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KR100247249B1 - 동화상 데이타 복제 방지장치 - Google Patents

동화상 데이타 복제 방지장치 Download PDF

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KR100247249B1
KR100247249B1 KR1019970050541A KR19970050541A KR100247249B1 KR 100247249 B1 KR100247249 B1 KR 100247249B1 KR 1019970050541 A KR1019970050541 A KR 1019970050541A KR 19970050541 A KR19970050541 A KR 19970050541A KR 100247249 B1 KR100247249 B1 KR 100247249B1
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윤종용
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Abstract

본 발명은 B프레임에 대해서만 워터마크 정보를 삽입하여 디지탈 저작물의 불법 복제를 방지하도록 한 동화상 데이타 복제 방지장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 디지탈 워터마크 삽입기를 구비하고, 양자화된 이산여현 변환계수들을 지그재그 스캔하여 런과 레벨로 분류함은 물론 EOB를 검출한다. 어드레스 발생기는 EOB의 위치에 따라 다른 어드레스를 발생시키고, 워터마크 롬은 B프레임일 경우에만 동작하여 저장된 복수개의 디지탈 워터마크 정보중 상기 어드레스가 지정하는 정보를 독출한다. 가산기는 지그재그 스캔된 영상데이타에 워터마크 롬에서 독출한 워터마크 정보를 삽입하고, 지그재그 스캔된 I 및 P프레임과 워터마크 정보가 삽입된 B프레임은 다중화되어 가변길이 부호화된다. 따라서, 부호화 정보량의 증가를 억제하여 화질의 열화를 최소화할 수 있고, 워터마크 정보가 저작자 이외의 사용자에 의해서는 쉽게 제거되지 않는 효과가 있다.

Description

동화상 데이타 복제 방지장치
본 발명은 디지탈 저작물의 불법 복제 방지에 관한 것으로, 특히 동화상 데이타에 대해 워터마크(Watermark) 정보를 삽입할 때 화질의 열화를 최소로 하면서도 저작자 이외의 사용자는 워터마크 정보를 손쉽게 제거할 수 없도록 한 동화상 데이타 복제 방지장치에 관한 것이다.
일반적으로 고선명 텔레비젼(HD-TV), 디지탈 VTR 및 캠코더, 멀티미디어(Multimedia), 영상 전화기등과 같은 시스템에서는 영상과 음성을 디지탈 신호로 부호화한 후 전송하거나 기록매체에 저장하고, 이를 다시 복호화하여 재생하는 방식이 주로 사용되고 있다. 특히, 최근에는 세계적으로 디지탈 영상/음향 서비스를 위한 연구, 개발이 활발하고, 기존의 텔레비젼과 같은 일방향의 정보 전달 뿐만 아니라 통신채널을 통한 쌍방향의 다양한 서비스를 위한 노력도 진행되고 있다.
예를 들면, 고화질 텔레비젼, 주문형 비디오/오디오/게임, 영상전화, 영상회의, 홈뱅킹, 홈쇼핑, 원격진료, 전자데이타 교환, 전자거래, 데이타베이스, 원격강의, 재택근무 등이 그것이다. 이때 정보는 문자, 도형, 음성, 음향, 정지영상, 동영상, 일반데이타등 다양한 형태를 가지며, 주로 영상과 음향을 중심으로 결합된 멀티미디어의 형태로 저장되거나 전송된다. 이들을 단순 변조기술로 처리할 경우 데이타량이 과다하게 되므로 저장이나 전송에 많은 어려움이 있다. 특히, 제한된 통신채널을 이용하므로 데이타의 전송효율을 극대화시키기 위해 고압축율, 즉 데이타를 효과적으로 압축하기 위한 기술이 요구된다.
도 1은 MPEG2(Moving Picture Experts Group 2)에서 권고한 동화상 압축 알고리즘을 채용한 종래의 영상데이타 부호화장치의 개략적인 구성을 나타낸 블럭도이다. 부호 1은 제 1프레임(Frame) 메모리로, 소정크기의 블럭단위로 입력되는 영상데이타를 프레임 단위로 저장하여 화면을 구성하게 된다. 제 1프레임 메모리(1)의 출력단에는 프레임/필드(Field) 메모리(2)가 연결되어, 프레임 단위로 입력된 영상데이타를 다시 우수필드와 기수필드로 분리하게 된다. 프레임/필드 메모리(2)의 출력단에는 감산기(3)와 운동 예측기(13)와 활동도(Activity) 계산기(14)가 연결된다.
감산기(3)는 필드단위로 입력되는 영상데이타에서 적응 예측기(12)로부터 궤환된 데이타를 감산하여 오차데이타를 출력한다. 감산기(3)의 출력단에 연결된 DCT(Discrete Cosine Transform)부(4)는 입력된 오차데이타를 이산여현 변환하여 주파수 영역의 데이타로 변환시킨다. DCT부(4)에서 출력된 변환계수들은 양자화기(5)로 입력되어 소정의 양자화 가중 매트릭스에 의해 양자화되는데, 이때 양자화기(5)는 비율(Rate) 제어기(15)로부터 양자화 레벨신호를 공급받고, 이 신호에 따라 변환계수들을 일정레벨의 대표값들로 바꾸어준다. 양자화기(5)의 출력단에는 가변길이 부호화 및 다중화기(6)와 역양자화기(8)가 연결된다.
통상, 화면간에는 유사한 부분이 많으므로 약간의 움직임이 있는 경우 그 움직임을 추정해 움직임 벡터를 산출하고, 이 벡터를 이용해 데이타를 보상해주면 인접한 화면간의 차신호가 매우 작아져 전송데이타를 더욱 압축시킬 수 있다. 이러한 움직임 보상을 수행하기 위해 역양자화기(8)는 입력된 양자화 계수에 대해 전술된 양자화에 대응하는 역양자화를 실행한다. 역양자화기(8)의 출력단에 연결된 역DCT부(9)는 역양자화된 데이타를 역 이산여현 변환하여 공간영역의 영상데이타로 변환하게 된다. 역DCT부(9)에서 출력된 공간영역의 영상데이타는 가산기(10)로 입력되고, 여기서 적응 예측기(12)로부터 궤환된 데이타와 합쳐져 제 2프레임 메모리(11)로 인가된다.
제 2프레임 메모리(11)는 입력된 데이타를 프레임 단위로 저장하여 화면을 재구성하는데, 이 제 2프레임 메모리(11)는 적응 예측기(12)에 연결되고, 아울러 적응 예측기(12)를 통해 운동 예측기(13)에도 연결되어 있다. 프레임/필드 메모리(2)의 출력단에 연결된 운동 예측기(13)는 필드단위로 입력되는 영상데이타와 가장 유사한 패턴의 데이타를 제 2프레임 메모리(11)에 저장된 데이타로부터 찾아 움직임 벡터를 산출한다. 이 움직임 벡터는 복호화장치에서 사용할 수 있도록 가변길이 부호화 및 다중화기(6)로 전송됨과 아울러 적응 예측기(12)로 전송된다. 적응 예측기(12)는 제 2프레임 메모리(11)의 저장데이타에서 운동 예측기(13)의 움직임 벡터에 상응하는 데이타를 독출하여 상기 감산기(3)와 가산기(10)로 공급한다.
상기 양자화기(5)의 출력단에 연결된 가변길이 부호화 및 다중화기(6)는 입력된 양자화 계수들을 가변길이로 부호화하여 압축하고, 이때 대표값들의 통계적 특성을 살려 부호화함으로써 전송되는 데이타를 압축시킨다. 이렇게 압축된 데이타는 다른 입력데이타들, 즉 비율 제어기(15)로부터 입력된 양자화 레벨신호와 운동 예측기(13)로부터 입력된 움직임 벡터들과 합쳐져 다중화된다. 가변길이 부호화 및 다중화기(6)에서 출력된 비트열은 불규칙한 상태로 버퍼(7)로 인가되고, 버퍼(7)는 부호화된 상태로 입력되는 비트열을 저장했다가 이를 일정한 속도로 수신측으로 전송하거나 기록매체에 저장한다.
또한 버퍼(7)에서 출력된 비트열은 비율 제어기(15)로 궤환되어 오버플로우(Overflow)나 언더플로우(Underflow)가 발생하지 않도록 입력데이타량을 조절하는데 사용된다. 비율 제어기(15)와 프레임/필드 메모리(2) 사이에는 활동도 계산기(14)가 연결되는데, 프레임/필드 메모리(2)의 출력단에 연결된 활동도 계산기(14)는 필드단위로 입력되는 영상데이타에 대해 정규화된 활동도를 구한다. 활동도 계산기(14)의 출력단에 연결된 비율 제어기(15)는 버퍼(7)로부터 궤환된 비트열을 이용하여 버퍼의 충만정도를 계산하고 이 값과 활동도를 이용하여 양자화 레벨을 계산한다. 비율 제어기(15)에서 출력된 양자화 레벨신호는 양자화기(5)로 입력되고, 아울러 가변길이 부호화 및 다중화기(6)로도 입력되어 부호화된 데이타 및 움직임 벡터와 다중화된다.
상기와 같은 동화상 부호화 방식의 연구, 개발이 활발해짐에 따라 영상/음향기기의 디지탈화 및 인터넷의 폭발적인 보급이 이루어지고, 디지탈 저작물을 유통시키는 방법도 급증하고 있다. 특히, 컴퓨터를 사용하면 누구나 손쉽게 디지탈 저작물을 복제, 편집할 수 있으므로 불법 복제의 문제가 크게 부각되고 있다. 종래에는 디지탈 영상/음향 데이타의 불법 복제에 대한 방지책으로 다음의 두가지 기술이 각광을 받고 있다.
첫번째 방식은 암호화, 스크램블(Scramble)화를 통해 복제를 방지하는 기술로, 정상적으로 구입한 영상/음향 저작물에 대해서만 구동이 가능한 암호 해독 정보 및 디스크램블(Descramble) 정보를 알려주어 디지탈 영상/음향 데이타의 복제를 원천적으로 금지하게 된다. 두번째 방식은 디지탈 정보의 불법적인 상업적 이용을 금지하기 위한 디지탈 워터마크 기술로, 영상/음향 content 데이타에 ID나 로고등을 잡음의 형태로 삽입하여 사용자로 하여금 불법 복제 행위를 자제하도록 하는 것이다.
그러나 암호화 및 스크램블에 의한 첫번째 방식은 비트(Bit) 단위로 복제하거나 키(Key) 데이타가 유출될 경우에는 쉽게 복제가 가능하다는 문제점이 있었다. 또한 동화상 데이타에 워터마크 정보를 삽입하는 두번째 방식은 ID나 로고를 잡음의 형태로 삽입하므로 부호화 효율을 감소시켜 화질의 열화를 가져오게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 B(Bidirection) 프레임에 대해서만 워터마크 정보를 삽입하여 부호화 정보량의 증가를 억제하고 화질의 열화를 최소화할 수 있도록 한 동화상 데이타 복제 방지장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 EOB(End of Block)의 위치에 따라 다른 워터마크 정보를 삽입하여 원화상에 골고루 섞음으로써 저작자 이외의 사용자에 의해서는 쉽게 제거되지 않도록 한 동화상 데이타 복제 방지장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 잡음형태의 워터마크 정보를 이산여현 변환된 주파수 영역에서 삽입하여 하드웨어의 부담을 줄일 수 있도록 한 동화상 데이타 복제 방지장치를 제공하는데 있다.
도 1은 MPEG2에서 권고한 동화상 압축 알고리즘을 채용한 종래의 영상데이타 부호화장치의 개략적인 구성을 나타낸 블럭도.
도 2는 본 발명의 동화상 데이타 복제 방지장치를 포함하는 동화상 데이타 부호화장치의 개략적인 구성을 나타낸 블럭도.
도 3은 도 2의 디지탈 워터마크 삽입기의 내부구성을 나타낸 블럭도.
