영상감시 시스템 내의 프라이버시 보호를 위한 주파수영역 기반 스크램블링 기법
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영상감시 시스템 내의 프라이버시 보호를 위한 주파수영역 기반 스크램블링 기법
  • CCTV뉴스
  • 승인 2011.11.04 00:00
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연재 순서

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2. Dairi EYE Lock 프로그램 기반 프라이버시 제공 기법
3. 세미블라인드 핑거프린팅(Semi-blind Fingerprinting) 기반 프라이버시 제공 기법
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5. USB 메모리 기반 영상 감시 카메라 시스템 프라이버시 제공 기법
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7. 프라이버시 보호를 제공하는 영상 감시 카메라 이미지 분배 시스템 기법
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9. SecST-SPIHT 코딩 및 디코딩 스킴을 적용한 프라이버시 제공 기법
10. 영상 감시 시스템 내의 민감한 프라이버시 정보에 대한 영상 데이터 은닉 기법
11. RFID 기반의 프라이버시 제공 영상 감시 시스템 기법
12. Scalable Video Coding을 이용한 프라이버시 보호 영상 감시 시스템 기법
13. DRM 기반의 프라이버시 제공 영상 감시 시스템 기법
14. 영상 감시 시스템 내의 프라이버시 보호를 위한 주파수영역 기반 스크램블링 기법
15. 보안 카메라 내의 움직이는 객체 마스킹을 통한 프라이버시 보호 기법
16. 얼굴검출 및 JPEG2000의 ROI 코딩 기반 프라이버시 제공 영상 감시 시스템 기법
17. Life-log 시스템 영상을 위한 프라이버시 보호 기법
18. 자동화된 영상 감시 시스템을 위한 보안과 프라이버시 보호 기법
19. 접근레벨 기반의 CCTV 영상 프라이버시 보호 기법
20. SPDCM(Stated Preference Discrete Choice Modelling) 기반 프라이버시 보호 기법
21. DWDM 파장 개선을 활용한 CCTV 보안 시스템 기법
22. 구글 스트리트 뷰 서비상에서의 얼굴 블러닝(Face-blurring) 기법

본 기고에서는 Dufaux 등에 의해 연구된 CCTV 환경에서 영상 내의 다양한 객체들에 대한 프라이버시를 제공하는 방법으로 응용 가능한 영상감시 시스템 내의 프라이버시 보호를 위한 주파수영역 기반 스크램블링 기법에 관해 소개한다.


제안된 기법의 장점들?

Dufaux 등은 트랜스폼-도메인(transform-domain) 또는 코드스트림-도메인(codestream-domain) 스크램블링 기반의 관심 영역(ROI)에 대한 프라이버시를 제공하는 효율적인 기법들을 제안하였다. 트랜스폼-도메인 기반 스크램블링 기법은 선택된 트랜스폼 계수들의 신호(sign)가 부호화(encoding) 단계에서 의사랜덤(pseudorandomly)하게 반전되어 진다. 코드스트림-도메인 기반 스크램블링 기법은 코드스트림의 일부 비트(bit)가 의사랜덤하게 반전되어진다. Dufaux 등이 제안한 영상감시 시스템 내의 프라이버시 보호를 위한 주파수영역 기반 스크램블링 기법은 다음과 같은 장점들을 가진다.

(1) 동일한 스크램블링 코드스트림(scrambling codestream)이 개별 접근권한과 독립적으로 모든 터미널(terminal)에 전송된다.
(2) 비밀키(secret key)를 소유하고 있지 않는 비인가 된 클라이언트들(unauthorized clients)에게는 프라이버시가 제공되어야 하는 민감한 데이터 영역은 안전하게 보호가 된 왜곡된 콘텐츠 장면만 볼 수 있다.
(3) 법집행관 등 인가된 클라이언트들은 코드스트림을 역스크램블링(unscrambling)하여 원 신뢰 장면(truthful scene)을 복원할 수 있다.
(4) 스크램블링 과정의 유연성을 제공하여 잡음정도(noisy amount)를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 프라이버시가 제공되어야 하는 ROI 부분을 부드럽게 조절할 수 있다.
(5) 코딩 효율성이 우수하며 낮은 연산 복잡도를 제공한다.


