Способ скрытой передачи информации с кодовым уплотнением в видеоданных
Владельцы патента RU 2616869:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение предназначено для скрытого информационного обмена в структуре видеоданных между двумя и более абонентами. Технический результат состоит в повышении эффективности системы передачи видеоданных и увеличении числа абонентов скрытого обмена информацией. Для этого предусмотрено: предварительная обработка встраиваемых данных, в том числе модуляцией взаимно ортогональными сигналами Франка-Крестенсена, обеспечивающими кодовое разделение для различных пар абонентов; проведение операций сжатия изображения-контейнера по стандарту JPEG (MPEG-2 для подвижных изображений) и представление полученных квантованных коэффициентов дискретно-косинусного преобразования (ДКП) в бинарном виде; встраивание данных скрыто передаваемых сообщений методом замены пары бит коэффициентов ДКП изображения-контейнера и применение методов корреляционной обработки скрываемых сообщений для их извлечения. 2 ил.
Способ относится преимущественно к областям электросвязи, передачи информации и стеганографии, а именно к вопросам скрытой передачи дополнительной информации в составе видеоданных за счет избыточности видеоданных, сжимаемых по стандартам JPEG, MPEG-2 для неподвижных и подвижных изображений соответственно.
Техническим результатом реализации способа является повышение эффективности системы передачи видеоданных и увеличение числа абонентов скрытого обмена информацией.
Известен описанный в работах [1, 2] способ-аналог, основанный на применении метода прямого расширения спектра встраиваемых в изображение информационных сигналов псевдослучайной последовательностью и заключающийся в представлении каждого бита сообщения некоторой базисной функцией размерностью, соответствующей размерности изображения-контейнера.
Сходным признаком данного способа с заявляемым является применение псевдослучайной последовательности (ПСП), а также манипуляция фазы базисных функций данной ПСП в зависимости от значения бита встраиваемого сообщения. Кроме того, сходными признаками являются ортогональность базисных функций и правило извлечения встроенной информации на приемной стороне, состоящее в проецировании модифицированного изображения со скрытым вложением на все базисные функции с последующим сравнением результата с нулевым значением, в результате которого принимается решение о значении бита скрытого сообщения.
Отличие заявляемого способа от аналога заключается в том, что встраивание скрытого сообщения реализуется попиксельным суммированием значений встраиваемого сообщения, модулированного ПСП, со значениями пикселов изображения. Недостатками способа-аналога являются организация только одного скрытого канала передачи информации в видеоизображении, а также нестойкость способа к процедурам сжатия изображений JPEG. В связи с этим применение данного способа не позволяет достичь требуемого технического результата.
Другим известным способом-аналогом является способ, реализующий встраивание скрытого сообщения в несколько бит двоичных кодов видеоизображения, описанный в [3, 4] с применением ШПС. Сходными признаками данного способа с заявляемым являются осуществление модуляции скрываемого сообщения псевдослучайной последовательностью, использование корреляционного приемника для извлечения скрытого в изображении сообщения. Отличие данного способа от заявляемого состоит в предварительном шифровании скрываемого сообщения и кодировании помехоустойчивым кодом с последующей перестановкой элементов в соответствии с ключом. Кроме того, данный способ отличается методом встраивания подготовленного скрываемого сообщения и заключается в сложении значений шифрованного, кодированного, модулированного сообщения после перестановки со значениями пикселей видеоизображения, реализуя сокрытие в пространстве. Способ-аналог отличается также типом ПСП, выбираемой для модулирования скрываемого сообщения, которой является М-последовательность. Недостатками способа-аналога являются усложнение оборудования стегокодеров и стегодекодоров, внесение больших временных задержек при обработке видеоизображений, нестойкость способа к процедурам сжатия изображений JPEG, а также организация только одного канала скрытого обмена. По этим причинам применение данного способа не позволяет достичь требуемого технического результата.
Еще одним способом-аналогом, описанным в [3, 5], является способ, реализующий встраивание скрываемого сообщения в частотной области, именно в биты двоичных кодов коэффициентов дискретно-косинусного преобразования (ДКП) изображения, сжимаемого по стандарту JPEG. Сходным признаком данного способа с заявляемым является встраивание скрываемого сообщения в область ДКП изображения. Отличия данного способа-аналога состоят в том, что встраивание одного бита скрываемого сообщения осуществляется в блок коэффициентов изображения размером 8×8, при этом два или три коэффициента ДКП выбираются случайно. В соответствии со способом-аналогом передача нулевого значения бита скрываемого сообщения делает разность абсолютных значений коэффициентов больше некоторой положительной величины, а передача бита единичного значения - меньше этой же величины, взятой с отрицательным знаком. Недостаток способа-аналога заключается в малой скрытой пропускной способности, а также в организации только одного скрытого канала передачи информации в видеоизображении, поэтому применение данного способа не позволяет достичь требуемого технического результата.
