[논문]기하학적 공격 및 비트율 변화 공격에 강한 MPEG-2 동영상 워터마크 시스템 개발

황선철

doi:10.5370/kieep.2010.59.3.258

문제 정의

Cox에 의해 제안된 워터마킹 방식은 DCT 계수의 AC 영역에 대한 워터마킹방식인데 이 방식은 기하학적 공격에 취약한 양상을 보였다[10]. 그러므로 본 논문에서는 기하학적 공격에 강한 특성을 보이는 방식으로 DCT의 DC 영역에 워터마킹하는 방식을 채택하여 비가시성의 가능성과 견고성 및 명확성, 범용성 여부를 실험하고자 한다. 이를 위해 본 논문에서는 워터마킹 삽입 용이성을 실험하고 원영상과의 영상비교를 시행한 후 크기 변형(resizing) 및 비트율 변환에 의해 변형된 영상에서 워터마크 검출율을 실험하여 그 결과를 제시하고자 한다.
본 논문에서는 화면의 확대와 축소를 통한 기하학적 공격, 압축율을 변화시켜 화질을 저하시키는 비트율 변화 공격 및 아날로그 신호형태로 캡쳐하는 캡쳐공격 등에 강한 특성을 갖는 워터마킹 알고리즘을 개발하고 MPEG-2 코덱에 적용시켜 상기의 결과를 얻었다. 기존에 존재하는 워터마킹들이 화면 비트맵에 워터마킹을 삽입하는 방식이나 DCT 계수에 삽입하는 방식을 택하여 화질의 변화 또는 기하학적 공격에 취약한 경우가 많이 발생하였으나 본 논문에서는 워터마킹의 특성인 강인성을 이룰 수 있었다.
본 연구에서는 DCT 계수 중 DC 계수에 대해 1 만큼 증가시키는 실험을 실시하였다. 워터마크 삽입 실험은 차후 검출 실험으로 삽입 여부를 알 수 있겠으나 본 실험에서는 삽입 시간에 대한 실험 결과를 도출하고자 한다.
본 연구에서는 DCT 계수 중 DC 계수에 대해 1 만큼 증가시키는 실험을 실시하였다. 워터마크 삽입 실험은 차후 검출 실험으로 삽입 여부를 알 수 있겠으나 본 실험에서는 삽입 시간에 대한 실험 결과를 도출하고자 한다.
그러므로 본 논문에서는 기하학적 공격에 강한 특성을 보이는 방식으로 DCT의 DC 영역에 워터마킹하는 방식을 채택하여 비가시성의 가능성과 견고성 및 명확성, 범용성 여부를 실험하고자 한다. 이를 위해 본 논문에서는 워터마킹 삽입 용이성을 실험하고 원영상과의 영상비교를 시행한 후 크기 변형(resizing) 및 비트율 변환에 의해 변형된 영상에서 워터마크 검출율을 실험하여 그 결과를 제시하고자 한다.

가설 설정

1) DC 레벨의 변형은 전체 영상 휘도의 ±1 이내의 증감 변화를 가져온다.

제안 방법

지정하고 있다[13]. 그러나 본 논문에서는 저주파 영역 위치에 상관없이 DC 값의 크기를 일정한 레벨 +/- 변형시키는 방식을 도입하였다. 이는 다음과 같은 이유에서 도입되었다.
본 과제에서는 MPEG-2 디코더를 개선하여 워터마크 삽입기를 탑재하였다. 원하는 정보에 대해 암호화를 수행하고 8×8 영상에 대한 디코딩에서 원하는 위치의 슬라이스(slice)에 대해 DC 계수를 원하는 레벨만큼 증감시킨다.
이때 증감 폭은 +/- 1로 하는데 이유는 DC 부분이 영상에 민감한 영향을 미치기 때문이다. 본 논문에서는 DC 계수의 범위를 면밀히 조사하여 영상에 미치는 영향을 최소화하는 증가폭을 선택하여 적용하였다.
실제 시스템에서는 실시간으로 삽입되지만 연구실 실험에서는 CPU의 연산 속도에 의한 삽입 실험만 가능하다. 본 실험에서는 워터마크를 수행하지 않았을 경우 시작 타이밍과 종료 타이밍을 mSec 단위로 기록한 후 워터마크 삽입 시의 타이밍과 비교하는 실험을 실시하였다. 실험 결과는 4492 프레임으로 구성된 동영상을 10회에 걸쳐 실험하였으며 149.
본 연구에서는 세 가지 방법으로 검출 실험을 실시하였다. 첫 번째는 공격을 받지 않은 상태에서의 검출이고 두 번째는 비트율 저하 공격, 세 번째는 캡쳐 공격으로 1920×1080의 HD 영상을 720×480으로 아날로그 화면 캡처 공격의 경우이다.
본 연구에서는 워터마킹 삽입 및 검출 실험을 위해 공중파 방송을 TS(Transport Stream) 형태로 저장한 다음 비디오 스트림만 분리하여 *.m2v'의 형태로 저장한 다음 실험을 수행하였다.
m2v'의 형태로 저장한 다음 실험을 수행하였다. 실험의 종류는 (1) 워터마크 삽입 실험, (2) 공격받지 않은 HD 동영상에서 워터마크 검출 실험, (3) 비트율 변환 공격 후 워터마크 검출 실험, (4) 해상도 저하 공격 후 워터마크 검출 실험을 실시하고 결과를 고찰하였다.

데이터처리

결과는 프로그램 내부에서 처리되므로 볼 수 없지만 데이터를 추출하여 ‘마이크로소프트사의 Excel’ 프로그램의 도움으로 결과를 출력하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Cox 또는 Koch 등이 제안하는 방식과 다른 방식으로 워터마킹을 삽입한다. Cox 등이 제안하는 방식은 DCT 계수를 교체한 후 다시 인코딩을 수행해야하지만 본 연구에서 제안하는 방식은 전혀 재인코딩 없이 워터마킹을 수행하므로 공격자들이 위치를 발견할 수 없고, 또한 변환 흔적이 없으므로 워터마킹 여부를 알아내기 어려운 방식이다.
디지털 워터마킹 방식에는 영상에 직접 삽입하는 공간영역 방식과 주파수 영역 방식이 있는데 공간영역 방식은 공격에 매우 취약하여 주파수 영역 방식을 주로 사용하고 있다. 주파수 영역 방식에는 웨이블릿 변환을 이용한 방식[3]과 이산 코사인 변환을 이용한 방식이 있는데 현재 JPEG과 MPEG의 영상압축 방식은 이산 코사인 변환 방식이 사용되며, 본 논문에서는 이 방식을 사용하여 워터마킹하게 된다[4][5]

성능/효과

기존에 존재하는 워터마킹들이 화면 비트맵에 워터마킹을 삽입하는 방식이나 DCT 계수에 삽입하는 방식을 택하여 화질의 변화 또는 기하학적 공격에 취약한 경우가 많이 발생하였으나 본 논문에서는 워터마킹의 특성인 강인성을 이룰 수 있었다. 검출률의 경우 한 프레임에 대해서는 동영상 특성에 따라 95%, 92%, 85% 이상의 검출율을 달성했으며 장시간 주기적으로 삽입할 경우 99% 이상의 높은 검출율을 얻을 수 있었다.
결과는 프로그램 내부에서 처리되므로 볼 수 없지만 데이터를 추출하여 ‘마이크로소프트사의 Excel’ 프로그램의 도움으로 결과를 출력하였다. 결과에서 보는 바와 같이 워터마킹이 삽입되지 않은 부분과 삽입된 부분이 현저하게 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 본 실험에서 워터마킹이 삽입된 매크로블록 부분은 4, 5, 6번 부분인데, 삽입되지 않은 경우에는 연관성이 없음을 보여주지만 그림 11의 결과에서는 삽입된 부분이 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다.
다음 그림 6과 그림 7은 DC 값을 +1 증가시켰을 때와 +3 증가시켰을 때의 비교 결과이다. 결과에서 볼 수 있듯이 픽셀 단위로 확대해서 보았을 때 증가값은 1차이로 대부분의 경우 동일하였으나 증가 픽셀의 밀도가 차이를 보이는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 +1과 +2, +3의 경우만 실시하였으며 DC 값의 범위에 따라 +2를 사용하는 경우가 있었으나 대개의 경우 +1만을 사용하도록 제한하였다.
본 논문에서는 화면의 확대와 축소를 통한 기하학적 공격, 압축율을 변화시켜 화질을 저하시키는 비트율 변화 공격 및 아날로그 신호형태로 캡쳐하는 캡쳐공격 등에 강한 특성을 갖는 워터마킹 알고리즘을 개발하고 MPEG-2 코덱에 적용시켜 상기의 결과를 얻었다. 기존에 존재하는 워터마킹들이 화면 비트맵에 워터마킹을 삽입하는 방식이나 DCT 계수에 삽입하는 방식을 택하여 화질의 변화 또는 기하학적 공격에 취약한 경우가 많이 발생하였으나 본 논문에서는 워터마킹의 특성인 강인성을 이룰 수 있었다. 검출률의 경우 한 프레임에 대해서는 동영상 특성에 따라 95%, 92%, 85% 이상의 검출율을 달성했으며 장시간 주기적으로 삽입할 경우 99% 이상의 높은 검출율을 얻을 수 있었다.
Cox 등이 제안하는 방식은 DCT 계수를 교체한 후 다시 인코딩을 수행해야하지만 본 연구에서 제안하는 방식은 전혀 재인코딩 없이 워터마킹을 수행하므로 공격자들이 위치를 발견할 수 없고, 또한 변환 흔적이 없으므로 워터마킹 여부를 알아내기 어려운 방식이다. 또한 많은 수의 워터마킹이 존재하므로 워터마크 감지 성공율이 현저히 향상되는 효과도 얻을 수 있었다.
결과에서 보는 바와 같이 워터마킹이 삽입되지 않은 부분과 삽입된 부분이 현저하게 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 본 실험에서 워터마킹이 삽입된 매크로블록 부분은 4, 5, 6번 부분인데, 삽입되지 않은 경우에는 연관성이 없음을 보여주지만 그림 11의 결과에서는 삽입된 부분이 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다. 위에서 나타낸 그림 9에서는 전혀 나타나지 않던 워터마킹이 본 연구의 방식으로는 뚜렷하게 검출될 수 있음을 알 수 있게 된다.
위에서 나타낸 그림 9에서는 전혀 나타나지 않던 워터마킹이 본 연구의 방식으로는 뚜렷하게 검출될 수 있음을 알 수 있게 된다. 본 실험의 경우 검출율은 영상 특성에 따라 약간씩 변하는데 토크쇼와 같이 화면 변화가 적은 경우는 약 95% 이상의 결과를 얻을 수 있었고, 드라마의 경우 약 92%, 월드컵 시민잔치의 경우 약 85% 이상의 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 동영상의 경우는 콘텐츠의 길이가 최소한 30분 이상이며, 워터마크 삽입 시에 일정한 주기를 가지고 지속적으로 삽입되므로 전체적인 검출률은 99% 이상의 높은 검출률을 나타낸다.
본 실험에서는 워터마크를 수행하지 않았을 경우 시작 타이밍과 종료 타이밍을 mSec 단위로 기록한 후 워터마크 삽입 시의 타이밍과 비교하는 실험을 실시하였다. 실험 결과는 4492 프레임으로 구성된 동영상을 10회에 걸쳐 실험하였으며 149.733 sec에 대해 삽입하는 동안 평균 0.091sec 가량 증가한 것으로 나타나 연산 시간이 0.06% 만 증가한 결과를 얻을 수 있었으며 이는 워터마킹 삽입이 전체 연산에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
원본 영상에 대한 워터마크 삽입 및 검출 실험은 정확하게 결과를 얻을 수 있다. 이 경우의 검출율은 모든 경우에서 100%을 얻을 수 있다.
공격을 받지 않은 원 상태에서의 검출 실험이다. 이 실험에서 워터마킹된 영상과 원영상 간의 차분을 하면 워터마킹된 영상이 +1 혹은 -1의 증감된 것이 검출된다. 이것을 눈으로 볼 수 있도록 약 100배를 곱하면 차이가 없는 부분은 0을, 차이가 나는 부분은 약 100의 값을 나타내며 결과 영상은 그림 5와 같다.
본 실험의 경우 검출율은 영상 특성에 따라 약간씩 변하는데 토크쇼와 같이 화면 변화가 적은 경우는 약 95% 이상의 결과를 얻을 수 있었고, 드라마의 경우 약 92%, 월드컵 시민잔치의 경우 약 85% 이상의 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 동영상의 경우는 콘텐츠의 길이가 최소한 30분 이상이며, 워터마크 삽입 시에 일정한 주기를 가지고 지속적으로 삽입되므로 전체적인 검출률은 99% 이상의 높은 검출률을 나타낸다.
결과에서 볼 수 있듯이 비트율 저하 공격을 하면 복잡한 부분의 매크로블록의 데이터가 변하여 원하는 데이터를 얻을 수 없게 된다. 하지만 변화되는 정도가 인근 영역에서 동일하게 적용되므로 본 연구에서 개발한 검출 방식에 의해 검출할 경우 약 99% 이상의 검출율을 얻을 수 있었다.
하지만 본 연구에서 개발한 검출 방식인 확률적 매칭 방식(statistic matching method)을 사용하여 검출한 결과 그림 10 및 그림 11과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 결과는 프로그램 내부에서 처리되므로 볼 수 없지만 데이터를 추출하여 ‘마이크로소프트사의 Excel’ 프로그램의 도움으로 결과를 출력하였다.

후속연구

향후 본 논문에서 개발한 방식의 워터마킹을 기반으로 사용자의 정보를 원하는 크기만큼 삽입할 수 있는 핑거프린팅 방안의 기초가 될 수 있을 것으로 판단된다. 그러므로 본 연구는 앞으로 정확한 사용자의 정보를 검출할 수 있는 방안으로 알고리즘을 개발할 계획이다.
향후 본 논문에서 개발한 방식의 워터마킹을 기반으로 사용자의 정보를 원하는 크기만큼 삽입할 수 있는 핑거프린팅 방안의 기초가 될 수 있을 것으로 판단된다. 그러므로 본 연구는 앞으로 정확한 사용자의 정보를 검출할 수 있는 방안으로 알고리즘을 개발할 계획이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 디지털 방송 전반과 인터넷 등과 같은 통신 매체에서 가장 많이 유통되고 있는 데이터는 무엇인가?	현재 디지털 방송 전반과 인터넷 등과 같은 통신 매체에서 가장 많이 유통되고 있는 데이터는 영상 콘텐츠이다. 유통되는 영상 콘텐츠로서는 JPEG을 이용한 정지영상(사진 등)과 MPEG으로 대변되는 동영상 콘텐츠가 주종을 이루고 있다.
	본 논문에서 저주파 영역 위치에 상관없이 DC 값의 크기를 일정한 레벨 +/- 변형시키는 방식을 도입한 이유는?	1) DC 레벨의 변형은 전체 영상 휘도의 ±1 이내의 증감 변화를 가져온다. 2) 8×8 블록 중 ±1 변화 픽셀은 대개 그 수가 40~80% 이내의 변화를 가져온다.
	디지털 콘텐츠들의 불법 유통을 해결하기 위해 도입된 기술은?	이러한 디지털 콘텐츠들의 불법 유통을 근본적으로 해결하기 위해 도입된 기술이 디지털 워터마킹 기술이다[1]. 디지털 워터마킹 방식에는 영상에 직접 삽입하는 공간영역 방식과 주파수 영역 방식이 있는데 공간영역 방식은 공격에 매우 취약하여 주파수 영역 방식을 주로 사용하고 있다.

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기하학적 공격 및 비트율 변화 공격에 강한 MPEG-2 동영상 워터마크 시스템 개발
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