KR20130065277A - 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 및 검출장치 및 방법 - Google Patents

콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 및 검출장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 및 검출장치 및 방법에 있어서, 비디오의 히스토그램을 분석하여 워터마크 패턴을 생성하고, 워터마크 메시지에 따라 앞뒤 프레임의 색차 평균값을 변경시키는 시간축에서의 변조 방식을 통하여 워터마킹된 비디오의 기하학적 변형, 필터링 변형, 압축 포맷 변경 등에도 강인하면서 고해상도의 비디오에 대한 실시간 삽입 및 검출이 가능하도록 한다.

Description

콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 및 검출장치 및 방법{VIDEO WATER MARKING INSERTING/DETECTING APPARATUS USING MODULATION OF TIME HORIZON}
본 발명은 비디오(video) 워터마킹(water marking) 삽입 방법에 관한 것으로, 특히 비디오의 히스토그램(histogram)을 분석하여 워터마크 패턴(water mark pattern)을 생성하고, 워터마크 메시지에 따라 앞뒤 프레임(frame)의 색차 평균값을 변경시키는 시간축에서의 변조 방식을 통하여 워터마킹된 비디오의 기하학적 변형, 필터링 변형, 압축 포맷 변경 등에도 강인하면서 고해상도의 비디오에 대한 실시간 삽입 및 검출이 가능하도록 하는 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 및 검출장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 디지털 콘텐츠의 저작권을 보호하기 위하여 DRM(Digital Rights Management, 이하 'DRM') 기술이 활용된다. 상기한 DRM 환경에서는 콘텐츠를 암호화 하고, 상기한 콘텐츠 암호화에 사용된 키를 라이센스를 통하여 관리함으로써, 적법한 사용자만이 암호화된 콘텐츠를 복호화하여 사용할 수 있게 한다.
그러나, 암호 기술 기반의 DRM 기술은 복호화된 콘텐츠에 대한 불법 유통 등에 대응할 수 없는 한계점을 가진다. 이를 보상하기 위하여, 워터마킹 기술을 활용하여 불법 배포자를 추적하고자 하는 연구가 활발하다.
특히, 캠코더 녹화 공격은 상영되는 영상을 불법적으로 캠코더로 녹화하여 이를 불법 배포하는 것으로 저작권 침해의 원인이 된다. 비디오 워터마킹에서는 상기한 캠코더 녹화 공격을 포함하여 워터마킹된 비디오에 대한 압축 코덱 변경, 필터링 공격, 기하학적 공격 등에 강인한 워터마킹 방법의 개발이 필수적이다.
그러나, 기존의 강인성을 강조한 워터마킹 방법에서는 HVS(Human Visual System)등을 적용한 마스킹방법을 이용하나, 이는 워터마크의 삽입 및 검출 속도, 즉 실시간성이 저해된다는 문제점이 있었다.
또한, 비디오 워터마킹 기술의 요구사항은 강인성, 비가시성, 실시간성등을 들 수 있다. 강인성은 워터마킹된 비디오가 다양한 비디오 변형이 가해지더라도 워터마크를 정상적으로 검출할 수 있는 성질을 의미하며, 비가시성은 워터마킹된 비디오가 사람의 눈에는 보이지 않아서, 원본 비디오의 품질을 훼손시키지 않는 성질을 의미하며, 실시간성은 비디오 재생 속도에 영향을 주지 않는 정도의 고속의 삽입 및 검출이 가능해야 한다는 성질을 의미한다.
대한민국 등록특허번호 10-0648845호 등록일자 2006년 11월 16일에는 워터마크 검출에 관한 기술이 개시되어 있다.
