TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ──────── * ─────── BÁO CÁO MÔN HỌC XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN TÌM HIỂU KỸ THUẬT WATERMARKING ĐỐI VỚI ẢNH SỐ Sinh viên thực hiện: Ngô Quang Anh Vũ Quang Đại 20121209 20121475 Nguyễn Hiển Tường 20122776 Hoàng Tùng Anh 20124969 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan HÀ NỘI 05-2017 Phân công công việc Vũ Quang Đại Hoàng Tùng Anh Nguyễn Hiển Tường Ngô Quang Anh I Tìm hiểu watermarking Watermarking gì? - Giải thích khái niệm chung Watermarking Phân loại Watermarking Ứng dụng Watermarking So sánh Watermarking Data Hiding II Tìm hiểu watermarking ảnh JPEG Tổng quan kỹ thuật Watermarking ảnh JPEG - Giải thích chung hình thức, chế, có phương pháp Thuật toán watermarking ảnh JPEG sử dụng DCT III Thử nghiệm thuật toán watermarking MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, bên cạnh ích lợi to lớn, thiết thực mà mạng máy tính đem lại, đối đầu với thử thách liên quan đến vấn đề truyền thông bảo mật đặc biệt vấn đề phân phối tài liệu đa phương tiện cho bảo đảm quyền sở hữu trí tuệ Tình trạng chép bất hợp pháp, giả mạo tác phẩm số hóa gây búc xúc không riêng tác giả mà cho người làm pháp luật Những hành vi xâm phạm quyền giả mạo, ăn cắp tác phẩm, sử dụng tác phẩm quyền… trở nên phổ biến ngày tinh vi Tuy nhiên với phương pháp bảo vệ liệu truyền thống mã hoá, sử dụng khóa không đem lại hiệu cao tình hình Các loại truyền t hông đa phương tiện âm th anh số , ả nh số , video dạng liệu khó bảo vệ Trong bối cảnh đó, kỹ thuật Watermarking đời cứu cánh Watermarking kỹ thuật cho phép nhúng thông tin tác giả, gọi Watermark, vào tài liệu số hóa cho chất lượng trực quan tài liệu không bị ảnh hưởng cần dò lại Watermark nhúng nhằm xác nhận quyền Bài tiểu luận tiến hành nghiên cứu số vấn đề lý thuyết tổng quan Watermarking ứng dụng công nghệ truyền thông đa phương tiện, đồng thời tìm hiểu phân tích sơ số kỹ thuật Watermarking môi trường ảnh màu kỹ thuật số CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT WATERMARKING I Giới thiệu Watermarking Watermarking Watermarking kỹ thuật giấu liệu đại Nó định nghĩa trình chèn thông tin vào liệu đa phương tiện, bảo đảm không cảm thụ được, nghĩa làm thay đổi nhỏ liệu gốc.Thông thường người ta đề cập đến watermarking số Đó tập liệu số thứ cấp – gọi watermark (mã đánh dấu quyền) – nhúng vào liệu số sơ cấp- gọi liệu bao phủ (vd văn bản, hình ảnh, video audio số…) Dữ liệu trình nhúng gọi liệu nhúng Watermarking ứng dụng vào nhiều lĩnh vực bảo vệ quyền sở hữu, điều khiển việc chép, xác nhận giấy tờ, hay truyền đạt thông tin khác… ứng dụng phổ biến cung cấp chứng quyền tác giả liệu số cách nhúng thông tin quyền Trong : • Thông tin đánh dấu (embedded data) : thông tin nhúng vào phương tiện chứa, ảnh, logo, đoạn văn • Phương tiện chứa (host signal) : phương tiện gốc, có chứa thông tin cần bảo vệ Hình 1: Sơ đồ nhúng watermark Hình 2:Sơ đồ khôi phục watermark Tất phương pháp watermark có chung khối sau: Một hệ thống nhúng watermark hệ thống khôi phục watermark Hình trình bày trình nhúng watermark tổng quát Ngõ vào môt watermark, liệu cần nhúng mã cá nhân hay công cộng Watermark dạng chữ số, văn hay hình ảnh Khóa dùng để tăng cường tính bảo mật, nghĩa ngăn chặn người quyền khôi phục hay phá hủy watermark Các hệ thống thực tế dùng khóa, chí kết hợp nhiều khóa Ngõ liệu watermark Quá trình khôi phục watermark cho Hình Các ngõ vào liệu watermark, khóa liệu gốc Ngõ watermark khôi phục lại đại lượng mối tương quan watermark cho trước ngõ vào Phụ thuộc vào mục đích ứng dụng mà yêu cầu hệ thống watermark đặt Với hệ thống thực tế, chúng đòi hỏi yêu cầu sau • Tính không cảm thụ: điều chỉnh gây nhúng watermark phải thấp ngưỡng cảm thụ, nghĩa mẫu dùng nhúng watermark phép thay đổi nhỏ • Tính bền vững: yêu cầu nòng cốt watermarking • Khôi phục watermark cần không cần liệu gốc • Trích watermark hay kiểm chứng tồn watermark • Các khoá bảo mật watermark II Phân loại Watermarking Watermarking phân loại nhiều cách, cụ thể sau: Trên miền hoạt động Miền không gian • Trong kỹ thuật Watermark miền không gian, Watermark nhúng miền không gian phương tiện chứa, ví dụ sử dụng kỹ thuật LSB Miền tần số • Trong kỹ thuật Watermark miền tần số, phương tiện chứa watermark biến đổi qua phép biến đổi DWT, DCT, DFT, … sau tổng hợp lại thành phương tiện chứa watermark Theo phương tiện chứa Văn • Watermark chứa văn thường đoạn văn hình ảnh chèn văn • Watermark ảnh số thường watermark không nhìn thấy để chứng tỏ quyền tác giả Hoặc đính kèm tin mật để không bị lộ thông tin • Watermark audio đoạn tiếng nói / nhạc chèn audio gốc nhằm tránh việc sử dụng audio bất hợp pháp Ảnh số Audio Video số • Watermark video thường watermark nhìn thấy được, xuất khoảng thời gian video Theo cảm nhận người Không thể cảm nhận • Watermark thường sử dụng Audio số Ảnh số, nhằm che giấu việc đánh dấu thông tin phương tiện cần bảo vệ Hoặc dùng để che giấu thông tin mật cần truyền Có thể cảm nhận • Watermark dùng để kiểm soát phân phối bất hợp pháp người sử dụng phương tiện cần bảo vệ Theo độ bền Watermark III • Dễ phá vỡ • Khó phá vỡ Ứng dụng Watermarking Các ứng dụng watermaking hầu hết tài liệu đa phương tiện ( ảnh, âm thanh, phim) , bao gồm : • • • • • Theo dõi phát sóng ( broadcast watermaking ) Nhận người chủ sở hữu ( owner identification) Bằng chứng quyền sở hữu ( proof of ower ship ) Lưu vết giao tác hay dấu vân tay ( transaction tracking/fingerprinting ) Sự xác nhận nội dung ( content authentication ) • Kiểm soát chép ( copy control ) Theo dõi phát sóng Trong thực tế, việc phát sóng đoạn phim hay âm qua phương tiện thông tin đại chúng có nhu cầu như: • Các nhà quảng cáo muốn chắn đoạn chương trình quảng cáo họ phát đủ thời gian mà họ mua từ nhà phát sóng • Các diễn viên tham gia đoạn chương trình quảng cáo muốn bảo đảm họ trả tiền quyền ứng với thời lương phát sóng từ công ty quảng cáo • Những người sở hữu đoạn nhạc hay phim không muốn tác phẩm bị xâm phạm tác quyền qua việc thu phát sóng lại Watermarking phương pháp mã hoá thông tin nhận dạng cho theo dõi chủ động Nó có thuận lợi watermark tồn bên nội dung tín hiệu phát sóng đoạn đặc biệt tín hiệu hoàn toàn thương thích với tảng thiết bị phát sóng cài đặt bao gồm truyền tải digital analog Tuy nhiên, qui trình nhúng dò watermark phức tạp việc thêm liệu vào đầu file tìm thuật toán cho chất lượng trực quan nội dung giảm không đáng kể lại có độ an toàn cao toán thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu Như vậy, cách nhận dạng watermark nhúng nội dung số, đâu nội dung phát sóng Nhận người chủ sở hữu Trong thực tế có trường hợp tác phẩm có tác quyền bị sử dụng sai mục đích phán quan luật pháp cần thông báo tác quyền hình thức hay vị trí xem tài liệu phân phối Thông báo tác quyền thường thấy có tài liệu khả kiến “Copyright ngày người sở hữu”, “© ngày người sở hữu” hay “Corp ngày người sở hữu” Trên tác phẩm âm thông báo phải đặt lên bề mặt đĩa vật lý, tên nhãn hay bao bì Dễ thấy rằng, giới hạn việc nhận dạng người sở hữu tác quyền tác phẩm không bảo đảm người ta không khó để loại bỏ khỏi tài liệu tiến hành chụp lại chí không cần quan tâm việc làm sai: Chẳng hạn, giáo viên chụp số trang từ sách mà quên chụp thông báo tác quyền trang tiêu đề, họa sĩ sử dụng hình hợp pháp mục quảng cáo báo xén phần có chứa thông tin tác quyền Rồi sau công dân tôn trọng luật pháp muốn dùng tác phẩm không tài xác định tác phẩm có bảo vệ tác quyền hay chưa Một trường hợp tiếng Lena Sjooblom Đây ảnh thử thông thường lĩnh vực nghiên cứu xử lý ảnh xuất mà kể bào báo hội nghị không tham khảo tên người sở hữu hợp pháp nó, hãng Playboy Ban đầu ảnh phóng to lồng trang tạp chí Playboy ( Tháng 11- 1972 ) Khi ảnh Scan dùng cho mục đích kiểm thử, hầu hết ảnh bị xén khuôn mặt vai Lena Không may dòng chữ ghi Playboy người sở hữu bị xén Từ ảnh phân phối toàn cầu hầu hết nhà nghiên cứu dùng bào báo chúng tác quyền Playboy Thứ hai vấn đề thẩm mỹ, dù đặt phần ảnh dòng chữ thông tin tác quyền làm giảm bớt vẻ đẹp Với tài liệu âm hay phim, thông báo tác quyền nằm băng đĩa vật lý bao bì nên thông báo chép với nội dung Do watermark vừa nhận thấy vừa tách rời tác phẩm chứa nên chúng giải pháp tốt dòng chữ việc nhận người sở hữu người dùng tác phẩm cung cấp dò watermark Digimarc cho ảnh ứng dụng mà ta đề cập Nó tích hợp vào Photoshop Khi dò Digimarc nhận watermark, liên lạc với sở liệu trung tâm Internet dùng thông điệp watermark khóa để tìm thông tin liên lạc cho người sở hữu ảnh Tính hợp pháp ứng dụng chưa thừa nhận quan pháp luật giúp người lương thiện dễ dàng tìm người họ muốn liên lạc để dùng ảnh Như vậy, nhúng thông tin người giữ tác quyền tác phẩm watermark Bằng chứng quyền sở hữu Watermark không dùng để thông tin tác quyền mà dùng để chứng minh tác quyền Thông tin tác quyền dễ bị giả Chẳng hạn, giả sử A tạo ảnh post lên mạng với thông tin tác quyền “© 2003 A” Một tên trộm (B) lấy ảnh đó, dùng chương trình xử lý ảnh để thay thông tin tác quyền “© 2003 B” sau tự cho là người sở hữu Vậy giải tranh luận Nếu A đăng ký quyền tác phẩm với quan pháp luật gửi cho họ ảnh gốc vừa tạo vấn đề Tuy nhiên A không làm việc chi phí tốn A phải đưa chứng chứng tỏ tạo ảnh Chẳng hạn, phim ảnh chụp, phát thảo họa Vấn đề B ngụy tạo chứng Tệ ảnh chụp kỹ thuật số chẳng có phim âm phát thảo A bảo vệ quyền lợi mà tốn phí đăng ký cách áp dụng watermark vào ảnh mình? Nếu A dùng Digimarc, vấn đề không giải dò kẻ trộm biết Về lý thuyết, dò Chương 2: Tìm hiểu watermarking ảnh JPEG I Tổng quan kỹ thuật Watermarking ảnh JPEG Định dạng ảnh JPEG, định dạng ảnh phổ biến sử dụng, đặc điểm loại ảnh là loại ảnh nén Ảnh JPEG định dạng phương pháp nén ảnh JPEG Do mát thông tin xảy tiến hành nén sau giải nén tập tin ảnh khác với ảnh ban đầu, chất lượng ảnh bị suy giảm giải nén, suy giảm tang theo hệ số nén Ưu điểm loại tâp tin ảnh giấu tin truyền mạng nhẹ định dạng ảnh khác nhiều lần Mặt khác hỗ trợ nhiều trình duyệt Kỹ thuật sử dụng để giấu tin ảnh a Kỹ thuật Injection Kỹ thuật Injection hay gọi kỹ thuật Insertion – Sự thêm vào, sử dụng kỹ thuật để giấu liệu ẩn vào đoạn file , mà đoạn không để ý ứng dụng xử lý Bằng cách làm này, tránh thay đổi bit file Ví dụ cộng thêm số byte vô hại vào file thực thi hay file nhị phân, byte không ảnh hưởng tới trình xử lý đồng thời người sử dụng nhận thức file chứa thông tin cộng thêm vào Mặc dù vậy, sử dụng kỹ thuật làm tăng kích thước file chứa tín đó, tăng nhiều số lượng tin giấu lớn gây nghi nghi ngờ Nếu ứng dụng kỹ thuật vào sử dụng giấu tin ảnh giấu tin với số lượng có hạn định tùy thuộc vào kích thước