Техника водяных знаков.
Техника «водяных знаков»
Изначально техника маркирования изображений цифровыми «водяными знаками» (а позднее и цифровых аудиосигналов и видеоданных) была разработана для защиты авторских прав). В предлагаемой вашему вниманию статье описывается нетрадиционный способ использования «водяных знаков».
В данной статье мы предлагаем рассмотреть технику «водяных знаков» для обнаружения искажений в цифровых изображениях. Эта техника дает нам возможность выделить побочные (искажающие) изменения свойств, появившиеся в результате обработки изображения, путем сравнения коррелированных величин из различных его частей. Для реализации этой техники требуется незначительный объем памяти и небольшие вычислительные мощности, что делает возможным ее применение для аппаратной реализации в цифровых фотоаппаратах.
Техника представляет собой деление изображения на блоки и маркирование этих блоков «водяными знаками», зависящими от секретного ключа (идентификационного номера камеры) и протяженности изображения. Данный метод «водяных знаков» базируется на использовании широкополосных сигналов. Для достижения непрерывной зависимости от изображения мы предлагаем специальный процесс извлечения отдельных битов из каждого блока с учетом порогового значения, сгенерированного на основе зависимых от ключа случайных гладких шаблонов. Далее эти биты используются для инициализации PRNG и синтеза широкополосного сигнала.
1. Введение
Мощные общедоступные графические пакеты, такие как, например, Adobe Photoshop или Paintshop Pro, имеют в своем арсенале различные инструменты, способные серьезно изменить реальные изображения. Это может быть и совмещение различных частей одного или нескольких изображений, причем настолько качественное, что границ просто незаметно. Подобную модификацию (монтаж) изображения в ряде случаев можно обнаружить при исследовании зашумления различных частей изображения путем сравнения гистограммы непересекающихся блоков изображения или путем поиска нарушения непрерывности областей. Однако опытные фальсификаторы делают монтаж так, что обнаружить подлог практически невозможно.
Возможность обработки изображения является одной из причин того, что они никогда не принимаются в качестве вещественного доказательства. С другой стороны, в некоторых сферах деятельности (особенно для военных) очень важно знать, была совершена подделка полученного цифрового изображения или нет.
Для эффективного обнаружения подделки изображения может быть использована техника маркирования «водяными знаками», с помощью которой помечаются небольшие блоки изображения, «Водяные знаки» будут зависеть от секретного ключа, используемого в дальнейшем при обнаружении модификации изображения.
Одной из первых техник, применяемых для обнаружения искажений (модификации) изображения, была техника, основанная на внедрении контрольных сумм в наименьший значащий бит (LSB). Уэлтон [1] предложил технику, в которой используется зависимая от ключа псевдослучайная последовательность, «гуляющая» по изображению. Контрольная сумма строится из семи старших битов и вставляется в LSB выбранных пикселей. Контрольную сумму делают «гуляющей» для того, чтобы предотвратить модификацию обменивающихся групп пикселей с той же контрольной суммой. Однако, хотя контрольные суммы и могут обеспечить очень высокую вероятность обнаружения изменений, они не могут различить регулировку яркости и модификацию, изменяющую лицо на изображении. Увеличение градаций серого для всех пикселей дает более значительные изменения, даже если изображение остается неизменным и пригодным для использования.
Ван Шиндел и др. [2] модифицировали LSB пикселей, добавив длинную т-последовательность к рядам пикселей, фаза которой несет информацию о «водяном знаке». В качестве теста для определения наличия «водяного знака» используется простая кросс-корреляция. Этот способ при любой LSB технике обеспечит низкий уровень безопасности и не будет устойчив к операциям обработки изображения с низкочастотными характеристиками.
Вольфганг и Делн [3] расширили работу Ван Шиндела и улучшили свойства локализации и ошибкоустойчивости. Они использовали m-последовательность в пределах (-1,1), размещенную в блоках размером 8х8 пикселей, и добавили их к соответствующим блокам изображения. Их техника является умеренно стойкой по отношению к прямолинейной и нелинейной фильтрации и небольшому добавочному (дополнительному) шуму. Однако, поскольку «водяной знак» вставлен в LSB плоскости, он может быть легко удален.
Цю и др. [4] предложили техники, основанные на использовании маскирования в пространственной и частотной области. Такие «водяные знаки» являются гарантированно невидимыми, но тем не менее позволяют выявлять ошибки более половины максимально допустимых изменений в каждом пикселе или частоте в зависимости от используемой техники маскирования. Изображение делится на блоки, в каждом из которых фиксируется секретная случайная подпись, промодулированная маскирующим значением этого блока. При этом оценка погрешности для маленьких искажений получается достаточно точной.
Однако неясно, может ли эта техника обеспечить необходимую информацию для изображений, искажения в которых видны на глаз.
В этом случае лучше использовать более стойкую схему маркирования «водяными знаками», применяемую к большим блокам. «Водяные знаки» в описанном методе [4] в слабой степени зависят от изображения.
Секретная подпись не должна зависеть от изображения — она модулирована маскирующими значениями каждого блока. Но эти маскирующие значения доступны и могут быть легко вычислены. Маркирование большого количества изображений с одним секретным ключом не будет безопасным, поэтому эту технику нельзя использовать в цифровых камерах (фотоаппаратах).
В данной статье мы описываем технику, в которой используются стойкие «водяные знаки» для больших блоков (64х64 пикселей). Для предотвращения несанкционированного устранения или искажения «водяной знак» должен зависеть от секретного ключа S (ID), количества блоков В и от содержания блока. Содержание каждого блока представляется с М битами, извлеченными из блока при использовании случайного гладкого шаблона и определенного порогового значения. В результате получается М-кортеж (упорядоченный набор) для подобных блоков, позволяющий успешно синтезировать широкополосный сигнал маркированного искаженного изображения. Широкополосный сигнал для каждого блока генерируется сложением псевдослучайной М-последовательности однородно распределенной в (-1, 1). Причем каждая последовательность зависит от секретного ключа, номера блока и бита, извлеченного из блока. Если k из М битов извлечены неправильно из-за искажения изображения, то широкополосный сигнал будет иметь большую корреляцию с изображением до тех пор, пока k