Nghiên cứu sử dụng sử dụng wavelet trong thủy vân ảnh số (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Phạm Thị Lương NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG WAVELET TRONG THỦY VÂN ẢNH SỐ Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 60.52.0.80 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Hữu Lập Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng 24 KẾT LUẬN LỜI MỞ ĐẦU Thuỷ vân lĩnh vực quan tâm nghiên cứu toàn giới, khuân khổ luận văn tác giả nghiên cứu kỹ thuật thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc Tác giả thu thập, khảo sát tiến hành xây dựng cài đặt chương trình thử nghiệm chương trình kỹ thuật thuỷ vân Matlab Đây công cụ hỗ trợ mạnh cho việc xử lý ảnh Chương trình sử dụng thuật tốn nhúng thơng tin vào file ảnh lấy thông tin từ file ảnh có chứa thơng tin Thơng tin giấu ảnh có tác dụng bảo vệ quyền Từ có nhìn thực nghiệm kết thuật tốn để có đánh giá, so sánh tốt HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN Kỷ ngun thơng tin số hình thành bùng nổ Internet phương tiện multimedia, vấn nạn ăn cắp quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép ngày gia tăng, địi hỏi phải khơng ngừng tìm giải pháp mới, hữu hiệu cho an toàn bảo mật thơng tin Cùng với nhu cầu bảo vệ quyền tác giả, quyền sở hữu trí tuệ pháp luật cơng nhận sản phẩm số, thúc đẩy nhà nghiên cứu phải tìm phương pháp hữu hiệu Dựa kết tìm hiểu, nghiên cứu thực nghiệm chương trình Matlab tác giả nhận thấy thủy vân ảnh số sử dụng phép biến đổi Wavelet phương pháp tương đối tốt, thời gian xử lý chậm lại bền vững so với phương pháp thủy vân DCT nên áp dụng tốt số ứng dụng đòi hỏi thủy vân bền vững, đặc biệt ứng dụng bảo vệ quyền tác giả Vì vậy, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu phát triển là: - Nghiên cứu cải tiến thuật tốn để khắc phục nhược điểm cịn tồn thủy vân DWT - Nghiên cứu tối ưu thuật toán cho ứng dụng tốt thể để đạt hiệu cao Thủy vân số phương pháp dựa lý thuyết tổng hợp nhiều lĩnh vực khác mật mã học, lý thuyết thông tin, lý thuyết truyền thông, xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ nhiều nước giới nhằm đáp ứng yêu cầu cấp thiết Một thơng tin mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (người ta gọi thuỷ vân - Watermark) nhúng vào sản phẩm, thuỷ vân người chủ sở hữu hợp pháp sản phẩm có dùng làm minh chứng cho quyền sản phẩm Giả sử có thành phẩm liệu dạng đa phương tiện ảnh, âm thanh, video cần lưu thông mạng Để bảo vệ sản phẩm chống lại hành vi lấy cắp làm nhái cần phải có kỹ thuật để “dán tem quyền” vào sản phẩm Việc dán tem việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại ảnh hưởng lớn đến việc cảm nhận sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật ứng dụng thuỷ vân phải tồn bền vững với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân mà không phép người chủ sở hữu cịn cách phá huỷ sản phẩm Trên sở đó, với hướng dẫn tận tình GS.TSKH Nguyễn Ngọc San, tơi tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu hồn thành luận văn với đề tài: “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG WAVELET TRONG THỦY VÂN ẢNH SỐ“ Kết nghiên cứu chương mục hóa phần nội dung sau: Chương Giới thiệu tổng quan lịch sử hình thành phát triển thủy vân số, khái niệm, đặc tính thủy vân số phương pháp tiếp cận lĩnh vực thủy vân số Chương Tập trung vào sở lý thuyết thuật toán thủy vân ảnh số sử dụng phép biến đổi Wavelet Chương Trình bày ứng dụng tiêu biểu thủy vân số quan tâm nhiều Chương Trình bày chương trình thực nghiệm mơ thuật tốn dựa Mablab Chương - TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN ẢNH SỐ 1.1 Giới thiệu chương Trong chương này, luận văn trình bày vấn đề tổng quan thủy vân số, bao gồm: Lịch sử đời, khái niệm so sánh thủy vân số với kỹ thuật giấu tin khác mã hóa, giấu tin mật Đồng thời luận văn trình bày yêu cầu đặc tính hệ thủy vân ảnh số; kỹ thuật thủy vấn số cơng xảy hệ thống thủy vân 1.2 Tổng quan kĩ thuật giấu tin Hình 1-1: Phân loại phương pháp ngành mật mã 23 4.3.2 Đánh giá kết Trong q trình thuỷ vân ta sử dụng khố K làm trạng thái cho sinh chuỗi giả ngẫu nhiên Bằng thực nghiệp cho thấy: Nếu giá trị khoá K lớn chất lượng ảnh sau nhúng thuỷ vân Khi ta thay đổi giá trị khác khoá K ảnh chủ watermark thấy khác chất lượng ảnh sau thuỷ vân cách quan sát trực quan qua giá trị độ lớn nhiễu psnr (tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng ảnh thuỷ vân ảnh bị công dựa vào tỷ số giá trị cực đại tín hiệu độ lớn nhiễu PSNR – Peak Signal To Noise) Phương pháp thuỷ vân miền DWT bền vững nhiều (giá trị tương quan lớn hơn) so với thực miền DCT, cơng nén JPEG2000, lọc trung bình, lọc Gaussian, lọc sắc nét co dãn ảnh Trong q trình khơi phục watermark, xuất hai loại lỗi: Lỗi không phát lỗi phát sai Về mặt thời gian: Quá trình thuỷ vân kỹ thuật DWT thực chậm so với thuỷ vân kỹ thuật DCT Kết so sánh rút sử dụng máy tính, ảnh chủ ảnh thuỷ vân giống Ta thấy kết thuỷ vân tìm lại kỹ thuật thuỷ vân DWT rõ nét so với kỹ thuật thuỷ vân DCT Nhìn chung kỹ thuật thuỷ vân miền DWT nhiều thời gian mức độ cảm thụ chấp nhận bền vững so với kỹ thuật thuỷ vân DCT (thuỷ vân tìm lại rõ nét hơn) Vì với mục đích việc thuỷ vân ảnh đưa phần đầu kỹ thuật thuỷ vân miền DWT nên sử dụng 4.5 Kết luận chương 22 - Thời gian thực hiện: 13.0885 s  Hệ số nhúng k = 20 - Thời gian thực hiện: 6.9576 s SNR Signal to Noise Ratio: 2.2571 db PSNR Peak Signal to Noise Ratio: 7.5664 db - Thời gian thực hiện: 12.4333 s Cùng với bùng nổ công nghệ thông tin, đặc biệt bùng nổ Internet phương tiện multimedia mang lại nhiều thuận lợi lại xẩy nạn ăn cắp quyền, xuyên tạc thông tin, truy cập thông tin trái phép… gia tăng, địi hỏi khơng ngừng phải tìm giải pháp đảm bảo cho an toàn bảo mật thông tin Nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đưa giải pháp dùng mật mã ứng dụng rộng rãi Thông tin ban đầu mã hoá gửi đi, người nhận giải mã thơng tin nhờ khố hệ mật mã Có nhiều hệ mã phức tạp sử dụng DES, RSA, NAPSACK…mang lại hiệu cao Bên cạnh đó, phương pháp sử dụng mang lại nhiều lợi ích tối ưu kỹ thuật giấu tin (DataHiding) Có thể coi giấu tin nhánh ngành mật mã với mục tiêu nghiên cứu phương pháp che giấu thông tin mật 1.2.1 Mật mã giấu thông tin Mật mã (Cryptography hay Secret Writing) phương pháp gửi thơng điệp hình thức khác cho có người nhận mong đợi bỏ che giấu để đọc thông điệp Thông điệp muốn gửi gọi rõ Thông điệp bị che giấu gọi mã hóa Sau người nhận loại bỏ che giấu để đọc thông tin thơng điệp khơng cịn bảo vệ Giấu thông tin kỹ thuật nhúng (emberdding) lượng thơng tin số vào đối tượng liệu số khác Một yêu cầu giấu tin đảm bảo tính chất ẩn thông tin giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng liệu gốc Sự khác biệt chủ yếu mã hố thơng tin giấu thơng tin mã hố thơng tin làm cho thơng tin rõ có mã hố hay khơng, giấu thơng tin lại khác, người ta khó phát đối tượng có thơng tin giấu hay khơng Giấu thơng tin mã hóa thơng tin có mục đính để đối phương không phát tin cần giấu, chúng khác chỗ: Mã hóa thơng tin giấu ý nghĩa thông tin mã hóa, giấu thơng tin lại giấu diện thông tin giấu 1.2.2 Giấu tin mật thủy vân số Giấu tin mật (Steganography tức giấu tin, viết phủ) lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng mẩu tin mật vào môi trường phủ Trong trình giấu tin, để tăng bảo mật dùng khố viết mật, người ta gọi Intrinsic Steganography (giấu tin có xử lý) Khi đó, để giải mã người dùng phải có khố viết mật Chú ý khố khơng phải khoá dùng để lập mật mã mẩu tin, ví dụ khố để sinh hàm băm phục vụ việc rải tin vào môi trường phủ Thủy vân số (Digital Watermarking) kỹ thuật nhúng “dấu ấn số” (Watermark – tin giấu) vào sản phẩm số (text, image, audio, video), mà tin giấu phát tách sau đó, nhằm chứng thực (đánh dấu, xác thực) nguồn gốc hay chủ sở hữu sản phầm số So sánh thủy vân số với giấu tin mật Mặc dù thủy vân số (Watermarking) giấu tin mật (steganography) nằm lĩnh vực nghiên cứu nhằm che dấu diện thơng tin chúng có số đặc điểm khác biệt: Steganography Watermarking - Mục đích bảo vệ thơng tin - Mục đích bảo vệ môi giấu trường giấu tin - Giấu nhiều thông - Chỉ cần thông tin đủ để đặc tin tốt, ứng dụng trưng cho quyền chủ truyền liệu thông tin mật sở hữu - Thông tin giấu phải ẩn, không cho người khác thấy - Thơng tin giấu ẩn mắt thường (invisible Watermarking) - Chỉ tiêu quan trọng (visible Watermarking) 21  Minh họa kết tìm lại thủy vân 4.3 Một số kết thực nghiệm thay đổi tham số hệ thống 4.3.1 Kết minh họa  Hệ số nhúng k =0.5 - Thời gian thực hiện: 6.9888s SNR Signal to Noise Ratio: 34.2983 db PSNR Peak Signal to Noise Ratio: 39.6076 db 20 Chương - CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM THỦY VÂN ẢNH SỐ SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI WAVELET BẰNG MATLAB 4.1 Giới thiệu chương Trong chương này, luận văn trình bày kết chương trình thực nghiệm thuật toán thủy vân ảnh viết MATLAB Chức chương trình thuỷ vân ảnh giải thuỷ vân Đây minh chứng cho ứng dụng bảo vệ quyền thủy vân ảnh số 4.2 Chương trình thực nghiệm MATLAB 4.2.1 Chương trình nhúng thủy vân  Chuẩn bị: - Cài đặt Matlab (Phiên từ 7.0 trở lên) - Khởi động chương trình Matlab - Chuẩn bị fie ảnh chủ, ảnh làm thủy vân đặt thư mục hành Matlab  Minh họa kết nhúng với hệ số nhúng k=2 4.2.2 Chương trình tìm lại thủy vân  Chuẩn bị: - File ảnh thủy vân - Khóa key sử dụng chương trình nhúng - File ảnh dùng làm thủy vân để so sánh - Hệ số nhúng sử dụng - dung lượng tin giấu - Chỉ tiêu quan trọng tính bền vững tin giấu 1.2.3 Nguồn gốc thủy vân số Thủy vân giấy (paper Watermark): Thủy vân giấy xuất ngành sản xuất giấy cách 700 năm Thủy vân giấy (paper Watermark) tìm thấy có nguồn gốc từ Fabriano, Italy Thủy vân số (digital Watermark): Khái niệm thủy vân số xuất phát từ khái niệm thủy vân giấy Tuy nhiên, thật khó để nói xác khái niệm “thủy vân số” (digital