[논문]영상의 양자화 계수를 이용한 DCT 기반 워터마킹 기법

임용순; 강은영; 박재표

doi:10.7236/jiibc.2014.14.2.17

영상의 양자화 계수를 이용한 DCT 기반 워터마킹 기법
Improvement of DCT-based Watermarking Scheme using Quantized Coefficients of Image 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.14 no.2, 2014년, pp.17 - 22

임용순 (국제대학교 IT계열) , 강은영 (동양미래대학교 정보통신과) , 박재표 (숭실대학교 정보과학대학원)

초록
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모바일 정지영상 동영상 등의 정보에 디지털 신호를 삽입하여 저작권을 주장하는 방안으로 워터마킹 알고리즘을 들 수 있다. 본 논문에서는 영상의 양자화 계수를 이용한 이산 코사인 변환(DCT)을 기반으로 하는 워터마킹 알고리즘 방법을 제안하였다. 워터마크 삽입 기법은 디지털 원영상의 DCT와 양자화를 통하여 계수들(Quantized Coefficient)를 얻게 되었고, 양자화 계수들은 원하는 위치(Key)에 따라 DCT를 기반으로 한 워터마크(DCT-based watermark)를 삽입하게 되었다. 워터마크가 삽입된 부호화 정보는 역 양자화와 역 DCT를 통하여 워터마크 된 영상을 얻게 된다. 워터마크 추출 기법은 워터마크된 영상과 위치(Key)만을 사용하며, 워터마크 된 영상을 DCT와 양자화를 통하여 원하는 위치(Key)에서 계수를 분리하여 역 DCT하여 원 워터마크를 얻을 수 있었다. 모의실험 결과, 워터마크된 영상과 추출된 워터마크에서 영상의 화질(PSNR)과 워터마크의 정규화 상관도 (NC) 에서 만족할 만한 결과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Watermarking is one of the methods that insist on a copyright as it append digital signals in digital informations like still mobile image, video, other informations. This paper proposed an improved DCT-based watermarking scheme using quantized coefficients of image. This process makes quantized coefficients through a Discrete Cosine Transform and Quantization. The watermark is embedded into the quantization coefficients in accordance with location(key). The quantized watermarked coefficients are converted to watermarked image through the inverse quantization and inverse DCT. Watermark extract process only use watermarked image and location(key). In watermark extract process, quantized coefficients is obtained from watermarked image through a DCT and quantization process. The quantized coefficients select coefficients using location(key). We perform it using inverse DCT and get the watermark'. Simulation results are satisfied with high quality of image (PSNR) and Normalized Correlation(NC) from the watermarked image and the extracted watermark.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

3. Gray-level 영상의 워터마크 WM & Key값 결정한다.

제안 방법

Swanson은 Legge와 Foleg의 콘트라스트 마스킹 모델을 이용하여 DCT값을 구한 후 워터마킹하는 방법을 제시하였다. Kundur, Xia와 Hus등은 DCT 대신 Multire solution을 이용한 DWT로 워터마킹하는 방법을 제시하였다. 그리고 Cox와 Barni 등은 주파수 영역에서 오디오, 비디오와 멀티미디어 등의 데이터에 중요한 계수를 추출해 워터마크를 삽입하는 방법을 제시하였다.
본 논문에서는 원영상(Original image)의 주파수영역에서 사용하는 변환방법으로 DCT 및 양자화 과정을 진행하였으며, 변환 후에 워터마크의 삽입을 위해 변환영역을 DC(Direct Current)와 AC(Alternating Current)로 분리하였다. 그리고 워터마크의 삽입 및 추출방법은 널리 알려진 Cox[1]의 방법을 확장하여 각각의 대역에 적용하였다. 워터마크를 부호화하고, 변환된 워터마크(Watermark)에 DCT를 적용하여 얻은 부호화된 워터마크(DCT-based Watermark)를 사용하는 과정을 제안하게 되었다.
본 논문에서는 원영상(Original image)의 주파수영역에서 사용하는 변환방법으로 DCT 및 양자화 과정을 진행하였으며, 변환 후에 워터마크의 삽입을 위해 변환영역을 DC(Direct Current)와 AC(Alternating Current)로 분리하였다. 그리고 워터마크의 삽입 및 추출방법은 널리 알려진 Cox[1]의 방법을 확장하여 각각의 대역에 적용하였다.
원 영상에서 DCT와 양자화 계수를 계산하여 얻은 계수와 워터마크 영상의 DCT 통하여 얻은 계수를 얻고, 각 영상의 양자화 계수 부분에 워터마크를 삽입하였다. 부호화계수의 AC 성분을 이용하여 인간시각으로 지각할 수 없는 위치에 워터마크를 삽입하였다.
압축된 영상을 8x8의 블록으로 분리하여 DCT와 양자화 계산하고 Key를 가지고 역으로 계산하여 워터마크 값과 워터마크 결과영상을 추출(Watermark’)한다.
그리고 워터마크의 삽입 및 추출방법은 널리 알려진 Cox[1]의 방법을 확장하여 각각의 대역에 적용하였다. 워터마크를 부호화하고, 변환된 워터마크(Watermark)에 DCT를 적용하여 얻은 부호화된 워터마크(DCT-based Watermark)를 사용하는 과정을 제안하게 되었다.
워터마크의 삽입을 위해 DCT를 수행하여 원 영상과 워터마크를 주파수영역으로 변환하였으며, DCT는 식(1)과 같이 표현된다. 또한 IDCT 수행으로 주파수 대역별 워터마킹 영상을 얻게 되고 관계식은 다음식(2)와 같이 표현된다.
원 영상에서 DCT와 양자화 계수를 계산하여 얻은 계수와 워터마크 영상의 DCT 통하여 얻은 계수를 얻고, 각 영상의 양자화 계수 부분에 워터마크를 삽입하였다. 부호화계수의 AC 성분을 이용하여 인간시각으로 지각할 수 없는 위치에 워터마크를 삽입하였다.

대상 데이터

00GB의 Window 7에서 Visual C++를 이용하여 시뮬레이션 프로그램을 작성하였다. 그리고 NxN(256*256) 그레이 레벨의 정지 영상과 nxn(32*32) 그레이 레벨의 영상인 워터마크를 사용하여 실험하였다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘의 실험은 Core i53.4GHz, RAM 4.00GB의 Window 7에서 Visual C++를 이용하여 시뮬레이션 프로그램을 작성하였다. 그리고 NxN(256*256) 그레이 레벨의 정지 영상과 nxn(32*32) 그레이 레벨의 영상인 워터마크를 사용하여 실험하였다.
그림 3에서는 모의실험에 사용하게 되는 Lena, Couple, Girl, Airplane 등 4개의 정지 영상을 보여주었다. 워터마킹에서 사용하는 워터마크의 정보는 다음 그림 4와 같이 워터마크 영상 정보를 사용하였다.

성능/효과

본 논문에서는 디지털 영상과 DCT 기반으로 워터마크 영상을 부호화하였으며, 일반 워터마크 된 영상보다 화질을 향상시키며 워터마킹 알고리즘의 좋은 결과를 얻을 수 있게 되었다. 이 방법은 영상에 삽입된 영상에 악성코드로 변경되어도 사전에 정보를 구분하여 얻을 수 있다는 장점을 얻게 되었다.
원 영상의 평균 PSNR은 29.88dB이고, 워터마크된 영상의 평균 PSNR은 28.89B, 원 워터마크와 추출된 워터마크의 평균 NC값은 99.98을 얻게 되었다.

후속연구

디지털 영상의 저주파 영역에서 DCT 계수를 계산하여 계수의 마지막 영역에 워터마크를 삽입을 통하여 워터마크의 삽입과 추출에 높은 효과를 가질 수 있었다. 본 논문에서 제안한 알고리즘은 모든 면에서 향상된 결과를 보여주었으며, 향후 여러 분야에 적용 가능하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	워터마크 기법이란?	워터마크 기법은 콘텐츠(사진, 영상, 동영상 등)에 사용자의 ID (identification)나 자신만의 정보를 넣음으로써 불법적인 복제를 막고 데이터 소유자의 저작권과 소유권을 효율적으로 보호하기 위한 방법이다.[1][2][3][4]
	주파수 영역에서의 디지털 워터마킹 연구에는 무엇이 있는가?	공간영역에서의 워터마킹보다 주파수 영역에서의 워터마킹에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 주파수영역에 서의 연구는 FFT(Fast Fourier Trans form), DCT (Discrete Cosine Transform), DWT(Discrete Wavelet Transform) 등을 들 수 있다. Koch는 영상 분할과 DCT 한 후 저주파 성분에 삽입한 방법을 제시하였다.
	워터마크가 가져야 할 특성은?	워터마크가 가져야 할 특성은 콘텐츠에 삽입한 워터 마크가 보이지 않아야 하고, 일반적인 콘텐츠 변형으로써 압축, 저역통과필터, 확대, 축소, 회전등을 가해도 워터마크의 특징은 살아있어야 한다. 저작권 보호에 워터 마크가 효율적으로 이용되기 위해서는 비가시성 (invisibility), 강인성(robustness), 명확성(unambiguity) 등의 특성을 갖추어야 한다.

참고문헌 (8)

I. J. Cox, J. Kilian, T. Leighton, and T. Shamoon, "Secure Spread Spectrum Watermarking for Multimedia, IEEE Trans. on Image Processing," vol. 6, no. 12, pp. 1673-1687, Dec. 1997.

상세보기
X. Xia, C. G. Boncelet and G. R. Arce, "A Multiresolution Watermark for Digital Images," IEEE Int. Conf. on Image Processing, vol. 1, pp. 548-551, 1997.
I. Cox, M. Miller, and J.Bloom. Digital Watermarking. Morgan Kaufmann, San Francisco, 2002.
D. Zheng, Y. Liu, J. Zhao, and A. E. Saddik, "A survey of RST invariant image watermarking algorithms," ACM Computing Surveys, vol. 39, issue 2, no. 5, 2007.

상세보기
M. Yesilyurt, Y. Yalman, A. T. Ozcerit, "A New DCT Based Watermarking Method Using Luminance Component," Elektronika Ir Elektrotechnika, Vol. 19, No. 4, pp. 47-52, 2013.
Y. S. Im, E. Y. Kang, "MPEG-2 Video Watermarking in Quantized DCT Domain," The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(JIIBC), Vol. 11, No. 1, pp.81-86, 2011.
Ji-in Kim, Jeong-Sig Kim, and Goo-Rak Kwon,"A Robust Watermarking using Quantized AC Coefficients," Journal of KIIT. Vol. 11, No. 6, pp. 85-90 June 30, 2013.
Jung, Chan-Suk, Shin, Yong-Tae, "A Study on Verification of Security Threat and Method of Response for Multimedia Broadcasting and Communication Convergence Services," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society(JKAIS), Vol. 14, Issue 6, pp. 3032-3042, 2013.

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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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