NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THỦY VÂN SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC TRÊN ẢNH JPEG

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong bốn chương của luận án, ngoài phần mở đầu và kết luận. Chương 1: Tổng quan về các nghiên cứu trong lĩnh vực thủy vân số. Chương 2: Chất lượng của thủy vân ẩn trước tấn công nén ảnh JPEG. Chương 3: Thủy vân ẩn trên ảnh số trước nén ảnh JPEG với tỉ số nén khác nhau. Chương 4: Đề xuất một mô hình quản trị thủy vân trên ảnh số.

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG NGUYỄN LÊ CƯỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THỦY VÂN SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC TRÊN ẢNH JPEG TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT HÀ NỘI – 2012 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Cơng nghệ Bưu chính-Viễn thơng Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Bình TS Nguyễn Ngọc Minh Phản biện 1: GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Thế Hiếu Phản biện 3: PGS.TS Lê Mỹ Tú Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào hồi: 14 00, ngày 13 tháng 12 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1] [2] [3] [4] [5] [6] Hieu T Nguyen, Minh N Nguyen, Cuong L Nguyen, Edhem Custovic, “An FPGA-based Implementation for Repeated Square-and-Multiply Polynomials”, Proceedings of the 6th IEEE International Conference on Broadband Communications & Biomedical Applications, Nov 2011, Melbourne, Australia Cuong L Nguyen, Minh N Nguyen, Binh Nguyen, Edhem Custovic, “An algorithm to improve the robustness of imperceptible watermarks against JPEG compression", Proceedings of the 6th IEEE International Conference on Broadband Communications & Biomedical Applications, Nov 2011, Melbourne, Australia Nguyễn Lê Cường, “Một phương pháp lựa chọn hệ số nhúng nhằm nâng cao tính bền vững thủy vân ẩn phép nén ảnh JPEG”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, số 17, tr.102-108, tháng 2, 2012 Nguyễn Lê Cường, “Tối ưu hóa tham số cho thủy vân ẩn chống lại công nén ảnh JPEG với hệ số chất lượng khác nhau”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học cơng nghệ quân sự, số 19, tr.45-54, tháng 6, 2012 Nguyễn Lê Cường, Nguyễn Ngọc Minh, “Một phương pháp nhúng thủy vân thích nghi nhằm nâng cao chất lượng thủy vân ảnh số”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Viện KHCN Việt Nam, tập 50(2A), tr.120-133, tháng 9, 2012 Nguyễn Lê Cường, “Cải tiến phương pháp lựa chọn tham số nhúng thủy vân ẩn tối ưu ảnh số chống lại công nén ảnh JPEG”, Kỷ yếu hội thảo tồn quốc Điện tử - Truyền thơng - An tồn thơng tin ATC/REV 2012, tr.20-28, tháng 10, 2012 MỞ ĐẦU Ngoài việc đảm bảo chất lượng ảnh sau đánh dấu thủy vân cịn phải bền vững trước tác động từ bên lên ảnh chẳng hạn phép xử lý ảnh Đối với thủy vân ảnh số việc nén ảnh, đặc biệt nén JPEG, cơng phổ biến Đã có nhiều nghiên cứu vấn đề thủy vân ảnh số dựa biến đổi DCT để đối phó với nén JPEG Các tác giả trước thường phải giải vấn đề gặp phải là: mâu thuẫn chất lượng ảnh chứa thủy vân với độ bền vững thủy vân trước công, mâu thuẫn tỉ số nén chất lượng thủy vân khôi phục Nhiều phương án dung hòa mâu thuẫn nghiên cứu đề xuất Một số phương án đề xuất thử nghiệm thành công có phương án thủy vân dựa miền DCT dựa tính tốn sai số lượng tử hóa phép nén JPEG miền Tuy nhiên hầu hết lược đồ cho phép nhúng thủy vân nhị phân dựa sai số lượng tử hóa, đề cập đến việc nhúng liệu đa cấp xám vấn đề lượng hóa, tối ưu hóa chất lượng thủy vân, việc quản lý chất lượng trình nhúng (đảm bảo dung lượng thủy vân, đảm bảo chất lượng ảnh chứa thủy vân, đảm bảo độ bền vững trước công nén JPEG với tỉ số nén khác ) chưa đề cập cách thấu đáo Chính tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thủy vân sử dụng biến đổi cosine rời rạc ảnh JPEG” để thực luận án tiến sĩ Mục đích nghiên cứu trình bày luận án nhằm giải vấn