Thủy vân là một trong những giải pháp hữu hiệu nhằm bảo vệ bản quyền cho các sản phẩm số. Bài viết này đề xuất kỹ thuật thủy vân video sử dụng kết hợp hai phép biến đổi DWT và DCT.
Lê Văn Điệp Phạm Thị Thủy 125 Kết hợp phép biến đổi DWT DCT kỹ thuật thủy vân video Lê Văn Điệp Phạm Thị Thủy Đại học Cơng nghiệp Việt Trì Tóm tắt: Kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ (DWT-Discrete Wavelet Transform) đảm bảo tính bền vững thủy vân, nhiên tính ẩn đạt mức chấp nhận [1] Kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi cosine rời rạc (DCT-Discrete Cosine Transform) đảm bảo tính ẩn thủy vân, tính bền vững thủy vân chưa cao [2] Trong báo này, đưa kỹ thuật thủy vân video sử dụng kết hợp phép biến đổi DWT DCT Trước hết, video tách thành frame, chọn frame, sử dụng DWT phân tích frame thành bốn băng Tiếp theo, chia băng LH1 HL1 thành khối vuông nhỏ, áp dụng biến đổi DCT nhúng bit thủy vân vào miền tần số khối 8×8 Kết thực nghiệm cho thấy kỹ thuật giữ lại ưu điểm, khắc phục nhược điểm phép biến đổi DWT DCT nên cải thiện tính ẩn tính bền vững thủy vân Từ khóa: Thủy vân video, biến đổi DCT, biến đổi DWT, kết hợp phép biến đổi DWT DCT, bảo vệ quyền Giới thiệu Thủy vân giải pháp hữu hiệu nhằm bảo vệ quyền cho sản phẩm số Dựa vào đặc trưng, tính chất ứng dụng thủy vân chia thủy vân thành hai loại: Thủy vân bền vững thủy vân dễ vỡ Đối với thủy vân bền vững lại chia thành hai loại thủy vân ẩn thủy vân Trong khuôn khổ báo đề cập đến kỹ thuật thủy vân ẩn, bền vững Nghĩa mắt thường người khơng thể nhìn thấy thủy vân, đồng thời thủy vân phải tồn bền vững với sản phẩm, muốn loại bỏ thủy vân có cách phá hủy sản phẩm Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DWT phân tích frame hình thành miền tần số LL, LH, HL, HH sau nhúng thuỷ vân vào miền tần số với hệ số tương quan khác Frame chứa thủy vân thử qua phép biến đổi thơng thường tìm lại thủy vân Kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT chia frame hình thành khối, thực phép biến đổi DCT với khối frame gốc để miền tần số thấp, miền tần số miền tần số cao Trong báo [2], tác giả lược đồ thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi DCT chất lượng ảnh nhúng thủy vân tương đối cao, song thủy vân tìm lại sai khác so với thủy vân gốc Trong báo [1], tác giả lược đồ thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi DWT đảm bảo tính bền vững thủy vân, nhiên tính ẩn đạt mức chấp nhận Trong [4], tác giả kết hợp phép biến đổi rời rạc ảnh cho kết tốt Vì vậy, báo chúng tơi thực kỹ thuật thủy vân video dựa vào phép biến đổi DWT kết hợp với phép biến đổi DCT nhằm cải thiện tính ẩn tính bền vững thủy vân 126 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC Thông thường file video cấu tạo thành phần: sound, frame, text, midi [3] Các thành phần dùng làm môi trường nhúng thủy vân Trong báo này, tập trung nghiên cứu kỹ thuật nhúng thủy vân frame hình video Nội dung nghiên cứu 2.1 Phép biến đổi DWT, DCT Phép biến đổi DWT Ý tưởng phép biến đổi sóng nhỏ dùng hai lọc bù Bộ lọc thứ lọc thông thấp cho thành phần có tần số thấp qua Bộ lọc thứ hai lọc thông cao, cho thành phần có tần số cao qua Sau trình lọc mức chia ảnh thành bốn băng phân giải không chồng LL1, LH1, HL1 HH1 Băng LL1 thể phần nội dung có tần số thấp chứa thơng tin quan trọng (phần xấp xỉ - mang đặc tính nhận dạng), băng cịn lại