In this thesis, we propose an encryption method to secure multiple regions of interest (ROIs) in bitstreams compliant with the Scalable Video Coding (SVC) standard. This allows protecting the SVC bitstreams from malicious attacks. We also propose a key generation scheme that facilitates efficient conditional access control to the protected ROIs. In order to successfully decode different ROIs, we identified three coding constraints that need to be taken into account: restricted or constrained motion estimation, restricted half-pel and quarter-pel interpolation at the boundaries of a ROI, and a restricted use of the Intra_BL mode at the boundary of a ROI. Further, in order to successfully apply encryption to the ROIs in SVC-compliant bitstreams, we also discussed a number of requirements that have to be met by the encryption technique used, such as preserving the spatial, temporal, and SNR scalability properties of an SVC bitstream, format compliance, and a low-complexity nature. Given a user’s condition such as the status of payment, the proposed scheme for conditional access control provides the necessary keys to access and decode various layers that belong to each ROI. The proposed schema can control the visual quality of each ROI, which may range from a very low to a very high quality. In this context, we also discuss a key generation scheme that limits the number of keys needed for encrypting and decrypting the different scalable layers that constitute the multiple ROIs in an SVC bitstream. Finally, a number of experiments have been conducted in order to verify the efficiency of the proposed methods. Our results show that the proposed schemes allow offering efficient and secure access to multiple ROIs in SVC-compliant bitstreams.
시간적이고 공간적인 제약 없이 네트워크를 이용할 수 있는 유비쿼터스 환경을 위하여 스케일러블 이미지와 비디오를 위한 부호화 기술이 수년간 연구 개발되고 있다. 스케일러블 부호화 기술은 다양한 네트워크 환경에서도 사용자가 요구하는 콘텐츠를 유연하게 소비할 수 있는 부호화 기술을 제공한다. 최근 ISO/IEC MPEG 과 ITU-T VCEG 는 스케일러블 비디오 부호화 (Scalable Video Coding; Scalable Extension of the H.264/MPEG-4 AVC Video Coding Standard) 기술에 대한 표준화 작업을 공동으로 진행하고 있다. 스케일러블 비디오 부호화 기술은 공간, 시간, 화질에 대한 스케일러빌리티(Scalability)를 모두 지원하는 최초의 비디오 부호화 기술이며, 이종 네트워크와 다양한 사용자 단말에서 재부호화 과정 없이 콘텐츠를 시간, 공간, 화질 측면을 모두 고려하여 비디오 콘텐츠의 소비를 가능하게 한다. 스케일러블 비디오 부호화 기술은 공간, 시간, 화질 측면에서 최대로 제공 가능한 비디오 콘텐츠에 대하여 한번의 부호화를 수행한 후 네트워크와 사용자 단말에 적합한 비디오 콘텐츠를 비트스트림 추출(Extraction)을 통하여 사용자에게 제공함으로써 비디오 콘텐츠에 대한 최상의 Quality of Service (QoS)를 제공한다.
또한, 이미지와 비디오 부호화 기술이 발전하면서 화면내의 화질이나 의미적인 측면에서 중요한 영역을 선택적으로 소비하는 관심영역(region-of interest) 부호화 기술이 각 부호화 기술의 표준에 적합하도록 연구되고 있다. 스케일러블 비디오 부호화 기술에서도 관심영역의 부호화를 도입하고자 하는 표준화에 대한 요구사항이 있었으며, 이를 위해 H.264/AVC 의 FMO 기술을 이용하여 관심영역을 제공하기 위한 기술이 표준화되었다. 스케일러블 비디오 부호화 기술에서 관심영역은 사용자의 선호도에 따라 화면내의 사각형 영역을 독립적으로 부호화 할 수 있으며, 사용자의 요구에 따라서 정의된 관심영역에 대한 공간, 시간, 화질 측면의 향상된 비디오를 유연한 방법으로 제공할 수 있다.
