디지털 콘텐츠를 지키는 워터마크(Watermark)

인터넷 신문에서 제공되는 기사는 기존의 종이 신문과 달리 텍스트와 그림, 사진뿐만 아니라 음성이나 동영상과 같은 다양한 디지털 콘텐츠들로 구성되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 인터넷 신문 기사에서 사용되고 있는 멀티미디어 콘텐츠들은 신문사에서 직접 제작하기도 하지만, 그렇지 못할 경우 타인의 콘텐츠를 사용하기도 하는데요.  

이런 경우 해당 콘텐츠를 제작한 사람으로부터 신문 기사의 일부분으로 사용하는 것에 대한 동의를 구한 후에 기사에 삽입해야만 합니다. 그렇지 않고 무단으로 사용하게 되면 저작권을 위반하는 것이기 때문이죠.

따라서 독자들도 인터넷 신문 기사에 삽입된 콘텐츠를 자신의 블로그나 카페 등에 삽입하고자 할 경우에는 해당 신문사의 허가를 얻은 후에 사용해야 하는데요. 만약 콘텐츠를 소유한 사람의 동의 없이 자신의 블로그에 해당 콘텐츠를 무단으로 게재할 경우, 해당 콘텐츠에 대한 소유권을 가진 사람으로부터 콘텐츠 사용에 대한 대가를 요구 받을 수 있으며 때로는 법적 분쟁으로 번지기도 합니다.

저작권에 대한 분쟁이 발생하였을 경우 콘텐츠를 소유한 사람은 해당 콘텐츠가 자신의 소유임을 증명할 수 있어야 하는데요. 자신만이 가지고 있는 정보를 멀티미디어 콘텐츠에 삽입하면 이후 콘텐츠에 삽입된 정보의 추출을 통해 자신이 소유주임을 증명할 수가 있습니다. 이러한 것을 가능하게 하는 기술이 바로 디지털 워터마킹(Digital Watermarking)입니다.

 

l 그림1. 워터마크 삽입 전과 후의 영상 

워터마크(Watermark)란 지폐나 컴퓨터 등의 분야에서 불법복제를 막기 위해 개발된 복제방지 기술을 말하는데요. 위 그림은 영상처리 기술 연구에 많이 사용되었던 Lenna 영상에 ‘워터마크’라는 글자를 삽입한 것으로, 삽입된 글자를 워터마크라고 할 수 있으며, 워터마크를 영상 등의 콘텐츠에 삽입하는 기술을 워터마킹(Watermarking)이라고 합니다.

위 그림에서는 이해를 돕기 위해 워터마크라는 글자를 잘 보이게 표시했지만, 사실 워터마크는 텍스트, 이미지, 비디오 그리고 오디오 등의 멀티미디어 콘텐츠를 제작하거나 소유한 사람이 시각적으로 인지할 수 없도록 영상에 삽입되거나 청각적으로 인지할 수 없도록 오디오에 삽입되는 정보를 말합니다.

 

옛날부터 화가들은 그림을 그리고 난 후 그림에 자신의 도장을 찍거나 서명을 하여 본인의 작품임을 표시했는데요. 워터마크는 이와 비슷하다고 할 수 있습니다. 

그러나 디지털로 제작된 영상의 경우, 시각적으로 인지할 수 있는 워터마크를 삽입하게 되면 영상 처리 프로그램을 이용해 삽입된 워터마크를 쉽게 제거할 수 있기 때문에 저작권을 보호하기 위한 용도로는 사용하기가 어렵습니다. 따라서 동영상이나 정지 영상에 대한 저작권을 보호하기 위해서는 시각적으로 인지할 수 없도록 워터마크를 삽입해야 합니다.

 

디지털 영상에 워터마크를 시각적으로 인지할 수 없도록 삽입하는 방법은 크게 주파수 영역에서 워터마크를 삽입하는 방법과 공간 영역에서 워터마크를 삽입하는 방법으로 나눌 수 있습니다. 먼저 주파수 영역에서 워터마크를 삽입하는 방법을 살펴보면, 일반적으로 주파수는 1초 동안 진동하는 횟수를 말하지만 영상에서의 주파수는 밝기 값의 변화를 의미합니다.

즉, 저주파 성분은 주변 영역과 밝기 값의 차이가 크지 않은 부분이고, 고주파 성분은 경계선과 같이 주변 영역과 밝기 값의 차이가 큰 부분을 말합니다.

 

l 그림2. 영상의 주파수 성분 비교

 

위 그림에서 (a)는 공간 영역에서 저주파 성분과 고주파 성분을 설명하고 있으며, 그림에서 보이는 바와 같이 인접한 화소(Pixel)의 값이 서로 비슷한 부분은 저주파 성분에 해당되고 화소 값의 변화가 큰 부분은 고주파 성분에 해당됩니다. 

만약, (a)의 영상에 이산 코사인 변환(DCT, Discrete Cosine Transform)이나 이산 푸리에 변환(DFT, Discrete Fourier Transform) 등을 적용하면 저주파 성분과 고주파 성분을 쉽게 구할 수 있으며, (b)는 8*8 화소 단위로 DCT를 수행하였을 때 분포되는 주파수 성분을 나타냅니다. 

이를 이용해 저작권을 보호하기 위해서 영상을 주파수 영역으로 변환하여 특정 주파수 성분에 워터마크를 삽입 후 다시 (a)와 같은 공간영역으로 변환하면 시각적으로 인지할 수 없는 워터마크가 삽입되는 것입니다.

 

그러나 저작권 보호를 위해 시각적으로 인지할 수 없는 워터마크를 주파수 영역에서 삽입하더라도 영상처리 프로그램을 이용해 워터마크가 삽입된 영상을 회전하거나 필터링하는 것과 같은 공격을 하게 되면, 삽입된 워터마크가 제거되거나 원래의 워터마크를 추출하기 어려워지는 문제가 발생할 수도 있습니다. 

따라서 저작권 보호를 위한 워터마크는 어떠한 공격이 있더라도 제거되지 않도록 하는 것이 가장 중요합니다. 현재까지 개발된 워터마킹 기술은 필터링이나 왜곡과 같은 다양한 공격이 가해지게 되었을 때, 워터마크를 100% 추출할 수 없기 때문에 보다 강인한(Robust) 워터마크를 삽입하기 위한 기술이 끊임없이 연구되고 있습니다.

워터마크를 삽입하는 또 다른 방법은 공간 영역에서 워터마크를 삽입하는 것입니다. 이 방법은 그림2의 (a)와 같이 영상을 구성하는 화소의 LSB(Least Significant Bit) 또는 하위 2개의 LSB에 워터마크를 삽입하는데요. 

예를 들면 그림2의 영상이 8비트 Gray Level로 구성되었을 경우 각 화소는 검정색(0)부터 흰색(255)까지 총 256가지의 색을 표현할 수 있으며 화소의 값은 아래 그림3과 같이 표현됩니다.

 

l 그림3. Gray 레벨의 화소 구성

 

만약 그림3의 (a)에서 검정색을 표현하는 8비트 값 중에서 MSB(Most Significant Bit)의 값 0을 1로 변경할 경우 화소의 값은 10진수 0에서 그림3의 (b)와 같이 128로 급격한 변화가 발생합니다. 

하지만, LSB의 값 0을 1로 변경하게 되면 화소의 값은 10진수로 표현할 때 1의 차이만 발생하므로 검정색이 조금 밝아지는 현상은 있으나 시각적으로 화소의 값이 변화되었는지를 인지하기는 쉽지 않습니다. 따라서 공간 영역에서 워터마크를 삽입할 때는 LSB에 삽입하는 것입니다.

공간 영역에서 워터마크를 삽입하는 것은 워터마크를 쉽게 삽입할 수 있는 장점이 있으나 워터마크가 삽입된 영상에서 모든 화소의 LSB를 0으로 변경할 경우 삽입된 워터마크가 쉽게 제거되는 단점이 있습니다. 따라서 공간 영역에서 워터마크를 삽입하는 방법으로는 저작권을 보호할 수 없기 때문에 저작권을 보호하기 위해서는 워터마크의 강인성이 향상되는 주파수 영역에 삽입해야 합니다.

공간 영역 워터마킹 방법은 워터마크가 삽입된 영상에 대하여 사소한 변화라도 발생하였을 경우 삽입된 워터마크가 쉽게 부숴지는 특성을 가져야 되는 전자화폐나 의료 영상 분야에 응용될 수 있습니다. 

의료 영상의 경우 영상에 대한 법적 분쟁이 발생하였을 경우 영상의 조작 여부를 확인할 수 있어야 하며 만약 미세한 조작이라도 발생하였을 경우 조작된 부분을 쉽게 검출할 수 있어야 합니다. 따라서 공간 영역 워터마킹은 무결성을 검증하기 위한 용도로 활용할 수 있습니다.

 

 

지금까지 디지털 워터마킹에 대해 살펴보았는데요. 디지털 워터마킹을 통해 디지털 콘텐츠에 대한 저작권을 보호하거나, 디지털 콘텐츠의 무결성을 검증할 수도 있다는 것을 알 수 있었습니다. 워터마크는 디지털 시대에 맞는 일종의 ‘디지털 낙관’이라고도 할 수 있는데요. 

전자 상거래가 보편화되고 뉴스, 전자책, 비디오, 음악 등 모든 콘텐츠가 디지털의 형태로 거래되는 시대인 만큼 워터마크 기술의 중요성은 더욱 높아지고 있습니다. 앞으로 더욱 강인한 워터마크를 삽입할 수 있는 기술이 개발될 것을 기대해 봅니다.

글 | 이승대 교수 | 남서울대학교 전자공학과

 

['암호 이야기 _ 암호와 함께하는 생활' 연재 현황]

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• [2편] 암호 이야기 2편 - 암호 알고리즘에 대하여

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• [3편] 디지털 콘텐츠를 지키는 워터마크(Watermark)

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