KR20090099844A - 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치 및 그 방법 - Google Patents

국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹에 관한 기술에 관한 것으로서, 캠코더에 의한 불법 촬영된 영화에 대해서도 워터마크를 추출하기 위해 비디오 콘텐츠로부터 삽입된 워터마크를 올바르게 추출해 낼 수 있도록 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 워터마크 패턴을 생성하여 저역 통과 필터링하는 워터마크 패턴 생성부와, 생성된 워터마크 패턴의 세기를 결정하고, 영상의 변화에 따라 워터마크 패턴의 세기를 조절하여 비디오 프레임의 공간 도메인에 삽입하는 삽입부와, 워터마크가 삽입된 비디오 프레임을 입력받는 영상 입력부와, 입력된 비디오 프레임에서 삽입된 워터마크를 추정하고, 추정된 워터마크 상에서 국부적 자기상관 함수를 이용하여 기하학적 왜곡으로부터 워터마크를 복원하고, 복원한 워터마크로부터 메시지를 검출하는 검출부와, 워터마크 패턴 생성부, 삽입부, 영상 입력부 및 검출부를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명은 어파인 변환 공격뿐만 아니라 투사 변환 공격에도 강인성을 지니는 효과가 있다.
워터마크 패턴, 국부적 자기상관 함수, 기하학적 왜곡

Description

국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치 및 그 방법{Apparatus for watermarking based on local auto-correlation function and method therefor}
본 발명은 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹에 관한 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캠코더에 의한 불법 촬영된 영화에 대해서도 워터마크를 추출하기 위해 비디오 콘텐츠로부터 워터마크의 동기를 찾아 삽입된 워터마크를 올바르게 추출해 낼 수 있도록 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
워터마킹에 관한 기술은 디지털 시네마의 보안을 위해 DCI(Digital Cinema Initiative)규격에 제시된 요구사항을 만족시키기 위한 방법이 많이 제시되었으나, 캠코더 공격에 의한 불법 복제나 배포에 대한 해결책이 아직 완벽하지 못하다. 국외에서는 극장 내 영화 불법 촬영에 대한 대책으로 기업에서 연구를 진행하고 있고, 국내에서는 극장 내 영화 불법 촬영에 대한 강인성을 지니는 워터마킹 기술에 대한 연구는 아직 미비한 수준이다.
여기서, 캠코더로 촬영된 영상은 기하학적 변환을 거치게 되는데, 이 변환은 어파인 변환 뿐만 아니라 투사 변환을 포함하게 된다.
종래, 워터마킹에 관한 기술은, 1998년에 발행된 논문, M.Kutter, "Watermarking resisting to translation, rotation, and scaling," in Proc. SPIE, 3528, pp. 423-431, 1998에 게재된 바와 같이, 자기상관 함수(auto-correlation function)를 이용한 워터마킹 기술은 어파인 변환 공격에 대한 강인성을 지니는 워터마킹 기술을 제안하였다. 하지만, 이 기법은 자기상관 함수를 이용하여 어파인 변환 공격에 대한 강인성을 지니지만, 투사 변환 공격에 대한 강인성은 가지지 않는 문제점이 있다.
그리고, 자기상관 함수를 이용한 워터마킹 기술은 어파인 변환 또는 작은 국부적 왜곡으로부터 영상을 복원할 수 있으나, 왜곡된 영상으로부터 수평 투영 및 수직 투영을 표현하는 투영 변환을 식별할 수 없으며, 워터마크의 상관관계 극대치들을 정확하게 추출할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 어파인 변환 공격뿐만 아니라 투사 변환 공격에도 강인성을 지니는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은, 워터마크가 삽입된 영상을 캠코더로 촬영하여 어파인 변환 및 투사 변환된 비디오 콘텐츠로부터 워터마크의 동기를 찾아 삽입된 워터마크를 추출하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
본 발명은 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치에 있어서, 워터마크 패턴을 생성하여 저역 통과 필터링하는 워터마크 패턴 생성부; 상기 워터마크 패턴 생성부에 의해 저역 통과 필터링된 워터마크 패턴의 세기를 결정하고, 영상의 변화에 따라 워터마크 패턴의 세기를 조절하여 비디오 프레임의 공간 도메인에 상기 워터마크 패턴을 삽입하는 삽입부; 기하학적 왜곡을 일으키는 영상취득장치로부터 워터마크가 삽입된 비디오 프레임을 입력받는 영상 입력부; 상기 입력된 비디오 프레임에서 삽입된 워터마크를 추정하고, 추정된 워터마크 상에서 국부적 자기상관 함수를 이용하여 기하학적 왜곡을 추정하며, 추정한 기하학적 왜곡으로부터 워터마크를 복원하는 검출부; 및 상기 워터마크 패턴 생성부, 삽입부, 영상 입력부 및 검출부를 제어하는 제어부; 를 포함한다.
