Đang tải... (xem toàn văn)
Báo cáo xử lý ảnh đề tài ảnh nhúng thủy văn .dùng các kỹ thuật giấu tin , KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ, ..
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO MÔN HỌC XỬ LÝ ẢNH ĐỀ TÀI : DIGITAL WARTERMARKING USING DWT AND DES SVTH : Nguyễn Trọng Tài LỚP : 12T1 GVHD : Ts. Huỳnh Hữu Hưng Đà Nẵng, 11/2013 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại của Internet , thông tin ngày càng được sử dụng rộng rãi và lượng thông tin được trao đổi qua mạng ngày càng lớn mạnh . Tuy nhiên với lượng thông tin lớn như vậy thì nguy cơ truy cập dữ liệu trái phép lại tăng lên . Vì thế nhu cầu bảo đảm đảm an toàn ,bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ sản phẩm đang là một nhu cầu cấp thiết . Một trong những giải pháp hữu hiệu cho vấn đề này là giấu thông điệp vào những phương tiện chứa . Phương tiện chứa được dùng phổ biến là các bức ảnh. Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống. Những thuận lợi thông tin kỹ thuật số mang lại cũng đề ra những thách thức và cơ hội mới cho quá trình đổi mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số, v.v…, đã với tới thế giới tiêu dùng rộng lớn để sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện. Mạng Internet toàn cầu đã biến thành một xã hội ảo nơi diễn ra quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại… Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn thông tin như nạn ăn cắp bản quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép v.v Đi tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp ta hiểu thêm về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn đưa ra những cơ hội kinh tế mới cần khám phá. Một trong các giải pháp nhiều triển vọng là giấu tin, được nghiên cứu phát triển trong khoảng 10 năm gần đây. Để hiểu rõ về nguồn gốc của thuỷ vân, trước tiên chúng ta tìm hiểu phương pháp giấu thông tin, thuỷ vân là một thành phần của phương pháp giấu tin. SVTH: Nguyễn Trọng Tài 1 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài . Nghiên cứu Bảo vệ bản quyền ảnh dùng phương pháp ảnh Thủy văn. Mục đích của đề tài là che giấu thông tin vào trong ảnh nhị phân,khi nhìn bằng mắt thường sẽ khó phát hiện ra ảnh có giấu tin hay không vì sự thay đổi của ảnh sau khi giấu tin là ít nhất. Các dữ liệu kỹ thuật số được truyền sử dụng Internet. Vì vậy, dữ liệu kỹ thuật số phải được an toàn, được bảo vệ bản quyền, và chứng thực cùng một lúc. Báo cáo này đề xuất một thuật toán để bảo vệ dữ liệu kỹ thuật số bằng cách nhúng thủy ấn được mã hóa bằng thuật toán DES. Hai mức độ rời rạc chuyển đổi wavelet (DWT) được áp dụng cho các hình ảnh ban đầu. Điều này đảm bảo độ bền của đề án đề xuất. DES mã hóa để các watermark với một chìa khóa và các hoạt động lặp lại đảm bảo an ninh thông tin watermark. Mã hóa và khóa giải mã là giống nhau cho cả hai quá trình này. Nếu chúng ta muốn trích xuất các hình ảnh watermark, chúng ta phải có được khóa bí mật. Kết quả thực nghiệm cho thấy các hình mờ là mạnh mẽ chống lại các cuộc tấn công khác nhau. 1.2 Các kỹ thuật sử dụng trong đề tài Đề tài được sử dụng phương pháp DWT để phân chia bức ảnh ra thành nhiều phần nhỏ, và sau đó sử dụng thuật toán DES để mã hóa và tạo ra một khóa mật mã để bảo vệ thông tin được giấu , watermark để nhúng các hình ảnh cần giấu vào trong một bức ảnh đã được DWT và sau đó là nối các mảnh của bức ảnh lại với nhau như bức ảnh ban đầu, sự thay đổi của bức ảnh sau khi được giấu tin vào là rất nhỏ , khó mà phát hiện được. Các bước đóng dấu như sau: SVTH: Nguyễn Trọng Tài 2 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng - Phân hủy hình ảnh ban đầu (N × N) của hai cấp độ wavelet (DWT). - Tạo ra ngẫu nhiên khóa K chính độ dài 64 bit. - Chia hình ảnh watermark nhị phân kích thước ((N × N) / 4) trong khối kích thước 8 × 8. Mã hóa các khối hình ảnh với DES sử dụng khóa K. - Nối tất cả các khối hình ảnh được mã hóa để tạo ra hoàn chỉnh mã hóa hình ảnh W. - W là thông tin đóng dấu mật mã. Ở đây , trong dấu ấn hình ảnh chúng tôi đã nhúng watermark được mã hóa trên các tập tin hình ảnh , do đó loại bỏ các hình mờ trở nên ít nhất có thể xảy ra . Điều này sẽ cung cấp cho kỹ thuật này một vững mạnh rất cao . Trong việc thu hồi , watermark nhúng được lấy ra và sau đó giải mã. Phương pháp này kết hợp mạnh mẽ của Chuyển đổi tên miền và đơn giản của phương pháp miền không gian . Watermarking cho hình ảnh , kỹ thuật DWT được sử dụng. Kỹ thuật DWT được sử dụng trong dấu ấn ảnh. Ở đây, chúng tôi đã nhúng watermark trong hình ảnh như là một chuỗi giả tiếng ồn . Điều này cho phép một an ninh đáng kể vào các tập tin hình ảnh như chỉ khi watermark chính xác được gọi là watermark nhúng có thể được loại bỏ khỏi hình ảnh thủy ấn . SVTH: Nguyễn Trọng Tài 3 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng CHƯƠNG II: KỸ THUẬT GIẤU TIN. 2.1 Khái niệm về giấu tin Từ trước đến nay, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đã được đưa ra, trong đó giải pháp dùng mật mã được ứng dụng rộng rãi nhất. Thông tin ban đầu được mã hoá, sau đó sẽ được giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có nhiều hệ mã phức tạp được sử dụng như DES, RSA, NAPSACK , rất hiệu quả và phổ biến. Một phương pháp mới khác đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới, đó là phương pháp giấu tin. Giấu thông tin là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc. Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mã hoá làm cho các thông tin thể hiện là có được mã hoá hay không, còn với giấu thông tin thì người ta sẽ khó biết được là có thông tin giấu bên trong. SVTH: Nguyễn Trọng Tài 4 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng Hình 1. Sơ đồ tiến trình giấu tin. Hình 2. Sơ đồ tiến trình giải mã tin đã được giấu. 2.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin. Do kỹ thuật giấu thông tin số mới được hình thành trong thời gian gần đây nên xu hướng phát triển chưa ổn định. Nhiều phương pháp mới, theo nhiều khía cạnh khác nhau đang và chắc chắn sẽ được đề xuất, bởi vậy một định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chưa thể có được. Sơ đồ phân loại sau đây được Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm 1999. SVTH: Nguyễn Trọng Tài 5 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng Hình 3. Phân loại kỹ thuật giấu tin. 2.3. Mục đích của giấu tin Bảo mật thông tin bằng giấu tin có hai khía cạnh. Một là bảo mật cho dữ liệu được giấu, ví dụ giấu tin mật: thông tin mật được giấu kỹ trong một đối tượng khác sao cho người khác không phát hiện được. Hai là bảo mật chính đối tượng được dùng để giấu dữ liệu vào, chẳng hạn ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin Một số ứng dụng đang được triển khai: - Bảo vệ bản quyền tác giả (copyright protection): Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (người ta gọi nó là thuỷ vân - watermark) sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thuỷ vân đó chỉ người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phương tiện như ảnh, âm thanh, video cần được lưu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm. 2.4 . Môi trường giấu tin SVTH: Nguyễn Trọng Tài 6 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng Kỹ thuật giấu tin đã được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều môi trường dữ liệu khác nhau như trong dữ liệu đa phương tiện (văn bản, hình ảnh, âm thanh, phim ), trong sản phẩm phần mềm và gần đây là những nghiên cứu trên lĩnh vực cơ sở dữ liệu quan hệ. Trong các dữ liệu đó, dữ liệu đa phương tiện là môi trường chiếm tỉ lệ chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin. Với đề tài này thì chúng tôi sử dụng phương pháp giấu tin trong ảnh. Giấu thông tin trong ảnh, hiện nay, là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện do lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: xác thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu tin bí mật Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và không ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng phổ biến, giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều những ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội. Ví dụ đối với các nước phát triển, chữ kí tay đã được số hoá và lưu trữ sử dụng như hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để xác thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng. Phần mềm WinWord của MicroSoft cũng cho phép người dùng lưu trữ chữ kí trong ảnh nhị phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính an toàn của thông tin. Tài liệu sau đó được truyền trực tiếp qua máy fax hoặc lưu truyền trên mạng. Theo đó, việc xác thực chữ kí, xác thực thông tin đã trở thành một vấn đề quan trọng khi việc ăn cắp thông tin hay xuyên tạc thông tin bởi các tin tặc đang trở thành một vấn nạn đối với bất kì quốc gia nào, tổ chức nào. Hơn nữa có nhiều loại thông tin quan trọng cần được bảo mật như những thông tin về an ninh, thông tin về bảo hiểm hay các thông tin về tài chính, các thông tin này được số hoá và lưu trữ trong hệ thống máy tính hay trên mạng. Chúng dễ bị lấy cắp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc xác thực cũng như phát hiện thông tin xuyên tạc đã trở nên vô cùng quan trọng, cấp thiết. SVTH: Nguyễn Trọng Tài 7 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng CHƯƠNG III: KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ 3.1. Khái niệm thuỷ vân và nhúng thuỷ vân - Thuỷ vân là một tín hiệu bảo mật và không nhận biết, được nhúng vào dữ liệu gốc để truyền dữ liệu đã nhúng đi. - Nhúng thủy vân (watermarking) là một trong những kỹ thuật giấu dữ liệu hiện đại, là quá trình chèn thông tin vào dữ liệu đa phương tiện nhưng bảo đảm không nhận biết được, nghĩa là chỉ làm thay đổi nhỏ dữ liệu gốc. Thông thường người ta chỉ đề cập đến nhúng thủy vân số. Một tập các dữ liệu số thứ cấp - gọi là mã đánh dấu bản quyền hay thủy vân (watermark), được nhúng vào dữ liệu số sơ cấp - gọi là dữ liệu bao phủ (ví dụ như văn bản, hình ảnh, âm thanh và phim số, ). Dữ liệu sau quá trình nhúng được gọi là dữ liệu nhúng. 3.2. Lịch sử phát triển của thuỷ vân Tanaka (1990), Caronni và Tirkel (1993) lần lượt đưa ra những ấn bản đầu tiên về nhúng thủy vân nhưng chưa nhận được sự quan tâm đúng mức. Đến năm 1995, chủ đề này mới bắt đầu được quan tâm và từ đó, nhúng thủy vân số đã phát triển tốc độ nhanh với nhiều hướng nghiên cứu và phương pháp thực hiện khác nhau. SVTH: Nguyễn Trọng Tài 8 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng Nhúng thủy vân được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bảo vệ quyền sở hữu, điều khiển việc sao chép, xác nhận giấy tờ, hay truyền đạt thông tin khác, …trong đó ứng dụng phổ biến là cung cấp bằng chứng về bản quyền tác giả của các dữ liệu số bằng cách nhúng các thông tin bản quyền. 3.3. Mô hình hệ thống tổng quát quá trình nhúng và khôi phục thuỷ vân Hình 4. Sơ đồ nhúng thủy vân. Hình 5. Sơ đồ khôi phục thủy vân. SVTH: Nguyễn Trọng Tài 9 [...]... Trọng Tài 25 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng 6.2 Kết quả chương trình nhúng thủy vân bằng DWT và DES Chạy hàm Embedding.m để nhúng ảnh đã được mã hóa bằng thuật toán DES vào ảnh gốc a Ảnh gốc khi chưa nhúng thủy vân b Ảnh watermark nhị phân SVTH: Nguyễn Trọng Tài c Ảnh watermark sau khi bị mã hóa 26 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng d Ảnh sau khi nhúng thủy vân Chạy... hai cấp độ DWT để nhúng 4.3 Quá trình trích SVTH: Nguyễn Trọng Tài 18 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng Có hai loại thủy vân(phân loại theo cảm nhận) thủy vân ẩn và thủy vân hiện , chúng tôi sử dụng thủy vân hiện để giải mã, vì vậy chúng tôi yêu cầu hình ảnh ban đầu trong quá trình giải mã Các bước thực hiện như sau: - Chuyển đổi ngược với hình ảnh thủy vân bởi hai mức IDWT - Lựa chọn... nhúng thông tin thủy vân vào một hoặc một số wavelet băng con với các hệ số tương quan khác nhau (cần cân nhắc giữa tính trong suốt của ảnh sau khi nhúng và tính mạnh mẽ của phương pháp) Sau đó tổng hợp lại các băng con để thu được ảnh chứa thủy vân Cuối cùng thử nghiệm ảnh đã chứa thủy vân qua các phépbiến đổi ảnh thông thường rồi tìm lại thủy vân gốc SVTH: Nguyễn Trọng Tài 17 Báo cáo cuối kỳ xử lý. .. phân tích (tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể) Hình 10 Minh họa DWT kiểu dyalic mức 3 SVTH: Nguyễn Trọng Tài 16 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN DÙNG BIẾN ĐỔI DWT VÀ MÃ HÓA DES 4.1.1 Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DWT Kỹ thuật thủy vân cơ bản sử dụng phép biến đổi DWT thường phân tích ảnh gốc thành bốn băng tần số khác nhau gồm: tần số thấp, tần số... (còn gọi là P-box) SVTH: Nguyễn Trọng Tài 22 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng Quá trình luân phiên sử dụng S-box và sự hoán vị các bít cũng như quá trình mở rộng đã thực hiện được tính chất gọi là sự xáo trộn và khuyếch tán (confusion and diffusion) Hình 13 Cấu trúc thuật toán Feistel dùng trong DES SVTH: Nguyễn Trọng Tài 23 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng 5.4 Quá... Trọng Tài 10 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng Hình 6 Sơ đồ phân laọi thủy vân - Phân loại theo khả năng cảm nhận Thủy vân ẩn (Invisible watermarking): là các thủy vân không thể nhìn thấy được bằng mắt thường Thủy vân hiện (Visible watermarking): là thủy vân có thể nhìn thấy được bằng mắt thường - Phân loại theo tính bền vững Thủy vân bền vững (Robust watermarking): là loại thủy vân nhúng. . .Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng Hình 4 trình bày quá trình nhúng thủy vân tổng quát Đầu vào là thủy vân, dữ liệu cần nhúng và mã cá nhân hay công cộng Thủy vân có thể ở bất kì dạng nào như chữ số, văn bản hay hình ảnh Khoá có thể được dùng để tăng cường tính bảo mật, nghĩa là ngăn chặn những người không có bản quyền khôi phục hay phá hủy thủy vân Các hệ thống... trình xử lý Ở mỗi vòng , vật thay thế được thực hiện trên một phân nữa dữ liệu được xử lý , sau đó là phép hoán vị trao đổi 2 nửa Khóa cũng được mở rộng để một khóa khác được dùng cho mỗi vòng Chuẩn mã hóa dữ liệu DES đã trở thành thuật toán sử dụng rộng rãi cho đến gần đây Nó thể hiện cấu trúc feistel cổ điển DES sử dụng khối 64 bit và khóa 56 bit SVTH: Nguyễn Trọng Tài 19 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh. .. ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng 4.2 Quá trình nhúng thủy vân Các bước để thủy vân như sau: - Phân tích các hình ảnh ban đầu I (N × N) bởi hai cấp thủy vân (DWT) - Tạo ngẫu nhiên một khóa K 64 bits - Chia hình ảnh watermark nhị phân kích thước ((N × N) / 4) trong khối kích thước 8 × 8 Mã hóa các khối hình ảnh với DES sử dụng khóa K - Nối tất cả các khối hình ảnh được mã hóa để tạo ra hoàn toàn mã hóa ảnh. .. trong DES SVTH: Nguyễn Trọng Tài 24 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS Huỳnh Hữu Hưng CHƯƠNG VI: DEMO CHƯƠNG TRÌNH 6.1 Kết quả thuật toán giải mã DES Sau khi chạy hàm Encrypt.m ở trong bài làm thì ta thu được ảnh mã hóa như hình b Sau đó chạy hàm Decrypt m ở trong bài làm với key đúng thì ta thu được ảnh đã được giải mã như trong hình c nếu sai mã thì thu được ảnh như trong hình d SVTH: Nguyễn Trọng Tài . THÔNG TIN BÁO CÁO MÔN HỌC XỬ LÝ ẢNH ĐỀ TÀI : DIGITAL WARTERMARKING USING DWT AND DES SVTH : Nguyễn Trọng Tài LỚP : 12T1 GVHD : Ts. Huỳnh Hữu Hưng Đà Nẵng, 11/2013 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD. Trọng Tài 1 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD : TS. Huỳnh Hữu Hưng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài . Nghiên cứu Bảo vệ bản quyền ảnh dùng phương pháp ảnh Thủy văn. Mục đích của đề. thu được ảnh chứa thủy vân. Cuối cùng thử nghiệm ảnh đã chứa thủy vân qua các phépbiến đổi ảnh thông thường rồi tìm lại thủy vân gốc. SVTH: Nguyễn Trọng Tài 17 Báo cáo cuối kỳ xử lý ảnh GVHD