[논문]디지털 비디오 보호를 위한 카오스 사상 기반의 암호화 방법

윤병춘; 김덕환

디지털 비디오 보호를 위한 카오스 사상 기반의 암호화 방법
Encryption Method Based on Chaos Map for Protection of Digital Video 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. CI, 컴퓨터, v.49 no.1 = no.343, 2012년, pp.29 - 38

초록
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네트워크 환경과 유무선 통신 기술의 급속한 발달로 인해 비디오 콘텐츠의 배포가 손쉽게 이루어짐에 따라 비디오 콘텐츠에 대한 보안은 매우 중요시 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 MPEG-2 비디오 인코딩 과정 내에 복수의 카오스 사상 기반의 디지털 비디오 암호화 방법을 제안한다. 제안방법은 카오스 사상인 텐트 사상(Tent map)을 기본블록으로 하는 해시체인으로부터 128-bit의 난수특성이 우수한 비밀 해시 키를 생성하고 이를 로지스틱 사상(Logistic Map)과 헤논 사상(Henon map)에 적용하여 64개의 난수로 이루어진 $8{\times}8$ 난수블록을 생성한다. 제안한 방법은 $8{\times}8$ 난수 블록과 DCT 블록 내 영상정보에 대한 파급효과가 큰 저주파 계수들에 대해 선택적으로 XOR 암호화 연산을 수행함으로써 암호화 처리에 따른 오버헤드를 줄일 수 있으며, 복수의 카오스 사상을 결합한 구조를 사용하여 비교적 간단하면서 우수한 난수특성을 제공한다. 실험 결과를 통해 제안 방법은 암호화된 영상에 대해 PSNR이 12dB 이하로 좋은 시각적 암호화 성능을 나타냈으며, 압축 효율성 측면의 시간변화율과 압축 변화율은 각각 2%와 0.4% 이내의 실시간성에 적용 가능한 성능을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the rapid development of network environment and wireless communication technology, the distribution of digital video has made easily and the importance of the protection for digital video has been increased. This paper proposes the digital video encryption system based on multiple chaos maps for MPEG-2 video encoding process. The proposed method generates secret hash key of having 128-bit characteristics from hash chain using Tent map as a basic block and generates $8{\times}8$ lattice cipher by applying this hash key to Logistic map and Henon map. The method can reduce the encryption overhead by doing selective XOR operations between $8{\times}8$ lattice cipher and some coefficient of low frequency in DCT block and it provides simple and randomness characteristic because it uses the architecture of combining chaos maps. Experimental results show that PSNR of the proposed method is less than or equal to 12 dB with respect to encrypted video, the time change ratio, compression ratio of the proposed method are 2%, 0.4%, respectively so that it provides good performance in visual security and can be applied in real time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안된 기법은 시각적인 보안 수준을 유지하면서 압축효율성에 최소한의 오버헤드만을 발생시키기 위함을 목적으로 하였다. 실험을 통해 얻어진 암호화 영상은 시각적 암호화에 매우 효과적인 특성을 보였지만 암호화 적용으로 인해 전체적인 인코딩 수행 속도와 데이터 크기에 있어서 오버헤드가 발생하였다.
본 논문에서는 MPEG-2 비디오 인코딩 과정 내에서 복수의 카오스 사상을 이용한 디지털 비디오 암호화 방법을 제안한다. 암호화에 사용되는 2¹²⁸ 공간을 갖는 키 값은 텐트 사상(tent map)에 의해 빠르게 배포가 된다.
본 논문에서는 복수의 카오스 사상 기반의 비디오 암호화 방법을 제안하였다. 텐트 사상 기반의 해시체인으로부터 난수 특성이 우수한 키 값을 생성하고, 1, 2차원의 카오스 사상에 의해 생성된 난수블록을 인트라 블록의 DCT 계수에 대해 선택적으로 암호화함으로써 영상에 대한 왜곡을 유도하였다.

