Transcript now
Model of Watermarking
อาจารย ์ ดร.มหศ ักดิ ์ เกตุฉ่ า
หลักการซ่อนข้อมู ล
้
การซ่ อ นข อ
้ มู ล ในปั จจุ บั น ถู ก น ามาประยุ ก ต์ ใ ช ในงานหลาย
่ นข ้อมูลตามวัตถุประสงค์
ประเภท เราสามารถจาแนกประเภทของการซอ
ได ้เป็ น 2 ลักษณะคือ
่ นข ้อมูลเพือ
• การซอ
่ บันทึกรายละเอียดหรือข ้อความอธิบายลงไป การ
่ นข ้อมูลในลักษณะนีม
ื่
ซอ
้ ักต ้องการบันทึกข ้อมูลจานวนมากลงบนสอ
ื่ ดังกล่าวนีเ้ ป็ นข ้อมูลที่
และด ้วยเหตุผลทีว่ า่ ข ้อมูลทีถ
่ ก
ู บันทึกลงบนสอ
่ นข ้อมูลในลักษณะนีจ
เป็ นประโยชน์ตอ
่ ตัวผู ้อ่านเอง ดังนัน
้ การซอ
้ งึ
ไม่ได ้ต ้องการความปลอดภัยต่อการถูกแก ้ไขหรือทาลายแต่อย่างใด
่ นข ้อมูลในลักษณะนีไ
ตัวอย่างของการซอ
้ ด ้แก่ Feature tagging และ
Embedded caption เป็ นต ้น
่ นข ้อมูลทีต
่ การซอ
่ นข ้อมูลทีเ่ ป็ น
• การซอ
่ ้องการความปลอดภัยสูง เชน
่ นข ้อมูลเพือ
้
ความลับ (Secret message hiding), การซอ
่ ใชแสดง
ิ ธิค
ื่ นัน
ลิขสท
์ วามเป็ นเจ ้าของในสอ
้ (Digital watermarking), ตลอดจน
่ นข ้อมูลเพือ
การซอ
่ ตรวจสอบติดตามการเปลีย
่ นแปลงแก ้ไข (Media
authentication, Fingerprinting และ Tamper proofing) เป็ นต ้น ข ้อมูล
่ นในลักษณะนีม
ั ้ ๆ หรือสญ
ั ลักษณ์
ทีถ
่ ก
ู นามาซอ
้ ักเป็ นเพียงข ้อความสน
ขนาดเล็กๆ ซงึ่ ต ้องการความคงทนต่อการถูกเปลีย
่ นแปลงแก ้ไขใน
รูปแบบต่างๆสูง ทัง้ โดยเจตนาและไม่เจตนา
หลักการซ่อนข้อมู ล (ต่อ)
• โดยหลั ก การของการซ ่อ นข ้อมู ล นั ้น ข ้อมู ล ที่
่ นลงในสอ
ื่ ดิจต
เลือกมาจะถูกทาการซอ
ิ อลซงึ่ ทา
หน ้าทีใ่ นลักษณะของพาหะ (Cover object) โดย
ื่ นั น
การเปลีย
่ นแปลงองค์ประกอบของสอ
้ ให ้น ้อย
ที่สุ ด เท่ า ที่จ ะเป็ นไปได ้ เพื่อ ที่จ ะไม่ ใ ห ้เป็ นที่
สั ง เ ก ต เ ห็ น ข อ ง ม นุ ษ ย์ ไ ด ้ ก า ร ซ ่ อ น ข อ
้ มู ล
้ ส ลั บ (Secret
ดัง กล่า วอาจมีก ารใช รหั
key)
ประกอบกับเทคนิคการเข ้ารหัส (Cryptography)
เพื่ อ เพิ่ม ความปลอดภั ย ให ม
้ ากขึ้น ก็ ไ ด ้ โดย
ขอ
้ มู ล ดั ง กล่ า วจะสามารถดึง กลั บ มาได โ้ ดย
อั ล กอริ ธ ึ ม เฉพาะเท่ า นั ้ น การซ ่ อ นข อ
้ มู ล ใน
ลักษณะนี้บางครัง้ เรียกว่า Steganography หรือ
ลายน้ าดิจต
ิ อล
• ลายน้ าดิจต
ิ อล (Digital watermark) เป็ นรูปแบบ
่ นข ้อมูล ซงึ่ มักนิยมใชกั้ บรูปภาพ
หนึง่ ของการซอ
้
เพื่ อ ซ ่ อ นข อ
้ มู ล บางอย่ า งที่ ใ ช แสดงลิ
ข ส ิท ธิ์
ความเป็ นเจ ้าของและด ้วยจุดประสงค์ดังกล่า วนี้
