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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 기존의 연구들에서 고려되지 않은 이종 멀티미디어 서비스 중에서 비디오 콘텐츠에 대한 저작권 보호를 제공하기 위해 SVC[15, 16] 및 트랜스코딩에 강인한 비디오 워터마킹 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 MPEG-4 SVC에서 지원하는 다양한 해상도, 프레임율 그리고 화질 변화뿐만 아니라, 트랜스코딩에서 지원하는 다양한 압축 형식과 네트워크 환경에서도 워터마크를 검출하는 것이 가능하도록 하며, 원본 영상을 필요로 하지 않는 블라인드 워터마킹 (blind watermarking)을 수행한다.
- 본 논문에서는 이종 멀티미디어 서비스 상에서 비디오 콘텐츠의 저작권 보호를 제공하기 위해, SVC 및 트랜스코딩에 강인한 블라인드 비디오 워터마킹 기법을 제안한다. MPEG-4 SVC와 트랜스코딩 기반에서 제안한 비디오 워터마킹 시스템은 그림 3에서와 같다.
제안 방법
- 와 같이 얻는다. 그리고 QROi 내에 {婷‘10 GW 1, 0 MjWl}를 제외한 나머지 값들을 임의의 순서로 1차원 스캔한 후, 연속하는 이웃 값들의 평균을 수행함으로써 워터마크 키인 1차원 확장 양자화 테이블 Q을 생성한다.
- 이상과 같이 각 프레임 내에 워터마크 비트열 W= {허此[1, 7妇}을 검출하여 통계적인 확률을 이용하여 최종 16비트로 생성한 다음, 이를 ASCII 코드로 변환하여 워터마크 문자 p(w每를 얻는다. 마지막으로 그룹 GF단위로 삽입된 워터마크 문자 讯旳'에 포함된 각 문자의 순서별로 재구성함으로써 삽입된 워터마크 문자열 WS를 검출한다.
- 생성한 다음, 이를 각 프레임에 삽입한다. 본 논문에서는 风을 5로 실험적으로 결정하였으며, 각 프레임당 총 80비트가 삽입된다.
- 본 논문에서는 이종 멀티미디어 서비스 중에서 비디오 콘텐츠에 대한 안정성과 신뢰성 그리고 저작권 보호를 제공하기 위해 MPEG-4 SVC 및 트랜스코딩에 강인한 비디오 워터마킹 기법을 제안한디' 제안한 방법에서는 먼저 순서가 포함된 각 문자열을 임의 치환하여 이를 워터마크 문자열을 생성한 후, 이를 문자열 길이만큼 프레임 그룹으로 나누어 각 프레임 내에 순차적으로 삽입한다. 여기서 시간적 스케일러빌러티에 대한 강인성은 각 프레임 그룹단위로 다르게 임의 치환된 워터마크 문자를 삽입함으로써 얻을 수 있다.
- 본 절에서는 일반적인 SVC 및 트랜스코딩의 부호화 기술을 살펴본 후' 이들 부호화 기술들을 워터마킹 관점에서 분석하기로 한다.
- 제안한 방법에서는 JPEG/MPEG에서 사용되는 8×8 양자화 테이블을 ROI 크기만큼 확장하여 이를 워터마크 키로 사용한다. 즉, 확장 양자화 테이블 Qroi는 8×8 양자화 테 이블 Qo= {妇0 < i, j < 가을 수평 및 수직 보간기에 의하여
- 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 MPEG-4 SVC에서 지원하는 다양한 해상도, 프레임율 그리고 화질 변화뿐만 아니라, 트랜스코딩에서 지원하는 다양한 압축 형식과 네트워크 환경에서도 워터마크를 검출하는 것이 가능하도록 하며, 원본 영상을 필요로 하지 않는 블라인드 워터마킹 (blind watermarking)을 수행한다. 제안한 워터마크 삽입 및 검출 과정은 공간 스케일러빌러티를 고려하여 공간적 기본계층(spatial base layer)을 기준으로 수행되며 트랜스코딩 및 압축에 강인하게 하기 위해 ROI(re-gion of interest)내에서 DCT 기반으로 수행된다.
- 제안한 방법에서는 시간 스케일러빌러티를 고려하여 疋 길이의 문자열을 생성한 다음, 각 문자에 대한 순서 정보를 구성하여 이를 워터마크로 사용한다. 워터마크 생성 과정에서는 그림 4에서와 같이 임의의 문자열 WS={W이"[1四}에 순서가 포함된 워터마크 문자열 ^加={殆=讽이馆[1四}을 생성한다.
- 워터마크 문자열 WC는 그룹 GF, 단위로 임의 치환 七(可。) = {1>点"』曰槌]}한 후, 치환된 문자열을 ASCD 코드로 비트열로 변환된다. 제안한 방법에서는 임의 치환된 각 문자 為(WCD의 16비트들을 凡배로 확장하여 워터마크 비트열 W={떼目1, 7妇}, Nw =7ex165. 생성한 다음, 이를 각 프레임에 삽입한다.
- 제안한 방법의 강인성을 평가하기 위한 실험에서는 MPEG-2 및 MPEG-4 SVC간의 트랜스코딩 이 수행된 후 검출된 워터마크 문자열의 에러율과 BER(bit error rate)을 이용하여 워터마크의 강인성을 평가하였다. 본 실험에서 사용된 워터마크 문자열을 그룹 단위로 임의 치환된 문자 鸟(响 = 也(以2)|疟는 그림 7에서와 같다.
- 워터마크는 시간적 SVC를 고려하여 삽입 순서가 포함된 문자열로 사용되며, 이를 각 비디오 프레임의 저·중간 주파수 영역에 양자화 기법을 이용하여 특정 비트에 워터마크를 삽입한다. 제안한 방법의 비가시성과 강인성의 성능을 평가하기 위하여 서로 다른 영상 특성을 가지는 테스트 비디오들에 대해 SVC 및 트랜스코딩 환경으로써 MPEG-2 및 MPEG-4 SVC 압축을 통한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 실험을 통하여 제안한 방법이 MPEG-2와 MPEG-4 SVC 서로간의 트랜스코딩 및 각각의 스케일러 빌리티에 강인함을 확인하였다.
- 제안한 방법에서는 MPEG-4 SVC에서 지원하는 다양한 해상도, 프레임율 그리고 화질 변화뿐만 아니라, 트랜스코딩에서 지원하는 다양한 압축 형식과 네트워크 환경에서도 워터마크를 검출하는 것이 가능하도록 하며, 원본 영상을 필요로 하지 않는 블라인드 워터마킹 (blind watermarking)을 수행한다. 제안한 워터마크 삽입 및 검출 과정은 공간 스케일러빌러티를 고려하여 공간적 기본계층(spatial base layer)을 기준으로 수행되며 트랜스코딩 및 압축에 강인하게 하기 위해 ROI(re-gion of interest)내에서 DCT 기반으로 수행된다. 워터마크는 시간적 SVC를 고려하여 삽입 순서가 포함된 문자열로 사용되며, 이를 각 비디오 프레임의 저·중간 주파수 영역에 양자화 기법을 이용하여 특정 비트에 워터마크를 삽입한다.
- I 프레임의 간격은 96, SVC를 위한 GOP는 워터마크 문자 수와 동일한 4이다. 트랜스코딩에 대한 실험에서는 MPEG-2 vl2[17]를 사용하여 MPEG-2 부호화 및 복호화한 후 이를 MPEG-4 SVC의 여러 계층으로 변환한 것과 이와 반대로 MPEG-4 SVC의 여러 계층으로 부호화 및 복호화한 각 시퀀스를 다시 MPEG-2 변환하여 워터마크를 검출하였디..
- Wang 등[14]은 MPEG-2 부호화하는 과정에서 선택된 I 프레임과 그 전.후 프레임에 대해 그룹 단위로 DCT를 수행한 후, 전.후 프레임의 DCT 계수들을 참조하여 I 프레임의 DC계수 주변에 있는 AC 계수에 워터마크를 삽입한다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용된 워터마크는 “MSCP” 의 문자열에 순서 정보를 할당한 다음, 각 그룹 단위로 임의 치환하여 이를 ASCII 코드로 변환된 이진 비트열이다.
- 제안한 방법의 성능 평가를 위하여 본 실험에서는 CIF급의 Crew, Football, Forman 및 Bus 영상을 사용하였다. 본 실험에서 사용된 워터마크는 “MSCP” 의 문자열에 순서 정보를 할당한 다음, 각 그룹 단위로 임의 치환하여 이를 ASCII 코드로 변환된 이진 비트열이다.
데이터처리
- MPEG-4 SVC 에 대한 실험에서는 JVT에서 SVC의 참조 소프트웨어로서 제공한 Joint Scalable Video Model(JSVM)을 사용하였다[3, 4]. 비디오 해상도 크기 변환 및 프레임율에 대한 다운 샘플링은 JSVM 7.0에서 제공하는 DownConvertStatic 프로그램 [4]을 사용하였다. 공간 스케일러빌리티 상에서는 두 개의 계층을 가지도록 하였고, 이들 계층은 각각 저화질로 30, 고화질로 20의 양자화 매개 변수를 가지도록 하였다.
