Digital Watermarking and Image Encryption Based on 2D Cellular Automata Transform

Abstract

본 논문에서는 디지털 콘텐츠의 불법적인 복제와 위조를 방지하기 위한 방법으로 2차원 셀룰러 오토마타 변환 기반의 새로운 디지털 워터마킹 방법과 영상 암호화 방법을 제안한다. CA (Cellular Automata)는 동역학계(Dynamical System)를 해석하는 한 방법으로 공간과 시간을 이산적으로 다루고, 이산적인 공간을 CA 공간의 기본단위인 각 Cell이 취할 수 있는 상태를 유한하게 처리하며, 각 Cell들의 상태가 국소적인 상호작용에 의해서 동시에 갱신되는 시스템이다. 첫 번째, 본 논문에서는 2D CAT (Cellular Automata Transform) 기반의 새로운 블라인드 워터마킹 방법을 제안한다. 제안한 블라인드 워터마킹 방법은 먼저 GV (Gateway Values)의 설정에 따라 2D기저함수를 생성하여 원 영상을 CA 영역으로 변환한다. 다음 랜덤 비트 시퀀스를 워터마크로 2D CAT 계수의 일부분 영역에 삽입한다. 실험결과와 분석을 통하여2D CAT라는 새로운 영역 기반의 블라인드 워터마킹 방법은 역 변환 시에 계수 손실이 없을 뿐만 아니라 기존 방법보다 뛰어난 보안성과 높은 충실도를 가지고 있으며 또한 JPEG 압축, 필터링, 노이즈 등 여러 가지 공격에도 강인성을 가지고 있음을 확인하였다. 두 번째, 본 논문에서는2D CAT를 이용한 3D Integral-Imaging 기반의 블라인드 워터마킹 방법을 제안한다. 제안방법은 먼저 목표 물체로부터 Pinhole Array를 통하여 3D 요소영상 (Elemental Image Array, EIA)을 획득한다. 획득한 3D EIA는 워터마킹의 강인성을 위하여 워터마크로 사용된다. 다음 보호하려는 영상을 Cellular Automata Transform을 하여 Cell공간으로 변환한 후 EIA워터마크를 특정 대역에 삽입한다. 실험결과와 강인성, 안정성 분석을 통하여 제안한 2D CAT를 이용한 3D Integral-Imaging 기반의 블라인드 워터마킹 방법은 여러 가지 공격에 강인한 특성을 가질 뿐만 아니라 안정성 측면에서도 우수한 성질을 나타냄을 확인하였다. 마지막으로, 제안한 영상 암호화 방법은 최대길이를 생성하는 MLCA와 CAT를 이용하여 새로운 영상 암호화 방법을 제안한다. 제안방법은 암호화 수준을 높이기 위하여 먼저 Wolfram Rule를 선택하여 Rule 행렬을 구성하고 Rule 행렬에 의하여 MLCA의 전이행렬을 만든 후 암호화하려는 영상의 픽셀 위치에 따라 전이행렬을 곱하여 픽셀의 값을 변환한다. 다음 GV의 설정에 따라 2D CAT 기저함수를 생성하여 MLCA 암호화한 영상을 CAT 암호화를 한다. 실험결과와 안정성 분석을 통하여 제안한 방법은 높은 암호화 수준과 무 손실 암호화의 성질을 가졌음을 확인하였다.