Старченко, Алексей Петрович. Методы встраивания и идентификации скрытых водяных знаков

Короткий опис

Старченко, Алексей Петрович. Методы встраивания и идентификации скрытых водяных знаков : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.19 / Старченко Алексей Петрович; [Место защиты: С.-Петерб. гос. ун-т информац. технологий, механики и оптики].- Санкт-Петербург, 2011.- 103 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/2145

Санкт-Петербургский-государственныйуниверситет
информационных технологий, механики и оптики
На правах рукописи
Старченко Алексей Петрович
Методы встраивания и идентификации скрытых
водяных знаков
05.13.19 «Методы и системы защиты информации, информационная безопасность»
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: д.т.н., профессор Ю.А. Гатчин
Санкт-Петербург
2011
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА МЕТОДОВ ВСТРАИВАНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ СКРЫТЫХ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ В ИЗОБРАЖЕНИЕ 12
1.1 Обзор состояния вопроса 12
1.1.1 Классификация ЦВЗ 14
1.1.2 Требования к ЦВЗ 17
1.1.3 Типы стеганоконтейнеров 19
1.1.4 Область применения ЦВЗ 19
1.1.5 Встраивание ЦВЗ 21
1.1.6Детектирование ЦВЗ 23
1.2 Анализ и выбор алгоритмов встраивания ЦВЗ 24
1.2.1 Выбор преобразования для скрытия данных 26
1.2.2 Скрытие данных в коэффициентах матрицы ДКП 27
1.2.3 Стегано алгоритмы сокрытия данных в коэффициентах ДКП 28
1.2.4 Преобразование данных в пространственной области 29
1.2.5 Встраивание ЦВЗ в области преобразования 29
1.2.6 Алгоритмы на основе квантования 30
1.2.7 Алгоритмы, использующие фрактальное преобразование 32
1.3. Метод встраивания и идентификации скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии 33
1.3.1 Цифровая голография 34
1.3.2 Алгоритм встраивания и идентификации скрытых водяных знаков на
основе цифровой голографии 37
ВЫВОДЫ 40
КЛАВА 2: МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ГОЛОГРАММЫ HATHDCHOBE ДИСКРЕТНОГО КОСИНУСНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ЗАДАЧЕ
ВСТРАИВАНИЯ СКРЫТЫХ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ 41
2.1 Принцип устранения избыточности в цифровой голограмме водяного знака 41
2.2 Построение голограмм на основе дискретного косинусного
преобразования для встраивания скрытых водяных знаков 45
2.3 Оценка отношения сигнал/шум при восстановлении скрытых водяных
знаков 46
ВЫВОДЫ 55
ГЛАВА 3. МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ВСТРАИВАНИИ СКРЫТЫХ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ В ФОТОИЗОБРАЖЕНИЕ 56
3.1 Технология встраивания скрытых водяных знаков на основе цифровой
голографии 56
3.2 Размещение цифровых водяных знаков относительно ФПМ сквозного
тракта ОЭС 57
3.3 Размещение цифровых водяных знаков относительно пространственного
спектра изображения-контейнера 63
3.4 Компенсация передаточной характеристики сквозного тракта ОЭС 69
3.5 Программно-аппаратный комплекс для встраивания скрытых водяных
знаков в фотоизображение 75
ВЫВОДЫ 78
ГЛАВА 4. МЕТОД СЖАТИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ЦИФРОВЫХ ГОЛОГРАММ ФУРЬЕ В ЗАДАЧЕ ВСТРАИВАНИЯ
СКРЫТЫХ ВОДЯНЫХ ЗНАКОВ 79
4.1 Технология встраивания скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии 79
4.2 Анализ зависимости динамического диапазона интенсивности цифровой
голограммы с рассеивателем от коэффициента усиления водяного знака 80
4.3 Исследование логарифмического сжатия амплитуды интенсивности
цифровой голограммы Фурье с рассеивателем 85
ВЫВОДЫ 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
ЛИТЕРАТУРА 96
ПРИЛОЖЕНИЕ 103
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИИ
ДКП дискретно косинусное преобразование. ДПФ дискретное преобразование Фурье. ЦВЗ цифровой водяной знак.
ВЗ водяной знак
ОЭС оптико-электронная система.
СКО среднеквадратическое отклонение. С/Ш сигнал/шум
Актуальность темы. Развитие средств и методов защиты
информационного наполнения документов остается традиционной и
актуальной задачей. Одним из ключевых элементов многих документов
является фотография. Защита авторских прав владельцев на
фотоизображение, защита торговой марки полиграфической продукции,
противодействие копированию и подделкам фотографий — далеко не полный
перечень применений методов защиты изображений. Развитие средств
вычислительной техники в последнее десятилетие дало новый толчок для
компьютерной стеганографии. Популярность получили методы защиты
изображений с помощью скрытых водяных знаков. Наметилось новое
научное направление - цифровая стеганография. К составной части этого
направления относится встраивание цифровых водяных знаков (ЦВЗ) в
изображение. Противодействие методам подделки и фальсификации
бумажных, а в последнее время и пластиковых документов является
традиционной и актуальной задачей защиты носителей информации. Одним
из основных элементов для многих документов является фотография.
Документы удостоверяющие личность, свидетельства регистрации и учета
транспортных средств, фискальные марки, бланки полисов и лицензий,
проездные документы, билеты, дипломы, удостоверения личности часто
становятся объектом подделки и фальсификации. Ущерб от фальсификации
документов не ограничивается материальными потерями: эта проблема
порой затрагивает вопросы национальной и личной безопасности. В 1994 в
структуре фальшивомонетничества преобладала подделка российских
денежных знаков (6387 из 7061 преступлений). В 462 случаях
фальсифицировалась иностранная валюта, а в 163 случаях - ценные бумаги. В
1996 году ущерб, причиненный России от подделки денег, составил более
одного миллиарда рублей. Поддельной иностранной валюты в России в 1996
6
году было изъято 4249 купюр различного достоинства на сумму 3 57620 долларов США. В подавляющем большинстве случаев подделываются доллары, гораздо реже немецкие марки. В настоящее время на территории России стремительно выросло число выявленных подделок 1000-рублевых банкнотов (их было изъято на сумму около 2,5 миллиона рублей).
В настоящее время разрабатываются новые средства защиты, основанные на последних достижениях физики, химии, микроэлектроники. Недостаток существующих средств защиты официальных документов состоит в отсутствии условной зависимости события подмены объекта идентификации (фотография владельца документа) относительно средства защиты (защитной оптической голограммой). Подмена объекта идентификации (фотографии) при сохранении защитной голограммы не влечет за собой вывода о подделке документа.
Процесс внедрения ЦВЗ и процесс идентификации решаются исключительно цифровыми средствами, процессы фотопечати и сканирования фотодокументов остаются аналоговыми. Очевидно, что методы внедрения скрытых водяных знаков должны обеспечивать устойчивость к физическим воздействиям со стороны фотопечати и сканирования.
В результате анализа текущего состояния в сфере стеганографических алгоритмов, предназначенных для внедрения данных, был сделан вывод о необходимости разработки нового метода сокрытия данных, позволяющего скрывать информацию не только в цифровых изображениях, но и в фотографиях. Предложен метод встраивания и восстановления скрытых ЦВЗ в фотоизображение на основе цифровой голографии. ЦВЗ представляет собой голограмму и встраивается в изображение.
В результате анализа стойкости современных стеганоалгоритмов к различным воздействиям был сделан следующий вывод: необходимо разработать алгоритмы и методы, повышающие отношение сигнал/шум восстановленного водяного знака и уменьшающие искажения в изображении - контейнере. Внедрение методов, реализованных в виде программно-аппаратного комплекса позволит сократить потери от незаконного использования как цифровых, так и аналоговых изображений, являющихся интеллектуальной собственностью. Таким образом тема диссертационной работы является актуальной.
Предметом исследования является повышение отношения сигнал/шум восстановленного водяного знака и уменьшение искажений в изображении- контейнере, содержащем скрытый водяной знак.
Целью работы является разработка методов и алгоритмов на основе цифровой голографии, позволяющих повысить отношение сигнал/шум восстановленного водяного знака и уменьшить искажения в изображении- контейнере, содержащем скрытый ЦВЗ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методику сравнительного анализа устойчивости различных стеганоалгоритмов.
2. Разработать метод и алгоритм построения голограммы водяного знакана основе дискретного косинусного преобразования для защиты изображения;
3 .Разработать методику компенсации искажений, возникающих состороны фотопечати и сканирования изображения, содержащего ЦВЗ;
4.Разработать метод и алгоритм сжатия динамического диапазона цифровых голограмм Фурье для снижения искажений в изображении-контейнере, содержащем ЦВЗ.
Методы исследования. В методах исследования использовались: методы теоретического и эмпирического исследования, вычислительной математики, методы программирования, цифровой голографии.
