KR20080044680A - 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법 및 그 장치 - Google Patents

서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법 및 그 장치가 개시되어 있다. 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법은 워터마크 대 잡음비(Watermark to Noise Ratio)가 높은 서브 블록만을 선정하여 상관검출 함으로써 워터마크 검출 성능을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 현존하는 공격에 강인한 특성을 가지고 있다.
워터마크, 상관검출, 확산대역, 서브 블록, WNR

Description

서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법 및 그 장치 {Method of detecting watermark using sub-block and apparatus thereof}
도 1은 본 발명이 적용되는 워터마크 검출 장치에 관한 도면이다.
도 2는 본 발명의 워터마크 검출 장치에서 블록을 서브 블록 단위로 분할하는 것을 보여주기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 검출기에 관한 상세 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 워터마크 검출 방법에 관한 흐름도이다.
도 5a는 분산이 큰 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 분산이 작은 경우를 설명하기 위한 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명*
210 : 서브 블록 처리부 220 : 서브 WNR 계산부
230 : 서브 WNR 정렬부 240 : 상관 검출 대상 선정부
250 : 상관 검출부
본 발명은 워터마크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
오늘날 초고속 인터넷이 급속히 발전하고, 아날로그에서 디지털 시대로 변화 하면서 많은 아날로그 미디어를 비롯한 콘텐츠들이 디지털화 되어가고 있다.
디지털 신호는 아날로그와는 달리 복사 및 저장이 용이하기 때문에 사용자들에게 많은 편의성을 제공해주고 있다. 그러나, 디지털 신호는 원본과 똑같은 복제가 가능하기 때문에 저작권이 있는 디지털 콘텐츠에 대한 불법복제는 항시 노출되어 있는 실정이다. 불법복제는 저작자의 정당한 수입을 차단하고 창작의욕마저 사라지게 하기 때문에 매우 심각한 문제가 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 기술이 워터마킹 기술이다.
워터마킹은 저작권자가 소유한 디지털 콘텐츠에 일반 사람들이 인지할 수 없는 저작권 정보를 삽입하여, 소유권에 대한 법적분쟁이 생겼을 시 해당 콘텐츠에 대해 지적재산권을 보호할 수 있는 기술이다.
워터마크 시스템은 원본이 있어야 워터마크 검출이 가능한 것과 원본이 없어도 워터마크 검출이 가능한 두 종류로 나뉜다. 여기서 후자를 블라인드 워터마크 시스템(blind watermark system)이라고 부르는데 도 1과 같이 검출과정에서 원본신호 x[k]는 전혀 사용되고 있지 않다. 도 1은 본 발명이 적용되는 워터마크 검출 장치에 관한 도면이다.
공격에 의해 잡음 n[k]가 추가되었지만, w[k]의 검출이 가능하다.
블라인드 워터마크 시스템의 장점은 다음과 같다. 비블라인드 워터마크에서는 워터마크를 찾기 위해 워터마크가 삽입된 미디어는 물론 워터마크가 삽입되지 않은 원본도 동시에 필요하다. 따라서 워터마크 검출장치에서 원본을 따로 보관하고 있어야 하기 때문에 저장 공간의 낭비가 있다. 그러나, 블라인드 워터마크 시스템은 검출을 위해 워터마크가 삽입되지 않은 원본이 필요없기 때문에 저장 공간의 낭비가 줄어든다는 장점이 있다.
워터마킹을 콘텐츠에 적용하기 위해서는 대표적으로 투명성과 강인성을 반드시 고려해야 한다. 투명성은 원래의 콘텐츠와 워터마크가 삽입된 콘텐츠의 차이를 쉽게 인지할 수 없어야 한다는 특성을 의미한다. 강인성은 여러 공격에 대해서도 삽입된 워터마크를 보호할 수 있어야 하는 특성을 의미한다. 이 두 가지 특성을 만족시키기 위해, 현재까지 소개된 워터마킹 기술로는 대표적으로 확산대역기법, 위상의 일부를 변형하는 기법, 양자화 워터마킹 기법, 패치워크 기법, 오디오 신호를 대상으로 반향(echo)신호를 삽입하는 기법이 있다.
상관검출은 확산대역 기법에서 가장 널리 알려져 있는 워터마크 검출기법이다. 상관검출 방식은 워터마크를 삽입할 때 s[k] = x[k]+ aw[k] 와 같이 워터마크 잡음 w[k]와 신호성분 x[k]를 더한다. 반대로 워터마크를 검출할 때는 w[k]와 s[k]의 상관 관계를 구한다.
워터마크 신호 w[k]는 원본신호를 훼손시키는 잡음신호라고 볼 수 있는데, 비록 잡음일지라도 w[k]는 신호의 품질과 워터마크 본연의 목적에 맞추어 만들어진 암묵적인 정해진 규칙들을 지켜야 한다. 규칙들은 다음과 같은 것들이 있을 수 있다.
1. 숨길 워터마크 신호 w[k]는 난수의 성질을 지녀야 한다. 난수처럼 불규칙해서 공격자들이 w[k]를 예측하기 어렵게 만들어야 한다. 그렇지 않으면 쉽게 신호 w[k]를 유추할 수 있게 되고 공격을 가해 무력화 할 수 있다.
2. 난수는 다시 원래대로 재생이 가능해야 한다. 이런 성질을 만족하는 난수를 유사난수 또는 PN 시퀀스라고 부른다. 유사 난수를 써야 인코더가 사용한 것과 동일한 유사 난수를 검출기도 재생할 수 있고, 그것을 써서 워터마크를 복원할 수 있다.
3. 잡음이 -1과 1 사이의 수로 표현될 경우 평균은 0에 가까운 것이 좋다. 만일 1 이나 -1에 가까운 쪽으로 편이 현상이 생기면 공격자 입장에서 난수의 유추 가능성이 높아지며, 직류 성분이 증가하게 되어 검출 특성을 저하시킨다.
일반적으로 사용되고 있는 상관관계 기반 워터마크는 원본신호에 워터마크를 더하거나 곱한다. 워터마크를 삽입하는 것 이상으로 중요한 것은 삽입한 워터마크를 어떻게 찾아내는가 이다.
그러나, 종래의 상관검출 장치는 커버신호(워터마크가 없는 원본 소스)의 특성에 따라 커버신호와 워터마크의 상관도의 분산이 일반적으로 크게 나타나기 때문에, 많은 응용분야에서 사용하기가 용이하지 않다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 상관검출 성능을 최적화시키기 위한 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법은 워터마크 대 잡음비(watermark to noise ratio)가 높은 부분을 선정하는 단계; 및 상기 워터마크 대 잡음비가 높은 부분이 선정되면 이 부분을 상관 검출하는 단계를 포함한다.
상기 워터마크 대 잡음비가 높은 부분을 선정하는 단계는 한 블록을 여러 개의 서브 블록으로 분할하는 단계; 각각의 서브블록마다 워터마크 대 잡음비를 산출하는 단계; 및 워터마크 대 잡음비가 높은 순서대로 정렬하여, 커버 및 스테고 신호와 워터마크의 상관도의 분산을 최저로 만드는 소정의 값 이상이 되는 부분을 선정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 상관 검출하는 단계는 높은 워터마크 대 잡음비로 구성된 서브 블록들만을 이용하여 상관검출한다.
또한 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 장치는 원신호를 임의의 코드로 인코딩시 워터마크 신호를 삽입하여 인코딩하는 인코더가 구비된 시스템으로부터 워터마크를 검출하는 장치에 있어서, 상기 인코더로부터 출력되는 신호 중 워터마크 대 잡음비가 높은 부분을 선정하여 상관검출 함으로써 워터마크 신호를 검출하는 검출기로 구성된다.
상기 워터마크 검출기는 한 블록을 여러 개의 서브 블록으로 분할하는 서브 블록 처리부; 상기 서브 블록 처리부에서 분할된 각각의 서브블록마다 워터마크 대 잡음비를 산출하는 서브 워터마크 대 잡음비 계산부; 상기 서브 워터마크 대 잡음비 계산부에서 산출된 결과에 따라 워터마크 대 잡음비가 높은 순서대로 정렬하는 서브 워터마크 대 잡음비 정렬부; 상기 서브 워터마크 대 잡음비 정렬부의 정렬순서로부터 커버 및 스테고 신호와 워터마크의 상관도의 분산을 최저로 만드는 소정의 값 이상이 되는 부분을 선정하는 상관검출 대상 선정부; 및 상기 상관검출 대상 선정부에서 선정된 서브블록들을 상관검출하는 상관 검출부를 더 포함함을 특징으로 한다.
상기 서브 워터마크 대 잡음비 정렬부는 워터마크 대 잡음비가 낮은 순서대로 정렬할 수 있으며, 상기 워터마크 대 잡음비가 낮은 순서대로 정렬되면 상기 서브 워터마크 대 잡음비 정렬부의 뒤쪽부터 상관 검출 대상을 선정하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 워터마크 삽입기는 그대로 사용하면서, 커버신호(원신호)의 특성에 따라 워터마크 대 잡음비(WNR: watermark to noise ratio)가 높은 부분만을 선택하여 상관검출을 행하는 방식이다.
이 알고리즘은 커버신호와 워터마크의 상관도의 분산을 낮추고, 압축, 다운 샘플링, 지터링, 녹음 등의 공격에서도 강인하다는 특성이 있다.
이하, 본 발명이 속하는 분야에 통상의 지식을 지닌자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설 명한다.
본 발명에서는 상관검출기의 결과에 대한 분산을 수학적으로 표현하기 위해, 각각의 커버신호의 샘플{x(n)}을 평균이 0인 서로 독립적인 가우시안 랜덤 변수로 가정한다.
커버신호(x)와 PN-Sequence(w)의 상관도를 랜덤변수 c 라고 하자.
Figure 112006084385840-PAT00001
여기서 <, > 은 내적(inner product, 스칼라곱)을 의미한다.
c 에 대한 평균(mean)과 분산(variance)은 수학식 2와 같이 나타난다.
Figure 112006084385840-PAT00002
워터마크의 삽입은 기존의 방식과 동일하게 다음 식과 같이 워터마크(aw)를 커버신호(x)와 더해 스테고신호(s)를 생성하였다. 스테고신호(stego signal)는 커버신호에 워터마크가 삽입된 소스를 의미한다.
Figure 112006084385840-PAT00003
상관검출기에서 상관도의 추정분산과 성능에 대한 기준은 수학식 1에서 이용한 랜덤변수 c를 이용하여, 상관도 z를 나타내면 다음과 같다.
Figure 112006084385840-PAT00004
여기서, E[c] = 0 이므로
Figure 112006084385840-PAT00005
z의 분산은 수학식 2에서
Figure 112006084385840-PAT00006
이므로, H0(워터마크가 없는 경우) 과 H1(워터마크가 있는 경우를 의미) 모든 경우에 대해 수학식 6과 같은 공식이 성립된다.
Figure 112006084385840-PAT00007
상관검출기의 성능에 대한 기준은 지금같이 H0 ,과 H1의 경우에 대해 평균이 고정되어 있으면, 분산이 작을수록 좋은 검출기이다.
따라서, 서브블록 간의 상관검출기의 상관도의 평균은 수학식 5에서와 같이
고정되어 있으므로 분산을 최저로 줄이는데 중점을 두어야 한다.
도 2는 본 발명의 워터마크 검출 장치에서 블록을 서브 블록 단위로 분할하는 것을 보여주기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 임의의 데이터를 블록(B)마다 더 작은 서브 블록(sub-block) 단위로 분할한다.
도 3은 도 1에 도시된 검출기에 관한 상세 블록도이다.
본 발명에서의 워터마크 검출기(200)는 인코더(도 1의 100)로부터 출력되는 신호 중 워터마크 대 잡음비(이하, ‘WNR'라 칭함)가 높은 부분을 선정하여 상관검출 함으로써 워터마크 신호를 검출하도록 구성된다. 그 세부구성은 도 3과 같이 서브 블록 처리부(210), 서브 WNR 계산부(220), 서브 WNR 정렬부(230), 상관검출 대상 선정부(240), 상관검출부(250)를 포함한다.
서브 블록 처리부(210)는 블록들을 각각 여러 개의 서브 블록으로 분할하고, 서브 WNR 계산부(220)는 서브 블록 처리부(220)에서 분할된 각각의 서브블록마다 WNR을 산출한다.
서브 WNR 정렬부(230)는 서브 WNR 계산부(220)에서 산출된 결과에 따라 WNR 이 높은 순서대로 정렬하여, 서브 WNR 정렬부(230)의 정렬순서로부터, 커버 및 스테고신호와 워터마크와의 상관도의 분산을 최저로 만들 수 있는 소정의 값 이상이 되는 부분을 상관검출 대상 선정부(240)에서 선정한다.
상관검출부(250)는 상관검출 대상 선정부(240)에서 선정된 서브블록들을 상관검출 함으로써 워터마크를 검출할 수 있게 된다.
이때, 검출되는 워터마크는 WNR이 높은 서브 블록들만을 선정하여 상관검출한 것이므로 에러가 적고 현존하는 공격에 강인하다.
한편, 서브 WNR 정렬부(230)에서 워터마크 대 잡음비가 낮은 순서대로 정렬하는 경우, 서브 WNR 정렬부(230)의 뒤쪽부터 상관 검출해야 WNR이 높은 부분이 상관검출되도록 설계된다.
상기와 같이 구성된 워터마크 검출 장치를 통해 워터마크를 검출하는 과정은 다음과 같이 이루어진다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 워터마크 검출 방법에 관한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 워터마크와 스테고신호의 블록을 더 작은 서브 블록으로 분할한다(S10). S10에서 분할된 각 워터마크와 스테고 신호의 서브 블록 별로 각각의 서브 WNR을 계산한다(S12). S12에서 계산된 각 서브 WNR을 내림차순으로 정렬한다(S14). 즉 WNR 이 높은 순서대로 정렬한다. WNR 이 높은 것이 분산값이 작기 때문이다.
각 정렬순으로 서브블록을 추가해가며, 워터마크 검출기의 분산값을 추정한 다(S16).
워터마크 검출기의 분산값은 수학식 7을 이용하면 다음과 같다.
Figure 112006084385840-PAT00008
Nk : 선택한 k개의 길이(즉, k와 서브블록의 길이의 곱)
S16에서 분산값이 추정되면, 분산값이 가장 작을 때의 서브 블록만 가지고 상관검출을 한다(S18). 각 서브 블록들의 상관검출이 완료되면 워터마크가 검출된다(S20).
상기의 장치 및 방법을 통해 실제 오디오 신호를 테스트해 보았다.
각 오디오의 장르와 특성에 따라 같은 곡이라도, 곡의 블록마다 오디오 신호의 특성이 다르다. 서로 다른 특성에 따라 분산값이 최저가 되는 WNR이 높은 서브블록의 개수를 계산하여 그 서브블록만 가지고 상관검출을 수행한 결과, 종래보다 워터마크 검출 성능이 향상되었다.
도 5a는 분산이 큰 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 5a를 참조하면, 폭이 넓어서 두 개의 히스토그램이 오버랩되는 구간이 발생한다.
도 5b는 분산이 작은 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 5b에서는 두 히스토그램의 폭이 좁아서 두 개의 히스토그램이 겹치는 않는 것을 볼 수 있다. 즉 분 산이 크다는 것은 도 5a와 같이 넓게 퍼졌다는 것을 의미하고, 분산이 작다는 것은 도 5b와 같이 폭이 좁다는 것을 의미한다.
이것은 평균이 일정한 조건일 때, 분산값이 작을수록 워터마크를 검출시 에러가 적게 나온다는 것을 의미한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법 및 장치는 WNR이 높은 서브 블록들을 상관도의 추정분산이 최저가 될 때까지 선택하여 선택한 서브 블록들만을 이용하여 상관검출 함으로써 에러없이 워터마크를 검출하게 되어 성능이 향상되는 효과가 있다.
또한 커버신호와 워터마크의 상관도의 분산을 낮춤으로써, 압축, 다운 샘플링, DA/AD 컨버전, 지터링, 녹음 등의 여러 가지 공격에도 견고한 특성이 있다.

Claims (7)

  1. 워터마크 대 잡음비(watermark to noise ratio)가 높은 부분을 선정하는 단계; 및
    상기 워터마크 대 잡음비가 높은 부분이 선정되면 이 부분을 상관 검출하는 단계를 포함하는 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 워터마크 대 잡음비가 높은 부분을 선정하는 단계는
    한 블록을 여러 개의 서브 블록으로 분할하는 단계;
    각각의 서브블록마다 워터마크 대 잡음비를 산출하는 단계; 및
    워터마크 대 잡음비가 높은 순서대로 정렬하여, 커버 및 스테고 신호와 워터마크의 상관도의 분산을 최저로 만드는 소정의 값 이상이 되는 부분을 선정하는 단계를 더 포함하는 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상관 검출하는 단계는
    높은 워터마크 대 잡음비로 구성된 서브 블록들만을 이용하여 상관검출하는 것을 특징으로 하는 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 방법.
  4. 원신호를 임의의 코드로 인코딩시 워터마크 신호를 삽입하여 인코딩하는 인코더가 구비된 시스템으로부터 워터마크를 검출하는 장치에 있어서,
    상기 인코더로부터 출력되는 신호 중 워터마크 대 잡음비가 높은 부분을 선정하여 상관검출 함으로써 워터마크 신호를 검출하는 검출기로 구성된 것을 특징으로 하는 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 워터마크 검출기는
    한 블록을 여러 개의 서브 블록으로 분할하는 서브 블록 처리부;
    상기 서브 블록 처리부에서 분할된 각각의 서브블록마다 워터마크 대 잡음비를 산출하는 서브 워터마크 대 잡음비 계산부;
    상기 서브 워터마크 대 잡음비 계산부에서 산출된 결과에 따라 워터마크 대 잡음비가 높은 순서대로 정렬하는 서브 워터마크 대 잡음비 정렬부;
    상기 서브 워터마크 대 잡음비 정렬부의 정렬순서로부터 커버 및 스테고 신호와 워터마크의 상관도의 분산을 최저로 만드는 소정의 값 이상이 되는 부분을 선정하는 상관검출 대상 선정부; 및
    상기 상관검출 대상 선정부에서 선정된 서브블록들을 상관검출하는 상관 검출부를 더 포함함을 특징으로 하는 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 서브 워터마크 대 잡음비 정렬부는
    워터마크 대 잡음비가 낮은 순서대로 정렬하는 것을 특징으로 하는 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 워터마크 대 잡음비가 낮은 순서대로 정렬되면 상기 서브 워터마크 대 잡음비 정렬부의 뒤쪽부터 상관 검출 대상을 선정하는 것을 특징으로 하는 서브 블록을 이용한 워터마크 검출 장치.
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