Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu phát triển một số phương pháp thủy vân ứng dụng trong xác thực và bảo vệ bản quyền ảnh số.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ii

BỘ QUỐC PHÕNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
-----------------------

CAO THỊ LUYÊN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP
THỦY VÂN ỨNG DỤNG TRONG XÁC THỰC VÀ
BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ

Chuyên ngành:
Mã số:

Cơ sở toán học cho tin học
9 46 01 10

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC


HÀ NỘI – 2018


ii
Công trình đƣợc hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
BỘ QUỐC PHÒNG
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Phạm Văn Ất

2. TS. Nguyễn Đức Thảo
Phản biện 1: PGS.TS. Ngô Quốc Tạo
Việt Hàn Lâm KH&CN Việt Nam
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Linh Giang
Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Phản biện 3: TS. Tạ Minh Thanh
Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án
cấp Viện họp tại Viện KH&CN quân sự vào hồi …..

ngày ….. tháng …. năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Viện KH&CN quân sự
- Thư viện Quốc gia Việt nam


1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết
Ngày nay, việc lưu trữ và truyền tải dữ liệu được thực hiện phổ
biến qua môi trường Internet. Vấn nạn vi phạm bản quyền sản phẩm số
ảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế, chính trị, xã hội... Mặt khác sản phẩm số
có bị biến đổi trước khi đến với người nhận hay không, nếu dữ liệu nhận
được đã bị biến đổi trước đó thì vùng nào là vùng bị biến đổi. Đó chính
là vấn đề xác thực dữ liệu số. Việc tìm ra phương pháp hiệu quả để giải
quyết bài toán bảo vệ bản quyền và xác thực nội dung có ý nghĩa đặc biệt


quan trọng trong kinh tế, chính trị, anh ninh - quốc phòng và được các
nhà chuyên môn và cả xã hội quan tâm. Thủy vân là một trong những
biện pháp hữu hiệu giải quyết các vấn đề trên.
Các công trình nghiên cứu về thủy vân hiện nay đều hướng đến
mục tiêu là xây dựng thành công hệ thống thủy vân thỏa mãn tốt nhất các
yêu cầu cơ bản của hệ thống thủy vân như chất lượng ảnh thủy vân, khả
năng nhúng, độ phức tạp tính toán, độ an toàn. Các kết quả về thủy vân
khóa công khai hiện còn hạn chế.
Đề tài tập trung nghiên cứu để đề xuất ra các lược đồ thủy vân
bền vững và dễ vỡ sử dụng khóa công khai nhằm nâng cao độ bảo mật
và cải thiện tính chính xác của hệ thống xác thực ảnh cũng như nâng cao
tính bền vững của lược đồ thủy vân bên cạnh việc tăng cường chất lượng
ảnh thủy vân.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu:
o Các phương pháp thủy vân, giấu tin
o Các phép biến đổi ma trận
o Mô hình khóa công khai
Phạm vi nghiên cứu: Các lược đồ thủy vân trên ảnh số
3. Mục tiêu nghiên cứu
 Đề xuất một số phương pháp thủy vân bền vững có khả năng
chống được những tấn công có chủ định trên ảnh số.
 Đề xuất một số phương pháp thủy vân dễ vỡ khóa công khai có
thể phát hiện mọi sự thay đổi dù nhỏ trên ảnh số.
 Xây dựng một số module thư viện dùng chung thực hiện việc
nhúng và tách dấu thủy vân theo các phương pháp đề xuất.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu


2
 Thu thập, tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp giấu tin, thủy
vân đã có, trên cơ sở đó phân loại, đánh giá và tìm ra hướng
nghiên cứu cụ thể.
 Sử dụng các phương pháp toán học để phân tích và đánh giá tính
hiệu quả, tính bền vững, tính bảo mật, tính dễ vỡ của các
phương pháp thủy vân. Khai thác mặt hạn chế của lược đồ thủy
vân đã có để tìm ra phương pháp mới hay cải tiến nó.
 Sử dụng phần mềm và bộ dữ liệu để so sánh đánh giá các
phương pháp thủy vân khác nhau.
5. Nội dung nghiên cứu
• Nghiên cứu, phân tích, đánh giá các phương pháp, thuật toán, hệ
thống thủy vân, giấu tin trên ảnh số hiện hành đặc biệt là thủy
vân trên miền SVD, thủy vân thuận nghịch và thủy vân khóa
công khai.
• Đề xuất một số phương pháp thủy vân bền vững dựa trên phép
biến đổi SVD.
• Nghiên cứu các lược đồ thủy vân trên ảnh JPEG, đánhgiá và cải
tiến để xây dựng lược đồ thủy vân khóa công khai dễ vỡ có khả
năng nhúng cao.
• Nghiên cứu và đề xuất phương pháp thủy vân thuận nghịch dễ
vỡ khóa công khai dựa trên phép mở rộng hiệu có thể phát hiện
mọi sự thay đổi dù nhỏ.
• Xây dựng một số module thư viện sử dụng các thuật toán đề xuất
giải quyết các bài toán bảo vệ bản quyền và xác thực ảnh.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Việc nghiên cứu các phương pháp thủy vân khóa công khai có ý
nghĩa trên cả hai phương diện khoa học và thực tiễn:

n ph ng i n ho h
Các phương pháp thủy vân hiện nay
thường sử dụng chung 1 khóa bí mật trong cả 2 quá trình nhúng
và kiểm tra thủy vân. Phương này có nhược điểm là dễ bị lộ
khóa trong quá trình trao đổi giữa người nhúng thủy vân và
người sử dụng, vì vậy tính an toàn không cao. Trong phương
pháp thủy vân khóa công khai ta sử dụng 2 khóa: Khóa bí mật để
nhúng và khoá công khai để kiểm tra thủy vân. Như vậy, việc
không cần phải trao đổi khóa sẽ giúp hệ thống thủy vân an toàn
hơn. Phương pháp thủy vân do NCS đề xuất sẽ vừa dễ sử dụng
vừa an toàn. Ngoài ra, lược đồ thủy vân đề xuất sẽ có chất lượng
ảnh thủy vân tốt cũng như giảm độ phức tạp tính toán so với
phương pháp hiện hành.


3
n ph ng i n thự tiễn Trên cơ sở nghiên cứu các kỹ thuật
hiện tại, NCS sẽ đề xuất một số phương pháp thủy vân khóa công khai
mới. Các phương pháp này sẽ được biểu diễn trên cơ sở toán học và thực
thi bằng các mudule thư viện thực hiện chức năng nhúng và tách dấu
thủy vân trên dữ liệu ảnh số. Các module này có thể phát triển thành
phần mềm và áp dụng cho bất k nhà cung cấp dịch vụ thông tin nào để
bảo vệ tính toàn v n của thông tin, hạn chế việc xuyên tạc, sử dụng trái
phép chúng trên môi trường trao đổi công khai cũng như góp phần vào
việc phòng chống ảnh giả mạo.
7. Bố cục của luận án
Luận án gồm 03 chương cùng với các phần mở đầu, kết luận,
danh mục các công trình và phụ lục. Sản phẩm của luận án là 07 bài báo
khoa học đã được công bố trên các hội thảo và tạp chí uy tín, trong đó 01
bài có chỉ số SCOPUS.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN
1.1 Khái niệm về giấu tin, thủy vân
Giấu tin [36] là kỹ thuật nhúng thông tin A vào môi trường B. A
và B có thể là tệp văn bản, ảnh, âm thanh hay video. Thông tin được
nhúng A có thể chứa những thông điệp bí mật cần trao đổi hay là thông
tin về bản quyền tác giả, sản phẩm đa phương tiện.
Thủy vân số là kỹ thuật nhúng thông tin ( ấu thủy vân-g i tắt là
thủy vân) vào một đối tượng nào đó (môi t ờng giấu tin) trước khi nó
được phân phối trên mạng nhằm bảo vệ đối tượng chứa tin. Đối tượng
chứa tin cũng có thể là ảnh số, tệp văn bản, file âm thanh,… Thủy vân
sau đó có thể được khôi phục làm bằng chứng để chứng minh quyền hợp
pháp cũng như kiểm nghiệm sản phẩm số có toàn v n hay có bị truy cập
trái phép trước khi đến người sử dụng.
1.2 Các đặc tính quan trọng của lƣợc đồ thủy vân
Theo [36] hệ thống thủy vân cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:
- Tính bền vững (Robustness): yêu cầu này thường dùng cho hệ thống
xác thực có chọn lọc như hệ thống thủy vân bán dễ vỡ[13], [23], [32],
[65], [69], [73] hay thủy vân bền vững [3], [6], [62], [72], [83]. Tính
bền vững của hệ thống thủy vân tức là thủy vân không bị biến đổi (ít
bị biến đổi) trước các phép tấn công có chủ đích nhằm thay đổi nội
dung.


4
- Độ nhạy cảm hay còn gọi là tính dễ vỡ (sensitivity - fragile): Hệ
thống xác thực phải có khả năng phát hiện bất k sửa đổi nội dung
hoặc phát hiện bất k một thao tác nào lên ảnh dù là nhỏ. Đối với
thủy vân dễ vỡ [4], [5], [19], [34], [45] thì thủy vân sẽ bị phá vỡ trước
bất k thao tác nào, không chỉ là những hành vi nhằm biến đổi về nội
dung.
- Khả năng nhúng: thủy vân thường có kích thước không lớn, tuy nhiên
lược đồ thủy vân phải có khả năng nhúng được một lượng thủy vân
xác định. Lược đồ càng có khả năng nhúng càng nhiều càng được
đánh giá là tốt.
- Định vị hóa: Hệ thống thủy vân có khả năng xác định được vị trí các
khu vực hình ảnh đã bị thay đổi.
- Khả năng khôi phục: Hệ thống thủy vân có khả năng khôi phục một
phần hoặc hoàn toàn vùng hình ảnh đã bị giả mạo.
- Tính bảo mật: Hệ thống thủy vân có khả năng bảo vệ các dữ liệu xác
thực chống lại bất k nỗ lực làm giả nào.
- Độ phức tạp: Hệ thống thủy vân phải sử dụng thời gian thực hiện các
thuật toán nhưng không phải là quá phức tạp và cũng không được quá
chậm.
Tùy thuộc vào từng loại hệ thống thủy vân mà đặc tính nào được đề
cao. Chẳng hạn: đối với thủy vân bền vững thì tính bền vững của lược đồ
là rất quan trọng còn tính nhạy cảm bị bỏ qua, trong khi đó các lược đồ
thủy vân dễ vỡ thì tính nhạy cảm lại quan trọng còn tính bền vững không
được xem xét trong loại thủy vân này.
1.3 Nguyên tắc xây dựng lƣợc đồ thủy vân
Một lược đồ thủy vân gồm hai quá trình [36]: quá trình nhúng thủy
vân và quá trình kiểm tra dấu thủy vân. Trong quá trình nhúng thủy vân,
chủ sở hữu nhúng thủy vân
vào ảnh gốc để nhận được ảnh thủy
vân . Để tăng thêm tính bảo mật có thể sử dụng thêm khóa K1. Việc
trao đổi trên mạng Internet ảnh thủy vân có thể bị biến đổi thành ảnh
. Thủ tục kiểm tra xác định bản quyền hay xác thực tính toàn v n của
ảnh
có thể cần phải khôi phục thủy vân hay phục hồi ảnh gốc. Quá
trình kiểm tra cũng có thể phải sử dụng thêm khóa K2. Nếu từ ảnh thủy
vân
khôi phục được ảnh gốc thì được gọi là thủy vân thuận nghịch
(reversible watermarking). Nếu khóa K1 dùng trong quá trình nhúng thủy
vân là khóa bí mật, khóa K2 để kiểm tra dấu thủy vân là khóa công khai
thì được gọi là thủy vân khóa công khai nếu K1 trùng với K2 thì gọi đó là
mô hình thuy vân khóa đối xứng. Dưới đây là chi tiết phân loại thủy vân.


5
1.4 Các ứng dụng chính của thủy vân

Ứng dụng của thủy vân được kể đến như: kiểm soát sao chép, bảo
vệ bản quyền, xác thực tính toàn v n của ảnh số...
1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Trong nước đã có một số bài báo và luận án tiến sĩ về giấu tinh và
thủy vân song chủ yếu là thủy vân bền vững, các lược đồ thủy vân sử
dụng khóa bí mật. Trên thế giới hàng năm diễn ra hội nghị thường niên
về phát hiện ảnh giả mạo và thủy vân số IWDW – International
Workshop on Digital forensics and Watermarking, các bài được nhà xuất
bản Springer đăng trên Lecture Notes in Computer Sciences. Để đơn
giản, luận án khảo sát các lược đồ thủy vân theo các hướng nghiên cứu
hiện hành.
1.5.1 Giấu tin và thủy vân trên miền không gian ảnh
Nhóm các phương pháp này trình bày trên ảnh nhị phân song hoàn
toàn có thể áp dụng trên ảnh xám cũng như ảnh màu bằng cách tách các
bít thấp để tạo thành các ma trận nhị phân. Ưu điểm của nó là tốc độ tính
toán thấp và dễ vỡ nên thường được áp dụng cho vấn đề giấu tin mật
hoặc xác thực tính toàn v n dữ liệu.
1.4.1.1 Giấu tin, thủy vân ự vào tính hẵn lẻ
Năm 1998, M.Wu và J.Lee đã đề xuất lược đồ nhúng tin đơn giản
trên ảnh nhị phân dựa vào tính chẵn lẻ (gọi tắt là thuật toán WL) và được
nhiều công trình trích dẫn [54]. Năm 2000, Y. Cheng và các đồng sự
[80] đã mở rộng thuật toán WL để nhúng được tối đa r bít trên một khối

⌋)
phần tử chỉ thay đổi 2 phần tử (
1.4.1.2 Giấu tin và thủy vân ự theo ỹ thuật hèn bít thấp
Kỹ thuật này dựa trên nhận xét nếu chỉ thay đổi bít thấp thì mắt
thường không phát hiện được sự biến đổi của ảnh. Kỹ thuật này chèn
thông tin bí mật vào bít thấp của điểm ảnh 8 bít. Lược đồ tiêu biểu sử
dụng kĩ thuật này F5 do Andress Westfeld đề xuất năm 1999, Jsteg do J.
Fridrich và đồng sự [37] đề xuất năm 2003,.. Ưu điểm của phương pháp
này là nhúng được nhiều (ảnh màu nhúng được 3 bít). Hạn chế lớn nhất
của nó là dễ dàng bị phát hiện ảnh có chứa tin bằng phương pháp thống
kê do ảnh chứa tin bị biến đổi histogram, cũng như phương pháp này
không bền vững trước phép biến đổi hình học. Lược đồ nhúng tin và
thủy vân dựa trên kỹ thuật chèn bít thấp hay sử dụng tính chất chẵn lẻ
đều có tính chất dễ vỡ nên thường được sử dụng trong các lược đồ thủy
vân dễ vỡ.


