Giấu tin thuận nghịch trong ảnh stereo với khả năng nhúng tin cao

Ảnh Stereo là ảnh được thu nhận đồng thời từ cặp CCDs đang được sử dụng rộng rãi để tạo ra ảo giác của độ sâu 3D. Mỗi cặp của ảnh stereo có nhiều cặp khối giống nhau. Có nhiều kỹ thuật giấu tin trong ảnh stereo được đề xuất; tuy nhiên, khả năng nhúng cũng như chất lượng ảnh sau khi nhúng của những kỹ thuật đó còn hạn chế. Trong bài báo này, một phương pháp giấu tin thuận nghịch mới được đề xuất để nhúng những thông tin mật vào những cặp khối giống nhau của ảnh stereo. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng phương pháp đề xuất đạt được khả năng nhúng cao trong khi vẫn bảo đảm chất lượng của ảnh stereo sau khi nhúng tin.

Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Quốc gia lần thứ IX “Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR'9)”; Cần Thơ, ngày 4-5/8/2016 DOI: 10.15625/vap.2016.00078 GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRONG ẢNH STEREO VỚI KHẢ NĂNG NHÚNG TIN CAO Nguyễn Thái Sơn 1, Võ Phước Hưng2, Huỳnh Văn Thanh2, Đỗ Thanh Nghị3 Khoa Kỹ thuật công nghệ, Đại học Trà Vinh Bộ môn Công nghệ thông tin, Đại học Trà Vinh Khoa Công nghệ thông tin truyền thông, Đại học Cần Thơ thaison@tvu.edu.vn, hungvo@tvu.edu.vn, hvthanh@tvu.edu.vn, dtnghi@cit.ctu.edu.vn TÓM TẮT— Ảnh Stereo ảnh thu nhận đồng thời từ cặp CCDs sử dụng rộng rãi để tạo ảo giác độ sâu 3D Mỗi cặp ảnh stereo có nhiều cặp khối giống Có nhiều kỹ thuật giấu tin ảnh stereo đề xuất; nhiên, khả nhúng chất lượng ảnh sau nhúng kỹ thuật cịn hạn chế Trong báo này, phương pháp giấu tin thuận nghịch đề xuất để nhúng thông tin mật vào cặp khối giống ảnh stereo Kết thực nghiệm cho thấy phương pháp đề xuất đạt khả nhúng cao bảo đảm chất lượng ảnh stereo sau nhúng tin Từ khóa— Ảnh stereo, thuận nghịch, giấu tin, lượng tử hóa hệ số DCT I GIỚI THIỆU CHUNG Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ công nghệ đa phương tiện, với việc bùng nổ nhu cầu trao đổi thông tin, lượng lớn liệu đa phương tiện truyền Internet Vì vậy, liệu số bị biên tập, chỉnh sửa nhân cách dễ dàng kẻ công [5] Vì vậy, tính an tồn bảo mật liệu số ngày quan tâm nhà khoa học nhiều lĩnh vực khác Nhiều giải pháp đề xuất thời gian qua để bảo vệ tính an tồn bảo mật thông tin truyền Những giải pháp chia làm hai loại, mã hóa thơng tin (Cryptography) giấu tin (Steganography) Trong mã hóa thơng tin, liệu mã hóa trước truyền liệu truyền bảo mật Tuy nhiên, cách chuyển đổi liệu sang phiên khơng có ý nghĩa chúng kích thích tị mị kẻ công nguy hiểm Ngược lại, giấu tin giải pháp nhúng thông tin mật vào liệu đa phương tiện (dữ liệu mang tin – cover data), văn bản, ảnh, audio, hay video, để đảm tính bảo mật thông tin nhúng Trong năm qua, nhiều kỹ thuật giấu tin đề xuất [6-8] Tuy nhiên, hầu hết phương pháp khơng có khả thuận nghịch, nghĩa chúng thường ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng đối tượng mang tin mật lượng lớn thơng tin giấu, giải pháp khôi phục lại trạng thái ban đầu đối tượng mang tin Điều chấp nhận số lĩnh vực đặc biệt y khoa, quân đội pháp chứng… Vì vậy, nhiều kỹ thuật giấu tin thuận nghịch đề xuất [1-5, 9, 11] chúng giấu lượng lớn thông tin với chất lượng ảnh mang tin đảm bảo mà cịn có khả khôi phục đối tượng mang tin định dạng gốc ban đầu (original data) với khơng có nhiễu (without any distortion) Đa số giải pháp giấu tin thực đối tượng ảnh mức xám (grayscale images) [1-5, 11] Trong số đó, có nhiều giải pháp vượt trội có khả ứng dụng cao [1, 11] chúng đảm bảo tất yêu cầu giải pháp giấu tin thuận nghịch đề xuất bên Tuy nhiên, giải pháp áp dụng trực tiếp vào ảnh lập thể (stereo image) Vì vậy, để giấu tin ảnh stereo, số giải pháp đề xuất dựa vào khối tương đồng chung ảnh bên phải ảnh bên trái [8, 9] Theo Yang Chen [9] để mở rộng khả giấu tin, trước thực giấu tin cần mã hóa bit thơng tin cần giấu thành cặp số nguyên khoảng [-1, 1] giấu vào giá trị khác biệt hai hệ số DCT tương ứng hai khối ảnh Bằng cách làm vậy, phương pháp khơi phục lại hồn tồn ảnh gốc sau tách thơng tin mật Tuy nhiên khả thơng tin nhúng cịn bị giới hạn Nguyên nhân phương pháp phải phụ thuộc vào tần suất xuất giá trị khác biệt hai hệ số lượng tử DCT Hơn nữa, cách phụ thuộc vào phương pháp thay đổi lưu đồ (Histogram Shifting) để giấu tin, phương pháp dẫn đến tất cặp hệ số lượng tử DCT phải thay đổi giá trị dẫn đến chất lượng ảnh chứa tin giảm đáng kể Để khắc phục yếu điểm giải pháp giấu tin có ảnh stereo, chúng tơi đề xuất giải pháp giấu tin dựa vào việc xây dựng lưu đồ hai chiều cặp hệ số DCT Bằng cách làm này, giải pháp đề xuất giới hạn việc thay đổi giá trị cặp hệ số cho bé Ngoài ra, giải pháp đề xuất khắc phục lệ thuộc vào tần suất giá trị khác biệt cặp hệ số DCT, dẫn đến nhiều cặp hệ số lựa chọn cho việc giấu tin hơn, giúp nâng cao khả giấu tin giải pháp II NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Năm 2014, Yang Chen [9] đưa phương pháp giấu tin thuận nghịch cho ảnh stereo dựa miền hệ số DCT Phương pháp dựa vào đặc điểm cặp ảnh stereo (gồm ảnh bên trái bên phải) chứa nhiều cặp khối ảnh tương đồng nhau, tác giả giấu thông tin mật vào cặp tương đồng miền hệ số lượng tử DCT Phương 632 REVERSIBLE STEGANOGRAPHY IN STEREO IMAGE WITH HIGH EMBEDDING CAPACITY pháp có hai q trình: giấu tin vào ảnh tách tin từ ảnh mang tin (stego images) Trong trình giấu tin, ảnh chia thành khối × pixels Sau khối ảnh chuyển đổi sang miền hệ số DCT lượng tử chúng Sau, lượng tử, khối hệ số lượng tử DCT (DCT-quantized coefficients) chia thành ba vùng có tần số DCT khác nhau, vùng thứ chứa hệ số lượng tử DCT với tần số thấp (lower-frequency DCTquantized coefficients) gọi vùng tìm kiếm, vùng thứ hai chứa hệ số lượng tử DCT với tần số trung bình gọi vùng giấu tin, vùng cịn lại đa số hệ số có giá trị gọi vùng không sử dụng, thể Hình Dựa vào vùng tìm kiếm, cặp khối tương đồng ảnh stereo xác định Sau đó, thơng tin mật giấu vào vùng giấu tin cặp khối tương đồng Quá trình tách tin từ ảnh giấu tin thực tương tự trình giấu tin Hình Ba vùng hệ số DCT khác khối × (hình tam giác: vùng tìm kiếm, hình vng: vùng giấu tin, hình trịn: vùng khơng sử dụng) Để giấu tin vào ảnh, ảnh chia thành khối × pixels không trùng lặp, khối BL ảnh bên trái, tìm khối tương đồng CorrB từ ảnh bên phải theo công thức sau: ( (1) ) ∑ [ ( ) ( )] Với CB (u,v)là giá trị hệ số DCT (u,v) khối B Cặp khối tương đồng tìm thấy cặp khối có Dif (BR) nhỏ Trước giấu tin, tính giá trị hệ số lượng tử DCT khác vùng giấu tin hai khối tương đồng BLvà CorrB theo công thức sau: ( ) ( ) ( ), với < u+ v < (2) Sau đó, Dif B(u,v) = (giá trị hệ số DCT khác 0) dùng để giấu số nguyên z theo công thức (3) Và z  [-1,1] ( ) ( ) ( ) { ( ( ( ) ) ) (3) ( ), dùng để cập nhật lại cặp ảnh bên trái bên phải Sau đó, giá trị hệ số lượng tử DCT khác mới, ảnh stereo Bằng cách áp dụng bước thơng tin mật giấu vào ảnh stereo Nhưng theo công thức (3), cặp hệ số lượng tử DCT bị thay đổi giá trị để giấu thơng tin để đảm bảo khôi phục lại phiên gốc sau thông tin mật tách III GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT Như đề cập phần II, nhận thấy phương pháp Yang Chen [9] khả thơng tin nhúng cịn giới hạn Vì khả nhúng phụ thuộc vào tần suất xuất giá trị khác biệt hai hệ số lượng tử hóa DCT phụ thuộc vào dịch chuyển lược đồ xám ảnh để giấu tin Để khắc phục hạn chế này, đề xuất giải pháp giấu tin dựa vào việc cải tiến lưu đồ dịch chuyển các cặp hệ số lượng tử hóa DCT thành lưu đồ chiều Phương pháp giới hạn việc thay đổi giá trị cặp hệ số có khả nhúng liệu cặp hệ số lượng tử hóa DCT, từ nâng cao khả nhúng thông tin vào ảnh mang tin (cover stereo image) Giải pháp đề xuất gồm hai q trình q trình giấu tin tách tin Nguyễn Thái Sơn, Võ Phước Hưng, Huỳnh Văn Thanh , Đỗ Thanh Nghị 633 A Quá trình giấu tin (a) Left image (b) Right image Hình Một ví dụ ảnh Stereo (a) Ảnh bên trái ảnh Stereo, (b) Ảnh bên phải ảnh Stereo Dựa đặc tính ảnh stereo image có nhiều khối ảnh giống hình đồng thời kế thừa định nghĩa vùng tìm kiếm, vùng giấu tin vùng khơng sử dụng khối ảnh lượng tử hóa DCT Đầu tiên, ảnh trái phải chia thành khối có kích thước 8×8 miền tần số DCT lượng tử hóa chúng Tiếp đến, dựa vùng tìm kiếm để tìm cặp khối ảnh giống theo ngưỡng T Khi liệu nhúng vào vùng nhúng liệu Quá trình giấu tin vào ảnh stereo mơ tả sơ đồ hình Hình Lưu đồ trình giấu tin ảnh Stereo Mã hóa thơng tin trước giấu Để nâng cao khả giấu tin, mã hóa chuỗi bit thơng tin cần giấu thành số nguyên tương ứng theo bảng quy luật sau: Bảng Bảng mã hóa bit liệu Bit thơng tin (b) 00 01 Số nguyên mã hóa (s) -1 Ví dụ 1: Giả sử ta có chuỗi bit thông tin b= 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1, áp dụng bảng ta có chuỗi nguyên s= 0 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 0 1, mô tả rõ hình Hình Một ví dụ mã hóa bit liệu Tìm cặp khối ảnh tương đồng Mỗi ảnh chia thành khối (8×8) pixels không trùng lặp nhau, tương tự giải pháp Yang Chen [9] tương ứng khối BlockL ảnh bên trái tìm khối tương đồng CorrBlock ảnh bên phải theo công thức (1) Nhúng tin Khi tìm cặp khối ảnh tương đồng, tiến hành nhúng tin vào vùng giấu tin (vùng 4< u+v