[논문]고품질 스테레오 음악을 위한 오디오 워터마크 정보 삽입/추출 기술

배경율

doi:10.13088/jiis.2018.24.2.021

고품질 스테레오 음악을 위한 오디오 워터마크 정보 삽입/추출 기술
An Embedding /Extracting Method of Audio Watermark Information for High Quality Stereo Music 원문보기

지능정보연구 = Journal of intelligence and information systems, v.24 no.2, 2018년, pp.21 - 35

초록
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본 논문에서는 스테레오 음악에 오디오 워터마크를 삽입하기 위한 알고리즘을 제안하였다. 스테레오 음악은 2개의 채널을 갖고 있기 때문에 기존 워터마킹 기술은 일반적으로 각 채널을 독립적으로 생각하고 처리하는 경우가 많다. 그러나 스테레오를 모노로 변환하는 과정에서 워터마크의 손실이 발생하는 경우가 많이 발생할 수 있다. 제안한 알고리즘은 스테레오를 모노로 변환하더라도 워터마크의 손실이 발생하지 않도록 워터마크를 삽입할 때 스테레오와 모노변환의 특성을 이용하였다. 제안된 알고리즘에 사용된 오디오 워터마크는 "Copyright"와 "Copy_free"라는 두 가지 정보를 터보코드를 이용하여 생성하였다. 두 워터마크는 9바이트(72비트)로 이루어져 있으며, 오류정정을 위하여 터보코드를 적용하면 222비트로 삽입해야 하는 정보량이 늘어난다. 222비트의 워터마크는 추가적인 오류에 강인하도록 1024비트로 확장하여 최종적으로 스테레오 음악에 삽입할 워터마크로 사용하였다. 평균적으로 SNR은 40dB를 넘어서서 전통적인 양자화 방식보다 10dB 이상의 음질 개선을 가져왔다. 이는 상대적으로 10배의 음질 개선도를 의미하는 것으로 매우 유의미한 결과이다. 또한 워터마크의 추출에 필요한 샘플길이는 1초 이내의 길이면 충분히 추출이 가능하고, 128Kbps의 비트레이트를 갖는 MP3 압축에 대해서도 모두 1초 이내 길이의 음악 샘플로부터 워터마크의 완전한 추출이 가능하였다. 전통적인 양자화 방식이 10초 길이의 샘플을 이용해도 대부분 워터마크의 추출에 실패한 것에 비하면 1/10에 불과한 길이로 워터마크의 추출이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since the introduction of MP3 players, CD recordings have gradually been vanishing, and the music consuming environment of music users is shifting to mobile devices. The introduction of smart devices has increased the utilization of music through music playback, mass storage, and search functions that are integrated into smartphones and tablets. At the time of initial MP3 player supply, the bitrate of the compressed music contents generally was 128 Kbps. However, as increasing of the demand for high quality music, sound quality of 384 Kbps appeared. Recently, music content of FLAC (Free License Audio Codec) format using lossless compression method is becoming popular. The download service of many music sites in Korea has classified by unlimited download with technical protection and limited download without technical protection. Digital Rights Management (DRM) technology is used as a technical protection measure for unlimited download, but it can only be used with authenticated devices that have DRM installed. Even if music purchased by the user, it cannot be used by other devices. On the contrary, in the case of music that is limited in quantity but not technically protected, there is no way to enforce anyone who distributes it, and in the case of high quality music such as FLAC, the loss is greater. In this paper, the author proposes an audio watermarking technology for copyright protection of high quality stereo music. Two kinds of information, "Copyright" and "Copy_free", are generated by using the turbo code. The two watermarks are composed of 9 bytes (72 bits). If turbo code is applied for error correction, the amount of information to be inserted as 222 bits increases. The 222-bit watermark was expanded to 1024 bits to be robust against additional errors and finally used as a watermark to insert into stereo music. Turbo code is a way to recover raw data if the damaged amount is less than 15% even if part of the code is damaged due to attack of watermarked content. It can be extended to 1024 bits or it can find 222 bits from some damaged contents by increasing the probability, the watermark itself has made it more resistant to attack. The proposed algorithm uses quantization in DCT so that watermark can be detected efficiently and SNR can be improved when stereo music is converted into mono. As a result, on average SNR exceeded 40dB, resulting in sound quality improvements of over 10dB over traditional quantization methods. This is a very significant result because it means relatively 10 times improvement in sound quality. In addition, the sample length required for extracting the watermark can be extracted sufficiently if the length is shorter than 1 second, and the watermark can be completely extracted from music samples of less than one second in all of the MP3 compression having a bit rate of 128 Kbps. The conventional quantization method can extract the watermark with a length of only 1/10 compared to the case where the sampling of the 10-second length largely fails to extract the watermark. In this study, since the length of the watermark embedded into music is 72 bits, it provides sufficient capacity to embed necessary information for music. It is enough bits to identify the music distributed all over the world. 272 can identify $4*10^{21}$, so it can be used as an identifier and it can be used for copyright protection of high quality music service. The proposed algorithm can be used not only for high quality audio but also for development of watermarking algorithm in multimedia such as UHD (Ultra High Definition) TV and high-resolution image. In addition, with the development of digital devices, users are demanding high quality music in the music industry, and artificial intelligence assistant is coming along with high quality music and streaming service. The results of this study can be used to protect the rights of copyright holders in these industries.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고품질 스테레오 음악의 저작권 보호를 위한 오디오 워터마킹 기술을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 스테레오 음악을 모노로 변환하였을 때 효율적으로 워터마크를 검출할 수 있고 SNR이 향상될 수 있도록 DCT에서의 양자화를 이용하였다.
지금까지 제안된 알고리즘들은 스테레오 오디오 시스템에서 단일 채널로 변환하는데 가장 손쉽게 활용할 수 있는 두 채널의 합성에 대해서 취약점을 갖고 있다. 본 연구에서는 고 품질의 오디오에서 워터마크를 은닉하고 검출할 수 있는 스테레오 워터마킹 기술을 제안하였다.
본 연구에서는 고품질 스테레오 음악이 기술적 보호조치가 없이 무방비 상태로 서비스되어 일어날 수 있는 저작권 침해를 예방할 수 있는 오디오 워터마킹 기술을 제안하였다. 제안된 오디오 워터마킹 기술은 스테레오 음악을 단일채널로 변환하는 경우에도 추출이 용이하도록 강인성을 개선하였으며, 고품질 오디오에 적합한 강도를 달성하였다.

제안 방법

이 경우에는 전통적인 양자화 기법은 10초 이내 길이의 음악샘플에서 워터마크를 추출하는데 모두 실패하였다. 반면에 제안한 알고리즘은 128Kbps의 비트레이트에서도 1초 이내 길이의 음악샘플에서 워터마크를 모두 추출하였다. 이러한 결과는 제안한 알고리즘이 워터마크 삽입에서 SNR이 상대적으로 매우 우수할 뿐만 아니라 고품질과 중음질의 음악에 대해서 워터마크를 추출하는 강인성이 매우 높다는 것을 의미한다.
확산 스펙트럼 방식은 강인성을 보장받을 수 있지만 강인성을 위해서 실제 정보량보다 수십 배에서 수백 배에 달하는 비트정보를 삽입해야 한다. 본 연구에서는 고품질 음악 콘텐츠를 대상으로 하기 때문에 강인성보다는 품질을 유지하는 것을 우선으로 하여 양자화 방식을 사용하였다.
DCT 계수의 양자화 과정을 통해서 워터마크를 단순 삽입하는 것만으로는 본 연구에서 목표로 하는 고품질 스테레오 오디오 워터마킹 기술을 달성할 수 없다. 스테레오 음악을 모노로 바꾸더라도 양자화된 데이터 손실을 최소화할 수 있도록 하기 위해서 양자화를 취하기 전에 두 채널의 오디오 샘플 값의 비율을 구하고, 그 비율에 따라서 양자화를 취함으로써 스테레오로 존재하는 음악이나 모노로 변환된 음악이나 양자화에 의한 워터마크의 검출이 가능하도록 하였다. 이에 따라서 각 채널 별 실제 양자화 레벨인 Q값은 식(3)과 같이 조정되어 식(2)에서 사용된다.
실험에서 워터마크의 삽입강도(Q값)를 조절하여 평균적으로 SNR 값을 조절할 수 있다. 워터마크 삽입을 위한 Q값의 설정을 일정하게 할 경우에는 음악의 크기에 따라서 워터마크의 손실이 생기거나 잡음이 발생할 가능성이 높기 때문에, 본 실험에서는 2~5단계로 구분하여 낮은 값의 샘플에 대해서는 양자화 레벨을 낮춤으로써 고품질 음악에 적합하게 설계하여 실험하였다.
초기의 오디오 워터마킹 기술은 확산스펙트럼 방식을 이용하여 낮은 잡음의 형태로 워터마크를 삽입하는 방식으로 출발하였다. 이후에 양자화 방식에 의한 워터마크 삽입 알고리즘들이 제안되었으며, 위상 스펙트럼에 삽입하는 알고리 즘도 제안되었으나 대부분의 제안 알고리즘은 단일 채널 오디오 시스템을 고려하거나 스테레오인 경우에는 2개의 채널에 각각 삽입하는 방식을 이용하였다. 지금까지 제안된 알고리즘들은 스테레오 오디오 시스템에서 단일 채널로 변환하는데 가장 손쉽게 활용할 수 있는 두 채널의 합성에 대해서 취약점을 갖고 있다.
제안된 알고리즘에 사용될 오디오 워터마크는 “Copyright”와 “Copy_free”라는 두 가지 정보를 터보코드를 이용하여 생성하였다.
본 논문에서는 고품질 스테레오 음악의 저작권 보호를 위한 오디오 워터마킹 기술을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 스테레오 음악을 모노로 변환하였을 때 효율적으로 워터마크를 검출할 수 있고 SNR이 향상될 수 있도록 DCT에서의 양자화를 이용하였다. 그 결과 평균적으로 SNR은 40dB를 넘어서서 전통적인 양자화 방식보다 10dB 이상의 음질 개선을 가져왔다.
제안한 알고리즘이 고품질 음악에 적합한지 여부를 판단하기 위해서 전형적인 양자화 방식에 의한 워터마크를 삽입하였을 때와 제안한 방식에 의해서 삽입한 샘플 음악에 대해서 동일한 실험을 수행하였다.

대상 데이터

두 워터마크는 9바이트(72비트)로 이루어져 있으며, 오류정정을 위하여 터보코드를 적용하면 222비트로 삽입해야 하는 정보량이 늘어난다. 222비트의 워터마크는 추가적인 오류에 강인하도록 1024비트로 확장하여 최종적으로 스테레오 음악에 삽입할 워터마크로 사용하였다. 터보코드는 워터마크된 콘텐츠가 공격받아 코드의 일부가 훼손되어도 훼손된 양이 15% 이내이면 원 데이터를 복구할 수 있는 방법이며, 이를 1024비트로 확장 시킨 것도 일부 훼손된 콘텐츠로부터 222비트를 찾아낼 수 있는 확률을 높임으로써 워터마크 자체가 공격에 강인하게 만들었다.
본 논문의 실험에서 사용된 샘플 오디오의 샘플링 주파수는 44,100Hz에 스테레오, 16비트 또는 32비트인 음악을 사용하였다. 삽입 단위인 세그먼트 사이즈는 DCT변환에 적합하도록 하나의 워터마크 정보(72비트, 터보코드로 222비트, 실제 삽입량은 1024비트)를 삽입하기 위해서 65,536 샘플 (1.
본 논문의 실험에서 사용된 샘플 오디오의 샘플링 주파수는 44,100Hz에 스테레오, 16비트 또는 32비트인 음악을 사용하였다. 삽입 단위인 세그먼트 사이즈는 DCT변환에 적합하도록 하나의 워터마크 정보(72비트, 터보코드로 222비트, 실제 삽입량은 1024비트)를 삽입하기 위해서 65,536 샘플 (1.4861s)을 사용하였다.

이론/모형

워터마크 삽입 후의 품질 평가는 SNR(Signal to Noise Ratio)을 기준으로 진행하며 검출된 워터마크는 BER(Bit Error Rate)을 통해 평가된다. 실험에서 워터마크의 삽입강도(Q값)를 조절하여 평균적으로 SNR 값을 조절할 수 있다.