6
1.5.2 Giấu tin, thủy vân trên miền biến đổi ảnh
Để có được các lược đồ thủy vân bền vững hơn người ta sử dụng các
phép biến đổi trực chuẩn DCT, DWT, DFT, SVD, QR...trong lược đồ
thủy vân.
1.5.3 Thủy vân dễ vỡ
Thủy vân dễ vỡ [4], [5], [34], [36], [45] là loại thủy vân mà thủy vân
dễ dàng bị biến dạng nếu ảnh bị tấn công dù là ảnh thay đổi nhỏ. Dựa
vào sự biến đổi đó của thủy vân để kết luận ảnh đã bị truy cập trái phép,
cũng như tính toàn v n của ảnh. Nếu ảnh bị biến đổi thì xác định vùng
nào của ảnh bị thay đổi. Thủy vân này thường sử dụng kỹ thuật nhúng
trên miền không gian ảnh và được ứng dụng trong bài toán xác thực tính
toàn v n của ảnh.
1.5.4 Thủy vân bền vững
Trái với thủy vân dễ vỡ, thủy vân bền vững là loại thủy vân mà đòi
hỏi thủy vân phải tồn tại bền vững trước các phép tấn công thông thường
nhằm loại bỏ dấu thủy vân (nén JPEG, thêm nhiễu, lọc, xoay, cắt xén,
làm mờ, thay đổi kích thước, thay đổi sáng tối, thay đổi tương phản)…,
hoặc trong trường hợp loại bỏ được thủy vân thì ảnh sau khi bị tấn công
cũng không còn giá trị sử dụng. Thủy vân bền vững [3], [6], [63], [73],
[83] phổ biến thực hiện nhúng thủy vân trên miền biến đổi. Các miền
biến đối thường được thực hiện thông qua những phép biến đổi như
DCT (discrete Cosine transform) [4], [33], [56], SVD (singular value
decomposition) [8], [40], [54], [58], [54], [60], [73], DWT (discrete
wavelet transform) [6], QR (quick responsion) [31] hoặc kết hợp các
phép biến đổi trên [9], [15], [23], [31], [54], [72] để tạo ra các lược đồ
mới. Luận án sử dụng phép biến đổi SVD vì phép biến đổi này gần đây
được nghiên cứu và ứng dụng nhiều. Phép biến đổi SVD như sau:
Mọi ma trận thực A cấp
cho trước luôn khai triển được thành
tích của ba ma trận thực như sau [28, trang 448]:
Trong đó :
U là ma trận trực chuẩn cấp
V là ma trận trực chuẩn cấp
D là ma trận đường chéo cấp

có tính chất:

D(1,1)≥D(2,2)≥...≥D(s,s) ≥ 0, với s=min {m,n}.

1.5.5 Thủy vân khóa công khai
Hầu hết các lược đồ đã trình bày là lược đồ thủy vân khóa bí mật
[47], [52], [58], [62], [65], [83]. Các lược đồ này sử dụng chung một
khóa bí mật cho cả hai quá trình nhúng và kiểm tra dấu thủy vân (Khóa


7
K2=K trong các Hình 1.2 – Hình 1.5). Vậy nên cần phải có công đoạn
trao đổi khóa giữa người nhúng và người kiểm tra dấu thủy vân. Việc giữ
bí mật thông tin về khóa gặp không ít khó khăn. Tuy nhiên, hạn chế này
sẽ được giải quyết nếu sử dụng mô hình thủy vân khóa công khai. Đối
với thủy vân khóa công khai [33], [59], [78], [79], [81] người ta dùng hai
khóa, khóa bí mật K được sử dụng trong quá trình nhúng dấu thủy vân
còn ở giai đoạn kiểm tra dấu thủy vân thì dùng khóa công khai K2.
Đối với đồ thủy vân bền vững khóa công khai có các hướng trải phổ,
sử dụng dãy giả ngẫu nhiêu; Đối với thủy vân dễ vỡ khóa công khai
người ta áp dụng lược do Kim đề xuất năm 2004.
1.5.6 Thủy vân thuận nghịch
Các lược đồ thủy vân trên hầu hết đều là các lược đồ thủy vân không
thuận nghịch. Thủy vân thuận nghịch là loại thủy vân mà bên cạnh việc
khôi phục thủy vân lược đồ còn cho phép phục hồi lại ảnh gốc. Gần đây,
thủy vân thuận nghịch được nghiên cứu nhiều vì khả năng ứng dụng của
nó trong thực tế, đặc biệt trong y tế, quân sự, an ninh cũng như trong
giáo dục. Các phương pháp thủy vân thuận nghịch đều tuân theo nguyên
tắc là tồn tại phép biến đổi ngược. Một số phương pháp thủy vân thuận
nghịch: sử dụng đặc trưng nén [11], [17], [67], dịch chuyển histogram
[30], [68], [85] mở rộng hiệu [5], [22], [39], [42], [47], [51], [78], dự báo
[24], [25] hay kết hợp các phương pháp trên [10], [20].
1.5.7 Thủy vân không (zero watermarking)
Thủy vân truyền thống thực hiện nhúng thông tin quan trọng vào
trong ảnh để bảo vệ ảnh hay xác thực tính toàn v n của ảnh. Điều này
làm ảnh hưởng ít nhiều đến chất lượng ảnh. Thường thì người ta phải
chấp nhận giảm một chút về độ bền vững, hay phải trả giá về tính dễ vỡ
để được chất lượng ảnh thủy vân phù hợp. Thủy vân không sẽ giải quyết
được vấn đề đó nhờ vào việc thủy vân nhưng không phải nhúng bất cứ
thông tin nào vào trong ảnh. Vậy làm thế nào để bảo đảm được bản
quyền của người sở hữu cũng như xác thực được ảnh đó có bị truy nhập
trái phép. Đặc điểm của thủy vân rỗng là tìm ra đặc trưng bền vững của
ảnh, đặc trưng đó có thể được lưu trữ hoặc kết hợp với thông tin bí mật
để làm thủy vân làm bằng chứng trong quá trình kiểm định bản quyền
hay xác định tính toàn v n của ảnh. Nhược điểm của loại thủy vân này là
tính bền vững của lược đồ phụ thuộc vào phương pháp trích chọn đặc
trưng của ảnh. Một số phương pháp trích chọn đặc trưng như DCT,
SVD, QR, DWT hay kết hợp các phép biến đổi này [6], [67], [68], [82],
[83].


8
1.6 Tham số đánh giá lƣợc đồ thủy vân
PSNR: Hệ số này để đánh giá chất lượng ảnh thủy vân được tính theo
công thức:
(



)

(1.1)

Trong đó MAX là giá trị cực đại của điểm ảnh và MSE được xác định
theo công thức:




(1.2)

ERR: là tỷ lệ sai khác giữa thủy vân trích được W* so với thủy vâ gốc W
được tính theo công thức:



|

|

(1.3)

Lược đồ nào có ERR càng nhỏ chứng tỏ lược đồ đó càng bền vững.
1.7 Kết luận chƣơng 1
Chương này tìm hiểu các kiến thức nền về thủy vân: khái niệm về
thủy vân, giấu tin; các tính chất quan trọng của lược đồ thủy vân; ứng
dụng của thủy vân; các hướng nghiên cứu; nguyên tắc xây dựng lược đồ
thủy vân; khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Các công
trình nghiên cứu về thủy vân hiện nay đều hướng đến mục tiêu là xây
dựng thành công hệ thống thủy vân thỏa mãn tốt nhất các yêu cầu cơ bản
của hệ thống thủy vân như chất lượng ảnh thủy vân tốt, khả năng nhúng
cao, độ phức tạp tính toán thấp, tính an toàn cao… đã nêu trong Mục 1.2.
Luận án tập trung khảo sát, nghiên cứu các lược đồ thủy vân hiện hành
nhằm cải tiến, xây dựng các lược đồ thủy vân khóa công khai và lược đồ
thủy vân thuận nghịch có chất lượng ảnh thủy vân tốt, độ phức tạp tính
toán thấp hơn cũng như nâng cao khả năng nhúng. Đây là hai hướng
nghiên cứu mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và có khả năng ứng
dụng cao trong thực tiễn. Phần tiếp theo luận án sẽ nghiên cứu thủy vân
bền vững trên phép biến đổi SVD ở chương 2, thủy vân thuận nghịch
dựa trên phép mở rộng hiệu của dãy véc tơ điểm ảnh và thủy vân dễ vỡ
khóa công khai ở chương 3.


