HỌC PHẦN các kỹ THUẬT GIẤU TIN báo cáo thuyết trình GIẤU TIN TRONG ẢNH PHƯƠNG PHÁP nén ẢNH DCT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA CƠNG NGHỆ THÔNG TIN I HỌC PHẦN : CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN Báo cáo Thuyết trình Sinh viên thực Tạ Hoàng Nhi Mã sinh viên : B18DCAT181 Nguyễn Thị Kim Ngân : B18DCAT169 Giảng viên hướng dẫn Đỗ Xuân Chợ Mục Lục Các nguyên tắc nén ảnh Tổng quan phương pháp DCT(Discrete Cosine Transform – DCT) Biến đổi DCT .6 Lượng tử hóa 13 Thuật toán giấu tin .15 Lời nói đầu Ngày mạng máy tính trở nên quen thuộc phát triển rộng khắp nơi, nhu cầu sử dụng tăng cao Điều dẫn tới việc liệt truyền tải qua mạng máy tính lớn Phần lớn liệu truyền tải tên mạng máy tính thường thuộc loại sau : ký tự, ảnh cá loại media khác Việc ngày lượng liệu lớn luân chuyển sử dụng mạng tạo nên hoạt động truyền tải, lưu trữ, tái sử dụng dẫn đến hành vi vi phạm đánh cắp liệu nhiều mức độ khác khó kiểm sốt Cũng việc đảm bảo an tồn hay bảo mật quan tâm Vì dãn đến việc có nhiều thuật tốn phát minh sử dụng để nén mã hóa ảnh liệu sử dụng nhiều mạng máy tính Tác dụng việc nén mã hóa ảnh nhằm vào mục đích :  Giảm kích thước ảnh mà chất lượng ảnh vãn được đảm bảo Tăng khả chuyền tải lưu trữ  Chèn thêm thông tin khác quyền, xuất xứ thông tin ẩn nhằm tránh việc bị sửa đổi trái phép, lưu tái sử dụng mà khơng có cho phép nguời sở hữu hợp pháp  Truyền thông tin ẩn không muốn bên thứ ba biết GIẤU TIN TRONG ẢNH I PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH DCT Các nguyên tắc nén ảnh Một tính chất chung tất ảnh số tương quan pixel cạnh lớn, điều dẫn đến dư thừa thông tin để biểu diễn ảnh Dư thừa thông tin làm cho việc mã hố khơng tối ưu Do cơng việc cần làm để nén ảnh phải tìm biểu diễn ảnh với tương quan nhỏ để giảm thiểu độ dư thừa thông tin ảnh Thực tế, có hai kiểu dư thừa thơng tin phân loại sau:  Dư thừa miền không gian: tương quan giá trị pixel ảnh, điều có nghĩa pixel lân cận ảnh có giá trị gần giống (trừ pixel giáp đường biên ảnh)  Dư thừa miền tần số: Tương quan mặt phẳng màu dải phổ khác Trọng tâm nghiên cứu nén ảnh tìm cách giảm số bit cần để biểu diễn ảnh việc loại bỏ dư thừa miền không gian miền tần số nhiều tốt Trong số thuật toán biển đổi ảnh để nén mã hóa có hai loại: Khơng liệu có liệu Tổng quan phương pháp DCT (Discrete Cosine Transform – DCT) Thuật toán DCT thuật toán biển đổi cosin rời rạc chọn để trình bày Vì có số ưu điểm so với thuật toán khác chọn sử dụng cho chuẩn ảnh JPEG (Joint Photographic Experts Group) Mã hóa ảnh theo tiêu chuẩn JPEG dựa thuật toán DCT xử lý nén Hoffman mơ tả qua bước đây: Bước Ảnh gốc chia thành mảng pixel thơng thường kích thước 8x8 pixels Bước Duyệt mảng từ trái qua phải từ xuống Biến đổi DCT cho khối (Zigzag) Bước Mỗi khối lượng tử hoá Bước Các khối nén lại để giảm không gian chứa Bước Khi cần lấy lại ảnh làm theo trình tự ngược lại, đọc zigzag khối trước sử dụng biến đổi cosin rời rạc ngược IDCT Inverse Discrete Cosin Transform để lấy lại ảnh qua xử lý Hình 