CC BY
215
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СТЕГАНОГРАФИЧЕСКОГО СКРЫТИЯ ЦИФРОВЫХ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ В ВИДЕОПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЯХ ЗА СЧЕТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ РАЗНОСТИ ЭНЕРГИЙ ОБЛАСТЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Шелухин Олег Иванович,
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой информационной безопасности и втоматизации Московского технического университета связи и информатики, г. Москва, Россия, sheluhin@mail.ru
Олейникова Тамара Викторовна,
магистрант Московского технического университета связи и информатики, г. Москва, Россия, taviola@mail.ru
О л л С
Ключевые слова:
стеганография; цифровые водяные знаки; защита авторских прав; дифференциальная разность энергий; дискретное косинусное преобразование; MPEG; JPEG.
Рассмотрен метод встраивания цифровых водяных знаков непосредственно в сжатый поток данных, основанный на дифференциальном вычислении разности энергий областей изображения.
Энергетическая разность обеспечивается путем выборочного удаления высокочастотных коэффициентов дискретного косинусного преобразования. Для встраивания или извлечения цифровых водяных знаков из сжатого видеопотока, алгоритм дифференциального вычисления разности энергий областей изображения требует только неполного декодирования. Алгоритм дифференциального вычисления разности энергий областей изображения позволяет осуществить внедрение цифровых водяных знаков, состоящего из последовательности бит в опорные кадры MPEG-видео или в JPEG-изображения. Каждый бит цифровых водяных знаков встраивается в выбранную область, состоящую из блоков коэффициентов дискретного косинусного преобразования канала яркости изображения. Бит цифровых водяных знаков внедряется в выбранную область модификацией разности энергий между высокочастотными коэффициентами дискретного косинусного преобразования верхней и нижней части этой области.
В результате сложность дифференциального вычисления разности энергий областей изображения алгоритмов встраивания цифровых водяных знаков оказывается только незначительно выше, чем у методов, основанных на замене наименее значимого бита.
Из полученных результатов следует, что предпочтительно использование малых значений параметра квантования, что в предельном случае аналогично отсутствию этапа квантования. Установлено, что при встраивании сообщения с использованием меньшего значений разности энергий контейнер меньше подвержен искажениям. Показано, что при малых значениях разности энергий снижается помехоустойчивость стеганоконтейнера. Значительный эффект дает использование больших областей для встраивания одного бита сообщения, однако при неизменном значении разности энергий это также ведет к снижению помехоустойчивости стеганоконтейнера. При оценке восстановленного сообщения установлено, что при внесении искажений в стеганоконтейнер встроенное сообщение также подвергается искажениям.
В качестве преимуществ использования алгоритма дифференциального вычисления разности энергий областей изображения можно выделить относительно низкую вычислительную сложность алгоритма при высокой устойчивости алгоритма к атакам перекодированием.
Постановка задачи
Для обеспечения защиты от копирования и защиты авторских прав аудио- и видеоданных в цифровом виде, в настоящее время разрабатываются и используются два взаимодополняющих метода: шифрование и цифровые водяные знаки (ЦВЗ). Методы шифрования могут использоваться для защиты цифровых данных во время передачи от отправителя к получателю. Тем не менее, после того, как получатель получил и расшифровал данные, они находятся в открытом виде и больше не защищены. Методы встраивания ЦВЗ могут дополнять шифрование путем встраивания незаметного секретного сигнала непосредственно в незашифрованные данные. ЦВЗ встраивается таким образом, что он не может быть удален без влияния на качество аудио- или видеоданных и может быть использован, например, для защиты авторских прав, т.к. в данных можно скрыть информацию об авторе.
Методы встраивания и извлечения ЦВЗ не могут быть слишком сложными по двум причинам: они должны работать в режиме реального времени и не должны быть дорогостоящими, т.к. будут использоваться в потребительских товарах. Должна быть предусмотрена возможность добавления водяных знаков непосредственно в сжатые данные. Кроме того, важно, чтобы добавление ЦВЗ не влияло на размер сжатых данных. Например, если размер сжатого MPEG видео потока увеличивается, при передаче по каналу передачи данных с фиксированной скоростью могут возникнуть проблемы: может не хватить места в буферах аппаратных декодеров или может быть нарушена синхронизация аудио и видео.
Наиболее эффективным способом уменьшить сложность алгоритмов встраивания ЦВЗ в реальном времени является избегание вычислительно сложных операций, используя формат сжатия видеоданных. В статье рассмотрен метод встраивания ЦВЗ непосредственно в сжатый поток данных, основанный на дифференциальном вычислении разности энергий областей изображения (МДЭ).
Энергетическая разность обеспечивается путем выборочного удаления высокочастотных коэффициентов дискретного косинусного преобразования (ДКП). Для встраивания или извлечения ЦВЗ из сжатого видеопотока, алгоритм МДЭ требует только неполного декодирования. В результате сложность МДЭ алгоритмов встраивания ЦВЗ оказывается только незначительно выше, чем у методов, основанных на замене наименее значимого бита.
Алгоритм МДЭ для встраивания ЦВЗ
в видеопоследовательности стандарту
MPEG/JPEG
Как известно [1,2] поток видеоданных в MPEG имеет иерархическую синтаксическую структуру, при которой каждый уровень содержит один или более подчиненных уровней. Последовательность видеоданных разделяется
на множество групп кадров (ГК). В пределах ГК временная избыточность среди видеокадров уменьшается за счет временного предсказания. Затем результирующая ошибка предсказания кодируется. В стандарте MPEG [1] используются три типа кадров:
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.
Алгоритм МДЭ позволяет осуществить внедрение ЦВЗ, состоящего из l бит b. (j = 0, 1, 2, ..., l-1) в I-кадры MPEG-видео или в JPEG-изображения. Каждый бит ЦВЗ встраивается в выбранную область, состоящую из n блоков по 8*8 коэффициентов ДКП канала яркости изображения. Бит ЦВЗ внедряется в выбранную область модификацией разности энергий D между высокочастотными коэффициентами ДКП верхней части этой области (субобласть А) и ее нижней части (субобласть В) [3,4].
Полная энергия в S(c) подобласти A, состоящей из n/2 блоков ДКП, рассчитывается следующим образом:
(1)
Здесь 0.d обозначает невзвешенный коэффициент ДКП с индексом i блока d подобласти А на этапе рассмотрения. [в^]^означает, что коэффициенты ДКП предварительно квантуются стандартной процедурой квантования JPEG с параметром квантования О. .
г t- jpeg
Энергия подобласти B, обозначаемая EB, определяется аналогичным образом.
Для встраивания битов ЦВЗ в /-кадры MPEG сжатого видео используется аналогичный подход, поэтому без потери общности в дальнейших обозначениях используется JPEG. Предварительное квантование выполняется только на этапе определения энергии, но не применяется на этапе встраивания водяного знака.
Подмножество S(c) блока коэффициентов ДКП, считанных зигзагообразно, определяется на основе выбранного порога с:
S(c)={he{1,63}|(h>c)}.
(2)
Заметность ЦВЗ на изображении-контейнере определяется выбором подходящего значения порога. После определения порога для каждой ?с-области, разность энергий определяется следующим образом:
D(c, n, Q. )=EA(c, n, Q. ) - EB(c, n, Q. ).
4 ' ' ^-ineg A 4 ' ' ^-i peg J B4 ' ' ^-mev J
(3)
Центральную роль, как в процессе встраивания, так и в процессе извлечения встроенной информации играют энергии субобластей А и В, величина которых определяется четырьмя факторами:
■ характером субобластей А и В;
■ количеством блоков п на одну выбранную область;
■ шагом квантователя;
■ размером подмножества 5(с).
Процедура встраивания ЦВЗ состоит в следующем:
1. Перемешивание блоков 8х8 ДКП-коэффициентов изображения или /-кадра псевдослучайным образом.
2. Для каждого бита Ъ водяного знака выполнить:
2.1. Выбор 1с-подобласти А, состоящей из п/2 блоков 8х8 коэффициентов ДКП.
2.2. Выбор 1с-подобласти В, состоящей из оставшихся п/2 блоков 8х8 коэффициентов ДКП.
2.3. Расчет значения порога с:
с(п, Q , D, c . )=max{c ., max{g е 1,63}|
4 ' ^peg7 ' min ^ mm' ' I
IE (g, n, Qppg) > >D) л (EB (g, n, Q. )>D)},
где
2.4. Расчет разности энергий:
D=e (cextract, n, Q\ ) - E (cextract, n, Q\ )
A4 ' ' ^ ipeg B 4 5 meg'
(6)
вычислительных операций, более сложных, чем встраивание нового произвольного водяного знака. Для тестирования рассмотренного алгоритма использовался контейнер формата MPEG 2, где каждый кадр представлен изображением формата 640x360 с частотой кадров равной 23 кадра в секунду. Встраиваемый ЦВЗ представлял собой текстовое сообщение, закодированное в QR-коде и сохраненное в формате BMP (рис. 1).
(4)
(5)
3. Если (Ъ. = 0), то удаление коэффициентов подмножества 5(с) области А. Иначе, если (Ъ. = 1), то удаление коэффициентов подмножества Б(е) области.
4. Расстановка всех блоков ДКП-коэффициентов по своим начальным позициям.
Процедура извлечения ЦВЗ:
1. Перемешивание блоков 8х8 ДКП-коэффициентов изображения или /-кадра псевдослучайным образом;
2. Для каждого бита Ъ. битовой строки Ь выполнить:
2.1. Выбор 1с-подобласти А, состоящей из п/2 блоков 8х8 коэффициентов ДКП.
2.2. Выбор 1с-подобласти В, состоящей из оставшихся п/2 блоков 8х8 коэффициентов ДКП.
2.3. Расчет значения порога с:
С(П А Cm¡n)=mаx{Cm¡n, тйХ{% 6 1,63}1
|№а (& п %е,) > >В)А(£в & п Qjpeg)>D)},
где
Рис. 1. Встраиваемое сообщение
Встраивание произведено в каждый /-кадр видеоряда (рис. 2). Для встраивания одного бита выбрана область, равная 4 блокам 8х8 и значение разности энергий при встраивании равно 50. При оценке качества контейнера со встроенным ЦВЗ оценивались только искаженные кадры видео.
2.5. Если ф>0), то Ъ.=0 Иначе Ъ =1
Положительным свойством алгоритма МДЭ является то, что для удаления ЦВЗ требуется проведение
Рис. 2. Пример /-кадра контейнера
Оценка качества встраивания ЦВЗ в видеопоследовательности стандарта MPEG/JPEG с помощью алгоритм МДЭ
В качестве основных объективных показателей визуального искажения контейнера как правило используются следующие показатели: среднеквадратическая ошибка (Mean Square Error - MSE) для изображения размером MxN; нормированная среднеквадратическая ошибка (Normalized Mean Square Error - NMSE); отношение «сигнал/шум» (Signal to Noise Ratio - SNR) - безразмерная величина, в которой в качестве сигнала берется исходное изображение, а шум определяется как разность между пикселями исходного и искаженного изображения [5,6,7].
В качестве примера рассмотрим максимальное отношение «сигнал/шум» (Peak Signal to Noise Ratio -PSNR) определяет максимальное соотношение между
сигналом и шумом изображения, и выражается следующей формулой:
(7)
где С - пустой контейнер, а 5 - контейнер, содержащий ЦВЗ.
На рис. 3 представлены графики зависимости качества контейнера от параметров алгоритма встраивания.
На рис. 4 представлены оценки качества оценки видеопоследовательности в результате встраивания ЦВЗ представленного на рис. 1.
Экспертные оценки показали, что встроенные водяные знаки незаметны при п=32 и скорости кодирования видеоданных 6 и 8 Мбит/с. При кодировании видеоданных на более низких скоростях появляются искажения возле контуров. Устранить искажения можно увеличением числа блоков ДКП, приходящихся на одну выбранную область. Проведенные исследования показали, что алгоритм ДЭВ позволяет осуществлять встраивание информации в цифровой поток 6-8 Мбит/с со скоростью 0,42 кбит/с практически без искажений.
Выводы
Из полученных результатов следует, что предпочтительно использование малых значений параметра квантования, что в предельном случае аналогично отсутствию этапа квантования. Установлено, что при встраивании сообщения с использованием меньшего значений разности энергий контейнер меньше подвержен искажениям. С другой стороны, при малых значениях разности энергий снижается помехоустойчивость стеганоконтейнера.
Значительный эффект дает использование больших областей для встраивания одного бита сообщения, однако при неизменном значении разности энергий это также ведет к снижению помехоустойчивости стеганоконтейнера. При оценке восстановленного сообщения установлено, что при внесении искажений в стеганоконтейнер встроенное сообщение также подвергается искажениям. Максимальное значение значения искажения извлеченного сообщения равно 15.6% при значении ЫМБЕ контейнера = 0.5%.
В качестве преимуществ использования алгоритма МДЭ можно выделить относительно низкую вычислительную сложность алгоритма при высокой устойчивости алгоритма к атакам перекодированием. Недостат-
Рис. 3. Зависимость качества изображения от а) параметра квантования, где - параметр квантования, б) размера области для встраивания одного бита, где М-размер области для встраивания одного бита); в) разности энергий при встраивании, где В-разность энергий при встраивании; г) размера встраиваемого сообщения, где message-размер встраиваемого сообщения в байтах
www.h-es.ru
73
А 1 1
\ к.
■VI 1 . Л i
ГЧ krV \
V 4 и V\J
ш
а)
V^-A fd JY\
L 1 iv г
в)
m
б)
rd\ JY\
u 1 l-V i j-
°0 20 40 60 80
Ш
г)
Рис. 4. Показатели качества видеопоследовательности при встраивания ЦВЗ а) MSE б) NMSE в) SNR г) PSNR
ком метода является зависимость качества скрытия от характера видеоконтента.
Литература
1. Артюшенко В.М., Шелухин О.И., Афонин М.Ю. Цифровое сжатие видеоинформации и звука. М.: Дашков и К, 2003. 426 с.
2. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография. M.: СОЛОН-Пресс, 2002. 261 с. URL: http://www.autex.spb.ru/wavelet/books.htm (дата обращения 10.02.2016).
3. Christian C. An information-theoretic model for steganography. URL: http://algolist.manual.ru/defence/ hide/ (дата обращения 10.02.2016).
4. Kutter M., Jordan F., Bossen F. Digital signature of
color images using amplitude modulation // Proc. of the SPIE Storage and Retrieval for Image and Video Databases V. 1997. Pp. 518-526.
5. Darmstaedter V., Delaigle J.-F., Quisquater J., Macq B. Low cost spatial watermarking // Computers and Graphics. 1998. Vol. 5. Pp. 417-423.
6. Langelaar G., Lagendijk R., Biemond J. Real-time Labeling Methods for MPEG Compressed Video // 18th Symposium on Information Theory in the Benelux. 1997. Pp. 123-130.
7. Langelaar G., Lagendijk R., Biemond J. Removing Spatial Spread Spectrum Watermarks by Non-linear Filtering // IX European Signal Processing Conference. 1998. URL: http://cgi.di.uoa.gr/~eusipco (дата обращения 10.02.2016).
Для цитирования:
Шелухин О.И., Олейникова Т.В. Оценка эффективности стеганографического скрытия цифровых водяных знаков в видеопоследовательностях за счет дифференциальной разности энергий областей изображения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 2. С. 70-75.
EVALUATING THE EFFECTIVENESS OF HIDING DIGITAL WATERMARK IN VIDEO SEQUENCES DUE TO THE ENERGY DIFFERENCE BETWEEN THE DISCRETE COSINE TRANSFORM COEFFICIENTS
Sheluhin Oleg Ivanovich,
Moscow, Russia, sheluhin@mail.ru
Oleynikova Tamara Viktorovna,
Moscow, Russia, taviola@mail.ru
Abstrart
We consider in this paper on an image energy differential calculation based, into the data stream directly compressed, an embedding a digital watermark method. The energy differences are enforced by selectively discarding high-frequency coefficients of the discrete cosine transform. To embed a watermark in or extract a watermark from a compressed video stream, the image energy differential calculation algorithm required only partial decoding steps. The image energy differential calculation algorithm allows implementation of watermark, which consists of a sequence of bits in the I-frames of MPEG video or in the JPEG-image. Every bit of watermark is embedded to selected area, consisting of discrete cosine transform coefficients of the luminance channel of the image. A watermark bit is embedded in a region by modification an "energy" difference between the high frequency discrete cosine transform coefficients of the top half of the region and the bottom half. As a result complexity of the image energy differential calculation embedded watermark algorithms is only little higher than of the method replacing the least significant bit. From the results, it is preferred that using small quantization parameter that is similar to lack of the quantization step. Found that the container is less subject to corruption when embedding messages using less energy difference between the values of. It is shown that robustness of watermarked image decreases for small values of energy difference. A significant effect is the use of large areas for embedding one bit of the message, but at a constant value of energy difference this also leads to decreased robustness of watermarked image. Found that when evaluating the recovered
messages by introducing corruptions in watermarked image built-in message is also subject to corruption. As the advantages of using the image energy differential calculation algorithm are relatively low computational complexity of the algorithm when high resistance to re-encoding attacks.
Keywords: steganography; digital watermark; copyright protection; energy difference; the discrete cosine transform; MPEG; JPEG.
References
1. Artyushenko V.M., Shelukhin O.I., Afonin M.Yu. Tsifrovoe szhatie videoinformatsii i zvuka. [Digital compression of video and audio]. Moscow, Dashkov & K, 2003. 426 p.
2. Gribunin V.G., Okov I.N., Turintsev I.V.. Tsifrovaya steg-anografiya [Digital stenography]. Moscow, SOLON-Press, 2002. 261 p. URL: http://www.autex.spb.ru/wavelet/ books.htm (date of access 10.02.2016).
3. Christian C. An information-theoretic model for steganography. URL: http://algolist.manual.ru/defence/hide/ (date of access 10.02.2016).
4. Kutter M., Jordan F., Bossen F. Digital signature of color images using amplitude modulation. Proc. of the SPIE Storage and Retrieval for Image and Video Databases V. 1997.
5. Darmstaedter V., Delaigle J.-F., Quisquater J., Macq B. Low cost spatial watermarking. Computers and Graphics. 1998. Vol. 5. Pp. 417-423.
6. Langelaar G., Lagendijk R., Biemond J. Real-time Labeling Methods for MPEG Compressed Video. 18th Symposium on Information Theory in the Benelux. 1997. Pp. 123-130.
7. Langelaar G., Lagendijk R., Biemond J. Removing Spatial Spread Spectrum Watermarks by Non-linear Filtering. IX European Signal Processing Conference. 1998. URL: http:// cgi.di.uoa.gr/~eusipco (date of access 10.02.2016).
Information about authors:
Sheluhin O.I., Ph.D., professor, Head of Department Information Security and Automation of the Moscow Technical University of Communications and Informatics; Oleynikova T.V., undergraduate Ul of the Moscow Technical University of Communications and Informatics, Department of Information Security and Automation.
For citation:
Sheluhin O.I., Oleynikova T.V. Evaluating the effectiveness of hiding digital watermark in video sequences due to the energy difference between the discrete cosine transform coefficients. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 2. Pp. 70-75.