thể phần nội dung có tần số cao (phần tiểu tiết - mang sắc thái tín hiệu) LL1 HL1 LH1 HH1 Hình Cấu trúc phân tích ảnh qua phép biến đổi DWT mức Sau thực phép biến đổi DWT, hầu hết lượng ảnh tập trung băng tần số thấp LL1, nhúng thủy vân vào băng làm suy giảm đáng kể chất lượng ảnh, độ bền vững thủy vân cao phép biến đổi ảnh phải bảo tồn thơng tin băng Với băng tần số cao HH1 hệ thống thị giác người thường không nhạy cảm, nhúng thủy vân vào băng không bị phát mắt thường, nhiên độ bền vững thủy vân thấp ảnh hưởng phép xử lý ảnh Vì vậy, thường sử dụng băng LH1 HL1 để nhúng thủy vân [3] Phép biến đổi DCT DCT biến đổi toán học nhằm chuyển đổi miền biểu diễn tín hiệu từ miền khơng gian sang miền tần số, ứng dụng nhiều xử lý tín hiệu số Phép biến đổi DCT hai chiều tổng quát thực khối m×n Bài báo này, chúng tơi lựa chọn phép biến đổi DCT khối 8×8 dùng chuẩn nén ảnh JPEG Khối hệ số DCT chia thành miền tần số: thấp, cao Hình Phân chia miền tần số ảnh phép biến đổi DCT (a) Miền tần số thấp, (b) Miền tần số giữa, (c) Miền tần số cao Miền tần số thấp chứa thông tin quan trọng ảnh hưởng đến tri giác, thay đổi nhỏ miền làm giảm chất lượng tri giác ảnh Thông tin miền tần số cao Lê Văn Điệp Phạm Thị Thủy 127 mang tính tri giác thấp, khơng bền vững trước phép xử lí ảnh, nén ảnh Vì vậy, miền tần số hay sử dụng cho kết tốt [3] 2.2 Kết hợp phép biến đổi DWT DCT Quy trình thủy vân video Quy trình nhúng thủy vân video Hình Quy trình nhúng thủy vân video - Tách video thành file: file âm file video (khơng có tiếng) - Lấy file video thu tách frame - Phân tích frame thực nhúng thủy vân - Ghép frame, kết hợp với file âm ghép trở lại video ban đầu Quy trình tách thủy vân video Hình Quy trình tách thủy vân video - Tách video thành file: file âm file video (khơng có tiếng) - Lấy file video thu tách frame - Phân tích frame thực trích thủy vân Kỹ thuật thủy vân video sử dụng DWT kết hợp với DCT Lược đồ nhúng thủy vân Lược đồ nhúng thủy vân mơ tả hình 128 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC IDWT IDCT DCT Hình Lược đồ nhúng thủy vân Vào: - Frame gốc I - Thuỷ vân ảnh nhị phân W Ra: - Frame Iw chứa thuỷ vân Thực hiện: Tách video gốc thành frame, chọn frame để nhúng thủy vân Sử dụng phép biến đổi DWT mức để phân tích frame thành bốn băng con: LL1, HL1, LH1, HH1 Với băng thực bước sau: Chia băng định nhúng thủy vân (LH1 HL1) thành khối 8×8 Áp dụng DCT cho khối 8×8 để thu ma trận hệ số DCT Chuyển thủy vân thành vector W(i), i = 1,2,…N số Số phần tử W nhỏ số khối 8×8 băng Nhúng bít thủy vân vào miền tần số ma trận hệ số DCT khối 8×8 băng LH1 HL1 Nếu bít cần nhúng b F (u, v) F ( p, q) đổi chỗ hai hệ số ' i Ngược lại, Nếu ' i i đổi chỗ hai hệ số bi Fi ' (u, v) Fi ' ( p, q) Fi ' (u, v) Fi ' ( p, q) Fi ' (u, v) Fi ' ( p, q) k tăng F (u, v) giảm F ( p, q) k / ' ' i i Ngược lại, F (u, v) F ( p, q) F ( p, q) F (u, v) k tăng F ( p, q) giảm ' i ' i ' i ' i ' i Fi ' (u, v) k / Áp dụng biến đổi ngược IDCT khối mà hệ số bị thay đổi để nhúng bit thủy vân bước Áp dụng biến đổi ngược IDWT băng vừa nhúng thủy vân để thu frame thủy vân Ghép frame thủy vân với frame khác để video nhúng thủy vân Lược đồ tách thủy vân Lược đồ tách thủy vân mơ tả hình Lê Văn Điệp Phạm Thị Thủy 129 DCT Hình Lược đồ tách thủy vân Vào: Frame chứa thuỷ vân Iw (có thể bị công) Ra: Thuỷ vân dạng chuỗi bit W Thực hiện: Tách video nhúng thủy vân thành frame Sử dụng DWT để phân tích frame thủy vân thành bốn băng LL1, HL1, LH1, HH1 Đối với băng nhúng thủy vân thực hiện: Chia băng thành khối 8×8 Áp dụng DCT cho khối 8×8, gọi X miền tần số ma trận hệ số DCT Gọi bi bít thủy vân cần tìm Quy tắc trích thủy vân thực sau Đọc vào vị trí hai hệ số biến đổi (u,v) (p,q) tương ứng với F ' i Tính: k Fi ' (u, v) Fi ' ( p, q) Nếu k > gán b i 0 , ngược lại gán b i 1 Ghép bít thủy vân tìm thành vector Kết 3.1 Các độ đo đánh giá hiệu Tính ẩn thủy vân Tính ẩn (hay độ cảm nhận) thủy vân đánh giá thông qua sai khác chất lượng frame gốc F frame sau nhúng thuỷ vân F’ cách tính giá trị PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) F F’ có kích thước m×n theo cơng thức: Max( F ) (1) PSNR 20log10 MSE m n đó, MSE F (i, j ) F '(i, j ) 2 bình phương độ lệch F F’ mn i 1 j 1 Có thể sử dụng hệ thống thị giác người để cảm nhận đánh giá tính ẩn Giá trị PSNR tỷ lệ nghịch với sai khác frame gốc frame sau nhúng thủy vân, PSNR lớn tốt Tính bền vững thủy vân Tính bền vững độ đo bền vững thủy vân trước công nhằm gỡ bỏ biến dạng thủy vân phép xử lý tín hiệu số Trong báo này, đánh giá độ bền 130 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC vững thủy vân thông qua phép nén ảnh đo giống thủy vân gốc W với thủy vân tách từ video thủy vân W* tỷ số tương tự SR (Similitary Ratio) theo công thức: SR S / ( S D) (2) Trong S số bit trùng nhau, D số bit lệch W W* SR[0,1] Nếu tỷ số SR tiến gần mức độ tương tự W W* cao 3.2 Kết thử nghiệm Chúng cài đặt lược đồ thủy vân với video định dạng avi Thủy vân ảnh đen trắng, có định dạng bmp với kích thước 12×9 Đầu tiên, video tách thành frame, chọn frame sử dụng phép biến đổi DWT phân tích thành bốn băng LL1, LH1, HL1 HH1 Mỗi băng LH1 HL1 chia thành khối vuông 8×8 Áp dụng phép biến đổi DCT khối vng băng con, sau nhúng bit thủy vân vào miền tần số ma trận hệ số DCT Tiếp theo, áp dụng IDCT khối vng 8×8 băng để băng ban đầu Cuối áp dụng IDWT để frame nhúng thủy vân Ghép frame với frame khác để video nhúng thủy vân Để trích thủy vân, tách video nhúng thủy vân thành frame, phân tích frame nhúng thủy vân phép biến đổi DWT, chia băng LH1 (HL1) thành khối 8×8 áp dụng phép biến đổi DCT, trích thủy vân từ miền tần số khối vuông này, ghép lại thành vectơ thủy vân Chất lượng frame sau nhúng thủy vân đánh giá thông qua giá trị tỷ số PSNR frame gốc I frame chứa thủy vân Iw Chất lượng thủy vân tách đánh giá thông qua tỷ số tương tự SR1 thủy vân gốc W thủy vân tách W‘, SR2 thủy vân gốc W thủy vân tách từ video nén W“ Thử nghiệm thứ Hình thể kết thử nghiệm với video1.avi có kích thước 296 KB, tách thành 46 frames, frame có kích thước 320×240 Frame gốc PSNR=60,6761 PSNR=49,1039 PSNR=57,3164 Thủy vân gốc SR1=0,9813 SR1=1,0 SR1=1,0 I SR2=0,9722 A SR2=1,0 B SR2=1,0 C Hình So sánh chất lượng frame nhúng thủy vân thủy vân tách ba phương pháp với thử nghiệm thứ Cột A kết kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT có PSNR cao 60,6761, nhiên SR1 SR2 thấp 0,9813 0,9722 Cột B kết kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT có PSNR tương đối thấp 49,1039, SR1 SR2 đạt giá trị tuyệt đối Lê Văn Điệp Phạm Thị Thủy 131 Cột C kết kỹ thuật thủy vân sử dụng kết hợp phép biến đổi DWT DCT có SR1 SR2 đạt giá trị tuyệt đối PSNR 57,3164 cao PSNR cột B Thử nghiệm thứ hai Hình thể kết thử nghiệm với video2.avi có kích thước 28 MB, tách thành 340 frames, frame có kích thước 360×240 Frame gốc PSNR=50,7443 PSNR=45,7257 PSNR=47,0700 Thủy vân gốc SR1=0,9815 SR1=1,0 SR1=1,0 I SR2=0,9815 A SR2=1,0 B SR2=1,0 C Hình So sánh chất lượng frame nhúng thủy vân thủy vân tách ba phương pháp với thử nghiệm thứ hai Cột A kết kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT có PSNR cao 50,7443, nhiên SR1 SR2 thấp 0,9815 Cột B kết kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT có PSNR thấp 45,7257, SR1 SR2 đạt giá trị tuyệt đối Cột C kết kỹ thuật thủy vân sử dụng kết hợp phép biến đổi DWT DCT có SR1 SR2 đạt giá trị tuyệt đối PSNR 47,07 cao PSNR cột B Kết luận Trong báo này, đề xuất kỹ thuật thủy vân video sử dụng kết hợp hai phép biến đổi DWT DCT Kết thử nghiệm bước đầu thể hiện: Video nhúng thủy vân sai khác với video gốc tương đối ít, với video có số lượng frames lớn mắt thường người không cảm nhận khác biệt, thủy vân nhúng vào frame video Kỹ thuật thủy vân kết hợp phép biến đổi DWT DCT thể chất lượng video sau nhúng thủy vân tốt kỹ thuật sử dụng phép biến đổi DWT chất lượng thủy vân tách tốt kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT Phương pháp kết hợp phép biến đổi DWT DCT, video gốc sau nhúng thủy vân bị nén việc tìm lại thủy vân không bị ảnh hưởng, cho kết giống với thủy vân tách từ video nhúng thủy vân chưa thực phép biến đổi Phương pháp kết hợp so với phương pháp nhúng trực tiếp thuỷ vân vào khối thuộc miền không gian frame gốc có hạn chế làm giảm số bit thuỷ vân nhúng phép biến đổi DWT chia frame gốc thành băng, sau chọn băng để nhúng thủy vân lại tiếp tục chia thành khối 8×8 Tuy nhiên, hệ thống thuỷ vân ẩn bền vững, yêu cầu lượng thông tin nhúng yếu tố quan trọng 132 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC Với ưu điểm chất lượng video sau nhúng thuỷ vân, độ bền vững thuỷ vân trước số phép công, kỹ thuật kết hợp phép biến đổi DWT DCT phù hợp cho ứng dụng thuỷ vân ẩn, bền vững bảo vệ quyền video số Tài liệu tham khảo Bùi Thế Hồng, Nguyễn Văn Tảo: Về lược đồ thủy vân dựa phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc ma trận số giả ngẫu nhiên, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Tập 45, Số (2007) Bùi Thế Hồng, Nguyễn Văn Tảo: Nâng cao chất lượng ảnh kỹ thuật thủy vân sử dụng miền tần số phép biến đổi DCT, Tạp chí Tin học Điều khiển học, Tập 22, Số (2006) Lê Văn Điệp: Bảo vệ quyền video kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi rời rạc, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội (2017) Phạm Thị Thủy: Bảo vệ quyền ảnh số kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi rời rạc, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền Thông – Đại học Thái Nguyên (2013) ... thủy vân nhúng vào frame video Kỹ thuật thủy vân kết hợp phép biến đổi DWT DCT thể chất lượng video sau nhúng thủy vân tốt kỹ thuật sử dụng phép biến đổi DWT chất lượng thủy vân tách tốt kỹ thuật. .. C kết kỹ thuật thủy vân sử dụng kết hợp phép biến đổi DWT DCT có SR1 SR2 đạt giá trị tuyệt đối PSNR 47,07 cao PSNR cột B Kết luận Trong báo này, đề xuất kỹ thuật thủy vân video sử dụng kết hợp. .. thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT Phương pháp kết hợp phép biến đổi DWT DCT, video gốc sau nhúng thủy vân bị nén việc tìm lại thủy vân khơng bị ảnh hưởng, cho kết giống với thủy vân tách