3.3.1. Phép biến đổi QR
Mọi ma trận thực Y cấp cho trước luôn luôn có thể phân tích thành tích của 2 ma trận thực như sau:
Trong đó:
Q là ma trận trực chuẩn cấp .
R là ma trận tam giác trên cấp .
Tương tự như khai triển , giá trị các phần tử của trong khi triển QR thường có giá trị nhỏ. Do vậy, năng lượng của ma trận Y tập trung trên ma trận R, đặc biệt là hàng đầu tiên.
3.3.2. Xét ví dụ
Để tiện theo dõi, xét ví dụ khai triển trên khối ảnh cho như sau:
Hình 3.3.Kết quả phân tích QR đối với ma trận A
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(a)Ma trận Q
(b) Ma trận R
Hình 3.4. Kết quả phân tích QR đối với ma trận A của Hình 3.3
3.4. Lƣợc đồ thủy vân DWT-SVD
Để nâng cao tính bền vững, trong [7] trình bày lược đồ thủy vân dựa trên hai phép biến đổi trên miền . Nội dung lược đồ gồm thuật toán nhúng thủy vân và thuật toán trích thủy vân.
3.4.1. Thuật toán nhúng thủy vân DWT- SVD
Đầu vào thuật toán gồm ảnh gốc và dấu thủy vân là các ảnh đa cấp xám. Khi đó, đầu ra là ảnh thủy vân nhận được bằng cách nhúng vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
. Ngoài ra thuật toán còn xác định một số khóa bí mật phục vụ cho thuật toán trích tin. Nội dung thuật toán gồm các bước sau:
Bƣớc 1: Áp dụng phép biến đổi Wavelet 3 lần
Ảnh gốc I
Áp dụng DWT 3 mức LL3
Ảnh gốc Ảnh sau áp dụng Wavelet 3 mức
Để tiện theo dõi , ký hiệu vùng tần số thấp của kết quả biến đổi Wavelet 3 mức (LL3) là A.
Bƣớc 2: Sử dụng khai triển SVD đối với A
(3.3)
Bƣớc 3: Khai triển SVD đối với ảnh W
(3.4)
Bƣớc 4: Nhúng dấu thủy vân theo công thức
(3.5) Trong đó, là hệ số điều chỉnh sự ảnh hưởng của dấu thủy vân đối với ảnh thủy vân. Giá trị càng lớn thì tính bền vững càng cao nhưng chất lượng ảnh càng thấp. Mặt khác, dấu thủy vân W phải cùng kích thước với A.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(3.6)
Bƣớc 6: Thay cho A tại Bước 1 và áp dụng biến đổi Wavelet ngược 3 mức để nhận được ảnh thủy vân
Ảnh thủy vân I’
Áp dụng IDWT 3 mức
Aw
Kết thúc thuật toán nhúng dấu thủy vân, ngoài việc nhận được ảnh thủy vân I’ thuật toán còn lưu trữ các khóa bí mất gồm: ảnh thu gọn A và hai ma trận
3.4.2. Thuật toán trích thủy vân DWT- SVD
Trong quá trình trao đổi, ảnh có thể bị tấn công thành ảnh việc trích dấu thủy vân trên ảnh được thực hiện theo các bước sau:
Bƣớc 1: Áp dụng biến đổi Wavelet 3 mức đối với ảnh
Ảnh I*
Áp dụng DWT 3 mức
A*
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bƣớc 3: Áp dụng khai triển SVD đối với A
Bƣớc 4: Tính
Bƣớc 5: Tái tạo lại dấu thủy vân
Trong thuật toán trích dấu thủy vân sử dụng đến 3 khóa bí mất đã được tạo ra trong thuật toán nhúng dấu thủy vân gồm: ảnh thu gọn A và hai ma trận
Theo các kết quả thực nghiệm trong [7], lược đồ thủy vân
có tính bền vững cao và chống lại được một số phép tấn công như nén JPEG, nhiễu, lọc, làm mờ, cân bằng sáng và phép cắt.
3.4.3. Cài đặt thử nghiệm
Chương trình được cài đặt trên ngôn ngữ Matlab 2012. Nội dung chương trình gồm 2 module ứng với thuật toán nhúng thủy vân và thuật toán trích dấu thủy vân.
function [Iw, LL3,Uw,Vw]=nhungDWTSVD( anh,logo, alpha ) I = imread(anh); I = double(I); [LL1,LH1,HL1,HH1] = dwt2(I,'haar'); [LL2,LH2,HL2,HH2]=dwt2(LL1,'haar'); [LL3,LH3,HL3,HH3]=dwt2(LL2,'haar'); [Ui,Di,Vi] = svd(LL3); W = imread(logo); W = double(W);
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ [Uw,Dw,Vw] = svd(W); Diw = Di + alpha *Dw; LL3w = Ui*Diw*Vi'; LL2 = idwt2(LL3w,LH3,HL3,HH3,'haar'); LL1 = idwt2(LL2,LH2,HL2,HH2,'haar'); Iw = idwt2(LL1,LH1,HL1,HH1,'haar'); imshow(uint8(Iw)); end
function [ W ] = trichthuyvan( anh,LL,Uw,Vw,alpha ) I = imread(anh); I = double(I); [LL1,LH1,HL1,HH1] = dwt2(I,'haar'); [LL2,LH2,HL2,HH2]=dwt2(LL1,'haar'); [LL3,LH3,HL3,HH3]=dwt2(LL2,'haar'); [Ui,Di,Vi] = svd(LL3); [Ua,Da,Va]= svd(LL); D = (Da - Di)/alpha; W = Uw *D*Vw'; imshow(uint8(W)); end
3.4.4. Kết quả nhúng dấu thủy vân
Trong thực nghiệm, luận văn chọn ảnh Baboon làm ảnh gốc và sử dụng logo của Đại học Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên làm dấu thủy vân. Chương trình nhúng dấu thủy vân vào ảnh gốc để nhận được ảnh thủy vân cho kết quả như hình sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
a) Ảnh gốc b) Dấu thủy vân c) Ảnh thủy vân Hình 3.4. Kết quả thủy vân
3.4.5. Khảo sát tính bền vững của lƣợc đồ DWT-SVD
Như đã đề cập ở trên, đối với thủy vân bền vững, dấu thủy vân cần phải tồn tại trước một số phép tấn công hoặc chỉ vỡ (không trích được) khi ảnh không còn giá trị sử dụng. Theo các tài liệu nghiên cứu, các phép tấn công và mức độ tấn công thường được sử dụng để kiểm tra tính bền vững của các lược đồ như bảng sau:
STT Phép tấn công
1 Không tấn công 2 Phép cắt 20%
3 Thêm nhiễu Gaussian 30% 4 Lọc nhiễu trung bình (2×2) 5 Nén JPEG (low)
6 Thay đổi kích thước 256→100→256 7 Phép xoay 100
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Dựa trên các phép tấn công trong Bảng 3.1, trong thực nghiệm sử dụng phần mềm Photoshop để tấn công ảnh thủy vân trên Hình 3.4c và nhận
được các ảnh tấn công cho như bảng sau:
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(a) Ảnh thủy vân đã cắt 20%, (b) Ảnh thủy vân thêm nhiễu với cường độ 30%, (c) Ảnh thủy vân được lọc trung vị với kích thước mặt nạ 2×2, (d) Ảnh thủy vân xoay 100
, (e) Ảnh thủy vân sau khi thay đổi kích thước 226→50→226, (f) Ảnh nén JPEG với chất lượng thấp.
3.4.6. Trích dấu thủy vân trên các ảnh đã tấn công
Từ các ảnh thủy vân đã bị tấn công trên Hình 3.5, thuật toán trích được các dấu thủy vân tương ứng như hình sau:
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Hình 3.6. Dấu thủy vân trích được trên các ảnh bị tấn công
Kết quả thực nghiệm trên Hình 3.6 cho thấy, lược đồ thủy vân DWT- SVD bền vững với hầu hết các phép tấn công trong Bảng 3.1 ngoại trừ phép tấn công xoay.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.5. Thủy vân DWT – QR
Giống như thuật toán DWT-SVD, trong [11] đề xuất thuật toán DWT- QR để tăng cường tính bền vững cho các thuật toán trên miền QR. Theo thuật toán DWT-QR, thay cho việc triển khai QR trực tiếp trên không gian ảnh, trong [10] áp dụng phép biến đổi DWT trước , sau đó chia vùng LL thành các khối và áp dụng QR trên từng khối. Mỗi khối nhúng 1 bít thủy vân vào phần tử R(1,1). Nội dụng DWT –QR gồm thuật toán nhúng thủy vân và thuật toán trích dấu thủy vân.
3.5.1. Thuật toán thủy vân
Với đầu vào là ảnh I và dãy bít thủy vân W, thuật toán thực hiện các bước:
Bƣớc 1:
Áp dụng DWT hai chiều (sử dụng Haar) với ảnh I ta thu được vùng năng lượng ảnh tập trung góc ¼ thứ nhất của ma trận kí hiệu LL.
LL LH
HL HH
Bƣớc 2: Chia thành các khối , ký hiệu
Bƣớc 3: Áp dụng phép biến đổi QR đối với các khối :
Bƣớc 4: Nhúng bít wi vào phần tử Ri(1,1) của ma trận tam giác trên Ri . Bước 4.1: Tính:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Sau khi thực hiện nhúng wi vào Ri(1,1) ta nhận được Ri’ chỉ khác Ri tại vị trí (1,1).
Bƣớc 5: Tính
Bƣớc 6: Tạo ảnh thủy vân
Gọi là tập hợp các khối , khi đó ảnh thủy vân được tạo bằng cách biến đổi IDWT ngược với ảnh đại diện là .
3.5.2. Thuật toán trích thủy vân
Với ảnh thủy vân thuật toán trích dãy bít dấu thủy vân gồm các bước:
Bƣớc 1:
Áp dụng DWT hai chiều (sử dụng Haar) với ảnh thủy vân ta thu được vùng năng lượng ảnh tập trung góc ¼ thứ nhất của ma trận, ký hiệu LL.
LL LH
HL HH
Bƣớc 2:Chia LL thành các khối , ký hiệu
Bƣớc 3:Áp dụng phép biến đổi đối với các khối
Bƣớc 4: Xác định bít từ như sau : -
-
Bƣớc 5: So sánh dấu thủy vân gốc với dấu thủy vân trích được . Nếu thì khối đã bị tấn công.
Các kết quả thực nghiệm của khẳng định, lược đồ bền vững trước một số phép tấn công và đáp ứng được bài toán xác định sự giả mạo nội dung ảnh số.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
KẾT LUẬN
1. Kết quả của luận văn
Luận văn tập trung tìm hiểu phép biến đổi Wavelet rời rạc và ứng dụng trong thủy vân bền vững. Những đóng góp chính của luận văn bao gồm:
- Trình bày chi tiết về một số phép biến đổi thường được ứng dụng trong kỹ thuật thủy vân như: DWT, SVD, QR.
- Cải tiến, phát triển lược đồ thủy vân bền vững trên miền DWT- SVD và DWT-QR.
- Xây dựng phần mềm thực hiện nhúng và trích dấu thủy vân nhằm khảo sát tính bền vững của lược đồ thủy vân DWT-SVD.
2. Hƣớng nghiên cứu
- Tiếp tục nghiên cứu, phát triển kỹ thuật thủy vân trên các tệp dữ liệu multimedia như JPEG, MPEG, MP3, MP4.
- Nghiên cứu và phát triển một số kỹ thuật thuỷ vân số trên các dữ liệu Multimedia để xác thực và bảo vệ các sản phẩm số.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Phạm Văn Ất, Nguyễn Hữu Cường và Đỗ Văn Tuấn, Giấu tin trong ảnh nhị phân và ứng dụng, Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số 19 tháng 9 năm 2007.
2. Nguyễn Xuân Huy và Trần Quốc Dũng, Giáo trình giấu tin và thuỷ vân ảnh, Trung tâm thông tin tư liệu, TTKHTN - CN 2003.
3. Trịnh Nhật Tiến, Giáo trình An toàn dữ liệu, ĐH Công nghệ - ĐHQG HN, 2008.
Tiếng Anh
4. J.Cox, I.Miller, and M.L Bloom, Digital Watermarking, Morgan Kaufmann, San Francisco, 2001.
5. Do Van Tuan, Tran Dang Hien and Pham Van At, A Novel Data Hiding Scheme for Binary Images, International Journal of Computer Science and Information Security, p. 1-5, 2012.
6. H. Chen and Y. Zhu, A robust watermarking algorithm based on QR factorization and DCT using quantization index modulation technique,
Journal of Zhejiang University SCIENCE C, pp. 573-584, 2012.
7. Bhatnagar, Gaurav, and Balasubramanian Raman, A new robust reference watermarking scheme based on DWT-SVD, Computer Standards & Interfaces, pp. 1002-1013, 2009.
8. Naderahmadian Yashar and Saied Hosseini-Khayat, Fast watermarking based on QR decomposition in Wavelet domain, Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing (IIH-MSP), 2010 Sixth International Conference on. IEEE, 2010.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
10. R. Sun, H. Sun and T. Yao, A SVD and quantization based semi-fragile watermarking technique for image authentication, Proc. Internat. Conf. Signal Process. 2, pp. 1952–1955, 2002
11. W. Song, J. Hou, Z. Li and L. Huang, Chaotic system and QR factorization
based robust digital image watermarking algorithm, J. Cent. SouthUniv. Technol., 18(1):116-124, 2011.