Способ формирования и внедрения цифрового водяного знака в цифровое изображение
Владельцы патента RU 2765871:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к способам защиты информации, а именно - к способам защиты управляющих сигналов с помощью внедрения цифровых водяных знаков. Техническим результатом является сокращение вычислительных затрат на формирование цифрового водяного знака и стегоизображения, являющегося комбинацией защищаемого цифрового изображения и цифрового водяного знака. Предложен способ формирования цифровых водяных знаков. Согласно способу, осуществляют расчет значений адаптивной ширины информативной части знака и кольцевой симметричной формы. При этом при встраивании цифрового водяного знака размером n×n пикселей, имеющего фактор силы а, в цифровое изображение размером m×k пикселей. Причем значения m и k минимум в 10 раз больше значения n, в области цифрового изображения выбирают блок 2n×2n пикселей, внутри которого размещают цифровой водяной знак. После чего каждому пикселю, находящемуся внутри блока, присваивают значение, которое зависит от исходного амплитудного значения коэффициента дискретного преобразования Фурье в точке цифрового изображения, соответствующего пикселя. 2 з.п. ф-лы.
Заявляемое изобретение относится к способам защиты информации, а именно - к способам защиты управляющих сигналов с помощью внедрения цифровых водяных знаков.
Из уровня техники известен способ формирования заверенного цифровым водяным знаком цветного электронного изображения (RU №2541865 С1, 20.02.2013), который заключается в том, что на передающей стороне осуществляют масштабирование цифровых данных изображения к стандартному размеру, применяют дискретное преобразование Фурье (ДПФ) к этим данным и определяют амплитуду ДПФ при одновременном запоминании фазы, осуществляют выделение локальных областей амплитудного спектра так, чтобы позиции их центров совпадали с позициями ненулевых значений ключа К, выбирают максимальные значения амплитудного спектра в каждой локальной области и осуществляют корректировку этих значений при условии сохранения приемлемого качества изображения, скорректированные максимальные значения амплитудного спектра помещают в центр каждой локальной области, замещая исходные значения амплитудного спектра на этих позициях, осуществляя вложение идентификационного ключа в изображение, выполняют операции восстановления симметрии амплитуды и, используя ранее сохраненную фазу, выполняют обратное ДПФ для получения цифровых данных с вложенным водяным знаком. Недостатком этого технического решения является то, что ДПФ и обратное ДПФ, применяемые к цифровому объекту для перехода в частотную область, существенно увеличивают время затраты на вычисления с увеличением размерности самого объекта.
Технической задачей, решаемой с помощью заявляемого изобретения, является совершенствование технологий защиты сигналов, передаваемых между элементами многоагентной системы, с помощью формирования устойчивых к случайным и намеренным искажениям цифровых водяных знаков и их внедрения и тем самым сокрытия как данных, так и факта их передачи - это особенно актуально для проектирования многоагентных робототехнических систем различного назначения.
Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявляемого изобретения, заключается в сокращении времени формирования стегоизображения, являющегося комбинацией защищаемого цифрового изображения и цифрового водяного знака.
Предлагаемый алгоритм встраивания позволяет не только сократить вносимые в цифровые изображения искажения при высокой емкости передаваемых данных, но и обеспечивает устойчивость цифрового водяного знака перед случайными (при передаче цифрового изображения) и намеренными (со стороны злоумышленника) искажениями за счет формы и расположения информативной части цифрового водяного знака.
Передаваемое сообщение представляется в виде битовой последовательности. Исходя из объема сообщения происходит расчет ширины кольца цифрового водяного знака. Чтобы область концентрации информации находилась в средних частотах, значение Rmax зафиксировано, а Rmin подстраивается в зависимости от объема передаваемой информации, но обе границы зависят от размера цифрового водяного знака n. Кольцо с граничными значениями ширины позволяет вместить порядка 150 символов.
Расчет значений ЦВЗ согласно формуле:
где Rmin и Rmax - границы кольцевой области, 
Формирование цифрового водяного знака с информативной составляющей в форме кольца адаптивной ширины сокращает время формирования ЦВЗ, сам знак содержит больше полезной информации, что позволяет повысить устойчивость перед атаками, искажающими контейнер за счет того, что область полезной информации сокращена и более сконцентрирована.
Формируемый ЦВЗ обладает свойством симметрии за счет зеркального отражения значений по диагонали.
