ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHÙNG THỊ LAN HỆ THỐNG THỦY VÂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHÙNG THỊ LAN HỆ THỐNG THỦY VÂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Công nghệ phần mềm Mã số: 60 48 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Ngô Quốc Tạo Hà Nội – 2011 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN SỐ 1.1 KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1.1 Khái niệm giấu tin 1.1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.1.3 Giấu tin liệu đa phƣơng tiện 11 1.2 TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN SỐ 14 1.2.1 Lịch sử phƣơng pháp thủy vân số 14 1.2.2 Hệ thống thủy vân số 14 1.2.3 Các khả công hệ thống thủy vân 16 1.2.4 Đặc trƣng thủy vân số 16 1.2.5 Các hƣớng ứng dụng thủy vân số 17 CHƢƠNG - MỘT SỐ THUẬT TOÁN THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ 19 2.1 TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ VÀ XỬ LÝ ẢNH BITMAP 19 2.1.1 Khái niệm ảnh số phân loại 19 2.1.2 Cấu tạo ảnh bitmap 19 2.1.3 Xử lý ảnh bitmap 20 2.2 CÁC THUẬT TOÁN THỦY VÂN TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN 21 2.2.1 Ý tƣởng 21 2.2.2 Các phép toán sử dụng thuật toán 22 2.2.3 Thuật toán 1(SW) 23 2.2.4 Thuật toán (Wu-Lee) 25 2.2.5 Thuật toán (PCT) 27 2.2.6 Thuật toán (LSB) 31 2.3 CÁC THUẬT TOÁN THỦY VÂN DỰA TRÊN MIỀN DCT 32 2.3.1 Biến đổi cosin rời rạc DCT 32 2.3.2 Quy trình kỹ thuật thủy vân miền DCT 34 2.3.3 Thuật toán DCT 36 2.3.4 Thuật toán DCT 40 2.3.5 Thuật toán DCT 41 2.4 CÁC THUẬT TOÁN THỦY VÂN DỰA TRÊN MIỀN DWT 43 2.4.1 Biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT 43 2.4.2 Thuật toán DWT1 48 2.4.3 Thuật toán DWT2 50 CHƢƠNG - XÂY DỰNG ỨNG DỤNG 52 3.1 PHÁT BIỂU BÀI TOÁN 52 3.2 PHÂN TÍCH BÀI TỐN 52 3.2.1 Đặc tả yêu cầu ngƣời sử dụng 52 3.2.2 Mô tả chức hệ thống 52 3.3 CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 55 3.3.1 Chức nhúng thủy vân 55 3.3.2 Chức tách thủy vân 57 3.3.3 Kiểm tra tính xác thực thông tin 57 3.3.4 Kiểm tra tính bền vững 58 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT Ý NGHĨA SW Thuật toán thủy vân đơn giản (Simple Watermarking) Wu-Lee Thuật toán thủy vân đặt theo tên tác giả M.Y.Wu J.H.Lee PCT Thuật toán thủy vân đặt theo tên tác giả Hsiang-Kuang Pan, Yu-YuanChen Yu-chee Tseng LSB Bít quan trọng (Least Significant Bit) DCT Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform) DWT Biến đổi sóng nhỏ rời rạc (Discrete Wavelet Transform) DANH MỤC CÁC BẢNG , HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Ví dụ bảng hệ số DCT 33 Bảng 2.2 Minh họa thuật toán DCT 38 Bảng 2.3 Minh họa thuật toán DCT3 42 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp kết thử nghiệm 60 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ phân loại kỹ thuật giấu tin Hình 1.2 Ví dụ thủy vân ẩn thủy vân 10 Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thủy vân số 15 Hình 2.1 Minh họa thuật toán 1(SW): nhúng bit vào khối ảnh B 23 Hình 2.2: Minh họa chọn điểm ảnh giấu tin vào khối ảnh màu 24 Hình 2.3 Minh họa thuật tốn Wu-Le: nhúng đoạn bit 011 26 Hình 2.4 Minh họa thuật toán (TCP): nhúng đoạn bit “001010000001” 30 Hình 2.5 Minh họa thuật tốn (LSB): nhúng bít 1110 31 Hình 2.6 Phân chia miền tần số phép biến đổi DCT 34 Hình 2.7 Quy trình nhúng tách thủy vân theo kỹ thủy vân miền DCT 35 Hình 2.8 Sự khác sóng(a) sóng nhỏ(b) 43 Hình 2.9 Sơ đồ phân tách ảnh chiều 45 Hình 2.10 Thể bƣớc phân tách ảnh chiều 45 Hình 2.11 Sơ đồ bƣớc xử lý ghép ảnh chiều 46 Hình 2.12 Lƣợc đồ sau ba mức phân tách theo kiểu hình chóp 47 Hình 2.13 Kết phân tách kiểu hình chóp 47 Hình 2.14 Lƣợc đồ qua hai lần phân tách kiểu đóng gói 48 Hình 2.15 Kết phân tách kiểu đóng gói 48 Hình 3.1 Sơ đồ chức hệ thống 53 Hình 3.2 Giao diện mở ảnh gốc 55 Hình 3.3 Giao diện tạo thủy vân 56 Hình 3.4 Giao diện nhúng thủy vân 56 Hình 3.5 Giao diện tách thủy vân 57 Hình 3.6 Kết tách thủy vân từ ảnh chứa thủy vân không bị chỉnh sửa 58 Hình 3.7 Kết tách thủy vân từ ảnh sau công tăng độ sáng 58 Hình 3.8 Chấ t lƣơ ̣ng ảnh sau kiểm ứng Photoshop 59 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, với phát triển công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ phƣơng tiện liệu số (nhƣ ảnh, audio, video ), việc đánh dấu quyền cho liệu ngày cải tiến nâng cao Tuy nhiên, công nghệ thông tin phát triển giúp cho việc chỉnh sửa, chép liệu số trở lên dễ dàng điều kéo theo thực trạng số lƣợng chép bất hợp pháp liệu số ngày nhiều Làm để xác nhận quyền tác giả, phát xuyên tạc thông tin nhu cầu thiết yếu nhằm bảo vệ quyền cho phƣơng tiện liệu số Kỹ thuật thủy vân số (Digital Watermarking) giải pháp đƣa để giải vấn đề Bằng cách sử dụng thủy vân, liệu số bảo vệ khỏi chép bất hợp pháp Thủy vân mẩu tin đƣợc ẩn trực tiếp liệu số Thủy vân gắn kết với liệu số Bằng trực quan khó phát đƣợc thủy vân liệu chứa nhƣng ta tách đƣợc chúng chƣơng trình có cài đặt thuật tốn thủy vân Thủy vân tách đƣợc từ liệu số chứng kết luận liệu số có bị xun tạc thơng tin hay vi phạm quyền khơng Đó lí mà em chọn đề tài “Hệ thống thủy vân số ứng dụng” làm nội dung nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp Mục đích luận văn Mục đích luận văn nghiên cứu hệ thống lý thuyết liên quan đến giấu tin tập trung vào nhánh thứ hai giấu tin thủy vân số Từ đó, xây dựng chƣơng trình thử nghiệm cài đặt số thuật tốn thủy vân ảnh số nhằm ứng dụng xác thực thông tin bảo vệ quyền cho liệu ảnh số Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật thủy vân ảnh số Ứng dụng mà luận văn xây dựng hệ thống nhúng tách thủy vân nhằm xác thực nội dung thông tin bảo quyền ảnh số Phương pháp thực Phƣơng pháp thực đề tài nghiên cứu vấn đề liên quan đến giấu tin, tập trung sau tiến hành xây dựng chƣơng trình cài đặt chƣơng trình thử nghiệm Kết đạt Luận văn hệ thống lại kiến thức giấu tin thủy vân số, nghiên cứu số thuật tốn thủy vân miền khơng gian miền tần số Đồng thời cài đặt thành cơng thuật tốn thủy vân miền không gian nhằm ứng dụng xác thực nội dung thơng tin thuật tốn thủy vân miền DCT nhằm ứng dụng xác định quyền tác giả Bố cục luận văn Luận văn đƣợc chia làm chƣơng Chƣơng Tổng quan kỹ thuật giấu tin thủy vân số Nội dung chƣơng đƣa kiến thức kỹ thuật giấu tin thủy vân, từ thủy vân nhánh giấu tin Tuy nhiên, mục đích thủy vân khác hồn tồn so với mục đích giấu tin mật mã hóa Điều đƣợc thể cụ thể phần phân tích hƣớng ứng dụng quan trọng thủy vân đời thƣờng Có nhiều mơi trƣờng đa phƣơng tiện để thực giấu tin có chừng môi trƣờng để thực thủy vân Chƣơng Một số thuật toán thủy vân ảnh số Chƣơng trình bày số thuật tốn thủy vân miền: miền không gian, miền tần số dựa vào biến đổi Cosine rời rạc DCT miền tần số dựa vào biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT Chƣơng Xây dựng ứng dụng Phần phân tích thiết kế modul cho hệ thống, cài đặt thuật tốn thủy vân chạy thử nghiệm chƣơng trình Thuật toán đƣợc lựa chọn cài đặt thuật toán thủy vân CPT miền khơng gian thuật tốn thủy vân dựa vào DCT miền tần số CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN SỐ 1.1 Kỹ thuật giấu tin 1.1.1 Khái niệm giấu tin Loài ngƣời biết đến nhiều phƣơng pháp bảo vệ thông tin khác nhau, giải pháp đƣợc biết đến sớm hệ mật mã Với phƣơng pháp này, thông tin ban đầu đƣợc mã hóa, sau đƣợc giải mã nhờ khóa hệ mã Độ an tồn thơng tin độ phức tạp việc tìm khóa giải mã Các hệ mật mã nhƣ DES, RSA, NAPSACK…đã đƣợc sử dụng hiệu phổ biến ngày Tuy nhiên, việc truyền thông tin sau mã hóa khiến đối phƣơng nghi ngờ tìm cách để thám mã Hơn nữa, việc mã hóa giải mã đảm bảo an tồn cho liệu q trình truyền thơng, sau giải mã liệu không đƣợc bảo vệ Một hƣớng nghiên cứu thu hút quan tâm nhiều ngƣời năm gần kỹ thuật giấu tin Cho tới kỹ thuật giấu tin đƣợc ứng dụng mạnh mẽ nhiều nƣớc giới Vậy giấu tin gì? Giấu thơng tin kỹ thuật nhúng (giấu) lƣợng thông tin số vào đối tƣợng liệu số khác Kỹ thuật giấu thông tin nhằm bảo đảm an tồn bảo mật thơng tin với hai mục đích Một bảo mật cho liệu đƣợc đem giấu, hai bảo vệ cho đối tƣợng dùng để giấu liệu vào.Yêu cầu kỹ thuật giấu tin không làm ảnh hƣởng đến liệu gốc 1.1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin Hai mục đích khác kỹ thuật giấu tin dẫn đến hai hƣớng kỹ thuật chủ yếu giấu tin mật thủy vân [7] Giấu tin mật kỹ thuật giấu lƣợng thông tin lớn vào liệu chứa cho ngƣời khác khó phát đƣợc đối tƣợng có giấu tin bên hay không nhằm bảo vệ lƣợng thông tin đem nhúng Đồng thời, kỹ thuật giấu tin mật quan tâm lƣợng tin đƣợc giấu, lƣợng thơng tin giấu đƣợc nhiều tốt Tuy nhiên, lƣợng thơng tin giấu lớn tính ẩn thơng tin giấu thấp Thủy vân kỹ thuật giấu (nhúng) lƣợng thông tin nhỏ vào liệu nguồn nhằm ứng dụng bảo vệ quyền, phát xuyên tạc thông tin cho liệu đƣợc nhúng Tùy theo mục đích hệ thủy vân mà ngƣời ta lại chia thành hƣớng nhỏ nhƣ thủy vân dễ vỡ thủy vân bền vững Giấu tin (Information hiding) Giấu tin mật Thủy vân (steganography) (watermaking) Thủy vân bền vững Thủy vân dễ vỡ (robust copyright marking) (Fragile watermarking) Thủy vân ẩn Thủy vân (Imperseptipl watermarking) (Visible watermarking) Hình 1.1 Sơ đồ phân loại kỹ thuật giấu tin Thủy vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng mẩu tin đòi hỏi độ bền vững cao thông tin đƣợc giấu trƣớc biến đổi thông thƣờng liệu chứa Hƣớng đƣợc sử dụng để bảo vệ quyền tác giả Thủy vân dễ vỡ yêu cầu thông tin giấu bị sai lệch có thay đổi liệu chứa Hƣớng đƣợc sử dụng để phát xuyên tạc thông tin Ở loại thủy vân bền vững thủy vân dễ vỡ lại chia thành hai loại dựa theo đặc tính thủy vân ẩn thủy vân Thủy vân cho phép nhìn thấy thông tin đem nhúng vào liệu chứa Loại đƣợc sử dụng cho mục đích cơng bố cơng khai quyền sở hữu Ngƣợc lại, thủy vân ẩn khơng cho phép nhìn thấy nội dung thơng tin nhúng đƣợc sử dụng với mục đích gài bí mật thông tin xác nhận quyền sở hữu 49 gốc thành bốn băng LL, HL, LH HH nhúng tín hiệu thủy vân thứ vào băng LL, nhúng thủy vân khác vào băng HH Kết thử nghiệm cho thấy thủy vân bền vững trƣớc số phép xử lý ảnh thông thƣờng b) Quá trình nhúng thủy vân Input: - Thủy vân: hai ảnh nhị phân J, K kích thƣớc N x N - Một ảnh chứa I kích thƣớc 4N x 4N Output: Ảnh chứa nhúng thủy vân I’ Cách thực hiện: - Sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ hai chiều mức hai I - Nhúng thủy vân J vào băng LL2, nhúng thủy vân K vào băng HH2 công thức : Vi,j’=Vi,j+Wi,j Với Vi,j hệ số tƣơng ứng LL2 HH2;  hệ số tƣơng quan tính ẩn tính bền vững thủy vân - Sử dụng phép biến đổi ngƣợc IDWT để tổng hợp lại đƣợc ảnh chứa thủy vân c/ Quá trình tách thủy vân - Sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ hai chiều mức hai ảnh gốc I ảnh chứa thủy vân I’ - Từ kết phân tích trên, tính giá trị lệch điểm tƣơng ứng thuộc băng LL2, HH2 ảnh chứa thủy vân ảnh gốc chia cho  để đƣợc bit tƣơng ứng thuộc ảnh thủy vân: W i,j’= (Vi,j - Vi,j)/  - Kiểm định, đánh giá thủy vân tách đƣợc với thủy vân gốc d/ Kết Qua thử nghiệm, kỹ thuật thủy vân Raval Mehul va Rege Prit cho kết thủy vân bền vững trƣớc nhóm biến đổi thơng thƣờng ảnh chứa thủy vân Thủy vân nhúng băng LL bền vững trƣớc nhóm phép biến đổi, thủy vân nhúng băng HH lại bền vững trƣớc nhóm biến đổi khác Điều thể hiện, thủy vân đƣợc nhúng băng khác thể tính bền vững khác trƣớc cơng vào hệ thủy vân Nhƣ vậy, sử dụng thủy vân nhúng vào tất cá băng phép phân tích sóng nhỏ để tìm đƣợc bền vững băng trƣớc cơng xây dựng phƣơng pháp nhúng kết hợp vào băng để tìm thủy vân tổng hợp từ băng nhúng 50 Quá trình tách thủy vân đƣợc yêu cầu sử dụng ảnh gốc ảnh chứa thủy vân 2.4.3 Thuật toán DWT2 Ở thuật tốn DWT1 sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ hai chiều để phân tích ảnh gốc thành băng tần khác nhau, nhúng tín hiệu thủy vân vào băng tần Theo cách đó, thủy vân bền vững trƣớc số cơng nhƣng lại bền vững với nhóm cơng khác Khắc phục yếu điểm trên, thuật tốn này, tác giả Peining Tao Ahmet M Eskicioglu [4] nhúng tín hiệu thủy vân vào bốn băng tần phép phân tích sóng nhỏ, băng tần sử dụng hệ số khác a/ Quá trình nhúng thủy vân Input: - Ảnh gốc I=(aij, 0i, j2n) - Ảnh thủy vân ảnh nhị phân, W=(wij 0, 1, 0i, jn) Output: Ảnh chứa đƣợc nhúng thủy vân IW Cách thực hiện: - Thực phép biến đổi sóng nhỏ DWT mức để phân tích ảnh gốc I - Sửa miền tần số Vij tƣơng ứng với băng LL, HL, LH, HH: - Vwk,ij  Vijk   kWij ; với i,j=1,….,n; k=1, 2, 3, - Thực phép biến đổi ngƣợc IDWT băng sửa đổi tƣơng ứng bƣớc thứ để đƣợc ảnh chứa nhúng thủy vân IW b/ Quá trình tách thủy vân Input: Ảnh chứa nhúng thủy vân, ảnh gốc Output: Thủy vân ảnh nhị phân W* Cách thực hiện: - Thực phép biến đổi sóng nhỏ DWT mức để phân tích ảnh gốc I ảnh nhúng thủy vân (có thể qua xử lý) - Tách thủy vân từ băng LL, HL, LH, HH: 51 Wij*k  (Vw*,kij  Vijk ) /  k ; với i, j=1,…,n; k=1, 2, 3, - Nếu Wij*  0.5 lấy Wij*  ngƣợc lại lấy Wij* =0 d/ Kết Với kỹ thuật nhúng thủy vân sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ đây, thủy vân sau đƣợc nhúng băng tần thấp bền vững nhóm công, thủy vân đƣợc nhúng băng tần cao lại bền vững trƣớc nhóm công khác, thủy vân nhúng băng tần bền vững với số công 52 CHƢƠNG XÂY DỰNG ỨNG DỤNG 3.1 Phát biểu toán Trong thực tế, việc mua bán, phân phối tác phẩm ảnh số đƣợc coi hợp pháp tuân thủ theo nguyên tắc: bên mua trả tiền để nhận đƣợc hợp pháp sản phẩm bên bán bên mua không đƣợc sửa chữa thơng tin sản phẩm Nhƣng q trình phân phối, bên bán phát sản phẩm bị bên sửa chữa, bị nghi ngờ chép không hợp pháp Vậy làm để tác giả chứng minh đƣợc điều nhằm bảo vệ thành lao động mình? Từ thực tế đặt tốn làm để bên bán xác thực đƣợc thông tin bán bảo vệ quyền cho tác phẩm 3.2 Phân tích tốn 3.2.1.Đặc tả u cầu người sử dụng Có thể giải tốn cơng nghệ thủy vân số Q trình bảo vệ quyền ảnh số thủy vân nhƣ sau: + Chủ sở hữu ảnh số gửi thông tin bí mật cho hệ thống để tạo thủy vân yêu cầu hệ thống nhúng thủy vân vào ảnh gốc + Hệ thống thủy vân tiến hành tạo nhúng thủy vân cho chủ sở hữu + Khi có tranh chấp vấn đề quyền, chủ sở hữu ảnh phải cung cấp ảnh có nghi ngờ chép trái phép cho hệ thống thủy vân để xác định nguồn gốc ảnh Hệ thống thủy vân tách thủy vân từ ảnh nghi ngờ Sau đó, so sánh thủy vân nhận đƣợc với thủy vân mà chủ sở hữu cung cấp Nếu hai thủy vân hệ thống trích thủy vân chủ sở hữu cung cấp trùng ngƣời chủ sở hữu tác phẩm, ngƣợc lại chủ sở hữu giả mạo vi phạm chép sản phẩm không hợp pháp sửa đổi sản phẩm gốc thành tác phẩm (nhái sản phẩm) 3.2.2 Mô tả chức hệ thống Hệ thống đƣợc xây dựng đảm bảo thực chức chính: tạo thủy vân, nhúng thủy vân, tách thủy vân kiểm tra 53 HỆ THỐNG THỦY VÂN TẠO THỦY VÂN NHÚNG THỦY VÂN TÁCH THỦY VÂN KIỂM TRA Hình 3.1 Sơ đồ chức hệ thống a/ CHỨC NĂNG TẠO THỦY VÂN Thủy vân ảnh: ảnh logo đặc trƣng cho công ty dấu vân tay đặc trƣng cho cá nhân Ảnh thủy vân phải có kích thƣớc nhỏ nhiều so với ảnh gốc Nếu ảnh thủy vân ảnh đen trắng việc tạo thủy vân đơn nhặt điểm ảnh để nhúng vào khối ảnh Nếu ảnh có kích thƣớc MxN chuỗi nhị phân biểu diễn cho ảnh nhị phân cần nhúng có độ dài MxN bít Nếu ảnh thủy vân ảnh đa cấp xám: lấy giá trị điểm ảnh theo cách duyệt ảnh từ xuống dƣới, từ trái qua phải xếp thành chuỗi số biểu diễn cho thủy vân cần nhúng Mỗi số dãy số lại đƣợc chuyển thành dãy bit nhị phân Vậy ảnh có kích thƣớc MxN dãy thủy vân biểu diễn cho ảnh thủy vân có kích thƣớc MxNx8 bits Nếu ảnh thủy vân ảnh 24 bits màu, thành phần mầu R, G, B chiếm byte nhớ Khi có cách tạo thủy vân: + Một tách riêng thành phần màu R, G, B Mỗi thành phần mầu tƣơng đƣơng với ảnh đa cấp xám Vậy ảnh 24 bits màu tƣơng đƣơng với ảnh đa cấp xám + Hai đặt nhóm bytes tƣơng ứng với điểm ảnh ảnh thủy vân liên tiếp để tạo chuỗi nhị phân tƣơng ứng Nhƣ vậy, chuỗi bit tạo có độ dài là: MxNx3x8 Vậy chọn thủy vân ảnh số phải tùy thuộc vào loại ảnh để chọn kích thƣớc thủy vân cho phù hợp lƣợng bits thủy vân nhúng đƣợc có giới hạn tùy thuộc vào thuật tốn Nhƣng nói chung tất thuật tốn khơng thể nhúng đƣợc nhiều thủy vân cịn tác động đến chất lƣợng tác phẩm sau nhúng thủy vân 54 Thủy vân chuỗi ký tự/ file văn bản: chứa thông tin quyền nhƣ tên tác giả, số chứng minh thƣ, mã số quyền… Khi nhúng, ký tự chuyển thành mã ASCII tƣơng ứng, sau đổi mã thành chuỗi bít để đƣa vào ảnh cần nhúng Rõ ràng so với thủy vân ảnh thủy vân ký tự có kích thƣớc nhẹ nhiều Nếu so với ảnh đa cấp xám ký tự tƣơng đƣơng với điểm ảnh Nếu so với ảnh 24 bít mầu điểm ảnh tƣơng đƣơng với ký tự Vì thủy vân ký tự lƣợng thơng tin nhúng đƣợc nhiều b/ CHỨC NĂNG NHÚNG THỦY VÂN Sau tạo thủy vân chứa thông tin quyền tác giả, hệ thống đƣa thủy vân vào ảnh muốn bảo vệ thuật toán thủy vân chƣơng Kết ảnh sau nhúng đƣợc lƣu vào file Và file mà tác giả đem cho ngƣời mua Hay muốn tạo copy hợp pháp tác giả lấy ảnh gốc, đƣa thông tin thủy vân vào hệ thống để tạo thủy vân, sau nhúng thủy vân vào ảnh gốc thu đƣợc copy hợp pháp dễ dàng kiểm chứng phát có đối tƣợng tạo giả c/ CHỨC NĂNG TÁCH THỦY VÂN Từ khối ảnh có thủy vân ta lấy đƣợc số bit thủy vân Ghép bít lại với để đƣợc dãy bit Thực cắt đoạn bit dãy bit để thu đƣợc mã ASCII ký tự giá trị mức xám điểm ảnh Với mục đích xác thực thơng tin yêu cầu hệ thống phải thủy vân dễ vỡ Khi việc so sánh thủy vân tách đƣợc từ ảnh nghi ngờ với thủy vấn gốc mà chủ sở hữu có, khơng giống có nghĩa tác phẩm bị sửa chữa thông tin trái phép, sản phẩm nguyên tác giả Với mục đích bảo vệ quyền yêu cầu hệ thống phải thủy vân bền vững Nghĩa dù sản phẩm có bị sửa chữa theo hình thức (do đối tƣợng nhái lại từ gốc) thủy vân đƣợc bảo vệ Do đó, tác giả tách thủy vân từ nghi ngờ ăn cắp quyền để chứng minh tác phẩm bị chỉnh sửa (bản nhái lại) Tất nhiên, mức độ bền vững thủy vân tùy thuộc vào mức độ công (mức độ chỉnh sửa) Nghĩa là, ảnh bị nghi ngờ qua số phƣơng pháp cơng nhƣng giới hạn chịu đựng hệ thống tách đƣợc thủy vân, vƣợt giới hạn khơng tách đƣợc Khi phải đánh giá đƣợc tính bền vững thuật tốn qua phép cơng, nghĩa thuật tốn cài đặt hệ thống có chịu đƣợc phép cơng khơng ngƣỡng cịn chịu đựng đƣợc 55 d/ CHỨC NĂNG KIỂM TRA Kiểm tra tính bền vững thuật toán thủy vân Với chức ngƣời sử dụng kiểm tra xem thuật tốn chọn chống lại biến đổi công nhƣ: nén, nhiễu, tăng giảm độ sáng từ lựa chọn giải pháp hợp lý cho thuật toán nhúng thủy vân Kẻ vi phạm quyền dùng công trái phép để làm biến đổi dấu thủy vân Nếu sau công chất lƣợng ảnh thấp, khơng cịn giá trị thƣơng mại thuật tốn thành cơng khía cạnh bền vững 3.3 Chương trình thử nghiệm Thủy vân sử dụng chƣơng trình thực nghiệm chuỗi ký tự Chuỗi ký tự thủy vân đƣợc gõ trực tiếp vào mục “Nội dung thủy vân cần nhúng” chọn đƣờng dẫn đến file văn nút Browse 3.3.1 Chức nhúng thủy vân Mở ảnh gốc: chọn mục "Open” để mở file ảnh cần nhúng thủy vân Ảnh gốc mục “Ảnh ban đầu” Hình 3.2 Giao diện mở ảnh gốc Tạo thủy vân: thủy vân chuỗi kỹ tự nhập trực tiếp vào mục “Nội dung thủy vân cần nhúng” chọn mục “Open” để mở file văn chứa thủy vân cần nhúng 56 Hình 3.3 Giao diện tạo thủy vân Nhúng thủy vân: Chọn mục “TPC” thủy vân nhúng với mục đích xác thực nội dung hay chọn “DCT” với mục đích bảo vệ quyền Ở thuật toán thủy vân thuộc nhóm: nhóm thuật tốn thủy vân dùng để xác thực nội dung nhóm thuật tốn để bảo vệ quyền Mỗi nhóm thuật tốn chƣơng trình cài đặt thuật tốn đại diện TPC (dùng để xác thực nội dung) DCT (dùng để bảo vệ quyền) Kết ảnh nhúng thủy vân mục “Ảnh giấu thủy vân” Hình 3.4 Giao diện nhúng thủy vân - Nếu muốn lƣu ảnh kết chọn mục Save Đánh giá: 57 Vì chƣơng trình xử lý với ảnh 24 bit mầu, nghĩa có thành phần R G B tham gia nhúng thủy vân nên khả “lộ” ảnh thấp Nếu quan sát kỹ kết vùng sáng ảnh có khả nhận đƣợc vài điểm ảnh có thay đổi gam màu tƣơng ứng - Để giảm khả bị lộ, tăng kích thƣớc khối Sẽ có đánh đổi dung lƣợng thủy vân cần nhúng khả bị lộ ảnh Khi tỷ lệ nhúng lớn khả bị lộ tăng ngƣợc lại 3.3.2 Chức tách thủy vân - Mở ảnh nhúng thủy vân: chọn mục “Open” bên phải để mở file ảnh nhúng thủy vân Tách thủy vân: chọn mục “Tách thủy vân” Kết thủy vân tách đƣợc mục “Kết tách thủy vân” Hình 3.5 Giao diện tách thủy vân 3.3.3 Kiểm tra tính xác thực thơng tin - Mở ảnh đƣợc nhúng thủy vân Chọn chức tách thủy vân Kiểm tra: so sánh thủy vân tách đƣợc với thủy vân mà tác giả nhúng + Nếu kết nội dung thủy vân tách đƣợc trùng với nội dung thủy vân nhúng ảnh chứa thủy vân khơng bị chỉnh sửa Thử nghiệm với trƣờng hợp ảnh nhúng thủy vân xong chọn tách thủy vân luôn, không qua sửa ảnh Kết thu đƣợc thủy vân nhƣ thủy vân ban đầu 58 Hình 3.6 Kết tách thủy vân từ ảnh chứa thủy vân không bị chỉnh sửa + Nếu thủy vân thu đƣợc khác với thủy vân nhúng ban đầu có nghĩa ảnh bị công Thử nghiệm với trƣờng hợp ảnh nhúng thủy vân bị công làm tăng độ sáng Kết tách thủy vân thu đƣợc khác với thủy vân nhúng ban đầu Hình 3.7 Kết tách thủy vân từ ảnh sau công tăng độ sáng 3.3.4 Kiểm tra tính bền vững Chức nhằm đánh giá tính bền vững chống chọi với dạng cơng thuật tốn DCT 59 - Sử dụng photoshop thực phép công: tăng giảm độ sáng, làm trơn ảnh, tăng giảm độ tƣơng phản…trên ảnh nhúng thủy vân Mở file ảnh nhúng thủy vân bị công Chọn mục “Tách thủy vân” Kết thu đƣợc thủy vân bền vững qua phép biến đổi này, chất lƣợng ảnh thu đƣợc nhƣ sau: (a) Giảm độ sáng (c) Làm trơn ảnh (b) Tăng đô ̣ sáng (d) Tăng đô ̣ tƣơng phản Hình 3.8 Chấ t lượng ảnh sau kiểm ứng Photoshop Một số kiểu công khác nhƣ tạo nhiễu, cắt ảnh, xoay ảnh…kết chƣơng trình thử nghiệm khơng đảm bảo đƣợc tính bền vững Theo đánh giá số chƣơng trình thử nghiệm tham khảo số tạp chí IEEE, với tỷ lệ nén JPEG 10% hầu hết ảnh bền vững, 75% tính bền vững; với nhiễu Gaussian, định lại kích thƣớc ảnh, cắt ảnh, nhiễu Uniform tồn ảnh thử nghiệm khơng vƣợt qua đƣợc; xoay ảnh với góc xoay nhỏ số ảnh đảm bảo thu đƣợc thủy vân Sau bảng tổng hợp kết thử nghiệm ảnh đầu vào nhúng thuỷ vân: 60 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp kết thử nghiệm 61 KẾT LUẬN Thủy vân số công nghệ phức tạp, để thực có ứng dụng thực tế phải cần có nhiều thời gian nghiên cứu thẩm định Tuy nhiên, công nghệ đƣợc nhà khoa học khẳng định đầy hứa hẹn cho vấn đề bảo mật an tồn thơng tin Thủy vân số thực nhiều mơi trƣờng khác Có nhiều thuật tốn thủy vân, tùy mục đích cụ thể mà ta chọn thuật toán thủy vân phù hợp Mỗi thuật toán khác có ƣu điểm nhƣợc điểm riêng thông thƣờng chịu đƣợc số công, thuật tốn bền vững với tất cơng Tính bền vững thủy vân tỷ lệ nghịch với chất lƣợng ảnh sau nhúng Kết đạt được: Luận văn trình bày cách có hệ thống kiến thức liên quan đến thủy vân số, tập trung nghiên cứu thuật toán thủy vân miền khác ảnh số: miề n không gian , miề n tầ n số dƣ̣a vào phép biế n đổ i Cosine rời ̣c DCT và miề n tầ n số dƣ̣a vào phép biế n đổ i sóng nhỏ DWT Xây dựng chƣơng trình thử nghiệm có cài đặt thuật tốn miền không gian miền tầ n số dƣ̣a vào phép biến đổi Cosine rời rạc DCT, đánh giá tính bền vững thủy vân qua số phép công đơn giản Hướng phát triển luận văn: Chƣơng trình thử nghiệm với thủy vân nhúng chuỗi ký tự file văn (.txt doc) nên cần tiếp tục mở rộng thử nghiệm với thủy vân file ảnh Với thủy vân bền vững, chƣơng trình cài đặt thử nghiệm đƣợc thuật tốn miền DCT Do cần tiếp tục nghiên cứu cài đặt thêm nhiều thuật toán khác Luận văn thực nhúng thủy vân ẩn liệu ảnh số Do cần tiếp tục xây dựng chƣơng trình nhúng thủy vân nhiều phƣơng tiện khác nhƣ audio, video 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Xuân Huy, Bùi Thị Thúy Hằng (2001), “Một số cải tiến kỹ thuật giấu liệu ảnh”, Kỷ yếu Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ thông tin , Hà Nội 24-25/12/2001, tr 553 – 559 [2] Lê Tiến Thƣờng, Nguyễn Thanh Tuấn (2004), “Giải pháp hiệu dùng kỹ thuật watermarking cho ứng dụng bảo vệ quyền ảnh số”, Tạp chí khoa học ĐH Bách Khoa TPHCM, tr 5-8 Tiếng Anh [3] Ahmet M Eskicioglu (2003), “Multimedia security in group communications: recent progress in key management, authentication, and watermarking”, ACM mutilmedia 2003 [4] Cox I.J., Kilian J., Leighton F.T., and Shamoon T (1997), “Secure Spread Spectrum Watermarking for Mutimedia”, IEE Trans on Image Processing, 6(12), pp 1673 – 1687 [5] E Koch and J Zhao “Toward robust and hidden image copyright labeling”, IEEE Workshop Nonlinear Signal and Image Processing, North Marmaras, Greece, June 20-22, 1995, pp 452-455 [6] Fabien A P Petitcolas , Ross J Anderson , Markus G Kuhn, “Attacks on Copyright Marking Systems”, Proceedings of the Second International Workshop on Information Hiding, p.218-238, April 14-17, 1998 [7] Frank Hartung, Martin Kutter, “Multimedia Watermarking Techniques”, Proceedings of The IEEE, Vol 87, No 7, pp 1085 – 1103, July 1999 [8] Hsu Ch and Wu.J, “Hiden Digital Watermarks in Images”, IEEE Trans Images Processing Vol.8, no.1, Jan.1999, pp.58-68 [9] Hsiang-Kuang Pan, Yu-Yuan Chen, and Yu-Chee Tseng, “ A Secure Data Hiding Scheme for Two-Color Images”, in Fifth IEEE Symposium on Computers and Communications, pp 750 – 755, July 2000 63 [10] I J Cox, F T Leighton, and T Shamoon, “Secure spread spectrum watermarking for multimedia”, in Proceedings of the IEEE ICIP '97, vol 6, pp.1673-1687, Santa Barbara, California, USA, 1997 [11] Martin Vetterli and Jelena Kovacevic (1995), Wavelets and Subband Coding, Prentice Hall [12] M Wu, E Tang, and B Liu, “Data hiding in digital binary image,” in Proc Of IEEE Int Conf on Multimedia and Expo, New York City, pp 393-396, July 31 to August 2, 2000 [13] Peter H.W.Wong (1998), Data Hiding and Watermarking in JPEG Compressed Domain by DC Coefficient Modification, Hong Kong University of Science and Technology [14] Santi Prasad Maity (1995), Robust and Blind spatial watermarking in digital Image, Dept of Electronic and Telecomm, BE College, India [15] Saraju P Mohanty (1999), Digital Watermarking: A tutorial Review, University of South Florida, USA [16] Wu M Y and Lee J H (1989), “A Novel Data Embedding Method for Tow – Color Facsimile Images”, In Proceedings of International Symposium on Multimedia Information Processing, Chung – Li, Taiwan, R.O.C