Nghiên cứu phương pháp phát hiện thông tin ẩn giấu trong ảnh JPEG 2000

LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới cô giáo, ThS Hồ Thị Hương Thơm – giảng viên khoa cơng nghệ thơng tin trường ĐHDL Hải Phịng, tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin - Trường ĐHDL Hải Phịng nhiệt tình giảng dạy cung cấp kiến thức quý báu để em hồn thành tốt đợt thực tập tốt nghiệp Xin cảm ơn tất bạn động viên, góp ý trao đổi hỗ trợ cho em suốt thời gian vừa qua Cuối em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới người thân gia đình dành cho em quan tâm động viên em Vì thời gian có hạn, trình độ hiểu biết thân cịn nhiều hạn chế Cho nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong góp ý kiến tất thầy giáo bạn để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2009 Sinh viên Phạm Th Qunh MC LC Lời mở đầu CHƢƠNG I TỔNG QUAN KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ 1 Khái niệm 2 Phân loại thủy vân số 1.3 Ứng dụng thủy vân số 1.3.1 Bảo vệ quyền tác giả 1.3.2 Lấy dấu vân tay 1.3.3 Chống chép CHƢƠNG II KỸ THUẬT NÉN ẢNH JPEG2000 2.1 Khái niệm nén ảnh 2.2 Sự đời JPEG2000 2.3 Các tính JPEG2000 2.4 Các bước thực nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 2.4.1 Xử lí trước biến đổi 2.4.2 Biến đổi liên thành phần 2.4.3 Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) 2.4.4 Lượng tử hóa – Giải lượng tử hóa 2.4.5 Mã hóa kết hợp dịng liệu sau mã hóa 2.4.6 Phương pháp mã hóa SPIHT 2.4.7 Phương pháp mã hóa EZW 10 2.4.8 So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh khác 12 CHƢƠNG III KỸ THUẬT GIẤU THỦY VÂN 16 3.1 Thủy vân số DWT 16 3.2 Sự tương quan hệ số dải với biến đổi cấp xám 17 3.3 Thuật toán nhúng tách thủy vân 19 3.3.1 Ý tưởng .19 3.3.2 Kỹ thuật nhúng thủy vân .19 3.3.3 Kỹ thuật tách thủy vân .20 CHƢƠNG IV KỸ THUẬT PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN 21 4.1 Tổng quan kỹ thuật phát tin ẩn giấu (Steganalysis) 21 4.2 Kỹ thuật phát thống kê  22 4.3 Kỹ thuật phát giấu tin miền WAVELET 24 4.3.1 Ý tưởng 24 4.3.2 Sự khác biệt mức lượng(energy difference)-Cơ sở phát 24 4.3.3 Phân tích histogram .25 4.3.4 Phân tích quang phổ khác biệt mức lượng 27 4.3.5 Sự lựa chọn lọc wavelet 27 4.3.6 Ước lượng ngưỡng tối ưu 27 CHƢƠNG V KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 29 5.1 Môi trường cài đặt 29 5.2 Kết thử nghiệm 29 5.3 Đánh giá thuật toán 31 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 Lời mở đầu K thut giu tin phát thông tin lĩnh vực tập trung nghiên cứu 10 năm trở lại Ở Việt Nam có nhiều trung tâm nghiên cứu Viện công nghệ thông tin – Viện khoa học Việt Nam, trường Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia, trường Đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, tổng cục I, tổng cục V, công an… Các đơn vị chủ yếu tập trung vào kỹ thuật giấu tin vấn đề phát chưa có nhiều kết cơng bố Các thành tựu đạt lĩnh vực nghiên cứu bắt đầu áp dụng hiệu cho mục đích bảo vệ quyền, chống chép, phân tán trái phép sản phẩm môi trường số hố nhiều mục đích khác Nhiều phương pháp giấu thông tin khác đề xuất, phương pháp có ưu điểm, nhược điểm riêng thích hợp cho nhóm ứng dụng Báo cáo nghiên cứu phương pháp phát thông tin ẩn giấu ảnh JPEG2000 gồm nội dung sau: Chương I Tổng quan kỹ thuật thủy vân số Chương II Kỹ thuật nén ảnh JPEG 2000 Chương III Kỹ thuật giấu thủy vân Chương IV Kỹ thuật phát ảnh có giấu tin Chuơng V Kết thử nghiệm CHƢƠNG I TỔNG QUAN KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ 1 Khái niệm - Kỹ thuật thủy vân số (watermarking) triển vọng cơng nghệ giúp giải vấn đề liên quan đến ứng dụng bảo hộ quyền tác giả nội dung xác thực Phân loại thủy vân số - Mơ hình phân loại kỹ thuật thủy vân số: Thủy vân số Thủy vân bền vững Thủy vân ẩn Thđy v©n dƠ Thđy v©n hiƯn Hình 1.1 Sơ đồ phân loại kỹ thuật thủy vân số - Thuỷ vân bền vững: thường ứng dụng ứng dụng bảo vệ quyền Thuỷ vân nhúng sản phẩm hình thức dán tem quyền Trong trường hợp này, thuỷ vân phải tồn bền vững với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân Thuỷ vân bền vững lại phân thành hai loại: + Thuỷ vân ẩn: giống giấu tin, mắt thường khơng thể nhìn thấy thuỷ vân + Thuỷ vân hiện: loại thuỷ vân sản phẩm người dùng nhìn thấy - Thủy vân dễ vỡ: kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào ảnh cho phân bố sản phẩm mơi trường mở có phép biến đổi làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thuỷ vân giấu đối tượng khơng cịn ngun vẹn trước giấu (dễ vỡ) 1.3 Ứng dụng thủy vân số Kỹ thuật thủy vân sử dụng nhiều ứng dụng Sức chụi đựng đề cập đến khả phát thủy vân sau xử lý tín hiệu hoạt động phổ biến nén mát, in ấn, quét méo hình học (luân phiên, nhân rộng, dịch thuật vv…) Không phải tất ứng dụng thủy vân đòi hỏi sức chụi đựng để tất tín hiệu xử lý Tuy nhiên, mức độ chụi đựng thủy vân ứng dụng khác Ví dụ, việc áp dụng bảo vệ quyền tác giả đòi hỏi thủy vân để chống lại sửa đổi, bổ sung word phải mạnh mẽ Mặt khác, việc áp dụng nội dung xác thực đòi hỏi thủy vân để vơ hiêu hóa thay đổi nhỏ word khơng mạnh mẽ Như thủy vân gọi thủy vân dễ vỡ 1.3.1 Bảo vệ quyền tác giả Các vấn đề bảo vệ quyền tác giả trở thành ngày quan trọng.Ứng dụng thủy vân đạt nhiều tầm quan trọng Mục tiêu để nhúng thơng tin vào mã nguồn có nghĩa chủ sở hữu quyền tác giả Do đó, thủy vân sử dụng để giải công quyền sở hữu, ứng dụng đòi hỏi mức độ chắn cao Ngoài thủy vân phải khơng mập mờ cịn giải công quyền sở hữu bên khác nhúng thêm thủy vân vào Các ứng dụng ngày trở nên cần thiets trang web giới, nơi có hàng triệu hình ảnh mà khơng có tài liệu tham khảo cho công chủ sở hữu Hình 1.2 Ảnh Lena Ví dụ: Việc kiểm tra hình ảnh phổ biến (một ảnh Lena Sjooblom, hiển thị hình 1.2) nghiên cứu xử lý hình ảnh khơng tham khảo chủ sở hữu hợp pháp Lena ảnh xuất tạp chí Playboy Những hình ảnh cắt vào mức độ mà có mặt vai bên trái, chí quyền thơng báo gỡ bỏ Hầu hết nhà nghiên cứu sử dụng hình ảnh khơng biết họ vi phạm quyền Playboy Trong trường hợp nào, Playboy định giám sát sử dụng phổ biến rộng rãi hình ảnh 1.3.2 Lấy dấu vân tay Lấy dấu vân tay liên quan đến việc nhúng thủy vân khác vào phân tán Ứng dụng có mục tiêu mang thông tin pháp lý người nhận nguồn liệu số, chủ yếu để xác định phân phối liệu Điều hữu ích để giám sát theo dõi quay lại bất hợp pháp sản xuất liệu, mà lưu thông, giống với sê-ri số lượng sản phẩm phần mềm Thủy vân ứng dụng lấy dấu vân tay địi hỏi phải có tiêu chuẩn cao độ chắn chống lại việc xử lý liệu công ác hiểm 1.3.3 Chống chép Việc áp dụng bảo vệ để ngăn chặn chép trái phép phương tiện truyền thơng Bản bảo vệ khó khăn để đạt hệ thống mở, nhiên, khả thi hệ thống đóng Trong hệ thống vậy, sử dụng thủy vân biết liệu chép hay khơng Một ví dụ hệ thống DVD, nơi chứa liệu chép thông tin nhúng vào thủy vân Nếu có thủy vân “copy never” nhúng vào liệu, tuân thủ đầu DVD không cho phép nhân rộng liệu có thủy vân "copy once” liệu, đọc DVD cho phép liệu chép lần Mặc dù nhận cách hiệu để bảo vệ liệu chép bất hợp pháp, thực tế khó khăn để đạt CHƢƠNG II KỸ THUẬT NÉN ẢNH JPEG2000 2.1 Khái niệm nén ảnh - Nén trình làm giảm thơng tin dư thừa liệu gốc Hình 2.1 ảnh ban đầu(a) ảnh sau nén(b) - Như vậy, nén ảnh giảm nhỏ kích thước ảnh, giảm thời gian truyền làm giảm chi phí xử lý ảnh chất lượng ảnh tốt 2.2 Sự đời JPEG2000 - Để việc nén ảnh có hiệu hơn, tháng 12/1999 phác thảo tiêu chuẩn nén hình ảnh theo cơng nghệ JPEG2000 thay cho chuẩn nén ảnh tĩnh JPEG - Tháng 8/2000, phác thảo tiêu chuẩn JPEG2000 lưu hành giới chuyên gia hình ảnh , phân phối - JPEG-2000 sử dụng kỹ thuật mã hóa dạng sóng rời rạc (DWT – Descrete Wavelet Transform) dùng mã số học 2.3 Các tính JPEG2000 JPEG2000 nhiều chức đặc biệt chuẩn nén ảnh tĩnh khác JPEG hay GIF Dưới chức ưu việt JPEG2000 so với chuẩn nén ảnh tĩnh khác :  Cho chất lượng ảnh tốt áp dụng nén ảnh tĩnh có tổn thất  Sử dụng với truyền dẫn hiển thị lũy tiến chất lượng, độ phân giải, thành phần màu có tính định vị khơng gian  Sử dụng chế nén ảnh cho hai dạng thức nén  Truy nhập giải nén thời điểm nhận liệu  Giải nén vùng ảnh mà khơng cần giải nén tồn ảnh  Có khả mã hóa với tỷ lệ nén theo vùng khác  Nén lần giải nén với nhiều cấp chất lượng tùy theo yêu cầu người sử dụng 2.4 Các bƣớc thực nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 Hình 2.2 Trình tự mã hóa giải mã JPEG2000 2.4.1 Xử lí trƣớc biến đổi Do sử dụng biến đổi Wavelet, JPEG2000 cần có liệu ảnh đầu vào dạng đối xứng qua Xử lý trước biến đổi giai đoạn đảm bảo liệu đưa vào nén ảnh có dạng Ở phía giải mã, giai đoạn xử lý sau biến đổi trả lại giá trị gốc ban đầu