Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN SỐ 1 1.1 Lịch sử thủy vân số 1 1.2 Hệ thống thủy vân số 2 1.2.1 Quá trình nhúng thủy vân 3 1.2.2 Quá trình tách thủy vân 4 1.3 Những ứng dụng của kỹ thuật thủy vân số 4 1.4 Các đặc tính quan trọng của thủy vân số 6 1.5 Phân loại thủy vân. 6 CHƯƠNG 2: THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ 8 2.1 Giới thiệu chung về ảnh số. 8 2.1.1 Ảnh nhị phân 10 2.1.2 Ảnh đa cấp xám 10 2.1.3 Ảnh RGB (ảnh màu) 11 2.2 Các kỹ thuật thủy vân trong ảnh số 12 2.2.1 Kỹ thuật thủy vân dựa trên miền không gian ảnh 13 2.2.2 Kỹ thuật thủy vân dựa trên miền tần số sử dụng biến đổi DCT 15 2.2.2.1 Biến đổi cosine rời rạc DCT 15 2.2.2.2 Thủy vân ảnh số tại miền DCT 19 2.2.2.3 Kỹ thuật thủy vân của Chris Shoemarker 20 2.2.3 Thủy vân số sử dụng biến đổi DWT 23 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG THỦY VÂN ẢNH SỐ TRÊN MATLAB 25 3.1 Thủy vân ảnh màu trên miền DCT 25 3.1.1 Tổng quan 25 3.1.2 Mã hóa Thủy vân 26 3.1.3 Nhúng và trích thủy vân 26 3.1.3.1 Quá trình nhúng thủy vân 28 3.1.3.2 Quá trình trích thủy vân 29 3.2 Thực hiện mô phỏng trên matlab 31 3.3 Đánh giá kết quả 33 3.3.1 Các thước đo đánh giá hiệu quả 33 3.3.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 33 KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số Ứng dụng kỹ thuật thủy vân số trong lĩnh vực bảo vệ ảnh quyền ảnh số
LỜI CẢM ƠN Khi chọn đề tài có tính thực tế cao “ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ TRONG LĨNH VỰC BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ “ làm đồ án tốt nghiệp, với kiến thức mang nặng lý thuyết sinh viên, em gặp nhiều khó khăn Nhưng nhờ giúp đỡ, bảo tận tình thầy giáo hướng dẫn, tiến sỹ Đỗ Văn Tuấn em khắc phục thiếu sót kiến thức thân, có hiểu biết thực tế quý giá để hoàn thành đồ án tốt nghiệp cuối khóa Em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thầy cô khoa Điện tử Viễn thông trường Đại Học Điện Lực tận tình giảng dạy, trang bị cho em kiến thức quý báu suốt năm học vừa qua Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo, tiến sỹ Đỗ Văn Tuấn, người dành nhiều thời gian tâm huyết giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Mặc dù em cố gắng hoàn thành đồ án phạm vi khả cho phép chắn không tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận cảm thông tận tình bảo quý thầy cô bạn Cuối em xin kính chúc thầy cô sức khỏe thành công nghiệp cao quý Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2014 Sinh viên Đỗ Việt Đức GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức KÍ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt DCT Discrete Cosin Transform Biến đổi Cosin rời rạc IDCT DFT DWT IDWT LSB Inverse Discrete Cosin Biến đổi ngược Cosin rời rạc Transform Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ròi rạc Discrete Wavelet Transform Inverse Discrete Wavelet Transform Least Significant Bit Biến đổi song nhỏ rời rạc Biến đổi ngược sóng nhỏ rời rạc Bit quan trọng JPEG Joint Photographic Experts Group Nén ảnh JPEG RGB Red-Green-Blue Đỏ-Lục-Lam PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu cực đại nhiễu MSE Mean