PH NG PHÁP L NG T HĨA CH M C 4.2.1.Mơ hình bài tốn Hình 109 Mơ hình bài tốn Trong ĩ: x: tín hi u g c. m: thơng p m t.
s(x,m): thơng p sau khi nhúng.
n: nhi u.
y: tín hi u t ng h p.
DEC: b gi i mã rút trích.
m∧ : thơng p rút trích c.
Gi s ta cĩ vector tín hi u g c x∈RN , và ta mu n nhúng thơng p m t m
vào ĩ. Tín hi u g c cĩ th là các h s c a phép bi n i cosin r i r c DCT, hay là h c a phép bi n i Fourier,.... Ta mu n nhúng v i t l R bits trên m i chi u (s bits/m u). Vì v y, ta cĩ th xem thơng p m t m nh là m t con s nguyên c ch n t t p {1, 2,..., 2Nn}. M t hàm nhúng ánh x x và m thành tín hi u t ng h p N s∈R i m t s ràng bu c. Ví d , ràng bu c c a ta cĩ th là méo d ng bình ph ng: 2 max 1 ( , ) , D s x s x D m N = − ≤ ∀
Tín hi u t ng h p này sau ĩ c a lên kênh truy n, và nĩ ph i ch u tác ng c a m t s các thao tác nh : nén khơng b o tồn thơng tin, nhi u, l y m u l i,...,
Ch ng 4 - CH NG TRÌNH TH C HI N
n cơng ĩ là vector nhi u n∈RN , nĩ cĩ th là ng u nhiên ho c khơng ng u nhiên, tín hi u c l p ho c khơng c l p. Tuy nhiên, ta gi s tín hi u k t xu t y ph i cĩ ch t l ng t ng i t t so v i tín hi u g cx. Cĩ ngh a là vector tín hi u nhi u ph i th a ràng bu c: 2 2 n n ≤ Nσ Quá trình gi i mã ng ngh a v i vi c c l ng m ∧ d a trên tín hi u y. Ta cĩ th xác nh b n v ng c a h th ng b ng cách t ng giá tr k v ng σn2 lên c c i, sao cho v n m b o m ∧
= m. N u ta mu n xemn là giá tr ng u nhiên, ta cĩ th ánh giá b n v ng c a h th ng b ng xác su t l i Pr[m
∧
m]. V n khĩ kh n mà ta c n gi i quy t là thi t k hàm nhúngs(x, m) sao cho t c t ng quan h p lý gi a ba thơng s : b n v ng, t l nhúng, và bi n d ng.
4.2.2.Ph ng pháp u ch bit th p t ng quát
Swanson, Zhu và Tewfik [64] ã gi i thi u m t ph ng pháp khơng c n n tín hi u g c khi rút trích, ĩ là ph ng pháp u ch bit th p t ng quát (Generalized Low Bit Modulation LBM). Ph ng pháp này g m hai b c chính:
o c 1: Xác nh hình chi u c a tín hi u vector g c x lên m t vector gi ng u nhiênv
T
x=x v
o c 2: L ng t và thay i: thơng tin c nhúng vào x b ng cách ng t hĩa nĩ b ng các giá tr l ng t ng b , vơ h ng, cĩ b c l ng t :
( ) ( )
s=q x +d m
Trong ĩ:
q(.) là hàm l ng t vơ h ng và ng b , cĩ b c l ng t .
Ch ng 4 - CH NG TRÌNH TH C HI N
Khi ĩ, thành ph n vector t ng h p:
( )
s= + −x s x v
Khi ĩ, q x( ) c bi u di n b ng ch m (•), thay i d(m) = ± /4, s cĩ th là m × (n u nhúng bit 0) ho c o (n u nhúng bit 1) trong ơ l ng t ĩ. Trong [64] Swanson l u ý r ng ta cĩ th nhúng h n m t bit trong vector N chi u b ng cách ch n thêm các vector hình chi u v, ho c ta c ng cĩ th ch cĩ m t vector hình chi u v, nh ng cĩ nhi u giá tr thay i d(1), d(2),...,d(2NRm). T t c các giá tr tín hi u g c x
ánh x lên m t m × khi nhúng bit 0 thì c ng s ánh x lên cùng m o khi nhúng bit. C th , quá trình l ng t và thay i c ti n hành nh sau:
o c 1: L ng t hĩa x v i giá tr l ng t cĩ b c l ng t /2 (xem hình 112). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
o c 2: u ch (thay th ) bit ít quan tr ng trong bit ã c l ng t hĩa b c trên b ng bit Watermark t o bit tín hi u t ng h p. Gán giá tr hình chi u tín hi u t ng h p s b ng các giá tr thay th (× ho c o) ng v i bit Watermark là 0 hay 1.
Hình 110 L ng t hĩa x v i giá tr l ng t cĩ b c l ng t /2.
4.2.3.Ph ng pháp l ng t hĩa ch m c
4.2.3.1. Nguyên t c c b n
Trong ph n trên, ta xem hàm nhúngs(x, m) là m t hàm hai bi n: tín hi u g c x
Ch ng 4 - CH NG TRÌNH TH C HI N
các hàm c a x, c ánh ch m c b ng m. Và trong ph n này, ta s s d ng cách nhìn này gi i quy t bài tốn n d li u. T l R xác nh s l ng các giá tr cĩ th cĩ c am, và do ĩ, nĩ xác nh s hàm cĩ c trong b . ây ta cĩ m t ràng bu c là
i hàm trong m t b g n nh là m t hàm nh danh, do ĩ:
s(x, m) x, ∀m
Hình 111 Hai hàm chung b nh danh m.
Các h th ng mu n b n v ng tr c các nhi u thì các m n m trong các kho ng gi i h n c a m t hàm trong b ĩ nên cách xa các m n m trong kho ng gi i n c a m t hàm khác, hay nĩi cách khác là các giá tr c a các hàm là khơng giao nhau. Ng c l i, cho dù khơng cĩ nhi u, thì v n cĩ m t vài giá tr c a s, mà t i ĩ ta khơng th xác nh c m t giá tr m duy nh t (do chúng giao nhau, và t i m giao cĩ th cĩ hai hay nhi u giá tr , và ta khơng xác nh c giá tr úng). Hình 110 mơ t hai giá tr m b giao nhau, và t i m giao nhau ta khơng xác nh c giá tr úng th c s . Và m t gi i pháp a ra trong tình hu ng này là s d ng các hàm khơng liên c. Trong khuơn kh c a lu n v n, chúng em xin ch n ph ng pháp l ng t hĩa, ĩ là m t l p hàm nh danh x p x , m t trong các l p hàm khơng liên t c. Ph ng pháp ng t hĩa ch m c QIM s th c hi n thao tác u ch m t ch m c hay m t b các ch m c ng v i thơng tin nhúng, và l ng t tín hi u g c v i m t ho c nhi u b l ng
Ch ng 4 - CH NG TRÌNH TH C HI N
Hình 112 L ng t hĩa ch m c QIM ng v i N = 2 và R = ½
Hình trên minh h a ý t ng c a ph ng pháp l ng t hĩa ch m c QIM ng i tr ng h pN = 2 vàR = 1/2. Trong ví d này, gi s cĩ m t bit c nhúng, do ĩ
m ∈ {1, 2}. Các m c xây d ng, ký hi u × ( ng v im = 1) và o ( ng v im = 2) thu c v hai b l ng t khác nhau. S l ng giá tr l ng t hĩa (× và o) trong m t xác nh s l ng thơng tin cĩ th nhúng, kích th c ơ l ng t (gi i h n b ng ng t nét) xác nh bi n d ng, kho ng cách c c ti u dmin xác nh b n v ng, và c xác nh nh sau: min ( , ):min min( , ) ( , ) ( , ) i j i j i j i j x x d ∆ s x i s x j ≠ = − ng tr c giác, ta cĩ th th y kho ng cách c c ti u xác nh kích th c c a vector nhi u mà h th ng cĩ th ch ng ch u c. Ví d , v i n ng l ng nhi u cĩ biên nh hình trên, kho ng cách c c ti u ph i th a: 2 min 2 1 4 n d Nσ > i nhi u Gauss tr ng cĩ k v ngσn2, xác su t l i là: 2 min 2 Pr[ ] ~ 4 n d m m Q σ ∧ ≠ Trong ĩ, Q(.) là hàm Gauss: 2/ 2 1 ( ) 2 t x Q x e dt π ∞ − = ∫
Ch ng 4 - CH NG TRÌNH TH C HI N
( ) arg min minm ( ; )
x
m y∧ = y−s x m
Trong tr ng h p thơng th ng, n u các giá tr l ng t s(x; m) ánh x giá tr x
thành các m m i g n nh t, ta cĩ th vi t l i cơng th c trên theo cách khác:
( ) arg minm ( ; ) m y y s y m ∧ = − u ã s d ng tín hi u g cx khi gi i mã, ta cĩ: ( , ) arg minm ( ; ) m y x y s x m ∧ = −
4.2.3.2. So sánh ph ng pháp l ng t hĩa ch m c - QIM và u ch bit th p
ng quát - LBM
c dù các h th ng u ch bit th p LSB t ng quát cĩ kho ng cách c c ti u là khác khơng, nh ng v n luơn t n t i m t h th ng QIM t c hi u qu cao h n ho c b ng hi u qu c a h th ng LSB. Nh ng h th ng QIM nh th c ánh giá cao h n b t k m t h th ng LSB nào, hình 113 gi i thích ý t ng này. Các m × và o c t o b ng b l ng t hĩa LBM, dùng l ng t hĩa tín hi u g c. T ng bit Watermark c nhúng b ng cách u ch bit ít quan tr ng nh t. Sau khi u ch
ng LSB, các m c t o thành chính là tín hi u t ng h p. Các m × bi u di n cho các m cĩ bit t n cùng là 0, và các m o bi u di n cho các bit cĩ bit t n cùng là 1. T ng phân vùng u ch a hai giá tr l ng t t ng ng v i t ng m c xây ng ch khác nhau bit cu i, ít quan tr ng nh t. Ta xem các vùng này nh là các ơ ng t thơ. V i ph ng pháp u ch LSB, b t k m tín hi u g c nào v i m t ơ ng t thơ c a ra cĩ th c ánh x vào m × ho c o trong ơ thơ ĩ. Vì v y, các ơ l ng t hĩa thơ này chính là các kho ng nhúng c a các m ch a trong ĩ. Ta cĩ th xem các m × và các m o nh là các m c xây d ng t hai giá tr
ng t hĩa khác nhau trong m t h th ng QIM. Hai giá tr l ng t này thu c cùng p các ơ l ng t hĩa, các ơ l ng t hĩa thơ. Khi ĩ, h th ng QIM s th c hi n ng t nh m t h th ng LBM. Nhìn chung, các giá tr l ng t hĩa trong m t h th ng QIM khơng c n cĩ các ơ l ng t gi ng nhau.
Ch ng 4 - CH NG TRÌNH TH C HI N
Hình 113 Mơ hình khơng gian nhúng c a LBM.
t cách nhìn khác th y c u m c a ph ng pháp QIM so v i LBM c th hi n trong hình 113 và hình 114 nhúng m t bit vào tín hi u g c b ng hàm nhúng m t chi u s d ng ph ng pháp LBM và QIM. Hình 113, hình 114 bi u di n các hàm nhúng theo ph ng pháp LBM và QIM t ng ng, trong ĩ các giá tr l ng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
hĩa là vơ h ng, ng b .
Hình 114 Nhúng m t bit b ng hàm nhúng m t chi u theo u ch Dither.
Ch ng 4 - CH NG TRÌNH TH C HI N
4.2.3.3. Bù méo d ng
Bù méo d ng là m t d ng h u x lý nh m giúp c i ti n m i t ng quan gi a s ng thơng tin nhúng và m c b n v ng c a thơng tin n m t giá tr ch p nh n
c trong các ph ng pháp QIM.
Nh ã c p ph n trên, vi c t ng kho ng cách c c ti u gi a các giá tr l ng hĩa s làm t ng tính b n v ng. V i m t t l c nh và v i m t b l ng t hĩa c a ra, khi ta l y t l t t c các giá tr l ng t theo m t h s (v i 1), s làm t ng 2
min
d lên 1/α2. Tuy nhiên, khi ĩ, méo d ng c ng s t ng lên m t l ng 1/α2. Do ĩ, ta ph i c ng thêm tr l i m t l ng giá tr bù l i cho ph n giá tr b méo d ng. Khi ĩ, hàm nhúng sau cùng s cĩ d ng:
( , ) ( ; , / ) (1 )[ ( ; , / )]
s x m =q x m ∆ α + −α x q x m− ∆ α
Trong ĩ, q x m( ; ,∆/ )α là giá tr l ng t th m c a b l ng t , mà trong ĩ các m c xây d ng ã c l y t l hai m ĩ cách nhau m t kho ng (tr c khi l y t l chúng nhau m t kho ng ). V u trong cơng th c trên,
( ; , / )
q x m ∆ α , chính là cơng th c nhúng Watermark chính theo ph ng pháp QIM thơng th ng, v th hai (1−α)[x q x m− ( ; ,∆/ )]α chính là bi u di n cho bù méo d ng.
Thơng th ng, các hàm m t xác su t l i l ng t hĩa cho t t c các giá tr ng t trong b là gi ng nhau. Vì v y, v th hai bi u di n cho bù méo d ng trong cơng th c trên là c l p ho c h u nh c l p v i m, và cĩ th c x lý nh là nhi u ho c giao thoa trong quá trình gi i mã.Vì v y, vi c gi m s làm cho kho ng cách c c ti u l n h n, nh ng v i m t méo d ng c nh, khi gi i mã, giao thoa bù méo d ng s t ng. Ta cĩ th tùy ch n sao cho t s tín hi u nhi SNR là c c i:
2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 / ( ) (1 ) (1 ) s s n n d d SNR D D α α α α σ α σ α = = − + − + SNR bi u di n t l gi a kho ng cách c c ti u bình ph ng gi a các giá tr ng t và n ng l ng giao thoa tồn ph n. Trong ĩ,d1 là kho ng cách c c ti u khi
Ch ng 4 - CH NG TRÌNH TH C HI N
= 1, và ĩ chính là c tr ng c a m t b l ng t hĩa c th . Ta cĩ th d dàng ki m tra, thơng s giúp làm c c i giá tr SNR là:
1 SNR DNR DNR α = +
Trong ĩ, DNR là t l méo d ng nhi u 2
/
s n
D σ . Cách ch n giá tr này c ng làm c c i t l nhúng khi kênh truy n là m t kênh cĩ nhi u Gauss, và tín hi u g c
x là tín hi u Gauss.
4.2.3.4. Ph ng pháp u ch Dither
• Khái ni m v Dither
Trong âm thanh s , méo d ng do l ng t hĩa các tín hi u m c th p c g i là nhi u h t, gây ra âm thanh khác th ng, r t khĩ nghe. Nh ng âm thanh này cĩ th b tri t tiêu g n h t b ng cách c ng thêm nhi u m c th p vào tín hi u tr c khi l ng t hĩa. K thu t này c g i là dither trong x lý tín hi u s .
i m c a vi c dùng dither là làm cho nhi u phân b u kh p tín hi u gi ng nh tín hi u nhi u tr ng, d quan sát và ch t l ng tín hi u t t h n trong tr ng h p méo d ng h t l n tín hi u khơng dùng dither. Khuy t m c a ph ng pháp khi dùng dither là làm gi m t l tín hi u nhi u kho ng t 3 n 6 dB, tùy theo lo i dither
d ng.
• n d li u b ng ph ng pháp u ch dither (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ph ng pháp u ch dither [65, 66] cĩ c m là các ơ l ng t và các m o c b i b t k giá tr l ng t hĩa nào trong b u là các b n chuy n i c a các ơ l ng t và các m c t o b i các giá tr l ng t hĩa trong b . Trong ng c nh phi Watermark, các b n chuy n i này t ng ng v i các vector gi ng u nhiên, c i là dither vector. Trong ng c nh Watermark, nhúng thơng tin, vector dither c u ch chính b ng tín hi u thơng tin m t. Ví d nh m i tín hi u nhúng ánh x duy nh t lên m i vector ditherd(m) khác nhau. Tín hi u g c c l ng t hĩa v i giá tr
ng t dither ã cĩ t o thành tín hi u t ng h p. C th , ta b t u v i vài giá tr ng t hĩa c b nq(.), và khi ĩ hàm nhúng cĩ d ng:s x m( ; )=q x( +d m( ))−d m( )
Ch ng 4 - CH NG TRÌNH TH C HI N
Ta g i ph ng pháp nhúng thơng tin này là u ch dither .
• u ch dither mã nh phân v i các giá tr l ng t hĩa ng b , vơ h ng
Gi s ta cĩ 1/N ≤ Rm ≤1, v i Rm là t l nhúng Watermark. Các vector dither trong m t h th ng u ch dither mã nh phân c xây d ng theo cách sau: