Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование основ построения стегоалгоритмов и обзор популярных решений .12
1.1 Введение в предметную область 12
1.2 Требования, предъявляемые к системам встраивания ЦВЗ 14
1.3 Типы ЦВЗ 16
1.4 Области применения ЦВЗ .17
1.5 Типы стегоконтейнеров 19
1.6 Использование цифровых изображений как контейнера для встраивания 20
1.7 Методы и алгоритмы цифровой стеганографии .23
1.8 Встраивание ЦВЗ в изображения форматов сжатия с потерями JPEG и JPEG 2000 .26
1.8.1 Изображения в формате сжатия с потерями 26
1.8.2 Встраивание ЦВЗ в область ДКП при формате JPEG 27
1.8.3 Встраивание ЦВЗ в область ДВП при формате JPEG 2000 .27
1.8.4 Обзор алгоритмов встраивания ЦВЗ в область ДВП 30
Выводы по главе 34
ГЛАВА 2. Анализ устойчивости цвз к внешним воздействиям .35
2.1 Влияние сжатия с потерями на изображение .35
2.2 Другие внешние воздействия на изображения 37
2.3 Параметры алгоритма, влияющие на стойкость к внешним воздействиям 38
2.4 Оценка скрытности внедрения 40
2.5 Оценка пропускной способности изображения-контейнера 45
2.6 Оценка устойчивости встроенной информации к внешним воздействиям 49
2.7 Экспериментальные результаты анализа устойчивости ЦВЗ к внешним
воздействиям на изображение-контейнер 51
Выводы по главе 57
ГЛАВА 3. Разработка методов и алгоритмов повышения устойчивости цвз к внешним воздействиям на изображение-контейнер 58
3.1 Исследование цепи кодирования JPEG 2000 для возможности встраивания ЦВЗ 58
3.2 Потеря информации при квантовании для JPEG 2000 .62
3.3 Алгоритм встраивания ЦВЗ во время стадии квантования 65
3.4 Алгоритм считывания ЦВЗ из изображения 72
3.5 Анализ устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям на изображение-контейнер 73
3.6 Методы повышения устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям на изображение-контейнер 78
3.6.1 Повышение коэффициента силы встраивания .78
3.6.2 Выбор фильтров при ДВП 79
3.6.3 Выбор уровня вейвлет разложения .79
3.6.4 Применение методики повышения устойчивости для созданного алгоритма .80
3.7 Экспериментальные результаты анализа устойчивости ЦВЗ при использовании созданных методов 81
Выводы по главе 85
Заключение 86
Литература
- Типы стегоконтейнеров
- Параметры алгоритма, влияющие на стойкость к внешним воздействиям
- Потеря информации при квантовании для JPEG 2000
- Применение методики повышения устойчивости для созданного алгоритма
Введение к работе
Актуальность темы. На данный момент стеганографические алгоритмы широко используются для внедрения скрытой информации в мультимедиа файлы с целью защиты авторских прав на продукцию. Большинство крупных интернет магазинов перед выкладыванием продукции автора накладывают цифровые водяные знаки на не (ЦВЗ далее). В качестве продукции выступают постановочные фотографии, панорамы, обложки и вкладки музыкальных альбомов и видеофильмов. ЦВЗ содержат информацию, однозначно подтверждающую авторство или права на коммерческое использование защищаемого изображения, которая может быть считана для разрешения спорных правовых ситуаций. Для маркировки коммерческой продукции цифровыми водяными знаками нужно предусмотреть такой момент, что в сетях обычно выкладываются цифровые изображения, которые проходят сжатие по определнному алгоритму с целью уменьшения объма. Обычно применяется сжатие с потерями, при использовании которого распакованные данные отличаются от исходных, но степень отличия не является существенной с точки зрения их дальнейшего использования. Стандарт сжатия JPEG 2000 вместо дискретного косинусного преобразования, применяемого в популярном формате JPEG, использует технологию вейвлет-преобразования. В результате такой компрессии изображение получается более гладким и чтким, а размер файла по сравнению с JPEG при одинаковом качестве оказывается меньшим. Встроенный водяной знак должен быть устойчив к подобному сжатию и различным внешним воздействиям (обрезка, масштабирование, зашумление, фильтрация). Это является одним из важнейших требований к стегоалгоритмам. Поэтому, задача создания методов и алгоритмов, использование которых при построении стеганографических систем защиты авторских прав для изображений может гарантировать целостность ЦВЗ является актуальной.
В результате анализа устойчивости ЦВЗ, внедренных при помощи
современных стегоалгоритмов в изображения, которые сжимались по
алгоритму JPEG 2000 был сделан вывод: необходимо разработать алгоритм и
методы, повышающие устойчивость ЦВЗ к внешним воздействиям на
изображение и при этом, чтобы изображение не потеряло надлежащего уровня качества.
Цели и задачи. Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов и методов позволяющих встраивать ЦВЗ повышенной устойчивости к внешним воздействиям на изображение-контейнер в формате JPEG 2000.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Предложить методику оценки влияния внешних воздействий на
встраиваемый ЦВЗ.
2. Найти оптимальные показатели скрытности внедрения и пропускной
способности изображения-контейнера при встраивании ЦВЗ.