한편, 본 발명은 (a) 위너 필터를 통해 상기 기하학적 왜곡이 포함된 비디오 프레임으로부터 워터마크 패턴 신호를 추정하는 단계; (b) 국부적 자기상관 함수를 이용하여 상기 워터마크 패턴 신호로부터 기하학적 왜곡을 추정하는 단계; 및 (c) 상기 기하학적 왜곡에 대한 투시적 투영 행렬(H)을 산출하여 워터마크를 복원하는 단계; 를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은 어파인 변환 공격뿐만 아니라 투사 변환 공격에도 강인성을 지니는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 캠코더 촬영에서 일어나는 어파인 변환 및 투사 변환된 비디오 콘텐츠로부터 워터마크의 동기를 찾아 삽입된 워터마크를 추출하는 효과가 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치에 관하여 도 1 및 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치에 관한 개략적인 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 워터마크 패턴 생성부(100), 삽입부(200), 영상 입력부(300), 검출부(400) 및 제어부(500)를 포함한다.
우선, 워터마크 패턴 생성부(100)는 비밀 키에 의한 워터마크 패턴을 생성하는 패턴 생성모듈(110), 생성된 워터마크 패턴을 저역 통과 필터링하는 저역 통과 필터모듈(120), 워터마크 패턴이 삽입하려는 메시지의 내용을 가지기 위해 변조를 수행하는 변조모듈(130)을 포함한다. 본 실시예에 따른 변조모듈은 비디오 프레임 당 2bit의 워터마크를 삽입하기 위하여 각 삽입하려는 메시지 00, 01, 10, 11에 따라 워터마크 패턴을 0, 90, 180 및 270도 중 어느 하나의 각도로 회전시키는 변조를 수행한다.
여기서, 워터마크 패턴 생성부(100)는 패턴 생성모듈(110)에 의해 생성된 워터마크 패턴의 저주파 성분이 일반적인 영상처리과정이나 D-A/A-D변환에 대해 강인성을 가지므로, 저역 통과 필터모듈(120)을 통해 저역 통과 필터링을 수행한다.
또한 본 실시예에 따른 워터마크 패턴 생성부(100)는 동일한 워터마크 패턴이 가로, 세로 방향으로 반복되도록 한다. 이는 워터마크 동기화를 위해 어떤 종류의 기하학적 변환이 어느 정도로 일어났는가를 추측하기 위함으로, 이 추정을 위해 자기상관 함수 또는 국부적 자기상관 함수를 사용하게 되는데, 이 함수를 사용하기 위해서는 동일한 패턴이 가로, 세로 방향으로 일정 횟수 이상 반복되어야 한다.
그리고 본 실시예에 따른 워터마크 패턴 생성부(100)는 워터마크 패턴을 0, 90, 180 및 270도 중 어느 하나의 각도로 회전시키는 변조를 통해 2비트의 메시지를 표현하도록 하였다.
또한, 삽입부(200)는 워터마크 패턴 생성부(100)에 의해 생성된 워터마크 패턴의 세기를 결정하고, 영상의 변화에 따라 워터마크 패턴의 세기를 조절하여 비디오 프레임의 공간 도메인에 패턴의 세기가 조절된 워터마크 패턴과 메시지를 삽입하는 기능을 수행한다. 이러한 기능을 수행하는 삽입부(200)는 패턴 세기 결정모듈(210), 지각 스케일링모듈(220) 및 메시지 삽입모듈(230)을 포함한다.
여기서, 공간 도메인은 원본 비디오 프레임에 아무런 변환도 하지 않은 픽셀 도메인이며, 원본 비디오 프레임의 가로를 x축, 세로를 y축으로 한다.
패턴 세기 결정모듈(210)은 영상의 지역적 특성을 산출하는 함수인 노이즈 가시도 함수(Noise Visibility Function:이하, 'NVF')를 이용하여 영상의 각 지역에 대한 워터마크 패턴의 세기를 결정한다. 이때, NVF값은 0에서 1 사이의 값을 지니며, 영상의 변화가 없는 지역에서는 1의 값을 가지고, 영상의 변화가 있는 지역에서는 0에 가까운 값을 가진다.
또한 지각 스케일링모듈(220)은 워터마크 패턴을 공간 도메인에 삽입 시, 사람의 눈에 워터마크 패턴이 보이지 않도록 하기 위해 지각 스케일링(perceptual scailing)을 수행한다. 여기서, 지각 스케일링은 영상의 변화를 판단하여, 영상의 변화가 없는 지역에는 워터마크 패턴의 세기를 낮추어 삽입하고, 윤곽 부근이나 영상의 변화가 있는 지역에는 워터마크 패턴의 세기를 강하게 하여 삽입한다.
그리고 메시지 삽입모듈(230)은 워터마크 패턴을 삽입시 삽입하려는 메시지 하나를 0,1의 비트들의 열로 표현하여 원본 비디오 프레임에 삽입하는 기능을 수행한다.
본 실시예에 따른 워터마크 삽입부(200)는 원본 비디오 프레임 i번째 위치에서의 워터마크 삽입이 다음의 수학식1과 같이 일어나게 된다.
yi = xi + sλiwi
여기서, x는 원본 프레임의 밝기 성분, w는 삽입할 워터마크, s는 워터마크의 전체 세기 계수이며, λ는 NVF로부터 계산된 값이다.
또한, 영상 입력부(300)는 기하학적 왜곡을 일으키는 영상취득장치로부터 도 2에 도시된 바와 같이, 워터마크가 삽입된 비디오 프레임을 입력받는 기능을 수행한다. 본 발명의 일실시예에 따른 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치는, 기하학적 왜곡을 일으키는 영상취득장치를 캠코더로 설정하였다.
또한, 검출부(400)는 영상 입력부(300)를 통해 입력된 비디오 프레임에서 삽입된 워터마크를 추정하고, 추정된 워터마크 상에서 국부적 자기상관 함수를 이용하여 상관관계 극대치들을 추출하며, 추출된 상관관계 극대치들로부터 기하학적 왜곡을 추정하고, 추정한 기하학적 왜곡으로부터 워터마크를 복원하며, 페이로드를 검출하는 기능을 수행한다.
이러한 기능을 수행하는 검출부(400)는 워터마크 추정모듈(410), 기하학적 왜곡 추정 모듈(420), 워터마크 복원모듈(430) 및 검출모듈(440)을 포함한다.
여기서, 워터마크 추정모듈(410)은 영상 입력부(300)를 통해 워터마크가 삽입된 비디오 프레임을 입력받아, 위너 필터(wiener filter)를 이용하여 삽입된 워터마크를 추정하는 기능을 수행한다. 이때, 위너 필터는 보통 영상에서 잡음(noise)를 제거하기 위하여 사용되는데, 이 잡음은 패턴 데이터를 다량 포함하고 있으므로, 영상에서 추측된 워터마크 패턴이라고 할 수 있다. 이러한 위너 필터는 다음의 수학식2와 같이 나타낸다.
Figure 112008019670409-PAT00001
TL은 실험될 데이터, Tw는 추정될 워터마크, V는 비디오 프레임 상의 i행 j열에 해당하는 위치 (i,j)에서의 지역분산, 그리고 M은 (i,j)에서의 평균이다. 여기서, Tw는 모르는 값(blind detector)으로, 이 경우에는 TL지역분산의 평균을 이용한다. 따라서,
Figure 112008019670409-PAT00002
를 위너 필터를 통하여 추출된 워터마크 패턴 신호로 간주한다.
또한 기하학적 왜곡 추정 모듈(420)은 워터마크 추정모듈(410)에 의해 추정된 워터마크 상에서 국부적 자기상관 함수(Local Auto-Correlation Function:LACF)를 이용하여 상관관계 극대치들을 추출하고, 추출된 상관관계 극대치들의 간격과 각도를 이용하여 기하학적 왜곡을 추정하는 기능을 수행한다.
본 실시예에 따른 기하학적 왜곡 추정 모듈(420)에 대해 설명하면 다음과 같다.
캠코더에 의한 비디오 프레임은 수학적 관점에서 투시적 투영 왜곡된다. 여기서, 투시적 투영 행렬 변환을 다음의 수학식3과 같이 나타낸다.
Figure 112008019670409-PAT00003
여기서,
Figure 112008019670409-PAT00004
이고, (x,y)T는 최초 영상의 좌표를 표시하며, (x',y')T는 투시적 투영 왜곡된 영상의 좌표를 표시한다. 비록 주어진 행렬 H가 9개의 상수로 이루어지지만, 행렬의 자유도(derree of freedom, DOF)는 8이며, 행렬 H에서 i=1이라고 가정할 수 있다. 호스트 영상이 수평으로 투영된다고 추정하면 b=h=0이며, 또한 수직으로 투영된다고 추정하면 d=g=0이다. 수평 투영 왜곡의 경우, 왜곡된 좌표의 수학식을 다음의 수학식4와 같이 나타낸다.
