close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ВСТРАИВАНИЯ ЦИФРОВЫХ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ К ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ НА ИЗОБРАЖЕНИЕ-КОНТЕЙНЕР.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Трегулов Тимур Саидович
МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ВСТРАИВАНИЯ ЦИФРОВЫХ ВОДЯНЫХ
ЗНАКОВ ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ К ВНЕШНИМ
ВОЗДЕЙСТВИЯМ НА ИЗОБРАЖЕНИЕ-КОНТЕЙНЕР
Специальность 05.13.19 – Методы и системы защиты информации,
информационная безопасность
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2014
Работа
выполнена
в
федеральном
государственном
автономном
образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский
национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Коробейников Анатолий Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Нырков Анатолий Павлович, государственный
университет морского и речного флота имени
адмирала С. О. Макарова, заведующий кафедрой
«Комплексное обеспечение информационной
безопасности»
кандидат технических наук
Липатов Алексей Леонидович, ООО «КомпТорг»,
заместитель генерального директора
Ведущая организация:
Поволжский государственный технологический
университет
Защита состоится 17сентября 2014 г. в 15:50 в ауд. 461 на заседании
диссертационного совета Д 212.227.05 при Санкт-Петербургском национальном
исследовательском университете информационных технологий, механики и
оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных технологий,
механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49
и на сайте fppo.ifmo.ru .
Автореферат разослан « 10 » июля 2014 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.05
к.т.н., доцент
В. И. Поляков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 неѐ (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
определѐнному алгоритму с целью уменьшения объѐма. 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 чѐтким, 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, внедрѐнных
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, внедрѐнных разными алгоритмами в изображения JPEG
2000.
2. Проведѐн анализ устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям на
изображение-контейнер при сохранении оптимального уровня скрытности
внедрения и пропускной способности для четырѐх популярных используемых
алгоритмов.
3. Построена математическая модель потерь ЦВЗ на стадии квантования.
4. 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 путѐм 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 “СанктПетербургский
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, внедрѐнных
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 путѐм 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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во
введении
обоснована
актуальность
темы
исследования,
сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показана научная
новизна и практическая ценность работы, кратко изложено основное
содержание работы.
В первой главе производится исследование основ создания
стегоалгоритмов, выбран путь дальнейших исследований и проведѐн анализ
наиболее популярных решений. Рассматривается само понятие стегосистемы и
основных компонентов, которые она должна включать. Также представлены
типы возможных ЦВЗ и контейнеров, основные области применения и
требования к системам встраивания ЦВЗ. В данной диссертационной работе
рассматривается область применения ЦВЗ с целью защиты авторских прав на
коммерческую информацию, представленную в цифровом виде. Приведены
преимущества встраивания в область преобразований при использовании
изображений в форматах сжатия с потерями JPEG и JPEG 2000. Наиболее
актуальным направлением на данный момент является встраивание в область
ДВП, при котором возможно противостоять сжатию с потерями при алгоритме
JPEG 2000.
Проведѐн анализ используемых на данный момент популярных решений
для встраивания цифровых водяных знаков в изображения формата JPEG 2000.
В итоговой таблице выведены популярные алгоритмы и их особенности. Эти
алгоритмы отличаются друг от друга поддиапазонами ДВП, в которые
производится встраивание ЦВЗ и типом применяемого ЦВЗ. Для реализации
стегосистемы с целью защиты авторских прав надо наиболее внимательно
отнестись к вопросу устойчивости ЦВЗ при внешних воздействиях на
изображение-контейнер. На данный момент не многие из алгоритмов имеют
хорошие показатели устойчивости к внешним воздействиям.
Из всего многообразия стоит обращать внимание на алгоритмы
внедрения ЦВЗ в виде битовой строки. Использую битовую строку, в отличие
от псевдослучайной последовательности чисел или изображения, мы сократим
количество вычислительно сложных операций и ускорим процесс внедрения и
извлечения, что не менее важно при нашей разработке.
Для дальнейших исследований выбраны четыре популярных алгоритма
Wang, Ouled-Zaid, Makhloufi & Olivier, Chirag-Ganesh и Li & Zhang, где
встраивание осуществляется в различные поддиапазоны ДВП и в качестве ЦВЗ
используется битовая строка.
