بخشی از مقاله
چکیده
با گسترش روز افزون تبادل اطالعات در سراسر جهان و استفاده از شبکههای کامپیوتری نظیر اینترنت، نیاز بهیک فضای امن برای انتقال اطالعات بیش از گذشته احساس میشود. نهاننگاری بهمعنی مخفیسازی دادهها تحت عنوان نهاننگار در رسانههای دیجیتال است که بتوان اطالعات مخفیشده را سالم بازیابی و پردازش کرد. نهاننگاری در حوزهمکان در حداکثر سهبیت کمارزش تصویر انجام میگیرد. این مقاله معرفی روشی برای نهاننگاری دو سیگنال دیجیتال تصویر مجزا در شش بیت نویزهای فلفلنمک اعمال شده به یک تصویر دیجیتال بهکمک جدول سودوکو است. اطالعات دو تصویر مهمان ابتدا بهکمک یکجدول سودوکو9×9 در تمام تصویر پراکنده میشوند و با توجه بهاینکه نویزهای فلفلنمک بهصورت تصادفی در پیکسلهای سراسر تصویر اعمال میشوند، پیکسلهای این تصویر بهصورت نظیربهنظیر درون نویزهای فلفلنمک اعمالشده بهتصویر میزبان، جایگزاری میشوند. در مرحله بازیابی اطالعات ذخیرهشده در نویزها، هر سه تصویر بازیابی، نویززدایی و نمایش دادهمیشوند که نتایج حاصل این روش نهاننگاری در جدول مربوطه ارائه شدهاست و نتایج بسیار بهتری نسبت به طرحهای پیشین دارد.
کلمات کلیدی:ذخیره و بازیابی اطالعات ، حوزهمکان، نهاننگاری، نویز فلفلنمک، جدول سودوکو
-1 مقدمه
با رشد فناوری دیجیتال طی دهههای گذشته، ارسال و ذخیره رسانههای الکترونیکی افزایش یافتهاست و نسخهبرداری از دادهها بدون افت کیفیت و با هزینهای بسیاراندک امکانپذیر شدهاست. حفاظت از رسانههای دیجیتال باتوجه بهرشد سریع تکنولوژی به یک مسئله مهم تبدیل گردیدهاست. استحکام، امنیت و صحت درستی دادهها، مهمترین ویژگی است که توسط الگوریتم نهاننگاری تا حدی بهبود یافتهاست. نهاننگاری بهمعنی مخفیسازی دادهها تحت عنوان نهاننگار در رسانههای دیجیتال است که به دو حوزهمکان و فرکانس تقسیم میشود. در روشهای حوزه-مکان برای گنجاندن اطالعات مورد نظر، مقادیر پیکسلها بهطور مستقیم دستکاری میشوند.
این روشها پیچیدگی کمتری دارند، اما شکنندهتر هستند و مقاوم نیستند، ولی در روشهای حوزهفرکانس ابتدا تصاویر به یکی از حوزههای فرکانسی انتقالیافته، سپس نهاننگاری با دستکاری مقادیر در حوزهفرکانس انجام میگیرد و در نهایت تصویر به حوزهمکان بازگرداندهمیشود. در مقایسه با روشهای حوزهمکان ثابت شدهاست که روشهای حوزهفرکانس در دستیافتن به الگوریتمهای نهاننگاری دیجیتال از لحاظ غیرقابل مشاهدهبودن و استحکام بهتر میباشند. اطالعات نهاننگاری میتواند شامل تصویر، متن، صوت و ویدیو باشد.نهاننگاری از نظر مقاومت در برابر حمالت مختلف به سهدستهی نهاننگاری مقاوم، نهاننگاری شکننده و نهاننگاری نیمهشکننده تقسیم میشوند. یکی از مشکالت نهاننگاری این استکه مورد حمالت مختلف قرار میگیرد.
حمالت نهاننگاری به دستههای حمالت حذف، حمالت برش، حمالت هندسی، حمالت فشرده سازی و نویزهای متعارف تقسیم میشوند.جدول سودوکو شامل یک شبکه سطری ستونی از سلولها است که به N سلول و N ناحیه بخشبندی میشود و با استفاده از N کاراکتر یا اعداد 1]تا[9 شمارهگذاری میشود. این جدول دارای قوانین و محدودیتهای خاصی برای هرعدد میباشد. هرعدد یا کاراکتر که به-عنوان نام سلول تعیین شدهاست، نمیتواند بیش از یکبار در هرسطر، ستون یا ناحیه قرار بگیرد. جدول سودوکو کالسیک جدولی است که خانههای آن با ارقام 1تا9 پرشدهاست و هر ناحیه آن از خانه-های3×3 تشکیلشدهاست. در هرسطر و ستون جدول ارقام متفاوتی از 1 تا 9 قرار گرفته است.
