ВСТРАИВАНИЕ  ЦИФРОВЫХ  ВОДЯНЫХ  ЗНАКОВ  В  ВИДЕОПОТОКИ,  СЖАТЫЕ  С  ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  ДРЕВОВИДНЫХ  СТРУКТУР  КОДИРОВАНИЯ

Шипицин  Сергей  Павлович

студент  3  курса,  кафедра  Автоматика  и  телемеханика,  Электротехнический  факультет,  Пермский  национальный  исследовательский  политехнический  университет,  РФ,  г.  Пермь

E -mail:  shipitsyn_sp@mail.ru

Кротова  Елена  Львовна

научный  руководитель,  канд.  физ.-мат.  наук,  доцент  (кафедра  Высшая  математика),  ПНИПУ,  РФ,  г.  Пермь

В  статье  затрагивается  тема  встраивания  цифровых  водяных  знаков  (ЦВЗ)  и  т.  н.  «отпечатков  пальцев»  в  видеопотоки,  подвергнутые  сжатию  с  потерями.  Рассматриваются  форматы  сжатия  последнего  поколения  (HEVC,  VP9),  предлагается  метод  встраивания  ЦВЗ,  базирующийся  на  особенностях  их  реализации.

Кинематограф  зародился  в  конце  XIX  века,  Интернет  —  во  второй  половине  XX.  Тем  не  менее,  до  сих  пор  эти  сферы  массовой  культуры  соприкасаются  довольно  опосредованно,  в  основном,  из-за  вполне  обоснованных  опасений  правообладателей  за  свой  контент  и,  соответственно,  прибыли.  Законодательство  в  области  обеспечения  авторских  прав  достаточно  проработано,  однако  на  практике  цифровая  дистрибуция  осложнена  в  связи  с  повсеместным  несанкционированным  копированием  и  распространением.  Наименее  защищённым  ввиду  сложности  обнаружения  конкретного  злоумышленника  остаётся  медиаконтент,  в  том  числе  видео  [2].

Исторически  от  несжатого  видео  в  цифровом  пространстве  было  решено  отказаться  сразу  из-за  чрезвычайно  большого  информационного  объёма  и  избыточности,  поэтому  стали  развиваться  технологии  цифровой  компрессии  видеосигнала.  Последней  на  сегодняшний  день  ступенью  развития  технологий  сжатия  стал  формат  H.265  или  HEVC  (High  Efficiency  Video  Coding),  разработанный  ITU-T  Video  Coding  Experts  Group  (VCEG)  совместно  с  ISO/IEC  Moving  Picture  Experts  Group  (MPEG),  а  также  открытый  кодек  VP9  от  компании  Google.

Одним  из  наиболее  перспективных  методов  защиты  медиаконтента  является  встраивание  цифровых  водяных  знаков  (ЦВЗ)  —  видоизменение  контейнера  таким  образом,  чтобы  встроенное  сообщение  не  было  заметно  визуально,  однако  обнаруживалось  специальными  детекторами.  ЦВЗ  обычно  представляет  собой  текст  или  логотип,  идентифицирующий  автора.  В  данной  работе  рассматривается  другое  применение  ЦВЗ  —–  так  называемые  «цифровые  отпечатки  пальцев»,  которые  позволяют  либо  локализовать  точку  утечки  информации,  либо  однозначно  определить  злоумышленника  [3].

Важной  характеристикой  ЦВЗ  является  робастность  (устойчивость)  —  способность  ЦВЗ  быть  зафиксированным  детекторами  при  различных  искажениях  контейнера.  Ниже  перечислены  основные  атаки  на  системы  с  ЦВЗ,  направленные  на  сокрытие  встроенного  сообщения:

·     атаки,  направленные  на  удаление  ЦВЗ;

·     геометрические  атаки,  направленные  на  искажение  контейнера;

·     криптографические  атаки;

·     атаки  против  протокола  встраивания  и  проверки  ЦВЗ  [1].

Основой  реализации  алгоритмов  сжатия  HEVC  и  VP9  является  применение  блоков  с  древовидной  структурой  кодирования  (рис.  1)  вместо  макроблоков  в  алгоритмах  предыдущего  поколения  [5;  6]. 

Рисунок  1.  Древовидная  структура  кодирования

В  данной  работе  предлагается  использовать  блоки  кодирования  в  качестве  своеобразных  пикселей,  из  которых  будет  формироваться  изображение,  составляющее  ЦВЗ.  Возможные  размеры  блока:  4х4  (только  в  VP9),  8х8,  16х16,  32х32,  64х64.  Будем  выбирать  максимальную  величину  блока  встраивания  исходя  из  разрешения  видеопотока,  а  также  из  необходимости  сохранения  ЦВЗ  при  сжатии  его  до  240р  (некое  минимальное  разрешение,  воспринимаемое  человеком  как  достаточное  для  просмотра).  Допустим,  имеем  видео  с  разрешением  1080р.  Чтобы  усилить  устойчивость  ЦВЗ  к  аффинным  преобразованиям,  увеличим  размер  блока  вдвое.  Получаем  1080*2/240  =  9  и  округляем  в  большую  сторону.  Таким  образом,  максимальный  размер  блоков  кодирования,  используемых  для  встраивания,  составит  16х16  пикселей.  Блоки  меньшего  размера  будем  использовать  аналогичным  образом.