Squared Error Sai số bình phương trung bình GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ phương tiện liệu số (như ảnh, audio, video ), việc đánh dấu quyền cho liệu ngày cải tiến nâng cao Tuy nhiên, công nghệ thông tin phát triển giúp cho việc chỉnh sửa, chép liệu số trở nên dễ dàng Điều kéo theo thực trạng số lượng chép bất hợp pháp liệu số ngày nhiều Làm để xác nhận quyền tác giả, phát xuyên tạc thông tin nhu cầu thiết yếu nhằm bảo vệ quyền cho phương tiện liệu số Kỹ thuật thủy vân số (Digital Watermarking) giải pháp đưa để giải vấn đề Bằng cách sử dụng thủy vân, liệu số bảo vệ khỏi chép bất hợp pháp Thủy vân mẩu tin ẩn trực tiếp liệu số Thủy vân gắn kết với liệu số Bằng trực quan khó phát thủy vân liệu chứa ta tách chúng chương trình có cài đặt thuật toán thủy vân Thủy vân tách từ liệu số chứng kết luận liệu số có bị xuyên tạc thông tin hay vi phạm quyền không Đó lí mà em chọn đề tài “ỨNG DỤNG KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ TRONG LĨNH VỰC BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ” làm nội dung nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp mình.Đồ án gồm chương chính: • Chương 1: Tổng quan thủy vân số: Trình bày lịch sử phát triển thủy vân, tính chất lĩnh vực ứng dụng thủy vân • Chương 2: Thủy vân ảnh số: Tìm hiểu khái quát ảnh số sâu vào số thuật toán nhúng thủy vân ảnh số GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức • Chương 3: Mô quyền ảnh số matlab: Trình bày kỹ thuật thủy vân số ảnh màu, thực mô matlab đánh giá kết thu GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN SỐ 1.1 Lịch sử thủy vân số Phương pháp thủy vân thực phương pháp thủy vân giấy Đó thông tin nhỏ nhúng chìm giấy để thể gốc thức Theo Hartung Kutter, thủy vân giấy bắt đầu sử dụng vào năm 1292 Fabriano, Italy – nơi coi nơi sinh thủy vân Sau đó, thủy vân nhanh chóng lan rộng toàn Italy nước châu Âu Mỹ Ban đầu, thủy vân giấy dùng với mục đích xác định nhãn hàng nhà máy sản xuất Sau sử dụng để xác định định dạng, chất lượng độ dài, ngày tháng sản phẩm Đến kỷ thứ 18, bắt đầu dùng cho tiền tệ thủy vân công cụ dùng rộng rãi với mục đích bảo mật cho tiền tệ, chống làm tiền giả Thuật ngữ “thủy vân” (watermarking) đưa vào cuối 18, bắt nguồn từ loại mực vô hình viết lên giấy hiển thị nhúng giấy vào nước Năm 1988, Komatsu Tominaga đưa thuật ngữ “thủy vân số” (Digital watermarking) Vậy thủy vân số trình sử dụng thông tin (ảnh, chuỗi bít, chuỗi số) nhúng cách tinh vi vào liệu số (ảnh số, audio, video hay text) nhằm xác định thông tin quyền tác phẩm số Mục đích thủy vân số bảo vệ quyền cho phương tiện liệu số mang thông tin thủy vân Tùy theo mục đích hệ thủy vân mà người ta lại chia thành hướng nhỏ thủy vân dễ vỡ thủy vân bền vững Thủy vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng mẩu tin đòi hỏi độ bền vững cao thông tin giấu trước biến đổi thông thường liệu chứa Hướng sử dụng để bảo vệ quyền tác giả Thủy vân dễ vỡ yêu cầu thông tin giấu bị sai lệch có thay đổi liệu chứa Hướng sử dụng để phát xuyên tạc thông tin Ở loại thủy vân bền vững thủy vân dễ vỡ lại chia thành hai loại dựa theo đặc tính thủy vân ẩn