Đồ án Thực hiện bản quyền ảnh số dùng watermarking kết hợp với wavelets trên kit DM6437EVM (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thực hiện bản quyền ảnh số dùng watermarking kết hợp với wavelets trên kit DM6437EVM (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG THỰC HIỆN BẢN QUYỀN ẢNH SỐ DÙNG WATERMARKING KẾT HỢP VỚI WAVELETS TRÊN KIT DM6437EVM GVHD: ThS. LÊ MINH THÀNH SVTH: PHAN THẾ ÐỨC MSSV: 10117023 MSSV: DƯƠNG MINH VŨ MSSV: 10117082 S K L 0 0 3 2 5 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Đề tài : THỰC HIỆN BẢN QUYỀN ẢNH SỐ DÙNG WATERMARKING KẾT HỢP VỚI WAVELETS TRÊN KIT DM6437EVM GVHD : ThS. LÊ MINH THÀNH SVTH : PHAN THẾ ĐỨC - 10117023 DƢƠNG MINH VŨ - 10117082 TP. HỒ CHÍ MINH – 8/2014
3. Đồ Án Tốt Nghiệp i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, đầu tiên nhóm thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Lê Minh Thành đã trực tiếp hƣớng dẫn trong quá trình chọn đề tài cũng nhƣ thực hiện đồ án tốt nghiệp. Nhóm thực hiện đề tài cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Điện- Điện tử và đặc biệt là quý thầy cô trong bộ môn Điện Tử - Viễn Thông đã truyền đạt rất nhiều kiến thức nền tảng và tạo điều kiện thuận lợi để nhóm thực hiện đề tài có thể hoàn thành tốt đồ án này. Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm thực hiện đề tài cũng đã nhận đƣợc sự giúp đỡ và động viên từ phía gia đình, thầy cô, bạn bè. Đây chính sự động viên to lớn thúc đẩy nhóm cố gắng hoàn thành đề tài. Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện nhƣng do kiến thức cũng nhƣ khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc lời chỉ dẫn, góp ý quý báu của quý thầy cô và các bạn sinh viên. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện đề tài Phan Thế Đức - Dƣơng Minh Vũ
4. Đồ Án Tốt Nghiệp ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii LIỆT KÊ BẢNG vi LIỆT KÊ HÌNH vii TÓM TẮT xi ABSTRACT xii Chƣơng 1GIỚI THIỆU 1 1.1 Lý do chọn đề tài 1 1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 1 1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 1 1.4 Bố cục của đồ án 2 Chƣơng 2TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ẢNH SỐVÀ CÁC KỸ THUẬTBẢO MẬT ẢNH SỐ 3 2.1 Cấu trúc ảnh số 3 2.1.1 Khái niệm ảnh số 3 2.1.2 Biểu diễn ảnh số 3 2.1.3 Điểm ảnh 3 2.1.4 Mức xám của ảnh 4 2.2 Mô hình không gian màu 4 2.2.1 Màu sắc 4 2.2.2 Không gian màu RGB 5 2.2.3 Không gian màu YIQ 5 2.2.4 Không gian màu HSV 6 2.2.5 Chuyển đổi không gian màu 6 2.3 Vấn đề hệ thống cảm thụ mắt ngƣời 6 2.3.1 Độ nhạy tƣơng phản 7 2.3.2 Độ nhạy tần số 7 2.4 Kỹ thuật bảo mật ảnh số 8 2.4.1 Vấn đề bảo mật ảnh số 8 2.4.2Các kỹ thuật bảo mật ảnh số 8 2.4.2.1Kỹ thuật mã hóa 8 2.4.2.2 Kỹ thuật Watermarking 9
5. Đồ Án Tốt Nghiệp iii Chƣơng 3KỸ THUẬT WATERMARKINGTRONG BẢO VỆ BẢN QUYỀN 11 3.1 Tổng quan về kỹ thuật Watermaking 11 3.1.1 Khái niệm kỹ thuật Watermarking 11 3.1.2 Lịch sử kỹ thuật Watermarking 11 3.1.3 Vai trò kỹ thuật Watermarking hiện nay 12 3.2 Những ứng dụng của kỹ thuật Watermarking 13 3.2.1 Bảo vệ quyền tác giả 13 3.2.2 Xác nhận thông tin và tình trạng dữ liệu 13 3.2.3 Theo dõi quá trình sử dụng 13 3.2.4 Kiểm tra truyền thông 13 3.2.5 Kiểm tra giả mạo 13 3.2.6 Truyền tin bí mật 14 3.3 Các tiến trình xử lý Watermark 14 3.3.1 Quá trình nhúng 14 3.3.2 Quá trình lƣu hành 15 3.3.2.1 Một số dạng tấn công thƣờng xét đến 16 3.3.2.2Chuẩn nén JPEG và JPEG2000 18 3.3.3 Quá trình trích 18 3.3.4 Kiểm tra tính chính xác 19 3.4 Các tiêu chí cần có của một thuật toán Watermarking hiệu quả [6] 20 3.4.1 Tính bảo mật 20 3.4.2 Tính trong suốt 20 3.4.3 Tính bền vững 20 3.4.4 Khả năng truyền tải thông tin 20 3.4.5 Tính linh hoạt 21 3.4.6 Khả năng cải tiến và nhúng đa Watermark 21 3.4.7 Blind/non-blind, public/private watermarking 21 Chƣơng 4PHÉP BIẾN ĐỔI COSINE VÀ WAVELETSRỜI RẠC DÙNG TRONG XỬ LÝ ẢNH 22 4.1 Lý thuyết phép biến đổi Cosine rời rạc 22 4.1.1 Phép biến đổi DCT một chiều 23 4.1.2 Phép biến đổi DCT hai chiều 25 4.1.3 Tính chất của DCT 25 4.2 Lý thuyết biến đổi Wavelets [6] 28 4.2.1 Biến đổi Wavelets liên tục 29