จึ ง ท า ใ ห ล
้ า ย น้ า ดิ จ ิ ต อ ล จ า เ ป็ น จ ะ ต อ
้ ง มี
คุ ณ ส ม บั ติ ท ี่ ส า คั ญ คื อ มี ค ว า ม ค ง ท น สู ง ต่ อ
ื่ อันจะ
กระบวนการแปลงต่างๆทีก
่ ระทากับตัวสอ
ส่ ง ผ ล ใ ห ล
้ า ย น้ า ดิ จ ิ ต อ ล ที่ ซ ่ อ น อ ยู่ นั ้ น ถู ก
เปลีย
่ นแปลงแก ้ไขไปด ้วย ทัง้ โดยเจตนาและไม่
เจตนา ซงึ่ ได ้แก่
ั ญาณทัว่ ไป (Signal processing) ได ้แก่
• การประมวลผลสญ
Digital-to-Analog, Analog-to-Digital, Resampling,
Requantization (Dithering and Recompression), และ
่ การปรับ contrast
Common signal enhancement (เชน
ี องรูปภาพ) เป็ นต ้น
และสข
• ความบิดเบือนอันเกิดจากการประมวลผลกับรูปภาพใน
เชงิ เรขาคณิต (Geometric transformations) ได ้แก่ การ
หมุน (Rotation), การปรับขนาด (Scaling), การเคลือ
่ นที่
(Translation) และการตัดบางสว่ นของรูปภาพ (Cropping)
เป็ นต ้น
• เจตนารมย์ทม
ี่ งุ่ จะทาลายหรือปลอมแปลงลายน้ าดิจต
ิ อล
(Subterfuge attacks) ได ้แก่ การทาลายน้ าดิจต
ิ อลปลอม
้
ซอนลงบนรู
ปภาพทีม
่ ล
ี ายน้ าดิจต
ิ อลอยูก
่ อ
่ นแล ้ว หรือการ
เจาะอัลกอริธม
ึ เพือ
่ ค ้นหาตาแหน่งของลายน้ าและทาลาย
โดยตรง เป็ นต ้น
กระบวนการซ่อนลายน้ าดิจต
ิ อล
Image I
Watermarked Image I’
Embedder
Watermark W
• กาหนดให ้ I แทนรูปภาพต ้นฉบับ และ W แทน
่ นลาย
ลายน้ าดิจต
ิ อลแล ้ว รูปภาพทีผ
่ า่ นการซอ
น้ าดิจต
ิ อล I'
I ' ( x, y ) I ( x, y ) W ( x, y )
กระบวนการตรวจหาลายน้ า
ดิจต
ิ อล
Test Image J
Detector
Detected value
Original Watermark W
• กาหนดให ้ J แทนรูปภาพทีต
่ ้องการนามา
ตรวจหาลายน้ าดิจต
ิ อล ซงึ่ อาจมีลายน้ าดิจต
ิ อล
อยูห
่ รือไม่ก็ได ้ และอาจผ่านกระบวนการ
เปลีย
่ นแปลงแก ้ไขมาก่อน การตรวจหาลายน้ า
ดิจต
ิ อลจากรูปภาพดังกล่าวสามารถกระทาได ้
ั พันธ์ (Correlation)
โดยการคานวณหาค่าสหสม
ระหว่างรูปภาพ J กับลายน้ าดิจต
ิ อลต ้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
เทคนิ คการซ่อนลายน้ าดิจต
ิ อลบน
่ ในปั จจุบน
รู ปภาพทีใช้
ั
•
•
•
•
•
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 นวิธก
ี ารทีม
่ ี
แนวคิด พื้น ฐานที่สุด โดยการเข ้าไปแก ้ไขบิต
ต่าสุด (LSB) ของแต่ละพิกเซลภายในรูปภาพ
โดยตรง ด ้วยการแทนที่ด ้วยแต่ล ะบิต ของลาย
ั ซอนและ
้
น้ าดิจต
ิ อล ซงึ่ นั บว่าเป็ นวิธก
ี ารทีไ่ ม่ซบ
ไม่ต ้องการการคานวณมากแต่ในขณะเดีย วกัน
