ЦИФРОВЫЕ ВОДЯНЫЕ ЗНАКИ В ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛАХ
ЦИФРОВЫЕ ВОДЯНЫЕ ЗНАКИ В ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛАХ
УДК 003.26.09
ЦИФРОВЫЕ ВОДЯНЫЕ ЗНАКИ В ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛАХ
А.Г. Коробейников, С.С. Кувшинов, С.Ю. Блинов, А.В. Лейман, И.М. Кутузов
Рассмотрена задача генерации цифровых водяных знаков для графических файлов. Представлена математическая модель генерации цифровых водяных знаков. Проанализирован алгоритм внедрения сообщений. Предложено применение разработанного стеганоалгоритма для решения задачи проверки авторского права на конкретный файл мультимедиа. Ключевые слова: ЦВЗ, форматные методы, стеганоалгоритмы пространственной области, стеганоалгоритмы области преобразования, мультимедиа, медиа-пространство, авторское право.
Введение
Использование цифровых форматов мультимедиа в настоящее стало повсеместным [1]. Но наряду c этим в современном информационном обществе, исследования и разработки в области стеганографии
152
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 1 (83)
А.Г. Коробейников, С.С. Кувшинов, С.Ю. Блинов, А.В. Лейман, И.М. Кутузов
становятся все более популярными. Это связано с тем, что существуют проблемы управления цифровыми ресурсами и контроля использования прав собственности на компьютерные файлы. Отсюда возникает актуальнейшая задача сокрытия информации в условиях развитой инфраструктуры сетевого общения пользователей – интернет-участников открытого и неконтролируемого взаимодействия в медиапространстве.
Сокрытие информации в медиа-пространстве обычно производят при помощи стеганографических алгоритмов. Существует несколько задач, для решения которых используют такие алгоритмы, например: 1. обеспечение тайны переписки (postal privacy); 2. общение удаленных абонентов, обменивающихся цифровыми массивами информации; 3. общение удаленных абонентов в открытых сетевых структурах; 4. достижение скрытности хранимой информации большого объема.
Одним из наиболее эффективных методов защиты мультимедийной информации является встраивание в защищаемый объект невидимых меток – цифровых водяных знаков (ЦВЗ). Название этот метод получил известного способа защиты ценных бумаг, в том числе и денег, от подделки. Термин «digital watermarking» был впервые применен в работе [2]. В отличие от обычных водяных знаков ЦВЗ могут быть не только видимыми, но и (как правило) невидимыми. Невидимые ЦВЗ анализируются специальным декодером, который выносит решение об их корректности.
Стегосистемы ЦВЗ, в частности, должны выполнять задачу защиты авторских и имущественных прав на электронные сообщения при различных попытках активного нарушителя искажения или стирания встроенной в них аутентифицирующей информации. Формально говоря, системы ЦВЗ должны обеспечить аутентификацию отправителей электронных сообщений. Подобная задача может быть возложена на криптографические системы электронной цифровой подписи (ЭЦП) данных, но в отличие от стегосистем ЦВЗ, известные системы ЭЦП не обеспечивают защиту авторства не только цифровых, но и аналоговых сообщений в условиях, когда активный нарушитель вносит искажения в защищаемое сообщение и аутентифицирующую информацию. Иные требования по безопасности предъявляются к стегосистемам, предназначенным для скрытия факта передачи конфиденциальных сообщений от пассивного нарушителя. Также имеет свои особенности обеспечение имитостойкости стегосистем к вводу в скрытый канал передачи ложной информации [3, 4].
Основные требования, предъявляемые к ЦВЗ для графических файлов, представлены в [5, 6].
Математическая модель генерации ЦВЗ
При формальном представлении генерации ЦВЗ в виде математической модели воспользуемся общепринятой записью:
ϕ: X →Y ,
где ϕ – отображение (функция); X – область определения; Y – область значений. Введем следующие
обозначения: YЦВЗ – множество ЦВЗ; X КЛЮЧ – множество ключей, X КОНТЕЙНЕР – множество контейнеров; X СООБЩЕНИЙ – множество скрываемых сообщений. Тогда генерация ЦВЗ может быть представлена в виде
или
F : X КОНТЕЙНЕР × X КЛЮЧ × X СООБЩЕНИЙ → YЦВЗ ,
( )yЦВЗ = F x , x , xКОНТЕЙНЕР КЛЮЧ СООБЩЕНИЙ ,
где
yЦВЗ
∈ YЦВЗ ,
xСООБЩЕНИЙ
∈ X СООБЩЕНИЙ ,
xКЛЮЧ ∈ X КЛЮЧ ,
x ∈ XКОНТЕЙНЕР
КОНТЕЙНЕР
.
