Nghiên cứu xác định bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân số (digital watermarking)

1 MỞ ĐẦU Việc trao đổi thông tin, xuất bản thông tin trên Internet có nhiều nguy cơ không an toàn do thông tin có thể bị lộ hay bị sửa đổi hay bị vi phạm bản quyền. Nói chung, để bảo vệ các thông tin trên khỏi sự truy cập, sử dụng trái phép cần phải kiểm soát được những việc chính sau: thông tin được tạo ra, lưu trữ và truy nhập như thế nào, ở đâu, bởi ai và vào thời điểm nào. Như vậy việc quản lý bản quyền số đang là bài toán không dễ dàng của nhà quản lý. Trên thực tế, nhu cầu về bảo vệ quyền tác giả, quyền sở hữu cho các thông tin số là rất lớn. Phương pháp Thủy Vân số (digital watermarking) hứa hẹn là một phương pháp hiệu quả bởi vì nó cho phép chủ sở hữu nội dung số có thể nhúng và giấu những bằng chứng về bản quyền của mình, từ đó có thể xác định được quyền sở hữu, phát hiện ra việc sử dụng trái phép mà vẫn không làm ảnh hưởng đến nội dung của nội dung số. Với các tính chất đặc thù của mình Digital watermarking rất thích hợp với việc bảo vệ bản quyền tác giả. 2 Xuất phát từ yêu cầu của thực tế, nhằm mục đích hướng tới một phần nhiệm vụ nhiệm vụ bảo vệ bản quyền thông tin số, Luận văn có tựa đề: “Nghiên cứu xác định bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật Thủy vân số (Digital Watermarking)” Luận văn gồm có 3 chương: Chương 1: Tổng quan về Thủy vân số và các chuẩn nén Multimedia Chương 2: Một số kỹ thuật Thủy vân trong ảnh số: Chương 3: Xây dựng phần mềm thực hiện kỹ thuật thủy vân trên ảnh số Trong quá trình thực hiện Luận văn, do thời gian cũng như trình độ của tác giả còn có những hạn chế nhất định nên không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, cô giáo và các bạn để Luận văn hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, và giúp đỡ tận tình của GS.TS Nguyễn Bình, các thầy trong Khoa Kỹ thuật điện tử, khoa Quốc tế và đào tạo sau đại học – Học viện Công nghệ BC-VT đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm Luận văn. 3 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING VÀ CÁC CHUẨN NÉN MULTIMEDIA Trong chương này, luận văn giới thiệu tổng quan về kỹ thuật watermarking và nén dữ liệu multimedia, các phương pháp đánh giá chất lượng phục vụ cho quá trình nghiên cứu và thực hiện các kỹ thuật này 1.1. Watermarking 1.1.1. Tổng quan về Watermarking Digital watermark có rất nhiều ứng dụng và được áp dụng rất nhiều vào các lĩnh vực khác nhau trong thực tế. Do đặc tính mạnh của thuật toán watermarking trong miền DCT, đề tài lựa chọn watermarking trong miền DCT để nghiên cứu và phát triển cho ứng dụng xác định bản quyền ảnh số. 1.1.2. Phép biến đổi sóng con dùng trong Watermarking 1.1.3. Ứng dụng của watermarking cho các định dạng audio, video 1.2. Nén dữ liệu Multimedia 4 1.2.1. Tổng quan về multimedia 1.2.2. Hiệu quả nén dữ liệu multimedia 1.2.2.1. Tỷ lệ nén và số bit trên một mẫu 1.2.2.2. Các thước đo chất lượng - Thước đo chất lượng chủ quan - Thước đo chất lượng khách quan (1.1) Trong đó i,j chỉ vị trí của pixel trong ảnh. SNR theo đơn vị decibel được tính theo biểu thức sau: (1.2) Trong trường hợp một ảnh 8 bit, thì PSNR tương ứng được tính theo dB là: (1.3)     M i N j jiIjiI MN RMSE 1 2 1 )],('),([ 1                                         M i M j M i N j M i N j jiIjiI jiI RMSE jiI MN SNR 1 1 2 1 1 2 10 1 1 2 2 )],('),([ ),( log10 ),( 1 log20        RMSE PSNR 255 log20 10 5 Trong đó 255 là giá trị pixel có thể lớn nhất trong 8 bit. 1.2.2.3. Trễ mã hóa 1.2.2.4. Độ phức tạp mã hóa. 1.2.3. Tổng quan về nén ảnh 1.2.4. Các chuẩn nén dữ liệu multimedia 1.2.4.1. Chuẩn mã hóa ảnh tĩnh. 1.2.4.2. Các chuẩn mã hóa video 1.2.4.3. Chuẩn mã hóa audio 6 CHƯƠNG 2 - MỘT SỐ KỸ THUẬT THỦY VÂN TRONG ẢNH SỐ Chương này đề cập đến một số khái niệm cơ bản về tín hiệu hình ảnh và các đặc tính của hệ thống thị giác người HVS. Nội dung chương cũng nên ra các kỹ thuật Thủy vân trên ảnh số đang được nghiên cứu phổ biến. Tùy theo lĩnh vực áp dụng, các yêu cầu cụ thể mà lựa chọn một phương pháp thích hợp. Nhưng nhìn chung, Có thể chia các kỹ thuật thuỷ vân theo hai hướng tiếp cận chính: Hướng thứ nhất dựa trên miền không gian ảnh có kỹ thuật mã bít ít quan trọng nhất LSB, Hướng thứ hai là sử dụng các phương pháp khảo sát gián tiếp khác thông qua các kỹ thuật biến đổi bao gồm các biến đổi DCT hay DWT. 2.1. Ảnh số 2.1.1. Ảnh tương tự và ảnh số 2.1.2. Các loại ảnh số 2.1.2.1. Ảnh nhị phân 2.1.2.2. Ảnh đa cấp xám 2.1.2.3. Ảnh RGB (True Colour) 2.2. Các đặc tính của hệ thống thị giác HVS ảnh hưởng đến quá trình Thủy vân 2.3. Các kỹ thuật Thủy vân trong ảnh số 7 Có thể chia các kỹ thuật thuỷ vân theo hai hướng tiếp cận chính: Hướng thứ nhất dựa trên miền không gian ảnh tức là tiến hành khảo sát tín hiệu và hệ thống rời rạc một cách trực tiếp trên miền giá trị rời rạc của các điểm ảnh gọi là trên miền biến số độc lập tự nhiên. Sau đó, tìm cách nhúng các thông tin bản quyền vào ảnh bằng cách thay đổi các giá trị điểm ảnh sao cho không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh và đảm bảo sự bền vững của thông tin nhúng trước những tấn công có thể có đối với bức ảnh đã nhúng thuỷ vân. Điển hình cho cách tiếp cận này là phương pháp tách bit ít quan trọng nhất (LSB-Least Significant Bit) và phương pháp sử dụng chuỗi số giả ngẫu nhiên. Hướng thứ hai là sử dụng các phương pháp khảo sát gián tiếp khác thông qua các kỹ thuật biến đổi. Các kỹ thuật biến đổi này làm nhiệm vụ chuyển miền biến số độc lập sang các miền khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rạc sẽ được biểu diễn trong các miền mới với các biến số mới. Sau đó, tìm cách nhúng thuỷ vân vào ảnh bằng cách thay đổi các hệ số biến đổi trong những miền thích hợp để đảm bảo chất lượng ảnh và sự bền vững của thuỷ vân sau 8 khi nhúng. Các phép biến đổi được sử dụng phổ biến là DCT, DFT (Discrete Fourier Transform) và DWT. Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DCT thường chia ảnh gốc thành các khối, thực hiện phép biến đổi DCT với từng khối ảnh gốc để được miền tần số thấp, miền tần số giữa và miền tần số cao. Đa số kỹ thuật thuỷ vân ẩn bền vững sẽ chọn miền tần số giữa của mỗi khối để nhúng bit thuỷ vân theo một hệ số k nào đó gọi là hệ số tương quan giữa chất lượng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân (tính ẩn của thuỷ vân) và độ bền vững của thuỷ vân. Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DWT thường phân tích ảnh gốc thành các miền tần số LL, LH, HL và HH sau đó nhúng thông tin thuỷ vân vào một hoặc một số miền tần số với các hệ số tương quan khác nhau. ảnh chứa thuỷ vân sau đó được thử qua các phép biến đổi ảnh thông thường rồi tìm lại thuỷ vân. Kết quả, thuỷ vân trong các băng thể hiện tính bền vững khác nhau trước các phép biến đổi. 2.3.1. Kỹ thuật thủy vân dựa trên miền không gian ảnh 9 Kỹ thuật này được sử dụng nhiều trong kỹ thuật giấu tin, sử dụng các bit ít quan trọng nhất của điểm ảnh (gọi là LSB - Least Significiant Bit). Kỹ thuật LSB là kỹ thuật sử dụng các bít ít quan trọng về thị giác nhất trong các bít mang giá trị điểm ảnh để giấu tin. 2.3.2. Kỹ thuật thủy vân dựa trên miền tần số sử dụng biến đổi DCT 2.3.2.1. Biến đổi Cosine rời rạc (DCT) Biến đổi cosine rời rạc là một công cụ toán học xử lý các tín hiệu như ảnh hay video. Nó sẽ chuyển đổi các tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số và biến đổi ngược lại từ miền tần số quay trở lại miền không gian mà không gây tổn hao đến chất lượng. Lý do chọn biến đổi cosine cho xử lý ảnh số là biến đổi cosine rời rạc yêu cầu ít sự phức tạp tính toán và tài nguyên hơn. Biến đổi cosine rời rạc một chiều: 10 Ở đây, C(u) là hệ số biến đổi cosine rời rạc, f(x) là biến tín hiệu, N là số các phần tử, u=0,1,2, ,N-1 Biến đổi cosine rời rạc hai chiều: Do ảnh số là các ma trận hai chiều, do đó biến đổi cosine rời rạc hai chiều được sử dụng, phương trình biến đổi như sau: Ở đây C(u,v) là hệ số biến đổi cosine rời rạc. )(u  , )(v  được định nghĩa theo (2.3), f(x,y) là phần tử ma trận                                         N vy N ux vuCvuyxf N vy N ux yxfvuvuC N u N v N y N x 2 )12( cos 2 )12( cos),()()(),( 2 )12( cos 2 )12( cos),()()(),( 1 0 1 0 1 0 1 0     với u = 0 với u ≠ 0                       1 0 1 0 2 )12( cos)()()( 2 )12( cos)()()( N u N x N ux uCuxf N ux xfuuC             N N u 2 1 )(  (2.2) (2.1) (2.3) [...]... hệ số khác nhau 15 CHƯƠNG 3 - XÂY DỰNG PHẦN MỀM XÁC THỰC ẢNH SỐ SỬ DỤNG KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ Trong chương ba này này Luận văn tiến hành thiết kế phần mềm Thủy vân số sử dụng các kỹ thuật DCT, trên nền của phần mềm Matlab Các kết quả chạy thử phần mềm được đưa ra chi tiết 3.1 Lựa chọn Thủy vân 3.2 Thuật toán thủy vân trên miền DCT Thuật toán thủy vân trên miền DCT của Shoemarker C: Quá trình nhúng thủy. .. thuật toán trên miền DCT với ảnh đa cấp xám 3.3.1.2 Đánh giá độ bền của thủy vân khi cho ảnh có chứa thủy vân chịu các biến đổi - Cho ảnh chứa thủy vân chịu tác động của phép cắt - Cho ảnh chứa thủy vân chịu tác động của phép nén JPEG 21 - Cho ảnh chứa thủy vân chịu tác động của phép thủy vân nhiều lần 3.3.2 Kết quả thực hiện thuật toán trên miền DCT với ảnh màu RGB Theo nghiên cứu về mô hình thị giác người... vào, N là số hàng hay số cột đầu vào.Có thể thực hiện 2-DCT thông qua 1-D DCT 2.3.2.2 Thủy vân số ảnh tại miền DCT Phương trình nhúng Watermark: C w   C (i , j )   W (i , j ) Trong đó, Cw(i,j) là hệ số DCT (i,j) sau khi nhúng thủy vân và là các chỉ số độ mạnh thủy vân, các chỉ số này có thể xác định liệu Thủy vân là hữu hình hay vô hình; C(i,j) là hệ số DCT ban đầu trước khi thực hiện Thủy vân sô;... thủy vân