트랜스폼-도메인 기반 스크램블링 기법?

[그림 1]은 영상감시시스템의 표준 영상 포맷인 MPEG-4 영상을 활용한 프라이버시 보호를 위한 트랜스폼-도메인 기반 스크램블링 기법의 부호화/스크램블링(encoding/scrambling) 과정과 복호화/역스크램블링(decoding/unscrambling) 과정을 각각 보여주고 있다. MPEG-4는 움직임 보상된 블록 기반 DCT(motion-compensated(MC) block-based DCT)를 기반으로 한다. 즉 모든 프레임들(frames)은 intra-frame, predictive-frame, 또는 bidirectional-frame으로 부호화된다. 이때 각 프레임은 16*16 매크로블록(macroblocks(MBs))으로 나눠진다. 각 매크로블록 MB는 4개의 8*8 휘도(luminance) 블록과 두 개의 2*2 색차(chrominance) 블록들로 구성된다. 이들 8*8 휘도 블록들 각각은 DCT 변환되며 최종 결과로 1개의 dc와 63개의 ac로 구성된 64 DCT 계수를 가지게 된다.


[그림 1] MPEG-4 기반 트랜스폼-도메인 기반 스크램블링 기법:

(a) 부호화기/스크램블러(encoder/scrambler)
(b) 복호화기/역스크램블러(decoder/unscrambler)


스크램블링 과정은 [그림 1]의 (a)와 같이 양자화된 DCT 계수들상에서  MC 반복(loop)을 통해 효과적으로 적용되어 질 수 있다. 이러한 과정은 스크램블링된 영상 스트림이 완벽하게 표준화된 구문을 따르고 있음을 보장하게 된다. 부호화기(encoder)에서 역스크램블링된 데이터는 MC 예측 반복(prediction loop) 내에서 사용되어 진다.

[그림 1]의 (b)에서 보여주고 있는 것처럼 복호화기(decoder)에서 인증된 사용자(authorized users)는 부호기 내에서 MC 예측 반복 내에 이용된 동일한 MC 반복(loop)을 통해 이전 계수들의 역스크램블링을 수행하여 완벽한 프라이버시가 제거된 영상을 획득하게 된다.

스크램블링 과정은 시드 값(seed value)에 의해 초기화된 의산 난수 생성기(pseudorandom number generator(PRNG))를 기반으로 한다. 보안성 강화를 위해 다중 시드 값을 사용할 수 있다. 이러한 시드 값들은 사전에 합의된 비대칭 암호(asymmetric encryption) 알고리즘을 기반으로 암호화되어서 개인 데이터(private data)인 코드스트림 내에 삽입된다.

비밀 암호화키를 소유하고 있는 인증된 사용자들은 시드 값들을 복원할 수 있음으로 계수들에 대한 역스크램블링을 수행하여 원 영상을 복원할 수 있다. 이때 인증된 디코더들은 ROI의 모양을 알고 있어야 완벽한 복원이 가능함으로 이러한 ROI 모양 정보는 MPEG-4 코드스트림 내에 개인 데이터(private data)처럼 숨겨서 전송할 수 있다.

코드스트림-도메인 기반 스크램블링 기법?

[그림 2]
는 영상감시시스템의 표준 영상 포맷인 MPEG-4 영상을 활용한 프라이버시 보호를 위한 코드스트림-도메인 기반 스크램블링 기법의 부호화/스크램블링(encoding/scrambling) 과정과 복호화/역스크램블링(decoding/unscrambling) 과정을 각각 보여주고 있다. 최근의 영상 감시 시스템은 IP 카메라를 많이 활용한다. IP 카메라에 의해 출력된 입력 영상 스트림은 이미 압축되어 있다. 이 경우 연산 복잡도를 줄여주기 위해 코드스트림-도메인 내에서 직접 스크램블링을 수해하게 되면 여러가지 장점을 가질 수 있다. 이러한 방법에서 특히 중요한 것은 스크램블링된 영상 스트림이 MPEG-4 표준 구문을 따르는지 여부이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 코드스트림의 비트값들을 의사랜덤하게 반전할 때 신중히 처리하는 방법이 있을 수 있다.



