شکل ۴-۳. تصویر اصلی بعد از درج پیغام ……………………………………………………………………………………………………………………………… ۱۱۰
فهرست نمودارها
نمودار ‏۱‑۱. طبقه‌بندی انواع واترمارکینگ ۴
نمودار ‏۱‑۲. هیستوگرام فایل اصلی ۲۳
نمودار ‏۱‑۳. هیستوگرام فایل محتوای پنهان نگاری ۲۴
فهرست جداول
جدول ‏۳‑۱. ارزیابی عملکرد مدل های کیفیت تصویر ۷۰
فصل اول
۱-۱ مقدمه ای بر نهان نگاری
در دهه اخیر، به علت اتصال تعداد بیشماری از رایانه‌های شخصی به شبکه جهانی اینترنت، انفجاری در توزیع و استفاده آسان از داده دیجیتال چندرسانه‌ای به وقوع پیوسته است، گر چه داده دیجیتال مزایای بسیاری نسبت به داده آنالوگ دارد، ولی ارائه‌دهندگان سرویس‌های چندرسانه‌ای نگران پخش و انتشار بی‌رویه ناشی از کپی غیرمجاز داده‌های دیجیتال هستند، که بر خلاف حالت آنالوگ کیفیتی مشابه داده اصلی را دارند.
برای حفاظت از محصولات دیجیتال چندرسانه‌ای در برابر کپی های غیرمجاز و حفظ حق انتشار برای داده‌های صوتی، تصویری و ویدئویی از دو تکنیک رمزنگاری^[۳] و نهان نگاری^[۴] استفاده می‌شود. تکنیک های رمزنگاری برای حفاظت داده دیجیتال به هنگام انتقال از فرستنده به گیرنده به کار می روند. داده‌ها در فرستنده رمز می‌شوند و پس از دریافت در گیرنده رمزگشایی می‌شوند. از این پس دیگر هیچ‌گونه حفاظتی از داده صورت نمی‌گیرد. ولی در تکنیک های نهان نگاری، یک سیگنال پنهانی به نام پیام یا واترمارک^[۵]، مستقیماً در داخل داده هک می‌شود و همواره در آن باقی می‌ماند. برای استفاده از داده نهان نگاری شده، نیازی به برداشتن سیگنال واترمارک نیست زیرا این سیگنال طوری در داده میزبان درج می‌شود که هیچ تأثیر نامطلوبی بر داده اصلی نمی‌گذارد. به عنوان مثال در نهان نگاری داده در تصویر، چشم انسان نباید تفاوت بین تصویر اصلی و تصویر واترمارک شده را حس کند. در صورت هر گونه استفاده غیرمجاز از تصویر واترمارک شده، مانند کپی غیرمجاز از آن و یا هرگونه تحریف و تغییر تصویر توسط ا فراد غیرمجاز، صاحب اصلی داده می‌تواند با استخراج سیگنال واترمارک که تنها توسط او امکان‌پذیر است، مالکیت خود را به اثبات برساند و یا محل تغییرات صورت گرفته بر روی تصویر را مشخص کند. هرچند که مطرح‌شدن ایده نهان‏نگاری به سال ۱۴۴۹ میلادی بر می­گردد، اما کاربرد‏های پیشرفته این ایده در چند سال اخیر مطرح شده است.

نهان نگاری در سیستم های امنیتی کاربرد بسیاری دارد و به شدت رو به رشد است. روش‌های مختلفی برای نهان نگاری پیشنهاد شده که در عین حال روش‌هایی زیادی نیز برای کشف اکثر آن‌ ها ارئه شده و موجود است. در نتیجه نیاز به فضای وسیع­تری برای نهان نگاری که بتوان از تکنیک‌های پیشرفته‌تر و امن­تری برای نهان­سازی داده ­ها استفاده کرد، ضروری به نظر می­رسد. این فضا می­بایست فضایی فراتر از فضای داده یک بعد یعنی صوت دوبعدی یعنی تصویر باشد.
از زمان پیدایش تلویزیون، تلاش‌های زیادی در جهت بهبود آنچه که از دیدن یک فیلم توسط بینندگان تجربه می‌شود، انجام شده است. یکی از قدم‌های مهم آتی در این زمینه، معرفی و ورود تلویزیون سه‌بعدی ^[۶] می‌باشد که برای بیننده این امکان را ایجاد می‌کند که فیلم را در یک فضای سه‌بعدی مشاهده نماید. طرفداران تلویزیون سه‌بعدی معتقدند که این ایده تجربه جدیدی را برای بیننده به همراه خواهد داشت و حوزه کاربردهای تصویر را وسیع تر خواهد نمود. بنابراین از آنجایی که تصویربرداری سه‌بعدی روشی در حال پیشرفت است و در آینده نزدیک وارد تکنولوژی انتقال اطلات خواهد شد، به نظر می‌رسد فضای بسیار مناسبی جهت نهان نگاری اطلاعات در اختیار ما قرار می­دهد. مشخصاً اساس نمایش تصاویر سه‌بعدی بر مبنای ادراک سیستم بینایی انسان از بعد سوم است که دریافت‌کننده نهایی این تصاویر می‌باشد. بنابراین بررسی و تحلیل سیستم های تصویربرداری سه‌بعدی نیاز به درک و آشنایی اولیه با سیستم بینایی انسان خواهد داشت. به همین دلیل ما در این پایان‌نامه به بررسی تکنیک‌هایی که تا به حال برای نهان نگاری تصویر سه‌بعدی ارائه شده‌اند می­پردازیم و سپس در ادامه به ارائه پیشنهاداتی جهت نهان نگاری در تصاویر سه‌بعدی می‌پردازیم.
۱-۲ تاریخچه نهان نگاری
نهان نگاری از دو کلمه‌ی یونانی stego به معنی مخفی و graphos به معنی نوشتن تشکیل شده است، یعنی نوشته پنهان. در نهان نگاری، یک پیام سری در یک سند، جاسازی می‌شود، به طوری که وجود پیام در آن سند تا حد امکان قابل تشخیص نباشد. در نهان نگاری، فقط خود پیغام سری، مهم است و سندی که برای اختفای پیغام مورد استفاده قرار می‌گیرد ارزشمند نیست. فرد غیرمجاز برای بدست آوردن پیام ابتدا باید محیط انتقال و پوشش را شناسایی و در صورت امکان پیام را بیرون بکشد (شکل زیر نمونه‌ای از نهان نگاری در تصویر می‌باشد).
شکل ۱-۱. نمونه‌ای از نهان نگاری در تصویر
حوزه اصلی دیگر استگانوگرافی نشانه‌گذاری حق تألیف است. این قسمت، خود می‌تواند به دو دسته‌ی اثبات هویت دیجیتالی و انگشت‌نگاری دیجیتالی تقسیم شود.
استگانوگرافی و رمزنگاری هر دو برای تضمین قابلیت اعتماد داده استفاده می‌شوند، گرچه تفاوت بزرگی مابین آن‌هاست. در رمزنگاری هدف تغییر پیغام به شکلی است که برای شخص دیگری نامفهوم باشد و اینکه فردی متوجه پیغام بشود یا نه اهمیتی ندارد. به عبارتی دیگر، با رمزدار کردن هر شخصی می‌تواند متوجه این موضوع شود که دو طرف به طور سری و محرمانه در ارتباط‌اند درحالی‌که فلسفه‌ استگانوگرافی این است که پیغام را به شکلی مخفی کند که کسی متوجه حضور آن نشود به بیان دیگر، استگانوگرافی وجود یک پیام را پنهان می‌کند و در بهترین حالت هیچ فردی نمی‌تواند متوجه شود که دو طرف به طور محرمانه با یکدیگر ارتباط دارند.
به طور معمول گفته می‌شود قبل از مخفی کردن متن در استگانوگرافی بهتر است آن را رمزگذاری کنید تا اگر متن شما از پیغام پوشاننده بازیابی شد قابل خواندن نباشد، هر چند می‌توان بدون رمزنگاری متن را در پیغام پوشاننده جایگزین کرد، مانند نشانه‌گذاری حق تألیف؛ اما با اضافه کردن اطلاعات کپی‌رایت رمزگذاری شده به محتوای یک فایل می‌توان از شناسایی و انتقال آن به شکلی آسان و راحت جلوگیری کرد. رمزگذاری اجازه می‌دهد که ارتباطی ایمن صورت گیرد و شخصی که کلید مربوطه را دارد قادر است اطلاعات دریافتی را بخواند. در این حالت یک مهاجم نمی‌تواند رمزگذاری را بردارد اما اصلاح کردن این فایل و تغییر آن به نحوی که برای گیرنده مورد نظر غیرقابل خواندن شود کاری نسبتاً آسان است.
نهان نگاری کاربردهای بسیاری دارد مثل محافظت از کپی‌رایت و مستندسازی مدیا و…. . روش‌های نهان­نگاری بر روی دامنه‌های گسترده‌ای اعم از فایل های متنی، فایل های باینری، فایل های صوتی، فایل های تصویری، فیلم و غیره اعمال می‌شوند. یکی از پرکاربردترین بسترها برای نهان­نگاری فایل های تصویری می‌باشد. روش نهان نگاری از امنیت بالایی برخوردار است. همچنین کاربردهای امنیتی نیز دارد که در انتقال اطلاعات مخفیانه از طریق تصاویر (برای مثال انتقال تصویر از طریق اینترنت) می‌توان استفاده کرد. امید است در آینده بتوان سیستمی طراحی کرد که جهت امنیت یک ارگان مهم بکار رود. به این منظور که راه‌های مختلفی که امکان خروج مخفیانه اطلاعات از آن ارگان وجود دارد بررسی و آشکار سازی شود.
نهان نگاری تصاویر دیجیتال بطور عمده از حدود سال‌های ۱۹۹۵ و ۱۹۹۶ مورد توجه قرار گرفته است و در طی این مدت الگوریتم‌های فراوانی با کاربردهای متنوع در این زمینه طراحی و منتشر شده‌اند. برای ارزیابی و مقایسه‌ی این الگوریتم‌ها، شاخص‌هایی تعریف شده‌اند که با بهره گرفتن از آن‌ ها می‌توان روش متناسب با کاربرد مورد نظر را انتخاب نمود. شش شاخص مقاومت، ظرفیت، امنیت، شفافیت (قابلبیت رویت)، قابل کشف نبودن و پیچیدگی توسط پتیتکلاس ^[۷]تعریف شده‌اند. مقاومت نشان‌دهنده میزان باقی ماندن پیام درون تصویر، پس از تغییراتی است که ممکن است به صورت عمدی یا مشکلات ناشی از خطوط انتقال ایجاد گردد، می‌باشد. ظرفیت، بیانگر حجم اطلاعاتی است که می‌توان درون تصویر قرار داد. امنیت بیانگر، امکان کشف پیام به صورت تصادفی است که توسط عواملی چون کلید یا افزایش پارامترها تأمین می­ شود. باید توجه داشت که امکان بهینه‌سازی تمام شاخص‌ها همزمان وجود ندارد و با بهبود یکی، امکان تضعیف یک یا چند شاخص دیگر وجود خواهد داشت.
مفاهیم مخفی سازی اطلاعات، جاسازی داده‌ها و آبنشان گذاری دیجیتال اغلب در یک واژه کلی تحت عنوان واترمارکینگ^[۸] مورد استفاده قرار می‌گیرند که البته این موضوع در کاربردهای تجاری بیشتر صدق می‌کند. انواع روش‌های واترمارکینگ در نمودار ۱-۱ بصورت طبقه ­بندی نشان داده شده ­اند.
نمودار ۱-۱. طبقه‌بندی انواع واترمارکینگ
روش‌های نهان نگاری می‌توانند کاربردهای بسیار مخربی در زمینه‌های ترورریستی داشته باشند. برای مثال گروهی تروریستی اطلاعات خود را از این طریق بدون اینکه جلب توجه نماید به راحتی توسط ابزار فراگیری همچون اینترنت میان خود مبادله کنند. لذا روش‌هایی به منظور یافتن اطلاعات پنهان‌شده در داده‌ها مورد نیاز می‌باشد.
روش‌هایی که به این منظور استفاده می‌گردند تحلیل نهان نگاری^[۹] نام دارند که به طور کلی به بررسی وجود یا عدم وجود داده‌های پنهان در میان فایل های موجود می‌پردازند. اگرچه پیدا نمودن و استخراج داده‌های پنهان در میان فایل ها به سادگی با مقایسه میان آن‌ ها و فایل های اصلی امکان‌پذیر است، ولی در اکثر موارد به دلیل عدم دسترسی به نسخه اصلی فایل، این مقایسه ممکن نمی‌باشد و روش‌هایی برای تشخیص وجود داده‌ی مخفی، بدون در اختیار داشتن نسخه‌ی اصلی فایل، مورد نیاز است.

شکل ۱-۲. نهان نگاری اطلاعات در لابلای نت­های موسیقی
روش‌های تحلیل نهان نگاری به دو دسته روش‌های اختصاصی و روش‌های کور تقسیم می‌شوند. در روش‌های اختصاصی، هدف شکستن نوع خاصی از روش نهان نگاری بوده و به عبارتی روش نهان نگاری مشخص بوده ولی اطلاعی از فایل موجود نمی‌باشد. در روش‌های تحلیل کور هدف یافتن وجود و یا عدم وجود داده‌ی پنهان در یک بستر می‌باشد و اطلاعاتی از روش استفاده شده نیز در دسترس نمی‌باشد؛ به عبارت دیگر، نه تنها اطلاعی از فایل اولیه موجود نبوده بلکه روش بکار رفته برای نهان نگاری اطلاعات نیز مشخص نمی‌باشد. روش‌های تحلیل نهان نگاری کور، مبتنی بر سیستم های تشخیص الگو می‌باشند. هر سیستم تشخیص الگو، شامل دو بخش می‌باشد: استخراج ویژگی و انجام طبقه‌بندی. در شکل ۱-۲ نمونه‌ای از نهان نگاری در نت­های موسیقی مشاهده می­ شود. ­
۱-۳ اهداف و ملزومات نهان نگاری
نهان نگاری کاربردهای مختلفی دارد که برخی از آن‌ ها عبارت‌اند از:
ا ثبات حق مالکیت و یا حفظ حق نشر
نهان کردن داده‌های مختلف با امکان رد گیری
کنترل عمل کپی‌برداری
نظارت بر پخش
تصدیق صحت داده
برچسب زدن به تصاویر
ارتباطات مخفیانه و پنهان سازی داده
گرچه هر کاربردی از نهان نگاری تصویر نیازهای خاص خود را دارد، با این همه تمام روش‌های نهان نگاری باید ملزومات مشترکی را رعایت کنند که عبارت‌اند از:
شفافیت: شفافیت سیستم یعنی موضوع میزبان قبل و بعد از جا سازی در پیام نباید تفاوت محسوسی داشته باشد، چرا که هدف ناملموس نمودن فرایند انتقال پیام است و در حقیقت امنیت یک سیستم پنهان سازی در همین مسئله شفافیت نهفته است و هر چه شباهت موضوع میزبان پیام، در هر دو حالت عاری و حاوی پیام بیشتر باشد، امنیت این سیستم در سطح بالاتری قرار دارد.
مقاومت: مقاومت یک سیستم پنهان سازی به معنای این است که پیام پنهان‌شده در مقابل اعمال تغییرات ناخواسته و غیر عمدی که وجود خشه در طول مسیر انتقال به وجود می‌آورد و یا اعمال تغییرات عمدی که توسط حمله‌کننده فعال به منظور تغییر پیام یا از بین بردن آن انجام می‌گردد.
ظرفیت: در یک سیستم پنهان سازی هرچه بتوان پیام بیشتری را در یک میزبان مخفی نمود، این سیستم مناسب تر خواهد بود. حجم داده‌ای که می‌توان در میزبان ذخیره کرد، دقیقاً بستگی به ماهیت میزبان دارد و این که تا چه حدی می‌توان داده را در آن پنهان نمود، بدون اینکه در شفافیت آن تأثیری جدی بگذارد.
سه ویژگی فوق ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند، بدین معنی که با ثابت فرض کردن ویژگی اول و افزایش ویژگی دوم، ویژگی سوم حتماً کاهش خواهد یافت. الگوریتم‌های نهان نگاری، به منظور درج اطلاعات سیگنال پیام در داخل داده میزبان، تغییرات کوچکی را بر اساس سیگنال پیام در داده‌ی میزبان، ایجاد می‌کنند به نحوی که با چشم انسان قابل مشاهده نباشد.
۱-۴ حوزه‌های نهان نگاری
نهان نگاری در حوزه‌های مختلف انجام می‌شود که شامل:
حوزه مکان
حوزه فرکانس^[۱۰]
درج در حوزه آماری
که هر کدام بر اساس شرایط مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در دنیای دیجیتال امروزه، نهان نگاری مقاوم تصویر که در آن یک سیگنال حامل داده به صورت نامرئی و مقاوم در برابر حملات در تصویر تعبیه می‌شود، به عنوان یک راهکار برای حل مسئله حفاظت از حق تألیف محصولات تصویری معرفی شده است. برای این منظور تاکنون جهت نهان نگاری، روش‌های متعددی به کار گرفته شده است که از آن جمله می‌توان به استفاده از مدل های بینایی جهت یافتن میزان بیشینه انرژی نهان نگاری برای تعبیه در تصویر و استفاده از حوزه‌های مقاوم در برابر حملات و تصویربرداری سه بعدی اشاره نمود.
یکی از راه‌ها برای افزودن یک سیگنال واترمارک در حوزه مکان، اضافه کردن یک رشته شبه نویز معرف سیگنال واترمارک به مقادیر روشنایی پیکسل‌های تصویر مورد نظر است. امنیت این روش به کلید به‌کاررفته در تولید رشته شبه تصادفی بستگی دارد و استخراج آن با بهره گرفتن از مقدار همبستگی بین تصویر واترمارک شده و سیگنال اصلی واترمارک صورت می‌گیرد. برای درج تعداد زیادی بیت در تصویر میزبان، می‌توان تصویر اصلی را به تعدادی زیر تصویر تقسیم کرد و هر بیت را به یکی از این زیر تصویرها اضافه کرد. از دیگر روش‌های نهان نگاری در حوزه مکان می‌توان از روش بیت کم ارزش^[۱۱] نام برد.
در حوزه فرکانس، بسیاری از روش‌ها، از مدولاسیون دامنه یا فاز^[۱۲] استفاده می‌کنند. حوزه متداول دیگر برای درج سیگنال واترمارک، حوزه تبدیل گسسته کسینوسی است. با بهره گرفتن از تبدیل گسسته کسینوسی می‌توان یک تصویر را به باندهای شبه فرکانسی تقسیم کرد و واترمارک را در مناسب‌ترین باند درج کرد.