Thủy ấn video bằng phương pháp biến đổi sóng con và phân tích thành phần chính

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ QUANG THÀNH ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã ngành: 62 48 02 01 THUỶ ẤN VIDEO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI SĨNG CON RỜI RẠC VÀ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH Người hướng dẫn: TS Phan Anh Phong Nghệ An, tháng 10/2016 LỜI CẢM ƠN Để có luận văn hồn chỉnh ngày hơm nay, tơi xin cảm ơn giúp đỡ nhiều quan, tổ chức, cá nhân Cùng với chân thành nhất, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cá nhân quan tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập nghiên cứu đề tài Đầu tiên, xin gửi đến thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Vinh lời chào trân trọng, lời chúc sức khoẻ lời cảm ơn sâu sắc Với quan tâm, hướng dẫn tận tình, chu đáo, thầy giúp tơi hồn thành luận văn: Thuỷ ấn video phương pháp biến đổi sóng rời rạc phân tích thành phần Đặc biệt, tơi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo – TS Phan Anh Phong, người trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn tơi hồn thành tốt luận văn thời gian qua, không mặt chuyên môn, kiến thức mà thái độ nghiêm túc công việc Qua buổi học, trao đổi thảo luận, khơng có giúp đỡ thầy, luận văn tơi khó hồn thành Một lần xin chân thành cảm ơn thầy Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Trường Đại Học Vinh, Khoa Phòng ban chức trực tiếp, gián tiếp giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Do kiến thức kinh nghiệm chưa đủ sâu sắc nên tránh khỏi thiếu sót luận văn Vì vậy, tơi mong nhận góp ý chỉnh sửa từ thầy cô để luận văn tơi hồn thiện Cuối cùng, tơi xin chúc quý Thầy, Cô Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Vinh thật dồi sức khoẻ, niềm tin để tiếp tục thực sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết luận văn trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Mọi nội dung tham khảo, giúp đỡ cảm ơn trích dẫn có nguồn gốc rõ ràng nêu cuối luận văn Tác giả luận văn Lê Quang Thành MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ, VIDEO 13 VÀ THỦY ẤN DỮ LIỆU 13 1.1 SƠ LƯỢC VỀ ẢNH SỐ 13 Khái niệm ảnh số 13 Phân loại ảnh số 14 1.2 TỔNG QUAN VỀ VIDEO 14 1.2.1 Khái niệm video, thông số quan trọng, định dạng 14 1.2.2 Biểu diễn video 15 1.3 TỔNG QUAN VỀ THUỶ ẤN DỮ LIỆU 17 1.3.1 Khái niệm ý nghĩa thuỷ ấn 17 1.3.2 Các dạng thuỷ ấn điện tử 18 1.3.3 Cấu trúc hệ thống thuỷ ấn điện tử 18 1.3.4 Tấn công thuỷ ấn 20 1.3.5 Yêu cầu thuỷ ấn 20 1.4 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ CÔNG THỨC LIÊN QUAN 22 1.4.1 Trung bình độ lệch chuẩn 22 1.4.2 Hiệp phương sai 22 1.4.3 Ma trận hiệp phương sai 23 1.4.4 Vector riêng giá trị riêng 24 1.5 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH (PCA) 24 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 26 CHƯƠNG CÁC TIẾP CẬN THỦY ẤN VIDEO 27 2.1 THUỶ ẤN VIDEO TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN 27 2.2 THUỶ ẤN VIDEO TRÊN MIỀN TẦN SỐ 29 2.2.1 Sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc 29 2.2.2 Sử dụng phép biến đổi Cosin rời rạc 32 2.2.3 Sử dụng phép biến đổi sóng rời rạc 36 2.3 PCA TRONG THUỶ ẤN VIDEO 41 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 43 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THỦY ẤN VIDEO KẾT HỢP 44 DWT VÀ PCA 44 