Три найбільш важливі низькорівневі властивості, що впливають на помітність стороннього шуму в зображенні: чутливість до зміни яскравості зображення, частотна чутливість і ефект маскування
Чутливість до зміни яскравості визначається в такий спосіб: випробуваному показують деяку однотонну картинку ,після того, як око адаптувалося до її освітленості I, "настроїлося на неї", поступово змінюють яскравість навколо центральної плями. Зміну освітленості продовжують доти, поки вона не буде виявлена.
Частотна чутливість ЗСЛ проявляється в тому, що людина набагато більш сприйнятлива до низькочастотного (НЧ), ніж до високочастотного (ВЧ) шуму. Це пов’язане з нерівномірністю амплітудно-частотної характеристики системи зору людини. Експериментально її можна визначити за допомогою того ж досвіду, що і при яскравій чутливості. Але цього разу в центральному квадраті змінюються просторові частоти доти, поки зміни не стануть помітними. Елементи ЗСЛ розділяють відеосигнал, що надходить, на окремі компоненти. Кожна складова збуджує нервові закінчення ока через ряд підканалів. Вирізнювані оком компоненти мають різні просторові й частотні характеристики, а також різну орієнтацію (горизонтальну, вертикальну, діагональну) . У випадку одночасного впливу на око двох компонентів з подібними характеристиками збуджуються ті самі підканали. Це приводить до ефекту маскування, що полягає в збільшенні порога виявлення відеосигналу в присутності іншого сигналу, що володіє аналогічними характеристиками. Тому адитивний шум набагато помітніше на гладких ділянках зображення, ніж на високочастотних, тобто в останньому випадку спостерігається маскування. Найбільш сильно ефект маскування проявляється, коли обидва сигнали мають однакову орієнтацію й місце розташування.
Ефект маскування в просторовій множині може бути пояснений шляхом побудови стохастичних моделей зображення. При цьому зображення представляється у вигляді марківського випадкового поля, розподіл імовірностей якого підкоряється, наприклад, узагальненому гауссівському закону.
2. Визначте узагальнену схему впровадження даних у зображення.
1) Виконати фільтрацію зображення за допомогою орієнтованих смугових фільтрів. При цьому одержимо розподіл енергії по частотнопросторових компонентах.
2) Обчислити поріг маскування на основі знання локальної величини енергії.
3) Масштабувати значення енергії впроваджуваного ЦВДЗ у кожному компоненті так, щоб воно було менше порога маскування.
3. Назвіть основні цифрові формати нерухомих зображень.
Формат BMP. За рішенням розроблювачів формат BMP-файла не прив’язаний до конкретної апаратної платформи. Цей файл складається із чотирьох частин: заголовка, інформаційного заголовка, таблиці кольорів (палітри) і даних зображення. Якщо у файлі зберігається зображення із глибиною кольору 24 біти (16 млн кольорів), то таблиця кольорів може бути відсутньою, однак у нашому 256-кольоровому випадку вона є.
Формат GIF. "GIF" (tm) – це стандарт фірми CompuServe для визначення растрових кольорових зображень. Цей формат дозволяє висвічувати на різному встаткуванні графічні високоякісні зображення з більшою роздільною здатністю і має на увазі механізм обміну й висвічування зображень. Описаний у справжньому документі формат зображень був розроблений для підтримки теперішньої й майбутньої технології обробки зображень і буде надалі основою для майбутніх графічних продуктів CompuServe.
Формат TIFF. У TIFF конкретні поля ідентифікуються за допомогою унікального тегу. Це допускає присутність або відсутність конкретних полів у файлі залежно від вимог конкретного завдання. TIFF-файл починається з 8-байтового заголовка файла (Image File Header), що вказує на одну або кілька директорій файла (Image File Directories). Директорії містять інформацію про зображення і покажчики на дані самого зображення.
Формат JPEG. JPEG з’явився методом стиску, що дозволяє стискати дані повнокольорових багатоградаційних зображень із глибиною від 6 до 24 бітів/піксел з досить високою швидкістю та ефективністю. Сьогодні JPEG – це схема стиску зображень, що дозволяє досягти дуже високих коефіцієнтів стиску. Правда максимальний стиск графічної інформації, як правило, пов’язаний з певною втратою інформації. Тобто для досягнення високого ступеня стиску алгоритм так змінює вихідні дані, що одержуване після відновлення зображення буде відрізнятися від вихідного (стисливого). Цей метод стиску використовується для роботи з повнокольоровими зображеннями високої фотографічної якості. JPEG не був визначений як стандартний формат файлів зображень, однак на його основі були створені нові або модифіковані існуючі файлові формати.
Формат JFIF. JPEG позначає розглянутий вище алгоритм стиску, а не конкретний формат подання графічної інформації. Практично будь-яку графічну інформацію можна стиснути за таким алгоритмом. Формат файлів, що використовують алгоритм JPEG, формально називають JFIF (JPEG File Interchange Format). На практиці дуже часто файли, що використовують JPEG-стиск, називають JPEG-файлами. На основі JPEG-методу стиску побудовані численні формати, наприклад, формат TIFF/JPEG, відомий як TIFF 6.0, TIFF, QuickTime та ін. Файли із графікою у форматі JPEG мають розширення *.jpg.
Серед особливостей комп'ютерної обробки зображень слід виділити:
Розмір: цей параметр може бути будь-яким, але часто вибирається виходячи з особливостей реєстрації зображення (наприклад, відеостандарти PAL (625, 4: 3), SECAM (625, 4: 3), NTSC (525, 4: 3)), особливостей подальшої обробки (алгоритми швидкого перетворення Фур'є пред'являють особливі вимоги) і т.п. Хоча останнім часом фреймграббери интерполируют зображення до будь-яких розмірів, бібліотеки БПФ справляються із зображенням будь-яких розмірів.
Кількість кольорів (глибина кольору): точніше кількість біт, що відводиться для зберігання кольору, визначається спрощенням електронних схем і кратно ступеню 2. Зображення для зберігання інформації про кольори якого необхідний 1 біт називається бінарним. Для зберігання напівтонових (gray scale, gray level) зображень використовується зазвичай 8 біт. Кольорові зображення зберігаються зазвичай з використанням 24 біт по 8 на кожен з трьох колірних каналів.
Дозвіл: вимірюється зазвичай в dpi (dot per inch - кількість точок на дюйм). Наприклад, на екрані монітора дозвіл зазвичай 72 dpi, при виведенні на папір - 600 dpi, при реєстрації на ПЗС-матриці з розміром одного елемента 9 мкм дозвіл складе майже 3000 dpi. В процесі обробки дозвіл можна змінити: на саме зображення це не вплине, але зміниться його відображення пристроєм візуалізації.
5. У чому полягає суть форматуBMP?
Файл формату BMP складається із чотирьох частин: заголовка, інформаційного заголовка, таблиці кольорів (палітри) і даних зображення. Якщо у файлі зберігається зображення із глибиною кольору 24 біти(16 млн кольорів), то таблиця кольорів може бути відсутньою, однак у нашому 256-кольоровому випадку вона є.
Формат файлу був розроблений універсальним для різних платформ, тому кольори палітри зберігаються в ньому інакше, чим прийнято для VGA. Під час виконання процедури читання виробляється необхідне перекодування.
6. Для чого призначений дескриптор екрана формату GIF?
Дескриптор екрана описує загальні параметри для всіх наступних зображень у форматі GIF. Він визначає розміри простору зображення або необхідного логічного екрана, існування інформації про таблицю кольорів і "глибину" екрана. Ця інформація запам’ятовується у вигляді серії 8-бітових байтів. Ширина та висота логічного екрана може бути більше розмірів фізичного екрана. Спосіб висвічування зображень більших, ніж розміри фізичного екрана залежить від реалізації і може використовувати переваги конкретного встаткування (наприклад, вікна скролінга в Macintosh scrolling windows). У противному разі зображення буде усічено по краях екрана. Значення "pixel" також визначає кількість кольорів у зображенні. Діапазон значень "pixel" становить від 0 до 7, що відповідає від 1 до 8 бітам. Це транслюється в діапазон від 2 (чорно-білі зображення) до 256 кольорів. Біт 3 у байті 5 зарезервований для майбутніх визначень і повинен бути нульовим.
Сегментація зображення застосовується з метою розподілу його на два й більше сегменти (підзображення). Це полегшує буферизацію даних зображення в пам’яті ПЕОМ, прискорює їх довільну вибірку з диску і дозволяє зберігати зображення розміром понад 64х64 Кб. JPEG підтримує три типи сегментації зображень: просту, пірамідальну й комбіновану. При простій сегментації зображення ділиться на два або більше сегменти фіксованого розміру. Всі прості сегменти кодуються зліва направо і зверху вниз, є суміжними і не перекриваються. Сегменти повинні мати однакову кількість вибірок і ідентифікаторів компонентів, і бути закодованими за однією схемою. Сегменти в нижній і правій частинах зображення можуть бути меншого розміру, ніж "внутрішні" сегменти, оскільки величина зображення не обов’язково повинна бути кратною розмірам сегмента. При пірамідальній сегментації зображення також ділиться на сегменти, а кожний з них, у свою чергу, – на ще більш дрібні сегменти. При цьому використовуються різні рівні роздільної здатності. Моделлю такого процесу є сегментування піраміди зображення JPEG (JPEG Tiled Image Pyramid, JTIP), що відбиває процедуру створення пірамідального JPEG-зображення з декількома рівнями роздільної здатності. У схемі JTIP послідовні шари одного зображення зберігаються з різною розподільною здатністю. Перше зображення, записуване на вершині піраміди, займає одну шістнадцяту частину встановленого розміру екрана й називається віньєткою. Застосовується воно для швидкого відтворення вмісту зображення. Це здобуває особливу значущість при роботі із програмами перегляду (браузерами). Наступне зображення займає одну четверту частину екрана й називається мажеткою. Звичайно вона використовується в тих випадках, коли на екрані необхідно одночасно відобразити два й більше зображення. Далі випливають повноекранне зображення з низькою розподільною здатністю, зображення з розподільною здатністю, що послідовно підвищується, і, нарешті, оригінал зображення. При пірамідальній сегментації доцільний процес внутрішньої сегментації, коли кожний сегмент кодується як частина одного потоку JPEG-даних. Іноді може застосовуватися процес зовнішньої сегментації, при якому кожний сегмент становить окремо кодований потік JPEG-даних. Зовнішня сегментація прискорює доступ до даних зображення, полегшує його шифрування та поліпшує сумісність із деякими JPEG-декодерами. Комбінована сегментація дозволяє зберігати і відтворювати версії зображень із декількома рівнями дозволу у вигляді мозаїки. Комбінована сегментація допускає наявність сегментів, що перекриваються, різних розмірів, з різними коефіцієнтами масштабування й параметрами стиску. Кожний сегмент кодується окремо й може комбінуватися з іншими сегментами без повторної дискретизації. Наприклад, у випадку використання сегментів розміром 8×8 пікселів для кожного блоку формується набір чисел. Перші кілька чисел представляють колір блоку в цілому, у той час, як наступні числа відбивають більш тонкі деталі. Спектр деталей базується на зоровому сприйнятті людини, тому великі деталі більш помітні. На наступному етапі, залежно від обраного рівня якості, відкидається певна частина чисел, що представляють тонкі деталі. Таким чином, чим вище рівень компресії, тим більше даних відкидається й тим нижче якість зображення. Використовуючи JPEG, можна одержати файл у 1 500 разів менше, ніж ВМР. Формат апаратно незалежний, повністю підтримується на РС і Macintosh
Дискретное косинусное преобразование является наиболее распространенным преобразованием для изображений. Коэффициент сжатия при ДКП может достигать значения 20. Например, при 10241024 пикселах 8-разрядное изображение требует пространства памяти в 1 Мбайт. Применяя ДКП, это же изображение можно было бы представить 50 килобайтами – ощутимое сокращение.
Изображение обычно предварительно делится на блоки 8 8 пикселов и затем передается. Для этого существует ряд причин. Одна из них состоит в том, что сокращается сложность вычислений. Путем деления изображения на блоки мы можем преобразовывать их за разумное время, которое необходимо для обработки изображения в реальном времени. Во-вторых, при делении изображения на блоки можно избежать избыточности, если в изображении обнаружены похожие области.
Суть дела очень проста: если преобразование одного блока очень похоже на преобразование следующего блока, тогда нет необходимости передавать эти два преобразования, вполне достаточно передать одно.
Наконец, при делении изображения на блоки мы можем на приемном конце использовать последовательное, от блока к блоку, восстановление изображения. Это свойство полностью отвечает нуждам интернета и телефонии.
Передача цветного изображения полного экрана требует канальной скорости в 200 Мбит/с. Использование ДКП сокращает требуемую скорость до 34 Мбит/с при коэффициенте сжатия до 6.
9. Назвіть основні етапи алгоритму стиску зображень JPEG.
Основними етапами алгоритму стиску зображень JPEG є:
− Перетворення зображення в оптимальний колірний простір.
− Субдискретизація компонентів кольоровості усередненням груп пікселей.
− Застосування дискретних косинус-перетворень для зменшення надмірності даних зображення.
− Квантування кожного блоку коефіцієнтів DCT із застосуванням вагових функцій, оптимізованих з урахуванням візуального сприйняття людиною.
− Кодування результуючих коефіцієнтів (даних зображення) із застосуванням алгоритму Хаффмена для видалення надмірності інформації.
10. У чому полягає стійкість стеганосистеми до активних атак.
Виходячи із розглянутих вище особливостей атак на стеганосистеми, можна зробити висновок, що протидія статистичному стеганоаналізу має полягати в побудові математичних моделей сигналів-контейнерів, пошуку на їх основі «дозволених» для модифікації областей і вбудовуванню до них таких повідомлень, чия статистика не відрізняеться від статистики контейнера. Така нерозрізненість і визначатиме стійкість стеганосистеми.
Як і для криптографічних систем захисту інформації, безпека стеганосистем описується й оцінюсться їх стiйкістю (стеганографічною стійкістю або стеганостійкістю). Але визначення стійкості й зламу для даних систем є різними. У криптографії система захисту інформації с стійкою, якщо володіючи перехопленою криптограмою, порушник не здатний видобути інформацію, що в ній міститься.
Стеганографічна система є стійкою до активних атак, якщо прихована за її допомогою інформація не може бути змінена без настільки значних змін контейнера, внаслідок яких останній втратить свою функціональність.