از ویژگیهای جدول سودوکو ایناستکه ارقام آن به صورت عادالنه در کل تصویر پراکنده شدهاست و نیز اینکه برای هر جدول سودوکو یک راهحل منحصر بهفرد است که ترتیب قرار گرفتن عادالنه اعداد را درون سطرها و ستونهای آن جدول تضمین مینماید.در این پژوهش سعی برآن است که بهکمک الگوریتم پیشنهادی اول، اطالعات دو تصویر مجزا درون نویزهای واردشده بهیک تصویر قرارگیرد. به اینصورت که در هربار اجرای برنامه، ابتدا پیش پردازشی روی سه تصویر ورودی انجاممیگیرد. جهت شناسایی اطالعات نهاننگاریشده، مقادیر ماتریس مولفه های بیت هشتم از پیکسلهای تصویر میزبان را با عملگرnot بدست آورده و بهجای ماتریس بیت اول قرار میدهیم. سپس بهتصویر درصد عادالنهای از نویز فلفل نمک اعمال میشود. با بهرهگیری از جدول سودوکو، چیدمان تصاویر مهمان را بر طبق یک جدول حلشده سودوکو مرتب میکنیم و جهت نهاننگاری از ششبیت اطالعات تصاویر مهمان استفادهمیکنیم.
برای باالبردن مقاومت تصویر میزبان نسبت به حمالت برش، دو بیت هشتم و هفتم از تصویر میزبان را طبق الگوی حلشده جدول سودوکو تنظیم و بهجای ماتریس مولفههای بیتی دوم و سوم تصویر میزبان نهاننگاری میکنیم. الگوریتم پیشنهادی جهت ذخیره اطالعات دو سیگنال مجزای تصویر در نویزهای فلفلنمک، در شکل - - 1 مشاهده میشود.در الگوریتم دوم در سمت گیرنده، ابتدا تصویر حاوی اطالعات دو تصویر - خروجی الگوریتم اول - دریافت میگردد. سپس پیکسل به - پیکسل جهت شناسایی مکان نویزها ، تصویر از ابتدا بررسی و در صورت نویزیبودن پیکسل فعلی، اطالعات درون این پیکسل بازیابی و پیکسل مربوطه ترمیم میشود نهایتاً 3 تصویر نویزیشده تولید میگردد. در مرحله بعدی عملیات حذف نویز از تصاویر بازیابیشده انجام میگیرد و هر سه تصویر بازسازی و نمایش داده میشوند. الگوریتم پیشنهادی جهت بازیابی اطالعات دو سیگنال مجزای تصویر از نویزهای فلفلنمک، در شکل - - 2 مشاهدهمیشود.
-2 مروری برکارهای پیشین
در سال 2011 طرحی جدید برای الگوریتم نهاننگاری توسط باماترال و همکارانش پیشنهاد گردید که به کمک ترکیب کمترین بیت عالمت و بیت معکوس برای این استفاده کردند.[1]
در [2] چپرا و همکارانش در سال 2012 از نهاننگاری تصاویر دیجیتال با کمترین بیت عالمت برای تصاویر خاکستری استفاده کردند، هدف آنها محافظت از حقتکثیر داده در برابر تغییر و سوء استفاده از اطالعات با ارزش، به کمک جایگزینی بیت کمارزش با بیت پرارزش بود.شارمال و همکارانش در سال 2012 در[3] نهاننگاری دیجیتال با استفاده از کمترین بیت عالمت و روشهای نهاننگاری تصاویر و حمالت روی آن را بررسی و طرح نهاننگاری دیجیتال بر اساس کمترین بیت عالمت را با جانشینی بیتهای مختلف کمترینبیت با بیشترین بیت عالمت در تصویر، ارزیابی کردند.
با قراردادن دادهها در بیت اول همچون کمترین بیت عالمت، تصویر نهاننگاری شده بدون هیچ تداخلی تولید گردید اما با تعبیه داده در بیت دوم به سمت بیشترین بیت عالمت تصویر، بههم ریخته میشود.در سال[4]2013 برای صحت و اعتبار تصویر از طرح نهاننگاری اصالحشدهای در حوزه کمترین بیت عالمت استفاده کردند. در طرح کمترین بیت عالمت، میزان ظرفیت تعبیه کم است اما فقط یک بیت در هر پیکسل استفاده میشود که برگشتناپذیر هستند، و به همین دلیل نمیتوانند جهت برنامههای کاربردی خبره استفاده شوند. در این طرح یک استراتژی جدید مطرحشده که برگشتپذیری بیت را جبران می نماید و ظرفیت تعبیه را بهکمک دو بیت در هر پیکسل بهبود میدهد.
موسوی و همکارانش از روش نهاننگاری در سال2014 در تصاویر پزشکی بهره بردند. در این مقاله ساختار اصلی یک سیستم امنیتی بیانشده است. حجم تصاویر پزشکی درحال گسترش و اشتراک بین متخصصین برای تشخیص بهتر و دقیقتر میباشد که این امر به جهت جلوگیری از دستکاری افراد غیرمجاز و حفظ امنیت تصاویر پزشکی است.[5]ساین و همکارانش نیز در سال 2015 نهاننگاری کمترین بیت عالمت را با نویزهای مختلف مورد بررسی قراردادند. امنیت اطالعات و رسیدگی و تعیین اعتبار و سندیت اسناد و اطالعات نهاننگار کمترین بیت عالمت و برخورد نویز روی آن از اهداف اصلی این پژوهش بود که در آن برخورد نویزهای مختلف روی نهاننگار، آنالیز عملی برخورد نویز و تأثیر آن روی نهاننگار کمترین بیت عالمت شرح داده شد و شبیهسازی با نرمافزار Matlab گردید که نتایج آن با استفاده از معیارهای نسبت سیگنال به نویز و ضریب زاویه بررسی شد.[6]
در سال2016 موسوی و همکارانش طرحی ارائه کردند که در آن مقاومت تصاویر پزشکی نهاننگاری در برابر نویز فلفل نمک برای تصاویر مغناطیسی مغز استفاده شده است. این تصاویر پزشکی انتقال یافته بین متخصصان و بیمارستانها احتمال آنرا دارد که درمعرض خطر نویز فلفلنمک قرار بگیرد و نهاننگار تعبیهشده درون تصاویر پزشکی ازبین برود. روشهای نهاننگاری ارائه شده تاکنون، در برابر نویز فلفلنمک ضعیف است درحالیکه این طرح در برابر شدت نویز فلفلنمک تصاویر مغناطیسی مغز مقاوم است. کیفیت تصاویر نهاننگاری با معیارهای نسبت سیگنال به نویز، معیار شاخص تشابه ساختاری و نرخبیتخطا ارزیابیگردیده و نشان میدهد که نرخبیتخطای طرح ارائه شده در مقایسه با روشهای فعلی کمتر و نسبت سیگنال به نویز باالتر است.[7]
در سال2013 در [8] از سودوکوی 9×9 برای نهاننگاری استفاده گردید که درصد برش برای بازیابی قسمتی از تصویر مخفی را افزایش داد. محدودیت طرح این بود که دانستن کد حل جدول سودوکو جهت آشکارسازی اطالعات نهاننگاری شده الزامی بود.در [9] از کلید سودوکو برای مقاومسازی تصاویر نهاننگار دیجیتال در برابر نویز فلفلنمک استفاده گردید. به این صورت که نهاننگار در الگویی سازماندهی میگردد که این الگوی اطالعات بهطور قابلمالحظهای تشخیص نهاننگار را بهبود میبخشید.صانعی و همکارانش در سال 2015 از جدول سودوکو جهت مقاومسازی تصاویر دیجیتال در مقابل برش و نویز فلفلنمک استفاده کردند. بهدلیل ویژگیهای منحصر بهفردبودن و پراکندهبودن اطالعات در جدول سودوکو نتایج قابل قبولی در مقاومسازی نسبت به حمالت بهدستآمده است.[10]
-3 روش پیشنهادی
در این پژوهش الگوریتم اول به روش نهاننگاری در حوزهمکان، اطالعات دو تصویر مجزای دیجیتال را درون نویزهای فلفلنمک واردشده به یک تصویر ذخیره میکنیم و سپس توسط الگوریتم دوم، این اطالعات ذخیره شده را بازیابی و تصاویر مورد نظر را بازسازی و نمایش میدهیم.
-3-1 ذخیره اطالعات دو تصویر مجزا در نویزهای فلفلنمک تصویر دیجیتال
در مرحله ابتدایی برای شروع کار بهکمک 3 تصویر که از تصاویر استاندارد جعبه ابزار متلب میباشند و هرکدام دارای ابعاد متفاوتی هستند استفاده کردیم. در ابتدای کار 3 تصویر توسط الگوریتم پیشنهادی دریافت میگردد و عملیات پیش پردازش شامل همسایزسازی و تبدیل به مد خاکستری بر روی آنها انجام میگیرد. شکل - 3 - و - - 4
