Đề tài Tìm hiểu Watermarking

BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC: TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Đề tài: “Tìm hiểu Watermarking” Giảng viên: PGS.TS. Nguyễn Hoàng Lan – Viện CNTT&TT Học viên: Nguyễn Văn Tánh MSHV: CB110416 Lớp: 11BMTTT.KH - KTMT & TT Phần 1: Tổng quan về Watermarking Phần 2: Các mô hình Watermarking, các thuật toán và phân loại Phần 3: Phân tích một số thuật toán Watermarking trong môi trường ảnh màu Phần 4: Độ an toàn Watermar và tấn công Watermark Phần 5: Tổng kết, đánh giá, hướng phát triển đề tài Watermarking là một trong những kỹ thuật giấu dữ liệu hiện đại.Nó được định nghĩa như là quá trình chèn thông tin vào dữ liệu đa phương tiện nhưng bảo đảm không cảm thụ được, nghĩa là chỉ làm thay đổi nhỏ dữ liệu gốc. a) Sơ đồ nhúng Watermark b) Sơ đồ khôi phục Watermark 1.1 Lịch sử Watermarking 1.2 Các tiêu chí cần có của một thuật toán Watermarking mạnh mẽ Tính bảo mật Tính vô hình Tính vô hình đối với thống kê Tỉ lệ bit Quá trình dò đáng tin cậy Tính bền vững Nhúng nhiều Watermark Blind/non-blind, public/private Watermarking Watermarking đọc được và dò được Tính khả đảo và tính thuận nghịch của Watermark Tính có thể thay đổi tỉ lệ (scalability) 1.3 Các ứng dụng của Watermarking Theo dõi phát sóng Nhận ra người chủ sở hữu Bằng chứng về quyền sở hữu Lưu vết giao tác hay dấu vân tay Xác nhận nội dung Kiểm soát sao chép 2.1 Mô hình trên quan điểm Watermarking như một dạng truyền thông Mô hình cơ bản Mô hình Watermarking truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông đa công 2.2 Mô hình dựa trên quan điểm hình học Các phân phối và miền trong không gian đa phương tiện Mô hình Watermarking trong không gian nhúng 2.3. Các thuật toán Watermarking và phân loại 2.1 Mô hình trên quan điểm Watermarking như một dạng truyền thông Mô hình cơ bản Trong mô hình này, tài liệu chủ được xem như nhiễu được thêm vào trong suốt quá trình truyền tín hiệu Watermark. Hình - 1: Bộ dò cần ảnh gốc Hình - 2: Bộ dò không cần ảnh gốc Mô hình Watermarking truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển Tài liệu chủ vẫn được xem là một nhiễu, nhưng qui trình nhúng Watermark cần được cung cấp thêm ảnh chủ đó với vai trò là thông tin phụ. Thông tin phụ (side information) là thông tin được cung cấp cho bộ trung chuyển hoặc bộ nhận trong một hệ thống truyền thông, khác với thông điệp được chuyển hay tín hiệu nhận được cần giải mã. Trong mô hình Watermarking này, chúng ta xem ảnh chủ là một thông tin phụ đối với bộ nhúng. Hình -3: Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông đa công Ảnh chủ không còn được xem là một phần của kênh truyền mà là thông điệp thứ hai được truyền đi cùng với thông điệp Watermark trong cùng tìn hiệu Hình - 4: Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông đa công 2.2 Mô hình dựa trên quan điểm hình học Quan điểm Watermarking hình học xem các tài liệu là các điểm trong không gian đa phương tiện (media space) nhiều chiều. Khi phân tích các thuật toán phức tạp hơn, ta cần chiếu hay làm biến dạng không gian đó thành không gian nhúng. Các phân phối và miền trong không gian đa phương tiện Trong không gian đa phương tiện có những phân phối xác suất và vùng sau: Phân phối các tài liệu chưa được nhúng Watermark (distribution of unWatermarked works) tượng trưng cho mỗi tài liệu. Vùng tương tự cảm nhận được giữa ảnh gốc và ảnh qua xử lý có thể chấp nhận (Region of acceptable fidelity) là vùng trong đó tất cả các tài liệu đều là ứng viên tiềm năng của một tài liệu cho trước. Mô hình Watermarking trong không gian nhúng Phần lớn các bộ dò Watermark thường được thiết kế để áp dụng được trên không gian nhúng (marking space), đó là một không gian thu hẹp của không gian đa phương tiện qua phép chiếu hoặc phép biến hình. Hình 5: Bộ dò trong mô hình Watermarking theo quan niệm hình học trên không gian nhúng 2.3. Các thuật toán Watermarking và phân loại Gần đây, một số thuật toán Watermarking đã được triển khai để hỗ trợ việc bảo vệ bản quyền ảnh số và xác minh tính toàn vẹn của dữ liệu đa phương tiện. Hầu hết các thuật toán Watermarking biến đổi ảnh chủ thành một miền nào đó thuận tiện cho việc nhúng thông tin của Watermark, làm sao để nó vừa có độ an toàn cao, vừa vô hình. Các biến đổi thường dùng để làm