도 4는 MPEG2 동화상 부호화 방식에서의 화상 구조도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
5 : 양자화기 6 : 가변길이 부호화 및 다중화기
8 : 역양자화기 16 : 디지탈 워터마크 삽입기
17 : 지그재그 스캔부 18 : 스위칭부
19 : 어드레스 발생기 20 : 워터마크 롬
21 : 가산기 22 : 다중화기
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동화상 데이타 복제 방지장치는 양자화된 이산여현 변환계수의 주파수 분포를 표현하는 EOB의 위치에 따라 각기 다른 워터마크 정보를 선택하고 B타입의 프레임에 대해서만 워터마크 정보를 삽입한 양자화 계수들을 가변길이 부호화하기 위해 출력하는 디지탈 워터마크 삽입기를 구비하게 된다.
이하, 첨부된 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 MPEG2에서 권고한 동화상 데이타 부호화장치의 개략적인 구성을 나타낸 블럭도로서, 본 발명의 동화상 데이타 복제 방지장치를 포함하고 있다. 도 2에서 도 1과 동일한 부호를 갖는 블럭들은 전술된 도 1의 블럭들과 동일한 구성 및 동작을 하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 특징부는 양자화기(5)의 출력단에 연결된 디지탈 워터마크 삽입기(16)로, 이 디지탈 워터마크 삽입기(16)의 출력단에는 가변길이 부호화 및 다중화기(6)와 역양자화기(8)가 연결되어 있다. 디지탈 워터마크 삽입기(16)는 양자화된 이산여현 변환계수의 주파수 분포를 표현하는 EOB(End of Block)의 위치에 따라 각기 다른 워터마크 정보를 선택하여 삽입한다. 이때 종래와 같이 I(Intra), P(Predictive), B(Bidirectional)타입의 모든 프레임에 대해 워터마크 정보를 삽입하는 것이 아니라, B타입의 프레임에 대해서만 워터마크 정보를 삽입한다. 워터마크 정보가 다중화된 양자화 계수들은 가변길이 부호화 및 다중화기(6)로 입력되어 부호화되고, 아울러 역양자화기(8)로도 입력되어 역양자화가 행해진다.
도 3은 상기 디지탈 워터마크 삽입기(16)의 내부구성을 나타낸 블럭도이다. 부호 17은 지그재그 스캔(Zig-zag Scan)부로서, 양자화기(5)로부터 입력된 양자화 계수들을 지그재그 스캔하여 런(Run)과 레벨(Level, Amplitude)로 분류하고, 블럭의 끝에 이르면 EOB에 해당하는 부호를 검출한다. 지그재그 스캔된 영상데이타는 스위칭부(18)로 입력되고, 스위칭부(18)는 프레임 타입에 따라 절환되어 입력된 데이타를 그대로 출력할 것인지, 입력데이타에 워터마크 정보를 삽입하여 출력할 것인지를 선택하게 된다. 지그재그 스캔부(17)에서 출력된 부호(EOB)는 어드레스(Address) 발생기(19)로 입력되고, 어드레스 발생기(19)는 입력된 부호(EOB)의 위치에 따라 다른 어드레스를 발생시켜 워터마크 롬(Watermark Rom, 20)으로 출력한다.
워터마크 롬(20)은 복수개의 디지탈 워터마크 정보를 저장하고, 이 정보중 입력 어드레스가 지정한 워터마크 정보를 읽어 가산기(21)로 출력한다. 이때 워터마크 롬(20)의 단자(CS)에는 프레임 타입을 나타내는 제어신호가 입력되고, 워터마크 롬(20)은 이 제어신호에 따라 동작하여 B타입의 프레임에 대해서만 워터마크 정보를 독출하게 된다. 스위칭부(18)의 출력단에 연결된 가산기(21)는 지그재그 스캔된 영상데이타에 워터마크 롬(20)에서 출력된 워터마크 정보를 삽입하여 다중화기(22)로 출력한다. 다중화기(22)는 지그재그 스캔된 I, P타입의 영상데이타와 가산기(21)에서 워터마크 정보가 삽입된 B타입의 영상데이타를 다중화하여 가변길이 부호화 및 다중화기(6)와 역양자화기(8)로 출력하게 된다.