Figure 112008019670409-PAT00005
그러므로, 4개의 지점의 좌표만을 알 필요가 있으며, 그들 중 임의의 세 개 의 세트는 동일 선상에 있지 않다. 여기서, 좌표를 얻기 위해 내장된 워터마크 패턴으로부터 추출된 상관관계 극대치들의 간격과 각도를 이용한다. 이는 전체 영상의 자기 상관을 계산하는 대신에 영상의 서로 평행한 두 개의 국부 영역들의 국부적 자기 상관 함수(Local Auto-Correlation Function:LACF)에 의해 계산된다. 국부적 자기 상관 함수는 다음의 수학식5와 같이 나타낸다.
Figure 112008019670409-PAT00006
I(j,i)는 비디오 프레임 상에서 j행 i열의 픽셀의 밝기 값을 나타낸다.
도 2에 도시된 비디오 프레임을 종래기술에 따른 자기 상관 함수(Auto-Correlation Function:ACF)에 의해 추출된 상관관계 극대치는 도 3에 도시된 바와 같다. 한편, 도 4에 도시된 비디오 프레임은 수평 투영 10도에 의해 왜곡되어 워터마킹된 것으로, 이를 종래기술에 따른 자기 상관 함수(ACF)에 의해 추출된 상관관계 극대치는 도 5에 도시된 바와 같이, 왜곡되어 나타난다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 기하학적 왜곡 추정 모듈(420)은 도 6에 도시된 바와 같이, 서로 평행한 두 개의 국부 영역들의 국부적 자기 상관 함수(LACF)를 실행하여 수평 투영 10도에 의해 왜곡된 워터마킹 영상으로부터 추정된 워터마크의 모든 상관관계 극대치를 도 7에 도시된 바와 같이 추출하여 기하학적 왜곡을 추정한다.
또한 워터마크 복원모듈(430)은 기하학적 왜곡 추정 모듈(420)을 통해 추출 된 상관관계 극대치들의 각도 및 간격을 이용하여 네 개의 왜곡된 지점을 추출하는 수학적 모델인 투시적 투영 행렬(H)을 산출하여 추정한 기하학적 왜곡으로부터 워터마크를 복원하는 기능을 수행한다. 여기서, 워터마크 복원모듈(430)은 도 8에 도시된 기하 구조를 이용한다.
본 실시예에 따른 워터마크 복원모듈(430)에 대하여, 워터마크 패턴이 도 8에 도시된 바와 같이, 호스트 영상의 중심에 내장된다고 가정하고 설명하면 다음과 같다.
우선, 4개의 모서리 지점 A, B, C 및 D를 최초 지점으로 지정한다. 그 후, 투영 왜곡된 지점 A, B', C' 및 D의 좌표를 획득한다. 우선, 상관관계 극대치들이 국부적 자기 상관 함수(LACF)의 결과로부터 선분
Figure 112008019670409-PAT00007
과
Figure 112008019670409-PAT00008
상에 발견되었다고 가정하면, E는
Figure 112008019670409-PAT00009
의 중심점이고, M은
Figure 112008019670409-PAT00010
와
Figure 112008019670409-PAT00011
의 연장선들에 대한 교차점이다. 여기서, K를
Figure 112008019670409-PAT00012
과
Figure 112008019670409-PAT00013
의 교차점으로서 표시하고, G를
Figure 112008019670409-PAT00014
와
Figure 112008019670409-PAT00015
의 교차점으로서 표시한다. 그 후, 두 개의 평행선
Figure 112008019670409-PAT00016
과
Figure 112008019670409-PAT00017
로부터
Figure 112008019670409-PAT00018
의 길이를 거리로서 획득한다.
여기서,
Figure 112008019670409-PAT00019
와
Figure 112008019670409-PAT00020
는 다음의 수학식6과 같이 나타낸다.
Figure 112008019670409-PAT00021
Figure 112008019670409-PAT00022
,
이때,
Figure 112008019670409-PAT00023
는 선분
Figure 112008019670409-PAT00024
상의 상관관계 극대치들 사이의 간격을 나타내며, r은 기본 워터마크 패턴의 반복 횟수이고, J를
Figure 112008019670409-PAT00025
과
Figure 112008019670409-PAT00026
연장선의 교차점으로서 나타내며, F를
Figure 112008019670409-PAT00027
과
Figure 112008019670409-PAT00028
연장선의 교차점으로서 나타낸다.
이러한 기하 구조에서는, A 및 D의 위치가 변화하지 않으므로, 오직 B' 및 C'의 좌표가 계산될 필요가 있다. 그러므로, 삼각형의 상사성으로부터
Figure 112008019670409-PAT00029
의 길이를 알아야 한다.
우선,
Figure 112008019670409-PAT00030
의 길이를 획득하기 위해서 삼각형 △HKM과 △IGM의 상사성을 이용한다. 또한 워터마크 hw의 높이에 대한 영상 hi의 높이의 비율과 동일한
Figure 112008019670409-PAT00031
에 대한
Figure 112008019670409-PAT00032
의 비율을 이용하여
Figure 112008019670409-PAT00033
의 길이를 획득한다.
다음으로,
Figure 112008019670409-PAT00034
과
Figure 112008019670409-PAT00035
는 다음의 수학식7과 같이 나타낸다.
Figure 112008019670409-PAT00036
다음으로,
Figure 112008019670409-PAT00037
의 길이는
Figure 112008019670409-PAT00038
,
Figure 112008019670409-PAT00039
및 삼각형 △JKM과 △AEM의 상사성을 이용하여 획득되며 다음의 수학식8과 같이 나타낸다.
Figure 112008019670409-PAT00040
여기서,
Figure 112008019670409-PAT00041
=hi/2이다. 수학식7 및 수학식8을 이용하여, 다음의 수학식9와 같이 정의된다.
Figure 112008019670409-PAT00042
여기서, wi는 영상의 폭을 나타낸다.
마지막으로, 추정된 4개의 지점들의 쌍들과 도 8을 이용하여 투영 변환의 계수 행렬을 얻을 수 있다. 도 8에서 4쌍의 지점들은 다음의 수학식10과 같이 변환된다.
Figure 112008019670409-PAT00043
수학식3에서의 투영 행렬 H의 9개 상수는 수학식4에서 상기 좌표를 치환함으로써 다음의 수학식11과 같이 획득된다.
Figure 112008019670409-PAT00044
그리고 검출모듈(440)은 워터마크 복원모듈(430)에 의해 복원된 워터마크에 내장된 페이로드를 검출하는 기능을 수행한다. 여기서, 페이로드란 소유자에 대한 저작권 정보나 구매자에 대한 메시지이다. 그 메시지가 문자나 숫자의 열로 표현된다고 하면, 한 문자나 숫자는 아스키 코드로 변환되어 결국 8비트로 표현될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치는 한 프레임에 들어가는 패턴이 2비트를 표시하기 때문에 비디오 프레임에 우리가 넣고자 하는 메시지를 2비트씩 나누어 삽입할 수 있다. 이때, 워터마크 패턴이 2비트를 표현하는 것은 2비트가 가질 수 있는 4가지 경우 00, 01, 10, 11에 대해 워터마크 패턴을 각각 0, 90, 180 및 270도 중 어느 하나의 각도로 회전시킴으로써 페이로드를 표현한다.
이러한, 검출모듈(440)에 대하여 설명하면 다음과 같다.
검출모듈(440)은 다음의 수학식12에 나타낸 바와 같이 나타낸다.
Figure 112008019670409-PAT00045
여기서, yi는 실험될 데이터를 나타낸다.
이때, 검출 판별값 d(Detection measurement)가 임계값(Threshold)에 따라 워터마크의 검출 여부가 결정된다. 여기서, 임계값(Threshold)은 검출 판별값 d와 비교하여 워터마크의 검출 여부를 결정하기 위한 문턱값으로써, 본 실시예에서 시 그널의 평균과 분산을 이용하여 도출하는 값으로 긍정적 오류 에러 비율(False positive error rate)이 10-6이 되도록 설정하였다.
만약, 실험 데이터가 패턴이 삽입되지 않은 영상이면 패턴과 관련성이 적으므로, 수학식11에 의해 검출 판별값 d는 0으로 접근하게 된다.
반면, 패턴이 삽입된 영상이라면 다음의 수학식13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008019670409-PAT00046
여기서, xi는 키에 의해 생성된 원본 패턴을 나타낸다.
이때, 원본 영상과 패턴과는 관련성이 없다고 가정했을 때, 원본 영상과 패턴과의 상관관계는 0으로 접근하지만 동일 패턴간의 상관 관계는 최대치를 갖게 된다.
그리고, 제어부(500)는 워터마크 패턴 생성부(100), 삽입부(200), 영상 입력부(300) 및 검출부(400)를 제어하는 기능을 수행한다.
본 발명의 일실시예에 따른 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치를 실험한 결과는 다음과 같다.
본 실시예에 따른 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치에 대한 실험에서, 40비트의 워터마크 페이로드는 세 개의 5분간 HD 크기 비디오 클립들 내에 내장되었다. 세 개의 비디오 클립들의 평균 PSNR(peak signal to noise rate)은 44.28 dB이다. 본 실시예에 따른 실험은 종래기술에 따른 자기상관 함수(이하, ACF)를 이용한 방안의 성능과 본 실시예에 따른 국부적 자기상관 함수(이하, LACF)를 이용한 방안의 성능을 비교하여, 기하학적인 왜곡에 대한 강건성을 테스트하기 위한 실험으로, 캠코딩(camcording)에 의해 야기된 기하학적 왜곡으로부터 결과를 얻기 위해 실제로 D-A/A-D변환을 수행한 결과, 다음의 표 1과 같이 나타난다.
