Стеганография в видео

1.

2.

Стеганография в видео
Причины сжатия видео
Видео требует очень много места для хранения + ограниченные
возможности каналов передачи данных
Видео в системе RGB, размер кадра 720х576 пикс., 25 кадров/сек
потребует потока данных прорядка 240 Мбит/сек (т.е. 1.8 Гб в минуту).
Важные параметры:
- скорость упаковки/распаковки
- ошибкоустойчивость
• Не существует метода оценки кадра полностью адекватному
человеческому восприятию
• Не существует метода оценки пропущенных кадров, полностью
адекватного человеческому восприятию
• Разные кодеки «затачиваются» под разные типы фильмов
• Качество сжатия конкретного фильма может сильно зависеть от
параметров кодирования

3.

Стеганография в видео
Технологии сжатия
− без потерь качества
− с потерями качества
− без потерь с точки зрения восприятия
− с естественной потерей качества
− с неестественными потерями качества
Свойства видео/изображений, используемые при сжатии
1. Когерентность областей изображения – малое локальное
изменение цвета;
2. Избыточность в цветовых плоскостях – используется большая
важность яркости для восприятия;
3. Подобие между кадрами – на скорости 25 кадров в секунду
соседние кадры, как правило, изменяются незначительно

4.

Стеганография в видео
В стандарте MPEG используются три типа фреймов
I -кадры – intra-кадры, закодированные как неподвижные изображения, без
ссылок на последующие или предыдущие фреймы; дают
наименьшую нагрузку при сжатии; используются как стартовые;
Р -кадры – (predicted) предсказанные (компенсация движения) на основе
последнего (ближайшего) I- или P-фрейма;
В -кадры – (bi-directional) двусторонне интерполируемые кадры, которые
кодируются наиболее сложным образом. Такой кадр может строиться и
на основе предыдущего кадра, и на основе последующего кадра, и как
интерполяция между ними;
GOP (Group of Pictures) – группа кадров, наименьшая единица доступа (независимо
декодируемая); может состоять либо только из I-фреймов, либо из I- и P-фреймов,
или содержать все три типа.
GOP обычно включает 12 или 15 фреймов и начинается с I-фрейма, например
IBBPBBPBBPBBPBB

5.

Стеганография в видео
Алгоритм сжатия
• Изображение представляется в формате YUV.
• Каждый компонент I-кадра разбивается на блоки 8x8 пикселов, затем
каждый блок подвергается ДКП, т.о. получается двумерный
энергетический спектр участка изображения.
Р-кадры (В-кадры кодируются практически аналогично) также
разбиваются на блоки 8x8 пикселов и затем сравниваются с некоторым
опорным кадром. Далее возможны 3 случая:
1. Отдельный блок в кодируемом Р-кадре совпадает с расположенным в этой
же позиции блоком опорного кадра. Тогда достаточно указать, что блок
остался таким же.
2. Отдельный блок в кодируемом кадре совпадает с блоком опорного кадра,
находящимся в другой позиции. Тогда для его кодирования необходимо
задать вектор смещения.
3. Отдельный блок в кодируемом кадре может не совпадать ни с одним из
блоков опорного кадра. Тогда он будет кодироваться полностью.

6.

Стеганография в видео
(1) Уровень коэффициентов
(2) Уровень пар
DCT коэффициенты заменяются
парами, состоящими из длины
нулевой серии, предшествующей
ненулевому коэффициенту, и
значения этого коэффициента.
Нулевые коэффициенты опускаются!
(3) Битовый уровень
001001100
001001000
001010
001110
Сформированные пары кодируются кодом Хаффмана
+ маркер конца блока
01000 0000000101000 00000010100
0000000101000 001100 00000011110 10

7.

Базовые схемы стеганографического скрытия в MPEG
Стеганографическое скрытие в MPEG файл в области коэффициентов
В процессе ССИ участвуют только значения яркости в I-кадрах
Алгоритм:
1. На секретном ключе генерируется массив псевдослучайных целых чисел {-1,1},
имеющий те же размеры, что и I-кадр.
2. Полученный массив модифицируется в соответствии с сообщением и умножается
на заданный коэффициент усиления σ.
3. Значения DC коэффициентов каждого из I-кадров складываются с
соответствующими числами модифицированного массива.

8.

ССИ в MPEG файл в области коэффициентов
Чтобы сохранить качество заполненного видео-контейнера необходимо:
− выбирать малый коэффициент усиления (σ <1);
− количество пикселей на один бит скрываемой информации должно
быть достаточно большим (изменяются только DC коэффициенты!)
Модификация метода:
• внедрение информации в AC коэффициенты в I, Р, В –кадрах;
• сообщение – массив ПСЧ;
• массив W(x,y) разбивается на блоки размером 8x8;
• выполняется ДКП и рассчитываются коэффициенты преобразования Wxy u , v
где х,у=0,8,16,… и u,v=0,…,7;
• выполняется зигзаг-сканирование блоков
получается одномерный массив Wxy i
Wxy u, v в результате чего
Wxy 0 – коэффициент постоянного тока (DC)
• аналогичной обработке подвергаются блоки видеоданных;
• полученный массив
I xy (i ) поэлементно складывается с сообщением;

9.

ССИ в MPEG файл в области коэффициентов
Для DC коэффициентов:
IWx , y (0) I x, y (0) Wx, y 0
Для AC коэффициентов необходимо определить ненулевые DCT
коэффициенты кандидаты для встраивания:
IW (i) I x , y (i) Wx , y i i 0
x,y
Проблемой непосредственной модификации DCT коэффициентов в
сжатом потоке видео является накопление сдвига или ошибок.
Искажения, вносимые процессом встраивания ЦВЗ, могут
распространяться как во временной, так и в пространственной области.
Предсказания по предыдущим кадрам используются для восстановления
действующего кадра, который, в свою очередь, может служить основой
для будущих предсказаний.
«+»
слабая визуальная заметность;
устойчивость к фильтрации, зашумлению

10.

ССИ в MPEG файл на уровне битовой плоскости
Встраивание сообщения:
• Выполняется поиск подходящих кодовых слов;
• Младший бит таких слов заменяется на бит сообщения;
• Процедура продолжается, пока не будут внедрены все биты сообщения
Извлечение сообщения:
• Ищутся подходящие кодовые слова, из которых берутся младшие биты

11.

ССИ в MPEG файл на уровне битовой плоскости
Для встраивания необходимо выбирать только кодовые слова, для которых
найдется хотя бы одно другое кодовое слово, удовлетворяющее условиям:
− одинаковая длина нулевой серии;
− различие между значениями DCT коэффициентов равно 1;
− одинаковая длина кодовых слов
s – бит, определяющий знак
коэффициента DCT
DC коэффициенты не используются потому, что они могут быть предсказаны.
Скорость передачи скрытой информации определяется числом подходящих
кодовых слов (~7 кбит/с с использованием только I –кадров для файла с
размером кадра 720х560 пикселов, 25 кадров/сек)

12.

ССИ в MPEG файл на уровне битовой плоскости
«+» высокая пропускная способность, небольшая вычислительная сложность
«-» слабая устойчивость, сообщение легко удаляется

13.

ССИ за счет энергетической разности между
DCT коэффициентами
Дифференциальное встраивание энергии (ДЭВ) сообщения.
Встраивание сообщения:
• Сообщение в бинарной форме встраивается в I-кадры MPEG-видео или
в JPEG-изображения;
• Каждый бит сообщения встраивается в выбранную область кадра,
состоящую из n блоков по 8x8 DCT коэффициентов канала яркости
изображения;
• Бит сообщения внедряется в выбранную область модификацией
разности энергий D между высокочастотными DCT коэффициентами
верхней части этой области (субобласть А) и ее нижней части
(субобласть В);
• Энергия субобласти А (для B аналогично) вычисляется по формуле:
E A (c, n, Q)
i, d
,
n / 2 1
d 0 i S ( c )
2
i ,d Q
– квантованный DCT коэффициент с индексом i из d-го блока
DCT коэффициентов субобласти А

14.

ССИ за счет энергетической разности между
DCT коэффициентами

15.

ССИ за счет энергетической разности между
DCT коэффициентами
• Подмножество ВЧ коэффициентов:
S (c) h 1,63 | h c
h – порог, определяющий стойкость и заметность сообщения;

16.

ССИ за счет энергетической разности между
DCT коэффициентами
• Определяется разность энергий субобластей:
D(c, n, Q) EA (c, n, Q) EB (c, n, Q)
• Процедура ССИ модифицирует энергии соответствующих
субблоков в зависимости от значения бита сообщения:
si 0
EB 0, D E A 0 E A
si 1
E A 0, D 0 EB EB
• Все DCT коэффициенты, необходимые для вычисления энергии
субблоков A и B, расположены в конце одномерного массива,
полученного после зигзаг-сканирования, т.о. коэффициенты могут
быть приравнены нулю без перекодирования потока данных.

17.

ССИ за счет энергетической разности между
DCT коэффициентами

18.

ССИ за счет энергетической разности между
DCT коэффициентами
Параметры, влияющие на качество работы алгоритма:
− характер субобластей А и В (для однородных областей энергия
сконцентрирована в DC коэф.);
− количество блоков n на одну выбранную область (чем больше блоков,
тем больше значение содержащейся в ней энергии);
− шаг квантователя (чем меньше шаг квантователя, тем более
сообщение устойчиво по отношению к атаке перекодированием);
− размер подмножества S(c) (для увеличения
разности энергий необходимо, чтобы с было
больше, а для визуальной заметности наоборот).
Зависимость энергий субобластей
от индексов среза с
g 1,63 | ( EA ( g , n, Q) D)
с(n, Q, cmin ) max cmin , max
(
E
(
g
,
n
,
Q
)
D
)
B

19.

ССИ за счет энергетической разности между
DCT коэффициентами
Извлечение сообщения:
• Определяется порог с как максимум по всем порогам для субобластей
АиВ
/
/
,
max
g
1
,
63
|
E
(
g
,
n
,
Q
)
D
A
/
/
с(n, Q , D ) max
/
/
max g 1,63 | EB ( g , n, Q ) D
• Просматриваются области и на основе разности энергий
восстанавливаются биты сообщения.
Производительность:
Встраивание информации в цифровой поток 6-8 Мбит/сек
со скоростью 0,42 Кбит/сек практически без искажений
Демаскирующие признаки:
Удаление ВЧ DCT коэффициентов уменьшает
размер заполненного видео-контейнера по
сравнению с исходным.