제안 방법

따라서 본 제안방법은 암호화에 따른 인코딩 시간의 오버헤드를 최소화하기 위해 인트라 블록(intra-block)의 DC 계수와 7개의 AC계수에 대해서만 선택적으로 암호화를 수행한다. 그림 7은 각각의 실험 영상에 대한 원본 영상과 암호화 되는 DCT 계수에 따른 암호화 후의 결과 영상을 보여준다.
또한 해시체인은 CBC 방식으로 반복될 수 있기 때문에 반복 횟수를 고려하였고 로지스틱 사상의 매개변수인 μ를 4로 고정 시킨 상태에서 상관계수를 구하였다.
본 단계에서는 Ⅱ장에서 기술한 헤논 사상을 이용하여 난수 블록의 랜덤 특성을 높이기 위해 표 1과 같이 블록 내의 난수들의 위치에 대한 치환(permutation)과정을 수행한다.
본 장에서는 Ⅲ장에서 기술한 제안기법의 암호화 성능 및 암호화에 따른 압축 효율성에 대해 분석한다. 제안한 기법은 웹사이트 www.
그룹화 된 계수들은 128-bit 해시 키를 생성하는 해시체인의 입력으로 사용된다. 생성된 해시 키는 로지스틱 사상의 초기값으로 사용되어 0에서 1 사이의 값을 갖는 64개의 난수로 구성된 8x8 난수블록을 생성하고, 난수블록의 랜덤 특성을 높이기 위해 헤논 사상을 이용하여 난수블록의 난수들에 대해 치환과정을 수행한다.
실험에서는 CIF 포맷의 영상인 ‘coastguard’, ‘hallmonitor’, ‘football’, ‘stefan’, ‘mobile’, ‘foreman’을 사용하여 제안 기법의 암호화에 따른 시각적 암호화 성능과 암호화 효율성을 판단하는데 사용하였다.
제안된 기법의 초기 값에 대한 민감도를 평가하기 위해 해시체인의 초기 입력이 0.4829201895인 X0의 값을 0.4829201896의 X'0로 미세하게 변화하여 입력했을 때 발생되는 두 난수블록에 대한 상관계수를 구한다.
본 장에서는 Ⅲ장에서 기술한 제안기법의 암호화 성능 및 암호화에 따른 압축 효율성에 대해 분석한다. 제안한 기법은 웹사이트 www.MPEG-2.org 에 오픈 소스로 공개되어 있는 MPGE 인코더 소스인 mpeg2enc 내에 Visual C++ 2005를 이용하여 암호화 과정을 구현하였다. 또한 구현된 시스템을 위한 실험환경은 표 2와 같다.
카오스 사상을 기반으로 제안된 암호화 기법들은 둘 이상의 카오스 사상을 결합한 다중 카오스 기반의 암호화 알고리즘을 통해 이미지 또는 비디오를 암호화 한다. Lian은 CML(Coupled Map Lattice)을 기반으로 시공간 격자에 의해 생성되는 의사난수 수열을 영상 블록 안에서 선택된 매개변수에 대해 암호화 한다^[7].
본 논문에서는 복수의 카오스 사상 기반의 비디오 암호화 방법을 제안하였다. 텐트 사상 기반의 해시체인으로부터 난수 특성이 우수한 키 값을 생성하고, 1, 2차원의 카오스 사상에 의해 생성된 난수블록을 인트라 블록의 DCT 계수에 대해 선택적으로 암호화함으로써 영상에 대한 왜곡을 유도하였다.
시공간 카오스 시스템은 이차원으로 결합된 카오스 사상 기반으로 시공간적인 랜덤 특성을 나타내는 64개의 난수 수열을 시공간 격자에 의해 생성하고, 각각의 수열의 난수들은 DCT 블록의 선택된 계수들에 대해 암호화를 수행한다. 해시체인에 의해 배포된 해시 키를 기반으로 로지스틱 사상 및 헤논 사상을 이용하여 난수블록을 만드는 제안한 방법과 다르게 시공간 카오스 암호화 시스템은 초기 난수 격자의 시간적 반복을 통해 생성된 수열을 기반으로 블록 암호화를 수행한다. 표 4는 제안한 방법과 시공간 카오스 암호화 시스템의 압축효율성에대한 비교 수치를 나타낸다.

대상 데이터

본 단계는 해시체인에 의해 얻어진 128-bit 해시 키로부터 64개의 난수를 갖는 8x8 블록을 생성한다. 난수 블록은 앞서 Ⅱ장에서 기술한 로지스틱 사상을 기반으로 생성되어지며, 로지스틱 사상은 생성된 해시 키 값을 초기 변수로 사용한다.

