3. Bố cục luận văn
3.1.2. Tính bền vững của thủy vân
Thuỷ vân đƣợc nhúng sau khi giải mã sẽ đƣợc so sánh để kiểm định, chứng thực thuỷ vân. Có những thuỷ vân nhìn thấy đƣợc và mang ý nghĩa nhận biết thì công việc trở nên đơn giản chẳng hạn nhƣ thuỷ vân là một chuỗi ký tự ASCII mang thông tin nào đó nhƣ tên tác giả, ngày tháng… thì khi tách đƣợc thuỷ vân ta dễ dàng nhận biết thông tin. Hay nhƣ thuỷ vân là một ảnh nào đó chẳng hạn thì khi tách thuỷ vân cũng đƣợc một ảnh tƣơng tự và ta có thể nhìn thấy sự khác biệt giữa hai ảnh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tuy nhiên, trong một số trƣờng hợp thì thuỷ vân là một chuỗi bit, khi đó công việc nhận diện thuỷ vân sẽ không đơn giản. Hoặc ngay cả trong trƣờng hợp thuỷ vân là những thông tin mang ý nghĩa nhận biết đƣợc cũng cần có kỹ thuật để kiểm định định lƣợng sự sai lệch của thuỷ vân tách đƣợc với thuỷ vân gốc.
Có nhiều kỹ thuật để kiểm định định lƣợng thuỷ vân. Kỹ thuật đơn giản nhất là ta tính tỉ lệ đúng sai từng bit theo công thức:
SR = (Số bit trùng nhau)/(Tổng số bit)
Chẳng hạn ta nhúng một thuỷ vân có độ dài là 1000 bit, khi tách thuỷ vân so với thuỷ vân gốc, thuỷ vân tách đƣợc bị sai lệch 100 bit và 900 bit còn lại là trùng nhau, vậy thì tỉ lệ trùng khớp là SR=900/1000 = 0.900. Theo tiêu chuẩn so sánh này, giá trị SR càng gần 1 thì sự sai khác giữa thuỷ vân tách đƣợc với thuỷ vân gốc càng thấp.
Một số kỹ thuật thuỷ vân áp dụng với trƣờng hợp thuỷ vân là một ảnh đa mức xám. Khi đó, các cặp điểm ảnh chênh lệch một đơn vị vẫn đƣợc xem là rất nhỏ nên việc đánh giá độ lệch theo cách trên là không phù hợp. Trong trƣờng hợp này, sử dụng hệ số đồng dạng SF (similarity factor) để đánh giá tỷ lệ đồng dạng giữa thuỷ vân gốc W và thuỷ vân tách đƣợc W*. Công thức tính hệ số đồng dạng giữa thuỷ vân gốc W và thuỷ vân tách đƣợc W*
có cùng kích thƣớc M×N đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
M i N j M i N j j i W W W SF 1 1 2 1 1 * ) , ( / j) (i, j) (i,
Khi sử dụng hệ số đồng dạng để đánh giá, so sánh hai bức ảnh, nếu hệ số đồng dạng SF càng gần 1 thì hai ảnh có sự đồng dạng cao.
3.2. Kết quả thử nghiệm kỹ thuật thủy vân của Shoemarker C
Năm 2002 Shoemarker C. đã đề xuất kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DCT, ý tƣởng chính của kỹ thuật là căn cứ vào bit thuỷ vân cần
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nhúng để biến đổi một cặp hệ số đƣợc chọn trong miền tần số giữa cho thoả mãn điều kiện nhúng. Việc chọn một hệ số k và quá trình nhúng thuỷ vân luôn đảm bảo sau khi nhúng khoảng cách giữa hai hệ số đƣợc chọn luôn chênh lệch về giá trị lớn hơn hoặc bằng k. Đó là yếu tố quyết định tính bền vững và tính ẩn của thuỷ vân [14].
Cài đặt và chạy thử nghiệm kỹ thuật thuỷ vân của Shoemarker với ảnh gốc đa mức xám “BUOM.BMP” kích thƣớc 512×512, thuỷ vân là ảnh nhị phân “IOIT_H.BMP” kích thƣớc 46×46. Kết quả nhúng và tách thuỷ vân đƣợc trình bày qua hình 3.1. Ảnh gốc 512×512 Ảnh thuỷ vân gốc 46×46 Ảnh gốc đã nhúng thuỷ vân; PSNR=32.599 Ảnh thuỷ vân tách đƣợc; SR=1.0000
Hình 3.1. Kết quả nhúng và tách thuỷ vân theo Shoemarker C., k=50
Kết quả cho thấy, bằng mắt thƣờng không cảm nhận đƣợc sự khác biệt giữa ảnh chứa thuỷ vân với ảnh gốc, giá trị PSNR cũng thể hiện ảnh chứa thuỷ vân có sự sai khác chấp nhận đƣợc so với những thao tác biến đổi ảnh thông thƣờng. Thuỷ vân tách đƣợc là trùng với thuỷ vân gốc, đây là yếu tố quan trọng nhất đối với một hệ thuỷ vân bền vững.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Thử nghiệm với các giá trị khác nhau của k, kết quả khi cho k tăng từ 6 đến 50 thì nhận đƣợc ảnh chứa thuỷ vân có giá trị PSNR dao động giảm từ 39.173 đến 32.599, còn thuỷ vân tách đƣợc với mọi giá trị k đã chọn đều trùng với thuỷ vân gốc, điều này càng khẳng định tính bền vững ổn định của thuỷ vân trong hệ thống nhúng thuỷ vân.
Ảnh chứa thuỷ vân sau đó đƣợc thử qua các tấn công là các phép biến đổi ảnh thông thƣờng rồi đem tách lấy thuỷ vân và so sánh với thuỷ vân gốc để kiểm tính bền vững của thuỷ vân. Kết quả thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Tính bền vững của thuỷ vân theo Shoemarker C. qua các tấn công
Loại tấn công
SR giữa thuỷ vân gốc và thuỷ vân tách
k = 6 k = 18 k = 34 k = 50 JPEG Compression Q = 75 0.8762 1.0000 1.0000 1.0000 JPEG Compression Q = 50 0.7461 0.9771 1.0000 1.0000 JPEG Compression Q = 25 0.7239 0.7852 0.9731 0.9994 Rescaling 512 256 512 0.6157 0.6873 0.7922 0.8606 Intensity Adj [0 0.8], [0 1] 0.9551 0.9795 0.9902 0.9949 Histogram 0.9712 0.9912 0.9976 0.9995 Blurring 3,3 0.9141 0.9839 0.9976 0.9995
Adding Gaussian Noise 0.001 0.8508 0.9783 0.9988 1.0000
Qua các phép tấn công thông thƣờng lên ảnh chứa thuỷ vân, hệ thống thuỷ vân theo phƣơng pháp của Shoemarker C. thể hiện thuỷ vân tách đƣợc có sự sai lệch so với thuỷ vân gốc là rất thấp. Thuỷ vân thể hiện tính bền vững
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
yếu nhất trƣớc phép tấn công thay đổi kích thƣớc (rescale: 0.8606), thuỷ vân thể hiện tính bền vững cao nhất trƣớc phép nén ảnh JPEG. Qua số liệu, kỹ thuật thuỷ vân của Shoemarker thể hiện đáp ứng tốt yêu cầu về tính bền vững của thuỷ vân trƣớc các tấn công, đồng thời đảm bảo đƣợc chất lƣợng thƣơng mại của ảnh chứa thuỷ vân so với ảnh gốc.
3.3. Kết quả thử nghiệm kỹ thuật thủy vân của Nguyễn Văn Tảo và Bùi Thế Hồng Thế Hồng
Cùng ý tƣởng nhúng bit thuỷ vân vào miền tần số giữa của khối DCT, nhóm tác giả Nguyễn Văn Tảo và Bùi Thế Hồng đã xây dựng một kỹ thuật cải tiến bằng cách đƣa ra phƣơng pháp chọn cặp hệ số trong mỗi khối sao cho việc phải thay đổi các hệ số đã chọn là ít nhất, qua đó giảm đáng kể sự thay đổi của ảnh chứa thuỷ vân và vẫn giữ đƣợc tính bền vững của thuỷ vân trƣớc các tấn công. Đồng thời kỹ thuật cũng đảm bảo đƣợc độ an toàn của thuỷ vân trong việc chống lại sự dò tìm nhằm gỡ bỏ thuỷ vân khỏi ảnh chứa [3].
Cài đặt và chạy thử nghiệm theo kỹ thuật này với ảnh gốc là ảnh đa mức xám “BUOM.BMP” kích thƣớc 512×512, thuỷ vân là ảnh nhị phân “IOIT_H.BMP” kích thƣớc 46×46, kết quả quá trình nhúng và tách thuỷ vân thể hiện qua hình 3.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Ảnh gốc 512×512 Ảnh thuỷ vân gốc 46×46 Ảnh gốc đã nhúng thuỷ vân; PSNR=45.752 Ảnh thuỷ vân tách đƣợc; SR=1.0000
Hình 3.2. Kết quả nhúng và tách thuỷ vân theo kỹ thuật cải tiến, k=50
Thử nghiệm với các hệ số k khác nhau, kết quả cho thấy độ lớn của k tỷ lệ nghịch với chất lƣợng ảnh chứa thuỷ vân, tỷ lệ thuận với tính bền vững của thuỷ vân. Với k chọn tăng dần từ 6 đến 50, chất lƣợng ảnh chứa thuỷ vân đánh giá qua giá trị PSNR giảm từ 88.514 đến 45.752 đồng thời thuỷ vân tách đƣợc từ ảnh chứa (chƣa qua các tấn công) luôn trùng với thuỷ vân gốc.
Ảnh chứa thuỷ vân đƣợc thử với các tấn công là các phép biến đổi ảnh thông thƣờng, sau đó thực hiện quá trình tách thuỷ vân. Kết quả so sánh thuỷ vân tách đƣợc với thuỷ vân gốc thể hiện tính bền vững cao của thuỷ vân trƣớc các tấn công trên ảnh chứa thuỷ vân. Kết quả thử nghiệm tính bền vững đƣợc trình bày trong bảng 3.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3.2. Tính bền vững của thuỷ vân qua các tấn công theo kỹ thuật thủy vân của Nguyễn Văn Tảo và Bùi Thế Hồng
Loại tấn công
SR giữa thuỷ vân gốc và thuỷ vân tách
k = 6 k = 18 k = 34 k = 50 JPEG Compression Q = 75 0.9822 0.9981 1.0000 1.0000 JPEG Compression Q = 50 0.7981 0.8774 0.9439 0.9939 JPEG Compression Q = 25 0.7275 0.7676 0.8367 0.8960 Rescaling 512 256 512 0.6458 0.7090 0.7944 0.8496 Intensity Adj [0 0.8], [0 1] 0.9793 0.9917 0.9937 0.9954 Histogram 0.9817 0.9951 0.9983 0.9993 Blurring 3,3 0.8711 0.8667 0.9224 0.9370 Adding Gaussian Noise 0.001 0.8684 0.9723 0.9995 1.0000
Kết quả đánh giá chất lƣợng thuỷ vân thể hiện tính bền vững của thuỷ vân không cao trƣớc các tấn công thay đổi kích thƣớc, nén mất thông tin ở mức chất lƣợng thấp. Đa số các tấn công còn lại đều cho thuỷ vân với tính bền vững cao. Tính bền vững cao thể hiện ở tất cả các mức của hệ số k, trƣớc các tấn công, nén mất thông tin ở chất lƣợng cao, hay điều chỉnh Intensity, histogram.
3.4. Thuỷ vân sử dụng DCT và mã Hamming (DCT-H)
Cài đặt và chạy thử nghiệm theo kỹ thuật DCT-H đề xuất trong luận văn, với ảnh gốc là ảnh đa mức xám “BUOM.BMP” kích thƣớc 512×512, thuỷ vân là ảnh nhị phân “IOIT_H.BMP” kích thƣớc 46×46, kết quả quá trình nhúng và tách thuỷ vân thể hiện qua hình 3.3.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Thử nghiệm với các hệ số k khác nhau, kết quả cho thấy độ lớn của k tỷ lệ nghịch với chất lƣợng ảnh chứa thuỷ vân, tỷ lệ thuận với tính bền vững của thuỷ vân. Với k chọn tăng dần từ 6 đến 50, chất lƣợng ảnh chứa thuỷ vân đánh giá qua giá trị PSNR giảm từ 75.954 đến 39.399 đồng thời thuỷ vân tách đƣợc từ ảnh chứa (chƣa qua các tấn công) luôn trùng với thuỷ vân gốc
Ảnh gốc 512×512 Ảnh thuỷ vân gốc 46×46 Ảnh gốc đã nhúng thuỷ vân; PSNR=39.399 Ảnh thuỷ vân tách đƣợc; SR=1.0000
Hình 3.3. Kết quả nhúng và tách thuỷ vân theo kỹ thuật DCT-H, k=50
Ảnh chứa thuỷ vân đƣợc thử với các tấn công là các phép biến đổi ảnh thông thƣờng, sau đó thực hiện quá trình tách thuỷ vân. Kết quả so sánh thuỷ vân tách đƣợc với thuỷ vân gốc thể hiện tính bền vững cao của thuỷ vân trƣớc các tấn công trên ảnh chứa thuỷ vân. Kết quả thử nghiệm tính bền vững đƣợc trình bày trong bảng 3.3.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3.3. Tính bền vững của thuỷ vân theo kỹ thuật DCT-H qua các tấn công
Loại tấn công
SR giữa thuỷ vân gốc và thuỷ vân tách
k = 6 k = 18 k = 34 k = 50 JPEG Compression Q = 75 0.9466 1.000 1.000 1.000 JPEG Compression Q = 50 0.8696 0.9787 1.000 1.000 JPEG Compression Q = 25 0.8299 0.8294 0.9693 0.9981 Rescaling 512 256 512 0.9920 0.9948 0.9976 0.9981 Intensity Adj [0 0.8], [0 1] 0.9986 0.9991 0.9991 0.9991 Histogram 1.000 1.000 1.000 1.000 Blurring 3,3 0.9967 0.9995 0.9995 0.9995 Adding Gaussian Noise 0.001 0.7812 0.8540 0.9617 0.9981
3.5. So sánh chất lƣợng hệ thống thủy vân
Tính trong suốt của thủy vân (hay chất lƣợng ảnh chứa thủy vân) của 3 kỹ thuật đƣợc thể hiện qua bảng 3.4 và hình 3.4.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3.4. So sánh chất lượng ảnh sau nhúng thủy vân
Hệ số
k
PSNR-Kỹ thuật thuỷ vân của Shoemarker C
NVT [3] DCT-H Nhóm A Nhóm B Nhóm C Trung bình 6 36.408 42.147 39.173 39.243 88.514 75.954 10 36.196 41.163 38.814 38.724 87.001 66.899 14 35.904 41.190 38.332 38.475 78.624 57.342 18 35.614 39.741 37.823 37.726 73.105 53.071 22 35.212 38.320 37.022 36.851 67.716 49.968 26 34.778 37.366 36.468 36.204 62.501 47.590 30 34.316 36.649 35.467 35.477 58.380 45.680 34 33.931 35.932 35.025 34.963 54.941 44.075 38 33.444 35.049 34.295 34.263 52.106 42.682 42 33.005 34.398 33.768 33.724 49.681 41.480 46 32.501 33.819 33.247 33.189 47.602 40.383 50 32.081 33.315 32.599 32.665 45.752 39.399
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.4. Biểu đồ so sánh tính ẩn của thủy vân theo 3 kỹ thuật
Kết quả so sánh qua bảng 3.4 và hình 3.4 cho thấy giá trị PSNR theo kỹ thuật kết hợp mã sửa lỗi và phép biến đổi DCT cho chất lƣợng của ảnh chứa thủy vân (hay tính ẩn của thủy vân) ở mức trung bình, tốt hơn kỹ thuật của Shoemarker, đồng thời kém hơn kỹ thuật của NVT.
Tính bền vững của thủy vân trƣớc các tấn công thông thƣờng lên ảnh chứa của 3 kỹ thuật đƣợc thể hiện qua bảng 3.5 và hình 3.5
0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 70.000 80.000 90.000 100.000 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 k P S N R Shoemarker NVT DCT-H
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3.5. So sánh tính bền vững của thủy vân giữa các kỹ thuật
Loại tấn công
SR giữa thuỷ vân gốc và thuỷ vân tách Shoemarker C. NVT [3] DCT-H JPEG Compression Q = 75 1.0000 1.0000 1.000 JPEG Compression Q = 50 1.0000 0.9939 1.000 JPEG Compression Q = 25 0.9994 0.8960 0.9981 Rescaling 512 256 512 0.8606 0.8496 0.9981 Intensity Adj [0 0.8], [0 1] 0.9949 0.9954 0.9991 Histogram 0.9995 0.9993 1.000 Blurring 3,3 0.9995 0.9370 0.9995 Adding Gaussian Noise 0.001 1.0000 1.0000 1.000
Hình 3.5. Biểu đồ so sánh tính bền vững của thủy vân theo 3 kỹ thuật
Kết quả so sánh qua bảng 3.5 và hình 3.5 cho thấy giá trị SR theo kỹ thuật kết hợp mã sửa lỗi và phép biến đổi DCT thể hiện tính bền vững rất cao qua
0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 JPE G C ompr essi on Q = 7 5 JPE G C ompr essi on Q = 5 0 JPE G C ompr essi on Q = 2 5 Resca ling 5 12 ® 256 ® 5 12 Inte nsity Adj [ 0 0. 8], [ 0 1] Hist ogra m Blur ring 3,3 Addi ng G aussi an N oise 0.0 01 SR Shoemarker C. NVT [] DCT-H
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
các tấn công lên ảnh chứa thủy vân của kỹ thuật DCT-H, đƣờng biểu diễn giá trị SR của kỹ thuật này gần nhƣ đƣờng thẳng SR = 1. Trong khi đó, 2 kỹ thuật đối sánh vẫn có những nơi giá trị SR giảm, điển hình là qua phép co giãn ảnh chứa thủy vân.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
KẾT LUẬN
Với mục tiêu nghiên cứu một số kỹ thuật giấu tin, nghiên cứu hệ thống mã sửa lỗi Hamming, kết hợp mã sửa lỗi xây dựng hệ thống thủy vân ẩn bền vững trong ứng dụng bảo vệ bản quyền ảnh số, luận văn đã đạt đƣợc một số kết quả chính sau đây:
1. Nghiên cứu, cài đặt thử nghiệm kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi cosin rời rạc (DCT) của Shoemaker C; của nhóm tác giả Nguyễn Văn Tảo và Bùi Thế Hồng.
2. Nghiên cứu hệ thống mã sửa lỗi Hamming.
3. Đề xuất mô hình hệ thống thủy vân ẩn bền vững trên cơ sở kết hợp phép biến đổi cosin rời rạc đã cải tiến và mã sửa lỗi Hamming (DCT-H).
4. Cài đặt và thử nghiệm nhúng thủy vân, tách thủy vân, đánh giá về tính ẩn của thủy vân, tính bền vững của thủy vân trƣớc một số tấn công lên ảnh chứa của phƣơng pháp kết hợp đề xuất trong luận văn.
Kết quả thử nghiệm cho thấy, hệ thống kết hợp DCT-H đảm bảo tính ẩn của thủy vân, đồng thời ƣu điểm nổi bật là tính bền vững cao và ổn định trƣớc các tấn công đã thử nghiệm.
Nhƣ vậy, việc sử dụng mô hình kết hợp mã sửa lỗi Hamming, hoặc một số hệ mã sửa lỗi tƣơng tự trong các hệ thống giấu tin sẽ giúp tăng thêm tính bền vững của tin giấu trƣớc các tấn công lên đối tƣợng chứa.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tài liệu tham khảo Tiếng việt
[1] Bùi Thế Hồng (2005), Về một cải tiến đối với lƣợc đồ giấu dữ liệu an toàn và vô hình trong các bức ảnh hai màu, Tạp chí Tin học và điều khiển học,