Способом-прототипом, наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков, является способ встраивания скрытого сообщения, описанный в [3, 6] и состоящий в модификации всех низкочастотных и среднечастотных коэффициентов ДКП изображения в целом. Сходным признаком данного способа-прототипа с заявляемым является встраивание скрываемого сообщения в область ДКП изображения методом замены бит в двоичных кодах коэффициентов ДКП, а также применение ПСП для модуляции скрываемого информационного сигнала. Отличие способа-прототипа заключается в предварительном выравнивании значений яркостей изображения и построении индексной функции. Встраивание скрываемого сообщения, модулированного ПСП, отлично от заявляемого способа тем, что внедрение бита скрываемого модулированного сообщения производится только в те коэффициенты ДКП, которые выбраны с применением индексной функции. Извлечение скрытого сообщения осуществляется корреляционным способом.
Указанный способ-прототип обладает существенным недостатком, заключающимся в организации только одного скрытого канала передачи информации в видеоизображении, что не позволяет достичь требуемого технического результата.
Заявляемый способ скрытой передачи информации с кодовым уплотнением в структуре видеоданных решает задачу скрытого информационного обмена между двумя и более абонентами, при этом скрытность оценивается среднеквадратичным отклонением изображения-контейнера после встраивания данных от исходного изображения, при обеспечении стеганографической стойкости, оцениваемой временем идентификации структуры ПСП.
Требуемый технический результат способа скрытой передачи информации с кодовым уплотнением в видеоданных состоит в повышении эффективности системы передачи видеоданных и увеличении числа абонентов скрытого обмена информацией.
Существенным признаком заявляемого способа, обеспечивающим получение указанного технического результата, является последовательность операций, выполняемых в определенном порядке, представленном на фиг. 1, фиг. 2.
Способ скрытой передачи информации с кодовым уплотнением в структуре видеоданных предполагает независимую обработку изображения и данных, предназначенных для скрытой передачи, либо заблаговременную обработку последних с записью результата в буферную память.
Видеоданные (неподвижное или подвижное изображение), выступающие в роли контейнера, подвергают сжатию в соответствии со стандартом JPEG или MPEG-2 соответственно. При использовании в качестве контейнера подвижных изображений для встраивания используют только основные кадры типа I, кодирование которых осуществляют так же, как и неподвижные изображения в формате JPEG. В ходе предварительной обработки видеоданных выполняют операции поиска I-кадров (для подвижных изображений), деления их на блоки 8×8, вычисления ДКП и квантования. В результате проведенных операций получают матрицу квантованных десятичных коэффициентов ДКП размерностью М×N, M>N. Затем элементы матрицы квантованных десятичных коэффициентов ДКП приводят к бинарному виду.
Информационные последовательности, подлежащие скрытой передаче, в общем случае имеют значения (1, -1). В соответствии с заявляемым способом входные информационные последовательности абонентов преобразуют в комплексный вид (1, -1, i, -i) путем проведения кодирования укрупнением в соответствии с правилом:
Полученные комплексные значения умножают на квадратную нулевую матрицу размерности N×N, диагональ которой содержит единичные значения. Сформированную матрицу с данными источников сообщений в диагонали умножают на матрицу шумоподобного сигнала Франка-Крестенсена (ШПС Ф-К) той же размерности, представленную в комплексном виде (1, -1, i, -i). В работах [7-10] было доказано, что строки матрицы ШПС Ф-К ортогональны друг другу, что сохраняется при ее умножении на матрицу встраиваемых данных. Кодовое разделение абонентов на приемной и передающей сторонах также осуществляют по форме сигналов Ф-К, то есть реализуют кодовое уплотнение скрытно передаваемой в структуре видеоданных информации. Каждому абоненту ставят в соответствие одну строку матрицы ШПС, модулированную встраиваемой информацией. Максимальное число пар абонентов равно периоду ШПС Ф-К. При меньшем числе абонентов каждому абоненту выделяют несколько строк ШПС в зависимости от приоритета и необходимости выделения каждому информационному направлению определенной скрытой пропускной способности. Затем полученную комплекснозначную матрицу, содержащую встроенные данные, преобразуют к бинарному виду по правилу:
В результате получают две матрицы бинарных данных.