3. Провести сравнительный анализ устойчивости ЦВЗ, внедрнных
разными алгоритмами в изображения JPEG 2000, при котором сохранятся
оптимальные уровни скрытности внедрения и пропускной способности.
4. Исследовать цепь кодирования JPEG 2000 и найти этапы, на которых
происходит основная потеря информации при сжатии.
5. Разработать методы и алгоритмы повышения устойчивости ЦВЗ к
внешним воздействиям на изображение-контейнер.
Предметом исследования является устойчивость ЦВЗ к внешним воздействиям на изображение-контейнер.
Объектом исследования являются стеганографические методы и алгоритмы внедрения ЦВЗ в область ДВП цифровых изображений.
Методы исследования. В методах исследования использовались: методы теоретического и эмпирического исследования, аппараты вычислительной математики, методы проектирования и программирования.
Научная новизна работы. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Предложена методика оценки влияния внешних воздействий на
встраиваемый ЦВЗ, позволяющая провести сравнительный анализ
устойчивости ЦВЗ, внедрнных разными алгоритмами в изображения JPEG 2000.
2. Проведн анализ устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям на
изображение-контейнер при сохранении оптимального уровня скрытности
внедрения и пропускной способности для четырх популярных используемых
алгоритмов.
-
Построена математическая модель потерь ЦВЗ на стадии квантования.
-
Разработан многокоэффициентный алгоритм встраивания ЦВЗ во время стадии квантования, при котором удалось повысить значение устойчивости ЦВЗ при внешних воздействиях, не потеряв оптимального уровня скрытности внедрения.
5. Разработан алгоритм считывания ЦВЗ, который является обратным
встраиванию и не требует наличия исходного изображения с ЦВЗ.
6. Разработана методика повышения устойчивости ЦВЗ к внешним
воздействиям на изображение-контейнер путм выбора оптимального
коэффициента силы встраивания, фильтров с наименьшими искажениями при
ДВП и глубины уровня вейвлет-разложения.
7. На основе методов доработан алгоритм встраивания ЦВЗ, при котором
удалось значительно повысить устойчивость ЦВЗ к внешним воздействиям на
изображение-контейнер.
Практическая ценность:
1. Проанализирована устойчивость стегоалгоритмов на основе ДВП к
различным популярным внешним воздействиям (сжатие с потерями JPEG 2000,
зашумление, масштабирование, фильтрация и вырезание части);
2. Исследована цепь кодирования JPEG 2000 и найдены этапы, на
которых происходит потеря информации при сжатии.
3. Разработан оригинальный алгоритм встраивания и считывания ЦВЗ во
время стадии квантования, интегрированный в цепь кодирования JPEG 2000,
при котором наблюдается повышение устойчивости ЦВЗ к исследуемым
внешним воздействиям.
4. Разработаны методы повышения устойчивости ЦВЗ к внешним
воздействиям на изображение-контейнер. Они применены для доработки
созданного алгоритма.
Внедрение результатов работы.
Основные результаты работы внедрены в процесс Санкт-Петербургского
филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки
Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им.
Н.В.Пушкова Российской академии наук и в учебный процесс кафедры
“Проектирования и безопасности компьютерных систем” ФГАОУ ВО “Санкт-
Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики” по дисциплине
“Криптографические методы и средства обеспечения информационной
безопасности ”.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 входящие в перечень, рекомендованный ВАК РФ для защиты кандидатских диссертаций и 3 по материалам международных конференций.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XLI и XLII научной и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО, на втором всероссийском конгрессе молодых ученых, а также на международных заочных конференциях “Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании” и “Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте” от проекта Sworld.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика оценки влияния внешних воздействий на встраиваемый ЦВЗ,
позволяющая провести сравнительный анализ устойчивости ЦВЗ, внедрнных
разными алгоритмами в изображения JPEG 2000.
2. Алгоритм встраивания и считывания ЦВЗ во время стадии
квантования, интегрированный в цепь кодирования JPEG 2000, при котором
наблюдается повышение устойчивости ЦВЗ к исследуемым внешним
воздействиям.
3. Методика повышения устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям на
изображение-контейнер путм выбора оптимального коэффициента силы
встраивания, фильтров с наименьшими искажениями при ДВП и глубины
уровня вейвлет-разложения.
4. Доработанный алгоритм с применением разработанных методов
повышения устойчивости к внешним воздействиям на изображение-контейнер.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы из 40 наименований, изложена на 92 страницах, содержит 27 рисунков и 6 таблиц.
Типы стегоконтейнеров
Цифровая стеганография — направление классической стеганографии, основанное на сокрытии или внедрении дополнительной информации в цифровые объекты, вызывая при этом некоторые искажения этих объектов. Данные объекты являются мультимедиа файлами (изображения, видео, аудио, текст) и внесение искажений, которые находятся ниже порога чувствительности среднестатистического человека, не приводит к заметным изменениям этих объектов. Сегодня стеганография позволяет не только успешно решать основную задачу – скрытно передавать информацию, но и целый ряд других актуальнейших задач, в том числе встраивание скрытой информации с целью защиты авторских прав на интеллектуальную собственность, представленную в цифровом виде [1]. Эта скрываемая информация называется цифровым водяным знаков (ЦВЗ), который представляет собой специальную метку, содержащую информацию, однозначно подтверждающую авторство или права на коммерческое использование защищаемого объекта. Она незаметно внедряется в изображение или другой сигнал с целью тем или иным образом контролировать его использование.
