[논문]원본 동영상 대조 없이 가능한 Blind 검출 방식의 코드화된 워터마크 검출 알고리즘

황선철

doi:10.5370/kieep.2010.59.4.395

문제 정의

그러므로 본 연구에서는 HD급의 동영상에 대한 워터마크 삽입 시스템의 설계에 대해 논하고자 한다. HD 영상을 다양한 해상도로 크기 변환 공격한 후 검출할 수 있는 알고리즘의 개발에 대해 논하고자 한다.
특히 콘텐츠로서 가치가 있는 해상도는 HD급으로 현재 우리나라에서 시행되고 있는 고화질 TV의 표준이 여기에 속한다. 그러므로 본 연구에서는 HD급의 동영상에 대한 워터마크 삽입 시스템의 설계에 대해 논하고자 한다. HD 영상을 다양한 해상도로 크기 변환 공격한 후 검출할 수 있는 알고리즘의 개발에 대해 논하고자 한다.
본 연구에서 사용된 공격 유형은 표 1의 일부 또는 모든 경우가 해당되므로 영상을 재 캡쳐하거나 공격을 하면 원본영상의 대조는 불가능하게 된다. 그러므로 본 연구에서는 원본영상의 대조 없이 검출하는 Blind 검출 방식을 개발하였다.
특히 비트맵 삽입 방식은 비가시성이 떨어지며, 화질 저하 공격에 좀 더 취약해진다. 따라서 본 논문에서는 워터마킹의 요구사항을 만족하면서 기하학적 공격이나 화질 저하 공격에 강인한 DC 계수에 마크하는 방식을 사용하고자 한다.
그러나 워터마킹은 일반적으로 저작권자가 누구인지 또는 이 콘텐츠는 워터마킹이 되어 있다는 것만 삽입되는 경우가 대부분이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 워터마킹 기법을 이용하여 콘텐츠에 사용자의 정보를 삽입하여 불법 유통시 최초에 유통시킨 사용자의 정보를 검출할 수 있는 방안에 대한 방안을 개발하였으며 본 논문에서는 이들 정보를 검출하는데 있어서 원본 동영상의 비교 없이 워터마크의 삽입 여부와 삽입 위치를 정보화하여 사용자의 정보를 코드화하여 삽입하는 방안과 이를 검출하는 방안에 대해 논하고자 한다.
또한 본 연구에서 개발된 알고리즘은 MPEG-2 비트열의 일부를 동일 길이로 대치함으로써 워터마크를 삽입하는 방식이므로 전체 파일의 길이가 변화하지 않기 때문에 재 인코딩 부담이 없으므로 향후 임베디드 시스템 (Embedded system) 형태로 개발되어도 연산 부담이 적게 운용될 수 있어 산업분야에 응용하기 위한 더 많은 연구를 계속하고자 한다.
본 연구에서 DCT의 계수 중 DC를 +1 변형하는 방식을 사용하여 영상의 슬라이스를 코드화하여 워터마크를 삽입하는 방안을 개발하였다. 이때 DC 변형에 따른 화질의 변화는 어떻게 되는지를 검출하였다.
본 연구에서는 동영상에 워터마크를 삽입하고 검출하는 방안을 제시하였다. 또한 워터마크를 MPEG-2의 슬라이스 구조를 이용하여 코드화하여 삽입하고 이를 원본 영상의 대조 없이 검출할 수 있는 방안을 제시하고 실험하였다.
본 연구에서는 워터마크가 삽입되기 전인 원본 동영상과 워터마크가 삽입된 영상을 차분하여 워터마크의 여부를 확인하였다. 결과 영상은 차분만을 저장하였기 때문에 0과 1만이 존재한다.
경우에 따라 다르지만 DCT의 AC계수를 변형하는 방식은 기하학적 변형이 가해지지 않은 경우에는 매우 효율적이고 정확하게 검출할 수 있지만 영상의 화질을 변경하게 되면 DCT의 계수가 변화되므로 검출이 매우 어렵게 된다. 본 연구에서는 이러한 문제를 극복하기 위해 DCT의 계수 중에서 DC 계수를 +1 증감시켜 워터마크를 삽입하는 방안을 채택하였고 이에 따른 검출 방법 중 원본 영상의 대조 없이 영상 자체만으로 검출할 수 있는 방안을 개발하였다.
본 연구에서는 일반적인 동영상의 경우 인근 블록이 유사하다는 특성을 이용하여 검출하였다. 이때 유사성은 매크로 블록 픽셀 값의 표준편차가 매우 작은 경우로 판단하였다.

