Biến đổi dạng wavelets trong watermarking cho ứng dụng bảo vệ bản quyền ảnh số

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH TUẤN Chuyên ngành: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 2.07.01 Paper No2, Jan, 6th, 2002 Wavelets & Neural Networks TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2004 Nguyễn Thanh Tuấn – Trần Thanh Phương – Trần Hữu Dũng CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Tiến Thường Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Hữu Phương Cán chấm nhận xét 2: TS Dương Hoài Nghóa Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 16 tháng 08 năm 2004 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 03 tháng 09 năm 2004 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THANH TUẤN Ngày, tháng, năm sinh: 25 - 03 - 1979 Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử Phái: Nam Nơi sinh: TPHCM MSHV: VTĐT13.030 I- TÊN ĐỀ TÀI: DÙNG BIẾN ĐỔI WAVELETS TRONG WATERMARKING CHO ỨNG DỤNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ƒ Tìm hiểu kỹ thuật watermarking yêu cầu hệ thống bảo vệ quyền liệu số ƒ Tìm hiểu số phương pháp, giải thuật ứng dụng kỹ thuật watermarking để thực bảo vệ quyền ảnh số ƒ Tìm hiểu phép biến đổi Wavelets đặc trưng phép biến đổi ƒ Đề xuất số cải tiến từ xây dựng giải thuật thực bảo vệ quyền ảnh số cách hiệu ƒ Viết chương trình giao diện thực việc bảo vệ quyền ảnh số ƒ Khảo sát, kiểm chứng đánh giá hệ thống quyền xây dựng III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 09 - 02 - 2004 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09 - 07 - 2002 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS LÊ TIẾN THƯỜNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày TRƯỞNG PHÒNG ĐT- SĐH tháng năm 2004 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trong niềm vui hoàn thành luận văn cao học, xin cho gửi lời cảm ơn chân thành vô hạn đến cha mẹ thầy cô, người hết lòng yêu thương, giúp đỡ trang bị cho đầy đủ hành trang để có kết ngày hôm Đặc biệt, kính gửi đến PGS TS Lê Tiến Thường lòng biết ơn sâu sắc Thầy hết lòng giúp đỡ dìu dắt đường khoa học nhiều khó khăn thử thách Tôi chân thành cảm ơn thầy cô môn Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh tạo điều kiện tốt giúp hoàn thành luận văn cách tốt đẹp Và không nhắc đến bạn bè tôi, cách hay cách khác động viên, đóng góp ý kiến tiếp thêm sức cho suốt thời gian vừa qua TP HCM, ngày 09 tháng 07 năm 2004 Tác giả TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong luận văn này, tác giả tìm hiểu kỹ thuật watermarking ứng dụng kỹ thuật lónh vực bảo vệ quyền cho liệu ảnh số Đây kỹ thuật quan tâm nhiều thời gian gần đây, lónh vực truyền thông bảo mật vấn đề quyền sở hữu trí tuệ với liệu số Trước tiên, tác giả tìm hiểu số phương pháp giải thuật sử dụng, rút ưu việt giải thuật để từ đề xuất cải tiến nhằm nâng cao tính hiệu hệ thống xây dựng Dựa sở này, luận văn tiến hành xây dựng giải thuật dùng biến đổi Wavelets, phép biến đổi có nhiều đặc tính ưu việt, kỹ thuật watermarking cho ứng dụng bảo vệ quyền với liệu ảnh số viết chương trình thực giải thuật Đồng thời luận văn xây dựng loạt công xảy thực tế, từ phép xử lý ảnh thông thường công nhiễu công có chủ ý nhằm mục đích phá huỷ thông tin nhúng hay gây nhầm lẫn cho trình phát thông tin quyền để làm sở đánh giá chất lượng hệ thống Qua trình khảo sát với nhiều định dạng ảnh khác nhau, luận văn rút thông số tối ưu cho hệ thống đồng thời so sánh với giải pháp có trước Sau cùng, luận văn đề xuất số hướng phát triển đề tài Luận văn bao gồm hai phần ƒ Phần 1: Cơ sở lý thuyết Trong phần này, tác giả trình bày tổng quan sở lý thuyết việc xây dựng giải thuật watermarking dùng biến đổi Wavelets ứng dụng bảo vệ quyền ảnh số Phần gồm chương Chương giới thiệu kỹ thuật watermarking phương pháp thực tiêu chuẩn đánh giá hệ thống watermarking Chương trình bày sở lý thuyết phương pháp thực phép biến đổi Wavelets Chương nêu lên đặc trưng ảnh số số phương pháp xử lý ảnh Các phương pháp xử lý ảnh xem công thông thường vào hệ thống watermarking cho liệu ảnh ƒ Phần 2: Mô kiểm chứng Trong phần này, tác giả mô tả ngắn gọn giải thuật kết thu qua trình khảo sát Phần gồm chương Chương giới thiệu lưu đồ giải thuật, vấn đề nảy sinh trình xây dựng khảo sát phương pháp giải Chương trình bày kết thu thực watermarking miền biến đổi DCT truyền thống Một số kết chương dùng làm sở cho việc khảo sát so sánh chương Chương trình bày kết thu thực watermarking miền biến đổi Wavelets so sánh mức độ hiệu hệ thống dùng biến đổi Wavelets so với hệ thống dùng DCT đồng thời so sánh với kết tạp chí tin cậy Để đảm bảo tính tin cậy kết thu được, tác giả khảo sát với nhiều loại công khác nhau, nhiều loại ảnh khác Ngoài ra, tác giả thực kiểm chứng kết phần cứng DSP TMS320 C6711 Sau cùng, tác giả tổng kết lại kết luận văn đưa hướng nghiên cứu tiếp theo, chẳng hạn mở rộng ứng dụng cho chuỗi video cho ứng dụng kỹ thuật watermarking MỞ ĐẦU 01 TOÅNG QUAN 04 PHẦN I: LÝ THUYẾT Chương 1: KỸ THUẬT WATERMARKING 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 Toång Quan Về Giấu Dữ Liệu 08 Lịch Sử Phát Triển Của Steganography Và Watermarking 10 Một Số Định Nghóa Và Khái Niệm 14 Các Đặc Tính Của Một Hệ Thống Watermarking 15 Các Ứng Dụng Của Watermarking 20 Phân Loại Watermarking 21 Quá Trình Thực Hiện Watermarking 22 Một Số Giải Thuật Watermarking Cho Ảnh Số 44 So Sánh Và Đánh Giá Giải Thuật Watermarking 46 Chương 2: BIẾN ĐỔI WAVELETS 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Phép Biến Đổi Fourier Kinh Điển Và Những Nhược Điểm 47 Phép Biến Đổi Fourier Cải Tiến: Biến Đổi Fourier Thời Gian Ngắn 48 Sơ Lược Về Phép Biến Đổi Wavelets 49 Lý Thuyết Phân Tích Đa Phân Giải 52 Biến Đổi Wavelets Liên Tục (CWT – Continous Wavelet Transform) 56 Băng Lọc Đa Kênh 61 Biến Đổi Wavelets Rời Rạc (DWT – Discrete Wavelet Transform) 71 Giải Thuật Mallat 74 Chương 3: ẢNH SỐ 3.1 3.2 3.3 3.4 Mô Hình Biểu Diễn Ảnh 77 Phaân Loại Ảnh 77 Xử Lý Ảnh 80 Đánh Giá Chất Lượng Ảnh 89 PHẦN II: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG Chương 4: Giải Thuật 4.1 4.2 Lưu Đồ Giải Thuật 92 Các Vấn Đề Nảy Sinh Và Phương Hướng Giải Quyết 98 Chương 5: Kết Quả Watermarking Miền DCT 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Tối Ưu Chuỗi Watermark 101 Khảo Sát Trong Trường Hợp Chưa Bị Tấn Công 102 Khảo Sát Các Tấn Công Trong Miền DCT 110 Xaùc Định Ngưỡng 117 Khảo Sát Nhúng Ảnh Màu 119 Khảo Sát Nhúng Nhiều Bit 120 Chương 6: Kết Quả Watermarking Miền DWT 6.1 6.2 6.3 Khảo Sát Các Thông Số Của Quá Trình Watermarking Miền DWT 122 So Sánh Phương Pháp Dùng DWT So Với DCT 128 Kiểm Chứng Trên Kit DSP TMS 320C6711 135 KẾT LUẬN 138 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 140 Tài liệu tham khảo 142 Mở đầu THD: PGS TS Lê Tiến Thường MỞ ĐẦU Sự bùng nổ phát triển công nghệ số mạng Internet làm thay đổi sống người theo chiều hướng tích cực mở kỉ nguyên mới: kỉ nguyên thông tin Chưa người tiếp cận với lượng thông tin nhiều, nhanh dễ dàng đến Không cần phải đến nhà trưng bày hay rạp hát, rạp chiếu phim, người xem ảnh, nghe hát hay thưởng thức đoạn video với chất lượng tuyệt hảo nhấp chuột chí lưu trữ chúng cho lần sau Việc chép