Tìm hiểu Watermarking

BÁO CÁO TI U LU N BÁO CÁO TI U LU N

Ậ Ậ

Ể Ể

NG TI N NG TI N

MÔN H C: TRUY N THÔNG ĐA PH Ề MÔN H C: TRUY N THÔNG ĐA PH Ề

Ọ Ọ

ƯƠ ƯƠ

Ệ Ệ

Đ tài:

ề

“Tìm hi u Watermarking” “Tìm hi u Watermarking”

ể ể

ễ

ệ

MSHV: CB110416

ễ

PGS.TS. Nguy n Hoàng Lan – Vi n CNTT&TT Nguy n Văn Tánh 11BMTTT.KH - KTMT & TT

Gi ng viên: ả H c viên: ọ L p: ớ

Ph n 1: T ng quan v Watermarking

ề

ầ

ổ

ầ

ậ

Ph n 2: Các mô hình Watermarking, các thu t toán và phân lo iạ

ộ ố

ậ

Ph n 3: Phân tích m t s thu t toán Watermarking trong ầ môi tr

ng nh màu

ườ

ả

Ph n 4: Đ an toàn Watermar và t n công Watermark

ấ

ầ

ộ

Ph n 5: T ng k t, đánh giá, h

ng phát tri n đ tài

ế

ầ

ổ

ướ

ể

ề

ữ

ậ

ấ

ộ

ỹ

* Watermarking là m t trong nh ng k thu t gi u

dữ li uệ hi nệ đ iạ .

Nó đ

ượ

c đ nh nghĩa nh là quá trình chèn ư

ị

thông tin vào d li u đa ph

ng ti n nh ng b o

ữ ệ

ươ

ệ

ả

c, nghĩa là ch làm thay

đ m không c m th đ ả

ụ ượ

ả

ỉ

đ i nh d li u g c. ỏ ữ ệ ổ

ố

a) S đ nhúng Watermark

b) S đ khôi ph c

ơ ồ

ụ

Watermark

ị

ử

ộ

ạ

ầ

ậ

1.1 L ch s Watermarking 1.2 Các tiêu chí c n có c a m t thu t toán Watermarking m nh ủ mẽ

ả

ố

ố ớ

bit

ỉ ệ

ọ ượ

 Tính b o m t ậ  Tính vô hình  Tính vô hình đ i v i th ng kê  T l  Quá trình dò đáng tin c yậ  Tính b n v ng ề ữ  Nhúng nhi u Watermark ề  Blind/non-blind, public/private Watermarking  Watermarking đ c đ  Tính kh đ o và tính thu n ngh ch c a Watermark ả ả  Tính có th thay đ i t l ể

c và dò đ ượ ủ ị ậ (scalability) ổ ỉ ệ

1.3 Các ng d ng c a Watermarking

ụ

ứ

ủ

ấ

ộ

 Theo dõi phát sóng  Nh n ra ng i ch s h u ườ ậ ủ ở ữ  B ng ch ng v quy n s h u ề ở ữ ề ứ ằ  L u v t giao tác hay d u vân tay ư ế  Xác nh n n i dung ậ  Ki m soát sao chép

ể

ư ộ

ể

ạ

2.1 Mô hình trên quan đi m Watermarking nh m t d ng truy n thông ề  Mô hình c b n ơ ả  Mô hình Watermarking truy n thông v i thông tin ph

b ụ ở ộ

ề

ớ

trung chuy nể

 Mô hình Watermarking theo quan ni m truy n thông đa công

ệ

ể

ng ti n

ự ố

ươ

ệ

ề 2.2 Mô hình d a trên quan đi m hình h c ọ  Các phân ph i và mi n trong không gian đa ph ề  Mô hình Watermarking trong không gian nhúng

2.3. Các thu t toán Watermarking

ậ

và phân lo iạ

2.1 Mô hình trên quan đi m Watermarking nh m t ể

ư ộ

ạ

ơ ả

c thêm vào trong su t quá trình

d ng truy n thông ề Mô hình c b n Trong mô hình này, tài li u ch đ ệ

ủ ượ

c xem nh nhi u đ ư

ễ

ượ

ố

truy n tín hi u Watermark. ệ

ề

Hình - 1: B dò c n nh g c ố

ầ ả

ộ

Hình - 2: B dò không c n nh g c ố

ầ ả

ộ

ớ

ụ ở

ộ

ể ượ

ễ

ầ

ộ

ượ

ụ

ớ

ụ ể

ượ

ấ

ặ

ộ

ượ

ể

ề

ớ

c xem là m t nhi u, nh ng qui trình nhúng Watermark c n ệ c cung c p thêm nh ch đó v i vai trò là thông tin ph . Thông tin ph (side ủ ả c cung c p cho b trung chuy n ho c b nh n trong ộ c chuy n hay tín hi u nh n ệ i mã. Trong mô hình Watermarking này, chúng ta xem nh ch là m t ả

ố ệ c c n gi ầ

ộ ượ

ậ ệ ủ

ậ ộ

Mô hình Watermarking truy n thông v i thông tin ph ề b trung chuy n Tài li u ch v n đ ủ ẫ đ ấ information) là thông tin đ m t h th ng truy n thông, khác v i thông đi p đ đ thông tin ph đ i v i b nhúng.

ả ụ ố ớ ộ

Hình -3: Mô hình Watermarking theo quan ni m truy n thông v i thông tin ph

ụ ở ộ

b trung chuy n ể

ệ

ề

ớ

Mô hình Watermarking theo quan ni m truy n thông

ề

ệ

đa công Ả

ủ

ầ

ộ

ứ

c xem là m t ph n c a kênh truy n c truy n đi cùng v i thông đi p ượ

ủ ớ

ề ệ

ề

nh ch không còn đ ượ mà là thông đi p th hai đ ệ Watermark trong cùng tìn hi uệ

Hình - 4: Mô hình Watermarking theo quan ni m truy n thông đa công

ệ

ề

ể

ự

ể

ươ

ệ

ề

ế

ậ

ầ

ạ

2.2 Mô hình d a trên quan đi m hình h c ọ Quan đi m Watermarking hình h c xem các tài li u là các đi m trong ệ ọ ng ti n (media space) nhi u chi u. không gian đa ph Khi phân tích các thu t toán ph c t p h n, ta c n chi u hay làm bi n d ng ứ ạ không gian đó thành không gian nhúng.

Các phân ph i và mi n trong không gian đa ph

ng ti n

ố

ề

ươ

ệ

 Trong không gian đa ph

ữ

ấ

ố

ệ

ng ti n có nh ng phân ph i xác su t và vùng c nhúng Watermark (distribution of

ượ

ố

ệ

ỗ

c m nh n đ

ươ sau: Phân ph i các tài li u ch a đ ệ unWatermarked works) t ượ ng t ậ

ữ ả

ự ả

ố

 Vùng t ấ

ng tr ng cho m i tài li u. ư c gi a nh g c và nh qua x lý có th ử ể ả t c các tài ấ ả

ươ ậ

ượ ch p nh n (Region of acceptable fidelity) là vùng trong đó t li u đ u là ng viên ti m năng c a m t tài li u cho tr ệ

ướ

ủ

ứ

ề

ệ

ề

ộ

t k đ áp d ng đ

c thi

ầ ớ

ế ế ể

ượ

Mô hình Watermarking trong không gian nhúng Ph n l n các b dò Watermark th ụ ộ ẹ ủ

ng đ ượ ộ

ng ti n qua phép chi u ho c phép bi n hình.

c ườ trên không gian nhúng (marking space), đó là m t không gian thu h p c a không gian đa ph ặ

ươ

ế

ệ

ế

Hình 5: B dò trong mô hình Watermarking theo quan ni m hình h c trên không gian nhúng

ệ

ọ

ộ

2.3. Các thu t toán Watermarking

ậ

và phân lo iạ

ộ ố

 G n đây, m t s thu t toán Watermarking đã đ ậ

ể ỗ ợ ệ

ố

ệ ả

ề ả

c tri n khai đ h tr vi c ượ ng ẹ

ữ ệ

ể ủ

ươ

ầ b o v b n quy n nh s và xác minh tính toàn v n c a d li u đa ph ả ti n. ệ ầ

ổ ả

ủ

ề

ế

ậ

ộ

ế ậ

ủ

ừ

ể

ệ

ệ ừ

ườ

ệ

ể

ế

ộ

ổ

 H u h t các thu t toán Watermarking bi n đ i nh ch thành m t mi n nào đó thu n ti n cho vi c nhúng thông tin c a Watermark, làm sao đ nó v a ng dùng đ làm vi c này có đ an toàn cao, v a vô hình. Các bi n đ i th là DFT, DCT và m i đây là DWT.

ớ

ác thu t toán Watermarking có th đ

Phân lo i: Cạ

ể ượ

ậ

c phân lo i nh sau: ạ

ờ ạ ờ ạ ờ ạ

ề ề ề ề

 Theo mi n nhúng/trích: ề • Mi n không gian • Mi n bi n đ i cosine r i r c (DCT) ế • Mi n bi n đ i Fourier r i r c (DFT) ế • Mi n bi n đ i wavelet r i r c (DWT) ế • Các mi n h n h p khác, ví d : mi n fractal, mi n Fourier-Mellin, đ c t ề ợ ề

ổ ổ ổ ỗ

ụ

ặ ả

ề Histogram, mi n bi n đ i wavelet ph c (CWT), … ổ

ứ

ế

ề

ng là nh g c) khi trích Watermark:

ố

ả

ườ

ữ ệ

 Theo d li u c n tham chi u (th ầ

ế

ố

ệ

ế • Không tham chi u d li u (blind) ữ ệ • Tham chi u d li u t ng đ i (semi-blind) ữ ệ ươ ế • Tham chi u d li u hoàn toàn (non-blind) ữ ệ ế ử ổ ữ ệ ả ế ấ ả ử

ộ ợ ượ

ế

ả

ề

ế

ẩ

 Theo cách s a đ i d li u nh ch : ủ • C ng tuy n tính tín hi u tán ph ổ • H p nh t nh (ví d nhúng m t logo) ụ ộ • L và thay th phi tuy n ng t ế  Theo mô hình c m quan • Không có mô hình • Mô hình n qua các thu c tính mi n bi n đ i ổ ộ • Mô hình HVS t ng minh

ụ

ườ  Theo m c đích c a ng d ng Watermarking ủ ứ ề

ệ ả

ả

m o

ả ạ

• B o v b n quy n, theo dõi vi c phát hành • Xác minh d li u nh, xác nh n và phát hi n gi ệ •

ệ ậ ữ ệ ả n d li u và g n nhãn nh… ắ

ả

Ẩ

ữ ệ  Theo ki u d li u đa ph

ữ ệ

ươ

ng ti n ch : ủ ệ

ể nh tĩnh

• Ả • Video • Các đ nh d ng đa ph

ng ti n khác nh : nh ho t h a, nh b n

ạ

ươ

ạ ọ ả

ư ả

ệ

ả

ị đ , …

ồ

ổ

ề

ậ

3.1 T ng quan v các thu t toán nhúng Watermark trên nh màu

ả

3.2 Phân tích m t s thu t toán c b n

ộ ố

ơ ả

ậ  Thu t toán nhúng Watermark trên kênh

ậ

xanh da tr i (blue)

ờ

 Thu t toán nhúng Watermark trên nhi u

ề

ậ kênh

toán nhúng

ổ

ề

thu t ậ

3.1 T ng quan v các Watermark trên nh màu

ả

trên

ầ

ế

ứ

 H u h t các nghiên c u ậ ậ

ự ệ

ự

ả

ườ

ự

ệ

ỏ

lĩnh v c Watermarking t p trung th o lu n cách th c hi n trên nh xám, ph n m r ng các thu t toán đó trên ậ ở ộ c b ng và g i ý th c hi n ỏ ả ợ t nào đó. trên m t s kênh đ c bi

ầ ng đ ượ ặ

nh màu th ộ ố

ệ

 M t cách ph bi n nh t là nhúng Watermark vào ấ

ộ

kênh đ chói c a nh.

ộ

ổ ế ủ ả

3.2 Phân tích m t s thu t toán c b n

ộ ố

ơ ả

ậ

 Thu t toán nhúng Watermark trên kênh xanh da tr i (blue)

ậ

ờ

Martin Kutter - Frederic Jordan - Frank Bossen – Phòng thí nghi m x lý tín hi u s , EPFL Tác giả ử ệ ệ ố

Blind Lo iạ

Watermark Là m t chu i m bit ộ ỗ

c nhúng nhi u l n ể ả ả ỗ ượ ề ầ ở các v trí nh khác nhau. S ự ả ị • Đ đ m b o tính an toàn, m i bit đ

ch nh s a các giá tr đi m nh g c Bij ph thu c vào giá tr c a bit và cân x ng v i đ ớ ộ ị ể ả ị ủ ụ ử ứ ộ ố ỉ

chói đi m nh Lij: Cho m t bit s c n nhúng, B*ij = Bij + (2s -1) Li,jq trong đó B*ij là giá tr ị ể ả ầ ộ

đ c s a và q là m t tham s xác đ nh c ng đ nhúng. ượ ử ố ộ ị ườ ộ

• Các v trí nhúng đ ị ượ c xác đ nh nh sau: V i m i đi m nh, m t ớ ể ả ư ộ ỗ ị

s x gi ng u nhiên đ c phát sinh. N u x nh h n q thì thông tin ố ả ẫ ượ ỏ ơ ế • Nhúng đ c nhúng vào đi m nh. ượ ể ả

• Ng c l ượ ạ i đi m nh không b thay đ i. Trong qui trình này, tr t t ổ ể ả ậ ự ị

c s a đ i làm cho nh không ph thu c kích th c. quét nh đ ả ượ ử ụ ả ộ ổ ướ

Thay vì quét nh theo dòng, c t, thu t toán quét nh theo m t ộ ậ ả ả ộ

đ ng zig-zag ườ

quét nh ậ ự ả • Hình 7: Tr t t

ể ầ ả ậ ố

Trích

ử ụ ự ử ụ ế ế

ượ ử ữ ậ ự ả ậ

ể ả ậ ị ể ả ủ ị ự ưỡ ự ể ớ

c bit nhúng mà không c n s d ng nh g c, thu t toán s d ng m t d báo v Đ trích đ ề ượ ộ ự giá tr g c c a các đi m nh đ c s a (d báo d a trên liên k t tuy n tính c a các giá tr ị ố ị ủ ủ đi m nh trong lân c n hình ch th p c a đi m nh). Thu t toán tính toán s khác nhau ể ả ự gi a các giá tr đi m nh d báo và giá tr th c và so sánh nó v i ng ng thích h p đ quy t ế ợ đ nh bit đ c nhúng. ể ữ ị ượ

ở ờ ượ ủ ẫ ả ọ

ườ ượ ớ ơ ờ

ườ ạ

ố ủ ấ ẳ ờ ộ ơ ớ

i (HVS) ít m n c m v i các c ch n vì h c m quan c a ng S dĩ kênh xanh da tr i đ ệ ả màu xanh da tr i do các hình nón xanh da tr i (S- cone) ít đ c phân ph i dày đ c h n so ờ ặ ố i. Watermark kênh v i các hình nón xanh lá cây và đ trong ph n h c a võng m c ng ầ ỏ ớ xanh da tr i có đ an toàn cao h n v i các phép t n công ch ng h n nh l c (trung bình, ư ọ ạ trung tuy n,…) và nhi u c ng. ễ ế ộ

đã kh ng đ nh d i phép nén có m t thông tin JPEG, c hai h ị ẳ ả ướ ướ ậ ấ ả

ỉ ơ ề ố ớ ề ả ấ

ộ ộ

ủ ế ế ữ ấ ơ ộ ồ ờ ứ ơ

Nh n xét ậ

i u v i đ t ng ti p c n H n n a tác gi ế ữ đ u x p x nhau. Tuy nhiên v n đ n y sinh đ i v i Watermark trên kênh xanh da tr i là nó ấ ờ khó ki m soát hay tiên đoán các tác nhân. Nghĩa là tính kh ki n c a Watermark trên kênh ả ế ể đ chói đ ng nh t h n và ít ph thu c vào nh màu. Do đó, thi t k Watermark trên kênh ả ụ xanh da tr i (hay m t kênh nào b t kì) thì tinh x o h n và đòi h i nh ng mô hình HVS ph c ỏ ng đ và màu s c. t p đ làm Watermark thích ng t ạ ả ớ ộ ươ ng ph n, c ả ấ ố ư ườ ứ ể ắ ộ

Hình 8: Ảnh gốc và ảnh được nhúng

 Thu t toán nhúng Watermark trên nhi u kênh

ề

ậ

Tác giả Alessandro Piva thu c Khoa Công Ngh Đi n T Đ i H c Fizenze, Italy

ử ạ ọ

ệ ệ

ộ

Watermark Chu i các giá tr gi

ng u nhiên

ị ả

ỗ

ẫ

nh đ

c phân tích thành các băng R, G, B t

Ả

ượ

ươ

ng ng v i các kênh ớ

ứ

Phân tích

màu. S d ng bi n đ i FF-DCT cho m i băng R, G, B.

ử ụ

ế

ỗ

ổ

Các h s đ

i theo đ

ng zig-zag cho m i kênh, và đ

ệ ố ượ

c s p l ắ

ạ

ườ

ỗ

ượ

L a ự ch n h ệ ọ

v trí (k+1) t

i v trí (k+n). S v trí t

ch n t ọ

ừ ị

ớ ị

ố ị

ươ

ng ng v i s giá tr ị ớ ố

ứ

số

Watermark.

ng v i 3 băng R, G, B có 3 vector ch a các h s DCT là Vr, Vg, Vb.

Ứ

ệ ố

ứ

ớ

Các vector này sau đó đ

c nhúng vector Watermark X = {x1, x2, …,

ượ

xn} theo các qui lu t sau:

ậ

Nhúng

ng nhúng trong m i kênh. ị ườ ng đ năng l ộ ượ ỗ Trong đó i=1..n, và αr, αg, αb xác đ nh c

Mô hình Watermarking trên nh màu c a Piva

ủ

ả

Theo tính toán c a tác gi , thì gi a các h s c ủ ả ệ ố ườ ữ ng đ nhúng ph i th a ràng bu c: ả ộ ỏ ộ

Ví d , n u l y αr,g,b = 0.3 thì αr = 0.042, αg = 0.022, αb = 0.231 ụ ế ấ

Quá trình trích đ c ti n hành theo qui trình ng i. Đ u tiên nh đ c phân tích thành các ượ ế c l ượ ạ ả ầ ượ

băng R’, G’ , B’ sau đó đem áp d ng FF- DCT lên m i băng. Các h s c a các băng này ệ ố ủ ụ ỗ

Trích đ c s p l i theo đ ng zig-zag, sau đó ch n các h s t (k+1) đ n (k+n) đ phát ra các ượ ắ ạ ườ ệ ố ừ ọ ế ể

vector Vr', Vg', Vb' và ti n hành tính toán theo công th c ng i khi nhúng đ l y l i các ứ ế c l ượ ạ ể ấ ạ

thông tin c a Watermark. ủ

Mô hình này là m t mô hình t t cho k thu t Watermarking d a trên DCT. Nó kh c ph c đ c ộ ố ự ụ ắ ậ ỹ ượ

nh c đi m c a vi c nhúng trên mi n DCT là th ng gây h i cho HVS, Watermark có th vô ượ ủ ề ể ệ ườ ể ạ

hình n u ch n đ c các h s α thích h p. ế ọ ượ ệ ố ợ

Tác gi cũng đ ngh cách tính t ng h s t ả ệ ố ươ ề ổ ị ng quan gi a các băng và so sánh t ng này v i ớ ữ ổ

ng ng toàn c c T đ kh ng đ nh có Watermark hay không thay vì tính t ng quan riêng cho ưỡ ụ ể ẳ ị ươ

t ng băng. ừ

Nh n xét ậ

nh Boat g c và nh sau khi đ Ả ả ố ượ c nhúng Watermark v i α = 0.2, k = nhúng = 16000, và m t ặ ớ

n đ c xây d ng b ng cách tính ph ng sai c c b m t c a s 9x9 ạ ượ ự ằ ươ ộ ộ ử ụ ổ

ạ

ậ

ế

ươ

ng pháp ti p c n nh m t o Watermark ằ

ọ

ả c cho là m nh m

ạ

ả

ộ

4.1 Các ph có đ an toàn cao ộ  Nhúng th a, nhúng l p ặ ừ  Mã hóa tán phổ  Nhúng trong các h s quan tr ng c m nh n đ c ậ ượ ệ ố  Nhúng trong các h s đ ẽ ệ ố ượ  Đ o nhi u trong b dò ộ ễ 4.2 M t ki u t n công ể ấ  Đ t v n đ ề ặ ấ  Các cách gi

i quy t bài toán tác quy n khác nhau

ề

ế

c a các h th ng Watermarking khác nhau. ủ

ả ệ ố

ữ

ề

ể ạ

ứ ộ

ứ ậ

ữ

ề

ấ

 Trong khi có nh ng nghiên c u v làm sao có th t o ra các Watermark có đ an toàn cao thì cũng có nh ng nghiên c u t p trung v cách t n công các mô hình Watermarking.

ộ

ấ ỏ

ớ

ầ ủ

ậ

ỏ

 T n công watemark l i là m t ph n không th ể ầ ạ b quên khi sáng t o ra m t mô hình ộ ạ Watermarking m i vì nó góp ph n phân tích các đi m s h , ch a th a đáng c a m t thu t toán đ đ xu t m t cách ti p c n cao h n.

ơ ở ấ

ể ể ề

ộ ơ

ế

ậ

ộ

ậ

1. K t lu n ế  Đánh giá gi  K t qu đ t đ

i pháp ả c ả ạ ượ 2. H ng phát tri n ể

ế ướ

K t lu n

ế

ậ

ế ề ặ

ề

ế

ạ

ứ

ự

ề

ứ

ề

ộ

ố

 Trong quá trình th c hi n d tài, tuy còn nhi u h n ch v m t ki n ệ ự ề th c cũng nh hi u bi t v lĩnh v c nghiên c u nh ng cá nhân đã ư ể ứ ế ề tìm hi u đ c nh ng v n đ chung trong lĩnh v c Watermarking. ể ượ ấ ữ Đ i v i nh s , đ tài đã nghiên c u m t s thu t toán ớ ả Watermarking và k thu t Watermarking trong môi tr

ố ậ ng nh màu. ườ

ả

ậ

ỹ

 Các thu t toán đ

ậ

ạ

ế

ượ

ữ

ố

ờ

ằ

ệ ọ

ọ

ả ữ ứ

ẽ ế

ự

ụ

ể

ậ

ậ ữ

ỹ ơ

ệ

ả

ự ế ố

ơ ề ữ

ề ả

ụ ứ

ề

ầ

c trình bày tuy còn h n ch nh ng là nh ng đ i ạ di n tiêu bi u cho các thu t toán Watermarking trên nh s . Hy ậ ể i, các nhà khoa h c và nh ng chuyên v ng r ng trong th i gian t ớ gia trong các lĩnh v c liên quan s ti p t c nghiên c u sâu h n, ơ c chính xác h n đ các thu t toán, các k thu t Watermarking đ ượ nh m áp d ng nhi u, hi u qu và ph bi n h n n a trong th c t ổ ế ằ đáp ng nh ng nhu c u v b o v tác quy n, phân ph i tác ph m ẩ ệ và xác nh n n i dung ngày càng gia tăng.

ậ

ộ

H ng phát tri n

ướ

ể

ậ

ệ

ừ

ậ

ữ

ề

ầ ươ ự

ể ề ề ả

ộ

ụ

ầ ụ ề

ứ ả

ệ

ng truy n thông đa ph

ươ

ề ấ ả

ự

ầ

 Các thu t toán Watermarking hi n nay không ng ng đ c ượ c i ti n, phát tri n, và xu t hi n nh ng thu t toán m i đ ớ ể ệ ấ ả ế áp d ng cho nhi u lĩnh v c khác nhau có nhu c u t . ng t ự ự ụ  Các nhu c u v b o v b n quy n, ch ng th c n i dung, ệ ả ph c v đi u tra, an ninh qu c phòng, b o v các thông tin ố ng cá nhân không ch trên môi tr ườ ỉ t c các lĩnh v c cu c ti n mà đó còn là nhu c u trong t ộ ệ s ng. ố ệ

ứ

ậ

ế

ậ

ầ

ế ớ

ộ

ớ

ng lai.

 Vi c nghiên c u phát tri n các thu t toán, công ngh , k ể ệ ỹ t và c p bách thu t Watermarking là đi u vô cùng c n thi ề ấ trong th gi i công ngh s đang phát tri n nhanh chóng ệ ố ể nh hi n nay, đây còn là ti m năng vô cùng l n cho m t ề ư ệ ngành công nghi p s trong t ươ

ệ

ố