Figure 112008019670409-PAT00047
표 1에서, 각각 공격의 지정된 수치는 본 워터마킹 방안이 어느 정도까지 살아 남을 수 있는 지를 의미한다. 추출 비율은 워터마크 추출된 프레임의 개수에 대한 전체 프레임 개수의 비율을 의미한다. 표 1에 도시된 바와 같이, ACF를 사용하는 방안은 투영 왜곡이 발생될 때 워터마크를 추출할 수 없는 반면, LACF를 사용하는 방안은 투영 왜곡이 발생할 때 워터마크를 추출할 수 있다. 모든 경우의 LACF 방안에서, 상관성은 문턱값 0.11보다 높았으며, 이는 잘못된 긍정 오차율(false positive error rate)을 10-6 미만이 되도록 한다.
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 비디오 응용에 대한 프레임율 변화, 포맷 변환 및 D-A/A-D 변환은 물론 투영 왜곡에 대한 강건성을 보여주었다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치를 이용하는 방법(이하, '워터마킹 방법')에 관하여 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 워터마킹 방법에 관한 전체적인 흐름도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제어부(500)는 워터마크 패턴 생성부(100)를 통해 워터마크 패턴을 생성한다(S2).
다음으로 제어부(500)는 워터마크 패턴 생성부(100)에 의한 워터마크 패턴 및 메시지를 비디오 프레임의 공간 도메인에 삽입한다(S4). 여기서, 공간 도메인은 원본 비디오 프레임에 아무런 변환도 하지 않은 픽셀 도메인으로, 원본 비디오 프레임의 가로를 x축, 세로를 y축으로 간주하는 이차원 공간 도메인이다.
다음으로 제어부(500)는 워터마크 패턴이 삽입된 비디오 프레임을 기하학적 왜곡을 일으키는 영상취득장치로부터 영상 입력부(300)를 통해 입력받는다(S6).
그리고 제어부(500)는 영상 입력부(300)를 통해 입력된 비디오 프레임에서, 검출부(400)를 통해 공간 도메인 상에 삽입된 워터마크를 복원하고 페이로드를 검출한다(S8).
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크 패턴 생성과정에 대하여 도 10을 참조하여 상세히 살펴본다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크 패턴 생성과정에 관한 상세한 흐름도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제어부(500)는 패턴 생성모듈(110)을 통해 비밀 키에 의한 워터마크 패턴을 생성한다(S22).
다음으로 제어부(500)는 패턴 생성모듈(110)에 의해 생성된 워터마크 패턴을 저역 통과 필터모듈(120)을 통해 저역 통과 필터링한다(S24).
다음으로 제어부(500)는 워터마크 패턴이 삽입하려는 메시지의 내용을 가지기 위해 변조모듈(130)을 통해 워터마크 패턴을 0, 90, 180 및 270도 중 어느 하나의 각도로 회전하는 것으로 2비트의 메시지를 표현할 수 있도록 변조를 수행한다(S26).
그리고 제어부(500)는 워터마크 패턴 생성부(100)를 통해 동일한 워터마크 패턴이 가로 및 세로 방향으로 반복되도록 한다(S28).
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크 패턴 및 메시지 삽입과정에 대하여 도 11을 참조하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크 패턴 및 메시지 삽입과정에 관한 상세한 흐름도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제어부(500)는 패턴 세기 결정모듈(210)을 통해 영상의 지역적 특성을 산출하는 함수인 노이즈 가시도 함수(NVF)를 이용하여 영상의 각 지역에 대한 워터마크 패턴의 세기를 결정한다(S32).
제 S32 단계에서, 영상의 지역적 특성을 산출하는 함수인 노이즈 가시도 함수(NVF)값은 0에서 1 사이의 값을 지니며, 영상의 변화가 없는 지역에서는 1의 값을 가지고, 영상의 변화가 있는 지역에서는 0에 가까운 값을 가진다.
다음으로 제어부(500)는 지각 스케일링모듈(220)을 통해 영상의 변화를 판단(S34)하여, 영상의 변화가 없는 지역일 경우, 패턴 세기 결정모듈(210)에 의한 워터마크 패턴의 세기를 낮추어 워터마크 패턴을 공간 도메인에 삽입한다(S36).
다음으로 제어부(500)는 제 S34 단계에서 영상의 변화가 있는 지역일 경우, 지각 스케일링모듈(220)을 통해 패턴 세기 결정모듈(210)에 의한 워터마크 패턴의 세기를 제 (S36) 단계의 워터마크 패턴 세기보다 강하게 하여 워터마크 패턴을 공간 도메인에 삽입한다(S38).
그리고 제어부(500)는 메시지 삽입모듈(230)을 통해 삽입하려는 메시지를 0,1 비트들의 열로 표현하여 원본 비디오 프레임의 공간 도메인에 삽입한다(S40).
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크 검출과정에 대하여 도 12를 참조하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크 검출과정에 관한 상세한 흐름도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제어부(500)는 워터마크가 삽입된 비디오 프레임을 영상 입력부(300)를 통해 입력받아, 워터마크 추정모듈(410)의 위너 필터를 통해 비디오 프레임으로부터 삽입된 워터마크를 추정한다(S42).
다음으로 제어부(500)는 워터마크 추정모듈(410)에 의해 추정된 워터마크 상에서 기하학적 왜곡 추정 모듈(420)을 통해 국부적 자기상관 함수(LACF)를 이용하여 상관관계 극대치들을 추출한다(S44).
다음으로 제어부(500)는 기하학적 왜곡 추정 모듈(420)에 의해 추정한 기하학적 왜곡으로부터 워터마크 복원모듈(430)을 통해 기하학적 왜곡에 대한 투시적 투영 행렬(H)을 산출하여 워터마크를 복원한다(S46).
그리고 제어부(500)는 제 (S46) 단계에서 복원된 워터마크에 내장된 페이로드를 검출모듈(440)을 통해 검출한다(S48).
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크가 삽입된 비디오 프레임의 예시도.
도 3은 종래기술에 따른 자기 상관 함수(ACF)에 의해 추출된 상관관계 극대치를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수평 투영 10도에 의해 왜곡되어 워터마킹된 비디오 프레임을 나타낸 도면.
도 5는 수평 투영 10도에 의해 왜곡되어 워터마킹된 비디오 프레임을 종래기술에 따라 자기 상관 함수(ACF)에 의해 왜곡되어 추출된 상관관계 극대치를 나타낸 도면.
도 6은 수평 투영 10도에 의해 왜곡되어 워터마킹된 비디오 프레임을 국부 영역들의 자기 상관 함수(LACF)를 실행을 나타낸 예시도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 국부적 자기 상관 함수를 실행하여 추정된 워터마크의 상관관계 극대치를 나타낸 예시도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 수학적 모델의 기하 구조를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 워터마킹 방법에 관한 전체적인 흐름도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크 패턴 생성과정에 관한 상세한 흐름도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크 패턴 및 메시지 삽입과정에 관한 상세한 흐름도.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 워터마크 검출과정에 관한 상세한 흐름도.
<도면부호에 대한 상세한 설명>
100 : 워터마크 패턴 생성부 110 : 패턴 생성모듈
120 : 저역 통과 필터모듈 200 : 삽입부
210 : 패턴 세기 결정모듈 220 : 지각 스케일링 모듈
230 : 메시지 삽입모듈 300 : 영상 입력부
400 : 검출부 410 : 워터마크 추정모듈
420 : 기하학적 왜곡 추정 모듈 430 : 워터마크 복원모듈
440 : 검출모듈 500 : 제어부

Claims (14)

  1. 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치에 있어서,
    워터마크 패턴을 생성하여 저역 통과 필터링하는 워터마크 패턴 생성부;
    상기 워터마크 패턴 생성부에 의해 저역 통과 필터링된 워터마크 패턴의 세기를 결정하고, 영상의 변화에 따라 워터마크 패턴의 세기를 조절하여 비디오 프레임의 공간 도메인에 상기 워터마크 패턴을 삽입하는 삽입부;
    기하학적 왜곡을 일으키는 영상취득장치로부터 워터마크가 삽입된 비디오 프레임을 입력받는 영상 입력부;
    상기 입력된 비디오 프레임에서 삽입된 워터마크를 추정하고, 추정된 워터마크 상에서 국부적 자기상관 함수를 이용하여 기하학적 왜곡을 추정하며, 추정한 기하학적 왜곡으로부터 워터마크를 복원하는 검출부; 및
    상기 워터마크 패턴 생성부, 삽입부, 영상 입력부 및 검출부를 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터마크 패턴 생성부는,
    비밀 키에 의한 워터마크 패턴을 생성하는 패턴 생성모듈; 및
    상기 패턴 생성모듈로부터 생성된 워터마크 패턴을 저역 통과 필터링하는 저 역 통과 필터모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터마크 패턴은,
    가로 및 세로 방향으로 동일하게 반복되어 형성되는 것을 특징으로 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 워터마크 패턴 생성부는,
    상기 저역 통과 필터링을 수행한 워터마크 패턴을 0, 90, 180 및 270도 중 어느 하나의 각도로 회전시키는 변조를 수행하는 변조모듈; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입부는,
    영상의 지역적 특성을 산출하는 함수인 노이즈 가시도 함수(Noise Visibility Function)를 이용하여, 상기 워터마크 패턴 생성부에 의해 생성된 워터마크 패턴의 세기를 결정하는 패턴 세기 결정모듈; 및
    상기 워터마크 패턴을 공간 도메인에 삽입시, 영상의 변화를 판단하여 영상 의 변화가 없는 지역에는 워터마크 패턴의 세기를 낮추어 삽입하고, 영상의 변화가 있는 지역에는 워터마크 패턴의 세기를 영상의 변화가 없는 지역에 비해 강하게 하여 삽입하는 지각 스케일링모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 삽입부는,
    워터마크 패턴 삽입 시, 삽입하려는 메시지 하나를 0 및 1의 비트열로 표현하여 상기 비디오 프레임에 삽입하는 메시지 삽입모듈; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 노이즈 가시도 함수(NVF)는,
    0에서 1 사이의 값을 가지며, 영상의 변화가 없는 지역에서는 1의 값을 가지고, 영상의 변화가 있는 지역에서는 0에 가까운 값을 가지는 것을 특징으로 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 영상 입력부를 통해 워터마크가 삽입된 비디오 프레임을 입력받아, 위 너 필터를 이용하여 삽입된 워터마크를 추정하는 워터마크 추정모듈;
    상기 워터마크 추정모듈에 의해 추정된 워터마크 상에서 국부적 자기상관 함수를 이용하여 상관관계 극대치들을 추출하고, 추출된 상관관계 극대치들로부터 기하학적 왜곡을 추정하는 기하학적 왜곡 추정 모듈; 및
    상기 기하학적 왜곡 추정 모듈을 통해 추출된 상관관계 극대치들의 기하학적 왜곡에 대한 투시적 투영 행렬(H)를 산출하여 워터마크를 복원하는 워터마크 복원모듈; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 복원된 워터마크에 내장된 페이로드를 검출하는 검출모듈; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 국부적 자기상관 함수 기반의 워터마킹 장치.
  10. (a) 위너 필터를 통해 상기 기하학적 왜곡이 포함된 비디오 프레임으로부터 워터마크 패턴 신호를 추정하는 단계;
    (b) 국부적 자기상관 함수를 이용하여 상기 워터마크 패턴 신호로부터 기하학적 왜곡을 추정하는 단계; 및
    (c) 상기 기하학적 왜곡에 대한 투시적 투영 행렬(H)을 산출하여 워터마크를 복원하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마킹 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 (c) 단계 이후에,
    (d) 상기 제 (c) 단계에서 복원된 워터마크에 내장된 페이로드를 검출하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마킹 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 (a) 단계의 비디오 프레임에 내장된 워터마크는,
    (a-1) 비밀 키에 의한 워터마크 패턴을 생성하는 단계;
    (a-2) 상기 생성된 워터마크 패턴을 저역 통과 필터링하는 단계;
    (a-3) 상기 저역 통과 필터링을 수행한 워터마크 패턴을 0, 90, 180 및 270도 중 어느 하나의 각도로 회전하는 것으로 2비트의 메시지를 표현할 수 있도록 변조를 수행하는 단계; 및
    (a-4) 상기 워터마크 패턴이 가로 및 세로 방향으로 동일하게 반복되도록 형성하는 단계; 에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 워터마킹 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 (a) 단계의 비디오 프레임에 내장된 워터마크는,
    (a-5) 노이즈 가시도 함수(NVF)를 이용하여 영상의 각 지역에 대한 워터마크 패턴의 세기를 결정하는 단계;
    (a-6) 지각 스케일링모듈을 통해 영상의 변화를 판단하는 단계;
    (a-7) 상기 제 (a-6) 단계의 판단결과, 영상의 변화가 없는 지역일 경우, 상기 워터마크 패턴의 세기를 낮추어 워터마크 패턴을 공간 도메인에 삽입하는 단계; 및
    (a-8) 상기 제 (a-6) 단계의 판단결과, 영상의 변화가 있는 지역일 경우, 상기 워터마크 패턴의 세기를 상기 (a-7)의 워터마크 패턴의 세기보다 강하게 하여 워터마크 패턴을 공간 도메인에 삽입하는 단계; 에 의해 삽입되는 것을 특징으로 하는 워터마킹 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 (a-8) 단계 이후에,
    (a-9) 메시지 삽입모듈을 통해 삽입하려는 메시지를 0 및 1 비트열로 표현하여 비디오 프레임의 공간 도메인에 삽입하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터마킹 방법.
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