định dạng liệu jpg, mp3, mpeg, … hoàn toàn miễn phí trở nên quen thuộc với mạng Internet Thế nhưng, thuận lợi công nghệ số tồn mặt trái Lúc này, vấn đề truyền thông bảo mật quyền sở hữu trí tuệ trở thành vấn đề nan giải Bởi lẽ, định dạng số, việc chép dễ dàng rõ ràng chẳng có để xác minh chủ sở hữu liệu số Một hướng giải chủ yếu thời gian vừa qua phát triển kỹ thuật mật mã Tuy nhiên, kỹ thuật tự thân tồn nhiều bất cập, chẳng hạn ta ngăn cản việc khách hàng không tin cậy chép phân phối liệu cho người khác rõ ràng sử dụng kỹ thuật khách hàng xem trước liệu khoá Một hạn chế khác kỹ thuật mật mã liệu mật mã dễ nhận diện bị loại bỏ trước đến người nhận Chính thế, kỹ thuật watermarking đời phát triển nhanh chóng thời gian gần giải vấn đề nêu Kỹ thuật thường kết hợp với kỹ thuật HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục THD: PGS TS Lê Tiến Thường Ảnh không nhúng sau lọc Gaussian Ảnh nhúng (Strength 5) sau lọc Gaussian Ảnh nhúng (Strength 10), lọc Gaussian Ảnh nhúng (Strength 30), lọc Gaussian HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục Ảnh không nhúng sau lọc sắc nét Ảnh nhúng (Strength 10), lọc sắc nét THD: PGS TS Lê Tiến Thường Ảnh nhúng (Strength 5) sau lọc sắc nét Ảnh nhúng (Strength 30), lọc sắc nét Rõ ràng, sau lọc sắc nét ảnh trông rõ ảnh gốc HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục THD: PGS TS Lê Tiến Thường Xét lọc trung bình với cửa sổ 3x3, 5x5 7x7 Ảnh không nhúng, lọc trung bình 3x3 Ảnh nhúng (Strength = 5), 3x3 Ảnh không nhúng, lọc trung bình 7x7 Ảnh nhúng (Strength = 30), 3x3 HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục Ảnh nhúng (Strength = 5), 7x7 THD: PGS TS Lê Tiến Thường Ảnh nhúng (Strength = 30), 7x7 Xét lọc thích nghi với cửa sổ 3x3, 5x5 7x7 Ảnh không nhúng, lọc thích nghi 3x3 Ảnh không nhúng, lọc thích nghi 7x7 HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục THD: PGS TS Lê Tiến Thường Ảnh nhúng (Strength = 5), 3x3 AÛnh nhuùng (Strength = 30), 3x3 AÛnh nhuùng (Strength = 5), 7x7 Ảnh nhúng (Strength = 30), 7x7 HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục THD: PGS TS Lê Tiến Thường Xét lọc trung vị với cửa sổ 3x3, 5x5 7x7 Ảnh không nhúng sau lọc trung vị 3x3 Ảnh nhúng (Strength = 5), 3x3 Ảnh không nhúng sau lọc trung vị 7x7 Ảnh nhúng (Strength = 30), 3x3 HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục Ảnh nhúng (Strength = 5), 7x7 THD: PGS TS Lê Tiến Thường Ảnh nhúng (Strength = 30), 7x7 Xét nhiễu Gauss với mức công suất nhiễu khác Ảnh không nhúng, nhiễu Gauss 0.001 Ảnh không nhúng, nhiễu Gauss 0.01 HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục THD: PGS TS Lê Tiến Thường Ảnh nhúng (Strength=5), 0.001 Ảnh nhúng (Strength=30), 0.001 Ảnh nhúng (Strength=5), 0.01 Ảnh nhúng (Strength=30), 0.01 HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục THD: PGS TS Lê Tiến Thường Xét nhiễu muối tiêu với mức công suất nhiễu khác Ảnh không nhúng, nhiễu muối tiêu 0.001 Ảnh nhúng (Strength=5), 0.001 Ảnh không nhúng, nhiễu muối tiêu 0.01 Ảnh nhúng (Strength=30), 0.001 HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục Ảnh nhúng (Strength=5), 0.01 THD: PGS TS Lê Tiến Thường Ảnh nhúng (Strength=30), 0.01 Xét nhiễu Speckle với mức công suất nhiễu khác Ảnh không nhúng sau nhiễu Speckle Ảnh không nhúng sau nhiễu Speckle HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục THD: PGS TS Lê Tiến Thường 0.002 0.02 Ảnh nhúng (Strength=5), 0.002 Ảnh nhúng (Strength=30), 0.002 Ảnh nhúng (Strength=5), 0.02 Ảnh nhúng (Strength=30), 0.02 HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Phụ lục THD: PGS TS Lê Tiến Thường HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Công trình nghiên cứu THD: PGS TS Lê Tiến Thường CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ƒ Lê Tiến Thường, Hoàng Đình Chiến, Đinh Việt Hào, Nguyễn Thanh Tuấn, Trần Thanh Phương, “Ứng dụng phép biến đổi Wavelets xử lý nhiễu thông tin số”, Hội Nghị Khoa Học & Công Nghệ Lần Thứ trường Đại học Bách Khoa TPHCM, trang 131-138, tháng 04, năm 2002 ƒ Lê Tiến Thường, Hoàng Đình Chiến, Đinh Việt Hào, Nguyễn Thanh Tuấn, “Ứng dụng Wavelets triệt nhiễu thông tin số kết hợp xử lý DSP TMS 320C6711”, Tạp chí Khoa Học & Công Nghệ trường đại học kỹ thuật, trang 78-83, số 38+39, ISSN 0868-3980, năm 2002 ƒ Phối hợp nghiên cứu đề tài nghiên cứu cấp bộ, “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Wavelets vào xử lý tín hiệu hệ thống điện & điện tử & viễn thông”, mã số B99-20-55, nghiệm thu năm 2003 ƒ Chứng hoàn thành xuất sắc khoá học quốc tế mùa đông “Hệ thống nhúng công nghệ hậu PC” Trung tâm nghiên cứu hệ thống nhúng, Đại học quốc gia Seoul, Hàn Quốc, ngày 02/02/04-13/02/04 ƒ Lê Tiến Thường, Sung Young Lee, Võ Trung Dũng, Nguyễn Thanh Tuấn, “Nghiên cứu watermarking âm số dùng kỹ thuật trải phổ”, Hội nghị chuyên đề quốc tế khoa học kỹ thuật cấp cao, Đại học Bách Khoa TPHCM, ngày 20-21 tháng 05 năm 2004 ƒ Lê Tiến Thường, Sung Young Lee, Võ Trung Dũng, Nguyễn Thanh Tuấn, “Giải pháp watermarking linh động cho ảnh số”, Hội nghị quốc tế HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn Công trình nghiên cứu THD: PGS TS Lê Tiến Thường IASTED lần thứ hai Viễn thông mạng máy tính, Cambridge, MA, USA, ngày 8-10/11/2004 (đã chấp nhận) ƒ Phó chủ nhiệm đề tài nghiên cứu khoa học cán giảng dạy trẻ, “Nhúng liệu quyền áp dụng cho liệu âm số”, mã số GDT-AT2004-07, thực HVTH: KS Nguyễn Thanh Tuấn TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN THANH TUẤN Ngày, tháng, năm sinh: 25 - 03 - 1979 Nơi sinh: TPHCM Địa liên lạc: 489A/21/51 Huỳnh Văn Bánh, phường 13, quận Phú Nhuận, TPHCM Điện thoại: 84-8-9915006, 84-8-8654184 Email: nguyenthanhtuan@hcmut.edu.vn, nttbk97@yahoo.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2002 – 2004: học viên cao học ngành Kỹ Thuật Vô Tuyến & Điện Tử, trường Đại học Bách Khoa TPHCM 1997 – 2002: sinh viên ngành Điện tử – Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa TPHCM ƒ Tốt nghiệp hạng Xuất Sắc (GPA: 3.62 / 4) ƒ Xếp hạng / 530 sinh viên toàn Khoa Điện – Điện tử ƒ Đề tài luận văn tốt nghiệp: TRIỆT NHIỄU TRONG THÔNG TIN SỐ DÙNG BIẾN ĐỔI WAVELETS VÀ BỘ CÂN BẰNG NEURAL NETWORKS 1994 – 1997: học sinh lớp chuyên Toán-Tin trường PTTH chuyên Lê Hồng Phong TPHCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 2002 – 2004: cán giảng dạy Bộ môn Viễn thông, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa TPHCM 02 – 2004: tham gia khoá học ngắn hạn quốc tế mùa đông Công nghệ hậu PC Trung Tâm Nghiên Cứu Hệ Thống Nhúng, trường Đại học quốc gia Seoul, Hàn Quốc ... giới, tác giả thực đề tài ? ?ỨNG DỤNG BIẾN ĐỔI WAVELETS TRONG WATERMARKING CHO ỨNG DỤNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ” Mục đích đề tài xây dựng thành công chế hiệu cho việc bảo vệ quyền liệu số Đối tượng... TÊN ĐỀ TÀI: DÙNG BIẾN ĐỔI WAVELETS TRONG WATERMARKING CHO ỨNG DỤNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ƒ Tìm hiểu kỹ thuật watermarking yêu cầu hệ thống bảo vệ quyền liệu số ƒ Tìm... thuật ứng dụng kỹ thuật watermarking để thực bảo vệ quyền ảnh số ƒ Tìm hiểu phép biến đổi Wavelets đặc trưng phép biến đổi ƒ Đề xuất số cải tiến từ xây dựng giải thuật thực bảo vệ quyền ảnh số