В последние годы в связи с интенсивным развитием мультимедийных технологий очень остро встал вопрос защиты авторских прав и интеллектуальной собственности, представленной в цифровом виде. ЦВЗ активно используются при размещении уникальных фотографий, видео, аудио в электронном виде в сети Интернет. Первые работы по встраиванию водяных знаков были сделаны в 90х годах 20 века. А в 1996 году на конференции Information Hiding: First Information Workshop была принята единая терминология в области цифровой стеганографии, которая будет использована в дальнейшем в работе:
Стеганографическая система (стегосистема) — объединение методов и средств используемых для создания скрытого канала для передачи информации. При построении такой системы условились о том, что: 1) враг представляет работу стеганографической системы. Неизвестным для противника является ключ с помощью которого можно узнать о факте существования и содержания тайного сообщения. 2) При обнаружении противником наличия скрытого сообщения он не должен смочь извлечь сообщение до тех пор пока он не будет владеть ключом. 3) Противник не имеет технических и прочих преимуществ.
Сообщение — это термин, используемый для общего названия передаваемой скрытой информации, будь то лист с надписями молоком, голова раба или цифровой файл. Контейнер — так называется любая информация, используемая для сокрытия тайного сообщения. Пустой контейнер — контейнер, не содержащий секретного послания. Заполненный контейнер (стегоконтейнер) — контейнер, содержащий секретное послание. Стеганографический канал (стегоканал) — канал передачи стегоконтейнера. Ключ (стегоключ) — секретный ключ, нужный для сокрытия стегоконтейнера. Ключи в стегосистемах бывают двух типов: секретные и открытые. Если стегосистема использует секретный ключ, то он должен быть создан или до начала обмена сообщениями, или передан по защищнному каналу. Стегосистема, использующая открытый ключ, должна быть устроена таким образом, чтобы было невозможно получить из него закрытый ключ. В этом случае открытый ключ мы можем передавать по незащищнному каналу [2].
Задачу встраивания и выделения сообщений из другой информации выполняет стегосистема. Стегосистема состоит из следующих основных элементов: прекодер - устройство, предназначенное для преобразования скрываемого сообщения к виду, удобному для встраивания в сигнал-контейнер Контейнер - информационная последовательность, в которой прячется сообщение стегокодер - устройство, предназначенное для осуществления вложения скрытого сообщения в другие данные с учетом их модели устройство выделения встроенного сообщения стегодетектор - устройство, предназначенное для определения наличия стегосообщения декодер - устройство, восстанавливающее скрытое сообщение. Этот узел может отсутствовать, если нам требуется лишь установить факт наличия в объекте встроенного до этого нами ЦВЗ. 1.2 Требования, предъявляемые к системам встраивания ЦВЗ Основными требованиями к стегосистемам встраивания скрытой информации, что упоминаются в литературе, являются следующие: Методы скрытия должны обеспечивать аутентичность и целостность файла. Предполагается, что противнику полностью известны возможные стеганографические методы.
Безопасность методов основывается на сохранении стеганографическим преобразованием основных свойств открыто передаваемого файла при внесении в него секретного сообщения и некоторой неизвестной противнику информации — ключа.
Даже если факт скрытия сообщения стал известен противнику через сообщника, извлечение самого секретного сообщения представляет сложную вычислительную задачу.
Заполненный контейнер должен быть визуально неотличим от незаполненного. Для удовлетворения этого требования надо, казалось бы, внедрять скрытое сообщение в визуально незначимые области сигнала. Однако эти же области используют и алгоритмы сжатия. Поэтому, если изображение будет в дальнейшем подвергаться сжатию, то скрытое сообщение может разрушиться. Следовательно, биты должны встраиваться в визуально значимые области, а относительная незаметность может быть достигнута за счет использования специальных методов, например, модуляции с расширением спектра. Стегосистема должна иметь низкую вероятность ложного обнаружения скрытого сообщения в сигнале, его не содержащем. В некоторых приложениях такое обнаружение может привести к серьезным последствиям [11].
Кроме этого можно добавить, что к системам встраивания ЦВЗ предъявляются ещ дополнительные требования:
1. Устойчивость к внешним воздействиям. ЦВЗ не должен повреждаться в результате манипуляций с контейнером, которые могут произойти при его использовании, таким как фильтрация, нанесение шума, сжатие с потерями, обрезка, масштабирование, распечатка и сканирование, преобразование в другой формат.
2. ЦВЗ должен противостоять попыткам удаления его из стегоконтейнера или это должно сопровождаться неприемлемым уровнем повреждения изображения самого стегоконтейнера.
3. Должна быть возможность многократного применения ЦВЗ. Это необходимо для случаев, когда продукт произведен несколькими производителями, и каждый из них имеет свой собственный стандарт ЦВЗ.
4. Должна быть возможность использовать улучшенные версии той же самой техники внедрения, когда будет доступна большая мощность вычислительной техники.
5. Если доступен только фрагмент стегоконтейнера, полученный в результате обрезки или вращения, ЦВЗ должен по-прежнему детектироваться и читаться.
Все перечисленные требования не должны обязательно выполняться в стегоалгоритмах в полном объме. Тем более некоторые свойства находятся в противоречии друг с другом. Как правило, при разработке стегоалгоритма авторы делают акцент на определенное свойство или группу свойств. Это происходит, потому что удовлетворить всем требованиям сразу непросто. Улучшая одно свойство стегоалгоритма можно ухудшить его другое свойство. Именно поэтому существует множество различных конкурирующих технологий, которые представлены на рынке и имеют место применения клиентами в различных ситуациях. Тем более с течением времени многие технологии устаревают и на их место с ростом мощности вычислительной техники появляются вс новые улучшенные алгоритмы внедрения ЦВЗ. Также существует множество встраиваемых модулей (plug-in), которые могут быть подключены к популярным медиаредакторам (как пример наиболее популярный редактор цифровых изображений Adobe Photoshop) и объединяют в себе различные алгоритмы встраивания ЦВЗ для разных ситуаций.
На данный момент множество технологий встраивания ЦВЗ хорошо используются в сети интернет, но не многие из алгоритмов имеют хорошие показатели защиты от внешних воздействий на контейнер. Поэтому эта область находится в постоянном развитии.
Как правило, различают три разных типа ЦВЗ: робастные, хрупкие и полухрупкие. Под робастностью понимается устойчивость ЦВЗ к различного рода воздействиям на стегоконтейнер. Такие ЦВЗ применяются для защиты авторских прав на интеллектуальную собственность, выставляемую в публичных компьютерных сетях. Хрупкие ЦВЗ разрушаются при незначительной модификации заполненного контейнера. Они применяются для аутентификации сигналов. Отличие от средств электронной цифровой подписи заключается в том, что хрупкие ЦВЗ все же допускают некоторую модификацию контента [11]. Это важно для защиты мультимедийной информации, так как законный пользователь может, например, пожелать сжать изображение.
Полухрупкие ЦВЗ устойчивы по отношению к одним воздействиям и неустойчивы по отношению к другим. Полухрупкие ЦВЗ специально проектируются так, чтобы быть неустойчивыми по отношению к определенного рода операциям. Например, они могут позволять выполнять сжатие изображения, но запрещать вырезку из него или вставку в него фрагмента.
ЦВЗ называют незаметным, если исходный и помеченный сигналы по определнным критериям восприятия неотличимы. Обычно легко сделать наджный или незаметный ЦВЗ. Но, как правило, тяжело сделать ЦВЗ незаметный и наджный одновременно.
ЦВЗ могут представляться в виде битовой последовательности, изображения или последовательности с плавающей точкой. Битовая последовательность является наиболее популярным видом ЦВЗ и представляется в виде строки ASCII символов или символов другой кодировки. В цифровое изображение или видеопоследовательность может встраиваться и дополнительное скрытое изображение, допустим с логотипом компании. Использование ЦВЗ в виде изображения выглядит не очень практично, так как идентификация различных логотипов является довольно непростой задачей. Последовательность, с плавающей точкой, как правило, имеет нормальный закон распределения, что делает ее схожей с обычным шумом. Такой ЦВЗ вычислительно сложно считывать из контейнера, но при этом он обладает хорошими показателями скрытности и представляется из распределнных чисел с плавающей точкой. Дополнительную вычислительную сложность добавляет превращение скрытого сообщения из этой последовательности чисел в читаемый вид.
Параметры алгоритма, влияющие на стойкость к внешним воздействиям
Встраивание ЦВЗ должно осуществляться исходя из условия обеспечения скрытности внедрения. Как было указано выше, для встраивания с целью защиты авторских прав не нужно предусматривать крайне высокий уровень скрытности. Ведь улучшение скрытности приведт к ухудшению стойкости к внешним воздействиям. Эти две характеристики находятся в зависимости друг от друга. Поэтому достаточно определить уровень допустимых искажений при встраивание. Процесс внедрения ЦВЗ должен учитывать свойства системы восприятия человека. Свойства СЧЗ можно разделить на две группы: низкоуровневые (физиологические) и высокоуровневые (психофизиологические). На текущий момент внимание стоит уделять обеим группам свойств. В прошлом высокоуровневые свойства редко рассматривались при построении алгоритмов встраивания [11]. В таблице 2.1 приведены основные свойства СЧЗ и обоснование влияния их на восприятие изображений человеком.
Чувствительность к контрасту Высококонтрастные участки изображения и перепады яркости обращают на себя большее внимание. Чувствительность к размеру Большие участки изображения заметнее меньших размером. Но существует порог насыщения, когда дальнейшее увеличение размера не существенно. Чувствительность к форме Длинные и тонкие объекты обращают большее внимание, чем круглые однородные. Чувствительность к цвету Некоторые цвета заметнее других. Этот эффект усиливается, если фон заднего плана отличается от цвета фигур на нем. Чувствительность к местоположению Человек склонен в первую очередь рассматривать центр изображения. Повышенное внимание к изображениям переднего плана Люди внимательнее к изображениям переднего плана, чем заднего. Чувствительность к внешним раздражителям Движение глаз наблюдателя зависит от конкретной обстановки, от полученных им перед просмотром или во время него инструкций, дополнительной информации.
При помощи построения гистограмм после внедрения ЦВЗ в изображения с различными коэффициентами силы встраивания можно увидеть изменения яркости и частотных характеристик. Гистограмма представляет собой график статистического распределения элементов цифрового изображения с различной яркостью, в котором по горизонтальной оси представлена яркость, а по вертикали — относительное число пикселей с конкретным значением яркости. Изучив гистограмму, можно получить общее представление о правильности экспозиции, контрасте и цветовом насыщении снимка, оценить требуемую коррекцию и при последующей обработке. Злоумышленник, имеющий при себе средства для профессиональной работы с изображениями, может достаточно легко увидеть несоответствия уровня яркости в изображении.
Для проведения оценки нужно выбрать алгоритм встраивания и осуществлять внедрение ЦВЗ в изображение меняя силу встраиваемого сигнала. На рисунке 2.7 приведено изображение без ЦВЗ и со встроенным ЦВЗ при помощи алгоритма Wang, где коэффициент силы встраивания увеличен в полтора раза по отношению к оптимальному, используемого в алгоритме
Также для оценки скрытности внедрения можно использовать метод экспертной оценки, однако он субъективен. Поэтому во всем мире используются более строгие математические методы. Большинство показателей искажения относятся к группе разностных показателей искажения. Эти показатели базируются на отличии между оригинальным контейнером и контейнером со встроенным ЦВЗ [12]. Наиболее распространенным среди них является метод вычисления пикового отношения сигнала к шуму, или peak signal to noise ratio (PSNR). Нужно произвести расчт соотношения между максимумом возможного значения сигнала и мощностью шума, искажающего значения сигнала. В качестве сигнала выступает изображение, а в качестве шума – ЦВЗ. При сопоставимых мощностях скрываемого сигнала и шума квалифицированным злоумышленником легко выявится факт наличия ЦВЗ. Следовательно, в стегосистемах приходится прятать скрываемый сигнал под большим по величине шумом прикрытия. PSNR определяется так: PSNR = ,J где m, n – размер изображения;
Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах. Нормальными значениями для изображений после сжатия являются значения в пределах от 25 до 50 дБ для разных групп изображений. Для тмных оптимальным значением является от 25 до 35 дБ, для средних по яркости этот диапазон будет от 30 до 40, а для светлых от 40 до 50 дБ. Достигнуть заданного уровня PSNR можно при помощи изменения коэффициента силы встраивания или размера встраиваемого сообщения. При невозможности достижения заданной величины PSNR, путем изменения выбранного параметра, необходимо определить предельное значение параметра. Было проведено исследование скрытности внедрения для алгоритмов Wang, Ouled-Zaid, Makhloufi & Olivier, Chirag-Ganesh и Li & Zhang. Для разных групп изображений было выявлено, что при встраивании одинаковых ЦВЗ при оптимальном указанном в алгоритме коэффициенте силы встраивания их отношение сигнала и шума с увеличением сжатия будет увеличиваться. Результаты показаны в таблице 2.2. Таблица 2.2 – Оценка скрытности внедрения Алгоритм Группа изображений Коэффициент качества JPEG 2000, % Соотношение сигнал/шум, дБ
Как можно увидеть из таблицы, внедрение ЦВЗ в изображения с большей степенью сжатия будет приводить к вс большей потери скрытности внедрения и выявлению артефактов от встраивания. При этом оптимальный рекомендуемый коэффициент силы встраивания у них различается друг с другом.
Оценка пропускной способности изображения-контейнера Изображения имеют разный объм, тип и количество областей, куда может быть внедрн ЦВЗ, учитывая условие обеспечения оптимального уровня скрытности внедрения. Кроме того, разные стегоалгоритмы будут осуществлять внедрение информации в строго определенные виды изображений и области в них. Изображения могут быть полутоновыми, бинарными, полноцветными и т. д. На рисунке 2.8 показаны различные типы изображений.
Разработанный для полутоновых изображений алгоритм может демонстрировать плохие показатели устойчивости или оказаться вовсе непригодным к использованию с цветными изображениями. Поэтому нужно при оценке заранее определиться с типом изображений и их пропускной способностью. Для дальнейших исследований я буду использовать именно цветные растровые изображения, потому как именно они чаще представляют коммерческую ценность и выставляются на продажу. Под пропускной способностью канала передачи скрываемых сообщений будем понимать максимальное количество информации, которое может быть вложено в один элемент контейнера исходя из условия сохранения найденного оптимального уровня скрытности, стойкости к внешним воздействиям и безошибочности детектирования. При этом ЦВЗ должен быть защищен от атак нарушителя, таких как попытки чтения скрываемых сообщений, преднамеренного ввода ложных сообщений или разрушения встроенной в контейнер информации без потери коммерческого вида контейнера. Разные изображения-контейнеры, могут иметь совершенно разные характеристики. Для получения адекватных результатов оценки устойчивости необходимо провести выбор подходящих изображений и провести анализ пропускной способности контейнера. Скрытая пропускной способность будет определяться как:
Потеря информации при квантовании для JPEG 2000
На втором этапе осуществляется этап обратного квантования при процессе декомпрессии JPEG 2000. Решетки должны быть сокращены для того, чтобы получить те же решетки, используемые при первом шаге процесса встраивания водяных знаков. Восстановление значений изображения со встроенным ЦВЗ х производится следующим образом: x [i] = sign(q[i])(\q[i]\ + S)A + dm[i][i], где b является параметром выбираемый пользователем в пределах 0 Ь 1 (обычно он равен 0.5).
