Цифровая стеганография

способностью и небольшой вычислительной сложностью — обладает и существенным недостатком. Водяной знак, встроенный с его помощью, может быть легко удален. Для этого достаточно просто повторно наложить последовательность ЦВЗ. Тогда качество видео ухудшится незначительно, а водяной знак будет уничтожен.

8.4. Метод встраивания информации за счет энергетической разности между коэффициентами

Далее описывается метод, сочетающий в себе достоинства методов, работающих с исходным и сжатым видео. В его основе лежит дифференциальное встраивание энергии (ДЭВ) ЦВЗ [3]-6].

В случае MPEG/JPEG кодированных видеоданных ДЭВ может быть осуществлено в области коэффициентов. Сложность алгоритма ДЭВ незначительно выше сложности описанного ранее метода, основанного на НЗБ, и значительно ниже метода основанного на корреляции с компенсацией ошибок предсказания, также описанного ранее. Метод ДЭВ может быть применен не только к видеоданным MPEG/JPEG, но и к другим алгоритмам сжатия видео, например, к вейвлет-кодеру нуль-дерева [13].

Метод ДЭВ осуществляет внедрение ЦВЗ, состоящего из l бит b_j (j = 0, 1, 2, …, l-1) в I- кадры MPEG-видео или в JPEG-изображения. Каждый бит ЦВЗ встраивается в выбранную область, состоящую из n блоков по 8*8 коэффициентов ДКП канала яркости изображения каждый.

На рис. 8.12 показан пример, в котором первый бит ЦВЗ расположен в верхнем левом углу изображения или I-кадра в выбранной области, состоящей из 16 (n=16) блоков 8*8 коэффициентов ДКП. Размер этой области определяет скорость вложения информации. Чем выше n, тем ниже скорость.

Бит ЦВЗ внедряется в выбранную область модификацией разности энергий D между высокочастотными коэффициентами ДКП верхней части этой области (субобласть А) и ее нижней части (субобласть В). Подмножество ВЧ коэффициентов обозначается S(c) и показано на рис. 8.13 белыми треугольниками.

Энергия субобласти А вычисляется по формуле

, (8.4)

где - коэффициент ДКП с индексом i из d-го блока коэффициентов ДКП субобласти А; []_Q — означает, что энергия вычисляется у квантованных коэффициентов.

Рис. 8.12. Позиции битов ЦВЗ в I-кадре.

Энергия субобласти В вычисляется аналогичным способом.

Подмножество S(с) определяется на основе выбранного порога

. (8.5)

Выбор подходящего значения порога крайне важен, так как этим определяется стойкость ЦВЗ к удалению и его заметность на изображении. Когда порог для каждой lc-области определен, разность энергий определяется следующим образом:

. (8.6)

На рисунке 8.13 графически показана процедура вычисления разности энергий для области, состоящей из 16 блоков 8*8 коэффициентов ДКП.

Значение внедряемого бита определяет знак энергетической разности. Если значение бита «0» то D > 0, в противном случае D < 0. Следовательно, процедура встраивания информации модифицирует энергии ЕА или ЕВ, чтобы встроить информацию в разность энергий D. Если встраивается нуль, то в блоках по 8*8 коэффициентов субобласти В после пороговой обработки энергия будет удалена, а коэффициенты ДКП приравнены нулю так, что

Рис. 8.13. Определение энергии областей

. (8.7)

Если встраивается единица, то высокочастотные коэффициенты ДКП в субобласти А приравниваются нулю и

. 8.8

Существует несколько причин, по которым вычисление энергий осуществляется по блокам треугольной формы. Наиболее важной из них является то, что, таким образом легко производить вычисление энергетической разности и модификацию значений энергии в потоке сжатых данных. Все коэффициенты ДКП, необходимые для вычисления Е_А и Е_В, расположены в конце одномерного массива, полученного после зигзагообразного сканирования. Таким образом, коэффициенты могут быть приравнены нулю без перекодирования потока данных. Для этого необходимо просто сдвинуть маркер конца блока (КБ) в сторону DC-коэффициента. Процедура вычисления Е для единичного сжатого блока коэффициентов и изменения Е путем удаления высокочастотных коэффициентов ДКП, расположенных в конце макроблока, показана на рисунке 8.14.

Рис. 8.14. Вычисление и изменение энергии в lc-областях

Тот факт, что ЦВЗ встраивается просто путем удаления нескольких коэффициентов ДКП имеет сразу два преимущества. Так как в сжатый поток видеоданных ничего добавлять не надо, то можно обойтись без повторного сжатия восстановленного потока видео, как это показано на рисунке 8.15. Это означает, что алгоритм ДЭВ имеет приблизительно половинную сложность по сравнению с методами встраивания информации в коэффициенты.

Рис. 8.15. Встраивание водяного знака методом ДЭВ.

Удаление высокочастотных коэффициентов будет уменьшать размер стегообраза потока сжатых видеоданных по сравнению с исходным потоком. Если необходимо сохранить размер потока видеоданных, то перед каждым макроблоком нужно вносить добавочные биты.

Центральную роль, как в процессе встраивания, так и в процессе извлечения встроенной информации играют энергии субобластей А и В, величина которых определяется четырьмя факторами:

— характером субобластей А и В;

— количеством блоков n на одну выбранную область;

— шагом квантователя;

— размером подмножества S(c).

Если выбранная область однородная, то ее энергия будет содержаться в DC-коэффициенте ДКП. Энергия ВЧ коэффициентов равна нулю. В случае наличия контуров или текстур значения ВЧ коэффициентов будут большими.

Чем больше блоков n берется на одну выбранную область, тем больше значение содержащейся в ней энергии.

Шаг квантователя определяет стойкость ЦВЗ к атаке перекодированием. При перекодировании стегоообраз видеоданных частично или полностью декодируется и затем снова кодируется, но уже на более