file chứa gốc g) Kỹ thuật Substitution Kỹ thuật có nghĩa thay thế, phương pháp sử dụng việc thay thông tin quan trọng việc định nội dung file gốc, liệc thay vào bit gây thay đổi lớn đến chất lượng file chứa gốc Ưu điểm kỹ thuật file chứa gốc sau giấu tin kích thước không thay đổi Nhược điểm phương pháp làm giảm chất lượng file chứa gốc ban đầu, số lượng tin giấu bị hạn chế phải phụ thuộc vào số bit quan trọng file chứa gốc h) Kỹ thuật Generation Kỹ thuật generation có nghãi tự phát sinh, không giống hai kỹ thuật trên, kỹ thuật không phụ thuộc vào file chứa gốc tồn tại, kỹ thuật tạo file chứa với mục đích để giấu tin Hai phương pháp người ta so sánh đối chiều hai file để đưa kết luận, với kỹ thuật lo lắng đến điều đố có file chứa gốc file chứa tin Tuy nhiên để áp dụng kỹ thuật phức tạp , phụ thuộc vào nhiều yếu tố để tạo file chứa gốc yêu cầu VI Thuật toán Watermarking ảnh JPEG sử dụng DCT Phép biến đổi DCT ảnh: • Thể đặc tính nội dung tần số thông tin ảnh Hệ số góc lớn đặc trưng cho giá trị trung bình thành phần chiều gọi hệ số DC Các hệ số khác có giá trị nhỏ biểu diễn cho thành phần tần số cao theo hướng ngang dọc gọi hệ số AC • Bản thân phép biến đổi DCT không nén liệu sinh 64 hệ số • Theo nguyên lí chung, biến đổi chi tiết điểm ảnh lớn theo hướng khối điểm ảnh, hướng ngang dọc theo đường chéo tương ứng theo hướng cá hệ số DCT lớn • DCT làm giảm độ tương quan không gian thông tin khối ảnh Điều cho phép biểu diễn thích hợp miền DCT hệ số DCT có xu hướng có phần dư thừa Hơn nữa, hệ số DCT chứa thông tin nội dung tần số không gian thông tin khối Nhờ đặc tính tần số không gian hệ thống nhìn mắt người, hệ số DCT mã hóa phù hợp, hệ số DCT quan trọng mã hóa để chuyển đổi • Hệ số DCT chia làm miền: miền tần số thấp, miền tần số cao miền tần số Miền tần số thấp chứa thông tin quan trọng ảnh hưởng đến tri giác Miền tần số cao thường không mang tính tri giác cao, nén JPEG thường loại bỏ thông tin miền • Trong thuật toán thủy vân, miền hệ số DCT tần số cao thường không sử dụng thường không bền vừng với phép xử lý ảnh, ảnh JPEG Miền tần số thấp khó sử dụng thay đổi dù nhỏ miền dẫn đến chất lượng tri giác ảnh Vì vậy, miền tần số thường hay sử dụng cho kết tốt 10 Thuật toán nhúng tách thủy vân a Quá trình nhúng thủy vân Thuật toán sử dụng phương pháp nhúng thuỷ vân miền tần số ảnh, giải tần sử dụng để chứa tín hiệu thuỷ vân miền tần số khối DCT 8x8 Trong đó, khối DCT 8x8 khối ảnh kích thước chọn ngẫu nhiên từ ảnh ban đầu áp dụng phép biến đổi cosin rời rạc DCT để chuyển sang miền tần số Mỗi tín hiệu thuỷ vân chứa khối Đầu vào • Một chuỗi bit thể quyền • Một ảnh Đầu • Một ảnh sau nhúng thủy vân • Khóa để giải mã Sơ đồ mô tả trình Hình :Sơ đồ kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT Mô tả: Ảnh gốc tách khối chia thành khối ảnh 8x8 Sau khối ảnh biến đổi DCT thành khối DCT Thủy vân chuyển thành bit để nhúng vào khối DCT việc thay đổi hệ số DCT, từ ta thu khối nhúng thủy vân Các khối nhúng thủy vân biến đổi IDCT thu sác khối biến đổi ngược DCT sau ghép lại với để thành ảnh hoàn chỉnh nhúng thủy vân Các bước thực Bước 1: Ảnh F có kích thước MxN chia thành (MxN) / 64 khối x8, bit thủy vân giấu khối Bk Bước 2: Chọn khối Bk biến đổi DCT khối thu Ck Ck=DCT(Bk) Bước 3: Chọn hai hệ số vị trí miền tần số khối C k, gọi hai hệ sổ Ck[i, j] , Ck[p, q] Bước 4: Tính độ lệch d = ||C k[i, j]| - |Ck[p, q]|| mod a Trong a tham số thỏa mãn a = (2t + 1), với t số nguyên dương Bước 5: Bit bk =1 nhúng vào khối Ck cho thỏa mãn điều kiện sau: Bước 6a: Nếu d