[그림 2] MPEG-4 기반 코드스트림-도메인 기반 스크램블링 기법:

(a) 부호화기/스크램블러(encoder/scrambler)
(b) 복호화기/역스크램블러(decoder/unscrambler)


시뮬레이션 결과?

[그림 3]
[그림 4]는 트랜스폼-도메인 스크램블링 결과들을 보여주고 있다. 사용된 영상은 CIF 포맷의 Hall Monitor 영상과 Road 영상으로 MPEG-4 MoMuSys Verfication 모델로 실험을 하였다. 실험결과들은 프라이버시 보호(privacty protection)를 위해 영상의 ROI 내에 존재하는 은닉 정보를 스크램블링하는 능력을 보여주고 있다.


[그림 3] Hall Monitor 영상에 대한 트랜스폼-도메인 스크램블링:
(a) 63 ac coefficients (b) DC+63 ac coefficients


[그림 4] Road 영상에 대한 트랜스폼-도메인 스크램블링:
(a) 63 ac coefficients (b) DC+63 ac coefficients

[그림 5][그림 6]은 코드스트림-도메인 스크램블링 결과들을 보여주고 있으며 트랜스폼-도메인 스크램블링 기법과 유사한 프라이버시 보호 능력을 제공함을 알 수 있다.


[그림 5] Hall Monitor 영상에 대한 코드스트림-도메인 스크램블링:
(a) 63 ac coefficients (b) DC+63 ac coefficients


[그림 6] Road 영상에 대한 코드스트림-도메인 스크램블링:
(a) 63 ac coefficients (b) DC+63 ac coefficients


[그림 7][그림 8]은 제안된 스크램블링 기법의 성능을 평가하는 중요한 척도인 코딩 효율성 결과를 보여주고 있다. [그림 7][그림 8]을 통해 63 ac coefficients 기반의 영상에 대한 트랜스폼-도메인 스크램블링 기법과 코드스트림-도메인 스크램블링 기법에 대한 영상 왜곡 정도 실험 결과들을 보여주고 있다. 결과로 제안된 스크램블링 기법들이 코딩 효율성을 제공함을 알 수 있다. Hall Monitor 영상과 Road 영상 모두 1%~6%정도의 영상 왜곡이 발생함을 알 수 있다.


[그림 7] 트랜스폼-도메인 스크램블링 알고리즘 적용 여부에 따른 영상 왜곡율 코딩 효율성 비교: (a) Hall Monitor 영상 (b) Road 영상 

 


[그림 8] 코드스트림-도메인 스크램블링 알고리즘 적용 여부에 따른 영상 왜곡율 코딩 효율성 비교: (a) Hall Monitor 영상 (b) Road 영상

 

[그림 9]는 실제 영상 감시 시스템 상에서 제안된 트랜스폼-도메인 스크램블링 기법을 적용한 실험 결과를 보여주고 있다. [그림 9]를 통해 알 수 있듯이 ROI에 대한 효율적인 프라이버시 보호가 제공됨을 알 수 있다.


[그림 9] 실제 영상 감시 시스템 상에서의 프라이버시 보호:

(a) 원 영상 (b)  트랜스폼-도메인 스크램블링 기법을 적용한 영상


<다음호에서는 영상 감시 시스템 내의 프라이버시 보호를 위한 보안 카메라 내의 움직이는 객체 마스킹을 통한 프라이버시 보호 기법에 관해 살펴보도록 하겠다.>


[참고문헌]
[1] Frederic Dufaux 등. "Scrambling for Privacy Protection in Video Surveillance Systems", IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS FOR VIDEO TECHNOLOGY, VOL. 18, NO. 8, AUGUST 2008.

 

 

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