(Đồ án hcmute) thủy vân cho video

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG THỦY VÂN CHO VIDEO GVHD: ThS TRƯƠNG NGỌC HÀ SVTH : NGUYỄN VĂN ÐỒNG MSSV: 11141051 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2016 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THỦY VÂN CHO VIDEO NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Sinh viên: MSSV: NGUYỄN VĂN ĐỒNG 11141051 TP HỒ CHÍ MINH – 7/2016 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THỦY VÂN CHO VIDEO NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Sinh viên: NGUYỄN VĂN ĐỒNG MSSV: 11141051 Hướng dẫn: ThS Trương Ngọc Hà TP HỒ CHÍ MINH – 7/2016 ii an BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii an LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn cố gắng thân, người thực biết ơn người giúp người thực hoàn thành bái luận văn Trước tiên người thực xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầ y Th.S Trương Ngọc Hà người trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình, giúp đỡ tạo điều kiện tốt suốt q trình thực luận văn Thầy ln động viên đóng góp ý kiến quý báu để luận văn hoàn thiện Thứ hai, người thực xin cảm ơn đến tất quý thầy cô mơn Kỹ Thuật Máy Tính – Viễn Thơng, người tận tình giảng dạy để người thực có kiến thức tảng để hoàn thành luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn đến tất người thân bạn chia sẻ, động viên tạo điều kiện để giúp người thực hoàn thành luận văn Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Người thực Nguyễn Văn Đồng iv an TĨM TẮT Ngày nay, phát triển khơng ngừng kỹ thuật số cho sản phẩm nghệ thuật độc quyền hay gọi sở hữu trí tuệ Và sản phẩm lưu nén dạng số hóa, ví dụ đoạn text, đoạn âm thanh, hình ảnh, video clip, Việc bảo vệ sở hữu trí tuệ theo dõi đối tượng sở hữu trí tuệ cần tính bảo mật khách quan Kỹ thuật watermarking hay gọi thủy vân áp dụng để bảo vệ quyền lợi cá nhân sở hữu trí tuệ theo dõi phát tán sở hưu trí tuệ để xác định nguồn gốc danh tánh sở hữu trí tuệ Trong luận văn trình bày kỹ thuật watermark số cho đối tượng video clip Thực nhúng ảnh có kích thước đoạn video clip có kích thước thực trích ảnh khỏi video clip Q trình nhúng trích thực riêng biệt so sánh lại thông qua hệ số PSNR MSE để đánh giá v an MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH IX DANH MỤC BẢNG X CÁC TỪ VIẾT TẮT XI CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.2 BỐ CỤC LUẬN VĂN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING 2.1 ĐỊNH NGHĨA WATERMARK 2.2 LỊCH SỬ WATERMARK .6 2.3 CÁC ỨNG DỤNG CỦA WATERMARK .7 2.4 MƠ HÌNH CHUNG 2.4.1 Bộ nhúng Watermak 2.4.2 Bộ dị tìm Watermark 2.5 PHÂN LOẠI 2.5.1 Phân loại dựa đối tượng giấu tin 2.5.2 Phân loại theo cách thức tác động lên phương tiện 10 2.5.3 Phân loại theo mục đích sử dụng 10 2.6 CÁC TIÊU CHÍ CẦN CĨ CỦA MỘT WATERMARKING MẠNH MẼ 11 2.6.1 Tính bảo mật 11 2.6.2 Tính vơ hình .11 2.6.3 Tính vơ hình thống kê 12 2.6.4 Tỉ lệ bit .12 2.6.5 Quá trình dị đáng tin cậy 12 2.6.6 Tính mạnh mẽ 12 2.6.7 Nhúng nhiều watermark 12 2.6.8 Watermarking đọc dò 12 2.6.9 Tính thay đổi tỉ lệ (scalability) 13 CHƯƠNG KỸ THUẬT WATERMARK VÀ ỨNG DỤNG CHO ẢNH SỐ 14 vi an 3.1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ 14 3.2 CÁC KỸ THUẬT WATERMARK CHO ẢNH SỐ 15 3.2.1 Kỹ thuật watermark miền không gian ảnh 16 3.2.2 Kỹ thuật watermark dùng phép biến đổi DCT .16 3.2.3 Kỹ thuật watermark dùng biến đổi Wavelet 17 3.3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN WATERMARK ĐỐI VỚI ẢNH SỐ 18 3.3.1 Quá trình nhúng watermark 18 3.3.2 Quá trình nhúng watermark ẩn 19 3.3.3 Q trình trích watermark .19 3.4 NÉN ẢNH, MÃ HÓA BĂNG CON 19 3.4.1 Các chuẩn nén hình ảnh : 20 3.4.2 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mã hoá ảnh 22 CHƯƠNG KỸ THUẬT WATERMARK VÀ ỨNG DỤNG CHO VIDEO 25 4.1 TỔNG QUAN VỀ VIDEO 25 4.2 TỔNG QUAN VỀ WATERMARK CHO VIDEO 25 4.2.1 Các chuẩn nén video 27 4.2.2 Tổng quan chuẩn nén video số 28 4.3 QUÁ TRÌNH NHÚNG WATERMARK 30 4.3.1 Tách video thành frame 31 4.3.2 Áp dụng biến đổi 2-DWT 33 4.3.3 RGB watermark hình ảnh .34 4.3.4 Nhúng ảnh vào video 34 4.3.5 iDWT 34 4.4 Q TRÌNH TRÍCH WATERMARK VIDEO 34 4.4.1 Frame RGB biểu diễn YUV 36 4.4.2 DWT áp dụng 36 4.4.3 Giải nén watermark 36 4.4.4 Watermark giải nén so sánh 36 4.5 ỨNG DỤNG XỮ LÝ WATERMARK TRÊN VIDEO 37 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 39 vii an 5.1 QUÁ TRÌNH NHÚNG VIDEO 40 5.1.1 Với hệ số nhúng a=0.1 40 5.1.2 Với hệ số nhúng a=0.01 41 5.1.3 Với hệ số nhúng a=0.3 42 5.2 Q TRÌNH TRÍCH VIDEO WATERMARK .42 5.2.1 Với hệ số nhúng a=0.1 43 5.2.2 Với hệ số nhúng a=0.01 44 5.2.3 Với hệ số nhúng a=0.3 45 5.3 KHẢO SÁT KHI THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC ẢNH NHÚNG 46 5.3.1 Với hệ số nhúng a=0.05 video có kích thước nhỏ 46 5.3.2 Với hệ số nhúng a=0.05 video có kích thước lớn 47 5.4 KHẢO SÁT KHI THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC VIDEO 49 5.4.1 Với ảnh có kích thước nhỏ 49 5.5 KHẢO SÁT KHI THAY ĐỔI HỌ WAVELET .50 5.6 KHẢO SÁT KHI THAY ĐỔI MỨC DWT 52 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 viii an DANH MỤC HÌNH Hình Ví dụ Steganography .5 Hình 2 Ví dụ watermarking Hình Sơ đồ khối mơ hình chung kỹ thuật watermarking Hình Sơ đồ chung cho trình giấu tin Hình Sơ đồ trình giải mã .8 Hình Phân loại kỹ thuật giấu tin 11 Hình Ảnh số 15 Hình Sơ đồ khối trình tạo watermark 17 Hình 3 Kết phân tích ảnh DWT 18 Hình Quá trình nhúng watermarking nhìn thấy 18 Hình Q trình nhúng watermark khơng nhìn thấy 19 Hình Cấu trúc đoạn video clip .25 Hình Watermark trước nén (a) nén (b) thành chuẩn video 27 Hình Sơ đồ khối trình nhúng ảnh vào video biến đổi DWT .30 Hình 4 Ví dụ mặt phẳng màu U-V giá trị Y=0.5, nằm phổ RGB 32 Hình Ảnh trước sau qua hàm YUV 33 Hình Image qua biến đổi 2-DWT .33 Hình Sơ đồ q trình trích ảnh khổi video 35 Hình Ứng dụng watermark giám sát kênh phát sóng 37 Hình Video cần nhúng watermark 39 Hình Ảnh nhúng vào video 39 ix an 5.1.3 Với hệ số nhúng a=0.3 Bảng Kết mô với hệ số nhúng a=0.3 Video.mpg Vipmen.avi Video Ảnh nhúng Video watermark MSE 75.6917 117.8490 PSNR 67.8708 63.1416 5.2 Q TRÌNH TRÍCH VIDEO WATERMARK 42 an 5.2.1 Với hệ số nhúng a=0.1 Bảng Kết mô với hệ số nhúng a=0.1 Video Videowatermark Vipmen.avi Video trích ảnh trích MSE 69.7439 11.3812 PSNR 69.9704 87.1062 43 an 5.2.2 Với hệ số nhúng a=0.01 Bảng 5 Kết mô với hệ số nhúng a=0.01 Videowatermark Vipmen.avi Video Video trích ảnh trích MSE 11.4184 0.4687 PSNR 95.1263 118.8903 44 an 5.2.3 Với hệ số nhúng a=0.3 Bảng Kết mô với hệ số nhúng a=0.3 Video Videowatermark vipmenwatermark watermark Video trích ảnh trích MSE 103.9581 79.4355 PSNR 64.5967 67.0781 Nhận xét : trình nhúng video giảm hệ số nhúng hệ số MSE tăng PSNR giảm Trong q trình trích video hệ số MSE giảm PSNR tăng Kết luận : nhúng video với hệ số nhúng lớn khả phục hồi video gốc khó Tuy nhiên nhúng ảnh có hệ số nhúng thấp xem video có chất lượng gần tương đương với video gốc bảo vệ quyền xác định nguồn gốc tác giả khó chống lại dạng công vào video thấp 45 an 5.3 KHẢO SÁT KHI THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC ẢNH NHÚNG 5.3.1 Với hệ số nhúng a=0.05 video có kích thước nhỏ Bảng Hệ số nhúng a=0.05 video kích thước nhỏ ảnh Kích thước 170x170 982x952 MSE 186.2054 185.8986 PSNR 58.5642 58.5849 Videowatermark ảnh trích 46 an Video trích MSE trích 3.4287 3.1124 PSNR trích 98.8127 99.8469 5.3.2 Với hệ số nhúng a=0.05 video có kích thước lớn Bảng Hệ số nhúng a=0.05 video kích thước lớn ảnh Kích thước 170x170 982x952 MSE 113.1592 115.7731 PSNR 63.5424 63.3166 Videowatermark 47 an ảnh trích Video trích MSE trích 20.8823 12.5152 PSNR trích 80.4565 85.6427 Nhận xét : thay đổi kích thước ảnh nhúng ảnh có kích thước nhỏ nhúng vào video clip có kích thước to có hệ số MSE lớn ngược lại Khi hệ số MSE lớn hệ số PSNR nhỏ lại ngược lại cho trường hợp lại Tại kích thước video clip ảnh nhúng có khác biệt nhiều muốn nhúng ảnh vào video clip phải điều chỉnh kích thước ảnh kích thước video clip điều dẫn tới việc ảnh thu nhỏ phóng to theo kích thước dễ nhận thấy khác biệt lớn thay đổi kích thước ảnh nhúng Sự thay đổi ảnh hưởng đến q trình trích ảnh sau Video watermark mạnh q trình trích khó Kết luận : chênh lệch kích cở ảnh video clip lớn làm giảm mức độ bảo vệ video clip ngược lại chênh lệch kích cở ảnh video clip nhỏ mức độ bảo vệ tăng lên 48 an 5.4 KHẢO SÁT KHI THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC VIDEO Khảo sát video clip có kích thước 160x120 1280x720 Image nhúng vào ảnh copyright có kích thước 283x178 có hệ số nhúng a=0.05 Thu kết mơ trình bày bảng sau đây: 5.4.1 Với ảnh có kích thước nhỏ Bảng Với ảnh có kích thước nhỏ a=0.05 Video Kích thước 160x120 1280x720 MSE 167.8831 94.4934 PSNR 59.6023 65.3480 Videowatermark ảnh trích 49 an Video trích MSE trích 4.1656 PSNR trích 28.4298 97.3035 77.3760 Nhận xét : tương tự việc thay đổi kích thước ảnh nhúng, việc thay đổi kích thước video clip chịu ảnh hưởng tương tự việc thay đổi kích thước ảnh nhúng Kích thước ảnh trích watermark phụ thuộc kích thước video clip Kết luận : việc thay đổi kích thước ảnh nhúng hay video clip ảnh hưởng đến độ bảo mật video 5.5 KHẢO SÁT KHI THAY ĐỔI HỌ WAVELET Bảng 10 Khi thay đổi họ wavelet Họ wavelet haar db1 db3 db5 MSE 186.2054 186.2054 186.1788 186.1301 PSNR 58.5642 58.5642 58.5655 58.5681 3.4287 3.4287 3.4027 Video