9
CHƢƠNG 2 THỦY VÂN BỀN VỮNG DỰA TRÊN KHAI TRIỂN
SVD
Thủy vân bền vững là một trong những giải pháp hữu hiệu cho bài
toán bảo vệ bản quyền. Quá trình nhúng thủy vân và kiểm tra bản quyền
của các lược đồ thủy vân bền vững thường được thực hiện trên miền biến
đổi nhờ các phép biến đổi. Luận án chọn phép biến đổi SVD (Singular
Value Decomposition) vì các lý do sau: SVD là phép biến đổi linh hoạt
có thể phân hoạch một ma trận thành tích các ma trân vuông hay chữ
nhật trong khi DCT và DWT chỉ cho phép chia ảnh thành các ma trận
vuông; Phép biến đổi SVD tập trung năng lượng nên có thể sử dụng cho
nhiều mục đích khác nhau: giấu tin, nén ảnh, trích chọn đặc trưng, thủy
vân.... Nội dung của chương này sẽ trình bày phép khai triển SVD; Ứng
dụng SVD trong trích chọn đặc trưng bền vững và trong thủy vân ảnh;
Các cải tiến để việc trích chọn đặc trưng là bền vững hơn; Đề xuất lược
đồ thủy vân bền vững khóa công khai có chất lượng ảnh tốt và độ phức
tạp tính toán thấp.
2.1 Thủy vân dựa trên khai triển SVD
Phép biến đổi SVD được dùng khá phổ biến để xây dựng các lược đồ
thủy vân [8], [15], [16], [40], [57], [59]. Mỗi lược đồ thủy vân gồm hai
quá trình: quá trình nhúng thủy vân và quá trình kiểm tra thủy vân. Ở
quá trình nhúng thủy vân: đầu tiên ảnh gốc được phân hoạch thành các
khối con. Mỗi khối con sẽ được khai triển SVD và một bít thủy vân sẽ
nhúng trên mỗi khối con đó. Tiếp theo, thực hiện phép biến đổi SVD
ngược để nhận được khối ảnh con mới. Cuối cùng, ghép các khối ảnh
con đó để nhận được ảnh thủy vân. Ở giai đoạn kiểm tra thủy vân, người
ta cũng chia ảnh thành các khối con như trong quá trình nhúng thủy vân.
Tiếp theo, mỗi khối con sẽ được áp dụng phép biến đổi SVD rồi trích ra
bít thủy vân đã nhúng. Dựa vào dãy bít trích được để kết luận ảnh nhận
được có thuộc sở hữu của tác giả hay không.
Có hai hướng nghiên cứu chính xây dựng các lược đồ thủy vân dựa
theo phép biến đổi SVD. Hướng thứ nhất: việc nhúng và trích dấu thủy
vân vào m t ận đ ờng héo D, ụ thể là t n phần tử D(1,1) như trong
[59], hay trên một số phần tử của D như trong [72], [74], hoặc dựa vào
toàn bộ ma trận D như trong [15], [57]. Hướng thứ 2: việc nhúng và trích
dấu thủy vân vào các phần tử trên cột thứ nhất của ma trận U hoặc V như
trong [16], [40]. Ngoài ra, một số tác giả kết hợp phân tích SVD với một
số phương pháp khác như DCT, QR, DWT…để tạo ra các lược đồ thủy
vân mới như trong [9], [23], [31], [52], [69]. Trong số các lược đồ SVD
mà việc nhúng – kiểm tra thủy vân được thực hiện D thì lược đồ do Sun


10
và các đồng sự đề xuất (SunSVD) được nhiều người tham chiếu [59],
hay nhúng – trích trên cột 1 của U hoặc V, thì các lược đồ được đề xuất
bởi Chung [40] cùng các đồng sự(ChungSVD) và C.C.Lai [16]
(LaiSVD) là khá tiêu biểu. Ngoài ra một số lược đồ tiếp cận theo phương
pháp kết hợp khai triển SVD với một số phép biến đổi khác như DCT,
DWT [67], [82].
Theo ChungSVD, ảnh gốc được chia thành các khối không giao nhau
sau đó khai triển SVD rồi nhúng một bít trên mỗi khối dựa vào U(2,1) và
U(3,1). Để tăng cường chất lượng ảnh thì LaiSVD đã cải tiến bằng cách
đưa ra tiêu chuẩn chọn khối theo entropy rồi nhúng trên những khối
được chọn. Ngoài ra, lược đồ này còn kết hợp SVD với phép biến đổi
DCT để nâng cao độ bền vững. Khi nhúng, LaiSVD dựa vào U(3,1) và
U(4,1) thay vì U(2,1) và U(3,1) như ChungSVD.
2.1.1 Nhận xét
- Trường hợp dấu thủy vân cần nhúng là ít so với khả năng nhúng thì
việc lựa chọn khối nào để nhúng sao cho khả năng che dấu tốt. Lược
đồ LaiSVD có đưa ra tiêu chuẩn chọn khối theo entropy nhưng hiệu
quả chưa rõ rệt.
- Hầu hết các lược đồ chỉ dùng D(1,1) hay U(1) để nhúng và kiểm tra
thủy vân, tuy nhiên bài toán khai triển SVD vẫn phải thực hiện tìm
D(i,i) và U(i) tương ứng, i=1,2...,s nên độ phức tạp tính toán lớn.
2.2 Các đề xuất
2.2.1 Đề xuất tính độ đan xen
Ý tưởng sử dụng độ đan xen màu để nâng cao chất lượng ảnh thủy
vân dựa trên nhận xét: việc nhúng tin trên khối ảnh có kết cấu màu phức
tạp (gồm nhiều miền con có màu sắc khác nhau) sẽ khó phát hiện hơn so
với việc giấu tin trên khối ảnh có kết cấu đơn giản. Độ đan xen màu là
một cách lượng hóa mức độ phức tạp kết cấu màu của khối ảnh, cho
phép chọn các khối ảnh thích hợp nhất để nhúng tin nhằm nâng cao chất
lượng ảnh thủy vân.
Đánh giá độ đan xen màu của khối ảnh được xác định như sau:
Giả sử A là khối ảnh có kích thước m×n. Ta có thể xem hai điểm ảnh
A(i,j) và A(i,j+1) là phân biệt nhau nếu |A(i,j)-A(i,j+1)|>  . Qua khảo sát
ngưỡng phân biệt màu  có giá trị trên 4, trong chương trình  được
chọn bằng 5.
Gọi g là hàm đan xen của hai mầu m1 và m2
|
| 
g(m1,m2)={
Độ đan xen màu của khối ảnh A ký hiệu là hc(A) và được tính như
sau :


11
m

hc(A)=

 h ( A)   c ( A)
i 1

Trong đó,

n

i

j 1

j



hc(A) là tổng số sai khác màu giữa hai điểm ảnh liên tiếp nhau theo hàng
và theo cột.
2.2.2 Cách tìm trực tiếp D(1,1), U(1), V(1)
Đặt
Ai= Ii IiT, Ai ≥ 0,
Do Ui và Vi trực chuẩn nên từ (4.1) suy ra:
Ai=UiDi2UiT
Nhân cả hai vế với ma trận Ui sẽ được:
AiUi= UiDi2
Suy ra:
AiUi(1)= Di2(1,1) Ui(1)
Như vậy,theo định nghĩa về giá trị riêng và véc tơ riêng, Di2(1,1) là
giá trị riêng lớn nhất và Ui(1) là véc tơ riêng đã được chuẩn hóa tương
ứng của Ai.
Tương tự, nếu đặt
Bi= IiT Ii, Bi ≥ 0,
thì Di2(1,1) là giá trị riêng lớn nhất và Vi(1) là véc tơ riêng chuẩn hóa
tương ứng của Bi.
Từ đó suy ra việc xác định Di2(1,1), Ui(1), Vi(1)có thể quy về bài toán
tìm giá trị riêng lớn nhất và véc tơ riêng tương ứng của ma trận không
âm (g i là bài toán giá t ị i ng lớn nhất)
2.2.3 Lược đồ thủy vân đề xuất SVD3
Quá trình nhúng thủy vân:
B ớ 1 Chia ảnh gốc I thành các khối con không giao nhau kích
thước m×n.
B ớc 2: Tìm (1,1), (1) và (1) bằng cách tìm nghiệm của các trận
không âm

.
} hoặc {
}
B ớ 3 Nhúng vào {
} ngược lại thì nhúng
Nếu khóa
nhúng vào {
}. Dưới đây trình bày việc nhúng
vào cặp {
vào
{
} (việc
} được thực hiện tương
vào {
tự).
+ Tính và
,


12
⌊ ⌋.
+ Hiệu chỉnh để thỏa mãn
.
+ Tìm
+ Biến đổi

. Khi đó, ta nhận được

thành

and

:

B ớ 4 Tìm
1,1
1
1,1
1
Quy trình kiểm tra thủy vân:
Đầu tiên, chia ảnh được thành các khối con như quá trình nhúng.
B ớ 1 Tính các ma trận:

là các vector riêng tương ứng với giá trị
riêng lớn nhất của ma trận không âm

được xác định như Mục
2.2.2.2.
B ớ 2 Bít
được trích theo công:
If
then
If
then
Tính :






=
Bước 3: Tính
∑ |
|.
Nếu Err <τ thì kết luận ảnh I* có nhúng dấu thủy vân W và ảnh I*
vẫn thuộc về tác giả có ảnh I’.
Kết quả thử nghiệm cho thấy, lược đồ đề xuất SVD3 có chất lượng
ảnh tốt hơn và đặc biệt bền vững hơn trước phép lọc trung bình và nén
jpeg so với các lược đồ ChungSVD, SunSVD và LaiSVD.
Trong luận án còn đề xuất lược đồ SVD1 và SVD2. So với lược đồ
SVD3, SVD1 khác ở chỗ lược đồ này có thuật toán nhúng giống với
lược đồ ChungSVD nhưng chỉ nhúng vào những khối có độ đan xen cao.
Lược đồ SVD2 thì nhúng theo kỹ thuật của ChungSVD nhưng lại chọn
phần tử nhúng là U(1,1) và U(2,1) thay vì U(2,1) và U(3,1). Các lược đồ
đề xuất đều thêm khóa để nâng cao tính bảo một cho lược đồ thủy vân và


13
dùng phương pháp giải bài toán giá trị riêng lớn nhất thay vì phải khai
triển SVD nhằm giảm độ phức tạp tính toán.
2.3 Trích chọn đặc trƣng đề xuất dựa vào khai triển SVD
SVD không chỉ được dùng trong các lược đồ nhúng tin mà còn được
sử dụng trong các thuật toán nén ảnh hay trích chọn dữ liệu. Phần này
giới thiệu các phương pháp trích chọn đặc trưng sử dụng phân tích SVD
kết hợp với phép biến đổi DWT của Yaxun Zhou cùng đồng sự đề xuất
[82] và lược đồ của T.Ye [68] kết hợp khai triển SVD với phép biến đổi
DCT. Thực nghiệm cho thấy, đặc trưng được trích chọn theo các thuật
toán [68], [82] là bền vững trước một số phép tấn công biến đổi ảnh. Để
bền vững hơn [68], [82], luận án đưa thêm vùng đệm T vào trong công
thức trích chon đặc trưng để nếu ảnh bị tấn công thì vẫn trích chọn được
chính xác các đặc trưng của ảnh. Tiếp đó, phương pháp trích chọn đặc
trưng đề xuất sẽ được sử dụng trong lược đồ thủy vân bền vững khóa
công khai mở rộng mô hình thủy vân dễ vỡ khóa công khai [80], [81].
Việc trích chọn đặc trưng trong [68], [82] đều dựa vào mối quan hệ
so sánh trực tiếp của
hay
. Nếu ảnh bị tấn có thể quan hệ so sánh đó sẽ không còn thỏa
mãn dẫn đến việc trích chọn đặc trưng của ảnh thủy vân sau biến đổi sai
lệch so với đặc trưng của ảnh gốc. Giải pháp luận án đề xuất là tạo ra
một vùng đệm T để tăng tính bền vững của phương pháp trích chọn đặc
trưng ảnh. Hơn nữa, việc trích chọn đặc trưng của Y. Zhou và đồng sự
cũng như thuật toán đề xuất chỉ dựa vào giá trị lớn nhất
của ma
trận đặc trưng nên có thể dùng lời giải của bài toán tìm giá trị riêng lớn
nhất và véc tơ riêng tương ứng của ma trận không âm để tìm trực tiếp
(Mục 2.2) thay vì khai triển SVD nhằm giảm độ phức tạp tính
toán. Dưới đây là chi tiết của thuật toán trích chọn đăc trưng đề xuất.
B ớ 1 Chia I thành các khối con không giao nhau kí kiệu là , giả sử
có k khối con.
B ớ 2 Tìm trực tiếp
bằng cách áp dụng thuật toán nêu ở Mục
2.2 thay vì khai triển SVD.
B ớ 3 Xác định đặc trưng B theo công thức dưới đây:
|
Nếu |
thì B(i)=1 ngược lại thì B(i)=0,
trong đó
⌊ ⌋
Luận án sử dụng thuật toán trích chọn đặc trưng đề xuất để xây dựng
mô hình thủy vân bền vững khóa công khai.


14
2.4 Đề xuất mô hình thủy vân bền vững khóa công khai dựa theo
khai triển SVD
Phần này sử dụng mô hình thủy vân khóa công khai của lược đồ thủy
vân dễ vỡ [31], [32] để xây dựng mô hình thủy vân bền vững bằng thuật
toán trích chọn đặc trưng bền vững cũng như thuật toán nhúng dữ liệu và
trích thông tin bền vững. Dưới đây là chi tiết của quy trình nhúng thủy
vân và quy trình kiểm tra bản quyền.
2.4.1 Thuật toán nhúng thủy vân
Cho ảnh gốc , ảnh thủy vân được xác định theo các bước như sau:
B ớc 1: Phân hoạch ảnh thành hai phần và , sẽ được dùng để tạo
dấu thủy vân, là vùng được nhúng dấu thủy vân.
B ớ 2: Tạo dấu thủy vân W
Trích chọn đặc trưng của vùng
như Mục 2.4.3 để thu được
chuỗi bít nhị phân kí hiệu là W, giả sử W có độ dài là k.
B ớ 3: Nhúng dấu thủy vân W vào theo thuật toán nhúng dữ liệu đã
trình bày ở Mục 2.3.2 để nhận được vùng ảnh .
B ớ 4: Tạo ảnh thủy vân bằng các ghép và .
2.4.2 Thuật toán xác định bản quyền của ảnh
Trong quá trình truyền tải, ảnh thủy vân có thể bị tấn công thành
ảnh
Thuật toán kiểm tra ảnh
liệu thuộc bản quyền của tác giả có
ảnh được thực hiện theo các bước sau:
B ớ 1: Phân hoạch ảnh thành hai miền và như Bước 1 của thuật
toán nhúng thủy vân.
B ớ 2: Trích
từ theo thuật toán trích dữ liệu đã trình bày ở Mục
2.2.
B ớ 3: Từ dãy trích chọn được cái đặc trưng theo thuật toán nêu ở
Mục 2.3 kí hiệu là
.
B ớ 4: Kiểm tra bản quyền
Tính
Nếu
thì kết luận ảnh thuộc bản quyền của tác giả có ảnh
và ngược lại thì kết luận ảnh không thuộc bản quyền của tác giả có
ảnh .
2.5 Kết luận chƣơng 2
Thủy vân bền vững là một trong các lĩnh vực được nhiều nhà khoa
học quan tâm nhằm giải quyết vấn nạn vi phạm bản quyền. Chương này
đã trình bày một số lược đồ thủy vân dựa theo phép khai triển SVD. Đón
góp của chương này làvđề xuất các lược đồ thủy vân đã được với mục
tiêu cải thiện chất lượng ảnh, giảm độ phức tạp tính toán và nâng cao


15
tính an toàn của hệ thống thủy vân. Các kết quả thử nghiệm cho thấy các
lược đồ đề xuất đều đạt được mục tiêu đề ra bằng các giải pháp:
- Đề ra tiêu chuẩn chọn khối ảnh có độ đan xen cao và chỉ nhúng thủy
vân trên các khối có độ đan xen cao đã được lựa chọn. Nhờ vậy mà
chất lượng ảnh được nâng cao. Kết quả nghiên cứu này là bài báo số
1 trong danh mục các trình công bố của tác giả.
- Nhằm giảm độ phức tạp tính, thay vì khai triển SVD như các lược đồ
trước đó thì các lược đồ đề xuất thực hiện tính trực tiếp các phần tử
dùng trong quá trình nhúng – kiểm tra thủy vân. Kết quả nghiên cứu
này là bài báo số 2, 4 và 7 trong danh mục các trình công bố của tác
giả.
- Luận án cải tiến thuật toán trích chọn đặc trưng dựa trên khai triển
SVD để trích chọn được đặc trưng bền vững hơn, từ đó xây dựng mô
hình thủy vân bền vững khóa công khai dựa trên thuật toán đã đề xuất
khả dụng trong thực tiễn.
CHƢƠNG 3. THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH VÀ THỦY VÂN DỄ
VỠ TRÊN ẢNH JPEG
Thủy vân dễ vỡ là thủy vân mà nếu có một tác động nhỏ nào đó lên
ảnh thì thủy vân đã nhúng vào trong ảnh sẽ bị biến đổi [36]. Loại thủy
vân này được ứng dụng trong bài toán xác thực ảnh để trả lời xác thực
ảnh nhận được có bị biến đổi hay không. Nếu ảnh đã bị thay đổi thì cần
định vị vùng đó. Thủy vân thuận nghịch [7] cho phép khôi phục ảnh gốc
bên cạnh dấu thủy vân cũng thuộc thủy vân dễ vỡ. Phần này nghiên cứu
thủy vân thuận nghịch dựa trên phép biến đổi nguyên từ đó xây dựng
lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa công khai có độ phức tạp tính toán nhỏ và
hiệu quả nhúng cao. Một hướng nghiên cứu về thủy vân dễ vỡ cũng được
quan tâm là thủy vân trên ảnh JPEG. Chương này đưa ra cải tiến nhằm
xây dựng lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa công khai có khả năng nhúng cao
hơn cũng như chất lượng ảnh tốt hơn các lược đồ hiện hành.
3.1 Thủy vân thuận nghịch dựa trên mở rộng hiệu của dãy điểm ảnh
Hệ thống thủy vân mà có khả năng khôi phục lại ảnh gốc bên cạnh
việc phục hồi thông tin đã nhúng [3], [7] là thủy vân thuận nghịch. Thủy
vân thuận nghịch là một hướng nghiên cứu được nhiều học giả quan tâm
hiện nay bởi sự gia tăng lĩnh vực ứng dụng nó như y học, quân sự, ...
Hướng nghiên cứu của thủy vân thuận nghịch được kể đến: dịch chuyển
histogram, biến đổi nguyên, mở rộng hiệu, dự báo,… Phương pháp mở
rộng hiệu được Tian [36] đề xuất đã đang và vẫn là hướng được nghiên
cứu bởi ưu điểm về khả năng nhúng nhiều mà chất lượng ảnh tốt. Theo
Tian, ảnh gốc được chia thành các cặp điểm ảnh
, với


16
. Với mỗi cặp
khả mở nhúng được một bít để nhận được
cặp (
). Cặp
được gọi là khả mở nếu
. Hướng
mở rộng phương pháp là:
- Tạo ra nhiều cặp điểm ảnh để nâng cao khả năng nhúng
- Cải tiến bản đồ để sao cho không phải dùng bản đồ mà vẫn khôi phục
được ảnh.
Luận án nghiên cứu và mở rộng thủy vân thuận nghịch theo cách tiếp
cận thứ nhất, từ đó xây dựng lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa công khai.
3.1.2 Phép biến đổi Alattar và phép biến đổi Weng cùng các đồng s
3.1.2.1 Phép biến đổi Alattar
Phép biến đổi thuận:
Cho
và dãy
Dãy
nhận được từ và theo các bước sau đây:
B ớc 1: Xác định dãy
:
̅̅̅̅





.


,

B ớc 2: Biến đổi

thành

B ớc 3: Xác định




:


Phép biến đổi nghịch:
Cho dãy
dãy
B ớc 1: Biến đổi sang

. Các dãy

được khôi phục theo các bước sau đây:
:



,

⌋,
B ớc 2: Khôi phục B và V từ
⌊ ⌋
Bƣớc 3: Khôi phục dãy




⌋,

theo công thức:


