now

Report
Model of Watermarking
อาจารย์ ดร.มหศักดิ์ เกตุฉ่า
หลักการซ่ อนข้ อมูล
การซ่อนข้ อมูลในปั จจุบนั ถูกนามาประยุกต์ใช้ ในงานหลายประเภท เราสามารถจาแนกประเภท
ของการซ่อนข้ อมูลตามวัตถุประสงค์ได้ เป็ น 2 ลักษณะคือ
• การซ่อนข้ อมูลเพื่อบันทึกรายละเอียดหรื อข้ อความอธิบายลงไป การซ่อนข้ อมูลในลักษณะนีม้ กั ต้ องการ
บันทึกข้ อมูลจานวนมากลงบนสื่อ และด้ วยเหตุผลที่ว่าข้ อมูลที่ถกู บันทึกลงบนสื่อดังกล่าวนี ้เป็ นข้ อมูลที่
เป็ นประโยชน์ตอ่ ตัวผู้อา่ นเอง ดังนันการซ่
้
อนข้ อมูลในลักษณะนี ้จึงไม่ได้ ต้องการความปลอดภัยต่อการ
ถูกแก้ ไขหรื อทาลายแต่อย่างใด ตัวอย่างของการซ่อนข้ อมูลในลักษณะนี ้ได้ แก่ Feature tagging
และ Embedded caption เป็ นต้ น
• การซ่อนข้ อมูลที่ต้องการความปลอดภัยสูง เช่นการซ่อนข้ อมูลที่เป็ นความลับ (Secret message
hiding), การซ่อนข้ อมูลเพื่อใช้ แสดงลิขสิทธิ์ความเป็ นเจ้ าของในสื่อนัน้ (Digital
watermarking), ตลอดจนการซ่อนข้ อมูลเพื่อตรวจสอบติดตามการเปลี่ยนแปลงแก้ ไข (Media
authentication, Fingerprinting และ Tamper proofing) เป็ นต้ น ข้ อมูลที่ถกู นามา
ซ่อนในลักษณะนี ้มักเป็ นเพียงข้ อความสันๆ
้ หรื อสัญลักษณ์ขนาดเล็กๆ ซึง่ ต้ องการความคงทนต่อการถูก
เปลี่ยนแปลงแก้ ไขในรูปแบบต่างๆสูง ทังโดยเจตนาและไม่
้
เจตนา
หลักการซ่ อนข้ อมูล (ต่ อ)
• โดยหลักการของการซ่อนข้ อมูลนัน้ ข้ อมูลที่เลือกมาจะถูกทาการซ่อนลง
ในสื่อดิจิตอลซึง่ ทาหน้ าที่ในลักษณะของพาหะ (Cover object)
โดยการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของสื่อนันให้
้ น้อยที่สดุ เท่าที่จะเป็ นไป
ได้ เพื่อที่จะไม่ให้ เป็ นที่สงั เกตเห็นของมนุษย์ได้ การซ่อนข้ อมูลดังกล่าว
อาจมีการใช้ รหัสลับ (Secret key) ประกอบกับเทคนิคการเข้ ารหัส
(Cryptography) เพื่อเพิ่มความปลอดภัยให้ มากขึ ้นก็ได้ โดย
ข้ อมูลดังกล่าวจะสามารถดึงกลับมาได้ โดยอัลกอริ ธึมเฉพาะเท่านันการ
้
ซ่อนข้ อมูลในลักษณะนี ้บางครัง้ เรี ยกว่า Steganography หรื อ
Data hiding สื่อที่สามารถใช้ ในการซ่อนข้ อมูลประกอบอาจเป็ น
รูปภาพ, ภาพเคลื่อนไหว, เสียง, หรื อเอกสารอิเล็กทรอนิคส์ เป็ นต้ น
ลายน้าดิจิตอล
• ลายน ้าดิจิตอล (Digital watermark) เป็ นรูปแบบหนึ่งของการ
ซ่อนข้ อมูล ซึ่งมักนิยมใช้ กบั รู ปภาพเพื่อซ่อนข้ อมูลบางอย่างที่ใช้ แสดง
ลิขสิทธิ์ความเป็ นเจ้ าของและด้ วยจุดประสงค์ดงั กล่าวนี ้จึงทาให้ ลายน ้า
ดิ จิ ต อลจ าเป็ นจะต้ อ งมี คุณ สมบัติ ที่ ส าคัญ คื อ มี ค วามคงทนสูง ต่ อ
กระบวนการแปลงต่างๆที่กระทากับตัวสื่อ อันจะส่งผลให้ ลายน ้าดิจิตอล
ที่ซ่อนอยู่นนถู
ั ้ กเปลี่ยนแปลงแก้ ไขไปด้ วย ทังโดยเจตนาและไม่
้
เจตนา
ซึง่ ได้ แก่
• การประมวลผลสัญญาณทัว่ ไป (Signal processing) ได้ แก่ Digital-toAnalog, Analog-to-Digital, Resampling, Requantization
(Dithering and Recompression), และ Common signal
enhancement (เช่นการปรับ contrast และสีของรูปภาพ) เป็ นต้ น
