TNU Journal of Science and Technology 227(16) 233 240 http //jst tnu edu vn 233 Email jst@tnu edu vn A EFFICIENT PIXEL VALUE ORDERING DATA HIDING METHOD BASED ON THREE STEGO IMAGES Nguyen Kim Sao 1* ,[.]
TNU Journal of Science and Technology 227(16): 233 - 240 A EFFICIENT PIXEL VALUE ORDERING DATA HIDING METHOD BASED ON THREE STEGO IMAGES Nguyen Kim Sao1*, Cao Thi Luyen1, Mai Van Linh2 University of Transport and Communications, 2East Asia University of Technology ARTICLE INFO Received: 03/11/2022 Revised: 22/11/2022 Published: 22/11/2022 KEYWORDS Data hiding Pixel value ordering PVO Three images Data Embedding ABSTRACT Reversible data hiding is an active information security field that has received the attention of many researchers This paper focuses on researching the reversible hiding method based on PVO (Pixel Value Ordering) This is a technique to partition pixels into blocks and arrange them in ascending order, embedding information based on the prediction errors at the largest and smallest pixels The characteristics of the PVO method are high image quality but limited embedding capacity The proposed method provides a reversible data hiding method based on three stego images The proposed idea uses the technique of PVO that is dividing pixels into blocks and arranging pixel values in a ascending order, then embedding secret bits on the largest and smallest pixels The experimental results confirmed that the embedding capacity of the proposed method is superior to some of the relevant PVO works on the aspects of embedding capacity and the image quality remains high MỘT PHƢƠNG PHÁP GIẤU TIN SẮP XẾP THỨ TỰ ĐIỂM ẢNH HIỆU QUẢ DỰA TRÊN BA ẢNH CHỨA TIN Nguyễn Kim Sao1*, Cao Thị Luyên1, Mai Văn Linh2 Trường Đại học Giao thông vận tải, Trường Đại học Công nghệ Đông Á THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 03/11/2022 Ngày hồn thiện: 22/11/2022 Ngày đăng: 22/11/2022 TỪ KHÓA Giấu tin Sắp xếp giá trị điểm ảnh PVO Ba ảnh chứa tin Nhúng tin TÓM TẮT Giấu tin thuận nghịch lĩnh vực bảo mật thông tin cách chủ động nhận quan tâm nhiều nhà nghiên cứu Bài báo tập trung nghiên cứu phương pháp giấu tin thuận nghịch dựa PVO (Pixel Value Ordering) Đây kỹ thuật phân hoạch điểm ảnh thành khối xếp theo chiều tăng dần, việc nhúng tin dựa sai số dự báo điểm ảnh lớn nhỏ Đặc điểm phương pháp PVO có chất lượng ảnh cao khả nhúng hạn chế Phương pháp đề xuất đưa phương pháp giấu tin thuận ngịch với ba ảnh chứa tin Ý tưởng đề xuất sử dụng kỹ thuật PVO xếp giá trị điểm ảnh theo tăng dần, sau nhúng tin điểm ảnh lớn nhỏ Bằng thực nghiệm cho thấy, khả nhúng tin phương pháp đề xuất tỏ vượt trội so với phương pháp PVO so sánh chất lượng ảnh trì mức cao DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.6869 * Corresponding author Email: saonkoliver@utc.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 233 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(16): 233 - 240 Giới thiệu Giấu tin thuận nghịch kỹ thuật nhúng thơng tin bí mật vào sản phẩm số cần bảo vệ cho kỹ thuật giấu tồn phép biến đổi ngược để người ta dễ dàng khơi phục ngun vẹn thơng tin bí mật giấu sản phẩm ban đầu nhúng tin [1] Loại giấu tin thuận nghịch mở rộng tính ứng dụng giấu tin sống lĩnh vực cần bảo mật cao quân sự, y tế, giáo dục Năm 2003, Tian đề xuất phương pháp giấu tin thuận nghịch tiếng với tên gọi mở rộng hiệu [2] Từ đến nhiều kỹ thuật nhúng tin công bố cải tiến để nâng cao khả nhúng chất lượng ảnh ảnh chứa tin Các kỹ thuật hay sử dụng mở rộng sai số dự báo, dịch chuyển histogram, dịch chuyển histogram miền sai số, Một kỹ thuật nhúng tin nhận quan tâm nhà nghiên cứu nhúng tin dựa xếp giá trị điểm ảnh PVO (Pixel Values Ordering) [3] - [10] Phương pháp Li cộng [4] đề xuất lần vào 2013 Theo [4], ảnh gốc chia thành khối rời Tiếp đến, điểm ảnh khối xếp theo trật tự tăng dần giá trị điểm ảnh Sau đó, phương pháp thực tính sai số điểm ảnh có giá trị lớn lớn thứ nhì (sai số lớn nhất) sai số điểm ảnh có giá trị nhỏ nhỏ thứ nhì Nếu sai số lớn (nhỏ nhất) (-1) nhúng bít cho thứ tự xếp dãy điểm ảnh khơng đổi để phục vụ cho q trình khơi phục thông tin Lược đồ [7] cải tiến [4] việc sử dụng khối có sai số để nâng cao khả nhúng [9] cải tiến kỹ thuật nhúng để nhúng điểm ảnh lớn điểm ảnh nhỏ thay bỏ qua [7] nhằm nâng cao khả nhúng tin Kỹ thuật giấu tin với hai ảnh chứa tin (dual-images) kỹ thuật giấu tin thuận nghịch gần nghiên cứu mở rộng nhờ tính ưu việt vượt trội khả nhúng Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch với hai ảnh chứa tin dựa PVO nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu [5], [6], [10] Bài báo cải tiến phương pháp Y Niu S Shen [6] [6] đưa phương pháp nhúng dựa sai số dự báo giá trị lớn lớn thứ nhì (và sai số giá trị nhỏ nhỏ thứ nhì), với giá trị sai số này, [6] đưa quy tắc nhúng từ đến bít điểm ảnh lớn (hoặc nhỏ nhất) để đưa hai ảnh chứa tin Dựa ý tưởng này, phương pháp đề xuất đưa phương pháp giấu tin thuận nghịch với ba ảnh chứa tin, thay nhúng đến bít [6], phương pháp đề xuất nhúng bít cho điểm ảnh lớn (cũng nhỏ nhất) thay đổi tối đa đơn vị Bằng chứng minh lý thuyết thống kê thực nghiệm cho thấy phương pháp đề xuất cho khả nhúng cao mà đảm bảo chất lượng ảnh Nội dung báo trình bày phương pháp nghiên cứu mục 2, mục thực nghiệm phân tích cuối kết luận Phƣơng pháp nghiên cứu 2.1 Các phương pháp dựa PVO 2.1.1 Phương pháp Li cộng [4] Đây coi phương pháp giấu tin thuận nghịch theo hướng PVO Ở phương pháp này, ảnh chia thành khối rời kích thước Véc tơ khối xếp theo chiều tăng dần Phương pháp sử dụng điểm ảnh lớn thứ nhì ngữ cảnh dự báo cho điểm ảnh lớn nhất, điểm ảnh nhỏ thứ nhì làm dự báo cho điểm ảnh nhỏ Mỗi bít liệu nhúng vào sai số dự báo điểm ảnh lớn nhỏ theo công thức: (1) (2) http://jst.tnu.edu.vn 234 Email: jst@tnu.edu.vn 227(16): 233 - 240 TNU Journal of Science and Technology { { (3) (4) Điểm ảnh chứa tin tính cơng thức: ; (5) 2.2.2 Phương pháp Y Niu S Shen [6] Phương pháp xây dựng chiến lược nhúng tin dựa dự báo PVO cho hai ảnh chứa tin Đầu tiên, tương tự PVO, ảnh chia thành khối ảnh rời xếp theo chiều tăng dần Việc thực nhúng bít liệu khối ảnh dựa giá trị sai số dự báo Bảng B ng Nguyên tắc nhúng tin phương pháp [6] Sai số dự báo Tại điểm ảnh lớn khối Tại điểm ảnh nhỏ Bít nhúng đƣợc 100 101 110 111 10 01 100 101 110 111 10 01 Giá trị điểm nh chứa tin +1 +2 +1 -1 -2 Mỗi điểm ảnh lớn (nhỏ nhất) nhúng từ đến ảnh, cải tiến đáng kể so với phương pháp PVO điểm ảnh chứa tin 2.2 Phương pháp đề xuất Ở phương pháp đề xuất, điểm ảnh lớn (nhỏ nhất) nhúng bít, việc nhúng khơng phụ thuộc vào sai số điểm ảnh lớn lớn nhì (hay nhỏ nhỏ nhì) Dưới thuật tốn chi tiết 2.2.1 Nhúng trích tin khối ảnh Nhúng tin khối ảnh Đầu vào: Khối ảnh bít nhúng nhị phân , Đầu ra: Các khối ảnh chứa tin Thuật toán nhúng khối ảnh thực sau: Bước 1: Sắp xếp giá trị điểm ảnh khối ảnh theo thứ tự tăng dần, giả sử Bước 2: Thực nhúng tin điểm ảnh có giá trị lớn liệt kê Bảng 2: http://jst.tnu.edu.vn 235 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(16): 233 - 240 B ng Nguyên tắc nhúng tin điểm ảnh lớn Bít nhúng 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Giá trị nh chứa tin Việc nhúng tin điểm ảnh lớn khối không làm thay đổi trật tự xếp Sau thực nhúng tin điểm ảnh nhỏ Bước 3: Thực nhúng tin điểm ảnh có giá trị nhỏ Bảng 3: B ng Nguyên tắc nhúng tin điểm ảnh nhỏ Giá trị nh chứa tin Bít nhúng 0000 0110 0101 0100 0011 0010 0001 1111 1110 1101 1011 1010 1100 1001 1000 0111 Cuối cùng, nhận ba khối ảnh chứa tin (6) (7) (8) Trích tin khối ảnh Đầu vào: Các khối ảnh chứa tin Đầu ra: Khối ảnh bít nhúng nhị phân , Thuật tốn trích thực sau Bước 1: Sắp xếp giá trị điểm ảnh khối theo thứ tự tăng dần http://jst.tnu.edu.vn 236 Email: jst@tnu.edu.vn 227(16): 233 - 240 TNU Journal of Science and Technology Bước 2: Tính hiệu: (9) Bước 3: Trích tin khôi phục điểm ảnh gốc Dựa Bảng 4, với cặp giá trị tính từ cơng thức (9) giá trị điểm ảnh chứa tin xác định bít nhúng điểm ảnh gốc B ng Nguyên tắc trích tin dựa sai số điểm ảnh chứa tin Trƣờng hợp 10 11 12 13 14 15 0 1 -1 -1 0 2 -1 -2 -2 -2 0 -1 0 -1 -2 -1 -2 -2 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Vấn đề tràn Do biến đổi với khối ảnh để chứa tin nhúng, điểm ảnh có giá trị 0, 1, 254, 255 gây tượng tràn miền điểm ảnh (underflow/overflow) Để tránh tượng tràn, khối ảnh chứa giá trị bỏ qua không tham gia vào trình nhúng tin Khi thực trích tin, khối ảnh có giá trị chứa 0, 1, 254, 255 ba ảnh khối khơng nhúng tin bỏ qua xét khối Ví dụ Cho khối ảnh gốc Hình chuỗi bít nhúng 11101001 Sau xếp Nhúng điểm ảnh có giá trị lớn nhất: nhúng 1110 vào giá trị 126, theo Bảng 2, Nhúng điểm ảnh có giá trị nhỏ nhất: nhúng 1001 vào giá trị 123, theo Bảng 3, Như ta khối ảnh chứa tin 123 126 123 122 125 126 121 126 123 122 (Hình 1) 125 128 123 126 123 122 125 126 122 126 123 122 125 128 Hình Ví dụ khối ảnh gốc khối ảnh chứa tin Tiến trình trích tin: Có block chứa tin Hình Sắp xếp điểm ảnh khối theo chiều tăng dần ta http://jst.tnu.edu.vn 237 Email: jst@tnu.edu.vn 227(16): 233 - 240 TNU Journal of Science and Technology Tham chiếu bảng 4, với dãy bít nhúng là: 1110, Với dãy bít nhúng là: 1001, Vậy chuỗi bít nhúng 11101001 trích khối điểm ảnh ban đầu khơi phục 2.2.2 Nhúng trích tin toàn ảnh Nhúng tin toàn ảnh Đầu vào ảnh gốc I dãy bít nhúng B Đầu ba ảnh chứa tin Dưới thuật tốn nhúng tin tồn ảnh Bước 1: Chia ảnh thành khối có n điểm ảnh Bước 2: Duyệt khối ảnh nhúng bít B vào khối ảnh theo thuật tốn trình bày phần 3.1.1 Bước 3: Lấy bít thấp hai điểm ảnh cuối ảnh chứa tin tiếp tục nhúng vào ảnh Bước 4: Chèn thứ tự ảnh vào hai điểm ảnh cuối theo phương pháp chèn bít thấp Trích tin tồn ảnh Đầu vào ba ảnh chứa tin Đầu ảnh gốc I dãy bít nhúng B Bước 1: Trích bít cuối điểm ảnh ảnh chứa tin để biết ảnh Bước 1: Chia ảnh thành khối có n điểm ảnh thuật toán nhúng Bước 2: Duyệt khối ảnh trích bít B khơi phục khối ảnh gốc theo thuật tốn trình bày phần 3.1.2 Bước 3: Lấy bít thấp cuối B, lấy bít đầu bít chèn vào hai điểm ảnh cuối để khôi phục ảnh gốc Kết qu thực nghiệm phân tích Trong phần đánh giá phương pháp đề xuất theo hai tiêu chí khả nhúng chất lượng ảnh Tập ảnh thử nghiệm gồm ảnh đa mức xám có kích thước 512x512 Hình 2, chương trình chạy phần mềm Malab R2019a Phương pháp đề xuất so sánh với phương pháp PVO [4], IPVO [7], PVOK [8], iGePVO-K [9], Dual-PVO [6] Airplane Camera man Blob Boat Barbara Lena Gold hill Couple Car Tiffany Hình Các ảnh thử nghiệm B ng So sánh khả nhúng (bpp) (ảnh chia thành khối ảnh 2) Ảnh Airplane Barbara Blob Boat Camera man Car Couple Gold hill Lena Tiffany Trung bình http://jst.tnu.edu.vn PVO 0,07 0,05 0,07 0,05 0,07 0,06 0,04 0,05 0,06 0,06 0,06 IPVO 0,10 0,08 0,10 0,07 0,13 0,09 0,07 0,06 0,08 0,08 0,09 PVOK 0,11 0,09 0,12 0,07 0,14 0,09 0,06 0,07 0,09 0,09 0,09 238 iGePVO-K 0,19 0,15 0,18 0,11 0,26 0,18 0,08 0,09 0,13 0,13 0,13 Dual-PVO 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56 0,56 Đề xuất 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 0,66 0,67 0,67 0,67 0,67 0,67 Email: jst@tnu.edu.vn 227(16): 233 - 240 TNU Journal of Science and Technology Trong Bảng kết so sánh dựa số bít nhúng điểm ảnh Công thức so sánh sau: (10) Trong đó, (bpp- bits per pixel) khả nhúng tính số bít nhúng điểm ảnh số bít nhúng tối đa nhúng vào ảnh, kích thước ảnh, số ảnh chứa tin Với phương pháp đề xuất, khả nhúng không phụ thuộc vào thông tin nhúng mà phụ thuộc vào số khối khả nhúng (khối không tràn – xem mục 3.1.3), phương pháp đề xuất tính đơn giản sau: Số khối khả nhúng *8 Chính vậy, với ảnh thử nghiệm, đa số giá trị khơng có khối gây tượng tràn Việc so sánh tỉ lệ nhúng điểm ảnh để đảm bảo tính cơng q trình so sánh, thực tế, số bít nhúng phương pháp đề xuất lớn nhiều so với phương pháp so sánh: iGePVO-K: , Dual-PVO: , phương pháp đề xuất: Như vậy, phương pháp đề xuất lớn phương pháp Dual-PVO 233,308 bít, số bít lớn Bảng 6, so sánh chất lượng ảnh dựa số PSNR nhúng số lượng bít nhúng, thấy rõ chất lượng ảnh phương pháp trì mức cao B ng So sánh chất lượng ảnh theo số PSNR (dB) với 10000 bít nhúng (các khối ảnh 2) Ảnh Airplane Barbara Blob Boat Camera man Car Couple Gold hill Lena Tiffany Trung bình PVO IPVO PVOK 59,60 57,76 58,60 58,84 63,07 58,27 55,83 58,05 58,38 56,23 58,46 59,18 58,78 58,43 58,93 62,47 62,50 56,77 58,62 58,77 55,43 58,99 58,48 57,03 57,72 57,82 60,27 59,41 55,09 58,16 57,56 54,78 57,63 iGePVOK 56,61 56,54 56,46 56,88 57,92 59,82 54,92 57,92 56,92 54,18 56,82 Đề xuất (trung bình nh) 67,49 67,49 67,49 67,49 67,49 67,49 67,49 67,49 67,49 67,49 67,49 Dual-PVO (trung bình nh) 68,50 68,59 68,43 68,19 67,54 67,63 68,69 67,73 68,09 68,17 68,16 B ng So sánh chất lượng ảnh theo số PSNR (dB) với 20000 bít nhúng (các khối ảnh 2) Ảnh Airplane Barbara Blob Boat Camera man Car Couple Gold hill Lena Tiffany Trung bình PVO 56,82 54,92 56,15 54,05 59,50 54,40 52,64 53,32 54,97 54,16 55,09 IPVO 56,70 56,04 55,87 55,17 59,52 56,88 53,41 53,44 55,13 53,65 55,58 PVOK 55,81 54,37 55,08 53,85 57,33 54,15 51,90 53,21 54,34 52,94 54,30 iGePVO-K 54,46 54,26 54,10 53,80 55,92 57,26 51,76 52,98 53,81 52,35 54,07 Dual-PVO 65,33 65,57 65,43 65,24 64,54 64,67 65,65 64,91 65,18 65,32 65,18 Đề xuất 64,45 64,45 64,45 64,45 64,45 64,45 64,45 64,45 64,45 64,45 64,45 Như thấy, với lượng bít nhúng ngẫu nhiên chất lượng ảnh trung bình nhiều ảnh chứa tin cao đáng kể so với phương pháp mà có ảnh chứa tin đầu Với số lượng ảnh chứa tin nhiều hơn, không tăng khả nhúng mà dễ dàng đảm bảo chất lượng ảnh ảnh chứa tin, đồng thời tăng tính bảo mật cho thơng tin bí mật Chất lượng ảnh biểu thị bảng 6, cho thấy, phương pháp đề xuất có chất lượng ảnh tốt phương pháp Dual-PVO chút lớn nhiều so với phương pháp PVO so sánh Thêm nữa, thuật toán đề xuất ln nhúng bít vào khối ảnh, khơng phụ thuộc vào sai http://jst.tnu.edu.vn 239 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(16): 233 - 240 số Dual-PVO Điều lợi việc điều khiển khả nhúng để chất lượng ảnh mong muốn Kết luận Bài báo đề xuất phương pháp giấu tin thuận nghịch hiệu cho ảnh đa mức xám sử dụng phương pháp PVO Từ ảnh xám gốc, sau nhúng tin thu ba ảnh xám chứa thơng tin bí mật Thực nghiệm cho thấy, phương pháp đề xuất có khả nhúng cao chất lượng ảnh tốt so sánh với phương pháp giấu tin dựa PVO hành Thêm nữa, tin tặc cần nhận ba ảnh lúc khơi phục ảnh gốc thơng tin bí mật mơ hình giấu tin thuận nghịch đề xuất có tính bảo mật tốt Lời cám ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Giao thông vận tải đề tài mã số T2022CN-005 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] J Cox, L Miller, A Boom, J Fridrich, and T Kaller, Digital watermarking and steganography, 2nded Elsevier, 2008 [E-book] Available: https://books.google.com.vn/books?id=JZQLpzihtecC [Accessed:10 Oct 2022] [2] J Tian, "Reversible data embedding using a difference expansion," IEEE Trans Circuits Syst Video Technol, vol 13, no 8, pp 890–896, 2003 [Abstract] Available: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/ document/1227616 [Accessed: 10 Oct 2022] [3] Z Pan and E Gao, "A Reversible data hiding based on novel embedding structure PVO and adaptive block-merging strategy," Multimedia Tools and Applications, vol 78, no 18, pp 26047-26071, 2019 [Abstract] Available: https://link.springer.com/article/10.1007/s11042-019-7692-3 [Accessed: 10 Oct 2022] [4] X Li, J Li, B Li, and B Yang, "High fidelity reversible data hiding scheme based on pixel value ordering and prediction," Signal Process, vol 93, pp 198–205, 2013 [Abstract] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165168412002551 [Accessed: 10 Oct 2022] [5] Y Niu and S Shen, "A novel pixel value ordering reversible data hiding based on dual-image," Multimedia Tools and Applications, vol 81, pp 13751–13771, 2022 [Abstract] Available: https://link.springer.com/article/10.1007/s11042-022-12149-y [Accessed: 10 Oct 2022] [6] F Peng, X Li, and B Yang, "Improved PVO-based reversible data hiding," Digital Signal Processing, vol 25, pp 255–265, 2014 [Abstract] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/ abs/pii/S1051200413002479 [Accessed: 10 Oct 2022] [7] O Bo, X Li, Y Zhao, and R Ni, "Reversible data hiding using invariant pixel value-ordering and prediction-error expansion," Signal processing: image communication, vol 29, no 7, pp 760–772, 2014.[Abstract].Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0923596514000824 [Accessed: 10 Oct 2022] [8] P.-H Kim, K.-W Ryu, and K.-H Jung, "Reversible data hiding scheme based on pixel-value differencing in dual images," International Journal of Distributed Sensor Networks, vol 16, no.7, pp 1-3, 2020 [Abstract] Available: https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/1550147720911006 [Accessed: 10 Oct 2022] [9] K S Nguyen, T L Cao, K T Le, and V A Pham, "Reversible Data Hiding Based on Prediction Error Histogram Shifting and Pixel-Based PVO," in Asian Conference on Intelligent Information and Database Systems, Springer, Cham, 2020, pp 570-581 [Abstract] Available: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-42058-1_48 [Accessed: 10 Oct 2022] [10] K H Jung, "Data hiding scheme based on pixel-value differencing in dual images," in International Conference on Electronics, Information, and Communication (ICEIC), IEEE, 2018, pp 1-3 [Abstract] Available: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8330722.[Accessed: 10 Oct 2022] http://jst.tnu.edu.vn 240 Email: jst@tnu.edu.vn ... hai điểm ảnh cuối theo phương pháp chèn bít thấp Trích tin tồn ảnh Đầu vào ba ảnh chứa tin Đầu ảnh gốc I dãy bít nhúng B Bước 1: Trích bít cuối điểm ảnh ảnh chứa tin để biết ảnh Bước 1: Chia ảnh. .. tin khối ảnh Nhúng tin khối ảnh Đầu vào: Khối ảnh bít nhúng nhị phân , Đầu ra: Các khối ảnh chứa tin Thuật toán nhúng khối ảnh thực sau: Bước 1: Sắp xếp giá trị điểm ảnh khối ảnh theo thứ tự. .. lượng ảnh trung bình nhiều ảnh chứa tin cao đáng kể so với phương pháp mà có ảnh chứa tin đầu Với số lượng ảnh chứa tin nhiều hơn, không tăng khả nhúng mà dễ dàng đảm bảo chất lượng ảnh ảnh chứa tin,