Watermarking dùng wavelets đối với ảnh số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ THANH HÀ WATERMARKING DÙNG WAVELETS ĐỐI VỚI ẢNH SỐ Chuyên ngành: VẬT LÝ ĐIỆN TỬ HƯỚNG KỸ THUẬT Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ HƯỚNG KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS. TSKH. NGUYỄN KIM SÁCH Tp. HCM, tháng 06 năm 2009 ITp. HCM, tháng 06 năm 2009 LỜI CẢM ƠN Em xin gởi đến Thầy PGS.TSKH. Nguyễn Kim Sách lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc về sự hướng dẫn chu đáo và nhiệt tình của Thầy. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện tử - Viễn thông cùng các Thầy cô tham gia giảng dạy đã hết lòng truyền đạt các kiến thúc quý báu trong suốt thời gian em học tập tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã hết lòng hỗ trợ tôi trong suốt thời gian tôi học tập và thực hiện luận văn Thạc sĩ. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 06 năm 2009 i MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vii Danh mục các bảng viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ix MỞ ĐẦU x Chương I : Tổng quan watermarking 1 1.1 Khái quát về vấn đề giấu thông tin 1 1.1.1 Định nghĩa giấu thông tin 2 1.1.2 Vài nét về lịch sử giấu tin 3 1.1.3 Mô hình kỹ thuật giấu thông tin và một số thuật ngữ 4 1.1.4 Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện 5 1.2 Quyền sở hữu trí tuệ và kỉ nguyên số 7 1.3 Phân loại watermarking 9 1.4 Những ứng dụng của kỹ thuật watermarking 12 1.4.1 Bảo vệ quyền tác giả (Copyright Protection) 12 1.4.2 Xác nhận thông tin ảnh và tình trạng nguyên vẹn dữ liệu (Image Athentication and Data Integrity) 13 1.4.3 Lấy dấu vân tay hay dán nhãn (Fingerprinting and Labeling) 13 1.4.4 Theo dõi quá trình sử dụng (Tracking) 14 1.4.5 Kiểm tra giả mạo (Tamper Proofing) 14 1.4.6 Kiểm tra truyền thông (Broadcast Monitoring) 14 ii 1.4.7 Truyền tin bí mật (Concealed Communication): 14 Chương II : Bài toán watermarking 15 2.1 Quá trình xử lý watermark 15 2.1.1 Quá trình nhúng 16 2.1.2 Phân bố 17 2.1.3 Quá trình trích 18 2.1.4 Giai đoạn quyết định 20 2.2 Mối quan hệ với mật mã (Crytography) 21 2.3 Hệ thống cảm nhận của người (HVS: Human Visual System) 22 2.3.1 Độ nhạy tương phản 23 2.3.2 Độ nhạy tần số không gian 24 2.3.3 Hiệu ứng Masking 25 2.3.4 Tóm tắt về HVS 25 2.4. Các thuộc tính cần có của watermark 25 2.4.1 Tính bảo mật (Security) 25 2.4.2 Tính không nhìn thấy (Imperceptibility) 26 2.4.3 Tính bền vững (Robustness) 27 2.4.4 Khả năng tải thông tin (Payload capacity) 28 2.4.5 Chứng minh quyền sở hữu thật sự 28 2.4.6 Tính linh hoạt 28 2.4.7 Khả năng cải tiến và nhúng nhiều watermark 29 2.4.8 Khôi phục watermark cần hay không cần dữ liệu gốc 29 2.4.9 Tính phổ thông 30 iii 2.4.10 Tính rõ ràng 30 2.4.11 Độ tin cậy trong quá trình dò tìm và rút trích 30 2.4.12 Chống lại sự xuyên tạc 30 2.4.13 Tính khả đảo của watermark 31 2.4.14 Tối thiểu hóa sự thay đổi các pixel 32 2.4.15 Tối thiểu hóa sự can thiệp của con người 32 Chương III: Cơ sở lý thuyết phép biến đổi Wavelets 33 3.1 Phép biến đổi Fourier kinh điển và những nhược điểm 33 3.2 Phép biến đổi Fourier thời gian ngắn 34 3.3 Độ phân giải của tín hiệu và nguyên lý bất định 35 3.4 