KR20110091986A - A method of inserting and extracting digital watermark in the wavelet area by using wavelet transformation and boundaries data - Google Patents

A method of inserting and extracting digital watermark in the wavelet area by using wavelet transformation and boundaries data Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A water marking method and water mark extraction method in a wavelet area using wavelet conversion and border information are provided to determine an area to insert a watermark by reflecting all shape detection in a energy distribution and a space area in a frequency area. CONSTITUTION: A digital image obtains a wavelet image by converting a multiple wavelet conversion(S10). A first candidate area is selected after calculating energy per unit area by dividing one among high frequency sub band of the wavelet image as a first unit area(S20). A second candidate area is selected after calculating alerting information per unit area by dividing the digital image as a second unit area(S30). Final candidate area is extracted by logically multiplying the first candidate area and the second candidate area(S40). By selecting one among the low frequency sub ban of the wavelet image, a watermark is inserted to an area of a sub band selected by corresponding to the final candidate area(S50). The wavelet image which is substituted as a sub band in which the watermark is inserted is restored(S60).

Description

웨이블릿 변환 및 경계정보를 이용하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출 방법 { A method of inserting and extracting digital watermark in the wavelet area by using wavelet transformation and boundaries data }Watermarking method and watermark extraction method using wavelet transform and boundary information {A method of inserting and extracting digital watermark in the wavelet area by using wavelet transformation and boundaries data}

본 발명은 웨이블릿 변환 영역에서 구성된 부대역간의 트리구조와 공간 영역에서의 영상 형태 정보를 이용하여 워터마크의 삽입 위치를 결정한 후에 워터마크를 삽입하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a watermarking method and a watermark extraction method in a wavelet region in which a watermark is inserted after a watermark is inserted using a tree structure between subbands configured in the wavelet transform region and image shape information in a spatial region. It is about.

특히, 본 발명은 웨이블릿 영역에서 높은 주파수를 가지는 부대역을 다수의 영역으로 나누어 각 블록에 대한 에너지와 전체 에너지의 평균값 등을 이용하여 워터마킹을 위한 후보영역을 얻고, 공간 영역에서 얻어진 영상의 경계 정보를 이용하여 워터마크가 삽입될 후보영역을 구하여, 이 두 가지 후보영역을 이용하여 최종적인 워터마킹 선택영역을 얻는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출 방법에 관한 것이다.In particular, the present invention divides a subband having a high frequency into a plurality of regions in a wavelet region, obtains a candidate region for watermarking by using an average value of energy and total energy for each block, and boundaries of an image obtained in a spatial region. The present invention relates to a watermarking method and a watermark extraction method in a wavelet area in which a candidate area into which a watermark is to be inserted using information is obtained, and a final watermarking selection area is obtained using these two candidate areas.

또한, 본 발명은 LFSR과 무작위 난수를 이용하여 워터마크를 무작위적으로 치환한 후에 워터마킹 선택영역에 삽입하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출 방법에 관한 것이다.
In addition, the present invention relates to a watermarking method and a watermark extraction method in a wavelet region in which a watermark is randomly substituted using LFSR and random random numbers and then inserted into a watermarking selection region.

인터넷의 급속한 발전으로 유/무선을 통한 디지털 데이터의 이동 및 저장이 쉽고 빨라지고 있다. 그러나 디지털 데이터는 복제 및 변조가 쉽고 원본과 복사본이 구분이 어렵다. 이러한 디지털 데이터의 불법 복제 및 배포가 확산됨에 따라 지적소유권 문제는 이미 오래전부터 중요한 사회적 문제점으로 크게 부각되고 있다. 이를 해결하기 위해 디지털 워터마킹(digital watermarking)은 지적재산권을 보호하고 저작권을 주장할 수 있는 근거를 제시 할 수 있도록 하는 기술로서 현재 많은 연구와 실제적 응용으로의 접근이 이루어지고 있다.With the rapid development of the Internet, the movement and storage of digital data via wired / wireless is becoming easier and faster. However, digital data is easy to copy and alter, and the original and copy are difficult to distinguish. With the spread of illegal copying and distribution of digital data, the issue of intellectual property has long been highlighted as an important social problem. In order to solve this problem, digital watermarking is a technology that can provide a basis for protecting intellectual property rights and claiming copyright. Currently, many researches and practical applications have been made.

1990년도 초반에 디지털 영상을 위한 워터마킹을 도입하면서 이에 대한 연구가 시작되었다. 이후 1995년부터 디지털 워터마킹에 관한 본격적인 연구가 이루어졌다. 초기에 공간영역에서 주로 연구되던 워터마킹은 주파수영역에서의 적용으로 연구영역을 이동시키고 있는데 공간영역에서 적용되던 방식에 비해 공격에 강한 특징을 가지지만 주파수 특성상 워터마크 삽입 위치를 정확히 선정할 수 없는 단점이 있었다.  In the early 1990s, research was started with the introduction of watermarking for digital images. Since 1995, full-scale research on digital watermarking has been conducted. Watermarking, which was mainly studied in the space domain at the beginning, is shifting the research domain by applying it in the frequency domain. Although watermarking is more resistant to attack than the method applied in the space domain, the watermark insertion position cannot be accurately selected due to the frequency characteristics. There was a downside.

그러나 주파수 특성과 공간 영역의 특성을 동시에 가지고 있는 웨이블릿 영역의 도입을 통해 워터마크의 삽입이 더욱 효율적이 되었다. 주파수 영역에서의 워터마킹은 주파수 계수를 변화시켜 워터마크를 삽입하는 것으로 이산코사인변환을 이용하여 주파수 영역의 중요한 계수를 추출해 워터마크를 삽입하는 방법들과, 이산푸리에변환를 이용하여 위상에 워터마크를 삽입하는 방법들, 이산웨이블릿변환을 이용한 방법들이 주로 연구되었다. 또한 최근 들어서는 웨이블릿 변환 후 제로트리를 이용해 부대역들이 가지는 상관도를 이용한 방식들이 많이 개발되고 있다.However, the introduction of the wavelet region, which has both the frequency characteristics and the spatial characteristics, makes watermark insertion more efficient. Watermarking in the frequency domain inserts a watermark by changing the frequency coefficients. The method of extracting a significant coefficient in the frequency domain using a discrete cosine transform to insert a watermark, and a watermark in phase using a discrete Fourier transform. Insertion methods and methods using discrete wavelet transform have been mainly studied. Recently, many methods using correlations of subbands using zerotree after wavelet transform have been developed.

그러나 트리구조로부터 추출된 에너지 정보에 의해 워터 마크를 삽입하는 것은 공격에 강인함을 보일 수 있지만 비가시성이 떨어지는 문제점이 있다.
However, inserting a watermark by energy information extracted from the tree structure may be robust to attack, but has a problem of invisibility.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주파수 영역의 에너지 분포뿐만 아니라 공간영역에서의 형태 검출을 도입하여 비가시성을 높이면서 공격에도 강인하게 하고자 하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출 방법에 관한 것이다.An object of the present invention is to solve the problems as described above, watermarking method in the wavelet region to improve the invisibility while increasing the invisibility by introducing shape detection in the spatial domain as well as energy distribution in the frequency domain And a watermark extraction method.

특히, 본 발명은 먼저 웨이블릿 변환 후 생성되는 부대역의 트리구조에서 고주파 대역의 에너지 분포에 따라 상대적으로 저주파 영역의 에너지 분포를 예측하고 공간영역에서 영상의 형태 정보를 검출한 후, 이 두 가지 영역에서의 정보를 이용하여 워터마크 삽입을 위한 부대역내 위치를 선정하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출 방법을 제공하는 것이다.In particular, the present invention first predicts the energy distribution of the low frequency region according to the energy distribution of the high frequency band in the subband tree structure generated after the wavelet transform and detects the shape information of the image in the spatial region, The present invention provides a watermarking method and a watermark extraction method in a wavelet region for selecting a location in a subband for inserting a watermark using information from.

또, 본 발명의 목적은 워터마크 삽입을 위해 선택된 영역에서 비밀키와 LFSR(Linear Feedback Shift Register)를 통해서 무작위적이고 불규칙적으로 워터마크 영상을 삽입하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출 방법을 제공하는 것이다.
In addition, an object of the present invention is a watermarking method and a watermark extraction method in a wavelet region in which a watermark image is randomly and irregularly inserted through a secret key and a linear feedback shift register (LFSR) in a region selected for watermark insertion. To provide.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 웨이블릿 변환 및 경계정보를 이용하여 디지털 영상의 웨이블릿 영역에 워터마크를 삽입하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법에 관한 것으로서, (a) 상기 디지털 영상을 다레벨 웨이블릿 변환을 하여 웨이블릿 영상을 획득하는 단계; (b) 상기 웨이블릿 영상의 고주파 부대역 중 하나를 제1 단위영역으로 분할하여 단위영역별 에너지를 계산하여 제1 후보영역을 선정하는 단계; (c) 상기 디지털 영상을 제2 단위영역으로 분할하여 단위영역별 경계정보를 계산하여 제2 후보영역을 선정하는 단계; (d) 상기 제1 후보영역과 상기 제2 후보영역을 논리곱하여 최종 후보영역을 추출하는 단계; (e) 상기 웨이블릿 영상의 저주파 부대역 중 하나를 선택하여, 상기 최종 후보영역에 대응되는 선택된 부대역의 영역에 상기 워터마크를 삽입하는 단계; 및 (f) 워터마크가 삽입된 부대역으로 치환된 웨이블릿 영상을 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a watermarking method in a wavelet region in which a watermark is inserted into a wavelet region of a digital image using wavelet transformation and boundary information, and (a) multilevel wavelet transformation of the digital image. Obtaining a wavelet image; (b) selecting a first candidate region by dividing one of the high frequency subbands of the wavelet image into a first unit region to calculate energy for each unit region; dividing the digital image into a second unit area, calculating boundary information for each unit area, and selecting a second candidate area; (d) extracting a final candidate area by ANDing the first candidate area and the second candidate area; (e) selecting one of low frequency subbands of the wavelet image and inserting the watermark in a region of the selected subband corresponding to the final candidate region; And (f) restoring the wavelet image substituted with the subband in which the watermark is inserted.

또, 본 발명은 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법에 있어서, D레벨 웨이블릿 변환을 하면, 상기 제1 단위영역의 크기는 2D-1×2D- 1 이고, 상기 제2 단위영역의 크기는 2D×2D 이고, 제1 후보영역의 선정에 이용되는 고주파 부대역은 LH1 부대역이고, 워터마크가 삽입되는 저주파 부대역은 LHD 부대역인 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a watermarking method in the wavelet region, when the D-level wavelet transform is performed, the size of the first unit region is 2 D-1 × 2 D- 1 , and the size of the second unit region is 2 and D 2 × D, the first high-frequency sub-band to be used in selection of a candidate area is an LH sub-band 1, the low-frequency sub-band that is watermarked is characterized in that the LH sub-D inverse.

또, 본 발명은 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법에 있어서, 상기 (c)단계에서, 가우시안 마스크(Gaussian mask)와 소벨마스크(Sobel mask)를 이용한 캐니(Cany) 방식을 이용하여 경계정보를 검출하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the watermarking method in the wavelet region, in step (c), boundary information is detected by using a Canny method using a Gaussian mask and a Sobel mask. It is characterized by.

또, 본 발명은 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 제1 단위영역의 에너지가 제1 임계값보다 크면 비트값을 1로 정하고 제1 임계값보다 작으면 비트값을 0으로 정하여, 제1 후보영역을 비트평면으로 구성하고, 상기 (c)단계에서, 제2 단위영역의 경계정보의 개수가 제2 임계값보다 크면 비트값을 1로 정하고 제2 임계값보다 작으면 비트값을 0으로 정하여, 제1 후보영역을 비트평면으로 구성하고, 상기 (e)단계에서, 최종 후보영역의 비트값이 1인 부분과 대응되는 저주파 부대역의 부분에만 워터마크를 삽입하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention provides a watermarking method in the wavelet region, wherein in step (b), if the energy of the first unit region is greater than the first threshold value, the bit value is set to 1 and the bit value is smaller than the first threshold value. Is set to 0, and the first candidate area is configured as a bit plane.In step (c), if the number of boundary information of the second unit area is greater than the second threshold value, the bit value is set to 1 and is greater than the second threshold value. If it is small, the bit value is set to 0, and the first candidate region is configured as a bit plane. In step (e), the watermark is inserted only in the portion of the low frequency subband corresponding to the portion where the bit value of the final candidate region is 1. Characterized in that.

또, 본 발명은 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법에 있어서, 상기 (e)단계에서, 상기 저주파 부대역의 좌표값 x(i,j)가 [수식 1]에 의해 x'(i,j)로 치환됨으로써 워터마크가 삽입되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the watermarking method in the wavelet region, in step (e), the coordinate value x (i, j) of the low frequency subband is set to x '(i, j) by Equation 1. The watermark is inserted by being replaced.

[수식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

단, "·"는 논리곱, β는 스케일링 성분, k(i,j) = 0 또는 1,Where "·" is a logical product, β is a scaling component, k (i, j) = 0 or 1,

W(i,j)는 워터마크.W (i, j) is the watermark.

또, 본 발명은 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법에 있어서, 상기 (f)단계에서, 상기 워터마크의 삽입위치는 LFSR(LiDear feedback shift register) 방식에 의해 치환되는 것을 특징으로 한다.In the watermarking method of the wavelet region, in the step (f), the insertion position of the watermark is replaced by a LiDear feedback shift register (LFSR) method.

또, 본 발명은 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법에 있어서, 상기 디지털 영상을 3레벨 웨이블릿 변환을 하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a watermarking method in a wavelet region, wherein the digital image is subjected to three-level wavelet transform.

또, 본 발명은 상기 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법에 의하여 원영상에 워터마크가 삽입된 삽입영상에서 상기 워터마크를 추출하는 웨이블릿 영역에서의 워터마크 추출 방법에 관한 것으로서, (g) 상기 삽입영상을 웨이블릿 변환을 통해 저주파 부대역을 추출하는 단계; (h) 상기 추출된 저주파 부대역의 계수와 상기 원영상의 웨이블릿 변환 계수와의 차이를 구하는 단계; 및 (i) 상기 차이와 상기 최종 후보영역의 비트평면을 이용하여 워터마크를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
The present invention also relates to a watermark extraction method in a wavelet region in which the watermark is extracted from an embedded image in which a watermark is inserted into an original image by the watermarking method in the wavelet region. Extracting a low frequency subband through wavelet transform; obtaining a difference between the extracted low frequency subband coefficients and the wavelet transform coefficients of the original image; And (i) extracting a watermark using the difference and the bit plane of the final candidate area.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출 방법에 의하면, 주파수 영역에서의 에너지 분포 및 공간영역에서의 형태 검출을 모두 반영하여 워터마크를 삽입할 영역을 정함으로써, 여러 공격에 대하여 강인성을 가지면서도 비가성을 높일 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the watermarking method and the watermark extraction method in the wavelet area according to the present invention, by defining the area to insert the watermark reflecting both the energy distribution in the frequency domain and the shape detection in the spatial domain As a result, it is possible to increase the invisibility while being robust against various attacks.

특히, 본 발명에 따른 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출 방법에 의하면, 일반적인 영상처리 공격에 대해 강인성을 가짐으로써 영상을 다루는 분야에서 저작권 보호나 소유권 인증 등의 응용에 사용될 수 있는 효과가 얻어진다.
In particular, according to the watermarking method and the watermark extraction method in the wavelet area according to the present invention, having a robustness against a general image processing attack, it can be used for applications such as copyright protection or ownership verification in the field of image processing Obtained.

