5. Bố cục của luận văn
2.3.2. Thủy vân trong Video
2.3.2.1. Quy trình nhúng thủy vân
Để nhúng thủy vân trong video ta có thể quy về nhúng thủy vân trong ảnh theo quy trình sau:
File Video (nơi chứa thông
tin thuỷ vân)
Tách Ghép
File Video (đã chứa thông
tin thuỷ vân) Nhúng thuỷ vân Video Video Audio Thông tin thuỷ vân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.5.Quy trình nhúng thuỷ vân
Tách video thành 2 file âm thanh và video riêng. File video không có tiếng.
Lấy file video thu được ở trên tách ra các Frames hình
Tách các Frame hình và thực hiện nhúng thủy vân giống quy trình nhúng thủy vân trong ảnh (Frames là ảnh bitmap).
Ghép các Frames thành video mới. Sau đó kết hợp với file âm thanh ghép trở lại video ban đầu.
2.3.2.2. Quy trình tách thủy vân
Để tách thủy vân từ video ta cũng làm như trên nhưng ta không giấu tin nữa mà ta đi giải mã frame với khóa đã có để thu được tin. Quy trình tách thuỷ vân được thực hiện theo sơ đồ dưới đây.
File Video (đã chứa thông
tin thuỷ vân)
Tách Ghép File Video Trích thuỷ vân Video Video Audio Thông tin thuỷ vân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.6.Quy trình tách thuỷ vân
Tách video thành 2 file âm thanh và video riêng. File video không có tiếng.
Lấy file video thu được ở trên tách ra các Frames hình
Tách các Frame hình và thực hiện trích thủy vân giống quy trình trích thủy vân trong ảnh (Frames là ảnh bitmap).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chương 3: Thử nghiệm và đánh giá kết quả 3.1 Kiểm tra tính trong suốt và tính bền vững của thủy vân
3.1.1 Kiểm tra tính trong suốt của thủy vân
Trong giấu tin nói chung, và trong hệ thống thuỷ vân ẩn nói riêng, một yêu cầu cao được đặt ra là ảnh sau khi nhúng thông tin có sự sai khác so với ảnh gốc càng ít càng tốt. Có thể sử dụng hệ thống thị giác của con người để cảm nhận và đánh giá tiêu chuẩn này.
Việc đánh giá, so sánh một cách chính xác sự sai khác về chất lượng ảnh gốc F và ảnh sau khi nhúng thông tin thuỷ vân F’ có thể thực hiện qua việc tính giá trị PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) giữa ảnh gốc F và ảnh chứa thuỷ vân F’ cùng có kích thước m×n theo công thức:
MSE F Max PSNR 20log10 ( ) trong đó: m i n j j i F j i F n m MSE 1 1 2 ) , ( ' ) , ( 1 là bình phương độ lệch giữa ảnh gốc F và ảnh chứa thuỷ vân F’.
Với các phép biến đổi ảnh, người ta chấp nhận giá trị PSNR trong khoảng 20-40 dB. Giá trị PSNR càng lớn thể hiện sự sai khác giữa ảnh gốc và ảnh sau khi nhúng thông tin càng thấp.
3.1.2 Kiểm tra tính bền vững của thủy vân
Đây là kỹ thuật con được sử dụng sau cùng trong kỹ thuật thuỷ vân. Thuỷ vân được nhúng sau khi giải mã sẽ được so sánh để kiểm định, chứng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
thực thuỷ vân. Có những thuỷ vân nhìn thấy được và mang ý nghĩa nhận biết thì công việc trở nên quá đơn giản chẳng hạn như thuỷ vân là một chuỗi mã ký tự ASCII mang thông tin nào đó như tên tác giả, ngày tháng… thì khi giải mã ta cũng dễ dàng nhận biết thông tin. Hay như thuỷ vân là một ảnh nào đó chẳng hạn thì giải mã ra cũng được một cái ảnh tương tự và ta có thể nhìn thấy sự khác biệt giữa hai ảnh.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp thì thuỷ vân là một chuỗi bit nào đấy, thuỷ vân chuỗi bit mang ý nghĩa thống kê nên nó cũng thường được sử dụng. Vậy thì khi đó công việc nhận diện thuỷ vân sẽ không đơn giản. Hoặc ngay cả trong trường hợp thuỷ vân là những thông tin mang ý nghĩa nhận biết được thì cũng phải có kỹ thuật để kiểm định sự sai lệch của thủy vân tách được so với thuỷ vân gốc.
Có nhiều kỹ thuật để kiểm định định lượng 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 được 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 được với thuỷ vân gốc càng thấp.
Một số kỹ thuật thuỷ vân áp dụng với trường hợp thuỷ vân là một ảnh đa mức xám. Khi đó, các cặp điểm ảnh chênh lệch một đơn vị vẫn được xem là rất nhỏ nên việc đánh giá độ lệch theo cách trên là không phù hợp. Trong trường hợp này, sử dụng hệ số đồng dạng SF (similarity factor) để đánh giá tỷ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
lệ đồng dạng giữa thuỷ vân gốc W và thuỷ vân tách được W*. Công thức tính hệ số đồng dạng giữa thuỷ vân gốc W và thuỷ vân tách được W* có cùng kích thước M×N được biểu diễn như 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 [13], [14].
3.2 Kết quả thử nghiệm kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT DWT
Hầu hết các kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ DWT đều có chung ý tưởng thực hiện biến đổi sóng nhỏ hai chiều để biến đổi ảnh gốc sang miền tần số, kết quả phép biến đổi DWT sẽ chia ảnh gốc thành bốn băng tần LL, LH, HL và HH, tiếp theo biến đổi giá trị các hệ số thuộc các băng tần bằng cách kết hợp với thông tin thuỷ vân, khoá. Cuối cùng là thực hiện phép biến đổi ngược IDWT trên các băng tần đã thay đổi để được ảnh đã nhúng thuỷ vân.
Trong kỹ thuật thuỷ vân của Mehul R. và Priti R. [9] các tác giả đã sử dụng phép biến đổi DWT hai chiều mức hai phân tích ảnh gốc I thành các băng tần LL2, LH2, HL2 và HH2 rồi sử dụng thuỷ vân là hai ảnh nhị phân J, K. Thuỷ vân thứ nhất được nhúng vào băng LL2, thuỷ vân thứ hai được nhúng vào băng HH2 rồi thực hiện phép biến đổi ngược IDWT để tổng hợp thành ảnh chứa thuỷ vân.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong thử nghiệm, ảnh gốc được chọn là ảnh đa mức xám “HOASUNG.BMP” kích thước 256×256, hai thuỷ vân là ảnh nhị phân “IOIT.BMP” kích thước 64×64, hệ số được chọn là 20 với băng LL2, là 3 với băng HH2. Ảnh sau khi nhúng thuỷ vân được sử dụng để tách lấy thuỷ vân, kết quả ở cả hai băng LL2 và HH2 đều cho thuỷ vân trùng với thuỷ vân gốc. Ảnh gốc, ảnh thuỷ vân gốc, ảnh sau khi nhúng thuỷ vân được trình bày trong hình 3.1 Ảnh gốc 256×256 Ảnh thuỷ vân gốc 64×64 Ảnh gốc đã nhúng thuỷ vân PSNR=34.970
Hình 3.1. Nhúng thuỷ vân theo Mehul R. và Priti R.
Ảnh gốc sau khi nhúng thuỷ vân được xử lý qua các phép biến đổi ảnh thông thường, sau đó thực hiện tách lấy thuỷ vân ở hai băng LL2 và HH2 rồi so sánh độ lệch bit với thuỷ vân gốc. Kết quả so sánh SR thể hiện tính bền vững của thuỷ vân tương ứng ở các băng trước các tấn công thông thường lên ảnh chứa được thể hiện qua bảng 3.1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bảng 3.1. Tính bền vững của thuỷ vân theo Mehul R. và Priti R. trước các tấn công lên ảnh chứa thuỷ vân
Loại tấn công SR của thuỷ vân tách được Băng LL2 Băng HH2 JPEG Compression Q = 75 0.9998 0.5779 JPEG Compression Q = 50 0.9863 0.4868 JPEG Compression Q = 25 0.8960 0.4724 Rescaling 256 128 256 0.7605 0.6480 Intensity Adj [0 0.8], [0 1] 0.5964 0.8259 Histogram 0.6164 0.7495 Blurring 3,3 0.9155 0.5078
Adding Gaussian Noise 0.001 0.8919 0.6108
Cropping 50% 0.8420 0.4917
Pixelate 2 mosaic 0.9273 0.9529
Sharpening 0.8870 0.8215
Kết quả kiểm thử về tính bền vững của thuỷ vân cho thấy, thuỷ vân nhúng ở băng LL bền vững hơn thuỷ vân nhúng trong băng HH trước hầu hết các phép biến đổi ảnh. Thuỷ vân nhúng ở băng HH bền vững hơn thuỷ vân nhúng trong băng LL trước các tấn công Intensity Adj và chỉnh histogram. Thuỷ vân trong cả hai băng đều thể hiện tính bền vững thấp trước thao tác thay đổi kích thước ảnh chứa.
Thử nghiệm với các hệ số tương quan khác nhau, kết quả là khi tăng hệ số tương quan, chất lượng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân sẽ giảm đồng thời tính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
bền vững của thuỷ vân tương ứng lại tăng. Đây cũng là đặc điểm chung của tất cả các hệ thống thuỷ vân ẩn bền vững.
Thử nghiệm kỹ thuật của Tao P. và Eskicioglu A.M. với việc sử dụng phép biến đổi DWT hai chiều mức một, ảnh gốc sử dụng là ảnh đa mức xám “HOASUNG.BMP” kích thước 512×512, thuỷ vân được nhúng vào cả bốn băng là ảnh nhị phân “IOIT.BMP” kích thước 256×256, hệ số tương quan được chọn với băng LL là 8, chọn là 2 với các băng còn lại. Việc tách lấy thuỷ vân từ ảnh chứa ngay sau khi nhúng thuỷ vân (chưa qua các biến đổi) cho kết quả thuỷ vân trong tất cả các băng đều trùng với thuỷ vân gốc (SR=1). Ảnh gốc, thuỷ vân gốc và ảnh sau khi nhúng thuỷ vân được trình bày qua hình 3.2 Ảnh gốc 512×512 Ảnh thuỷ vân gốc 256×256 Ảnh gốc đã nhúng thuỷ vân; PSNR=36.588
Hình 3.2. Nhúng thuỷ vân theo Tao P. và Eskicioglu A.M.
Ảnh chứa thuỷ vân được thử nghiệm tiếp trước các phép xử lý ảnh thông thường sau đó mới sử dụng để tách lấy thuỷ vân ở các băng tương ứng, kiểm tra độ sai lệch so với thuỷ vân gốc. Kết quả tách thuỷ vân từ ảnh chứa đã bị tấn công được thể hiện qua 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 theo Tao P. và Eskicioglu A.M. trước các tấn công
Loại tấn công Giá trị SR của thuỷ vân từ các băng
LL LH HL HH JPEG Compression Q = 75 0.9314 0.4495 0.4024 0.3435 JPEG Compression Q = 50 0.8332 0.4297 0.4059 0.3450 JPEG Compression Q = 25 0.7346 0.4261 0.4145 0.3453 Rescaling 512 256 512 0.6970 0.4173 0.4170 0.3427 Intensity Adj [0 0.8], [0 1] 0.7509 0.8414 0.8382 0.9203 Histogram 0.7694 0.7291 0.7338 0.7940 Blurring 3,3 0.8847 0.8043 0.3303 0.2851 Adding Gaussian Noise 0.001 0.7565 0.5687 0.5661 0.5666 Cropping 50% 0.8544 0.7132 0.7080 0.6717 Pixelate 2 mosaic 0.9047 0.4173 0.4170 0.3427 Sharpening 0.8069 0.8210 0.8197 0.8907
Kết quả thử nghiệm cho thấy, kỹ thuật thuỷ vân của Tao P. và Eskicioglu A.M. cho cùng kết quả về độ bền vững của thuỷ vân trong các băng LL và HH so với kỹ thuật mà chỉ nhúng thuỷ vân vào hai băng LL và HH của Mehul R. và Priti R. Ở các băng LH và HL thuỷ vân tách được cũng thể hiện tính bền vững trước một số tấn công, tuy nhiên tính bền vững của thuỷ vân trong những băng này không vượt trội so với ở các băng LL và HH.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.3 Kết quả thử nghiệm kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT và ma trận số giả ngẫu nhiên DWT và ma trận số giả ngẫu nhiên
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã cài đặt thuật toán tổng hợp đề xuất trong mục 2.2.4, ảnh gốc được sử dụng là ảnh đa mức xám “Camera.bmp” kích thước 512×512, thuỷ vân “Copyright.bmp” là ảnh nhị phân kích thước 50×20, hệ số k được sử dụng lần lượt là 1, 3, 5, 7, 9 và 11, kích thước khối m×n chọn là 8×8.
Thử nghiệm và so sánh với các trường hợp sau: (A) Chỉ nhúng thuỷ vân vào băng LH (B) Chỉ nhúng thuỷ vân vào băng HL (C) Chỉ nhúng thuỷ vân vào băng HH
Theo phương pháp của Shoemaker C. trình bày trong [11]
(D) Nhúng thuỷ vân vào cả ba băng LH, HL và HH sử dụng kỹ thuật đề xuất trong 2.2.4
Chất lượng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân được đánh giá thông qua giá trị của tỷ số PSNR giữa ảnh gốc I và ảnh chứa thuỷ vân Iw. Chất lượng thuỷ vân tách ra được đánh giá thông qua tỷ số tương tự SR giữa thuỷ vân gốc W và thuỷ vân tách được W’.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
PSNR= 43.270 PSNR= 43.282 PSNR= 43.281 PSNR= 38.625 (I) (A), SR=0.944 (B), SR=0.938 (C), SR=0.953 (D), SR=0.990
Hình 3.3. Kết quả thuỷ vân sử dụng DWT và ma trận số giả ngẫu nhiên
Với k=5; (I) Ảnh gốc 512×512 và thuỷ vân gốc 50×20; (A), (B), (C), (D) Ảnh đã nhúng thuỷ vân và thuỷ vân tìm lại được trong các thử nghiệm
Bảng 3.3. Chất lượng ảnh chứa thuỷ vân và thuỷ vân tìm lại được theo kỹ thuật thuỷ vân sử dụng DWT và ma trận số giả ngẫu nhiên
Hệ số k (A) (B) (C) (D) PSNR SR PSNR SR PSNR SR PSNR SR 1 54.412 0.631 54.419 0.631 54.417 0.681 51.405 0.748 3 47.418 0.842 47.429 0.845 47.428 0.874 42.957 0.957 5 43.270 0.944 43.282 0.938 43.281 0.953 38.625 0.990 7 40.432 0.975 40.443 0.975 40.443 0.986 35.735 0.998 9 38.285 0.985 38.296 0.990 38.296 0.993 33.568 1.000 11 36.562 0.991 36.572 0.997 36.572 0.997 31.835 1.000
Chất lượng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân, chất lượng thuỷ vân tách được từ ảnh chứa ngay sau khi nhúng (chưa qua các biến đổi) và tính bền vững của thuỷ vân trong ảnh chứa đã qua một số tấn công thông thường được thể hiện ở các hình 3.3 và bảng 3.3.
Bảng 3.3 và hình 3.3 cho thấy, việc nhúng thuỷ vân vào cả 3 băng cho chất lượng ảnh chứa thuỷ vân thay đổi nhiều hơn khi chỉ nhúng thuỷ vân vào 1 trong các băng tần số, đồng thời thuỷ vân tìm lại được khi nhúng trong cả 3 băng có ít sự sai khác với thuỷ vân gốc. Trong cả 4 cách nhúng thuỷ vân, giá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trị hệ số k tỷ lệ thuận với chất lượng của thuỷ vân tìm lại được và tỷ lệ nghịch với chất lượng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân.
Ảnh gốc sau khi nhúng thuỷ vân được biến đổi qua một số phép biến đổi ảnh thông thường, sau đó thực hiện quá trình lọc tìm lại thuỷ vân, so sánh thuỷ vân tìm được với thuỷ vân gốc để đánh giá độ bền vững của thuỷ vân trước các tấn công lên ảnh chứa. Kết quả thể hiện qua bảng 3.4.
Bảng 3.4. Tính bền vững của thuỷ vân trước một số tấn công theo kỹ thuật thuỷ vân sử dụng DWT và ma trận số giả ngẫu nhiên
Loại tấn công
(với hệ số k=5)
Giá trị SR của thuỷ vân tách
(A) (B) (C) (D) JPEG Compression Q = 100 0.943 0.938 0.952 0.990 JPEG Compression Q = 50 0.881 0.903 0.818 0.955 Intensity Adjust [0 0.8], [0 1] 0.926 0.926 0.941 0.984 Histogram equalization 0.924 0.927 0.951 0.987 Blurring 2×2 0.926 0.857 0.909 0.969 Adding Gaussian Noise 0.001 0.912 0.920 0.930 0.986 Sharpening 0.945 0.949 0.949 0.995
Loại tấn công
(với hệ số k=9)
Giá trị SR của thuỷ vân tách
(A) (B) (C) (D)
JPEG Compression Q = 100 0.984 0.990 0.993 1.000 JPEG Compression Q = 50 0.946 0.948 0.886 0.992 Intensity Adj [0 0.8], [0 1] 0.979 0.979 0.991 0.997 Histogram 0.977 0.987 0.993 1.000
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Blurring 2×2 0.981 0.924 0.983 0.993 Adding Gaussian Noise 0.001 0.979 0.990 0.990 0.999 Sharpening 0.991 0.995 0.993 1.000
Kết quả thử nghiệm bước đầu thể hiện:
Thuỷ vân nhúng theo phương pháp tổng hợp trình bày trong 2.2.4 thể hiện tính bền vững hơn phương pháp chỉ nhúng vào một băng trước mọi tấn công được thử nghiệm.
Ảnh sau khi nhúng thuỷ vân có sự sai khác với ảnh gốc trong phạm vi chấp