Диссертация 1 (1189900)
Текст из файла
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Дальневосточный государственный университет
путей сообщения»
Кафедра «Вычислительная техника и компьютерная графика»
К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ
Заведующий кафедрой
__________Ю.В. Пономарчук
«____»___________20____г.
АЛГОРИТМ ГЕНЕРИРОВАНИЯ И
ВСТРАИВАНИЯ ЦИФРОВЫХ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ В
ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В WMSN
Выпускная квалификационная работа
ВКР 09.04.01.ИВТ.02.00.ИВ2 ПЗ
Студент гр.ИВ2 _____________________________________ К.Н. Дубровин
Руководитель
доцент, к.ф.-м.н. ____________________________________Ю.В. Пономарчук
Нормоконтроль
доцент, к.т.н. _________________________________________Е.В. Буняева
Хабаровск 2017
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»
(ДВГУПС)
____________________________________Кафедра_____________________________________
(наименование УСП) (название кафедры, ответственной за ВКР)
Направление (специальность) __________________________________________________________
(код, наименование направления или специальности)
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой
__________________________
«_____» _____ 20____г.
ЗАДАНИЕ
на выпускную квалификационную работу студента
________________________________________________________________________________
(фамилия, имя, отчество)
1.Тема ВКР _____________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
утверждена приказом ректора от «____»____________ 20___г. №________
2. Срок сдачи студентом законченной ВКР «_____»__________ 20____
3. Исходные данные к работе ______________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
4.Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)_______________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
| 6.Консультанты по ВКР (с указанием относящихся к ним разделов ВКР) | |||
| Наименование раздела | Консультант | Подпись, дата | |
| задание выдал | задание принял | ||
7. Дата выдачи задания____________________________________________________________
ABSTRACT
The thesis is devoted to the comparative analysis of such steganographic al-gorithms as digital watermarks, wich are based on wavelet transform. This analysis allows to define the algorithm paramaters to be used in applications in Wireless Mul-timedia Sensor Networks (WMSNs), which contains resource-consrained nodes and which is deployed to run real-time multimedia appplications.
The first section of the thesis observes the technology of the digital watermark-ing, its application, presents the methods for watermarks embedding and detection and stegosystem’s mathematical model, and also it gives classification of steganographic systems; includes basic information about Wireless Multimedia Sensor Networks (architecture, protocols, network security issues).
The second section gives a short review of existing digital watermarking algo-rithms, description of the proposed watermarking algorithm, information about the raster formats and human visual system.
The third section is focused on description and interpretation of simulation re-sults and simulation algorithm, which is run on a microcomputer Raspberry Pi 2.
РЕФЕРАТ
Магистерская диссертация, 139 с., 9 рисунков, 22 таблицы, 41 источник, 2 приложения.
ЦИФРОВЫЕ ВОДЯНЫЕ ЗНАКИ, СТЕГАНОГРАФИЯ, СКРЫТИЕ ДАННЫХ В ИЗОБРАЖЕНИИ, СТЕГОАЛГОРИТМЫ, БЕСПРОВОДНЫЕ МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ
Объект исследования – алгоритмы генерирования и встраивания цифровых водяных знаков в изображения.
Цель работы – сравнительный анализ алгоритмов генерирования и встраивания цифровых водяных знаков в изображения на основе вейвлет-преобразований, подбор оптимальных параметров этих алгоритмов для использования в беспроводных мультимедийных сенсорных сетях, разработка новой эффективной схемы встраивания цифровых водяных знаков в изображения.
Теоретико-методологическую базу работы составляет научная литература по данной тематике, авторские описания алгоритмов.
Для исследования была реализована предлагаемая схема и три наиболее популярных эффективных алгоритма встраивания. Был проведен сравнительный анализ и показана эффективность собственной разработки.
Результаты экспериментов представлены в виде таблиц, графиков с подробным разъяснением результатов. По результатам исследований были сделаны выводы об эффективности алгоритмов для решения тех или иных задач, а также был дан прогноз развития технологии цифровых водяных знаков.
ESSAY
Master's thesis, 139 pp., 9 figures, 22 tables, 41 sources, 2 annexes.
DIGITAL WATERMARKING, STEGANOGRAPHY, DATA HIDING IN IMAGE, STEGOALGORITHMS, WIRELESS MULTIMEDIA SENSOR NETWORKS
The object of the thesis resesearch is algorithms for generating and embedding digital watermarks in images, which are based on digital wavelet transform.
The purpose of the thesis is a detailed research of algorithms for generating and embedding digital watermarks in images, selecting optimal algorithms for applying in wireless multimedia sensor networks, developing a new efficient scheme for embed-ding digital watermarks in images.
The theoretical and methodological base of the work consists of the research pa-pers on the subject and the author descriptions of algorithms.
The proposed scheme and three of the most popular and effective embedding al-gorithms were implemented. The comparative analysis of the simulation results was conducted and the effeciency of the proposed algorithm is demonstrated.
The copmputer experiments results are presented in the form of tables, graphs with their detailed explanation. Based on the research results, conclusions are made on the efficiency of the considered digital watermarks algorithms, and the goal of fur-ther reserch is given.
СОДЕРЖАНИЕ
Содержание 6
Введение 4
1 Анализ предметной области 6
1.1 Практическое применение технологии ЦВЗ 6
1.1.1 Защита изображений от незаконного тиражирования 6
1.1.2 Защита произведений искусства 7
1.1.3 Встраивание интерактивной информации 8
1.1.4 Аутентификация содержания покрывающего сообщения 9
1.2 Беспроводные мультимедийные сенсорные сети 10
1.2.1 Архитектура мультимедийного сенсорного узла 11
1.2.2 Стандарты связи, используемые в сетях WMSN 12
1.2.3 Обзор существующих архитектур WMSN 15
1.2.4 Безопасность в сетях WMSN 16
1.3 Технология цифровых водяных знаков 18
1.3.1 Механизм встраивания и обнаружения ЦВЗ 19
1.3.2 Классификация стеганографических систем на основе цифровых водяных знаков 21
1.3.3 Математическая модель стегосистемы 22
2 Обзор алгоритмов генерирования и встраивания Цвз в изображения 25
2.1 Свойства человеческого зрения 25
2.2. Растровые графические форматы 27
2.2.1 Формат BMP (Bit MaP) 27
2.2.2 Формат PNG (Portable Network Graphics) 28
2.2.3 Формат TIFF (Tagged Image File Format) 29
2.2.4 Формат JPEG (Joint Photographic Expert Group) 30
2.3 Классификация алгоритмов встраивания ЦВЗ в изображения 32
2.4 Алгоритмы, основанные на встраивании ЦВЗ в коэффициенты дискретного косинусногопреобразования изображения 33
2.4.1 Метод Коха относительной замены величин коэффициентов дискретного косинусного преобразования 36
2.4.2 Метод Бенхама (Benham) 38
2.4.3 Метод Хсу (Hsu) 38
2.5 Алгоритмы, основанные на встраивании ЦВЗ в коэффициенты дискретного вейвлет-преобразования (DWT) изображения 39
2.5.1 Алгоритм Сангхави (Sanghavi) 42
2.5.2 Алгоритм Синха (Sinha) 43
2.5.3 Алгоритм Хонга (Hong) 45
2.5.4 Алгоритм Сохейли (Soheili) 46
2.5.5 Алгоритм Барни (Barni) 48
2.6 Предлагаемый алгоритм встраивания ЦВЗ в коэффициенты вейвлет-преобразования 49
3 Исследование алгоритмов генерирования и встраивания ЦВЗ в коэффициенты преобразований изображения 52
3.1 Исследование визуальных искажений, возникающих при использовании алгоритмов 53
3.1.1 Визуальные искажения в стегосистемах с контейнером Lighthouse 55
3.1.2 Визуальные искажения в стегосистемах с контейнером Koala 57
3.1.3 Визуальные искажения в стегосистемах с контейнером Snap 58
3.1.4 Оценка визуальных искажений в стегосистемах с контейнером Lena 58
3.1.5 Показатели визуальных искажений в стегосистемах с контейнером Napoleon 60
3.1.6 Визуальные искажения в стегосистемах с контейнером Puzzle 61
3.1.7 Визуальные искажения в стегосистемах с контейнером MilkyWay 62
3.1.8 Результаты сравнительного анализа визуальных искажений, возникающих при встраивании ЦВЗ 63
