В НИУ ВШЭ создали незаметный, но устойчивый цифровой водяной знак

Результаты исследования опубликованы в журнале Computers and Electrical Engineering. С развитием интернета, социальных сетей и нейросетей защита авторских прав на цифровой контент становится все более сложной. Публикация изображений онлайн делает их уязвимыми для незаконного копирования и распространения: видимые водяные знаки либо обрезаются, либо удаляются. Одним из вариантов защиты авторских прав стала технология водяных знаков, которые встраивают в изображение таким образом, что они остаются невидимыми для человеческого глаза, но могут быть извлечены при необходимости для доказательства авторских прав.

Анна Мельман и Олег Евсютин, сотрудники кафедры информационной безопасности киберфизических систем МИЭМ НИУ ВШЭ, предложили новый алгоритм создания цифрового водяного знака, состоящий из нескольких этапов. Сначала изображение разбивается на блоки размером 8×8 пикселей, к которым применяется дискретное косинусное преобразование (DCT).

Алгоритм преобразует значения пикселей в частотный спектр, что позволяет выделить важные особенности изображения и отделить их от шума. Затем водяной знак встраивается путем изменения коэффициентов в среднечастотной области блока так, чтобы сделать сумму абсолютных значений одной половины коэффициентов больше или меньше суммы абсолютных значений другой половины коэффициентов в зависимости от бита встраиваемой информации.

Представьте, что изображение — это большой шкаф с полками, заполненными книгами (пикселями) с разными цветными обложками, расположенными в хаотичном порядке. Алгоритм сортирует книги по яркости обложек от самых ярких к самым тусклым. Затем он встраивает в шкаф необходимый нам водяной знак. Логика его встраивания следующая: нужно поменять книги на центральной полке (среднечастотной области блока) так, чтобы яркость на одной половине полки стала больше или меньше яркости обложек в другой половине. Книги меняются местами в зависимости от того, встраиваем ли мы 0 либо 1. Изменения настолько незначительны, что человек их не заметит. Алгоритм же понимает, как изменилось расположение книг на центральной полке, и извлекает зашифрованную информацию.

Основное преимущество метода заключается в балансе между незаметностью и устойчивостью водяного знака, который достигается благодаря применению современного оптимизатора на основе градиентного спуска (GBO). GBO используется для нахождения такого вектора изменений коэффициентов, который обеспечивает минимальное искажение изображения и высокую устойчивость водяного знака. Этот оптимизатор сочетает в себе преимущества градиентных методов и метаэвристических подходов, обеспечивая быстрое и эффективное решение задачи. В отличие от других методов, GBO использует правило градиентного поиска и оператор локального избегания, что позволяет ему избегать локальных минимумов и находить более точные решения.

«Мы нашли способ встраивания информации, который минимально искажает изображение, но при этом обеспечивает высокую устойчивость к типичным атакам, таким как сжатие, изменение яркости, контраста, обрезка и другие», — говорит Олег Евсютин, один из авторов исследования.

Экспериментальные результаты показали высокую эффективность предложенного алгоритма по таким показателям, как незаметность и устойчивость к атакам. В частности, водяной знак оставался видимым даже после изменения яркости и контраста, а также применения различных фильтров. «Наша работа открывает новые возможности для защиты цифровых изображений, особенно в условиях, когда важно сохранить высокое качество изображения при его публикации в интернете», — отмечает Анна Мельман.

Исследователи планируют изучить возможности применения алгоритма для различных типов цифровых данных и условий использования. В будущем такие методы могут стать основой для создания надежных систем защиты авторских прав в интернете, обеспечивая безопасность и сохранность цифрового контента.