도 1은 본 발명에 따른 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출방법을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 누적곱셈기의 연산과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 디지털 영상을 3레벨 웨이블릿 변환을 한 부대역의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 웨이블릿 영상에서 제1 후보영역을 선정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따라 디지털 영상에서 경계검출을 하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 LFSR(Linear Feedback Shift Register)을 이용해서 워터마크의 위치를 치환하는 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 웨이블릿 영역에서의 워터마크 추출 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 계수의 차이와 최종 후보영역의 비트평면을 이용하여 워터마크를 추출하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11,12 : 컴퓨터 단말 20 : 네트워크
30 : 워터마킹 시스템 40 : 워터마크 추출시스템
70 : 디지털 영상 80 : 삽입영상
1 is a block diagram of an entire system for implementing a watermarking method and a watermark extraction method in a wavelet area according to the present invention.
2 is a flowchart illustrating a watermarking method in a wavelet area according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a calculation process of a cumulative multiplier according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a subband structure in which a three-level wavelet transform of a digital image is performed according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method of selecting a first candidate region in a wavelet image according to the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method of detecting edges in a digital image according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of replacing a position of a watermark using a linear feedback shift register (LFSR) according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a watermark extraction method in a wavelet area according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a method of extracting a watermark using a difference in coefficients and a bit plane of a final candidate area according to an embodiment of the present invention.
Explanation of symbols on the main parts of the drawings
11,12: computer terminal 20: network
30: watermarking system 40: watermark extraction system
70: digital video 80: embedded video

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
In addition, in describing this invention, the same code | symbol is attached | subjected and the repeated description is abbreviate | omitted.

먼저, 본 발명에 따른 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법 및 워터마크 추출방법을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.First, the configuration of the entire system for implementing the watermarking method and the watermark extraction method in the wavelet area according to the present invention will be described with reference to FIG.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템은 디지털 영상(70)에 워터마크를 삽입하여 삽입영상(80)을 생성하는 워터마킹 시스템(30)과, 삽입영상(80)에서 워터마크를 추출하는 워터마크 추출시스템(40)으로 구성된다.As shown in FIG. 1, the entire system for implementing the present invention includes a watermarking system 30 generating an embedded image 80 by inserting a watermark in a digital image 70, and water in the embedded image 80. It consists of a watermark extraction system 40 which extracts a mark.

일실시예로서, 워터마킹 시스템(30) 또는 워터마크 추출시스템(40)은 컴퓨터 단말(11,12)에 설치되어 수행하는 소프트웨어 도구로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 단말(11,12)은 통상의 컴퓨팅 단말기이다. 컴퓨터 단말의 예로는 PC, 노트북, PDA, 서버 등이 있으며, 그 구성 및 작동원리는 본 분야에서 통상으로 사용되는 공지 기술이므로 구체적 설명은 생략한다.As an example, the watermarking system 30 or the watermark extraction system 40 may be implemented as a software tool installed and executed on the computer terminals 11 and 12. Computer terminals 11 and 12 are conventional computing terminals. Examples of computer terminals include a PC, a notebook computer, a PDA, a server, and the like, and the detailed description thereof will be omitted since the configuration and operation principle thereof are well-known techniques commonly used in the art.

또 다른 실시예로서, 워터마킹 시스템(30) 또는 워터마크 추출시스템(40)은 하나의 제어회로로 구성되어 칩 등으로 제작될 수도 있다.As another embodiment, the watermarking system 30 or the watermark extraction system 40 may be made of a single control circuit and made of chips.

워터마킹 시스템(30)은 워터마크를 디지털 영상(70)에 삽입하여 유통시킨다. 워터마크가 삽입된 삽입영상(80)은 온라인 또는 오프라인으로 유통된다.The watermarking system 30 inserts and distributes the watermark into the digital image 70. The inserted image 80 in which the watermark is inserted is distributed online or offline.

워터마크 추출시스템(40)은 삽입영상(80)으로 워터마크를 추출하고, 추출된 워터마크와 비교하여 저작권 여부를 확인한다.
The watermark extraction system 40 extracts the watermark into the embedded image 80 and checks the copyright by comparing the extracted watermark.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법을 도 2와 도 3을 참조하여 설명한다.Next, a watermarking method in the wavelet area according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

도 2와 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 워터마킹 방법은 (a) 디지털 영상을 다레벨 웨이블릿 변환을 하여 웨이블릿 영상을 획득하는 단계(S10); (b) 상기 웨이블릿 영상의 고주파 부대역 중 하나를 제1 단위영역으로 분할하여 단위영역별 에너지를 계산하여 제1 후보영역을 선정하는 단계(S20); (c) 상기 디지털 영상을 제1 단위영역으로 분할하여 단위영역별 경계정보를 계산하여 제2 후보영역을 선정하는 단계(S30); (d) 상기 제1 후보영역과 상기 제2 후보영역을 논리곱하여 최종 후보영역을 추출하는 단계(S40); (e) 상기 웨이블릿 영상의 저주파 부대역 중 하나를 선택하여, 상기 최종 후보영역에 대응되는 선택된 부대역의 영역에 상기 워터마크를 삽입하는 단계(S50); 및 (f) 워터마크가 삽입된 부대역으로 치환된 웨이블릿 영상을 복원하는 단계(S60)로 구분된다.As shown in Figures 2 and 3, the watermarking method according to the present invention comprises the steps of (a) obtaining a wavelet image by performing a multi-level wavelet transform of the digital image (S10); (b) selecting a first candidate region by dividing one of the high frequency subbands of the wavelet image into a first unit region to calculate energy for each unit region (S20); (c) dividing the digital image into a first unit area and calculating boundary information for each unit area to select a second candidate area (S30); (d) extracting a final candidate area by ANDing the first candidate area and the second candidate area (S40); (e) selecting one of the low frequency subbands of the wavelet image and inserting the watermark in an area of the selected subband corresponding to the final candidate area (S50); And (f) restoring the wavelet image substituted with the subband in which the watermark is inserted (S60).

이하에서 디지털 영상을 3레벨 웨이블릿 변환을 하는 일례로 설명한다. 이하의 설명은 D레벨 웨이블릿 변환에도 적용될 수 있다.Hereinafter, an example of performing three-level wavelet transform of a digital image will be described. The following description can also be applied to the D-level wavelet transform.

일반적으로 워터마킹 방법은 크게 두 가지 부분으로 구성된다. 첫 번째는 워터마크를 삽입할 위치를 찾는 것이고, 두 번째는 선택된 위치에 워터마크를 삽입하는 것이다. 먼저, 웨이블릿 영역과 공간 영역에서 동시에 워터마크를 삽입할 위치를 선정하기 위한 정보를 얻는다. 얻어진 정보를 바탕으로 웨이블릿 영역에서 워터마크를 삽입할 위치를 선정한다.In general, the watermarking method consists of two parts. The first is to find the position to insert the watermark, and the second is to insert the watermark at the selected position. First, information for selecting a position where a watermark is to be inserted at the same time in a wavelet area and a space area is obtained. Based on the obtained information, a position to insert a watermark in the wavelet area is selected.

먼저, 디지털 영상을 다레벨(또는 3레벨) 웨이블릿 변환을 하여 웨이블릿 영상을 획득하고(S10), 상기 웨이블릿 영상의 고주파 부대역 중 하나를 제1 단위영역으로 분할하여 단위영역별 에너지를 계산하여 제1 후보영역을 선정한다(S20).First, a wavelet transform is performed on a digital image by multilevel (or three level) wavelet transform (S10), and one of the high frequency subbands of the wavelet image is divided into a first unit region to calculate energy for each unit region. One candidate area is selected (S20).

웨이블릿 영역의 LH1 부대역에서 LH3 부대역의 중요 정보를 갖는 주파수 성분을 예측한다. 이것은 두 부대역간의 상관성이 높다는 가정을 기초로 한다. 그리고 공간영역에서 영상 내의 경계 정보를 이용하여 영상을 구성하는 형태 정보를 얻는다. 이 두 영역에서의 정보를 바탕으로 워터마킹을 삽입하기 위한 영역을 선정하는 것이다. 워터마크는 웨이블릿 영역에서 LH3 부대역에 삽입된다.A frequency component having important information of the LH 3 subband in the wavelet region LH 1 subband is predicted. This is based on the assumption that there is a high correlation between the two subbands. In the spatial domain, shape information constituting an image is obtained using boundary information in the image. The area for inserting watermarking is selected based on the information in these two areas. The watermark is inserted in the LH 3 subband in the wavelet region.

본 발명에 따른 워터마크 삽입 방법은 고주파 부대역과 저주파 부대역간에 상관도가 매우 크다는 것에서 출발한다. 일반적으로 부대역간의 상관성을 이용하는 기술들은 저주파 부대역(LH3, HL3, 및 HH3)으로부터 고주파 부대역( LH1, HL1, 및 HH1)으로 중요 계수를 찾아가는 방식인 반면에 본 발명에 따른 워터마킹 방법은 고주파 부대역으로부터 저주파 부대역으로 예측하여 올라가는 방식을 따른다. 3-레벨 웨이블릿 변환(3레벨 웨이블릿 변환) 이후에 부대역의 구조를 도 4에 나타냈다. 워터마크는 LH3 부대역에 삽입하는 것이라 가정하였는데 그 이유는 두 가지이다. 일반적으로 LH3가 공격에 가장 강인하면서 비가시성이 높기 때문이다.
The watermark embedding method according to the present invention starts from the fact that the correlation between the high frequency subband and the low frequency subband is very large. In general, techniques using the correlation between subbands are a method of searching for important coefficients from low frequency subbands (LH 3 , HL 3 , and HH 3 ) to high frequency subbands (LH 1 , HL 1 , and HH 1 ), while the present invention The watermarking method follows a method of predicting and raising from a high frequency subband to a low frequency subband. The structure of the subbands after the three-level wavelet transform (three-level wavelet transform) is shown in FIG. 4. The watermark is assumed to be inserted into the LH 3 subband for two reasons. This is because LH 3 is generally the most resistant to attack and highly invisible.

다음으로, 상기 웨이블릿 영상에서 제1 후보영역을 선정한다(S20). 그 구체적인 방법을 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Next, a first candidate region is selected from the wavelet image (S20). The specific method will be described in more detail with reference to FIG. 5.

도 5에서 보는 바와 같이, 먼저, LH1 부대역을 4×4 크기의 제1 단위영역으로 분할하고 각 영역들을 제곱의 평균, 즉 주파수 영역에서의 에너지를 구한다(S21).As shown in FIG. 5, first, the LH 1 subband is divided into a first unit region having a size of 4 × 4, and each region is calculated as an average of squares, that is, an energy in a frequency domain (S21).

전체 영상의 크기를 N×M이라하면 LH1의 크기는 (N/2)×(M/2)이다. 4×4 크기의 영역에 대한 에너지값들의 평균값을 계산하여 Tseg라 명칭하고 이를 임계값으로 설정한다(S22). 즉, 이 값은 LH1 부대역에서 4×4 단위의 단위 영역에 대해 구해진 에너지들을 LH1 부대역에 대해 평균을 구한 값이다.If the size of the entire image is N × M, the size of LH 1 is (N / 2) × (M / 2). The average value of the energy values for the 4 × 4 size region is calculated and named T seg , and the threshold value is set (S22). That is, this value is a value obtained, the average of the energies calculated for the unit area of 4 × 4 unit 1 in the LH sub-band to sub-band LH 1.

