Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор состояния вопроса методов встраивания и идентификации скрытых водяных знаков в изображение
1.1 Обзор состояния вопроса 12
1.1.1 Классификация ЦВЗ 14
1.1.2 Требования к ЦВЗ 17
1.1.3 Типы стеганоконтейнеров 19
1.1.4 Область применения ЦВЗ 19
1.1.5 Встраивание ЦВЗ 21
1.1.6 Детектирование ЦВЗ 23
1.2 Анализ и выбор алгоритмов встраивания ЦВЗ 24
1.2.1 Выбор преобразования для скрытия данных 26
1.2.2 Скрытие данных в коэффициентах матрицы ДКП 27
1.2.3 Стегано алгоритмы сокрытия данных в коэффициентах ДКП 28
1.2.4 Преобразование данных в пространственной области 29
1.2.5 Встраивание ЦВЗ в области преобразования 29
1.2.6 Алгоритмы на основе квантования 30
1.2.7 Алгоритмы, использующие фрактальное преобразование 32
1.3. Метод встраивания и идентификации скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии 33
1.3.1 Цифровая голография 34
1.3.2 Алгоритм встраивания и идентификации скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии 37
Выводы 40
ГЛАВА 2 Метод построения голограм основе дискретного косинусного преобразования в задаче встраивания скрытых водяных знаков 41
2.1 Принцип устранения избыточности в цифровой голограмме водяного знака 41
2.2 Построение голограмм на основе дискретного косинусного преобразования для встраивания скрытых водяных знаков 45
2.3 Оценка отношения сигнал/шум при восстановлении скрытых водяных знаков 46
Выводы 55
ГЛАВА 3. Метод компенсации пространственно-частотной характеристики при встраивании скрытых водяных знаков в фотоизображение 56
3.1 Технология встраивания скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии 56
3.2 Размещение цифровых водяных знаков относительно ФПМ сквозного тракта ОЭС 57
3.3 Размещение цифровых водяных знаков относительно пространственного спектра изображения-контейнера 63
3.4 Компенсация передаточной характеристики сквозного тракта ОЭС 69
3.5 Программно-аппаратный комплекс для встраивания скрытых водяных знаков в фотоизображение 75
Выводы 78
ГЛАВА 4. Метод сжатия динамического диапазона цифровых голограмм фурье в задаче встраивания скрытых водяных знаков 79
4.1 Технология встраивания скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии 79
4.2 Анализ зависимости динамического диапазона интенсивности цифровой голограммы с рассеивателем от коэффициента усиления водяного знака 80
4.3 Исследование логарифмического сжатия амплитуды интенсивности цифровой голограммы Фурье с рассеивателем 85
Выводы 93
Заключение 95
Литература
- Область применения ЦВЗ
- Алгоритмы на основе квантования
- Построение голограмм на основе дискретного косинусного преобразования для встраивания скрытых водяных знаков
- Анализ зависимости динамического диапазона интенсивности цифровой голограммы с рассеивателем от коэффициента усиления водяного знака
Область применения ЦВЗ
В алгоритмах используются идеи, заимствованные из области кодирования изображений. Лучшие фрактальные кодеры незначительно превосходят по эффективности сжатия алгоритм JPEG и значительно уступают алгоритму JPEG2000. Важным преимуществом фрактального метода сжатия для многих приложений является его резкая асимметричность, т.е. время кодирования заметно больше времени декодирования.
Основная идея метода сжатия заключается в поиске последовательности аффинных преобразований (поворот, сдвиг, масштабирование), позволяющих аппроксимировать блоки изображения малого размера (ранговые) блоками большего размера (доменами). То есть считается, что изображение самоподобно. Эта последовательность преобразований всех блоков и передается декодеру. Будучи примененными к любому изображению, эти преобразования дают в результате искомое изображение. Фрактальное кодирование может рассматриваться, как разновидность векторного квантования, причем в качестве кодовой книги выступают различные фрактальные преобразования. В качестве ЦВЗ выступает строка бит. Секретным ключом выступает ранговый блок. Число ранговых блоков есть верхняя граница для числа встраиваемых бит. Доменный пул делится на две части: одной будет соответствовать внедрение единиц, другой - внедрение нулей.
