEG과 같은 손실 압축 기법, 영상의 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 아날로그/디지털 변환, 디지털/아날로그 변환 등 다양한 방법이 있다. 삽입된 워터마크는 이러한 여러 가지 공격에 견고해야만 한다.

셋째, 워터마크는 비 모호성을 가져야 한다. 비 모호성이란, 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.

이와 같이 원 저작자가 제작한 영상 내에 사람이 볼 수 없는 저작자의 고유한 워터마크를 삽입하면, 추후에 타인이 이 영상에 대해 저작권을 주장하거나 이 영상을 불법으로 사용하였을 때, 삽입된 원 저작자의 워터마크를 추출하여 저작권 문제를 해결할 수 있다. 또한 영상을 판매할 경우, 구매자의 워터마크를 영상에 삽입하여 판매하면, 추후에 구매자가 이 영상을 불법 유통시킬 때 유통되는 영상의 워터마크를 추출함으로써 영상을 불법 유통시킨 구매자를 판별해 낼 수 있다. 이렇듯이 워터마크는 디지털 영상의 저작권 보호와 데이터 복제 방지를 위하여 유용하게 사용될 수 있다.

워터마크 검출시 원본 이미지를 사용하지 않는 블라인드(blind) 방식 워터마킹은 적용영역에 따라 공간영역과 주파수영역 워터마킹 방식으로 나뉘어 진다. 널리 알려진 공간영역 워터마킹 방식중 하나가 Bender에 의해 제시된 패치워크(patchwork) 방식이다. 패치워크 방식을 수정한 방식들이 많이 제시되었고 본 발명도 기본적으로는 패치워크 방식을 이용한다.

즉, 기존 패치워크 방식 혹은 이를 변형한 방식의 경우 샘플군을 취하고 샘플링된 화소에 대해 어떤 상수값을 가감하는 것을 주파수 영역에서 해석하면, 원본 이미지에 고주파 성분을 가지는 워터마크 성분을 더해주는 결과가 된다. JPEG 과 같은 영상압축은 원본 이미지의 고주파 성분을 제거하는 영상처리 과정을 내재하고 있으므로, 워터마크로 삽입된 성분이 영상압축 공격을 받을 경우 심한 손상을 받아 결과적으로 삽입된 워터마크를 제대로 검출하지 못하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 샘플 확장에 의한 샘플링을 수행하여 샘플 확장 정도에 따라 워터마크의 고주파 성분을 억제시킬 수 있도록 함으로써, JPEG류의 압축 공격에 대해 워터 마크의 손상을 줄일 수 있도록 한 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 즉, 디지털 이미지의 저작권을 보호하기 위한 워터마크 정보를 이미지에 삽입하기 위한 워터마킹 방법의 일측면에 따르면, 행과 열방향의 일정 크기를 갖는 의사 이진 난수 블록을 생성하고, 생성된 의사 이진 난수 블록에 따른 샘플쌍을 선정하는 단계: 상기 의사 이진 난수 블록을 설정된 샘플 확장 계수에 따라 열과 행방향으로 일정 크기 확장시키는 단계: 상기 확장된 샘플쌍 블록을 일정 개수로 타일화하는 단계; 상기 각 타일에 해당하는 워터마크 비트를 생성하고, 워터마크 비트 정보에 따라 상기 각 타일의 극성을 변환하는 단계: 타일별로 평균 화소값과 워터마크 삽입강도를 곱하여 삽입될 워터마크 값을 계산하는 단계와; 상기 계산된 워터마크값에 따라 타일내의 화소에 워터마크를 삽입하고, 타일별로 워터마크가 삽입된 부분 이미지를 모아 최종 워터마킹된 이미지를 획득하는 단계를 포함한다.

상기 의사 이진 난수 블록에 따른 샘플쌍을 선정하는 단계에서, 상기 샘플쌍은 비트 '1'과 비트 '0'의 2개의 샘플군으로 선정하고, 상기 일정 크기 확장시키는 단계에서, 상기 확장된 블록의 크기는 워터마크 한 비트를 삽입하기 위해 사용되는 화소수인 것이다.

또한, 상기 워터마크 비트를 생성하고, 워터마크 비트 정보에 따라 상기 각 타일의 극성을 변환하는 단계에서, 상기 워터마크는 의사 이진난수 발생기에 의해 만들 수 있고 또는 임의의 이진값을 부여하여 발생할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 각 타일의 극성의 변화는, 각 타일의 비트 정보가 '1'인 경우 극성을 '+1'로 변환하고, 비트 정보가 '0'인 경우에는 '-1'로 극성을 변환한다.

상기 워터마크 값을 계산하는 단계에서, 원본 이미지 블록의 평균 화소값 Mi,j를 모든 (i, j) 타일에 대해 구하고, Mi,j 와 워터마크 삽입강도 k 를 곱한 값을 (i, j) 타일의 워터마크 값으로 정한다.

한편, 디지털 이미지의 저작권을 보호하기 위한 워터마크 정보를 이미지로부터 검출하는 방법의 일측면에 따르면, 상기 디지털 이미지를 일정 크기의 샘플쌍 블록으로 타일화하는 단계; 상기 블록화된 타일별로 두 샘플군의 평균 화소값을 계산하는 단계; 상기 타일별로 워터마크 비트 검출 및 검출된 워터마크 비트를 판정하는 단계; 상기 판정된 각 타일별 워터마크 비트를 모아 최종 워터마크 비트 블록을 획득하는 단계를 포함한다.

상기 두 샘플군의 평균 화소값을 계산하는 단계에서, 두 샘플군의 평균 화소값은, 모든 (i,j) 번째 타일에 대해 확장된 블록의 비트가 '1'인 부분의 평균 화소값에서 확장된 블록의 비트가 '0'인 부분의 평균 화소값을 빼서 계산할 수 있다.

또한, 상기 타일별로 워터마크 비트 검출 및 검출된 워터마크 비트를 판정하는 단계에서 워터마크 비트 판정은, a) 상기 두 샘플군의 평균 화소값이 '0'이상이면 검출된 워터마크 비트를 '1'로 판정하고, b) 상기 두 샘플군의 평균 화소값이 '0'미만이면 검출된 워터마크 비트를 '0'으로 판정하는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마킹 및 워터 마크 검출 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 살펴보기로 하자.

먼저, 본 발명에 따른 샘플 확장을 이용한 워터마킹 방법 즉, 워터 마크의 생성 및 생성된 워터 마크를 데이터에 삽입하는 방법에 대하여 설명해 보기로 하자.

도 1은 본 발명에 따른 샘플 확장을 이용한 공간 영역 블라인드 워터마크 생성 및 삽입과정을 설명하기 위한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마킹 방법에서 워터마크 생성 및 삽입 방법에 대한 동작 플로우챠트를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 블록도는 워터마크 비트의 생성을 위한 샘플 확장 과정과 타일화 과정 및 워터마크 비트를 삽입하는 절차를 블록도로 나타낸 도면으로서, 이 블록도의 동작에 대하여는 도 2에 도시된 흐름도를 참조하여 단계적으로 살펴보기로 하자.

도 2에 도시된 바와 같이, 샘플 확장을 이용한 워터마크 생성 및 삽입 방법은, 의사 이진난수(pseudo binary random number) 블록에 의해 샘플쌍을 선정하는 단계(S101), 샘플쌍을 샘플 확장시키는 단계(S102), 샘플쌍 블록을 타일화하는 단계(S103), 타일별 평균 화소값을 계산하는 단계(S104), 각 타일에 해당하는 워터마크 비트를 생성하는 단계(S105), 타일별로 삽입될 워터마크값을 계산하는 단계(S106), 워터마크 비트 정보에 따라 타일 극성을 변환시키는 단계(S107), 타일내의 화소에 워터마크를 삽입하는 단계(S108), 워터마크가 삽입된 이미지를 획득하는 단계(S109)로 구성될 수 있다.

이와 같이 구성된 각 단계에 대하여 좀 더 상세하게 설명해 보기로 하자.

먼저, 의사 이진난수 블록에 의해 샘플쌍(sample pair)을 선정하는 단계(S101)에 대하여 살펴보면, 행(row)과 열(column) 방향의 크기가 각각 PR 과 PC 인 의사 이진 난수 블록을 생성한다. 의사 이진 난수를 발생시키는 시드(seed) 값이 워터마크의 키(key)에 해당한다. PR x PC 값이 짝수가 되도록 하기 위해, PR 은 양의 짝수, PC 는 양의 정수값을 가지도록 설정한다.

그리고 발생된 의사 이진 난수의 '1'과 '0'의 개수가 동일하도록 만든다. '1'과 '0'의 위치는 한 쌍의 샘플군(sample group)을 의미한다. 이렇게 발생시킨 의사 이진 난수 블록을 P 라고 정의한다. 여기서, 샘플쌍 블록에 대한 일례가 도 3 에 제시되어 있다. 도 3은 직사각 형태의 블록에 의사 이진난수를 발생시켜 비트 '1'과 비트 '0'의 부분을 2 개의 샘플군으로 선정하는 방법을 예시한 도면이다.

이어, 샘플쌍을 샘플 확장시키는 단계(S102)는, 샘플 확장계수(expansion factor) s 만큼 행 방향과 열 방향으로 블록 P를 확장시킨다. 여기서, 확장된 블록을 P′로 정의한다.

특히, 상기 샘플 확장계수 s가 상수값 d라면, 이 상수값 d≠1이 아닌 양의 정수, 즉 d≥2은 정수로 정의되며, 샘플 확장계수 s는 1×1 크기의 단일 화소가 아닌 d×d 크기, 예컨대, 2×2, 3×3, 4×4 등으로 확장된 화소 블록을 한 샘플로 취급함을 의미한다.

P′의 크기는 워터마크 한 비트를 삽입하기 위해 사용되는 화소수이다. P′블록에서 '1'의 값을 '+1'로, '0'의 값을 '-1'로 대치한다. 샘플쌍 블록을 확장하는 일례가 도 4에 제시되어 있다. 도 4는 샘플쌍 블록 P 를 샘플 확장계수 s 만큼 샘플 확장을 실행하여 샘플 확장된 블록 P′을 생성하는 것을 예시한 도면이다.

도 4에 도시된 P 의 크기는 PR x PC = 3 x 2 이고, 샘플 확장된 P′의 크기는 PR' x PC' = (s x PR) x (s x PC) = 6 x 4 이다.

한편, 샘플쌍 블록을 타일화하는 단계(S103) 즉, P′의 타일화는, P′를 타일화 시켜 크기가 R x C 인 원본 이미지 I 전체를 덮도록 한다.

타일의 개수는 가 된다. 여기서 는 * 보다 작은 가장 큰 정수이다. 타일화된 샘플 확장 블록의 일례가 도 5의 c) 에 제시되어 있다. 도 5의 c) 는 4 x 4 개의 타일로 P′가 타일화된 것을 예시한 도면이다. 즉, 도 5 a)에 도시된 바와 같이 워터마크 비트 블록을 먼저 비트 '1'을 '+1'로 변환하고, 비트 '0'을 '-1'로 변환하는 것이다.

이어, 도 2에 도시된 각 타일에 해당하는 워터마크 비트를 생성하는 단계(S105) 및 워터마크 비트 정보에 따라 타일 극성을 변환시키는 단계(S107)에 대하여 살펴보기로 하자.

먼저, 크기가 R x C 인 원본 이미지 I에 삽입할 워터마크 비트를 준비한다. 워터마크 비트의 최대 개수는 이다. 여기서, 상기 워터마크 비트의 최대 개수는 P' 타일의 개수와 동일하다.

워터마크는 의사 이진 난수 발생기로도 만들 수 있고, 임의의 이진 값을 줄 수도 있다. 준비된 워터마크 블록 W에 대해 '1'의 값을 '+1'로 , '0'의 값을 '-1'로 대체 한다. 도 5의 a), b)에 4 x 4 크기의 워터마크 비트블록 W의 일례와 W의 {1, 0} 비트를 {+1, -1}의 값으로 극성 변환하는 과정이 예시되어 있다.

그리고, 도 2에 도시된 타일별 평균 화소값을 계산하는 단계(S104)는, 삽입될 워터마크의 값을 결정하기 위해 (i,j) 타일에 해당하는 원본 이미지 블록의 평균 화소값 Mi,j 를 모든 (i,j) 타일에 대해 계산한다.

이어, 타일별 워터마크 값을 계산(S106)하는 단계를 수행하게 되는데, 이 단계에서는, (i,j) 번째 타일별 평균 화소값 Mi,j와 워터마크 삽입강도 k 를 곱해 각 타일별로 삽입될 워터마크의 값 을 계산한다. 여기서 는 * 보다 큰 가장 작은 정수이다.

삽입되는 워터마크 값이 화소의 평균값에 비례하는 적응형(adaptive) 워터마크 삽입 방식이므로 화소값이 큰 부분에는 강한 워터마크가 삽입되고, 화소값이 작은 부분에는 약한 워터마크가 삽입된다. 화소값이 큰 부분은, 화소값의 변화가 커도 인간의 눈이 쉽게 인지하지 못하는 점을 이용하여 강한 워터마크를 삽입한다. 여기서, (i, j)번 째 타일에 삽입될 워터마크의 값은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

여기서, k는 워터마크 삽입 강도이고, Mi,j는 (i,j) 번째 타일별 평균 화소값 이다. 즉, 워터마크 삽입강도 k 를 크게 할수록 워터마크를 강하게 삽입할 수 있고 또한 공격에 견디는 견고성도 높일 수 있다는 의미이다.

그러나 강한 워터마크는 원본 이미지를 많이 변형시키는 단점이 있으므로 0.01 ∼ 0.1 사이의 적절한 값을 선택한다.

이어, 타일내의 화소에 워터마크값을 삽입하는 단계(S108)를 수행하게 되는데, 이 단계는, (i,j) 번째 타일에 해당하는 원본 이미지의 부분 블록을 Oi,j 라고 정의한다. Oi,j 의 크기는 샘플 확장된 블록 P′의 크기와 동일하다. Oi,j 블록별로 워터마크를 삽입하여 워터마크가 삽입된 타일 블록 Ei,j 을 구한다.

워터마크는 아래의 수학식 2에 의해 각 이미지 블록 Oi,j 의 화소값에 상기 S104단계에서 계산된 타일별 워터마크 값을 가감하여 삽입한다.

상기 수학식 2 에서 Wi,j 는 상기 S105 단계에서 생성된 워터마크 블록 W의 (i,j) 항의 값이다. 상기 수학식 2를 풀어 설명하면, 삽입될 워터마크 Wi,j 가 '+1'이면, 워터마크 값을 더해주고, 삽입될 워터마크 Wi,j 가 '-1'이면 워터마크 값을 빼주는 결과가 된다. 따라서 수학식 2는 수학식 3으로도 표현 가능한 것이다.

또한 상기 수학식 2 와 3 에서 Wi,j x P′가 의미하는 바는 도 5의 c) 로 설명된다. 도 5의 c) 에서 P′는 Wi,j의 값에 따라 극성이 반전되어 타일화 되어 있음을 알 수 있다.

이와 같이 타일별 워터 마크 삽입 과정(S108)이 완료되면, 워터마킹된 이미지를 획득하는 단계(S109)를 수행하게 된다. 즉, 모든 (i,j) 번째 타일 블록에 대해 상기한 바와 같이 워터마크 삽입 과정을 수행하고 Oi,j 를 Ei,j 로 대치하여 워터마크가 삽입된 이미지 I′를 만든다.

본 발명에서의 핵심인 상기 워터마크가 삽입된 이미지를 획득하는 단계(S109)를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

M1을 Oi,j 에서 P'의 비트가 '1'인 부분의 평균 화소값, M0를 Oi,j 에서 P′의 비트가 '0'인 부분의 평균 화소값으로 정의한다.

워터마크 삽입 전과 삽입 후의 평균값의 변화는 다음과 같다. 워터마크 삽입 전의 평균값은 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

여기서, M1 M0 이므로 M M1 M0 로 볼 수 있다.

그러나 워터마크 삽입 후의 평균값 M은 변화가 없지만 M1과 M0는 삽입되는 워터마크 비트에 따라 값의 변화가 있다.

제시한 알고리즘에 따르면 삽입되는 워터마크 비트가 '1'이면 M1 은 만큼 증가하고, M0 는 만큼 감소한다. 그에 반해 삽입되는 워터마크 비트가 '0'이면, M1 은 만큼 감소하고, M0 는 만큼 증가한다.

그러나 M1 에 대해서는 값을 더하고, M0 에 대해서는 값을 빼기 때문에 상기 수학식 4의 M = (M1+M0)/2 에 의해 M은 워터마크 삽입전과 삽입후의 값의 변화가 없게 되는 것이다.

이러한 점을 이용하여 워터마크 검출시, M1과 M0의 값을 비교함으로써 삽입된 워터마크의 비트를 찾아낼 수 있다.

R x C 크기의 이미지에 삽입될 수 있는 워터마크는 총 비트가 된다. 예를 들어 원 영상의 크기가 512 x 512 이고 P′의 크기가 32 x 32 이라면, 총 256 비트의 워터마크 비트를 삽입할 수 있는 것이다.

이하, 상기와 같이 이미지에 삽입된 워터마크를 원 이미지에 관계없이 블라인드(blind) 검출하는 방법에 대하여 첨부한 도 6을 참조하여 설명해 보기로 하자.

도 6은 본 발명에 따른 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 검출 방법에 대한 동작 플로우챠트를 나타낸 도면이다. 여기서, 워터마크를 검출하는데 있어서는, 원 이미지가 필요하지는 않지만 워터마크 삽입시 사용된 정보인 P, 샘플 확장계수 s, 워터마크 비트 블록 W 의 크기 등의 정보는 필요하다.

샘플 확장을 이용한 워터마크 블라인드 검출 방법은, 크게 이미지를 타일화 하는 단계(S201), 타일별 평균 화소값을 계산하는 단계(S202), 평균 화소값을 이용하여 워터마크 비트를 검출 및 판정하는 단계(S203 - S207)로 나뉘어 진다. 이와 같은 각 단계에 대하여 좀더 상세하게 설명해 보기로 하자.

먼저, 이미지를 P′크기로 타일화를 수행한다(S201). 여기서, 타일의 개수는 워터마크 삽입시와 동일하며 워터마크 비트 블록 W의 크기도 타일의 개수와 동일하다.

이어, 상기 타일화된 각 타일별 두 샘플군의 평균 화소값을 아래의 수학식 5를 이용하여 구할 수 있다(S203).

즉, 모든 (i,j) 번째 타일에 대해 P′의 비트가 '1'인 부분의 평균 화소값 M1, P′의 비트가 '0'인 부분의 평균 화소값 M0 을 각각 구한 후, 두 평균값의 차이값을 계산하는 것이다.

상기의 수학식 5를 이용하여 구한 P′의 비트가 '1'인 부분의 평균 화소값 과 P′의 비트가 '0'인 부분의 평균 화소값의 차이값 Di,j가 '0'이상인지를 판단한다(S204).

판단 결과, Di,j 가 0 이상이면 검출된 워터마크 비트를 1 로 판정하고(S205), Di,j 가 0 미만이면 검출된 워터마크 비트를 0 으로 판정한다(S206).

워터마크 삽입시 M0 M1의 관계를 가졌고 공격에 의한 손상이 없다고 가정하면, 워터마크 검출시의 이상적인 Di,j 값은 삽입된 워터마크 비트가 '1'이면 +2의 값을 가질 것이고, 삽입된 워터마크 비트가 '0'이면 -2의 값을 가질 것이다.

이어, 검출된 워터마크 비트를 모아 워터마크 비트 블록을 구성하게 되는 것이다(S207).

도 7은 본 발명에 있어 샘플 확장에 의해 고주파 성분이 줄어든 모습의 일례를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 6에 도시된 워터 마크 검출 방법에 의한 워터마크 검출 성능의 일례를 나타낸 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이 128 × 128 크기의 의사 이진 난수 블록과, 32 × 32 크기의 의사 이진 난수 블록이 샘플 확장 계수 s=5 크기 만큼 확장된 128 × 128 크기의 샘플 확장 블록을 이산 코사인 변환(DCT; Discrete Cosine Transform)처리하여 고주파 성분을 비교한 도면이다. 도 7에서 보면, 샘플 확장된 블록의 고주파 성분이 훨씬 줄어들었고 이는 곧 JPEG 등의 압축 공격에 대해 워터마크 손상을 줄일 수 있음을 의미하는 것이다.

또한, 도 8에는 샘플 확장을 이용한 워터마크 검출 성능을 계산한 일례가 예시되어 있다. 도 8은 샘플 확장 블록 P′의 크기를 고정시켜 단위 블록당 동일한 화소 개수를 가지도록 한 조건에서 4 x 4 크기의 워터마크 비트 블록을 삽입할 때, JPEG 공격 모의 실험시 샘플 확장계수 s의 변화에 따른 워터마크 검출 성능을 비교한 도면이다. 이 도면으로부터 JPEG 품질계수 50 이하의 공격시, 샘플 확장을 하지 않은 s=1 일 경우 보다 s가 큰 값을 가질 때 성능이 더 좋은 것을 볼 수 있다. 이는 곧 샘플 확장을 이용할 경우 JPEG의 고주파 제거 공격에 더 견고함을 의미하는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마킹 및 워터마크 검출 방법은, 일반적으로 패치워크 방식에 기반을 둔 방식의 공통적인 취약점은 JPEG과 같은 압축 공격에 견고하지 못한 것이다. 그러나, 본 발명은 샘플 확장 방법을 도입하여 이를 근본적으로 개선한 것이다.

또한, 기존 방식의 경우 워터마크 삽입을 위해 샘플군을 취할 때 한 화소씩 샘플을 취하였고 이로 인해 샘플군은 근본적으로 고주파 성분을 포함하게 된다. 이러한 고주파 성분은, 원본 이미지의 고주파 성분을 제거하는 영상처리 과정을 내재하고 있는 JPEG과 같은 영상압축에 의해 쉽게 손상되고 결과적으로 삽입된 워터마크의 견고성을 약하게 만든다.

그러나 본 발명에서 제안하는 샘플 확장을 샘플군에 적용하면, 삽입되는 워터마크는 저주파 성분을 더 많이 포함하게 되고 고주파 성분의 비율이 그만큼 줄어든다. 그러므로 JPEG과 같은 영상압축에 의해 워터마크의 고주파 성분이 손상을 입더라도 상대적으로 워터마크의 손상을 줄일 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 샘플 확장을 이용한 공간 영역 블라인드 워터마크 생성 및 삽입과정을 설명하기 위한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마킹 방법에서 워터마크 생성 및 삽입 방법에 대한 동작 플로차트를 나타낸 도면.

도 3은 샘플쌍 블록의 일례를 나타낸 도면.

도 4는 도 2에 도시된 S102 단계의 샘플쌍 블록의 확장 방법을 설명하기 위한 방법의 일예를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 있어 타일화된 샘플 확장 블록을 생성하는 방법의 일예를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 따른 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 검출 방법에 대한 동작 플로차트를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 있어 샘플 확장에 의해 고주파 성분이 줄어든 모습의 일례를 나타낸 도면.

도 8은 도 6에 도시된 워터 마크 검출 방법에 의한 워터마크 검출 성능의 일례를 나타낸 도면.

Claims

디지털 이미지의 저작권을 보호하기 위한 워터마크 정보를 이미지에 삽입하기 위한 워터마킹 방법에 있어서,

행과 열방향의 일정 크기를 갖는 의사 이진 난수 블록을 생성하고, 생성된 의사 이진 난수 블록에 따른 샘플쌍을 선정하는 단계:

상기 의사 이진 난수 블록을 설정된 샘플 확장 계수에 따라 열과 행방향으로 일정 크기 확장시키는 단계:

상기 확장된 샘플쌍 블록을 일정 개수로 타일화하는 단계;

상기 각 타일에 해당하는 워터마크 비트를 생성하고, 워터마크 비트 정보에 따라 상기 각 타일의 극성을 변환하는 단계:

타일별로 평균 화소값과 워터마크 삽입강도를 곱하여 삽입될 워터마크 값을 계산하는 단계와;

상기 계산된 워터마크값에 따라 타일내의 화소에 워터마크를 삽입하고, 타일별로 워터마크가 삽입된 부분 이미지를 모아 최종 워터마킹된 이미지를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.
제1항에 있어서,

상기 의사 이진 난수 블록에 따른 샘플쌍을 선정하는 단계에서,

상기 샘플쌍은 비트 '1'과 비트 '0'의 2개의 샘플군으로 선정하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.
제1항에 있어서,

상기 의사 이진 난수 블록을 일정 크기 확장시키는 단계에서,

상기 의사 이진 난수 블록을 1이 아닌 양의 정수값 d로 정의되어 1×1 크기의 단일 화소가 아닌 d×d 크기로 확장된 화소 블록을 한 샘플로 취급하도록 설정된 샘플 확장 계수에 따라 열과 행 방향으로 일정 크기 확장시키는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.
제1항에 있어서,

상기 타일화하는 단계에서,

타일의 개수는 아래의 수학식을 이용하여 계산하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.

