4.4.1 Lý do dùng phân tích wavelet
Vì sao lại chọn tiếp cận bằng phép biến đổi wavelet. Ta nhận thấy rằng các
đặc trưng trong miền biến đổi này là khá phù hợp với mặt nạ vì nó tập trung cả
trong miền thời gian và miền tần số. Bên cạnh đó biến đổi wavelet phù hợp với mô
hình đa kênh của hệ thống nhìn của con người (HVS) vì thế thật sự có thể đặt một số giới hạn vào các hệ số wavelet để sắp xếp chúng dưới mức HVS chỉ sai khác 3JND, mà mắt người có thể bắt đầu cảm nhận sự thay đổi trong ảnh.
Ngoài ra, biến đổi wavelet là một phần của chuẩn nén dựa trên JPEG-2000 vì
thế kỹ thuật dựa trên wavelet thực hiện dễ dàng và tối ưu hơn bao gồm cả việc bảo vệ bản quyền vào trong các mã nén của nó.
4.4.2 Watermarking dùng phân tích wavelet
Kỹ thuật watermarking cơ bản sử dụng phép biến đổi DWT thường phân tích
ảnh gốc thành 4 băng tần số khác nhau gồm: tần số cao, tần số giữa và tần số thấp (ký hiệu là : LL1, HL1, LH1, HH1) bằng cách sắp xếp các bộ lọc băng con. Để tạo thêm được các hệ số wavelet, băng con LL1 lại tiếp tục được phân tích tiếp. Quá trình này được lặp lại cho đến khi có được kết quả mong muốn nhằm phù hợp với từng ứng dụng. Sau đó nhúng thông tin watermark vào một hoặc một số wavelet băng con với các hệ số tương quan khác nhau. Ảnh chứa watermark sau đó được thử qua các phép biến đổi ảnh thông thường rồi tìm lại watermark gốc [35,21,8,23,29,22,43].
Hình 4.3 mô tả sơđồ tổng quát của thuật toán watermarking dùng biến đổi wavelet.
Hình 4.3 : Sơđồ watermarking tổng quát dùng phân tích wavelets
Trước tiên, phân tích đa phân giải và thứ bậc được lưu vào bộ phát hiện của
máy tính. Sau đó nó được làm trong suốt nhờ sử dụng các đặc trưng của hệ thống
Ảnh gốc Ảnh đã nhúng watermark watermark Trích watermark 1. Nhúng watermark 5.So sánh 2. Mã hoá 3. Truyền 4. Giải mã
nhìn. Lưu ý cần cân nhắc giữa tính trong suốt của ảnh sau khi nhúng và tính mạnh
mẽ của phương pháp. Cuối cùng dùng biến đổi wavelets phù hợp với chuẩn nén
ảnh, để sơđồ watermarking có thể dễ dàng thích ứng với chuẩn nén JPEG-2000 dựa trên cơ sở wavelet.
Cách làm đơn giản là cộng các mã ngẫu nhiên giả có trọng số vào các hệ số
lớn tại các băng tần số cao và giữa của biến đổi wavelet rời rạc của ảnh.
Cách thực hiện:
- Phân tích ảnh thành 10 băng con dùng họ wavelets Haar.
Trong hình 4.4, ảnh gốc Lena được phân tích làm 3 mức với 10 băng con. Mỗi mức có thông tin băng tần cụ thể chẳng hạn như là LL, LH, HL và HH. Băng tần thấp nhất nằm ở trên cùng bên trái, và băng tần tần sô cao ở dưới cùng bên phải.
Hình 4.4 : Kết quả phân tích DWT ảnh [ LL3 HL2 HH2 LH2 HL1 HH1 LH1 HL3 LH3 HH3
Quá trình nhúng
- Tiếp theo cộng một chuỗi ngẫu nhiên giả N (thường dùng phân bố Gauss có
trung bình bằng không và phương sai đơn vị) vào các hệ số của các băng tần số cao
và băng tần số giữa (nghĩa là tất cả các băng tần thấp nhất bị loại trừ, nằm ở góc trái bên trên của hình 4.4). Phân bố chuẩn hóa được dùng vì nó khá mạnh mẽ với các
loại tấn công kết cấu. Để sắp xếp trọng số watermark vào các hệ số wavelet có biên
độ lớn, ta dùng một trong hai quan hệ theo hai phương trình sau đối với các hệ số của ảnh gốc y và y’, nơi chứa watermark .
ÿ[m,n] = y[m,n] + α . (y[m,n])2 N[m,n] ( 4.3) hoặc
ÿ[m,n] = y[m,n] + α . abs(y[m,n]) N[m,n] (4.4)
Giữa (4.3) và (4.4) về mặt toán học khác nhau nhưng lại có cùng mục đích là đặt nhiều trọng số watermark được cộng vào các hệ số wavelet có giá trị cao. Tham số αdùng để điều khiển mức độ watermark, cách tốt nhất để chọn lựa là phải dung
hòa giữa tính mạnh mẽ và dung lượng. Cuối dùng biến đổi wavelet ngược hai chiều
để tạo lại ảnh đã nhúng watermark y’.
Quá trình trích
Tại đầu cuối của kênh truyền, một bộ giải mã được dùng để trích thông tin watermark từ ảnh thu được. Dựa trên ảnh watermark đề xuất, thuật toán phát hiện watermark bằng cách so sánh các hệ số DWT của ảnh thu được so với DWT của
ảnh gốc (không nhúng watermark). Bài toán gồm việc lấy khóa mật để đặt vào trong bằng cách tính tương quan các mức phân giải đầu tiên (nghĩa là các hệ số tần số cao nhất). Watermark được phát hiện nếu có đỉnh tương quan ứng với dấu hiệu dương. Nếu không, bộ giải mã thực hiện tiếp ở mức phân giải thứ hai (nghĩa là hình vuông
ở đáy bên trái của cấu trúc pyramic ở hình 4.6) mục đích để tìm đỉnh. Nếu có một
đỉnh thì watermark được gọi là bị phát hiện nếu không cứ tiếp tục cho tới mức phân
hiện watermark tốt thậm chí cảở phần bị sửa, giữ ở mức phát hiện sai ở trạng thái cực tiểu vì tìm kiếm dấu hiệu riêng xuyên qua từng bước phát hiện để xác nhận giá trị dương gọi là bị phát hiện. Mục đích các bước của bộ phát hiện nhằm bảo đảm cực đại giá trị trích được trong bộ phát hiện với các key riêng, cực tiểu số giá trị
dương phát hiện sai.
4.4.3 Watermarking ảnh số dùng biến đổi Wavelets
Watermarking ảnh màu dùng biến đổi wavelets nhằm giấu thông tin vào trong ảnh gốc. Trong phương pháp này ảnh gốc là ảnh màu, đầu tiên được tách thành 3 kênh màu RGB, sau đó từng kênh được phân tích thành các hệ số wavelet. Với ảnh watermark, các kênh RGB được liên kết thành ảnh kênh đơn 3 chiều và cũng được phân tích thành có hệ số wavelet với cùng tỉ lệ phân tích. Các hệ số
watermark được cộng vào trong các hệ số của ảnh gốc tương ứng với các băng con.
Kỹ thuật cộng thích nghi dùng để gắn điều khiển khả năng không thể nhìn thấy
được và bền vững.
Đầu tiên luận văn tiến hành nhúng watermark vào băng tần xấp xỉ của mức phân tích wavelet thứ ba (dùng hàm wavelet haar) đểđơn giản. Sau đó luận văn sẽ
lần lượt thực hiện các khảo sát ở các băng tần khác nhau, các mức phân tích khác nhau, và các hàm wavelet khác nhau sau đó rút ra kết luận cần nhúng watermark ở đâu hiệu quả nhất để đảm bảo dung hòa cả tính không nhìn thấy và đạt được độ mạnh mẽ cao.