상기와 같이 구성된 디지탈 워터마크 삽입기(16)의 동작을 도 3의 블럭도 및 도 4의 화상 구조도를 참조하여 설명한다.
도 3에서 지그재그 스캔부(17)로 입력되는 영상데이타는 DCT부(4)에 의해 이산여현 변환되어 주파수 영역의 데이타로 변환된 후 양자화기(5)에서 소정의 양자화 가중 매트릭스에 의해 양자화된 변환계수들이다. 지그재그 스캔부(17)에서 스캔된 양자화 계수들은 런과 레벨로 분류되어 스위칭부(18)로 출력된다. 스위칭부(18)와 다중화기(22)를 거친 데이타는 가변길이 부호화 및 다중화기(6)로 입력되고, 여기서 런과 레벨을 묶어 하나의 부호로 만드는 부호화가 행해진다. 이때 소정크기의 블럭단위로 부호화되는 영상데이타는 지그재그 스캔해 나가는 과정에서 진폭이 없고 런만 계속되다가 블럭의 끝에 이르게 되면 EOB에 해당하는 부호로 부호화된다.
즉, 모든 블럭단위로 부호화된 영상데이타는 설정된 부호(EOB)로 끝나게 되어 있으므로 이 부호(EOB)로 끝나지 않으면 그 데이타의 부호화는 잘못된 것으로 보아야 하는 것이다. 지그재그 스캔부(17)에서는 양자화된 이산여현 변환계수의 주파수 분포를 표현하는 EOB에 해당하는 부호를 검출하여 어드레스 발생기(19)로 출력한다. 그러면 어드레스 발생기(19)는 입력된 부호(EOB)의 위치에 따라 워터마크 롬(20)에 저장된 복수개의 워터마크 정보중 하나를 독출하도록 지정하기 위한 어드레스를 발생시킨다. 워터마크 롬(20)에는 이산여현 변환된 주파수 영역에서 삽입할 수 있는 디지탈 워터마크 정보가 저장되어 있는데, 예를 들어, 8×8 블럭단위로 영상데이타를 부호화할 경우에는 64개의 서로 다른 워터마크 정보가 저장된다.
도 4는 MPEG2 동화상 부호화 방식에서의 화상 구조도이다. 이 구조도에 따르면, 영상 프레임은 영상정보의 공간적 잉여정보를 줄이는 I타입(Intraframe)과, 전방 예측(Forward Prediction)을 통해 프레임간의 상관관계를 줄이는 P타입(Predicted frame)과, 양방향 예측(Bidirectional Prediction)을 통해 프레임간의 상관관계를 줄이는 B타입(Interpolated frame)으로 구분된다. MPEG2 부호화 방식에서는 프레임을 상기 3가지 타입으로 구분하고, I, B, B, P, B, B, …, I의 순서로 부호화한다. 이때 처음 I타입에서 그 다음 I타입 바로 전까지의 프레임을 합쳐 GOP라고 부르며, GOP는 통상 12∼15개의 프레임으로 구성된다.
이러한 동화상을 복호화할 때 P프레임은 복호화된 선행 I프레임이 있어야만 움직임 보상을 통해 완전히 복원할 수 있다. 또한 B프레임은 부호화시 B프레임의 예측에 사용된 복호화된 I 및 P프레임이 있어야만 움직임 복원을 통해 복호화가 가능하다. 본 발명의 디지탈 워터마크 삽입기(16)에서는 B프레임에 대해서만 워터마크 정보를 삽입하여 잡음의 형태로 삽입되는 디지탈 워터마크 정보에 의한 화질 저하와 부호화시의 발생 정보량의 증가를 최대한 억제하도록 하였다. 이를 위해서는 도 3의 워터마크 롬(20)에 프레임 타입을 나타내는 제어신호를 입력하여 I 및 P프레임에 대해서는 워터마크 롬(20)이 동작하지 않고 B프레임에 대해서만 워터마크 정보를 독출하도록 하였다.
