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프라이버시 보호를 위한 H.264/AVC 영상 스크램블링 기법
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프라이버시 보호를 위한 H.264/AVC 영상 스크램블링 기법
  • CCTV뉴스
  • 승인 2011.05.04 00:00
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본 기고에서는 스위스의 Dufaux 등에 의해 연구된 CCTV 환경에서 영상 내의 다양한 객체들에 대한 프라이버시를 제공 방법으로 응용 가능한  H.264/AVC 영상 스크램블링 기법 기반 프라이버시 제공 기법에 관해 소개한다.

프라이버시 보호를 위한 영상 스크램블링

영상 감시 시스템이 프라이버시와 관련된 민감한 정보를 담고 있는 관심영역(ROI)을 식별하기 위해 프라이버시 보호 기반의 영상 분석을 수행한다면 다음의 요구사항들이 충분히 반영되어 개발되어야 한다.

(1) 스크램블링 후의 영상은 여전히 의미를 가지는 영상으로 이해 및 식별되어야 하지만 프라이버시와 관련된 민감한 객체들은 식별할 수 없어야 한다.
(2) 비밀키를 소유한 정당한 사용자는 스크램블링 된 영상으로부터 완전히 스크램블링되기 이전의 원 영상으로 복원할 수 있는 권한과 기능을 가지고 있어야 한다.
(3) 스크램블링 된 컨텐츠는 높은 보안성을 가져야 한다.
(4) 스크램블링 된 스트림의 구문(syntax)은 표준화를 따라 동작 운영되어야 한다.
(5) 스크램블링 알고리즘은 높은 코딩 효율성을 가져야 하며 복잡한 알고리즘을 기반으로 동작하지 않아야 한다.

과거에 제안된 H.264/AVC를 위한 다양한 스크램블링 기법들은 조건부 접근 제어 문제를 가질 뿐만 아니라 완전한 원 영상으로의 복원이 되지 않는 영상 왜곡 문제를 가진다.

이에 스위스의 Dufaux 등은 실용적인 H.264/AVC 스크램블링 기법을 개발하였다. H.264/AVC은 DCT 변환과 같은 블록 기반 움직임 보상(motion compensated block) 기술을 이용하는데 스위스의 Dufaux 등은 위와 같은 주파수 영역 기반의 양자화 변환 계수(quantized transform coefficients)와 예측 루프(prediction loop)를 응용한 [그림 1]의 (a)와 같은 실용적인 스크램블링 기법을 제안하였다.

특히 제안된 기법 장점은 압축된 스트림의 표준 준수 구문(standard compliant syntax) 처리를 보장하며, 인코딩 과정에서 스크램블링 되지 않은 데이터들이 예측 루프에서 사용되어 진다. 디코딩 과정에서 [그림 1]의 (b)와 같이 인증된 사용자들이 예측 루프에서 이전 계수들을 이용하여 역스크램블링(unscrambling)을 수행할 수 있다. 이로 인해 인증된 사용자들은 인코딩 시 사용된 동일한 예측 루프 내의 역스크램블링된 데이터를 사용할 수 있게 되어 완벽히 원영상으로 복원이 가능하게 된다. 반면에 비 인가된 사용자들은 스크램블링된 계수 뿐만 아니라 영상 스트림을 올바르게 디코딩 할 수 없게 된다.


스크램블링 과정

스크램블링 과정은 시드 값(seed value)에 의한 의사 난수 생성기(PRNG:Pseudo Random Number Generator)를 기반으로 한다.

특히 다중 시드(multiple seeds)는 보안성을 높이는 목적으로 사용되어 질 수 있다. 먼저 시드 값들은 사전에 합의된 비대칭 암호(asymmetric encryption) 알고리즘에 의해 암호화되며 개인 데이터 채널(private data channel) 또는 분리된 채널(separate channel)을 통해 수신자(decoder)에게 전송된다. 비밀 암호 키를 소유한 인증된 사용자들은 수신한 암호화된 시드 값들을 안전하게 복원할 수 있으므로, 후에 계수들(coeffi cients)의 역스크램블링을 위한 동일한 의사 난수열을 복제 생성할 수 있다. 스크램블링 방법으로 Dufaux 등은 아래의 랜덤 신호 반전(random sign inversion) 방법과 랜덤 치환(ran dom permutation) 방법을 각각 제안하였다.

랜덤 신호 반전(Random sign inversion) 기반 스크램블링

제안된 랜덤 신호 반전(Random sign inversion) 기반 스크램블링 기법에서는 블록 기반 움직임 보상(motion compen sated block) 과정을 통해 획득된 4x4 블록의 양자화된 AC 계수들(coefficients)인 i=0.15의 에 대해 아래 수식을 기반으로 스크램블링이 적용되어 진다.

 
위 수식의 연산 복잡도는 아주 낮음으로 높은 효율성을 보장할 수 있음을 알 수 있다.

랜덤 치환(Random permutation) 기반 스크램블링

제안된 랜덤 치환(Random permutation) 기반 스크램블링 기법에서는 블록 기반 움직임 보상 과정을 통해 획득된 4x4 블록의 양자화된 AC 계수들의 순서를 재배열하는 아래 수식과 같은 랜덤 치환 알고리즘을 적용하였다.


위 수식에서 균일한 난수 분포(uniform random distribu tion)를 가지는 n개의 아이템들에 대한 치환(permutation)을 생성하기 위해 Knuth shuffle을 사용하였다.

시뮬레이션 결과

본 실험에서는 CIF 포맷의 복도 모니터링 영상(Hall Monitor video)과 도로 영상(Road video)을 스크램블링 실험에 활용하였다.

[그림 2]의 (a)와 (b)는 각각 랜덤 신호 반전(random sign in version) 기반 스크램블링과 랜덤 치환(random permutation) 기반 스크램블링을 수행한 사람과 같은 관심 영역(ROI)에 대한 프라이버시가 제공된 결과 영상을 보여주고 있다.


[그림 3]은 제안된 두 가지 스크램블링 방법들에 대한 영상 왜곡(PSNR) 실험 결과를 보여주고 있다. [그림 3]의 결과로 비트율(Bit rate) 대비 영상 왜곡(PSNR)이 스크램블링 적용 전 영상과 비교하여 스크램블링 된 영상의 왜곡이 높지 않음을 알 수 있다.




보안성 측면에서도 랜덤성을 기반으로 비밀 키 전수 공격(brute-force attack)이 어려울 뿐만 아니라 [그림 4]와 같은 스크램블링 된 AC 계수들(coefficients)을 0으로 셋팅하는 오류 은닉 공격(error concealment attack)등에 안전함을 알 수 있다.


<다음호에서는 SecST-SPIHT 코딩 및 디코딩 기반 프라이버시 제공 기법에 관해 살펴보도록 하겠다> 

  

  

 

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