Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo nghiên cứu thuật toán watermarking dựa trên sự kết hợp phép biến đổi Discrete Cosine Transform (DCT) và Discrete Wavelet Transform (DWT). Sử dụng phép biến đổi wavelets lần thứ nhất trên ảnh phủ (cover image) thu được các băng con LL, HL, LH và HH (L:Low và H: High).
Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Watermarking ảnh số dựa vào kết hợp DCT DWT để nâng cao tính bền vững tính vơ hình Nguyễn Chí Sỹ, Hà Hồng Kha Nguyễn Minh Hồng Bộ mơn Viễn thơng, Khoa Điện – Điện tử Đại học Bách khoa, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam Email: ncsy@pyitc.vn, hhkha@hcmut.edu.vn Viện Cơng nghệ Viễn thơng Sài gịn Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Email: nmhoang@saigon-ict.edu.vn Tóm tắt—Bài báo nghiên cứu thuật toán watermarking dựa kết hợp phép biến đổi Discrete Cosine Transform (DCT) Discrete Wavelet Transform (DWT) Sử dụng phép biến đổi wavelets lần thứ ảnh phủ (cover image) thu băng LL, HL, LH HH (L:Low H: High) Tiếp tục áp dụng phép biến đổi wavelets băng LH ta thu băng LL2, HL2, LH2 HH2 Hai băng LH2 HL2 chọn để nhúng watermark, băng chia thành khối 8x8 không chồng lấn áp dụng biến đổi DCT khối này, watermark nhúng vào tần số hai băng Kết thực giải thuật đề xuất ảnh xám Lena, kích thước 512x512; watermark bit ngẫu nhiên kích thước 16x16 cho thấy điều kiện khơng có cơng, PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) thuật tốn đề xuất cao PSNR số nghiên cứu trước bền vững điều kiện có cơng thơng thường Từ khóa—Watermarking; Discrete Cosine Transform; Discrete Wavelet Transform; Tính bền vững; Tính vơ hình I GIỚI THIỆU Ngày nay, phát triển công nghệ thông tin Internet, nội dung số dễ dàng bị chép phân phối thơng qua mạng Điều đặt số vấn đề cấp bách cần giải bảo vệ quyền tác giả, chống giả mạo, xác minh tác giả (author authentication) Watermarking giải pháp giải vấn đề Watermarking việc giấu thông tin sở hữu nội dung số ảnh số, nhạc số, video số [1][3][9] Kỹ thuật watermarking áp dụng nhiều loại nội dung số khác Tuy nhiên, có ảnh số nghiên cứu báo Ảnh số biểu diễn miền không gian (spatial domain) điểm ảnh biểu diễn miền tần số (transform domain) hệ số Watermarking thực miền biến đổi có độ bền vững tốt thực miền không gian [1][10] Để biến đổi ảnh từ miền không gian sang miền tần số, sử dụng phép biến đổi DCT, DWT, hay DFT (Discrete ISBN: 978-604-67-0349-5 374 Fourier Transform) Mỗi phép biến đổi có ưu nhược điểm riêng Để nâng cao tính bền vững tính vơ hình, giải pháp dựa kết hợp phép biến đổi để phát huy ưu điểm khắc phục nhược điểm phép biến đổi cách tiếp cận nhiều người quan tâm [11] [14] chứng minh thuật toán watermarking dựa kết hợp DWT DCT tốt thuật toán watermarking sử dụng phép biến đổi Trong báo thuật toán watermarking dựa kết hợp hai phép biến đổi DCT DWT đề xuất thực nghiệm chương trình Matlab Sự hiệu giải pháp so sánh với kết báo [8] chất lượng ảnh quan sát, tỷ số tín hiệu cực đại nhiễu PSNR, tính bền vững Bài báo bao gồm nội dung sau: Phần II giới thiệu thuật toán watermarking bền vững dựa vào phép biến đổi DCT, thuật toán watermarking miền wavelet phương pháp đo lường hiệu thuật toán watermaking Phần III đề xuất thuật tốn nhúng trích watermarking Phần IV trình bày kết thực nghiệm phần V kết luận II GIỚI THIỆU CÁC THUẬT TOÁN WATERMARKING A Thuật toán wartermarking sử dụng phép biến đổi DCT Kỹ thuật watermarking dựa vào phép biến đổi DCT bền vững so với kỹ thuật watermarking miền không gian [3] Các thuật toán bền vững với phép xử lí số tín hiệu đơn giản lọc thông thấp, điều chỉnh độ tương phản độ sáng, làm giảm chất lượng ảnh (blurring) [1] Tuy nhiên, việc tính tốn phức tạp triển khai khó Hạn chế kỹ thuật bền vững với cơng biến đổi hình học phép quay, thay đổi tỷ lệ, xén [4] Watermarking miền DCT chia thành watermarking tồn (Global DCT watermarking) watermarking theo khối (Block based DCT Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) watermarking) [2] đề xuất thuật toán nhúng watermark vào hệ số DCT lớn (trừ DC) Ưu điểm thuật toán hầu hết giải thuật nén thường cắt bỏ phần nhạy với HVS (Human Visual System) Trong miền không gian phần biểu diễn LSB (Least Significant Bit) Trong miền tần số biểu diễn thành phần tần số cao [3] Các bước thuật tốn DCT khối thể Hình Các bước thực thuật toán watermarking dựa vào khối DCT 1) Chia ảnh thành khối không chồng lấn có kích thước 8x8 2) Áp dụng phép biến đổi DCT thuận block 3) Áp dụng số điều kiện lựa chọn khối (ví dụ HVS) 4) Áp dụng số điều kiện lựa chọn hệ số (ví dụ hệ số cao nhất) 5) Nhúng watermark vào hệ số lựa chọn 6) Áp dụng biến đổi DCT ngược cho block Hình 1: Watermarking dựa vào khối DCT B Thuật toán watermaking miền wavelets Wavelets nghiên cứu năm gần lĩnh vực xử lí số tín hiệu nói chung đặc biệt kỹ thuật nén ảnh Một số ứng dụng, giải pháp watermarking (schemes) dựa vào wavelets có kết tốt cách tiếp cận DCT [3] Đặc điểm DWT Biến đổi wavelet phân tích ảnh thành hướng không gian: hướng ngang, thẳng đứng hướng chéo (diagonal) Vì wavelets phản ánh thuộc tính khơng đẳng hướng HVS xác [6] Biến đổi wavelets hiệu tính tốn thực phép tích chập lọc đơn Biên độ hệ số DWT lớn băng thấp (LL) mức phân tích nhỏ băng khác (HH, LH, HL) [7] Biên độ hệ số lớn quan trọng Việc dò watermark mức phân giải thấp tính tốn hiệu Các băng có độ phân giải cao giúp dễ dàng xác định đường nét (edge) kiểu cấu trúc (texture) ảnh C Phương pháp đo lường hiệu thuật toán watermarking Hiệu thuật tốn watermarking đo lường dựa tính vơ hình tính bền vững Tính vơ hình đo tỷ số tín hiệu cực đại nhiễu PSNR, tính tốn ảnh gốc ảnh nhúng watermark Đối với ảnh xám PSNR tính bởi: (1) MSE sai số bình phương trung bình (Mean Square Error) tính cơng thức: ISBN: 978-604-67-0349-5 375 (2) Trong Xij điểm ảnh ảnh gốc kích thước MxN Wij điểm ảnh ảnh nhúng watermark kích thước MxN Độ bền vững đo tương quan chuẩn (Normalized Correlation) watermark gốc watermark trích Tương quan chuẩn tính cơng thức: (3) Woij điểm ảnh watermark kích thước MxN Wrij điểm ảnh watermark trích kích thước MxN NC có giá trị từ đến 1, NC lớn mức độ tương quan nhiều, tốt NC phản ánh khả bền vững trước cơng từ bên ngồi vào ảnh watermarking III THUẬT TỐN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT Đã có nhiều thuật