Лекции / Лекция 10 - Расчет вероятности ошибки для ЦВЗ-УШПС
.pdfЗамечание 1.
Для обеспечения малых искажений ПС кодовые книги должны выбираться так, чтобы для любого C(n), ||C(w(n)-C(n)|| ,были бы малы по сравнению с ||C(n)||
Замечание 2.
Такая система может использоваться в СГС причем она будет устойчива к преднамеренному удалению, если выбор кодовых книг производится секретным образом (по стегоключу)
Замечание 3.
Данный метод построения ЦВЗ и СГС хорошо согласуется с векторным кодированием речевых сигналов, используемых в вакодерах.
11
Квантованная проекционная модуляция (QPD)
Цель использования QPD:
Обеспечить защиту от преднамеренного удаления ЦВЗ методом рандомизированного квантования.
Погружение:
Cw n = C n + |
Qb |
r r |
π n , n =1,2,...,N |
(51) |
|
N |
|||
|
|
|
|
N
где r = C n π n
n=1
Qb(…) – равномерный квантователь с шагом Δ, когда при b=0 и b=1 берутся чередующиеся точки (см. Рис. ниже)
π n { 1,+1},i.i.d.
-4 |
-3 |
-2 |
- |
0 |
2 |
3 |
r’ |
|
|||||||
b=1, |
b=0, заштрихованные области |
0 , незаштрихованные 1 |
|
Рис… Равномерный квантователь с шагом
12
Атака аддитивным шумом: |
||||||||
C'w n = C n + ε n ,где E{ε n |
} = 0, |
|||||||
Var{ε n } = σ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ε |
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
r' Q r |
|
|
|
2 |
,b {0,1} |
|
|
|
|
|||||
b = argmin |
|
|
|
|
|
|||
Декодер: |
b |
|
b |
|
|
|
|
|
где:
N
r'= C'w n π n
n=1
Рис 2. Схема погружения ЦВЗ:
C(n) |
|
|
|
|
|
|
||
r |
|
|
|
Qb(…) |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π(n) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(52)
(53)
1/N
π(n) |
Cw(n) |
13
Восстановление «b» при отсутствии атаки:
Пусть b=0, тогда из (52) получим:
N |
|
|
N |
|
|
ρ |
|
N |
|
|
|
ρ |
|
|||
r'= C'w n π n = C n + |
|
|
0 |
π n π n = |
C |
n π n + |
0 |
= |
||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||
n=1 |
|
|
n=1 |
|
|
N |
|
n=1 |
|
|
|
N |
||||
|
|
|
N |
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
N |
|
Qo C n π n |
C n π n |
= |
|
|
|
|
|
||||||
C n π n + |
n=1 |
|
|
|
|
n=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
n=1 |
n=1 |
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
N |
|
|
N |
|
|
|
N |
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
C n π n +Q0 ( C n π n ) C n π n = Q0 ( C |
n π n ) |
|
||||||||||||||
n=1 |
|
|
n=1 |
|
|
|
n=1 |
|
|
|
n=1 |
|
|
|
||
|
|
N |
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|||
Q0 r r0 |
|
C n π n |
|
Q0 |
C n π n = 0 |
|
|
|
||||||||
= Q0 Q0 |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
n=1 |
|
|
|
|
n=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
N |
|
Q1 r r0 |
|
|
|
Q0 |
C n π n = |
|
= Q1 Q0 |
C n π n |
|||||
|
|
n=1 |
|
|
n=1 |
|
(54)
(55)
При b=1, получаем аналогичным образом, что Q0 r r = ,Q1 r r = 0
Вывод:
При отсутствии всякой атаки декодер дает нулевую ошибку
14
Расчет вероятности ошибки при декодировании бита b при атаке аддитивным шумом.
Пусть b=0. Тогда из (51), (52) получим:
N |
N |
|
|
ρ |
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
r'= C'w |
n π n = C |
n + |
0 |
π n + ε n π n = C n π n + ε n π |
n + |
|
0 |
= |
||||||||||
N |
|
|
||||||||||||||||
n=1 |
n=1 |
|
|
|
|
|
|
n=1 |
|
|
|
|
|
|
|
N |
||
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q0 |
C n π n |
|
C n π n |
|
|
|
|
|
|||||
N |
N |
|
|
N |
|
n=1 |
|
|
|
n=1 |
|
|
|
|
|
|
||
C n π n + |
ε n π n + |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
|
||||||||
n=1 |
n=1 |
|
|
n=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
N |
|
N |
|
|
|
N |
|
|
|
N |
|
|
N |
|
|
||
C n π n + |
ε n π n +Q0 |
C n π n |
C n π n = Q0 |
C n π n + ε n π n (56) |
||||||||||||||
n=1 |
n=1 |
|
n=1 |
|
|
|
n=1 |
|
|
|
n=1 |
|
|
n=1 |
|
15
Рассмотрим область принятия решений о символе b:
|
r ‘ |
|
|
r1‘ |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
Q |
|
|
-3/2 |
-1/2 |
0 |
/2 |
3/2 |
5/2 |
r’ |
|
Алгоритм декодирования на примере заданных величин r’1, r’2
Q0 |
r' r' < Q1 |
r' r' b = 0 |
|
|
|||
Q0 |
r' r' Q1 |
r' r' b = 1 |
|
|
|||
r'1 : Q0 |
r'1 = |
/ 2, Q1 r'1 = |
/ 2, |
/ 2 r'1 < |
/ 2 r'1 b = 0 |
||
r'2 : Q0 |
r'2 = |
/ 2, Q1 r'2 = |
/ 2, |
/ 2 r'2 > |
/ 2 r'2 b = 1 |
Вывод:
Заштрихованные области (P) соответствуют решению b=0, а не заштрихованные b=1
Потому при вложении символа b=0,
|
|
|
|
(57) |
P = Pr{r' P} = Pr r' |
U 2Δi, |
2i +1 |
||
|
|
|
|
|
|
i = |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
16
|
|
N |
|
|
N |
r'= Q0 |
C n π |
n + |
ε n π n |
||
|
|
n=1 |
|
|
n=1 |
|
N |
|
|
|
|
|
|
U |
2i +1/ 2 |
||
Q0 |
C n π n |
||||
|
n=1 |
|
|
i = |
|
|
|
|
r' P |
|
|
|
|
|
|
|
|
Λ U |
2Δi + / 2,2Δi +3 |
i =
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
Λ = ε n π n U |
2Δi + |
/ 2,2Δi +3 / 2 |
|
|
||||
|
n=1 |
i = |
|
/ 2
Λ N 0, Nσ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2i +1/ 2 |
|
2i +3 / 2 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
58 , 59 P = |
|
Q |
|
|
|
|
Q |
|
|
|
|
= |
|||
|
i |
|
|
Nσ |
2 |
|
|
|
Nσ |
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
ε |
|
|
|
ε |
|
|
|
|
|
4i +1 |
|
4i +3 |
||||||||
Q |
|
|
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
2 Nσ |
2 |
|
|
2 Nσ |
2 |
|
||||
i |
|
ε |
|
|
|
ε |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Принебрегая «боковыми лепестками» в (60), получим:
|
|
|
|
|
|
p 2Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Nσ |
2 |
|
|
|
ε |
|
|
(58)
(59)
(60)
(61)
17
Оценка искажений ПС при вложении ЦВЗ и атаке аддитивным шумом:
ηω |
= |
|
σc2 |
|
σc2 N 2 |
|
||
E{ Cw |
n C n 2 } |
E{ Qd |
r r 2 } |
(62) |
||||
|
|
|
N
г де: r = C n π n
n=1
Из(62) видно, что ηω зависит не только от значения С(n), но от соседних значений С(n), n=1,2,…N, причем нелинейным образом.
Однако, справедлива оценка |
Qb r r |
и поэтому получим: |
|||||||||||
ηω |
|
σc2 N 2 |
|
|
|
|
|
|
|
(63) |
|||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
C' |
w |
n = C |
w |
n + ε n ,Var{ε n }= σ 2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ε |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
σ 2 |
|
σ |
2 |
|
|
|
ηa = |
|
|
|
|
|
c |
= |
|
c |
|
|
(64) |
|
|
E{ Cw n C n 2 }+ σ ε2 |
2 / N |
2 + σ ε2 |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18 |
Полагая равенства в (63), (64), получаем из них
σ |
2 |
N |
|
ηω |
|
ηω |
|
|
|
|
|
|
|||||
ε |
= |
1/ N = 1/ N |
1 |
(65) |
||||
|
|
2 |
|
|
||||
|
|
|
Nηa |
|
Nηa |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Подставляя (62) в (61), находим
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 |
|
|
|
Nη |
|
|
|
1 |
|
|
N |
|
N |
|
|
||||||||||
P 2Q |
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
= 2Q |
|
|
|
|
|
|
2Q |
|
|
|
(66) |
||||
|
|
|
|
|
η |
|
|
|
|
|
η 1 |
4( 1) |
|||||||||||||
|
2 |
|
|
|
η |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
ω |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где η |
ηω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ηa |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
При более точном расчете искажений для QPD, получаем |
|
||||||||||||||||||||||||
границуP |
|
|
|
|
0,75N |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
2Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
( 1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вывод:
Сравнивая (63) с выражением (11) для вероятности ошибки при информированном декодере и погружением по методу ШПС получаем, что для получения одинаковой достоверности, длина ШПС N должна быть для QPD увеличена примерно в 1,3 раза.
19
QPD-СГС
ηa Необходимо выбрать такие параметры и N, которые максимизируют ηω.
Замечание 1.
Формулы (63), (64), (66), являются приближенными и потому их нужно уточнять моделированием.
Замечание 2.
QPD-СГС, (также как и УШПС) и отличие от ШПС-СГС дает коррелированные искажения ПС на интервале длинной N выборок (пикселей).
Замечание 3.
Сравнивая QPD c УШПС, для которой (см. начало лекции)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ηa N ηω |
|
|
N ηω |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
P = Q |
|
|
η |
|
|
|
|
= Q |
η 1 |
|
|
|||
|
η |
ω |
a |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
видим, что при слишком больших N, УШПС оказывается лучше |
||||||||||||||
чем QPD. |
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |