Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và ứng dụng watermarking trong xác thực ảnh y tế

Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Kỹ thuật Watermarking mô tả phương pháp và công nghệ giấu thông tin trong phương tiện truyền thông kỹ thuật số, kỹ thuật watermarking được áp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH HỮU HƯNG

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Phạm Ngọc Mỹ

TÓM TẮT

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG WATERMARKING

TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ

Học viên: Phạm Ngọc Mỹ Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60.48.01 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Kỹ thuật Watermarking mô tả phương pháp và công nghệ giấu thông

tin trong phương tiện truyền thông kỹ thuật số, kỹ thuật watermarking được áp dụng một cách hiệu quả cho hình ảnh y tế và nó được sử dụng để nhúng các thông tin bệnh nhân vào hình ảnh y tế và có được hiệu quả là trích lại thông tin hình ảnh y tế, tránh được sửa đổi không cần thiết bởi người trái phép Những vấn đề này được giải quyết thông qua watermarking, để bác sĩ có thể chẩn đoán hình ảnh y tế và đảm bảo an toàn hơn Các thông tin bệnh nhân sẽ được nhúng vào hình ảnh y tế mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng hoặc nội dung gốc của hình ảnh y tế Chương trình watermarking dựa trên nền tảng Discrete Wavelet Transform (DWT) được sử dụng cho hình ảnh y tế và được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB Phương pháp đề xuất

là cung cấp số liệu hiệu suất MSE và PSNR có giá trị tốt hơn so với các phương pháp hiện có Trên đây là tóm tắt các kết quả đạt được của luận văn và hướng phát triển tiếp theo

Từ khóa – Hình ảnh watermarking, Discrete Wavelet Transform (DWT),

MATLAB, PSNR, MSE

Abstract - Watermarking techniques describe methods and technologies for

hiding information in digital media Watermarking techniques are effectively applied

to medical images and are used to embed information Patients into the medical image and get the effect is to extract medical image information, avoid unnecessary modifications by unauthorized people These problems are addressed through watermarking, so that the doctor can diagnose medical imaging and be safer Patient information will be embedded into the medical image without compromising the quality or original content of the medical image The watermarking program is based

on the Discrete Wavelet Transform (DWT) platform used for medical imaging and is simulated by MATLAB software The proposed method is to provide better MSE and PSNR performance data than existing methods Above is a summary of the results of the thesis and the direction of the next development

Keywords - Image watermarking, Discrete Wavelet Transform (DWT),

MATLAB, PSNR, MSE

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

6 Bố cục của luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING 3

1.1 GIỚI THIỆU WATERMARK (GIẤU TIN) 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Phân loại giấu tin 3

1.2 TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING 8

1.2.1 Khái niệm 8

1.2.2 Phân loại 8

1.2.3 Mô hình [1] 9

1.2.3.1 Giai đoạn nhúng 9

1.2.3.2 Giai đoạn phân bố 10

1.2.3.3 Giai đoạn trích 11

1.2.3.4 Giai đoạn quyết định 12

1.2.4 Một số ứng dụng [12] 13

1.2.4.1 Bảo vệ quyền sở hữu 13

1.2.4.2 Xác nhận thông tin ảnh và tình trạng nguyên vẹn dữ liệu 13

1.2.4.3 Theo dõi quá trình sử dụng 14

1.2.4.4 Kiểm tra giả mạo 14

1.2.4.5 Truyền tin bí mật 14

1.2.5 Một số yêu cầu của thủy vân 14

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ 18

2.1 CÁC KHUYNH HƯỚNG TIẾP CẬN CỦA KỸ THUẬT WATERMARKING [5] [12] 18

2.1.1 Kỹ thuật thủy vân trên miền không gian ảnh 18

2.1.2 Quá trình chèn thủy vân vào ảnh 19

2.1.3 Quá trình phát hiện watermark 19

2.1.4 Kỹ thuật thủy vân dùng phép biến đổi DCT 19

2.1.5 Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DWT 22

2.1.5.1 Quá trình nhúng 23

2.1.5.2.Quá trình trích 24

2.1.6 Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DWT 25

2.2 KỸ THUẬT THỦY VÂN DÙNG BIẾN ĐỔI DWT TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ 25

2.2.1 Nhúng Thuật toán: 25

2.2.2 Khai thác thuật toán 28

2.3 KỸ THUẬT THỦY VÂN DÙNG BIẾN ĐỔI DWPT TRONG HỒ SƠ BỆNH NHÂN ĐIỆN TỬ 28

2.3.1 Tạo hình mờ 29

2.3.2 Phương pháp nhúng Watermark 29

2.3.3 Phương pháp trích xuất bằng watermark 31

2.4 ĐÁNH GIÁ NHẬN XÉT 32

2.5 TẤN CÔNG THỦY VÂN 34

2.5.1 Khái quát tấn công thủy vân 34

2.5.2 Vấn đề bảo mật 36

2.5.3 Tấn công cố ý 36

2.5.3.1 Tấn công loại bỏ 36

2.5.3.2 Tấn công hình học 37

2.5.3.3 Tấn công mã hóa 37

2.5.3.4 Tấn công giao thức 38

CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI WATERMARKING TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ 39 3.1 WATERMARKING ĐỐI VỚI HÌNH ẢNH Y TẾ 39

3.2 ỨNG DỤNG THỰC NGHIỆM: 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

2.1 Đánh giá chất lượng ITU-R BT.500-13 theo cấp độ từ 1

3.1 Kết quả mô phỏng 1 trong tổng số DWT dựa trên hình ảnh y tế

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việc trao đổi thông tin, xuất bản thông tin trên Internet có nhiều nguy cơ không

an toàn do thông tin có thể bị lộ hay bị sửa đổi hay bị vi phạm bản quyền Nói chung,

để bảo vệ các thông tin trên khỏi sự truy cập, sử dụng trái phép cần phải kiểm soát được những việc chính sau: thông tin được tạo ra, lưu trữ và truy nhập như thế nào, ở đâu, bởi ai và vào thời điểm nào Như vậy việc quản lý bản quyền số đang là bài toán không dễ dàng của nhà quản lý

Trên thực tế, nhu cầu về bảo vệ quyền tác giả, quyền sở hữu cho các thông tin số

là rất lớn Digital watermarking (Phương pháp Thủy Vân số) là một phương pháp hiệu quả bởi vì nó cho phép chủ sở hữu nội dung số có thể nhúng và giấu những bằng chứng về bản quyền của mình, từ đó có thể xác định được quyền sở hữu, phát hiện ra việc sử dụng trái phép mà vẫn không làm ảnh hưởng đến nội dung của nội dung số Với các tính chất đặc thù của mình Digital watermarking rất thích hợp với việc bảo vệ bản quyền tác giả

Kỹ thuật Watermarking đã phát triển cho watermarking hình ảnh y tế và nó được

sử dụng để nhúng các thông tin bệnh nhân vào hình ảnh y tế và có thể được hiệu quả trích lại thông tin Hình ảnh y tế hoặc các thông tin y tế (như CT, scan, MRI Scan ảnh, vv…) cần phải được an toàn hơn và đáng tin cậy Các thông tin y tế cần phải được an toàn và ngăn chặn từ sửa đổi bởi người trái phép và cũng thay thế các báo cáo của một người khác Những vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách ẩn các thông tin bệnh nhân trong các hình ảnh y tế của watermarking cách tiếp cận, để bác sĩ có thể chẩn đoán hình ảnh y tế và cũng có thể nó là an toàn hơn Khi đóng dấu hình ảnh y tế được thực hiện, một sự chăm sóc đặc biệt là cần thiết, để các nội dung y tế không bị xáo trộn hoặc bị mất Các thông tin bệnh nhân được nhúng vào hình ảnh y tế mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng hoặc nội dung gốc của hình ảnh y tế

Xuất phát từ yêu cầu của thực tế, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng

watermarking trong xác thực ảnh y tế” nhằm mục đích hướng tới một phần nhiệm

vụ bảo vệ bản quyền thông tin số

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu và ứng dụng watermarking trong xác thực ảnh y tế

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật watermarking cho ảnh y tế

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Dữ liệu được xử lý là file ảnh tĩnh (CT scan, MRI Scan ảnh…)

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1 Phương pháp lý thuyết

Nghiên cứu các tài liệu, bài báo, kỹ thuật liên quan nhằm đề xuất các phương pháp xác thực ảnh y tế

