Hybrid Information Hiding Method Based on the Characteristics of Military Images on Naval Combat System

함정 전투체계 군사영상 특성에 기반한 하이브리드 정보은닉 기법

Abstract

There are many kinds of military images used in naval combat system because various sensors are operated. The military images are displayed, analysed and stored with analysed informations according to the tactical purpose on combat system. These images are used to target detection, analysis and classification. Thus the analysed information and images must be secured, the information hiding methods are the most eligible solutions to get secured informations and images. In this paper, the hybrid information hiding method based on the characteristics of the military images is proposed and the effectiveness is shown by experiments.

1. 서 론

함정 전투체계는 함정에 탑재된 각종 센서들을 이용하여 표적을 탐지하여 추적하고, 무장을 통제하여 교전을 수행하는 함정 작전 수행의 핵심 역할을 담당하고 있다. 이를 위해 함정 전투체계는 레이더(RADAR; Radio Detection and Ranging), 소나(SONAR; Sound Navigation and Ranging) 및 전자광학장비(Electro-Optical System) 등 다수 및 다종의 센서들을 이용하여 표적을 탐지 및 식별하고 정보를 수집한다.

Fig. 1은 함정 전투체계의 일반적인 구성을 나타내고 있는 것으로 탐지된 표적 정보는 각각의 센서 특성이 반영된 영상으로 표현되며, 표적 탐지영상은 정보들과 연결되어 분석된 후 정보관리시스템에 저장된다. 함정 전투체계에서 표적 탐지용으로 사용되는 대표적인 센서는 레이더, 소나 및 전자광학장비가 있으며, 각 센서에서 생성되는 영상은 소나영상(Waterfall, FRAZ; Frequency Azimuth diagram, Echogram)과 적외선(IR; Infra-Red) 영상, 레이더 비디오 영상 등으로 Fig. 2에서 함정 전투체계에서 사용되는 대표적인 군사영상들을 보여주고 있다.

Fig. 1.An example of naval combat system.

Fig. 2.Military images of naval combat system.

각 군사 영상들은 센서의 탐지 방법(음향, 전자파, 적외선)을 반영하여 생성되며, 시간과 위치, 표적 이동에 따라 변화되므로 표적 정보를 가장 잘 표현할 수 있는 정지 영상으로 저장된 후 탐지 위치, 이동경로, 속도 등의 다양한 추가정보들과 연결하여 함정 전투체계 내부 정보관리시스템의 데이터베이스에 저장된다. 추가정보로는 탐지 시간과 위치, 주파수 등 표적 특성, 길이 및 높이 등의 표적 제원과 운용자가 입력한 정보 등이 있다. 이러한 추가정보는 표적 식별(classification)과 분석(analysis)을 위해 영상과 함께 저장되며, 표적 접촉 시 데이터베이스 정보와 대조하여 이전 접촉된 표적과 일치 여부를 확인한다. 대조 후 과거 정보와 일치할 경우 저장된 정보를 기반으로 표적을 식별하고, 일치되는 정보가 없을 경우 표적 정보를 추가 생성한다.

그러나, 현재 정보관리시스템 데이터베이스에는 임의 사용자가 접근할 수 있으므로 식별 및 분석이 수행된 중요 정보를 삭제하거나 변경할 수 있다. 이러한 문제로 인해 표적이 위협 또는 중요 표적으로 분류되지 않거나 오인 식별되는 문제가 발생될 수 있다. 이러한 문제를 해결하는 방안으로 연구된 것이 군사영상 중 소나 waterfall 영상에 대해 정보은닉 기법을 적용하여 정보 유출 및 비인가자 접근차단을 구현하고, 보안강화 및 추가정보와 영상의 연결성을 유지하는 방안을 제시한 연구이며 이를 통해 정보은닉 기법의 적용 가능성 및 효과를 확인하였다[1].

기존 연구[1]가 군사 영상에 대한 정보은닉 특성 분석을 최초로 시도하였으나, 다양한 군사 영상에 대한 정보은닉 특성이 분석되지 않았다. 따라서, 본 논문에서는 함정 전투체계의 다양한 군사 영상들의 특성을 그레이스케일 영상과 비교하여 분석한 후 군사 영상의 특성에 기반한 새로운 정보은닉 기법을 제안하고 효과를 분석한다.

정보은닉 기법은 Fig. 3과 같이 분류될 수 있고[5], 비밀 정보를 복원하는 과정에서 커버 영상의 복원 여부에 따라 가역정보은닉[8-10,12,13,15-18,21,22]과 비가역정보은닉[2,6,7]으로 나눌 수 있다. 가역정보은닉(reversible data hiding)의 대표적인 기법으로는 히스토그램이동(histogram shifting)[1,3-6]과 차분 확장(differential expansion)[2]등이 있고, 비가역정보은닉(irreversible data hiding)의 대표적인 기법으로는 LSB 삽입[2,6,7]과 PVD(pixel value differencing)[11,14] 등이 있다.

Fig. 3.Category of information hiding.

함정 전투체계의 군사영상들은 비밀 정보 삽입과 추출 시 원본 영상의 복원이 중요하므로, 군사영상들에 가역정보은닉 기법들을 적용하는 것이 적절하지만 군사영상의 특성을 기반으로 하면, 중요한 영상에 대해 원본을 복원하고 중요하지 않는 영역에는 다량의 정보 삽입이 가능한 비가역정보은닉 기법을 적용 할 수 있다. 기존 정보은닉기법을 군사영상 전체에 적용하는 경우와 제안하는 정보은닉기법으로 영역을 나누어 적용하는 경우에 대해, 비밀정보의 삽입용량(embedding capacity)과 왜곡정도(PSNR, Q index)를 비교하여 적용효과를 분석한다. 또한, 분석된 결과를 통하여 군사영상에 제안하는 정보은닉기법 적용 시 개선 사항을 도출하고자 한다.

본 논문은 다음과 같이 구성된다. 2장에서는 군사 영상의 특성을 기술하고, 3장에서는 군사영상 특성에 기반한 새로운 정보은닉 기법을 제안한 후, 제안한 기법 적용에 대한 실험결과와 분석 결과를 4장에서 다루며, 마지막으로 5장에서 결론을 맺는다.

 

2. 영상 비교 분석

본 절에서는 영상의 특성을 분석하기 위한 정보은닉 기법에서 널리 사용되는 일반적인 그레이스케일 영상과 함정 전투체계의 군사영상을 비교하여 군사 영상이 가지는 특성을 식별하여 이를 기반으로 새로운 정보은닉기법을 제안하는데 활용하고자 한다.

2.1 그레이 스케일 영상

다음 Fig. 4(a) Airplane 영상은 배경에서 흰색영역의 분포가 상대적으로 많으며 명암에 대한 대조비가 뚜렷하고, Fig. 4(i) Pepper 영상은 전체 영상의 분포가 특정한 영역에만 존재하지 않고 넓은 영역에 분포되는 특성을 보인다.

Fig. 4.Grayscale images.

영상 특성을 확인하기 위하여 Fig. 4의 그레이 스케일 영상에 대하여 히스토그램으로 분석하면, Fig. 4(a) Airplane과 Fig. 4(e) Island는 화소(pixel)가 넓은 구간에서 분포하고 하나의 최댓값이 존재한다. 이외 영상은 하나의 최댓값과 다수의 높은 값이 존재하며 넓은 구간에 화소값이 분포한다. 히스토그램의 가로축은 화소 값, 세로축은 빈도 수 이다.

2.2 군사영상

함정 전투체계 시스템에 사용되는 Fig. 6의 군사 영상은 정보은닉기법에서 널리 사용되는 그레이스 케일 영상과는 전시되는 정보 및 형태가 상이하다.

군사영상들은 음향(또는 방사소음), 적외선 및 전자기파와 같은 신호원의 특성을 기반으로 표적을 탐지 및 추적하기 위해 사용되며 각 신호원의 특성을 기반으로 영상이 표현된다. 즉, 군사영상들은 표적이 존재하지 않는 배경에 대비하여 표적 식별이 용이하도록 직교좌표계 또는 극좌표계로 구성되며 표적 존재 영역은 배경 대비 뚜렷하게 구별 가능한 영상으로 표현된다. 다음 그림에서 소나영상은 방위-시간, 방위-주파수, 방위-거리, 방위-심도로 표현되며 적외선 영상은 수평방위-수직방위, 레이더비디오는 방위-거리로 구성된다. 또한 수신되는 신호의 강도에 따라 밝기가 결정되므로 상대적인 표적 크기를 파악할 수 있다.

Fig. 6에 나타난 이미지를 히스토그램으로 분석하면 Fig. 7과 같은 결과를 얻을 수 있다.

Fig. 5와 Fig. 7의 히스토그램을 비교해 보면 소나 영상은 그레이스케일 영상 대비 매우 좁은 범위에만 최댓값이 존재하고 이를 제외한 구간은 화소 값이 매우 낮다. 반면, 적외선영상은 그레이스케일 영상의 Island와 유사한 분포 특성을 나타내며, 레이더비디오 영상은 0에서 최댓값이 존재하고 50% 범위까지는 낮은 값이 분포하며, 이 범위를 제외한 영역에서 화소 값이 매우 낮아진다.

Fig. 5.Histogram of general images.

Fig. 6.Military images.

Fig. 7.Histogram of military images.

지금부터는 함정 전투체계 시스템에서 사용되는 소나 영상, 적외선 영상, 레이더 비디오 영상에 대해서 자세하게 설명하고자 한다.

2.2.1 소나 영상

소나 영상은 함정의 소나 운용 시 생성되는 표적탐지 영상으로써 수상과 수중 표적의 탐지 및 분석에 사용된다. 소나 waterfall 영상은 소나의 대표적인 영상으로 수신된 음향의 신호처리를 통해 방위와 시간으로 전시하여 이동경로 식별과 추적에 사용된다. 소나 FRAZ 영상은 수신된 음향 신호를 주파수 성분으로 분리하여 방위별 주파수를 전시한다. 소나 Echogram 영상은 기뢰회피소나(MAS; Mine Avoidance Sonar)에서 수신되는 반향음(Echo)을 처리하여 방위와 거리 또는 거리와 심도로 영상을 생성한다. 소나영상별 표현방식 및 용도는 Table 1과 같다.

Table 1.SONAR images comparison

2.2.2 적외선 영상

적외선 영상은 적외선 검출기에 의해 배경과 온도차에 의해 발생되는 적외선을 검출하여 영상을 생성한다. Fig. 6(e)의 적외선 영상은 적외선탐지추적 장비(IRST; Infra-Red Search and Tracking)에서 생성되는 영상으로 중적외선(MIR; Middle Infra-Red)과 원적외선(FIR; Far Infra- Red)의 이중 대역(Dual Band) 적외선 영상이다.

2.2.3 레이더 비디오 영상

레이더 비디오는 수상 표적의 탐지 및 추적, 지형 확인 등의 목적으로 사용되는 레이더에 의해 생성되는 영상이다. Fig. 6(f)의 레이더 비디오는 레이더에서 송신된 전자파가 표적에서 반사 후 수신되는 신호를 이용하여 0°～360° 방위에 대한 거리별 영상을 극좌표(polar coordinate)로 구성한 것으로, 레이더에 수신된 반사파를 거리, 방위 및 수신 신호 강도에 따라 전시한다.

 

3. 군사영상 특성에 기반한 정보은닉 기법

Fig. 6의 군사영상 중 함정 전투체계에서 표적 탐지 및 분석용으로 활용가능한 영상은 Fig. 6 (a)와 Fig. 6 (e)이다. 이 외 영상들은 배경 잡음 수준의 정보가 존재하는 영상으로 표적이 존재하지 않는다. 따라서, 표적이 존재하는 두 영상의 특성에 기반하여 정보 삽입 및 원본 영상 복원이 가능한 정보은닉 기법을 제안하고자 한다.

Fig. 8의 점선으로 표시된 영역이 영상 중 표적을 나타내는 주요 정보를 가진 영역이며 이 외 영역은 신호가 미약하거나 배경 잡음 수준의 정보가 존재한다.

Fig. 8.Significant area of military image.

3.1 제안하는 정보은닉 기법 개념

Fig. 8의 점선 영역은 주요 정보를 가지고 있으므로, 원본 영상을 손실없이 복원하기 위해 가역 정보은닉 기법을 적용하고 이 외 영역은 정보 복원이 중요하지 않으므로 대용량 정보 삽입이 가능한 비가역 정보은닉 기법을 적용한다. 즉, 두 가지 정보은닉기법이 하나의 영상에 적용되는 것이 제안하는 정보은닉 기법의 핵심이며 본 논문에서 이러한 정보은닉 기법을 ‘하이브리드 정보은닉 기법’이라고 명명하였다.

3.2 중요 영역 검색 방안

Fig. 8에서 중요 영역을 검출하기 위해 영상처리 및 추적에 사용되는 템플릿 정합(Template matching)[19,20] 기법을 적용한다. 템플릿 정합은 영상에서 찾고자 하는 영상이 있는지를 검사하는 방법으로, 표적을 인식하거나 특정 영상을 검색하기 위해 널리 사용되고 있다. 이 기법에서 템플릿은 찾고자 하는 영상 또는 표적을 의미하며, 정합은 주어진 영상에서 찾고자 하는 영상이 존재하는지를 비교하고 평가하는 것이다. 다음 그림은 템플릿 정합 기법의 영상 검색 절차이다.

Fig. 9.Template matching schemes.

3.3 영역별 정보은닉 기법 적용

영역별 정보은닉 기법은 식별된 중요 영상의 위치에 따라 정보은닉 기법을 적용하는 것으로 중요 영역 정보를 이용하여 정보은닉 기법(LSB 삽입, 히스토그램이동)이 적용되는 영역을 구분하면 다음 그림과 같다.

즉, 중요 영역에는 비밀 정보 삽입 후 원본 영상의 복원이 가능한 가역정보은닉 기법(HS: Histogram shifting; 히스토그램이동, DE: Difference expansion; 차분 확장 등)을 적용하고, 영상의 중요도가 낮은 영역에는 최대 용량의 정보 삽입이 가능한 비가역 정보은닉 기법(LSB 삽입)을 적용하는 것이다. 적용하는 기법은 다양한 조합으로 가능하지만 본 논문에서는 가역 정보은닉기법과 비가역 정보은닉기법 중 가장 대표적인 기법으로 선정하였다.

3.3.1 LSB 삽입 기법

LSB 삽입 기법[2,6,7]은 대표적인 비가역정보은닉 기법으로써 커버 영상 내의 한 화소를 구성하는 8비트 중 최하위 비트(least significant bit: LSB)에 비밀 데이터를 삽입하는 것으로 LSB가 변경되는 경우 변경된 화소의 값이 시각적으로 인지되기 어렵다는 사실에 기반을 두고 있다. 화소 내 최상위 비트(most significant bit:　MSB)가 변경된 경우 이에 대한 화소 값의 변화 영역은 ±127 이지만, LSB가 변경된 경우 이에 대한 화소 값의 최대 변화 영역은 ±1이다. 이러한 사실을 기반으로 LSB 삽입 기법이 제안되었고, 한 화소 내의 8 비트 중 LSB 3 비트까지 변경되더라도 시각적으로 변경된 화소 값에 대한 인지가 불가능하다는 사실이 실험적으로 증명되었다. 그러나 LSB 삽입 기법은 비밀 정보가 영상의 공간영역에 숨겨지므로 비밀정보 추출 후 영상이 훼손되어 영상 식별이 곤란하게 된다. 따라서 지형 영상과 같이 정보관리 상 원본 영상의 품질이 다소 저하되더라도 관련된 많은 추가정보가 더욱 유용한 경우 LSB 삽입 기법을 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.

3.3.2 히스토그램이동 기법

히스토그램이동 기법[3,6]은 영상의 히스토그램 특성을 이용하는 대표적인 가역정보은닉 기법으로 영상 히스토그램 내에서 최대 빈도에 해당하는 화소 값과 임의 공백값을 이용하여 최대 빈도의 화소에 대한 이동을 통해 비밀정보를 삽입하는 기법으로 최댓값과 최솟값을 얻은 후에 그 사이에 있는 값을 각각 1씩 증가시킨다. 히스토그램이동 기법은 최댓값의 빈도가 높고 공백이 많이 존재하는 경우 삽입 가능한 정보량이 증가하는 특성을 가진다. 본 논문에서 제안하는 중요한 영상에 대한 원본 복원을 위하여 이 방법을 적용할 수 있다.

3.3.3 차분확장 기법

차분확장 기법[3,6]은 대표적인 가역정보은닉 기법으로 영상의 인접한 두 화소 간 평균 및 차이를 이용하여 정보를 삽입하고 추출하는 방법이다. 차분 확장기법은 영상의 화소를 짝(pair)으로 나누고 위치도(location map)를 생성하며, 인접 화소값과의 차이 값으로부터 오버플로(overflow) 또는 언더플로(underflow)가 발생되지 않도록 조정한다. 차분확장 기법은 가역 정보은닉기법으로 원본 영상을 완전하게 복원 할 수 있게 되므로, 본 논문에서 복원이 필요한 영상영역에 적용 가능하다.

Fig. 10.Hybrid information hiding methods according to area significance.

 

4. 실험 결과 및 분석

본 절에서 3장에서 살펴본 정보은닉 기법들과 제안한 하이브리드 정보은닉 기법을 소나 waterfall 영상, IR 영상에 적용한 후 삽입 가능한 추가정보 용량과 이미지 왜곡정도를 나타내는 PSNR(Peak Signal–to-Noise Ratio)과 Q index 값을 추출하고 분석한다. PSNR 계산식은 다음과 같다.

단, W : 영상의 폭(Width), H : 영상의 높이(height)

Fig. 11.Stego images applied conventional information hiding method.

Fig. 12.Stego images applied proposed information hiding method.

다음으로 Q index 계산식은 다음과 같이 주어지는데, Q index는 -1과 1 사이의 값을 가진다.

Waterfall과 적외선 영상에 기존 가역 정보은닉 기법과 제안한 하이브리드 정보은닉 기법을 적용하여 비밀 정보를 삽입한 비밀영상들은 다음 그림들과 같다.

Waterfall과 적외선 영상에 기존 가역 정보은닉기법과 제안한 하이브리드 정보은닉기법을 적용하여 영상분석을 위해 비교값을 추출한 결과는 Table 2와 같다.

Table 2.Method comparison

Table 2의 결과로부터 PSNR은 waterfall 영상에 대해 히스토그램이동(HS) 적용 시 49.25dB, 하이브리드 HS 기법 적용 시 50.78dB로 단일 기법 적용 대비 1.53dB 높다. IR 영상인 경우 HS 적용 시 48.46dB, 하이브리드 HS 기법 적용 시 54.24dB로 5.78dB 높다. 그리고, waterfall 영상에 대해 차분확장(DE) 적용 시 48.76dB, 하이브리드 DE 기법 적용 시 51.25dB로 2.49dB 높고, IR 영상인 경우 DE 적용 시 48.14dB, 하이브리드 DE 기법 적용 시 54.31dB로 6.16dB 높다. 이 결과로부터 PSNR은 하이브리드 기법 적용 시 단일 기법 적용 대비 최소 1.53dB, 최대 6.16dB가 증가됨을 알 수 있다.

Q 인덱스는 하이브리드 HS 적용 시 히스토그램이동 대비 waterfall 영상은 0.0646 작고, IR 영상은 0.0237 작다. 반면, 하이브리드 DE 적용 시 차분확장 대비 waterfall 영상은 0.0097 크고, IR 영상은 0.0065 크다. 즉, Q 인덱스는 하이브리드 HS 적용 시 감소하고 하이브리드 DE 적용 시 다소 증가하는 경향을 보이지만 증감이 크지는 않다.

삽입용량은 waterfall 영상에 대해 히스토그램이동 적용 시 118,906bits, 하이브리드 HS 기법 적용 시 243,300bits로 124,394bits(약 2배) 많고, IR 영상인 경우 히스토그램이동 적용 시 24,118bits, 하이브리드 HS 기법 적용 시 259,794bits로 235,676 bits(약 10.7배) 많다. 그리고, waterfall 영상에 대해 차분확장 적용 시 90,835bits, 하이브리드 DE 기법 적용 시 241,018bits로 150,183bits(약 2.65배) 많고, IR 영상인 경우 차분확장 적용 시 127,775bits, 하이브리드 DE 기법 적용 시 260,715bits로 132,940bits(약 2배) 많다. 이 결과로부터 삽입용량은 하이브리드 기법 적용 시 단일 기법 적용 대비 최소 2배, 최대 10.7배 증가됨을 알 수 있다.

 

5. 결 론

함정 전투체계는 다양한 탐지 센서들로부터 생성되는 군사영상을 이용하여 표적을 식별하고 정보를 분석하여 관리한다. 이러한 군사영상을 분석된 정보와 함께 관리되며, 정보와 영상들은 정보은닉 기법을 적용한 보안강화가 필요하며, 비밀 정보 삽입 후 원본 영상의 복원이 필요하므로 가역정보은닉 기법의 적용이 필요하다. 그러나 군사영상들은 영상의 모든 영역에 의미 있는 정보가 분포하지 않고 특정 영역에만 존재하는 특성이 있다. 따라서 모든 영역에 동일한 정보은닉기법이 적용되던 기존 기법을 중요 영역과 중요도가 낮은 영역으로 나눈 후 중요 영역에는원본 영상을 복원하기 위해 가역 정보은닉기법을 적용하고, 이를 제외한 영역에는 최대 용량의 정보 삽입을 위한 비가역 정보은닉기법을 적용하였다. 이러한 특징으로부터 본 논문에서는 영상의 중요도에 따라 구분된 영역에 두 가지 정보은닉 기법을 적용하는 하이브리드 정보은닉 기법을 제안하였다.

이를 위해 본 논문에서는 군사영상 중 중요한 표적 정보가 반영된 waterfall과 적외선 영상을 선택하여 동일한 가역 정보은닉 기법을 전체 영상에 적용하는 기존 기법과 제안한 하이브리드 정보은닉 기법을 적용한 결과를 비교․분석하였다.

실험 결과로부터 PSNR은 본 논문에서 제안한 하이브리드 기법을 적용하면 기존 단일 기법 적용 대비 최소 1.53dB, 최대 6.16dB 높았다. Q 인덱스는 하이브리드 HS 적용 시 작아지며, 하이브리드 DE 적용시 커지지만 그 차이는 최소 0.0065, 최대 0.0646이다. 그리고, 삽입용량은 하이브리드 기법 적용 시 단일기법 적용 대비 최소 2배, 최대 10.7배 증가되었다. 이 결과로부터 하이브리드 정보은닉 기법 적용 시 단일 기법 대비 PSNR과 삽입용량을 크게 향상할 수 있음을 확인하였다.

향후 연구에서는 본 논문에서 제안한 하이브리드 정보은닉 기법을 각각의 군사영상에 적용하기 위한군사영상별 최적의 정보은닉 기법 간 조합을 식별하여 개선된 알고리즘을 제시하고자 한다.