Метод встраивания информации в цифровые изображения JPEG, минимизирующий психовизуальные искажения для малых объемов встроенной информации

Abstract

Цифровые фотографии традиционно являются одним из наиболее распространенных типов стеганографических контейнеров. Подавляющее большинство цифровых фотографий хранится в сжатом виде с использованием алгоритмов семейства JPEG, или алгоритма webP, который структурно отличается от JPEG лишь в малозначительных деталях. Поскольку указанные алгоритмы не сохраняют точные значения пикселей, добавление скрытой информации в файлы такого типа предполагает добавление информации в т.н. пространстве преобразований (transform domain), другими словами, изменению подлежат квантованные коэффициенты дискретного косинусного преобразования (ДКП), именно те данные, которые остаются неизменными в процессе сжатия изображения. В широко распространенных стеганографических алгоритмах, работающих с такими форматами, обычно изменяются младшие значащие биты (LSB) квантованных компонентов ДКП блоков изображения. При этом внедрение обычно проводится последовательно, начиная с начальных блоков изображения. Исходя из этого, следует, что для усовершенствования метода необходимо изменение последовательности внедрения битов информации. В данной статье разработан стеганографический алгоритм для изображений JPEG, функционирующий в области квантованных ДКП-компонентов, который позволяет оценить психовизуальную заметность внедрения для каждого ДКП-компонента каждого блока изображения-носителя и произвести внедрение в те ДКП-компоненты, для которых заметность является минимальной. Для проверки эффективности стеганографического алгоритма используются объективные критерии, которые позволяют получить просто вычисляемую характеристику изображения разностного сигнала между двумя изображениями: исходным и преобразованным.

Digital photos are traditionally one of the most common types of steganographic containers. The vast majority of digital photographs are stored in a compressed form using algorithms of the JPEG family, or the webP algorithm, which is structurally different from JPEG only in minor details. Since these algorithms do not preserve the exact value of the pixels, adding hidden information to files of this type implies adding information to the so-called. transform domain (transform domain), in other words, quantized coefficients of discrete cosine transform (DCT) are subject to change, namely the data that remains unchanged during image compression. In the widespread steganographic algorithms working with such formats, the least significant bits (LSB) of quantized DCT components of image blocks usually change. In this case, the introduction is usually carried out sequentially, starting with the initial blocks of the image. On this basis, it follows that in order to improve the method, it is necessary to change the sequence of implementation of the information bits. This article has developed a steganographic algorithm for JPEG images, which functions in the area of quantized DCT components, which allows us to evaluate the psycho-visual conspicuity of embedding for each DCT component of each block of the image carrier and embed them into those DCT components for which the visibility is minimal. To verify the effectiveness of the steganographic algorithm, objective criteria are used that allow one to obtain simply a calculated characteristic of the image of a difference signal between two images: the original and the transformed one.

Цифрові фотографії традиційно є одним з найбільш поширених типів стеганографічних контейнерів. Переважна більшість цифрових фотографій зберігається в стислому вигляді з використанням алгоритмів сімейства JPEG, або алгоритму webP, який структурно відрізняється від JPEG лише в незначних деталях. Оскільки зазначені алгоритми не зберігають точні значення пікселів, додавання прихованої інформації в файли такого типу передбачає додавання інформації в т.зв. просторі перетворень (transform domain), іншими словами, зміні підлягають квантовані коефіцієнти дискретного косинусного перетворення (ДКП), саме ті дані, які залишаються незмінними в процесі стиснення зображення. В широко поширених стеганографічних алгоритмах, які працюють з такими форматами, як правило змінюються молодші значущі біти (LSB) квантованих компонентів ДКП блоків зображення. При цьому впровадження зазвичай проводиться послідовно, починаючи з початкових блоків зображення. Виходячи з цього, можна сказати, що для удосконалення методу необхідна зміна послідовності впровадження бітів інформації. У даній статті розроблено стеганографічний алгоритм для зображень JPEG, що функціонує в області квантових ДКП-компонентів, який дозволяє оцінити психовізуальну помітність впровадження для кожного ДКП-компонента кожного блоку зображення-носія, і зробити впровадження в ті ДКП-компоненти, для яких помітність є мінімальною. Для перевірки ефективності стеганографічного алгоритму використовуються об'єктивні критерії, які дозволяють отримати просто обчислювану характеристику зображення від’ємного сигналу між двома зображеннями: вихідним і перетвореним.