СПОСОБ ВСТРАИВАНИЯ СООБЩЕНИЯ В ЦИФРОВОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ФОРМАТА JPEG 2000
METHOD OF EMBEDDING MESSAGE IN JPEG 2000 DIGITAL IMAGE

Изобретение относится к области стеганографии, а именно к способам встраивания сообщения в цифровые изображения, и может быть использовано для организации скрытого хранения и передачи конфиденциальной информации по открытым каналам связи.
Известен способ внедрения дополнительной информации в цифровые изображения, в котором для противодействия некоторым методам анализа при записи информации используется только часть младших значащих битов в байтах цветового представления исходного изображения, оставшиеся биты используются для последующей коррекции наиболее важных статистических параметров (См. Provos N. Defending Against Statistical Steganalysis, Proceeding of the 10 USENIX Security Symposium, 2001, pp.323-335).
Известен также способ внедрения дополнительной информации в цифровые изображения (См. Патент РФ №2288544, опубл. 27.11.2006 г., Бюл. №33), заключающийся в том, что исходное цифровое изображение раскладывают на битовые слои, для записи дополнительной информации выбирают один из полученных битовых слоев, который представляют в виде битовой последовательности, запись дополнительной информации осуществляют с помощью кода, при этом в полученной битовой последовательности биты, расположенные на границах всех переходов одинаковых последовательностей нулей и единиц, заменяют в соответствии с битами записываемой дополнительной информации, оставшиеся биты нижележащих битовых слоев при необходимости используют для коррекции исходного изображения или для записи другой дополнительной информации.
Известен также способ встраивания сообщения в цифровое изображение (См. Патент РФ №2407216, опубл. 20.12.2010 г.), заключающийся в замене наименее значащего бита в байтах исходного цифрового изображения, при этом наименее значащему биту в байтах исходного цифрового изображения присваивают флаговое значение «единица» при совпадении части битов байта сигнала цифрового изображения и битов сигнала сообщения, либо флаговое значение «ноль» при несовпадении, при этом корректировку статистики распределения наименее значащих битов производят по оставшейся их части, не используемой в качестве флаговых значений.
К недостаткам данного и всех указанных выше способов внедрения информации в цифровые изображения следует отнести невозможность их применения для графических изображений сжатых форматов, в частности JPEG и JPEG 2000. В основе данных форматов лежат алгоритмы сжатия с потерями, которые в свою очередь оказывают деградирующее воздействие на внедряемую информацию.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ (См. Патент США №6556689 В1, опубл. 29.03.2003 г.), заключающийся в том, что к исходному цифровому изображению применяют дискретное вейвлет-преобразование, для встраивания цифрового водяного знака выбирают вейвлет-коэффициенты с большими значениями в среднечастотных и в высокочастотных поддиапазонах, перед встраиванием цифровой водяной знак преобразуют в псевдослучайную последовательность, при этом встраивание производят добавлением псевдослучайной последовательности к выбранным вейвлет-коэффициентам, затем к цифровому изображению применяют обратное дискретное вейвлет-преобразование.
Недостатком данного способа является частичная потеря встраиваемой информации при сжатии по стандарту JPEG 2000 во время процедуры квантования, а также ограниченный объем встраиваемого сообщения вследствие ограниченного количества вейвлет-коэффициентов с большими значениями в среднечастотных и в высокочастотных поддиапазонах области вейвлет-преобразования.
Задачей изобретения является разработка способа встраивания сообщения в цифровое изображение формата JPEG 2000, обеспечивающего возможность сохранения целостности внедренной информации при передаче последней по открытым каналам связи, основанного на кодировании битов встраиваемого сообщения суммой значений вейвлет-коэффициентов в блоке размером NxN из области среднечастотных и высокочастотных поддиапазонов вейвлет-преобразования. При этом выбор размера блока зависит от требований, предъявляемых к стеганосистеме. А именно, чем больше размер блока, тем выше стойкость стеганосистемы.
Данная задача решается тем, что способ встраивания сообщения в цифровое изображение формата JPEG 2000 осуществляют после процедуры квантования в блоки вейвлет-коэффициентов размером NxN, причем значения битов встраиваемого сообщения кодируют четностью суммы значений вейвлет-коэффициентов в блоке, при этом, если значение встраиваемого бита не совпадает с четностью суммы значений вейвлет-коэффициентов в блоке, значение одного из них увеличивают на единицу, причем для модификации выбирают вейвлет-коэффициент, значение которого имеет наибольшую дробную часть.
Данный выбор обусловлен тем, что в стандарте JPEG 2000 округление квантованного коэффициента осуществляют до наименьшего целого (правило 1).
