Đề tài Nghiên cứu công nghệ watermarking trên ảnh số và ứng dụng

KH OA C NT T – Đ H KH TN i TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM HUỲNH MÃ ĐÔNG GIANG 9912142 LÊ VIỆT HÙNG 9912030 NGHIÊN CỨU WATERMARKING TRÊN ẢNH SỐ VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN CỬ NHÂN TIN HỌC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN T.S DƯƠNG ANH ĐỨC GV TRẦN MINH TRIẾT NIÊN KHÓA 1999 - 2003 KH OA C NT T – Đ H KH TN ii LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cám ơn Khoa Công Nghệ Thông Tin, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TpHCM đã tạo điều kiện tốt cho chúng em thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này. Chúng em xin chân thành cám ơn Thầy Dương Anh Đức, Thầy Trần Minh Triết đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Chúng em xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô trong Khoa Công Nghệ Thông Tin đã tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quí báu trong bốn năm học vừa qua. Chúng con xin nói lên lòng biết ơn sâu sắc đối với Ông Bà, Cha Mẹ đã chăm sóc, nuôi dạy chúng con thành người. Xin chân thành cám ơn các anh chị, các bạn và các em đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên chúng em trong thời gian học tập và nghiên cứu. Mặc dù chúng em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em kính mong nhận được sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn. Sinh viên thực hiện Lê Việt Hùng – Huỳnh Mã Đông Giang Tháng 7, năm 2003 KH OA C NT T – Đ H KH TN iii LỜI NÓI ĐẦU Trong công cuộc xây dựng và đổi mới của đất nước ta hiện nay, công nghệ thông tin được xem là một nghành kinh tế mũi nhọn. Tin học hóa đời sống xã hội đang được nhà nuớc ta quan tâm thực hiện và bước đầu đã gặt hái được nhiều thành quả to lớn tiến đến mục tiêu 500 triệu USD của ngành phần mềm vào năm 2005. Một sự kiện đáng lưu ý trong tháng 6 năm 2003 là sự bùng nổ viễn thông khi Dịch vụ điện thoại internet, Dịch vụ internet băng thông rộng ADSL và mạng S-fone được Bộ Bưu chính viễn thông chính thức ký quyết định triển khai. Điều đó cho thấy, cùng với sự bùng nổ của mạng máy tính toàn cầu, mạng internet ở nước ta giờ đây đã là một phần không thể thiếu trong cuộc sống của người dân thành thị. Bên cạnh những lợi ích thiết thực mà mạng máy tinh đem lại, chúng ta cũng đang đối đầu với những thử thách liên quan đến các vấn đề truyền thông bảo mật và đặc biệt là vấn đề phân phối các tài liệu đa phương tiện sao cho bảo đảm quyền sở hữu trí tuệ. Tình trạng sao chép bất hợp pháp, giả mạo các tác phẩm số hóa gây búc xúc không chỉ riêng các tác giả mà còn cho cả những người làm pháp luật. Sau gần 700 năm kể từ khi phát minh watermark trên giấy ra đời ở Fabriano, Ý [ 3], một khái niệm tương tự áp dụng cho các tài liệu đa phương tiện đã được đông đảo cộng đồng khoa học quốc tế nghiên cứu và lĩnh vực này thật sự phát triển mạnh vào những năm cuối của thập niên 90. Watermarking là một kỹ thuật mới cho phép nhúng thông tin tác giả, gọi là một watermark, vào các tài liệu số hóa sao cho chất lượng trực quan của tài liệu KH OA C NT T – Đ H KH TN iv không bị ảnh hưởng và khi cần có thể dò lại được watermark đã nhúng nhằm xác nhận bản quyền. Watermarking trên ảnh có thể xem là một kỹ thuật ẩn dấu thông tin (steganography) đặc biệt nhằm đưa các dấu hiệu vào ảnh số. Hai hướng áp dụng chính của kỹ thuật watermarking trên ảnh là xác nhận (chứng thực) thông tin và đánh dấu bảo vệ bản quyền. Hệ thống watermarking được xây dựng chủ yếu trên các kỹ thuật watermarking. Tuy nhiên, việc lựa chọn các kỹ thuật nào và áp dụng hệ thống vào ứng dụng cụ thể gì, cũng như cần thiết phải có những công nghệ, thiết bị, hay một nghi thức gì khác để hỗ trợ hệ thống hoạt động là các vấn đề không kém phần quan trọng. Ngoài ra khi xây dựng hệ thống phải tính đến các yếu tố khác như hệ thống được quản lý như thế nào? Được tích hợp vào hệ thống nào khác? Môi trường ứng dụng? v.v…Hiện thực được các hệ thống này sẽ góp phần làm phát triển các kỹ thuật watermarking và ngược lại. Trên thực tế, đã có nhiều quốc gia tiên tiến ứng dụng watermaking vào các hệ thống chứng thực nội dung, bảo vệ bản quyền, kiểm soát sao chép, nhưng đối với nước ta lĩnh vực này vẫn còn mới mẻ. Chính vì vậy, chúng em đã tập trung thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ watermarking trên ảnh số và ứng dụng” với mục tiêu tìm hiểu, thử nghiệm, đánh giá và ứng dụng các phương pháp watermarking trên ảnh số, trên cơ sở đó, xây dựng một số qui trình công cụ bảo vệ và xác nhận bản quyền trên ảnh số. Phần nghiên cứu lý thuyết watermarking, ngoài những nghiên cứu chung về watermarking, đề tài này sẽ đi sâu vào nghiên cứu những kỹ thuật watermarking trên ảnh số mới nhất, đó là những kỹ thuật watermarking trên ảnh màu, và những KH OA C NT T – Đ H KH TN v kỹ thuật watermarking trên miền wavelet rất được quan tâm hiện nay, đặc biệt phù hợp với xu hướng nén ảnh theo chuẩn mã hóa mới nhất, đó là JPEG2000. Phần ứng dụng lý thuyết watermarking của đề tài, chúng em phải cài đặt một số thuật toán watermarking, đồng thời xây dựng một hệ thống dịch vụ watermarking thực hiện các kỹ thuật watermarking trên ảnh số. Hệ thống này có thể áp dụng được vào trong việc đáp ứng các nhu cầu như hỗ trợ bảo vệ tác quyền ảnh số, quản lý việc phân phối các tác phẩm ảnh số của các tác giả, và giúp xác nhận nội dung ảnh số. Tất cả những nhu cầu này đều là những nhu cầu bức xúc trong thực tế hiện nay. Một ví dụ nhỏ áp trong lĩnh vực xác nhận (chứng thực) nội dung ảnh số của hệ thống này là hỗ trợ việc cấp phát bằng cấp bằng ảnh số. Ngoài ra, trong quá trình thực hiện đề tài chúng em còn phải nghiên cứu nhiều vấn đề khác liên quan để thực hiện hệ thống của mình, như các vấn đề về công nghệ, các vấn đề trong truyền thông mạng, mã hóa thông tin, xử lý ảnh v.v nhằm phát huy hết những thuận lợi của hệ thống , áp dụng được trong thực tiễn. Nội dung của luận văn được trình bày bao gồm 10 chương, trong đó, 6 chương đầu trình bày các vấn đề về lý thuyết và 4 chương cuối tập trung vào hệ thống ứng dụng Chương 1. Tổng quan về watermarking: Giới thiệu lịch sử phát triển của watermarking, các tính chất và các lĩnh vực ứng dụng của watermarking. Chương 2. Các mô hình watermarking: Trình bày các quan điểm khác nhau khi xem xét một hệ thống watermarking. Chương 3. Các thuật toán watermarking: Trình bày các tiêu chí phân loại thuật toán và giới thiệu một số thuật toán minh họa. KH OA C NT T – Đ H KH TN vi Chương 4. Watermarking trên miền wavelet: Trình bày đặc điểm của biến đổi wavelet và các kỹ thuật watermarking trên miền này. Chương 5. Watermarking trên ảnh màu: Giới thiệu các phương pháp tiếp cận và một số thuật toán watermarking cụ thể làm việc trên ảnh màu. Chương 6. Watermark có độ an toàn cao và tấn công watermark: Giới thiệu các phương pháp tạo ra một watermark có độ an tòan cao, đồng thời giới thiệu một số tình huống tấn công watermark và cách giải quyết. Chương 7. Hệ thống watermarking services system WSS: Giới thiệu ứng dụng WSS. Chương 8. Phân tích và thiết kế. Chương 9. Cài đặt và thử nghiệm. Chương 10: Tổng kết: Là chương cuối cùng của đề tài nhằm đánh giá các kết quả đã đạt được cùng với hướng mở rộng trong tương lai. KH OA C NT T – Đ H KH TN vii MỤC LỤC MỤC LỤC......................................................................................... vii DANH SÁCH HÌNH ........................................................................ xii DANH SÁCH BẢNG.........................................................................xv MỘT SỐ THUẬT NGỮ................................................................. xvii Chương 1. TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING.......................1 1.1 Lịch sử watermarking ...........................................................................1 1.2 Các tiêu chí cần có của một thuật toán watermarking mạnh mẽ ..........3 1.2.1 Tính bảo mật...........................................................................................3 1.2.2 Tính vô hình ...........................................................................................4 1.2.3 Tính vô hình đối với thống kê................................................................4 1.2.4 Tỉ lệ bit ...................................................................................................4 1.2.5 Quá trình dò đáng tin cậy .......................................................................5 1.2.6 Tính mạnh mẽ.........................................................................................5 1.2.7 Nhúng nhiều watermark .........................................................................6 1.2.8 Blind/non-blind, public/private watermarking.......................................6 1.2.9 Watermarking đọc được và dò được ......................................................7 1.2.10 Tính khả đảo và tính thuận nghịch của watermark ................................8 1.2.11 Tính có thể thay đổi tỉ lệ (scalability) ....................................................9 1.3 Các ứng dụng của watermarking ........................................................10 1.3.1 Theo dõi phát sóng ...............................................................................10 1.3.2 Nhận ra người chủ sở hữu ....................................................................12 1.3.3 Bằng chứng về quyền sở hữu ...............................................................14 1.3.4 Lưu vết giao tác hay dấu vân tay..........................................................15 KH OA C NT T – Đ H KH TN viii 1.3.5 Xác nhận nội dung................................................................................16 1.3.6 Kiểm soát sao chép...............................................................................18 Chương 2. CÁC MÔ HÌNH WATERMARKING........................22 2.1 Mô hình dựa trên quan điểm xem watermarking như một dạng truyền thông 22 2.1.1 Mô hình cơ bản.....................................................................................22 2.1.2 Mô hình watermarking theo quan niệm truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển...............................................................................................24 2.1.3 Mô hình watermarking theo quan niệm truyền thông đa công ............25 2.2 Mô hình dựa trên quan điểm hình học................................................27 2.2.1 Các phân phối và miền trong không gian đa phương tiện ...................27 2.2.2 Mô hình watermarking trong không gian nhúng..................................28 Chương 3. CÁC THUẬT TOÁN WATERMARKING ...............31 3.1 Phân loại .............................................................................................31 3.2 Các thuật toán theo dạng cộng............................................................33 3.2.1 Dẫn nhập ..............................................................................................33 3.2.2 Các vấn đề liên quan ............................................................................36 3.2.3 Ví dụ: thuật toán Cox ...........................................................................39 3.3 Các thuật toán theo dạng lượng tử hóa ...............................................40 3.3.1 Dẫn nhập ..............................................................................................40 3.3.2 Các vấn đề liên quan ............................................................................42 3.3.3 Ví dụ: thuật toán Koch .........................................................................50 Chương 4. WATERMARKING TRÊN MIỀN WAVELET........53 4.1 Dẫn nhập.............................................................................................53 4.2 Biến đổi wavelet .................................................................................54 4.2.1 Phương pháp.........................................................................................54 KH OA C NT T – Đ H KH TN ix 4.2.2 Các đặc tính và các lợi thế....................................................................57 4.3 Các thuật toán ví dụ ............................................................................61 4.3.1 Ví dụ về thuật toán non-blind...............................................................61 4.3.2 Ví dụ về thuật toán blind ......................................................................69 Chương 5. WATERMARKING TRÊN ẢNH MÀU ....................73 5.1 Tổng quan về các thuật toán nhúng watermark trên ảnh màu ............73 5.2 Các thuật toán ví dụ ............................................................................75 5.2.1 Thuật toán nhúng watermark trên kênh xanh da trời (blue).................75 5.2.2 Thuật toán nhúng watermark trên nhiều kênh......................................78 Chương 6. WATERMARK CÓ ĐỘ AN TOÀN CAO VÀ TẤN CÔNG WATERMARK ....................................................................81 6.1 Các phương pháp tiếp cận nhằm tạo Watermark có độ an toàn cao...81 6.1.1 Nhúng thừa, nhúng lặp .........................................................................81 6.1.2 Mã hóa tán phổ .....................................................................................82 6.1.3 Nhúng trong các hệ số quan trọng cảm nhận được ..............................83 6.1.4 Nhúng trong các hệ số được cho là mạnh mẽ ......................................83 6.1.5 Đảo nhiễu trong bộ dò..........................................................................84 6.2 Một kiểu tấn công ...............................................................................84 6.2.1 Đặt vấn đề.............................................................................................84 6.2.2 Các cách giải quyết bài toán tác quyền khác nhau của các hệ thống watermarking khác nhau . ..................................................................................85 Chương 7. HỆ THỐNG WATERMARKING SERVICES SYSTEM - WSS.................................................................................89 7.1 Giới thiệu............................................................................................89 7.1.1 Ứng dụng WMServer ..........................................................................89 KH OA C NT T – Đ H KH TN x 7.1.2 Ứng dụng WMAppClient.....................................................................90 7.1.3 Ứng dụng WMWebClient ....................................................................91 7.2 Tiêu chuẩn của hệ thống watermarking..............................................91 7.3 Qui trình của hệ thống WSS ...............................................................92 7.3.1 Qui trình tổng quát ...............................................................................92 7.3.2 Qui trình hoạt động giữa WMWebClient và WMServer .....................92 7.3.3 Qui trình hoạt động giữa WMAppClient (Player) và WMServer........93 7.4 Phân tích qui trình của hệ thống WSS................................................97 7.4.1 Các tiêu chuẩn mà hệ thống đạt được ..................................................97 7.4.2 Một số thuận lợi khi sử dụng hệ thống WSS .......................................99 7.5 Phạm vi áp dụng của hệ thống WSS.................................................100 7.5.1 Tranh chấp bản quyền ........................................................................100 7.5.2 Phát hiện phân phối bất hợp pháp ......................................................101 7.5.3 Chứng thực nội dung..........................................................................101 7.6 Đánh giá và kết luận .........................................................................102 Chương 8. Phân tích và thiết kế ...................................................103 8.1 Các yêu cầu của hệ thống WSS ........................................................103 8.1.1 Yêu cầu chức năng .............................................................................103 8.1.2 Yêu cầu phi chức năng .......................................................................105 8.2 Mô hình Use-Case ............................................................................105 8.2.1 Lược đồ Use-Case ..............................................................................105 8.2.2 Danh sách Actor .................................................................................106 8.2.3 Danh sách các Use-Case chính ..........................................................106 8.2.4 Đặc tả các Use-Case chính .................................................................108 8.3 Thiết kế lớp và các sơ đồ lớp............................................................122 8.3.1 Danh sách các lớp chính trong hệ thống ............................................122 KH OA C NT T – Đ H KH TN xi 8.3.2 Các sơ đồ lớp phân theo ứng dụng.....................................................127 8.3.3 Lược đồ tuần tự của một số Use-Case chính......................................131 8.4 Thiết kế dữ liệu.................................................................................135 8.4.1 Danh sách các bảng ............................................................................135 8.4.2 Mối quan hệ giữa các bảng ................................................................136 8.4.3 Chi tiết các bảng.................................................................................136 8.5 Thiết kế giao diện .............................................................................138 8.5.1 Các giao diện trong hệ thống .............................................................138 8.5.2 Mô tả các giao diện chính ..................................................................139 Chương 9. CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM...................................152 9.1 Công cụ và môi trường phát triển ứng dụng.....................................152 9.2 Mô hình cài đặt .................................................................................153 Chương 10. TỔNG KẾT.................................................................155 10.1 Kết luận .........................................................................................155 10.2 Hướng phát triển ...........................................................................156 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................. xvii KH OA C NT T – Đ H KH TN xii DANH SÁCH HÌNH Hình - 1: Bộ dò không cần ảnh gốc .................................................................22 Hình - 2: Bộ dò cần ảnh gốc.............................................................................23 Hình - 3: Mô hình watermarking theo quan niệm truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển .........................................................................25 Hình - 4: Mô hình watermarking theo quan niệm truyền thông đa công ...26 Hình - 5: Bộ dò trong mô hình watermarking theo quan niệm hình học trên không gian nhúng .......................................................................................28 Hình - 6: Bộ nhúng trong mô hình watermarking theo quan niệm hình học trên không gian nhúng...............................................................................29 Hình - 7: Quá trình dò ra ngưỡng thích hợp bằng quan sát thực nghiệm 1000 chuỗi kiểm tra ngẫu nhiên. ...............................................................35 Hình - 8: Phép ánh xạ lượng tử input/ouput (a) và lỗi lượng tử hóa (b) của hàm floor() ..................................................................................................41 Hình - 9: Mô hình truyền thô