KR20050098257A - 무손실 데이터 임베딩 - Google Patents

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KR20050098257A
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안토니우스 에이. 씨. 엠. 캘커
프란시스커스 엠. 제이. 윌렘스
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

가역 워터마킹(reversible watermarking)(원래의 호스트 신호의 완전한 복원을 가능하게 하는 임베딩 방식들)을 위한 많은 방법들은 워터마킹된 컨텐트의 가장 근소한 변경이 임베딩된 보조 데이터 뿐만 아니라 원래의 신호 모두의 복구를 금지하는 점에서 매우 약하다. 전송 또는 채널 에러들에 대해 견고성(robustness)을 획득하기 위해서, 본 발명에 따른 임베딩 방법은 데이터 임베딩 용량(embedding capacity)의 일부에 에러 정정 데이터를 수용한다. 이로운 실시예에서, 호스트 신호(36)는 세그먼트들로 세그멘팅되고, 세그먼트(S(n))에 대한 에러 정정 데이터(p(n))는 호스트 신호를 복원하기 위해 복원 데이터(r(n))와 함께 후속하는 세그먼트(S(n+l))에 임베딩된 데이터(37)에 수용된다. 임베딩 용량의 잔여부(remaining portion)는 페이로드(payload)(w)를 위해 사용된다.

Description

무손실 데이터 임베딩{Lossless data embedding}
본 발명은 복합 신호를 생성하기 위해 임베딩 레이트(embedding rate) 및 왜곡(distortion)을 가지는 데이터 임베딩 방법을 사용하는 단계, 및 호스트 신호를 복원하기 위해 복원 데이터를 수용하도록 상기 임베딩 레이트의 제 1 부분 및 상기 보조 데이터를 임베딩하기 위해 상기 임베딩 레이트의 제 2 부분을 사용하는 단계를 포함하는 호스트 신호(host signal)에 보조 데이터(auxiliary data)를 임베딩하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 호스트 신호에 보조 데이터를 임베딩하기 위해 대응하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 그 호스트 신호를 재구성하기 위한 방법 및 장치, 및 임베딩된 데이터를 가진 복합 정보 신호에 관한 것이다.
많은 워터마킹(watermarking) 및 데이터-숨김 방식들(data-hiding schemes)의 바람직하지 않은 부작용은 보조 데이터가 임베딩된 호스트 신호가 왜곡된다는 것이다. 그러므로 임베딩된 정보량 및 유도된 왜곡(distortion)의 사이의 최적의 균형을 찾는 것이 연구의 활성 영역이다. 최근에는, 워터마킹 및 데이터-숨김 방식들의 용량 대 왜곡의 기본적인 제한들을 이해하는 것에서 상당한 진보가 있었다. 그러나, 몇 가지의 적용들에 대하여, 왜곡이 보조 데이터로부터 기인하지 않지만, 몇 가지는 허용 된다. 이들 경우들에서, 가역 데이터-숨김 방식들은 해결책을 제공한다. 가역 데이터-숨김 방식들은 원래의 호스트 데이터의 완전하고 무계획적인 복원(blind restoration)(즉, 부가적인 시그널링이 없는)을 허용하는 방식으로서 규정된다.
서문에서 규정된 가역 데이터-숨김 방법은 제이. 프리드리히(J. Fridrich), 엠. 골잔(M. Goljan), 및 알. 뒤(R.Du), "모든 이미지 포맷들에 대한 무손실 데이터 임베딩(Lossless Data Embedding For All Image Formats)", SPIE9 보안 및 다중매체 컨텐트들의 워터마킹들의 회보들(Proceedings of SPIE9 Security and Watermarking of Multimedia Contents), 2000년, 산 호세에 개시되었지만, 이론적인 제한들에 주의점이 거의 기울여 지지 않았다. 이 프리드리히 등(Fridrich et al.)의 논문에서, 신호 X의 특징들의 서브셋 B(예를 들면, 비트맵 이미지의 약간의 비트 플레인(bit plane) 또는 적어도 JPEG 이미지의 특정 DCT 계수들의 상당한 비트)는 (i) B는 무손실로 압축되고 (ii) B의 랜덤화(randomization)는 작은 충돌(impact)을 가지도록 유도된다. 그 때 무손실 데이터-숨김은 비트스트림을 보조 데이터와 연관시키고 원래의 세트 B를 교체하는, B의 무손실 압축(lossless compression)에 의해 달성된다.
2002년 6월 디지털 신호 처리 국제 회의의 회보(Proceedings of the International Conference on Digital Signal Processing", 1, pp. 71-76, 티. 캘커(T. Kalker) 및 에프. 윌리엠스(F. Willems), "가역 데이터-숨김을 위한 용량 경계들 및 구조들(Capacity Bounds And Constructions For Reversible Data-Hiding)" 에서, 가역 워터마킹 구조들의 용량에서 몇 개의 제 1 결과들이 유도된다. 이 논문에서, 캘커 등은 주어진 임베딩 레이트 및 왜곡을 가지는 미리 결정된 임베더(embedder)를 사용한다. 그들은 임베딩 용량이 복합 신호(composite signal)에서 조절된 호스트 신호를 식별하는 호스트 신호 복원 데이터(host signal restoration data)에 임베딩함에 의해 증가될 수 있다는 것을 보였다. 이는 복원 데이터가 호스트 신호 샘플들이 임베딩 처리에 의한 변경을 겪은 주어진 복합 신호를 규정한다. 실질적인 실시예들에서, 캘커 등은 호스트 신호를 세그먼트들로 분할하고, 후속하는 세그먼트에 이 세그먼트에 대하여 복원 데이터를 임베딩하고 임베딩 보조 데이터에 대하여 임베딩 레이트의 잔여부를 사용한다. 이 가역 데이터-숨김 방식은 "재귀(recursive)" 가역 임베딩이라 부른다. 본 발명은 또한 이 재귀 가역 임베딩 방식을 제시한다.