4.2 Phương pháp thực nghiệm

Cài đặt và nghiên cứu

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

5.1 Về mặt khoa học

Nghiên cứu các phương pháp phù hợp để xác thực ảnh y tế

5.2 Về mặt thực tiễn

Xác thực bảo vệ tính riêng tư, bản quyền của ảnh y tế

6 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Cấu trúc luận văn chia thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật watermarking trình bày cơ bản các khái

niệm liên quan đến watermark, watermarking, phân loại watermarking, mô hình watermarking và các ứng dụng của watermarking

Chương 2: Một số kỹ thuật watermarking trong xác thực ảnh y tế trình bày

các khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật watermarking, kỹ thuật watermarking dùng biến đổi wavelet cho xác thực ảnh y tế, các dạng tấn công watermarking

Chương 3: Triển khai watermarking trong xác thực ảnh y tế trình bày

watermarking đối với hình ảnh y tế, phương pháp DWT, kỹ thuật sử dụng, khai thác

thuật toán cũng như kết quả thực nghiệm

Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING

Chương này giới thiệu tổng quan về kỹ thuật watermark, watermarking và các phương pháp đánh giá chất lượng phục vụ cho quá trình nghiên cứu và thực hiện các

(c) (d)

Hình 1.1 (a) Hình ảnh XQ (b) Hình ảnh CT Scan (c) Hình ảnh CT Scan (d) Hình ảnh MRI

1.1.2 Phân loại giấu tin

Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên các tiêu chí khác nhau:

Hình 1.2 Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin

- Phân loại theo khuynh hướng giấu tin [15]

Kỹ thuật giấu tin nhằm mục đích an toàn và bảo mật thông tin ở hai khía cạnh: bảo mật dữ liệu đem giấu và bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin

Từ hai khía cạnh trên dần dần hình thành hai khuynh hướng chủ yếu của giấu tin:

+ Giấu tin mật (Steganography): Từ “Steganography” bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp,

“stegano” có nghĩa là “covered”, còn “graphien” có nghĩa là “to write” Như vậy,

“steganography” có nghĩa là tài liệu được phủ “covered writing” Steganography là kỹ thuật nhúng tin mật vào môi trường giấu tin, sao cho thông tin giấu được càng nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó phát hiện được đối tượng có được giấu tin bên trong hay không bằng các kỹ thuật thông thường

+ Thủy vân số (Thủy vân): là kỹ thuật nhúng dấu ấn số vào một tài liệu hoặc sản

phẩm, nhằm chứng thực nguồn gốc hay chủ sở hữu

Information hiding

Giấu tin

Thủy vân Thủy vân số

Steganography Giấu tin mật

Giấu tin trong audio Giấu tin trong ảnh

Giấu tin trong video

Theo khuynh hướng

Theo môi trường giấu tin

Bảng 1.1 So sánh giữa giấu tin mật và thủy vân số

- Mục đích là bảo vệ thông tin được

giấu

- Giấu được càng nhiều thông tin càng

tốt, ứng dụng trong truyền dữ liệu

thông tin mật

- Thông tin được giấu phải ẩn, không

cho người khác thấy được bằng mắt

thường

- Chỉ tiêu quan trọng nhất là dung

lượng của tin được giấu

- Mục đích là bảo vệ môi trường giấu tin

- Chỉ cần thông tin đủ để đặc trưng cho bản quyền của chủ sở hữu

- Thông tin giấu có thể ẩn (thủy vân ẩn) hoặc hiện (thủy vân hiện)

- Chỉ tiêu quan trọng nhất là tính bền vững của tin được giấu

- Phân loại theo môi trường giấu tin

Kỹ thuật giấu tin đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng, nhưng phổ biến ở

ba dạng dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio, video

+ Giấu tin trong ảnh: kỹ thuật giấu tin trong ảnh hiện nay chiếm tỷ lệ lớn nhất

trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm và hệ thống giấu tin trong đa phương tiện, bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn Hơn nữa giấu tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng đối với hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật… Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và các viện nghiên cứu trên thế giới

Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa Ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại rất nhiều những lợi ích quan trọng trên nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội Chẳng hạn như: Chữ kí tay đã được số hoá và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân của các dịch

vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để nhận thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng

Phần mềm MS Word của MicroSoft cũng cho phép người dùng lưu trữ chữ kí trong ảnh nhị phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính an toàn của thông tin

+ Giấu tin trong audio: kỹ thuật giấu thông tin trong audio phụ thuộc vào hệ

thống thính giác của con người (HAS – Human Auditory System) HAS cảm nhận được tín hiệu ở dải tần rộng và công suất thay đổi lớn, nhưng lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt nhỏ giữa dải tần và công suất Điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu được các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng Bên cạnh đó kênh truyền tin hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu Giấu thông tin trong audio yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn của thông tin

+ Giấu tin trong video: Kỹ thuật giấu tin trong video được quan tâm và phát triển

mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thông tin

và bảo vệ bản quyền tác giả Trong các thuật toán trước đây thường cho phép giấu ảnh vào trong trong video, nhưng gần đây kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào trong video

Kỹ thuật giấu thông tin áp dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con người

và đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng chứ không riêng gì dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio hay video Gần đây đã có một số nghiên cứu giấu tin trong cơ sở

dữ liệu quan hệ, các gói IP truyền trên mạng và sau này còn tiếp tục phát triển tiếp cho các môi trường dữ liệu số khác Phạm vi của đề tài nghiên cứu này chỉ đề cập đến kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh - một kỹ thuật được nghiên cứu chủ yếu nhất hiện nay

- Mô hình giấu tin cơ bản

Giấu thông tin vào phương tiện chứa và tách lấy thông tin từ phương tiện chứa là hai quá trình trái ngược nhau

- Giấu thông tin vào phương tiện chứa

Quá trình giấu thông tin vào phương tiện chứa được mô tả như sau:

Phân phối

Hình 1.3 Lược đồ chung cho quá trình giấu tin

Thông tin cần giấu: tuỳ theo mục đích của người sử dụng, nó có thể là thông điệp (với các tin bí mật) hay các logo, hình ảnh bản quyền

Phương tiện chứa: các file audio, video, ảnh,… là môi trường để nhúng tin

Phương tiện

chứa (audio,

ảnh, video)

Phương tiện chứa

đã được giấu tin

Bộ nhúng thông tin

Khóa giấu Thông tin

Bộ nhúng thông tin: là những chương trình thực hiện việc giấu tin

Khóa dấu tin: khóa dùng để xác thực thông tin

Đầu ra: là các phương tiện chứa đã có tin giấu trong đó Phương tiện chứa sau khi giấu thông tin có thể được sử dụng, quản lý theo những yêu cầu khác nhau

- Tách thông tin

Tách thông tin từ các phương tiện chứa diễn ra theo quy trình ngược lại, với đầu

ra là các thông tin đã được giấu vào phương tiện chứa và được mô tả như sau:

Hình 1.4 Lược đồ chung cho quá trình tách thông tin

Sau khi nhận được phương tiện chứa có giấu thông tin, quá trình giải mã được thực hiện thông qua bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khoá của quá trình nhúng Kết quả thu được gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu Thông tin đã giấu sẽ được xử lý kiểm định so sánh với thông tin ban đầu

- Tiêu chí đánh giá kỹ thuật giấu tin trong ảnh [15]

+ Tính vô hình

Kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống thị giác của con người Tính vô hình hay không cảm nhận được của mắt người thường giảm dần ở những vùng ảnh có màu xanh tím, thủy vân ẩn thường được chọn giấu trong vùng này

+ Khả năng chống giả mạo

Một trong những mục đích của giấu tin là truyền đi thông tin mật Nếu không thể

do thám tin mật, thì kẻ địch cũng cố tìm cách làm sai lệch tin mật, làm giả mạo tin mật

để gây bất lợi cho đối phương Phương pháp giấu tin tốt phải đảm bảo tin mật không bị tấn công một cách chủ động trên cơ sở những điều hiểu biết thuật toán nhúng tin và có ảnh mang (nhưng không biết khóa giấu tin)

Đối với giấu tin thì khả năng chống giả mạo là yêu cầu vô cùng quan trọng, vì có như vậy mới bảo vệ được bản quyền, minh chứng tính pháp lý của sản phẩm

Phương tiện chứa

đã được giấu tin

Khóa giấu tin

Phương tiện chứa (audio, ảnh, video)

Bộ giải mã tin

+ Dung lượng giấu

Dung lượng giấu tin được tính bằng tỉ lệ của lượng thông tin cần giấu so với kích thước ảnh mang tin Các phương pháp đều cố gắng giấu được nhiều tin trong ảnh nhưng vẫn giữ được bí mật Tuy nhiên trong thực tế người ta luôn phải cân nhắc giữa dung lượng và các tiêu chí khác như tính vô hình, tính bền vững

+ Tính bền vững

Sau khi giấu tin vào ảnh mang, bản thân ảnh mang có thể phải trải qua các biến đổi khác nhau như lọc (tuyến tính, phi tuyến tính), thêm nhiễu, làm sắc nét, mờ nhạt, quay, nén mất dữ liệu,… tính bền vững là thước đo sự nguyên vẹn của tin mật sau những biến đổi như vậy

+ Độ phức tạp tính toán

Độ phức tạp của thuật toán giấu tin và giải tin (tách tin) cũng là một chỉ tiêu quan trọng, chỉ tiêu này cho chúng ta biết tài nguyên (thời gian và bộ nhớ) dùng cho một phương pháp giấu tin

Với chủ nhân giấu tin thì thời gian thực hiện phải nhanh, nhưng với kẻ thám tin thì tách tin phải là bài toán khó Ví dụ bài toán tách tin từ thủy ấn để đánh dấu bản quyền cần phải là bài toán khó, thì mới bền vững trước sự tấn công của tin tặc nhằm phá hủy thủy vân

1.2 TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING

1.2.1 Khái niệm

Watermarking (thủy vân) là kỹ thuật nhúng “dấu ấn số” (watermark – tin giấu) vào một sản phẩm số (audio, video, ảnh), mà tin giấu này có thể được phát hiện và tách ra sau đó, nhằm chứng thực (đánh dấu, xác thực) nguồn gốc hay chủ sở hữu của sản phẩm số này

1.2.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau:

- Phân loại theo khả năng cảm nhận: Thủy vân ẩn là các thủy vân không thể

nhìn thấy được bằng mắt thường Thủy vân hiện là thủy vân có thể nhìn thấy được

bằng mắt thường

- Phân loại theo tính bền vững: Thủy vân bền vững là loại thủy vân nhúng theo

phương pháp rất khó phá hủy Việc tấn công thủy vân số trong trường hợp này sẽ làm giảm chất lượng của thông tin Nói cách khác thì nếu phá hủy thủy vân thì đồng thời sẽ

phá hủy đối tượng mang Thủy vân dễ vỡ là loại thủy vân đảm bảo tính toàn vẹn cho

nội dung thông tin nên bất kỳ sự thay đổi nào cũng có thể làm cho thủy vân bị hỏng

- Phân loại theo hướng tiếp cận: Thủy vân miền không gian là kỹ thuật nhúng

thủy vân trực tiếp vào vùng không gian dữ liệu ảnh Thủy vân miền tần số là kỹ thuật

nhúng thủy vân vào vùng biến đổi tần số của dữ liệu ảnh

1.2.3 Mô hình [1]

Thủy vân không nhìn thấy thường được dùng cho ảnh (nhúng dữ liệu vào trong ảnh gốc) Quá trình xử lý ảnh khái quát được mô tả trong Hình 1.5 Ảnh gốc được thêm vào dữ liệu ký số để tạo nên ảnh nhúng thủy vân Để đảm bảo tính trong suốt của

dữ liệu nhúng, sự méo dạng ảnh trong quá trình nhúng phải nhỏ

Hình 1.5 Lược đồ chung cho quá trình thủy vân

Để thấy những khía cạnh khác nhau trong kỹ thuật thủy vân, tùy thuộc vào những ứng dụng riêng biệt và những điều kiện cần của ứng dụng, ta phải cải tiến mô hình thủy vân tổng quát và có cái nhìn về những giai đoạn liên tiếp của quá trình xử lý thủy vân bao gồm những giai đoạn như sau:

- Giai đoạn nhúng (embedding)

- Giai đoạn phân bố (distribution)

- Giai đoạn trích (extraction)

- Giai đoạn quyết định (decision)

1.2.3.1 Giai đoạn nhúng

Trong giai đoạn nhúng, ảnh chủ được biến đổi đến miền thuận tiện cho việc nhúng dữ liệu Một số phương pháp khác cũng có thể thực hiện được như DCT (Discrete Cosine Transform) hoặc là DFT (Discrete Fourier Transform)

