Phát hiện giấu tin dựa trên sự thay đổi khung cảnh

Phương pháp giấu tin trong video trên cơ sở phương pháp phát hiện chuyển cảnh là phương pháp giấu tin vào các khung hình của video, phương pháp này dựa vào sự thay đổi các khung cảnh trong video để giấu tin. Phương pháp này dựa trên việc phát hiện các chuyển động trong video, như sự thay đổi về màu sắc, độ sáng, độ tương phản và hình dạng của các đối tượng trong video. Phương pháp phát hiện chuyển cảnh trong giấu tin trong video được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như giấu thông tin trong các video giới thiệu sản phẩm, quảng cáo hay giấu thông tin quan trọng trong các video giám sát. 1. Khái niệm cảnh và sự thay đổi khung hình Cảnh được định nghĩa là những bức hình liên tục chứa các đối lượng (vật thể trên cảnh đó), với mỗi khung hình liên tục thì một cảnh sẽ bao gồm những đối tượng đó. Bình thường video sẽ phân thành các shots. Mỗi shots sẽ thể hiện một sự kiện hay hành động. Trình tự của các khung hình sẽ sắp xếp theo việc ghi hình và chỉnh sửa. Sự khác biệt giữa các khung hình sẽ đều chỉ ra các điểm chuyển cảnh. Trong chuyển cảnh sẽ bao gồm 2 loại : Chuyển cảnh đột ngột (nhanh): Đây là những chuyển cảnh gây ra bởi việc chỉnh sửa của người làm video. Chuyển cảnh từ từ (chậm): Đây là những chuyển cảnh do việc quay của người làm video.

BÀI TẬP LỚN/ BÀI TẬP DỰ ÁN HỌC PHẦN

CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN

TÊN ĐỀ TÀI:

PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN THAY ĐỔI KHUNG CẢNH

Mục lục

I Tổng quan chung……….……….…4

1 Khái niệm cảnh và sự thay đổi khung hình ……….……… 4

II Phương pháp giấu tin dựa trên sự thay đổi khung cảnh………….…….…5

1 Phát hiện cuyển cảnh……….….5

2 Giấu tin……….……….….6

3 Chuẩn hóa ……….……….……… … 7

III Quy trình tách tin……… 13

1 Chọn các khung cảnh……

2 Phân tích hệ số DC……

3 Phân tích chuyển cảnh……….….14

4 Tách tin giấu trong khung cảnh……….……….… 14

5 Kiểm tra tin nhắn……….…….15

Nhận xét và đánh giá……….……….…1

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ……….….16

I Tổng quan chung

Phương pháp giấu tin trong video trên cơ sở phương pháp phát hiện chuyển cảnh là phương pháp giấu tin vào các khung hình của video, phương pháp này dựa vào sự thay đổi các khung cảnh trong video để giấu tin Phương pháp này dựa trên việc phát hiện các chuyển động trong video, như sự thay đổi

về màu sắc, độ sáng, độ tương phản và hình dạng của các đối tượng trong video

Phương pháp phát hiện chuyển cảnh trong giấu tin trong video được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như giấu thông tin trong các video giới thiệu sản phẩm, quảng cáo hay giấu thông tin quan trọng trong các video giám sát

1 Khái niệm cảnh và sự thay đổi khung hình

Cảnh được định nghĩa là những bức hình liên tục chứa các đối lượng (vật thể trên cảnh đó), với mỗi khung hình liên tục thì một cảnh sẽ bao gồm những đối tượng đó Bình thường video sẽ phân thành các shots Mỗi shots sẽ thể hiện một sự kiện hay hành động Trình tự của các khung hình sẽ sắp xếp theo việc ghi hình và chỉnh sửa

Sự khác biệt giữa các khung hình sẽ đều chỉ ra các điểm chuyển cảnh Trong chuyển cảnh sẽ bao gồm 2 loại :

- Chuyển cảnh đột ngột (nhanh): Đây là những chuyển cảnh gây ra bởi

việc chỉnh sửa của người làm video

- Chuyển cảnh từ từ (chậm): Đây là những chuyển cảnh do việc quay của

người làm video

II Phương pháp giấu tin dựa trên sự thay đổi khung cảnh

Việc giấu tin dựa trên phát hiện chuyển cảnh trải qua 3 giai đoạn chính:

- Video series parsing (Phân tích chuỗi video): Ở giai đoạn này video đầu

vào là vậtchứa sẽ được phân tích thành các frames (khung) riêng biệt Sau đó từ các frames sẽ thựchiện biến đổi DCT để thu được các hệ số cosin rời rạc Sau đó từ những hệ số đã biết của cáckhối trên những khung hình, sẽ tiến hành phát hiện chuyển cảnh (detect scene change)

