CC BY
159
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
УДК 621.396
Метод кодового уплотнения скрытого канала при передаче видеоданных
Абазина Е. С.
Актуальность работы: увеличение количества информационных направлений связи одновременно функционирующих в скрытом (стеганографическом) канале в структуре одного мультимедийного контейнера актуализирует вопросы обеспечения применимости методов цифровой стеганографии для более широкого класса задач. Известные способы
стеганографического обмена не позволяют организовать более одного информационного направления связи в скрытом канале передачи данных в мультимедийном потоке. Целью работы является повышение числа информационных направлений связи в скрытом канале при передаче видеоданных при ограничениях на достоверность приема скрываемых данных, передаваемых в каждом информационном направлении, и скрытность встраивания. Используемые методы: предлагается применить кодовое уплотнение данных как технологию, позволяющую достичь компромисса в противоречии между скрытностью встраивания, пропускной способностью скрытого канала и достоверностью приема скрываемых данных. Постановка задачи: разработать метод кодового уплотнения скрытых каналов в структуре видеоданных. Новизна: элементами новизны представленного решения являются: проведение дополнительных этапов
стеганографической обработки контейнера и встраиваемых данных каждого из информационных направлений связи, состоящих как в реализации кодового уплотнения до сжатия видеоданных с применением двумерных шумоподобных сигнальных конструкций, так и проведением двойного ортогонального преобразования видеоданных с одновременным встраиванием согласованных с ним двумерных модулированных сигнальных конструкций. Также к элементу новизны стоит отнести способ разделения информационных направлений связи в скрытом канале, определение ключевых данных и порядок размещения скрываемых данных в кадре изображения-контейнера. Результат: использование разработанного метода кодового уплотнения скрытых каналов в структуре видеоданных позволяет увеличить число информационных направлений связи в скрытом канале минимум в три раза (при скрытой пропускной способности каждого информационного направления связи скрытого канала не менее 1,2 кбит/с и вероятности ошибочного приема скрываемых данных не хуже 10-3) и зависит от уровня качества видеоданных. Максимум скрытой пропускной способности уплотненного скрытого канала не превышает 20% от пропускной способности канала передачи видеоданных. Практическая значимость: заключается в доведении разработанного научно-методического аппарата до реализуемых алгоритмов, которые позволяют использовать результаты исследований при разработке кодера видеоданных.
Ключевые слова: видеоданные, стандарты сжатия JPEG, MPEG-2, стеганография, двумерные шумоподобные сигнальные конструкции, кодовое уплотнение (разделение) данных.
Введение
«Кто владеет информацией - тот владеет миром» - эти слова, всегда отражавшие ценность обладания сведениями, стали буквально девизом последнего столетия, и как нельзя лучше говорят необходимости защиты информации от несанкционированных пользователей сегодня. Цифровая стеганография, получившая в последние десятилетия активное развитие, позволяет решать задачу сокрытия сведений в объектах, имеющих аналоговую природу (изображения, видео, звуки) и представленных в цифровом виде. Анализ основополагающих работ [1, 2] в этой области показал, что в большинстве исследований рассматривается лишь один скрытый канал, без учета возможности его разделения между абонентами, или предоставления к нему множественного доступа. Идея разработки предложений по уплотнению
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
16
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
(разделению) скрытого канала является логичным направлением развития стеганографической науки.
В настоящее время в области стеганографии в Российской Федерации не предусмотрено государственных стандартов и норм, определяющих терминологию. В опубликованных работах по этой тематике одни и те же термины имеют различные значения. И наоборот, одним и тем же понятиям поставлены в соответствие разные определения. В связи с этим, уточним используемый в работе терминологический базис.
Скрытой передачей информации называют процессы, реализующие методы передачи информации, при которых возможна передача дополнительной информации в структуре данных, представленных в цифровом виде и используемых в качестве контейнера, а также за счет их избыточности.
Под контейнером (покрывающим объектом) понимают такие цифровые данные, использование избыточности которых позволяет передавать дополнительную информацию, не обнаруживая факта передачи. Контейнер, не содержащий дополнительной информации, является пустым, в противном случае - заполненным.
В работе в качестве контейнера выбраны видеоданные наиболее популярных форматов (JPEG, MPEG-2). Выбор неподвижных и подвижных изображений обоснован их большой психовизуальной избыточностью.
Совокупность методик и средств встраивания и извлечения дополнительной информации без обнаружения нарушения целостности контейнера потребителем позволяет говорить о формировании скрытого канала (СК) передачи информации.
Стеганографической системой (стегосистемой) в работе называется совокупность средств и методов передачи и приема пустого контейнера, функционирующих взаимосвязано со средствами и методами, используемыми для создания скрытого канала передачи информации.
Под информационным направлением связи (ИНС) скрытого канала понимается логическое соединение пары абонентов - участников скрытого информационного обмена.
В случае организации в одном скрытом канале более одного ИНС, скрытый канал называется уплотненным.
Основными характеристиками СК, состоящими в противоречии друг с другом, являются скрытая пропускная способность СК и скрытность (стеганографическая стойкость).
Скрытая пропускная способность имеет смысл максимального количества информации, которое возможно передать с заданной достоверностью при одном использовании контейнера. Ограничением скрытой пропускной способности являются искажения, вносимые в контейнер при встраивании дополнительной информации, которые в работах [1, 2] называются искажениями кодирования. Требования по достоверности скрыто передаваемой информации также влияют на верхнюю границу скрытой пропускной способности, снижая ее. Учитывая введенное определение ИНС СК, а также по
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
17
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
аналогии с системой связи, скрытая пропускная способность также может быть оценена числом ИНС в одном СК.
Скрытность (стеганографическая стойкость) определяется возможными действиями (атаками) нарушителя в отношении стегосистемы. В настоящей работе рассмотрена ситуация, когда нарушитель не имеет априорных сведений о наличии в видеоптоке скрытого канала. Таким образом, здесь под скрытностью понимается устойчивость скрытого канала к факту обнаружения. Атаки, предпринимаемые нарушителем будут иметь пассивный характер, и могут выражаться в проведении следующих мероприятий:
- визуальный контроль с целью субъективной оценки качества видеоданных;
- объективный контроль видеоданных по одному (или нескольким) выбранному параметру оценки качества изображений;
- гистограммная атака.
Вопросы организации множественного доступа к скрытому каналу являются логичным продолжением развития системы взглядов цифровой стеганографии. Разработка же методов уплотнения скрытого канала позволит расширить область применения стеганографической науки при обеспечении безопасности информационного обмена.
Анализ общетехнических требований, предъявляемых к каналам связи специального назначения, позволил установить, что минимальная пропускная способность одного ИНС СК должна составлять не менее 1,2 кбит/с при вероятности ошибочного приема скрываемых данных 10-3. Минимальное число ИНС, необходимых для обеспечения скрытого обмена в пределах типового учреждения, составляет 5 низкоскоростных каналов, два из которых являются каналами низкоскоростной передачи данных (со скоростью до 100 бит/с), а три - речевые каналы с качеством разборчивости речи не хуже «удовлетворительно». Требование к скрытой пропускной способности уплотненного СК соответствует 4 кбит/с [3].
Основным недостатком известных подходов [1, 2] организации скрытых каналов в видеоданных является их низкая пропускная способность и невозможность организации более одного скрытого канала в структуре одного видеопотока. Одним из компромиссных решений в этом случае, удовлетворяющим требованиям по пропускной способности и помехозащищенности, может выступать кодовое уплотнение.
