bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
---------------------------------------
®Æng v¨n hiÕu
§Æng v¨n hiÕu
NGHI£N Cøu, øng dông FPGA thùc hiÖn thuËt to¸n
watermarking miÒn dct cho ¶nh sè
ngµnh ®iÖn tö viÔn th«ng
luËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
kho¸ 2007-2009
Hµ Néi – 2009
I
LỜI GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, nhu cầu về an ninh giám sát bằng hình ảnh đang
phát triển mạnh mẽ. Các hệ thống camera an ninh giám sát được triển khai rộng
khắp là công cụ đắt lực không chỉ cho các cơ quan đoàn thể mà cho cả các cá nhân
để quản lý, giám sát trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong quản lý giám sát
giao thông, giám sát an ninh, tài sản, thiết bị vật tư,…Nhưng một vấn đề đặt ra là
hình ảnh từ
các camera này có được coi là bằng chứng hợp pháp trung thực khi
đưa ra trước pháp luật. Như chúng ta biết, với sự phát triển của công nghệ máy
tính số, các công nghệ xử lý hình ảnh, việc chỉnh sửa các hình ảnh là rất dễ dàng
và trực tiếp. Nó có thể phá rối, gây nhiễu hình ảnh cũng như thay đổi nội dung mà
không hề để lại một dấu vết nào. Vì vậy mà các cơ quan pháp luật, tòa án gặp rất
nhiều khó khăn
để xác thực, và coi những bằng chứng này là loại bằng chứng
không đáng tin cậy, xếp chúng với sự ưu tiên thấp. Để khắc phục thì watermarking
là một lựa chọn tốt cho vấn đề này.
Mục đích của luận văn là nghiên cứu ứng dụng công nghệ mạch tích hợp logic
khả trình FPGA để thực hiện một thuật toán watermarking mạnh miền DCT cho
ảnh số nén JPEG. Trước tiên, các thuật toán nén ảnh JPEG và watermarking miề
n
DCT trong miền nén cũng như trong miền chưa nén được phân tích cụ thể. Từ đó
tiến hành xây dựng các khối module thuật toán sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng
VHDL và thực hiện trên FPGA. Các kết quả đạt được cho thấy khả năng ứng dụng
rất lớn của của mô hình thuật toán vào thực tế.
Tác giả xin chân thành cám ơn TS. Phạm Ngọc Nam, Bộ môn Kỹ thuật Điện tử
tin học, Khoa Điện tử viễn thông, đã tận tình hướng dẫn, trao đổi những kinh
nghiệm và những ý kiến quý báu. Xin gửi lời cám ơn tới các Thầy, Cô trong Khoa
II
Điện tử viễn thông, tới gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả có
thể hoàn thành luận văn và khóa học.
Trong quá trình thực hiện, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả
rất mong nhận được sự góp ý của Thầy, Cô và đồng nghiệp.
Hà Nội, ngày 23 tháng 10 năm 2009
Tác giả
III
MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU.................................................................................................I
TÓM TẮT...........................................................................................................III
MỤC LỤC ............................................................................................................V
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................IX
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................X
DANH MỤC CÁC BẢNG..............................................................................XIII
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU....................................................................................... 1
1.1. Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận văn............................................... 1
1.2. Tổ chức luận văn......................................................................................... 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC CHUẨN NÉN MULTIMEIDA,
WATERMARKING VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG..................... 5
2.1. Tổng quan về nén dữ li
ệu Multimedia........................................................ 5
2.1.1. Tổng quan về multimedia ...................................................................... 5
2.1.2. Hiệu quả nén dữ liệu multimedia........................................................... 7
2.1.2.1. Tỷ lệ nén và số bit trên một mẫu...................................................... 7
2.1.2.2. Các thước đo chất lượng .................................................................. 7
2.1.2.3. Trễ mã hóa...................................................................................... 10
2.1.2.4. Độ phức tạp mã hóa. ...................................................................... 10
2.1.3. Tổng quan về nén ảnh .......................................................................... 10
2.1.4. Các tiêu chuẩn nén dữ liệu multimedia................................................ 12
2.1.4.1. Chuẩn mã hóa ảnh tĩnh................................................................... 12
2.1.4.2. Các chuẩn mã hóa video ................................................................ 12
2.1.4.3. Chuẩn mã hóa audio....................................................................... 14
