Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG NGUYỄN NIÊN BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN DỰAVÀO PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ LUẬN VĂN THẠC SỸ: KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Ngun 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn "Bảo vệ quyền ảnh số kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ " kết nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực Đƣợc tác giả cho phép tham khảo sử dụng tài liệu đăng tải tác phẩm, tạp chí trang Web theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Thái Nguyên, ngày 15 tháng 05 năm 2015 Nguyễn Niên Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn tất luận văn thạc sĩ yêu cầu tập trung, cố gắng độc lập nghiên cứu Bản thân sau năm tháng học tập vất vả nghiên cứu cố gắng để hoàn thành đƣợc luận văn Tơi ln ghi nhận đóng góp giúp đỡ nhiệt tình ngƣời bên cạnh mình, ủng hộ, hỗ trợ bố mẹ bạn bè giúp có thêm động lực để hồn thành khóa luận tốt nghiệp, nhân muốn gửi lời cảm ơn tới họ Lời em gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Bùi Thế Hồng thầy tận tụy hƣớng dẫn, động viên, giúp đỡ em suốt thời gian thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Công Nghệ Thông Tin Trƣờng Đại học Công Nghệ Truyền Thông Thái Nguyên truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em năm học vừa qua Chân trọng cảm ơn đến Bố, Mẹ, nguồn động viên bƣớc đƣờng học vấn Xin chân thành cảm ơn tập thể lớp K12G ủng hộ, giúp đỡ động viên thời gian học tập nghiên cứu luận văn Mặc dù cố gắng hoàn thành luận văn phạm vi khả cho phép nhƣng chắn không tránh khỏi thiếu sót Tơi kính mong nhận đƣợc cảm thơng tận tình bảo q Thầy Cô bạn Thái Nguyên, ngày 20 tháng 06 năm 2015 Học viên Nguyễn Niên Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC LỜI CAMĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH SÁCH HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chƣơng 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ 1.1Giới thiệu chung 1.2Giấu tin vài nét lịch sử giấu tin 1.2.1Định nghĩa 1.2.2Phân loại 1.3Mơ hình kỹ thuật giấu tin số thuật ngữ b 1.4Một số ứng dụng đƣợc triển khai 1.5Giấu tin liệu đa phƣơng tiện 1.5.1Giấu tin tron 1.5.2Giấu tin 1.6Giới thiệu chung kỹ thuật thuỷ vân 1.6.1Thủy vân số 1.6.2Các yêu cầu 1.7Những công hệ thuỷ vân 1.8Những khuynh hƣớng tiếp cân kỹ thuật thuỷ v 1.8.1Hƣớng tiếp c 1.8.2Hƣớng tiếp c 1.9Một số kỹ thuật bổ trợ cho kỹ thuật thuỷ vân số trê Chƣơng 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI 26 2.1 Các phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần số 2.1.1Phép biến đổi Fou 2.1.2Phép biến đổi Cos 2.1.3Phép biến đổi són Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN v 2.1.4 Kỹ thuật sinh chuỗi giả ngẫu nhiên 31 2.1.5 Kỹ thuật trải phổ truyền thông 31 2.1.6 Các kỹ thuật kiểm định thuỷ vân 33 2.2 Mơ hình thị giác ngƣời 34 2.2.1 Nhạy cảm tƣơng phản 35 2.2.3 Nhạy cảm tần số 36 2.2.4 Mặt nạ thị giác 38 Chƣơng 3: THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ SỬ DỤNG CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA HỆ THỐNG THỊ GIÁC CỦA CON NGƢỜI 39 3.1 Cài đặt số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ sử dụng đặc trƣng hệ thống thị giác ngƣời 39 3.2 Các độ đo chất lƣợng mang tính nhận thức 43 3.3 Thiết kế chƣơng trình chạy thử 44 3.3.1 Chƣơng trình nhúng 44 3.3.2 Chƣơng trình trích thủy vân 49 3.3.3 Chƣơng trình kiểm tra 52 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt CSF Contra DCT Discre DFT Discre DWT Discre HVS Human MSE Mean s NC Norma PSNR Peak S HH HL LH LL Horizo high - Horizo vertica Horizo vertica Horizo – pass Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại kỹ thuật giấu tin