[논문]MPEG-2 Codec에 대한 디지털 워터마크 삽입 및 검출 시스템 개발

황선철

doi:10.5370/kieep.2010.59.4.390

문제 정의

본 실험에서는 원본 영상과 워터마크된 영상간의 차분 영상을 구해보았다. 이 결과는 영상이 크기변환(resizing) 또는 비트율 저하(bit rate down) 공격 등을 받는 것에 대비하기 위한 결과이며 이 경우 결과 차분 영상을 여러 장 겹쳤을 때 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 HDTV용 워터마킹 주입장치를 개발하기 위해 그림과 같이 MPEG-2 Codec을 개발하였다[3]. MPEG-2 Codec은 방송용 Stream인 TS를 디멀티플렉싱 (DeMUX)하여 MPEG-2 영상 File인 XXX.
본 연구에서는 동영상에 워터마크를 삽입하고 검출하는 시스템의 개발에 대한 내용을 기술하였다. 동영상의 대상은 현재 방송 중인 HDTV의 국제표준인 MPEG-2 Codec에 대해서 DCT coefficients 중 AC coefficients 의 특정 위치 데이터를 일정한 범위에 드는 후보군을 정해 이 범위에 드는 계수를 특정한 계수로 치환함으로써 워터마킹을 수행하였다.
본 연구에서는 이러한 디지털 동영상의 불법복제를 차단하기 위한 노력으로 HDTV set-top에 탑재할 수 있는 디지털 워터마킹 주입장치를 개발하고자 한다. 디지털 워터마킹이란 디지털 콘텐츠에 사용자 또는 불법 복제를 시도하는 사람이 모르게 콘텐츠의 소유권을 영상에 삽입하거나 복제를 시도하는 사람의 정보를 삽입하는 방법을 말한다[5]~[7].
Cox 등에 의해 본격적으로 시작된 워터마킹에 대한 연구는 초기에 비트맵을 이용한 가시적인 워터마킹에서 시작하여 DCT 계수에 대한 마킹, Wavelet 알고리즘을 이용한 압축에 대한 마킹과 Fractal 알고리즘에 의한 마킹에 이르기 까지 매우 다양한 시도가 있어왔다[5]~[9]. 하지만 현재 우리가 디지털 방송에서 사용되는 압축 방식은 DCT이므로 본 연구에서는 현재 사용하고 있는 MPEG-2의 핵심 압축 방식인 DCT 방식에서의 워터마킹 알고리즘을 이용하여 TV Settopbox에 구현하는 방안과 검출하는 방안에 대한 연구를 진행하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 HDTV용 워터마킹 주입장치를 개발하기 위해 그림과 같이 MPEG-2 Codec을 개발하였다[3]. MPEG-2 Codec은 방송용 Stream인 TS를 디멀티플렉싱 (DeMUX)하여 MPEG-2 영상 File인 XXX.m2v 형태의 파일로 변형하여 실험하였다. 위의 Codec 과정 중 ⑦~⑨번 루틴 내에 Watermark Embedder를 탑재하였다.
Koch 등[6]이 제안한 방식과 유사한 AC 영역에 대한 WM 삽입을 수행하였다. 그러나 본 연구에서는 기존의 단순 마크를 개선하여 슬라이스를 코드화하여 워터마크를 삽입하였다. 이는 슬라이스의 정해진 위치에 마크를 넣거나 하지 않음을 구별하여 디지털 0/1의 마크 효과를 내어 2진수를 마크하는 원리이며 최대한 32비트의 데이터를 삽입할 수 있고 동영상의 특성을 이용하면 구간별로 나누어 삽입함으로써 매우 많은 코드를 삽입할 수 있게 된다.
본 연구에서는 동영상에 워터마크를 삽입하고 검출하는 시스템의 개발에 대한 내용을 기술하였다. 동영상의 대상은 현재 방송 중인 HDTV의 국제표준인 MPEG-2 Codec에 대해서 DCT coefficients 중 AC coefficients 의 특정 위치 데이터를 일정한 범위에 드는 후보군을 정해 이 범위에 드는 계수를 특정한 계수로 치환함으로써 워터마킹을 수행하였다. 이들 삽입 데이터에 대한 검출 결과는 두 가지 모드로 나타내었는데 가장 많이 사용하게 될 원본 디지털 영상에 대한 검출은 특정 위치의 slice에 대해 특정 범위의 계수 중 발생빈도가 월등히 높은 slice를 검출하는 것으로 검출 빈도가 80% 이상이면 검출 된 것으로 판단한다.
본 논문에서는 MPEG이나 JPEG 등에서 사용하는 기본 기술인 DCT 계수를 이용하여 이들 계수의 일정 위치의 데이터의 일정 범위의 데이터를 임의의 계수로 치환시키는 방법으로 워터마크를 수행하여 삽입하고 검출하는 실험을 실시하였다. 디지털 원본 영상을 유통시켰을 경우 검출율은 99% 이상의 검출 결과를 얻을 수 있었으며 영상의 크기변화 공격이나 비트율 저하 공격 등에 대해서는 여러 장의 차분 영상을 겹치는 작업을 통해 최소 약 85%에서 최고 99%의 검출율을 얻을 수 있었다.
이런 이유로 데이터의 치환은 데이터의 전체 변경이 아니라 사이즈와 위치를 그대로 유지한 채 비트를 몇 개 다른 비트로 치환하기 때문에 공격자들은 데이터변경을 인지하기 쉽지 않아 Watermark의 본질인 Invisible 기능을 유지할 수 있게 해준다. 본 연구에서는 DCT coefficients Table 0와 Table 1 중에서 다음에 표로 표시한 부분들을 대상으로 marking 을 수행하였다. 이 부분은 (run, level) 형식으로 표현되는 DCT coefficients 체제에서 (0, 12) ~ (0, 15)에 해당되는 부분이며 표는 다음과 같다.
본 연구에서는 Set-top Box에서 저장한 동영상 데이터에 대해 워터마킹을 실시하지 않은 영상과 워터마킹을 실시한 영상을 한 장면씩 캡쳐하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. Original Image와 Watermarked Image는 육안으로 구별이 불가능 할 정도로 동일한 수준으로 나타났다.
본 연구에서는 삽입한 워터마킹 동영상을 원영상과 수치적으로 비교한 결과를 보기 위해서 영상 변형 검출 수식인 PSNR (Peak Signal to Noise Ratio)을 이용하여 변형 수치를 구했다. PSNR은 통상 dB 수치로 나타나며 수식은 다음과 같다.
본 연구에서는 삽입한 워터마킹을 디지털 데이터에서 검출한 결과 워터마크를 넣지 않은 부분과 넣은 부분의 검출은 데이터 발생 빈도를 검출하여 결정된다. 즉 특정 데이터의 검출 빈도가 80% 이상이면 WM이 삽입된 것으로 판단한다.
위의 결과에서 볼 수 있듯이 차분 영상을 여러 장을 겹쳐서 출력하면 원하는 부분에 삽입되어 차이 나는 부분을 눈으로 확인할 수 있고 이를 이용하여 correlation을 구하면 원하는 부분에 마크가 되었는지에 대한 여부를 확인할 수 있게 된다. 이때 차분 영상의 차분 값은 +1 ^~ -1 정도에 지나지 않는다.
이는 MPEG 계열이 가변길이 부호화를 사용하기 때문에 영상의 장면별로 구별할 수가 없고 데이터구조가 일정 길이를 가지지 않고 비트별로 이루어져있기 때문이다. 이에 근거하여 Codec의 최하위 계층인 블록계층이 식별되면 이 부분에서 원하는 위치에 원하는 코드를 치환하는 방식을 구현하였다.

대상 데이터

MPEG-2 영상은 KBS 제 2 TV에서 방영한 HDTV 방송 데이터를 캡쳐 받아서 사용하였다.
독립된 15장면의 영상으로 이루어지는 계층이다. GOP 계층에는 기준이 되는 I(Intra)프레임이 반드시 1개 이상 존재하고 3장면 마다 하나씩 P(Predictive) 프레임이 존재하며 I, P 프레임 사이에는 양방향예측에 의한 B(Bipredictive) 프레임이 존재한다.
영상을 구성하는 가장 최소단위가 8×8 크기의 화소블록이다.

이론/모형

MPEG-2에서는 이 부분이 디코딩되기 전에는 비트 단위로 가변길이 코드화 되어있는데 워터마킹은 이 부분에서 원하는 위치를 찾아내어 워터마크를 위한 계수를 치환함으로써 이루어진다. 본 연구에서는 I. Cox 등[5]과 E. Koch 등[6]이 제안한 방식과 유사한 AC 영역에 대한 WM 삽입을 수행하였다. 그러나 본 연구에서는 기존의 단순 마크를 개선하여 슬라이스를 코드화하여 워터마크를 삽입하였다.

성능/효과

본 논문에서는 MPEG이나 JPEG 등에서 사용하는 기본 기술인 DCT 계수를 이용하여 이들 계수의 일정 위치의 데이터의 일정 범위의 데이터를 임의의 계수로 치환시키는 방법으로 워터마크를 수행하여 삽입하고 검출하는 실험을 실시하였다. 디지털 원본 영상을 유통시켰을 경우 검출율은 99% 이상의 검출 결과를 얻을 수 있었으며 영상의 크기변화 공격이나 비트율 저하 공격 등에 대해서는 여러 장의 차분 영상을 겹치는 작업을 통해 최소 약 85%에서 최고 99%의 검출율을 얻을 수 있었다.
또한 캡쳐에 의한 크기변환(resizing)이나 비트율을 낮추어 저장하는 공격 등에 대해서는 WM 영상을 원본 영상과 비교하여 차분을 구한 후 여러 장을 겹쳐서 검출하는 방식을 사용하여 공격 상황에 따라 다르지만 평균 85% ~ 99%의 검출율을 얻을 수 있었다.
본 실험에서는 원본 영상과 워터마크된 영상간의 차분 영상을 구해보았다. 이 결과는 영상이 크기변환(resizing) 또는 비트율 저하(bit rate down) 공격 등을 받는 것에 대비하기 위한 결과이며 이 경우 결과 차분 영상을 여러 장 겹쳤을 때 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 다음 그림은 단일 영상에 대한 차분과 이들 영상을 여러 장 겹쳤을 때의 차분 영상 결과이다.
이들 삽입 데이터에 대한 검출 결과는 두 가지 모드로 나타내었는데 가장 많이 사용하게 될 원본 디지털 영상에 대한 검출은 특정 위치의 slice에 대해 특정 범위의 계수 중 발생빈도가 월등히 높은 slice를 검출하는 것으로 검출 빈도가 80% 이상이면 검출 된 것으로 판단한다. 이 실험에 대해 검출율은 약 99% 이상의 결과를 얻을 수 있었다.
동영상의 대상은 현재 방송 중인 HDTV의 국제표준인 MPEG-2 Codec에 대해서 DCT coefficients 중 AC coefficients 의 특정 위치 데이터를 일정한 범위에 드는 후보군을 정해 이 범위에 드는 계수를 특정한 계수로 치환함으로써 워터마킹을 수행하였다. 이들 삽입 데이터에 대한 검출 결과는 두 가지 모드로 나타내었는데 가장 많이 사용하게 될 원본 디지털 영상에 대한 검출은 특정 위치의 slice에 대해 특정 범위의 계수 중 발생빈도가 월등히 높은 slice를 검출하는 것으로 검출 빈도가 80% 이상이면 검출 된 것으로 판단한다. 이 실험에 대해 검출율은 약 99% 이상의 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

또한 본 연구 결과의 검출률을 향상시키거나 각종 공격에 대비한 강인성 보완 연구가 병행되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구의 결과물은 동영상 콘텐츠의 보호 및 불법유통의 추적 장치의 개발로 확대 개발될 수 있으며 이를 위해 향후더 많은 연구를 수행할 예정에 있다. 이를 토대로 기존의 DRM 장치나 기존 방송사들의 콘텐츠 보호 장치를 보완하거나 보강할 수 있는 장치의 개발이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구의 결과물은 동영상 콘텐츠의 보호 및 불법유통의 추적 장치의 개발로 확대 개발될 수 있으며 이를 위해 향후더 많은 연구를 수행할 예정에 있다. 이를 토대로 기존의 DRM 장치나 기존 방송사들의 콘텐츠 보호 장치를 보완하거나 보강할 수 있는 장치의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HDTV 방식은 어떠한 장점이 있는가?	HDTV 방식은 화질이 매우 선명하고 해상도가 높기 때문에 사실감을 높여줄 뿐만 아니라 색감도 뛰어나므로 세계 각국에서는 HD 방송을 위한 콘텐츠의 제작이 활발히 이루어지고 있는 가운데 HD 영상의 뛰어난 화질로 인해 불법 복제와 재가공하려는 시도가 끊임없이 일어나고 있다. 따라서 콘텐츠 제작자나 프로그램 서비스 업자들은 이러한 콘텐츠에 대한 저작권을 강화하고 보호하는데 총력을 기울이고있다.
	디지털 워터마킹이란?	본 연구에서는 이러한 디지털 동영상의 불법복제를 차단하기 위한 노력으로 HDTV set-top에 탑재할 수 있는 디지털 워터마킹 주입장치를 개발하고자 한다. 디지털 워터마킹이란 디지털 콘텐츠에 사용자 또는 불법 복제를 시도하는 사람이 모르게 콘텐츠의 소유권을 영상에 삽입하거나 복제를 시도하는 사람의 정보를 삽입하는 방법을 말한다[5]~[7]. 이렇게 되면 불법으로 유통되는 콘텐츠를 손쉽게 적발할 수 있고 이 콘텐츠의 원래 저작권자가 누구인지 또는 최초로 불법복제를 시도한 사람이 누구인지 알 수 있게 된다.
	ISO-IEC에서 MPEG-2 표준을 정해 동영상 압축 알고리즘을 제정하여 사용하고 있는 이유는 무엇인가?	현재 우리나라에서 표준으로 삼아 서비스 중인 디지털 방송 방식은 1920×1080 해상도를 갖는 HDTV 방송이다. HDTV 방송은 동영상으로 보려면 1.4Gbps 이상의 데이터가 발생하고 있는데 현재 방송채널이 갖고 있는 용량을 초과하는 데이터양이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 ISO-IEC에서는 MPEG-2 표준을 정해서 동영상 압축 알고리즘 제정하여 사용하고 있다.

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