(LUẬN văn THẠC sĩ) bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG NGUYỄN NIÊN BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN DỰAVÀO PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ LUẬN VĂN THẠC SỸ: KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Ngun 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn "Bảo vệ quyền ảnh số kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ " kết nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực Đƣợc tác giả cho phép tham khảo sử dụng tài liệu đăng tải tác phẩm, tạp chí trang Web theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Thái Nguyên, ngày 15 tháng 05 năm 2015 Nguyễn Niên Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn tất luận văn thạc sĩ yêu cầu tập trung, cố gắng độc lập nghiên cứu Bản thân sau năm tháng học tập vất vả nghiên cứu cố gắng để hồn thành đƣợc luận văn Tơi ln ghi nhận đóng góp giúp đỡ nhiệt tình ngƣời bên cạnh mình, ủng hộ, hỗ trợ bố mẹ bạn bè giúp tơi có thêm động lực để hồn thành khóa luận tốt nghiệp, nhân muốn gửi lời cảm ơn tới họ Lời em gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Bùi Thế Hồng thầy tận tụy hƣớng dẫn, động viên, giúp đỡ em suốt thời gian thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Công Nghệ Thông Tin Trƣờng Đại học Công Nghệ Truyền Thông Thái Nguyên truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em năm học vừa qua Chân trọng cảm ơn đến Bố, Mẹ, nguồn động viên bƣớc đƣờng học vấn Xin chân thành cảm ơn tập thể lớp K12G ủng hộ, giúp đỡ động viên thời gian học tập nghiên cứu luận văn Mặc dù cố gắng hoàn thành luận văn phạm vi khả cho phép nhƣng chắn không tránh khỏi thiếu sót Tơi kính mong nhận đƣợc cảm thơng tận tình bảo q Thầy Cơ bạn Thái Nguyên, ngày 20 tháng 06 năm 2015 Học viên Nguyễn Niên Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU Chƣơng 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Giấu tin vài nét lịch sử giấu tin 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu tin số thuật ngữ 1.4 Một số ứng dụng đƣợc triển khai 1.5 Giấu tin liệu đa phƣơng tiện 11 1.5.1 Giấu tin ảnh 11 1.5.2 Giấu tin ảnh tĩnh 13 1.6 Giới thiệu chung kỹ thuật thuỷ vân 16 1.6.1 Thủy vân số (Watermarking) Giấu tin mật ( Steganography) 16 1.6.2 Các yêu cầu hệ thuỷ vân ảnh 19 1.7 Những công hệ thuỷ vân 21 1.8 Những khuynh hƣớng tiếp cân kỹ thuật thuỷ vân 22 1.8.1 Hƣớng tiếp cận dựa miền không gian ảnh 22 1.8.2 Hƣớng tiếp cận dựa miền tần số ảnh 23 1.9 Một số kỹ thuật bổ trợ cho kỹ thuật thuỷ vân số ảnh 24 Chƣơng 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI 26 2.1 Các phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần số 26 2.1.1 Phép biến đổi Fourier rời rạc 26 2.1.2 Phép biến đổi Cosin rời rạc 27 2.1.3 Phép biến đổi sóng nhỏ (Wavelet) 28 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com v 2.1.4 Kỹ thuật sinh chuỗi giả ngẫu nhiên 31 2.1.5 Kỹ thuật trải phổ truyền thông 31 2.1.6 Các kỹ thuật kiểm định thuỷ vân 33 2.2 Mơ hình thị giác ngƣời 34 2.2.1 Nhạy cảm tƣơng phản 35 2.2.3 Nhạy cảm tần số 36 2.2.4 Mặt nạ thị giác 38 Chƣơng 3: THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ SỬ DỤNG CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA HỆ THỐNG THỊ GIÁC CỦA CON NGƢỜI 39 3.1 Cài đặt