СПОСОБ СКРЫТОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИИ
METHOD OF HIDDEN DATA TRANSFER IN VIDEO IMAGE

Изобретение относится к области стеганографии, а именно к вопросу скрытой передачи дополнительной информации за счет избыточности видеоданных, сжимаемых по стандарту MPEG-2. Встраивание стеганографического канала в видеоизображение до сжатия по стандарту MPEG-2 реализуют путем составления списка кадров элементарного видеопотока, подходящих для встраивания, и модификации их данными стеганографического канала, организуемого на основе системы двумерных нелинейных сигналов Франка-Уолша (Ф-У), Франка-Крестонсона (Ф-К) [1-4]. Данное изобретение направлено на организацию канала скрытой передачи информации за счет избыточности видеоданных со сжатием по стандарту MPEG-2.
Известен способ-аналог встраивания информации в видеоизображение, предложенный в работах [5-8], основанный на добавлении псевдослучайного массива к низкочастотным и высокочастотным коэффициентам видеоданных, сжатых по стандарту MPEG-2. В процессе встраивания стегоканала непосредственно участвуют только значения яркости в I-, B- и P-кадрах.
x,y
Wx,y
I
Iw
Сходным признаком данного способа [5-8] с заявляемым является модуляция данных стегоканала псевдослучайной последовательностью. Отличие способа-аналога состоит в алгоритме поиска подходящих для встраивания кодовых слов для кодирования стегоданными I(i) и кодовых слов, необходимых для кодирования образов стегоконтейнера I(i), основанного на использовании таблицы кода переменной длины B.14 и B.15 стандарта MPEG-2 и сравнении размеров кодовых слов Sz и Szсоответственно. Способ-аналог предусматривает замену кодового слова, предназначенного для кодирования стегообраза, если его размер меньше или равен длине кодового слова, исходного коэффициента ДКП. Для извлечения данных стегоканала поток видеоданных необходимо полностью декодировать, и биты стегоданных извлечь путем вычисления корреляции между стегообразом и стегоконтейнером. Главным недостатком аналога, препятствующим достижению технического результата, является непосредственная модификация коэффициентов ДКП в сжатом видеопотоке, приводящая к накоплению сдвига или ошибок, а также низкая стеганографическая стойкость к факту обнаружения стегоканала, связанная с изменением низкочастотных коэффициентов постоянного тока.
j
j
Наиболее близким к заявляемому способу является способ-прототип, описанный в работах [5, 9-11], основанный на встраивании стеганографического сообщения в наименьший значащий бит. Внедрение скрытно передаваемой информации, состоящей из l битов некоторой последовательности b (j=0, 1, 2, …, l-1), в поток видеоданных, сжатых по стандарту MPEG-2, осуществляется путем замены наименее значащего бита оцифрованного значения кодовых слов на значение b. Модификации подвергаются только кодовые слова, для которых существует хотя бы одно другое кодовое слово, удовлетворяющее условиям:
- одинаковая длина нулевой серии;
- различие между значениями коэффициентов ДКП равно 1;
- одинаковая длина кодовых слов.
В процессе встраивания используются только коэффициенты переменного тока. Процедура замещения младших бит битами стеганографического сообщения продолжается, пока не будут внедрены все биты этого сообщения. Извлечение ЦВЗ реализуется аналогично: сначала ищутся подходящие кодовые слова, из которых берутся младшие биты.
Сходным признаком данного способа [5, 9-11] с заявляемым является принцип встраивания данных стеганографического канала, основанный на замещении менее значащих бит видеоизображения.
Известный способ-прототип обладает существенным недостатком, заключающимся в низкой стеганографической стойкости к обнаружению факта передачи, извлечению, удалению и модификации встроенной информации.
Заявляемый способ встраивания стеганографического канала в видеоизображение решает задачу скрытой передачи информации при обеспечении стеганографической стойкости, оцениваемой временем идентификации структуры сигнала-основы стегоканала.
Требуемым техническим результатом реализации заявляемого способа встраивания стеганографического канала в видеоизображение до сжатия по стандарту MPEG-2 следует считать минимизацию искажений видеоизображения, в которое осуществляется внедрение, при обеспечении достаточной стегостойкость системы передачи информации, оцениваемой временем идентификации стеганографического канала в структуре видеоданных третьими лицами [1-4].