И  в  HEVC,  и  в  VP9  используется  цветовая  модель,  в  которой  цвет  представляется  как  компонента  яркости  и  две  цветоразностных  компоненты.  Мы  будем  встраивать  ЦВЗ  в  компоненту  яркости,  поскольку  она  ввиду  особенностей  использования  не  подвергается  сжатию  [4].  Необходимо  учитывать,  что  изменения  яркости  визуально  заметны  сильнее,  чем  изменения  цветности.  Встраивание  будем  производить  следующим  образом:  накладываем  чёрно-белое  изображение  —  ЦВЗ  на  кадр  из  видеопотока,  а  затем  заполняем  контейнер,  уменьшая  на  шаг  дискретизации  компоненту  яркости  в  блоках,  соответствующих  контуру  объекта,  и  увеличивая  в  соседних  блоках  (рис.  2).  Таким  образом,  формируем  детектируемые  локальные  экстремумы  трёхмерной  функции  яркости  конкретного  кадра  при  отсутствии  визуальной  заметности. 

Рисунок  2.  Пример  встраивания  в  градациях  серого

Поскольку  мы  ограничиваем  максимальный  размер  применяемых  блоков,  неизбежно  приходится  сталкиваться  с  ситуацией,  когда  полной  отрисовке  ЦВЗ  в  одном  кадре  мешает  большое  количество  крупных  блоков.  В  этом  случае  предлагается  использовать  в  детекторе  наложение  функций  яркости  нескольких  кадров  друг  на  друга,  чтобы  полностью  сформировать  ЦВЗ  (рис.  3)  либо  удостовериться  в  его  наличии  (рис.  4).

Рисунок  3.  Окончательное  формирование  ЦВЗ

Рисунок  4.  Проверка  наличия  ЦВЗ

Несомненным  преимуществом  предложенного  метода  является  высокая  робастность  к  большинству  атак  на  ЦВЗ.  Так,  например,  внесение  шума  в  высокочастотные  составляющие  яркости  не  принесёт  ощутимых  результатов,  поскольку  на  этапе  встраивания  в  половине  случаев  изменение  яркости  влечёт  за  собой  изменение  не  только  нулевого,  но  и  первого  разряда.  За  счёт  запаса  по  выбору  размера  блока  даже  при  сжатии  до  240р  блок  кодирования,  содержащий  фрагмент  ЦВЗ,  не  вырождается  в  пиксель.  Таким  образом,  аффинные  преобразования  также  бесполезны,  так  как  небольшие  искажения  не  повлияют  на  многопиксельные  структуры  (минимум  2х2),  а  существенные  преобразования  не  позволят  человеку  нормально  воспринимать  видео.  Менее  очевидна  устойчивость  к  созданию  в  контейнере  ложных  ЦВЗ,  однако  эта  проблема  решается  с  помощью  кодирования  и  шифрования  информации,  использующейся  во  встраиваемом  сообщении.

Важно,  что  данный  метод  позволит  внедрять  ЦВЗ  на  этапе  предоставления  видео  конкретному  пользователю,  поскольку  встраивание  возможно  с  помощью  модификации  уже  готового  битового  потока.  Рассмотрим  простейший  пример.  Правообладатель  предоставляет  контент,  используя  онлайн-трансляции.  Пользователь,  желающий  посмотреть  какое-либо  видео,  авторизуется  под  своим  именем,  вносит  плату  за  просмотр  и  получает  доступ  к  контенту.  С  этого  момента  в  каждый  видеофайл,  предоставляемый  этому  пользователю,  встраивается  ЦВЗ,  содержащий  ссылку  на  соответствующую  строку  в  базе  данных  клиентов,  дату  и  время  предоставления.  Таким  образом,  в  случае  несанкционированного  распространения  правообладатель  получает  возможность  легко  вычислить  злоумышленника  и  привлечь  его  к  ответственности.

В  настоящее  время  не  существует  алгоритмов  встраивания  ЦВЗ,  предназначенных  для  видеопотоков,  сжатых  с  использованием  технологий  последнего  поколения.  Практическая  реализация  предложенного  в  данной  работе  метода  встраивания  позволит  закрыть  «дыру»  в  защите,  мешающую  правообладателям  и  распространителям  видеоконтента  переходить  на  новые,  более  эффективные  стандарты  сжатия,  а  также  в  полной  мере  реализовывать  авторские  права,  увеличив  тем  самым  удобство  использования  своих  сервисов  для  потребителя.

Список  литературы:

1.Грибунин  В.Г.  Цифровая  стеганография  /  В.Г.  Грибунин,  И.Н.  Оков,  И.В.  Туринцев.  М.:  СОЛОН-ПРЕСС,  2009.  —  272  с.

2. Конахович  Г.Ф.  Компьютерная  стеганография.  Теория  и  практика  /  Г.Ф.  Конахович,  А.Ю.  Пузыренко.  К.:  МК-ПРЕСС,  2006.  —  288  с.,  ил.

3.Covert  and  robust  mark  for  media  identification:  patent  7430302  United  States.  US  20070019836  A1;  filed  July,  19,  2006;  published  Jan,  25,  2007.

4.ITU-T.  Recommendation  H.265.  [Geneva],  2014.  —  518  p.

5.Richardson  I.E.  An  introduction  to  High  Efficiency  Video  Coding  (FULL)  [electronic  resource]  /  I.E.  Richardson.  —  Electronic  data.  —  Aberdeen:  Vcodex  Ltd,  2013.  —  Mode  of  access:  https://www.vcodex.com/press.asp .  —  Title  screen.

6.Sukumaran  S.  Intra  Prediction  Efficiency  and  Performance  Comparison  of  HEVC  and  VP9:  Interim  Report  /  S.  Sukumaran.  —  Electronic  data.  —  Arlington:  Univercity  of  Texas  Arlington,  2014.  —  Mode  of  access:  http://www.slideserve.com/halee-dickson/intra-prediction-efficiency-and-performance-comparison-of-hevc-and-vp9-interim-report.  —  Title  screen.