Báo cáo Tìm hiểu Watermarking

Nội dung text: Báo cáo Tìm hiểu Watermarking

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC: TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Đề tài: “Tìm hiểu Watermarking” Giảng viên: PGS.TS. Nguyễn Hoàng Lan – Viện CNTT&TT Học viên: Nguyễn Văn Tánh MSHV: CB110416 Lớp: 11BMTTT.KH - KTMT & TT
2. Phần 1: Tổng quan về Watermarking Phần 2: Các mô hình Watermarking, các thuật toán và phân loại Phần 3: Phân tích một số thuật toán Watermarking trong môi trường ảnh màu Phần 4: Độ an toàn Watermar và tấn công Watermark Phần 5: Tổng kết, đánh giá, hướng phát triển đề tài
3. TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING * Watermarking là một trong những kỹ thuật giấu dữ liệu hiện đại. Nó được định nghĩa như là quá trình chèn thông tin vào dữ liệu đa phương tiện nhưng bảo đảm không cảm thụ được, nghĩa là chỉ làm thay đổi nhỏ dữ liệu gốc.
4. a) Sơ đồ nhúng Watermark b) Sơ đồ khôi phục Watermark
5. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH – ĐẶC ĐIỂM WATERMARKING 1.1 Lịch sử Watermarking 1.2 Các tiêu chí cần có của một thuật toán Watermarking mạnh mẽ ✓ Tính bảo mật ✓ Tính vô hình ✓ Tính vô hình đối với thống kê ✓ Tỉ lệ bit ✓ Quá trình dò đáng tin cậy ✓ Tính bền vững ✓ Nhúng nhiều Watermark ✓ Blind/non-blind, public/private Watermarking ✓ Watermarking đọc được và dò được ✓ Tính khả đảo và tính thuận nghịch của Watermark ✓ Tính có thể thay đổi tỉ lệ (scalability)
6. 1.3 Các ứng dụng của Watermarking ✓ Theo dõi phát sóng ✓ Nhận ra người chủ sở hữu ✓ Bằng chứng về quyền sở hữu ✓ Lưu vết giao tác hay dấu vân tay ✓ Xác nhận nội dung ✓ Kiểm soát sao chép
7. II. CÁC MÔ HÌNH WATERMARKING, CÁC THUẬT TOÁN 2.1 Mô hình trên quan điểm Watermarking như một dạng truyền thông ✓ Mô hình cơ bản ✓ Mô hình Watermarking truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển ✓ Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông đa công 2.2 Mô hình dựa trên quan điểm hình học ✓ Các phân phối và miền trong không gian đa phương tiện ✓ Mô hình Watermarking trong không gian nhúng 2.3. Các thuật toán Watermarking và phân loại
8. 2.1 Mô hình trên quan điểm Watermarking như một dạng truyền thông Mô hình cơ bản Trong mô hình này, tài liệu chủ được xem như nhiễu được thêm vào trong suốt quá trình truyền tín hiệu Watermark. Hình - 1: Bộ dò cần ảnh gốc
9. Hình - 2: Bộ dò không cần ảnh gốc
10. Mô hình Watermarking truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển Tài liệu chủ vẫn được xem là một nhiễu, nhưng qui trình nhúng Watermark cần được cung cấp thêm ảnh chủ đó với vai trò là thông tin phụ. Thông tin phụ (side information) là thông tin được cung cấp cho bộ trung chuyển hoặc bộ nhận trong một hệ thống truyền thông, khác với thông điệp được chuyển hay tín hiệu nhận được cần giải mã. Trong mô hình Watermarking này, chúng ta xem ảnh chủ là một thông tin phụ đối với bộ nhúng. Hình -3: Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển
11. Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông đa công Ảnh chủ không còn được xem là một phần của kênh truyền mà là thông điệp thứ hai được truyền đi cùng với thông điệp Watermark trong cùng tìn hiệu Hình - 4: Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông đa công
12. 2.2 Mô hình dựa trên quan điểm hình học ✓ Quan điểm Watermarking hình học xem các tài liệu là các điểm trong không gian đa phương tiện (media space) nhiều chiều. ✓ Khi phân tích các thuật toán phức tạp hơn, ta cần chiếu hay làm biến dạng không gian đó thành không gian nhúng. Các phân phối và miền trong không gian đa phương tiện ✓ Trong không gian đa phương tiện có những phân phối xác suất và vùng sau: Phân phối các tài liệu chưa được nhúng Watermark (distribution of unWatermarked works) tượng trưng cho mỗi tài liệu. ✓ Vùng tương tự cảm nhận được giữa ảnh gốc và ảnh qua xử lý có thể chấp nhận (Region of acceptable fidelity) là vùng trong đó tất cả các tài liệu đều là ứng viên tiềm năng của một tài liệu cho trước.
13. Mô hình Watermarking trong không gian nhúng Phần lớn các bộ dò Watermark thường được thiết kế để áp dụng được trên không gian nhúng (marking space), đó là một không gian thu hẹp của không gian đa phương tiện qua phép chiếu hoặc phép biến hình. Hình 5: Bộ dò trong mô hình Watermarking theo quan niệm hình học trên không gian nhúng
14. 2.3. Các thuật toán Watermarking và phân loại ✓ Gần đây, một số thuật toán Watermarking đã được triển khai để hỗ trợ việc bảo vệ bản quyền ảnh số và xác minh tính toàn vẹn của dữ liệu đa phương tiện. ✓ Hầu hết các thuật toán Watermarking biến đổi ảnh chủ thành một miền nào đó thuận tiện cho việc nhúng thông tin của Watermark, làm sao để nó vừa có độ an toàn cao, vừa vô hình. Các biến đổi thường dùng để làm việc này là DFT, DCT và mới đây là DWT. Phân loại: Các thuật toán Watermarking có thể được phân loại như sau: ➢ Theo miền nhúng/trích: • Miền không gian • Miền biến đổi cosine rời rạc (DCT) • Miền biến đổi Fourier rời rạc (DFT) • Miền biến đổi wavelet rời rạc (DWT) • Các miền hỗn hợp khác, ví dụ: miền fractal, miền Fourier-Mellin, đặc tả Histogram, miền biến đổi wavelet phức (CWT),
15. ➢ Theo dữ liệu cần tham chiếu (thường là ảnh gốc) khi trích Watermark: • Không tham chiếu dữ liệu (blind) • Tham chiếu dữ liệu tương đối (semi-blind) • Tham chiếu dữ liệu hoàn toàn (non-blind) ➢ Theo cách sửa đổi dữ liệu ảnh chủ: • Cộng tuyến tính tín hiệu tán phổ • Hợp nhất ảnh (ví dụ nhúng một logo) • Lượng tử và thay thế phi tuyến ➢ Theo mô hình cảm quan • Không có mô hình • Mô hình ẩn qua các thuộc tính miền biến đổi • Mô hình HVS tường minh ➢ Theo mục đích của ứng dụng Watermarking • Bảo vệ bản quyền, theo dõi việc phát hành • Xác minh dữ liệu ảnh, xác nhận và phát hiện giả mạo • Ẩn dữ liệu và gắn nhãn ảnh ➢ Theo kiểu dữ liệu đa phương tiện chủ: • Ảnh tĩnh • Video • Các định dạng đa phương tiện khác như: ảnh hoạt họa, ảnh bản đồ,
16. CHƯƠNG 3: WATERMARKING TRÊN ẢNH MÀU 3.1 Tổng quan về các thuật toán nhúng Watermark trên ảnh màu 3.2 Phân tích một số thuật toán cơ bản ✓ Thuật toán nhúng Watermark trên kênh xanh da trời (blue) ✓ Thuật toán nhúng Watermark trên nhiều kênh
17. 3.1 Tổng quan về các thuật toán nhúng Watermark trên ảnh màu ✓ Hầu hết các nghiên cứu trên lĩnh vực Watermarking tập trung thảo luận cách thực hiện trên ảnh xám, phần mở rộng các thuật toán đó trên ảnh màu thường được bỏ ngỏ và gợi ý thực hiện trên một số kênh đặc biệt nào đó. ✓ Một cách phổ biến nhất là nhúng Watermark vào kênh độ chói của ảnh.
18. 3.2 Phân tích một số thuật toán cơ bản ✓ Thuật toán nhúng Watermark trên kênh xanh da trời (blue) Tác giả Martin Kutter - Frederic Jordan - Frank Bossen – Phòng thí nghiệm xử lý tín hiệu số, EPFL Loại Blind Watermark Là một chuỗi m bit • Để đảm bảo tính an toàn, mỗi bit được nhúng nhiều lần ở các vị trí ảnh khác nhau. Sự chỉnh sửa các giá trị điểm ảnh gốc Bij phụ thuộc vào giá trị của bit và cân xứng với độ chói điểm ảnh Lij: Cho một bit s cần nhúng, B*ij = Bij + (2s -1) Li,jq trong đó B*ij là giá trị được sửa và q là một tham số xác định cường độ nhúng. • Các vị trí nhúng được xác định như sau: Với mỗi điểm ảnh, một số x giả ngẫu nhiên được phát sinh. Nếu x nhỏ hơn q thì thông tin • Nhúng được nhúng vào điểm ảnh. • Ngược lại điểm ảnh không bị thay đổi. Trong qui trình này, trật tự quét ảnh được sửa đổi làm cho ảnh không phụ thuộc kích thước. Thay vì quét ảnh theo dòng, cột, thuật toán quét ảnh theo một đường zig-zag • Hình 7: Trật tự quét ảnh
19. Để trích được bit nhúng mà không cần sử dụng ảnh gốc, thuật toán sử dụng một dự báo về giá trị gốc của các điểm ảnh được sửa (dự báo dựa trên liên kết tuyến tính của các giá trị Trích điểm ảnh trong lân cận hình chữ thập của điểm ảnh). Thuật toán tính toán sự khác nhau giữa các giá trị điểm ảnh dự báo và giá trị thực và so sánh nó với ngưỡng thích hợp để quyết định bit được nhúng. Sở dĩ kênh xanh da trời được chọn vì hệ cảm quan của người (HVS) ít mẫn cảm với các màu xanh da trời do các hình nón xanh da trời (S- cone) ít được phân phối dày đặc hơn so với các hình nón xanh lá cây và đỏ trong phần hố của võng mạc người. Watermark kênh xanh da trời có độ an toàn cao hơn với các phép tấn công chẳng hạn như lọc (trung bình, trung tuyến, ) và nhiễu cộng. Hơn nữa tác giả đã khẳng định dưới phép nén có mất thông tin JPEG, cả hai hướng tiếp cận đều xấp xỉ nhau. Tuy nhiên vấn đề nảy sinh đối với Watermark trên kênh xanh da trời là nó khó kiểm soát hay tiên đoán các tác nhân. Nghĩa là tính khả kiến của Watermark trên kênh độ chói đồng nhất hơn và ít phụ thuộc vào ảnh màu. Do đó, thiết kế Watermark trên kênh xanh da trời (hay một kênh nào bất kì) thì tinh xảo hơn và đòi hỏi những mô hình HVS phức tạp để làm Watermark thích ứng tối ưu với độ tương phản, cường độ và màu sắc. Nhận xét Hình 8: Ảnh gốc và ảnh được nhúng
20. ✓ Thuật toán nhúng Watermark trên nhiều kênh Alessandro Piva thuộc Khoa Công Nghệ Điện Tử Đại Học Fizenze, Tác giả Italy Watermark Chuỗi các giá trị giả ngẫu nhiên Ảnh được phân tích thành các băng R, G, B tương ứng với các Phân tích kênh màu. Sử dụng biến đổi FF-DCT cho mỗi băng R, G, B. Các hệ số được sắp lại theo đường zig-zag cho mỗi kênh, và được Lựa chọn chọn từ vị trí (k+1) tới vị trí (k+n). Số vị trí tương ứng với số giá trị hệ số Watermark. Ứng với 3 băng R, G, B có 3 vector chứa các hệ số DCT là Vr, Vg, Vb. Các vector này sau đó được nhúng vector Watermark X = {x1, x2, , xn} theo các qui luật sau: Nhúng Trong đó i=1 n, và αr, αg, αb xác định cường độ năng lượng nhúng trong mỗi kênh.
21. Mô hình Watermarking trên ảnh màu của Piva Theo tính toán của tác giả, thì giữa các hệ số cường độ nhúng phải thỏa ràng buộc: Ví dụ, nếu lấy αr,g,b = 0.3 thì αr = 0.042, αg = 0.022, αb = 0.231
22. Quá trình trích được tiến hành theo qui trình ngược lại. Đầu tiên ảnh được phân tích thành các băng R’, G’ , B’ sau đó đem áp dụng FF- DCT lên mỗi băng. Các hệ số của các băng này được Trích sắp lại theo đường zig-zag, sau đó chọn các hệ số từ (k+1) đến (k+n) để phát ra các vector Vr', Vg', Vb' và tiến hành tính toán theo công thức ngược lại khi nhúng để lấy lại các thông tin của Watermark. Mô hình này là một mô hình tốt cho kỹ thuật Watermarking dựa trên DCT. Nó khắc phục được nhược điểm của việc nhúng trên miền DCT là thường gây hại cho HVS, Watermark có thể vô hình nếu chọn được các hệ số α thích hợp. Tác giả cũng đề nghị cách tính tổng hệ số tương quan giữa các băng và so sánh tổng này với ngưỡng toàn cục T để khẳng định có Watermark hay không thay vì tính tương quan riêng cho từng băng. Nhận xét Ảnh Boat gốc và ảnh sau khi được nhúng Watermark với α = 0.2, k = nhúng = 16000, và mặt nạ được xây dựng bằng cách tính phương sai cục bộ một cửa sổ 9x9
23. CHƯƠNG 4. ĐỘ AN TOÀN, TẤN CÔNG WATERMARK 4.1 Các phương pháp tiếp cận nhằm tạo Watermark có độ an toàn cao ✓ Nhúng thừa, nhúng lặp ✓ Mã hóa tán phổ ✓ Nhúng trong các hệ số quan trọng cảm nhận được ✓ Nhúng trong các hệ số được cho là mạnh mẽ ✓ Đảo nhiễu trong bộ dò 4.2 Một kiểu tấn công ✓ Đặt vấn đề ✓ Các cách giải quyết bài toán tác quyền khác nhau của các hệ thống Watermarking khác nhau.
24. ✓ Trong khi có những nghiên cứu về làm sao có thể tạo ra các Watermark có độ an toàn cao thì cũng có những nghiên cứu tập trung về cách tấn công các mô hình Watermarking. ✓ Tấn công watemark lại là một phần không thể bỏ quên khi sáng tạo ra một mô hình Watermarking mới vì nó góp phần phân tích các điểm sơ hở, chưa thỏa đáng của một thuật toán để đề xuất một cách tiếp cận cao hơn.
25. TỔNG KẾT, HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 1. Kết luận ✓ Đánh giá giải pháp ✓ Kết quả đạt được 2. Hướng phát triển
26. Kết luận ✓ Trong quá trình thực hiện dề tài, tuy còn nhiều hạn chế về mặt kiến thức cũng như hiểu biết về lĩnh vực nghiên cứu nhưng cá nhân đã tìm hiểu được những vấn đề chung trong lĩnh vực Watermarking. Đối với ảnh số, đề tài đã nghiên cứu một số thuật toán Watermarking và kỹ thuật Watermarking trong môi trường ảnh màu. ✓ Các thuật toán được trình bày tuy còn hạn chế nhưng là những đại diện tiêu biểu cho các thuật toán Watermarking trên ảnh số. Hy vọng rằng trong thời gian tới, các nhà khoa học và những chuyên gia trong các lĩnh vực liên quan sẽ tiếp tục nghiên cứu sâu hơn, chính xác hơn để các thuật toán, các kỹ thuật Watermarking được áp dụng nhiều, hiệu quả và phổ biến hơn nữa trong thực tế nhằm đáp ứng những nhu cầu về bảo vệ tác quyền, phân phối tác phẩm và xác nhận nội dung ngày càng gia tăng.
27. Hướng phát triển ✓ Các thuật toán Watermarking hiện nay không ngừng được cải tiến, phát triển, và xuất hiện những thuật toán mới để áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau có nhu cầu tương tự. ✓ Các nhu cầu về bảo vệ bản quyền, chứng thực nội dung, phục vụ điều tra, an ninh quốc phòng, bảo vệ các thông tin cá nhân không chỉ trên môi trường truyền thông đa phương tiện mà đó còn là nhu cầu trong tất cả các lĩnh vực cuộc sống. ✓ Việc nghiên cứu phát triển các thuật toán, công nghệ, kỹ thuật Watermarking là điều vô cùng cần thiết và cấp bách trong thế giới công nghệ số đang phát triển nhanh chóng như hiện nay, đây còn là tiềm năng vô cùng lớn cho một ngành công nghiệp số trong tương lai.
28. XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN