CC BY
46
Метод защиты от фальсификации и заимствования фотоизображений встраиванием цифровых водяных знаков
Ю.А. Белобокова,
аспирант кафедры ИВТиАМ
Защита информационного содержания цифровых фотографий для противодействия подделкам изображений или их незаконному использованию, в настоящее время, является достаточно актуальной задачей.
В случае, когда цифровое изображение заимствуют с целью фальсификации или для последующего незаконного использования, оно может быть подвергнуто ряду внешних воздействий: зашумлению, фильтрации, кадрированию, обрезке краев, масштабированию, поворотам, сжатию с потерями, смене цифрового формата [2]. При фальсификации изображения возможно удаление каких-либо его фрагментов или добавление новых. Поэтому очень важно иметь такой инструмент защиты, который позволяет не только доказать авторские права на цифровое фотоизображение, но и показать, как было изменено его информационное содержание.
В последние годы достаточное распространение получил способ защиты цифровых фотографий с помощью цифровых водяных знаков (ЦВЗ), заключающийся во встраивании в изображение невидимых меток. Размер внедряемого ЦВЗ обычно намного меньше размера защищаемой цифровой фотографии, поэтому он многократно встраивается в различные участки изображения.
Одним из самых подходящих форматов для хранения полноцветных цифровых фотографий является формат JPEG, а также его более поздняя модификация JPEG2000. Сохраненные в этих форматах
17
изображения при сравнительно небольших размерах файла имеют высокие показатели качества и, кроме того, поддерживаются всеми известными средствами работы с графикой. Недостаток данных форматов заключается в том, что для уменьшения размера графических файлов применяются алгоритмы сжатия с потерями, что влечет за собой необратимую потерю части информации при сохранении таких изображений [1]. При этом есть вероятность того, что встроенные в изображение ЦВЗ также могут быть искажены или уничтожены. Если необходимо доказать заимствование фотоизображения, необходимо, чтобы ЦВЗ был устойчивым к сжатию.
Одним из путей повышения устойчивости к сжатию изображения внедренных в него ЦВЗ является использование в алгоритмах защиты тех же преобразований, что и в алгоритмах сжатия файлов изображения (дискретное косинусное преобразование (ДКП) для формата JPEG и вейвлет-преобразование для формата JPEG2000) [3].
В качестве ЦВЗ можно использовать как случайный двумерный массив чисел, так и простое графическое изображение. Последний вариант более предпочтителен, поскольку при извлечении искаженного графического ЦВЗ доказать заимствование цифровой фотографии будет проще.
Для проверки авторских прав на цифровую фотографию производится извлечение встроенной информации, которое при недостаточной устойчивости ЦВЗ к внешним воздействиям может стать невозможным за счет его искажения. Но помимо робастности, ЦВЗ также должен отвечать критерию скрытности, то есть многократное внедрение водяных знаков не должно вызывать заметных искажений фотоизображения по сравнению с оригиналом.
Для решения поставленной задачи необходимо разработать метод, позволяющий гарантировать устойчивость внедренных в изображение элементов к фильтрации, зашумлению, различным геометрическим атакам и смене цифрового формата изображения, а также выявлять возможную фальсификацию. Предполагается, что при попытке замены нарушителем фрагментов защищенного изображения сторонними фрагментами, после процедуры извлечения ЦВЗ инородные объекты станут заметны за счет отсутствия их маркировки.
В статье [4] разбирался существующий метод встраивания ЦВЗ в фотоизображение в формате JPEG2000 с помощью вейвлет-преобразования маркировкой наиболее существенных участков данного изображения с учетом особенностей человеческого восприятия. Такой метод достаточно эффективен для доказательства подлинности цифровой фотографии, поскольку встроенную таким образом информацию сложно повредить или удалить, не ухудшив визуальных качеств самого изображения. Однако данный метод не подходит для доказа-
18
тельства факта обрезки исходного изображения, а также удаления или замены его значащих частей.
При разработке нового метода необходимо учесть плюсы упомянутого выше существующего, то есть встраиваемый ЦВЗ должен быть устойчив к зашумлению изображения, его фильтрации и сжатию с потерями. В то же время маркировка областей изображения должна производиться таким образом, чтобы при процедуре извлечения ЦВЗ для проверки подлинности изображения можно было понять, производилась ли обрезка этого изображения, а также были ли удалены или заменены его фрагменты. Кроме того, внедряемый ЦВЗ должен быть устойчив к поворотам промаркированного изображения. Эта устойчивость особенно важна, поскольку повороты изображений достаточно сильно искажают встроенную информацию. Пояснить это можно на простом примере (рис. 1). Даже при малом повороте прямоугольного изображения его контур искажается, становится «зубчатым». Кроме того, на местах стыка разных цветов будет наблюдаться их смешивание (рис. 1). Встроенный в такое изображение ЦВЗ, естественно, тоже будет искажен, благодаря чему может не распознаваться декодером.
Рис. 1. Искажение растрового элемента при повороте.
Слева прямоугольное изображение до искажения,
справа — прямоугольное изображение повернуто на 10 градусов
Для достижения поставленной цели предполагается использование следующего алгоритма [5].
1. Исходное изображение, которое можно представить как матрицу f(n, m) разбивается на одинаковые блоки ati размером 64 х 64 пикселя (рис. 2).
19
Рис. 2. Изображение, разбитое на блоки
2. Выбирается алгоритм расположения ЦВЗ, являющихся матрицей w(m, n) размером 4 х 4 пикселя, в этих блоках. Целесообразно встраивать в каждый блок по 4 ЦВЗ, отступая от края не менее чем на 3 пикселя, но располагая их несимметрично относительно этого блока (рис. 3).
Рис. 3. Пример встраивания ЦВЗ и ЭЦП в блок изображения
3. ЦВЗ встраиваются в каждый блок изображения согласно выбранному алгоритму.
Следующие шаги разрабатываемого алгоритма защиты фотоизображения связаны со встраиванием в изображение ЦВЗ, выполняющего роль электронно-цифровой подписи (ЭЦП).
В отличие от остальных ЦВЗ, встраиваемые в блоки ЭЦП должны быть различными и характеризовать такие свойства изображения, как, например, его яркость, контраст, фильтрация по цвету и НЧ-филь-трация, а также информация о всем изображении в целом (размер изо-
20
бражения, количество блоков в нем, контрольные суммы по цветовым каналам) и соседних с ним блоков (это необходимо для обеспечения целостности отдельных фрагментов изображения, то есть ЭЦП рассчитывается по этим фрагментам).
4. Выбирается алгоритм нанесения в блоки различных ЭЦП
(рис. 4).
Рис. 4. Пример алгоритма нанесения ЭЦП в блок изображения
5. Составляются ЭЦП в зависимости от их назначения.
6. ЭЦП встраиваются в блоки изображения в соответствии с выбранным алгоритмом.
7. ЭЦП каждого блока корректируется в зависимости от соседних блоков.
Следующим шагом изображение подвергается обратному вейвлет-преобразованию, в результате чего оказывается промаркированным.
Каждую ЭЦП необходимо встраивать четко посередине каждого блока, не пытаясь выбрать наиболее удачные для ее устойчивости участки. ЦВЗ, выполняющие роль ЭЦП, должны быть хрупкими, то есть легко удаляться. При попытке извлечь вложения из проверяемого изображения полное или частичное отсутствие центральных меток при наличии других ЦВЗ будет свидетельствовать о том, что данная фотография подвергалась каким-либо воздействиям. Поэтому встраивание ЦВЗ, выполняющих роль ЭЦП, лучше осуществить, используя метод наименьшего значащего бита (LSB-метод). При этом другие встраиваемые ЦВЗ должны быть максимально робастными к атакам, чтобы можно было говорить о нарушении авторских прав на это изображение.
21
Отличие встраиваемых ЭЦП друг от друга необходимо для определения применения к изображению процедуры кадрирования. Если в регулярной структуре (рис. 4) выявятся изменения (например, первая слева ЭЦП-метка будет говорить о контрасте, а не о яркости), можно сделать вывод об обрезке исходного изображения.