Hình 1.2 Lƣợc đồ chung cho trình giấu tin Hình 1.3 Lƣợc đồ cho trình giải mã Hình 1.4 Hai ảnh trƣớc sau giấu tin giống hệt 10 Hình 1.5 Thực chất bên ảnh giấu có chứa thơng tin ngƣời chủ sở hữu 10 Hình 1.6 Phân loại kỹ thuật thuỷ vân 17 Hình 1.7 Ví dụ thuỷ vân (Trên trang Web thƣ viện số Mỹ) 18 Hình 1.8 Ảnh Lena đƣợc nhúng thuỷ vân logo hình bên phải 19 Hình 2.1 Cấu trúc phân tích 30 Hình 2.2 Ảnh đƣợc phân tích 30 Hình 2.3 Vấn đề thuỷ vân dƣới góc nhìn truyền thơng 33 Hình 2.4 Ngƣỡng biến đổi nhỏ mà ngƣờicảm nhận đƣợc với độ chói I khác 35 Hình 2.5 Hàm nhạy cảm tƣơng phản dựa mẫu Mannos Sakrison 37 Hình 2.6 Sự cảm nhận ba màu thị giác ngƣời 37 Hình 2.7 Độ nhạy cảm mắt ngƣời với tần số thời gian khác 38 Hình 3.1 Lƣợc đồ đề xuất cho thủy vân ảnh 41 Hình 3.2 Nhúng thủy vân vào hệ số sóng nhỏ dƣơng 42 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Thủy vân số phƣơng pháp nhúng lƣợng thơng tin vào sản phẩm đa phƣơng tiện cấn đƣợc bảo vệ quyền sở hữu mà không làm ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng sản phẩm Thủy vân số hứa hẹn giải pháp cho vấn đề bảo vệ quyền sản phẩm số sản phẩm đƣợc sử dụng môi trƣờng mở mà không cần đến việc mã hóa Thủy vân phải tồn bền vững với sản phẩm phải không đƣợc loại bỏ cơng có chủ đích hay khơng chủ đích trừ phá hủy sản phẩm Trong năm gần bùng nổ công nghệ thông tin, đặc biệt bùng nổ Internet phƣơng tiện liệu số (nhƣ ảnh, audio, video ), mang lại nhiều thuận lợi cho ngƣời sử dụng, nhƣng bên cạnh vấn đề ăn cắp quyền, xuyên tạc thông tin, truy cập thơng tin trái phép… tăng, địi hỏi khơng ngừng tìm giải pháp hữu hiệu đảm bảo cho an tồn bảo mật thơng tin Nhƣ biết, thông tin số đƣợc sử dụng rộng rãi mơi trƣờng mở Trong hồn cảnh nhƣ thế, nhu cầu đƣợc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ sản phẩm số trở thành vấn đề quan trọng đƣợc quan tâm giới khoa học công nghệ Đây vấn đề nghiên cứu phức tạp khơng nƣớc mà cịn với giới công nghệ thông tin Trong vài năm trở lại có nhiều hội nghị quốc tế vấn đề giải pháp đƣợc đƣa phƣơng pháp thủy vân số Giải pháp đƣa nhận đƣợc quan tâm lớn nhà khoa học có nhiều nghiên cứu lĩnh vực thủy vân số có nhiều cơng trình nghiên cứu có giá trị lĩnh vực Các ứng dụng phổ biến thủy vân số đƣợc nghiên cứu bao gồm bảo vệ quyền, in vân tay, nhận thức thông tin, phát xuyên tạc, điều khiện truy cập giấu thơng tin mật Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 47 % Biến đổi ngƣợc IDWT cA2 = idwt2(cA3,cH3,cV3,cD3,'haar',[Mc/4,Nc/4]); cA1 = idwt2(cA2,cH2,cV2,cD2,'haar',[Mc/2,Nc/2]); anh_thuyvan = idwt2(cA1,cH1,cV1,cD1,'haar',[Mc,Nc]); % chuyen tro lai uint8 anh_thuyvan_uint8=uint8(anh_thuyvan); % ghi ảnh thủy vân lên file imwrite(anh_thuyvan_uint8,'dwt_thuyvan.bmp','bmp'); % Tinh PSNR MSE=0 for(i =1: 512) for (j=1:512) MSE = MSE + (anh_chu(i,j)-anh_thuyvan(i,j))^2; end end MSE = MSE/(Nc*Mc); PEAK = max(max(anh_chu)); P2 = PEAK^2; PSNR = 10*log10(P2/MSE); % display watermarked image figure(2); imshow(anh_thuyvan_uint8,[]); title(['Anh da thuy van PSNR = ', num2str(PSNR)]) Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 48 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 49 3.3.2 Chương trình trích thủy vân % Bảo vệ quyền ảnh số kỹ thuật thủy vân % Sử dụng phép biến đổi IDWT kết hợp với hệ thống thị giác % Thuật tốn trích thủy vân % t = alpha*fmax - Ngƣỡng thủy vân % fmax: Biên độ cực đại hệ số DWT HL3 va LH3 % alpha: Hệ số điều chỉnh ngƣỡng thủy vân 0.01< alpha (tH1 + x2)) & (abs(cH3(i,j)) < (tH2 - x2))) count=count+1; tvg(count)= w(i,j); if ((abs(cH3(i,j)) < ((tH1+tH2)/2))) wf(i,j) = 0; tvm(count)=0; else wf(i,j) =1; tvm(count)=1; end end end end n = 0.75' r = corr2(w,wf); rr= corr2(tvg,tvm); if (rr > n) figure(4); imshow(anh_thuyvan,[]); title(['Anh can xac minh thuoc ban quyen cua tac gia HSTQ = ', num2str(rr)]); else figure(4); imshow(anh_thuyvan,[]); Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 51 title(['Anh can xac minh khong thuoc ban quyen cua tac gia HSTQ = ', num2str(rr)]); end Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 52 3.3.3 Chương trình kiểm tra % Bảo vệ quyền ảnh số kỹ thuật thủy vân % Sử dụng phép biến đổi IDWT kết hợp với hệ thống thị giác % Thuật toán trích thủy vân % t = alpha*fmax - Ngƣỡng thủy vân % fmax: Biên độ cực đại hệ số DWT HL3 va LH3 % alpha: Hệ số điều chỉnh ngƣỡng thủy vân 0.01< alpha (tH1 + x2)) & (abs(cH3(i,j)) < (tH2 - x2))) count=count+1; tvg(count)= w(i,j); if ((abs(cH3(i,j)) < ((tH1+tH2)/2))) wf(i,j) = 0; tvm(count)=0; else wf(i,j) =1; tvm(count)=1; end end Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 54 end end n = 0.75' r = corr2(w,wf); rr= corr2(tvg,tvm); if (rr > n) figure(4); imshow(anh_thuyvan,[]); title(['Anh can xac minh thuoc ban quyen cua tac gia HSTQ = ', num2str(rr)]); else figure(4); imshow(anh_thuyvan,[]); title(['Anh can xac minh khong thuoc ban quyen cua tac gia HSTQ = ', num2str(rr)]); end Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 55 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 56 KẾT LUẬN Từ vài thập niên gần đây, với tác động mạnh mẽ tiến khoa học công nghệ, đặc biệt công nghệ thông tin truyền thông, giới biến chuyển tới kinh tế xã hội mà thông tin tri thức đƣợc xem nguồn lực chủ yếu Nhờ vào hỗ trợ thiết bị khoa học đại, việc trao đổi thông tin ngƣời trở nên thuận tiện dễ dàng Việc trao đổi thông tin liên lạc Internet đƣợc tổ chức, cá nhân tích cực sử dụng việc trao việc liên lạc, trao đổi thông tin Nhƣng vấn đề đặt nguy thông tin, bị đánh cắp, bị xuyên tạc, ngày gia tăng, đòi hỏi phải có chế bảo mật, bảo đảm an ninh, an tồn cho thơng tin trao đổi mạng Bảo mật thơng tin, có mật mã học, thủy vân giấu tin mật lĩnh vực đƣợc quan tâm nghiên cứu Nhiều giải thuật mã hóa, nhiều giãi thuật thủy vân đƣợc đề xuất nhằm tăng cƣờng an ninh thông tin Trên sở nghiên cứu kỹ thuật, thuật toán thủy vân đƣợc nhà khoa học triển khai luận văn đƣa thủy vân ảnh dựa phép biến đổi sóng nhỏ dựa vào hệ thống thị giác ngƣời Trong q trình nghiêu cứu, thử nghiệm, đƣa số kết luận sau: Cài đặt đƣợc lƣợc đồ thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ DWT kết hợp với đặc trƣng thị giác ngƣời Qua thử nghiệm, lƣợc đồ đƣợc đánh giá bền vững trƣớc số cơng điển hình đảm bảo đƣợc chất lƣợng ảnh chủ Ƣu điểm hạn chế luận văn Luận văn trình bày hệ thống kiến thức tổng quan giấu tin ảnh thủy vân Một số kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 57 Hiện luận văn nghiên cứu việc bảo vệ quyền ảnh với kỹ thuật sóng nhỏ DWT mức giới có nhiều cách bảo vệ quyền ảnh số thủy vân đại tiên tiến Hƣớng phát triển luận văn: - Tiếp tục nghiên cứu sâu việc bảo vệ quyền ảnh số kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ - Thử nghiệm số lƣợc đồ để đánh giá tính an tồn ảnh chủ bị cơng Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Nguyễn Xuân Huy, Bùi Thế Hồng, Trần Quốc Dũng (2004), “Kỹ thuật thuỷ vân số ứng dụng phát xuyên tạc ảnh,” Kỷ yếu Hội thảo quốc gia số vấn đề chọn lọc công nghệ thông tin lần thứ 7, Đà Nẵng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr 183-187 [2] Nguyễn Văn Tảo, Đỗ Trung Tuấn, Bùi Thế Hồng, Một số thuật toán giấu tin áp dụng giấu tin mật ảnh, kỷ yếu hội thảo RDA [3] Bùi Thế Hồng, Nguyễn Văn Tảo (2007) Về kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc ma trận số giả ngẫu nhiên, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Tập 45 – số 03 [4] Lê Tiến Thƣờng, Nguyễn Thanh Tuấn, Giải pháp hiệu dùng kỹ thuật thủy vân cho ứng dụng bảo vệ quyền ảnh số, Tạp chí bƣu viễn thơng (2004) Tiếng anh [5] Chen Y.Y., Pan H.K., Tseng Y.C (2000), “A Secure Data Hiding Scheme for Two-Color Images”, IEEE Symp on Computer and Communication, pp 750-755 [6] Johnson N.F., Katezenbeisser S.C (1999), “A survey of steganographic techniques”, Information techniques for Steganography and Digital thủy vân Northwood, MA: Artec house, pp 43-75 [7] Liu R., Tan T (2002), “A SVD-Based Thủy vân Scheme for Protecting Rightful Ownership”, IEEE Trans on Multimedia, 4(1), pp.121-128 [8] Mehul R., Priti R (2003), “Discrete Wavelet Transform Based Multiple Thủy vân Scheme”, Proceedings of IEEE Region 10 Technical Conference on Convergent Technologies for the Asia-Pacific, Bangalore, India, 3, pp 935-938 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 59 [9] R Dugad, K Ratakonda and N Ahuja, A new wavelet based scheme for watermarking images,Proc IEEE Intl Conf on Image Processing, ICIP’98,Chicago, IL, USA, Oct 1998, 419 423 [10] A Miyazaki, A Yamamoto and T Katsura,A digital watermarking technique based on the wavelet transform and its robustness on image compression and transformation, IEICE Trans., Special Section on Cryptography and Information Security,E82 A, No 1, Jan 1999, 10 [11] I J Cox, F T Leighton and T Shamoon, “Secure spread spectrum watermarking for multimedia,” IEEE Trans on Image Processing, Vol 6, Dec 1997, 1673 1678 [12] M S Raval and P P Rege, "Discrete Wavelet Transform Based Covert Communication Technique," Journal of the Computer Society of India, vol.34, No.1, pp.69 75, Jan Mar.2004 [13] D Salomon, Data Privacy and Security, Springer Verlag, NewYork, 2003 [14] M Corvi and G Nicchiotti, “Wavelet based image watermarking for copyright protection, Scandinavian Conference on Image Analysis,” SCIA ’97, Lappeenranta, Finland, June 1997, 157 163 [15] P Meerwald, Digital image watermarking in the wavelet transform domain, Master thesis, Department of Scientific Computing, University of Salzburg, Austria, 2001 http://www.cosy.sbg.ac.at/˜pmeerw/Watermarking/ [16] A Zolghadrasli, S Rezazadeh, “Evaluation of Spread Spectrum Watermarking Schemes in the Wavelet Domain Using HVS Characteristics,” international journal of information science&technology, volume 5, number2, July December, 2007 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 60 [17] S Voloshynovskiy, S Pereira, V Iquise, and T Pun “Attack modeling: Towards a second generation watermarking benchmark” Journal of Signal Processing,80 (6), May 2001 [18] Checkmark benchmarking project [online] Available from World Wide Web (date accessed: December, 2004): http://watermarking.unige.ch/Checkmark/ [19] A B Watson, “DCT quantization matrices visually optimized for individual images, Human Vision,” Visual Processing and Digital Display IV, Proc SPIE, Vol.1913, San Jose, CA, USA, Feb 1993, 202 216 [20] A Mayache, T Eude and H Cherefi, “A comparison of image quality models and metrics based on human visual sensitivity,” Proc IEEE Intl Conf on Image Processing,ICIP’98, Chicago, IL, USA, Oct 1998, 409 413 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... điểm ảnh miền biến đổi ảnh Hiện tại, ngƣời ta sử dụng phép biến đổi rời rạc nhƣ phép biến đổi Fourier (DFT), phép biến đổi cosine(DCT) phép biến đổi sóng nhỏ (DWT) Các kỹ thuật thủy vân dựa vào. .. bỏ thủy vân BỐ CỤC LUẬN VĂN Chƣơng 1: Giới thiệu chung kỹ thuật giấu tin thủy vân ảnh số Chƣơng 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Chƣơng 3: Thiết kế chƣơng trình thủy vân ảnh số. .. đặt số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ sử dụng đặc trƣng hệ thống thị giác ngƣời Có số phƣơng pháp thủy vân ảnh số đƣợc đƣa Một phƣơng pháp phƣơng pháp dùng phép biến đổi sóng