Встраивание данных в видео. Часть 1
Розглянуто перспективні наукові публікації щодо вкраплення цифрових водяних знаків у цифрове відео. Досліджено методи, що використовують параметри існуючих стандартів стиску/кодування; закодовану інформацію, істотну для відновлення відеосигналу; та рух об'єктів у кадрах. The promising scientifi...
Saved in:
| Published in: | Проблемы управления и информатики |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207595 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Встраивание данных в видео. Часть 1 / Л.Л. Никитенко // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 1. — С. 145–153. — Бібліогр.: 12 назв. - рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859979925477392384 |
|---|---|
| author | Никитенко, Л.Л. |
| author_facet | Никитенко, Л.Л. |
| citation_txt | Встраивание данных в видео. Часть 1 / Л.Л. Никитенко // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 1. — С. 145–153. — Бібліогр.: 12 назв. - рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы управления и информатики |
| description | Розглянуто перспективні наукові публікації щодо вкраплення цифрових водяних знаків у цифрове відео. Досліджено методи, що використовують параметри існуючих стандартів стиску/кодування; закодовану інформацію, істотну для відновлення відеосигналу; та рух об'єктів у кадрах.
The promising scientific papers that deal with video digital watermarks embedding are considered. The methods using the existing standards of compression/coding parameters; using already coded information most essential to correct restoration of video signal; using motion rate of frame sequence objects are presented.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:25:45Z |
| format | Article |
| fulltext |
© Л.Л. НИКИТЕНКО, 2013
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2013, № 1 145
ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ
УДК 004.415.24;519.22
Л.Л. Никитенко
ВСТРАИВАНИЕ ДАННЫХ В ВИДЕО. Часть 1
Введение
Системы цифровых водяных знаков (ЦВЗ) стали одним из наиболее перспек-
тивных направлений развития методов защиты цифровой информации. Поскольку
факт присутствия ЦВЗ скрывается не всегда, основной особенностью систем ЦВЗ
является выполнение требования стойкости к типичным активным атакам, напри-
мер к сжатию с потерями. Встраивание ЦВЗ в цифровые видеосигналы может
осуществляться в исходный сигнал до применения сжатия/кодирования, в процес-
се сжатия/кодирования на основе используемых методов и параметров сжа-
тия/кодирования или после него, встраиванием битов ЦВЗ в закодированный и
сжатый битовый поток.
В самых ранних из предложенных методов встраивания ЦВЗ [1–3] исполь-
зовалась стратегия квантования–замены: сначала выполняется квантование ве-
дущего сигнала, а потом для внедрения информации изменяются квантованные
величины. Простой пример такой системы — так называемая модуляция
наименьшего значащего бита (НЗБ), где он при квантовании ведущего сигнала
заменен двоичным представлением внедренного сигнала. Позже получили зна-
чительное распространение методы, основанные на аддитивном расширении
спектра (РС), в которых при внедрении информации ведущий сигнал линейно
комбинируется с малым псевдошумовым сигналом, смоделированным внедрен-
ным сигналом [4–7]. Еще позже был предложен метод модуляции индекса кван-
тования (МИК) [8], в котором все значения ведущего сигнала разделяются на
два (и более) множества для встраивания 0 и 1 соответственно, что расширяет
возможности построения стойких систем ЦВЗ.
В последние годы стали появляться публикации по встраиванию ЦВЗ, со-
зданные именно для видеопоследовательностей. В первой части обзора рассмат-
риваются научные работы о встраивании ЦВЗ в цифровое видео с использованием
параметров существующих стандартов сжатия/кодирования видеосигналов; с ис-
пользованием уже закодированной информации, считающейся наиболее суще-
ственной для корректного восстановления видеосигнала; с использованием дви-
жения объектов в последовательности кадров. Во второй части будут рассмотре-
ны работы по встраиванию ЦВЗ, использующие специфику видеосигналов как
последовательности медленно меняющихся трехцветных кадров.
Встраивание данных в тип блока для записи вектора движения
В работе [9] предложена идея защиты видеоданных, сжатых и закодированных
в стандарте H.264, с использованием размеров блоков для записи вектора движения.
Напомним, что такое векторы движения и как они используются для кодиро-
вания видео. Поскольку кадры в видеопоследовательности меняются незначи-
146 ISSN 0572-2691
тельно, последовательность кадров имеет большую избыточность. Для эффектив-
ного сжатия видео некоторые кадры кодируются полностью, а для остальных кад-
ров кодируется только отличие от уже закодированных кадров, т.е. выполняется
кодирование с предсказанием по времени. В процессе кодирования в закодирован-
ном ранее кадре выбирается макроблок (опорный макроблок), наиболее похожий на
текущий кодируемый макроблок. Опорный макроблок вычитается из текущего
макроблока, остаток, если он есть, кодируется и записывается в видеопоследова-
тельность. Кроме того, оценивается, кодируется и записывается в видеопоследова-
тельность разница в местоположении опорного и текущего макроблоков в непо-
движной системе координат, эта разница и называется вектором движения.
В стандарте H.264 для записи вектора движения используются семь типов
блоков (16×16, 16×8, 8×16, 8×8, 8×4, 4×8, 4×4). После оценки вектора движе-
ния его запись производится в блок таких размеров, который улучшает кодирова-
ние/сжатие. Основная идея предложенной схемы встраивания сообщения (или
ЦВЗ) состоит в том, чтобы вынудить кодер выбрать размеры блока не в целях эф-
фективности кодирования, а согласно требованиям встраивания данных.
Для простоты использовано только четыре типа блока. Сначала каждому ти-
пу блока присваивается двоичный код, по два бита на блок:
тип блока: 16×16, 16×8, 8×16, 8×8;
соответствующий двоичный код: 00 01 10 11.
Затем встраиваемое сообщение преобразуется в двоичное число, которое раз-
бивается на пары битов, которые встраиваются в макроблоки, кодируемые с ком-
пенсацией движением. На рис. 1 показано использование выбранных типов блоков.
Разбить на пары
Отображение пар в типы блоков
двоичное число
Преобразовать в двоичное число
…6H…
..0011011001001000.|..
00 11 01
16×16 16×8 8×16 16×8 16×16 8×16 16×16 8×8
10 01 00 10 00
Рис. 1
Для корректного обнаружения встроенной информации в видеопотоке необ-
ходимо передавать такие параметры встраивания:
1) стартовый кадр — кадр, с которого алгоритм запускает встраивание;
2) стартовый макроблок — макроблок в пределах выбранного кадра, с кото-
рого алгоритм запускает встраивание;
3) число макроблоков — число макроблоков в пределах кадра для встраива-
ния (макроблоки могут быть последовательными или рассредоточенными в пре-
делах кадра по заданному шаблону, чем больше число макроблоков, тем большая
достижимая емкость встраивания);
4) период кадра — число кадров до повторного встраивания (этот параметр
увеличивает вероятность извлечения сообщения при отсутствии некоторых ча-
стей видеопоследовательности, но для маленьких периодов при слишком частом
повторении сообщения может повлиять на эффективность кодирования);
Из видеопоследовательности синхронно считывается информация о парамет-
рах встроенного сообщения и само сообщение.
Алгоритм встраивания является решающим алгоритмом (блок-схема пока-
зана на рис. 2). Когда появляется кадр, который кодируется с предсказанием по
времени, алгоритм принимает решение о возможности его использования для
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2013, № 1 147
встраивания сообщения в соответствии с параметрами конспирации. При положи-
тельном решении среди макроблоков кадра выбираются кандидаты для встраива-
ния, для них выполняется оценка движения с принудительным выбором типа бло-
ка согласно сообщению (см. рис. 1). Само кодирование продолжается в нормаль-
ном режиме. Другими словами, алгоритм просто заменяет процесс оценки
движения, обычно выполняющийся кодером.
Встраивание
ЦВЗ
I-кодирование
Параметры
конспирации
Кадр,
на который
ссылаются
Оценка движения
Компенсация
движения
Да
Нет
Модуль предсказания по времени
I-кадры
Решение о
встраивании
ЦВЗ
Рис. 2
Авторы работы [9] утверждают, что предложенная схема может обеспечить
очень большую пропускную способность канала встраивания пропорционально
размеру ведущей видеопоследовательности. Большая емкость встраивания и не-
возможность обнаружить встроенную информацию в закодированном видеопото-
ке позволяют встраивать не только маленькие по объему ЦВЗ в целях защиты
цифрового видео, но и передавать тайные сообщения, т.е. создавать стеганоканал.