그러나 위와 같은 비디오 워터마킹 기술에서의 요구사항은 한 가지 기능을 강조하면, 다른 기능이 약화되는 특징이 있다. 즉, 비가시성을 높이고자 워터마크 강도를 약하게 하면, 강인성이 낮아지는 결과를 초래한다. 따라서, 상기한 요구사항을 적절한 수준에서 만족시키며, 워터마킹 삽입 및 검출 방법을 제공하는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명은 비디오의 히스토그램을 분석하여 워터마크 패턴을 생성하고, 워터마크 메시지에 따라 앞뒤 프레임의 색차 평균값을 변경시키는 시간축에서의 변조 방식을 통하여 워터마킹된 비디오의 기하학적 변형, 필터링 변형, 압축 포맷 변경 등에도 강인하면서 고해상도의 비디오에 대한 실시간 삽입 및 검출이 가능하도록 하는 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 및 검출장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상술한 본 발명은 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입장치로서, 입력되는 비디오 원본의 압축을 해제하는 압축 디코딩부와, 상기 압축 디코딩부를 통해 압축이 해제된 비디오 영상의 히스토그램을 분석하는 히스토그램 분석부와, 상기 히스토그램 분석된 결과를 이용하여 워터마크 패턴을 생성하고, 워터마크의 검출 결과에 따른 워터마크 강도를 조절하는 워터마크 패턴 생성부와, 워터마크 메시지를 생성하는 워터마크 메시지 생성부와, 상기 워터마크 메시지가 삽입되는 시작 프레임의 위치를 지정하기 위한 동기화 비트열을 생성하는 동기 비트열 생성부와, 상기 워터마크 패턴 생성부에서 생성된 워터마크 패턴에 따라, 입력 비디오 원본의 전후 프레임의 대소 비교를 통하여 상기 워터마크 메시지 생성부에서 생성한 워터마크 메시지를 비디오의 색차 성분 프레임에 삽입하는 변조부와, 상기 변조부에서 삽입된 워터마크를 검출하는 워터마크 검증부와, 상기 변조부에서 변조된 비디오를 비디오의 압축 포맷에 맞게 압축하는 압축 인코딩부를 포함한다.
본 발명은 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 및 검출장치 및 방법에 있어서, 비디오의 히스토그램을 분석하여 워터마크 패턴을 생성하고, 워터마크 메시지에 따라 앞뒤 프레임의 색차 평균값을 변경시키는 시간축에서의 변조 방식을 통하여 워터마킹된 비디오의 기하학적 변형, 필터링 변형, 압축 포맷 변경 등에도 강인하면서 고해상도의 비디오에 대한 실시간 삽입 및 검출이 가능하도록 하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입장치의 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 워터마크 생성부에서의 워터마크 생성 처리 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시예에 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 검출장치의 블록 구성도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 장치의 상세 블록 구성을 도시한 것으로, 본 발명의 워터마킹 삽입 장치는 압축 디코딩부(100), 히스토그램 분석부(102), 워터마크 패턴 생성부(104), 동기 비트열 생성부(108), 워터마크 메시지 생성부(110), 변조부(106), 워터마크 검증부(112), 압축 인코딩부(114) 등을 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 워터마킹 삽입 장치 각 구성요소에의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 압축 디코딩부(100)는 입력되는 비디오 원본의 압축을 해제한다. 히스토그램 분석부(102)는 압축 디코딩부(100)를 통해 압축이 해제된 비디오 영상의 히스토그램(histogram)을 분석한다.
워터마크 패턴 생성부(104)는 히스토그램 분석부(102)로부터 히스토그램 분석된 결과를 이용하여 워터마크 패턴을 생성하고, 워터마크의 검출 결과에 따른 워터마크 강도를 조절한다.
동기 비트열 생성부(108)는 워터마크 메시지가 삽입되는 시작 프레임의 위치를 지정하기 위한 동기화 비트열을 생성한다. 워터마크 메시지 생성부(110)는 워터마크 메시지를 생성한다.
변조부(106)는 워터마크 패턴 생성부(104)에서 생성된 워터마크 패턴에 따라, 입력 비디오 원본의 전후 프레임의 대소 비교를 통하여 위터마크 메시지 생성부(110)의 결과인 워터마크 메시지를 비디오의 색차 성분 프레임에 삽입한다.
워터마크 검증부(112)는 변조부(106)에서 삽입된 워터마크를 검출한다. 압축 인코딩부(114)는 변조부(106)에서 변조된 비디오를 비디오의 압축 포맷에 맞게 압축한다.
도 2는 도 1의 워터마크 패턴 생성부(104)에서 워터마크 패턴 생성절차를 도시한 것이다. 이하, 도 2를 참조하여 워터마크 패턴 생성절차를 설명하기로 한다.
먼저, 워터마크 패턴 생성부(104)는 압축 해제된 비디오 원본을 수신하고(S200), 비디오 원본의 RGB 프레임을 YCbCr 프레임으로 변경한다(S202).
이어, 워터마크 패턴 생성부(104)는 Y 프레임의 평균을 계산하고(S204), Y 프레임의 평균값과 특정 픽셀의 Y값의 대소 비교를 통하여 워터마크 패턴을 생성하여(S206) 워터마크 패턴을 변조부(106)로 제공한다(S208).
상기한 워터마크 패턴 생성 단계(S206)에서 워터마크 생성은 아래 [수학식 1]을 따른다.
Figure pat00001
위 [수학식 1]에서 W(x,y)는 (x,y)에 해당되는 픽셀이 가지는 워터마크 패턴 값을 의미한다.
