[논문]전역 2차원 DCT를 이용한 디지털 홀로그램의 분석 및 워터마킹 기법

최현준; 서영호; 유지상; 김동욱

doi:10.6109/jkiice.2007.11.7.1267

전역 2차원 DCT를 이용한 디지털 홀로그램의 분석 및 워터마킹 기법
Analysis of CGH and Watermarking Method using Global 2DDCT 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.11 no.7, 2007년, pp.1267 - 1274

최현준 (광운대학교 3D Media Research Lab.) , 서영호 (한성대학교 정보통신공학과) , 유지상 (광운대학교 3D Media Research Lab.) , 김동욱 (광운대학교 3D Media Research Lab.)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 컴퓨터 생성 홀로그램(computer generated holograms, CGH) 기법을 이용해 생성한 디지털 홀로그램을 위한 워터마킹 알고리즘을 제안하였다. 본 연구팀은 일반적인 2차원 디지털 영상들과는 다른 특성을 보이는 디지털 홀로그램을 홀로그램 영역과 전역 2차원 DCT영역에서 분석하였고, 이를 기반으로 새로운 워터마킹 알고리즘을 개발하였다. 제안한 워터마킹 알고리즘을 대상으로 차세대 홀로그래픽 3DTV를 위한 디지털 홀로그램의 전송 수신 단에서 발생할 수 있는 여러 가지 공격들을 수행한 결과 비교적 우수한 특성을 보였다. 특히 전역 2차원 DCT영역에서의 워터마킹 기법이 가우시안 잡음 첨가 이외의 모든 공격에 대해 높은 워터마크 추출율을 보였다. 본 논문에서 제안한 디지털 홀로그램의 분석 방법과 결과, 그리고 디지털 워터마킹 알고리즘은 추후 관련 분야를 연구하는 연구자들에게 하나의 지표가 될 수 있으리라 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a digital watermarking algorithm for digital hologram generated by computer generated hologram(CGH) method. Digital hologram generated by a computer calculation(CGH) is one of the most expensive contents and its usage is being expanded. Thus, it is highly necessary to protect the ownership of digital hologram. In this paper two digital watermarking schemes are introduced hologram-domain and global 2DDCT-domain scheme. Proposed watermarking scheme showed very high imperceptibility and quite high robustness against the attacks. The purpose of this paper is to introduce these global 2DDCT based watermarking schemes. Thus, we expect that these and the contents in this paper can be very useful bases for the further digital watermarking schemes of the digital holograms.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

디지털 홀로그램의 경우 잡음 영상과 비슷한 특성을 보인다는 것을 앞 절에서 확인하였다. 따라서 본 연구팀은 디지털 홀로그램의 홀로그램영역에서의 워터마킹을 위해 워터마크의 삽입 좌표를 무작위로 선정 하여 삽입하는 방식을 제안한다. 제안한 워터마킹 기법을 그림 9에서 보이고 있다.
본 논문에서는 CGH 기 법 으로 생 성 한 디 지 털 홀로그램을 홀로그램영역과 DCT(discrete cosine transform) 주파 수영 역에서 분석하였고, 그 결과들을 기반으로 디지털 홀로그램을 위한 워터마킹 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 CGH 기 법으로 생성 한 디지털 홀로그램을 대상으로 홀로그램영역과 전역 2차원 DCT 영역에서 특성을 분석하였고, 이를 기반으로 디지털 홀로그램을 위한 워터마킹 알고리즘을 제안하였다.
객체와 매우 유사한 모양의 객체가 생성된다. 본 논문에서는 DCT 영역을 2차원 영상으로가정하여 객체의 가장자리에 워터마크를 삽입하는 기법을 제안한다. 객체의 가장자리 중에서 가시성과 강인성을 고려하여 가장 적합한 삽입 위치를 선택하기 위해 그림 8과 같이 128x128 전역 DCT된 계수 값들을 대상으로 63(】이상의 가중치)이상의 값을 갖는 좌표들의 통계를 내었다.

가설 설정

하지만 본 연구팀eN의 크기를 8부터 원본 영상의 전체 크기까지 확장한 전역 2차원 DCT를 적용한다. 이는 식 (2)의 CGH 수식이 2차원 DCT와 매우 유사한 형태의 코사인함수를 기반으로 하고 있기 때문에 만약CGH 기법을 통해 생성한 디지털 홀로그램에 전역 2차원 DCT를 수행하면 역 CGH(Inverse CGH)와 비슷한 효과를 나타내어 전역 DCr 영역에서 원본 깊이 값 영상과 유사한 영상을 얻을 수 있을 것이 라는 가정 을 기반으로 한다.

제안 방법

각 비 트평 면의 중요도를 판단하기 위해 100개의 깊이 값 영상을 대상으로 생성한 디지털 홀로그램을 비트 평 면으로 나누고 이들을 각각 복원하였다. 그 결과 상위 1번째 비트평면(BP7)과 상위 2번째 비트 평면(BP6)에서만 시각적으로 관찰할 수 있는 복원영상을 재생되었다.
다른 관점에서 디지털 홀로그램의 특성을 분석하기 위해 그림 4와 같이 디지털 홀로그램을 비트평면 (bit-plane)들로 나누고 이들 각각을 복원하여 각 비트 평면이 디지털 홀로그램 내에서 차지하는 중요도를 살펴보았다.
본 논문에서는 대표적으로 200x200 화소, 회색톤(gray-scale, 8-bit)의 teapot 영상을 대상으로 실험한 결과를 보인다. 디지털 홀로그램의 생성을 위해 본 연구팀이 SW로 구현한 CGH 프로그램을 사용하였다. 디지털 홀로그램의 생성조건은 다음과 같다.
본 장에서는 CGH기법으로 생성한 디지털 홀로그램을 홀로그램영역과 전역 DCT 영역에서 분석한다.
본 장에서는3장의 분석 결과를 기반으로 홀로그램 영역과 주파수 영역에서의 워터마킹 알고리즘을 제안한다.
사용하였다. 제안한 워 터마킹 알고리즘에 대한 평가를 위해 워터마크 삽입 후의 비가시성과 복원한 영상의 변화 그리고 공격에 대한 강인성을 측정하였다. 이때, 비가시성과복원한 영상의 변화에 대한 객관적인 평가를 위해 NC(Nonnalized Correlation) 값을 계산하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 DCT 영역을 2차원 영상으로가정하여 객체의 가장자리에 워터마크를 삽입하는 기법을 제안한다. 객체의 가장자리 중에서 가시성과 강인성을 고려하여 가장 적합한 삽입 위치를 선택하기 위해 그림 8과 같이 128x128 전역 DCT된 계수 값들을 대상으로 63(】이상의 가중치)이상의 값을 갖는 좌표들의 통계를 내었다. 그 결과를 표 2에서 보이고 있다.
100개의 깊이값 영상을 사용하였다. 본 논문에서는 대표적으로 200x200 화소, 회색톤(gray-scale, 8-bit)의 teapot 영상을 대상으로 실험한 결과를 보인다. 디지털 홀로그램의 생성을 위해 본 연구팀이 SW로 구현한 CGH 프로그램을 사용하였다.
본 논문에서는 여러가지 홀로그램 제작 방법 중에서 프레넬 홀로그램(Fresnelhologram)[5] 제작 기 법 만을 대상으로 기술한다. 프레넬 홀로그램은 객체파(object wave)와참조파(referencewave)를간섭시킨 패턴을 기록하는 방식으로 재생 시에는 단지 참조파만을 홀로그램에 조사함으로써 공간상에서 3차원 영상을 재생할 수 있다.
본 연구팀은 JPEG등의 정지영상 부호화기, MPEG 1 . 2 .
워 터 마크는 추출 시 시각적 인 확인을 위해 특정 로고가 새겨진 32x32(1, 024개) 크기의 이진 영상(binary image)을 사용하였다. 제안한 워 터마킹 알고리즘에 대한 평가를 위해 워터마크 삽입 후의 비가시성과 복원한 영상의 변화 그리고 공격에 대한 강인성을 측정하였다.
홀로그램영역과 전역 2차원 DCT영역에서의 워터마킹 기 법 들을 검 증하기 위해 CG(computer graphic)로 제 작한 100개의 깊이값 영상을 사용하였다. 본 논문에서는 대표적으로 200x200 화소, 회색톤(gray-scale, 8-bit)의 teapot 영상을 대상으로 실험한 결과를 보인다.

데이터처리

제안한 워 터마킹 알고리즘에 대한 평가를 위해 워터마크 삽입 후의 비가시성과 복원한 영상의 변화 그리고 공격에 대한 강인성을 측정하였다. 이때, 비가시성과복원한 영상의 변화에 대한 객관적인 평가를 위해 NC(Nonnalized Correlation) 값을 계산하였다.

성능/효과

2차원 。(음영역에서의 워터마킹 기법은 JPEG 압축, 선명효과 (sharpening), 그리고 흐림효과(blurring)등의 공격에 매우 강한 특성을 보였다.
결과를 보이고 있다. JPEG 압축 공격에 대해서는 JPEG Quality 4부터 에 러가 발생 하였고, 가우시 안 잡음첨가(Gaussian noise addition) 공격에 대해서는 비교적 높은 에 러율을 보였다. 하지만 실제 영상에서 가우 시안잡음이 10%이상 첨가될 가능성은 그리 높지 않고, JPEG Quality를 0으로 놓고 영상을 압축하는 경우도 흔치 않기 때문에 제안한 기법으로 워 터마크를 삽입한 결과는 우수하다고 볼 수 있다.
면으로 나누고 이들을 각각 복원하였다. 그 결과 상위 1번째 비트평면(BP7)과 상위 2번째 비트 평면(BP6)에서만 시각적으로 관찰할 수 있는 복원영상을 재생되었다. BP5 이하의 비트평면들은 모두 그림 5 (d)와 같이 복원 영상들을 시각적으로 관찰할 수 없다.
실험결과 홀로그램영역과 전역 2차원 DCT 영역 모두에서 비교적 우수한 특성을 보였다. 특히, 전역 2차원 。(음영역에서의 워터마킹 기법은 JPEG 압축, 선명효과 (sharpening), 그리고 흐림효과(blurring)등의 공격에 매우 강한 특성을 보였다.
BP5 이하의 비트평면들은 모두 그림 5 (d)와 같이 복원 영상들을 시각적으로 관찰할 수 없다. 이를 통해 디지털 홀로그램의 상위 두 비트평면이 복원 영상에 가장 큰 영향을 미치는 값들임을 확인할 수 있다.
제안한워터마킹 알고리즘의 삽입 결과를그림 11에서 나타내었는데 시각적으로 워터마킹한 영상들은 원본 영상과의 차이가 없음을 확인할 수 있다. 워 터 마크가 삽입되지 않은 프린지 패턴과 제안한 기법으로 워터마크를 삽입한 프린지 패턴, 그리고 복원한 영상의 평균 NC는 표 3과 같다.
JPEG 압축 공격에 대해서는 JPEG Quality 4부터 에 러가 발생 하였고, 가우시 안 잡음첨가(Gaussian noise addition) 공격에 대해서는 비교적 높은 에 러율을 보였다. 하지만 실제 영상에서 가우 시안잡음이 10%이상 첨가될 가능성은 그리 높지 않고, JPEG Quality를 0으로 놓고 영상을 압축하는 경우도 흔치 않기 때문에 제안한 기법으로 워 터마크를 삽입한 결과는 우수하다고 볼 수 있다. 그림 12에는 각 에 러 율에 해당하는 추출된 워터마크 데이터를 보이고 있다.

후속연구

본 논문에서 분석한 디지털 홀로그램의 특성과 제안한 워터마킹 기법은 추후 관련 분야의 연구자들에게 큰 도움이 되리라고 생각된다.

참고문헌 (9)

P. Hariharan, 'Basics of Holography,' Cambridge University Press, 2002
B. R. Brown and A. W. Lohmann, 'Computer-generated Binary Holograms,' IBM Journal of research and Development, Vol. 13, No.2, pp. 160-168, March 1969

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L. Z. Cai, M. Z. He, L. Qing, and X. L. Yang, 'Digital Image Encryption and Watermarking by Phase-shifting Interferometry,' Applied Optics, Vol. 43, No. 15, pp. 3078-3084, May 2004

상세보기
H. Kim and Y. Lee, 'Optimal Watermarking of Digital Hologram of 3-D object,' Optics Express, Vol. 13, No. 8, pp. 2881-2886, April 2005

상세보기
손정영, '홀로그래피의 원리와 응용', 봉영, 2004
S. Stein and L. T. Vegard, 'HoloVision,' http://www2.edge.no/projects/index.php?expn 2&targetholovision/about.php, Norwegian University of Science and Technology, 2002
서영호, 최현준, 김동욱, 'Fringe 영상의 주파수 특성 분석', 한국통신학회논문지, Vol. 31, No. 11C, pp 1053-1059, Nov. 2005
송종철, 김창수, 정회경, '지상파DMB 데이터 방송 을 위한 DMB 데이터 인서터 시스템 설계 및 구현', 한국해양정보통신학회논문지, 1226-6981, Vol. 9, No.6, pp. 1218-1225, 2005

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W. G. Solomom, 'Shift Register Sequences,' Aegean Park Press, Laguna Hills, CA, 1982

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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