이러한 스케일러블 비디오 부호화 기술과 함께 콘텐츠 제작자의 저작권을 보호하기 위한 콘텐츠 보호 및 관리 기술이 연구되고 있다. 인터넷의 발전과 더불어 멀티미디어 콘텐츠 사용자들의 유료 콘텐츠 사용에 대한 인식 부족으로 해당 콘텐츠를 무분별하게 공유하게 되면서 유료 콘텐츠를 위한 저작권 보호 기술에 대한 요구가 급증하고 있다. 현재 저작권 보호 및 관리 기술은 세부적인 콘텐츠의 소비 조건에 따라 사용자의 권리를 정의하고 해당 권리 안에서 사용자가 적절하게 콘텐츠를 소비할 수 있도록 제어하는 기술로 발전되고 있다. 콘텐츠 보호 및 보안을 위한 제어 기술 중에서 가장 핵심적인 기술이 콘텐츠 암호화 기술이다. 특히 멀티미디어 콘텐츠는 압축을 위한 부호화 과정과 소비를 위한 복호화 과정에서 높은 계산 복잡도를 피할 수 없기 때문에, 높은 보안강도(Secret Level)와 부호화에 비해 상대적으로 낮은 복잡도를 위한 콘텐츠 암호화 기술이 필요로 하게 되었다.
콘텐츠에 대한 보안성이 강하면서도 보다 빠르고 가벼운 비디오 암호화를 위해 각 멀티미디어 콘텐츠의 중요한 부분만을 선택적으로 암호화하는 선택적 암호화 (Selective Encryption) 기술이 연구되고 있다. 특히, 스케일러블 부호화 기술에서는 다수의 확장계층(Scalable Layer)들이 존재하고 있으며, 해당 부호화 기술에 적합한 선택적 암호화 기술을 개발하여 다양한 사용자의 권한에 부합하는 확장계층들을 소비할 수 있도록 제어하기 위한 접근제어 (Access Control) 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 접근제어 기술은 스케일러블 콘텐츠의 특정 부분에 대한 접근만을 허락하며, 이는 다양한 권한을 갖는 사용자들에게 해당 부분에 대한 제어를 가능하게 한다. 예를 들어, 저화질 콘텐츠를 보호되지 않은 상태로 무료로 제공하여 사용자들에게 보다 고화질의 콘텐츠를 구입하도록 유도할 수 있다. 스케일러블 콘텐츠에 대한 접근제어는 전통적으로 하나의 콘텐츠에 대한 획일적인 소비에서 벗어나 저화질 콘텐츠를 소비할 수 있는 낮은 권리로부터 보다 고화질의 콘텐츠를 소비할 수 있는 높은 권한에 이르기 까지 사용자의 권리에 대한 다양성을 제공한다.
본 논문에서는 SVC로 부호화된 다수의 관심영역에 대한 콘텐츠를 보호하기 위한 암호화 방법과 암호화된 관심영역들을 접근제어 하기 위한 조건적 접근제어 방법 및 키 생성 기법을 제안한다. 또한 콘텐츠 소비자로부터 요구된 관심영역에 대한 독립적인 부호화 기술과 암호화 효과가 요구되는 관심영역에서만 나타날 수 있도록 세 가지 변형된 부호화 기술을 소개한다. 제안된 비디오 암호화 방법은 스케일러블 비디오 부호화 기술에서 관심영역 콘텐츠에 대한 비트스트림 확장 구조와 적응 변환을 위한 비트스트림 추출 과정을 모두 고려하였다. 또한, 제안된 키 생성 기법은 관심영역의 조건적 접근제어를 위한 다수의 암/복호 키 생성시 키의 개수를 줄여 키 제공 서버(Server)와 사용자 단말에 복잡도를 고려하여 제안되었다.
본 논문의 실험에서는 제안하는 방법들의 유효성을 검증하기 위하여 제안된 암호화의 지각적인 효과와 더불어 요구되는 관심영역만을 암호화 하기 위한 세가지 변형된 부호화 기술의 필요성을 보인다. 또한 제안된 암호화 방법의 낮은 계산복잡도와 함께 제안된 키 생성 기법의 효율성을 나타내었다. 마지막으로 제안된 키 생성 기법을 기반으로 관심영역에 대한 다양한 접근 권한에 따라 화질 측면에서 효과적인 지각적(Perceptual) 제어가 가능함을 증명하였다.