Существенным признаком, характеризующим заявляемый способ и обеспечивающим получение указанного технического результата, является совокупность приведенных ниже последовательно выполняемых действий, представленных на фиг. 1, фиг. 2.
a
a
a
j
j
i
j
i
i
1. Формирование стеганографического канала осуществляют на основе двумерных нелинейных сигналов Франка-Уолша и (или) Франка-Крестонсона, которые образуют ортонормальный базис в случае диадного сдвига и в случае n-сдвига в паре с быстрыми преобразованиями Уолша и Виленкина-Крестонсона соответственно [1-4]. На начальном этапе осуществляют преобразование информационной последовательности в бинарный вид , ∈{-1,1}, j∈N. Затем полученный дискретный сигнал «расширяют» в s раз путем умножения вектора исходного сообщения на единичную матрицу соответствующей размерности, в результате чего получают последовательность b=, js≤i<(j+1)s, i∈N. Целью расширения является введение избыточности, один бит стегоканала встраивают в s пикселов спектра изображения. Далее эта последовательность может быть умножена на адаптивно выбираемые множители, после чего ее модулируют псевдошумовым сигналом Франка-Уолша (Ф-У) или Франка-Крестонсона (Ф-К) p, p∈{-1,1}, i∈N, назначением которого является расширение спектра стегоканала. Выбор системы сигналов для формирования скрытого канала в структуре видеоданных обоснован следующими особенностями сигналов Ф-У (Ф-К) [12-16]:
- простота реализации кодера передатчика, а именно возможность формирования системы сигналов из одного;
- возможность восстановления сигнала на приемной стороне при потерях не хуже чем каждый 30-й символ в периоде;
- существование и единственность фильтра подавления боковых лепестков для данных сигналов;
- равномерный энергетический спектр и широкая база сигнала, обеспечивающие скрытность встраивания данных в видеоизображение.
После модуляции сигналами Ф-У (Ф-К) данные стегоканала расположены в правой диагонали матрицы сигнала Ф-У (Ф-К).
2. Демультиплексирование исходного транспортного видеопотока, сформированного в соответствии со стандартом MPEG-2, осуществляют согласно алгоритму, представленному на фиг. 3. Дальнейшие операции проводят над выделенным элементарным видеопотоком.
3. Выбор кадров, подходящих для модификации сигналом стегоканала. Для этого первоначально формируют список кадров, пригодных для встраивания. Все I-кадры априорно полагают пригодными для встраивания. В качестве критерия, позволяющего оценить возможность встраивания в B- или P-кадры, выбирают отношение числа ненулевых коэффициентов ДКП в кадре к числу ненулевых коэффициентов ДКП в предшествующем I-кадре (первом кадре группы). Обозначив данное соотношение как R, получают правило выбора для B- или P-кадров
B, P
i, j
I
i, j
где N - число коэффициентов ДКП γ≠0, i=0…6, j=0…64 в текущем B или P кадре, N - число коэффициентов ДКП γ≠0, i=0…6, j=0…64 в предшествующем I-кадре. B- или P-кадр считают пригодным для встраивания, если . Алгоритм анализа исходного видеофайла представлен на фиг. 4.
4. На этапе формирования кадров в формате JPEG выгружают квантованные значения коэффициентов ДКП соответствующих кадров видеоизображения в виде графических файлов формата JPEG для дальнейшей обработки стеганографом. При этом в буфере формируют JPEG файлы, в которые записывают значения ДКП соответствующего кадра элементарного видеопотока с обязательным формированием универсальных таблиц Хаффмана. При формировании видеопотока MPEG в B- и P-кадрах часть макроблоков, содержащих только нулевые значения, не кодируют, вместо этого в поток помещают число, определяющее количество пропущенных макроблоков. В процессе формирования JPEG-файлов на месте пропущенных макроблоков записывают нулевые значения, что необходимо для обеспечения одинакового размера кадров независимо от числа пропущенных макроблоков и дополнительно обеспечивает скрытность встраивания данных.
Для обеспечения равномерного распределения скрываемой информации по контейнеру, а также для исключения изменения структуры транспортного видеопотока и рассинхронизации между видео- и звуковыми данными, связанного с изменением исходных границ PES-пакетов, осуществляют вытеснение данных, «не поместившиеся» в первый видеопакет, во второй, затем - в третий и так далее, не затрагивая аудио- и системной информации. (фиг. 5). За счет того что размеры PES-пакетов не изменяют, повышается скрытность закладки.
