Способ встраивания сообщения в цифровое изображение формата jpeg 2000



Способ встраивания сообщения в цифровое изображение формата jpeg 2000
Способ встраивания сообщения в цифровое изображение формата jpeg 2000
Способ встраивания сообщения в цифровое изображение формата jpeg 2000

 


Владельцы патента RU 2517337:

Государственное казенное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) (RU)

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в обеспечении возможности сохранения целостности внедренной информации. Способ встраивания сообщения в цифровое изображение формата JPEG 2000, заключающийся в замене кодирующих коэффициентов среднечастотных и высокочастотных поддиапазонов вейвлет-преобразования, причем встраивание производят 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. 3 ил.

 

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).

q b ( u ,   ν ) = s i g n ( a b ( u ,   ν ) ) × | a b ( u ,   ν ) | Δ b ,                                         ( 1 )

где qb(u, ν) - значение вейвлет-коэффициента из поддиапазона b после процедуры квантования; sign - функция, определяющая знак квантуемого вейвлет-коэффициента, ab(u, ν) - значение квантуемого вейвлет-коэффициента из поддиапазона b, Δb - 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;

2) к исходному цифровому изображению применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 с различными коэффициентами сжатия (Ксж) до процедуры арифметического кодирования, затем применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 в обратном порядке до получения исходного цифрового изображения в формате BMP;

3) к исходному цифровому изображению применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 с различными коэффициентами сжатия (Ксж) 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;

4) к исходному цифровому изображению применяют процедуру сжатия по стандарту JPEG 2000 с различными коэффициентами сжатия (Ксж) 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):

P S N R = 10 log 10 ( M A X I 2 M S E ) = 20 log 10 ( M A X I M S E ) ,                                     ( 2 )

где MAXI - максимальное значение, принимаемое пикселем цифрового изображения;

MSE - среднеквадратическое отклонение, которое вычисляют по формуле (2):

M S E = 1 m × n i = 0 m 1 j = 0 n 1 | I ( i ,  j)-K(i , j) | 2                                                           ( 3 )

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.

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 (Ксж) 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.

Способ встраивания сообщения в цифровое изображение формата JPEG 2000, заключающийся в замене кодирующих коэффициентов среднечастотных и высокочастотных поддиапазонов вейвлет-преобразования, отличающийся тем, что встраивание производят 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в обеспечении возможности обрабатывать формат трехмерного видеоизображения, включающий базовый слой и слой расширения.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении эффективности декодирования.

Изобретение относится к области кодирования/декодирования сигналов изображений. Техническим результатом является увеличение эффективности кодирования в случае затухания.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в улучшении эффективности сжатия видео.

Изобретение относится к устройству воспроизведения видео на основе списка воспроизведения. Техническим результатом является обеспечить устройство воспроизведения возможностью инструктировать приложению то, какие файлы с клипами должны быть загружены первыми по приоритету, когда имеется множество файлов с клипами, которые должны быть загружены, вследствие наличия множества субэлементов воспроизведения.

Изобретение относится к кодированию и декодированию видео. Техническим результатом является обеспечение эффективного кодирования или декодирования видео контента с высоким разрешением или высоким качеством при помощи информации, указывающей на то, закодирована ли информация о текстуре единицы кодирования, и принимая во внимание иерархическую глубину.

Изобретение относится к передающему устройству и приемному устройству, и в частности к мультимедийному интерфейсу передачи данных высокой четкости HDMI (МИВЧ). Техническим результатом является обеспечить возможность для внешнего устройства распознавать, в случае когда оно включает в себя модуль передачи данных, выполненный с возможностью передачи данных через канал передачи данных, составленный из пары дифференциальных каналов передачи, включенных в канал передачи, информацию, относящуюся к его модулю передачи данных.

Изобретение относится к технологиям обработки видеоданных и изображений и, в частности, к устройству и способу оценки движения. Техническим результатом является снижение вычислительной нагрузки при оценке движения.

Изобретение относится к области видеосвязи, в частности к системе многоканальной видеосвязи и способу обработки такой связи. Техническим результатом является создание эффективной системы многоканальной видеосвязи, подходящей для разных условий в сети и терминалов с разной обрабатывающей способностью.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении эффективности декодирования видео.

Изобретение относится к радиотехнике и передаче информации и может найти применение в системах связи для помехоустойчивой передачи цифровой информации, в том числе с высокой степенью конфиденциальности.

Способ шифрования с использованием ключа K шифрования с длиной k ключа по меньшей мере одного сообщения M, содержащего однородно распределенные символы, причем k битов шифруют (830) из сообщений длиной по меньшей мере k битов, в то время как более короткие сообщения удлиняются (840), например, посредством заполнения незначащей информацией или последовательного соединения для получения удлиненного сообщения длиной по меньшей мере k битов перед шифрованием.

Изобретение относится к вычислительной технике и электросвязи, предназначено для решения задач защиты компьютерной информации. Наиболее предпочтительной областью использования изобретения является построение генераторов псевдослучайных чисел (ГПСЧ), а также криптографических примитивов хеширования, блочного и поточного шифрования. Техническим результатом изобретения является повышение криптостойкости и увеличение быстродействия итеративного криптографического преобразования данных. Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в итеративном криптографическом преобразовании данных, включающем формирование из секретного ключа с помощью процедуры разворачивания ключа последовательности раундовых ключей K1, K2,…, KR, где R - число раундов преобразования; формирование по входному блоку М блока С в соответствии с выражением С:=М; выполнение R раундов преобразования, при этом преобразование блока данных на i-м раунде записывается в виде С:=Е(С, Ki), где Е() - раундовая функция преобразования, Ki - раундовый ключ, используемый на i-м раунде, полученное значение С:=Е(С, Ki) при i<R поступает на вход следующего раунда, а результат действия последнего раунда С:=Е(С, KR) является результатом преобразования; дополнительно из каждого раундового ключа Ki формируют N раундовых подключей Ki1, Ki2,…, KiN, где N - число траекторий раундовых преобразований в каждом раунде; при выполнении каждого i-го раунда создают N копий Сi1, Ci2,…, СiN входного блока данных С, каждую копию Cij подвергают стохастическому преобразованию Eij, которое записывается в виде Cij:=Eij(Cij, Kij), преобразованные значения Cij поступают на входы комбинационной схемы F, функцией которой является параллельная композиция различных траекторий раундовых преобразований, результат действия комбинационной схемы С:=F(Ci1, Сi2,…, CiN) объявляют результатом раунда. В частном случае стохастическое преобразование Еij включает представление входного блока Cij, промежуточных результатов преобразования и раундового подключа Kij в виде квадратного массива бит размерностью 8×8; сложение по модулю два (XOR) входного блока Cij и раундового подключа Kij, разбиение результата на строки r1, r2,…, r8 и выполнение для каждой строки операции замены с использованием таблицы S размерностью 8×256; разбиение результата на столбцы с1, с2,…, с8 и выполнение для каждого столбца операции замены с использованием таблицы S размерностью 8×256. Благодаря совокупности перечисленных решений увеличивается криптостойкость преобразования за счет выполнения последовательной и параллельной композиции раундовых преобразований и повышается быстродействие за счет появления возможности сокращения числа раундов и выполнения всех раундовых преобразований Cij:=Eij(Cij, Kij) параллельно.

Изобретение относится к способам и средствам криптографического преобразования информации в электронных вычислительных комплексах и ЭВМ. Повышение скрытности и оперативности преобразования достигается тем, что в способе, основанном на разбивке исходного 32-разрядного входного вектора на восемь последовательно идущих 4-разрядных входных векторов, каждый из которых соответствующим ему узлом замены преобразуется в 4-разрядный выходной вектор, которые последовательно объединяются в 32-разрядный выходной вектор, причем предварительно в каждом узле замены размещают таблицы преобразования из шестнадцати строк каждая, содержащих по четыре бита заполнения в строке, являющихся соответствующими 4-разрядными выходными векторами, используют четыре узла замены по одному для каждой пары 4-разрядных входных векторов, причем в каждом узле замены используют регистр центрального процессора, в который размещают по две таблицы преобразования, а преобразование пар 4-разрядных входных векторов в пары 4-разрядных выходных векторов в соответствующем узле замены осуществляют коммутацией предварительно размещенных строк таблиц преобразования в регистр центрального процессора соответствующего узла замены путем использования пар 4-разрядных входных векторов в виде адресов коммутации.

Изобретение относится к области радиотехники, используется для контроля за изменениями радиоэлектронной обстановки. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности обнаружения сигналов непрерывно работающих радиоэлектронных средств.

Изобретение относится к защите информации, а именно к способам шифрования с открытым (публичным) ключом. Техническим результатом является повышение безопасности.

Изобретение относится к электросвязи, а именно к криптографическим устройствам и способами. .

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к способу криптографической защиты данных в компьютерных сетях. .

Изобретение относится к передаче данных, а именно к формированию ключа шифрования/дешифрования (K) для передачи данных. .

Изобретение относится к сетевым технологиям, а именно к способам установления подлинности сетевых операций. .

Изобретение относится к области электросвязи, а именно к криптографическим устройствам и способам. Технический результат - повышение уровня защищенности информации, шифруемой с его применением. Способ шифрования n-битового блока данных М заключается в формировании секретного ключа путем генерации подключей Q и R и вспомогательных подключей в виде взаимно простых многоразрядных двоичных чисел m1 и m2, формировании вспомогательного n-битового блока данных Т, формировании n-битовой вспомогательной криптограммы См путем выполнения над М операции блочного шифрования Е в зависимости от Q по формуле CM=EQ(M), формировании n-битовой вспомогательной криптограммы CT путем выполнения над Т операции блочного шифрования Е в зависимости от R по формуле CT=ER(T), формировании криптограммы С в виде решения системы двух сравнений C≡CMmodm1 и С≡CTmodm2 с неизвестным С. В частном варианте реализации способа m1 и m2 - простые числа. 1 з.п. ф-лы.
Наверх