4.4.3.1 Quá trình nhúng Watermark
Hình 4.5: Sơđồ thực hiện nhúng watermark
4.4.3.2 Quá trình trích watermark
Tại đầu cuối của kênh truyền, một bộ giải mã được dùng để trích thông tin watermark từ ảnh thu được. Dựa trên ảnh watermark đề xuất, thuật toán phát hiện
Ảnh gốc DWT DWT Sắp xếp lại Nhúng IDWT Ảnh sau nhúng watermark Ảnh watermark
watermark bằng cách so sánh các hệ số DWT của ảnh thu được so với DWT của
ảnh gốc (không watermark).
Hình 4.6 Sơđồ thực hiện trích watermark
4.4.3.3 Kiểm tra tính bền vững
Chỉ tập trung vào kết quả các tấn công bằng các toán tử xử lý ảnh đơn giản. Bằng cách này ta có thể chắc chắn rằng hệ thống này có thể dùng để truyền ảnh. Ảnh gốc DWT DWT Sắp xếp lại Các băng con gắn watermark IDWT Ảnh đã nhúng watermark Watermarked DWT
Phương pháp cần được kiểm tra bằng các tấn công sau : Tấn công nén ảnh : JPEG, JPEG2000
Lọc: nhiều loại bộ lọc khác nhau được dùng. Ví dụ nhưcác bộ lọc trung
bình (average), trung vị (median), lọc gauss và các bộ lọc không nhọn (unsharp filters).
Biến đổi hình học: cắt, xoay, thay đổi kích thước.
Hình 4.7 Sơđồ mô tả ảnh watermarked nhận được trong thực tế
Thuật toán watermarking được thực hiện bằng MATLAB 2007 sử dụng công
cụ phân tích ảnh và wavelets. Matlab rất mạnh mẽ trong việc kiểm tra và tối ưu hóa thuật toán. Giúp tránh viết các mã cho wavelets khi chúng được thực hiện tối ưu bằng công cụ Wavelet.
Tấn công Nhúng
Ảnh gốc Ảnh đã nhúng watermark Ảnh đã nhúng
watermark sau khi bị tấn công JPEG
Filter Crop, rotate
Chương V: Các dạng tấn công
5.1 Khái quát về tấn công
Trong hầu hết các ứng dụng watermarking, các watermark được nhúng có thể bị thay đổi có hoặc không có chủ ý bởi một số quá trình nào đó. Vì vậy, trong kỹ thuật watermark xuất hiện khái niệm tấn công. Tấn công có thể xem như là một quá trình, hoạt động trên ảnh được nhúng watermark nhằm làm suy yếu đi watermark hay thậm chí loại bỏ watermark nhúng. Ta có thể phân biệt thành hai loại là tấn công cố ý và tấn công vô ý. Mục đích duy nhất của tấn công cố ý là cố loại bỏ watermark, trong khi tấn công vô ý xảy ra trong suốt quá trình xử lý ảnh thông thường ví dụ như nén ảnh. Ngoài ra còn có những quá trình khác cũng có thể gây khó khăn trong quá trình trích watermark.
Các quá trình xử lý gọi là tấn công này có thể là quá trình nén có tổn hao, nhiễu trên đường truyền và một vài thao tác khác như cắt, lọc, … được mô tả như hình 5.1, cụ thể bao gồm :
Nén tổn hao: nhiều loại sơ đồ nén ví dụ JPEG, MPEG, JPEG2000 làm suy giảm chất lượng của dữ liệu.
Các méo dạng hình học: đặc biệt đối với ảnh và video bao gồm các thao tác xoay, dịch, lấy tỉ lệ và cắt.
Các thao tác xử lý tín hiệu thông thường như : Tăng cường tín hiệu; Biến đổi tín hiệu từ dạng số sang tương tự (D/A); Biến đổi tín hiệu từ tương tự sang số (A/ D); Lấy mẫu lại; Lượng tử hóa lại; Sự méo dạng trạng thái; Nén; Lọc tuyến tính như lọc thông cao và lọc thông thấp; Lọc không tuyến tính như lọc median; Sự giảm màu; Cộng một giá trị offset vào các giá trị pixel; Cộng nhiễu Gauss và phi Gauss; Sự thay đổi cục bộ của các pixel .
Trong hình 5.1 “đường truyền” dùng để chỉ ứng dụng của mã hóa kênh hay mã hóa dữ liệu hay các loại mã hóa tiêu chuẩn khác tác động lên dữ liệu. Hầu hết
các bước này dữ liệu không bị mất đi nhưng các sơ đồ nén (JPEG, MPEG,..) có thể làm suy giảm chất lượng dữ liệu và loại bỏ các phần dữ liệu mà không thể khôi phục lại.
Hình 5.1 Các tấn công lên ảnh watermarked
Các dạng tấn công điển hình Nén tổn hao Ảnh đã nhúng watermark I Truyền JPEG MPEG Méo dạng hình học Xoay Lấy tỉ lệ Cắt Các thao tác xử lý tín hiệu thông thường Biến đổi D/A, A/D; Lấy mẫu lại; Lượng tử hóa lại; Sự méo dạng trạng thái; Nén; Lọc tuyến tính; Lọc phi tuyến tính; Sự giảm màu;
Cộng nhiễu Gauss (phi Gauss);
Sự thay đổi cục bộ các pixel . Các méo dạng khác In; Scan; Watermarking lại; Kết cấu lại; Tấn công IBM; Tần công Unzign; Tấn công Stirmark. Truyền Ảnh đã nhúng watermark thực tế I’
5.2Vấn đề bảo mật
Trong ứng dụng watermarking, những quá trình sau cần được bảo vệ để chống lại những tấn công cố ý.
- Quá trình phát hiện watermark - Quá trình trích watermark - Quá trình sửa đổi watermark - Quá trình loại bỏ watermark
Cần biết những thông tin cần thiết trong những quá trình trên. Bao gồm sự hiểu biết về thuật toán watermarking, watermark được nhúng trong miền biến đổi nào, thông số sử dụng trong quá trình nhúng, thuật toán sử dụng, khóa. Hơn nữa, việc truy xuất đến ảnh gốc hoặc đến ảnh nhúng watermark cũng cần quan tâm đến vấn đề bảo mật.
5.3Phân loại tấn công cố ý
Watermarking bền vững chỉ ở mức độ tương đối, một watermark được xem là bền nhưng khi nó bị làm suy yếu thì dữ liệu cũng có thể bị phá hủy. Độ bền của watermark được xét đồng thời với mức suy yếu của watermark và mức biến dạng của dữ liệu. Một tấn công được xem là thành công thì phải làm hư hay phá hủy watermark trong khi vẫn bảo toàn chất lượng thương mại của ảnh. Vì vậy mục tiêu của kẻ tấn công tập trung vào việc giảm tỷ lệ truyền thông tin cậy với méo cho phép.
Khi xem xét các dạng tấn công, có thể chia làm 4 loại : tấn công loại bỏ, tấn công hình học, tấn công mã hóa và tấn công giao thức.
Hình 5.2 : Phân loại tấn công vô ý
5.3.1 Tấn công loại bỏ (Removal attack)
Dạng tấn công này chú trọng vào việc loại bỏ hoàn toàn thông tin watermark từ dữ liệu nhúng watermark mà không ảnh hưởng hay gây ra những tác động có thể nhận biết đến tính an toàn của dữ liệu. Có nghĩa là không có giải thuật nào có thể khôi phục lại thông tin watermark từ dữ liệu nhúng trong trường hợp này. Loại tấn công này gồm có các quá trình triệt nhiễu, lượng tử, nén có tổn hao, tái điều chế và dạng tấn công kết cấu.
Các dạng tấn công loại bỏ như triệt nhiễu, nén và lượng tử: trong sơ đồ dự đoán watermark, kẻ tấn công xem ảnh như ảnh nhiễu trong đó watermark như nhiễu được cộng vào ảnh, bằng cách triệt nhiễu cộng vào ảnh, kẻ tấn công sẽ ước lượng dữ liệu bao phủ gốc (ảnh chứa watermark), và kẻ tấn công hoàn toàn đạt được mục đích loại bỏ watermark dựa vào một bản sao của dữ liệu đã watermark.
Dạng tấn công kết cấu, lấy trung bình có thể thực hiện khi nhiều bản sao khác nhau của một tập dữ liệu nằm trong tay các kẻ tấn công, mỗi bản được đánh dấu với những chìa khóa khác nhau hay watermark khác nhau. Trong trường hợp tập dữ liệu đủ lớn, watermark nhúng có thể không phát hiện được. Kẻ tấn công lấy
Các loại tấn công
Tấn công loại bỏ
Tấn công
hình học Tấn công mật mã Tấn công giao thức
Triệt nhiễu Nén tổn hao Lượng tử Điều chế lại Kết cấu Trung bình
Biến đổi toàn bộ, cục bộ, loại bỏ mẫu tự tương quan Tìm kiếm khóa Oracle Nghịch đảo watermark; Tấn công sao chép
trung bình tất cả các bản sao hay chỉ dựa trên một phần nhỏ của các bản sao khác nhau trong tập dữ liệu và xây dựng lại thành tập dữ liệu tấn công. Các kết quả gần đây cho thấy với khoảng 10 bản sao khác nhau, các kẻ tấn công có thể xóa bỏ watermark thành công.
5.3.2 Tấn công hình học
Ngược với tấn công loại bỏ, dạng tấn công này không chú trọng loại bỏ watermark nhúng nhưng làm méo nó thông qua các thay đổi về thời gian hoặc không gian của dữ liệu đã nhúng watermark. Các tấn công loại này tập trung vào việc loại bỏ sự đồng bộ giữa bộ phát hiện với thông tin nhúng. Đối với ảnh nhúng watermark, các công cụ đánh giá tốt nhất có thể xét đến như Unzign và Stirmark, nó tổng hợp các loại tấn công khác nhau. Unzign đưa ra những xáo trộn các pixels và rất hiệu quả trong việc tấn công vào kỹ thuật watermarking trong miền không gian. Stirmark đưa ra những biến dạng toàn cục; tỉ lệ; thay đổi tỉ số, cắt xén, xoay và dịch. Các méo cục bộ với nhiễu cộng Gauss; nó khai thác đặc tính mắt người không nhạy với việc dịch và hiệu chỉnh affine cục bộ.
Những kỹ thuật watermarking vượt qua những dạng tấn công này thường sử dụng các kỹ thuật đồng bộ đặc biệt. Tính bền vững trước những thay đổi hình học thường dựa trên việc sử dụng miền biến đổi bất biến như Fourier – Melline hay thêm một bản mẫu (template) hay thiết kế watermark tuần hoàn đặc biệt. Các kẻ tấn công có thể thực hiện tấn công dựa trên sự hiểu biết về sơ đồ đồng bộ.
5.3.3 Tấn công mã hóa (Cryptographic attack)
Dạng tấn công này sẽ bẻ gãy tính an toàn của hệ thống watermark và tìm cách loại bỏ thông tin watermark nhúng vào hay tìm cách nhúng watermark giả. Đó là các tấn công bẻ khóa nhằm tìm kiếm thông tin bí mật thông qua việc tìm kiếm toàn diện. Một dạng tấn công thuộc dạng này được biết đến là Oracle, nó tạo ra ảnh không có watermark khi một bộ phát hiện watermark được sử dụng.
5.3.4 Tấn công giao thức (Protocal attack)
Có 2 loại tấn công giao thức : tấn công đảo ngược (inverse attack) và tấn