[논문]다중 암호화 기법을 적용한 영상 워터마킹 기법

정수목

doi:10.17661/jkiiect.2020.13.6.503

다중 암호화 기법을 적용한 영상 워터마킹 기법
Image watermarking technique applying multiple encryption techniques 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.13 no.6, 2020년, pp.503 - 510

정수목 (Division of Computer Science & Engineering, Sahmyook University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 다중으로 암호화한 워터마크를 영상 픽셀의 LSB에 은닉하여 워터마크의 보안성을 크게 향상시키는 효과적인 기법을 제안하였다. 영상 픽셀의 LSB에 은닉되어 있는 다중 암호화된 워터마크를 추출하여도 이를 해독하는 것이 불가능하기 때문에 워터마크의 보안성이 매우 높게 유지된다. 제안된 기법을 사용하여 워터마크를 다중으로 암호화하여 영상에 은닉하면, 워터마크가 은닉된 영상의 시각적 화질이 매우 높아 원본 영상과 워터마크가 은닉된 결과 영상의 구별이 불가능하다. 워터마크를 다중으로 암호화하여 원본 영상에 은닉한 결과 영상으로부터, 제안 기법의 절차를 따라 원본 워터마크 데이터를 손실 없이 온전히 추출할 수 있다. 제안된 기법의 성능을 수학적으로 분석하고 제안된 기법의 우수성을 실험을 통하여 확인하였다. 제안된 기법은 기존의 기법에 비하여 영상에 은닉된 워터마크의 보안성을 크게 향상시킨 우수한 영상 워터마킹 기법이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed an effective technique that greatly improves the security of the watermark by concealing the multiple-encrypted watermark in the LSB of the image pixel. Even if multiple encrypted watermark hidden in the LSBs of an image pixel are extracted, it is impossible to decrypt them, so the security of the watermark is maintained very high. If the watermark is multiple encrypted and hidden in the image using the proposed technique, the visual quality of the watermark-hidden image is very high, making it impossible to distinguish between the original image and the resulting image in which the watermark is hidden. The original watermark data can be completely extracted without loss, according to the procedure of the proposed technique, from the resulting image that the watermark is encrypted and hidden in the original image. The performance of the proposed technique was analyzed mathematically and the superiority of the proposed technique was confirmed through experiments. The proposed technique is an excellent image watermarking technique that greatly improves the security of the watermark hidden in the image compared to the existing technique.

주제어

표/그림 (5)

그림 그림 1. R, G, B 성분의 LSB에 기밀 데이터 은닉 Fig. 1. Confidential data concealment in LSBs of R, G, B components
표 표 1. R, G, B 평면의 최상위 행에 저장되는 삽입 정보 Table 1. Embedding information stored in the top row of the R, G, and B planes
그림 그림 2 RGB평면에서 워터마크 데이터 임베딩의 예 Fig. 2. Examples of embedding watermark data in R, G, and B planes
그림 그림 3. 원본 영상과 기밀데이터가 은닉된 영상 Fig. 3. Cover images & watermarked images
표 표 2. Skip 값에 따른 은닉되는 기밀 데이터 비트 수와 PSNR 값 Table 2. The embedded confidential data bits and PSNR values according to the Skip values

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기밀 데이터인 워터마크를 다중으로 암호화하여 영상에 은닉하는 기법을 제안하였다. 제안기법에서는 Key 필드의 K1, K2를 사용하여 기밀 데이터인 워터마크를 암호화한다.
본 논문에서는 워터마크를 다중으로 암호화하여 영상 픽셀의 LSB에 은닉하는 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 본 연구팀에서 제안한 기법들을 개선하여 발전시킨 기법이다 [9]-[11].

가설 설정

(c) 에 나타낸 은닉 패턴을 각각 0, 1, 2라고 가정하고, 각 평면에서 삽입 정보의 F 필드 값이 0이어서 표 1에 표시된 삽입 정보의 필드들이 순서대로 저장된다고 가정하고, Key 필드의 K1이 255이고 K2가 0이라고 가정하고, RGB order 필드가 0의 값을 갖는 것으로 하여 RGB평면 순으로 다중으로 암호화된 워터마크 데이터가 은닉된다고 가정하면, RGB 각 평면의 최상위행에 저장되는 512비트의 임베딩 정보는 0X01FE00010080. .
(c)의 형태와 같다고 가정하였다. 그림 2 (a)는 Normal/Inverse/Skip 필드의 값이 1(001)/ 1(001)/2(010)이고 Starting point 필드의 값 (X, Y) 가 (1, 1) 로 설정된 경우에 암호화된 워터마크의 데이터 비트들이 은닉되는 예를 보여주고 있다.
(c) 는 Normal/Inverse/Skip 필드의 값이 2(010)/2(010)/0(000)이고 Starting point 필드의 값 (X, Y)가 (509, 1)로 설정된 경우의 예를 보여주고 있다. 그림 2는 임베딩 정보의 RGB order필드가 0(000)의 값을 갖는 것으로 가정하여, 암호화된 워터마크 데이터 비트가 RGB 순으로 은닉되는 것을 가정하였다.

제안 방법

각 평면에서 워터마크 데이터의 비트들을 각 픽셀의 LSB에 다중으로 암호화하여 은닉함으로 워터마크의 보안성을 획기적으로 높이는 제안기법에서는 워터마크 데이터를 식 (1)과 같이 두 개의 암호화 키 (Key) K1, K2를 사용하여 암호화 한다. K1과 K2는 각각 8비트를 갖는 값이다.
제안기법에서는 Key 필드의 K1, K2를 사용하여 기밀 데이터인 워터마크를 암호화한다. 암호화된 워터마크를 Starting point 정보, Pattern 정보, Normal/Inverse/Skip 정보, 컬러 평면의 임베딩 순서를 나타내는 RGB order 정보, F(Format) 정보를 사용하여 영상의 각 평면에 공간적으로 암호화하여 은닉한다.
제안된 기법은 본 연구팀에서 제안한 기법들을 개선하여 발전시킨 기법이다 [9]-[11]. 제안된 기법은 영상에 은닉되는 워터마크의 보안성을 획기적으로 향상시킨 효과적인 영상 워터마킹 기법이다.
제안된 기법은 본 연구팀에서 제안한 기법들을 개선하여 발전시킨 기법이다 [9]-[11]. 제안된 기법은 영상에 은닉되는 워터마크의 보안성을 획기적으로 향상시킨 효과적인 영상 워터마킹 기법이다.
제안된 기법은 워터마크를 다중으로 암호화하여 픽셀의 LSB에 은닉하기 때문에 은닉된 워터마크의 보안성을 획기적으로 향상시키는 기법이다. 비록 워터마크가 은닉된 영상의 LSB에서 워터마크 데이터를 획득해도 워터마크를 다중으로 암호화하였기 때문에 기밀 데이터인 워터마크의 해독은 불가능하여 은닉된 워터마크의 보안성이 획기적으로 향상된다.

대상 데이터

Tiffany 영상이다. 본 논문의 Abstract를 이진 파일로 변환한 결과를 기밀 데이터인 워터마크로 사용하였고, 이를 제안된 기법의 절차에 따라 다중으로 암호화하여 원본 영상에 은닉하였다. 각 원본 영상의 R, G, B 평면의 최상위 행에 있는 픽셀들의 LSB에 그림 2와 같은 삽입 정보를 은닉하였다.
제안된 기법의 성능을 측정하기 위하여 실험에 사용된 영상은 512x512 크기를 갖는 Lenna, sailboat, pepper, Tiffany 영상이다. 본 논문의 Abstract를 이진 파일로 변환한 결과를 기밀 데이터인 워터마크로 사용하였고, 이를 제안된 기법의 절차에 따라 다중으로 암호화하여 원본 영상에 은닉하였다.

이론/모형

결과영상의 화질을 평가하기 위한 PSNRe 식(4), (5)를 사용하여 측정하였다. 식 (5)에 표시된 I, O는 원본 영상과 워터마크가 은닉된 결과 영상을 각각 나타낸다.