thủy vân Thủy vân cho phép nhìn thấy thông tin đem nhúng vào liệu chứa Loại sử dụng cho mục đích công bố công khai quyền sở hữu Ngược lại, thủy vân ẩn không cho phép nhìn thấy GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức nội dung thông tin nhúng sử dụng với mục đích gài bí mật thông tin xác nhận quyền sở hữu Hình 1.1 : Ví dụ thủy vân ẩn thủy vân 1.2 Hệ thống thủy vân số Hệ thống thủy vân số trình sử dụng thủy vân nhúng vào liệu số để liệu số có chứa thủy vân hay gọi liệu có quyền Dữ liệu có quyền phân phối kênh truyền tin Trong trình phân phối, liệu quyền bị công trái phép yếu tố gây nhiễu Nếu liệu số quyền bị nghi ngờ chép trái phép chỉnh sửa thông tin xác minh nhờ trình tách thủy vân nhúng Như vậy, hệ thống thủy vân số nói chung bao gồm trình trình nhúng thủy vân trình tách thủy vân Thủy vân mang thông tin bảo mật quyền liệu chứa Khóa thủy vân dùng cho phiên nhúng phát thủy vân Khóa thủy vân với thủy vân Khóa khóa bí mật, tác giả biết Điều nói lên tác giả phát thủy vân Tùy nhúng thủy vân mà có yêu cầu với khóa thủy vân GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 10 Hình 1.2 : Sơ đồ hệ thống thủy vân số 1.2.1 Quá trình nhúng thủy vân Giai đoạn gồm thông tin khóa thủy vân, thủy vân, liệu chứa nhúng thủy vân Dữ liệu chứa bao gồm đối tượng văn bản, audio, video, ảnh… dạng số, dùng làm môi trường để giấu tin Bộ nhúng thủy vân chương trình cài đặt thuật toán thủy vân thực với khóa bí mật Thủy vân nhúng vào liệu chứa nhờ nhúng thủy vân Kết trình liệu chứa nhúng thủy vân gọi liệu có quyền phân phối môi trường khác Trên đường phân phối có nhiễu công từ bên Do yêu cầu kỹ thuật thủy vân số phải bền vững với nhiễu công Hình 1.3 : Minh họa trình thủy vân GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 31 Hình 2.18 - Biến đổi DWT hai chiều phân chia lần Một nhiều ưu điểm việc nhúng thủy vân miền Wavelet tăng độ bện vững thủy vân trước công đánh lừa hệ thống thị giác người Mắt thường không nhìn khác biệt ảnh trước sau nhúng thủy vân Cho phép sử dụng Thủy vân có lượng cao Kết luận: Chương giới thiệu cho người đọc khái niệm ảnh số giới thiệu cho người đọc biết số thuật toán thủy vân ảnh số như: thủy vân số miền không gian, thủy vân số sử dụng biến đổi DCT, thủy vân số sử dụng biến đổi DWT Trong chương tiếp theo, ta sâu vào phân tích thuật toán sử dụng việc mô matlab đánh giá kết thu hệ thống mô GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 32 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG THỦY VÂN ẢNH SỐ TRÊN MATLAB Như đề cập, thủy vân số biện pháp hữu hiệu việc chống lại xâm phạm tài sản trí tuệ Thủy vân xem xét mặt cảm thụ có hai loại thủy vân hữu hình thủy vân vô hình Đối với ứng dụng thủy vân số vấn đề quyền cho ảnh số có hai yêu cầu quan trọng cần xem xét độ bền độ suốt Độ bền thủy vân hiểu khả chống chịu thông tin nhúng trước tác nhân công cố ý xử lý ảnh (xoay, cắt, nén ), rút thông tin nhúng trái phép tác nhân vô thức nhiễu (nhiễu kênh truyền ) Sự sống thông tin nhúng xem yếu tố then chốt ứng dụng thủy vân lĩnh vưc bảo vệ quyền ảnh số Độ suốt hiểu ảnh gốc không bị sai lệch nhiều so với ảnh gốc ban đầu, đồng