- 제안한 방법의 비가시성을 평가하기 위하여 워터마크가 삽입된 비디오와 원본 비디오 간의 평균 PSNR(peak signal-to-noise ratio)을 비교하였다. 제안한 방법에 의하여 워터마크가 삽입된 기본 계층 및 상위계층의 첫 번째 프레임을 그림 6에 나타내었다.
이론/모형
- 같으며, 이는 표 1에 나타내었다. MPEG-4 SVC 에 대한 실험에서는 JVT에서 SVC의 참조 소프트웨어로서 제공한 Joint Scalable Video Model(JSVM)을 사용하였다[3, 4]. 비디오 해상도 크기 변환 및 프레임율에 대한 다운 샘플링은 JSVM 7.
- 본 실험에서는 Wong의 방법 및 Kong의 방법과 제안한 방법을 BER 척도를 가지고 비교 평가하였다. 여기서 BERe 삽입되는 워터마크 총 비트에 대하여 에러가 발생한 비트수의 비율을 나타낸다.
성능/효과
- Kong의 방법과 제안한 방법 간의 비교실험 결과는 그림 11에서와 같다. 그림 11 (a)에서와 같이 QCIF에 대한 FGS 3에서는 Kong의 방법의 BER이 낮게 나타나지만, FGS 0에서는 BER이 45% 이상이므로 워터마크가 검출되지 않음을 확인할 수 있다. 이는 블록 DCT에 의한 DC 계수값에 워터마크를 삽입하므로 다양한 양자화 스텝 사이즈를 제공하는 SNR 스케일러빌리티 및 FGS가 고려되지 않았기 때문이다.
- 다음 FGS 계층별 결과를 살펴보면, 가장 좋은 화질을 나타내는 FGS계층 3에서는 워터마크가 90%이상 검출되며, 중간 화질을 나타내는 FGS계충 에서는 워터마크가 이상 검출된다. 가장 낮은 화질을 나타내는 FGS계층 0에서는 다른 FGS계층에 비해 검출 에러율이 다소 높았으나, 워터마크가 50-70%이상 검출됨을 확인할 수 있다. 여기서 검출된 워터마크를 그룹 단위로 나열한 후 순서별로 재구성함으로써 삽입된 워터마크 문자열을 확인할 수 있다.
- 기존의 방법들은 단일 콘텐츠에 대한 일반적인 비디오 영상에 대한 워터마킹 기법이므로, SVC와 같은 이종 멀티미디어 서비스 상에서 제공하는 다양한 해상도와 프레임율 그리고 화질의 변화 등에 워터마크를 검출이 불가능함을 확인할 수 있다. 그러나 그림 10 및 그림 11에서와 같이 기존의 방법들보다 제안한 방법이 워터마크 검출 성능이 보다 우수함을 확인할 수 있다.
- 표 2를 살펴보면 각 비디오별로 워터마크를 삽입한 후 MPEG-4 압축한 비디오의 평균 PSNR이 원본 비디오를 MPEG-4 SVC 압축한 비디오에 비해 7-8dB 낮게 나타났고, 워터마크를 삽입한 후 MPEG-2 및 MPEG-4 SVC로 트랜스코딩을 수행한 비디오의 평균 PSNm이 원본 비디오에 MPEG-2 및 MPEG-4 SVC로 트랜스코딩을 수행한 비디오보다 2-3dB 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 각 비디오의 평균 PSNR 수치가 30dB 이상으로 나타나므로 워터마크로 인한 비디오 화질의 열화는 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
- 중간 주파수 영역 계수의 특정 비트에 워터마크를 삽입한다. 그리고 압축 변환 기법에 의한 비디오 트랜스코딩은 공간적 SVC와 시간적 SVC 그리고 FGS에서 야기될 수 있는 문제점보다 심각한 변형이나 훼손이 발생되지 않기 때문에 제안한 방법으로 비디오 트랜스코딩에 대한 강인성 또한 얻을 수 있다. 본 실험결과를 통하여 제안한 방법이 공간, 시간, 및 화질에 대한 SVC와 MPEG-2와 MPEG-4 SVC간의 트랜스코딩에 대하여 강인함을 확인할 수 있었다.
