Пояснительная записка (1209785), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Межкадровый кадр – это кадр, который выражается через соседние кадры. Он сжимается только чтобы выразить изменение опорного кадра.
-
Существующие меры защиты от атак на системы цифровых водяных знаков
В самых простых стегосистемах цифровых водяных знаков при внедрении применяется псевдослучайная последовательность, которая является реализацией белого гауссовского шума. Она не учитывает свойства контейнеров. Подобные системы очень слабо устойчивы ко многим атакам, которые рассматривались выше. Чтобы повысить робастность системы, необходимо применить ряд улучшений.
В устойчивой стегосистеме требуется правильно подобрать параметры псевдослучайной последовательности. К таким атакам, как сжатие, добавление шума и некоторым другим довольно устойчивыми могут быть системы с расширением спектра.
Причиной нестойкости систем ЦВЗ с расширением спектра к атакам «сговора» объясняется тем, что используемая для вложения последовательность обычно имеет нулевое среднее. После усреднения по достаточно большому количеству реализаций ЦВЗ удаляется. Известен специальный метод построения водяного знака, направленный против подобной атаки. При этом коды разрабатываются таким образом, чтобы при любом усреднении всегда оставалась не равная нулю часть последовательности (статическая компонента). Более того, по ней возможно восстановление остальной части последовательности (динамическая компонента). Недостатком предложенных кодов является то, что их длина увеличивается экспоненциально с ростом числа распространяемых защищенных копий [12]. Возможным выходом из этого положения является применение иерархического кодирования, то есть назначения кодов для группы пользователей.
Принцип создания устойчивого водяного знака заключается в адаптации его спектра. Огибающая спектра идеального цифрового водяного знака должна повторить огибающую спектра контейнера.
Для защиты от атак типа аффинного преобразования можно использовать дополнительный (опорный) ЦВЗ. Этот ЦВЗ не несет в себе информации, но используется для «регистрации» выполняемых нарушителем преобразований. В детекторе ЦВЗ имеется схема предыскажения, выполняющая обратное преобразование. Здесь имеется аналогия с используемыми в связи тестовыми последовательностями. Однако, в этом случае атака может быть направлена именно против опорного ЦВЗ. Другой альтернативой является вложение ЦВЗ в визуально значимые области изображения, которые не могут быть удалены из него без существенной его деградации.
Другим методом защиты от подобных атак является блочный детектор. Модифицированное изображение разбивается на блоки размером 12х12 или 16х16 пикселей, и для каждого блока анализируются все возможные искажения. Иначе говоря, пиксели в блоке поворачиваются, переставляются и так далее. Коэффициент корреляции водяного знака определяется в случае каждого из этих искажений. Считается, что нарушитель выполнил то преобразование, после которого коэффициент корреляции оказался наибольшим. Таким образом появляется возможность как бы обратить изменения вспять и восстановить водяной знак. Так как значительное искажение контейнера, как правило, не в интересах нарушителя, то вероятность такого исхода вполне реальна.
-
Методы внедрения цифровых водяных знаков
-
Классификация методов внедрения цифровых водяных знаков
Принципы, лежащие в основе методов стеганографического сокрытия данных в изображениях позволяют разделить эти методы на форматные и неформатные.
Форматные методы сокрытия (форматные стеганографические системы) – это такие методы (системы), в которых принципы, положенные в основу сокрытия, основываются на особенностях формата хранения графических данных. Разработка таких методов сводится к анализу формата в целях поиска полей формата, изменение которых в конкретных условиях не скажется на работе с графическим изображением.
Форматные методы неустойчивы к атакам пассивных злоумышленников, так как для них можно создать абсолютно автоматический алгоритм, обнаруживающий факт сокрытия информации. Эта особенность является общим недостатком для всех форматных методов.
Неформатные методы используют непосредственно сами данные, которые представляют изображения в данном формате. Неформатные методы являются более устойчивыми к атакам активных и пассивных злоумышленников, чем форматные. Но следствием использования неформатных методов сокрытия является неизбежное появление искажений, которые вносит стеганографическая система.
Для случаев, когда в качестве контейнера выступает видеопоток, рассматривать форматные методы внедрения ЦВЗ нецелесообразно, поэтому ниже описываются некоторые из неформатных алгоритмов и методов встраивания водяных знаков.
Метод замены наименьших значащих бит (LSB, НЗБ) является одним из самых известных внедрения водяных знаков. К замене таких бит глаз человека менее чувствителен. Поскольку разного рода дополнительные преобразования отсутствуют, реализация подобных методов имеет высокую скорость и небольшую вычислительную сложность. Обычные НЗБ-методы не применяются для защиты авторских прав, так как устойчивость полученного таким образом водяного знака невысока. При этом важен и ценен сам принцип LSB, как инструмент внедрения.
По тому, каким способом внедряется скрываемая информация, стегоалгоритмы делятся на линейные (аддитивные), нелинейные и другие. Алгоритмы линейного встраивания скрываемой информации заключаются в линейной модификации исходного изображения, а извлечение этой информации в декодере происходит при помощи корреляционных методов. Цифровой водяной знак при этом обычно складывается с изображением-контейнером либо «вплавляется» (fusion) в него. В нелинейных методах внедрения скрываемой информации применяется скалярное либо векторное квантование.
В аддитивных методах встраивания водяной знак представляет собой последовательность чисел wi длиной N, которая встраивается в указанное подмножество отсчетов исходного изображения f. Главное и наиболее часто используемое выражение для встраивания информации в данном случае
f(m,n)=f(m,n)(1+wi), (3.1)
где f– модифицированный пиксель изображения;–весовой коэффициент.
В том случае, если вместо псевдослучайного числа в изображение вкладывается еще одно изображение (к примеру, логотип фирмы), то такие алгоритмы встраивания именуются алгоритмами слияния. Естественно, размер исходного изображения должен быть намного больше размера внедряемого изображения. Перед внедрением встраиваемое изображение может быть зашифровано или преобразовано каким-либо другим способом.
Такие алгоритмы имеют два преимущества. Во-первых, поскольку человек не сможет распознать небольшое искажение скрываемого сообщения, то такое искажение вполне допустимо. Во-вторых, встроенный логотип является более убедительным доказательством прав собственности, чем присутствие псевдослучайного числа.
По уровню встраивания алгоритмы внедрения цифровых водяных знаков в видеопоследовательности можно разделить на две группы: на уровне коэффициентов и на уровне битовой плоскости. В методах встраивания на уровне коэффициентов осуществляется добавление псевдослучайного массива к DC-коэффициентам видео. Алгоритмы встраивания информации в видео на уровне битовой плоскости являются аналогами алгоритмов внедрения информации в биты неподвижных изображений (как уже упоминавшийся LSB).
Основными критериями оценки алгоритмов являются: устойчивость к удалению ЦВЗ, наличию шумов, фильтрации, геометрическим (афинным) преобразованиям, криптографическим атакам; размер встраиваемого ЦВЗ, вычислительная простота алгоритма, высокая пропускная способность. Также алгоритмы должны учитывать особенности человеческого зрения и слуха. Наиболее перспективные алгоритмы используют при генерировании ЦВЗ те же преобразования, которые используются при сжатии данных.
В зависимости от времени внедрения водяного знака алгоритмы встраивания цифровых водяных знаков в видеопоследовательности можно разделить на три категории: водяные знаки основного диапазона, водяные знаки, встраиваемые во время процесса видеокодирования и водяные знаки в кодированной видеопоследовательности. В основном диапазоне процесс водяных знаков реализуется в несжатом видеопотоке, в котором могут использоваться почти все алгоритмы встраивания цифровых водяных знаков в изображения, однако обычно сложность вычислений для встраивания и обнаружения таких водяных знаков слишком высока для его практического использования.
В алгоритме, предложенном Вольфгангом в 1999, в области дискретного косинусного преобразования (Discrete Cosine Transform, DCT) используется принцип минимально заметного различия (Just Noticeable Difference, JND), чтобы определить энергию для внедрения водяного знака [13]. Хартунг и Джирод в 1998 предложили алгоритм, в котором двоичные данные, модулированные псевдослучайной последовательностью, встроены в компонент яркости каждого видеокадра. Свэнсон в 1998 предложил алгоритм, основанный на дискретном вейвлет-преобразовании (Discrete Wavelet Transform, DWT) с учетом временных последовательностей. Канг применял сингулярное разложение (singular value decomposition, SVD) к каждому кадру видеоданных, а затем встраивал сигнал водяного знака в сингулярные значения.
Технология встраивания водяного знака в сжатые видеоданные внедряет цифровой водяной знак в последовательность бит, сжатую стандартным кодированием, например, MPEG-2 и MPEG-4 и т.д. Обычно этот метод имеет более низкие вычислительные затраты по сравнению с другими методами; однако количество бит водяного знака должно быть ограничено степенью сжатия.
В алгоритме, предложенном Воном в 2004, водяной знак внедряется только в I-кадры с использованием концепции минимально заметного различия, тогда как Бисвас в 2005 непосредственно встроил сигнал водяного знака в сжатую видеопоследовательность MPEG, изменяя коэффициенты ДКП.
Также в алгоритме, предложенном Лангелааром и Лагендиком в 2001, сигнал водяного знака встроен в I-кадры в области ДКП.
Схема встраивания ЦВЗ в сжатое и несжатое видео приведен ниже на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Встраивание/извлечение ЦВЗ в развернутые данные и осуществление этой же операции со сжатыми данными.
Алгоритмы создания цифровых водяных знаков, работающие во время процесса кодирования MPEG, по своей природе устойчивы к воздействиям в виде стандартного сжатия, не увеличивая степень сжатия видеопоследовательности. Лиу в 2004 предложил алгоритм, в котором водяной знак встроен в векторы движения и с использованием таких векторов генерируется битовая последовательность MPEG. Чжао в 2003 предложил быстрый алгоритм оценки векторов движения во время процесса сжатия, а также встраивания водяного знака, с изменением углов и величин векторов движения. В алгоритме, предложенном Уэно в 2004, векторы движения используются для определения подходящего положения в ДКП-коэффициентах I-кадров для дальнейшего внедрения водяных знаков. Ноорками и Мерсроу в 2006 высчитали области движения, вычисляя пространственное распределение движения через несколько последовательных кадров. Большее количество бит цифрового водяного знака встроено в динамические области движения, в то время как небольшое количество бит водяного знака встроено в статистические области. Таким образом, можно избежать искажений, вызванных внедрением водяных знаков.
-
Внедрение цифрового водяного знака во время кодирования
Алгоритм сжатия MPEG основан на гибридной схеме кодирования. На рисунке 3.2 показано, что эта схема объединяет межкадровое и внутрикадровое кодирование последовательности видеоданных. Сама гибридная схема кодирования приведена на рисунке 3.3.
Рисунок 3.2 – Поуровневая структура формата MPEG
В пределах ГК (группы кадров) временная избыточность среди видеокадров уменьшается за счет применения ДИКМ с временным предсказанием. Это означает, что одни кадры предсказываются по другим. После результирующая ошибка предсказания кодируется. В стандарте MPEG используются кадры трех видов:
-
I-кадры – intra-кадры, кодируются без ссылок на другие кадры, содержат неподвижное изображение и вдобавок используются для построения других типов кадров;
-
Р-кадры – предсказуемые кадры, которые кодируются со ссылкой на предыдущий (с точки зрения приемника) принятый (I) или (Р) кадр;
-
В-кадры двусторонне интерполируемые кадры, которые кодируются наиболее сложным образом. Такой кадр может строиться и на основе предыдущего кадра, и на основе последующего кадра, и как интерполяция между предыдущим и последующим кадрами.
Рисунок 3.3 – Гибридная схема кодирования с компенсацией движения
Закодированная группа кадров всегда начинается с I-кадра (это обеспечивает доступ к потоку видеоданных с любой случайной точки). ГК образуется из двенадцати кадров. Таким образом, при частоте двадцать пять кадров в секунду, I-кадр приходит не реже чем один раз в 0,48 секунды. Вместе с ним восстанавливается полная в той или иной мере идентичность изображения.
Ниже на рисунке 3.4 приведен пример группы кадров с использованием трех типов кадров и связями между ними.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
