Диссертация (1025521), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Основным этапом работыалгоритма сжатия является ДКП над областями изображения размером 8 × 8пикселей. Удаление избыточной информации осуществляется квантованиемкоэффициентов матрицы ДКП путем их деления на соответствующий элементматрицы (, )квантованияипоследующегоокругления.Причемкоэффициенты ДКП, соответствующие высоким частотам, подвергаютсяквантованию с большим шагом, чем коэффициенты низких частот. Дляцветных изображений к каналам яркости и цветности применяются отдельныетаблицы квантования, позволяющие квантовать данные цветности с большимшагом, чем данные яркости.Уровеньпотерь,вызванныхсжатием,принятохарактеризоватькоэффициентом качества , который принимает значения от 0 до 100.
Матрицаквантования,соответствующаяопределенномукоэффициентукачестваопределяется по формуле(, ) = round[0 (, ) + 0,5],(3.33)где 0 (, ) – матрица квантования, определяемая стандартом JPEG; –коэффициент, определяемый как(100 − )⁄50 ,={50⁄ , ≥ 50. < 50(3.34)Как следует из выражений (3.33) и (3.34) при = 100 значения элементовматрицы квантования равны 1 и потеря информации, обусловленная98квантованием, отсутствует. При q=50 элементы матрицы квантования близки кстандартным значениям, т.е. (, ) = 0 (, ) + 1.C помощью численного моделирования исследована устойчивостьразработанных оптических методов маркировки к применению JPEG сжатия.При моделировании спекл-метода маркировки АК задавался в виде случайнорасположенных элементов информации размером 16 × 16 ячеек в пределахфазового транспаранта размером 256 × 256 ячеек.
Коэффициент использованияфазового транспаранта составлял = 0,25. Размеры индивидуального спекларавнялисьдвумпериодамдискретизации.Примоделированииинтерференционного метода маркировки АК задавался в виде случайнорасположенных элементов информации размером 8 × 8 ячеек в областиформирования объектной волны. Размеры области опорной волны равнялисьразмерам области объектной волны и составляли 64 × 64 ячейки фазовоготранспаранта. Взаимное положение этих областей обеспечивало внедрение АКв области средних частот изображения-контейнера (0 = 0,5 ; 0 = 0;Δ = 0,5 ; Δ = 0,5 ). Коэффициент использования области опорнойволны фазового транспаранта составлял = 0,5.
Для кодирования элементовинформациииспользовалисьбинарнаяфазовая(0 = −1)ибинарнаяамплитудная (0 = 0) модуляции.Процесс моделирования включал следующие этапы:1) Формирование стегано-изображения с учетом эффектов квантования,дискретизации и линейных искажений возникающих при регистрации. СКОинтенсивности в стеганограмме равнялось одному уровню квантования. Вкачестве изображения-контейнера использовались полутоновые стандартныетестовые изображения (см. Рис. 3.9) размером 512×512 пикселей: «Peppers»,«Lena», «Barbara», «Goldhill», «Baboon».2) JPEG сжатие стегано-изображения с различными значениямикоэффициента качества .993) Извлечение АК в соответствии с разработанным алгоритмом изискаженного сжатием стегано-изображения.
Причем выделение стеганограммыиз стегано-изображения осуществлялось с помощью адаптивной локальнойфильтрации, определяемой выражением (2.43), с размером окна 5 × 5 пикселей.(б)(a)(в)(г)(д)а – «Peppers», б – «Lena», в – «Barbara», г – «Goldhill», д – «Baboon»Рис. 3.9. Стандартные тестовые изображения4) Оценка отношения сигнал/шум 0 в восстановленном сигнале (, );оценка отношения сигнал/шум на выходе согласованного фильтра приобнаружениивсегоАК;оценкавероятностиобнаруженияобнприиспользовании критерия максимального правдоподобия; оценка отношениясигнал/шум на выходе согласованного фильтра для обнаружения отдельныхбитов АК; оценка вероятности появления ошибочных битов , прииспользовании критерия максимального правдоподобия; расчёт индексаструктурного сходства между стегано-изображением и изображениемконтейнером, полученными в результате воздействия JPEG сжатия.На Рис.
3.10 представлены полученные графики зависимости вероятностиобнаружения от значения коэффициента качества q алгоритма сжатия JPEG.В Таблице 1 и Таблице 2 представлены результаты численного моделирования,полученные при коэффициенте качества = 60.Из результатов моделирования следует, что АК, внедряемый в областисредних частот изображения-контейнера с помощью интерференционногометода маркировки, более устойчив к воздействию JPEG сжатия, чем АК100внедряемый во всей области частот с помощью спекл-метода маркировки.Наибольшую устойчивость к алгоритму сжатия JPEG интерференционныйметод маркировки обеспечивает при использовании фазовой модуляции длязадания элементов информации.
Это объясняется тем, что на данные,содержащиеся в фазе, меньшее влияние оказывают пространственно-частотныесоставляющие спектра изображения-контейнера. Амплитудная и фазоваямодуляция излучения в спекл-методе маркировки обеспечивают одинаковуюстепень устойчивости маркировки. Это объясняется выбором значениякоэффициента использования = 0,25.(а)(б)(в)(г)a – амплитудная модуляция излучения (спекл-метод); б – фазоваямодуляция излучения (спекл-метод); в – амплитудная модуляция излучения(интерференционный метод); г – фазовая модуляция излучения(интерференционный метод).Рис.
3.10. Зависимость вероятности обнаружения АК от коэффициентакачества JPEG101Таблица 1.Результаты моделирования спекл-метода маркировки при коэффициентекачества = 60.0КонтейнерPeppersLena0BarbaraGoldhillBaboonPeppersLena-1BarbaraGoldhillBaboon00,110,100,060,070,040,110,100,060,070,0414,212,67,48,45,014,012,87,98,95,1обн1,0001,0001,0001,0000,9931,0001,0001,0001,0000,9941,771,570,931,050,621,741,600,991,110,630,190,220,320,300,380,190,210,310,290,380,980,980,990,980,990,980,980,990,980,99Таблица 2.Результаты моделирования интерференционного метода маркировки прикоэффициенте качества = 60.0КонтейнерPeppersLena0BarbaraGoldhillBaboonPeppersLena-1BarbaraGoldhillBaboon00,380,390,370,250,190,590,590,550,350,2717,417,816,711,18,626,826,925,016,112,0обн1,0001,0001,0001,0001,0001,0001,0001,0001,0001,0003,13,13,02,01,54,74,84,42,82,10,060,060,070,160,220,010,010,020,080,14Согласно графику, представленному на Рис.
3.7, б, при0,980,990,990,990,990,980,990,990,990,99 < 0,25использование фазовой модуляции в спекл-методе маркировки обеспечиваетбольшее отношение сигнал/шум при восстановлении, по сравнению самплитудной модуляцией. Уменьшение значения в спекл-методе маркировкипри использовании фазовой модуляции позволяет увеличить отношение102сигнал/шумввосстановленномсигналеи,какследствие,повыситьустойчивость маркировки.3.7.Исследование устойчивости маркировки к воздействию сжатия постандарту MPEG-4Применительно к цифровым видеопотокам наиболее распространеннымявляется метод сжатия по стандарту MPEG-4.
Численным моделированиемисследована устойчивость разработанных методов маркировки к процедурамсжатия по стандарту MPEG-4 при внедрении АК в последовательностьвидеокадров. С целью повысить устойчивость маркировки к воздействиюалгоритма сжатия видеопотока уровень стеганограммы, задаваемый СКОинтенсивности, модулировался во времени по гармоническому закону: () = 0 + 0 cos(20 ),(3.35)где 0 – частота временной модуляции; 0 – среднее значение СКОинтенсивности в стеганограмме. При аппаратной реализации маркировкиизменение во времени уровня стеганограммы может быть осуществленоамплитудной модуляцией оптического сигнала.При моделировании спекл-метода маркировки АК задавался в видеслучайно расположенных элементов информации размером 8 × 8 ячеек впределах фазового транспаранта размером 144 × 176 ячеек.
Коэффициентиспользованияфазовоготранспарантасоставлял = 0,25.Размерыиндивидуального спекла равнялись двум периодам дискретизации. Примоделировании интерференционного метода маркировки АК задавался в видеслучайно расположенных элементов информации размером 4 × 4 ячейки вобласти формирования объектной волны. Размеры области опорной волныравнялись размерам области объектной волны и составляли 36 × 44 ячейкифазового транспаранта. Взаимное положение этих областей обеспечиваловнедрениеАК(0 = 0,5 ;вобласти0 = 0;среднихΔ = 0,5 ;частотизображения-контейнераΔ = 0,5 ).Коэффициентиспользования области опорной волны фазового транспаранта составлял103 = 0,5.
