ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ СТІКОСТІ ВОДЯНИХ ЗНАКІВ ДО МОДИФІКАЦІЙ КОНТЕЙНЕРА



Дана стаття проводить аналіз методів кодування тексту в контексті зображення із використанням алгоритмів найменш значимого біту (LSB), дискретного косинусного перетворення (DCT) і дискретного вейвлет-перетворення (DWT) на основі стеганографії. Оцінка продуктивності окремих методів та якості зображення цих трьох методів заснована на оцінці параметрів BER, PSNR, ємності та стійкості зображення.

Ключові слова: стеганографія, LSB, DCT, DWT, стего-зображення, BRE, PSNR

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE DIGITAL WATERMARKING ROBUSTNESS TO THE MODIFICATIONS OF THE CONTAINER

VALCHUK K.I., studentof the National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”

Ukraine, Kiev

DOROGYY Y.Y., Cand.Sc. (Eng.), Assoc. Prof, National Technical University of Ukraine “KyivPolytechnic Institute”

Ukraine, Kiev

The goal of this work is to compare methods of hiding text in an image file using algorithms Least Significant Bit (LSB), Discrete Cosine Transform (DCT) and Discrete Wavelet Transform (DWT) based steganography. An estimation of the particular technique is evaluated based on the parameters BRE, PSNR, robustness and capacity of the cover image.

Keywords: steganography, LSB, DCT, DWT, stego-image, BRE, PSNR

Стеганографія трансформувалася у цифрову стратегію приховування даних у різноманітних мультимедійних формах, таких як графічні зображення, аудіо чи навіть відео-файли. Така технологія отримала назву Цифрові Водяні Знаки (ЦВЗ). Для забезпечення високих захисних властивостей, ЦВЗ мають бути максимально стійкими до спотворення контейнеру (зовнішній мультимедійний об’єкт). В даній роботі проводиться порівняльний аналіз стійкості групи методів вбудовування ЦВЗ в нерухомі зображення до ряду спотворюючих впливів.

У даній роботі ми будемо розглядати систему, в яку вбудовується ЦВЗ, представлене цифровим зображенням M в інше цифрове зображення С, яке називається контейнером. Заповнений контейнер S може піддаватися всіляким перетворенням із подальшим виокремленням ЦВЗ. Введемо позначення E, T і D для описання процесів вбудовування ЦВЗ в контейнер, перетворення заповненого контейнера та виокремлення ЦВЗ, тоді схему стенографічної системи можна представити у вигляді:

Рисунок 1 – Схема стенографічної системи

Об’єкти тестування

До просторових методів стеганографії можна віднести метод найменш значущого біту LSB (Least Significant Bit) та метод Куттера-Джордана-Боссена (надалі метод Куттера), а до частотних – методиди скретного косинусного перетворення DCT (Discrete Cosine Tranform) та техніки дискретного вейвлет-перетворення DWT (Discrete Wavelet Transform).

Об’єктами тестування стали наступні методи вбудовування ЦВЗ: стандартний метод LSB, метод Куттера, двокоефіцієнтний алгоритм Коха-Жао на основі технології косинусного перетворення та алгоритм вейвлет-перетворення Джин-Пенг. Останній алгоритм є представником класу вбудовування ЦВЗ у низькочастотну площину вейвлет-розкладу і має вищу стійкість ніж при використанні високочастотних піддіапазонів.

Методика оцінки стійкості та умови проведення експерименту

У якості тестового зображення використовувались 10 напівтонових та 10 кольорових зображень із роздільною здатність 640x640 пікселів.

При порівнянні різних методів необхідно для кожного з них підібрати оптимальну силу вбудовування: ЦВЗ повинен бути максимально стійкий довпливів, але візуально зміна зображення не повинна відтворюватись.

Оцінка рівня спотворення зображення здійснювалася за допомогою параметра PSNR (пікове співвідношення сигнал / шум), який розраховується за формулою (1):

\[PSNR=10\lg \frac{{{255}^{2}}*M*N}{\sum\limits_{x,y}^{M,N}{{{\left( f\left( x,y \right)-\hat{f}\left( x,y \right) \right)}^{2}}}}(1),\]

Де $f\left( x,y \right)$ – контейнер,$\hat{f}\left( x,y \right)$ – стегоконтейнер, $x,y$ – координати пікселей зображення, $M,N$ – висота та ширина зображення. Спотворення вважаються помітними, якщо $PSNR\ge 43$ дБ. Алгоритми були перевірені на стійкість вбудованого ЦВЗ до найбільш поширених шкідливих впливів: компресії зображення із втратами (JPEG), зашумлення, розпливчатої фільтрації і масштабування

Співвідношення вбудованої та виокремленої інформації після зовнішнього впливу на контейнер оцінювався за допомогою коефіцієнта помилкових біт BER (Bit Error Rate), що приймає значення в діапазоні від 0 до 1:

\[BER\left(S,{{S}'}' \right)=\frac{\sum{{{p}_{i}}}}{N}(2),\]

де Si – j-й біт оригіналу вбудованої строки; S''i – біт виокремленої строки; N –загальна кількість біт.

Рівень вейвлет-розкладання зображення-контейнера для стеганографічних алгоритмів обирався від 1 до 3. Вибір коефіцієнтів сили вбудовування ЦВЗ вибирався виходячи з умови вибору максимального рівня спотворень зображення-контейнера, що не приводить до візуалізації артефактів. ЦВЗ уявлялося у вигляді псевдовипадкової бітової послідовності. Довжина бітової послідовності відповідала максимальної місткості зображення-контейнера.

Результати експерименту

У тесті на стійкість до JPEG-стиску, зображення стискалося за алгоритмом JPEG в повному діапазоні значень параметра KJPEG (від 0 до 100), відповідального за якість стиснення. Результат представлений на рисунках 2 та 3. Найбільшу стійкість для напівтонових зображень до цього типу спотворювань показав метод Джин-Пенга і найменш стійким виявився просторовий метод LSB.

Рисунок 2 – Залежність BER напівтонового зображення від коефіцієнта стиснення JPEG

Рисунок 3 – Залежність BER кольорового зображення від коефіцієнта стиснення JPEG

Для тестування був обраний медіанний фільтр, що підвищує різкість зображення, зрозміром вікна 3х3 пікселя. Результати експерименту представлені на рисунках 4 та 5. Найвищу стійкість показав метод Коха, і найгірше проявив себе LSB для обох типів зображення, проте діапазон значень BER для LSD при тестуванні напівтонового зображення ширший, аніж для кольорових.

Рисунок 4 – Залежність BER напівтонового зображення від кількості накладених фільтрів

Рисунок 5 – Залежність BER кольорового зображення від кількості накладених фільтрів

Для перевірки стійкості ЦВЗ до зашумлення, в контейнер вносився білий гаусівський шум з нульовим середнім значенням і різними значеннями середньоквадратичного відхилення, що змінюється від 0 у бік зростання до величини, що приводить до такого рівня деградації зображення, при якому його подальше використання в комерційних цілях неможливо. Результат представлений на рисунках 6 та 7. Для кольорових зображень метод Коха виявився менш ефективним при великих значеннях рівня шуму.

Рисунок 6 – Залежність BER напівтонового зображення від ступеня шуму

Рисунок 7 – Залежність BER кольорового зображення від ступеня шуму

Через те, що шум представлений одиничними пікселями, він, впершу чергу, впливає на коефіцієнти високочастотних компонентів, проте і низькочастотні компоненти також піддаються сильному впливу, особливо при значному зашумленні.

В ході експериментів зображення-контейнер стискалося в лінійних розмірах до 50% від оригіналу, тобтов 4 рази за кількістю пікселів зображення. Перед зчитуванням ЦВЗ розмір зображення-контейнера відновлювався до розміру оригіналу. Результати експерименту представлені в таблиці 1.

Таблиця 1 – Залежність коефіцієнту BER від масштабування контейнеру

Висновки

Велику небезпеку для ЦВЗ, вбудованого в область DWT, являє масштабування зображення-контейнера. При даному виді зовнішнього впливу спостерігається зменшення лінійних розмірів зображення, що може привести до зменшення втрати ЦВЗ в порівнянні з менш масштабованим зображенням, що явно спостерігається для високих рівнів розкладання в низькочастотних площинах.

Таким чином, можна рекомендувати стеганографічні алгоритмів, що використовують DCT та DWT, на основі для використання в стеганосистемах, що забезпечують підвищену стійкість ЦВЗ до впливів частотної області на зображення-контейнер. Перевагу слід віддавати алгоритмам, що використовують низькочастотну площину вейвлет-розкладання і якомога більшого рівня розкладання. Отримані результати стійкості ЦВЗ до зовнішніх впливів на зображення-контейнер підтверджують теоретичну перевагу використання технології косинусного перетворення в стеганосистемах з підвищеними вимогами до стійкості ЦВЗ.

Просторові алгоритми LSB та метод Куттера не слід використовувати при таких деформаціях як JPEG-стиснення або застосування фільтрації, так як отримані показники незадовільні. Проте, метод Куттера показав високі результати при тестуванні на зашумлення та масштабування зображення. При JPEG-перетворенні метод Коха є ненадійним при великих коефіцієнтах стискання.

Стеганографічні алгоритми, що використовують DWT, забезпечують високу стійкість ЦВЗ до JPEG стиснення з втратами. Застосування всього 3-х рівневого розкладання може гарантувати практичну невразливість ЦВЗ до даного виду впливу.

При низькочастотній фільтрації, стійкість ЦВЗ підвищується при збільшенні рівня розкладання, що призводить до перевищення розміру проекції області вбудовування над розміром вікна фільтрів. Фільтри, що підвищують контрастність зображення, призводять до значних втрат ЦВЗ, що вимагає розробки додаткового захисту від даного виду впливів.

Список літератури

  1. Krenn. steganography and steganalysis[Електронний ресурс] / Krenn – Режим доступу до ресурсу:http://www.krenn.nl/univ/cry/steg/article.pdf.

  2. Neeta. Implementation of LSBSteganography and its [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу:http://www.ijana.in/papers/v2i5\-11.pdf.

  3. Goel. A Review of Comparison Techniquesof Image Steganography [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу:http://www.iosrjournals.org/iosr\-jeee/Papers/Vol6\-issue1/G0614148.pdf.

  4. Digital Image Steganography Based onAssignment Algorithm and Combination of DCT-IWT [Електронний ресурс] – Режимдоступу до ресурсу:http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=6274358&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F6273236%2F6274306%2F06274358.pdf%3Farnumber%3D6274358.
May 24, 2016