thời thông tin nhúng không bị nhận biết sau nhúng Một vấn đề đáng lưu ý độ bền độ suốt thường mâu thuẫn với Độ bền mạnh độ suốt giảm ngược lại nên khi thiết kế mô hình thủy vân cần xem xét thỏa hiệp hai yếu tố Đối với thông tin nhúng sử dụng thủy vân ảnh thường chuỗi số chiều, chuỗi hai chiều, ảnh nhị phân ảnh xám với thông tin quyền bị giới hạn bảo mật Trong đó, ảnh màu dùng làm thông tin nhúng khắc phục nhược điểm 3.1 Thủy vân ảnh màu miền DCT 3.1.1 Tổng quan Thủy vân W biểu diễn không gian màu RGB phân tách thảnh ba phần riêng biệt: WR WG WB Với thảnh phần biển diễn ảnh xám Với mục đích minh họa cho việc chuyển đổi chuỗi thủy vân, lấy thành phần WR có kích cỡ Mỗi pixel thảnh phần biểu diễn chuỗi bít nhị phân có độ dài bít Như ứng với W R kích cỡ có chuỗi bít nhị phân watermark Chuỗi bít nhúng vào thành phần tương ứng H R ảnh gốc H Đối với thành phần W G WB thực tương tự Giá trị GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 33 xám kênh màu R, G, B khoảng [0-255] biểu thị bít nhị phân 3.1.2 Mã hóa Thủy vân Thủy vân trước nhúng mã hóa để tăng cường thêm tính bảo mật Thông thường, thủy vân mã hóa cách xáo trộn vị trí điểm ảnh tuân theo đa thức ánh xạ bậc có dạng: (3.1) với ∈ (0,1) , u ∈ (3.5699456,4), i = 0,1,2,…,n Việc thiết lập giá trị ban đầu mã khóa để tạo ta chuỗi hỗn tạp nhằm mã hóa thủy vân Nếu mã hóa x không thực việc giải mã Sau mã hóa, thủy vân ban đầu khác biệt so với thủy vân mã hóa phục hồi biết max khóa 3.1.3 Nhúng trích thủy vân Hệ thống mắt người có đặc tính sau: - Nhạy với độ chói Ở vùng tối sáng nhẹ có đồng nhất, mắt người nhạy việc phát thay đổi Cảm nhận tốt vùng biên, có độ tương phản cao Mắt người có mức cảm nhận cao vùng có bề mặt phức tạp thấp vùng có bề mặt nhẵn Độ nhạy sáng độ chói đo giá trị xám Trong ảnh gốc, vùng có giá trị mức xám thấp nhúng mạnh Cường độ điểm ảnh biên đo độ tương phản độ mịn Với cường độ mạnh chứng tỏ tương phản bề mặt phức tạp Với đặc tính mắt người nêu trên, phân chia ảnh gốc H thành thành phần HR, HG, HB Phân chia thành phần thành khối 8x8 Sau đó, phân khối vào nhóm: - Nhóm C1: khối với điểm có độ chói mạnh yếu nhiều điểm biên Nhóm nhúng watermark mạnh Nhóm C2: khối với độ chói trung bình điểm biên Nhóm thích hợp để nhúng watermark nhẹ Nhóm C3: khối lại, nhúng watermark trung bình GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 34 Tách biên Canny sử dụng để tách biên ảnh, với số điểm ảnh biên sử dụng để đánh giá độ tương phản độ phức tạp bề mặt Bởi tất khối ảnh có kích thước 8x8, cần phải có điểm ảnh để biểu thị đường thẳng ngang qua khối xét Và với biên số điểm ảnh biên khối ảnh thiết kế thức phân nhóm khối sau: - Các khối thuộc C1 L > T1 L < T2 Biên > - Các khối thuộc C2 T2 Các khối lại thuộc C3 ≤ L ≤ T3 Biên = Với T1 T2 T3 ngưỡng thu thực nghiệm Độ bền thủy vân không phụ thuộc vào độ mạnh việc nhúng thủy vân mà phụ thuộc vào vị tri nhúng Thông thường, mắt người nhạy cảm với tần số thấp không nhạy cảm với tần số cao Nếu thực nhúng thủy vân vào vùng tần số thấp ảnh gốc bị sai lệch nhiều thủy vân hữu cách rõ ràng Nhưng nhúng vào vùng tần số cao độ bền suy giảm đáng kể Do đó, cần