성능/효과

512x512 크기를 갖는 Lenna, sailboat, pepper, Tiffany 영상에 제안 기법을 적용하여 워터마크를 다중으로 암호화하여 은닉한 경우, 워터마크가 은닉된 영상의 PSNR 값은 40dB보다 훨씬 큰 54.144dB, 54.149dB, 54, 161, 54.126dB이었다. 따라서 워터마크가 은닉된 결과 영상과 원본 영상을 사람의 시각으로는 구분이 불가능하기 때문에 영상에 워터마크가 은닉되어있는지 여부를 일반 사용자가 인지 할 수 없게 된다.
따라서 512x512 크기를 갖는 영상에서는 각 평면별로 암호화된 워터마크 데이터 비트들이 최대 261, 632(511x512)비트 저장될 수 있고, 영상 전체에는 784, 896비트가 저장될 수 있다. 그리고 표 1의 삽입 정보의 Starting point 필드와 Pattern 필드의 A, B, C는 각각 9비트, 9비트, 459비트가 된다.
된다. 따라서 제안된 기법으로 워터마크를 다중으로 암호화하여 영상에 은닉하면 워터마크가 은닉된 결과 영상의 PSNR 값은 40dB보다 큰 값을 갖게 되어 원본 영상과 워터마크가 은닉된 결과 영상의 차이를 시각적으로 구분 할 수 없게 된다.
그 뒤 (5, 1) 위치의 픽셀부터는 위의 과정을 반복한다. 마지막으로 (509, 511)위치에 있는 픽셀의 LSB에 암호화된 워터마크 데이터 1비트가 반전되지 않고 그대로 은닉되고, (510, 511)위치에 있는 픽셀의 LSB에는 암호화된 워터마크 데이터 1 비트가 반전되어 은닉된다. 그리고 (511, 511)위치와 (0, 1)위치에 있는 픽셀의 LSB에는 암호화된 워터마크 데이터 비트가 은닉되지 않고 R 평면에서의 은닉과정이 종료된다.
불가능하다. 워터마크를 다중으로 암호화하여 은닉한 결과 영상의 RGB 평면에서 각 픽셀의 LSB로부터, 은닉되어 있는 비트들을 추출한 후 각 평면의 삽입 정보를 구성하고, 구성된 삽입 정보에 따라 기밀 데이터인 워터마크를 손실 없이 복원할 수 있다.
있다. 제안된 기법에 따라 워터마크를 다중으로 암호화하여 원본 영상인 Lenna, sailboat, pepper, Tiffany에 은닉하면 결과 영상의 PSNR 값은 각각 54.144dB, 54.149dB, 54, 161, 54.126B이었다.
제안된 기법에서는 워터마크를 다중으로 암호화하여 영상에 은닉하였기 때문에 워터마크 보안성이 획기적으로 향상 된다.
제안된 기법을 사용하여 워터마크를 영상에 은닉하면, 비록 워터마크가 은닉된 영상의 LSB에서 워터 마크 데이터를 획득해도 워터마크를 다중으로 암호화하였기 때문에 기밀 데이터인 워터마크의 해독은 불가능하여 워터마크의 보안성이 획기적으로 향상된다. 워터마크가 은닉된 영상의 LSB에서 비트들을 추출하여 삽입 정보를 구성하고, 구성된 삽입 정보를 사용하여 원본 워터마크를 손실 없이 추출할 수 있다.

후속연구

한계가 있다. 외부 공격에 대한 방어대책은 향후 연구에서 수행하고자 한다.
제안된 기법은 기밀 데이터인 워터마크를 은닉하여 소유권을 안전하게 보호할 수 있기 때문에 그림, 만화, 애니메이션 등 다양한 응용분야에 효과적으로 사용될 수 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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S. M. Jung, "A technique of embedding confidential data in images by applying encryption and spatial encryption techniques", KIIECT Summer Conference 2020.
S. M. Jung, "An improved technique to hide confidential data in image", KIIECT Winter Conference 2020.

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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