Ứng dụng watermarking trong xây dựng hệ thống quản lý và bảo vệ bản quyền dữ liệu video tại đài truyền hình Vĩnh Long

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NGỌC HẢI ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VĨNH LONG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NGỌC HẢI ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VĨNH LONG Chun ngành : Khoa học máy tính Mã số : 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thanh Bình Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Hà Ngọc Hải ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VĨNH LONG Hà Ngọc Hải - học viên cao học khóa 31, chun ngành Khoa học máy tính Tóm tắt - Sự phát triển internet băng thông rộng thúc đẩy mạnh mẽ phát triển công nghệ đa truyền thông Multimedia Các nguồn liệu multimedia âm thanh, hình ảnh, văn bản… truy cập phân phối nhanh rộng Xu mang lại nhiều lợi ích cho người sở hữu sản phẩm multimedia, thách thức quyền sở hữu hầu hết liệu multimedia phân phối định dạng không bảo mật Hiện nay, việc chép phân phối lại bất hợp pháp sản phẩm multimedia diễn liên tục khơng có kiểm sốt Khi pháp luật, để phân xử quyền sở hữu sản phẩm multimedia việc không dễ dàng khơng có chế đảm bảo tính toàn vẹn chân thực quyền tác giả Trong luận văn xây dựng hệ thống quản lý bảo vệ quyền video Đài THVL sử dụng watermarking thông qua biến đổi DWT – DCT Hệ thống giúp kiểm sốt q trình truy cập video người dùng mạng nội bộ, chèn watermark quyền vào video, trích xuất cần thiết Các kết đạt bước đầu hướng phát triển ứng dụng Từ khóa - Quản lý video; DWT; DCT; watermaking; quyền video; truyền hình Vĩnh Long WATERMARKING APPLYING FOR BUILDING VIDEO DATA COPYRIGHT MANAGING AND PROTECTING SYSTEM AT VINH LONG TELEVISION STATION Abstract - The development of the broadband internet has been boosting the development of multimedia technology The multimedia data resources such as audio, video, image and text are able to be accessed and distributed faster and widely This trend is beneficial for the owners of multimedia products However, there are challenges for copyright holder because most of multimedia data files have been distributed in insecure formats Currently, the illegal copying and redistribution of multimedia products are taking place continuously without much control Meanwhile, the legal arbitration about copyright issues on multimedia products will be hard, if we not have an effective method of checking the integrity and accuracy of the copyright In this thesis, we have developed a system to manage and protect the video copyright at the Vinh Long Television Station (VLTS) using watermarking base on DWT - DCT transformation The system is able to control the users’ process of accessing videos in the local area network, inserting the copyright watermark of VLTS into videos, and extracting it when necessary The thesis also includes the initial result, and the future development of the application Key words - Video Management; DWT; DCT; watermarking; video copyright; Vinh Long Television Station iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích ý nghĩa đề tài 3 Mục tiêu nhiệm vụ 4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Bố cục luận văn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VỀ TẬP TIN VIDEO 1.1.1 Cấu trúc tập tin video chuẩn mpeg 1.1.2 Phép biến đổi DCT (Discrete Cosine Transform) 1.1.3 Phép biến đổi DWT (Discrete Wavelet Transform) 10 1.1.4 Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) 14 1.2 MÔ HÌNH NHÚNG THÔNG TIN BẢN QUYỀN VÀO VIDEO 15 1.2.1 Giới thiệu chung watermarking 15 1.2.2 Các tiêu chí cần có thuật tốn watermarking mạnh mẽ 16 1.2.2.1 Tính bảo mật 16 1.2.2.2 Tính vơ hình 17 1.2.2.3 Tính vơ hình thống kê .17 1.2.2.4 Tỉ lệ bit 17 1.2.2.5 Quá trình dò đáng tin cậy 17 1.2.2.6 Tính mạnh mẽ 17 1.2.2.7 Nhúng nhiều watermark 18 iv 1.2.2.8 Blind/non-blind, public/private watermarking 18 1.2.2.9 Watermarking đọc dò 19 1.2.2.10 Tính khả đảo tính thuận nghịch watermark 19 1.2.2.11 Tính thay đổi tỉ lệ (scalability) .19 1.2.3 Mơ hình watermarking video 19 1.2.4 Kỹ thuật watermarking video sử dụng biến đổi DWT 20 1.2.4.1 Kỹ thuật watermarking Mehul R Priti R 20 1.2.4.2 Kỹ thuật watermarking Tao P Eskicioglu A M 21 1.2.5 Watermarking video biến đổi DWT – DCT 23 1.3 KẾT CHƯƠNG 25 CHƯƠNG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN VIDEO CHO ĐÀI THVL .26 2.1 MƠ TẢ BÀI TỐN VỀ QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI PTTH VĨNH LONG 26 2.2 LỰA CHỌN MÔ HÌNH 27 2.2.1 Các mơ hình quản lý quyền số 27 2.2.1.1 Kiến trúc chung 27 2.2.1.2 Kỹ thuật nhúng thông tin ẩn 29 2.2.1.3 Giải pháp Microsoft 30 2.2.2 Mơ hình đề xuất phù hợp với Đài THVL 33 2.3 LỰA CHỌN KỸ THUẬT WATERMARKING 34 2.3.1 Các hệ số DWT - DCT trình thực watermarking 34 2.3.2 Các kiểu công liệu tập tin video 38 2.3.3 Yêu cầu với hệ thống video watermarking 39 2.4 MƠ HÌNH QUẢN LÝ TẬP TIN VIDEO THEO DẠNG CLIENT – SERVER 39 2.4.1 Thiết kế sở liệu 39 2.4.2 Phân quyền người dùng 43 2.4.3 Bảo mật hệ thống 43 2.4.4 Truyền tải tập tin mạng 43 2.5 KẾT CHƯƠNG 44 v CHƯƠNG CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM .45 3.1 MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶT 45 3.2 CÀI ĐẶT HỆ THỐNG 45 3.3 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 48 3.3.1 Đối với hệ thống quản lý video 48 3.3.2 Đối với công cụ watermarking 48 3.4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 54 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN .56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi consin rời rạc IDCT Inverse Discrete Cosine Transform Biến đổi consin rời rạc nghịch DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc HVS Human Visual System Hệ thống thị giác người IDWT Inverse Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc nghịch MSE Mean Square Error Sai lệch trung bình bình phương PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu đỉnh nhiễu SVD Singular Value Decomposition Biến đổi giá trị số LBS Least significant bit Bít quan trọng MAM Media Asset Manager Quản lý tài sản đa phương tiện THVL Truyền hình Vĩnh Long vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng 3.1 3.2 MSE PSNR frame ảnh gốc frame watermark Kết trích xuất hình ảnh quyền sau công Trang 52 53 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Tên hình Trang Cấu trúc tập tin Mpeg Ảnh gốc lượng phân bố ảnh qua phép biến đổi DCT Phân chia miền tần số ảnh phép biến đổi DCT Lọc theo tần số thấp tần số cao Q trình phân tích tổng hợp tín hiệu Biến đổi dwt hai mức Phân loại watermarking Mơ hình tổng qt watermark cho tập tin video Sơ đồ giải thuật để nhúng watermark vào video Kiến trúc hệ thống quản lý quyền số Tiến trình watermarking Mơ hình quản lý quyền số Microsoft Mơ hình sử dụng khóa license Mơ hình client-server quản lý video phù hợp cho Đài THVL Công thức biến đổi qua lại hệ màu RGB YUV Mặt phẳng màu U-V giá trị Y = 0.5, nằm phổ màu RGB Giải thuật nhúng watermark cho video Đài THVL Giải thuật cải tiến nhúng watermark dành cho Đài THVL Sơ đồ sở liệu MAM cho THVL (phần quản trị) Sơ đồ sở liệu MAM cho THVL (phần hệ thống) Sơ đồ sở liệu MAM cho THVL (phần video) Giao diện đăng nhập vào hệ thống Giao diện hệ thống Quá trỉnh tải video lên hệ thống Nhập thông tin metadata vào tập tin video tải lên Danh sách tập tin video tải lên hệ thống Cấu hình hệ thống địa máy server 10 11 12 12 16 19 23 27 29 30 32 34 34 35 35 35 40 41 42 45 46 46 47 47 48 51 925 1000 Hình 3.8 So sánh