Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения УТВЕРЖДАЮ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
УТВЕРЖДАЮ
Ректор ГУАП
_____________ /А.А. Оводенко/
«___»_____________2010 г.
м.п.
РЕКЛАМНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ
Метод внедрения устойчивых цифровых водяных знаков в
графические изображения, не приводящий к визуально
заметным искажениям преобразуемых изображений
.02068462.00576-01 99 01
Листов 6
Разработчики:
______________________/Григорьян А.К./
______________________/ Литвинов М.Ю./
08.11.2010 <пусто>
Санкт-Петербург 2010
2
.02068462.00576-01 99 01
1. Функциональное назначение продукта, область применения,
его назначение
Предлагаемый метод предназначен для внедрения цифровых водяных знаков
(ЦВЗ) в виде цветных изображений в графические изображения с целью
подтверждения подлинности и целостности преобразуемого изображения.
Областью практического применения данного метода является передача
видеопотоков по открытым каналам связи в глобально распределенных
информационно-управляющих
системах,
построенных
на
базе
специализированных модулей, вычислительный ресурс которых ограничен.
Примером таких систем являются IP-системы с видеоканалом в обратной связи,
в которых IP-видеосервер реализуется на базе цифрового сигнального
процессора (ЦСП), основной вычислительный ресурс и память которого заняты
выполнением операций по захвату, оцифровке, формированию пакетов и их
передаче по сети.
Отличительная особенность цифрового видео – это большие объемы
кадров изображений, формируемых в реальном масштабе времени со скоростью
25 кадров в секунду. Существующие методы и алгоритмы формирования и
внедрения в каждый кадр ЦВЗ могут быть использованы только для статических
изображений, поскольку требуют большого объема вычислений даже на
современных компьютерах, не говоря уже о IP-видеосерверах.
В
методе
предлагается
использование
дискретного
вейвлет-
преобразования исходного изображения для получения набора коэффициентов, в
которые побитно внедряются элементы ЦВЗ.
Разработанный метод адаптирован к работе на ЦСП, поэтому в качестве
инструмента преобразования исходного изображения используется вейвлетпреобразование Хаара. При его выполнении используются самые быстрые
команды процессора (битовый сдвиг и сложение), что важно при использовании
ЦСП, имеющего малый свободный вычислительный ресурс.
Внедряемый цифровой знак представляет собой растровое цветное
графическое изображение малого (по отношению к кадру-контейнеру) размера.
ЦВЗ, внедренный в обрабатываемый кадр, полностью его «покрывает». Строго
3
.02068462.00576-01 99 01
говоря, в роли ЦВЗ может выступать любая последовательность байт требуемого
объема, поскольку все
Существует
ограничение
операции
осуществляются
максимального
размера
на
битовом
ЦВЗ,
уровне.
поскольку
он
рассчитывается исходя из уровня защиты и размера целевого кадра.
Минимального ограничения нет, но для полного «покрытия» кадра необходимо
иметь ЦВЗ максимального (или близкого к максимальному) объёма.
Максимальную длину последовательности бит ЦВЗ l, которую можно
внедрить в сигнал (изображение), состоящий из S отсчетов (пикселей), можно
рассчитать по следующей формуле:
l  2n k 1 ,
где k – уровень декомпозиции (разложения) ДВП, а n – ближайшее большее
целое значение выражения:
n  log 2 S .
Для уменьшения времени выполнения всех операций преобразования и
внедрения используется целочисленная арифметика, поскольку времени для
работы процессора в режиме с плавающей точкой требуется больше, чем при
целочисленных операциях. Также целочисленные преобразования позволят
экономно использовать память. Хотя сами компоненты пикселей исходного
изображения представлены только целыми числами, рациональными могут
оказаться коэффициенты вейвлет-преобразования уже на 1-м уровне (не говоря
уже о последующих).
Непосредственно при внедрении ЦВЗ используется модифицированный
алгоритм замены «наименьшего значащего бита» LSB. Младшие биты каждого
из низкочастотных коэффициентов модифицируются одним значением бита
ЦВЗ, затем в следующий коэффициент внедряется следующий бит компоненты
цифрового знака и так далее. Таким образом, биты первых пикселей ЦВЗ будут
встроены в начало кадра, биты середины ЦВЗ разместятся в середине
обрабатываемого кадра и т.д. Для увеличения устойчивости ЦВЗ применяется
метод коррекции ошибок.
После завершения процесса внедрения ЦВЗ производится восстановление
(синтез)
изображения
из
модифицированной
последовательности
низкочастотных коэффициентов и всех высокочастотных коэффициентов.
4
.02068462.00576-01 99 01
Операция синтеза (восстановления) является обратной операции декомпозиции
(разложения).
После
полного
восстановления
изображения
выполняется
операция нормализации запредельных значений.
При достаточном уровне разложения сигнала k (например, k=4),
полученное изображение, содержащее ЦВЗ, практически не отличается от
исходного изображения ни визуально, ни с использованием различных
объективных средств анализа качества преобразования изображений.
На рисунках 1 и 2 приведен пример работы метода (пример изображения
взят из тем оформления Microsoft Windows Seven).
Рисунок 1 – Оригинальное изображение
Рисунок 2 – Преобразованное изображение, содержащее ЦВЗ
2. Используемые технические средства
Метод реализован в виде программного модуля на языке
программирования C# (для выполнения на ПК) и в среде Visual DSP++ для
интеграции с автономным IP-видеосервером на базе ЦСП ADSP-BF544.
5
.02068462.00576-01 99 01
Требования к аппаратному обеспечению ПК: любой процессор Intel
или AMD x86/x64, объем ОЗУ – от 512 MB, размер свободного места на
жестком диске – от 30 Мб.
Требования к программному обеспечению ПК: ОС Windows XP
x86/x64 (или выше) с установленным компонентом .Net Framework 2.0
(или выше).
Требования к аппаратному обеспечению IP-видеосервера: ЦСП
ADSP-BF544 BlackFin или выше (с наличием модуля Pixel Compositor),
объем памяти не менее 32 Mb.
Разработка, тестирование и эксплуатация программного модуля
производилась на ПК с процессором Pentium IV 2.0 GHz, установленного
на ОС Windows XP Service Pack 3.
Размер файлов с исходным кодом на C# составляет примерно 109
КБ (110 347 байт). Размер файлов с исходным кодом для DSP++ составляет
примерно 30 КБ (31 607 байт). Для удобства работы с программным
модулем на ПК необходимо использовать монитор с разрешением не
менее 1400 пикселей в ширину.
Windows®
компании Microsoft
является
зарегистрированной
торговой
маркой
и может эксплуатироваться только при наличии
соответствующих клиентских лицензий.
ADSP-BF544
BlackFin®,
Visual
DSP++
являются
зарегистрированными торговыми марками компании Analog Devices.
3. Специальные условия применения и
требования организационного и
технологического характера
Программный модуль для ПК помимо интерактивного режима
также имеет режим работы из командной строки для автоматизированного
внедрения ЦВЗ в большой набор файлов. Других специальных условий
6
.02068462.00576-01 99 01
применения
и
требований
организационного,
технического
и
технологического характера для эксплуатации программного обеспечения
не требуется.
4. Условия передачи документации на
разработку или её продажи
По
вопросу
приобретения
программного
модуля
или
использования метода следует обращаться на кафедру вычислительных
систем
и
сетей
(№44)
Санкт-Петербургского
государственного
университета аэрокосмического приборостроения.
Адрес: Россия, 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д.
67, ГУАП, ауд. 23-19.
Телефон: (812) 494-70-44, факс: (812) 494-70-44, эл. почта:
[email protected] .