Во второй главе разработана методика оценки устойчивости ЦВЗ к
внешним воздействиям и проведѐн анализ устойчивости для четырѐх
исследуемых алгоритмов. Рассмотрены основные виды внешних воздействий и
основные параметры алгоритма, которые влияют на устойчивость к этим
внешним воздействиям. Одним из ключевых параметров алгоритма является
коэффициент силы встраивания. Его величина напрямую влияет как на
устойчивость внедренной информации, так и на скрытность внедрения. Чем
выше значение коэффициента силы встраивания, тем выше уровень искажений,
вносимых в контейнер при самом встраивании. Другим важным параметром
является размер встраиваемого ЦВЗ. При внедрение разных ЦВЗ необходимо
убедиться, что уровень пропускной способности изображения-контейнера
достаточен для внедрения сообщения. Иначе может получиться так, что
артефакты от внедрения также проявят себя на контейнере.
Найдены оптимальные параметры скрытности внедрения и максимальной
скрытой пропускной способности для разных типов изображений, которых
следует придерживаться при анализе устойчивости к внешним воздействиям.
Наиболее распространенным способом оценки скрытности внедрения является
метод вычисления пикового отношения сигнала к шуму, или peak signal to noise
ratio (PSNR). Нужно произвести расчѐт 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.
PSNR определяется так:
2
PSNR
mn max I
i, j
i, j
2
I
i, j
i, j
K
,
i, j
где m, n – размер изображения;
Ii,j - значение пикселя изображения оригинала;
Ki,j - значение пикселя изображения после добавления шума.
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 тѐмных 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, ChiragGanesh и Li & Zhang. Результаты показаны в итоговой таблице.
Для получения адекватных результатов оценки устойчивости необходимо
провести выбор подходящих изображений и провести анализ пропускной
способности контейнера. 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.
Скрытая пропускной способность будет определяться как:
C
0.5 * log2 1
где
2
~
X
2
P
2
M
2
M
2
~
X
2
P
,
- мощность встраиваемого сигнала;
- мощность контейнера;
- мощность шума добавляемого при сжатии.
Пропускная способность для четырѐх выбранных при обзоре алгоритмов
была высчитана для 5 различных размерностей изображения при разных
степенях коэффициента качества JPEG 2000 и результаты показаны в итоговой
таблице. Определив оптимальный уровень скрытой пропускной способности и
скрытности внедрения можно преступить к оценке устойчивости к внешним
воздействиям, при которых эти уровни не будут нарушаться. Определение
устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям на изображение-контейнер состоит
из следующих шагов:
1. ЦВЗ внедряется в изображение-контейнер.
2. Контейнер подвергается внешнему воздействию.
3. ЦВЗ извлекается из изображения-контейнера.
4. Извлечѐнный ЦВЗ сравнивается с оригинальным, и определяется степень
их соответствия.
Оценка устойчивости будет выполняться с помощью коэффициента
ошибочных бит (Bit Error Rate). Коэффициент ошибочных бит прекрасно
подходит для оценки искажений в битовой последовательности, которую в
данном случае и представляет собой ЦВЗ. Вычисляется данный коэффициент
по формуле:
pi
1, если S S1
, pi
0, если S S1
BER (S, S1) = N
,
где S – j-й бит оригинала встраиваемой строки;
S1 – бит извлеченной строки;
N – общее количество бит.
При значении коэффициента, равном 0, внедренная и извлеченная
информация полностью идентичны. При значении, равном 1, каждый бит
оригинала не соответствует извлеченному. Для битовой строки ACII символов
значение BER более 0.12 означает потерю большей части встроенной
информации, то есть можно говорить о том, что мы не сможем восстановить
исходный ЦВЗ. Разработана методика анализа устойчивости ЦВЗ к различным
внешним воздействиям на изображение-контейнер. Создан алгоритм для
автоматизирования процесса исследования. Блок-схема алгоритма показана на
рисунке 1. На основе методики сравнительного анализа проведена оценка
устойчивости к внешним воздействиям для четырѐх исследуемых алгоритмов,
при которой не будут нарушены оптимальные показатели скрытности
внедрения и пропускной способности, найденные ранее.
Рисунок 1 – Блок-схема методики оценки устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям
на изображение-контейнер
Представлены экспериментальные результаты исследования влияния
сжатия с потерями JPEG 2000, зашумления, фильтрации, вырезания части
изображения и приведены предельные значения, при которых ЦВЗ не сможет
быть извлечѐн. Найденные показатели для алгоритмов оказались неожиданно
невысокими и нуждаются в улучшение. Выводы, полученные в данной главе,
определили дальнейшие цели создания методов и алгоритмов, при которых
будут улучшены показатели устойчивости к наиболее используемым видам
внешних воздействий.