- Giấu tin: Sau khi đã phát hiện ra các khung cảnh thay đổi, có thể thỏa

thuận với đốitượng cần trao đổi như: sẽ giấu vào frames chuyển cảnh nào, từ những frames đó sẽ xét xem thứ tự để giấu tin như thế nào, ở đây

có thể dùng LSB hoặc một số kỹ thuật khác để giấu

- Chuẩn hóa: Bước chuẩn hóa này nhằm mục đích hạn chế dư thừa dữ

liệu, loại bỏnhững phần tử cấu trúc phức tạp, nhưng vẫn đảm bảo không làm mất dữ liệu, tiết kiệmkhông gian lưu trữ

Cụ thể chi tiết các bước tiến hành trong 3 giai đoạn trên được thực hiện như sau:

1 Phát hiện chuyển cảnh

Hình 2.1 Quy trình giấu tin trong video dựa trên kỹ thuật phát hiện

chuyển cảnh

Video series parsing (Phân tích chuỗi video): ở bước phân tích chuỗi video sẽ tiến hành 3 nhiệm vụ là tách khung hình và biến đổi DCT và phát hiện chuyển cảnh

Bước 1: Tách khung hình

Các tham số trong một video gồm: Pixel mỗi khung hình, Bit trên mỗi khung hình; kích thước video…Để làm rõ hơn về các tham số này, hãy xét ví

dụ sau đây: Giả sử video có thể có thời gian (T) 1 giờ (3600 giây), kích thước khung hình 640 x 480 (R x C) ở độ sâu màu 24 bit và tỷ lệ khung hình 25 fps (số khung hình được hiển thị trong 1s) Các đặc trung của một số tham số được tính như sau [10, 14, 24]:

• Pixel mỗi khung hình = 640 * 480 = 307.200

• Bit trên mỗi khung hình = 307.200 * 24 = 7.372.800 = 7, 37 Mbits

• Tỷ lệ bit (BR) = 7.37 * 25 = 184, 25 Mbits / sec

• Kích thước video (VS) = 184 Mbits / sec * 3600 giây = 662.400 Mbits = 82.800 MB

Có thể tách một video thành các khung hình bằng thư viện OpenCV trên Python

Bước 2: Biến dổi hệ số DCT

Đối với bước biến đổi DCT thì từ những khung hình đã được tách hệ thống sẽ tiến hành xử lý trên từng khung hình nhằm biến đổi các hệ số từ miền không gian sang miền tần số

Hình 2.2 Quy trình biến đổi hệ số DCT

- Thực hành biến đổi DCT trên từng khối

N¿

[154 123192 180

123 123

136 154

254 198

239 180

154 154

136 180

123 123

154 154

123 136

136 110

180 154

180 166

123 123

123 123

180 154

128 136

136 167

123 136

123 105

110 136

110 149

123 123

166 149

154 180

136 136

198 154

136 136

123 136

180 166

154 136]

- Sau khi biến đổi ta được:

[ 162.330.5 108.440.6

20.0 72.3 10.5 32.3

−94.1 −60.1

−38.6 −83.4

12.3 −43.4

−5.4 −22.2

27.7 −15.5

−19.7 −11.5

−13.5 15.5

−3.3 7.1

−1.3 3.5

−0.9 −11.8

−5.5 −12.4

7.8 −16.3

14.3 −6.0 28.1 12.6

11.5 −6.0

−18.7 −12.8

7.7 12.0 5.9 10.7 ]

Hệ số DC biểu thị trung bình cộng của các giá trị pixel trong khối,

do đó nó thể hiện mức độ sáng của toàn bộ khối 8x8 và hệ số DC của ma trận trên chính là giá trị DC(F(0,0))

Bước 3: phát hiện chuyển cảnh

Đối với quá trình phát hiện chuyển cảnh thì sau khi đã có hệ số DCT cho mỗi khung hình hệ thống sẽ tiến hành tính toán sự khác biệt giữa các cặp khung hình để phát hiện ra sự thay đổi chuyển cảnh giữa các cặp khung hình Việc tính toán sự khác biệt giữa các cặp khung hình dựa trên công thức:

D(f k , f k+1)=∑u∑v[C k (u , v )−C k+1 (u , v )](¿)

Trong đó:

• D(f k , f k+1) là giá trị điểm chuyển cảnh hay còn gọi giá trị chênh lệch khung của f k và f k+1

• f k và f k+1 đại diện cho 2 khung hình liên tục

• f k (u, v) là giá trị pixel tại vị trí (u, v).

• Các DC của các khung liên tiếp được biểu diễn bởi C k (u , v ) và

C k+1 (u , v )

Dựa trên công thức trên Giả sử 1 video có 100 khung hình, để phát hiện chuyển cảnh, sẽ lấy hiệu hệ số DCT của từng cặp giá trị pixel tương ứng mỗi khung hình f k, f k+1 sau khi tính hiệu sẽ lấy tổng của chúng để tìm ra hệ số giá trị chênh lệch khung Nếu video có 100 khung hình tức sẽ phải tính hiệu của 99 cặp khung hình để tìm ra được sự khác biệt giữa chúng Thuật toán

phát hiện chuyển cảnh có khả năng phát hiện ngay cả những thay đổi nhỏ nhất trong một cảnh Khi đó, giá trị điểm chuyển cảnh sẽ đặt làm 1 Còn nếu không

có sự thay đổi nào được phát hiện thì điểm chuyển cảnh sẽ đặt về 0 Và nếu điểm chuyển cảnh lớn hơn 0 thì thủy vân sẽ nhúng vào đấy

2 Giấu tin

Bước quan trọng của phương pháp giấu tin trong video dựa theo sự phát hiện chuyển đổi cảnh là quá trình giấu tin Quá trình giấu tin được thực hiện khi tìm thấy điểm chuyển cảnh Nếu giá trị điểm chuyển cảnh lớn hơn 0 hoặc một ngưỡng nào đó thì tin sẽ được giấu vào khung hình của video

- Vì sao phải giấu tin vào các điểm chuyển cảnh?

• Giấu tin vào điểm chuyển cảnh trong video được cho là an toàn hơn so với giấu tin vào các khung hình bình thường vì các điểm chuyển cảnh có thể che giấu sự thay đổi nhỏ của pixel do giấu tin gây ra Ngoài ra, các điểm chuyển cảnh thường là những khu vực có nhiều chi tiết và màu sắc đa dạng, do đó, những thay đổi nhỏ của pixel tại các điểm này có thể bị che giấu bởi sự đa dạng của pixel và màu sắc trong khung hình

• Hơn nữa, giấu tin vào các điểm chuyển cảnh trong video cũng giúp tăng tính bảo mật của thông điệp bí mật, vì thường chỉ người nhận mới biết chính xác các điểm chuyển cảnh sẽ xuất hiện khi nào và ở đâu trong video Điều này làm cho việc tìm kiếm và phát hiện các thông điệp bí mật trở nên khó khăn hơn, đặc biệt đối với kẻ tấn công không biết chính xác vị trí của các điểm chuyển cảnh trong video

Tuy nhiên, nếu ta chỉ sử dụng điểm chuyển cảnh một cách đơn thuần để giấu tin, thì việc phát hiện sự giấu tin sẽ trở nên dễ dàng hơn Để khắc phục điều này, người ta thường kết hợp nhiều kỹ thuật giấu tin khác nhau, như tạo ra các kênh giấu tin khác nhau hoặc sử dụng các phương pháp mã hóa thông tin để làm cho thông tin giấu được bảo vệ tốt hơn

- Phương pháp giấu tin trên hệ số DCT

Sau khi phát hiện ra sự thay đổi cảnh (giá trị chênh lệch khung

D(f k , f k+1) > 0 ) thì khung hìnhf k+1 sẽ được dùng để giấu tin Khi đó thuật toán giấu tin sẽ được gọi, thuật toán được trình bày như sau: Đầu vào: khung hình được chọn, tin bí mật

Đầu ra: Khung đã được giấu tin

• Bắt đầu

1: Phát hiện khung hình có sự thay đổi cảnh

2: Xác định các hệ số DCT

3: Với mỗi block được chọn để giấu tin thì:

4: Đánh giá giá trị LSB của mỗi hệ số DCT

5: LSB của hệ số DCT đó được thay bằng k bit của tin

6: kết thúc

7: Giấu các bit tin nhắn vào trong khung hình video

8: kết thúc

Hình 2.3 Mô tả thuật toán giấu tin vào hệ số DCT

- Thuật toán giấu tin dùng LSB nâng cao

Thuật toán giấu tin vào hệ số DCT dùng LSB đơn thuần vẫn chưa đảm bảo được tính an toàn do các bit của tin được giấu lần lượt trên các hệ số DCT của khung hình

Do đó, một thuật toán mới được đề xuất để tăng thêm tính an toàn Xuất phát từ thuật toán giấu tin dùng LSB Trong thuật toán này, các bit của tin sẽ được nhúng vào các pixels có vị trí được xác định bởi một chuỗi giả ngẫu nhiên được tạo ra bởi hàm tạo chuỗi hỗn loạn dựa trên chỉ số Ở đây thuật toán dùng hàm Logistics Map 1D Có công thức như sau:

x n+1=µ x n(1−xn)

Trong đó: x0 là điều kiện ban đầu ( 0 < x0 < 1 )

µ là tham số điều khiển ( 3,6 < µ ≤ 4)

Chuỗi tạo ra sẽ được chuyển về các giá trị nguyên bằng cách nhân với số pixels của block tạo thành mảng số nguyên 1 chiều

• Thuật toán được mô tả như sau

1 Tạo một chuỗi số nguyên bằng cách sử dụng hàm tạo chuỗi hỗn loạn dựa trên chỉ số với x0 và μ là giá trị cho trước và lưu trữ chuỗi trong mảng một chiều A

2 Tách các kênh màu R , G ,B

3 For i -> 1 đến độ dài của mảng A

- Chọn một điểm ảnh màu đỏ, lục và lam tại vị trí A(i).

- Chọn ký tự tại vị trí thứ i của mảng tin và chuyển về nhị

phân

- Thay thế các bit LSB của các pixel trong các kênh màu R,G,

B với bit thứ i trong mảng tin theo phương pháp 3:3:2

4 Tập hợp lại các kênh màu R , G ,B để tạo thành khung hình đã được giấu tin

Thuật toán giấu tin sẽ được gọi lần cuối để nhúng các chỉ số của các khung hình được chọn vào khung hình đầu tiên do nó không được

sử dụng để giấu tin

3 Chuẩn hóa

Bước chuẩn hóa này nhằm mục đích hạn chế dư thừa dữ liệu, loại bỏ những phần tử cấu trúc phức tạp, nhưng vẫn đảm bảo không làm mất dữ liệu, tiết kiệm không gian lưu trữ

Quá trình chuẩn hóa gồm 4 giai đoạn:

a) Tiền xử lý

Trước khi chuẩn hóa dữ liệu, ta cần thực hiện các bước tiền xử lý để loại bỏ nhiễu và giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh, như ánh sáng, độ phân giải và nhiễu hạt

Trước khi tiến hành chuẩn hóa dữ liệu, chúng ta cần thực hiện các bước tiền xử lý để đảm bảo rằng dữ liệu đã được làm sạch và loại bỏ nhiễu

để đạt được kết quả chính xác hơn

Các yếu tố ngoại cảnh như ánh sáng, độ phân giải và nhiễu hạt có thể ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu Ánh sáng có thể tác động đến

độ tương phản và màu sắc của dữ liệu, trong khi độ phân giải có thể ảnh hưởng đến độ chi tiết của dữ liệu Nhiễu hạt có thể xuất hiện trong quá trình thu thập dữ liệu và gây ra nhiễu trong dữ liệu

b) Nén dữ liệu

Trong bước nén dữ liệu, video gốc và tin giấu được nén để giảm kích thước dữ liệu và tiết kiệm không gian lưu trữ Áp dụng các kỹ thuật nén dữ liệu như mã hóa hình ảnh, mã hóa âm thanh, giảm tỷ lệ khung hình

để giảm kích thước của video Áp dụng mã hóa video như MPEG-4 hoặc H.264 để giảm kích thước video và tăng tốc độ xử lý

Việc nén dữ liệu trong quá trình giấu tin giúp giảm kích thước dữ liệu của video và tin giấu, tăng tốc độ truyền tải dữ liệu và tiết kiệm không gian lưu trữ Tuy nhiên, việc nén dữ liệu cũng có thể gây ra mất mát thông tin và làm giảm chất lượng của video và tin giấu Do đó, cần phải cân nhắc và lựa chọn phương pháp nén dữ liệu phù hợp để đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin được giấu và chất lượng của video

c) Tối ưu hóa dữ liệu

Trong bước tối ưu hóa dữ liệu, các tham số kỹ thuật được lựa chọn

để cải thiện độ bí mật của tin giấu và giảm thiểu tác động của sự thay đổi trong video khi một thông tin được giấu Các tham số bao gồm:

• Mức độ giấu tin: Mức độ giấu tin xác định số lượng thông tin được giấu vào video Mức độ giấu tin càng cao thì độ bí mật của thông tin giấu càng được cải thiện, tuy nhiên cũng có thể làm cho

sự thay đổi trong video khi thông tin được giấu trở nên rõ ràng hơn

• Kích thước khối: Kích thước khối xác định kích thước của các khối dữ liệu được giấu vào video Kích thước khối nhỏ hơn sẽ làm cho thông tin được giấu trở nên khó phát hiện hơn, nhưng cũng tăng khả năng gây ảnh hưởng đến nội dung của video

• Ngưỡng giấu tin: Ngưỡng giấu tin là giá trị ngưỡng để quyết định xem một pixel trong video có thể được giấu thông tin hay không Ngưỡng giấu tin thấp sẽ làm cho thông tin được giấu vào nhiều pixel hơn, tăng độ chính xác của thông tin giấu, nhưng cũng có thể gây ra nhiễu ảnh và làm giảm chất lượng video

• Hệ số tương quan: Hệ số tương quan xác định mức độ tương quan giữa các khối dữ liệu được giấu vào video Khi hệ số tương quan cao, các khối dữ liệu sẽ được giấu vào các vị trí tương tự nhau trong video, giúp giảm tác động của sự thay đổi trong video khi thông tin được giấu

d) Chia nhỏ dữ liệu

Dữ liệu đã được giấu được chia thành các khối nhỏ hơn để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu khi truyền qua mạng hoặc lưu trữ trong một vùng nhớ cụ thể Khi dữ liệu được chia thành các khối nhỏ hơn, nếu xảy

ra lỗi ở một khối dữ liệu nào đó, chỉ khối đó sẽ bị ảnh hưởng và các khối

dữ liệu khác vẫn được giữ nguyên tính toàn vẹn Việc chia dữ liệu thành các khối nhỏ hơn cũng giúp trong việc quản lý và truy cập dữ liệu

Sau khi chuẩn hóa cả khung hình ảnh video gốc khung hình chứa tin mật, 2 hệ số DWT của chúng sẽ được kết hợp lại và tạo ra khung ảnh có giấu tin theo công thức

S(p,q) = αC(p,q) + βR(p,q) Trong đó:

• C(p,q) là hệ số DWT của ảnh trong video gốc

• p,q chỉ các cột và hạng của pixel trong ảnh video gốc;

• S là hệ số DWT đã được chỉnh sửa của ảnh giấu tin;

• R(p,q) là hệ số DWT của thủy vân;

• α, β là 2 yếu tố cải thiện độ bí mật của tin giấu và α+β= 1 Hai yếu tố này được lựa chọn sao cho thủy vân là không thể phân biệt được trong video đã được nhúng

III Quy trình tách tin

Quá trình tách tin nhằm khôi phục lại thông tin đã giấu trong video thông qua việc thực hiện các bước ngược lại so với quá trình giấu tin Trước khi bắt đầu quá trình tách tin, người giấu tin và người tách tin cần thống nhất

về các khung cảnh và ngưỡng phát hiện chuyển cảnh để sử dụng trong quá trình giấu và tách tin

1 Chọn các khung cảnh

Người giấu tin và người tách tin thỏa thuận chọn lựa các khung cảnh

để giấu tin Các khung cảnh này sẽ được sử dụng làm đầu vào cho quá trình giấu tin và tách tin

2 Phân tích hệ số DC

Mỗi khung cảnh của video giấu tin được phân tích để lấy hệ số DC của

nó Hệ số DC là thành phần trung bình của toàn bộ hệ số của khung cảnh, cung cấp thông tin về mức độ sáng tối của khung cảnh đó

Mỗi khung cảnh được chia thành các khối 8x8 pixel, và cho qua bộ giải

mã DCT (Discrete Cosine Transform) để thu được hệ số DCT của từng khối Sau đó, ta lấy hệ số DCT tại vị trí (0,0) của mỗi khối để thu được hệ số DC của khung cảnh đó Hệ số DC này được lưu trữ lại để sử dụng cho việc phát hiện chuyển cảnh và khôi phục thông tin đã giấu

3 Phát hiện chuyển cảnh

Sau khi đã thu được hệ số DC cho mỗi khung cảnh, ta sẽ sử dụng chúng để phát hiện các chuyển cảnh trong video Một chuyển cảnh là sự thay đổi đáng kể trong nội dung của khung cảnh giữa hai khung liền kề

Để phát hiện chuyển cảnh, ta so sánh giá trị hệ số DC của khung cảnh hiện tại với giá trị hệ số DC của khung cảnh trước đó Nếu giá trị này vượt quá một ngưỡng định trước, ta xác định rằng có một chuyển cảnh xảy ra giữa hai khung cảnh đó

Ngưỡng phát hiện chuyển cảnh là một giá trị số cố định và được thỏa thuận trước giữa người giấu tin và người tách tin Giá trị này được chọn sao cho đủ nhạy cảm để phát hiện chuyển cảnh, nhưng đồng thời không quá nhạy