Функция
F
(отображе-
ние) может быть произвольной, но на практике требования робастности ЦВЗ накладывают на нее опре-
деленные ограничения. Формально это можно записать так:
( ) ( )yЦВЗ = F x , x , x ,КОНТЕЙНЕР КЛЮЧ СООБЩЕНИЙ ≈ F xКОНТЕЙНЕР + ε, xКЛЮЧ , xСООБЩЕНИЙ ,
т.е. незначительно измененный контейнер не приводит к изменению ЦВЗ. Кроме того, функция F часто является составной:
F =T oG , где G : X КЛЮЧ × X СООБЩЕНИЙ → XКОД и T : X КОНТЕЙНЕР × X КОД → YЦВЗ ; o – суперпозиция.
Функция G может быть реализована при помощи криптографически безопасного генератора
псевдослучайных последовательностей с xКЛЮЧ , в качестве начального значения. Отсчеты ЦВЗ принимают обычно значения из множества {–1, 1}, при этом для отображения {0,1}
→ {–1, 1} можно применить двоичную относительную фазовую модуляцию ФМн-2 (Binary Phase Shift Keying – BPSK) [7]. Данный вид модуляции нашел очень широкое применение ввиду высокой помехо-
устойчивости и простоты модулятора и демодулятора. Оператор T модифицирует кодовые слова X КОД ,
в результате чего получается ЦВЗ – YЦВЗ . На этот оператор не накладывают условие существования у
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики 2013, № 1 (83)
153
ЦИФРОВЫЕ ВОДЯНЫЕ ЗНАКИ В ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛАХ
него обратного, так как соответствующий выбор G уже гарантирует необратимость F . Функция T
должна быть выбрана так, чтобы незаполненный контейнер xКОНТЕЙНЕР0 ∈ X КОНТЕЙНЕР , заполненный кон-
тейнер
x ∈ XКОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
КОНТЕЙНЕР
и незначительно модифицированный заполненный контейнер
x′ ∈ XКОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
КОНТЕЙНЕР
порождали бы один и тот же ЦВЗ:
( ) ( ) ( )T x , x = T x , x = T x′ , x ,КОНТЕЙНЕР0 КОД
КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ КОД
КОНТЕЙНЕР ЗАПОЛНЕННЫ Й
КОД
т.е. она должна быть устойчивой к малым изменениям контейнера.
Процесс встраивания ЦВЗ yЦВЗ (i, j ) в исходное изображение ( )xКОНТЕЙНЕР0 i, j можно описать как
суперпозицию двух сигналов:
или
Ψ : X ×Y × X → X ,КОНТЕЙНЕР
ЦВЗ
МАСКА
КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
( ) ( ) ( ) ( ) ,xКОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ i, j = xКОНТЕЙНЕР0 i, j ⊕ xМАСКА yЦВЗ i, j p i, j
где X МАСКА – маска встраивания ЦВЗ, учитывающая характеристики зрительной системы человека, слу-
жит для уменьшения заметности ЦВЗ; p (i, j ) – проектирующая функция, зависящая от ключа; знаком
⊕ – обозначен оператор суперпозиции, включающий в себя, помимо сложения, усечение и квантование.
Проектирующая функция осуществляет «распределение» ЦВЗ по области изображения. Ее использование может рассматриваться, как реализация разнесения информации по параллельным каналам. Кроме того, эта функция имеет определенную пространственную структуру и корреляционные свойства, использующиеся для противодействия геометрическим атакам.
Одним из наиболее важных устройств в стегосистеме является стегодетектор. В зависимости от типа он может выдавать двоичные либо М-ичные решения о наличии/отсутствии ЦВЗ (в случае детектора с мягкими решениями). Рассмотрим вначале более простой случай «жесткого» детектора стего. Обо-
значим операцию детектирования через D . Тогда
{ } ,D : X × Y → 0,1КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
ЦВЗ
D ( x , y ) = D ( x , F ( x , x , x )) =КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
ЦВЗ
КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ КЛЮЧ СООБЩЕНИЙ
=
10,,
eсли yЦВЗ eсли yЦВЗ
есть нет
.
В качестве детектора ЦВЗ обычно используют корреляционный приемник.
