8.2. Методы встраивания информации на уровне коэффициентов

8.2. Методы встраивания информации на уровне коэффициентов

В методе, предложенном в работе [7], осуществляется добавление псевдослучайного массива к DC-коэффициентам видео, сжатого по стандарту MPEG. В процессе встраивания ЦВЗ непосредственно участвуют только значения яркости в I-кадрах.

Для внедрения водяного знака осуществляется следующая процедура:

1. На секретном ключе генерируется массив псевдослучайных целых чисел {-1,1}, имеющий те же размеры, что и I-кадр.

2. Полученный массив модифицируется в соответствии водяным знаком и умножается на некоторый коэффициент усиления.

3. Значения коэффициентов постоянного тока каждого из I-кадров складываются с соответствующими числами модифицированного массива.

Авторы этого метода утверждают, что при его применении значительно ухудшается качество видео. Следовательно, чтобы сохранить необходимое качество получаемого в результате видео, коэффициент усиления необходимо брать низким (<1), и количество пикселов на один бит ЦВЗ должно быть достаточно большим (>>100,000). Это происходит, главным образом, из-за того, что элементы массива ЦВЗ внедряются только в один из 64 коэффициентов ДКП — коэффициент постоянного тока. А к изменениям в этой области человеческий глаз особенно чувствителен.

В статьях [9]-[11] предложен более тонкий метод встраивания битов ЦВЗ в коэффициенты ДКП. При использовании этого метода осуществляется внедрение информации не только в коэффициенты постоянного тока, но и в коэффициенты переменного тока в I, Р, В-кадров. ЦВЗ, как и в предыдущем случае, представляет собой массив псевдослучайных чисел. Для того, чтобы встроить ЦВЗ, массив W(x,y) делится на блоки размером 8*8. Затем над этими блоками осуществляется ДКП, и коэффициенты преобразования обозначаются, как W_x,y(u,v), где х, у=0,8,16,… и u,v=0,…,7. После этого выполняется зигзагоообразное сканирование блоков W_x,y(u,v), в результате чего получается одномерный массив W_x,y(i), где I=0….,63. Тогда W_x,y(0) — это коэффициент постоянного тока, а W_x,y(63) — коэффициент переменного тока, соответствующий наивысшей частоте. Такой же обработке подвергаются и блоки видеоданных, и массив I_x,y(i) поэлементно складывается с ЦВЗ. Таким образом, для каждого массива видеоданных I_x,y(i) любого из типов кадров осуществляются действия:

1. Изменяется коэффициент постоянного тока:

. (8.1)

Это означает, что среднее значение ЦВЗ складывается со средним значением блока видеоданных.

2. Для встраивания информации в коэффициенты переменного тока поток бит кодируемого блока просматривается по кодовым словам (код Хаффмана) на предмет нахождения ненулевого коэффициента ДКП. Длина серии и значение этого кодового слова декодируются для определения позиции и амплитуды I_x,y(i) коэффициента — кандидата для внедрения информации.

3. Определяется стегообраз этого коэффициента

. (8.2)

Размер S_zI кодовых слов, необходимых для кодирования I_x,y(i) и размер S_zIw кодовых слов, необходимых для кодирования I_Wx,y(i), определяются с использованием таблицы кода переменной длины В.14 и В.15 стандарта MPEG-2 [8]. Если размер кодового слова, предназначенного для кодирования стегообраза коэффициента ДКП, меньше или равен длине кодового слова, предназначенного для кодирования исходного коэффициента ДКП, то исходное кодовое слово заменяется. В противном случае оно остается неизменным. Это означает, что коэффициент ДКП I_x,y(i) модифицируется следующим образом:

Если

4. Процедура кодирования повторяется до тех пор, пока все коэффициенты переменного тока блока видеоданных не будут обработаны таким же образом.

Для извлечения водяного знака поток видеоданных полностью декодируется, и биты водяного знака извлекаются путем вычисления корреляции между стегообразом и водяным знаком.

Главной проблемой непосредственной модификации коэффициентов ДКП в сжатом потоке видео является накопление сдвига или ошибок. Дело в том, что предсказания по предыдущим кадрам используются для восстановления действующего кадра, который, в свою очередь, может служить основой для будущих предсказаний. Следовательно, искажения, вносимые процессом встраивания ЦВЗ, могут распространяться как во временной, так и в пространственной области. Для компенсации искажений добавляется специальный сигнал. Этот сигнал должен быть равен отличию между предсказанием вектора компенсации движения видео с встроенным ЦВЗ и без него.

Недостатком такого подхода является увеличение сложности алгоритма встраивания ЦВЗ, так как для вычисления сигнала компенсации необходимо выполнить полное декодирование сжатого видео и вычислить ДКП, как это показано на рис 8.8.

Рис. 8.8. Увеличение сложности вычислений, необходимое для компенсации сдвига

В силу ограничения на битовую скорость, при внедрении модифицируются только около 10–20 % коэффициентов ДКП, в зависимости от содержания блока видеоданных и грубости MPEG-квантователя. В некоторых случаях, особенно для низкоскоростного видео, изменяются только коэффициенты постоянного тока. Так как биты водяного знака могут быть внедрены только в ненулевые коэффициенты, внедряемый водяной знак зависит от содержания блока видеоданных. В областях, где имеется только низкочастотное содержание, водяной знак будет состоять только из низкочастотных компонент.

Авторы рассматриваемого алгоритма утверждают, что его сложность меньше сложности последовательного выполнения операций декодирования видео, внедрения ЦВЗ, сжатия видео [11]. Водяной знак не заметен на глаз, за исключением непосредственного сравнения стегообраза с соответствующим ему пустым контейнером, и ЦВЗ сохраняется при следующих операциях: фильтрование, зашумление (аддитивным шумом) и дискретизация.