chịu tác động của phép cắt - Cho ảnh chứa thủy vân chịu tác động của phép nén JPEG - Cho ảnh chứa thủy vân chịu tác động của phép thủy vân nhiều lần 22 Kết luận Chương 3 đã trình bày cụ thể các bước thiết kế phần mềm sử dụng kỹ thuật Thủy vân số để bảo vệ bản quyền ảnh số Phần mềm đã thành công theo yêu cầu đặt ra Chất lượng hình ảnh sau khi nhúng thủy vân vẫn trong ngưỡng chấp nhận được, và... chủ yếu của Luận văn là nghiên cứu các thuật toán Thủy vân số thực hiện trên ảnh số Qua quá trình tìm hiểu và phân tích các công nghệ hiện có, Luận văn đã đạt được một số kết quả sau: Những nội dung chính đã được giải quyết trong Luận văn Tổng hợp các thuật toán Thủy vân số đang được sử dụng phổ biến trong ảnh số Tiến hành viết phần mềm trên MATLAB sử dụng Kỹ thuật Thủy vân số trên miền DCT Đánh giá... một bit thủy vân có thể là tủy ý Tuy nhiên để tăng độ bền vững của thủy vân trước tấn công của phép nén ảnh JPEG thì ta nên lựa chọn cặp hệ số này theo bảng lượng tử JPEG 2.3.3 Kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi sóng con (Wavelet) 2.3.3.1 Kỹ thuật thủy vân của Mehul R và Priti R Trong kỹ thuật các tác giả sử dụng phép biến dổi sóng con hai chiều để phân tích ảnh gốc thành các miền tần số LL, LH,... Fi’(p,q) + K/2 6 - Thực hiện biến đổi IDCT với mỗi khối đã nhúng thủy vân Fi’ 7 - Ghép các khối ảnh để được ảnh đã nhúng thủy vân FW Quá trình tách thủy vân: Đầu vào: - ảnh chứa thủy vân FW Đầu ra: - Thủy vân W tách được từ ảnh FW Nguyên tắc: Quá trình tách theo nguyên tắc nếu Fi’(u,v) > Fi’(p,q) bit thủy vân là 0, Fi’(u,v) < Fi’(p,q) bit thủy vân 1 Các bước thực hiện: 1 - Chia FW thành các khối 8x8 2 -... thông tin thuỷ vân thứ nhất vào miền tần số LL, nhúng tín hiệu thủy vân khác vào miền tần số HH ảnh chứa thuỷ vân sau đó được thử qua các phép biến đổi ảnh thông thường rồi tìm lại thuỷ vân Kết quả, thuỷ vân trong các băng thể hiện tính bền vững khác nhau trước các phép biến đổi 2.3.3.2 Kỹ thuật thủy vân của Tao P và Eskicioglu A.M 14 Trong kỹ thuật này các tác giả đã nhúng tín hiệu thủy vân vào cả 4... nhúng thủy vân: Đầu vào: - ảnh gốc - ảnh thủy vân Đầu ra: - ảnh có chứa thủy vân Nguyên tắc: Quá trình nhúng đảm bảo sau khi nhúng thì độ lệch về giá trị giữa hai hệ số được chọn có giá trị lơn hơn hoặc bằng K cho trước (K chính là độ mạnh của thủy vân được nhúng) Giả sử chọn Fi’(u,v) > Fi’(p,q) 16 để quy ước bit thủy vân 0, Fi’(u,v) < Fi’(p,q) quy ước bit thủy vân 1 Các bước thực hiện: 1 - Chia ảnh gốc... nhúng thủy vân trên miền này để giảm sự nhận biết của mắt người đối với thay đổi trên ảnh có chứa thủy vân Mô hình này là do tác giả tự đề xuất ra đã tiến hành viết phần mềm trên nền matlab Kết quả thử nghiệm như sau 3.3.2.1 So sánh ảnh trước và sau nhúng thủy vân với các hệ số K khác nhau 3.3.2.2 Đánh giá độ bền của thủy vân khi cho ảnh có chứa thủy vân chịu các biến đổi - Cho ảnh chứa thủy vân chịu . nhiệm vụ bảo vệ bản quyền thông tin số, Luận văn có tựa đề: Nghiên cứu xác định bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật Thủy vân số (Digital Watermarking) Luận. về Thủy vân số và các chuẩn nén Multimedia Chương 2: Một số kỹ thuật Thủy vân trong ảnh số: Chương 3: Xây dựng phần mềm thực hiện kỹ thuật thủy vân