Tìm hiểu các phép biến đổi wavelet ứng dụng trọng thủy vân bền vững

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG -    - PHẠM QUỐC SƠN TÌM HIỂU CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET ỨNG DỤNG TRONG THỦY VÂN BỀN VỮNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG -    - PHẠM QUỐC SƠN TÌM HIỂU CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET ỨNG DỤNG TRONG THỦY VÂN BỀN VỮNG Chuyên ngành Mã số : Khoa học máy tính : 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Bá Tƣờng Thái Nguyên - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Bá Tường Các số liệu, kết luận nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố hình thức Các thơng tin, tài liệu trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Phạm Quốc Sơn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv LỜI CẢM ƠN Trước hết chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phịng Đào tạo, thầy giáo trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giảng dạy hướng dẫn tơi suốt q trình học tập trường Đặc biệt tơi gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Bá Tường PGS.TS Phạm Văn Ất hướng dẫn, bảo động viên suốt trình thực luận văn Cuối xin cảm ơn người thân, đồng nghiệp người ủng hộ, hỗ trợ tơi suốt q trình thực luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng, nhiên luận văn tơi khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận ý kiến đánh giá, bổ sung để tơi hồn thiện luận văn mình./ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET 1.1 Phép biến đổi Fourier 1.1.1 Miền thời gian miền tần số 1.1.2 Nhược điểm phép biến đổi Fourier 1.2 Phép biến đổi Wavelet liên tục 1.2.1 Hàm Wavelet sở 1.2.2 Họ hàm Wavelet 10 1.2.2.1 Biến đổi Wavelet Haar 11 1.2.2.1 Biến đổi Wavelet Meeyer 12 1.2.2.1 Biến đổi Wavelet Daubechies 13 1.3 Một số phép biến đổi Wavelet liên tục 14 1.3.1 Phép biến đổi Morlet 14 1.3.2 Phép biến đổi mũ Mexico 14 1.4 Một vài ứng dụng phép biến đổi Wavelet 15 1.4.1 Nén ảnh 15 1.4.2 Trích chọn đặc trưng 16 1.4.3 Thủy vân số 16 CHƢƠNG PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET RỜI RẠC 19 2.1 Khái niệm Wavelet rời rạc 19 2.2 Một số phƣơng pháp biểu diễn Wavelet rời rạc 21 2.2.1 Phương pháp biểu diễn lọc 21 2.2.1.1 Khái niệm lọc 21 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 2.2.1.2 Khái niệm tích chập 21 2.2.1.3 Lấy mẫu lên lấy mẫu xuống 21 2.2.1.4 Phép biến đổi wavelet rời rạc phân tích đa phân giải 22 2.2.2 Phương pháp biểu diễn Ma trận 25 2.2.2.1 Biến đổi Wavelet chiều 25 2.2.2.2 Biến đổi Wavelet hai chiều ma trận 26 2.3 Phép biến đổi Wavelet Haar 27 2.4 Phép biến đổi Wavelet Daubechies 29 2.5 Khai triển Wavelet nhiều mức 30 2.6 Wavelet động 31 CHƢƠNG THỦY VÂN BỀN VỮNG TRÊN MIỀN DWT 37 3.1 Thủy vân số 37 3.2 Khai triển SVD 38 3.2.1 Khái niệm khai triển SVD 38 3.2.2 Một số tính chất khai triển SVD 39 3.2.3 Ví dụ minh họa khai triển SVD 40 3.2.4 Thủy vân miền SVD 41 3.3 Khai triển QR 45 3.3.1 Phép biến đổi QR 45 3.3.2 Xét ví dụ 45 3.4 Lƣợc đồ thủy vân DWT-SVD 46 3.4.1 Thuật toán nhúng thủy vân DWT- SVD 46 3.4.2 Thuật tốn trích thủy vân DWT- SVD 48 3.4.3 Cài đặt thử nghiệm 49 3.4.4 Kết nhúng dấu thủy vân 50 3.4.5 Khảo sát tính bền vững lược đồ DWT-SVD 51 3.4.6 Trích dấu thủy vân ảnh công 53 3.5 Thủy vân DWT – QR 54 3.5.1 Thuật toán thủy vân 54 3.5.2 Thuật tốn trích thủy vân 55 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii KẾT LUẬN 56 DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải Ý nghĩa DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosin rời rạc IDCT Invert Discrete Cosine Transform Biến đổi ngược DCT DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Forier rời rạc IDFT Invert Discrete Fourier Transform Biến đổi ngược DFT DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc IDWT Invert Discrete Wavelet Transform Biến đổi ngược DWT PN Pseudo Noise Giả nhiễu FFT Fast fourier transfer Biến đổi Fourier nhanh GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý PRNS Pseudo random number sequence Dãy số giả ngẫu nhiên Fourier Transfer Biến đổi Fourier FT Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC HÌNH VẼ Ý nghĩa Tên hình Hình 1.1 Hàm biến đổi Haar Wavelet Hình 1.2 Hàm biến đổi Meyer Hình 1.3 Hình 2.1 Hàm  (t ) họ biến đổi Daubechies n với n=2, 4, 7, 1999 ) Phân tích đa phân giải sử dụng Wavelet rời rạc Hình 2.2 Miền DWT chiều Hình 2.3 Miền DWT hai chiều Hình 2.4 Ma trận biến đổi Haar cấp 8x8 Hình 2.5 Một khối liệu Hình 2.6 Kết biến đổi Wavelet Haar hai chiều Hình 2.7 Mơ hình Wavelet mức Hình 3.1 Kết phân tích SVD ma trận A Hình 3.2 Kết phân tích SVD ma trận A Hình 3.1 Hình 3.3 Kết phân tích QR ma trận A Hình 3.4 Kết phân tích QR ma trận A Hình 3.3 Số hóa Trung tâm Học liệu ảnh Lena http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Một kiện trọng đại thập niên cuối kỷ 20, đầu kỷ 21 đời phát triển mạng internet Ngày nay, thông tin trở lên sẵn sàng kết nối trực tuyến, người truy cập internet để tìm kiếm thông tin cách dễ dàng thông qua nhà cung cấp dịch vụ Người dùng đọc thông 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 internet Tuy nhiên, với lượng thông tin truyền qua mạng ngày nhiều vấn nạn chép sử dụng không hợp pháp liệu số ngày tăng Để hạn chế vấn nạn trên, thủy vân số xem giải pháp quan trọng Thủy vân ảnh kỹ thuật nhúng thông tin vào liệu ảnh trước ảnh phân phối mơi trường trao đổi khơng an tồn Việc nhúng thông tin vào ảnh làm giảm chất lượng ảnh, nhiên thông tin nhúng dấu vết để nhận biết công trái phép, để xác định thông tin chủ sở hữu Dựa vào mục đích sử dụng, lược đồ thủy vân chia thành hai nhóm chính: thủy vân dễ vỡ thủy vân bền vững Thủy vân dễ vỡ kỹ thuật nhúng tin nhằm phát biến đổi dù vài bít liệu số Do vậy, thủy vân dễ vỡ thường ứng dụng tốn xác thực tính tồn vẹn liệu môi trường trao đổi công khai Trái với thủy vân dễ vỡ, thủy vân bền vững yêu cầu dấu thủy vân phải tồn (bền vững) trước phép công nhằm loại bỏ dấu thủy vân, trường hợp loại bỏ dấu thủy vân ảnh sau bị Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ cơng khơng cịn giá trị sử dụng Do vậy, lược đồ thủy vân bền vững thường ứng dụng toán bảo vệ quyền chủ sở hữu T (Singular Value Decomposition: A  U  D V ) Các phép biến đổi ( ) giống Decomposition: , phép biến đổi ma trận trực giao có tính chất quan trọng tập trung lượng ảnh vào số phần tử cố định miền biến đổi Ngồi ra, có nhiều nghiên cứu sử dụng đồng thời phân tích SVD với phép biến đổi ma trận khác , ,… để xây dựng lược đồ thủy vân Trong luận văn tìm hiểu lược đồ thủy vân đề xuất sở cải tiến, phát triển lược đồ thủy vân dựa phép biến đổi Wavelet miền không gian ảnh So với lược đồ thủy vân dựa phân tích , đề xuất lược đồ bền vững trước số phép cơng, biến đổi ảnh, ngồi lược đồ cịn có thêm số ưu điểm là: Số lượng phép tính hơn, tính bảo mật cao hơn, chất lượng ảnh thủy vân tốt Luận văn tập trung vào nghiên cứu số kỹ thuật thủy vân ảnh cơng bố, sau mở rộng, phát triển số lược đồ thủy vân bền vững ứng dụng phép biến đổi Wavelet liệu ảnh số Nội dung luận văn chương mở đầu, kết luận bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan phép biến đổi Wavelet Chương 2: Phép biến đổi Wavelet rời rạc Chương 3: Thủy vân bền vững miền DWT Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 44 Khi đó, q trình trao đổi, ảnh thủy vân I’ bị cơng phép biến đổi ảnh thêm nhiễu, lọc, làm mờ, nén JPEG , ảnh I’ bị biến đổi thành ảnh I* (gọi I* phiên cơng I’) Thuật tốn kiểm tra tồn dấu thủy vân ảnh I* để kết luận quyền I* tác giả có ảnh I’ Bƣớc 1: Chia ảnh I* thành t khối thuật toán nhúng thủy vân, ký hiệu Ii*, i=1, ,t Bƣớc 2: Áp dụng phân tích SVD khối Ii*: T I i  U i  Di  Vi* Bƣớc 3: Xác định bít wi* từ Di*(1,1)như sau: Zi* = Di*(1,1) mod q wi* = Zi* < q/2 wi* = Zi* ≥ q/2 Bƣớc 4: So sánh dấu thủy vân W *  w1* , , wt*  trích từ I* với dấu thủy vân gốc W  w1 , , wt  cách dùng hệ số Err: Err  t wi XOR wi*  t i 1 Ta nhận thấy Err độ sai khác trung bình W W*, có giá trị đoạn [0, 1] Err = wi = wi* (với i ), Err = wi  wi* (với i ) Hệ số Err so sánh với ngưỡng τ  [0,1], Err