Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và ứng dụng watermarking trong xác thực ảnh y tế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM NGỌC MỸ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM NGỌC MỸ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số : 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. HUỲNH HỮU HƯNG Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Phạm Ngọc Mỹ ii TÓM TẮT NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ Học viên: Phạm Ngọc Mỹ. Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01. Khóa: 31. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Kỹ thuật Watermarking mô tả phương pháp và công nghệ giấu thông tin trong phương tiện truyền thông kỹ thuật số, kỹ thuật watermarking được áp dụng một cách hiệu quả cho hình ảnh y tế và nó được sử dụng để nhúng các thông tin bệnh nhân vào hình ảnh y tế và có được hiệu quả là trích lại thông tin hình ảnh y tế, tránh được sửa đổi không cần thiết bởi người trái phép. Những vấn đề này được giải quyết thông qua watermarking, để bác sĩ có thể chẩn đoán hình ảnh y tế và đảm bảo an toàn hơn. Các thông tin bệnh nhân sẽ được nhúng vào hình ảnh y tế mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng hoặc nội dung gốc của hình ảnh y tế. Chương trình watermarking dựa trên nền tảng Discrete Wavelet Transform (DWT) được sử dụng cho hình ảnh y tế và được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB. Phương pháp đề xuất là cung cấp số liệu hiệu suất MSE và PSNR có giá trị tốt hơn so với các phương pháp hiện có. Trên đây là tóm tắt các kết quả đạt được của luận văn và hướng phát triển tiếp theo. Từ khóa – Hình ảnh watermarking, Discrete Wavelet Transform (DWT), MATLAB, PSNR, MSE. Abstract - Watermarking techniques describe methods and technologies for hiding information in digital media. Watermarking techniques are effectively applied to medical images and are used to embed information. Patients into the medical image and get the effect is to extract medical image information, avoid unnecessary modifications by unauthorized people. These problems are addressed through watermarking, so that the doctor can diagnose medical imaging and be safer. Patient information will be embedded into the medical image without compromising the quality or original content of the medical image. The watermarking program is based on the Discrete Wavelet Transform (DWT) platform used for medical imaging and is simulated by MATLAB software. The proposed method is to provide better MSE and PSNR performance data than existing methods. Above is a summary of the results of the thesis and the direction of the next development. Keywords - Image watermarking, Discrete Wavelet Transform (DWT), MATLAB, PSNR, MSE. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i TÓM TẮT....................................................................................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................ vii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 1 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................ 2 6. Bố cục của luận văn ............................................................................................ 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING .................................................. 3 1.1. GIỚI THIỆU WATERMARK (GIẤU TIN) ............................................................ 3 1.1.1. Khái niệm ........................................................................................................... 3 1.1.2. Phân loại giấu tin ............................................................................................... 3 1.2. TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING .................................................................. 8 1.2.1. Khái niệm ........................................................................................................... 8 1.2.2. Phân loại ............................................................................................................ 8 1.2.3. Mô hình [1] .......................................................................................................... 9 1.2.3.1. Giai đoạn nhúng .......................................................................................... 9 1.2.3.2. Giai đoạn phân bố..................................................................................... 10 1.2.3.3. Giai đoạn trích .......................................................................................... 11 1.2.3.4. Giai đoạn quyết định ................................................................................. 12 1.2.4. Một số ứng dụng [12] ......................................................................................... 13 1.2.4.1. Bảo vệ quyền sở hữu ................................................................................. 13 1.2.4.2. Xác nhận thông tin ảnh và tình trạng nguyên vẹn dữ liệu ........................ 13 1.2.4.3. Theo dõi quá trình sử dụng ....................................................................... 14 1.2.4.4. Kiểm tra giả mạo....................................................................................... 14 1.2.4.5. Truyền tin bí mật ....................................................................................... 14 1.2.5. Một số yêu cầu của thủy vân ........................................................................... 14 CHƯƠNG 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ .............................................................................................................................. 18 2.1. CÁC KHUYNH HƯỚNG TIẾP CẬN CỦA KỸ THUẬT WATERMARKING [5] [12] ............................................................................................................................ 18 2.1.1. Kỹ thuật thủy vân trên miền không gian ảnh ................................................... 18 iv 2.1.2. Quá trình chèn thủy vân vào ảnh ..................................................................... 19 2.1.3. Quá trình phát hiện watermark ........................................................................ 19 2.1.4. Kỹ thuật thủy vân dùng phép biến đổi DCT .................................................... 19 2.1.5. Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DWT ........................................................... 22 2.1.5.1. Quá trình nhúng ........................................................................................ 23 2.1.5.2.Quá trình trích............................................................................................ 24 2.1.6. Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DWT .......................................................... 25 2.2. KỸ THUẬT THỦY VÂN DÙNG BIẾN ĐỔI DWT TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ .............................................................................................................................. 25 2.2.1. Nhúng Thuật toán: ........................................................................................... 25 2.2.2. Khai thác thuật toán ......................................................................................... 28 2.3. KỸ THUẬT THỦY VÂN DÙNG BIẾN ĐỔI DWPT TRONG HỒ SƠ BỆNH NHÂN ĐIỆN TỬ........................................................................................................... 28 2.3.1. Tạo hình mờ ..................................................................................................... 29 2.3.2. Phương pháp nhúng Watermark ...................................................................... 29 2.3.3. Phương pháp trích xuất bằng watermark ......................................................... 31 2.4. ĐÁNH GIÁ NHẬN XÉT ....................................................................................... 32 2.5. TẤN CÔNG THỦY VÂN ...................................................................................... 34 2.5.1. Khái quát tấn công thủy vân ............................................................................ 34 2.5.2. Vấn đề bảo mật ................................................................................................ 36 2.5.3. Tấn công cố ý ................................................................................................... 36 2.5.3.1. Tấn công loại bỏ........................................................................................ 36 2.5.3.2. Tấn công hình học ..................................................................................... 37 2.5.3.3. Tấn công mã hóa ....................................................................................... 37 2.5.3.4. Tấn công giao thức.................................................................................... 38 CHƯƠNG 3. TRIỂN KHAI WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ 39 3.1. WATERMARKING ĐỐI VỚI HÌNH ẢNH Y TẾ ................................................ 39 3.2. ỨNG DỤNG THỰC NGHIỆM: ............................................................................ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 51 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi consin rời rạc DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc DWPT Discrete Wavelet Packet Transform Biến đổi gói tin wavelet rời rạc HVS Human Visual System Hệ thống thị giác ở người IDWT Inverse Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelet rời rạc nghịch MSE Mean Square Error Sai lệch trung bình bình phương PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu SVD Singular Value Decomposition Biến đổi giá trị số ít EPR Electronic patient record Hồ sơ bệnh án điện tử DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine Tiêu chuẩn Kỹ thuật Số và Truyền thông trong Y học ECC Error Correcting Code Lỗi sửa chữa mã NC Normalized correlation coefficient Hệ số tương quan bình thường BER Bit error rate Tốc độ bit lỗi QF Quality factors Chất lượng các yếu tố vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1. 2.1. 2.2. 2.3. 3.1. Tên bảng Trang So sánh giữa giấu tin mật và thủy vân số Đánh giá chất lượng ITU-R BT.500-13 theo cấp độ từ 1 đến 5 Các tấn công lên ảnh đã thủy vân Phân loại tấn công cố ý So sánh các MSE và PSNR 5 33 35 36 43 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. Tên hình (a) Hình ảnh XQ (b) Hình ảnh CT Scan (c) Hình ảnh CT Scan (d) Hình ảnh MRI Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin Lược đồ chung cho quá trình giấu tin Lược đồ chung cho quá trình tách thông tin Lược đồ chung cho quá trình thủy vân Mô hình tổng quát của giai đoạn nhúng dữ liệu vào ảnh số Mô hình phân phối ảnh sau khi được nhúng thông tin thủy vân Mô hình trích ảnh thủy vân Giai đoạn phát hiện thủy vân. Sơ đồ khối quá trình thủy vân dùng biến đổi DCT Khối 8x8 đầu tiên của ảnh “Rừng cây” Sơ đồ thủy vân tổng quát dùng phân tích DWT Kết quả phân tích DWT ảnh gốc Biểu đồ các thuật toán nhúng DWT DWPT cho hai cấp Thuật toán nhúng watermark Thuật toán trích xuất watermark Kết quả mô phỏng 1 trong tổng số DWT dựa trên hình ảnh y tế watermarking Kết quả mô phỏng 2 của DWT dựa trên hình ảnh y tế watermarking Kết quả mô phỏng 3 của DWT dựa trên hình ảnh y tế watermarking Kết quả mô phỏng 4 của DWT dựa trên hình ảnh y tế watermarking Biểu đồ hình cột Hình ảnh XRAY Giao diện màn hình Watermark ảnh y tế Giao diện chèn Watermark Giao diện Nhập Thông tin đường dẫn và Thông tin bệnh nhân Kết quả thực thi Giao diện trích xuất watermark Giao diện Hiển thị thông tin trích xuất Hình ảnh XRAY đã chèn thông tin Trang 3 4 6 7 9 10 11 12 13 20 20 23 23 26 29 30 31 39 40 40 41 42 44 45 46 47 48 48 49 49 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việc trao đổi thông tin, xuất bản thông tin trên Internet có nhiều nguy cơ không an toàn do thông tin có thể bị lộ hay bị sửa đổi hay bị vi phạm bản quyền. Nói chung, để bảo vệ các thông tin trên khỏi sự truy cập, sử dụng trái phép cần phải kiểm soát được những việc chính sau: thông tin được tạo ra, lưu trữ và truy nhập như thế nào, ở đâu, bởi ai và vào thời điểm nào. Như vậy việc quản lý bản quyền số đang là bài toán không dễ dàng của nhà quản lý. Trên thực tế, nhu cầu về bảo vệ quyền tác giả, quyền sở hữu cho các thông tin số là rất lớn. Digital watermarking (Phương pháp Thủy Vân số) là một phương pháp hiệu quả bởi vì nó cho phép chủ sở hữu nội dung số có thể nhúng và giấu những bằng chứng về bản quyền của mình, từ đó có thể xác định được quyền sở hữu, phát hiện ra việc sử dụng trái phép mà vẫn không làm ảnh hưởng đến nội dung của nội dung số. Với các tính chất đặc thù của mình Digital watermarking rất thích hợp với việc bảo vệ bản quyền tác giả. Kỹ thuật Watermarking đã phát triển cho watermarking hình ảnh y tế và nó được sử dụng để nhúng các thông tin bệnh nhân vào hình ảnh y tế và có thể được hiệu quả trích lại thông tin. Hình ảnh y tế hoặc các thông tin y tế (như CT, scan, MRI Scan ảnh, vv…) cần phải được an toàn hơn và đáng tin cậy. Các thông tin y tế cần phải được an toàn và ngăn chặn từ sửa đổi bởi người trái phép và cũng thay thế các báo cáo của một người khác. Những vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách ẩn các thông tin bệnh nhân trong các hình ảnh y tế của watermarking cách tiếp cận, để bác sĩ có thể chẩn đoán hình ảnh y tế và cũng có thể nó là an toàn hơn. Khi đóng dấu hình ảnh y tế được thực hiện, một sự chăm sóc đặc biệt là cần thiết, để các nội dung y tế không bị xáo trộn hoặc bị mất. Các thông tin bệnh nhân được nhúng vào hình ảnh y tế mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng hoặc nội dung gốc của hình ảnh y tế. Xuất phát từ yêu cầu của thực tế, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng watermarking trong xác thực ảnh y tế” nhằm mục đích hướng tới một phần nhiệm vụ bảo vệ bản quyền thông tin số. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu và ứng dụng watermarking trong xác thực ảnh y tế. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật watermarking cho ảnh y tế. 2 3.2. Phạm vi nghiên cứu Dữ liệu được xử lý là file ảnh tĩnh (CT scan, MRI Scan ảnh…). 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1. Phương pháp lý thuyết Nghiên cứu các tài liệu, bài báo, kỹ thuật liên quan nhằm đề xuất các phương pháp xác thực ảnh y tế. 4.2. Phương pháp thực nghiệm Cài đặt và nghiên cứu. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 5.1. Về mặt khoa học Nghiên cứu các phương pháp phù hợp để xác thực ảnh y tế. 5.2. Về mặt thực tiễn Xác thực bảo vệ tính riêng tư, bản quyền của ảnh y tế. 6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Cấu trúc luận văn chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật watermarking trình bày cơ bản các khái niệm liên quan đến watermark, watermarking, phân loại watermarking, mô hình watermarking và các ứng dụng của watermarking. Chương 2: Một số kỹ thuật watermarking trong xác thực ảnh y tế trình bày các khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật watermarking, kỹ thuật watermarking dùng biến đổi wavelet cho xác thực ảnh y tế, các dạng tấn công watermarking. Chương 3: Triển khai watermarking trong xác thực ảnh y tế trình bày watermarking đối với hình ảnh y tế, phương pháp DWT, kỹ thuật sử dụng, khai thác thuật toán cũng như kết quả thực nghiệm. Kết luận và hướng phát triển 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING Chương này giới thiệu tổng quan về kỹ thuật watermark, watermarking và các phương pháp đánh giá chất lượng phục vụ cho quá trình nghiên cứu và thực hiện các kỹ thuật này. 1.1. GIỚI THIỆU WATERMARK (GIẤU TIN) 1.1.1. Khái niệm Watermark là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu khác. (a) (b) (c) (d) Hình 1.1. (a) Hình ảnh XQ (b) Hình ảnh CT Scan (c) Hình ảnh CT Scan (d) Hình ảnh MRI 1.1.2. Phân loại giấu tin Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên các tiêu chí khác nhau: 4 Steganography Giấu tin mật Theo khuynh hướng Thủy vân Thủy vân số Information hiding Giấu tin Giấu tin trong ảnh Theo môi trường giấu tin Giấu tin trong audio Giấu tin trong video Hình 1.2. Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin - Phân loại theo khuynh hướng giấu tin [15] Kỹ thuật giấu tin nhằm mục đích an toàn và bảo mật thông tin ở hai khía cạnh: bảo mật dữ liệu đem giấu và bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin. Từ hai khía cạnh trên dần dần hình thành hai khuynh hướng chủ yếu của giấu tin: + Giấu tin mật (Steganography): Từ “Steganography” bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp, “stegano” có nghĩa là “covered”, còn “graphien” có nghĩa là “to write”. Như vậy, “steganography” có nghĩa là tài liệu được phủ “covered writing”. Steganography là kỹ thuật nhúng tin mật vào môi trường giấu tin, sao cho thông tin giấu được càng nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó phát hiện được đối tượng có được giấu tin bên trong hay không bằng các kỹ thuật thông thường. + Thủy vân số (Thủy vân): là kỹ thuật nhúng dấu ấn số vào một tài liệu hoặc sản phẩm, nhằm chứng thực nguồn gốc hay chủ sở hữu. 5 Bảng 1.1. So sánh giữa giấu tin mật và thủy vân số Giấu tin mật - Mục đích là bảo vệ thông tin được giấu. - Giấu được càng nhiều thông tin càng tốt, ứng dụng trong truyền dữ liệu thông tin mật. - Thông tin được giấu phải ẩn, không cho người khác thấy được bằng mắt thường. - Chỉ tiêu quan trọng nhất là dung lượng của tin được giấu. Thủy vân số - Mục đích là bảo vệ môi trường giấu tin. - Chỉ cần thông tin đủ để đặc trưng cho bản quyền của chủ sở hữu. - Thông tin giấu có thể ẩn (thủy vân ẩn) hoặc hiện (thủy vân hiện). - Chỉ tiêu quan trọng nhất là tính bền vững của tin được giấu. - Phân loại theo môi trường giấu tin Kỹ thuật giấu tin đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng, nhưng phổ biến ở ba dạng dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio, video. + Giấu tin trong ảnh: kỹ thuật giấu tin trong ảnh hiện nay chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm và hệ thống giấu tin trong đa phương tiện, bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn. Hơn nữa giấu tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng đối với hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật… Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và các viện nghiên cứu trên thế giới. Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại rất nhiều những lợi ích quan trọng trên nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Chẳng hạn như: Chữ kí tay đã được số hoá và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để nhận thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng. Phần mềm MS Word 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. 6 + Giấu tin trong audio: kỹ thuật giấu thông tin trong audio phụ thuộc vào hệ thống thính giác của con người (HAS – Human Auditory System). HAS cảm nhận được tín hiệu ở dải tần rộng và công suất thay đổi lớn, nhưng lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt nhỏ giữa dải tần và công suất. Điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu được các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng. Bên cạnh đó kênh truyền tin hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu. Giấu thông tin trong audio yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn của thông tin. + Giấu tin trong video: Kỹ thuật giấu tin trong video được quan tâm và phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Trong các thuật toán trước đây thường cho phép giấu ảnh vào trong trong video, nhưng gần đây kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào trong video. Kỹ thuật giấu thông tin áp dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con người và đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng chứ không riêng gì dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio hay video. Gần đây đã có một số nghiên cứu giấu tin trong cơ sở dữ liệu quan hệ, các gói IP truyền trên mạng và sau này còn tiếp tục phát triển tiếp cho các môi trường dữ liệu số khác. Phạm vi của đề tài nghiên cứu này chỉ đề cập đến kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh - một kỹ thuật được nghiên cứu chủ yếu nhất hiện nay. - Mô hình giấu tin cơ bản Giấu thông tin vào phương tiện chứa và tách lấy thông tin từ phương tiện chứa là hai quá trình trái ngược nhau. - Giấu thông tin vào phương tiện chứa Quá trình giấu thông tin vào phương tiện chứa được mô tả như sau: Thông tin Phương tiện chứa (audio, ảnh, video) Bộ nhúng thông tin Phương tiện chứa đã được giấu tin Khóa giấu Phân phối Hình 1.3. Lược đồ chung cho quá trình giấu tin Thông tin cần giấu: tuỳ theo mục đích của người sử dụng, nó có thể là thông điệp (với các tin bí mật) hay các logo, hình ảnh bản quyền. Phương tiện chứa: các file audio, video, ảnh,… là môi trường để nhúng tin. 7 Bộ nhúng thông tin: là những chương trình thực hiện việc giấu tin. Khóa dấu tin: khóa dùng để xác thực thông tin. Đầu ra: là các phương tiện chứa đã có tin giấu trong đó. Phương tiện chứa sau khi giấu thông tin có thể được sử dụng, quản lý theo những yêu cầu khác nhau. - Tách thông tin Tách thông tin từ các phương tiện chứa diễn ra theo quy trình ngược lại, với đầu ra là các thông tin đã được giấu vào phương tiện chứa và được mô tả như sau: Khóa giấu tin Phương tiện chứa đã được giấu tin Bộ giải mã tin Phương tiện chứa (audio, ảnh, video) Thông tin giấu Kiểm định Hình 1.4. Lược đồ chung cho quá trình tách thông tin Sau khi nhận được phương tiện chứa có giấu thông tin, quá trình giải mã được thực hiện thông qua bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khoá của quá trình nhúng. Kết quả thu được gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Thông tin đã giấu sẽ được xử lý kiểm định so sánh với thông tin ban đầu. - Tiêu chí đánh giá kỹ thuật giấu tin trong ảnh [15] + Tính vô hình Kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống thị giác của con người. Tính vô hình hay không cảm nhận được của mắt người thường giảm dần ở những vùng ảnh có màu xanh tím, thủy vân ẩn thường được chọn giấu trong vùng này. + Khả năng chống giả mạo Một trong những mục đích của giấu tin là truyền đi thông tin mật. Nếu không thể do thám tin mật, thì kẻ địch cũng cố tìm cách làm sai lệch tin mật, làm giả mạo tin mật để gây bất lợi cho đối phương. Phương pháp giấu tin tốt phải đảm bảo tin mật không bị tấn công một cách chủ động trên cơ sở những điều hiểu biết thuật toán nhúng tin và có ảnh mang (nhưng không biết khóa giấu tin). Đối với giấu tin thì khả năng chống giả mạo là yêu cầu vô cùng quan trọng, vì có như vậy mới bảo vệ được bản quyền, minh chứng tính pháp lý của sản phẩm. 8 + Dung lượng giấu Dung lượng giấu tin được tính bằng tỉ lệ của lượng thông tin cần giấu so với kích thước ảnh mang tin. Các phương pháp đều cố gắng giấu được nhiều tin trong ảnh nhưng vẫn giữ được bí mật. Tuy nhiên trong thực tế người ta luôn phải cân nhắc giữa dung lượng và các tiêu chí khác như tính vô hình, tính bền vững. + Tính bền vững Sau khi giấu tin vào ảnh mang, bản thân ảnh mang có thể phải trải qua các biến đổi khác nhau như lọc (tuyến tính, phi tuyến tính), thêm nhiễu, làm sắc nét, mờ nhạt, quay, nén mất dữ liệu,… tính bền vững là thước đo sự nguyên vẹn của tin mật sau những biến đổi như vậy. + Độ phức tạp tính toán Độ phức tạp của thuật toán giấu tin và giải tin (tách tin) cũng là một chỉ tiêu quan trọng, chỉ tiêu này cho chúng ta biết tài nguyên (thời gian và bộ nhớ) dùng cho một phương pháp giấu tin. Với chủ nhân giấu tin thì thời gian thực hiện phải nhanh, nhưng với kẻ thám tin thì tách tin phải là bài toán khó. Ví dụ bài toán tách tin từ thủy ấn để đánh dấu bản quyền cần phải là bài toán khó, thì mới bền vững trước sự tấn công của tin tặc nhằm phá hủy thủy vân. 1.2. TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING 1.2.1. Khái niệm Watermarking (thủy vân) là kỹ thuật nhúng “dấu ấn số” (watermark – tin giấu) vào một sản phẩm số (audio, video, ảnh), mà tin giấu này có thể được phát hiện và tách ra sau đó, nhằm chứng thực (đánh dấu, xác thực) nguồn gốc hay chủ sở hữu của sản phẩm số này. 1.2.2. Phân loại Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau: - Phân loại theo khả năng cảm nhận: Thủy vân ẩn là các thủy vân không thể nhìn thấy được bằng mắt thường. Thủy vân hiện là thủy vân có thể nhìn thấy được bằng mắt thường. - Phân loại theo tính bền vững: Thủy vân bền vững là loại thủy vân nhúng theo phương pháp rất khó phá hủy. Việc tấn công thủy vân số trong trường hợp này sẽ làm giảm chất lượng của thông tin. Nói cách khác thì nếu phá hủy thủy vân thì đồng thời sẽ phá hủy đối tượng mang. Thủy vân dễ vỡ là loại thủy vân đảm bảo tính toàn vẹn cho nội dung thông tin nên bất kỳ sự thay đổi nào cũng có thể làm cho thủy vân bị hỏng. 9 - Phân loại theo hướng tiếp cận: Thủy vân miền không gian là kỹ thuật nhúng thủy vân trực tiếp vào vùng không gian dữ liệu ảnh. Thủy vân miền tần số là kỹ thuật nhúng thủy vân vào vùng biến đổi tần số của dữ liệu ảnh. 1.2.3. Mô hình [1] Thủy vân không nhìn thấy thường được dùng cho ảnh (nhúng dữ liệu vào trong ảnh gốc). Quá trình xử lý ảnh khái quát được mô tả trong Hình 1.5. Ảnh gốc được thêm vào dữ liệu ký số để tạo nên ảnh nhúng thủy vân. Để đảm bảo tính trong suốt của dữ liệu nhúng, sự méo dạng ảnh trong quá trình nhúng phải nhỏ. Ảnh gốc Bộ nhúng Ảnh đã nhúng thủy vân Méo dạng do tấn công Ký số Khóa So sánh (tính tương quan) Trích ký số Ảnh sau tấn công Bộ trích Ảnh gốc Hình 1.5. Lược đồ chung cho quá trình thủy vân Để thấy những khía cạnh khác nhau trong kỹ thuật thủy vân, tùy thuộc vào những ứng dụng riêng biệt và những điều kiện cần của ứng dụng, ta phải cải tiến mô hình thủy vân tổng quát và có cái nhìn về những giai đoạn liên tiếp của quá trình xử lý thủy vân bao gồm những giai đoạn như sau: - Giai đoạn nhúng (embedding). - Giai đoạn phân bố (distribution). - Giai đoạn trích (extraction). - Giai đoạn quyết định (decision). 1.2.3.1. Giai đoạn nhúng Trong giai đoạn nhúng, ảnh chủ được biến đổi đến miền thuận tiện cho việc nhúng dữ liệu. Một số phương pháp khác cũng có thể thực hiện được như DCT (Discrete Cosine Transform) hoặc là DFT (Discrete Fourier Transform). 10 Dữ liệu ký số (còn gọi là thông điệp) có thể là dữ liệu nhị phân, một ảnh nhỏ (logo) hoặc là một giá trị khởi đầu cho một bộ sinh số ngẫu nhiên giả để tạo ra một chuỗi số cùng với phân bố xác định (ví dụ là phân bố Gaussian hoặc phân bố đều). Các hệ số biến đổi được biến đổi sao cho phù hợp với dữ liệu của thông điệp. Tốt hơn là phép biến đổi ảnh phải phù hợp với đặc tính cảm nhận về thị giác của người HVS, như vậy sẽ dễ dàng hơn khi gắn vào tín hiệu được nhúng mà không gây ra méo dạng cảm nhận. Lưu ý phải lựa chọn miền biến đổi tần số và các hệ số phù hợp với nhu cầu gắn. Cuối cùng, phép biến đổi ngược dựa trên các hệ số đã được sửa đổi để hồi phục lại ảnh được nhúng. Ảnh gốc Biến đổi ảnh (DCT, DWT..) Hệ thống nhìn (HVS) Ký số Phân tích dữ liệu Các hệ số biến đổi Bộ nhúng dữ liệu Biến đổi ngược ảnh (DCT, DWT..) Ảnh sau khi nhúng thủy vân Khóa Hình 1.6. Mô hình tổng quát của giai đoạn nhúng dữ liệu vào ảnh số 1.2.3.2. Giai đoạn phân bố Ảnh được nhúng thủy vân sau đó sẽ được đem phân bố, ví dụ như đưa lên một trang web hoặc bán cho khách hàng. Trong quá trình truyền và phân bố ảnh, không chỉ có méo dạng do nén tác động vào ảnh gốc, mà còn do lỗi trong quá trình truyền và trong quá trình xử lý ảnh. Đặc biệt là những phép biến đổi hình học như là phép xoay, chỉnh kích thước, cắt bỏ thì thật sự là gây hại cho ảnh nhúng. Tất cả các thao tác tác động lên dữ liệu ảnh nhúng thủy vân được xem như là thao tác tấn công lên thông tin nhúng. Những sự thay đổi xảy ra trong suốt quá trình xử lý ảnh thông thường được gọi là tấn công trùng khớp ngẫu nhiên, trong khi các loại tấn công nhằm làm yếu, loại bỏ hay thay đổi thủy vân thì được gọi là tấn công cố ý. 11 Ảnh sau khi nhúng Nén có tổn hao Truyền ảnh, nhiễu, xử lý ảnh Các tấn công Ảnh sau khi nhúng Các thuật Cải thiện toán đã ảnh, cắt, biết xoay Hình 1.7. Mô hình phân phối ảnh sau khi được nhúng thông tin thủy vân JPEG JPEG2000 1.2.3.3. Giai đoạn trích Sau khi ảnh được nhúng thủy vân và trải qua những méo dạng trong giai đọan phân bố (các loại tấn công) ai đó muốn trích ký số, có thể là người đã nhúng thủy vân, khách hàng nhận ảnh, hoặc kẻ thứ ba (không được phép). Trong trường hợp đầu, khóa bí mật dùng để nhúng thủy vân và cả ảnh gốc được sử dụng, điều này tạo điều kiện thuận lợi rất lớn cho hệ thống thủy vân và việc xác định ký số tương đối dễ làm. Ta gọi hệ thống xác nhận sử dụng khóa bí mật (cá nhân) và ảnh gốc là hệ thống thủy vân nonoblivious, non-blind, private. Những trường hợp khác không sử dụng khóa cá nhân hoặc ảnh gốc trong quá trình trích thông điệp hệ thống này gọi là hệ thống thủy vân khóa công khai (public key). Sơ đồ thủy vân cho phép trích thông điệp không đỏi hỏi ảnh gốc được gọi là sơ đồ thủy vân mù (blind). Phương pháp trích hoặc xác định dựa vào một vài dữ liệu hoặc đặc tính xuất phát từ ảnh gốc được gọi là thuật toán thủy vân bán mù (semi-blind). Tóm lại có 3 phương pháp trích watermark dựa vào mức độ sử dụng ảnh gốc: Blind hoặc obvilious, Semi-blind và non-blind hoặc non-oblivious. Ngoài ra, dựa vào sự cần thiết của loại khóa dùng trong quá trình thủy vân ta phân biệt theo: Khóa cá nhân, khóa công khai và các mô hình thủy vân bất đối xứng khác.