Nghiên cứu ứng dụng thủy ký bảo vệ bản quyền tài liệu số

TRƯỜNG …………………. KHOA………………………. -----[\ [\----- Báo cáo tốt nghiệp Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng thủy ký bảo vệ bản quyền tài liệu số TÓM TẮT NỘI DUNG: Khóa luận trình bày về những kết quả đạt đƣợc trong nghiên cứu ứng dụng thủy vân số vào việc bảo vệ bản quyền tài liệu số hóa. Khóa luận đƣợc trình bày thành bốn chƣơng, với nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: tóm tắt các kiến thức cơ bản về bảo vệ an toàn dữ liệu, bảo mật thông tin cũng nhƣ tổng quan về thủy vân số trên các tài liệu số. Chƣơng 2: trình bày về thủy vân số trên ảnh số, cùng các thuật toán và các phép biến đổi, là nội dung quan trọng và có nhiều ứng dụng thực tiễn hiện nay. Chƣơng 2 có trình bày về các phép biến đổi và xử lý ảnh, rất quan trọng trong việc thực hiện thủy vân số đối với ảnh. Chƣơng 3: trình bày về thủy vân số trên các tài liệu đa phƣơng tiện khác, nhƣ trên các file audio hoặc video. Chƣơng 3 có trình bày một thuật toán thủy vân số trên audio sử dụng công nghệ trải phổ. Chƣơng 4: chƣơng trình thử nghiệm thuật toán thủy vân số trên ảnh. Cuối cùng là kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo. MỤC LỤC: MỞ ĐẨU ............................................................................................................ 1 Chƣơng 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ............................................................. 3 1.1. KHÁI NIỆM TRONG TOÁN HỌC.......................................................... 3 1.1.1.Khái niệm trong số học. ...................................................................... 3 1.1.1.1. Tính chia hết, quan hệ đồng dƣ và số nguyên tố. ......................... 3 1.1.1.2. Không gian Zn và cấu trúc nhóm. ................................................ 4 1.1.1.3. Dãy số giả ngẫu nhiên. ................................................................ 5 1.1.2. Khái niệm độ phức tạp thuật toán. ...................................................... 5 1.2. KHÁI NIỆM MÃ HÓA. ........................................................................... 7 1.2.1. Hệ mã hóa. ......................................................................................... 7 1.2.2. Mã hóa khóa đối xứng. ...................................................................... 8 1.2.3. Mã hóa khóa công khai. ................................................................... 12 1.3. KHÁI NIỆM CHỮ KÝ SỐ. .................................................................... 15 1.3.1. Sơ đồ ký số: ..................................................................................... 15 1.3.2. Sơ đồ ký số RSA. ............................................................................. 16 1.4. MỘT SỐ CÔNG CỤ BẢO VỆ BẢN QUYỀN KHÁC. ........................... 17 1.4.1. Hàm băm. ........................................................................................ 17 1.4.2. Truy vết. .......................................................................................... 18 1.5. THỦY VÂN SỐ. .................................................................................... 19 1.5.1. Khái niệm thủy vân số. .................................................................... 19 1.5.1.1. Lịch sử thủy vân số. .................................................................. 19 1.5.1.2. Quá trình nghiên cứu thủy vân số. ............................................. 21 1.5.1.3. Một số hệ thống thủy vân. ......................................................... 24 1.5.2. Các ứng dụng của thủy vân số. ......................................................... 25 1.5.3. Các đặc tính của thủy vân. ............................................................... 26 1.5.4. Phân loại thủy vân............................................................................ 27 1.5.5. Quy trình thực hiện thủy vân. ........................................................... 28 Chƣơng 2. SỬ DỤNG THỦY VÂN SỐ BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH ............ 29 2.1. CÁC ĐỊNH DẠNG ẢNH. ...................................................................... 29 2.1.1. Định dạng ảnh BMP......................................................................... 29 2.1.2. Định dạng ảnh PNG. ........................................................................ 31 2.1.3. Định dạng ảnh GIF. ......................................................................... 33 2.1.4. Định dạng ảnh JPEG. ....................................................................... 37 2.1.4.1. Kỹ thuật nén ảnh JPEG. ............................................................ 37 2.1.4.2. Mã hoá biến đổi DCT. ............................................................... 39 2.1.5. Định dạng ảnh JPEG2000. ............................................................... 47 2.1.6. Định dạng ảnh PGM. ....................................................................... 49 2.2. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ẢNH. ................................................................. 50 2.2.1. Các toán tử không gian. .................................................................. 50 2.2.1.1. Toán tử tuyến tính. .................................................................... 50 2.2.1.2. Toán tử nhân chập. .................................................................... 51 2.2.1.3. Các kỹ thuật lọc số. ................................................................... 52 2.2.2. Các toán tử tần số. ............................................................................ 57 2.2.2.1. Phép biến đổi Fourier. ............................................................... 57 2.2.2.2. Phép biến đổi Cosine rời rạc. ..................................................... 59 2.2.2.3. Phép biến đổi sóng con rời rạc. ................................................. 60 2.3. CÁC THUẬT TOÁN THỦY VÂN TRÊN ẢNH. ................................... 61 2.3.1. Thuật toán giấu thủy vân vào các bit có trọng số thấp. ..................... 61 2.3.2. Thuật toán thủy vân ghép nối. .......................................................... 63 2.3.3. Thuật toán thủy vân ảnh trên miền DCT. ......................................... 64 2.3.4. Thuật toán thủy vân ảnh trên miền DWT. ........................................ 66 2.3.5. Thuật toán thủy vân sử dụng biến đổi Karhunen – Loeve. ................ 68 2.3.6. Thủy vân dễ vỡ. ............................................................................... 70 2.3.7. Thủy vân giòn. ................................................................................. 72 2.4. TẤN CÔNG THỦY VÂN. ..................................................................... 73 Chƣơng 3. SỬ DỤNG THỦY VÂN SỐ BẢO VỆ BẢN QUYỀN CÁC TÀI LIỆU SỐ KHÁC ........................................................................................................ 75 3.1. SỬ DỤNG THỦY VÂN SỐ BẢO VỆ BẢN QUYỀN AUDIO. .............. 75 3.1.1. Giới thiệu audio số. .......................................................................... 75 3.1.2. Tổng quan về thủy vân trên audio. ................................................... 76 3.1.2.1. Thủy vân dựa trên miền dữ liệu. ................................................ 76 3.1.2.2. Thủy vân dựa trên miền tần số: ................................................. 77 3.1.2.3. Thủy vân dựa trên miền thời gian thực. ..................................... 78 3.1.3. Một thuật toán thủy vân trên audio sử dụng kỹ thuật trải phổ. ......... 79 3.1.3.1. Mô hình giả lập hệ thính giác. ................................................... 79 3.1.3.2. Thuật toán thủy vân. .................................................................. 81 3.2. SỬ DỤNG THỦY VÂN SỐ BẢO VỆ BẢN QUYỀN VIDEO. .............. 84 3.3. SỬ DỤNG THỦY VÂN SỐ BẢO VỆ BẢN QUYỀN PHẦN MỀM. ..... 85 CHƢƠNG IV: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM. .......................................... 87 4.1. THỦY VÂN HIỆN. ................................................................................ 87 4.1.1. Microsoft Word 2007. ...................................................................... 87 4.1.2. Fast Watermark. ............................................................................... 90 4.1.3. Watermark Master. .......................................................................... 91 4.2. THỦY VÂN ẨN. .................................................................................... 92 4.2.1. Sử dụng chƣơng trình. ...................................................................... 92 4.2.2. Một số kết quả thử nghiệm. .............................................................. 95 4.2.3. Thử nghiệm các phép tấn công. ........................................................ 99 4.2.1.1. Phép co hình. ........................................................................... 99 4.2.1.2. Nén ảnh JPEG. ....................................................................... 101 4.2.1.3. Phép xoay ảnh. ........................................................................ 101 4.2.1.4. Phép cắt ảnh. ........................................................................... 102 4.2.1.5. Thực hiện thủy vân lên một ảnh đã đƣợc thủy vân. ................. 103 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 104 PHỤ LỤC ....................................................................................................... 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 107 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG KHÓA LUẬN: Hình 1. Sơ đồ hệ mã hóa DES ........................................................................... 10 Hình 2. Thủy vân trên đồng dollar của Mỹ ........................................................ 19 Hình 3. Số lƣợng các bài báo nghiên cứu về thủy vân số trong cơ sở dữ liệu của IEEE .......................................................................................................................... 23 Hình 4. Một số phƣơng pháp phân loại thủy vân tiêu biểu ................................. 27 Hình 5. Quy trình thực hiện thủy vân ................................................................ 28 Hình6. Sơ đồ khối một hệ thống nén ảnh điển hình ........................................... 38 Hình 7. Sơ đồ mã hóa và giải mã dùng biến đổi DCT ........................................ 39 Hình 8. Các bƣớc của quá trình mã hóa biến đổi DCT đối với một khối ............ 40 Hình 9. Ma trận lƣợng tử ................................................................................... 41 Hình 10. Cây mã Huffman. ............................................................................... 44 Hình 11. Bảng zigzag của các thành phần ảnh JPEG ......................................... 46 Hình 12. Lấy tổ hợp các điểm ảnh lân cận. ........................................................ 53 Hình 12. Biến đổi Fourier cho một tín hiệu........................................................ 57 Hình 13. Mô hình nhúng thủy vân của Cox. ...................................................... 64 Hình 14. Biến đổi DWT ba mức ........................................................................ 66 Hình 15. Thủy vân tín hiệu bằng điều biến cơ số thời gian. ............................... 78 Hình 16. Sự sai khác thời gian của tín hiệu gốc và tín hiệu đã nhúng thủy vân .. 78 Hình 17. Mô hình giả lập hệ thính giác. ............................................................. 79 Hình 18. Thành phần tín hiệu sau khi thủy vân. ................................................. 81 Hình 19. Sơ đồ tạo thủy vân .............................................................................. 81 Hình 20. Sơ đồ nhúng thủy vân. ........................................................................ 82 Hình 21. Sơ đồ tách thủy vân............................................................................. 83 Hình 22. Thủy vân hiện trên góc trái của hình ảnh truyền hình .......................... 84 Hình 23. Chọn chức năng Watermark trong Word 2007 .................................... 88 Hình 24. Cửa sổ Custom watermark. ................................................................. 89 Hình 26. Ví dụ chèn thủy vân bằng Microsoft Word 2007. ................................ 89 Hình 27. Giao diện phần mềm Fast Watermark. ................................................ 90 Hình 28. Giao diện phần mềm Watermark Master ............................................. 91 Hình 27. Các tham số của câu lệnh gen_cox_sig ............................................... 93 Hình 28. Ảnh lena ............................................................................................. 95 Hình 29. Ảnh sau khi đƣợc nhúng thủy vân bằng thuật toán Cox với tham số tạo thủy vân mặc định. ..................................................................................................... 96 Hình 30. So sánh ảnh trƣớc và sau khi nhúng thủy vân ...................................... 97 Hình 31. Ảnh sau khi đƣợc nhúng thủy vân bằng thuật toán của Corvi với tham số tạo thủy vân mặc định ........................................................................................... 98 Hình 32. Ảnh sau khi đã đƣợc nhúng thủy vân và thay đổi kích thƣớc. .............. 99 Hình 33. Ảnh sau khi phục hồi lại kích thƣớc gốc. .......................................... 100 Hình 34. Ảnh sau khi nén JPEG với chất lƣợng 10%. ...................................... 101 Hình 35. Ảnh nhúng thủy vân và bị cắt. ........................................................... 102 Hình 36. Ảnh sau khi đƣợc nhúng thêm thủy vân 2 lần liên tiếp. ..................... 103 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG KHÓA LUẬN: Bảng 1. Cấu trúc định dạng ảnh BMP ................................................................ 29 Bảng 2. Định dạng tổng quát ảnh GIF ............................................................... 33 Bảng 3. Cấu trúc khối bản đồ màu tổng thể ảnh GIF ......................................... 34 Bảng 4. Cấu trúc bộ mô tả ảnh GIF ................................................................... 35 Bảng 5. Bảng tần suất ký tự. .............................................................................. 43 Bảng 6. Bảng từ mã gán cho các ký tự bởi mã hoá Huffman. ............................ 45 Bảng 7. So sánh một số định dạng ảnh nén. ....................................................... 48 BẢNG VIẾT TẮT THUẬT NGỮ: Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosine rời rạc DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi sóng con rời rạc IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc PCA Pricipal Component Analysis Phân tích các thành phần quan trọng LSB Least Significant Bit Bit ít quan trọng nhất LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Trịnh Nhật Tiến, ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi hoàn thành khóa luận này. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy, cô giáo của Khoa Công nghệ Thông tin, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo tôi trong suốt những năm học ở trƣờng. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, chính là nguồn lực động viên tôi phấn đấu trong học tập và cuộc sống. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các bạn sinh viên trong lớp K50CA, cũng nhƣ lớp K50 Các Hệ thống thông tin, Khoa Công nghệ Thông tin, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã cho tôi một môi trƣờng rất tốt để học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Hà Quang Thụy, cũng nhƣ các anh chị trong phòng thí nghiệm SISLab, Trƣờng Đại học Công nghệ, đã dạy tôi rất nhiều điều quý giá về nghiên cứu khoa học. Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2009. 1 MỞ ĐẨU Bƣớc vào thế kỷ XXI, loài ngƣời đã chứng kiến một cuộc bùng nổ thật sự, sau cuộc cách mạng phát minh ra máy tính điện tử, đó là Internet. Chỉ trong vòng có vài năm ngắn ngủi, Internet đã nhanh chóng len lỏi vào từng ngóc ngách của đời sống, và càng ngày càng đóng những vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ngƣời. Từ khi loài ngƣời bƣớc ra khỏi thời kỳ công xã nguyên thủy, và chủ nghĩa cá nhân xuất hiện, thì nhu cầu bảo vệ dấu ấn cá nhân trong cộng đồng ngày càng trở nên bức bách. Các nghệ sỹ đua nhau sáng tạo ra những trƣờng phái mới, chỉ với mục đích làm cho tác phẩm của mình không bị lẫn lộn với những tác phẩm của ngƣời khác. Những ngƣời giàu có sẵn sàng bỏ ra nhiều triệu đô la, chỉ để sở hữu một chiếc điện thoại di động không có gì độc đáo về mặt tính năng nhƣng là duy nhất trên thế giới. Bƣớc vào thời kỳ kinh tế tri thức, khi tri thức ngày càng trở nên đắt giá, đồng thời với đó, các tài liệu đƣợc lƣu ở dạng số hóa ngày càng nhiều và phổ biến, thì vấn đề bảo vệ bản quyền cho tri thức của con ngƣời ngày càng trở nên quan trọng, bởi những đặc trƣng sau của tài liệu số: Dễ dàng sao chép: nhờ sự phát triển của máy vi tính, các tài liệu số hóa có thể đƣợc sao chép một cách đơn giản và nhanh chóng. Chỉ cần một vài thao tác đơn giản, nhƣ click chuột, một cuốn tiểu thuyết dày hàng nghìn trang, hay một tác phẩm trị giá nhiều triệu đô la của danh họa Picasso có thể đƣợc sao chép chỉ trong vài giây. Điều quan trọng hơn nữa là khi sao chép tài liệu số thì chất lƣợng bản sao chép đƣợc giữ nguyên so với bản gốc. Dễ dàng phát tán: những năm gần đây, Việt Nam chứng kiến cuộc chay đua về nâng cấp hạ tầng đƣờng truyền Internet giữa các nhà cung cấp dịch vụ. Điều này giúp cho khách hàng có đƣợc dịch vụ tốt hơn, nhƣng đồng nghĩa với đó là việc phát tán thông tin cũng nhƣ tài liệu qua mạng Internet càng trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Ngày nay, chỉ sau vài phút tìm kiếm trên mạng, ngƣời sử dụng có thể dễ dàng tìm và tải về những bộ phim mới nhất còn chƣa đƣợc trình chiếu ở rạp. Cùng với đó, một ngƣời sử dụng bình thƣờng có thể trở thành một nguồn phát tán tài liệu cũng rất dễ dàng, thông qua các tin nhắn tức thời (IM – Instant Message), email hay các dịch vụ chia sẻ file trực tuyến (online file sharing service). Điều này có thể gây nên một hiệu ứng lan truyền nhƣ hiệu ứng virus, khiến tài liệu đƣợc phát tán nhanh và rộng khắp. Ví dụ, đoạn clip về Susan Boyle đƣợc đƣa lên mạng vào tháng 4.2009 vừa qua đã đạt đƣợc hơn 200 triệu ngƣời xem chỉ trong có 2 tuần. 2 Dễ dàng lƣu trữ: dung lƣợng ổ cứng ngày càng lớn, giá thành các thiết bị lƣu trữ ngày càng rẻ đã khiến cho việc lƣu trữ các tài liệu số hóa trở nên đơn giản hơn bao giờ hết. Một chiếc đĩa CD mà giờ đây ngày càng trở nên lỗi thời, đã có thể chứa hàng trăm cuốn sách điện tử. Một thiết bị nghe nhạc MP3 giá vài trăm nghìn đồng có thể lƣu đƣợc hàng vạn bài hát. Những ổ cứng với dung lƣợng lên tới hàng trăm GB, thậm chí hàng TB khiến cho một máy tính cá nhân dễ dàng biến thành một rạp chiếu phim. Tất cả những điều đó đã khiến cho việc lƣu trữ các tài liệu số hóa trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. Ở Việt Nam, tình hình vi phạm bản quyền vẫn đang diễn biến rất nghiêm trọng, mặc dù đã có sự cố gắng của nhiều cơ quan chức năng, cũng nhƣ của cộng đồng. Tình trạng sử dụng phần mềm không có bản quyền, download những file video lậu trên các trang web chia sẻ file, tìm nghe những album mới nhất trên những diễn đàn mà không muốn mua đĩa, v.v… là những hiện tƣợng hết sức phổ biến. Để đảm bảo cho nhu cầu giữ bí mật thông tin liên lạc cũng nhƣ đảm bảo an toàn dữ liệu, từ lâu con ngƣời đã phát minh ra một công cụ hết sức hiệu quả, đó là mã hóa. Mã hóa là một công cụ mạnh, và có lịch sử lâu đời, đã có nhiều kết quả nghiên cứu thành công và có ứng dụng rất lớn trong việc đảm bảo an toàn thông tin liên lạc. Tuy nhiên, mã hóa gặp phải một vấn đề rất lớn, đó là bản thân công cụ mã hóa không gắn liền với tài liệu đƣợc bảo vệ, mà chỉ nhƣ một dạng vỏ bọc (cover) của tài liệu mà thôi. Do đó, mã