TÌM HIỂU KĨ THUẬT THỦY VÂN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỘNG TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN

Với sự phát triển vũ bão của Internet, các phương tiện kĩ thuật số như phươngtiện lưu trữ, phương tiện truyền thông, kỉ nguyên thông tin số đã được hìnhthành. Hầu hết thông tin ngày nay được lưu trữ dưới dạng số hoá trước khi trởthành một vật phẩm thông thường như sách báo, tạp chí. Việc trao đổi, phân bố,sao chép và xử lý các sản phẩm số này ngày càng nhanh chóng, đơn giản nằmngoài tầm kiểm soát của các tổ chức. Và do đó, tình trạng xâm phạm bản quyền,sao chép lậu các sản phẩm kĩ thuật số đã xảy ra ở nhiều nơi. Tháng 31998 ởHồng Kông, chính quyền đã tịch thu một số lượng đĩa CD âm nhạc lậu trị giá 85triệu đôla, và vào 61998, ở Đức cũng đã tịch thu các sản phẩm phần mềm và kĩthuật số lậu trị giá 1,9 triệu đô la. Trong năm này, quốc hội Mỹ thông qua dựluật về “Hành động bảo vệ bản quyền kỷ nguyên kĩ thuật số” (Digital MilleniumCopyright Act) để bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ với các sản phẩm kĩ thuật số. Tấtcả các việc đó nói lên sự cần thiết phải có một cách để bảo vệ các sản phẩm kĩthuật số khỏi các thao tác sao chép, xử lý trái phép và ngăn chặn các hoạt độngnày xảy ra. Một phương pháp chống sao chép trái phép và bảo vệ bản quyền chocác sản phẩm số – thuỷ vân số (digital watermarking) đã ra đời trong hoàncảnh này. Thuỷ vân số là một phương pháp dùng để bảo vệ các sản phẩm số. Nócó thể được dùng trong các lĩnh vực bảo vệ bản quyền, chống sao chép, phânbiệt giả mạo, Các sản phẩm số này có thể là văn bản, audio, video, phần mềm,ảnh… Thuỷ vân số là một phương pháp mới dựa trên lý thuyết tổng hợp củanhiều lĩnh vực khác nhau như mật mã học, lý thuyết thông tin, lý thuyết truyềnthông và xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh. Mục đích của phương pháp này là dấuthêm một lượng thông tin có ích vào sản phẩm số và lượng thông tin này đượcgọi là thuỷ vân. Có rất nhiều cách phân loại thủy vân số khác nhau tùy vào cáctiêu chí. Dựa theo các tiêu chí đó cũng có nhiều kĩ thuật thủy vân. Trong bài tậplớn này chúng em xin trình bày về đề tài “Tìm hiểu kĩ thuật thủy vân số bằngphương pháp cộng trên miền không gian”.

BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT Mà ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ BÁO CÁO TÌM HIỂU KĨ THUẬT THỦY VÂN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỘNG TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN Ngành: Cơng nghệ thơng tin Chun ngành: An tồn thơng tin Học phần: Kỹ thuật giấu tin Sinh viên thực hiện: Lớp: Người hướng dẫn: Hà Nội, 2018 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN SỐ 1.1 Tổng quan thủy vân số 1.1.1 Khái niệm thủy vân số 1.1.2 Phân loại thủy vân số 1.1.3 Cấu trúc hệ thống thủy vân số 1.1.4 Quá trình nhúng thủy phân 1.1.5 Q trình trích xuất thủy phân 1.1.6 Các tính chất thủy vân số 1.1.7 Một số kĩ thuật thủy vân số CHƯƠNG II: KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÔNG TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN 2.1 Khái niệm thủy vân số miền không gian 2.2 Cơ sở lý thuyết 2.3 Một số thuật toán 2.3.1 Thuật toán 1(SW) 2.3.2 Thuật toán (Wu-Lee) 2.3.3 Thuật toán (PCT) 2.3.4 Thuật toán (LSB) 2.4 Kỹ thuật thủy vân số phương pháp cộng miền không gian 2.4.1 Ý tưởng thuật toán 2.4.2 Thuật toán nhúng thủy vân 2.5 Thuật toán trích xuất thủy vân 11 2.5.1 Q trình trích xuất thủy vân 11 2.5.2 Các bước thực 11 CHƯƠNG III: TRIỂN KHAI QUÁ TRÌNH NHÚNG THỦY VÂN CỦA PHƯƠNG PHÁP CỘNG TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN 13 3.1 Môi trường triển khai 13 3.1.1 Quá trình nhúng thủy vân 14 3.1.2 Quá trình trích xuất thủy vân 15 CHƯƠNG IV: TỔNG KẾT 17 DANH MỤC BẢNG BIỂU Hình 1: Lược đồ nhúng thủy vân Hình 2: Lược đồ phát hiện/trích xuất thủy vân Hình 3: trình nhúng thủy vân phương pháp cộng miền không gian 10 Hình 4: phương pháp cộng miền không gian dựa khối 11 Hình 5: Ảnh thủy vân 13 Hình 6: Ảnh gốc 13 Hình 7: giao diện code trình nhúng thủy vân 14 Hình 8: Ảnh gốc trước sau nhúng thủy vân 14 Hình 9: Giao diện code q trình trích xuất thủy vân 15 Hình 10: Hình ảnh sau trích xuất thành cơng 16 LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển vũ bão Internet, phương tiện kĩ thuật số phương tiện lưu trữ, phương tiện truyền thông, kỉ ngun thơng tin số hình thành Hầu hết thông tin ngày lưu trữ dạng số hố trước trở thành vật phẩm thơng thường sách báo, tạp chí Việc trao đổi, phân bố, chép xử lý sản phẩm số ngày nhanh chóng, đơn giản nằm ngồi tầm kiểm sốt tổ chức Và đó, tình trạng xâm phạm quyền, chép lậu sản phẩm kĩ thuật số xảy nhiều nơi Tháng 3/1998 Hồng Kơng, quyền tịch thu số lượng đĩa CD âm nhạc lậu trị giá 85 triệu đôla, vào 6/1998, Đức tịch thu sản phẩm phần mềm kĩ thuật số lậu trị giá 1,9 triệu đô la Trong năm này, quốc hội Mỹ thông qua dự luật “Hành động bảo vệ quyền kỷ nguyên kĩ thuật số” (Digital Millenium Copyright Act) để bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ với sản phẩm kĩ thuật số Tất việc nói lên cần thiết phải có cách để bảo vệ sản phẩm kĩ thuật số khỏi thao tác chép, xử lý trái phép ngăn chặn hoạt động xảy Một phương pháp chống chép trái phép bảo vệ quyền cho sản phẩm số – thuỷ vân số (digital watermarking) - đời hoàn cảnh Thuỷ vân số phương pháp dùng để bảo vệ sản phẩm số Nó dùng lĩnh vực bảo vệ quyền, chống chép, phân biệt giả mạo, Các sản phẩm số văn bản, audio, video, phần mềm, ảnh… Thuỷ vân số phương pháp dựa lý thuyết tổng hợp nhiều lĩnh vực khác mật mã học, lý thuyết thông tin, lý thuyết truyền thơng xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh Mục đích phương pháp dấu thêm lượng thơng tin có ích vào sản phẩm số lượng thông tin gọi thuỷ vân Có nhiều cách phân loại thủy vân số khác tùy vào tiêu chí Dựa theo tiêu chí có nhiều kĩ thuật thủy vân Trong tập lớn chúng em xin trình bày đề tài “Tìm hiểu kĩ thuật thủy vân số phương pháp cộng miền không gian” CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN SỐ 1.1.Tổng quan thủy vân số 1.1.1 Khái niệm thủy vân số Thủy vân (watermark) khái niệm giống với ẩn mã chỗ giấu liệu vào liệu khác với mục đích hồn toàn khác Trong ẩn mã muốn che giấu sụ tồn liệu nhúng thủy vân số lại nhằm mục đích đảm bảo tính xác thực, an toàn bảo vệ quyền liêu chứa thông tin nhúng Thủy vân xem xuất lần lĩnh vực sản xuất giấy truyền thống Đó dấu hiệu hay hình mờ in chìm giấy nhằm xác định nhãn hiệu giấy tờ Ngày thủy vân ứng dụng nhiều nhằm xác thực liệu Thủy vân kĩ thuật số biến đổi nhận thấy nhận thấy liệu kĩ thuật số Những biến đổi q trình che giấu thơng tin kĩ thuật số tín hiệu phủ Qúa trình biến đổi gọi q trình nhúng thơng tin để tạo nên thủy vân Dữ liệu kĩ thuật số để chứa thông tin nhúng đối tượng đa phương tiện kĩ thuật số hình ảnh, âm thanh, video, văn bản, …, hình ảnh kĩ thuật số thường dùng nhiều tạo thủy vân Thủy vân sau nhúng phải đủ bền vững để chống lại biến đổi làm suy biến kiểu công chủ ý Định nghĩa: Thủy vân số trình nhúng liệu (hay gọi thủy vân) vào đối tượng đa phương tiện nhằm xác thực nguồn gốc hay chủ sở hữu đối tượng - Đối tượng đa phương tiện mà thủy vân nhúng vào thường gọi vật phủ, vật chủ, vật gốc, … sau thống vật phủ - Thủy vân số thông tin khác biệt gán cho dự liệu để bảo vệ liệu nên phải có yêu cầu quan trọng khơng thể dễ dàng trích xuất xóa bỏ thủy vân khỏi vật phủ tính bền vững thủy vân 1.1.2 Phân loại thủy vân số ➢ Theo miền thực hiện: - Miền không gian: thủy vân mà thực nhúng trực tiếp vào giá trị vật phủ - Miền tần số (miền biến đổi): thủy vân mà thực nhúng vào hệ số tần số tương ứng giá trị vật phủ, tức trước nhúng cần biến đổi giá trị vật phủ sang miền tần số thông qua phép biến đổi chẳng hạn như: DCT, DWT, … ➢ Theo môi trường chứa (môi trường thủy vân nhúng vào hay vật phủ): - Thủy vân ảnh - Thủy vân âm - Thủy vân video - Thủy vân văn ➢ Theo cảm nhận người: - Thủy vân ẩn: Là thủy vân sau nkhi nhúng vào vật phủ khơng thể nhìn thấy cảm nhận thay đổi vật có chứa thủy vân so với vật phủ ban đầu, nhiên trích xuất cách sử dụng thuật tốn thích hợp • Thủy vân bền vững: thủy vân nhúng theo cách dù thay đổi vật phủ giác quan người khơng cảm nhận chịu cơng, đồng thời có thuật tốn phù hợp khơi phục thủy vân • Thủy vân dễ vỡ: thủy vân mà thao tác thay đổi hay sửa chữa làm hỏng làm biến đổi thủy vân • Thủy vân bán dễ vỡ: loại thủy vân chịu số phép biến đổi hợp pháp số loại cơng tất phép biến đổi Hy loại công - Thủy vân hiện: thủy vân sau nhúng vào vật phủ hoàn toàn nhìn thấy cảm nhận 1.1.3 Cấu trúc hệ thống thủy vân số Mỗi hệ thống thủy vân ln bao gồm hai q trình tách biệt, nhúng thủy vân trích xuất thủy vân Trước mơ tả chi tiết q trình nhúng phát hiện/trích xuất thủy vân ta đưa số kỹ hiệu sau: • I vật phủ dùng để nhúng thủy vân vào • W thủy vân ban đầu cần nhúng • 𝑤𝑒 thủy vân trích xuất • 𝐼𝑤 vật phủ sau nhúng thủy vân • K khóa sử dụng q trình nhúng phát /trích xuất thủy vân (khóa K khơng thiết phải có mã tùy theo kĩ thuật thủy vân lựa chọn, sử dụng thêm khóa K nhằm mục đích tăng độ an tồn hệ thống thủy vân) • 𝐼𝑟 vật nhúng thỷ vân bị công đường truyền, vật dùng để kiểm tra q trình phát nhiện/trích xuất thủy vân • 𝐸𝑚𝑏 hàm (thuật tốn) nhúng thủy vân • 𝐷𝑡𝐶 hàm (thuật tốn) trích xuất thủy vân • 𝑓(𝐼) hàm biến đổi vật phủ I sang miền tần số/sóng, giá trị 𝑓 vector hệ số tương ứng vật phủ miền lựa chọn 1.1.4 Quá trình nhúng thủy phân Trước tiên, tùy thuộc vào kĩ thuật thủy vân, vật phủ biến đổi sang miền tần số hay sóng thực trực tiếp miền không gian Nếu thực trình nhúng thủy vân miền tần số/sóng cần phải áp dụng phép biển đổi ngược để thu vật phủ có nhúng thủy vân 𝐼𝑤 Trong trường hợp thực nhúng thủy vân miền tần số khơng gian hàm nhúng thực dạng toán học sau: 𝐸𝑚𝑏 (𝐼, 𝑊, 𝐾) = 𝐼𝑤 Nếu thực trình nhúng thủy vân miền tần số/sóng lúc hàm nhúng là: 𝐸𝑚𝑏 (𝑓(𝐼), 𝑊, 𝐾) = 𝐼𝑤 Sau trình nhúng thủy vân thu vật phủ có chứa thủy vân 𝐼𝑤 𝐼𝑤 truyền mạng internet hay kênh liên lạc Nếu q trình truyền tải kẻ cơng bắt 𝐼𝑤 thay đổi thành 𝐼𝑟 bên nhận nhận 𝐼𝑟 thay 𝐼𝑤 Hình 1: Lược đồ nhúng thủy vân 1.1.5 Quá trình trích xuất thủy phân Tương tự, tùy thuộc vào hệ thống thủy vân lựa chọn thực miền q trình phát hiện/trích xuất cần phải thêm bước biến đổi cho phù hợp Vật 𝐼𝑟 chứa thủy vân khơng bị cơng đường truyền, nói chung thường vật bị thay đổi Hàm trích xuất khôi phục thủy vân 𝑤𝑒 từ 𝐼𝑟 kiểm tra sem có thủy vân W 𝐼𝑟 hay khơng Nếu q trình nhúng thủy vân có sử dụng khóa K q trình phát hiện/trích xuất phải áp dụng khóa K Phụ thuộc vào kĩ thuật thủy vân lựa chọn (thủy vân mù hay thủy vân khơng mù) mà vật phủ I sử dụng q trình trích xuất/phát thủy vân Hàm trích xuất kĩ thuật thủy vân mù (khơng sử dụng vật phủ I) biểu diễn dạng toán học sau: 𝐷𝑡𝐶 ( 𝐼𝑟 , K) = 𝑤𝑒 Đối với kĩ thuật nhúng thủy vân khơng mù (có sử dụng vật phủ I) hàm trích xuất thủy vân là: 𝐷𝑡𝐶 ( 𝐼𝑟 , I, K) = 𝑤𝑒 Qúa trình phát mù sinh đầu giá trị nhị phân thể có mặt hay khơng thủy vân W biểu diễn sau: 0, 𝑘ℎơ𝑛𝑔 𝑐ó 𝑡ℎủ𝑦 𝑣â𝑛 D (𝐼𝑟 , W, K) = { 1, 𝑐ó 𝑡ℎủ𝑦 𝑣â𝑛 𝐼𝑟 Thủy vân trích xuất phát thường gọi lược đồ trích xuất phát thủy vân Tất nhiên, việc trích xuất thủy vân chứng minh quyền sở hữu việc phát mang tính chất kiểm tra thủy vân Hình 2: Lược đồ phát hiện/trích xuất thủy vân 1.1.6 Các tính chất thủy vân số Yêu cầu thủy vân số liên quan mật thiết với mục đích ứng dụng, ứng dụng khác có u cầu khác Nói chung, tính chất thủy vân số bền vững, dung lượng nhúng, suốt hay không cảm nhận được, an tồn chi phí tính tốn Mặt khác, tính chất lại đối ngược với tính chất khác Chẳng hạn tăng dung lượng nhúng ảnh hưởng tới tính suốt thủy vân Vì vậy, cần phải có cân yêu cầu tính chất lược đồ thủy vân số tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Bền vững Thủy vân bền vững phải khơng bị thay đổi trước tác động xử lí cơng đồng thời vấn phát sau sảy tác động hay công Dung lượng nhúng Dung lượng nhúng số lượng thơng tin giấu vật phủ Yêu cầu dung lượng phải xem xét tới hai u cầu khác tính suốt tính bền vững Để có dung lượng lớn thường phải tính bền vững suốt hai Trong suốt (Imperceptibility) Thủy vân số phải cảm nhận giác quan thông thường người mà bị phát thông qua việc xử lí đặc biệt Tuy nhiên điều lại khơng phù hợp với thủy vân hiện, đó, tùy vào mục đích hệ thống mà lựa chọn phương pháp phù hợp để đạt yêu cầu đặt An toàn Thủy vân số dấu hiệu để dịnh danh cách xác, người có thẩm quyền phát trích xuất chí sửa đổi thủy vân, người ta thường sử dụng thủy vân với mục đích bảo vệ quyền Chi phí tính tốn Chi phí tính tốn độ phức tạp thuật toán sử dụng mơ hình thủy vân Đây vấn đề quan trọng đặc biệt mơ hình giám sát truyền thơng việc dản xuất đa phương tiện khơng phép chậm q trình phát thủy vân phải thực với thời gian thực Thông thường ứng dụng làm việc môi trường hạn chế tào nguyên ưu tiên đơn giản tính tốn 1.1.7 Một số kĩ thuật thủy vân số ➢ Thủy vân miền không gian: • Phương pháp thay miền không gian • Phương pháp cộng miền không gian ➢ Thủy vân miền tần số: • Phương pháp thay miền tần số • Phương pháp nhân miền tần số ➢ Kết hợp thủy vân miền không gian miền tần số • Thủy vân dễ vỡ: - Thủy vân dễ vỡ dựa khối • Thủy vân bền vững CHƯƠNG II: KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÔNG TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN 2.1 Khái niệm thủy vân số miền không gian Các thuật tốn thủy vân miền khơng gian tập trung vào việc thay đổi trực tiếp miền điểm ảnh Thế mạnh phương thức thủy vân miền điểm ảnh đơn giản có độ phức tạp tính toán thấp Tuy nhiên, kỹ thuật đảm bảo thuộc tính ẩn mà khơng có tính bền vững Vì vậy, thuật toán cài đặt cho ứng dụng xác thực thông tin ảnh số 2.2 Cơ sở lý thuyết Ý tưởng thuật toán kỹ thuật chia ảnh gốc thành khối nhỏ, số lượng bit giấu khối tùy thuộc vào thuật toán Thuật toán dùng cho ảnh màu, ảnh đa mức xám ảnh đen trắng để dễ trình bày thuật tốn sử dụng ảnh đen trắng Một số phép tốn thường dùng thủy vân miền khơng gian: • Phép đảo bit: phép biến đổi bit nhị phân Đảo bit b hiểu phép biến đổi thay b 1-b, tức ban đầu b nhận giá trị sau đảo bit nhận giá trị ngược lại, ban đầu b có giá trị sau đảo b mang giá trị • Phép XOR (kí hiệu ): phép cộng loại trừ phần tử tương ứng hai ma trân: C= A  B, với  Cij =1 Aij  Bij; Cij=0 Aij = Bij  • Phép Sum ma trận A (ký hiệu Sum[A]) định nghĩa tổng tất phần tử ma trận A • Phép nhân bit hai ma trận A, B (ký hiệu A^ B) định nghĩa: Ảnh nhúng thủy vân Trích thủy vân Ảnh gốc C=A ^ B, với Cij =1 Aij =Bij=1, Cij=0 trường hợp cịn lại • Phép nhân hai ma trận số nguyên A, B (ký hiệu AB) định nghĩa: C= A  B, với Cij = Aij * Bij 2.3 Một số thuật toán 2.3.1 Thuật toán 1(SW) Đây thuật toán đơn giản (Simple Watermarking) Cho file ảnh Bitmap đen trắng F, liệu thủy vân d biểu diễn dạng nhị phân (dãy bit 0/1) Các bit gọi điểm đen, bit gọi điểm trắng Ý tưởng thuật toán chia ảnh gốc thành khối nhỏ, khối nhỏ giấu không bit thơng tin 2.3.2 Thuật tốn (Wu-Lee) Thuật tốn tác giả M.Y Wu J.H.Lee đưa cải tiến thuật toán việc đưa thêm khóa K sử dụng q trình nhúng tách thủy vân đồng thời đưa thêm điều kiện đảo bit khối Với thuật toán này, nhúng bít vào khối cách hiệu chỉnh nhiều bít khối Kỹ thuật có khả làm tăng liệu nhúng Xét ảnh gốc F, khóa bí mật K số liệu nhúng vào F Khóa bí mật K ma trận ảnh có kích thước mxn Để đơn giản ta giả sử kích thước ảnh gốc F bội số mxn Quá trình nhúng thu ảnh F có số bit bị hiệu chỉnh 2.3.3 Thuật toán (PCT) Thuật toán đưa tác giả Hsiang-Kuang Pan, Yu-Yuan Chen, and Yu-Chee Tseng Thuật toán cho phép nhúng nhiều bit vào khối cách đảo bit khối Trong thuật tốn có sử dụng khóa K ma trận trọng số W nhằm bảo đảm an toàn cho thủy vân nhúng - Khóa bí mật K: ma trận nhị phân có kích thước mxn với kích thước khối ảnh Khóa dùng cách bí mật người gửi người nhận - Ma trận trọng số W cấp r: ma trận có kích thước kích thước khối ảnh (mxn) thỏa mãn điều kiện sau: + W ma trận số nguyên có phần tử nằm khoảng (0 2r -1) với r cho trước thỏa mãn điều kiện 2r