Предположим, что у половины пикселей изображения значение яркости увеличено на 1, а у ос-
тальных – осталось неизменным, или уменьшено на 1. Тогда:
x = x + y ,КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
КОНТЕЙНЕР0
ЦВЗ
( )где yЦВЗ = F x , x , xКОНТЕЙНЕР0 КЛЮЧ СООБЩЕНИЙ . Коррелятор детектора ЦВЗ вычисляет величину
( )x ⋅ y = x + y ⋅ y = x ⋅ y + y ⋅ y .КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
ЦВЗ
КОНТЕЙНЕР0
ЦВЗ ЦВЗ
КОНТЕЙНЕР0 ЦВЗ
ЦВЗ ЦВЗ
Так как yЦВЗ может принимать значения ±1, то x ⋅ yКОНТЕЙНЕР0 ЦВЗ будет мало, а yЦВЗ ⋅ yЦВЗ будет
всегда положительно. По этой причине величина
x ⋅ yКОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
ЦВЗ
будет очень близка к
yЦВЗ ⋅ yЦВЗ .
Следовательно, можно определить вероятность неверного обнаружения стего, как дополнительную
(комплементарную) функцию ошибок от корня квадратного из отношения yЦВЗ ⋅ yЦВЗ («энергии сигнала»)
к дисперсии значений пикселей яркости («энергия шума»). Для случая мягкого детектора и закрытой стегосистемы имеем две основные меры похожести:
δ=
x ⋅ xКОНТЕЙНЕР0
КОНТЕЙНЕР ЗАПОЛНЕННЫЙ
X XКОНТЕЙНЕР0
КОНТЕЙНЕР ЗАПОЛНЕННЫЙ
– нормированный коэффициент взаимной корреляции и
N
∑ ( ) ( )δ = N −
x i ⋅ x iКОНТЕЙНЕР0
КОНТЕЙНЕР ЗАПОЛНЕННЫ Й
– расстояние по Хэммингу.
i
В детекторе возможно возникновение двух типов ошибок. А именно, существует вероятность того,
что детектор не обнаружит имеющийся ЦВЗ и есть вероятность ложного нахождения ЦВЗ в пустом кон-
тейнере (вероятность ложной тревоги). Снижение одной вероятности приводит к увеличению другой.
Надежность работы детектора характеризуют вероятностью ложного обнаружения. Система ЦВЗ должна
быть построена таким образом, чтобы минимизировать вероятности возникновения обеих ошибок, так
как каждая из них может привести к отказу от обслуживания.
154
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 1 (83)
А.Г. Коробейников, С.С. Кувшинов, С.Ю. Блинов, А.В. Лейман, И.М. Кутузов
Алгоритм внедрения сообщений
При разработке системы скрытой передачи и стеганоалгоритма, представленной авторами в [8], обнаружились трудности, касающиеся межформатных преобразований. Поскольку JPEG – формат сжатия с потерями, то они (потери) в общем случае не позволяют восстановить встроенное сообщение, поскольку восстановление происходит после процедур межформатных преобразований JPEG – RGB BMP – JPEG. В разработанной системе указанная проблема была решена. Процесс внедрения сообщения включает ряд превентивных мер. Непосредственно внедрение происходит по алгоритму, представленному на рис. 1.
EmbedCore Начало
Преобразование структуры в JPEG-структуру BMP
Анализ BMP-структуры
Декодирование данных
сканирования
Embedding Встраивание битов сообщения
в LSB B-байтов RGB-представления
GetDutyInformation Определение
данных для извлечения
Преобразование структуры BMP в структуру JPEG
WriteDutyInformation Запись вспомогательных данных в JPEG-структуру
EmbedCore Конец
Рис. 1. Блок-схема алгоритма внедрения сообщения
На первом этапе производится преобразование потока данных JPEG в поток данных BMP. При этом увеличивается размер потока за счет изменения принципа кодирования информации об цветовых свойствах участков изображения. За счет того, что в формате BMP каждая точка изображения кодируется тремя байтами, отвечающими за вклад основных цветов (R – красного, G – зеленого и B – синего) в целевой цвет точки, изменение размера потока в большую сторону значительно и позволяет встроить необходимый объем информации в себе.
Известно, что система человеческого зрения обладает особенностью слабой чувствительности к изменениям в оттенках синего цвета, поэтому для встраивания используются B-составляющие RGBструктур [9]. На самом деле, человеческий глаз также редко может отследить изменения в наименьшем значащем бите красной и зеленой компоненты RGB-структуры. Для минимизации объема изменения пространственной области в режиме работы по умолчанию используется только младший бит такого байта, что до минимума снижает вероятность обнаружения изменения даже на изображениях с большой площадью заливки синего цвета. Простейший способ замены битов – последовательная замена в каждом b-байте – представлен на рис. 2.