watermark ảnh trích Video trích MSE trích 50 an 3.4263 PSNR trích 98.8127 98.8127 98.8983 98.8213 Nhận xét : trình nhúng watermark hệ số MSE hàm wavelet haar với db1 giảm dần theo thứ tự db2, db3, db4, db5 Và PSNR cho kết ngược lại Quá trình trích watermark, MSE PSNR cho kết gần tương tự Bảng 11 Khi thay đổi họ wavelet Họ wavelet Sym3 Sym5 bior1.1 bior1.3 MSE 186.1788 186.1089 186.2054 186.2480 PSNR 58.5655 58.5692 58.5642 58.5616 MSE trích 3.4027 3.4059 3.4287 3.4611 PSNR trích 98.8983 98.8865 98.8127 98.7137 Video watermark ảnh trích Video trích Nhận xét : nhúng watermark, MSE giảm theo thứ tự sym2, sym3, sym4, sym5 bior1.1, bior1.2, bior1.3, bior1.4, PSNR tăng theo vị trí tương ứng Q trình trích watermark MSE tăng theo thứ tự tương ứng Kết luận : Khi nhúng watermark với họ haar, db1, sym2, bior1.1 cho kết tốt 51 an 5.6 KHẢO SÁT KHI THAY ĐỔI MỨC DWT Bảng 12 Khi thay đổi mức DWT Mức DWT Không qua DWT DWT DWT MSE 184.3841 186.2276 186.2054 PSNR 58.6626 58.5627 58.5642 MSE trích 3.5406 3.5009 3.4287 PSNR trích 98.5766 98.6020 Videowatermark ảnh trích Video trích 98.8127 Nhận xét : nhúng watermark MSE tăng theo mức DWT kéo theo PSNR giảm theo Trích watermark MSE giảm theo mức DWT tăng PSNR ngược lại Kết luận : mức DWT tăng làm giảm chất lượng video ảnh nhúng Khi nhúng watermark thực miền nén cho kết tốt 52 an KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết đạt Hiểu sở lý thuyết ảnh số video số Các phép biến đổi DCT, DWT thuận nghịch thơng qua việc nén mã hóa băng ảnh video Quá trình hoạt động kỹ thuật watermark nhúng trích video clip Mơ máy tính Matlab kỹ thuật watermarking kết đạt theo u cầu Kết mơ q trình nhúng ảnh vào video clip cho video clip watermark mà mắt thường nhận thấy thay đổi thông qua việc thay đổi thông số kích thước ảnh video Đưa nhận xét dựa kết mô đưa kết luận thay đổi mặt kích thước mà mắt thường nhận biết Hướng phát triển đề tài Q trình mơ xữ lý chậm cần phải có mơ hình tốn phát triển để tối ưu hóa mặt thời gian Ứng dụng kỹ thuật video watermarking kết hợp DWT kit DM6437 EVM Video watermark cho video trực tuyến đánh dấu video thời điểm, kết hợp đánh dấu logo text video mặt thị giác thính giác 53 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thanh Hải, Giáo trình Xử lý ảnh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, năm 2014 [2] Prachi V Powar, S.S.Agrawal, Design Of Digital Video Watermarking Scheme Using Matlab Simulink, International Journal of Research in Engineering and Technology, 2013 [3] Nguyễn Duy Thảo, Lê Minh Thành, Nguyễn Trường Duy, Nhúng Ảnh Số, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2015 [4] Vinay K Ingle, John G Proakis, Digital Signal Processing Using MATLAB, Northeastern University, 2010 [5] Dr.M.Mohamed Watermarking Technique Sathik, S.S.Sujatha, for Image An Improved Authentication, Invisible International Journalrnational Journal ofof ofof Advanced Science and Technology, 2010 [6] Sanjana Sinha, Prajnat Bardhan, Swarnali Pramanick, Ankul Jagatramka, Dipak K Kole, Aruna Chakraborty, Digital Video Watermarking using Discrete Wavelet Transform and Principal Component Analysis, Department of Computer Science & Engineering St Thomas’ College of Engineering and Technology Kolkata, India, 2011 [7] A.Essaouabi, F.regragui, A Wavelet-Based Digital Watermarking for Video, Department of physics, LIMIARF Laboratory, Faculty of Sciences Mohammed V University Rabat, Morocco, 2009 [8] Sourav Bhattacharya, T Chattopadhyay and Arpan Pal, A Survey on Different Video Watermarking Techniques and Comparative Analysis with Reference to H.264/AVC, Convergence Solutions Practice, Tata Consultancy Services Limited, Kolkata, India, 2006 [9] Saraju P Mohanty, Invisible Watermarking Based on Creation and Robust Insertion-Extraction of Image Adaptive Watermarks, Dept of Computer Science and Engineering University of North Texas, Denton, 2007 54 an [10] Akio, Miyazaki, “Digital Watermarking for images” IEICE Transactions Fundamentals, Vol.E85-A,2002 [11] Poulami Ghosh, Rilok Ghosh, Souptik Sinha,Ujan Mukhopadhyay, Dipak kr Kole and Aruna Chakroborty, A Novel Digital Watermarking Technique for Video Copyright Protection, Department of Computer Science & Engineering St Thomas’ College of Engineering and Technology Kolkata700023,India, 2012 [12] Ali JavadiAbhari, Digital Image Watermarking, Princeton University, 2011 [13] Chitrasen, Tanuja Kashyap, Digital Video Watermarking using DWT for Data Security, Department of Electronics and Telecommunication, Bhilai Institute of Technology, Durg, India, 2015 [14] Aditi Agarwal, Ruchika Bhadana and Satishkumar Chavan, A Robust Video Watermarking Scheme using DWT and DCT, Department of Electronics & Telecommunication Engineering, Don Bosco Institute of Technology, Kurla (W), Mumbai-400070 India, 2011 [15] Gopika V Mane, G G Chiddarwar, Review Paper on Video Watermarking Techniques, Department of Computer Engineering , Sinhgad College of Engineering, Pune Maharashtra, 2013 [16] Hamid Shojanazeri, Wan Azizun Wan Adnan, Sharifah Mumtadzah Syed Ahmad, Video Watermarking Techniques for Copyright protection and Content Authentication, Dept of Computer and Communication System Engineering, University Putra Malaysia, Serdang, Malaysia, 2013 [17] Michael Arnold, Martin Schmucker, Stephen D Wolthusen, Techniques and Applications of Digital Watermarking and Content Protection, Artech House Boston, London, 2003 [18] Priyanka R Kulkarni, Altaaf O Mulani, Department of Electronics & Telecommunication SKN Sinhgad College of Engineering, Pandharpur, Dist.Solapur, India, 2015 [19] www.wikipedia.org 55 an S an K L 0 ... đánh giá chất lượng mã hoá ảnh 22 CHƯƠNG KỸ THUẬT WATERMARK VÀ ỨNG DỤNG CHO VIDEO 25 4.1 TỔNG QUAN VỀ VIDEO 25 4.2 TỔNG QUAN VỀ WATERMARK CHO VIDEO 25 4.2.1 Các chuẩn nén video. .. nén ảnh mã hóa băng tiêu chí đánh giá chất lượng ảnh Chương – Kỹ thuật watermarking cho video Tổng quan video kỹ thuật watermark áp dụng cho video Nói chuẩn nén video Quá trình nhúng watermark... Định dạng video bao gồm : AVI, MP4 MPEG, WMV, MKV, MOV, FLV, SWF, 3GP,…[19] 4.2 TỔNG QUAN VỀ WATERMARK CHO VIDEO 25 an Sự xuất nhiều vi phạm quyền phát tán xảy cho nội dung media video Vì video Watermarking