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