Водяні знаки »для захисту аудіоінформації
Постановка задачі
На зображенні представлена загальна схема роботи з водяними знаками. Водяний знак, який зазвичай є двійковій послідовністю, вставляється в сигнал носій в установнику (embedder) водяного знака. Таким чином, установник має два входи: водяний знак (зазвичай разом з секретним ключем) і сигнал-носій (в даному випадку аудіозапис). Виходом є сигнал з нанесеним цифровим водяним знаком, який не може бути відмінний людиною від сигналу-носія. Потім сигнал з нанесеним водяним знаком записується або транслюється детектору водяних знаків. Детектор визначає, чи присутній водяний знак у тестируемом сигналі, і якщо присутній, то що за повідомлення в ньому закодовано. Область досліджень цифрових знаків тісно пов'язана з приховуванням інформації та стеганографії. Ці три області багато в чому перекривають один одного і поділяють безліч технічних рішень. Однак, є деякі фундаментальні відмінності, що мають впливу на вимоги і, відповідно, на дизайн конкретних технічних рішень.
застосування АВЗ
доказ володіння
Аутентифікація і виявлення підробок
створення відбитка
моніторинг трансляцій
3. Автоматично відстежувати мультимедіа в програмах використовуючи автоматизоване по онлайн
Контроль копіювання і допступа
У додатках контролю копіювання, впроваджений водяний знак являє певну політику контролю копіювання або контролю доступу. Детектор водяних знаків зазвичай інтегрований в записуючий або програє пристрій, як в алгоритмі контролю копіювання DVD. Після того як водяний знак був виявлений, а вміст розкодувати, політика контролю доступу або контролю копіювання застосовується за допомогою управління певними операціями ПО або устаткування, наприклад включення-виключення модуля запису. Ці додатки вимагають стійких до спрямованим атакам і модифікаціям обробки сигналу алгоритмів водяних знаків, здатних проводити перевірку водяного знака наосліп і здатних впроваджувати нетривіальне кількість біт в сигнал-носій.
Носій інформації
Бажані особливості АВЗ
На підставі поділі водяних знаків на публічні та приховані, а також беручи до уваги мету, з якою вони застосовуються, вони повинні мати певні властивості сигналу, захищеності і загальними властивостями.
Властивості обробки сигналу
ВЗ не повинен бути виявлений спостерігачем
ВЗ повинен бути стійкий до навмисним або передбачуваним маніпуляціям, тобто стиску, фільтрації, передискретизации, обрізку, скалірованію, і т.д.
властивості безпеки
ВЗ повинен бути статистично невиявний.
Алгоритм повинен мати математичну формулювання.
Процедура кодування повинен бути симетричний або асиметричною в залежності від програми.
Стійкість до атак використовують безліч копій з нанесеним водяним знакам.
загальні властивості
Алгоритм повинен виконуватися в реальному часі.
Алгоритм повинен бути пристосовується до різних вимогам стійкості, якості і кількості даних.
Алгоритм повинен бути реалізованим для різних форматів даних, носіїв, пристроїв.
Алгоритм повинен підтримувати різні водяні знаки.
Методи створення АВЗ
Метод розтягування спектру
Сигнал може бути змодельований як випадковий вектор, де елементи рівномірно незалежно нормально розподілені зі стандартним відхиленням. тобто . Х представляє набір блоків з незворотного перетворення оригінального аудіо сигналу. Водяний знак визначається як пряма послідовність розтягнення спектра w, яка є псевдовипадково згенерував вектором. Елементи зазвичай називаються чіпами. Чіпи ВЗ генеруються таким чином, що вони взаємно незалежні з урахуванням початкового сигналу x. Маркований сигнал y створюється згідно. де - амплітуда водяного знака. Дисперсія сигналу безпосередньо впливає на захищеність схеми: чим вище дисперсія, тим більше захищена захована в сигналі інформація. Схожим чином, більш висока δ означає більш надійну детектіруемих, меншу захищеність і можливу чутність водяного знака. Нехай p * q позначає скалярний добуток векторів p і q. Для w, наприклад,. Водяний знак w визначається кореллірованіем або фільтрацією даного вектора z з За відсутності атак або інших модифікацій сигналу, якщо сигнал z був маркований, то. або. Детектор вважає, що водяний знак присутній, якщо - граничне значення визначення, яке контролює грань між хибнопозитивними і помилково негативні спрацьовуваннями. З теорії модуляції і детектування, за умови що x і w рівномірно незалежно нормально розподілені, такий детектор є оптимальним.
