СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ЦИФРОВОГО ВОДЯНОГО ЗНАКА ЭЛЕКТРОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Изобретение относится к области электросвязи, а именно к современным информационным технологиям и, в частности, к способам установления синхронизации цифрового водяного знака, встроенного в электронное изображение (ЭИ), для обеспечения возможности извлечения цифрового водяного знака для проверки авторства и подлинности принятого ЭИ при его перекодировании из одного формата в другой и разделении на составные части произвольного размера.

Заявленный способ может быть использован для установления синхронизации цифрового водяного знака, встроенного в электронное изображение, обрабатываемого и передаваемого в современных информационно-телекоммуникационных системах, в которых возможно его перекодирование из одного формата в другой с появлением искажений ЭИ, а также разделение электронного изображения со встроенными цифровым водяным знаком и сигналами синхронизации на составные части произвольного размера. В современных информационно-телекоммуникационных системах требуется обеспечение устойчивости извлечения цифрового водяного знака, встроенного в электронное изображение, при различных операциях его обработки, таких как перекодирование из одного формата в другой, например, из формата TIFF в JPEG или JPEG2000 в режиме сжатия с потерями информации, или разделение электронного изображения со встроенными цифровым водяным знаком и сигналами синхронизации на составные части произвольного размера, например разделение электронного картографического изображения на отдельные листы электронной карты и т.п.

Так, в известном способе синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения, описанном, например, в книге А.П. Бахрушин. "Спектральный анализ видеокадров на основе системы импульсных функций с целью синхронизации процессов внедрения и поиска цифровых водяных знаков". Вестник ТОГУ. Информатика, вычислительная техника и управление, 2008, №4 (11), стр. 225-238, реализуется следующая последовательность действий: на стороне отправителя очередной кадр видеопоследовательности анализируют с использованием предварительно сформированной совокупности импульсных функций, если очередной кадр видеопоследовательности достаточно точно аппроксимируется данной совокупностью импульсных функций, то в этот кадр встраивают сигнал синхронизации, иначе в очередной кадр видеопоследовательности встраивают цифровой водяной знак, передают видеопоследовательность со встроенным цифровым водяным знаком и сигналами синхронизации получателю, где устанавливают синхронизацию цифрового водяного знака в принятой получателем видеопоследовательности, для чего очередные кадры принятой видеопоследовательности анализируют с использованием предварительно сформированной совокупности импульсных функций, если очередные кадры видеопоследовательности достаточно точно аппроксимируются данной совокупностью импульсных функций и из них успешно извлекают сигнал синхронизации, то принятую видеопоследовательность считают видеопоследовательностью с установленной синхронизацией цифрового водяного знака.

Недостатком указанного аналога является низкая защищенность синхронизации цифрового водяного знака видеопоследовательности от действий преднамеренного нарушителя, который, зная предварительно сформированную совокупность импульсных функций, выявляет кадры видеопоследовательности со встроенным сигналом синхронизации, удаляет выявленные кадры из видеопоследовательности, что приводит к невозможности для получателя установить синхронизацию цифрового водяного знака в принятой видеопоследовательности.

Известны также способы синхронизации цифрового водяного знака мультимедийных данных, таких как аудиосигналы, электронные изображения и видеосигналы. Эти способы синхронизации цифрового водяного знака мультимедийных данных описаны, например, в патенте США №8301453 МПК⁸ H04K 1/00 с приоритетом от 22.01.2010 и заключаются в том, что для отправителя и получателя предварительно формируют правило разделения коэффициентов Фурье преобразования на коэффициенты первой группы и коэффициенты второй группы, и предварительно устанавливают фиксированное значение сигналов синхронизации цифрового водяного знака, у отправителя разделяют пространственное представление мультимедийных данных на блоки одинакового размера, над каждым блоком выполняют дискретное Фурье преобразование с вычислением коэффициентов Фурье преобразования, выделяют среди коэффициентов Фурье преобразования коэффициенты, допускающие встраивание дополнительной информации, разделяют выделенные коэффициенты на коэффициенты первой группы и коэффициенты второй группы, встраивают сигналы синхронизации цифрового водяного знака в коэффициенты первой группы, встраивают цифровой водяной знак в коэффициенты второй группы, выполняют обратное дискретное Фурье преобразование блоков мультимедийных данных, передают мультимедийные данные со встроенным цифровым водяным знаком и сигналами синхронизации цифрового водяного знака получателю, где устанавливают синхронизацию цифрового водяного знака в принятых получателем мультимедийных данных, для чего разделяют пространственное представление принятых мультимедийных данных на блоки одинакового размера, над каждым блоком выполняют дискретное Фурье преобразование и вычисляют коэффициенты Фурье преобразования, выделяют среди коэффициентов Фурье преобразования коэффициенты, допускающие встраивание дополнительной информации, разделяют выделенные коэффициенты на коэффициенты первой группы и коэффициенты второй группы, извлекают сигналы синхронизации цифрового водяного знака из коэффициентов первой группы, если извлеченные сигналы синхронизации цифрового водяного знака соответствуют фиксированному значению сигналов синхронизации цифрового водяного знака, то принятые получателем мультимедийные данные считают мультимедийными данными с установленной синхронизацией цифрового водяного знака.

Данные способы обеспечивают возможность установления синхронизации цифрового водяного знака, встроенного в мультимедийные данные, если мультимедийные данные разделяют на несколько частей.