Затем проводят замену пары бит коэффициентов ДКП, представленных в бинарном виде, битами бинарных матриц данных для скрытой передачи. Для замены выбирают четвертый и пятый биты коэффициентов ДКП изображения (считая, что первый бит - наименее значащий). Полученные в результате модифицированные скрыто передаваемыми данными бинарные коэффициенты ДКП приводят к десятичному виду, затем продолжают выполнение операций сжатия изображения и передачу в канал.
На приемной стороне после выполнения операций канального декодирования изображений, в соответствии с форматами JPEG, MPEG-2, получают десятичные значения коэффициентов ДКП, искаженные шумами канала. Для извлечения встроенной информации проводят обратные действия. Десятичные значения коэффициентов ДКП преобразуют к бинарному виду. Затем из пары бит, позиции которых заранее определены и известны приемнику, извлекают значения и формируют две бинарные матрицы извлекаемых скрытно передаваемых данных. Полученные матрицы приводят к комплексному виду по тому же правилу, что и на передающей стороне, при этом получают матрицу комплексных значений извлекаемых данных. Затем матрицу комплексных значений извлекаемых данных умножают на транспонированную комплексно сопряженную матрицу ШПС Ф-К, в результате получают матрицу, в диагонали которой находятся скрыто передаваемые данные в комплексном виде. Используя известное правило приведения комплексных значений в вид (1,-1), применяемое на передающей стороне, извлекают скрыто переданную информацию.
Таким образом, существенными признаками, отличающими заявляемый способ от прототипа и позволяющими достичь заявляемого технического результата, являются:
1) предварительная обработка встраиваемых данных, предусматривающая их приведение к комплексному виду, представление в виде диагонали нулевой матрицы с размерностью, соответствующей размерности изображения-контейнера;
2) расширение спектра встраиваемых данных путем перемножения матрицы встраиваемого сообщения с матрицей взаимно ортогональных (по строкам) сигналов Ф-К, обеспечивающих кодовое разделение для различных абонентов;
3) приведение комплексной матрицы модулированных ШПС Ф-К данных к двоичному виду;
4) предварительная обработка изображения-контейнера, заключающегося в проведении операций сжатия в соответствии со стандартом JPEG и представлении полученных квантованных коэффициентов ДКП в двоичном виде;
5) встраивание данных скрыто передаваемых сообщений методом замены пары бит коэффициентов ДКП изображения-контейнера;
6) применение методов корреляционной обработки скрываемых сообщений для их извлечения.
Для пояснения существенных признаков заявляемого способа приведены следующие чертежи:
фиг. 1 - последовательность операций встраивания информации двух абонентов в структуру видеоданных;
фиг. 2 - последовательность операций извлечения информации двух абонентов из структуры видеоданных.
На чертежах отображен порядок действий, приводящих на передающей стороне к встраиванию данных двух абонентов для последующей скрытой передачи в структуре видеоданных; на приемной стороне - к извлечению скрыто передаваемых данных двух абонентов из структуры видеоданных.
Возможность осуществления заявляемого способа скрытой передачи информации с кодовым уплотнением в видеоданных подтверждается известными характеристиками и функциональными возможностями современных цифровых сигнальных процессоров по реализации операций, выполняемых при встраивании и обработке данных в соответствии с заявляемым способом.
Литература
1. Коханович Г.Ф., Пузыренко А.Ю. Компьютерная стеганография. Теория и практика. Киев: «МК-Пресс», 2006, 283 с.
2. J. Smith, B. Comiskey, Modulation and information Hiding in Image. // Information Hiding: First Int. Workshop «InfoHiding'96», Springer as Lecture Notes in Computing Science, vol.1174, 1996. Pp. 207-227.
3. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография. - М.: Солон-Пресс, 2002. 272 с.
4. Marvel L., Boncelet С., Retter J. Reliable Blind Information Hiding for Images // Proceedings of 2nd Workshop on Information Hiding. Lecture Notes in Computer Science. 1998.
5. Koch E., Zhao J. Towards Robust and Hidden Image Copyright Labeling // IEEE Workshop on Nonlinear Signal and Image Processing. 1995. P. 123-132.