kết ảnh gốc ảnh sau watermarking Khi thay đổi hệ số K = ảnh watermark thu khơng hồn chỉnh Hình 3.9 Ảnh watermark trích xuất với hệ số K=4 Các số liệu hiệu suất sử dụng để kiểm tra việc thực phương pháp đề xuất Mean Squared Error (MSE) Peak Signal Noise Ratio (PSNR) MSE sử dụng để tìm giống ảnh gốc hình ảnh watermarking Khi giá trị MSE thấp giống cao MSE cho hình ảnh chủ hình ảnh watermarking tính cách sử dụng công thức sau 52 MSE M 1N ( I ( x, y) I ' ( x, y))2 MN x y Trong trường hợp I (x, y) ảnh gốc I '(x, y) hình ảnh watermarking Các PSNR sử dụng để kiểm tra chất lượng hình ảnh hình ảnh watermarking PSNR tính cơng thức sau PSNR 10log10 MAX MSE Các giá trị MSE PSNR hình ảnh gốc hình ảnh watermark tóm tắt Bảng 3.1 Bảng 3.1 MSE PSNR frame ảnh gốc frame watermark Frame MSE PSNR 0.03442 62.7627 25 0.03442 62.7211 75 0.03475 57.9742 100 0.10367 58.2915 255 0.06824 57.5971 425 0.05281 64.0831 460 0.03773 60.9036 675 0.08558 62.3638 925 0.03657 62.1516 1000 0.10907 57.7536 hình 53 Giá trị thơng thường PSNR nén ảnh nén video nằm từ 30 đến 50 dB, giá trị cao tốt Giá trị chấp nhận truyền tín hiệu khơng dây có tổn thất khoảng từ 20 dB đến 25 dB Với bảng kết 3.1 cho thấy, phương pháp watermarking để xuất luận văn có kết tốt Có thể áp dụng cho video mà chất lượng hình ảnh đảm bảo khơng nhiều sai lệch so với video gốc Kiểm nghiệm số phương pháp công ảnh Trong bảng 3.2 kết trích xuất hình ảnh quyền sau số công: Tấn công poisson: áp dụng nhiễu poisson cho hình ảnh watermark Tấn cơng muối tiêu: Tấn công muối tiêu mật độ 0.05 thêm vào hình ảnh watermark Tấn cơng nhiễu đốm (speckle): Tấn công nhiễu đốm mức độ 0.02 Tấn cơng xén ảnh (Cropping): Các hình ảnh watermark cắt 10% Nhiễu Gaussian: Nhiễu Gaussian thêm vào hình ảnh watermark Xoay ảnh: Xoay frame hình góc 50 Thay đổi kích thước: Giảm kích thước frames hình 10% Bảng 3.2 Kết trích xuất hình ảnh quyền sau công Kiểu công Nhiễu Gaussian Muối tiêu Ảnh trích xuất 54 Nhiễm đốm Cắt (Cropping) Tấn công poisson Xoay Thay đổi kích thước Kết trích xuất ảnh cho ta thấy, phương pháp watermarking đề xuất luận văn chống lại số cơng có chủ đích nhằm loại bỏ watermark Tuy nhiên, hình ảnh trích xuất chưa tốt kỳ vọng, trực quan, nhận hình ảnh watermark Điều gây khó khăn cho việc chứng minh quyền video video bị cơng phương pháp mạnh 3.4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ - Mơ hình quản lý video hoạt động tốt mạng LAN quan Việc truyền tải quản lý tập tin thực yêu cầu đặt Phân quyền người dùng hợp lý, với hoạt động thực tế đơn vị 55 - Quá trình nhúng trích xuất watermark cho tập tin video cho kết khả quan, nhiên, ảnh trích xuất ảnh trắng đen Chưa thể trích xuất ảnh màu lúc nhúng vào ảnh màu Q trình trích xuất khơng cần liệu gốc để trích xuất, lợi so với phương pháp khác, có tính thực tế cao Tốc độ thực thi việc nhúng watermark chậm, chưa thể đáp ứng với số lượng lớn video sản xuất ngày đơn vị Cần cải tiến giải thuật để tối ưu 56 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Luận văn đạt yêu cầu đề hệ thống quản lý video bảo vệ quyền tập tin video cho Đài truyền hình Vĩnh Long Hệ thống đáp ứng đầy đủ u cầu mơ hình quản lý tập trung Ngồi ra, đề tài đề xuất watermark cho video, với giải thuật riêng, nên việc tìm cách để gỡ bỏ watermark khó khăn cho đối tượng cơng Việc khơng dùng hình ảnh watermark gốc hay liệu video gốc để so sánh điểm bật đề tài Thỏa tính chất Blind/non-blind, public/private watermarking trình bày phần lý thuyết HẠN CHẾ Quá trình watermark diễn chậm, độ phức tạp thuật tốn watermarking Cần máy cấu hình cao để thực trình nhúng watermark vào video Khi video bị cơng, khả chịu đựng cơng thuật tốn watermark mức vừa phải, chưa đủ bền vững trước nhiều kiểu công khác Hệ thống quản lý video đơn giản