THỦY VÂN SỐ TRONG MÔI TRƯỜNG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Trí Nhân THỦY VÂN SỐ TRONG MÔI TRƯỜNG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Trí Nhân THỦY VÂN SỐ TRONG MÔI TRƯỜNG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trịnh Nhật Tiến Cán bộ đồng hướng dẫn: ThS. Lương Việt Nguyên HÀ NỘI - 2010 TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN Khóa luận này tìm hiểu và nghiên cứu các kỹ thuật thủy vân số trong môi trường ảnh tĩnh và ứng dụng trong bảo vệ bản quyền. Trước khi tìm hiểu các kỹ thuật này, khóa luận trình bày một số kiến thức cơ sở nhằm mục đích phục vụ cho việc thủy vân số trong ảnh được hiệu quả hơn, như kiến thức về mô hình thị giác người, các mô hình màu và cấu trúc của một số định dạng ảnh thông dụng. Sau đó, khóa luận trình bày tổng quan về thủy vân số như khái niệm, nguồn gốc, phân loại cũng như ứng dụng của thủy vân số hiện nay, sự phân biệt giữa Thủy vân số và Giấu tin. Các kỹ thuật thủy vân số trong môi trường ảnh là nội dung chính sẽ được trình bày trong khóa luận. Các kỹ thuật thủy vân được nghiên cứu nằm trong hai hướng tiếp cận chính là tiếp cận theo miền không gian ảnh và tiếp cận theo miền tần số ảnh. Trong mỗi phương pháp thủy vân số, khóa luận sẽ nêu lên cơ sở kỹ thuật, nội dung cũng như phân tích ưu nhược điểm của chúng. Từ những kiến thức lý thuyết đã nghiên cứu, khóa luận đã vận dụng và cài đặt thử nghiệm chương trình thủy vân số cho ảnh, với đối tượng là ảnh màu và ảnh cấp xám, sử dụng hai phương pháp LSB và DCT tương ứng với hai hướng tiếp cận của kỹ thuật thủy vân. Cuối cùng là kết luận về những kết quả đã đạt được, những điểm hạn chế cần nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn, đồng thời đưa ra hướng phát triển tiếp theo của khóa luận. MỤC LỤC Hoàng Trí Nhân 1 HÀ NỘI - 2010 1 Hoàng Trí Nhân 2 CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Viết đầy đủ Ý nghĩa BMP Windows bitmap format Ảnh bitmap CMY Cyan-Magenta-Yellow Không gian màu CMY DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Consine rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi sóng rời rạc GIF Graphics Interchange Format Ảnh gif HSL Hue – Saturation – Lightness Không gian màu HSL HSV Hue – Saturation – Value Không gian màu HSV HVS Human Visual System Hệ thống thị giác người JND Just Noticeable Difference Sự khác biệt nhỏ nhất có thể phân biệt JPEG Joint Photographic Expert Group Ảnh nén JPEG LSB Least Significant Bit Bit ít quan trọng nhất MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình NC Normalized Correlation Hệ số tương quan chuẩn PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỉ lệ của tín hiệu nhọn với nhiễu RGB Red – Green – Blue Không gian màu RGB DANH MỤC HÌNH VẼ STT Tên hình Hình 1 Ngưỡng biến đổi nhỏ nhất mắt người cảm nhận được Hình 2 Hàm nhạy cảm tương phản dựa trên mẫu của Mannos và Sakrison Hình 3 Sự cảm nhận 3 màu của thị giác người Hình 4 Độ nhạy cảm của mắt người với các tần số thời gian khác nhau Hình 5 So sánh ảnh gốc và ảnh đã nhúng thủy vân Hình 6 Không gian màu RGB Hình 7 Không gian màu HSV Hình 8 Không gian màu CMY Hình 9 Một trong những thủy vân trên giấy đầu tiên Hình 10 Số lượng các paper về thủy vân số qua các năm Hình 11 Ảnh trước và sau nhúng thủy vân Hình 12 Tách thủy vân từ ảnh đã nhúng Hình 13 So sánh ảnh gốc và ảnh bị xuyên tạc Hình 14 Minh họa một ảnh nhúng các thủy vân khác nhau Hình 15 Mô hình hệ thống thủy vân ảnh số Hình 16 Phân chia 3 miền tần số ảnh của biến đổi DCT Hình 17 Năng lượng phân bố của ảnh ứng với biến đổi DCT Hình 18 Tần số ảnh phân tích theo DWT Hình 19 Vấn đề thủy vân dưới góc nhìn của truyền thông Hình 20 Khó phân biệt ảnh giả mạo bằng mắt thường Hình 21 Quá trình nhúng thủy vân vào ảnh Hình 22 Quá trình tách thủy vân Hình 23 Ảnh trước và sau khi nhúng thủy vân bằng thuật toán F4 Hình 24 Sử dụng thuật toán F5 để nhúng thủy vân MỞ ĐẦU Từ xa xưa, con người đã biết giấu thông tin (ý nghĩa hay sự hiện diện) trước khi gửi cho nhau, để đảm bảo tính bí mật, người khác không biết, không hiểu thông tin đó, nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau. Ví dụ, người ta khắc bản đồ kho báu lên đầu các thủy thủ, để tóc mọc che kín đi,… Hai phương pháp cơ bản của giấu thông tin (information hiding) là cryptography (còn gọi là secret writing – viết mật hay mã hóa) và steganography (còn gọi là cover writing – viết phủ hay ẩn giấu tin). Trong ẩn giấu tin được chia làm hai hướng là: giấu tin – bảo vệ thông tin được giấu, và ẩn tin (còn gọi là watermarking) – bảo vệ chính môi trường chứa tin. Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của các mạng máy tính tốc độ cao, đặc biệt là Internet, các phương tiện kỹ thuật số như phương tiện lưu trữ, phương tiện truyền thông, đã mở ra một kỷ nguyên mới – kỷ nguyên thông tin số. Hầu hết các thông tin ngày nay đều được lưu trữ dưới dạng số hóa. Tuy nhiên, việc trao đổi, phân bố, sao chép và xử lý các sản phẩm số này ngày càng nhanh chóng, đơn giản, nằm ngoài tầm kiểm soát của các tổ chức. Chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế đã xuất hiện những tiêu cực, vấn nạn đang rất cần đến những giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn thông tin như nạn vi phạm bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy cập thông tin trái phép, giả mạo thương hiệu, …. Trước tình hình đó, thủy vân số ngày càng khẳng định được vị thế của mình. Chúng được dùng để ghi “dấu ấn số” (như chữ ký, nhãn thương hiệu,…) vào các sản phẩm số để chứng minh sự hợp pháp của sản phẩm, chống giả mạo. Đây là hướng đi đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. 1. Thực trạng tài liệu số Sự ra đời của máy tính đưa việc lưu trữ tài liệu lên một tầm cao mới. Các tài liệu đều được số hóa và lưu trữ trong máy tính. Máy tính cùng với Internet cho phép lưu trữ một khối lượng khổng lồ tư liệu được bảo hộ và phân phối trực tuyến. Khả năng đăng lên hay tải về các cuốn sách, phim, hay nhạc giờ không còn là giấc mơ. Đi liền với những cơ hội là những thách thức cho chủ sở hữu, người dùng và các tổ chức quản lý. Việc trao đổi, phân bố, sao chép tự do dẫn đến việc vi phạm bản quyền, giả mạo thương hiệu,… đã xảy ra ở nhiều nơi. Thậm chí nhiều vụ việc nghiêm trọng, gây thiệt hại lớn đã xảy ra do sự vi phạm bản quyền. 1 2. Nhược điểm của tài liệu số Việc số hóa tài liệu giúp cho việc sao chép, phổ biến và lưu trữ các tài liệu này trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Những đặc điểm đó chính là những ưu điểm nổi bật của tài liệu số. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, chúng lại là nhược điểm, đặc biệt là trong lĩnh vực bảo vệ bản quyền. - Dễ dàng sao chép: Sao chép một tài liệu số là rất dễ dàng, nhanh chóng và chất lượng vẫn như bản gốc. Hơn nữa, những bản sao chép này lại tiếp tục được sao chép ra thành rất nhiều các bản khác, thời gian sao chép và chất lượng tài liệu là không thay đổi. - Dễ dàng phổ biến: Sự xuất hiện của Internet làm cho việc phổ biến một tài liệu số trở nên rất dễ dàng. Từ một máy tính cá nhân, qua mạng toàn cầu, có thể chuyển một tài liệu đến hàng triệu người. Mỗi người này lại có thể chuyển tài liệu ấy cho rất nhiều người khác, khiến cho số lượng tăng theo cấp số nhân. Cùng với tính dễ dàng sao chép, tài liệu này lại được sao chép ra với một số lượng không thể dự đoán. - Dễ dàng lưu trữ: Với các tài liệu số, việc lưu trữ trở nên tiện lợi và dễ dàng hơn rất nhiều. Các thiết bị lưu trữ được phát triển với tốc độ chóng mặt, không chỉ về số lượng mà còn về dung lượng lưu trữ. Thiết bị flash, đĩa CD, DVD, ổ cứng di động,… là những ví dụ điển hình. Một khối lượng thông tin ngày càng lớn được lưu trữ trong những thiết bị ngày càng nhỏ. 3. Yêu cầu đặt ra Từ những đặc điểm và thực trạng trên, việc bảo vệ bản quyền các tài liệu số ngày càng được quan tâm nghiên cứu. Các quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam, đã ban hành những luật liên quan đến bản quyền tài liệu số. Tuy nhiên, chỉ có hành lang pháp lý là chưa đủ, cần đưa thêm các dấu hiệu đánh dấu bản quyền nhúng vào các tài liệu số ấy. Kỹ thuật thủy vân số giúp thực hiện điều đó. Thủy vân (những dấu hiệu đánh dấu bản quyền) sau khi được nhúng vào tài liệu số (ảnh, video, audio,…) thường rất khó để kẻ gian phá hỏng. Gỡ thủy vân cũng đồng nghĩa với việc phá hủy tài liệu ấy. 2 4. Mục tiêu khóa luận - Về lý thuyết: Nghiên cứu và nắm bắt các kiến thức liên quan đến thủy vân số cho ảnh  Tổng quan về thủy vân số như nguồn gốc, định nghĩa, phân loại và ứng dụng của thủy vân số, các yêu cầu cũng như quá trình xây dựng một hệ thống thủy vân.  Các hướng tiếp cận của kỹ thuật thủy vân, các kỹ thuật tương ứng trong các hướng tiếp cận này, ưu nhược điểm của chúng.  Một số kiến thức bổ trợ khác. - Về chương trình: Xây dựng chương trình thủy vân số cho ảnh số với các chức năng  Nhúng thủy vân là một thông điệp dạng văn bản vào một ảnh (ảnh màu hay ảnh cấp xám ở các định dạng khác nhau), bằng hai phương pháp LSB và DCT.  Tách thủy vân từ các ảnh đã nhúng để kiểm tra đánh giá. 5. Phương pháp nghiên cứu Dựa vào các tài liệu, thông tin tìm kiếm qua thư viện, trên internet, cùng với sự định hướng của cán bộ hướng dẫn, nghiên cứu cơ sở lý thuyết, lựa chọn tìm hiểu những kỹ thuật thủy vân cho ảnh số. Từ đó, cùng với việc chọn lựa ngôn ngữ lập trình chuyên dụng, xây dựng chương trình minh họa, thử nghiệm trên một tập các ảnh và đánh giá kết quả. 6. Nội dung nghiên cứu  Nghiên cứu tổng quan về thủy vân số.  Nghiên cứu các kiến thức đặc thù ảnh hưởng đến chất lượng và phương pháp thủy vân cho ảnh số như mô hình thị giác người, các định dạng ảnh.  Nghiên cứu yêu cầu, các bước trong xây dựng hệ thống thủy vân.  Nghiên cứu các hướng tiếp cận của kỹ thuật thủy vân và các kỹ thuật tương ứng trong các hướng tiếp cận đó, tìm hiểu ưu nhược điểm của các phương pháp để lựa chọn phương pháp phù hợp nhất.  Xây dựng chương trình ứng dụng cho phép nhúng thủy vân vào ảnh màu hay ảnh cấp xám ở các định dạng khác nhau và tách thủy vân ở các bức ảnh đã nhúng để kiểm tra. 3 Chương 1. MỘT SỐ KIẾN THỨC LIÊN QUAN ĐẾN THỦY VÂN ẢNH 1.1. MÔ HÌNH THỊ GIÁC NGƯỜI Sự hiểu biết về đặc điểm của hệ thống thị giác người sẽ góp phần không nhỏ trong việc cải tiến và nâng cấp các thuật toán về thủy vân số. Võng mạc của mắt chia tín hiệu nhận được thành các thành phần khác nhau và mỗi thành phần kích thích não qua các kênh khác nhau. Để nhận biết một ảnh, não người phải xử lý thông tin thu nhận được như vị trí không gian, đường nét, màu sắc, độ chói, độ tương phản, tần số,… của ảnh. Ánh sáng trắng hay dải sóng mà mắt người có thể cảm nhận được, khi đi qua lăng kính được phân tách thành những luồng ánh sáng đơn sắc có phổ màu từ tím đến đỏ, và dải bước sóng tương ứng từ 400-700 nm. Mắt người có thể nhận biết và phân biệt khoảng 4000 màu, thực tế gặp khó chịu khi quan sát sự pha trộn lộn xộn quá nhiều màu. Có ba thuộc tính chủ yếu của hệ thống màu: - Sắc màu (Hue): dùng để phân biệt các màu với nhau. - Độ bão hòa (Saturation): độ thuần màu hay khoảng cách của màu tới điểm có cường độ cân bằng. - Độ sáng (Lightness): cường độ sáng, chính là ánh sáng phản xạ nhận được từ đối tượng. Đôi khi thuật ngữ độ sáng được thay thế bởi Độ phát sáng (Brightness), nó mô tả cường độ sáng do đối tượng tự phát ra. Dưới đây là một số đặc tính của hệ thống thị giác người: 1.1.1. Nhạy cảm về sự tương phản Mắt người nhạy cảm với sự có mặt của một tín hiệu trong một tín hiệu khác. Đặc điểm này nói lên khả năng dò tìm một tín hiệu trong một tín hiệu khác của mắt người, kết quả tốt nhất khi hai tín hiệu cùng một tần số, hướng và vị trí. Nhạy cảm về sự tương phản cũng chính là sự nhạy cảm về mật độ mô tả tính thấy được của nhiễu trên ảnh gốc. Giả sử, mắt người đã quen với độ chói I o của nền, mục đích là tìm lượng khác biệt nhỏ nhất ∆I giữa điểm ở tâm và các điểm xung quanh để mắt người có thể phân biệt được. Sự khác biệt này thường được gọi là sự khác biệt nhỏ nhất có thể thấy được (Just Noticeable Difference - JND). Minh họa như hình bên dưới: 4 [...]... nhưng thay vì thủy vân trên các sản phẩm thực, thủy vân số nhúng các dấu hiệu chứng thực bản quyền lên các tài liệu số Qua các năm, thủy vân số ngày càng được quan tâm nhiều hơn, với số lượng các bài báo, tài liệu tăng nhanh chóng Hiện nay, thủy vân số đã có những vai trò quan trọng và được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong việc bảo vệ bản quyền 2.1.3 Phân loại thủy vân số Có rất... phức tạp hơn 25 2.1.4 Ứng dụng của thủy vân số  Bảo vệ bản quyền (copyright protection) Đây là ứng dụng cơ bản nhất của thủy vân số Một thông tin để chứng minh quyền sở hữu của tác giả (gọi là watermark hay thủy vân) sẽ được nhúng vào các tài liệu số trước khi các tài liệu này được đưa lên mạng Thủy vân này chỉ có người sở hữu các sản phẩm có và được sử dụng làm minh chứng bản quyền của sản phẩm Yêu... hóa thủy vân sẽ được mã hóa bằng phương pháp mã hóa bất đối xứng sử dụng khóa công khai của người nhận Watermmark – bao gồm thông tin mật đã được mã hóa cùng với khóa đã được mã hóa – được nhúng vào ảnh mang và gửi cho người nhận 29 2.2.1.2 Nhúng thủy vân Thủy vân có thể nhúng trực tiếp vào ảnh hay vào miền biến đổi của ảnh Đối với ứng dụng bảo vệ bản quyền thì việc nhúng thủy vân vào miền biến đổi ảnh. .. hiện thủy vân sẽ được tích hợp vào thiết bị đọc ghi DVD Khi muốn sao chép DVD, phải có sự đồng ý của chủ sở hữu 28 2.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỦY VÂN 2.2.1 Các bước chính trong hệ thống thủy vân Hình 15 Mô hình hệ thống thủy vân ảnh số 2.2.1.1 Tạo thủy vân Thủy vân phổ biến là dạng text hoặc dạng ảnh Thủy vân có thể được biến đổi (mã hóa, chuyển đổi định dạng) trước khi nhúng vào ảnh Các thuật toán nhúng thủy. .. Huffman thường được sử dụng để nén, tạo ảnh JPEG Với các ưu điểm có được, ảnh JPEG được công nhận là chuẩn để lưu trữ ảnh màu thực tế (theo chuẩn ISO 10918-1) 20 Chương 2 CÁC KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ 2.1 TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN SỐ 2.1.1 Khái niệm thủy vân số 1/ Khái niệm thủy vân số Thủy vân số (Digital Watermarking) là kỹ thuật nhúng “dấu ấn số (watermark – tin giấu) vào một sản phẩm số (text, image, audio,... làm giảm chất lượng ảnh, nếu nhúng thủy vân vào miền tần số cao sẽ rất dễ bị mất khi nén ảnh Do đó, nhúng thủy vân vào miền tần số giữa của ảnh mang là thích hợp nhất Để đảm bảo chất lượng ảnh mang cũng như tính ẩn của thủy vân, người ta cũng sử dụng những tính chất của hệ thống thị giác người (HVS – Human Visual System) để áp dụng trong quá trình nhúng thủy vân Một số đặc điểm của HVS:  Tương phản:... nén ảnh thông dụng nhất hiện nay Để đảm bảo sự thay đổi là ít nhất với ảnh mang, thủy vân thường được nhúng vào miền tần số giữa của ảnh sau khi biến đổi Nguyên nhân là do các thành phần tần số thấp rất nhạy cảm với các thay đổi, nếu nhúng thủy vân vào miền tần số này rất dễ bị phát hiện Trong khi đó, thành phần tần số cao thường bị loại bỏ trong quá trình nén ảnh do không làm giảm chất lượng ảnh, ... giấu này có thể được phát hiện và tách ra sau đó, nhằm chứng thực (đánh dấu, xác thực) nguồn gốc hay chủ sở hữu của sản phầm số này Một ví dụ đơn giản của thủy vân số là một dấu hiệu (như chữ ký) trên một bức ảnh để chứng thực nguồn gốc và chủ sở hữu của bức ảnh đó 2/ So sánh thủy vân số với giấu tin Mặc dù thủy vân số (watermarking) và giấu tin (steganography) cùng nằm trong lĩnh vực nghiên cứu nhằm... dấu đi sự hiện diện của thông tin nhưng chúng có một số đặc điểm khác biệt: Bảng 1 Bảng so sánh đặc điểm của thủy vân số và giấu tin Steganography Watermarking - Mục đích là bảo vệ thông tin được - Mục đích là bảo vệ môi trường giấu giấu tin - Giấu được càng nhiều thông tin - Chỉ cần thông tin đủ để đặc trưng càng tốt, ứng dụng trong truyền dữ cho bản quyền của chủ sở hữu liệu thông tin mật - Thông tin... để nhúng mã định danh vào tín hiệu âm thanh Tuy nhiên, mãi đến năm 1988, Komatsu và Tominaga mới lần đầu tiên sử dụng cụm từ “digital watermark” Nhưng phải đến đầu những năm 90 thì thủy vân số với thực sự nhận được sự quan tâm của công chúng Hình10 Số lượng các paper về thủy vân số qua các năm 23 Về bản chất, thủy vân số cũng giống như thủy vân trên giấy – dùng để chứng thực quyền sở hữu về một sản . về thủy vân số như khái niệm, nguồn gốc, phân loại cũng như ứng dụng của thủy vân số hiện nay, sự phân biệt giữa Thủy vân số và Giấu tin. Các kỹ thuật thủy vân số trong môi trường ảnh là nội. này tìm hiểu và nghiên cứu các kỹ thuật thủy vân số trong môi trường ảnh tĩnh và ứng dụng trong bảo vệ bản quyền. Trước khi tìm hiểu các kỹ thuật này, khóa luận trình bày một số kiến thức cơ. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Trí Nhân THỦY VÂN SỐ TRONG MÔI TRƯỜNG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: