[논문 리뷰] A Non-Blind Watermarking Scheme for Gray Scale Images in Discrete Wavelet Transform Domain using Two Subbands

Abdur R. Shahid, Shahriar Badsha외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 12.

Advanced Steganography and Watermarking Techniques참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이산 웨이블릿 변환(DWT) 도메인을 사용하여 회색조 이미지에 비맹물주기(watermarking) 기법을 제안한다. 이 기법은 SPIHT 기반 계수 선택 후 LH2 및 HL2 하위대역의 가장 중요도 높은 계수에 이진 워터마크를 임bedding한다. 방법은 인간 시각 감도에 따라 적응적으로 임베딩 강도를 조절하는 노이즈 시각화 함수(NVF)를 활용하여 정성적 투명성을 확보하며, 일반적인 이미지 공격에 대해 높은 강건성을 보이며 실험 결과를 통해 강력한 정성적 투명성과 내성성을 확인한다.

ABSTRACT

Digital watermarking is the process to hide digital pattern directly into a digital content. Digital watermarking techniques are used to address digital rights management, protect information and conceal secrets. An invisible non-blind watermarking approach for gray scale images is proposed in this paper. The host image is decomposed into 3-levels using Discrete Wavelet Transform. Based on the parent-child relationship between the wavelet coefficients the Set Partitioning in Hierarchical Trees (SPIHT) compression algorithm is performed on the LH3, LH2, HL3 and HL2 subbands to find out the significant coefficients. The most significant coefficients of LH2 and HL2 bands are selected to embed a binary watermark image. The selected significant coefficients are modulated using Noise Visibility Function, which is considered as the best strength to ensure better imperceptibility. The approach is tested against various image processing attacks such as addition of noise, filtering, cropping, JPEG compression, histogram equalization and contrast adjustment. The experimental results reveal the high effectiveness of the method.

연구 동기 및 목표

• 회색조 이미지에서 높은 정성적 투명성과 강건성을 확보하는 비맹물주기 기법을 개발한다.
• 웨이블릿 계수의 계층적 구조를 활용하여 최적의 워터마크 임베딩 위치를 선정한다.
• 노이즈, 필터링, JPEG 압축과 같은 일반적인 이미지 처리 공격에 대한 강건성을 향상시킨다.
• 노이즈 시각화 함수(NVF)를 통합하여 적응적인 임베딩 강도를 통해 정성적 투명성을 확보한다.
• 다양한 왜곡 조건 하에서의 포괄적인 실험 평가를 통해 방법의 효과성을 검증한다.

제안 방법

• 주어진 회색조 이미지가 이산 웨이블릿 변환(DWT)을 사용해 3단계로 분해되며, LH3, LH2, HL3, HL2 하위대역에 집중된다.
• 계층 트리 내 세트 분할(SPIHT) 알고리즘이 LH2 및 HL2 하위대역의 유의미한 웨이블릿 계수를 식별하는 데 적용된다.
• LH2 및 HL2 하위대역에서 가장 중요한 계수들이 이진 워터마크의 임베딩 위치로 선정된다.
• 노이즈 시각화 함수(NVF)가 임베딩 강도를 조절하여 정성적 투명성을 확보한다.
• 워터마크 임베딩은 워터마크 비트 값에 따라 선택된 유의미한 계수를 수정하여 수행된다.
• 워터마크 추출은 비맹물주기 방식으로, 원본 호스트 이미지가 필요하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정성적 투명성과 강건성을 동시에 확보하기 위해 웨이블릿 계수의 유의미한 계수를 효율적으로 선택하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 노이즈 시각화 함수(NVF)의 사용이 워터마킹 과정에서 정성적 투명도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 노이즈, 필터링, JPEG 압축과 같은 일반적인 이미지 처리 공격에 대해 제안된 기법의 강건성은 어느 정도인가?
• RQ4 SPIHT를 통한 웨이블릿 계수의 계층적 구조 활용이 DWT 도메인 내 비맹물주기 기법의 성능을 향상시키는가?
• RQ5 제안된 워터마킹 프레임워크에서 정성적 투명성과 강건성 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 노이즈 시각화 함수를 사용함으로써 인간 시각 감도에 따라 적응적으로 임베딩 강도를 조절함으로써 높은 정성적 투명성을 달성한다.
• 가우시안 노이즈, 중앙값 필터링, 자르기, JPEG 압축, 히스토그램 균형화, 대trast 조정 등의 다양한 공격 후에도 워터마크가 탐지 가능하다.
• SPIHT 기반 계수 선택을 통해 가장 중요한 계수들만 사용되므로 강건성이 향상되고 왜곡이 감소한다.
• JPEG 압축에 대해 매우 강건하며, 고압축 비율에서도 워터마크의 무결성이 유지된다.
• 실험 결과, 원본 호스트 이미지를 사용하여 워터마크가 성공적으로 추출되었으며, 이는 비맹물주기 방식의 타당성을 검증한다.
• 제안된 기법은 정성적 투명성과 강건성 사이의 균형을 잘 유지하며, 테스트된 공격 시나리오에서 기존의 DWT 기반 워터마킹 기법보다 뛰어난 성능을 보였다.