(Tt luận án) Nghiên cứu phát triển một số phƣơng pháp thủy vân ứng dụng trong xác thực và bảo vệ bản quyền ảnh số

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO ii BỘ QUỐCPHÕNG VIỆNKHOAHỌCVÀCÔNGNGHỆQUÂNSỰ - CAO THỊLUYÊN NGHIÊNCỨUPHÁTTRIỂNMỘTSỐPHƢƠNGPHÁPTHỦY VÂNỨNGDỤNG TRONGXÁCTHỰCVÀ BẢO VỆBẢNQUYỀNẢNHSỐ Chuyênngành: Mãsố: Cơsởtoán họccho tinhọc 4601 10 TĨMTẮTLUẬNÁNTIẾNSĨ TỐNHỌC HÀNỘI – 2018 ii Cơngtrìnhđƣợchồnthànhtại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰBỘQUỐCPHỊNG Ngƣờihƣớngdẫnkhoahọc: PGS.TS.PhạmVăn Ất TS.NguyễnĐứcThảo Phảnbiện1:PGS.TS.NgôQuốcTạo Việt HànLâmKH&CNViệt Nam Phảnbiện2:PGS.TS.NguyễnL i n h Giang ĐạiHọcBáchKhoaHà Nội Phảnbiện 3:TS.TạMinhThanh HọcViệnKỹThuật Quân Sự Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận áncấp Viện họp Viện KH&CN quân vào hồi … ngày… tháng… năm2018 Có thểtìmhiểuluậnántạithưviện: - Thư viện ViệnKH&CNqn - Thưviện QuốcgiaViệt nam MỞ ĐẦU Tínhcấpthiết Ngày nay, việc lưu trữ truyền tải liệu thực phổbiến qua môi trường Internet Vấn nạn vi phạm quyền sản phẩm sốảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế, trị, xã hội Mặt khác sản phẩm sốcó bị biến đổi trước đến với người nhận hay khơng, liệu nhậnđượcđãbịbiếnđổitrướcđóthìvùngnàolàvùngbịbiếnđổi.Đóchínhlà vấnđềxácthựcdữliệusố.Việctìmraphươngpháphiệuquảđểgiảiquyết toán bảo vệ quyền xác thực nội dung có ý nghĩa đặc biệtquantrọngtrongkinhtế,chínhtrị,anhninh-quốc phịng cácnhà chun môn xã hội quan tâm Thủy vân nhữngbiệnpháp hữu hiệu giảiquyếtcác vấnđềtrên Các cơng trình nghiên cứu thủy vân hướng đếnmục tiêu xây dựng thành công hệ thống thủy vân thỏa mãn tốt cácyêucầucơbảncủahệthốngthủyvânnhưchấtlượngảnhthủyvân,khảnăng nhúng, độ phức tạp tính tốn, độ an tồn Các kết thủy vânkhóa cơngkhaihiệncịn hạn chế Đề tài tập trung nghiên cứu để đề xuất lược đồ thủy vânbềnvữngvàdễvỡsửdụngkhóacơngkhainhằmnângcaođộbảomật vàcảithiệntínhchínhxáccủahệthốngxácthựcảnhcũngnhưnângcaotính bền vững lược đồ thủy vân bên cạnh việc tăng cường chất lượngảnhthủyvân Đốitƣợngvàphạmvinghiêncứu  Đối tượngnghiên cứu: o Các phươngphápthủyvân, giấu tin o Các phépbiến đổima trận o Mơhình khóa cơngkhai Phạmvi nghiên cứu: Cáclượcđồ thủyvân trênảnhsố Mụctiêu nghiên cứu  Đềx u ấ t m ộ t s ố p h n g p h p t h ủ y v â n b ề n v ữ n g c ó k h ả n ă n g chốngđượcnhữngtấncơngcó chủ định ảnh số  Đềxuấtmộtsốphươngphápthủyvândễvỡkhóacơngkhaicóthểp háthiện mọisựthayđổidù nhỏtrênảnh số  Xâyd ự n g m ộ t s ố m o d u l e t h v i ệ n d ù n g c h u n g t h ự c h i ệ n v i ệ c nhúngvà táchdấuthủyvântheocácphươngpháp đềxuất Phƣơngphápnghiêncứu  Thu thập, tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp giấu tin, thủyvân có, sở phân loại, đánh giá tìm hướngnghiên cứucụthể  Sử dụng phương pháp tốn học để phân tích đánh giá tínhhiệuquả,tínhbềnvững,tínhbảomật,tínhdễ vỡc ủ a c c phương pháp thủy vân Khai thác mặt hạn chế lược đồ thủyvân có đểtìmra phươngpháp mớihaycảitiếnnó  Sửdụng phầnmềmvàbộdữliệuđểsosánhđánhgiác c phươngphápthủyvân khác Nội dungnghiêncứu • Nghiên cứu, phân tích, đánh giá phương pháp, thuật toán, hệthốngthủyvâ n,g i ấ ut i n t r ê n ả n hs ố h i ệ n hà nh đặ c bi ệ t th ủyvântrênmiềnSVD,thủyvânthuậnnghịchvàthủyvânkhóacơngkhai • Đề xuất số phương pháp thủy vân bền vững dựa phépbiếnđổiSVD • Nghiên cứu lược đồ thủy vân ảnh JPEG, đánhgiá cảitiến để xây dựng lược đồ thủy vân khóa cơng khai dễ vỡ có khảnăngnhúngcao • Nghiênc ứ u v đề x u ấ t p h n g pháp t h ủ y vân t h u ậ n nghị c h d ễ vỡkhóacơngkhaidựatrênphépmởrộnghiệucóthểpháthiệnmọisự thayđổidù nhỏ • Xây dựng số module thư viện sử dụng thuật toán đề xuấtgiảiquyếtcác bàitoánbảovệ bảnquyền xácthực ảnh Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễn Việc nghiên cứu phương pháp thủy vân khóa cơng khai có ýnghĩatrên haiphươngdiện khoahọc thựctiễn:  nphn g i nh o h Các phương pháp thủy vân naythường sử dụng chung khóa bí mật q trình nhúngvàkiểm trathủy vân.Phương cónhượcđiểm làdễb ị l ộ khóat r o n g q u t r ì n h t r a o đ ổ i g i ữ a n g i n h ú n g t h ủ y v â n v ngườisửdụng,vìvậytínhantồnkhơngcao.Trongphươngpháp thủy vân khóa cơng khai ta sử dụng khóa: Khóa bí mật đểnhúng vàkhốcơngkhaiđểkiểmtrathủyvân.Nhưvậy,việckhơng cần phải trao đổi khóa giúp hệ thống thủy vânan tồnhơn Phương pháp thủy vân NCS đề xuất vừa dễ sử dụngvừa an toàn Ngoài ra, lược đồ thủy vân đề xuất có chất lượngảnh thủy vân tốt giảm độ phức tạp tính tốn so vớiphươngpháphiện hành nphn g i n thựt i ễ n Trên sở nghiên cứu kỹ thuậthiện tại, NCS đề xuất số phương pháp thủy vân khóa công khaimới Các phương pháp biểu diễn sở toán học thựcthib ằ n g c c m u d u l e t h v i ệ n t h ự c h i ệ n c h ứ c n ă n g n h ú n g v t c h d ấ u thủy vân liệu ảnh số Các modulen y c ó t h ể p h t t r i ể n t h n h phần mềm áp dụng cho bất knhà cung cấp dịch vụ thông tin đểbảo vệ tính tồn v n thơng tin, hạn chế việc xuyên tạc, sử dụng tráiphép chúng mơi trường trao đổi cơng khai góp phần vàoviệc phòngchốngảnh giảmạo Bốcục luậnán Luận án gồm 03 chương với phần mở đầu, kết luận,danh mục cơng trình phụ lục Sản phẩm luận án 07 báokhoa học công bố hội thảo tạp chí uy tín, 01 bàicó chỉsố SCOPUS CHƢƠNG1:TỔNGQUANVỀTHỦYVÂN 1.1 Khái niệmvềgiấutin,thủy vân Giấu tin [36] kỹ thuật nhúng thông tin A vào mơi trường B Avà B tệp văn bản, ảnh, âm hay video Thông tin đượcnhúng A chứa thơng điệp bí mật cần trao đổi thôngtinvề bảnquyền tác giả, sản phẩmđa phươngtiện Thủy vân số kỹ thuật nhúng thông tin (ấu thủy vân-g i tắt làthủy vân) vào đối tượng (mơi t ờng giấu tin) trước nóđược phân phối mạng nhằm bảo vệ đối tượng chứa tin Đối tượngchứatincũngcóthểlàảnhsố,tệpvănbản,filêmthanh,… Thủyvânsauđócóthểđượckhơiphụclàmbằngchứngđểchứngminhquyềnhợppháp kiểm nghiệm sản phẩm số có tồn v n hay có bị truy cậptrái phép trước khiđến ngườisửdụng 1.2 Cácđặctínhquantrọngcủalƣợcđồthủyvân Theo[36] hệ thốngthủyvân cần đáp ứngcácyêu cầucơ sau: - Tính bền vững (Robustness): yêu cầu thường dùng cho hệ thốngxác thực có chọn lọc hệ thống thủy vân bán dễ vỡ[13], [23], [32],[65],[69],[73]haythủyvânbềnvững[3],[6],[62],[72],[83].Tínhbền vững hệ thống thủy vân tức thủy vân khơng bị biến đổi (ítbị biến đổi) trước phép cơng có chủ đích nhằm thay đổi nộidung - Độnhạy cảm haycịngọilà tính dễvỡ(sensitivity- fragile):H ệ thống xác thực phải có khả phát bất ks a đ ổ i n ộ i d u n g hoặcphát bấtkmộtthao tácnào lên