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

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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ NGÀNH: 62480104 CẦN THƠ - 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Người hướng dẫn: PGS TS Đỗ Thanh Nghị Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường Họp tại: Phòng Bảo vệ Luận án tiến sĩ , Lầu – Nhà Điều hành, Trường Đại học Cần Thơ Vào lúc ngày tháng năm 2020 Phản biện 1: Phản biện 2: Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Trung tam học liệu, Trường Đại học Cần Thơ Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ [CT1] Nguyễn Thái Sơn, Võ Phước Hưng, Huỳnh Văn Thanh, Đỗ Thanh Nghị, “Giấu tin thuận nghịch ảnh Stereo với khả nhúng tin cao”, Kỉ yếu hội thảo FAIR 2016, pp 631-637 [CT2] P-H Vo, T-S Nguyen, V-T Huynh and T-N Do A robust hybrid watermarking scheme based on DCT and SVD for copyright protection of Stereo images in proc of NAFOSTED Conf on Information and Computer Science (NICS 2017), 2017, pp 331-335 [CT3] P-H Vo, T-S Nguyen, V-T Huynh and T-N Do A Novel Reversible Data Hiding Scheme with Two-Dimensional Histogram Shifting Mechanism in International Journal of Multimedia Tools and Applications, Vol.77(21): 2877728797, Springer, 2018 [SCIE] [CT4] Võ Thành C, Võ Phước Hưng, Trầm Hoàng Nam, Nguyễn Thái Sơn, Đỗ Thanh Nghị, "Một thuật toán thủy vân ảnh số mạnh dựa DWT, DCT, SVD đặc trưng SIFT", Kỉ yếu hội thảo FAIR 2019 [CT5] P-H Vo, T-S Nguyen, V-T Huynh, T-C Vo and T-N Do Secure and Robust Watermarking Scheme in Frequency Domain Using Chaotic Logistic Map Encoding in proceeding of International Conference on Computer Science, Applied Mathematics and Applications (ICCSAMA 2019), Springer, 2019 [Indexed by Scopus] [CT6] P-H Vo, T-S Nguyen, V-T Huynh, T-N Do A High capacity invertible steganography method for Stereo image in the book Digital Media Steganography: Principles, Algorithms, Advances, ELSEVIER Inc., 2020 [Scopus] CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, công chuyển đổi số vào chiều sâu, nhiều thông tin số giao tiếp từ xa qua mạng Trong số đó, nhiều thơng tin quan trọng trao đổi, điều thu hút quan tâm nhiều người dùng trái phép đánh cắp, giả mạo, thay đổi nội dung thông tin có chủ đích Đó vấn đề nghiêm trọng kìm hãm phát triển kinh tế, xã hội quốc gia khơng có giải pháp hữu hiệu ngăn chặn sóng An tồn bảo mật thông tin trở thành bảo đảm quan trọng cho phát triển kinh tế, xã hội lĩnh vực giao tiếp, lưu trữ, sách nội dung xác thực liệu Để bảo đảm bí mật thơng tin q trình truyền tin, bảo vệ quyền sở hữu nội dung thông tin số; kỹ thuật giấu tin trở thành cách tiếp cận lĩnh vực an tồn thơng tin 1.2 Kĩ thuật giấu tin ảnh số Với phát triển kĩ thuật xử lí ảnh phổ biến mạng Internet, ảnh số ngày ứng dụng nhiều lĩnh vực khác từ y tế, pháp lí, mua sắm hàng ngày Vì vậy, nghiên cứu này, ảnh số sử dụng đối tượng mang tin nhằm bảo vệ thông tin mật giao tiếp lưu trữ Bên cạnh đó, nội dung thông tin ảnh số bảo vệ quyền quyền sở hữu trí tuệ với việc nhúng lượng thơng tin phù hợp vào Sơ đồ hệ thống giấu tin ảnh số biểu diễn Hình 1.1 Hình 1.1 Flowchart of data hiding Trong đó: • • • • • • • IC: Ảnh mang tin (Cover Image) S: Thông tin mật (Secret message) k: Khóa (Key) fEmbed: Hàm nhúng thơng tin IS: Ảnh sau nhúng thông tin mật (Stego image) fExtract: Hàm trích xuất thơng tin I′C: Ảnh sau trích xuất thơng tin Giai đoạn nhúng, thơng tin mật S nhúng vào ảnh mang tin Ic dựa hàm nhúng fE với khóa K biểu diễn công thức (1.1): 𝐼𝑆 = 𝑓𝐸𝑚𝑏𝑒𝑑 (𝐼𝐶 , 𝑆, [𝑘]) (1.1) Giai đoạn rút trích, thơng tin mật S trích xuất từ ảnh Is dựa hàm rút trích fExtract với khóa K biểu công thức (1.2): (𝑆, 𝐼𝐶′ ) = 𝑓𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡 (𝐼𝑆 , [𝑘]) (1.2) Thuật tốn nhúng tin hồn thành cho ảnh IS khó phân biệt với ảnh IC Sự khác IS IC gọi nhiễu Thông thường sau IS tạo gửi bị công bị gây nhiễu Thông tin nhúng trích xuất từ ảnh Stego IS dựa vào hàm rút trích thơng tin Hiệu hiệu hệ thống giấu tin xác định dựa vào đặc tính kĩ thuật khác hệ thống giấu tin Tùy theo ứng dụng cụ thể mà mức độ quan tâm đặc tính khác Các đặc tính kĩ thuật hệ thống giấu tin gồm có: • Tính suốt (Imperceptibility) /chất lượng ảnh sau nhúng (Stegoimage quality): hiệu phương pháp giấu tin để không bị phát hệ thống thị giác máy hay người (HVS – Human Visual System) Chất lượng ảnh Stego IS so với ảnh gốc IC đánh giá Peak-Signal-to-Noise Ratio (PSNR) Trong tất thực nghiệm ứng dụng, lược đồ nhúng cho ảnh IS có PSNR đạt từ 35(dB), IS khó bị phát HVS có tồn thơng tin giấu bên ảnh PSNR tiêu chí đánh giá suốt ảnh IS ảnh IC, nghĩa so sánh khác biệt ảnh sau nhúng thông tin ảnh trước nhúng thông tin • Khả nhúng (Hiding capacity/Payload): lượng thông tin mật S nhúng vào ảnh IC • Tính xác (Fidelity): độ xác khơi phục lại ảnh gốc IC từ ảnh IS sau thông tin ẩn trích xuất Đây đặc tính quan trọng ứng dụng xử lí ảnh y sinh pháp y Đặc tính phân chia hướng nghiên cứu ứng dụng hệ thống giấu tin thành hệ thống giấu tin khả nghịch hệ thống giấu tin bất khả nghịch Theo Công thức (1.1) (1.2), I′C = IC ta có sơ đồ hệ thống giấu tin khả nghịch, ngược lại sơ đồ hệ thống giấu tin bất khả nghịch • Tính bền vững (Robustness): khả ảnh Stego Is chịu đựng công lên ảnh nén, gây nhiễu, cắt xén, xoay • Tính an tồn (Security): Cho dù thơng tin ẩn bị phát thực người dùng sở hữu, ảnh Stego bị cơng 1.3 Nội dung nghiên cứu luận án Hiệu hiệu hệ thống giấu tin ảnh số xác định dựa hiệu giải thuật nhúng Hệ thống thiết kế cho trì chất lượng ảnh Stego, khả nhúng tin cao bền vững công Đầu tiên, hiệu phương pháp nhúng định lượng cách trả lời câu hỏi: (1) Thông tin mật nhúng ảnh an tồn? (2) Ảnh sau nhúng (Stego image) liệu có trì chất lượng tương đương ảnh gốc? (3) Liệu có thông tin mật không bị phát sau giấu ảnh? Tỉ lệ nhúng yêu cầu thứ hai hệ thống giấu tin nhằm tăng lượng thông tin nhúng; lượng thông tin nhúng vào ảnh mang tin mà gây suy hao đến chất lượng ảnh mang tin Tuy nhiên, hiệu nhúng hiệu nhúng (duy trì chất lượng ảnh sau nhúng) ln toán đối nghịch tác động lẫn Có nghĩa là, nhúng nhiều thơng tin chất lượng ảnh sau nhúng ngược lại Do đó, cần nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cân hiệu hiệu cho toán giấu tin ảnh số 1.4 Mục tiêu nghiên cứu Vấn đề xác định luận án truyền tải thơng tin bí mật kênh truyền dẫn khơng an toàn bảo vệ quyền nội dung số Nếu hạn chế mà kĩ thuật mã hóa tin giải cho vấn đề đặc biệt kĩ thuật giấu tin xem giải pháp thay hữu hiệu Mục tiêu luận án nghiên cứu, xây dựng giải pháp hiệu nhằm giải vấn đề nêu trên, qua tạo thuận tiện an tồn giao tiếp Để đạt mục tiêu này, luận án tập trung nghiên cứu mục tiêu cụ thể sau: • Nghiên cứu tổng quan giải pháp giấu tin ảnh, phân tích, tổng hợp điểm mạnh, điểm yếu giải pháp • Nghiên 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 với việc khôi phục lại ảnh gốc sau thơng tin ẩn trích xuất • Nghiên cứu kĩ thuật giấu tin kết hợp với mã hoá tin để tăng cường khả bảo mật, bảo vệ quyền nội dung ảnh số 1.5 Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu phân tích, tổng hợp, chứng minh, cài đặt thử nghiệm đánh giá kết thực nghiệm Cơ sở lí thuyết tốn học, xử lí ảnh, mã hóa, thống kê tối ưu hóa vận dụng để giải mục tiêu nghiên cứu Các giải pháp đề xuất chứng minh cài thử nghiệm phần mềm Matlab 1.6 Đóng góp luận án Luận án 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, khó phát thơng tin giấu giấu tin thủy vân số ẩn, mạnh bảo mật nhằm bảo vệ quyền nội dung Cụ thể cho đóng góp luận án: • Đề xuất kĩ thuật giấu tin khả nghịch dựa dịch chuyển lược đồ hai chiều hệ số lượng tử hóa phép biến đổi cosin rời rạc (DCT- discrete cosine tranformation) Để cân hiệu hiệu giấu tin, thông tin mật nhúng vào lớp tần số trung bình tín hiệu ảnh miền biến đổi DCT, • Xây dựng đề xuất lược đồ điều hướng nhúng EDH để tăng khả nhúng thông tin đồng thời trì chất lượng ảnh sau nhúng, • Đề xuất lược đồ nhúng thủy vân số mạnh để bảo vệ quyền ảnh Stereo dựa biến đổi DCT SVD, • Giải pháp nhúng tin thủy vân số an toàn bảo mật, bảo vệ nội dung ảnh Stereo miền tần số tín hiệu mã hóa dựa thuyết hỗn loạn (Chaos logistic) 1.7 Cấu trúc luận án Luận án tổ chức thành năm chương, cụ thể sau: Chương 1: Giới thiệu lĩnh vực nghiên cứu an toàn bảo mật thơng tin Phân biệt kĩ thuật mã hóa thơng tin với kĩ thuật giấu thông tin Chương 2: Tổng quan nghiên cứu liên quan lĩnh vực giấu tin, trình bày khái quát phương pháp, kết nghiên cứu điển hình gần tác giả có liên quan đến vấn đề nghiên cứu, tiền đề cho nghiên cứu luận án Chương 3: Trình bày lược đồ giấu tin khả nghịch miền biến đổi tần số ảnh Stereo Trong đó, luận án đề xuất lược đồ giấu tin dựa lược đồ hệ số lượng tử vùng tần số trung bình phép biến đổi cosine rời rạc (DCT) hai khối ảnh tương đồng dịch chuyển hai chiều (2-D) hệ số lượng tử dương Đồng thời kết hợp lược đồ dịch chuyển 2-D với bảng điều hướng nhúng (EDH) để nâng cao hiệu hiệu giấu tin ảnh Stereo Chương 4: Trình bày lược đồ giấu tin thủy vân số ẩn bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ ảnh Stereo Trong đó, luận án đề xuất lược đồ nhúng tin thủy vân số ẩn bền vững dựa vào phân tích giá trị riêng (SVD) hệ số lượng tử đường chéo phụ hai khối ảnh tương đồng Đồng thời đề xuất nâng cao tính bền vững an tồn cho hệ thống nhúng tin thủy vân số ẩn dựa thuyết hỗn loạn Chương 5: Trình bày kết luận hướng phát triển nghiên cứu đề tài CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu Sự lớn mạnh liệu số, hình ảnh (image) kết hợp với phát triển cơng nghiệp xử lí ảnh, tạo nên phổ dụng sẵn dùng ảnh số, từ thúc đẩy quan tâm sâu sắc nhà nghiên cứu việc sử dụng hình ảnh đối tượng để ẩn giấu thơng tin liên lạc Tuy nhiên, ảnh số dễ dàng bị thao tác chỉnh sửa, chép phân phối cách phi pháp Vì vậy, số trường hợp, đối tượng ảnh cần bảo vệ Để giải thách thức này, gần đây, nhiều nghiên cứu kĩ thuật giấu tin với cách tiếp cận khác thực Để có nhìn tổng quan kĩ thuật giấu tin ảnh số tiếp cận cho ứng dụng, phần chương tìm hiểu, phân tích tiêu chuẩn đánh giá hệ thống giấu tin Sau đó, nghiên cứu kĩ thuật giấu tin lược khảo, phân tích đánh giá 2.2 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống giấu tin 2.2.1 Chất lượng ảnh (Image visual quality) Chất lượng ảnh sau nhúng tin so với ảnh gốc đánh dựa vào tỉ số tín hiệu cực đại nhiễu (PSNR) ảnh gốc ảnh nhúng tin theo công thức (2.1) 𝑃𝑆𝑁𝑅 = 10 log10 𝐵2 𝑀𝑆𝐸 (2.1) Trong đó, B biên màu sắc cực đại ảnh, MSE sai số tồn phương trung bình (Mean Squared Error) ảnh gốc ảnh Stego định nghĩa sau: 𝑀 𝑁 𝑀𝑆𝐸 = ∑ ∑(𝐼𝑠 (𝑥, 𝑦) − 𝐼𝑐 (𝑥, 𝑦))2 𝑀×𝑁 (2.2) 𝑥=1 𝑦=1 với M, N kích thước ảnh; IC(x,y), IS(x,y) tương ứng giá trị điểm ảnh tọa độ (x,y) ảnh gốc ảnh Stego 2.2.2 Bền vững ảnh giấu tin Để đánh giá độ bền vững ảnh giấu tin ứng dụng nhúng tin thủy vân để xác thực quyền bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, tiêu chí đánh giá độ bền vững ảnh nhúng quan tâm Tỉ lệ bit đúng, BCR (Bit Correct ratio) sử dụng để đánh giá tương quan ảnh thủy vân gốc ảnh thủy vân trích xuất BCR định nghĩa sau: 𝐵𝐶𝑅 = ′ ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ∑𝑛×𝑛 𝑖=1 𝑤𝑖 ⨁𝑤𝑖 𝑛×𝑛 (2.3) 𝑤𝑖 𝑤𝑖′ bit thứ ith tương ứng ảnh thủy vân gốc ảnh thủy vân rút trích; ⨁ phép toán XOR 2.3 Phân loại kĩ thuật giấu tin Dựa mục đích ứng dụng khác q trình nhúng, kĩ thuật giấu tin phân thành phương thức khác Hình 2.1 phác họa phân loại kĩ thuật giấu tin ảnh số Sự phân loại dựa miền liệu ảnh mang tin, khả khôi phục ảnh kiểu ảnh mang tin Hình 2.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin ảnh số 2.3.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa ảnh khôi phục 2.3.1.1 Giấu tin bất khả nghịch CHƯƠNG 3: GIẤU TIN KHẢ NGHỊCH TRONG MIỀN TẦN SỐ ẢNH STEREO 3.1 Giới thiệu Như trình bày phần tổng quan vấn đề nghiên cứu, hầu hết thuật toán giấu tin khả nghịch đề xuất áp dụng cho ảnh 2-D Gần đây, với kĩ thuật stereocopy ảnh Stereo tạo với độ cảm nhận chiều sâu chiều để nâng cao khả nhúng thông tin hiệu chất lượng ảnh ảnh stego, lược đồ giấu tin khả nghịch đề xuất 3.2 Lược đồ giấu tin khả nghịch với kĩ thuật dịch chuyển biểu đồ hai chiều hệ số lượng tử 3.2.1 Nghiên cứu liên quan 3.2.2 Phương pháp đề xuất Mục tiêu nghiên cứu nhằm phát triển lược đồ giấu tin khả nghịch miền tần số ảnh Stereo, khả nhúng thông tin hiệu chất lượng ảnh stego nâng cao Một kĩ thuật giấu tin khả nghịch dựa lược đồ dịch hai chiều hệ lượng tử hóa DCT Kĩ thuật gọi tắt ĐX1 Trong phương pháp ĐX1, lược đồ hai chiều hệ số QDCT khối kích thước 8×8 ảnh trái ảnh phải xây dựng Phương pháp giới hạn việc thay đổi giá trị cặp hệ số có khả nhúng liệu cặp hệ số lượng tử DCT Từ nâng cao hiệu nhúng thông tin vào ảnh mang tin Kết thực nghiệm cho thấy phương pháp ĐX1 vượt trội so với nghiên cứu liên quan khả nhúng thơng tin chất lượng ảnh stego 3.2.2.1 Tìm khối ảnh tương đồng Với đặc tính kĩ thuật, ảnh Stereo có ảnh trái ảnh phải có nội dung thơng tin tương tự Do đó, ảnh trái phải với kích thước M×N phân hoạch thành khối 8×8 Lượng tử hóa DCT khối ảnh Mỗi khối Bm,n [m ∈ (0, M-1), n∈(0, N-1)] phân thành ba vùng gọi là: (a) vùng tìm kiếm, gồm hệ số lượng tử vùng tần số thấp, (b) vùng nhúng thông tin, gồm hệ số lượng tử vùng tần số trung bình (c) vùng để trống, gồm hệ số lượng tử lại thuộc vùng tần số cao 3.2.2.2 Lược đồ dịch chuyển hai chiều 10 Lược đồ dịch chuyển hai chiều, kí hiêu: h(x, y), với x y cặp hệ số lương tử tương ứng khối trái phải Lược đồ dịch chuyển hai chiều dùng cho q trình nhúng thơng tin vào ảnh mang tin Các hệ số lượng tử vùng nhúng thông tin (6 ≤ u + v ≤ 9) phần lớn có giá trị ‘0’ Dựa sơ đồ giấu tin ĐX1, lượng lớn hệ số DCT ‘0’ khả nhúng thông tin cao Một điều cho thấy, hầu hết hệ số lượng tử DCT gốc bên phải đồ thị Hình 3.1 (hướng Đơng – Bắc) Do đó, tiến trình nhúng thơng tin dựa dịch chuyển lược đồ thực hệ số khu vực Kết hệ số lược đồ dịch chuyển dẫn đến khả lượng thông tin nhúng lớn trì chất lượng ảnh stego (a) Trước dịch chuyển (b) Sau dịch chuyển (c) Sau nhúng thông tin Fig 3.1 Lược đồ nhúng tin hai chiều ĐX1 11 3.2.3 Kết thực nghiệm Trong thực nghiệm, ngưỡng tương đồng 𝓉 dùng để tìm cặp khối ảnh tương đồng Hệ số chất lượng nén μ cho biến đổi DCT Quan sát tập liệu ảnh với ngưỡng 𝓉 = 20 μ = 75, phương pháp đề xuất ĐX1 cao vượt trội so với phương pháp Yang Chen phương diện khả nhúng thông tin (EC) chất lượng ảnh stego (PSNR) biểu diễn Hình 3.2 (a) PSNR EC ảnh Img1 (b) PSNR EC ảnh Img33 (c) PSNR EC ảnh Img36 (d) PSNR EC ảnh Img38 Fig 3.2 EC PSNR phương pháp ĐX1 phương pháp củaYang cộng với 𝓉 = 20, μ = 75 12 Ngoài phương pháp ĐX1 so sánh vài phương pháp khác thực miền liệu (Parah et al.’ scheme1, Gou et al.’s scheme2 and Yang et al.’s scheme3) Bảng cho thấy tỉ lệ nhúng tin phương pháp Yang Chen cao so với hai phương pháp Parah cộng phương Gou công Tỉ lệ nhúng tin phương pháp Yang Chen vào khoảng 0.131 bpp thấp so với phương pháp ĐX1 0.160 bpp Lí cho vượt trội khả nhúng trì chất lượng ảnh nhúng phương pháp Yang Chen thông tin nhúng vào giá trị khác ‘0’ cặp hệ số lượng tử khu vực nhúng Trong đó, phương pháp ĐX1 dùng lược đồ dịch chuyển 2-D để tăng cường hiệu nhúng thông tin Theo cách này, khu vực nhúng thông tin lược đồ 2-D mở rộng Mặc dù hệ số lượng tử dịch chuyển nhúng thông tin, trường hợp nhúng hệ số lược đồ 2-D bị thay đổi Do đó, chất lượng ảnh nhúng so với ảnh gốc bảo đảm Bảng So sánh tỉ lệ nhúng PSNR ĐX1 với phương pháp với ngưỡng tương đồng 𝓉 = 5, hệ số chất lượng nén μ = 75 Schemes Average Average embedding PSNR (dB) rate (bpp) Domain Invertibility Parah et al 41.48 0.015 DCT không Gou et al 39.82 0.015 DWT+DCT không Yang et al 42.35 0.131 DCT có ĐX1 42.40 0.160 DCT có 3.3 Phương pháp giấu tin khả nghịch với khả nhúng tin cao dựa bảng điều hướng nhúng EDH 3.3.1 Nghiên cứu liên quan 3.3.2 Phương pháp đề xuất Parah, S.A., Sheikh, J.A., Loan, N.A., Bhat, G.M.: Robust and blind watermarking technique in DCT domain using inter-block coefficient differencing Digital Signal Processing 53, 11–24 (2016) Guo, J., Zheng, P., Huang, J.: Secure watermarking scheme against watermark attacks in the encrypted domain Journal of Visual Communication and Image Representation 30, 125–135 (2015) Yang, W.-C., Chen, L.-H.: Reversible DCT-based data hiding in stereo images Multimed Tools Appl 74, 7181–7193 (2015) 13 Trong phương pháp này, phương pháp ĐX2 đề xuất kĩ thuật giấu tin khả nghịch ảnh Stereo với khả nhúng thông tin lớn dựa dịch chuyển lược đồ hai chiều bảng điều hướng nhúng thông tin (EDH) Việc dùng bảng điều hướng nhúng thông tin lược đồ dịch chuyển hai chiều, phương pháp đề xuất ĐX2 đạt cân hiệu nhúng thông tin hiệu chất lượng ảnh stego Kết thực nghiệm cho thấy phương pháp ĐX2 đạt hiệu cao so với nghiên cứu liên quan 3.3.2.1 Xây dựng bảng điều hướng nhúng thông tin (EDH) Để xây dựng bảng điều hướng nhúng, chuỗi thơng tin mật phân thành nhóm bits Kế đến, nhóm bits biểu diễn sang hệ số thập phân tạo thành chuỗi số S={s1, s2, …, s|n|/3} Vì vậy, si có giá trị khoảng từ đến Sau đó, lược đồ tần xuất giá trị si thiết lập Và sau lược đồ tần suất si theo thứ tự giảm dần EDH tạo giá trị từ đến 7; với giá trị Si có tần suất cao đặt tọa độ (0,0), giá trị Si có tần suất đặt tọa độ (-1,0), (0,1), (1,0), (0,-1) Ba giá trị Si lại đạt tọa độ (-1,1), (1,1), (1,-1) 3.3.2.2 Giấu tin dựa dịch chuyển lược đồ hai chiều bảng điều hướng nhúng thông tin Dịch chuyển lược đồ hai chiều: trước nhúng thông tin, lược đồ hai chiều hệ số lượng tự vùng nhúng thông tin dịch chuyển nhằm tạo vùng trống để chèn thông tin mật vào Tuy nhiên cặp hệ số lượng tử QDCT có giá trị (-1,-1) khơng vùng cho trình nhúng, cặp hệ số khơng phải dịch chuyển Vì rằng, EDH tạo giá trị từ đến 7, nên việc nhằm mục đích mở rộng lược đề vừa đủ trống để nhúng thơng tin Mơ hình tốn học tiến trình dịch chuyển lược đồ biểu diễn sau: - Nếu ( |𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣)| = |𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣)|) ℌ2(𝐵̂𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣), 𝐵̂𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣)) = (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣), 𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) + 1) 𝑖𝑓 (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) ≥ 1)&(𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) ≥ ) {(𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) − 1, 𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) + 1) 𝑖𝑓 (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) ≤ −1)&(𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) ≥ 1) (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) + 1, 𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) − 1) 𝑖𝑓 (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) ≥ 1)&(𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) ≤ −1) - Ngược lại 14 (3.1) 𝐿 𝑅 𝐿 𝑅 (𝐶𝑢,𝑣 , 𝐶𝑢,𝑣 + 1) 𝑓𝑜𝑟 {𝐶𝑢,𝑣 = 𝑎𝑛𝑑 𝐶𝑢,𝑣 ≥ 1} 𝐿 𝑅 ℎ2 (𝐶̂𝑢,𝑣 , 𝐶̂𝑢,𝑣 )= 𝐿 + 1, 𝐶 𝑅 )𝑓𝑜𝑟 {𝐶 𝐿 ≥ 𝑎𝑛𝑑 𝐶 𝑅 = 0} (𝐶𝑢,𝑣 𝑢,𝑣 𝑢,𝑣 𝑢,𝑣 𝐿 𝑅 𝐿 𝑅 (𝐶𝑢,𝑣 , 𝐶𝑢,𝑣 − 1) 𝑓𝑜𝑟 {𝐶𝑢,𝑣 = 𝑎𝑛𝑑 𝐶𝑢,𝑣 ≤ −1} (3.2) 𝐿 − 1, 𝐶 𝑅 ) 𝑓𝑜𝑟 {𝐶 𝐿 ≤ −1 𝑎𝑛𝑑 𝐶 𝑅 = 0} { (𝐶𝑢,𝑣 𝑢,𝑣 𝑢,𝑣 𝑢,𝑣 Nhúng thông tin: Với cặp hệ số QDCT (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣), 𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣)) =(0,0) với u v thõa (4 ≤ u+v ≤ 7), bits thông tin mật nhúng dựa bảng EDH biểu diễn sau: { 𝐵̂𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) =𝑎 𝐵̂𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) = 𝑏 (3.3) 3.3.3 Kết thực nghiệm Hình 3.3 trình bày khả nhúng thông tin 50 cặp ảnh Stereo với ngưỡng tương đồng 𝓉 chọn 20 với hệ số chất lượng nén khác (μ= 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90) Hệ số μ ảnh hưởng đến hệ số biến đổi cosin rời rạc dẫn đến ảnh hưởng khả nhúng thông tin Fig 3.3 Khả nhúng thông tin phương pháp ĐX2 Đồ thị Hình 3.4 biểu diễn cong hệ số μ phản ảnh hiệu chất lượng ảnh stego hiệu nhúng thông tin PSNR đạt hiệu cao tương ứng với hệ số μ thấp Khi hiệu nhúng thông tin bị hạn chế Đặc biệt, μ=50, 15 EC đạt cao, nhúng đạt đến 80000 bits vận trì chất lượng ảnh stego 40 dB (Hình 3.4 (a)) Bởi nhiều cặp hệ số lượng tử QDCT vùng nhúng thông tin đạt giá trị ‘0’ (a) Ảnh Im1 (b) Ảnh Img2 Fig 3.4 Đồ thị EC PSNR hệ số μ Đồ thị Hình 3.5 biểu diễn so sánh hiệu hiệu nhúng thông tin phương pháp ĐX2 so với hiệu hiệu nhúng thông tin phương pháp ĐX1và phương pháp Yang Chen Fig 3.5 So sánh hiệu hiệu nhúng thông tin phương pháp ĐX2 so với phương pháp ĐX1 phương pháp Yang Chen 16 Bảng 3.1 trình bày so sánh phương pháp ĐX1, ĐX2 phương pháp Yang Chen Kết cho thấy rằng, phương pháp đề xuất đạt PSNR cao nhúng 20000 bits thông tin với hệ số μ 75 Table 3.1 So sánh PSNR phương pháp ĐX1, ĐX2 Yang công cho nhúng 20000 bits thông tin với μ=75 Image Yang et al ĐX1 ĐX2 Img3 39.86 40.48 40.80 Img13 41.32 42.13 42.76 Img15 41.56 42.45 43.23 Img17 41.31 42.06 43.33 Img21 40.22 40.81 41.37 Average 40.85 41.59 42.30 3.3.4 Kết luận Trong Chương này, luận án trình bày hai đề xuất giấu tin khả nghịch cho ảnh Stereo triển khai miền biến đổi tần số DCT khối ảnh Kĩ thuật giấu tin đề xuất dựa dịch chuyển lược đồ hai chiều hệ số lương tử QDCT để nhúng thông tin mật Phương pháp đề xuất giải cần tốt yếu tố PSNR EC để đạt hiệu hiệu giấu tin khả nghịch với ảnh mang tin ảnh Stereo Ngoài để nâng cao EC hiệu PSNR, thuật toán giấu tin khả nghịch cho ảnh Stereo miền tần số dựa bảng điều hướng nhúng thơng tin Bên cạnh đó, tùy vào ứng dụng, chiến lược chọn ngưỡng tương đồng 𝓉 hệ số μ để đạt PSNR EC mong muốn 17 CHAPTER GIẤU TIN THỦY VÂN SỐ ẨN BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH STEREO 4.1 Giới thiệu Giấu tin thủy vân kĩ thuật mà sử dụng rộng rãi ứng dụng bảo quyền sở hữu trí tuệ nội dung số Nhúng tin thủy vân phân thành thủy vân dễ vỡ (fragile watermarking) thủy vân mạnh (robust watermarking) Thủy vân dễ vỡ nhạy cảm với hiệu chỉnh, sửa chữa ảnh nhúng thủy vân Vì vậy, thủy vân dễ vỡ phù hợp ứng dụng bảo vệ quyền tránh giả mạo Thủy vân mạnh an toàn bảo đảm tồn thông tin nhúng ảnh nhúng thủy vân ảnh thủy vân bị công cách xử lý Vì vậy, Thủy vân mạnh an toàn phù hợp cho ứng dụng bảo vệ quyền ngăn chặn chép 4.2 Sơ đồ nhúng tin thủy vân số dựa biến đổi DCT SVD để bảo vệ quyền ảnh Stereo 4.2.1 Nghiên cứu liên quan 4.2.2 Phương pháp đề xuất Thủ tục nhúng tin thủy vân: Tiến trình nhúng tin thủy vân phương pháp ĐX3 bao gồm ba giai đoạn Giai đoạn 1: Tìm khối ảnh tương đồng ảnh trái phải ảnh Stereo Giai đoạn 2: Biến đổi DCT khối ảnh tương đồng Một ma trận A có kích thước 4×4 tạo hai đường chéo phụ cuả khối ảnh tương đồng sau biến đổi DCT Khai triển SVD ma trận A để nhận ma trân U, S V Kế đến, ảnh nhị phân thủy vân phân hoạch thành khối w kích thước 4×4 nhúng vào ma trận S theo công thức sau: Sw = S + σ × w đó, σ is hệ số bền vững tiến trình nhúng tin thủy vân 18 (4.1) Sau đó, khai triển SVD ma trân Sw thu nhận ma trận U1, S1, V1 cho: SVD(Sw) = U1 × S1×V1 (4.2) Sau cùng, biến đổi SVD ngược để nhận ảnh nhúng thủy vân Thủ tục trích xuất thơng tin thủy vân: Thơng tin thủy vân trích xuất từ ảnh nhúng thủy vân Các bước tính tốn trích xuất thơng tin thủy vân trình bày tóm tắt sau: ̌, 𝑆̌ 𝑉̌ - Bước 1: Khai triển SVD ma trận 𝐴̌ để thu nhận ma trận 𝑈 cho: ̌ 𝑆̌ 𝑉̌ 𝑇 𝐴̌ = 𝑈 (4.3) - Bước 2: Tính ma trận 𝑆′𝑤 cho 𝑆𝑤′ = 𝑈1 𝑆̌ 𝑉1𝑇 (4.4) - Bước 3: Trích xuất thơng tin thủy vân 𝑤′ 𝑤′ = 𝑆𝑤′ − 𝑆 𝜎 (4.5) 4.2.3 Kết thực nghiệm Hình 4.1 minh họa kết thực nghiệm phương pháp đề xuất ĐX3 vớ hệ số σ =10 Kết trình bày chất lượng ảnh nhúng thủy vân BCR kiểu công khác ảnh Img1 Tính bền vững hệ thống thể ảnh nhúng thủy vân bị cơng trích xuất thơng tin thủy vân có BCR đạt 80% Cụ thể, ảnh nhúng thủy vân bị cắt xén 6,25% 25% thơng tin thủy vân trích xuất đạt BCR=83% 81%, theo thứ tự Đối với kiểu cơng cịn lại, nhiễu salt pepper (density 1%) gaussian 5%, thông tin thủy vân trích xuất có BCR đạt 93% 89% 19 (a) Left watermarked image Img1, Cropping 6,25%, PSNR=35.90 (b) Right watermarked image Img1, Cropping 6,25%, PSNR=35.97 (c) extracted watermarking image BCR=0.83 (d) Left watermarked image Img1, Cropping 25%, PSNR=29.99 (e) Right watermarked image Img1, Cropping 25%, PSNR=30.01 (f) extracted watermarking image BCR=0.81 (g) Left watermarked (h) Right watermarked Img1, salt&pepper 1%, Img1, salt&pepper 1%, PSNR=36.75 PSNR=36.91 (i) extracted watermarking image BCR=0.93 (j) Left watermarked image Img1,Gaussian 5%, PSNR=31.48 (k) Left watermarked image Img1,Gaussian 5%, PSNR=31.47 (l) extracted watermarking image BCR=0.89 Hình 4.1 PSNR ảnh nhúng thủy vân bị công BCR ảnh thủy vân trích xuất với kiểu cơng khác 20 4.3 Sơ đồ giấu tin thủy vân mạnh an toàn dựa biền đồi DCT-SVD thuyết hỗn loạn 4.3.1 Nghiên cứu liên quan 4.3.2 Phương pháp đề xuất Phương pháp đề xuất giấu tin thủy vân số mạnh bền vững ĐX4 minh họa sơ đồ Hình 4.2 Phương pháp ĐX4 gồm hai tiến trình: nhúng thơng tin thủy vân trích xuất thơng tin thủy vân T Hình 4.2 Sơ đồ giấu tin thủy vân ĐX4 4.3.3 Đánh giá hiệu suất phương pháp đề xuất 4.3.3.1 Phân tích độ nhạy cảm khóa thuyết hỗn loạn mã hóa ảnh Như biết, hàm chaotic có tính nhạy cảm cao điều kiện ban đầu Như mã hóa ảnh dựa thuyết hỗn loạn giúp hệ thống có khả chịu đựng công kiểu brute-force Để đánh giá độ nhạy cảm khóa hàm Chaotic logistic, ảnh mã hóa với hai tham số khởi đầu x0 μ 0.7589 3.67 Sau đó, giá trị x0 thay đổi cách cộng thêm đại lượng 10-10 vào giá trị x0 Thực nghiệm tiến hành giải mã ảnh với tham số μ=3.67 x0 0.7589 0.7589+10-10 Kết cho thấy hệ thống nhạy cảm với điều kiện ban đầu dù thay đổi bé Hình 4.3 trình bày kết thực nghiệm tính nhạy cảm hàm chaotic điều kiện ban đầu 21 (a) Left view of stereo image Art (b) Left cipher image (c) decoding (e) Right view of stereo image Art (f) Right cipher image (g) Correct decoding Correct (d) decoding with x0+10-10 (h) decoding with x0+10-10 Hình 4.3 Kết thực nghiệm tính nhạy cảm khóa hàm chaotic 4.3.3.2 Phân tích quan hệ lân cận điểm ảnh ảnh Để kiểm tra độ an toàn hệ thống, tính lận cận điểm ảnh ảnh phân tích đánh giá Nghiên cứu làm thực nghiệm cách chọn ngẫu nhiên 2048 điểm ảnh ảnh gốc, ứng với điểm ảnh lấy điểm ảnh lân cận với theo hướng ngang, dọc đường chéo Như vậy, thực nghiệm có 2048 cặp điểm ảnh theo hướng ngang dọc đường chéo Thực nghiệm lặp lại với ảnh mã hóa Hình 4.4 biểu diễn phân bố cặp điểm ảnh ảnh Stereo gốc với kênh màu đỏ ảnh mã hóa Plain image (a) Horizontal (b) Vertical (c) Diagonal Cipher image (d) Horizontal (e) Vertical (f) Diagonal Hình 4.4 Phân bố cặp điểm ảnh trước sau mã hóa 22 4.3.3.3 Tính hiệu bền vững hệ thống nhúng thủy vân số Để đánh giá hiệu bền vững hệ thống nhúng thủy vân ĐX4, logo Trường Đại học Cần Thơ với kích thước (128×128) sử dụng ảnh thủy vân tập ảnh Stereo Hình 4.5 trình bày ảnh thực nghiệm (a) logo watermark (b) Left view of Laundry (c) Left view of Art Fig 4.5 Ảnh thực nghiệm Bảng 4.1 trình bày kết thực nghiệm thu nhận theo tiêu chí đánh giá PSNR SSIM PSNR (dB) ảnh nhúng thủy vân vào khoảng 43 (dB) phương pháp W Zhou cộng sự4 Trong đó, PSNR ảnh nhúng thủy vân phương pháp ĐX4 đạt khoảng 56 (dB) Với số PSNR này, hệ thống thỏa mãn ứng dụng địi hỏi tính suốt ảnh nhúng thủy vân cao Bảng 4.1 PSNR/SSIM ảnh nhúng thủy vân W Zhou et al.’s scheme Proposed scheme Left view Right view Left view Right view Laundry 42.80/0.978 42.79/0.977 56.99/0.999 59.39/0.999 Art 43.20/0.987 43.10/0.980 57.24/0.999 59.85/0.999 Stereo images 4.4 Conclusion Trong chương này, luận án trình bày lược đồ nhúng ảnh thủy vân ẩn mạnh an toàn bảo vệ quyền ảnh Stereo Lược đồ dịch chuyển 2-D hệ số lượng tử cặp khối ảnh tương đồng hiệu đề xuất Để bảo vệ quyền nội dung ảnh Stereo, thông tin ảnh thủy vân chèn vào giá trị riêng phép phân tích SVD hệ số lượng tử 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) 23 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Với phát triển công nghệ internet truyền thông đa phương tiện, giấu tin trở thành kĩ thuật đảm bảo an tồn thơng tin thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu ứng dụng Luận án đề xuất giải pháp nâng cao hiệu hiệu giấu tin ảnh Stereo Nâng cao khả nhúng tin cho hệ thống giấu tin khả nghịch, trì hiệu chất lượng ảnh mang tin, tính bền vững bảo mật hệ thống nhúng tin thủy vân 5.2 Hướng phát triển Thử thách lớn hệ thống giấu tin ảnh số nhúng nhiều thông tin vào ảnh mang tin mà nhiễu gây thấp nhất, bảo mật cao chống chịu công Mặc dù luận án giải yêu cầu đặc tính kĩ thuật hệ giấu tin ảnh số chưa thật trọn vẹn Bởi đặc tính có quan hệ ràng buộc lẫn nhau, cải tiến hiệu thuộc tính làm giảm hiệu Đây vấn đề thực tiễn khó giải cách trọn vẹn đồng thời Các kĩ thuật đề xuất, ảnh màu Stereo chọn lựa đối tượng mang thơng tin đối tượng cần bảo vệ Trong lược đồ nhúng thủy vân, sau ảnh thủy vân trích xuất xác thực nội dung ảnh, số ứng dụng, ảnh nhúng thủy vân cần khơi phục lại Đây cách tiếp cận nghiên cứu nhúng thủy vân ảnh Stereo Ngồi ra, khía cạnh khác, ảnh màu 3-D ứng dụng rộng rãi Vì vậy, ảnh màu 3-D đối tượng mang tin nhúng tốt gây ý đến hệ thống thị giác Đồng thời, nội dung ảnh 3-D cần bảo vệ Tuy nhiên, vấn đề cần quan tâm xem xét nhúng thông tin ảnh màu 3-D đỉnh nối điểm ảnh ảnh 3-D 24 ... thơng tin vào ảnh • Nghiên cứu tìm giải pháp nâng cao hiệu hiệu giấu tin ảnh số với việc khôi phục lại ảnh gốc sau thông tin ẩn trích xuất • Nghiên cứu kĩ thuật giấu tin kết hợp với mã hoá tin. .. 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, ... xuất giải pháp nâng cao hiệu hiệu giấu tin ảnh Stereo Nâng cao khả nhúng tin cho hệ thống giấu tin khả nghịch, trì hiệu chất lượng ảnh mang tin, tính bền vững bảo mật hệ thống nhúng tin thủy vân