Luận Văn Watermarking cho ảnh số dựa trên thiết bị FPGA và mô phỏng bằng Matlab/Simulink Thảo luận trong 'Tin

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn

Watermarking số là quá trình nhúng thông tin, hay một watermark, vào trong một đối tượng multimedia số, cũng như watermark có thể được phát hiện hay trích ra sau đó để đưa ra sự xác nhận về đối tượng. Watermarking đã chứng tỏ nó là công cụ đáng tin cậy cho bảo vệ bản quyền và nhận thực cho các phương tiện số, và vì vậy có rất nhiều nghiên cứu đã và đang được thực hiện trong lĩnh vực này.
Watermarking đã xuất hiện cách đây hơn 700 năm. Khi đó nó là một kỹ thuật được sử dụng bởi các nhà sản xuất giấy để nhận dạng các sản phẩm của mình. Ngày nay chúng ta vẫn thường xuyên bắt gặp các watermark trên giấy, ví dụ trên các tờ tiền giấy, séc, tem bưu điện, và các văn bản hành chính của nhà nước. Bên cạnh các ứng dụng trên giấy, watermarking cũng có thể được sử dụng để cung các các giải pháp an ninh cho các dữ liệu đa phương tiện số như là âm thanh, hình ảnh, video
Trong phạm vi đề tài này, đề tài lựa chọn kỹ thuật watermarking cho ảnh tĩnh để nghiên cứu, phân tích và thực hiện với cả hai loại watermarking hiện và ẩn.
Một ứng dụng rất có ý nghĩa và quan trọng của watermarking cho hình ảnh là trong nhận thực hình ảnh đầu ra của các camera giám sát hay bảo mật. Việc chuyển dịch từ tương tự sang số trong lĩnh vực giám sát hình ảnh tạo ra một lỗ hổng bảo mật khi chúng ta cố gắng cung cấp các bằng chứng hình ảnh giám sát tới pháp luật. Hình ảnh giám sát số không thể được chấp nhận như một bằng chứng hợp pháp bởi vì việc sửa đổi dữ liệu số là trực tiếp dễ dàng, và sự hiện hữu của các công cụ xử lý ảnh làm cho sự nhận thực là rất đáng ngờ. Đặc biệt, nó có thể phá rối và gây nhiễu các video số mà không hề để lại một dấu vết nào.
Watermarking có thể cung cấp sự nhận thực và phát hiện phá rối cho các hệ thống giám sát số. Một vài hệ thống hiện tại cung cấp các lựa chọn watermarking cho các hình ảnh lưu trữ. Các hệ thống này cho rằng đường truyền dẫn từ video camera tới trung tâm lưu trữ là an toàn và chúng chỉ thực hiện tập trung bảo mật cho video khi đã ở trung tâm lưu trữ. Sự thừa nhận này là không đúng nều hệ thống bị tấn công ở tầng truyền dẫn. Trong trường hợp này, nhận thực phải được thực hiện ngay tại video camera để cung cấp một hệ thống bảo mật an toàn hơn. Điều này có thể đạt được bằng việc sử dụng một thiết bị trên cơ sở phần cứng hay mềm để nhúng một watermark vào tín hiệu video tại ngay video camera. Vì quá trình nhúng watermark yêu cầu tốc độ và độ mạnh, nên thực hiện bằng phần cứng có lẽ là cần thiết và hợp lý hơn.

Ngày nay, các chíp FPGA đang cải thiện đáng kể về tốc độ, dung lượng nhớ, sự mềm dẻo, và sự tiêu hao năng lượng theo từng năm. Các ứng dụng mà FPGA có thể được ứng dụng bao gồm xử lý tín hiệu số, xử lý âm thanh và hình ảnh, máy tính số, nhận dạng, bảo mật Các ứng dụng mà yêu cầu rất nhiều các xử lý song song thì rất hiệu quả với kiến trúc của FPGA. Với watermarking cho ảnh số thì FPGA đem lại rất nhiều hiệu quả bởi khả năng xử lý song song mạnh mẽ của nó. Nhưng hơn tất cả đó là giá thành mà FPGA mang lại là rất hợp lý.
Vì vậy luận văn lựa chọn FPGA để nghiên cứu và thực hiện phát triển cho thuật toán watermarking cho ảnh số, với mục đích đóng góp chính của luận văn là:
Ø Sự phân tích khoa học về các vấn đề liên quan đến watermarking cho ảnh số nén.
Ø Các kết quả mô phỏng mức hệ thống khẳng định tính đúng đắn và mạnh mẽ của thuật toán.
Ø Các phân tích tối ưu thuật toán cho việc thực hiện trên phần cứng được nghiên cứu và thực hiện.
Ø Khảo sát đánh giá và đưa ra các ứng dụng quan trọng của watermarking trong các lĩnh vực bảo vệ bản quyền và nhận thực số, đặc biệt ứng dụng cho các hệ thống camera giám sát và bảo mật.
Ø Quy trình thiết kế số và các công cụ sử dụng trong thiết kế và mô phỏng khi thực hiện trên FPGA.
Các kết quả được trình bày trong luận văn này đạt được từ các thuật toán cụ thể trên các thiết bị FPGA của hãng Xilinx. Tuy nhiên chúng mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu và mô phỏng đồng thiết kế Co-design trên các công cụ phát triển của hãng Xilinx trên máy tính PC.
1.2. Tổ chức luận văn
Bố cục của đề tài được tổ chức thành 5 chương như sau:
Ø Chương 1: Mở đầu. Tác giả trình bày tóm tắt cơ sở nghiên cứu và mục đích cũng như tổ chức của luận văn.
Ø Chương 2: Tổng quan về các chuẩn nén multimedia, watermarking và các phương pháp mô phỏng. Trong chương này giới thiệu tổng quan về multimedia, nén dữ liệu multimedia, các phương pháp đánh giá chất lượng dữ liệu và chất lượng nén đối với các thuật toán nén. Lý thuyết watermarking và các công cụ sử dụng để thực hiện và mô phỏng cũng được giới thiệu trong chương này.
Ø Chương 3: Cơ sở lý thuyết của các kỹ thuật nén ảnh JPEG và Watermarking cho ảnh số. Trong chương này tác giả trình bày và phân tích cơ sở lý thuyết của các thuật toán và các kỹ thuật liên quan đến nén ảnh JPEG, watermarking miền DCT trong miền nén và miền chưa nén JPEG.
Ø Chương 4: Phân tích và xây dựng các khối thuật toán nén ảnh và watermarking. Chương này tập trung phân tích các thuật toán nén ảnh và watermarking theo chiều sâu, từ đó xây dựng thiết kế các khối mã VHDL thực hiện thuật toán cho ứng dụng phần cứng FPGA.
Ø Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực hiện phát triển. Chương này trình bày các kết quả mô phỏng mô hình mức hệ thống cho toàn bộ thuật toán dựa trên công cụ Matlab/simulink, và các kết quả thực hiện các thuật toán trên VHDL và FPGA. Từ đó đưa ra nhận xét và kết luận