Cải tiến thuật toán thủy vân số số sử dụng phương pháp khai triển ma trận dựa theo giá trị chính

Cải tiến thuật toán thủy vân số sử dụng phương pháp khai triển ma trận dựa theo giá trị (SVD) Lương Thái Lê – ĐH Giao thông Vận tải, Bùi Thị Hồng Nhung – Học viện Ngân hàng Tóm tắt: Thủy vân số biết đến công cụ hiệu ứng dụng bảo vệ quyền Trong số lược đồ thủy vân số, việc sử dụng kỹ thuật DCT, DFT, DWT, gần người ta sử dụng số kỹ thuật như: SVD, QR, NMF Dưới báo xin trình bày kỹ thuật giấu thủy vân sử dụng phương pháp khai triển giá trị (Singular value decomposition - SVD) tác giá Chin-Chen Chang, Piyu Tsai, Chia – ChenLi, việc giấu thủy vân thực phần tử hàng 1, cột ma trận đặc trưng Tiếp theo, báo xin đề xuất số cải tiến nhằm nâng cao chất lượng tính bảo mật thủy vân, gồm: Thêm khóa vào q trình nhúng khơi phục thủy vân; Lựa chọn khối để nhúng thủy vân; Giới thiệu Hiện nay, thông tin quan trọng thường lưu trữ truyền tải dạng tệp liệu số như: ảnh, âm video.Với trợ giúp phần mềm, người dùng dễ dàng tạo có chất lượng ngang so với liệu gốc Bên cạnh đó, vấn nạn chép, tái phân phối bất hợp pháp, làm giả liệu số ngày gia tăng Do vậy, tốn bảo vệ liệu số nói chung ảnh số nói riêng nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu nước Thủy vân ảnh kỹ thuật nhúng thông tin vào liệu ảnh trước ảnh phân phối mơi trường trao đổi khơng an tồn, việc nhúng thơng tin vào ảnh làm giảm chất lượng ảnh Tuy nhiên, thông tin nhúng dấu vết để nhận biết công trái phép, để xác định thông tin chủ sở hữu Dựa vào mục đích sử dụng, thuật tốn thủy vân chia thành hai nhóm chính: thủy vân dễ vỡ [7-12] thủy vân bền vững[3-6] Thủy vân dễ vỡ, gờm thuật tốn nhúng tin nhằm phát biến đổi dù vài bít liệu số Do vậy, thủy vân dễ vỡ thường ứng dụng tốn xác thực tính tồn vẹn liệu môi trường trao đổi công khai Trái với thủy vân dễ vỡ, thủy vân bền vững yêu cầu dấu thủy vân phải tồn (bền vững) trước phép công nhằm loại bỏ dấu thủy vân, trường hợp loại bỏ dấu thủy vân ảnh sau bị cơng khơng giá trị sử dụng Do vậy, thuật toán thủy vân bền vững thường ứng dụng toán bảo vệ tin mật Theo kết khảo sát [3], phép công phổ biến nhằm loại bỏ dấu thủy vân thường sử dụng là: nén JPEG, thêm nhiễu, lọc, xoay, cắt xén, làm mờ, thay đổi kích thước, thay đổi sáng tối, thay đổi tương phản Hầu hết thuật toán thủy vân bền vững thường nhúng dấu thủy vân miền biến đổi ảnh [3-6] thông qua phép biến đổi DFT, DCT, DWT, SVD NMF Mặt khác, dựa vào việc sử dụng khóa người ta chia thuật tốn thủy vân thành hai nhóm: thủy vân khóa bí mật [3,5,10,11,12-17] thủy vân khóa cơng khai [4,6,8,9,18] Thuật tốn thủy vân khóa bí mật sử dụng chung khóa cho hai trình nhúng kiểm tra dấu thủy vân Trong thủy vân khóa cơng khai sử dụng khóa bí mật để nhúng dấu thủy vân khóa cơng khai để kiểm tra dấu thủy vân Đối với thuật tốn thủy vân bí mật, sử dụng chung khóa cho hai q trình nên cần phải có cơng đoạn trao đổi khóa người nhúng người kiểm tra dấu thủy vân, điều dẫn đến việc bảo mật khóa gặp phải khó khăn Tuy nhiên, hạn chế khơng xuất thuật tốn thủy vân khóa cơng khai Dựa ý tưởng thuật tốn giấu thủy vân báo [3, 4], báo đề xuất số cải tiến thuật toán như: Thêm khóa vào q trình nhúng khơi phục thủy vân; Lựa chọn khối để nhúng thủy vân Kết thực nghiệm cho thấy thuật toán sau cải tiến có độ bảo mật cao Cơ sở lý thuyết 2.1 Phương pháp khai triển ma trận dựa theo giá trị (SVD) SVD cơng cụ phân tích ma trận hiệu quả, có nhiều ứng dụng xử lý tín hiệu, xử lý ảnh thống kê Trong khai triển SVD, ma trận phân tích thành ba ma trận có kích thước tương tự ma trận ban đầu Input: Ma trận A cấp NxN Output: Ma trận U, D, V cho: A=UDVT Trong đó: U V hai ma trận thực trực chuẩn cấp NxN; D ma trận đường chéo không âm cấp NxN, với giá trị đường chéo thỏa mãn điều kiện: Sử dụng khai triển SVD xử lý hình ảnh kỹ thuật số có nhiều ưu điểm ưu điểm bật đặc trưng đại số phần tử ảnh tập trung chủ yếu phần tử giá trị đường chéo ma trận D 2.2 Lược đồ thủy vân sử dụng khai triển SVD Năm 2002, Sun cộng đề xuất lược đồ thủy vân sử dụng dấu lượng tử khai triển SVD Trong thủ tục nhúng, hệ số lớn D 1,1 ma trận D sử dụng để nhúng thủy vân, trình nhúng biến đổi giá trị phần tử D1,1 theo dấu lượng tử Q 2.2.1 Thuật toán nhúng thủy vân Input: Ảnh đa mức xám A (ảnh gốc) Ảnh nhị phân W (dấu thủy vân) Output: Ảnh nhúng dấu thủy vân W Thuật toán: B1: Chia ảnh A thành khối Ai cỡ bxb B2: Áp dụng SVD cho khối Ai: B3: Lượng tử hóa phần tử Di(1,1) với hệ số Q: Z = Di(1,1) mod Q B4: Xét bi bit thứ i ảnh nhị phân W: + TH1: bi bit Nếu Z < 3Q/4 biến đổi: (1,1) = Di(1,1) + Q/4 – Z Ngược lại: (1,1) = Di(1,1) + 5Q/4 – Z + TH2: bi bit Nếu Z < Q/4 biến đổi: (1,1) = Di(1,1) - Q/4 – Z Ngược lại: (1,1) = Di(1,1) + 3Q/4 – Z B5: Tính: B6: Ghép thành 2.2.2 Thuật tốn trích thủy vân Input: Ảnh chứa dấu thủy vân W Output: Dấu thủy vân W Thuật toán: B1: Chia ảnh thành khối cỡ bxb B2: Áp dụng SVD cho khối : B3: Lượng tử hóa phần tử (1,1) với hệ số Q: = (1,1) mod Q B4: Nếu < Q/2 trích bit bi = ngược lại trích bit bi = B5: Ghép bit bi ta dấu thủy vân W 2.2.3 Nhận xét Thuật toán tác giả sử dụng phần tử D(1,1) để nhúng dấu thủy vân không quan tâm tới đặc điểm khối ảnh dùng để giấu Do lượng ảnh tập trung chủ yếu phần tử D(1,1) nên chất lượng ảnh sau nhúng tốt ổn định, nhiên tính bảo mật lại khơng cao Hơn nữa, kỹ thuật giấu thủy vân khối ảnh dùng để giấu có độ tương phản thấp, tức giá trị điểm ảnh khối tương đối đờng đều, thay đổi nhỏ dễ bị phát Lược đồ thủy vân cải tiến Với mục đích làm tăng tính bảo mật thuật toán tăng chất lượng ảnh sau giấu thủy vân, nhóm tác giả đề xuất cải tiến thuật tốn cách: thêm khóa bí mật q trình nhúng trích thủy vân; đờng thời chọn khối có độ tương phản cao để thực giấu thủy vân 3.1 Lý thuyết liên quan 3.1.1 Phương pháp xây dựng khóa bí mật Khóa bí mật nhị phân K= (k1, k2, , kk) tạo theo bước sau: B1: Xác định độ dài k nhân x khóa B2: Tính ki = mod(trunc(x*rand()*100),2) 3.1.2 Phương pháp tính độ tương phản khối ảnh Độ tương phản s khối ảnh xác định theo bước sau: B1: Xác định ngưỡng T B2: Đếm s1 số cặp điểm ảnh liền kề theo hàng có độ chênh lệch giá trị lớn ngưỡng T B3: Đếm s2 số cặp điểm ảnh liền kề theo cột có độ chênh lệch giá trị lớn ngưỡng T B4: Tính độ tương phản s = s1 + s2 3.2 Thuật toán giấu thủy vân Input: Ảnh đa mức xám A (ảnh gốc) Ảnh nhị phân W (dấu thủy vân) Output: Khóa nhị phân K Chỉ số khối ảnh chọn để giấu thủy vân Ảnh nhúng dấu thủy vân W Thuật toán: B1: Chia ảnh A thành khối Ai cỡ bxb B2: Sinh khóa nhị phân K B3: Chọn khối Ai có độ tương phản cao B4: Áp dụng SVD cho khối Ai: B5: Lượng tử hóa phần tử Di(1,1) với hệ số Q: Z = Di(1,1) mod Q B6: Xét ki phần tử thứ i khóa nhị phân K: TH1: ki = 1: xét bi bit thứ i ảnh nhị phân W: + Nếu bi bit 0: Nếu Z < 3Q/4 biến đổi: (1,1) = Di(1,1) + Q/4 – Z Ngược lại: (1,1) = Di(1,1) + 5Q/4 – Z + Nếu bi bit 1: Nếu Z < Q/4 biến đổi: (1,1) = Di(1,1) - Q/4 – Z Ngược lại: (1,1) = Di(1,1) + 3Q/4 – Z TH2: ki = 0: xét bi bit thứ i ảnh nhị phân W: + Nếu bi bit 1: Nếu Z < 3Q/4 biến đổi: (1,1) = Di(1,1) + Q/4 – Z Ngược lại: (1,1) = Di(1,1) + 5Q/4 – Z + Nếu bi bit 0: Nếu Z < Q/4 biến đổi: (1,1) = Di(1,1) - Q/4 – Z Ngược lại: (1,1) = Di(1,1) + 3Q/4 – Z B7: Tính: B8: Ghép thành 3.3 Thuật tốn trích thủy vân Input: Ảnh chứa dấu thủy vân W Khóa nhị phân K Chỉ số khối ảnh chọn để giấu thủy vân Output: Dấu thủy vân W Thuật toán: B1: Chia ảnh thành khối cỡ bxb B2: Xác định khối tương ứng với số chọn B3: Áp dụng SVD cho khối : B4: Lượng tử hóa phần tử (1,1) với hệ số Q: = (1,1) mod Q B5: Xét ki phần tử thứ i khóa nhị phân K: TH1: ki = 1: Nếu < Q/2 trích bit bi = ngược lại trích bit bi = TH2: ki = 0: Nếu < Q/2 trích bit bi = ngược lại trích bit bi = B6: Ghép bit bi ta dấu thủy vân W Kết luận ứng dụng Để kiểm tra tính bảo mật chất lượng thuật toán thủy vân đề xuất, tiến hành thực nghiệm nhúng thủy vân “Ha noi mua thu” ảnh gốc Lena kích thước 256x256 với khóa bí mật K chuỗi nhị phân độ dài 10 Sau sử dụng phần mềm Photoshop để thực thao tác công ảnh Lena nhúng thủy vân (hình 1) tiến hành trích thủy vân, kết đạt sau: a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình Ảnh thực nghiệm thuật toán đề xuất: (a) Ảnh gốc Lena, (b) Ảnh thủy vân, (c) Ảnh thủy vân bóng, (d) Ảnh thủy vân mờ 30%, (e) Ảnh thủy vân nén 80%, (f) Ảnh thủy vân nhiễu 3% STT Ảnh Ảnh thủy vân (b) Ảnh thủy vân bóng (c) Ảnh thủy vân mờ 30% (d) Ảnh thủy vân nén 80% (e) Ảnh thủy vân nhiễu3% (f) Ảnh thủy vân (b) Khóa Kết trích thủy võn K Ha noi mua thu K Aồờẵ|c5pỳKởC]) K ô sẵợẩAj.~%Nọ K Abadabcfi``A K Ưẳ5iủg5! Khúa K thay i mt H!0jni`}q` 4xq! bit thành bit Bảng Kết thử nghiệm Qua thực nghiệm thấy thủy vân thuật tốn đề xuất có tính bảo mật cao, người khác khó trích rút nội dung thủy vân giấu ảnh thủy vân bị cơng khơng biết xác khóa bí mật K Từ kết cho thấy Lược đờ thủy vân cải tiến ứng dụng hiệu tốn Xác thực thơng tin Chống giả mạo Tài liệu tham khảo [1]Ruizhen Liu and Tieniu Tan, “An SVD-Based Watermarking Scheme for protecting rightful ownership”Senior Member, Multimedia, IEEE Transactions on, 2002 - ieeexplore.ieee.org [2]Chin-Chen Chang, Piyu Tsai, Chia-Chen Lin, “SVD-based digital image watermarking scheme”, Pattern Recognition Letters, 2005 - Elsevier Volume 26, Issue 10, 15 July 2005, pp 1577–1586 [3]I.J.Cox, J.Kilian, T.Leighton, T.Shamoon, “Secure spread spectrum watermarking for images, audio and video”, Proc IEEE Internat Conf on Image Processing (ICIP’96) Vol III, Lausanne, Swizerland, 16-19 September 1996, pp 243-246 [4]R.Munir, B.Riyanto, S.Sutikno, W.P Agung, “Derivation of Barni Algorithm into Its Asymmetric WatermarkingTechnique Using Statistical Approach”,International Journal on Electrical Engineering and Informatics - Volume 1, Number 2, 2009 [5]M.Barni, F Bartolini, V Cappellini, A.Piva, “A DCT-Domain System for Robust Image Watermarking”, Signal Processing 66 (1998), pp 357-372 [6] Y Fu, “A Novel Public Key Watermarking Scheme based on Shuffling”, 2007 International Conference on Convergence Information Technology, IEEE Computer Society [7] M Wu, E Tang and B Liu, “Data Hiding in Digital BinaryImage,”IEEE Int Conf Multimedia and Expo, ICME’00, NewYork, USA, 2000 [8] Y Y Kim, Ricardo L de Queiroz“A Public-Key Authentication Watermarking for Binary Images”, 0-7803-8554-3/04©2004 IEEE [9]Y Y Kim, “A New Public-Key Authentication Watermarking for Binary Document Images Resistant to Parity Attacks”, 0-7803-9134, 2005 IEEE [10] S.S Bedi, S.Verma, G.Tomar, “An Adaptive Data Hiding Technique for Digital Image Authentication”, International Journal of Computer Threory and Engineering, Vol 2, No 3, June 2010 [11] M Wu, B Liu, “Data Hiding in Binary Image for Authentication and Annotation”, IEEE Transactions on Multimedia, Vol 6, No 4, August 2004 [12] H Y.Kim, Ricardo L de Queiroz, “Alteration – Locating Authentication Watermarking for Binary and Halftone Images”, IEEE Transactions on Signal Processing, 2004 [13] X Wu, J Hu, Z Gu, J Huang,“A Secure Semi-Fragile Watermarking for Image AuthenticationBased on Integer Wavelet Transform with Parameters”Conferences in Research andPractice in Information Technology, Vol 44, Australian Computer Society, 2005 [14] H.Yang, H.Univ, Changsha “Semi-Fragile Watermarking for Image Authentication and Tamper Detection Using HSV Model”, Multimedia and Ubiquitous Engineering, 2007 [15] S.Saha, D.Bhattacharyya, S.K.Bandyopadhayay, “Security on Fragile and Semi-Fragile Watermarking Authentication”, International Journal of Computer Applications, Vol.3-No.4, June 2010 [16]S.Rawat, B.Raman, “A Chaos-Based Rubust Watermarking Algorithm for Rightful Ownership Protection”, International Journal of Image and Graphics, Vol.11, No.4, p.471-493, 2011 [17]B.C.Mohan and S.Kumar, “A Robust Digital Image Watermarking Scheme Using Singular Value Decomposition”, Journal of Multimedia 3(1), p.7-15, 2008 [18]P.W.Wong, “A Public Key Watermarking for Image Verification and Authentication”, 08186-8821, IEEE, 1998  ... thủy vân, (c) Ảnh thủy vân bóng, (d) Ảnh thủy vân mờ 30%, (e) Ảnh thủy vân nén 80%, (f) Ảnh thủy vân nhiễu 3% STT Ảnh Ảnh thủy vân (b) Ảnh thủy vân bóng (c) Ảnh thủy vân mờ 30% (d) Ảnh thủy vân. .. đồ thủy vân sử dụng dấu lượng tử khai triển SVD Trong thủ tục nhúng, hệ số lớn D 1,1 ma trận D sử dụng để nhúng thủy vân, trình nhúng biến đổi giá trị phần tử D1,1 theo dấu lượng tử Q 2.2.1 Thuật. .. dụng khai triển SVD xử lý hình ảnh kỹ thuật số có nhiều ưu điểm ưu điểm bật đặc trưng đại số phần tử ảnh tập trung chủ yếu phần tử giá trị đường chéo ma trận D 2.2 Lược đồ thủy vân sử dụng khai triển