nghiên cứu watermarking trên ảnh số và ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM HUỲNH MÃ ĐÔNG GIANG 9912142 LÊ VIỆT HÙNG 9912030 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cám ơn Khoa Công Nghệ Thông Tin, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TpHCM đã tạo điều kiện tốt cho chúng em thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này. Chúng em xin chân thành cám ơn Thầy Dương Anh Đức, Thầy Trần Minh Triết đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Chúng em xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô trong Khoa Công Nghệ Thông Tin đã tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quí báu trong bốn năm học vừa qua. Chúng con xin nói lên lòng biết ơn sâu sắc đối với Ông Bà, Cha Mẹ đã chăm sóc, nuôi dạy chúng con thành người. Xin chân thành cám ơn các anh chị, các bạn và các em đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên chúng em trong thời gian học tập và nghiên cứu. Mặc dù chúng em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em kính mong nhận được sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn. Sinh viên thực hiện Lê Việt Hùng – Huỳnh Mã Đông Giang Tháng 7, năm 2003 ii LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc xây dựng và đổi mới của đất nước ta hiện nay, công nghệ thông tin được xem là một nghành kinh tế mũi nhọn. Tin học hóa đời sống xã hội đang được nhà nuớc ta quan tâm thực hiện và bước đầu đã gặt hái được nhiều thành quả to lớn tiến đến mục tiêu 500 triệu USD của ngành phần mềm vào năm 2005. Một sự kiện đáng lưu ý trong tháng 6 năm 2003 là sự bùng nổ viễn thông khi Dịch vụ điện thoại internet, Dịch vụ internet băng thông rộng ADSL và mạng S-fone được Bộ Bưu chính viễn thông chính thức ký quyết định triển khai. Điều đó cho thấy, cùng với sự bùng nổ của mạng máy tính toàn cầu, mạng internet ở nước ta giờ đây đã là một phần không thể thiếu trong cuộc sống của người dân thành thị. Bên cạnh những lợi ích thiết thực mà mạng máy tinh đem lại, chúng ta cũng đang đối đầu với những thử thách liên quan đến các vấn đề truyền thông bảo mật và đặc biệt là vấn đề phân phối các tài liệu đa phương tiện sao cho bảo đảm quyền sở hữu trí tuệ. Tình trạng sao chép bất hợp pháp, giả mạo các tác phẩm số hóa gây búc xúc không chỉ riêng các tác giả mà còn cho cả những người làm pháp luật. Sau gần 700 năm kể từ khi phát minh watermark trên giấy ra đời ở Fabriano, Ý [ 3], một khái niệm tương tự áp dụng cho các tài liệu đa phương tiện đã được đông đảo cộng đồng khoa học quốc tế nghiên cứu và lĩnh vực này thật sự phát triển mạnh vào những năm cuối của thập niên 90. Watermarking là một kỹ thuật mới cho phép nhúng thông tin tác giả, gọi là một watermark, vào các tài liệu số hóa sao cho chất lượng trực quan của tài liệu iii không bị ảnh hưởng và khi cần có thể dò lại được watermark đã nhúng nhằm xác nhận bản quyền. Watermarking trên ảnh có thể xem là một kỹ thuật ẩn dấu thông tin (steganography) đặc biệt nhằm đưa các dấu hiệu vào ảnh số. Hai hướng áp dụng chính của kỹ thuật watermarking trên ảnh là xác nhận (chứng thực) thông tin và đánh dấu bảo vệ bản quyền. Hệ thống watermarking được xây dựng chủ yếu trên các kỹ thuật watermarking. Tuy nhiên, việc lựa chọn các kỹ thuật nào và áp dụng hệ thống vào ứng dụng cụ thể gì, cũng như cần thiết phải có những công nghệ, thiết bị, hay một nghi thức gì khác để hỗ trợ hệ thống hoạt động là các vấn đề không kém phần quan trọng. Ngoài ra khi xây dựng hệ thống phải tính đến các yếu tố khác như hệ thống được quản lý như thế nào? Được tích hợp vào hệ thống nào khác? Môi trường ứng dụng? v.v…Hiện thực được các hệ thống này sẽ góp phần làm phát triển các kỹ thuật watermarking và ngược lại. Trên thực tế, đã có nhiều quốc gia tiên tiến ứng dụng watermaking vào các hệ thống chứng thực nội dung, bảo vệ bản quyền, kiểm soát sao chép, nhưng đối với nước ta lĩnh vực này vẫn còn mới mẻ. Chính vì vậy, chúng em đã tập trung thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ watermarking trên ảnh số và ứng dụng” với mục tiêu tìm hiểu, thử nghiệm, đánh giá và ứng dụng các phương pháp watermarking trên ảnh số, trên cơ sở đó, xây dựng một số qui trình công cụ bảo vệ và xác nhận bản quyền trên ảnh số. Phần nghiên cứu lý thuyết watermarking, ngoài những nghiên cứu chung về watermarking, đề tài này sẽ đi sâu vào nghiên cứu những kỹ thuật watermarking trên ảnh số mới nhất, đó là những kỹ thuật watermarking trên ảnh màu, và những iv kỹ thuật watermarking trên miền wavelet rất được quan tâm hiện nay, đặc biệt phù hợp với xu hướng nén ảnh theo chuẩn mã hóa mới nhất, đó là JPEG2000. Phần ứng dụng lý thuyết watermarking của đề tài, chúng em phải cài đặt một số thuật toán watermarking, đồng thời xây dựng một hệ thống dịch vụ watermarking thực hiện các kỹ thuật watermarking trên ảnh số. Hệ thống này có thể áp dụng được vào trong việc đáp ứng các nhu cầu như hỗ trợ bảo vệ tác quyền ảnh số, quản lý việc phân phối các tác phẩm ảnh số của các tác giả, và giúp xác nhận nội dung ảnh số. Tất cả những nhu cầu này đều là những nhu cầu bức xúc trong thực tế hiện nay. Một ví dụ nhỏ áp trong lĩnh vực xác nhận (chứng thực) nội dung ảnh số của hệ thống này là hỗ trợ việc cấp phát bằng cấp bằng ảnh số. Ngoài ra, trong quá trình thực hiện đề tài chúng em còn phải nghiên cứu nhiều vấn đề khác liên quan để thực hiện hệ thống của mình, như các vấn đề về công nghệ, các vấn đề trong truyền thông mạng, mã hóa thông tin, xử lý ảnh v.v nhằm phát huy hết những thuận lợi của hệ thống , áp dụng được trong thực tiễn. Nội dung của luận văn được trình bày bao gồm 10 chương, trong đó, 6 chương đầu trình bày các vấn đề về lý thuyết và 4 chương cuối tập trung vào hệ thống ứng dụng Chương 1. Tổng quan về watermarking: Giới thiệu lịch sử phát triển của watermarking, các tính chất và các lĩnh vực ứng dụng của watermarking. Chương 2. Các mô hình watermarking: Trình bày các quan điểm khác nhau khi xem xét một hệ thống watermarking. Chương 3. Các thuật toán watermarking: Trình bày các tiêu chí phân loại thuật toán và giới thiệu một số thuật toán minh họa. v Chương 4. Watermarking trên miền wavelet: Trình bày đặc điểm của biến đổi wavelet và các kỹ thuật watermarking trên miền này. Chương 5. Watermarking trên ảnh màu: Giới thiệu các phương pháp tiếp cận và một số thuật toán watermarking cụ thể làm việc trên ảnh màu. Chương 6. Watermark có độ an toàn cao và tấn công watermark: Giới thiệu các phương pháp tạo ra một watermark có độ an tòan cao, đồng thời giới thiệu một số tình huống tấn công watermark và cách giải quyết. Chương 7. Hệ thống watermarking services system WSS: Giới thiệu ứng dụng WSS. Chương 8. Phân tích và thiết kế. Chương 9. Cài đặt và thử nghiệm. Chương 10: Tổng kết: Là chương cuối cùng của đề tài nhằm đánh giá các kết quả đã đạt được cùng với hướng mở rộng trong tương lai. vi MỤC LỤC MỤC LỤC vii DANH SÁCH HÌNH xii DANH SÁCH BẢNG xv MỘT SỐ THUẬT NGỮ xvii Chương 1. TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING 1 1.1 1.2 Lịch sử watermarking 1 Các tiêu chí cần có của một thuật toán watermarking mạnh mẽ 3 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 1.2.9 Tính bảo mật 3 Tính vô hình 4 Tính vô hình đối với thống kê 4 Tỉ lệ bit 4 Quá trình dò đáng tin cậy 5 Tính mạnh mẽ 5 Nhúng nhiều watermark 6 Blind/non-blind, public/private watermarking 6 Watermarking đọc được và dò được 7 1.2.10 Tính khả đảo và tính thuận nghịch của watermark 8 1.2.11 Tính có thể thay đổi tỉ lệ (scalability) 9 1.3 Các ứng dụng của watermarking 10 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 Theo dõi phát sóng 10 Nhận ra người chủ sở hữu 12 Bằng chứng về quyền sở hữu 14 Lưu vết giao tác hay dấu vân tay 15 vii 1.3.5 1.3.6 Xác nhận nội dung 16 Kiểm soát sao chép 18 Chương 2. CÁC MÔ HÌNH WATERMARKING 22 2.1Mô hình dựa trên quan điểm xem watermarking như một dạng truyền thông 22 2. 1. 1 2. 1. 2 Mô hình cơ bản 22 Mô hình watermarking theo quan niệm truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển 24 2. 1. 3 Mô hình watermarking theo quan niệm truyền thông đa công 25 2.2Mô hình dựa trên quan điểm hình học 27 2. 2. 1 2. 2. 2 Các phân phối và miền trong không gian đa phương tiện 27 Mô hình watermarking trong không gian nhúng 28 Chương 3. CÁC THUẬT TOÁN WATERMARKING 31 3.1 3.2 Phân loại 31 Các thuật toán theo dạng cộng 33 3.2.1 3.2.2 3.2.3 Dẫn nhập 33 Các vấn đề liên quan 36 Ví dụ: thuật toán Cox .39 3.3Các thuật toán theo dạng lượng tử hóa 40 3.3.1 3.3.2 3.3.3 Dẫn nhập 40 Các vấn đề liên quan 42 Ví dụ: thuật toán Koch .50 Chương 4. WATERMA RKING TRÊN MIỀN WAVELET 53 4.1 4.2 Dẫn nhập 53 Biến đổi wavelet 54 4. 2. 1 Phương pháp 54 viii 4.2.2 Các đặc tính và các lợi thế 57 4.3Các thuật toán ví dụ 61 4. 3. 1 4. 3. 2 Ví dụ về thuật toán non- blind 61 Ví dụ về thuật toán blind 69 Chương 5. WATERMARKING TRÊN ẢNH MÀU 73 5.1 5.2 Tổng quan về các thuật toán nhúng watermark trên ảnh màu 73 Các thuật toán ví dụ 75 5. 2. 1 5. 2. 2 Thuật toán nhúng watermark trên kênh xanh da trời (blue) 75 Thuật toán nhúng watermark trên nhiều kênh 78 Chương 6. WATERMARK CÓ ĐỘ AN TOÀN CAO VÀ TẤN CÔNG WATERMARK 81 6.1Các phương pháp tiếp cận nhằm tạo Watermark có độ an toàn cao 81 6. 1. 1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 [...]... gian này, một số tổ chức đã quan tâm đến kỹ thuật watermarking với những mức độ khác nhau Chẳng hạn CPTWG thử nghiệm hệ thống watermarking bảo vệ phim trên DVD SDMI sử dụng watermarking trong việc bảo vệ các đoạn nhạc Hai dự án khác được liên minh châu Âu ủng hộ, VIVA và Talisman đã thử nghiệm sử dụng watermarking để theo dõi phát sóng Vào cuối thập niên 1990, một số công ty đưa watermarking vào thương... watermark của A và thay vào đó watermark của mình Để đạt được mức bảo mật trong bằng chứng tác quyền, cần giới hạn tính khả dụng của bộ dò Đối với kẻ trộm không có một bộ dò, việc bỏ watermark thì rất khó khăn phức tạp Như thế khi A và B ra tòa, A dùng ảnh gốc và ảnh tranh cãi đưa vào bộ dò và bộ dò sẽ cho ra watermark của A Tuy nhiên cũng có một dạng hệ thống watermarking mà B có thể dùng và làm như thể... các nhà phân phối nhạc trên internet sử dụng Liqid Audio áp dụng 1 công nghệ của Verance Corporation Trong lĩnh vực watermarking ảnh, Photoshop đã tích hợp một bộ nhúng và bộ dò watermark tên là Digimarc Ngày nay, các công ty chuyên kinh doanh các hệ thống watermarking đã tăng đáng kể, dưới đây là một số ví dụ về các công ty và sản phẩm trong lĩnh vực watermarking: Các hệ thống watermarking âm thanh... đó lại được dùng để đánh giá độ an toàn của các sản phẩm thương mại sử dụng watermarking có giá trị trên thị trường Vì vậy với một ứng dụng watermarking, một khi biết được cách làm việc của bộ nhúng và bộ dò, việc làm cho watermark không đọc được thường rất dễ dàng Hơn nữa một số kỹ thuật sử dụng dữ liệu gốc trong quy trình dò và thường thì các giải pháp loại này không khả thi trong thực tế Alpha Tec... watermark có thể xóa khỏi ảnh chủ mỗi khi nội dung của nó được biết 1.2.11 Tính có thể thay đổi tỉ lệ (scalability) Trong [ 10], tác giả thảo luận về các yêu cầu tính toán của các thuật toán watermarking, trong đó có đoạn "Trong các ứng dụng thương mại, chi phí tính toán cho việc nhúng và trích là rất quan trọng Trong một số ứng dụng việc chèn vào chỉ có thể thực hiện một lần và offline” Do đó, chi phí... hơn để xử lý với các vấn đề chẳng hạn như các biến dạng hình học 1.3 Các ứng dụng của watermarking Phần này trình bày tất cả các ứng dụng của watermarking trên hầu hết các tài liệu đa phương tiện (ảnh, âm thanh, phim), bao gồm: Theo dõi phát sóng ( broadcast watermarking ) Nhận ra người chủ sở hữu ( owner identification ) Bằng chứng của quyền sở hữu ( proof of owner ship ) Lưu vết giao tác hay dấu vân... Sjooblom Đây là ảnh thử thông thường nhất trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý ảnh và đã xuất hiện không biết bao nhiêu mà kể ở các bào báo hội nghị nhưng không ai tham khảo tên người sở hữu hợp pháp của nó, đó là hãng Playboy Ban đầu nó là một ảnh phóng to lồng giữa các trang của tạp chí Playboy ( Tháng 11- 1972 ) Khi ảnh được Scan và dùng cho mục đích kiểm thử, hầu hết ảnh đã bị xén chỉ còn khuôn mặt và vai của... cần có của một thuật toán watermarking mạnh mẽ Tùy thuộc vào từng ứng dụng, kỹ thuật watermarking có những đòi hỏi khác nhau Tuy nhiên có một số yêu cầu chung mà mà hầu hết các ứng dụng thực tế phải đạt được 1.2.1 Tính bảo mật Giống như trong lĩnh vực mã hóa, tính hiệu quả của một thuật toán không thể dựa vào giả định là các kẻ tấn công không biết cách mà watermark được nhúng vào tài liệu đa phương tiện... phát biểu nó: Thay vì cố chứng minh trực tiếp quyền sở hữu bằng cách nhúng một watermark “A sở hữu ảnh này”, ta nên cố chứng minh một ảnh bắt nguồn từ ảnh khác Một hệ thống như vậy cung cấp một bằng chứng gián tiếp rằng khả năng ảnh tranh cãi là của A cao hơn B, trong đó A là người có phiên bản mà từ đó hai ảnh khác tạo ra 1.3.4 Lưu vết giao tác hay dấu vân tay Trong ứng dụng này, watermark lưu lại... triển hệ thống watermarking 'SureSign' dùng cho bảo vệ bản quyền và hệ thống 'VeriData' dùng để xác thự tính toàn vẹn của các ảnh số Digimarc Các công nghệ có bằng sáng chế của Digimarc cho phép dữ liệu kĩ thuật số được nhúng trong các tài liệu có giá trị như giấy tờ tài chính, thị thực, giúp ngăn chặn giả mạo, trộm và sử dụng không được 2 Bảng - 1: Các công ty và sản phẩm trong lĩnh vực watermarking . tài Nghiên cứu công nghệ watermarking trên ảnh số và ứng dụng với mục tiêu tìm hiểu, thử nghiệm, đánh giá và ứng dụng các phương pháp watermarking trên ảnh số, trên cơ sở đó, xây dựng một số. và xác nhận bản quyền trên ảnh số. Phần nghiên cứu lý thuyết watermarking, ngoài những nghiên cứu chung về watermarking, đề tài này sẽ đi sâu vào nghiên cứu những kỹ thuật watermarking trên ảnh. hiệu vào ảnh số. Hai hướng áp dụng chính của kỹ thuật watermarking trên ảnh là xác nhận (chứng thực) thông tin và đánh dấu bảo vệ bản quyền. Hệ thống watermarking được xây dựng chủ yếu trên các