Phương pháp giấu trên miền nén của video chất lượng cao

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA CƠNG NGHỆ THÔNG TIN Học phần: Các kỹ thuật giấu tin Phương pháp giấu miền nén video chất lượng cao Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Xuân Chợ Sinh viên thực hiện:Nhóm 10 Vũ Lê Long B17DCAT120 Diệp Quang Huy B17DCAT093 Hà Nội, 2021 MỤC LỤC DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH HÌNH ẢNH .5 DANH SÁCH BẢNG .6 LỜI MỞ ĐẦU I Giới thiệu tổng quan giấu tin video .8 Kĩ thuật giấu tin kĩ thuật giấu tin video .8 Phân loại kĩ thuật giấu tin video .8 II Phương pháp giấu tin miền nén video chất lượng cao 10 Lụa chọn khung 11 Giải nén video phần 11 Giấu thông tin 20 3.1 Thực tính tốn DCT cho tồn khung hình 20 3.2 Điều chỉnh số lượng tử hóa 22 3.3 Chọn vị trí nhúng 22 3.4 Giấu thông tin vào hệ số DCT 23 3.5 Biến đổi DCT ngược 24 Mã hóa video 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO .25 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Stt Từ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt AC AC-coefficient Hệ số AC DC DC-coefficient Hệ số DC DCT Discrete Cosine Transformations Biến đổi cosin rời rạc GOP Group of pictures Nhóm ảnh QIM Quantization Index Modulation VLC Variable-Length Coding VLD Variable Length Decoding Điều chỉnh số lượng tử hóa Mã hóa có độ dài biến đổi Giải mã hóa có độ dài biến đổi DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình Các bước tơng qt kĩ thuật giấu tin miền nén video chất lượng cao .10 Hình Bảng tần xuất .13 Hình Bảng suất theo thứ tự giảm dần 13 Hình Bảng từ mã gán cho kí tự mã Huffman 14 Hình Sơ đồ khối mã hóa thành phần DC 15 Hình Ví dụ q trình mã hóa Huffman thực cho thành phần DC 17 Hình Sơ đồ khối mã hóa thành phần AC 18 Hình Giải thích thành phần phương trình FullDCT .20 Hình Phương trình FullDCT 21 Hình 10 Thay giá trị thông tin càn giấu QIM 23 DANH SÁCH BẢNG Bảng Phân loại hệ số DC AC 16 Bảng Bảng mã Huffman cho thành phần DC .17 Bảng Bảng mã Huffman cho thành phần AC .19 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành viễn thông ngành công nghệ thông tin, nhu cầu trao đổi thông tin qua mạng internet ngày lớn Với lượng thông tin lớn vậy, nguy liệu bị truy cập trái phép tăng lên vấn đề bảo đảm an tồn bảo mật thơng tin cần thiết Nhiều kĩ thuật nghiên cứu để giải vấn đề này, số bao gồm kĩ thuật giấu tin Kĩ thuật giấu tin gồm nhiều kĩ thuật khác giấu tin văn bản, hình ảnh, video, âm thanh, … Nội dung báo cáo chủ yếu nghiên cứu kỹ thuật giấu tin nói chung kĩ thuật giấu tin miền nén video chất lương cao nói riêng I Giới thiệu tổng quan giấu tin video Kĩ thuật giấu tin kĩ thuật giấu tin video Kỹ thuật giấu thông tin lĩnh vực chuyên nghiên cứu phương pháp, kỹ thuật, thuật tốn nhằm nhúng thơng tin vào đối tượng liệu khác Xét theo khía cạnh tổng qt giấu thơng tin dang mật mã nhằm đảm bảo tính an tồn thơng tin, phương pháp có ưu điểm nằm chỗ giảm khả phát tồn thông tin truyền Đối với kĩ thuật giấu tin video thường tập chung vào việc làm để giấu thứ càn giấu khung hình video Tuy nhiên, thời gian gần kỹ thuật giấu tin khung âm video nghiên cứu áp dụng nhiều thực tế Phân loại kĩ thuật giấu tin video Dưới số phương pháp giấu tin video:  Phương pháp phát thay đổi khung cảnh: Phương pháp giấu tin video sở phương pháp phát chuyển cảnh phương pháp giấu tin vào khung hình video Phương pháp dựa vào thay đổi khung cảnh video để giấu thông tin  Phương pháp mặt phẳng bit: Bit Plane Complexity Segmentation steganography (BPCS): phương pháp giấu tin mặt phẳng bit phương pháp giấu tin video dựa biến đổi khung hình video BPCS mặt phẳng bit khung hình video  Phương pháp giấu miền video nén dựa khác biệt lượng: DEW (Difference Energy Watermarking) phương pháp giấu tin video dựa khác biệt lượng vùng chia điều thành khối (ví dụ khối 8x8 pixel)  Phương pháp giấu miền nén video chất lượng cao: Là phương pháp giấu tin video dựa biến đổi DCT, VLD lương tử hóa, khối sau thay các giá trị thông tin cần giấu QIM Sau tính tốn khối hệ số DCT nghịch đảo, người giấu tin tiến hành mã hóa video lại sử dụng VLC giải lượng tử hóa, thu video chứa tin cần giấu II Phương pháp giấu tin miền nén video chất lượng cao Các bước kĩ thuật giấu tin miền nén video chất lượng cao: Hình Các bước tơng quát kĩ thuật giấu tin miền nén video chất lượng cao  Bước 1: Lựa chọn khung hình  Bước 2: Giải nén phần video  Bước 3: Giấu thông tin  Bước 4: Mã hóa video Lụa chọn khung Chọn khung để tiến hành nhúng, nên chọn khung I khung I khung sở coi ảnh gốc, với khung giải mã không cần lấy thông tin từ khung khác Giải nén video phần Việc giải nén phần video sử dụng phương pháp VLD (Variable Length Decoding - mã hóa có độ dài biến đổi được) giải lượng tử hóa Quy trình sau: -VLD: từ mã có tần suất xuất thấp mã hóa từ mã từ mã dài , trình gọi phương pháp mã hóa từ mã có độ dài thay đổi Q trình mã hóa tiến hành tất thành phần hệ số DCT  Với thành phần DC AC sẽ mã hóa nhờ bảng phân loại bảng Huffman (dựa vào đặc tính thống kê tín hiệu)  Phương pháp mã hóa Huffman: Phương pháp mã hóa Huffman phương pháp dựa vào mơ hình thơng kê Dựa vào liệu gốc, người ta tính tần suất xuất ký tự Việc tính tần suất thực cách duyệt tệp gốc từ đầu đến cuối Việc xử lý tính theo bit Trong phương pháp người ta gán cho ký tự có tần suất cao từ mã 10 ngắn, ký tự có tần suất thấp từ mã dài.Nói cách khác, ký tự có tần suất cao gán mã ngắn ngược lại Rõ ràng với cách thức này, ta làm giảm chiều dài trung bình từ mã hóa cách dùng chiều dàibiến đổi Tuy nhiên, số tình tần suất thấp, ta khơng lợi chút nào, chí cịn bị thiệt bit Thuật tốn Thuật tốn bao gồm bước chính: - Giai đoạn thứ nhất: tính tần suất ký tự liệu gốc: duyệt tệp gốc cách từ đầu đến cuối để xây dựng bảng mã Tiếp sau xếp lại bảng mã theo thứ tự tần suất giảm dần - Giai đoạn thứ hai: duyệt bảng tần suất từ cuối lên đầu để thực ghép phần tử có tần suất xuất thấp thành phần tử Phần tử có tần suất tổng tần suất thành phần Tiến hành cập nhật lại bảng đương nhiên loại bỏ phần tử xét Quá trình lặp lại bảng có phần tử Q trình gọi trình tạo mã Huffman việc tập hợp tiến hành nhờ nhị phân nhánh Phần tử có tần suất thấp bên phải, phần tử bên trái Với cách tạo này, tất bit liệu/ký tự nút lá; nút nút tổng hợp Mã hóa: lần xuống bên phải ta thêm bit “1” vào từ mã; lần xuống bên trái ta thêm bit “0” Ví dụ: 11 Hình Bảng tần xuất Hình Bảng suất theo thứ tự giảm dần Lưu ý rằng, phương pháp Huffman, mã ký tự không mã phần bắt đầu mã khác Vì vậy, đọc tệp nén bit từ đầu đến cuối ta duyệt mã lá, tức ký tự giải nén 12 Hình Bảng từ mã gán cho kí tự mã Huffman Mã hóa hệ số DCT • Để mã hóa entropy hệ số Fq (u,v), ta cần biến đổi hệ số Fq (u,v) thành chuỗi số chiều • Hệ số Fq (0,0) (thành phần chiều) thành phần trung bình block đưa vào mã hóa vi sai (DPCM- Differential pulse code modulation) • Các hệ số khác (thành phần xoay chiều) block đọc theo kiểu zig-zag đưa tới mã hóa loạt dài (RLC) • Cuối liệu từ mã hóa DPCM RLC mã hóa lần mã Entropy • Dữ liệu nén, bảng mã, bảng lượng tử kết hợp lại thành file theo chuẩn JPEG Mã hóa thành phần DC - Các hệ số DC giá trị trung bình khối ảnh 8x8 Độ chói trung bình block ảnh gần thường biến đổi, chuẩn nén JPEG, hệ số DC mã hóa theo phương pháp DPCM 13 - Để tăng hiệu suất nén, kết nhận sau mã hóa tiếp mã Huffman - Trên lý thuyết, dải động giá trị nhận sau mã hóa DPCM lớn gấp đơi dải động hệ số DCT, có nghĩa thành phần có giá trị nằm khoảng -211 đến 211-1 Số bit cần để mã hóa thành phần chiều 11 Hình Sơ đồ khối mã hóa thành phần DC - Quá trình mã hóa Huffman thực cho thành phần DC sau:  Dị tìm bảng phân loại để phân loại giá trị ∆DC  Dùng bảng mã Huffman cho thành phần DC để tìm từ mã cho loại ∆DC tìm bước  Mã hoá nhị phân giá trị ∆DC  Ghép từ mã Huffman giá trị nhị phân ∆DC để có từ mã cho thành phần DC Loại NA Phạm vi hệ số 14 -1 1 -3, -2 2, -7,-6,-5,-4 4,5,6,7 -15,…,-8 8,…,15 -31,…,-16 16,…,31 -63,…,-32 32,…,63 -127,…,-64 64,…,127 -255,…-128 128,…,255 -511,…,-256 256,…,511 -1023,…,-512 512,…,1023 10 -2047,…,-1024 1024,…,2047 11 Bảng Phân loại hệ số DC AC 15 Các ∆ DC Phân loại Từ mã -255,…-128 128,…,255 1111110 -127,…,-64 64,…,127 111110 -63,…,-32 32,…,63 11110 -31,…,-16 16,…,31 1110 -15,…,-8 8,…,15 110 -7,-6,-5,-4 4,5,6,7 101 01 00 100 -3, -2 -1 2, Bảng Bảng mã Huffman cho thành phần DC Ví dụ: Hình Ví dụ q trình mã hóa Huffman thực cho thành phần DC 16 => Kết mã hóa DPCM ∆DC= 15 Trên bảng phân loại hệ số ∆DC=15 thuộc loại Dựa vào bảng mã Huffman ta có từ mã tương ứng với loại 110 (2 độ dài từ mã) Giá trị ∆DC=15 mã hóa nhị phân 1111 => Từ mã DC n 1101111 Vậy sau mã hóa ta kết 1101111 Mã hóa thành phần AC Với thành phần AC: hệ số AC mã hóa nhờ bảng phân loại bàng Huffman Hình Sơ đồ khối mã hóa thành phần AC 17 Giá trị chạy Loại Độ dài mã Từ mã 00 2 01 1 1100 111001 1111001 111110110 11011 2 11111000 111011 1111010 1111011 1010 EOB Bảng Bảng mã Huffman cho thành phần AC 18 Giấu thông tin Để giấu thông tin vào khung hình vừa chọn, người giấu tin cần thực biện pháp tiền xử lý sau:  Giai đoạn 1: Thực tính tốn DCT cho tồn khung hình  Giai đoạn 2: Điều chỉnh số lượng tử hóa  Giai đoạn 3: Chọn vị trí nhúng  Giai đoạn 4: Giấu thơng tin vào hệ số DCT  Giai đoạn 5: Biến đổi DCT ngược 3.1 Thực tính tốn DCT cho tồn khung hình Hình Giải thích thành phần phương trình FullDCT 19 Hình Phương trình FullDCT Sau giải nén phần video thu khối hệ số DCT 8x8 pixel Ở giai đoạn người giấu tin cần thực tính tốn DCT tồn khung hình từ khối hệ số DCT 8x8 pixel vừa thu Hệ số DCT đầy đủ tính sau: giả sử kích thước khung hình 𝐿𝑁 × 𝑀𝑁 kích thước khối 𝐵𝑖,𝑗 N L M số hàng cột hàng