ЦВЗ добавляется следующим образом. Для выбранного в соответствии с ключом рангового блока в доменном пуле ищется соответствующий блок. Если надо встроить 1, поиск выполняется в одной части пула, если О-в другой части. Для ранговых блоков, в которые не встраивается биты ЦВЗ, поиск осуществляется во всем доменном пуле. После фрактального кодирования изображения осуществляется его декодирование для получения исходного изображения [21-24]. Декодер знает секретный ключ и выполняет обратные преобразования, восстанавливая ЦВЗ.
Метод встраивания и идентификации скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии
Технология обеспечивает объединение объекта идентификации и средства защиты (скрытого ВЗ) в единое целое. В фотографию владельца документа встраиваются скрытые ВЗ, т.е. информация, позволяющая идентифицировать образ владельца на этапе проверки документа. Событие подмены объекта идентификации становится условно зависимым относительно средства защиты. Таким образом, реакцией на подмену фотографии будет заключение о подделке документа. При этом, сам факт внедрения информации является скрытым.
Разработан метод встраивания скрытых цифровых ВЗ в фотографии [25]. Дана физическая интерпретация процессов встраивания и визуализации скрытых ВЗ. Установлено, что вне зависимости от того, в какой области, пространственной или частотной, выполняется встраивание ВЗ, в основе этих методов лежит интерференция между волновым полем, рассеянным ВЗ и пространственной несущей. Процесс восстановления объекта сопровождается появлением действительного и мнимого изображения. Также установлено, что спектральные сигналы ВЗ должны удовлетворять условию узкополосности, т.е. быть гильбертовыми сигналами. В этом случае, вещественная и мнимая компоненты комплексной голограммы ВЗ связаны между собой преобразованием Гильберта. Для встраивания ВЗ достаточно рассчитать либо только вещественную, либо только мнимую компоненту голограммы. Соответственно, для восстановления ВЗ из голограммы достаточно получить или только вещественную, или только мнимую часть преобразования Фурье комплексной голограммы.
Положительный опыт удачного применения фотографических носителей для записи оптических голограмм доказывает целесообразность и перспективность практического использования скрытых ВЗ для защиты фотографий. Метод обеспечивает эффективное параметрическое управление процессами создания, встраивания и извлечения ВЗ.
Алгоритмы на основе квантования
Из рассмотрения энергетических спектров на рис. 3.12 6), рис. 3.13 б) и рис. 3.14 б) видно, что размещение водяных знаков в низкочастотной области приводит к перекрытию восстановленных сигналов водяных знаков и спектральных составляющих изображения-контейнера (рис. 3.12 а) ). Очевидно, что наилучшим вариантом будет размещение в области высоких частот (рис. 3.14 а) ). Последний вывод также подтверждается расчетами метрики (3.2), которая характеризует величину абсолютных искажений изображения-контейнера, связанных с размещением водяных знаков. В таблице 3.1 представлены оценки квадратичной метрики (3.2) для трех вариантов размещения водяных знаков: в низкочастотной (НЧ) области, среднечастотной (СЧ) и высокочастотной (ВЧ) областях, соответственно.
Компенсация передаточной характеристики сквозного тракта ОЭС Исследования по размещению водяных знаков относительно ФПМ, с одной стороны, и относительно пространственного спектра изображения-контейнера, с другой стороны, выявили противоположные тенденции при выборе области пространственного спектра. Учет влияния ФПМ приводит к заключению о более эффективном размещении водяных знаков в области НЧ. Учет же влияния сигнала водяного знака на качество воспроизведения изображения контейнера говорит о том, что наименьшие искажения будут в области ВЧ.