1: Sơ đồ tổng quan trình giấu tin ảnh sử dụng phương pháp biến đổi DCT Ví dụ ứng dụng DCT thực tế: Hình 2: Các thành phần hệ thống truyền hình ảnh / video điển hình Biến đổi DCT - Trước hết, ảnh gốc có kích thước lớn nên trước biến đổi DCT, ảnh phân chia thành block riêng biệt Tất block có kích thước block có kích thước x pixel Mỗi pixel có giá trị Y (độ sáng), Cb, Cr (tín hiệu màu) Vì ma trận phân tích khối pixel có tính trực giao nên việc tính ma trận nghịch đảo dễ dàng.(Trong toán học, trực giao tổng qt hóa khái niệm tính vng góc lĩnh vực đại số tuyến tính dạng song tuyến tính Hai phần tử u v khơng gian vectơ với dạng song tuyến tính B trực giao B(u, v) = Trong trường hợp không gian hàm, họ hàm trực giao sử dụng để tạo sở.) - Sau giá trị khối ảnh phải trừ giá trị để giá trị trung tâm Ví dụ giá trị khối 8*8 có giá trị đoạn [0; 255] có giá trị 128 Phải lấy giá trị khối trừ 128 để giá trị nằm khoảng đoạn [-128; 127] tức giá trị Với việc đánh giá trị màu sắc mức từ đến 255 với đen hồn tồn 255 trắng hồn tồn Vì ảnh mơ tả xác 256 mức xám Vì DCT thiết kế để làm việc với giải giá trị từ -128 đến 127 nên khối pixel đưa vào xử lý DCT trước tiên trừ 128 cho giá trị Hình 3: Tín hiệu màu pixel  DCT chiều : DCT chiều biểu diễn biên độ tín hiệu thời điểm rời rạc theo thời gian không gian thành chuỗi hệ số rời rạc, hệ số biểu diễn biên độ thành phần tần số định có tín hiệu gốc Hệ số biểu diễn mức DC trung bình tín hiệu Các hệ số thể thành phần tần số không gian cao tín hiệu gọi hệ số AC Thơng thường nhiều hệ số AC có giá trị gần Quá trình biến đổi DCT thuận (FDCT) định nghĩa sau: Hàm biến đổi DCT ngược (một chiều): Đối với k = => X(0) = √ ∑𝑁−1 𝑥=0 𝑥(𝑚) 𝑁 Trong đó: • X(k) chuỗi kết k số hệ số khai triển • x(m) giá trị mẫu m m số mẫu • N số mẫu có tín hiệu Do đó, hệ số biến đổi giá trị trung bình chuỗi mẫu Giá trị gọi hệ số DC Tất hệ số biến đổi khác gọi hệ số AC  DCT hai chiều : Biến đổi DCT hai chiều (2-D) dùng cho khối ảnh có kích thước 8x8 Q trình biến đổi DCT thuận định nghĩa sau: Trong đó: • f(j ,k) mẫu ảnh gốc khối 8x8 pixel • F(u, v) hệ số khối DCT 8x8 Phép biến đổi DCT hai chiều phép biến đổi đối xứng biến đổi nghịch cho phép tái tạo lại giá trị mẫu f(j, k) sở hệ số F(u,v) theo cơng thức sau: Ví dụ: Để hiểu rõ vấn đề biến đổi DCT, ví dụ trình bày quy trình biến đổi ảnh từ miền không gian sang miền tần số - Đầu vào: Một ma trận điểm ảnh có kích thước 8x8 pixel Bước : Tiền xử lý ảnh • Trừ giá trị pixel 128 thu ma trận với M Bước : Tính tốn ma trận DCT: Ma trận T định nghĩa theo công thức: Với i số hàng j số cột N giá trị số pixel tối đa Vì đầu vào khối 8x8 pixel nên có ma trận kết sau: Bước 3: Biến đổi cosine rời rạc : D = TMT’  Kết rút : Đây ma trận chiều từ đến với giá trị góc phía trái C00 giá trị thấp miền tần số bảng giá trị tương tự giá trị góc bên phải C77 giá trị cao miền tần số Và lưu ý quan trọng mắt người nhạy cảm với vùng giá trị tần số thấp bước lượng tử phản ánh điều Nhận xét Có thể thấy biến đổi DCT biểu diễn phổ tần số tín hiệu