3.2 Исследование робастности алгоритмов к различным видам атак 64
3.2.1 Атаки, направленные на удаление ЦВЗ 65
3.2.2 Геометрические атаки 67
3.2.3 Криптографические атаки 67
3.2.4 Атаки против протокола встраивания 68
3.2.5 Исследование робастности стегосистем 69
3.2.6 Результаты сравнительного анализа алгоритмов робастности алгоритмов 74
3.3 Исследование пропускной способности стегосистем 76
3.3.1 Оценки пропускной способности стегосистем с контейнером Lighthouse 79
3.3.2 Оценки пропускной способности стегосистем с контейнером Lena 81
3.3.3 Оценки пропускной способности стегосистем с контейнером Puzzle 82
3.3.4 Оценки пропускной способности стегосистем с контейнером MilkyWay 84
3.3.5 Результаты сравнительного анализа скрытой пропускной способности 85
3.4 Исследование времени выполнения алгоритмов генерирования и встраивания ЦВЗ в изображения 87
Заключение 91
Список использованных источников 94
Приложение А Тестовые изображения 98
Приложение Б Код программного комплекса 102
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время благодаря развитию инфокоммуникационных технологий и технологий разработки аппаратного обеспечения беспроводные сенсорные и мультимедиа-сенсорные сети (Wireless Multimedia Sensor Networks, WMSN) внедряются в различные отрасли промышленности и научных исследований. Простые и дешевые устройства, позволяющие получать из окружающей среды не только скалярные данные (температуру, давление, влажность и т.п.), но и изображения, аудио- и видеопотоки, можно встретить в системах контроля доступа и мониторинга окружающей среды, системах диспетчерского контроля и управления технологическим процессом, системах наблюдения за пациентами медицинских учреждений, а также в других областях. Как правило, WMSN состоят из сенсорных узлов, оснащённых датчиками скалярных характеристик окружающей среды, а также микрофонами, фото- и видеокамерами, что позволяет им работать с различными видами мультимедийных данных. Протоколы и приложения подобных сетей разрабатываются с учетом необходимости самоорганизации и адаптации к изменениям топологии и качества каналов связи.
Однако данные, поступающие с мультимедийных узлов, подвержены большому количеству атак (сжатию, воздействию шумов, потери части контента и т.д.) и случайных сбоев, что делает подтверждение подлинности полученной информации в WMSN первостепенной задачей. Большие энергетические, временные, вычислительные затраты и возможная потеря целостности мультимедийной информации делают методы защиты данных, основанные на шифровании (например, электронно-цифровую подпись) малоэффективными в WMSN. В качестве альтернативы стандартным методам защиты информации используются алгоритмы генерирования и встраивания цифровых водяных знаков (ЦВЗ), которые могут применяться для защиты от копирования и несанкционированного использования информации. Использование ЦВЗ подразумевает встраивание скрытых маркеров, устойчивых к различным преобразованиям контейнера (атакам и сбоям), с целью сохранения целостности и аутентификации сообщения. Дополнительным преимуществом алгоритмов генерирования и встраивания ЦВЗ является их ресурсоёмкость.
Самым востребованным для защиты мультимедийным контейнером является статичное изображение. Это обусловлено следующими причинами:
-
актуальностью задачи защиты фотографий и картин от незаконного тиражирования и распространения;
-
слабой чувствительностью человеческого глаза к незначительным изменениям цветов изображения, его яркости, искажениям вблизи контуров;
-
развивающимися методами цифровой обработки изображений.
Целью магистерской диссертации является исследование наиболее востребованных алгоритмов генерирования и встраивания ЦВЗ в изображения для дальнейшего применения в WMSN.
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