Многообразие реальных сцен и отличия параметров ОЭС, используемых для встраивания водяных знаков не позволяют получить однозначного решения. Вместе с тем, свойство сосредоточения энергии реальных изображений в области НЧ и монотонно-убывающая характеристика ФПМ сквозной ОЭС, вне зависимости от параметров ОЭС, позволяет ориентироваться на область средних частот при выборе места размещения сигналов водяных знаков. При этом, предельная область размещения определяется разрешением ОЭС. Таким образом, для расчета функции компенсации C(u,v) воздействия ФПМ, необходимо вычислить обратную функцию распределения R(u,v) и выделить пространственный участок D в области средних частот:
На рис. 3.15 представлен пример выполнения процедуры по формуле (3.4) при восстановлении голограммы, встроенной в изображение s(x,y) без искажения в тракте ОЭС. Диагональное распределение обратной функции l/R (u-N,v-M) отражено на рис. 3.15 изменением полутонов от темных значений в области низких частот к более светлым полутонам в области высоких частот. Рис. 3.15. Восстановленное изображение после выполнения процедуры компенсации
На рис. 3.16 и на рис. 3.17 представлены результаты экспериментов по компенсации искажений распределения интенсивности голограммы в тракте ОЭС. На рис. 3.16 и на рис. 3.18 представлены результаты восстановления водяных знаков искаженных ФПМ, а на рис. 3.17 и на рис. 3.19 показаны результаты априорной компенсации ФПМ в соответствие с выражением (4). В качестве изображения-контейнера использовалось тестовое изображение "lenna". Рис. 3.16 Результат восстановления искаженной действием ФПМ изображения голограммы ВЗ
Для оценки результатов метода компенсации ФПМ сквозного тракта ОЭС воспользуемся корреляционной оценкой сигнала водяного знака, формула, которой была представлена в первом разделе для оценки отношения сигнал/шум: С/Ш= j\[W(u)v)-a][Wl(u,v)-a]]dudv/jjs2(x,y)dxdy (3.5) где W(u,v) и W\(u,v) сравниваемые сигналы водяного знака, а и. а\ — средние сигналов W и Щ, соответственно. Учитывая, что отношение сигнал/шум определяется по пиковому значению, ковариация (3.5) вычисляется для момента полного совмещения исходного изображения водяного знака W и восстановленного изображения W\. Результаты расчетов отношения С/Ш представлены в табл. 3.2. Чтобы уровнять условия по коэффициенту усиления, при выполнении компенсации, коэффициент усиления в последнем случае уменьшался на значение, соответствующее значению C(ii,v) в середине области определения D.
Технология для голографического встраивания скрытых водяных знаков в фотоизображение обеспечивает объединение идентификации (фотография владельца документа) и средства защиты (скрытого водяного знака) в единое целое. В фотографию владельца документа внедряются водяные знаки, то есть информация, позволяющая идентифицировать владельца на этапе проверки документа. Событие подмены объекта идентификации (фотографии) относительно наличия средства защиты становится условно зависимым. Сам факт внедрения информации при этом является скрытым. Реакцией на подмену фотографии будет заключение о подделке документа. Принятие решения о принадлежности документа основывается на воспроизведении изображения водяного знака. Наличие изображения водяного знака является более убедительным документом идентификации, чем, например, обнаружение некоторого формального числа или характеристики.
На техническом уровне в фотографию внедряются не сами скрытые водяные знаки, а цифровые голограммы водяных знаков. При повышении требований к степени защиты, водяной знак предварительно шифруется и образует двухмерную криптограмму. Процесс идентификации, в этом случае, будет выполняться в два этапа. На первом этапе потребуется обнаружить сокрытую информацию - шумоподобную криптограмму среди прочего
Построение голограмм на основе дискретного косинусного преобразования для встраивания скрытых водяных знаков
Технология голографического способа встраивания скрытых водяных знаков в фотографическое изображение состоит из двух самостоятельных процессов. Первый процесс включает собственно процедуру встраивания, которая осуществляется программным путем и процедуру регистрации изображения с водяным знаком на фотоносителе.
Наибольшие искажения изображения водяного знака на этом этапе обусловлены воздействием передаточной (пространственно-частотной) характеристики системы фотографической регистрации: фотопринтера и фотоносителя, а так же шумами гранулярности фотоматериалов.
Второй процесс включает процедуру сканирования и оцифровки фотоносителя, содержащего скрытый водяной знак и программную процедуру цифрового восстановления голограммы. Наибольшие искажения связаны с действием пространственно-частотной передаточной характеристики и шумами дискретизации фото-сканера (ПЗС камеры).
Априорное знание функции передачи модуляции (ФПМ) физических систем, позволяет охарактеризовать передаточную функцию сквозного тракта фотопринтер-фотоноситель-фотосканер как монотонно-убывающую функцию.
Настоящий раздел посвящен разработке метода для компенсации воздействия передаточной характеристики сквозного тракта оптико электронной системы (ОЭС) фотопринтер-фотоноситель-фотосканер при встраивании и восстановлении скрытых водяных знаков.
Размещение цифровых водяных знаков относительно ФПМ сквозного тракта ОЭС Полный каскад ФПМ ОЭС фотопринтер-фотоноситель-фотосканер представляет собой произведение ФПМ фоторегистрирующего устройства, ФПМ фотоносителя и ФПМ фотоприемника. При этом, определяющими параметрами сквозной ФПМ, влияющими на вид пространственно-частотной характеристики, являются шаг фоторегистратора по строке и по кадру и размер фоточувствительных элементов ПЗС по строке и по кадру. При этом справедливо полагать, что вклад искажений качественных оптических элементов сквозного тракта не существенен, а оптическая передаточная функция (ОПФ) близка к дифракционно-ограниченной в области определения сквозной ФПМ. На рис. 3.1 представлена типовая ФПМ тракта ОЭС цифровой камеры на ПЗС матрице с размером элемента 4.25x3.55 микрона. 4.25x3.55 микрона Очевидно, что с точки зрения уменьшения воздействия передаточных характеристик ОЭС на изображение водяного знака, последний следует размещать в низкочастотной области ФПМ сквозного тракта ОЭС. Анизотропия сквозной ФПМ ( хотя и незначительная), связанная с пространственным различием по кадру и строке, предполагает диагональное размещение водяных знаков. На рис. 3.2 представлена двумерная ФПМ сквозного тракта.
Цифровая голограмма Фурье с рассеивателем. при размещении сигнала водяного знака в низкочастотной области, где F-оператор преобразования Фурье. Значение трансформант М и N равно 17, размерность бинарного водяного знака составляет D=64x64 дискретных отсчетов, а размерность поля голограммы равно 256x256 отсчетов.
Физическое моделирование воздействия ФПМ тракта ОЭС на процесс встраивания сигнала водяного знака описывается выражением hi(x,y) = F-l{F{h(x,y)}R(u,v)}, где R(u,v) - сквозная функция передачи модуляции тракта ОЭС (рис. 3.2), h\{x,y) - искаженное распределение интенсивности в голограмме. Восстановление искаженной голограммы h\{x,y) представлено на рис. 3.5 б) и осуществляется в соответствии с обратной процедурой:
Физическое моделирование процесса встраивания водяных знаков в среднечастотной и высокочастотной областях сквозной ФПМ, представлено результатами восстановления бинарных водяных знаков на рис. 3.6 а) и рис. 3.6 б) соответственно. Рис. 3.6 Результаты восстановления водяных знаков, а - при размещении в среднечастотной области ФПМ, б - при размещении в высокочастотной области ФПМ
Значение трансформант Ми TV на рис. 3.6 а) равно 49, а на рис. 3.6 б) равно 63. Диагональные сечения амплитуды восстановленных сигналов, для значений трансформант равных 17, 49 и 63 дискретных отсчетов, представлены на рис. 3.7 а), рис. 3.7 б) и рис. 3.7 в) соответственно. ч
Полученные результаты восстановления водяных знаков продемонстрировали динамику амплитудных искажений водяных знаков, связанных с влиянием ФПМ тракта ОЭС. Степень подавления амплитуды сигнала увеличивается с увеличением частоты пространственного спектра и функционально связана с ФПМ. 3.3. Размещение цифровых водяных знаков относительно пространственного спектра изображения-контейнера
Энергетический спектр подавляющего числа реальных изображений является анизотропным, а энергия сосредоточена в области низких частот. Сосредоточение большей части энергии в области низких пространственных частот объясняется сильной статистической зависимостью соседних элементов реальных изображений. Анизотропия спектров обусловлена тем, что реальные объекты находятся в поле тяготения, из-за чего преобладают вертикальные и горизонтальные контуры. На рис. 3.8 представлено изображение загородного дома, а на рис. 3.10 показано тестовое изображение "lenna". На рис. 3.9 и на рис. 3.11 представлены соответствующие энергетические спектры этих изображений. Для визуализации спектров осуществлялось вычисление квадратного корня.
