WATERMARKING CHO ẢNH SỐ TRÊN KIT DM6437 EVM MÔ PHỎNG MATLAB FULL CODE
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.08 MB, 108 trang )
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
-------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
THỰC HIỆN BẢN QUYỀN ẢNH SỐ
TRÊN KIT DM6437 EVM
GVHD
: ThS. LÊ MINH THẢNH
SVTH
: TRƯƠNG CÔNG HOÀN VŨ - 08110217
NGUYỄN VĂN DƯƠNG
TP. HỒ CHÍ MINH – 7/2012
-08117060
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM
Khoa Điện - Điện Tử
Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. Hồ Chí Minh, ngày.....tháng...... năm 201...
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: ..................................................................................................................
Lớp: .................................................................................. MSSV: ..........................................
Họ tên sinh viên 2: ..................................................................................................................
Lớp: .................................................................................. MSSV: ..........................................
1. Tên đề tài: ...........................................................................................................................
.................................................................................................................................................
2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
3. Ngày giao nhiệm vụ ĐATN: .........................................
4. Ngày bảo vệ 50% ĐATN: .............................................
5. Ngày hoàn thảnh và nộp về khoa: .................................
6. Giáo viên hướng dẫn:
Phần hướng dẫn:
1 ...............................................................
......................................................
2 ..............................................................
.....................................................
3. ..............................................................
......................................................
Nội dung và yêu cầu ĐATN đã thông qua Khoa và Bộ môn
Ngày
tháng
năm 2012
TRƯỞNG KHOA
(Ký và ghi rõ họ và tên)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
Edited by Foxit Reader
Copyright(C) by Foxit Software Company,2005-2008
For Evaluation Only.
i
LỜI CẢM ƠN
Ketnooi.com ket noi cong dan dien tu
Trước hết, nhóm xin bày tỏ lòng biết ơn với cha mẹ và gia đình đã ủng hộ
mọi mặt, tạo điều kiện thuận lợi nhất để chúng con được học tập đến hôm nay.
Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong bộ môn Điện tử
Viễn thông – khoa Điện_Điện tử – Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM,
Nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Lê Minh Thành đã bỏ công sức
và thời gian nhiệt tình trực tiếp hướng dẫn để nhóm hoàn thành đề tài này.
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm đã nhận được sự giúp đỡ và động
viên của gia đình, thầy cô và bạn bè. Đây chính sự động viên to lớn thúc đẩy
nhóm cố gắng hoàn thành tốt đề tài này.
Nhóm cũng xin cảm ơn sự ủng hộ và động viên tinh thần của tất cả các bạn
trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm thực hiện
Trương Cơng Hồn Vũ – Nguyễn Văn Dương
ii
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................................... .
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... i
MỤC LỤC ........................................................................................................... ii
LIỆT KÊ BẢNG .................................................................................................. v
LIỆT KÊ HÌNH .................................................................................................. vi
LIỆT KÊ TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. viii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................ ix
GIỚI THIỆU ........................................................................................................ x
Abstract ............................................................................................................... xi
Chương 1: GIỚI THIỆU ..................................................................................... 1
1.1 Tình hình nghiên cứu.......................................................................................................... 1
1.2 Lý do chọn đề tài ................................................................................................................ 1
1.3 Bố cục đồ án ...................................................................................................................... 2
1.4 Kết quả dự kiến .................................................................................................................. 3
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ẢNH SỐ VÀ CÁC KỸ THUẬT
BẢO MẬT ẢNH SỐ ............................................................................................ 2
2.1. Giới thiệu ........................................................................................................................... 2
2.2. Tổng quan về cấu trúc ảnh số.............................................................................................. 2
2.1.1
Biểu diễn ảnh số ....................................................................................................... 2
2.2.2
Điểm ảnh.................................................................................................................. 3
2.2.3
Độ sâu bit ................................................................................................................. 3
2.2.4
Dải động .................................................................................................................. 4
2.2.5
Không gian màu ....................................................................................................... 4
2.3 Bảo mật ảnh số ................................................................................................................... 6
2.3.1
Giới thiệu ................................................................................................................. 6
2.3.2
Các kĩ thuật bảo mật ảnh số ...................................................................................... 7
Chương 3: KỸ THUẬT WATERMARKING .................................................. 15
3.1 Giới thiệu về Watermarking...............................................................................................15
3.2 Lịch sử của watermarking..................................................................................................15
3.3 Vai trò của watermarking hiện nay.....................................................................................17
3.4 Ứng dụng của kỹ thuật Watermarking................................................................................18
3.4.1
An toàn tài liệu và ảnh .............................................................................................18
iii
3.4.2
Quản lý và xác thực nội dung...................................................................................18
3.4.3
Bảo vệ nội dung audio và video ...............................................................................19
3.4.4
Bảo vệ quyền sở hữu và bản quyền trong truyền thông .............................................19
3.5 Ứng dụngbản quyền cho ảnh số dùng watermarking ...........................................................21
3.5.1
Giới thiệu ................................................................................................................21
3.5.2
Ứng dụng bản quyền ảnh số dựa trên watermarking .................................................21
3.5.3
Sơ đồ khối cho quá trình nhúng và tách watermark...................................................21
Chương 4: BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC DCT VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
MẮT NGƯỜI ..................................................................................................... 25
4.1 Phép biến đổi DCT ............................................................................................................25
4.1.1
DCT 1 chiều ............................................................................................................26
4.1.2
Phép DCT hai chiều.................................................................................................27
4.1.3
Tính chất của DCT ..................................................................................................28
4.2 Mô hình hệ thống mắt người ..............................................................................................32
Chương 5: MÔ PHỎNG BẢN QUYỀN ẢNH SỐ TRÊN MATLAB ............... 36
5.1 Giới thiệu ..........................................................................................................................36
5.2 Watermarking ảnh màu dựa trên miền DCT .......................................................................36
5.2.1
Tổng quan ...............................................................................................................36
5.2.2
Nhúng và trích watermark........................................................................................37
5.2.3
Mô phỏng ................................................................................................................42
5.3 Đánh giá và nhận xét: ........................................................................................................48
5.3.1
Đánh giá..................................................................................................................48
5.3.2
Nhận xét ..................................................................................................................49
Chương 6 : THỰC HIỆN BẢN QUYỀN ẢNH SỐ TRÊN KIT
TMS320DM6437 EVM ...................................................................................... 50
6.1 Tổng quan kit TMS320DM6437EVM................................................................................50
6.1.1
Họ DSP TM320C64x+ ............................................................................................50
6.1.2
Thiết bị TMS320DM6437EVM ...............................................................................51
6.1.3
Các thảnh phần chính trong TMS320DM6437 DVDP ..............................................51
6.2 Chương trình Code Composer Studio.................................................................................54
6.2.1
Giới thiệu ................................................................................................................54
6.2.2
Cách sử dụng phần mềm CCS cơ bản .......................................................................55
6.3 Nhúng và tách Watermark trên kit .....................................................................................56
6.3.1
Quá trình nhúng Watermark. ....................................................................................56
6.3.2
Quá trình trích Watermark .......................................................................................60
iv
6.4 So sánh với việc thực hiện giải thuật trên MATLAB. .........................................................65
Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................ 66
Kết luận……….........................................................................................................................66
Hướng phát triển đề tài..............................................................................................................66
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 67
Phụ lục A: Mã nguồn chương trình mô phỏng MATLAB...........................................................67
Phụ lục B: Mã nguồn chương trình trên kit DM6437..................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 98
v
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 5. 1: Bảng đánh số zigzag ............................................................................. 38
Bảng 5.2: So sánh ảnh gốc và ảnh gốc sau khi watermarking ................................ 42
Bảng 5.3: So sánh watermark gốc và watermark trích............................................ 42
Hình 5.4 Ảnh sai phân giữa W và W’ .................................................................... 43
Bảng 5.4: Thông số PSNR của H và H’ ................................................................. 43
Bảng 5.5: Thông số NC của W và W’.................................................................... 43
Bảng 5.6: So sánh ảnh gốc và ảnh H’_Gaussian .................................................... 43
Bảng 5.7: So sánh W và ảnh W’_Gaussian ............................................................ 44
Bảng 5.8: Thông số PSNR của H và H’_Gaussian ................................................. 44
Bảng 5.9: Thông số NC của W và W’_Gaussian.................................................... 44
Bảng 5.10: Giá trị PSNR của H và H’, NC giữa W và W’ ở tấn công nhiễu
Gaussian. ............................................................................................................... 45
Bảng 5.10: So sánh ảnh gốc và ảnh H’_Salt ........................................................... 45
Bảng 5.11: So sánh W và ảnh W’_ Salt ................................................................. 45
Bảng 5.12: Thông số PSNR của H và H’_Salt ....................................................... 46
Bảng 5.13: Thông số PSNR của W và W’_ Salt .................................................... 46
Bảng 5.14: Giá trị PSNR của H và H’, NC giữa W và W’ ở tấn công nhiễu muối
tiêu………………………………………………………………………………..46
Bảng 5.15: So sánh ảnh gốc và ảnh H’_ JPEG_60 ................................................. 47
Bảng 5.16: So sánh W và ảnh W’_ JPEG_60 ......................................................... 47
Bảng 5.17: Thông số PSNR của H và H’_ JPEG_60.............................................. 48
Bảng 5.18: Thông số NC của W và W’_ JPEG_60 ................................................ 48
Bảng 5.19: Giá trị PSNR của H và H’, NC giữa W và W’ ở tấn công nén JPEG .... 48
Bảng 6.1: PSNR của H và H’ và NC của W và W’ ................................................ 62
Bảng 6.2: PSNR của H và H’ và NC của W2 và W2’ ............................................ 64
Bảng 6.3: PSNR của H và H’ và NC của W3 và W3’ ............................................ 65
vi
LIỆT KÊ HÌNH
Hình 1. 1 Mô hình màu R-G-B trên tọa độ Decade .................................................. 5
Hình 1.2 Hệ tọa độ trụ cho không gian màu HSV .................................................... 6
Hình 1. 2 Mô tả kĩ thuật mã hóa .............................................................................. 7
Hình 3. 1 Tờ 20 đô la Mỹ ...................................................................................... 16
Hình 3.2: Quá trình nhúng và nhận dạng watermark đối với các nội dung đa phương
tiện ........................................................................................................................ 19
Hình 3.3: Nhúng và phân phối các nội dung đa phương tiện sau khi watermark .... 20
Hình 3.4: Watermark dưới các tác động................................................................. 20
Hình 3.5: Sơ đồ khối quá trình nhúng watermark................................................... 22
Hình 3.6: Quá trình tách – quyết định watermark ................................................. 23
Hình 4. 1 Các thảnh phần trong hệ thống truyền tải hình ảnh / video ..................... 25
Hình 4. 2 Phân tích dữ liệu ảnh dùng DCT ............................................................ 25
Hình 4. 3 Hàm cosin cơ bản 1 chiều (N=8) ............................................................ 27
Hình 4. 4 Các hàm cơ bản 2 chiều (N=8). .............................................................. 28
Hình 4. 5 Sự tương quan trước và sau DCT ........................................................... 28
Hình 4. 6 (a) ảnh không tương quan và DCT của nó, (b) ảnh tương quan và DCT
của nó. ................................................................................................................... 29
Hình 4. 7 DCT của ảnh tương quan ....................................................................... 30
Hình 4.8: Phân tích 2-D DCT sử dụng tính chất phân tách.................................... 31
Hình 4.9 Cấu tạo mắt người ................................................................................... 32
Hình 4.10 Khảo sát khả năng cảm nhận độ chói của mắt người ............................. 34
Hình 5.1 Sơ đồ khối quá trình nhúng watermark .................................................... 40
Hình 5.2 Sơ đồ khối quá trình trích watermark ...................................................... 41
Hình 5.3 Ảnh sai phân giữa H và H’ ...................................................................... 42
Hình 5.5: Ảnh sai phân của H’_Gaussian và H ...................................................... 44
Hình 5.6: Ảnh sai phân của W’_Gaussian và W .................................................... 44
Hình 5.6: Ảnh sai phân của H’_Salt và H .............................................................. 46
Hình 5.7: Ảnh sai phân của W’_ Salt và W............................................................ 46
Hình 5.8: Ảnh sai phân của H’_JPEG_60 và H ...................................................... 47
vii
Hình 5.9: Ảnh sai phân của W’_ JPEG_60 và W ................................................... 48
Hình 6.1: Thiết bị TMS320DM6437 EVM ............................................................ 51
Hình 6.2: Sơ đồ khối phần cứng của DM6437 ....................................................... 52
Hình 6.3: Sơ đồ khối chức năng của DM6437 ...................................................... 53
Hình 6.4: Giao diện của chương trình Code Composer Studio 3.3 ......................... 55
Hình 6.5: Quá trình đưa vào và xử lý dữ liệu ảnh .................................................. 56
Hình 6.6: Sơ đồ nhúng Watermark ........................................................................ 57
Hình 6.7: Sơ đồ trích Watermark. .......................................................................... 60
Hình 6.8: Ảnh H và H’ .......................................................................................... 61
Hình 6.9: Ảnh W và W’......................................................................................... 61
Hình 6.10: Ảnh sai phân của H và H’ .................................................................... 62
Hình 6.11: Ảnh sai phân của W và W’................................................................... 62
Hình 6.12: Ảnh H và H’ ........................................................................................ 63
Hình 6.13 : Watermark nhúng W2 và Watermark trích W2’ .................................. 63
Hình 6.14: Ảnh sai phân của H và H’ .................................................................. 63
Hình 6.15: Ảnh sai phân của W2 và W2’ ............................................................... 64
Hình 6.16: Ảnh H và H’ ........................................................................................ 64
Hình6.17: Watermark nhúng (W3) và Watermark trích (W3’) .............................. 64
Hình 6.18: Ảnh sai phân của H và H’ .................................................................... 65
Hình 6.19: Ảnh sai phân của W3 và W3’ ............................................................... 65
viii
LIỆT KÊ TỪ VIẾT TẮT
CMYK
Cyan - Magenta - Yellow - Key
DCT
Discrete Cosine Transform
DPI
Pixel per Inch
DSP
Digital Signal Processing
DVDP
Digital Video Development Platform
EVM
Evaluation Module
HSV
Hue – Saturation- Value
NC
Normalized Correlation Coefficient
PPI
Pixel per Inch
PSNR
Peak Signal to Noise Ratio
RGB
Red – Green – Blue
TI
Texas Instruments
ix
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM
Khoa Điện - Điện Tử
Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. Hồ Chí Minh, ngày.....tháng...... năm 2012
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: ..................................................................................................................
Lớp: .................................................................................. MSSV: ..........................................
Họ tên sinh viên 2: ..................................................................................................................
Lớp: .................................................................................. MSSV: ..........................................
Tên đề tài: ...............................................................................................................................
.................................................................................................................................................
Tuần/ngày
Nội dung
Xác nhận GVHD
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
x
GIỚI THIỆU
Ngày nay các nội dung số như nhạc, phim, ảnh… được truyền tải trên
internet theo nhiều cách: thông qua các phương pháp chia sẻ, các dịch vụ lưu trữ
trên mạng, dịch vụ chia sẻ ảnh và các kênh chia sẻ video làm cho việc sao chép bất
hợp pháp các nội dung số trên mạng xuất hiện ngày càng nhiều. Từ thực tế này, các
phương pháp bảo vệ bản quyền nội dung số được chú trọng phát triển để đáp ứng
nhu cầu ngày càng cao của các nhà sản xuất, người sở hữu các nội dung số trên
mạng. Vì vậy nhóm thực hiện quyết định chọn đề tài “ Thực hiện bản quyền ảnh số
trên kit DM6437” làm đề tài tốt nghiệp với mục đích học hỏi, nghiên cứu các
phương pháp bảo vệ bản quyền ảnh số cơ bản. Đây là một đề tài mới mẻ và phù hợp
với tình hình hiện nay.