toán watermarking đề xuất dựa kết hợp phép biến đổi DCT DWT Các nghiên cứu đa dạng dựa vào điều kiện lựa chọn khối DCT, điều kiện lựa chọn hệ số DCT để nhúng watermark; mức phân tích DWT, băng chọn [8 14] Bài báo khảo sát đánh giá hiệu kết hợp DCT DWT cho giải thuật wartermark, từ đề xuất phương pháp hiệu Cụ thể, thuật toán watermarking đề xuất dựa vào kết hợp phép biến đổi DCT DWT kết hợp điểm mạnh khắc phục điểm yếu hai phép biến đổi Kết thực nghiệm so sánh với kết thực nghiệm báo tham khảo số [8] [8] dùng DWT phân tích ảnh phủ thành bốn băng con, dùng DWT phân tích băng HL thành bốn băng LL2, HL2, LH2 HH2 Hai băng HL2 LH2 chia thành khối 8x8 không chồng lấn, áp dụng DCT khối Watermark nhúng vào hai băng HL2, LH2 băng LL2, HL2, LH2, HH2 để so sánh Việc nhúng trích watermark có sử dụng khố để phát sinh PNS (pseudorandom noise sequences) Kết watermark nhúng vào băng hiệu tốt Thuật toán watermarking đề xuất dựa vào kết hợp phép biến đổi DCT DWT Chọn hai băng LH2 HL2 để nhúng watermark băng LL2 chứa thông tin chi tiết hình ảnh (tần số thấp), nhúng thơng tin vào miền chất lượng hình ảnh giảm, làm hỏng chi tiết hình ảnh Như làm hệ số PSNR giảm Băng HH2 miền tần số cao, miền thường áp dụng thuật tốn nén, để đảm bảo tính bền vững băng HH2 không sử dụng để nhúng thông tin Điểm khác thuật Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thơng tin (ECIT2014) tốn đề nghị [8] là: băng HL2 LH2 chọn để nhúng watermark; nhúng bit để tăng hệ số PSNR (với giả sử ứng dụng cần chất lượng hình ảnh sau nhúng watermark); điểm khác biệt bit watermark nhúng vào hai băng, trích lấy trung bình cộng tương quan chuỗi trích HL2 với PSN tương quan chuỗi trích LH2 với PSN để tăng độ bền vững watermark Trong thuật toán này, kỹ thuật DWT đưa vào xem xét việc chọn lựa băng thích hợp cho việc nhúng watermark để đáp ứng hai tính chất tính bền vững (robustness) tính vơ hình (imperceptibility), băng LH chọn sau thực DWT ảnh phủ lần thứ Khố bí mật sử dụng q trình nhúng trích watermark để đảm bảo tính bảo mật cho thuật toán watermarking watermark nhúng vào hai băng nhỏ băng LH Kỹ thuật DCT áp dụng hai băng LH2 HL2, watermark nhúng vào 22 hệ số DCT (6 - 27) miền tần số để tăng tính bền vững Hình mơ tả q trình nhúng trích watermark A Thuật toán nhúng Bước 1: mức đầu tiên, DWT thực ảnh phủ để phân tích thành bốn băng LL, LH, LH HH Bước 2: mức thứ hai, DWT thực băng LH để bốn băng nhỏ LL2, LH2, HL2, HH2 Bước 3: băng LH2 HL2 phân tích thành khối 8x8 khơng chồng lấn thực biến đổi DCT khối Bước 4: watermark nhúng vào 22 hệ số DCT miền tần số Quét theo đường zig-zag khối 8x8 DCT 22 hệ số miền tần số từ đến 28 chọn Bước 5: watermark chuyển đổi thành véc tơ nhị phân (message vector - MV) Bước 6: chuỗi PSN vector có số chiều 22 (bằng với số hệ số miền tần số nhúng watermark) phát sinh ngẫu nhiên tương ứng khố bí mật Bước 7: Nếu phần tử thứ i MV MV(i) = ta tiến hành nhúng PSN vào 22 hệ số khối DCT tương ứng C(i) = C(i)+k*PSN(i); (4) Trong k hệ số nhúng, C(i): hệ số thứ i (miền tần số giữa) chọn để nhúng watermark khối DCT 8x8 tương ứng PSN(i): giá trị bit thứ i chuỗi ngẫu nhiên PSN Bước 8: biến đổi IDWT từ băng LL2, HL2, LH2, HH2 thu băng LH; biến đổi IDWT từ băng LL, HL, LH, HH ta thu ảnh watermark ISBN: 978-604-67-0349-5 376 B Thuật tốn trích Bước 1: mức đầu tiên, DWT thực ảnh nhúng watermark để phân tích thành bốn băng LL, LH, HL, HH Bước 2: mức thứ hai, DWT thực băng LH để thu bốn băng nhỏ LL2, LH2, HL2 HH2 Bước 3: băng LH2 HL2 chia thành khối 8x8 không chồng lấn DCT thực khối Bước 4: 22 hệ số DCT từ khối chọn tương ứng hai băng (để tính tương quan lấy giá trị trung bình) Bước 5: tạo chuỗi PSN r_pn_zero tương ứng với key sử dụng trình nhúng Bước 6: tính tốn hệ số tương quan chuỗi trích từ Bước với chuỗi r_pn_zero Hệ số tương quan bit thứ k (tạo thành véc tơ tương quan, k=1 22) watermark tính trung bình cộng hai hệ số tương quan tìm hai băng LH2 HL2 tương ứng Nếu hệ số lớn trung bình cộng véc tơ tương quan bit thứ k watermak bit 0, ngược lại bit Bước 7: nắn (reshape) véc tơ thu thành dạng ảnh để khôi phục watermark Ảnh gốc DWT mức Watermark trích watermark k DCT 8x8 Thuật toán nhúng Véc tơ watermark Véc tơ watermark chuỗi PN Khóa chuỗi PN Thuật tốn trích IDCT DCT 8x8 mức IDWT Ảnh watermark mức DWT Hình 2: mơ tả q trình nhúng trích watermark IV THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Ảnh xám “Lena” (Hình 3) kích thước 512x512 sử dụng để thực nghiệm Ảnh watermark bit ngẫu nhiên kích thước 16x16 khố bí mật ảnh “key.pnp” có kích thước 72x72x3 Qua phương pháp thực watermark ta thu ảnh (Hình ) có chất lượng khơng thay đổi so với ảnh gốc (Hình 3) Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) BẢNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình Ảnh gốc Hình Ảnh watermarked Các hình thức cơng để thử nghiệm tính bền tính vơ hình: nhiễu Gauss, muối tiêu, Speckle Sau thử nghiệm với phép nén JPEG theo mức khác nhau, thử nghiệm tăng giảm độ sáng, scaling, cropping Kết thể Bảng Qua bảng so sánh, ta thấy PSNR thuật toán đề xuất (PSNRp = 45.2036) lớn PSNR[8] = 43.04 Các công xén (5%), tăng giảm độ sáng có NC thuật tốn đề xuất [8] hệ số PSNRp cao Hầu hết thuật toán watermark bền vững trước cơng (có NC > 0.75) Nhưng tiêu chí bền vững chưa đạt báo [8] thể hệ số NC thấp Do ảnh watermark thực nghiệm có kích thước 16x16 lớn so với ảnh watermark báo [8] có kích thước 16x9 nên NC phương pháp đề xuất cải thiện dùng tập liệu Một nguyên nhân khiến NC thuật toán đề xuất thấp hệ số k=15 thấp so với báo [8] có k=32 Hệ số k thấp điều kiện cảm nhận chất lượng ảnh tốt khả bền vững giảm Vì vậy, tùy vào yêu cầu mà chọn k phù hợp V KẾT LUẬN Bài báo giới thiệu phương pháp watermarking cho ảnh số cách sử dụng kết hợp biến đổi DCT wavelets Chúng cách chọn băng tần nhúng thông tin phù hợp, cụ thể băng HL2 LH2 nhúng bit cải thiện PSNR, tính bền vững so với phương pháp khác thực băng khác ISBN: 978-604-67-0349-5 377 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] V.M Potdar, S Han and E Chang, A survey of digital image watermarking techniques, in Proceedings of the IEEE 3rd International Conference on Industrial Informatics (INDIN), Perth, Australia, 10-12, pp 709-716, August 2005 I.J Cox, J Kilian, F.T Leighton, and T Shamoon, “Secure spread spectrum watermarking for multimedia” in IEEE Transactions on Image Processing, Volume 6, no 12, pp:1673 1687, Dec.1997 Baisa L Gunjal and R.R Manthalkar, “An Overview of Transform Domain Robust Digital Image Watermarking Algorithms”, Journal of Emerging Trends in Computing and Information Sciences , Volume No 2010-2011, pp 37-42 Mr.Navnath S Narawade and Dr.Rajendra D.Kanphade, "DCT Based Robust Reversible Watermarking For Geometric Attack," International Journal of Emerging Trends & Technology in Computer Science, Volume 1, no 2, pp 27 -32, August 2012 Fabien A.P Petitcolas, Ross J Anderson, Markus G Kuhn, Information Hiding—A Survey, Proceedings of the IEEE, Volume 87, No 7, July 1999, pp 1062-1078, ISSN 0018-9219 Voloshynovskiy, S, Deguillaume, F & Pun, T 2000, “Content Adaptive Watermarking based on a Stochastic Multiresolution Image” , in Tenth European Signal Processing Conference (EUSIPCO' 2000), Tampere, Finland, September 5-8 2000 P.Tao, A.M.Eskicioglu, “A Robust Multiple Watermarking Scheme in the Discrete Wavelet Transform Domain”, in Symposium on Internet Multimedia Management Systems, Philadelphia, PA October 25-28, 2004 Angshumi Sarma, “Image Watermarking in DCT-DWT Domain”, IRNet Transactions on Electrical and Electronics Engineering (ITEEE) ISSN 2319 – 2577, Volume -1, iss-2, 2012 Mei Jiansheng, Li Sukang, Tan Xiaomei, "A digital watermarking algorithm based on DCT and DWT", Proceedings of the 2009 International Symposium on Web Information Systems and Applications (WISA’09) Volume 2009 Kunal D Megha, Nimesh P Vaidya, Ketan Patel, “Digital Watermarking: Data Hiding Techniques using DCT-DWT Algorithm” International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering Volume 2, Issue 6, June 2013 Feng, Liu Ping, Liang Bin Zheng, and Peng Cao, "A DWT-DCT based blind watermarking algorithm for copyright protection." Computer Science and Information Technology (ICCSIT), 2010 3rd IEEE International Conference on Volume IEEE, 2010 Mahasweta J Joshi, Zankhana H Shah, and Keyur N Brahmbhatt, "Watermarking in DCT-DWT Domain." International Journal of Computer Science and Information Technologies, Volume (2), 2011 Surya Pratap Singh, Paresh Rawat, Sudhir Agrawal, “A Robust Watermarking Approach using DCT-DWT” International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 2, Issue 8, August 2012 Ali Al-Haj, "Combined DWT-DCT Digital Image Watermarking." Journal of computer science 3.9, 2007 ISBN: 978-604-67-0349-5 378 ... thuật toán watermarking Hiệu thuật toán watermarking đo lường dựa tính vơ hình tính bền vững Tính vơ hình đo tỷ số tín hiệu cực đại nhiễu PSNR, tính tốn ảnh gốc ảnh nhúng watermark Đối với ảnh xám... khả bền vững trước cơng từ bên ngồi vào ảnh watermarking III THUẬT TỐN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT Đã có nhiều thuật toán watermarking đề xuất dựa kết hợp phép biến đổi DCT DWT Các nghiên cứu đa dạng dựa vào. .. toán watermarking đề xuất dựa vào kết hợp phép biến đổi DCT DWT kết hợp điểm mạnh khắc phục điểm yếu hai phép biến đổi Kết thực nghiệm so sánh với kết thực nghiệm báo tham khảo số [8] [8] dùng DWT