CHƯƠNG II. MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐÁNH DẤU ẨN BẢO VỆ BẢN QUYỀN SỐ TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN VÀ MIỀN HỆ SỐ BIẾN ĐỔI
II. Đánh dấu ẩn dựa trên miền hệ số biến đổi
3. Nhúng dấu ẩn mức xám sử dụng biến đổi Cosince rời rạc
Đánh dấu ẩn số là một phương pháp kỹ thuật hiệu quả nhằm bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ của các ảnh số. Nói chung một ảnh mức xám có khả năng cung cấp thông tin cảm nhận, hơn nữa kích thước của mỗi điểm trong ảnh mức xám là lớn hơn. Tóm lại các dấu ẩn mức xám là bền vững hơn. Trong phần này đưa ra sơ đồ đánh dấu ẩn lựa chọn ảnh mức xám như một dấu ẩn.
Ngoài ra kỹ thuật chuyển đổi Cosin rời rạc (DCT) và phương pháp lượng tử hóa được ứng dụng để làm tăng thêm hiệu quả của hệ thống đánh dấu ẩn. Cả ảnh gốc và dấu ẩn số được xử lý bằng chuyển đổi DCT đều có thể xây dựng một bảng lượng tử hóa để giảm bớt khối lượng thông tin của dấu ẩn số. Sau khi dấu ẩn đã lượng tử hóa được nhúng vào miền tần số trung gian của ảnh gốc đã được chuyển đổi. Chất lượng của ảnh đã được nhúng dấu ẩn luôn có thể chấp nhận được bằng thị giác và tính hiệu quả của kỹ thuật lượng tử hóa.
Các kết quả thử nghiệm cho thấy dấu ẩn được nhúng có thể chống lại được việc việc cắt xén ảnh, nén JPEG và quá trình phá hủy như làm mờ hay tăng độ sáng ảnh.
Một dấu ẩn nhị phân được bao gồm dãy một chiều và dãy hai chiều, một dấu ẩn mức xám gồm ảnh hai chiều có giá trị từ 0 đến 255. Ngoài chất lượng hình ảnh tôt hơn, dấu ẩn mức xám có thể lưu trữ đáng kể dữ liệu để tạo ra hiệu quả hình ảnh liên tục, một hiệu quả không bị ảnh hưởng với bất kỹ sự xâm nhập bên ngoài nào. Tuy nhiên, một điều đáng tiếc là khối lượng lới của thông tin lưu trữ cũng đưa ra điểm yếu kém trong việc nhúng dấu ẩn, do đó ứng dụng của nó là hữu hạn.
Ở đây chúng ta lợi dụng kỹ thuật lượng tử hóa để giảm tải dữ liệu và xây dựng một kỹ thuật đánh dấu ẩn số mới. Trong kỹ thuật được đa ra, thông tin quan trọng trong dấu ẩn mức xám được biến đổi qua DCT có thể thu được
trên một số lựa chọn các hệ số tần số trong ảnh gốc và kết quả làm tê liệt bất kỳ ý đồ trái phép nào. Hơn nữa để cải tiến chất lượng hình ảnh của ảnh đã được nhúng dấu ẩn, một bảng lượng tử hóa điều chỉnh sẽ được tại nhằm mục đích thu lại khối lượng thông tin của dấu ẩn mức xám. Để dấu ẩn được lượng tử hóa có thể tiếp cận gần hơn với những hệ số tần số lựa chọn của ảnh gốc.
Cuối cùng thông qua việc thay thế 1 1 ta có thể nhúng dấu ẩn số. Những thử - nghiệm sau này càng chứng minh cho kỹ thuật này không bị ảnh hưởng bởi việc cắt, xén ảnh cũng như nén JPEG và những tấn công phá hoại như làm mờ, hay tăng cường độ sáng của ảnh.
b. Chuyển đổi Cosince rời rạc
Chuyển đổi Cosince rời rạc có thể là một ánh từ một dữ liệu gốc vào trong dữ liệu miền tần số bằng hàm Cosince. DCT tập trung sức mạnh thông tin trong những dải tần số thấp và do đó đưa ra tính phổ biến của nó trong những kỹ thuật nén dữ liệu như JPEG, MPEG và các kỹ thuật đánh dấu ẩn số. 2D-DCT và IDCT được xác định lần lượt ở phương trình 1 và 2:
∑∑−
=
−
=
+
+
=
1
0 1
0 2
) 1 2 ( 2
) 1 2 cos ( ) , ( )
( ) ( ) ,
( Z
x Z
y Z
v y Z
u y x
x s v C u C v u
S π π
(2.21) Và
∑∑−
=
−
=
+
+
= 1
0 1
0 2
) 1 2 ( 2
) 1 2 cos ( ) , ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ,
( Z
u Z
v Z
v y Z
x u v x
u S v C u C v
C u C y x
s π π
(2.22) Trong đó S(u,v) là hệ số được chuyển đổi tại tọa độ (c, v), s(x, y) là năng lượng gốc tại tọa độ (x, y) với x, y, u, v chạy từ 0 đến Z 1 và C(t) được xác - định bởi:
= Z t Z
C 2
1 )
( Với t =1 (2.23)
Với t = 1, 2,..., Z- 1
Theo ba phương trình trên, Z thể hiện cỡ khối được biến đổi. Vì tập trung vào những đặc điểm của ảnh mà nhũng hệ số DCT có phạm vi tần số thấp là rất quan trọng. Hệ số S(0, 0) là hệ số quan trọng nhất trong tất cả những hệ số DCT. Mặt khác, nhũng hệ số tần số cao hơn có thể bị mất đi trong khi chỉnh sửa ảnh. Trong quá trình nhúng được đề cập, các thành phần tần số trung gian của hệ số DCT sẽ được ứng dụng để làm giấu thông tin dấu ẩn.
c. Lược đồ Hus và Wu’s
Hai ông đã đưa ra kỹ thuật đánh dấu ẩn số nhị phân thay cho biến đổi Cosince rời rạc. Sau khi ảnh gốc được biến đổi nhờ DCT, những hệ số tần số trung gian trong luật zigzag của các khối biến đổi được lựa chọn để nhúng dấu ẩn số. Mặt khác, dấu ẩn số trước tiên được hoán vị giả ngẫu nhiên, khi đó mỗi khối dấu ẩn được hoán vị sẽ được nhúng vào trong khối biến đổi đã đươc lựa chọn. Khối lựa chọn và những khối lân cận được tính toán để tạo ra khối khác biệt theo một mặt lạ hình khối được xác định trước và khối dấu ẩn sau đó được thực hiện bằng phép tính XOR với khối khác biệt. Đó là mối quan hệ giữa khối lựa chọn và các khối lân cận được dùng để nhúng khối dấu ẩn số.
Chúng ta sử dụng ví dụ sau để mô tả cách thức đưa ra khối khác biệt, trong (hình a), vị trí e trong mặt lạ hình khối xác định trước đại diện cho khối lựa chọn hiện thời và cho a = b = c = 0, d = 1, e = 1. Có nghĩa khối khác biệt xuất hiện từ sự khác nhau giữa khối hiện thời và khối trước đó, được minh họa lần lượt trong (hình b) và (hình c), kết quả được biểu diễn trong (hình d) nối vào trong khối khác biệt là những số nhị phân. Nếu sự khác biệt lớn hơn 0, thì con số tại vị trí tương ứng của khối khác biệt bằng 1, cách khác, nếu sự khác biệt bằng 0 thì (hình e) cho thấy kết quả khối khác biệt
Cuối cùng, phần cuối của phép tính XOR sẽ được biến đổi trong phạm vi tần số giữa của khối lựa chọn. Khi có yêu cầu của tác giả ta có thể trích dấu ẩn qua phép tính XOR giữa ảnh gốc và ảnh được nhúng dấu ẩn. Với kỹ thuật này yêu cầu phải có ảnh gốc để khôi phục lại dấu ẩn. Thuật toán cho quá trình nhúng và trích dấu ẩn như sau:
* Thuật toán cho quá trình nhúng:
Đầu vào: Ảnh gốc mức xám OI, dấu ẩn nhị phân WI và mặt lạ khối MF.
Đầu ra: Ảnh được đánh dấu ẩn.
Bước 1: Hoán vị WI bởi người nghĩ ra số giả ngẫu nhiên để tạo ra WI’P đã hoán vị và chia WIP thành những khối không trùng lặp.
Bước 2: Chia OI thành những khối không trùng lặp với kích thước 8x8 pixel và mỗi khối đều được biến đổi DCT.
a b c
d e
(a) Khối mặt lạ
21 23 30 20 31 23 18 35
23 14 25 19
20 22 33 21 32 23 19 31
24 18 25 17
(b) khối hiện tại (c) Khối trước đó
−
−
−
−
−
−
−
1 3 1 1
1 0 1 4
1 4 0 2
2 2 2 0
0 0 1 1
0 0 0 1
0 0 0 1
1 0 1 0
(d) Sự khác nhau giữa khối (b) và (c) (c) Khối khác biệt Ví dụ về việc tạo ra khối khác biệt
Bước 3: Lựa chọn các hệ số tần số giữa từ mỗi khối biến đổi DCT của OI.
Bước 4: Với mỗi hệ số được chọn trong khối biến đổi tạo ra khác biệt theo MF.
Bước 5: Ánh xạ mỗi khối dấu ẩn vào khối đã biến đổi tương ứng.
Bước 6: Thực hiện phép tính XOR trên khối dấu ẩn và khối khác biệt của khối biến đổi.
Bước 7: Chỉnh sửa khối biến đổi bằng cách sử dụng kết quả của bước 6.
Bước 8: Lặp lại từ bước 5 đến bước 7 cho tới khi tất cả các khối dấu ẩn được xử lý.
Bước 9: Sử dụng nghịch đảo DCT để biến đổi ảnh được chỉnh sửa thành OI’.
Sơ đồ của quá trình nhúng dấu ẩn
* Quá trình trích rút dấu ẩn:
Đầu vào: Ảnh gốc mức xám OI, ảnh có dấu ẩn OI’ và mặt nạ khối MF.
Đầu ra: Dấu ẩn nhị phân WI’.
( 7 ) (1)
(3)
(4)
(5) ( 2 )
(6)
DCT và điều chỉnh thao tác lượng tử hóa
dấu ẩn
X w
Ảnh được đánh dấ ẩu n Ảnh gốc
Hoán vị ngẫu nhiên dấu ẩn
DCT
Thay thế ngẫu nhiên các hệ số tần số giữa
Nghịch đảo DCT
Wr
Wˆrq
Xˆ
Lựa chọn ngẫu nhiên các hệ số tần số giữa
Sửa đổi các hệ số tần số giữa
X
Wˆmf
Xˆ w
Xˆmf
Bước 1: Dùng DCT để biến đổi lần lượt các khối 8x8 của OI và OI’
theo thứ tự, và tạo ra Y và Y’ trong đó Y = DCT( OI ) và Y’ = DCT(
OI’ ).
Bước 2: Trích các hệ số tần số giữa lựa chọn từ mỗi khối trong Y và Y’ theo thứ tự.
Bước 3: Tạo khối khác biệt cho mỗi khối được trích từ Y và Y’ theo MF, và tạo khối khác biệt kết quả P và P’.
Bước 4: Thực hiện phép tính XOR đối với P và P’ để đạt được khối dấu ẩn đã hoán vị WIb.
Bước 5: Hoán vị nghich đảo WIb bởi người nghĩ ra số ngẫu nhiên giả để tạo ra WIb’.
Bước 6: Lặp lại từ bước 2 đến bước 5 cho đến khi tất cả các khối biến đổi trong Y và Y’ được xử lý. Cuối cùng, tất cả các khối được trích từ WI’.
d. Lược đồ của Niu, Lu và Sun’s
Niu và Sun's đưa ra một kỹ thuật đánh dấu ẩn số mức xám dựa vào DCT. Quá trình nhúng trước tiên trải qua phân ly bit để phân chia dấu ẩn mức xám thành tám mức bit. Sau đó, nhiều mức bit, những bit đáng kể nhất được nhặt ra để nhúng như thông tin mặt nạ. Phần còn lại để làm mã khóa bí mật tương ứng. Thông tin mặt nạ sẽ lại tự ẩn trong hệ số tần số của ảnh gốc được biến đổi DCT. Càng quan tâm đến việc trích dấu ẩn bằng ảnh gốc và thông tin trong ảnh được nhúng dấu ẩn, viêch giải mã sẽ được thực hiện để khôi phục dấu ẩn số. Dấu ẩn được nhúng cũng được chứng minh là có hiệu quả trong việc chống lại việc cắt xén, nén bóp méo, và các tấn công khác. Tuy nhiên trong quá trình trích dấu ẩn, chương trình cũng vẫn yêu câu có ảnh gốc.
Quá trình nhúng dấu ẩn:
Đầu vào: Ảnh gốc mức xám OG, dấu ẩn mức xám WG và một tham số đã được xác định trước pr.
Đầu ra: Ảnh được đánh dấu ẩn OG’.
Bước 1: Phân ly bit WG thành 8 mức bit WG0, WG1,.., WG7, trong đó WG7 là mức bít MSB, WG0 là mức bit LSB.
Bước 2: Cho mỗi mức bit WGk k = 0, 1,.., 7 hoán vị ngẫu nhiên giả nó thành WG’.
Bước 3: Soạn thông tin mặt nạ bởi việc chọn r mức bit từ các WGk’
và cho phép các mức bít còn lại tạo ra một khóa mật SK
Bước 4: Phân đoạn OG thành các khối không chồng nhau và sử dụng DCT để biến đổi mỗi khối.
Bước 5: Chọn các hệ số được lựa chọn từ mỗi khối đã biến đổi DCT.
Bước 6: Sửa đổi các hệ số được lựa chọn bằng thông tin mặt nạ.
Bước 7: Biến đổi DCT nghịch đảo tất cả các khối sửa đổi để thu được ảnh được đánh dấu ẩn OG’.
Quá trình trích dấu ẩn.
Đầu vào: Ảnh gốc mức xám OG, Ảnh được đánh dấu ẩn OG’, một tham số đã được tính toán pr và một khóa mật Sk.
Đầu ra: Trích dấu ẩn WG’
Bước 1: Chia OG và OG’ thành các khối không chồng nhau theo thứ tự, sử dụng DCT để biến đổi mỗi khối trong OG và OG’. Tạo ra TY và TY’ với TY = DCT( OG ) và TY’ = DCT (OG’).
Bước 2: Lấy thông tin mặt nạ được nhúng của dấu ẩn bằng sự khác nhau giữa mỗi khối trong TY và khối tương ứng trong TY’.
Bước 3: Ghép thông tin mặt nạ lấy được và khóa mật Sk để đạt được dấu ẩn hoán vị WGp.
Bước 4: Hoán vị nghịch đảo ngẫu nhiên giả WGp để lấy lại dấu ẩn đã phục hồi WG’.