1. 워터마크의 소개
최근 몇 년간의 과학의 발전으로 인해 여러 분야에서 디지 털 멀티미디어 데이터(audio, image, video등)들이 만들어지고 활용되어 지고 있다. 이렇게 만들어진 멀티미디어 데이터들은 네트워크의 발달과 보급으로 인해 네트워크 환경을 통하여 데 이터를 필요한 곳까지 쉽게 전송되고 있다. 보다 빠르고 쉽게 필요한 데이터를 얻을 수 있게 되면서 멀티미디어 표현물의 상 업적 가치는 계속적으로 증가되고 있지만, 각종 멀티미디어 데 이터들이 네트워크와 인터넷을 통해서 무단으로 분배, 복제되
고 있는 실정이다. 디지털 데이터의 불법 복제 및 변조 등에 대 한 문제의 발생과 함께 이를 해결하기 위한 연구의 필요성이 발생하게 되었으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에 디지 털 데이터 내부에 정보를 은닉하여 멀티미디어 데이터의 저작 권 보호(copyright protection) 및 정보의 손상을 방지하기 위 한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이런 연구의 대표적인 예로 서 디지털 데이터 내부에 정보를 은닉하여 확인할 수 있는 기 술을 디지털 워터마킹 기법(Digital watermarking technique) 이라 한다 [1].
워터마크 기법은 크게 공간 영역(Spatial domain)과 주파수 영역(Frequency domain)으로 나눌 수 있다. 공간 영역의 워 터마크 기법은 실제 데이터에 워터마크 정보를 직접 대입하는 방법으로 잡음이나 JPEG 압축에 약하다는 단점을 가지고 있 기 때문에 변환등을 사용하여 영상 품질의 저하가 없이 최대
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웨이블릿 워터마크를 사용한 의료 영상의 보안
안봉환1・조용호2・이두수1・김재석2・김인영2・김선일2
1한양대학교 공과대학 전자공학과, 2한양대학교 의과대학 의공학교실
The Security of Medical Image Using Wavelet Watermark
Bonghwan Ahn
1, Yongho Cho
2, Doosoo Lee
1, Jaeseok Kim
2, Inyoung Kim
2, Sun I. Kim
21Dept. of Electronic Engineering, Hanyang University
2Dept. of Biomedical Engineering, Hanyang University
= Abstract =
Generally the Digital watermarking techniques is used for copyright protection of multimedia con- tents. Wavelet transform is widely used for image processing because it can efficiently process the properties of an image to the multi-resolution. So the Digital watermarking method using wavelet transform is frequently used for the security of medical images. We use the digital watermarking method using a gaussian distributed random vector as the watermark because the wavelet coeffi- cients can be characterized by gaussian distribution. After the original image is transformed by DWT(Discrete Wavelet Transform), the coefficients of all subbands are utilized in order to equally em- bed the watermark to the whole image. To select perceptually significant coefficients for each sub- band, we use multiple thresholds. In the detection process, the vector projection method is used to de- tect the watermark.
Key words: Watermark, Wavelet, Medical image, Security
통신저자: 김선일, (133-605) 서울 성동구 성동우체국 사서함 55호 Tel: 02-2290-8280, Fax: 02-2296-5943
E-mail: [email protected]
한의 워터마크를 삽입할수 있는 보다 견고한 주파수 영역의 워 터마크 기법을 주로 사용한다. 주파수 영역의 워터마크 기법은 DCT(Discrete Cosine Transform), FFT(Fast Fourier Transform) 그리고 DWT(Discrete Wavelet Transform)를 사 용하고 있다. 여기서는 인간의 시각구조(Human Visual System)와 상당히 유사한 다중해상도(multi-resolution)특성 을 지니고 있는 이산 웨이블릿 변환(DWT)를 사용하였다. 검 출과정에서는 벡터 투영을 통하여 삽입된 워터마크의 유사도 를 사용하여 워터마크를 검출한다.
2. 웨이블릿 변환
웨이블릿이란 그림 1과 같이 일반적인 사인파(Sine Wave) 를 일정한 시간에 에너지가 집중되어 있는 파형(Waveform)으 로 나타내는 것을 말한다.
웨이블릿 변환은 특정 시간의 에너지를 나타내는 스케일 (scale)과 위치(position)에 대한 함수인 웨이블릿 계수들 (Wavelet coefficients)로 신호를 표현하는 것이다. 그러나 모 든 스케일과 위치에 대하여 웨이블릿 계수를 계산하는 것은 너 무 많은 계산을 필요로 한다. 따라서 효율적인 계산과 데이터 의 정확성을 고려하여 가능한 스케일과 위치의 부분집합 (Subset)을 선택해야 한다. 또한 이때의 스케일과 위치가 2의 지수형태(2n)일 때 보다 효과적이고 정확한 것으로 증명되었 다. 이와 같이 2의 지수형태의 스케일과 위치일 때 이를 이산 웨이블릿 변환(Discrete Wavelet Transform)이라고 한다.
이산 웨이블릿 변환은 다음과 같은 그림 2로 나타낼 수 있 다.
또한 역 이산웨이블릿 변환은 다음과 같은 그림 3으로 나타 낼수 있다.
3. 의료 영상의 보안 필요성
과학의 발전은 의료 분야에도 많은 변화를 초래하였다. 병원 들은 대형 병원을 중심으로 컴퓨터와 같은 장비를 기반으로한 신기술을 사용하여 수작업으로 업무를 처리했을 때보다 편리 하고 신속하게 많은 환자에 대한 정보를 처리할 수 있게 되었 다. 이로 인해 병원내에서 발생하는 기본적인 정보를 기반으로 한 처방전달 시스템(OCS: Order Communication System)과 방사선과의 의료 영상을 기반으로한 의료영상저장전달시스템 (PACS: Picture Archiving & Communication System)이 등 장하였고, 이와 같은 시스템의 등장은 기존 병원 인프라에서는 요구되지 않았던 새로운 요구사항들을 야기시켰다. 즉, 위의 두 시스템은 기존 환경에서는 쉽게 할 수 없었던 원본의 복사, 변 조, 삭제 등의 물리적인 변화가 디지털 환경으로 인해 가능하
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그림 1. 사인파와 웨이블릿
그림 2. 영상의 웨이블릿 분해 과정
그림 3. 영상의 웨이블릿 합성 과정
그림 4. 웨이블릿 변환을 이용한 워터마크 삽입 과정
게 되었다. 또한 위의 시스템들은 네트워크 환경 아래서 동작 하기 때문에 디지털 환경에서의 문제뿐 아니라 다른 곳에서의 접근으로 인해 발생하는 해킹과 같은 위험에 노출되어있다. 그 러나, 대부분 병환에서는 의료 정보의 보안에 대해서는 아직까 지 무관심한 것이 현실이다. 본 논문에서는 의료영상저장전달 시스템 PACS에서 획득한 의료영상에 워터마크를 적용하여 보 안을 시도하였다 [2].
4. 의료 영상을 위한 워터마크
본 논문의 워터마크 기법은 다음과 같이 생성, 삽입과 검출 과정으로 나눌 수 있다 [3].
4-1. 워터마크의 생성
본 논문에서 사용할 워터마크로는 삽입시 시각적으로 비가 시성을 가지면서, 이진 워터마크(binary watermark)보다 견고 한 가우시안 분포를 가지는 랜덤 벡터를 생성하기 위해서 식
(1)의 Box-Muller변환을 사용하여 균등분포(Uniform distri- bution)을 가지는 랜덤 벡터 E로부터 가우시안 분포를 가지는 X를 생성하였다 [4].
식(1)
Xi = -2 ln E i cos(2πE i+N )
위의Ei는 복사 방지를 위한 사용자 정보이며, N은 생성하 고자 하는 워터마크의 수이다.
4-2. 워터마크의 삽입
워터마크의 삽입과정은 그림 4와 같다. 위의 과정은 시각적 으로 중요한 웨이블릿 계수(wavelet coefficient)를 선택하는 과정이 포함되어야 하기 때문에 다중 문턱값(multiple thresh- old)을 사용하였고, 워터마크가 영상 전체에 분포될수 있도록 하기 위해서 모든 부대역(subband)에 대하여 워터마크를 삽입 한다 [5].
4-3. 워터마크의 검출
워터마크의 검출과정은 워터마크의 삽입과정의 반대이며, 전 체적인 과정은 그림 5와 같다. 이 검출과정에서는 원영상을 필 요로 한다. 원영상과 워터마킹된 영상을 워터마크 삽입과정에 서 분해한 레벨과 동일하게 분해한 후, 각 부대역의 차를 구한 다. 워터마크와 추출된 워터마크 사이의 벡터 투영 방법(Vector projection method)을 사용하여 유사도를 측정하여 문턱치 이 상이면 삽입된 워터마크임을 확인한다 [6].
5. 실험 및 분석
다음 그림 6은 256×256 MRI Image를 사용하여 워터마크
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그림 5. 워터마크 검출 과정
A B C
그림 6. 적용된 의료영상 A. 원영상
B. 워터마크된 영상
C. 워터마크 삽입후 손상된 영상
그림 7. 워터마크의 결과 A. 그림 3의 검출 결과 B. 그림 3의 검출 결과 C. 그림 3의 검출 결과
를 수행한 결과를 나타내는 그림이다.
그림 6에서 A는 원 영상을 나타내고, B는 웨이블릿 방법을 사용한 워터마크를 적용한 영상이다. C영상은 특정한 위치에 인위적으로 손상이 가해진 영상이다. 위와 같은 손상으로 인해 워터마크의 정보가 바꾸게 되면, 워터마크의 검출 과정에서 삽 입된 워터마크와 남은 워터마크 사이에 유사도의 비교를 통하 여 손상 여부를 확인할 수 있다.
그림 7은 그림 6의 영상에 대하여 워터마크의 존재를 검출 한 것이다. A의 경우에는 워터마크가 없기 때문에 검출 결과 는 0의 값을 갖고 B의 경우는 삽입된 워터마크에 대한 벡터 투영 방법(vector projection method)을 적용하여 유사도 (similarity)를 나타낸 결과를 나타내고 있다. 그리고 마지막 C 의 경우는 삽입된 워터마크와의 유사도가 차이가 있으므로 워 터마크된 영상이 손상을 입은 것을 보여 주고 있다.
6. 결론 및 토의
본 논문은 의료 영상에 대한 원하지 않은 변조나 손상에 대 한 방안으로 웨이블릿을 사용한 워터마크 방법을 구현하였다.
제안된 워터마킹 기법을 사용하게 되면 원하지 않은 변화를 워 터마크의 잔량 변화을 통하여 검출할 수 있다. 또한 위의 방법 은 웨이블릿을 사용하였기 때문에 일반적인 공간영역의 워터 마크보다 잡음 및 JPEG 압축등의 변화에 대해서 견고하다.
본 논문에 사용된 워터마크의 문제점으로는 워터마크를 확 인하기 위해서 원영상을 필요로 한다는 점이다. 하지만 원영상 을 필요로 하지 않는 워터마킹은 견고함이 떨어지는 단점이 있 다. 향후 연구과제로서는 원영상을 필요로 하지 않는 견고한 워터마킹 방법에 대한 연구와, 제안한 워터마킹 방법을 정지의 료 영상 뿐 아니라 의료동영상에도 확장 적용하는 것이다.
*This study was supported by a grant(HMP-00-G-0- 0000)of the HAN(Highly Advanced National) Project, Ministry of Heath & Welfare, R.O.K
참 고 문 헌
1. C. F. Osborne, R. G. Schyndel and A. Z. Tirkel, “A Digital Watermarking,”Int. Conf. on Image Processing, Nov. 1994 2. 강흥식, 이학종“PACS 보안의 필요성”, 대한 PACS학회, 2000 3. I. Pitas and T.Kaskalis, “Applying Signatures on Digital
Images”, In Proc. 1995 IEEE Nonlear Signal Processing Workshop, Thessaloniki, Greece, 1995
4. D. Kundur, D. Hatzinakos, “Digital Watermarking Using Multiresolution Wavelet Decomposition,”IEEE Int. Conf. on Image Processing, 1997
5. C. S. Burrus, R. A. Gopinath and H. Guo, Introduction to Wavelets and Wavelet Transforms, prentice hall, 1998 6. I. J. Cox， J. Kilian, T. Leighton and T. Shamoon, “Secure
Spread Spectrum Watermarking for Multimedia”, IEEE Transaction on Image Processing, 6, 12, 163-1687, 1997 대한PACS학회지 2002;8:1-4
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=초 록=
일반적으로 디지털 워터마킹 기술(digital watermarking technique)은 멀티미디어 내용물의 저작권 보호를 위해 사용된다. 웨이블릿 변환(wavelet transform)은 다중-해상도(multi-resolution)를 사용하여 영상의 특성을 효과 적으로 처리할수 있기 때문에 영상처리에서 널리 사용되고 있다. 그래서 웨이블릿을 사용한 디지털 워터마킹 방법 은 의료 영상(medical image)의 보안에 자주 사용된다. 웨이블릿 계수가 가우시안 분포(gaussian distribution)에 의해 특성화될수 있기 때문에 우리는 워터마크(watermark)로서 가우시안 분포된 랜덤 벡터(random vector)를 사 용한 디지털 워터마킹 방법을 사용한다. 원 영상이 DWT(Discrete Wavelet Transform)에 의해 변환된 후, 모든 서 브밴드(subband)의 계수는 전체 영상에 워터마크를 균일하게 삽입하기 위해 사용된다. 각각의 서브밴드에 대한 지 각적으로 중요한 게수들을 선택하기 위해, 우리는 다중 문턱값(multiple thresholds)을 사용한다. 검출 과정에서, 벡터투영 방법(vector projection method)은 워터마크를 검출하는데 사용된다.
