[논문]높은 비가청성을 갖는 믹스 음악의 크기 변조 오디오 워터마킹 기술에 관한 연구

강세구; 이영석

doi:10.17661/jkiiect.2016.9.1.067

높은 비가청성을 갖는 믹스 음악의 크기 변조 오디오 워터마킹 기술에 관한 연구
Study on the Amplitude Modification Audio Watermarking Technique for Mixed Music with High Inaudibility 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.9 no.1, 2016년, pp.67 - 74

강세구 (Department of Electronics, ChungWoon University) , 이영석 (Department of Electronics, ChungWoon University)

초록
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본 논문에서는 믹스 음악을 위한 디지털 오디오 워터마킹 기술을 제안하였다. 믹스 음악은 기존에 저작권이 확보되어 있는 음악을 편집하여 한편의 오디오 클립에 다수의 음악이 포함되어 있는 재창조된 음악을 의미한다. 오디오 콘텐츠와 관련된 저작권료는 보통 완전체 오디오를 기준으로 부과된다. 그러나 믹스 음악의 경우에는 오디오 완전체를 모두 사용하는 것이 아니라 일부만을 이용하기 때문에 저작권료의 산정에서 저작권자와 사용자간의 분쟁의 소지를 갖고 있다. 본 연구에서는 이와 같은 오디오 저작권료와 관련된 문제의 기술적인 해결 방법으로서 믹스 음악을 구성하고 있는 각각의 오디오 콘텐츠에 대하여 서로 다른 워터마크를 삽입하여 음악을 구분할 수 있는 워터마킹 기술을 제안하였다. 제안된 기술은 기존의 워터마킹 방법과 달리 믹스음악을 구성하는 각각의 오디오에 대하여 서로 다른 워터마크를 삽입하기 때문에 오디오 전체에 대하여 워터마크를 삽입하는 기존의 방법과 달리 오디오의 품질을 떨어뜨리는 단점이 있다. 이에 대한 기술적 해결로서 비 가청성이 강조된 이진 랜덤 열을 이용하고 워터마크 삽입에 따른 신호의 왜곡 특성이 가장 적은 크기 변조 오디오 워터마킹 기술을 이용하였다. 제안된 방법은 워터마크의 추출 특성을 통하여 성능을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a watermarking technology for a mixed music. The mixed music means recreated music that contained a number of musics in one audio clip. Royalty associated with the audio content is typically imposed by the full audio content. However, the calculation of royalties gives rise to conflict between copyright holders and users in the mixed music because it uses not full audio content but a fraction of that. To solve the conflict related with the mixed music, we propose a audio watermarking technique that inserts different watermarks for each audio in the audio that make up the mixed music. The proposed watermarking scheme might have poor SNR (signal to noise ratio) to embed to each audio clip. To overcome poor SNR problem, we used inaudible pseudo random sequence which modifies typical pseudo random sequence to canonical signed digit (CSD) form. The proposed method verifies the performance by each watermark extraction and the time internal estimation valies from the mixed music.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 믹스 음악을 구성하고 있는 원음의 인식 및 원음이 사용된 시간을 근거로 하는 정산 등을 고려한 믹스 음악을 위한 워터마킹 기술을 제안하였다. 제안한 방법은 믹스 음악을 구성하는 원음 전체에 일정한 시간 간격으로 워터마크를 시간평면에서 주기적으로 삽입하고, 이와 별도로 웨이블릿 평면에서 원음의 특징과 관련된 워터마크를 삽입하는 이중 워터마킹 삽입 방식을 사용하였다.
본 연구에서는 음악 예술계에서 새로운 문화로 떠오르고 있는 믹스 음악 즉, 기존에 작곡된 음악들을 섞거나, 연결하여 새로운 음악을 재창조하는 음악에서 믹스 음악을 구성하는 원음들을 구분하고, 삽입된 시간을 추정하여 이에 따른 저작권의 과금 체계를 구성하는 데 사용할 수 있는 새로운 워터마킹 기술을 제안하였다. 제안된 워터마킹 기술은 이론적으로 약 0.

가설 설정

이와 같은 결과는 워터마크를 구현하기 위하여 사용한 랜덤 열이 인간의 가청 주파수 영역에서 작은 이득을 갖는 특성으로부터 기인한 것이다. 워터마크의 추출 과정에서는 워터마킹된 음원들을 이용하여 만들어진 믹스 음악으로 부터 워터마크를 추출하는 상황을 가정하여 50곡의 워터마킹된 음원으로부터 3곡을 임의로 선택하고, 선택된 3곡에서 임의의 부분을 선택한다. 믹스 음악은 선택된 부분을 서로 연결하여 믹스 음악을 구성하였다.