17
3.1.2.2 Phép biến đổi Weng
Weng thực hiện ý tưởng của Alattar trên n-1 phần tử đầu để nhúng n2 bít. 1 bít còn lại sẽ được nhúng theo phương pháp dự báo của điểm
cuối dựa vào n-1 phần tử đầu.
3.1.2.3 Nhận xét
Dữ liệu B chỉ được nhúng vào U khi tất cả các thành phần của đều
nằm trong miền
. Do vậy cần kiểm tra điều kiện khả mở hay khả
biến trước khi nhúng dữ liệu. Để kiểm tra điều kiện khả mở hay khả biến
của dãy U gồm n phần tử cần phải kiểm tra
dãy
khác nhau đều
nằm trong miền
tương ứng với
trường hợp có thể có của
dãy bít cần nhúng độ dài n-1. Để tính mỗi
cần thực hiện phép
nhân chia (không kể các phép cộng). Để kiểm tra mỗi
có thuộc đoạn
hay không cần thực hiện
phép so sánh. Như vậy, cần thực
hiện:
phép nhân chia và
phép so sánh để xét tính khả
mở hay khả biến của một dãy n phần tử.
Chẳng hạn, nếu chia ảnh kích thước
thành các dãy con độ
dài
thì số dãy
khác nhau có thể có là 32768. Khi đó, để xác
định tính khả mở hay khả biến của các một dãy con cần thực hiện:
phép nhân chia
phép so sánh
Trong thực tế, lược đồ trên Alattar, Weng và các lược đồ phát triển
trên ý tưởng này [20, [22], [42], [48], [51] chỉ thực nghiệm được đối với
dãy con 4 phần tử. Với khối có kích thước lớn hơn thì không khả thi
trong khi các khối có kích thước càng lớn thì nhúng được càng nhiều. Do
vậy, các lược đồ trên không đạt được khả năng nhúng như phân tích lý
thuyết.
Luận án đề xuất tiêu chuẩn hiệu quả để đánh giá một khối là khả mở
hay khả biến, do đó mà giảm đáng kể thời gian tính toán. Vì vậy có thể
tiến hành thử nghiệm với khối con có kích thước lớn, do đó mà khả năng
nhúng cao của các lược đồ trên và các lược đồ liên quan mới thực sự đạt
được trong thực tiễn.
3.1.3 Đề xuất tiêu chuẩn đánh giá khả mở, khả biến của lược đồ
Alattar và lược đồ Weng
3.1.3.1 Điều i n hả mở và hả biến ủ l ợ đồ Alattar
Định lý 1 (điều kiện khả mở)


a.
khả mở khi và chỉ khi ⌊

̅̅̅


b.






̅̅̅̅


18


Trong đó ̅̅̅̅ ⌊

Định lý 2(điều kiện khả biến)
a.







̅̅̅̅









khả biến khi và chỉ khi

b.













Trong đó


3.1.3.2 Điều i n hả mở và hả biến l ợ đồ Weng
Định lý 3 (điều kiện khả mở)
a.
khả mở khi và chỉ khi:
̅̅̅̅̅̅
⌊ ̃
⌋ ⌊ ⌋
⌊ ̃⌋
b.
khả mở khi và chỉ khi:
̅̅̅̅̅̅
⌊ ̃

⌊ ̃

.
c.
khả mở khi và chỉ khi
̅̅̅̅̅̅


̃
Trong đó ̅̅̅̅̅̅ ⌊
̅̅̅̅̅̅

Định lý 4 (điều kiện khả biến)
a.
khả biến khi và chỉ khi ⌊
⌊̃
⌋.
b.



⌊̃



khả biến khi và chỉ khi
∑̃

⌊̃




∑̃

c.

⌊̃

khả biến khi và chỉ khi


Trong đó: ̃

⌋ ̃
̅̅̅̅̅̅̅
̅̅̅̅̅̅̅
̃





̃




̃


19
3.2 Thủy vân dễ vỡ khóa công khai trên ảnh jpeg
Các lược đồ giấu tin và thủy vân được nghiên cứu phổ biến trên ảnh
nén bảo toàn như BMP, TIF, PNG [18], [33]- [36], [50], [60] và [83].
Đối với các ảnh loại này, việc nhúng tin được thực hiện trực tiếp trên giá
trị điểm ảnh. Tuy nhiên, các kỹ thuật nhúng tin đó khó có thể áp dụng
được trên ảnh nén không bảo toàn. Gần đây, hướng nghiên cứu tập trung
vào ảnh nén JPEG [11], [14] ,[15], [16], [18], [21], [38], [41], [46], [54],
[64] tiêu biểu là các lược đồ Iwata và các đồng sự [46], J-Steg [38], và
lược đồ của Liu [14]. Các lược đồ trên đều sử dụng các khối hệ số cosine
rời rạc lượng tử (DCTLT) để nhúng tin theo các cách khác nhau. Lược
đồ [46] tiến hành nhúng 9 bít trên 9 đường chéo song song với đường
chéo chính của khối DCTLT và làm thay đổi tối đa 9 phần tử. Trong khi
đó, các lược đồ còn lại thì quét các hệ số DCTLT theo đường zigzag rồi
thực hiện nhúng một bít trên các hệ số DCTLT có giá trị khác 0 và ±1.
Lược đồ [38] nhúng theo phương pháp chèn bít thấp, lược đồ [14] thì
nhúng tin bằng kỹ thuật bù nhau (complementary). Nhìn chung trong các
lược đồ trên, tỷ lệ thay đổi là 0.5 phần tử /1 bít, tức là để nhúng bít thì
cần thay đổi khoảng
phần tử (một phần tử thay đổi một đơn vị). Do
vậy, sự sai khác giữa ảnh chứa tin với ảnh gốc là tương đối lớn. Hơn nữa
theo thống kê trên hơn 300 ảnh thì số phần tử thỏa mãn điều kiện nhúng
tin chưa nhiều dẫn đến khả năng nhúng chưa cao.
Phần này đề xuất thuật toán nhúng – trích và ứng dụng nó để xây
dựng các phương án nhúng: 9, 10, 13 hay 16 bít trên một khối DCTLT
mà chỉ thay đổi tối đa từ 2 đến 4 phần tử. Do đó, các lược đồ đề xuất
không những có khả năng nhúng cao mà còn cho chất lượng ảnh tốt hơn
so với các lược đồ trên. Từ các lược đồ đề xuất, luận án xây dựng lược
đồ thủy vân dễ vỡ khóa công khai ứng dụng trong bài toán xác thực tính
toàn v n của ảnh.
3.2.1 Các lược đồ nhúng tin đề xuất
3.2.1.1 L ợ đồ nhúng bít t n một ãy 2r-1 phần tử nguy n
Để tiện cho việc trình bày, luận án sử dụng ký hiệu  là phép xor trên
từng cặp bít tương ứng của hai số nguyên không âm
và kí
hiệu:



Thuật toán nhúng tin:
Cho một dãy số nguyên
, trong đó







và dãy bít cần nhúng
Thuật toán nhúng r bít của b


20
vào dãy nguyên D để nhận được dãy
như sau:
B ớ 1: Tính:




chỉ khác D tối đa một phần tử

| |

B ớ 2: So sánh s và b:
Nếu
thì = D và kết thúc thuật toán, ngược lại thì chuyển
sang Bước 3.
B ớ 3: Tính:
Khi đó

{



}. Tăng

lên một đơn vị:

Đặt
và kết thúc thuật toán.
Thuật toán trích tin:
Giả sử có dãy =
theo công thức sau:

Khi đó, dãy bít b được trích từ




|

|

3.2.1.2 Đề xuất l ợ đồ nhúng tin tr n ảnh JPEG đề xuất
Sử dụng lược đồ nhúng r bít ở Mục 3.2.1.1 để xây dựng các lược đồ
nhúng tin trên một khối DCTLT của ảnh. Các lược đồ đề xuất T2, T3 va
T4 có thuật toán trích tin giống nhau chỉ khác nhau ở kỹ thuật chia khối
DCTLT thành 2,3 hay 4 dãy con để nhúng lần lượt 10, 12, 16 bít. Luận
án tóm tắt trình bày lược đồ T2, các lược đồ còn lại thực hiện tương tự:
B ớ 1: Biến đổi ma trận DCTLT D thành một dãy gồm 64 phần tử
theo đường zigzag:
B ớc 2: Từ dãy
ta lập hai dãy con U=

V=
B ớc 3: Nhúng dãy
vào và dãy
vào
V theo thuật toán đã trình bày ở Mục 3.1 để nhận được
. Ghép
( ,
, ) để có dãy .
B ớc 4: Biến đổi ngược dãy
để được ma trận
chứa dấu thủy vân
W.
3.2.2 Đề xuất lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa công trên ảnh JPEG
Lược đồ thủy vân đề xuất dựa theo [80], [81] gồm hai thuật toán có
sử dụng hệ mật mã RSA, hàm băm SHA1 và thuật toán nhúng T4. Lược


21
đồ gồm thuật toán nhúng dấu thủy vân và thuật toán xác thực tính toàn
v n như dưới đây:
Ảnh gốc I

I2

Phân hoạch

Ảnh I*

I1

Phân hoạch
I*2

SHA1

SHA1

Mã H
Encode_RSA
Dấu thủy vân W

I*1
Extract
Dấu thủy vân W*

K1

Decode_RSA
Mã H*

H**

Embed
I’1
Ghép
Ảnh thủy vân I’

K2

H** = H*

Sai

Đúng
Ảnh I* toàn vẹn

Ảnh I* không
toàn vẹn

(a)
(b)
Mô hình thủy vân hó ông h i ễ vỡ t n ảnh Jpeg đề xuất
(a) Quá trình nhúng dấu thủy vân, (b) Quá trình xác thực.
Để tiện đơn giản luận án ký hiệu:
: 16 khối DCTLT của thành phần Y của ảnh JPEG I.
: các khối DCTLT còn lại của thành phần Y và toàn bộ các khối
DCTLT của Cb và Cr của ảnh I.
: bản mã hàm băm SHA1 của .
: bản mã RSA của H theo khóa bí mật .
: bản giải mã RSA của W theo khóa công khai
: khối ảnh nhận được sau khi nhúng W vào I1 theo thuật
toán nhúng T4 (Mục 3.2.1).
dãy bít trích từ theo thuật toán trích tin ứng với thuật
toán T4.
3.2.3.3 Phân tí h tính ễ vỡ ủ l ợ đồ đề xuất
Ta chứng minh nếu bị tấn công (tức là
) thì thuật toán xác
thực sẽ phát hiện được.
Trƣờng hợp 1: Nếu ảnh chỉ bị tấn công ở vùng , tức là:



22
Nên từ (3.27), (3.30) và (3.31) suy ra:
Mặt khác do

nên từ (3.29) và (3.32) suy ra:

Nên từ (3.28) và (3.33) ta có:
Do đó, từ (3.34) suy ra
.
Vậy thuật toán xác thực phát hiện được sự thay đổi của ảnh .
Trƣờng hợp 2: Ảnh bị tấn công ở cả hai vùng và nghĩa là:

(3.35)
Để không bị phát hiện sự biến đổi của , người thám tin cần
thay đổi và (tức là xác định và ) sao cho:
(3.16)
Ta sẽ chỉ ra điều này là không thể. Thật vậy:
Người thám tin có thể tấn công theo các cách sau:
Cách 1: Biến đổi đồng thời và , tức là xác định đồng thời và
thỏa mãn (3.11) và (3.12). Trên thực tế, việc này không làm được vì số
phương án cần duyệt quá lớn.
Cách 2: Tấn công trước sau đó biến đổi , nghĩa là biết trước rồi
xác định theo .
Từ (3.33) suy ra để
thì
cần thỏa mãn:
(3.37)
Trong đó,
xác định theo (3.7) (do đã biết). Như vậy, người
thám tin có thể đạt được (3.36) bằng cách tính
theo (3.37), rồi xác
định theo công thức:
Tuy nhiên, do không biết
( là khóa bí mật) nên người thám
tin không thể thực hiện được điều này.
Cách 3: Tấn công trước sau đó biến đổi , tức là biết trước rồi xác
định theo .
Từ (3.31) suy ra để
thì cần thỏa mãn:
SHA1( )=
(3.38)
Trong đó
tính theo (3.32) và (3.33) (do đã biết). Như vậy,
thám tin có thể đạt được (3.36) bằng cách xác định từ
theo (3.38).
Tuy nhiên do SHA1 là hàm một chiều, nên điều này không thể thực hiện
được.
Vậy, tính dễ vỡ của thuật toán xác thực được chứng minh.
Thực nghiệm cũng cho thấy, lược đồ đề xuất không chỉ có khả
năng nhúng tốt hơn mà còn nâng cao được chất lượng ảnh.
3.4. Kết luận chƣơng 3


23
Thủy vân dễ vỡ là một giải pháp hữu hiệu cho bài toán xác thực tính
toàn v n của dữ liệu. Chương này đã nghiên cứu và mở rộng thủy vân
thuận nghịch theo phương pháp mở rộng hiệu và thủy vân dễ vỡ dựa trên
đặc trưng nén jpeg.
- Về thủy vân dễ vỡ dựa theo phương pháp mở rộng hiệu: Luận án
đã đề xuất tiêu chuẩn đánh giá khối khả mở và khả biến có độ phức tạp
tính toán tuyến tính. Áp dụng tiêu chuẩn nhúng đó để triển khai mô hình
thủy vân dễ vỡ khóa công khai theo hướng thuận nghịch nâng cao khả
năng nhúng và giảm độ phức tạp tính toán. Kết quả nghiên cứu này là
các bài báo số 5, 6 trong danh mục các công trình nghiên cứu.
- Về thủy vân dễ vỡ dựa trên đặc trưng nén jpeg: Chương này đã đề
xuất các lược đồ nhúng tin không chỉ có khả năng nhúng cao hơn mà còn
cho chất lượng ảnh tốt hơn các lược đồ hiện hành. Lược đồ thủy vân dễ
vỡ khóa công khai đề xuất dựa trên thuật toán nhúng đã cải tiến có khả
năng phát hiện được mọi biến đổi trái phép trên ảnh. Kết quả nghiên cứu
trên là bài báo số 3 trong danh mục các công trình nghiên cứu.
- Phân tích lý thuyết cũng như thực nghiệm các phương pháp đề
xuất với các lược đồ liên quan cho thấy các lược đồ đề xuất có chất
lượng ảnh thủy vân tốt và vượt trội hơn so với các lược đồ trước đó về
khả năng nhúng và độ phức tạp tính toán thấp.
KẾT LUẬN CHUNG
A. Các kết quả đạt đƣợc của Luận án
1. Luận án đã khảo sát, phân tích, đánh giá các phương pháp, thuật
toán, hệ thống thủy vân, giấu tin trên ảnh số hiện hành. Từ đó,
nghiên cứu cách cải tiến để có được các lược đồ thủy vân tốt hơn về
khả năng nhúng, chất lượng ảnh thủy vân cũng như giảm độ phức
tạp tính toán. Kết quả nghiên cứu thể hiện ở 07 bài báo được đăng
trên các tạp trí uy tín trong đó 01 bài có chỉ số SCOPUS.
2. Về thủy vân bền vững: Luận án đã tìm hiểu phép khai triển SVD và
ứng dụng vào việc trích chọn đặc trưng bền vững của ảnh cũng như
sử dụng SVD trong mô hình thủy vân. Phân tích tìm ra hạn chế của
các thuật toán hiện hành để cải tiến thu được thuật toán trích chọn
bền vững hơn, lược đồ thủy vân có độ phức tạp tính toán thấp hơn
mà chất lượng ảnh tốt. Lược đồ thủy vân bền vững khóa công khai
được xây dựng từ các cải tiến này có tính ứng dụng cao.
3. Về thủy vân dễ vỡ:
o Luận án đã nghiên cứu các thuật toán thuận nghịch theo hướng
mở rộng hiệu. Tìm ra hạn chế của lược đồ hiện tại và xây dựng
được mô hình toán học giải quyết vấn đề từ đó dễ dàng xây


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×