Анализ зависимости динамического диапазона интенсивности цифровой голограммы с рассеивателем от коэффициента усиления водяного знака
Представленные расчеты и графики показывают наличие устойчивой линейной зависимости стандартного отклонения интенсивности голограммы Фурье от коэффициента усиления водяного в довольно широком диапазоне изменений этого коэффициента, что позволяет интерполировать требуемое сжатие амплитуды интенсивности в голограмме Исследование логарифмического сжатия амплитуды интенсивности цифровой голограммы Фурье с рассеивателем
Во многих задачах обработки изображений широко используются нелинейные преобразования, которые подчиняются обобщенному принципу суперпозиции и получили название гомоморфных систем [36-39] обработки сигналов. Применение гомоморфной обработки изображений, в целях улучшения восприятия (повышения качества), позволяет с одной стороны повысить контрастность, а с другой стороны сжать динамический диапазон [37, 40]. Последнее положение справедливо для мультипликативной модели изображения, когда отражательная компонента интенсивности в значительной степени зависит от уровня внешней освещенности. Несмотря на это, гомоморфная обработка нашла применение во многих приложениях, связанных со сжатием динамического диапазона, например, звуковых сигналов. Методология в названных выше примерах известна -логарифмическое преобразование мультипликативного сигнала обеспечивает получение линейной суперпозиции множителей.
Применительно к задаче уменьшения динамического диапазона интенсивности цифровых голограмм, важным постулатом гомоморфной обработки является операция логарифмирования или вычисления степенной функции вида yFlq , где plq 1. Как известно, эти операции имеют схожие характеристики. Как логарифмическая функция, так и степенная функция приї plq 1, обеспечивают более сильное снижение уровня сигналов с большей амплитудой по сравнению с сигналами незначительной амплитуды. При этом, программная реализация и параметрическое управление степенным преобразованием оказывается более гибким и удобным, чем при непосредственном вычислении логарифма интенсивности.
Чтобы оценить искомую зависимость, исследуем изменение стандартного отклонения интенсивности цифровой голограммы с рассеивателем и изменение отношения С/Ш при восстановлении голограммы от величины коэффициента усиления водяного знака. Для встраивания водяных знаков W{u,v) в предметной области будем использовать формулу: где, s(x,y) - результирующее изображение со встроенной голограммой водяного знака, g(x,y) - изображение контейнер, h(x,y) - цифровая голограмма Фурье, рассчитанная по формуле (4.1), которая имеет явную зависимость от коэффициента усиления b, f - функция логарифмического преобразования интенсивности голограммы. Для оценки отношения С/Ш воспользуемся формулой, которая была представлена в первом разделе для оценки отношения сигнал/шум: С/Ш= [W(u,v) a]\wx(ii,v)-ax\dudvj \\s2(x,y)dxdy , (4.3) где W(u,v) и W\ (u,v) сравниваемые сигналы водяного знака, а и а.\ средние сигналов W и W\, соответственно. Учитывая, что отношение сигнал/шум определяется по пиковому значению, ковариация (4.3) вычисляется для момента полного совмещения исходного изображения водяного знака W и восстановленного изображения W\. В таблице 4.2 представлены результаты оценки зависимости стандартного отклонения распределения интенсивности в голограммах с рассеивателем и зависимости отношения С/Ш при восстановлении водяных знаков от величины изменения коэффициента усиления сигнала водяного знака Ъ.
В таблице 4.2, столбцы значений СКОї и СКОг являются средними значениями стандартного отклонения интенсивности голограмм для двух случаев: без применения амплитудного преобразования, и с применением степенного преобразования вида соответственно. h (х,у) = у hplq(x,y) (4.4) Таблица 4.2. Оценки стандартного отклонения интенсивности голограмм Фурье с рассеивателем и отношения С/Ш при восстановлении водяных знаков.
Параметр ут определяется по формуле ут = BJBmpq , и представляет собой, как мы увидим ниже, угол наклона искомой зависимости, где Вт-максимальное значение амплитуды интенсивности голограммы, hm(x,y) -голограмма после нелинейного амплитудного преобразования. Столбцы значений С/Ш] и С/Ш2 являются средними значениями отношения сигнал/шум для этих двух случаев, соответственно. Результаты экспериментов в таблице 2, получены при р=5, q=&, ут=2Л5, трансформанте несущей частоты равной 48, и размерности водяного знака равной 32x32 точек. В качестве контейнера использовалось тестовое изображение "lenna" размерностью 256x256 точек. На рис. 4.4 а) представлено изображение-контейнер со встроенной голограммой водяного знака без предварительного преобразования интенсивности, а на рис. 4.4 б)