Nội dung đồ án gồm 7 chương :
Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Tổng quan về cấu trúc ảnh số và các kỹ thuật bảo mật ảnh số.
Chương 3: Kỹ thuật Watermarking.
Chương 4: Biến đổi DCT và mô hình hệ thống mắt người.
Chương 5: Mô phỏng bản quyền ảnh số trên MATLAB.
Chương 6: Thực hiện bản quyền ảnh số trên kit DM6437 EVM.
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển đề tài.
Do trình độ có hạn của nhóm thực hiện đề tài nên trong quá trình thực hiện
sẽ có nhiều hạn chế và thiếu sót. Vì vậy, nhóm thực hiện rất mong có nhiều ý kiến
đóng góp của quý thầy cô và bạn bè.
xi
Abstract
This project proposed a method of watermarking digital images by using DCT
transform. First, every pixel of Watermark image is converted to a equivalent binary
value, and then embedded into the DCT coefficients of an block of image.
Detection is performed by first extracting the DCT coefficients of the watermarked
image and original image, then the equivalent binary value of every pixels is
extracted base on these DCT coefficients. Finally, Watermark’s pixels is achieved
by converting those binary values back to decimal values. The watermarked images
are added with noise and compressed to simulate attempts to remove watermark.
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
1
Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1 Tình hình nghiên cứu
Các hệ thống truyền thông đa phương tiện ngày càng phát triển nhanh chóng
và trở nên rộng mở hiện nay. Với sự tiện lợi của internet làm cho việc lưu trữ các dữ
liệu đa phương tiện trở nên dễ dàng. Điều này tuy tạo nhiều thuận lợi cho người
dùng. Nhưng cũng gây ra một vấn nạn nghiệm trọng là vấn đề xâm phạm bản quyền
các dữ liệu đa phương tiện. Cho nên kĩ thuật watermarking được phát triển như là
một trong những biện pháp hữu hiệu để giải quyến vấn đề trên.
Watermarking được hiểu là thực hiện nhúng một thông tin vô hình vào dữ
liệu ảnh gốc. Xem xét trên một ảnh thì kĩ thuật watermarking được hiểu là thực hiện
nhúng một logo hoặc hoa văn được ẩn giấu trên ảnh gốc. Logo hoặc hoa văn được
xác định duy nhất với một chủ sở hữu.
Tác nhân nhằm mục đích xóa bỏ các thông tin sở hữu khỏi ảnh nhúng
watermark được gọi là một tấn công ảnh. Watermark phải bền với các tấn công ảnh.
Sự sống còn của watermark dưới các tấn công ảnh quyết định tính bản quyền của
ảnh.
Có hai cách thức để nhúng watermark là nhúng trên miền tần số và nhúng
trên không gian. Nhúng trên không gian, watermark dễ bị tổn hại bởi các tấn công
như lọc, nén JPEG. Nên kĩ thuật nhúng trên miền tần số thường được sử dụng trong
việc watermarking ảnh. Đối với kĩ thuật nhúng trên miền tần số, ảnh gốc được biến
đổi thông qua các phép biến đổi tần số thông thường và thực hiện watermarking
bằng cách biến đổi các hệ số đã biến đổi của ảnh gốc. Một số phép biến thường
được sử dụng là DCT, DFT, DWT.
1.2 Lý do chọn đề tài
Việc xâm phạm bản quyền cho ảnh số đang là một vấn đề đang được quan
tâm. Vì vậy nhóm thực hiện khóa luận tốt nghiệp chọn đề tài: “ THỰC HIỆN BẢN
QUYỀN ẢNH SỐ TRÊN KIT DM6437EVM ” nhằm mục đích nghiên cứu và tìm
ra một giải thuật có thể khắc phục được vấn đề trên
Chương 1: Giới thiệu
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
2
1.3 Bố cục đồ án
Đồ án bao gồm 7 chương với nội dung tóm tắt như sau:
Chương 1: Giới thiệu
Chương này sẽ trình bày tình hình nghiên cứu về kĩ thuật watermarking sử
dụng cho bảo vệ bản quyền ảnh số, tổng quan của đồ án, lý do chọn đề tài, kết quả
dự kiến sẽ đạt được trình bày.
Chương 2: Tổng quan về cấu trúc và kỹ thuật bảo mật trong ảnh số
Chương này trình bày tổng quan về cấu trúc của ảnh số: điểm ảnh, biểu diễn
ảnh số, dải động, không gian màu. Đồng thời sơ lược về kĩ thuật bảo mật trong ảnh
số là kĩ thuật mã hóa và kĩ thuật watermarking, trình bày các ưu khuyết điểm của
từng kĩ thuật.
Chương 3: Kỹ thuật watermarking
Chương này trình bày chi tiết về kỹ thuật watermarking: lịch sử quá trình
hình thảnh kĩ thuật watermarking, ứng dụng của kĩ thuật này trong vấn đề chứng
thực nội dung, an toàn tài liệu và ảnh..v..v, trình bày tổng quan kĩ thuật này trong
vấn đề bảo vệ bản quyền ảnh số.
Chương 4: Biến đổi DCT và mô hình hệ thống mắt người
Chương này trình bày chi tiết về phép biến đổi DCT: DCT 1 chiều, DCT 2
chiều và dùng biến đổi DCT để chuyển đổi miền của một ảnh số. Trình bày mô hình
hệ thống mắt người, đặc trưng của mắt người trong việc phân biệt các điểm ảnh.
Chương 5: Mô phỏng bản quyền cho ảnh số dùng Matlab
Chương trình này trình bày một giải thuật watermarking dựa trên biến đổi
DCT. Thực hiện mô phỏng giải thuật trên phần mềm Matlab.
Chương 6: Bản quyền ảnh số trên kit DM 6437
Chương này giới thiệu sơ lược về KIT DM 6437 và trình bày việc thực hiện
giải thuật watermarking dựa trên biến đổi DCT khi tiến hảnh thực nghiệm trên KIT
DM6437 và đánh giá kết quả thu được.
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển đề tài
Chương này rút ra các đánh giá, nhận xét về giải thuật đang nghiên cứu,
đánh giá sự sai lệch giữa việc mô phỏng trên MATLAB và KIT DM6437
Chương 1: Giới thiệu
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
1.4 Kết quả dự kiến
Dự kiến sau khi kiểm tra giải thuật trên MATLAB và thực nghiệm lại trên
KIT DM6437 đưa ra được các kết quả chứng tỏ giải thuật có tính thực tế trong vấn
đề bảo vệ bản quyền ảnh số.
Chương 1: Giới thiệu
3
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
2
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ẢNH SỐ
VÀ CÁC KỸ THUẬT BẢO MẬT ẢNH SỐ
2.1. Giới thiệu
Hiện nay, với nhu cầu càng ngày càng cao của con người đã thúc đẩy một cách
mạnh mẽ sự phát triển của các ngảnh khoa học kĩ thuật. Trong nhiều ngảnh như
điện tử, cơ khí, công nghệ thông tin đã có những bước tiến bộ vượt bậc. Trong khi
đó, con người với nhu cầu không bao giờ được thỏa mãn thì lúc này các ứng dụng
dựa trên các dữ liệu tương tự dùng để phục vụ cho nhu cầu đã không đáp ứng được
nữa. Chính vì điều này, với một số ứng dụng yêu cầu độ mềm dẻo, tính linh hoạt
cao người ta thường số hóa dạng tín hiệu (dữ liệu) tương tự để tạo sự dễ dàng cho
các thao tác thay đổi. Điều này dẫn đến việc người dùng (nhà cung cấp) dễ dàng lưu
trữ, và việc truyền tải được dễ dàng với trên internet hoặc trên các đường trục mạng
dựa trên chuyển mạch gói. Có nhiều loại tín hiệu được số hóa như ảnh, video,
audio..... Trong đó, ảnh là một trong những tín hiệu được quan tâm nhiều vì suy cho
cùng những gì đang, đã diễn ra trước mắt đều là ảnh, video được xem như là tập
hợp ảnh được ghép lại với nhau dựa theo các thuật toán.
Ảnh được số hóa gọi là ảnh số. Đối với ảnh số, cần quan tâm đến các vấn đề
biểu diễn ảnh số, điểm ảnh, độ phân giải ảnh, quan hệ giữa các điểm ảnh và cơ sở
của màu trong ảnh. Dưới đây là các diễn giải chi tiết về cấu trúc tổng quan của một
ảnh số.
2.2. Tổng quan về cấu trúc ảnh số
2.1.1 Biểu diễn ảnh số
Ảnh có thể được biểu diễn dưới dạng một hàm hai biến (
, x và y được
xem như tọa độ không gian, biên độ của hàm
là cường độ của ảnh tại điểm
đang xét. Như vậy, một ảnh thông thường được số hóa sẽ trải qua hai phần tách
biệt. Với tọa độ không gian x và y sẽ được lấy mẫu, đồng thời phần biên độ của
hàm
sẽ được lượng tử hóa. Chất lượng của ảnh số sẽ được quyết định dựa
vào việc lấy mẫu các tọa độ không gian và số biết lượng của của việc lượng tử hóa
biên độ của hàm
.
Kết quả của việc lấy mẫu và lượng 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 [1].
Chương 2: Tổng quan các kĩ thuật bảo mật ảnh số
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
[
3
]
(1. 1)
2.2.2 Điểm ảnh
Điểm ảnh là một khối màu rất nhỏ và là đơn vị cơ bản nhất để tạo nên một bức
ảnh kĩ thuật số. Một bức ảnh có thể được tạo thảnh bằng những phương pháp đồ họa
khác nhau và được tạo nên từ hàng ngàn hoặc hàng triệu pixel riêng lẻ, số pixel tùy
thuộc vào chất lượng của phần cứng tạo nên bức ảnh mà có thể rất lớn[2].
Có hai đơn vị liên quan tới điểm ảnh là DPI và PPI. Đơn vị DPI được hiểu là
số giọt mực trên một inch vuông. Đơn vị này thường được dùng trên máy ảnh hoặc
máy in nhằm chỉ rõ mức độ chi tiết mà bản in có thể tạo ra. DPI thường được dùng
để biểu thị đặc tính riêng của máy in. Mỗi giọt mực của máy in đều có kích thước
vật lý 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 lượng 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 hưởng tới kích c của
ảnh in và sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của ảnh in. Nếu như quá ít điểm ảnh trên
mỗi inch vuông (chỉ số PPI thấp) thì các điểm ảnh sẽ lớn khi in bức ảnh với kích
thước lớn sẽ dẫn đến bức ảnh không được mịn và quan sát được thấy được các điểm
ảnh riêng lẻ.
