Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong bốn chương của luận án, ngoài phần mở đầu và kết luận. Chương 1: Tổng quan về các nghiên cứu trong lĩnh vực thủy vân số. Chương 2: Chất lượng của thủy vân ẩn trước tấn công nén ảnh JPEG. Chương 3: Thủy vân ẩn trên ảnh số trước nén ảnh JPEG với tỉ số nén khác nhau. Chương 4: Đề xuất một mô hình quản trị thủy vân trên ảnh số.
Trang 1HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
NGUYỄN LÊ CƯỜNG
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THỦY VÂN SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI
COSINE RỜI RẠC TRÊN ẢNH JPEG
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT
HÀ NỘI – 2012
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Học viện Công nghệ Bưu chính-Viễn thông
Người hướng dẫn khoa học:
1 GS.TS Nguyễn Bình
2 TS Nguyễn Ngọc Minh
Phản biện 1: GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh
Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Thế Hiếu
Phản biện 3: PGS.TS Lê Mỹ Tú
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào hồi: 14 giờ 00, ngày 13 tháng 12 năm 2012
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 3DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
“An FPGA-based Implementation for Repeated Square-and-Multiply
Polynomials”, Proceedings of the 6th IEEE International Conference on
Broadband Communications & Biomedical Applications, Nov 2011,
Melbourne, Australia
“An algorithm to improve the robustness of imperceptible watermarks
against JPEG compression", Proceedings of the 6th IEEE International
Conference on Broadband Communications & Biomedical Applications,
Nov 2011, Melbourne, Australia
cao tính bền vững của thủy vân ẩn đối với phép nén ảnh JPEG”, Tạp chí
Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, số 17, tr.102-108, tháng 2,
2012
công nén ảnh JPEG với các hệ số chất lượng khác nhau”, Tạp chí
Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, số 19, tr.45-54, tháng 6,
2012
vân thích nghi nhằm nâng cao chất lượng thủy vân trên ảnh số”, Tạp chí
Khoa học và Công nghệ, Viện KHCN Việt Nam, tập 50(2A), tr.120-133,
tháng 9, 2012
vân ẩn tối ưu trên ảnh số chống lại tấn công nén ảnh JPEG”, Kỷ yếu hội
thảo toàn quốc về Điện tử - Truyền thông - An toàn thông tin ATC/REV
2012, tr.20-28, tháng 10, 2012
Trang 41
MỞ ĐẦU
Ngoài việc đảm bảo chất lượng ảnh sau khi đánh dấu thì thủy vân còn phải bền vững trước các tác động từ bên ngoài lên ảnh chẳng hạn như các phép xử lý ảnh Đối với thủy vân trên ảnh số thì việc nén ảnh, đặc biệt là nén JPEG, là tấn công phổ biến Đã có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề thủy vân trên ảnh số dựa trên biến đổi DCT để đối phó với nén JPEG Các tác giả trước thường phải giải quyết các vấn đề gặp phải là: mâu thuẫn giữa chất lượng ảnh chứa thủy vân với độ bền vững của thủy vân trước các tấn công, mâu thuẫn giữa tỉ số nén và chất lượng thủy vân khôi phục được Nhiều phương án dung hòa mâu thuẫn này đã được nghiên cứu và đề xuất Một số phương án đã được
đề xuất và thử nghiệm thành công trong đó có phương án thủy vân dựa trên miền DCT dựa trên tính toán sai số lượng tử hóa của phép nén JPEG trên miền này Tuy nhiên hầu hết các lược đồ này mới chỉ cho phép nhúng thủy vân nhị phân dựa trên sai số lượng tử hóa, ít đề cập đến việc nhúng các dữ liệu đa cấp xám cũng như vấn đề lượng hóa, tối ưu hóa chất lượng thủy vân, việc quản lý chất lượng của quá trình nhúng (đảm bảo dung lượng thủy vân, đảm bảo chất lượng ảnh chứa thủy vân, đảm bảo độ bền vững trước tấn công nén JPEG với các tỉ số nén khác nhau ) cũng chưa được đề cập một cách thấu đáo Chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thủy vân
sử dụng biến đổi cosine rời rạc trên ảnh JPEG” để thực hiện luận án tiến sĩ của mình Mục đích của những nghiên cứu trình bày trong luận án là nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên ở khía cạnh chất lượng ảnh chứa thủy vân, tính bền vững của thủy vân trước tấn công nén ảnh JPEG Nhiệm vụ cụ thể để thực hiện mục đích trên gồm: nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng thủy vân ẩn trên ảnh số chống lại tấn công nén JPEG thông qua việc nghiên cứu tác nhân gây ảnh hưởng và cách khắc phục ảnh hưởng của nén JPEG đến chất lượng thủy vân; đề xuất phương pháp nhúng thủy vân ẩn vào ảnh số trên miền DCT đáp ứng các yêu cầu cho trước về chất lượng ảnh chứa thủy vân, độ bền vững của thủy vân trước tấn công nén ảnh JPEG với tỉ số nén thay đổi; đề
Trang 52
xuất mô hình hệ thống thủy vân số có tính mở nhằm tạo điều kiện cho việc ứng dụng hiệu quả các kết quả đạt được
Luận án sử dụng các công cụ toán học và các công cụ của lý thuyết xử
lý tín hiệu số, xử lý ảnh, mã hóa, lý thuyết thống kê, tối ưu hóa để giải quyết yêu cầu nghiên cứu Các chức năng lập trình, mô phỏng của phần mềm Matlab, thư viện ảnh mẫu được sử dụng như là công cụ để thử nghiệm đánh giá các kết quả nghiên cứu
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong bốn chương của luận
án, ngoài phần mở đầu và kết luận Chương 1: Tổng quan về các nghiên cứu trong lĩnh vực thủy vân số Chương 2: Chất lượng của thủy vân ẩn trước tấn công nén ảnh JPEG Chương 3: Thủy vân ẩn trên ảnh số trước nén ảnh JPEG với tỉ số nén khác nhau Chương 4: Đề xuất một mô hình quản trị thủy vân trên ảnh số
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH
VỰC THỦY VÂN SỐ 1.1 Giới thiệu chương
Chương này trình bày tổng quan về kỹ thuật thủy vân số Trong đó, luận
án giới thiệu tổng quát về thủy vân số, điểm qua một số xu hướng đã được nghiên cứu, hoàn thiện của các tác giả trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài Phần này cũng nhắc lại một số nét cơ bản về nén ảnh, cụ thể là nén ảnh JPEG, trên quan điểm coi đó là một tấn công đối với thủy vân Qua đó, luận án nêu và phân tích những vấn đề còn tồn tại của phương pháp thủy vân nói chung, phương pháp thủy vân ẩn trên ảnh số sử dụng biến đổi DCT nhằm chống lại tấn công nén ảnh JPEG nói riêng Đây chính là tiền đề cho những nghiên cứu trong luận án
1.2 Khảo sát những nghiên cứu gần đây về các kỹ thuật thủy vân ảnh số
và tấn công nén ảnh số
1.2.1 Một số công trình liên quan đến kỹ thuật thủy vân trên ảnh số
1.2.1.1 Phương pháp miền không gian
Trang 63
Kỹ thuật chân phương nhất là nhúng thủy vân vào các bít có trọng số thấp nhất (LSB) Đây là phương pháp dễ thực hiện nhưng cũng rất dễ bị nhận biết và tấn công vì đơn giản, chỉ cần đặt tất cả các bit LSB này về không (0) hoặc một (1) là có thể phá hủy hoàn toàn thủy vân
1.2.1.2 Phương pháp miền tần số
Ở đây đề cập chủ yếu đến các phương pháp thủy vân trong miền DCT
và trong miền DWT và phương pháp sử dụng kết hợp cả hai biến đổi này Các phương pháp trên đều gặp phải một hoặc một vài nhược điểm sau: ảnh hưởng nhiều tới chất lượng ảnh gốc, thiếu bền vững khi bị tấn công nén với các tỉ số nén khác nhau, dung lượng thủy vân thấp, khó kiểm soát được chất lượng ảnh chứa thủy vân, chất lượng thủy vân khôi phục được sau tấn công…
Nén ảnh có tổn hao về bản chất làm suy giảm chất lượng đối với thủy vân trên ảnh số và có thể xem như là một trong những phép tấn công phổ biến nhất bởi ứng dụng rộng rãi của nó trong đời sống xã hội Trong phần này, hai
kỹ thuật nén ảnh phổ biến nhất là JPEG và JPEG2000 được phân tích để làm
rõ các nguyên nhân làm biến đổi thủy vân trên ảnh số khi ảnh có chứa thủy vân được nén
1.2.2.2 Ảnh hưởng của các kỹ thuật nén ảnh đến thủy vân
Với nén JPEG, các hệ số tần số được lượng tử hoá thô (bước lượng tử lớn) đối với các hệ số tần số cao và lượng tử hoá tinh (bước lượng tử nhỏ) đối với các hệ số có tần số thấp Bảng lượng tử hoá được lấy tỉ lệ để tạo ra các mức nén thay đổi tuỳ theo tốc độ bít và chất lượng ảnh Với nén JPRG quá
Trang 71.2.3 Nhận xét
Cả phép nén và thuỷ vân đều dựa trên thực tế rằng những thay đổi nhỏ trong biểu diễn tín hiệu sẽ không dễ nhận thấy khi hiển thị Đối với phép nén, những thay đổi này là việc giảm số lượng bit lưu trữ cần thiết Đối với kỹ thuật thuỷ vân, những thay đổi này được sử dụng trong việc nhúng và dò tìm thuỷ vân Để kết hợp thành công mã hoá thị giác với thủy vân, chúng ta phải xác định mức độ thỏa hiệp phù hợp sao cho cả hai quá trình đều có thể đạt được nhiệm vụ của chúng
1.3 Phương pháp thủy vân trong miền DCT và tấn công nén ảnh JPEG
1.3.1 Biến đổi cosine rời rạc (DCT)
Biến đổi cosine rời rạc là một biến đổi toán học nhằm chuyển đổi miền biểu diễn các tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số và được ứng dụng nhiều trong các phép xử lý tín hiệu như xử lý ảnh, xử lý video Về bản chất, biến đổi cosine rời rạc là phần thực của biến đổi Fourier rời rạc Nén ảnh, video hầu hết đều sử dụng biến đổi cosine vì nó có thể loại bỏ sự tương quan giữa các điểm ảnh trong miền không gian đồng thời yêu cầu ít sự phức tạp tính toán và tài nguyên hơn
1.3.2 Tấn công nén ảnh JPEG
Trong quá trình nén ảnh JPEG Baseline ảnh gốc được chia thành các khối ảnh 8x8 và biến đổi DCT Ở đây xem xét trường hợp ảnh gốc là ảnh đa cấp xám hoặc là thành phần chói của ảnh màu Với trường hợp ảnh màu thì
Trang 85
ảnh có thể được tách thành ba thành phần màu riêng biệt và quá trình nén đối với từng thành phần tương tự như quá trình được trình bày dưới đây
Sau khi thực hiện biến đối DCT, 64 hệ số sẽ được lượng tử hoá dựa trên
một bảng lượng tử gồm 64 phần tử Q(i, j) với 0 ≤i, j ≤7 Bảng này được xác định cụ thể theo chất lượng q và tỉ lệ nén mong muốn Mỗi phần tử trong ma trận lượng tử là một số nguyên có giá trị từ 1 tới 255 Mỗi hệ số DCT C(i, j) được chia bởi tham số kích thước bước lượng tử tương ứng Q(i, j) trong ma
trận lượng tử và được làm tròn tới số nguyên gần nhất như phương trình sau:
),(,
j i Q
j i C round j
i F
n n
(1.6)
Quá trình giải lượng tử được thực hiện theo phương trình sau:
),(),(),(
'
j i Q j i F j i
Mục đích của việc lượng tử hoá là giảm số lượng bit cần để lưu trữ các
hệ số biến đổi bằng việc giảm độ chính xác của các hệ số này cho nên lượng
tử là quá trình xử lý có mất thông tin Trong qus trình này bản thân biến đổi DCT không làm mất (hoặc làm mất rất ít) thông tin vì DCT là một biến đổi tuyến tính chuyển các giá trị của điểm ảnh từ miền không gian thành các hệ số trong miền tần số Quá trình lượng tử mới theo bảng lượng tử hóa là nguyên nhân chủ yếu mất thông tin của ảnh và cũng chính là tấn công đối với thủy vân
1.4 Kết luận chương
Các kỹ thuật thủy vân bị ràng buộc để đáp ứng các yêu cầu mâu thuẫn nhau Đó là yêu cầu về khả năng chống lại việc loại bỏ thủy vân một cách có hoặc không có chủ định và yêu cầu độ duy trì độ trung thực cao đối với ảnh có nhúng thủy vân… Đối với nén ảnh JPEG, nguyên nhân chủ yếu làm giảm kích thước ảnh cũng làm ảnh hưởng đến thủy vân là quá trình lượng tử hóa Nén ảnh JPEG với tỉ số nén càng lớn (hệ số chất lượng q càng nhỏ) thì càng làm ảnh hưởng đến thủy vân chứa trong ảnh Đối với thủy vân ẩn còn phải thỏa mãn yêu cầu là khó bị cảm nhận được bằng mắt thường Nhiều kỹ thuật đã được khai thác trong các miền biểu diễn tín hiệu ảnh khác nhau, để đảm bảo
Trang 96
chất lượng ảnh chứa thủy vân và/hoặc tính bền vững của thủy vân trước tấn công trong đó điển hình là kỹ thuât thủy vấn ẩn trên miền DCT Đây cũng chính là đối tượng và mục tiêu nghiên cứu trong các phần tiếp theo của luận
án
CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG THỦY VÂN ẨN TRƯỚC TẤN CÔNG
NÉN ẢNH JPEG 2.1 Giới thiệu chương
Chương này cải tiến và đề xuất phương pháp thủy vân trong miền DCT mới nhằm nâng cao chất lượng thủy vân trước tấn công nén ảnh JPEG với tỉ
số nén cố định dựa trên việc đánh giá sai số lượng tử của phép nén và một khái niệm mới gọi là “bù sai số lượng tử”
2.2 Đánh giá chất lượng của thủy vân
Các tiêu chí chính thể hiện chất lượng được xem xét trên phương diện
chất lượng ảnh sau khi nhúng thủy vân và độ bền vững của thủy vân đối với tấn công Việc đánh giá này có thể được thực hiện bằng cách dùng các
chuẩn chủ quan và khách quan Chuẩn chất lượng quan sát chủ quan: Thông
thường thước đo chất lượng chủ quan được định nghĩa như điểm số trung bình
thu được từ người quan sát MOS Chuẩn chất lượng khách quan : Tỉ số đỉnh
tín hiệu trên nhiễu PSNR của ảnh sau khi nhúng thủy vân chứa thủy vân, cho
biết chất lượng của ảnh sau khi nhúng thủy vân:
PSNR
n 10
)]
, ( [
Hệ số tương quan của hai ảnh - cho biết mức độ giống nhau của
thủy vân gốc và thủy vân tách được từ ảnh có nhúng thủy vân sau tấn công
hay độ bền vững của thủy vân đối với tấn công:
2 W n
n j
2 W n
n
n W n
j i W j
i W
j i W j
i W
' ,
'
]),([]),([
]),(][
),([
Trang 107
2.3 Phương pháp thủy vân dựa trên sai số lượng tử
2.3.1 Giới thiệu phương pháp thủy vân thông thường trên miền DCT
với các hệ số DCT của ảnh sau khi nhúng thủy vânC w n ( j i, ):
),()
,()
thủy vân bị tấn công bằng phép nén ảnh JPEG thì quá trình tách thủy vân sau tấn công (với ij n 0) có thể được mô tả bởi biểu thức sau:
n ij n
n ij
n w n
j i C j i C j i
i
0 j i
n 00 n
nhỏ để thủy vân là ẩn, thích hợp có thể được chọn bằng phương pháp kinh
nghiệm Đây là phương pháp thủy vân thông thường - TWM Phương pháp này chưa xem xét đến tác động quá trình lượng tử hóa, một quá trình gây mất mát thông tin lớn nhất đối với phép nén ảnh nói chung và nén ảnh JPEG nói riêng Do đó, khả năng chống lại tác động của tấn công nén ảnh JPEG đối với các phương pháp này là kém Phần tiếp theo sẽ nghiên cứu cải tiến hoặc đề xuất các phương pháp mới nhằm cải thiện các vấn đề này
2.3.2 Đề xuất phương pháp thủy vân dựa trên sai số lượng tử
Trong phần này, luận án đề xuất một kỹ thuật thủy vân ẩn dựa trên việc thay đổi các hệ số DCT của ảnh gốc trong biểu thức (2.4) Trong kỹ thuật này, các hệ số ij n được chọn dựa trên việc đánh giá sai số lượng tử khi nén ảnh
bằng phép nén ảnh JPEG Baseline sao cho giảm thiểu ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc đồng thời đảm bảo tính bền vững của thủy vân đối với phép nén ảnh này.Hệ số được chọn như sau: ij n
Trang 11j i F j i F 0
j i F j i F
0 j i
n q
n wq
n q
n wq
n 00 n
Trong đó, như đã trình bày ở phần trên, để đảm bảo thủy vân là ẩn thì:
Như vậy, chúng ta chỉ nhúng thủy vân vào ảnh gốc (2.4) tại một hệ số DCT nào đó nếu và chỉ nếu chúng ta biết chắc chắn rằng tại đó phép lượng tử hóa trong phương pháp nén JPEG không làm mất đi thủy vân được nhúng vào Gọi phương pháp thủy vân theo kỹ thuật mới này là thủy vân theo sai số lượng
tử - QEWM
2.3.3 Thử nghiệm và kết quả
Kỹ thuật thủy vân số nêu ở trên đã được thử nghiệm với rất nhiều ảnh khác nhau Ở đây luận án đưa ra kết quả thử nghiệm với ảnh Lena với thủy
vân gốc là biểu tượng của trường đại học Điện lực
Hinh 2.1 Hệ số nhúng , hệ số tương quan ứng với phương pháp QEWM và TWM
Hinh 2.2 Hệ số nhúng và tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu PSNR ứng với
phương pháp QEWM và TWM
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
36 37 38 39 40 41 42 43 44
Trang 129
Các kết quả về mặt định tính cũng như định lượng cho thấy: để có cùng một tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu - PSNR của ảnh có chứa thủy vân thì
nén ảnh JPEG với thủy vân gốc trong phương pháp QEWM lớn hơn trong phương pháp TWM Điều này có nghĩa là tính bền vững của thủy vân số đối với tấn công đã được cải thiện theo phương pháp QEWM
2.4 Đề xuất phương pháp thủy vân cải tiến dựa trên bù sai số lượng tử
2.4.2 Phân bố thống kê của sai số lượng tử trong phép nén ảnh JPEG và khái niệm bù sai số lượng tử
Định nghĩa: Bù sai số lượng tử tại hệ số DCT C n ( j i, )khi nén ảnh với hệ số
chất lượng q là đại lượng được định nghĩa bởi
),(),(),(i j Q i j n i j
2.4.3 Nội dung phương pháp và các biện luận
án đề xuất phương pháp lựa chọn mới như sau:
),()
,()
,(
j i 0
j i j
i j
i
n
n n
n
(2.13)
Trang 130 j i W j i W
j i j
i W
j i j
i Q j i
n
n n
n
n
n n
),(
),(),(
),()
,(
),(),(),(
Với cách chọn nay thì :
),(),(/)),(),((),(/)),(),((
2.4.4 Thực nghiệm và kết quả
Bảng 2.2 cho thấy để thu được các hệ số tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu –
để đạt được các hệ số tương quan tương tự nhau thì PSNR QEWM-A lớn hơn
Bảng 2.1 Hệ số nhúng , với hệ số tương quan γ và tỉ số đỉnh tín hiệu
trên nhiễu PSNR tương ứng
