H.264/AVC 인트라 프레임의 워터마킹 알고리즘 및 하드웨어 구현에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 차세대 동영상 압축 표준인 H.264/AVC의 보안을 위한 강인성 워터마킹의 관점에서 인트라 프레임을 분석하고, 이를 토대로 기존의 방식에 비해 우수한 워터마킹 알고리즘을 제안하였다. 또한, 이를 통해 실시간으로 CIF급 이상의 동영상을 실시간으로 부호화하면서 워터마킹을 수행할 수 있는 하드웨어를 구현하였다.
인트라 프레임의 분석을 통해 워터마크가 삽입되지 않았더라도 재압축(re-engineering)에 의해 워터마크의 대상이 되는 양자화 계수가 크게 변화함을 알 수 있었고, 인트라 예측의 heuristic한 성질 때문임을 확인하였다. 위의 분석 결과를 토대로하여 인트라16×16모드로 결정된 매크로블록의 양자화 계수에 워터마크를 삽입하여 재압축공격과 약한 신호처리공격에 강인하게 만든 워터마킹 알고리즘을 제안하였다. 특히, 재압축공격에 대해서는 워터마크가 거의 완벽하게 추출되어, 기존의 방식들에 비해 우수한 알고리즘임을 확인하였다.
또한 이 알고리즘을 이용하여 워터마킹 모듈이 내장된 인트라 예측기를 하드웨어로 설계하였다. 하드웨어는 Verilog-HDL로 구현하였으며, 삼성 0.18㎛ 팬텀 셀 라이브러리를 사용하여 Synopsys사의 Design Compiler™로 합성하였다. Cadence사의 NC-Verilog™를 이용하여 시뮬레이션한 결과, 190MHz 이상의 주파수에서 안정적으로 동작함을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 하드웨어 구조는 HD급 이상의 영상을 초당 30프레임 이상으로 부호화할 수 있는 성능임을 확인하였고, 기존의 하드웨어보다 2.5배 이상 우수한 성능임을 확인하였다. 이는 mobile용 H.264/AVC 코덱 SoC 설계시 중요한 보안 IP로 사용될 수 있을 것으로 보이며, HDTV용 보안 IP로도 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, we analyzed on intra-frame in point of robust watermarking for security of H.264/AVC which is standard of next generation video compression. Based on above, we report a watermarking algorithm which is superior to conventional method. Also, hardware was designed to process watermarking with real-time video encoding simultaneously which is larger than CIF size.
Because of heuristic characteristics of intra prediction, we noticed about large changes in quantized coefficients (which are aim of watermarking) by re-engineering although watermark wasn't inserted from our analysis on intra-frame. From these results, the watermark was inserted to quantized coefficients with intra 16×16 mode-selected macroblock to make more robust watermarking algorithm in re-engineering and weak signal-processing attack. Note that the watermark on re-engineering attack was perfectly extracted to identify its better performance than conventional method.
By using this algorithm, watermarking module with built-in intra predictor was implemented as hardware. The Verilog-HDL was used for hardware and Samsung 0.18㎛ phantom cell library was adopted to synthesize with Synopsys company's Design Compiler™. A result of Cadence company's NC-Verilog™ simulation showed reliable performance above 190MHz.
Our hardware showed encoding ability of 30 frames per second with larger image than HD size. Also, its performance was 2.5 times better than previous work. This promises an important security IP at H.264/AVC CODEC SoC design for mobile applications and HDTV security IP will also enable.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 제2장 H.264/AVC 동영상 압축 알고리즘 = 4
• 2.1. 전체 구조 및 동작 = 4
• 2.2. 인트라 예측 알고리즘 = 6
• 제3장 워터마킹 관점에서의 인트라 예측 알고리즘의 특성 분석 = 12
• 3.1. 영상/비디오의 디지털 워터마킹 = 12
• 3.1.1. 신호처리 과정과의 연계성 = 12
• 3.1.2. Blind형과 non-blind형 = 13
• 3.1.3. 강인성(robust) 워터마킹과 파괴성(fragile) 워터마킹 = 13
• 3.1.4. 데이터 삽입형과 원 데이터 추출형 = 13
• 3.1.5. 절대치 삽입형과 상대치 삽입형 = 14
• 3.2. 디지털 워터마킹과 관련된 인트라 프레임의 특성 = 15
• 3.2.1. Re-engineering에 의한 인트라 예측 모드의 변화 = 16
• 3.2.2. Re-engineering에 의한 변환-양자화 계수 값의 변화 = 18
• 3.2.3. 예측 모드와 양자화 계수 값의 변화에 대한 분석 = 20
• 제4장 워터마킹 알고리즘 = 23
• 4.1. 워터마킹 위치를 고정한 blind워터마킹 방식 = 26
• 4.2. Cost함수를 이용한 semi-blind워터마킹 방식 = 32
• 4.2.1. Blind워터마킹 = 34
• 4.2.2. Semi-blind워터마킹 = 35
• 4.3. 16×16모드로 예측된 블록에 blind워터마킹을 적용한 경우 = 37
• 제5장 워터마킹 시스템을 내장한 인트라 예측기의 하드웨어 구조 = 39
• 5.1. 제안한 하드웨어 구조 = 39
• 5.2. 하드웨어 구현 결과 = 47
• 제6장 결론 = 51
• 참고문헌 = 53