데이터처리

압축 효율성은 암호화에 따른 압축 변화율과 시간 변화율을 포함하고 있으며, 본 실험에서는 제안 방법의 압축 효율성을 S. Lian 이 제안한 시공간 카오스 시스템 기반의 암호화 알고리즘^[7]과 비교하였다. 시공간 카오스 시스템은 이차원으로 결합된 카오스 사상 기반으로 시공간적인 랜덤 특성을 나타내는 64개의 난수 수열을 시공간 격자에 의해 생성하고, 각각의 수열의 난수들은 DCT 블록의 선택된 계수들에 대해 암호화를 수행한다.

성능/효과

Tang의 DCT 블록 계수들에 대한 단순치환방법^[4]과 제안한 방법을 비교하였을 때, 제안한 방법이 인코딩 오버헤드 측면에서 낮은 성능을 보이지만, 압축률 측면에서 우수한 성능을 보인다. Tang의 방법의 경우 비교적 단순한 치환 과정을 사용하였기 때문에 제안한 방법에 비해서 인코딩 오버헤드 측면에서 좋은 성능을 보였다. 하지만 Tang의 단순치환 방법은 DCT 계수들의 지그재그 순서에 대한 영상코덱 부호화 구문을 고려하지 않기 때문에 제안한 방법과 비교했을 때 압축률 측면에서 매우 낮은 성능을 보였다.
하지만 일반적으로 암호화에 의한 시간 변화율은 10% 미만일 때 인코딩 과정에 크게 영향을 미치지 않는 수치이고, 실시간 환경에 적용이 가능 하다^[17~18]. 또한 표 5를 통해 암호화 과정에서 계수의 선택이 변화율에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었고, 실험 영상에 대한 계수의 선택적 암호화에 관계없이 평균적으로 2% 이내의 시간 변화율을 보였으며, 오직 DC 계수에 대해 암호화를 수행을 했을 경우 압축 효율성이 가장 좋게 나타났다.
오직 7개의 AC 계수들에 대해서 암호화가 수행될 경우, 영상의 전반적인 정보가 드러남에 따라 시각적 암호화 수준이 매우 떨어졌다. 반면에 DC 계수만을 암호화 했을 경우 영상의 전체 정보를 판단할 수 없었지만 영상 내 움직임 성분에 대해 취약함을 나타냈고, DC와 7개의 AC 계수에 대한 암호화는 DC 혹은 AC 만을 암호화 했을 경우의 단점을 보완하며 영상 내 밝기 정보 및 움직임에 대해 전혀 인지할 수 없을 정도의 수준을 나타냈다.
본 논문에서 제안된 기법은 시각적인 보안 수준을 유지하면서 압축효율성에 최소한의 오버헤드만을 발생시키기 위함을 목적으로 하였다. 실험을 통해 얻어진 암호화 영상은 시각적 암호화에 매우 효과적인 특성을 보였지만 암호화 적용으로 인해 전체적인 인코딩 수행 속도와 데이터 크기에 있어서 오버헤드가 발생하였다.
일반적으로 PSNR이 15dB 이하일 경우에 본래의 영상과의 상관도를 거의 갖고 있지 않으며, 그림 8을 통해 전체 실험 영상에 대해 12dB 이하의 수치를 나타냈다. 앞선 압축 효율성 평가와 본 실험 결과로부터 오직 DC 계수만을 선택적으로 암호화를 하여도 최소의 오버헤드만을 발생시키면서 충분한 시각적 암호화 성능을 유지 할 수 있음을 알 수 있다.
전체적인 실험 결과를 토대로 제안 기법은 암호화 이후에 포맷의 변화 없이 우수한 암호화 특성을 유지하면서 압축 효율성에 작은 오버헤드만을 발생 시켰다. 이러한 특성을 통해 실시간성과 영상 콘텐츠에 대한 높은 보안을 요구하는 환경에서 효과적으로 응용 될 수 있을 것으로 기대된다.
제안한 해시체인은 CBC(Cipher-Block Chaining)방식으로 반복 될 수 있다. 각각의 블록 행에 대한 최종 출력 x_i4 (i = 0, 1, 2, 3)는 반복과정이 수행 될 때 해시블록 #의 입력으로 사용됨으로써 해시체인의 최종 출력 x₀₄, x₁₄, x₂₄, x₃₄ 는 갱신된다.
추가로 L. Tang의 DCT 블록 계수들에 대한 단순치환방법^[4]과 제안한 방법을 비교하였을 때, 제안한 방법이 인코딩 오버헤드 측면에서 낮은 성능을 보이지만, 압축률 측면에서 우수한 성능을 보인다. Tang의 방법의 경우 비교적 단순한 치환 과정을 사용하였기 때문에 제안한 방법에 비해서 인코딩 오버헤드 측면에서 좋은 성능을 보였다.
표 4는 제안한 방법과 시공간 카오스 암호화 시스템의 압축효율성에대한 비교 수치를 나타낸다. 표에서 알 수 있듯이 제안한 방법이 Lian의 방법에 비해 암호화에 따른 시간 변화율 측면에서 약 0.3% 높게 나타났지만, 압축 이후의 데이터 오버헤드 측면에서 0.2% 적게 나타나는 성능을 보였다. 이는 Lian의 방법은 128-bit 초기 키 값 생성 과정을 고려하지 않는 반면에 제안한 방법의 128-bit 해시 키 생성 과정은 많은 오버헤드를 차지하기 때문에 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다.
Tang의 방법의 경우 비교적 단순한 치환 과정을 사용하였기 때문에 제안한 방법에 비해서 인코딩 오버헤드 측면에서 좋은 성능을 보였다. 하지만 Tang의 단순치환 방법은 DCT 계수들의 지그재그 순서에 대한 영상코덱 부호화 구문을 고려하지 않기 때문에 제안한 방법과 비교했을 때 압축률 측면에서 매우 낮은 성능을 보였다. 또한 Tang 의 방법은 암호학적 보안성 측면에서 알려진 평문공격 (known-plaintext attack)에 취약함을 갖고 있다^[19].

