Thủy vân số và ứng dụng trong xác thực nội dung ảnh số

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN&TRUYỀN THÔNG

...............................

ĐÀO TRUNG DŨNG

THỦY VÂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG

TRONG XÁC THỰC NỘI DUNG ẢNH SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN&TRUYỀN THÔNG

..............................

ĐÀO TRUNG DŨNG

THỦY VÂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG

TRONG XÁC THỰC NỘI DUNG ẢNH SỐ

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60 48 0101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Trịnh Nhật Tiến

Thái Nguyên - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

3

MỞ ĐẦU

Lí do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong một xã hội thông tin, đặc trưng lớn nhất đó là

sự thâm nhập của các loại dữ liệu số vào mọi mặt của đời sống xã hội. Dữ liệu

số có thể lưu trữ với chất lượng cao, có thể được xử lý một cách dễ dàng. Mặt

khác, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mạng Internet quá trình phân phối

các sản phẩm kỹ thuật số trở nên thuận tiện và nhanh chóng, thì vấn đề bảo vệ

bản quyền, quyền sở hữu trí tuệ, hạn chế truy nhập thông tin trái phép, xác thực

dữ liệu số,... ngày càng trở lên quan trọng và là yêu cầu cấp thiết đặt ra trong

bối cảnh hiện nay, bởi vì dữ liệu số có những đặc trưng riêng như:

- Dễ dàng sao chép, chỉnh sửa: Chỉ cần một vài thao tác đơn giản trên

máy tính, mạng máy tính thì một tài liệu dày hàng nghìn trang hay một tác

phẩm nghệ thuật (bức tranh, ảnh, bản nhạc, logo,…) giá trị được sao chép chỉ

trong vòng vài giây. Điều quan trọng là khi sao chép thì chất lượng bản sao

được giữ nguyên so với bản gốc, giống tài liệu gốc và dễ dàng chỉnh sửa.

- Dễ dàng tìm kiếm: Với sự ra đời và ứng dụng mạnh mẽ mạng máy

tính internet thì việc xây dựng các ứng dụng và các kho dữ liệu số trên tất cả

các lĩnh vực của đời sống như: văn hóa, chính trị, kinh tế, quân sự, an ninh,

quốc phòng, dữ liệu bản đồ,… cùng với nhiều công cụ tìm kiếm dữ liệu đã giúp

cho việc tìm kiếm các loại dữ liệu số trở nên nhanh chóng hơn.

- Dễ dàng phát tán: Ngày nay một người sử dụng bình thường có thể trở

thành nguồn phát tán tài liệu dễ dàng thông qua các ứng dụng, phương tiện kỹ

thuật số như máy tính, điện thoại, các ứng dụng nhắn tin, truyền file ftp, mạng

xã hội hay các dịch vụ chia sẻ file trực tuyến,… dữ liệu số có thể được truyền

một cách nhanh chóng thông qua mạng truyền thông mà không bị suy giảm tín

hiệu, chất lượng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

4

- Dễ dàng lưu trữ: Dung lượng các thiết bị lưu trữ ngày càng lớn, giá

thành các thiết bị lưu trữ ngày càng rẻ đã khiến cho việc lưu trữ các dữ liệu số

hóa càng trở lên đơn giản hơn.

Từ tất cả các đặc trưng trên của dữ liệu số làm cho vấn đề bảo vệ bản

quyền, xác thực, phát hiện thay đổi, xuyên tạc thông tin số nói chung và ảnh số

nói riêng được quan tâm sâu sắc. Thủy vân số đã có từ lâu, tuy nhiên việc ứng

dụng của thuỷ vân đối với các lĩnh vực trên lại là những vấn đề mới, mang tính

thời sự. Nhận thức được ý nghĩa khoa học, thực tiễn của thuỷ vân số và yêu cầu

của việc xác thực nội dung thông tin đối với ảnh số, được sự hướng dẫn của

thầy giáo PGS.TS Trịnh Nhật Tiến, tôi đã chọn đề tài “Thủy vân số và ứng

dụng trong xác thực nội dung ảnh số” làm Luận văn của mình.

Luận văn này sẽ tập trung tìm hiểu tổng quan về ảnh số, ẩn giấu tin và

thủy vân số; một số thuật toán thủy vân trong miền không gian, miền biến đổi,

đồng thời tiến hành phân tích các lĩnh vực quảng cáo trong đó có lĩnh vực

quảng cáo trực tuyến và lập trình để xây dựng phần mềm thử nghiệm cho việc

xác thực nhãn hiệu quảng cáo trực tuyến. Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và

tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3 chương, cụ thể như sau:

Chƣơng 1. Tổng quan về ảnh số, ẩn - giấu tin và thủy vân số. Nêu

tổng quan về các nội dung cơ bản, bao gồm các khái niệm, tính chất và ứng

dụng của ảnh số; ẩn - giấu tin số, phân loại kỹ thuật, mô hình giấu tin số; các

khái niệm, đặc tính, phân loại, quy trình, ứng dụng và các nguy cơ tấn công đối

với hệ thuỷ vân số.

Chƣơng 2. Một số kỹ thuật thủy vân trên ảnh số ứng dụng trong

xác thực nội dung ảnh số. Chương này tập trung trình bày về hướng tiếp cận

chính của thủy vân; các biến đổi thường dùng trên ảnh số như DFT, DCT,

DWT… một số kỹ thuật tiêu biểu thủy vân ảnh số trên miền không gian và

miền tần số.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

5

Chƣơng 3: Ứng dụng thủy vân để xác thực nội dung nhãn hiệu

quảng cáo trực tuyến. Phân tích các hình thức quảng cáo trong đó có hình

thức quảng cáo trực tuyến. Đề xuất giải pháp, mô hình sử dụng thủy vân để xác

thực hình ảnh quảng cáo trực tuyến. Ứng dụng bộ chương trình Visual Studio

2010, ngôn ngữ C# để lập trình ứng dụng kỹ thuật thủy vân hợp ảnh để thực

hiện bài toán trên.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:

Tập trung vào tìm hiểu tổng quan về ảnh số, vấn đề giấu thông tin, thủy

vân trên ảnh số. Trong đó xác định hướng tiếp cận chính của thủy vân, một số

kỹ thuật, thuật toán thuỷ vân và ứng dụng trong xác nội dung ảnh số.

Hƣớng nghiên cứu của đề tài:

Tổng quan về ảnh số. Tổng quan vấn đề giấu thông tin. Một số kỹ

thuật, thuật toán thuỷ vân; cài đặt chương trình ứng dụng kỹ thuật thuỷ vân để

xác thực nhãn hiệu quảng cáo trực tuyến.

Phƣơng pháp nghiên cứu:

Sử dụng các phương pháp nghiên cứu chính sau: Phương pháp nghiên

cứu lý thuyết, thực nghiệm; Phân tích, so sánh các thuật toán giấu tin; Phương

pháp trao đổi khoa học, lấy ý kiến chuyên gia; Thử nghiệm các thuật toán trên

máy tính.

Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Nghiên cứu, phân tích một số thuật toán thuỷ vân và xây dựng mô hình

ứng dụng xác nội dung ảnh số để xác thực các loại ảnh số, ứng dụng vào việc

xác thực nhãn hiệu quảng cáo trực tuyến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

6

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ, ẨN - GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN

1.1. ẢNH SỐ

1.1.1. Điểm ảnh (Picture Element)

Gốc của ảnh (ảnh tự nhiên) là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để

xử lý bằng máy tính điện tử, ảnh cần phải được số hoá. Số hoá ảnh là sự biến

đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị

trí (không gian) và độ sáng (mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó

được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng.

Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh hay gọi tắt là pixel. Trong khuôn khổ

ảnh hai chiều, mỗi pixel ứng với tọa độ (x, y).

Điểm ảnh (pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám

hoặc màu nhất định. Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được

chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức

xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được

gọi là một phần tử ảnh.

1.1.2. Độ phân giải của ảnh

Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh được ấn định trên

một ảnh số được hiển thị. Khoảng cách giữa các điểm ảnh phải được chọn sao

cho mắt người vẫn thấy được sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng cách

thích hợp tạo nên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và được phân

bố theo trục x và y trong không gian hai chiều.

Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA (Color Graphic

Adaptor) là một lưới điểm theo chiều ngang màn hình: 320 điểm chiều dọc *

200 điểm ảnh (320*200). Rõ ràng, cùng màn hình CGA 12” ta nhận thấy mịn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

7

hơn màn hình CGA 17” độ phân giải 320*200. Lý do: cùng mật độ nhưng diện

tích màn hình rộng hơn thì độ mịn của các điểm ảnh thấp hơn.

1.1.3. Mức xám của ảnh

Một điểm ảnh có hai đặc trưng cơ bản là vị trí (x, y) của điểm ảnh và độ

xám của nó. Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng

giá trị số tại điểm đó.

- Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức

256 là mức phổ dụng. Lý do: từ kỹ thuật máy tính dùng 01 byte (8 bit) để biểu

diễn mức xám: Mức xám dùng 01 byte biểu diễn: 28

=256 mức, 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 02 mức đen trắng phân biệt tức dùng 01 bit

mô tả 2

1

mức khác nhau. Nói cách khác, mỗi 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, người ta thường dùng 03 byte để mô tả mức màu, khi đó

các giá trị màu: 28

*

3

=224K, sấp xỉ 16,7 triệu màu.

1.1.4. Ảnh số

Hình ảnh có thể là bức vẽ, họa hình (Picture, Photograph) hay nói cách

khác đó là các dữ liệu có thể được cảm nhận bằng thị giác (Visual data). Một

hình ảnh số thông thường có số chiều là 2 hoặc 3 [2]. Ảnh số là tập hợp các

điểm ảnh với mức xám phù hợp dùng để mô tả ảnh gần với ảnh thật.

Như vậy, có thể định nghĩa ảnh số là một ảnh đã được rời rạc hóa trong

không gian hai chiều có ảnh hưởng do cường độ ánh sáng và được mô tả như

ma trận hai chiều. Dựa trên màu sắc có thể phân loại ảnh số thành ảnh đen

trắng và ảnh màu.