Для проверки подлинности изображения необходимо осуществить извлечение встроенных ЦВЗ и ЭЦП, выполняя преобразование над промаркированным изображением, которое могло быть подвергнуто различным воздействиям.
Для этого целесообразно действовать следующим образом:
1. Выполняя преобразование, находим все детектируемые ЦВЗ и проверяем регулярность структуры.
2. По меткам ЦВЗ находим ЦВЗ-ЭЦП и проверяем их регулярность.
Если расположение встроенных ЦВЗ и ЦВЗ-ЭЦП регулярно и соответствует алгоритму их расположения в блоках, можно сделать вывод, что это изображение не подвергалось внешним атакам.
Если при анализе вложений в изображение мы столкнулись с нерегулярностью расположения ЦВЗ или ЭЦП, их искажением, а также с наличием «дыр» в структуре расположения, отсутствия ЭЦП или сдвигов ЭЦП по срезу цифровой фотографии, можно утверждать, что это изображение подвергалось внешним воздействиям.
Например, в случае удаления каких-либо объектов с исходной фотографии на месте удаленного объекта ЦВЗ и ЭЦП детектироваться не будут (рис. 5).
Рис. 5. Удаление объекта. Слева исходное изображение,
справа - модифицированное, чертой обведено место с нарушением
структуры вложений, блоки разбиения изображения показаны квадратами
При смещении какого-либо объекта на исходной фотографии (при проверке подлинности) может быть выявлено смещение ЭЦП, а также перекрытие ЦВЗ (рис. 6).
22
Рис. 6. Смещение объекта. Чертой обведено место с нарушением структуры вложений, блоки разбиения изображения показаны квадратами
В случае добавления стороннего объекта (при проверке подлинности фотографии) на нем будет выявлено отсутствие маркировки (рис. 7).
Рис. 7. Вставка стороннего объекта. Чертой обведено место с нарушением структуры вложений, блоки разбиения изображения показаны квадратами
23
В случае, если извлеченные ЭЦП и ЦВЗ извлечены корректно (не деформированы), необходимо проверить, соответствует ли расположение всех ЭЦП алгоритму их встраивания. В случае обрезки промаркированного изображения они будут смещены.
В случае небольших поворотов промаркированного изображения предполагается, что хрупкие ЭЦП будут разрушены, а ЦВЗ будут детектироваться.
Благодаря разбиению исходной цифровой фотографии на блоки, несимметричной маркировке блоков ЦВЗ и наличию в центре каждого блока ЭЦП, расположенных согласно выбранному алгоритму, при проверке подлинности изображения можно определить, подвергалось ли оно обрезке, фильтрации или другим атакам.
Библиографический список
1. Аграновский А.В. Стеганография, цифровые водяные знаки и стеганоанализ / А.В. Аграновский, А.В. Балакин, В.Г. Грибунин, С.А. Сапожников. - М. : Вузовская книга, 2009.
2. Михайличенко О.В. Методы и алгоритмы защиты цифровых водяных знаков при jpeg сжатии. Автореферат / О.В. Михайличенко. - СПб., 2009. - 17 с.
3. Грибунин В.Г. Цифровая стеганография. Наука и учеба / В.Г. Грибунин, И.Н. Оков, И.В. Туринцев. - 2002, - 288 с.
4. Немцов А.В. Защита информационного содержания цифровых изображений путем встраивания цифровых водяных знаков. Научные труды 3 центрального научно-исследовательского института Министерства Обороны Российской Федерации. Книга 24 / А.В. Немцов, Ю.А. Белобокова. - М., 2012. - С. 93-101.
5. Белобокова Ю.А. Доказательство подлинности фотоизображений встраиванием цифровых водяных знаков. Новые информационные технологии в автоматизированных системах. Материалы шестнадцатого научно-практического семинара. Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН / Ю.А. Белобокова, Э.С. Клы-шинский. - М., 2013. - С. 58-63.
24