В третьей главе произведена разработка методов и алгоритмов
повышения устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям на изображениеконтейнер. Исследована цепь кодирования JPEG 2000 и построена
математическая модель потерь ЦВЗ на стадии квантования. На данный момент
существуют алгоритмы встраивания ЦВЗ, которые интегрированы в цепь
кодирования JPEG 2000. Именно они имеют наибольший интерес для
дальнейших исследований в этой области. На данный момент реализовано
много кодеков JPEG 2000, в которых подключены разные этапы кодирования.
Может присутствовать этап выделения регионов кодирования, или могут
отличаться фильтры при применение ДВП, алгоритм квантования и т. д. Мы
можем сами задать параметры для более оптимального встраивания ЦВЗ, при
котором устойчивость ЦВЗ к внешним воздействиям окажется выше.
Наибольший интерес вызвала возможность использования различных методов
квантования коэффициентов. Именно на этапе квантования возникают
основные информационные потери, и именно за счет квантования возможно
существенное уменьшение объема представления изображения. Уровень потерь
задается коэффициентом качества JPEG 2000, который имеет диапазон
изменения от 0 до 100. Чем меньше значение коэффициента, тем больше сжатие
изображения и уровень потерь. Если величина изменений коэффициентов
поддиапазона ДВП, в результате сжатия, начинает превышать величину их
изменений произведенных в процессе встраивания ЦВЗ, то существует угроза
потери информации встроенного ЦВЗ. Стандарт позволяет использовать
квантование с сетчатой геометрией в качестве замены скалярного квантования.
Квантование с сетчатой геометрией является конкретным видом векторного
квантования. Единый квантователь с размером шага
разбивается на четыре
подмножества, называемые D0, D1, D2 и D3. Эти подмножества используются
для обозначения меток решетки. Два квантователя, связанные с каждым
состоянием в решетке объединяются в союз квантователей A0=D0 D1, A1=D1
D3. Кодовая книга объединяется с размером шага и нулевое кодовое слово
появляется в двух подмножествах D0 и D1. В каждом состоянии в решетке, мы
можем выбрать один из двух квантователей, принадлежащих к объединенному
квантователю и начать квантование входной последовательности X.
При подробном исследовании векторного квантования была найдена
возможность замены классических компонентов квантования с сетчатой
геометрией в JPEG 2000 кодере и декодере на модуль, который сможет
выполнять одновременно квантование и внедрение водяного знака. Такая
техника будет не зависеть от путей в решѐтке и позволит одновременно
квантовать вейвлет коэффициенты и встраивать ЦВЗ без интеграции
дополнительных
стадий
для
внедрения
ЦВЗ
в
цепи
кодирования/декодирования JPEG 2000. Схема совместной схемы встраивания
водяных знаков во время кодирования JPEG 2000 показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Совмещѐнная с квантованием схема встраивания ЦВЗ
Было решено внедрять ЦВЗ в HL, LH и HH детальные поддиапазоны двух
наивысших выбранных уровней разложения. Несмотря на то, что эти
поддиапазоны подвергаются большим изменениям при квантовании, с
увеличением уровня вейвлет-разложения получится достичь баланс в
скрытности внедрения за счѐт не использования LL поддиапазонов, и
устойчивости к внешним воздействиям. Для внедрения ЦВЗ нужно заменить
единые квантователи, используемые во второй стадии кодирования JPEG
2000, сдвигая квантователи с размером шага , как и для оригинальных
квантователей. Мы также можем использовать более высокий размер шага
путем умножения оригинального на константу. Эти квантователи различаются
от предыдущих квантователей введением сдвига d, который псевдослучайно
получается при равномерном распределении на [- /2, /2].
Формула осуществления встраивания бита ЦВЗ будет следующей:
D 0j (d 0 ), если m i 0
D'
D1j (d1 , d 0 d1
), если mi 1
2
,
где D’ – выбранный квантователь;
d0, d1 – сдвиги;
– размер шага квантования;
mi – бит встраиваемого сообщения.
То есть если бит встраивания равен нулю, то используется квантователь
0
Dj (j=0, 1, 2, 3) со сдвигом d0. Если бит встраивания равен единице, то мы
используем квантователь Dj1 со сдвигом d1 и удовлетворяем условию |d0 – d1|=
/2.
Для каждого перехода в решетке построены два сдвига d0[i] и d1[i] и
четыре объединѐнных квантователей A00,i=D00,i D02,i, A01,i= D01,i D03,i, A10,i=
D10,i D12,i, A11,i=D11,i D13,i. Таким образом, имеются две группы
объединѐнных квантователей для сетчатой структуры, которые используются в
нашем подходе: группы 0, которая состоит из всех сдвинутых объединѐнных
квантователей используемых для встраивания бита 0 водяного знака и группу
1, которая включает в себя сдвинутые объединѐнные квантователи для
встраивания бита 1. Строим два сглаживающих вектора d0 и d1: группа 0
связана с d0 и группа 1 связана с d1. Структура решетки, используемая в
предлагаемом способе, имеет четыре ветви, проходящие по каждому еѐ
состоянию. Для каждого состояния, два объединѐнных квантователя вместо
одного связаны с несколькими выходными ветвями этого состояния.
Коэффициентом силы встраивания при таком алгоритме будет выступать
именно шаг квантователя. При его увеличении стойкость к внешним
воздействиям будет расти, а скрытность падать.
Функция встраивания F(x, m) внедряет ЦВЗ m в изображение х, после
которого получается изображение с ЦВЗ x’. Функция выражена следующей
формулой:
F ( x[i], m[i])
(
x[i] d m[i ]
)
d m[i ]
,
где dm[i] – сдвиг выбранного квантователя на размер шага
;
m[i] – встраиваемый бит при переходе i.
Процесс внедрения ЦВЗ состоит из двух шагов для выполнения
встраивания в JPEG 2000. Первый шаг выполняется в течение стадии
квантования процесса сжатия JPEG 2000. Для каждого перехода i в решетке,
объединѐнные квантователи выбраны в соответствии со значением m[i].
Решетка, таким образом, модифицируется для того, чтобы удалить все ветви,
которые не помечены объединѐнными квантователями, которые кодируют
m[ i ]
D j ,i
сообщение. Подмножества
(j=0,1,2,3)
связаны с ветвями
модифицированной решетки. Индекс квантования q[i] будет рассчитан по
формуле:
q[i]
sign( x[i] d m[i ] [i])
x[i] d m[i ] [i]
,
m[ i ]
где dm[i][i] – дополнительное смещение уже смещѐнного квантователя D j ,i
.
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]
)
d m[i ] [i]
,
где δ является параметром выбираемым пользователем в пределах 0<δ<1.
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. Блок-схема
алгоритма считывания ЦВЗ показана на рисунке 4. Для оценки устойчивости
созданного алгоритма использована методика из второй главы. Значения по
разным изображениям усредняются. Для начала найдены оптимальные
показатели скрытности внедрения и оценена пропускная способность. На
рисунке 5 показана оценка устойчивости ЦВЗ к сжатию с потерями для
созданного алгоритма и алгоритмов, исследованных во второй главе.
Было выбрано 4 светлых, 4 тѐмных и 4 средних по яркости растровых
изображений с размерами 1000х800 пикселей. ЦВЗ будет представлять из себя
псевдослучайную битовую строку в 1024 бит. На рисунке 6 показаны
результаты устойчивости ЦВЗ к гауссовскому зашумлению изображения.
Результаты оказались лучше, чем у исследуемых алгоритмов из второй главы.
Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма встраивания ЦВЗ во время стадии квантования
Рисунок 4 – Алгоритм считывания ЦВЗ
Рисунок 5 – Оценка устойчивости ЦВЗ к сжатию JPEG 2000 с потерями ((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).
Рисунок 6 – Устойчивость ЦВЗ к зашумлению ((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)
В ходе эксперимента с масштабированием изображение-контейнер
сжималось до различных размеров вплоть до 8 раз. ЦВЗ удалось извлечь при
сжатии в 4 раза. Этот показатель оказался выше, чем у исследуемых во второй
главе алгоритмов. Тогда только при алгоритме Quled-Zaid, Makhloufi & Olivier
удалось полностью восстанавливать ЦВЗ при сжатие в 3 раза. Для остальных
алгоритмов предельным значением, при котором BER меньше 0.12, являлось
сжатие в 2 раза.
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.
На рисунке 7 показаны результаты устойчивости ЦВЗ к фильтрации при
использование контрастного фильтра. Устойчивость к этому виду внешнего
воздействия также оказалась лучше, чем у всех исследуемых во второй главе
алгоритмах.
Рисунок 7 – 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)
Было решено исследовать возможность повышения устойчивости
методикой подбора оптимальных параметров при встраивании. Устойчивость
можно повысить, разобравшись с такими параметрами как коэффициент силы
встраивания, уровень вейвлет-разложения и используемые фильтры при ДВП.
Модифицировав коэффициенты силы встраивания для созданного алгоритма,
увеличив уровень вейвлет-разложения до четырѐх 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 ещѐ более лучшая возможность повышения устойчивости. Увеличив
шаг квантователя до 4 , и оставив остальные найденные параметры, удалось
избежать значительного падения скрытности из-за использования фильтров
Добеши 2. При использовании утроенного шага квантователя, фильтров
Добеши 2 и четырѐхуровнего вейвлет-разложения значения по скрытности
внедрения упало на 6 %, а пропускной способности на 7.7%. При
использовании шага квантователя 4 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.
В ходе эксперимента с масштабированием ЦВЗ удалось извлечь при
сжатии в 6 раз для алгоритма с использованием шага квантователя 4 . При
использовании шага квантователя 3
BER выше 0.12 наблюдается у
изображений сжатых в 4 раза (что идентично при использовании изначальных
параметров).
На рисунке 8 показана оценка устойчивости ЦВЗ к сжатию с потерями для
оригинального созданного алгоритма и алгоритмов с учѐтом 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.
Рисунок 8 – Оценка устойчивости ЦВЗ к сжатию JPEG 2000 с потерями ((1) –
оригинальный алгоритм, (2) – алгоритм с использованием шага квантователя 3 ,фильтров
Добеши 2 и четырѐхуровнего вейвлет-разложения (3) – алгоритм с использованием шага
квантователя 4 ,фильтров Добеши 2 и четырѐхуровнего вейвлет-разложения).
На рисунке 9 показаны результаты устойчивости ЦВЗ к гауссовскому
зашумлению изображения. Результаты при использовании методов повышения
устойчивости значительно превосходят результат для начального алгоритма.
При использовании алгоритма с шагом квантователя 4
удалось
увеличить стойкость к вырезанию части изображения до 50%. Использование
алгоритма с утроенным шагом квантования улучшений в этом виде
воздействий не принесло. На рисунке 10 показаны результаты устойчивости
ЦВЗ к фильтрации при использовании контрастного фильтра. Устойчивость к
этому виду внешнего воздействия также увеличилось при использовании
разработанных методов встраивания.
Рисунок 9 – Оценка устойчивости ЦВЗ при зашумлении ((1) – оригинальный алгоритм,
(2) – алгоритм с использованием шага квантователя 3 ,фильтров Добеши 2 и
четырѐхуровнего вейвлет-разложения (3) – алгоритм с использованием шага квантователя 4
,фильтров Добеши 2 и четырѐхуровнего вейвлет-разложения).
Рисунок 10 – Оценка устойчивости ЦВЗ к фильтрации ((1) – оригинальный алгоритм,
(2) – алгоритм с использованием шага квантователя 3 ,фильтров Добеши 2 и
четырѐхуровнего вейвлет-разложения (3) – алгоритм с использованием шага квантователя 4
,фильтров Добеши 2 и четырѐхуровнего вейвлет-разложения).
В заключении приведены основные полученные результаты и подведѐн
итог всей проделанной диссертационной работы. В ходе работы получены
следующие результаты:
1. Предложена методика оценки влияния внешних воздействий на
встраиваемый ЦВЗ, позволяющая провести сравнительный анализ
устойчивости ЦВЗ, внедрѐнных разными алгоритмами в изображения JPEG
2000.
2. Проведѐн анализ устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям на
изображение-контейнер при сохранении оптимального уровня скрытности
внедрения и пропускной способности для четырѐх популярных используемых
алгоритмов.
3. На основе анализа современных алгоритмов встраивания ЦВЗ в
изображения формата JPEG 2000 показана целесообразность разработки
методов и алгоритмов повышения устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям
на изображение-контейнер.
4. Исследована цепь кодирования JPEG 2000 и найдены этапы, на которых
происходит потеря информации при сжатии.
5. Построена математическая модель потерь ЦВЗ на стадии квантования
6. 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.
7. Разработан алгоритм считывания ЦВЗ, который является обратным
встраиванию и не требует наличия исходного изображения с ЦВЗ.
8. Разработаны методы повышения устойчивости ЦВЗ к внешним
воздействиям на изображение-контейнер путѐм выбора оптимального
коэффициента силы встраивания, фильтров с наименьшими искажениями при
ДВП и глубины уровня вейвлет-разложения.
9. Применяя эти методы, доработан алгоритм встраивания ЦВЗ, при
котором удалось повысить устойчивость ЦВЗ к внешним воздействиям, не
потеряв должного уровня скрытности внедрения.
10. Найдена возможность повысить уровень скрытности, и произведена
доработка алгоритма встраивания ЦВЗ, при котором значительно повышается
устойчивость ЦВЗ, при этом уровень падения скрытности внедрения является
не существенным.
11. Приведены экспериментальные результаты устойчивости ЦВЗ при
использовании созданных методов, где показана высокая устойчивость к
исследуемым видам внешних воздействий.
Подведя итоги, можно сказать, что основная цель, сформулированная во
введении, в ходе работы является достигнутой. Внедрение разработанных
методов позволит отдельным авторам и интернет магазинам встраивать ЦВЗ
высокого уровня устойчивости к внешним воздействиям на изображения для
защиты авторских прав на свою продукцию.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Трегулов Т. С. Оценка устойчивости цифрового водяного знака
встроенного в изображение формата JPEG 2000 к внешним воздействиям //
Естественные и технические науки. – Москва: изд. “Спутник +”, декабрь 2013
г. – №6 (68). – С. 445-448. – 0,25 п.л. (издание входит в перечень ВАК)
2. Трегулов Т. С. Повышение устойчивости цифрового водяного знака
встроенного в изображение формата JPEG 2000 к внешним воздействиям //
Естественные и технические науки. – Москва: изд. “Спутник +”, февраль 2014
г. – №6 (69). – С. 263-267. – 0,3125 п.л. (издание входит в перечень ВАК)
3. Трегулов Т. С. Скрытая передача данных в цифровых изображениях //
Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке: сборник
научных трудов по материалам Международной заочной научно-практической
конференции 31 января 2012 г.: в 10 частях. – Часть 5; Мин. Образования и
науки Рос. Федерации. Тамбов: изд-во ТРОО “Бизнес-Наука-Общество” – 2012.
– С. 144-145. – 0,125 п.л.
4. Трегулов Т. С. Скрытие информации в цифровых изображениях
форматов JPEG и JPEG 2000 // Научная дискуссия: вопросы физики,
математики, информатики: материалы I международной заочной научнопрактической конференции 8 мая 2012 г. – Москва: Изд. “Международный
центр науки и образования” – 2012. – С. 81-85. – 0,3125 п.л.
5. Трегулов Т. С. Скрытая передача данных в цифровых изображениях
формата JPEG // Сборник научных трудов Sworld по мат. международной
научно-практической конференции “Перспективные инновации в науке,
образовании, производстве и транспорте” 19-30 июня 2012 г. – Выпуск 2. Том
4. – Одесса: изд. “КУПРИЕНКО СВ”. – 2012 . – С. 88-91. – 0,3125 п.л.
6. Трегулов Т. С. Встраивание скрытой информации в цифровые
изображения формата JPEG 2000 во время стадии квантования // Сборник
научных трудов Sworld по мат. международной научно-практической
конференции “Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте,
производстве и образовании” 18-27 декабря 2012 г. – Выпуск 2. Том 14. –
Одесса: изд. “КУПРИЕНКО СВ”. – 2012. – С. 44-47. – 0,3125 п.л.
7. Трегулов Т. С. Оценка устойчивости скрытой информации встроенной в
изображение формата JPEG 2000 к внешним воздействиям // Сборник научных
трудов Sworld по мат. международной научно-практической конференции “
Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние
и пути развития 2013” 1-12 октября 2013 г. – Выпуск 3. Том 6. – Одесса: изд.
“КУПРИЕНКО СВ”. – 2013. – С. 17-20. – 0,3125 п.л.
Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении
«Университетские телекоммуникации»
197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14
Тел. (812) 233 46 69. Объѐм 1,0 у.п.л.
Тираж 100 экз.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа