Nghiên cứu thử nghiệm kỹ thuật nhúng thủy vân dựa trên DCT

1 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NĨI ĐẦU • Lý chọn đề tài Ngày nay, hầu hết thông tin lưu trữ dạng số hóa Việc trao đổi, phân phối chép sử lý sản phẩm số ngày nhanh, đơn giản nằm kiểm soát quan, tổ chức Việc trao đổi thơng tin xuất thơng tin Internet có nguy an tồn thơng tin bị lộ, bị sửa đổi, hay vi phạm quyền Bởi vậy, nhu cầu đảm bảo an tồn thơng tin, bảo vệ quyền sử hữu trí tuệ sản phẩm số nhu cầu cấp thiết Nói chung việc đảm bảo an tồn thơng tin khỏi truy cập, sử dụng trái phép cần phải kiểm sốt việc sau: Thơng tin tạo ra, lưu trữ đâu truy cập Như việc bảo vệ quyền số tốn khơng dễ dàng Một giải pháp cho vấn đề đánh giấu vào sản phẩm để bảo vệ quyền đảm bảo toàn vẹn cho chúng Một kỹ thuật kỹ thuật thủy vân số Hiện có có kỹ thuật thủy vân dùng để bảo vệ quyền cách tác động trực tiếp lên miền giá trị sản phẩm kỹ thuật thường không đảm bảo chất lượng sản phẩm, không bền vững trước công thông thường lên sản phẩm Phương pháp nhúng thủy vân số hứa hẹn hiệu cho phép chủ sở hữu nội dung số nhúng, giấu chứng quyền từ xác minh quyền sở hữu, phát việc việc sử dụng trái pháp mà không làm ảnh hưởng đến nội dung số Với tính chất đặc thù thủy vân số thích hợp với việc bảo vệ quyên số Xuất phát từ yêu cầu thực tế, nhằm mục đích hướng tới phần nhiệm vụ bảo vệ quyền thông tin lên em chọn đề tài: Nghiên cứu thử nghiệm kỹ thuật nhúng thủy vân dựa DCT • Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu nghiên cứu kỹ thuật nhúng thủy vân dựa DCT qua phân tích đánh giá, đưa toán áp dụng kỹ thuật nhúng thủy vân dựa DCT ứng dụng rộng dãi thực tiễn • Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu giấu tin - Tìm hiểu kỹ thuật nhúng thủy vân dựa DCT - Nghiên cứu thử nghiệm kỹ thuật nhúng thủy vân dựa DCT • - Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đánh giá kỹ thuật nhúng thủy vân dựa DCT qua phát triển, cải tiến kỹ thuật nhúng thủy vân dựa vào phương pháp biến đổi DCT - Các cơng cụ lập trình phần mềm dùng để cài đặt lược đồ nhúng trích xuất thủy vân dựa vào kỹ thuật thủy vân số - Cài đặt thử nghiệm kỹ thuật nhúng thủy vân dựa DCT • Bố cục đồ án Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, đồ án gồm chương: Chương 1: Tổng quan kỹ thuật giấu tin Chương 2: Tổng quan thủy vân số Chương 3: Thủy vân dựa DCT Sinh viên CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Khái niệm giấu tin 1.1.1 Định nghĩa giấu tin Giấu tin có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp sử dụng tới ngày nay, có nghĩa “tài liệu phủ” Các câu chuyện kể kỹ thuật giấu thông tin có từ lâu Những tài liệu tìm thấy ghi chép kỹ thuật giấu thông tin sớm thuộc sử gia Hy Lạp Herodotus (khoảng năm 440 trước Công nguyên) Khi bạo chúa Hy Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ Susa vào kỷ thứ trước Công nguyên, ông ta cố gửi thông báo bí mật cho rể Aristagoras Miletus Histiaeus cạo trọc đầu nô lệ tin cậy xăm thông báo da đầu người nơ lệ Khi tóc người nơ lệ mọc đủ dài, gửi tới Miletus Giấu thông tin kỹ thuật nhúng (giấu) lượng thơng tin số vào đối tượng liệu số khác Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an tồn bảo mật mật thơng tin hai khía cạnh Một bảo mật cho liệu đem giấu, hai bảo mật cho đối tượng dùng để giấu tin Điều dẫn đến hai khuynh hướng chủ yếu giấu tin: Khuynh hướng thứ ẩn tin Khuynh hướng tập trung vào kỹ thuật giấu tin cho thông tin giấu nhiều quan trọng người khác khó phát đối tượng có bị giấu tin bên hay khơng Khuynh hướng thứ hai thủy vân số Khuynh hướng thủy vân số đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định quyền quyền sở hữu hay phát xuyên tạc thơng tin 1.1.2 Mục đích giấu tin Có hai mục đích giấu tin: - Bảo mật cho liệu giấu đối tượng mang - Bảo đảm an tồn cho đối tượng chứa liệu giấu Dựa vào mục đích giấu tin mà giấu tin chia thành hai lĩnh vực với u cầu tính chất khác Hình 1.1 Hai lĩnh vực giấu tin • Ẩn tin Đây lĩnh vực phổ biến từ trước đến Đối với ẩn tin người ta quan tâm chủ yếu tới yếu tố sau: - Độ an tồn ẩn tin (Khả khơng bị phát ẩn tin) - Lượng thơng tin tối đa che giấu phương tiện chứa cụ thể mà đảm bảo an tồn - Độ bảo mật thông tin trường hợp bị phát Ẩn tin không quan tâm nhiều tới yếu tố khả bền vững phương tiện chứa Việc giải mã để nhận thông tin không cần phương tiện chứa gốc ban đầu Các yêu cầu khả chống công không quan tâm lắm, thay vào thơng tin giấu bảo mật Đối với thuật tốn ẩn tin, người ta khơng trọng tới việc bảo vệ thông tin mật trước cơng đối thủ mà thay vào quan tâm đến tính ẩn tính an tồn với liệu cần giấu • Thủy vân số Khác với kỹ thuật ẩn tin để giữ bí mật thơng tin, thủy vân số có mục tiêu bảo vệ quyền xác thực thơng tin Vì vậy, kỹ thuật không chống lại việc khai thác thông tin Mà quan trọng đảm bảo tuyệt đối tính bền vững, nghĩa khơng thể hủy bỏ thơng tin giấu trừ hủy sản phẩm chứa Ngồi thơng tin nhúng cần có ảnh hưởng tối thiểu phương tiện chứa, thơng tin chứa nhỏ tốt 1.2 Mơ hình kỹ thuật giấu tin Mơ hình giấu tin bao gồm hai trinh là: Quá trình giấu tin Q trình trích xuất tin • Q trình giấu tin: Q trình giấu tin trích xuất tin hai trình trái ngược mơ tả qua sơ đồ khối sau: Thông tin giấu Phương tiện chứa tin Bộ nhúng thông tin Phương tiện chứa vào phương tiện chứa giấu tin Khóa Hình 1.2 Lược đồ chung cho q trình giấu tin - Phương tiện chứa: Các file ảnh, text, audio, môi trường để nhúng tin - Thông tin cần giấu tùy theo mục đích người sử dụng, thơng điệp (Với tin bí mật) hay logo, hình ảnh, quyền, - Bộ nhúng thơng tin vào phương tiện chứa: Là chương trình thực việc giấu tin - Khóa: Là khóa tham gia vào q trình giấu tin nhằm tăng tính bảo mật • Trích xuất tin: Trích xuất tin từ phương tiện chứa diễn theo quy trình ngược lại cho thông tin giấu vào phương tiện chứa Phương tiện chứa sau tách thơng tin sử dụng, quản lý theo yêu cầu khác Hình 1.3 việc trích xuất thơng tin giấu vào vật mang tin Sau nhận phương tiện chứa có giấu tin, q trình trích xuất thực thơng qua trích xuất tin ứng với nhúng thông tin Kết thu thông tin giấu Thông tin giấu xử lý kiểm định so sánh với thông tin ban đầu tùy thuộc vào mục đích hệ thống giấu tin Khóa Phương tiện chứa giấu tin Bộ trích xuất tin Thơng tin giấu Hình 1.3 Lược đồ chung cho trình giả mã Phương tiện chứa Kiểm định 10 1.3 Phân loại giấu tin 1.3.1 Phân loại theo môi trường giấu tin Mơi trường giấu tin file ảnh, video, âm thanh, đoạn văn text • Giấu tin ảnh Giấu tin ảnh quan tâm đóng vai trò quan trọng hấu hết ứng dụng bảo vệ an tồn thơng tin như: Nhận thực thông tin, xác thực xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả Thông tin giấu với liệu ảnh chất lượng ảnh thay đổi đằng sau ảnh mang thơng tin gì, có ý nghĩa Ngày nay, ảnh số sử dụng phổ biến giấu tin ảnh đem lại nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực đời sống xã hội Phần mềm WinWord microsoft cho phép người dùng lưu chữ ký ảnh nhị phân, gắn vào vị trí file văn để đảm bảo tính an tồn thơng tin Thơng tin giấu cách vơ hình, cách truyền thơng tin mật cho mà người khác biết Bởi vậy, sau giấu thông tin chất lượng ảnh gần khơng có thay đổi đặc biệt ảnh màu hay ảnh xám • Giấu tin audio Khác với kỹ thuật giấu tin ảnh: Phụ thuộc vào hệ thống thị giác người – HSV (Human Vision System), Kỹ thuật giấu thông tin audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human Auditory System) Bởi tai người việc phát khác biệt dải tần công suất, có nghĩa âm to, cao tần che giấu âm nhỏ, thấp cách dễ dàng Vấn đề khó khăn giấu thông tin audio kênh truyền tin Kênh truyền hay băng thông chậm ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau 36 nhạy cảm với ba màu khác Đỏ, Lục Lam Sự cảm thụ màu mắt phụ thuộc vào tỷ lệ mức độ kích thích loại tế bào nói Các tế bào cảm quang biến đổi lượng ánh sáng thảnh xung điện để truyền đến phận xử lý hình ảnh não qua hệ thống dây thần kinh thị giác (khoảng 800000 dây) Một vùng nhỏ võng mạc không nhạy cảm với ánh sáng nơi tập hợp dây thần kinh thị giác Vùng gọi điểm mù mắt Sở dĩ số dây thần kinh số tế bào cảm quang dây nối với hàng trăm tế bào hình que hàng chục tế bào hình nón Riêng tế bào hình nón vùng hồng điểm nối trực tiếp với tế bào hạch, đó, độ phân giải mắt vùng cao Phạm vi mức sáng mà mắt cảm nhận rộng Các tế -4 -5 bào que bắt đầu cảm nhận hình ảnh có độ chói từ 10 - 10 cd/m , tế 2 bào nón từ cd/m Khi độ chói xấp xỉ 10 cd/m tế bào que bị “lóa” dần lúc này, tốc độ phân hủy rodopxin lớn tốc độ tái tạo, lượng rodopxin tế bào hình que giảm nhanh chóng Ở độ chói từ 10 - 10 cd/m2, tế bào nón làm việc Phản ứng quang - hố học nói chế tự điều chỉnh lượng ánh sáng vào võng mạc nguyên nhân để mắt có phạm vi cảm nhận ánh sáng rộng (~10 ) Tuy nhiên mắt cảm nhận lúc tất mức sáng phạm vi rộng nói Trên thực tế, mắt người cảm nhận khoảng nhỏ giới hạn từ L – Lmax xung quanh mức chói trung bình ảnh, khoảng gọi phạm vi động mắt Đối với hình ảnh có mức chói trung bình đó, tất mức chói lớn Lmax cảm nhận mức trắng, tất mức chói nhỏ Lmin cảm nhận mức đen Khi mức chói trung bình Ln thay đổi, mắt người tự động điều tiết để di chuyển phạm vi động theo Ln Đây tính chất thích nghi với độ sáng mắt người Thí nghiệm cho thấy, mức sáng tăng lên, thời gian mắt điều tiết để thích 37 nghi với mức nhanh (khoảng vài giây) Ngược lại, mức chiếu sáng giảm mắt điều tiết để thích nghi tương đối chậm (khoảng vài phút) Khả mắt người cảm nhận thay đổi độ chói khơng liên tục Hình 3.16 Khảo sát khả cảm nhận độ chói mắt người Nếu tăng dần độ chói chi tiết ảnh từ mức chói Ln (hình 3.10), lúc đầu có khác biệt độ chói chi tiết nền, người quan sát không phát chi tiết Khi mức chênh lệch đạt tới ngưỡng định, người quan sát bắt đầu nhận dạng chi tiết ảnh Người ta định nghĩa ngưỡng cảm nhận ánh sáng tuyệt đối mắt ε đại lượng ngược với giá trị độ chói nhỏ điểm sáng đen mà mắt phát bóng tối: ε =1/L Trên thực tế thường gặp hình ảnh có khoảng chói động L - Lmax có độ chói Ln Độ tương phản ảnh tỷ lệ k = Lmax/Lmin Các chi tiết ảnh có độ chói khác với độ chói nên, mức chênh lệch độ chói Nếu mức khác biệt nhỏ mà mắt nhận biết được, ngưỡng tương phản xác định Giá trị phụ thuộc vào kích thước chi tiết hình ảnh độ chói 38 Kết luận quan trọng rút giá trị ngưỡng tương phản mắt người >0, hay nói cách khác, khả cảm nhận độ tương phản mắt mang tính chất rời rạc (tương tự độ phân giải mắt) Chính vậy, số lượng mức xám cần có hữu hạn dải động mức chói Lmin - Lmax ảnh số Số lượng mức xám mà mắt người cảm nhận lúc phụ thuộc vào giá trị ngưỡng tương phản độ tương phản ảnh Giá trị độ tương phản trung bình hình ảnh hình hiển thị: k = 100, giá trị ngưỡng tương phản = 0.03 …0.04, nhận số sọc xám cực mắt người cảm nhận m = 100 – 150 Nguồn sáng bên ngồi Lng chiếu vào hình làm giảm độ tương phản ảnh gốc, độ tương phản trường hợp Do số mức xám giảm 3.3 Thủy vân số ảnh màu dựa miền DCT 3.3.1 Tổng quan Watermark 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 watermark, lấy thảnh phần WR có kích cỡ m x n Mỗi pixel thảnh phần biểu diễn chuỗi bit nhị phân có độ dài r bit Như ứng với kích cỡ m x n có r x m x n chuỗi bit nhị phân watermark Chuỗi bit nhúng vào thảnh phần tương ứng HR ảnh gốc H Đối với 39 thảnh phần WG, WB thực tương tự Trong đồ án này, giá trị xám kênh màu R, G, B nằm khoảng [0 – 255], biểu thị bit nhị phân 3.3.2 Mã hóa watermark Watermark trước nhúng thường mã hóa nhằm tăng cường thêm tính bảo mật Thơng thường watermark mã hóa cách xáo trộn vị trí điểm ảnh tuân theo đa thức ánh xạ bậc có dạng: Việc thiết lập giá trị ban đầu x mã khóa để tạo chuỗi hỗn tạp nhằm mã hóa watermark Nếu khơng biết mã khóa x khơng thực việc giải mã Sau mã hóa, watermark ban đầu khác biệt so với watermark mã hóa phục hồi biết mã khóa x0 3.3.3 Nhúng trích watermark Hệ thống mắt người có đặc tính sau: - Nhạy với độ chói, 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) thảnh thảnh phần HR, HG, HB Phân chia thảnh phần thảnh khối x Sau phân khối vào ba nhóm: - Nhóm C1: khối với điểm có độ chói mạnh yếu nhiều điểm biên Nhóm nhúng watermark mạnh 40 - 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 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 x 8, cần phải có điểm ảnh để biểu thị đường thẳng ngang qua khối xét Và với biên số điểm ảnh biên khối ảnh Thì thiết kế thức phân nhóm khối sau: - Các khối thuộc C1 L>T1 L8 - Các khối thuộc C2 T2