bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào các phép biến đổi rời rạc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG PHẠM THỊ THỦY BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI 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: PGS.TS. BÙI THẾ HỒNG Thái Nguyên – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Thế Hồng. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian lận tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng 11 năm 2013 Tác giả luận văn Phạm Thị Thủy LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Bùi Thế Hồng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp những tài liệu rất hữu ích để tôi có thể hoàn thành luận văn. Xin cảm ơn lãnh đạo Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân, bạn bè đồng nghiệp, những người luôn động viên, khuyến khích và giúp đỡ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành công việc nghiên cứu. Thái Nguyên, tháng 11 năm 2013 Tác giả luận văn Phạm Thị Thủy i MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục i Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ii Danh mục các bảng iii Danh mục các hình iv MỞ DẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài 2 5. Bố cục của luận văn 2 Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật giấu tin và thủy vân trên ảnh số 4 1.1 Tổng quan về kỹ thuật giấu tin 4 1.1.1 Định nghĩa 4 1.1.2 Vài nét về lịch sử giấu tin 4 1.1.3 Một số thuật ngữ cơ bản 5 1.1.4 Sự khác biệt giữa mã hóa và giấu tin 5 1.2 Giới thiệu về ảnh 6 1.2.1 Ảnh 6 1.2.2 Một số cấu trúc ảnh 8 1.2.3 Giấu tin trong ảnh 11 1.3. Những yêu cầu cơ bản của hệ thủy vân trên ảnh số 14 1.4 Những tấn công trên hệ thủy vân 16 1.5 Những ứng dụng chủ yếu của hệ thủy vân 17 1.5.1 Bảo vệ bản quyền tác giả 17 1.5.2 Nhận thực thông tin và phát hiện xuyên tạc thông tin 18 1.5.3 Lăn tay hoặc dán nhãn 18 1.5.4 Kiểm soát sao chép 18 1.6 Những khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật thủy vân 19 1.6.1 Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh 19 1.6.2 Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh 20 Chương 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào các phép biến đổi rời rạc 21 2.1. Các phép biến đổi rời rạc 21 2.1.1. Phép biến đổi Cosine rời rạc 21 2.1.2. Phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc 22 2.1.3. Phép biến đổi Fourier rời rạc. 25 2.2. Các thuật toán thủy vân ảnh số dựa vào các phép biến đổi rời rạc 26 2.2.1. Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 26 2.2.2. Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc 31 2.2.3. Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Fourier rời rạc 39 2.3. Kỹ thuật thủy vân ảnh tĩnh sử dụng kết hợp các phép biến đổi rời rạc 44 2.3.1. Giới thiệu 44 2.3.2. Kỹ thuật thủy vân sử dụng DWT kết hợp với DCT và hai ma trận số giả ngẫu nhiên cùng nhúng vào băng HL. 46 2.3.3. Kỹ thuật thủy vân sử dụng DWT kết hợp với DCT và hai ma trận số giả ngẫu nhiên cùng nhúng vào hai băng HL, LH. 48 2.3.4. Kỹ thuật thủy vân sử dụng DWT kết hợp với DCT và hai ma trận số giả ngẫu nhiên nhúng riêng biệt vào hai băng HL, LH 50 2.3.5. Kỹ thuật thủy vân sử dụng DWT kết hợp với DCT và hai ma trận số giả ngẫu nhiên cùng nhúng vào các băng tần chi tiết 52 Chương 3: Thiết kế và phát triển chương trình thử nghiệm 54 3.1 Các độ đo đánh giá hiệu quả 54 3.1.1 Độ cảm nhận của thủy vân 54 3.1.2 Độ bền vững của thủy vân 55 3.2 Kết quả thử nghiệm kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT 56 3.2.1 Kỹ thuật thủy vân của Shoemarker 547 3.2.2 Kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT kết hợp với hai ma trận số giả ngẫu nhiên 58 3.3 Kết quả thử nghiệm kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT và ma trận số giả ngẫu nhiên 59 3.4 Kết quả thử nghiệm kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp với phép biến đổi DCT 62 KẾT LUẬN 66 ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 ii NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT BMP Bitmap JPEG Joint Photographic Experts Group GIF Graphics Interchange Format PNG Portable Network Graphics DCT Discrete cosine transform DWT Discrete wavelet transform MSE Mean squared error PSNR Peak signal-to-noise ratio SR Similarity ratio SF Similarity factor iii DANH MỤC BẢNG TRONG LUẬN VĂN Bảng Tên các bảng trong luận văn Trang 3.1 Chất lượng ảnh nhúng thủy vân và thủy vân tìm lại được. Sử dụng phép biến đổi DWT và hai ma trận số giả nhúng riêng biệt vào băng HL, LH 61 3.2 Tính bền vững của thuỷ vân theo kỹ thuật thuỷ vân sử dụng DWT và ma trận số giả ngẫu nhiên trước một số tấn công 61 3.3 Chất lượng ảnh chứa thủy vân và thủy vân tìm lại được sử dụng DWT kết hợp với DCT và ma trận số giả ngẫu nhiên 64 3.4 Tính bền vững của thuỷ vân theo kỹ thuật thuỷ vân sử dụng DWT kết hợp với DCT và ma trận số giả ngẫu nhiên trước một số tấn công 64 iv DANH MỤC HÌNH TRONG LUẬN VĂN Hình Tên các hình trong luận văn Trang 1.1 Sự khác nhau giữa mã hóa và giấu tin 6 2.1 Lọc theo tần số thấp và tần số cao 23 2.2 Cấu trúc phân tích và ảnh phân tích được qua phép biến đổi DWT hai chiều mức 2 25 2.3 Ảnh gốc và năng lượng phân bố của ảnh qua phép biến đổi DCT 26 2.4 Phân chia 3 miền tần số ảnh của phép biến đổi DCT 27 2.5 Nhúng một thủy vân hình vòng trong miền DFT 41 2.6 Nhúng thủy vân trong miền DFT 43 2.7 Các hệ số biến đổi DFT 43 2.8 Lược đồ nhúng thủy vân sử dụng DWT kết hợp với DCT 45 2.9 Lược đồ trích thủy vân sử dụng DWT kết hợp với DCT 45 3.1 Nhúng thủy vân và giải nhúng theo Shoemarker 57 3.2 Nhúng thủy vân và giải nhúng sử dụng phép biến đổi DCT và hai ma trận số giả ngẫu nhiên 58 3.3 Nhúng thủy vân và giải nhúng sử dụng phép biến đổi DWT và ma trận số giả ngẫu nhiên 60 3.4 Nhúng thủy vân và giải nhúng sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp với phép biến đổi DCT và ma trận số giả ngẫu nhiên 63 1 Mở đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay thông tin số được sử dụng rộng rãi trong một môi trường mở, tài nguyên được phân phối đa người dùng, đa truy cập đã mang lại nhiều thuận lợi cho người sử dụng; bên cạnh đó vấn đề vi phạm bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy cập thông tin trái phép cũng gia tăng do đó nhu cầu bảo vệ bản quyền đối với các sản phẩm số sau khi chuyển giao là rất cần thiết và được nhiều cơ sở nghiên cứu quan tâm. Đây là một vấn đề nghiên cứu mới và phức tạp, trong một vài năm gần đây đã có nhiều hội nghị quốc tế về vấn đề này, một trong những giải pháp hữu hiệu được đưa ra là phương pháp thủy vân số (digital watermarking). Thủy vân trên ảnh số là một trong những kỹ thuật được phát triển sớm trong các kỹ thuật thủy vân nói chung. Hiện tại trên ảnh tĩnh người ta đã sử dụng một trong các kỹ thuật thủy vân: kỹ thuật thủy vân thay thế các bít ít ý nghĩa nhất (cách tiếp cận này khá đơn giản tuy nhiên độ bền vững của thủy vân không đảm bảo đối với các phép biến đổi ảnh). Bên cạnh đó có các kỹ thuật thủy vân khá bền vững trước những tấn công thông thường, đó là kỹ thuật thủy vân dựa vào các phép biến đổi rời rạc như phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc, phép biến đổi Cosine rời rạc, phép biến đổi Fourier rời rạc; tuy nhiên tính ẩn của thủy vân trong từng kỹ thuật đó chưa cao. Với mong muốn nghiên cứu, tìm hiểu các kỹ thuật thủy vân đảm bảo được tính ẩn và tính bền vững của thủy vân, trong kỳ làm luận văn tốt nghiệp cao học, tôi chọn đề tài “Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào các phép biến đổi rời rạc”. 2 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đề tài “Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào các phép biến đổi rời rạc” nghiên cứu, đánh giá các kỹ thuật thủy vân trên miền tần số của ảnh hai chiều tĩnh dựa vào các phép biến đổi rời rạc, từ đó đề xuất kỹ thuật thủy vân sử dụng kết hợp phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc và phép biến đổi Cosine rời rạc. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Định dạng file ảnh Kỹ thuật thủy vân trên miền tần số của ảnh Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào các phép biến đổi rời rạc. Các công cụ lập trình . 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài Về mặt lý thuyết: kết quả của đề tài là nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật thủy vân dựa vào các phép biến đổi rời rạc. Phát triển và cải tiến các kỹ thuật thủy vân trên ảnh tĩnh sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc kết hợp phép biến đổi Cosine rời rạc. Về mặt thực nghiệm: kết quả của đề tài làm phong phú thêm nguồn dữ liệu trong so sánh, đánh giá các kết quả của nhóm các kỹ thuật thủy vân bền vững cho ảnh số, bước đầu đề xuất kỹ thuật bảo vệ bản quyền ảnh số sử dụng kết hợp phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc và phép biến đổi Cosine rời rạc. 5. Bố cục của luận văn Luận văn gồm 3 chương và phần kết luận với các nội dung chính sau: 1. Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật giấu tin và thủy vân trên ảnh số. Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về giấu tin, [...]... khảo sát chính là miền 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 phép biến đổi Fourier rời rạc, Cosin rời rạc, sóng nhỏ rời rạc … 21 Chương 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào các phép biến đổi rời rạc Thuỷ vân trên ảnh số giống như một ảnh được “dán tem” sở hữu của người chủ Thuỷ vân phải mang thông tin có ý nghĩa... trình bày kỹ thuật thủy vân ảnh số trên miền tần số sử dụng phép biến đổi Cosine rời rạc (DCT), phép biến đổi sóng nhỏ (DWT), và phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 2.1 Các phép biến đổi rời rạc 2.1.1 Phép biến đổi Cosine rời rạc Biến đổi Cosine rời rạc viết tắt là DCT (Discrete Cosine Transform) do Ahmed và các đồng nghiệp của ông đưa ra vào năm 1974 Từ đó cho đến nay, nó được sử dụng rất phổ biến trong... hai chiều (ảnh số) Biến đổi Fourier rời rạc của một ảnh M × N: được định nghĩa như sau: N −1 N −1 v(k , l ) = ∑∑ u (m, n)w km w ln N N m =0 n =0 Với 0 . vân ảnh số dựa vào các phép biến đổi rời rạc 26 2.2.1. Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 26 2.2.2. Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc 31 2.2.3. Thủy vân ảnh. tài Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào các phép biến đổi rời rạc nghiên cứu, đánh giá các kỹ thuật thủy vân trên miền tần số của ảnh hai chiều tĩnh dựa vào các phép biến đổi. có các kỹ thuật thủy vân khá bền vững trước những tấn công thông thường, đó là kỹ thuật thủy vân dựa vào các phép biến đổi rời rạc như phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc, phép biến đổi Cosine rời rạc,