6. Đồ Án Tốt Nghiệp iv 4.2.2 Biến đổi Wavelets rời rạc 31 4.2.3 Biến đổi Wavelets đa phân giải 33 4.2.4 Phép biến đổi nghịch Wavelets rời rạc IDWT 33 4.2.5 Mô tả toán học của biến đổi DWT và IDWT 34 4.3 Ƣu điểm của Wavelets và các ứng dụng trong xử lý ảnh [6] 35 4.3.1 Các ƣu điểm của biến đổi Wavelets 36 4.3.2 Một số ứng dụng nổi bật của Wavelets 37 4.4 Giới thiệu một số họ Wavelets [6] 38 4.4.1 Biến đổi Wavelets họ Haar 38 4.4.2 Biến đổi Wavelets họ Daubechies 38 Chƣơng 5MÔ PHỎNG BẢN QUYỀN ẢNH SỐDÙNG WATERMARKING TRÊN MATLAB 39 5.1 Giới thiệu phƣơng pháp Watermarking đƣợc sử dụng 39 5.2 Watermarking ảnh màu trên miền DCT-DWT 39 5.2.1 Quá trình chuẩn bị 39 5.2.1.1 Quá trình chuyển đổi không gian màu RGB và YIQ 39 5.2.1.2 Lựa chọn băng con trong DWT 40 5.2.1.3 Lựa chọn kích thƣớc block cho DCT 40 5.2.1.4 Xáo trộn chu kỳ Arnold 41 5.2.2 Quá trình nhúng Watermark 41 5.2.3 Quá trình trích Watermark 43 5.2.4 Cơ sở đánh giá Watermarking ảnh màu 44 5.2.5 Đánh giá kết quả mô phỏng 44 5.2.5.1 Đánh giá thuật toán trong trƣờng hợp không tấn công 45 5.2.5.2 Đánh giá thuật toán trƣờng hợp bị tấn công 46 5.3 Watermarking ảnh xám kết hợp DCT-DWT 49 5.3.1 Quá trình chuẩn bị 49 5.3.2 Quá trình nhúng Watermark 50 5.3.3 Quá trình trích Watermark 51 5.3.4 Cơ sở đánh giá Watermarking ảnh xám 52 5.3.5 Đánh giá kết quả mô phỏng 52 5.3.5.1 Đánh giá thuật toán trong trƣờng hợp không tấn công 53 5.3.5.2 Đánh giá thuật toán trƣờng hợp bị tấn công 56 5.4 Watermarking ảnh xám chỉ dùng biến đổi DWT 59 5.4.1 Quá trình chuẩn bị 59
7. Đồ Án Tốt Nghiệp v 5.4.2 Quá trình nhúng Watermark 59 5.4.3 Quá trình trích Watermark 60 5.4.4 Đánh giá kết quả mô phỏng 61 5.4.4.1 Đánh giá thuật toán trong trƣờng hợp không tấn công 61 5.4.4.2 Đánh giá thuật toán trƣờng hợp bị tấn công 62 Chƣơng 6THỰC HIỆN BẢN QUYỀN ẢNH SỐTRÊN KIT TMS320DM6437 64 6.1 Tổng quan về kit TMS320DM6437 EVM 64 6.1.1 Họ DSP TMS320C64x+ 64 6.1.2 Thiết bị TMS320DM6437 EVM 65 6.1.3 Các thành phần chính trong kit TMS320DM6437 EVM 65 6.2 Chƣơng trình Code Composer Studio 68 6.2.1 Giới thiệu 68 6.2.2 Sử dụng phần mềm CCS cơ bản 68 6.2.2.1 Tạo một Project mới 68 6.2.2.2 Xây dựng chƣơng trình 69 6.2.2.3 Tải chƣơng trình xuống kit 69 6.3 Nhúng và tách Watermark trên kit 69 6.4 Kết quả thực hiện thuật toán Watermarking ảnh xám dùng DWT trên kit 70 6.4.1 Trƣờng hợp không tấn công 70 6.4.2 Trƣờng hợp có tấn công 71 Chƣơng 7KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74 7.1 Kết luận 74 7.2 Hƣớng phát triển đề tài 74 PHỤ LỤC 75 Phụ lục A: Mã nguồn chƣơng trình mô phỏng Matlab 75 Phụ lục B: Mã nguồn chƣơng trình thực thi trên kit 79 Phụ lục C: Các bảng giá trị α và bảng giá trị trung bình nhiễu. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92
8. Đồ Án Tốt Nghiệp vi LIỆT KÊ BẢNG Bảng 5.1 Kết quả khảo sát với α=1 45 Bảng 5.2 Kết quả khảo sát với α= 4 45 Bảng 5.3 Kết quả khảo sát với α= 15 46 Bảng 5.4 Kết quả trích xuất Watermark dƣới tác động hình học đối với ảnh Baboon . 48 Bảng 5.5 Kết quả trích xuất Watermark đối với thành phần Y 48 Bảng 5.6 Kết quả trích xuất Watermark dƣới tác động nén Jpeg 48 Bảng 5.7 Kết quả khảo sát với α=10 54 Bảng 5.8 Kết quả khảo sát với α=20 54 Bảng 5.9 Kết quả khảo sát với α=30 54 Bảng 5.10 Ảnh gốc Lenna đã đƣợc nhúng với 2 băng con khác nhau 56 Bảng 5.11 Kết quả trích xuất Watermark ảnh Lenna dƣới các tác nhân hình học 56 Bảng 5.12 Kết quả trích xuất Watermark dƣới tác động của nén có tổn hao Jpeg 58 Bảng 5.13 PSNR(dB) và NC sau khi nhúng và trích 61 Bảng 5.14 NC của ảnh Watermark trích sau khi bị tấn công 62 Bảng 6.1 PSNR và NC từ hình 6.6 và hình 6.7 71 Bảng 6.2 Giá trị NC tính đƣợc từ hình 6.9 72
