УТВЕРЖДАЮ Ректор ГУАП _____________ /А.А. Оводенко/ «___»_____________2010 г.

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 извлечения цифрового водяного знака из
графического изображения с последующим
определением участков возможных искажений и
определением подлинности анализируемого
изображения
.02068462.00577-01 99 01
Листов 6
Разработчики:
______________________/Григорьян А.К./
______________________/ Литвинов М.Ю./
15.11.2010 <пусто>
Санкт-Петербург 2010
2
.02068462.00577-01 99 01
1. Функциональное назначение продукта, область применения,
его назначение
Предлагаемый метод предназначен для извлечения и анализа цифровых
водяных знаков (ЦВЗ) из графических изображений. Предполагается, что ЦВЗ в
виде небольшого цветного изображения ранее был внедрен в анализируемое
изображение с целью подтверждения его подлинности и целостности.
Областью практического применения данного метода является передача
видеопотоков по открытым каналам связи в глобально распределенных
информационно-управляющих
системах,
построенных
на
базе
специализированных модулей с ограниченным вычислительным ресурсом.
Примером таких систем являются IP-системы с видеоканалом в обратной связи,
в которых IP-видеосервер реализуется на базе цифрового сигнального
процессора (ЦСП). После приёма видеопотока, сформированного со скоростью
25 кадров в секунду, в хранилище видеоинформации, имеется объективная
необходимость проверки его целостности и подтверждения его подлинности.
Целостность и подлинность цифровых изображений могут быть нарушены,
например, при осуществлении их передачи по общедоступным каналам связи:
передаваемая информация может быть частично или полностью изменена как
умышлено, так и случайным образом из-за помех в канале.
В методе извлечения ЦВЗ предлагается использование дискретного
вейвлет-преобразование Хаара отдельных кадров принятого видеопотока.
В
результате
последовательность
вейвлет-преобразования
низкочастотных
кадра
коэффициентов
получается
k-го
уровня.
Предположительно, в них побитно внедрен цифровой водяной знак. Сама
методика декомпозиции с использованием вейвлет-преобразования идентична
той, которая была использована на этапе внедрения ЦВЗ, например, на IPвидеосервере.
Из полученных низкочастотных коэффициентов побитно извлекаются
значения каждой из компонент каждого пикселя ЦВЗ.
осуществляется
с
применением
модифицированного
Эта операция
алгоритма
замены
«наименьшего значащего бита» LSB. Пиксели извлекаемого ЦВЗ располагаются
3
.02068462.00577-01 99 01
построчно. Полученный набор форматируется в изображение с заданным
размером и глубиной цвета. Эти параметры заранее определены еще до этапа
внедрения. Затем полученный образец ЦВЗ сохраняется на диске.
На рисунке 1 представлено изображение, содержащее некоторый ЦВЗ.
На рисунке 2 представлен извлеченный из этого изображения образец ЦВЗ.
Рисунок 1 – Изображение с внедренным ЦВЗ
Рисунок 2 – Образец извлеченного ЦВЗ
Для подтверждения подлинности принятого кадра необходимо сравнить
извлеченный цифровой водяной знак с эталоном. Поскольку все образцы ЦВЗ
сохраняются на диске с обязательной маркировкой номера кадра, из которого
был извлечен ЦВЗ, то имеется возможность их автоматизированной обработки с
применением метрик качества преобразования изображений, таких как PSNR,
SSIM, VQM и другие.
Если на имеющемся образце будут выявлены значительные искажения
или вообще невозможно будет распознать в образце водяной знак (о чем будут
свидетельствовать определенные показатели PSNR, SSIM, VQM и т.д. при
сравнении с эталоном), то принятая последовательность кадров считается
измененной.
Поскольку цифровой водяной знак располагается на кадре-контейнере
равномерно и покрывает его полностью, то по местам искажений на образце
4
.02068462.00577-01 99 01
(при частичном изменении деталей преобразованного кадра) можно судить о
масштабах и местах искажения и на кадре-контейнере.
Существует следующая зависимость номеров пикселей ЦВЗ от номеров
пикселей модифицированного кадра. Пусть S – кадр с внедренным ЦВЗ, hS –
высота этого кадра в пикселях. Также обозначим за W – цифровой водяной знак,
а hW – высоту ЦВЗ в пикселях. Используя описанные ниже формулы можно по
повреждениям ЦВЗ (W) определить границы измененной области на основном
изображении S.
В начале определяется индекс поврежденного пикселя в общей
последовательности пикселей ЦВЗ:
OW = h W · x W + y W ,
где xW и yW – координаты поврежденного пикселя в извлеченном ЦВЗ (W), OW –
абсолютный индекс пикселя с координатами (x;y) в общей последовательности
пикселей ЦВЗ.
Поскольку биты ЦВЗ внедряются в низкочастотные коэффициенты k-го
уровня декомпозиции, то необходимо перевести индекс поврежденного пикселя
OW в индекс низкочастотной последовательности ILL:
I LL  3OW  1  p  8 ,
где p – номер цветовой компоненты RGB пикселя ЦВЗ. В свою очередь p
определяется следующим образом:
0, при вычислении компоненты R;

p  1, при вычислениикомпоненты G;
2, при вычислениикомпоненты B.

Затем по индексу ILL вычисляются границы группы модифицированных
внедрением OW пикселей в изображении S:
IS=2k· ILL,
где k – уровень декомпозиции вейвлет-преобразования, IS – начальный индекс
группы пикселей длиной 2k. Очевидно, что конечный пиксель упомянутой
группы будет иметь индекс ISк:
ISк=2k· (ILL+1) – 1
Для перевода индекса в координаты на изображении необходимо
выполнить следующее преобразование:
5
.02068462.00577-01 99 01
xS 
hS
, y S  hS mod I S
IS
где xS и yS – координаты на преобразованном изображении, hS – высота
преобразованного изображения в пикселях.
Таким образом, определив координаты мест искажений на образце ЦВЗ,
метод позволяет получить границы модифицированных областей на кадреконтейнере.
2. Используемые технические средства
Метод реализован в виде программного модуля на языке
программирования C#.
Требования к аппаратному обеспечению ПК: любой процессор Intel
или AMD x86/x64, объем ОЗУ – от 512 MB, размер свободного места на
жестком диске – от 100 Мб.
Требования к программному обеспечению ПК: ОС Windows XP
x86/x64 (или выше) с установленным компонентом .Net Framework 2.0
(или выше).
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 310
КБ (317 733 байт). Для удобства работы с программным модулем на ПК
необходимо использовать монитор с разрешением не менее 1400 пикселей
по горизонтали.
Windows®
компании Microsoft
является
зарегистрированной
торговой
маркой
и может эксплуатироваться только при наличии
соответствующих клиентских лицензий.
6
.02068462.00577-01 99 01
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
извлечения ЦВЗ из большого набора файлов, сохранения образцов ЦВЗ на
диске и их анализа. Других специальных условий 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) государственного образовательного учреждения
высшего
профессионального
образования
«Санкт-Петербургский
государственный университет 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] .