Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекции / Лекция 10 - Расчет вероятности ошибки для ЦВЗ-УШПС

.pdf
Скачиваний:
52
Добавлен:
18.03.2022
Размер:
467.07 Кб
Скачать

Замечание 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, 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2i +1/ 2

 

2i +3 / 2

 

 

 

 

 

 

 

58 , 59 P =

 

Q

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

=

 

i

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

4i +1

 

4i +3

Q

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

2

2

 

i

 

ε

 

 

 

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принебрегая «боковыми лепестками» в (60), получим:

 

 

 

 

 

 

p 2Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

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

 

 

 

 

 

a

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя (62) в (61), находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

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

P, σ2c.
Оптимизация параметров Заданы:

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