Обзор отечественной и иностранной литературы, посвященной скрытой передаче информации, показал, что вопросам внедрения информации в видеоданные посвящено большое количество работ. В данном направлении выполнены работы Оковым И.Н., Грибуниным В.Г., Конаховичем Г.Ф., Пузыренко А.Ю., Кохом Е., Жао Дж., Марвелом Л. и другими. Вопросами использования шумоподобных сигналов и оптимальных преобразований при встраивании посвящены работы Цветкова К.Ю., Коревых А.Е., Коровина В.М. Вместе с тем, организацией кодового уплотнения для устранения основного недостатка известных подходов по построению скрытых каналов передачи информации уделено недостаточно внимания. Поэтому вопросы организации
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
кодового уплотнения скрытых каналов при передаче видеоданных представляются актуальными. Анализ основных подходов к организации скрытых каналов видеоданных представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Сравнительный анализ известных методов скрытой передачи
информации в видеоданных
Классификация методов организации скрытых каналов в видеоданных Правило встраивания р Пропускная способность скрытого канала C стег Скрыт- ность U Достоверность скрываемых данных Рош Число скрытых каналов
1. Направление цифровой стеганографии - встраивание цифровых водяных знаков (ЦВЗ) с целью подтверждения данных
2. Направление цифровой стеганографии - организация скрытого канала с целью сокрытия факта передачи
В пространственной области Наименее значащего бита р1 = I + S С\тег = max U1 = min Рош = 10 3, без сжатия i
К.Ю.Цветков, В.М. Коровин К.Матсуи, сОсбоннкДж. Фридрих
Псевдослучайного интервала (Д.Рамкуман, Дж.Симонс, В.Волошиновский) р2 = I + S\lh = 1 С 2 < С1 стег стег U 2 > U1 Рош = 10—3, без сжатия i
Псевдослучайной р3 = I + S|h = ъ, tpt — ПСП С 3 < С 2 стег стег U3 > U 2 Рош = 10—3, без сжатия i
В.И. Коржик С.Моллер А.Фицманн, И.Стиран
Блочного скрытия ( В.О.Хорошко, О.Д.Азаров , К.Ю. Цветков, В.М.Коровин) р=( D )+S D — число блоков С 4 и С 3 стег стег U4 > U3 Рош = 10—3, без сжатия i
В частотной области Наименее би значащего та р5 = IДКП + S С\тег = max U5 > U1 Рош = 10—3, без сжатия i
В. Г. Грибунин К.Ю.Цветков В.М.Коровин Е.Кох
Относительной замены р6=■ Р — по ( г ДКП \ ( г ДКП \ ^ D 1 —( D [>Р S,f IДК1— ГI ^ 1 < Р ’ С6 < С 4 стег стег U6 и U4 Рош = 10—3, в процессе сжатия i
В.И. Коржик Е. Кох, Дж. Жао. Sl 1 D ^i 1 D ^ <Р ро.
Бенгама-Меммона (Д.Бенгам, Н.Меммон, Б-Л Эо, М. Юнг) р7 = 50, 51, ■ ( i/k \ (I дкп \ ( D 1 <( D 1 (i/КП \ (I ДКП Ч l( D i <( D J2 У iдкп Ч ( i/ш Ч , ( D I>( D 1 ( i/кп Ч (i/ш Ч ( D J,D J2 С 7 < С6 стег стег U7 > U 6 Рош =10—3, в процессе сжатия i
Фридрих р8 =(I)ДКП+S (I' fК <(I)ДКП + 102а Г — модифицированные видеоданные, а — пороговаяфункция С 8 < С 7 стег стег U8 и U7 Рош = 10—1^ в процессе сжатия i
Е.А.Небаева Дж. Фридрих
Расширения спектра р10 =( I)ДКП + S .щ Ъ - ПСП С8 < С10 < С1 стег стег стег U10 и U9 Рош = 10—3, в процессе сжатия i
К.Ю.Цветков A. Е.Коревых, B. М.Коровин Дж.-Р. Смит, В.О.Комиски
Статистический (И. Патис, В.О.Хорошко, В.Г.Грибунин, М.Е. Шелест) р9 =[( I )l ^ ]1 Ц(I )2ДКП ]1 E — энергияизображения С9 < С8 стег стег U9 > U8 Рош =10—3, в процессе сжатия i
Объектом исследования является скрытый канал передачи информации в видеоданных, предметом исследования - кодовое уплотнение скрытого канала при передаче видеоданных.
Противоречие в науке заключается в противоречии между скрытностью встраивания, пропускной способностью скрытого канала и достоверностью приема данных, передаваемых в скрытом канале, противоречие в практике - в
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
19
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
отсутствии множественного доступа к скрытому каналу в условиях организации скрытого обмена между несколькими абонентами.
Таким образом, научная задача исследования состоит в разработке научно-методического аппарата кодового уплотнения скрытого канала при передаче при ограничениях на достоверность приема и скрытность встраивания.
Целью работы является повышение числа ИНС СК при передаче видеоданных при ограничениях на достоверность приема и скрытность встраивания.
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие частные задачи:
- разработать модель кодового уплотнения скрытого канала при передаче видеоданных;
- предложить алгоритмы кодового уплотнения, встраивания и извлечения данных скрытого канала из видеоданных;
- выработать предложения по совершенствованию кодера видеоданных.
Постановка и формализация научной задачи исследования
Научная задача исследования заключается в разработке научнометодического аппарата кодового уплотнения скрытого канала при передаче видеоданных, позволяющего повысить число ИНС СК при ограничениях на достоверность приема и скрытность встраивания [3]:
Кскр (7, Р, S, Ф т,в)
max,
I 'е U, S е V ’
где К - число ИНС СК в видеопотоке, зависящее от исходных видеоданных
I, правила встраивания скрытого канала р, скрываемых данных S, используемых для сокрытия сигнальных конструкций Ф, их значности m и коэффициента встраивания в;
I' е U, U = {R(I'), hist (I'), q(I')} - множество ограничений на скрытность
встраивания, где I' - модифицированные видеоданные (заполненный
контейнер), R(I') > 25дБ - пиковое отношение сигнал-шум модифицированных видеоданных, hist^ (I’) ф 2в - изменение гистограммы модифицированных видеоданных, отсутствие раздвоения пика, q(I') - усредненная субъективная оценка визуального качества модифицированных видеоданных;
Sk eV, V = {Сскр(Sk),(S'k),k} - множество ограничений на достоверность
приема скрываемых данных, где S - данные, передаваемые по каждому из ИНС СК, на приемной стороне, Сскр (Sk) > 1,2 кбит/с - минимальная пропускная способность одного ИНС СК; рош (S'k) < 103 - вероятность ошибочного приема на бит данных, передаваемых по каждому из ИНС СК, k > 5 - число ИНС в одном видеопотоке.
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
20
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
Модель кодового уплотнения скрытого канала при передаче видеоданных
В работе проведено исследование спектральных характеристик шумоподобных сигнальных конструкций в мультипликативных базисах [4, 5], разработана структура метода кодового уплотнения скрытого канала при передаче видеоданных [6], а также разработана модель кодового уплотнения скрытого канала [7-10] и проведено оценивание скрытности встраивания уплотненного скрытого канала в видеоданные [11].
Для разработки метода кодового уплотнения скрытых каналов в качестве прототипа был выбран метод организации скрытых каналов с применением шумоподобных сигналов [9]. Существенным недостатком данного метода, является принципиальная возможность организации не более одного ИНС СК в видеопотоке. Минимальные же требования, определенные в работе, оцениваются пятью каналами с суммарной пропускной способностью 4 кбит/с, при пропускной способности одного ИНС СК не менее 1,2 кбит/с и при достоверности приема данных не хуже 10-3. Кроме того, анализ выбранного метода показал, что его применение в отношении видеоданных приводит к искажению гистограммы, выражающемуся в раздвоении главного пика. Причем, расстояние между двумя пиками модифицированного изображения тем больше, чем больше коэффициент встраивания в. Предлагаемый новый метод кодового уплотнения скрытого канала при передаче видеоданных основывается на новой оригинальной модели кодового уплотнения скрытого канала, которая учитывает как противоречивые требования организации скрытых каналов, так и особенности технологии передачи видео. Данная модель, являющаяся выражением системы взглядов автора на организацию кодового уплотнения скрытого канала, позволяет организовать встраивание в видеоданные более одного ИНС СК при ограничениях на скрытность встраивания (рис. 1). Модель включает в себя аналитическое представление операций следующих этапов:
- выбор комбинации, состоящей из двумерной шумоподобной сигнальной конструкции и ортогонального преобразования;
- формирование уплотненного скрытого канала;
- проведение двойных спектральных преобразований видеоданных;
- встраивание уплотненного скрытого канала в видеоданные.
Выбор комбинации двумерной шумоподобной сигнальной конструкции (Фг/ (g) = \_<Plf (g)] с периодом N (N=ns, n> 2, s> 1) и ортогонального
преобразования осуществляется одноименной группой блоков модели кодового уплотнения скрытого канала (рис. 1).
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
21
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
ВЫБОР ПАРЫ
ДВУМЕРНАЯ ШУМОПДОБНАЯ СИГНАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ-ОРТОГОНАЛЬНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ВЫБОР ДВУМЕРНОЙ ШУМОЦДОБНОЙ СИГНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
N = n2‘,n >1,.у >1
% (ё) -
walp = hf p) = (-l)’"1 ",1, f = 0,1,...N-1,
(i) - комплекснлоэффициенты, p[ f )g{0, 1, ...,N-1};n-перестановкачисел0,1,...,N-1
a(i)-комжекснхоэффициенты, p (f )g{0, 1, ..., N-1}; n - перест - ка чисел 0,1,..., N-1
Формирование матрицы ДШСК:
'%№) ... %(ё)
ф (^)= %21(ё) %2г(ё) ... %(ё)
%(ё) %2(ё) ... %(ё)_
где % (g) - тип сигнальной конструкции
F = Ф, (ё)*Щ (j), ет потзмеляу-:
'r=%f | F где |%|| - ноpмaсигнаж%,
F - комплексно - сопряженная k - я компонента тра сшшт %
Формирование ортогональной
K( j) W12U) ... Wu (j)'
Wk j) = W21( j) ’22 (j) ... W21 (j)
Wk1(j) Wk2(j) ... Wki( j)
где wu j) - тип базиснойфункции
ВЫБОР ОРТОГОНАЛЬНОГО БАЗИСА N = n,n >1,у >1
ехр(2П)к1,п = 2,у = 1
wkk(j) = (-1) ’=0 ,n = 2, у >1,
Nip- , , exp v=0 ,n > 2, у > 1.
ФОРМИРОВАНИЕ УПЛОТНЕННОГО СКРЫТОГО КАНАЛА
ДАННЫЕ. ТРЕБУЮЩИЕ СКРЫТОЙ ПЕРЕДАЧИ
| s = {S },J = 1..X,k = 1,2...K | . | |
ПРАВИЛО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
I I —» X, Ф x2, X, = -1, x2 = 1 I -1 —» X. Ф X,,X. = 1, X. = -1
БУФЕР ЗАПИ 1СИ ПО 2 БИТА a -{^,S«},a Sa = {^, S+1} ,a-1..-^, A = y X 1 = 1...A, A = — " 2 jSi«-{SJ,S+l}, a-1..-A, A = X Sa ={S, S+1},a = 1...A, A = X
БЛОК КОМПЛЕКСНЫХ ПРЕОБР СОВАНИЙ 'S,. -AS,.
МАТРИЦА ДВУМЕРНЫХ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
%?1(ё) %2(ё) . % (ё)
ф„ (ё) = ^1(ё) %2(ё) . % f (ё)
%1(ё) %?2(ё) •
где % (g) - тип сигнальной конструкции
i f 0,1 .N-1,N =n‘,n> 2 у>1
УСЛОВИЕ ОРТОГОНАЛЬНОСТИ СИГНАЛОВ
%%j)=S%(x,y)'%(x,y)=jn’ J’
i su
►0—i
su
0--------\Eu(i)
, S*
0
NF
ПРАВИЛО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
I I —» X, Ф X],X1 = -l,Xj = 1 I- J —» X, Ф X2,Xt =l,Xj = -1
БЛОК ПРЕОРАЗОВАНИЯ В ДВОИЧНЫЙ ВИД МАТРИЦЫ КОМПЛЕКСНОГО УПЛОТНЕННОГО КАНАЛА
Е(Я)4 = {Eh, E2i },где - матрицы двоичных данных,
ггрсивту прк бразова
E\ka , E22 = E2ka
E1KA E2KA
ВСТРАИВАНИЕ УПЛОТНЕННОГО СКРЫТОГО КАНАЛА
В ВИДЕОДАННЫЕ
БЛОК ВСТРАИВАНИЯ УПЛОТНЕННОГО СКРЫТОГО КАНАЛА
I(x, y)2 = i(x, y)2 + E12 + E22 = {i (x, y)2,1 -1(x, y)2...(E1(N), ^(N),...,^, 7)2}
двойные спектральные
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВИДЕОДАННЫХ
ОЦИФРОВАНЫЙ СПЕКТР ВИДЕОДАННЫХ В ВЫБРАННОМ БАЗИСЕ
J(x,y) - j i(x,y) = {i(x,y),i d-1(x,y) I(x,y)},
d = 1...D- разрядность двоичного кода, x g1...X, y g 1...Y, где ^ x Г - размер изображения C(x, y)
’n(j) W12CJ) ... w„ (j)'
21 (j) ’22(j) ... W21 (j)
W(j) Wt2(j) ... Wk (j)_
где Wy (j) - тип базисной функции
iu r 12 ...
l21 i22 ...
ТГ
ЗЕ
Преобраювание в кош м^^ф:и^:и^'^ванн i'(x,у)2 - яексныйвид матрицы го изображения ■*hx,y)
<
преобразования в выбранномбазисе-.
1(г.,у)-г(г.,у)-1г,;тз^ц
где W„'T - матрица транспонир°ваная сопрязкеная к W
ЗЕ
Анализ качества встраивания уплотненного скрытого канала в видеоданные
ZZ'^-EF
Сжатие по алгоритмам JPEG, MPEG - 2:
„ JPBO.MPBO-2 _
l*(x,y) -» hx,y)
histmж (I)* 29-отсутствие раздвоения пика гистограммы видеоданных I,
q(I) = —-—ZZZ?
В спутниковую радиолинию
Рис. 1. Модель кодового уплотнения скрытых каналов управления войсками в
видеоданных
ИСТОЧНИКИ СООБЩЕНЙ
k
K
aog + a1g +... + aig
БЛОК ФО1 МИРОВАНИЯ МАТ ’ИЦЫ КОМПЛЕГ :НОГО УПЛОТНЕН1 юго канала
1 {n(i),f0 p(J)},
fwal = — a(i)(-1){ (' 0 ' ,i, f g0,1,...N-1
%
1 .. {n(i).f 0p(i)}
—MOV, 0
00 = exp(---),i g0,1,...N-1,f g0,1,...N
<P,
ОРТОГОНАЛЬНАЯ МАТРИЦА
ВЫБРАННЫХ БАЗИСНЫХ ФУНКЦИЙ
ВИДЕОДАННЫЕ
i(x y) =1 (x y)
Исходными работе, являются:
сигнальными конструкциями
(% (ё)), рассматриваемыми в
%(ё)
т,
walh,
fwal, fkrest.
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
22
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
где m = a0g0 + ag +...+ag - М-последовательность, заданная порождающим
полиномом; walh = hlf(h) = (-1)v=0 , i, f = 0,1,...N-1 - сигнальные конструкции Уолша, упорядоченные по Адамару (У-А), где i, f - порядковые номера базисной функции и аргумент этой функции соответственно, N=ns, n=2, s> 1 -
период функций; fwal = —a(i)(-1) -п--~, j, f e o,1,..n-1 - сигнальные
X , 1 *Mi),f®p(i)}s .
wn , ,,f e 0,i,...n-i -
конструкции Франка-Уолша (Ф-У), где a (i) - комплексные коэффициенты,
. . , ч 1 {n(i),f ® p(i)}s
p(f)e{0, i, ...,N-1}; n - перестановка чисел 0,1,...,N-1; fkrest = — a(i)an n
- сигнальные конструкции Франка-Крестенсона (Ф-К), где юп= exp —1, ,
v N J
i e 0,1,...N-1, f e 0,1,...n-1, a (i) - комплексные коэффициенты,
p(f)e{o, 1, ...,N-1}; n - перестановка чисел 0,1,...,N-1, N=ns, n>2, s> 1.
Матрица двумерных шумоподобных сигнальных конструкций (ДШСК) формируется путем сдвига выбранной сигнальной конструкции. Так, для М-последовательности и сигнальных конструкций У-А естественным сдвигом является циклический сдвиг, для сигнальных конструкций Ф-У - диадный, а для Ф-К - и-сдвиг. В результате общий вид матрицы ДШСК имеет вид:
Vu(g) ^12(g) ... Vf (g)
^ , V21(g) V22( g) ... V2 f (g)
V1( g) V2( g) ... V(g) _ где v (g) - тип выбранной сигнальной конструкции.
Для проведения предварительного ортогонального преобразования выбирается базис:
f 2ni
wki(j) =
exP I
N
\kl, n = 2, s = 1
2nis
N Xkvlv
(-1) v=0 , n = 2, s > 1
f
exp
2ni
N
s-1
Z k.l.
\
v=0
,n > 2, s > 1
где базис функций В-К является обобщением для случаев ДЭФ и функций Уолша, получаемых при значениях n = 2, s = 1 и n = 2, s > 1 соответственно. Для проведения дальнейших операций кодового уплотнения скрытых каналов спектр каждого ДШСК в каждом из базисов оценивается путем вычисления
V II2 N-1 -
коэффициента дельта-корреляции У: у = 1_^_XFk, где F = ФГ(g)xWM(j) - спектр
N k=0 f
ДШСК в выбранном базисе, ||v|| - норма сигнала yt, Fk - комплексносопряженная k -я компонента спектра сигнала v .
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
23
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
Коэффициент у характеризует близость структуры спектра сигнала к шумоподобному и принимает наименьшее значение, равное единице, для дельта-коррелированных сигналов с равномерным спектром.
Принцип формирования уплотненного скрытого канала заключается в использовании ортогональной матрицы ДШСК, обеспечивающей кодовое уплотнение сигналов от абонентов. В зависимости от количества источников скрываемых сообщений входные данные кодируются ортогональными сигналами матрицы ДШСК путем модуляции информационными элементами сигналов абонентов строк матрицы ДШСК.
Все используемые ДШСК имеют значность m = 2, при выборе же ДШСК Ф-К m > 2, в частном случае, рассматриваемом в диссертации, m = 4, что
соответствует комплексному представлению {<pt= {1, -1, /, -/}). Входные
информационные сигналы K абонентов, обозначим их Sk = {Sy.}, j = 1.Хk = 1...K,
представляют собой вектора из j = 1...Х бит информации.
Каждая пара бит (Sj, Sj+сообщения k -ого абонента, кодируется
укрупнением и представляется соответствующим комплексным значением
о Q
Ska ад, Ska = |л’;,Sj+1j,a = l...A,A = — , каждое из которых представляется
некоторой базисной функцией щ с периодом N.
Комплекснозначное модулированное сообщение от k -ого абонента, при использовании ДШСК Ф-К, имеет формальное представление:
Eka(j) = <PfSka
ад=IX (о=1>( а, =
k ,a
i,k ,a
Eka(j) = <Pr-S,
ka
Для обеспечения возможности встраивания сформированных уплотненных ИНС СК в изображение-контейнер, представленный в двоичном
коде, уплотненные ИНС СК преобразуются в двоичный вид: кю,=Ц.. А-
где Eh, E2 - матрицы сформированных уплотненных ИНС СК в двоичном коде.
Перед встраиванием и проведением процедур сжатия по форматам JPEG, MPEG-2 исходные видеоданные вида:
*11 *12 ... *1x
h(X У)
*21 *22
x е1,2..., X, у е 1, 2,..., Y
2x
*у1 *у 2 ... *yx
переводятся из пространственной области в частотную путем проведения прямого ортогонального преобразования в выбранном базисе. Для этого матрицу видеоданных необходимо умножить на ортогональную матрицу выбранного базиса вида:
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
24
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
Wkl (j)
®uU) «12СО ■■■ aki(j)
®21(j) ®22(j) ■■■ ®k 2(j)
,k = l = 1,2,_M .
®ll (j ) ®2l (j)
®kl
Спектр в базисе В-К в матричном виде может быть представлен I = I-W. Так как прямое ортогональное преобразование В-К над видеоданными двумерно, коэффициенты преобразования могут быть представлены матрицей, каждый из которых имеет вид суммы битовых плоскостей в двоичном коде:
_ l _ _ _ _
1 (Х У) 1 y)2 ={Id (X y\h-iix y\-> h(X y)} > где d = 1-D - разрядность
d=D
двоичного кода видеоданных I (x, у).
Встраивание матрицы уплотненных ИНС СК осуществляется заменой одного или нескольких битов коэффициентов оцифрованного спектра видеоданных в выбранном базисе значениями сформированных матриц е ,е22:
1 (Х У)2 = 1 (Х У)2 + Е1 + Е22 ={Id (x У^ ^-1(Х У)2,■■■, E12(N\ E22(N),■■■, h(X У)2 } . В дальнейшем, заполненный видеоконтейнер переводится в комплексный
вид Г(х,у)2^>Г(х,у) и проводится обратное ортогональное преобразование в базисе В-К путем умножения на транспонированную комплексно-сопряженную
матрицу в базисе В-К И'е : /(х,у) = Г(х,у)■ Wkl"T
В результате имеем видеоданные со встроенным уплотненным скрытым каналом, которые затем подвергаются алгоритмам сжатия в соответствии с форматами JPEG, MPEG-2:
„ JPEGMPEG-2 „
1сж^у) -> К*, У) ■
На приемной стороне производятся обратные операции.
Таким образом, в результате проведенных исследований и расчетов разработана аналитическая модель кодового уплотнения скрытого канала при передаче видеоданных, отличающаяся от известных проведением дополнительных этапов, состоящих как в реализации кодового уплотнения ИНС СК до сжатия видеоданных на основе двумерных шумоподобных сигнальных конструкций, так и в проведении двойного ортогонального преобразования видеоданных с одновременным встраиванием согласованной двумерной модулированной сигнальной конструкции.
Проведено исследование спектральных характеристик ДШСК при проведении ортогональных преобразований в различных базисах. Проведено оценивание скрытности встраивания видеоданных по следующим параметрам, определенным при постановке и формализации задачи:
- изменение гистограммы видеоданных после встраивания, отсутствие раздвоения пика histm^ (I') ф W (таблица 2);
- усредненная субъективная оценка визуального качества видеоданных q(i'), с качеством восприятия не хуже хорошего - оценивание
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
25
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
проводилось группой экспертов в соответствии с ГОСТ 26320-84 (таблица 3);
- пиковое отношение сигнал-шум (ПОСШ) видеоданных после встраивания R(I')>25дБ, результаты расчета ПОСШ оценивались в соответствии с ГОСТ Р 52722-2007 (рис. 2).
