Nghiên cứu các giải pháp bảo vệ bản quyền cho ảnh số dựa trên miền tần số

Bộ giáo dục đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN CHO ẢNH SỐ DỰA TRÊN TẦN SỐ Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học NGHIấN CU CC GII PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN CHO ẢNH SỐ DỰA TRÊN MIỀN TẦN SỐ LÊ THANH NGUYỆT CHUYÊN NGÀNH: XỬ LÍ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG Hµ Néi - 2005 Bé giáo dục đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi - Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Häc NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN CHO ẢNH SỐ DỰA TRÊN MIỀN TẦN SỐ LÊ THANH NGUYỆT CHUN NGÀNH: XỬ LÍ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS – TS NGUYỄN THỊ HỒNG LAN Hµ Néi - 2005 LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan, người giúp đỡ tơi nhiều q trình xây dựng phát triển tốn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo khoa Công Nghệ Thông tin, thầy, giáo ngồi trường trang bị cho kiến thức để tơi hồn thành luận văn ngày hơm Xin chân thành cảm ơn bạn lớp động viên đóng góp nhiều ý kiến xây dựng chương trình Cuối cùng, tơi xin bày tỏ biết ơn đến người thân dành cho quan tâm động viên Học viên Lê Thanh Nguyệt MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING 1.1 Khái niệm Watermarking (đánh dấu ẩn) 1.2 Kiến trúc chung Watermarking 1.3 Các tính chất Watermarking 1.3.1 Tính bền vững 10 1.3.1.1 Các mức độ bền vững Watermarking ứng dụng 11 1.3.1.2 Nhận định đặc điểm kẻ công 12 1.3.2 Tính che dấu 21 1.3.2.1 Các yếu tố thị giác mức thấp 22 1.3.2.2 Các nhân tố mức cao 23 1.3.3 Tính hiệu 25 1.4 Các hướng tiếp cận đánh dấu ẩn 25 1.4.1 Giới thiệu 25 1.4.1.1 Chọn vùng nhúng dấu ẩn 26 1.4.1.2 Chọn miền đánh dấu ẩn 27 1.4.1.3 Chọn kiểu nhúng dấu ẩn 28 1.4.1.4 Chọn kiểu tách dấu ẩn 29 1.4.2 Nhóm kỹ thuật đánh dấu ẩn miền không gian ảnh 30 1.4.3 Nhóm kỹ thuật đánh dấu ẩn miền tần số ảnh 31 1.4.3.1 Đánh dấu ẩn ảnh miền DCT 32 1.4.3.2 Đánh dấu ẩn ảnh miền DWT 33 1.4.3.2 Đánh dấu ẩn ảnh miền DWT 35 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬTWATERMARKING TRÊN MIỀN BIẾN ĐỔI DCT 37 2.1.Thuật toán nhúng dấu ẩn 37 2.1.1 Chuẩn bị liệu 38 2.1.2 Hoán vị giả ngẫu nhiên watermark W 38 2.1.3 Hoán vị khối ảnh W X 39 2.1.4 Biến đổi cosin rời rạc ảnh X (DCT) 42 2.1.5 Chọn lựa hệ số trung tần 42 2.1.6 Nhúng bít ảnh W vào hệ số trung tần Yr 43 2.1.6.1 Nhúng mối quan hệ khối lân cận 43 2.1.6.2 Nhúng mối quan hệ địa phương khối 47 ∧ ∧ 2.1.7 Ánh xạ Y r vào Y để thu Y 50 2.2 Thuật tốn tách thơng tin nhúng 50 2.2.1 Biến đổi khối 50 2.2.2 Tạo mẫu chênh lệch 50 2.2.3 Tách liệu hoán vị 50 2.2.4 Đảo hoán vị dựa khối 51 2.2.5 Đảo ngược hoán vị ngẫu nhiên 51 2.3 Chứng minh tính đắn thuật tốn 51 2.4 Xây dựng giải pháp thực 53 CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 57 3.1 Môi trường cài đặt 57 3.2 Nhóm khối (module) nạp lưu ảnh 57 3.3 Nhóm khối (module) thực việc Watermarking 58 3.4 Đánh giá kết 61 KẾT KUẬN 63 PHỤ LỤC 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1 Hình 1.1 Mơ hình đầy đủ kiến trúc chung q trình đánh dấu quyền(Watermarking) Hình 1.2 Tổng quát trình nhúng dấu quyền Hình 1.3 Tổng qt q trình khơi phục dấu quyền Hình 1.4.Trọng tâm ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng) 14 Hình 1.5.Trọng tâm ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng) 14 Hình 1.6 Phương ảnh Hoa.bmp thỏa mãn m1,2+ m3,0 = 17 Hình 1.7 Biểu diễn độ chói 21 Hình 1.8 Sơ đồ tổng qt mơ tả kỹ thuật đánh dấu cho ảnh 25 Hình 1.9 Phương pháp đánh dấu ẩn miền khơng gian 30 Hình 1.10 Minh hoạ hệ số biến đổi DCT 32 Hình 2.1 Ví dụ hốn vị dựa khối 38 Hình 2.2 Bảng lượng tử hóa độ chói 43 Hình 2.3.Tổng qt hố qúa trình nhúng dấu ẩn 50 Hình 2.4 Quá trình nhúng dấu ẩn 52 Hình 2.5 Quá trình tách dấu ẩn 53 Hình 3.1 Ảnh trước sau nhúng đơn dấu ẩn không nén, khơng cắt 56 Hình 3.2 Ảnh trước sau nhúng đa dấu ẩn khơng nén, khơng cắt 57 Hình 3.3 Ảnh trước sau nhúng đa dấu ẩn nén JPEG, khơng cắt 58 Hình 3.4 Ảnh trước sau nhúng đơn dấu ẩn chịu nén JPEC, cắt 59 LỜI MỞ ĐẦU Do tăng trưởng nhanh rộng rãi công nghiệp chế tác điện tử, liệu ngày phân phối nhanh dễ dàng Bên cạnh đó, bước ngoặt công nghệ thông tin nên phương thức trao đổi liệu hệ thống mạng nhiều người sử dụng Cùng với phát triển công nghệ thông tin giới, nghành cơng nghệ thơng tin nước ta có nhiều bước tiến triển đáng kể Các ứng dụng mạng đặc biệt mạng Internet ngày sử dụng nhiều Gần đây, phòng trưng bày bảo tàng nghệ thuật phòng tranh tư nhân thân họa sĩ quan tâm tới vấn đề bán tác phẩm nghệ thuật qua mạng Các máy quét hình hình màu sẵn có với phần mềm xử lý ảnh làm cho trình chuyển đổi ảnh màu truyền thống sang ảnh màu kỹ thuật số đa xử lý trở thành nhiệm vụ đơn giản Khi dạng kỹ thuật số, việc lớn mạnh sở hạ tầng cho thương mại điện tử khai thác nhằm vươn tới khối lượng khách hàng tiềm khổng lồ qua mạng Tuy nhiên, yếu điểm phương pháp nảy sinh từ thực tế với công nghệ đại, ảnh kỹ thuật số tái sản xuất đơn giản, nhanh chóng không tốn Do vậy, việc bảo vệ quyền chống xâm phạm trái phép liệu đa phương tiện gặp nhiều khó khăn Nhiều kỹ thuật đời để giải vấn đề Một giải pháp quan trọng mã hố thơng tin Cryptorgraphy, mã hố thơng tin Cryptorgraphy(Encryption) áp dụng để triệt phá vấn nạn trên, tức sử dụng thuật tốn chuyển thông tin thành mã vô nghĩa, sau gửi thơng qua mạng Nhận mã khóa, người nhận tiến hành giải mã để thu thơng tin gốc Đã có nhiều thuật toán mã hoá phức tạp sử dụng DES, RSA, NAPSACK Tuy nhiên thơng điệp bị mã hố dễ gây ý thơng tin mã hố bị phát tin tặc tìm cách để giải mã Và chạy đua người giải mã bọn tin tặc chưa kết thúc tuyệt đối bên Một công nghệ phần giải vấn đề khó khăn giấu thông tin nguồn đa phương tiện Steganography Watermarking hai dạng đặc biệt vấn đề ẩn giấu thơng tin chung Xét theo khía cạnh tổng qt dấu thơng tin hệ mã mật nhằm đảm bảo tính an tồn thơng tin phương pháp có ưu điểm giảm khả phát tồn thông tin nguồn mang Khơng giống mã hố thơng tin để chống truy cập sửa chữa cách trái phép thông tin, mục tiêu giấu thông tin làm cho thông tin trở nên vô hình hay khơng nghe thấy đối phương Điều đánh lừa phát tin tặc làm giảm khả bị giải mã Steganography đại diện cho kĩ thuật cho phép truyền liệu bí mật cách nhúng hay ẩn thơng tin bí mật vào liệu không bị nghi ngờ khác Các phương pháp Steganography thường dựa vào giả thiết tồn giao tiếp bí mật mà bên thứ ba khơng biết, sử dụng giao tiếp điểm-điểm thành viên thực tin cậy Những phương pháp Steganography nhìn chung khơng bền vững, có nghĩa thơng tin ẩn khơng khơi phục lại sau liệu bị sửa đổi Watermarking có thêm ý tính bền vững Ngay biết tồn thông tin ẩn, kẻ công khó phá huỷ dấu ẩn nhúng Ngay nguyên lý thuật toán phương pháp đánh dấu ẩn công khai Trong lĩnh vực mật mã biết đến luật Kerkhoffs, hệ thống mật mã an toàn cho dù kẻ công biết nguyên lý phương pháp mã hố khơng thể có khố giải mã thích hợp Một liên quan thực tế địi hỏi tính bền vững phương pháp Watermarking nhúng lượng thơng tin vào liệu chủ phương pháp Steganography Steganography Watermarking hai phương pháp bổ sung cho Tóm lại, [13] Watermarking thơng tin giấu phải rõ ràng liệu chủ tất nhiên có giá trị Điều ngược hẳn với “Steganography” liệu chủ khơng mang giá trị Mục đích luận văn tìm hiểu số giải pháp giấu tin vào ảnh số, sau nghiên cứu, cài đặt giải pháp áp dụng phép biến đổi Cosine rời rạc( DCT- Discrete Cosine Transformation) nhằm mục đích bảo vệ quyền cho ảnh Dưới góc độ người nghiên cứu tin học, mục đích luận văn chọn, sâu nghiên cứu kỹ thuật Watermarking áp dụng cho ảnh số Nội dung luận văn gồm phần mở đầu chương chính: Chương 1, trình bày tổng quan kỹ thuật đánh dấu tin, khái niệm đánh dấu tin, yêu cầu thuật toán đánh dấu tin phải đạt được, ứng dụng kỹ thuật đánh dấu tin, cuối trường hợp tiếp cận giải Chương 2, Phương pháp áp dụng phép biến đổi DCT cho đánh dấu tin bền vững Chương 3, Chọn ngôn ngữ thể thuật tốn, mơi trường làm việc chương trình, tổ chức thực chương trình, cuối giới thiệu kết hạn chế việc sử dụng thuật toán chọn Kết luận, phụ lục, tài liệu tham khảo cuối luận văn nêu rõ tài liệu sử dụng luận văn 74 int NK,k,i,iter,LK; NK=4; k=0; LK=1; for(iter=1;iter