6. Fridrich J. Combining low-frequency and spread spectrum watermarking // Proceedings of the SPIE Conference on Mathematics of Data/Image Coding, Compression and Encryption. 1998. Vol. 3456. P. 2-12.
7. Дискретный гармонический анализ и его приложения к задачам синтеза оптимальных сигналов: монография / К.Ю. Цветков, В.М. Коровин. - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2008. - 108 с.
8. Цветков К.Ю. Теория оптимальных систем сложных дискретных сигналов и ее приложения. - СПб.: ВКА, 2005. - 160 с.
9. Цветков К.Ю., Малоземов В.Н. Об оптимальной паре сигнал-фильтр // Проблемы передачи информации. - 2003. - Т. 1. - Вып. 2. - С. 50-62.
10. Цветков К.Ю., Малоземов В.Н., Машарский С.М. Сигнал Франка и его обобщения // Проблемы передачи информации. - 2001. - Т. 37. - Вып. 2. - С. 18-26.
Способ скрытой передачи информации с кодовым уплотнением в видеоданных, заключающийся во встраивании скрытого сообщения, модулированного псевдослучайной последовательностью, путем замены бит в двоичных кодах коэффициентов низкочастотных и среднечастотных коэффициентов дискретно-косинусного преобразования (ДКП), выбранных с применением индексной функции, и извлекаемого на приемной стороне корреляционным способом, отличающийся тем, что проводят процедуры параллельной обработки изображения-контейнера, в качестве которого выбирают неподвижные изображения формата JPEG или подвижные изображения формата MPEG-2, и встраиваемых данных, заключающиеся в последовательном осуществлении операций: для видеоданных - выбирают I-кадры - для подвижных изображений формата MPEG-2, затем делят их на блоки 8×8 - для всех типов видеоданных, затем вычисляют ДКП и результат квантуют - для всех типов видеоданных, затем результат - матрицу квантованных десятичных коэффициентов ДКП размерности M×N, приводят к бинарному виду; для встраиваемых данных выполняют следующие операции: информационные последовательности, требующие скрытой передачи, преобразуют из вида 1, -1 в комплексный вид 1, -1, i, -i, для этого проводят кодирования укрупнением; затем результат умножают на квадратную нулевую матрицу размерности N×N, диагональ которой содержит единичные значения; затем результат умножают на матрицу шумоподобного комплекснозначного сигнала Франка-Крестенсона (ШПС Ф-К) той же размерности; затем результат преобразуют к бинарному виду по правилу: значению 1 комплекснозначной матрицы соответствуют значения 1 на аналогичных позициях в каждой из двух бинарных матриц, значению -1 комплекснозначной матрицы соответствуют значения 0 на аналогичных позициях в каждой из двух бинарных матриц, значению i комплекснозначной матрицы соответствуют значения 0 в первой бинарной матрице и 1 во второй бинарной матрице на аналогичных позициях, значению -i комплекснозначной матрицы соответствуют значения 1 в первой бинарной матрице и 0 во второй бинарной матрице на аналогичных позициях; в результате получают две матрицы бинарных данных, на этом предварительную обработку завершают; в предварительно обработанные видеоданные встраивают предварительно обработанную информацию, для этого осуществляют замену значений пары бит коэффициентов ДКП изображения-контейнера, занимающих четвертую и пятую позиции, считая, что первую позицию занимает наименее значащий бит, значениями подготовленной информации; затем результат приводят к десятичному виду и продолжают выполнение операций сжатия изображения с последующей передачей в канал; на приемной стороне извлечение скрыто передаваемых данных выполняют после операций канального декодирования изображений в соответствии с форматами JPEG, MPEG-2, а именно: получают десятичные значения коэффициентов ДКП, искаженные шумами канала, которые преобразуют к бинарному виду, затем значения встроенных данных извлекают с заранее известных приемнику позиций бит двоичных кодов коэффициентов ДКП, затем результат приводят к комплексному виду по тому же правилу, что и на передающей стороне, в результате получают матрицу комплексных значений извлекаемых данных, затем результат умножают на транспонированную комплексно сопряженную матрицу ШПСФ-К, затем из результата извлекают значения, расположенные в диагонали матрицы в комплексном виде; затем результат приводят к виду (1,-1) с применением правила, аналогичного передающей стороне; затем результат, который является скрыто передаваемой информацией, направляют в соответствии с адресами абонентам.
