Аннотация
Шевляков А. И., Губенко Н. Е. Анализ и выбор алгоритмов наложения ЦВЗ в мультимедийных файлах. Рассматриваются вопросы защиты авторского права на мультимедийную информацию, анализируются методы встраивания цифровых водяных знаков для доказательства подлинности фотоизображений.
Актуальность проблемы
В настоящее время выросла потребность в приватизации данных и защите авторского права уделяется большое внимание, так как всевозможные мультимедийные данные могут быть использованы в коммерческих целях. Множество пользователей порталов и социальных сетей могут стать жертвами злоумышленников. Всё чаще появляется случаи незаконного использования чужих видео и фотоматериалов и их владельца приходится доказывать свое преимущественное право на них.
Цель исследования
Анализ и выбор методов для наложения цифровых водяных знаков в мультимедийных файлах форматов AVI и JPEG.
Нарушение авторских прав
Нарушение авторских прав подразумевает несанкционированное правообладателем распространение материала, защищённого авторским правом, такого как программное обеспечение, музыкальные композиции, фильмы, книги, компьютерные игры а в настоящее время и на фотографии. Обладание правами на интеллектуальную собственность защищено законами большинства стран.
Под нарушением авторских прав обычно понимаются следующие действия:
- создание копии продукта и её продажа;
- создание копии продукта и передача её кому-либо ещё;
- в некоторых случаях перепродажа легально приобретённой копии.
Распространённость нарушений авторских прав
Нарушение интересов обладателей авторских прав (которые как правило не являются непосредственными авторами произведений интеллектуальной собственности) широко распространено во многих странах, в том числе в России, Украине, Китае, Казахстане, Мексике и Индонезии [1]. Особенности защиты мультимедийного продукта существенно зависят от типа формата в котором он публикуется.
Особенности формата AVI и JPEG
Кратко остановимся на особенностях форматов файлов JPEG и AVI.
JPEG (Joint Photographic Experts Group, по названию организацииразработчика) - один из популярных графических форматов, применяемый для хранения фотоизображений и подобных им изображений. Алгоритм JPEG позволяет сжимать изображение, как с потерями, так и без потерь (режим сжатия lossless JPEG). Поддерживаются изображения с линейным размером не более 65535 × 65535 пикселей [2].
AVI-файлы — особый случай файлов RIFF. (сокращенно от Resource Interchange File Format). Этот формат, изначально предназначавшийся для обмена мультимедийными данными, был Microsoft совместно с IBM. Данный формат является наиболее распространенной формой представления видео на персональных компьютерах. В зависимости от формы представления видеоданных файлы AVI бывают различных стандартов. Основой RIFF-формата является chunk. Chunk - это порция данных с сигнатурой, по которой определяется тип данных [3].
Выбор формата мультимедиа для защиты авторского права при помощи наложения ЦВЗ.
Рассматривать методы наложения ЦВЗ я буду на примере формата JPEG. Итак, внедряемый в защищаемую фотографию ЦВЗ должен отвечать двум противоречащим друг другу критериям: робастности (устойчивости к различным внешним воздействиям) и скрытности (обеспечения наименьших искажений изображения по сравнению с оригиналом) [4]. Для проверки авторских прав на цифровое изображение осуществляют извлечение встроенной информации, которое при недостаточной робастности ЦВЗ к атакам может стать невозможным
Из существующих форматов цифровых изображений для сохранения полноцветных фотографий хорошо подходят форматы JPEG и JPEG2000, поскольку сохраненные в этих форматах изображения имеют высокие показатели качества при сравнительно небольших размерах файла. Недостаток данных форматов заключается в том, что для уменьшения размера графических файлов применяется алгоритм их сжатия с потерями, а значит, часть информации при сохранении таких изображений будет необратимо утеряна, и, следовательно, существует вероятность искажения или потери встроенных ЦВЗ.
Для повышения робастности вложения встроенных ЦВЗ к сжатию или масштабированию графических файлов в стегоалгоритмах стараются применять те же преобразования, что и в алгоритмах сжатия этих файлов [5]. Для формата JPEG таким алгоритмом является дискретное косинусное преобразование, для JPEG2000 – вейвлет преобразование.
Графический формат JPEG2000 имеет ряд преимуществ по сравнению с форматом JPEG. Это лучшее качество изображения при равной степени сжатия, оптимизация качества кодирования, а также возможность сжатия без потерь. Поэтому при выборе формата сохранения цифровой фотографии лучше отдать предпочтение более современному JPEG2000.
Алгоритм наложения ЦВЗ
При разработке нового метода необходимо учесть плюсы упомянутого выше существующего, т.е. встраиваемый ЦВЗ должен быть устойчив к зашумлению изображения, его фильтрации и сжатию с потерями. В то же время маркировка областей изображения должна производиться таким образом, чтобы при процедуре извлечения ЦВЗ для проверки подлинности изображения можно было понять, производилась ли его обрезка, а также были ли удалены или заменены его фрагменты.
Для достижения поставленной цели можно использовать следующий алгоритм:
1. Исходное изображение, которое можно представить как матрицу 𝑓(𝑛,𝑚) , разбивается на одинаковые блоки 𝑎𝑖𝑗 размером 64 х 64 пикселя (Рис. 1).
Рисунок 1 – Изображение, разбитое на блоки
2. Выбирается алгоритм расположения ЦВЗ, являющихся матрицей 𝑤(𝑚,𝑛) размером 4 х 4 пикселя, в этих блоках. Целесообразно встраивать в каждый блок по 4 ЦВЗ, отступая от края не менее чем на 3 пикселя, но располагая их несимметрично относительно этого блока (рис. 2).
Рисунок 2 – Пример встраивания ЦВЗ и ЭЦП в блок изображения
ЦВЗ встраиваются в каждый блок изображения согласно выбранному алгоритму.
Каждую ЭЦП необходимо встраивать чётко посередине каждого блока, не пытаясь выбрать наиболее удачные для робастности участки. Это связано с тем, что полное или частичное отсутствие в проверяемом изображении этих центральных меток будет свидетельствовать о том, что данная фотография подвергалась каким-либо воздействиям. При этом другие встраиваемые ЦВЗ должны быть максимально робастными к атакам, чтобы можно было говорить о нарушении авторских прав на это изображение.
Отличие встраиваемых ЭЦП друг от друга необходимо для определения применения к изображению процедуры кадрирования.
Вернёмся к алгоритму.
4. Выбирается алгоритм нанесения в блоки различных ЭЦП (рис. 3).
Рисунок 3 – Пример алгоритма нанесения ЭЦП в блок изображения
5. Составляются ЭЦП в зависимости от их назначения.
6. ЭЦП встраиваются в блоки изображения в соответствии с выбранным алгоритмом.
7. ЭЦП каждого блока корректируется в зависимости от соседних блоков.
Следующим шагом изображение подвергается обратному вейвлетпреобразование, в результате чего становится меченым.
Выводы
Благодаря разложению исходного изображения на блоки, асимметричным блокам маркировки ЦВЗ и наличием в центре каждого блока подписи расположенной в соответствии с выбранным алгоритмом, при проверке подлинности изображения, можно определить, подвергается ли он резке, фильтрования или другим атакам. Поэтому мы в своей работе по защите мультимедийных продуктов остановимся именно на этом подходе.
Список использованной литературы
1. Пиратство [электронный ресурс] // Википедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Нарушение_авторского_права.
2. Особенности формата JPEG [электронный ресурс] // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/JPEG.
3. Особенности формата AVI [электронный ресурс] // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Audio_Video_Interleave.
4. Цзянь Ван Исследование устойчивости цифровых водяных знаков и логотипов, внедряемых в статические изображения / Цзянь Ван. // Автореф. СПб, 2010. c. 20.
5. Аграновский А.В. Стеганография, цифровые водяные знаки и стеганоанализ / Аграновский А.В. [и др.]. // М.: Вузовская книга, 2009.