<mrow><msub><mi>q</mi><mi>b</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>u</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>ν</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>a</mi><mi>b</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>u</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>ν</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mrow><mo>⌊</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mi>b</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>u</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>ν</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>Δ</mi><mi>b</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>⌋</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
b
b
b
где q(u, ν) - значение вейвлет-коэффициента из поддиапазона b после процедуры квантования; sign - функция, определяющая знак квантуемого вейвлет-коэффициента, a(u, ν) - значение квантуемого вейвлет-коэффициента из поддиапазона b, Δ - шаг квантования для поддиапазона b.
В результате округления возникает шум квантования, который тем больше, чем больше дробная часть значения коэффициента.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность встраивания конфиденциальной информации с различной степенью стойкости к стеганоанализу при отсутствии необходимости в изменении статистических характеристик распределения вейвлет-коэффициентов.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность отличительных существенных признаков, обусловливающих тот же технический результат, который достигнут в заявляемом способе. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг.1 - общая схема устройства, реализующего способ встраивания сообщения в цифровое изображение формата JPEG 2000;
фиг.2 - общая схема устройства, реализующего способ извлечения сообщения из цифрового изображения формата JPEG 2000.
Устройство, реализующее заявленный способ, общая схема которого представлена на фиг.1, работает следующим образом.
Над сигналом цифрового изображения (блок 1) производят дискретное вейвлет-преобразование с использованием вейвлет-фильтров «Daubechies 9/7» для режима сжатия с потерями согласно обязательной части стандарта JPEG 2000 (ISO/IEC FCD 15444-1: 2000 (V1.0, 16 March 2000))(блок 5). Тактовые импульсы с блока 2 - генератора тактовых импульсов подают на вход блока 3 (биты встраиваемого сообщения) и на вход блока 6 - генератор ПСП (стеганоключ), определяющий номера блоков вейвлет-коэффициентов размером NxN, в которые осуществляют встраивание сообщения. Сигнал сообщения подают последовательно побитно на вход блока 10 (устройство сравнения).
С приходом тактового импульса в блоке 6 формируют сигнал ПСП (стеганоключ), а на выходе блока генератора ПСП (стеганоключа) формируют сигнал, осуществляющий выбор сигнала контейнера в блоке 5 и производящий передачу сигнала контейнера на вход блока 4 (квантователь), где производят процедуру квантования вейвлет-коэффициентов. Далее сигнал с первого выхода блока 4 подают на первый вход блока 15 (блок выбора вейвлет-коэффициентов с наибольшей дробной частью), а со второго выхода блока 4 подают сигнал на вход блока 7 (устройство нормирования), где значения квантованных вейвлет-коэффициентов округляют до наименьшего целого согласно правилу 1. Далее с выхода блока 7 сигнал подают на вход блока 8 (сумматор), где определяют значение суммы вейвлет-коэффициентов в блоке размером NxN. Далее с выхода блока 8 сигнал подают на вход блока 9 (устройство для определения четности), где определяют четность суммы значений вейвлет-коэффициентов в блоке размером NxN. С выхода блока 3 на первый вход блока 10 (устройство сравнения) подают один бит встраиваемого сообщения, который сравнивают с сигналом четности суммы значений вейвлет-коэффициентов с выхода блока 9, который подают на второй вход блока 10. Далее на выходе блока 10 формируют сигнал модифицированного контейнера и подают на вход блока 13 (коммутатор). При совпадении четности суммы значений вейвлет-коэффициентов сигнала контейнера и бита сигнала встраиваемого сообщения с первого выхода блока 13 сигнал подают на первый вход блока 12 (устройство для реализации арифметического кодирования). При несовпадении четности суммы значений вейвлет-коэффициентов сигнала контейнера и бита встраиваемого сообщения сигнал со второго выхода блока 13 подают на вход блока 15 (блок выбора вейвлет-коэффициента с наибольшей дробной частью). Далее с выхода блока 15 сигнал подают на вход блока 14 (реверсивный счетчик), где значение одного из вейвлет-коэффициентов блока размером NxN увеличивают на единицу, и на выходе блока 14 формируют сигнал модифицированного контейнера, который подают на второй вход блока 12. С выхода блока 12 сигнал подают на вход блока 11 (стеганоконтейнер).
Извлечение сообщения, встроенного в цифровое изображение по способу, общая схема которого представлена на фиг.1, осуществляют в соответствии со схемой, представленной на фиг.2, в следующем порядке.