so với sản phẩm thương mại thị trường, chưa thể phân tán công việc để thực nhiều server khác HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nghiên cứu thuật toán watermarking hiệu để phục vụ việc nhúng hình ảnh quyền vào video nhanh Giải thuật nhúng cần tối ưu để bền vững trước cơng, giúp việc trích xuất hình ảnh quyền hiệu Phát triển hệ thống quản lý video cho phép thực thi nhiều server, server đảm nhiệm công việc Như phát huy mạnh hệ thống server, nâng cấp phù hợp với quy mô người dùng Đài THVL 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Xuân Huy, Bùi Thế Hồng, Trần Quốc Dũng (2004), “Kỹ thuật thuỷ vân số ứng dụng phát xuyên tạc ảnh,” Kỷ yếu Hội thảo quốc gia số vấn đề chọn lọc công nghệ thông tin lần thứ 7, Đà Nẵng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr 183-187 [2] Nguyễn Văn Tảo, Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin ứng dụng, Luận án tiến sĩ toán học (2009) [3] Lê Tiến Thường, Nguyễn Thanh Tuấn, Giải pháp hiệu dùng kỹ thuật watermarking cho ứng dụng bảo vệ quyền ảnh số, Tạp chí bưu viễn thông (2004) Tiếng Anh [4] Chen Y.Y., Pan H.K., Tseng Y.C (2000), “A Secure Data Hiding Scheme for Two-Color Images”, IEEE Symp on Computer and Communication, pp 750-755 [5] Johnson N.F., Katezenbeisser S.C (1999), “A survey of steganographic techniques”, Information techniques for Steganography and Digital watermarking Northwood, MA: Artec house, pp 43-75 [6] Martin Zlomek, Video Watermarking, Master Thesis (2007) [7] Liu R., Tan T (2002), “A SVD-Based Watermarking Scheme for Protecting Rightful Ownership”, IEEE Trans on Multimedia, 4(1), pp.121-128 [8] Mehul R., Priti R (2003), “Discrete Wavelet Transform Based Multiple Watermarking Scheme”, Proceedings of IEEE Region 10 Technical Conference on Convergent Technologies for the Asia-Pacific, Bangalore, India, 3, pp 935-938 [9] M.Vara Lakshmi1, P.Krishna (2013) “Modified Color Image Watermarking Scheme using DWT and DCT Coefficients of R, G and B Color Channels”, International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 4, Issue 11 [10] I Cox, J Killian, F.T Leighton, and T Shamoon, “Secure spread spectrum watermarking for mutimedia”, IEEE Trans, Image Processing, 1997 58 [11] P.Wofgang and E Delp, “A watermark for digital images”, Proc IEEE Inter Conf Image Processing, 1996 [12] C Hsu and J Wu, “Hidden signatures in images”, Proc IEEE Inter Conf Image Processing, 1996 [13] J Ó Ruanaidh, F Boland, and W Dowling, “Phase watermarking of digiatal imgages”, Proc IEEE Inter Conf Image Processing, 1996 [14] I.J Cox and L.Miller, “A review of watermarking and the importance of perceptual modeling”, Proc Electronic Imaging, 1997 [15] https://vi.wikipedia.org/wiki/Client-server [16] https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_watermarking [17] R Agrawal, J Kiernan, “Watermarking Relational Databases”, Proceedings of the 28th VLDB Conference, 2002 [18] Marc Schneider, Shih-Fu Chang, “A robust content based digital signature for image authentication”, Image and Advanced Television Laboratory, Columbia University [19] https://en.wikipedia.org/wiki/MPEG-1 ... NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NGỌC HẢI ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VĨNH LONG Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã... watermarking xây dựng hệ thống quản lý bảo vệ quyền liệu video Đài Truyền hình Vĩnh Long MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 2.1 Mục đích Hiện tại, việc bảo vệ quyền video, hình ảnh, âm Đài THVL đơn... khơng có chế đảm bảo tính tồn vẹn chân thực quyền tác giả Trong luận văn xây dựng hệ thống quản lý bảo vệ quyền video Đài THVL sử dụng watermarking thông qua biến đổi DWT – DCT Hệ thống giúp kiểm