Watermarking) bắt đầu nói đến Năm 1979, Szepanski mơ tả mẫu thơng tin số nhúng vào tài liệu nhằm mục đích chống giả mạo Chín năm sau, Holt đồng nghiệp mô tả phương pháp để nhúng mã định danh vào tín hiệu âm Tuy nhiên, đến năm 1988, Komatsu Tominaga lần sử dụng cụm từ “digital Watermark” Nhưng phải đến đầu năm 90 thủy vân số với thực nhận quan tâm cơng chúng 1.2.4 Phân loại thủy vân số Có nhiều cách phân loại thủy vân số khác nhau:  Theo khả cảm nhận, người ta phân thành hai loại thủy vân số sau: - Visible/Perceptible (hữu hình) - Invisible (vơ hình)  Theo tính bền vững, ta có ba loại thủy vân số sau: - Robust Watermarking: - Fragile Watermarking: - Semi-fragile Watermarking:  Theo yêu cầu ảnh gốc cho việc tách Watermark, người ta phân thành ba loại thủy vân số sau: - Blind Watermarking: - Non-blind Watermarking: - Semi-blind Watermarking:  Theo khuynh hướng tiếp cận, người ta phân thành hai loại sau: Thủy vân miền không gian (Spatial domain): - Thủy vân miền tần số (Frequency domain):  Theo tính phụ thuộc ảnh, có hai loại thủy vân số sau: - Image-adaptive (phụ thuộc ảnh): - Image-independent (độc lập ảnh): Dựa vào đặc trưng, tính chất, ứng dụng kỹ thuật mà người ta phân loại kỹ thuật thuỷ vân sau: Watermarking Thủy vân số Hình1-10: Phân loại kỹ thuật thuỷ vân Imperceptible Visible 1.3 Yêu cầu đặc tính thủy vân số Fraigile Tùy theo loại thủy vân, Robust yêu cầu với chúng có Watermarking Watermarking số điểm khác biệt: Thuỷ vân Watermarking 1.3.1 Tính bền Thuỷ vững vân ẩn Copyright marking 19 3.2.2 Điều khiển ngăn chặn chép Ta biết tốt ngăn từ đầu hành vi bất hợp pháp chép liệu mà khơng phép, có ứng dụng kiểm sốt chép ngăn chặn khơng cho tạo bất hợp pháp từ nội dung có quyền Mã hóa dùng để cài đặt cho ứng dụng dạng Tài liệu mã hóa với khóa nhất, khơng có khóa khơng dùng Tuy nhiên khóa cung cấp theo kiểu khó mà chép hay phân phối lại (nhằm hạn chế thấp khả khách hàng cho khóa họ cho người khác xài miễn phí) 3.2.3 Chống giả mạo gian lận Một ứng dụng khác thuỷ vân xác thực ảnh phát giả mạo Ảnh số ngày sử dụng chứng quan trọng điều tra cảnh sát, chứng trước pháp luật ngày nay, giả mạo gây nhiều vấn đề nghiêm trọng Các tác phẩm kỹ thuật số ngày đứng trước nguy bị làm giả nhiều hơn, dễ dàng tinh vi Vấn đề cần xác thực tính hợp pháp ảnh Thuỷ vân sử dụng để xác định xem ảnh nguyên hay chịu tác động người, ứng dụng xử lý ảnh Thuỷ vân dấu lúc đầu phải mang tính chất không bền vững, để thay đổi nhỏ tới ảnh làm hỏng thuỷ vân phát thay đổi thuỷ vân Tuy vậy, thuỷ vân phải tồn với phép biến đổi ảnh thông thường chuyển đổi định dạng, lấy mẫu, nén… 3.3 Kết luận chương Đây tính chất quan trọng hệ thuỷ vân bền vững Trong chương 3, luận văn trình bày ứng dụng tiêu biểu Thủy vân bền vững Thủy vân “dễ vỡ” Nghĩa hệ thuỷ vân phải chống lại phép biến đổi, hay thủy vân ảnh số bảo vệ quyền tác giả, điều khiển cơng có chủ đích khơng có chủ đích lên thuỷ vân Nhìn ngăn chặn chép; chống giả mạo gian lận Trong chương sau, chung, thủy vân phải bền vững với phép biến đổi luận văn trình bày kết mơ thuật tốn chương trình chuyển đổi tín hiệu A/D (analog to digital – tín hiệu tương tự sang tín thực nghiệm Matlab minh họa ứng dụng bảo vệ quyền tác giả hiệu số) D/A, phép nén liệu, in, quét, nhiễu đường truyền Với ảnh nói riêng, thủy vân phải bền vững với phép biến - 18 Output: Ảnh thuỷ vân 2.5 Kết luận chương Chương - CÁC ỨNG DỤNG CỦA THỦY VÂN ẢNH SỐ 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này, luận văn trình bày số ứng dụng khả dụng thủy vân ảnh số 3.2 Một số ứng dụng thủy vân ảnh số 3.2.1 Bảo vệ quyền tác giả Mục đích thuỷ vân với bảo vệ quyền gắn “dấu hiệu” vào liệu ảnh mà xác định người nắm giữ quyền Và ta gắn thêm dấu hiệu khác gọi vân tay để xác định người dùng sản phẩm Dấu hiệu dãy số mã hàng hoá quốc tế, message logo… Thuật ngữ thuỷ vân xuất phát từ phương thức đánh dấu giấy tờ với logo từ thời xa xưa với mục đích tương tự Do Watermark vừa khơng thể nhận thấy vừa khơng thể 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 thơng tin liên lạc cho người sở hữu ảnh Tính hợp pháp ứng dụng 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 Watermark không dùng để thông tin tác quyền mà dùng để chứng minh tác quyền đổi hình học phép dịch chuyển, co dãn, cắt xén Phương pháp thủy vân số phải đảm bảo cho việc không lấy lại thủy vân tương đương với việc ảnh bị biến đổi q nhiều, khơng có giá trị thương mại 1.3.2 Tính bảo mật Sau thủy vân ảnh, u cầu cho phép người có quyền sử dụng chỉnh sửa phát thủy vân Điều thực nhờ vào khóa mã dùng làm khóa giải thuật đưa thủy vân vào ảnh số giải thuật phát thủy vân ảnh số 1.3.3 Tính ẩn Việc nhúng thơng tin vào ảnh làm biến đổi ảnh hay nhiều Tính ẩn (trong loại thủy vân ẩn - invisible Watermarking) yêu cầu biến đổi ảnh mang nhỏ Với phương pháp thủy vân số tốt làm cho thông tin nhúng trở nên vơ hình ảnh mang, theo nghĩa người dùng khó nhận ảnh có giấu thơng tin mắt thường Điều có nghĩa thủy vân làm ảnh hưởng đến chất lượng ảnh mang Trái với thủy vân ẩn, thủy vân (visible Watermarking) khơng cần tính chất ẩn thủy vân nhúng Thực tế, loại thủy vân số u cầu thơng tin nhúng vào ảnh phải nhìn thấy để bảo vệ quyền Trong loại thuỷ vân thuỷ vân ẩn bền vững quan tâm nghiên cứu nhiều có nhiều ứng dụng lớn 1.3.4 Dung lượng Đối với giấu tin, tiêu gần quan trọng mục đích giấu tin giấu nhiều thơng tin tốt Tuy nhiên, thủy vân, cần lượng thông tin vừa đủ, chẳng hạn để chứng thực quyền, nhúng vào ảnh mang Với ảnh số, tiêu đề cập đến số lượng bit thủy vân nhúng vào ảnh 8 1.3.5 Tính dễ vỡ Đối với ứng dụng để phát giả mạo ảnh gốc thủy vân nhúng vào phải có tính giịn (fragile) nghĩa bị vỡ chịu biến đổi thông tin Một cách thực điều mà đảm bảo tính ẩn thủy vân dấu vào phần liệu đáng ý mặt trực giác Đối với ảnh, bít thấp điểm ảnh (LSB) Loại thủy vân nửa giòn (semi-fragile) dùng việc phân biệt loại biến đổi thông tin sử dụng: Biến đổi thông tin không thay đổi nội dung biến đổi thông tin gây thay đổi nội dung 1.4 Các miền thủy vân ảnh số Gần đây, đa số thuật tốn Watermarking số phát triển nhằm mục đích bảo vệ bảo quyền ảnh số xác minh tình trạng nguyên vẹn liệu Hầu hết thuật toán Watermarking chuyển đổi ảnh gốc sang miền mà thuận tiện cho việc nhúng thông tin Watermark nhằm bảo đảm tính bền vững khơng nhìn thấy Có thể chia kỹ thuật thuỷ vân theo hai hướng tiếp cận chính: Hướng thứ dựa miền khơng gian ảnh tức tiến hành khảo sát tín hiệu hệ thống rời rạc cách trực tiếp miền giá trị rời rạc điểm ảnh gọi miền biến số độc lập tự nhiên Hướng thứ hai sử dụng phương pháp khảo sát gián tiếp khác thông qua kỹ thuật biến đổi Các kỹ thuật biến đổi làm nhiệm vụ chuyển miền biến số độc lập sang miền khác tín hiệu hệ thống rời rạc biểu diễn miền với biến số Sau đó, tìm cách nhúng thuỷ vân vào ảnh cách thay đổi hệ số biến đổi miền thích hợp để đảm bảo chất lượng ảnh bền vững thuỷ vân sau nhúng 17 Ảnh sau thuỷ vân bị nhiễu nhiều so với ảnh gốc  Qui trình tìm lại thuỷ vân Hình 2-9: Quy trình tìm lại thủy vân  Input: Ảnh thủy vân 16 Một ảnh sau thuỷ vân, F’  Quy trình nhúng thủy vân Đọc ảnh chủ, thủy vân khóa bí mật K Dùng DWT, Phân tích ảnh chủ thành băng A1, H1, V1, D1 Đặt khóa K làm giống sinh chuỗi giả ngẫn nhiên Tại điểm thủy vân 0, cộng thêm cho giá trị tương ứng băng H1 V1 số giả ngẫu nhiên tương ứng hai chuỗi Tổng hợp ảnh chủ IDWT từ băng A1, D1 băng nhúng thủy vân H1 H2 Hình 2-7: Quy trình nhúng thủy vân Ảnh sau thủy vân với hệ số k = Các phép biến đổi sử dụng phổ biến DCT, DFT (Discrete Fourier Transform) DWT 1.4.1 Phương pháp Watermarking miền không gian ảnh (spatial domain) Watermarking miền khơng gian tín hiệu khảo sát cách rời rạc trực tiếp Các giá trị rời rạc điểm ảnh gọi miền biến số độc lập tự nhiên Sau tìm cách nhúng thơng tin vào ảnh cách thay đổi giá trị điểm ảnh cho không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh đảm bảo bền vững thông tin nhúng trước cơng có ảnh nhúng Có hai phương pháp điển hình phương pháp tách bit có trọng số quan trọng (LSB- Least Significant Bit) phương pháp sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên 1.4.2 Phương pháp Watermarking dùng biến đổi DCT Biến đổi cosine rời rạc cơng cụ tốn học xử lý tín hiệu ảnh hay video Nó chuyển đổi tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số biến dổi ngược lại từ miền tần số quay trở lại miền không gian mà không gây tổn hao đến chất lượng Lý chọn biến đổi cosine cho xử lý ảnh số biến đổi cosine rời rạc yêu cầu phức tạp tính tốn tài ngun 1.5 Các cơng lên hệ thống thủy vân ảnh số Phương pháp thủy vân phải chống lại số phép xử lý ảnh thơng thường (ví dụ lỗi ảnh truyền đi, nén ảnh, ) số cơng có chủ đích nhằm xun tác, phá hoại ảnh Trong thực tế thủy vân phải cân đối tính bền vững với tính chất khác lượng thơng tin dấu, tính ẩn…Dựa yêu cầu thực tế ứng dụng, người ta lựa chọn phương pháp thủy vân thích hợp Từ biến đổi có chủ đích hay khơng có chủ đích biết với thủy vân mà ta phân biệt thành hai nhóm xuyên tạc sau: Một biến đổi xem nhiễu với liệu, hai 10 làm tính đồng để lấy tin Một vài phép biến đổi thường gặp: - Biến đổi tín hiệu: Làm sắc nét, thay đổi độ tương phản, màu, - Nhiễu cộng, nhiễu nhân,… - Lọc tuyến tính - Nén thơng tin - Biến đổi affine cục toàn cục - Giảm liệu: Cropping, sửa histogram - Chuyển mã (gif  Jpeg) - Chuyển đổi tương tự - số - Thuỷ vân nhiều lần Nguyên tắc phương pháp thuỷ vân đảm bảo đủ tính bền vững cho công không làm cho giá trị thương mại ảnh gốc bị ảnh hưởng 1.6 Các phương pháp tiếp cận nhằm tạo Watermarking có độ an toàn cao Trong hầu hết ứng dụng Watermarking, u cầu ln đặt lên hàng đầu thiết kế Watermark dị trường hợp tài liệu nhúng bị sửa đổi xử lý Một Watermark có độ an tồn cao Watermark có khả sống sót nội dung tài liệu bị chỉnh sửa chừng mực phép Người thiết kế phải lường trước cơng xảy giới hạn lại yêu cầu Watermark quan tâm số xử lý cụ thể Các tiến trình xảy khâu nhúng dị cần xác định rõ, chẳng hạn, chúng bao gồm: nén có thơng tin, chuyển tín hiệu từ sang số ngược lại, thâu âm thanh, in quét, giảm nhiễu, chuyển đổi định dạng Một số phương pháp nhằm tạo watermarking có độ an tồn cao sau: 1.6.1 Nhúng thừa, nhúng lặp Phương pháp giúp Watermark không bị ảnh 15 bao gồm hàm Harr, hàm Daubechies biorthogonal Ngoài ra, MATLAB cịn giúp kiểm tra nhanh xác thực nghiệm độ bền vững chất lượng thuỷ vân ảnh Biến đổi sóng nhỏ có nhiều lợi so với biến đổi khác, là: - Biến đổi sóng nhỏ mô tả đa độ phân giải ảnh Quá trình giải mã xử lý từ độ phân giải thấp độ phân giải cao - Biến đổi DWT gần gũi với hệ thống thị giác người biến đổi DCT Vì vậy, nén với tỉ lệ cao DWT mà biến đổi ảnh khó nhận thấy dùng DCT với tỉ lệ tương tự 2.4 Thuật toán thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Wavelet  Mô tả thuật toán  Input: o Một ảnh nhỏ sử dụng làm thuỷ vân (kích thước 256 x 256) oMột ảnh F cần nhúng thuỷ vân để bảo vệ quyền oMột khố bí mật để nhúng giải thuỷ vân (khóa k)  Output: 14 Tương tự tín hiệu chiều, tín hiệu hai chiều (tức ảnh) phân tích tương tự DWT theo hai chiều dọc ngang Một lọc tần số thấp lọc tần số cao sử dụng kết hợp để lọc tín hiệu Đầu tiên, ảnh gốc lọc thấp theo chiều dọc Sau đó, lọc lại lọc theo chiều ngang ta có băng LL lọc lại lọc cao ta có băng LH Tiếp theo, ảnh gốc lọc cao theo chiều dọc sau lọc lại theo chiều ngang lọc thấp để có băng HL lọc cao để có băng HH Q trình lại tiếp tục băng LL để tạo phép biến đổi DWT hai mức minh hoạ hình đây: LL2 HL2 LH2 HH2 LH1 HL1 HH1 Qúa trình tổng hợp ảnh gốc từ ảnh xấp xỉ chi tiết làm tương tự tổng hợp tín hiệu chiều Qúa trình bao gồm phần, tăng mẫu sau lọc tổng hợp Nếu ảnh phân tích thành nhiều mức tổng hợp từ mức cao đến mức thấp Đến thấy ứng dụng DWT thuỷ vân số chỗ Hầu hết lược đồ thuỷ vân tìm cách thay đổi hệ số bốn băng tần để nhúng thuỷ vân trước tổng hợp Qua trình bày đây, thấy phân tích tổng hợp tín hiệu DWT bao gồm nhiều cơng đoạn địi hỏi nhiều tính tốn phức tạp Nhưng may cho nhà nghiên cứu lĩnh vực nén thuỷ vân ảnh tất phức tạp MATLAB giải giúp MATLAB cho phép thực biến đổi DWT họ hàm sóng nhỏ 11 nhúng bị xử lý phép xén ảnh, lọc, cộng nhiễu 1.6.2 Mã hóa tán phổ 1.6.3 Nhúng hệ số quan trọng cảm nhận 1.6.4 Nhúng hệ số cho mạnh mẽ 1.6.5 Đảo nhiễu dò 1.7 Kết luận chương Chương - THỦY VÂN ẢNH SỐ SỬ DỤNG PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET 2.1 Giới thiệu chương Sự phát triển kỹ thuật nén ảnh, JPEG, MPEG JPEG2000, cho phép sử dụng rộng rãi ứng dụng đa phương tiện Các kỹ thuật Watermarking trước nghiên cứu miền không gian thường sử dụng thành phần có tần số thấp để nhúng thơng tin Watermark, điều giúp cho Watermark khơng cảm nhận (vơ hình) Tuy nhiên, đối mặt với u cầu tính an tồn kỹ thuật nén cơng Watermark phương pháp Watermark miền không gian tỏ yếu Các nghiên cứu gần cho thấy yêu cầu tính vơ hình độ an tồn Watermark thực dễ sử dụng biến đổi cho liệu chủ, thông tin Watermark chứa nhiều miền biến đổi Nhiều biến đổi ảnh xem xét, lên biến đổi cosine rời rạc (DCT) Trước biến đổi đặc biệt ưa chuộng cho chuẩn mã hóa video ảnh Từ đó, số lớn kỹ thuật Watermarking tận dụng biến đổi Ngoài ra, cịn có biến đổi khác đề nghị dùng kỹ thuật Watermarking bao gồm biến đổi Fourier rời rạc (DFT), biến đổi Fourier-Mellin, … Trong tác phẩm nhất, tác giả thường đề cập đến việc dùng biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) cho kỹ thuật Watermarking 12 Trong lĩnh vực ảnh số, với trào lưu tiêu chuẩn hóa theo JPEG2000 dịch chuyển phương pháp nén ảnh từ dựa DCT sang DWT, mơ hình Watermark hoạt động miền Wavelet ngày trở nên quan tâm Các yêu cầu truyền tải phần có tỉ lệ bit thấp, độ phân giải tính thay đổi tỷ lệ chất lượng, khả phục hồi lỗi mã hóa vùng quan tâm (ROI), địi hỏi với hiệu suất mã hóa cao đa Những yêu cầu đáp ứng nhờ vào hệ thống “mã hóa khối nhúng có làm tròn tối ưu” (EBCOT) dựa theo Wavelet, điều chấp nhận với bổ sung nhỏ chuẩn mã hóa ảnh JPEG2000 Biến đổi Wavelet có số thuận lợi so với biến đổi khác, chẳng hạn DCT, triển khai hai ứng dụng nén ảnh Watermarking 2.2 Cơ sở toán học phép biến đổi Wavelet  Biến đổi Wavelet liên tục Biến đổi Wavelet liên tục (Continuous Wavelet TransformCWT) hàm f(t) hàm Wavelet mẹ (mother Wavelet ψ (t) Hàm Wavelet mẹ hàm số thực phức liên tục thỏa mãn tính chất sau đây: - Tích phân suy rộng tồn trục t hàm ψ (t) - Tích phân lượng hàm tồn trục t số hữu hạn  Biến đổi Wavelet rời rạc Việc tính tốn hệ số Wavelet tất tỉ lệ công việc phức tạp Để giảm thiểu cơng việc tính toán người ta chọn tập nhỏ giá trị tỉ lệ vị trí để tiến hành tính tốn Q trình chọn tỉ lệ vị trí để tính tốn tạo thành lưới nhị tố (dyadic) Một phân tích hồn tồn thực nhờ biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) Do đó, việc tính tốn biến đổi DWT thực chất rời rạc hóa biến đổi Wavelet liên tục (CWT); việc rời rạc hóa thực với lựa chọn hệ số a b sau: 13 A = ; b =2 n; m, n ϵ Z Việc tính tốn hệ số biến đổi Wavelet dễ dàng thực băng lọc số nhiều nhịp đa kênh, lý thuyết quen thuộc xử lý tín hiệu m m 2.3 Phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc Đây phép biến đổi áp dụng cho ảnh số Ý tưởng DWT cho tín hiệu chiều sau: Tín hiệu chia thành phần, phần tần số cao phần tần số thấp Đối với nhiều tín hiệu, phần nội dung có tần số thấp chứa thông tin quan trọng - đặc tính nhận dạng Trái lại, phần nội dung có tần số cao mang sắc thái tín hiệu Q trình phân tích tổng hợp tín hiệu mơ tả sau: Hình 2-2: Q trình phân tích tổng hợp tín hiệu Q trình gọi phân tích mức Có thể lặp lại trình cách tiếp tục phân tích tín hiệu xấp xỉ thành hai tín hiệu giải tần thấp Từ xuất khái niệm gọi phân tích nhiều mức Về mặt lý thuyết, q trình lặp lại vơ hạn Tuy nhiên, thực tế, việc phân tích tiếp diễn phần chi tiết mẫu hay điểm Việc lựa chọn số mức phân tích hồn tồn phụ thuộc vào chất tín hiệu  ... chương Chương - CÁC ỨNG DỤNG CỦA THỦY VÂN ẢNH SỐ 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này, luận văn trình bày số ứng dụng khả dụng thủy vân ảnh số 3.2 Một số ứng dụng thủy vân ảnh số 3.2.1 Bảo vệ quyền... phát triển thủy vân số, khái niệm, đặc tính thủy vân số phương pháp tiếp cận lĩnh vực thủy vân số Chương Tập trung vào sở lý thuyết thuật toán thủy vân ảnh số sử dụng phép biến đổi Wavelet Chương... tìm hiểu, nghiên cứu hồn thành luận văn với đề tài: “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG WAVELET TRONG THỦY VÂN ẢNH SỐ“ Kết nghiên cứu chương mục hóa phần nội dung sau: Chương Giới thiệu tổng quan lịch sử hình