KR101725095B1

KR101725095B1 - 회전각도를 모르는 이미지 파일의 워터마크 검출 방법

Info

Publication number: KR101725095B1
Application number: KR1020160023868A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 김예진; 김훈
Original assignee: 상명대학교산학협력단
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-04-12

Abstract

본 발명은 주파수 도메인에 워터마크를 삽입하거나 이미 삽입된 워터마크를 검출하기 위해 이미지 파일을 정규화 하는 방법 및 워터마크가 삽입된 상태에서 회전 공격을 받은 이미지 파일에서 효과적으로 워터마크를 검출할 수 있게 해주는 워터마크 검출 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이미지 파일의 정규화 방법에 의하면 회전공격에 강인한 워터마크 삽입이 가능하게 되고, 본 발명에 따른 워터마크 검출 방법에 의하면 이미지 파일이 회전된 경우에 있어 그 회전 각도를 모르더라도 효율적으로 워터마크를 검출할 수 있게 된다.

Description

회전각도를 모르는 이미지 파일의 워터마크 검출 방법{Digital Watermark Detecting Method for Image file With Unknown Rotation Angle}

본 발명은 주파수 도메인에 워터마크를 삽입하거나 이미 삽입된 워터마크를 검출하기 위해 이미지 파일을 정규화 하는 방법 및 워터마크가 삽입된 상태에서 회전 공격을 받은 이미지 파일로부터 효과적으로 워터마크를 검출할 수 있게 해주는 워터마크 검출 방법에 관한 것이다.

근래 정보통신 기술이 발전함에 따라 인터넷 상의 디지털 이미지가 무단 복제 및 전송되는 방식으로 저작권이 침해되는 일이 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 저작권 침해 행위를 추적 또는 방지하기 위하여 디지털 이미지에 워터마크를 삽입하는 방식이 널리 활용되고 있다. 그러나 워터마크가 삽입된 디지털 이미지라 하더라도 기하학적 공격을 받으면 워터마크의 추출이 힘들어지고, 추출되는 워터마크에는 많은 비트 에러가 포함되게 된다. 특히 디지털 이미지가 회전된 경우 그 회전 각도를 정확히 알 수 없기 때문에 워터마크의 추출은 더욱 어려워지게 된다.

등록특허 제0644276호 "기하학적 변형 영상에서 워터마크 추출 방법", 2006. 11. 10. 등록특허 제1363577호 "재표본화 공격에 대한 디지털 워터마크 검출 성능 향상 장치 및 그 방법", 2014. 02. 17.

본 발명은 주파수 도메인에 워터마크를 삽입하거나 이미 삽입된 워터마크를 검출하기 위해 이미지 파일을 정규화 하는 방법 및 워터마크가 삽입된 상태에서 회전 공격을 받은 이미지 파일로부터 효과적으로 워터마크를 검출할 수 있게 해주는 워터마크 검출 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 과제의 해결을 위해 본 발명은 「(a) 이미지 파일에서 에지를 추출하는 단계; (b) 상기 에지를 확장하는 단계; (c) 상기 이미지 파일을 라돈변환하여 정규화할 각도를 산출하는 단계; 및 (d) 상기 이미지 파일을 산출된 각도만큼 회전시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 이미지 파일의 정규화 방법」을 제공한다.

또한 본 발명은 「(S1) 상기 이미지 파일의 정규화 방법에 따라 이미지 파일을 정규화 각도 θ를 산출하고, 상기 이미지 파일을 θ+τ부터 θ-τ까지 각도 α씩 감소시키면서 정규화하되, 각각의 정규화 이미지 파일에서 워터마크를 추출하여 1과 0으로 이루어진 앙상블 매트릭스(Ensemble Matrix)를 생성하는 단계; (S2) 상기 앙상블 매트릭스의 임의의 행에서 1인 열의 위치와 0인 열의 위치를 획득하고, 다른 행에서 해당 열의 값들을 추출하여 새로운 매트릭스를 생성하고, 새롭게 생성된 매트릭스에서 1과 0의 개수를 구하고 내림차순으로 재배열한 후 대응되는 값들에 새로운 라벨을 부여하는 단계; (S3) 새로운 라벨이 부여된 매트릭스의 각 열에서 각 새로운 라벨의 개수를 구하고 첫 번째 라벨의 개수가 가장 큰 수가 아닐 경우 해당 열과 대응되는 상기 앙상블 매트릭스의 열에서 값들을 추출하는 단계; 및 (S4) 상기 앙상블 매트릭스에서 각 값에 대응되는 3차원이진수위치 매트릭스를 생성하고, 상기 3차원이진수위치 매트릭스 중 상기 앙상블 매트릭스의 열에서 추출된 값이 대응되는 위치에서 값들의 합을 산출하고, 산출된 값 중 사전에 설정된 크기 이상의 값들만을 추출한 다음, 이에 대응되는 이진수 위치값들의 합을 도출하여 가장 큰 값의 인덱스를 기준으로 상기 앙상블 매트릭스에서 에러가 발생한 위치의 값으로 수정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 워터마크 검출 방법」을 함께 제공한다.

본 발명에 따른 이미지 파일의 정규화 방법에 의하면 회전공격에 강인한 워터마크 삽입이 가능하게 된다. 또한 본 발명에 따른 워터마크 검출 방법에 의하면 이미지 파일이 회전된 경우에 있어 그 회전 각도를 모르더라도 효율적으로 워터마크를 검출할 수 있게 된다.

[도 1]은 본 발명에 따른 이미지 파일의 정규화 방법의 순서도이다.
[도 2]는 이미지 파일의 램프 에지, 봉우리 및 영교차를 나타낸 것이다.
[도 3]은 이미지 파일에 워터마크를 삽입하는 방법의 일실시예이다.
[도 4]는 본 발명에 따른 워터마크 추출 방법의 순서도이다.
[도 5]는 이미지 파일에서 워터마크를 추출하는 방법의 일실시예이다.

이하에서는 본 발명에 따른 이미지 파일의 정규화 방법 및 워터마크 추출 방법에 관하여 상세하게 설명한다.

1. 이미지 파일의 정규화 방법

본 발명에 따른 이미지 파일의 정규화 방법은 [도 1]을 통해 확인할 수 있는 것처럼, (a) 이미지 파일에서 에지를 추출하는 단계; (b) 상기 에지를 확장하는 단계; (c) 상기 이미지 파일을 라돈변환하여 정규화할 각도를 산출하는 단계; 및 (d) 상기 이미지 파일을 산출된 각도만큼 회전시키는 단계;를 포함하여 이루어진다. 이러한 이미지 파일의 정규화는 회전공격에 강인한 특성을 보이는 워터마크를 이미지 파일에 삽입하거나 회전공격을 받은 이미지 파일에서 워터마크를 추출하는 데 있어 전제가 된다.

(1) (a)단계

본 단계는 이미지 파일에서 에지를 추출하는 단계이다. 구체적으로 본 단계는, 상기 이미지 파일에 가우시안 스무딩 필터링을 적용하는 (a-1)단계; 및 가우시안 스무딩 필터링이 적용된 이미지 파일을 1차 미분을 통하여 이미지의 램프 에지에서 봉우리로 전환시키고, 2차 미분을 통하여 영교차가 생기는 부분을 검출하는 (a-2)단계;를 포함하여 이루어질 수 있다. 이미지 파일의 램프 에지, 봉우리 및 영교차의 개념은 [도 2]를 통해 확인할 수 있다.

(2) (b)단계

본 단계는 상기 에지를 확장하는 단계이다. 구체적으로 본 단계는 상기 에지의 그래디언트 수직 양방향 일정 범위의 픽셀들 중 상기 에지에 속하지 않는 픽셀들을 상기 에지에 속하는 픽셀로 전환하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

(3) (c)단계

본 단계는 상기 이미지 파일을 라돈변환하여 정규화할 각도를 산출하는 단계이다. 본 단계의 진행과적을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

우선, x와 y로 표현되는 상기 이미지 파일의 각 픽셀들의 2차원 좌표를 아래의 식(1)에 따라 선적분하여 (θ,ρ)로 표현되는 라돈공간에 누적시키는 (c-1)단계가 먼저 진행된다.

(식 1)

(-∞＜x, y＜∞, -∞＜ρ＜∞, 0≤θ＜π)

다음으로, 상기 라돈공간에서 임계값 이상 되는 부분의 지역 최대값(local maxima)를 이용하여 상기 이미지 파일의 에지의 직선성분을 검출하고 해당 직선성분의 기울기에 수직인 방향으로의 기울기값을 아래의 식(2)에 따라 누적시켜 정규화 각도 φ를 산출하는 (c-2)단계가 진행되게 된다.

(식 2)

(R(ρ,θ)는 이미지 파일의 기울기의 방향과 크기에 기반한 함수, isedge는 (x,y)가 에지인지 결정하는 함수 의미하고, mod(φ(x,y),π)는 기울기를 0~180°로 계산)

(4) (d)단계

본 단계는 상기 이미지 파일을 상기 (c)단계에서 산출된 각도만큼 회전시키는 단계이다. 이미지 파일을 이와 같이 회전시킴으로써 이미지 파일의 정규화가 완성되게 된다.

본 발명에 따른 이미지 파일의 정규화 방법은 회전공격에 강인한 특징을 보이는 워터마크의 삽입의 전제가 되기도 한다. 이미지 파일의 정규화 이후 워터마크를 삽입하는 방법의 일실시예가 [도 3]에 나타나 있다.

워터마크 삽입에서는 원본 이미지가 컬러이미지인 경우 NTSC 컬러 공간으로 전환하여 휘도 성분을 획득하여 주파수 도메인으로 전환하고 그레이 이미지인 경우 직접 주파수 도메인으로 전환한다. 워터마크 삽입 시 이미지를 주파수 도메인으로 전환하는 기법은 2-Dimensional Fast Fourier Transformation(2D FFT)이다. [도 3]의 실시예에서는 2D FFT 기법을 이용하여 이미지를 공간 도메인에서 주파수 도메인으로 전환하여 워터마크를 삽입하고 있다. 비밀 키를 이용하여 사이즈가 n/2 x n/2인 랜덤 넘버 매크릭스를 생성하고 본 매트릭스를 사이즈가 n x n되게 확장한다. 역 Steerable Pyramid Transform (SPT) 변형을 매트릭스에 적용하여 transformed matrix (TM)를 생성한다. 워터마크 길이가 N일 경우 사이즈가 n*N^0.5 x n*N^0.5인 삽입영역을 선택하고 그 영역을 사이즈가 n x n인 블록들로 분한다. 워터마크 비트가 1에 대응되는 블록에는 TM을 가하고 워터마크 비트가 0에 대응되는 블록에서는 TM을 뺀다. 워터마크 정보와 TM을 결합하여 주파수 도메인으로 변환된 이미지에 삽입한 다음 역 2D FFT변환하여 마크된 이미지를 얻게 된다.

2. 회전각도를 모르는 이미지 파일의 워터마크 추출 방법

본 발명에 따른 워터마크 추출 방법은 [도 4]에 도시된 바와 같이, (S1) 상기 이미지 파일의 정규화 방법에 따라 회전각도를 모르는 이미지 파일에서 정규화 각도 θ를 산출하고, 상기 회전각도를 모르는 이미지 파일을 θ+τ부터 θ-τ까지 각도 α씩 감소시키면서 정규화하되, 각각의 정규화 이미지 파일에서 워터마크를 추출하여 1과 0으로 이루어진 앙상블 매트릭스(Ensemble Matrix)를 생성하는 단계; (S2) 상기 앙상블 매트릭스의 임의의 행에서 1인 열의 위치와 0인 열의 위치를 획득하고, 다른 행에서 해당 열의 값들을 추출하여 새로운 매트릭스를 생성하고, 새롭게 생성된 매트릭스에서 1과 0의 개수를 구하고 내림차순으로 재배열한 후 대응되는 값들에 새로운 라벨을 부여하는 단계; (S3) 새로운 라벨이 부여된 매트릭스의 각 열에서 각 새로운 라벨의 개수를 구하고 첫 번째 라벨의 개수가 가장 큰 수가 아닐 경우 해당 열과 대응되는 상기 앙상블 매트릭스의 열에서 값들을 추출하는 단계; 및 (S4) 상기 앙상블 매트릭스에서 각 값에 대응되는 3차원이진수위치 매트릭스를 생성하고, 상기 3차원이진수위치 매트릭스 중 상기 앙상블 매트릭스의 열에서 추출된 값이 대응되는 위치에서 값들의 합을 산출하고, 산출된 값 중 사전에 설정된 크기 이상의 값들만을 추출한 다음, 이에 대응되는 이진수 위치값들의 합을 도출하여 가장 큰 값의 인덱스를 기준으로 상기 앙상블 매트릭스에서 에러가 발생한 위치의 값으로 수정하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

(1) (S1)단계

본 단계는 본 발명에 따른 이미지 파일의 정규화 방법에 따라 회전각도를 모르는 이미지 파일의 정규화 각도 θ를 산출하고, 상기 회전각도를 모르는 이미지 파일을 θ+τ부터 θ-τ까지 각도 α씩 감소시키면서 정규화하되, 각각의 정규화 이미지 파일에서 워터마크를 추출하여 1과 0으로 이루어진 앙상블 매트릭스(Ensemble Matrix)를 생성하는 단계이다. 상기 앙상블 매트릭스는 워터마크의 길이를 N이라고 할 때 2τ/α×N의 크기를 가지게 된다.