Сигнал сжатого цифрового изображения со встроенным сообщением (стеганоконтейнер), блок 11, последовательно подают на вход блока 16, где над ним осуществляют арифметическое декодирование. Тактовые импульсы с блока 17 -генератора тактовых импульсов подают на вход блока 16 и на вход блока 19 - генератор ПСП (стеганоключ).
С выхода блока 16 на первый вход блока 18 подают сигнал, формирующий среднечастотные и высокочастотные поддиапазоны вейвлет-коэффициентов. С выхода блока 19 формируют сигнал, поступающий на второй вход блока 18 и осуществляющий выбор блоков вейвлет-коэффициентов размером NxN в порядке, определяемом ПСП (стеганоключом). Сигнал с выхода блока 18 поступает на вход блока 20, где производят считывание встроенного сообщения. С выхода блока 20 сигнал поступает на вход блока 21 - блок хранения извлеченного сообщения.
Правомерность теоретических предпосылок проверялась с помощью имитационных моделей системы-прототипа и системы, реализующей заявленный способ встраивания сообщения в цифровое изображение формата JPEG 2000.
Эксперимент проводился в программной среде MatLab при следующих условиях:
1) исходное цифровое изображение в формате BMP;
сж
2) к исходному цифровому изображению применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 с различными коэффициентами сжатия (К) до процедуры арифметического кодирования, затем применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 в обратном порядке до получения исходного цифрового изображения в формате BMP;
сж
3) к исходному цифровому изображению применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 с различными коэффициентами сжатия (К) до процедуры арифметического кодирования, затем встраивают стеганосообщение заявленным способом и применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 в обратном порядке до получения исходного цифрового изображения в формате BMP;
сж
4) к исходному цифровому изображению применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 с различными коэффициентами сжатия (К) до процедуры арифметического кодирования, применяют способ-прототип для встраивания сообщения, затем применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 в обратном порядке до получения исходного цифрового изображения в формате BMP.
В качестве оценки уровня искажений выбирают пиковое отношение сигнал/шум PSNR (peak signal-to-noise ratio):
<mrow><mi>P</mi><mi>S</mi><mi>N</mi><mi>R</mi><mo>=</mo><mn>10</mn><msub><mrow><mi>log</mi></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><msubsup><mi>X</mi><mi>I</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mi>M</mi><mi>S</mi><mi>E</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>20</mn><msub><mrow><mi>log</mi></mrow><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>M</mi><mi>A</mi><msub><mi>X</mi><mi>I</mi></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><mi>M</mi><mi>S</mi><mi>E</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>,                                    </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
I
где MAX - максимальное значение, принимаемое пикселем цифрового изображения;
MSE - среднеквадратическое отклонение, которое вычисляют по формуле (2):
<mrow><mi>M</mi><mi>S</mi><mi>E</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>m</mi><mo>×</mo><mi>n</mi></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mtext> j)-K(i</mtext><mtext>, j)</mtext></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow></mstyle><mtext>                                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где I(i, j) и К(i, j) - исходное и оцениваемое цифровые изображения соответственно;
m×n - размер цифрового изображения.
Далее по формуле (2) вычисляют PSNR:
1) для чистого цифрового изображения по отношению к исходному цифровому изображению;
2) для цифрового изображения со встроенным заявленным способом сообщением;
3) для цифрового изображения с сообщением, встроенным способом-прототипом.
Данная оценка будет объективной в случае равных условий для стеганоалгоритмов. Под равными условиями понимается одинаковая степень сжатия цифровых изображений и равный объем встраиваемой информации.
сж
Результаты эксперимента, представленные на фиг.3, показывают, что применение предлагаемого способа дает выигрыш по PSNR при равных условиях на 3-4 дБ (в зависимости от коэффициента сжатия (К) цифрового изображения) по сравнению со способом-прототипом.
Проведенные испытания показали высокую стойкость способа встраивания сообщения в цифровое изображение формата JPEG 2000 против визуального анализа и статистических методов анализа распределений наименее значащих битов изображения. В ходе испытаний относительный объем внедренных данных в ряде случаев составлял 30% от объема исходного цифрового изображения, при полном сохранении визуального качества последнего. Для обеспечения наибольшей эффективности встраивания в цифровое изображение сообщения последнему придается характер псевдослучайной последовательности. Наиболее эффективным является использование предложенного способа встраивания информации совместно с алгоритмами скремблирования и эффективного кодирования.
Промышленная применимость изобретения обусловлена тем, что устройство, реализующее предложенный способ, может быть осуществлено с помощью современной элементной базы, с достижением указанного в изобретении назначения.