verichev fedoseev - robust image watermarking on triangle grid of feature points

ММРО-16, Казань, Россия

АИСТ-2015, Екатеринбург, Россия, 10 апреля 2015 года

Robust Image Watermarking on Triangle Grid of Feature Points

(Стойкие ЦВЗ для изображений на триангуляционной сетке характеристических точек)

Александр Веричев, Виктор Федосеев

Самарский государственный аэрокосмический университет,

Институт систем обработки изображений РАН,

Самара, Россия,

[email protected]

АИСТ-2015, Екатеринбург

О нас

10.04.2015 2 А. Веричев, В. Федосеев «Robust Image Watermarking…» | [email protected]

Наш локальный коллектив

Лаборатория математических методов обработки изображений, ИСОИ РАН

Лаборатория дистанционного зондирования, СГАУ

Кафедра геоинформатики и информационной безопасности, СГАУ

Наша специализация

Обработка и анализ изображений и видео

Арифметические методы синтеза быстрых алгоритмов ДОП и свёртки

Дистанционное зондирование Земли

Геоинформационные технологии

Активная и пассивная защита изображений и видео

ИСОИ РАН – маленький уютный институт СГАУ – большой монстр, НИУ, участник программы 5-100


Защита изображений при помощи стойких ЦВЗ

10.04.2015 3

Основные задачи защиты изображений

Защита авторских прав

Защита от несанкционированного распространения

Требования к системам цифровых водяных знаков

Визуальная неразличимость

Стойкость к искажениям носителя ЦВЗ

Наибольшая сложность – обеспечение стойкости к геометрическим искажениям

Сценарии использования изображений, приводящие к геометрическим искажениям

Привязка спутниковых снимков

Изменение масштаба, вырезание фрагмента

Пересъёмка фотографий с аналогового образца

Намеренное слабозаметное нарушение геометрии

А. Веричев, В. Федосеев «Robust Image Watermarking…» | [email protected]


Методы достижения стойкости ЦВЗ к геометрическим искажениям

10.04.2015 4

1. Использование преобразования Фурье-Меллина [Zheng, 2003; и мн. др.] Инвариантно к повороту, циклическому сдвигу, изотропному масштабированию

2. Использование особых точек изображения

Использование особых точек только для геометрической коррекции (их исходные координаты известны) [Zhao, 2007]

Встраивание ЦВЗ в окрестностях особых точек Примитивы встраивания определяются координатами особых точек и способом расчёта дескриптора (круглые, эллипсоидальные окрестности [Deng, 2008])

Примитивы встраивания определяются только координатами особых точек (триангуляционная сетка [Bas, 2002], диаграмма Вороного)

контейнер ДПФ Взятие модуля

Переход в лог-полярные

координаты

Взятие модуля

ДПФ



Выбор детектора особых точек…

10.04.2015 5

Методика сравнения

1. Отыскание набора точек 𝑃0 по исходному изображению 2. Формирование коллекции из 𝑀 трансформированных изображений 3. Отыскание наборов точек 𝑃𝑗 , 𝑗 = 1. .𝑀 на каждом из новых изображений

4. Построение триангуляции Делоне по каждому набору точек 𝑃𝑗

5. Расчёт целевого показателя

𝑆 = 𝑇𝑃𝑗

𝑇𝑃𝑗 + 𝐹𝑃𝑗

𝑀

𝑗=1

,

где 𝑇𝑃𝑗 – количество треугольников в триангуляции j-го изображения, все

точки которых содержатся и в наборе 𝑃0, 𝑇𝑃𝑗 + 𝐹𝑃𝑗 – полное количество

треугольников на 𝑗-м изображении

Анализировавшиеся детекторы:

Harris, Achard-Rouquet, SIFT



Тестовый набор изображений

Результаты тестирования детекторов

…Выбор детектора особых точек

10.04.2015 6

Harris

Achard-Rouquet

SIFT



По множеству опорных точек строится триангуляция Делоне, обладающая рядом полезных свойств:

Почти всегда единственна

Максимизирует минимальный угол среди всех углов всех построенных треугольников

Существуют быстрые алгоритмы её построения

Сохраняется при преобразовании подобия

Формируются примитивы встраивания

[Bas et al., 2002]: треугольные примитивы Матрица ЦВЗ квадратная с обрезкой выше главной диагонали имеет ступенчатую границу, что влечёт ошибки при отображении её данных на произвольный треугольник

Наибольший угол отождествляется с прямым возможны ошибки в определении ориентации у треугольников, близких к равносторонним

Формирование встраиваемого сигнала…

10.04.2015 7 А. Веричев, В. Федосеев «Robust Image Watermarking…» | [email protected]


Предлагаемый метод: четырёхугольные примитивы

…Формирование встраиваемого сигнала

10.04.2015 8

Отображение матрицы ЦВЗ на четырёхугольник

Формирование сетки четырёхугольников

Треугольники разбиваются на четырёхугольники точкой пересечения медиан

Матрица ЦВЗ квадратная

Гарантированно отсутствуют ошибки определения ориентации

Пример встраиваемого сигнала



Встраивание ЦВЗ

10.04.2015 9

Используется аддитивная модель встраивания:

𝐶𝑤 𝑛1,𝑛2 = 𝐶 𝑛1,𝑛2 + 𝛼 𝑛1,𝑛2 ⋅ 𝑤 𝑛1,𝑛2 ,

где 𝐶𝑤 𝑛1,𝑛2 – функция яркости изображения с ЦВЗ,

𝐶 𝑛1,𝑛2 – функция яркости исходного изображения,

𝑤 𝑛1,𝑛2 – значение встраиваемого сигнала,

𝛼 𝑛1,𝑛2 – маска усиления ЦВЗ.

Варианты задания маски 𝛼 𝑛1 ,𝑛2 :

Постоянное значение: 𝛼 𝑛1,𝑛2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

Маска Barni: 𝛼 𝑛1,𝑛2 = 𝐷 ⋅𝜎С2 𝑛1, 𝑛2

max 𝑛1 , 𝑛2 𝜎С2 𝑛1, 𝑛2

Маска Noise Visibility Function

Маска Just Noticeable Difference (метод Wu et al.)



Детектирование ЦВЗ

10.04.2015 10

Для детектирования вычисляется линейная корреляция между каждым примитивом и встроенным сигналом.

𝑧𝑖 𝐶 𝑤 ,𝑤 =

1

𝜇 𝑄𝑖 𝐶 𝑤 𝑛1,𝑛2

(𝑛1 ,𝑛2)∈𝑄𝑖

⋅ 𝑤 𝑛1,𝑛2 ,

где 𝐶 𝑤 𝑛1,𝑛2 –изображение с ЦВЗ, обработанное фильтром Винера,

𝑄𝑖 – множество пикселей 𝑖-го примитива, 𝜇 𝑄𝑖 – их количество

𝑤 𝑛1,𝑛2 – значение встроенного сигнала.

Решение о наличии ЦВЗ принимается по результатам пороговой обработки:

𝑍 =1

𝑁 𝑧𝑖 𝐶

𝑤 ,𝑤

𝑁

𝑖=1

≥ 𝜏,

где 𝑁 – количество четырёхугольников, 𝜏 – порог, вычисляемый из вероятностных соображений



Выбор маски усиления ЦВЗ

10.04.2015 11

Const: SSIM=0.79 Barni: SSIM=0.92 NVF: SSIM=0.82 JND-Wu: SSIM=0.88

Зависимость SSIM от PSNR при искажениях с модуляцией различными масками (усреднение по 7 изображениям)


PSNR=25


Пример работы: определение правильного ЦВЗ из нескольких вариантов

10.04.2015 12

Результаты детектирования – усреднённая линейная корреляция с каждым из 100 ЦВЗ

Сгенерировано 100 ЦВЗ, один из них (40-й) встраивался в изображение

Осуществлялось детектирование каждого из 100 ЦВЗ



Эксперимент: стойкость к повороту и масштабированию

10.04.2015 13

Стойкость к повороту (для разных углов в градусах)

5 10 15 20 25 30 35 40

barb + + + + – – + – boat + + + + + + + + bridge + + + + + + + –

goldhill + + + + + + + + lena + + + + – + – – mandrill + + + + + + + –

peppers + + + + + – + –

Стойкость к масштабированию (для разных коэффициентов)

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7

barb – – + + + + – boat + + + + + + + bridge + + + + + + +

goldhill + + + + + – + lena – – + + + + + mandrill – + + + + + + peppers – + + + + + –



Результаты и выводы

10.04.2015 14

Разработан и реализован ЦВЗ-алгоритм, разработана методика сравнения детекторов особых точек для построения примитивов

Исследованы детекторы точек, маски усиления ЦВЗ, стойкость ЦВЗ

Метод работоспособен на данный момент для встраивания-детектирования ЦВЗ при условии небольших геометрических искажений

Основная доля ошибок возникает за счёт неточного формирования множества точек

Направления дальнейшей работы

Повышение воспроизводимости точек (и треугольников) Проверка других детекторов

Ослабление неотобранных особых точек на обрабатываемом изображении с целью снижения вероятности их отбора после геометрической трансформации

Адаптивный отбор точек для формирования треугольников, близких к равносторонним

Вопросы???


verichev fedoseev - robust image watermarking on triangle grid of feature points

Presentations & Public Speaking

robust image watermarking

ssim psnr

harris achardrouquet

noticeable difference

noise visibility function