việc này là DFT, DCT và mới đây là DWT. Phân loại: Các thuật toán Watermarking có thể được phân loại như sau: Theo miền nhúng/trích: Miền không gian Miền biến đổi cosine rời rạc (DCT) Miền biến đổi Fourier rời rạc (DFT) Miền biến đổi wavelet rời rạc (DWT) Các miền hỗn hợp khác, ví dụ: miền fractal, miền Fourier-Mellin, đặc tả Histogram, miền biến đổi wavelet phức (CWT), … Theo dữ liệu cần tham chiếu (thường là ảnh gốc) khi trích Watermark: Không tham chiếu dữ liệu (blind) Tham chiếu dữ liệu tương đối (semi-blind) Tham chiếu dữ liệu hoàn toàn (non-blind) Theo cách sửa đổi dữ liệu ảnh chủ: Cộng tuyến tính tín hiệu tán phổ Hợp nhất ảnh (ví dụ nhúng một logo) Lượng tử và thay thế phi tuyến Theo mô hình cảm quan Không có mô hình Mô hình ẩn qua các thuộc tính miền biến đổi Mô hình HVS tường minh Theo mục đích của ứng dụng Watermarking Bảo vệ bản quyền, theo dõi việc phát hành Xác minh dữ liệu ảnh, xác nhận và phát hiện giả mạo Ẩn dữ liệu và gắn nhãn ảnh… Theo kiểu dữ liệu đa phương tiện chủ: Ảnh tĩnh Video Các định dạng đa phương tiện khác như: ảnh hoạt họa, ảnh bản đồ, … 3.1 Tổng quan về các thuật toán nhúng Watermark trên ảnh màu 3.2 Phân tích một số thuật toán cơ bản Thuật toán nhúng Watermark trên kênh xanh da trời (blue) Thuật toán nhúng Watermark trên nhiều kênh Hầu hết các nghiên cứu trên lĩnh vực Watermarking tập trung thảo luận cách thực hiện trên ảnh xám, phần mở rộng các thuật toán đó trên ảnh màu thường được bỏ ngỏ và gợi ý thực hiện trên một số kênh đặc biệt nào đó. Một cách phổ biến nhất là nhúng Watermark vào kênh độ chói của ảnh. 3.1 Tổng quan về các thuật toán nhúng Watermark trên ảnh màu 3.2 Phân tích một số thuật toán cơ bản Thuật toán nhúng Watermark trên kênh xanh da trời (blue) Thuật toán nhúng Watermark trên nhiều kênh Theo tính toán của tác giả, thì giữa các hệ số cường độ nhúng phải thỏa ràng buộc: Ví dụ, nếu lấy αr,g,b = 0.3 thì αr = 0.042, αg = 0.022, αb = 0.231 Mô hình Watermarking trên ảnh màu của Piva 4.1 Các phương pháp tiếp cận nhằm tạo Watermark có độ an toàn cao Nhúng thừa, nhúng lặp Mã hóa tán phổ Nhúng trong các hệ số quan trọng cảm nhận được Nhúng trong các hệ số được cho là mạnh mẽ Đảo nhiễu trong bộ dò 4.2 Một kiểu tấn công Đặt vấn đề Các cách giải quyết bài toán tác quyền khác nhau của các hệ thống Watermarking khác nhau. Trong khi có những nghiên cứu về làm sao có thể tạo ra các Watermark có độ an toàn cao thì cũng có những nghiên cứu tập trung về cách tấn công các mô hình Watermarking. Tấn công watemark lại là một phần không thể bỏ quên khi sáng tạo ra một mô hình Watermarking mới vì nó góp phần phân tích các điểm sơ hở, chưa thỏa đáng của một thuật toán để đề xuất một cách tiếp cận cao hơn. Kết luận Đánh giá giải pháp Kết quả đạt được 2. Hướng phát triển Kết luận Trong quá trình thực hiện dề tài, tuy còn nhiều hạn chế về mặt kiến thức cũng như hiểu biết về lĩnh vực nghiên cứu nhưng cá nhân đã tìm hiểu được những vấn đề chung trong lĩnh vực Watermarking. Đối với ảnh số, đề tài đã nghiên cứu một số thuật toán Watermarking và kỹ thuật Watermarking trong môi trường ảnh màu. Các thuật toán được trình bày tuy còn hạn chế nhưng là những đại diện tiêu biểu cho các thuật toán Watermarking trên ảnh số. Hy vọng rằng trong thời gian tới, các nhà khoa học và những chuyên gia trong các lĩnh vực liên quan sẽ tiếp tục nghiên cứu sâu hơn, chính xác hơn để các thuật toán, các kỹ thuật Watermarking được áp dụng nhiều, hiệu quả và phổ biến hơn nữa trong thực tế nhằm đáp ứng những nhu cầu về bảo vệ tác quyền, phân phối tác phẩm và xác nhận nội dung ngày càng gia tăng. Hướng phát triển Các thuật toán Watermarking hiện nay không ngừng được cải tiến, phát triển, và xuất hiện những thuật toán mới để áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau có nhu cầu tương tự. Các nhu cầu về bảo vệ bản quyền, chứng thực nội dung, phục vụ điều tra, an ninh quốc phòng, bảo vệ các thông tin cá nhân không chỉ trên môi trường truyền thông đa phương tiện mà đó còn là nhu cầu trong tất cả các lĩnh vực cuộc sống. Việc nghiên cứu phát triển các thuật toán, công nghệ, kỹ thuật Watermarking là điều vô cùng cần thiết và cấp bách trong thế giới công nghệ số đang phát triển nhanh chóng như hiện nay, đây còn là tiềm năng vô cùng lớn cho một ngành công nghiệp số trong tương lai.