Watermarking dùng DWT và ứng dụng bảo vệ bản quyền ảnh số

Kỷ thuật Watermarking Digital hứa hẹn là một phương pháp hiệu quả bởi vì nó cho phép chủ sở hữu nội dung số có thể nhúng và dấu những bằng chứng về bản quyền của mình, từ đó có thể xác đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-✩ - -✩ -

Số: /BKĐT Khoa: ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Bộ Môn: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1 HỌ VÀ TÊN : 7GIO.COM MSSV: 000000 2 NGHÀNH: Viễn Thông LỚP : sfrbgsdfb 3 Đề tài luận văn : “WATERMARKING DÙNG DWT VÀ ỨNG DỤNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ” 4 Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

5 Ngày giao nhiệm vụ luận văn:

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

7 Họ và tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn TH.S ………

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn Tp.HCM, ngày … tháng… năm 2014 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ):

Đơn vị:

Ngày bảo vệ :

Điểm tổng kết:

Nơi lưu trữ luận văn:

www.7gio.com

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

-

Mẫu TN.04 Ngày….Tháng Năm

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người hướng dẫn) 8 HỌ VÀ TÊN : …… MSSV: 56464 NGHÀNH: VIỄN THÔNG 9 Đề tài luận văn : “KỶ THUẬT WATERMARKING DÙNG BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ ỨNG DỤNG” 10 Họ tên người hướng dẫn: ………

11 Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang : Số chương :

Số bảng số liệu : Số hình vẽ :

Số tài liệu tham khảo : Phần mềm tính toán :

Hiện vật (sản phẩm) :

12 Tổng quát về các bản vẽ : - Số bản vẽ : bản A1 bản A2 Khổ khác - Số bản vẽ tay Số bản vẽ trên máy tính 13 Những ưu điểm chính của LVTN :

14 Những thiếu sót chính của LVTN :

15 Đề nghị: Được bảo vệ Bổ xung để bảo vệ Không được bảo vệ 16 Câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng a)

b)

c)

Đánh giá chung (bằng chữ : giỏi, khá, TB) :Điểm : /10

Ký tên (Ghi rõ họ tên)

www.7gio.com

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

-

Mẫu TN.04 Ngày….Tháng Năm

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người phản biện) 17 HỌ VÀ TÊN :7gio.com MSSV: 55546 NGHÀNH: VIỄN THÔNG 18 Đề tài luận văn : “KỶ THUẬT WATERMARKING DÙNG BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ ỨNG DỤNG” 19 Họ tên người hướng dẫn: ……

20 Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang : Số chương :

Số bảng số liệu : Số hình vẽ :

Số tài liệu tham khảo : Phần mềm tính toán :

Hiện vật (sản phẩm):

21 Tổng quát về các bản vẽ : - Số bản vẽ : bản A1 bản A2 Khổ khác - Số bản vẽ tay Số bản vẽ trên máy tính 22 Những ưu điểm chính của LVTN :

23 Những thiếu sót chính của LVTN :

24 Đề nghị: Được bảo vệ Bổ xung để bảo vệ Không được bảo vệ 25 Câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu) d)

e)

f)

Đánh giá chung (bằng chữ : giỏi, khá, TB) :Điểm : /10

Ký tên (Ghi rõ họ tên)

www.7gio.com

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỶ THUẬT WATERMARKING 11

1.1 Định nghĩa 11

1.2 Lịch sử watermarking 11

1.3 Mô hình chung 12

1.3.1 Bộ nhúng watermark 12

1.3.2 Bộ dò tìm watermark 13

1.4 Phân Loại 13

1.4.1 Phân Loại dựa trên đối tượng dấu tin 13

1.4.1.1 Dấu tin trong ảnh 13

1.4.1.2 Dấu tin trong audio 14

1.4.1.3 Dấu tin trong video 14

1.4.1.4 Dấu tin trong văn bản dạng text 14

1.4.2 Phân Loại theo cách thức tác động lên các phương tiện 15

1.4.3 Phân Loại theo các mục đích sử dụng 15

1.5 Các tiêu chí cần có của một watermark mạnh mẽ 16

1.5.1 Tính bảo mật 16

1.5.2 Tính vô hình 17

1.5.3 Tính vô hình đối với thống kê 17

1.5.4 Tỉ lệ bit 17

1.5.5 Quá trình dò đáng tin cậy 17

1.5.6 Tính mạnh mẽ 17

1.5.7 Nhúng nhiều watermark 17

1.5.8 Watermarking đọc được và dò được 18

1.5.9 Tính có thể thay đổi tỉ lệ 18

1.6 Các ứng dụng của watermarking 18

1.6.1 Bảo vệ quyền sỡ hữu ( Copyright Protection) 18

1.6.2 Nhận thực thông tin và phát hiện xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection) 18

1.6.3 Dấu vân tay hay gián nhãn (fingerprinting and labeling) 19

1.6.4 Điều khiển truy cập (copy control) 19

1.6.5 Chống nhân bản bất hợp pháp ( Copy Protection) 19

1.6.6 Theo dõi quá trình sử dụng (Tracking) 19

1.6.7 Chống giả mạo (Tamper Proofing) 19

1.6.8 Theo dõi truyền thông (Broadcast Monitoring) 19

1.6.9 Truyền tin bí mật (Concealed Communication) 19

CHƯƠNG 2 KỶ THUẬT WATERMARKING VÀ ỨNG DỤNG CHO ẢNH SỐ 20

www.7gio.com

2.1 Tổng quan về watermark cho ảnh số 20

2.1.1 Định dạng ảnh BMP 20

2.1.2 Định dạng ảnh GIF 20

2.1.3 Định dạng ảnh TIFF 20

2.1.4 Định dạng ảnh JPEG 20

2.1.5 Định dạng ảnh PNG 20

2.2 Các phương pháp đánh dấu watermark cho ảnh số 21

2.2.1 Định hướng watermark cho ảnh số 21

2.2.2 Kỷ thuật watermarking trên miền không gian ảnh 21

2.2.3 Kỷ thuật watermarking dùng biến đổi DCT (Discrete Cosine Transform) 21

2.2.3.1 Biến đổi cosine rời rạc (DCT) 21

2.2.3.2 Watermarking ảnh số tại miền DCT 23

2.2.4 Kỷ thuật Watermarking ảnh số dùng biến đổi Wavelet 23

2.2.4.1 Lý do dùng phân tích wavelet 23

2.2.4.2 Cơ sở toán học và lý thuyết của phép biến đổi wavelet 25

2.2.4.3 Ưu điểm của wavelet và ứng dụng 31

2.2.4.3.1 Ưu điểm 31

2.2.4.3.2 Ứng dụng 31

2.2.4.4 Một số họ wavelets 32

2.2.4.5 Watermarking ảnh số dùng phân tích wavelet 34

CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH 36

3.1 Giới thiệu 36

3.2 Lưu đồ giải thuật 37

3.3 Các thông số đánh giá chủ quan (MSE và PSNR) 38

3.4 Chương trình matlab 38

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 43

4.1 Với ∝ = 0.01 43

4.2 Với ∝ = 0.02 44

4.3 Với ∝ = 0.03 47

4.4 Với ∝ = 0.04 49

4.5 Với ∝ = 0.05 51

4.6 Kết luận 55

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56

4.1 KẾT LUẬN 56

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 56

TÀI LIÊỤ THAM KHẢO 57

www.7gio.com

LỜI NÓI ĐẦU

Việc trao đổi thông tin, xuất bản thông tin trên Internet có nhiều nguy cơ không

an toàn do thông tin có thể bị lộ hoặc bị sửa đổi hay bị vi phạm bản quyền Nói chung

để bảo vệ các thông tin trên khỏi sự truy cập, sử dụng trái phép cần phải kiểm soát được các việc chính sau: thông tin được tạo ra lưu trữ và truy nhập như thế nào, ở đâu, bởi ai và vào thời điểm nào Như vậy việc quản lý bản quyền số đang là bài toán không dễ dàng của nhà quản lý

Trên thực tế, nhu cầu bảo vệ quyền tác giả, quyền sỡ hữu cho các thông tin số là rất lớn Kỷ thuật Watermarking Digital hứa hẹn là một phương pháp hiệu quả bởi vì nó cho phép chủ sở hữu nội dung số có thể nhúng và dấu những bằng chứng về bản quyền của mình, từ đó có thể xác định được quyền sở hữu, phát hiện ra việc sử dụng trái phép

mà vẫn không làm ảnh hưởng đến nội dung của nội dung số

Với các tính chất đặc thù của mình Watermarking Digital rất thích hợp với việc bảo vệ bản quyền tác giả Xuất phát từ yêu cầu của thực tế, nhằm mục đích hướng tới một phần nhiệm vụ bảo vệ bản quyền thông tin số, Em chọn Luận Văn có tựa đề: “Kỷ thuật Watermarking dùng biến đổi wavelet và ứng dụng”

Do kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ luận văn còn nhiều thiếu sót và cần

bổ sung Do vậy em rất mong các thầy chỉ bảo và bổ sung thêm, các bạn đọc quan tâm đến vấn đề này đóng góp ý kiến để báo cáo này hoàn thiện hơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn – TH.S.Nguyễn Thanh Tuấn, đã hết sức tận tình chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho em, giúp em hoàn thành tốt luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng 12 năm 2014 Sinh viên

7gio.com

www.7gio.com

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lược đồ chung cho quá trình dấu tin 13

Hình 1.2 Lược đồ chung cho quá trình giải mã 14

Hình 1.3 Phân loại kỷ thuật giấu tin 16

Hình 2.1 Biến đổi wavelet 23

Hình 2.2 Mô tả các miền biến đổi của tín hiệu 24

Hình 2.3 Sóng sin và sóng wavelet 24

Hình 2.4 Các thành phần wavelet tương ứng với các tỷ lệ vị trí khác nhau 25

Hình 2.5 Biến đổi wavelet rời rạc của tín hiệu 26

Hình 2.6 Minh họa DWT 2 chiều cho ảnh 27

Hình 2.7 Phân tích tín hiệu đa mức 28

Hình 2.8 Minh họa phân tích DWT mức 3 29

Hình 2.9 Quá trình phân tích và tổng hợp đa mức dùng DWT 29

Hình 2.10 Hàm ψ(t) của biến đổi Haar 30

Hình 2.11 Hàm ψ(t) của biến đổi Daubechies n 32

Hình 2.12 Một vài hàm ψ(t) của các cặp ho biến đổi Biorthogonal 32

Hình 2.13 Hàm ψ(t) của họ biến đổi Coiflets 33

Hình 2.14 Hàm ψ(t) của họ biến đổi Morlet 33

Hình 2.15 Hàm ψ(t) của họ biến đổi Mexican Hat 33

Hình 2.16 Hàm ψ(t) của họ biến đổi Meyer 34

Hình 2.17 Phân tích wavelet mức 3 cho ảnh số 34

Hình 4.1 Ảnh nhúng thu được khi ∝=0.01 43

Hình 4.2 Ảnh watermark thu được khi ∝=0.01 44

Hình 4.3 Ảnh nhúng thu được khi ∝=0.02 45

Hình 4.4 Ảnh watermark thu được khi ∝=0.02 46

Hình 4.5 Ảnh nhúng thu được khi ∝=0.03 47

Hình 4.6 Ảnh watermark thu được khi ∝=0.03 48

Hình 4.7 Ảnh nhúng thu được khi ∝=0.04 48

Hình 4.8 Ảnh watermark thu được khi ∝=0.04 49

www.7gio.com

Hình 4.9 Ảnh nhúng thu được khi ∝=0.05 50

Hình 4.10 Ảnh watermark thu được khi ∝=0.05 51

Hình 4.11 Ảnh nhúng thu được khi ∝=0.2 ……… ……… 52

Hình 4.12 Ảnh nhúng thu được khi ∝=10 53

www.7gio.com

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DCT -Discrete Cosine Transform: Biến đổi cosine rời rạc

LSB - Least Significant Bit : Phương pháp tách bít có trọng số ít quan trọng nhất FFT -Fast Fourier transform: Biến đổi Fourier nhanh

MRA- multire solution analysis: phân tích đa phân giải

DWT - Biến đổi wavelet rời rạc

IDWT - inverse discrete wavelet tansform: Biến đổi wavelrt nghịch

WSD-Wavelet Shrinkage Denoising: Một phương pháp khử nhiểu

MSE-Mean Square Error: Trị trung bình bình phương sai số của ảnh

PSNR-Peak Signal Noise Ratio: Tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiểu

www.7gio.com

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỶ THUẬT WATERMARKING

1.1 Định nghĩa

Watermarking (thuỷ vân, thuỷ ấn) là kỹ thuật nhúng một biểu tượng vào trong ảnh môi trường để xác định quyền sở hữu ảnh môi trường, chống sự giả mạo và xuyên tạc thông tin Kích thước của biểu tượng thường nhỏ (từ vài bit tới vài ngàn bit) Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng khi ảnh môi trường bị biến đổi bởi các phép thao tác như lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy compression), hay các biến đổi hình học, Tuy nhiên việc đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng không kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ thuật toán và có bộ giải mã trong tay Thông tin giấu là một định danh duy nhất, ví dụ định danh người dùng thì khi đó người ta gọi là Fingerprinting (nhận dạng vân tay, điểm chỉ)

Kỹ thuật giấu tin được áp dụng cho các loại dữ liệu ảnh, audio, video Chức năng của giấu tin trong ảnh sẽ khác nhau tuỳ theo các hình thức xâm phạm dữ liệu ảnh Ảnh bị vi phạm bản quyền: nội dung của ảnh giống với nội dung ảnh bản quyền nhưng chúng được dùng với mục đích mà tác giả không cho phép Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để "dán tem bản quyền" vào sản phẩm này Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huỷ sản phẩm

1.2 Lịch sử watermarking

Từ xa xưa, con người đã biết cách giấu các thông tin mật vào môi trường mà không gây được sự chú ý và khả năng cảm nhận của người khác Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài Người Romans cổ đã biết

sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm màu và có thể đọc dễ dàng

www.7gio.com

1.3 Mô hình chung

1.3.1 Bộ nhúng watermark

Để thực hiện giấu tin cần xây dựng được các thủ tục giấu tin Các thủ tục này sẽ

thực hiện nhúng thông tin cần giấu vào môi trường giấu tin Các thủ tục giấu tin

thường được thực hiện với một khóa giống như các hệ mật mã để tăng tính bảo mật

Sau khi giấu tin ta thu được đối tượng chứa thông tin giấu và có thể phân phối đối

tượng đó trên kênh thông tin Để giải mã thông tin cần nhận được đối tượng có chứa

thông tin đã giấu, sử dụng thủ tục giải mã cùng với khóa đã dung trong quá trình giấu

để lấy lại thông tin Giấu thông tin vào phương tiện chứa và tách lấy thông tin là hai

quá trình trái ngược nhau và có thể mô tả qua sơ đồ khối của hệ thống như hình 1.1

trong đó:

 Thông tin cần giấu tuỳ theo mục đích của người sử dụng, nó có thể là thông điệp (với các tin bí mật) hay các logo, hình ảnh bản quyền

 Phương tiện chứa: các file ảnh, text, audio… là môi trường để nhúng tin

 Bộ nhúng thông tin: là những chương trình thực hiện việc giấu tin

 Đầu ra: là các phương tiện chứa đã có tin giấu trong đó

Phương tiện chứa (audio, ảnh, video)

Phương tiện chứa

đả được giấu tin

Bộ nhúng thông tin Thông tin

Khóa dấu

Phương tiện chứa

đả được dấu tin

Hình 1.1 Lược đồ chung cho quá trình giấu tin

www.7gio.com

1.4 Phân Loại

1.4.1 Phân Loại dựa trên đối tượng dấu tin

1.4.1.1 Dấu tin trong ảnh

Hiện nay giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng giấu tin bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn

và hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong nhận thực thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả…Chính vì thế mà vấn đề này nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học và nhiều viện nghiên cứu trên thế giới

Khi giấu thông tin trong ảnh, thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và gần như khi nhìn bình thường vào ảnh đó chúng ta không thể phát hiện ra rằng đằng sau ảnh là khối thông tin được ẩn trong đó

Phương tiện chứa (audio, ảnh, video)

Bộ giải mã tin

Phương tiện chứa

đả được giấu tin

Thông tin giấu

Khóa dấu tin

Kiểm định

Hình 1.2 Lược đồ chung cho quá trình giải mã

www.7gio.com

Ngày nay khi ảnh số được sử dụng rất phổ biến thì giấu thông tin trong ảnh là một công nghệ đem lại rất nhiều tác dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội

1.4.1.2 Dấu tin trong audio

Khác với kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị giác thì kỹ thuật giấu thông tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS Giấu thông tin trong audio đòi hỏi yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn của thông tin Các phương pháp giấu thông tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu trong hệ thống thính giác của con người

1.4.1.3 Dấu tin trong video

Cũng như giấu tin trong ảnh hay trong audio giấu tin trong video cũng được quan tâm

và được phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả Kỹ thuật giấu thông tin trong video

áp dụng cả những đặc điểm về thị giác và thính giác của con người

1.4.1.4 Dấu tin trong văn bản dạng text

Giấu tin trong văn bản dạng text khó thực hiện hơn do đó ít các thông tin dư thừa, để làm được điều này người ta phải khéo léo khai thác các dư thừa tự nhiên của ngôn ngữ Một cách khác là tận dụng các định dạng văn bản (mã hoá thông tin vào khoảng cách giữa các từ hay các dòng văn bản)

Kỹ thuật giấu tin đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng chứ không riêng gì dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio, video Gần đây đã có một số nghiên cứu giấu tin trong cơ sở dữ liệu quan hệ, các gói IP truyền trên mạng chắc chắn sau này còn tiếp tục phát triển tiếp cho các môi trường dữ liệu số khác

www.7gio.com

1.4.2 Phân Loại theo cách thức tác động lên các phương tiện

Phương pháp chèn dữ liệu: Phương pháp này tìm các vị trí trong file dễ bị bỏ qua và chèn dữ liệu cần giấu vào đó, cách giấu này không làm ảnh hưởng gì tới sự thể hiện các file dữ liệu ví dụ như được giấu sau các ký tự EOF

Phương pháp tạo các phương tiện chứa: Từ các thông điệp cần chuyển sẽ tạo ra các phương tiện chứa để phục vụ cho việc truyền thông tin đó, từ phía người nhận dựa trên các phương tiện chứa này sẽ tái tạo lại các thông điệp

1.4.3 Phân Loại theo các mục đích sử dụng

- Giấu thông tin bí mật: đây là ứng dụng phổ biến nhất từ trước đến nay, đối với giấu thông tin bí mật người ta quan tâm chủ yếu tới các mục tiêu: độ an toàn, lượng thông tin và độ bí mật

- Giấu thông tin thuỷ vân: do yêu cầu bảo vệ bản quyền, xác thực… nên giấu tin thuỷ vân có yêu cầu khác với giấu tin bí mật Yêu cầu đầu tiên là các dấu hiệu thuỷ vân đủ bền vững trước các tấn công vô hình hay cố ý gỡ bỏ nó

- Tuỳ theo các mục đích khác nhau như bảo vệ bản quyền, chống xuyên tạc nội dung, nhận thực thông tin, … thuỷ vân cũng có các yêu cầu khác nhau Theo sơ đồ hình 1.3, giấu tin được chia thành hai hướng chính là giấu tin mật và thủy vân số

www.7gio.com

1.5 Các tiêu chí cần có của một watermark mạnh mẽ

Tùy thuộc vào từng ứng dụng, kỹ thuật watermarking có những đòi hỏi khác nhau Tuy nhiên có một số yêu cầu chung mà mà hầu hết các ứng dụng thực tế phải đạt được

1.5.1 Tính bảo mật

Giống như trong lĩnh vực mã hóa, tính hiệu quả của một thuật toán không thể dựa vào giả định là các kẻ tấn công không biết cách mà watermark được nhúng vào tài liệu đa phương tiện Tuy nhiên, giả định đó lại được dùng để đánh giá độ an toàn của các sản phẩm thương mại sử dụng watermarking có giá trị trên thị trường

Information hiding Giấu thông tin

Watermarking

Robust Watermarking Thuỷ vân bền vững

Visible Watermarking Thuỷ vân ẩn

Visible Watermarking Thuỷ vân hiển thị

Fragile Watermarking Thuỷ vân dễ vỡ

Steganography Giấu tin mật

Hình 1.3 Phân loại kỷ thuật giấu tin

www.7gio.com

Vì vậy, với một ứng dụng watermarking, một khi biết được cách làm việc của bộ nhúng và bộ dò, việc làm cho watermark không đọc được thường rất dễ dàng Hơn nữa, một số kỹ thuật sử dụng dữ liệu gốc trong quy trình dò và thường thì các giải pháp loại này không khả thi trong thực tế

1.5.2 Tính vô hình

Những nhà nghiên cứu gần đây đã cố nhúng những watermark bằng cách sao cho nó không thể nhận ra được Tuy nhiên, yêu cầu này mâu thuẫn với các yêu cầu khác chẳng hạn sức chịu đựng và độ an toàn chống sự bền vững chống được giả mạo đặc biệt là các thuật toán nén có mất thông tin

1.5.3 Tính vô hình đối với thống kê

Watermark không thể dò được bằng phương pháp thống kê Ví dụ nhiều tác phẩm kỹ thuật số đã được nhúng cùng một watermark sao cho khi thực hiện tấn công dựa trên thống kê thì không tài nào trích được watermark

1.5.4 Tỉ lệ bit

Tùy thuộc vào ứng dụng, thuật toán watermark có thể cho phép một số lượng bit cần

ẩn được định nghĩa trước Không tồn tại các quy tắc chung nhưng đối với ảnh thì tối thiểu 300 - 400 bit

1.5.5 Quá trình dò đáng tin cậy

Thậm chí khi không có các tấn công cũng như các biến dạng tín hiệu, khả năng không

dò được watermark đã nhúng hoặc dò sai watermark phải rất nhỏ

1.5.6 Tính mạnh mẽ

Việc sử dụng các tín hiệu âm nhạc, hình ảnh và phim dưới dạng kỹ thuật số thông thường có liên quan tới nhiều kiểu biến dạng, chẳng hạn như nén có mất thông tin, hay trong trường hợp ảnh là các phép lọc, định lại kích thước, cải tiến độ tương phản, phép quay, hay các cuộc tấn công có chủ đích… Để watermarking hữu ích, watermark phải

dò được ngay khi cả các biến dạng xảy ra

1.5.7 Nhúng nhiều watermark

Cần phải cho phép nhúng một tập hợp các watermark khác nhau trong cùng một ảnh bằng cách sao cho mỗi watermark có thể dò được bởi người dùng được cấp quyền

www.7gio.com

Đặc trưng này rất hữu dụng trong các ứng dụng dấu vân tay, trong đó thuộc tính tác quyền được truyền từ người sở hữu tác phẩm đến các tác phẩm khác Hơn nữa, chúng

ta có thể ngăn chặn người khác thực hiện watermarking cho một tác phẩm đã được đóng dấu

1.5.8 Watermarking đọc được và dò được

Một watermark mà có thể dò được nếu nội dung của nó được biết trước gọi là một watermark dò được Ngược lại, các kỹ thuật cho phép watermark đọc được ngay khi nội dung của nó bỏ qua thì gọi là watermark đọc được Dĩ nhiên, tính chất đọc được và

dò được của watermark ảnh hưởng nhiều đến cách mà nó được sử dụng trong các ứng dụng thực tế

1.5.9 Tính có thể thay đổi tỉ lệ

Các yêu cầu tính toán ràng buộc một watermark phải đơn giản, nhưng sự đơn giản này

có thể giảm trầm trọng tính chịu đựng giả mạo

1.6 Các ứng dụng của watermarking

1.6.1 Bảo vệ quyền sỡ hữu ( Copyright Protection)

Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (logo nhận dạng) sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thuỷ vân đó chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm bằng cách dán tem lên sản phẩm Việc này cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm

1.6.2 Nhận thực thông tin và phát hiện xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection)

Thông tin sẽ được giấu trong phương tiện chứa sau đó được sử dụng để nhận biết xem

dữ liệu trên phương tiện gốc đó có bị thay đổi hay không Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và thuỷ vân không cần bền vững

www.7gio.com

1.6.3 Dấu vân tay hay gián nhãn (fingerprinting and labeling)

Thuỷ vân trong những ứng dụng này đựơc sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó Ví dụ như các vân khác nhau sẽ được nhúng vào các bản copy khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho nhiều người

1.6.4 Điều khiển truy cập (copy control)

Các thuỷ vân trong những trường hợp này được sử dụng để điều khiển truy cập đối với các thông tin Các thiết bị phát hiện ra thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật Các ứng dụng loại này cũng yêu cầu thuỷ vân phải được bảo đảm an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc

1.6.5 Chống nhân bản bất hợp pháp ( Copy Protection)

Các ứng dụng đã đề cập ở trên hầu hết có tác dụng sau khi có ai đó làm sai Mã hóa cũng có thể dùng để cài đặt cho ứng dụng dạng này Tài liệu được mã hóa với một khóa duy nhất, nếu không có khóa thì không dùng được

1.6.6 Theo dõi quá trình sử dụng (Tracking)

Watermark lưu lại một hay nhiều giao dịch đã xảy ra trong những lần sao chép tác phẩm đã có nhúng watermark

1.6.7 Chống giả mạo (Tamper Proofing)

Digital watermarking có thể được dùng để chống sự giả mạo Nếu có bất cứ sự thay đổi nào về nội dung của các digital media thì watermark này sẽ bị huỷ đi Do đó rất khó làm giả các digital media có chứa watermark

1.6.8 Theo dõi truyền thông (Broadcast Monitoring)

Các công ty truyền thông và quảng cáo có thể dùng kỹ thuật watermarking digital để quản lý xem có bao nhiêu khách hàng đã dùng dịch vụ cung cấp

1.6.9 Truyền tin bí mật (Concealed Communication)

Bởi vì watermarking digital là một dạng đặc biệt của việc che dấu dữ liệu (steganography) nên người ta có thể dùng để truyền các thông tin bí mật

www.7gio.com

CHƯƠNG 2 KỶ THUẬT WATERMARKING VÀ ỨNG DỤNG

CHO ẢNH SỐ

2.1 Tổng quan về watermark cho ảnh số

Hiện nay trên thế giới có nhiều khuôn dạng ảnh thông dụng như: BITMAP, PNG, EMF, GIF, ICO, IMG, JNG, JPEG, Sau đây ta sẽ tìm hiểu một số định dạng ảnh thông dụng

www.7gio.com

2.2 Các phương pháp đánh dấu watermark cho ảnh số

2.2.1 Định hướng watermark cho ảnh số

Hiện nay có nhiều hướng tiếp cận phương pháp watermark cho ảnh số như

• Hướng tiếp cận theo miền không gian ảnh (Spatial Domain): Nhóm kỹ thuật này tập trung vào việc thay đổi trực tiếp lên không gian các điểm ảnh và sử dụng các mô hình tri giác và phương pháp hình học

• Hướng tiếp cận theo miền tần số (Frequency Domain): Đây là nhóm kỹ thuật sử dụng một phương pháp biến đổi trực giao nào đó, chẳng hạn Fourier rời rạc, Cosine rời rạc, hay Wavelet rời rạc, … để chuyển miền không gian sang miền tần số theo kỹ thuật trải phổ trong truyền thông Đây là kỹ thuật phổ biến nhất với nhiều thuật toán và được hứa hẹn là một phương pháp tốt giải quyết vấn đề đảm bảo hai thuộc tính quan trọng (tính ẩn và tính bền vững) của thủy vân khi giấu

2.2.2 Kỷ thuật watermarking trên miền không gian ảnh

Watermark trong miền không gian tín hiệu được khảo sát bằng cách rời rạc trực tiếp

Có hai phương pháp điển hình là phương pháp tách bit có trọng số ít quan trọng nhất (LSB - Least Significant Bit) và phương pháp sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên Cả hai phương pháp này đều tác động trực tiếp lên miền không gian của ảnh

2.2.3 Kỷ thuật watermarking dùng biến đổi DCT (Discrete Cosine Transform) 2.2.3.1 Biến đổi cosine rời rạc (DCT)

Biến đổi cosine rời rạc là một biến đổi toán học nhằm chuyển đổi miền biểu diễn các tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số và được ứng dụng nhiều trong các phép

xử lý tín hiệu như xử lý ảnh, xử lý video Về bản chất, biến đổi cosine rời rạc là phần thực của biến đổi Fourier rời rạc Nén ảnh, video hầu hết đều sử dụng biến đổi cosine

vì nó có thể loại bỏ sự tương quan giữa các điểm ảnh trong miền không gian đồng thời yêu cầu ít sự phức tạp tính toán và tài nguyên hơn

Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DCT thường chia ảnh gốc thành các khối, thực hiện phép biến đổi DCT với từng khối ảnh gốc để được miền tần số thấp, miền tần số giữa và miền tần số cao Đa số kỹ thuật thuỷ vân ẩn bền vững sẽ chọn miền tần

số giữa của mỗi khối để nhúng bit thuỷ vân theo một hệ số k nào đó gọi là hệ số tương

www.7gio.com

quan giữa chất lượng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân (tính ẩn của thuỷ vân) và độ bền vững của thuỷ vân

Biến đổi cosine rời rạc hai chiều

Do ảnh số là các ma trận hai chiều, do đó biến đổi cosine rời rạc hai chiều được sử dụng, phương trình biến đổi như sau:

Ở đây C(u,v) là hệ số biến đổi cosine rời rạc, ∝(u), ∝(v) định nghĩa như (2.3), f(x,y) là

phần tử ma trận 2 chiều đầu vào, N là số hàng hay số cột đầu vào Do đó ta có thể thực hiện 2-D DCT thông qua 1-D DCT

www.7gio.com

2.2.3.2 Watermarking ảnh số tại miền DCT

Phương trình nhúng watermark:

w ( , ) ( , )

C   C i j   W i j (2.6)

Trong đó Cw ( , )i j là hệ số DCT sau khi nhúng; ∝, β là các chỉ số độ mạnh watermark;

C(i,j) là hệ số DCT của ảnh gốc cần nhúng watermark; W(i,j) là hệ số DCT của

về tính an toàn đối với các kỹ thuật nén và tấn công Watermark thì các phương pháp Watermark trên miền không gian tỏ ra rất yếu kém Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng các yêu cầu về tính vô hình và độ an toàn của Watermark có thể được thực hiện

dễ hơn nếu sử dụng các biến đổi cho dữ liệu chủ, thông tin Watermark sẽ được chứa nhiều trong miền biến đổi này

Nhiều biến đổi ảnh đã được xem xét, nổi lên trong đó là biến đổi cosine rời rạc (DCT) Trước đây biến đổi này đặc biệt ưa chuộng cho các chuẩn mã hóa video và ảnh Từ đó, một số lớn kỹ thuật watermarking đã tận dụng biến đổi này Ngoài ra, còn có các biến đổi khác cũng được đề nghị dùng trong kỹ thuật Watermarking bao gồm biến đổi Fourier rời rạc DFT, biến đổi Fourier-Mellin, biến đổi Fourier nhanh FFT (Fast Fourier transform) … Trong những tác phẩm mới đây nhất, các tác giả thường đề cập đến việc dùng biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) cho kỹ thuật Watermarking

Trong lĩnh vực ảnh số, cùng với trào lưu tiêu chuẩn hóa theo JPEG2000 và dịch chuyển các phương pháp nén ảnh từ dựa trên DCT sang DWT, các mô hình Watermark hoạt động trên miền Wavelet ngày càng trở nên được quan tâm hơn Các yêu cầu mới như truyền tải từng phần và có tỉ lệ bit thấp, độ phân giải và tính có thể

www.7gio.com

thay đổi tỷ lệ chất lượng, khả năng phục hồi lỗi và mã hóa vùng quan tâm, được đòi hỏi với hiệu suất mã hóa cao hơn và đa năng hơn Những yêu cầu này được đáp ứng nhờ vào hệ thống “mã hóa khối được nhúng có làm tròn tối ưu” dựa theo Wavelet, điều này được chấp nhận với các bổ sung nhỏ trong chuẩn mã hóa ảnh JPEG2000 Biến đổi Wavelet có một số thuận lợi hơn so với các biến đổi khác, chẳng hạn DCT, là

vì nó có thể triển khai trên cả hai ứng dụng là nén ảnh và Watermarking

Ngoài ra Phân tích Wavelet cho phép sử dụng các khoảng thời gian dài khi ta cần thông tin tần số thấp chính xác hơn, và miền ngắn hơn đối với thông tin tần số cao

Vì vậy phân tích wavelet không dùng một miền thời gian – tần số, mà miền thời gian –

tỷ lệ

Định Nghĩa wavelet

Wavelets là các dạng song nhỏ có thời gian duy trì tới hạn với giá trị trung bình bằng

0 So sánh với song sin thì song sin không có khoảng thời gian giới hạn – nó kéo dài từ

Hình 2.1 Biến đổi wavelet

Hình 2.2 Mô tả các miền biến đổi của tín hiệu

www.7gio.com

âm vô cùng đến vô cùng Và trong khi song sin là trơn tru và có thể dự đoán thì

wavelet lại bất thường và bất đối xứng

Hình 1.6 mô tả sóng sin và sóng wavelet

Phân tích wavelet phân tách tín hiệu thành các phiên bản dịch vị trí và tỷ lệ (co dãn) của một hàm đơn hay gọi là hàm wavelet mẹ Vì vậy tín hiệu với thay đổi nhanh có thể phân tích tốt với một wavelet bất ổn định hơn là với một song sin trơn

Phân loại các phép biến đổi wavelet

Các phép biến đổi wavelet phổ biến được chia thành 3 loại: Biến đổi wavelet liên tục, biến đổi wavelet rời rạc và biến đổi wavelet đa phân giải

2.2.4.2 Cơ sở toán học và lý thuyết của phép biến đổi wavelet

 Biến đổi wavelet liên tục

Nếu wavelet mẹ được ký hiệu là ψ(t) thì wavelet con a b, ( )t được biểu diễn như sau:

Hình 1.7 dưới đây sẻ cho thấy tham số tỷ lệ càng nhỏ, wavelet càng được nén mạnh hơn

Khi a>1: Hàm wavelet sẽ được trải rộng Khi 0<a<1: Hàm sẽ được co lại

Dựa trên định nghĩa wavelets, biến đổi Wavelets (WT) của tín hiệu f(t) được biểu diễn toán học như sau:

Ψ(ω) là biến đổi Fourier của hàm wavelet mẹ ψ(t)

Biến đổi CWT chỉ tồn tại nếu C dương và hữu hạn Do đó C được gọi là điều kiện tồn tại của biến đổi Wavelet Đây cũng là điều kiện một hàm cần phải thõa mãn để có thể được lựa chọn làm hàm wavelet

 Biến đổi wavelet rời rạc (DWT)

Việc tính toán biến đổi DWT thực chất là sự rời rạc hóa biến đổi wavelet liên tục (CWT) Có thể hiểu phép biến đổi wavelet rời rạc – DWT như là áp dụng một tập các bộ lọc thông cao và thông thấp

Hình 2.4 Các thành phần wavelet tương ứng với

các tỷ lệ và vị trí khác nhau

www.7gio.com

Rời rạc hóa phổ biến nhất cho a và b như sau:

Biến đổi trong phương trình (2.14) gọi là các chuổi Wavelet

Hình 1.9 minh họa dạng tổng quát của biến đổi DWT một chiều Theo đó tín hiệu

Gốc được cho đi qua các bộ lọc thông cao H (highpass) và thông thấp L (lowpass) rồi

Được lấy mẫu xuống hệ số 2 tạo thành biến đổi DWT mức 1

Từ biến đổi DWT một chiều có thể mở rộng định nghĩa biến đổi hai chiều theo cách:

Sử dụng các bộ lọc riêng biệt, thực hiện biến đổi DWT 1 chiều đối với dữ liệu vào (ảnh) theo hàng rồi kế tiếp thực hiện theo cột

Sauk ho biến đổi DWT lần lượt như vậy ta sẽ tạo ra 4 nhóm hệ số biến đổi Quá trình biến đổi DWT 2 chiều có thể mô tả như hình 1.10, trong đó 4 nhóm hệ số là: LL, HL,

LH, HH (chữ cái đầu tiên tương ứng là lọc theo hàng, chữ cái thứ hai tương ứng thực hiện lọc theo cột)

Hình 2.6 Quá trình phân tích tín hiệu dung biến

đổi DWT 1 chiều

www.7gio.com

 Phân tích đa phân giải

Vào năm 1986, Stephane mallat và Yves Meyer lần đầu tiên đặt ra ý tưởng phân tích đa phân giải (MRA: multire solution analysis) vào phạm vi phân tích wavelet Ý tưởng này nhằm mục đích giải quyết hình thức tổng quát trong việc xây dựng cơ sỡ trực giao của wavelet

Khi nhìn 1 bức ảnh, chúng ta thấy sự liên kết của những vùng tương quan cấu trúc và mức độ xám mà kết hợp thành hình dạng đối tượng Nếu đối tượng nhỏ hoặc sự tương phản thấp thì chúng ta phải khảo sát chúng dưới tầm quan sát thô Nế cả đối tượng có kích thước vừa và nhỏ hoặc có độ tương phản cao và thấp, được biểu diễn cùng lúc thì ta phải khảo sát chúng ở vài dộ phân giải khác nhau

Quá trình phân tích DWT được lặp lại, các xấp xỉ hoàn toàn được tách ra, do đó một tín hiệu được phân tích thành nhiều thành phần phân giải khác nhau, tiến trình được thực hiện theo hình 1.11

Hình 2.7 Minh họa DWT 2 chiều cho ảnh

Hình 2.8 Phân tích tín hiệu đa mức

www.7gio.com