watermark image in wavelet

Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 1 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC 1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2 DANH MỤC HÌNH ẢNH 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 LỜI MỞ ĐẦU 6 Chương I. Tổng quan về kĩ thuật thủy vân số. 7 1.1. Khái niệm thủy vân số …… 7 1.2. Mục đích của việc sử dụng thủy vân số ………… 7 1.3. Mô hình chung của hệ thống thủy vân. 7 1.4. Thủy vân trên ảnh số. 8 Chương II. Phương pháp thủy vân số sử dụng biến đổi Wavelet rời rạc. 13 2.1. Định nghĩa Wavelet: 13 2.1.1. Phép biến đổi Fourier và nhược điểm của nó: 13 2.1.2. Định nghĩa Wavelet 13 2.2. Biến đổi wavelet rời rạc – DWT. 14 2.2.1. Phân tích wavelet: xấp xỉ và chi tiết. 15 2.2.2. Phân tích đa phân giải 16 2.2.3. Tổng hợp wavelet 17 2.2.4. Ưu điểm và ứng dụng của wavelet 18 2.3. Biến đổi wavelet Haar: 19 2.3.1. Giới thiệu: 19 2.3.2. Thuật toán: 20 2.3.3. Kết luận về Haar wavelet: 21 Chương III. Chuẩn nén ảnh tĩnh dựa trên biến đổi Wavelet – JPEG2000 22 3.1. Lịch sử ra đời và phát triển của chuẩn nén ảnh tĩnh JPEG2000 22 3.2. Các đặc điểm và tính năng của chuẩn nén ảnh tĩnh JPEG2000 22 3.3. Các bước thực hiện nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 23 3.3.1. Xử lý trước biến đổi. 23 3.3.2. Biến đổi liên thành phần. 24 3.3.3. Biến đổi riêng thành phần. 24 3.3.4. Lượng tử hóa và giải lượng tử hóa. 25 Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 2 3.3.5. Mã hóa tầng thứ nhất. 26 3.3.6. Mã hóa tầng thứ hai. 27 3.3.7. Điều chỉnh tỷ lệ. 27 Chương IV. Mô phỏng thủy vân trên ảnh số và tấn công của nén ảnh JPEG2000 4.1. Thuật toán đề xuất. …….28 4.1.1. Ý tưởng: 29 4.1.2. Thuật toán: 29 4.2. Đánh giá thuật toán. 32 4.2.1. Tính các chỉ số MSE, PSNR để đánh giá thuật toán: 32 4.2.2. Đánh giá thuật toán: 32 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 CODE MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB………………………… …………………34 Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ITU-T Iternational Telecommunication Union Standardization Sector Tổ chức tiêu chuẩn viễn thông quốc tế ISO the International Organization for Standardization Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế IDWT Inverse Discrete Wavelet Tramform Biến đổi wavelet rời rạc nghịch IT Intracomponent Tranform Biến đổi riêng thành phần ICT Irrerrsible Color Transform Biến đổi màu không thuận nghịch JPEG Joint Photographic Experts Group Chuẩn nén ảnh JPEG MSE Mean Squared Error Bình phương độ chênh lệch giữa ảnh gốc và ảnh thủy vân SR Signal Ration Tỉ lệ đúng sai theo từng bit PSNR Peak Signal to Noise Ration Tỉ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu GIF Graphics Interchange Format Định dạng trao đổi hình ảnh DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc RCT Reverrsible Color Transform Biến đổi màu thuận nghịch Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1. Mô hình hệ thống thủy vân 7 Hình 2. Phân loại các kỹ thuật thủy vân. 8 Hình 3. Minh họa quá trình nhúng thủy vân 10 Hình 4. Quá trình tách thủy vân 10 Hình 5: Biến đổi Fourier 13 Hình 6: Biến đổi wavelet 14 Hình 7: So sánh sóng Sin và wavelet 14 Hình 9: Hai thành phần Chi tiết và Xấp xỉ của tín hiệu khi phân tích wavelet 15 Hình 10: Dạng tổng quát của biến đổi DWT một chiều 16 Hình 11: Quá trình biến đổi DWT hai chiều. 16 Hình 12: Quá trình tách thành phần xấp xỉ 17 Hình 13: Phân tích wavelet 3 mức của tín hiệu ảnh 17 Hình 14: Quá trình tổng hợp wavelet 18 Hình 15: Biến đổi Haar 3 mức. 21 Hình 16: Các bước thực hiện mã hóa và giải mã JPEG2000 23 Hình 17: Biến đổi từ RGB sang CrYCb 24 Hình 18: Các dải tần khi phân tích wavelet. 25 Hình 19: Sơ đồ khái quát nén JPEG2000 cho hình ảnh. 28 Hình 20: Quá trình phân tích và tách thành phần LH-3 của ảnh gốc S 29 Hình 21: Quá trình phân tích và lấy tách thành phần LL-3 của ảnh thủy vân W 30 Hình 22: Nhúng thủy vân W vào ảnh gốc S 30 Hình 23: Ảnh gốc sau khi nhúng thủy vân S*. 30 Hình 24: Ảnh thủy vân được tách ra từ S* 31 Hình 25: Ảnh đã nhúng thủy vân và nén JPEG2000. 31 Hình 26: Ảnh thủy vân được tách ra từ ảnh gốc đã thủy vân và nén JPEG2000 32 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1: Các chỉ số đánh giá chất lượng thủy vân: 33 Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 5 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Điểm: ……….( Bằng chữ:………… ) Ngày … tháng … năm 2014 Giáo viên hướng dẫn T.s Đỗ Văn Tuấn Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 6 LỜI MỞ ĐẦU Môi trường Internet phát triển rộng rãi và mạnh mẽ đã giúp việc truyền tải thông tin nhanh hơn đặc biệt là thông tin đa phương tiện, đồng thời cũng đem lại nhiều thuận lời và cơ hội cho mọi lĩnh vực đời sống, hợp tác kinh doanh khác… Tuy nhiên, sự phát triển của Internet cũng đặt ra nhiều thách thức trong việc đảm bảo an toàn thồn tin, bảo mật và chống lại xâm hại thông tin cũng như chống lại sự tấn công của những công nghệ khác với nhiều mục đích khác nhau. Việc phát triển của phương tiện kĩ thuật số làm cho việc lưu trữ, sửa đổi, sao chép dữ liệu ngày càng đơn giản và nhanh chóng, dẫn đến việc bảo vệ bản quyền, chống xâm phạm trở nên cần thiết hơn. Trong những năm gần đây, việc giấu thông tin trong ảnh được phát triển, ứng dụng nhiều trong trao đổi và truyền tải các thông tin đa phương tiện. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ an toàn thông tin như: xác thực thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, chống lại những xâm phạm, xuyên tạc thông tin. Ngày nay, khi ảnh số đã được phổ biến rộng rãi thì việc giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực đời sống. Đề tài nghiên cứu về kĩ thuật: “Watermarking image”. Nội dung đề tài được trình bày trong 4 chương: Chương 1. Tổng quan về kĩ thuật Thủy Vân số Chương 2. Phương pháp thủy vân số trên ảnh sử dụng biến đổi wavelet rời rạc. Chương 3. Chuẩn nén ảnh tĩnh dựa trên biến đổi wavelet – JPEG2000 Chương 4. Thủy vân trên ảnh số chống lại tấn công nén ảnh JPEG2000. Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 7 Chương I. Tổng quan về kĩ thuật thủy vân số. 1.1. Khái niệm thủy vân số Thủy vân số là kĩ thuật nhúng một lượng thông tin vào một đối tượng, thông tin nhúng được gắn liền với đối tượng chứa. Dữ liệu thủy vân có thể được hiển thị hoặc ẩn phụ thuộc vào mỗi kĩ thuật thủy vân cụ thể. Trong kỹ thuật thủy vân số thì thông tin nhúng được gọi là thủy vân. Thủy vân có thể là một chuỗi ký tự hay một hình ảnh, biểu tượng nào đó. 1.2. Mục đích của việc sử dụng thủy vân số Mục đích của thủy vân số thường là mang tính riêng tư, cá nhân, sao cho thông tin đem giấu chỉ được đến một phạm vi hẹp các đối tượng mục tiêu. Thủy vân có hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng được giấu tin ở trong. Từ các mục đích này thủy vẫn sẽ chia thành các kĩ thuật thủy vân khác nhau sẽ được trình bày ở phần tiếp theo. 1.3. Mô hình chung của hệ thống thủy vân. Hệ thống thủy vân bao gồm bộ nhúng và bộ tách (Hình 1). Hình 1. Mô hình hệ thống thủy vân Bộ nhúng có hai đầu vào: một là dữ liệu nhúng - thông tin cần nhúng (ví dụ như thủy vân hay thông điệp mật), hai là bản phủ - là nơi mà ta sẽ nhúng thông tin cần nhúng vào đó. Đầu ra của bộ nhúng điển hình là thông tin đã được trộn vào nhau và sau đó được truyền đi hoặc ghi lại. Sau đó, ở các phiên bản gốc (kể cả phiên bản khác không qua bộ nhúng) sẽ xuất hiện ở đầu vào bộ tách. Ở bộ tách sẽ xác định sự tồn tại của thông tin nhúng, nếu có nó sẽ phân tích và xuất ra thông điệp được nhúng. Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 8 1.4. Thủy vân trên ảnh số. 1.4.1. Khái niệm thủy vân trên ảnh số Thủy vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số vào một bức ảnh số và thông tin nhúng được gắn liền với bức ảnh chứa. Thủy vân trên ảnh số nhằm đảm bảo an toàn dữ liệu cho đối tượng được sử dụng để giấu thông tin như: bảo vệ quyền tác giả, chống xuyên tạc, xác thực thông tin… Tùy thuộc vào ứng dụng, yêu cầu và tính năng, thủy vân trên ảnh được chia thành nhiều loại (Hình 2). Hình 2. Phân loại các kỹ thuật thủy vân. - Thủy vân bền vững là thủy vân bền vững với sản phẩm nhằm chống lại việc tẩy xóa, làm giả, biến đổi hay phá hủy thủy vân. Nếu muốn loại bỏ thủy vân thì cách duy nhất là phá hủy sản phẩm. Thủy vân bền vững chia thành hai loại: thủy vân ẩn và thủy vân hiện. Thủy vân hiện: hiện ngay trên sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được giống như các biểu thượng truyền hình VTV1, VTV2, HDTV… Các thủy vân hiện trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc. Thủy vân ẩn: tính ẩn cao, bằng mắt thường không thể nhìn thấy được thủy vân. Thủy vân ẩn mang tính bất ngờ hơn thủy vân hiện trong việc phát hiện sản phẩm bị lấy cắp. Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 9 Trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền, thủy vân bền vững đóng vai trò là thông tin sở hữu của người chủ hợp pháp. Thủy vân được nhúng trong ảnh như một hình thức dán tem bản quyền, tồn tại bền vững cùng với sản phẩm. - Thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thủy vân vào ảnh, khi có bất kì một phép biển đổi nào làm thay đổi ảnh gốc thì thủy vân đã được giấu trong ảnh gốc đó sẽ không còn nguyên vẹn như thủy vân gốc. Thủy vân dễ vỡ được sử dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin và phát hiện xuyên tạc thông tin. Ví dụ: để bảo vệ chống xuyên tạc một ảnh nào đó ta nhúng một thủy vân vào và sau đó phân phối, quảng bá hình ảnh đó. Khi cẩn kiểm tra lại ảnh còn nguyên vẹn hay không thì ta sử dụng hệ thống đọc thủy vân. Nếu không đọc được thủy vân hoặc thủy vân đã bị sai lệch so với thủy vân gốc thì có nghĩa là ảnh đó đã bị thay đổi. 1.4.2. Các yêu cầu cơ bản của hệ thống thủy vân: - Thủy vân nhúng trong ảnh: chỉ tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm thay đổi kích thước và không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của ảnh. - Kỹ thuật nhúng thủy vân: ứng với từng loại thủy vân mà mắt thường có thể nhìn thấy hay không. 1.4.3. Mô hình hệ thống thủy vân trên ảnh số. Mô hình hệ thống thủy vân trên ảnh số tổng quát bao gồm 2 quá trình: quá trình nhúng thủy vân và quá trình tách thủy vân. Quá trình nhúng thủy vân Quá trình nhúng thủy vân được mô tả như sau: - Một bức ảnh gốc cần được bảo vệ S. - Thùy theo mục đích bảo vệ người ta chọn thủy vân có thể là dạng văn bản, chuỗi bít hoặc một bức ảnh, gọi chung là thông tin thủy vân W. - Có thể sử dụng thêm khóa K làm khóa cho quá trình nhúng và tách thủy vân. - Một thuật toán trong hệ thống sẽ kết hợp giữa các thông tin về ảnh gốc, thông tin thủy vân và thông tin khóa để tạo thành một bức ảnh mới gọi là ảnh đã nhúng thủy vân hay chứa thủy vân SW. Bức ảnh này sẽ được sử dụng để phân phối. (Hình 3) Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 10 Hình 3. Minh họa quá trình nhúng thủy vân Quá trình tách thủy vân: Ảnh chứa thủy vân SW trong quá trình phân phối có thể bị sử dụng trái phép, người sử dụng có thể đã dùng một phép biến đổi ảnh thông thường để tấn công vào SW nhằm phá hủy thủy vân nếu có trong SW, các tấn công trên SW tạo ra SW*. Quá trình tách thủy vân từ ảnh chứa SW* (SW* có thể trùng với SW) tiến hành: - Sử dụng ảnh chứa thủy vân SW*, hệ thống khóa K (nếu có) đã sử dụng trong quá trình nhúng thủy vân. - Tùy theo kỹ thuật, ảnh gốc S có thể được sử dụng. - Việc tách thủy vân được thực hiện theo một thuật toán đã xác định. Kết quả là thông tin thủy vân W* tách được từ SW*. - Thủy vân tách được cần so sánh với thủy vân gốc W để đưa ra kết luận. Mô hình quá trình tách thủy vân được trình bày trong hình 4. Hình 4. Quá trình tách thủy vân [...]... W**','Tinh MSE S va S*','Tinh PSNR S va S*','Tinh MSE W va W*','Tinh PSNR W va W*','Tinh MSE s va S**','Tinh PSNR S va S**','Tinh MSE W va W** ','Tinh PSNR W va W**','Thoat'); % -select cover image - chon anh goc % % -DWT lever 3 cover image - phan tich anh goc muc 3 -% if choss == 1 [fname pname]= uigetfile('*.bmp', 'Chon anh goc - S'); imageinput = imread (fname); A = rgb2gray(imageinput);... 'compressImage.j2k'); %imfinfo('compressImage.j2k') imshow 'compressImage.j2k'; end % Show Image after compressing - hien thi thuy van sau nen % if choss==8 [fname pname] = uigetfile('*.j2k', 'Anh JPEG2000 - S**'); imageCompressInput = imread (fname); %[rows columns numberOfColorChannels] = size(imageCompressInput); % if numberOfColorChannels > 1 % Igray = rgb2gray(Iinitial); % jpeg2000ImageTMP... rgb2gray(imageCompressInput); % jpeg200 0Image = im2double(jpeg2000ImageTMP); %else % It's Gray %A_1= rgb2gray(imageCompressInput); P_1 = im2double(imageCompressInput); jpeg200 0Image = P_1; %end % jpeg200 0Image [F000,F111] = imresize(jpeg200 0Image, [2048 2048]); = wfilters('haar','d'); [j2k_LL1 j2k_LH1 j2k_HL1 j2k_HH1] [j2k_LL2 j2k_LH2 j2k_HL2 j2k_HH2] [j2k_LL3 j2k_LH3 j2k_HL3 j2k_HH3] = dwt2(jpeg200 0Image, 'haar','d');... Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 Hình 6: Biến đổi wavelet Phân tích wavelet không dùng miền thời gian tần số mà dùng miền thời gian – tỷ lệ Định nghĩa wavelet: Wavelet là các dạng sóng nhỏ có thời gian duy trì tới hạn với giá trị trung bình bằng 0 Wavelet bất thường và đối xứng khác với sóng sin trơn tru và kéo dài vô hạn Hình 7: So sánh sóng Sin và wavelet Phân tích wavelet chia tách tín hiệu thành các phiên... thành các phiên bản dịch vị và tỷ lệ của một hàm đơn hay gọi là hàm mẹ wavelet Phân tích wavelet có thể áp dụng cho dữ liệu hai chiều hoặc nhiều chiều Biến đổi wavelet được chia làm 3 loại: biến đổi wavelet liên tục, biến đổi wavelet rời rạc và biến đổi wavelet đa phân giải 2.2 Biến đổi wavelet rời rạc – DWT Việc tính toán các hệ số wavelet tại tất cả các tỷ lệ là công việc rất phức tạp và sẽ tạo ra một... nhiễu này được gọi là phương pháp wavelet thu hẹp khử nhiễu – Wavelet Shrinkage Denoising (WSD) WSD dựa trên việc tín hiệu nhiễu sẽ lộ rõ khi phân tích bằng biến đổi wavelet ở các hệ số hiến đổi bậc cao Việc áp dụng các ngưỡng loại bỏ tương ứng với các bậc cao hơn của hệ số wavelet sẽ có thể dễ dàng loại bỏ nhiễu trong tín hiệu - Mã hóa nguồn và mã hóa kênh: Sở dĩ wavelet được ứng dụng trong mã hóa... Hình 12: Phân tích wavelet 3 mức của tín hiệu ảnh 2.2.3 Tổng hợp wavelet Tín hiệu sau khi phân tích để ứng dụng vào từng mục đích riêng sau đó cần được tổng hợp lại để có được tín hiệu gốc ban đầu mà không bị mất thông tin Quá trình này được gọi là tổng hợp hay còn gọi là biến đổi wavelet nghịch – IDWT 17 Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 Hình 14 minh họa quá trình tổng hợp wavelet từ một tín... [I_LL1,I_LH1,I_HL1,I_HH1] = dwt2 (P1,'haar','d'); [I_LL2, I_LH2,I_HL2,I_HH2] = dwt2(I_LH1,'haar','d'); [I_LL3,I_LH3,I_HL3,I_HH3] = dwt2(I_LH2,'haar','d'); end % Select watermarking image- chon anh thuy van % % DWT lever 3 watermarking image- phan tich anh thuy van muc 3 % if choss == 2 [fname pname] = uigetfile('*.bmp',' Chon thuy van - W'); iwater = imread (fname); iwm = rgb2gray(iwater); iwm1 =... Fourier 2.1.2 Định nghĩa Wavelet Những nhược điểm của biến đổi Fourier như đã trình bày ở trên được giải quyết bằng cách thay thế phép rời đơn giản trong STFT bằng phép rời và đổi thang độ Điều này dẫn đến sự ra đời của biến đổi Wavelet Phân tích wavelet cho phép sử dụng các khoảng thời gian dài khi ta cần thông tin tần số thấp chính xác hơn và khoảng thời gian ngắn hơn đối với thông tin tần số cao 13 Trường... (W_LL2,'haar','d'); end % -Show cover image dwt lever3 hien thi anh goc muc 3 % if choss == 3 34 Trường Đại Học Điện Lực Đồ án nhóm 9_Đ6ĐTVT2 imshow(I_LH3,'DisplayRange',[]), title('Anh goc dwt muc 3') end % Show watermarking dwt lever3 hien thi anh thuy van muc 3 -% if choss == 4 imshow(W_LL3,'DisplayRange',[]), title(' Thuy van dwt muc 3') end % Show watermarked image- anh da thuy van % if choss . mẹ wavelet. Phân tích wavelet có thể áp dụng cho dữ liệu hai chiều hoặc nhiều chiều. Biến đổi wavelet được chia làm 3 loại: biến đổi wavelet liên tục, biến đổi wavelet rời rạc và biến đổi wavelet. 14 2.2.1. Phân tích wavelet: xấp xỉ và chi tiết. 15 2.2.2. Phân tích đa phân giải 16 2.2.3. Tổng hợp wavelet 17 2.2.4. Ưu điểm và ứng dụng của wavelet 18 2.3. Biến đổi wavelet Haar: 19 2.3.1 9_Đ6ĐTVT2 14 Hình 6: Biến đổi wavelet Phân tích wavelet không dùng miền thời gian tần số mà dùng miền thời gian – tỷ lệ. Định nghĩa wavelet: Wavelet là các dạng sóng nhỏ có thời gian