Đồ án môn Xử lý ảnh

Nội dung text: Đồ án môn Xử lý ảnh

1. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học công nghệ thông tin, internet đã trở thành một nhu cầu, phương tiện không thể thiếu đối với mọi người, nhu cầu trao đổi thông tin qua mạng ngày càng lớn. Và với lượng thông tin lớn như vậy được truyền qua mạng thì nguy cơ dữ liệu bị truy cập trái phép cũng tăng lên vì vậy vấn đề bảo đảm an toàn và bảo mật thông tin cho dữ liệu truyền trên mạng là rất cần thiết. Nhiều kỹ thuật đã được nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề này. Một trong những kỹ thuật quan trọng nhất là mã hóa thông tin. Tuy nhiên một thông điệp bị mã hóa dễ gây ra sự chú ý và một khi các thông tin mã hóa bị phát hiện thì các tin tặc sẽ tìm mọi cách để giải mã. Một công nghệ mới phần nào giải quyết được những khó khăn trên là giấu thông tin trong các nguồn đa phương tiện như các nguồn âm thanh, hinh ảnh Xét theo khía cạnh tổng quát thì giấu thông tin cũng là một dạng mật mã nhằm đảm bảo tính an toàn của thông tin, nhưng phương pháp này ưu điểm ở chổ là giảm được khả năng phát hiện ra sự tồn tại của thông tin trong các nguồn mang. Giấu thông tin là một kỹ thuật còn tương đối mới và đanh phát triển rất nhanh, thu hút được cả sự quan tâm của giới khoa học và giới công nghiệp và cũng còn nhiều thách thức. Nội dung của báo cáo này chủ yếu nghiên cứu về kỹ thuật giấu tin nói chung và giấu tin trong văn bản nói riêng 1
2. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................1 MỤC LỤC.......................................................................................................................2 DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN.............................................4 1.1.Khái niệm ..............................................................................................................4 1.2.Mục đích của việc giấu tin ....................................................................................4 1.3.Phân loại các kỹ thuật giấu tin ..............................................................................5 1.2.1.Giấu tin mật (Seganography ) ........................................................................5 1.2.2.Thủy vân số (Watermaking )..........................................................................5 1.4.Một số ứng dụng....................................................................................................6 CHƯƠNG 2. ĐỊNH DẠNG ẢNH BITMAP ..................................................................7 2.1.Tổng quan..............................................................................................................7 2.2.Bảng màu...............................................................................................................7 2.3.Mô tả ảnh...............................................................................................................8 2.4.Cấu trúc ảnh ..........................................................................................................9 CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH ................................................14 3. 1.Các kĩ thuật giấu tin trong ảnh BITMAP ...........................................................14 3.1.1.Ảnh nhỏ hơn hoặc bằng 8 bit màu ...............................................................14 3.1.2.Ảnh 16 bit màu.............................................................................................14 3.1.3.Ảnh 24 bit màu.............................................................................................14 3.2. Kỹ thuật dùng hệ số DCT...................................................................................15 3.2.1.Nền tảng kỹ thuật .........................................................................................15 3.2.2.Phép biến đổi cosin rời rạc (DCT) ...............................................................15 3.2.3.Đặc điểm của phép biến đổi DCT hai chiều.................................................16 3.3. Kỹ thuật giấu tin trong miền biến đổi DCT .......................................................17 3.3.1.Mô tả thuật toán............................................................................................17 3.3.2.Quá trình Watermarking...............................................................................17 3.4. Cài đặt và thực nghiệm.......................................................................................20 KẾT LUẬN ...................................................................................................................24 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................25 2
3. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin DANH MỤC HÌNH Hình 1.1.Phân loại các kỹ thuật giấn tin..........................................................................5 Hình 2.1.Bảng màu và các điểm ảnh dùng bảng màu .....................................................7 Hình 2.2.Các cách bố trí bảng màu .................................................................................8 Hình 2.3.Biểu đồ cột của một ảnh trong Paint Shop Pro 7..............................................9 Hình 3.1.Sơ đồ nhúng thủy vân.....................................................................................18 Hình 3.2.Sơ đồ quá trình giải mã...................................................................................19 Hình 3.3.Giao diện chính của chương trình ..................................................................20 Hình 3.4.Giao diện sau khi giấu tin...............................................................................21 Hình 3.5.Giao diện trước khi tách tin............................................................................22 Hình 3.6.Giao diện sau khi tách tin ...............................................................................22 3
4. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1.Khái niệm Môi trường giấu tin (hay còn gọi là vật mang tin): là đối tượng được dùng để giấu tin như văn bản, ảnh, audio, video, Giấu tin trong ảnh: Thông tin sẽ được giấu vào dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và “khó” biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý ngĩa gì. Trong ảnh thông tin mật cho nhau mà người khác khô thể biết được. Giấu tin trong audio: Giấu tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác. Giấu thông tin trong audio đòi hỏi yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn của thông tin. Các phương pháp giấu tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu trong thính giác con người. Giấu tin trong video: Cũng giống như giấu tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong video cũng được quan tâm và được phát tiển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập thông tin, xác thực thông tin và bảo vệ quyền tác giả. Ý tưởng cơ bản của phương pháp là phân phối thông tin giấu dàn trải thheo tần số của dữ liệu gốc. - Dữ liệu sẽ được giấu là một lượng thông tin mang ý nghĩa nào đó tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng. - Giấu tin là nhúng mẩu tin mật vào một vật mang tin khác, sao cho mắt thường “khó” phát hiện ra mẩu tin đó, mặt khác khó nhận biết được vật mang tin đã được giấu một tin mật. 1.2.Mục đích của việc giấu tin - Mục đích của việc giấu tin là đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin. Có 2 khía cạnh cần được quan tâm đó là: + Bảo mật cho dữ liệu được đem giấu . + Bảo mật cho chính đối tượng được đem giấu thông tin . - Ngày nay nghệ thuật giấu tin được nghiên cứu để phục vụ các mục đích tích cực như: bảo vệ bản quyền các tài liệu số hóa (dùng thuỷ ấn số), hay giấu các thông tin bí mật về quân sự và kinh tế. - Sự phát triển của công nghệ thông tin đã tạo ra những môi trường giấu tin mới vô cùng tiện lợi và phong phú. Người ta có thể giấu tin trong các văn bản, hình ảnh, âm thanh. Cũng có thể giấu tin ngay trong các khoảng trống hay các phân vùng ẩn của môi trường lưu trữ như đĩa cứng, đĩa mềm. Các gói tin truyền đi trên mạng cũng là môi trường giấu tin thuận lợi. Các tiện ích phần mềm cũng là môi trường lý tưởng để gài các thông tin quan trọng, để xác nhận bản quyền. 4
5. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin 1.3.Phân loại các kỹ thuật giấu tin Có thể chia kỹ thuật giấu tin ra làm 2: steganography và watermarking. Hình 1.1.Phân loại các kỹ thuật giấn tin 1.2.1.Giấu tin mật (Seganography ) Giấu tin mật (Seganography ) quan tâm tới việc giấu các tin sao cho thông tin giấu được càng nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không bằng kỹ thuật thông thường. 1.2.2.Thủy vân số (Watermaking ) Thủy vân số (Watermaking ) đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin. Thủy vân số được phân thành 2 loại thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ. - Thuỷ vân bền vững: thường được ứng dụng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền. Thuỷ vân được nhúng trong sản phẩm như một hình thức dán tem bản quyền. Trong trường hợp này, thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân. + Thuỷ vân ẩn: cũng giống như giấu tin, bằng mắt thường không thể nhìn thấy thuỷ vân. + Thuỷ vân hiện: là loại thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được. - Thủy vân dễ vỡ: là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong ảnh sao cho khi phân bố sản phẩm trong môi trường mở nếu có bất cứ một phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thuỷ vân đã được giấu trong đối tượng sẽ không còn nguyên vẹn như trước khi dấu nữa (dễ vỡ). So sánh giữa steganography và watermarking: 5
6. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin Steganography Watermaking Mục đích - Che giấu sự hiện hữu của thông điệp -Thêm vào thông tin bản - Thông tin che giấu độc lập với vỏ quyền bọc - Che giấu thông tin gắn với đối tượng vỏ bọc Yêu cầu - Không phát hiện được thông điệp bị Tiêu chuẩn bền vững che giấu - Dung lượng tin được dấu Tấn công Phát hiện ra thông điệp bí mật bị che Watermaking bị phá vỡ thành công giấu 1.4.Một số ứng dụng *Ứng dụng của thủy vân số(Watermaking): - Tự động giám sát các bản sao và theo dõi các bản sao, viết tài liệu trên web. (Ví dụ 1 robot tìm kiếm trên web với 1 tài liệu được đánh dấu và do đó có tiềm năng xác đinh vấn đề bất hợp pháp). - Tự động kiểm tra 1 đài phát thanh truyền đi. 6
7. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin CHƯƠNG 2. ĐỊNH DẠNG ẢNH BITMAP Đối tượng ảnh đầu tiên mà các chương trình giấu tin nhắm tới là ảnh Bitmap. Vì ảnh này phổ biến trên mạng Internet, dung lượng giấu tin cao và các phương pháp giấu tin đơn giản. 2.1.Tổng quan Các ảnh số thường được lưu dưới dạng tệp ảnh 24-bit hay 8-bit cho một điểm ảnh. Ảnh 24-bit còn được gọi là ảnh true colour cung cấp nhiều chỗ giấu thông tin hơn; tuy nhiên ảnh 24-bit lớn, ví dụ một ảnh 24-bit cỡ 1024 x 768 pixels có kích thước trên 2 MB, nên dễ bị gây chú ý khi tải qua mạng. Thường những ảnh đó cần được nén, nhưng nén ảnh có thể làm mất tin mật. Một phương án khác là có thể dùng ảnh 8-bit màu để giấu thông tin. Trong các ảnh 8-bit (như ảnh GIF), mỗi điểm ảnh được thể hiện bằng một byte. Mỗi điểm đơn thuần trỏ đến một bảng chỉ mục các màu (palette), với 256 khả năng màu. Điểm ảnh chứa trị nằm giữa 0 và 255. Các phần mềm chỉ đơn thuần vẽ màu cần biểu thị lên màn hình tại vị trí lựa chọn. Nếu dùng một ảnh 8-bit làm ảnh phủ, rất nhiều chuyên gia về giấu tin trong ảnh khuyên nên dùng ảnh 256 cấp xám vì bảng màu của ảnh xám thay đổi đồng đều giữa làm tăng khả năng giấu tin. Giấu tin trong ảnh 8- bit cần xem xét cả ảnh lẫn bảng màu. Một ảnh có khối lớn các màu đồng nhất khó giấu hơn vì dễ bị nhận biết. Sau khi chọn ảnh phủ, bước tiếp theo là chọn phương pháp mã hoá ảnh. 2.2.Bảng màu Bảng màu là một mảng 1 chiều chứa chỉ mục các màu của ảnh. Sau đó mỗi điểm ảnh chỉ việc trỏ đến một màu chỉ mục nào đó trên bảng màu. Hình 2.1.Bảng màu và các điểm ảnh dùng bảng màu - Trong bảng màu, 1 màu ứng với một bộ ba hay bộ bốn. - Kích thước của bảng màu được tính từ độ sâu điểm ảnh (pixel depth): 4-bit pixel: 3 byte/màu * 16 (= 24) màu = 48 byte 8-bit pixel: 3 byte/màu * 256 màu = 768 byte 7
8. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin 15-bit pixel: 3 byte/màu * 32768 màu = 96 kbyte 16-bit pixel: 3 byte/màu * 65536 màu = 192 kbyte - Một số loại ảnh giảm bớt số màu trong bảng màu, vì không phải tất cả các màu được dùng trong ảnh (CGM, TGA). - Các giá trị điểm được cất trong 2 byte (16 bit): 16 bit = 2 byte = (8 bit, 8 bit) -> (5,6,5) = (R,G,B) - Có các cách bố trí: + Theo điểm ảnh (pixel-orientiert) (RGB) (RGB) (RGB) (RGB) (RGB) + Theo mặt phẳng màu (plane-orientiert) (RRRRR ..... GGGGG ..... BBBBB) Hình 2.2.Các cách bố trí bảng màu Một số phương pháp giấu tin trong ảnh dựa vào việc sắp xếp lại bảng màu, trong khi các phương pháp khác thêm bớt các màu vào bảng màu. 2.3.Mô tả ảnh Để xử lý hoặc nghiên cứu về ảnh người ta phải mô hình hoá chúng. Tuỳ theo quan điểm, mô hình mà có thể áp dụng các phép xử lý khác nhau trên mô hình đó. - Ảnh như một bản đồ bít: quan điểm ảnh mành như một bản đồ các bít tạo nền tảng để chúng ta áp dụng các phép toán về bit. - Ảnh như một hàm toán học: để xử lý ảnh trong máy tính dùng các công cụ toán học, người ta tìm cách biểu diễn ảnh như là một hàm rời rạc f(x,y) trong đó x, y là toạ độ của điểm ảnh còn f là giá trị xám hoặc độ sáng của ảnh. f nhận các giá trị rời rạc trong khoảng từ 0 đến fmax. Trong ảnh 8 bit thì fmax = 28= 256. Trong ảnh màu người ta có thể mô tả màu qua ba hàm biểu diễn các thành phần đỏ, lục và lam. Ví dụ r(x,y); g(x,y); b(x,y). - Ảnh như một môi trường vật lý: Một ảnh f(x,y) cũng là một môi trường vật lý nên có thể dùng áp dụng các phép biến đổi vật lý trên ảnh. Ví dụ mức năng lượng của điểm ảnh, dải tần số của nhiễu ảnh, dải phổ,.. 8
9. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin - Mô tả ảnh như một mô hình thống kê: Các giá trị của điểm ảnh (mức xám, độ sáng hay trị màu) được coi như là biến ngẫu nghiên, do đó chúng ta có thể tính được phân bố xác suất của chúng. Ví dụ người ta có thể dùng biểu đồ cột (histogram) để biểu diễn độ xám hay các trị màu. Trong xử lý ảnh người ta có thể dùng biểu đồ cột để làm các việc như lọc nhiễu.Còn trong giấu tin thì ta có thể qua đó mà biết đâu là vùng ảnh có thể giấu tin tốt nhất. Hình 2.3.Biểu đồ cột của một ảnh trong Paint Shop Pro 7 Chính các quan điểm khác nhau về ảnh đã làm nền tảng để có được những kỹ thuật khác giấu tin khác nhau. 2.4.Cấu trúc ảnh Ảnh Bitmap do Microsoft phát triển, do vậy còn được gọi là Microsoft Windows Bitmap (BMP, DIB, Windows BMP, Windows DIB, Compatible Bitmap) được lưu trữ độc lập với thiết bị hiển thị (DIB). Ảnh này được sử dụng rộng rãi trên Windows. Có thể có 1-, 4-, 8-, 16-, 24-, hay 32-bit mầu. Ảnh này thường sử dụng phương pháp mã hoá loạt dài RLE. Kích thước tối đa là 32Kx32K và 2Gx2G pixel. Ảnh bitmap không cho phép chứa nhiều ảnh trong một tệp. Cấu tạo của ảnh bitmap gồm các phần : 1. Header 2. Palette 3. Bitmap Data 4. Footer Để đọc và xử lý ảnh Bitmap người ta cần nắm được các cấu trúc của ảnh được lưu trong phần Header. Ví dụ: Header của Microsoft Windows Bitmap Version 1.x có cấu trúc như sau: Header Palette Bitmap Index Palette 1 File Identifier 9
10. Đồ án môn: XỬ LÝ ẢNH Ngành công nghệ thông tin File Version Number of Lines per Image Number of Pixels per Line Number of Bits per Pixel Number of Color Planes Compression Type X Origin of Image Y Origin of Image Text Description Unused SpaceẢnh Bitmap Microsoft Windows 1.x có phần Header gồm 10-byte : TYPEDEF struct _Win1xHeader { WORD Type; /* File type identifier (always 0) */ WORD Width; /* Width of the bitmap in pixels */ WORD Height; /* Height of the bitmap in scan lines */ WORD ByteWidth; /* Width of bitmap in bytes */ BYTE Planes; /* Number of color planes */ BYTE BitsPerPixel; /* Number of bits per pixel */ } WIN1XHEADER; Dữ liệu ảnh Bitmap được ghi vào tệp theo 2 cách: - Quét từng dòng theo trật tự điểm ảnh như chúng được hiển thị trên thiết bị theo từng mặt phẳng mầu (plane) * Chi tiết cấu trúc các ảnh BITMAP - Bitmap header: 1-2 Nhận dạng file Kiểu arrayp1..2] of char:chứa ký tự BM 3-6 Kích thướ file Kiểu Longint: tính bằng byte 7-10 Reserve nt : tôi chưa biết(có lẽ là tên file thừa) 11-14 Byte bắt đầu Kiểu longint, vị trí byte bắt đầu vùng data kể từ đầu file 10