MỤC LỤC Lời cảm ơn! Lời mở đầu CHƯƠNG TỔNG QUAN KĨ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Định nghĩa giấu tin .6 1.2 Mục đích giấu tin 1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu thơng tin .7 1.4 Môi trường giấu tin .8 a) Giấu tin ảnh b) Giấu tin audio c) Giấu tin video d) Giấu thông tin văn dạng text .10 1.5 Phân loại giấu tin theo cách thức tác động lên phương tiện .10 1.6 Phân loại giấu tin theo mục đích sử dụng 10 CHƯƠNG CHUẨN NÉN ẢNH TĨNH DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI WAVELET – JPEG2000 12 2.1 Lịch sử đời phát triển chuẩn JPEG2000 12 2.2 Các tính JPEG2000 .12 2.3 Các bước thực nén ảnh theo chuẩn JPEG2000 13 2.3.1 Xử lí trước biến đổi .14 2.3.2 Biến đổi liên thành phần 14 2.3.3 Biến đổi riêng thành phần (biến đổi Wavelet) 15 2.3.4 Lượng tử hóa – Giải lượng tử hóa 18 2.3.5 Tier-1 coding .19 2.3.6 Tier-2 coding .20 2.3.7 Điều chỉnh tỉ lệ (rate control) 21 2.4 Một số phương pháp mã hóa kết hợp dịng liệu sau mã hóa 22 a) Phương pháp mã hóa SPIHT 23 b) Phương pháp mã hóa EZW .24 2.5 Định dạng ảnh JPEG 2000 – JP2 .26 2.6 So sánh chuẩn JPEG2000 với JPEG chuẩn nén ảnh tĩnh khác 27 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP GIẤU THỦY VÂN DỰA VÀO CẶP TẦN SỐ GIỮA DWT 31 3.1 Giới thiệu .31 3.2 Thủy vân miền DWT 32 3.2.1 Sự tương quan hệ số dải với biến đổi cấp xám 33 3.2.2 Thuật toán nhúng tách thủy vân 36 A Kĩ thuật nhúng thủy vân 36 B Kĩ thuật tách thủy vân .37 CHƯƠNG CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 39 4.1 Môi trường cài đặt 39 4.2 Thử nghiệm 41 4.3 Đánh giá thuật toán 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 KẾT LUẬN 45 LỜI CẢM ƠN! Em xin chân thành cảm ơn hội đồng khoa Công Nghệ Thơng Tin trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng tạo điều kiện chúng em thực tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn cô giáo: ThS Hồ Thị Hương Thơm – giảng viên khoa cơng nghệ thơng tin trường ĐHDL Hải Phịng, tận tình hướng dẫn đạo em suốt thời gian nghiên cứu thực đồ án tốt nghiệp Vì thời gian nghiên cứu có hạn, trình độ hiểu biết thân em cịn nhiều hạn chế Cho nên báo cáo không tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong nhận góp ý quý báu tất thầy giáo để báo cáo em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! LỜI MỞ ĐẦU Môi trường mạng Internet phát triển rộng rãi với hỗ trợ phương tiện đa truyền thông đem lại nhiều thuận lợi hội cho người lĩnh vực đời sống xã hội, giao lưu, hợp tác, kinh doanh, Nhưng đồng thời, đặt nhiều thách thức việc đảm bảo an tồn cho thơng tin truyền giao qua phương tiện truyền thông như: nguy sử dụng trái phép xuyên tạc bất hợp pháp thông tin lưu chuyển mạng Việc sử dụng cách bình đẳng, an tồn liệu đa phương tiện cung cấp cách kịp thời tới nhiều người dùng cuối thiết bị cuối vấn đề quan trọng Hơn nữa, phát triển mạnh phương tiện kỹ thuật số làm cho việc lưu trữ, sửa đổi chép liệu ngày đơn giản, từ việc bảo vệ quyền chống xâm phạm trái phép liệu đa phương tiện (âm thanh, hình ảnh, tài liệu) gặp nhiều khó khăn Một cơng nghệ đời phần giải khó khăn giấu thơng tin nguồn đa phương tiện nguồn âm thanh, hình ảnh, ảnh tĩnh Mục tiêu giấu thông tin làm cho thơng tin trở nên vơ hình, từ khiến ta thấy đối tượng Trong năm gần đây, giấu thông tin ảnh phận chiếm tỷ lệ lớn chương trình ứng dụng, phần mềm, hệ thống giấu tin đa phương tiện lượng thông tin trao đổi ảnh lớn Nó đóng vai trị quan trọng hầu hết ứng dụng bảo vệ an tồn thơng tin như: nhận thực thơng tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả…Thông tin giấu với liệu ảnh chất lượng ảnh thay đổi khơng biết đằng sau mang thơng tin có ý nghĩa Ngày nay, ảnh số sử dụng phổ biến giấu thơng tin ảnh đem lại nhiều ứng dụng to lớn hầu hết lĩnh vực đời sống xã hội Giấu thơng tin kỹ thuật cịn tương đối phát triển nhanh, thu hút nhiều quan tâm giới khoa học giới cơng nghiệp cịn nhiều thách thức Bản báo cáo trình bày kỹ thuật giấu thông tin ảnh JPEG2000 Nội dung đề tài trình bày chương: Chương Tổng quan kỹ thuật giấu tin ảnh Chương Chuẩn nén ảnh tĩnh dựa biến đổi WAVELET - JPEG2000 Chương Phương pháp giấu thủy vân dựa vào cặp tần số DWT Chương Cài đặt thử nghiệm CHƯƠNG TỔNG QUAN KĨ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Định nghĩa giấu tin Giấu tin kỹ thuật giấu nhúng lượng thông tin số vào đối tượng liệu số khác (giấu tin nhiều hành động giấu cụ thể mà mang ý nghĩa quy ước) 1.2 Mục đích giấu tin Có mục đích giấu thông tin: - Bảo mật cho liệu giấu - Bảo đảm an toàn (bảo vệ quyền) cho đối tượng chứa liệu giấu Có thể thấy mục đích hồn toàn trái ngược dần phát triển thành lĩnh vực với yêu cầu tính chất khác Giấu thơng tin Giấu tin bí mật (Steganography) Thuỷ vân số (Watermarking) Hình 1.1 Hai lĩnh vực kỹ thuật giấu thông tin Kỹ thuật giấu thông tin bí mật (Steganography): với mục đích đảm bảo tính an tồn bảo mật thơng tin tập trung vào kỹ thuật giấu tin để giấu nhiều thông tin Thông tin mật giấu kỹ đối tượng khác cho người khác không phát Kỹ thuật giấu thông tin theo kiểu đánh giấu (watermarking) mục đích bảo vệ quyền đối tượng chứa thơng tin lại tập trung đảm bảo số yêu cầu đảm bảo tính bền vững… ứng dụng kỹ thuật thuỷ vân số 1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu thơng tin • Q trình giấu thông tin vào phương tiện chứa tách lấy thông tin hai q trình trái ngược mô tả qua sơ đồ khối hệ thống sau: Thông tin giấu Phân phối Phương tiện chứa(audio, ảnh, video) Bộ nhúng thông tin Phương tiện chứa giấu tin Khóa Hình 1.2 Lược đồ chung cho q trình giấu tin - Thơng tin cần giấu tuỳ theo mục đích người sử dụng, thơng điệp (với tin bí mật) hay logo, hình ảnh quyền - Phương tiện chứa: file ảnh, text, audio… môi trường để nhúng tin - Bộ nhúng thơng tin: chương trình thực việc giấu tin - Đầu ra: phương tiện chứa có tin giấu • Tách thông tin từ phương tiện chứa diễn theo quy trình ngược lại với đầu thơng tin giấu vào phương tiện chứa Phương tiện chứa sau tách lấy thơng tin sử dụng, quản lý theo yêu cầu khác Hình vẽ sau công việc giải mã thông tin giấu Sau nhận đối tượng phương tiện chứa có giấu thơng tin, q trình giải mã thực thông qua giải mã ứng với nhúng thơng tin với khố trình nhúng Kết thu gồm phương tiện chứa gốc thông tin giấu Bước thông tin giấu xử lý kiểm định so sánh với thơng tin ban đầu Khóa giấu tin Phương tiện chứa giấu tin Bộ giải mã tin Thông tin giấu Phương tiện chứa (audio, ảnh, video) Kiểm định Hình 1.3 Lược đồ chung cho trình giải mã 1.4 Môi trường giấu tin a) Giấu tin ảnh Giấu tin ảnh quan tâm Nó đóng vai trị quan trọng hầu hết ứng dụng bảo vệ an tồn thơng tin như: nhận thực thơng tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ quyền tác giả… Thông tin giấu với liệu ảnh chất lượng ảnh thay đổi khơng biết đằng sau ảnh mang thơng tin có ý nghĩa Ngày này, ảnh số sử dụng phổ biến giấu thơng tin ảnh đem lại nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực đời sống xã hội Phần mềm WinWord Microsoft cho phép người dùng lưu chữ ký ảnh nhị phân, gắn vào vị trí file văn để đảm bảo tính an tồn thơng tin Thơng tin giấu cách vơ hình, cách truyền thơng tin mật cho mà người khác được, sau giấu thông tin chất lượng ảnh gần không thay đổi đặc biệt ảnh màu hay ảnh xám b) Giấu tin audio Khác với kỹ thuật giấu tin ảnh: phụ thuộc vào hệ thống thị giác người – HSV (Human Vision System), kỹ thuật giấu thông tin audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human Auditory System) Bởi tai người việc phát khác biệt giải tần cơng suất, có nghĩa âm to, cao tần che giấu âm nhỏ, thấp cách dễ dàng Vấn đề khó khăn giấu thông tin audio kênh truyền tin, kênh truyền hay băng thông chậm ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau giấu Giấu thơng tin audio địi hỏi u cầu cao tính đồng tính an tồn thơng tin Các phương pháp giấu thông tin audio thường lợi dụng điểm yếu hệ thống thính giác người c) Giấu tin video Cũng giống giấu thông tin ảnh hay audio, giấu tin video quan tâm phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng điều khiển truy cập thông tin, nhận thức thông tin, quyền tác giả… Một phương pháp giấu tin video đưa Cox phương pháp phân bố Ý tưởng phương pháp phân phối tin giấu dàn trải theo tần số liệu gốc Nhiều nhà nghiên cứu dùng hàm cosin riêng hệ số truyền sóng riêng để thực việc giấu tin Trong thuật toán khởi nguồn, thường kỹ thuật cho phép giấu ảnh vào video thời gian gần kỹ thuật cho phép giấu âm hình ảnh vào video d) Giấu thông tin văn dạng text Giấu thơng tin văn dạng text khó thực có thơng tin dư thừa, để làm điều người ta phải khéo léo khai thác dư thừa tự nhiên ngôn ngữ tận dụng định dạng văn (mã hố thơng tin vào khoảng cách từ hay dòng văn bản) => Kỹ thuật giấu tin áp dụng cho nhiều loại đối tượng khơng riêng liệu đa phương tiện ảnh, audio, video Gần có số nghiên cứu giấu tin sở liệu quan hệ, gói IP truyền mạng chắn sau cịn tiếp tục phát triển tiếp 1.5 Phân loại giấu tin theo cách thức tác động lên phương tiện Phương pháp chèn liệu: Phương pháp tìm vị trí file dễ bị bỏ qua chèn liệu cần giấu vào đó, cách giấu khơng làm ảnh hưởng tới thể file liệu ví dụ giấu sau ký tự EOF Phương pháp tạo phương tiện chứa: Từ thông điệp cần chuyển tạo phương tiện chứa để phục vụ cho việc truyền thơng tin đó, phía người nhận dựa phương tiện chứa tái tạo lại thông điệp 1.6 Phân loại giấu tin theo mục đích sử dụng  Giấu thơng tin bí mật: ứng dụng phổ biến từ trước đến nay, giấu thông tin bí mật người ta thường quan tâm chủ yếu tới mục tiêu: + Độ an toàn giấu tin - khả không bị phát giấu tin + Lượng thơng tin tối đa giấu phương tiện chứa cụ thể mà đảm bảo an tồn + Độ bí mật thông tin trường hợp giấu tin bị phát 10 đặc trưng phép mã hóa chống lỗi, JPEG2000 giảm thiểu lỗi với mức hầu hư khơng có Bảng sau so sánh tính JPEG2000 với số chuẩn nén ảnh JPEG – LS, PNG, MPEG - VTC (Dấu + biểu thị chuẩn có chức tương ứng, số dấu + nhiều chuẩn thực chức tương ứng tốt; dấu – biểu thị chuẩn tương ứng khơng hỗ trợ tính đó) JPEG2000 JPEG LS JPEG MPEG –4 VTC PNG +++ ++++ + - +++ Khả nén ảnh có tổn thất +++++ + +++ ++++ - Khả lũy tiến khôi phục ảnh +++++ - ++ +++ + Kỹ thuật mã hóa theo vùng ROI +++ - - + - - - - ++ - ++ - - - - Tính đơn giản ++ +++++ +++++ + +++ Khả khôi phục lỗi +++ ++ ++ +++ + Khả thay đổi tỉ lệ nén +++ - - + - Tính mềm dẻo (khả nén nhiều loại ảnh khác nhau) +++ +++ ++ ++ +++ Khả nén ảnh không tổn thất Khả tương tác với vật thể có hình dạng Khả truy cập ngẫu nhiên dịng bít ảnh nén Bảng So sánh tính JPEG2000 với chuẩn nén ảnh tĩnh khác 31 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP GIẤU THỦY VÂN DỰA VÀO CẶP TẦN SỐ GIỮA DWT 3.1 Giới thiệu Khác với phương pháp thủy vân cũ, phương pháp này, thủy vân nhúng vào hệ số tần số cách lượng tử hóa cặp hệ số tần số giữa, dải LH HL hệ số DWT Một kĩ thuật thủy vân tốt cần đạt yêu cầu sau: • An tồn (security): thủy vân nhúng truy nhập vào tổ chức có quyền Mặc dù thuật tốn thủy vân cơng bố rộng rãi cho người, người khóa bí mật khơng thể truy nhập vào thủy vân ảnh bảo vệ • Bền vững (robustness): thủy vân nhúng vào phải chống lại công cố ý như: nén, lọc tuyến tính hay khơng tuyến tính, tăng hay chỉnh lại kích thước ảnh • Tính khơng thể bị nhìn thấy (Impertibility): người xem ảnh khơng thể nhìn thấy thủy vân Điều có nghĩa sau q trình nhúng thủy vân, chất lượng ảnh không bị suy giảm Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu kĩ thuật thủy vân Trong đó, kĩ thuật thủy vân mờ người ý Nó có điểm thuận lợi thấy rõ khơng cần ảnh gốc lấy thủy vân Nhìn chung kĩ thuật thủy vân chia làm nhóm: • Kĩ thuật vùng khơng gian: nhúng tin vào bít quan trọng – bít thấp (LSB) • Kĩ thuật thay đổi vùng: phương pháp tốt so với kĩ thuật vùng không gian Hai phương pháp biến đổi: biến đổi cosin rời rạc (DCT) biến đổi sóng rời rạc (DWT) hai phương pháp biến đổi quan trọng Trong đó, phương pháp biến đổi DWT có ưu điểm hẳn 32 Bởi DCT tính toán cách độc lập khối pixel nên lỗi mã hóa gây khơng liên tục khối thu Đó lí JPEG2000 tránh dùng DCT thay vào chọn DWT DWT thao tác toàn ảnh Nó tách ảnh thành dải tần số khác mà giữ thông tin khơng gian.Việc cân tính bền vững tính vơ hình thực cách hồn chỉnh Các kĩ thuật trước bền vững trước công blurring, sharpening nén ảnh JPEG Phương pháp thủy vân dựa vào cặp tần số DWT (MFP) cho thấy khả ấn tượng việc khơng chống lại cơng thơng thường mà cịn chống lại loại biến đổi cấp xám Các loại biến đổi cấp xám khác với công khác chỗ chúng thường không gây suy giảm mặt chất lượng ảnh Đôi cân histogram sử dụng trình nâng cao chất lượng ảnh Nhưng chúng thường gây thay đổi trầm trọng ảnh chúng làm hỏng thủy vân nhúng vào ảnh Trong báo cáo đề cập đến mối tương quan hệ số DWT với công dạng 3.2 Thủy vân miền DWT Việc tách wavelet thực cách dễ dàng nhờ thuật toán kim tự tháp Bằng cách kết hợp lọc low - pass high - pass, ảnh phân tích thành dải: thấp - thấp (low - low LL), thấp - cao (low high LH), cao - thấp (high - low HL) cao - cao (high - high HH) Để thu hệ số wavelet nhỏ dải LL phân tách nhỏ thu mẫu Q trình xử lí thực lại vài lần tùy theo yêu cầu người dùng Hơn nữa, từ hệ số DWT này, ta xây dựng lại ảnh gốc Quá trình xây dựng gọi đảo ngược DWT (IDWT) 33 Nhìn chung, thủy vân nhúng dải LL thường bền vững trước công gây suy giảm chất lượng ảnh Ngược lại, thay đổi hệ số wavelet cụ thể (dải HH), tin giấu dễ bị nhìn thấy dễ bị cơng thay đổi Thông thường thủy vân số nhúng vào dải tần số HL LH chúng cân đối hai điều trên, có nghĩa đảm bảo tính bền vững vơ hình trước mắt người Hình 3.1 Hai lần phân tách wavelet 3.2.1 Sự tương quan hệ số dải biến đổi cấp xám Các dải LH HL gọi dải (middle bands) chúng chứa thông tin chi tiết chiều thông tin suy chiều khác Bằng thực nghiệm người ta chứng minh mối quan hệ hệ số dải với biến đổi cấp xám dựa vào sở trực giao harr 34 Hai ảnh cấp xám baboon (256x256) lena (512x512) hình 3.2 thể khác sau cân mức xám PSNR (peak to signal to noise ratio) thể tỉ số tín hiệu nhiễu đỉnh PSNR định nghĩa: PSNR = 10 log 10 255 / MSE Với MSE (mean square error) sai số bình phương trung bình ảnh gốc ảnh biến đổi Hình 3.2 Cân mức xám Ảnh phân tách lần chọn dải LH2 HL2 để kiểm tra độ tương quan hệ số trước sau biến đổi Sự tương quan correlation định nghĩa sau: Correlation( x, y ) = ∑( x − x)( y − y ) ∑( x − x) ∑( y − y ) 2 Thông thường dải HL LH, vài hệ số có giá trị lớn tăng cường giá trị Chúng gọi hệ số quan trọng (significant coefficents) Các hệ số phù hợp để nhúng thủy vân chúng bền vững trước công thông thường vào ảnh Ở ta sử 35 dụng để làm sở đo mối tương quan Một cặp hai dải tần số cặp hệ số nằm vị trí dải HL LH thể hình 3.3 Ta sử dụng tỉ lệ giá trị trước sau công để chứng tỏ thay đổi hệ số Điều có nghĩa là, vị trí (i,j): Ratio( LH (i, j )) = ABS ( LH (i, j ))afterattacks ABS ( LH (i, j ))beforeattacks Hình 3.3 Cặp dải tần số Chúng ta tính tốn tỉ lệ Ratio(LH2(i,j)) Ratio(HL2(i,j)) ¼ số hệ số ảnh Baboon sau cân histogram Các hệ số đại diện cho hệ số quan trọng ảnh 3.4 Hình 3.4 Mối quan hệ cặp dải trung gian LH2 HL2 sau cân Histogram 36 Dưới công khác, thay đổi cặp tần số thể mối tương quan nhiều Ví dụ thực làm mờ ảnh, giá trị trung bình Ratio(LH2(i,j)) = 0,8368 giá trị trung bình Ratio(HL2(i,j)) = 0,8461 Dưới công làm nét ảnh (sharpen attack), giá trị trung bình Ratio(LH2(i,j)) nửa lớn tất hệ số 1.2621 giá trị trung bình Ratio(HL2(i,j)) = 0,8461 3.2.2 Thuật toán nhúng tách thủy vân Ý tưởng: dùng hệ số cặp tần số để lượng tử hóa hệ số cịn lại Bước lượng tử hóa phần cố định hệ số lớn Lựa chọn hệ số nhỏ để thực lượng tử hóa (hình 3.5) 1/3 lớn tất hệ số lựa chọn hệ số quan trọng để thực việc lượng tử hóa Đối với hệ số nhỏ sử dụng bước Step để lượng tử hóa Hình 3.5 Lượng tử hóa cặp tần số dải trung gian A Kĩ thuật nhúng thủy vân : • Bước 1: thủy vân ảnh nhị phân Ảnh gốc tách thành mức Nhúng thủy vân vào dải LH2 HL2 Giả sử kích thước LH2 mxn thủy vân rxl Thủy vân nhúng [ mxn/rxl] lần 37 • Bước 2: ngưỡng T hệ số nhỏ đặt tầm quan trọng hệ số lớn 1/3 lớn tất hệ số dải LH2 HL2 S (step) khoảng cách cố định D số chia cố định Thủy vân nhúng vào dải LH2 HL2 tất hệ số lượng tử hóa Mỗi vị trí (i,j) lượng tử hóa theo bit thủy vân Nếu bit =1, hệ số làm trịn đến số lẻ gần nhất, khơng làm tròn đến số chẵn gần hình 3.5 thể For tất hệ số có dải LH2 HL2 If ABS(HL2(i,j))