Недостатком данных способов является низкая защищенность синхронизации цифрового водяного знака, встроенного в мультимедийные данные, от действий преднамеренного нарушителя, который, зная неизменное правило разделения коэффициентов Фурье преобразования на коэффициенты первой группы и коэффициенты второй группы, и предварительно установленное фиксированное значение сигналов синхронизации цифрового водяного знака, искажает встроенные отправителем сигналы синхронизации цифрового водяного знака. Это приводит к невозможности извлечения получателем сигналов синхронизации цифрового водяного знака, что приводит к ложному выводу получателя об отсутствии в принятых мультимедийных данных цифрового водяного знака, свидетельствующего об авторских правах отправителя на принятые мультимедийные данные.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному способу синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения является способ синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения по заявке на патент США №20110123063 МПК G06K 9/00 (2006.01) с приоритетом от 22.11.2010. Способ-прототип синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения заключается в том, что для отправителя и получателя предварительно формируют начальное значение секретного ключа и криптографическую функцию, а также предварительно выбирают значение начального состояния синхронизации, у отправителя разделяют пространственное представление электронного изображения на G≥2 непересекающихся макроблоков, каждый g-й, где g=1, 2, …, G, макроблок разделяют на N≥2 непересекающихся блоков размером n₁×n₂ пикселов, где n₁≥2 и n₂≥2, в каждом макроблоке из числа его блоков выбирают K<N блоков синхронизации, вычисляют статистические характеристики каждого m-го, где m=1, 2, …, M, а M=G·K, блока синхронизации, по предварительно сформированной криптографической функции из предыдущего значения секретного ключа передачи, начиная с предварительно сформированного начального значения секретного ключа, значения предыдущего состояния синхронизации передачи, начиная с предварительно выбранного начального состояния синхронизации, и статистических характеристик m-го блока синхронизации вычисляют значение очередного состояния синхронизации передачи и очередное значение секретного ключа передачи, из которого вычисляют m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации передачи длиной B≥1 бит, в m-й блок синхронизации встраивают m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации передачи, в оставшиеся блоки g-го макроблока встраивают цифровой водяной знак, причем действия у отправителя по встраиванию m-х двоичных подпоследовательностей синхронизации передачи в m-е блоки синхронизации g-го макроблока, и встраиванию цифрового водяного знака в оставшиеся блоки этого макроблока повторяют до завершения поступления макроблоков, передают электронное изображение со встроенными цифровым водяным знаком и двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи получателю, где устанавливают синхронизацию цифрового водяного знака в принятом получателем электронном изображении, для чего разделяют пространственное представление принятого электронного изображения на G≥2 непересекающихся макроблоков, каждый g-й, где g=1, 2, …, G, макроблок разделяют на N≥2 непересекающихся блоков размером n₁×n₂ пикселов, в каждом g-м макроблоке из числа его блоков выбирают К<N блоков предполагаемой синхронизации, вычисляют статистические характеристики каждого m-го, где m=1, 2, …, M, а M=G·K, блока предполагаемой синхронизации, из m-го блока предполагаемой синхронизации извлекают m-ю двоичную проверочную подпоследовательность длиной В≥1 бит, по предварительно сформированной криптографической функции из предыдущего значения секретного ключа приема, начиная с предварительно сформированного значения секретного ключа, значения предыдущего состояния синхронизации приема, начиная с предварительно выбранного начального состояния синхронизации, и статистических характеристик m-го блока предполагаемой синхронизации вычисляют значение очередного состояния синхронизации приема и очередное значение секретного ключа приема, из которого вычисляют m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации приема длиной В≥1 бит, если m-е двоичные проверочные подпоследовательности совпадают с соответствующими m-ми двоичными подпоследовательностями синхронизации приема, то принятое получателем электронное изображение считают электронным изображением с установленной синхронизацией цифрового водяного знака.

Способ-прототип синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения обеспечивает установление синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения при его перекодировании из одного формата в другой, а также обеспечивает защищенность от встраивания преднамеренным нарушителем ложных сигналов синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения.

Недостатками ближайшего аналога (прототипа) являются относительно невысокая вероятность установления синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения при разделении электронного изображения со встроенными цифровым водяным знаком и двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи на составные части произвольного размера. Это обусловлено тем, что у получателя установление синхронизации цифрового водяного знака в принятом электронном изображении должно начаться с определенного блока предполагаемой синхронизации, соответствующего предварительно выбранному начальному состоянию синхронизации. Если при разделении электронного изображения со встроенными цифровым водяным знаком и двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи на составные части в принятом получателем электронном изображении отсутствует требуемый блок предполагаемой синхронизации, соответствующий предварительно выбранному начальному состоянию синхронизации, то из m-х блоков предполагаемой синхронизации извлекают m-е двоичные проверочные подпоследовательности, содержащие недопустимо большое число ошибок, что не позволяет на принятом изображении установить синхронизацию цифрового водяного знака.

Кроме того, способ-прототип синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения не обеспечивает исключения визуально заметных искажений, вызванных встраиванием двоичных подпоследовательностей синхронизации передачи в блоки синхронизации, статистические характеристики которых не позволяют встраивать дополнительные данные без появления визуальных искажений. Это обусловлено тем, что встраивание в m-е блоки синхронизации m-х двоичных подпоследовательностей синхронизации передачи выполняется без анализа возможности внесения в блоки синхронизации визуально заметных искажений. Визуально заметные искажения появляются при попытках встраивания дополнительных данных в блоки синхронизации, состоящие из однотонных неконтрастных изображений типа изображения степи, участков спокойного моря, заснеженной равнины и других типов изображений, статистические характеристики которых практически не меняются.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение вероятности установления синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения при разделении электронного изображения со встроенным цифровым водяным знаком на составные части произвольного размера, а также исключение появления визуально заметных искажений, вызванных встраиванием в блоки электронного изображения с практически неизменными статистическими характеристиками подпоследовательностей синхронизации передачи.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения, заключающимся в том, что для отправителя и получателя предварительно формируют секретный ключ и криптографическую функцию, у отправителя разделяют пространственное представление электронного изображения на G≥2 непересекающихся макроблоков, каждый g-й, где g=1, 2, …, G, макроблок разделяют на N≥2 непересекающихся блоков размером n₁×n₂ пикселов, где n₁≥2 и n₂≥2, в каждом макроблоке из числа его блоков выбирают K<N блоков синхронизации, вычисляют статистические характеристики каждого m-го, где m=1, 2, …, M, а M=G·K, блока синхронизации, вычисляют m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации передачи длиной B≥1 бит, в m-й блок синхронизации встраивают m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации передачи, в оставшиеся блоки g-го макроблока встраивают цифровой водяной знак, причем действия у отправителя по встраиванию m-х двоичных подпоследовательностей синхронизации передачи в m-е блоки синхронизации g-го макроблока, и встраиванию цифрового водяного знака в оставшиеся блоки этого макроблока повторяют до завершения их поступления, после чего передают электронное изображение со встроенными цифровым водяным знаком и двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи получателю, где устанавливают синхронизацию цифрового водяного знака в принятом электронном изображении, для чего разделяют пространственное представление принятого электронного изображения на G≥2 непересекающихся макроблоков, каждый g-й макроблок разделяют на N непересекающихся блоков размером n₁×n₂ пикселов, в каждом g-м макроблоке из числа его блоков выбирают K<N блоков предполагаемой синхронизации, вычисляют статистические характеристики каждого m-го блока предполагаемой синхронизации, из m-го блока предполагаемой синхронизации извлекают m-ю двоичную проверочную подпоследовательность длиной В≥1 бит, дополнительно предварительно задают пороговые значения статистических характеристик блока синхронизации, у отправителя после вычисления статистических характеристик каждого m-го блока синхронизации, по предварительно сформированной криптографической функции из предварительно сформированного секретного ключа и (m-1)-й двоичной подпоследовательности синхронизации передачи длиной B≥1 бит вычисляют m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации передачи бит, сравнивают вычисленные статистические характеристики m-го блока синхронизации с предварительно заданными пороговыми значениями статистических характеристик блока синхронизации, при их превышении в m-й блок синхронизации встраивают m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации передачи.

Для установления у получателя синхронизации цифрового водяного знака в принятом электронном изображении, для чего начиная с выбранной начальной точки получателя с координатами i≥1 по горизонтали и j≥1 по вертикали пространственное представление принятого электронного изображения разделяют на 2≤G₁≤G непересекающихся макроблоков, g-й, где g=1, 2, …, G₁, макроблок разделяют на N непересекающихся блоков размером n₁×n₂ пикселов, в g-м макроблоке из числа его непересекающихся блоков выделяют K<N блоков предполагаемой синхронизации, вычисляют статистические характеристики m-го, где m=1, 2, …, M₁, а M₁=G₁·K, блока предполагаемой синхронизации, которые сравнивают с предварительно заданными пороговыми значениями статистических характеристик блока синхронизации, и при их превышении из m-го блока предполагаемой синхронизации извлекают m-ю двоичную проверочную подпоследовательность длиной B≥1 бит, объединяют m-е двоичные проверочные подпоследовательности в проверочную последовательность длиной G₁·K·B битов, по предварительно сформированной криптографической функции из предварительно сформированного секретного ключа вычисляют последовательность синхронизации приема длиной G·K·B битов, побитно сравнивают проверочную последовательность длиной G₁·K·B бит со всеми сдвигами последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит, и для каждого сдвига запоминают число Z несовпадающих битов, выбирают сдвиг последовательности синхронизации приема с наименьшим числом Z_min несовпадающих битов и запоминают его как предполагаемую последовательность синхронизации с числом несовпадений Z_i,j=Z_min, соответствующую выбранной начальной точке получателя с координатами i по горизонтали и j по вертикали, повторно выбирают начальную точку с координатами i+Δi по горизонтали, где Δi=1, 2, … N·n₁, и j+Δj по вертикали, где Δj=1, 2, … N-n₂, начиная с этой точки пространственное представление принятого электронного изображения разделяют на 2≤G₁≤G непересекающихся макроблоков и выполняют последующие действия, среди всех чисел несовпадений Z_i,j выбирают наименьшее число несовпадений, принятое получателем электронное изображение считают электронным изображением с установленной синхронизацией цифрового водяного знака, соответствующей предполагаемой последовательности синхронизации с наименьшим числом несовпадений.

Указанная новая совокупность выполняемых действий за счет возможности установления синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения начиная с произвольной точки принятого электронного изображения со встроенными цифровым водяным знаком и двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи повышает вероятность установления синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения, разделенного на составные части произвольного размера, а за счет вычисления для отправителя статистических характеристик m-го блока синхронизации и их сравнения с предварительно заданными пороговыми значениями статистических характеристик блока синхронизации, и только при их превышении выполнения встраивания в m-й блок синхронизации m-й двоичной подпоследовательности синхронизации передачи, что исключает появление визуально заметных искажений, вызванных встраиванием в блоки электронного изображения с практически неизменными статистическими характеристиками подпоследовательностей синхронизации передачи.

Поэтому указанная новая совокупность выполняемых действий позволит повысить вероятность установления синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения, разделенного на составные части произвольного размера, и исключить появление визуально заметных искажений, вызванных встраиванием в блоки электронного изображения с практически неизменными статистическими характеристиками подпоследовательностей синхронизации передачи.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:

- на фиг. 1 - общая схема установления синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения;

- на фиг. 2 - рисунки, поясняющие предварительное формирование секретного ключа и формирование подпоследовательностей синхронизации;

- на фиг. 3 - алгоритм синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения на передающей стороне;

- на фиг. 4 - примерный вид разделения пространственного представления электронного изображения на G≥2 непересекающихся макроблоков и разделения каждого макроблока на непересекающиеся блоки размером n₁×n₂ пикселов;

- на фиг. 5 - алгоритм синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения на приемной стороне;

- на фиг. 6 - примерный вид выбора начальной точки получателя с координатами i≥1 пикселов по горизонтали и j≥1 пикселов по вертикали на принятом электронном изображении;

- на фиг. 7 - примерный вид разделения пространственного представления принятого электронного изображения, начиная с выбранной начальной точки получателя с координатами i≥1 по горизонтали и j≥1 по вертикали, на G=4 непересекающихся макроблоков;

- на фиг. 8 - график, показывающий эффект заявляемого способа;

- на фиг. 9 - примерный вид электронного изображения со встроенными двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи по прототипу и заявляемому способу.

Реализация способа, на примере системы синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения (фиг. 1), заключается в следующем. Отправитель электронного изображения, используя блок встраивания ЦВЗ и подпоследовательностей синхронизации ЭИ 1 и секретный ключ СК, формирует электронное изображение со встроенными ЦВЗ и подпоследовательностями синхронизации передачи и передает его по каналу передачи 2 сети общего пользования, например, сети общего пользования Интернет. В сети общего пользования электронное изображение со встроенными ЦВЗ и подпоследовательностями синхронизации передачи может подвергаться обработке вида перекодирование из одного формата в другой и разделению на составные части произвольного размера, с использованием блока перекодирования и разделения ЭИ с ЦВЗ 3. Данные действия могут выполняться как добросовестными пользователями электронного изображения, так и недобросовестными нарушителями прав законных отправителя и получателя на это изображение. Добросовестные пользователи могут для удобства использования электронного изображения со встроенными ЦВЗ и подпоследовательностями синхронизации передачи подвергать его обработке вида перекодирование из одного формата в другой формат без внесения существенных искажений и разделению на составные части допустимого размера, не искажая встроенных ЦВЗ и подпоследовательностей синхронизации передачи электронного изображения и тем самым не нарушая права законных отправителя и получателя на это изображение. В отличие от них, недобросовестные нарушители прав законных отправителя и получателя пытаются электронное изображение со встроенными ЦВЗ и подпоследовательностями синхронизации передачи перекодировать из одного формата в другой с искажением встроенных сигналов синхронизации, а также разделить его на составные части такого малого размера, чтобы достичь невозможности извлечения получателем из принятого изображения подпоследовательностей синхронизации передачи и тем самым исключить извлечение получателем из принятого изображения встроенного в него ЦВЗ отправителя. Получатель принятого электронного изображения, используя блок установления синхронизации ЦВЗ ЭИ 4 и секретный ключ СК, устанавливает синхронизацию ЦВЗ этого изображения, после чего становится возможным извлечения из этого изображения самого ЦВЗ и на его основе проверка авторства и подлинности принятого электронного изображения.

В заявленном способе для синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения реализуется следующая последовательность действий.

Предварительное формирование для отправителя и получателя секретного ключа заключается в следующем. Секретный ключ формируют с использованием генератора случайных импульсов, генерирующего случайные равновероятные нулевые и единичные импульсы, независимые друг от друга. Секретный ключ состоит из двоичной последовательности случайно выбранных импульсов. Способы генерации случайных равновероятных нулевых и единичных импульсов известны и описаны, например, в книге Д. Кнут. "Искусство программирования на ЭВМ". - М.: Мир, 1977, т. 2, стр. 22. Длина СК должна быть не менее 64 бит, что описано, например, в книге М.Д. Смид, Д.К. Бранстед. "Стандарт шифрования данных: Прошлое и будущее". ТИИЭР, 1988, т. 76, №5, стр. 45. Примерный вид СК показан на фиг. 2(a). Единичные значения битов на фигурах показаны в виде заштрихованных импульсов, нулевые значения битов - в виде незаштрихованных импульсов.

Известные способы предварительного формирования для отправителя и получателя криптографической функции известны и описаны, например, в книге М.Д. Смид, Д.К. Бранстед. "Стандарт шифрования данных: Прошлое и будущее". ТИИЭР, 1988, т. 76, №5, стр. 49. Они заключаются в формировании криптографической функции вычисления m-й подпоследовательности синхронизации передачи, используя, например, алгоритм шифрования данных DES в режиме обратной связи по шифртексту. При этом шифрование выполняют над (m-1)-м блоком шифртекста, а в качестве ключа шифрования используют СК. Для отправителя и получателя задают начальное (при m=0) значение блока шифртекста, например, в виде последовательности из единичных битовых значений. Длина блока шифртекста составляет, например, 64 бита, что рекомендовано в книге М.Д. Смид, Д.К. Бранстед. "Стандарт шифрования данных: Прошлое и будущее". ТИИЭР, 1988, т. 76, №5, стр. 49. Примерный вид начального (при m=0) блока шифртекста в виде последовательности из единичных битовых значений, первого и последнего (при m=M) блоков шифртекста показан на фиг. 2(б). Из m-го блока шифртекста формируют m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации передачи длиной B≥1 бит путем считывания в нее первых B бит m-го блока шифртекста. Примерный вид первой и M-й двоичных подпоследовательностей синхронизации передачи показан на фиг. 2(в).

По этой же предварительно сформированной криптографической функции из предварительно сформированного секретного ключа при одинаковом с отправителем начальном (при m=0) значении блока шифртекста, например, в виде последовательности из единичных битовых значений, описанным выше образом последовательно формируют m-й блок шифртекста, из которого формируют m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации передачи длиной B≥1 бит путем считывания в нее первых B бит m-го блока шифртекста. Примерный вид первой и M-й двоичных подпоследовательностей синхронизации приема показан на фиг. 2(г). Видно, что одноименные подпоследовательности синхронизации приема и подпоследовательности синхронизации передачи побитно совпадают.

Известные способы предварительного задания пороговых значений статистических характеристик блока синхронизации описаны, например, в книге В. Калининой, В. Панкина. "Математическая статистика". - М., Высшая школа, 1998, стр. 158-160. Предварительное задание пороговых значений статистических характеристик блока синхронизации в виде математического ожидания и дисперсии матрицы пикселов этого блока обеспечивает возможность встраивания в этот блок двоичной подпоследовательности синхронизации передачи без появления визуальных искажений в цифровом изображении, как описано, например, в книге Р. Гонсалес, Р. Вудс. "Цифровая обработка изображений". - М., Техносфера, 2006, стр. 343-364. Например, пороговые значения статистических характеристик блока синхронизации в виде математического ожидания и дисперсии матрицы пикселов этого блока предварительно могут быть заданы в виде: значение математического ожидания матрицы пикселов этого блока не менее 60, а значение дисперсии не менее 800 для полутоновых изображений с представлением яркости каждого пиксела 8 битами.

Алгоритм синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения на передающей стороне представлен на фиг. 3.

Известные способы разделения пространственного представления электронного изображения на G≥2 непересекающихся макроблоков и разделения каждого g-го, где g=1, 2, …, G, макроблока на N≥2 непересекающихся блоков размером n₁×n₂ пикселов, где n₁≥2 и n₂≥2, описаны, например, в книге Я. Ричардсон. "Видеокодирование. Н.264 и MPEG-4 - стандарты нового поколения". - М., Техносфера, 2005, стр. 38-40. Макроблок, как правило, имеет вид прямоугольника. Величины n₁ и n₂ обычно выбирают кратными 8, например, 16, 32, 64 пикселов и т.д. Из двухмерного пространственного представления электронного изображения, начиная, например, с его левого верхнего угла, выделяют первый макроблок. От этого макроблока вправо и вниз выделяют следующие макроблоки такого же размера до тех пор, пока в двухмерном пространственном представлении этого изображения можно выделить целые макроблоки этого размера. Макроблоки, в свою очередь, разделяют на непересекающиеся блоки размером n₁×n₂ пикселов. Примерный вид разделения пространственного представления электронного изображения на G≥2 непересекающихся макроблоков и разделения каждого макроблока на N=42 непересекающихся блоков размером n₁×n₂ пикселов показан на фиг. 4.

Выбор K<N блоков синхронизации в каждом макроблоке из числа его блоков заключается в следующем. Среди блоков в каждом макроблоке по фиксированному правилу выбирают K блоков, в которые далее встраивают сигналы синхронизации, необходимые для установления синхронизации цифрового водяного знака в принятом получателем электронном изображении. С учетом возможного разделения электронного изображения со встроенными цифровым водяным знаком и сигналами синхронизации на составные части произвольного размера целесообразно выбирать блоки синхронизации таким образом, чтобы они для всего электронного изображения составляли решетку из периодически повторяющихся горизонтальных и вертикальных дорожек, состоящих из расположенных в ряд без промежутков блоков синхронизации.

На фиг. 4 показан примерный вид расположения блоков синхронизации в двухмерном пространственном представлении электронного изображения. Например, на фиг. 4 в каждом макроблоке имеется 6 расположенных горизонтально блоков синхронизации и 7 расположенных вертикально блоков синхронизации.

Известные способы вычисления статистических характеристик каждого m-го, где m=1, 2, …, M, а M=G·K, блока синхронизации, описаны, например, в книге В. Калининой, В. Панкина. "Математическая статистика". - М., Высшая школа, 1998, стр. 158-160. Статистические характеристики блока синхронизации в виде математического ожидания и дисперсии матрицы пикселов этого блока достаточно полно характеризуют возможность встраивания в этот блок двоичной подпоследовательности синхронизации передачи без появления визуальных искажений в цифровом изображении, как описано, например, в книге Р. Гонсалес, Р. Вудс. "Цифровая обработка изображений". - М., Техносфера, 2006, стр. 343-364. Например, для полутоновых изображений с представлением яркости каждого пиксела 8 битами встраивание в блок синхронизации цифрового изображения двоичной подпоследовательности синхронизации передачи не вызовет появления визуальных искажений, если значения математического ожидания и дисперсии матрицы пикселов этого блока не менее 60 и 800, соответственно.

Известные способы вычисления m-й двоичной подпоследовательности синхронизации передачи длиной B≥1 бит по предварительно сформированной криптографической функции из предварительно сформированного секретного ключа и (m-1)-й двоичной подпоследовательности синхронизации передачи длиной B≥1 бит известны и описаны, например, в книге М.Д. Смид, Д.К. Бранстед. "Стандарт шифрования данных: Прошлое и будущее". - ТИИЭР, 1988, т. 76, №5, стр. 49. Они заключаются в вычислении m-й двоичной подпоследовательности синхронизации передачи длиной B≥1 бит с использованием, например, алгоритма шифрования данных DES в режиме обратной связи по шифртексту. При этом шифрование выполняют над (m-1)-м блоком шифртекста, а в качестве ключа шифрования используют СК. Для отправителя и получателя задают начальное (при m=0) значение блока шифртекста, например, в виде последовательности из единичных битовых значений. Длина блока шифртекста составляет, например, 64 бита, что рекомендовано в книге М.Д. Смид, Д.К. Бранстед. "Стандарт шифрования данных: Прошлое и будущее". ТИИЭР, 1988, т. 76, №5, стр. 49. Примерный вид начального (при m=0) значения блока шифртекста, в виде последовательности из единичных битовых значений, первого и последнего (при m=М) блоков шифртекста показан на фиг. 2(б). Из m-го блока шифртекста формируют m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации передачи длиной B≥1 бит путем считывания в нее первых B бит m-го блока шифртекста. Примерный вид первой и M-й двоичных подпоследовательностей синхронизации передачи показан на фиг. 2(в).

Известные способы сравнения вычисленных статистических характеристик m-го блока синхронизации с предварительно заданными пороговыми значениями статистических характеристик блока синхронизации описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 106-108. Они заключаются в вычислении значения разницы между значением вычисленного математического ожидания m-го блока синхронизации с предварительно заданным пороговым значением математического ожидания блока синхронизации, а также в вычислении значения разницы между значением вычисленной дисперсии m-го блока синхронизации с предварительно заданным пороговым значением дисперсии блока синхронизации, и если оба вычисленных значения разницы являются положительными значениями, то вычисленные статистические характеристики m-го блока синхронизации превышают предварительно заданные пороговые значения соответствующих статистических характеристик блока синхронизации. Известные способы вычисления значения разницы между двумя сравниваемыми значениями и определения знака вычисленного значения разницы описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 108-110 и заключаются в использовании цифровых компараторов.

Известные способы встраивания m-й двоичной подпоследовательности синхронизации передачи в m-й блок синхронизации описаны, например, в книге: А.В. Аграновский, П.Н. Девянин, Р.А. Хади, А.В. Черемушкин. "Основы компьютерной стеганографии". - М.: Радио и связь, 2003, стр. 57-58. Они заключаются в выборе в соответствии предварительно сформированным секретным ключом пикселей m-го блока синхронизации и замене наименьшего значащего бита очередного выбранного пикселя на очередное битовое значение встраиваемой m-й двоичной подпоследовательности синхронизации передачи.

Известные способы встраивания цифрового водяного знака в оставшиеся блоки g-го макроблока описаны, например, в книге: А.В. Аграновский, П.Н. Девянин, Р.А. Хади, А.В. Черемушкин. "Основы компьютерной стеганографии". - М.: Радио и связь, 2003, стр. 57-58. Они заключаются в выборе в соответствии предварительно сформированным секретным ключом пикселей оставшихся блоков g-го макроблока и замене наименьшего значащего бита очередного выбранного пикселя на очередное битовое значение встраиваемого цифрового водяного знака.

Известные способы передачи электронного изображения со встроенным цифровым водяным знаком и двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи получателю описаны, например, в книге: А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, М.В. Назаров, Л.М. Финк. "Теория передачи сигналов". - М.: Радио и связь, 1986, стр. 11.

Алгоритм синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения на приемной стороне представлен на фиг. 5.

Разделение пространственного представления принятого электронного изображения, начиная с выбранной начальной точки получателя с координатами i≥1 по горизонтали и j≥1 по вертикали, на 1≤G₁≤G непересекающихся макроблоков заключается в следующем. На стороне получателя для установления синхронизации цифрового водяного знака в принятом электронном изображении, которое возможно разделено на составные части произвольного размера, в левом верхнем углу принятого электронного изображения выбирают начальную точку получателя с координатами i≥1 пикселов по горизонтали и j≥1 пикселов по вертикали. Рекомендуется выбирать горизонтальные координаты начальной точки получателя в пределах 1≤i≤N·n₁, а вертикальные координаты начальной точки получателя - в пределах 1≤j≤N·n₂. Примерный вид выбора начальной точки получателя с координатами i≥1 пикселов по горизонтали и j≥1 пикселов по вертикали на принятом электронном изображении показан на фиг. 6.

Известные способы разделения пространственного представления электронного изображения на 1≤G₁≤G непересекающихся макроблоков описаны, например, в книге Я. Ричардсон. "Видеокодирование. Н.264 и MPEG-4 - стандарты нового поколения". - М., Техносфера, 2005, стр. 38-40. Из двухмерного пространственного представления принятого электронного изображения, начиная с выбранной начальной точки получателя выделяют первый макроблок. От этого макроблока вправо и вниз выделяют следующие макроблоки такого же размера до тех пор, пока в двухмерном пространственном представлении этого изображения можно выделить целые макроблоки этого размера. Если принятое электронное изображение разделено на составные части произвольного размера, то число G₁ выделенных в нем макроблоков будет меньше числа G, но для установления синхронизации цифрового водяного знака в принятом электронном изображении должен быть выделен хотя бы один целый макроблок.

Примерный вид разделения пространственного представления принятого электронного изображения, начиная с выбранной начальной точки получателя с координатами i≥1 по горизонтали и j≥1 по вертикали, на G₁=4 непересекающихся макроблоков, показан на фиг. 7.

Выделение K<N блоков предполагаемой синхронизации в каждом макроблоке из числа его блоков в принятом электронном изображении заключается в следующем. Точно по тому правилу, по которому отправитель выполнял выбор K<N блоков синхронизации в каждом макроблоке из числа его блоков в электронном изображении, получатель выделяет K<N блоков предполагаемой синхронизации в каждом макроблоке из числа его блоков в принятом электронном изображении. На фиг. 7 показан примерный вид расположения блоков предполагаемой синхронизации в двухмерном пространственном представлении принятого электронного изображения. Например, на фиг. 7 в каждом из 4 макроблоков принятого электронного изображения выделено 6 расположенных горизонтально блоков предполагаемой синхронизации и 7 расположенных вертикально блоков предполагаемой синхронизации.

Известные способы вычисления статистических характеристик каждого m-го, где m=1, 2, …, M₁, а M₁=G₁·K, блока предполагаемой синхронизации, описаны, например, в книге В. Калининой, В. Панкина. "Математическая статистика". - М., Высшая школа, 1998, стр. 158-160.

Известные способы сравнения вычисленных статистических характеристик m-го блока предполагаемой синхронизации с предварительно заданными пороговыми значениями статистических характеристик блока синхронизации описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 106-108. Они заключаются в вычислении значения разницы между значением вычисленного математического ожидания m-го блока предполагаемой синхронизации с предварительно заданным пороговым значением математического ожидания блока синхронизации, а также в вычислении значения разницы между значением вычисленной дисперсии m-го блока предполагаемой синхронизации с предварительно заданным пороговым значением дисперсии блока синхронизации, и если оба вычисленных значения разницы являются положительными значениями, то вычисленные статистические характеристики m-го блока предполагаемой синхронизации превышают предварительно заданные пороговые значения соответствующих статистических характеристик блока синхронизации. Известные способы вычисления значения разницы между двумя сравниваемыми значениями и определения знака вычисленного значения разницы описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 108-110 и заключаются в использовании цифровых компараторов.

Известные способы извлечения m-й двоичной проверочной подпоследовательности длиной B≥1 бит из m-го блока предполагаемой синхронизации описаны, например, в книге А.В. Аграновский, П.Н. Девянин, Р.А. Хади, А.В. Черемушкин. "Основы компьютерной стеганографии". - М.: Радио и связь, 2003, стр. 57-58. Они заключаются в выборе в соответствии предварительно сформированным секретным ключом пикселей m-го блока предполагаемой синхронизации и считывании наименьшего значащего бита очередного выбранного пикселя в качестве очередного битового значения m-й двоичной проверочной подпоследовательности длиной B≥1 бит.

Известные способы объединения m-х двоичных проверочных подпоследовательностей в проверочную последовательность длиной G₁·K·B битов описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 121-125 и заключаются в использовании цифровых регистров с последовательной записью двоичных последовательностей. Они заключаются в последовательной записи m-х двоичных проверочных подпоследовательностей в проверочную последовательность длиной G₁·K·B битов. Сначала первую двоичную проверочную подпоследовательность, начиная с ее первого бита и до последнего, В-го бита, последовательно записывают в начало проверочной последовательности длиной G₁·K·B битов. Затем вторую двоичную проверочную подпоследовательность, начиная с ее первого бита и до последнего, B-го бита, последовательно записывают после записанного последнего бита из первой двоичной проверочной подпоследовательности и так до записи последней двоичной проверочной подпоследовательности. Всего в проверочную последовательность длиной G₁·K·B битов записывают G₁·K двоичных проверочных подпоследовательностей.

Известные способы вычисления по предварительно сформированной криптографической функции из предварительно сформированного секретного ключа последовательности синхронизации приема длиной G·K·B битов известны и описаны, например, в книге М.Д. Смид, Д.К. Бранстед. "Стандарт шифрования данных: Прошлое и будущее". - ТИИЭР, 1988, т. 76, №5, стр. 49. Они заключаются в последовательном вычислении m-х двоичных подпоследовательностей синхронизации приема длиной B≥1 бит и объединении их в последовательность синхронизации приема длиной G·K·B битов.

Известные способы вычисления m-й двоичной подпоследовательности синхронизации приема длиной B≥1 бит по предварительно сформированной криптографической функции из предварительно сформированного секретного ключа и (m-1)-й двоичной подпоследовательности синхронизации приема длиной B≥1 бит известны и описаны, например, в книге М.Д. Смид, Д.К. Бранстед. "Стандарт шифрования данных: Прошлое и будущее". - ТИИЭР, 1988, т. 76, №5, стр. 49. Они заключаются в вычислении m-й двоичной подпоследовательности синхронизации приема длиной B≥1 бит с использованием, например, алгоритма шифрования данных DES в режиме обратной связи по шифртексту. При этом шифрование выполняют над (m-1)-м блоком шифртекста, а в качестве ключа шифрования используют СК. Для отправителя и получателя задают начальное (при m=0) значение блока шифртекста, например, в виде последовательности из единичных битовых значений. Длина блока шифртекста составляет, например, 64 бита, что рекомендовано в книге М.Д. Смид, Д.К. Бранстед. "Стандарт шифрования данных: Прошлое и будущее". - ТИИЭР, 1988, т. 76, №5, стр. 49. Примерный вид начального (при m=0) значения блока шифртекста в виде последовательности из единичных битовых значений, первого и последнего (при m=М) блоков шифртекста показан на фиг. 2(б). Из m-го блока шифртекста формируют m-ю двоичную подпоследовательность синхронизации приема длиной B≥1 бит путем считывания в нее первых B бит m-го блока шифртекста. Примерный вид первой и M-й двоичных подпоследовательностей синхронизации приема показан на фиг. 2(г).

Известные способы объединения m-х двоичных подпоследовательностей синхронизации приема длиной B≥1 бит в последовательность синхронизации приема длиной G·K·B битов описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 121-125 и заключаются в использовании цифровых регистров с последовательной записью двоичных последовательностей.

Побитное сравнение проверочной последовательности длиной G₁·K·B бит со всеми сдвигами последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит заключается в следующем. Поочередно выполняют побитное сравнение проверочной последовательности длиной G₁·K·B бит с нулевым сдвигом последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит, затем со сдвигом на один бит этой последовательности синхронизации приема, затем со сдвигом на два бита этой последовательности синхронизации приема и т.д., до достижения величины сдвига, равного G·K·B-G₁·K·B бит. Сдвиг на один бит последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит выполняют стиранием первого бита этой последовательности и записью второго бита этой последовательности на место первого бита, записью третьего бита этой последовательности на место второго бита и т.д. до достижения последнего бита последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит. Сдвиг на два бита последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит выполняют стиранием первого и второго битов этой последовательности и записью третьего бита этой последовательности на место первого бита, записью четвертого бита этой последовательности на место второго бита и т.д. Известные способы сдвига последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит на требуемое число битов описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 121-125 и заключаются в использовании цифровых регистров с последовательным сдвигом записанных в них двоичных последовательностей.

Способы побитного сравнения проверочной последовательности длиной G₁·K·B бит с сдвинутой на требуемое число бит последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит известны и описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - M., Радио и связь, 1983, стр. 178-183. Они заключаются в побитном сравнении указанных последовательностей с использованием цифровых компараторов, формирующих управляющий сигнал при несовпадении сравниваемых битов двоичных последовательностей.

Известные способы запоминания числа Z несовпадающих битов для каждого сдвига последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 125-129. Они заключаются в подсчете числа управляющих сигналов, формируемых при несовпадении сравниваемых битов проверочной последовательности длиной G₁·K·B бит с сдвинутой на требуемое число бит последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит. Известные способы запоминания числа Z несовпадающих битов используют цифровые счетчики, запоминающие подсчитанные числа Z несовпадающих битов для каждого сдвига последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит.

Известные способы выбора сдвига последовательности синхронизации приема с наименьшим числом Z_min несовпадающих битов описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 108-109 и заключаются в использовании цифровых компараторов. Цифровые компараторы попарно сравнивают состояние с первого до последнего цифрового счетчика с состоянием всех оставшихся цифровых счетчиков, в которых записаны подсчитанные числа Z несовпадающих битов для каждого сдвига последовательности синхронизации приема длиной G·K·B бит, выбирают в каждой паре цифровой счетчик с меньшим числом несовпадающих битов, сравнивают между собой состояния цифровых счетчиков с меньшим числом несовпадающих битов и так далее, пока не выберут цифровой счетчик с наименьшим числом несовпадающих битов, соответствующий выбранному сдвигу последовательности синхронизации приема с наименьшим числом Z_min несовпадающих битов.

Известные способы запоминания выбранного сдвига последовательности синхронизации приема с наименьшим числом Z_min несовпадающих битов как предполагаемой последовательности синхронизации с числом несовпадений Z_i,j=Z_min, соответствующую выбранной начальной точке получателя с координатами i по горизонтали и j по вертикали описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 121-125 и заключаются в использовании цифровых регистров с последовательной записью двоичных последовательностей.

Известные способы выбора среди всех чисел несовпадений Z_i,j наименьшего числа несовпадений описаны, например, в книге А. Сикарев, О. Лебедев. "Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов". - М., Радио и связь, 1983, стр. 108-109 и заключаются в использовании цифровых компараторов.

Проверка теоретических предпосылок заявленного способа установления синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения проверялась путем его аналитических исследований и имитационного моделирования. Для этого электронные изображения различных размеров на передающей стороне разделяли на множество непересекающихся макроблоков размером 256×256 пикселов, каждый макроблок разделяли на N=64 непересекающихся блоков размером 32×32 пикселов, в каждом макроблоке из числа его блоков выбирали K=15 блоков синхронизации, для встраивания в каждый блок синхронизации вычисляли и встраивали двоичную подпоследовательность синхронизации передачи длиной 1 бит. На приемной стороне принятое электронное изображение произвольным образом разделяли на составные части размером не менее 300×300 пикселов, и для каждой составной части принятого электронного изображения устанавливали синхронизацию. Вероятность установления синхронизации Р_уст определялась как отношение числа успешных попыток установления синхронизации для фиксированного размера части принятого электронного изображения к общему числу попыток установления синхронизации. На фиг. 8 показана зависимость величины P_уст от длины G₁·K·B бит проверочной последовательности. Зависимость вероятности установления синхронизации исследовалась при перекодировании электронного изображения со встроенными цифровым водяным знаком и двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи из одного формата в другой без потери информации, например, из формата BMP в TIFF (кривая 1 на графике) и при перекодировании электронного изображения со встроенными цифровым водяным знаком и двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи из одного формата в другой с потерей информации, например, из формата BMP в JPEG со сжатием не менее чем в 7 раз (кривая 2 на графике). При перекодировании без потери информации с увеличением длины G₁·K·B бит проверочной последовательности с G₁·K·В=15 бит до G₁·K·B=60 бит вероятность установления синхронизации увеличилась от 0,3 до единичного значения. Гарантированное установление синхронизации обеспечивается при размере составной части принятого электронного изображения размером не менее 800×800 пикселей. При перекодировании с потерей информации с увеличением длины G₁·K·B бит проверочной последовательности с G₁·K·B=15 бит до G₁·K·B=90 бит вероятность установления синхронизации увеличилась от 0,12 до единичного значения. Соответственно, в этом случае для гарантированного установления синхронизации требуется увеличить размер составной части принятого электронного изображения.

На фиг. 9(a) показан примерный вид электронного изображения со встроенными двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи, сформированного по способу-прототипу. На участках этого изображения, таких как поверхность моря и равнинные участки местности, имеются заметные искажения, вызванные встраиванием двоичных подпоследовательностей синхронизации передачи без анализа возможности внесения в блоки синхронизации визуально заметных искажений. На фиг. 9(б) показан примерный вид этого же электронного изображения со встроенными двоичными подпоследовательностями синхронизации передачи, сформированного по заявляемому способу. Видно, что на нем отсутствуют заметные глазом искажения. Таким образом, предлагаемый способ синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения обеспечивает исключение визуально заметных искажений, вызванных встраиванием двоичных подпоследовательностей синхронизации передачи в блоки синхронизации, статистические характеристики которых не позволяют встраивать дополнительные данные.

Проведенные исследования подтверждают, что при использовании предлагаемого способа установления синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения обеспечивается повышение вероятности установления синхронизации цифрового водяного знака электронного изображения, разделенного на составные части произвольного размера, а также исключение появления визуально заметных искажений, вызванных встраиванием в блоки электронного изображения с практически неизменными статистическими характеристиками подпоследовательностей синхронизации передачи.