2.2. Watermarking............................................................................................ 14
IV
2.3. Thực hiện phát triển trên Matlab/Simulink và FPGA............................... 15
2.3.1. Các công việc cần thực hiện................................................................. 15
2.3.2. Giới thiệu các công cụ của Xilinx........................................................ 16
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC KỸ THUẬT NÉN ẢNH JPEG
VÀ WATERMARKING CHO ẢNH SỐ......................................................... 18
3.1. Kỹ Thuật nén ảnh số JPEG ....................................................................... 18
3.1.1. Chuyển đổi không gian màu và tốc độ lấy mẫu màu........................... 20
3.1.1.1. Không gian màu RGB.................................................................... 20
3.1.1.2. Không gian màu YCbCr ................................................................ 20
3.1.1.3. Tốc độ lấy mẫu màu....................................................................... 21
3.1.1.4. Macroblock .................................................................................... 22
3.1.2. Biến đổi Cosin rời rạc (DCT).............................................................. 22
3.1.2.1. Biế
n đổi Fourier ............................................................................. 22
3.1.2.2. Biến đổi cosine rời rạc (DCT)........................................................ 24
3.1.3. Lượng tử hóa các hệ số DCT ............................................................... 29
3.1.4. Quét zigzag các hệ số DCT.................................................................. 31
3.1.5. Mã hóa Entropy.................................................................................... 32
3.1.5.1. Mã hóa có độ dài biến đổi.............................................................. 33
3.1.5.2. Mã hóa Huffman ............................................................................ 33
3.2. Watermarking............................................................................................ 36
3.2.1. Watermarking tại miền không gian...................................................... 36
3.2.2. Watermarking tại miền DCT................................................................ 36
3.2.3. Watermarking hiện và watermarking ẩn.............................................. 38
3.2.4. Một số ứng dụng của watermarking ảnh số......................................... 39
3.2.5. Các đặc tính mong muốn cho watermark ............................................ 42
V
3.2.5.1. Các đặc tính mong muốn cho watermark hiện .............................. 42
3.2.5.2. Các đặc tính mong muốn cho watermark ẩn yếu........................... 43
3.2.5.3. Các đặc tính mong muốn cho watermark ẩn mạnh........................ 44
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG CÁC KHỐI THUẬT TOÁN
NÉN ẢNH VÀ WATERMARKING................................................................ 45
4.1. Các thuật toán nén ảnh .............................................................................. 45
4.1.1. Khối Thuật toán biến đổi không gian màu.......................................... 45
4.1.2. Tốc độ lấy mẫu màu............................................................................. 46
4.1.2.1. Các định dạng lấy mẫu màu cơ bản ............................................... 46
4.1.2.2. Khối chuyển đổi tốc độ lấy mẫu màu ............................................ 49
4.1.3. Thuật toán biến đổi cosine rời rạc (DCT) ............................................ 51
4.1.3.1. Tính toán và xây d
ựng khối DCT-2D 8x8..................................... 52
4.1.3.2. Tính toán và xây dựng khối biến đổi DCT 2-D 16x16.................. 61
4.1.4. Xây dựng khối lượng tử hóa ................................................................ 75
4.1.5. Xây dựng khối quét zigzag .................................................................. 79
4.1.6. Xây dựng khối mã hóa Entropy ........................................................... 81
4.1.6.1. Khối mã hóa bước chạy RLE......................................................... 81
4.1.6.2. Khối mã hóa Huffman.................................................................... 83
4.1.7. Tổng hợp khối nén ảnh JPEG .............................................................. 84
4.2. Các thuật toán Watermarking ................................................................... 86
4.2.1. Xây dựng khối thuật toán Watermarking-JPEG trong miền nén......... 86
4.2.2. Xây dựng khối thuật toán Watermarking-JPEG trong miền chưa nén 90
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN PHÁT TRIỂN... 96
5.1. Mô hình mức hệ thống v
ới MATLAB/SIMULINK ................................. 96
5.1.1. Phương pháp mô hình hóa mức hệ thống ............................................ 96
VI
5.1.2. Mô hình hệ thống watermarking trong miền chưa nén........................ 97
5.1.3. Mô hình hệ thống watermarking trong miền nén............................... 102
5.2. Mô hình hệ thống với VHDL và thực hiện trên FPGA .......................... 106
5.2.1. Kết quả thực hiện các thuật toán trong nén ảnh JPEG....................... 107
5.2.1.1. Khối thuật toán biến đổi không gian màu RGB-YCrCb.............. 107
5.2.1.2. Khối biến đổi tốc độ lấy mẫu màu............................................... 109
5.2.1.3. Khối thực hiện biến đổi DCT_2D 8x8......................................... 111
5.2.1.4. Khối lượng tử hóa ........................................................................ 113
5.2.1.5. Khối quét zigzag .......................................................................... 115
5.2.1.6. Khối mã hóa bước chạy RLE....................................................... 117
5.2.1.7. Khối mã hóa Huffman.................................................................. 119
5.2.1.8. Khối nén ảnh JPEG tổng.............................................................. 121
5.2.2. Kết quả thực hiện các thuật toán Watermarking-JPEG .................. 123
5.2.2.1. Khối thực hiện biến đổi DCT_2D 16x16..................................... 123
5.2.2.2. Khối thực hiện thuật toán nhúng watermark trong miền nén ...... 125
5.2.2.3. Khối Watermarking-JPEG trong miền nén tổng thể.................... 128
5.3. Đánh giá và thảo luận.............................................................................. 130
5.3.1. Chất lượng ảnh và chất lượng nén trong mô hình nén ảnh và
watermarking.................................................................................................. 130
5.3.2. Đánh giá phân tích về thời gian, tốc độ thực hiện và chiếm dụng tài
nguyên khi thực hiện hệ thống thuậ
t toán trên FPGA ................................... 134
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................... 138
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 140
VII
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ACC Advanced Audio Coding Mã hóa audio tiên tiến
DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số
DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi cosine rời rạc
FDCT Fast Discrete Cosine Transform Biến đổi cosine rời rạc nhanh
FIFO First In First Out Bộ đệm vào trước ra trước
FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng logic có thể lập trình tại
chỗ
JPEG Joint Picture Expert Group Nhóm chuyên gia ảnh tĩnh
IC Integrated Circuit Mạch tích hợp
IDCT Inverse Discrete Cosine
Transform
Biến đổi cosine rời rạc ngược
ISO International Standard
Organization
Tổ chức tiêu chuẩn quốc t
ế
ITU International Telecommunication
Union
Liên minh viễ thông quốc tế
IP Intellectual Property Sở hữu trí tuệ
HVS Human Vision System Hệ thống thị giác con người
LSB Least Significant Bit Bit mang ít ý nghĩa thông tin nhất
MSB Most Significant Bit Bit mang nhiều ý nghĩa thông tin nhất
MIPs Million of instructions per
second
Triệu lệnh trên một giây
MOPs Million of Operations per second Triệu thao tác trên giây
MOS Mean Observer Score Điểm người quan sát trung bình
MPEG Motion Picture Expert Group Nhóm chuyên gia về ảnh động
MP3 Mpeg-1 Layer 3 Chuẩn nén audio MPEG-1 layer 3
PSNR Peak Signal per Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu đỉnh
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
RLE Run Length Encode Mã hóa bước chạy
SNR Signal per Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
VCR Video Cassette Recorder Bộ ghi video băng đĩa từ
VHDL VHSIC Hardware Description
Language
Ngôn ngữ mô tả phần cứng
VLC Variable Length Coding Mã hóa với từ mã biến đổi
VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 3.1: Một mô hình nén ảnh tổng quát........................................................... 11
Hình 3.1: Baseline JPEG: (a) nén, (b) giải nén ................................................... 19
Hình 3.2: 4:2:0 macroblock................................................................................. 22
Hình 3.3: Dạng sóng tín hiệu chẵn và lẻ ............................................................. 24
Hình 3.4: Xây dựng các tín hiệu với biến đổi cosine và sine.............................. 25
Hình 3.5: Biến đổi DCT 2 chiều 8x8 thông qua biến đổi DCT một chiều 1x8... 27
Hình 3.6: so sánh các ma trận trước và sau DCT................................................ 29
Hình 3.7: Quét zigzag ma trận hệ số DCT .......................................................... 32
Hình 3.8 : Cây mã Huffman cho mã hóa Huffman ............................................. 35
Hình 3.9: Nhúng một watermark ở tần số giữa................................................... 37
Hình 3.10: Nhúng watermark tại ma trận các hệ số 16x16 ................................. 38
Hình 3.11: Watermarking trong miền chưa nén và miền nén ............................. 39
Hình 4.1: Khối thuật toán RGB to YCbCr .......................................................... 45
Hình 4.2: Biểu diễn đồ họa chuẩn lấy mẫu 4:4:4 ................................................ 47
Hình 4.3: Qúa trình tạo dịnh dạng 4:4:4.............................................................. 47
Hình 4.4: Biểu diễn đồ họa chuẩn 4:2:2.............................................................. 48
Hình 4.5: Tạo định dạng 4:2:2............................................................................. 48
Hình 4.6: Biểu diễn đồ họa định dạng 4:2:0........................................................ 48
Hình 4.7: Sự tạo định dạng 4:2:0......................................................................... 49
Hình 4.8: Khối chuyển đổi 4:4:4to4:2:0.............................................................. 50
Hình 4.9: cấu hình hệ số 4:4:4to4:2:0 ................................................................. 50
Hình 4.10: Cấu trúc khối đường dữ liệu 2-D DCT ............................................. 53
Hình 4.11: Sơ đồ kh
ối thực hiện DCT 1-D (k: 0-7) ............................................ 56
Hình 4.12: Sơ đồ khối thực hiện DCT 2-D (K: 0 -> 7)....................................... 59
IX
Hình 4.13: Biểu đồ dòng thuật toán 2-D DCT .................................................... 60
Hình 4.14: Khối thực hiện thuật toán DCT-2D 8x8............................................ 60
Hình 4.15: Cấu trúc khối đường dữ liệu 2-D DCT 16x16 .................................. 62
Hình 4.16: Sơ đồ khối thực hiện DCT-1D 16x16 ............................................... 65
Hình 4.17: Sơ đồ khối thực hiện biến đổi DCT-2D 16x16 ................................. 72
Hình 4.18: Biểu đồ dòng thuật toán 2-D DCT 16x16 ......................................... 73
Hình 4.19: Khối thực hiện DCT-2D 16x16......................................................... 74
Hình 4.20: Khối thực hiện thuật toán lượng tử hóa............................................. 77
Hình 4.21 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của b
ộ lượng tử hóa.............................. 78
Hình 4.22 : Khối thực hiện quét zigzag............................................................... 79
Hình 4.23 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của khối quét zigzag............................. 80
Hình 4.24: Mã hóa Entropy ................................................................................. 81
Hình 4.25: Khối thực hiện mã hóa bước chạy RLE ............................................ 82
Hình 4.26: Khối thực hiện mã hóa Huffman....................................................... 83
Hình 4.27: Khối thực hiện nén ảnh JPEG ........................................................... 85
Hình 4.28: Biểu đồ thuật toán nhúng watermark trong miền nén JPEG............. 87
Hình 4.29: Khối thực hiện thuật toán nhúng watermark trong miền nén............ 87
Hình 4.30: Khối thực hiện thuật toán watermarking-JPEG trong miền nén....... 89
Hình 4.31: Biểu đồ thuật toán nhúng watermark trong miền chưa nén JPEG .... 91
Hình 4.32: Kh
ối thực hiện thuật toán nhúng watermark trong miền chưa nén... 91
Hình 4.33: Khối thực hiện thuật toán watermarking-JPEG trong miền nén....... 93
Hình 5.1: Mô hình hóa thuật toán watermarking trong miền chưa nén .............. 98
Hình 5.2: Hai ảnh nguồn dùng để khảo sát ......................................................... 99
Hình 5.3: Hai ảnh watermark dùng để khảo sát ................................................ 100
Hình vẽ 5.4: Kết quả mô phỏng thuật toán watermarking trong miền chưa nén101
X
Hình 5.5: Mô hình hệ thống thuật toán watermarking trong miền nén............. 104
Hình 5.6: Kết quả mô phỏng thuật toán watermarking trong miền nén............ 106
Hình 5.7: Giản đồ thời gian thực hiện khối color_conv_cw ............................. 107
Hình 5.8: Giản đồ thời gian thực hiện khối color_resampler444to420............. 109
Hình 5.9: Giản đồ thời gian thực hiện khối DCT8x8........................................ 111
Hình 5.10: Giản đồ thời gian thực hiện khối lượng tử hóa ............................... 113
Hình 5.11: Giản đồ thời gian thực hiện khối quét zigzag ................................. 115
Hình 5.12: Giản đồ thời gian thực hiệ
n khối mã hóa bước chạy RLE.............. 117
Hình 5.13: Giản đồ thời gian thực hiện khối mã Huffman ............................... 119
Hình 5.14: Giản đồ thời gian thực hiện khối nén ảnh Jpeg_encoder ................ 121
Hình 5.15: Giản đồ thời gian thực hiện khối DCT_2D 16x16.......................... 124
Hình 5.16: Giản đồ thời gian thực hiện khối watermarking_block_compressed126
Hình 5.17: Giản đồ thời gian thực hiện khối
jpeg_watermarking_in_compressed_domain............................................. 129
Hình 5.18: PSNR và mô hình thuật toán mức hệ thống.................................... 132
XI
DANH MỤC CÁC BẢNG
`Bảng 3.1: Các hệ số DC và AC........................................................................... 28
Bảng 3.2: Ma trận lượng tử cho thành phần chói................................................. 30
Bảng 3.3: Ma trận lượng tử cho thành phần màu................................................. 31
Bảng 3.4: Ví dụ mã Huffman ............................................................................... 34
Bảng 4.1 : Ma trận các giá trị nhị phân nghịch đảo của ma trận lượng tử chói Y 76
Bảng 4.2 : Ma trận các giá trị nhị phân nghịch đảo của ma trận lượng tử màu ... 76
Bảng 5.1: Kết quả tổng hợp khối color_conv_cw trên dòng chip V5................ 107
Bả
ng 5.2: Kết quả tổng hợp khối color_conv_cw trên dòng chip S3E.............. 108
Bảng 5.4: Kết quả tổng hợp khối color_resampler444to420 trên dòng chip V5 110
Bảng 5.4: Kết quả tổng hợp khối color_resampler444to420 trên dòng chip S3E
...................................................................................................................... 110
Bảng 5.5: Kết quả tổng hợp khối DCT8x8 trên dòng chip V5 .......................... 112
Bảng 5.6: Kết quả tổng hợp khối DCT_2D 8x8 trên dòng chip S3E................. 112
Bảng 5.7: Kết quả tổng hợp khối lượng tử hóa (Quant) trên dòng chip V5 ...... 114
Bảng 5.8: Kết quả tổng hợp khối lượng t
ử hóa (Quant) trên dòng chip S3E..... 114
Bảng 5.9: Kết quả tổng hợp khối quét zigzag trên dòng chip V5 ...................... 116
Bảng 5.10: Kết quả tổng hợp khối quét zigzag trên dòng chip S3E .................. 116
Bảng 5.11: Kết quả tổng hợp khối mã hóa bước chạy RLE trên dòng chip V5 118
Bảng 5.12: Kết quả tổng hợp khối mã hóa bước chạy RLE trên dòng chip S3E118
Bảng 5.13: Kết quả tổng hợp khối mã hóa Huffman trên dòng chip V5 ........... 120
Bảng 5.14: Kết quả tổng hợp khối mã hóa Huffman trên dòng chip S3E ......... 120
Bảng 5.15: Kết quả tổng hợ
p khối nén ảnh JPEG trên dòng chip V5................ 122
Bảng 5.16: Kết quả tổng hợp khối nén JPEG trên dòng chip S3E..................... 122
XII
Bảng 5.17: Kết quả tổng hợp khối DCT16x16 trên dòng chip V5 .................... 124
Bảng 5.18: Kết quả tổng hợp khối DCT_2D 16x16 trên dòng chip S3E........... 125
Bảng 5.19: Kết quả tổng hợp khối watermarking_block_compressed trên dòng
chip V5......................................................................................................... 127
Bảng 5.20: Kết quả tổng hợp khối watermarking_block_compressed trên dòng
chip S3E....................................................................................................... 127
Bảng 5.21: Kết quả tổng hợp khối jpeg_watermarking_in_compressed_domain
trên dòng chip V5 ........................................................................................ 129
Bảng 5.22: Kết quả tổng hợp khối jpeg_watermarking_in_compressed_domain
trên dòng chip S3E....................................................................................... 130
Bảng 5.23: Bảng so sánh đánh giá kết quả mứ
c hệ thống.................................. 133
Bảng 5.23: Bảng kết quả tổng hợp cho các khối thuật toán thực hiện trên dòng
chip V5
............................................................................................... 134
Bảng 5.23: Bảng kết quả tổng hợp cho các khối thuật toán thực hiện trên dòng
chip S3E
............................................................................................... 135
1
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 rấ
t 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 ả
nh 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 d
ễ dàng, và sự hiện
2
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 truy
ền 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 nă
ng 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:
¾ Sự phân tích khoa học về các vấn đề liên quan đến watermarking cho ảnh
số nén.
3
¾ Các kết quả mô phỏng mức hệ thống khẳng định tính đúng đắn và mạnh
mẽ của thuật toán.
¾ Các phân tích tối ưu thuật toán cho việc thực hiện trên phần cứng được
nghiên cứu và thực hiện.
¾ 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 ứ
ng dụng
cho các hệ thống camera giám sát và bảo mật.
¾ Quy trình thiết kế số và các công cụ sử dụng trong thiết kế và mô phỏng
khi thực hiện trên FPGA.
¾ Một kiến trúc hệ thống cho watermarking ảnh số trên FPGA được nghiên
cứu và phát triển.
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
m
ức 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:
¾ Chương 1: Mở đầu. Tác giả trình bày tóm tắt cơ sở nghiên cứu và mục
đích cũng như tổ chức của luận văn.
¾ Chương 2: Tổng quan về các chuẩn nén multimedia, watermarking và các
phương pháp mô ph
ỏng. 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