부호(EOB)의 위치에 따라 다르게 출력되는 디지탈 워터마크 정보는 가산기(21)로 입력되고, 스위칭부(18)를 거친 지그재그 스캔부(17)의 출력데이타와 가산된 상태로 다중화기(22)로 전송된다. 이때 스위칭부(18)는 워터마크 롬(20)과 마찬가지로 프레임 타입을 나타내는 제어신호에 의해 절환된다. B프레임일 경우에는 단자(a)로 절환되어 워터마크 정보가 삽입된 가산기(21)의 출력데이타가 다중화기(22)로 입력되도록 한다. I 및 P프레임일 경우에는 단자(b)로 절환되어 지그재그 스캔부(17)의 출력데이타가 그대로 다중화기(22)로 입력되도록 한다. 상기 입력데이타들은 다중화기(22)에서 다중화된 상태로 가변길이 부호화 및 다중화기(6)와 역양자화기(8)로 전송된다.
이상에서와 같이 본 발명은 잡음형태의 워터마크 정보를 이산여현 변환된 주파수 영역에서 B프레임의 동화상 데이타에 대해서만 삽입하므로 하드웨어의 부담을 줄이고, 부호화 정보량의 증가를 억제하며, 화질의 열화를 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한 EOB의 위치에 따라 다른 워터마크 정보를 삽입하여 원화상의 주파수 대역에 골고루 섞으므로 저작자 이외의 사용자에 의해서는 쉽게 제거되지 않는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 소정크기의 블럭단위의 영상데이타를 이산여현 변환, 양자화, 가변길이 부호화, 움직임 예측 및 보상 등의 과정을 거쳐 부호화하는 장치에 있어서,
    양자화된 이산여현 변환계수의 주파수 분포를 표현하는 EOB의 위치에 따라 각기 다른 워터마크 정보를 선택하고 B타입의 프레임에 대해서만 워터마크 정보를 삽입한 양자화 계수들을 가변길이 부호화하기 위해 출력하는 디지탈 워터마크 삽입기를 포함하는 것을 특징으로 하는 동화상 데이타 복제 방지장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 디지탈 워터마크 삽입기는
    양자화된 이산여현 변환계수들을 지그재그 스캔하여 런과 레벨로 분류하고 블럭의 끝에 이르면 EOB에 해당하는 부호를 검출하는 지그재그 스캔부와; 프레임 타입에 따라 절환되어 지그재그 스캔된 영상데이타를 그대로 출력할 것인지, 워터마크 정보를 삽입할 것인지를 선택하는 스위칭부;
    지그재그 스캔부에서 출력된 부호의 위치에 따라 다른 어드레스를 발생시키는 어드레스 발생기;
    프레임 타입에 따라 동작하여 저장된 복수개의 디지탈 워터마크 정보중 어드레스 발생기의 어드레스가 지정하는 워터마크 정보를 읽어 출력하는 워터마크 롬;
    지그재그 스캔된 후 스위칭부를 거친 영상데이타에 워터마크 롬에서 독출한 워터마크 정보를 삽입하는 가산기; 및
    지그재그 스캔된 후 스위칭부를 거친 I 및 P타입의 영상데이타와 가산기에서 워터마크 정보가 삽입된 B타입의 영상데이타를 다중화하는 다중화기로 구성하는 것을 특징으로 하는 동화상 데이타 복제 방지장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 스위칭부는 I 및 P프레임이 입력될 경우 입력데이타가 그대로 다중화되도록 절환하고 B프레임이 입력될 경우에는 워터마크 정보가 삽입된 상태에서 다중화되도록 절환하는 것을 특징으로 하는 동화상 데이타 복제 방지장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 워터마크 롬은 이산여현 변환된 주파수 영역에서 삽입할 수 있는 디지탈 워터마크 정보를 부호화하는 블럭의 크기에 따라 설정된 갯수만큼 저장하도록 한 것을 특징으로 하는 동화상 데이타 복제 방지장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 워터마크 롬은 프레임 타입을 나타내는 제어신호에 따라 동작하여 I 및 P프레임에 대해서는 동작하지 않고 B프레임에 대해서만 워터마크 정보를 독출하도록 한 것을 특징으로 하는 동화상 데이타 복제 방지장치.
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