cho liệu ảnh 2.4.2 Biến đổi liên thành phần Giai đoạn loại bỏ tính tương quan thành phần ảnh JPEG2000 sử dụng hai loại biến đổi liên thành phần biến đổi thuận nghịch (Reversible Color Transform - RCT) biến đổi màu không thuận nghịch (Irrersible Color Transform - ICT) biến đổi thuận nghịch làm việc với giá trị nguyên, cịn biến đổi khơng thuận nghịch làm việc với giá trị thực ICT RCT chuyển liệu ảnh từ không gian màu RGB sang YCrCb RCT áp dụng cho nén có tổn thất Việc áp dụng biến đổi màu trước nén ảnh khơng nằm ngồi mục đích làm tăng hiệu nén Các thành phần Cr, Cb có ảnh hưởng tới cảm nhận hình ảnh mắt thành phần độ chói Y có ảnh hưởng lớn tới ảnh Chúng ta thấy rõ điều hình 2.3 Hình 2.3 Minh họa ảnh với RGB YcrCb 2.4.3 Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) Biến đổi riêng thành phần áp dụng JPEG2000 biến đổi Wavelet Để đảm bảo tính tồn vẹn thông tin phải áp dụng phép biến đổi thuận nghịch không thuận nghịch Do phép biến đổi Wavelet phép biến đổi trực giao biến đổi DCT mà phép biến đổi băng nên thành phần phân chia thành băng tần số khác băng mã hóa riêng rẽ JPEG2000 áp dụng biến đổi Wavelet nguyên thuận nghịch 5/3 (IWT) biến đổi thực khơng thuận nghịch Daubechies 9/7 Việc tính tốn biến đổi JPEG2000 thực thep phương pháp Lifting Sơ đồ phương pháp Lifting ID áp dụng JPEG2000 hình 2.4 Việc tính tốn biến đổi Wavelet ID 2D suy từ biến đổi Wavelet ID theo phương pháp phân giải ảnh tùy chọn Trong JPEG2000 có phương pháp giải ảnh phương pháp sử dụng nhiều phương pháp kim tự tháp Hình 2.4 Phương pháp Lifting 1D dùng tính toán biến đổi Wavelet Do biến đổi Wavelet 5/3 biến đổi thuận nghịch nên áp dụng cho nén ảnh theo phương pháp, có tổn thất không tổn thất biến đổi 9/7 áp dụng cho nén ảnh theo phương pháp có tổn thất thơng tin bình Ratio(LH2(I,j)) nửa số hệ sô lớn 0.8368, tỷ lệ trung bình Ratio(HL2(i,j))là 0.8461 Khi cơng tăng lên, tỷ lệ trung bình Ratio(LH2(I,j)) nửa số hệ sô lớn 1.2621, tỷ lệ trung bình Ratio(HL2(i,j))là 1.2300 3.3 Thuật tốn nhúng tách thủy vân 3.3.1 Ý tƣởng Sử dụng hệ số cặp tần số trung gian mức để lượng tử hóa hệ số cịn lại Bước lượng tử hóa(step) phần cố định hệ số lớn hơn(larrge coefficient) Hệ số nhỏ hơn(smaller coefficient) lượng tử hóa step Hình 3.5 Lượng tử hóa cặp tần số dải trung gian 3.3.2 Kỹ thuật nhúng thủy vân Bước 1: Thủy vân ảnh nhị phân Ảnh gốc tách thành mức Nhúng thủy vân vào dải LH2 HL2 Giả sử kích thước LH2 m X n thủy vân r X l Thủy vân nhúng [ m X n / r X l ] lần Bước : Đặt T ngưỡng cho hệ số nhỏ,nó hệ số lớn 1/3 hệ số nhỏ tất hệ số dải tần LH2 HL2 S khoảng cách cố định D số chia cố đính Thủy vân nhúng vào dải LH2 HL2 tất hệ số lượng tử hóa Vị trí (i, j) lượng tử hóa theo bit thủy vân Nếu bit =1, hệ số làm tròn đến số lẻ gần nhất, khơng làm tron đến số chẵn gần hình 3.5 thể 19 For tất hệ số có dải LH2 HL2 If ABS(HL2(i, j))