cân hai điều kiện thuật toán Xem xét biến đổi DCT cho khối điểm ảnh 8x8, tập hệ số dạng ma trận x với hệ số góc trái phía biểu thị cho tần số thấp, chéo từ trái sang phải, tập hệ số biểu diễn tần số cao Các hệ số xếp theo kiểu Zigzag Nhằm mục đích thỏa hai điều kiện trên, chọn hệ số từ -10 để nhúng thủy vân số GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 35 Hình 3.1 : Bảng đánh số Zigzag Độ nhạy cảm mắt người phụ thuộc vào màu sắc nên trọng số watermarking thay đổi theo Mắt người nhạy cảm với màu xanh lục (G), nhạy với màu đỏ (R), nhạy với màu xanh dương (B) Biểu diễn độ chói thông qua R, G, B cho biểu thức : Y = 0.229R + 0.587G + 0.144B (3.2) Với Y độ chói Từ biểu thức (3.2) cho tỷ số : 0.229 : 0.587 : 0.144 ≈ 2:4:1 (3.3) Từ rút độ mạnh để nhúng thủy vân cho thành phần R, G, B M r = 2, Mg = 4, Mb = 3.1.3.1 Quá trình nhúng thủy vân Các bước thực : Bước 1: Tách ảnh gốc (H) thành thành phần H R, HG, HB Đối với thành phần có phân chia thành khối điểm ảnh 8x8 không trùng biểu diễn với ≤ ≤ 8, k={ ≤ k ≤ ∈ K-1, k N } K tổng khối ảnh Bước 2: Ta thực biến đổi DCT khối điểm ảnh 8x8 bước thu :với ≤ ≤ 8, = { } K tổng khối ảnh Bước 3: Ảnh Watermark (W) sau mã hóa kích thước tách thành phần riêng biệt WR, WG, WB Mức xám điểm ảnh W R, WG, WB đổi sang dạng nhị phân bit Như vậy, thành phần W R WG WB biểu diễn chuỗi bit có độ dài Bước 4: Các chuỗi bít thu bước nhúng vào khối , ảnh gốc Giả sử hệ số DCT vùng nhúng sau nhúng thành phần WR Biểu thức nhúng cho (3.4) Với GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 36 Biểu thức nhúng với thành phần WG WB tương tự (3.4) Bước 5: Biến đổi DCT ngược khối nhúng thủy vân theo thứ tự Cuối thu ảnh thủy vân (H’) Sơ đồ khối trình nhúng thủy vân : Hình 3.2 : Sơ đồ khối trình nhúng thủy vân 3.1.3.2 Quá trình trích thủy vân Quá trình trích thực ngược lại trình nhúng Cần có ảnh gốc để thực trích xuất Quá trình trích bao gồm bước : Bước : Tách thành phần R, G, B ảnh gốc theo thứ tự Bước : Tiếp tục phân chia H H’ theo thứ tự thảnh khối ảnh x 8, đồng thời DCT khối Bước : Giả định chuỗi thủy vân W’R biểu thị GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 37 Biểu thức trích xuất W’R : (3.5) Với Biểu thức để trích xuất thành phần WG, WB tương tự Bước : Chuyển biểu diễn bit nhị phân thu bước dạng thập phân Thu thủy vân trích Sơ đồ khối trình trích thủy vân Hình 3.3 : Sơ đồ khối trình trích watermark 3.2 Thực mô matlab Bằng việc sử dụng phần mềm Matlab (một phần mềm hỗ trợ cho người dùng cách đầy đủ phép tính toán học) ta dễ dàng thực chương trình phục vụ cho việc mô hệ thống thủy vân số GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 38 Phần mềm thiết kế máy tính cung cấp cho người sử dụng giao diện thân thiện với người sử dụng Nó cung cấp cho người dung ba giao diện là: - Giao diện khởi động : đưa lựa chọn cho người dùng (nhúng thủy vân, tách thủy vân) Hình 3.4 : Giao diện khởi động chương trình - Giao diện phần nhúng thủy vân: Có nhiệm vụ mã hóa ảnh thủy vân thực nhúng ảnh thủy vân mã hóa vào ảnh chủ theo thuật toán định sẵn GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 39 Hình 3.5 : Giao diện phần nhúng chương trình - Giao diện phần tách thông tin nhúng : có nhiệm vụ tách thông tin nhúng ảnh chọn theo thuật toán định sẵn Hình 3.6 : Giao diện tách chương trình GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 40 3.3 Đánh giá kết 3.3.1 Các thước đo đánh giá hiệu Các thuật toán thủy vân thường đánh giá độ cảm nhận hay gọi tính ẩn thủy vân ảnh chủ độ bền vững thủy vân trước công có chủ đích không chủ đích Dưới số thước đo để đánh giá kết hệ thống thực nghiệm a Độ cảm nhận Độ cảm nhận có nghĩa chất lượng cảm nhận ảnh chủ không bị méo mó có có mặt thủy vân Để đo chất lượng ảnh nhúng thủy vân, người ta sử dụng thước đo gọi tỷ lệ tín hiệu đỉnh nhiễu (PSNR – Peak Signal to Noise Ratio) PSNR đo decibel (dB) tính công thức sau: (3.6) Với: (3.7) Trong đó: Max(I): giá trị lớn mà điểm ảnh có ảnh gốc I I(i,j): giá trị điểm ảnh có tọa độ (i,j) ảnh gốc I Iw(i,j): giá trị điểm ảnh có tọa độ (i,j) ảnh chứa thủy vân Iw Giá trị PSNR lớn giá trị MSE nhỏ hay sai khác ảnh gốc với ảnh sau thực nhứng thủy vân nhỏ Nói cách khác, PSNR lớn chất lượng thuật toán nhúng đạt hiệu cao b Độ bền vững Độ bền vững thước đo bền vững thủy vân trước công có chủ đích không chủ đích nhằm gỡ bỏ làm biến dạng phép xử lý khác Trong đồ án này, thủy vân đánh giá độ bền vững thông qua thử nghiệm ảnh giấu thủy vân phép công phổ biến nén JPEG Nén JPEG công dễ gỡ bỏ thủy vân với thủy vân có độ bền vững không cao nên nén JPEG chọn làm cách thức công đồ án 3.3.2 Đánh giá kết mô GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 41 Trong phần đánh giá này, ta thực mô ảnh RGB bitmap 512x512 Sau thực thao tác mô phỏng, ta thu ảnh sau xử lý Để kiểm tra hiệu hệ thống mô ta làm theo bước sau: - Bước 1: quan sát mắt thường ta nhận thấy sai khác có - thể nhìn thấy ảnh sau xử lý so với ảnh gốc Bước 2: sử dụng phép toán để tính toán thông tin chất lượng - ảnh sau xử lý so với ảnh gốc (PSNR) Bước 3: công lên ảnh nhận phân tích kết nhận Trong bước này, ta sử dụng công ảnh JPEG lên ảnh nhận sau tách thông tin nhận Dưới hình ảnh thu sau thực trình nhúng thủy vân: a - Ảnh gốc b - Ảnh sau nhúng thủy vân Hình 3.7 : So sánh ảnh gốc ảnh sau nhúng thủy vân Qua cảm nhận mắt thường vào hình 3.7, ta thấy khác biệt ảnh gốc ảnh nhận sau xử lý Tiếp theo, ta kiểm tra độ bền vững thủy vân trước công nén JPEG với tỷ số nén khác GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 42 Tỷ số PSNR nén (%) (dB) 36.3211 30 32.3392 95 24.272 Ảnh trước nén JPEG Ảnh sau nén JPEG Bảng 3.1 : Ảnh trước nén sau nén với hệ số nén khác Tỷ số nén (%) Thủy vân gốc Thủy vân trích sau nén 30 95 Bảng 3.2 : Thủy vân gốc thủy vân tách sau nén với hệ số nén khác Từ bảng 3.1 3.2, ta thấy với tỷ số nén tăng chất lượng ảnh thủy vân sau nén JPEG giảm Với hệ số nén 1% 30%, ta thấy ảnh sau nén gần không thay đổi so với ảnh trước nén mắt thường phân biệt được, ta nhận thủy GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 43 vân sau nén Với hệ số nén 95%, ta phân biệt khác ảnh trước nén ảnh sau nén, thủy vân sau nén gần bị phá hủy hoàn toàn Để đánh giá xác sai khác ảnh sau nhúng thủy vân so với ảnh gốc ta vào PSNR (PSNR lớn chứng tỏ sai khác nhỏ) Nhìn bảng 3.1 ta thấy tỷ số nén tăng PSNR cảng giảm, chứng tỏ sai khác so với ảnh gốc tăng Kết luận: Trên đây, chương cung cấp cho người đọc kiến thức kỹ thuật thủy vân số ảnh màu Thực mô matlab, với kết mô nhận thấy giải pháp nhúng thủy vân dựa biến đổi miền DCT cho kết thủy vân có độ bền lớn Bằng phép công ta thấy thuật toán sử dụng mô thử nghiệm tốt GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 44 KẾT LUẬN KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thực đồ án, với giúp đõ tận tình thầy cô giáo “Khoa Điện tử viễn thông – Trường đại học Điện Lực” Ts.Đỗ Văn tuấn giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Nội dung chủ yếu đồ án xoay quanh vấn đề “Thủy vân ảnh số” để bảo vệ quyền tác giả sử dụng phần mềm mô Matlab để mô thử nghiêm số thuật toán thủy vân miền DCT Đồ án đưa thuật toán, thực mô thuật toán Matlab triển khai, đánh giá chất lượng thủy vân tác phẩm ảnh số Bằng việc thử nghiệm mô Matlab với ảnh màu 512x512 đánh giá kết nhận đồ án rút kết luận sau: - Sự sai khác ảnh sau nhúng ảnh gốc không đáng kể Tỷ số nén tăng độ bền thủy vân giảm ngược lại Độ bền thủy vân cao sau chịu tác động nén JPEG Tuy nhiên, mặt hạn chế đồ án nhiều: - Mới thử độ bền thủy vân phép thử nén JPEG Lĩnh vực đa phương tiện có nhiều định dạng khác ảnh audio, video…cần bảo vệ quyền tác giả Đồ án khai thác kỹ thuật thủy vân ảnh số KIẾN NGHỊ Dựa vào kết nhận từ đồ án phát triển hệ thống thử nghiệm để đưa vào ứng dụng thực tiễn liệu đa phương tiện nào, tăng cường tính bền vững thủy vân GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] PGS.TS Nguyễn Quang Hoan, “Xử lý ảnh”, Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông, năm 2006 [2] TS Nguyễn Thanh Bình - ThS.Võ Nguyễn Quốc Bảo, “Xử lý âm hình ảnh”, Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông, năm 2007 [3] Nguyễn Xuân Huy – Trần Quốc Dũng, “Một thuật toán thủy vân ảnh miền DCT” [4] Lê Việt Hùng – Huỳnh Mã Đông Giang, “Nghiên cứu watermarking ảnh số ứng dụng”, Đại học Khoa học tự nhiên, 2003 Tiếng Anh: [1] Saeed K Amirgholipour - Ahmad R Naghsh-Nilchi, “Robust Digital Image Watermarking Based on Joint DWT-DCT”, International Journal of Digital Content Technology and its Applications Volume 3, Number 2, June 2009 [2] Mohammad Reza Soheili, “A robust digital image watermarking scheme based on DWT”, Tarbiat Moallem University, Tehran, Iran, Febuary 2010 GVHD: TS Đỗ Văn Tuấn SVTH: Đỗ Việt Đức ... KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ TRONG LĨNH VỰC BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ” làm nội dung nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp mình.Đồ án gồm chương chính: • Chương 1: Tổng quan thủy vân số: Trình bày lịch sử phát... tức, phim ảnh, kiện thể thao, quảng cáo … Bảo vệ tài sản trí tuệ ngăn chặn hoạt động phát sóng lại cách bất hợp pháp vô quan trọng Các công ty truyền thông quảng cáo dùng kỹ thuật thủy vân số để... quyền chỉnh sửa phát thủy vân Dung lượng giấu: Thuật toán thủy vân cho phép giấu nhiều thông tin tốt Tuy nhiên, đặc tính thường trái ngược nên người ta phải cân đối đặc tính ứng dụng cụ thể 1.5