Поскольку JPEG – формат сжатия с потерями, необходимо учесть этот факт для возможности извлечения сообщения на принимающей стороне. Разработанный механизм компенсирования потерь при межформатных преобразованиях был представлен авторами в [8].
Для определения факта наличия скрытого сообщения пять выходных файлов JPEG с внедренными сообщениями различной длины были проверены хорошо известной программой Stegdetect. Эта програм-
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики 2013, № 1 (83)
155
ЦИФРОВЫЕ ВОДЯНЫЕ ЗНАКИ В ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛАХ
ма детектирования факта встраивания ориентирована на поиск байтовых сигнатур, выдающих стеганографическое вмешательство.
Рис. 2. Последовательная замена битов
В результате проведенного эксперимента программа Stegdetect не смогла корректно указать на факт внедрения данных с помощью разработанного алгоритма. Визуально определить этот факт также не представляется возможным. Визуальный анализ проводился группой людей при наличии оригинального файла JPEG без внедренного сообщения. Определить, в какой из двух файлов встроены данные, им не удалось.
Заключение
Для графических изображений с точки зрения защиты авторского права на их файлы принципиально необходимо реализовывать автоматическое подписывание файлов с целью опубликования информации об авторе. Это может быть текст или иная графическая информация, размещенная в какой-либо (например, нижней) части изображения, однозначно ассоциирующаяся с личностью автораправообладателя. Такие «метки» служат неопровержимой ссылкой на источник, предоставивший конкретный графический файл. Внедрение в изображения цифровых водяных знаков, позволяющих подтвердить и проверить права разработчика на данный файл мультимедиа, является также эффективной защитной мерой для соблюдения прав интеллектуальной собственности. Такие метки могут быть различным образом расположены в мультимедийном файле и служить противодействием для таких неправомерных деяний, например, как подмена авторства и отказ от авторства. Представленный алгоритм позволяет решить эту задачу. Но необходимо отметить тот факт, что данный алгоритм не проверялся на устойчивость к различного рода искажениям изображения. Эта задача входит в план ближайших научных исследований авторов данной работы.
Литература
1. Cидоркина И.Г., Коробейников А.Г., Кудрин П.А. Алгоритм распознавания трехмерных изображений с высокой детализацией // Вестник Марийского государственного технического университета. – 2010. – № 2 (9). – С. 91–99.
156
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 1 (83)
А.Г. Коробейников, С.С. Кувшинов, С.Ю. Блинов, А.В. Лейман, И.М. Кутузов
2. Osborne C., van Schyndel R., Tirkel A. A Digital Watermark // IEEE In-tern. Conf. on Image Processing. –
1994. – P. 86–90.
3. Ramkumar M. Data Hiding in Multimedia. – PhD Thesis. – New Jersey Institute of Technology, 1999. –
72 p.
4. Simmons G. The prisoner`s problem and the subliminal channel // Proc. Workshop on Communications Security (Crypto′83). – 1984. – P. 51–67.
5. Барсуков В.С. Романцов А.П. Компьютерная стеганография: вчера, сегодня, завтра. Технологии информационной безопасности XXI века // Специальная техника. – 1998. – № 4 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://st.ess.ru, свободный. Яз. рус. (дата обращения – 10.10.2012).
6. Bender W., Gruhl D., Morimoto N., Lu A. Tehniques for data Hiding // IBM Systems Journal. – 1996. – V. 35. – № 3&4. – P. 313–336.
7. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.: Вильямс, 2003. – 1104 с.
8. Коробейников А.Г., Кувшинов С.С., Блинов С.Ю., Лейман А.В., Нестеров С.И. Разработка стеганоалгоритма на базе форматных и пространственных принципов сокрытия данных // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2012. – № 1 (77). – С. 116–119.
9. Марр Д. Зрение: информационный подход к изучению представления и обработки зрительных образов: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1987. – 400 с.