각각의 정규화 이미지 파일에서 워터마크를 추출하는 방법은 다양한 방법이 있으며, 그 가운데 일실시예가 [도 5]에 나타나 있다. 이를 살펴보면, 워터마크가 삽입된 이미지가 컬러이미지인 경우 NTSC 컬러 공간으로 전환하여 휘도 성분을 획득하여 주파수 도메인으로 전환하고, 그레이 이미지인 경우 직접 주파수 도메인으로 전환한다. 그 다음으로, 2D FFT 변환을 진행한 다음 삽입 영역을 선택하여 SPT 변환을 진행한다. 또한, 이어서 SPT가 출력한 서브밴드 중 방향 필터로부터 출력된 방향 서브밴드에서 워터마크를 추출한다. 마지막으로, TM을 SPT 변환하여 주파수 도메인으로 변환된 이미지의 방향 서브밴드와 cross-correlation하여 계수의 최대 양수 값의 절대치가 최저 음수 값의 절대치보다 크면 워터마크 비트를 1로 정하고 작으면 0으로 정한다.

(2) (S2)단계

본 단계는 상기 앙상블 매트릭스의 임의의 행에서 1인 열의 위치와 0인 열의 위치를 획득하고, 다른 행에서 해당 열의 값들을 추출하여 새로운 매트릭스를 생성하고, 새롭게 생성된 매트릭스에서 1과 0의 개수를 구하고 내림차순으로 재배열한 후 대응되는 값들에 새로운 라벨을 부여하는 단계이다.

본 단계는 구체적으로 다음과 같이 진행될 수 있는데, 우선, 상기 앙상블 매트릭스의 모든 원소들을 c_i∈{+1,-1}(i=1,2)로 1차 라벨링을 하고, m번째 행에서 c_i으로 라벨링된 원소의 위치를 LP^m,i로 정의하여 상기 앙상블 매트릭스의 모든 열의 LP^m,i에서의 라벨들을 추출하여 라벨의 부분 집합인 PL^m,i를 생성한다. 다음으로, m번째 행에서 c_i으로 라벨링된 원소의 개수를 NL^m,i로 정의하고 그 합을 NS^m으로 정의한 상태에서 RN을 얻기 위해 NS에 포함된 각 NL들을 내림차순으로 정렬하고 (식 3)과 같이 정의되는 NPL을 생성하기 위해 임시적으로 새로운 라벨인 nc를 부여함으로써 진행이 완료된다.

(식 3)

(3) (S3)단계

본 단계는 새로운 라벨이 부여된 매트릭스의 각 열에서 각 새로운 라벨의 개수를 구하고 첫 번째 라벨의 개수가 가장 큰 수가 아닐 경우 해당 열과 대응되는 상기 앙상블 매트릭스의 열에서 값들을 추출하는 단계이다.

구체적으로 NPL의 위치 k에 존재하는 nc에 대응되는 원소의 개수를 NP로 정의할 때 위치 k에 존재하는 nc들의 NP들은 SN^m,i,k를 이루게 되는데, SN에서 최대값을 추출하면 RN이 내림차순으로 정렬되어 있기 때문에 인덱스 값이 1과 같아야 한다. 만약 1과 같지 않다면 k를 ke로 정의하여 상기 앙상블 매트릭스 중 (식 4)와 같이 에러가 발생한 위치에 존재하는 원소들의 라벨들을 추출하게 된다. (식 4)에서 추출된 값들은 OC라고 정의되어 있다.

(식 4)

(4) (S4)단계

본 단계는 상기 앙상블 매트릭스에서 각 값에 대응되는 3차원이진수위치 매트릭스를 생성하고, 상기 3차원이진수위치 매트릭스 중 상기 앙상블 매트릭스의 열에서 추출된 값이 대응되는 위치에서 값들의 합을 산출하고, 산출된 값 중 사전에 설정된 크기 이상의 값들만을 추출한 다음, 이에 대응되는 이진수 위치값들의 합을 도출하여 가장 큰 값의 인덱스를 기준으로 상기 앙상블 매트릭스에서 에러가 발생한 위치의 값으로 수정하는 단계이다.

구체적으로 3차원이진수위치 매트릭스는 아래의 (식 5)와 같이 정의될 수 있으며, OC가 대응되는 BP의 위치에서의 값들의 합을 EM과 OC 사이의 유사도라고 하고, 유사도가 설정된 크기 이상인 높은 값들을 추출하여 후보를 구성하고 후보에 대응되는 이진수 위치값들의 합을 PC라고 정의할 때, PC에서 가장 큰 값의 인덱스를 ic로 정하여 c_ic를 상기 앙상블 매트릭스에서 에러가 발생한 위치의 값으로 수정하게 된다.

(식 5)

이상에서 본 발명에 관하여 구체적인 실시예와 함께 상세하게 설명하였다. 그러나 위의 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위에서 수정 또는 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이와 같은 수정 또는 변형을 포함한다.

없음

Claims

이미지 파일에서 에지를 추출하는 (a)단계, 상기 에지를 확장하는 (b)단계, 상기 이미지 파일을 라돈변환하여 정규화 각도를 산출하는 (c)단계 및 상기 이미지 파일을 산출된 각도만큼 회전시키는 (d)단계를 포함하는 이미지 파일의 정규화 방법에 따라 회전각도를 모르는 이미지 파일의 정규화 각도 θ를 산출하고, 상기 회전각도를 모르는 이미지 파일을 θ+τ부터 θ-τ까지 각도 α씩 감소시키면서 정규화하되, 각각의 정규화 이미지 파일에서 워터마크를 추출하여 1과 0으로 이루어진 앙상블 매트릭스(Ensemble Matrix)를 생성하는 (S1)단계;
상기 앙상블 매트릭스의 임의의 행에서 1인 열의 위치와 0인 열의 위치를 획득하고, 다른 행에서 해당 열의 값들을 추출하여 새로운 매트릭스를 생성하고, 새롭게 생성된 매트릭스에서 1과 0의 개수를 구하고 내림차순으로 재배열한 후 대응되는 값들에 새로운 라벨을 부여하는 (S2)단계;
새로운 라벨이 부여된 매트릭스의 각 열에서 각 새로운 라벨의 개수를 구하고 첫 번째 라벨의 개수가 가장 큰 수가 아닐 경우 해당 열과 대응되는 상기 앙상블 매트릭스의 열에서 값들을 추출하는 (S3)단계; 및
상기 앙상블 매트릭스에서 각 값에 대응되는 3차원이진수위치 매트릭스를 생성하고, 상기 3차원이진수위치 매트릭스 중 상기 앙상블 매트릭스의 열에서 추출된 값이 대응되는 위치에서 값들의 합을 산출하고, 산출된 값 중 사전에 설정된 크기 이상의 값들만을 추출한 다음, 이에 대응되는 이진수 위치값들의 합을 도출하여 가장 큰 값의 인덱스를 기준으로 상기 앙상블 매트릭스에서 에러가 발생한 위치의 값으로 수정하는 (S4)단계; 를 포함하여 이루어지는 회전각도를 모르는 이미지 파일의 워터마크 검출 방법.
제1항에서,
상기 (a)단계는,
(a-1) 상기 이미지 파일에 가우시안 스무딩 필터링을 적용하는 단계; 및
(a-2) 가우시안 스무딩 필터링이 적용된 이미지 파일을 1차 미분을 통하여 이미지의 램프 에지에서 봉우리로 전환시키고, 2차 미분을 통하여 영교차가 생기는 부분을 검출하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전각도를 모르는 이미지 파일의 워터마크 검출 방법.
제1항에서,
상기 (b)단계는 상기 에지의 그래디언트 수직 양방향 일정 범위의 픽셀들 중 상기 에지에 속하지 않는 픽셀들을 상기 에지에 속하는 픽셀로 전환하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전각도를 모르는 이미지 파일의 워터마크 검출 방법.
제1항에서,
상기 (c)단계는,
(c-1) x와 y로 표현되는 상기 이미지 파일의 각 픽셀들의 2차원 좌표를 아래의 식(1)에 따라 선적분하여 (θ,ρ)로 표현되는 라돈공간에 누적시키는 단계; 및
(c-2) 상기 라돈공간에서 임계값 이상 되는 부분의 지역 최대값(local maxima)를 이용하여 상기 이미지 파일의 에지의 직선성분을 검출하고 해당 직선성분의 기울기에 수직인 방향으로의 기울기값을 아래의 식(2)에 따라 누적시켜 정규화 각도 φ를 산출하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전각도를 모르는 이미지 파일의 워터마크 검출 방법.
(식 1)

(-∞＜x, y＜∞, -∞＜ρ＜∞, 0≤θ＜π)
(식 2)

(R(ρ,θ)는 이미지 파일의 기울기의 방향과 크기에 기반한 함수, isedge는 (x,y)가 에지인지 결정하는 함수 의미하고, mod(φ(x,y),π)는 기울기를 0~180°로 계산)
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