KR20080022255A - 히스토그램 변형에 기반한 디지털 리버서블 워터마크의삽입, 검출 및 원본 영상 복원 방법 - Google Patents

히스토그램 변형에 기반한 디지털 리버서블 워터마크의삽입, 검출 및 원본 영상 복원 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 워터마크의 삽입, 검출 및 원본 영상 복원 방법 및 이를 이용한 워터마크 삽입, 검출 및 원본 영상 복원 장치에 관한 것으로, 워터마크를 정확하게 삽입하고 검출한 후 원본 영상을 복원할 수 있는 방법과 장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 워터마크 삽입 시에 영상의 히스토그램 분포를 이용함으로써 비가시성을 높이고, 원본 영상 복원을 위해 필요한 정보를 저장하는 Location Map을 워터마크와 함께 삽입함으로써 추가적인 정보의 전달 없이 원본 영상을 완전히 복원할 수 있다. 또한 원본 영상의 완전한 복원성 때문에 워터마크를 반복적으로 삽입하는 것이 가능하여 워터마크의 삽입량을 크게 증가시킬 수 있는 특징이 있다.
디지털 워터마킹, 리버서블, 로스리스, 히스토그램 변형

Description

히스토그램 변형에 기반한 디지털 리버서블 워터마크의 삽입, 검출 및 원본 영상 복원 방법{Reversible Watermarking Based on Advanced Histogram Modification}
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 리버서블 워터마킹 방법으로 디지털 워터마크의 삽입, 검출 및 원본 영상 복원을 위한 방법 및 장치의 구성을 도시한 흐름도 및 블록도.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 리버서블 워터마킹 방법으로 디지털 워터마크의 삽입, 검출 및 원본 영상 복원을 위한 방법 및 장치의 구성을 도시한 흐름도 및 블록도.
도 3 은 본 발명에서 이용하는 히스토그램의 쉬프팅 기법의 예를 도시한 도.
도 4 는 도 1 에서의 워터마크 삽입장치에서의 Location Map 생성부에서 생성하는 Location Map의 구조를 도시한 도.
도 5 는 도 1 에서의 워터마크 삽입장치에서 반복적인 삽입을 할 경우 Location Map 생성부에서 생성하는 확장된 Location Map의 구조를 도시한 도.
도 6 은 도 2 에서의 워터마크 삽입장치에서의 Location Map 생성부에서 생성하는 Location Map의 구조를 도시한 도.
도 7 은 도 2 에서의 워터마크 삽입장치에서 반복적인 삽입을 할 경우 차이 영상을 구하는 방법의 예를 도시한 도.
도 8 은 도 2 에서의 워터마크 삽입장치에서 Location Map을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도.
도 9 는 워터마크가 삽입되는 있는 경우를 가정하여 계산된 상관도 검출 결과도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 워터마크 삽입 장치 108 : Location Map 생성부
112 : Payload 삽입부 114 : 영상 기록부
200 : 워터마크 추출 장치 206 : Payload 검출부
212 : 영상 인증부 220 : 원본 영상 복원부
304 : 차이 영상 생성부
본 발명은 디지털 멀티미디어 콘텐츠에 대한 디지털 워터마크를 기록, 검출 및 원본 영상을 복원하기 위한 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 영상에서 히스토그램의 특정 값을 가지는 픽셀을 쉬프트시켜 워터마크 삽입 공간을 생성하며 Location Map을 이용하여 특정 조건에 부합하여 변형시키지 않는 픽셀의 위치 정보를 파악한 후 이를 합하여 영상에 삽입 및 기록하고 이를 검출하고 원본 영상을 복원하도록 함으로써 처리속도 개선 및 워터마크 삽입량을 크게 증가시킨 디지털 워터마크의 기록, 검출 및 원본 영상 복원 방법 및 이를 이용한 기록, 검출 및 원본 영상 복원 장치에 관한 것이다.
최근 컴퓨터와 인터넷의 보급과 함께 멀티미디어 데이터의 빠른 유통과 함께 불법 복제 및 유통이 성행함에 따라 멀티미디어 데이터의 저작권에 대한 효율적인 보호 장치가 필요하게 되었다. 워터마킹 기술은 멀티미디어 데이터에 사용자 정보(워터마크)를 사용자가 인지할 수 없도록 삽입함으로써 불법복제를 막고 저작권자의 저작권을 보호하는 기술이다.
워터마크(watermark)란 고대에 파피루스(종이)를 만드는 과정에서 섬유질을 물에 풀었다가 물을 빼어 압착하기 위해 틀을 사용하는 과정에서 나온 마크를 의미한다. 중세에 제지업자들이 자신들의 고유상품 임을 증명하기 위해서 종이에 마크를 삽입했던 것이 중세의 워터마크이며, 오늘날에는 지폐를 제조하는 과정에서 종이가 젖어있을 때 인쇄를 하고 말린 후 양면에 인쇄를 하면 빛을 통해서만 확인할 수 있는 그림이 들어가는데, 이것을 워터마크라 부르기도 한다.
오늘날 디지털 매체의 증가와 함께, 디지털 워터마크라는 개념이 등장하였는데, 즉 아날로그 상의 종이가 디지털 종이의 개념으로 대체되듯이, 과거 워터마크를 삽입하던 아날로그 매체들이 모두 디지털화되면서 디지털 이미지, 오디오, 동영상 등에 숨겨지게 된 마크로서 디지털 워터마크라는 개념이 등장하게 된 것이다. 정리하면 워터마킹이란 일련의 멀티미디어 저작물(Multimedia Contents)을 보호하기 위하여 여기에 특별한 형태의 워터마크를 감추고 추출하는 모든 기술적 방법을 뜻한다. 초기에는 원래의 멀티미디어 저작물 자체에 대해서 은닉시키는 방법을 연 구하였지만, 현재에는 많은 기술적 변환 방법을 이용한 강력한 워터마킹 기술이 개발되고 있는 추세이다.
워터마킹은 워터마크의 강인성(Robustness) 여부에 따라서 강인한 워터마킹(Robust Watermarking), 연성 워터마킹(Fragile Watermarking)과 반연성(Semi-Fragile Watermarking)으로 분류되며, 연성 워터마킹의 한 종류로 워터마크 추출 후 원본 영상을 복원할 수 있는 리버서블 워터마킹(Reversible Watermarking)이 있다.
리버서블 워터마킹을 제외한 워터마킹 기법은 비가시성을 만족시키기 위해 디지털 콘텐츠의 정보를 사람들이 눈으로 인지할 수 없을 정도의 변형만을 가하여 저작권을 보호하였지만 디지털 콘텐츠의 원래 정보를 복원할 수는 없었다. 하지만 의료나 군 관련 영상 등 원본 영상에서의 조그만 정보 손실이 큰 영향을 미칠 수 있는 응용 분야에서는 삽입된 저작권 정보 추출 후 원본 영상을 복원할 수 있는 기술이 필요하다.
따라서 오늘날의 이미지 워터마킹 기술에 있어서 저작권 정보 추출 후 원래 정보를 복원할 수 있는 리버서블 워터마킹이 많이 사용되고 있다. 이러한 리버서블 워터마킹 중 데이터 압축을 이용한 리버서블 워터마킹은 대표적인 리버서블 워터마킹 방식으로 삽입 공간을 압축함으로써 정보를 삽입하는 방식이다. 삽입 공간 압축을 통해 확보된 추가 공간에 원본 이미지를 복원하기 위한 정보를 삽입한다. 최근에는 더 많은 정보를 삽입하기 위해서 삽입 데이터 자체를 압축하는 방식을 주로 이용하고 있다. 이러한 방식은 데이터 압축을 통해 많은 정보량을 삽입할 수 있는 장점을 지니고 있으고, 영상을 블록 단위로 나누어서 정보를 삽입하면 더욱 효과적이며 원본 이미지를 복원하기 위해 반드시 비손실 압축 기법을 이용해야 한다.
반면에 공간 확장을 이용한 리버서블 워터마킹은 원본 이미지의 특성을 포함할 수 있는 작은 값을 생성하여 그 값을 확장함으로써 확장된 공간에 정보를 삽입하는 기법이다. 보통 확장된 값의 LSB에 워터마크를 삽입한다. Integer Wavelet Transform을 이용한 방법으로 이미지의 차이 값과 평균값을 이용하여 원본 이미지의 특성 값을 생성한 후 특성 값을 확장하여 그 공간에 정보를 삽입하는 방식이 있다. 이 방식은 이미지의 차이 값을 이용하기 때문에 픽셀 간의 차이가 작은 저주파 이미지에서 효과적이다.
또한 히스토그램을 이용한 리버서블 워터마킹이 있는데 이 방식은 히스토그램의 값을 수정하여 정보 삽입 공간을 생성하여 정보를 삽입하는 기법이다. 히스토그램의 최대점과 최소점을 선택한 후 히스토그램 값을 수정하는 방식은 우수한 비가시성과 높은 정보 삽입량을 보였으나 부가적인 정보가 필요한 단점이 존재하고, 차이 영상을 이용하여 부가적인 정보의 필요성을 제거한 방식은 오버플로우 문제 및 이를 해결하기 위한 모듈로 연산 때문에 Salt ＆ Pepper 잡음 현상을 보이는 단점이 존재한다.
이상에서 알아본 것과 같이 일반적으로 개발된 영상의 리버서블 워터마킹 기술들은 나름대로의 장단점을 보유하고 있다.
본 발명은 상술한 히스토그램의 변형을 이용한 방법을 이용하여 워터마크의 삽입과 검출을 용이하게 하고, 원본 영상으로의 복원이 완전하게 이루어지는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 원본 영상으로의 완전한 복원성을 이용하여 반복적으로 워터마크를 삽입함으로써 워터마크 삽입량을 크게 증가시키는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 영상에 디지털 워터마크를 삽입하는 방법은
영상의 히스토그램을 구하는 단계;
상기 히스토그램에서 특정한 값을 가지는 픽셀의 정보를 이용하여 워터마크 삽입 공간을 생성하기 위하여 히스토그램을 쉬프트시키는 단계;
영상의 히스토그램을 쉬프트시키는데 있어서 특정 픽셀의 위치 좌표 값을 저장하기 위해 Location Map을 생성하는 단계;
비밀키에 기초하여 디지털 워터마크를 생성하는 단계;
Location Map과 디지털 워터마크를 하나의 비트열로 합쳐 Payload를 생성하는 단계; 및
하나의 비트열로 합쳐진 상기 Payload를 영상의 상기 워터마크 삽입 공간에 삽입하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 디지털 워터마크의 검출 및 원본 영상 복원 방법은
상기 영상의 히스토그램을 구하는 단계;
상기 히스토그램에서 특정 값을 가지는 픽셀의 정보를 이용하여 워터마크가 삽입된 영상으로부터 워터마크를 검출하는 단계;
검출된 워터마크에서 원본 영상 복원을 위한 Location Map과 실제 워터마크를 분할하는 단계;
비밀키에 기초하여 디지털 워터마크를 생성하는 단계;
비밀키를 이용하여 생성한 상기 디지털 워터마크와 검출하여 분할한 실제 워터마크와의 상관도를 구하는 단계;
상관도로부터 영상에 변형이 가해지지 않았음을 확인하는 인증 단계;
상기 히스토그램의 특정 픽셀 값의 정보를 이용하여 원본 영상을 복원하는 단계;
Location Map을 이용하여 워터마크 삽입 시 변형을 가하지 않은 픽셀들을 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서와 같이, 본 발명은 기존의 히스토그램의 변형을 이용한 방법과 유사하게 워터마크를 삽입하지만 Location Map이라는 구조를 이용함으로써 추가적인 정보 전달이 필요하지 않고, 워터마크가 삽입된 영상의 비가시성을 높이는 효과를 만들어 낸다. 이렇게 함으로써 워터마크를 반복적으로 삽입할 수 있어 기존의 히스토그램의 변형을 이용한 방법보다 워터마크의 삽입량을 크게 증가시킬 수 있다.
워터마크의 검출 및 원본 영상의 복원에 있어서는 워터마크를 검출하기 위해 차이 영상의 히스토그램을 이용하여 추출하기 때문에 검출의 속도를 향상시킬 수 있고, Location Map을 통해 워터마크 삽입 시 특정 조건에 부합하여 변형시키지 않은 픽셀의 위치 정보를 확인함으로써 원본 영상을 완전하게 복원할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 워터마크 삽입, 검출 및 원본 영상의 복원 방법과 이를 이용한 삽입, 검출 및 원본 영상의 복원 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 리버서블 워터마킹 방법으로 디지털 워터마크의 삽입, 검출 및 원본 영상 복원을 위한 방법 및 장치의 구성을 도시한 흐름도 및 블록도이다.
도 1 에서의 디지털 워터마크 삽입, 검출 및 원본 영상 복원 장치는 워터마크 삽입 장치(100)와 워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치(200)로 이루어진다. 워터마크 삽입 장치(100)는 입력영상을 그 특성에 따라 소정의 형태로 변환하는 영상 변환부(102), 입력영상의 히스토그램 생성부(104), 히스토그램 생성부(104)로부터 피크값과 최소값을 구하고 히스토그램을 쉬프트하여 워터마크를 삽입할 공간을 생성하는 워터마크 삽입 공간 생성부(106), 히스토그램의 최소값을 이용할 때 최소값의 개수가 0이 아닐 경우 최소값의 값과 위치 좌표를 저장하기 위한 Location Map 생성부(108), 비밀키를 이용하여 워터마크를 생성하기 위한 워터마크 생성부(110), Location Map 생성부(108)에서 생성한 Location Map과 워터마크 생성부(110)에서 생성된 워터마크를 하나로 합쳐 Payload를 삽입하는 Payload 삽입부(112), 워터마크 삽입량을 늘리기 위해 반복 삽입할 경우 사용되는 Payload 삽입 종료 판단부(114) 및 워터마크가 삽입된 영상신호를 기록하는 영상 기록부(116)를 포함한다.
또한, 워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치(200)는 워터마크가 삽입된 영 상을 입력 받아서 이를 소정의 형태의 포맷으로 변환하는 영상 변환부(202), 워터마크 검출 위치를 결정하기 위한 히스토그램 생성부(204), 히스토그램 생성부(204)에서 결정한 검출 위치에서 워터마크를 검출하는 Payload 검출부(206), Payload 검출부(206)로부터 검출된 워터마크를 Location Map과 실제 워터마크와 분리하는 Payload 분리부(208), 비밀키를 이용하여 삽입된 워터마크를 생성하기 위한 워터마크 생성부(210), Payload 분리부(208)에 의해 분리된 실제 워터마크와 워터마크 생성부(210)에서 출력된 워터마크와의 상관관계를 계산하여 영상에 변형이 가해졌는지를 확인하는 영상 인증부(212), 히스토그램 생성부(204)에서 결정한 검출 위치를 통해 영상을 1차 복원하는 1차 영상 복원부(214), Payload 분리부(208)로부터 분리한 Location Map을 이용하여 영상을 2차 복원하는 2차 영상 복원부(216), 워터마크 삽입 장치(100)에서 반복하여 워터마크를 삽입한 경우 사용되는 Payload 검출 종료 판단부(218) 및 원본 영상을 완전하게 복원하기 위한 원본 영상 복원부(220)를 포함한다.
상기와 같은 구성을 가지는 워터마크 삽입, 검출 및 원본 영상 복원 장치에서의 동작을 각각 나누어서 살펴본다. 먼저, 워터마크 삽입장치(100)에서의 동작을 도 1, 3, 4, 5를 참조하여 살펴본다.
워터마크를 디지털 영상 중에 삽입하기 위한 입력영상이 영상변환부(102)로 입력된다. 영상변환부(102)의 동작 흐름에 대하여 설명하면 영상변환부(102)는 입력영상이 24비트 칼라 영상인가를 체크한다. 만약, 입력영상이 24비트 칼라인 경우에는 하기의 수학식 1 을 이용하여 입력영상의 RGB 성분을 YIQ (Y : Luminance(휘 도), I : Inphase, Q : Quadrature) 포맷의 모델로 바꾼다.
[수학식 1]
Figure 112006507059411-PAT00001
변환된 포맷의 모델에서 I 성분, Q성분은 따로 저장하고 Y성분만을 추출하여 스케일링을 수행한다. 추출된 Y 성분은 다음 프로세스인 히스토그램 생성 단계로 넘어간다.
입력 영상이 24 비트의 칼라 영상이 아닌 경우에는 바로 히스토그램 생성 단계로 넘어간다. 즉, 입력 영상이 24비트의 칼라 영상이 아닌 경우에는 실제 입력되는 영상이 24비트인 경우의 Y 성분과 동일한 신호에 해당하므로 YIQ 포맷으로의 변화 프로세스를 수행하지 않고 히스토그램 생성 단계로 바로 진행하게 된다. 따라서 입력신호가 24비트가 아닌 경우에는 영상변환부(102)를 별도로 구비하지 않아도 가능하다.
상기에서의 영상변환부(102)의 출력은 히스토그램 생성부(104)로 전달된다. 히스토그램 생성부(104)는 히스토그램 중 최대값과 최소값을 이용하여 워터마크를 삽입할 위치를 결정한다. 이렇게 결정된 워터마크 삽입 위치와 영상변환부(102)의 출력은 워터마크 삽입 공간 생성부(106)로 입력되는데 워터마크 삽입 위치를 이용하여 영상변환부(102)에서 출력된 픽셀 값 중 최대점의 좌, 우 위치에 있는 픽셀 값을 쉬프트시켜 워터마크를 삽입할 공간을 생성한다. 워터마크 삽입 공간은 하기의 수학식 2 를 이용하여 생성하게 된다.
[수학식 2]
Figure 112006507059411-PAT00002
수학식 2 에서 I'는 Payload가 삽입될 위치를 공간을 생성한 영상을 나타내고, I는 원본 영상을 나타낸다. Max는 히스토그램의 최대점이고, min(L)과 min(R)은 각각 좌, 우측 최소점을 나타낸다.
워터마크 삽입 공간 생성부(106)에서 워터마크 삽입 공간을 생성하기 위해 픽셀 값을 쉬프트시킬 때 최소값의 개수가 0이 아닐 때 최소값의 값과 위치 좌표를 Location Map 생성부(108)에 전달하여 Location Map을 생성한다. Location Map 생성부(108)에 의해 Location Map을 생성한 후 워터마크 생성부(110)는 비밀키를 이용하여 디지털 워터마크를 생성한다.
이렇게 생성된 디지털 워터마크와 Location Map 생성부(108)에 의해 생성된 Location Map은 하나의 비트열로 합쳐 Payload를 삽입하는 Payload 삽입부(112)로 입력된다.
Payload 삽입부(112)에서는 생성된 Payload를 워터마크 삽입 공간 생성부(106)로부터 생성된 삽입 위치에 삽입한다. 삽입 위치의 값과 Payload 값을 확인하여 조건에 맞게 Payload를 삽입한다. Payload 는 하기의 수학식 3 을 이용하여 삽입하게 된다.
[수학식 3]
Figure 112006507059411-PAT00003
P는 Payload를 나타내고, Max는 히스토그램의 최대점, I'는 Payload가 삽입될 위치를 공간을 생성한 영상, Iw는 Payload가 삽입된 영상을 나타낸다.
1차로 Payload를 삽입한 후 Payload 삽입 종료 판단부(114)를 통해 반복적인 삽입을 할 수 있어 추가로 Payload를 삽입하게 된다.
Payload를 반복 삽입하게 되는 경우 정보 삽입 지점을 2개 이상 선택할 수 있도록 하기 위해서 도 5 에서처럼 Location Map을 확장하여 8비트의 정보를 추가한다. 반복 삽입을 위해서 Payload를 삽입할 지점의 개수만큼 히스토그램에서 최소점을 찾는다. 구해진 최소점을 최대점을 중심으로 좌, 우로 나눈다. 그 후에 최대점 좌, 우 지점 이외의 최대점을 좌, 우에 있는 최소점의 개수보다 하나씩 작은 개수만큼 찾는다. 이렇게 찾은 삽입 지점의 개수만큼 반복하여 Payload를 삽입하면 삽입량을 상당히 늘릴 수 있다.
Payload가 삽입된 영상이 출력되면, 이 영상은 영상기록부(116)로 입력되어 워터마크가 삽입된 영상으로 저장된다.
영상기록부(116)에서는 워터마크가 삽입된 신호가 24 비트 영상인지 아닌지를 판단한다. 워터마크가 삽입된 신호가 24비트 영상인 경우에는 이전의 YIQ 성분중에서 Y 성분이 추출되고 남은 IQ 성분과 Y 성분을 합성한다. 합성 후에는 YIQ 포맷의 신호를 하기의 수학식 4 를 이용하여 RGB 신호로 다시 변환한다.
[수학식 4]
Figure 112006507059411-PAT00004
상기와 같이 변환된 신호는 워터마크가 삽입된 영상으로 저장매체에 저장된다.
그러나 만약 워터마크가 삽입된 영상이 24비트의 영상이 아닌 경우에는 이전의 영상변환부(102)에서 별도의 변환과정을 거치지 않고 입력된 영상이므로 상기와 같은 변환이 필요하지 않다.