mẫu f(j, k) thân phép biến đổi DCT không nén số liệu, từ 64 mẫu nhận 64 hệ số tương ứng Tuy nhiên, phép biến đổi DCT thay đổi phân bố giá tri hệ số so với phân bố giá trị mẫu Phép biến đổi DCT cho giá trị DC (F(0, 0)) thường lớn hệ số trực tiếp kề ứng với tần số thấp có giá trị nhỏ hơn, hệ số cịn lại ứng với tần số cao có giá trị nhỏ Khối hệ số DCT chia làm miền tần số thấp, miền tần số cao miền tần số 10 - Trong trình giấu tin sử dụng LSB cần lưu ý: • Ảnh dùng để giấu tin có kích thước lớn (bao gồm nhiều khối 8x8pixel  có nhiều ma trận lượng tử C khác • Thơng thường người giấu tin tách chuỗi tin cần giấy ký tự giấu ký tự vào ma trận Ci • Không chắn chắn tọa độ DC ma trận nên cần tìm LSB bit  áp dụng thuật tốn zigzac - pixel cuối dãy ứng với số ma trận C50 thuộc phần DC ( phần giấu tin)  Đổi giá trị pixel bit rỏ ban đầu (010) 16  Kết thu ma trận mới: Phục hồi ảnh - Sau giấu tin vào hệ số bảng lượng tử hóa, người ta tiến hành phục hồi ảnh sử dụng công thức sau: Ri j = Qi j * Ci j Trong đó: • Qi j ma trận lượng tử sử dụng (Q50) • Ci j kết giấu tin (C50LSB) 17 - Cuối ta thực IDCT ma trận R theo công thức sau: Nnew = round(T’RT) + 128  Ta thu ảnh mới: - So sánh ma trận điểm ảnh N Nnew ta thấy có thông số bị thay đổi 18 19 II DEMO Demo : - Trước hết để nhúng thông 20 - Chọn INSERT Watermark để bắt đầu chương trình Giao diện sau chọn Insert watermark B1: Chọn ảnh cần giấu tin : ảnh gautruc.png B2: Định dạng hình ảnh đầu đặt tên : gautruc1.bmp B3 : Chọn thông điệp muốn nhúng vào ảnh dạng Text viết thông điệp cần nhúng vào ảnh B4: Để an tồn q trình truyền ảnh tránh bị phát thông điệp ta truyền vào key để mã hóa B5: Thực giấu tin -> cho hình ảnh gautruc1.bmp 21 22 B6 : Quay lại giao diện chọn EXTRACT Watermark để trích xuất thơng điệp nhúng ảnh 23 B7: Điền thơng tin ảnh cần trích xuất (gautruc1.bmp), dạng thơng tin cần trích xuất Text key ban đầu thỏa thuận bên 123 24 B8: Thực trích xuất thơng tin -> ta thu thông điệp ( bảng chữ ascii không hỗ trợ số dấu câu số chữ nên xảy lỗi font ) 25 Demo : Nhúng logo ảnh - Ta thực tương tự Demo nhúng văn ảnh chọn loại cần nhúng “Image” 26 Chọn định dạng “ Image” 27 Ảnh sau thực nhúng - Quay lại giao diện ta chọn EXTRACT Watermark chọn ảnh cần trích xuất 28 - Chọn Extract ta thu ảnh nhúng ảnh gautruc.png 29 Tài liệu tham khảo: • Least Significant Bit (LSB)-based Steganography - Dr Natarajan Meghanathan • DCT formular - Ken Cabeen and Peter Gent Math 45 College of RedWoods 30 ... TRONG ẢNH I PHƯƠNG PHÁP NÉN ẢNH DCT Các nguyên tắc nén ảnh Một tính chất chung tất ảnh số tương quan pixel cạnh lớn, điều dẫn đến dư thừa thông tin để biểu diễn ảnh Dư thừa thông tin làm cho... Transform để lấy lại ảnh qua xử lý Hình 1: Sơ đồ tổng quan trình giấu tin ảnh sử dụng phương pháp biến đổi DCT Ví dụ ứng dụng DCT thực tế: Hình 2: Các thành phần hệ thống truyền hình ảnh / video điển...Mục Lục Các nguyên tắc nén ảnh Tổng quan phương pháp DCT( Discrete Cosine Transform – DCT) Biến đổi DCT .6 Lượng tử hóa 13 Thuật toán giấu tin