một số kỹ thuật cải tiến trong ẩn thông tin trên ảnh số

 I H C QU  C GIA THÀNH PH  H  CHÍ MINH TRNG I HC KHOA HC T NHIÊN  DNG MINH C MT S K THUT CI TIN TRONG N THÔNG TIN TRÊN NH S LUN ÁN TIN S CÔNG NGH THÔNG TIN Tp. H Chí Minh − 2014  I H C QU  C GIA THÀNH PH  H  CHÍ MINH TRNG I HC KHOA HC T NHIÊN  DNG MINH C MT S K THUT CI TIN TRONG N THÔNG TIN TRÊN NH S Chuyên ngành: KHOA HC MÁY TÍNH Mã s chuyên ngành: 62 48 01 01 Phn bin 1: TS. LÝ QUC NGC Phn bin 2: TS. LÊ THÀNH SÁCH Phn bin 3: TS. PHM VN HU Phn bin đc lp 1: PGS.TS. LNG CHI MAI Phn bin đc lp 2: TS. NGUYN TUN NAM Ngi hng dn khoa hc: PGS.TS. DNG ANH C  Tp. H Chí Minh − 2014 Li cm n Lun án này đc thc hin ti khoa Công Ngh Thông Tin, Trng i Hc Khoa Hc T Nhiên − i Hc Quc Gia Thành ph H Chí Minh. Lun án đc hoàn thành di s hng dn ca PGS.TS Dng Anh c. Li đu tiên, tôi xin bày t lòng bit n và kính trng sâu sc Thy Dng Anh c, ngi đã luôn bên cnh h tr và đng viên tôi trong sut quá trình thc hin lun án. Thy đã tn tình truyn th kin thc, ch bo và giúp đ tôi vt qua bao khó khn và th thách đ hoàn thành lun án. Tôi xin trân trng và bày t lòng bit n chân thành PGS.TS Trn an Th, PGS.TS Lê Hoài Bc, PGS.TS Nguyn ình Thúc, PGS.TS Lê ình Duy, TS. Trn Minh Trit, TS. Lê Thành Sách, TS. Trn Thái Sn, TS. inh Bá Tin đã có nhng nhn xét và đóng góp nhiu ý kin quý báu đ giúp tôi hoàn thin lun án này. Xin chân thành cám n quý Thy Cô trong khoa Công Ngh Thông Tin, trng i hc Khoa Hc T Nhiên đã tn tình ging dy, trang b cho tôi nhng kin thc b ích trong quá trình hc tp và nghiên cu. Tôi cng xin cám n Ban Giám Hiu, các cán b Phòng Sau i hc Trng i hc Khoa Hc T Nhiên đã to điu kin và giúp đ tôi trong thi gian hc tp và nghiên cu ti trng. Tôi xin gi li cám n đn các anh ch em, các bn đng nghip và đc bit là các anh em trong Phòng Thí Nghim MMLab − UIT đã luôn quan tâm giúp đ, đóng góp ý kin và h tr tôi trong sut quá trình thc hin lun án. Tôi xin kính tng lun án này cho Cha M và nhng ngi thân trong gia đình đã luôn bên cnh chm sóc, yêu thng, chia s và đng viên đ tôi có th tp trung hoàn thành nhim v ca mình. Tp. H Chí Minh, tháng 4 nm 2014 Dng Minh c L i cam đoan Tôi xin cam đoan lun án này là công trình nghiên cu khoa hc ca tôi. Các kt qu nghiên cu ca lun án là trung thc và cha tng đc ai khác công b trong bt k công trình nào khác. Dng Minh c i MC LC DANH SÁCH HÌNH iv DANH SÁCH BNG viii DANH SÁCH THUT NG, T VIT TT VÀ KÍ HIU ix M U 1 Tóm tt 1 Tng quan 1 Lí do thc hin đ tài 2 Mc tiêu đ tài 3 Phng pháp thc hin 3 Phm vi nghiên cu 3 óng góp chính ca lun án 4 Chng 1. TNG QUAN V K THUT N THÔNG TIN VÀ BIN I CONTOURLET TRÊN NH S 6 1.1 Gii thiu 6 1.2. Tng quan v n thông tin 6 1.2.1 Các khái nim c bn 6 1.2.2 Phân loi watermark 8 1.2.3 Nhng yêu cu c bn đi vi bài toán n thông tin 10 1.2.4 ng dng ca k thut n thông tin 14 1.3. Các k thut n thông tin trên nh 17 1.3.1. Phng pháp n trên min không gian 18 1.3.2. Phng pháp n trên min bin đi 18 1.4 C s lí thuyt ca phép bin đi contourlet 19 1.4.1 Gii thiu 19 1.4.2 Phng pháp bin đi contourlet 22 1.4.2.1 Các tính cht ca bin đi contourlet 23 1.4.2.2 Mô t thc hin 23 1.4.2.3 Bin đi Laplace Pyramid (LP) 23 1.4.2.4 Dàn lc có hng – Phân tích hng 25 1.4.2.5 Phân tích đa mc và đa hng 27 1.4.3 Phép bin đi contourlet không gim kích thc mu (NSCT) 29 1.4.3.1 Bin đi nonsubsampled pyramid (NP) 30 1.4.3.2 Dàn lc có hng NDFB (Nonsubsampled Directional Filter Banks) 31 1.4.3.3 Bin đi contourlet không gim kích thc mu 32 ii Chng 2. MÔ HÌNH N THÔNG TIN HAI GIAI ON TRÊN MIN CONTOURLET 33 2.1. Tng quan 33 2.1.1 Gii thiu 33 2.1.2 S lc thut toán nhúng thông tin điu bin lng t - QIM 36 2.2 Mô hình n thông tin hai giai đon trên min contourlet 40 2.2.1 Qui trình n thông tin c bn trên min contourlet 40 2.2.2 Qui trình n thông tin hai giai đon trên min contourlet 43 2.2.3. Qui trình trích thông tin 47 2.3 ánh giá kt qu thc nghim 49 2.4 Phân tích thc nghim 58 2.5 Kt chng 61 Chng 3. MÔ HÌNH N THÔNG TIN CI TIN TRÊN MIN CONTOURLET 63 3.1 Gii thiu 63 3.2 Mô hình n thông tin bn vng trc bin đi hình hc trên min contourlet 63 3.2.1 Tng quan v bin đi hình hc trên nh 64 3.2.2 Các vn đ có liên quan 67 3.2.3 Mô hình dùng min bt bin đ chng tn công hình hc 71 3.2.3.1 Qui trình nhúng kt hp chun hóa nh trên min contourlet 72 3.2.3.2 Qui trình trích thông tin Normalize-contourlet 74 3.2.3.3 ánh giá kt qu thc nghim 75 3.2.3.4 Kt lun phn 3.2.3 84 3.2.4 Chng tn công hình hc bng t đng b theo ni dung nh 84 3.2.4.1 Qui trình nhúng thông tin 84 3.2.4.2 Qui trình trích 88 3.2.4.3 ánh giá kt qu thc nghim 89 3.2.4.4 Kt lun phn 3.2.4 94 3.3 Mô hình n thông tin trên min contourlet dung lng cao và bn vng 94 3.3.1 Gii thiu 94 3.3.2 Mô hình n thông tin dung lng cao và bn vng 94 3.3.3 ánh giá kt qu thc nghim 97 3.3.4 Kt lun phn 3.3 103 3.4 ng dng xây dng mô hình n thông tin trên nh y khoa 103 3.5 Kt chng 107 Chng 4. MÔ HÌNH N THÔNG TIN KT HP H M 108 4.1. Gii thiu 108 iii 4.2. Kt hp h m vào mô hình n thông tin 109 4.2.1. Qui trình vn hành 111 4.2.2. Nguyên lí thit k 112 4.3 Thit k b điu khin m 113 4.3.1 Các bin và bin ngôn ng vào/ra 114 4.3.2 Xây dng các tp m và m hóa 114 4.3.3 Xây dng lut hp thành 117 4.3.4 ng c suy din – thit b hp thành 119 4.3.5 Kh m 120 4.4 Vn hành h thng n thông tin m đ gii quyt ba yu t mâu thun 120 4.5 ánh giá kt qu 122 4.6 Kt chng 124 KT LUN 125 DANH SÁCH CÔNG TRÌNH CÔNG B CA TÁC GI 128 TÀI LIU THAM KHO 129 iv DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 S đ khi kiu truyn thng (a) và truyn thông tin n (b) [33] 7 Hình 1.2 S đ nhúng thông tin [71] 7 Hình 1.3 S đ trích thông tin [71] 7 Hình 1.4 Watermark "nhìn thy đc" [38] 8 Hình 1.5 Watermark "trong sut" vi thông đip nhúng là logo (Digimarc.com) 9 Hình 1.6 Watermark "trong sut" vi thông đip nhúng là logo [38] 9 Hình 1.7 Mt vài phép bin đi hình hc trên nh [9] 10 Hình 1.8. Thang đo đ trong sut [43] 13 Hình 1.9. Các yêu