9. Đồ Án Tốt Nghiệp vii LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1 Các màu cơ sở 5 Hình 2.2 Không gian màu RGB 5 Hình 2.3 Hệ tọa độ trụ cho không gian màu HSV 6 Hình 2.4 Mô tả độ nhạy tƣơng phản 7 Hình 2.5 Hiệu ứng Mach band 7 Hình 2.6 Mô tả kỹ thuật mã hóa 8 Hình 3.1 Tờ 20 đô la Mỹ 11 Hình 3.2 Phân loại các kỹ thuật Watermarking 14 Hình 3.3 Mô hình giấu dữ liệu tổng quát 15 Hình 3.4 Mô hình tổng quát tiến trình nhúng Watermark 15 Hình 3.5 Mô hình quá trình lƣu hành ảnh số 16 Hình 3.6 Quá trình ảnh sau khi nhúng bị tấn công 16 Hình 3.7 Sơ đồ phân loại các dạng tấn công 16 Hình 3.8 Mô hình tiến trình trích Watermark 18 Hình 3.9 Mô hình tiến trình kiểm tra Watermark 19 Hình 4.1 Các thảnh phần trong hệ thống truyền tải hình ảnh video 22 Hình 4.2 Phân tích dữ liệu ảnh dùng DCT 23 Hình 4.3 Hàm cosin cơ bản 1 chiều (N=8) 24 Hình 4.4 Các hàm cơ bản 2 chiều (N=8) 25 Hình 4.5 Sự tƣơng quan trƣớc và sau DCT 26 Hình 4.6 Biến đổi DCT ảnh tƣng quan và không tƣơng quan 26 Hình 4.7 DCT của các ảnh tƣơng quan 27 Hình 4.8 Phân tích 2-D DCT sử dụng tính chất phân tách 28 Hình 4.9 Biến đổi Wavelets 29 Hình 4.10 Mô tả các miền biến đổi của tín hiệu 29 Hình 4.11 Sóng Sine và sóng Wavelets 29 Hình 4.12 Các thành phần Wavelets tƣơng ứng với các tỷ lệ và vị trí khác nhau 31 Hình 4.13 Biến đổi wavelets rời rạc của tín hiệu 32 Hình 4.14 Quá trình phân tích tín hiệu dùng biến đổi DWT một chiều 32 Hình 4.15 Minh họa quá trình thực hiện DWT 2 chiều cho ảnh số 33 Hình 4.16 Phân tích tín hiệu rời rạc 34 Hình 4.17 Tổng hợp tín hiệu rời rạc 34
10. Đồ Án Tốt Nghiệp viii Hình 4.18 Sơ đồ thực hiện DWT 2 chiều với ảnh số 35 Hình 4.19 Biến đổi DWT 2 mức đối với ảnh Lenna có kích thƣớc 512x512 36 Hình 4.20 Hàm Wavelets họ Haar. 38 Hình 4.21 Hàm Wavelets họ Daubechies 38 Hình 5.1 Ảnh phân tách mức 1 40 Hình 5.2 Sơ đồ khối quá trình nhúng ảnh màu kết hợp DCT-DWT 42 Hình 5.3 Sơ đồ khối quá trình trích ảnh màu kết hợp DCT-DWT 43 Hình 5.4 Các ảnh gốc và Watemark dùng trong quá trình khảo sát. 45 Hình 5.5 Ảnh Baboon sau khi nhúng chịu ảnh hƣởng của các tác động hình học. 47 Hình 5.6 Ảnh Watermark trích đƣợc từ hình 5.5 47 Hình 5.7 Các băng con DWT của ảnh gốc 49 Hình 5.8 Sơ đồ khối quá trình nhúng ảnh xám kết hợp DCT-DWT 51 Hình 5.9 Sơ đồ khối quá trình trích ảnh xám kết hợp DCT-DWT 52 Hình 5.10 Các ảnh gốc đƣợc dùng trong quá trình khảo sát 53 Hình 5.11 Các Watermark đƣợc dùng trong quá trình khảo sát 53 Hình 5.12 Ảnh Lenna sau khi nhúng với giá trị alpha khác nhau 55 Hình 5.13 Watermark trích đƣợc từ ảnh ở hình 5.12 tƣơng ứng 55 Hình 5.14 Ảnh Lenna sau khi nhúng chịu các tác nhân hình học (băng con HH) 57 Hình 5.15 Watermark trích đƣợc từ các ảnh ở hình 5.14 57 Hình 5.16 Sơ đồ khối quá trình thực hiện thuật toán nhúng ảnh xám chỉ dùng DWT 60 Hình 5.17 Sơ đồ khối quá trình thực hiện thuật toán trích ảnh xám chỉ dùng DWT 60 Hình 5.18 Ảnh Lenna sau khi nhúng với giá trị alpha khác nhau 61 Hình 5.19 Watermark trích đƣợc từ ảnh ở hình 5.18 tƣơng ứng 62 Hình 5.20 Ảnh Lenna sau khi nhúng chịu ảnh hƣởng của các tác nhân 63 Hình 5.21 Watermark trích đƣợc từ các ảnh ở hình 5.20 63 Hình 6.1 Thiết bị TMS320DM6437 EVM 65 Hình 6.2 Sơ đồ khối phần cứng của DM6437 66 Hình 6.3 Sơ đồ khối chức năng của DM6437 67 Hình 6.4 Giao diện của chƣơng trình Code Composer Studio 3.3 69 Hình 6.5 Quá trình đƣa vào và xử lý dữ liệu ảnh 69 Hình 6.6 Các ảnh gốc sau khi nhúng (a), (b), (c) và w2black trích đƣợc tƣơng ứng 70 Hình 6.7 Các ảnh gốc sau khi nhúng (a), (b), (c) và ảnh fb trích đƣợc tƣơng ứng 71 Hình 6.8 Ảnh Lenna sau khi nhúng chịu các dạng tấn công khác nhau 72 Hình 6.9 Watermark trích đƣợc từ các ảnh hình 6.8 trên kit 72
11. Đồ Án Tốt Nghiệp ix LIỆT KÊ TỪ VIẾT TẮT C. CWT Continous WaveletsTransform Biến đổi Wavelets liên tục D. DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosine rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DPI Dots Per Inch Số điểm trên Inch DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DWT Discrete Wavelets Transform Biến đổi Wavelets rời rạc E. EVM Evaluation Module Modun đánh giá F. FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh H. HVS Human Visual System Hệ thống cảm thụ ở ngƣời I. IDCT Inverse Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosine ngƣợc rời rạc IDE Integrated Development Environment Môi trƣờng phát triển tích hợp IDWT Inverse Discrete Wavelets Transform Biến đổi Wavelets ngƣợc rời rạc J. JND Just Noticeable Difference Ngƣỡng sai lệch không cảm nhận JPEG Joint Photographic Experts Group Chuẩn nén JPEG quốc tế M. MPEG Motion Picture Experts Group Nhóm các chuyên giahình ảnh động MSE Mean Squared Error Trung bình bình phƣơng sai số N.
12. Đồ Án Tốt Nghiệp x NC Normalized Correlation Tƣơng quan chuẩn NTSC National Television System Committee Ủy ban hệ thống truyền hình quốc gia P. PPI Pixel Per Inch Số Pixel trên Inch PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỷ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu Q. QMF Quardrature Mirror Filters Bộ lọc gƣơng cầu tứ phƣơng R. RGB Red-Green-Blue Không gianĐỏ-xanh lá-xanh dƣơng S. SDMI Secure Digital Music Initiative Sáng kiến bảo vệ nhạc số STFT Short Time Fourier Transform Biến đổi Fourier thời gian ngắn
13. Đồ Án Tốt Nghiệp xi TÓM TẮT Nội dung chính của đồ án là phát triển và thực hiện thuật toán Watermarking dành cho ảnh màu và ảnh xám dựa trên sự kết hợp biến đổi Wavelets rời rạc (DWT) và biến đổi cosine rời rạc (DCT). Ở phƣơng pháp Watermarking cho ảnh màu, mức độ bảo mật đƣợc tăng lên bằng cách sử dụng chuỗi PN và xáo trộn Arnold, miền DWT, miền DCT và chuyển đổi không gian màu. Việc sử dụng không gian màu YIQ để nhúng Watermarklà có lợi cho việc cải thiện kết quả. Kỹ thuật này là bền vững với các tấn công khác nhau nhƣ nén, cắt xén, nhiễu. Với phƣơng pháp Watermarking ảnh xám, Watermarking đƣợc thực hiện bằng cách nhúng Watermark vào băng con DWT mức 1 và 2 của ảnh gốc, sau đó áp dụng DCT lên băng con DWT đã chọn. Các kết quả đánh giá chất lƣợng cho thấysự kết hợp 2 biến đổi cải thiện đƣợc hiệu quả Watermarking hơn khi so sánhvới cách Watermarking chỉ sử dụngDWT.Bên cạnh việc khảo sát thuật toán dựa trên sự kết hợp DCT-DWT, đồ án này cũngkhảo sát phƣơng pháp Watermarking ảnh xám chỉ sử dụng DWT. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện với sự hỗ trợ từ phần mềm Matlab và kitTMS320DM6437 EVMcủa Texas Instruments.
14. Đồ Án Tốt Nghiệp xii ABSTRACT The main content of the project is developing and implementing the Watermarking method for color and gray images based on acombination of the Discrete Wavelet Transform (DWT) and the DiscreteCosine Transform (DCT).In Watermarking method for color images,the security levels are increased by using PNsequences, Arnold scrambling, DWT domain, DCT domain and color space conversions. The use of YIQ color space for Watermark embedding is beneficial for improvement in results. This technique is robust for different attacks like compression, cropping, noise. In Watermarking method for gray images,Watermarking was done by embedding the Watermark in the first andsecond level DWT sub-bands of the host image,followed by the application of DCT on the selected DWT sub- bands. Performance evaluation results show that the combination of the two transforms improved the Watermarking performance when compared to the DWT-Only Watermarking approach. Besides surveying algorithm based on DCT-DWT combination, this project also survey Watermarking method for gray images only use DWT. This method is performed with the supporting from Matlab software and TMS320DM6437 EVM kit from Texas Instruments.
15. Đồ Án Tốt Nghiệp 1 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Sự phát triển của các phƣơng pháp bảo vệ bản quyền ảnh số hiệu quả cao gần đây đã trở thành yêu cầu cấp bách và cần thiết trong ngành công nghiệp đa phƣơng tiện do sự gia tăng của các hoạt động sao chép bất hợp pháp các đối tƣợng gốc. Kỹ thuật mới của Watermarking số đƣợc ủng hộ của rất nhiều các chuyên gia nhƣ là một phƣơng pháp tốt nhất cho vấn đề bảo vệ bản quyền đa phƣơng tiện. Kỳ vọng rằng Watermarking số sẽ có số lƣợng lớn các ứng dụng thực tế nhƣ là cameras số, ảnh y khoa, cơ sở dữ liệu ảnh, hệ thống video theo yêu cầu và nhiều ứng dụng khác. Watermarking là một lĩnh vực mà trên thế giới đã có nhiều thành công trong việc nghiên cứu và xây dựng các giải thuật. Kỹ thuật Watermarking ảnh số hiện giờ có thể đƣợc nhóm lại thành hai nhóm chính: kỹ thuật Watermarking miền không gian và miền tần số. So sánh giữa hai kỹ thuật cho thấy rằng, kỹ thuật trên miền tần số hiệu quả hơn với mối liên hệ giữa yêu cầu tính không thể nhận thấy và tính bền vững của thuật toán Watermarking số.Đểnhúng và trích xuất các thông tin khác nhau, có rất nhiều thuật toán Watermarking hiệu quả đƣợc đề xuất nhƣ các biến đổi phổ biến trên miền tần số: Biến đổi Wavelet rời rạc (DWT), biến đổi Cosine rời rạc (DCT), biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Tuy nhiên, DWT đƣợc sử dụng nhiều hơn cho Watermarking ảnh số do những đặc tính gần giống với mô hình lý thuyết hệ thống thị giác của ngƣời nhƣ định vị không gian thông minh, đa phân giải[1]. Hơn nữa sự cải thiện chất lƣợng trong thuật toán Watermarking số dựa trên DWT có thể đạt đƣợc nhờ kết hợp DWT với DCT[1]. Ý tƣởng áp dụng hai phép biến đổidựa trên sự thật là khi kết hợp hai biến đổi có thể bù trừ những mặt hạn chế cho nhau, kết quả là đƣợc một Watermarking hiệu quả. Vì vậy nhóm thực hiện quyết định chọn đề tài “Thực hiện bản quyền ảnh số dùng Watermarking kết hợp Wavelets trên kit DM6437 EVM”.Và trong đề tài này nhóm thực hiện đề tài sử dụng phƣơng pháp Watermarking kết hợp DCT-DWT cho ảnh màu cũng nhƣ ảnh xám, ngoài ra còn áp dụng phƣơng pháp Watermarking chỉ sử dụng DWT cho ảnh xám. 1.2 Mục tiêu và phạm vinghiên cứu Nghiên cứu thuật toán DWT, DCT trong nhúng và trích ảnh. Tìm hiểu về Watermarking, trong đó nghiên cứu về Watermarking đối với ảnh màu và ảnh xám. Xây dựng giải thuật và thực hiện Watermarking ảnh màu, ảnh xám kết hợp DCT- DWT trên Matlab; Watermarking ảnh xám chỉ sử dụng DWT trên Matlab và kit. 1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Tìm kiếm và tham khảo tài liệu: chủ yếu là các tài liệu liên quan tới xử lý ảnh số, lý thuyết về Watermarking ảnh số, lý thuyết về biến đổi DCT, DWT ảnh. Áp dụng kiến thức về DSP, mô phỏng Matlab cũng nhƣ ngôn ngữ C. Chương 1: Giới thiệu
16. Đồ Án Tốt Nghiệp 2 Thực thi chƣơng trình Watermarking trên Matlab và trên kit. 1.4 Bố cục của đồ án Nội dung của đồ án bao gồm 7 chƣơng đƣợc tóm tắt nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu Trong chƣơng này sẽ trình bày về: lý do chọn đề tài, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu cho đề tài, bố cục đồ án. Chƣơng 2: Tổng quan về cấu trúc ảnh số và các kỹ thuật bảo mật ảnh số Chƣơng này sẽ đi tìm hiểu lý thuyết về ảnh số, vấn đề cảm thụ mắt ngƣời đối với ảnh số. Đồng thời sơ lƣợc về kỹ thuật bảo mật trong ảnh số là kỹ thuật mã hóa và kỹ thuật Watermarking, trình bày các ƣu khuyết điểm của từng kỹ thuật. Chƣơng 3: Kỹ thuật Watermarking trong bảo vệ bản quyền Chƣơng này trình bày tổng quan về kỹ thuật Watermarking, những ứng dụng của Watermarking, các tiến trình xử lý Watermark của kỹ thuậtWatermarking ảnh số và các tiêu chí để đánh giá một phƣơng pháp Watermarking hiệu quả. Chƣơng 4:Phép biến đổi Cosine và Wavelets rời rạc dùng trong xử lý ảnh Chƣơng này trình bày chi tiết về lý thuyết biến đổi DCT, lý thuyết biến đổi Wavelets cũng nhƣ ƣu điểm và các ứng dụng của Wavelets. Chƣơng 5: Mô phỏng bản quyền ảnh số dùng Watermarking trên Matlab Chƣơng này trình bày 3 kỹ thuật Watermarking: Watermarking ảnh màu kết hợp DCT-DWT, Watermarking ảnh xám kết hợp DCT-DWT và Watermarking ảnh xám chỉ sử dụng DWT. Thực hiện mô phỏng và đánh giá kết quả lần lƣợt bằngphần mềm Matlab. Chƣơng 6: Thực hiện bản quyền ảnh số trên kit TMS320DM6437 EVM Chƣơng này giới thiệu sơ lƣợc về kit DM6437 và trình bày giải thuật Watermarking ảnh xám dựa trên biến đổi DWT khi tiến hành thực nghiệm trên kit đồng thời đánh giá kết quả đạt đƣợc. Chƣơng 7: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài Chƣơng này rút ra đánh giá các giải thuật đã nghiên cứu từ kết quả thu đƣợc và đƣa ra hƣớng phát triển cho đề tài. Chương 1: Giới thiệu
17. Đồ Án Tốt Nghiệp 3 Chƣơng 2 TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ẢNH SỐ VÀ CÁC KỸ THUẬTBẢO MẬT ẢNH SỐ 2.1 Cấu trúc ảnh số 2.1.1 Khái niệm ảnh số Ảnh số là tập hợp các điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả ảnh gần với ảnh thật. Ảnh là một sự vật đại diện cho con ngƣời,sinh vật hay sự vật nào đó .v.v Ảnh động nhƣ ta thấy trên truyền hình thực chất là tập hợp của rất nhiều ảnh tĩnh liên tiếpkhi một ảnh đƣợc số hóa thì nó trở thành ảnh số và ảnh số này lại là một tập hợp của rất nhiều phần tử ảnh đƣợc gọi là điểm ảnh hay là “pixel”. Mỗi điểm ảnh lại đƣợc biểu diễn dƣới dạng một số hữu hạn các bit.Chúng ta có thể chia ảnh ra làm ba loại khác nhau : - Ảnh đen trắng:mỗi điểm ảnh đƣợc biểu diễn bởi một bit. - Ảnh xám:mỗi điểm ảnh đƣợc biểu diễn bằng các mức chói khác nhau,thƣờng thì ảnh này đƣợc biểu diễn bằng 256 mức chói hay là 8 bit cho mỗi điểm ảnh. - Ảnh màu: mỗi điểm ảnh chia ra thành tín hiệu chói và tín hiệu màu. 2.1.2 Biểu diễn ảnh số Ảnh có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng một hàm hai biến( , x và y đƣợc xem nhƣ tọa độ không gian, biên độ của hàm làcƣờng độ của ảnh tại điểm đang xét. Nhƣ vậy, một ảnh thông thƣờng đƣợc số hóa sẽ trải qua hai phần tách biệt. Với tọa độ không gian x và y sẽ đƣợc lấy mẫu, đồng thời phần biên độ của hàm sẽ đƣợc lƣợng tử hóa. Chất lƣợng của ảnh số sẽ đƣợc quyết định dựa vào việc lấy mẫu các tọa độ không gian và biếtsố lƣợng của việc lƣợng tử hóa biên độ của hàm . Kết quả của việc lấy mẫu và lƣợng tử là một ma trận các số thực. Ví dụ việc số hóa một ảnh cho ra một ma trận với M hàng và N cột[4]. [ ] (2.1) 2.1.3 Điểm ảnh Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc màu nhất định. Kích thƣớc và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó đƣợc chọn thích hợp sao cho mắt ngƣời cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần nhƣ ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận đƣợc gọi là một phần tử ảnh. Có hai đơn vị liên quan tới điểm ảnh là DPI và PPI. Đơn vị DPI đƣợc hiểu là số giọt mực trên một inch vuông. Đơn vị này thƣờng đƣợc dùng trên máy ảnh hoặc máy in nhằm chỉ rõ mức độ chi tiết mà bản in có thể tạo ra. DPI thƣờng đƣợc dùng để biểuthị đặc tính riêng của máy in. Mỗi giọt mực của máy in đều có kích thƣớc vật lý Chương 2: Tổng quan về cấu trúc ảnh số và các kỹ thuật bảo mật ảnh số
18. Đồ Án Tốt Nghiệp 4 xác định. Máy in sử dụng các giọt mực để hiển thị hình ảnh; máy in tạo ra càng nhiều giọt mực trên một inch vuông thì chất lƣợng bản in càng cao. Các dòng máy in cấp thấp có DPI thấp trong khi các dòng máy in cao cấp sẽ có DPI cao. Ví dụ, một máy in hỗ trợ 1200DPI có nghĩa là máy có thể in 1200 giọt mực trên một inch(theo cả chiều ngang lẫn chiều dọc). PPI là số điểm ảnh trên một inch vuông. Chỉ số PPI ảnh hƣởng tới kích cỡ của ảnh in và sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng của ảnh in. Nếu nhƣ quá ít điểm ảnh trên mỗi inch vuông(chỉ số PPI thấp) thì các điểm ảnh sẽ lớn khi in bức ảnh với kích thƣớc lớn sẽ dẫn đến bức ảnh không đƣợc mịn và quan sát đƣợc thấy đƣợc các điểm ảnh riêng lẻ. Nhƣ đã nói ở trên, một ảnh số có thể đƣợc xem nhƣ một ma trận, mỗi phần tử của ma trận tƣơng ứng một điểm ảnh. Vậy điểm ảnh gốc(x, y) đƣợc xem xét có tọa độ là(0, 0), điểm ảnh kế tiếp đƣợc đánh dấu tại(x,y) =(0,1). Đƣơng nhiên việc biểu diễn điểm ảnh gốc có thể khác nhau. Ví dụcác công cụ xử lý ảnh trong Matlab đánh dấu điểm ảnh gốc(x,y) =(1,1). 2.1.4 Mức xám của ảnh Một điểm ảnh (pixel) có hai đặc trƣng cơ bản là vị trí (x, y) của điểm ảnh và độ xám của nó. Dƣới đây là một số khái niệm và thuật ngữ thƣờng dùng trong xử lý ảnh. - Mức xám của điểm ảnh là cƣờng độ sáng của nó đƣợc gán bằng giá trị số tại điểm đó. - Các thang giá trị mức xám thông thƣờng: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là mức phổ dụng. Lý do là từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám. Mức xám dùng 1 byte biểu diễn: 28=256 mức, tức là từ 0 đến 255). - Ảnh đen trắng: là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau. - Ảnh nhị phân: ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt tức dùng 1 bit mô tả 2 mức khác nhau. Nói cách khácmỗi điểm ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1. - Ảnh màu: trong khuôn khổ lý thuyết ba màu (Red, Blue, Green) để tạo nên thế giới màu, ngƣời ta thƣờng dùng 3 byte để mô tả mức màu, khi đó các giá trị màu là 28*3=224≈ 16,7 triệu màu. 2.2 Mô hình không gian màu 2.2.1 Màu sắc Nhƣ ta đã biết thì khi cho ánh sáng trắng đi qua lăng kính ta sẽ thu đƣợc một dãy phổ màu bao gồm 7 màu rộng : tím, chàm, lam, lục, vàng, cam, đỏ. Nếu nhìn kỹ thì sẽ không có ranh giới rõ ràng giữa các màu mà màu này sẽ từ từ chuyển sang màu kia.Mắt con ngƣời nhìn thấy đƣợc là do ánh sáng phản xạ từ vật thể. Tất cả các màu đƣợc tạo ra từ 3 màu cơ bản (màu sơ cấp) là : đỏ (R),lam (B) và lục (G).Các màu cơbản trộn lại với nhau theo một tỉ lệ nhất định để tạo ra các màu thứ cấp. Phƣơng trình màu : Chương 2: Tổng quan về cấu trúc ảnh số và các kỹ thuật bảo mật ảnh số
19. Đồ Án Tốt Nghiệp 5 Y= 0.2989*R +0.58662*G + 0.11448*B (2.2) Hình 2.1 Các màu cơ sở Trộn ba màu sơ cấp hoặc trộn một màu thứ cấp với màu sơ cấp ngƣợc với nó sẽ tạo ra đƣợc ánh sáng trắng. Các đặc trƣng dùng để phân biệt một màu với màu khác là : độ sáng (độ chói), sắc màu và độ bão hòa màu: - Màu sắc có liên quan đến bƣớc sóng ánh sáng .Thông thƣờng, sắc màu chính là tên của màu. Ví dụ: đỏ, cam, lục - Độ sáng thể hiện về cƣờng độ ánh sáng:mô tả nó sáng hay tối nhƣ thế nào. - Độ bão hòa màu: thể hiện độ thuần khiết của màu. Khi độ bão hòa cao, màu sẽ sạch và rực rỡ. 2.2.2 Không gian màu RGB Không gian màu RGB chia các màu ra các thành phần màu chính là R (Red-đỏ), G (Green-xanh lá), B (Blue-xanh dƣơng). Các màu R, G, B đƣợc gọi là các màu chính hay màu cơ bản vì ánh sáng của ba màu này có thể phối hợp ở những cƣờng độ khác nhau để tạo ra các màu khác. Mô hình RGB đƣợc thể hiện bởi một hình lập phƣơng. Trong một ảnh 24 bit với 8 bit cho mỗi màu chính thì màu đỏ sẽ có giá trị (255,0,0), màu xanh dƣơng (0,0,255), màu xanh lá (0,255,0).Các thành phần màu đỏ, xanh dƣơng, xanh lá có sự liên kết chặt chẽ sẽ gây khó khăn trong việc thực hiện một số thuật toán xử lý ảnh[5]. Hình 2.2 Không gian màu RGB 2.2.3 Không gian màu YIQ Mô hình YIQ qui định một không gian màu đƣợc tạo bởi một độ sáng và hai thành phần màu. Mô hình YIQ giúp tạo ra màu đúng với nhận thức của con ngƣời hơn chuẩn RGB, là loại đƣợc dùng trong các thiết bị đồ hoạ máy tính, nhƣng không Chương 2: Tổng quan về cấu trúc ảnh số và các kỹ thuật bảo mật ảnh số
20. Đồ Án Tốt Nghiệp 6 chuẩnbằng không gian màu HSV. Y đại diện cho thành phần độ chói, I và V là đại diện cho các thành phần màu. 2.2.4 Không gian màu HSV Không gian màu HSVlà một hệ tọa độ trụ mô tả mô hìnhmàu RGB. So với không gian màu RGB thì không gian màu này trực quan hơn và phù hợp với cách pha màu của các họa sỹ.H, S, V mô tả cho màu sắc, độ bão hòa màu, và độ sáng.Không gian màu này thƣờng đƣợc ứng dụng trong thị giác máy, đồ họa máy tính. Giá trị H đƣợc thể hiện thông qua góc vòng tròn. Đi theo hƣớng ngƣợc chiều kim đồng hồ, tại giá trị không độ là màu đỏ, sau đó biến thiên đến màu xanh lụctại giá trị 120 độ, màu xanh látại 240 độ và quay trở về màu đỏ 360 độ. Hình 2.3 Hệ tọa độ trụ cho không gian màu HSV 2.2.5 Chuyển đổi không gian màu Hệ tọa độ màu do CIE quy định nhƣ một hệ quy chiếu và trên thực tế không thể biểu diễn hết các màu. Tùy thuộc vào các ứng dụng khác nhau ngƣời ta đƣa ra thêm một số hệ tọa độ khác nhƣ NTSC, CMY, YIQ phù hợp với yêu cầu hiển thị màu sắc. Việc chuyển đổi giữa các không gian biểu diễn màu thực hiện theo nguyên tắc sau[5]. (2.3) Trong đó Không gian biểu diễn màu ban đầu Không gian biển diễn màu mới. AMa trận biến đối. Mức xám là kết quả của sự mã hóa tƣơng ứng một cƣờng độ sáng của điểm ảnh với một giá trị số. Giá trị của nó phụ thuộc vào mức lƣợng tử hóa ảnh, nhƣ các ảnh dùng làm cơ sở dữ liệu đã lấy 8 bit để mã hóa ảnh(ứng với 256 mức xám, trong đó mức xám 0 là màu đen, mức xám 255 là màu trắng). Khi chuyển ảnh màu RGB sang ảnh xám có thể dùng công thức sau. (2.4) Với các hệ số 2.3 Vấn đề hệ thống cảm thụ mắt ngƣời Võng mạc con ngƣời phân tích tín hiệu cảm nhận đƣợc thành những thành phần khác nhau, mỗi thành phần tác động vào vỏ não qua những kênh riêng biệt. Mỗi thành Chương 2: Tổng quan về cấu trúc ảnh số và các kỹ thuật bảo mật ảnh số
21. Đồ Án Tốt Nghiệp 7 phần sẽ có những đặc tính sau: vùng không gian trong ảnh, tần số và hƣớng của tín hiệu (ngang, dọc, chéo).Khi hai tín hiệu có những đặc tính thành phần tƣơng tự nhau, chúng tác động cùng một kênh vỏ não nhƣng mức ảnh hƣởng tùy thuộc vào hiệu ứng mặt nạ. Mặt nạ sẽ xuất hiện khi ngƣỡng phát hiện đƣợc tăng lên do sự có mặt của một tính hiệu khác mạnh hơn trên nền có nhiều tín hiệu mang đặc tính tƣơng tự nhau[6]. Mắt ngƣời kém nhạy với những tín hiệu tần số cao hơn là với tần số thấp. 2.3.1 Độ nhạy tương phản Độ nhạy tƣơng phản mô tả hay báo trƣớc tình trạng có thể thấy đƣợc nhiễu (hình 2.4). Giả sử rằng đáp ứng với độ chói (vùng phẳng) , mục đích là xác định sự khác biệt độ chói tối thiểu giữa vùng trung tâm và vùng xung quanh, sự khác biệt tối thiểu này đƣợc gọi là JND. Mối quan hệ giữa cƣờng độ xung quanh và độ tƣơng phản tƣơng ứng tối thiểu đƣợc định nghĩa là ⁄ . Với độ nhạy ở giữa thanh, cƣờng độ tƣơng phản xấp xỉ giá trị hằng số, trong khi ở vùng cao và thấp thì cƣờng độ tƣơng phản lại tăng lên, nghĩa là JND lớn hơn. Phân số tƣơng phản xấp xỉ ở trung tâm gọi là phân số Weber-Fencher. I0 I0+∆I Hình 2.4 Mô tả độ nhạy tương phản Phân số Weber-Fencher nằm trong khoảng 1-3%, nghĩa là độ chói JND ở tầm khoảng bằng 0.01-0.03 lần độ chói xung quanh; có thể diễn đạt ý nghĩa trên thông qua biểu thức sau: | | (2.5) 2.3.2 Độ nhạy tần số Tần số có ảnh hƣởng quan trọng đến độ nhạy HVS, ở đây có thể thấy mắt ngƣời luôn nhạy với nhiễu tần số thấp và ngƣợc lại với nhiễu tần số cao. Đáp ứng tần số của HVS không đều do nhiều hiện tƣợng gây ra, ví dụ nhƣ vƣợt quá độ nhạy trong vùng tƣơng phản cao, đặc biệt là ở biên. Hiệu ứng Mach band (hình 2.5) trình bày sự thay đổi độ chói theo chiều ngang. Hình 2.5 Hiệu ứng Mach band Chương 2: Tổng quan về cấu trúc ảnh số và các kỹ thuật bảo mật ảnh số
22. Đồ Án Tốt Nghiệp 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ali Al-Haj, “Combined DWT-DCT Digital Image Watermarking”, JCS, 2007. [2]. Baisa L.Gunjal and Suresh N.Mali, “Secured Color Image Watermarking Technique In DWT-DCT Domain”, IJCSEIT, 2011. [3]. Ingemar J. Cox, Matthew L. Miller, Jeffrey A. Bloom, Jessica Fridrich and Ton Kalker, “Digital Watermarking and Steganography”, 2nd edition, ISBN: 978-0-12- 372585-1 , Morgan Kaufmann, 2008. [4]. Dr. Gonzalez ,“Digital Image Processing Using MATLAB”, 2nd edition, Gatesmark Publishing,2009. [5]. Adrian Ford and Alan Roberts, “Color Space Conversions”, 1998. [6]. Nguyễn Thị Thanh Hà, “Watermarking dùng Wavelets đối với ảnh số”, Chương 2, 3, 5, ĐH Khoa học tự nhiên Tp HCM, 2009. [7]. Syed Ali Khayam, “The Discrete Cosine Transform: Theory and Application”, Michigan Sate University, 2003. [8]. Min Li, Ting Liang and Yu-jie He, “Arnold Transform Based Image Scrambling Method”, ICMT, 2013. [9]. Texas Instruments, “TMS320DM6437 Digital Media Processor”, sprs345d, 2008. [10].TexasInstruments,“TMS320DM6437DVDPGetting Started Guide”, spruev6.pdf, 2007. [11]. Texas Instruments, “Code Composer Studio Development Tools v3.3 Getting Started Guide”, spru509h.pdf, 2006. [12]. Shehrzad Qureshi, “Embedded Image Processing on the TMS320C6000™ DSP Examples in Code Composer Studio™ and MATLAB”, Springer Science + Business Media, Inc, 2005. Tài liệu tham khảo