Báo cáo Nhúng ảnh số (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nhúng ảnh số (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NHÚNG ẢNH SỐ S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2015 - 72 S KC 0 0 5 6 1 3 Tp. Hồ Chí Minh, 2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NHÚNG ẢNH SỐ Mã số: T2015-72 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Duy Thảo TP. HCM, Tháng 10 / Năm 2015
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊĐIỆN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NHÚNG ẢNH SỐ Mã số: T2015-72 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Duy Thảo Thành viên đề tài: ThS. Nguyễn Trường Duy ThS. Lê Minh Thành TP. HCM, Tháng 10 / Năm 2015
4. T2015 – 72: Nhúng ảnh số DANH SÁCH NHữNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CứU Đề TÀI VÀ ĐƠN Vị PHốI HợP CHÍNH 1. Nguyễn Duy Thảo -Khoa Điện Điện tử (Bộ mơn Điện tử Cơng nghiệp) - Xây dựng thuật tốntrong miền DCT. 2. Lê Minh Thành -Khoa Điện Điện tử (Bộ mơn Điện tử Viễn thơng) - Xây dựng thuật tốntrong miền Wavelet. 3. Nguyễn Trường Duy -Khoa Điện Điện tử (Bộ mơn Điện tử Cơng nghiệp) -Triển khai ứng dụng. Trang 1
5. T2015 – 72: Nhúng ảnh số MụC LụC Trang Trang bìa i Trang bìa phụ ii Danh sách những thành viên 1 Mục lục 2 Danh mục bảng biểu 3 Danh mục các chữ viết tắt 4 Thơng tin kết quả nghiên cứu 5 Mở đầu 7 Chương 1: Xử lý ảnh số 9 1.1 Hệ thống xử lý ảnh 9 1.2 Điểm ảnh và ảnh số 10 Chương 2: Kỹ thuật nhúng ảnh 13 2.1 Lịch sử ẩn dữ liệu 13 2.2 Cơ sở của nhúng 14 Chương 3: Nhúng ảnh trong miền DCT 20 3.1 Phép biến đổi DCT 20 3.2 Quá trình nhúng ảnh 23 3.3 Quá trình trích ảnh 26 Chương 4: Nhúng ảnh trong miền Wavelet 29 4.1 Phép biến đổi DWT 29 4.2 Quá trình nhúng ảnh 35 4.3 Quá trình trích ảnh 38 Chương 5: Kết quả thực nghiệm 41 5.1 Nhúng ảnh trong miền DCT 41 5.2 Nhúng ảnh trong miền DWT 45 Kết luận và kiến nghị 49 Tài liệu tham khảo 50 Phụ lục 51 Bản sao Thuyết minh đề tài 59 Trang 2
6. T2015 – 72: Nhúng ảnh số DANH MụC HÌNH - BảNG BIểU Trang Hình 2.1: Mã hĩa 15 Hình 2.2: Giải mã và so sánh 15 Hình 3.1: Sơ đồ nhúng ảnh trong miền DCT 22 Hình 3.2: Quá trình nhúng ảnh trong miền DCT 25 Hình 3.3: Quá trình trích ảnh trong miền DCT 28 Hình 4.1: Biến đổi Wavelet rời rạc của tín hiệu 29 Hình 4.2: Quá trình phân tích tín hiệu DWT một chiều 30 Hình 4.3: Quá trình thực hiện DWT hai chiều 31 Hình 4.4: Phân tích tín hiệu rời rạc 32 Hình 4.5: Tổng hợp tín hiệu rời rạc 32 Hình 4.6: Sơ đồ thực hiện DWT hai chiều 33 Hình 4.7: Biến đổi DWT hai mức đối với ảnh Lena (512x512) 34 Hình 4.8: Sơ đồ nhúng ảnh trong miền DWT 34 Hình 4.9: Quá trình nhúng ảnh trong miền DWT 37 Hình 4.10: Quá trình trích ảnh trong miền DWT 40 Hình 5.1: Thay đổi ảnh gốc khi nhúng (DCT) 42 Hình 5.2: Thay đổi ảnh nhúng khi nhúng (DCT) 43 Hình 5.3: Thay đổi cường độ nhúng (DCT) 44 Hình 5.4: Thay đổi ảnh gốc khi nhúng (DWT) 46 Hình 5.5: Thay đổi ảnh nhúng khi nhúng (DWT) 47 Hình 5.6: Thay đổi cường độ nhúng (DWT) 48 Trang 3
7. T2015 – 72: Nhúng ảnh số DANH MụC CÁC CHữ VIếT TắT dB: Decibel DCT: Discrete Cosine Transform DWT: Discrete Wavelet Transform IDCT: Inverse Discrete Cosine Transform IDWT: Inverse Discrete Wavelet Transform MSE: Mean Squared Error PSNR: Peak SignaltoNoise Ratio Trang 4