임계값을 스케일링한 후에 각각의 4×4 영역의 에너지값들을 비교하여 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 후보영역으로 선택한다(S23). 이때의 워터마킹 후보영역을 제1 후보영역이라 부르기로 한다. 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 후보영역(또는 제1 후보영역)은 (N/8)×(M/8)의 크기이고, 비트평면(bitplane) 형태이다. 에너지값을 비교하여 비트평면을 구성하는 방법은 비교적 간단한데 스케일링된 임계치(αTseg)보다 에너지값이 크면 비트평면의 비트값을 1로 두고 작다면 비트값을 0으로 설정한다. 여기서 α는 스케일링 성분에 해당하고 0에서 1사이의 값을 갖는다.
After scaling the threshold value, the energy values of each of 4 × 4 areas are compared and selected as a watermarking candidate area in the wavelet area (S23). The watermarking candidate region at this time is called a first candidate region. The watermarking candidate region (or first candidate region) in the wavelet region has a size of (N / 8) × (M / 8) and has a bit plane shape. Comparing the energy values and configuring the bit plane is relatively simple. If the energy value is larger than the scaled threshold αT seg , the bit value of the bit plane is set to 1 and the bit value is set to 0. Where α corresponds to the scaling component and has a value between 0 and 1.

다음으로, 상기 디지털 영상(70)에서 경계검출을 한다(S30). 그 구체적인 방법을 도 6을 참조하여 설명한다.Next, boundary detection is performed on the digital image 70 (S30). The specific method will be described with reference to FIG.

웨이블릿 변환에 의한 주파수 대역에서 에너지 분포에 따라 키를 생성하였는데 이 에너지 분포는 여러 잡음에 대한 특성까지 포함하고 있다. 따라서 배경 무늬 같은 잡음에 의한 키 생성을 막고 공간영역에서의 Mach 밴드 효과를 이용하고자 경계 검출 알고리즘을 도입한다. 즉, 워터마크를 삽입할 때 공간영역에서 HVS를 이용하여 워터마킹 후보영역을 결정하는 데 이용한다.The key is generated according to the energy distribution in the frequency band by wavelet transform, which includes the characteristics of various noises. Therefore, the edge detection algorithm is introduced to prevent key generation by background noise and to use Mach band effect in space domain. In other words, when the watermark is inserted, the watermark is used to determine the watermarking candidate area using the HVS.

본 발명은 가우시안 마스크(Gaussian mask)와 소벨마스크(Sobel mask)를 이용한 캐니(Cany) 방식을 이용하여 경계를 검출한다. 공간영역에서 워터마킹 대상영역(또는 제2 후보영역)을 선정하는 방법은 다음과 같다.The present invention detects a boundary using a Canny method using a Gaussian mask and a Sobel mask. A method of selecting a watermarking target region (or second candidate region) in a spatial region is as follows.

도 6에서 보는 바와 같이, 먼저, 가우시안 마스크를 이용해서 잡음을 제거하고(S31), 소벨 필터를 이용해서 경계를 찾아낸다(S32). 그리고 미리 구해진 임계값을 이용해서 경계정보를 나타내는 이진영상을 만든다(S33). 다음으로 이진영상을 8×8 크기의 단위영역으로 나눈 후에 단위영역 내에 1의 값을 가지는 원소의 개수를 구한다(S34). 그리고 1의 개수와 경계개수 임계값(Tedge)과의 비교를 통해서 단위영역 내에 얼마만큼의 경계 정보가 포함되어 있는지를 구한다. 1의 개수가 Tedge보다 많다면 비트 1로 설정하고, 그렇지 않다면 비트 0으로 설정한다. 이 비트를 모아서 비트평면을 구성하고, 이를 공간영역에서의 워터마킹 후보영역(또는 제2 후보영역)이라 한다(S35). 공간영역에서의 워터마킹 후보영역도 LH3과 동일한 (N/8)×(M/8)의 크기를 갖는다.
As shown in FIG. 6, first, a noise is removed using a Gaussian mask (S31), and a boundary is found using a Sobel filter (S32). In operation S33, a binary image representing boundary information is generated using the previously obtained threshold value. Next, after dividing the binary image into 8 × 8 unit areas, the number of elements having a value of 1 in the unit area is obtained (S34). Then, how much boundary information is included in the unit area is obtained by comparing the number of 1s and the threshold number of edges (T edge ). If the number of 1s is greater than T edge , it is set to bit 1. Otherwise, it is set to bit 0. The bits are collected to form a bit plane, which is referred to as a watermarking candidate region (or second candidate region) in the spatial region (S35). The watermarking candidate area in the spatial area also has the same size (N / 8) × (M / 8) as LH 3 .

다음으로, (N/8)×(M/8)의 동일한 크기를 갖는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 후보영역과 공간영역에서의 워터마킹 후보영역은 각각 비트평면으로 구성되어 있다. 이 두 가지 후보영역을 논리곱을 통해서 최종적인 워터마킹 선택영역(또는 최종 후보영역)을 구한다(S40).Next, the watermarking candidate area in the wavelet area and the watermarking candidate area in the space area having the same size of (N / 8) × (M / 8) are each composed of bit planes. The final watermarking selection region (or final candidate region) is obtained through the AND of these two candidate regions (S40).

다음으로, 최종 후보영역에 대응되는 저주파 부대역의 영역에 워터마크를 삽입한다(S50). Next, a watermark is inserted in the region of the low frequency subband corresponding to the final candidate region (S50).

도 7에서 보는 바와 같이, 워터마크를 삽입하기 이전에 워터마크의 보호를 위한 방법으로 LFSR(Linear Feedback Shift Register)을 이용해서 워터마크의 위치를 치환한다. LFSR의 병렬 출력을 이용하여 x축과 y축으로 구성된 무작위 주소를 생성하는 방식으로 워터마크를 모두 치환한다.As shown in FIG. 7, before the watermark is inserted, the position of the watermark is replaced using a linear feedback shift register (LFSR) as a method for protecting the watermark. The watermark is replaced by generating a random address consisting of the x- and y-axes using the parallel output of the LFSR.

생성된 워터마킹 후보영역의 비트평면과 암호화된 워터마크를 이용하여 워터마킹을 수행하고(S50), 역 웨이블릿 변환과정을 거쳐 워터마킹 과정이 완료된다(S60). 워터마킹은 LH3 부대역에서 적용이 된다. 워터마크는 0에서 255의 값을 갖는 회색 영상이고, 크기는 (N/16)×(N/16)인 것이 바람직하다. 그러나 크기가 이에 한정되는 것은 아니다. Watermarking is performed using the generated bit plane of the watermarking candidate region and the encrypted watermark (S50), and the watermarking process is completed through an inverse wavelet transform process (S60). Watermarking is applied at LH 3 subbands. The watermark is a gray image having a value of 0 to 255, and the size is preferably (N / 16) × (N / 16). However, the size is not limited thereto.

워터마킹의 삽입은 다음 [수학식 1]과 같이 정의할 수 있다. Insertion of watermarking may be defined as in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서 "·"는 논리곱을 나타내고 β는 워터마크의 강인성을 나타내는 스케일링 성분이다. k(i,j)는 워터마킹 후보영역을 나타내는데 값이 1이면 워터마크가 삽입되고 0이면 삽입되지 않는다. W(i,j)는 워터마크인데 값에 따라서 값을 더하거나 빼는 동작이 수행된다. 워터마크가 모두 삽입된 영상은 역 리프팅 변환을 통해서 공간영역의 영상으로 복원되고 워터마킹 과정은 완료된다.
Where ".&Quot; represents a logical product and β is a scaling component representing the toughness of the watermark. k (i, j) represents a watermarking candidate area. If the value is 1, the watermark is inserted, and if it is 0, it is not inserted. W (i, j) is a watermark, and the value is added or subtracted according to the value. The image with all the watermarks inserted is reconstructed into the image of the spatial domain through the inverse lifting conversion and the watermarking process is completed.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 웨이블릿 영역에서의 워터마크 추출 방법을 도 8을 참조하여 설명한다.Next, a watermark extraction method in the wavelet area according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8.

삽입된 워터마크를 추출하기 위해서는 다음과 같은 과정이 수행된다. 리프팅을 이용해서 웨이블릿 변환을 수행한 후(S70), LH3 부대역의 계수와 원래 영상의 웨이블릿 변환 계수와의 차를 취한다(S80). 그리고 워터마킹 후보영역에 대한 정보와 LFSR 초기치의 정보를 이용하여 워터마크를 추출한다(S90). 워터마크 추출과정을 도 9에 나타냈다. W'(i,j)가 추출된 워터마크에 해당한다.
To extract the embedded watermark, the following process is performed. After the wavelet transform is performed using the lifting (S70), a difference between the coefficient of the LH 3 subband and the wavelet transform coefficient of the original image is taken (S80). The watermark is extracted using the information on the watermarking candidate region and the information of the LFSR initial value (S90). The watermark extraction process is shown in FIG. W '(i, j) corresponds to the extracted watermark.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
As mentioned above, although the invention made by this inventor was demonstrated concretely according to the said Example, this invention is not limited to the said Example and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary.

본 발명은 웨이블릿 변환 영역에서 구성된 부대역간의 트리구조와 공간 영역에서의 영상 형태 정보를 이용하여 워터마크의 삽입 위치를 결정한 후에 워터마크를 삽입하는 워터마킹 시스템을 개발하는 데 적용이 가능하다. 특히, 본 발명은 일반적인 영상처리 공격에 대해 강인성이 요구되는 영상 분야에서 저작권 보호나 소유권 인증 등의 응용에 사용될 수 있을 것이다.
The present invention is applicable to the development of a watermarking system for inserting a watermark after determining the insertion position of the watermark using a tree structure between subbands configured in the wavelet transform region and image shape information in the spatial region. In particular, the present invention may be used for applications such as copyright protection or ownership verification in the field of video that requires robustness against general image processing attacks.

Claims (8)

웨이블릿 변환 및 경계정보를 이용하여 디지털 영상의 웨이블릿 영역에 워터마크를 삽입하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법에 있어서,
(a) 상기 디지털 영상을 다레벨 웨이블릿 변환을 하여 웨이블릿 영상을 획득하는 단계;
(b) 상기 웨이블릿 영상의 고주파 부대역 중 하나를 제1 단위영역으로 분할하여 단위영역별 에너지를 계산하여 제1 후보영역을 선정하는 단계;
(c) 상기 디지털 영상을 제2 단위영역으로 분할하여 단위영역별 경계정보를 계산하여 제2 후보영역을 선정하는 단계;
(d) 상기 제1 후보영역과 상기 제2 후보영역을 논리곱하여 최종 후보영역을 추출하는 단계;
(e) 상기 웨이블릿 영상의 저주파 부대역 중 하나를 선택하여, 상기 최종 후보영역에 대응되는 선택된 부대역의 영역에 상기 워터마크를 삽입하는 단계; 및
(f) 워터마크가 삽입된 부대역으로 치환된 웨이블릿 영상을 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법.
A watermarking method in a wavelet region in which a watermark is inserted into a wavelet region of a digital image using wavelet transform and boundary information,
(a) multi-level wavelet transforming the digital image to obtain a wavelet image;
(b) selecting a first candidate region by dividing one of the high frequency subbands of the wavelet image into a first unit region to calculate energy for each unit region;
dividing the digital image into a second unit area, calculating boundary information for each unit area, and selecting a second candidate area;
(d) extracting a final candidate area by ANDing the first candidate area and the second candidate area;
(e) selecting one of low frequency subbands of the wavelet image and inserting the watermark in a region of the selected subband corresponding to the final candidate region; And
and (f) restoring the wavelet image substituted with the subband into which the watermark is inserted.
제1항에 있어서,
D레벨 웨이블릿 변환을 하면, 상기 제1 단위영역의 크기는 2D-1×2D- 1 이고, 상기 제2 단위영역의 크기는 2D×2D 이고, 제1 후보영역의 선정에 이용되는 고주파 부대역은 LH1 부대역이고, 워터마크가 삽입되는 저주파 부대역은 LHD 부대역인 것을 특징을 하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법.
The method of claim 1,
When the D-level wavelet transform is performed, the size of the first unit region is 2 D-1 × 2 D- 1 , and the size of the second unit region is 2 D × 2 D , which is used to select the first candidate region. The high frequency subband is an LH 1 subband, and the low frequency subband into which the watermark is inserted is a LH D subband.
제1항에 있어서,
상기 (c)단계에서, 가우시안 마스크(Gaussian mask)와 소벨마스크(Sobel mask)를 이용한 캐니(Cany) 방식을 이용하여 경계정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법.
The method of claim 1,
In the step (c), the watermarking method in the wavelet region, characterized in that for detecting the boundary information by using a Canny method using a Gaussian mask and Sobel mask.
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서, 제1 단위영역의 에너지가 제1 임계값보다 크면 비트값을 1로 정하고 제1 임계값보다 작으면 비트값을 0으로 정하여, 제1 후보영역을 비트평면으로 구성하고,
상기 (c)단계에서, 제2 단위영역의 경계정보의 개수가 제2 임계값보다 크면 비트값을 1로 정하고 제2 임계값보다 작으면 비트값을 0으로 정하여, 제1 후보영역을 비트평면으로 구성하고,
상기 (e)단계에서, 최종 후보영역의 비트값이 1인 부분과 대응되는 저주파 부대역의 부분에만 워터마크를 삽입하는 것을 특징으로 하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법.
The method of claim 1,
In step (b), if the energy of the first unit region is greater than the first threshold value, the bit value is set to 1, and if it is less than the first threshold value, the bit value is set to 0, and the first candidate region is configured as a bit plane. ,
In the step (c), if the number of boundary information of the second unit area is greater than the second threshold value, the bit value is set to 1, and if it is less than the second threshold value, the bit value is set to 0, and the first candidate area is set to the bit plane. Consist of,
In the step (e), the watermarking method in the wavelet region, characterized in that the watermark is inserted only in the portion of the low frequency subband corresponding to the portion of the bit value of the last candidate region.
제4항에 있어서,
상기 (e)단계에서, 상기 저주파 부대역의 좌표값 x(i,j)가 [수식 1]에 의해 x'(i,j)로 치환됨으로써 워터마크가 삽입되는 것을 특징으로 하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법.
[수식 1]
Figure pat00003

단, "·"는 논리곱, β는 스케일링 성분, k(i,j) = 0 또는 1,
W(i,j)는 워터마크.
The method of claim 4, wherein
In the step (e), the watermark is inserted by substituting the coordinate value x (i, j) of the low frequency subband into x '(i, j) by [Equation 1]. Watermarking method.
[Equation 1]
Figure pat00003

Where "·" is a logical product, β is a scaling component, k (i, j) = 0 or 1,
W (i, j) is the watermark.
제1항에 있어서,
상기 (f)단계에서, 상기 워터마크의 삽입위치는 LFSR(LiDear feedback shift register) 방식에 의해 치환되는 것을 특징으로 하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법.
The method of claim 1,
In the step (f), the insertion position of the watermark is a watermarking method in the wavelet region, characterized in that the replacement by a LFSR (LiDear feedback shift register) method.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 디지털 영상을 3레벨 웨이블릿 변환을 하는 것을 특징으로 하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법.
The method according to any one of claims 1 to 6,
And a three-level wavelet transform of the digital image.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 의하여 원영상에 워터마크가 삽입된 삽입영상에서 상기 워터마크를 추출하는 웨이블릿 영역에서의 워터마크 추출 방법에 있어서,
(g) 상기 삽입영상을 웨이블릿 변환을 통해 저주파 부대역을 추출하는 단계;
(h) 상기 추출된 저주파 부대역의 계수와 상기 원영상의 웨이블릿 변환 계수와의 차이를 구하는 단계; 및
(i) 상기 차이와 상기 최종 후보영역의 비트평면을 이용하여 워터마크를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이블릿 영역에서의 워터마킹 방법.
A watermark extraction method in a wavelet region for extracting the watermark from an embedded image having a watermark embedded in an original image according to any one of claims 1 to 6,
(g) extracting a low frequency subband through the wavelet transform of the inserted image;
obtaining a difference between the extracted low frequency subband coefficients and the wavelet transform coefficients of the original image; And
(i) extracting a watermark using the difference and the bit plane of the final candidate area.
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