автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование методов построения нульбитовой системы цифровых "водяных" знаков устойчивой к случайным и преднамеренным преобразованиям

На правах рукописи

Анфиногенов Сергей Олегович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ НУЛЬ-БИТОВОЙ СИСТЕМЫ ЦИФРОВЫХ "ВОДЯНЫХ" ЗНАКОВ УСТОЙЧИВОЙ К СЛУЧАЙНЫМ И ПРЕДНАМЕРЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯМ

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

20 ¡¡ар

Санкт-Петербург — 2014

005546081

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича" на кафедре защищенных систем связи.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коржик Валерий Иванович

Официальные оппоненты: Беззатеев Сергей Валентинович,

доктор технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, заведующий кафедрой "Технологии защиты информации и техносферной безопасности"

Улахович Дмитрий Андреевич, кандидат технических наук , доцент, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденош Министерства обороны Российской Федерации, профессор

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук" (СПИИРАН), г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 16 апреля 2014 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 219.004.02 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича», 193232, Санкт-Петербург, пр. Большевиков, д. 22, ауд. 554.

С диссертацией можно ознакомиться на сайте wwvv.sut.ru и в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича» по адресу Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 65.

Автореферат разослан 14 марта 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы нсследовании. Цифровые «водяные» знаки (далее -цифровые водяные знаки (ЦВЗ)) применяются для защиты информации от копирования и нелегального использования. В результате бурного развития мультимедийных технологий остро встал вопрос защиты авторских прав и интеллектуальной собственности, представленной в цифровом виде и передаваемой по каналам связи. Примерами могут являться фотографии, аудио-и видеозаписи, размещенные в сети Интернет. Преимущества, которые дают представление и передача сообщений в цифровом виде, могут с легкостью оказаться перечеркнутыми, если возможно их воровство или модификация. Именно поэтому разрабатываются различные меры защиты информации организационного и технического характера. Одно из наиболее эффективных технических средств защиты мультимедийной информации заключается во встраивании в защищаемый объект невидимых меток - ЦВЗ. Разработки в этой области ведут крупнейшие фирмы по всему миру.

Целью исследования является повышение эффективности защиты изображений, передаваемых по каналам связи и распространяемых в сети Интернет, путем разработки системы ЦВЗ, устойчивой к преобразованиям и сохраняющей высокое качество защищенного изображения.

Задачи исследования. Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Предложить варианты применения системы ЦВЗ для доказательства прав собственности в рамках российского законодательства.

2. Рассмотреть методы оценки качества изображения после вложения ЦВЗ и определить, какие из предложенных методов позволяют получить результат, соответствующий экспертной оценке.

3. Разработать систему цифровых водяных знаков, устойчивых к таким видам преобразования изображения, как циклический сдвиг, удаление строк и столбцов, поворот, масштабирование изображения, добавление шума, сжатие JPEG, и провести теоретическое обоснование стойкости предлагаемого метода к перечисленным искажениям.

4. Выбрать параметры системы таким образом, чтобы качество защищенных изображений визуально не отличалось от качества исходных, и при этом сохранялась устойчивость ЦВЗ к искажениям.

5. Экспериментально исследовать стойкость водяного знака к различным видам преобразований.

Научная новпзпа. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:

1. Вместо использования многобитовой системы ЦВЗ предложен метод использования нуль-битовой системы и электронной подписи для доказательства прав собственности на изображения.

2. Предложен алгоритм оценки качества изображения после вложения ЦВЗ, в котором применяется разделение изображений на группы по яркости и текстурности.

3. Предложен метод вложения и детектирования цифровых водяных знаков, который, в отличие от используемых ранее, устойчив к целому комплексу преобразований, и благодаря оптимизации параметров позволяет сохранить высокое качество защищенного изображения.

Зарегистрирована заявка на изобретение № 2013153857 от 04.12.2013 «Способ формирования заверенного цифровым водяным знаком цветного

электронного изображения».

Объем исследования. В диссертационной работе исследуются ранее известные и разработанные автором методы вложения и извлечения цифровых водяных знаков в изображения, передаваемые по каналам связи, в том числе распространяемые в сети Интернет. Исследуется влияние различных параметров системы ЦВЗ на качество полученного изображения, а также устойчивость водяного знака к различным искажениям.

Область применения. Разработанные методы вложения и извлечения цифровых водяных знаков позволяют поместить идентификационные данные автора в изображение и защитить их от незаконного удаления, что поможет при доказательстве прав собственности на изображение. Система ЦВЗ также может применяться для определения источников утечки информации

конфиденциального характера.

Практическая ценность результатов. Цифровые неподвижные изображения, наряду с аудио- и видеопродуктами, обладают повышенным риском нарушения авторского права. Действительно, такою рода объекты весьма легко находить в Интернете и затем копировать и распространять вне зоны авторского контроля. Более 90 % всех сайтов в Интернете построены с использованием авторских работ, которые размещаются без разрешения авторов и без указания их имен. Эта цифра может даже приблизиться к 100%, если сюда добавить фрагменты цифровых изображений и графическую рекламу. Предложенная система позволяет связать идентификационные данные автора с распространяемым изображением и облегчить доказательство авторских прав.

Методы исследования. В процессе исследований использовались теоретические методы, методы теории вероятностей и математической статистики, а также методы компьютерного моделирования и программирование на языке Java.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод доказательства прав собственности с использованием техники

ЦВЗ и электронной подписи.

2. Выбор критерия оценки качества изображения после вложения ЦВЗ,

соответствующего экспертной оценке.

3. Метод вложения и извлечения цифровых водяных знаков, устойчивый к случайным и преднамеренным преобразованиям изображения.