Встраивание ЦВЗ осуществляется в различные части путей. ЦВЗ встраивается оптимально, применяя процедуру итераций с ограничением минимизации восприятия расстояния и поддержания постоянной надежности. Кодовое слово определяется с помощью корреляции, а не квантования. Таким образом, ЦВЗ будет иметь повышенную устойчивость к сжатию с потерями, и при этом сохранять высокую скрытность внедрения. Блок-схема алгоритма встраивания приведена на рисунке 3.6.
Блок-схема алгоритма встраивания ЦВЗ во время стадии квантования Процесс внедрения водяного знака осуществляется независимо для каждого блока коэффициентов подлежащих кодированию. Для того чтобы добавить больше надежности сообщению, его можно кодировать помехоустойчивым кодом. После этого перемешиваются псевдослучайно биты в закодированное сообщение с секретным ключом [17]. Для каждого кодового блока процедура квантования и встраивания ЦВЗ осуществляется следующим образом: 1. Вычисление смещений d0 и d1: мы используем псевдослучайный генератор для инициализации секретного ключа k и вычисления сдвигов. 2. Генерация групп 0 и 1 объединнных квантователей: для каждого перехода i мы сдвигаем квантователи. Мы помечаем ветви решетки для этих квантователей. 3. Обрезка рештки: решетка упрощается настолько, что все ветви, идущие через решетку, и все связанные с объединнными квантователями, кодируют сообщение m. Для каждого перехода, мы сохраняем ссылку на количество сохранившихся ветвей. Мы получим последовательность J. 4. Поиск оптимального пути: начальное состояние данной структуры решетки установлено в 0. Алгоритм Витерби применяется для того, чтобы найти минимальные искажения траектории. Вычисляются индексы квантования. Последовательности J объединены в последовательность J1. Полученная последовательность после кодируется и хранится в файле, который передается в совместный декодер как сторонняя информации.
Встраивание водяного знака завершается в течение обратного квантования на стадии декомпрессии JPEG2000. Битовый поток изображения декодируется EBCOT декодером, чтобы получить последовательность декодированных индексов квантования. Для каждого кодового блока выполняются следующие шаги обратного квантования:
Получение структуры решетки используемой на этапе квантования: генерируется структура решетки с четырьмя ветвями, проходящими через каждое состояние. Каждая ветвь решетки имеет после помеченные сдвиги квантователей и ссылки. Последовательность J позволяет получить обрезанные решетки, которые использовались на стадии квантования. Для каждого перехода i в решетке, обрезка определяется путем удаления ветвей, которые имеют ссылку не равную последовательность.
Обратное квантование: обрезанная решетка используется для восстановления вейвлет коэффициентов. Учитывая квантованные индексы, заканчивается встраивание водяного знака в ходе вычислений реконструированных вейвлет коэффициентов.
Учитывая, что мы производим встраивание, интегрированное в цепь кодирования JPEG 2000, будет увеличена скорость внедрения по сравнению с алгоритмами, которые не интегрированы в схему JPEG 2000. Но минусом подобного встраивания является то, что его можно использовать только при начальном сжатие изображения с потерями. Если включить режим без сжатия с потерями при преобразовании изображения, то режим квантования будет отключн и встраивание не будет произведено.
Алгоритм считывания ЦВЗ из изображения Для считывания сообщения нужно применить дискретное вейвлет преобразовании на изображение. Каждый поддиапазон, который имеет встроенное сообщение разбить на блоки такого же размера, как и при кодировании. Коэффициенты, принадлежащие текущему блоку, будут храниться в векторе. Для каждого обрабатываемого блока нужно извлечь с помощью секретного ключа сдвиги d0 и d1 и выполнить квантование на всю рештку. Это поможет идентифицировать путь, по которому даются минимальные искажения квантования между вектором и выходными кодовыми словами. Закодированное сообщение восстанавливается, после этого мы перемешиваем обратно биты и применяем расшифровку для получения исходного сообщения. Алгоритм считывания битов является обратным алгоритму встраивания. При этом сама схема не требует наличия оригинального изображения для нахождения коэффициентов, в которые произошло встраивание (слепая). Блок-схема алгоритма считывания ЦВЗ показана на рисунке 3.7.
Для оценки устойчивости созданного алгоритма будет использована методика из второй главы. Значения по разным изображениям будут усредняться. Для начала надо разобраться со значениями скрытности внедрения и оценкой пропускной способности. Результаты по оценке скрытности внедрения показаны в таблице 3.1.
Эти результаты оказались чуть хуже, чем у алгоритма Wang, при котором обеспечивается наиболее лучший уровень скрытности внедрения. Но они лучше, чем у остальных трх алгоритмов. Главное что они вписываются в оптимальные показатели для исследуемых групп изображений (для тмных от 25 до 35 дБ, для средних по яркости от 30 до 40, а для светлых от 40 до 50 дБ). Результаты оценки пропускной способности представлены в таблице 3.2.
Алгоритм показал наиболее высокие показатели скрытой пропускной способности, по сравнению с четырьмя исследуемыми алгоритмами из второй главы. Для анализа устойчивости к внешним воздействиям будут использованы те же изображения что и для исследуемых алгоритмов из второй главы. Было выбрано 4 светлых, 4 тмных и 4 средних по яркости растровых изображений с размерами 1000х800 пикселей. ЦВЗ будет представлять из себя псевдослучайную битовую строку в 1024 бит. В качестве исследуемых внешних воздействий было решено использовать зашумление изображения белым гауссовским шумом, масштабирование, сжатие JPEG 2000 с потерями, вырезание части и фильтрация. Надо сказать сразу, что изменение формата изображения на другой с сжатием с потерями по алгоритму, отличающегося от JPEG 2000, в рамки исследования не входит. На рисунке 3.8 показана оценка устойчивости ЦВЗ к сжатию с потерями для созданного алгоритма и алгоритмов, исследованных во второй главе.
Устойчивость ЦВЗ к фильтрации ((1) – алгоритм Ouled-Zaid, Makhloufi & Olivier, (2)– алгоритм Chirag-Ganesh, (3) – алгоритм Li & Zhang, (4) – алгоритм Wang, (5) – созданный алгоритм встраивания во время стадии квантования)
Устойчивость к этому виду внешнего воздействия также оказалась лучше, чем у всех исследуемых во второй главе алгоритмах.
Для анализа устойчивости к вырезанию части изображения был выбран диапазон изменения от 0 до 80 % с шагом в 10 %. Производилась вырезка части изображения слева направо, деля вертикально новую область для отсечения. Алгоритм оказался самым стойким из исследуемых при этом виде воздействия. Восстановить ЦВЗ удалось при вырезании 40 % изображения. 3.6 Методы повышения устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям на изображение-контейнер
Как можно увидеть из экспериментальных результатов, разработанный многокоэффициентный алгоритм встраивания ЦВЗ во время стадии квантования имеет высокие показатели устойчивости к исследуемым внешним воздействиям на изображение-контейнер. Показатель скрытности внедрения и пропускной способности при этом остался также на оптимальном уровне. Однако показатель устойчивости при сжатии с потерями JPEG 2000 оказался не таким высоким, как ожидалось, а превосходство по остальным оказалось незначительным по сравнению с текущими популярными решениями. Было решено исследовать возможность повышения устойчивости путм подбора оптимальных параметров при встраивании. Устойчивость можно повысить, разобравшись с такими параметрами как коэффициент силы встраивания, уровень вейвлет-разложения и используемые фильтры при ДВП.
В разработанном алгоритме за коэффициент силы встраивания отвечает такой параметр как шаг квантователя Л. Чем он выше, тем в большее количество коэффициентов будет проводиться встраивание посторонней информации. Это будет приводить к ухудшению качества изображения и поэтому важно следить за уровнем скрытности внедрения при увеличении этого параметра. В разработанном алгоритме применяется удвоенный оригинальный шаг квантования 2Д. Проведя исследование по увеличению шага квантователя был найден оптимальный размер 3А при котором не заметно ухудшение качества. Далее увеличивая шаг до 4А, появляются незначительное падение уровня скрытности внедрения. Ощутимый уровень падения скрытности внедрения и появления артефактов от встраивания появляется при увеличении шага в пять раз. 3.6.2 Выбор фильтров при ДВП
Вторым фактором позволяющим увеличить устойчивость к внешним воздействиям является выбор фильтров при ДВП. Для исследования влияния фильтров на устойчивость ЦВЗ были выбраны несколько различных фильтров: биортогональный фильтр Добеши 9/7 и ортогональные фильтры Хаара, Добеши 8, Добеши 2. Обычно в алгоритмах встраивания ЦВЗ используются фильтры Хаара, которые состоят всего из двух коэффициентов. Фильтр Хаара является простейшим двухкоэффициентным фильтром. Но такой выбор очень плохо повлияет на скрытность внедрения. В зависимости от длины фильтров, применяемых при ДВП и последующем восстановлении мы получим разное количество пикселей восстановленного изображения. Правильно подобранные фильтры позволят избежать потери качества изображения. Для исследования возможности повышения устойчивости к внешним воздействиям путм изменения фильтра при ДВП все условия встраивания ЦВЗ при разработанном алгоритме оставались стандартными, кроме использующихся при ДВП фильтров.
