[영상처리] 워터마크(Watermark)의 정의와 주파수 영역, 공간 영역에서의 삽입 방법

 

워터마크 삽입

1. 워터마크(Watermark)의 정의

저작권 분쟁이 발생했을 경우 콘텐츠 소유자는 해당 콘텐츠가 자신의 소유임을 증명할 수 있어야 합니다. 본인 고유의 정보를 콘텐츠에 삽입하면 이후 콘텐츠에 삽입된 정보의 추출을 통해 자신이 소유주임을 증명할 수 있습니다. 이러한 것을 가능하게 하는 기술이 바로 디지털 워터마킹(Digital Watermarking)입니다.

워터마크(Watermark)란 지폐나 컴퓨터 등의 분야에서 불법 복제를 막기 위해 개발된 복제 방지기술을 의미합니다. 위 그림의 예시는 영상에 '워터마크'라는 글자를 삽입한 것으로, 삽입된 글자를 워터마크라고 할 수 있으며, 워터마크를 영상 등의 콘텐츠에 삽입하는 기술을 워터마킹(Watermarking)이라고 합니다. 위 그림에서는 이해를 돕기 위해 워터마크라는 글자를 잘 보이게 표시했지만, 사실 워터마크는 주로 시각적 혹은 청각적으로 인지할 수 없도록 삽입됩니다.

2. 워터마크(Watermark) 삽입 방법

1) 주파수 영역에서의 삽입

영상에서의 주파수는 밝기 값의 변화를 의미합니다. 즉, 저주파 성분은 주변 영역과 밝기 값의 차이가 크지 않은 부분이고, 고주파 성분은 경계선과 같이 주변 영역과 밝기 값의 차이가 큰 부분을 말합니다. 주파수 영역에서의 삽입은, 말 그대로 영상을 주파수 영역으로 변환한 후 특정 주파수 성분에 워터마크를 삽입하는 것을 의미합니다. 이후, 다시 공간영역으로 변환하게 되면 시각적으로 인지할 수 없는 워터마크가 삽입됩니다. 

2) 공간 영역에서의 삽입

공간 영역에서의 삽입은 다른 영역으로의 변환 없이, 공간 영역에서 바로 워터마킹을 진행하는 방법입니다. 예시 그림의 (a)에서 화소의 LSB(Least Significant Bit) 또는 하위 2개의 LSB에 워터마크를 삽입합니다. 예를 들어, 영상이 8비트 gray scale로 구성되었을 경우 각 화소는 검은색(0)부터 흰색(255)까지 총 256가지 색을 표현할 수 있습니다. 만약 검은색을 표현하는 8비트의 값, 00000000에서 MSB(Most Significant Bit)의 값 0을 1로 변경할 경우 화소의 값은 0에서 128로 급격히 변화합니다. 하지만, LSB의 값 0을 1로 변경하게 되면 화소의 값은 10진수로 표기할 때 1의 차이만 발생하므로, 검은색이 조금 밝아지는 현상은 있으나 시각적으로 화소의 값이 변화되었는지를 인지하기 쉽지 않습니다. 따라서, 공간 영역에서 워터마크를 삽입할 때는 LSB에 삽입합니다.

3) 공간 영역에서의 삽입 방법

(1) 워터 마크 상위 비트 추출

Watermark 상위 비트 추출

먼저 watermark 영상에서 128 즉, 10000000의 이진수로 나타나는 값과 영상의 값을 and 연산해줍니다. 만약, 최상위비트가 1이라면 1이 출력되고 0이라면 0이 출력됩니다. 128의 나머지 비트는 모두 0이기 때문에, 나머지 비트들은 모두 0으로 출력됩니다. 결론적으로, watermark 영상의 최상위 비트만을 추출할 수 있습니다. 이렇게 얻어진 값은 8비트짜리의 10000000 혹은 00000000 이므로, 2^8인 128로 나누어 하나의 비트인 1 혹은 0으로 변경해 줍니다.

(2) 영상의 LSB에 워터마크 상위 비트 삽입

영상의 LSB에 워터마크 삽입

이후, 추출한 값을 영상의 가장 최하위 비트에 삽입해 줍니다. 이는 최하위비트가 육안으로는 0과 1이 거의 구별되지 않기 때문입니다. 삽입 방법에는 크게 두 가지가 있는데, case 1은 LSB에 추출한 상위 비트를 그대로 삽입해주는 방법이고, case2는 기존 영상의 LSB와 추출한 상위 비트를 or연산으로 계산한 후 삽입해주는 방법입니다. 

이처럼, 공간 영역에서 워터마크를 삽입하는 것은 비교적 쉽다는 장점이 있으나, 워터마크가 삽입된 영상에서 모든 화소의 LSB를 0으로 변경할 경우 삽입된 워터마크가 쉽게 제거되는 단점이 존재합니다. 따라서, 공간 영역에서 워터마크를 삽입하는 방법으로는 저작권을 보호하기 쉽지 않기 때문에, 워터마크의 강인성이 보장되는 주파수 영역에 삽입해야 합니다.