8.3. Методы встраивания информации на уровне битовой плоскости

8.3. Методы встраивания информации на уровне битовой плоскости

В первой главе был рассмотрен алгоритм, основанный на внедрении информации в наименее значащий бит неподвижных изображений. Этот метод отличается высокой пропускной способностью и небольшой вычислительной сложностью. В работах [1]-[6] был предложен аналогичный метод для данных, сжатых по стандарту MPEG.

Водяной знак, состоящий из l битов некоторой последовательности b_j (j = 0, 1, 2, …, l-1), внедряется в поток видеоданных, сжатых по стандарту MPEG, путем замены специально выбранных, подходящих кодовых слов кода переменной длины, заменяя наименее значащий бит их оцифрованного значения на значение b_j. Для того, чтобы убедиться, что внесенные изменения не будут заметны после декодирования, и что поток видеоданных не изменил своих размеров, необходимо выбирать только кодовые слова, для которых найдется хотя бы одно другое кодовое слово, удовлетворяющее условиям:

— одинаковая длина нулевой серии;

— различие между значениями коэффициентов ДКП равно 1;

— одинаковая длина кодовых слов.

Согласно табл. В.14 и В.15 стандарта MPEG-2 [8], таких кодовых слов существует множество. Некоторые примеры таких слов приведены в табл.8.1, где под символом s понимается бит, определяющий знак коэффициента ДКП.

В процессе встраивания водяных знаков задействуются кодовые слова, полученные, как при межкадровом (ДИКМ), так и при внутрикадровом кодировании. Коэффициенты постоянного тока не используются потому, что они могут быть предсказаны по другим коэффициентам постоянного тока. Более того, изменение всех коэффициентов постоянного тока может привести к зрительно воспринимаемым искажениям из-за накопления ошибок. При использовании же в процессе встраивания только коэффициентов переменного тока ошибка невелика.

Табл.8.1. Некоторые примеры lc-кс из таблицы В.14 стандарта MPEG-2.

Рис. 8.9. Пример процесса встраивания битов водяного знака в наименее значащие биты.

Для встраивания ЦВЗ L в MPEG видео прежде всего выполняется поиск подходящих кодовых слов. Младший бит таких слов заменяется на бит ЦВЗ. Эта процедура продолжается, пока не будут внедрены все биты водяного знака. На рис. 8.9 показан пример встраивания в двух битов.

Извлечение ЦВЗ реализуется аналогично: сначала ищутся подходящие кодовые слова, из которых берутся младшие биты.

Ясно, что скорость передачи скрытой информации определяется числом подходящих кодовых слов. Попробуем оценить ее экспериментально. Для этого воспользуемся тестовой последовательностью длительностью 10 секунд. Величина кадра 720х560 пикселов, кодируется 25 кадров в секунду, размер кодируемой группы равен 12 кадрам. В последовательности присутствуют различные типы кадров: с сравнительно гладкими областями, текстурированные участки и контуры. Для проведения эксперимента последовательность кодировалась на скоростях 1.4, 2, 4, 6, и 8 мбит/с.

В табл.8.2 показаны результаты встраивания информации в поток видеоданных, сжатый с различными скоростями. Для внедрения использовались только подходящие кодовые слова из I-кадров, исключая DC-коэффициенты. В этой таблице под количеством кодовых слов понимается количество всех кодируемых коэффициентов ДКП, включая коэффициенты, кодируемые кодами с фиксированной длиной кодового слова и коэффициенты постоянного тока. Из таблицы видно, что при работе со сжатым видео можно достичь скорости передачи информации 7 кбит/с с использованием только I-кадров.

Если же использовать и другие типы кадров, то максимальная скорость передачи данных по скрытому каналу связи может быть увеличена до 29 кбит/с. Эти результаты показаны в таблице 8.3.

Экспертные оценки показывают, что вышеописанный процесс встраивания водяного знака не приводит к каким бы то ни было зрительным эффектам при кодировании потока видеоданных на скоростях 4, 6, 8 мбит/с. Оценить степень влияния встроенных водяных знаков на качество видео при скоростях меньших 2 мбит/с не представляется возможным из-за изначально низкого его качества.

Скорость передачи сжатых данных Количество кодовых слов Количество 1с-кс Максимальная скорость передачи меточных бит 1.4 Мбит/с 334.433 1.152 (0.3 %) 0.1 кбит/с 2.0 Мбит/с 670.381 11.809 (1.8 %) 1.2 кбит/с 4.0 Мбит/с 1.401.768 34.650 (2.5 %) 3.5 кбит/с 6.0 Мбит/с 1.932.917 52.337 (2.7 %) 5.2 кбит/с 8.0 Мбит/с 2.389.675 69.925 (2.9 %) 7.0 кбит/с

Табл.8.2. Соотношение скорости кодирования потока видеоданных и максимальной скорости передачи данных по скрытому каналу связи при использовании только внутрикадрово кодированных макроблоков.

Скорость передачи сжатых данных Количество кодовых слов Количество 1с-кс Максимальная скорость передачи меточных бит 1.4 Мбит/с 350.656 1.685 (0.5 %) 0.2 кбит/с 2.0 Мбит/с 1.185.866 30.610 (2.6 %) 3.1 кбит/с 4.0 Мбит/с 4.057.786 135.005 (3.3 %) 13.5 кбит/с 6.0 Мбит/с 7.131.539 222.647 (3.1 %) 22.3 кбит/с 8.0 Мбит/с 10.471.557 289.891 (2.8 %) 29.0 кбит/с

Табл.8.3. Соотношение скорости кодирования потока видеоданных и максимальной скорости передачи данных по скрытому каналу связи.

Рассмотренный метод наряду с его неоспоримыми достоинствами — высокой пропускной способностью и небольшой вычислительной сложностью — обладает и существенным недостатком. Водяной знак, встроенный с его помощью, может быть легко удален. Для этого достаточно просто повторно наложить последовательность ЦВЗ. Тогда качество видео ухудшится незначительно, а водяной знак будет уничтожен.