số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ sử dụng đặc trƣng hệ thống thị giác ngƣời 39 3.2 Các độ đo chất lƣợng mang tính nhận thức 43 3.3 Thiết kế chƣơng trình chạy thử 44 3.3.1 Chƣơng trình nhúng 44 3.3.2 Chƣơng trình trích thủy vân 49 3.3.3 Chƣơng trình kiểm tra 52 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt CSF Tiếng Anh Contrast Sensitivity Function Tiếng Việt Hàm nhạy cảm tƣơng phản DCT DFT DWT HVS MSE Discrete Cosine Transform Discrete Fourier Transform Discrete Wavelet Transform Human visual system Mean squared error Biến đổi cosine rời rạc Biến đổi Fourier Biến đổi sóng nhỏ rời rạc Hệ thống trực quan ngƣời Sai số bình phƣơng trung bình NC PSNR Normalized Correlation Peak Signal to noise ration HH HL LH LL Hệ số tƣơng quan Tỷ số tín hiệu cực đại nhiễu Horizontally and vertically Theo chiều ngang theo chiều dọc high - pass cao - vƣợt qua Horizontally high - pass and Theo chiều ngang cao - qua vertically low - pass theo chiều dọc thấp - qua Horizontally low - pass and Theo chiều ngang thấp - qua vertically high pass theo chiều dọc cao - qua Horizontally and vertically low Theo chiều ngang theo chiều dọc – pass thấp - vƣợt qua Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin Hình 1.2 Lƣợc đồ chung cho trình giấu tin Hình 1.3 Lƣợc đồ cho trình giải mã Hình 1.4 Hai ảnh trƣớc sau giấu tin giống hệt 10 Hình 1.5 Thực chất bên ảnh giấu có chứa thơng tin ngƣời chủ sở hữu 10 Hình 1.6 Phân loại kỹ thuật thuỷ vân 17 Hình 1.7 Ví dụ thuỷ vân (Trên trang Web thƣ viện số Mỹ) 18 Hình 1.8 Ảnh Lena đƣợc nhúng thuỷ vân logo hình bên phải 19 Hình 2.1 Cấu trúc phân tích 30 Hình 2.2 Ảnh đƣợc phân tích 30 Hình 2.3 Vấn đề thuỷ vân dƣới góc nhìn truyền thơng 33 Hình 2.4 Ngƣỡng biến đổi nhỏ mà ngƣờicảm nhận đƣợc với độ chói I khác 35 Hình 2.5 Hàm nhạy cảm tƣơng phản dựa mẫu Mannos Sakrison 37 Hình 2.6 Sự cảm nhận ba màu thị giác ngƣời 37 Hình 2.7 Độ nhạy cảm mắt ngƣời với tần số thời gian khác 38 Hình 3.1 Lƣợc đồ đề xuất cho thủy vân ảnh 41 Hình 3.2 Nhúng thủy vân vào hệ số sóng nhỏ dƣơng 42 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Thủy vân số phƣơng pháp nhúng lƣợng thơng tin vào sản phẩm đa phƣơng tiện cấn đƣợc bảo vệ quyền sở hữu mà không làm ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng sản phẩm Thủy vân số hứa hẹn giải pháp cho vấn đề bảo vệ quyền sản phẩm số sản phẩm đƣợc sử dụng môi trƣờng mở mà không cần đến việc mã hóa Thủy vân phải tồn bền vững với sản phẩm phải không đƣợc loại bỏ cơng có chủ đích hay khơng chủ đích trừ phá hủy sản phẩm Trong năm gần bùng nổ công nghệ thông tin, đặc biệt bùng nổ Internet phƣơng tiện liệu số (nhƣ ảnh, audio, video ), mang lại nhiều thuận lợi cho ngƣời sử dụng, nhƣng bên cạnh vấn đề ăn cắp quyền, xuyên tạc thông tin, truy cập thông tin trái phép… tăng, địi hỏi khơng ngừng tìm giải pháp hữu hiệu đảm bảo cho an tồn bảo mật thơng tin Nhƣ biết, thông tin số đƣợc sử dụng rộng rãi mơi trƣờng mở Trong hồn cảnh nhƣ thế, nhu cầu đƣợc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ sản phẩm số trở thành vấn đề quan trọng đƣợc quan tâm giới khoa học công nghệ Đây vấn đề nghiên cứu phức tạp không nƣớc mà với giới công nghệ thông tin Trong vài năm trở lại có nhiều hội nghị quốc tế vấn đề giải pháp đƣợc đƣa phƣơng pháp thủy vân số Giải pháp đƣa nhận đƣợc quan tâm lớn nhà khoa học có nhiều nghiên cứu lĩnh vực thủy vân số có nhiều cơng trình nghiên cứu có giá trị lĩnh vực Các ứng dụng phổ biến thủy vân số đƣợc nghiên cứu bao gồm bảo vệ quyền, in vân tay, nhận thức thông tin, phát xuyên tạc, điều khiện truy cập giấu thơng tin mật Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com Thủy vân ảnh số kỹ thuật đƣợc phát triển sớm kỹ thuật thủy vân nói chung Thủy vân ảnh số giống nhƣ ảnh đƣợc “dán tem” sở hữu ngƣời chủ Thủy vân phải mang thơng tin có ý nghĩa xác định ngƣời đƣợc sở hữu ảnh Việc thủy vân đƣợc thực trực tiếp điểm ảnh miền biến đổi ảnh Hiện tại, ngƣời ta sử dụng phép biến đổi rời rạc nhƣ phép biến đổi Fourier (DFT), phép biến đổi cosine(DCT) phép biến đổi sóng nhỏ (DWT) Các kỹ thuật thủy vân dựa vào DCT DWT đƣợc số tác giả nghiên cứu chứng tỏ bền vững trƣớc công thông thƣờng Từ phân tích khn khổ luận văn thạc sỹ, tác giả thực đề tài "Bảo vệ quyền ảnh số kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ " ĐỐI TƢỢNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật bảo vệ quyền ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ - Tìm hiểu đặc trƣng hệ thống thị giác ngƣời nhằm phát triển kỹ thuật giấu tin cho giấu thơng tin quyền vào hệ số biến đổi mà không ảnh hƣởng đến chất lƣợng ảnh dƣới góc nhìn thị giác ngƣời - Các cơng cụ lập trình phần mềm dùng để cài đặt chƣơng trình thử nghiệm PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu tài liệu có liên quan bảo vệ quyền ảnh số - Tìm hiểu phát vấn đề thực tế, so sánh, đánh giá đƣa giải pháp - Cài đặt thử nghiệm giải pháp đƣợc đƣa Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com 3 HƢỚNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu, phát triển cài đặt lƣợc đồ thủy vân ảnh bền vững đảm bảo chất lƣợng cảm quan ảnh - Lƣợc đồ dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ kết hợp tận dụng đặc trƣng hệ thống thị giác ngƣời - Lƣợc đồ đƣợc sử dụng để bảo vệ quyền ảnh trƣớc mạo nhận công nhằm gỡ bỏ thủy vân BỐ CỤC LUẬN VĂN Chƣơng 1: Giới thiệu chung kỹ thuật giấu tin thủy vân ảnh số Chƣơng 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Chƣơng 3: Thiết kế chƣơng trình thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ sử dụng đặc trƣng hệ thống thị giác ngƣời Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật bảo vệ quyền dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ - Cải tiến, phát triển kỹ thuật bảo vệ quyền dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT kết hợp với đặc trƣng hệ thống thị giác ngƣời Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ download by : skknchat@gmail.com ... "Bảo vệ quyền ảnh số kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ " ĐỐI TƢỢNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật bảo vệ quyền ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ - Tìm hiểu... bỏ thủy vân BỐ CỤC LUẬN VĂN Chƣơng 1: Giới thiệu chung kỹ thuật giấu tin thủy vân ảnh số Chƣơng 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Chƣơng 3: Thiết kế chƣơng trình thủy vân ảnh số. .. 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI 26 2.1 Các phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần số 26 2.1.1 Phép biến đổi Fourier rời rạc 26 2.1.2 Phép biến đổi