Для кодирования элементов информации использовалась бинарнаяфазовая (0 = −1) модуляция.Процесс моделирования включал следующие этапы:1) Формирование стегано-изображений из кадров видеозаписи с учетомэффектов квантования, дискретизации и линейных искажений возникающихпри регистрации. Среднее значение СКО интенсивности в стеганограммесоставляло 0,75 уровня квантования.
В качестве видеозаписей использовалисьстандартные тестовые видеопоследовательности (см. Рис. 3.11), состоящие из300 кадров размером 352×288 пикселей: «Akiyo», «Crew», «Hall monitor»,«Foreman», «City».(a)(б)(в)(г)(д)а – «Akiyo»; б – «Crew»; в – «Hall monitor»; г –«Foreman»; д – «City».Рис. 3.11. Стандартные тестовые видеопоследовательности2) Сжатие по стандарту MPEG-4 part 10 видеопоследовательности свнедренным в каждый кадр АК. В результате сжатия формировался видеопотоксо скоростью 1Мбит/с и частотой 30 кадров в секунду.3) Разбиение сжатой видеопоследовательности на серию кадров иизвлечение АК из каждого кадра в соответствии с разработанным алгоритмом.4) Расчёт для каждого кадра нормированного коэффициента взаимнойкорреляции эталона и извлеченного АК. Совокупность коэффициентов ,104рассчитанных для серии кадров, можно представить функцией времени (), вчастотно-временном спектре которой содержится составляющая на частотевременной модуляции уровня стеганограммы 0 .5) Оценка отношения сигнал/шум , определяемого как отношениеамплитуды в спектре функции () на частоте модуляции 0 к СКО помехи наостальных временных частотах: =2|̃ (0 )|2√ 1 ∫∞ |̃ ( )| −∞,(3.36)где ̃ ( ) – частотно-временной спектр центрированной функции (); –временнаядлительностьвидеопоследовательности;̃ ( )–частотно-временной спектр после частотной фильтрации:̃ ( ),̃ ( ) = { 0, ≠ 0.
= 0(3.37)На Рис. 3.12 представлены графики модуля частотного-временногоспектра ̃ ( ), вычисленные на основе результатов извлечения АК извидеопоследовательности «Crew» для различных временных частот модуляцииуровня стеганограммы.(а)(б)а – спекл-метод маркировки; б – интерференционный метод маркировки.Рис. 3.12. Модуль частотно-временного спектра ̃ ( ) при различныхчастотах временной модуляции уровня стеганограммы105Из графиков видно, что в сигнале () появляются побочные частотныесоставляющие, что свидетельствует о нелинейности искажений, возникающих врезультате сжатия.В Таблице 3 и Таблице 4 приведены значения отношения сигнал/шум вфункции ( ),вычисленныедляпятистандартныхтестовыхвидеопоследовательностей.Таблица 3.Результаты численного моделирования спекл-метода маркировки при скоростивидеопотока 1 Мбит/с.КонтейнерAkiyoCrewHall monitorForemanCity15 Гц48,010,323,311,06,7Отношение сигнал/шум 7,5 Гц3,75 Гц 1,88 Гц 0,94 Гц5,05,79,110,06,07,712,67,610,29,922,619,94,76,511,48,73,65,26,47,00,47 Гц12,911,023,812,37,3Таблица 4.Результаты численного моделирования интерференционного методамаркировки при скорости видеопотока 1 Мбит/с.КонтейнерAkiyoCrewHall monitorForemanCity15 Гц69,917,641,914,513,9Отношение сигнал/шум 7,5 Гц3,75 Гц 1,88 Гц 0,94 Гц4,15,48,58,57,07,714,18,412,610,320,816,96,66,810,57,75,08,211,911,40,47 Гц9,713,520,89,98,9Полученные результаты свидетельствуют о том, что интерференционныйметод маркировки и спекл-метод маркировки обеспечивают сопоставимуюстепень устойчивости АК при применении временной модуляции уровнясигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
