Tài liệu Nghiên cứu sử dụng sử dụng wavelet trong thủy vân ảnh số

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- Phạm Thị Lương NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG WAVELET TRONG THỦY VÂN ẢNH SỐ Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 60.52.0.80 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Lê Hữu Lập Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………….. Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ............... Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 24 KẾT LUẬN 1 LỜI MỞ ĐẦU Thuỷ vân đang là một lĩnh vực được quan tâm và nghiên cứu trên toàn thế giới, trong khuân khổ luận văn này tác giả đã nghiên cứu về kỹ thuật thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc. Tác giả đã thu thập, khảo sát và tiến hành xây dựng cài đặt chương trình thử nghiệm chương trình kỹ thuật thuỷ vân trên Matlab. Đây là một công cụ hỗ trợ mạnh cho việc xử lý ảnh. Chương trình đã sử dụng thuật toán nhúng được thông tin vào trong một file ảnh và lấy thông tin từ các file ảnh có chứa thông tin trong đó. Thông tin được giấu là một bức ảnh có tác dụng bảo vệ bản quyền. Từ đó chúng ta có cái nhìn thực nghiệm về kết quả của thuật toán để có những đánh giá, so sánh tốt hơn. HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN Kỷ nguyên thông tin số hình thành do sự bùng nổ của Internet và các phương tiện multimedia, những vấn nạn như ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép... ngày càng gia tăng, đòi hỏi phải không ngừng tìm các giải pháp mới, hữu hiệu cho an toàn và bảo mật thông tin. Cùng với đó là nhu cầu được bảo vệ bản quyền tác giả, quyền sở hữu trí tuệ được pháp luật công nhận đối với các sản phẩm số, đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu phải tìm ra một phương pháp hữu hiệu. Dựa trên kết quả tìm hiểu, nghiên cứu và thực nghiệm bằng chương trình Matlab tác giả nhận thấy thủy vân ảnh số sử dụng phép biến đổi Wavelet là một phương pháp tương đối tốt, tuy thời gian xử lý chậm nhưng lại bền vững hơn so với phương pháp thủy vân DCT nên có thể áp dụng tốt trong một số ứng dụng đòi hỏi thủy vân bền vững, đặc biệt là ứng dụng bảo vệ bản quyền tác giả. Vì vậy, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo có thể là: - Nghiên cứu cải tiến thuật toán để khắc phục những nhược điểm còn tồn tại của thủy vân DWT - Nghiên cứu tối ưu thuật toán cho một ứng dụng tốt nhất thể để đạt được hiệu quả cao. Thủy vân số là một phương pháp mới dựa trên lý thuyết tổng hợp của nhiều lĩnh vực khác nhau như mật mã học, lý thuyết thông tin, lý thuyết truyền thông, xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh...đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới nhằm đáp ứng yêu cầu cấp thiết này. 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 một mình 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. Trên cơ sở đó, cùng với sự hướng dẫn tận tình của GS.TSKH Nguyễn Ngọc San, tôi đã tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành luận văn với đề tài: “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG WAVELET TRONG THỦY VÂN ẢNH SỐ“. Kết quả nghiên cứu được chương mục hóa trong phần nội dung như sau: 2 Chương 1. Giới thiệu tổng quan về lịch sử hình thành và phát triển của thủy vân số, khái niệm, các đặc tính của thủy vân số và phương pháp tiếp cận lĩnh vực thủy vân số. Chương 2. Tập trung vào cơ sở lý thuyết và thuật toán thủy vân ảnh số sử dụng phép biến đổi Wavelet. Chương 3. Trình bày các ứng dụng tiêu biểu của thủy vân số đang được quan tâm nhiều. Chương 4. Trình bày chương trình thực nghiệm mô phỏng thuật toán dựa trên Mablab. Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN ẢNH SỐ 1.1 Giới thiệu chương Trong chương này, luận văn sẽ trình bày những vấn đề tổng quan về thủy vân số, bao gồm: Lịch sử ra đời, khái niệm và so sánh thủy vân số với các kỹ thuật giấu tin khác như mã hóa, giấu tin mật. Đồng thời luận văn cũng trình bày các yêu cầu cơ bản và các đặc tính của hệ thủy vân ảnh số; các kỹ thuật thủy vấn số cơ bản và các tấn công có thể xảy ra trên hệ thống thủy vân. 1.2 Tổng quan về các kĩ thuật giấu tin Hình 1-1: Phân loại các phương pháp trong ngành mật mã 23 4.3.2 Đánh giá kết quả Trong quá trình thuỷ vân ta sử dụng khoá K làm trạng thái cho bộ sinh chuỗi giả ngẫu nhiên. Bằng thực nghiệp cho thấy: Nếu giá trị khoá K càng lớn thì chất lượng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân càng kém. Khi ta thay đổi giá trị khác nhau của khoá K trên cùng một ảnh chủ và watermark sẽ thấy sự khác nhau của chất lượng ảnh sau khi thuỷ vân bằng cách quan sát trực quan và qua giá trị độ lớn của nhiễu nền psnr (tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng của ảnh được thuỷ vân và các ảnh bị tấn công dựa vào tỷ số giữa giá trị cực đại của tín hiệu và độ lớn của nhiễu nền PSNR – Peak Signal To Noise). Phương pháp thuỷ vân ở miền DWT bền vững hơn nhiều (giá trị tương quan lớn hơn) so với thực hiện ở miền DCT, nhất là trong các tấn công nén JPEG2000, lọc trung bình, lọc Gaussian, lọc sắc nét và co dãn ảnh. Trong quá trình khôi phục watermark, xuất hiện hai loại lỗi: Lỗi không phát hiện được và lỗi phát hiện sai. Về mặt thời gian: Quá trình thuỷ vân bằng kỹ thuật DWT được thực hiện chậm hơn so với thuỷ vân bằng kỹ thuật DCT. Kết quả so sánh này được rút ra khi sử dụng trên một máy tính, ảnh chủ và ảnh thuỷ vân giống nhau. Ta thấy kết quả thuỷ vân tìm lại được trong kỹ thuật thuỷ vân DWT rõ nét hơn so với kỹ thuật thuỷ vân DCT. Nhìn chung kỹ thuật thuỷ vân trong miền DWT tuy mất nhiều thời gian nhưng mức độ cảm thụ vẫn chấp nhận được và bền vững hơn so với kỹ thuật thuỷ vân DCT (thuỷ vân tìm lại rõ nét hơn). Vì vậy với những mục đích của việc thuỷ vân trên ảnh đã được đưa ra trong phần đầu thì kỹ thuật thuỷ vân trong miền DWT nên được sử dụng. 4.5 Kết luận chương 22 - Thời gian thực hiện: 13.0885 s  Hệ số nhúng k = 20 - Thời gian thực hiện: 6.9576 s SNR Signal to Noise Ratio: 2.2571 db PSNR Peak Signal to Noise Ratio: 7.5664 db - Thời gian thực hiện: 12.4333 s 3 Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, đặc biệt là sự bùng nổ của Internet và các phương tiện multimedia mang lại nhiều thuận lợi nhưng lại xẩy ra những vẫn nạn như ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy cập thông tin trái phép… gia tăng, đòi hỏi không ngừng phải tìm các giải pháp mới đảm bảo cho sự an toàn và bảo mật thông tin. 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 và gửi đi, người nhận được sẽ giải mã thông tin nhờ khoá của hệ mật mã. Có nhiều hệ mã phức tạp được sử dụng như DES, RSA, NAPSACK…mang lại hiệu quả cao. Bên cạnh đó, một phương pháp được sử dụng mang lại nhiều lợi ích tối ưu đó là kỹ thuật giấu tin (DataHiding). Có thể coi giấu tin là một nhánh của ngành mật mã với mục tiêu là nghiên cứu các phương pháp che giấu thông tin mật. 1.2.1 Mật mã và giấu thông tin Mật mã (Cryptography hay Secret Writing) là phương pháp gửi thông điệp dưới những hình thức khác nhau sao cho chỉ có người nhận mong đợi mới bỏ đi che giấu để đọc được thông điệp. Thông điệp muốn gửi đi gọi là bản rõ. Thông điệp bị che giấu gọi là bản mã hóa. Sau khi người nhận loại bỏ che giấu để đọc thông tin thì thông điệp không còn được bảo vệ nữa. Giấu thông tin là kỹ thuật nhúng (emberdding) 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 thông tin làm cho các thông tin hiện rõ là nó có được mã hoá hay không, giấu thông tin thì lại khác, người ta khó phát hiện trong đối tượng đó có thông tin được giấu hay không. Giấu thông tin và mã hóa thông tin tuy cùng có mục đính là để đối phương không 4 phát hiện ra tin cần giấu, nhưng chúng khác nhau ở chỗ: Mã hóa thông tin là giấu đi ý nghĩa của bản thông tin được mã hóa, trong khi đó giấu thông tin lại là giấu đi sự hiện diện của thông tin được giấu. 1.2.2 Giấu tin mật và thủy vân số Giấu tin mật (Steganography tức giấu tin, viết phủ) là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng các mẩu tin mật vào một môi trường phủ. Trong quá trình giấu tin, để tăng bảo mật có thể dùng một khoá viết mật, người ta gọi đó là Intrinsic Steganography (giấu tin có xử lý). Khi đó, để giải mã người dùng cũng phải có khoá viết mật đó. Chú ý rằng khoá này không phải là khoá dùng để lập mật mã mẩu tin, ví dụ nó có thể là khoá để sinh ra hàm băm phục vụ việc rải tin vào môi trường phủ. Thủy vân số (Digital Watermarking) là kỹ thuật nhúng “dấu ấn số” (Watermark – tin giấu) vào một sản phẩm số (text, image, audio, video), 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 phầm số này. So sánh thủy vân số với giấu tin mật Mặc dù thủy vân số (Watermarking) và giấu tin mật (steganography) cùng nằm trong lĩnh vực nghiên cứu nhằm che dấu đi sự hiện diện của thông tin nhưng chúng có một số đặc điểm khác biệt: Steganography Watermarking - Mục đích là bảo vệ thông tin - Mục đích là bảo vệ môi được giấu. trường giấu tin. - Giấu được càng nhiều thông - Chỉ cần thông tin đủ để đặc tin càng tốt, ứng dụng trong trưng cho bản quyền của chủ truyền dữ liệu thông tin mật. sở hữu. - Thông tin được giấu phải ẩn, không cho người khác thấy - Thông tin giấu có thể ẩn được bằng mắt thường. (invisible Watermarking) hoặc - Chỉ tiêu quan trọng nhất là hiện (visible Watermarking). 21  Minh họa kết quả tìm lại thủy vân 4.3 Một số kết quả thực nghiệm khi thay đổi các tham số hệ thống 4.3.1 Kết quả minh họa  Hệ số nhúng k =0.5 - Thời gian thực hiện: 6.9888s SNR Signal to Noise Ratio: 34.2983 db PSNR Peak Signal to Noise Ratio: 39.6076 db 20 Chương 4 - CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM THỦY VÂN ẢNH SỐ SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI WAVELET BẰNG MATLAB 4.1 Giới thiệu chương Trong chương này, luận văn sẽ trình bày các kết quả của chương trình thực nghiệm thuật toán thủy vân ảnh viết bằng MATLAB. Chức năng chính của chương trình là thuỷ vân ảnh và giải thuỷ vân. Đây là một trong những minh chứng cho ứng dụng bảo vệ bản quyền của thủy vân ảnh số. 4.2 Chương trình thực nghiệm trên MATLAB 4.2.1 Chương trình nhúng thủy vân  Chuẩn bị: - Cài đặt Matlab (Phiên bản từ 7.0 trở lên) - Khởi động chương trình Matlab - Chuẩn bị các fie ảnh chủ, ảnh làm thủy vân đặt tại thư mục hiện hành của Matlab  Minh họa kết quả nhúng với hệ số nhúng k=2 4.2.2 Chương trình tìm lại thủy vân  Chuẩn bị: - File ảnh đã thủy vân - Khóa key đã sử dụng ở chương trình nhúng - File ảnh dùng làm thủy vân để so sánh - Hệ số nhúng đã sử dụng - 5 dung lượng của tin được giấu. - Chỉ tiêu quan trọng nhất là tính bền vững của tin được giấu. 1.2.3 Nguồn gốc thủy vân số Thủy vân trên giấy (paper Watermark): Thủy vân trên giấy xuất hiện trong ngành sản xuất giấy cách đây hơn 700 năm. Thủy vân trên giấy (paper Watermark) đầu tiên được tìm thấy có nguồn gốc từ Fabriano, Italy. Thủy vân số (digital Watermark): Khái niệm thủy vân số cũng xuất phát từ khái niệm thủy vân trên giấy. Tuy nhiên, thật khó để nói chính xác khi nào khái niệm “thủy vân số” (digital Watermarking) bắt đầu được nói đến. Năm 1979, Szepanski mô tả một mẫu thông tin số có thể nhúng vào tài liệu nhằm mục đích chống giả mạo. Chín năm sau, Holt và các đồng nghiệp mô tả một phương pháp để nhúng mã định danh vào tín hiệu âm thanh. Tuy nhiên, mãi đến năm 1988, Komatsu và Tominaga mới lần đầu tiên sử dụng cụm từ “digital Watermark”. Nhưng phải đến đầu những năm 90 thì thủy vân số với thực sự nhận được sự quan tâm của công chúng. 1.2.4. Phân loại thủy vân số Có rất nhiều cách phân loại thủy vân số khác nhau:  Theo khả năng cảm nhận, người ta phân thành hai loại thủy vân số sau: - Visible/Perceptible (hữu hình) - Invisible (vô hình)  Theo tính bền vững, ta có ba loại thủy vân số như sau: - Robust Watermarking: - Fragile Watermarking: - Semi-fragile Watermarking:  Theo sự yêu cầu ảnh gốc cho việc tách Watermark, người ta phân thành ba loại thủy vân số như sau: - Blind Watermarking: - Non-blind Watermarking: 6 - Semi-blind Watermarking:  Theo khuynh hướng tiếp cận, người ta phân thành hai loại như sau: Thủy vân miền không gian (Spatial domain): - Thủy vân miền tần số (Frequency domain):  Theo tính phụ thuộc ảnh, chúng ta có hai loại thủy vân số sau: - Image-adaptive (phụ thuộc ảnh): - Image-independent (độc lập ảnh): Dựa vào những đặc trưng, tính chất, ứng dụng của từng kỹ thuật mà người ta phân loại các kỹ thuật thuỷ vân như sau: Watermarking Thủy vân số Hình1-10: Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân Imperceptible Visible 1.3 Yêu cầu và các đặc tính của thủy vân số Fraigile Tùy theo mỗi loại thủy vân, Robust các yêu cầu với chúng cũng có Watermarking Watermarking một số điểm khác biệt: Thuỷ vân hiện Watermarking 1.3.1 Tính bền Thuỷ vững vân ẩn Copyright marking 19 3.2.2 Điều khiển và ngăn chặn sao chép Ta biết rằng sẽ tốt hơn nếu ngăn ngay từ đầu những hành vi bất hợp pháp như sao chép dữ liệu mà không được phép, như vậy nếu có một ứng dụng kiểm soát sao chép ngăn chặn sẽ không cho tạo ra các bản sao bất hợp pháp từ nội dung đã có bản quyền. Mã hóa cũng có thể dùng để cài đặt cho ứng dụng dạng này. Tài liệu được mã hóa với một khóa duy nhất, nếu không có khóa thì không dùng được. Tuy nhiên khóa này được cung cấp theo kiểu khó mà sao chép hay phân phối lại (nhằm hạn chế thấp nhất khả năng khách hàng cho khóa của họ cho người khác xài miễn phí). 3.2.3 Chống giả mạo và gian lận Một ứng dụng khác của thuỷ vân là xác thực ảnh và phát hiện giả mạo. Ảnh số ngày càng được sử dụng như các bằng chứng quan trọng trong điều tra của cảnh sát, bằng chứng trước pháp luật ngày nay, sự giả mạo có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Các tác phẩm kỹ thuật số ngày nay đứng trước nguy cơ bị làm giả nhiều hơn, dễ dàng hơn và tinh vi hơn. Vấn đề là cần xác thực được tính hợp pháp của ảnh này. Thuỷ vân được sử dụng ở đây để xác định xem ảnh là nguyên bản hay đã chịu tác động của con người, bằng các ứng dụng xử lý ảnh. Thuỷ vân được dấu lúc đầu phải mang tính chất không bền vững, để bất kỳ sự thay đổi nhỏ nào tới ảnh cũng có thể làm hỏng thuỷ vân hoặc phát hiện được thay đổi đối với thuỷ vân này. Tuy vậy, thuỷ vân vẫn phải tồn tại với các phép biến đổi ảnh thông thường như chuyển đổi định dạng, lấy mẫu, nén… 3.3 Kết luận chương Đây là tính chất quan trọng nhất của hệ thuỷ vân bền vững. Trong chương 3, luận văn đã trình bày 3 ứng dụng tiêu biểu Thủy vân bền vững Thủy vân “dễ vỡ” Nghĩa là hệ thuỷ vân phải chống lại được các phép biến đổi, hay nhất của thủy vân ảnh số là bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển và tấn công có chủ đích hoặc không có chủ đích lên thuỷ vân. Nhìn ngăn chặn sao chép; chống giả mạo và gian lận. Trong chương sau, chung, một thủy vân phải bền vững với các phép biến đổi như luận văn sẽ trình bày kết quả mô phỏng thuật toán bằng chương trình chuyển đổi tín hiệu A/D (analog to digital – tín hiệu tương tự sang tín thực nghiệm Matlab minh họa ứng dụng bảo vệ bản quyền tác giả. hiệu số) và D/A, các phép nén mất dữ liệu, in, quét, nhiễu trên đường truyền. Với ảnh nói riêng, thủy vân phải bền vững với các phép biến - 18 Output: Ảnh thuỷ vân 2.5 Kết luận chương Chương 3 - CÁC ỨNG DỤNG CỦA THỦY VÂN ẢNH SỐ 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này, luận văn sẽ trình bày một số ứng dụng cơ bản và khả dụng nhất của thủy vân ảnh số. 3.2 Một số ứng dụng cơ bản của thủy vân ảnh số 3.2.1 Bảo vệ bản quyền tác giả Mục đích của thuỷ vân với bảo vệ bản quyền là gắn một “dấu hiệu” vào dữ liệu ảnh mà có thể xác định được người nắm giữ bản quyền. Và ta cũng có thể gắn thêm một dấu hiệu khác gọi là vân tay để xác định người dùng của sản phẩm. Dấu hiệu có thể là một dãy số như mã hàng hoá quốc tế, một message hoặc một logo… Thuật ngữ thuỷ vân xuất phát từ phương thức đánh dấu giấy tờ với một logo từ thời xa xưa với mục đích tương tự. Do các Watermark có thể vừa không thể nhận thấy vừa không thể tách rời tác phẩm chứa nó nên chúng là giải pháp tốt hơn dòng chữ đối với việc nhận ra người sở hữu nếu người dùng tác phẩm được cung cấp bộ dò Watermark. Digimarc cho ảnh là ứng dụng mà ta đang đề cập. Nó được tích hợp vào Photoshop. Khi bộ dò của Digimarc nhận ra một Watermark, nó liên lạc với cơ sở dữ liệu trung tâm trên Internet và dùng thông điệp Watermark như một khóa để tìm thông tin liên lạc cho người sở hữu ảnh. Tính hợp pháp của một ứng dụng lương thiện dễ dàng tìm ra người họ muốn liên lạc để dùng ảnh. Như vậy, nhúng thông tin của người giữ tác quyền của một tác phẩm như là một Watermark. Watermark không chỉ được dùng để chỉ ra thông tin tác quyền mà còn được dùng để chứng minh tác quyền. 7 đổi hình học như phép dịch chuyển, co dãn, hoặc cắt xén. Phương pháp thủy vân số phải đảm bảo sao cho việc không lấy lại được thủy vân tương đương với việc ảnh đã bị biến đổi quá nhiều, không có giá trị thương mại. 1.3.2 Tính bảo mật Sau khi đã được thủy vân ảnh, thì yêu cầu là chỉ cho phép những người có quyền sử dụng được chỉnh sửa và phát hiện được thủy vân. Điều này được thực hiện nhờ vào khóa mã dùng làm khóa trong giải thuật đưa thủy vân vào ảnh số và giải thuật phát hiện ra thủy vân trong ảnh số. 1.3.3 Tính ẩn Việc nhúng thông tin vào ảnh sẽ làm biến đổi ảnh ít hay nhiều. Tính ẩn (trong loại thủy vân ẩn - invisible Watermarking) yêu cầu sự biến đổi ảnh mang là nhỏ nhất có thể. Với các phương pháp thủy vân số tốt sẽ làm cho thông tin được nhúng trở nên vô hình trong ảnh mang, theo nghĩa là người dùng khó có thể nhận ra trong bức ảnh có giấu thông tin bằng mắt thường. Điều này có nghĩa là thủy vân làm ảnh hưởng rất ít đến chất lượng ảnh mang. Trái với thủy vân ẩn, thủy vân hiện (visible Watermarking) không cần tính chất ẩn đối với thủy vân được nhúng. Thực tế, loại thủy vân số này yêu cầu thông tin nhúng vào ảnh phải được nhìn thấy để bảo vệ bản quyền. Trong các loại thuỷ vân thì thuỷ vân ẩn và bền vững được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn vì nó có nhiều ứng dụng lớn. 1.3.4 Dung lượng Đối với giấu tin, chỉ tiêu này gần như là quan trọng nhất vì mục đích của giấu tin là giấu được càng nhiều thông tin càng tốt. Tuy nhiên, đối với thủy vân, chỉ cần một lượng thông tin vừa đủ, chẳng hạn để chứng thực bản quyền, nhúng vào ảnh mang. Với ảnh số, chỉ tiêu này đề cập đến số lượng bit thủy vân có thể nhúng vào ảnh. 8 1.3.5 Tính dễ vỡ Đối với các ứng dụng để phát hiện giả mạo ảnh gốc thì thủy vân nhúng vào phải có tính giòn (fragile) nghĩa là sẽ bị vỡ nếu chịu sự biến đổi mất thông tin. Một cách thực hiện điều này mà vẫn đảm bảo tính ẩn của thủy vân là dấu nó vào các phần dữ liệu ít đáng chú ý về mặt trực giác. Đối với ảnh, đó có thể là các bít thấp của các điểm ảnh (LSB). Loại thủy vân nửa giòn (semi-fragile) được dùng trong việc phân biệt các loại biến đổi mất thông tin đã được sử dụng: Biến đổi mất thông tin nhưng không thay đổi nội dung và biến đổi mất thông tin gây thay đổi nội dung. 1.4 Các miền thủy vân ảnh số Gần đây, đa số các thuật toán Watermarking số được phát triển nhằm mục đích bảo vệ bảo quyền ảnh số và xác minh tình trạng nguyên vẹn dữ liệu. Hầu hết các thuật toán Watermarking đều chuyển đổi ảnh gốc sang một miền mà thuận tiện cho việc nhúng thông tin Watermark nhằm bảo đảm tính bền vững và không nhìn thấy. Có thể chia các kỹ thuật thuỷ vân theo hai hướng tiếp cận chính: Hướng thứ nhất dựa trên miền không gian ảnh tức là tiến hành khảo sát tín hiệu và hệ thống rời rạc một cách trực tiếp trên miền giá trị rời rạc của các điểm ảnh gọi là trên miền biến số độc lập tự nhiên. Hướng thứ hai là sử dụng các phương pháp khảo sát gián tiếp khác thông qua các kỹ thuật biến đổi. Các kỹ thuật biến đổi này làm nhiệm vụ chuyển miền biến số độc lập sang các miền khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rạc sẽ được biểu diễn trong các miền mới với các biến số mới. Sau đó, tìm cách nhúng thuỷ vân vào ảnh bằng cách thay đổi các hệ số biến đổi trong những miền thích hợp để đảm bảo chất lượng ảnh và sự bền vững của thuỷ vân sau khi nhúng. 17 Ảnh sau khi thuỷ vân bị nhiễu nhiều hơn so với ảnh gốc  Qui trình tìm lại thuỷ vân Hình 2-9: Quy trình tìm lại thủy vân  Input: Ảnh đã thủy vân 16 Một ảnh sau khi thuỷ vân, F’  Quy trình nhúng thủy vân Đọc ảnh chủ, thủy vân và khóa bí mật K Dùng DWT, Phân tích ảnh chủ thành băng A1, H1, V1, D1 Đặt khóa K làm giống và sinh 2 chuỗi giả ngẫn nhiên Tại những điểm thủy vân bằng 0, cộng thêm cho giá trị tương ứng của băng H1 và V1 một số giả ngẫu nhiên tương ứng trong hai chuỗi Tổng hợp ảnh chủ bằng IDWT từ các băng A1, D1 và các băng đã nhúng thủy vân H1 và H2 Hình 2-7: Quy trình nhúng thủy vân Ảnh sau khi thủy vân với hệ số k = 6 9 Các phép biến đổi được sử dụng phổ biến là DCT, DFT (Discrete Fourier Transform) và DWT. 1.4.1 Phương pháp Watermarking trong miền không gian ảnh (spatial domain) Watermarking trong miền không gian tín hiệu được khảo sát bằng cách rời rạc trực tiếp. Các giá trị rời rạc của điểm ảnh gọi là miền biến số độc lập tự nhiên. Sau đó tìm cách nhúng thông tin vào ảnh bằng cách thay đổi các giá trị điểm ảnh sao cho không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh và đảm bảo sự bền vững của thông tin nhúng trước những tấn công có thể có đối với bức ảnh đã nhúng. Có hai phương pháp điển hình là phương pháp tách bit có trọng số ít quan trọng nhất (LSB- Least Significant Bit) và phương pháp sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên. 1.4.2 Phương pháp Watermarking dùng biến đổi DCT Biến đổi cosine rời rạc là một công cụ toán học xử lý các tín hiệu như ảnh hay video. Nó sẽ chuyển đổi các tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số và biến dổi ngược lại từ miền tần số quay trở lại miền không gian mà không gây tổn hao đến chất lượng. Lý do chọn biến đổi cosine cho xử lý ảnh số là biến đổi cosine rời rạc yêu cầu ít sự phức tạp tính toán và tài nguyên hơn. 1.5 Các tấn công có thể lên hệ thống thủy vân ảnh số Phương pháp thủy vân phải chống lại một số phép xử lý ảnh thông thường (ví dụ như lỗi khi ảnh truyền đi, nén ảnh,..) và một số tấn công có chủ đích nhằm xuyên tác, phá hoại bức ảnh. Trong thực tế thì thủy vân phải cân đối giữa tính bền vững với các tính chất khác như lượng thông tin dấu, tính ẩn…Dựa trên yêu cầu thực tế của ứng dụng, người ta sẽ lựa chọn phương pháp thủy vân thích hợp nhất. Từ những biến đổi có chủ đích hay không có chủ đích đã biết với thủy vân mà ta có thể phân biệt thành hai nhóm xuyên tạc sau: Một là các biến đổi xem như là nhiễu với dữ liệu, hai là 10 làm mất tính đồng bộ để không thể lấy tin ra được. Một vài phép biến đổi thường gặp: - Biến đổi tín hiệu: Làm sắc nét, thay đổi độ tương phản, màu,.. - Nhiễu cộng, nhiễu nhân,…. - Lọc tuyến tính. - Nén mất thông tin. - Biến đổi affine cục bộ hoặc toàn cục. - Giảm dữ liệu: Cropping, sửa histogram. - Chuyển mã (gif  Jpeg) - Chuyển đổi tương tự - số - Thuỷ vân nhiều lần. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp thuỷ vân là đảm bảo đủ tính bền vững sao cho các tấn công không làm cho giá trị thương mại của ảnh gốc bị ảnh hưởng. 1.6 Các phương pháp tiếp cận nhằm tạo Watermarking có độ an toàn cao Trong hầu hết các ứng dụng Watermarking, một yêu cầu luôn được đặt lên hàng đầu đó là làm sao thiết kế một Watermark có thể dò ra được ngay cả trong trường hợp tài liệu được nhúng đã bị sửa đổi xử lý. Một Watermark có độ an toàn cao là Watermark có khả năng sống sót khi nội dung tài liệu bị chỉnh sửa trong một chừng mực được phép. Người thiết kế phải lường trước các tấn công có thể xảy ra và giới hạn lại yêu cầu Watermark của mình chỉ quan tâm một số xử lý cụ thể nào đó. Các tiến trình xảy ra giữa khâu nhúng và dò cần được xác định rõ, chẳng hạn, chúng có thể bao gồm: nén có mất thông tin, chuyển tín hiệu từ tuần tự sang số và ngược lại, thâu âm thanh, in và quét, giảm nhiễu, chuyển đổi định dạng. Một số phương pháp nhằm tạo watermarking có độ an toàn cao như sau: 1.6.1 Nhúng thừa, nhúng lặp Phương pháp này giúp Watermark không bị mất khi ảnh được 15 bao gồm hàm Harr, các hàm Daubechies và các biorthogonal. Ngoài ra, MATLAB còn giúp kiểm tra rất nhanh và chính xác các thực nghiệm về độ bền vững và chất lượng của thuỷ vân trên ảnh. Biến đổi sóng nhỏ có rất nhiều lợi thế so với các biến đổi khác, đó chính là: - Biến đổi sóng nhỏ là một mô tả đa độ phân giải của ảnh. Quá trình giải mã có thể được xử lý tuần tự từ độ phân giải thấp cho đến độ phân giải cao. - Biến đổi DWT gần gũi với hệ thống thị giác người hơn biến đổi DCT. Vì vậy, có thể nén với tỉ lệ cao bằng DWT mà sự biến đổi ảnh khó nhận thấy hơn nếu dùng DCT với tỉ lệ tương tự. 2.4 Thuật toán thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Wavelet  Mô tả thuật toán  Input: o Một ảnh nhỏ được sử dụng làm thuỷ vân (kích thước 256 x 256) oMột ảnh F cần nhúng thuỷ vân để bảo vệ bản quyền oMột khoá bí mật để nhúng và giải thuỷ vân (khóa k)  Output: 14 Tương tự như các tín hiệu một chiều, các tín hiệu hai chiều (tức là các bức ảnh) cũng có thể được phân tích tương tự bằng DWT nhưng theo cả hai chiều dọc và ngang. Một bộ lọc tần số thấp và một bộ lọc tần số cao sẽ được sử dụng kết hợp để lọc các tín hiệu. Đầu tiên, ảnh gốc sẽ được lọc thấp theo chiều dọc. Sau đó, nếu lọc lại bằng chính bộ lọc này theo chiều ngang ta sẽ có băng LL và nếu lọc lại bằng bộ lọc cao ta sẽ có băng LH. Tiếp theo, ảnh gốc sẽ được lọc cao theo chiều dọc và sau đó sẽ được lọc lại theo chiều ngang bằng lọc thấp để có băng HL và bằng lọc cao để có băng HH. Quá trình trên lại có thể tiếp tục đối với băng LL để tạo ra phép biến đổi DWT hai mức như minh hoạ trong hình dưới đây: LL2 HL2 LH2 HH2 LH1 HL1 HH1 Qúa trình tổng hợp ảnh gốc từ các bức ảnh xấp xỉ và chi tiết cũng được làm tương tự như tổng hợp tín hiệu một chiều. Qúa trình này bao gồm 2 phần, đầu tiên là tăng mẫu và sau đó lọc tổng hợp. Nếu ảnh được phân tích thành nhiều mức thì sẽ tổng hợp từ mức cao đến mức thấp hơn. Đến đây chúng ta đã có thể thấy ứng dụng của DWT trong thuỷ vân số ở chỗ nào. Hầu hết các lược đồ thuỷ vân đều tìm cách thay đổi các hệ số của một hoặc một số trong bốn băng tần để nhúng thuỷ vân trước khi tổng hợp. Qua những trình bày trên đây, chúng ta thấy phân tích và tổng hợp tín hiệu bằng DWT bao gồm nhiều công đoạn và đòi hỏi rất nhiều tính toán phức tạp. Nhưng cũng rất may cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực nén và thuỷ vân ảnh là tất cả những phức tạp này đã được MATLAB giải quyết giúp. MATLAB cho phép thực hiện các biến đổi DWT bằng một họ các hàm sóng nhỏ 11 nhúng bị xử lý bằng các phép như xén ảnh, lọc, cộng nhiễu. 1.6.2 Mã hóa tán phổ 1.6.3 Nhúng trong các hệ số quan trọng cảm nhận được 1.6.4 Nhúng trong các hệ số được cho là mạnh mẽ 1.6.5 Đảo nhiễu trong bộ dò 1.7 Kết luận chương Chương 2 - THỦY VÂN ẢNH SỐ SỬ DỤNG PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET 2.1 Giới thiệu chương Sự phát triển của các kỹ thuật nén ảnh, như JPEG, MPEG và mới đây là JPEG2000, cho phép sử dụng rộng rãi các ứng dụng đa phương tiện hơn. Các kỹ thuật Watermarking trước đây được nghiên cứu trên miền không gian thường sử dụng các thành phần có tần số thấp để nhúng thông tin Watermark, điều này giúp cho Watermark có thể không cảm nhận được (vô hình). Tuy nhiên, khi đối mặt với yêu cầu về tính an toàn đối với các kỹ thuật nén và tấn công Watermark thì các phương pháp Watermark trên miền không gian tỏ ra rất yếu kém. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng các yêu cầu về tính vô hình và độ an toàn của Watermark có thể được thực hiện dễ hơn nếu sử dụng các biến đổi cho dữ liệu chủ, thông tin Watermark sẽ được chứa nhiều trong miền biến đổi này. Nhiều biến đổi ảnh đã được xem xét, nổi lên trong đó là biến đổi cosine rời rạc (DCT). Trước đây biến đổi này đặc biệt ưa chuộng cho các chuẩn mã hóa video và ảnh. Từ đó, một số lớn kỹ thuật Watermarking đã tận dụng biến đổi này. Ngoài ra, còn có các biến đổi khác cũng được đề nghị dùng trong kỹ thuật Watermarking bao gồm biến đổi Fourier rời rạc (DFT), biến đổi Fourier-Mellin, … Trong những tác phẩm mới đây nhất, các tác giả thường đề cập đến việc dùng biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) cho kỹ thuật Watermarking. 12 Trong lĩnh vực ảnh số, cùng với trào lưu tiêu chuẩn hóa theo JPEG2000 và dịch chuyển các phương pháp nén ảnh từ dựa trên DCT sang DWT, các mô hình Watermark hoạt động trên miền Wavelet ngày càng trở nên được quan tâm hơn. Các yêu cầu mới như truyền tải từng phần và có tỉ lệ bit thấp, độ phân giải và tính có thể thay đổi tỷ lệ chất lượng, khả năng phục hồi lỗi và mã hóa vùng quan tâm (ROI), được đòi hỏi với hiệu suất mã hóa cao hơn và đa năng hơn. Những yêu cầu này được đáp ứng nhờ vào hệ thống “mã hóa khối được nhúng có làm tròn tối ưu” (EBCOT) dựa theo Wavelet, điều này được chấp nhận với các bổ sung nhỏ trong chuẩn mã hóa ảnh JPEG2000. Biến đổi Wavelet có một số thuận lợi hơn so với các biến đổi khác, chẳng hạn DCT, là vì nó có thể triển khai trên cả hai ứng dụng là nén ảnh và Watermarking. 2.2 Cơ sở toán học của phép biến đổi Wavelet  Biến đổi Wavelet liên tục Biến đổi Wavelet liên tục (Continuous Wavelet TransformCWT) của một hàm f(t) được bắt đầu từ một hàm Wavelet mẹ (mother Wavelet ψ (t). Hàm Wavelet mẹ có thể là bất kỳ một hàm số thực hoặc phức liên tục nào thỏa mãn các tính chất sau đây: - Tích phân suy rộng trên toàn bộ trục t của hàm ψ (t) là bằng 0 - Tích phân năng lượng của hàm trên toàn bộ trục t là một số hữu hạn.  Biến đổi Wavelet rời rạc Việc tính toán các hệ số Wavelet tại tất cả các tỉ lệ là một công việc hết sức phức tạp. Để giảm thiểu công việc tính toán người ta chỉ chọn ra một tập nhỏ các giá trị tỉ lệ và các vị trí để tiến hành tính toán. Quá trình chọn các tỉ lệ và các vị trí để tính toán như trên tạo thành lưới nhị tố (dyadic). Một phân tích trên hoàn toàn có thể thực hiện được nhờ biến đổi Wavelet rời rạc (DWT). Do đó, việc tính toán biến đổi DWT thực chất là sự rời rạc hóa biến đổi Wavelet liên tục (CWT); việc rời rạc hóa được thực hiện với sự lựa chọn các hệ số a và b như sau: 13 A = 2 ; b =2 n; m, n ϵ Z Việc tính toán hệ số của biến đổi Wavelet có thể dễ dàng thực hiện bằng các băng lọc số nhiều nhịp đa kênh, một lý thuyết rất quen thuộc trong xử lý tín hiệu. m m 2.3 Phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc Đây là phép biến đổi mới nhất được áp dụng cho ảnh số. Ý tưởng của DWT cho tín hiệu một chiều như sau: Tín hiệu được chia thành 2 phần, phần tần số cao và phần tần số thấp. Đối với nhiều tín hiệu, phần nội dung có tần số thấp chứa những thông tin quan trọng nhất - những đặc tính nhận dạng. Trái lại, phần nội dung có tần số cao chỉ mang sắc thái của tín hiệu. Quá trình phân tích và tổng hợp một tín hiệu có thể được mô tả như sau: Hình 2-2: Quá trình phân tích và tổng hợp tín hiệu Quá trình này được gọi là phân tích một mức. Có thể lặp lại quá trình này bằng cách tiếp tục phân tích tín hiệu xấp xỉ thành hai tín hiệu ở giải tần thấp hơn. Từ đây xuất hiện một khái niệm được gọi là phân tích nhiều mức. Về mặt lý thuyết, quá trình này có thể lặp lại vô hạn. Tuy nhiên, trong thực tế, việc phân tích chỉ có thể tiếp diễn cho đến khi phần chi tiết chỉ còn một mẫu hay một điểm. Việc lựa chọn số mức phân tích hoàn toàn phụ thuộc vào bản chất của tín hiệu.