Главное преимущество состоит в том, что визуальное качество видео и эффектив-
ность кодирования при правильном управлении параметрами конспирации не ме-
няются. Утверждается, что обнаружить данные в декодере чрезвычайно трудно,
что увеличивает невидимость скрытого сообщения. Наконец, система встраива-
ния–извлечения является слепой и не требует исходного видео.
Предложенный метод авторы изучали с помощью моделирования для про-
граммного обеспечения JVT, версия 11.0. Исследовалось несколько видеопосле-
довательностей в формате QCIF. По результатам моделирования авторы сделали
вывод, что предложенная схема фактически не меняет отношение сигнал/помеха
по мощности (PSNR). Объясняется это отсутствием ограничения на скорость пе-
редачи информации в битах, и, как следствие, отсутствием потерь информации.
Из-за отсутствия оптимизации в выборе типа блока для записи векторов движения
наблюдалось увеличение объема всего битового потока. Битовая скорость переда-
чи информации возрастала пропорционально росту объема битового потока, вы-
званного встраиванием ЦВЗ.
Встраивание формы/движения в текстуру методом МИК для МРЕС-4 видео
В работе [10] для встраивания ЦВЗ авторы предложили использовать метод
модуляции индекса квантования.
Для выбора метода кодирования и встраивания данных в видео авторы опи-
раются на требование автоматического повтора (ТАП) и кодирования с предвари-
тельным контролем ошибок (ПКО). Однако в реальном времени ТАП не всегда
выполнимо из-за неприемлемой задержки ретрансляции (повторной передачи).
Поэтому для улучшения работы беспроволочных передач видеообъектов выбран
подход ПКО со встраиванием данных.
148 ISSN 0572-2691
Ссылаясь на возрастающий интерес к международному стандарту MPEG-4 [11],
авторы ориентировали на него свои исследования. Согласно спецификации
MPEG-4 видеоданные состоят из данных о форме, движении и текстурной ин-
формации, которые имеют совершенно различные стохастические характеристики
и потребление битовой нормы. Во многих случаях форма оказывает более силь-
ное влияние на качество восстановленного видео, чем текстура. Этим мотивиру-
ется неравная защита формы и компонентов текстуры объектов при кодировании
и передаче видео. Неравная защита подразумевает более высокий приоритет
в распределении битов во время исходного кодирования для важных данных, коди-
рование большей избыточностью и приоритеты во время передачи. Однако, по
мнению авторов работы [10], такие решения основываются на видео с предвари-
тельным кодированием и не учитывается видео с произвольно оформленными объ-
ектами видео. Кроме того, совместное кодирование исходного канала с объектно-
ориентированным кодированием видео все еще остается неизведанной областью,
имеющей ограниченное число публикаций. Также авторы считают, что встраива-
ние данных увеличит стойкость к помехам закодированных исходных данных.
При этом имеется в виду, что дополнительная информация о важных особенно-
стях, таких как форма объектов и векторы движения, встраивается в закодирован-
ный битовый поток в целях восстановления данных о важных особенностях в
случае их повреждения. Решение проблемы авторы подразделяют на три основ-
ных направления:
1) предложена новая схема кодирования источника канала с оптимальной об-
щей (битовой) нормой-искажением на основе объектно-ориентированного видео;
2) введен гибридный подход неравной защиты, в котором по-разному защи-
щаются форма и текстура в источнике и в кодировании канала;
3) встроенные данные добавляются в совместно закодированный рабочий
кадр источника-канала.
Полное кодирование источника-канала и встраивание данных оптимизированы
совместно алгоритмом, который считается эффективным и оптимальным. Авторы
называют рассматриваемый случай встраивания данных методом модуляции ин-
декса квантования нечетно-четным методом МИК. Данные ведущего сигнала X —
квантованные коэффициенты дискретного косинусного преобразования (ДКП)
текстуры. В нечетно-четном МИК данные встраиваются в ненулевые квантован-
ные АС коэффициенты∗. Если встраиваемый бит является «0», квантованный ко-
эффициент АС изменяется на четное число; иначе коэффициент АС изменяется на
нечетное число, схемы встраивания и извлечения данных можно представить так:
≠−<−
≠−>+
==
,02mod)(и0если,1
,02mod)(и0если,1
),(Embed
iiii
iiii
iii mxиxx
mxxx
mxy (1)
и ,2modˆ)ˆ(Extractbedˆ iii yym == (2)
где ix и iŷ — соответственно оригинальный и восстановленный i-й АС коэффи-
циенты, im — встроенный бит, m̂ — бит сообщения на стороне получателя, i —
индекс бита im сообщения m. Выход модулированных операций в (1) и (2) равен
0 или 1.
Метод простой для встраивания и декодирования, предполагает большую ем-
кость встраивания данных с небольшой сложностью и большой гибкостью (по срав-
нению с методами расширения спектра), что дает возможность кодеру по ситуации
решать, сколько информации встраивать в каждый блок.
∗ АС коэффициенты — это все коэффициенты блока 8×8 кроме самого верхнего правого (среднего
значения).
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2013, № 1 149
Встраивание формы/движения в текстуру для МРЕС-4 видео. В MPEG-4
данные формы/движения и текстуры упакованы в одном пакете, но разделены
маркером движения: данные о форме/движении; маркер движения; текстурные
данные. При правильном приеме данных о форме и движении и при возникнове-
нии ошибки в текстурных данных используется имеющийся в наличии вектор
движения, позволяя маскировать поврежденную текстуру. Однако, поскольку при
декодировании текстуры полагаются на информацию, хранящуюся в данных о
форме/движении, т.е. на вектор движения текстуры, моду кодирования текстуры и
тип кодирования бинарного упорядоченного блока формы (binary alpha block —
ВАВ), при повреждении данных о форме/движении весь пакет будет забракован
даже при неповрежденных данных текстуры.
В работе [10] информацию о форме и движении предлагается встраивать
в данные текстуры с тем, чтобы иметь возможность самодекодирования (self-de-
codable). Утверждается, что в этом случае текстурные данные можно использо-
вать даже при повреждении данных о форме/движении. Кроме того, встроенные
данные частично могут помочь восстановить утраченные форму и векторы дви-
жения. Предлагается встраивать данные (см. таблицу), критические для декодиро-
вания текстуры: тип формы ВАВ, COD (1-битовый флажок, который сообщает,
закодирован ли макроблок), моду кодирования текстуры, образец закодированно-
го яркостного блока (СВРС). Также могут быть встроены целочисленные векторы
движения в диапазоне [– 16, 16] и версия формы (с самым низким разрешением
4×4 для представления оригинальной матрицы ВАВ 16×16).
Таблица
Информация для встраивания
в текстурные данные Число встраиваемых битов Необходимость для деко-
дирования текстуры
Тип формы
ВАВ
светлый 1
да темный 1
с границами 2+4
COD 1 да
Мода текстуры 1 да
СВРС 2 да
Вектор движения текстуры 10 нет
Форма с потерями 4–16 нет
Емкость встраивания зависит от числа ненулевых квантованных коэффици-
ентов ДКП. Чтобы эффективно распределить встраиваемые данные в пределах
количества имеющихся ненулевых коэффициентов, предлагается пять уровней
режима встраивания: (0) без встраивания; (1) встроена только важная информа-
ция; (2) встроена важная информация и векторы движения; (3) встроена важная
информация и форма с потерями; (4) встроена важная информация, векторы дви-
жения и форма с потерями. Режим встраивания также встроен. Когда число нену-
левых квантованных коэффициентов ДКП равно нулю, декодер автоматически
решает, что встроенной информации нет. Подчеркивается, что выбор режимов
встраивания оптимизируется на основе параметров кодирования источника, пара-
метров кодирования канала, условиями канала и стратегией маскировки ошибок.
В работе одновременно рассматривались кодирование источника, кодирова-
ние канала, встраивание данных и маскировка ошибок восстановленного оптими-
зированного кадра. Выбирая источник, параметры кодирования канала и уровень
встраивания данных, авторы стремились минимизировать общее ожидаемое ис-
кажение при заданном битовом бюджете на кадр:
,toSubject],[Minimize budjetRRDE tot ≤
150 ISSN 0572-2691
где ][ totDE — ожидаемое общее искажение на кадр, R — фактическая битовая
норма на кадр (включая норму кодирования источника и канала) и budjetR — би-
товый бюджет на кадр.
Результаты экспериментов [10]. При проведении экспериментов предполага-
лось, что первый кадр в видеопоследовательности кодируется полностью (т.е. яв-
ляется І-кадром), шаг квантования равен 6, канал достаточно защищен для кор-
ректного получения информации декодером. Это предположение позволило сде-
лать одинаковыми начальные условия для всех экспериментов. Рассматривались
только те кадры, в которых данные о форме объектов кодируются полностью, без
предсказания. Было проведено три серии экспериментов.
В первой серии сравнивалось кодирование источника с использованием
адаптивной схемы со встроенными данными и без ее использования. Закодиро-
ванная информация об источнике (без кодирования канала) передавалась по бес-
проводным каналам при 310−=BER и .10 4−=BER Сравнение результатов с ис-
пользованием адаптивной схемы и без нее при оптимальном кодировании источ-
ника в обоих случаях показало, что при очень низкой битовой норме оба подхода
выполняются одинаково. Такой результат объясняется тем, что текстурные дан-
ные в этом случае кодируются с очень грубым качеством и количество ненулевых
коэффициентов ДСТ меньше, чем нужно даже для первого уровня встраивания.
С ростом битовой нормы возрастает число ненулевых коэффициентов ДСТ, появ-
ляется возможность встраивания дополнительной информации. Более того, оказа-
лось, что плата (в смысле пикового отношения сигнала к помехе — PSNR) за ис-
пользование встроенных данных уменьшается при использовании лучшего канала
(с меньшим BER). Авторы объясняют это тем, что плата за использование встро-
енных данных зависит от способности восстановить форму объекта. Однако с ро-
стом BER возрастает и вероятность разрушения формы.
В целом авторы делают вывод, что эксперименты подтверждают предполо-
жение об улучшении качества видео за счет встроенных данных. Однако нельзя
делать вывод, что качество тем лучше, чем больше встроено дополнительной ин-
формации. Поскольку связь между битовой нормой источника, искажением и
встраиванием данных достаточно сложная, больший объем встраивания может
внести более сильное искажение в текстуру.
Вторая серия опытов посвящалась совместному кодированию источника и
канала, использовалось три подхода:
1) одинаковая защита от ошибок для текстуры и формы (при кодировании
канала);
2) неравная защита текстуры и формы;
3) гибридный метод (форма и текстура защищены одинаково при кодирова-
нии канала, данные формы и движения встроены в текстуру на разных уровнях).
Согласно результатам экспериментов при больших битовых нормах (при до-
статочном количестве ненулевых коэффициентов ДКП для встраивания) гибрид-
ный метод работает существенно лучше первых двух при ,6=SNR но при
10=SNR это преимущество практически исчезает. Полученный результат объяс-
няют тем, что при более сильном сигнале (с ростом SNR) снижается вероятность
повреждения передаваемой информации.
Третья серия экспериментов проводилась с целью показать преимущества
предложенного подхода для последовательностей объектов с быстрым движени-
ем. В результате экспериментов авторы пришли к выводу, что для 6=SNR лучше
работает неравная защита текстуры и формы, но для 10=SNR преимущество
следует отдавать гибридному методу. Такие результаты объясняют тем, что эф-
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2013, № 1 151
фективное кодирование видеопоследовательностей с быстрым движением значи-
тельно полагается на информацию о форме и движении, способность противосто-
ять ошибкам для таких данных становится особенно важной.
В работе [10] задача встраивания ЦВЗ не рассматривалась, однако с этой точ-
ки зрения работа тоже интересна. Если биты ЦВЗ встроены в параметры формы
или движения, то встроенная информация автоматически дублируется в текстур-
ных данных.
Возможен и другой, более простой вариант встраивания ЦВЗ. В таблице под
вектор движения текстуры отводится 10 бит, часть которых можно просто ис-
пользовать для встраивания ЦВЗ, особенно если вектор движения равен нулю.
Тогда в текстурном макроблоке будет храниться информация о ЦВЗ и о форме
объектов (для сохранения лучшего качества видео).
Встраивание водяных знаков в движущиеся объекты переднего плана
видеопоследовательности методом расширения спектра
В работе [12] авторы исследуют влияние скорости движения объектов перед-
него плана на незаметность встроенного водяного знака. Основанием для иссле-
дований послужили особенности восприятия движущихся объектов психовизу-
альной системой зрения человека. Глаз человека может замечать подробности в
пространственной области только тогда, когда количественно движение находит-
ся в определенном диапазоне. Фактически существуют нижняя и верхняя границы
восприятия движения, за их пределами восприятие высокочастотных подробно-
стей невозможно (глаз и мозг человека не воспринимают их).
Значения двух порогов движения считались фундаментальными. Для разных
методов встраивания и разных видеопоследовательностей количество и ощути-
мость искажений при встраивании ЦВЗ изменяется не одинаково. Рассматривая
артефакты, вызванные маркировкой (как шум), авторы хотели определить зави-
симость между воспринятым раздражением и зашумлением. Предполагалось, что
артефакт будет менее раздражающим, если объект на переднем плане относи-
тельно фона будет двигаться быстрее. Был спроектирован неформальный субъек-
тивный эксперимент. Для количественного определения порогов авторы на груп-
пе людей провели ряд психофизических экспериментов. Использовались два син-
тетических видео с двигающимися объектами, скоростью которых можно было
управлять на протяжении пяти секунд. В синтетическом видео «автомобиль»
красного цвета двигался на сером фоне, в видеопоследовательности «луна» изоб-
ражение реальной луны искусственно перемещалось по контрастному фону
(рис. 3).
Рис. 3
Для оценки количества движения в заданной области использовался оптиче-
ский поточный алгоритм. Например, в кадре в позиции ),( 00 yx в пределах окна
поиска W, центрированного в точке ),( yx , определялся i-й пиксел. По мнению
авторов [12], для минимизации энергии различия двух кадров можно использо-
152 ISSN 0572-2691
вать любой критерий оптимальности. Чтобы оценить количество движения обла-
сти (блока), в своих экспериментах авторы использовали оптический поточный
алгоритм, который обеспечивал оценку движения между двумя кадрами с точно-
стью до полпиксела. Оцененное смещение, нормализованное относительно про-
должительности кадра ,pt∆ сравнивалось с порогами движения, maxT и .minT
Пикселы ),,( yx принадлежащие областям с векторами движения выше maxT ,
считались имеющими высокую норму движения. Для пикселов ),,( yx принадле-
жащих областям с векторами движения ниже ,minT норма движения считалась
низкой. Области кадра, состоящие из высоких и низких пикселов движения, опре-
делялись согласно следующим соотношениям:
},),(,),(),{( max WyxTyxdyxHi ∈≥=
}.),(,),(),{( min WyxTyxdyxLi ∈≤=
Маска важности ),( yxMi движения ),( yx определялась как бинарная маска:
пикселам с нормой движения выше maxT и ниже minT присваивались значения 1,
а остальным — 0:
∪∈
=
случаях.остальныхв0
),(),(если1,
),( ii
i
LHyx
yxM
Так как пороги оценивались согласно перцепционной визуальной системе че-
ловека и на основе решения людей, был выполнен субъективный эксперимент.
Для встраивания ЦВЗ использовался метод блочного расширения спектра,
а именно, двумерная бинарная метка (ЦВЗ) с нулевым средним умножалась на
некоррелированную псевдослучайную шумовую матрицу, масштабировалась и
затем добавлялась к средним (или высоким) коэффициентам ДКП выбранных
блоков яркостной компоненты сигнала. Для изменения мощности водяного знака
использовался коэффициент масштабирования α. Увеличение α ухудшает каче-
ство видео.
Постановка эксперимента. Для тестирования были выбраны тридцать субъ-
ектов, недостаточно опытных относительно артефактов видео и соответствующей
терминологии. Для показа тестовых последовательностей видео использовался
общий монитор компьютера. Субъект находился перед монитором на расстоянии
80 см от видеомонитора, эксперимент выполнялся с каждым субъектом отдельно.
Экспериментальный сеанс содержал четыре этапа: устные инструкции, показ
тестовых последовательностей (для установления диапазона раздражения), прак-
тические испытания, идентичные экспериментальным (10 % общего количества
испытаний), фактический эксперимент с полным набором испытательных после-
довательностей.
После показа каждого видео испытуемого просили оценить раздражающее
искажение по шкале от 0 до 100, сравнивая с худшим дефектным представлением
в учебных последовательностях. Для определения величины раздражения мощ-
ность метки α менялась от значений с почти незаметным водяным знаком до
очень раздражающего водяного знака. Точнее, мощность α варьировалась изме-
нением значений PSNR маркированного объекта: 23 дБ, 28 дБ, 31 дБ.
Предложенный подход проверялся и на реальном видео. Камера следовала за
движением основного объекта. Никакого относительного движения между перед-
ним планом и фоном не было. Области для встраивания ЦВЗ выбирались с помо-
щью описанного метода, водяной знак встраивался в средние частоты ДКП. Рас-
сматривались различные значения мощности водяного знака.
Международный научно-технический журнал
«Проблемы управления и информатики», 2013, № 1 153
Общее количество испытательных последовательностей, используемых в
эксперименте, 135, включая (3 оригинальных испытательных последовательно-
сти) × (3 множителя PSNR) × (15 различных скоростей объектов). Движение по-
лучалось в результате изменения позиции движущегося объекта в пределах от
1 пиксел./кадр до 15 пиксел./кадр. Во время основного эксперимента последова-
тельности показывали в случайном порядке.
Из экспериментальных результатов следует, что при любой мощности ЦВЗ
уровень раздражения для скорости объекта 10 пиксел./кадр ниже, чем для скоро-
сти 2 пиксел./кадр. Кроме того, восприятие шума изменяется согласно мощности
ЦВЗ α: большая мощность вызывает большее раздражение. В пределах рассмат-
риваемого интервала скоростей движения объекта зависимость раздражения от
мощности можно считать линейной.
Субъективное тестирование на реальном видео показало, что раздражение
является почти постоянным, независимо от скорости объекта на переднем плане.
Раздражение уменьшалось, когда в сцене появлялся новый объект.
На основании исследований был сделан вывод, что хорошими порогами яв-
ляются 1min =T пиксел./кадр и 10max =T пиксел./кадр, а также, что влияние встро-
енных данных на восприятие видео средним наблюдателем уменьшается с ростом
скорости движения, т.е. при движении 2 пиксел./кадр наличие встроенных данных
заметнее, чем при движении 10 пиксел./кадр.
Заключение
В первой части обзора проанализированы три научные работы о встраивании
дополнительной информации в цифровые видеопоследовательности. Встраивание
в параметры кодирования, определяемые согласно выбранному стандарту коди-
рования, делает встроенную в видеосигнал информацию совершенно необнару-
живаемой. Однако такое встраивание уничтожается перекодированием, поэтому
может использоваться в каналах, защищенных от подобных атак. Использование
уже закодированной информации, считающейся наиболее существенной для кор-
ректного восстановления видеосигнала, в определенных условиях помогает вос-
станавливать сигнал с лучшим качеством. Практически в любой системе поиска
встроенной информации первоначально используется обычный наблюдатель. Быст-
рое движение объектов переднего плана в последовательности кадров помогает
«спрятать» встроенную информацию от психовизуальной системы зрения человека.
Во второй части обзора будут проанализированы научные работы зарубеж-
ных авторов о встраивании ЦВЗ до кодирования видеопоследовательности, ис-
пользующие для встраивания коэффициенты вейвлет-преобразования и специфи-
ку видеосигналов, как последовательности медленно меняющихся трехцветных
кадров. Также будет выполнен сравнительный анализ рассмотренных методов
встраивания.
Л.Л. Нікітенко
ВКРАПЛЕННЯ ДАНИХ У ВІДЕО. Частина 1
Розглядаються перспективні наукові публікації щодо вкраплення цифрових во-
дяних знаків у цифрове відео. Досліджено методи з використанням параметрів
існуючих стандартів стиску/кодування, закодованої інформації, найбільш істо-
тної для коректного відновлення відеосигналу; руху об'єктів у послідовності
кадрів.
154 ISSN 0572-2691
L.L. Nikitenko
VIDEO DATA EMBEDDING. Part I
The promising scientific papers that deal with video digital watermarks embedding
are considered. The methods using the existing standards of compression/coding pa-
rameters; using already coded information that is most essential to correct restoration
of video signal; using motion rate of the frame sequence objects are presented.
1. Swanson M.D., Zhu B., Tewfik A.H. Data hiding for video-in-video // Proceedings of the 1997
IEEE Intern. Conf. on Image Proces. (Piscataway, NJ). — 1997. — 2. — P. 676–679.
2. Barton J.M. Pat. #5,646,997. Method and apparatus for embedding authentication information
within digital data. United States. 1997.
3. Tanaka K., Nakamura Y., Matsui K. Embedding secret information into a dithered multi-level im-
age // Proceedings of the 1990 IEEE Military Com. Conf. — 1990. — P. 216–220.
