Tài liệu ứng dụng watermarking trong xây dựng hệ thống quản lý và bảo vệ bản quyền dữ liệu video tại đài truyền hình vĩnh long

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NGỌC HẢI ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VĨNH LONG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NGỌC HẢI ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VĨNH LONG Chuyên ngành : Khoa học máy tính Mã số : 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Thanh Bình 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 Hà Ngọc Hải ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG WATERMARKING TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH VĨNH LONG Hà Ngọc Hải - học viên cao học khóa 31, chuyên ngành Khoa học máy tính Tóm tắt - Sự phát triển của internet băng thông rộng đang thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của công nghệ đa truyền thông Multimedia. Các nguồn dữ liệu multimedia như âm thanh, hình ảnh, văn bản… có thể được truy cập và được phân phối nhanh hơn và rộng hơn. Xu thế này mang lại nhiều lợi ích cho người sở hữu các sản phẩm multimedia, nhưng cũng thách thức quyền sở hữu của chúng ta bởi vì hầu hết các dữ liệu multimedia được phân phối dưới các định dạng không bảo mật. Hiện nay, việc sao chép và phân phối lại bất hợp pháp các sản phẩm multimedia đang diễn ra liên tục không có kiểm soát. Khi ra pháp luật, để phân xử quyền sở hữu các sản phẩm multimedia là việc không dễ dàng nếu không có một cơ chế có thể đảm bảo tính toàn vẹn chân thực quyền tác giả. Trong luận văn này chúng tôi xây dựng một hệ thống quản lý và bảo vệ bản quyền video tại Đài THVL sử dụng watermarking thông qua các biến đổi DWT – DCT. Hệ thống giúp kiểm soát quá trình truy cập các video của người dùng trong mạng nội bộ, chèn watermark bản quyền vào video, và trích xuất ra khi cần thiết. Các kết quả đạt được bước đầu và hướng phát triển tiếp theo của ứng dụng. Từ khóa - Quản lý video; DWT; DCT; watermaking; bản quyền video; truyền hình Vĩnh Long. WATERMARKING APPLYING FOR BUILDING VIDEO DATA COPYRIGHT MANAGING AND PROTECTING SYSTEM AT VINH LONG TELEVISION STATION Abstract - The development of the broadband internet has been boosting the development of multimedia technology. The multimedia data resources such as audio, video, image and text are able to be accessed and distributed faster and widely. This trend is beneficial for the owners of multimedia products. However, there are challenges for copyright holder because most of multimedia data files have been distributed in insecure formats. Currently, the illegal copying and redistribution of multimedia products are taking place continuously without much control. Meanwhile, the legal arbitration about copyright issues on multimedia products will be hard, if we do not have an effective method of checking the integrity and accuracy of the copyright. In this thesis, we have developed a system to manage and protect the video copyright at the Vinh Long Television Station (VLTS) using watermarking base on DWT - DCT transformation. The system is able to control the users’ process of accessing videos in the local area network, inserting the copyright watermark of VLTS into videos, and extracting it when necessary. The thesis also includes the initial result, and the future development of the application. Key words - Video Management; DWT; DCT; watermarking; video copyright; Vinh Long Television Station. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................ ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................1 2. Mục đích và ý nghĩa đề tài ..................................................................................3 3. Mục tiêu và nhiệm vụ .........................................................................................4 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................4 5. Bố cục luận văn...................................................................................................5 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................6 1.1. TỔNG QUAN VỀ TẬP TIN VIDEO ..................................................................... 6 1.1.1. Cấu trúc tập tin video chuẩn mpeg ............................................................... 6 1.1.2. Phép biến đổi DCT (Discrete Cosine Transform) ........................................ 8 1.1.3. Phép biến đổi DWT (Discrete Wavelet Transform) ................................... 10 1.1.4. Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) ...................................... 14 1.2. MÔ HÌNH NHÚNG THÔNG TIN BẢN QUYỀN VÀO VIDEO ....................... 15 1.2.1. Giới thiệu chung về watermarking ............................................................. 15 1.2.2. Các tiêu chí cần có của một thuật toán watermarking mạnh mẽ ................ 16 1.2.2.1. Tính bảo mật ........................................................................................16 1.2.2.2. Tính vô hình ........................................................................................17 1.2.2.3. Tính vô hình đối với thống kê .............................................................17 1.2.2.4. Tỉ lệ bit ................................................................................................17 1.2.2.5. Quá trình dò đáng tin cậy ....................................................................17 1.2.2.6. Tính mạnh mẽ ......................................................................................17 1.2.2.7. Nhúng nhiều watermark ......................................................................18 iv 1.2.2.8. Blind/non-blind, public/private watermarking ....................................18 1.2.2.9. Watermarking đọc được và dò được ...................................................19 1.2.2.10. Tính khả đảo và tính thuận nghịch của watermark ...........................19 1.2.2.11. Tính có thể thay đổi tỉ lệ (scalability) ...............................................19 1.2.3. Mô hình watermarking trên video .............................................................. 19 1.2.4. Kỹ thuật watermarking trên video sử dụng biến đổi DWT ........................ 20 1.2.4.1 Kỹ thuật watermarking của Mehul R và Priti R ...................................20 1.2.4.2 Kỹ thuật watermarking của Tao P. và Eskicioglu A. M ......................21 1.2.5 Watermarking trên video bằng biến đổi DWT – DCT ................................ 23 1.3. KẾT CHƯƠNG .................................................................................................... 25 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN VIDEO CHO ĐÀI THVL .............................................................................................26 2.1. MÔ TẢ BÀI TOÁN VỀ QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI PTTH VĨNH LONG ......................................................................... 26 2.2. LỰA CHỌN MÔ HÌNH ....................................................................................... 27 2.2.1. Các mô hình quản lý bản quyền số ............................................................. 27 2.2.1.1. Kiến trúc chung ...................................................................................27 2.2.1.2. Kỹ thuật nhúng thông tin ẩn ................................................................29 2.2.1.3. Giải pháp của Microsoft ......................................................................30 2.2.2. Mô hình đề xuất phù hợp với Đài THVL ................................................... 33 2.3. LỰA CHỌN KỸ THUẬT WATERMARKING .................................................. 34 2.3.1. Các hệ số DWT - DCT trong quá trình thực hiện watermarking ............... 34 2.3.2. Các kiểu tấn công dữ liệu trên tập tin video ............................................... 38 2.3.3. Yêu cầu với hệ thống video watermarking ............................................... 39 2.4. MÔ HÌNH QUẢN LÝ TẬP TIN VIDEO THEO DẠNG CLIENT – SERVER . 39 2.4.1. Thiết kế cơ sở dữ liệu ................................................................................. 39 2.4.2. Phân quyền người dùng .............................................................................. 43 2.4.3. Bảo mật hệ thống ........................................................................................ 43 2.4.4. Truyền tải tập tin trong mạng ..................................................................... 43 2.5. KẾT CHƯƠNG .................................................................................................... 44 v CHƯƠNG 3. CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM ...............................................................45 3.1. MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶT ..................................................................................... 45 3.2. CÀI ĐẶT HỆ THỐNG ........................................................................................... 45 3.3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM .................................................................................... 48 3.3.1. Đối với hệ thống quản lý video .................................................................. 48 3.3.2. Đối với công cụ watermarking ................................................................... 48 3.4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ........................................................................................ 54 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN ...............................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................57 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI. BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi consin rời rạc IDCT Inverse Discrete Cosine Transform Biến đổi consin rời rạc nghịch DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi 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 LBS Least significant bit Bít ít quan trọng nhất MAM Media Asset Manager Quản lý tài sản đa phương tiện THVL Truyền hình Vĩnh Long vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng 3.1 3.2 MSE và PSNR giữa các frame ảnh gốc và frame đã watermark Kết quả trích xuất hình ảnh bản quyền sau các tấn công Trang 52 53 viii 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 2.9 2.10 2.11 2.12 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Tên hình Trang Cấu trúc tập tin Mpeg Ảnh gốc và năng lượng phân bố của ảnh qua phép biến đổi DCT Phân chia 3 miền tần số ảnh của phép biến đổi DCT Lọc theo tần số thấp và tần số cao. Quá trình phân tích và tổng hợp tín hiệu Biến đổi dwt hai mức Phân loại watermarking Mô hình tổng quát watermark cho tập tin video Sơ đồ giải thuật để nhúng watermark vào video Kiến trúc hệ thống quản lý bản quyền số Tiến trình watermarking Mô hình quản lý bản quyền số của Microsoft Mô hình sử dụng khóa trong license Mô hình client-server quản lý video phù hợp cho Đài THVL Công thức biến đổi qua lại giữa hệ màu RGB và YUV Mặt phẳng màu U-V tại giá trị Y = 0.5, nằm trong phổ màu RGB. Giải thuật nhúng watermark cho video của Đài THVL Giải thuật cải tiến nhúng watermark dành cho Đài THVL Sơ đồ cơ sở dữ liệu của MAM cho THVL (phần quản trị) Sơ đồ cơ sở dữ liệu của MAM cho THVL (phần hệ thống) Sơ đồ cơ sở dữ liệu của MAM cho THVL (phần video) Giao diện đăng nhập vào hệ thống Giao diện chính của hệ thống Quá trỉnh tải video lên hệ thống Nhập thông tin metadata vào tập tin video tải lên Danh sách các tập tin video đã tải lên hệ thống Cấu hình hệ thống địa chỉ máy server 8 9 10 11 12 12 16 19 23 27 29 30 32 34 34 35 35 35 40 41 42 45 46 46 47 47 48 ix Số hiệu hình 3.7 3.8 3.9 Tên hình Watermark dùng để nhúng và watermark trích xuất được So sánh kết quả của ảnh gốc và ảnh sau khi được watermarking Ảnh watermark trích xuất với hệ số K=4 Trang 48 51 51 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Tháng 4/1977, Tỉnh Cửu Long ra quyết định xây dựng Đài Phát thanh Cửu Long, phát sóng thử nghiệm từ 2/9/1977 trên sóng 950 Khz tức 315m. Năm 1984, Đài Phát thanh Cửu Long đổi tên thành Đài PT-TH Cửu Long. Năm 1989, Đài lắp đặt 1 máy phát thanh 10Kw, sóng phát thanh phủ sóng toàn tỉnh và các tỉnh lân cận. Năm 1992, tách tỉnh Cửu Long thành 2 tỉnh Vĩnh Long và Trà Vinh, Đài đổi tên là Đài PT-TH Vĩnh Long. Tháng 12/1993 Đài lắp đặt thêm máy pháp sóng công suất 250w trên kênh 12 VHF, xây dựng Trung tâm kỹ thuật truyền hình. Đài Phát thanh và Truyền hình tỉnh Vĩnh Long là đơn vị sự nghiệp thuộc Ủy ban nhân dân tỉnh tỉnh Vĩnh Long, thực hiện chức năng cơ quan báo chí của Đảng bộ, chính quyền và nhân dân tỉnh Vĩnh Long. Từ đó đến nay, Đài Phát thanh và Truyền hình tỉnh Vĩnh Long luôn nâng cao chất lượng phát thanh và truyền hình, trở thành một trong những đài có chỉ có người xem cao của khu vực và cả nước. Trong các năm qua, Đài PTTH Vĩnh Long (THVL) luôn nỗ lực đổi mới nội dung các chương trình phát thanh và truyền hình, mang lại cho khán thính giả những chương trình hay và bổ ích. Ngoài các chương trình phim truyện nước ngoài, phim truyện Việt Nam và các chương trình trò chơi truyền hình (games show) cũng được đài đầu tư phát triển. Cùng với sự phát triển của ngành công nghệ thông tin, Đài THVL thực hiện việc chuyển đổi từ lưu trữ tương tự (analog) trên băng từ sang lưu trữ số dưới dạng các tập tin video và audio trên các server để thuận tiện việc sao chép, xử lý và phát sóng. Đài THVL phát triển website của đài tại địa chỉ www.thvl.vn thực hiện việc đưa thông tin đến với nhiều người hơn thông qua internet. Tại đây, kênh tivi trực tuyến cũng được phát song song với việc phát sóng truyền hình. Nhận thấy được vai trò của internet trong việc đưa thông tin đến với người dùng, Đài THVL phát triển thêm kênh youtube để đưa các chương trình giải trí, gameshow, phim truyện,… đã được phát sóng để khán giả trong và ngoài nước có thể xem lại tại địa chỉ https://www.youtube.com/user/VinhLongTV Kênh youtube của Đài nhận được sự ủng hộ nhiệt tình của khán giả với hơn 975,163 lượt đăng ký theo dõi (Subscribe). Tuy nhiên, việc tải lên internet các tập tin video không được bảo vệ một cách có hiệu quả, khiến cho việc “đánh cắp” rất dễ dàng. Rất nhiều trang web đã lấy tín hiệu từ 2 kênh tivi trực tuyến của đài để phát lại, thu hút người xem. Một số tập tin trên kênh youtube của đài đã bị sao chép, và phát tán lại công khai trên internet. Tương tự như với kênh youtube, các video của Đài PTTH Vĩnh Long rất có khả năng bị đánh cắp và phát tán bằng những hình thức khác. Vậy khi có tranh chấp bản quyền tập tin video, thì đâu sẽ là bằng chứng để giải quyết tranh chấp? Do đó, vấn đề đặt ra là, cần có một giải pháp bảo vệ hiệu quả bản quyền các tập tin video, trong trường hợp cụ thể là các tập tin video của đài THVL. Giải pháp cần phải thêm được thông tin bản quyền vào tập tin video dưới dạng ẩn, và khi cần thiết, có thể trích xuất lại nội dung ẩn trong video đã được bảo vệ. Bên cạnh đó, cần có một công cụ quản lý các tập tin video một cách tập trung, công cụ này dùng để xác thực những người dùng nào được quyền truy xuất vào tập tin video được lưu trữ, nhằm hạn chế tối đa khả năng đánh cắp video. Đây là nội dung chính được đề cập đến của quyển luận văn này. Watermarking là một cách để bảo vệ quyền sở hữu các hình ảnh hoặc video số thông qua các thông tin được nhúng vào bên trong chúng. Có thể chia watermarking thành 2 loại: watermarking có thể nhìn thấy được (visible watermarking, non-blind watermarking) và watermarking ẩn (invisible watermarking, blind watermarking) Watermarking miền biến đổi sử dụng các phép biến đổi như DCT (Discrete Cosine Transform), DFT (Discrete Fourier Transform), DWT (Discrete Wavelet Transform) lên ảnh hoặc video số, bằng cách thay đổi các hệ số của các phép biến đổi, thông tin có thể được nhúng vào đối tượng sau biến đổi. Nén video là vấn đề tất yếu của các hệ thống truyền dẫn. Xu thế của các hệ thống sử dụng multimedia là phải làm sao đạt được tỷ số nén video cao mà vẫn đảm bảo chất lượng của hình ảnh sau khi khôi phục. MPEG là chuẩn nén ảnh động có tốc độ bit thấp nhưng vẫn đảm bảo chất lượng yêu cầu. Chuẩn nén MPEG dành cho video hiện rất phổ biến và trở nên thông dụng trong nhiều lĩnh vực sử dụng multimedia, đặc biệt là phát thanh truyền hình. Hiện tại, MPEG-4 (AVC/ H.264) được sử dụng để nén tín hiệu các kênh truyền hình độ nét cao HD (High Definition). Xa hơn nữa là chuẩn nén HEVC/ H.265 đang được nghiên cứu và phát triển có thể giúp cải thiện 50% tốc độ bit so với chuẩn H.264 với cùng chất lượng. Phương thức nén MPEG nói chung và chuẩn H.264, H.265 nói riêng, thực hiện dựa trên biến đổi DWT để nén video. Ngoài việc bảo vệ bằng watermarking, chúng ta cần có một công cụ quản lý tập tin video một cách tập trung và có phân quyền truy cập để kiểm soát tất cả các tập tin video. Công cụ quản lý tập tin được thiết kế theo mô hình client – server. Các máy client được cung cấp một phần mềm giao tiếp với server. Phần mềm client cung cấp cho người dùng các chức năng để thực hiện việc ingest tập tin video, tìm kiếm, trích xuất tập tin video cần thiết sau khi người dùng đăng nhập với quyền tương ứng. Phần mềm chạy trên máy server sẽ thực hiện việc kiểm tra đăng nhập của người dùng, 3 quyền truy xuất để đưa ra các chức năng tương ứng. Phần mềm chạy phía server kiêm luôn chức năng thêm watermarking vào tập tin video. Như vậy, với các video được trích xuất từ hệ thống, sẽ được kiểm soát bằng quyền truy cập của người dùng, và watermarking ẩn khi có tranh chấp bản quyền. Đứng trước yêu cầu quản lý và bảo vệ bản quyền dữ liệu video của Đài THVL, đồng thời thấy được tầm quan trọng và hướng phát triển của các biến đổi đối với kỹ thuật nén video, luận văn này tập trung vào nghiên cứu và xây dựng “Ứng dụng watermarking trong xây dựng hệ thống quản lý và bảo vệ bản quyền dữ liệu video tại Đài Truyền hình Vĩnh Long” 2. MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 2.1. Mục đích Hiện tại, việc bảo vệ bản quyền video, hình ảnh, âm thanh của Đài THVL còn đơn giản, chưa có một biện pháp hữu hiệu để xác thực bản quyền. Việc chia sẻ hình ảnh, video, audio của người dùng trên mạng internet hiện nay hết sức đơn giản và phổ biến. Từ đó, đặt ra yêu cầu về thông tin bản quyền tác giả của các hình ảnh, video, hay audio này. Việc bảo vệ sẽ được nâng lên một mức khi các tập tin video được quản lý tập trung, kiểm soát được người dùng nào được quyền truy xuất dữ liệu. Luận văn sẽ đưa ra mô hình và chạy mô phỏng quá trình nhúng thông tin bản quyền vào đoạn video được nén theo chuẩn MPEG, cùng với công cụ quản lý tập trung tập tin video theo mô hình clients – server. Áp dụng mô hình đó để ghi thông tin chủ sở hữu, và quản lý người dùng, giúp bảo vệ bản quyền video của Đài THVL. 2.2. Ý nghĩa khoa học Luận văn giúp hiểu rõ hơn về chuẩn nén video MPEG, phép biến đổi DWT cũng như phương thức sử dụng các hệ số DWT vào kỹ thuật nhúng thông tin bản quyền vào video. Từ đó, làm nền tảng áp dụng cho chuẩn nén video mới HECV/ H.265 đang được phát triển. Phương thức quản lý tập tin video tập trung và các vấn đề phát sinh như cân bằng tải trong hệ thống mạng nội bộ, quá trình lập lịch chuyển đổi định dạng các tập tin video để đảm bảo độ ổn định và tối ưu hóa sức mạnh của server. Quản lý tập tin video đòi hỏi thêm yêu cầu bảo mật thông tin từ việc xác định người dùng hợp lệ, quá trình truyền tải tập tin trong mạng phải được tính toàn vẹn của tập tin video, cũng như việc sao lưu và phục hồi hệ thống khi cần thiết. 2.3. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả mong muốn đạt được là một chương trình chạy theo mô hình clients server dùng để nhúng thông tin xác định bản quyền vào đoạn video sử dụng biến đổi 4 DWT, quản lý tập tin video, tìm kiếm, trả về kết quả,... Chương trình quản lý phải có phân quyền người dùng một cách rõ ràng, tương ứng với mỗi người dùng sẽ có những thao tác nhất định với tập tin video như chỉ được ingest, được tìm kiếm, được trích xuất tập tin video,…Bên cạnh đó, có một chương trình để trích xuất thông tin bản quyền ra khỏi đoạn video và đối chiếu thông tin được nhúng ban đầu. Đây là giải pháp hữu ích giúp bảo vệ bản quyền video của Đài PTTH Vĩnh Long khi có cách tranh chấp bản quyền xảy ra. 3. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ 3.1. Mục tiêu - Nghiên cứu phương pháp nhúng dữ liệu vào tập tin video thông qua biến đổi DWT, DCT đồng thời trích xuất được dữ liệu đã nhúng vào khi cần thiết. - Hiểu rõ cách thức nén tập tin video theo chuẩn mpeg. - Mô hình clients – server, quản lý dữ liệu có dung lượng lớn là các tập tin video. - Phân quyền người dùng, xác thực thông tin người dùng truy cập vào hệ thống. - Lưu trữ tối ưu tập tin video, tạo bản sao tập tin video chất lượng thấp để dùng làm preview khi người dùng tìm kiếm. - Bảo mật hệ thống khi xác nhận thông tin người dùng đăng nhập. - Bảo đảm tính toàn vẹn của tập tin video khi truyền tải trong mạng. 3.2. Nhiệm vụ Để đạt được những mục tiêu trên thị nhiệm vụ đặt ra của đề tài là: - Nghiên cứu về phép biến đổi DWT, và các phép biến đổi DCT, DFT để thấy được phép biến đổi tối ưu hơn. - Nghiên cứu cấu trúc tập tin video, cụ thể là tập tin mpeg 2. - Xây dựng giải thuật và cài đặt mã nguồn để thực hiện nhúng thông tin vào tập tin video. - Thiết kế cơ sở dữ liệu tối ưu cho việc phân quyền của người dùng. - Xây dựng giải thuật và cài đặt mã nguồn phần mềm clients – phần mềm server. - Phân quyền người dùng, nhóm người dùng trong hệ thống. - Tối ưu hóa tốc độ truyền tải tập tin qua mạng do đặc điểm tập tin video là tập tin có dung lượng lớn. - Tối ưu hóa dữ liệu metadata để phục vụ cho việc tìm kiếm tập tin video sau này. - Đánh giá kết quả theo yêu cầu của đề tài. 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Trong khuôn khổ của luận văn thuộc loại ứng dụng, tôi chỉ giới hạn nghiên cứu các vấn đề sau: 5 - Phép biến đổi trên miền DWT, DCT. - Cấu trúc tập tin mpeg 2. - Công cụ mô phỏng nhúng thông tin và trích xuất thông tin với tập tin video. Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu biến đổi DWT, DCT trong xử lý ảnh và đưa ra phương pháp để đưa những thông tin bản quyền vào trong một đoạn video. Mô hình sử dụng cho luận văn cũng dựa vào mô hình chung của kỹ thuật watermarking. Chương trình sẽ gồm 2 thành phần: Nhúng watermarking và phát hiện, trích xuất watermarking. Như vậy, luận văn sẽ tập trung vào giải quyết vấn đề watermarking mà cụ thể là các thông số của biến đổi DWT, DCT sao cho phù hợp với MPEG video nhằm đạt được hiệu quả tốt. Mô hình clients – server quản lý dữ liệu tập trung, phân quyền người dùng. Chương trình quản lý tập tin video thực hiện việc chuyển đổi video về một chuẩn thống nhất được chọn lựa trước. Tập tin video nguồn từ nhiều định dạng khác nhau sẽ được chuyển đổi sang định dạng “chuẩn”, đồng thời các dữ liệu metadata sẽ được trong cơ sở dữ liệu để thực hiện việc tìm kiếm sau này. Dữ liệu metadata do người dùng cung cấp thông qua giao diện làm việc phía clients bao gồm: thể loại, tên tác phẩm, diễn viên, thời lượng, tác giả, quay phim, đạo diễn, … Phía server sẽ thực hiện việc chuyển mã các định dạng video từ các nguồn khác nhau về dạng nhất định (trường hợp này là chuẩn mpeg 2), thêm watermarking, thực hiện các truy vấn của người dùng, trả về kết quả, trả về tập tin video cho người dùng khi được yêu cầu. 5. BỐ CỤC LUẬN VĂN Chương 1. Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết của các phép biến đổi trên miền tần số, cũng như cấu trúc của tập tin video theo định dạng MPEG, đây là cơ sở để thực hiện việc watermarking bảo vệ bản quyền video cho đài THVL. Chương 2. Xây dựng ứng dụng quản lý và bảo vệ bản quyền video cho đài THVL. Chương này trình bày các mô hình về bảo vệ bản quyền video, từ đó rút ra một mô hình thích hợp để xây dựng ứng dụng cho đài THVL. Lựa chọn cách thức watermarking để bảo vệ bản quyền video. Chương 3. Cài đặt và thử nghiệm. Chương này trình bày quá trình cài đặt và thử nghiệm hệ thống; một số kết quả thực nghiệm và đánh giá. Phần kết luận. 6 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để xây dựng ứng dụng bảo vệ bản quyền video cho Đài THVL, một số nội dung lý thuyết cần được nghiên cứu, làm cơ sở cho việc cài đặt vào ứng dụng. Nội dung chương này tập trung vào giới thiệu về cấu trúc tập tin chuẩn mpeg, các phép biến đổi trong miền không gian DWT, DCT, DFT, và các giải thuật watermaking được áp dụng. 1.1. TỔNG QUAN VỀ TẬP TIN VIDEO Trước khi máy tính trở nên phổ biến, phim ảnh được lưu trữ trên băng từ, chính vì vậy rất hạn chế trong các thao tác chỉnh sửa, biên tập, hay sao chép. Sau khi máy tính trở nên phổ biến, việc chuyển đổi cách thức lưu trữ được thực hiện nhằm mục đích tiết kiệm thời gian và chi phí. Để chuyển đổi cách lưu trữ tuần tự sang dạng số cần thiết phải có các định dạng chuẩn để lưu trữ hiệu quả, từ đó, nhiều định dạng tập tin video lần lượt ra đời như mpeg, avi, wmv, mkv, …Đáng kể nhất phải kể đến chuẩn nén mpeg do nhóm chuyên hình ảnh được thành lập từ tháng 2 năm 1988 Motion Pictures Expert Group giới thiệu. Các định dạng được giới thiệu bao gồm MPEG-1, MPEG-2, MPEG-3, và MPEG-4 (hay H.264). 1.1.1. Cấu trúc tập tin video chuẩn mpeg Định dạng mpeg bao gồm 6 lớp [19]. • Lớp khối (block): gồm khối 8x8 các điểm ảnh tín hiệu chói và tín hiệu màu dùng cho phương pháp nén DCT. • Lớp tổ hợp cấu trúc khối (macroblock): một nhóm các khối tương ứng với lượng thông tin chứa đựng trong kích thước 16x16 điểm trên bức ảnh, lượng thông tin chứa trong khối sẽ thay đổi tùy theo cấu trúc mẫu được sử dụng. Thông tin đầu tiên trong cấu trúc khối mang dạng của nó và các vector bù chuyển động. • Lớp cắt lát dòng bít (slice): Mảng bao gồm một và cấu trúc khối kề nhau. Kích thước lớn nhất của mảng có thể bao gồm toàn bộ bức ảnh và kích thước nhỏ nhất của mảng là một cấu trúc khối. Thông tin đầu tiên chứa đựng vị trí của mảng trong toàn bộ ảnh, và hệ số cân bằng lượng tử… • Lớp ảnh (picture): cho phép bộ giải mã xác định loại ảnh được mã hóa. Thông tin đầu dùng để chỉ thứ tự truyền khung (để bộ mã hóa có thể sắp xếp các ảnh lại theo thứ tự đúng) và các thông tin về đồng bộ, độ phân giải và phạm vi vector chuyển động. Trong nén MPEG người ta sử dụng 3 loại ảnh sau: 7 o Ảnh I (Intra Pictures): được mã hóa độc lập mà không cần tham khảo các ảnh khác. Hiệu quả nén tín hiệu đạt được do loại bỏ được dư thừa về không gian mà không có yếu tố thời gian tham gia vào quá trình. Ảnh I được dùng một cách tuần hoàn để tạo thành điểm tựa cho dòng dữ liệu trong quá trình giải mã. o Ảnh P (Predicted Pictures): được mã hoá từ ảnh I hoặc ảnh P ngay trước để bù chuyển động và chính nó cũng có thể dùng để tham khảo cho việc tiên đoán ảnh tiếp theo. Mỗi khối ảnh trong ảnh P có thể được mã hóa theo kiểu tiên đoán hoặc mã hóa một cách độc lập. Do sử dụng cả nén không gian và thời gian nên hiệu quả nén của ảnh P cao hơn đáng kể so với ảnh I. o Ảnh B (Bidirectionally Predictive Pictures) có thể sử dụng các ảnh I và P phía trước và phía sau nó để bù chuyển động vì vậy cho tỷ lệ nén cao nhất. Mỗi khối trong ảnh B có thể tiên đoán theo chiều ngược, xuôi, cả hai hướng hoặc được mã hóa độc lập. Tuy nhiên để tiên đoán ngược từ một bức ảnh phía sau nó thì bộ mã hóa phải sắp xếp lại các bức ảnh. Do vậy sẽ tạo ra độ trễ do phải sắp xếp lại thông tin, độ trễ lớn hay nhỏ phụ thuộc vào số bức ảnh B liên tiếp nhau được truyền. • Lớp nhóm ảnh (GOP): các ảnh I, P, B thường xuất hiện theo một thứ tự lặp đi lặp lại một cách tuần hoàn. Vì vậy xuất hiện nhóm ảnh GOP. Chất lượng ảnh không chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ nén trong từng khuôn hình mà còn phụ thuộc vào độ dài của nhóm ảnh GOP. Chúng là đơn vị mang thông tin độc lập của MPEG và bắt buộc phải bắt đầu bằng một ảnh I. Tiếp sau đó là một loạt các ảnh P và B. Cấu trúc của một GOP được mô tả bởi 2 tham số: N (số ảnh trong GOP) và M (khoảng cách giữa các ảnh P) • Lớp dãy ảnh (sequence): đoạn video bao gồm thông tin đầu, một số nhóm ảnh và thông tin kết đoạn. - Mỗi lớp này hỗ trợ một chức năng nhất định: một là chức năng xử lý tín hiệu (DCT và bù chuyển động). Hai là chức năng logic (tái đồng bộ, điểm truy xuất ngẫu nhiên). 8 Hình 1.1. Cấu trúc tập tin Mpeg 1.1.2. Phép biến đổi DCT (Discrete Cosine Transform) Biến đổi Cosin rời rạc viết tắt là DCT (Discrete Cosine Transform) do Ahmed và các đồng nghiệp của ông đưa ra vào năm 1974. Từ đó cho đến nay, nó được sử dụng rất phổ biến trong nhiều kỹ thuật xử lí ảnh số. Trong các kỹ thuật watermark ảnh dựa trên phép biến đổi dữ liệu ảnh sang miền tần số thì phép biến đổi DCT được sử dụng nhiều nhất. Trong lĩnh vực xử lý ảnh số ta sử dụng biến đổi DCT 2 chiều có dạng như sau: 2 M Yij 2 N M 1N 1 i X uv cos j u 0 v 0 (2u 1)i (2v 1) j cos 2M 2N Với Yij là giá trị tại vị trí hàng i, cột j của ma trận DCT. X uv là giá trị tại hàng u, cột v của ma trận ảnh gốc X. M, N là kích thước của ảnh gốc (M hàng, N cột). i 1 :i 0 2 1: i 1, 2,..., M 1 9 j 1 :j 0 2 1: j 1, 2,..., N 1 Và biến đổi ngược của nó là: X ij 2 M 2 M 1N 1 Nu 0v 0 u Y cos v uv (2i 1)u (2 j 1)v cos 2M 2N - Đặc điểm của phép biến đổi DCT trên ảnh hai chiều Biến đổi DCT trên ảnh thể hiện đặc tính nội dung về tần số của thông tin ảnh. Hệ số góc trên là lớn và đặc trưng cho giá trị trung bình thành phần một chiều gọi là hệ số DC, còn các hệ số khác có giá trị nhỏ hơn biểu diễn cho các thành phần tần số cao theo hướng ngang và theo hướng thẳng đứng gọi là các hệ số AC. Hình 1.2. Ảnh gốc và năng lượng phân bố của ảnh qua phép biến đổi DCT Bản thân biến đổi DCT không nén được dữ liệu. Theo nguyên lý chung, khi biến đổi chi tiết giữa các điểm ảnh càng lớn theo một hướng nào đó trong khối các điểm ảnh, hướng ngang, hướng thẳng đứng hay theo đường chéo, thì tương ứng theo các hướng đó, các hệ số biến đổi DCT cũng lớn. Tóm lại, DCT làm giảm độ tương quan không gian của thông tin trong khối ảnh. Điều đó cho phép biểu diễn thích hợp ở miền DCT do các hệ số DCT có xu hướng có phần dư thừa ít hơn. Khối hệ số DCT có thể chia thành 3 miền, miền tần số thấp chứa các thông tin quan trọng ảnh hưởng đến tri giác, miền tần số giữa, và miền tần số cao. Các thông tin trong miền tần số cao thường mang tính trị giác thấp.