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

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG 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 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG 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 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Những nội dung luận văn “Thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu” thực hướng dẫn trực tiếp Thầy PGS.TS Phạm Văn Ất Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, xin chịu trách nhiệm hoàn toàn Thái Nguyên, tháng 09 năm 2014 Phạm Quốc Kim LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Phạm văn Ất, Thầy cho tơi định hướng, tận tình bảo giúp đỡ ý kiến quý báu để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tơi xin cảm ơn Trường Đại Học Công Nghệ Thông tin Truyền thông - Đại Học Thái Nguyên tạo điều kiện cho tơi q trình học, làm hồn thành khóa luận Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô khoa Sau đại học Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông – ĐH Thái Nguyên nhiệt tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức quý báu suốt thời gian học tập trường Tơi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cô, bạn bè dìu dắt, giúp đỡ tơi tiến suốt q trình làm khóa luận tốt nghiệp Xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người bạn tơi động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập hoàn thành luận văn 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 CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN 11 1.1 Một số vấn đề giấu tin 11 1.1.1 Khái niệm giấu tin 11 1.1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin ứng dụng 11 1.1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu tin 12 1.2 Một số vấn đề thủy vân 15 1.2.1 Khái niệm thủy vân 15 1.2.2 Phân loại thủy vân 15 1.2.3 Các ứng dụng thuỷ vân với ảnh số 16 1.2.4 Một số tính chất sơ đồ thủy vân 17 1.3 Ảnh số 19 1.3.1 Phân loại ảnh 19 1.3.2 Histogram ảnh 20 1.3.3 Chất lượng ảnh 21 1.4 Một số lược đồ giấu tin ảnh nhị phân 21 1.4.1 Lược đồ giấu tin Wu-Lee 21 1.4.2 Lược đồ giấu tin THA 27 CHƯƠNG 2MỘT SỐ LƯỢC ĐỒ GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH 30 2.1 Tổng quan thủy vân thuận nghịch 30 2.2 Bài toán overflow-underflow thủy vân thuận nghịch 31 2.3 Một số hướng tiếp cận 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 phương pháp mở rộng hiệu 50 CHƯƠNG 3CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 55 3.1 Thuật toán nhúng dấu thủy vân 55 3.2 Thuật tốn trích dấu thủy vân 56 3.3 Kết thực nghiệm 56 3.4 Mã nguồn chương trình 59 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, TIẾNG ANH Chữ viết tắt Diễn giải Watermarking Ý nghĩa Thủy vân số Fragile Dễ vỡ Robust bền vững Peak Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu đỉnh nhiễu perceptual insignificant Trực giác JPEG Joint Photographic Experts Phương pháp nén ảnh DCT Discrete Cosine Transform Phép biến đổi cosine rời rạc IMG Image Ảnh IMG Run – Length Nén loạt dài PSNR DANH MỤCHÌNHVẼ Tênhình Ýnghĩa Hình1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin Hình1.2 Mơ hình thuật tốn nhúng tin Hình1.3 Mơ hình trích tin Hình1.4 Phân loại thủy vân theo mục đích ứng dụng Hình1.5 Biểu đồ histogram ảnh màu Pepper Hình2.1 Điểm Peak Zero Hình2.2 Các đường chéo khối DCTLT Hình 2.3 Xét khối DCT lượng tử Hình2.4 Lược đồ nhúng tinLS Hình3.1 Các ảnh gốc dấu thủy vân sử dụng thử nghiệm Hình3.2 Các ảnh gốc dấu thủy vân tương ứng với ảnh gốc Hình 3.1 Hình3.3 Ảnh dấu thuỷ vân trích khơi phục ảnh gốc từ ảnh thuỷ vân Hình 3.2 DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng Ý nghĩa Bảng1 Kết tiền xử lý nhúng tin Bảng2 Kết trích tin khơi phục ảnh gốc LỜI NÓI ĐẦU Một thành tựu quan trọng thập niên cuối kỷ 20, đầu kỷ 21 đời phát triển mạng Internet Mọi người kết nối vào Internet để tìm kiếm thơng tin cách dễ dàng thông qua nhà cung cấp dịch vụ Internet Người dùng đọc thơng tin nhất, tra cứu thư viện số, tìm