[논문]저작권 보호를 위한 DCT 영역에서의 향상된 CRT 기반 영상 워터마킹

배성호

doi:10.9717/kmms.2013.16.10.1163

저작권 보호를 위한 DCT 영역에서의 향상된 CRT 기반 영상 워터마킹
Improved CRT-based Image Watermarking in DCT Domain for Copyright Protection 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.16 no.10, 2013년, pp.1163 - 1170

초록
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디지털 워터마킹은 저작권 보호와 멀티미디어 데이터 인증의 수단으로 사용되어 왔다. 기존의 공간영역에서의 CRT 기반 워터마킹 방법은 JPEG 압축에 취약하여, JPEG 압축에서 잘 동작하는 DCT 영역에서의 CRT 기반 워터마킹이 제안되었다. 본 논문에서는 DCT 영역에서의 향상된 CRT 기반 워터마킹 방법을 제안한다. 제안한 방법은 DCT 변환시 발생되는 rounding 오류 또는 여러 가지 공격에도 나머지들의 차에 대한 절대값의 변화를 감소시켜 견고성을 향상시킨다. 실험을 통하여 제안한 방법이 기존의 DCT 영역에서의 CRT 기반 워터마킹 방법보다 여러 가지 공격에 대하여 견고성이 향상되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Digital watermarking techniques have been used as one of the means for copyright protection and authentication of multimedia data. Conventional Chinese Remainder Theorem(CRT)-based spatial domain watermarking techniques do not perform well under JPEG compression. However, it is seen that the CRT-based watermarking technique in Discrete Cosine Transform(DCT) domain performs well for JPEG compression. In this paper, an improved CRT-based image watermarking method in the DCT domain is proposed. The proposed method provides better robustness which decreases changes of absolute difference of residues against rounding errors due to DCT conversion and various attacks. Experimental results show that the proposed method has a good robustness against various attacks compared with the conventional CRT-based watermarking in DCT domain.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Patra 등의 방법을 보다 개선시켜 워터마킹된 영상의 화질과 여러 가지 공격에 강인한 DCT 영역에서의 CRT 기반의 영상 워터마킹 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 음의 DCT 계수에서도 모듈로(modulo) 연산시 양의 나머지 값들을 생성하여 워터마킹된 영상의 화질을 향상시킨다.
본 논문에서는 기존의 DCT 영역에서의 CRT 기반 워터마킹 방법을 개선하여 화질과 견고성을 향상시키는 방법을 제안하였다. 제안한 방법에서는 모듈로 연산시 나머지 값의 차에 대한 절대값의 변화를 감소시키는 조건을 제안하여 워터마크의 견고성을 향상시켰다.
이러한 오류를 개선하기 위하여, 본 논문에서는 모듈로 연산의 나머지 값이 δ<Ri<Mi-δ 범위에 있는 조건과 임계치 이상 또는 미만의 조건을 모두 만족할 경우에만 수정된 계수 Z′만을 구하는 방법을 제안한다.