Достоверность научных результатов подтверждается:

- совпадением результатов теоретического обоснования и результатов практических экспериментов, а также ранее проведенными исследованиями в данной области, выполненными другими авторами;

- апробацией основных положений диссертации в печатных трудах, а также на международных конференциях.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на 5 международных и 2 всероссийских научных конференциях: "Federated Conference on Computer Science and Information Systems" (2011, 2013), XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», «Интернет: информационные технологии и инженерные разработки» (2011-2012), Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (2012), "Education Without Borders 2011".

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы ОАО «Мобильные ТелеСистемы», филиал «Макро-регион «Северо-Запад», что подтверждается соответсвующими актами. Кроме того, материалы диссертации использованы в лабораторных работах по курсу кафедры защищенных систем связи СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича «Основы стеганографии».

Список публикаций. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, и 4 публикации в сборниках материалов международных конференций, а также статья в зарубежном издании.

Личный вклад автора. Теоретические и практические выводы, результаты экспериментов, основные научные положения, содержащиеся в диссертационной работе, получены и сформулированы автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 53 источников, пяти приложений, изложена на 169 страницах, содержит 35 таблиц и 69 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражено обоснование актуальности темы, дана формулировка цели и задач исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, а также краткое содержание и методы выполнения работы.

В первой главе диссертации приведены основные направления использования цифровых водяных знаков; отмечено, какими свойствами должна обладать система в зависимости от области применения; рассмотрены юридические аспекты использования систем ЦВЗ; предложен новый метод доказательства прав собственности с использованием техники нуль-битового ЦВЗ и электронной подписи, соответствующий Закону об Электронной подписи (ЭП) РФ. Схема проверки прав собственности представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема вложения информации и проверки прав собственности использованием техники нуль-битового ЦВЗ и ЭП

Как видно из представленной схемы, собственник сначала выполняет ЭП (8) под своими идентификационными данными (М) при соблюдении всех условий, установленных Законом об ЭП РФ. Затем он производит вложение нуль-битового ЦВЗ, используя в качестве ключа Е = (М, 5), причем техника вложения может быть выполнена так, как это описано в четвертой главе диссертации.

Важно отметить, что в данном случае нуль-битовой системы ЦВЗ оказывается вполне достаточно для доказательства прав собственности, так как ключ Е зависит от идентификационных данных автора М и его ЭП, обозначенной 5. Таким образом, для подтверждения авторства достаточно подтвердить или опровергнуть факт наличия такого водяного знака в изображении.

Если теперь на каком-либо сайте Интернета найдено незаконно помещенное ЦИ с вложением /„., причем из-за некоторых естественных или преднамеренных преобразований возможно и невыполнение такого равенства (/* = /»■% то собственник представляет в суд /».', доказывает, что ЦВЗ по ключу Е, несмотря на возможные помехи, присутствует в /„ ', и представляет в суд ключ е, для которого проверяется подлинность ЭП собственника. Если оба этих факта подтверждаются судебными экспертами, то тем самым подтверждается и факт собственности ЦИ (/) того пользователя, который обладает ключом е, заверенным аккредитованным удостоверяющим центром. Стоит отметить, что алгоритм вложения ЦВЗ также должен быть определенным образом сертифицирован.

Крайне важно, что предлагаемая схема проверки позволяет не вкладывать идентификационные данные автора непосредственно в изображение - для этого всегда использовались многобитовые системы - а использовать нуль-битовую систему, поскольку в нуль-битовом варианте возможно создание систем, намного более устойчивых к атакам.

Данная схема может быть также использована для отслеживания источников утечки информации и реализации функции отслеживания сделок.

Для этого вместо идентификационных данных автора в изображение следует поместить идентификационные данные лица, которому доверено хранение информации. Если обнаружится, что конфиденциальное изображение каким-то образом было раскрыто, то по нему можно будет определить, кто организовал утечку и чей экземпляр в итоге стал общедоступным. Важно, что впоследствии доверенное лицо не сможет подменить свои идентификационные данные и отвести от себя подозрение.

Вторая глава посвящена оценке качества изображений после вложения ЦВЗ. В ней рассмотрены критерии оценки качества, которые хорошо коррелируют с экспертной оценкой, после чего выбран наиболее подходящий критерий: среднеквадратичное различие между группой соседних пикселей (Difference of a neighbourhood, (DON)). Значите этого критерия можно рассчитать согласно формуле:

DON= I 1 tN-w/2

Uj

•>J

,0)

где C(ij) - яркость пикселя исходного изображения; C(i,j) - яркость того же

пикселя в изображении с вложением; d{c{i,j\c(l,m)) - разница между яркостью

пикселей изображения; - размер области; N - количество пикселей в изображении.

Смысл этого критерия состоит в том, чтобы учесть искажения не только пикселей с совпадающими координатами, но и искажений в некоторой области (здесь - w * и') вокруг каждого пикселя. Это позволяет адекватно оценить такие виды искажений, как небольшой сдвиг или поворот изображения.

Эксперименты показали, что среди рассмотренных критериев именно DON (1) дает результаты, наиболее приближенные к экспертной оценке. Тем не менее, не всегда возможно однозначно связать баллы экспертных оценок со значением критерия. Субъективная оценка качества часто зависит от внутренней структуры изображения. При одинаковой степени искажений, полученной при помощи данного критерия на темных и текстурных изображениях, различия между исходным изображением и изображением с вложением оказались меньшими, чем на светлых с равномерным фоном. Чтобы компенсировать подобные различия, было предложено разделение изображений по яркости и текстурности на шесть различных групп, позволяющее повысить точность автоматической оценки искажений и приблизить результаты к полученным при опросе группы экспертов, в которую входили профессиональные дизайнеры и фотографы. Результаты представлены в таблице 1. Таким образом, алгоритм оценки качества включает: оценку качества изображения по критерию DON, определение группы изображения и получение итоговой оценки.