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 44 3.2 TIẾN HÀNH THUỶ ẤN 44 3.3 BÓC TÁCH THUỶ ẤN VÀ KIỂM TRA 45 3.4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 46 3.4.1 Độ đo PSNR, MSE, NC 46 3.4.2 Thử nghiệm, kết quả, đánh giá 47 3.5 MỘT SỐ NHẬN XÉT VÀ ĐỀ XUẤT 57 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Thuật ngữ đầy đủ DWT Discrete Wavelet Transform DFT Discrete Fourier Transform DCT Discrete Cosin Transform SDW Spatial Domain Watermarking LSB Least Significant Bits PCA Principle Component Analyses MSE Mean Square Errors PSNR Peak Signal to Noise Ratio PRND Pseudo Random Number Generator DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang Bảng 1: Kết thử nghiệm công thuỷ ấn với thuật toán DCT 32 Bảng 2: Kết thử nghiệm công thuỷ ấn với thuật toán DWT 37 Bảng 3: Kết thử nghiệm cơng thuật tốn DWT kết hợp PCA 49 Bảng 4: Tương quan thuật toán nêu thuật toán phổ biến 56 DANH MỤC CÁC HÌNH STT Tên hình Trang Hình 1.1: Thuỷ ấn ảnh số 16 Hình 1.2: Thuỷ ấn văn 16 Hình 1.3: Phân loại thuỷ ấn 17 Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống thuỷ ấn 18 Hình 2.1: Thuật tốn LSB 26 Hình 2.2: Cấu trúc thuật tốn thuỷ ấn DFT 29 Hình 2.3: Kết thuật tốn DCT 33 Hình 2.4 Các trường thứ cấp biến đổi DWT 34 Hình 2.5: Kết áp dụng thuật tốn DWT 37 10 Hình 2.6: Sơ đồ khối thuật tốn thuỷ ấn kết hợp DWT PCA 40 11 Hình 3.1: Video gốc 45 12 Hình 3.2: Video sau thuỷ ấn 46 13 Hình 3.3: Thuỷ ấn sau bóc tách 46 14 Hình 3.4: Tấn cơng thuỷ ấn nhiễu Gauss 47 15 Hình 3.5: Tấn cơng thuỷ ấn nhiễu muối tiêu 47 16 Hình 3.6: Xoay độ 47 17 Hình 3.7: Thay đổi kích thước 48 18 Hình 3.8: Cắt khung hình 48 19 Hình 3.9: Chuẩn hố Gamma (Phương sai=0.5) 48 20 Hình 3.10: Thay đổi tương phản (30 đơn vị) 49 21 Hình 3.11: Cân màu 49 22 Hình 3.12: Lọc trung vị 49 23 Hình 3.13: Logo thuỷ ấn 52 24 Hình 3.14: Logo thuỷ ấn chuyển dạng nhị phân 52 25 Hình 3.15: Ảnh đối tượng 52 26 Hình 3.16: Ảnh đối tượng 53 27 Hình 3.17: Biểu đồ giá trị PSNR (10) 53 28 Hình 3.18: Biểu đồ giá trị NC (10) 54 29 Hình 3.19: Biểu đồ giá trị PSNR (10) 54 30 Hình 3.20: Biểu đồ giá trị NC (10) 55 10 MỞ ĐẦU Sự cần thiết vấn đề nghiên cứu Trong đời thường, để phòng chống trộm cắp tài sản, người phải có biện pháp bảo vệ, đánh dấu sở hữu lên tài sản Hình ảnh, âm thanh, video ngoại lệ Hiện nay, phát triển Internet đem đến tiện ích cho người tạo nên thói quen xấu ăn trộm, đạo tác phẩm; lấy sản phẩm, công sức người khác sử dụng, mục đích phi lợi nhuận lợi nhuận Để phịng chống điều đó, ứng dụng thuỷ ấn (hay gọi thuỷ vân, watermark) lên sản phẩm giúp tạo chế để người tạo lập khẳng định quyền khơng làm thay đổi nhiều diện mạo hay nhìn trực giác hình ảnh, hay video Cơng nghệ thuỷ ấn phát minh từ năm 80 đến năm 1990 thực phổ biến rộng rãi, chưa có cá nhân nhận người phát minh công nghệ Luận văn sâu vào phương pháp thuỷ ấn video, sản phẩm nhiều tiềm chép thu nhiều lợi nhuận Có nhiều dạng chuẩn video, nhiên đề tài nghiên cứu thủy ấn chuẩn H264, chuẩn có độ nén cao chất lượng hình ảnh khơng bị suy giảm q nhiều Những video đưa vào hình ảnh đánh dấu quyền khung hình phương pháp kết hợp DWT (Discrete Wavelet Transform) PCA (Principle Component Analyses) DWT giúp phân tách khung hình thành nhiều thành phần tần số, để từ áp dụng PCA lồng hình ảnh quyền vào khơng làm ảnh hưởng nhiều đến nội dung chất lượng 49 Hình 3.4: Tấn cơng video nhiễu Gauss Hình 3.5: Tấn cơng nhiễu muối tiêu Hình 3.6: Tấn cơng phép xoay độ 50 Hình 3.7: Tấn cơng kích thước Hình 3.8: Cắt khung hình Hình 3.9: Chuẩn hố Gamma (Phương sai = 0.5) 51 Hình 3.10: Thay đổi tương phản (30 đơn vị) Hình 3.11: Cân màu Hình 3.12: Lọc trung vị Như ta thấy, kiểu công này, dù trực tiếp hay gián tiếp ảnh hưởng đến giá trị miền không gian tần số ảnh Tấn công vật 52 lý xoay, cắt, co giãn thử nghiệm thuật toán tiếp cận chương ra, biến đổi miền tần số chịu nhiều ảnh hưởng với kiểu công Thử nghiệm nhiễu cần phải xem xét yếu tố thường xuyên xảy đường truyền, chọn hai kiểu nhiễu phổ biến nhiễu Gauss nhiễu muối tiêu Chỉnh sửa cân màu công thay đổi trực tiếp đến miền tần số, khơng thể bỏ qua Bảng cho thấy kết so sánh giá trị PSNR video giá trị NC thuỷ ấn sau bóc tách với thuỷ ấn gốc Bảng 3: Kết thử nghiệm cơng thuật tốn DWT kết hợp PCA Kiểu công PSNR NC NHIỄU GAUSS 31.1564 0.6861 NHIỄU MUỐI TIÊU 24.4592 0.6548 XOAY ĐỘ 28.8256 0.6510 CO GIÃN 41.4628 0.6068 CẮT 28.3373 0.6801 CHUẨN HOÁ GAMMA 24.0749 0.5913 TƯƠNG PHẢN 32.4420 0.5192 CÂN BẰNG MÀU 46.4597 0.6540 LỌC TRUNG VỊ 39.1676 0.5771 Có thể thấy công vật lý khắc tinh phép biến đổi miền tần số Với thuật toán đưa ra, thuỷ ấn sau bóc tách bị giảm chất 53 lượng xuống, nhiên với giá trị NC 0.5 nhận dạng mắt thường Một phép công ảnh hưởng nhiều đến tần số ảnh tương phản, thấy rõ điều giá trị NC nhỏ kiểu công Đối với công gây nhiễu, thuật tốn khơng bị ảnh hưởng, kể giá trị PSNR tụt xuống khoảng 24 thuỷ ấn bóc tách nhận (NC = 0.6548) Đây tín hiệu khả quan nhiễu yếu tố phổ biến truyền tải liệu Frame Dropping: Ngắt khung hình video thuỷ ấn cách ngẫu nhiên Lưu ý không nên ngắt nhiều dễ làm video bị giật Trong trình thử nghiệm, khung hình ngẫu nhiên chọn loại bỏ, thuỷ ấn bóc tách hồn tồn khơng bị ảnh hưởng, ngoại trừ việc giảm kết sau Đây điều hiển nhiên thuật tốn khơng tác động đến miền thời gian video Thử nghiệm cho kết tương tự với kiểu công video Frame Swap (tráo khung hình) hay Frame Averaging (trung bình khung hình) 54 S Sharma, A Agarwal báo cáo [16] sử dụng thuật toán có thử nghiệm đối tượng ảnh khác nhau, kết đưa có nhiều điều thú vị Hình 3.13: Logo thuỷ ấn Hình 3.14: Logo chuyển dạng nhị phân Hình 3.15: Ảnh đối tượng 55 Hình 3.16: Ảnh đối tượng Thử nghiệm thực thuỷ ấn với giá trị độ mạnh 𝛼 khoảng (0.1, 1), đưa kết PSNR NC trường thứ cấp DWT Đối với ảnh đối tượng 1: Hình 3.17: Giá trị PSRN (độ mạnh 𝛼 × 10) 56 Hình 3.18: Giá trị NC (độ mạnh 𝛼 × 10) Đối với ảnh đối tượng 2: Hình 3.19: Giá trị PSRN (độ mạnh 𝛼 × 10) 57 Hình 1: Giá trị NC (độ mạnh 𝛼 × 10) Từ biểu đồ thấy, kết PSNR NC thuỷ ấn trường ngang cho hiệu suất cao trường chéo, dọc trường xấp xỉ phân giải thấp LL 3.5 MỘT SỐ NHẬN XÉT VÀ ĐỀ XUẤT Từ kết phân tích trên, thấy thuỷ ấn kết hợp DWT PCA phương pháp cho hiệu cao, thuỷ ấn đạt có độ ẩn tốt, không làm giảm chất lượng video gốc, bền vững trước tất kiểu công thường thấy So với phương pháp DFT phần 2.2.1, thuật toán đơn giản mặt tính tốn hơn, độ bền vững xấp xỉ nhau, mặt cài đặt khả cải tiến khả quan So với DCT phần 2.2.2, thuật tốn có độ phức tạp cao hơn, bù lại độ bền vững lại vượt trội rõ rệt 58 So với thuật toán DWT đơn lẻ, kết hợp với PCA làm thời gian tính tốn lâu hơn, bù lại độ ẩn cao hơn, độ bền vững tính bảo mật tốt Tuy nhiên, độ phức tạp thuật toán trở ngại, điều thể qua thời gian tính tốn Đối với thuỷ ấn ảnh số, thời gian khơng quan trọng Với video, kích thước thời lượng lên đến hàng triệu khung hình khiến thuật tốn trở thành gánh nặng Để phần giải điều này, chọn riêng số khung hình theo phân bố cho trước để thuỷ ấn Số lượng khung hình cân đối khối lượng thuỷ ấn xác suất để không bị loại bỏ hết sử dụng kiểu công Frame Dropping Phân bố chọn ngẫu nhiên có tính tốn, ví dụ: chọn khung hình có số thứ tự chia hết 100 (mỗi 100 khung hình chọn một) Như dễ dàng q trình bóc tách, dễ bị phát loại bỏ Để hướng phát triển hứa hẹn cho thuật toán ta cần phải nghiên cứu kĩ thuật tốn chọn khung hình Ngày nay, phát triển mạnh phần cứng giúp tính tốn thực nhanh Ngay máy tính cá nhân, thực thuật tốn thuỷ ấn hồn tồn khả thi Một vấn đề bỏ qua thuật toán đưa mã bảo mật để bóc tách Mã thêm vào q trình tính tốn cơng thức (21), (22) Cần phải tinh chỉnh để thuật toán đạt hiệu cao Dựa tiêu chí yêu cầu hệ thống thuỷ ấn, kết hợp DWT PCA cho ta tính ẩn, tính bền vững, tính lỗi, khối lượng thông tin không nhiều, chưa có tính đa tầng Tuy nhiên nhờ ưu việt độ ẩn độ bền vững, thuật toán nêu vươn lên đứng đầu độ hiệu so với tiếp cận khác thuỷ ấn 59 Bảng 4: Tương quan thuật toán nêu thuật toán phổ biến Thuật toán DFT DCT DWT DWT & PCA Độ phức tạp Cao Trung bình Thấp Cao Độ ẩn Trung bình Trung bình Thấp Cao Độ bền vững Cao Thấp Cao Cao Tính bảo mật Cao Thấp Thấp Trung bình 60 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI Qua nghiên cứu thuật toán thuỷ ấn video, đặc điểm chung hầu hết phương pháp thường không bền vững trước cơng, đó, thuỷ ấn bị phá huỷ khơng cịn giá trị nhận biết quyền sở hữu Với ưu điểm độ ẩn, độ bền vững bảo mật, với so sánh với nghiên cứu khác thuỷ ấn, kết luận kết hợp DWT PCA cho thủy ấn video hướng hứa hẹn có nhiều thành cơng góp phần vào q trình bảo vệ quyền tương lai Với nhiệm vụ mục tiêu đặt ra, nói luận văn hồn thành nội dung sau:  Nghiên cứu ảnh số, video số thủy ấn liệu ý nghĩa thủy ấn  Nghiên cứu phương pháp thuỷ ấn sử dụng phổ biến Cài đặt, thử nghiệm đưa đánh giá;  Nghiên cứu kết hợp PCA DWT thủy vấn ảnh video Trong trình cài đặt thuật tốn cịn gặp số khó khăn thời gian nghiên cứu đủ sâu nên chưa thể có kết thuỷ ấn video cách kết hợp PCA DWT Trong thời gian tới, tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện cài đặt thuật tốn Matlab, hy vọng triển khai áp dụng vào hướng nghiên cứu thực tế 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nisreen I Yassin, Nancy M Salem, and Mohamed I El Adawy, “Block Based Video Watermarking Scheme Using Wavelet Transform and Principle Component Analysis”, IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol 9, Issue 1, No 3, January 2012 ISSN (Online): 1694-0814 [2] Alka N Potkar, Saniya M Ansari, “Review on Digital Video Watermarking Techniques”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Volume 106 – No.11, November 2014 [3] Phadtare Saurabh, Dhebe Pooja, Bobade Sharayu, Jawalkar Nishigandha, “Video Watermarking Scheme Based on DWT and PCA for Copyright Protection ”, IOSR Journal of Computer Engineering (IOSR-JCE)
e-ISSN: 2278-0661, p- ISSN: 2278-8727Volume 9, Issue (Mar - Apr 2013), PP 1824 www.iosrjournals.org [4] Salwa A.K Mostafa, A S Tolba, F M Abdelkader, Hisham M Elhindy, “Video Watermarking Scheme Based on Principal Component Analysis and Wavelet Transform”, IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.9 No.8, August 2009 [5] Thai Duy Hien, Yen-Wei Chen, Zensho Nakao, "PCA Based Digital Watermarking", KES 2003, LNAI 2773, pp 1427-1434, 2003 [6] Yavuz E., Telatar Z., “Digital Watermarking with PCA Based Reference Images”, ACIVS 2007, Springer-Verlag, Lecture Notes in Computer Science, 4678, pp.1014-1023, 2007 [7] Xiangui Kang ,WenjunZeng ,and Jiwu Huang, " A Multi- band Wavelet Watermarking Scheme ", International Journal of Network Security ,Vol 62 ,No 2, pp 121–126, Mar 2008 [8] M Mudrov´a, A Proch´azka, “Principal Component Analysis in Image Processing” [9] Hanane H.Mirza, Hien D.Thai, Yasunori Nagata and Zensho Nakao “Digital Video Watermarking Based on Principal Component Analysis” [10] P Porwal, R N Chaturvedi, T Ghag, “Digital Video Watermarking Using Least Significant Bit (LSB) Technique”, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT) ISSN: 2278-0181 Vol Issue 1, January – 2014 [11] Ashish M Kothari, Ved Vyas Dwivedi, “Performance Analysis of Digital Video Watermarking using Discrete Cosine Transform”, International Journal of Electrical and Computer Engineering Systems [12] Jaya Jeswani, Dr Tanuja Sarode, “A New DCT based Color Video Watermarking using Luminance Component”, IOSR Journal of Computer Engineering (IOSR-JCE) e-ISSN: 2278-0661, p- ISSN: 2278-8727Volume 16, Issue 2, Ver XII (Mar-Apr 2014), PP 83-90 [13] Safdar Ali Syed Abedi, “Exploring Discrete Cosine Transform for Multiresolution Analysis”, Georgia State University ScholarWorks @ Georgia State University [14] Prachi V Powar, S.S.Agrawal, “ Design of digital video watermarking scheme using Matlab Simulink”, IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology, ISSN: 2319-1163 [15] S Sinha, P Bardhan, “Digital Video Watermarking using Discrete Wavelet Transform and Principal Component Analysis”, International Journal of Wisdom Based Computing, Vol (2), August 2011 63 [16] S Sharma, A Agarwal, “Analysis of Digital Watermarking Using DWT and PCA”, (IJIRSE) International Journal of Innovative Research in Science & Engineering - ISSN (Online) 2347-3207 [17] A Poljicak,
L Mandic, D Agic, “Discrete Fourier transform–based watermarking method with an optimal implementation radius”, Journal of Electronic Imaging 20(3), 033008 (Jul–Sep 2011) [18] Majid Masoumi, Shervin Amiri, “Copyright Protection of Color Video Using Digital Watermarking”, IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol 9, Issue 4, No 2, July 2012 ISSN (Online): 16940814
 www.IJCSI.org [19] Đỗ Năng Toàn, Giáo trình xử lí ảnh, Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng, 2010 [20] Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thủy, Nhập mơn xử lí ảnh số, NXB khoa họa kỹ thuật, 1999 ... ấn video phương pháp biến đổi sóng rời rạc phân tích thành phần chính? ?? làm đề tài luận văn thạc sĩ Đề tài vào tìm hiểu khái niệm ảnh số, video, phương pháp biến đổi ảnh số video, sở áp dụng vào... phép biến đổi Fourier, Cosin, Wavelet - Thủy ấn ảnh phương pháp - Thủy ấn VIDEO phương pháp - Phân tích thành phần chính: véc tơ riêng, giá trị riêng - Phần mềm Matlab cho xử lý ảnh số VIDEO. .. thuỷ ấn video kết hợp DWT PCA 12 Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Video số - Các phép biến đổi DFT, DCT DWT - Thủy ấn phương pháp thủy ấn - Phân tích thành phần Nội dung nghiên cứu - Ảnh số VIDEO