Коробейников Анатолий Григорьевич – Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионо-
сферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН, доктор
технических наук, профессор, зам. директора,
Korobeynikov_A_G@mail.ru
Кувшинов Станислав Сергеевич
– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат техниче-
Блинов Станислав Юрьевич
ских наук, доцент, ss.kuvshinov@gmail.com – Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, аспирант,
Лейман Альберт Владимирович
stasblino@yandex.ru – Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, аспирант,
allxxl@yandex.ru
Кутузов Илья Михайлович
– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, студент,
formalizator@gmail.com
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики 2013, № 1 (83)
157
УДК 003.26.09
ЦИФРОВЫЕ ВОДЯНЫЕ ЗНАКИ В ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛАХ
А.Г. Коробейников, С.С. Кувшинов, С.Ю. Блинов, А.В. Лейман, И.М. Кутузов
Рассмотрена задача генерации цифровых водяных знаков для графических файлов. Представлена математическая модель генерации цифровых водяных знаков. Проанализирован алгоритм внедрения сообщений. Предложено применение разработанного стеганоалгоритма для решения задачи проверки авторского права на конкретный файл мультимедиа. Ключевые слова: ЦВЗ, форматные методы, стеганоалгоритмы пространственной области, стеганоалгоритмы области преобразования, мультимедиа, медиа-пространство, авторское право.
Введение
Использование цифровых форматов мультимедиа в настоящее стало повсеместным [1]. Но наряду c этим в современном информационном обществе, исследования и разработки в области стеганографии
152
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 1 (83)
А.Г. Коробейников, С.С. Кувшинов, С.Ю. Блинов, А.В. Лейман, И.М. Кутузов
становятся все более популярными. Это связано с тем, что существуют проблемы управления цифровыми ресурсами и контроля использования прав собственности на компьютерные файлы. Отсюда возникает актуальнейшая задача сокрытия информации в условиях развитой инфраструктуры сетевого общения пользователей – интернет-участников открытого и неконтролируемого взаимодействия в медиапространстве.
Сокрытие информации в медиа-пространстве обычно производят при помощи стеганографических алгоритмов. Существует несколько задач, для решения которых используют такие алгоритмы, например: 1. обеспечение тайны переписки (postal privacy); 2. общение удаленных абонентов, обменивающихся цифровыми массивами информации; 3. общение удаленных абонентов в открытых сетевых структурах; 4. достижение скрытности хранимой информации большого объема.
Одним из наиболее эффективных методов защиты мультимедийной информации является встраивание в защищаемый объект невидимых меток – цифровых водяных знаков (ЦВЗ). Название этот метод получил известного способа защиты ценных бумаг, в том числе и денег, от подделки. Термин «digital watermarking» был впервые применен в работе [2]. В отличие от обычных водяных знаков ЦВЗ могут быть не только видимыми, но и (как правило) невидимыми. Невидимые ЦВЗ анализируются специальным декодером, который выносит решение об их корректности.
Стегосистемы ЦВЗ, в частности, должны выполнять задачу защиты авторских и имущественных прав на электронные сообщения при различных попытках активного нарушителя искажения или стирания встроенной в них аутентифицирующей информации. Формально говоря, системы ЦВЗ должны обеспечить аутентификацию отправителей электронных сообщений. Подобная задача может быть возложена на криптографические системы электронной цифровой подписи (ЭЦП) данных, но в отличие от стегосистем ЦВЗ, известные системы ЭЦП не обеспечивают защиту авторства не только цифровых, но и аналоговых сообщений в условиях, когда активный нарушитель вносит искажения в защищаемое сообщение и аутентифицирующую информацию. Иные требования по безопасности предъявляются к стегосистемам, предназначенным для скрытия факта передачи конфиденциальных сообщений от пассивного нарушителя. Также имеет свои особенности обеспечение имитостойкости стегосистем к вводу в скрытый канал передачи ложной информации [3, 4].
Основные требования, предъявляемые к ЦВЗ для графических файлов, представлены в [5, 6].
Математическая модель генерации ЦВЗ
При формальном представлении генерации ЦВЗ в виде математической модели воспользуемся общепринятой записью:
ϕ: X →Y ,
где ϕ – отображение (функция); X – область определения; Y – область значений. Введем следующие
обозначения: YЦВЗ – множество ЦВЗ; X КЛЮЧ – множество ключей, X КОНТЕЙНЕР – множество контейнеров; X СООБЩЕНИЙ – множество скрываемых сообщений. Тогда генерация ЦВЗ может быть представлена в виде
или
F : X КОНТЕЙНЕР × X КЛЮЧ × X СООБЩЕНИЙ → YЦВЗ ,
( )yЦВЗ = F x , x , xКОНТЕЙНЕР КЛЮЧ СООБЩЕНИЙ ,
где
yЦВЗ
∈ YЦВЗ ,
xСООБЩЕНИЙ
∈ X СООБЩЕНИЙ ,
xКЛЮЧ ∈ X КЛЮЧ ,
x ∈ XКОНТЕЙНЕР
КОНТЕЙНЕР
.
Функция
F
(отображе-
ние) может быть произвольной, но на практике требования робастности ЦВЗ накладывают на нее опре-
деленные ограничения. Формально это можно записать так:
( ) ( )yЦВЗ = F x , x , x ,КОНТЕЙНЕР КЛЮЧ СООБЩЕНИЙ ≈ F xКОНТЕЙНЕР + ε, xКЛЮЧ , xСООБЩЕНИЙ ,
т.е. незначительно измененный контейнер не приводит к изменению ЦВЗ. Кроме того, функция F часто является составной:
F =T oG , где G : X КЛЮЧ × X СООБЩЕНИЙ → XКОД и T : X КОНТЕЙНЕР × X КОД → YЦВЗ ; o – суперпозиция.
Функция G может быть реализована при помощи криптографически безопасного генератора
псевдослучайных последовательностей с xКЛЮЧ , в качестве начального значения. Отсчеты ЦВЗ принимают обычно значения из множества {–1, 1}, при этом для отображения {0,1}
→ {–1, 1} можно применить двоичную относительную фазовую модуляцию ФМн-2 (Binary Phase Shift Keying – BPSK) [7]. Данный вид модуляции нашел очень широкое применение ввиду высокой помехо-
устойчивости и простоты модулятора и демодулятора. Оператор T модифицирует кодовые слова X КОД ,
в результате чего получается ЦВЗ – YЦВЗ . На этот оператор не накладывают условие существования у
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики 2013, № 1 (83)
153
ЦИФРОВЫЕ ВОДЯНЫЕ ЗНАКИ В ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛАХ
него обратного, так как соответствующий выбор G уже гарантирует необратимость F . Функция T
должна быть выбрана так, чтобы незаполненный контейнер xКОНТЕЙНЕР0 ∈ X КОНТЕЙНЕР , заполненный кон-
тейнер
x ∈ XКОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
КОНТЕЙНЕР
и незначительно модифицированный заполненный контейнер
x′ ∈ XКОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
КОНТЕЙНЕР
порождали бы один и тот же ЦВЗ:
( ) ( ) ( )T x , x = T x , x = T x′ , x ,КОНТЕЙНЕР0 КОД
КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ КОД
КОНТЕЙНЕР ЗАПОЛНЕННЫ Й
КОД
т.е. она должна быть устойчивой к малым изменениям контейнера.
Процесс встраивания ЦВЗ yЦВЗ (i, j ) в исходное изображение ( )xКОНТЕЙНЕР0 i, j можно описать как
суперпозицию двух сигналов:
или
Ψ : X ×Y × X → X ,КОНТЕЙНЕР
ЦВЗ
МАСКА
КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
( ) ( ) ( ) ( ) ,xКОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ i, j = xКОНТЕЙНЕР0 i, j ⊕ xМАСКА yЦВЗ i, j p i, j
где X МАСКА – маска встраивания ЦВЗ, учитывающая характеристики зрительной системы человека, слу-
жит для уменьшения заметности ЦВЗ; p (i, j ) – проектирующая функция, зависящая от ключа; знаком
⊕ – обозначен оператор суперпозиции, включающий в себя, помимо сложения, усечение и квантование.
Проектирующая функция осуществляет «распределение» ЦВЗ по области изображения. Ее использование может рассматриваться, как реализация разнесения информации по параллельным каналам. Кроме того, эта функция имеет определенную пространственную структуру и корреляционные свойства, использующиеся для противодействия геометрическим атакам.
Одним из наиболее важных устройств в стегосистеме является стегодетектор. В зависимости от типа он может выдавать двоичные либо М-ичные решения о наличии/отсутствии ЦВЗ (в случае детектора с мягкими решениями). Рассмотрим вначале более простой случай «жесткого» детектора стего. Обо-
значим операцию детектирования через D . Тогда
{ } ,D : X × Y → 0,1КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
ЦВЗ
D ( x , y ) = D ( x , F ( x , x , x )) =КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
ЦВЗ
КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ КЛЮЧ СООБЩЕНИЙ
=
10,,
eсли yЦВЗ eсли yЦВЗ
есть нет
.
В качестве детектора ЦВЗ обычно используют корреляционный приемник.