В третьей главе рассмотрен ряд подходов, используемых при построении систем ЦВЗ, среди которых как простейшие, например, метод наименьших значащих бит, так и более сложные, например, вложение ЦВЗ в

инвариантную область. Этот метод является наиболее перспективным, поэтому было решено использовать именно его при дальнейшей разработке системы. Таблица 1 - Значения РСП и соответствующие им баллы экспертной оценки

Группа Экспертная оценка (от низкой до высокой)

5 5,5 6 6.5 7 7,5 8 8.5 9 9,5 10

Светлые 1,8 1,5 1,4 1,1 1,05 0,9 0,8 0,7 0,6 0,3 ОД

Светлые 1,85 1,7 1,3 1,25 1 0,95 0,9 0,8 0,6 0,35 0,1

Средние по яркости 1,9 1,8 1,7 1,5 1,4 1Д 0,9 0,8 0,6 0,4 0,2

Средние по яркости текстурные 1,9 1,8 1,7 1,65 1,55 1,4 0,95 0,85 0,7 0,4 0,25

Темные нетекстурные О 1,85 1,75 1,7 1,6 1,2 1 0,9 0,8 0,35 0,3

Темные текстурные 2 1,9 1,85 1,8 1,7 1,25 1,2 1 0,9 0,55 0,45

Среди наиболее эффективных методов можно отметить метод широкополосных сигналов, который позволяет распределить энергию ЦВЗпо всей области вложения и тем самым сделать систем}' более устоичивои к искажениям. Больших успехов авторы рассмотренных в этой главе работ добились при использовании преобразования Фурье в качестве основного. При использовании других преобразований, например, логарифмически-полярного преобразования, возникали проблемы при восстановлении защищенного изображения, так как качество полученных изображений заметно страдало. Многие попытки создать надежную систему, способную выдержать целый ряд искажений, так и не достигали цели. Это вызвано тем, что большинство разработчиков стремились создать многобитовую систему ЦВЗ, устойчивость которой обеспечить намного сложнее, чем нуль-битовой. Можно сделать вывод о том что на данный момент не существует систем ЦВЗ, которые могут обойтись без исходного изображения, и в то же время могут противостоять целому ряду различных атак, направленных на удаление ЦВЗ, сохраняя при

этом высокое качество изображения.

В четвертой главе сформулированы требования к системе ЦВЗ и предложен новый алгоритм вложения и детектирования нуль-битового водяного знака, удовлетворяющий этим требованиям.

Для выполнения алгоритма вложения исходное изображение разделяется на три цветовых канала - красный, зеленый и синий. Зеленый и красный каналы остаются при вложении неизменными, а синий канал представляется в виде матрицы 1-ингенсивностей синей составляющей изображения, число строк М и столбцов N которой равно количеству пикселей по ширине и высоте изображения соответственно.

Матрица I преобразуется по Фурье (FFT), затем результат преобразования циклически сдвигается вправо на ширины получившейся матрицы и на 'Л высоты матрицы вниз. Таким образом, низкие частоты оказываются в центральной части матрицы, а высокие располагаются по краям. Это позволит точнее выбрать область вложения.

Результат преобразования представляет собой матрицу комплексных чисел, а значит, можно говорить о матрицах амплитуды А и фазы Ф.

Разделение необходимо для того, чтобы обеспечить стойкость водяного знака к циклическому сдвигу изображения. Вложение целесообразнее производил, в амплитуду, так как именно она остается неизменной при сдвиге изображения.

Далее рассматривается процесс генерации ключа из случайной матрицы, однако в реальной системе ключ будет содержать информацию о собственнике изображения - Е (М, S).

Для создания ключа генерируется матрица G взаимонезависимых действительных случайных чисел в диапазоне от 0 до 1, по размерам совпадающая с размерами изображения. М и N - число строк и столбцов матрицы. Матрица G представляет собой матрицу случайных чисел, распределенных равномерно (равномерный белый шум).

Далее создается матрица Z тех же размеров:

ZU,]} = 1 если G[iJ] > Л {1)

Z[i,/3 = 0 если G[i,j] <1 ,

где 0 <;<!/-!, 0<г'<ЛЧ, 0<А<1, G[i, j\ - значение в /-той строке и у-том столбце матрицы G. Аналогичное обозначение вводится для матриц Z, L и К.

Порог X в выражении (2) определяет количество единиц в матрице Z, а значит и количество областей вложения. Чем больше величина X, тем меньше единиц в матрице Z.

Далее необходимо создать новую матрицу L, вычислив значения матрицы согласно следующим выражениям:

L[i,j] = 0 если Z[l,}] = О

L[i,)} = 0,ecmZ[lj] = 1 и ^ ^ Z[m,n] > 1

т=1-а тг='-а (3)

i+л j+a

L[i,j] = l,ecwZ[i,j] = lu ^ Z[m,n} < 1

m-i—a n~j—a

Таким образом, с помощью выражегшя (3) удаляются близко расположенные единицы так, чтобы в каждой области ах а присутствовала только одна единица.

Затем выбирается область П матрицы амплитуд, изменение коэффициентов в которой не вызовет существенных изменений изображения. В эту область и будет производиться вложение.

Выбор области ft ограничивается следующими условиями:

1. Необходимо, чтобы малые области §(2а+1х2о+1), построенные вокруг единиц в матрице L, не выходили за границы матрицы. Поэтому отодвинем границы области il на а позиций от каждого из краев матрицы L.

2. Для симметризации матрицы А нижняя половина матрицы амплитуды удаляется и заменяется повернутой на 180" верхней половиной, поэтому и область Л следует ограничить верхней половиной матрицы L.

3. Так как после преобразования Фурье коэффициенты амплитуды, сильно влияющие на изображение, находатся ближе к центру, для сохранения высокого качества изображения необходимо удалить центральную часть из области П. Это позволит не вкладывать информацию в наиболее чувствительные коэффициенты и сохранить качество изображения после вложения.

4. Для обеспечения стойкости системы к сжатию необходимо также частично исключить высокие частоты, из области ft, так как именно они

теряются при сжатии.

Область вложения ft на рисунке 2а ограничена внутренним и внешним овалами и задается четырьмя неравенствами (4), которые должны выполняться одновременно:

L{i,j1 £ Й,есяи дЗ <. f < (аЗ 4- а4)

а! < j < (al + й2)

0-3) , 0-У

/И * rl\2 (N * rl\~ V~7Г)

(J

г

X'

\ *г2

+

'З2

-> /

N * г2.;

V п У

> i

<: '1

(4)

~2 3 4 2

где М - общее число строк; N - общее число столбцов; I - номер тек>'щей строки; / - номер текущего столбца; а1 - число строк от левой границы матрицы до начала области а2 - ширина области «; аЗ - число столбцов от верхней границы матрицы до начала области 12; а4 - высота области; г1 -коэффициент, определяющий размеры внутреннего овала; г2 - коэффициент, определяющий размеры внешнего овала. На рисунке 2а показано, каким образом эти параметры влияют на форму области. Параметры а1, а2 и аЗ в системе (4) выбираются так, чтобы области поиска максимума 5 не выходили за границы матрицы. Например, для размера области 5x5 следует принять а1 = 3, а2 — М-6, аЗ — 3, а4 = М/2,28. Параметр а4 позволяет ограничить вложение верхней половиной матрицы, а также уменьшить высоту области и добиться улучшения качества изображения. Оставим элементы матрицы Ь в области П

неизменными, а остальные элементы обнулим. Полученную новую матрицу обозначим К. Вид получившейся матрицы представлен на рисунке 26.

а) б)

Рисунок 2 - а) форма области вложения б) матрица ключа К

Положения единиц и размеры матрицы К сохраняются и используются при детектировании в качестве секретного стегоключа.

Далее производится изменение матрицы амплитудного спектра А в соответствии с матрицей К.

Для этого в матрице амплитудного спектра А выделяем области 5 размером (2а+\х2а+1). Центры расположены на тех же позициях, что и единицы в матрице К. Значения амплитуды в центре каждой области заменяем максимальной амплитудой этой области, помноженной на коэффициент (3, где (3>1. Остальные значения матрицы А оставляем неизменными. Коэффициент (5 выбирается так, чтобы новое изображение визуально не отличалось от исходного. Этот процесс можно представить уравнением:

А„Ц,]] = гпах(Л [¿. - а., г + а,} — е..} + а]) * /? если К[Щ = 1 АЛА = АН,}] если КИЛ = 0. (5)

где АЛУ1 - значение амплитуды двумерного преобразования Фурье после вложения в точке с координатами [/,/1.

Так как после вложения ЦВЗ (5) симметрия амплитуды нарушается, на выходе обратного преобразования Фурье могут появиться комгшексные коэффициенты амплитуды, что существенно ухудшит качество полученного изображения.

Для устранения этого эффекта необходимо получить на выходе обратного преобразования Фурье только вещественные коэффициенты, в связи с чем приходится выполнять дополнительное преобразование матрицы амплигуд. Первую строку в матрице преобразуем по формуле:

Ай.[(М - I + 2), 1] = Д,[¿, 1]г = г.. М, (6)

где / - номер столбца текущего элемента матрицы.

Первый столбец в матрице прообразуем по формуле:

АЛХДЛ'-] + 2)] = А.ДМ] ] = 2..М, (7)

где ) - номер строки текущего элемента матрицы. Для всех остальных элементов матрицы используем формулу:

4ДСМ -1 + 2Щ -} + 2)] = АД;,;] I = 2.. М] = 2..И (8)

Таким образом, йспользуя выражения (6), (7) и (8) можно получить матрицу, удовлетворяющую условиям симметрии. Далее получаем комплексную амплитуду и выполняем циклический сдвиг матрицы на '/2 высоты и 1А ширины для восстанойления исходных мест расположения частот, после чего производим обратное преобразование Фурье (ШЕТ).

Результат округляется до целых значений. К полученному синему каналу добавляются красный и зеленый каналы исходного изображения. Полученное цветное изображение сохраняется как изображение с вложениемНа рисунке 4 представлена схема, иллюстрирующая алгоритм погружения цифрового водяного знака.

Рисунок 4 - Предложенная схема погружения ЦВЗ

Детектирование ЦВЗ выполняется согласно рисунку 5. Сначала изображение восстанавливается до исходной ширины и высоты,

соответствующей ширине и высоте матрицы К. Далее выделяется синяя составляющая, которая подвергается преобразованию^Фурье. Из результата преобразования выделяется амплитудный спектр А. Далее выделяются локальные области амплитудного спектра таким образом, чтобы позиции их центров соответствовали позициям ненулевых значений ключа К, использованного при формировании защищенного изображения, затем вычисляются позиции максимальных значений амплитудного спектра в каждой

локальной области и осуществляется проверка соответствия позиции максимума каждой локальной области центру этой области. Положительные ответы суммируются для всех локальных областей, и полученная сумма ' делится на общее число локальных областей амплитудного спектра. Результат сравнивается с пороговым значением, которое выбирается таким образом, чтобы вероятность обнаружения водяного знака при ложном ключе равнялась нулю, причем, если упомянутое пороговое значение превышено, принимается решение о наличии водяного знака в изображении, и проверка считается пройденной; если же пороговое значение не превышено, изображение поворачивается на фиксированные углы в пределах от 1° до 180°, и процесс обнаружения повторяется для каждого угла; если после полного поворота изображения пороговое значение так и не было превышено, принимается решение об отсутствии водяного знака в изображении.

Рисунок 5 - Предложенная схема детектирования ЦВЗ

Таким образом, способ вложения ЦВЗ, при котором водяной знак вкладывается не в конкретные значения коэффициентов, а в место их расположения, позволяет создать инвариантную область, которая практически не изменяется после различных преобразований изображения.

В этой же главе проведены теоретические исследования, позволяющие доказать стойкость водяного знака к различным искажениям, например, устойчивость к циклическому сдвигу обеспечивается за счет вложения водяного знака в амплитудный спектр преобразования Фурье, который в соответствии с теоремой запаздывания (9), не изменяется при циклическом сдвиге изображения

ППх - %)] = егр(С-/>%)Р[/(х')], (9)

пре®мшен

мэт

ЦВЗ не распознан

ЦВЗ распознан

Амплитуд» Aw ......W..........

Поборот кзсбражен-/»на 0,5'

Пои« максимумов амплитуды

Подсчет чнслэ распознание»!, максимумов

где xs~ величина сдвига.

Устойчивость к добавлению шума можно показать, используя модель, содержащую только одну локальную область в спектре.

Пусть имеется множество из и точек хь Хг, х3,.., хп с постоянной амплитудой А и одна точка максимума х0 с амплитудой [3 х А ф > 1). На все точки накладывается аддитивный Гауссовский шум с независимымыми распределениями в отсчетах, нулевым средним значением и дисперсией д". Рассчитаем вероятность того, что максимум останется на прежнем месте после добавления шума. Параметры л. А, р, S" считаем заданными.

Р = Pr{xs > X^Xfy > X2,..,Xq > х^},

где = (2А + Щ, Xj = fi A + nh i = l,2,..,n .

Очевидно, что: !

p = С <*><у> ■ n?=i Ых, < y3 dy = Су) • Pr{x < У? dy, (i 0)

где (у) е S2), X е лг (д, З2).

Поскольку шум Гауссовский, то:

Рг (х < v> = -я= j- е m* dt (11)

Jv^gAp

= 232 > (12)

где à " - дисперсия шума.

Подставляя выражения (11) и (12) в формулу (10), получаем:

I r+co M ( ry , \* ,

Р = ■. . е s«2 ■ f { й 3

Интерес представляет нижняя граница для Р. Можно решить эту задачу моделированием (тем более что в нашем случае количество точек п невелико). По результатам, предстааленным в таблице 2, можно заметить, что распознавание водяного знака происходит даже при сильном аддитивном шуме.

При значениях дисперсии, для которых водяной знак перестает распознаваться, изображение значительно теряет в качестве, а значит, пропадает и его коммерческая ценность, и защита становится нецелесообразной.

Таблица 2 - Результаты извлечения ЦВЗ для модели с одной локальной областью

при заданной дисперсии шума

Дисперсия шума S3 0,09 0,265 0,561 0,729 0,989 1,816 2,25 2,44 2,504

ЦВЗ обнаружен Да Да Да Да Да Да Да Нет Нет

В этой же главе произведена оптимизация параметров системы, которые подобраны таким образом, что обеспечиваются хорошие результаты для всех изображений. Однако характеристики системы можно улучшить, если подбирать параметры вложения для каждого изображения индивидуально.

Например, для темных текстурных изображений глубина вложения может быть существенно увеличена, и при этом качество изображения не пострадает, а устойчивость к искажениям возрастет. Основным параметром, определяющим эффективность системы, является коэффициент р, который позволяет задать глубину вложения. Эксперименты показали, что чем надежнее происходит детектирование, тем заметнее искажения изображения. Несмотря на это, в результате экспериментов были выбраны такие значения параметров, при которых не происходит видимых искажений изображения, а также сохраняется высокая вероятность успешного детектирования ЦВЗ после атаки. Важным параметром детектирования ЦВЗ является и пороговое значение Д0, которое определяется экспериментальным путем после выбора остальных параметров вложения. Оптимальные значения параметров приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Оптимальные значения параметров системы (М и N — высота и ширина изображения)

Параметр Размер области al а2 аЗ а4 г 1 г2 Я Р До

Значение параметра 5x5 3 N- 6 3 М/ 2,28 0,248 0,83 0,95 1,2 0,076

В пятой главе проведены исследования стойкости системы к таким искажениям, как циклический сдвиг изображения, добавление шума, поворот, удаление части изображения; представлены результаты экспериментов для изображений с различными водяными знаками, проверено влияние изощренных атак типа «добавление ложных максимумов в амплитудный спектр». Результаты ряда экспериментов представлены в таблице 4 и на рисунках 6 и 7.

Таблица 4 - Детектирование водяного знака при различных искажениях

Название Без вложения Отсутствие искажений Копирование и удаление строк Обрез-ка 50% изображения Шум 5% Циклический сдвиг на 50 % Уменьшение размеров на 70 % Сжатие JPEG 30%

Вероятность детектирования 0 1 1 0,98 0,95 1 0,97 0,76

Рисунок 6 - а) исходное изображение б) вычеркивание в) копирование 20 % строк

а) б) в) г)

Рисунок 7 - а) обрезка 50 % изображения б) добавление шума в) сдвиг г) масштабирование

В заключении работы подведены итоги выполненного исследования и представлены основные научные результаты диссертационной работы, которые состоят в следующем:

1. Предложен метод использования цифровых водяных знаков, который позволяет, с использованием техники электронной подписи и нуль-битового цифрового водяного знака, доказать права собственности на изображение, а также реализовать функцию отслеживания сделок.

2. Предложен метод оценки качества изображения после вложения ЦВЗ, позволяющий дать оценку качества изображения без помощи группы экспертов.

3. Предложен и разработан метод вложения и извлечения нуль-битовых ЦВЗ, устойчивый к таким преобразованиям изображения, как циклический сдвиг, добавление шума, вычеркивание и копирование строк и столбцов, изменение размеров, поворот изображения, удаление и замена части изображения, сжатие JPEG. Проведены теоретические исследования, позволяющие доказать стойкость системы к перечисленным искажениям изображения.

4. Произведена оптимизация параметров системы, позволяющая сохранить высокое качество защищенных изображений после вложения водяного знака.

5. Произведено моделирование системы, позволившее экспериментально подтвердить стойкость водяного знака к различным видам преобразований.

В диссертации приведено решение научной задачи разработки системы ЦВЗ, устойчивой к набору различных преобразований изображения. При этом сохраняется высокое качество изображения после вложения.

Таким образом, поставленные задачи решены в полном объеме. Цель работы достигнута.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Анфиногенов, С. О. Обеспечение прав собственности на цифровые изображения в Российской Федерации с использованием технологии водяных знаков / С. О. Анфиногенов, В. И. Коржик // Электросвязь. - 2012. - № 8. -С. 44-48. (из перечня ВАК).

2. Анфиногенов, С. О. Исследование методов автоматической оценки искажений при вложении цифровых водяных знаков в неподвижные изображения / С. О. Анфиногенов, А. А. Алиев // Вопросы защиты информации. - 2013. - № 2. - С. 67-72. (из перечня ВАК).

3. Анфиногенов, С. О. Система IJB3 для неподвижных изображений, основанная на формировании локальных максимумов амплитудного спектра по стегоключу / С. О. Анфиногенов // Труды учебных заведений связи. - СПб. : ГОУ ВПОСПбГУТ, 2010. 182/183 -С. 92-102.

4. Анфиногенов, С. О. Система ЦВЗ для неподвижных изображений / С. О. Анфиногенов // Интернет: инновационные технологии и инженерные разработки. Всероссийская конференция молодых ученых: тезисы докладов. Санкт-Петербург, 13-14 октября, 18 ноября 2011. - СПб., 2011. - С. 32-34.

5. Анфиногенов, С. О. Исследование искажений максимумов амплитуд двумерного спектра Фурье в локальных областях при различных преобразованиях изображения / С. О. Анфиногенов // И-я Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». 26-27 февраля 2013: материалы конф. - СПб. : СПбГУТ, 2013. - С. 807-809.

6. Анфиногенов, С. О. Многобитовая система ЦВЗ, устойчивая к геометрическим преобразованиям изображения / С. О. Анфиногенов // Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». № 64. 20-24 февраля 2012: материалы конф. - СПб.: СПбГУТ, 2012. - С. 224-226.

7. Anfinogenov, S. О. Robust digital watermarking system for still images / S. O. Anfinogenov, V. I. Korzhik, G. Morales-Luna // Proceedings of the 2011 Federated Conference on Computer Science and Information Systems. - 2011. -P. 685-689.

8. Anfinogenov, S. O. A multiple robust digital watermarking system for still images / S. O. Anfinogenov, V. I. Korzhik, G. Morales-Lima // International Journal of Computer Science and Applications. - 2012. - Vol. 9 No. 3. - P. 37-46.

9. Anfinogenov, S. O. Design of Digital Watermarking System Robust to the Number of Removal Attacks / S. O. Anfinogenov // Proceedings of the 2013 Federated Conference on Computer Science and Information Systems. - 2013. -PP. 523-527.

Подписано в печать 14.02.2014. Формат 60x84 1/16.

_Печ. л. 1.0. Тпраж 100 экз.

Отпечатано в СПЗГУТ, 191186, Санкт-Петербург, наб. рехиМойгцб!

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ НУЛЬ-БИТОВОЙ СИСТЕМЫ ЦИФРОВЫХ «ВОДЯНЫХ» ЗНАКОВ, УСТОЙЧИВОЙ К СЛУЧАЙНЫМ и ПРЕДНАМЕРЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯМ

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

0*201451418

Анфиногенов Сергей Олегович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Коржик Валерий Иванович

Санкт-Петербург — 2014

Оглавление

Введение...........................................................................................................................5

Глава 1. Основные направления использования систем ЦВЗ...................................10

1.1 Варианты использования ЦВЗ...........................................................................11

1.1.1 Мониторинг вещания...................................................................................11

1.1.2 Идентификация собственника.....................................................................13

1.1.3 Доказательство прав собственности...........................................................14

1.1.4 Отслеживание сделок...................................................................................16

1.1.5 Аутентификация содержания покрывающего сообщения.......................18

1.1.6 Управление копированием..........................................................................19

1.1.7 Управление устройствами...........................................................................22

1.2 Юридические аспекты доказательства прав собственности при использовании техники цифровых водяных знаков..............................................23

1.2.1 Юридическое обоснование неправомочности копирования изображений .................................................................................................................................24

1.2.2 Доказательство прав собственности на ЦИ при помощи техники цифровых водяных знаков и электронной подписи..........................................27

1.3 Выводы по главе..................................................................................................36

Глава 2. Методы оценки качества изображения после вложения ЦВЗ..................37

2.1 Исследование критериев, адекватно связанных с экспертной оценкой изменения качества изображения после вложения ЦВЗ.......................................39

2.1.1 Отношение сигнал/шум...............................................................................40

2.1.2 Среднеквадратическая ошибка (СКО).......................................................40

2.1.3 Минимальное отношение сигнал/шум по блокам....................................41

2.1.4 Среднеквадратичное различие между группой соседних пикселей (Difference of a neighborhood (DON))...................................................................42

2.2 Экспериментальные результаты........................................................................49

2.3 Выводы по главе..................................................................................................54

Глава 3. Анализ состояния научных исследований и практических предложений по построению систем ЦВЗ..........................................................................................55

3.1 Основные подходы при построении систем ЦВЗ, устойчивых к преобразованиям........................................................................................................55

3.1.1 Распределенное вложение (Redundant Embedding)...................................55

3.1.2 Метод расширенного спектра.....................................................................57

3.1.3 Вложение в значимые для восприятия коэффициенты............................57

3.1.4 Вложение в коэффициенты с известной стойкостью...............................59

3.2 Анализ известных методов встраивания ЦВЗ..................................................61

3.2.1 Метод НЗБ.....................................................................................................62

3.2.2 Вложение ЦВЗ в инвариантную область...................................................63

3.2.3 Алгоритм вложения и извлечения ЦВЗ по методу голографических преобразований......................................................................................................67

3.3 Выводы по главе..................................................................................................74

Глава 4. Метод вложения нуль-битовых ЦВЗ в неподвижные изображения........76

4.1 Требования к системе ЦВЗ.................................................................................76

4.2 Обоснование выбора метода погружения ЦВЗ................................................77

4.3 Предлагаемый метод вложения и детектирования ЦВЗ.................................80

4.3.1 Алгоритм вложения ЦВЗ.............................................................................80

4.3.2 Алгоритм детектирования ЦВЗ...................................................................87

4.4 Обоснование инвариантности предложенного метода ЦВЗ к различным случайным и преднамеренным преобразованиям..................................................90

4.4.1 Свойства преобразования Фурье................................................................90

4.4.2 Циклический сдвиг.......................................................................................92

4.4.3 Масштабирование........................................................................................92

4.4.4 Вращение.......................................................................................................93

4.4.5 Вырезание части изображения....................................................................94

4.4.6 Добавление шума.........................................................................................96

4.4.7 Преобразование JPEG..................................................................................99

4.5 Оптимизация параметров вложения и извлечения ЦВЗ................................100

4.5.1 Выбор размера локальной области поиска максимума 5.......................100

4.5.2 Выбор параметров области ft....................................................................103

4.5.3 Выбор количества изменяемых коэффициентов амплитуды................107

4.5.4 Выбор глубины вложения (3......................................................................108

4.5.5 Выбор порога детектирования AD...........................................................109

4.6 Выводы по главе................................................................................................111

Глава 5. Экспериментальное исследование устойчивости стегосистемы к различным видам атак по удалению ЦВЗ.................................................................113

5.1 Характеристики изображения без вложения ЦВЗ.........................................114

5.2 Характеристики неповрежденного изображения с вложением ЦВЗ...........115

5.3 Циклический сдвиг изображения по горизонтали и вертикали...................116

5.4 Добавление аддитивного шума........................................................................122

5.5 Добавление ложных максимумов в амплитудный спектр............................125

5.6 Атака двусмысленности....................................................................................126

5.7 Распознавание ключа путем сравнения значений амплитуды с порогом ..129

5.8 Сжатие изображения с вложением..................................................................130

5.9 Вычеркивание строк и столбцов......................................................................134

5.10 Удаление части изображения.........................................................................140

5.11 Замена части изображения.............................................................................141

5.12 Поворот изображения.....................................................................................142

5.13 Изменение размеров изображения................................................................146

5.14 Выводы по главе..............................................................................................149

Заключение...................................................................................................................150

Список сокращений и условных обозначений.........................................................152

Литература....................................................................................................................153

Приложение..................................................................................................................158

Приложение А. Заявка на патент...........................................................................158

Приложение Б. Награда за лучшую работу..........................................................159

Приложение В. Акт об использовании результатов диссертационной работы 160 Приложение Г. Реализация алгоритма вложения и извлечения водяного знака

...................................................................................................................................161

Приложение Д. Справка о внедрении результатов диссертационной работы.. 169

Введение

Актуальность темы. Цифровые "водяные" знаки (далее - цифровые водяные знаки (ЦВЗ)) применяются для защиты информации от копирования и нелегального использования. В результате бурного развития мультимедийных технологий остро встал вопрос защиты авторских прав и интеллектуальной собственности, представленной в цифровом виде и передаваемой по каналам связи. Примерами могут являться фотографии, аудио- и видеозаписи, размещенные в сети Интернет. Преимущества, которые дают представление и передача сообщений в цифровом виде, могут с легкостью оказаться перечеркнутыми, если возможно их воровство или модификация. Именно поэтому разрабатываются различные меры защиты информации, организационного и технического характера. Одним из наиболее эффективных технических средств защиты мультимедийной информации является встраивание в защищаемый объект невидимых меток - ЦВЗ. Разработки в этой области ведут крупнейшие фирмы по всему миру.

Целью исследования является повышение эффективности защиты изображений, передаваемых по каналам связи и распространяемых в сети Интернет, путем разработки системы ЦВЗ, устойчивой к преобразованиям и сохраняющей высокое качество защищенного изображения.

Задачи исследования. Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Предложить варианты применения системы ЦВЗ для доказательства прав собственности в рамках российского законодательства.

2. Рассмотреть методы оценки качества изображения после вложения ЦВЗ и определить, какие из предложенных методов позволяют получить результат, соответствующий экспертной оценке.

3. Разработать систему цифровых водяных знаков, устойчивых к таким видам преобразования изображения, как циклический сдвиг, удаление

строк и столбцов, поворот, масштабирование изображения, добавление шума, сжатие JPEG, и провести теоретическое обоснование стойкости предлагаемого метода к перечисленным искажениям.

4. Выбрать параметры системы таким образом, чтобы качество защищенных изображений визуально не отличалось от качества исходных, и при этом сохранялась устойчивость ЦВЗ к искажениям.

5. Экспериментально исследовать стойкость водяного знака к различным видам преобразований.

Методы исследования. В процессе исследований использовались теоретические методы, методы теории вероятностей и математической статистики, а также методы компьютерного моделирования и программирование на языке Java.

Достоверность научных результатов. Достоверность результатов подтверждается :

Совпадением результатов теоретического обоснования и результатов практических экспериментов, а также ранее проведенными исследованиями в данной области, выполненными другими авторами [1].

Апробацией основных положений диссертации в печатных трудах, а также на всероссийских и международных конференциях. Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:

1. Вместо использования многобитовой системы ЦВЗ предложен метод использования нуль-битовой системы и электронной подписи для доказательства прав собственности на изображения.

2. Предложен алгоритм оценки качества изображения после вложения ЦВЗ, в котором применяется разделение изображений на группы по яркости и текстурности.

3. Предложен метод вложения и детектирования цифровых водяных знаков, который, в отличие от используемых ранее, устойчив к целому

комплексу преобразований и, благодаря оптимизации параметров, позволяет сохранить высокое качество защищенного изображения. Оформлена заявка на изобретение № 2013153857 от 04.12.2013 "Способ формирования заверенного цифровым водяным знаком цветного электронного изображения" (размещена в приложении А).

Объем исследования. В данной диссертационной работе исследуются ранее известные и разработанные автором методы вложения и извлечения цифровых водяных знаков в изображения, передаваемые по каналам связи, в том числе распространяемые в сети Интернет. Также исследуется влияние различных параметров системы ЦВЗ на качество полученного изображения, а также устойчивость водяного знака к различным искажениям.

Область применения. Разработанные методы вложения и извлечения цифровых водяных знаков позволяют поместить идентификационные данные автора в изображение и защитить их от незаконного удаления, что поможет при доказательстве прав собственности на изображение. Система ЦВЗ также может применяться для определения источников утечки информации конфиденциального характера.

Практическая ценность результатов. Цифровые неподвижные изображения, наряду с аудио- и видеопродуктами, обладают повышенным риском нарушения авторского права.

Действительно, такого рода объекты весьма легко находить в Интернете и затем копировать и распространять вне зоны авторского контроля.

Более 90 процентов всех сайтов в Интернете построены с использованием авторских работ, которые размещаются там без разрешения авторов и без указания их имен. Эта цифра может даже приблизиться к 100 процентам, если сюда добавить фрагменты цифровых изображений и графическую рекламу. Предложенная система позволяет связать идентификационные данные автора с распространяемым изображением и облегчить доказательство авторских прав.

Апробация и внедрение результатов. Результаты диссертационной работы апробированы на 7 международных и всероссийских научных конференциях, в

том числе на конференции "Federated Conference on Computer Science and Information Systems 2013", где доклад занял первое место с выдачей соответствующего сертификата (размещен в приложении Б).

Результаты исследований использованы ОАО "Мобильные ТелеСистемы", филиал "Макро-регион "Северо-Запад", что подтверждается Актом об использовании результатов диссертационной работы Анфиногенова С. О. "Разработка и исследование методов построения нуль-битовой системы цифровых "водяных" знаков устойчивой к случайным и преднамеренным преобразованиям", размещенным в приложении В.

Список публикаций. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в журналах "Вопросы защиты информации" и "Электросвязь", входящих в перечень ВАК, и 5 публикаций в международных журналах и сборниках материалов международных конференций.

Личный вклад автора. Теоретические и практические выводы, результаты экспериментов, основные научные положения, содержащиеся в диссертационной работе, получены и сформулированы автором самостоятельно.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод доказательства прав собственности с использованием техники ЦВЗ и электронной подписи.

2. Выбор критерия оценки качества изображения после вложения ЦВЗ, соответствующего экспертной оценке.

3. Метод вложения и извлечения цифровых водяных знаков, устойчивый к случайным и преднамеренным преобразованиям изображения.

Структура и объем диссертации. В диссертации предлагается новая система цифровых водяных знаков, обладающая повышенной стойкостью к искажениям изображения, а также исследуются предложенные ранее системы.

В главе 1 рассмотрены основные направления использования цифровых водяных знаков, отмечено, какими свойствами должна обладать система в зависимости от области применения, рассмотрены юридические аспекты использования систем ЦВЗ, предложен новый метод доказательства прав

собственности с использованием техники ЦВЗ и электронной подписи; сделаны выводы по главе.

Глава 2 посвящена оценке качества изображений после вложения ЦВЗ, в ней рассмотрены критерии оценки качества изображений, которые хорошо коррелируют с экспертной оценкой, после чего выбран наиболее подходящий метод; далее предложено разделение изображений на группы, позволяющее повысить точность автоматической оценки искажений и приблизить результаты расчета к результатам, полученным при опросе группы экспертов; сделаны выводы по главе.

В главе 3 представлен анализ состояния научных исследований в области построения систем цифровых водяных знаков, рассмотрены базовые подходы, используемые при построении подобных систем, также проанализировано несколько методов вложения водяных знаков в инвариантную область, отмечены недостатки существующих систем, а также определено, какие подходы могут быть использованы при разработке новой системы; сделаны выводы по главе.

В главе 4 сформулированы требования к системе ЦВЗ, предложен новый алгоритм вложения и детектирования нуль-битового водяного знака, удовлетворяющий этим требованиям, дано теоретическое обоснование стойкости системы к геометрическим искажениям, добавлению шума и методам сжатия изображения, показано, каким образом следует выбирать параметры вложения и как влияет каждый из них на стойкость системы и качество итогового изображения; сделаны выводы по главе.

В главе 5 проведены практические исследования стойкости системы к таким искажениям, как циклический сдвиг изображения, добавление шума, поворот, удаление части изображения, также проверено влияние изощренных атак, таких как добавление ложных максимумов в амплитудный спектр, попытки распознавания ключа путем сравнения значений амплитуды с порогов; сделаны выводы по главе.

Глава 1. Основные направления использования систем ЦВЗ

Системы цифровых водяных знаков могут использоваться для решения широкого спектра задач. В случаях, когда удобно связать с изображением некоторую дополнительную информацию, эта информация может быть вложена в изображение в виде ЦВЗ. Конечно, есть и другие способы связать изображение с информацией, например, встроить ее