Обеспечение устойчивости данных, внедряемых в цифровые

УДК 004(06) Компьютерные системы и технологии
А.И. ГОЗМАН, С.В. КТИТРОВ
Московский инженерно-физический институт (технический университет)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ДАННЫХ,
ВНЕДРЯЕМЫХ В ЦИФРОВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
В статье предлагается методика встраивания дополнительной информации в
цифровые изображения, сохраняющая внедренные данные при применении к
изображению сжатия с потерями.
В настоящее время широкое распространение получают методы
внедрения дополнительных данных в цифровой информационный
контент, например в изображения. Это производится, например, для
идентификации авторства изображения (цифровые водяные знаки, ЦВЗ)
или для скрытого хранения/передачи данных. Одной из актуальных задач
данного направления является обеспечение сохранности (хотя бы
частичной) внедренной информации при различных воздействиях на
изображение-контейнер, таким, как изменение формата, сжатие с
потерями, фрагментация и т.п. [1].
Наиболее распространенное воздействие на цифровые изображения –
преобразование к формату JPEG. При преобразовании к данному формату
(это формат сжатия с потерями) информация может быть частично
искажена или полностью потеряна.
Для обеспечения устойчивости информации к сжатию с потерями
можно модифицировать элементы (пикселы) изображения, которые
претерпевают минимальные изменения при применении алгоритма JPEG.
В общем виде данная методика сводится к следующим этапам [2]:
1. Преобразование исходного изображения в соответствии с
начальными стадиями алгоритма JPEG.
1.1. Разбиение изображения на блоки 8х8 пикселов.
1.2. Применение к каждому блоку двумерного дискретно-косинусного
преобразования (ДКП).
1.3. Квантование полученных коэффициентов в соответствии с JPEGматрицей квантования, соответствующей коэффициенту сжатия,
при котором (или более низком) недопустима потеря
информации.
2. Применение алгоритма внедрения информации на основе
анализа/модификации блоков коэффициентов.
3. Восстановление исходного изображения (обратное ДКП).
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 12
143
УДК 004(06) Компьютерные системы и технологии
Рассмотрим этап №2 более подробно.
Суть данного этапа сводится к тому, что необходимо решить, каким
образом
установить
отношения
между
проквантованными
коэффициентами дискретно-косинусного преобразования (в каждом
блоке), чтобы выполнялись следующие требования:
1. При извлечении внедренных данных необходимо однозначно
определить, какой информационный бит ("0" или "1") хранится в данном
блоке (или блоках).
2. Данные должны сохраняться как при том коэффициенте сжатия,
который выбран в качестве максимально допустимого, так и при более
низких степенях сжатия.
Один из способов решения поставленной задачи следующий. Пусть
каждый блок с коэффициентами ДКП содержит один информационный
бит. Для его внедрения могут использоваться несколько пар
коэффициентов, при этом если число пар, в которых первый коэффициент
больше второго, четно, то будем считать, что в блоке записан бит "1", в
противном случае – "0". В случае необходимости можно изменить
значение какого-либо коэффициента, чтобы блок содержал необходимый
нам бит. В этом заключается достоинство предлагаемого алгоритма: для
сокрытия информационного бита потребуется изменение не более чем
одного коэффициента. Предлагаемый подход полностью отвечает
сформулированным выше критериям:
1. Однозначность декодирования очевидна.
2. Данные будут устойчивы и к меньшим степеням сжатия, поскольку
при изменении коэффициента сжатия элементы матрицы квантования
будут уменьшены в некоторое число раз, и проквантованные
коэффициенты будут сохранять отношения, использованные при
внедрении данных.
При больших степенях сжатия сохранность данных не гарантируется,
и полностью определяется характеристиками изображения-контейнера.
В качестве дополнительной меры повышения устойчивости
внедряемых данных можно использовать помехоустойчивое кодирование
(например, код Хэмминга) [3].
Список литературы
1. Osborne C. A Digital Watermark // IEEE Intern. Conf on Image Processing, 1994.
2. Pennebaker W.B., Mitchell J.L. "The JPEG Still Image Data Compression Standard",
Van Nostrand Reinhold, 1993.
3. Katzenbeisser S. Towards Robust Steganography, 1997.
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 12
144
УДК 004(06) Компьютерные системы и технологии
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 12
145