Введение к работе
Актуальность темы. Стеганографические алгоритмы позволяют встраивать дополнительную информацию в цифровое изображение не нарушая информационной целостности последнего. Одной из сфер практического применения стеганографических алгоритмов является защита авторских прав или прав собственности для продуктов мультимедиа индустрии с использованием цифровых водяных знаков (ЦВЗ). ЦВЗ содержат информацию, однозначно подтверждающую авторство или права на коммерческое использование защищаемого изображения, которая может быть считана для разрешения спорных правовых ситуаций. Информация, (далее - ЦВЗ), внедренная в защищаемое изображение при помощи стеганоалгоритмов и решающая задачи защиты авторских прав, должна обладать повышенной устойчивостью к внешним воздействиям или атакам на защищаемое изображение. Графические изображения могут представлять собой как статические (картинки), так и динамические (видео последовательности) цифровые изображения. В данной работе в качестве контейнеров рассматриваются статические изображения (далее - изображения-контейнеры). Если в качестве защищаемого изображения-контейнера выступает цифровое изображение, то, помимо устойчивости ЦВЗ, стеганоалгоритм должен обеспечивать хорошую скрытность.
Существует множество внешних воздействий, которым может быть подвергнуто цифровое изображение. Часть этих воздействий имеет специфический характер и вероятность их применения в ходе коммерческого использования изображения не велика. К таким воздействиям можно отнести различного рода зашумления, фильтрации, изменение геометрии, смену палитры и т.д. Другие воздействия, напротив, очень распространены именно при коммерческом использовании изображения, - это обрезка, фрагментация, перевод в другой цифровой формат, масштабирование и сжатие с потерями.
Сжатие JPEG-2000 является одним из наиболее распространенных алгоритмов сжатия цифровых изображений. Популярность алгоритма обусловлена высокими показателями сжатия и качества изображения. Несмотря на высокое качество сжатого изображения, алгоритм JPEG-2000 является алгоритмом сжатия с потерями. Следовательно, при сжатии некоторая, иногда очень значительная по объему, часть информации исходного изображения необратимо теряется. При этом \
і..'. )
всегда остается вероятность того, что потеря информации изображения-контейнера приведет и к потере встроенного в него ЦВЗ.
Поэтому, задача создания методов и алгоритмов, использование которых при построении стеганографических систем защиты авторских прав для цифровых изображений может гарантировать целостность ЦВЗ при сжатии JPEG-2000, является актуальной.
В результате анализа устойчивости ЦВЗ, внедренных при помощи современных стеганоалгоритмов, к сжатию JPEG-2000 был сделан следующий вывод: необходимо разработать алгоритмы и методы, повышающие способность ЦВЗ противостоять деградирующему воздействию сжатия JPEG-2000 даже при использовании низкого коэффициента качества JPEG. Использование методов и алгоритмов, реализованных в виде программного комплекса, позволит сократить финансовые потери от незаконного использования цифровых изображений, являющихся интеллектуальной собственностью.
Целью работы является разработка методов и алгоритмов позволяющих гарантировать целостность информации, внедренной в изображение-контейнер, при воздействии сжатия JPEG-2000 с потерями. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Предложить метрику оценки искажений, позволяющую использовать методику сравнительного анализа устойчивости различных стеганоалгоритмов;
Провести анализ устойчивости ЦВЗ, внедренных с помощью стеганоалгоритмов на основе дискретного вейвлет преобразования (ДВП), к сжатию JPEG-2000;
Провести анализ воздействия сжатия JPEG-2000 на ЦВЗ и определить пределы устойчивости ЦВЗ, внедренных с использованием современных стеганоалгоритмов;
Разработать методы и алгоритмы повышения устойчивости ЦВЗ к сжатию JPEG-2000 с потерями при условии использования низкого коэффициента качества JPEG.
Предметом исследования является методы повышения устойчивости ЦВЗ при воздействии на изображение-контейнер сжатия с потерями. Особенность предмета исследования состоит в том, что в качестве алгоритма сжатия для изображения-контейнера рассматривается алгоритм стандарта JPEG-2000, приводящий к существенным потерям информации сжимаемого изображения, что создает угрозу уничтожения ЦВЗ.
Объектом исследования являются стеганографические методы и алгоритмы внедрения ЦВЗ в область ДВП неподвижных цифровых изображений.
Методы исследования. В методах исследования использовались: методы теоретического и эмпирического исследования, аппараты вычислительной математики, методы проектирования и программирования.
Научная новизна работы. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Предложена метрика оценки качества изображения, позволяющая использовать методику сравнительного анализа устойчивости стеганоалгоритмов на основе ДВП;
Проведен анализ устойчивости наиболее перспективных стеганоалгоритмов на основе ДВП к сжатию с потерями JPEG-2000;
Построена математическая модель потерь информации встроенной в поддиапазоны ДВП при воздействии на изображение-контейнер сжатия JPEG-2000 с потерями;
Разработана методика подбора банка фильтров для ДВП учитывающая повышенные требования к устойчивости ЦВЗ при деградирующих внешних воздействиях;
Разработан метод повышения устойчивости ЦВЗ к сжатию JPEG-2000 путем выбора коэффициентов встраивания в области низкочастотных компонент.
Практическая ценность.
Проанализирована устойчивость стеганоалгоритмов на основе ДВП к сжатию JPEG-2000 с потерями;
Проанализированы характеристики поддиапазонов коэффициентов ДВП для полутоновых естественных изображений;
Разработан оригинальный метод встраивания ЦВЗ с повышенной устойчивостью к сжатию JPEG-2000;
Разработаны стеганоалгоритм и рекомендации к практическому построению стеганосистем на основе оригинального метода встраивания ЦВЗ.
Внедрение результатов работы. Материалы диссертации использованы в учебном процессе ВУЗа по дисциплине «Криптографические методы и средства обеспечения информационной
безопасности на кафедре «Проектирования компьютерных систем» СПбГУИТМО.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 4 входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ для защиты кандидатских диссертаций.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на IV-ой и V-ой Всероссийской межвузовских конференциях молодых ученых, а также на международных научно-технических конференциях "Интеллектуальные системы (AIS'08)" и "Интеллектуальные САПР (CAD-2008)".
Основные положения, выносимые на защиту:
Метрика оценки качества изображения, позволяющая использовать методику сравнительного анализа устойчивости стеганоалгоритмов на основе ДВП;
Метод повышения устойчивости ЦВЗ к JPEG-2000 путем выбора банка фильтров для ДВП;
Метод встраивания ЦВЗ на основе квантования и кодирующей маски с псевдослучайным распределением областей встраивания ЦВЗ;
Алгоритм встраивания ЦВЗ с динамическим подбором кодирующей маски для снижения уровня вносимых искажений.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 56 наименований, 2-х приложений, изложена на 103 страницах, содержит 34 рисунка и 3 таблицы.
