Алгоритм стеганографии в видео с повышенной устойчивостью к искажениям

Алгоритм стеганографии в видео с повышенной устойчивостью к искажениям

Д. Л. Куликов

Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова, факультет ВМиК, кафедра АСВК, лаборатория Компьютерной Графики и Мультимедиа

dkulikov@graphics.cs.msu.ru

Введение

Задача стеганографии, т.е. сокрытия информации, известна давно, но для разных типов сигналов-носителей методы и алгоритмы различны[1], но существуют два основных подхода: изменение наименее значимого байта (Ь8Б) и метод добавления.

Проблемы существующих решений

Основная проблема существующих подходов к сокрытию информации в видео - это потеря или сильное искажение этой информации при типичных преобразованиях сигнала. Особенно это актуально, если известно, что в данном видео сокрыта информация. Так для одной из задач стеганографии в видео - «водяные знаки», когда, например, в фильм, транслируемый в кинотеатре, записывается (секретным невидимым для человека образом) номер пленки или номер кинотеатра, для того, чтобы по пиратской копии можно было понять, в каком кинотеатре была произведена запись. Но в таком случае при применении метода на основе ДКП-коэффициентов при естественном перекодировании видео и изменении яркости во время съёмки большая часть сокрытой информации потеряется.

Поэтому стоит задача разработки методов скрытного добавления информации в видео последовательности и её сохранения при естественной обработке этих последовательностей. Поскольку цифровое видео постепенно становится стандартом де-факто для видео и его использование повсеместно растёт, до для него, во-первых, нужны и методы защиты авторских прав, а во-вторых, поскольку это распространенный тип носителя-сигнала, то его можно и нужно использовать для передачи дополнительной скрытой информации, т.е. актуальность поставленной задачи с учётом перехода телевещания и видео в целом на цифровой формат достаточно велика.

Описание алгоритма

Предлагаемый алгоритм[3] предназначен для добавления символьной строки (водяного знака) в видео последовательность. Композиционно алгоритм может быть разделён на две подсистемы нижнего и верхнего уровней. Подсистема нижнего

уровня отвечает за битовые операции: сохранение битов во время добавления водяного знака и чтение битов о вовремя декодирования. Подсистема верхнего уровня отвечает за операции с водяным знаком: представление символьной строки в битовый поток и обратное преобразование во время декодирования.

Подсистема нижнего уровня

Основная идея нижнего уровня алгоритма состоит в квантовании и приведении средней яркости блока к величинам, соответствующим 0 или 1 для бита водяного знака. Во время встраивания водяного знака пиксели обрабатываемого блока изменяются случайным образом для того, чтобы средняя яркость блока соответствовала ближайшему уровню информационного бита. Также во время изменения учитывается межкадровая разница и происходит её минимизация.

Для повышения устойчивости алгоритма используются два подхода: повышение шага квантования яркости и дублирование блоков с информационным битом. Недостатком первого подхода является повышение заметности искажения блока. Недостатком второго - уменьшение ёмкости сигнала-носителя.

Подсистема верхнего уровня

Данная подсистема отвечает за преобразование исходной символьной строки водяного знака в битовый поток и за синхронизацию. Для дополнительного повышения устойчивости водяного знака используется повторение информационных бит во всей видеопоследовательности.

Схема работы алгоритма

Можно подсчитать необходимое количество байт для сохранения трехбайтового сообщения из символов byteO, bytel, byte2.

Одним из важных параметров алгоритма, доступных пользователю, является максимальная длина кодируемого исходного сообщения. Если исходное сообщение имеет меньшую длину, чем максимальная длина, то в сообщение добавляются байты, содержащие длину сообщения. Таким образом, для нашего примера кодируемое сообщение будет иметь вид lenbyteO, lenbytel, byteO, bytel, byte2, где lenbyteO и lenbytel кодируют длину сообщения.

В каждый кадр видео последовательности также добавляется синхронизационный байт, содержащий количество байт исходного сообщения в данном кадре - эти байты периодичны и их последовательность может быть восстановлена во время декодирования водяного знака. Для определения верного сдвига в случае искажений в видео вычисляется расстояние Хэмминга между различными сдвигами в восстановленных синхронизационных байтах и синхронизационных байтах, полученных из видео. После выполнения сдвига сокрытая в видео информация может быть декодирована в исходное сообщение.

Результаты работы алгоритма

Для анализа устойчивости предложенного алгоритма к различным искажениям было проведено следующее сравнение: исходное сообщение содержало 8 байт, в каждые 4 блока кадра добавлялся один информационный бит, максимальная длина сообщения - 16, размер блока 32x32. Было протестировано 4 основных набора параметров алгоритма. Было использовано 5 видео последовательностей 4CIF (720x576) и 2 HDTV (1920x1080 и 1280x720). Во всех последовательностях было по 12 кадров. Результаты работы различных наборов параметров алгоритма для HDTV показаны на следующем графике.

Результат работы алгоритма для различных искажений

Скорость работы алгоритма 20 кадров/сек на последовательностях 4CIF на 2GHz Core 2 Duo PC для C++ реализации алгоритма.

Заключение

В данной работе предлагается новый алгоритм стеганографии в видео на основе средней яркости блоков. Он может использоваться даже на коротких видео последовательностях. В алгоритме существует несколько заданных наборов параметров, обеспечивающих различное соотношение устойчивость/заметность искажений. Устойчивость алгоритма была протестирована на различных вариантах искажений: изменение яркости, изменение контраста, сжатие с помощью кодеков стандарта MPEG-4 на разных битрейтах и изменение размеров видео.

Список литературы

[1] Jonathan K. Su, Frank Hartung, Bernd Girod Digital Watermarking of Text, Image, and Video Documents // Computers Graphics, 1998, volume 22, pp. 687-695

[2] Chiou-Ting Hsu, Ja-LingWu. DCT-based watermarking for video// IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1998, volume 44, pp. 206-216

[3] Kulikov D., Putilin S. Low-Complexity VideoWatermarking Using Mean Block Luminance Quantization. GraphiCon-2008, Moscow, 2008, pp. 302-303

[4] L. Parameswaran, K. Anbumani. Content-BasedWatermarking for Image Authentication Using Independent Component Analysis//Informatica 32, 299-306, 2008.

[5] Mona F. M. Mursi, Ghazy M.R. Assassa, Hatim A. Aboalsamh, Khaled Alghathbar. A DCT-Based Secure JPEG Image Authentication.World Academy of Science, Engineering and Technology 53 2009, pp. 682-687