cu mang tính đi nghch nhau ca mô hình n thông tin 14 Hình 1.10 nh gc và nh đã b thay đi [41] 17 Hình 1.11 S đ b lc khai thác min không gian và min bin đi 17 Hình 1.12 S phân rã hình tháp 20 Hình 1.13 Biu din nh c s wavelet (a) và contourlet (b) ca nh [54] 21 Hình 1.14 Mô hình cu trúc ca phép bin đi contourlet 22 Hình 1.15 V đng cong bng wavelet và contourlet [51] 22 Hình 1.16 Cu trúc dàn lc contourlet LP và DFB [58] 24 Hình 1.17 B lc phân tích tín hiu [58] 24 Hình 1.18 B lc tái to tín hiu [58] 24 Hình 1.19 Mt phng chia min tn s theo các hng [58] 25 Hình 1.20 Minh ha chia ph 2D thành các mnh mn bng DFB [52] 26 Hình 1.21 B lc Quincunx hai kênh [58] 26 Hình 1.22 Phép toán Shearing nh [58] 26 Hình 1.23 Minh ha biên nh khôi phc trn hn so vi wavelet [58] 27 Hình 1.24 Cu trúc dàn lc Pyramid DFB bin đi contourlet ri rc [54] 28 Hình 1.25 Minh ha bin đi contourlet nh Peppers [58] 28 Hình 1.26 Minh ha quá trình phát trin kích thc ca hàm contourlet [58] 29 v Hình 1.27 B lc nonsubsampled hai kênh [11] 30 Hình 1.28 S đ tháp Nonsubsampled [11] 31 Hình 1.29 Mt phng min tn s đc phân tích [11] 31 Hình 1.30 Dàn lc NDFB [11] 31 Hình 1.31 áp ng tn s ca hai b lc sau khi đã ly mu lên [11] 32 Hình 1.32 Ví d bn hng min tn s [11] 32 Hình 1.33 Biu din Nonsubsampled Contourlet (NSCT) 32 Hình 2.1 Thông đip m nhúng vào vect tín hiu mang × bng hàm s(×,m). 36 Hình 2.2 Các đim đánh du bng × và thuc v 2 b lng t khác nhau 37 Hình 2.3 iu bin dither vi bc nhy đng b [13] 39 Hình 2.4 iu bin dither vi bc nhy không đng b [13] 39 Hình 2.5 Nhúng mt bit/mu bng điu bin dither [13] 39 Hình 2.6 Minh ha các h s contourlet [58] 41 Hình 2.7 Biu din contourlet ca nh Barbara 42 Hình 2.8 Qui trình nhúng bng thut toán QIM trên min contourlet 42 Hình 2.9 Qui trình nhúng thông tin hai giai đon ci tin [5] 44 Hình 2.10.a Các h s kh thi ti subband đm bo b ba ràng buc G1 45 Hình 2.10.b Mô t chn và l 46 Hình 2.11 Qui trình nhúng thông tin giai đon 1 theo đc t chn l [26] 47 Hình 2.12 S đ mô t qui trình trích thông tin [26] 48 Hình 2.13 Qui trình trích thông tin giai đon 1 theo đc t chn l [26] 48 Hình 2.14 nh gc và watermark dùng thc nghim 50 Hình 2.15 So sánh kt qu giá tr PSNR trên cùng nh mc xám 51 Hình 2.16 Giá tr NC hai giai đon khi trích w di tn công JPEG 53 Hình 2.17 Nhúng logo kích thc 64x64 đ kim tra dung lng nhúng 54 Hình 2.18 Giá tr PSNR nhúng hai giai đon vi hai logo (32x32) và (64x64) 54 Hình 2.19 Kt qu trích watermark theo mô hình hai giai đon 54 Hình 2.20  trong sut (PSNR) và bn vng vi JPEG theo delta t ln đn nh 55 Hình 2.21 nh hng ca mt đ nhúng lên đ an toàn. 55 vi Hình 2.22 S mc phân tích contourlet và dung lng nhúng ti đa tng ng 56 Hình 2.23 Dung lng nhúng các mô hình 57 Hình 2.24 So sánh PSNR ca các mô hình 57 Hình 2.25 Tp nh gc dùng đ phân tích th nghim: 20 nh mc xám 58 Hình 2.26 PSNR các nh sau nhúng logo 64x64 59 Hình 2.27 NC các watermark trích 59 Hình 2.28 NC các watermark trích vi tn công nén JPEG 50% 60 Hình 2.29 NC các watermark trích vi tn công nén JPEG 40% 60 Hình 2.30 Histogram các nh phân tích 61 Hình 3.1 nh Lena b tn công bng Stirmark. 65 Hình 3.2 Mô hình truyn thông ca n thông tin [66] 67 Hình 3.3 Ba đim đc trng tr thành mt sau khi b kéo [14] 70 Hình 3.4 nh Lena gc (a) và nh b bin đi (b) có cùng nh chun hóa (c) [72] . 72 Hình 3.5 Qui trình nhúng dùng chun hóa nh trên min contourlet [21] 73 Hình 3.6 Qui trình trích thông tin Normalize-contourlet [21] 75 Hình 3.7 nh và nh chun hóa 76 Hình 3.8 (a) Quay 30 o (b) Kéo (c) Kéo và quay 30 o (d) nh chun hóa 76 Hình 3.9 Tp nh thc nghim 77 Hình 3.10 Kt qu NC sau tn công các loi 83 Hình 3.11 Dung lng n so sánh gia các mô hình 84 Hình 3.12 Nhúng thông tin đng b 86 Hình 3.13 Qui trình nhúng thông tin 88 Hình 3.14 (a) Lena (b) c t chn (c) c t l 89 Hình 3.15 Bn logo nh phân đ nhúng W- 64x64 90 Hình 3.16 Các đim đc trng SIFT đc ánh x đi chiu, quay 60 đ . 90 Hình 3.17 Các đim đc trng SIFT nh Barbara (a) 131 đim (b) 44 đim 91 Hình 3.18 Dung lng nhúng ca các mô hình 92 Hình 3.19 So sánh đ trong sut ca các mô hình 92 Hình 3.20 Ba đim đc trng có ta đ đc dùng làm thông tin t đng b. 93 [...]... quan v k thu t n thông tin và nh ng v liên quan K ti p là mô t bi i hai chi u contourlet trên mi n c chúng tôi s d ng trong các mô hình n thông tin 1.1 Gi i thi u cv chúng tôi trình bày các ph n thông tin ng pháp nhúng thông tin vào nh Các mô hình n xu t trong các c s này Ph n ti p gi i thi u bi chúng tôi s d ng , ti p theo s d ng các ki n th c c i contourlet, ây là mi n n thông tin mà trong các mô hình... xây d ng mô hình n thông tin có kh m m d o theo yêu c u c n hành linh ho t và i s d ng Kh o sát nh ng k t qu và thách th c n thông tin, các yêu c xây d ng mô hình b n v ng Nghiên c n mi n n thông tin và k thu t nhúng phù h p nh nh s , xây d ng các mô hình c i ti n n thông tin trên nh s th ph m i quy n: b n v ng, trong su t và ng Ph m vi nghiên c u tài t p trung nghiên c n v ng, trong su nh m nhúng... hình (Invisible) M t trong các yêu c u quan tr ng c a m t h th ng n thông tin là che gi u s t n t i c a thông tin n Vì th , vi c thi t k các h th ng n nh m c a h tri giác i, ng c m nh n c Theo tiêu chu ng c a thông tin n ph i c i hay trên i b ng th giác và thính giác Fabien Petitcolas [70], m c th p trong su t b ng PSNR là m c m nh n Tuy nhiên, trong h u h t các công trình nghiên c trong su t, nên chúng... n trong Jirka Klaue [43 xu t theo PSNR thành b n m 12 i tính trong su t Y u Ch p nh n 30 T t R tt t 35 PSNR 40 trong su t [43] Chúng tôi tham kh o trong su t c a mô hình và th c hi n so sánh trong nghiên c u (c) ecurity) H u h t các ng d ng n thông tin ph nhúng, u cg m b o tính b o m t c c b o m t thông tin n B o m cung c p m t khóa trong ch m a d li u N u c n ph i b o m t thì ta t o m t khóa m t trong. .. ti n trình nhúng và l y thông tin Có th chia thành hai m c: - M c cao nh i không có quy n s c hay gi c thông tin nhúng và c ng không th phát hi n có d li u ch a thông tin n - M c th hai: cho phép m i phát hi n nh c thông tin n n u có d li u c n u không có khóa m t Nh ng h th ng y có ích trong vi c b o v b n quy n nh Khi m t nh n quy c i dùng s nh n thông báo Các h th ng khai trong m t ph n m m ch nh... trong các mô hình c a mình t 1.2 T ng quan v n thông tin 1.2.1 Các khái ni , 3 và 4 n Theo Husrev T Sencar [33], n thông tin (data hiding) là k thu t che gi u b ng cách nhúng thông tin i d ng d li u s vào trong m t tín hi u g c hay còn g i là v t mang (host/cover signal), mà không t o ra s bi n khác là steganography – y là i v n i dung c truy n thông tin d a trên m t kênh (hình 1.1) Tín hi u mang n i dung... a theo yêu c 1 ng nhúng t t, vô hình, ho i dùng; g m các v c th sau: xu t c i ti n k thu t n thông tin d a trên mi n bi i contourlet b ng vi c phát tri n thành công mô hình n thông tin m i, có kh yêu c u v 2 ng linh i quy c các n thông tin an toàn và b n v ng ([CT2], [CT3], [CT4]) xu t mô hình nh thông tin trên nh ng kh m ng các yêu c u c a bài toán n cao so v i các ti p c gi khác v các y u t : b n... watermark): thông tin ra ây là 8 là t và Hình 1.5 Watermark "trong su t" v i thông (Ngu n: Digimarc.com) Hình 1.6 Watermark "trong su t" v Watermark Watermark p nhúng là logo p nhúng là logo [38] (Fragile-watermark (Robust-watermark): k hay trích thông tin: Trích không mù (Non-blind watermark): có Trích mù (Blind watermark): không mù, 9 này 1.2.3 ng bài toán (a) Theo Pierre Moulin [67], m n thông tin c... liên quan quan tr ng c n gi i quy t trong k thu t nhúng nhi u thông tin mà v ch c c liên quan trên thì k thu t n thông tin ph i gi i quy t các bài toán m i nh m V n nhi c này C th , nhi u v i v i bài t n m c th u này c c ti p t c theo nhu c u th c t ng công trình khoa h c công b c n thông tin [61] Theo th ng kê c a nhóm nghiên c u Hussain Nyeem [61] v s bài báo công b trên các t p chí khoa h c uy tín... công hình h c ng gi i quy t thêm hai v n ng nhúng tôi áp d ng mô hình này vào vi c n thông tin b nh án cho nh y khoa h th ng n thông tin k t h p v i h m D a trên các k t qu c các mô hình r i r c trong chúng tôi hi n th c hóa và liên k t các mô hình trên thành m t h th ng v n hành linh ho t và m m d o theo yêu c u n thông tin c i s d ng cho m o v b n quy n và xác th c n i dung Cu i cùng là ph n k t lu . bài toán n thông tin 10 1.2.4 ng dng ca k thut n thông tin 14 1.3. Các k thut n thông tin trên nh 17 1.3.1. Phng pháp n trên min không gian 18 1.3.2. Phng pháp n trên min. đon trên min contourlet 40 2.2.1 Qui trình n thông tin c bn trên min contourlet 40 2.2.2 Qui trình n thông tin hai giai đon trên min contourlet 43 2.2.3. Qui trình trích thông tin. trên nh và cng là min n thông tin đc chúng tôi s dng trong các mô hình n thông tin. 1.1 Gii thiu Trong chng này, sau phn tóm lc v n thông tin và các khái nim liên quan,