thơng tin lĩnh vực quan tâm Bên cạnh nhà cung cấp sản phẩm sẵn sàng cung cấp liệu cho người dùng thơng qua mạng Tuy nhiên việc phân phối cách phổ biến tài nguyên mạng gặp phải vấn nạn chép sử dụng không hợp pháp.Kỹ thuật thuỷ vân xem giải pháp quan trọng việc bảo vệ quyền xác thực tính tồn vẹn liệu số Trong nhiều ứng dụng ngồi việc trích thủy vân người ta muốn khơi phục lại ảnh gốc Vì năm gần xuất hướng nghiên cứu thủy vân thuận nghịch Trong giấu tin thủy vân thuận nghịch thường sử dụng phép biến đổi nguyên khả nghịch dịch chuyển Histogram, Wavelet nguyên, phép biến đổi tương phản, phép biến đổi mở rộng hiệu, ….Trong số kỹ thuật giấu tin thủy vân dựa phép biến đổi mở rộng hiệu đạt hiệu cao nên nhiều người quan tâm.Chính em chọn đề tài “Thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu”làm luận văn tốt nghiệp Bố cục Luận văn gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan kỹ thuật giấu tin thuỷ vân Chương 2: Một số lược đồ giấu tin thuỷ vân thuận nghịch Chương 3: Chương trình thử nghiệm 10 Trong trình thực luận văn, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông-Thái Nguyên, đặc biệt hướng dẫn tận tình PGS.TS Phạm Văn Ất Mặc dù cố gắng, luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận góp ý thầy để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Để khảo sát đánh giá khả nhúng tin phương pháp mở rộng hiệu, luận văn tiến hành cài đặt lược đồ thủy vân thuận nghịch Tian [2] ngôn ngữ Matlab ảnh đa cấp xám Quá trình nén giải nén đồ định vị sử dụng phương pháp nén loạt dài (Run-length) Nội dung lược đồ gồm thuật tốn nhúng thùy vân thuật tốn trích dấu thủy vân 3.1 Thuật toán nhúng dấu thủy vân Đầu vào thuật toán nhúng dấu thủy vân gồm ảnh đa cấp xám I kích thước (256x256) ảnh dấu thủy vân nhị phân W kích thước 160x160 (logo Trường Đại học Thái Nguyên) Đầu thuật toán ảnh Thủy vân nhận cách nhúng W vào ảnh gốc I Nội dung thuật toán gồm hàm: - Hàm [kq] = PhanLoai(x,y), dùng để phân loại cặp điểm ảnh (x,y) - Hàm [MN] = Nen(M), sử dụng thuật tốn nén Run-length, với M dãy bít cần nén MN dãy byte nén Mỗi byte MN tổ chức sau: + Bít có giá trị + Bảy bít số lượng bít - Hàm [u,v] = nhung(x,y,b,t), nhúng bít b vào cặp điểm (x,y) theo dạng phương pháp chèn bít thấp ( ) mở rộng hiệu ( ) để nhận cặp điểm ảnh (u,v) - Hàm [G]=nhungDE(I,W), thực nhúng ảnh nhị phân W vào ảnh đa cấp xám gốc I để nhận ảnh thủy vân G Trong trình nhúng, phần thơng tin phụ (H) có độ dài 48 bít với ý nghĩa sau: + 16 bít lưu trữ độ dài mã nén MN + 16 bít lưu trữ độ dài C (bít thấp hiệu khả biến) + 16 bít cuối lưu trữ độ dài ảnh thủy vân Dãy bít cần nhúng vào ảnh xếp theo thứ tự: B= H MN C W Trong đó: - H phần thơng tin phụ - MN dãy bít mã nén đồ - C dãy bít thấp hiệu khả biến -W dãy bít ảnh thủy vân 3.2 Thuật tốn trích dấu thủy vân Đầu vào thuật toán ảnh thủy vân W ảnh gốc I (ảnh I khôi phục từ , đầu ảnh dấu thủy vân ) Nội dung gồm hàm: - Hàm [M] = giainen(MN), MN mã nén theo phương pháp RunLength M dãy bít sau giải nén (Bản đồ) - Hàm [x,y] = khoiphuc(u,v,t), khôi phục cặp điểm ảnh gốc (x,y) từ cặp điểm ảnh thủy vân (u,v) Nếu (u,v) khả mở t giá trị bít thấp hiệu lấy từ C - Hàm [W,I] = khoiphucDE ( thủy vân W từ ảnh thủy vân ), khơi phục ảnh gốc I trích dấu 3.3 Kết thực nghiệm Trong thực nghiệm, luận văn sử dụng ảnh gốc khác dùng để nhúng ảnh dấu thủy vân (Logo Đại học Thái Nguyên) Hình 3.1 (a) Lena (b) Baboon (c) Airplane (d) Logo Hình 3.1 Các ảnh gốc dấu thủy vân sử dụng thử nghiệm Kết nhúng ảnh dấu thủy vân (Logo) vào ảnh gốc Hình 3.1 ((a), (b) (c)) để nhận ảnh thủy vân tương ứng Hình 3.2 (a) Lena (b) Baboon (c) Airplane Hình 3.2 Các ảnh thủy vân tương ứng với ảnh gốc Hình 3.1 Kết trích dấu thuỷ vân khôi phục ảnh gốc từ ảnh thuỷ vân hình 3.2 sau: (a) Lena (b) Baboon (c) Airplane (d) Logo Hình 3.3 Ảnh dấu thuỷ vân trích khôi phục ảnh gốc từ ảnh thuỷ vân Hình 3.2 3.4 Mã nguồn chương trình ////// Hàm Phân loại function [kq] = phanloai(x,y) h=x-y; l=floor((x+y)/2); m = min(2*(255-l),2*l+1); if(h>= && 2*h+1 db G = uint8(G); return; end [u,v]=nhung(x,y,B(k),t); G(i,j)=u; G(i+1,j)=v; end end end G = uint8(G); end function [u,v] = nhung(x,y,b,t) x = double(x); y = double(y); h = x-y; l=floor((x+y)/2); if(t==0) hp = 2*h+ b; else hp=2*floor(h/2)+b; Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ end hp = double(hp); u=l+floor((hp+1)/2); v=l-floor(hp/2); end function [ MN ] = nen( M ) %MN la ma nen, bit dau la gia tri 0/1, bit lai la so phan tu [n] = size(M,2); % so phan tu cua day MN = []; index =0; while(index db I = uint8(I); return; end if M(index) == [x,y] = khoiphuc(u,v,-1); else bitthapC = bitthapC +1; [x,y]= khoiphuc(u,v, C(bitthapC)); end I(i,j) = x; I(i+1,j) =y; end end end I = uint8(I); end function [ M ] = giainen( MN ) % MN la day bits ma nen %M la m gia nen n = size(MN,2); M =[]; Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ for i =1:8:n bits = MN(i:i+7); b = bi2de(bits,'left-msb'); b = double(b); val = floor(b/128); M =[M,val]; num = mod(b,128); for j=2:num M = [M,val]; end end end function [x,y]=khoiphuc(u,v,b) u = double(u); v = double(v); hp = u-v; l=floor((u+v)/2); if(b==-1) h=floor(hp/2); else h=2*floor(hp/2)+b; end h = double(h); x=l+floor((h+1)/2); y=l-floor(h/2); end Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ KẾT LUẬN Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp thủy vân thuận nghịch ảnh Các đóng góp luận văn bao gồm - Cung cấp tài liệu tổng quan kỹ thuật giấu tin, thủy vân số liệu đa phương tiện - Luận văn tập trung nghiên cứu sơ đồ thủy vân thuận nghịch theo hướng tiếp cận khác - Trình bày chuyên sâu số lược đồ thủy vân thuận nghịch dựa phương pháp mở rộng hiệu - Xây dựng phầm mềm nhúng thủy vần trích thủy vân ngơn ngữ Matlab làm cơng cụ thực nghiệm cho lược đồ cải tiến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Năng Toàn Phạm Việt Bình, Đại học Thái Nguyên, Giáo trình xử lý ảnh số Nxb khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2008 [2] J Tian, Reversible data embedding using a difference expansion IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol 13, no 8, august 2003 [3] Coltuc D.and Chassery J-M., Very fast watermarking by reversible contrast mapping, IEEE Signal Processing Letters 14(4), 2007 [4] E.Chaysochos, V.Fotopoulos and A.N.Skdras, A new Difference Expansion Transfforin in Triplets for Reversible Data hiding, International Journal of computer mathmatics, Vol 88, Num.10, July,2011 [5] M Wu, J Lee,A novel data embedding method for two-color fastcimile images In Proceedings of international symposium on multimedia information processing.Chung-Li, Taiwan, R.O.C, 1998 [6] Do Van Tuan, Tran Dang Hien, Pham Van At, “A Novel Data Hiding Scheme for Binary Images”, International Journal of Computer Science and Information Security, p 1-5, 2012 [7] Adnan M Alattar,Reversible Watermark Using the Difference Expansion of A Generalized Integer Transform, IEEE, 2004 [8] Zhicheng Ni, Yun-Qing Shi, Nirwan Ansari, and Wei Su, Reversible Data Hiding, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol 16, no 3, august 2006 [9] C.C Chang, C.C Lin, C.S Tseng and W.L Tai, “Reversible hiding in DCT-based compressed images”, Information Sciences, Vol 177, Issue 13, July 2007, pp 2768-2786 [10] Iwata, K Miyake and A Shiozaki, “Digital Steganography Utilizing Feature of JPEG images”, IEICE Trans Fundamentals, Vol.E87 – A, No.4 April 2004 [11] C Lin and F.F Shiu, “DTC-Base Reversible Data Hiding Scheme”, Journal of software, 2-2010 ... nguyên, phép biến đổi tương phản, phép biến đổi mở rộng hiệu, ….Trong số kỹ thuật giấu tin thủy vân dựa phép biến đổi mở rộng hiệu đạt hiệu cao nên nhiều người quan tâm.Chính em chọn đề tài Thủy vân. .. 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 ... việc trích thủy vân người ta muốn khơi phục lại ảnh gốc Vì năm gần xuất hướng nghiên cứu thủy vân thuận nghịch Trong giấu tin thủy vân thuận nghịch thường sử dụng phép biến đổi nguyên khả nghịch