Научная новизна работы. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Разработана методика построения голограммы ВЗ на основе ДКП с вещественным фазовым рассеивателем для встраивания скрытых ВЗ в изображение;
2. Разработана методика компенсации искажений с помощью умножения функции сигнала ВЗ на инверсную функцию передаточной характеристики системы;
3. Логарифмирование функции интенсивности голограмм с рассеивателем вцелях снижения искажений в изображении-контейнере;
4. Разработан программно-аппаратный комплекс встраивания и идентификации скрытых ВЗ в фотоизображение на основе цифровой голографии.
Практическая ценность.
1. Проанализированы методы построения голограммы ЦВЗ на основе дискретного косинусного преобразования и преобразования Фурье. Даны рекомендации к практическому использованию методов.
2. Разработан метод априорной компенсации воздействия передаточной характеристики сквозного тракта оптико-электронной системы фотопринтер-фотоноситель-фотосканер в задаче встраивания ЦВЗ.
3. Разработан метод сжатия динамического диапазона цифровых голограмм Фурье в задаче встраивания скрытых ЦВЗ.
4. Разработан программно-аппаратный комплекс для встраивания скрытых водяных знаков в фотоизображение.
Внедрение результатов работы. Программно-аппаратный комплекс использован при разработке курса практических занятий в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики по специальности 090104 «Комплексная защита объектов информатизации». Полученные результаты исследований реализованы в ООО «Нева-Кард».
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 8 печатных работ, в том числе 3 входящие в перечень, рекомендованный ВАК РФ для опубликования кандидатских диссертаций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы прошли апробацию в ходе докладов и обсуждений на: XXXVIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО; VI Всероссийская межвузовской конференции молодых ученых, 14-17 апреля 2009 г. СПб; VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, 20-23 апреля
2010 г. СПб; IX международной научно-практической конференции “Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности”, 22-23 апреля 2010 г. СПб; конференции ППС, февраль
2011 г., где получили одобрение.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Метод дискретного косинусного преобразования для построения голограммы в задаче встраивания скрытых водяных знаков;
2. Метод компенсации влияния функции передачи модуляции на процессы фотопечати и сканирования при встраивании скрытых цифровых водяных знаков в фотоизображение.
3. Метод сжатия динамического диапазона цифровых голограмм Фурье в задаче встраивания скрытых ЦВЗ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований, изложена на 103 страницах, содержит 56 рисунков и 6 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационный работы, сформулированы цели и задачи исследования.
В первой главе разработана модель изображений для, которых применимы методы встраивания и восстановления скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии. Рассмотрены понятия, относящиеся к стеганографии как науке. Рассмотрены методы цифровой голографии: синтез и восстановление голограмм. Основное внимание уделено цифровой голографии, при помощи методов которой создается голограмма скрытого цифрового водяного знака для последующего встраивания в изображение- контейнер.
Во второй главе представлены основные положения предлагаемого метода построения голограммы скрытого цифрового водяного знака на основе дискретного косинусного преобразования (ДКП).
В третьей главе разработан метод априорной компенсации пространственно-частотной характеристики на процессы фотопечати и сканирования в задаче встраивания скрытых водяных знаков.
В четвертой главе разработан метод сжатия динамического диапазона цифровых голограмм Фурье для уменьшения искажений в изображении- контейнере, содержащем скрытый водяной знак.

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Суммируя результаты, полученные в отдельных разделах работы, можно сказать, что цель диссертации, сформулированная во введении, а именно, разработка методов и алгоритмов встраивания и идентификации скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии - достигнута.
В процессе исследовательской деятельности по разработке методов и алгоритмов встраивания и идентификации скрытых водяных знаков на основе цифровой голографии были получены следующие результаты:
1. Разработанный метод и алгоритм построения голограммы водяного
на основе ДКП по критерию отношения С/Ш превышает метод построения голограммы на основе ДПФ в 1,6 раза. Метод обеспечивает увеличение в 2 раза динамического диапазона восстановленного изображения водяного знака.
2. Разработанный метод априорной компенсации искажений ФПМ при встраивании скрытых водяных знаков в фотоизображение на основе цифровой голографии показал увеличение отношения С/Ш в 1,44 раза.
3. Разработанный метод логарифмичекого преобразования интенсивности голограммы скрытого водяного знака показал уменьшение динамического диапазона на 37%, при этом уменьшение СКО интенсивности голограммы водяного знака составило 12%.
Разработан программно-аппаратный комплекс для встраивания скрытых водяных знаков в фотоизображение.