상기에서와 같은 워터마크 삽입장치(100)는 히스토그램의 변형을 이용하여 빠르게 워터마크를 삽입할 수 있고, Location Map이라는 구조를 이용함으로써 추가적인 정보 전달이 필요하지 않고, 워터마크가 삽입된 영상의 비가시성을 높이는 효과를 만들어 낸다. 이렇게 함으로써 워터마크를 반복적으로 삽입할 수 있어 기존의 히스토그램의 변형을 이용한 방법보다 워터마크의 삽입량을 크게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같이 워터마크가 삽입된 영상신호로부터 워터마크를 검출하고 원본 영상을 복원하는 워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치를 도 1 을 참조하여 살펴본다.
워터마크가 삽입된 영상은 워터마크 검출을 통해 영상에 변형이 가해지지 않았다는 것을 인증할 수 있고, 인증 후 원본 영상을 복원할 수 있는 것으로서, 이러한 방법에 의하여 기록된 워터마크를 검출하고 원본 영상을 복원하는 장치 및 방법 에 대하여 살펴본다.
워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치(200)로 워터마크가 삽입되어 기록된 영상이 들어오면 먼저 영상변환부(202)를 통하여 소정 형태의 신호로 변환된다. 워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치(200)에서의 영상변환부(202)의 구성과 동작은 워터마크 삽입장치(100)에서의 영상변환부(102)와 동일하다. 즉, 입력영상이 24비트 영상인 경우에는 해당 입력영상을 RGB 포맷에서 YIQ 포맷으로 변환한 후에 Y 성분만을 추출하여 워터마크를 검출하기 위하여 출력하고, 24비트 영상이 아닌 경우에는 해당 입력영상을 변환 없이 출력한다.
영상변환부(202)에서 출력되는 영상신호는 히스토그램 생성부(204)로 입력된다. 히스토그램 생성부(204)의 구성과 동작은 워터마크 삽입장치(100)에서의 히스토그램 생성부(204)와 동일하다. 히스토그램 생성부(204)에서 생성한 히스토그램의 최대값과 최소값을 이용하여 워터마크를 검출할 위치를 결정한다. Payload 검출부(206)는 히스토그램 생성부(204)를 통해 얻은 워터마크 검출 위치를 이용하여 삽입된 Payload를 검출한다. Payload는 하기의 수학식 5 를 이용하여 검출된다.
[수학식 5]
Figure 112006507059411-PAT00005
Payload 분리부(208)는 Payload 검출부(206)를 통해 검출된 Payload를 원본 영상 복원을 위한 정보를 포함하고 있는 Location Map과 실제 워터마크로 분리한다. Payload 분리부(208)의 작업이 진행된 후 워터마크 생성부(210)는 워터마크 삽 입장치(100)의 워터마크 생성부(110)와 동일하게 워터마크를 생성한다. 이렇게 만들어진 워터마크와 Payload 분리부(208)로부터 추출된 실제 워터마크는 하기의 수학식 6 을 이용하여 상관도(Corr)를 구한다.
[수학식 6]
Figure 112006507059411-PAT00006
여기서 Wimg는 Payload 분리부(208)로부터 추출된 실제 워터마크를 나타내고, Wm은 비밀키를 이용하여 워터마크 생성부(210)에 의해 생성된 영상에 삽입된 워터마크를 가리킨다. IFFT 는 1차원 역 고속 푸리에 변환을, FFT1 는 1차원 고속 푸리에 변환을, 그리고 conj는 켤레 복소수를 나타낸다.
영상인증부(212)는 상기 수학식 6 를 이용하여 구한 상관관계를 통하여 워터마크가 삽입된 영상에 변형이 가해졌는지를 확인하여 인증을 수행한다. 상관관계가 1이 나오지 않을 경우 영상에 변형이 가해졌다고 판단한다.
1차 영상 복원부(214)는 히스토그램의 최대값과 최소값을 이용하여 워터마크가 삽입된 영상을 쉬프트시켜 영상을 1차적으로 복원시킨다. 1차 영상 복원은 하기의 수학식 7을 통해 수행된다.
[수학식 7]
Figure 112006507059411-PAT00019
Io는 복원된 원본 영상를 나타낸다.
2차 영상 복원부(216)는 Payload 분리부(208)로부터 분리된 Location Map을 이용하여 워터마크 삽입 시 최소값의 개수가 0이 아닐 경우 저장했던 픽셀들을 복원하여 2차적으로 영상을 복원시킨다.
Payload 검출 종료 판단부(218)은 워터마크 삽입 장치(100)에서 반복적으로 워터마크를 삽입한 경우 삽입 횟수만큼 워터마크 검출 및 복원 과정을 반복하도록 한다.
원본 영상 복원부(220)는 모든 반복 과정이 종료되면 최종적으로 원본 영상을 완전하게 복원시킨다.
다음으로, 도 2 를 참조하여 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 리버서블 워터마킹 방법을 설명한다.
본 실시형태도 제 1 실시형태와 동일하게 영상의 히스토그램을 이용하여 워터마크를 삽입하고 검출하지만 삽입, 검출 위치를 선택하는 방법에 있어서 차이 영상을 사용한다는 점에서 제 1 실시형태와 차이가 있다.
도 2 에서의 디지털 워터마크 삽입, 검출 및 원본 영상 복원 장치는 워터마크 삽입 장치(300)와 워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치(400)로 이루어진다. 워터마크 삽입 장치(300)는 입력영상을 그 특성에 따라 소정의 형태로 변환하는 영상 변환부(302), 워터마크 삽입 위치를 결정하기 위한 차이 영상 생성부(304), 차이 영상 생성부(306)로부터 얻은 삽입 위치 정보를 이용하여 차이 영상의 히스토그램을 쉬프트하여 워터마크를 삽입할 공간을 생성하는 워터마크 삽입 공간 생성부(306), 1차 차이 영상을 통해 다시 한번 차이 영상을 구하는 2차 차이 영상 생성부 (308), 워터마크를 삽입할 영상의 짝수행을 쉬프트시킬 때 오버플로우 및 언더플로우 발생을 막기 위해 쉬프트시켜서는 안 되는 픽셀들의 위치를 저장하기 위한 Location Map 생성부(310), 비밀키를 이용하여 워터마크를 생성하기 위한 워터마크 생성부(312), Location Map 생성부(310)에서 생성한 Location Map과 워터마크 생성부(312)에서 생성된 워터마크를 하나로 합쳐 Payload를 삽입하는 Payload 삽입부(314), 워터마크 삽입량을 늘리기 위해 반복 삽입할 경우 사용되는 Payload 삽입 종료 판단부(316) 및 워터마크가 삽입된 영상신호를 기록하는 영상 기록부(318)를 포함한다.
또한, 워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치(400)는 워터마크가 삽입된 영상을 입력 받아서 이를 소정의 형태의 포맷으로 변환하는 영상 변환부(402), 워터마크 추출 위치를 결정하기 위한 차이 영상 생성부(404), 차이 영상 생성부(404)에서 결정한 검출 위치에서 워터마크를 검출하는 Payload 검출부(406), Payload 검출부(406)로부터 검출된 Payload를 Location Map과 실제 워터마크와 분리하는 Payload 분리부(408), 비밀키를 이용하여 워터마크를 생성하기 위한 워터마크 생성부(410), Payload 분리부(408)에 의해 분리된 실제 워터마크와 워터마크 생성부(410)에서 출력된 워터마크와의 상관관계를 계산하여 영상에 변형이 가해졌는지를 확인하는 영상 인증부(412), 차이 영상 생성부(404)에서 결정한 검출 위치를 통해 영상을 1차 복원하는 1차 영상 복원부(414), Payload 분리부(408)로부터 분리한 Location Map을 이용하여 영상을 2차 복원하는 2차 영상 복원부(416), 워터마크 삽입 장치(300)에서 반복하여 워터마크를 삽입한 경우 사용되는 Payload 검출 종료 판단부(418) 및 원본 영상을 완전하게 복원하기 위한 원본 영상 복원부(420)를 포함한다.
상기와 같은 구성을 가지는 워터마크 삽입, 검출 및 원본 영상 복원 장치에서의 동작을 각각 나누어서 살펴본다. 먼저, 워터마크 삽입장치(300)에서의 동작을 도 2, 6, 7을 참조하여 살펴본다.
워터마크를 디지털 영상 중에 삽입하기 위한 입력영상이 영상변환부(302)로 입력된다. 영상변환부(302)의 동작 흐름은 제 1 실시형태의 워터마크 삽입 장치(100)에서의 영상변환부(102)와 동일하다. 즉, 입력 영상이 24비트의 칼라 영상이 아닌 경우에는 실제 입력되는 영상이 24비트인 경우의 Y 성분과 동일한 신호에 해당하므로 YIQ 포맷으로의 변화프로세스를 수행하지 않고 차이 영상 생성 단계로 바로 진행하게 된다.
상기에서의 영상변환부(302)의 출력은 차이 영상 생성부(304)로 전달된다. 차이 영상 생성부(304)는 영상변환부의 출력을 짝수행과 홀수행으로 분할하여 두 영상간의 차이 영상을 생성한다. 차이 영상 생성부(304)에서 출력된 차이 영상의 히스토그램 중 특정 픽셀 값을 이용하여 워터마크를 삽입할 위치를 결정한다. 이렇게 결정된 워터마크 삽입 위치와 영상변환부(302)의 출력은 워터마크 삽입 공간 생성부(306)로 입력되는데 워터마크 삽입 위치를 이용하여 영상변환부(302)의 출력 중 짝수행의 픽셀 값을 쉬프트시켜 워터마크를 삽입할 공간을 생성한다. 워터마크 삽입 공간은 하기의 수학식 8 을 이용하여 생성하게 된다.
[수학식 8]
Figure 112006507059411-PAT00008
D는 원본 영상에서 절반의 행을 포함하는 차이 영상을 나타내고 i는 영상의 열, j는 행을 나타낸다. 차이 영상을 구한 후 차이 영상의 히스토그램 값이 -1 또는 1인 짝수행에 Payload를 삽입하기 위해 히스토그램이 -2 이하인 값은 -1을 수행하고, 2 이상인 값은 +1을 수행하여 삽입 공간을 만들어낸다. I'는 히스토그램을 쉬프트한 후의 영상이다.
2차 차이 영상 생성부(308)에서는 차이 영상 생성부(304)로부터 생성된 차이 영상을 이용하여 2차 차이 영상을 생성한다.
2차 차이 영상 생성 후 오버플로우 및 언더플로우 발생을 막기 위해 쉬프트시켜서는 안 되는 픽셀들의 위치를 Location Map 생성부(310)에 전달하여 Location Map을 생성한다, 도 7 은 Location Map에 저장되어야 하는 픽셀을 찾기 위한 알고리즘을 도시한다. 도 7 의 알고리즘을 통해 Location Map 생성부(310)에 의해 Location Map이 생성한 후 워터마크 생성부(312)는 비밀키를 이용하여 디지털 워터마크를 생성한다.
이렇게 생성된 디지털 워터마크와 Location Map 생성부(310)에 의해 생성된 Location Map은 하나의 비트열로 합쳐 Payload를 삽입하는 Payload 삽입부(314)로 입력된다.
Payload 삽입부(314)에서는 생성된 Payload를 워터마크 삽입 공간 생성부 (306)로부터 생성된 삽입 위치에 삽입한다. 삽입 위치의 값과 Payload 값을 확인하여 조건에 맞게 Payload를 삽입한다. Payload는 하기의 수학식 9 를 이용하여 삽입하게 된다.
[수학식 9]
Figure 112006507059411-PAT00009
Iw는 Payload가 삽입된 영상을 나타낸다. 차이 영상의 값이 1이고 Payload 값이 1인 경우 해당 위치의 픽셀에 1을 더하고 차이 영상의 값이 -1이고 Payload값이 1인 경우는 해당 위치의 픽셀에서 1을 빼고, 그 이외의 경우에는 픽셀의 값을 변형시키지 않음으로써 Payload가 삽입된 영상을 획득하게 된다.
1차로 Payload를 삽입한 후 Payload 삽입 종료 판단부(316)를 통해 반복적인 삽입을 할 수 있어 추가로 Payload를 삽입하게 된다.
Payload를 반복 삽입하게 되는 경우 도 7 에서처럼 차이 영상을 구하는 방법을 달리하여 정보를 반복 삽입하게 된다.
Payload가 삽입된 영상이 출력되면, 이 영상은 영상기록부(318)로 입력되어 워터마크가 삽입된 영상으로 저장된다.
영상기록부(318)에서의 기록동작은 제 1 실시형태의 워터마크 삽입장치(100)에서의 영상기록부(116)와 동일하다.
상기와 같이 워터마크가 삽입된 영상신호로부터 워터마크를 검출하고 원본 영상을 복원하는 워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치를 도 2 를 참조하여 살펴 본다.
워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치(200)로 워터마크가 삽입되어 기록된 영상이 들어오면 먼저 영상변환부(402)를 통하여 소정 형태의 신호로 변환된다. 워터마크 검출 및 원본 영상 복원 장치(400)에서의 영상변환부(402)의 구성과 동작은 워터마크 삽입장치(300)에서의 영상변환부(302)와 동일하다.
영상변환부(402)에서 출력되는 영상신호는 차이 영상 생성부(404)로 입력된다. 차이 영상 생성부(404)의 구성과 동작은 워터마크 삽입장치(300)에서의 차이 영상 생성부(304)와 동일하다. 즉, 영상변환부(302)의 출력을 짝수행과 홀수행으로 분할하여 두 영상간의 차이 영상을 생성한다. 차이 영상 생성부(404)에서 출력된 차이 영상의 히스토그램 중 특정 픽셀 값을 이용하여 Payload를 검출할 위치를 결정한다. Payload 검출부(406)는 차이 영상 생성부(404)를 통해 얻은 Payload 검출 위치를 이용하여 삽입된 Payload를 검출한다. Payload는 하기의 수학식 10 을 이용하여 검출된다.
[수학식 10]
Figure 112006507059411-PAT00010
차이 영상의 픽셀 값들을 스캔하면서 -1 또는 1인 값을 가지는 픽셀을 만나면 0을 추출하고, -2 또는 2인 픽셀을 만나면 1을 추출함으로써 삽입된 Payload를 간단히 추출할 수 있다.
Payload 분리부(408)는 Payload 검출부(406)를 통해 검출된 Payload를 원본 영상 복원을 위한 정보를 포함하고 있는 Location Map과 실제 워터마크로 분리한다. Payload 분리부(408)의 작업이 진행된 후 워터마크 생성부(410)는 워터마크 삽입장치(300)의 워터마크 생성부(312)와 동일하게 워터마크를 생성한다. 이렇게 만들어진 디지털 워터마크와 Payload 분리부(408)로부터 추출된 실제 워터마크는 상기의 수학식 6 을 이용하여 상관도를 구한다.
영상인증부(412)는 상기 수학식 6 을 이용하여 구한 상관관계를 통하여 워터마크가 삽입된 영상에 변형이 가해졌는지를 확인하여 인증을 수행한다. 상관관계가 1이 나오지 않을 경우 워터마크가 검출되지 않은 것으로 판단한다.
1차 원본 영상 복원부(414)는 차이 영상의 히스토그램의 특정 픽셀 값의 정보를 이용하여 워터마크가 삽입된 영상의 짝수행을 쉬프트시켜 영상을 1차적으로 복원시킨다. 1차 영상 복원은 하기의 수학식 11 을 통해 수행된다.
[수학식 11]
Figure 112006507059411-PAT00011
1차 복원은 차이 영상을 스캔하면서 픽셀 값이 -2보다 작은 픽셀을 만나면 짝수행에 1을 더하고, 2보다 큰 픽셀을 만나면 짝수행에서 1을 뺌으로써 이루어진다. Io는 1차 복원된 영상을 나타낸다.
2차 영상 복원부(416)는 Payload분리부(408)로부터 분리된 Location Map을 이용하여 워터마크 삽입 시 변형을 가하지 않은 픽셀들을 복원하여 2차적으로 영상 을 복원시킨다.
Payload 검출 종료 판단부(418)는 워터마크 삽입 장치(300)에서 반복적으로 워터마크를 삽입한 경우 삽입 횟수만큼 워터마크 검출 및 복원 과정을 반복하도록 한다.
원본 영상 복원부(420)는 모든 반복 과정이 종료되면 최종적으로 원본 영상을 완전하게 복원시킨다.
상기에서 기술한 것처럼, 본 발명은 워터마크를 삽입, 검출하고 원본 영상신호로 복원하는 방법과 장치에 관한 것으로 삽입과 검출에 있어 보다 빠르고 정확한 추출을 할 수 있도록 설계되었고, Location Map을 이용함으로써 추가적인 정보 전달이 필요하지 않고, 워터마크가 삽입된 영상신호의 비가시성을 높였다.
또한 Location Map을 통해 워터마크를 반복적으로 삽입할 수 있어 기존의 히스토그램의 변형을 이용한 방법보다 워터마크의 삽입량을 크게 증가시킬 수 있었으며, 워터마크 삽입 시 특정 조건에 부합하여 변형시키지 않은 픽셀의 위치 정보를 Location Map을 통해 확인함으로써 원본 영상신호를 완전하게 복원할 수 있게 된다.
본 발명은 상기의 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 이는 예시를 위하여 사용된 것이며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에서 정의된 것처럼 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정을 할 수 있다.

Claims (13)

  1. 영상에 디지털 워터마크를 삽입하는 방법에 있어서,
    영상의 히스토그램 값을 구하는 단계;
    영상의 히스토그램에서 특정한 값을 가지는 픽셀의 정보를 이용하여 워터마크 삽입 공간을 생성하기 위하여 히스토그램을 쉬프트시키는 단계;
    영상의 히스토그램을 쉬프트시키는데 있어서 특정 픽셀의 위치 좌표 값을 저장하기 위해 Location Map을 생성하는 단계;
    비밀키에 기초하여 디지털 워터마크를 생성하는 단계;
    Location Map과 디지털 워터마크를 하나의 비트열로 합쳐 Payload를 생성하는 단계; 및
    하나의 비트열로 합쳐진 상기 Payload를 영상의 상기 워터마크 삽입 공간에 삽입하는 단계를 포함하는 리버서블 워터마킹 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상의 히스토그램을 구하는 단계는,
    상기 영상에서 바로 히스토그램을 구하는 것을 특징으로 하는 리버서블 워터마킹 방법
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상의 차이 영상을 구하여 차이 영상의 히스토그램을 이용하여 삽입 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 리버서블 워터마킹 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    워터마크 삽입 공간을 생성하기 위하여 히스토그램을 쉬프트시키는 단계는,
    히스토그램의 피크값을 이용하여 픽셀 값을 쉬프트시키는 것을 특징으로 하는 리버서블 워터마킹 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    히스토그램의 분포가 높은 위치의 값을 이용하여 쉬프트시키는 것을 특징으로 하는 리버서블 워터마킹 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    Location Map을 생성하는 단계는,
    최소점의 값, 최소점의 개수, 최소점의 좌표를 포함하는 구조를 가지는 Location Map을 생성하는 것을 특징으로 하는 리버서블 워터마킹 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    최소점의 값, 최소점의 개수, 다음 최대점의 값, 최소점의 좌표를 포함하는 구조를 가지는 Location Map을 생성하는 것을 특징으로 하는 리버서블 워터마킹 방 법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    0의 개수, 255의 개수, 0의 좌표, 255의 좌표를 포함하는 구조를 가지는 Location Map을 생성하는 것을 특징으로 하는 리버서블 워터마킹 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    1차 워터마크 삽입 후, 정보를 추가로 삽입하기 위해 상기 단계를 반복하여 워터마크를 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리버서블 워터마킹 방법.
  10. 영상에 삽입된 디지털 워터마크를 검출 및 원본 영상을 복원하는 방법에 있어서,
    상기 영상의 히스토그램 값을 구하는 단계;
    상기 영상의 히스토그램에서 특정한 값을 가지는 픽셀의 정보를 이용하여 Payload를 검출하는 단계;
    검출한 Payload로부터 워터마크와 Location Map을 분리하는 단계;
    비밀키에 기초하여 디지털 워터마크를 생성하는 단계;
    상기 생성한 디지털 워터마크와 상기 검출한 워터마크를 이용하여 영상의 인증을 수행하는 단계; 및
    상기 검출한 Payload를 이용하여 영상을 복원하는 단계를 포함하는 리버서블 워터마킹 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    영상의 인증을 수행하는 단계는,
    상기 디지털 워터마크와 검출된 워터마크와의 상관도로부터 상기 영상에 변형이 가해지지 않았다는 것을 판단하는 것을 특징으로 하는 리버서블 워터마킹 방법
  12. 제 10 항에 있어서,
    원본 영상을 복원하는 단계는,
    상기 영상의 히스토그램에서 특정한 값을 가지는 픽셀의 정보를 이용하여 영상을 복원하는 단계; 및
    검출된 Location Map를 이용하여 2차로 영상을 복원하는 단계를 포함하는 리버서블 워터마킹 방법
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 영상에 디지털 워터마크가 반복 삽입된 경우 2차 영상 복원 후 상기 단계를 반복 삽입한 횟수만큼 반복적으로 수행하여 원본 영상을 복원하는 단계를 포함하는 리버서블 워터마킹 방법
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