- 먼저 해상도와 프레임율에 따른 결과를 살펴보면, 업 샘플링을 거친 CIF가 QCIF보다 검출 에러율이 3-10% 정도 높으나, 삽입된 워터마크 문자 60개 중 50%(FGS계층 0)-80% (FGS계층 3)이상 검출됨을 확인할 수 있다. 그리고 프레임 삭제 등으로 인하여 프레임율이 낮아지더라도 워터마크가 70%(FGS계층 0)-95%(FGS계층 3) 이상 검출됨을 확인할 수 있다. 다음 FGS 계층별 결과를 살펴보면, 가장 좋은 화질을 나타내는 FGS계층 3에서는 워터마크가 90%이상 검출되며, 중간 화질을 나타내는 FGS계충 에서는 워터마크가 이상 검출된다.
- 그리고 프레임 삭제 등으로 인하여 프레임율이 낮아지더라도 워터마크가 70%(FGS계층 0)-95%(FGS계층 3) 이상 검출됨을 확인할 수 있다. 다음 FGS 계층별 결과를 살펴보면, 가장 좋은 화질을 나타내는 FGS계층 3에서는 워터마크가 90%이상 검출되며, 중간 화질을 나타내는 FGS계충 에서는 워터마크가 이상 검출된다. 가장 낮은 화질을 나타내는 FGS계층 0에서는 다른 FGS계층에 비해 검출 에러율이 다소 높았으나, 워터마크가 50-70%이상 검출됨을 확인할 수 있다.
- 여기서 음영이 들어간 블록은 검출된 워터마크 문자가 오류가 발생함을 나타낸다. 먼저 해상도와 프레임율에 따른 결과를 살펴보면, 업 샘플링을 거친 CIF가 QCIF보다 검출 에러율이 3-10% 정도 높으나, 삽입된 워터마크 문자 60개 중 50%(FGS계층 0)-80% (FGS계층 3)이상 검출됨을 확인할 수 있다. 그리고 프레임 삭제 등으로 인하여 프레임율이 낮아지더라도 워터마크가 70%(FGS계층 0)-95%(FGS계층 3) 이상 검출됨을 확인할 수 있다.
- 그리고 압축 변환 기법에 의한 비디오 트랜스코딩은 공간적 SVC와 시간적 SVC 그리고 FGS에서 야기될 수 있는 문제점보다 심각한 변형이나 훼손이 발생되지 않기 때문에 제안한 방법으로 비디오 트랜스코딩에 대한 강인성 또한 얻을 수 있다. 본 실험결과를 통하여 제안한 방법이 공간, 시간, 및 화질에 대한 SVC와 MPEG-2와 MPEG-4 SVC간의 트랜스코딩에 대하여 강인함을 확인할 수 있었다.
- 제안한 방법의 비가시성과 강인성의 성능을 평가하기 위하여 서로 다른 영상 특성을 가지는 테스트 비디오들에 대해 SVC 및 트랜스코딩 환경으로써 MPEG-2 및 MPEG-4 SVC 압축을 통한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 실험을 통하여 제안한 방법이 MPEG-2와 MPEG-4 SVC 서로간의 트랜스코딩 및 각각의 스케일러 빌리티에 강인함을 확인하였다.
- 여기서 검출된 워터마크를 그룹 단위로 나열한 후 순서별로 재구성함으로써 삽입된 워터마크 문자열을 확인할 수 있다. 이상의 실험 결과로부터 제안한 방법이 공간, 시간 및 화질에 대한 스케일러빌리티와 MPEG-2와 MPEG-4 SVC간의 트랜스코딩에 대하여 강인함을 확인할 수 있다.
- 30fps의 테스트 비디오에 대해 각각 워터마크 삽입 전에 MPEG-2 및 MPEG-4 SVC를 적용한 비디오 데이터와 워터마크 삽입 후에 MPEG-2 및 MPEG-4 SVC를 적용한 비디오 데이터에 대한 각 SVC 계층별 평균 R5NR 수치는 표 2에서 같다. 표 2를 살펴보면 각 비디오별로 워터마크를 삽입한 후 MPEG-4 압축한 비디오의 평균 PSNR이 원본 비디오를 MPEG-4 SVC 압축한 비디오에 비해 7-8dB 낮게 나타났고, 워터마크를 삽입한 후 MPEG-2 및 MPEG-4 SVC로 트랜스코딩을 수행한 비디오의 평균 PSNm이 원본 비디오에 MPEG-2 및 MPEG-4 SVC로 트랜스코딩을 수행한 비디오보다 2-3dB 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 각 비디오의 평균 PSNR 수치가 30dB 이상으로 나타나므로 워터마크로 인한 비디오 화질의 열화는 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
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