후속연구

전체적인 실험 결과를 토대로 제안 기법은 암호화 이후에 포맷의 변화 없이 우수한 암호화 특성을 유지하면서 압축 효율성에 작은 오버헤드만을 발생 시켰다. 이러한 특성을 통해 실시간성과 영상 콘텐츠에 대한 높은 보안을 요구하는 환경에서 효과적으로 응용 될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	카오스 사상이 일반 암호에서 요구하는 혼동과 확산 특성과 깊은 관계를 가지고 있는 이유는?	카오스 사상은 초기 조건에 민감하게 반응 하여 난수 특성이 우수한 수열을 생성하기 때문에 일반 암호에서 요구하는 혼동 (confusion)과 확산(diffusion) 특성과 깊은 관계를 가지고 있다[6].
	카오스 사상을 기반으로 제안된 암호화 기법들은 어떻게 암호화하는가?	카오스 사상을 기반으로 제안된 암호화 기법들은 둘 이상의 카오스 사상을 결합한 다중 카오스 기반의 암호화 알고리즘을 통해 이미지 또는 비디오를 암호화 한다. Lian은 CML(Coupled Map Lattice)을 기반으로 시공간 격자에 의해 생성되는 의사난수 수열을 영상 블록 안에서 선택된 매개변수에 대해 암호화 한다[7].
	naive algorithm을 비디오 콘텐츠에 적용할 경우 나타나는 문제점은?	이를 위한 직접적인 암호화 방법으로 제안된 naive algorithm (Agi and Gong, 1996)은 텍스트 데이터를 보호할 목적으로 사용되는 전통적 암호화 방법인 AES(Advance Encryption Standard, NIST, 2001)를 압축 비디오 스트림 전체에 적용하여 데이터를 암호화 하는 방법이다[2]. 하지만 통상적으로 영상데이터는 텍스트 데이터에 비해 매우 크기 때문에 AES 또는 DES (Data Encryption Standard, NIST, 1974) 와 같은 텍스트 암호화 알고리즘을 비디오 데이터에 직접적으로 적용할 경우 실시간 처리에 적합하지 못할 뿐만 아니라 암호화 처리 후의 비디오의 크기 오버헤드 측면에서 좋지 못한 성능을 나타낸다. 이러한 문제점들을 극복하고 동시에 비디오 콘텐츠를 효과적으로 보호하기 위해서 많은 암호화 기술들이 연구 되고 있다[1].

참고문헌 (21)

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원문보기 상세보기
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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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