[논문]다 해상도 특성을 갖는 2D 셀룰러 오토마타 변환을 이용한 디지털 워터마킹

박영일; 김석태

다 해상도 특성을 갖는 2D 셀룰러 오토마타 변환을 이용한 디지털 워터마킹
Digital Watermarking using Multi-resolution Characteristic of 2D Cellular Automata Transform 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.34 no.1C, 2009년, pp.105 - 112

박영일 (부경대학교 정보통신공학과 정보시스템 연구실) , 김석태 (부경대학교 전자컴퓨터정보통신공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 다 해상도 특성을 갖는 2D 셀룰러 오토마타 변환 (2D Cellular Automata Transform)을 이용한 디지털 워터마킹 방법을 제안한다. 먼저 게이트웨이(gateway) 값들을 선택하여 기저함수를 만든 후 원 영상을 셀룰러 오토마타 영역으로 변환한다. 다음 변환 영역의 특정 부분에 랜덤 비트 옅을 워터마크로 삽입한다. 마지막으로 실험을 통하여 제안 방법의 충실도가 기존의 방법보다 높을 뿐만 아니라 JPEG 압축, 필터링, 첨예화, 노이즈 등 공격에도 강인성을 가지고 있음을 증명한다. 본 제안 방법에서 기저함수는 한 조의 게이트웨이 값들에 의해 유일하게 하나가 존재하며 가능한 게이트웨이 값들의 종류는 $2^{96}$개가 있기 때문에 뛰어난 안전성을 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a digital watermarking method using Multi-resolution Characteristic of 2D CAT (2D cellular automata transform). Firstly, we select the gateway values to generate a basis function and the basis function transforms images into cellular automata space. Then, we embed the random bit sequence as watermark in specific parts of cellular automata transform coefficients. The proposed method not only verifies higher fidelity than the existing method but also stronger stability on JPEG lossy compression, filtering, sharpening and noise through tests for robustness. Moreover, the proposed scheme allows only one 2D CAT basis function per gateway value. Since there are $2^{96}$ possible gateway values.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 DWT 역 변환때에 계수 손실에 따른 워터마크 손실과 SHIBA Reiko 등이 제안한 방법에서 존재하는 문제점을 해결하기 위하여 각 셀들의 상태가 국소적인 상호작용에 의해 동시에 갱신되는 시스템인 셀룰러 오토마타를 이용하여 새로운 영역의 워터마킹 방법을 제안한다. 제안 방법은 먼저 게이트웨이 값 (Gateway Values)의 설정에 따라 2D 셀룰러 오토마타 기저함수를 생성하여 원 영상을 셀룰러 오토마타 영역으로 변환하였다.
본 논문에서는 워터마킹 시스템의 안전성을 높이기 위하여 기존 영역의 방법과 달리 2D 셀룰러 오토마타 변환을 이용한 워터마킹 방법을 제안하였다. 제안방법에서 셀룰러 오토마타 변환의 기저함수는 +1과 -1의 두 가지 값으로만 표현되기에 역변환 시에 계수 손실이 없으며, 또한 기저함수는 한 가지조합의 게이트웨이 값들에 의해 유일하게 하나가 생성되며 가능한 조합은 2如가지가 있다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 고려하여 셀룰러 오토마타 (Cellular Automata) 기술을 기반으로 한 디지털 워터마킹 방법을 제안한다’ 셀룰러 오토마타는 Von Neumann [11]에 의해 스스兒 조직화 하고 재생산할 수 있는 모델로 처음 소개되었으며 Stephe n Wolfram [12-13]에 의해 셀(Cell)의 상태가 자기 자신 및 인접한 셀 상태의 국소적인 상호작용에 의해서 동시에 갱신되는 시스템으로 제안되었다. 특히 다음 상태를 결정하는 함수가 선형인 셀룰러 오토마타는 LFSR (Linear Feedback Shift Register) 의대 안으로 제안되었고 이로 인해 오류정정부호 신호 분석 등 분야에서 응용되고 있다

제안 방법

블러링 영상처리 실험에서는 워터마킹 된 이미지에 3X3 사이즈의 필터를 적용 시켰고 미디언 필터 실험에서는 3X3 사이즈의 필터를 적용하였다. 제안 방법은 미디언 필터, 블러링, 샤프닝 등 필터 공격을 가한 영상에서도 워터마크를 검출할 수 있을 뿐만 아니라 측정한 워터마크의 유사도는 각각 0.
정지영상은 쉽게 JPEG으로 압축되어 인터넷상에서 배포되는데 제안방법의 JPEG 압축에 대한 강인성을 검증하기 위하여 워터마킹 영상에 JPEG 압축 품질을 여러 단계로 나누어 유사도 측정을 하였다.
제안 방법은 먼저 게이트웨이 값 (Gateway Values)의 설정에 따라 2D 셀룰러 오토마타 기저함수를 생성하여 원 영상을 셀룰러 오토마타 영역으로 변환하였다. 다음 랜덤 비트 열을 워터마크로 셀룰러 오토마타 변환계수의 일부분 영역에 삽입하였다.
제안방법에서 셀룰러 오토마타 계수 % 을 흘수, 짝수 위치에 따라 재배열하면 림 4와 같이 다 해상도 특성을 갖는 4개 대역으로 나누어지며 각각 저주파 성분, 중고주파 성분과 고주파 성분을 나타낸다.
제안한 워터마킹 방법의 순서를 그림 3에 나타낸다 제안한 워터마킹 방법은 먼저 게이트웨이 값으로 기저함수 4而을 만든 후 원 영상을 셀룰러 오토마타 영역으로 변환한다. 다음 변환 계수의 일부분 대역을 선택하여 랜덤 비트 열을 워터마크로 삽입하고 셀룰러 오토마타 역 변환하면 워터마크 된 영상을 얻는다
실험하였다. 워터마크는 랜덤 흐! 특성을 가지는 랜덤 비트 열을 사용하여 워터마크를 구성하였다워터마크刍 길이는 1000로 하였고 500번째로부터 발생시킨 워터마크 열을 삽입하였다. 본 논문에서는 100가지 영상들을 가지고 실험하였으며 그 중 일부분 영상들을 ■그림 5에 나타낸다.

대상 데이터

워터마크는 랜덤 흐! 특성을 가지는 랜덤 비트 열을 사용하여 워터마크를 구성하였다워터마크刍 길이는 1000로 하였고 500번째로부터 발생시킨 워터마크 열을 삽입하였다. 본 논문에서는 100가지 영상들을 가지고 실험하였으며 그 중 일부분 영상들을 ■그림 5에 나타낸다.
본 논문에서는 제안한 알고리즘으] 유용성을 확인하기 위해 256X256 크기의 그레이 영상을 사용하여 실험하였다. 워터마크는 랜덤 흐! 특성을 가지는 랜덤 비트 열을 사용하여 워터마크를 구성하였다워터마크刍 길이는 1000로 하였고 500번째로부터 발생시킨 워터마크 열을 삽입하였다.

성능/효과

역 변환 시에 정확한 기저함수를 적용하지 않으면 원 데이터를 회복할 수 없기 때문에 제안방법은 기존의 주파수 영역 방법보다 훨씬 뛰어난 안전성을 가지고 있다. 또한 제안방법의 강인성 실험에서 JPEG 압축, 필터링, 노이즈 등 공격에도 강인한 특성을 가지고 있음을 확인하였다. 향후에는 기저 함수의 성질규명에 대한 연구와 이를 이용한 저작권 보호에 관한 연구가 활발히 진행될 것으로 기대된다.
그림 8은 서로 다른 JPEG 압축품질에서 제안방법과 DWT 영역에서의 방법을 비교하여 측정한 유사도를 나타내고 있다. 비교 결과 셀룰러 오토마타 변환을 이용한 제안방법이 압축 공격에도 우수한 강인성을 가짐을 확인할 수 있었다
실험결과와 분석을 통하여 셀룰러 오토마타 변환기반의 워터마킹 방법은 역 변환 시에 계수 손실이 없을 뿐만 아니라 기존 방법보다 뛰어난 안전성 (sec urity)과 높은 충실도 (fidelity)를 가지고 있으며 또한 여러 가지 공격에도 강인성 (robusB猝s)을 가지고 있음을 확인한다.
영상의 유사도를 나타내고 있다. 잡음 첨가 실험에서 가우시안 노이즈에 의한 유사도는 0.9225이며 제안한 방법이 노이즈 공격에도 강인하다는 것을 알 수 있다
블러링 영상처리 실험에서는 워터마킹 된 이미지에 3X3 사이즈의 필터를 적용 시켰고 미디언 필터 실험에서는 3X3 사이즈의 필터를 적용하였다. 제안 방법은 미디언 필터, 블러링, 샤프닝 등 필터 공격을 가한 영상에서도 워터마크를 검출할 수 있을 뿐만 아니라 측정한 워터마크의 유사도는 각각 0.4568, 0.4589와 0.5247 이다. 표 5는 필터링 공격에 대한 제안방법과 DWT기반 방법과의 비교를 나타내고 있다.
있다. 제안방법의 유사도는 0.3564이며 압축품질이 매우 낮은 조건에서도 여전히 워터마크를 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그림 8은 서로 다른 JPEG 압축품질에서 제안방법과 DWT 영역에서의 방법을 비교하여 측정한 유사도를 나타내고 있다.
표 5는 필터링 공격에 대한 제안방법과 DWT기반 방법과의 비교를 나타내고 있다. 표 5에서 알 수 있듯이 제안한 방법은 미디언 필터, 블러링, 샤프닝 등과 같은 영상처리 공격에도 역시 강인함을 확인할 수 있다.
있다. 표3에서 볼 수 있듯이 워터마킹 된 영상의 PSNRe 모두44dB이상으로서 제안한 방법이 우수한 충실도를 가진 다는 것을 알 수 있으며 표 4어서 기존 영역 방법과의 비교를 통하여 제안 방법이 기존 영역의 방법에 비하셔 충실도 측면에서 우수한 성능을 가진다는 것을 알 수 있다

후속연구

그러나 이 논문에서 기저함수의 생성법 및 게이트웨이 값의 설정이 명확하지 않고 워터마크 삽입계수에 대한 구체성이 결여되어 있으며 룰 사용이 제한되어있어 범용성이 떨어지는 문제점이 있다.

참고문헌 (15)

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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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