thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu

1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG    PHẠM QUỐC KIM THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH SỬ DỤNG PHÉP BIẾN ĐỔI MỞ RỘNG HIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2014 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG    PHẠM QUỐC KIM THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH SỬ DỤNG PHÉP BIẾN ĐỔI MỞ RỘNG HIỆU 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. Phạm Văn Ất Thái Nguyên - 2014 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Những nội dung trong luận văn “Thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy PGS.TS. Phạm Văn Ất. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên 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 trá, tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn. Thái Nguyên, tháng 09 năm 2014 Phạm Quốc Kim 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS.Phạm văn Ất, Thầy đã cho tôi những định hướng, tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi những ý kiến rất quý báu để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin cảm ơn Trường Đại Học Công Nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại Học Thái Nguyên đã hết sức tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học, làm và hoàn thành khóa luận này. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Sau đại học Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên đã nhiệt tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô, bạn bè đã dìu dắt, giúp đỡ tôi tiến bộ trong suốt quá trình làm khóa luận tốt nghiệp. Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người bạn của tôi đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ vi LỜI NÓI ĐẦU 9 CHƢƠNG 1TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN 11 1.1. Một số vấn đề cơ bản về giấu tin 11 1.1.1. Khái niệm giấu tin 11 1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin và ứng dụng 11 1.1.3. Mô hình kỹ thuật giấu tin 12 1.2. Một số vấn đề cơ bản về thủy vân 15 1.2.1. Khái niệm về thủy vân 15 1.2.2. Phân loại thủy vân 15 1.2.3. Các ứng dụng của thuỷ vân với ảnh số 16 1.2.4. Một số tính chất của sơ đồ thủy vân 17 1.3. Ảnh số 19 1.3.1. Phân loại ảnh 19 1.3.2. Histogram của ảnh 20 1.3.3. Chất lượng ảnh 21 1.4. Một số lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân 21 1.4.1. Lược đồ giấu tin Wu-Lee 21 1.4.2. Lược đồ giấu tin THA 27 CHƢƠNG 2MỘT SỐ LƢỢC ĐỒ GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH 30 2.1. Tổng quan về thủy vân thuận nghịch 30 2.2. Bài toán overflow-underflow trong thủy vân thuận nghịch 31 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.3. Một số hướng tiếp cận trong thủy vân thuận nghịch 31 2.3.1. Dịch chuyển histogram 31 2.3.2. Sử dụng đặc trưng nén JPEG 37 2.3.3. Sử dụng nén bảo toàn 43 2.3.4. Sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu 44 2.3.5 Lược đồ thủy vân thuận nghịch Tian 48 2.3.6 Một số cải tiến của phương pháp mở rộng hiệu 50 CHƢƠNG 3CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 55 3.1. Thuật toán nhúng dấu thủy vân 55 3.2. Thuật toán trích dấu thủy vân 56 3.3. Kết quả thực nghiệm 56 3.4. Mã nguồn chương trình 59 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, TIẾNG ANH Chữ viết tắt Diễn giải Ý nghĩa Watermarking Thủy vân số Fragile Dễ vỡ Robust bền vững PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu. perceptual insignificant Trực giác JPEG Joint Photographic Experts Group Phương pháp nén ảnh DCT Discrete Cosine Transform Phép biến đổi cosine rời rạc IMG Image Ảnh IMG. Run – Length Nén loạt dài 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤCHÌNHVẼ Tênhình Ýnghĩa Hình1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin Hình1.2 Mô hình thuật toán nhúng tin Hình1.3 Mô hình trích tin Hình1.4 Phân loại thủy vân theo mục đích ứng dụng Hình1.5 Biểu đồ histogram của ảnh màu Pepper Hình2.1 Điểm Peak và Zero Hình2.2 Các đường chéo của khối DCTLT Hình 2.3 Xét một khối DCT lượng tử Hình2.4 Lược đồ nhúng tinLS Hình3.1 Các ảnh gốc và dấu thủy vân sử dụng trong thử nghiệm Hình3.2 Các ảnh gốc và dấu thủy vân tương ứng với ảnh gốc Hình 3.1 Hình3.3 Ảnh dấu thuỷ vân trích được và khôi phục các ảnh gốc từ ảnh thuỷ vân trên Hình 3.2. DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng Ý nghĩa Bảng1 Kết quả tiền xử lý và nhúng tin Bảng2 Kết quả trích tin và khôi phục ảnh gốc 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NÓI ĐẦU Một trong những thành tựu quan trọng của những thập niên cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21 là sự ra đời phát triển của mạng Internet. Mọi người đều có thể kết nối vào Internet để tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng thông qua nhà cung cấp dịch vụ Internet. Người dùng có thể đọc các thông tin mới nhất, tra cứu các thư viện số, tìm thông tin lĩnh vực mình quan tâm. Bên cạnh đó các nhà cung cấp sản phẩm cũng sẵn sàng cung cấp dữ liệu của mình cho người dùng thông qua mạng. Tuy nhiên việc phân phối một cách phổ biến các tài nguyên trên mạng hiện nay luôn gặp phải vấn nạn sao chép và sử dụng không hợp pháp.Kỹ thuật thuỷ vân đang được xem là một trong những giải pháp quan trọng trong việc bảo vệ bản quyền và xác thực tính toàn vẹn của dữ liệu số. Trong nhiều ứng dụng ngoài việc trích thủy vân người ta còn muốn khôi phục lại ảnh gốc. Vì vậy những năm gần đây xuất hiện một hướng nghiên cứu mới là thủy vân thuận nghịch. Trong giấu tin và thủy vân thuận nghịch thường sử dụng các phép biến đổi nguyên khả nghịch như dịch chuyển Histogram, Wavelet nguyên, phép biến đổi tương phản, phép biến đổi mở rộng hiệu, ….Trong số đó kỹ thuật giấu tin và thủy vân dựa trên phép biến đổi mở rộng hiệu đạt được hiệu quả cao nên đang được nhiều người quan tâm.Chính vì vậy em chọn đề tài “Thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu”làm luận văn tốt nghiệp của mình. Bố cục của Luận văn gồm 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin và thuỷ vân. Chương 2: Một số lược đồ giấu tin và thuỷ vân thuận nghịch. Chương 3: Chương trình thử nghiệm. 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông-Thái Nguyên, đặc biệt sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Phạm Văn Ất. Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! [...]... loại thủy vân Dựa vào mục đích sử dụng, thủy vân số có thể được phân loại như hình sau : Thủy vân Dễ vỡ Bán dễ vỡ Bền vững Hình 1.4 Phân loại thủy vân theo mục đích ứng dụng Đối với các lược đồ thủy vân dễ vỡ (Fragile), dấu thủy vân sẽ bị thay đổi trước sự biến đổi của dữ liệu đã thủy vân dù chỉ vài bít Vì vậy, thủy vân dễ vỡ thường được ứng dụng trong bài toán xác thực tính toàn vẹn của dữ liệu thủy vân. Trong... thủy vân thuận nghịch gồm những lược đồ ngoài khả năng trích rút được dấu thủy vân còn có thể khôi phục lại ảnh gốc từ ảnh thủy vân Nội dung chương này trình bày một số lược đồ thủy vân theo các hướng tiếp cận khác nhau như: Dịch chuyển Histogram Sử dụng đặc trưng nén JPEG Sử dụng nén bảo toàn Phương pháp mở rộng hiệu Đối với phương pháp mở rộng hiệu, luận văn trình bày lược đồ thủy vân thuận nghịch. .. vân. Trong một số trường hợp, thủy vân dễ vỡ có thể khoanh vùng được dữ liệu thay đổi Trái với thủy vân dễ vỡ, thủy vân bền vững (Robust) yêu cầu dấu thủy vân phải tồn tại trước sự tấn công vô tình hay có chủ định nhằm loại bỏ dấu thủy vân. Theo [10], đối với thủy vân bền vững, dấu thủy vân phải luôn tồn tại trước mọi sự tấn công trừ khi dữ liệu thủy vân không còn giá trị sử Số hóa bởi Trung tâm Học liệu... và ứng dụng Dựa theo mục đích sử dụng, ta có chia các lược đồ giấu tin thành hai nhóm chính giấu tin và thủy vân: - Thủy vân số: Là nhúng một lượng thông tin có ích vào các sản phẩm số Có thể chia thành hai loại thủy vân như sau: Thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ Thủy vân bền vững nghiên cứu đến việc nhúng những mẩu tin với yêu cầu độ bền vững cao của thông tin được giấu trước những biến đổi của... [4,7] nhằm tăng khả năng nhúng của phương pháp mở rộng hiệu 2.1 Tổng quan về thủy vân thuận nghịch Trong nhiều ứng dụng nhưy tế, tòa án và quân sự, ngoài việc trích dấu thuỷ vân, thì việc khôi phục lại ảnh gốc từ ảnh chứa dấu thuỷ vân là yêu cầu bắt buộc Các lược đồ giấu thuỷ vân có khả năng như vậy được gọi là thuỷ vân thuận nghịch Trong thuỷ vân thuận nghịch thường dùngmột số phương pháp như: nén... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 dụng Một số phép tấn công thường được sử dụng như: nén, cắt, xoay, lọc, làm mờ, cân bằng sáng…Do dấu thủy vân bền vững (tồn tại) trước các sự tấn công nên nhóm các lược đồ này thường được sử dụng trong bài toán bảo vệ bản quyền hay xác định chủ sở hữu Theo [10], ngoài thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững, các lược đồ thủy vân có khả năng bền vững trước các phép tấn công nén, nhiễu,... sáng nhưng lại dễ vỡ với các phép tấn công copy/paste, co dãn thì được gọi là thủy vân bán dễ vỡ Một cách tổng quát, dấu thủy vân của lược đồ thủy vân bán dễ vỡ cần phải dễ thay đổi trước các phép tấn công nhằm thay đổi nội dung hay ý nghĩa của dữ liệu nhưng lại bền vững trước sự thay đổi định dạng dữ liệu hoặc các lỗi đường truyền Các lược đồ thủy vân bán dễ vỡ thường sử dụng trong bài toán phát hiện... Áp dụng công thức khôi phục dãy bít đối với ví dụ trên ta có: Như vậy, thuật toán đã khôi phục chính xác dãy bít b=101 đã nhúng vào F trong thuật toán nhúng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 30 CHƢƠNG 2 MỘT SỐ LƢỢC ĐỒ GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH Thủy vân thuận nghịch có vai trò quan trọng trong lĩnh vực thủy vân, đặc biệt trong lĩnh vực xác thực dữ liệu.Theo [9], thủy vân. .. chuyển Histogram; các phép biến đổi nguyên như mở rộng hiệu, tương phản, Wavelet nguyên cộng Modulo 256 v sử dụng đặc trưng nén JPEG Qua thống kê nhiều ảnh JPEG cho thấy, số phần tử 0 trong mỗi khối DCTLT (DCT lượng tử)thường tập trung nhiều ở phần dưới của 5 đường chéo kề với đường chéo chính Trên cơ sở đó, thay cho việc sử dụng 9 đường chéo như: trong luận văn này tôi chỉ sử dụng 5 đường chéo và nhúng... sự biến đổi mất thông tin Một cách thực hiện điều này mà vẫn đảm bảo tính ẩn của thuỷ vân là dấu nó vào các phần dữ liệu ít đáng chú ý về mặt trực giác (perceptual insignificant) Đối với ảnh, đó có thể là các bít thấp của các điểm ảnh (LSB) Loại thuỷ vân nửa giòn (semi-fragile) được dùng trong việc phân biệt các loại biến đổi mất thông tin đã được sử dụng: Biến đổi mất thông tin nhưng không thay đổi . và thủy vân dựa trên phép biến đổi mở rộng hiệu đạt được hiệu quả cao nên đang được nhiều người quan tâm.Chính vì vậy em chọn đề tài Thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu làm. trong thủy vân thuận nghịch 31 2.3.1. Dịch chuyển histogram 31 2.3.2. Sử dụng đặc trưng nén JPEG 37 2.3.3. Sử dụng nén bảo toàn 43 2.3.4. Sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu 44 2.3.5 Lược đồ thủy. tin và thủy vân thuận nghịch thường sử dụng các phép biến đổi nguyên khả nghịch như dịch chuyển Histogram, Wavelet nguyên, phép biến đổi tương phản, phép biến đổi mở rộng hiệu, ….Trong số đó