Esteganografía sobre el estándar H.265/HEVC en el ámbito ferroviario

Resumen

A finales de los años 50 nace el vídeo con sus capacidades implícitas de grabación y procesamiento. Desde entonces ha evolucionado, permitiendo el tratamiento de secuencias con un gran incremento de calidad visual, mayor duración y, en consecuencia, la creación obligatoria de nuevos estándares de codificación de video. Los códecs o codificadores permiten la compresión de archivos de vídeo, lo que optimiza las capacidades de almacenamiento, así como la disminución en el tiempo de su transmisión por una red de comunicaciones. Este hito ofrece mejoras técnicas a demandas de antaño en campos como, la investigación médica, transmisión de mensajes ocultos con el fin de garantizar autenticidad, confidencialidad, etc. Específicamente, una de las históricas carencias se localiza en el ámbito ferroviario, donde actualmente la radiotelefonía y las señales de control que comunican la infraestructura y los trenes son transmitidas a través del sistema de comunicación digital inalámbrica GSM-R. Éste, al estar basado en la tecnología GSM, dispone intrínsecamente de limitaciones referidas al ancho de banda; por tanto, es necesario acotar el volumen de datos a transmitir, quedando encorsetados a las señales estrictamente necesarias. Con una mejora en los canales de comunicaciones como 4G o 5G, explotando las propiedades de vídeos y ligado a la aplicación de técnicas esteganográficas, se pueden transmitir grandes volúmenes de datos de forma completamente confidencial y con capacidad de garantizar la identidad del emisor y el no repudio en origen, mediante firmas o marcas de aguas digitales. Tal novedad, no solo rompe la restricción de ceñir los datos a transmisión de señales básicas, sino que atiende a nuevas necesidades, como la seguridad de personas y instalaciones, geolocalización y mantenimiento de los elementos de la infraestructura, así como el posicionamiento y control, muy próximo a tiempo real, de los trenes automáticos sin maquinistas. Asimismo, abre un sinfín de nuevas posibilidades al poder considerar los sistemas de procesamiento de vídeos e imágenes como tecnologías válidas en el cumplimiento de los estándares de seguridad y, en consecuencia, en la elaboración de nuevas normativas de seguridad aplicadas en la industria ferroviaria. Esta tesis radica en el estudio, definición y desarrollo de técnicas esteganográficas en el estándar de codificación de vídeo H.265/HEVC, especialmente aplicado en el ámbito ferroviario con el fin de dar respuesta a las limitaciones actualmente reconocidas. HEVC representa un salto tecnológico en las capacidades de compresión de vídeo, proporcionando una mayor eficiencia en términos computacionales, proximidad de codificación en tiempo real, disminución del bitstream y cobertura a mayores resoluciones. Aunque las técnicas esteganográficas presentadas son de aplicación para secuencias de cualquier ámbito, en su desarrollo y validación han sido utilizados vídeos de naturaleza ferroviaria, ya que proporcionan características muy peculiares que permiten testar las capacidades en entornos extremos, como son la inclusión de información en grandes regiones de sobreexposición, subexposición, cambios rápidos de textura y escenas. Es decir, vídeos originales complejos, generados en la vida real y sin manipulación alguna en su edición. Se presentan tres algoritmos esteganográficos, denominados Random, Best of Three y Best Option, que mejoran progresivamente la capacidad de recuperación y, por ende, la integridad del mensaje original. Todas las técnicas han sido validadas en los modos de codificación intra e inter, siendo estos últimos los más eficientes en términos de compresión y los que más pérdida de datos representan. Las propuestas presentadas evitan la manipulación del estándar HEVC. Este hecho es diferencial frente a las analizadas en el estado del arte, que modifican el estándar de codificación y, por lo tanto, limitan su aplicación, ya que los receptores de video requieren un decodificador no estándar.