Содержание к диссертации
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА I. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ СТЕГАНОАЛГОРИТМОВ К JPEG
СЖАТИЮ С ПОТЕРЯМИ 11
1.1 Введение в предметную область 11
Требования предъявляемые к ЦВЗ' 11
Типы ЦВЗ 15
1.1.3 Типыютеганоконтейнеров 16
Область применения ЦВЗ 16
Встраивание ЦВЗ 18
Детектирование ЦВЗ 20
1.2 Анализ и выбор алгоритмов встраивания ЦВЗ 21
1.2.1 Выбор преобразования для скрытия данных 21
Скрытие данных в коэффициентах матрицы ДКП 23
Стеганолгоритмы сокрытия данных в коэффициентах ДКП 24'
1.3 Модель анализа угроз и оценки устойчивости стеганосистем 27
1.3.1 Влияние сжатия JPEG на целостность ЦВЗ 28
1.4 Методика сравнительной .оценки устойчивости стеганоалгоритмов 29
Управление параметрами стеганоалгоритмов 30
Сила встраивания .' 30
Скрытность внедрения .... 31
Оценка устойчивости 33
1.5 Алгоритм сравнительной оценки устойчивости стеганоалгоритмов 34
Выбор изображения контейнера 34
Задание пользовательских параметров 36
Генерация встраиваемой информации ' 36
Встраивание информации 36
Определение скрытности внедрения и цикл управления данным параметром 37
Определение коэффициента качества JPEG и сжатие изображения контейнера 37
Извлечение встроенной информации вычисление BER ' 37
Построение результирующего графика 38
1.6 Практические результаты анализа устойчивости стеганоалгоритмов к
JPEG сжатию 38
ВЫВОДЫ 41
ГЛАВА П. АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ JPEG СЖАТИЯ НА ЦВЗ. -
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СТЕГАНОАЛГОРИТМОВ...; 42
2.1 Характеристики коэффициентов матрицы ДКП для естественных
полутоновых изображений 42
2.2 Анализ деградирующее воздействие JPEG сжатия на ЦВЗ .../ 46
2.2.1 Кодирование изображения. Алгоритм JPEG ..46
Потеря информации при трансформации кодирующего неравенства в равенство 58
Потеря информации при изменении знака кодирующего неравенства 61
Анализ условий устойчивости ЦВЗ к JPEG сжатию 62
Теоретический предел устойчивости стеганоалгоритмов к JPEG сжатию
ВЫВОДЫ 67
ГЛАВА III. МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ
ЦВЗ ПРИ JPEG СЖАТИИ 69
3. 1 Метод повышения устойчивости ЦВЗ путем выбора коэффициентов
встраивания в области низкочастотных компонент 69
Практическое повышение устойчивости стеганоалгоритмов ДКП области встраивания 74
Разработка однокоэффициентного стеганоалгоритма встраивания 76
3.3.1 Теоретическая устойчивость однокоэффициентного
стеганоалгоритма к JPEG сжатию 77
3.4 Анализ устойчивости однокоэффициентного стеганоалгоритма к
внешним воздействиям 79
Сравнительная устойчивость однокоэффициентного стеганоалгоритма к фильтрации ' 80
Сравнительная устойчивость однокоэффициентного стеганоалгоритма к JPEG сжатию с потерями 81
Устойчивость однокоэффициентного стеганоалгоритма к масштабированию 82
ВЫВОДЫ. 84
ГЛАВА IV. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ \
СТЕГАНОСИСТЕМ НА ОСНОВЕ ОДНОКОЭФФИЦИЕНТНОГО
СТЕГАНОАЛГОРИТМА 85
4.1 Использование однокоэффициентного алгоритма для цветных
изображений контейнеров 85
4.2 Снижение уровня вносимых искажений при внедрении ЦВЗ 88
Метод дополнительных интервалов .' 90
Метод корреляции битовой последовательности 90
4.3 Повышение стойкости к детектированию 92
4.4 Увеличения пропускной способности стегано канала 94
ВЫВОДЫ 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 99
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 105
ЛИТЕРАТУРА 109
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ДКП дискретно косинусное преобразование.
СЧЗ система человеческого зрения.
НЧ низкочастотный (компонент).
ПКЛ преобразование Карунена-Лоева.
ПФ преобразование Фурье.
ЦВЗ цифровой водяной знак.
ASCII American Standard Code for Information Interchange -
американский стандартный код для обмена информацией JPEG стандарт сжатия с потерями для неподвижных
полноцветных видеоизображений на основе алгоритма
дискретно косинусного преобразования с коэффициентом
компрессии более25:1. RGB Red-Green-Blue - «красный-зеленый-синий» - основная
палитра, используемая в программировании и
компьютерной графике.
Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из сфер применения стеганографических алгоритмов является защита авторских прав или прав собственности для продуктов мультимедиа индустрии с использованием цифровых водяных знаков (ЦВЗ). Стеганоалгоритмы, решающие задачи защиты авторских прав, должны обладать повышенной устойчивостью к внешним воздействиям или атакам на защищаемый контейнер. Если в качестве защищаемого контейнера выступает цифровое изображение, то, помимо устойчивости внедренной информации, стеганоалгоритм должен обеспечивать скрытность.
Существует множество внешних воздействий, которым может быть подвергнуто изображение. Часть из этих воздействий имеет специфический характер и вероятность их применения в ходе коммерческого использования изображения не велика. К таким воздействиям можно отнести различного рода зашумления, фильтрации, изменение геометрии, смену палитры и т.д. Другая же часть воздействий, напротив, очень распространена именно при коммерческом использовании изображения. Это обрезка, фрагментация, перевод в другой цифровой формат, масштабирование и сжатие с потерями.
JPEG сжатие является одним из наиболее распространенных алгоритмов сжатия цифровых изображений. Популярность алгоритма обусловлена высокими показателями сжатия и качества изображения. Несмотря на высокое качество сжатого изображения, алгоритм JPEG является алгоритмом сжатия с потерями. Следовательно, при сжатии некоторая, иногда очень значительная, часть информации необратимо теряется. При этом всегда остается вероятность того, что потеря информации изображения-контейнера приведет и к потере встроенного в него ЦВЗ.
Поэтому, задача создания методов и алгоритмов, использование которых при построении стеганографических систем защиты авторских прав для
цифровых изображений может гарантировать целостность ЦВЗ при JPEG сжатии, является актуальной.
В результате анализа устойчивости современных стеганоалгоритмов к JPEG сжатию был сделан следующий вывод: необходимо разработать алгоритмы и методы, повышающие способность встроенной информации противостоять деградирующему воздействию» JPEG сжатия даже при использовании низкого коэффициента качества JPEG. Внедрение методов реализованных в виде программного комплекса, позволит сократить потери от незаконного использования цифровых изображений, являющихся интеллектуальной собственностью.
Предметом исследования является устойчивость встроенной информации^ JPEG сжатию с потерями.'
Целью работы является разработка методов и алгоритмов позволяющих гарантировать целостность информации; внедренной в изображение-контейнер, при воздействии JPEG сжатия с потерями.
Для достижения поставленной цели необходимо* решить следующие
задачи:
1. Разработать методику сравнительного анализа устойчивости
различных стеганоалгоритмов;
2. Провести анализ устойчивости к JPEG сжатию стеганоалгоритмов на
основе дискретно-косинусного преобразования (ДКП);
Провести анализ воздействия JPEG сжатия на внедренный ЦВЗ и определить пределы устойчивости стеганоалгоритмов;
Разработать методы и алгоритмы повышения устойчивости ЦВЗ к JPEG сжатию с потерями при условии использования низкого коэффициента качества JPEG.
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:
Разработана методика сравнительного анализа устойчивости стеганоалгоритмов к JPEG сжатию с потерями;
Проведен анализ устойчивости стеганоалгоритмов на основе ДКП к JPEG сжатию с потерями;
Выведены формулы для теоретической оценки устойчивости стеганоалгоритмов к JPEG сжатию с потерями;
Проведен расчет теоретического предела устойчивости встроенной информации для стеганоалгоритмов использующих коэффициенты среднечастотных компонент;
Разработан метод повышения устойчивости ЦВЗ к JPEG* сжатию путем выбора коэффициентов встраивания в области низкочастотных компонент.
Практическая ценность.
Проанализирована устойчивость стеганоалгоритмов на основе ДКП к JPEG сжатию с потерями; ;
Проанализированы характеристики матрицы ДКП для полутоновых естественных изображений и анализ воздействия JPEG сжатия на информацию, внедренную в коэффициенты матрицы ДКП;
Разработан однокоэффициентный стеганоалгоритм встраивания ЦВЗ с повышенной устойчивостью к JPEG сжатию;
Разработаны рекомендации к практическому построению стеганосистем на основе однокоэффициентного стеганоалгоритма.
Внедрение результатов работы.
Материалы диссертации использованы при разработке методического пособия для учебного процесса в ВУЗе по дисциплине «Криптографические методы и средства обеспечения информационной безопасности».
Основные результаты работы внедрены в Учреждение Российской Академии наук Института Земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН Санкт-Петербургский филиал (СПбФ ИЗМИР АН) и в учебный процесс на кафедре' «Проектирования компьютерных систем» СПбГУ ИТМО.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных
работ, в том числе 4 входящие в перечень, рекомендованный ВАК РФ для защиты кандидатских диссертаций. Также выигран грант.
Апробация работы. Основные положения диссертации, докладывались и обсуждались на V-ой и VI-ой Всероссийской межвузовской^ конференции молодых ученых, а также на международных научно-технических конференциях "Интеллектуальные системы (AIS'08)" и "Интеллектуальные САПР (CAD-2008)". Полученные результаты нашли свое развитие в отчетных материалах по персональному гранту в «Конкурсном отборе для предоставления субсидий в виде грантов для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук- вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, в 2008 году».
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика сравнительного анализа устойчивости стеганоалгоритмов к JPEG сжатию с потерями;
Метод определения предела устойчивости к JPEG сжатию встроенной' информации для стеганоалгоритмов, использующих коэффициенты среднечастотных компонент;
Метод повышения.устойчивости ЦВЗ путем выбора коэффициентов встраивания в области низкочастотных компонент;
Однокоэффициентный стеганоалгоритм встраивания ЦВЗ с повышенной устойчивостью к JPEG сжатию;
Методологические основы построения стеганосистем на основе однокоэффициентного стеганоалгоритма, включающие в себя выбор коэффициента силы встраивания, повышение скрытности, повышение стойкости к детектированию, использование стеганоалгоритма для цветных изображений.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 60 наименований, 2-х приложений, изложена на 115 страницах, содержит 31 рисунок и 3 таблицы.