제안 방법

본 연구에서는 동영상에 워터마크를 삽입하고 검출하는 방안을 제시하였다. 또한 워터마크를 MPEG-2의 슬라이스 구조를 이용하여 코드화하여 삽입하고 이를 원본 영상의 대조 없이 검출할 수 있는 방안을 제시하고 실험하였다. 이를 위해 확률적 매칭 방식에 따른 워터마크 검출 방안을 제시하고 동영상 특성에 따라 95%, 92%, 85% 이상의 검출률을 달성했으며 장시간 주기적으로 삽입할 경우 98% 이상의 높은 검출률을 얻을 수 있었다.
이때 검출 결과가 일정하지 못한 이유는 화면 변화가 많은 콘텐츠를 사용하였고 슬라이스 별로 영상 형태가 다르기 때문인 것으로 나타났다. 본 실험에서는 변화가 적은 드라마는 배제하였으며 화면변화 및 움직임이 역동적인 여행 다큐멘터리와 월드컵 축구 축제 중계의 일부분을 사용하였다.
본 연구에서는 3.4에서 제시한 방법에 의해 결정된 매크로블록(MB) 켤레에 대해 차분을 구하고 이들 차분을 축적하여 확률적 매칭 방식에 의해 워터마크 삽입여부를 검출하였다. 이 방식은 켤레 MB를 상호 차분하면 오차를 포함하여 차분값이 나오는데 이때 DC에 +1을 시행한 결과는 MB 내의 픽셀 전반에 다수의 +1 요인이 발생한다.
본 연구에서는 500 프레임에 대해 주기적으로 삽입하였으며 처음 500 프레임에 대해 화면의 움직임이 많아서 충분한 MB 켤레가 확보되지 못한 하위 슬라이스에 대해서 실패하였다. 하지만 이것은 단지 500 프레임에 대한 결과이며 충분히 긴 콘텐츠에 반복적으로 검출되어 통계화 하면 다음 결과에서 나타나듯 매우 정확한 결과를 얻을 수 있게 된다.
하지만 이런 구조 속에서도 통상 15프레임마다 한 프레임씩은 전체 화면데이터 즉 인트라 프레임(Intra frame)을 전송한다. 본 연구에서는 MPEG-2의 이러한 특성을 이용하여 모든 인트라 프레임에 워터마크를 삽입하는 방식을 채택하였다. 특히 인트라 프레임은 다음 그림에서 나타낸 것과 마찬가지로 매크로블록(Macroblock)의 연속인 슬라이스 구조로 이루어져있다.
본 연구에서는 동영상의 일정 부분에 0xa1과 0xb2를 차례로 삽입했는데 다음 그림에 실패한 경우와 성공한 경우를 예시하였다. 결과에서 보면 <그림 7>은 0xa1 (1010 0001)을 삽입했는데 최하위 슬라이스가 통계에 못미쳐서 실패한 경우이고 <그림 8>은 0xb2 (1011 0010)을 삽입한 영상에 대해 검출에 성공한 경우이다.
또한 세로는 1088에 대해 68개의 매크로블록이 분포하는데 실질적으로는 TV의 해상도와 매크로블록에는 8 라인의 차이가 발생하여 마지막 슬라이스는 사용불가하므로 67개가 운용 가능하다. 본 연구에서는 상위 2개의 슬라이스를 기준으로 삼아서 항상 워터마크를 삽입하고 최하단의 1개의 슬라이스는 불완전하므로 사용하지 않아서 총 64개의 슬라이스를 데이터의 코드화에 사용할 수 있도록 설계하였다. 이를 요약하면 다음과 같다.
이점을 이용하면 하나의 슬라이스를 구성하는 최초 블록의 DC를 변형시키면 이후 슬라이스 한 줄 전체가 영향을 받게 하여 워터마크를 삽입할 수 있다. 본 연구에서는 최초의 DC에 +1의 연산을 수행하여 워터마크를 삽입하였다.
본 연구에서 DCT의 계수 중 DC를 +1 변형하는 방식을 사용하여 영상의 슬라이스를 코드화하여 워터마크를 삽입하는 방안을 개발하였다. 이때 DC 변형에 따른 화질의 변화는 어떻게 되는지를 검출하였다. 화질의 변화는 PSNR(Peak Sinal to Noise Ratio)를 계산하여 dB 단위로 나타내어 화질의 열화나 변화를 검출하였다.
이때 DC 변형에 따른 화질의 변화는 어떻게 되는지를 검출하였다. 화질의 변화는 PSNR(Peak Sinal to Noise Ratio)를 계산하여 dB 단위로 나타내어 화질의 열화나 변화를 검출하였다. 일반적으로 원영상을 압축비 1:10 JPEG 압축한 영상의 PSNR은 약 40dB 내외이다.

성능/효과

앞에서 밝혔듯이 모든 구간을 합하여 전체적인 통계를 내면 검출률은 매우 높아져서 98%이상의 검출율을 얻을 수 있게 된다. 또한 결과에서 볼 수 있듯이 두 종류의 다소 강도가 큰 공격에도 매우 안정적인 검출 결과를 얻을 수 있었다. 다만 캡쳐의 경우 프레임의 지연(delay)이나 건너뜀 현상(skip)으로 인해서 검출 프레임 번호가 다소 차이가 나는 경우가 자주 발생하는 것을 알 수 있다.
물론 AC 계수를 변화시켜 얻어진 결과에 비하면 다소 낮은 결과를 나타내지만 기하학적 공격에 강인한 특성을 고려하면 본 연구에서 수행한 DC 계수 변환을 활용하는 방안이 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 또한 상기에 언급한 DC 계수를 +2 또는 +3 증가시켰을 경우 DC 계수를 +1 증가시켰을 경우와 마찬가지로 출력 영상에는 휘도 신호에서 픽셀 값이 +1 증가하는 현상이 나타났으며 다만 증가한 픽셀의 밀도가 증가하는 현상이 나타났다.
본 논문에서 실험한 결과는 화질에 따라 작은 변화는 있지만 전체 화면에 50%에 워터마킹을 삽입한 약 500 장의 영상을 대상으로 실험한 결과 46.86 ± 1.35 dB인 것으로 나타났다.
본 연구에서 제시한 Blind 방식의 검출 방식은 정확한 원본 동영상을 대조하는 번거로움과 가능성이 매우 높은 기하학적 공격 및 화질 저하 공격 등에서는 원본 대조가 불가능한 점을 모두 해결하는 유용한 방식인 것으로 실험 결과 알 수 있었다. 이로써 검출자는 원본 동영상을 모두 저장하고 있어야하는 부담을 해소할 수 있게 되었고 또한 화면에 대한 직접적인 공격에서도 매우 높은 검출율을 얻을 수 있어서 향후 범용의 워터마크 삽입 및 검출 시스템의 개발을 가능하게 할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 워터마크를 MPEG-2의 슬라이스 구조를 이용하여 코드화하여 삽입하고 이를 원본 영상의 대조 없이 검출할 수 있는 방안을 제시하고 실험하였다. 이를 위해 확률적 매칭 방식에 따른 워터마크 검출 방안을 제시하고 동영상 특성에 따라 95%, 92%, 85% 이상의 검출률을 달성했으며 장시간 주기적으로 삽입할 경우 98% 이상의 높은 검출률을 얻을 수 있었다.

후속연구

다만 캡쳐의 경우 프레임의 지연(delay)이나 건너뜀 현상(skip)으로 인해서 검출 프레임 번호가 다소 차이가 나는 경우가 자주 발생하는 것을 알 수 있다. 또한 본 실험에서는 5분짜리 동영상을 사용하였는데 이 동영상을 실제 상황으로 상정하여 10분 이상으로 늘리면 매우 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
이는 JPEG 압축으로 생기는 화질 변화에 비해 다소 좋은 결과를 나타낸 것으로 판단된다. 물론 AC 계수를 변화시켜 얻어진 결과에 비하면 다소 낮은 결과를 나타내지만 기하학적 공격에 강인한 특성을 고려하면 본 연구에서 수행한 DC 계수 변환을 활용하는 방안이 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 또한 상기에 언급한 DC 계수를 +2 또는 +3 증가시켰을 경우 DC 계수를 +1 증가시켰을 경우와 마찬가지로 출력 영상에는 휘도 신호에서 픽셀 값이 +1 증가하는 현상이 나타났으며 다만 증가한 픽셀의 밀도가 증가하는 현상이 나타났다.
본 연구에서 제시한 Blind 방식의 검출 방식은 정확한 원본 동영상을 대조하는 번거로움과 가능성이 매우 높은 기하학적 공격 및 화질 저하 공격 등에서는 원본 대조가 불가능한 점을 모두 해결하는 유용한 방식인 것으로 실험 결과 알 수 있었다. 이로써 검출자는 원본 동영상을 모두 저장하고 있어야하는 부담을 해소할 수 있게 되었고 또한 화면에 대한 직접적인 공격에서도 매우 높은 검출율을 얻을 수 있어서 향후 범용의 워터마크 삽입 및 검출 시스템의 개발을 가능하게 할 수 있을 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디지털 워터마크 기술의 기능은?	디지털 콘텐츠의 유통과 그에 따른 저작권 보호가 중요한 부분을 차지하는 요즘 콘텐츠에 대한 보호 및 저작권의 은밀한 표시의 한 방안인 디지털 워터마크 기술이 각광을 받고 있다[1][2]. 디지털 워터마크 기술은 동영상 또는 정지영상에 보이지 않는 마크를 삽입하여 저작권자가 알아볼 수 있는 정보를 삽입하거나, 저작권자가 누구인가를 알려준다. 이를 위해서 다양한 연구가 그동안 진행되어 왔다.
	콘텐츠가 많아짐에 따라 무단 도용의 발생으로 강구되는 보안 방안 중 가장 일반적인 방안은?	물론 콘텐츠의 저작권자나 유통사에서 철저한 보안 방안을 강구하고 있다. 이에 대한 가장 일반적인 방안은 디지털 저작권 보호 시스템인 DRM (Digital Right Management) 시스템이다. 대부분의 고화질 콘텐츠들은 이들 시스템에 의해 캡슐레이션(capsulation)되어 유통된다.
	현재 전세계적으로 디지털 TV의 표준으로 사용되는 것은?	특히 비교적 부가가치가 높고 상품성이 높은 동영상 콘텐츠에 대한 보안 문제로서 MPEG 비디오에 대한 워터마크의 삽입과 검출의 문제는 높은 관심과 많은 연구의 대상이 되어왔다[7]~[9]. MPEG-2 비디오는 현재 전세계적으로 디지털 TV의 표준이며 우리나라에서도 채택되어 고화질 TV의 표준으로 사용되고 있기 때문에 많은 콘텐츠가 존재하고 있다. 콘텐츠가 많이 유통되고 높은 화질로 인해 고부가가치를 가지면 이에 대한 무단 도용의 문제가 필연적으로 발생한다.

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