Hầu hết các nghiên cứu trên lĩnh vực Watermarking tập trung thảo luận cách thực hiện trên ảnh xám, phần mở rộng các thuật toán đó trên ảnh màu thường được bỏ ngỏ và gợi ý thực hiện trên một số kênh đặc biệt nào đó. Một cách phổ biến nhất là nhúng Watermark vào kênh độ chói của ảnh.
Cho trước một ảnh màu theo hệ màu RGB, các kênh màu theo hệ màu YUV có thể thu được bằng công thức:
Y = cRR + cGG + cBB (3-1)
U = B - Y = -cRR - cGG + (1 - cB)B (3-2) V = R - Y = (1 - cR)R - cGG - cBB (3-3)
Trong đó các giá trị hệ số cR, cG, cB phụ thuộc vào không gian màu được chọn để hiển thị các màu, thông dụng nhất là bộ hệ số cR = 0.299, cG=0.387, cB = 0.114. Sau đó thành phần độ chói Y được nhúng Watermark. Ảnh Y được xem như là ảnh xám, và một thuật toán Watermarking cổ điển có thể được dùng để thu được ảnh độ chói được nhúng Yx. Cuối cùng, các ảnh Rx, Gx, Bx, được tính toán bằng biến đổi ngược:
Rx = Yx + V (3-4) Bx = Yx + U (3-5)
Gx = (Yx - cR(Yx + V) - cB(Yx + U))/cG (3-6)
Một trong các tiếp cận nâng cao là thuật toán của Fleet và Heeger, các tác giả đã đề xuất nhúng Watermark vào kênh vàng-xanh của cách hiển thị ảnh màu dưới dạng hệ màu đối lập. Ảnh được nhúng các tín hiệu dạng sin điều biến khuếch đại. Giá trị tổng các tín hiệu dạng sin, S(x,y), được thêm vào kênh vàng- xanh trong cách hiển thị ảnh màu dưới dạng hệ màu đối lập. Tính hiệu S(x,y) được nhúng đệ qui: ở mỗi vòng lặp, thuật toán tính sự khác nhau về màu giữa ảnh được nhúng và ảnh không được nhúng, sau đó, tín hiệu khuếch đại được làm yếu đi ở những chỗ có sự khác nhau quá cao, kết quả thu được một Watermark. Để ước lượng tốt hơn tính khả kiến của Watermark, việc tính toán sự khác nhau về màu được thực hiện trong không gian S- CIELB, không gian này giúp thực hiện tốt hơn mô hình hóa sự cảm nhận thay đổi màu như phán đoán của một người quan sát chuẩn.Ở bước dò, bộ giải mã có thể trích tín hiệu sin được nhúng, bởi chúng được nhúng trong miền tần số trong đó hầu hết ảnh có
ít năng lượng trong băng tần vàng - xanh da trời. Kutter trình bày cách nhúng Watermark bằng cách sửa đổi một tập các giá trị điểm ảnh có chọn lọc trong kênh xanh da trời dựa trên điều biến khuếch đại. Tuy nhiên, hệ số tương quan giữa các kênh màu bị bỏ qua trong pha nhúng và trích Watermark. Nhược điểm này đã được A.Piva khắc phục: Bằng cách khảo sát các đặc tính của hệ thống cảm quan của người (HVS) và sự tương quan của các kênh ảnh RGB, hệ thống của ông đã nhúng watemark tốt hơn vào ảnh và kết quả trích ra cũng rất đáng tin cậy. Phương pháp nhúng riêng biệt trên mỗi tần màu được đề nghị, tác giả đề nghị một thuật toán dựa trên dò lý thuyết thống kế trong đó Watermark là một mẫu S nhị phân với kích thước bằng với kích thước ảnh, và trong mẫu đó số lượng số 0 bằng với số lượng số 1. Mức cường độ của tập A các điểm ảnh ứng với các số 1 được chỉnh sửa bằng cách thêm vào nó một khoảng k, trong khi các điểm ảnh B ứng với các số 0 thì được giữ nguyên. Quá trình dò so sánh giá trị điểm ảnh trung bình trong A với B: nếu sự khác nhau của các giá trị nàu lớn hơn một ngưỡng tùy trường hợp, bộ dò sẽ quyết định có Watermark hay không. N. Nikolaidis và I. Pitas đã đề xuất một kỹ thuật mở rộng kỹ thuật trên được mở rộng cho ảnh màu bằng cách phát sinh các mẫu SR, SG, SB mỗi kênh một dãy, và bằng các áp dụng thuật toán cho mỗi kênh. Trong quá trình dò, kiểm tra thống kê được sử dụng trong ảnh xám cũng được thực hiện bằng cách xem xét hội của các tập hợp AR, AG, AB và BR, BG, BB (ứng với các tập A và B lần lượt trên các ảnh R, G, B) sao cho số lượng mẫu gấp ba lần số lượng mẫu trong trường hợp ảnh xám.
3.2 Các thuật toán ví dụ
3.2.1 Thuật toán nhúng Watermark trên kênh xanh da trời (blue)
Năm 1997, M. Kutter và các cộng sự đề xuất việc sử dụng kênh xanh da trời để nhúng một Watermark phổ rộng (spread spectrum) vào ảnh.
Tác giả Martin Kutter - Frederic Jordan - Frank Bossen – Phòng thí nghiệm xử lý tín hiệu số, EPFL
Loại Blind
Watermark Là một chuỗi m bit
Nhúng Các bit Watermark được nhúng bằng cách sửa đổi một tập các giá trị điểm ảnh chọn lọc trong kênh xanh da trời, do mắt người ít mẫn cảm với những thay đổi trong băng tần này; để đảm bảo tính an toàn, mỗi bit được nhúng nhiều lần ở các vị trí ảnh khác nhau. Sự chỉnh sửa các giá trị điểm ảnh gốc Bij phụ thuộc vào giá trị của bit và cân xứng với độ chói điểm ảnh Lij: Cho một bit s cần nhúng, B*ij = Bij + (2s -1) Li,jq
trong đó B*ij là giá trị được sửa và q là một tham số xác định cường độ nhúng.
Hình 7: Trật tự quét ảnh
Các vị trí nhúng được xác định như sau: Với mỗi điểm ảnh, một số x giả ngẫu nhiên được phát sinh. Nếu x nhỏ hơn q thì thông tin được nhúng vào điểm ảnh. Ngược lại điểm ảnh không bị thay đổi. Trong qui trình này, trật tự quét ảnh được sửa đổi làm cho ảnh không phụ thuộc kích thước. Thay vì quét ảnh theo dòng, cột, thuật toán quét ảnh theo một đường zig-zag
Trích
Để trích được bit nhúng mà không cần sử dụng ảnh gốc, thuật toán sử dụng một dự báo về giá trị gốc của các điểm ảnh được sửa (dự báo dựa trên liên kết tuyến tính của các giá trị điểm ảnh trong lân cận hình chữ thập của điểm ảnh). Thuật toán tính toán sự khác nhau giữa các giá trị điểm ảnh dự báo và giá trị thực và so sánh nó với ngưỡng thích hợp để quyết định bit được nhúng.
Nhận xét Sở dĩ kênh xanh da trời được chọn vì hệ cảm quan của người (HVS) ít mẫn cảm với các màu xanh da trời do các hình nón xanh da trời (S- cone) ít được phân phối dày đặc hơn so với các hình nón xanh lá cây và đỏ trong phần hố của vừng mạc người. Tỏc giả đó thực hiện nhiều kiểm nghiệm và phát hiện ra rằng năng lượng Watermark trên kênh xanh da trời lớn gấp 50 lần năng lượng Watermark trên kênh độ chói, tất nhiên cả hai cùng được thử nghiệm trên cùng một tác nhân (artifact). Điều này nói lên rằng Watermark kênh xanh da trời có độ an toàn cao hơn với các phép tấn công chẳng hạn như lọc (trung bình, trung tuyến,…) và nhiễu cộng. Hơn nữa tác giả đã khẳng định dưới phép nén có mất thông tin JPEG, cả hai hướng tiếp cận đều xấp xỉ nhau. Tuy nhiên vấn đề nảy sinh đối với Watermark trên kênh xanh da trời là nó khó kiểm soát hay tiên đoán các tác nhân. Nghĩa là tính khả kiến của Watermark trên kênh độ chói đồng nhất hơn và ít phụ thuộc vào ảnh màu. Do đó, thiết kế Watermark trên kênh xanh da trời (hay một kênh nào bất kì) thì tinh xảo hơn và đòi hỏi những mô hình HVS phức tạp để làm Watermark thích ứng tối ưu với độ tương phản, cường độ và màu sắc.
Hình 8: Ảnh gốc và ảnh được nhúng 3.2.2 Thuật toán nhúng Watermark trên nhiều kênh
Tác giả Alessandro Piva thuộc Khoa Công Nghệ Điện Tử Đại Học Fizenze, Italy
Watermark Chuỗi các giá trị giả ngẫu nhiên
Phân tích Ảnh được phân tích thành các băng R, G, B tương ứng với các kênh màu. Sử dụng biến đổi FF-DCT cho mỗi băng R, G, B.
Lựa chọn hệ số
Các hệ số được sắp lại theo đường zig-zag cho mỗi kênh, và được chọn từ vị trí (k+1) tới vị trí (k+n). Số vị trí tương ứng với số giá trị Watermark.
Nhúng Ứng với 3 băng R, G, B có 3 vector chứa các hệ số DCT là Vr, Vg, Vb.
Các vector này sau đó được nhúng vector Watermark X = {x1, x2, …, xn} theo các qui luật sau:
Trong đó i=1..n, và αr, αg, αb xác định cường độ năng lượng nhúng trong mỗi kênh.
Mô hình Watermarking trên ảnh màu của Piva
Theo tính toán của tác giả, thì giữa các hệ số cường độ nhúng phải thỏa ràng buộc:
Ví dụ, nếu lấy αr,g,b = 0.3 thì αr = 0.042, αg = 0.022, αb = 0.231
Trích
Quá trình trích được tiến hành theo qui trình ngược lại. Đầu tiên ảnh được phân tích thành các băng R’, G’ , B’ sau đó đem áp dụng FF- DCT lên mỗi băng. Các hệ số của các băng này được sắp lại theo đường zig- zag, sau đó chọn các hệ số từ (k+1) đến (k+n) để phát ra các vector Vr', Vg', Vb' và tiến hành tính toán theo công thức ngược lại khi nhúng để lấy lại các thông tin của Watermark.
Nhận xét Mô hình này là một mô hình tốt cho kỹ thuật Watermarking dựa trên DCT. Nó khắc phục được nhược điểm của việc nhúng trên miền DCT là thường gây hại cho HVS, Watermark có thể vô hình nếu chọn được các hệ số α thích hợp.
Tác giả cũng đề nghị cách tính tổng hệ số tương quan giữa các băng và so sánh tổng này với ngưỡng toàn cục T để khẳng định có Watermark hay không thay vì tính tương quan riêng cho từng băng.
Ảnh Boat gốc và ảnh sau khi được nhúng Watermark với α = 0.2, k = nhúng = 16000, và mặt nạ được xây dựng bằng cách tính phương sai cục
bộ một cửa sổ 9x9