캘커 등의 재귀 가역 임베딩 방식을 포함하는 가역 임베딩 방식들의 문제는 매우 약한 특성을 가지는 것이다. 워터마킹된 데이터에서 단일 비트를 변경하는 것은 임베딩된 보조 데이터 뿐만 아니라 원래의 호스트 신호 모두의 복구(recovery)를 금지한다. 이는 가역 워터마킹 방식들의 유용성에 엄격한 한계를 준다. 사용자가 워터마킹된 데이터상에서 완전한 제어를 가진(예를 들면 달성하는) 환경에서만 또는 이들 워터마킹 방식들이 인증하는 환경에서 유용한 적용을 가진다.
도 1은 호스트 신호에 보조 데이터를 임베딩하기 위한 장치 및 본 발명에 따른 호스트 신호를 재구성하기 위한 장치를 포함하는 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 임베딩 장치의 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 호스트 신호를 세그먼트들로 분할하는 실제적인 예들을 도시한 도면.
도 5는 도 1에 도시된 호스트 신호를 재구성하기 위한 장치의 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
(발명의 목적 및 요약)
본 발명의 목적은 원래의 호스트 신호를 재구성하는 대응하는 방법 및 장치 뿐만 아니라 개선된 가역 데이터 임베딩 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따라서, 제 1 항에 규정된 바와 같은 방법이 제공된다. 본 발명은 가역 임베딩 방식의 임베딩 용량의 부분이 상기 페이로드(payload)를 전달하는 호스트 신호 뿐만 아니라 페이로드의 에러 방지(error protection)를 위해 사용될 수 있다는 지식을 활용한다. 그러므로 임베딩 방식은 채널 에러들(channel errors)에 관하여 견고하다.
워터마킹된 호스트 신호에서 에러 정정 데이터(error correction data)를 임베딩하는 것이 미국 특허 출원 US 2003/009670, 특히 단락[0419]으로 공지된 것이 주목될 것이다. 그러나, 이 공보에서 에러 정정 데이터는 워터마크 페이로드만을 보호한다.
다른 독립항 제 2 항에 규정된 본 발명의 다른 양태에 따라서, 복합 신호의 주어진 세그먼트에 대하여 에러 정정 데이터는 호스트 신호의 후속하는 세그먼트에 임베딩된다. 이 방법에서, 견고한 재귀 가역 임베딩 방식은 높은 임베딩 레이트로 획득된다. 에러 정정 데이터가 다른 데이터의 처리와 호환성이 있는 방식으로 처리될 수 있다는 것이 본 발명의 특별한 이점이다.
도 1은 본 발명에 따라서 호스트 신호에서 보조 데이터를 임베딩하는 임베딩 장치(3) 및 호스트 신호를 재구성하는 재구성 장치(5)를 포함하는 시스템을 개략적으로 도시한다. 시스템은 불연속 알파벳으로부터 심볼들의 호스트 시퀀스 x1 N=x1x2.. xN을 산출하는 이산 무기억(discrete memoryless)(1) 소스를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 소스(1)는 이진 소스이며, 심볼들 xi는 예를 들면 비트 맵핑된 이미지의 몇 개의 비트 플레인의 비트 또는 JPEG 이미지의 특정 DCT 계수들의 적어도 상당한 양의 비트이다. 그러나, 본 발명은 이진 소스들로 제한되지 않는다.
보조 데이터 또는 메시지 소스(2)는 메시지 인덱스 또는 에 독립한 확률 1/M을 가진 메시지 심볼들 을 산출한다. 임베딩 장치(3)는 메시지 w를 호스트 시퀀스 로 임베딩하고 심볼들의 복합 신호 시퀀스 를 형성한다. 시퀀스 는 에 가까워야 하는, 즉 평균 왜곡은 몇 개의 특정한 왜곡 측정 D에 대하여 작을 것을 요구한다. 소스-심볼당 비트로 임베딩 레이트 R은 다음과 같이 정의된다.
복합 시퀀스는 워터마킹된 시퀀스 의 열화된 버전 를 산출하기 위해 전송 확률 매트릭스 를 가진 무기억 어택 채널(memoryless attack channel)(4)를 통해 전송된다. 워드 어택 채널(word attack channel)은 활성적인 및 정보 처리 기능을 가진 어택커(attacker)의 존재를 제시하기 때문에 약간 틀린 명칭이다. 그러나, 이 설명에서 이 개념은 의도되지 않고 단어 '어택(attack)'은 단지 워터마킹 문헌에서의 공통 기술을 반영하기 위해 선택된다. 재구성 장치(5)는 호스트 시퀀스 의 추정을 산출하고, 복합 시퀀스 로부터 임베딩된 메시지 w를 검색한다.
비록 본 발명이 이진 소스들로 제한되지 않지만, 여기서 알파벳 를 가진 무기억 이진 소스(memoryless binary source)(1)을 고려할 것이고 왜곡 측정으로서 해밍 거리(Hamming distance)를 사용할 것이다. 및 라 하자. 어택 채널(4)은 d와 같은 0 →1 전이 확률(transition probability)을 가진 이진 대칭 채널(binary symmetric channel)로서 주어진다고 하자. 이 경우에는, 이론적이고 점근적으로 왜곡 를 가진 견고한 가역 데이터-숨김 방식(robust reversible data-hiding scheme)을 구성하기 쉽게 한다.
약한 가역 워터마킹을 견고한 가역 워터마킹으로 확장하기 위한 다수의 확률들이 있다. 첫째로, 견고성(robustness)은 워터마크 페이로드의 견고성, 즉 채널 열화들(channel degradations)은 페이로드 회복(payload recovery)을 방해하지 않는다는 것을 나타낼 수 있다. 둘째로, 견고성은 가역성 양태(reversibility aspect), 즉 원래의 호스트 신호는 또한 채널 열화들 이후에 회복될 수 있음을 나타낼 수 있다. 이 두 번째 옵션은 원래의 것이 복구될 수 있는 정도에 관하여 더 자세하게 할 수 있다. 한편으로, 원래의 신호는 완전하게 회복될 수 있고, 다른 한편으로 원래의 신호는 단지 채널 열화들과 호환성이 있는 왜곡에 대해 검색할 수 있다. 세 번째 및 마지막으로, 견고성은 페이로드 및 가역성(reversibility) 모두로 나타낼 수 있다. 제 1 및 제 2 옵션은 두 개의 가역 워터마킹의 바람직한 특성들 중 하나(페이로드 또는 가역성)가 손실됨으로써, 적응성(applicability)이 제한되었다. 본 발명은 견고성이 페이로드 및 가역 양태에 대해 모두를 나타내는 경우 제 3 옵션에 집중한다.
프리드리히(Fridrich) 등의 사상에 따라서, 길이 N의 호스트 신호 심볼들 의 스트링은 길이 K의 스트링 로 압축되며, 여기서 K는 대략 와 같고, 여기서 는 이진 엔트로피(binary entropy)를 나타낸다. 이는 전체 시퀀스 또는 시퀀스가 분할될 수 있는 후속하는 시퀀스들 에 적용될 수 있다는 것을 주목하라. 압축은 추가 비트를 추가하기 위해 가능한 N-K 비트 스페이스를 남긴다. 본 발명에 따라서, 여기서 전송 또는 채널 에러들에 대한 견고성은 이 공간의 부분에서 에러 정정 비트를 수용함으로써 획득된다. N 크기에 대하여, 정정된 에러들의 수는 이다. 추가되어야 하는 패리티 체크 비트(parity check bits)의 수는 와 같도록 에러 정정 코드들이 존재하는 것을 쉽게 보일 수 있다. 잔여 부분은 보조(메시지) 데이터 비트 w로 채워질 수 있다. 추가될 수 있는 보조 데이터 비트의 수는 로 표시되고, 여기서 은 임베딩 레이트로 표시된다. 이 "단순한" 견고한 임베딩 구성(robust embedding scheme)은 그때
, 또는
와 같다. 분명하게, 견고성은 h(d)>1-h(p1)에 대하여 어택 채널들에 대하여 달성될 수 없다.
관련된 복호화 절차는 임베딩 절차의 단일 버전이다. 첫째로, 열화된 시퀀스 는 에러 정정 복호화를 겪는다. 둘째로, 정정된 시퀀스 빼기 에러 정정 데이터는 시퀀스의 길이 N이 획득될 때까지 압축해제된다. 잔여 비트는 그때 보조 메시지 비트로서 자동적으로 획득된다.
상기-설명된 임베딩 방식은 수행함으로써 에서 심볼들의 부분 상에 구조를 수행함으로써 대략 생성될 수 있다. 이는 종종 "시-분할(time-sharing)" 로 불린다. 그 결과로서, 왜곡 및 정보 속도(information rate)는 그때
및
로 주어진다. 다시 말해서, 점근적으로 속도-왜곡 함수 는 수식의 오른쪽 측은 양의 값일 때 반드시
(1)
를 이룰 수 있다. 이 시-분할 구조에서 전체 스트링에 대한 패리티 검사 비트(parity check bits)가 압축되고 있는 부분에 부호화되는 것이 주목되는 것이다. 패리티 검사 비트의 산입은 별문제로 하고, 이 방법의 견고한 가역 데이터-숨김(robust reversible data-hiding)은 프리드리히 등에 의해 제시된 방법과 본질적으로 동일하다.
캘커 등은 에러 없는 채널(error-free channel)(4)에 대하여, 프리드리히 등 방식이 적합하지 않다는 것을 보였다. 본 발명은 여기서 또한 견고한 임베딩에 대하여 주어진 식(1)과 같은 결과는 적합하지 않다는 것을 발견했다.
도 2는 전송 또는 채널 에러들에 대항하는 견고하고 더 높은 임베딩 레이트을 가지는 임베딩 장치(3)의 실시예를 도시한다. 에러 정정 코딩 회로(35)는 별도로 하고, 장치는 캘커 등 공보의 사상로 만든다. 그것의 동작은 출원인의 먼저 발표되지 않은 국제 특허 출원 제 WO 03/107653 호에 더 철저하게 설명되었고 간결하게 요약될 것이다.
장치는 길이 N의 호스트 신호 시퀀스 를 길이 K의 세그먼트들 로 분할하는 세그먼트 스테이지(30)를 포함한다. 이는 모든 세그먼트들이 동일한 길이 K를 가진다고 처음에 가정될 것이지만, 실시예는 이후 세그먼트들이 다른 길이들을 가지는 경우에서 설명될 것이다. 호스트 신호 X는 알파벳 {0, 1}를 가진 이진 신호라는 것이 또한 다시 가정될 것이다.
장치는 데이터 임베더(31)를 더 포함하며, 그것은 임베더가 호스트 신호의 샘플들을 변경하고 그러므로 호스트 신호의 왜곡을 유도함으로써 주어진 임베딩 레이트에서 페이로드 d를 임베딩하는 점에서 종래의 것이다. 임베더(31)는 각 호스트 신호 세그먼트 에 대하여 복합 신호 세그먼트 를 산출한다. 디세그멘테이션 회로(desegmentation circuit;32)는 복합 신호 시퀀스 를 형성하기 위해 세그먼트들을 연결시킨다.
장치의 바람직한 실시예에서, 임베더(31)는 엠. 반 디아이제이케이(M. van Dijk) 및 에프. 엠. 제이. 윌렘스(F.M.J. Willems), "그레이스케일 이미지들에 정보 임베딩(Embedding Information in Grayscale Images)", 네델란드, 엔스헤데(Enschede), 베넬룩스(Benelux)에서 2001년 5월 15에서 16일, 페이지 147-154, 정보 이론 22번째 심포지엄에 회보에 의한 조목조목의 사상에 따라 동작한다. 특히, 다수 L(L>1)의 호스트 신호 샘플들은 호스트 심볼들의 블록 또는 벡터를 함께 제공하기 위해 그룹화된다. L 호스트 심볼들의 블록 X1 L에서 메시지 심볼 d를 임베딩하기 위하여, 임베더는 출력 블록 Y1 L의 신드롬(syndrome)은 원하는 메시지 심볼 d를 표현하고 해밍 센스(Hamming sense)에서 X1 L에 가깝도록 상기 블록의 하나 이상의 호스트 심볼들을 변경한다. 데이터 워드(data word) 또는 벡터의 신드롬은 주어진 행렬과 그것을 곱한 결과이다.
이를 도시하기 위해, 블록 길이 L=3을 가진 해밍 코드(Hamming code)를 사용하는 데이터 임베딩은 여기서 간결하게 요약될 것이다. 이 코드는 2 비트가 블록에 임베딩되게 한다(R=2/3 비트/심볼). 모든 수학적인 연산들은 모듈로-이 연산들(modulo-2 operations)이라는 것을 주의하라.
3 비트의 블록 또는 벡터의 신드롬을 계산하기 위해, 벡터는 다음의 3 ×2 행렬로 승산된다.
예를 들면, 입력 벡터(0 0 1)의 신드롬은,
이기 때문에 (1 1)이다. 이 신드롬(1 1)은 임베딩된 데이터를 나타내는 것이다. 분명하게는, 호스트 벡터의 신드롬은 일반적으로 임베딩된 메시지와 동일하지 않다. 그러므로 호스트 심볼들 중 하나는 자주 변경되어야 한다. 만약, 예를 들면, 메시지(0 1)가 (1 1) 대신에 임베딩된다면, 임베더(23)는 원래의 호스트 벡터 (0 0 1)이 (0 1 1)로 변경되도록 제 2 호스트 심볼을 변경한다:
"제곱된 에러(squared error)"는 종종 왜곡을 나타내기 위해 사용된다:
3 심볼당 이 임베딩 구성의 왜곡은 (호스트 신호 중 아무것도 변경되지 않는 확률 1/4 및 하나의 심볼이 ±1로 변경되는 확률 3/4)이고, 그래서 심볼당 평균 왜곡은 D=1/4이다. 임베딩 레이트는 블록당 2 비트, 즉 R=2/3 비트/심볼이다.
유사한 방식으로, 3 데이터 비트는 7 신호 심볼들의 블록에 임베딩될 수 있고, 4 비트는 15 신호 심볼들에 임베딩될 수 있는 것 등이다. 더 일반적으로, 해밍 코드 기반 임베딩 구성들은 m 메시지 심볼들이 대부분 1 호스트 심볼로 변경됨으로써 L=2m-1 호스트 심볼들의 블록들에 임베딩되게 한다. 임베딩 레이트는
(2)
이고, 왜곡은
(3)
이다.