đề nêu khía cạnh chất lượng ảnh chứa thủy vân, tính bền vững thủy vân trước công nén ảnh JPEG Nhiệm vụ cụ thể để thực mục đích gồm: nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng thủy vân ẩn ảnh số chống lại công nén JPEG thông qua việc nghiên cứu tác nhân gây ảnh hưởng cách khắc phục ảnh hưởng nén JPEG đến chất lượng thủy vân; đề xuất phương pháp nhúng thủy vân ẩn vào ảnh số miền DCT đáp ứng yêu cầu cho trước chất lượng ảnh chứa thủy vân, độ bền vững thủy vân trước công nén ảnh JPEG với tỉ số nén thay đổi; đề xuất mơ hình hệ thống thủy vân số có tính mở nhằm tạo điều kiện cho việc ứng dụng hiệu kết đạt Luận án sử dụng cơng cụ tốn học cơng cụ lý thuyết xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh, mã hóa, lý thuyết thống kê, tối ưu hóa để giải yêu cầu nghiên cứu Các chức lập trình, mô phần mềm Matlab, thư viện ảnh mẫu sử dụng công cụ để thử nghiệm đánh giá kết nghiên cứu Những kết nghiên cứu trình bày bốn chương luận án, phần mở đầu kết luận Chương 1: Tổng quan nghiên cứu lĩnh vực thủy vân số Chương 2: Chất lượng thủy vân ẩn trước công nén ảnh JPEG Chương 3: Thủy vân ẩn ảnh số trước nén ảnh JPEG với tỉ số nén khác Chương 4: Đề xuất mô hình quản trị thủy vân ảnh số CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC THỦY VÂN SỐ 1.1 Giới thiệu chương Chương trình bày tổng quan kỹ thuật thủy vân số Trong đó, luận án giới thiệu tổng quát thủy vân số, điểm qua số xu hướng nghiên cứu, hoàn thiện tác giả nước có liên quan đến đề tài Phần nhắc lại số nét nén ảnh, cụ thể nén ảnh JPEG, quan điểm coi cơng thủy vân Qua đó, luận án nêu phân tích vấn đề cịn tồn phương pháp thủy vân nói chung, phương pháp thủy vân ẩn ảnh số sử dụng biến đổi DCT nhằm chống lại công nén ảnh JPEG nói riêng Đây tiền đề cho nghiên cứu luận án 1.2 Khảo sát nghiên cứu gần kỹ thuật thủy vân ảnh số công nén ảnh số 1.2.1 Một số công trình liên quan đến kỹ thuật thủy vân ảnh số 1.2.1.1 Phương pháp miền không gian Kỹ thuật chân phương nhúng thủy vân vào bít có trọng số thấp (LSB) Đây phương pháp dễ thực dễ bị nhận biết cơng đơn giản, cần đặt tất bit LSB không (0) (1) phá hủy hồn tồn thủy vân 1.2.1.2 Phương pháp miền tần số Ở đề cập chủ yếu đến phương pháp thủy vân miền DCT miền DWT phương pháp sử dụng kết hợp hai biến đổi Các phương pháp gặp phải một vài nhược điểm sau: ảnh hưởng nhiều tới chất lượng ảnh gốc, thiếu bền vững bị công nén với tỉ số nén khác nhau, dung lượng thủy vân thấp, khó kiểm soát chất lượng ảnh chứa thủy vân, chất lượng thủy vân khôi phục sau công… 1.2.1.3 Một số nghiên cứu khác Một số hướng nghiên cứu khác thủy vân số tập trung vào việc cứng hóa thuật tốn thủy vân, xây dựng hệ thống ứng dụng thủy vân… 1.2.2 Một số nghiên cứu công nén ảnh số thủy vân 1.2.2.1 Vài nét cơng nén ảnh Nén ảnh có tổn hao dựa đặc điểm sinh lý hệ thống thị giác người, là, nhạy cảm cao với tần số thấp tần số cao Nén ảnh có tổn hao chất làm suy giảm chất lượng thủy vân ảnh số xem phép công phổ biến ứng dụng rộng rãi đời sống xã hội Trong phần này, hai kỹ thuật nén ảnh phổ biến JPEG JPEG2000 phân tích để làm rõ nguyên nhân làm biến đổi thủy vân ảnh số ảnh có chứa thủy vân nén 1.2.2.2 Ảnh hưởng kỹ thuật nén ảnh đến thủy vân Với nén JPEG, hệ số tần số lượng tử hố thơ (bước lượng tử lớn) hệ số tần số cao lượng tử hoá tinh (bước lượng tử nhỏ) hệ số có tần số thấp Bảng lượng tử hoá lấy tỉ lệ để tạo mức nén thay đổi tuỳ theo tốc độ bít chất lượng ảnh Với nén JPRG q trình làm trịn lượng tử hố ngun nhân gây tổn hao lại nhân tố đem lại hiệu suất nén Với JPEG2000, biến đổi sóng chia dải tần số ảnh thành nhiều dải tần mã hoá dải tần số lượng bit khác Các hệ số phép biến đổi sóng lượng tử hố Q trình lượng tử hố cho phép đạt tỷ lệ nén cao cách thể giá trị biến đổi với độ xác tương ứng cần thiết với mức chi tiết ảnh cần nén Lượng tử hóa JPEG2000 có tác dụng hiệu suất nén ảnh hưởng đến chất lượng thủy vân so với nén JPEG 1.2.3 Nhận xét Cả phép nén thuỷ vân dựa thực tế thay đổi nhỏ biểu diễn tín hiệu khơng dễ nhận thấy hiển thị Đối với phép nén, thay đổi việc giảm số lượng bit lưu trữ cần thiết Đối với kỹ thuật thuỷ vân, thay đổi sử dụng việc nhúng dị tìm thuỷ vân Để kết hợp thành cơng mã hố thị giác với thủy vân, phải xác định mức độ thỏa hiệp phù hợp cho hai q trình đạt nhiệm vụ chúng 1.3 Phương pháp thủy vân miền DCT công nén ảnh JPEG 1.3.1 Biến đổi cosine rời rạc (DCT) Biến đổi cosine rời rạc biến đổi toán học nhằm chuyển đổi miền biểu diễn tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số ứng dụng nhiều phép xử lý tín hiệu xử lý ảnh, xử lý video Về chất, biến đổi cosine rời rạc phần thực biến đổi Fourier rời rạc Nén ảnh, video hầu hết sử dụng biến đổi cosine loại bỏ tương quan điểm ảnh miền không gian đồng thời yêu cầu phức tạp tính tốn tài ngun 1.3.2 Tấn cơng nén ảnh JPEG Trong trình nén ảnh JPEG Baseline ảnh gốc chia thành khối ảnh 8x8 biến đổi DCT Ở xem xét trường hợp ảnh gốc ảnh đa cấp xám thành phần chói ảnh màu Với trường hợp ảnh màu ảnh tách thành ba thành phần màu riêng biệt trình nén thành phần tương tự trình trình bày Sau thực biến đối DCT, 64 hệ số lượng tử hoá dựa bảng lượng tử gồm 64 phần tử Q(i, j) với ≤i, j ≤7 Bảng xác định cụ thể theo chất lượng q tỉ lệ nén mong muốn Mỗi phần tử ma trận lượng tử số nguyên có giá trị từ tới 255 Mỗi hệ số DCT C(i, j) chia tham số kích thước bước lượng tử tương ứng Q(i, j) ma trận lượng tử làm tròn tới số nguyên gần phương trình sau:  C n (i, j )  F n i, j   round    Q(i , j )    Quá trình giải lượng tử thực theo phương trình sau: C 'n (i , j )  F n (i , j )  Q (i , j ) (1.6) (1.7) Mục đích việc lượng tử hố giảm số lượng bit cần để lưu trữ hệ số biến đổi việc giảm độ xác hệ số lượng tử q trình xử lý có thơng tin Trong qus trình thân biến đổi DCT khơng làm (hoặc làm ít) thơng tin DCT biến đổi tuyến tính chuyển giá trị điểm ảnh từ miền không gian thành hệ số miền tần số Quá trình lượng tử theo bảng lượng tử hóa nguyên nhân chủ yếu thơng tin ảnh cơng thủy vân 1.4 Kết luận chương Các kỹ thuật thủy vân bị ràng buộc để đáp ứng yêu cầu mâu thuẫn Đó yêu cầu khả chống lại việc loại bỏ thủy vân cách có khơng có chủ định u cầu độ trì độ trung thực cao ảnh có nhúng thủy vân… Đối với nén ảnh JPEG, nguyên nhân chủ yếu làm giảm kích thước ảnh làm ảnh hưởng đến thủy vân trình lượng tử hóa Nén ảnh JPEG với tỉ số nén lớn (hệ số chất lượng q nhỏ) làm ảnh hưởng đến thủy vân chứa ảnh Đối với thủy vân ẩn phải thỏa mãn yêu cầu khó bị cảm nhận mắt thường Nhiều kỹ thuật khai thác miền biểu diễn tín hiệu ảnh khác nhau, để đảm bảo chất lượng ảnh chứa thủy vân và/hoặc tính bền vững thủy vân trước cơng điển hình kỹ thuât thủy vấn ẩn miền DCT Đây đối tượng mục tiêu nghiên cứu phần luận án CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG THỦY VÂN ẨN TRƯỚC TẤN CÔNG NÉN ẢNH JPEG 2.1 Giới thiệu chương Chương cải tiến đề xuất phương pháp thủy vân miền DCT nhằm nâng cao chất lượng thủy vân trước công nén ảnh JPEG với tỉ số nén cố định dựa việc đánh giá sai số lượng tử phép nén khái niệm gọi “bù sai số lượng tử” 2.2 Đánh giá chất lượng thủy vân Các tiêu chí thể chất lượng xem xét phương diện chất lượng ảnh sau nhúng thủy vân độ bền vững thủy vân cơng Việc đánh giá thực cách dùng chuẩn chủ quan khách quan Chuẩn chất lượng quan sát chủ quan: Thông thường thước đo chất lượng chủ quan định nghĩa điểm số trung bình thu từ người quan sát MOS Chuẩn chất lượng khách quan : Tỉ số đỉnh tín hiệu nhiễu PSNR ảnh sau nhúng thủy vân chứa thủy vân, cho biết chất lượng ảnh sau nhúng thủy vân: PSNR  20 log 10  Max [ C n ( i , j )]    MSE       (2.1) Hệ số tương quan hai ảnh -  cho biết mức độ giống thủy vân gốc thủy vân tách từ ảnh có nhúng thủy vân sau công hay độ bền vững thủy vân công:   n 'n  i , j ,n [W (i , j )   W ][W ( i , j )  W ' ] n 'n  i , j ,n [W ( i , j )  W ]  i , j ,n [W ( i , j )   W ' ] (2.3) 2.3 Phương pháp