tương ứng 3.2 Điều chỉnh số lượng tử hóa Sử dụng phương pháp điều chỉnh số lượng tử hóa (QIM) để giấu thơng tin vào hệ số tần số thấp hệ số DCT tồn khung hình Để thực nhiệm cần thực q trình tính kích thước bước Q Trong thực tế, q trình tính tồn kích thước bước Q áp dụng công thức đây: (| n ∆=2 max (|α|,|β|)=2 max ∑ ❑ ❑ j =1 Trong đó: α , β : Khoảngtin cậy μ : tham số vị trí (là giá trị trung bình biểu đồ ) || |X j−μ| X τ n ,1− n ,2 ∑ j =1 |) |X j −μ| X 2n, τ 20 3.3 Chọn vị trí nhúng Các hệ số xung quanh thành phần DC thường có giá trị lớn, việc sửa đổi chúng làm giảm chất lượng hình ảnh nghiêm trọng Ngồi ra, giá trị hệ số gần thành phần DC giá trị chúng khác sau mã hóa lại Do đó, nên lựa chọn thành phần tần số trung gian làm vị trí nhúng để cân độ bền chất lượng hình ảnh 3.4 Giấu thông tin vào hệ số DCT Áp dụng công thức: y k =E ( x k , w k )=round ( ) xk × ∆+d ( x k , wk ) ∆ Trong đó: ∆ : kíchthước bước Q hàm d ( x k , w k ) biểu thị giá trị dithred tương ứng với bit w k thông tin mật Hàm d ( x k , w k ) tính theo cơng thức : d ( x k , w y )=¿ (Ở R viết tắt cho round ( x∆ )) k Hình 10 Thay giá trị thơng tin càn giấu QIM 21 Giả sử vòng tròn màu xám giá trị hệ số ban đầu Nếu bit thông tin cần giấu “1” nhúng vào hệ số này, thay cho giá trị trung bình w giá trị gần với giá trị hệ số ban đầu Nếu bit thơng tin cần giấu “0” nhúng, thay cho giá trị trung bình w gần 3.5 Biến đổi DCT ngược Sau giấu thông tin QIM cách sử dụng thơng số giai đoạn hệ số DCT tồn khung hình sửa đổi phân tách thành khối 8×8 pixel hệ số DCT Trong giai đoạn biến đổi DCT ngược cần phải tính tốn khối hệ số DCT nghịch đảo Mã hóa video Sau tính toán khối hệ số DCT nghịch đảo, người giấu tin tiến hành mã hóa video lại sử dụng VLC giải lượng tử hóa nói trình giải nén phần video để tạo video chứa thơng tin mật Lưu ý rằng: Q trình VLC giải lượng tử phía giải mã thực ngược lại so với bước biến đổi trình giải nén video 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO Chợ, Đ X (2018) BÀI GIẢNG CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN Hà Nội: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Phadikar, A (2012, November 27) Multibit quantization index modulation: A highrate robust data-hiding method Journal of King Saud University - Computer and Information Sciences, pp 163-171 Verma, D A (n.d.) Discrete Cosine Transform (DCT) of Images and Image Compression (Examples with MATLAB codes) Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=5qfUprgdTdI Wikipedia (n.d.) Variable-length code Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Variable-length_code 23 ... người giấu tin tiến hành mã hóa video lại sử dụng VLC giải lượng tử hóa, thu video chứa tin cần giấu II Phương pháp giấu tin miền nén video chất lượng cao Các bước kĩ thuật giấu tin miền nén video. ..  Phương pháp phát thay đổi khung cảnh: Phương pháp giấu tin video sở phương pháp phát chuyển cảnh phương pháp giấu tin vào khung hình video Phương pháp dựa vào thay đổi khung cảnh video để giấu. .. thiệu tổng quan giấu tin video .8 Kĩ thuật giấu tin kĩ thuật giấu tin video .8 Phân loại kĩ thuật giấu tin video .8 II Phương pháp giấu tin miền nén video chất lượng cao 10 Lụa chọn