B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC s PHẠM HẢ NỘI NGÔ THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG SỬDỤNG CHO VIỆC XÁC THỤC ẢNH LUẬN VĂN THẠC s ĩ MÁY TÍNH HÀ NỘI, 2015 B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC s PHẠM HẢ NỘI NGÔ THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG SỬDỤNG CHO VIỆC XÁC THỤC ẢNH Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC s ĩ MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Thế Hồng HÀ NỘI, 2015 LỜI CẢM ƠN Đe 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, trường Đại học Sư 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, trường Đại học sư 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 hướng 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, người thân, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, động viên tác giả trình học tập thực đề tài Dù cố gắng luận văn tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận 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 chưa công bố công trình khác Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Tác giả Ngô Thị Thu Hà MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 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 t i n 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 Ả nh 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 v ân 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 hướng tiếp cận kỹ thuật thuỷ v â n 18 1.6.1 Hướng tiếp cận dựa miền không gian ản h 18 1.6.2 Hướng tiếp cận dựa miền tần số ảnh 19 Chương 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN ẢNH SỐ 20 D ựA VÀO CÁC PHÉP BIỂN ĐỔI RỜI RẠC 20 2.1 Các phép biến đổi rời r c .20 2.1.1 Phép biến đổi Cosine rời rạ c 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 rạ c 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 H ankel 34 2.3.1 Phép biến đổi ma trận Hankel 34 2.3.2 Lược đồ thủy vân bền vững sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp Hankel 35 CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM LƯỢC ĐỒ THỦY VÂN BỀN VỮNG DÙNG ĐÊ XÁC THỰC ẢNH D ựA 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 v â n 37 3.2 Lược đồ nhúng thủy vân xác thực ảnh g ố c 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 TẤT Diễn giải Chữ viết tắt Ý nghĩa DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Co sin rời rạc DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi sóng nhỏ rời rạc IDWT Invert Discrete Wavelet Transform Biên đôi ngược DWT DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Forier rời rạc PRNS Pseudo random number sequence Tỉ sô tín hiệu nhiêu 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 sô tương tự SR DANH MỤC HÌNH VẼ * Tên hình Ý nghĩa Hình 1.1 Lược đồ chung cho trình giấu tin Hình 1.2 Lược 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 qua phép biến đổi sóng nhỏ chiều mức Hình 2.3 Ảnh gốc lượng phân bố ảnh qua phép biến đổi DCT Hình 2.4 Phân chia miên tân sô ảnh phép biên đôi DCT Hình 3.1 Ảnh gốc Lena, thủy vân gốc ảnh Lena nhúng thủy vân Hình 3.2 Ảnh gốc Mandril, thủy vân gốc ảnh Mandril nhúng thủy vân Hình 3.3 Ket 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 người ta nhận hay gửi thư 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 đường truyền bị trộm cắp, bị làm sai lệch, bị giả mạo, Điều làm ảnh hưởng 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 nước, 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 vũ bão Internet công nghệ có liên quan đưa 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 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 phương pháp hiệu cho phép chủ sở hữu thông tin số nhúng giấu chứng xác thực quyền mà không làm ảnh hưởng 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 lược 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 lược 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 chương trình thử nghiệm để so sánh đánh giá số lược đồ thủy vân bền vững bảo vệ toàn vẹn ảnh số Đối tượng phạm vi nghiền 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 chương trình thử nghiệm để bảo vệ toàn vẹn ảnh số với chế xác thực công khai Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu chủ yếu phương pháp tiếp cận lý thuyết, sau áp dụng lý thuyết để kiểm chứng Dựa kết kiểm chứng để đưa 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 31 Bj(x,y) = B (x,y) + kXPR 0(x,y); Wi = Bj (x, y) + k X PR_l(x, y); Wj = ( 6) Thực phép biến đổi ngược 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 thành khối mxn Tái dựng lại hai ma trận số giả ngẫu nhiên PR_0 PR_ có kích thước mxn, phần tử có giá trị 0, -1 ữình nhúng thuỷ vân Chọn khối ảnh kích thước mxn LHj (j=l đến s) Ký hiệu corr(A, B) hệ số tương quan hai ma trận A B Tính giá trị C1_LH = corr(ZJ/j, PR_ 1), C1_HL = corr(#Lj, P R _ l), C1 = (C1_LH + Cl_HL)/2 C0_LH = corr(LHị, PR_0), C0_HL = C0ĩĩ(HLj, PR_0), CO = (C0_LH + C0_HL)/2 Nếu C1 > CO lấy Wj = 1, ngược lại Wj = Ghép Wị để thuỷ vân w 2.2.2.4 Kỹ thuật thủy vân sử dạng phép biến đẳiD W T hai ma trận sổ giả ngẫu nhiên nhúng riêng biệt vào hai băng LH, HL a) Quá trình nhúng thuỷ vân Vào: - Ảnh gốc I - Thuỷ vân ảnh nhị phân w - Hệ số tương quan k 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 thảnh băng tàn LL, LH, HL HH Thực bước 2, 3, với miền tàn số băng tan LH, HL Chia LH, HL thành khối mxn, cho số khối có lớn số bit thuỷ vân Xây dựng hai ma trận số giả ngẫu nhiên độc lập PN_H PN_V kích thước mXíĩ, phần tử có giá trị 0, -1 Nếu bit thuỷ vân xét Wj = thêm kxPN_H vào khối LHị, thêm kxPRJV vào khối HLÌ Thực phép biến đổi ngược IDWT với miền tần số thay đổi để tổng hợp thành ảnh chứa thuỷ vân Iw b) Quá trình tách thuỷ vân Yào: 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 ỉw thành băng tần LL, LH, HL HH Thực chia băng tần LH, HL thành khối mxn Tái dựng lại hai ma trận số giả ngẫu nhiên PN_H PN_V có kích thước mxn trình nhúng thuỷ vân Chọn khối ảnh kích thước mxn LHị, HLị (j=l đến s) Ký hiệu corr(A, B) hệ số tương quan hai ma trận A B Tính giá trị C_LH = C0ĩĩ(LHị, PN_H), C_HL = con(HLị, PN_V), c = (C_LH + C_HL)/2, Nếu C(j) > mean(C) lấy Wj = 0, Ghép Wj để 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 tương 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 thảnh băng tần LL1, LH1, HL1 HH1 Thực bước 2, 3, với miền tần số băng tần LH1, HL1 HH1 (ký hiệu B) Chia B thành khối mxn, cho số khối có lớn số bit thuỷ vân Xây dựng hai ma trận số giả ngẫu nhiên độc lập PR_0 PR_l kích thước mxn, phần tử có giá trị 0, -1 Nếu bit thuỷ vân xét Wj = thêm kxPR_0 vào khối Bị, ngược lại thêm kxPR_ vào khối Bj Bj(x,y) = Bj(x,y) + kxPR 0(x,y); W j=0 Bj (x, y) + k X PR_l(x, y); Wj = ( 6) Thực phép biến đổi ngược 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 mxn 34 Tái dựng lại hai ma trận số giả ngẫu nhiên PR_0 PR_ có kíchthước mxn, phần tử có giá trị 0, -1 trình nhúng thuỷ vân Chọn khối ảnh kích thước mxn LHj (j=l đến s) Kýhiệu corr(A, B) hệ số tương quan hai ma ưận A B Tính giá trị C1_LH = corr(ZJ/j, PR_l), C1_HL = corr(tfLj, PR_ 1), C1_HH = corr(////j, PR_ 1), C1 = (C1_LH + C1_HL + Cl_HH)/3, C0_LH = corr(L//j, PR_0), C0_HL = con(HLị, PR_0), C0_HH = C0ĩĩ(HHị, PR_0), CO = (C0_LH + C0_HL + C0_HH)/3 Nếu C1 > CO lấy Wj = 1, ngược lại Wj = Ghép Wị để thuỷ vân w c) Nhận xét Quá trình phát thuỷ vân dựa giá trị trung bình hệ số tương quan khối tương 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 tác giả trước 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 đỗi rời rạc DWT kết hợp với phép biến đỗi 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 đường chéo phụ giống Ví dụ H= 3 0 35 H ma trận Hankel - H ma trận đối xứng phần tử dối xứng qua đường chéo - Các phần tử đường chéo phụ thứ 2, phần tử đường chéo phụ thứ phần tử đường chéo phụ thứ - Các phần tử ma trận Hankel thỏa mãn công thức sau: H(ij) = H (i -l, j+ l) 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 ma trận Hankel H = hankel(c) = 3 0 Phép biến đổi Hankel cóthể biến đổi hai vector thảnh ma trận Hankel Ví dụ, cho c ví dụ r = (6 8) Biến đổi Hankel vector thu vector Hankel sau H = hankel(c,r)= 3 7 Phép biến đổi Hankel 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 Lược đồ thủy vân bền vững sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp Hankel Trong phần này, học viên đề xuất lược đồ thủy vân bền vững sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp với phép biến đổi Hankel Lược đồ sử dụng để xác thực toàn vẹn ảnh số Lược đồ bao gồm hai phần, phần nhúng thủy vân phần hai xác thực toàn vẹn ảnh nhúng a) Nhúng thủy vân 36 Vào ảnh chủ cần xác thực I ảnh thủy vân w Ra ảnh thủy vân I ’ - Bước 1: Ảnh thủy vân w biến đổi phép biến đổi Hankel để tạo ma trận thủy vân w \ - Bước 2: Áp dụng phép biến đổi DWT ba mứcđối với ảnhchủ I - Bước 3: Nhúng ma trận thủy vân đượcbiến đổi Hankel bước vào bit ý nghĩa băng LL3 - Bước 4: Biến đổi ngược lần IDWT để thu ảnh I’ thủy vân b) Xác thực toàn vẹn ảnh Vào ảnh thủy vân I ’ Ra xác thực ảnh I’ có toàn vẹn không - Bước 1: Biến đổi ảnh thủy vân w ma trận Hankel lần thu w \ - Bước 2: Biến đổi DWT lần ảnh thủy vân I’ - Bước 3: Trích bít ý nghĩa băng LL3 ảnh thủy vân ữích W ” - Bước 4: So sánh W ’)và W ” , tỉ lệ tương tự W ’ W ” lớn ngưỡng xác thực kết luận ảnh I’ toàn vẹn, ngược lại kết luận I’ không toàn vẹn 37 CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM Lược ĐỒ THỦY VÂN BỀN VỮNG DÙNG ĐỂ XÁC THựC ẢNH D ựA VÀO PHÉP BIỂN ĐỔI DWT KÉT HỢP PHÉP BIÉN 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 lượng cảm nhận ảnh chủ, không bị méo mó có xuất thủy vân Có thể sử dụng hệ thống thị giác người để cảm nhận đánh giá tiêu chuẩn Việc đánh giá, so sánh cách xác sai khác chất lượng 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 thước m PSNR = 201og í Max(F)^| m X n tính theo công thức sau: (7) n đó: M SE — - F ( i , j ) —F ( i , j ))2 m x n ~ “í~~ỉ bình phương độ lệch ảnh gốc F ảnh chứa thuỷ vân F ’ Với phép biến đổi ảnh, người 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 trước công có chủ đích không chủ đích, nhằm gỡ bỏ biến dạng thủy vân phép xử lý tín hiệu số khác Đây kỹ thuật sử dụng sau ữong kỹ thuật thuỷ vân Thuỷ vân nhúng sau giải mã so sánh để kiểm định, chứng thực thuỷ vân Có thuỷ vân nhìn thấy mang ý nghĩa nhận biết công việc trở nên đơn giản chẳng hạn thuỷ vân chuỗi 38 mã ký tự ASCII mang thông tin tên tác giả, ngày tháng giải mã ta dễ dàng nhận biết thông tin Hay thuỷ vân ảnh chẳng hạn giải mã ảnh tương tự ta nhìn thấy khác biệt hai ảnh Tuy nhiên, số trường hợp thuỷ vân chuỗi bit mang ý nghĩa thống kê, công việc nhận diện thuỷ vân không đơn giản Hoặc trường hợp thuỷ vân thông tin mang ý nghĩa nhận biết phải có kỹ thuật để kiểm định sai lệch thủy vân tách 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 từ ảnh thủy vân hệ số quan hệ Hệ số gọi tỷ số tương tự SR (Similitary Ratio) thủy vân gốc w thủy vân tách w ’ theo công thức SR = S/(S+D) Trong s số bit trùng nhau, D số bit lệch ỊVvà W' Chẳng hạn ta nhúng thuỷ vân có độ dài 1000 bit, tách thuỷ vân so với thuỷ vân gốc, thuỷ vân tách 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 hai ảnh thủy vân quan hệ với Neu tỷ số SR có giá trị từ 0.75 trở lên coi w tương tự Một số kỹ thuật thuỷ vân áp dụng với trường hợp thuỷ vân ảnh đa mức xám Khi đó, cặp điểm ảnh chênh lệch đơn vị xem nhỏ nên việc đánh giá độ lệch theo cách không phù hợp Trong trường 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 w \ Công thức tính hệ số đồng dạng thuỷ vân gốc w thuỷ vân tách W ’ có kích thước MxN biểu diễn sau: 39 M N ỵỵw (i,j)xw "(i,j) S F = - t k x I I t =1 J =1 w2(i,j) 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 Lược đồ nhúng thủy vân xác thực ảnh gốc Lược đồ nhúng thủy vân xác thực ảnh gốc 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 (L L l,’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’,l) 14 W ’R = size (W’,2) 15 For i = l : LL3C 40 16 For j = 1: LL3R 17 18 W ’(iijj) =W’(mod(ii,W’C)+l, mod(jj, W ’R)+1); End 19 End 20 % nhúng thủy vân mở rộng vào LSB LL3 21 For i = l : LL3C 22 For j = 1: LL3R 23 24 LL3(i,j) = bitset (L L3(i,j),l,W ’(ij)); End 25 End 26 % dùng IDWT biến đổi ngược mức để thu 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), ngưỡng xác thực (SF) Ra: Ket 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,l); 41 11 LL3R = size(LL3,2); 12 For i = l : LL3C 13 For j = 1: LL3R 14 15 W ” (ij) = bitget(LL3(ij),l) End 16 End 17 So sánh thủy vân (W” ) với thủy vân gốc (W), tỉ lệ giống ảnh lớn ngưỡng xác thực (SF) ảnh thủy vân toàn vẹn, ngược lại nố 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 Chương trình thử nghiệm chia làm hai modun Mođun nhúng thủy vân mođun xác thực toàn vẹn ảnh nhúng thủy vân a) Kết modun nhúng thủy vần - Đối với ảnh chủ Lena Anh da thuy van PSNR = 58.3965 Anh goc Thuy van goc Hình 3.1 Ảnh gốc Lena, thủy vân gốc ảnh Lena nhúng thủy vân 42 - Đối với ảnh chủ Mandril Anh goc Anhda thuy van PSNR = 66.1498 Thuy v a n g DC C S Hình 3.2 Ảnh gốc Mandril, thủy vân gốc ảnh Mandril nhúng thủy vân b) Kết modun xác thực toàn vẹn ảnh nhủng thủy vân - Đối với ảnh chủ Lena Anh da thuy van Thuy van tìm duoc SR =1 Anh da thuy van toan yen cscscscscsc cscscscscsc CSCSCSCSCSC CSCSCSCSCSC CSCSCSCSCSC CSCSCSCSCSC CSCSCSCSCSC Hình 5.5 Kết xác thực ảnh thủy vân ảnh Lena ç fç T ç f™ e s e s Ci c s c s c ç r ^ r ç r c Hình 3.4 Kết xác thực ảnh thủy vân ảnh Mandril 43 Các kết thực nghiệm chứng tỏ lược đồ học viên đề xuất đạt yêu cầu đề Thủy vân gốc biến đổi Hankel để trở thành ma trận nhúng đầy vào toàn băng LL3 phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc mức Sau thủy vân tìm lại ma trận với phần tử thủy vân gốc Qua thấy lược đồ bền vững xác định 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 kiến thức tổng quan kỹ thuật thủy vân số, đặc biệt kỹ thủy vân dựa vào phép biến đổi rời rạc - Phát triển lược 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 chương trình thử nghiệm cài đặt lược đồ đề cập Kết thử nghiệm cho thấy lược đồ thủy vân phát triển đạt 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 vẩn đề chọn lọc công nghệ thông tin lần thứ 7, Đà Nằng, 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 sổ kỹ thuật giấu tin ứng dụng, Luận án tiến sĩ toán học (2009) [4] Bùi Thế Hồng, Nguyễn Văn Tảo (2007) kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đối sóng nhỏ rời rạc ma trận số giả ngẫu nhiên, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Tập 45 - số 03 [5] Lê Tiến Thường, Nguyễn Thanh Tuấn, Giải pháp hiệu dùng kỹ thuật watermarking cho ứng dụng bảo vệ quyền ảnh số, Tạp chí bưu 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 [...]... thuỷ vân tương ứng Thao tác này dẫn đến chất lượng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân bị ảnh hưởng đáng kể 2.2.1.3 Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đối DCT kết hợp với ma trận số giả ngẫu nhiên a) Quá trình nhúng thủy vân Yào: - Thủy vân: Một ảnh nhị phân Ra: Một ảnh gốc F - Ảnh đã nhúng thủy vân Fw Thực hiện: 1 Ảnh gốc có kích thước mxn sẽ được chia thảnh (mxn)/64 khối 8x8, 2 Áp dụng biến đổi DCT cho từng... các bài, các cảnh Sự khác biệt này ảnh hưởng 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 trưng khác nhau 3 Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất... gốc giả hoặc dữ liệu đã được 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 bổ sung sao cho thủy vân mới không thể phân biệt được với thủy vân ban đầu Tấn công loại bỏ: nhằm mục đích phân tích để xác định ra thủy vân hoặc dữ liệu gốc, tách dữ liệu đã được nhúng thủy vân thành dữ liệu gốc và thủy vân Tuy nhiên sự phân biệt trên nhiều... 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 1 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 được tổng hợp bởi phép biến đổi ngược IDWT thành ảnh chứa thuỷ vân 2.2.2.2 Kỹ thuật. .. kích thước ảnh, - Kỹ thuật thủy vân phụ thuộc vào tính chất hệ thống thị giác con người, - Khi giải tin có thể cần ảnh gốc Ngoài một số đặc điểm chung ra, kỹ thuật thuỷ vân số được phân biệt với kỹ thuật giấu tin mật ở những đặc trưng 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 mật nhưng đối với kỹ thuật thuỷ vân thì chỉ... thể làm cho thuỷ vân bị sai lệch rất nhiều Chúng ta cũng có thể thuỷ vân một bức ảnh nhỏ, khi đó sẽ là ảnh trong ảnh Khi giải tin thì một số điểm ảnh có thể sai nhưng hình tổng thể sẽ được giữ nguyên Trong những kỹ thuật gần đây, người 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... nhúng thủy vân 3 Gọi b là bít thủy vân cần tìm Gọi X P N 0 là hệ số tương quan giữa X với PNO và X_PN 1 là hệ số tương quan giữa X với PN 1 Quy tắc ừích thủy vân thực hiện như sau Nếu X P N 0 > X_PN1 thì b = 0 Ngược lại thì b = 1 4 Ghép các bít thủy vân đã tìm được thảnh một vector 2.2.2 Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sống nhỏ rời rạc 2.2.2.1 Đặc điểm của phép biến đổi DWT trên ảnh hai chiều Kỹ thuật. .. loại thuỷ vân “dễ vỡ” Còn đối với loại thuỷ vân bền vững thì lại yêu cầu chống lại được những phép biến đổi thông thường trên ảnh Thuỷ vấn ẩn hay thuỷ vân hiện ? Không giống như giấu tin mật với yêu cầu bắt buộc là thông điệp giấu phải ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thường không nhìn thấy được thì kỹ thuật thuỷ vân số lại có hai loại là thuỷ vân ẩn và thủy vân hiển Nghĩa là có loại thuỷ vân cho phép nhìn... 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 như sau Nếu bít thủy vân W(/)=0 thì X = X + k* PNO Nếu bít thủy vân W(ỉ)= 1 thì X = X + k* PN 1 7 Áp dụng biến đổi ngược 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... không gian các điểm ảnh Có nhiều phép biến đổi cho dữ liệu ảnh trong đó có một số phương pháp biến đổi được sử dụng rất phổ biến như phép biến đổi Fourier rời rạc, Cosin rời rạc, sóng nhỏ rời rạc 20 Chương 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN ẢNH SỐ D ựA VÀO CÁC PHÉP BIỂN ĐỔI RỜI RẠC Thuỷ vân trên ảnh số giống như một ảnh được “dán tem” sở hữu của người chủ Thuỷ vân phải mang thông tin có ý nghĩa xác định duy nhất