제안 방법

본 연구에서는 2048 샘플마다 512 샘플로 구성된 동기화 랜덤 열을 삽입하였다. 동기화 랜덤 열이 삽입된 음악은 각 음원 마다 정보를 나타낼 수 있는 워터마크를 삽입하기 위하여 두 번의 이산 웨이블릿 변환을 수행하여 두 개의 중간 대역들 안에 각각 512 샘플들로 구성된 랜덤 열을 반복하여 삽입 하였다. 삽입 하는 방식은 원음의 크기를 변조 시키는 크기 변조 워터마킹 기술을 사용하였다.
제안한 방법은 믹스 음악을 구성하는 원음 전체에 일정한 시간 간격으로 워터마크를 시간평면에서 주기적으로 삽입하고, 이와 별도로 웨이블릿 평면에서 원음의 특징과 관련된 워터마크를 삽입하는 이중 워터마킹 삽입 방식을 사용하였다. 따라서 시간 평면에 삽입된 워터마크는 워터마크가 존재하는 위치를 상관관계 식을 통하여 알수 있도록 하는 역할을 수행하고 웨이블릿 평면에서 삽입된 워터마크는 원음의 종류를 알 수 있고 추출된 워터마크의 개수는 원음이 수록된 시간을알 수 있도록 하였다. 또한 워터마크 추출 과정에서는 순환 이동(circular shift) 방법을 이용하여 워터마크를 추출하는데 걸리는 시간을 줄이도록 하였다.
또한 사용한 워터마킹 기술은 워터마크의 삽입으로 인한 원음의 왜곡이 가장 적다고 알려진 크기 변조 워터마킹 기술을 사용하였다. 또한 사용된 워터마크는 시드(seed)를 이용하여 발생 시킨 랜덤 열에 비가청성을 높이는 알고리즘을 적용하여 원음의 왜곡이 최소화 되도록 하는 방법을 사용하였다.
따라서 시간 평면에 삽입된 워터마크는 워터마크가 존재하는 위치를 상관관계 식을 통하여 알수 있도록 하는 역할을 수행하고 웨이블릿 평면에서 삽입된 워터마크는 원음의 종류를 알 수 있고 추출된 워터마크의 개수는 원음이 수록된 시간을알 수 있도록 하였다. 또한 워터마크 추출 과정에서는 순환 이동(circular shift) 방법을 이용하여 워터마크를 추출하는데 걸리는 시간을 줄이도록 하였다. 또한 사용한 워터마킹 기술은 워터마크의 삽입으로 인한 원음의 왜곡이 가장 적다고 알려진 크기 변조 워터마킹 기술을 사용하였다.
이 과정을 통하여 워터마크의 추출뿐 만 아니라 추출된 워터마크의 수를 계수하여 믹스 음악을 구성하는 음원의 종류 및 시간을 연산할 수 있도록 구성하였다. 또한 추출한 워터마크는 음악을 구분할 수 있는 랜덤 열들로 구성된 데이터베이스의 랜덤 열들과 순환 이동 방식을 이용하여 비교함으로서 추출한 워터마크에 해당하는 음악을 검색할 수 있도록 구성하였다 [7-10].
제안한 방법은 시드 (seed)를 이용하여 이진 랜덤 시퀀스를 발생시키는 것으로부터 시작한다. 발생한 이진 시퀀스는 인접한 디지트가 0이 아닌 값을 허용하지 않도록 하기 위하여 표준부호 디지트 코딩을 실시한다 [5]. 디 지트 코딩의 결과를 인접한 디지트와 순서쌍으로 나타내면 측정 위치에 인접한 디지트가 측정 위치의 디지트와 항상 부호가 반대라는 점이다.
본 연구에서는 비가청성을 향상시키기 위한 랜덤 열을 그림 1과 같이 방법을 통하여 발생시키는 방법을 사용하였다 [4]. 제안한 방법은 시드 (seed)를 이용하여 이진 랜덤 시퀀스를 발생시키는 것으로부터 시작한다.
본 연구에서는 워터마크를 추출하기 위하여 그림 3과 같은 워터마크 삽입 과정을 구현하였다.
본 연구에서는 제안한 워터마킹 알고리즘을 평가하기 위하여 신호 대 잡음 비(SNR: signal to noise ratio)를 40dB로 고정한 상태에서 제안한 워터마킹 알고리즘의 워터마크 추출을 통한 음악의 종류 및 삽입 시간을 추출할 수 있는지를 확인하였다.
본 연구에서는 실험을 위하여 각각 10곡씩 장르별 mp3 음악 파일을 준비하였다. 실험 과정은 각각의 mp3 파일을 음원으로 사용하여 본 연구에서 제안한 워터마킹 삽입 방식을 이용하여 워터마킹된 음원을 구성하였다. 그림 5는 실험을 위하여 사용된 음원 및 그것의 워터마킹된 음악을 나타내고 있다.
그 다음은 상관성 계산 결과에 따라 워터마크가 삽입된 부분에서 생성된 피크를 검출하는 과정을 통하여 워터마크가 삽입된 위치를 추출한다. 음악에 삽입된 워터마크를 추출하기 위하여 워터마킹된 음악은 2번의 이산 웨이블릿 변환을 거쳐 중간 영역들에 삽입된 워터마크를 추출하는 프로세스를 진행하도록 하였다. 이 과정을 통하여 워터마크의 추출뿐 만 아니라 추출된 워터마크의 수를 계수하여 믹스 음악을 구성하는 음원의 종류 및 시간을 연산할 수 있도록 구성하였다.
음악에 삽입된 워터마크를 추출하기 위하여 워터마킹된 음악은 2번의 이산 웨이블릿 변환을 거쳐 중간 영역들에 삽입된 워터마크를 추출하는 프로세스를 진행하도록 하였다. 이 과정을 통하여 워터마크의 추출뿐 만 아니라 추출된 워터마크의 수를 계수하여 믹스 음악을 구성하는 음원의 종류 및 시간을 연산할 수 있도록 구성하였다. 또한 추출한 워터마크는 음악을 구분할 수 있는 랜덤 열들로 구성된 데이터베이스의 랜덤 열들과 순환 이동 방식을 이용하여 비교함으로서 추출한 워터마크에 해당하는 음악을 검색할 수 있도록 구성하였다 [7-10].
본 연구에서는 음악 예술계에서 새로운 문화로 떠오르고 있는 믹스 음악 즉, 기존에 작곡된 음악들을 섞거나, 연결하여 새로운 음악을 재창조하는 음악에서 믹스 음악을 구성하는 원음들을 구분하고, 삽입된 시간을 추정하여 이에 따른 저작권의 과금 체계를 구성하는 데 사용할 수 있는 새로운 워터마킹 기술을 제안하였다. 제안된 워터마킹 기술은 이론적으로 약 0.046초의 음악 샘플로부터 음원을 구분할 수 있으며, 실제 적용 시에는 0.734초의 음원 샘플로부터 워터마크를 추출할 수 있도록 구성하였다. 실험을 통하여 제안한 워터마킹 기술이 믹스 음악으로부터 음원을 추출하고 삽입 시간을 약 0.
본 연구에서는 믹스 음악을 구성하고 있는 원음의 인식 및 원음이 사용된 시간을 근거로 하는 정산 등을 고려한 믹스 음악을 위한 워터마킹 기술을 제안하였다. 제안한 방법은 믹스 음악을 구성하는 원음 전체에 일정한 시간 간격으로 워터마크를 시간평면에서 주기적으로 삽입하고, 이와 별도로 웨이블릿 평면에서 원음의 특징과 관련된 워터마크를 삽입하는 이중 워터마킹 삽입 방식을 사용하였다. 따라서 시간 평면에 삽입된 워터마크는 워터마크가 존재하는 위치를 상관관계 식을 통하여 알수 있도록 하는 역할을 수행하고 웨이블릿 평면에서 삽입된 워터마크는 원음의 종류를 알 수 있고 추출된 워터마크의 개수는 원음이 수록된 시간을알 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 비가청성을 향상시키기 위한 랜덤 열을 그림 1과 같이 방법을 통하여 발생시키는 방법을 사용하였다 [4]. 제안한 방법은 시드 (seed)를 이용하여 이진 랜덤 시퀀스를 발생시키는 것으로부터 시작한다. 발생한 이진 시퀀스는 인접한 디지트가 0이 아닌 값을 허용하지 않도록 하기 위하여 표준부호 디지트 코딩을 실시한다 [5].

