Вадим Грибунин - Цифровая стеганография
Алгоритм работает следующим образом. Вначале выполняется классификация блоков по 6 категориям, в зависимости от степени гладкости и наличия в них контуров. Для каждого блока вычисляется коэффициент чувствительности к аддитивному шуму, и блоки упорядочиваются в соответствии с этим коэффициентом. Далее энергия встраиваемого ЦВЗ определяется либо этим коэффициентом (зависящим от изображения), либо шагом квантования (независимым от изображения) (смотря что больше).
Для обнаружения ЦВЗ вначале выполняют вычитание исходного изображения из принятого. Затем вычисляют ДКП исходного и разностного изображений и применяют статистические методы проверки гипотез.
А6. (Cox [22]). Этот алгоритм является робастным ко многим операциям обработки сигнала. Обнаружение встроенного ЦВЗ в нем выполняется с использованием исходного изображения. Внедряемые данные представляют собой последовательность вещественных чисел с нулевым средним и единичной дисперсией. Для вложения информации используются несколько АС-коэффициентов ДКП всего изображения с наибольшей энергией. Автором предложено три способа встраивания ЦВЗ в соответствии со следующими выражениями:
, (5.27)
(5.28)
и
. (5.29)
Выражение (5.27) может использоваться в случае, когда энергия ЦВЗ сравнима с энергией модифицируемого коэффициента. В противном случае либо ЦВЗ будет неробастным, либо искажения слишком большими. Поэтому так встраивать информацию можно лишь при незначительном диапазоне изменения значений энергии коэффициентов.
При обнаружении ЦВЗ выполняются обратные операции: вычисляются ДКП исходного и модифицированного изображений, находятся разности между соответствующими коэффициентами наибольшей величины.
А7. (Barni [23]). Этот алгоритм является улучшением предыдущего, и в нем также выполняется ДКП всего изображения. В нем детектору уже не требуется исходного изображения, то есть схема слепая. Для встраивания ЦВЗ используются не наибольшие АС-коэффициенты, а средние по величине. В качестве ЦВЗ выступает произвольная строка бит.
Выбранные коэффициенты модифицируются следующим образом:
. (5.30)
Далее выполняется обратное ДКП, и производится дополнительный шаг обработки: исходное и модифицированное изображения складываются с весовыми коэффициентами:
. (5.31)
Здесь β ≈ 1 для текстурированных областей (в которых человеческий глаз мало чувствителен к добавленному шуму) и β ≈ 0 в однородных областях. Значение β находится не для каждого пиксела в отдельности, а для неперекрывающихся блоков фиксированного размера. Например, в качестве β целесообразно использовать нормализованную дисперсию блоков.
В детекторе ЦВЗ вычисляется корреляция между модифицированным изображением и ЦВЗ, .
А8. (Fridrich [24]). Алгоритм является композицией двух алгоритмов: в одном данные встраиваются в низкочастотные, в другом — в среднечастотные коэффициенты ДКП. Как показали авторы, каскадное применение двух различных алгоритмов приводит к хорошим результатам в отношении робастности. Это объясняется видимо тем, что недостатки одного алгоритма компенсируются достоинствами другого. Также, как и в двух предыдущих алгоритмах, здесь осуществляется ДКП всего изображения. Исходный сигнал детектору ЦВЗ не требуется.
Перед встраиванием ЦВЗ в НЧ коэффициенты изображение преобразуется в сигнал с нулевым средним и определенной дисперсией так, чтобы абсолютные значения коэффициентов ДКП находились в диапазоне (200,250). Авторы использовали для этой цели следующее преобразование
, (5.32)
где σ(I) — стандартное отклонение, — среднее значение яркости. ЦВЗ представляет собой последовательность чисел {-1;1}.
Далее строится индексная функция ind(t) на основе последовательности вещественных чисел, определяемой выражением
, (5.33)
где параметр . Индексная функция
. (5.34)
Таким образом, для каждого вещественного числа t можно определить его индекс. Этот индекс изменится только в том случае, если к числу t прибавить/отнять число, превосходящее значение αt. На рис. 5.12 показан вид функции ind(t) для α = 0.1.
Для внедрения бита ЦВЗ si в коэффициент cj последний изменяется не менее, чем на 100α процентов так, чтобы . Если значение коэффициента мало (меньше 1), то в него информация не встраивается.
В детекторе используются все коэффициенты, а не только наибольшие. Это связано с тем, что позиции наибольших коэффициентов ДКП исходного и модифицированного изображений могут не совпадать. Вычисляется коэффициент корреляции, взвешиваемый с энергией коэффициентов
Рис. 5.12. Индексная функция ind(c)
, (5.35)
где параметр β определяет важность взвешивания: если он равен нулю, то взвешивания не происходит. Авторы рекомендуют использовать .
Если изображение было модифицировано, то стандартное отклонение σ(I') отлично от σ(I). При знании s = σ(I)/σ(I') можно было бы уточнить выражение для коэффициента корреляции:
. (5.36)
Однако, как было указано, исходное изображение отсутствует у детектора. Поэтому значение s выбирается так, чтобы оно максимизировало значение коэффициента корреляции:
. (5.37)
В среднечастотные коэффициенты ДКП информация встраивается путем умножения преобразованного значения ЦВЗ на параметр α и сложения результата со значением коэффициента. Предварительное кодирование ЦВЗ выполняется по следующему алгоритму.
Вход алгоритма: сообщение длины M, состоящее из символов .
Выход алгоритма: ЦВЗ длины N, состоящий из вещественных чисел si.
Для кодирования символа mi генерируется N+B+1 чисел псевдослучайной последовательности . Эту последовательность будем называть i-м случайным вектором.
Первые mi чисел этого вектора пропускаются, а следующие N чисел образуют вектор Vi, используемый при дальнейшем суммировании.
Для каждого символа сообщения генерируются статистически независимые различные случайные вектора.
В качестве ЦВЗ используется сумма векторов Vi. Если M достаточно велико, то ЦВЗ будет иметь гауссовское распределение. i-й символ исходного сообщения может быть получен после вычисления взаимной корреляции ЦВЗ с i-м случайным вектором. N имеет величину от 1000 до 10000.
Встраивание ЦВЗ в небольшие по размеру блоки имеет то преимущество, что при этом существует возможность адаптации к локальной яркости и гладкости изображения. Однако при достаточной энергии ЦВЗ появляется артефакт блочности, также как и при высокой степени сжатия в стандарте JPEG. Перекрывающееся ортогональное преобразование (ПОП) изначально было предложено для преодоления недостатка ДКП при сжатии изображений. В работе [25] предложено его использование для внедрения информации. Чтобы увеличить робастность алгоритма вложения, авторы предложили дополнительно встраивать некий шаблон, причем этот процесс происходит в области преобразования Фурье. В результате получился алгоритм, достаточно стойкий ко многим атакам.
6. ОБЗОР СТЕГОАЛГОРИТМОВ ВСТРАИВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ИЗОБРАЖЕНИЯ
По способу встраивания информации стегоалгоритмы можно разделить на линейные (аддитивные), нелинейные и другие. Алгоритмы аддитивного внедрения информации заключаются в линейной модификации исходного изображения, а ее извлечение в декодере производится корреляционными методами. При этом ЦВЗ обычно складывается с изображением-контейнером, либо «вплавляется» (fusion) в него. Эти алгоритмы будут рассмотрены в п.6.1. В нелинейных методах встраивания информации используется скалярное либо векторное квантование. Обзор соответствующих алгоритмов выполнен в п.6.2. Среди других методов определенный интерес представляют методы, использующие идеи фрактального кодирования изображений. Их обзор приведен в п.6.3.
6.1. Аддитивные алгоритмы
