8.4. Метод встраивания информации за счет энергетической разности между коэффициентами

8.4. Метод встраивания информации за счет энергетической разности между коэффициентами

Далее описывается метод, сочетающий в себе достоинства методов, работающих с исходным и сжатым видео. В его основе лежит дифференциальное встраивание энергии (ДЭВ) ЦВЗ [3]-6].

В случае MPEG/JPEG кодированных видеоданных ДЭВ может быть осуществлено в области коэффициентов. Сложность алгоритма ДЭВ незначительно выше сложности описанного ранее метода, основанного на НЗБ, и значительно ниже метода основанного на корреляции с компенсацией ошибок предсказания, также описанного ранее. Метод ДЭВ может быть применен не только к видеоданным MPEG/JPEG, но и к другим алгоритмам сжатия видео, например, к вейвлет-кодеру нуль-дерева [13].

Метод ДЭВ осуществляет внедрение ЦВЗ, состоящего из l бит b_j (j = 0, 1, 2, …, l-1) в I-кадры MPEG-видео или в JPEG-изображения. Каждый бит ЦВЗ встраивается в выбранную область, состоящую из n блоков по 8*8 коэффициентов ДКП канала яркости изображения каждый.

На рис. 8.12 показан пример, в котором первый бит ЦВЗ расположен в верхнем левом углу изображения или I-кадра в выбранной области, состоящей из 16 (n=16) блоков 8*8 коэффициентов ДКП. Размер этой области определяет скорость вложения информации. Чем выше n, тем ниже скорость.

Бит ЦВЗ внедряется в выбранную область модификацией разности энергий D между высокочастотными коэффициентами ДКП верхней части этой области (субобласть А) и ее нижней части (субобласть В). Подмножество ВЧ коэффициентов обозначается S(c) и показано на рис. 8.13 белыми треугольниками.

Энергия субобласти А вычисляется по формуле

, (8.4)

где - коэффициент ДКП с индексом i из d-го блока коэффициентов ДКП субобласти А; []_Q — означает, что энергия вычисляется у квантованных коэффициентов.

Рис. 8.12. Позиции битов ЦВЗ в I-кадре.

Энергия субобласти В вычисляется аналогичным способом.

Подмножество S(с) определяется на основе выбранного порога

. (8.5)

Выбор подходящего значения порога крайне важен, так как этим определяется стойкость ЦВЗ к удалению и его заметность на изображении. Когда порог для каждой lc-области определен, разность энергий определяется следующим образом:

. (8.6)

На рисунке 8.13 графически показана процедура вычисления разности энергий для области, состоящей из 16 блоков 8*8 коэффициентов ДКП.

Значение внедряемого бита определяет знак энергетической разности. Если значение бита «0» то D > 0, в противном случае D < 0. Следовательно, процедура встраивания информации модифицирует энергии ЕА или ЕВ, чтобы встроить информацию в разность энергий D. Если встраивается нуль, то в блоках по 8*8 коэффициентов субобласти В после пороговой обработки энергия будет удалена, а коэффициенты ДКП приравнены нулю так, что

Рис. 8.13. Определение энергии областей

. (8.7)

Если встраивается единица, то высокочастотные коэффициенты ДКП в субобласти А приравниваются нулю и

. 8.8

Существует несколько причин, по которым вычисление энергий осуществляется по блокам треугольной формы. Наиболее важной из них является то, что, таким образом легко производить вычисление энергетической разности и модификацию значений энергии в потоке сжатых данных. Все коэффициенты ДКП, необходимые для вычисления Е_А и Е_В, расположены в конце одномерного массива, полученного после зигзагообразного сканирования. Таким образом, коэффициенты могут быть приравнены нулю без перекодирования потока данных. Для этого необходимо просто сдвинуть маркер конца блока (КБ) в сторону DC-коэффициента. Процедура вычисления Е для единичного сжатого блока коэффициентов и изменения Е путем удаления высокочастотных коэффициентов ДКП, расположенных в конце макроблока, показана на рисунке 8.14.

Рис. 8.14. Вычисление и изменение энергии в lc-областях

Тот факт, что ЦВЗ встраивается просто путем удаления нескольких коэффициентов ДКП имеет сразу два преимущества. Так как в сжатый поток видеоданных ничего добавлять не надо, то можно обойтись без повторного сжатия восстановленного потока видео, как это показано на рисунке 8.15. Это означает, что алгоритм ДЭВ имеет приблизительно половинную сложность по сравнению с методами встраивания информации в коэффициенты.

Рис. 8.15. Встраивание водяного знака методом ДЭВ.

Удаление высокочастотных коэффициентов будет уменьшать размер стегообраза потока сжатых видеоданных по сравнению с исходным потоком. Если необходимо сохранить размер потока видеоданных, то перед каждым макроблоком нужно вносить добавочные биты.

Центральную роль, как в процессе встраивания, так и в процессе извлечения встроенной информации играют энергии субобластей А и В, величина которых определяется четырьмя факторами:

— характером субобластей А и В;

— количеством блоков n на одну выбранную область;

— шагом квантователя;

— размером подмножества S(c).

Если выбранная область однородная, то ее энергия будет содержаться в DC-коэффициенте ДКП. Энергия ВЧ коэффициентов равна нулю. В случае наличия контуров или текстур значения ВЧ коэффициентов будут большими.

Чем больше блоков n берется на одну выбранную область, тем больше значение содержащейся в ней энергии.

Шаг квантователя определяет стойкость ЦВЗ к атаке перекодированием. При перекодировании стегоообраз видеоданных частично или полностью декодируется и затем снова кодируется, но уже на более низкой скорости. Чем меньше шаг квантователя, тем более водяной знак стоек по отношению к атаке перекодированием. Однако, одновременно уменьшается и величина энергии в выбранной области.

Размер подмножества S(с) определяется порогом с. Если после зигзагообразного переупорядочивания коэффициенты ДКП пронумерованы от 0 до 63, причем индексу 0 соответствует коэффициент постоянного тока, а индексу 63 наиболее высокочастотный коэффициент ДКП, то подмножество S(с) будет состоять из коэффициентов ДКП с индексами с … 63 (с>0). На рисунке 8.16 показаны примеры подмножеств S(с) и соответствующих им энергий.

Для увеличения разности энергий необходимо, чтобы в процессе встраивания информации участвовало как можно больше коэффициентов ДКП. Но чрезмерное увеличение размера подмножества S(c) приведет к заметным визуальным искажениям. Это означает, что для каждой выбранной области необходимо найти такое минимальное по размерам подмножество, для которого можно было бы достичь необходимой разницы энергий.

НЧ коэффициенты ДКП модифицировать нежелательно, так как это может ухудшить визуальное качество видео. Поэтому, порог должен быть не меньше определенного значения с_min. Для определения подходящего с может быть использована следующая формула

. (8.9)

Рис. 8.16. Примеры подмножеств S(c) и соответствующих им энергий.

На рисунке 8.17 показан пример внедрения бита «0» при разнице энергий D=500 и выбранной области, состоящей из двух блоков по 8*8 коэффициентов ДКП. В этом случае максимальный порог с, при котором энергия субобласти Е_А превышает 500 равен 35, а для энергии субобласти E_B равен 36. Из этого следует, что для того, чтобы энергии «хватало» в обеих субобластях необходимо выбрать порог с=38. Для встраивания бита b₀=0 все коэффициенты ДКП в субобласти В, начиная с 35, приравниваются нулю.

Рис. 8.17. Встраивание бита в область, состоящую из двух блоков ДКП.

Для извлечения встроенного бита получателю снова необходимо найти порог с. Но теперь берется уже максимум по всем порогам для субобластей А и В.

. (8.10)

Естественно, что для правильной работы алгоритма необходимо, чтобы Q?=Q и D?=D. Порог обнаружения D? определяет помехоустойчивость схемы встраивания водяного знака.

Оценка качеств схемы встраивания водяного знака ДЭВ была проведена Г.Лангелларом [6].

Для определения пропускной способности алгоритм ДЭВ был применен к тестовой видеозаписи, сжатой при различных скоростях. Экспертные оценки показали, что встроенные водяные знаки незаметны при n=32 и скорости кодирования видеоданных 6 и 8 мбит/с. При кодировании видеоданных на более низких скоростях появляются искажения возле контуров. Устранить искажения можно увеличением числа блоков ДКП, приходящихся на одну выбранную область. Проведенные исследования показали, что алгоритм ДЭВ позволяет осуществлять встраивание информации в цифровой поток 6–8 мбит/с со скоростью 0,42 кбит/с практически без искажений.

Алгоритм ДЭВ вносит в видео несколько меньше искажений, чем описанный ранее метод встраивания информации в НЗБ.

Другим положительным свойством алгоритма ДЭВ является то, что для удаления ЦВЗ требуется проведение вычислительных операций, более сложных, чем встраивание нового произвольного водяного знака.