Một thuật toán thủy vân ảnh trên miền DCT JPEG

Một thuật toán thủy vân ảnh trên miền DCT An Image Watermarking Algorithm Using DCT Domain Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong kỷ nguyên số, thông tin số được sử dụng rộng rãi trong một môi trường mở: tài nguyên được phân phối cho nhiều người sử dụng, nhu cầu được bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ các sản phẩm số đã trở thành một vấn đề quan trọng và được nhiều cơ sở nghiên cứu quan tâm 1,2,3,4,5. Thuỷ ấn hay nhúng thuỷ vân trong một phương tiện là một công nghệ mới được đánh giá mang lại nhiều hứa hẹn trong ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc, điều khiển truy cập đối với các dữ liệu đa phương tiện. Không giống như các hệ mã mật được sử dụng cho truyền thông và không ngăn cấm được người dùng sử dụng trái phép những dữ liệu đó, các phương pháp thuỷ vân hứa hẹn một giải pháp cho vấn đề bảo vệ bản quyền đối với sản phẩm số khi mà sản phẩm đó được sử dụng trong môi trường mở mà không cần đến việc mã hoá. Tạo thuỷ vân là một phương pháp nhúng một lượng thông tin nào đó vào trong dữ liệu đa phương tiện cần được bảo vệ sở hữu mà không để lại ảnh hưởng nào đến chất lượng của sản phẩm. Thuỷ vân phải tồn tại bền vững với sản phẩm số và không thể loại bỏ bằng bất kì những tấn công có chủ đích hay không chủ đích nào trừ khi phá huỷ sản phẩm. Nội dung bài viết này đề xuất một thuật toán nhúng thuỷ vân vào trong ảnh sao cho thoả mãn các tính chất và yêu cầu của một hệ thuỷ vân trên ảnh số. Khác với các công trình đã công bố, thuật toán trong bài viết tập trung vào kỹ thuật chọn miền tần số để giấu tin nhằm nâng cao tính bền vững của thủy vân. II. THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ Thuỷ vân trên ảnh số giống như một ảnh được “dán tem” sở hữu của người chủ 1,4. Thuỷ vân phải mang thông tin có ý nghĩa xác định duy nhất người được sở hữu ảnh đó. Người ta tập trung vào việc làm sao cho thuỷ vân đó thoả hai tính chất quan trọng sau đây: − Ẩn (hidden): không hiển thị trên nền ảnh, không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng tri giác của ảnh. − Bền vững (robust): Thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, không bị xoá bởi các tấn công có chủ đích hay không có chủ đích. Một cách lý tưởng là để loại bỏ thuỷ vân chỉ còn cách là phá huỷ ảnh đó. Tính phức tạp của kỹ thuật thuỷ vân thể hiện ở hai tính chất mâu thuẫn lẫn nhau này. Nếu như để đảm bảo tính ẩn thì thuỷ vân phải được giấu trong những vị trí ít có ý nghĩa tri giác nhất, ít bị chú ý nhất, nhưng để đảm bảo được tính bền vững thì thuỷ vân phải chịu được những phép xử lí ảnh phổ biến như dịch chuyển ảnh, co giãn ảnh, quay ảnh hoặc nén ảnh. Đơn cử như phép nén JPEG lại loại bỏ ở ảnh những thông tin ít có ính tri giác nhất để làm giảm kích thước của ảnh mà vẫn đảm bảo được chất lượng ảnh. Căn cứ trên các giải pháp đã được công bố, ta có thể phân loại các kĩ thuật hiện nay thành hai nhóm chính: 1. Nhóm các kĩ thuật biến đổi miền không gian ảnh (spatial image transfroms): nhóm kĩ thuật này tập trung vào việc thay đổi trực tiếp lên không gian các điểm ảnh và sử dụng các mô hình tri giác và phương pháp hình học. Tuy nhiên, các kĩ thuật này chỉ đảm bảo được thuộc tính ẩn mà không có tính bền vững. Kĩ thuật này thường được sử dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin, phát hiện xuyên tạc 6. 2. Nhóm các kĩ thuật biến đổi miền tần số ảnh (frequency image transforms): Nhóm kĩ thuật này sử dụng một phương pháp biến đổi trực giao nào đó, chẳng hạn như Cosine rời rạc, hay Fourier… để chuyển miền không gian ảnh sang miền tần số. Thuỷ vân sẽ được nhúng trong miền không gian tần số của ảnh theo kĩ thuật trải phổ trong truyền thông. Đây là kĩ thuật phổ biến nhất với nhiều thuật toán và được hứa hẹn là một phương pháp tốt giải quyết vấn đề đảm bảo hai thuộc tính quan trọng của thuỷ vân sau khi giấu. Ngoài hai nhóm trên, gần đây đã xuất hiện những ký thuật dựa trên đặc thù của ảnh 7,8.

Một thuật toán thủy vân ảnh miền DCT An Image Watermarking Algorithm Using DCT Domain Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng Abstract: Digital watermarking technology has been actively researched and developed by a number of organizations, scientists in both research institution and industry as well It is considered as a key technology for copyright protection, authentication and copy control for digital content This article describes briefly about requirements of a robust watermarking system and solution research trends The main portion of this paper will propose an algorithm of embedding a watermark into image using Discret Cosne Transformation DCT domain I ĐẶT VẤN ĐỀ Trong kỷ nguyên số, thông tin số sử dụng rộng rãi môi trường mở: tài nguyên phân phối cho nhiều người sử dụng, nhu cầu bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ sản phẩm số trở thành vấn đề quan trọng nhiều sở nghiên cứu quan tâm [1,2,3,4,5] Thuỷ ấn hay nhúng thuỷ vân phương tiện công nghệ đánh giá mang lại nhiều hứa hẹn ứng dụng bảo vệ quyền, phát xuyên tạc, điều khiển truy cập liệu đa phương tiện Không giống hệ mã mật sử dụng cho truyền thông không ngăn cấm người dùng sử dụng trái phép liệu đó, phương pháp thuỷ vân hứa hẹn giải pháp cho vấn đề bảo vệ quyền sản phẩm số mà sản phẩm sử dụng mơi trường mở mà khơng cần đến việc mã hố Tạo thuỷ vân phương pháp nhúng lượng thơng tin vào liệu đa phương tiện cần bảo vệ sở hữu mà không để lại ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Thuỷ vân phải tồn bền vững với sản phẩm số khơng thể loại bỏ cơng có chủ đích hay khơng chủ đích trừ phá huỷ sản phẩm Nội dung viết đề xuất thuật toán nhúng thuỷ vân vào ảnh cho thoả mãn tính chất yêu cầu hệ thuỷ vân ảnh số Khác với cơng trình cơng bố, thuật tốn viết tập trung vào kỹ thuật chọn miền tần số để giấu tin nhằm nâng cao tính bền vững thủy vân II THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ Thuỷ vân ảnh số giống ảnh “dán tem” sở hữu người chủ [1,4] Thuỷ vân phải mang thơng tin có ý nghĩa xác định người sở hữu ảnh Người ta tập trung vào việc cho thuỷ vân thoả hai tính chất quan trọng sau đây: − Ẩn (hidden): không hiển thị ảnh, không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng tri giác ảnh − Bền vững (robust): Thuỷ vân phải tồn bền vững với sản phẩm, khơng bị xố cơng có chủ đích hay khơng có chủ đích Một cách lý tưởng để loại bỏ thuỷ vân cách phá huỷ ảnh Tính phức tạp kỹ thuật thuỷ vân thể hai tính chất mâu thuẫn lẫn Nếu để đảm bảo tính ẩn thuỷ vân phải giấu vị trí có ý nghĩa tri giác nhất, bị ý nhất, để đảm bảo tính bền vững thuỷ vân phải chịu phép xử lí ảnh phổ biến dịch chuyển ảnh, co giãn ảnh, quay ảnh nén ảnh Đơn cử phép nén JPEG lại loại bỏ ảnh thông tin có tính tri giác để làm giảm kích thước ảnh mà đảm bảo chất lượng ảnh Căn giải pháp cơng bố, ta phân loại kĩ thuật thành hai nhóm chính: Nhóm kĩ thuật biến đổi miền không gian ảnh (spatial image transfroms): nhóm kĩ thuật tập trung vào việc thay đổi trực tiếp lên không gian điểm ảnh sử dụng mơ hình tri giác phương pháp hình học Tuy nhiên, kĩ thuật đảm bảo thuộc tính ẩn mà khơng có tính bền vững Kĩ thuật thường sử dụng ứng dụng nhận thực thông tin, phát xuyên tạc [6] Nhóm kĩ thuật biến đổi miền tần số ảnh (frequency image transforms): Nhóm kĩ thuật sử dụng phương pháp biến đổi trực giao đó, chẳng hạn Cosine rời rạc, hay Fourier… để chuyển miền không gian ảnh sang miền tần số Thuỷ vân nhúng miền không gian tần số ảnh theo kĩ thuật trải phổ truyền thông Đây kĩ thuật phổ biến với nhiều thuật toán hứa hẹn phương pháp tốt giải vấn đề đảm bảo hai thuộc tính quan trọng thuỷ vân sau giấu Ngồi hai nhóm trên, gần xuất ký thuật dựa đặc thù ảnh [7,8] III THUẬT TOÁN NHÚNG THUỶ VÂN Thuật toán sử dụng phương pháp trải phổ truyền thông để nhúng thuỷ vân Giải tần sử dụng để chứa tín hiệu thuỷ vân miền tần số khối biến đổi cô sin rời rạc DCT (discret cosne transformation) 8×8 Trong đó, khối DCT 8×8 khối ảnh kích thước chọn ngẫu nhiên từ ảnh ban đầu áp phép biến đổi cosin rời rạc DCT để chuyển sang miền tần số Mỗi tín hiệu thuỷ vân chứa khối Mô tả thuật tốn − Input: Một chuỗi bít thể quyền Một ảnh − Output: Một ảnh sau thuỷ vân Khố để giải mã Q trình Watermarking − Chia ảnh có kích thước m × n thành (m×n)/64 khối 8×8, bít giấu khối − Chọn khối B biến đổi DCT khối thu B’ − Chọn hai hệ số vị trí miền tần số khối DCT, giả sử b’(i,j) b’(p,q) Ta tính: d = || b’(i,j)|- |b’(p,q)|| mod a a tham số thoả mãn điều kiện: a=2(2t+1), t số nguyên dương Bít si nhúng cho thoả mãn điều kiện sau: d >= 2t+1 si = d < 2t+1 si = − Nếu d=2t +1 theo công thức sau: max(|b’(i,j)|, |b’(p,q)|) + (INT(0,75 *a) - d) Với hàm max(|b’(i,j)|, |b’(p,q)|) hàm chọn hệ số có trị tuyệt đối lớn hơn, hệ số chọn cộng thêm lượng (INT(0,75 *a) - d) Hoặc biến đổi hai hệ số theo công thức: min(|b’(i,j)|, |b’(p,q)|) - (INT(0,25 *a) + d) Với hàm min(|b’(i,j)|, |b’(p,q)|) hàm chọn hệ số có trị tuyệt đối nhỏ hơn, hệ số chọn bị trừ lượng (INT(0,25 *a) + d) INT() hàm làm lấy phần nguyên số thực − Tương tự, d >= 2t+1 si = hai hệ số DCT b’(i,j) b’(p,q) có trị tuyệt đối lớn thay đổi để thoả mãn d= 2t+1 gán si =1 Nếu d= 2t+1 với si =1 khơng thay đổi hệ số khối DCT, DCT phép biến đổi thuận nghịch nên giải mã ta thu kết xác − Trường hợp d 0,5 *a = 2t +1 (dpcm) Hoặc ta sử dụng cách biến đổi hai hệ số theo kiểu khác: min(|b’(i,j)| - |b’(p,q)|) - (INT(0,25 *a) +d)) Tính lại d: d’ = (||b’(i,j)|-|b’(p,q)|| - (INT(0,25*a) +d)) mod a Ù d’ = (||b’(i,j)|- |b’(p,q)|| mod a) - (INT(0,25*a) mod a) - (d mod a) Ù d’= d-(INT(0,25*a) mod a) - d = - INT(0,25*a) mod a = INT(0,75*a) >2t +1 − Trường hợp d>=2t +1 si = Ta biến đổi hai hệ số DCT b’(i,j) b’(p,q) sau: max(||b’(i,j)|,|b’(p,q)||) - (d- INT(0,25*a)) Giá trị d là: d’ = (||b’(i,j)|-|b’(p,q)|| - (d-(INT(0,25*a)) mod a Ù d’= ((||b’(i,j)|-|b’(p,q)||) mod a) - (d mod a) giải mã Watermarks Hình 2: Quá trình giải mã + (INT(0,25*a) mod a) Ù d’= d-d + 0,25*a = 0,25*a < 0,5*a = 2t +1(dpcm) Hoặc ta sử dụng cách biến đổi khác hai hệ số DCT: min(||b’(i,j)|- |b’(p,q)||) + INT(1,25*a) - d Khi tính lại d ta được: d’ = (||b’(i,j)|-|b’(p,q)|| + INT(1,25*a) -d) mod a Ù d’= (||b’(i,j))|-|b’(p,q)|| mod a) + (INT(1,25*a) mod a) - (d mod a) Ù d’ = d +INT(0,25*a) -d = INT(0,25*a) < 0,5*a = 2t+1 Vậy với phép biến đổi trên, ta thoả mãn điều kiện giấu tin IV KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Kết thực tế cài đặt thử nghiệm cho bảng sau Các hàng số lượng bít giấu vào ảnh Các cột hệ số a chọn Giao hàng cột tỉ lệ lỗi bít tính tổng số bít lỗi tổng số bít đem giấu tính hệ số tương quan C (cross- relation) Ảnh giấu ảnh đa cấp xám Lena.BMP cỡ 512 × 512 pixel Số bít lỗi KT (a2) C Số bít lỗi KT (a3) C Số bít lỗi 1,4M 1,4M 363KB 0,993 538KB 0,986 10 172KB 0,984 12 200KB 0,947 40 21 136KB 0,967 25 157KB 0,953 34 50 78KB 0,941 44 108KB 0,896 79 Bảng 2: Thực nghiệm với ảnh Lena.Bmp 512 × 512 với trường hợp nén JPEG Tiếp theo kết thu thực phép lọc, làm sắc ảnh Số lần làm sắc C (a2= 14) 0,950 0,948 0,918 0,878 0,832 C (a2=18) 0,905 0,847 0,780 Bảng 3: Kết kiểm nghiệm với phép cơng làm sắc ảnh Hình Ảnh Lena.BMP 512 × 512 a = 10 a=14 a=18 100 bit 0,990 0,993 0,997 200 bit 0,975 0,990 0,995 300 bit 0,973 0,993 0,997 5000 bit 0,974 0,988 0,994 1000 bit 0,970 0,984 0,994 a Ảnh Lena sau giấu tin Bảng 1: Thực nghiệm với ảnh Lena.Bmp 512 × 512 (chưa nén JPEG) Dưới kết thu sau nén JPEG ảnh thuỷ vân với tỉ lệ nén 100%, 90%, 80%, 50% KT kích thước file ban đầu sau nén C hệ số tương quan thuỷ vân trước giấu sau giấu Thuỷ vân có độ dài 1000 bít, hệ số a1, a2, a3 10,14,18 Chất lượng (%) KT (a1) 1,4M C 100 90 80 50 363KB 0,994 156KB 0,983 121KB 0,972 68KB 0,932 b Ảnh Lena sau lần cơng làm sắc Hình Cuối cùng, khảo sát thực nghiệm với phép công croping ảnh, với ảnh chọn ngẫu nhiên cắt với tỉ lệ khác Bảng kết thu được: Tỉ lệ cắt C 25% 0,860 50% 0,751 75% 0,641 (a) Cắt 25% thuỷ vân Mỗi khối áp dụng phép biến đổi cosin rời rạc để chuyển liệu tần số khối ảnh Miền tần số thấp khối ảnh chứng minh chứa liệu nhìn thấy ảnh, thay đổi liệu miền dẫn đến thay đổi đáng kể ảnh hiển thị [1] Ngược lại, miền tần số cao chứa liệu ảnh không ảnh hưởng đáng kể đến tri giác ảnh Đây miền tần số cho phép thay đổi mà không gây nhiễu nhiều đến ảnh Tuy nhiên, thuỷ vân miền lại không bền vững với phép biến đổi ảnh thơng thường Với thuật tốn này, miền chọn để giấu tin miền có tần số tần số cao tần số thấp, kết thực nghiệm thuật toán cho thấy thuỷ vân đảm bảo tính chất ẩn ảnh bền vững số phép biến đổi ảnh thông thường TÀI LIỆU THAM KHẢO (b) Cắt 50% (c) Cắt 75% Hình 5: Các ảnh mơ tả cropping V KẾT LUẬN Bài viết đề xuất thuật toán nhúng thuỷ vân vào ảnh tĩnh sử dụng kỹ thuật giấu tin miền biến đổi cosin rời rạc Ảnh chia thành khối 8×8, khối chọn cách ngẫu nhiên để nhúng [1] I J COX, J KILIAN, T LEIGHTON, AND T SHAMOON, A secure, robust watermark for multimedia, in Proc First Int Workshop on Information Hiding, R Anderson, ed., no 1174 in Lecture Notes in Computer Science, pp 185–206, May/June 1996 [2] I J COX, M L MILLER, AND A L MCKELLIPS, Watermarking as communications with side information, Proceedings of the IEEE 87, pp 1127–1141, July 1999 [3] J R HERN´ANDEZ, M AMADO, AND F P´EREZ-GONZ´ALEZ, Dct-domain watermarking techniques for still images: Detector performance analysis and a new structure, IEEE Transactions on Image Processing 9, pp 55–68, January 2000 [4] D KUNDUR, Implications for high capacity data hiding in the presence of lossy compression, in Proc IEEE International Conference on Information Technology: Coding and Computing, pp 16–21, March 2000, [5] T KOHDA, Y OOKUBO, AND K SHINOKURA, Digital watermarking through CDMA channels using spread spectrum techniques, in Proc IEEE International Symposium on Spread-Spectrum Techniques and Applications, vol 2, pp 671–674, September 2000, [6] NGUYỄN XUÂN HUY, BÙI THUÝ HẰNG, Một số cải tiến kĩ thuật giấu liệu ảnh, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ Thơng tin, 2001, 553-559 [7] VŨ BA ĐÌNH, ĐÀO THANH TĨNH, NGUYỄN XUÂN HUY, Kĩ thuật giấu thông tin đồ số, Tạp Bưu Viễn thơng, Chun san “Các cơng trình nghiên cứu - triển khai VT CNTT”, số 8, 11-2002, 85-92 [8] VŨ BA ĐÌNH, NGUYỄN XUÂN HUY, ĐÀO THANH TĨNH, Đánh giá khả giấu liệu đồ số, TC Tin học Điều khiển học, T 18, S.4 (2002), 347-353 Ngày nhận bài: 4/6/2002 SƠ LƯỢC TÁC GIẢ NGUYỄN XUÂN HUY TRẦN QUỐC DŨNG Sinh năm 1944 Nghiên cứu viên cao cấp Viện Công nghệ thông tin, Trung tâm Khoa học Tự nhiên Công nghệ Quốc gia Tốt nghiệp Đại học Sư phạm Leningrad (1973), TS (1980), TSKH (1990) Trung tâm Tính tốn viện Hàn lâm Khoa học Liên Xơ Hiện Trưởng phòng Cơ sở liệu Lập trình, viện Cơng nghệ thơng tin Lĩnh vực quan tâm: sở liệu, thuật tốn cơng nghệ phần mềm E-mail: nxhuy@ioit.ncst.ac.vn Sinh năm 1980 Hà Nội Tốt nghiệp Khoa Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội năm 2001 Hiện cơng tác phòng CSDL Lập Trình, Viện Cơng Nghệ Thơng Tin, TTKHTN & CNQG E-mail: dungsv01@yahoo.com ... chuyển sang miền tần số Mỗi tín hiệu thuỷ vân chứa khối Mơ tả thuật tốn − Input: Một chuỗi bít thể quyền Một ảnh − Output: Một ảnh sau thuỷ vân Khoá để giải mã Quá trình Watermarking − Chia ảnh có... - d)) mod a Các khối biến đổi ngược IDCT ghép ảnh Ảnh nhúng thuỷ vân Hình 1: Quá trình nhúng thủy vân Ảnh nhúng thuỷ vân tách khối Lấy khối chọn biến đổi DCT Ù d’ = (||b’(i,j)|- |b’(p,q)|| mod... số khối ảnh Miền tần số thấp khối ảnh chứng minh chứa liệu nhìn thấy ảnh, thay đổi liệu miền dẫn đến thay đổi đáng kể ảnh hiển thị [1] Ngược lại, miền tần số cao chứa liệu ảnh không ảnh hưởng