Nâng cao hiệu quả và hiệu năng giấu tin trong ảnh số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ VÕ PHƯỚC HƯNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ HIỆU NĂNG GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN CẦN THƠ - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ VÕ PHƯỚC HƯNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ HIỆU NĂNG GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã ngành: 62480104 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS ĐỖ THANH NGHỊ CẦN THƠ - 2020 LỜI CẢM ƠN Luận án thực Khoa Công nghệ Thông tin Truyền thông, Trường Đại học Cần Thơ Lời đầu tiên, Nghiên cứu sinh (NCS) bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến PGS.TS Đỗ Thanh Nghị, người tận tình hướng dẫn định hướng suốt trình nghiên cứu luận án NCS chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Cần Thơ, Ban Chủ nhiệm Khoa, Quý Thầy, Cô giảng viên Khoa Công nghệ Thông tin Truyền thông, Trường Đại học Cần Thơ tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành chương trình học tập thực nghiên cứu Trường Đại học Cần Thơ NCS gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Nguyễn Thái Sơn, Trưởng Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh có góp ý quý báu cho trình thực nghiên cứu; Quý Thầy, Cô giảng viên Bộ môn Công nghệ Thông tin, Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh ln động viên khuyến khích tơi thực nghiên cứu Tôi trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Trà Vinh tạo điều kiện tốt cho tập trung thực nghiên cứu Cuối lời, tơi chân thành cảm ơn gia đình bạn thân, người bên cạnh, giúp đỡ động viên suốt thời gian học tập, thực nghiên cứu hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh VÕ PHƯỚC HƯNG i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi thực hiện, hướng dẫn PGS.TS Đỗ Thanh Nghị Xin cam đoan nội dung kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực Một số kết nghiên cứu thành tập thể đồng tác giả đồng ý cho sử dụng luận án Mọi tham khảo trích dẫn, rõ nguồn tham khảo theo quy định Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS TS ĐỖ THANH NGHỊ VÕ PHƯỚC HƯNG ii TÓM TẮT Sự phát triển truyền thông kĩ thuật số hiệu tính tốn cao máy tính tăng nhanh tạo tăng trưởng theo cấp số nhân việc sử dụng Internet Các tương tác lĩnh vực đời sống xã hội liên quan đến việc truyền tải nhiều liệu phức tạp, chứa thông tin quan trọng nhạy cảm Việc bảo đảm nội dung giao dịch qua phương tiện truyền thông an toàn vấn đề cần xem xét thấu đáo học thuật công nghiệp Do đó, nghiên cứu bảo mật thơng tin thu hút ngày nhiều quan tâm phạm vi ứng dụng ngày mở rộng đáng kể Cùng với việc thông tin số dễ dàng bị đánh cắp, giả mạo, nhân phân phối…, chế bảo mật truyền thông nghiên cứu phát triển để bảo vệ quyền riêng tư thông tin người Nhiều giải pháp kĩ thuật, có kĩ thuật giấu tin ảnh số, đời để giải vấn đề Ảnh số nội dung số quan trọng cần bảo vệ Đồng thời, ảnh số đối tượng phù hợp cho việc nhúng liệu, thơng tin mà tạo ý người dùng không định Giấu tin khả nghịch ảnh số kĩ thuật nhúng thông tin vào ảnh theo cách người gửi mà không bị phát hệ thống thị giác người máy Hơn nữa, ảnh gốc khôi phục hồn tồn sau thơng tin nhúng trích xuất người nhận định Kĩ thuật giấu tin có nhiều ứng dụng quan trọng ngụy trang giao tiếp để bảo vệ thông tin mật nhúng thông tin vào ảnh nhằm bảo vệ nội dung ảnh số Trong luận án này, lược đồ nhúng tin khả nghịch miền tần số ảnh Stereo với khả nhúng tin hiệu chất lượng ảnh mang tin đạt mức cao an toàn đề xuất Ngoài ra, để bảo vệ quyền nội dung ảnh Stereo, lược đồ nhúng tin thủy vân ảnh miền tần số mạnh bền vững đề xuất Kết thực nghiệm cho thấy, thông tin nhúng vào miền biến đổi DCT ảnh đạt hiệu cao, đáp ứng yêu cầu hệ thống giấu tin: hiệu ảnh sau nhúng tin (ảnh Stego), hiệu nhúng thơng tin vào ảnh bền vững an tồn Dựa đặc tính ảnh Stereo, gồm ảnh trái phải, có nhiều khối ảnh tương đồng hai ảnh, lượng tử hóa hệ số biến đổi DCT thực khối ảnh trái phải có kích thước (8×8) Nếu khác biệt hệ số lượng tử vùng tần số thấp phép biến đổi DCT hai khối ảnh trái phải nhỏ ngưỡng xem giống Một biểu đồ tần số hệ số lượng tử vùng tần số trung bình xây dựng Các hệ số biểu đồ dịch chuyển hai chiều để nhúng thông tin Sự thay đổi hệ số miền tần số để nhúng thơng tin gây nguy hại đến chất lượng ảnh so với nhúng trực tiếp vào giá trị điểm ảnh miền không gian iii Biến đổi DCT loại bỏ tương quan điểm ảnh miền không gian, giúp xác định vùng tần số nhúng tin phù hợp Để cải tiến khả nhúng trì chất lượng ảnh Stego mức cao, lược đồ điều hướng nhúng EDH đề xuất kết hợp với lược đồ dịch chuyển 2-D Kết thực nghiệm cho thấy, phương pháp đề xuất đạt cân khả nhúng thông tin tính suốt ảnh Stego so với ảnh Stereo gốc Khác với liệu ảnh truyền thống, liệu ảnh số ngày dễ dàng bị chỉnh sửa, chép phát tán bất hợp pháp phương tiện sẵn có Vì vậy, bảo vệ quyền nội dung ảnh số vấn đề cần quan tâm Luận án đề xuất lược đồ nhúng tin thủy vân ảnh số ẩn để bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ ảnh số Khai triển SVD hệ số lượng tử đường chéo phụ hai khối ảnh tương đồng kích thước (8×8) thực Thơng tin thủy vân nhúng vào giá trị riêng phép phân tích SVD Qua kết thực nghiệm, lược đồ nhúng thủy vân ẩn đề xuất dựa biến đổi DCT SVD cho thấy đạt bền vững trước số cơng xử lí ảnh hình học Tuy nhiên bên cạnh đó, để tối ưu cân bền vững an toàn hệ thống giấu tin thủy vân số ẩn, phương pháp mã hóa ảnh nhúng thủy vân ảnh thủy vân đề xuất Sơ đồ mã hóa ảnh dựa thuyết hỗn loạn, sở toán học tốt để khuếch tán mối quan hệ lân cận điểm ảnh ảnh Sự mã hóa ảnh để nhúng thơng tin thủy vân dựa phân tích SVD hệ số lượng tử khơng nâng cao tính bền vững mà giữ hệ thống nhúng thủy vân an tồn Bởi vì, thơng tin thủy vân khơng nhúng vào miền biến đổi tần số ảnh mà vị trí nhúng thơng tin bị ẩn giấu iv ABSTRACT The rapid growth of digital communication technologies and efficient performances of the computer has created exponential growth in Internet usage Interactions in all areas of social life relate to the transmission of complex data, containing sensitive and important information Ensuring the contents of transactions through secure media is an issue that needs to be carefully considered in academia and the industry Therefore, research about information security has attracted more and more interests and the scope of its applications has significantly expanded Along with digital information being easily stolen, forged, duplicated, and distributed, communication security mechanisms have been researched and developed to protect the privacy of users Many technical solutions, including the technique of hiding information in digital images, have emerged to solve this problem Digital images are a kind of important digital content that needs to be protected Simultaneously, digital images are also suitable objects for embedding data and information but create little attention for unspecified users Reversible data hiding in digital images is a technique that embeds data in digital images by the way the sender does without being detected by human or machine vision systems Furthermore, the original image can be fully recovered after the embedded information is extracted by appointed receivers Data hiding techniques have many important applications such as camouflaging in communication to protect confidential information or embedding information in images to protect digital image contents In this thesis, a reversible data embedding scheme in the Stereo image frequency-domain with the ability to embed information and the efficiency of the high quality and secure image quality is proposed Also, to protect the copyright of the Stereo image contents, a strong and sustainable image embedded watermarking scheme in the frequency domain is proposed The experimental results show that the information embedded in the image DCT transformation domain achieved high efficiency, meeting the requirements of the data hiding system: the effect of the images after embedding data (Stego images), the performance of embedding information into the images are durable and safe Based on features of Stereo images, consisting of left and right image, there are many similar blocks between two images, quantization of the DCT transformation coefficients is performed on each left and right block with dimensions (8×8) If the differences between the quantum coefficients in the lowfrequency area in the DCT transformation of the left and right image blocks are less than threshold , they are considered the same A frequency chart of the v quantum coefficients in the region of the average frequency is constructed Graph coefficients are shifted with two dimensions to embed information The coefficient changes in the frequency domain to embed information does less harm to the quality of images compared to embedding directly into the pixel value in the spatial domain The DCT transformation eliminates the correlation between pixels in the spatial domain, helps determine the appropriate embedded frequency area To improve embedding capabilities and to maintain a high level of the quality of Stego images, an embedded EDH navigation scheme is proposed in conjunction with the 2-D shifting scheme The experimental results indicate that the proposed method achieves a balance between the ability to embed information and the transparency of Stego images compared to the original Stereo images Unlike traditional images, digital images are easily edited, copied, and distributed illegally by available means Therefore, protecting the copyright of contents in digital images is also a matter of concern This thesis proposes a scheme to embed invisible watermarks in a digital image to protect its intellectual property rights SVD expansion of the quantum coefficients on the sub-diagonal of two similarly sized (8 × 8) image blocks were performed The watermarked information will be embedded in specific values in the SVD analysis Through the experimental results, the proposed invisible watermarking embedding scheme based on the DCT and SVD transformations shows that the stability is achieved against some image processing and geometry attacks However, to optimize the balance between sustainability and safety of invisible digital watermarking data hiding systems, a method of encoding watermarked embedded images and watermarked images is proposed The image encoding diagram is based on the Chaos theory which is a sound mathematical basis for diffusing the neighbors of pixels in an image Image encoding for embedding watermarked information based on the SVD analysis of quantum coefficients does not only improve the stability but also keep the embedded watermarked system safe That is because the watermarked information is not only embedded in the image frequency variation domain but also the locations of the embedding of information are hidden vi LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT ABSTRACT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1A 1.2M 1.3G 1.4N 1.5M 1.6P 1.7Đ 1.8C Chương 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1G 2.2T 2.3 Phân loại kĩ thuật giấu tin ảnh 14 2.3.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa ảnh khôi phục 14 2.3.1.1 Giấu tin bất khả nghịch 14 2.3.1.2 Giấu tin khả nghịch 15 2.3.2 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa miền nhúng thông tin 15 2.3.2.1 Kĩ thuật giấu tin miền không gian .16 2.3.2.2 Giấu tin miền tần số ảnh .26 2.3.3 Kĩ thuật giấu tin dựa ảnh mang tin .28 2.3.4 Giấu tin dựa học máy trí tuệ nhân tạo 29 2.4 Kết luận chương 32 Chương 3: GIẤU TIN KHẢ NGHỊCH TRONG MIỀN TẦN SỐ ẢNH STEREO 33 3.1 Giới thiệu 33 3.2 Cơ sở lí thuyết 35 3.2.1 Biến đổi cosine rời rạc (DCT) 35 3.2.2 Lượng tử giải lượng tử chuẩn nén JPEG .37 3.3 Giấu tin khả nghịch ảnh Stereo với lược đồ dịch chuyển 2-D hệ số biến đổi DCT 38 3.3.1 Giấu tin khả nghịch dựa dịch chuyển lược đồ 2-D hệ số DCT 38 3.3.1.1 Tìm khối ảnh giống 39 3.3.1.2 Dịch chuyển nhúng 41 3.3.2 Trích xuất liệu ẩn giấu khôi phục ảnh gốc 46 3.3.3 Kết thực nghiệm đánh giá 49 3.4 Giấu tin khả nghịch dựa lược đồ điều hướng nhúng để dịch chuyển hệ số DCT lược đồ 2-D 58 3.4.1 Giới thiệu 58 3.4.2 Xây dựng lược đồ điều hướng nhúng 59 3.4.3 Kĩ thuật nhúng thông tin dựa lược đồ dịch chuyển 2-D EDH 61 viii 130 Wallace, G.K.: The JPEG still picture compression standard IEEE Transactions on Consumer Electronics 38, xviii–xxxiv (1992) https://doi.org/10.1109/30.125072 131 Artusi, A., Banterle, F., Aydın, T.O., Panozzo, D., Sorkine-Hornung, O., Banterle, F., Aydın, T.O., Panozzo, D., Sorkine-Hornung, O.: Image Content Retargeting : Maintaining Color, Tone, and Spatial Consistency A K Peters/CRC Press (2016) https://doi.org/10.1201/9781315372624 132 Kadhim, I.J., Premaratne, P., Vial, P.J., Halloran, B.: Comprehensive survey of image steganography: Techniques, Evaluations, and trends in future research Neurocomputing 335, 299–326 (2019) https://doi.org/10.1016/j.neucom.2018.06.075 133 Ali, M., Ahn, C.W., Pant, M.: A robust image watermarking technique using SVD and differential evolution in DCT domain Optik 125, 428–434 (2014) https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2013.06.082 134 Yadav, G.S., Ojha, A.: Chaotic system-based secure data hiding scheme with high embedding capacity Computers & Electrical Engineering 69, 447–460 (2018) https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2018.02.022 135 Yu, M., Wang, J., Jiang, G., Peng, Z., Shao, F., Luo, T.: New fragile watermarking method for stereo image authentication with localization and recovery AEU - International Journal of Electronics and Communications 69, 361–370 (2015) https://doi.org/10.1016/j.aeue.2014.10.006 136 Abraham, J., Paul, V.: An imperceptible spatial domain color image watermarking scheme Journal of King Saud University - Computer and Information Sciences 31, 125–133 (2019) https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2016.12.004 137 Mathur, S., Dhingra, A., Prabukumar, M., Agilandeeswari, L., Muralibabu, K.: An efficient spatial domain based image watermarking using shell based pixel selection In: 2016 International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI) pp 2696–2702 (2016) https://doi.org/10.1109/ICACCI.2016.7732468 138 Parekh, M., Bidani, S., Santhi, V.: Spatial Domain Blind Watermarking for Digital Images In: Pattnaik, P.K., Rautaray, S.S., Das, H., and Nayak, J (eds.) Progress in Computing, Analytics and Networking pp 519–527 Springer, Singapore (2018) https://doi.org/10.1007/978-98110-7871-2_50 139 Lu, W., Lu, H., Chung, F.-L.: Feature based robust watermarking using image normalization Computers & Electrical Engineering 36, 2–18 (2010) https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2009.04.002 140 Selvam, P., Balachandran, S., Pitchai Iyer, S., Jayabal, R.: Hybrid transform based reversible watermarking technique for medical images in telemedicine applications Optik 145, 655–671 (2017) https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.07.060 118 141 AL-Nabhani, Y., Jalab, H.A., Wahid, A., Noor, R.M.: Robust watermarking algorithm for digital images using discrete wavelet and probabilistic neural network Journal of King Saud University - Computer and Information Sciences 27, 393–401 (2015) https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2015.02.002 142 Kang, X., Zhao, F., Lin, G., Chen, Y.: A novel hybrid of DCT and SVD in DWT domain for robust and invisible blind image watermarking with optimal embedding strength Multimed Tools Appl 77, 13197–13224 (2018) https://doi.org/10.1007/s11042-017-4941-1 143 Frolkovič, P.: Numerical recipes: The art of scientific computing Acta Appl Math 19, 297–299 (1990) https://doi.org/10.1007/BF01321860 144 Golub, G.H., Reinsch, C.: Singular value decomposition and least squares solutions https://doi.org/10.1007/BF02163027 145 Stewart, I.: The Lorenz attractor exists Nature 406, 948–949 (2000) https://doi.org/10.1038/35023206 146 Alvarez, G., Li, S.: Some basic cryptographic requirements for chaos-based cryptosystems Int J Bifurcation Chaos 16, 2129–2151 (2006) https://doi.org/10.1142/S0218127406015970 147 Pareek, N.K., Patidar, V., Sud, K.K.: Image encryption using chaotic logistic map Image and Vision Computing 24, 926–934 (2006) https://doi.org/10.1016/j.imavis.2006.02.021 148 Zhang, G., Liu, Q.: A novel image encryption method based on total shuffling scheme Optics Communications 284, 2775–2780 (2011) https://doi.org/10.1016/j.optcom.2011.02.039 149 Pareek, N.K., Patidar, V., Sud, K.K.: Diffusion–substitution based gray image encryption scheme Digital Signal Processing 23, 894–901 (2013) https://doi.org/10.1016/j.dsp.2013.01.005 150 Zhou, W., Jiang, G., Luo, T., Yu, M., Shao, F., Peng, Z.: Stereoscopic image tamper detection and self-recovery using hierarchical detection and stereoscopic matching JEI 23, 023022 (2014) https://doi.org/10.1117/1.JEI.23.2.023022 119 PHỤ LỤC Mã Tên số ảnh Img1 Img2 368 408 Img3 368 408 Img4 368 432 120 Mã Tên số ảnh Img5 Img6 368 440 Img7 368 416 Img8 368 432 121 Mã Tên số ảnh Img9 10 Img11 368 432 11 Img10 368 432 12 Img12 368 432 122 Mã Tên số ảnh 13 Img13 14 Img14 368 464 15 Img15 368 448 16 Img16 368 440 123 Mã Tên số ảnh 17 Img17 18 Img18 368 424 19 Img19 368 424 20 Img20 368 456 124 Mã Tên số ảnh 21 Img21 22 Img22 488 712 23 Img23 488 712 24 Img24 488 712 25 Img25 472 744 125 Mã Tên số ảnh 26 Img26 27 Img27 272 328 28 Img28 472 720 29 Img29 472 720 30 Img30 488 712 126 Mã Tên số ảnh 31 Img31 32 Img32 496 720 33 Img33 496 736 34 Img34 480 696 35 Img35 496 704 127 Mã Tên số ảnh 36 Img36 37 Img37 496 712 38 Img38 272 344 39 Img39 496 656 40 Img40 496 736 128 Mã Tên số ảnh 41 Img41 42 Img42 480 704 43 Img43 480 704 44 Img44 480 728 45 Img45 472 696 129 Mã Tên số ảnh 46 Img46 47 Img47 456 680 48 Img48 480 720 49 Img49 496 736 50 Img50 368 448 130 ... cứu ảnh số Stereo, ảnh nén miền không gian, miền chuyển đổi tần số ảnh để nâng cao phân tích, tổng hợp cách nhúng thơng tin vào ảnh • Nghiên cứu tìm giải pháp nâng cao hiệu hiệu giấu tin ảnh số. .. thuật giấu tin ảnh số Sự phân loại dựa miền liệu ảnh mang tin, khả khôi phục ảnh kiểu ảnh mang tin 2.3.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa ảnh khôi phục Giấu tin ảnh số q trình nhúng thơng tin vào... phát vài tiếp cận để nâng cao hiệu hiệu giấu tin ảnh số Đóng góp luận án xây dựng phát triển kĩ thuật dùng cho hệ thống giấu tin hệ thống giấu tin khả nghịch với khả nhúng tin cao miền tần số,