• ความบิดเบือนอันเกิดจากการประมวลผลกับรูปภาพในเชิงเรขาคณิต
(Geometric transformations) ได้ แก่ การหมุน (Rotation), การ
ปรับขนาด (Scaling), การเคลื่อนที่ (Translation) และการตัดบางส่วนของ
รูปภาพ (Cropping) เป็ นต้ น
• เจตนารมย์ที่มงุ่ จะทาลายหรื อปลอมแปลงลายน ้าดิจิตอล (Subterfuge
attacks) ได้ แก่ การทาลายน ้าดิจิตอลปลอมซ้ อนลงบนรูปภาพที่มีลายน ้าดิจิตอล
อยูก่ ่อนแล้ ว หรื อการเจาะอัลกอริ ธึมเพื่อค้ นหาตาแหน่งของลายน ้าและทาลาย
โดยตรง เป็ นต้ น
กระบวนการซ่ อนลายน้าดิจิตอล
Image I
Watermarked Image I’
Embedder
Watermark W
• กาหนดให้ I แทนรูปภาพต้ นฉบับ และ W แทนลายน ้าดิจิตอลแล้ ว
รูปภาพที่ผา่ นการซ่อนลายน ้าดิจิตอล I'
I ' ( x, y )  I ( x, y )  W ( x, y )
กระบวนการตรวจหาลายน้าดิจิตอล
Test Image J
Detector
Detected value
Original Watermark W
• กาหนดให้ J แทนรูปภาพที่ต้องการนามาตรวจหาลายน ้าดิจิตอล ซึง่
อาจมีลายน ้าดิจิตอลอยูห่ รื อไม่ก็ได้ และอาจผ่านกระบวนการ
เปลี่ยนแปลงแก้ ไขมาก่อน การตรวจหาลายน ้าดิจิตอลจากรูปภาพ
ดังกล่าวสามารถกระทาได้ โดยการคานวณหาค่าสหสัมพันธ์
(Correlation) ระหว่างรูปภาพ J กับลายน ้าดิจิตอลต้ นฉบับ W
Digital Watermarking techniques
• Text-based Watermarking
• Line shift coding, word shift coding, feature coding
• Image Watermarking
• Watermark design(meaningful watermark)
• Watermark embedding(time domain, transformed domain)
• Watermark detection(blind, informed)
• Audio Watermarking
• Video Watermarking
• 3D Watermarking
Image Watermarking techniques
• Spatial-domain techniques
• Transform-domain techniques
– DCT-based
– DFT-based
– Wavelet-based
– Other transforms
• Compressed stream-domain techniques
– Watermarking MPEG bit streams
Application Field of Watermarking(1)
• Application field in technological side
– Copyright and contents protection
– Authentication and integrity verification
– Digital contents tracking
– Security(e.g. passport photos)
– Metadata tagging(annotation)
– Usage control
– Secret communication
– And many more
Application Fields of Watermarking(2)
• Application field by target contents
Internet
TV
Internet
Newspaper
Internet
Magazine
AOD
Internet
Radio
Education
Material
Image
Video
e-Book
VOD
Text
Audio
Document
Graphics
Watermarking
Technology
Certificates
Image Watermarking
Spatial-domain watermarking
Transform-domain watermarking
Perceptual-based watermarking
Object-based watermarking
Robust to JPEG compression
Robust to geometric distortions
เทคนิคการซ่ อนลายนา้ ดิจิตอลบนรู ปภาพทีใ่ ช้ ในปัจจบบัน
•
•
•
•
•
Least significant bit replacement
Patchwork
Texture block coding
Spread spectrum watermarking
RST invariant digital watermarking based on
LPM
• DWT Watermarking
• Etc.
Least significant bit replacement
• Least significant bit replacement เป็ นวิธีการที่มี
แนวคิดพื ้นฐานที่สดุ โดยการเข้ าไปแก้ ไขบิตต่าสุด (LSB) ของแต่ละ
พิกเซลภายในรู ปภาพโดยตรง ด้ วยการแทนที่ด้วยแต่ละบิตของลายน ้า
ดิจิตอล ซึง่ นับว่าเป็ นวิธีการที่ไม่ซบั ซ้ อนและไม่ต้องการการคานวณมาก
แต่ในขณะเดียวกันความทนทานต่อการถูกเปลี่ยนแปลงแก้ ไขบนตัว
รู ปภาพของวิ ธี การนี ก้ ็ มี น้ อยมากหรื อแทบไม่มี เลย ซึ่ง ในเทคนิ คการ
ท าลายน า้ ดิจิต อลที่ พัฒ นาขึน้ ในยุคแรกๆส่ว นใหญ่ จ ะอาศัย แนวคิ ด
ดังกล่าวนี ้
Least significant bit replacement
Watermarking Example
Using Least-Significant-Bit (LSB)
• Original GIF photo
(97KB)
• Photo containing 53KB
of text (80KB)
Watermarking Example 2
Using Least-Significant-Bit (LSB)
• Original Photo (24KB)
• Photo containing 29KB
of text (29KB)
Least Significant Bit Modulation
• Imperceptible: modify only LSBs
• Secure
• Not Robust: radom change of LSBs
Patchwork
• เป็ นวิธีการเชิงสถิติ ภายใต้ สมมติฐานที่ว่าแต่ละพิกเซลภายในรู ปภาพมีค่า
ความสว่างเฉลี่ยเป็ น 0 และเป็ นอิสระจากกัน ดังนันหากท
้
าการเลือกพิกเซล
ขึ ้นมาจานวนสองกลุม่ (a และ b) อย่างสุม่ แล้ ว ผลต่างของค่าเฉลี่ยของ
ความสว่างจากทังสองกลุ
้
่มควรมีคา่ เข้ าใกล้ 0 จากข้ อเท็จจริ งดังกล่าว ใน
วิธีการ Patchwork นี ้จะทาการแก้ ไขค่าความสว่างในแต่ละพิกเซลของ
ทัง้ สองกลุ่มให้ แตกต่างกัน โดยทาการเพิ่มค่าของแต่ละพิกเซลในกลุ่ม a
ด้ วยค่า α ซึง่ เป็ นค่าน้ อยๆ และในทานองเดียวกันก็ลดค่าของแต่ละตาแหน่ง
ในกลุ่ม b ด้ วยค่าเดียวกันค่าและตาแหน่งต่างๆที่ทาการแก้ ไขไปดังกล่าวก็
จะกลายเป็ นรหัสลับ (Secret key) ที่เจ้ าของรูปภาพเก็บไว้ เพื่อใช้ พิสจู น์
ลิขสิทธิ์บนตัวรู ปภาพในภายหลัง ด้ วยความซับซ้ อนของวิธีการนี ้เองจึงทาให้
วิธีการนี ้มีความทนทานต่อกระบวนการแปลงต่างๆเพิ่มมากขึ ้น
Texture block coding
• วิธีการนีก้ ระทาโดยการเลือกเอาส่วนหนึ่งของภาพไปฝั งไว้ ในอี กส่วน
หนึ่ ง ของภาพที่ มี ลั ก ษณะคล้ ายคลึ ง กั น ซึ่ ง จะเป็ นผลท าให้ การ
เปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ ้นกับรูปภาพจะส่งผลให้ บริ เวณทัง้ สองดังกล่าว
ได้ รับผลกระทบในลักษณะเดียวกัน สาหรับกระบวนการตรวจหาลายน ้า
นัน้ สามารถกระทาได้ โดยการคานวณหาค่าสหสัมพันธ์ แบบอัต โนมัติ
(Auto-correlation) (Bender, 1996) นับว่าเป็ นวิธีการที่
มี ค วามทนทานค่ อ นข้ า งสูง อย่ า งไรก็ ดี วิ ธี ก ารนี ย้ ัง มี ข้ อ เสี ย หลาย
ประการ คือ
Texture block coding (ต่ อ)
• ไม่มีการใช้ รหัสลับหรื ออัลกอริธึมพิเศษซึง่ แสดงลิขสิทธิข์ องเจ้ าของ
เฉพาะเจาะจง
• สามารถกระทาได้ กบั เฉพาะบางรูปภาพที่มีสว่ นคล้ ายคลึงกันเท่านัน้
• การตรวจหาหลายน ้าดิจิตอลอาจผิดพลาดได้ ในกรณีที่รูปภาพมีสว่ นที่
คล้ ายคลึงกันโดยบังเอิญ
• ในขันตอนการพิ
้
จารณาเลือกพื ้นผิวที่ใกล้ เคียงกันภายในรูปภาพนัน้
กระทาโดยการพิจารณาของมนุษย์เอง ไม่สามารถกระทาโดยอัตโนมัติ
ได้
Spread spectrum watermarking
• การซ่อนลายน ้าดิจิตอลโดยใช้ เทคนิค Spread spectrum เป็ น
วิธีการที่มีความทนทานสูง วิธีการดังกล่าวอาศัยทฤษฎีการมอดูเลชัน
(Modulation)
ในระบบสื่ อ สารที่ เ รี ย กว่ า Spread
spectrum technique โดยวิธีการดังกล่าวใช้ ขนาดความกว้ าง
ของช่องสัญญาณ (Bandwidth) ที่มากกว่าที่ใช้ ในเทคนิคการมอ
ดูแลชันแบบอื่น อันเป็ นผลทาให้ สามารถลดขนาดของสัญญาณที่ส่งใน
แต่ล ะช่ ว งความถี่ ล งได้ ท าให้ ก ารส่ง สัญ ญาณด้ ว ยเทคนิ ค ดัง กล่า ว
ตรวจจับได้ ยากเนื่องจากระดับสัญญาณในแต่ละย่านความถี่มีระดับต่า
มาก
Spread spectrum watermarking
• คุณสมบัติที่สาคัญของเทคนิคนี ้คือ ลายน ้าดิจิตอลทีถ่ กู ซ่อนลงใน
รูปภาพนี ้จะต้ องไม่ทาให้ ผลลัพธ์ที่ได้ เปลี่ยนแปลงไปจนเป็ นที่สงั เกตได้
ซึง่ สอดคล้ องกับคุณสมบัตขิ องเทคนิค Spread spectrum
ดังกล่าวข้ างต้ น โดยการใช้ เทคนิคดังกล่าว ทาให้ คา่ ความสว่างของลาย
น ้าดิจิตอลสามารถกาหนดให้ อยูใ่ นระดับที่ต่าเพียงพอทีจ่ ะทาให้ ไม่
สามารถสังเกตเห็นได้ นอกจากนี ้คุณสมบัตทิ ี่สาคัญอีกประการหนึง่ ของ
เทคนิค Spread spectrum คือมีความคงทนต่อสัญญาณรบกวน
สูง ซึง่ ในกรณีของการประยุกต์ใช้ เพื่อการซ่อนลายน ้าดิจติ อล จะเป็ นผล
ทาให้ ลายน ้าดิจิตอลมีความทนทานต่อกระบวนการประมวลผลภาพ
DWT Watermarking
• เป็ นการแปลงภาพแบบไม่ต่อเนื่อง ซึ่งมีการแบ่งภาพออกเป็ นส่วนๆ โดยแต่
ละส่วนนันมี
้ องค์ประกอบในเชิงความถี่ที่แตกต่างกันออกไป เวฟเลตเป็ นการ
วิเคราะห์ รายละเอียดของภาพจากหยาบไปละเอียด ซึ่งการแปลงแบบอื่ น
ข้ อมูลหลังจากแปลงจะไม่มีความสัมพันธ์กนั กับข้ อมูลต้ นฉบับ โดยจะทาการ
แยกส่วนประกอบของภาพในลักษณะเชิงลาดับชัน้ (Hierarchical) ที่
จะแยกส่วนประกอบของภาพแบบเรี ยกซ ้า (Recursive) และเปลี่ยน
ข้ อมูลต้ นฉบับให้ อยูใ่ นรูปข้ อมูลความถี่ โดยผ่านตัวกรองแบบ High Pass
(G) และ ตัวกรองสัญญาณแบบ Low Pass (H) ส่วนที่ผ่านตัวกรอง
สัญญาณแบบ High Pass คือ ข้ อมูลบริ เวณความถี่สงู หรื อรายละเอียด
ของข้ อ มูล ที่ มี ค วามละเอี ย ดน้ อ ย และส่ว นที่ ผ่ า นตัว กรองสัญ ญาณแบบ
Low Pass คือ ข้ อมูลบริ เวณความถี่ต่าหรื อรายละเอียดของข้ อมู ลที่มี
ความละเอียดมาก
Frequency-Domain Implementation
(Wavelet Transform Algorithm - Overview)
Encoded
Watermark
Watermarked Image
RST invariant digital watermarking
based on LPM
• Rotation, Scale, and Translation (RST) invariant
digital watermarking based on log-polar
mapping (LPM) เป็ นวิธีการที่ประยุกต์ใช้ เทคนิคการเข้ ารหัสแบบ
Spread
spectrum
ร่ วมกับการแปลงแบบไม่แปรผัน
(Transform-based invariant) ซึง่ ใช้ ในการแปลงแบบฟู
เรี ยร์ (Fourier transform) ในพิกดั ลอการิ ธึมเชิงขัว้ (LogPolar coordinate)
วิธีการทาลายน้ าดิจิตอลซึ่ งกระทาใน Log-Polar
Mapping (LPM)
2-D Spread
spectrum signal
IFFT
ILPM
Phase
FFT
Original image I
IFFT
+
Watermarked
image I’
การแปลงโคซายน์ แบบไม่ ต่อเนื่อง
(Discrete cosine transform, DCT)
• การแปลงโคซายน์แบบทาทีละ Block เป็ นกระบวนการคานวณทาง
คณิตศาสตร์ ที่คล้ ายกับ FFT (Fast fourier transform)
เนื่องจากเอาสัญญาณมาแปลงจากรู ปแบบหนึ่งเป็ นอีกรู ปแบบหนึ่งมัก
ถูกใช้ กบั การประมวลผลข้ อมูลดิจิตอล เป็ นการแปลงกลุ่มของข้ อมูลให้
เข้ าสู่ค่าของความถี่ โดยในยุคเริ่ มได้ นาเสนอวิธีการในการทาภาพพิมพ์
ลายน า้ ดิ จิ ต อลที่ อ้ า งอิ ง กับ วิ ธี ก ารแปลงสัญ ญาณโคซายน์ แ บบไม่
ต่อเนื่อง (Discrete cosine transform, DCT) โดย
สัญญาณลายนา้ จะถูกนาไปแทรกลงภายในช่วงความถี่กลางของค่ า
สัมประสิทธิ์ที่ได้ จากการแปลง DCT ของข้ อมูล
การแปลงโคซายน์ แบบไม่ ต่อเนื่อง
• ในกระบวนการที่สร้ างค่าตัวอย่างข้ อมูลที่ได้ จากชุดของสัมประสิทธิ์ที่
ผ่านการแปลงฟั งก์ชนั การแปลงสัญญาณโคซายน์แบบไม่ตอ่ เนื่อง
เรี ยกว่า IDCT (Inverse discrete cosine transform)
โดยถ้ ามีข้อมูลมากกว่า 8 ค่า เราสามารถที่จะแบ่งข้ อมูลเป็ นกลุม่ กลุม่
ละ 8 ค่าแล้ วทาการแปลงแยกกันได้ เพราะฟั งก์ชนั จะถูกเรี ยกใช้
เหมือนกันทุกกลุม่ มีเพียงค่าสัมประสิทธิ์เท่านันที
้ แ่ ตกต่างในแต่ละกลุม่
โดยจะมีสมการ การแปลง DCT ในแบบ Two-dimensional
(ในแนวแกนตังและแนวแกนนอน)
้
และการแปลงกลับ หรื อ IDCT
การแปลงโคซายน์ แบบไม่ ต่อเนื่อง
การแปลงฟูเรียร์ แบบไม่ ต่อเนื่อง
(Discrete fourier transform, DFT)
• ในการแปลงแปลงฟูเรี ยร์ แบบไม่ตอ่ เนื่อง ใช้ การคานวณพิกดั ลอการิ ธึมเชิงขัว้ (LogPolar coordinate) เมื่อ F (u, v) คือสัมประสิทธิ์ที่ได้ จาก Fourier
transform ของข้ อมูลภาพต้ นฉบับจาก I (x, y)
• อย่างไรก็ดี ลายน ้าดิจิตอล W (x, y) นี ้ อาจมีขนาดเท่ากับรูปภาพ I (x, y) หรื อเล็กกว่า
ก็ได้ ในกรณีที่ลายน ้าดิจิตอลมีขนาดเล็กกว่ารูปภาพ ลายน ้าดิจิตอลดังกล่าวนี ้ควรจะถูกเติม
ขอบด้ วยค่า 0 (สีดา) ให้ เต็มจนมีขนาดเท่ากับรูปภาพ หากขนาดของลายน ้าดิจิตอลมี
ขนาดเล็กมากเกินไปจะทาให้ มีเฉพาะส่วนความถี่สงู ของรูปภาพเท่านันที
้ ่ถกู ซ่อน ซึง่ จะทาให้
ลายน ้าดิจิตอลมีความคงทน (Robust) ต่อกระบวนการเปลี่ยนแปลงแก้ ไขรูปภาพต่างๆ
เป็ นอย่างสูง แต่ในทางกลับกันก็สง่ ผลโดยตรงต่อคุณภาพต่อการมองเห็น
(Perceptibility) ของรูปภาพ เนื่องจากบริ เวณดังกล่าวเป็ นบริ เวณที่มีนยั สาคัญต่อ
การมองเห็นสูงสุด ดังนั ้นเพื่อเป็ นการประนีประนอมระหว่างความคงทนกับคุณภาพของ
รูปภาพที่ได้ การซ่อนลายน ้าดิจิตอลลงในบริ เวณตรงกลางระหว่างส่วนที่มีความถี่สงู กับ
ความถี่ต่าของรูปภาพ โดยในงานวิจยั เราให้ การซ่อนลายน ้าดิจิตอลในบริ เวณความถี่ต่า
การแปลงฟูเรียร์ แบบไม่ ต่อเนื่อง
FL
FM
FH

similar documents