KR20060005494A

KR20060005494A - 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마킹장치 및 방법

Info

Publication number: KR20060005494A
Application number: KR1020040054305A
Authority: KR
Inventors: 정의필; 우동훈
Original assignee: 학교법인 울산공업학원
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2006-01-18
Also published as: KR100613873B1

Abstract

본 발명은 워터마크(Watermarking)에 관한 것으로써, 상세하게는 워터마크를 오디오데이타에 삽입시에 주파수계수가 큰 값순이 아닌 특정범위의 주파수계수를 추출하여 고주파 및 저주파대역에 걸쳐 워터마크를 삽입하므로써 외부공격에 강인하면서 원본데이타의 변형을 작게하는 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마크장치 및 방법에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 시간영역대의 원본오디오신호를 입력하는 단계와; 상기 시간영역대의 원본오디오신호를 주파수영역대의 신호로 변환하는 단계와; 상기 주파수영역대의 신호에서 특정주파수계수를 추출하는 단계와; 상기 원본오디오신호의 권리정보가 입력된 워터마크신호를,

Vi'는 워터마크삽입 주파수계수, Vi는 추출된 주파수계수, Xi는 워터마크, α는 가중치이다.

에 의하여 오디오신호에 삽입하는 단계와; 워터마크가 삽입된 주파수영역대의 신호를 시간영역대의 신호로 변환시켜 출력하는단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

오디오, 워터마크, 가중치, 주파수계수

Description

특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마킹장치 및 방법{Audio watermarking apparatus and method using specific frequency coefficients}

도 1은 본 발명예 따른 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마킹장치를 나타낸 블럭도,

도 2는 본 발명에 따른 특정주파수계수를 이용한 오디어 워터마킹 삽입방법을 나타낸 순서도,

도 3은 본 발명에 따른 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마킹 추출방법을 나타낸 순서도,

도 4는 클래식음악에 대한 종래와 본 발명에 따른 오디오 워터마크를 원본과의 유사도를 비교한 그래프,

도 5는 국악음악에 대한 종래와 본 발명에 따른 오디오 워터마크를 원본과의 유사도를 비교한 그래프,

도 6은 댄스음악에 대한 종래와 본 발명에 따른 오디오 워터마크를 원본과의 유사도를 비교한 그래프,

도 7은 발라드음악에 대한 종래와 본 발명에 따른 오디오 워터마크를 원본과의 유사도를 비교한 그래프,

도 8은 방송음성에 대한 종래와 본 발명에 따른 오디오 워터마크를 원본과의 유사도를 비교한 그래프,

도 9는 종류별 음악에 대한 종래와 본 발명에 따른 오디어 워터마크의 신호대잡음비를 비교한 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 입력부 20 : 워터마크입력부

30 : 주파수변환부 40 : 주파수계수추출부

50 : 워터마크제어부 60 : 시간영역변환부

70 : 출력부

본 발명은 워터마크(Watermarking)에 관한 것으로써, 상세하게는 워터마크를 원본오디오데이타에 삽입시에 주파수계수가 큰 값순이 아닌 특정범위의 값에 워터마크를 삽입하므로써 외부공격에 강인하면서 원본데이타의 변형을 작게하는 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마크장치 및 방법에 관한 것이다.

인터넷과 디지탈기술의 발달로 컨텐츠는 물론 아날로그에서 디지탈화로 변화되었다. 컨텐츠의 디지털화로 인하여 고화질, 고음질의 영상과 음향을 접할 수 있게 되었고, 인터넷이라는 거대한 네트워크 망을 통해 전 세계 어느곳에서나 컨텐츠들을 이용할 수 있게 되었고, 이러한 컨텐츠들은 창조적인 아이디어와 지식이 부가가치를 창출하는 중요한 문화산업 혹은 컨텐츠사업이 되었다.

디지털화된 컨텐츠는 손쉽게 복사가 가능하며 이에 따른 비용 역시 비싸지 않다. 또한 복사된 컨텐츠와 원본 컨텐츠간의 차이는 전혀없고, 재사용과 조작이 용이하여 인터넷으로 컨텐츠의 배포가 쉽고 빠르다. 이와 같은 디지털 컨텐츠의 특성으로 인하여 디지털 컨텐츠의 불법복사 및 배포에 있어서 큰 문제가 발생하였고, 이로 인한 디지털 컨텐츠에 대한 소유권이 불분명하게 되므로 문제를 해결하기 위한 대안으로 워터마크 기술이 나타났다.