Figure pat00002
는 JND(Just Noticeable Difference)를 고려하여 적용되는 워터마크 패턴 값이며,
Figure pat00003
는 현재 프레임에서 워터마크 패턴을 통하여 변형하고자 하는 픽셀의 개수에 영향을 주는 알고리즘 파라미터이다. 즉,
Figure pat00004
가 0.25이면 평균값의 0.25배 보다 큰 값을 갖는 픽셀은
Figure pat00005
을 지정하고, 평균값의 0.25배보다 작은 값을 갖는 픽셀은 -
Figure pat00006
를 지정한다. 그리고, 해당 픽셀 값이 (평균 ?? 0.25*평균) 및 (평균 + 0.25*평균) 사이의 값을 가지면, 0을 지정한다.
즉,
Figure pat00007
는 워터마크 알고리즘의 비가시성과 강인성의 트레이드 오프를 결정하는 알고리즘 파라미터이다. 상기한 방법으로 생성되는 워터마크 패턴은 -
Figure pat00008
, +
Figure pat00009
, 및 0으로 구성되어 있고, 비디오 원본 해상도와 동일한 크기의 행렬으로 생성된다.
또한, 도 1의 변조부(106)는 아래 [수학식 2]의 방법으로 비디오를 변조시킨다.
Figure pat00010
상기 수학식에서, Cb'는 변조는 Cb값을 의미하고, Cb는 비디오 원본의 Cb값을 의미하고, m은 인코딩된 메시지를 의미하고, Wi 은 i번째의 워터마크 패턴을 의미하고, K는 연속된 프레임의 갯수를 의미한다. K가 4일때, m이 1이면, 제1프레임과 제2프레임은 현재의 Cb값에서 워터마크 패턴을 빼주고, 제3프레임과 제4프레임은 현재의 Cb값에서 워터마크 패턴을 더해준다. m이 -1이면, 상기한 과정을 반대로 하게 된다.
도 1의 워터마크 검증부(112)는 하기 [수학식 3]에 따라 워터마크를 검증한다.
Figure pat00011
위 [수학식 3]에서 M은 비디오의 가로 해상도 크기, N은 비디오의 세로 해상도 크기를 의미하고, Cb'1은 K개의 프레임 중에서 첫번째 1/2 프레임 중의 하나를 의미하고, Cb'2 는 나머지 1/2 프레임 중의 하나를 의미한다. 즉, K가 4이면 Cb'1은 제1프레임 또는 제2프레임을 의미하고, Cb'2는 제3프레임 또는 제4프레임을 의미한다.
W는 해당 프레임에서 생성된 워터마크 패턴을 의미한다. 위 [수학식 3]에 의해 구해진 상관값과 워터마크 메시지의 관계는 하기 [수학식 4]와 같다.
Figure pat00012
즉, 구해진 상관값의 대소비교를 통하여 워터마크 메시지를 추출하고 된다. 예를 들어, Corr1이 Corr2보다 작거나 같으면 추출하는 워터마크 메시지는 1로 지정되고, Corr1이 Corr2보다 크면 추출되는 워터마크 메시지는 -1로 지정된다. 이때, 워터마크 검증부(112)에서 검출된 워터마크 메시지 m'가 상기한 워터마크 메시지 생성부(110)에서 생성된 메시지 m가 일치하지 않을 경우에는 상기한 워터마크 패턴 생성부(104)에서
Figure pat00013
값을 증가시켜 워터마크 패턴을 다시 생성하게 된다.
상기한 워터마크 검증부(112)를 워터마크 생성 장치에 구비하여, 워터마크의 강도를 조절함으로써 워터마크 삽입 알고리즘의 강인성을 증가시키는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비디오 워터마킹 검출 장치 상세 블록 구성을 도시한 것으로, 비디오 워터마킹 검출장치는 압축 디코딩부(300), 히스토그램 분석부(302), 워터마크 패턴 생성부(304), 상관값 계산 및 비트 판별부(306) 등을 포함한다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 비디오 워터마킹 검출장치의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 압축 디코딩부(300)는 워터 마킹된 비디오 원본의 압축을 해제한다. 히스토그램 분석부(302)는 압축 디코딩부(300)를 통하여 압축이 해제된 비디오 영상의 히스토그램을 분석한다.
워터마크 패턴 생성부(304)는 히스토그램 분석부(302)의 히스토그램 분석 결과를 이용하여 워터마크 패턴을 생성한다.
상관값 계산 및 비트 판별부(306)는 워터마크 패턴 생성부(304)로부터 생성된 워터마크 패턴과, Cb 프레임의 상관값을 계산하고, 상기한 상관값들의 대소 비교를 통하여 삽입된 워터마크 비크 정보를 판별하여 워터마크 메시지를 추출한다.
도 3에서 워터마크 패턴 생성부(304)에서의 패턴 생성 절차는 상기한 도 2와 같으며, 워터마크 패턴 생성 방법은 상기한 [수학식 1]에서와 같다.
도 3의 상관값 계산 및 비트 판별부(306)에서 워터마크 패턴 생성부(304)로부터 생성된 워터마크 패턴과, Cb 프레임의 상관값을 계산하고, 상기한 상관값들의 대소 비교를 통하여 삽입된 워터마크 비크 정보를 판별하여 워터마크 메시지를 추출하는 과정은 앞서 설명한 [수학식 3]을 따른다.
위 [수학식 3]에서 M은 비디오의 가로 해상도 크기, N은 비디오의 세로 해상도 크기를 의미하고, Cb'1은 K개의 프레임 중에서 첫번째 1/2 프레임 중의 하나를 의미하고, Cb'2 는 나머지 1/2 프레임 중의 하나를 의미한다. 즉, K가 4이면 Cb'1은 제1프레임 또는 제2프레임을 의미하고, Cb'2는 제3프레임 또는 제4프레임을 의미한다. W는 해당 프레임에서 생성된 워터마크 패턴을 의미한다. [수학식 3]에 의해 구해진 상관값과 워터마크 메시지의 관계는 [수학식 4]와 같다.
즉, 구해진 상관값의 대소비교를 통하여 워터마크 메시지를 추출하게 된다. 예를 들어, Corr1이 Corr2보다 작거다 같으면 추출하는 워터마크 메시지는 1로 지정되고, Corr1이 Corr2보다 크면 추출되는 워터마크 메시지는 -1로 지정된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 및 검출장치 및 방법에 있어서, 비디오의 히스토그램을 분석하여 워터마크 패턴을 생성하고, 워터마크 메시지에 따라 앞뒤 프레임의 색차 평균값을 변경시키는 시간축에서의 변조 방식을 통하여 워터마킹된 비디오의 기하학적 변형, 필터링 변형, 압축 포맷 변경 등에도 강인하면서 고해상도의 비디오에 대한 실시간 삽입 및 검출이 가능하도록 한다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
100 : 압축 디코딩부 102 : 히스토그램 분석부
104 : 워터마크 패턴 생성부 106 : 변조부
108 : 동기 비트열 생성부 110 : 워터마크 메시지 생성부
112 : 워터마크 검증부 114 : 압축 인코딩부
300 : 압축 디코딩부 302 : 히스토그램 분석부
304 : 워터마크 패턴 생성부 306 : 상관값 계산 및 비트 판별부

Claims (1)

  1. 입력되는 비디오 원본의 압축을 해제하는 압축 디코딩부와,
    상기 압축 디코딩부를 통해 압축이 해제된 비디오 영상의 히스토그램을 분석하는 히스토그램 분석부와,
    상기 히스토그램 분석된 결과를 이용하여 워터마크 패턴을 생성하고, 워터마크의 검출 결과에 따른 워터마크 강도를 조절하는 워터마크 패턴 생성부와,
    워터마크 메시지를 생성하는 워터마크 메시지 생성부와,
    상기 워터마크 메시지가 삽입되는 시작 프레임의 위치를 지정하기 위한 동기화 비트열을 생성하는 동기 비트열 생성부와,
    상기 워터마크 패턴 생성부에서 생성된 워터마크 패턴에 따라, 입력 비디오 원본의 전후 프레임의 대소 비교를 통하여 상기 워터마크 메시지 생성부에서 생성한 워터마크 메시지를 비디오의 색차 성분 프레임에 삽입하는 변조부와,
    상기 변조부에서 삽입된 워터마크를 검출하는 워터마크 검증부와,
    상기 변조부에서 변조된 비디오를 비디오의 압축 포맷에 맞게 압축하는 압축 인코딩부
    를 포함하는 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입장치.
KR1020110132069A 2011-12-09 2011-12-09 콘텐츠 적응형 시간축 변조를 이용한 비디오 워터마킹 삽입 및 검출장치 및 방법 KR20130065277A (ko)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107749990A (zh) * 2017-09-27 2018-03-02 深圳大学 一种基于数字水印的视频版权保护方法及装置
US9922390B2 (en) 2014-09-05 2018-03-20 Brady Jennings Beaubien Watermarking system

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9922390B2 (en) 2014-09-05 2018-03-20 Brady Jennings Beaubien Watermarking system
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