타일의 개수 =

여기서, 는 *보다 작은 가장 큰 정수이고, PR'과 PC'는 행과 열의 확장된 블록의 크기이다.
제1항에 있어서,

상기 워터마크 비트를 생성하고, 워터마크 비트 정보에 따라 상기 각 타일의 극성을 변환하는 단계에서,

상기 워터마크는 의사 이진난수 발생기에 의해 만들 수 있고 또는 임의의 이진값을 부여하여 발생할 수 있는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 각 타일의 극성의 변화는, 각 타일의 비트 정보가 '1'인 경우 극성을 '+1'로 변환하고, 비트 정보가 '0'인 경우에는 '-1'로 극성을 변환하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.
제1항에 있어서,

상기 워터마크 값을 계산하는 단계에서 타일별 평균 화소값의 계산은,

삽입될 워터마크의 값을 결정하기 위해 (i, j) 타일에 해당하는 원본 이미지 블록의 평균 화소값 Mi,j를 모든 (i, j) 타일에 대해 계산하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.
제1항 또는 제7항에 있어서,

상기 타일별 평균 화소값을 계산하는 단계에서, 타일별 워터마크값의 계산은 아래의 수학식을 이용하여 계산하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.

여기서, 상기 k는 워터마크 삽입강도이고, Mi,j는 (i, j)번째 일별 평균 화소값이며, 는 *보다 큰 가장 작은 정수이다.
제1항에 있어서,

상기 워터마킹된 이미지를 획득하는 단계에서,

상기 타일내의 화소에 워터마크를 삽입하는 것은 아래의 수학식을 이용하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.

여기서, Ei,j는 워터마크가 삽입된 타일 블록, Oi, j는 (i, j)번째 타일에 해당하는 원본 이미지의 부분 블록, Wi, j는 블록 W의 (i, j) 항의 값이다.
제9항에 있어서,

상기 블록 W의 (i, j) 항의 값과 샘플 확장된 블록 P' 는 각각 '+1' 혹은 '-1'의 값을 가지는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.
제1항 또는 제9항에 있어서,

상기 타일별 워터 마크값을 삽입한 후에 타일별 화소의 평균값이 변하지 않도록 아래의 수학식을 이용하여 워터마크를 삽입하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.

여기서, Ei,j는 워터마크가 삽입된 타일 블록, Oi, j는 (i, j)번째 타일에 해당하는 원본 이미지의 부분 블록, Wi, j는 블록 W의 (i, j) 항의 값이다.
디지털 이미지의 저작권을 보호하기 위한 워터마크 정보를 이미지로부터 검출하는 방법에 있어서,

상기 디지털 이미지를 일정 크기의 샘플쌍 블록으로 타일화하는 단계;

상기 블록화된 타일별로 두 샘플군의 평균 화소값을 계산하는 단계;

상기 타일별로 워터마크 비트 검출 및 검출된 워터마크 비트를 판정하는 단계;

상기 판정된 각 타일별 워터마크 비트를 모아 최종 워터마크 비트 블록을 획득하는 단계를 포함하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.
제12항에 있어서,

상기 두 샘플군의 평균 화소값을 계산하는 단계에서,

두 샘플군의 평균 화소값은, 아래의 수학식을 이용하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.

여기서, Di,j는 두 샘플군의 평균 화소값, M1은 모든 (i,j) 번째 타일에 대해 P′의 비트가 '1'인 부분의 평균 화소값, M0는 P′의 비트가 '0'인 부분의 평균 화소값이다.
제12항 또는 제13항에 있어서,

상기 타일별로 워터마크 비트 검출 및 검출된 워터마크 비트를 판정하는 단계에서 워터마크 비트 판정은,

a) 상기 두 샘플군의 평균 화소값이 '0'이상이면 검출된 워터마크 비트를 '1'로 판정하고,

b) 상기 두 샘플군의 평균 화소값이 '0'미만이면 검출된 워터마크 비트를 '0'으로 판정하는 샘플 확장을 이용한 공간영역 블라인드 워터마크 삽입 및 검출 방법.