Применение методики повышения устойчивости для созданного алгоритма
Важным параметром является выбор уровня вейвлет разложения. С ростом уровня происходит уменьшение количества коэффициентов, которые могут быть использованы для встраивания бита ЦВЗ. Искажения от модификации единичного коэффициента проецируются на большее количество пикселей изображения, что может привести к нарушению скрытности встраивания ЦВЗ. Но для увеличения наджности ЦВЗ при достаточной пропускной способности изображения следует использовать как можно большую глубину разложения [16]. С увеличением глубины разложения уменьшается значение шага квантования, и поддиапазоны более глубокого уровня вейвлет разложения подвергаются меньшим изменениям при сжатии с потерями. Встраивание в LL поддиапазон даст больший уровень наджности ЦВЗ, но может привести к ухудшению качества при определнных высоких объмах информации для встраивания. Именно поэтому было решено не менять поддиапазоны для встраивания скрытой информации. Для представленного алгоритма было установлено, что 4х уровневое вейвлет разложение позволяет увеличить уровень устойчивости к внешним воздействиям и при этом удовлетворяет условию сохранения скрытности внедрения. Увеличение глубины разложения сопровождается при этом снижением пропускной способности. Однако для встраивая ЦВЗ, который хранит в себе малый объм информации об авторе и объекте выкладывания уменьшение пропускной способности не будет критичным.
Применение методики повышения устойчивости для созданного алгоритма Модифицировав коэффициенты силы встраивания для созданного алгоритма, увеличив уровень вейвлет-разложения до четырх и изменив фильтры при ДВП на Добеши 2 в цепи кодера JPEG 2000 удалось получить усовершенствованный алгоритм, при котором значительно повысилась устойчивость к внешним воздействиям без значительных потерь в скрытности внедрения. При этом открылась ещ более лучшая возможность повышения устойчивости. Увеличив шаг квантователя до 4 А, и оставив остальные найденные параметры, удалось избежать значительного падения скрытности из-за использования фильтров
Для оценки устойчивости использовались вс те же тестовые данные, что и для оригинального созданного алгоритма. Было выбрано 4 светлых, 4 тмных и 4 средних по яркости растровых изображений с размерами 1000х800 пикселей. ЦВЗ будет представлять из себя псевдослучайную битовую строку в 1024 бит. При использовании утроенного шага квантователя, фильтров Добеши 2 и четырхуровнего вейвлет-разложения значения по скрытности внедрения упало на 6 %, а пропускной способности на 7.7%. При использовании шага квантователя 4 А значение по скрытности упало на 8.6%, а пропускной способности на 9.5%. Искажения от встраивания лежат в пределах оптимальных показателей для групп изображений и будут незаметны для человека даже при высокой степени сжатия. Учитывая, что разработанный алгоритм показал наибольшие значения по пропускной способности из всех исследуемых, падение е ниже 10 процентов будет являться не существенным.
В ходе эксперимента с масштабированием ЦВЗ удалось извлечь при сжатии в 6 раз для алгоритма с использованием шага квантователя 4А. При использовании шага квантователя 3 A BER выше 0.12 наблюдается у изображений сжатых в 4 раза (что идентично при использовании изначальных параметров).
На рисунке 3.11 показана оценка устойчивости ЦВЗ к сжатию с потерями для оригинального созданного алгоритма и алгоритмов с учтом методов повышения устойчивости. Как можно увидеть, при применении методов повышения устойчивости стойкость ЦВЗ к сжатию значительно увеличивается и превосходит исследуемые до этого популярные алгоритмы встраивания. Это достаточно высокий показатель, можно сказать если изображение будет сжато выше этого уровня, то оно будет сильно искажено и потеряет коммерческую ценность.
Оценка устойчивости ЦВЗ к сжатию JPEG 2000 с потерями ((1) -оригинальный алгоритм, (2) - алгоритм с использованием шага квантователя 3 А,фильтров Добеши 2 и четырхуровнего вейвлет-разложения (3) - алгоритм с использованием шага квантователя 4 А,фильтров Добеши 2 и четырхуровнего вейвлет-разложения). При использовании алгоритма с шагом квантователя 4 А удалось увеличить стойкость к вырезанию части изображения до 50%. Использование алгоритма с утроенным шагом квантования улучшений в этом виде воздействий не принесло.
На рисунке 3.12 показаны результаты устойчивости ЦВЗ к гауссовскому зашумлению изображения. Результаты при использовании методов повышения устойчивости значительно превосходят результат для начального алгоритма. BER=0.12 при оригинальном алгоритме достигается при отклонение в 30 пунктов, при использование шага квантователя 3А предельное отклонение составило 43 пункта, а при использовании шага квантователя 4 А предельное отклонение повысилось до значения в 71 пункт. Если изображение будет зашумлено выше этого уровня, то оно будет сильно искажено и потеряет коммерческую ценность. Рисунок 3.12 - Оценка устойчивости ЦВЗ при зашумлении ((1) - оригинальный алгоритм, (2) - алгоритм с использованием шага квантователя 3 А ,фильтров Добеши 2 и четырхуровнего вейвлет-разложения (3) - алгоритм с использованием шага квантователя 4 А ,фильтров Добеши
2 и четырхуровнего вейвлет-разложения). На рисунке 3.13 показаны результаты устойчивости ЦВЗ к фильтрации при использовании контрастного фильтра. Устойчивость к этому виду внешнего воздействия также увеличилось при использовании разработанных методов встраивания. BER=0.12 при оригинальном алгоритме достигается при отклонении в 55 пунктов, при использование шага квантователя 3 А предельное отклонение составило 77 пунктов, а при использовании шага квантователя 4 А предельное отклонение повысилось до значения в 83 пункта. При более высоком значении фильтра изображение будет не реалистичным и потеряет коммерческую ценность.