성능/효과

46초 길이에서 추출이 가능하였다. 192Kbps MP3 음악에 대해서도 제안한 알고리즘은 모두 1초 이내의 샘플길이로 워터마크 추출이 가능하였다.
제안한 알고리즘은 스테레오 음악을 모노로 변환하였을 때 효율적으로 워터마크를 검출할 수 있고 SNR이 향상될 수 있도록 DCT에서의 양자화를 이용하였다. 그 결과 평균적으로 SNR은 40dB를 넘어서서 전통적인 양자화 방식보다 10dB 이상의 음질 개선을 가져왔다. 이는 상대적으로 10배의 음질 개선도를 의미하는 것으로 매우 유의미한 결과이다.
이는 상대적으로 10배의 음질 개선도를 의미하는 것으로 매우 유의미한 결과이다. 또한 워터마크의 추출에 필요한 샘플길이는 1초 이내의 길이면 충분히 추출이 가능하고, 128Kbps의 비트레이트를 갖는 MP3 압축에 대해서도 모두 1초 이내 길이의 음악 샘플로부터 워터마크의 완전한 추출이 가능하였다. 전통적인 양자화 방식이 10초 길이의 샘플을 이용해도 대부분 워터마크의 추출에 실패한 것에 비하면 1/10에 불과한 길이로 워터마크의 추출이 가능한 것이다.
12초 길이의 샘플로부터 워터마크의 추출이 성공하였다. 반면에 제안한 알고리즘은 4개의 음악샘플에 대해서 모두 1초이내 길이의 샘플로부터 워터마크를 추출하는 것이 가능하였다.
본 연구에서 음악에 삽입한 워터마크의 길이는 72비트이기 때문에 음악에 필요한 정보를 삽입하는 데 충분한 용량을 제공하고 있다. 특히 전세계에서 유통되는 음악을 식별하기에 충분한 비트 수이다.
워터마크 삽입 후의 품질 평가는 SNR(Signal to Noise Ratio)을 기준으로 진행하며 검출된 워터마크는 BER(Bit Error Rate)을 통해 평가된다. 실험에서 워터마크의 삽입강도(Q값)를 조절하여 평균적으로 SNR 값을 조절할 수 있다. 워터마크 삽입을 위한 Q값의 설정을 일정하게 할 경우에는 음악의 크기에 따라서 워터마크의 손실이 생기거나 잡음이 발생할 가능성이 높기 때문에, 본 실험에서는 2~5단계로 구분하여 낮은 값의 샘플에 대해서는 양자화 레벨을 낮춤으로써 고품질 음악에 적합하게 설계하여 실험하였다.
워터마크가 삽입된 스테레오 음악을 모노로 변환한 경우에도 전통적인 양자화 기법은 10초 이내 음악샘플로부터 워터마크의 추출이 불가능하였으나 제안한 알고리즘은 모두 1초 이내에 워터마크를 추출함으로써 제안한 알고리즘이 고품질 스테레오 음악에 매우 유용함을 보였다.
반면에 제안한 알고리즘은 128Kbps의 비트레이트에서도 1초 이내 길이의 음악샘플에서 워터마크를 모두 추출하였다. 이러한 결과는 제안한 알고리즘이 워터마크 삽입에서 SNR이 상대적으로 매우 우수할 뿐만 아니라 고품질과 중음질의 음악에 대해서 워터마크를 추출하는 강인성이 매우 높다는 것을 의미한다.
자화 기법과 제안된 알고리즘에 의해서 워터마크가 삽입되었을 때의 SNR을 비교한 것이다. 전통적인 양자화 기법으로 삽입된 음악은 30dB를 약간 상회하는 SNR을 보이고 있는 반면에 제안 알고리즘에 의해서 워터마크가 삽입된 음악은 40dB를 상회하는 SNR을 보임으로써 평균적으로 10dB 이상의 SNR이 개선된 것을 알 수 있다. 즉, 제안 알고리즘이 고품질 음악에 적합하다는 것을 의미한다.
전통적인 양자화 기법으로 삽입된 음악은 30dB를 약간 상회하는 SNR을 보이고 있는 반면에 제안 알고리즘에 의해서 워터마크가 삽입된 음악은 40dB를 상회하는 SNR을 보임으로써 평균적으로 10dB 이상의 SNR이 개선된 것을 알 수 있다. 즉, 제안 알고리즘이 고품질 음악에 적합하다는 것을 의미한다.
222비트의 워터마크는 추가적인 오류에 강인하도록 1024비트로 확장하여 최종적으로 스테레오 음악에 삽입할 워터마크로 사용하였다. 터보코드는 워터마크된 콘텐츠가 공격받아 코드의 일부가 훼손되어도 훼손된 양이 15% 이내이면 원 데이터를 복구할 수 있는 방법이며, 이를 1024비트로 확장 시킨 것도 일부 훼손된 콘텐츠로부터 222비트를 찾아낼 수 있는 확률을 높임으로써 워터마크 자체가 공격에 강인하게 만들었다.

후속연구

제안된 알고리즘은 고품질 오디오뿐만 아니라 UHD(Ultra High Definition) TV나 고해상도 사진과 같은 멀티미디어 분야에서도 워터마킹 알고리즘의 개발에 활용할 수 있다. 또한, 디지털 기기의 발전과 함께 음악산업에서의 사용자들의 고품질 음악에 대한 요구는 점차 높아지고 있으며, 인공지능 비서의 등장과 함께 고품질 음악이나 스트리밍 서비스를 제공하고 있다.
향후 본 연구는 동기화 문제를 알고리즘에 의해서 자동으로 해결하기 위한 추가연구를 통해서 실생활에 유용하게 활용할 수 있는 기술로 발전이 가능할 것으로 예상된다.

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표제어: PCR

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