4. Bender W., Gruhl D., Morimoto N., Lu A. Techniques for data hiding // IBM Systems Journ. —
1996. — 35, N 3–4. — P. 313–336.
5. Cox I.J., Killian J., Leighton T., Shamoon T. A secure, robust watermark for multimedia //
Inform. Hiding. First Intern. Workshop Proceed. — 1996. — P. 185–206.
6. Smith J.R., Comiskey B.O. Modulation and information hiding in images // Ibid. — 1996. —
P. 207–226.
7. Hernandez J.R., Perez-Gonzalez F., Rodriguez J.M., Nieto G. Performance analysis of a
2-D-multipulse amplitude modulation scheme for data hiding and watermarking of still images //
IEEE Journ. on Selected Areas in Com. — 1998. — 16. — P. 510–524.
8. Chen B., Wornell G.W. Quantization index modulation: a class of provably good methods for dig-
ital watermarking and information embedding // IEEE Transact. on Inform. Theory. — 2001. —
47, N 4. — P. 1423–1443.
9. Kapotas S.K., Varsaki E.E., Skodras A.N. Data hiding in H.264 encoded video sequences // IEEE
9th Workshop on Multimedia Signal Proces. October 1–3, 2007, Crete. — P. 373–376.
10. Wang H., Tsaftaris S.A., Katsaggelos A.K. Joint source-channel coding for wireless object-based
video communications utilizing data hiding // IEEE Transact. on Image Proces. — 2006. — 15,
N 8. — P. 2158–2169.
11. Brady N. MPEG-4 Standardized method for the compression of arbitrary shaped video objects //
IEEE Transact. on Circuits and Systems for Video Technology. — 1999. — 9, N 8. —
P. 1170–1189.
12. Neri A., Campisi P., Carli М., Drelie Gelasca E. Watermarking hiding in video sequences // First
Internat. Workshop on Video Proces. and Quality Metrics for Consumer Electronics, Scottsdale,
Arizona, USA, SPIE, 2005.
Получено 02.12.2011
Статья представлена к публикации чл.-корр. НАН Украины В.К. Задиракой.
Введение
Встраивание данных в тип блока для записи вектора движения
Встраивание формы/движения в текстуру методом МИК для МРЕС-4 видео
Встраивание водяных знаков в движущиеся объекты переднего плана видеопоследовательности методом расширения спектра
Заключение
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-207595 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0572-2691 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:25:45Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Никитенко, Л.Л. 2025-10-10T09:28:45Z 2013 Встраивание данных в видео. Часть 1 / Л.Л. Никитенко // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 1. — С. 145–153. — Бібліогр.: 12 назв. - рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207595 004.415.24; 519.22 10.1615/JAutomatInfScien.v45.i1.60 Розглянуто перспективні наукові публікації щодо вкраплення цифрових водяних знаків у цифрове відео. Досліджено методи, що використовують параметри існуючих стандартів стиску/кодування; закодовану інформацію, істотну для відновлення відеосигналу; та рух об'єктів у кадрах. The promising scientific papers that deal with video digital watermarks embedding are considered. The methods using the existing standards of compression/coding parameters; using already coded information most essential to correct restoration of video signal; using motion rate of frame sequence objects are presented. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Проблемы управления и информатики Проблемы защиты информации Встраивание данных в видео. Часть 1 Вкраплення даних у відео. Частина 1 Video Data Embedding. Part I Article published earlier |
| spellingShingle | Встраивание данных в видео. Часть 1 Никитенко, Л.Л. Проблемы защиты информации |
| title | Встраивание данных в видео. Часть 1 |
| title_alt | Вкраплення даних у відео. Частина 1 Video Data Embedding. Part I |
| title_full | Встраивание данных в видео. Часть 1 |
| title_fullStr | Встраивание данных в видео. Часть 1 |
| title_full_unstemmed | Встраивание данных в видео. Часть 1 |
| title_short | Встраивание данных в видео. Часть 1 |
| title_sort | встраивание данных в видео. часть 1 |
| topic | Проблемы защиты информации |
| topic_facet | Проблемы защиты информации |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207595 |
| work_keys_str_mv | AT nikitenkoll vstraivaniedannyhvvideočastʹ1 AT nikitenkoll vkraplennâdanihuvídeočastina1 AT nikitenkoll videodataembeddingparti |