Transcript Skaitmeninis signalø þenklinimas

Ženklinimo ir identifikavimo
algoritmų apžvalga ir taikymai
Doc. Ž.Nakutis, EMSK, 2009
Steganografija
Istorinis steganografijos tikslas – informacijos slėpimas.
Skaitmeninio apdorojimo ir skaitmeninių laikmenų galimybės atvėrė kelius
naujiems taikymams, tokiems kaip ženklinimas. Pagal analogiją su
popieriniais atitikmenimis (pinigų banknotais, dokumentais ir t.t.)
pradėtas naudoti terminas skaitmeninis vandenženklis (angl. digital
watermarking).
Steganografija
(slaptas rašymas, užmaskuoti kanalai)
Apsauga nuo aptikmo
(duomenų slėpimas)
Apsauga nuo panaikinimo
(dokumentų ženklinimas)
Vandenženklis
(visi objektai ženklinami
vienodai)
viso 38
„Piršto atspaudas“
(objektų identifikavimui
kiekvienas ženklinamas
unikaliai)
2
Publikacijų skaičius IEEE žurnaluose per metus
Vandenženklio algoritmų tyrimo ir kūrimo protrūkis – 1990 vidurys.
viso 38
3
Kodavimo ir dekodavimo procesas
viso 38
4
Vandenženklio principas
Nematoma informacija yra įterpiama į
vaizdo ar garso signalą
Priėmimo/atkūrimo pusėje vykdomas
detektavimas (vandenženklio iškyrimas)
viso 38
5
Vandenženklio algoritmų taikymai
Nuosavybės apsaugai. Į vaizdą, garsą ar kita multimedia signalą
savininkas įterpia vandenženklį, kurio buvimą gali
pademonstruoti kilus ginčui. Didelio bitų skaičiaus nereikia, bet
būtinas didelis atsparumas atakoms ir signalo transformacijoms.
Auditorijos stebėsenai. 1997 Japonijoje įvyko skandalas su
išpirkta reklama, kuri nebuvo transliuojama.
Skleidėjo arba gavėjo identifikavimui, pvz., ID kompaktiniuose
diskuose
Apsaugai nuo kopijavimo (aptikęs įterptą vandenženklį,
įrenginys turi blokuoti kopijavimo modulį)
Papildomos informacijos perdavimas, pvz., atlikėjo, dainos
pavadinimo albumo duomenų įterpimas į patį perduodamą kūrinį
viso 38
6
Vandenženklio algoritmų taikymai (2)
Medicinių vaizdų autentifikavimui (ligoninėse
jeigu kiltų konfliktų dėl diagnostinės
nuotraukos atlikimo, laiko, vietos ir paciento)
Kariniuose taikymuose (nustatyti ar gautas
pranešimas yra tikrai iš laukiamo siuntėjo)
Kriminalinių įvykių vaizdų ir garsų įrašų
autentifikavimas
viso 38
7
Audio vandenženklio algoritmams
keliami reikalavimai
Negirdimumas (nematomumas) – turi nepabloginti originalaus signalo
suvokimo kokybės
Vandenženklio duomenų perdavimo greitis (~0,5bps apsaugai, ~15bps
auditorijos stebėsenai, ~slaptai kalbai perduoti iki 150bps)
Atsparumas (angl. robustness). Vandenženklis turi likti nepažeistas ir
detektuojamas ženklintam signalui patiriant perdavimo trakto iškraipymus
(filtravimas, mp3 kodavimas). Kituose taikymuose vandenženklis turi būti trapus,
t.y. bet koks bandymas pakeisti signalą, turi padaryti vandenženklį
nedetektuojamu.
Detektavimas panaudojant originalų signalą (angl. non-blind) ir be jo
panaudojimo (angl. blind)
Saugumas – turi būti atsparus nesankcionuotam bandymui ištrinti vandenženklį
iš ženklinto signalo ar audio turinio.
Imlumas skaitmeniniam apdorojimui. Auditorijos stebėsenos realizavimui
reikalingas įterpimas/detektavimas realiuoju laiku, o autorystės apsaugai – tai ne
taip aktualu.
viso 38
8
Galimos atakos prieš vandenženklį
Dinaminiai iškraipymai
Dažninis filtravimas
Aplinkos simuliavimas (reverberacija)
Konversijos tarp diskretizavimo dažnių ir bitų
skaičiaus
Lossy suglaudinimas (mpeg, mp3)
Triukšmas
Moduliavimas (choro imitavimas, balso vibravimas)
Laiko ašies keitimas (tempas, atkūrimas)
Imčių kaitaliojimas su tikslu apgauti vandenženklį
(nulinių imčių įterpimas, imčių dubliavimas)
viso 38
9
Aklojo vandenženklio sistemos
modelis
(ekvivalentiškas ryšio sistemos modeliui)
Nereikia išeities signalo dekodavimo vietoje
viso 38
10
Neaklojo vandenženklio sistemos
modelis
Detektavimo pusėje reikalingas originalus signalas (c0).
angl. informed , non-blind watermarking
viso 38
11
LSB (Least Significant Bit) metodas
Vienas iš pirmųjų algoritmų
Dekodavimui reikalingas pradinis nekoduotas signalas
(neaklasis metodas) arba tikslus sinchronizavimas
(aklasis metodas)
Nenaudoja jokių psichoaksutinių efektų
Žmogaus klausos sistema yra labai jautri triukšmui,
todėl bitų skaičius kurį galima panaudoti
vandenženkliui yra labai ribotas
Privalumas – reikalauja mažų apdorojimo resursų
Ženklintą signalą labai kraipo perdavimo kodavimai
vykdomi kanale (MP3), filtravimas – todėl atsparumas
nedidelis. Dėl to praktiniuose audio taikymuose
beveik nenaudojamas
viso 38
12
LSB metodas vaizdų įterpimui
Kuo daugiau LSB
bitų
panaudojama
įterpiamam
paveikslėliui,
tuo jo kokybė
gerėja, bet ir
labiau
iškraipomas
pradinis
paveikslėlis.
viso 38
13
Erdviniai (spatial) ženklinimo metodai
Ženklas įterpiamas į spalvos, skaisčio ar
ryškumo kanalus vaizde
Dekodavimas vykdomas koreliaciniu principu:
ženklintas vaizdas lyginamas su įterptu ir
pagal koreliacijos lygį sprendžiama ar yra
įterptas ženklas (1bitas). Jeigu vaizdas
padalinamas į segmentus, tai realizuojama ir
didesnio bitų skaičiaus vandenženklis.
viso 38
14
Dažnių srities ženklinimo metodai
Vandenženklis įterpiamas į transformuotą
(DCT, FFT ir pan.) vaizdą ar signalą.
Pasižymi geru atsparumu atakoms, nes
manipuliuojant transformuotu ženklintu
signalu keičiama matomo vaizdo kokybė.
Ženklas dažniausiai įterpiamas viduriniajame
dažnių diapazone, nes aukštuose dažniuose
filtravimu galima “ištrinti” vandenženklį, o
žemuose dažniuose įterptas vandenženklis
tampa matomas ženklintame vaizde.
viso 38
15
Psichoakustiniai vandenženklio
metodai
Negirdimo vandenženklio įterpimui dažniausiai
panaudojami žmogaus klausos sistemos
psichoakustiniai ypatumai :


Laikinas maskavimas
Dažninis maskavimas
Pasiekiama, kad esant 20 dB signalasvandenženklis santykiui įterptasis
vandenženklis nėra girdimas
viso 38
16
Dažninio maskavimo reiškinys klausos
sistemoje
Stipresnės dedamosios maskuoja greta esančias žemesnio garso
lygio dedamąsias (jos yra negirdimos). Todėl gretimi dažnio
ruožai gali būti panaudoti vandenženkliui įterpti.
viso 38
17
Laikinis maskavimas
Priešmaskavimas ir pomaskavimas – tai reiškinys, kai yra negirdimi
tonai, esantys audio signale prieš ir po stipresnio
(maskuojančio) signalą laiko ašyje.
viso 38
18
Aido vandenženklio metodas
Tai aklojo tipo vandenženklio algoritmas, naudojamas tik audio
signalams (video ne).
Perduodama informacija koduojama originalaus signalo aido vėlinimo
trukme.
Perdavimo sparta ~n0 bps
viso 38
19
Fazinis audio vandenženklis
Idėja: garso fragmentas skaidomas į segmentus. Pirmajame
segmente atliekama fazinė moduliacija
Kodėl veikia: nedideli faziniai postūmiai nėra girdimi žmogaus
klausos sistema
Savybės: įterpiama duomenų sparta priklauso nuo įterpiamo
pertekliškumo, naudojamo dažnių ruožo vandenženkliui ir
energetinio pasiskirstymo audio signale. 44,1 kHz diskretizuotam
signalui naudojant 0-15 kHz juostą realus yra pvz., 32 bps
greitis
Trūkumai:



Vandenženklis yra lokalizuotas laike ir todėl gali būti neatsparus
atakoms ir iškraipymams
Metodui reikalinga tiksli sinchronizacija
Neaklasis algoritmas, todėl dekodavimui reikia originalaus signalo
viso 38
20
Paskleistojo spektro
vandenženklio metodas
Sparta n..n0 bps
viso 38
21
Mišinio (angl. patchworks) ir statistiniai
metodai
Principas:



Statistinis metodas remiasi hipotezių tikrinimu ir dideliu
duomenų kiekiu. Kadangi 1 sek. CD kokybės įrašo apima
88,200 imčių, tai metodas pritaikomas audio ženklinimui.
Panaudojant pseudo atsitiktinį procesą formuojamos
ženklinto signalo statistinės savybės. Detektuojant
skaičiuojami statistinių skirstinių parametrai (pvz. vidurkis) ir
sprendžiama ar yra įterptas vandenženklis.
Įterpimas dažnai vykdomas transformuotoje srityje (dažnių),
siekiant padidinti atsparumą
Savybės:


Aklasis metodas.
Sparta 1-10 bps
viso 38
22
Suglaudintų audio srautų
ženklinimas
Vandenženklis įterpiamas į MP3, MPEG, ACC algoritmais
koduotus įrašus, pvz., keičiami MP3 mąstelio koeficientai
kiekviename bloke tam tikra pseudoatsitiktine tvarka.
Dekodavus į PCM formatą, kokybė nepablogėja
Nevertina psichoakustinių metodų
Perdavimo sparta labai ribota
Sąlyginai nedideli skaičiavimų našumai
Failuose saugomiems įrašams sinchronizacija nereikalinga, nes
visada žinoma failo pradžia
viso 38
23
Reikalavimai vandenženklio algoritmams
auditorijos stebėsenos taikymuose
Aklasis metodas (papildomo kanalo originalo
perdavimui dažniausiai nėra)
Duomenų perdavimo spartai reikalavimai
nedideli
Labai atsparus iškraipymams
Neturi būti sinchronizacijos reikalavimų , pvz.,
kad pradėti apdorojimą nuo pradžios, kaip
faile. Transliacijoje jokios pradžios nėra.
Negalima tikėtis, kad visur bus stereo
kanalas.
viso 38
24
Kitų media signalų ženklinimas
Video
Ir t.t.
viso 38
25
Audiovizualinio turinio
identifikavimas
Skaičiuojamas nedidelio bitų skaičiaus kodas
(piršto atspaudas), kuris yra unikalus tam
tikram audio segmentui. Minimalūs pokyčiai
originaliame signale, gali sukelti radikalius
piršto atspaudo kodo pasikeitimus. Todėl čia
netiktų CRC algoritmai.
Į originalų signalą niekas neįterpiama
(pasyvus metodas)
Yra sudaroma duomenų bazė, kurioje laikomi
visi dominančių kūrinių “piršto atspaudai”
viso 38
26
Reikalavimai “piršto atspaudui”
Skiriamoji geba iš daugelio kitų “pirštų
atspaudų”
Invariantiškumas iškraipymams
Kompaktiškumas
Skaičiavimų paprastumas
viso 38
27
Audio identifikavimo sistemos struktūra
viso 38
28
“Piršto atspaudo” skaičiavimas
viso 38
29
Signalo požymių formavimas
viso 38
30
Taikymai
Auditorijos stebėsena (apžvalginis straipsnis
žurnale Matavimai: Nakutis, Žilvinas.
Electronic audience monitoring: methods and
problems)
Muzikinių kūrinių automatinis atpažinimas,
kad būtų galima perduoti kūrinio pavadinimą,
autorių, metus, ir t.t.
viso 38
31
Vienas iš “piršto atspaudo”
skaičiavimo pavyzdžių (Philips)
viso 38
32
“Piršto atspaudo” iškraipymai
suglaudinant
a) Originalo
b) Suglaudinto
c) Skirtumas
viso 38
33
Microsoft “piršto atspaudo”
skaičiavimo pavyzdžio aprašymas
Perdiskretizuojama iki 11,025 kHz diskretizavimo dažnio
Skaidoma į persidenginačius segmentus
Taikoma MCLT transformacija
Suformuojamas 128-ių verčių logaritminis spektras iš Modulated
Complex Transform (MLCT) koeficientų
Naudojami “Distortion Discriminant Analysis” (DDA) ir Oriented
Principal Components Analysis (OPCA) metodai sumažinti audio
segmento aprašymo dimensiškumui.
243,6 ms garso segmentui (tai atitinka maždaug 11KB CD kokybės
audio įrašo) identifikuoti sugeneruojamas 64 bitų vektorius.
viso 38
34
Vandenženklio ir piršto atspaudo
palyginimas
viso 38
35
Auditorijos stebėsenos sistema, naudojanti
autentifikavimo(hash) funkcijas
viso 38
36
Komercinės sistemos auditorijos
stebėsenai
viso 38
37
Frauenhofer instituto audio
identifikavimo sistema
Taikymai:


Auditorijos
stebėsena
Identifikuoti
muzikinius
kūrinius, lyginant
su duomenų bazės
“piršto atspaudais”
viso 38
38