Nghiên cứu kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh JPEG 2000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… LUẬN VĂN Nghiên cứu kỹ thuật giấu thông tin ảnh JPEG 2000 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Lời cảm ơn! Lời mở đầu CHƢƠNG TỔNG QUAN KĨ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Định nghĩa giấu tin 1.2 Mục đích giấu tin 1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu thơng tin 1.4 Môi trƣờng giấu tin a) Giấu tin ảnh b) Giấu tin audio c) Giấu tin video d) Giấu thông tin văn dạng text 10 1.5 Phân loại giấu tin theo cách thức tác động lên phƣơng tiện 10 1.6 Phân loại giấu tin theo mục đích sử dụng 10 CHƢƠNG CHUẨN NÉN ẢNH TĨNH DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI WAVELET – JPEG2000 12 2.1 Lịch sử đời phát triển chuẩn JPEG2000 12 2.2 Các tính JPEG2000 12 2.3 Các bƣớc thực nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 13 2.3.1 Xử lí trƣớc biến đổi 14 2.3.2 Biến đổi liên thành phần 14 2.3.3 Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) 15 2.3.4 Lƣợng tử hóa – Giải lƣợng tử hóa 18 2.3.5 Tier-1 coding 19 2.3.6 Tier-2 coding 20 2.3.7 Điều chỉnh tỉ lệ (rate control) 21 2.4 Một số phƣơng pháp mã hóa kết hợp dịng liệu sau mã hóa 22 a) Phƣơng pháp mã hóa SPIHT 23 b) Phƣơng pháp mã hóa EZW 24 2.5 Định dạng ảnh JPEG 2000 – JP2 26 2.6 So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh khác 27 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP GIẤU THỦY VÂN DỰA VÀO CẶP TẦN SỐ GIỮA DWT 31 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.1 Giới thiệu 31 3.2 Thủy vân miền DWT 32 3.2.1 Sự tƣơng quan hệ số dải với biến đổi cấp xám 33 3.2.2 Thuật toán nhúng tách thủy vân 36 A Kĩ thuật nhúng thủy vân 36 B Kĩ thuật tách thủy vân 37 CHƢƠNG CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 39 4.1 Môi trƣờng cài đặt 39 4.2 Thử nghiệm 41 4.3 Đánh giá thuật toán 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 KẾT LUẬN 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN! Em xin chân thành cảm ơn hội đồng khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng tạo điều kiện chúng em thực tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn cô giáo: ThS Hồ Thị Hương Thơm – giảng viên khoa cơng nghệ thơng tin trường ĐHDL Hải Phịng, tận tình hướng dẫn đạo em suốt thời gian nghiên cứu thực đồ án tốt nghiệp Vì thời gian nghiên cứu có hạn, trình độ hiểu biết thân em nhiều hạn chế Cho nên báo cáo không tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong nhận góp ý quý báu tất thầy cô giáo để báo cáo em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI MỞ ĐẦU Môi trƣờng mạng Internet phát triển rộng rãi với hỗ trợ phƣơng tiện đa truyền thông đem lại nhiều thuận lợi hội cho ngƣời lĩnh vực đời sống xã hội, giao lƣu, hợp tác, kinh doanh, Nhƣng đồng thời, đặt nhiều thách thức việc đảm bảo an tồn cho thơng tin đƣợc truyền giao qua phƣơng tiện truyền thông nhƣ: nguy sử dụng trái phép xuyên tạc bất hợp pháp thông tin lƣu chuyển mạng Việc sử dụng cách bình đẳng, an toàn liệu đa phƣơng tiện nhƣ cung cấp cách kịp thời tới nhiều ngƣời dùng cuối thiết bị cuối vấn đề quan trọng Hơn nữa, phát triển mạnh phƣơng tiện kỹ thuật số làm cho việc lƣu trữ, sửa đổi chép liệu ngày đơn giản, từ việc bảo vệ quyền chống xâm phạm trái phép liệu đa phƣơng tiện (âm thanh, hình ảnh, tài liệu) gặp nhiều khó khăn Một cơng nghệ đời phần giải đƣợc khó khăn giấu thông tin nguồn đa phƣơng tiện nhƣ nguồn âm thanh, hình ảnh, ảnh tĩnh Mục tiêu giấu thông tin làm cho thông tin trở nên vơ hình, từ khiến ta khơng thể thấy đƣợc đối tƣợng Trong năm gần đây, giấu thông tin ảnh phận chiếm tỷ lệ lớn chƣơng trình ứng dụng, phần mềm, hệ thống giấu tin đa phƣơng tiện lƣợng thông tin đƣợc trao đổi ảnh lớn Nó đóng vai trị quan trọng hầu hết ứng dụng bảo vệ an tồn thơng tin nhƣ: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả…Thông tin đƣợc giấu với liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh thay đổi khơng biết đƣợc đằng sau mang thơng tin có ý nghĩa Ngày nay, ảnh số đƣợc sử dụng phổ biến giấu thơng tin ảnh đem lại nhiều ứng dụng to lớn hầu hết lĩnh vực đời sống xã hội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Giấu thông tin kỹ thuật tƣơng đối phát triển nhanh, thu hút đƣợc nhiều quan tâm giới khoa học giới công nghiệp nhƣng cịn nhiều thách thức Bản báo cáo trình bày kỹ thuật giấu thông tin ảnh JPEG2000 Nội dung đề tài đƣợc trình bày chƣơng: Chƣơng Tổng quan kỹ thuật giấu tin ảnh Chƣơng Chuẩn nén ảnh tĩnh dựa biến đổi WAVELET - JPEG2000 Chƣơng Phƣơng pháp giấu thủy vân dựa vào cặp tần số DWT Chƣơng Cài đặt thử nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG TỔNG QUAN KĨ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Định nghĩa giấu tin Giấu tin kỹ thuật giấu nhúng lƣợng thông tin số vào đối tƣợng liệu số khác (giấu tin nhiều hành động giấu cụ thể mà mang ý nghĩa quy ƣớc) 1.2 Mục đích giấu tin Có mục đích giấu thơng tin: - Bảo mật cho liệu đƣợc giấu - Bảo đảm an toàn (bảo vệ quyền) cho đối tƣợng chứa liệu giấu Có thể thấy mục đích hoàn toàn trái ngƣợc dần phát triển thành lĩnh vực với yêu cầu tính chất khác Giấu thơng tin Giấu tin bí mật (Steganography ) Thuỷ vân số (Watermarking) Hình 1.1 Hai lĩnh vực kỹ thuật giấu thơng tin Kỹ thuật giấu thơng tin bí mật (Steganography): với mục đích đảm bảo tính an tồn bảo mật thơng tin tập trung vào kỹ thuật giấu tin để giấu đƣợc nhiều thông tin Thông tin mật đƣợc giấu kỹ đối tƣợng khác cho ngƣời khác không phát đƣợc Kỹ thuật giấu thông tin theo kiểu đánh giấu (watermarking) mục đích bảo vệ quyền đối tƣợng chứa thơng tin lại tập trung đảm bảo số yêu cầu nhƣ đảm bảo tính bền vững… ứng dụng kỹ thuật thuỷ vân số LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu thơng tin Q trình giấu thông tin vào phƣơng tiện chứa tách lấy thông tin hai q trình trái ngƣợc mô tả qua sơ đồ khối hệ thống nhƣ sau: Thông tin giấu Phân phối Phƣơng tiện chứa(audio, ảnh, video) Bộ nhúng thông tin Phƣơng tiện chứa đƣợc giấu tin Khóa Hình 1.2 Lƣợc đồ chung cho q trình giấu tin - Thơng tin cần giấu tuỳ theo mục đích ngƣời sử dụng, thơng điệp (với tin bí mật) hay logo, hình ảnh quyền - Phƣơng tiện chứa: file ảnh, text, audio… môi trƣờng để nhúng tin - Bộ nhúng thơng tin: chƣơng trình thực việc giấu tin - Đầu ra: phƣơng tiện chứa có tin giấu Tách thơng tin từ phƣơng tiện chứa diễn theo quy trình ngƣợc lại với đầu thơng tin đƣợc giấu vào phƣơng tiện chứa Phƣơng tiện chứa sau tách lấy thơng tin đƣợc sử dụng, quản lý theo yêu cầu khác Hình vẽ sau công việc giải mã thông tin giấu Sau nhận đƣợc đối tƣợng phƣơng tiện chứa có giấu thơng tin, q trình giải mã đƣợc thực thông qua giải mã ứng với nhúng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thơng tin với khố q trình nhúng Kết thu đƣợc gồm phƣơng tiện chứa gốc thông tin giấu Bƣớc thông tin giấu đƣợc xử lý kiểm định so sánh với thơng tin ban đầu Khóa giấu tin Phƣơng tiện chứa đƣợc giấu tin Bộ giải mã tin Thông tin giấu Phƣơng tiện chứa (audio, ảnh, video) Kiểm định Hình 1.3 Lƣợc đồ chung cho trình giải mã 1.4 Môi trƣờng giấu tin a) Giấu tin ảnh Giấu tin ảnh đƣợc quan tâm Nó đóng vai trị quan trọng hầu hết ứng dụng bảo vệ an tồn thơng tin nhƣ: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả… Thông tin đƣợc giấu với liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh thay đổi khơng biết đƣợc đằng sau ảnh mang thơng tin có ý nghĩa Ngày này, ảnh số đƣợc sử dụng phổ biến giấu thơng tin ảnh đem lại nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực đời sống xã hội Phần mềm WinWord Microsoft cho phép ngƣời dùng lƣu chữ ký ảnh nhị phân, gắn vào vị trí file văn để đảm bảo tính an tồn thông tin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thơng tin đƣợc giấu cách vơ hình, nhƣ cách truyền thông tin mật cho mà ngƣời khác đƣợc, sau đƣợc giấu thông tin chất lƣợng ảnh gần nhƣ không thay đổi đặc biệt ảnh màu hay ảnh xám b) Giấu tin audio Khác với kỹ thuật giấu tin ảnh: phụ thuộc vào hệ thống thị giác ngƣời – HSV (Human Vision System), kỹ thuật giấu thông tin audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human Auditory System) Bởi tai ngƣời việc phát khác biệt giải tần cơng suất, có nghĩa âm to, cao tần che giấu đƣợc âm nhỏ, thấp cách dễ dàng Vấn đề khó khăn giấu thơng tin audio kênh truyền tin, kênh truyền hay băng thông chậm ảnh hƣởng đến chất lƣợng thông tin sau giấu Giấu thơng tin audio địi hỏi yêu cầu cao tính đồng tính an tồn thơng tin Các phƣơng pháp giấu thông tin audio thƣờng lợi dụng điểm yếu hệ thống thính giác ngƣời c) Giấu tin video Cũng giống nhƣ giấu thông tin ảnh hay audio, giấu tin video đƣợc quan tâm đƣợc phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng nhƣ điều khiển truy cập thông tin, nhận thức thông tin, quyền tác giả… Một phƣơng pháp giấu tin video đƣợc đƣa Cox phƣơng pháp phân bố Ý tƣởng phƣơng pháp phân phối tin giấu dàn trải theo tần số liệu gốc Nhiều nhà nghiên cứu dùng hàm cosin riêng hệ số truyền sóng riêng để thực việc giấu tin Trong thuật toán khởi nguồn, thƣờng kỹ thuật cho phép LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP GIẤU THỦY VÂN DỰA VÀO CẶP TẦN SỐ GIỮA DWT 3.1 Giới thiệu Khác với phƣơng pháp thủy vân cũ, phƣơng pháp này, thủy vân đƣợc nhúng vào hệ số tần số cách lƣợng tử hóa cặp hệ số tần số giữa, dải LH HL hệ số DWT Một kĩ thuật thủy vân tốt cần đạt yêu cầu sau: An toàn (security): thủy vân nhúng đƣợc truy nhập vào tổ chức có quyền Mặc dù thuật tốn thủy vân đƣợc cơng bố rộng rãi cho ngƣời, nhƣng ngƣời khơng có khóa bí mật khơng thể truy nhập vào thủy vân ảnh đƣợc bảo vệ Bền vững (robustness): thủy vân nhúng vào phải chống lại đƣợc cơng cố ý nhƣ: nén, lọc tuyến tính hay khơng tuyến tính, tăng hay chỉnh lại kích thƣớc ảnh Tính khơng thể bị nhìn thấy (Impertibility): ngƣời xem ảnh khơng thể nhìn thấy thủy vân Điều có nghĩa sau trình nhúng thủy vân, chất lƣợng ảnh không bị suy giảm Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu kĩ thuật thủy vân Trong đó, kĩ thuật thủy vân mờ đƣợc ngƣời ý Nó có điểm thuận lợi thấy rõ khơng cần ảnh gốc lấy đƣợc thủy vân Nhìn chung kĩ thuật thủy vân chia làm nhóm: Kĩ thuật vùng khơng gian: nhúng tin vào bít quan trọng – bít thấp (LSB) Kĩ thuật thay đổi vùng: phƣơng pháp tốt so với kĩ thuật vùng không gian Hai phƣơng pháp biến đổi: biến đổi cosin rời rạc (DCT) biến đổi sóng rời rạc (DWT) hai phƣơng pháp biến đổi quan trọng Trong đó, phƣơng pháp biến đổi DWT có ƣu điểm hẳn 31 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bởi DCT đƣợc tính tốn cách độc lập khối pixel nên lỗi mã hóa gây khơng liên tục khối thu đƣợc Đó lí JPEG2000 tránh dùng DCT thay vào chọn DWT DWT thao tác tồn ảnh Nó tách ảnh thành dải tần số khác mà giữ đƣợc thông tin khơng gian.Việc cân tính bền vững tính vơ hình đƣợc thực cách hoàn chỉnh Các kĩ thuật trƣớc bền vững trƣớc công nhƣ blurring, sharpening nén ảnh JPEG Phƣơng pháp thủy vân dựa vào cặp tần số DWT (MFP) cho thấy khả ấn tƣợng việc khơng chống lại cơng thơng thƣờng mà cịn chống lại loại biến đổi cấp xám Các loại biến đổi cấp xám khác với công khác chỗ chúng thƣờng không gây suy giảm mặt chất lƣợng ảnh Đôi cân histogram đƣợc sử dụng nhƣ trình nâng cao chất lƣợng ảnh Nhƣng chúng thƣờng gây thay đổi trầm trọng ảnh chúng làm hỏng thủy vân đƣợc nhúng vào ảnh Trong báo cáo đề cập đến mối tƣơng quan hệ số DWT với công dạng 3.2 Thủy vân miền DWT Việc tách wavelet thực cách dễ dàng nhờ thuật toán kim tự tháp Bằng cách kết hợp lọc low - pass high - pass, ảnh đƣợc phân tích thành dải: thấp - thấp (low - low LL), thấp - cao (low high LH), cao - thấp (high - low HL) cao - cao (high - high HH) Để thu đƣợc hệ số wavelet nhỏ dải LL đƣợc phân tách nhỏ thu đƣợc mẫu Q trình xử lí đƣợc thực lại vài lần tùy theo yêu cầu ngƣời dùng Hơn nữa, từ hệ số DWT này, ta xây dựng lại ảnh gốc Quá trình xây dựng đƣợc gọi đảo ngƣợc DWT (IDWT) 32 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nhìn chung, thủy vân đƣợc nhúng dải LL thƣờng bền vững trƣớc công nhƣng gây suy giảm chất lƣợng ảnh Ngƣợc lại, thay đổi hệ số wavelet cụ thể (dải HH), tin giấu dễ bị nhìn thấy dễ bị cơng thay đổi Thông thƣờng thủy vân số đƣợc nhúng vào dải tần số HL LH chúng cân đối hai điều trên, có nghĩa đảm bảo tính bền vững vơ hình trƣớc mắt