8. T2015 – 72: Nhúng ảnh số TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKTTP.HCM CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐƠN VỊ ĐIỆN ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Tp. HCM, ngày 20 tháng 10 năm2015 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thơng tin chung: - Tên đề tài: Nhúng ảnh số - Mã số: T2015-72 - Chủ nhiệm: ThS. Nguyễn Duy Thảo - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện:12 tháng 2. Mục tiêu: -Ứng dụng phép biến đổi DCT và Wavelet vào xử lý ảnh. - Xây dựng chương trình mơ phỏng nhúng ảnh trong miền DCT và Wavelet. - Viết chương trình mơ phỏng bằng ngơn ngữ Matlab. 3. Tính mới và sáng tạo: - Đơn giản thuật tốn nhúng ảnh. - Xử lý các ảnh cĩ kích thước bất kỳ. 4. Kết quả nghiên cứu: - Nhúng ảnh màu trong miền DCT. - Nhúng ảnh màu trong miền DWT. 5. Sản phẩm: - Quyển báo cáo đề tài. - CD chứa chương trình mơ phỏng “Nhúng ảnh số”. - Bài báo đăng trên website Khoa Điện- Điện tử. Trang 5
9. T2015 – 72: Nhúng ảnh số 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: -Tài liệu tham khảo dùng trong giảng dạy Xử lý ảnh. - Tiền đề cho phát triển ứng dụng Xử lý ảnh vào thực tế. - Tài liệu tham khảo tại Bộ mơn Điện tử Cơng nghiệp, Khoa Điện- Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đĩng dấu) (ký, họ và tên) Trang 6
10. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Mở ĐầU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngồi nƣớc: Ứng dụng nhúng ảnh số vào bảo vệ bản quyền tác giả thể hiện qua một số tài liệu nước ngồi đã cống bố như sau: [1] Saraju Prasad Mohanty, Watermarking of Digital Images, A Project Report Submitted in Partial Fulfillment of the Requirement for the degree of Master of Engineering in System Science and Automation, Department of Electrical Engineering IndianInstitue of Science Bangalore-560 012, India , January 1999. [2] Ali Al-Haj, Combined DWT-DCT Digital Image Watermarking, Department of Computer Engineering, School of Electrical Engineering, Princess Sumaya University for Technology, PO Box 1928, Al-Jubeiha, 11941 Amman, Jordan. [3] Mingwei Zhao - Yanzhong Dang, Color Image Copyright Protection Digital Watermarking Algorithm Based on DWT & DCT, Institute of Systems Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, China. Ứng dụng nhúng ảnh bảo mật thơng tin cũng đã thực hiện qua các đề tài tốt nghiệp: [1] Nguyễn Đức Thiện, Kỹ thuật Watermarking ảnh số trong miền Wavelet, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Điện tử, Đại học Đà Nẵng, Năm 2011. [2] Nguyễn Thanh Cƣờng, Giấu tin trong ảnh và ứng dụng trong an tồn bảo mật thơng tin, Luận văn kỹ sư cơng nghệ thơng tin, Đại học Cơng nghệ, năm 2009. Tính cấp thiết của đề tài: Hiện nay, lĩnh vực xử lý ảnh ngày càng phát triển mạnh.Đặc biệt với các kỹ thuật nhúng ảnh để bảo vệ bản quyền cũng như bảo mật thơng tin.Đề tài ứng dụng phép biến đổi DCT và Wavelet vào xây dựng kỹ thuật nhúng ảnh số.Kết quả của đề tài cĩ thể được sử dụng vào việc nghiên cứu việc giảng dạy cho sinh viênchuyên ngành điện tử truyền thơng. Mục tiêu của đề tài: Ứng dụng phép biến đổi DCT và Wavelet vào xử lý ảnh.Xây dựng chương trình mơ phỏng nhúng ảnh trong miền DCT và Wavelet.Viết chương trình mơ phỏng bằng ngơn ngữ Matlab. Trang 7
11. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu: - Lý thuyết đến thực nghiệm (Nghiên cứu lý thuyết, mơ phỏng trên máy tính bằng ngơn ngữ Matlab). - Nghiên cứu lý thuyết về xử lý ảnh, nhúng ảnh, phép biến đổi DCTvà Wavelet. - Mơ phỏng chương trình nhúng ảnh bằng ngơn ngữ Matlab. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: - Xử lý ảnh số; Kỹ thuật nhúng ảnh trong miền DCT và Wavelet; Ngơn ngữ lập trình Matlab. - Xử lý ảnh và nhúng ảnh trong miền DCT, Wavelet. Nội dung nghiên cứu: - Xử lý ảnh số. - Kỹ thuật nhúng ảnh số. - Nhúng ảnh trong miền DCT. - Nhúng ảnh trong miền Wavelet. - Kết quả thực nghiệm. Trang 8
12. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Chƣơng 1: XỬ LÝ ẢNH SỐ 1.1 Hệ thống xử lý ảnh[2] Trong những năm gần đây, xử lý ảnh đang được nghiên cứu và phát triển với tốc độ nhanh chĩng bởi các trung tâm nghiên cứu, trường Đại học và Việnvới rất nhiều ứng dụng trên các lĩnh vực khác nhau.Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng bằng các phương pháp phân tích được nghiên cứu trong giai đoạn thiết bị phần cứng bị hạn chế.Nhờ sự xuất hiện và phát triển mạnh của máy tính đã tạo điều kiện hơn nữa cho quá trình thực hiện các thuật tốn xử lý ảnh. Ứng dụng của xử lý ảnh ngày càng được mở rộng sang các lĩnh vực khác, trong các thiết bị kỹ thuật số cĩ màn hình hiển thị luơn ưu tiên một phần tài nguyên dành cho việc xử lý hình ảnh: máy tính xách tay, camera kỹ thuật số, điện thoại thơng minh, tivi thơng minh Các thành phần trong một hệ thống xử lý ảnh gồm các thành phần cơ bản như: Cảm biến hình ảnh, phần cứng xử lý ảnh chuyên dụng, máy tính, phần mềm xử lý, bộ nhớ, màn hình hiển thị, in ấn và mạng. Cảm biến: Hai yếu tố được yêu cầu để tạo lập một tấm ảnh số (một là thiết bị vật lý nhạy với năng lượng bức xạ bởi vật thể mà chúng ta mong muốn ghi lại, thứ hai là bộ số hĩa, hay cịn gọi là thiết bị chuyển đổi ngõ ra của thiết bị cảm biến thành dạng số). Máy tính trong hệ thống xử lý ảnh là các máy tính đa chức năng và chúng cĩ thể là máy tính cá nhân hay thậm chí là siêu máy tính. Trong các ứng dụng cụ thể, các máy tính dân dụng cĩ thể được dùng để đạt được hiệu năng cần thiết. Phần mềm dành cho xử lý ảnh bao gồm các phần chuyên thực hiện các nhiệm vụ đặc trọng.Các gĩi này cũng bao gồm các đoạn mã dựng sẵn nhằm giúp cho người dùng cĩ thể tạo ra các module riêng.Nhiều gĩi phần mềm phức tạp cho phép tích hợp những module này và các câu lệnh trong các phần mềm đa dụng từ ít nhất một ngơn ngữ máy tính. Khả năng lưu trữ là vấn đề cần quan tâm trong các ứng dụng xử lý ảnh.Hàng triệu tấm ảnh thì việc cung cấp khơng gian lưu trữ trở thành một thách thức lớn. Các kiểu lưu trữ thường rơi vào một trong ba dạng cơ bản sau: lưu trữ tạm thời trong Trang 9
13. T2015 – 72: Nhúng ảnh số thời gian xử lý, lưu trữ trực tuyến với khả năng trích xuất nhanh chĩng và lưu trữ dùng cơ sở dữ liệu. Thiết bị hiển thị thường được dùng hiện nay là màn hình tivi. Các màn hình được điều khiển bởi các ngõ ra hình ảnh và bo mạch hiển thị đồ họa mà xét về cơ bản thì chúng là một phần trong hệ thống máy tính. Trong các trường hợp khác, thiết bị hiển thị cịn cĩ khả năng hiển thị dạng lập thể theo khơng gian ba chiều. Các thiết bị in ấn dành cho việc ghi lại các hình ảnh bao gồm máy in laser, máy chụp dạng phim, các thiết bị cảm biến nhiệt, máy in phun, hay các thiết bị số như đĩa quang hay đĩa nén. Để hiển thị, hình ảnh được đưa lên các tấm phim trong suốt hay trong mơi trường số hĩa nếu sử dụng các máy chiếu dạng phim. Mạng gần như là chức năng mặc định trong bất kỳ hệ thống máy tính hiện nay. Do một lượng lớn dữ liệu thuộc các ứng dụng xử lý ảnh, vấn đề cần xem xét ở đây chính là băng thơng. Mạng dành riêngkhơng thật sự là vấn đề, nhưng truyền thơng với các trang điều khiển qua Internet thì khơng phải lúc nào cũng hiệu quả. 1.2 Điểm ảnhvà ảnh số[2] 1.2.1 Điểm ảnh Ảnh số là một tập hợp của nhiều điểm ảnh (pixel). Mỗi điểm ảnh biểu diễn một màu sắc nhất định (hay độ sáng với ảnh đen trắng) tại một điểm duy nhất, cĩ thể xem một điểm ảnh giống như một chấm nhỏ trong một tấm ảnh màu. Bằng phương pháp đo lường và thống kê một lượng lớn các điểm ảnh, chúng ta hồn tồn cĩ thể tái cấu trúc các điểm ảnh này thành một ảnh mới gần giống với ảnh gốc. Cĩ thể nĩi pixel gần giống như các phần tử cĩ cấu trúc hạt trên một ảnh thơng thường nhưng được sắp xếp theo từng hàng và cột và chứa các thơng tin. Ảnh được biểu diễn dưới dạng một ma trận hai chiều với các pixel được xác định bởi cặp tọa độ (x, y). Trong đĩ giá trị của pixel tại tọa độ nhất định biểu diễn độ sáng (ảnh đen trắng) hay màu nhất định (ảnh màu). Giá trị độ sáng được số hĩa trong xử lý ảnh được gọi là giá trị mức xám. Một ảnh sau khi được lấy mẫu để cho ra một ảnh số với kích thước xác định gồm cĩ M hàng và N cột, ta nĩi rằng ảnh cĩ kích thước M x N. Mỗi điểm ảnh tương ứng với một phần của một đối tượng vật lý trong thế giới ba chiều. Đối tượng này được mơ tả bởi một vài nguồn sáng mà trong đĩ chúng Trang 10
14. T2015 – 72: Nhúng ảnh số được phản chiếu một phần và hấp thụ một phần bởi vật thể. Phần phản chiếu cĩ thể thu được bằng các cảm biến để mơ tả lại khung cảnh tương ứng và nĩ được ghi lại như là đặc trưng của điểm ảnh, hay nĩi cách khác, các giá trị này phụ thuộc vào từng loại cảm biến được dùng để phản ánh khung cảnh từ nguồn sáng phản chiếu. Lưu ý là giá trị độ sáng của những điểm ảnh khác nhau chỉ mang tính tương đối với nhau và rõ ràng là khơng cĩ ý nghĩa trong điều kiện tuyệt đối. Vì vậy, giá trị điểm ảnh giữa các ảnh khác nhau chỉ nên được so sánh nếu chúng được chuẩn hĩa bằng một cách nào đĩ để loại bỏ sự khác hau từ các tiến trình vật lý khác nhau. 1.2.2 Phân loại ảnh Cĩ hai dạng quan trọng trong ảnh số được dùng với nhiều mục đích khác nhau là ảnh màu và ảnh đen trắng.Trong đĩ, ảnh màu được cấu trúc từ các pixel màu trong khi ảnh đen trắng được xây dựng từ các pixel cĩ giá trị mức xám khác nhau. Ảnh đen trắng: Ảnh đen trắng được xây dựng từ nhiều pixel mà tại đĩ biểu diễn một giá trị nhất định tương ứng với một mức xám. Những mức xám này trải dài trong một khoảng từ đen sang trắng với bước nhảy rất mịn, thơng thường là 256 mức xám khác nhau theo tiêu chuẩn. Do mắt người chỉ cĩ thể phân biệt một cách rõ ràng với khoảng 200 mức xám khác nhau nên vì thế hồn tồn cĩ thể nhận xét sự thay đổi liên tục các mức xám. Ảnh màu: Ảnh màu thường được tạo thành từ nhiều pixel mà trong đĩ mỗi pixel được biểu diễn bởi ba giá trị tương ứng với các mức trong các kênh màu đỏ (Red), xanh lá (Green) và xanh dương (Blue) tại một vị trí cụ thể. Các kênh màu Red, Green và Blue (khơng gian màu RGB) là những màu cơ bản mà từ đĩ cĩ thể tạo ra các màu khác nhau bằng phương pháp pha trộn. Từ đĩ cĩ thể thấy rằng với 1 pixel thì chỉ cần 1 byte cho việc lưu trữ đối với ảnh đen trắng và 3 bytes đối với ảnh màu.Vì thế với cùng một ảnh cĩ kích thước nhất định, dung lượng của ảnh màu lưu trên bộ nhớ luơn lớn hơn gấp ba lần dung lượng dành cho ảnh đen trắng trong trường hợp khơng sử dụng các kỹ thuật nén ảnh. Ảnh nhị phân: Chỉ sử dụng duy nhất một bit để biểu diễn một pixel. Do một bit chỉ cĩ thể xác lập hai trạng thái là 1 và 0 tương ứng với hai màu là đen và trắng. Do đặc trưng trên mà ảnh nhị phân ít khi được sử dụng trong thực tế. Trang 11
15. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Ảnh chỉ số: Một vài ảnh màu (hay đen trắng) được tạo thành từ một bảng màu cĩ sẵn bị giới hạn, điển hình thường dùng là tập 256 màu khác nhau. Nhữngảnh này được gọi là ảnh màu chỉ số hĩa (indexed) do dữ liệu dành cho mỗi pixel bao gồm chỉ số cĩ sẵn chỉ rõ màu trong tập cĩ sẵn ứng với pixel đang xem xét. 1.2.3 Độ phân giải Với cùng một ảnh, càng nhiều điểm được lấy mẫu thì ảnh chụp càng chi tiết.Mật độ điểm ảnh trong một ảnh được xem như độ phân giải của chính nĩ.Ảnh cĩ độ phân giải càng cao thì ảnh càng chứa nhiều thơng tin.Nĩi một cách chính xác, khi giữ ảnh tại cùng một kích thước vật lý thì ảnh trở nên sắc nét hơn và chi tiết hơn nếu độ phân giải cao hơn. Trang 12
16. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Chƣơng 2: KỸ THUẬT NHÚNG ẢNH 2.1 Lịch sử ẩn dữ liệu Cĩ hai phương pháp ẩn thơng tin là cryptography và steganography. Cách đặt tên này cĩ nghĩa là (steganography: cover writing và cryptography: secret writing). Kỹ thuật nhúng (Watermarking techniques) là thể hiện của steganography [6]. Nghệ thuật làm giấy đã được phát minh ở Trung Quốc cách đây trên một ngàn năm nhưng mãi đến khoảng năm 1282,ở Italy các Watermark trên giấy mới xuất hiện. Kỹ thuật được dùng để thêm vào một ảnh mỏng giữa 2 mặt giấy. Tờ giấy sẽ mỏng hơn và sẽ trong suốt hơn[3]. Đến thế kỉ 18, Châu Âu và Châu Mỹ, Watermark trên giấy đã đem lại những lợi ích thiết thực hơn. Watermark được dùng như là nhãn hiệu thương mại, ghi nhận ngày sản xuất, chống giả mạo tiền giấy và các tài liệu khác [3]. William Congreve, người Anh, phát minh ra kỹ thuật tạo Watermarking màu bằng cách chèn các vật liệu khơ vào giữa 2 lớp giấy khi làm giấy. Kết quả là các dấu cực kỳ khĩ giả mạo, tuy nhiên Ngân Hàng Anh Quốc đã từ chối sử dụng chúng trong quá trình in tiền giấy do chúng quá khĩ thực hiện [3]. Một kỹ thuật khác thực tế hơn được phát minh bởi một người Anh khác là William Henry Smith. Kỹ thuật này thay thế các hoa văn đẹp được dùng trước đây bằng những hình chạm khắc khơng sâu vào tờ giấy. Kết quả là sự khác nhau trên bề mặt tờ giấy tạo ra những Watermark rất đẹp với các màu trắng đen khác nhau. Đây là kỹ thuật cơ bản được sử dụng ngày nay trong tờ 20 đơ la Mỹ [3]. Kỹ thuật Watermarking đúng nghĩa đầu tiên là vào năm 1954, Emil Hembrooker chèn một hoa văn cho Watermaking trong tín hiệu âm thanh. Một mã nhận dạng được chèn vào bản nhạc khơng liên tục bằng cách dùng một bộ lọc dải hẹp cĩ tần số trung tâm là 1Khz. Sự cĩ mặt của năng lượng tại tần số này xác định bộ lọc đã chèn và thời gian cĩ mặt được chỉ định là một dấu chấm hay một vệt, nĩ đã được tập đồn Muzak – tập đồn của tác giả sử dụng mãi đến năm 1984 [3]. Năm 1979, Szepanski miêu tả về một hoa văn cĩ thể tách bằng máy được đặtvào tài liệu để chống giả mạo. Chín năm sau (1988), Holt miêu tả một phương pháp nhúng mã nhận dạng vào một tín hiệu audio, sử dụng thuật ngữDigital Trang 13
17. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Watermark đầu tiên. Nhưng mãi đến thập niên 1990 thì thuật ngữWatermarking mới trở lên phổ biến [3]. Năm 1995, sự chú ý đến Watermarking mọc lên “như nấm sau mưa”. Ngồi ra, ở thời điểm này nhiều tổ chức bắt đầu xem xét kỹ thuật Watermarking bao gồm các tiêu chuẩn khác nhau. Nhĩm Kỹ thuật Bảo vệ Bản sao đã kiểm tra các hệ thống Watermarking để bảo vệ đĩa DVD. Nhĩm SDMI tạo ra Watermarking là một thành phần chính cho hệ thống của họ là bảo vệ bản quyền âm nhạc. Hai dự án được tài trợ bởi liên minh châu Âu, VIVA và Talisman, đã được kiểm tra cho giám sát quảng bá. Tổ chức ISO chú ý đến kỹ thuật này trong phạm vi thiết kế các tiêu chuẩn MPEG tiên tiến [3]. Những năm cuối 1990, một số cơng ty đã đưa Watermarking vào thương trường. Kỹ thuật từ tập đồn Verance đã được thơng qua như tiêu chuẩn SDMI đầu tiên và được sử dụng bởi các nhà phân phối âm nhạc trên Internet như Liquid Audio. Trong phạm vi Watermarking cho ảnh số, phần mềm Adobe Photoshop đã tích hợp một bộ nhúng và bộ dị tên là Digimarc [3]. 2.2 Cơ sở của nhúng Watermarking là nhúng dữ liệu nhúng (watermark / digital signature / tag / label) vào dữ liệu gốc (text / image / audio / video). Kỹ thuật nhúng được chia theo dữ liệu gốc cĩ bốn loại như sau: Nhúng văn bản (Text Watermarking), nhúng ảnh (Image Watermarking), nhúng tín hiệu âm thanh (Audio Watermarking) và nhúng tín hiệu hình (Video Watermarking). Trong trường hợp ảnh cĩ hai phương pháp nhúng trong miền khơng gian (spatial domain) và trong miền tần số (frequency domain) [6]. Một cách chia khác cĩ ba loại nhúng: Nhúng nhìn thấy được (Visible watermark), nhúng khơng nhìn thấy được bền vững (Invisible-Robust watermark) và nhúng khơng nhìn thấy yếu (Invisible-Fragile watermark). Theo ứng dụng nhúng cĩ ba loại: Bảo vệ bản quyền, quyền tác ảnh và bảo mật thơng tin. Thuật tốn nhúng gồm ba phần: Watermark, Encoder và Decoder and comparator như sau [6]: Trang 14
18. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Hình 2.1: Mã hĩa Hình 2.1: Giải mã và so sánh Các tiêu chí cần cĩ của một thuật tốn Watermarking hiệu quả: Tính bảo mật, tính trong suốt, tính bền vững, khả năng truyền tải thơng tin, tính linh hoạt, khả năng cải tiến và nhúng đa Watermark, tính mù và riêng tư [1]. Tính bảo mật (Trong hầu hết các ứng dụng, tính bảo mật của thơng tin nhúng phải được đảm bảo và tính hiệu quả của một thuật tốn khơng thể dựa vào giả định là những kẻ tấn cơng khơng biết quá trình nhúng Watermark vào ảnh gốc.Khi đã biết được phương pháp nhúng và trích Watermark thì kẻ tấn cơng sẽ dễ dàng loại bỏWatermark.Với độ bảo mật cao nhất, người dùng khơng được phép đọc hay giải mã Watermark, thậm chí là khơng thể phát hiện được dữ liệu đĩ cĩ nhúng hay là khơng.) Trang 15
19. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Tính trong suốt (Một trong những thuộc tính quan trọng khơng kém là tính trong suốt (hay cịn gọi là tính khơng nhìn thấy được), đặc tính này hồn tồn độc lập với ứng dụng của Waterrmarking. Thành phần lạ xuất hiện trong ảnh gây phiền phức và làm suy giảm hay phá hủy các giá trị thương mại của dữ liệu. Điều quan trọng là thiết kế thuật tốn Watermarking khai thác tối đa hiệu quả cảm nhận của mắt người để cực đại hĩa năng lượng của Watermark mà vẫn khơng vượt ngưỡng cảm nhận được. Vơ hình đối với mắt: Watermark phải được nhúng sao cho thật khĩ phát hiện vàkhơng ảnh hưởng nhiều đến nội dung dữ liệu bao phủ. Yêu cầu này lại mâu thuẫn với một số yêu cầu khác, chẳng hạn như tính bền vững. Thơng thường các bit ít cĩ ý nghĩa đối với mắt người sẽ được ưu tiên dùng để chứa Watermark. Vơ hình đối với thống kê: Watermarking phải đảm bảo kẻ tấn cơng khơng thể dị tìm và trích Watermark bằng phương pháp thống kê. Với nhiều tác phẩm kỹ thuật số đã được nhúng cùng với một Watermark sao cho khi thực hiện tấn cơngdựa trên thống kê thì khơng thể nào trích được Watermark. Tính bền vững (Với tính chất của từng ứng dụng cụ thể mà địi hỏi về mức độ bền vững khác nhau. Một Watermark bền vững phải chịu được với các phép biến đổi như: phép biến đổi tín hiệu phổ biến như là biến đổi A/D D/A, nén cĩ tổn hao Cịn đối với ảnh số thì Watermark phải chống lại được các phép xử lý ảnh phổ biến như lọc, co dãn, tăng cường ảnh, cắt, xén, xoay hay thậm chí là nén ảnh. Cùng thuật tốn,Watermark cĩ thể chịu được những tác động biến đổi dạng này nhưng lại tỏ ra khơng hiệu quả với những tác động khác hay tính bền vững chỉ mang tính tương đối.) Khả năng truyền tải thơng tin (Khả năng truyền tải thơng tin được tính theo số lượng bit Watermark được mã hĩa trong một đơn vị thời gian hay số lượng bit được dùng mã hĩa bên trong dữ liệu. Đối với ảnh thì khả năng tải được tính dựa trên số lượng bit được nhúng vào trong ảnh; cịn với video, khả năng tải được tính theo số lượng bit được trong một giây. Một hệ thống Watermarking cĩ khả năng nhúng N bit thì sẽ cĩ thể nhúng được 2N thơng điệpkhác nhau cĩ độ dài N bit. Lượng thơng tin nhúng càng nhiều thì chất lượng của ảnh sau khi nhúng càng kém.) Trang 16
20. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Tính linh hoạt (Trong các ứng dụng thương mại, chi phí tính tốn cho việc nhúng và trích rất quan trọng, khi đĩ chúng được chèn một lần và được thực hiện offline. Thơng thường thì chi phí nhúng cĩ thể khơng quan trọng bằng chi phí trích dị, vốn thường phải xử lý thời gian thực. Tuy nhiên tốc độ máy tính ngày càng tăng thì dường như đây đã khơng cịn là vấn đề khĩ khăn, thuật tốn nhúng ngày càng tinh vi hơn và yêu cầu một lượng tính tốn lớn mới cĩ thể trích được Watermark.) Khả năng cải tiến và nhúng đa Watermark (Thuật tốn cho phép nhúng nhiều Watermark khác nhau lên cùng dữ liệu gốc sao cho mỗi Watermark ứng với một người sử dụng được cấp quyền. Đặc tính rất hữu dụng trong ứng dụng liên quan đến dấu vân tay, khi đĩ thuộc tính tác quyền được dùng ngăn chặn người khác thực hiện nhúng Watermark cho một tác phẩm đã được đĩng dấu. Ngồi ra Watermark phải cĩ đặc tính thay đổi được, như trong các đĩa DVD thì Watermark dùng đánh dấu số lần sao chép, và khi giá trị này max thì khơng được phép sao chép.) Tính mù / khơng mù vàcơng cộng / riêng tư (Mối quan tâm đặc biệt là cơ chế sử dụng để khơi phục Watermark từ ảnh. Trong thực tế, sự cĩ mặt của ảnh gốc trong quá trình tách khơng được đảm bảo, do vậy thuậttốn cần ảnh gốc để tách khơng thích hợp cho nhiều ứng thực tế. Các kỹ thuật khơiphục Watermark khơng cần ảnh gốc thường được gọi là oblivious hay blind. Thuậtngữ public/private để chỉ một khái niêm khác: một kỹ thuật được gọi là private nếu chỉ cĩ người sở hữu tài liệu hay người được cấp quyền mới tách được Watermark bởi vì người đĩ mới cĩ thể truy xuất vào ảnh gốc hoặc biết khĩa chính xác để trích Watermark từ dữ liệu. Trái lại, các kỹ thuật mà cho phép bất kỳ người nào cũng đọc được Watermark được gọi là public. Tĩm lại, muốn Watermark được bền vững dưới nhiều tác động khác nhau thì buộc phải hy sinh đặc tính trong suốt và ngược lại.Bên cạnh đĩ, lượng thơng tin nhúng càng nhiều cũng làm cho thơng tin của ảnh gốc bị thay đổi đáng kể.Cũng vì thế mà khi muốn tăng tính bảo mật buộc phải thực hiện thuật tốn nhúng phức tạp, làm tăng chi phí tính tốn và làm giảm tính bền vững của Watermark. Trang 17
21. T2015 – 72: Nhúng ảnh số Trong truyền thơng đa phương tiện, mức độ biến dạng của Watermark được đánh giá trên xác suất lỗi bit, mức độ hữu dụng của dữ liệu được đo dựa trên sự cảm nhận bằng giác quan.Khi xem xét các dạng tấn cơng, cĩ thể chia làm bốn loại [1]: Tấn cơng loại bỏ (Dạng tấn cơng này chú trọng vào việc loại bỏ hồn tồn dữ liệu Watermark mà khơng làm ảnh hưởng hay gây ra các tác động ảnh hưởng đến tính an tồn của dữ liệu. Nĩ gồm các quá trình triệt nhiễu, lượng tử, nén cĩ tổn hao, tái điều chế và tấn cơng kết cấu. Ngồi ra việc loại bỏ cĩ thể thực hiện khi cĩ nhiều bản sao khác nhau của cùng một dữ liệu nằm trong tay kẻ tấn cơng, mỗi bản được đánh dấu riêng hay cĩ một Watermark chèn khác nhau. Kẻ tấn cơng cĩ thể thành cơng bằng cách lấy trung bình tất cả các bản sao hay chỉ dựa trên một phần nhỏ của các bản sao khác, với ít nhất khoảng mười bản sao khác nhau trở lên thì cĩ thể xĩa bỏWatermark thành cơng.) Tấn cơng hình học (Ngược với dạng tấn cơng loại bỏ, dạng tấn cơng này khơng chú trọng loại bỏWatermark nhúng nhưng làm méo nĩ thơng qua các thay đổi về thời gian hoặc khơng gian của dữ liệu đã nhúng Watermark.Các tấn cơng loại này tập trung vào việc loại bỏ sự đồng bộ giữa bộ phát hiện với thơng tin nhúng.Đối với ảnh nhúng Watermark, các cơng cụ đánh giá tốt nhất cĩ thể xét đến như Unzign và Stirmark, nĩ tổng hợp các loại tấn cơng khác nhau. Unzign đưa ra những xáo trộn các pixels và rất hiệu quả trong việc tấn cơng vào kỹ thuật Watermarking trong miền khơng gian. Stirmark đưa ra những biến dạng tồn cục: tỷ lệ, thay đổi tỷ số, cắt xén, xoay và dịch.Tính bền vững trước những thay đổi hình học thường dựa trên việc sử dụng miền biến đổi bất biến như Fourier-Melline hay thêm một bản mẫu (template) hay thiết kếWatermark tuần hồn đặc biệt.) Tấn cơng mã hĩa (Dạng tấn cơng này sẽ bẻ gãy tính an tồn của hệ thống Watermark và tìm cách loại bỏ thơng tinWatermark chèn vào hay tìm cách chèn Watermark giả. Một dạng tấn cơng thuộc loại này được biết đến là Oracle, nĩ tạo ra tín hiệu khơng cĩ Watermarkkhi nĩ đến thiết bị tách Watermark.Thực tế, việc ứng dụng tấn cơng này rất hạn chế do sự tính tốn rất phức tạp.) Tấn cơng giao thức cĩ hai loại tấn cơng giao thức: tấn cơng đảo ngược (inverse attack) và tấn cơng sao chép (copy attack).Dạng tấn cơng đảo ngược dựa trên cấu trúc Watermark kẻ tấn cơng cĩ thể tuyên bố là chủ sở hữu của dữ liệu, vì Trang 18
22. S K L 0 0 2 1 5 4