i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG PHẠM CƠNG ĐỒN NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP CHỐNG TẤN CÔNG INQUÉT TRONG THỦY VÂN SỐ Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số : 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒ VĂN CANH Thái Nguyên, tháng năm 2013 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập tơi Luận văn khơng chép tồn tài liệu, cơng trình nghiên cứu ngƣời khác Tất đoạn trích dẫn nằm tài liệu, cơng trình nghiên cứu ngƣời khác đƣợc ghi rõ nguồn rõ tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan điều thật, sai, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm TÁC GIẢ LUẬN VĂN PHẠM CƠNG ĐỒN Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, cô trƣờng Đại học Công Nghệ Thông Tin Truyền Thông – Đại Học Thái Nguyên nhiệt tình giảng dạy truyền đạt kiến thức sở cho em thời gian học tập trƣờng Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Hồ Văn Canh, ngƣời định hƣớng, hƣớng dẫn hỗ trợ em nhiều để em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới anh chị đồng nghiệp cảm ơn bạn bè khóa, trƣờng nhiệt tình hỗ trợ thời gian làm luận văn Mặc dù cố gắng hoàn thành luận văn này, song luận văn khó tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc nhận xét, góp ý, tận tình bảo từ thầy, để luận văn em đƣợc hồn thiện tốt Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô bạn đồng nghiệp! TÁC GIẢ LUẬN VĂN PHẠM CÔNG ĐỒN Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Dạng đầy đủ HVS Human Visual System LSB Least Significant Bit RST Rotation, Scaling, Translation A/D Analog/Digital D/A Digital/Analog DVD Digital Video Disc JPEG Joint Photographic Experts Group DCT Discrete Cosine Transfrom PRNG PseudoRandom Number Generator BER Bit Error Rate JND Just Noticeable Difference ADC Analog Digital Converter CCD Charge-Coupled Device DFT Discrete Fourier Transform FFT Fast Fourier Transform IFFT Inverse fast Fourier transform QIM Quantization Index Mod-ulation DWT Wavelet Domain Transform DoG Difference of Gaussians SIFT Scale Invariant Feature Transform CSF Contrast Sensitivity Function SSIM Structural Similarity Index Measurement NVF Noise Visibility Function SSM Spread Spectrum Modulation PSNR Peak Signal to Noise Ratio Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v MỤC LỤC Chƣơng TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN SỐ 1.1 Giới thiệu 1.2 Thủy vân ngành liên quan 1.3 Các yêu cầu hệ thống thủy vân 1.3.1 Tính bảo mật 1.3.2 Tính vơ hình 1.3.3 Tính vơ hình thống kê 1.3.4 Tỉ lệ Bit 1.3.5 Q trình dị tìm đáng tin cậy 1.3.6 Tính mạnh mẽ 1.4 Tấn công thủy vân 1.5 Phân loại kỹ thuật thủy vân 11 1.5.1 Phân loại theo cấp độ bền vững 11 1.5.2 Phân loại theo miền làm việc 12 1.6 Các ứng dụng thủy vân 13 1.6.1 Bảo vệ quyền 13 1.6.2 Bảo vệ chép 14 1.6.3 Vân tay truy tìm kẻ phản bội 14 1.6.4 Giám sát chƣơng trình phát sóng 15 1.6.5 Xác thực nội dung .15 1.7 Vai trò dấu thủy vân 16 1.8 Công nghệ thủy vân ảnh số .178 1.8.1 Dấu thủy vân .178 1.8.2 Quá trình nhúng dấu thủy vân tổng quát .18 1.8.3 Quá trình phát dấu thủy vân 20 1.9 Phân tích ảnh hƣởng trình In - Quét .22 1.9.1 Ảnh hƣởng trình in ảnh kỹ thuật số 23 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi 1.9.2 Ảnh hƣởng trình Quét hình ảnh kỹ thuật số 25 1.9.3 Đối sách công in - quét 278 1.9.4 Hiệu chỉnh cơng hình học .29 1.10 Kết luận 31 Chƣơng TƢ DUY THIẾT KẾ ĐIỂN HÌNH THUẬT TỐN CHỐNG TẤN CƠNG IN - QUÉT TRONG THỦY VÂN SỐ 32 2.1 Các thuật toán chống công in - quét 32 2.2 Đặc trƣng bất biến trƣớc sau công in - quét 34 2.3 Trích chọn điểm đặc trƣng ảnh số 36 2.3.1 Giới thiệu trích chọn đặc trƣng 36 2.3.2 Định nghĩa điểm đặc trƣng 36 2.4 Phƣơng pháp tìm điểm đặc trƣng SIFT 37 2.4.1 Xây dựng không gian scale 39 2.4.2 Xác định vị trí điểm đặc trƣng 42 2.4.3 Thêm hƣớng cho điểm đặc trƣng 43 2.4.4 Mô tả điểm đặc trƣng 44 2.5 Kết luận 45 Chƣơng ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CHỐNG TẤN CÔNG IN - QUÉT TRONG THỦY VÂN SỐ DỰA TRÊN ĐẶC TRƢNG HÌNH ẢNH .47 3.1 Kỹ thuật dựa đặc trƣng bất biến 48 3.2 Sơ đồ nhúng .50 3.2.1 Phân tách không gian co giãn .50 3.2.2 Phát điểm sử dụng SIFT 51 3.2.3 Bản đồ JND nhiều mức co giãn 52 3.3 Lƣợc đồ phát 56 3.4 Đánh giá Imperceptibility thuật toán Digital Watermarking Robust 58 3.4.1 Đánh giá khách quan Imperceptibility dựa tính kết cấu tƣơng tự .58 3.4.2 Đánh giá Imperceptibility dựa JND 60 3.5 Cân Robust Imperceptibility .60 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vii 3.6 Kết thử nghiệm 61 3.6.1 Đánh giá tính khơng cảm nhận 62 3.6.2 Tính bền vững .62 3.7 Kết luận 64 TỔNG KẾT VÀ TRIỂN VỌNG .65 Tổng kết công tác nghiên cứu .65 Triển vọng nghiên cứu tiềm ứng dụng 65 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình thủy vân số ảnh Hình 1.2 Phân loại phƣơng pháp thủy vân 12 Hình 1.3: Sơ đồ nhúng thủy vân tổng quát .19 Hình 1.4 Sơ đồ kết cấu bên máy in laser 24 Hình 1.5 Sơ đồ kết cấu bên máy scan .26 Hình 1.6 Attack trình print-scan 27 Hình 2.1 Hai hình đƣợc nhận khung cảnh SIFT 37 Hình 2.2 Các sách bên trái nhận dạng đƣợc hình hỗn loạn bên phải .38 Hình 2.3 Xây dựng không gian scale .40 Hình 2.4 Xác định vị trí điểm đặc trƣng 42 Hình 2.5 Biểu đồ hƣớng (orientation histogram) Đỉnh cao biểu đồ đƣợc chọn làm hƣớng điểm đặc trƣng 44 Hình 2.6 Mơ tả điểm đặc trƣng 44 Hình 2.7 Cách mơ tả điểm đặc trƣng thực tế 45 Hình 3.1 Sơ đồ nhúng thủy vân 50 Hình 3.2 Xây dựng lại không gian Scale 52 Hình 3.3 Contrast mặt nạ - Model of Legge & Foley 53 Hình 3.4 Các đồ JND cho ba mức co giãn DoG ảnh ―Boat‖ 54 Hình 3.5 Các điểm tính ổn định Delaunay cho ảnh "Barbara" chống lại công khác .55 Hình 3.6 Sơ đồ tách thủy vân 57 Hình 3.7 Quan hệ Robust, Imperceptibility dung lƣợng Watermarking Digital Watermarking 61 Hình 3.8 Ảnh gốc (trái) Ảnh nhúng thủy vân (phải) 62 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Bảng giá trị biến 18 Bảng 1.2 Ƣu điểm nhƣợc điểm đối sách đồng attack hình học 30 Bảng 3.1 Đánh giá tính khơng cảm nhận 62 Bảng 3.2 Các cơng điển hình .63 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển công nghệ thông tin, phát triển nhanh chóng sản phẩm điện tử, máy in máy quét thƣờng đƣợc sử dụng để xuất tái sản xuất tài liệu số Ảnh kỹ thuật số đƣợc in phân phối hình ảnh in đƣợc quét, ảnh kết đƣợc gọi hình ảnh chép trở thành phiên kỹ thuật số tƣơng tự với gốc Điều lại kéo theo thực trạng số lƣợng chép bất hợp pháp liệu số ngày nhiều, khơng có giới hạn dẫn đến tình trạng khơng kiểm sốt đƣợc Đứng trƣớc trạng quyền tác giả sản phẩm số bị xâm phạm nghiêm trọng, gần số công cụ giúp cho việc bảo vệ quyền tác giả mã hóa, giải mã phƣơng pháp thủy vân số (Digital Watermarking) đƣợc đề xuất Việc mã hóa giải mã đảm bảo an toàn cho liệu q trình truyền thơng, nhiên sau giải mã liệu số khơng cịn đƣợc bảo vệ Kĩ thuật thủy vân số giải pháp đƣa để giải vấn đề quyền sở hữu Với việc sử dụng thủy vân, liệu số đƣợc bảo vệ khỏi chép bất hợp pháp Thủy vân nghĩa mẩu tin đƣợc ẩn trực tiếp nội dung liệu đa phƣơng tiện Về mặt trực quan khó cảm nhận đƣợc có mặt thủy vân dấu, nhiên sử dụng máy tính thuật tốn lại phát đƣợc có mặt chúng Ngồi dấu thủy vân cịn đảm bảo u cầu gắn kết tách rời với nội dung liệu Do đó, kết hợp mã hóa kĩ thuật thủy vân đem lại cho hệ thống tính bảo mật đồng thời bảo vệ đƣợc quyền sở hữu liệu đa phƣơng tiện để chống lại hoạt động bất hợp pháp Print-Scan Cách giải vấn đề làm cho watermark nhúng bền vững chống lại hoạt động Print-Scan Phƣơng pháp tiếp cận dựa trích chọn điểm ảnh đặc trƣng SIFT (Scale Invariant Feature Transform) đƣợc biết đến bất biến với co dãn, thay đổi góc nhìn, thay đổi ánh sáng, biến dạng affine Nhúng watermark đƣợc thực khu vực địa phƣơng (Delaunay triangles) đƣợc thành lập từ điểm tính trích xuất hình ảnh điểm đặc trƣng DoG (Difference Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 59 Đối với hình Y { yi | i 1,2, , N }, ảnh N x gốc X {xi | i 1,2, , N } N xi N y i N y đánh giá yi lần lƣợt thể độ sáng bình quân x 1/ N N 1i ( xi x ) 1/ N N 1i ảnh i hình ảnh gốc hình ảnh đánh giá hình ( yi y ) lần lƣợt thể dung sai tiêu chuẩn hình ảnh gốc X hình ảnh đánh giá Y, N xy N 1i ( xi x )( yi y ) thể phƣơng sai kết hợp loại Định nghĩa dựa giá trị đo lƣờng tiêu tính kết cấu tƣơng tự (SSIM viết tắt Structural Similarity Index Measurement): SSIM Trong c ( x, y ) x x (3.18) l ( x, y).c( x, y).s( x, y) đó, C2 y y C2 l ( x, y) 2 x x C1 y y C1 hàm số so hàm số so sánh độ chói, s( x, y) sánh C3 xy x y C3 độ sáng, hàm số so sánh tính kết cấu tƣơng tự, C1,C2,C3 số xác định công thức: C1 (k1L)2 , C2 (k2 L)2 , C3 C2 / (L giá trị lớn phạm vi giá trị pixel, tình trạng khuyết k1