ความทนทานต่อ การถูก เปลี่ย นแปลงแก ้ไขบน
ตัวรูปภาพของวิธก
ี ารนีก
้ ็มน
ี ้อยมากหรือแทบไม่ม ี
เล ย ซ ึ่ง ใ นเทคนิ ค ก าร ท าล ายน้ าดิ จ ิ ต อ ล ที่
พัฒนาขึน
้ ในยุคแรกๆส่วนใหญ่จะอาศัยแนวคิด
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 นวิธ ีก ารเช งิ สถิต ิ ภายใต ้สมมติฐ านที่ว่ า แต่ ล ะ
พิก เซลภายในรูป ภาพมีค่าความสว่า งเฉลี่ย เป็ น 0
และเป็ นอิ ส ระจากกั น ดั ง นั ้ น หากท าการเลื อ ก
่
พิกเซลขึน
้ มาจานวนสองกลุม
่ (a และ b) อย่างสุม
แล ้ว ผลต่ า งของค่ า เฉลี่ย ของความสว่ า งจากทั ง้
สองกลุม
่ ควรมีคา่ เข ้าใกล ้ 0 จากข ้อเท็จจริงดังกล่าว
ในวิธก
ี าร Patchwork
นี้จะทาการแก ้ไขค่าความ
สว่างในแต่ละพิกเซลของทัง้ สองกลุ่มให ้แตกต่ า ง
กัน โดยทาการเพิม
่ ค่าของแต่ล ะพิกเซลในกลุ่ม a
ด ้วยค่า α ซงึ่ เป็ นค่าน ้อยๆ และในทานองเดียวกันก็
ลดค่าของแต่ละตาแหน่งในกลุม
่ b ด ้วยค่าเดียวกัน
ค่าและตาแหน่งต่างๆทีท
่ าการแก ้ไขไปดังกล่าวก็จะ
กลายเป็ นรหัสลับ (Secret key) ทีเ่ จ ้าของรูปภาพ
้ ิ สู จ น์ ล ิ ข ส ิ ท ธิ์ บ น ตั ว รูป ภ า พ ใ น
เ ก็ บ ไ ว เ้ พื่ อ ใ ช พ
Texture block coding
• วิธ ีก ารนี้ก ระท าโดยการเลือ กเอาส่ว นหนึ่ง ของ
ภาพไปฝั งไว ้ในอีกสว่ นหนึง่ ของภาพทีม
่ ล
ี ักษณะ
ค ล ้า ย ค ลึ ง กั น ซ ึ่ ง จ ะ เ ป็ น ผ ล ท า ใ ห ้ก า ร
เปลี่ย นแปลงใดๆ ที่เ กิด ขึน
้ กับ รูป ภาพจะส่ง ผล
ให ้บริเ วณทั ง้ สองดั ง กล่ า วได ้รั บ ผลกระทบใน
ลั ก ษณะเดีย วกั น ส าหรั บ กระบวนการตรวจหา
ลายน้ านั น
้ สามารถกระทาได ้โดยการคานวณหา
ค่าสหสัมพั นธ์แบบอัตโนมัต ิ (Auto-correlation)
(Bender,
1996)
นั บว่าเป็ นวิธก
ี ารทีม
่ ค
ี วาม
ทนทานค่ อ นข ้างสูง อย่ า งไรก็ ด ี วิธ ีก ารนี้ ยั ง มี
Texture block coding (ต่อ)
้ สลับหรืออัลกอริธม
• ไม่มก
ี ารใชรหั
ึ พิเศษซงึ่ แสดง
ิ ธิข
ลิขสท
์ องเจ ้าของเฉพาะเจาะจง
• สามารถกระทาได ้กับเฉพาะบางรูปภาพทีม
่ ส
ี ว่ น
คล ้ายคลึงกันเท่านัน
้
• การตรวจหาหลายน้ าดิจต
ิ อลอาจผิดพลาดได ้ใน
กรณีทรี่ ป
ู ภาพมีสว่ นทีค
่ ล ้ายคลึงกันโดยบังเอิญ
• ในขัน
้ ตอนการพิจารณาเลือกพืน
้ ผิวทีใ่ กล ้เคียง
กันภายในรูปภาพนัน
้ กระทาโดยการพิจารณา
ของมนุษย์เอง ไม่สามารถกระทาโดยอัตโนมัต ิ
ได ้
Spread spectrum watermarking
้
• การซ ่อ นลายน้ า ดิจ ต
ิ อลโดยใช เทคนิ
ค Spread
spectrum เป็ นวิธก
ี ารทีม
่ ค
ี วามทนทานสูง วิธก
ี าร
ดั ง ก ล่ า ว อ า ศั ย ท ฤ ษ ฎี ก า ร ม อ ดู เ ล ชั น
ื่ สารทีเ่ รียกว่า Spread
(Modulation) ในระบบสอ
spectrum technique โดยวิธก
ี ารดังกล่าวใช ้
่ งสญ
ั ญาณ (Bandwidth)
ขนาดความกว ้างของชอ
้
ั แบบอืน
ทีม
่ ากกว่าทีใ่ ชในเทคนิ
คการมอดูแลชน
่
อันเป็ นผลทาให ้สามารถลดขนาดของสัญญาณ
ที่ส่ ง ในแต่ ล ะช ่ ว งความถี่ ล งได ้ ท าให ้การส่ ง
สั ญ ญาณด ้วยเทคนิค ดั ง กล่ า วตรวจจั บ ได ้ยาก
Spread spectrum watermarking
• คุณสมบัตท
ิ ส
ี่ าคัญของเทคนิคนีค
้ อ
ื ลายน้ า
่ นลงในรูปภาพนีจ
ดิจต
ิ อลทีถ
่ ก
ู ซอ
้ ะต ้องไม่ทา
ให ้ผลลัพธ์ทไี่ ด ้เปลีย
่ นแปลงไปจนเป็ นทีส
่ งั เกต
ได ้ ซงึ่ สอดคล ้องกับคุณสมบัตข
ิ องเทคนิค
Spread spectrum ดังกล่าวข ้างต ้น โดยการใช ้
เทคนิคดังกล่าว ทาให ้ค่าความสว่างของลายน้ า
ดิจต
ิ อลสามารถกาหนดให ้อยูใ่ นระดับทีต
่ า่ เพียง
พอทีจ
่ ะทาให ้ไม่สามารถสงั เกตเห็นได ้
นอกจากนีค
้ ณ
ุ สมบัตท
ิ ส
ี่ าคัญอีกประการหนึง่ ของ
เทคนิค Spread spectrum คือมีความคงทนต่อ
DWT Watermarking
• เป็ นการแปลงภาพแบบไม่ ต่ อ เนื่ อ ง ซ งึ่ มีก ารแบ่ง
ภาพออกเป็ นสว่ นๆ โดยแต่ละสว่ นนัน
้ มีองค์ประกอบ
ในเชงิ ความถีท
่ แ
ี่ ตกต่างกันออกไป เวฟเลตเป็ นการ
วิเคราะห์รายละเอียดของภาพจากหยาบไปละเอียด
ซ งึ่ การแปลงแบบอื่น ข ้อมูล หลั ง จากแปลงจะไม่ ม ี
ความสัม พั น ธ์กัน กับ ข ้อมู ล ต ้นฉบั บ โดยจะท าการ
้
แยกสว่ นประกอบของภาพในลักษณะเชงิ ลาดับชัน
(Hierarchical) ทีจ
่ ะแยกสว่ นประกอบของภาพแบบ
เรียกซ้า (Recursive) และเปลีย
่ นข ้อมูลต ้นฉบับให ้
อยู่ในรูปข ้อมูลความถี่ โดยผ่านตัวกรองแบบ High
ั ญาณแบบ Low Pass (H)
Pass (G) และ ตัวกรองสญ
สว่ นทีผ
่ ่านตัวกรองสัญญาณแบบ High Pass คือ
ข ้อมูลบริเวณความถีส
่ งู หรือรายละเอียดของข ้อมูล
ที่ ม ี ค วามละเอี ย ดน อ
้ ย และส่ ว นที่ ผ่ า นตั ว กรอง
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 นวิธก
ี ารทีป
่ ระยุกต์ใชเทคนิ
ค
การเข ้ารหัสแบบ Spread spectrum ร่วมกับการ
แ ป ล ง แ บ บ ไ ม่ แ ป ร ผั น (Transform-based
้
invariant)
ซ งึ่ ใช ในการแปลงแบบฟู
เ รีย ร์
(Fourier transform) ในพิกัดลอการิธม
ึ เชงิ ขัว้
(Log-Polar coordinate)
วิธก
ี ารทาลายน้ าดิจต
ิ อลซงึ่ กระทาใน
Log-Polar Mapping (LPM)
2-D Spread
spectrum signal
IFFT
ILPM
Phase
FFT
IFFT
Original image I
+
Watermarked
image I’
การแปลงโคซายน์แบบไม่ตอ
่ เนื่ อง
(Discrete cosine transform, DCT)
• การแปลงโคซายน์แ บบทาทีล ะ Block
เป็ น
กระบวนการคานวณทางคณิตศาสตร์ทค
ี่ ล ้ายกั บ
FFT (Fast fourier transform) เนื่องจากเอา
สั ญ ญ า ณ ม า แ ป ล ง จ า ก รู ป แ บ บ ห นึ่ ง เ ป็ น อี ก
รูป แบบหนึ่ง มั ก ถูก ใช กั้ บ การประมวลผลข ้อมูล
่ า่
ดิจต
ิ อล เป็ นการแปลงกลุม
่ ของข ้อมูลให ้เข ้าสูค
ของความถี่ โดยในยุคเริม
่ ได ้นาเสนอวิธก
ี ารใน
การท าภาพพิม พ์ ล ายน้ าดิจ ิต อลที่ อ า้ งอิ ง กั บ
วิธก
ี ารแปลงสัญญาณโคซายน์แบบไม่ต่อเนื่ อ ง
ั ญาณ
(Discrete cosine transform, DCT) โดยสญ
การแปลงโคซายน์แบบไม่ตอ
่ เนื่ อง
• ในกระบวนการทีส
่ ร ้างค่าตัวอย่างข ้อมูลทีไ่ ด ้
ั ประสท
ิ ธิท
ั
จากชุดของสม
์ ผ
ี่ า่ นการแปลงฟั งก์ชน
ั ญาณโคซายน์แบบไม่ตอ
การแปลงสญ
่ เนือ
่ ง
เรียกว่า IDCT (Inverse discrete cosine
transform) โดยถ ้ามีข ้อมูลมากกว่า 8 ค่า เรา
สามารถทีจ
่ ะแบ่งข ้อมูลเป็ นกลุม
่ กลุม
่ ละ 8 ค่า
ั จะถูก
แล ้วทาการแปลงแยกกันได ้ เพราะฟั งก์ชน
้ อนกันทุกกลุม
ั ประสท
ิ ธิ์
เรียกใชเหมื
่ มีเพียงค่าสม
เท่านัน
้ ทีแ
่ ตกต่างในแต่ละกลุม
่ โดยจะมีสมการ
การแปลง DCT ในแบบ Two-dimensional (ใน
การแปลงโคซายน์แบบไม่ตอ
่ เนื่ อง
การแปลงฟู เรียร ์แบบไม่ตอ
่ เนื่ อง
(Discrete fourier transform, DFT)
้
• ในการแปลงแปลงฟูเรียร์แบบไม่ตอ
่ เนือ
่ ง ใชการค
านวณ
พิกด
ั ลอการิธม
ึ เชงิ ขัว้ (Log-Polar coordinate) เมือ
่ F (u, v) คือ
ั ประสท
ิ ธิท
สม
์ ไี่ ด ้จาก Fourier transform ของข ้อมูลภาพ
ต ้นฉบับจาก I (x, y)
• อย่างไรก็ด ี ลายน้ าดิจต
ิ อล W (x, y) นี้ อาจมีขนาดเท่ากับ
รูปภาพ I (x, y) หรือเล็กกว่าก็ได ้ ในกรณีทล
ี่ ายน้ าดิจต
ิ อลมี
ขนาดเล็กกว่ารูปภาพ ลายน้ าดิจต
ิ อลดังกล่าวนีค
้ วรจะถูกเติม
ี า) ให ้เต็มจนมีขนาดเท่ากับรูปภาพ หาก
ขอบด ้วยค่า 0 (สด
ขนาดของลายน้ าดิจต
ิ อลมีขนาดเล็กมากเกินไปจะทาให ้มี
่ น ซงึ่ จะทาให ้
เฉพาะสว่ นความถีส
่ งู ของรูปภาพเท่านัน
้ ทีถ
่ ก
ู ซอ
ลายน้ าดิจต
ิ อลมีความคงทน (Robust) ต่อกระบวนการ
เปลีย
่ นแปลงแก ้ไขรูปภาพต่างๆเป็ นอย่างสูง แต่ในทาง
กลับกันก็สง่ ผลโดยตรงต่อคุณภาพต่อการมองเห็น
(Perceptibility) ของรูปภาพ เนือ
่ งจากบริเวณดังกล่าวเป็ น
บริเวณทีม
่ น
ี ัยสาคัญต่อการมองเห็นสูงสุด ดังนัน
้ เพือ
่ เป็ นการ
ประนีประนอมระหว่างความคงทนกับคุณภาพของรูปภาพทีไ่ ด ้
่ นลายน้ าดิจต
การซอ
ิ อลลงในบริเวณตรงกลางระหว่างสว่ นทีม
่ ี
การแปลงฟู เรียร ์แบบไม่ตอ
่ เนื่ อง
FL
FM
FH