ảnh dù h ỏ Đ ố i v i thủyvândễvỡ[4],[5],[19],[34],[45]thìthủyvânsẽbịphávỡtrướcbấtkthao tác nào, khơng hành vi nhằm biến đổi nộidung - Khả nhúng: thủy vân thường có kích thước khơng lớn, nhiênlượcđồthủyvânphải cókhảnăngnhúngđượcmột lượngthủyvânxác định Lược đồ có khả nhúng nhiều đượcđánh giá tốt - Định vị hóa: Hệ thống thủy vân có khả xác định vị trí cáckhuvực hình ảnh bịthayđổi - Khả khơi phục: Hệ thống thủy vân có khả khơi phục mộtphầnhoặc hồn tồnvùnghình ảnh đãbị giả mạo - Tính bảo mật: Hệ thống thủy vân có khả bảo vệ liệu xácthựcchốnglạibấtkn ỗ l ự c l m giả - Độ phức tạp: Hệ thống thủy vân phải sử dụng thời gian thực cácthuật tốn khơng phải q phức tạp không quáchậm Tùy thuộc vào loại hệ thống thủy vân mà đặc tính đềcao Chẳng hạn: thủy vân bền vững tính bền vững lược đồlàrấtquantrọngcịntínhnhạycảmbịbỏqua,trongkhiđócáclượcđồthủy vân dễ vỡ tính nhạy cảm lại quan trọng cịn tính bền vững khơngđượcxemxéttrongloạithủyvân 1.3 Nguyêntắcxâydựnglƣợcđồthủyvân Một lược đồ thủy vân gồm hai trình [36]: trình nhúng thủyvân trình kiểm tra dấu thủy vân Trong trình nhúng thủy vân,chủs h ữ u n h ú n g t h ủ y v â n v o ả n h g ố c đển h ậ n ảnh t h ủ y vân.Đ ể t ă n g thê m t í nh b ả om ậ t c ó t h ể s d ụ n g thêm khóa K 1.V i ệ c traođổitrênmạngInternetảnhthủyvânc ó thểbịbiếnđổithànhảnh Thủ tục kiểm tra xác định quyền hay xác thực tính tồn v n củaảnhcó thể cần phải khôi phục thủy vân hay phục hồi ảnh gốc Qtrình kiểm tra phải sử dụng thêm khóaK2 Nếu từ ảnh thủyvânkhơi phục ảnh gốcthì gọi thủy vân thuận nghịch(reversible watermarking).Nếu khóaK1dùng trình nhúng thủyvânlàkhóabímật, khóaK2để kiểm tra dấu thủy vân khóa cơng khaithì gọi thủy vân khóa cơng khai nếuK1trùng vớiK2thì gọi làmơhìnhthuyvânkhóađốixứng.Dưới đâylàchi tiếtphânloạithủyvân 1.4 Cácứng dụngchínhcủa thủy vân Ứng dụng thủy vân kể đến như: kiểm sốt chép, bảovệbản quyền, xácthựctính tồnvn củaảnh số 1.5 Tìnhhìnhnghiêncứutrongvàngồinƣớc Trong nước có số báo luận án tiến sĩ giấu tinh vàthủy vân song chủ yếu thủy vân bền vững, lược đồ thủy vân sửdụngkhóabímật.Trênthếgiớihàngnămdiễnrahộinghịthườngniênvề pháthiệnảnhgiảmạovàthủyvânsốIWDW–InternationalWorkshop on Digital forensics and Watermarking, nhà xuấtbảnSpringerđăngtrên LectureNotesinComputerSciences.Đểđơngiản, luận án khảo sát lược đồ thủy vân theo hướng nghiên cứuhiện hành 1.5.1 Giấutinvàthủyvântrênmiền khơnggianảnh Nhóm phương pháp trình bày ảnh nhị phân song hồntồn áp dụng ảnh xám ảnh màu cách tách cácbít thấp để tạo thành ma trận nhị phân Ưu điểm tốc độ tínhtốn thấp dễ vỡ nên thường áp dụng cho vấnđ ề g i ấ u t i n m ậ t hoặcxác thựctính tồn v ndữ liệu 1.4.1.1 Giấu tin,thủyvânự vào tínhh ẵ n lẻ Năm1 9 , M W u v J L e e đ ã đ ề x u ấ t l ợ c đ n h ú n g t i n đ n g i ả n ảnh nhị phân dựa vào tính chẵn lẻ (gọi tắt thuật tốn WL) đượcnhiềuc n g t r ì n h t r í c h d ẫ n [ ] N ă m 0 , Y C h e n g v c c đ n gsự [80]đãmởrộngthuậttốnWLđểnhúngđượctốiđarbíttrênmộtkhối phầntử chỉthayđổi2phần tử(⌊⌋ ) 1.4.1.2 Giấutin vàthủy vânự t h e o ỹ t h u ậ t h è n b í t t h ấ p Kỹ thuật dựa nhận xét thay đổi bít thấp mắtthường không phát biến đổi ảnh Kỹ thuật chènthơng tin bí mật vào bít thấp điểm ảnh bít Lược đồ tiêu biểu sửdụng kĩ thuật F5 Andress Westfeld đề xuất năm 1999, Jsteg J.Fridrich đồng [37] đề xuất năm 2003, Ưu điểm phương phápnày nhúng nhiều (ảnh màu nhúng bít) Hạn chế lớn nhấtcủa dễ dàng bị phát ảnh có chứa tin phương pháp thốngkê ảnh chứa tin bị biến đổi histogram, phương pháp nàykhông bềnvững trướcphépbiến đổi hìnhhọc Lược đồnhúng tinv thủyvândựa t r ê n kỹ thuậtchènbítt hấ p ysửdụng tínhchấtc h ẵ n lẻđềucótínhchấtdễvỡnênthườngđượcsửdụngtrongcáclượcđồthủyvândễ vỡ 1.5.2 Giấutin,thủyvântrênmiền biến đổiảnh Để có lược đồ thủy vân bền vững người ta sử dụng cácphép biến đổi trực chuẩn DCT, DWT, DFT, SVD, QR lược đồthủyvân 1.5.3 Thủyvân dễvỡ Thủy vân dễ vỡ [4], [5], [34], [36], [45] loại thủy vân mà thủy vândễdàngbịbi ế n dạngnếuảnhbị tấncông dùlàả nh thay đổinhỏ Dự a vào biến đổi thủy vân để kết luận ảnh bị truy cập trái phép,cũngnhưtínhtồnvncủaảnh.Nếuảnhbịbiếnđổithìxácđịnhvùngn ảnh bị thay đổi Thủy vân thường sử dụng kỹ thuật nhúngtrên miền không gian ảnh ứng dụng toán xác thực tínhtồnvn ảnh 1.5.4 Thủy vân bềnvững Tráivớithủyvândễvỡ,thủyvânbềnvữnglàloạithủyvânmàđịihỏi thủyvânphảitồntạibềnvữngtrướccácphéptấncơngthơngthườngnhằm loại bỏ dấu thủy vân (nén JPEG, thêm nhiễu, lọc, xoay, cắt xén,làm mờ, thay đổi kích thước, thay đổi sáng tối, thay đổi tương phản)…,hoặc trường hợp loại bỏ thủy vân ảnh sau bị cơngcũngkhơngcịngiátrịsửdụng.Thủyvânbềnvững[3],[6],[63], [73], [83] phổ biến thựchiện nhúng thủy vântrên miền biến đổi Cácm i ề n biếnđốithường đượcthựchiệnthông quanhững phépbiếnđ ổ i n h DCT (discrete Cosine transform) [4], [33], [56],SVD (singular valuedecomposition)[8],[40], [54], [58],[54],[60], [73],DWT(discretewavelettransform)[6],QR (quick responsion) [31] hoặckếthợp cácphép biến đổi [9], [15], [23], [31], [54], [72] để tạo lược đồmới Luận án sử dụng phép biến đổi SVD phép biến đổi gần đâyđượcnghiên cứu ứngdụngnhiều Phép biến đổiSVDnhưsau: Mọi ma trận thựcAcấp𝑚 × 𝑛 cho trước ln khai triển thànhtíchcủaba ma trận thực sau[28,trang448]: 𝐴= 𝑈 𝐷 𝑉 𝑇 Trongđó: Ulà matrậntrực chuẩncấp𝑚×𝑚 Vlà ma trậntrựcchuẩncấp𝑛×𝑛 Dlà ma trậnđườngchéo cấp𝑚×𝑛cótínhchất: D(1,1)≥D(2,2)≥ ≥D(s,s)≥0,vớis=min{m,n} 1.5.5 Thủy vânkhóacơngkhai Hầuh ế t c c l ợ c đ đ ã t r ì n h b y l l ợ c đ t h ủ y v â n k h ó a b í m ậ t [47], [52], [58], [62], [65], [83] Các lược đồ sử dụng chung mộtkhóabímậtchocảhaiqtrìnhnhúngvàkiểmtradấuthủyvân(Khóa K2=Ktrong Hình 1.2 – Hình 1.5) Vậy nên cần phải có cơng đoạntrao đổi khóa người nhúng người kiểm tra dấu thủy vân Việc giữbímật thơngtinvềkhóagặpkhơngítkhókhăn.Tuynhiên,hạnchếnàysẽ giải sử dụng mơ hình thủy vânk h ó a c ô n g k h a i Đ ố i với thủy vân khóa cơng khai [33], [59], [78], [79], [81] người ta dùng haikhóa, khóa bí mậtKđược sử dụng q trình nhúng dấu thủy vâncịnởgiaiđoạn kiểmtra dấu thủyvân thìdùngkhóa cơngkhaiK2 Đối với đồ thủy vân bền vững khóa cơng khai có hướng trải phổ,sử dụng dãy giả ngẫu nhiêu; Đối với thủy vân dễ vỡ khóa công khaingườita áp dụnglược doKimđề xuấtnăm2004 1.5.6 Thủyvân thuậnnghịch Các lược đồ thủy vân hầu hết lược đồ thủy vân khôngthuận nghịch Thủy vân thuận nghịch loại thủy vân mà bên cạnh việckhôi phục thủy vân