Таблица 2 - Деградация гистограммы изображения при встраивании
Пара бит 1 и 2
Пара бит 4 и 5
Пара бит 10 и 11
Тройка бит 1,2 и 3
Г истограммы изображения при встраивании после сжатия JPEG
Гистограммы изображения при встраивании в процессе сжатия JPEG
Гистограммы изображения при встраивании до сжатия JPEG, с проведением ________________________предварительного ДКП_________________________
Гистограммы изображения при встраивании до сжатия JPEG, с проведением предварительного ортогонального преобразования Уолша
Гистограммы изображения при встраивании до сжатия JPEG, с проведением предварительного ортогонального преобразования В-К
URL: http://iournals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
26
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
Таблица 3 - Деградация визуального качества изображения при встраивании Пара бит 1 и 2 | Пара бит 4 и 5 | Тройка бит 1,2 и 3
q(I') = удовлетворительно q(I') = неудовлетворительно q(I') = неудовлетворительно
Визуальное качество изображения при встраивании после сжатия JPEG
q(I') = хорошо
q(I') = удовлетворительно q(I') = неудовлетворительно
Визуальное качество изображения при встраивании в процессе сжатия JPEG
6/(7') = удовлетворительно q(I') = неудовлетворительно
Визуальное качество изображения при встраивании до сжатия JPEG, с проведением предварительного ДКП
q(I') = отлично
q(I') = хорошо
q( I') = удовлетворительно
Визуальное качество изображения при встраивании до сжатия JPEG, с предварительного ортогонального преобразования Уолша
— ШшЯГ
проведением п
q(I') = отлично
q(I') = хорошо
q(I') = хорошо
Визуальное качество изображения при встраивании до сжатия JPEG, с проведением предварительного ортогонального преобразования В-К
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
27
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
£ 60
1 2 4 6 8 10 16
порядковые номера бит оцифрованного спектра изображения
Рис. 2. Оценка пикового отношения сигнал шум для видеоданных после
встраивания
При расчете всех параметров для оценивания скрытности встраивания рассмотрены все выбранные ДШСК в сочетании с разными вариантами порядка встраивания (после сжатия видеоданных, в процессе сжатия, до сжатия с проведением одного из ортогональных преобразований Уолша, В-К или ДКП) при модификации от одного до трех бит оцифрованного спектра.
Анализ гистограмм и субъективного оценивания визуального качества видеоданных позволяет сделать следующие выводы:
1) выбор вида ДШСК не оказывает значимого влияния на изменение гистограммы и визуального качества изображения, в отличие от выбора порядка встраивания уплотненного скрытого канала в видеоданные;
2) раздвоение пика гистограммы видеоданных, а также появление артефактов встраивания, проявляющихся в виде контрастных точек на изображении, после встраивания уплотненного скрытого канала наблюдаются лишь в случае встраивания в двоичный код значений яркости пикселей изображения после сжатия, что свидетельствуют о наименьшей скрытности такого подхода;
3) наименьших искажений гистограммы и визуального качества видеоданных позволяет достичь проведение предварительного ортогонального преобразования в базисе В-К,
4) встраивание более чем в пару бит приводит к значительным искажениям гистограммы и визуального качества видеоданных, таким образом, использование двух бит определяет максимально возможную пропускную способность уплотненного скрытого канала;
5) незначительные искажения гистограммы и визуального качества видеоданных получены при встраивании в номера парных бит оцифрованного спектра В-К видеоданных с первого по пятый, последующие пары бит значительно искажают гистограмму изображения, снижая скрытность встраивания уплотненных скрытых каналов.
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
28
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
Объективное оценивание скрытности встраивания по параметру пикового отношения сигнал шум свидетельствует о том, что лучших показателей позволяет достичь встраивание уплотненных скрытых каналов при проведении ортогональных преобразований Виленкина-Крестенсона видеоданных. При этом ограничение на качество встраивания в видеоданные по показателю пикового отношения сигнала-шум выполняется при модификации парных бит оцифрованного спектра В-К изображения не старше, чем четвертый и пятый. Таким образом, выполнение ограничений на скрытность встраивания возможно только в случае проведения предварительных двойных спектральных преобразований в базисе В-К видеоданных и модификации парных бит оцифрованного спектра с номерами до пятого включительно.
Алгоритмы кодового уплотнения, встраивания и извлечения данных
скрытого канала из видеоданных
Для уточнения влияния ДШСК на выполнение ограничений на достоверность приема были разработаны новые алгоритмы кодового уплотнения, встраивания и извлечения данных уплотненного скрытого канала из видеоданных при их передаче [12] (рис. 3-5).
Разрабатываемый метод включает в себя как модель кодового уплотнения скрытого канала, так и новые алгоритмы:
- алгоритм уплотнения;
- алгоритмы встраивания и извлечения данных уплотненного скрытого канала из видеоданных.
Данные алгоритмы позволят конкретизировать выводы, полученные в результате разработки модели, провести оценивание ограничений на достоверность приема скрываемых данных Sk eV, V = {Сскр (Sk), рош (S'k), k| и расчет
целевого показателя - числа ИНС СК при передаче видеоданных.
Новый оригинальный алгоритм кодового уплотнения отличается от известных способом разделения групп ИНС СК для последующего кодового уплотнения с использованием двумерных шумоподобных сигнальных конструкций Ф-К и представлен на рис. 3.
Разработанные новые алгоритмы встраивания и извлечения данных уплотненного скрытого канала отличаются от известных реализацией способа размещения до сжатия видеоданных и извлечения блочных конструкций Ф-К уплотненного скрытого канала в кадре видеоданных. Также элементом новизны является реализация этапа дополнительной обработки входных видеоданных путем проведения двумерных спектральных преобразований в базисе В-К с одновременной модификацией пары бит в оцифрованных значениях спектра видеоданных. Алгоритмы встраивания и извлечения данных уплотненного скрытого канала представлены на рис. 4-5. В ходе проведения исследований было проведено оценивание достоверности приема скрываемых данных (таблица 4). Установлено, что для обеспечения требуемого качества достоверности приема с учетом сжатия видеоданных только одновременное применение ДШСК Ф-К с согласованным ортогональным преобразованием В-К
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
29
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
позволяет соответствовать установленным требованиям, как по достоверности встраивания, так и по скрытности встраивания.
Рис. 3. Алгоритм кодового уплотнения скрытых каналов
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
30
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
^ Начало ^
Ввод видеоданных: Ввод ортогональной матрицы В - К
hi !'l2 . . У ®ll( J) ®l2(J) . . ®kl( J)
1 (x, У) = Z2l Z22 . . hr. , (J) = ®2l( J) ®22(j) . . ®k2 ( J)
_Zyl iy2 . . iyx _®u( J) ®2i( J) . . ®k .
x g1,2...,X;y g 1,2,...,Y
E = 2 E - марица уплотненного скрытого канала
г
k = l = 1,2,...,M < Y < X
Проведение прямого ортогонального преобразования в базисе В - К, получение спектра I(x, y) = I(x, y) ■
Преобразование коэффициентов спектра в базисе В - Кв двоичный вид
I (x, у) ^2 A, У)2 =Ud (x, y), Id-i(x, у),...,l"(x, у)},
d = D
d = 1...D - разрядность двоичного кода; запись результата в буферную память
Размещение матрицы уплотне нного скрытого канала в видеоданных
Г4 г=5 I
Запуск алгоритма формирования матрицы уплотненного скрытого канала для текущего N |
Уы =Уы +1
r13' г=5 1
I14 i
zN, = i I
I15
ы = 42« J
r‘6' B = X - ы □
Запуск алгоритма формирования матрицы I
^'плотненно^ос^рыттт^шшш^1^шш^^шшущш^^J
Г19"
=zN+J
Встраивание уплотненного скрытого канала в видеоданные
т
Загрузка сфоримрованных двоичных матриц уплотненного скрытого канла E^; сборка итоговой марицы уплотненного
скрытого канла E = 2 E^, формирвоание файла о порядке
г
сборки для приемника
Преобразование в двоичный вид итоговой матрицы E = |e1; ,E2j J,Ег,Е2г - матрицы двоичных данных
■ 24 ____
Встраивание итоговых матриц уплотненногоскрытогоканла Ex , E22 в 4,5 бит оцифрованного спектра В - К видеоданных I '(x, y )2
1 '(x, У)2 = 1 '(X, У)2 + Е12 + Е 22 = [С IA У)2 , ^-iCT У)2,...
...(Еъ(Ы ), Е^(ы),..., 1/(x, у)2}, где I5 (x, y) = Е^(Ы), 14 (x, у) = Е% (N )
_ 26__________________________
Проведение обратного ортогонального преобразования В - К:
I(x,y) = i'(x,y)Wu-T,
'0^^^^^шт£ш^сип^анспони£овш^^оп£яэ^на^М¥^£^х^2^
. 27.
Сжатие по алгоритмам JPEG, MPEG - 2:
_ JPEG,MPEG-2 _
Пх,у) -> 1сж(.х,У)
25
Преобразование в комплексны цированных видеоданных I '(x, й вид матрицы модифи - у\ -^i'(x,y)
Г 28 ^-1-----
^ Конец
Рис. 4. Алгоритм встраивания уплотненных скрытых каналов в видеоданные
2
3
23
5
У^ =1
6
7
а = Y - N
10
17
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
31
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
^ НачалЕ^
1 ________________~ I
Ввод принятых видеоданных: Ввод ортогональной матрицы В-К :
i(x,y) = IcJx,y) + 3(x,y\ ®11( Л а12( j) . . Vj)'
где 3(x, y) — АБГШ, Ввод матрицы ДШСК: ф„ = ф„ (g)* Wki(Л = ш21(Л a22(j) . ak2(j)
ши(Л (J) . . akl .
k = l = 1,2,...,M < Y < X
Обработка I (x, у) no алгоритмам JPEG, MPEG — 2:
JPEG MPEG-2 _
К-Лх>у) -»
I
Загрузка файла о порядке сборки для приемника E = £ E#, W = 42^,# = {#1,#2,#з,#4}
г
х
s=s
Загрузка восстановленных видеоданных !ше (x, y), проведение
прямого ортогонального преобразования В-К : 1шв = 1шв ■ W'
X
Преобразование коэффициентов в базисе В — Кв двоичый вид:
загрузка правила извлечения :/ (х,у)2 = Ёг JU!6a (х,у')2 = Ё2^,
где Д , Ё2 - двоичные модифицированные матрицы уплотненного скрытого канала
Преобразование извлеченных данных
в комплексный вид1
Извлечение улотненных скрытых каналов
Загрузка информации об уплотнении сигналов абонентов
в матрице ДШСК Ф — К : b = I
да 12
Извлечение Sha = jA,, А/+1 j.
Рис. 5. Алгоритм извлечения уплотненных скрытых каналов из структуры
видеоданных
2
3
s
4
5
6
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
32
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
Таблица 4 - Оценивание достоверности приема скрываемых данных _______Сжатие в 2 раза_____________________Сжатие в 100 раз___
Ю х
(В л
3 2 О 5
0,6
§ £0,2 I»
о. к а I
Ш 1C УпоП
Li ПСфХЛ'--* \ LUI IC Упоа/~ /
^ ШПС Ф-К / _ \ У норма на Рош<103
0 2 4 6
порядковые номера бит оцифрованного спектра ДКП видеоданных
1 Встраивание после сжатия JPEG при использовании ДШСК Ф-К
0,8
|о.«
° 1 0,4-
ШПС ■4 4.S УпоП
А N&4 ШПСФ-У .* /
\\ V, N 1C Мпослед ' '7 . У /
N. . ,, / норма на Рошсю"
0 2 4 6
порядковые номера бит оцифрованного спектра ДКП видеоданных
2 Встраивание в процессе сжатия JPEG при использовании ДШСК Ф-К
0,5
: го,4
Ч
80.3
Э 3
о г
Л а>
5 So,2
2 л
Е о.
Е «0,1
Я1(Г
О
ШПС л V ,1л 1 о
- U ШПС ( ШПС УпоА пс УпоП У / X' /
С Ф-К
2 4 6 8
порядковые номера бит оцифрованного спектра ДКП видеоданных
3.1 До сжатия JPEG, при проведении предварительного ДКП при использовании ДШСК Ф-К
3.2 До сжатия JPEG, при проведении предварительного ортогонального преобразования _______________________Уолша при использовании ДШСК Ф-К_________________________
Ю X № 2 х х
1 £
ю Чл о
s * U.ii
Э л
о 2
О)
о S S А0-1 S8
О. К
S &icf
О
ШПС Ф-У ШПС УпоП \.
■ —
ШПС УпоА ШПС Ф-К ч норма на Рош<105
2 4 6 а
порядковые номера бит оцифрованного спектра В-К видеоданных
3.3 До сжатия JPEG, при проведении предварительного ортогонального преобразования Виленкина-Крестенсона при использовании ДШСК Ф-К
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
33
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
Анализ полученных графиков (таблица 4) свидетельствует о том, что наилучшими ДШСК, позволяющими выполнить требования по достоверности приема скрываемых данных, являются ДШСК Ф-К. Учет условий, при которых выполнимы ограничения на скрытность встраивания, а именно: проведение двойных ортогональных преобразований в базисе В-К и модификации парных бит, не старше четвертого и пятого, а также сжатия видеоданных (не менее, чем в 100 раз) позволил уточнить одновременный выбор согласованной пары ДШСК Ф-К - ортогональное преобразование В-К для реализации метода кодового уплотнения скрытого канала при передаче видеоданных. Данный вывод подтверждается графиками представленными в таблице 4 для случая 3.3 при сжатии в 100 раз.
Расчет пропускной способности уплотненного скрытого канала
Для расчета пропускной способности уплотненного скрытого канала (рис. 6) и целевого показателя (рис. 7) - числа ИНС СК в видеопотоке были выведены формулы:
для видеоданных формата JPEG:
k = Ср = 0Nqoh •d • lo§2 m
для видеоданных формата MPEG-2
С
к =
0NOCHd • log2 m • f
ед
ед
ед
G • к
ед
где NOCH = m25 - период используемого ДШСК, NOCH < X < Y, X • Y - количество
пикселей изображения-контейнера, размер изображения, #- коэффициент вложения, определяющий число матриц уплотненных скрытых каналов максимального периода, d - число разрядов двоичного кода оцифрованного спектра изменяемых при встраивании (для разработанного метода - 2), m -значность используемых ДШСК (для ДШСК Ф-К - 4), f - частота кадров видео, G - размер группы кодирования видео, который определяет количество частоту следования основных кадров изображения (I-кадров), используемых для встраивания (для видео средней интенсивности -12).
Ё-Р1
И
О ж
о 2
r.
mi— Ю / Сскр HOB.
Pn„,=
_
^mii
\Cc#p H3B. ■
2 4 8
скорость передачи видеоданных, Мбит/с
а) формат JPEG
Рис. 6. Зависимость пропускной способности уплотненного скрытого канала (бит/с) от скорости видеопотока (передача изображений)
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
34
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
20
10
mak
BCCC
кош нов. /
R™=10'J. /
rtlr
> r
4 8
скорость передачи видеоданных, Мбит/с
а) формат JPEG
Рис. 7. Зависимость числа ИНС СК в одном видеопотоке от скорости этого
видеопотока
В соответствии с определенной в работе задачей минимально необходимое число ИНС СК в одном видеопотоке соответствует 5 каналам с общей пропускной способностью уплотненного канала - 4 кбит/с. Расчет числа ИНС СК в одном видеопотоке при организации скрытого обмена в видеоданных форматов JPEG, MPEG-2 представлен в таблице 5.
Таблица 5 - Расчет числа ИНС СК в одном видепотоке при организации скрытого обмена в видеоданных форматов JPEG, MPEG-2
JPEG MPEG-2
Уровни качества Низкий Основной Высокий Уровни качества Низкий Основной Высокий
Размер кадра 352х288 720х576 1440х1150 Размер кадра 720х576 720х576 720х576 1440х1150
Частота смены кадров, Гц 25 30 40 40
Скорость передачи 2 Мб/с 4 Мб/с 8 Мб/с
Скорость передачи 2 Мб/с 4 Мб/с 6 Мб/с 8 Мбит/с
Размещение матриц 1х256 4х256 20х256 1х1024+ 4х256
Размещение матриц 4х256 4х256 4х256 20х256 1х1024 +4х256
Пропускная способность, кб/с 1,024 4,096 20,480 10,578
Пропускная способность, кб/с 8,53 10,2 13,65 68,27 27,3
Число скрытых каналов 7 8 11 56 22
Число скрытых каналов 1 3 16 8
Достоверность скрываемых данных, рош -3 10 -3 10 -3 10 -3 10 -9 10
Достоверность скрываемых данных, рош -3 10 3 10-3 10-3 -9 10
Таким образом, разработанный метод кодового уплотнения скрытого канала при передаче видеоданных позволяет организовать от 3 до 56 ИНС СК с пропускной способностью каждого ИНС СК 1,2 кбит/с и достоверностью 10-3 в зависимости от качества и формата видеоданных, используемых в качестве контейнера для встраивания.
Использование для встраивания видеоданных высокого качества (с размером кадра 1440^1150 и более) позволяет достичь лучших характеристик
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
35
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
достоверности передаваемых скрыто данных (10-9) при уменьшении скрытой пропускной способности.
Предложения по совершенствованию типового кодера видеоданных
Предложения по совершенствованию типового кодера видеоданных представлены схемотехническими решениями (рис. 8). В работе определены тактико-технические характеристики кодера видеоданных с интегрированным стегокодером кодового уплотнения скрытого канала. Назначение усовершенствованного кодера видеоданных заключается в организации дополнительных ИНС СК в структуре открытого видеопотока при невозможности или нецелесообразности их передачи по открытым каналам связи. Основные требования, предъявляемые к входным видеоданным для организации уплотнения скрытого канала: видеоданные форматов JPEG или MPEG-2; количество неподвижных изображений, одновременно передаваемых за один сеанс связи - не менее 100, длительность видео трансляции - не менее 1 минуты.
Возможности кодера видеоданных с интегрированным стегокодером для кодового уплотнения скрытого канала представлены в таблице 6.
Таблица 6 - Возможности кодера видеоданных с интегрированным стегокодером кодового уплотнения скрытого канала
Для входных видеоданных основного качества и основного профиля (размер кадра изображения 720х576)
2 Мб/с 4 Мбит/с 6 Мбит/с 8 Мбит/с
Вероятность ошибочного приема скрываемых данных 10-3
JPEG 1х1,024 1х4,096 / 3х1,2 1х10,1 / 8х1,2 1х13,4 / 11х1,2
MPEG-2 1х 8,5 / 7х1,2 1х10,2 / 8х1,2 1х16,4 / 13х1,2 1х20,1 / 16х1,2
Вид трафика, передаваемого по скрытым каналам - речь, телеграммы, электронная почта
Для входных видеоданных высокого качества и основного профиля (размер кадра изображения 1140х1150)
Скорость видеопотока - 8 Мбит/с
Вероятность ошибочного прие 10-3 ма скрываемых данных: 10-9
JPEG 1х20,5 / 16 х1,2 1х10, 6 / 8х1.2
MPEG-2 1х 68,3 / 56х1,2 1х27,3 / 22х1.2
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
36
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
ф
.0
S £
Ethernet
а) передающая сторона
данные
б) приемная сторона
Рис. 8. Предложения по совершенствованию кодера видеоданных
Также были проведены расчеты вычислительной сложности разработанных алгоритмов кодового уплотнения, встраивания и извлечения ИН СК в структуру сжимаемых видеоданных, показавшие, что они могут быть реализованы на отечественных процессорах типа «Эльбрус».
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
37
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
Вывод
Научная новизна метода кодового уплотнения скрытого канала состоит в:
- разработке модели кодового уплотнения ИНС СК в видеоданных, отличающейся от известных проведением дополнительных этапов, состоящих как в реализации кодового уплотнения до сжатия видеоданных на основе двумерных шумоподобных сигнальных конструкций, так и проведением двойного ортогонального преобразования видеоданных с одновременным встраиванием согласованной с ним двумерной модулированной сигнальной конструкции;
- разработке алгоритма кодового уплотнения скрытого канала, отличающегося от известных алгоритмов способом разделения групп ИНС для последующего кодового уплотнения с использованием двумерных шумоподобных сигнальных конструкций Франка-Крестенсона, а также в разработке алгоритмов встраивания и извлечения данных из уплотненного скрытого канала, отличающиеся от известных алгоритмов реализацией способа размещения до сжатия видеоданных и извлечения блочных конструкций Франка-Крестенсона уплотненного скрытого канала в кадре видеоданных; реализацией этапа дополнительной обработки входных видеоданных путем проведения двумерных спектральных преобразований в базисе Виленкина-Крестенсона с одновременной модификацией пары бит в оцифрованных значениях спектра видеоданных.
Разработанный метод кодового уплотнения скрытого канала позволяет увеличить число ИНС СК в скрытом канале при передаче видеоданных при ограничениях на скрытность встраивания и достоверность приема скрываемых данных.
Литература
1. Грибунин В. Г., Оков И. Н., Туринцев И. В. Цифровая стеганография. М.: Солон-Пресс, 2002. - 272 с.
2. Конахович Г. Ф., Пузыренко А. Ю. Компьютерная стеганография. Теория и практика. Киев: МК-Пресс, 2006. - 283 с.
3. Абазина Е. С. Постановка задачи организации скрытого канала передачи информации с кодовым уплотнением в спутниковых радиолиниях для решения задач управления войсками // Сб. статей по материалам докладов Всероссийской науч.-практической конф. курсантов, слушателей и молодых ученых, посвященной Дню образования войск связи. Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА». 2013. № 1. С. 385-388.
4. Абазина Е. С., Цветков К. Ю., Федосеев В. Е., Применение двумерных нелинейных сигналов Франка-Уолша, Франка-Крестенсона в методе формирования скрытых каналов с кодовым уплотнением в структуре сжимаемых видеоданных // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2013. № 4. С. 32-40.
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
38
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
5. Абазина Е. С. Выбор кодовых последовательностей для формирования широкополосных цифровых водяных знаков // Сборник материалов II Всероссийского конгресса молодых ученых (СПб, 20-22 марта 2013г.). -СПб., 2013. - С. 44-46.
6. Абазина Е. С. Метод скрытой передачи информации с кодовым уплотнением в видеоданных // Информация и космос. 2014. № 4. С. 33-38.
7. Абазина Е. С., Цветков К. Ю., Федосеев В. Е., Коровин В. М. Модель кодера скрытых каналов с кодовым уплотнением с использованием сигнальных последовательностей Франка-Уолша, Франка-Крестенсона // Труды НИИР. 2015. № 1. С. 1-11.
8. Абазина Е. С. Формирование стеганографического канала с кодовым уплотнением на основе двумерных нелинейных сигналов // Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 2015. № 2. С. 111-118.
9. Цветков К. Ю., Федосеев В. Е., Коровин В. М., Абазина Е. С. Имитационная модель скрытой передачи информации с кодовым уплотнением в структуре сжимаемых видеоданных // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2015615358, 2015.
10. Абазина Е. С. Математическая модель стегокодера для скрытого канала с кодовым уплотнением в структуре видеоданных // Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем: сб. материалов XXXII Всероссийской науч.-тех. конф.(Серпухов, 22 нояб. 2014г.). - Серпухов: МОУ ИИФ, 2014. - С. 17-21.
11. Абазина Е. С., Ерунов А. А. Результаты моделирования метода скрытой передачи информации с кодовым уплотнением в видеоданных // Системы управления, связи и безопасности. 2015. № 2. С. 1-25.
12. Абазина Е. С. Алгоритмы внедрения двумерных нелинейных кодовых последовательностей в видеопоток // Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 2013. № 1. С. 85-93.
References
1. Gribunin V. G., Okov I. N., Turincev I. V. Tsifrovaia steganografiia [Digital Steganography]. Moscow, Solon-Press Publ, 2009. 272 p. (In Russian).
2. Konakhovich G. F., Puzirenko A. U. Komputernaia steganografiia. Teoriia i praktika [Computer steganography. Theory and practice]. Kiev, МК-Press Publ, 2006. 283 p. (In Russian).
3. Abazina E. S. Postanovka zadachi organizatsii skrytogo kanala peredachi informatsii s kodovym uplotneniem v sputnikovykh radioliniiakh dlia resheniia zadach upravleniia voiskami [Statement of a problem of the organization of the hidden channel of information transfer with code consolidation in satellite radio lines for the decision of problems of management of armies]. Materialy dokladov Vseros. nauchno-prakticheskoi konferentsii kursantov, slushatelei i molodykh uchenykh, posviashchennoi Dniu obrazovaniia voisk sviazi [Day of Formation of Armies of Communication Proc. of the All-Russian Sci.-Pract. Conf. 32nd All-Russian Sci. and Tec. Conf.]. Voronezh, N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin Military Air Academy Publ., 2013, no. 1, pp. 385 - 388 (In Russian).
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
39
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
4. Tsvetkov K. U., Fedoseev V. E., Abazina E. S. Primenenie dvumemih nelineinih signalov Franka-Uolsha, Franka-Krestensona v metode formirovaniya skritih kanalov s kodovim uplotneniem v structure szhimaemih videodannih [Application of two-dimensional nonlinear signals of Frank-Uolsh, Frank-Krestenson into the method of formation of the hidden channel with code consolidation in structure of the compressed video data]. Hi-tech Earth Space Research, 2013, no. 4, pp. 32-40 (In Russian).
5. Abazina E. S. Vybor kodovykh posledovatel'nostei dlia formirovaniia shirokopolosnykh tsifrovykh vodianykh znakov. [Choice of code sequences for formation of broadband digital watermarks]. II Mezhvuzovskaia nauchno-prakticheskaia konferentsiia. Materialy dokladov [Abstracts of Papers of 2nd AllRussian Congress of Young Scientists]. Saint-Petersburg, University of the Information's Technology, Mechanics and Optics Publ., 2013, pp. 44-46 (In Russian).
6. Abazina E. S. Metod skrytoi peredachi informatcii s kodovym uplotneniem v videodannyh [The method of hidden data transmission with code consolidation]. Informatsiia i kosmos, 2014, no. 4, pp. 33-38 (In Russian).
7. Tsvetkov K. U., Fedoseev V. E., Korovin V. M., Abazina E. S. Model kodera skritih kanalov s kodovim uplotneniem s ispolzovaniem signalnih posledovatelnostei Franka-Uosha, Franka-Krestensona [Model of the coder of the hidden channel with code consolidation with use of signal sequences of Frank-Uolsh, Frank-Krestenson]. Trudi NIIR, 2015, no. 1, pp. 1-11 (In Russian).
8. Abazina E. S. Formirovanie steganograficheskogo kanala s kodvim uplotneniem na osnove dvumernih nelineinih signalov [Forming of steganography data link with code consolidation, based on two-dimensional nonlinear signals]. Voprosy radioelektroniki. Seriya tekhnika televideniia, 2015, no. 2, pp. 108-116 (In Russian).
9. Tsvetkov K. J., Fedoseyev V. E., Korovin V. M., Abazina Е. S. Immitatcionnaya model skrytoi peredachi informatcii s kodovym uplotneniem v structure szhimaemyh videodannyh. Svidetel’stvo o registratcii program dlya EVM [Imitating model of the hidden information transfer with code consolidation in structure of the compressed video data. The Certificate on official registration of the computer program]. No. 2015615358, 2015.
10. Fedoseev V. E., Abazina E. S. Matematicheskaia model' stegokodera dlia skrytogo kanala s kodovym uplotneniem v strukture videodannykh [Mathematical model of the stegocoder for the hidden channel with code consolidation in structure of the video data]. Problemy effektivnosti i bezopasnosti funktsionirovaniia slozhnykh tekhnicheskikh i informatsionnykh sistem; Materialy XXXII Vseros. nauchno-tekhnicheskoi konferentsii [Problems of Efficiency and Safety of Functioning Difficult Technical and Information Systems. Proc. 32nd All-Russian Sci. and Tec. Conf.]. Serpukhov, Serpukhov Military Rocket Institute Publ., 2014, pp. 17-21 (In Russian).
11. Abazina E. S. Rezultati modelirovaniya metoda skritoj peredachi informacii s kodovim uplotneniem v videodannih [Results of the modelling of the
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
40
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
method of the hidden information transfer with using of the code consolidation in the video data]. Systems of Control, Communication and Security, 2015, no. 2, pp. 1-25 (In Russia).
12. Abazina E. S. Algoritmy vnedreniia dvumernykh nelineinykh kodovykh posledovatel'nostei v strukturu szhatykh videodannykh [Algorithms of introduction of two-dimensional nonlinear code sequences in structure of the compressed video data]. Voprosy radioelektroniki. Seriya tekhnika televideniia, 2013, no. 2, pp. 111118 (In Russian).
Статья поступила 5 июля 2015 г.
Информация об авторе
Абазина Евгения Сергеевна - соискатель ученой степени кандидата технических наук. Адъюнкт кафедры Сетей и систем связи космических комплексов. Военно-космическая академия имени А. Ф Можайского. Область научных интересов: цифровая стеганография, теория приема и обработки сигналов, теория передачи информации. E-mail: e.s.abazina@yandex.ru
Адрес: 197198, Россия, г. Санкт-Петербург, Ждановская наб., д. 13.
Method of code consolidation of the hidden channel by transfer into video data
Abazina Е. S.
Work urgency: increasing quantity of information directions of communication simultaneously functioning into hidden (steganographic) channel in structure of one multimedia container make questions of maintenance of applicability of methods digital steganography for wider class of problems more urgency. Known steganographic ways do not allow to organize hidden exchange more than one information direction of communication in a multimedia stream. The work purpose is to increase the number of information directions of communication in the hidden channel by transfer of the video data with restrictions on reliability of reception of the hidden data transferred in each information direction, and reserve of embedding. Used methods: it is offered to apply code consolidation of the data as the technology, allowing to reach the compromise in the contradiction between reserve of embedding, throughput of the hidden channel and reliability of reception of the hidden data. Problem statement: to develop a method of code consolidation of the hidden channels in structure of the video data. Novelty: novelty aspects of the presented decision are: carrying out of additional stages steganographic processings of the container and the built in data of each of the information directions of communication consisting as in realisation of code consolidation before compression of the video data with application two-dimensional noise-type of alarm designs, and carrying out of double orthogonal transformation of the video data with simultaneous embedding of the twodimensional modulated alarm designs co-ordinated with it. Also it is necessary to carry a way of division of information directions of communication to a novelty aspect in the hidden channel, definition of the key data and an order of placing of the hidden data in an image-container shot. Result: Using developed method of code consolidation of the hidden channels in structure of the video data allows to increase number of information directions of communication in the hidden channel a minimum three times (at the hidden throughput of each information direction of communication of the hidden channel not less than 1.2 kbit/with and probabilities of erroneous reception of the hidden data are not worse 10-3) and depends on a degree of quality of the video data. The maximum of the hidden throughput of the condensed hidden channel does not exceed 20 % from throughput of the channel of transfer of the video data. The practical importance: consists in finishing of the developed scientifically-methodical device and realised algorithms which allow to use results of researches by working out of the coder of the video data.
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
41
Системы управления,связи и безопасности №3. 2015
Systems of Control, Communication and Security http://journals.intelgr.com/sccs/
Keywords: the video data, standards of compression JPEG, MPEG-2, стеганография, twodimensional noise-type signal constructions, code consolidation (division) of the data.
Information about Author
Abazina Evgeniya Sergeevna - Doctoral Student. The postgraduate student of the Department of Networks and Communication Systems of Space Complexes. Mozhaiskiy Military Space Academy. Field of research: digital steganography, the theory of signals. E-mail: e.s.abazina@yandex.ru
Address: Russia, 197198, Saint-Petersburg, Zhdanovskaya street, 13.
URL: http://journals.intelgr.com/sccs/archive/2015-03/02-Abazina.pdf
42
