[논문]계층구조상에서 집합 분할방식을 이용한 디지털 워터마킹에 관한 연구

조홍용; 조영; 박장한; 남궁재찬

계층구조상에서 집합 분할방식을 이용한 디지털 워터마킹에 관한 연구
A Study on the Digital Watermarking using Set Partitioning In Hierarchical Trees 원문보기

조홍용 (광운대학교 컴퓨터공학과) , 조영 (광운대학교 컴퓨터공학과) , 박장한 (광운대학교 컴퓨터공학과) , 남궁재찬 (광운대학교 컴퓨터공학과)

본 논문에서는 웨이블릿(wavelet) 변환된 영상의 압축 방법으로 사용되는 SPIHT(Set Partitioning In Hierarchical Trees)을 이용하여 워터마크를 삽입하는 방법을 제안하였다. 기존의 특정 대역에만 워터마크를 삽입하는 방법은 화질열화와 압축의 두 가지 문제점을 동시에 해결할 수 없었다. 제안된 방법은 웨이블릿 변환된 영상의 계수 값이 동일한 방향을 갖는 부대역 간에 상관관계를 갖는 점을 이용하여 특정 대역이 아닌 중요 계수에만 워터마크를 삽입하므로써 강인성과 비 가시성이 증가되도록 하였다. 워터마크의 추출은 워터마크된 영상과 PN(Pseudo Noise)코드와의 계수 차를 이용하였으며, 워터마크가 삽입된 영상의 인증을 위해 통계학적인 접근 방법을 사용하였다. 실험을 통하여 워터마크가 삽입된 영상에 대해 손실 압축, 잡음, 크로핑, 리사이즈, 콜루션의 공격을 가한 결과 평균 유사도 값이 0.987의 높은 추출율을 보여 강인성을 입증하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 디지털 영상의 소유권을 보호하기 위해 왜이 블릿 변환을 이용하여 시각적으로 인식할 수 없는 부분에 워터마크를 삽입하는 알고리즘 올 제안하였다. 이 알고리즘은 워터마크를 삽입하기 위해 SPIHT 알고리즘의 특성 올 이용하여 영상의 중요 부분을 추출하는 방법과 이 방법에 의해 추출된 중요 계수에만 워터마크를 삽입하는 방법을 제안한 알고리즘이다.
본 논문에서는 웨이블릿 변환된 영상의 압축 방법으로 사용되는 SPIHT을 이용하여 워터마크를 삽입하는 방법을 제안한다. 제안된 방법은 웨이블랏 변환된 영상의 계수 값이 동일한 방향을 갖는 부대 역 간에 상관관계를 갖는 점을 이용하여 특정 대역이 아닌 중요 계수에만 워터마크를 삽입하므로써 강인성과 비가시성이 중가되도록 한다.

제안 방법

Shapiro는 시뮬레이션에서 5레벨까지의 계층적인 구조를 적용하였는데, 이산 웨이블릿 변환을 위해 Adelson이 제안한 9-tap 대칭 필터를 사용하였다. 계수들을 부 호화하기 위해 중요도에 따라 ZTR(ZeroTree Root), IZ(Isolated Zero), POS(Positive), NEG(Negative) 4개의 심벌을 사용하였다.
본 논문에서 제안하는 SPIHT을 이용하여, 중요계수를 추출한 후 워터마크를 생성하여 중요계수에 삽입하는 방법으로, SPIHT 알고리즘은 Zurotree를 이용하여, 영상을 압축한다는 면에서 EZW(Embedded Zerotree Wavelet)와 유사하다.
본 논문에서 제안하는 방법으로 실험한 결과를 토대로 인간 의 시각 시스템으로 영상의 왜곡 정도를 가늠하기 어려운 비가 시성에 대한 성능평가 지수는 워터마킹 영상에 대한 PSNR을 계산하여 dB 값으로 나타내었고, 강인성에 대한 실험으로는 워터마킹된 영상에 다양한 공격 (JPEG, Noise, Cropping, Collusion, Re血e)을 가한 후에 유사도를 계산하여 성능평가의 지수로 삼았다. 표1과 같이 평균 유사도 값이 0.
제안된 방법은 웨이블랏 변환된 영상의 계수 값이 동일한 방향을 갖는 부대 역 간에 상관관계를 갖는 점을 이용하여 특정 대역이 아닌 중요 계수에만 워터마크를 삽입하므로써 강인성과 비가시성이 중가되도록 한다. 워터마크의 추출은 워터 마크된 영상과 PN 코드와의 계수 차를 이용하며, 워터마크가 삽입된 영상의 인증을 위해 통계학적인 접근 방법을 이용하는 방법을 제 안 한다.
본 논문에서는 디지털 영상의 소유권을 보호하기 위해 왜이 블릿 변환을 이용하여 시각적으로 인식할 수 없는 부분에 워터마크를 삽입하는 알고리즘 올 제안하였다. 이 알고리즘은 워터마크를 삽입하기 위해 SPIHT 알고리즘의 특성 올 이용하여 영상의 중요 부분을 추출하는 방법과 이 방법에 의해 추출된 중요 계수에만 워터마크를 삽입하는 방법을 제안한 알고리즘이다. 또한 제안된 워터마크 기법은 워터마크 탐지 과정에서 원 영상 올 필요로 하지 않는다.
최근 인터넷을 중심으로 한 컴퓨터 통신, 전자출판, 네트워크의 급속한 발전과 성능 향상으로 멀티미디어 데이터의 활용이 크게 중가하였다. 이러한 멀티미디어 데이터의 디지털화는 문서, 음성, 사진 및 비디오 데이터 등 다양한 매체들을 전자기적 장치에 의해 디지털화하여 효율적으로 저장, 접근, 이용이 가능하게 하였고, 많은 양의 정보를 디지털 형식으로 저장. 전송하도록 허용하였다.
본 논문에서는 웨이블릿 변환된 영상의 압축 방법으로 사용되는 SPIHT을 이용하여 워터마크를 삽입하는 방법을 제안한다. 제안된 방법은 웨이블랏 변환된 영상의 계수 값이 동일한 방향을 갖는 부대 역 간에 상관관계를 갖는 점을 이용하여 특정 대역이 아닌 중요 계수에만 워터마크를 삽입하므로써 강인성과 비가시성이 중가되도록 한다. 워터마크의 추출은 워터 마크된 영상과 PN 코드와의 계수 차를 이용하며, 워터마크가 삽입된 영상의 인증을 위해 통계학적인 접근 방법을 이용하는 방법을 제 안 한다.

대상 데이터

본 논문에서는 워터마크 추출 시에 시각적으로 쉽게 인지 할 수 있는 장점을 가지는 이진 영상 워터마크를 사용하였다. 이러한 특정한 패턴을 가지는 이진 영상 워터마크를 영상의 화질을 저하시키지 않으면서 공격에 강안하게 하기 위해 대역 확산 방법(Spread Spectrum)을 사용하여 삽입하였다[8].
표3은 본 논문에서 제안한 방법과 Cox 방법의 PSNR을 구하여 dB 값으로 나타낸 것이다. 워터마크 영상으로는 이진 로고 영상을 사용하였다. 실험 결과 실험 영상에 따라 약간씩의 차이를 보였으나 평균적으로 제안한 방법이 Cox의 방법보다 약 3.

이론/모형

EZW의 이산 웨이블릿 변환을 통한 대역 분할은 원 영상이 이산 웨이블릿 변환을 통해 임의 레벨 1의 저주파 대역을 LLi+1과 LHi+1, HLi+1, HH五+1의 4개의 대역으로 나누어 계층적인 영상구조를 만든다. Shapiro는 시뮬레이션에서 5레벨까지의 계층적인 구조를 적용하였는데, 이산 웨이블릿 변환을 위해 Adelson이 제안한 9-tap 대칭 필터를 사용하였다. 계수들을 부 호화하기 위해 중요도에 따라 ZTR(ZeroTree Root), IZ(Isolated Zero), POS(Positive), NEG(Negative) 4개의 심벌을 사용하였다.
灘 와 W의 선형 관계가 강할수록 상관계수의 절대값이 1에 가깝고 M와의 선형 관계가 약할수록 상관 계수의 철대값은 0에 가깝다. 워터마크의 유효성 검사는 Gox의 방법에 따라 아래와 같이 계산하였다[5].
본 논문에서는 워터마크 추출 시에 시각적으로 쉽게 인지 할 수 있는 장점을 가지는 이진 영상 워터마크를 사용하였다. 이러한 특정한 패턴을 가지는 이진 영상 워터마크를 영상의 화질을 저하시키지 않으면서 공격에 강안하게 하기 위해 대역 확산 방법(Spread Spectrum)을 사용하여 삽입하였다[8]. 그림1은 워터마크 신호를 만드는 과정이다.

성능/효과

987로 높은 추출율올 보여 워터마크의 강인함을 입중하였다. 또한 워터마크의 비가시적인 실험에서도 기존 방법에 비해 평균 3.3(dB) 정도의 회질 개선을 보여 워터마킹 후 영상의 비가시성 예 대한 성능 향상을 입증하였다.
이런 특징 때문에 위 방식으로 부호화를 하면 영상의 점진적 전송이 가능하다. 실험 결과 공격에 대한 전체 평균 유사도 값이 0.987로 높은 추출율올 보여 워터마크의 강인함을 입중하였다. 또한 워터마크의 비가시적인 실험에서도 기존 방법에 비해 평균 3.
워터마크 영상으로는 이진 로고 영상을 사용하였다. 실험 결과 실험 영상에 따라 약간씩의 차이를 보였으나 평균적으로 제안한 방법이 Cox의 방법보다 약 3.3(dB) 정도의 화질 개선이 이루어졌음을 알 수 있다.

후속연구

향후 연구과제로 손실 압축이나 잡음첨가, 크로핑, 콜루션, 리사이즈 같은 공격 실험 외에 회전(Rotation)이나 다른 필터링 기법으로 변형된 영상에 대해서도 워터마크를 추출하는 방법과 MPEG같은 동영상에 대해서도 워터마크를 삽입 및 추출하는 효율적이고 견고한 방법이 연구되어져야 할 것이다.

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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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