Імовірність ложноположительного спрацьовування
Імовірність помилково негативні спрацьовування
Метод дискретного косинусного перетворення
Процес нанесення водяного знаку
- Зобразимо чорно-біле зображення водяного знака у вигляді двомірної матриці розміром M1xM2
- Перетворимо чорно-білий водяний знак у бінарний формат і виконаємо перетворення Арнольда
- Перетворимо двомірну матрицю в одновимірний вектор W довжини M1xM2
- Застосуємо дискретне косинусное перетворення до оригінального сигналу, щоб обчислити коефіцієнти дискретного косинусного перетворення.
- Абсолютні значення коефіцієнтів дискретного косинусного перетворення розділимо на секції
- Енергію кожної секції порахуємо за формулою
- Знайдемо найбільш видатні піки в секції з найбільшою енергією
- Впровадимо водяний знак у N обраних піків використовуючи рівняння. де N це довжина нормалізованого одновимірного вектора зображення
- Застосуємо зворотне дискретне косинусное перетворення для отримання маркованого аудіосигналу.
Схема нанесення водяного знаку
Процес вилучення водяного знака:
- Перетворимо маркований сигнал дискретного косинусного перетворення
- Винесемо вищі піки з коефіцієнтів дискретного косинусного перетворення
- Маркований вектор обчислюється зворотним перетворенням
- Конвертуємо витягнутий маркований вектор назад в двомірну матрицю
- Застосуємо зворотне перетворення Арнольда
- Перетворимо бінарне зображення в чорно-біле.
Схема вилучення водяного знака
Метод заміни найменшого значущого біта
Суть методу ясна з назви - в вихідному сигналі замінюється найменший значущий біт на біт водяного знака. Так як змінюється лише останній біт сигналу, різниця не буде помітна для людського вуха, а при використанні апаратури низької якості, може бути і зовсім зникнути. Також можна замінювати більшу кількість біт, але це, в свою чергу, знизить скритність водяного знака, тому необхідно брати до уваги вимоги до якості аудіо - при занадто великій кількості замінених біт спотворення будуть занадто сильними. Виявлення такого водяного знака здійснюється по аномальним характеристикам розподілу значень діапазону молодших бітів відліків цифрового сигналу.
Принцип нанесення водяного знаку методом заміни найменшого значущого біта
Метод приховування в луна-сигнал
В даному методі вихідний аудіосигнал згортається c kernel-сигналом для створення маркованих сигналів. Kernel-сигнал складається з дискретних імпульсів, які отліаются затримками і амплітудами. Зазвичай впроваджуваний водяний знак виділяється затримкою або ключем, використаним для генерації цих затримок. Після того, як вихідний сигнал був сегментований, луна-сигнал y (n) буде сверткой оригінального сигналу x (n) і ядра h (n)
p (n) являє собою псевдовипадковий шум амплітудою ± 1, δ (n) - дельта функція Дірака, α - невелике значення коефіцієнта, і d - затримка, обрана між двох значень в залежності від впровадження одиничного або нульового біта.
Для генерації p (n) використовується лінійний регістр зсуву, початкове заповнення якого є ключем. На стадії впровадження маркований сигнал буде являти собою оригінальний сегмент слідом за затухаючими і ослабленими його копіями.
N - це довжина p (n), при цьому N менше довжини сегмента.
У декодере використовується перетворення кепстра:
Передбачається, що cc (n) має максимум в точці d, і одержувач визначає біт водяного знака на підставі затримки, виявленої в цій точці.
Метод фазового кодування
Процедура фазового кодування полягає в наступному:
Звуковий сигнал S [i], (0≤i≤I-1) розбивається на серію з N коротких сегментів [i] (0≤n≤N-1), як показано на малюнку
До n-му елементу сигналу застосовується k-точкове дискретне перетворення Фур'є, де K = 1 / N, і створюються матриці фаз і амплітуд для (0≤k≤K-1)
Запам'ятовується різниця фаз між кожними двома сусідніми сегментами (0≤n≤N-1)
Бінарна послідовність даних представляється, як π / 2 і-π / 2
З урахуванням різниці фаз створюється нова матриця фаз для n> 0, як показано на малюнку
Стегокодірованний сигнал виходить шляхом застосування зворотного дискретного перетворення Фур'є до вихідної матриці амплітуд і модифікованої матрицею фаз
Результат впровадження ЦВЗ в аудіосигнал за допомогою методу фазового кодування