[논문]디지털 시네마의 유출 방지를 위한 시간적인 색차 변화를 이용한 포렌식 워터마킹 기법

양세열; 최혁

디지털 시네마의 유출 방지를 위한 시간적인 색차 변화를 이용한 포렌식 워터마킹 기법
Forensic Watermarking for Digital Cinema Using Temporal Chrominance Differences 원문보기

양세열 (서울시립대학교 대학원 컴퓨터통계학과) , 최혁 (서울시립대학교 컴퓨터학부)

본 논문에서는 동영상 색차 값의 시간적인 변화를 이용한 동영상 포렌식 워터마킹 기법을 제안한다. 제안 방식은 디지털 시네마 영상의 유출 방지를 위한 방안으로 활용 가능하도록 설계되었으며, 계산량이 적고 화질이 우수하여 실제 적용에 용이하다. 실험 결과 제안 방식은 압축 및 캠코더 촬영 등 다양한 변환 및 공격에 대한 강인성을 보여주었고 우수한 워터마크 검출 성능을 확인할 수 있었다.

In this paper, we propose a forensic watermarking scheme using temporal differences of video chrominance values. Proposed method has low complexity and good visual quality, which is suitable for traitor tracing of digital cinema. Experimental results show that our forensic watermarking method has good detection performance and is robust to several attacks, such as camcorder recording and video compression.

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

문제 정의

본 논문에서는 동영상을 이루는 각 프레임의 색차신호(Chmminance) 값 평균의 시간적인 변화를 워터마크 삽입에 이용하여, 비가시성이 우수하면서도 캠코더를 이용한 녹화 등 다양한 공격에 대해 강인성을 가지는 새로운 워터마킹 기법을 제안하였다.
본 논문에서는 시간적으로 변화하는 색차 정보의 통계적 값을 변화시켜 워터마크를 삽입하고 검출하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 공간 영역을 이용한 워터마크 삽입, 검출을 수행하므로 계산 복잡도가 높지 않으며, 화질 측면에선인간 시각시스템에서 민감도가 낮은 Cb와 Cr을 워터마크 삽입에 사용하였고 픽셀 값의 변화를 프레임별로 전체적으로 변화시킴으로써 우수한 화질을 유지할 수 있었다.

제안 방법

또한 워터마크는 반복적으로 삽입할수록 추출 확률이 높아지므로 제안 기법에서는 워터마크를 반복적으로 삽입하며, 이때 원본 영상이 없어도 워터마크를 추출하기 위해선 반복적으로 삽입되어 있는 워터마크의 시작점과 길이를 알아야 한다. 이와같이 워터마크의 시작점과 길이를 알아내어 워터마크를 찾아내는 것을 일반적으로 동기화라고 한다.
본 논문에서 제안하는 워터마킹 방식은 디지털시네마의 동영상 프레임을 YCbCr로 변환하고 Y, Cb, Cr 중에서 인간 시각 특성에 덜 민감한 Cb와 Cr을 워터마크 삽입에 이용한다. 동영상은 시간적으로 유사한 이미지들이 연속되는 경향이 있으며 이러한 연속적인 평균값의 유사성은 단일 프레임사이에서 뿐만 아니라 다수의 프레임을 묶어서 구한 평균값들에서도 나타난다.
실험 과정을 정리해보면 먼저 워터마크 삽입 과정으로 동영상 파일을 각 프레임별로 인접한 3 프레임의 Cb와 & 픽셀 값의 평균을 비교하고 워터마크 정보에 따라 3프레임의 픽셀 값을 조정하였다. 삽입 과정 이후 워터마크가 삽입된 동영상은 모니터를 통해 재생될 수 있는데 이때 캠코더로 촬영을 수행하였다.
즉, Cb와 Cr영역에 동일한 워터마크가 반복적으로 삽입되는데 각각의 워터마크 앞에 동기화를 위해 M 길이를 갖는 1 정보를 Cb 영역에 삽입하고 Cr에는 M 길이를 갖는 0 정보를 삽입한다. 워터마크 검출 시에는 bit sync를 맞춘 후 워터마크를 검출하면서 M 개의 연속된 동일 정보가 나오는 경우를 먼저 검사하는 방법으로 watermark sync를 맞춘다.
값은 0이 된다. 워터마크는 삽입 시 반복적으로 삽입되기 때문에 검출된 워터마크를 누적하여 저장해놓은 후 통계적인 방법을 이용하여 최종 워터마크 값을 검출한다.
제안 워터마크 삽입 알고리즘은 영상의 Cb와 Cr 값 평균의 시간적인 차이를 워터마크 삽입에 이용한다. 이러한 방식은 주파수 영역이 아닌 공간영역을 워터마크 삽입에 이용하며, 픽셀 마다 다른 값의 변화를 주는 것이 아닌 전체 픽셀에 대해 유사한 값 변화를 주게 되므5, 계산량이 많지 않으면서 우수한 화질을 얻을 수 있다.