제안 방법

제안한 방법에서는 모듈로 연산시 나머지 값의 차에 대한 절대값의 변화를 감소시키는 조건을 제안하여 워터마크의 견고성을 향상시켰다. 또한, 나누는 수와 나머지 값 모두 양수를 만들어 공격이 없을 경우에 워터마킹된 영상의 화질을 향상시켰다. 실험을 통하여 제안한 방법이 기존의 방법보다 워터마킹된 영상의 객관적 화질과 견고성이 향상되는 것을 확인하였다.
워터마크 비트에 따른 임계치# 이상 또는 미만의 조건을 만족할 때 까지 원래의 DCT 계수 Z를 계속 8의 배수로 증가 또는 감소시킬 경우, Z와는 거리가 먼 Z^′으로 수정되어 워터마킹된 영상의 화질을 저하시킨다. 본 논문에서는, 화질 향상을 위하여 AC 계수에 절대값을 취하지 않고 나머지 R_i가 음수일 경우, 나누는 수 M_i를 더하여 양수로 변경하는 방법을 제안한다. 제안한 방법은 음수인 Z에 어떤 수를 더하거나 양수인 Z에 어떤 수를 빼어 원래의 부호가 양수에서 음수로 또는 음수에서 양수로 부호가 바뀌는 경우를 추가하면, 워터마크 비트의 임계치 조건을 만족하면서도 거리가 가까운 Z^′으로 수정되는 경우의 수가 증가되어 워터마킹된 영상의 화질을 향상 시킨다.
워터마크의 추출 과정은 삽입과정의 역순이며, 제안한 방법의 워터마크 추출과정에서 필요한 정보는 워터마킹된 영상, 워터마크의 크기, 의사난수생성기의 초기값, 서로소 값 M₁과 M₂이며, 의사난수생성기의 정보를 이용하여 워트마크가 삽입된 DCT 블록과 블록내의 계수 Z가 결정되고 Z에 역CRT를 적용하여 {R₁,R₂}를 구하고, d = |R₁ -R₂|와 D = max{M₁,M₂}-1을 계산한다. 만약 d≥#이면, 워터마크 비트 ‘1’이 추출되고, 그렇지 않으면 ‘0’이 추출된다.
워터마킹된 영상의 공격은 JPEG QF(quality factor)를 70 [%]로 손실 압축, 3×3 마스크 크기의 가우시안 블러링과 샤프닝, 평균이 0이고 분산이 50인 가우시안 잡음을 더함, 영상의 중앙에 영상 크기의 10 [%]를 절단(crop)하는 공격으로 실험하였다.
본 논문에서는 기존의 DCT 영역에서의 CRT 기반 워터마킹 방법을 개선하여 화질과 견고성을 향상시키는 방법을 제안하였다. 제안한 방법에서는 모듈로 연산시 나머지 값의 차에 대한 절대값의 변화를 감소시키는 조건을 제안하여 워터마크의 견고성을 향상시켰다. 또한, 나누는 수와 나머지 값 모두 양수를 만들어 공격이 없을 경우에 워터마킹된 영상의 화질을 향상시켰다.
제안한 방법에서는 수정될 Z′의 동적 범위를 –1020에서 2040으로 하고, 기존의 방법이 8의 배수로 증가 또는 감소시켜 임계치 조건을 만족하는 Z′를구하는 방법 대신 1씩 증가 또는 감소시켜 Z′를 구한다.
본 논문에서는 Patra 등의 방법을 보다 개선시켜 워터마킹된 영상의 화질과 여러 가지 공격에 강인한 DCT 영역에서의 CRT 기반의 영상 워터마킹 방법을 제안한다. 제안한 방법에서는 음의 DCT 계수에서도 모듈로(modulo) 연산시 양의 나머지 값들을 생성하여 워터마킹된 영상의 화질을 향상시킨다. 또한 나머지 값들이 일정한 범위 내에 있는 조건을 만족할 경우에만 새롭게 수정된 DCT 계수를 생성하여, 워터마크의 견고성을 기존의 DCT 영역에서의 CRT 기반 워터마킹 방법보다 향상시켰다.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 CRT 기반의 워터마킹 방법과 기존의 방법과의 성능 비교를 확인하기 위해 그림 3의 512*512 크기의 8비트 그레이 영상인 Lena, Baboon 및 Airplane을 실험 영상으로 사용하였다. 워터마크는 그림 4의 64×64 크기의 이진 워터마크를 사용하였으며, 제안한 방법에서 나머지 값이 일정한 범위에 있는 조건에 사용되는 δ의 값은 워터마킹된 영상의 화질과 견고성을 고려하여, 실험을 통하여 5로 설정하였다.
워터마크는 그림 4의 64×64 크기의 이진 워터마크를 사용하였으며, 제안한 방법에서 나머지 값이 일정한 범위에 있는 조건에 사용되는 δ의 값은 워터마킹된 영상의 화질과 견고성을 고려하여, 실험을 통하여 5로 설정하였다.

데이터처리

JPEG 영상 압축에 대한 견고성을 기존의 방법과 비교하기 위하여 인터넷 상에서 제공되는 벤치마킹 툴인 Stirmark[15] 4.0을 사용하여 워터마킹된 실험 영상에 대해 JPEG quality factor를 다양하게 변형하여 TMF를 계산한 결과를 표 2에 나타내었다. 그림 5는 Baboon 영상에 대해 JPEG quality factor가 60[%]일 경우에 제안한 방법과 Patra 등의 방법에서 추출된 워터마크이다.

이론/모형

견고성을 평가하는 성능 측정의 인자로는 식 (7)의 추출된 워터마크의 변경 정도를 나타내는 TAF(Tamper Assessment Function)를 사용하였다.

성능/효과

63 [%] 개선되었다. Lena 영상에 대해 샤프닝 공격을 제외하고는 제안한 방법이 Patra 등의 방법보다 모든 공격에서 현저히 TMF 값이 작아지는 것을 확인할 수 있다.
제안한 방법에서는 음의 DCT 계수에서도 모듈로(modulo) 연산시 양의 나머지 값들을 생성하여 워터마킹된 영상의 화질을 향상시킨다. 또한 나머지 값들이 일정한 범위 내에 있는 조건을 만족할 경우에만 새롭게 수정된 DCT 계수를 생성하여, 워터마크의 견고성을 기존의 DCT 영역에서의 CRT 기반 워터마킹 방법보다 향상시켰다. 본 논문은 2장에서 기존의 CRT 이론을 살펴보고, 3장에서 기존의 DCT 영역에서의 CRT 기반 워터마킹 방법을, 4장에서는 기존의 방법을 개선한 제안한 워터마킹 방법을, 5장에서는 실험을 통하여 제안한 방법과 기존의 방법을 비교하여 성능을 평가하였으며, 6장은 결론 순으로 구성된다.
또한, 나누는 수와 나머지 값 모두 양수를 만들어 공격이 없을 경우에 워터마킹된 영상의 화질을 향상시켰다. 실험을 통하여 제안한 방법이 기존의 방법보다 워터마킹된 영상의 객관적 화질과 견고성이 향상되는 것을 확인하였다.
제안한 방법은 음수인 Z에 어떤 수를 더하거나 양수인 Z에 어떤 수를 빼어 원래의 부호가 양수에서 음수로 또는 음수에서 양수로 부호가 바뀌는 경우를 추가하면, 워터마크 비트의 임계치 조건을 만족하면서도 거리가 가까운 Z′으로 수정되는 경우의 수가 증가되어 워터마킹된 영상의 화질을 향상 시킨다.
워터마킹된 영상의 공격은 JPEG QF(quality factor)를 70 [%]로 손실 압축, 3×3 마스크 크기의 가우시안 블러링과 샤프닝, 평균이 0이고 분산이 50인 가우시안 잡음을 더함, 영상의 중앙에 영상 크기의 10 [%]를 절단(crop)하는 공격으로 실험하였다. 표 1의 결과에서 알 수 있듯이, 제안한 방법은 공격이 없을 경우, TMF가 0이 되어 원래의 워터마크를 100 [%] 추출하였으며, 3개의 실험 영상에 대해 PSNR과 TMF가 제안한 방법이 Patra 등의 방법보다 각각 평균 2.62 [dB], 1.63 [%] 개선되었다. Lena 영상에 대해 샤프닝 공격을 제외하고는 제안한 방법이 Patra 등의 방법보다 모든 공격에서 현저히 TMF 값이 작아지는 것을 확인할 수 있다.
그림 5는 Baboon 영상에 대해 JPEG quality factor가 60[%]일 경우에 제안한 방법과 Patra 등의 방법에서 추출된 워터마크이다. 표 2에서 알 수 있듯이 JPEG 압축에서도 제안한 방법이 Patra 등의 방법보다 TMF가 현저히 작아 워터마크의 견고성이 우수함을 알 수 있다.

후속연구

향후 연구 방향으로는 워터마크의 공격에 더욱 강인하도록, 워터마크 삽입 및 추출을 위한 CRT 기반의 조건을 개선시키는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디지털 워터마킹 방법의 장점은 무엇인가?	이러한 문제점을 해결하기 위한 디지털 데이터 정보 보호 방법으로는 기존의 암호화 알고리즘을 이용하여 주어진 데이터를 암호화하는 방법, 보호 대상 정보에 대하여 접근제어용 방화벽(firewall)을 구축하는 방법, 그리고 디지털 데이터 내부에 소유권을 보장할 수 있는 개인 정보를 은닉하여 확인할 수 있는 기술인 디지털 워터마킹 등이 있다[1]. 이중 디지털 워터마킹 방법은 공개키 알고리즘이나 방화벽 등으로 해독된 자료에 대하여 부가적인 정보 보호를 제공하고, 소유권에 대한 법적인 문제 발생 시 해결책을 제시할 수 있어, 디지털 워터마킹 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 디지털 워터마킹 기술이 저작권을 효과적으로 보호하기 위해서는 아래와 같은 중요한 요구사항이 만족되어야 한다[2].
	디지털 데이터 정보 보호 방법엔 무엇이 있는가?	멀티미디어 데이터의 상업적 가치와 사용 폭이 증가된 반면, 멀티미디어 데이터들이 네트워크와 인터넷을 통해 쉽게 불법적인 복제나 변조가 가능하므로 저작권과 보안상의 문제점이 발생된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 디지털 데이터 정보 보호 방법으로는 기존의 암호화 알고리즘을 이용하여 주어진 데이터를 암호화하는 방법, 보호 대상 정보에 대하여 접근제어용 방화벽(firewall)을 구축하는 방법, 그리고 디지털 데이터 내부에 소유권을 보장할 수 있는 개인 정보를 은닉하여 확인할 수 있는 기술인 디지털 워터마킹 등이 있다[1]. 이중 디지털 워터마킹 방법은 공개키 알고리즘이나 방화벽 등으로 해독된 자료에 대하여 부가적인 정보 보호를 제공하고, 소유권에 대한 법적인 문제 발생 시 해결책을 제시할 수 있어, 디지털 워터마킹 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (15)

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J.C. Patra, J.E. Phua, and C. Bornand, "A Novel DCT Domain CRT-Based Watermarking Scheme for Image Authentication Surviving JPEG Compression," Digital Signal Processing, Vol. 20, No. 6, pp. 1597-1611, 2010.

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김형도, 손규식, "CRT 기반의 DCT 영역 제로 워터마킹," 한국콘텐츠학회 논문지, 제11권, 제1호, pp. 9-15, 2011.

원문보기 상세보기
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Y.H. Ku and X. Sun, "The Chinese Remainder Theorem," Journal of the Franklin Institute, Vol. 329, No. 1, pp. 93-97, 1992.

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상세보기
Stirmark, http://www.petitcolas.net/fabien/ watermarking/stirmark/. 2013.

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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