디지털 워터마킹

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1. 개요

디지털 워터마킹은 디지털 콘텐츠에 저작권 정보나 식별 정보를 삽입하는 기술이다. 1992년에 용어가 처음 사용되었으며, 스테가노그래피 기술을 기반으로 발전했다. 디지털 워터마크는 저작권 보호, 불법 복제 추적, 위변조 방지, 방송 모니터링 등 다양한 분야에 활용된다. 워터마크는 가시형과 비가시형으로 나뉘며, 강인성, 인지 가능성, 용량, 삽입 방법 등에 따라 분류된다. 디지털 워터마킹은 삽입, 공격, 감지/추출 단계를 거치며, 관련 법적 측면과 함께 기술의 한계 및 부작용에 대한 사회적 논의도 필요하다.

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디지털 워터마킹
디지털 워터마킹
디지털 워터마킹 과정
종류	지각 워터마킹 비지각 워터마킹
주요 목표	저작권 보호 불법 복제 방지 데이터 무결성 검증 콘텐츠 인증
기술
사용 기술	정보 하이딩 암호학 신호 처리
적용 분야	이미지 오디오 비디오 텍스트 소프트웨어
특징
특징	강인성 (Robustness) 비가시성 (Invisibility) 용량 (Capacity) 보안성 (Security)
활용
활용 분야	디지털 콘텐츠 저작권 보호 방송 모니터링 데이터 인증 접근 제어 불법 복제 추적
추가 정보
관련 기술	스테가노그래피

2. 역사

"디지털 워터마크"라는 용어는 1992년 12월 앤드루 티르켈과 찰스 오스본이 처음 사용했다. 1993년 앤드루 티르켈, 제라드 랭킨, 론 반 스킨델, 찰스 오스본 등이 스테가노그래피 확산 스펙트럼 워터마크 삽입 및 추출을 최초로 시연했다.^[4]

워터마크는 제지 과정에서 만들어지는 식별 표시다. 최초의 워터마크는 13세기 이탈리아에서 등장했으며, 유럽 전역으로 빠르게 확산되었다. 이는 제지업자 또는 종이를 제조한 길드를 식별하는 수단이었다. 이러한 표시는 종종 종이 틀에 바느질된 와이어로 만들어졌다. 워터마크는 오늘날까지도 제조사 표시 및 위조 방지 목적으로 사용된다.

2. 1. 한국에서의 발전

2000년대 초반, 한국방송공사(KBS)와 같은 주요 방송사들이 디지털 워터마킹 기술 도입을 시작했다. 2011년 KBS와 미쓰비시전기는 HDTV 영상에 실시간으로 정보를 삽입하고 읽어내는 기술을 공동 개발했다^[19]^[20]. 2013년 NHK 인터내셔널, NHK 엔터프라이즈는 방송 프로그램 및 영상 소재 제공에 전자 워터마크를 본격적으로 활용하기 시작했다^[21]^[22]^[23]. KDDI 연구소 등은 사용자별로 다른 전자 워터마크를 삽입하는 기술을 개발하여 불법 유포자 추적을 용이하게 했다^[24]^[25].

현재 한국은 디지털 워터마킹 기술 선도 국가 중 하나이며, 관련 기술 개발 및 표준화 노력을 지속하고 있다.

3. 종류

디지털 워터마킹 기술은 강인성, 인지 가능성, 용량, 삽입 방법 등 여러 가지로 분류할 수 있다.

전자 워터마킹에는 가시형과 비가시형 두 가지 유형이 있는데, 일반적으로는 비가시형을 가리킨다. 비가시형 워터마크는 육안으로는 식별할 수 없지만, 감지 소프트웨어를 사용하여 삽입된 정보를 추출할 수 있다. 주로 저작권 보호나 데이터 변조 감지 등의 용도로 사용되며, 연구 개발이 계속되고 있다.^[14] 정보를 삽입하는 콘텐츠에는 텍스트, 이미지, 음성, 동영상, 프로그램 등이 있으며, 삽입되는 정보에는 저작자명, 이용 허가자명, 과금 정보, 복사 가능 횟수 등이 있다.