После обработки JPEG-файла стеганографом формируют корректную таблицу Хаффмана, учитывающую распределение значений коэффициентов, в результате чего увеличивается коэффициент сжатия и, соответственно, уменьшается размер JPEG-файла.
i
i
i
i
i
a
5. Встраивание данных стегоканала осуществляют сложением по модулю два сформированной стегопоследовательности на основе сигналов Ф-У (Ф-К) и битовых слов коэффициентов ДКП видеопотока, выгруженных в JPEG-файлы. При этом для внедрения выбирают коэффициенты, расположенные в окрестности правой диагонали матрицы коэффициентов ДКП, т.к. встраивание информации в коэффициенты правее диагонали приведет к их потере, а левее - к значительным искажениям изображения. Модификации подвергают биты, занимающие со второй по четвертую крайние правые позиции восьмибитного слова (фиг. 6). Выбор позиций встраивания обоснован следующими фактами: изменение наименее значащего бита является демаскирующим признаком, а вероятность потери данных, встроенных в наименее значащий бит, составляет 0,9; модификация бит, расположенных на 5-8 позициях справа, приводит к значительным искажениям видеоизображения. Модулированный информационным сообщением стегосигнал, сложенный со спектром изображения, имеет вид v=v+bp, i∈N.
6. При извлечении скрытой информации используют те же принципы, что и при встраивании, и начинают с загрузки списка кадров, подготовленного на этапе анализа. Исходный видеопоток демультиплексируют и производят поиск указанных в списке кадров в полученном элементарном видеопотоке. При этом также формируют выходной (результирующий) поток. До нахождения требуемого кадра данные из буфера исходного потока помещают непосредственно в выходной поток в соответствии с движением маркера при демультиплексировании.
При нахождении требуемого кадра выполняют следующие действия.
1. Загружают JPEG-файл, соответствующий данному кадру. После записи заголовка и ряда служебных полей запись в результирующий поток прекращают.
2. Декодируют очередной макроблок в исходном видеопотоке. Если это первый макроблок в срезе, то в выходной поток помещают служебное поле из исходного потока, так как данное значение не может быть вычислено позже, затем из JPEG-файла загружают коэффициенты ДКП, соответствующие данному макроблоку, и подвергают энтропийному кодированию (фиг. 7). Результаты кодирования помещают в выходной поток; процесс повторяют для всех макроблоков кадра. В ходе декодирования данные очередного PES-пакета, находящиеся в буфере декодера, могут закончиться, и возникнет задача поиска и загрузки в буфер нового PES-пакета с видеоданными. Если при этом текущий PES-пакет в выходном потоке не заполнен до конца видеоданными, системную и аудиоинформацию, поступающую из исходного потока при поиске PES-пакета с видеоданными, не записывают в выходной поток, а помещают в буфер. Содержимое буфера помещают в выходной поток после полного заполнения очередного PES-пакета видеоданными. Аналогично, если объем видеоданных, поступающих с энтропийного кодера, превышает размер текущего PES-пакета, видеоданные помещают в буфер, а в выходной поток пишут PES-пакеты с системной и аудиоинформацией до тех пор, пока демультиплексор не обнаружит очередной PES-пакет с видеоданными. Содержимое буфера сбрасывают в выходной поток, туда же помещают видеоданные, а буфер используют для хранения системной информации.
3. Извлечение данных стегоканала осуществляют с применением фильтра подавления боковых лепестков, позволяющего принять решение о передаваемом сигнале даже в случае отношения сигнал-шум менее единицы.
Для извлечения данных стегокнала на приемной стороне получатель должен обладать ключевой информацией:
- тип сигналов, используемых при формировании стегоканала;
- список кадров, выбранных для встраивания;
- правила встраивания, выбора коэффициентов ДКП, выбора позиций бит, подвергнутых модификации);
- шифроданные.
Доставку ключевой информации корреспонденту возлагают на пользователя. При недостаточном объеме контейнера закладку предварительно разделяют на несколько частей, перемежают. В этом случае корреспонденту сообщают информацию о порядке сборки исходного сообщения. Один из способов решения данной задачи - помещение этой информации на правах закладки в один из кадров, номер которого передают корреспонденту вместе с ключом.
