Адаптивное встраивание водяных знаков по нескольким каналам

Адаптивное встраивание водяных знаков по нескольким каналам

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области цифровой стеганографии или встраивания в цифровое изображение произвольных водяных знаков. Более конкретно изобретение относится к области прямого, без спектральных преобразований, обратимого встраивания произвольных водяных знаков посредством квантования и модификации амплитудных значений сигнала в условиях, когда оригинальное изображение (контейнер) недоступно, а передаваемое сообщение не известно на приемном конце - технология слепого встраивания.

Терминология, используемая в данном документе

Установленный и неустановленный бит - альтернативные значения бита, описываемые вне зависимости от конкретной интерпретации; обычно 0 и 1, в изобретении - ±1 или 0 и 2 и пр.

Изображение, сигнал - оцифрованный и представленный в виде матрицы целочисленных значений яркости видеосигнал. Разделяется на явный (наблюдаемый) сигнал и неявный сигнал, модификация которого визуально малозаметна.

Пиксель («точка») - элемент изображения.

Отсчет яркости (отсчет, яркость) - значение яркости пикселя.

Преобразование изображения - получение нового изображения посредством изменения значений яркости его пикселей.

Представление изображения - результат преобразования изображения.

Контейнер - исходный цифровой сигнал, изображение, предназначенное для встраивания.

Контекст контейнера - наблюдаемая информация контейнера, формально представляемая некоторым множеством визуально воспринимаемых пикселей явного сигнала. Контекст контейнера (предметная область рассматриваемых изображений) не ограничивается.

Сообщение, водяной знак - встраиваемые данные, упорядоченная в байтах элементов некоторой матрицы амплитудных значений последовательность битовых плоскостей, содержащих произвольные биты независимых компонент сообщения или независимых битовых сообщений, предназначенных для встраивания с наложением друг на друга и передачи вместе с контекстом контейнера. Представляет собой произвольные бинарные коды (биты), содержащие встраиваемую информацию, которая кодируется последовательностью модификаций значений яркости пикселя контейнера и дополняет наблюдаемую информацию (контекст контейнера), сохраняемую благодаря фиксации значения яркости данного пикселя на определенных этапах модификации яркости пикселя контейнера.

Встраивание - внедрение, запоминание сообщения в контейнере. Модификация содержащихся в изображении кодов природной (изначальной), встроенной шумовой и пр. неявной информации (неявного сигнала).

Стего-изображение - цифровое изображение, содержащее встроенное сообщение. Изображение с модифицированными кодами природной, встроенной шумовой и пр. неявной информации (неявного сигнала).

Амплитуда, амплитудное значение - синоним термина «яркость», которым удобно обозначать яркость формально вычисленного представления сигнала при употреблении вместе с термином «яркость», относящимся к исходному изображению.

Шкала яркости - перечисленные по порядку последовательные неповторяющиеся значения яркости, которые могут встретиться в произвольном изображении или представлении изображения. Для обработки изображения шкала представляется в виде последовательности отождествляемых со значениями яркости (амплитуды) адресов массива ячеек памяти ЭВМ, в которые записываются сопоставляемые различным значениям яркости величины, например, количество встречающихся пикселей данной яркости при вычислении гистограммы, или значения амплитуды при вычислении представления изображения в виде «гистограммного образа».

Диапазон яркости - некоторый диапазон значений яркости шкалы, ограниченный встречающимися в изображении (представлении изображения) значениями яркости (амплитуды).

Рабочий диапазон - рассматриваемый диапазон яркости изображения, ограниченный встречающимися в изображении минимальным и максимальным значениями яркости.

Вычисляемый (о диапазоне) - вычисляемый по гистограмме изображения посредством итеративного разделения рабочего диапазона на последовательности диапазонов, вложенных один в другой. В предусмотренном числе итераций диапазоны вычисляются одинаковыми для контейнера и стего-изображения.

Приближение изображения снизу (сверху) - представление изображения, в котором значения яркости пикселей заменены на минимальные (максимальные) значения яркости вычисляемых диапазонов, которым принадлежат значения яркости этих пикселей. Приближения снизу и сверху непосредственно для каждого пикселя изображения устанавливают граничные яркости диапазонов и сами диапазоны допустимого варьирования значений яркости пикселей или для краткости просто диапазоны допустимого варьирования яркости. При этом независимое друг от друга варьирование значений яркости пикселей изображения внутри установленных диапазонов допустимого варьирования яркости не влияет на результат вычисления приближений снизу и сверху по модифицируемому изображению.

Канал - «коридор» между приближениями изображения снизу и сверху (объединение по координатам диапазонов допустимого варьирования значений яркости пикселей). Более точно - множество изображений, по каждому из которых вычисляется рассматриваемая пара приближений изображения снизу и сверху. В ином, эквивалентном в рамках изобретения определении, канал - множество изображений, порождаемых независимым варьированием значений яркости пикселей внутри диапазонов допустимого варьирования яркости. Канал рассматривается как член иерархической последовательности (иерархии) вложенных друг в друга каналов. При выбранной паре приближений изображения снизу и сверху канал содержит всевозможные стего-изображения, порождаемые встраиванием в данный контейнер различных сообщений (но не исчерпывается этими стего-изображениями). Максимальный канал включает все остальные каналы и порождается независимым варьированием значений пикселей изображения неграничной яркости внутри рабочего диапазона яркости.

Троичная память - реальное или эмулированное устройство для формирования и хранения в своих ячейках (целых) чисел, кодируемых в троичной системе счисления. Как устройство применяется, например, в составе универсальной троичной ЭВМ (см. Брусенцов Н.П. Вычислительная машина "Сетунь" Московского государственного университета. В кн.: Новые разработки в области вычислительной математики и вычислительной техники. Киев, 1960. С. 226-234 [БРУС60], Брусенцов Н.П. Реставрация логики. - М.: «Новое тысячелетие», 2005, 165 с. [БРУС05]), в которой вместо битов традиционных ЭВМ используются триты, принимающие три значения -1, 0, 1 или, в иной интерпретации, 0, 1, 2. Оптимальна для наилучшего осуществления изобретения, особенно, выполненная в виде троичного запоминающего устройства (матричной памяти с элементами арифметико-логических операций), в котором предусмотрен механизм защиты троичных запоминающих элементов ее ячеек (т.е. тритов) от записи.

Трит - аналог бита, запоминающий элемент ячейки троичной памяти или элемент записи (целого) числа в троичной системе, который кодирует член аддитивного разложения записанного в ячейке числа по возрастающим степеням тройки (разрядам) с коэффициентами (цифрами) 0, 1, 2.

Многоканальная троичная память - приписываемая изображению память из троичных ячеек, содержащая коды информации явного сигнала, а также коды сообщения, встраиваемого в неявный сигнал. Образуется, порождается явным сигналом независимо от неявного сигнала, модифицируемым при встраивании сообщения. Запоминающими элементами троичных ячеек служат триты, подразделяемые на активные (содержащие коды явного сигнала, которые можно модифицировать) и неактивные (содержащие коды неявного сигнала, которые можно только читать). В эквивалентном смысле многоканальная троичная память - копия приписанной изображению троичной памяти в реальном или эмулированном троичном запоминающем устройстве, которая для встраивания сообщения создается в отведенной для данного изображения памяти ЭВМ, задает соответствующую область троичной памяти и модифицируется синхронно с обработкой изображения. Многоканальная троичная память представляет собой матрицу ячеек троичной памяти, которые взаимно однозначно сопоставляются пикселям изображения. Структура (разделение тритов на активные и неактивные) и содержимое (значения тритов) многоканальной памяти вычисляются поразрядно - от старших разрядов к младшим, разряды последовательно сопоставляются каналам в порядке вложения (от максимального, самого старшего канала к вложенным младшим каналам), причем значение трита данного разряда в зависимости от геометрических координат определяется знаком разности значения яркости пикселя и центральной яркости диапазона допустимого варьирования, вычисленного в рассматриваемой координате для очередного канала.

Одноканальное встраивание - запись битов некоторой бинарной матрицы (битовой плоскости) в заданный разряд всех активных тритов, кодируемая в выбранном канале модификацией пикселов с варьируемой в этом канале яркостью.

Многоканальное встраивание - последовательная поразрядная запись битовых плоскостей сообщения в активные триты троичной памяти, которая начинается с одноканального кодирования первой битовой плоскости в выбранном канале, продолжается во всех младших каналах и повторяется до стабилизации стего-изображения.

Упаковка по яркости - преобразование изображения, заключающееся в замещении значений яркости пикселей последовательными номерами встречающихся в изображении значений шкалы яркости, например, значения яркости 1, 100, 110 по порядку замещаются своими номерами, например на 0, 1, 2.

Эквидистантная нормировка - линейное преобразование значений яркости пикселей изображения, например, для визуализации (вывода на дисплей), которое сводится к домножению значений яркости упакованного изображения на коэффициент так, чтобы максимальное встречающееся значение яркости совпало с верхней границей максимального диапазона, который определяется числом бит, предусмотренных в ЭВМ для ввода/вывода изображения. Если при «упаковке» яркости по порядку замещаются своими номерами, например яркости 1, 100, 110 замещаются на 0, 1, 2, то при «эквидистантной нормировке» упакованные яркости домножаются на коэффициент, например, на 127,5, чтобы максимальная яркость совпала с максимально возможным яркостным значением 255.

Стандартные преобразования - упаковка, линейное растяжение (посредством умножения значений яркости на коэффициент, превышающий 1), эквидистантная нормировка и др. линейные и нелинейные преобразования яркостных значений пикселей изображения без нарушения их порядка следования.

Инвариантный (по умолчанию) - сохраняющийся при стандартных преобразованиях.

Арифметическое преобразование (амплитудного значения) - деление нечетного значения нацело на два и удвоение четного значения, предварительно поделенного на четыре. Применение именно этого преобразования для инвариантного представления изображения в псевдотроичной системе кодирования обосновано, например, в: М. В. Харинов, В. Л. Горохов. Псевдотроичная система счисления и анализ изображений // Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. / Вып. 2, - СПб., 2003. - С. 49-53.

Изоморфное представление изображения, образа - такое представление изображения, при котором между значениями яркости пикселей сохраняются имевшиеся в исходном изображении соотношения «меньше», «равно», «больше». Например, стандартные преобразования порождают изоморфные образы.

Гомоморфное представление изображения, образ - представление изображения, при получении которого допускается переход неравных яркостей в равные. Например, вышеопределенное арифметическое преобразование порождает гомоморфные образы.

Уровень техники

Решения, связанные со встраиванием в контейнер некоторого сообщения при передаче по общедоступному каналу связи, условно подразделяются на задачи стеганографии и задачи встраивания в контейнер водяного знака. Под стеганографией понимается скрытное встраивание в контейнер сообщения относительно большого объема, которое может являться частью контейнера, зависимым или независимым образом дополнять контекст контейнера для ограничения несанкционированного доступа к сообщению, дублировать контекст на случай помех, снабжать его сопроводительной информацией и пр. Под встраиванием водяного знака обычно понимается скрытное встраивание заранее известного распределенного или повторяющегося сообщения относительно малого объема для идентификации подлинности контекста контейнера или источника стего-изображения, защиты авторских прав и пр., а также для целей стеганографии, достигаемых в рамках ограниченного объема сообщения.

При ограниченном требуемом объеме сообщения к встраиванию водяных знаков предъявляют наиболее жесткие требования, среди которых выделяют (см. B. Chen and G. W. Wornell, "Digital Watermarking and Information Embedding using Dither Modulation", IEEE Signal Processing Society 1998 Workshop on Multimedia Signal Processing December 7-9, 1998, Los Angeles, California, USA, Electronic Proceedings May 1998 [Chen98], и B. Chen and G. W. Wornell, "Quantization index modulation: A class of provably good methods of digital watermarking and information embedding", IEEE Transactions on Information Theory Vol. 47, pp. 1423-1443, May 2001, [Chen01]) следующие три основных:

- максимальная скорость встраивания (и извлечения) сообщения;

- метрическая близость стего-изображения и исходного контейнера, например, по среднеквадратичному отклонению;

- максимальная робастность встраивания сообщения.

Перечисленные постановочные требования справедливо считаются противоречивыми. Для преодоления сопутствующих недостатков необходим анализ целевых установок, который состоит в следующем.

При современном резком возрастании вычислительных ресурсов ЭВМ проблема недостаточной скорости встраивания сообщений возникает из-за недостаточно эффективной организации запоминания данных и многократного повторения вычислений с различными параметрами, из-за прямого перебора вариантов заведомо известных сообщений в процессе корреляционного анализа или перебора способов встраивания ([Chen98,Chen01]), а также прочих причин, которые для настоящего изобретения не являются актуальными.

Требование метрической близости стего-изображения и исходного контейнера является основным источником противоречий, поскольку:

- логически не согласуется с предположением о контейнере, который не доступен на приемном конце;

- ограничивает возможный объем сообщения;

- препятствует встраиванию сообщения одновременно с упрощением стего-изображения за счет сокращения числа градаций яркости (сопутствующее изменение гистограммы влечет большое поточечное среднеквадратичное отклонение);

- ограничивает возможности инвариантного встраивания сообщения независимо от предусмотренных преобразований;

- препятствует робастному встраиванию сообщения с периодическими повторениями по координатам;

где, в отличие от инвариантности (сохранения в точном смысле), под робастностью (устойчивостью к возможным случайным или преднамеренным помехам при передаче) понимается неполное, неточное сохранение сообщения, которое исследуется на примерах заранее известных искажений в виде линейных преобразований, JPEG-компрессии, добавления шумов и пр.

Кажется очевидным, что для эффективного сокрытия сообщений необходимо уметь формально разделять сигнал, в зависимости от контекста, на видимую и незаметную компоненты и затем сохранять видимую компоненту в процессе встраивания сообщения. Тем не менее, в известных решениях необходимость подобного разделения сигнала с последующим сохранением видимой компоненты осознается недостаточно, формализуется недостаточно просто и достигается неполной эвристической реализацией либо того, либо другого.

Для повышения эффективности сокрытия сообщений за счет учета контекста контейнера развивают способы распределения встроенных кодов по текстурным участкам изображения с повышенной концентрацией яркостных перепадов, на которых внедрение информации сообщения оказывается незаметным (трава, волосы, шумовые искажения и пр.).

Тенденция развития способов прямого встраивания сообщения с учетом контекста контейнера иллюстрируется на Фиг.2.

На Фиг.2 крайним слева изображен контейнер в виде стандартного изображения «Лена» (крайнее слева) и схемы a), b), c) встраивания информации, на которых белые поля обозначают варьируемые пиксели, в которых допускается модификация, т.е. в которые встраиваются коды сообщения. Таким образом, решения основаны на покоординатном распределении встроенных кодов сообщения по результатам анализа контейнера: крайний слева - контейнер; рядом - схемы координат встроенных кодов при простейшем LSB-методе (a), поблочном встраивании кодов (b) и при поточечном встраивании кодов по текстурным участкам (c).

В простейшем LSB методе встраивание кодов сообщения выполняют в фиксированное число младших бит независимо от контекста контейнера, причем встраивание прекращают, когда сообщение оказывается исчерпанным (см. В.Г. Грибунин, И.Н. Оков и И.В. Туринцев. Цифровая стеганография. Москва, СОЛОН-Пресс, 2002, 258 с. (аналитический обзор) [Гри02]). В методах (см. Гика С.Н. Анализ эффективности методов сокрытия информации в графических файлах // 32-ая Санкт-Петербургская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. Тезисы докладов. - СПб.: 2000. - 75 с. [Ги00], Hioki Hirohisa A data embedding method using BPCS principle with new complexity measures // Proc. Of Pacific Rim Workshop on Digital Steganography 2002, Jan. 2002. P. 30-47 [HiHi02]) встраивание кодов сообщения выполняют по предварительно вычисленным участкам текстур, которые аппроксимируются блоками координат встраивания простой формы.

Перечисленные работы отражают тенденцию современных решений к адаптивному сокрытию сообщений с учетом контекста контейнера. Однако возможности обработки при этом ограничиваются преимущественно геометрически адаптивным встраиванием данных, которое выполняется по текстурным яркостным и цветовым сегментам с повышенной концентрацией перепадов яркостей цветовых компонент.

Если скрытое сообщение при приеме предполагается не известным, то оно обычно сопровождается сопутствующей управляющей информацией о размещении встроенных данных. Управляющая информация не адаптивно размещается по фиксированным координатам предусмотренного фрагмента сигнала независимо от контекста контейнера, как в простейшем «LSB»-методе. Сообщение встраивается в некоторые блоки контейнера для снижения объема управляющей информации, которая задается, например, списком координат блоков. При этом поблочная запись сообщения ограничивает точность учета геометрии рисунка контейнера и снижает эффект сокрытия кодов сообщения по участкам текстур. Если сообщение заведомо известно и обнаруживается при приеме посредством стандартных методов корреляционного анализа, то можно обойтись без управляющей информации, применить поточечное встраивание, и при внедрении сообщения ограничиться выделением текстур (схема (c) на Фиг.2). Однако сама по себе задача эффективного выделения текстур на произвольных изображениях является проблематичной.

Таким образом, для известных способов слепого встраивания водяных знаков адаптивно к контейнеру характерно, что контекст контейнера учитывают только геометрическим размещением кодов сообщения по координатам при фиксированных диапазонах модификации яркости, величина которых устанавливается кратной степени 2. Поскольку результаты вычисления по контейнеру координат встроенных кодов сообщения не воспроизводятся при аналогичной обработке стего-изображения (встроенное сообщение влияет на расчет текстурных сегментов), для успешного извлечения сообщения в контейнер независимо от контекста встраиваются сопутствующие сведения, которые могут также независимо от контейнера задаваться алгоритмически и в общей схеме встраивания и извлечения сообщений, в частности, водяных знаков фигурируют в качестве атрибутивного ключа ([Гри02], V.I. Gorodetsky, V.I. Samoilov "Simulation-Based Exploration of SVD-Based Technique for Hidden Communication by Image Steganography Channel", Proc. of the Second Int. Workshop on Mathematical Methods, Models, and Architectures for ComputerNetwork Security MMM-ACNS, ISSN: 0302-9743, ISBN: 3-540-40797-9, St. Petersburg: Springer-Verlag-Berlin-Heidelberg, pp. 349-359, Sep. 2003 [Гор03]), как иллюстрируется Фиг.1. Пунктиром на данном чертеже показаны данные, которые могут использоваться на входе подсхемы извлечения сообщения, но не всегда обязательны.

Если исключить из схемы все необязательные элементы, она остается перегруженной запрашиваемыми данными на входе и недостаточно конкретной на выходе. Главный недостаток общепринятой схемы и ее практических реализаций состоит в том, что в них неполно описывается информация исходного сигнала (контейнера), которая сохраняется после встраивания данных сообщения.

Большинство теоретических обобщений известных методов сокрытия сообщений опираются на аналогию с криптографическими решениями. По мнению [Гри02], аналогом криптографического ключа в стеганографии считается прямое или косвенное (алгоритмическое) указание списка координат встроенных кодов сообщения. При этом криптографический ключ кажется необходимым, поскольку результаты вычисления по контейнеру координат встроенных кодов сообщения не воспроизводятся при аналогичной обработке стего-изображения.

Помимо входного ключа, который «навязывает» модификацию контейнера независимо от маскирующего контекста изображения, на выходе общей схемы при извлечении сообщения не формализуют или недостаточно формализуют извлечение информации исходного сигнала (контейнера), которая сохраняется после встраивания кодов сообщения. При этом смешивают понятия неизвестного и недоступного контейнера.

В отсутствие независящего от контейнера ключа недоступность самого контейнера при извлечении сообщения является главным препятствием для точного вычисления координат размещения встроенных кодов, которое преодолевается в RDH-методе (Reversible Data Hiding) обратимого встраивания данных в изображение или аудиосигнал (см. Mehmet U. Celik, Gaurav Sharma, A. Murat Tekalp, Eli Saber. Reversible Data Hiding. IEEE Proceedings of the International Conference on Image Processing (ICIP), New York, 23 September 2002. P. 157-160 [Meh02], Fridrich J., Goljan M., Du R. Lossless data embedding - new paradigm in digital watermarking. EURASIP Journ. Appl. Sig. Proc., vol. 02, Feb 2002. P. 185-196 [Fri02]). В указанном методе встраивание сообщения обеспечивается за сче т частичного сжатия видеоданных, содержащихся в младших битах исходного представления сигнала. При этом в оригинальном RDH-методе сначала извлекается сообщение, а затем восстанавливается контейнер. Однако, если в качестве сообщения встраивать списки координат встраивания кодов, то для извлечения сообщения окажется необходимым предварительное восстановление контейнера.

В схеме RDH-метода под преобразованным контейнером понимается представление исходного сигнала с некоторым количеством младших бит, освобождаемых благодаря упаковке информации младших разрядов. Освободившийся объем используется для встраивания сообщения, что позволяет в процессе передачи без искажений сохранить как контейнер, так и встроенное сообщение.

Однако в силу ограниченного коэффициента сжатия и относительно малого объема встраиваемых кодов (менее 10%) от объема контейнера, а также из-за неустойчивости к искажениям в процессе передачи стего-изображения RDH-метод оказывается недостаточно эффективным при встраивании сообщений относительно большого объема и имеет в задачах стеганографии ограниченное практическое значение.

Сущность изобретения

Вышеуказанные недостатки преодолеваются в настоящем изобретении, которое относится к способу обратимого слепого идемпотентного (за одну итерацию) встраивания стеганографических сообщений или произвольных водяных знаков без использования ключа в пиксели с вычисляемыми диапазонами яркости переменной величины и подразделяется на одноканальное встраивание в контейнер битов сообщения, представленных в виде бинарной матрицы (битовой плоскости), а также более общее - многоканальное встраивание кодов сообщения, заданных в виде последовательности битовых плоскостей.

Одноканальное встраивание аналогично встраиванию битов сообщения в один из младших битов контейнера. Однако, если в LSB методе изменение бита значения яркости пикселя независимо от контейнера кодируется увеличением (либо уменьшением) этого значения на степень 2, то есть модификацией яркости в одном из вложенных диапазонов, по величине кратных степени 2, то в изобретении бит сообщения кодируется модификацией яркости в диапазоне допустимого варьирования из иерархии вложенных диапазонов, которая не задается заранее, а вычисляется по гистограмме контейнера.

В LSB-методе предусматривается кодирование нескольких битов сообщения в одном значении яркости пикселя контейнера, которое оказывается проблематичным в рамках многоканального встраивания. Дело в том, что в результате встраивания сообщения меняется гистограмма контейнера и меняется иерархия диапазонов, вложенных в данный диапазон допустимого варьирования яркости. Кроме того, кодирование дополнительного бита сообщения может изменить значение бита, уже встроенного в данной координате. Для преодоления указанных проблем разработан способ многоканального встраивания компонент сообщения или способ адаптивного встраивания водяных знаков по нескольким каналам, количество которых вычисляется в зависимости от контейнера (и сообщения), а указанные проблемы решаются за счет обновления гистограммы (и результатов ее обработки) при встраивании очередной битовой плоскости сообщения (или независимого битового сообщения), учета дополнительных значений яркости, не подлежащих модификации в рассматриваемых каналах, а также за счет итеративного повторения процедуры встраивания сообщения до полной стабилизации результатов встраивания.

Общие преимущества указанных вариантов изобретения характеризуются следующим.

Решение предназначено для записи и извлечения произвольных кодов информации (видеоданных) и, в зависимости условий применения, трактуется как встраивание стеганографического сообщения или произвольного водяного знака относительно большого объема в контейнер. Вопреки сложившимся стереотипам полагается, что незаметность встраивания, сама по себе, не определяет сущность и особенности алгоритмов, а, скорее, является ограничением на выбор настроечных параметров встраивания в процессе применения в режиме реального времени (on-line). Вне зависимости от условия визуальной незаметности встраивания сообщения базовая задача стеганографии или задача встраивания произвольного сообщения не меняется по существу и включает, прежде всего, обратимое встраивание кодов сообщения адаптивно к контейнеру.

В настоящем изобретении разделяются понятия неизвестного и недоступного контейнера, полагая контейнер при приеме известным, но в огрубленном, упрощенном виде. Для формализации понятия «незаметного встраивания» вместо метрической близости используется предположение, что наблюдаемый после встраивания сообщения контекст контейнера может быть просто вычислен независимо от сообщения и представлен в виде огрубленного нового изображения (образа), получаемого по заранее определенному алгоритму итеративной сегментации контейнера или стего-изображения. Поскольку указанный алгоритм сегментации относится к алгоритмам улучшения изображения со снижением числа градаций яркости (см. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2х кн. М.: Мир, 1982. 714 с.[Прэтт]), то реальное улучшение визуального восприятия рассматривается вместо принятой в стеганографии формальной оценки ухудшения качества стего-изображения по среднеквадратичному отклонению от контейнера.

Поскольку на передающем конце перед встраиванием сообщения вычисляется тот же самый упрощенный контейнер, что и на принимающем конце, передающая сторона имеет возможность заранее оценить степень сохранения контекста контейнера для целей автоматизации обработки. Для управления сокрытием кодов сообщения в режиме реального времени предусматривается, помимо стандартного уменьшения объема сообщения, максимальное распределение встраиваемых кодов по полю изображения.

При исключении требования метрической близости контейнера и стего-изображения из числа существенных требований к встраиванию сообщения с сохранением контекста контейнера имеется возможность разделить нестрогое понятие робастности на точное понятие инвариантности (строгое сохранение) встроенного сообщения при линейных и нелинейных стандартных преобразованиях стего-изображения (упаковки, линейного преобразования, эквидистантной нормировки по яркости и пр.) и обычную устойчивость сообщения относительно случайных или технологических искажений стего-изображения (зашумления, JPEG-преобразования), а также преднамеренных внешних атак. В задачах с ограниченным объемом сообщения достигается устойчивость относительно искажений контейнера при передаче за счет периодического повторения при встраивании кодов встраиваемого в границах изображения сообщения заранее известного на приемном конце размера, а затем суммирования извлеченных соответствующих кодов различных копий при приеме сообщения.

Биты сообщения вставляются, аналогично LSB - методу, по заранее определенному закону (с начала изображения, с конца изображения, с использованием генератора случайных чисел и пр.), однако, с пропусками, зависящими от контекста контейнера.

При встраивании сообщения в стего-изображение с одновременным снижением его числа яркостных градаций по сравнению с исходным контейнером, увеличиваются перепады между яркостями, которыми кодируется сообщение. Благодаря такому кодированию сообщения большими перепадами яркости и, в результате, увеличения амплитуды сигнала сообщения повышается робастность встраивания сообщения.

Инвариантность встраивания сообщения относительно стандартных преобразований стего-изображения обеспечивается тем, что перед внедрением сообщения контейнер независимо от стандартных преобразований преобразуется на передающем конце по определенному алгоритму в некоторое инвариантное представление, а перед извлечением сообщения на приемном конце по тому же алгоритму стего-изображение преобразуется для восстановления сообщения, в случае предусмотренных преобразований при передаче.

Для управления встраиванием предусматривается автоматизированная настройка параметров в режиме реального времени. В целом оптимальное встраивание достигается в условиях конкретной задачи как разумный компромисс между объемом встроенного сообщения, с одной стороны, и условиями незаметности и робастности встраивания, с другой стороны.

Общий объем кодов геометрически повторяющегося сообщения (т.е. повторяющегося одного и того же встроенного сообщения в местоположениях изображения с отличающимися координатами) определяется контекстом контейнера, но само сообщение произвольно. Стего-изображение помимо кодов самого сообщения не содержит сведений ни о сообщении, ни об исходном контейнере, как в LSB-методе. Хотя контейнер не требуется для извлечения сообщения на приемном конце, однако, исходный сигнал (или, при инвариантном встраивании, его образ) в упрощенном виде известен при передаче и приеме, поскольку сохраняется в процессе встраивания сообщения. Сообщение на приемном конце считается не известным. При приеме сообщения диапазоны модификации яркостей не фиксируются одинаковыми для различных координат, и не требуется специального указания координат встраивания сообщения, поскольку координаты пикселей с варьируемой яркостью и диапазоны встраивания сообщения вычисляются по полученному стего-сигналу точно так же, как и по исходному контейнеру. Корреляционный анализ не предполагается.

На Фиг.3 в упрощенном виде представлена схема предлагаемого решения согласно варианту осуществления в изобретении одноканального встраивания.

Вместо применяемой в RDH-методе процедуры сжатия информации, используется сегментация изображения. Благодаря сегментации и ослаблению условия полного восстановления информации контейнера удается увеличить объем встраиваемых кодов сообщения.

В результате сегментации контейнер необратимым образом, но без существенного ущерба для зрительного восприятия, преобразуется в упрощенное представление изображения - сегментированный сигнал (контейнер или стего-изображение) с ограниченным числом градаций яркости, который задается вычисляемым множеством значений яркостей пикселей с неизменяемым значением яркости и такой сигнал сохраняется при встраивании сообщения. Пиксели с не меняющейся при встраивании сообщения яркостью являются экстремальными в определенным образом вычисленных диапазонах яркости и позволяют определить уровень отсчета значений яркости, а также пределы изменения яркости остальных (модифицируемых) пикселей с промежуточными значениями яркости, изменением яркости которых кодируется сообщение. Таким образом, значения яркости пикселей сегментированного контейнера, равно как и сегментированного стего-изображения, позволяют определить уровень отсчета для модификации яркостных значений, используемых для кодирования сообщения. В отличие от RDH-метода, коды сообщения размещаются адаптивно к контейнеру, поскольку записываются в стего-изображении в пикселях с переменной (варьируемой, модифицируемой) яркостью, которые перемежаются с пикселями контейнера, имеющими неизменяемую яркость. Робастность, устойчивость сообщения к возможным искажениям стего-изображения обеспечивается за счет геометрического повторения кодов сообщения в границах контейнера.

Робастность сообщения в точном смысле его сохранения при предусмотренных линейных и нелинейных изоморфных преобразованиях стего-изображения (упаковки, растяжения, эквидистантной нормировки по яркости) обеспечивают за счет предварительного преобразования контейнера при встраивании сообщения, а при извлечении сообщения - стего-изображения в инвариантное гомоморфное идемпотентное представление.

Робастность, устойчивость сообщения к не предусмотренным искажениям стего-изображения обеспечивают за счет геометрического повторения кодов сообщения в границах контейнера, а также за счет кодирования сообщения относительно большими перепадами яркости

Фиг.4 приведена для сравнения предлагаемого решения с известными и иллюстрирует встраивание кодов сообщения в настоящем изобретении. Крайним слева на Фиг.4 изображен контейнер, рядом с контейнером - приближение контейнера снизу, следующее - его приближение сверху и крайнее справа - представление разности приближений сверху и снизу. На основе сравнения градаций яркости этого представления друг с другом можно наглядно оценить ширину диапазона допустимого варьирования яркости в сигнале для каждого пикселя. «Допустимое варьирование» означает, что модификация изображения за счет независимого изменения яркостей пикселей строго внутри диапазонов допустимого варьирования яркости на вычисление этих диапазонов не влияет. В отличие от известных решений обеспечивается адаптивное встраивание кодов сообщения не только по координатам, но и по диапазонам яркости без использования неадаптивной управляющей информации или перебора вариантов в процессе корреляционного анализа. Благодаря снятию условия LSB-метода о встраивании кодов сообщения в заранее заданное число битов снижается доступность сообщения для стегоанализа. Маскировка сообщения достигается не за счет ограничения изменений яркости пикселей контейнера, а, главным образом, за счет перемежения на изображении пикселей с встроенными данными сообщения с пикселями с неизмененными данными контейнера и за счет добавления в сообщение высокочастотного несущего сигнала.

Наряду со встраиванием битов сообщения в меняющиеся по координатам диапазоны допустимого варьирования яркости контейнера, предложенное решение не требует неадаптивного (не зависящего от контейнера) указания координат встраиваемых блоков данных и позволяет избежать поблочной записи согласно известному методу, что усиливает преимущества по сравнению с известными решениями.

Управление встраиванием в изобретении выполняют в режиме реального врем