thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi cosine rời rạc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRẦN THỊ SON THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2010 Th¸i Nguyªn - 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRẦN THỊ SON THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐẶI COSINE RỜI RẠC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. BÙI THẾ HỒNG Thái Nguyên - 2010 Th¸i Nguyªn - 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả đạt được trong luận văn này là do tôi nghiên cứu, sưu tầm, tổng hợp và sắp xếp lại phù hợp với yêu cầu của luận văn. Toàn bộ những điều được trình bày trong khóa luận hoặc là của cá nhân, hoặc được tham khảo và tổng hợp từ các nguồn tài liệu khác nhau. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan của mình. Nếu có điều gì sai trái, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2010. Học viên Trần Thị Son Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn nghiên cứu “Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc” tác giả nhận được sự hướng dẫn quý báu của các thầy cô, anh chị, các bạn và các em. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến sự hỗ trợ giúp đỡ của nhiều người: Trước hết tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy kính mến PGS.TS Bùi Thế Hồng, người đã tận tình giúp đỡ tác giả về đề tài về kiến thức và tinh thần cho tác giả trong suốt quá trình hoàn thành tốt luận văn. Xin cảm ơn các Thầy trong hội đồng bảo vệ đề cương đã cho tôi những quý báo để hoàn chỉnh luận văn này. Thành công của tác giả phải kể đến sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn lớp CHK7 trường Đại học Thái Nguyên, các bạn đã giúp tác giả thu thập tài liệu, ủng hệ về tinh thần và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành tốt luận văn của mình. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các bạn. Xin cảm bố mẹ, người chồng yêu quý đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập làm việc hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN viii LỜI NÓI ĐẦU 1 1. Giới thiệu tổng quan về đề tài. 1 2. Lý do chọn đề tài 1 3. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài 1 4. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng 2 5. Ý nghĩa khoa học 2 6. Phương pháp nghiên cứu 2 7. Bố cục của luận văn 2 Chương 1: Tổng quan về thuỷ vân ảnh số 2 Chương 2: Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc(DCT) 3 Chương 3: Thiết kế và phát triển chương trình thử nghiệm 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THUỶ VÂN ẢNH SỐ 4 1.1. Cấu trúc một số loại ảnh thông dụng 4 1.1.1. Khái niệm về ảnh số 4 1.1.2. Ảnh bitmap (BMP) 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv 1.1.3. Ảnh JPEG (Joint Photographic Expert Group) 6 1.2. Giấu tin trong ảnh 7 1.2.1. Khái niệm giấu tin 7 1.2.2. Mục đích của việc giấu tin 7 1.3. Giới thiệu về thuỷ vân 7 1.3.1. Thuỷ vân là gì? 7 1.3.2. Phân loại thuỷ vân 8 1.3.3. Mục đích của việc “Thuỷ vân” 10 1.3.4. Truyền thông tin mật (Steganography) 13 1.4. Thuỷ vân ảnh số 14 1.4.1. Thông tin trong ảnh có bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào trên ảnh 15 1.4.2. Thuỷ vẩn ẩn hay thuỷ vân hiện 15 1.4.3. Tính chất bền vững 15 1.4.4. Thuỷ vân cái gì 15 1.5. Thuỷ vân trên đa phương tiện (video, audio,…) 18 1.6. Những tấn công trên hệ thuỷ vân 19 1.7. Những khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật thuỷ vân 19 1.7.1. Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh 19 1.7.2. Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh 21 1.8. Một số kỹ thuật bổ trợ cho các kỹ thuật thuỷ vân số trên ảnh 22 CHƢƠNG II: THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC (DCT) 24 2.1. Phép biến đổi Cosine rời rạc 24 2.1.1. Định nghĩa biến đổi Cosine rời rạc hai chiều 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v 2.1.2. Đặc điểm của phép biến đổi DCT trên ảnh hai chiều: 25 2. 2. Các thuật toán thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 28 2.3. Một số cải tiến, mở rộng đối với các thuật toán thuỷ vân dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 42 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 51 3.1. Cài đặt một số thuật toán thuỷ vân dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 51 3.2. Cài đặt một số cải tiến đối với thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 57 3.3. Đánh giá và so sánh kết quả đạt được 65 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1: Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân 8 Hình 1.2: Ví dụ về thuỷ vân hiện (Trên trang Web thƣ viện số của Liên Bang Mỹ) 9 Hình 1.3: Ảnh Lena đã nhúng thuỷ vân là logo ở hình bên phải 10 Hình 1.4: Hai ảnh trƣớc và sau khi giấu tin giống hệt nhau 11 Hình 1.5: Thực chất bên trong ảnh có chứa thông tin ngƣời chủ sở hữu 12 Hình 1.6: Sơ đồ nhúng thuỷ vân và tìm lại thuỷ vân 13 Hình 1.7: Thuỷ vân dòng Text vào ảnh chủ 16 Hình 1.8: Kết quả thu đƣợc khi thực hiện thuỷ vân 16 Hình 1.9: Kết quả thu đƣợc khi thuỷ vân bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ 17 Hình 2.1: Ảnh Lena.bmp 26 Hình 2.2: Năng lƣợng phân bố của ảnh qua phép biến đổi DCT 26 Hình 2.3: Phân chia 3 miền tần số ảnh của phép biến đổi DCT 27 Hình 2.4: Quá trình nhúng thuỷ vân 30 Hình 2.5: Ảnh chủ trong kỹ thuật DCT 34 Hình 2.6: Ảnh thuỷ vân trong kỹ thuật DCT 34 Hình 2.7: Ảnh thu đƣợc sau khi thuỷ vân trong kỹ thuật DCT 34 Hình 2.8: Quá trình giải mã 35 Hình 2.9: Ảnh thu đƣợc sau khi tách thuỷ vân 37 Hình 2.10. Ảnh Lena.BMP 512 × 512 a = 10 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii Hình 2.11: Ảnh Lena sau khi giấu tin 40 Hình 2.12: Ảnh Lena sau 5 lần tấn công làm sắc 40 Hình 2.13: Các ảnh mô tả cropping 41 Hình 2.14: Ảnh chủ 48 Hình 2.15: Ảnh thuỷ vân 48 Hình 2.16: K = 5; Cỡ khối = 8 49 Hình 2.17: K = 5; Cỡ khối = 16 49 Hình 3.1: Ảnh chủ 66 Hình 3.2: Ảnh thuỷ vân 66 Hình 3.3: Ảnh sau khi thuỷ vân theo Shoemarker 66 Hình 3.4: Ảnh sau khi thuỷ vân bằng kỹ thuật cải tiến 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN Bảng 1: Chọn một khối ảnh bất kỳ 8x8 32 Bảng 2: Thu đƣợc khối 8x8 sau khi biến đổi DCT 32 Bảng 3: Thu đƣợc khối 8x8 sau khi biến đổi ngƣợc DCT 33 Bảng 4: Thực nghiệm với ảnh Lena.Bmp 512 × 512 (chƣa nén JPEG) 38 Bảng 5: Thực nghiệm với ảnh Lena.Bmp 512 × 512 với các trƣờng hợp nén JPEG 39 Bảng 6: Kết quả kiểm nghiệm với phép tấn công làm sắc ảnh 39 [...]... đổi Cosine rời rạc 2 Các thuật toán thuỷ vân ảnh dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 3 Một số cải tiến, mở rộng đối với các thuật toán thuỷ vân dựa vào phép biến đổi cosine rời rạc Chƣơng 3: Thiết kế và phát triển chƣơng trình thử nghiệm 1 Cài đặt một số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 2 Cài đặt một số cải tiến đối với thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc. .. gian ảnh hoặc trên miền biến đổi ảnh Hiện tại, người ta đã sử dụng các phép biến đổi rời rạc như phép biến đổi Fourier (DFT), phép biến đổi Cosine (DCT) và phép biến đổi sóng nhỏ (DWT) Phép biến đổi cosine rời rạc viết tắt là DCT (Discrete Cosine Transform) được sử dụng rất phổ biến trong kỹ thuật xử lí ảnh số nói riêng và xử lí tín hiệu số nói chung Trong các kỹ thuật thuỷ vân ảnh dựa trên phép biến đổi. .. thuỷ vân ảnh số 1 Cấu trúc một số loại ảnh thông dụng 2 Giấu tin trong ảnh 3 Giới thiệu về thủy vân 4 Thuỷ vân ảnh số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 5 Thuỷ vân trên đa phương tiện(video, audio) 6 Những tấn công trên hệ thuỷ vân 7 Những khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật thuỷ vân Chƣơng 2: Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc( DCT) 1 Phép biến. .. giấu Nghĩa là tổng số bít có thể được nhúng và được lấy ra một cách đáng tin cậy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 24 CHƢƠNG II: THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC (DCT) 2.1 Phép biến đổi Cosine rời rạc Biến đổi cosine rời rạc viết tắt là DCT - Discrete Cosine Transform được đưa ra bởi Ahmed và các đồng nghiệp của ông vào năm 1974 Từ đó... không gian các điểm ảnh, có nhiều phép biến đổi cho dữ liệu ảnh trong đó có một số phương pháp biến đổi được sử dụng rất phổ biến như Fourier, biến đổi Cosine rời rạc, Wavelet…Các phép biến đổi này được sử dụng rất nhiều trong các kỹ thuật xử lí ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 22 Trong phần một số kỹ thuật bổ trợ cho các phương pháp thuỷ vân ở phần sau sẽ... rất phổ biến trong nhiều các kỹ thuật xử lí ảnh số nói riêng và các kỹ thuật xử lí tín hiệu số nói chung Trong các kỹ thuật thuỷ vân ảnh dựa trên phép biến đổi dữ liệu ảnh sang miền tần số thì phép biến đổi DCT cũng được sử dụng nhiều nhất Lí do ở đây là phép biến đổi DCT đã được dùng trong dạng chuẩn ảnh JPEG Nếu áp dụng DCT thì cũng theo chuẩn của JPEG và do đó sẽ tránh được mất thuỷ vân do phép nén... qua các kĩ thuật biến đổi Các biến đổi này làm nhiệm vụ chuyển miền biến số độc lập sang các miền khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rạc sẽ được biểu diễn trong các miền mới này với các biến số mới Phương pháp biến đổi này cũng giống như phương pháp đổi biến trong tính tích phân hay phương pháp đổi hệ toạ độ trong toán giải tích của toán phổ thông quen thuộc Mỗi một cách biến đổi sẽ có những thuật... tin thừa trong ảnh gốc, các thông tin được chọn để loại bỏ thường có đặc điểm ít gây chú ý với mắt người, có mặt chúng hay không con người cũng khó nhận thấy - Biến đổi Cosine rời rạc ảnh ban đầu được chia thành các khối 8*8 và thực hiện phép biến đổi Cosine rời rạc trên các khối này - Lượng tử hoá: Dựa vào ma trận lượng tử và công thức để lượng tử hoá các hệ số DCT (DCT Coefficients) Số hóa bởi Trung... lỗi thì sẽ làm sai cả kí tự và do đó chỉ cần một phép biến đổi đơn giản như phép biến đổi JPEG cũng có thể làm cho thuỷ vân bị sai lệch rất nhiều Ví dụ thuỷ vân dòng chữ “IBM” vào bức ảnh Hình 1.7.1: Ảnh chủ Hình 1.7.2: Text thuỷ vân (watermark) Hình 1.7: Thuỷ vân dòng Text vào ảnh chủ Kết quả thu được: Hình 1.8: Kết quả thu đƣợc khi thực hiện thuỷ vân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên... thể dùng ảnh để giấu, khi đó ta sẽ có ảnh trong ảnh Khi giải tin thì một số điểm ảnh có thể sai nhưng hình tổng thể sẽ được giữ nguyên Do đó khi lựa chọn ảnh làm thuỷ vân phải lựa chọn những bức ảnh đơn giản, dễ nhận dạng như logo, Ví dụ về thuỷ vân một bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ Hình 1.9: Kết quả thu đƣợc khi thuỷ vân bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ Trong những kỹ thuật gần đây, người ta sử dụng thuỷ vân là một . thuật thuỷ vân số trên ảnh 22 CHƢƠNG II: THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC (DCT) 24 2.1. Phép biến đổi Cosine rời rạc 24 2.1.1. Định nghĩa biến đổi Cosine rời rạc hai chiều. Phép biến đổi Cosine rời rạc 2. Các thuật toán thuỷ vân ảnh dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 3. Một số cải tiến, mở rộng đối với các thuật toán thuỷ vân dựa vào phép biến đổi cosine rời. đổi ảnh. Hiện tại, người ta đã sử dụng các phép biến đổi rời rạc như phép biến đổi Fourier (DFT), phép biến đổi Cosine (DCT) và phép biến đổi sóng nhỏ (DWT). Phép biến đổi cosine rời rạc viết