Способ внедрения цифровых водяных знаков в цифровые изображения заключается в том, что при встраивании цифрового водяного знака размером n×n пикселей, имеющего фактор силы а, в цифровое изображение размером m×k пикселей, причем значения m и k минимум в 10 раз больше значения n, в области цифрового изображения выбирается блок 2n×2n пикселей, внутри которого размещается цифровой водяной знак, после чего каждому пикселю, находящемуся внутри блока, присваивается значение
где М - исходное амплитудное значение коэффициента дискретного преобразования Фурье в точке цифрового изображения, соответствующего пикселю; W - амплитудное значение коэффициента дискретного преобразования Фурье в точке цифрового водяного знака, соответствующего пикселю, а изображение, пиксели в блоке 2n×2n пикселей которого заменены пикселями М', является цифровым изображением с внедренным цифровым водяным знаком.
Для упрощения реализации способа положение блока 2n×2n пикселей в области цифрового изображения может выбираться случайным образом так, чтобы весь блок находился в границе изображения.
Для упрощения реализации способа положение цифрового водяного знака в области блока пикселей может выбираться случайным образом так, чтобы весь цифровой водяной знак находился внутри блока.
Функционирование заявляемого способа секретной передачи сигнала с применением цифровых водяных знаков заключается в следующем.
Имеются: секретное сообщение длиной l, размеры цифрового водяного знака n×n, цифровое изображение размером m×k, задан фактор силы цифрового водяного знака а.
Необходимо получить стегоизображение размером m×k, являющееся комбинацией защищаемого цифрового изображения и сформированного цифрового водяного знака.
Секретное сообщение преобразуется в битовую последовательность длиной l. На основе длины l и граничного значения Rmax рассчитывается значение Rmin. Формируется цифровой водяной знак размером n×n согласно
где Rmin и Rmax - границы кольцевой области, 
В области цифрового изображения выбирается блок 2n×2n пикселей, внутри которого размещается цифровой водяной знак, после чего каждому пикселю, находящемуся внутри блока, присваивается значение
где М - исходное амплитудное значение коэффициента дискретного преобразования Фурье в точке цифрового изображения, соответствующего пикселю; W - амплитудное значение коэффициента дискретного преобразования Фурье в точке цифрового водяного знака, соответствующего пикселю.
При разработке способа опробованы аддитивный и мультипликативный подходы внедрения цифрового водяного знака. В результате решено остановиться на мультипликативном подходе, поскольку его применение вносило меньшее искажение в защищаемое цифровое изображение при обеспечении достаточно высокой (более 0,999) вероятности правильного обнаружения встроенного цифрового водяного знака.
Поскольку площадь блока встраивания больше площади цифрового водяного знака, границы внесенных искажений будут достаточно размыты и незаметны, а скорость обработки изображения увеличится в разы.
Помимо повышения скорости встраивания это позволит повысить устойчивость к различным искажениям стегоизображения, так как доля информативного блока в общем изображении относительно мала и менее уязвима.
1. Способ формирования и внедрения цифровых водяных знаков в цифровые изображения, характеризующий тем, что в адаптивной ширине информативной части знака и кольцевой симметричной формы, значения для которых рассчитывают согласно
где Rmin и Rmax - границы кольцевой области, 
при встраивании цифрового водяного знака размером n×n пикселей, имеющего фактор силы а, в цифровое изображение размером m×k пикселей, причем значения m и k минимум в 10 раз больше значения n, в области цифрового изображения выбирают блок 2n×2n пикселей, внутри которого размещают цифровой водяной знак, после чего каждому пикселю, находящемуся внутри блока, присваивают значение
где М - исходное амплитудное значение коэффициента дискретного преобразования Фурье в точке цифрового изображения, соответствующего пикселю; W - амплитудное значение коэффициента дискретного преобразования Фурье в точке цифрового водяного знака, соответствующего пикселю, а изображение, пиксели в блоке 2n×2n пикселей которого заменены пикселями М', является цифровым изображением с внедренным цифровым водяным знаком, положение блока 2n×2n пикселей в области цифрового изображения выбирается случайным образом так, чтобы весь блок находился в границе изображения, положение цифрового водяного знака в области блока пикселей выбирается случайным образом так, чтобы весь цифровой водяной знак находился внутри блока.
2. Способ по п. 1, отличающийся подстраиваемой шириной информативной части цифрового водяного знака, позволяет сократить вычислительные затраты на формирование цифрового водяного знака, а также вносить меньшие искажения в цифровое изображение при встраивании.
3. Способ по п. 1, отличающийся симметричной кольцевой формой информативной части цифрового водяного знака, позволяет повысить устойчивость сокрытой информации к случайным и намеренным атакам, в том числе частичной потере данных цифрового изображения, поворот цифрового изображения, изменение контрастности, яркости, сжатие.