Предположим, что у половины пикселей изображения значение яркости увеличено на 1, а у ос-
тальных – осталось неизменным, или уменьшено на 1. Тогда:
x = x + y ,КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
КОНТЕЙНЕР0
ЦВЗ
( )где yЦВЗ = F x , x , xКОНТЕЙНЕР0 КЛЮЧ СООБЩЕНИЙ . Коррелятор детектора ЦВЗ вычисляет величину
( )x ⋅ y = x + y ⋅ y = x ⋅ y + y ⋅ y .КОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
ЦВЗ
КОНТЕЙНЕР0
ЦВЗ ЦВЗ
КОНТЕЙНЕР0 ЦВЗ
ЦВЗ ЦВЗ
Так как yЦВЗ может принимать значения ±1, то x ⋅ yКОНТЕЙНЕР0 ЦВЗ будет мало, а yЦВЗ ⋅ yЦВЗ будет
всегда положительно. По этой причине величина
x ⋅ yКОНТЕЙНЕРЗАПОЛНЕННЫЙ
ЦВЗ
будет очень близка к
yЦВЗ ⋅ yЦВЗ .
Следовательно, можно определить вероятность неверного обнаружения стего, как дополнительную
(комплементарную) функцию ошибок от корня квадратного из отношения yЦВЗ ⋅ yЦВЗ («энергии сигнала»)
к дисперсии значений пикселей яркости («энергия шума»). Для случая мягкого детектора и закрытой стегосистемы имеем две основные меры похожести:
δ=
x ⋅ xКОНТЕЙНЕР0
КОНТЕЙНЕР ЗАПОЛНЕННЫЙ
X XКОНТЕЙНЕР0
КОНТЕЙНЕР ЗАПОЛНЕННЫЙ
– нормированный коэффициент взаимной корреляции и
N
∑ ( ) ( )δ = N −
x i ⋅ x iКОНТЕЙНЕР0
КОНТЕЙНЕР ЗАПОЛНЕННЫ Й
– расстояние по Хэммингу.
i
В детекторе возможно возникновение двух типов ошибок. А именно, существует вероятность того,
что детектор не обнаружит имеющийся ЦВЗ и есть вероятность ложного нахождения ЦВЗ в пустом кон-
тейнере (вероятность ложной тревоги). Снижение одной вероятности приводит к увеличению другой.
Надежность работы детектора характеризуют вероятностью ложного обнаружения. Система ЦВЗ должна
быть построена таким образом, чтобы минимизировать вероятности возникновения обеих ошибок, так
как каждая из них может привести к отказу от обслуживания.
154
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 1 (83)
А.Г. Коробейников, С.С. Кувшинов, С.Ю. Блинов, А.В. Лейман, И.М. Кутузов
Алгоритм внедрения сообщений
При разработке системы скрытой передачи и стеганоалгоритма, представленной авторами в [8], обнаружились трудности, касающиеся межформатных преобразований. Поскольку JPEG – формат сжатия с потерями, то они (потери) в общем случае не позволяют восстановить встроенное сообщение, поскольку восстановление происходит после процедур межформатных преобразований JPEG – RGB BMP – JPEG. В разработанной системе указанная проблема была решена. Процесс внедрения сообщения включает ряд превентивных мер. Непосредственно внедрение происходит по алгоритму, представленному на рис. 1.
EmbedCore Начало
Преобразование структуры в JPEG-структуру BMP
Анализ BMP-структуры
Декодирование данных
сканирования
Embedding Встраивание битов сообщения
в LSB B-байтов RGB-представления
GetDutyInformation Определение
данных для извлечения
Преобразование структуры BMP в структуру JPEG
WriteDutyInformation Запись вспомогательных данных в JPEG-структуру
EmbedCore Конец
Рис. 1. Блок-схема алгоритма внедрения сообщения
На первом этапе производится преобразование потока данных JPEG в поток данных BMP. При этом увеличивается размер потока за счет изменения принципа кодирования информации об цветовых свойствах участков изображения. За счет того, что в формате BMP каждая точка изображения кодируется тремя байтами, отвечающими за вклад основных цветов (R – красного, G – зеленого и B – синего) в целевой цвет точки, изменение размера потока в большую сторону значительно и позволяет встроить необходимый объем информации в себе.
Известно, что система человеческого зрения обладает особенностью слабой чувствительности к изменениям в оттенках синего цвета, поэтому для встраивания используются B-составляющие RGBструктур [9]. На самом деле, человеческий глаз также редко может отследить изменения в наименьшем значащем бите красной и зеленой компоненты RGB-структуры. Для минимизации объема изменения пространственной области в режиме работы по умолчанию используется только младший бит такого байта, что до минимума снижает вероятность обнаружения изменения даже на изображениях с большой площадью заливки синего цвета. Простейший способ замены битов – последовательная замена в каждом b-байте – представлен на рис. 2.
Поскольку JPEG – формат сжатия с потерями, необходимо учесть этот факт для возможности извлечения сообщения на принимающей стороне. Разработанный механизм компенсирования потерь при межформатных преобразованиях был представлен авторами в [8].
Для определения факта наличия скрытого сообщения пять выходных файлов JPEG с внедренными сообщениями различной длины были проверены хорошо известной программой Stegdetect. Эта програм-
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики 2013, № 1 (83)
155
ЦИФРОВЫЕ ВОДЯНЫЕ ЗНАКИ В ГРАФИЧЕСКИХ ФАЙЛАХ
ма детектирования факта встраивания ориентирована на поиск байтовых сигнатур, выдающих стеганографическое вмешательство.
Рис. 2. Последовательная замена битов
В результате проведенного эксперимента программа Stegdetect не смогла корректно указать на факт внедрения данных с помощью разработанного алгоритма. Визуально определить этот факт также не представляется возможным. Визуальный анализ проводился группой людей при наличии оригинального файла JPEG без внедренного сообщения. Определить, в какой из двух файлов встроены данные, им не удалось.
Заключение
Для графических изображений с точки зрения защиты авторского права на их файлы принципиально необходимо реализовывать автоматическое подписывание файлов с целью опубликования информации об авторе. Это может быть текст или иная графическая информация, размещенная в какой-либо (например, нижней) части изображения, однозначно ассоциирующаяся с личностью автораправообладателя. Такие «метки» служат неопровержимой ссылкой на источник, предоставивший конкретный графический файл. Внедрение в изображения цифровых водяных знаков, позволяющих подтвердить и проверить права разработчика на данный файл мультимедиа, является также эффективной защитной мерой для соблюдения прав интеллектуальной собственности. Такие метки могут быть различным образом расположены в мультимедийном файле и служить противодействием для таких неправомерных деяний, например, как подмена авторства и отказ от авторства. Представленный алгоритм позволяет решить эту задачу. Но необходимо отметить тот факт, что данный алгоритм не проверялся на устойчивость к различного рода искажениям изображения. Эта задача входит в план ближайших научных исследований авторов данной работы.
Литература
1. Cидоркина И.Г., Коробейников А.Г., Кудрин П.А. Алгоритм распознавания трехмерных изображений с высокой детализацией // Вестник Марийского государственного технического университета. – 2010. – № 2 (9). – С. 91–99.
156
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 1 (83)
А.Г. Коробейников, С.С. Кувшинов, С.Ю. Блинов, А.В. Лейман, И.М. Кутузов
2. Osborne C., van Schyndel R., Tirkel A. A Digital Watermark // IEEE In-tern. Conf. on Image Processing. –
1994. – P. 86–90.
3. Ramkumar M. Data Hiding in Multimedia. – PhD Thesis. – New Jersey Institute of Technology, 1999. –
72 p.
4. Simmons G. The prisoner`s problem and the subliminal channel // Proc. Workshop on Communications Security (Crypto′83). – 1984. – P. 51–67.
5. Барсуков В.С. Романцов А.П. Компьютерная стеганография: вчера, сегодня, завтра. Технологии информационной безопасности XXI века // Специальная техника. – 1998. – № 4 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://st.ess.ru, свободный. Яз. рус. (дата обращения – 10.10.2012).
6. Bender W., Gruhl D., Morimoto N., Lu A. Tehniques for data Hiding // IBM Systems Journal. – 1996. – V. 35. – № 3&4. – P. 313–336.
7. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.: Вильямс, 2003. – 1104 с.
8. Коробейников А.Г., Кувшинов С.С., Блинов С.Ю., Лейман А.В., Нестеров С.И. Разработка стеганоалгоритма на базе форматных и пространственных принципов сокрытия данных // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2012. – № 1 (77). – С. 116–119.
9. Марр Д. Зрение: информационный подход к изучению представления и обработки зрительных образов: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1987. – 400 с.
Коробейников Анатолий Григорьевич – Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионо-
сферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН, доктор
технических наук, профессор, зам. директора,
Korobeynikov_A_G@mail.ru
Кувшинов Станислав Сергеевич
– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат техниче-
Блинов Станислав Юрьевич
ских наук, доцент, ss.kuvshinov@gmail.com – Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, аспирант,
Лейман Альберт Владимирович
stasblino@yandex.ru – Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, аспирант,
allxxl@yandex.ru
Кутузов Илья Михайлович
– Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, студент,
formalizator@gmail.com
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики 2013, № 1 (83)
157