종래의 워터마크는 스프레드 스펙트럼 통신기술이 적용되어 삽입할 워터마크를 의사잡음(Pseudo-Noise)코드를 통해 대역 확산시킨 후 적절한 가중치를 주어 워터마크를 삽입하였다.

또한, 워터마크의 기술이 등장과 함께 상기 워터마크신호를 변형시켜 불법적으로 복사 및 사용하기 위한 워터마크공격기술도 등장하기 시작하였으나, 종래의 워터마크기술은 시간영역대의 원본데이타를 주파수영역으로 변환시키고, 변환된 주파수영역의 신호에서 높은차수의 주파수계수를 추출하여 워터마크를 삽입하게 되어 외부공격에 매우취약해서, 외부공격시 워터마크의 데이타가 변형되어 왜곡이 발생되는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은 특정주파수계수를 추출하여 워터마크를 삽입하므로써 외부공격에 강인하여 원본데이타의 변형이 적은 특정주파수계수를 이용한 워터마크장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

여기서, 상기 가중치는 0.7이상인것을 특징으로 한다.

그리고, 시간영역대의 원본오디오신호를 입력하고, 주파수영역대의 신호로 변환시켜 특정 주파수계수를 추출하는 단계와; 워터마크가 삽입된 시간영역대의 오디오신호를 입력하여 주파수영역대의 신호로 변환시켜 특정주파수계수를 추출하는 단계와;

Xi*는 워터마크신호, α는 가중치, Vi는 원본에서 추출된 주파수계수, Vi*는 워터마크가 삽입된 주파수계수이다.

의 식을 이용하여 워터마크신호를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 주파수계수는 0.3~0.4인것을 특징으로 한다.

또는, 원본오디오신호가 입력되는 입력부와; 워터마크신호 또는 워터마크신호가 삽입된 오디오신호가 입력되는 워터마크입력부와; 시간영역대의 상기 입력부에서 인가되는 원본오디오신호와 워터마크입력부에서 인가되는 워터마크가 삽입된 오디오신호를 주파수영역대의 신호로 변환시키는 주파수변환부와; 상기 주파수변환부에서 변환된 주파수영역대의 신호에서 특정범위내의 주파수계수를 추출하는 주파수계수추출부와; 상기 워터마크입력부에서 입력된 워터마크신호를

에 의하여 상기 주파수계수추출부에서 추출된 특정주파수계수에 삽입하는 워터마크제어부와; 상기 워터마크제어부에서 출력된 주파수영역대의 워터마크삽입 오디오신호를 시간영역대의 오디오신호로 변환시키는 시간영역변환부와; 상기 시간영역변환부에서 변환된 시간영역대의 오디오신호를 출력하는 출력부를 포함한다.

여기서, 상기 워터마크제어부는

에 의해서 워터마크가 삽입된 오디오신호에서 워터마크를 추출하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 특정 주파수계수는, 0.3~0.4인것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마크장치의 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 입력부(10)는 주파수변환부(30)에 연결되고, 워터마크입력부(20)는 상기 주파수변환부(30)와 워터마크제어부(50)에 연결된다. 또한 상기 주파수변환부(30)는 주파수계수추출부(40)에 연결되고, 상기 주파수계수추출부(40)는 워터마크제어부(50)에 연결된다. 상기 워터마크제어부(50)는 출력부(70)와 시간영역변환부(60)에 각각 연결되며, 상기 시간영역변환부(60)는 출력부(70)에 연결된다.

입력부(10)는 시간영역대의 원본 오디오신호가 입력되고, 워터마크입력부(20)는 원본오디오신호에 삽입되는 워터마크신호 또는 워터마크가 삽입되어있는 오디오신호가 입력된다. 또한 주파수변환부(30)는 시간영역대의 신호를 주파수영역대의 신호로 변환시키고, 주파수계수추출부(40)는 입력되는 주파수영역대의 신호중에서 특정범위내의 주파수계수를 추출한다. 워터마크제어부(50)는 원본오디오신호에 워터마크를 삽입하거나 또는 워터마크가 삽입된 오디오신호에서 워 터마크를 추출하고, 시간영역변환부(60)는 주파수영역대의 신호를 시간영역대의 신호로 변환시키고, 출력부(70)는 워터마크가 삽입된 오디오신호 또는 추출된 워터마크를 표시한다.

도 2는 본 발명에 따른 특정주파수계수를 이용한 워터마크삽입방법을 나타낸 순서도이다.

먼저 입력부(10)는 시간영역대의 원본오디오신호를 인가한다(S11). 그러므로 주파수변환부(30)는 인가되는 시간영역대의 원본오디오신호를 주파수영역대의 오디오신호(DCT)로 변환시켜 이를 주파수계수추출부(40)에 출력한다(S12).

그러므로 주파수계수추출부(40)는 상기 시간영역대의 오디오데이타가 변환된 주파수영역대의 오디오데이타에서 0.3~0.4의 범위를 갖는 주파수계수를 추출하여 상기 주파수계수의 선택신호를 워터마크제어부(50)에 인가한다(S13).

또한 워터마크입력부(20)는 권리자의 정보 또는 오디오신호의 권리정보가 입력되는 워터마크신호를 상기 워터마크제어부(50)에 인가한다.

그러므로 상기 워터마크제어부(50)는 입력되는 워터마크신호를 상기 주파수계수추출단계에서 추출된 0.3~0.4범위 주파수계수에 삽입한다(S14). 즉, 본 발명은 종래에서 높은차순의 주파수계수를 추출함과는 달리 0.3~0.4의 주파수계수를 추출하여 워터마크를 삽입함으로써 종래에서와 같이 저주파대역에만 워터마크가 삽입되지 않고, 저주파대역과 고주파대역에 걸쳐 주파수계수가 0.3~0.4에 해당되는 대역으로 워터마크가 삽입된다.

이때, 원본오디오신호에서 추출된 주파수계수에 워터마크신호의 삽입은 하기 의 수학식 1에 의해 달성된다.

Vi'는 워터마크가 삽입된 주파수계수, Vi는 추출된 주파수계수, Xi는 워터마크, α는 가중치이다.

즉, 워터마크를 가중치에 곱하고, 다시 추출된 주파수계수에 곱하고, 그 결과치에 다시 추출된 주파수계수를 합하게 되므로써 추출된 주파수계수에 워터마크를 삽입하였다. 여기서 상기 가중치는 워터마크의 삽입시의 강도를 조절하는 결정인자로써 본 발명에서는 이를 0.7로써 설정하여 워터마크를 삽입하였다.

상술한 바와 같이 워터마크제어부(50)는 추출된 주파수계수에 워터마크를 삽입하고, 워터마크가 삽입된 오디오신호를 시간영역변환부(60)로 인가한다. 그러므로 상기 시간영역변환부(60)는 인가되는 주파수영역대의 워터마크가 삽입된 오디오신호를 시간영역대의 오디오신호로 변환시켜 이를 출력부(70)에 인가한다(S15). 그러므로 출력부(70)는 변환된 오디오신호를 출력한다(S16).

상술한 바와 같이, 본 발명은 특정주파수계수를 이용하여 오디오신호에 워터마크를 삽입하므로써 외부에서 가해지는 공격에 강인하여 워터마크의 신호대잡음비가 종래에 비하여 우수한 것을 본 발명의 효과로써 얻어질 수 있다. 이와 같은 본발명의 효과를 검증하기 위하여 상기 워터마크가 삽입된 오디오신호를 MP3, FFT필터링, Echo, Cropping방법에 의하여 공격을 가한 후, 워터마크를 추출하여 변형의 정도를 테스트하였으며, 상기 워터마크의 추출된 방법은 하기의 도 3에 도시된 바와 같다.

도 3은 본 발명에 따른 특정주파수계수를 이용한 워터마크추출방법을 나타낸 순서도이다.

먼저 입력부(10)는 워터마크가 삽입되지 않는 원본오디오신호를 상기 주파수변환부(30)에 인가한다(S21). 그러므로 상기 주파수변환부(30)는 인가되는 시간영역대의 원본오디오신호를 주파수영역대의 오디오신호로 변환시켜 이를 상기 주파수계수추출부(40)에 출력한다(S22). 상기 주파수계수추출부(40)는 인가되는 주파수영역대의 원본오디오신호에서 0.3~0.4범위내의 주파수계수를 추출하여 상기 워터마크제어부(50)에 출력한다(S23).

아울러 상기 워터마크입력부(20)는 워터마크가 삽입된 오디오신호를 상기 주파수변환부(30)에 출력하고(S24), 주파수변환부(30)는 이를 주파수영역대의 신호로 변환시켜 상기 주파수계수추출부(40)에 인가한다(S25). 그러므로 상기 주파수계수추출부(40)는 0.3~0.4의 범위를 갖는 주파수계수를 출력하여 이를 상기 워터마크제어부(50)에 출력한다(S26). 따라서 워터마크제어부(50)는 하기의 수학식 2를 이용하여 워터마크신호를 추출한다(S27).

Xi*는 워터마크, Vi*는 워터마크가 삽입된 주파수계수, Vi는 원본에서 추출 한 주파수계수, α는 가중치이다.

즉, 원본에서 추출된 주파수계수에서 워터마크가 삽입된 오디오신호에서 추출된 주파수계수를 감하고, 가중치로 나누어서 그 결과치를 원본에서 추출된 주파수계수를 곱하므로써 워터마크를 추출하였다.

그리고 상기 워터마크제어부(50)는 상술한 바와 같은 연산을 통해 워터마크를 추출하고, 그 결과치를 상기 출력부(70)에 인가하고, 상기 출력부(70)는 이를 표시한다(S28).

상술한 바와 같은 추출방법을 통해서 얻어진 본 발명에 따른 워터마크와 종래의 주파수계수를 높은차순에 의한 삽입하고 외부공격후 추출된 워터마크와 원래데이타와의 유사도를 측정하여 이를 도 4 내지 도 8에 도시하였다.

도 4는 클래식음악에 워터마크를 삽입하여 이를 추출한 본 발명과 종래의 유사도 데이타를 비교하였고, 도 5는 국악음악에 대한 유사도 비교데이타, 도 6 댄스음악에 대한 유사도 데이타, 도 7은 발라드음악에 대한 유사도 비교데이타, 도 8은 일반방송의 음성신호에 대한 유사도 비교데이타이다.

도 4 내지 도 8을 참조하면, 각각의 데이타는 외부에서 공격이 가해지지 않은 상태에서 추출된 워터마크의 유사도와, MP3, Cropping, FFT, Echo의 방법에 의한 공격을 가한 후, 추출된 워터마크와, 원본에서 추출된 워터마크를 하기의 수학식 3을 이용하여 유사도를 측정하여 종래와 본 발명을 비교하였다.

X*는 공격후 추출된 워터마크, X는 원본에서 추출된 워터마크이다.

먼저 공격이 가해지지 않은 상태에서의 원본과 추출된 워터마크의 유사도는 각 가중치별로 도 4 내지 도 8에서 모두 17.0233이다. 즉, 17.0233의 유사도에 근접 할수록 원본에 유사하게 된다.

따라서 도 4 내지 도 8의 데이타를 비교해보면, 종래와 본발명은 모두 MP3와 Cropping의 공격에서 가중치값에 상관없이 모두 강인하여 공격이 없을때의 유사도와 근접한 범위내의 변형정도를 갖는 워터마크를 추출할 수 있었다. 그러나, FFT와 Echo의 공격시, 종래에서는 클래식음악과 일반방송의 음성신호에는 가중치값이 0.5이상이면 모든음악에서에는 워터마크를 확인할 수 있었고, 본 발명에서는 가중치가 0.7이상이면 모든공격에 대하여 워터마크를 추출할 수 있었다. 여기서 상기 도 4 내지 도 8의 데이타중에서 유사도 데이타가 6이하이면 워터마크가 존재하지 않는 것으로 판단하였다. 따라서 Echo의 경우, 본 발명에 따른 워터마크는 가중치가 0.3 및 0.5일 경우에는 워터마크가 존재하지 않고, 가중치가 0.7일 경우는 모든 오디오신호에서 워터마크가 존재함을 알 수 있다.

즉, 본 발명은 0.3~0.4의 특정주파수계수를 추출하고, 가중치를 0.7로 함으로써 모든 공격 후 워터마크를 확인할 수 있고, 종래의 경우는 높은차순의 주파수계수를 추출하고 가중치를 0.5로 함으로서 워터마크를 확인할 수 있었다.

그러나 이와 같은 본 발명과 종래의 워터마크삽입방법은 하기의 수학식 4에 의하여 신호대잡음비를 측정하여 공격후의 신호왜곡의 정도를 측정한 결과 본 발명은 종래에 비하여 그 효과가 우수함을 확인 할 수 있으며 그 결과는 도 9에 도시된 바와 같다.

SNR은 신호대잡음비, Original Audio는 원본 오디오신호, Noise는 원본오디오신호와 워터마크가 삽입된 오디오신호의 차이다.

상기와 같은 수학식4를 이용하여 각 오디오신호별 신호대잡음비를 측정한 결과, 신호대 잡음비에서 100을 기준으로 할 때, 클래식-모차르트 터키행진곡에서 가중치가 0.7일 경우에는 종래에는 10.463이고, 본 발명은 45.112로써 종래에 비하여 4배정도의 신호대잡음비가 우수함을 알 수 있다.

본 발명은 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 특정주파수계수를 이용한 오디어워터마크장치 및 방법은 특정주파수계수를 추출하고, 가중치를 한정함에 따라 전대역에 걸쳐 워터마크가 삽입되므로써 외부공격에 강인하고, 종래에 비하여 신호대잡음비가 매우 우수하여 공격후의 원데이타의 변형이 적으므로 본 발명이 적용된 제품에 대한 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.

Claims

시간영역대의 원본 오디오신호를 입력하는 단계와;

상기 시간영역대의 원본 오디오신호를 주파수영역대의 신호로 변환하는 단계와;

상기 주파수영역대의 신호에서 저주파대역과 고주파대역을 포함하는 주파수대역이 선택되도록 특정주파수계수를 추출하는 단계와;

상기 원본 오디오신호의 권리정보가 입력된 워터마크신호를,

Vi'는 워터마크삽입 주파수계수, Vi는 추출된 주파수계수, Xi는 워터마크, α는 가중치이다.

에 의하여 오디오신호에 삽입하는 단계와;

워터마크가 삽입된 주파수영역대의 신호를 시간영역대의 신호로 변환시켜 출력하는단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마크삽입방법.
제 1 항에 있어서, 상기 가중치는

0.7이상인것을 특징으로 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마크삽입방법.
제 1 항에 있어서,

시간영역대의 원본오디오신호를 입력하고, 주파수영역대의 신호로 변환시켜 워터마크가 삽입된 특정 주파수계수를 추출하는 단계와;

워터마크가 삽입된 시간영역대의 오디오신호를 입력하여 주파수영역대의 신호로 변환시켜 워터마크가 삽입된 특정주파수계수를 추출하는 단계와;

Xi*는 워터마크신호, α는 가중치, Vi는 원본에서 추출된 주파수계수, Vi*는 워터마크가 삽입된 주파수계수이다.

의 식을 이용하여 워터마크신호를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마크추출방법.
제 1 항 또는 제 4 항중 어느 한항에 있어서, 상기 주파수계수는

0.3~0.4인것을 특징으로 하는 특정주파수계수를 이용한 오디오워터마크추출방법.
원본오디오신호가 입력되는 입력부(10)와;

워터마크신호 또는 워터마크신호가 삽입된 오디오신호가 입력되는 워터마크 입력부(20)와;

시간영역대의 상기 입력부(10)에서 인가되는 원본오디오신호와 워터마크입력부(20)에서 인가되는 워터마크가 삽입된 오디오신호를 주파수영역대의 신호로 변환시키는 주파수변환부(30)와;

상기 주파수변환부(30)에서 변환된 주파수영역대의 신호에서 저주파대역과 고주파대역에 걸쳐 상기 워터마크가 삽입될 수 있도록 특정범위내의 주파수계수를 추출하는 주파수계수추출부(40)와;

상기 워터마크입력부(20)에서 입력된 워터마크신호를

Vi'는 워터마크삽입 주파수계수, Vi는 추출된 주파수계수, Xi는 워터마크, α는 가중치이다.

에 의하여 상기 주파수계수추출부(40)에서 저주파대역과 고주파대역에 걸쳐 상기 워터마크가 삽입될 수 있도록 추출되는 상기 주파수계수에 삽입하는 워터마크제어부(50)와;

상기 워터마크제어부(50)에서 출력된 주파수영역대의 워터마크삽입 오디오신호를 시간영역대의 오디오신호로 변환시키는 시간영역변환부(60)와;

상기 시간영역변환부(60)에서 변환된 시간영역대의 오디오신호를 출력하는 출력부(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마크장치.
제 5 항에 있어서, 상기 워터마크제어부(50)는

Xi*는 워터마크신호, α는 가중치, Vi는 원본에서 추출된 주파수계수, Vi*는 워터마크가 삽입된 주파수계수이다.

에 의해서 워터마크가 삽입된 오디오신호에서 워터마크를 추출하는 것을 특징으로 하는 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마크장치.
제 5 항 또는 제 6 항중 어느 한항에 있어서, 상기 특정 주파수계수는,

0.3~0.4인것을 특징으로 하는 특정주파수계수를 이용한 오디오 워터마크장치.