대상 데이터

또한 워터마크 추출 과정에서는 순환 이동(circular shift) 방법을 이용하여 워터마크를 추출하는데 걸리는 시간을 줄이도록 하였다. 또한 사용한 워터마킹 기술은 워터마크의 삽입으로 인한 원음의 왜곡이 가장 적다고 알려진 크기 변조 워터마킹 기술을 사용하였다. 또한 사용된 워터마크는 시드(seed)를 이용하여 발생 시킨 랜덤 열에 비가청성을 높이는 알고리즘을 적용하여 원음의 왜곡이 최소화 되도록 하는 방법을 사용하였다.
이 과정은 모든 원음에 동일한 랜덤 열을 사용하기 때문에 해당 워터마크가 삽입된 위치에서 상관 식을 통하여 워터마크의 삽입 위치를 추정하기 위해서 이다. 본 연구에서는 2048 샘플마다 512 샘플로 구성된 동기화 랜덤 열을 삽입하였다. 동기화 랜덤 열이 삽입된 음악은 각 음원 마다 정보를 나타낼 수 있는 워터마크를 삽입하기 위하여 두 번의 이산 웨이블릿 변환을 수행하여 두 개의 중간 대역들 안에 각각 512 샘플들로 구성된 랜덤 열을 반복하여 삽입 하였다.
본 연구에서는 실험을 위하여 각각 10곡씩 장르별 mp3 음악 파일을 준비하였다. 실험 과정은 각각의 mp3 파일을 음원으로 사용하여 본 연구에서 제안한 워터마킹 삽입 방식을 이용하여 워터마킹된 음원을 구성하였다.

성능/효과

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	믹스 음악은 무엇을 의미하는가?	본 논문에서는 믹스 음악을 위한 디지털 오디오 워터마킹 기술을 제안하였다. 믹스 음악은 기존에 저작권이 확보되어 있는 음악을 편집하여 한편의 오디오 클립에 다수의 음악이 포함되어 있는 재창조된 음악을 의미한다. 오디오 콘텐츠와 관련된 저작권료는 보통 완전체 오디오를 기준으로 부과된다.
	네트워크 기술의 발전으로 오디오 디지털 콘텐츠 시장에 나타난 문제와 그 이유는?	디지털 콘텐츠는 네트워크를 통하여 빠르게 배포되는 장점이 있는 반면에 원본과 복사본을 구별할 수 없는 단점으로 인하여 저작권을 무시하는 불법 복제 또는 불법 유통을 야기하여 경제적 사회적 문제를 발생시키고 있다[1]. 특히 노래나 어학 학습 등을 포함하는 오디오 콘텐츠들은 영화와 같은 영상 콘텐츠와 달리 데이터 량이 상대적으로 작고, 유행을 타지 않는 점 등의 이유로 꾸준하게 불법 유통이 증가하고 있는 추세이다. 이와 같은 상황에서 오디오 콘텐츠들의 불법 복제 및 유통을 개선하기 위하여 기존 유통망의 건전성 확보 또는 인적 자원을 이용한 불법 유통망 적발과 같은 고전적인 방법을 이용하는 경우는 그 개선 효과가 미미할 뿐 아니라 불법 유통을 더 음성적으로 발전시키는 역효과를 가져오기 때문에, 기존의 방법과 다른 불법 복제 및 유통에 대한 대안이 필요하다.
	워터마킹 기술은 어떤 기술을 의미하는가?	최근 20년 동안 이와 같은 불법 복제 및 유통의 현실에 대한 기술적 조치로서 워터마킹 기술을 이용하여 큰 효과를 보였다. 워터마킹 기술은 오디오 콘텐츠에 콘텐츠를 식별하거나 저작권을 주장할수 있는 정보를 삽입하여 추후에 해당 콘텐츠에 대한 저작권 시비가 일 경우, 삽입된 워터마크 정보를 이용하여 저작권을 주장할 수 있는 기술을 의미한다.

참고문헌 (10)

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P. A. Tremblay and S. McLaughlin, "Thinking Inside the Box: A New Integrated Approach to Mixed Music Composition and Performance", Proceedings of International Computer Music Conference, pp. 379-386, 2009.
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M. W. Nam, Y. S. Lee, " Study on the inaudible random signal generation using CSD coding," KIIECT, vol. 8, No. 4, pp. 263-269, 2015.
S. Hentschke, A. Herrfeld, N. Reifschneider, and D. Forster, "A flexible repetitive CSD code filter processor unit in CMOS", Proceedings of ASIC Conference and Exhibit, pp. 261-264, September, 1994.
Wen-Nung Lie and Li-Chun Chang, "Robust and high-quality time-domain audio watermarking based on low-frequency amplitude modification", IEEE Transactions on Multimedia, Vol.8 , No. 1, pp. 46-59, 2006.

상세보기
Zhi Li, Guizhong Liu, Yang Yang and Junyong You, "Scale and rotation invariant local binary pattern using scale adaptive text on and subuniform based circular shift", IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 21 , No. 4, pp. 2130-2140, 2011.
Xiangyang Wang, Panpan Niub and Hongying Yang, "A robust digital audio watermarking based on statistics characteristics," Pattern Recognition, vol. 43, pp. 1-8, 2009.
M. D. Swanson, "Current state of the art, challenges, and future directions for audio watermarking, " Proc. IEEE Int. Conf. Multimedia Computing and Systems, pp.19-24, 1999.
W. Lie and L. Chang, "Robust and high-quality time-domain audio watermarking subject to psychoacoustic masking," Proc. IEEE. Int. Symposium of Circuits and Systems , vol. 2, pp. 45-48 , 2002

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