В силу псевдошумовой природы сигналов Ф-У, Ф-К pi, стегосигнал также является псевдошумовым и его трудно обнаружить, как визуальными, так и статистическими методами. Общим требованием, которое предъявляют к последовательностям, является ортогональность. Демодуляцию ЦВЗ выполняют корреляционным приемником, представленным двумерным фильтром подавления боковых лепестков, возможность существования и единственность которого доказана в работах [1, 3, 16]. В ФПБЛ пикселы стегоизображения умножают на ту же ШПС, что и в кодере, и далее результат суммируют по всем отсчетам, содержащим данные стегоканала:
1
2
1
Здесь суммы ∑ и ∑ отражают вклад в корреляционную сумму фильтрованного изображения и фильтрованных данных стегоканала, соответственно. Предположим, что ∑ равна нулю, т.е. изображение полностью отфильтровано ВЧ-фильтром, а , т.е. фильтрация не повлияла на данные стегоканала.
a
i
Тогда корреляционная сумма равна , где  - дисперсия псевдошумовой последовательности. Знак корреляционной суммы есть внедренный бит информации , так что информацию извлекают без потерь. Этот сигнал умножают почленно на псевдошумовой сигнал. Математическое ожидание произведения равно нулю, а дисперсия . Это произведение суммируется L раз. Если L достаточно большое, то в соответствии с центральной предельной теоремой плотность распределения вероятностей суммы стремится к нормальному распределению с нулевым матожиданием и дисперсией . Ошибка в определении бита возникнет, если информационный бит был +1, а , или если бит был равен -1, а . Так как сумму описывают нормальным распределением, вероятность ошибки на бит будет равна:
p
i
Из формулы вероятности ошибки видно, что для ее уменьшения необходимо увеличить коэффициент расширения L, дисперсию ШПС σ или среднюю амплитуду α.
Системы сигналов Фрака-Уолша (Франка-Крестонсона) обладают свойством стойкости к прореживанию по времени, что обеспечивает их применение для встраивания в видеоданные в процессе сжатия, они также обладают минимальной энергией, что обусловлено их дельта-коррелированностью и вносит минимальные искажения в изображение, что обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в том, что факт передачи информации структуре видеоданных будет вскрыт не менее чем за десятки часов.
Таким образом, существенными признаками, отличающими заявляемый способ от прототипа, являются:
1) предварительная обработка встраиваемых данных, предусматривающая шифрование и приведение к шумоподобному виду в результате модуляции сигналами Ф-У (Ф-к), в отличие от прототипа, где предусмотрено только преобразование данных в двоичный вид;
2) выбор кадров для встраивания данных стегоканала, полагающий пригодными для внедрения стегоканала все I-кадры, а также B- и P-кадры, отношение числа ненулевых коэффициентов ДКП к числу ненулевых коэффициентов ДКП предшествующего I-кадра, в которых больше ¼, в отличие от прототипа, где встраивание осуществляют только в I-кадры;
3) выбором коэффициентов ДКП для встраивания, заключающимся в изменении коэффициентов, расположенных в окрестности правой диагонали матрица коэффициентов ДКП, в отличие от прототипа, где изменению подвергаются только кодовые слова, для которых существует хотя бы одно другое кодовое слово, с равной длиной нулевой серии; с одинаковой длиной кодовых слов, с различием между значениями коэффициентов ДКП в единицу;
4) выбором позиций бит, предполагающим изменение бит, занимающих со второй по четвертую позицию справа, в отличие от прототипа, где изменению подвергают только наименьший значащий бит;
5) правилом встраивания данных стегоканала, предполагающим сложение по модулю два последовательности стегосигнала и последовательности коэффициентов ДКП изображения, в отличие от прототипа, где встраивание осуществляют замещением;
6) правило распределения данных стегоканала по PES-пакетам видеоданных без изменения исходных границ, предполагающим вытеснение непоместившейся информации в следующий PES-пакет, в отличие от прототипа, где распределение данных не рассматривают;
7) способом извлечения данных стегоканала, предполагающим применение фильтра подавления боковых лепестков, в отличие от прототипа, где извлечение осуществляют извлечением значений младших бит подходящих кодовых слов.
Для пояснения существенных признаков заявляемого способа приведены фигуры:
Фигура 1 - Блок-схема алгоритма внедрения данных в видеопоток;
Фигура 2 - Схема алгоритма программы стеганографа;
Фигура 3 - Блок-схема алгоритма демультиплексирования исходного потока;
Фигура 4 - Блок-схема алгоритма анализа основной информации видеофайла;
Фигура 5 - Перераспределение данных стеганографического канала между PES-пакетами;
Фигура 6 - Модификация бит коэффициентов ДКП изображения при встраивании данных стегоканала;
Фигура 7 - Схема алгоритма чтения данных из JPEG-файла.
Возможность осуществления изобретения подтверждается известными характеристиками и функциональными возможностями цифровых сигнальных процессоров по реализации операций, выполняемых в процессе встраивания и обработки данных в соответствии с заявляемым способом [17-20].
Литература
1. Дискретный гармонический анализ и его приложения к задачам синтеза оптимальных сигналов: монография / К.Ю. Цветков, В.М. Коровин. - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2008. - 108 с.
2. Цветков К.Ю. Теория оптимальных систем сложных дискретных сигналов и ее приложения. - СПб.: ВКА, 2005. - 160 с.
3. Цветков К.Ю., Малоземов В.Н. Об оптимальной паре сигнал-фильтр // Проблемы передачи информации. - 2003. - Т. 1. - Вып. 2. - С. 50-62.
4. Цветков К.Ю., Малоземов В.Н., Машарский С.М. Сигнал Франка и его обобщения // Проблемы передачи информации. - 2001. - Т. 37. - Вып. 2. - С. 18-26.
5. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография. - М.: Солон-Пресс, 2002. - 272 с.
6. Marvel L. Image Steganography for hidden communication. PhD Thesis. Univ. of Delaware, 1999. 115p.
7. Cox J., Miller M., McKellips A. Watermarking as communications with side information // Proceedings of the IEEE. 1999. Vol. 87. №7. P. 1127-1141.
8. Schneier B. Applied Cryptography: Protocols, Algorithms, and Source Code in C, 2nd ed. New York // John Wiley and Sons, 1996.
9. Anderson R., editor. // Proc. Int. Workshop on Information Hiding: Lecture Notes in Computer Science. Springer-Verlag, Cambridge. 1996.
10. Ramkumar M. Data Hiding in Multimedia. PhD Thesis. New Jersey Institute of Technology, 1999. 72 p.
11. Simmons G. The History of Subliminal Channels // IEEE Journal on Selected Areas of Communications. 1998. Vol. 16, №4. P. 452-461.
12. Абазина E.С. Алгоритмы внедрения двумерных нелинейных кодовых последовательностей в структуру сжатых видеоданных // Вопросы радиоэлектроники в сфере техники телевидения, 2013, №1, с. 85-94.
13. Абазина Е.С. Алгоритмы обработки широкополосных цифровых водяных знаков при организации стеганографического канала в структуре видео данных // Труды Военной академии связи, Выпуск 79. - СПб: ВАС: 2013. - С. 9-14.
14. Коровин В.М. Метод и алгоритмы встраивания широкополосных цифровых водяных знаков в сжатые изображения // Сб. докладов международной научно-практической конференции «Особенности развития космической отрасли России и перспективы ее дальнейшей интеграции в систему международных экономических связей». 2-3 октября 2007 года, Санкт-Петербург. СПб.: БГТУ, 2007. - С. 175-178.
15. Коровин В.М., Цветков К.Ю. Синтез оптимальных двумерных сигналов и фильтров подавления боковых лепестков корреляционных функций сложных дискретных сигналов в базисе Виленкина - Крестенсона // Авиакосмическое приборостроение. - 2008. - №12. - С. 19-23.
16. Коровин В.М. Оптимальные двумерные фильтры подавления боковых лепестков корреляционных функций сложных дискретных сигналов в базисе Виленкина - Крестенсона // Сборник алгоритмов и программ типовых задач / под ред. И.А. Кудряшова. - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2008. - Вып. 27. - С. 286-294.
17. Локшин Б.А. Цифровое телевидение: от студии к телезрителю. - М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 2001. - 446 С.
18. Гольденберг Л.Н., Матющкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. Справочник. - М.: Радио и связь, 1990.
19. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника. - М.: Радио и связь, 1990.
20. Кантор Л.Я. О цифровом телевизионном вещании // Телеспутник, №11, 2000. - С. 14.