BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI NGÔ THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG SỬ DỤNG CHO VIỆC XÁC THỰC ẢNH LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH HÀ NỘI, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI NGÔ THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG SỬ DỤNG CHO VIỆC XÁC THỰC ẢNH Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Thế Hồng HÀ NỘI, 2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn thạc sĩ, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban chủ nhiệm thầy cô khoa CNTT, phòng Đào tạo Sau đại học, trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập, thực hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo chuyên ngành Khoa học máy tính, trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội 2, nhiệt tình giảng dạy giúp đỡ tác giả trình thực luận văn Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc hƣớng dẫn tận tình chu đáo PGS.TS Bùi Thế Hồng suốt thời gian nghiên cứu thực luận văn Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn gia đình, ngƣời thân, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, động viên tác giả trình học tập thực đề tài Dù cố gắng nhƣng luận văn tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận đƣợc góp ý quý thầy, cô giáo bạn Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Tác giả Ngô Thị Thu Hà LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Tác giả Ngô Thị Thu Hà MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ 1.1 Tổng quan kỹ thuật giấu tin 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Vài nét lịch sử giấu tin 1.1.3 Mô hình kỹ thuật giấu tin thuật ngữ 1.1.4 Sự khác biệt mã hóa giấu tin 1.2 Giới thiệu ảnh 1.2.1 Ảnh 1.2.2 Một số cấu trúc ảnh 1.2.3 Giấu tin ảnh 12 1.3 Những yêu cầu hệ thuỷ vân ảnh số 14 1.4 Những công hệ thuỷ vân 15 1.5 Những ứng dụng chủ yếu hệ thuỷ vân 17 1.5.1 Bảo vệ quyền tác giả (copyright protection): 17 1.5.2 Nhận thực thông tin phát xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection) 17 1.5.3 Lăn tay dán nhãn (fingerprinting or labeling): 17 1.5.4 Kiểm soát chép (copy control): 18 1.6 Những khuynh hƣớng tiếp cận kỹ thuật thuỷ vân 18 1.6.1 Hƣớng tiếp cận dựa miền không gian ảnh 18 1.6.2 Hƣớng tiếp cận dựa miền tần số ảnh 19 Chƣơng 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN ẢNH SỐ 20 DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI RỜI RẠC 20 2.1 Các phép biến đổi rời rạc 20 2.1.1 Phép biến đổi Cosine rời rạc 20 2.1.2 Phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc 21 2.2 Các thuật toán thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi rời rạc 24 2.2.1 Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 24 2.2.1.2 Kỹ thuật thuỷ vân Shoemarker 25 2.2.1.3 Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DCT kết hợp với ma trận số giả ngẫu nhiên 27 2.2.2 Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc 28 2.2.2.1 Đặc điểm phép biến đổi DWT ảnh hai chiều 28 2.3 Kỹ thuật thủy vân bền vững ứng dụng xác thực ảnh dựa vào phép biến đổi rời rạc DWT kết hợp với phép biến đổi ma trận Hankel 34 2.3.1 Phép biến đổi ma trận Hankel 34 2.3.2 Lƣợc đồ thủy vân bền vững sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp Hankel 35 CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM LƢỢC ĐỒ THỦY VÂN BỀN VỮNG DÙNG ĐỂ XÁC THỰC ẢNH DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI DWT KẾT HỢP PHÉP BIẾN ĐỔI HANKEL 37 3.1 Các độ đo đánh giá hiệu thuật toán nhúng thủy vân 37 3.1.1 Độ cảm nhận ảnh chủ sau bị thủy vân 37 3.1.2 Độ bền vững thủy vân 37 3.2 Lƣợc đồ nhúng thủy vân xác thực ảnh gốc 39 3.2.1 Nhúng thủy vân 39 3.2.2 Xác thực ảnh 40 3.3 Kết thử nghiệm 41 KẾT LUẬN 44 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải Ý nghĩa DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosin rời rạc DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi sóng nhỏ rời rạc IDWT Invert Discrete Wavelet Transform Biến đổi ngƣợc DWT DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Forier rời rạc PRNS Pseudo random number sequence Tỉ số tín hiệu nhiễu JPEG Joint Photographic Experts Một định dạng ảnh nén LL Horizontally and vertically lowpass Lọc thấp ngang dọc LH Horizontally lowpass and vertically Lọc thấp ngang lọc cao HL HH SR highpass dọc Horizontally highpass and Lọc cao ngang lọc thấp vertically lowpass dọc Horizontally and vertically Lọc cao ngang lọc thấp highpass ngang Similitary Ratio tỷ số tƣơng tự SR DANH MỤC HÌNH VẼ Ý nghĩa Tên hình Hình 1.1 Lƣợc đồ chung cho trình giấu tin Hình 1.2 Lƣợc đồ chung cho trình tách tin Hình 1.3 Sự khác mã hóa giấu tin Hình 2.1 Lọc theo tần số thấp tần số cao Hình 2.2 Cấu trúc phân tích đƣợc qua phép biến đổi sóng nhỏ chiều mức Hình 2.3 Ảnh gốc lƣợng phân bố ảnh qua phép biến đổi DCT Hình 2.4 Phân chia miền tần số ảnh phép biến đổi DCT Hình 3.1 Ảnh gốc Lena, thủy vân gốc ảnh Lena đƣợc nhúng thủy vân Hình 3.2 Ảnh gốc Mandril, thủy vân gốc ảnh Mandril đƣợc nhúng thủy vân Hình 3.3 Kết xác thực ảnh thủy vân ảnh Lena Hình 3.4 Kết xác thực ảnh ảnh Mandril MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, xuất Internet mạng máy tính giúp cho việc trao đổi thông tin trở nên nhanh gọn, dễ dàng E-mail cho phép ngƣời ta nhận hay gửi thƣ máy tính mình; E-business cho phép thực giao dịch buôn bán mạng, Tuy nhiên, điều lại làm phát sinh vấn đề Thông tin quan trọng nằm kho liệu hay đƣờng truyền bị trộm cắp, bị làm sai lệch, bị giả mạo,… Điều làm ảnh hƣởng tới tổ chức, công ty hay quốc gia Bởi bí mật kinh doanh, tài mục tiêu đối thủ cạnh tranh, thông tin an ninh quốc gia mục tiêu tổ chức tình báo nƣớc, Việc trao đổi thông tin, xuất thông tin Internet có nhiều nguy không an toàn vấn nạn vi phạm quyền thông tin ngày tăng Vì vậy, tốc độ phát triển nhƣ vũ bão Internet công nghệ có liên quan đƣa đến sức ép nặng nề cho nhà quản lý, bảo vệ thông tin Do đó, nhà cung cấp thông tin đòi hỏi phải có công cụ hỗ trợ cho việc bảo vệ quyền sản phẩm họ, nhận dạng đƣợc thông tin bị đánh cắp bị xuyên tạc với ý đồ xấu Trên thực tế, nhu cầu bảo vệ quyền tác giả, quyền sở hữu thông tin lớn, đặc biệt ảnh số Kỹ thuật thủy vân bền vững hứa hẹn phƣơng pháp hiệu cho phép chủ sở hữu thông tin số nhúng giấu chứng xác thực quyền mà không làm ảnh hƣởng đến nội dung thông tin Từ thực tế trên, nhằm mục đích nghiên cứu thử nghiệm kỹ thuật thủy vân bền vững dùng để xác thực khôi phục ảnh gốc dựa vào số phép biến đổi, em chọn đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững sử dụng cho việc xác thực ảnh” Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu phát triển lƣợc đồ thủy vân bền vững để xác thực ảnh số dựa vào kết hợp phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT phép biến đổi Hankel - Cài đặt thử nghiệm lƣợc đồ thủy vân đề xuất đánh giá, so sánh hiệu Nhiệm vụ nghiên cứu - Các kỹ thuật thủy vân ảnh - Kỹ thuật thủy vân bền vững ứng dụng xác thực toàn vẹn ảnh dựa vào phép biến đổi rời rạc DWT kết hợp với phép biến đổi ma trận Hankel - Phát triển chƣơng trình thử nghiệm để so sánh đánh giá số lƣợc đồ thủy vân bền vững bảo vệ toàn vẹn ảnh số Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu đề tài lý thuyết thủy vân nói chung, kỹ thuật thủy vân bền vững ảnh, phép biến đổi rời rạc phép biến đổi ma trận - Nghiên cứu chế mã hóa giải mã thủy vân ảnh với chế xác thực gốc Những đóng góp đề tài - Tìm hiểu nghiên cứu kỹ thuật thủy vân để bảo vệ toàn vẹn cho ảnh số - Cải tiến nâng cao độ xác bảo vệ tính toàn vẹn ảnh số - Cài đặt chƣơng trình thử nghiệm để bảo vệ toàn vẹn ảnh số với chế xác thực công khai Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu chủ yếu phƣơng pháp tiếp cận lý thuyết, sau áp dụng lý thuyết để kiểm chứng Dựa kết kiểm chứng để đƣa kết luận đề xuất nhằm hoàn thành mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết thủy vân bền vững ảnh Nghiên cứu ứng dụng mô tả chi tiết kỹ thuật thủy vân bền vững ứng dụng bảo vệ quyền ảnh dựa vào phép biến đổi rời rạc phép biến đổi ma trận 32 Ra: - Ảnh Iw chứa thuỷ vân Thực hiện: Sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc hai chiều mức phân tích ảnh gốc I thành băng tần LL, LH, HL HH Thực bƣớc 2, 3, với miền tần số băng tần LH, HL Chia LH, HL thành khối m×n, cho số khối có đƣợc lớn số bit thuỷ vân Xây dựng hai ma trận số giả ngẫu nhiên độc lập PN_H PN_V kích thƣớc m×n, phần tử có giá trị 0, -1 Nếu bit thuỷ vân xét Wj = thêm k×PN_H vào khối LHj, thêm k×PR_V vào khối HLj Thực phép biến đổi ngƣợc IDWT với miền tần số thay đổi để tổng hợp thành ảnh chứa thuỷ vân Iw b) Quá trình tách thuỷ vân Vào: Ảnh chứa thuỷ vân Iw (có thể bị công) Ra: Thuỷ vân dạng chuỗi bit W Thực hiện: Thực phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc hai chiều mức DWT phân tích ảnh chứa thuỷ vân Iw thành băng tần LL, LH, HL HH Thực chia băng tần LH, HL thành khối m×n Tái dựng lại hai ma trận số giả ngẫu nhiên PN_H PN_V có kích thƣớc m×n nhƣ trình nhúng thuỷ vân Chọn khối ảnh kích thƣớc m×n LHj, HLj (j=1 đến s) Ký hiệu corr(A, B) hệ số tƣơng quan hai ma trận A B Tính giá trị C_LH = corr(LHj, PN_H), C_HL = corr(HLj, PN_V), C = (C_LH + C_HL)/2, Nếu C(j) > mean(C) lấy Wj = 0, Ghép Wj để đƣợc thuỷ vân W 33 2.2.2.5 Kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT hai ma trận số giả ngẫu nhiên nhúng vào ba băng tần chi tiết a) Quá trình nhúng thuỷ vân Vào: - Ảnh gốc I - Thuỷ vân ảnh nhị phân W - Hệ số tƣơng quan k Ra: - Ảnh Iw chứa thuỷ vân Thực hiện: Sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc hai chiều mức phân tích ảnh gốc I thành băng tần LL1, LH1, HL1 HH1 Thực bƣớc 2, 3, với miền tần số băng tần LH1, HL1 HH1 (ký hiệu B) Chia B thành khối m×n, cho số khối có đƣợc lớn số bit thuỷ vân Xây dựng hai ma trận số giả ngẫu nhiên độc lập PR_0 PR_1 kích thƣớc m×n, phần tử có giá trị 0, -1 Nếu bit thuỷ vân xét Wj = thêm k×PR_0 vào khối Bj, ngƣợc lại thêm k×PR_1 vào khối Bj  B j (x, y)  k  PR  0(x, y); Wj  (6) B j (x, y)   W  B (x, y)  k  PR 1(x, y); j    j Thực phép biến đổi ngƣợc IDWT với miền tần số thay đổi để tổng hợp thành ảnh chứa thuỷ vân Iw b) Quá trình tách thuỷ vân Vào: Ảnh chứa thuỷ vân Iw (có thể bị công) Ra: Thuỷ vân dạng chuỗi bit W Thực hiện: Thực phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc hai chiều mức phân tích ảnh chứa thuỷ vân Iw thành băng tần LL1, LH1, HL1 HH1 Thực chia băng tần LH1, HL1, HH1 thành khối m×n 34 Tái dựng lại hai ma trận số giả ngẫu nhiên PR_0 PR_1 có kích thƣớc m×n, phần tử có giá trị 0, -1 nhƣ trình nhúng thuỷ vân Chọn khối ảnh kích thƣớc m×n LHj (j=1 đến s) Ký hiệu corr(A, B) hệ số tƣơng quan hai ma trận A B Tính giá trị C1_LH = corr(LHj, PR_1), C1_HL = corr(HLj, PR_1), C1_HH = corr(HHj, PR_1), C1 = (C1_LH + C1_HL + C1_HH)/3, C0_LH = corr(LHj, PR_0), C0_HL = corr(HLj, PR_0), C0_HH = corr(HHj, PR_0), C0 = (C0_LH + C0_HL + C0_HH)/3 Nếu C1 > C0 lấy Wj = 1, ngƣợc lại Wj = Ghép Wj để đƣợc thuỷ vân W c) Nhận xét Quá trình phát thuỷ vân dựa giá trị trung bình hệ số tƣơng quan khối tƣơng ứng thuộc băng tần chọn ma trận số giả ngẫu nhiên, điều làm tăng tính xác cho trình tìm lại thuỷ vân Trên số kỹ thuật đƣợc tác giả trƣớc nghiên cứu phát triển Trong mục 2.3 nghiên cứu kỹ thuật 2.3 Kỹ thuật thủy vân bền vững ứng dụng xác thực ảnh dựa vào phép biến đổi rời rạc DWT kết hợp với phép biến đổi ma trận Hankel 2.3.1 Phép biến đổi ma trận Hankel a) Ma trận Hankel Ma trận Hankel ma trận đối xứng phần tử đƣờng chéo phụ giống Ví dụ H= 3 0 35 H ma trận Hankel - H ma trận đối xứng phần tử dối xứng qua đƣờng chéo - Các phần tử đƣờng chéo phụ thứ 2, phần tử đƣờng chéo phụ thứ phần tử đƣờng chéo phụ thứ - Các phần tử ma trận Hankel thỏa mãn công thức sau: H(i,j) = H(i-1, j+1) b) Phép biến đổi Hankel Phép biến đổi Hankel biến vector thành ma trận Hankel Ví dụ, cho vector c = (1 3) Sử dụng phép biến đổi Hankel c thu đƣợc ma trận Hankel H = hankel(c) = 3 0 Phép biến đổi Hankel biến đổi hai vector thành ma trận Hankel Ví dụ, cho c nhƣ ví dụ r = (6 8) Biến đổi Hankel vector thu đƣợc vector Hankel nhƣ sau H = hankel(c,r) = 3 7 Phép biến đổi Hankel đƣợc sử dụng để tạo ma trận thủy vân cách biến đổi vector thủy vân thành ma trận thủy vân kết hợp với vector khóa thủy vân bí mật để tạo thành thủy vân bí mật 2.3.2 Lƣợc đồ thủy vân bền vững sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp Hankel Trong phần này, học viên đề xuất lƣợc đồ thủy vân bền vững sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp với phép biến đổi Hankel Lƣợc đồ đƣợc sử dụng để xác thực toàn vẹn ảnh số Lƣợc đồ bao gồm hai phần, phần nhúng thủy vân phần hai xác thực toàn vẹn ảnh đƣợc nhúng a) Nhúng thủy vân 36 Vào ảnh chủ cần xác thực I ảnh thủy vân W Ra ảnh đƣợc thủy vân I’ - Bƣớc 1: Ảnh thủy vân W đƣợc biến đổi phép biến đổi Hankel để tạo ma trận thủy vân W’ - Bƣớc 2: Áp dụng phép biến đổi DWT ba mức ảnh chủ I - Bƣớc 3: Nhúng ma trận thủy vân đƣợc biến đổi Hankel bƣớc vào bit ý nghĩa băng LL3 - Bƣớc 4: Biến đổi ngƣợc lần IDWT để thu đƣợc ảnh I’ đƣợc thủy vân b) Xác thực toàn vẹn ảnh Vào ảnh đƣợc thủy vân I’ Ra xác thực ảnh I’ có toàn vẹn không - Bƣớc 1: Biến đổi ảnh thủy vân W ma trận Hankel lần thu đƣợc W’ - Bƣớc 2: Biến đổi DWT lần ảnh thủy vân I’ - Bƣớc 3: Trích bít ý nghĩa băng LL3 đƣợc ảnh thủy vân trích đƣợc W’’ - Bƣớc 4: So sánh W’)và W’’, tỉ lệ tƣơng tự W’ W’’ lớn ngƣỡng xác thực kết luận ảnh I’ toàn vẹn, ngƣợc lại kết luận I’ không toàn vẹn 37 CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM LƢỢC ĐỒ THỦY VÂN BỀN VỮNG DÙNG ĐỂ XÁC THỰC ẢNH DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI DWT KẾT HỢP PHÉP BIẾN ĐỔI HANKEL 3.1 Các độ đo đánh giá hiệu thuật toán nhúng thủy vân 3.1.1 Độ cảm nhận ảnh chủ sau bị thủy vân Độ cảm nhận chất lƣợng cảm nhận đƣợc ảnh chủ, không bị méo mó có xuất thủy vân Có thể sử dụng hệ thống thị giác ngƣời để cảm nhận đánh giá tiêu chuẩn Việc đánh giá, so sánh cách xác sai khác chất lƣợng ảnh gốc F ảnh sau nhúng thông tin thuỷ vân F’ thực qua việc tính giá trị PSNR (Peak Signal to Noise Ratio - tỷ lệ tín hiệu đỉnh tạp âm) ảnh gốc F ảnh chứa thuỷ vân F’ có kích thƣớc m × n đƣợc tính theo công thức sau:  Max(F)  PSNR  20log10   (7) MSE   m n ( F( i, j )  F ' ( i, j ))2 đó: MSE   m  n i 1 j 1 bình phƣơng độ lệch ảnh gốc F ảnh chứa thuỷ vân F’ Với phép biến đổi ảnh, ngƣời ta chấp nhận giá trị PSNR khoảng 20-40 dB Giá trị PSNR lớn thể sai khác ảnh gốc ảnh sau nhúng thông tin thấp 3.1.2 Độ bền vững thủy vân Độ bền vững độ đo bền vững thủy vân trƣớc công có chủ đích không chủ đích, nhằm gỡ bỏ biến dạng thủy vân phép xử lý tín hiệu số khác Đây kỹ thuật đƣợc sử dụng sau kỹ thuật thuỷ vân Thuỷ vân đƣợc nhúng sau giải mã đƣợc so sánh để kiểm định, chứng thực thuỷ vân Có thuỷ vân nhìn thấy đƣợc mang ý nghĩa nhận biết công việc trở nên đơn giản chẳng hạn nhƣ thuỷ vân chuỗi 38 mã ký tự ASCII mang thông tin nhƣ tên tác giả, ngày tháng… giải mã ta dễ dàng nhận biết thông tin Hay nhƣ thuỷ vân ảnh chẳng hạn giải mã đƣợc ảnh tƣơng tự ta nhìn thấy khác biệt hai ảnh Tuy nhiên, số trƣờng hợp thuỷ vân chuỗi bit mang ý nghĩa thống kê, công việc nhận diện thuỷ vân không đơn giản Hoặc trƣờng hợp thuỷ vân thông tin mang ý nghĩa nhận biết đƣợc phải có kỹ thuật để kiểm định sai lệch thủy vân tách đƣợc so với thuỷ vân gốc Có nhiều kỹ thuật để kiểm tra độ bền vững thuỷ vân Kỹ thuật đơn giản đo giống thủy vân gốc với thủy vân tách đƣợc từ ảnh thủy vân hệ số quan hệ Hệ số đƣợc gọi tỷ số tƣơng tự SR (Similitary Ratio) thủy vân gốc W thủy vân tách đƣợc W’ theo công thức SR = S/(S+D) Trong S số bit trùng nhau, D số bit lệch W W’ Chẳng hạn ta nhúng thuỷ vân có độ dài 1000 bit, tách thuỷ vân so với thuỷ vân gốc, thuỷ vân tách đƣợc bị sai lệch 100 bit 900 bit lại trùng nhau, tỉ lệ trùng khớp SR=900/1000 = 0.900 Theo tiêu chuẩn so sánh này, tỷ số SR nhận giá trị Khi tỷ số gần coi nhƣ hai ảnh thủy vân quan hệ với Nếu tỷ số SR có giá trị từ 0.75 trở lên coi W W’ tƣơng tự Một số kỹ thuật thuỷ vân áp dụng với trƣờng hợp thuỷ vân ảnh đa mức xám Khi đó, cặp điểm ảnh chênh lệch đơn vị đƣợc xem nhỏ nên việc đánh giá độ lệch theo cách không phù hợp Trong trƣờng hợp này, sử dụng hệ số đồng dạng SF (similarity factor) để đánh giá tỷ lệ đồng dạng thuỷ vân gốc W thuỷ vân tách đƣợc W’ Công thức tính hệ số đồng dạng thuỷ vân gốc W thuỷ vân tách đƣợc W’ có kích thƣớc M×N đƣợc biểu diễn nhƣ sau: 39 M SF  N W( i, j )  W i 1 j 1 M  ( i, j ) N W ( i, j ) i 1 j 1 Khi sử dụng hệ số đồng dạng để đánh giá, so sánh hai ảnh, hệ số đồng dạng SF gần hai ảnh có đồng dạng cao [13], [14] 3.2 Lƣợc đồ nhúng thủy vân xác thực ảnh gốc Lƣợc đồ nhúng thủy vân xác thực ảnh gốc đƣợc cài đặt chạy thử nghiệm MATLAB Sau giả mã tựa MATLAB thuật toán nhúng thủy vân vào bit ý nghĩa (LSB) băng xấp xỉ mức LL3 ảnh chủ đa cấp xám I thuật toán xác thực toàn vẹn ảnh chủ thủy vân I’ 3.2.1 Nhúng thủy vân Vào: ảnh thủy vân W, ảnh chủ I Ra: ảnh thủy vân I’ % thuật toán nhúng thủy vân Đọc ảnh thủy vân W W’ = hankel (W) Biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT ba mức ảnh chủ I (LL1, HL1, LH1, HH1) = dwt2 (I,’haar’) (LL2, HL2, LH2, HH2) = dwt2 (LL1,’haar’) (LL3, HL3, LH3, HH3) = dwt2 (LL2,’haar’) % Lấy cỡ LL3 LL3C = size (LL3,1); 10 LL3R = size (LL3,2); 11 % Mở rộng thủy vân W’ cỡ LL3 12 % Lấy cỡ W’ 13 W’C = size (W’,1) 14 W’R = size (W’,2) 15 For i = 1: LL3C 40 16 For j = 1: LL3R W’(ii,jj) =W’(mod(ii,W’C)+1, mod(jj, W’R)+1); 17 18 End 19 End 20 % nhúng thủy vân mở rộng vào LSB LL3 21 For i = 1: LL3C 22 For j = 1: LL3R 23 24 LL3(i,j) = bitset (LL3(i,j),1,W’(i,j)); End 25 End 26 % dùng IDWT biến đổi ngƣợc mức để thu đƣợc ảnh thủy vân I’ 27 LL2 = IDWT2 (LL3, HL3, LH3, HH3, ’haar’) 28 LL1 = IDWT2 (LL2, HL2, LH2, HH2, ’haar’) 29 I’ = IDWT2 (LL1, HL1, LH1, HH1, ’haar’) 3.2.2 Xác thực ảnh Vào: ảnh thủy vân I’, thủy vân gốc (W), ngƣỡng xác thực (SF) Ra: Kết luận “Ảnh toàn vẹn„ “Ảnh không toàn vẹn„ % thuật toán xác thực toàn vẹn ảnh Đọc ảnh thủy vân I’ Lấy cỡ ảnh thủy vân % biến đổi sóng nhỏ mức ảnh thủy vân (LL1, HL1, LH1, HH1) = DWT2 (W, ’haar’); (LL2, HL2, LH2, HH2) = DWT2 (LL1, ’haar’); (LL3, HL3, LH3, HH3) = DWT2 (LL2, ’haar’); % trích bit thủy vân từ bit thấp LL3 % lấy cỡ LL3 10 LL3C = size(LL3,1); 41 11 LL3R = size(LL3,2); 12 For i = 1: LL3C 13 For j = 1: LL3R W’’(i,j) = bitget(LL3(i,j),1) 14 15 End 16 End 17 So sánh thủy vân (W’’) với thủy vân gốc (W), tỉ lệ giống ảnh lớn ngƣỡng xác thực (SF) ảnh thủy vân toàn vẹn, ngƣợc lại không toàn vẹn; 18 End 3.3 Kết thử nghiệm Trong luận văn sử dụng ảnh chủ khác nhau, Lena Mandril dùng để nhúng ảnh thủy vân hình ảnh chữ CS Chƣơng trình thử nghiệm chia làm hai modun Modun nhúng thủy vân modun xác thực toàn vẹn ảnh nhúng thủy vân a) Kết modun nhúng thủy vân  Đối với ảnh chủ Lena Hình 3.1 Ảnh gốc Lena, thủy vân gốc ảnh Lena nhúng thủy vân 42  Đối với ảnh chủ Mandril Hình 3.2 Ảnh gốc Mandril, thủy vân gốc ảnh Mandril nhúng thủy vân b) Kết modun xác thực toàn vẹn ảnh nhúng thủy vân  Đối với ảnh chủ Lena Hình 3.3 Kết xác thực ảnh thủy vân ảnh Lena Hình 3.4 Kết xác thực ảnh thủy vân ảnh Mandril 43 Các kết thực nghiệm chứng tỏ lƣợc đồ học viên đề xuất đạt đƣợc yêu cầu đề Thủy vân gốc đƣợc biến đổi Hankel để trở thành ma trận đƣợc nhúng đầy vào toàn băng LL3 phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc mức Sau thủy vân đƣợc tìm lại ma trận với phần tử thủy vân gốc Qua thấy lƣợc đồ bền vững xác định đƣợc ảnh thủy vân có toàn vẹn hay không 44 KẾT LUẬN Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững sử dụng xác thực ảnh Các đóng góp luận văn bao gồm: - Nắm đƣợc kiến thức tổng quan kỹ thuật thủy vân số, đặc biệt kỹ thủy vân dựa vào phép biến đổi rời rạc - Phát triển lƣợc đồ thủy vân bền vững sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT kết hợp với phép biến đổi Hankel để xác thực toàn vẹn ảnh số - Xây dựng chƣơng trình thử nghiệm cài đặt lƣợc đồ đề cập Kết thử nghiệm cho thấy lƣợc đồ thủy vân phát triển đạt đƣợc yêu cầu đề 45 DANH MỤC CÁC 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] Nguyễn Văn Tảo, Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin ứng dụng, Luận án tiến sĩ toán học (2009) [4] 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 Công nghệ, Tập 45 – số 03 [5] Lê Tiến Thƣờng, Nguyễn Thanh Tuấn, Giải pháp hiệu dùng kỹ thuật watermarking cho ứng dụng bảo vệ quyền ảnh số, Tạp chí bƣu viễn thông (2004) Tiếng Anh [6] 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 [7] Johnson N.F., Katezenbeisser S.C (1999), “A survey of steganographic techniques”, Information techniques for Steganography and Digital watermarking Northwood, MA: Artec house, pp 43-75 [8] Liu R., Tan T (2002), “A SVD-Based Watermarking Scheme for Protecting Rightful Ownership”, IEEE Trans on Multimedia, 4(1), pp.121-128 46 [9] Mehul R., Priti R (2003), “Discrete Wavelet Transform Based Multiple Watermarking Scheme”, Proceedings of IEEE Region 10 Technical Conference on Convergent Technologies for the Asia-Pacific, Bangalore, India, 3, pp 935-938 [10] Petitcolas F.A.P (1999), “Introduction to information hiding”, in Information Techniques for Steganography and Digital Watermarking, Northwood, MA: Artec House, pp 1-11 [11] Shoemaker (2002), “Hidden bits: A Survey of Techniques for Digital Watermarking”, Independent study, EER-290, Prof Rudko [12] Tao P., Eskicioglu A.M (2004), “A robust multiple watermarking scheme in the Discrete Wavelet Transform domain”, Proceedings SPIE, 5601, pp 133-144 [13] Ganic E., Eskicioglu A.M (2005), “Robust embedding of visual watermarks using DWT-SVD”, J Electron Imaging, 14(4), pp 39-47 [14] Sverdlov A., Dexter S., Eskicioglu A.M (2005), “Robust DCT-SVD Domain Image Watermarking for Copyright Protection: Embedding Data in All Frequencies”, 13th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2005), Antalya, Turkey [15] Ramana Reddy, Munaga.V.N.K.prasad, Sreenivasa Rao, “Robust Digital Watermarking of Images using Wavelets” International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol 1, No 2, June 2009 [...]... các bài, các cảnh Sự khác biệt này ảnh hƣởng lớn đối với các kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh với kỹ thuật giấu thông tin trong audio hay video 2 Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau Chẳng hạn đối với ảnh đen trắng, ảnh đa mức xám hay ảnh màu ta có những kỹ thuật riêng do các loại ảnh có những đặc trƣng khác nhau 3 Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất... thuỷ vân tƣơng ứng Thao tác này dẫn đến chất lƣợng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân bị ảnh hƣởng đáng kể 2.2.1.3 Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DCT kết hợp với ma trận số giả ngẫu nhiên a) Quá trình nhúng thủy vân Vào: - Thủy vân: Một ảnh nhị phân W; - Một ảnh gốc F Ra: - Ảnh đã nhúng thủy vân Fw Thực hiện: 1 Ảnh gốc có kích thƣớc m×n sẽ đƣợc chia thành (m×n)/64 khối 8×8, 2 Áp dụng biến đổi DCT cho. .. thuỷ vân ẩn bền vững sử dụng phép biến đổi DWT và ma trận số giả ngẫu nhiên  Sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT để phân tích ảnh gốc I thành các miền tần số LL, LH, HL và HH  Dùng kỹ thuật thuỷ vân sử dụng ma trận số giả ngẫu nhiên để nhúng thủy vân vào các băng LH, HL và HH  Các miền tần số đã nhúng thuỷ vân đƣợc tổng hợp bởi phép biến đổi ngƣợc IDWT thành ảnh chứa thuỷ vân 2.2.2.2 Kỹ thuật. .. những kỹ thuật gần đây, ngƣời ta sử dụng thuỷ vân là một chuỗi bit sinh ngẫu nhiên theo một luật phân phối xác suất nào đó Sau đó, áp dụng các lí thuyết xác suất thống kê để chứng thực thuỷ vân Trong các loại thuỷ vân thì thuỷ vân ẩn và bền vững đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều hơn vì ý nghĩa ứng dụng lớn của nó nhƣ đã nói ở phần trên Do vậy, hai tính chất quan trọng nhất của hệ thuỷ vân mà các nhà nghiên. .. với kỹ thuật thuỷ vân thì chỉ có trong loại thuỷ vân “dễ vỡ” Còn đối với loại thuỷ vân bền vững thì lại yêu cầu chống lại đƣợc những phép biến đổi thông thƣờng trên ảnh Thuỷ vẩn ẩn hay thuỷ vân hiện ? Không giống nhƣ giấu tin mật với yêu cầu bắt buộc là thông điệp giấu phải ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thƣờng không nhìn thấy đƣợc thì kỹ thuật thuỷ vân số lại có hai loại là thuỷ vân ẩn và thủy vân hiển... lên dữ liệu ảnh nhƣng không làm thay đổi kích thƣớc ảnh, - Kỹ thuật thủy vân phụ thuộc vào tính chất hệ thống thị giác con ngƣời, - Khi giải tin có thể cần ảnh gốc Ngoài một số đặc điểm chung ra, kỹ thuật thuỷ vân số đƣợc phân biệt với kỹ thuật giấu tin mật ở những đặc trƣng sau đây: Thông tin trong ảnh có bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào trên ảnh ? Tính chất này có trong kỹ thuật giấu tin... thủy vân, làm cho bộ phát hiện không thể xác định đƣợc thủy vân Điều này đƣợc thực hiện chủ yếu bằng các phép biến đổi hình học: phóng to, thu nhỏ, xoay lật, cắt xén, Tấn công nhập nhằng: là sự tấn công với mục đích gây nhầm lẫn bằng cách tạo ra dữ liệu gốc giả hoặc dữ liệu đã đƣợc nhúng thủy vân giả Ví dụ: kẻ tấn công có thể làm giảm tính xác thực của thủy vân bằng cách nhúng một hoặc nhiều thủy vân. .. ích k 6 Gọi b là bít thủy vân cần nhúng, X là miền tần số giữa của ma trận hệ số DCT, quá trình nhúng thực hiện nhƣ sau Nếu bít thủy vân W(i)=0 thì X’ = X + k* PN0 Nếu bít thủy vân W(i)=1 thì X’ = X + k* PN1 7 Áp dụng biến đổi ngƣợc IDCT đối với mỗi khối sau khi các hệ số giữa đã bị thay đổi 28 b) Quá trình tách thủy vân 1 Chia ảnh đã nhúng thủy vân thành các khối 8x8 2 Áp dụng DCT cho các khối 8x8 và... nhúng thủy vân 3 Gọi b là bít thủy vân cần tìm Gọi X_PN0 là hệ số tƣơng quan giữa X với PN0 và X_PN1 là hệ số tƣơng quan giữa X với PN1 Quy tắc trích thủy vân thực hiện nhƣ sau Nếu X_PN0 > X_PN1 thì b = 0 Ngƣợc lại thì b = 1 4 Ghép các bít thủy vân đã tìm đƣợc thành một vector 2.2.2 Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc 2.2.2.1 Đặc điểm của phép biến đổi DWT trên ảnh hai chiều Kỹ thuật. .. không gian các điểm ảnh Có nhiều phép biến đổi cho dữ liệu ảnh trong đó có một số phƣơng pháp biến đổi đƣợc sử dụng rất phổ biến nhƣ phép biến đổi Fourier rời rạc, Cosin rời rạc, sóng nhỏ rời rạc … 20 Chƣơng 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI RỜI RẠC Thuỷ vân trên ảnh số giống nhƣ một ảnh đƣợc “dán tem” sở hữu của ngƣời chủ Thuỷ vân phải mang thông tin có ý nghĩa xác định duy nhất