원래의 호스트 신호 재구성하기 위하여, 복원 부호기(33)는 각 호스트 신호 세그먼트 및 복합 신호 를 수신한다. 복원 부호기는 을 조건으로 를 부호화하며, 또한 주어진 가 로 표현될 수 있다. 사실, 부호기(33)는호스트 신호들이 겪는 변경의 기록을 유지하고 상기 정보를 복원 데이터 r로 부호화한다. 표현 "호스트 심볼들이 겪는 변경"은 넓게 해석되어야 한다. 만약 왜곡이 D=0 또는 D=1 중 하나라면, 그때 그것은 심볼들이 왜곡을 겪는 것을 식별하기에 충분하다. 임베더(31)의 다른 형식들에 대하여, 왜곡의 양은 또한 임베딩되어야 한다. 비트/심볼의 복원 데이터 속도는 임베더(31)의 임베딩 레이트보다 작다는 것이 보여질 수 있다.
복원 부호기(33)가 본 발명의 기능적인 특징을 나타내는 것을 주의해야 한다. 회로는 그와 같이 물리적으로 표현될 필요가 없다. 여기에 존재하는 장치의 실제적인 실시예에서, 심볼들이 일그러지는 것과 같은 정보는 임베더(31) 그 자체로 본질적으로 산출된다.
본 예에서, 임베딩 용량의 부분은 신호 샘플들 중 하나가 변경될지를 식별하기 위해 사용되고, 그 경우, 그것이 샘플이다. 블록 길이 3(m=3, L=3)를 가진 해밍 코드들에 대하여, 4개 확률들, 즉, 세 개의 호스트 심볼들 중 하나도 변경되지 않았거나, 제 1 심볼은 변경되었거나, 제 2 심볼은 변경되었거나, 또는 제 3 심볼이 변경된다. 호스트 신호 소스의 엔트로피 H(p)가 1과 같은 경우, 그 때 모든 이벤트들은 동일한 확률들을 갖는다. 그 경우에는, 블록당 임베딩된 메시지 비트 모두는 복원이 요청된다. 그러나, 신호 소스의 엔트로피 H(p)가 1과 동일하지 않은 경우, 그때 이벤트들은 다른 확률들을 가지고, m 복원 비트보다 작게 요청된다. 이는 다른 데이터를 호스트 신호로 임베딩하기 위한 공간을 남긴다.
p=0.9를 가정하자. 따라서, 소스가 호스트 벡터(000)를 산출하는 확률 p(x=000)은 이다. 소스가 호스트 벡터(001)를 산출하는 확률 p(x=001)은 등이다. 장치의 임베더(31)가 복합 벡터 y=000을 산출했다고 가정하자. 원래의 호스트 벡터 x는 (000)을 가질 수 있다. 이 경우에는, 원래의 신호 샘플들 중 아무것도 변경되지 않았다. 그러나, 원래의 호스트 벡터는 또한 (001), (010), 또는 (100)을 가질 수 있다. 이 경우, 호스트 신호들 중 하나는 변경되었다. y=000로 주어지고, 호스트 벡터가 x=000인, 확률은 다음과 같다:
유사한 방식으로, y=000가 호스트 벡터 (001), (010) 또는 (100)으로부터 발생된 확률들은 계산될 수 있다. 이는 다음을 산출한다.
각 복합 벡터 y는 그러므로 조건부 확률(conditional probability)들 p(x|y)의 관련된 세트를 가진다. 그들은 다음의 표로 요약된다. 표는 또한 각 블록 y에 대하여, 대응하는 조건부 엔트로피 H(x|y)를 포함한다. 상기 조건부 엔트로피는 벡터 y를 주는, 원래의 벡터 x의 불확정성을 나타낸다. 표는 또한 메시지들 00, 01, 10 및 11이 확률 1/4과 같다는 것을 가정하면, 각 벡터 y에 대하여 확률 p(y)를 포함한다. 예를 들면, 확률 p(y=000)은 다음과 같이 계산된다.
모든 블록들 y에 관하여 평균된, 소스의 조건부 엔트로피 는 y로 주어진 x를 재구성하기 위한 비트수를 나타낸다. 본 예에서, 상기 평균 엔트로피는 다음과 같다:
따라서, 블록당 08642 복원 비트는 원래의 블록을 식별하기 위해 요구된다. 이는 다른 데이터를 임베딩하기 위해 2-0.8642=1.1358 비트/블록을 남긴다. 이 용량이 페이로드를 임베딩하는데 사용된다며, 데이터 속도 R은 그러므로 다음과 같다.
복합 신호의 왜곡 D는 여기서 임베딩된 데이터 d에 할당된 특정한 의미에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 주목하라. 이전에 설명된 바와 같이, 이 무손실 임베딩 구성의 왜곡은 D=1/4이다.
본 발명에 따라서, 잔여 임베딩 용량부는 여기서 전송 또는 채널 에러들에 대항하는 견고성을 달성하기 위해서 에러 정정 데이터를 수용하는데 사용된다.
이 목적을 위해, 임베딩 장치(3)(도 2를 참조)는 패리티 비트 p를 산출하는 에러 정정 코딩 회로(35)를 포함함으로써 견고하게 만들어진다. 세그먼트에서 d ×K 에러들을 정정하기 위해 얻어진 패리티 비트수는 심볼당 h(d)비트이며, 여기서 전이 파라미터 d를 가진 대칭 채널을 가정했다. 예를 들면, d=0.05인 경우, 그때 심볼당 h(d)=0.2864 패리티 비트는 임베딩된다.
잔여 임베딩 용량은 보조 데이터 또는 페이로드 w를 임베딩하기 위해 사용된다. 본 예시에서, 심볼당 0.3786-0.2864=0.0922 페이로드 비트가 임베딩될 수 있다. 복원 데이터 r, 패리티 비트 p, 및 페이로드 w는 접합 회로(35)로 접합된다. 임베딩을 위하여 임베더(31)에 적용되는 접합된 데이터(d)가 있다.
더욱 일반적으로, 본 발명자들은 다음의 이론을 수식화했다. 는 평균 왜곡 및 비율 ρ을 가진 블록 길이 K에 대하여 데이터-숨김 방법이라 하자. 시퀀스 로부터 시퀀스 까지 (필수적으로 무기억이 아닌) 테스트 채널로서 를 생각하라. C를 상기의 반복적인 구조라 하자. 그 때 C(D)는 평균 왜곡 Δ 및 비율 를 가진 가역 데이터-숨김 방식이다.
캘커 등 종래 기술 공보에 개시된 가역 임베딩 장치는 반복적이다. 이는 접합 회로(35)가 복원 데이터 r을 일 세그먼트 지연을 가진 임베더(31)에 적용된다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 세그먼트에 대한 복원 데이터는 그러므로 후속하는 세그먼트에 임베딩된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 접합 회로(35)는 또한 세그먼트의 에러 정정 데이터 p를 지연, 바람직하게는 동일한 일-세그먼트 지연을 가진 임베더(31)에 적용한다. 그러므로 세그먼트에 대한 에러 정정 데이터는 또한 후속하는 세그먼트에 임베딩된다. 도 2를 참조하여 이해되는 것과 같이, 에러 정정 데이터 p가 복원 데이터 r과 유사하고 복원 데이터 r과 호환성이 있는 방식으로 처리될 수 있다는 이점을 가진다. 견고한 재귀 가역 데이터 임베딩 장치(3)는 그러므로 복잡하지 않은 (하드웨어 또는 소프트웨어) 구조를 가진다.
후속하는 세그먼트에서 복원 데이터 r 및 패리티 데이터 p를 임베딩하는 특정한 방법들의 두 개의 실제적인 예들은 여기서 설명될 것이다. 예시들에서, 임베더(31)는 블록 길이 3을 가진 상기 설명된 형식이라는 것을 가정할 것이다. 식 (2) 및 식 (3)에 따라서, 이 비-견고하고 비-가역적인 임베더(31)의 왜곡은 D=1/4이고 임베딩 레이트는 R=2/3 비트/심볼이다. 이전과 같이, 호스트 신호는 심볼 확률 p0=0.9를 가지고 채널(4)은 전이 확률(transition probability) d=0.05를 가진다는 것을 또한 가정한다.
제 1 예에서, 호스트 신호는 K=3000 심볼(비트)의 동일한 길이 세그먼트 S(n)으로 분할된다. 이는 도 3에 참조 번호(36)로 도시된다. 이 도면에 참조 번호(37)는 임베딩된 데이터 d를 나타낸다. 임베딩 레이트는 R=2/3 비트/심볼이며, 그래서 2000 비트는 각 세그먼트로 임베딩될 수 있다. 이전에 계산된 바와 같이, 블록당 0.8642 복원 비트 r은 세그먼트 Y로 주어진 세그먼트 X를 재구성하기 위해 요구된다. 도면에 도시된 바와 같이, 세그먼트 S(n)과 관련된 복원 비트 r(n)은 후속하는 세그먼트 S(n+1)에 임베딩되고, 반면에 세그먼트 S(n)에 임베딩된 복원 비트는 이전 세그먼트 S(n-1)을 재구성하기 위한 복원 비트 r(n-1)이다. 숫자들은 통계학상으로 평균 숫자들인 것을 주의하라. 복원 비트의 정확한 숫자는 세그먼트마다 다양할 수 있다. 예를 들면, 적절한 종료-코드(end-code)를 가진 각각의 연속 복원 비트가 제공됨으로써, 복원 비트 r 및 나머지 임베딩된 데이터 사이의 경계를 식별하는 것이 이롭다.
또한 앞에 나타낸 것과 같이, 심볼당 0.2864 패리티 비트(860 세그먼트 당 비트)는 에러 정정을 위하여 임베딩된다. 세그먼트 S(n)과 관련된 패리티 비트는 p(n)으로 나타낸다. 도 3은 그들이 또한 후속하는 세그먼트 S(n+1)에 임베딩되는 것을 도시한다. 이는 페이로드 w를 임베딩하기 위해 평균하여 세그먼트당 2000-864-860=276 비트를 남긴다. 견고한 재귀 가역 임베더의 임베딩 레이트는 그러므로 3000 심볼당 276 비트이고, 그것은 이전에 이미 언급된 바와 같이 0.0922 비트/심볼에 대응한다.
본 실시예에서, 시퀀스의 제 1 및 마지막 세그먼트는 다르게 처리되어야 하는 것을 주의하라. 제 1 세그먼트에서, 페이로드 데이터 w는 임베딩될 수만 있다. 마지막 세그먼트에서, 이전에 언급된 "단순한(simple)" 임베딩 방법은 상기 마지막 세그먼트에 관하여 에러 정정 데이터 p 뿐만 아니라 복원 데이터 r을 수용하기 위해 사용될 수 있다.
도 4는 호스트 신호 X를 분할하는 제 2 예를 도시한다. 이 실시예에서, 주어진 초기 길이를 가진 초기의 세그먼트 S(0)는 페이로드 w로 제공된다. 이 세그먼트에 대하여 복원 비트 r(0) 및 패리티 비트 p(0)는 후속하는 세그먼트 S(1)에 수용된다. 후속하는 세그먼트 S(1)는 여기서 복원 비트 r(0) 및 패리티 비트 p(0)를 수용하기 위해서 요구되는 길이가 할당된다. 차례로, 후속하는 세그먼트 S(1)는 또 다른 세그먼트 S(2) 등으로 임베딩되는 새로운 다수의 복원 비트 r(1) 및 패리티 비트 p(1)를 요구한다. 이 처리는 예를 들면 후속하는 세그먼트가 주어진 문턱치보다 작을 때까지 여러번 반복된다. 페이로드 w는 후속하는 세그먼트들에 임베딩되지 않는다. 이후 전체 처리는 주어진 초기 길이를 가진 새로운 초기 세그먼트 S(0)에 대하여 반복된다.
도 5는 수신된 복합 신호로부터 원래의 호스트 신호를 재구성하기 위한 장치의 개략적인 도면을 도시한다. 장치는 어택 채널(4)로부터 시퀀스 를 수신한다(도 1 비교). 분할 회로(50)은 길이 K의 세그먼트들 로 시퀀스를 분할한다. 세그먼트 는 데이터 검색 회로(51) 및 에러 검출 정정 회로(52)에 역순으로 적용된다.
데이터 검색 회로(51)는 복합 신호에 임베딩된 데이터 d를 검색한다. 바람직한 실시예에서, 데이터 d는 길이 L의 해밍 코드들을 사용하여 임베딩되고, 검색 회로(51)는 각 블록의 L 심볼들의 신드롬을 결정한다. 회로는 또한 검색된 데이터를 에러 정정 데이터 p, 복원 데이터 r, 및 보조 페이로드 w로 분리한다.
에러 정정 데이터 p는 세그먼트 에서 에러들을 정정하기 위해 정정 회로(52)를 에러 검출에 적용한다. 그것의 출력은 추정된 복합 신호 세그먼트 이다. 재구성 유닛(53)은 검색된 복원 데이터 r을 사용하여, 원래의 호스트 신호 에 적용된 변경(들)을 원상태로 하기 위해서 배치된다. 바람직한 실시예에서, 복원 데이터 r은 세그먼트 에서 심볼들 중 하나가 변경되었는지의 여부를 식별하고, 그 경우 그것이 심볼이다. 복원은 추정된 복합 신호 세그먼트 에 적용되고, 원래의 호스트 신호 세그먼트 의 추정 을 산출한다. 임베딩된 에러 정정 데이터 때문에, 재구성은 어택 채널에 의해 초래되는 비트 에러들의 경우에도 완벽하다. 재구성된 호스트 신호 세그먼트들 은 최종적으로 재정렬되고 디세그멘테이션 회로(54)에서 디세그멘테이팅된다.

Claims (9)

  1. 보조 데이터(auxiliary data)를 호스트 신호(host signal)에 임베딩하는 방법으로서,
    복합 신호(composite signal)를 생성하도록 임베딩 레이트(embedding rate) 및 왜곡(distortion)을 가진 데이터 임베딩 방법을 사용하는 단계;
    - 상기 호스트 신호를 복원하기 위한 복원 데이터(restoration data)를 수용하도록 상기 임베딩 레이트의 제 1 부분 및 상기 보조 데이터를 임베딩하기 위한 상기 임베딩 레이트의 제 2 부분을 사용하는 단계를 포함하는, 호스트 신호 임베딩 방법에 있어서,
    - 상기 방법은 상기 복원 데이터 및/또는 보조 데이터에서 에러들을 정정하기 위해 에러 정정 데이터(error correcting data)를 임베딩하기 위해 상기 임베딩 레이트의 제 3 부분을 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 임베딩 방법.
  2. 호스트 신호에 보조 데이터를 임베딩하는 방법으로서,
    - 상기 호스트 신호를 세그멘팅하는 단계;
    - 각각의 복합 신호 세그먼트(composite signal segment)를 생성하기 위해, 호스트 신호 세그먼트에 데이터를 임베딩하기 위해 주어진 임베딩 레이트 및 왜곡을 가지는 미리 결정된 데이터 임베딩 방법을 사용하는 단계;
    - 상기 복합 신호 세그먼트에 대해 조건지워진 상기 호스트 신호 세그먼트를 식별하는 복원 데이터를 결정하는 단계; 및
    - 상기 임베딩 레이트의 부분을 사용하여 후속하는 호스트 신호 세그먼트에 상기 복원 데이터를 임베딩하는 단계를 포함하는, 보조 데이터 임베딩 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    - 상기 복합 신호 세그먼트의 에러들을 정정하기 위해 에러 정정 데이터를 생성하는 단계;
    - 상기 임베딩 레이트의 다른 부분을 이용하여 상기 후속하는 호스트 신호 세그먼트에 상기 에러 정정 데이터를 임베딩하는 단계; 및
    - 상기 임베딩 레이트의 잔여부를 사용하여 호스트 신호 세그먼트에 보조 데이터를 임베딩하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 임베딩 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 각 세그먼트는 보조 데이터 뿐만 아니라 이전 세그먼트에 대한 상기 복원 데이터 및 에러 정정 데이터를 포함하는, 임베딩 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 세그먼트들은 동일한 길이들을 가진, 임베딩 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    (a) 주어진 길이를 가진 제 1 호스트 신호 세그먼트에만 보조 데이터를 임베딩하는 단계;
    (b) 상기 이전 세그먼트에 대한 상기 복원 데이터 및 에러 정정 데이터를 후속 세그먼트에 임베딩하는 단계;
    (c) 상기 복원 데이터 및 에러 정정 데이터의 양에 상기 후속 세그먼트의 길이를 적응시키는 단계; 및
    (d) 상기 후속 세그먼트의 길이가 주어진 문턱치보다 작을 때까지 단계들(b) 및 (c)을 반복하는 단계를 포함하는, 임베딩 방법.
  6. 호스트 신호에 보조 데이터를 임베딩하는 장치로서,
    - 상기 호스트 신호를 세그멘팅하는 세그멘테이션 수단;
    - 각각의 복합 신호 세그먼트를 생성하기 위해서 호스트 신호 세그먼트에 데이터를 임베딩하기 위해 주어진 임베딩 레이트 및 왜곡을 가지는 미리 결정된 데이터 임베더(embedder);
    - 상기 복합 신호 세그먼트에 대해 조건지워진 상기 호스트 신호 세그먼트를 식별하는 복원 데이터를 결정하는 수단을 포함하고,
    - 상기 데이터 임베더는 상기 임베딩 레이트의 일부를 사용하는 후속하는 호스트 신호 세그먼트에 상기 복원 데이터를 임베딩하도록 구성된, 임베딩 장치에 있어서,
    상기 장치는 상기 복합 신호 세그먼트내의 에러들을 정정하기 위해 에러 정정 데이터를 생성하는 수단을 더 포함하며, 상기 데이터 임베더는 또한 상기 임베딩 레이트의 다른 부분을 사용하여 상기 후속 호스트 신호 세그먼트에 상기 에러 정정 데이터를 임베딩하고 상기 임베딩 레이트의 나머지 부분을 이용하여 호스트 신호 세그먼트에 보조 데이터를 임베딩하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 임베딩 장치.
  7. 제 2 항 내지 제 5 항 중 한 항에 의한 방법에 의해 생성된 복합 신호로부터 호스트 신호를 재구성하는 방법에 있어서,
    - 상기 복합 신호를 세그멘팅하는 단계;
    - 복합 신호 세그먼트로부터 그에 임베딩된 상기 에러 정정 데이터를 검색하는 단계;
    - 이전 복합 신호 세그먼트내의 에러들을 정정하기 위해 상기 에러 정정 데이터를 이용하는 단계;
    - 상기 복합 신호 세그먼트로부터 그에 임베딩된 복원 데이터를 검색하는 단계; 및
    - 상기 이전 복합 신호 세그먼트가 주어진 상기 이전 호스트 신호 세그먼트를 복원하기 위해 상기 복원 데이터를 사용하는 단계를 포함하는, 호스트 신호 재구성 방법.
  8. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 청구된 방법에 의해 생성된 복합 신호로부터 호스트 신호를 재구성하는 장치에 있어서,
    - 상기 복합 신호를 세그멘팅하는 세그멘테이션 수단;
    - 복합 신호 세그먼트로부터 그에 임베딩된 상기 에러 정정 데이터를 검색하는 수단;
    - 상기 에러 정정 데이터를 사용하여 이전 복합 신호 세그먼트내의 에러들을 정정하는 에러 정정 수단;
    - 상기 복합 신호 세그먼트로부터 그에 임베딩된 복원 데이터를 검색하는 수단; 및
    - 상기 복원 데이터를 사용하여, 상기 이전 복합 신호 세그먼트에 주어진 상기 이전 호스트 신호 세그먼트를 재구성하는 수단을 포함하는, 호스트 신호 재구성 장치.
  9. 임베딩된 데이터를 가진 세그먼트들의 형태의 복합 정보 신호에 있어서,
    복합 신호 세그먼트에 임베딩된 상기 데이터는 상기 대응하는 이전의 복합 신호 세그먼트에 대해 조건지워진 이전 호스트 신호 세그먼트를 식별하는 복원 데이터를 포함하고, 상기 이전 복합 신호 세그먼트에서의 에러들을 정정하는 에러 정정 데이터를 더 포함하는, 복합 정보 신호.
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