مقاله روشی جدید جهت پنهان نگاری چندگانه تصاویر دیجیتالی در دامنه فرکانس

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله روشی جدید براي پنهان نگاري تصاویر دیجیتالی بر مبناي تقسیم تصویر به بلوكها در دامنه فرکانس ارائه شده است. الگوریتم ارائه شده یک واترمارك به طور مضاعف یعنی چند بار با حداقل تغییرات در یک تصویر جاسازي می نماید. پنهان نگار درون ضرایب مقداري بلوكهاي تصویر به طور نامحسوس ذخیره می گردد. پنهان نگار می تواند شامل اطلاعاتی در مورد تصویر و یا صاحبان آن به اشد. واترماركکاملاًنامرئی است بگونه اي که با سیستم بینایی انسان به هیچ عنوان قابل تشخیص نخواهد بود.

بازیابی واترمارکها از تصویر با کمک کلید و تصویر اصلی انجام می شود که حاصل آن امنیت بیشتر این سیستم می باشد. نتایج نشان دادند که این تکنیک به علت وجود واترمارك مضاعف در برابر اکثر پردازشهاي معمول کانالهاي ارتباطی و همچنین حملات مغرضانه براي از بین بردن واترمارك مقاوم است و می تواند روشی مناسب جهت برآوردن نیازهاي امنیتی تصاویر مانند حق کپیرایت ، شناسایی و تصدیق تصاویر دیجیتالی و احراز هویت صاحبان آنها باشد.

-1 مقدمه

پنهان نگاري رقمی تصاویر روشی است براي جا سازي اطلاعات درون یک تصویر به نحوي که این اطلاعات قابل حذف کردن نباشند. پنهان نگارهاي مرئی همانگونه که از نامشان پیداست الگوهاي قابل روئیتی نظیر آرمها هستاند که به زمینه تصاویر یا فیلمها الحاق می شوند که خیلی شبیه به پنهان نگاري کاغذ می باشند. پنهان نگاري هاي مرئی اغلب قبل از قرار گرفتن تصاویر درون پایگاههاي داده و یا وب به منظور جلوگیري از استفاده هاي غیر مجاز تجاري به آنها اضافه می شوند.

از طرفی پنهان نگاري هاي نامرئی این اطمینان را می دهند که حتی اگر افراد از وجود پنهان نگاري مطلع باشند چون پنهان نگار براي آنها غیر قابل رؤیت می به اشد پیدا کردن آن مشکل است. سیستمهاي پنهان نگاري رقمی داراي کاربردهاي فراوانی می باشند که از آن جمله میتوان به حفاظت از حق کپیرایت، شناسایی و تصدیق تصاویر شناسایی پارامترهاي حیاتی در نمودارهاي رمزگذاري دو بعدي و غیره اشاره کرد. مطالعات زیادي جهت بررسی و طبقه بندي تکنیکهاي پنهان نگاري صورت گرفته است.

سیستم پنهان نگاري غیر قابل تغییر در برابر چرخش، تغییر سایز و جابجایی در دامنه فضا - Spatial Domain - و دامنه تغییر یافته - Transform Domain - ، سیستم پنهان نگاري شفاف تصاویر در دامنه فضا ، پنهان نگاري رقمی سلسله مراتبی - Hierarchical [2 ,1]، تغییر و تعدیل دامنه [3] ، بلاکها با اندازه هاي متفاوت در دامنه فرکانس[4] ، واترمارك دو بعدي[5] ،سیستمهاي پنهان نگاري بر اساس [8-6] DWT/DFT/DCT و . . . نشان دهنده مطالعات و تحقیقاتی است که در این زمینه صورت گرفته است. اگر چه روشهاي پنهان نگاري می بایستی به طور کلی مقاوم باشند اما میتوان بر اساس نوع کاربرد پنهان نگار سطوح مختلفی از مقاومت را تعریف نمود. در هر الگوریتم باید بهترین سازگاري بین مقاوم ماندن و نامرئی ماندن برقرار گردد.

در این مقاله تکنیک جدیدي در زمینه پنهان نگاري رقمی بر اساس تغییر دادن ضرایب مقداري بلوكهاي تصویر در دامنه DFT ارائه شده است که پنهان نگار را به صورت نامرئی و با کمترین تغییرات را در تصاویر جا سازي می نماید.در بخش 2 مفاهیم پایه اي دامنه و تغییرات DFT و همچنین فرمولی براي تقسیم بندي تصاویر دیجیتالی تشریح شده است، در بخش 3 به تفصیل الگوریتم جاسازي و بازیابی پنهان نگار را بیان نموده ایم، فصل 4 نتایج و بحث را در بر دارد و نهایتا نتیجه گیري در فصل 5 آمده است. هدف این الگوریتم ارائه یک روش جدید براي جاسازي غیر محسوس پنهان نگار درون تصاویر و سپس استخراج آن است بطوریکه کمترین تغییرات بروي مقادیر پیکسلهاي تصاویر صورت گیرد. این الگوریتم داراي خصوصیات بارز زیر می به اشد:

•    تغییرات ایجاد شده در نتیجه جاسازي پنهان نگار درون تصویرکاملاً نامحسوس خواهند بود بدین صورت که تغییرات فقط در بلوكهایی که مقدار 1 در آنها جاسازي می گردد اعمال میگردد که محسوس نمی باشند و سایر بلوكها که در آنها صفر جاسازي می گردد بدون تغییر باقی خواهند ماند.

•    پنهان نگار به گونه اي ساخته می شود که بتواند اطلاعاتی را راجع به فرد و یا شرکت صاحب امتیاز تصویر را نیز فراهم آورد. در نتیجه بازیابی موفقیت آمیز پنهان نگار علاوه بر اثبات وجود پنهان نگار در تصویر می تواند اطلاعاتی در خصوص شناسایی صاحبان امتیاز تصویر را نیز فراهم آورد.

•    براي جاسازي بیتهاي پنهان نگار درون بلوكهاي تصویر از یک توالی تصادفی از بلوكها استفاده می شود که این توالی می تواند به عنوان کلید براي بازیابی پنهان نگار به کار رود که نهایتا موجب امنیت بالاتر این سیستم پنهان نگاري می شود.

•    از آنجا که پنهان نگار در دامنه تغییر DFT اعمال می گردد، در برابر حملاتی چون تغییرات چرخشی و مکانی آسیبی نخواهد دید و در صورت برگرداندن تصویر به حالت اولیه پنهان نگار قابل بازیابی خواهد بود.

•    پنهان نگار بجاي آنکه یک بار در تصویر جاسازي شود چهار بار و در جاهاي گوناگون تصویر جاسازي می گردد که این امر باعث چهار برابر مقاوت بیشتر این تکنیک در برابر حملات مغرضانه جهت نابود کردن پنهان نگار می شود.

.3-1-1 پنهان نگار

پنهان نگار به گونه اي انتخاب می گردد که علاوه بر انجام کار یک پنهان نگار معمولی قادر به اشد که اطلاعات مفیدي در خصوص تعیین مشخصات و هویت صاحبان تصویر را نیز فراهم آورد. به جاي استفاده از آرم یا هر گونه تصویر دیگر به عنوان پنهان نگار از یک رشته از کارکترها استفاده می شود که می تواناند گویاي نام فرد یا شرکت صاحب تصویر و یا سال ایجاد آن و یا هر دوي این اطلاعات به اشد. به عنوان مثال میتوان چهار تا شش کارکتر اول را به نام و چهار کارکتر انتهایی را به سال اختصاص داد. پس از انتخاب واترمارك مورد نظر باید با استفاده از کدهاي ASCII آن را به معادل دودویی تبدیل نمود که به صورت رشته اي از بیتهاي 0 و 1 خواهد بود و براي هر کارکتر هشت بیت در نظر گرفته می شود. این رشته می بایستی درون تصویر به عنوان پنهان نگار جاسازي شود.

.3-1-2 بلوك بندي تصویر

در این مرحله زیر تصویرها به بلوکهایی با ابعاد K×K تقسیم بندي می شود که در هر یک از این بلوكها یک بیت از پنهان نگار جاسازي خواهد شد. براي بلوك بندي تصویر بایستی به دو پارامتر طول رشته پنهان نگار و اندازه تصویر توجه داشت. از آنجا که هر بیت رشته پنهان نگار باید درون یک بلوك جاسازي گردد تصویر باید بگونه اي بلوك بندي گردد که تعداد بلوكهاي زیر تصاویر از طول رشته کمتر نباشد در نتیجه می بایستی با تغییر اندازه بلوكها، تعداد بلوك لازم جهت جاسازي پنهان نگار را بدست آورد. باید توجه داشت که پنهان در تصاویري که سایز کوچکتري دارند نباید طول پنهان نگار زیاد در نظر گرفته شود زیرا براي نامحسوس ماندن پنهان نگار بلوکهایی با ابعاد کمتر از8×8 توصیه نمیشود.

.3-1-3  جاسازي پنهان نگار

براي جاسازي پنهان نگار هر بیت از رشته پنهان نگار می بایستی درون یکی از بلوكها جاسازي شود بدین صورت که اگر بیت مورد نظر 0 است آن بلوك بدون تغییر باقی بماند اما اگر بیت مورد نظر یک به اشد ابتدا بلوك مربوطه را با استفاده از فرمول 1 به فضاي DFT تغییر حالت می دهیم سپس در این دامنه مقدار ضریب اندازه آن بلوك را به میزان کمی تغییر دهیم. میزان تغییري که اعمال می گردد می بایستی بگونه اي به اشد که اولا آن قدر زیاد نباشد که تغییرات قابل رؤیت بر روي تصویر ایجاد کند، دوما چندان کم هم نباشد که توسط نویزهاي کانال ارتباطی و یا حملات عمدي به تصویر از بین به رود و قابل استخراج نباشد. در این تحقیق براي جاسازي 1 در بلوكها ضریب مقدار هر بلوك 0/02 درصد افزایش داده شده است. این میزان تغییر در نهایت قابل رؤیت نبوده و به راحتی قابل بازیابی خواهد بود. پس از جاسازي مقدار بلوك را با استفاده از فرمول 2 به دامنه فضا تغییر حالت می دهیم براي تمامی بیتهاي موجود در رشته پنهان نگار این کار تکرار خواهد شد و در نهایت تصویر پنهان نگار شده بدست می آید.

.3-1-4 تولید کلید 

براي قرار دادن هر بیت درون یک بلوك میتوان بیتها را به ترتیب در بلوكهاي پشت سر هم جا داد یعنی بیت اول در بلوك اول - ازسمت چپ بالاي تصویر - ، بیت دوم در بلوك دوم و ... . اما در این تکنیک براي بالا بردن ایمنی سیستم و حداقل ساختن حملات مغرضانه به منظور پی بردن به وجود پنهان نگار و از بین بردن آن براي انتخاب بلوكهاي جاسازي بیتها از یک الگوي تصادفی براي هر زیر تصویر استفاده می شود.

براي انجام این امر براي هر زیر تصویر یک آرایه از اعداد تصادفی که طول آن به اندازه طول رشته دودویی پنهان نگار و مقادیر آن بین 1 تا تعداد بلوكهاي زیر تصاویر است را ایجاد میکنیم و از آن به عنوان الگو براي یافتن مکان جاسازي هر بیت استفاده می کنیم. در واقع با این روش بیتها را به طور تصادفی روي تصاویر پخش میکنیم و از این آرایه ها به عنوان کلید در زمان بازیابی پنهان نگار استفاده می شود. پس از جاسازي تمامی بیتها در تصاویر، تصویر اصلی، تصویر پنهان نگار شده، پنهان نگار و کلیدها را ذخیره می نماییم.

.3-2 بازیابی پنهان نگار

براي بازیابی پنهان نگار از یک تصویر پنهان نگار شده باید تصویر اصلی و کلیدها را در اختیار داشته باشیم. ابتدا باید تلاش کرد که تغییرات احتمالی بر روي تصویر پنهان نگار شده را به حداقل رساند. به عنوان مثال اگر تصویر چرخانده شده و یا اندازه اش عوض شده است و یاتغییراتی مانند فیلترشدن روي آن صورت گرفته باید سعی کرد که تا حد امکان تصویر را به صورت اولیه بازگرداند.و سپس اقدام به بازیابی واترمارك نمود. الگوریتم باریابی پنهان نگار در گامهاي زیر تشریح شده است:

گام : 1 تقسیم تصویر اصلی و تصویر پنهان نگار شده به چهار زیر تصویر طبق فرمول . - 3 -

گام :2 زیر تصویر اول را انتخاب می کنیم و بلوك بندي زیر تصویر نگاري شده و زیر تصویر اصلی دقیقا با همان ابعادي که در زمان جاسازي پنهان نگار تصویر اصلی بلوك بندي شده بود را انجام می دهیم.

گام : 3 با استفاده از کلید مربوط به آن زیر تصویر بلوك جاسازي هر بیت از اطلاعات را در زیر تصاویر میتوان مشخص می کنیم.

گام : 4 بلوك مشخص شده در گام 3 را هم در تصویر پنهان نگاري شده و هم در تصویر اصلی با استفاده از فرمول 2 به دامنه DFT برده و ضریب اندازه آنها را با هم مقایسه می کنیم. اگر این ضرایب یکسان باشند نشان دهنده یک بیت صفر خواهد بود اما اگر ضریب اندازه تصویر پنهان نگاري شده از تصویر اصلی بیشتر به اشد نشان دهنده یک بیت یک خواهد بود.

گام : 5 گامهاي 2 و3 را تا زمانیکه به انتهاي رشته کلید برسیم تکرار می نماییم و در هر تکرار یکی از بیتهاي پنهان نگار حاصل می شود. در پایان این مرحله رشته دودویی پنهان نگار حاصل می شود اگر رشته واترمارك کامل بود به گام 6 می رویم اما اگر این رشته آسیب دیده بود مراحا 1 تا 5 را براي زیر تصویر بعدي انجام می دهیم تا بیتهاي آسیب دیده را از روي آنها ترمیم نماییم در صورت لزوم این گامها را براي هر چهار زیر تصویر انجام می دهیم.

گام :6 رشته هاي دودویی حاصل از گام 4 را با استفاده از کدهاي ASCII به فرم کارکتري تبدیل می نماییم.