Như đã nói ở trên, một ảnh số có thể được xem như một ma trận, mỗi phần tử
của ma trận tương ứng một điểm ảnh. Vậy điểm ảnh gốc (x, y) được xem xét có tọa
độ là (0, 0), điểm ảnh kế tiếp được đánh dấu tại (x, y) = (0, 1). Đương nhiên việc
biểu diễn điểm ảnh gốc có thể khác nhau. Ví dụ các công cụ xử lý ảnh trong Matlab
đánh dấu điểm ảnh gốc (x, y) = (1, 1).
2.2.3 Độ sâu bit
Định nghĩa: Độ sâu bit được hiểu là số bit dùng cho một điểm ảnh[2]
Như đã nói, biên độ của hàm f (x, y) tại các tọa độ x, y là cường độ ảnh tại
điểm đang xét. Việc lượng tử hóa các giá trị biên độ f (x, y) của một ảnh số A với số
bit lượng tử là n thì ta có nhận xét là ảnh A có độ sâu bit là n bit. Tùy thuộc vào độ
sâu bit (số bit lượng tử) mà có thể biểu diễn được các màu khác nhau tại điểm ảnh
đang xét. Như vậy nếu như lượng tử hóa f (x, y) với hai giá trị là 0 và 1 thì ta sẽ có
ảnh xám (gray image) hay ảnh đen trắng. Với nhiều mức lượng tử hơn cho ra ảnh có
nhiều màu sắc hơn. Ví dụ
Chương 2: Tổng quan các kĩ thuật bảo mật ảnh số
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
4
2 bit ( ) = 2 màu
2 bit ( ) = 2 màu
2 bit ( ) = 4 màu
3 bit ( ) = 8 màu
4 bit ( ) = 16 màu
8 bit ( ) = 256 màu
2.2.4
16 bit (
) = 65. 536 màu
24 bit (
) = 16. 7 triệu màu
ải ộng
Dải động của một ảnh là dãy các giá trị độ sáng, từ sáng nhất đến tối nhất. Dải
động càng rộng thì sự chuyển tiếp và độ chi tiết về màu sắc của ảnh càng rõ ràng,
nói một cách khác là dải động rộng sẽ tái hiện màu sắc sống động và chân thực hơn.
Trong máy ảnh kĩ thuật số, bộ cảm biến ảnh sẽ thu được hàng triệu điểm ảnh
sau khi chụp ảnh. Với vùng bắt được nhiều ánh sáng sẽ thu được nhiều phân tử ánh
sáng hơn. Sau đó, lượng ánh sáng nhận được của mỗi điểm ảnh sẽ được gán bởi một
giá trị thập phân từ 0 đến 255 hoặc giá trị nhị phân 8 bit tương ứng với mức xám.
2.2.5 Không gian màu
2.2.5.1 Màu sắc
Mắt người có thể cảm nhận được hàng ngàn màu nhưng chỉ có thể phân biệt
được vài chục màu. Ba thuộc tính của một màu đó là sắc, độ thuần khiết và độ sáng
(độ chói).
Trong xử lý ảnh và đồ họa, mô hình màu là một chỉ số kỹ thuật của một hệ tọa
độ màu 3 chiều với tập các màu nhỏ thảnh phần có thể trông thấy được trong hệ
thống tọa độ màu thuộc một gam màu đặc trưng.
Ví dụ như mô hình màu RGB là một đơn vị tập hợp các màu thảnh phần sắp
xếp theo hình lập phương của hệ trục tọa độ Đề các.
Mục đích của mô hình màu là cho phép các chỉ số kỹ thuật quy ước của một số
loại màu sắc thích hợp với các màu sắc của một số gam màu khác. Có thể nhìn thấy
trong mô hình màu này, không gian màu là một tập hợp nhỏ hơn của không gian các
màu có thể nhìn thấy được, vì vậy một mô hình màu không thể được sử dụng để
định rõ tất cả có thể nhìn thấy. Sau đây xem xét một số mô hình hay được sử dụng
nhất.
Chương 2: Tổng quan các kĩ thuật bảo mật ảnh số
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
5
2.2.5.2 Không gian màu RGB (Red, Green, Bule)
Màu đỏ, lục – xanh lá cây, lam – xanh da trời (RGB) được sử dụng phổ biến
nhất. Những màu gốc RGB được thêm vào những màu gốc khác điều đó tạo nên sự
đóng góp riêng của từng màu gốc được thêm cùng nhau để mang lại kết quả. Tập
hợp màu nhỏ thảnh phần sắp xếp theo khối lập phương đơn vị. Đường chéo chính
của khối lập phương với sự cân bằng về số lượng từng màu gốc tương ứng với các
mức độ xám với đen là (0, 0, 0) và trắng (1, 1, 1).
Hình 1. 1 Mô hình màu R-G-B trên tọa độ Decase
2.2.5.3 Không gian màu HSV
Không gian màu HSV là một hệ tọa độ trụ mô tả mô hình màu 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
thường được ứng dụng trong thị giác máy, đồ họa máy tính.
Giá trị H được thể hiện thông qua góc vòng tròn. Đi theo hướng ngược chiều
kim đồng hồ, tại giá trị không độ là màu đỏ, sau đó biến thiên đến màu xanh lục tại
giá trị 120 độ, màu xanh lá tại 240 độ và quay trở về màu đỏ 360 độ.
Chương 2: Tổng quan các kĩ thuật bảo mật ảnh số
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
6
Hình 1.2 Hệ tọa độ trụ cho không gian màu HSV
2.2.5.4 Chuyển ổi không gian màu
Hệ tọa độ màu do CIE quy định như một hệ quy chiếu và trên thực tế không
thể biểu diễn hết các màu. Tùy thuộc vào các ứng dụng khác nhau người ta đưa ra
thêm một số hệ tọa độ khác như 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
(1. 2)
Trong đó
Không gian biểu diễn màu ban đầu
Không gian biển diễn màu mới.
A Ma trận biến đối.
Mức xám là kết quả của sự mã hóa tương ứng một cường độ sáng của điểm
ảnh với một giá trị số. Giá trị của nó phụ thuộc vào mức lượng tử hóa ảnh, như 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.
(1. 3)
Với các hệ số
2.3 Bảo mật ảnh số
2.3.1 Giới thiệu
Hiện nay, với sự cải tiến, phát triển mạnh mẽ của các ngảnh khoa học công
nghệ, đặc biệt là khoa học máy tính và công nghệ truyền thông, cho phép truyền tải
và quảng bá các nội dung ảnh số (đa phương tiện) một cách nhanh chóng. Tuy
nhiên, sự phổ biến của ảnh số (nội dung ảnh số), các công cụ xử lý ảnh, và việc truy
nhập dễ dàng vào mạng internet rộng lớn gây nên nhiều trường hợp xâm phạm
quyền sở hữu và phân phối trái phép nội dung ảnh số. Một thách thức hiện nay là
việc bảo vệ sở hữu trí tuệ các nội dung ảnh số nói riêng và nội dung đa phương tiện
nói chung.
Để giải quyết những thử thách trên, có hai công nghệ bảo mật được phát triển:
-
Dựa trên kĩ thuật mã hóa để mã hóa ảnh số nhằm cung cấp tính năng bảo mật
đầu cuối khi ảnh số được phân phối trên các hệ thống phân phối đa dạng.
Chương 2: Tổng quan các kĩ thuật bảo mật ảnh số
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
-
7
Dựa trên kĩ thuật nhúng watermarking, đây là một công cụ dùng để bảo vệ
bản quyền, kí hiệu sở hữu riêng, chứng thực.
2.3.2 Các kĩ thuật bảo mật ảnh số
2.3.2.1Kĩ thuật mã hóa
Định nghĩa: Kĩ thuật mã hóa là quá trình mã hóa dữ liệu dựa trên mật mã để
kiểm soát việc truy nhập dữ liệu đã được mã hóa. Mật mã là một chuỗi các dãy kí tự
sao cho phù hợp với thuật toán đã được sử dụng trong quá trình mã hóa dữ liệu ban
đầu.
Hình 1. 2 Mô tả kĩ thuật mã hóa
Việc sử dụng kĩ thuật mã hóa dữ liệu sẽ cung cấp bảo mật đầu cuối cho ảnh số
nói riêng và các nội dung số nói chung. Với việc sử dụng kĩ thuật này, yêu cầu
người dùng phải có mật mã do người sở hữu cung cấp thì mới truy xuất được dữ
liệu mã hóa.
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm
Việc sử dụng kĩ thuật mã hóa ảnh số cho phép hạn chế sử dụng nội dung ảnh
số trái phép hoặc hơn nữa là cấm tuyệt đối mọi hảnh vi truy xuất nội dung ảnh số
nếu chưa có sự cho phép của người sở hữu.
Nhược điểm
Về mặt lý tưởng nếu như thuật toán mã hóa cung cấp một mật mã hoàn hảo và
không thể dò tìm được, hay thời gian dò tìm rất lâu tiến gần đến vô hạn thì việc sử
dụng kĩ thuật mã hóa sẽ là một công cụ rất mạnh trong việc bảo mật ảnh số. Tuy
nhiên các giải thuật mã hóa hiện nay đều tồn tại các lỗ hổng kiếm cho việc bẻ khóa
vẫn có thể tiến hảnh được. Mật mã có thể được dò tìm hoặc diễn dịch từ chính dữ
liệu mã hóa. Vì thế, nếu như mật mã được được phá bỏ thì việc truy nhập trái phép
các nội dung ảnh số sẽ được thực hiện.
Chương 2: Tổng quan các kĩ thuật bảo mật ảnh số
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
8
Thêm vào đó, nếu như người có quyền sở hữu chia sẻ nội dung ảnh số cho một
số hữu hạn người dùng, tức là cấp mật mã cho những người này thì một vấn đề
đáng quan tâm là mật mã này bị tiết lộ ra ngoài.
Ngày nay, kĩ thuật mã hóa đang dần được hoàn thiện nhằm khắc phục hai
nhược điểm trên. Và cũng nhận thấy rằng kĩ thuật mã hóa được áp dụng dựa trên
các trường hợp, đối tượng khác nhau và được sử dụng kết hợp với các phương pháp
bảo mật khác như watermarking, nhằm gia tăng sự chắc chắn, đảm bảo quyền lợi
của người sở hữu trí tuệ.
2.3.2.2 Kĩ thuật watermarking
Định nghĩa: Kĩ thuật watermarking dùng trong bảo vệ bản quyền là kĩ thuật
được thực hiện dựa trên việc nhúng các thông tin để chứng thực quyền sở hữu vào
trong nội dung ảnh số. Thường thì trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền, ảnh số
được thực hiện watermarking vô hình nhằm mục đích đảm bảo tính cảm thụ của ảnh
gốc ban đầu.
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm
Trong bảo mật ảnh số, việc sử dụng kĩ thuật watermarking ảnh số cho phép
bảo vệ quyền quyền tác giả trong khi ảnh số được lưu truyền rộng rãi trên các
phương tiện đại chúng.
Nhược điểm
Kĩ thuật watermarking dùng cho bảo mật ảnh số có nhiều dạng như
watermking bền – không bền, watermarking hữu hình – vô hình, watermarking rút
trích được - không rút trích được. Tuy nhiên, việc thực hiện watermarking ảnh số
dưới dạng nào thì cũng đều gây nên sự sai lệch về chất lượng ảnh. Đối với một số
dạng như watermarking hữu hình làm cho ảnh bị biến đổi một cách thấy rõ.
Như đã nói ở trên, kĩ thuật watermarking được thực hiện dựa trên việc nhúng
các thông tin chứng thực vào nội dung ảnh số. Thao tác nhúng ở đây được thực hiện
dựa trên một thuật toán xác định. Vậy vấn đề được đặt ra là nếu như người dùng
biết được thuật toán đang sử dụng hoặc dò tìm được các thông tin nhúng và tiến
hảnh tách thông tin nhúng khỏi ảnh được watermarking. Như vậy, quyền sở hữu tác
quyền sẽ bị xâm phạm và khó có thể lấy lại được.
Ảnh số sau khi được watermarking được lưu truyền trên mạng sẽ bị tương tác
bởi các tác nhân như nhiễu do đường truyền, nén ảnh, xử lý ảnh như cắt, xoay làm
thay đổi chất lượng ảnh như thế sẽ làm thay đổi thông tin nhúng ban đầu. Điều này
dẫn đến việc chứng thực bản quyền cho ảnh bị biến đổi này gặp khó khăn.
Chương 2: Tổng quan các kĩ thuật bảo mật ảnh số
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
9
Nhằm giải quyết các vấn đề trên, kĩ thuật watermarking đang được phát triển
và cải tiến lại dựa trên việc nâng cao tính bảo mật của các thuật toán, kết hợp với kĩ
thuật mã hóa nhằm gia tăng tính bảo mật, tiến hảnh watermarking dựa trên các phép
biến đổi miền nhằm tối ưu hóa và đáp ứng nhu cầu hiện nay.
Chương 2: Tổng quan các kĩ thuật bảo mật ảnh số
Xây dựng bản quyền ảnh số trên kit DM6437
15
CHƯƠNG 3
KỸ THUẬT WATERMARKING
3.1 Giới thiệu về Watermarking
Watermarking là một kỹ thuật sử dụng để giấu 1 lượng thông tin nhỏ vào một
tín hiệu số với mục đích nó không thể được dò tìm ra, tách ra bằng những thiết bị
bình thường và không thể nhận thấy bằng mắt người. Watermarking số có thể
nhúng các thông điệp không thể nhận thấy được trong cả ảnh và audio số [3].
3.2 Lịch sử của watermarking
Mặc dù kỹ thuật papermarking được phát minh cách đây hơn 1000 năm nhưng
watermarking chỉ xuất hiện mãi đến khoảng năm 1282 ở Italy. Kỹ thuật được dùng
để thêm vào một ảnh mỏng giữa 2 mặt giấy. Tờ giấy sẽ mỏng hơn và sẽ trong suốt
hơn. Tuy nhiên mục đích khi đó vẫn chưa được xác định rõ ràng. Có thể là để xác
định nơi sản xuất, hoặc là xác định người sản xuất ra tờ giấy. Mặt khác cũng có thể
là chữ ký kiểu thần bí, hoặc cũng có lẽ là một hoa văn trang trí nào đó [3].
Cho đến thể kỷ 18, watermark trên giấy xuất hiện ở châu Âu và châu Mỹ đã
trở thảnh một nhu cầu thiết thực hơn. Họ sử dụng như các nhãn hiệu, để ghi lại ngày
mà tờ giấy xuất xưởng, và để chỉ kích thước ban đầu của tờ giấy. Ngoài ra trong
thời điểm đó, watermark còn được dùng để chống giả mạo tiền giấy và các tài liệu
quan trọng khác.
William Congreve, người Anh, phát minh ra kỹ thuật tạo watermarking màu
bằng cách chèn các vật liệu khô vào giữa 2 lớp giấy khi làm giấy. Kết quả là các
dấu cực kỳ khó giả mạo, tuy nhiên Ngân Hàng Anh Quốc đã từ chối sử dụng chúng
trong quá trình in tiền giấy do chúng quá khó thực hiện. 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 bằng những hình chạm khắc
không 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 đô la Mỹ.
Chương 3: Kĩ thuật watermarking