콘텐츠에 전자 워터마크를 적용해도 재인코딩이나 아날로그 변환을 하면 정보가 손실될 우려가 있어, 이러한 공격에 강한 방식이 연구되고 있다.

전자 워터마크는 스테가노그래피의 응용 기술이지만, 삽입하는 정보가 콘텐츠와 관련이 있는지에 따라 차이가 있다. 전자 워터마크는 콘텐츠와 관련된 정보를 삽입하지만, 스테가노그래피는 통신 은닉이 목적이며 콘텐츠는 정보를 숨기는 수단일 뿐이다.

3. 1. 강인성 (Robustness)

디지털 워터마크는 임베디드된 정보가 어떤 변형에 의해 훼손되더라도, 변형된 신호로부터 정보를 신뢰성 있게 감지할 수 있다면 변형에 대해 ''강인하다''라고 한다. 전형적인 이미지 훼손에는 JPEG 압축, 회전, 자르기, 가산 잡음, 그리고 양자화가 있다.^[6] 비디오 콘텐츠의 경우, 시간적 수정과 MPEG 압축이 종종 이 목록에 추가된다.

디지털 워터마크는 지정된 종류의 변환에 저항하면 ''강력''하다고 한다. 강력한 워터마크는 복사 방지 응용 프로그램에서 복사 및 액세스 제어 정보를 전달하는 데 사용될 수 있다.

디지털 워터마크는 약간의 수정만으로도 감지할 수 없게 되면 ''취약''하다고 한다. 취약한 워터마크는 일반적으로 변조 감지(무결성 증명)에 사용된다.

디지털 워터마크는 무해한 변환에는 저항하지만 악의적인 변환 후에는 감지에 실패하면 ''반취약''하다고 한다. 반취약 워터마크는 일반적으로 악의적인 변환을 감지하는 데 사용된다.

3. 2. 인지 가능성 (Perceptibility)

디지털 워터마크는 원본 신호와 워터마크가 삽입된 신호가 사람이 시각적으로 구별할 수 없을 때 비가시적이라고 한다.^[7] 이러한 비가시적 워터마크는 주로 저작권 보호, 불법 복제 추적, 위조나 변조 판별 등에 사용된다.^[14] 예를 들어, 전문 비디오 콘텐츠에 '복사 금지' 플래그를 삽입하는 방식으로 활용될 수 있다.^[8]

반면, 워터마크가 삽입된 신호에서 그 존재를 사람이 시각적으로 인지할 수 있을 때는 가시적이라고 한다. (예: 네트워크 로고, 콘텐츠 버그, 코드, 불투명한 이미지와 같은 디지털 화면 그래픽)^[17] 가시적 워터마크는 주로 저작권 경고, 콘텐츠 식별, 내용 라벨링 등에 사용된다. 비디오 및 이미지의 경우, 가시적 워터마크는 시야의 일부를 가려 시청에 불편을 줄 수 있기 때문에 투명/반투명하게 만들어지기도 하지만, 시청 품질을 저하시킨다는 단점이 있다.

일반적으로 강인한 워터마크 또는 비가시적 워터마크를 만드는 것은 쉽지만, 강인하면서도 비가시적인 워터마크를 모두 만드는 것은 매우 어려운 것으로 알려져 있다.^[2]

3. 3. 용량 (Capacity)

디지털 워터마킹 기법은 임베디드 메시지의 길이에 따라 두 가지 주요 유형으로 나뉜다.

0 비트 워터마크: 워터마크가 표시된 객체에 워터마크의 존재 유무를 감지하도록 설계된 방식이다. '0비트' 또는 '존재 워터마킹 기법'이라고도 불린다.
다중 비트 워터마크: n 비트 길이의 스트림 메시지를 워터마크 내에서 변조하는 방식이다. '다중 비트 워터마킹' 또는 '비 제로 비트 워터마킹 기법'이라고도 불린다.

3. 4. 삽입 방법 (Embedding method)

디지털 워터마킹 기술은 여러 방식으로 분류할 수 있다.

확산 스펙트럼(Spread spectrum) 방식: 마크된 신호가 가산적 변형을 통해 얻어지는 경우를 말한다. 확산 스펙트럼 워터마크는 보통 견고성을 가지지만, 호스트 간섭으로 인해 정보 용량이 낮다는 단점이 있다.^[6]

양자화(Quantization) 방식: 양자화를 통해 마크된 신호를 얻는 경우를 말한다. 양자화 워터마크는 낮은 견고성을 갖지만, 호스트 간섭을 거부하기 때문에 높은 정보 용량을 갖는다.

진폭 변조(Amplitude modulation) 방식: 마크된 신호가 확산 스펙트럼 방식과 유사한 가산적 변형에 의해 삽입되지만, 특히 공간 영역에 삽입되는 경우를 말한다.

4. 응용 분야

디지털 워터마킹은 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.

디지털 예술 등 미디어의 저작권 보호
소스 추적 (각 수신자에게 다른 워터마크 콘텐츠 제공)
방송 모니터링 (TV 뉴스에 국제 기관의 워터마크된 비디오 포함)
비디오 인증
스크린캐스팅, 비디오 편집 소프트웨어 프로그램의 소프트웨어 제한 (사용자가 정식 버전을 구매하여 워터마크 제거)
신분증 보안
사기 및 변조 감지
소셜 네트워크 콘텐츠 관리^[5]

4. 1. 저작권 보호

디지털 워터마킹은 이미지, 오디오, 비디오, 전자책 등 다양한 디지털 콘텐츠에 저작권 정보를 삽입하여 불법 복제를 방지하고 저작권자를 보호하는 데 사용된다. 특히 한국에서는 영화, 드라마, 음악 등 한류 콘텐츠의 저작권 보호를 위해 적극적으로 활용되고 있다.^[19]^[21]^[22]^[23]^[28]

디지털 워터마킹은 다음과 같은 목적으로 활용된다.

저작권 보호: 저작권자를 명시하고 소유권을 주장할 수 있다.^[5]
위조 및 변조 방지: '연성 워터마크'를 사용하면 데이터 수정 시 워터마킹된 부분이 손상되어 문서의 진위 여부를 확인할 수 있다.
불법 복제 추적: 콘텐츠에 사용자 ID를 삽입하여 불법 복제자를 추적할 수 있다.
무단 복사 방지: 복사 횟수를 제한할 수 있다.
사용자 제어: 콘텐츠에 추가 정보를 넣어 특정 사용자를 지정할 수 있다.
내용 보호: 영상 등의 내용을 상업적으로 재사용하는 것을 막을 수 있다.

이러한 기술은 디지털 예술과 같은 미디어의 저작권 보호를 가능하게 한다.^[5]

2011년, NHK와 미쓰비시전기는 HDTV 영상에 실시간으로 정보를 삽입하고 읽어내는 기술을 개발했다.^[19] 이를 통해 방송 영상의 불법 업로드를 감지하고 억제할 수 있게 되었다. 2013년에는 NHK 인터내셔널과 NHK 엔터프라이즈가 방송 프로그램 및 영상 소재 제공에 전자 워터마크를 본격적으로 운용하기 시작했다.^[21]^[22]^[23]

2013년, KDDI 연구소는 다운로드 시 사용자별로 다른 전자 워터마크(구매자 ID 등)를 삽입하는 기술을 개발하여, 불법 업로드 행위자를 쉽게 특정할 수 있게 되었다.^[24]^[25]

일본음악저작권협회(JASRAC)와 일본 레코드 협회(RIAJ)는 음악 파일에 전자 워터마크를 삽입하여 불법 MP3 파일을 찾는 실험을 하기도 했다.^[28]

4. 2. 불법 복제 추적

콘텐츠에 ID나 구매 정보 등을 삽입하여 불법 유포자를 추적하고 책임을 물을 수 있다.^[24]^[25] 이는 소셜 DRM의 핵심 기술로 활용되어, 견제 효과를 통해 불법 복제를 억제하는 데 기여한다.^[25] 예를 들어, 다운로드 시 사용자별로 다른 전자 워터마크(구매자 ID 등)를 삽입하면, 배포된 동영상이 불법 업로드되었을 때 불법 행위자를 쉽게 특정할 수 있다.^[25]

NHK와 미쓰비시전기는 방송 영상의 정보 관리 및 저작권 보호를 위해, 고화질 HDTV 영상에 실시간으로 영상 관련 정보를 삽입하고 읽어내는 전자 워터마크 기술을 개발했다.^[19] 이를 통해, 방송 영상이 불법으로 인터넷에 업로드될 경우, 삽입된 전자 워터마크를 통해 자동으로 감지하고 억제하는 것이 가능해졌다.

4. 3. 위변조 방지

콘텐츠에 '연성 워터마크'를 삽입하면, 수정 시 워터마킹된 부분이 깨져 문서의 진위 여부를 판별할 수 있다.^[14] 이는 문서, 이미지, 비디오 등 다양한 콘텐츠에 적용되어 위변조 여부를 확인하고 무결성을 보장하는 데 사용된다. 특히 전자문서, 디지털 서명 등 보안이 중요한 분야에서 활용된다.

전자 워터마킹 기술은 스테가노그래피의 응용으로 발전했지만, 삽입되는 정보가 콘텐츠와 관련이 있다는 점에서 차이가 있다. 전자 워터마크는 콘텐츠와 관련된 저작자명, 이용 허가자명, 과금 정보, 복사 가능 횟수 등의 정보를 삽입한다.^[17]

KDDI 연구소는 2007년 11월 19일에 가공에 강한 MPEG 비디오 전자 워터마크 기술 MPmark를 발표했다.^[18] 포커스 시스템즈 등은 이미지 데이터(BMP, JPEG, GIF, PNG, TIFF 등)에 삽입하는 전자 워터마크를 판매하며, 포맷 변환이나 편집 가공 후에도 탐지가 가능하다.^[17]

4. 4. 방송 모니터링

NHK와 미쓰비시전기는 2011년 7월 19일, 고화질 HDTV 영상에 실시간으로 정보를 삽입하고 읽어내는 디지털 워터마크 기술을 공동 개발했다.^[19] 이 기술을 통해 방송 영상의 정보 관리 및 저작권 보호가 가능해졌다. 미쓰비시전기 인포메이션 시스템즈(MDIS)는 이 기술을 기반으로 HDTV용 "영상 전자 워터마크 솔루션"을 발표했다.^[20] 이 솔루션을 사용하면 방송이나 케이블 TV에서 방영된 HDTV 영상이 불법 복제되어 인터넷에 업로드되는 경우에도, 방송 시점에 삽입된 워터마크를 통해 불법 업로드를 자동으로 감지하고 억제할 수 있다.

2013년, NHK 인터내셔널^[21]과 NHK 엔터프라이즈^[22]는 방송 프로그램 및 영상 소재를 법인에 제공할 때, 영상에 디지털 워터마크를 삽입하여 계약 외 사용(방영, 배포, 복제 등)을 억제하는 방식으로 본격적인 운용을 시작했다.^[23]

2013년 10월 8일, KDDI 연구소^[24] 등은 디지털 워터마크가 삽입된 동영상 콘텐츠를 고속으로 생성하는 기술을 개발했다.^[25] 이 기술을 통해 콘텐츠 구매자별로 다른 워터마크(구매자 ID 등)를 삽입하는 것이 가능해져, 불법 업로드 시 워터마크를 통해 불법 행위자를 쉽게 특정할 수 있게 되었다. 이는 소셜 DRM의 실현 방식으로 기대된다.

디지털 시네마^[26]에 준거한 영화관에서는 영화관 내 재촬영을 통한 도용을 막기 위해 프로젝터^[27] 투사 시 디지털 워터마크를 삽입한다.

대부분의 동영상 편집 소프트웨어나 워터마크 제거 소프트웨어, 유튜브 등의 동영상 공유 사이트에 게시할 때 사용되는 가공 툴은 동영상에 디지털 워터마크를 삽입하는 기능을 제공한다.

4. 5. 기타 응용 분야

O2O (Online to Offline) 마케팅: 다이닛폰 인쇄는 QUEMA^[29]나 소리에 전자 워터마크를 삽입하여 캠페인 등의 관련 정보를 제공하는 서비스를 제공하고 있다.^[30] NTT 아이티는 전자 워터마크가 삽입된 이미지를 휴대폰 등의 카메라로 촬영하여 지정된 인터넷 페이지로 유도하는 솔루션을 제공한다.^[31] NHK는 텔레비전 신호에 화면과 관련된 사이트의 URL을 워터마크 정보로 다중화하여, 화면을 휴대 단말 카메라로 촬영하면 해당 사이트를 자동으로 표시하는 기술을 발표했다.^[32]
디지털 시네마: 디지털 시네마^[26]에 준거한 영화관에서는 영화관 내에서의 재촬영에 의한 도용을 견제·억제하기 위해 프로젝터^[27] 투사 시에 전자 워터마크를 삽입하고 있다.
소프트웨어 제한: 사용자가 전체 버전을 구매하여 제거하도록 유도하기 위한 스크린캐스팅 및 비디오 편집 소프트웨어 프로그램의 소프트웨어 제한에 사용된다.
신분증 보안: 신분증의 사기 및 변조 감지에 디지털 워터마킹이 사용될 수 있다.
소셜 네트워크 콘텐츠 관리: 소셜 네트워크에서의 콘텐츠 관리에 디지털 워터마킹이 사용될 수 있다.^[5]

5. 워터마킹 과정

디지털 워터마킹은 일반적으로 삽입, 공격, 감지(추출)의 세 단계로 이루어진다.

삽입, 공격, 감지 및 검색 기능을 포함하는 일반적인 디지털 워터마크 수명 주기 단계

워터마크 삽입: 디지털 콘텐츠에 소유자만 아는 마크를 삽입한다.
콘텐츠 배포: 워터마크가 삽입된 콘텐츠를 네트워크를 통해 배포한다.
불법 복제: 악의적인 목적을 가진 사용자가 불법 복제하여 사용하는 경우가 발생한다.
소유권 증명: 콘텐츠에 삽입된 자신의 워터마크를 추출하여 소유권을 증명한다.

5. 1. 삽입 (Embedding)

디지털 워터마크는 신호에 삽입될 정보를 가리키며, 어떤 맥락에서는 워터마크된 신호와 커버 신호의 차이를 의미하기도 한다. 워터마크가 삽입될 신호를 ''호스트'' 신호라고 한다. 워터마킹 시스템은 삽입, 공격, 감지의 세 단계로 나뉜다. 삽입 단계에서 알고리즘은 호스트와 삽입할 데이터를 받아 워터마크된 신호를 생성한다.^[14]

5. 2. 공격 (Attack)

워터마크된 디지털 신호는 전송 또는 저장되며, 일반적으로 다른 사람에게 전송된다. 이 사람이 수정을 가하면 이를 '''공격'''이라고 한다. 수정은 악의적이지 않을 수 있지만, 공격이라는 용어는 저작권 보호 애플리케이션에서 비롯되었으며, 제3자가 수정을 통해 디지털 워터마크를 제거하려 할 수 있다. 데이터의 손실 압축(해상도가 감소하는 경우), 이미지 또는 비디오 자르기, 또는 의도적으로 노이즈를 추가하는 등 많은 수정이 가능하다.^[14]

콘텐츠에 전자 워터마크를 부여해도, 해당 콘텐츠에 대해 재인코딩이나 아날로그 변환을 수행하면 전자 워터마크 부분의 정보가 손실될 우려가 있으며, 이러한 공격에 강한 방식이 연구되고 있다.

5. 3. 감지/추출 (Detection/Extraction)

''감지''(종종 추출이라고도 함)는 공격받은 신호에 적용되어 워터마크를 추출하려는 알고리즘이다.^[14] 신호가 전송 중에 수정되지 않은 경우 워터마크가 여전히 존재하며 추출될 수 있다. ''강력한'' 디지털 워터마킹에서는 수정이 강하더라도 추출 알고리즘이 워터마크를 올바르게 생성할 수 있어야 한다. 반면, ''취약한'' 디지털 워터마킹에서는 신호에 변경이 가해지면 추출 알고리즘은 실패해야 한다.

일반적으로 비가시형 전자 워터마킹은 감지 소프트웨어를 사용하여 삽입된 정보를 추출할 수 있으며,^[17] 주로 불법 복제나 데이터 변조를 감지하는 등 저작권 보호 용도로 사용될 것을 상정하고 연구 개발이 계속되고 있다.

콘텐츠에 전자 워터마크를 부여해도 재인코딩이나 아날로그 변환을 거치면 전자 워터마크 정보가 손실될 우려가 있다. 따라서 이러한 공격에 강한 방식이 연구되고 있는데, 2007년 11월 19일 KDDI 연구소가 발표한 가공에 강한 MPEG 비디오 전자 워터마크 기술인 MPmark가 그 예이다.^[14]

6. 법적 측면

대한민국 저작권법에서는 저작물에 부착된 전자 워터마크를 부정한 방법으로 제거, 변경하는 행위를 저작권 침해로 간주한다^[33]. 공중파나 케이블 TV 방영물을 녹화하여 영상으로 만들고, 그 영상 안에 자신이 녹화했다는 저작권 표시를 하는 동영상 파일들이 있는데, 30초 이내의 표기는 저작권법에 위촉되지 않지만, 장시간 표시가 된다면 저작권법에 위촉되어 그에 따른 책임을 진다.

7. 한계 및 부작용

디지털 워터마크 기술은 여러 한계와 부작용을 가지고 있다. 워터마크는 완벽하지 않아 다양한 공격에 의해 훼손될 수 있으며, 일부 워터마크는 콘텐츠의 품질을 저하시키거나 시청에 방해가 될 수 있다.

공중파나 케이블 TV 방송물을 녹화하여 만든 영상에 자신이 녹화했다는 저작권 표시를 장시간 삽입하는 경우 저작권법에 위반되어 책임을 질 수 있다.^[1] 30초 이내의 표기는 저작권법에 위반되지 않지만, 장시간 표시는 문제가 된다.^[1]

워터마크 삽입 및 추출 과정에서 개인정보가 유출될 가능성도 존재하며, 워터마크 기술의 오용 및 남용 가능성에 대한 사회적 논의 또한 필요하다.

참조

_[1] 서적 Data Hiding Fundamentals and Applications: Content Security in Digital Multimedia Academic Press 2004
_[2] 서적 Digital watermarking and steganography Morgan Kaufmann 2008
_[3] 서적 Digital watermarking and steganography: fundamentals and techniques Taylor & Francis 2008
_[4] 간행물 Electronic Water Mark DICTA 93, Macquarie University
_[5] 서적 2012 IEEE 11th International Conference on Trust, Security and Privacy in Computing and Communications IEEE 2012
_[6] 서적 2008 International Conference on Computational Intelligence for Modelling Control & Automation 2008
_[7] 논문 Genetic perceptual shaping: Utilizing cover image and conceivable attack information during watermark embedding 2007-10
_[8] 웹사이트 CPTWG Home Page http://www.cptwg.org
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_[15] 뉴스 出版社はPottermoreモデルを採用できるか https://www.itmedia.[...]
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_[27] 웹사이트 SONY Digital Cinema 4K http://www.sony.co.j[...]
_[28] 뉴스 JASRACとRIAJ、電子透かしを入れた音楽ファイルの有効性を確認 https://internet.wat[...]
_[29] 웹사이트 電子透かしソリューション「キューマ」 http://www.dnp.co.jp[...]
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_[31] 웹사이트 モバイル電子透かしソフトウェア MagicFinder http://www.ntt-it.co[...]
_[32] 웹사이트 NHK技研公開2013レポート http://www.uni-w.com[...]
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