ngƣời Hình 3.1 Hai lần phân tách wavelet 3.2.1 Sự tƣơng quan hệ số dải dƣới biến đổi cấp xám Các dải LH HL đƣợc gọi dải (middle bands) chúng chứa thông tin chi tiết chiều thông tin suy đƣợc chiều khác Bằng thực nghiệm ngƣời ta chứng minh mối quan hệ hệ số dải với biến đổi cấp xám dựa vào sở trực giao harr 33 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hai ảnh cấp xám baboon (256x256) lena (512x512) hình 3.2 thể khác sau cân mức xám PSNR (peak to signal to noise ratio) thể tỉ số tín hiệu nhiễu đỉnh PSNR đƣợc định nghĩa: PSNR 10 log10 2552 / MSE Với MSE (mean square error) sai số bình phƣơng trung bình ảnh gốc ảnh biến đổi Hình 3.2 Cân mức xám Ảnh đƣợc phân tách lần chọn dải LH2 HL2 để kiểm tra độ tƣơng quan hệ số trƣớc sau biến đổi Sự tƣơng quan correlation đƣợc định nghĩa nhƣ sau: (x Correlation( x, y ) (x x) x)( y y) (y y) Thông thƣờng dải HL LH, vài hệ số có giá trị lớn đƣợc tăng cƣờng giá trị Chúng đƣợc gọi hệ số quan trọng (significant coefficents) Các hệ số phù hợp để nhúng thủy vân 34 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chúng bền vững trƣớc công thông thƣờng vào ảnh Ở ta sử dụng để làm sở đo mối tƣơng quan Một cặp hai dải tần số cặp hệ số nằm vị trí dải HL LH đƣợc thể hình 3.3 Ta sử dụng tỉ lệ giá trị trƣớc sau công để chứng tỏ thay đổi hệ số Điều có nghĩa là, vị trí (i,j): Ratio( LH (i, j )) ABS ( LH (i, j ))afterattacks ABS ( LH (i, j ))beforeattacks Hình 3.3 Cặp dải tần số Chúng ta tính tốn tỉ lệ Ratio(LH2(i,j)) Ratio(HL2(i,j)) ¼ số hệ số ảnh Baboon sau cân histogram Các hệ số đại diện cho hệ số quan trọng ảnh 3.4 Hình 3.4 Mối quan hệ cặp dải trung gian LH2 HL2 sau cân Histogram 35 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Dƣới công khác, thay đổi cặp tần số thể mối tƣơng quan nhiều Ví dụ nhƣ thực làm mờ ảnh, giá trị trung bình Ratio(LH2(i,j)) = 0,8368 giá trị trung bình Ratio(HL2(i,j)) = 0,8461 Dƣới công làm nét ảnh (sharpen attack), giá trị trung bình Ratio(LH2(i,j)) nửa lớn tất hệ số 1.2621 giá trị trung bình Ratio(HL2(i,j)) = 0,8461 3.2.2 Thuật toán nhúng tách thủy vân Ý tƣởng: dùng hệ số cặp tần số để lƣợng tử hóa hệ số cịn lại Bƣớc lƣợng tử hóa phần cố định hệ số lớn Lựa chọn hệ số nhỏ để thực lƣợng tử hóa (hình 3.5) 1/3 lớn tất hệ số đƣợc lựa chọn hệ số quan trọng để thực việc lƣợng tử hóa Đối với hệ số nhỏ sử dụng bƣớc Step để lƣợng tử hóa Hình 3.5 Lƣợng tử hóa cặp tần số dải trung gian A Kĩ thuật nhúng thủy vân : Bƣớc 1: thủy vân ảnh nhị phân Ảnh gốc đƣợc tách thành mức Nhúng thủy vân vào dải LH2 HL2 Giả sử kích thƣớc LH2 mxn thủy vân rxl Thủy vân đƣợc nhúng [ mxn/rxl] lần 36 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bƣớc 2: ngƣỡng T hệ số nhỏ đặt tầm quan trọng hệ số lớn 1/3 lớn tất hệ số dải LH2 HL2 S (step) khoảng cách cố định D số chia cố định Thủy vân đƣợc nhúng vào dải LH2 HL2 tất hệ số đƣợc lƣợng tử hóa Mỗi vị trí (i,j) đƣợc lƣợng tử hóa theo bit thủy vân Nếu bit =1, hệ số đƣợc làm tròn đến số lẻ gần nhất, khơng đƣợc làm trịn đến số chẵn gần nhƣ hình 3.5 thể For tất hệ số có dải LH2 HL2 If ABS(HL2(i,j))