thủy vân dựa sai số lượng tử 2.3.1 Giới thiệu phương pháp thủy vân thông thường miền DCT n Biểu thức mô tả mối quan hệ hệ số DCT ảnh gốc C (i , j ) n với hệ số DCT ảnh sau nhúng thủy vân C w (i, j ) : n n n C w (i , j )   ij C n (i , j )   ij W n (i , j ) (2.4) n Trong đó, W (i, j ) hệ số DCT thủy vân gốc vị trí tọa độ (i, n n j) thuộc khối hệ số DCT thứ n;  ij hệ số tỉ lệ  ij hệ số nhúng khối 'n n vị trí (i, j) tương ứng Nếu gọi C w (i , j ) hệ số DCT ảnh chứa thủy vân bị công phép nén ảnh JPEG trình tách thủy vân sau n công (với  ij  ) mơ tả biểu thức sau: 'n n n W 'n (i, j )  (Cw (i, j )   ij C n (i, j )) /  ij Để đơn giản người ta hay chọn   00  n n  ij     n  ij =1 n  ij (2.5) sau: i  j 0 i, j khác (2.6)  chọn đủ lớn để khơi phục thủy vân sau nén JPEG đủ nhỏ để thủy vân ẩn,  thích hợp chọn phương pháp kinh nghiệm Đây phương pháp thủy vân thông thường - TWM Phương pháp chưa xem xét đến tác động trình lượng tử hóa, q trình gây mát thơng tin lớn phép nén ảnh nói chung nén ảnh JPEG nói riêng Do đó, khả chống lại tác động công nén ảnh JPEG phương pháp Phần nghiên cứu cải tiến đề xuất phương pháp nhằm cải thiện vấn đề 2.3.2 Đề xuất phương pháp thủy vân dựa sai số lượng tử Trong phần này, luận án đề xuất kỹ thuật thủy vân ẩn dựa việc thay đổi hệ số DCT ảnh gốc biểu thức (2.4) Trong kỹ thuật này, n hệ số ij chọn dựa việc đánh giá sai số lượng tử nén ảnh phép nén ảnh JPEG Baseline cho giảm thiểu ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc đồng thời đảm bảo tính bền vững thủy vân phép n nén ảnh này.Hệ số ij chọn sau: n (i, j ) : hệ số nhúng tạm tính, xác định sau:  Q (i , j )   n (i , j ) n (i , j )   n W n (i , j )  n n (i , j )   W (i, j ) W (i, j )  W n (i , j )  0 (2.14) Với cách chọn : 'n n W'n (i, j)  (Cw (i, j)  Cn (i, j))/  n (i, j)  (Cw(i, j)  Cn (i, j))/  n (i, j) Wn (i, j) (2.17) Kết hệ số DCT ảnh gốc lựa chọn để nhúng thủy vân khơi phục cách xác sau bị cơng Phương pháp gọi thủy vân cải tiến, ký hiệu QEWM-A 2.4.4 Thực nghiệm kết Bảng 2.2 cho thấy để thu hệ số tỉ số đỉnh tín hiệu nhiễu – PSNR tương tự hệ số tương quan γQEWM-A đạt từ thủy vân tách sau công với thủy vân gốc phương pháp QEWM-A lớn nhiều so với hệ số nhúng cố định  γTWM phương pháp TWM Cũng vậy, để đạt hệ số tương quan  tương tự PSNRQEWM-A lớn nhiều so với PSNRTWM  γTWM PSNRTWM  γQEWM-A PSNRQEWM-A 0.010 0.2331 42.9037 0.02 0.8100 46.8282 0.015 0.3956 42.2393 0.03 0.8509 45.8844 0.020 0.4729 41.4527 0.04 0.8742 44.9684 0.025 0.5467 40.6140 0.05 0.8889 44.1800 0.030 0.6112 39.7695 0.06 0.8969 43.6171 0.035 0.6472 38.9458 0.07 0.9032 43.0487 0.040 0.6917 38.1564 0.08 0.9087 42.5444 0.045 0.7273 37.4069 0.09 0.9147 41.8343 0.050 0.7494 36.6986 0.10 0.9189 41.3355 Bảng 2.1 Hệ số nhúng  ,  với hệ số tương quan γ tỉ số đỉnh tín hiệu nhiễu PSNR tương ứng 10 2.5 Kết luận chương Phương pháp thủy vân ẩn ảnh số QEWM dựa sai số lượng tử nén ảnh JPEG đảm bảo hệ số tương quan thủy vân gốc thủy vân khôi phục trì chất lượng ảnh có chứa thủy vân tốt phương pháp thông thường Khái niệm “bù sai số lượng tử” nén định nghĩa làm sở đề xuất phương pháp lựa chọn hệ số nhúng cải thiện đảm bảo chất lượng ảnh thủy vân độ bền vững thủy vân trước công nén ảnh JPEG với tỉ số nén cố định - phương pháp QEWM-A CHƯƠNG 3: THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ TRƯỚC NÉN ẢNH JPEG VỚI TỈ SỐ NÉN KHÁC NHAU 3.1 Giới thiệu chương Chương đề xuất số phương pháp thủy vân ẩn ảnh số chống lại công nén ảnh JPEG với tỉ số nén khác nhau, đảm bảo yêu cầu cho trước chất lượng thủy vân việc đảm bảo chọn lựa thủy vân, ảnh gốc cách hiệu 3.2 Ảnh hưởng nén ảnh JPEG với tỉ số nén khác Với cơng nén ảnh JPEG có chủ đích nhằm loại bỏ thủy vân hệ số chất lượng phép nén lựa chọn Khi hệ số chất lượng qa phép công nén JPEG thay đổi (có thể khác với qc) sai số lượng tử  hệ số DCT có nhúng thủy vân thay đổi dẫn đến thủy vân khơi phục bị ảnh hưởng chí sai khác hoàn toàn số hệ số đó, dẫn đến giảm nghiêm trọng  Cần ước lượng hệ số chất lượng nhúng thủy vân qc giới hạn hệ số nhúng  phù hợp để đảm bảo chất lượng ảnh chứa thủy vân (PSNR) độ bền vững thủy vân (  ) 11 3.3 Đề xuất phương pháp ước lượng tham số trường hợp toàn ảnh 3.3.1 Giới thiệu Phần đề xuất giải pháp ước lượng tham số nhằm giảm ảnh hưởng đến chất lượng ảnh trì khả khơi phục phát thủy vân công (phép nén ảnh JPEG với hệ số chất lượng khác nhau) 3.3.2 Một số đại lượng toán ước lượng tham số Với mục đích tìm qc,  thỏa mãn yêu cầu trên, luận án định nghĩa số đại lượng gồm: trị trung bình hệ số tương quan, phương sai hệ số tương quan - Gọi  ( q c ,  ) qa : trị trung bình hệ số tương quan thủy vân gốc thủy vân với tách sau công nén JPEG với hệ số chất lượng qa thay đổi từ qmin đến qmax là: q max  ( q c , ) qa    ( q c , )  - q a  q (3.1) q max  q Phương sai  ( q c ,  ) qa hệ số chất lượng qa thay đổi từ qmin đến qmax: q max    (q c , )  q a  q  ( q c ,  ) qa    (q c ,  )  q max  q Bài toán 1:  Tiêu chí:  (qc , )   Các điều kiện ràng buộc: PSNR (qc ,  )  T _ PSNR  ( qc ,  )  T _  q  q c  q max , q c  N *  0,  R 12 (3.2) 3.3.3 Thuật giải QEWM-AO Thuật giải ước lượng tham số qc,  theo kinh nghiệm nhúng thủy vân (q co theo , phương pháp QEWM-A xây dựng để tìm  o )  (qcj , i ) |min[   (q cj , i ) ].Thực thủy vân theo phương pháp QEWM- A với qco,  o vừa tìm 3.3.4 Cải tiến phương pháp QEWM-AO-phương pháp QEWM-AOA Độ hội tụ phân bố tương quan thủy vân gốc thủy vân khôi phục tỉ số trị trung bình phương sai phân bố tương quan, xác định sau:  (q  c , ) )  ( q , )  c  (q   c , (3.6) Bài tốn 2:  Tiêu chí:  (qc , )  max  Các điều kiện ràng buộc: PSNR ( q c  )  T _   q  qmax , q  N * c c  (q  q  )  T _ PSNR , c ,   0,   R 3.3.5 Thuật giải QEWM-AOA Dựa vào nghiên cứu trên, thuật giải ước lượng tham số (qco,  o ) cải tiến theo Bài toán xây dựng sau:  Xác định qmin, qmax, θmin, θmax  Xác định bước rời rạc hóa  để giảm thiểu thời gian độ phức tạp tính tốn  Xác định yêu cầu T_PSNR T _    Gọi C, Cw, Cw’ ảnh gốc, ảnh chứa thủy vân trước sau công  W, W’ thủy vân gốc thủy vân khôi phục sau công for θi =θmin: θmax for qcj =qmin :qmax Cw=QEWM_A(C, W, i , qcj ); if PSNR(C, Cw) > T_PSNR 13 for qak =qmin :qmax C’w =JPEG(Cw, qak); W’ =I_QEWM_A(C’w, qcj);  (qcj ,  i ) qak =corr(W, W’); end end   ( q cj ,  i ) =mean[  (q cj ,  i ) ]; if   ( q cj ,  i ) > T _    ( q cj ,  i ) =var[  ( q cj ,  i ) ];  (q  cj , i)  (q    (q  cj cj i) i) ; , , else   ( q cj ,  i ) =0;   ( q cj ,  i ) =0;   ( qcj ,  i ) =0; end end end ( q co ,  o )  ( q cj ,  i ) |max[   ( q cj ,  i ) ]; Thực thủy vân theo phương pháp QEWM-A với qco,  o vừa tìm 3.3.6 Thử nghiệm kết Các kết phân tích cho thấy thuật giải cải tiến QEWM-AOA với tiêu chí cực đại hóa độ hội tụ đáp ứng tốt yêu cầu chất lượng thủy vân trước công nén ảnh JPEG với hệ số chất lượng khác so với thuật giải QEWM-AO dựa tiêu chí cực tiểu hóa phương sai phân bố tương quan thủy vân gốc thủy vân khơi phục 14 0.9 HƯ sè t­¬ng quan -  0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 qc=51, =0.06 qc=59, =0.09 0.3 qc=90, =0.02 0.2 qc=54, =0.08 0.1 30 40 50 60 70 80 90 100 HƯ sè chÊt l­ỵng cđa tÊn c«ng nÐn JPEG - q a Hình 3.1 Hệ số tương quan  với (qc ,  ) = A(90, 0.02); B(59, 0.09); C(51, 0.06); D(54,0.08) TT  qc PSNR     (30)  (70)  (100) A 0.02 90 51.43 0.4556 - - 0.1202 0.4108 0.9197 B 0.09 59 45.09 0.7607 0.008216 92.58 0.3501 0.7222 0.8342 C 0.06 51 46.33 0.7001 0.006010 116.6 0.5018 0.7221 0.8091 D 0.08 54 45.21 0.7468 0.006267 119.2 0.5596 0.7796 0.8606 Bảng 3.1 Giá trị đại lượng tương ứng với (qc,  )= A(90, 0.02); B(59, 0.09); C(51, 0.06); D(54, 0.08) (a) (b) Hình 3.2 a Ảnh gốc (a) b Thủy vân gốc (b) (c) (d) Hình 3.3 Ảnh chứa thủy vân với tham số qc=90,  =0.02 thủy vân khôi phục a Ảnh chứa thủy vân b qa=30 c qa =70 d qa =100 15 (a) (b) (c) (d) Hình 3.4 Ảnh chứa thủy vân với tham số qc=59,  =0.09 thủy vân khôi phục a Ảnh chứa thủy vân b qa=30 c qa =70 d qa =100 (a) (b) (c) Hình 3.5 Ảnh chứa thủy vân với tham số qc=51, (d)  =0.06 thủy vân khôi phục a Ảnh chứa thủy vân b qa=30 c qa =70 d qa =100 (a) (b) (c) Hình 3.6 Ảnh chứa thủy vân với tham số qc=54, (d)  =0.08 thủy vân khôi phục a Ảnh chứa thủy vân b qa=30 c qa =70 d qa =100 Thông qua nghiên cứu tính chất phân bố tương quan ảnh gốc thủy vân gốc với hệ số chất lượng khác đồng thời định nghĩa số đại lượng để đánh giá phân bố có đại lượng quan trọng độ hội tụ tương quan, phần này, luận án thiết lập mơ hình tốn học đề xuất thuật giải nhằm ước lượng hệ số lượng tử hóa, giới hạn hệ số nhúng để đảm bảo yêu cầu cho trước chất lượng thủy vân với công nén ảnh JPEG với hệ số chất lượng khác 3.4 Đề xuất phương pháp ước lượng tham số thích nghi hệ số 3.4.1 Giới thiệu Trong trường hợp đòi hỏi chọn lựa thủy vân ảnh gốc cho phù hợp với để tái sử dụng liệu cách có hiệu cần 16 xây dựng phương pháp xác định thông số độc lập liệu thủy vân ảnh gốc Phấn đề xuất phương án nhằm xác định hệ số nhúng, vị trí nhúng thích nghi hệ số DCT ảnh gốc thủy vân, để đảm bảo chất lượng ảnh chứa thủy vân tính bền vững thủy vân công nén ảnh JPEG với hệ số chất lượng khác 3.4.2 Một số định nghĩa Trong phương pháp mới, thay cho việc ước lượng tham số hệ số lượng tử hóa, giới hạn hệ số nhúng tối ưu cố định cho tồn ảnh, đặc tính thống kê sai số lượng tử hóa phân tích, đánh giá để từ xác định khả chứa thủy vân, độ bền vững trước công hệ số DCT Trị trung bình bù sai số lượng tử hệ số DCT C n (i , j ) hệ số chất lượng q thay đổi: q max   nq ( i , j ) q  q n   (i , j )  (3.9) q max  q n n Độ lớn   (i, j ) tỉ thuận khả chứa thủy vân hệ số DCT C (i , j ) n Phương sai bù sai số lượng tử hệ số DCT C (i, j ) hệ số chất lượng q thay đổi: q max  n   (i , j )  q  q  n q n (i , j )    (i, j ) q max  q  (3.10) n Giá trị   (i, j ) tỉ lệ nghịch với độ đồng phân bố sai số lượng tử hệ số chất lượng q thay đổi n Độ bền vững phân bố sai số lượng tử hệ số DCT C (i, j ) hệ số chất lượng q thay đổi sau: n   (i, j )  n   (i, j ) n   (i, j ) (3.11) n   (i, j ) cho đại diện cho tính bền vững thủy vân hệ số DCT C n (i, j ) theo phương pháp QEWM-A trước công nén ảnh JPEG với hệ số chất lượng thay đổi từ qmin đến qmax 17 3.4.3 Dung lượng chứa thủy vân ảnh gốc Gọi tổng số hệ số DCT ảnh gốc có độ bền lớn giới hạn n cho trước (   ( i , j )  thres _  ) dung lượng chứa thủy vân ảnh gốc ứng với giới hạn độ bền ( thres _  ), ký hiệu  thres_  Tính chất 1: Dung lượng chứa thủy vân ảnh gốc không phụ thuộc vào đặc tính thủy vân nhúng vào 3.4.4 Tỷ số đỉnh tín hiệu nhiễu cực tiểu Tính chất 2: Tồn tỉ số đỉnh tín hiệu nhiễu cực tiểu ứng với dung lượng chứa thủy vân  thres _  cho trước Tỉ số đỉnh tín hiệu nhiễu đạt cực tiểu: PSNR MIN  20 log 10  Max [ C n ( i , j )]   MSE max     20 log   10        Max [ C  _  thres  [ m  n     p q  n    ( i , j )] ( m )] (3.17) 3.4.5 Xây dựng thuật toán nhúng thủy vân thích nghi  Xét ảnh gốc I có kích thước N khối 8x8 điểm ảnh, thủy vân IW có kích thước M khối 8x8 điểm ảnh  Biến đổi DCT ảnh gốc thủy vân gốc để thu ma trận  W n (i, j) C n (i , j ) tương ứng n  Tính  (i, j) tất hệ số DCT  Tính  (i, j) tất hệ số DCT  Sắp xếp hệ số n  C n (i , j ) C n (i , j ) n C (i , j ) ảnh gốc ảnh gốc n ảnh gốc theo thứ tự giảm dần   (i, j) , n dãy   (k ) ma trận chứa số idx (i, j ) Trong kết xếp n lưu dãy   (k ) , ma trận  idx (i, j) chứa số k   (k ) cho: n n   (i, j)    [idx (i, j )] Tương ứng ta có dãy   (k ) n  (3.18) C (k ) với: n idx n  (i, j )    [ (i, j)] C n (i, j)  C[ idx (i, j)] n idx (3.19) Ma trận  (i, j) dùng trong trình nhúng thủy vân cịn lưu lại khóa bí mật thứ dùng trình tách thủy vân 18  n Các vị trí có khả chứa thủy vân tối ưu vị trí có   (i, j) lớn n   (i, j) ứng với lớn ngưỡng thres _  cho trước Xét phần tử   (k ) từ k=1 đến k lớn (nghĩa giá trị   (k ) từ cao xuống thấp), phần tử   (k ) có   (k ) tương ứng thỏa mãn   (k )  thres _  giữ nguyên giá trị, phần tử   (k ) có   (k )  thres _  gán xếp vào mảng   (k ) Tổng số phần tử khác mảng   (k ) dung lượng chứa thủy vân  thres _  ảnh gốc ứng với ngưỡng  Sắp xếp hệ số n W (i, j) theo thứ tự giảm dần dãy thres _  W (m ) ma trận n idx chứa số W (i, j) cho: n W n (i, j)  W[Widx (i, j)] (3.20) n idx Ma trận W [W (i, j)] dùng trong trình nhúng thủy vân lưu lại khóa bí mật thứ hai dùng q trình tách thủy vân  Nhúng thủy vân W (m) vào hệ số C (k ) mà   ( k )  theo biểu thức (2.4): C w ( k )  C ( k )   ( k )W ( m ) (3.21) hết dung lượng chứa thủy vân  thres _  hết W (m) Như hệ số DCT quan trọng thủy vân nhúng vào hệ số DCT ảnh gốc có khả chứa thủy vân lớn Hệ số nhúng  (k ) xác định sau :    ( k )   ( k )   W ( m) 0   (k )  W ( m)  lưu lại khóa bí mật thứ ba dùng q trình tách thủy vân n Tìm ma trận Cw (i, j ) : n n C w (i, j )  C[  idx (i, j )]  (3.22) W ( m)  (3.23) n Biến đổi DCT ngược Cw (i, j ) , thu ảnh có chứa thủy vân Quá trình tách thủy vân thực sau:  Biến đổi DCT ảnh có chứa thủy vân (có thể bị cơng) để thu 'n ma trận hệ số DCT C w (i, j)  ' Tìm ma trận Cw (k ) với: ' ' n Cwn (i, j )  C w [  idx (i, j )] 19 (3.24)  Tìm ma trận W ' ( m) sau bị công: [C' (k)  Cw (k)]/ (k) W ' (m)   w 0  (k)   (k)  (3.25) Khôi phục ma trận: n W ' (i, j )  W ' [Widx (i, j )]  (3.26) ' Biến đổi DCT ngược W (i, j ) thu thủy vân sau công 3.4.6 Thử nghiệm kết 4.5 Dung l­ỵng thđy v©n -  (dB) 3.5 X: 290 Y: 2.79 2.5 X: 336 Y: 2.52 X: 380 Y: 2.21 1.5 0.5 0 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 Giới hạn độ bền vững thres- Hỡnh 3.7 Đặc tuyến biểu diễn mối quan hệ ngưỡng bền vững thres _  dung lượng chứa thủy vân tính theo đơn vị dB: Phương pháp  qc thres _  QEWM-AOA 0.08 54 - QEWM-AMN - - QEWM-AMN - QEWM-AMN -  dB =log10(  thres _  ) ảnh Lena  thres PSNR    - 45.2100 0.7468 0.006267 119.2000 0.380 162 50.7417 0.7848 0.006900 113.1365 - 0.335 332 48.6827 0.8530 0.003800 223.1833 - 0.290 616 44.0513 0.8748 0.005200 169.4572 _  Bảng 3.2 Các tham số kết phương pháp thủy vân QEWM-AOA QEWM-AMN 20 0.9 0.8 HƯ sè t­¬ng quan -  0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 QEMW-AOA 0.2 QEMW-AMN =0.290 0.1 QEMW-AMN =0.335 QEMW-AMN =0.380 30 40 50 60 70 80 90 100 Hệ số chất lượng công nén ảnh JPEG - q a Hình 3.8 Hệ số tương quan thủy vân gốc thủy vân khôi phục sau công 3.5 Kết luận chương Chương thiết lập mô hình tốn học đề xuất thuật giải (QEWM-AO, QEWM-AOA) nhằm ước lượng hệ số lượng tử hóa, giới hạn hệ số nhúng để đảm bảo yêu cầu cho trước chất lượng ảnh chứa thủy vân độ bền vững thủy vân với công nén ảnh JPEG với hệ số chất lượng khác Chương đề xuất phương pháp thích nghi hệ số DCT ảnh gốc thủy vân gốc Phương pháp đòi hỏi việc tính tốn phức tạp cho phép tái sử dụng thông số lựa chọn thủy vân ảnh gốc trường hợp cần xác định liệu cách phù hợp Phương pháp đồng thời nâng cao chất lượng thủy vân, tăng cường tính bảo mật khả chống lại số công khác quay, cắt ảnh… CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MỘT MƠ HÌNH QUẢN TRỊ THỦY VÂN ẨN TRÊN ẢNH SỐ 4.1 Giới thiệu chương Ứng dụng kết nghiên cứu trình bày chương 3, luận án đề xuất mơ hình hệ thống thực thuật toán thủy vân đề xuất luận án Đây hệ thống mở, cho phép lựa chọn, cập nhật lược 21 đồ thủy vân sở liệu với phù hợp với yêu cầu, mục đích khác Hệ thống QEWM-SYS 4.2 Thiết kế tổng thể hệ thống 4.2.1 Chức hệ thống Chức hệ thống là: hệ thống quản trị thủy vân ảnh số nhằm thực thuật toán nhúng/tách/đánh giá thủy vân ảnh số, quản lý, lưu trữ liệu liên quan đến trình nhúng/tách/đánh giá thủy vân 4.2.2 Yêu cầu hệ thống Có khả thực thuật tốn thủy vân; lựa chọn, phân tích ảnh gốc thủy vân gốc để tìm tham số tối ưu tương ứng với thuật toán chọn thông qua giao diện đồ họa; lưu trữ tham số kết thủy vân để thực thuật tốn khơi phục đánh giá thủy vân khơi phục theo phương pháp định lượng định tính; có tính mở, cho phép cập nhật thủy vân ảnh gốc vào thư viện cập nhật thuật toán thủy vân 4.2.3 Đề xuất sơ đồ khối hệ thống Thêm/bớt ảnh Thư viện ảnh gốc Tính tốn tham số nhúng thủy vân Thư viện ảnh chứa thủy vân Phân tích ảnh Mơi trường quảng bá Thêm/bớt thủy vân Thư viện thủy vân Khôi phục đánh giá thủy vân Thư viện tham số Phân tích thủy vân Giao diện người dùng GUI Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống 4.3 Các thành phần hệ thống 4.3.1 Cơ sở liệu Cơ sở liệu hệ thống phải bao gồm thư viện: ảnh gốc, thủy vân gốc, ảnh nhúng thủy vân tham số nhúng thủy vân; tham số 22 ảnh gốc thủy vân: hệ số DCT, độ bền vững hệ số, dung lượng thủy vân 4.3.2 Tính tốn tham số nhúng thủy vân Đây phần mơ hình, cho phép người dùng thực việc chọn lựa ảnh gốc thủy vân phù hợp với tham số tối ưu nhúng thủy vân cách tự động lựa chọn tham số thủ công nhúng thủy vân 4.5 ¶nh Lena ¶nh Baboon ¶nh Choi Dung lượng thủy vân - (dB) 3.5 2.5 X: 335 Y: 2.521 1.5 0.5 0 0.100 0.200 0.300 400 0.500 0.600 700 Giới hạn độ bỊn v÷ng - thres- Hình 4.2 Đặc tuyến quan hệ độ bền vững dung lượng thủy vân ảnh 4.3.3 Khôi phục đánh giá thủy vân Một ảnh nhận cần khôi phục thủy vân nhằm mục đích xác thực quyền ảnh thu nhận thông tin giấu ảnh 4.3.4 Module giao tiếp người dùng Cho phép người dùng: tạo chọn thủy vân từ thư viện từ thông tin, chọn ảnh gốc cần bảo vệ quyền chứa thông tin cần giấu từ thư viện ảnh gốc; hiển thị đồ họa thơng số phân tích ảnh gốc thủy vân cho phép lựa chọn tham số phương pháp tối ưu nhúng tách thủy vân, báo cáo kết nhúng/tách thủy vân 4.4 Một minh họa cho ứng dụng hệ thống Phần trình bày minh họa ứng dụng điển hình hệ thống: cho trước ảnh gốc-tìm giới hạn độ bền phù hợp nhằm đánh dấu quyền theo phương pháp QEWM-AMN Kết mặt định lượng thu thuật toán nhúng tham số chọn ( thres _  ) đáp ứng so với yêu cầu đặt (PSNR) 23 4.5 Kết luận chương Mơ hình hệ thống QEWM-SYS với cơng cụ tính tốn dựa thuật tốn QEWM biểu diễn trực quan cho phép lựa chọn cách dễ dàng thuận tiện tham số thuật toán nhúng thực thuật toán nhúng/tách KẾT LUẬN Luận án nhằm góp phần giải vấn đề mâu thuẫn chất lượng ảnh chứa thủy vân với độ bền vững thủy vân trước công nén ảnh JPEG Các kết luận án đạt bao gồm: Đề xuất khái niệm “bù sai số lượng tử” vào việc lựa chọn hệ số nhúng nhằm nâng cao chất lượng thủy vân Đề xuất phuơng pháp nhúng thủy vân thích nghi trước cơng có tỉ số nén ảnh thay đổi sở lựa chọn tham số nhúng nhằm đảm bảo yêu cầu chất lượng ảnh chứa thủy vân tính bền vững thủy vân trước nén ảnh JPEG Đề xuất mơ hình hệ thống quản trị thủy vân ảnh số làm sở cho việc xây dựng phát triển ứng dụng thủy vân thực tế sử dụng hiệu kết luận án Các định hướng nghiên cứu luận án là: nghiên cứu đánh giá khả chống lại công khác phương pháp đề xuất; hoàn thiện phương pháp xây dựng hệ thống phần mềm ứng dụng dựa kết nghiên cứu đạt kết hợp với phương pháp khác để bảo vệ quyền ảnh số giấu tin ảnh số chống lại công nén ảnh JPEG; đánh giá tối ưu hóa hiệu suất thực thuật toán đề xuất luận án; xây dựng thuật toán thủy vân miền khác kết hợp với biến đổi khác (DFT, DWT, KL…), cho liệu số khác (âm thanh, video…) chống lại công khác (nén JP2K, MP3, Mpeg4, cắt, quay, dithering…) phục vụ ứng dụng khác (bảo mật liệu, truyền tin bí mật, xác thực tính tồn vẹn, điều khiển chép, giám sát nội dung số ) 24 ... ? ?Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thủy vân sử dụng biến đổi cosine rời rạc ảnh JPEG? ?? để thực luận án tiến sĩ Mục đích nghiên cứu trình bày luận án nhằm giải vấn đề nêu khía cạnh chất lượng. .. cạnh chất lượng ảnh chứa thủy vân, tính bền vững thủy vân trước công nén ảnh JPEG Nhiệm vụ cụ thể để thực mục đích gồm: nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng thủy vân ẩn ảnh số chống... đạt nhiệm vụ chúng 1.3 Phương pháp thủy vân miền DCT công nén ảnh JPEG 1.3.1 Biến đổi cosine rời rạc (DCT) Biến đổi cosine rời rạc biến đổi toán học nhằm chuyển đổi miền biểu diễn tín hiệu từ