lược đồ cho phép phục hồi lại ảnh gốc Gần đây,thủy vân thuận nghịch nghiên cứu nhiều khả ứng dụng củanó thực tế, đặc biệtt r o n g y t ế , q u â n s ự , a n n i n h c ũ n g n h t r o n g giáo dục Các phương pháp thủy vân thuận nghịch tuân theo nguyêntắc tồn phép biến đổi ngược Một số phương pháp thủy vân thuậnnghịch: sử dụng đặc trưng nén [11], [17], [67], dịch chuyển histogram[30],[68], [85]mởrộnghiệu[5],[22], [39], [42], [47], [51],[78],dựbáo [24],[25] haykếthợpcácphươngpháptrên [10],[20] 1.5.7 Thủyvânkhông(zerowatermarking) Thủyv â n t r u y ề n t h ố n g t h ự c h i ệ n n h ú n g t h ô n g t i n q u a n t r ọ n g v o trongảnhđể bả ovệ ả nhha y xáct hự c tínhtồnvncủaả nh Điề u n ylàm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh Thường người ta phảichấp nhận giảm chút độ bền vững, hay phải trả giá tính dễ vỡđể chất lượng ảnh thủy vân phù hợp Thủy vân không giải quyếtđược vấn đề nhờ vào việc thủy vân khơng phải nhúng bất cứthôngtin nàovàotrongảnh.Vậy làm thếnàođểbảođảm đượcb ả n quyền ngườisởhữucũngnhưxácthựcđượcảnhđócóbịtruynhậptrái phép Đặc điểm thủy vân rỗng tìm đặc trưng bền vững củaảnh,đặctrưngđócóthểđượclưutrữhoặckếthợpvớithơngtinbímậtđểl m thủyvâ n l m bằ ng c h ứ n g tr ongquá trìnhk i ể m đị nh b ả n q u y ề n hay xácđịnhtínhtồnvncủaảnh.Nhượcđiểmcủaloạithủyvânnàylàtính bền vững lược đồ phụ thuộc vào phương pháp trích chọn đặctrưng củaảnh.Mộtsốp h n g p h p t r í c h c h ọ n đ ặ c t r n g n h D C T , SVD, QR, DWT hay kết hợp phép biến đổi [6], [67], [68], [82],[83] 1.6 Thamsốđánhgiálƣợcđồthủyvân PSNR: Hệ số để đánh giá chất lượng ảnh thủy vân tính theocơngthức: 𝑃𝑆𝑁𝑅=20𝑙𝑜𝑔 10(𝑀𝐴K) √𝑀𝑆 𝐸 (1.1) Trong đóMAXlàgiá trịcựcđại điểm ảnhvàMSEđượcx c đ ị n h theocơngthức: 𝑀𝑆𝐸=1 𝑚×𝑛 ∑𝑚∑ 𝑛(𝐼(i,j)−𝐼′(i,j))2 i=1j=1 (1.2) ERR:làtỷlệsaikhácgiữathủyvântríchđượcW *sovớithủyvâgốcW đượctính theo cơngthức: 𝐸𝑅𝑅= ∑𝑡 |𝑤i−𝑤*| 𝑡 i=1 i (1.3) Lượcđồ nàocóERRcàngnhỏchứngtỏ lược đồ càngbềnvững 1.7 Kếtluậnchƣơng1 Chương tìm hiểucác kiếnthứcnềnvềthủy vân:kháin i ệ m v ề thủy vân, giấu tin; tính chất quan trọng lược đồ thủy vân; ứngdụng thủy vân; hướng nghiên cứu; nguyên tắc xây dựng lược đồthủy vân; khảo sát tình hình nghiên cứu ngồi nước Các cơngtrình nghiên cứu thủy vân hướng đến mục tiêu xâydựng thành công hệ thống thủy vân thỏa mãn tốt yêu cầu bảncủa hệ thống thủy vân chất lượng ảnh thủy vân tốt, khả nhúngcao, độ phức tạp tính tốn thấp, tính an tồn cao… nêu Mục 1.2.Luậnántậptrungkhảosát,nghiêncứucáclượcđồ thủyvânhiệnhànhnhằm cải tiến, xây dựng lược đồ thủy vân khóa cơng khai lược đồthủy vân thuận nghịch có chất lượng ảnh thủy vân tốt, độ phức tạp tínhtốn thấp nâng cao khả nhúng Đây hai hướngnghiên cứu mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học có khả ứngdụng cao thực tiễn Phần luận án nghiên cứu thủy vânbềnvững phép biếnđổiSVDở chương 2,thủy vânt h u ậ n n g h ị c h dựatrênphépmởrộnghiệucủadãyvéctơđiểmảnhvàthủyvândễvỡkhóa cơngkhaiởchương3 𝑙= ⌊ 𝑥i⌋ i 𝜃 +Hiệuchỉnh𝑙 iđể ể thỏamãn(𝑙i+𝑤i)𝑚𝑜𝑑2=0.Khiđó,tanhậnđược 𝑙′ i +Tìm𝑥i ′ 𝑥i′=𝑙′𝜃i ′ 𝑈 (2,1)𝑥 ′ 𝑈 i(1,1)𝑥h n′ h 𝑈i(1,1) +Biếnđổi𝑈i′1,1),𝑈 and𝑈 ( i(2,1)t i i(2,1): 𝑈 (1,1)= 𝘍,𝑈 (2,1)= 𝘍 i i i i ′ 𝑥i 𝑥i Bwớc 4:Tìm𝐼 i ′ ′ (1)×𝑉 ′𝑇(1)+𝐼 −𝐷(1,1)×𝑈(1)×𝑉 𝐼 =𝐷(1,1)×𝑈 i i i i i i Quytrìnhkiểmtrathủyvân: Đầutiên,chia ảnh𝐼*để ược thànhcáckhốiconnhưqtrìnhnhúng Bwớc1:Tínhcácmatrận: 𝐴*=𝐼 *×𝐼*𝑇∈𝑅 𝑚×𝑚 i i i 𝐵*=𝐼 *𝑇×𝐼*∈𝑅 𝑛×𝑛 i i 𝑇 i i *i 𝑛 𝑈i(*1 ) ∈𝑅 𝑚,𝑉i(1)∈𝑅 làcácvectorriêngtươngứngvớig i t r ị riênglớnn hấtcủamatrậnkhôngâm𝐴 *v 𝐵 *để ợ ci xácđịnhnhưMục i 2.2.2.2 * Bwớc2:Bít𝑤i để ược trích theo cơng: * * * If 𝑘i=0then𝑥*i= 𝑈* i(2,1) +𝑈*i(1,1) If𝑘i=1then𝑥 =𝑉 (2,2)+𝑉 (1,1) Tính𝑤 *: i* i i i * i 𝑥 +𝜃⁄2 𝑙 =⌊ ⌋ i* * 𝜃 𝑤 =𝑙 𝑚𝑜𝑑 i i Bước3:Tính 𝐸𝑟𝑟= ∑𝑡i=1|𝑤i− 𝑤i*| 𝑡 NếuErr 𝐷 2i( 1,1)hay𝐷 i − (1,1)> 𝐷2i(1,1) Nếu ảnh bị quan hệ so sánh khơng cịn thỏamãn dẫn đến việc trích chọn đặc trưng ảnh thủy vân sau biến đổi sailệchsov i đặct rư ngc ảnhg ố c G i ả i p há p l u ậ n n đ ề x uấ t làt ạor a mộtvùngđệmTđể tăng tính bền vững phương pháp trích chọn đặctrưng ảnh Hơn nữa, việc trích chọn đặc trưng Y Zhou đồng sựcũng thuật toán đề xuất dựa vào giá trị lớn nhất𝐷i(1,1)của matrận đặc trưng nên dùng lời giải tốn tìm giá trị riêng lớnnhấtvà v é c t r iê ng tư ơngứngc m a t r ậ n k h ô n g âmđểt ì m trựcti ế p 𝐷i(1,1)(Mục 2.2) thay khai triển SVD nhằm giảm độ phức tạp tínhtốn Dướiđâylàchitiếtcủathuậttốntríchchọnđăctrưngđềxuất Bwớc1:ChiaIthànhcáckhốiconkhơnggiaonhaukíkiệulà𝐼 i,giảsửcókkh ốicon Bwớc2:Tìmtrựctiếp𝐷 i(1,1)bằngcáchápdụngthuậttốnnêuởMục 2.2thayvì khai triểnSVD Bwớc3:XácđịnhđặctrưngBtheocơngthứcdướiđây: Nếu| 𝐷2i−1(1,1)−𝐷 2i(1,1)| >t h ì B ( i ) = n g ợ c l i t h ì B ( i ) = , trongđói= 1⌊ ⌋ Luậnánsửdụngthuậttốntríchchọnđặctrưngđềxuấtđểxâydựng mơhình thủyvân bền vững khóacơngkhai 2.4 Đề xuất mơ hình thủy vân bền vững khóa cơng khai dựa theokhai triểnSVD Phần sử dụng mơ hình thủy vân khóa cơng khai lược đồ thủyvân dễ vỡ [31], [32] để xây dựng mô hình thủy vân bền vững thuậttốn trích chọn đặc trưng bền vững thuật toán nhúng liệu vàtríchthơngtinbềnvững.Dướiđâylàchitiếtcủaquytrìnhnhúngthủyvânvà quytrình kiểmtra quyền 2.4.1 Thuậttốnnhúng thủyvân Choảnhgốc𝐼,ảnhthủy vân𝐼 ′đượcxác định theocácbướcnhưsau:Bwớc1:Phânhoạchảnh𝐼thànhhaiphần𝐼1và𝐼 2,𝐼2sẽđược dùngđểtạodấuthủyvân,𝐼1là vùngđượcnhúngdấu thủyvân Bwớc2:TạodấuthủyvânW Tríchc h ọ n đ ặ c t r n g c ủ a v ù n g 𝐼 2n h M ụ c đ ể t h u đ ợ c chuỗibítnhịphânkíhiệulàW,giả sửWcó độ dàilàk Bwớc3:NhúngdấuthủyvânWvào𝐼 1theothuậttốnnhúngdữliệuđãtrình ′ ′ bàyởMục2.3.2đểnhậnđượcvùngảnh𝐼 𝐼 Bwớc4:Tạoảnhthủy vân𝐼 ′bằngcácghép𝐼 1và 2.4.2 Thuậttoánxác địnhbản quyềncủaảnh Trong q trình truyền tải, ảnh thủy vân𝐼′c ó t h ể b ị t ấ n c ô n g t h n h ảnh𝐼 *T h u ậ t t o n ki ể m traả n h 𝐼 *l i ệ u t h u ộ c b ả n q u y ề n c ủ a t c g i ả c ó ảnh𝐼′đượcthựchiệntheo cácbước sau: Bwớc1:Phânhoạchảnh𝐼*thànhhaimiền𝐼*và𝐼*nhưBước1củathuật tốn nhúngthủyvân Bwớc2:Trích * từ𝐼 *t h e1 o thuậttốntríchdữliệuđãtrìnhbàyởMục 2.2 Bwớc3:Từdãy𝐼 *t r í c h chọnđượccái đặctrưngtheothuậttoánnêuở Mục2.3kíhiệulà𝐵 ** Bwớc4:Kiểmtrabảnquyền Tính=𝑢𝑚(𝐵 *𝑥𝑜𝑟 𝐵 **)𝑘 Nếuthìkếtluậnảnh𝐼*thuộcbảnquyềncủatácgiảcóảnh 𝐼′và ngược lại kết luận ảnh𝐼*khơng thuộc quyền tác giả cóảnh𝐼′ 2.5 Kếtluậnchƣơng2 Thủyvânbề nvữ ng m ột t r o ng l ĩ nh vự c đư ợ c nhiề un hà k h o a họcquantâmnhằmgiảiquyếtvấnnạnviphạmbảnquyền.Chươngnàyđã trình bày số lược đồ thủy vân dựa theo phép khai triển SVD Đóngóp chương làvđề xuất lược đồ thủy vân với mụctiêuc ả i t h i ệ n c h ấ t l ợ n g ả n h, g i ả m đ ộ p h ứ c t p t í n h t o n v n â n gcao tính an tồn hệ thống thủy vân Các kết thử nghiệm cho thấy cáclượcđồ đề xuấtđềuđạtđược mục tiêu đềra bằngcácgiảipháp: - Đề tiêu chuẩn chọn khối ảnh có độ đan xen cao nhúng thủyvân khối có độ đan xen cao lựa chọn Nhờ màchấtlượngảnhđượcnângcao.Kếtquảnghiêncứunàylàbàibáosố1 trongdanh mục trìnhcơngbố củatác giả - Nhằm giảm độ phức tạp tính, thay khai triển SVD lược đồtrước lược đồ đề xuất thực tính trực tiếp phần tửdùng trình nhúng – kiểm tra thủy vân Kết nghiên cứunày báo số 2, danh mục trình cơng bố tácgiả - Luận án cải tiến thuật toán trích chọn đặc trưng dựa khai triểnSVD để trích chọn đặc trưng bền vững hơn, từ xây dựng mơhình thủy vân bền vững khóa cơng khai dựa thuật toán đề xuấtkhảdụngtrongthựctiễn CHƢƠNG3.THỦYVÂNTHUẬNNGHỊCHVÀTHỦYVÂNDỄVỠ TRÊNẢNHJPEG Thủy vân dễ vỡ thủy vân mà có tác động nhỏ lênảnh thủy vân nhúng vào ảnh bị biến đổi [36] Loại thủyvân ứng dụng toán xác thực ảnh để trả lời xác thựcảnh nhận có bị biến đổi hay khơng Nếu ảnh bị thay đổi cầnđịnh vị vùng Thủy vân thuận nghịch [7] cho phép khôi phục ảnh gốcbên cạnh dấu thủy vân thuộc thủy vân dễ vỡ Phần nghiên cứuthủy vânthuận nghịchdựatrên phépbiến đổinguyêntừđ ó x â y d ự n g lược đồ thủyvândễvỡkhóacơngkhaicóđộphứctạptínhtốnnhỏvàhiệu nhúng cao Một hướng nghiên cứu thủy vân dễ vỡ đượcquantâmlàthủyvântrênảnhJPEG.Chươngnày đưa cải tiến nhằmxây dựng lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa cơng khai có khả nhúng caohơn cũngnhư chất lượngảnh tốthơn lượcđồ hiệnhành 3.1 Thủy vân thuận nghịch dựa mở rộng hiệu dãy điểm ảnhHệthống thủyvânm c ó khảnă ng khơi phụcl i ả n h gốc bê n cạnh việcphụchồithôngtinđãnhúng[3], [7]làthủyvânthuậnnghịch.Thủyvânthuậnnghịchlàmộthướngnghiêncứuđ ượcnhiềuhọcgiảquantâmhiệnn a y bở i s ự g i a t ă n g l ĩnh v ự c ứ n g d ụ n g n h y học, q u â n s ự , Hướngnghiêncứucủathủyvânthuậnnghịchđượck ểđến:dịchchuyểnhistogram,biếnđổinguyên, mởrộnghiệu,dựbáo,… PhươngphápmởrộnghiệuđượcTian[36]đềxuấtđãđangvàvẫnlàhướng đượcnghiêncứubởiưuđiểmvềkhảnăngnhúngnhiềumàchấtlượngảnht ốt.TheoTian,ả n h g ố c 𝐼 để ược c h i a t h n h c c c ặ p đ i ể m ả n h ( 𝑥 i,i ),v i i = 1…𝑁.Vớimỗicặp(𝑥, )kh ả mởnhúngđượcmộtbít𝑏 để ể nhậnđượccặp(𝑥 ′ ′ , ).Cặp(𝑥,)để ược gọilàkhảmởnếu𝑥 ′,′ ∈0 , Hướng mởrộngphươngpháp là: - Tạoranhiều cặp điểmảnh để nângcao khả năngnhúng - Cảitiếnbảnđồđểsaocho khôngphảidùng bảnđồmàvẫnkhơiphụcđượcảnh Luậnánnghiêncứuvàmởrộngthủyvânthuậnnghịchtheocáchtiếpcậnthứnhất,từ xâydựnglược đồthủyvân dễ vỡkhóacơngkhai 3.1.2 PhépbiếnđổiAlattarvà phépbiếnđổiWengcùng cácđồng s 3.1.2.1 PhépbiếnđổiAlattar Phépbiếnđổithuận: Cho𝐵=(𝑏 2, .,𝑏𝑛)∈𝑍 𝑛−1vàdãy𝑈=(𝑢 1,𝑢2,…,𝑢𝑛)∈𝑍 𝑛 Dãy𝑈′=(𝑢 ′, ,𝑢′) 𝑈và𝐵theocácbướcsauđây: nhậnđượctừ 𝑛 Bwớc1:Xácđịnhdãy𝑉= (𝑣 1,𝑣2, ,𝑣𝑛): 𝑣1=𝑢̅ ̅ =⌊ 𝑛̅ ∑𝑛i= 𝑢i ⌋ 𝑣j=𝑢j−𝑢1,j=2…𝑛 ′ Bwớc′ 2:Biếnđổi𝑉thành𝑉 ′ 𝑣 =𝑣1 ;𝑣 =2𝑣j+𝑏j ,j=2 𝑛 j Bwớc3:Xácđịnh𝑈′= (𝑢 ′, ,𝑢′): 𝑛 ∑𝑛𝑣 𝘍 ′ i=2 i 𝑢1= 𝑣 1− ⌊ ⌋ ′ ′ ′ 𝑛 𝑛 𝑢 = 𝑣 + 𝑢 ,j=2 𝑛 j j Phépbiếnđổinghịch: )∈𝑍𝑛−1và Chodãy𝑈 ′= (𝑢 ′, ,𝑢′)∈𝑍 𝑛.Cácdãy𝐵= (𝑏 , ,𝑏 ( dãy 𝑛 𝑛 𝑛 𝑈=𝑢 1,𝑢2,…,𝑢′ 𝑛∈)𝑍 để ư′ ợ c khôiphụctheocácbướcsauđây: Bwớc1:Biếnđổi𝑈 s a n g 𝑉 = (𝑣 ′,𝑣′, ,𝑣′): 𝑢 𝑣′= ⌊ ∑𝑛ii 𝘍⌋,𝑣′= 𝑢 ′−𝑢′,j=2 𝑛 𝑛 j j 𝑛 Bwớc2:Khôi phụcBvàVtừ𝑉′ 𝑏j=𝑣 ′mod2, j 𝑣 𝑣=𝑣 ′,𝑣 = 𝘍,j=2 𝑛 1 Bƣớc3:Khôiphụcdãy𝑈=(𝑢 1, ,𝑢𝑛)theocôngthức: 𝑣i 𝑢= 𝑣 ′−⌊∑𝑛 i=2 ⌋,𝑢= 𝑣 + 𝑢, j= 𝑛 1 𝑛 j j 3.1.2.2 Phépbiếnđổi Weng Weng thực ý tưởng Alattar n-1 phần tử đầu để nhúng n-2 bít.1bítcịnlạisẽđượcnhúngtheophươngphápdựbáocủađiểmcuối dựa vào n-1 phần tửđầu 3.1.2.3 Nhậnxét Dữ liệuBchỉ nhúng vàoUkhi tất thành phần của𝑈đểềunằm miền0,255 Do cần kiểm tra điều kiện khả mở hay khảbiến trước nhúng liệu Để kiểm tra điều kiện khả mở hay khả biếncủa dãyUgồmnphần tử cần phải kiểm tra2𝑛−1dãy𝑈khác đểềunằm miền0,255tương ứng với2𝑛−1trường hợp có củadãy bít cần nhúng𝐵độ dài n-1 Để tính mỗi𝑈cần thực hiện𝑛phépnhânchia(khơngkểcácphépcộng).Đểkiểmtramỗi𝑈 c ó thuộc đoạn 0,255h a y k h ô n g c ầ n t h ự c h i ệ n 2𝑛phép so sánh Như vậy, cần thựchiện:2𝑛−1× 𝑛p h é p n h â n c h i a v 2𝑛×𝑛 p h é p s o s n h để ể x é t t í n h k h ả mở hay khả biến mộtdãyn phần tử Chẳng hạn, chia ảnh kích thước512× 512thành dãy độdài𝑛=1thì số dãy𝑈′khác có 32768 Khi đểó, đểể xácđịnhtínhkhả mởhay khả biến mộtdãycon cần thực hiện: -2 1× × 2=111 phép nhânchia -2 1× 1× 2= phépsosánh Trong thực tế, lược đồ Alattar, Weng lược đồ phát triểntrên ý tưởng [20, [22], [42], [48], [51]chỉ thực nghiệm đối vớidãy phần tử Với khối có kích thước lớn thìk h n g k h ả t h i khối có kích thước lớn nhúng nhiều Dovậy,cáclượcđồtrênkhơngđạtđượckhảnăngnhúngnhưphântíchlýthuyết Luận án đề xuất tiêu chuẩn hiệu để đánh giá khối khả mởhay khả biến, mà giảm đáng kể thời gian tính tốn Vì có thểtiến hành thử nghiệm với khối có kích thước lớn, mà khả năngnhúng cao lược đồ lược đồ liên quan thực đạtđượctrongthựctiễn 3.1.3 Đềx u ấ t t i ê u c h u ẩ n đ n h g i k h ả m , k h ả b i ế n c ủ a l ợ c đ Alattarvàlượcđồ Weng 3.1.3.1 Điềuinh ả mởvàh ả biếncủl w ợ c đồAlattar Địnhlý 1(điều kiện khảmở) a 𝑢1khảmởkhivàchỉkhi⌊2𝑑1+ 𝑛−1⌋≤2𝑢 ̅ ≤ 255+⌊2𝑑1 ⌋ 1−𝑢̅ 𝑛̅ � b 𝑢ikhǎ mơkhivàchǐ khi⌊2𝑑1+ 𝑛−2⌋ ⌊2𝑑− � � ≤2𝑢 i−𝑢̅ ̅ ≤ 255+ 𝑛̅ 𝑛−1 Trongđó𝑢̅ ̅ =⌊ 𝑛̅ ⌋ 𝑛 ∑𝑛i= 𝑢i 𝑛 ⌋,𝑑1= Địnhlý2(điềukiệnkhảbiến) a u1khǎ bien khivàchǐ i=2 ∑𝑛i= 𝑢i 𝑛 −𝑢̅ ̅ 𝑛̅ ⌊d1+ n −1−2∑n di ⌋≤u 1≤ 255+⌊d1− n b uikhảbiếnkhivàchỉkhi d𝑘+n−2 2di+⌊d1+ −2 nk= ⌋≤u ≤255+2d +⌊d − i n Trongđó𝑑i= 𝑢i−𝑢1 −⌊ i ni =2 di n ⌋ k=2 (n−1)+2∑ n ⌋,i=2…𝑛 d𝑘 n 𝑢i−𝑢1 3.1.3.2 Điềuinh ả mởvàh ả biếnlwợcđồWeng Địnhlý 3(điềukiện khảmở) a u1khảmởkhivàchỉkhi: mod(n,2) ⌊2d̃ ⌋+⌊n−2⌋≤2u1−u̅ ̅− ̅1̅̅ ≤ 255+⌊2d̃ n 1+ 1⌋ b c uk h ả mở vàchỉ khi: (𝑛−𝑘−1)(𝑛−𝑘) 𝑘(𝑘−1) ⌊2𝑑̃ ⌋≤2𝑢 𝑘−̅ 𝑢̅ ≤ 255+⌊2𝑑̃ ⌋,𝑘= 𝑛̅ −̅ 1̅ 1+ 1− 2…𝑛−1 2(𝑛−1) 𝑢𝑛khảmởkhivàchỉkhi0≤2𝑢 ̅ ≤ 25 𝑛−𝑢̅ 𝑛̅ −̅ 1̅ 𝑢i 𝑢i Trongđó𝑢̅ = ⌊ ∑𝑛−1 ̅⌋,𝑑̃ ̅ = ∑𝑛−1 −̅ 𝑢̅ ̅ i=1 i=1 𝑛−1 𝑛−1 𝑛−1 𝑛−1 Địnhlý4(điều kiệnkhảbiến) 2𝑇 a 𝑢1khảbiếnkhivàchỉkhi⌊𝑛−2⌋+⌊𝑑̃ 1− −2𝑇⌋ ̃ 𝑢≤255+⌊𝑑 1 b 2(𝑛−1) +𝑚𝑜𝑑(𝑛,2)2⌋≤ 𝑛−1 𝑛−1 uk h ả biến chỉkhi 𝑘 2𝑇 (𝑛−𝑘− )(𝑛− 𝑘 ) ̃ 2∑𝑑̃ 7+⌊𝑑1− 𝑛−1+ 2(𝑛−1) i=2 𝑘 2𝑇 ⌋≤𝑢 𝑘 𝑘(𝑘−1) ̃ 𝑢𝑘≤255+2∑𝑑̃ − ⌋,𝑘=2…𝑛−1 7+⌊𝑑1− 𝑛−1 2(𝑛−1) i=2 ̃ unkhảbiếnkhivàchỉkhi0≤𝑢 𝑛−2𝑑 𝑛≤ 25 = ∑𝑛−1𝑢i−⌊∑𝑛−1𝑢i⌋,𝑑̃ Trongđó:𝑑̃ =𝑢i7−𝑢i−1−⌊𝑢i−𝑢i−1⌋,i= i=1 i=1 𝑛−1 2 ̅̅̅− 𝑢𝑛 −𝑢̅ 𝑢𝑛 −̅ 𝑢̅ 𝑛−1̅𝑛−1 𝑛̅ −̅ 1̅ 2…𝑛−1,𝑑̃ ⌊ ⌋,𝑇=∑𝑛−1(𝑛−i)𝑑̃ 𝑛= c 2 i=2 ⌋