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ABSTRACT
목차
제1장 서론 15
제2장 디지털 영상 감시 시스템 및 영상 데이터 보호 방법 19
2.1. 디지털 영상 감시 시스템 19
2.1.1. 디지털 영상 감시 시스템의 구성 및 관련 기술 22
2.1.2. 차세대 IP 기반의 영상 감시 시스템 27
2.1.3. 디지털 영상 감시 시스템 일반화에 따른 문제점 28
2.2. 영상 데이터의 보호 방법 29
2.2.1. 암호화를 이용한 영상 데이터의 보호 30
2.2.2. 영상 데이터의 암호화시의 문제점 32
2.2.3. 기존의 영상 데이터 암호화 방법 39
2.2.4. 기존 영상 데이터 암호화 방법의 문제점 50
2.2.5. 워터마킹을 이용한 영상 데이터의 보호 51
제3장 제안한 영상 데이터 보호 방법 57
3.1. 영상 데이터 보호 방법의 전체 구조 57
3.2. 적응적인 암호화 알고리즘 58
3.2.1. 적응적 인터리빙(방법1) 59
3.2.2. 인터리빙과 랜덤 셔플링의 결합(방법2) 66
3.3. Semi-fragile 워터마킹 알고리즘 67
3.3.1. 워터마크 삽입 알고리즘 68
3.3.2. 워터마크 추출 알고리즘 71
3.4. 제안한 알고리즘의 암호화 강도 72
3.4.1. 암호문 공격 방법 72
3.4.2. 전치 암호의 공격 74
제4장 실험 및 고찰 83
4.1. 실험 환경 및 방법 83
4.2. 영상 데이터 암호화 83
4.2.1. 인트라 프레임 및 정지 영상 암호화 83
4.2.2. 동영상 데이터 암호화 84
4.3. MPEG 비트 스트림 호환성 85
4.3.1. 8*8 블록에서 호환성을 위한 고려 사항 87
4.3.2. 매크로 블록에서의 고려 사항 87
4.3.3. 움직임 벡터에서의 고려 사항 88
4.3.4. 비트량 증가 방지 89
4.4. 영상 암호화 성능 및 고찰 91
4.4.1. 인트라 프레임 및 정지 영상 암호화 91
4.4.2. 동영상 데이터 암호화 성능 및 고찰 95
4.5. 워터마킹 성능 및 고찰 105
제5장 결론 110
참고문헌 112
그림 2-1. 영상 감시 시스템의 주 응용 시장 조사 20
그림 2-2. DVR을 활용한 영상 감시 시스템의 예 23
그림 2-3. DVR의 일반적인 기능 불럭도 23
그림 2-4. IP surveillance시스템의 일반적 구성도 28
그림 2-5. DC 계수를 암호화한 Lena 영상 34
그림 2-6. DC 계수를 암호화한 Baboon 영상 34
그림 2-7. AC 계수 전체로 복원된 Lena 영상 34
그림 2-8. AC 계수 전체로 복원된 Baboon 영상 34
그림 2-9. AC1, AC2, AC3 계수로만 복원된 Lena 영상 35
그림 2-10. AC1, AC2, AC3 계수로만 복원된 Baboon 영상 35
그림 2-11. DPCM 값 포화에 의한 영상 왜곡(Lena) 36
그림 2-12. DPCM 값 포화에 의한 영상 왜곡(Baboon) 36
그림 2-13. AC 계수를 암호화한 Lena 영상 37
그림 2-14. AC 계수를 암호화한 Baboon 영상 37
그림 2-15. DC 계수에 의해서 복원된 Lena 영상 37
그림 2-16. DC 계수에 의해서 복원된 Baboon 영상 37
그림 2-17. 공간 채움 곡선의 예 40
그림 2-18. SFC를 이용한 JPEG 영상의 암호화 41
그림 2-19. MPEG 압축 시스템과 연계된 선택적 암호화의 예 43
그림 2-20. Qiao와 Nahrstedt가 제안한 선택적 암호화의 예 45
그림 2-21. 허프만 트리 변형 과정의 예 48
그림 3-1. 제안된 영상 데이터 보호 방법 57
그림 3-2. 디지털 영상 감시 시스템에서의 평문 공격의 예 58
그림 3-3. 제안된 인터리빙의 알고리즘 62
그림 3-4. "KOREA FIGHTING" 문자열의 재배치를 위한 초기 메모리 상태 63
그림 3-5. 첫 번째 반복 후의 메모리 상태 64
그림 3-6. 두 번째 반복 후의 메모리 상태 64
그림 3-7. 인터리빙에 의한 재배치 완료후의 메모리 상태 65
그림 3-8. 워터마크 삽입 블록도 68
그림 3-9. 워터마크 삽입을 위한 인접한 값 선택 70
그림 3-10. 테스트 원 영상 80
그림 3-11. 원 영상의 히스토그램 80
그림 3-12. 암호화된 테스트 영상 81
그림 3-13. 암호화된 영상의 히스토그램 81
그림 4-1. 영상 데이터 암호화 블록도 85
그림 4-2. MPEG 데이터의 계층구조 86
그림 4-3. 매크로 블록 부호화 흐름 순서 87
그림 4-4. 실험에 사용한 원 영상 92
그림 4-5. 암호화된 Lena 영상 93
그림 4-6. 암호화된 Baboon 영상 93
그림 4-7. 암호화된 Lena 어깨 부분 영상 94
그림 4-8. 암호화된 Lena 얼굴 부분 영상 94
그림 4-9. 실험 동영상 96
그림 4-10. 인트라 프레임 암호화 99
그림 4-11. 인트라 프레임 암호화에 의한 예측 프레임의 영향(5번째 예측 프레임) 100
그림 4-12. 움직임 벡터 암호화(Stefan) 101
그림 4-13. 제안한 방법에 의한 암호화 103
그림 4-14. 실험에 사용한 원 영상 106
그림 4-15. 워터마크된 영상 107
그림 4-16. 변질 영상 107
그림 4-17. 변질검증 결과 107
그림 4-18. 워터마크된 영상 108
그림 4-19. 변질 영상 108
그림 4-20. 변질검증 결과 108
초록보기
오늘날 네트웍 기술의 급속한 발전과 네트웍을 통한 멀티미디어 데이터의 자유로운 공유로 인해서 멀티미디어에 대한 보호 방법이 더욱 더 중요 하게 되었다. 따라서 유료 TV나 군사용 영상 정보뿐만 아니라 화상회의나 영상 감시 시스템과 같은 실제적인 응용 분야에서 저장되거나 전송되는 멀티미디어 데이터에 대한 신뢰성 있는 보호 방법에 대해서 연구가 활발하게 진행되고 있다.
본 논문에서는 디지털 영상 감시 시스템에서 비디오 영상 데이터를 보호하기 위한 알고리즘을 제안하였다. 먼저 영상의 기밀성(Confidentiality)을 보장하기 위해 적응적인 인터리빙을 이용한 암호화 알고리즘으로 영상 데이터를 암호화하고 영상 데이터의 무결성(Integrity)을 보장하기 위해서는 연성 워터마킹 알고리즘을 이용하였다. 기존의 고정된 셔플링 테이블 (Shuffling table)을 사용하는 단순 전치 암호화의 경우 계산량이 적은 반면에 선택 평문 공격(Chosen plaintext attack)에 취약한 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서는 프레임이나 GOP(Group of Picture) 단위로 셔플링 테이블을 동적으로 생성해야 하는데 이럴 경우에 셔플링 테이블 생성 시간과 셔플링 테이블을 생성하기 위한 키를 관리하는 것이 문제가 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 영상의 특징에 따라 적응적으로 변하는 인터리빙(Interleaving) 알고리즘을 제안하고 인터리빙 알고리즘을 사용하여 DPCM(Differential Pulse Code Modulation) 처리된 8*8 블록을 셔플링하는 암호화 알고리즘과 인터리빙과 기존의 랜덤 셔플링을 결합한 다중 셔플링 테이블을 이용하여 영상을 암호화하였다.
동영상 데이터의 인트라 프레임 및 정지 영상에서 실험한 결과 기존의 SEED를 이용한 암호화 방식에 비해 수행 시간이 약 10% 정도에 불과했고 암호화에 따른 압축률 감소 등의 문제는 보이지 않았다. 동영상 암호화는 인트라 프레임에 대해서는 정지 영상과 동일한 방식의 암호화 방법을 적용 하고 예측 프레임에서는 DC 계수 및 AC 계수에 비해 상대적으로 데이터량이 적으면서 암호화 효과가 좋은 움직임 벡터를 대상으로 암호화하였고 예측 프레임내의 인트라 블록에 의한 암호화 효과가 떨어지는 것을 방지하기 위해 매크로 블록 셔플링 알고리즘을 이용하였다. 또한 MPEG-2의 비트 스트림 호환성을 100% 만족하도록 하여 헤더 정보를 이용한 트릭 모드와 같은 편리 기능들을 그대로 사용할 수 있다.
영상의 무결성을 보장하기 위한 워터마킹 방법으로 트랜스 코딩(Transcoding)과 같은 재압축 공격에는 강인하고 영상의 임의 조작과 같은 공격에는 쉽게 깨지는 연성 워터마킹(Semi-fragile watermarking) 방법을 제안하였다. 기존의 복잡한 수식을 요구하는 방법과는 달리 원본 이미지의 DCT 계수 값들의 대치에 의해 워터마크를 삽입하는 간단한 방법을 적용하였다. 또한 DCT 수행 후 블록간의 특성을 이용하여 워터마크를 삽입함으로써 DCT를 기반으로 하는 ]PEG 압축에 대한 강한 내성을 가지도록 하였다.
워터마크의 변질 검증 능력을 테스트하기 위한 실험으로 워터마크가 삽입된 영상을 JPEG 압축하거나 영상의 특징 부위를 임의로 변경하는 변질 공격을 하였다. 실험 결과에 의하면 제안한 알고리즘은 워터마킹된 영상이 원 영상에 비해 화질의 변화를 크게 보이지 않았으며, 워터마크를 LSB(Least Significant Bit)에 삽입하는 기존 방법과 비교하여 영상에 따라 정도가 다르지만 대체적으로 비가시성(Invisibility)이 높은 것을 알 수 있었다.MARC 보기
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