대상 데이터

실험에 사용된 동영상은 (그림 7)의 7가지 동영상 클립을 대상으로 하였으며, 각 샘플 동영상의 1000프레임을 워터마크 삽입에 사용하였다. 알고리즘은 Matlab으로 구현하였고 동영상의 캡처와 인코딩 등의 동영상 편집은 Adobe Premiere를 이용하였다.

이론/모형

알고리즘은 Matlab으로 구현하였고 동영상의 캡처와 인코딩 등의 동영상 편집은 Adobe Premiere를 이용하였다. 삽입된 워터마크 정보량은 35bit이다.

성능/효과

실험 결과 49.1&B에서 51.29dB 사이의 PSNR값이 측정되어, 평균 50dB에 가까운 높은 PSNR을 보임으로써 제안된 방식이 디지털 시네마에 적합한 매우 우수한 화질의 삽입 방법임을 확인할 수 있었다.
제안된 알고리즘은 공간 영역을 이용한 워터마크 삽입, 검출을 수행하므로 계산 복잡도가 높지 않으며, 화질 측면에선인간 시각시스템에서 민감도가 낮은 Cb와 Cr을 워터마크 삽입에 사용하였고 픽셀 값의 변화를 프레임별로 전체적으로 변화시킴으로써 우수한 화질을 유지할 수 있었다. 실험 결과 캠코더 촬영의 경우에도 높은 워터마크 검출율을 보였는데, 캠코더 촬영에는 의도적이지 않은 다양한 기하학적인 변형이 있으므로(회전, 크기변형, cropping, 화면 떨림 등), 검출결과를 통해 제안 방법의 강인성이 매우 높음을 확인할 수 있고, 따라서 디지털 시네마의 유출방지를 위한 포렌식 워터마킹 기법으로 활용할 수 있다.
실험 결과 캠코더로 촬영된 동영상에서 추출된 워터마크 검출 결과는 (표 2)와 같으며, 지안된 워터마크 기법은 동영상 캠코더 촬영 후에도 35bit의 워터마크를 높은 확률로 검출하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 압축(DivX 1200bps로 인코딩)과 스케일링(848x480의 영상을 624x352로 변환)을 수행한후 워터마크를 검출하여도 (표 3)과 같이 높은 검출 확률을 보임을 실험 결과 확인하였다.
알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 공간 영역을 이용한 워터마크 삽입, 검출을 수행하므로 계산 복잡도가 높지 않으며, 화질 측면에선인간 시각시스템에서 민감도가 낮은 Cb와 Cr을 워터마크 삽입에 사용하였고 픽셀 값의 변화를 프레임별로 전체적으로 변화시킴으로써 우수한 화질을 유지할 수 있었다. 실험 결과 캠코더 촬영의 경우에도 높은 워터마크 검출율을 보였는데, 캠코더 촬영에는 의도적이지 않은 다양한 기하학적인 변형이 있으므로(회전, 크기변형, cropping, 화면 떨림 등), 검출결과를 통해 제안 방법의 강인성이 매우 높음을 확인할 수 있고, 따라서 디지털 시네마의 유출방지를 위한 포렌식 워터마킹 기법으로 활용할 수 있다.

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