Lý thuyết về biến đổi wavelets 37 3.4.1 Giới thiệu 37 3.4.2 Biến đổi Wavelet liên tục 39 3.4.3 Biến đổi wavelets rời rạc DWT (Discrete Wavelet Transform) 42 3.4.4 Phân tích đa phân giải 45 3.4.5 Tái tạo (tổng hợp) wavelet 47 3.4.6 Các bộ lọc tái tạo 47 3.5 Ưu điểm của wavelets và ứng dụng 48 3.5.1 Ưu điểm của wavelets 49 3.5.2 Một số ứng dụng nổi bật của Wavelet 49 3.5.2.1. Nén tín hiệu 49 3.5.2.2. Khử nhiễu 49 3.5.2.3. Mã hoá nguồn và mã hoá kênh 49 iv 3.6 Giới thiệu một số họ wavelets 50 3.6.1 Biến đổi Wavelet Haar 50 3.6.2. Biến đổi Wavelet Daubechies 50 3.6.3. Biến đổi Wavelet Biorthogonal (song trực giao) 51 3.6.4. Biến đổi Wavelet Coiflets 52 3.6.5. Biến đổi Wavelet Symlets 53 3.6.6. Biến đổi Wavelet Morlet 53 3.6.7. Biến đổi Wavelet Mexican Hat 54 3.9.8. Biến đổi Wavelet Meyer 54 Chương IV: Một số Thuật toán Watermarking 55 4.1 Phương pháp watermarking trong miền không gian ảnh (spatial domain) 55 4.1.1 Quá trình chèn watermark vào hình ảnh 55 4.1.2 Quá trình phát hiện watermark 56 4.2 Phương pháp watermarking dùng DCT 57 4.3 Phương pháp watermarking trải phổ 61 4.4. Phương pháp watermarking dùng biến đổi Wavelets 61 4.4.1 Lý do dùng phân tích wavelet 61 4.4.2 Watermarking dùng phân tích wavelet 62 4.4.3 Watermarking ảnh số dùng biến đổi Wavelets 65 4.4.3.1 Quá trình nhúng watermark 66 4.4.3.2 Quá trình trích watermark 66 4.4.3.3 Kiểm tra tính bền vững 66 Chương V: Các dạng tấn công 69 5.1 Khái quát về tấn công 69 v 5.2 Vấn đề bảo mật 71 5.3 Phân loại tấn công cố ý 71 5.3.1 Tấn công loại bỏ (Removal attack) 72 5.3.2 Tấn công hình học (Geometric attack) 73 5.3.3 Tấn công mã hóa (Cryptographic attack) 73 5.3.4 Tấn công giao thức (Protocal attack) 74 5.4 Sơ lược biện pháp chống lại những kẻ tấn công 74 5.5 Giới thiệu về chuẩn nén JPEG 76 5.6 Giới thiệu về chuẩn nén JPEG2000 77 Chương 6: Giải thuật mô phỏng 78 6.1 Lưu đồ giải thuật 78 6.2 Các bước thực hiện 83 Chương 7: Kết quả watermarking trong miền wavelets 84 7.1 Giao diện chương trình 84 7.2 Khảo sát quá trình watermarking trong trường hợp chưa bị tấn công 87 7.2.1 Khảo sát việc lực chọn ảnh watermark 87 7.2.2 Khảo sát việc lựa chọn kích thước ảnh gốc 89 7.2.3 Khảo sát việc lựa chọn băng tần nhúng 90 7.2.4 Khảo sát việc lựa chọn các họ wavelets 92 7.3 Khảo sát ảnh sau watermarking bị tấn công 95 7.3.1 Tấn công bằng nén JPEG 95 7.3.2 Tấn công bằng nén JPEG2000 95 7.3.3 Tấn công bằng các thao tác xử lý ảnh 96 vi Kết luận và hướng phát triển 99 Tài liệu tham khảo vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CWT: Continuous Wavelet Transform Biến đổi Wavelet liên tục DCT: Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosine rời rạc DES: Data Encryption Standard Chuẩn mật mã hóa dữ liệu DFT: Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DVD: Digital Versatile Disc Đĩa quang DWT: Discrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc EZW: Embedded Zerotree Wavelet Wavelet cây zero HVS: Human visual system Hệ thống cảm nhận nhìn ở người IDWT: Invert Discrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc ngược JPEG : Joint Photographic Experts Group Chuẩn nén ảnh JPEG quốc tế JPEG200: Joint Photographic Experts Group 2000 Chuẩn nén ảnh JPEG2000 MRA: Multi Resolution Analysis Phân tích đa phân giải MSE: Mean Square Error Sai số bình phương trung bình PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu QMF: Quardrature Mirror Filters Bộ lọc gương cầu tứ phương RSA: Rivest, Shamir và Adleman Phương pháp bảo mật dữ liệu STFT: Short Time Fourier Transform Biến đổi Fourier thời gian ngắn WDT: Wavelet Decomposition Tree Cây phân giải Wavelet viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 7.1: Ảnh sau khi nhúng watermark tương ứng với 6 ảnh gốc, MSE, PSNR và các giá trị tương quan với watermark là copyright 101 Bảng 7.2: Ảnh watermark trích, MSE, PSNR và hệ số tương quan với watermark là Copyright. 102 Bảng 7.3: Ảnh sau khi nhúng tương ứng 5 watermark khác nhau vào ảnh gốc Lena, MSE, PSNR và các giá trị tương quan. 103 Bảng 7.4: Ảnh sau khi nhúng tương ứng 4 ảnh gốc có kích thước khác nhau, MSE, PSNR và các giá trị tương quan với watermark là Square. 104 Bảng 7.5: Ảnh sau khi nhúng ảnh square vào ảnh flower, MSE, PSNR và các giá trị tương quan với các băng tần nhúng khác nhau. 107 Bảng 7.6: Ảnh sau khi nhúng ảnh square vào ảnh flower, MSE, PSNR và các giá trị tương quan với các hàm phân tích wavelet khác nhau 108 Bảng 7.7: Ảnh trích, MSE, PSNR và tương quan giữa watermark trích và watermark sau khi tấn công JPEG với các tỉ lệ nén khác nhau của ảnh gốc flower, watermark là square. 110 Bảng 7.8: Ảnh trích, MSE, PSNR và tương quan giữa watermark trích và watermark sau khi tấn công JPEG2000 với các tỉ lệ nén khác nhau của ảnh gốc flower, watermark là square. 111 Bảng 7.9: Ảnh trích, MSE, PSNR và các hệ số tương quan sau khi tấn công JPEG2000 sau một số tấn công xử lý ảnh 112 [...]... và watermarking V i tài Watermarking dùng wavelets là kh o sát trên nh màu v i các thu t watermarking trong mi n bi n i v i nh s ” Ph m vi c a tài nh d ng nh khác nhau, và ch th c hi n gi i i wavelets Lu n văn chia làm 2 ph n chính: ph n th nh t tìm hi u lý thuy t, th hai là vi t chương trình mô ph ng th c hi n watermarking nh s Lu n văn trình bày gi i thu t nhúng và trích logo trong mi n bi n i wavelets, ... n wavelets không b t n công ho c b t n công b i m t s lo i t n công mà lu n văn ưa ra xiii Phân b c a lu n văn như sau: 1 Gi i thi u t ng quan v watermarking 2 Bài toán watermarking 3 Cơ s lý thuy t phép bi n i Wavelets 4 M t s Thu t toán Watermarking 5 Các d ng t n công 6 Gi i thu t mô ph ng 7 K t qu watermarking trong mi n wavelets 8 K t lu n và hư ng phát tri n Trang 1 Chương I : T ng quan watermarking. .. và qu ng cáo có th dùng k thu t digital watermarking qu n lý xem có bao nhiêu khách hàng ã dùng d ch v cung c p 1.4.7 Truy n tin bí m t (Concealed Communication): Vì digital watermarking là m t d ng (steganography) nên ngư i ta có th dùng c bi t c a k thu t che gi u d li u truy n các thông tin bí m t Trang 15 Chương II : Bài toán watermarking Watermarking không nhìn th y thư ng ư c dùng cho nh (nhúng... thu t watermarking Trong lĩnh v c watermarking, các i u ki n m t h th ng watermarking c n ph i th a luôn tùy thu c vào ng d ng c a nó Vì v y, trư c khi xét ki n, cũng như cách thi t k h th ng watermarking c n xét n các i u n các ng d ng c a k thu t watermarking Ngoài ra ta còn th y r ng hi n không có m t gi i thu t watermarking nào là hoàn h o c và m i gi i thu t watermarking nm c u ph i chú tr ng... DANH M C CÁC HÌNH V , TH Hình 1.1: Mô hình gi u thông tin trong nh trang 4 Hình 1.2: Phân lo i watermarking 9 Hình 1.3: Phân lo i các thu t toán watermarking d a trên mi n bi n i dùng cho quá trình nhúng watermarking .10 Hình 1.4: Phân lo i thu t toán watermarking d a vào ng d ng c a watermarking1 1 Hình 2.1: Mô hình gi u d li u d ng t ng quát 15 Hình 2.2: Mô hình t ng quát giai... (Tracking): Digital watermarking có th ư c dùng theo dõi quá trình s d ng c a các digital media M i b n sao c a s n ph m ư c ch a m t watermark duy nh t dùng xác nh ngư i ư c phép s d ng là ai N u có s nhân b n b t h p pháp, ta có th truy ra ngư i vi ph m nh vào watermark ư c ch a bên trong digital media 1.4.5 Ki m tra gi m o (Tamper Proofing): Digital watermarking có th s thay ư c dùng ch ng s gi m... Bi n i Cosin (DCT) Hình 1.3 : Phân lo i các thu t toán watermarking d a trên mi n bi n i dùng cho quá trình nhúng watermarking K thu t watermarking có th chia thành 4 lo i theo úng lo i tài li u nhúng watermark bao g m: • nh • Video • Văn b n • Âm thanh • nh d ng a phương ti n c bi t (ví d như ho t hình) Theo h th ng nhìn c a con ngư i k thu t watermarking s có th chia thành các lo i sau: • Watermark... g i là h th ng watermarking khóa công khai (public key) G n ây, sơ watermarking b t chìa khóa khác nhau cho vi c nhúng và xác Sơ g i là sơ i x ng [20] ư c ưa ra s d ng nh ng nh watermark watermarking cho phép trích thông i p không i h i nh g c ư c watermarking mù (blind) Phương pháp trích ho c xác nh d a vào Trang 19 m t vài d li u ho c c tính xu t phát t nh g c ư c g i là thu t toán watermarking bán... lo i khóa dùng trong quá trình watermarking ta phân bi t theo: • Khóa cá nhân (private key); • Khóa công khai (public key); • Các sơ watermarking b t i x ng khác Trang 20 2.1.4 Giai o n quy t nh Trong giai o n này, h th ng watermarking phân tích d li u trích Ph thu c vào lo i ng d ng và b n ch t c a thông i p, có th có m t s yêu c u khác nhau Trong ng d ng ch ng sao chép, ngõ ra c a h th ng watermarking. .. u, khóa bí m t dùng nhúng watermark nh g c ư c s d ng, i u này t o i u ki n thu n l i r t l n cho h th ng watermarking và vi c xác nh watermark tương i d làm Ta g i h th ng xác nh n s d ng chìa khóa bí m t (cá nhân) và nh g c là h th ng watermarking nonoblivious, non-blind, private Nh ng trư ng h p khác không s d ng chìa khóa cá nhân ho c nh g c trong quá trình trích thông i p H th ng watermarking này . nén ảnh và watermarking. Với đề tài Watermarking dùng wavelets đối với ảnh số . Phạm vi của đề tài là khảo sát trên ảnh màu với các định dạng ảnh khác nhau, và chỉ thực hiện giải thuật watermarking. 7.1: Giao diện mô phỏng watermarking ảnh số dùng wavelets 84 Hình 7.2: Quá trình nhúng ảnh copyright vào trong ảnh gốc Lena. 85 Hình 7.3: PSNR, Correlation của ảnh nhúng với các băng tần khác. pháp watermarking dùng DCT 57 4.3 Phương pháp watermarking trải phổ 61 4.4. Phương pháp watermarking dùng biến đổi Wavelets 61 4.4.1 Lý do dùng phân tích wavelet 61 4.4.2 Watermarking dùng