Ảnh sau tấn công

Ảnh gốc

Bộ trích Trích ký

số

Khóa

Dữ liệu ký số (còn gọi là thông điệp) có thể là dữ liệu nhị phân, một ảnh nhỏ (logo) hoặc là một giá trị khởi đầu cho một bộ sinh số ngẫu nhiên giả để tạo ra một chuỗi số cùng với phân bố xác định (ví dụ là phân bố Gaussian hoặc phân bố đều) Các hệ số biến đổi được biến đổi sao cho phù hợp với dữ liệu của thông điệp Tốt hơn là phép biến đổi ảnh phải phù hợp với đặc tính cảm nhận về thị giác của người HVS, như vậy sẽ dễ dàng hơn khi gắn vào tín hiệu được nhúng mà không gây ra méo dạng cảm nhận Lưu ý phải lựa chọn miền biến đổi tần số và các hệ số phù hợp với nhu cầu gắn

Cuối cùng, phép biến đổi ngược dựa trên các hệ số đã được sửa đổi để hồi phục lại ảnh được nhúng

Hình 1.6 Mô hình tổng quát của giai đoạn nhúng dữ liệu vào ảnh số

1.2.3.2 Giai đoạn phân bố

Ảnh được nhúng thủy vân sau đó sẽ được đem phân bố, ví dụ như đưa lên một trang web hoặc bán cho khách hàng Trong quá trình truyền và phân bố ảnh, không chỉ

có méo dạng do nén tác động vào ảnh gốc, mà còn do lỗi trong quá trình truyền và trong quá trình xử lý ảnh Đặc biệt là những phép biến đổi hình học như là phép xoay, chỉnh kích thước, cắt bỏ thì thật sự là gây hại cho ảnh nhúng Tất cả các thao tác tác động lên dữ liệu ảnh nhúng thủy vân được xem như là thao tác tấn công lên thông tin nhúng

Những sự thay đổi xảy ra trong suốt quá trình xử lý ảnh thông thường được gọi là tấn công trùng khớp ngẫu nhiên, trong khi các loại tấn công nhằm làm yếu, loại bỏ hay thay đổi thủy vân thì được gọi là tấn công cố ý

Ảnh gốc

liệu

Biến đổi ảnh (DCT, DWT )

Các hệ số biến đổi

Ảnh sau khi nhúng thủy vân

Hệ thống nhìn (HVS)

Hình 1.7 Mô hình phân phối ảnh sau khi được nhúng thông tin thủy vân

1.2.3.3 Giai đoạn trích

Sau khi ảnh được nhúng thủy vân và trải qua những méo dạng trong giai đọan phân bố (các loại tấn công) ai đó muốn trích ký số, có thể là người đã nhúng thủy vân, khách hàng nhận ảnh, hoặc kẻ thứ ba (không được phép) Trong trường hợp đầu, khóa

bí mật dùng để nhúng thủy vân và cả ảnh gốc được sử dụng, điều này tạo điều kiện thuận lợi rất lớn cho hệ thống thủy vân và việc xác định ký số tương đối dễ làm Ta gọi

hệ thống xác nhận sử dụng khóa bí mật (cá nhân) và ảnh gốc là hệ thống thủy vân oblivious, non-blind, private

non-Những trường hợp khác không sử dụng khóa cá nhân hoặc ảnh gốc trong quá trình trích thông điệp hệ thống này gọi là hệ thống thủy vân khóa công khai (public key)

Sơ đồ thủy vân cho phép trích thông điệp không đỏi hỏi ảnh gốc được gọi là sơ

đồ thủy vân mù (blind) Phương pháp trích hoặc xác định dựa vào một vài dữ liệu hoặc đặc tính xuất phát từ ảnh gốc được gọi là thuật toán thủy vân bán mù (semi-blind) Tóm lại có 3 phương pháp trích watermark dựa vào mức độ sử dụng ảnh gốc: Blind hoặc obvilious, Semi-blind và non-blind hoặc non-oblivious

Ngoài ra, dựa vào sự cần thiết của loại khóa dùng trong quá trình thủy vân ta phân biệt theo: Khóa cá nhân, khóa công khai và các mô hình thủy vân bất đối xứng khác

Ảnh

sau khi

nhúng

Nén có tổn hao

Truyền ảnh, nhiễu, xử

lý ảnh

Các tấn công

Ảnh sau khi nhúng

ảnh, cắt, xoay

Các thuật toán đã biết

Hình 1.8 Mô hình trích ảnh thủy vân

1.2.3.4 Giai đoạn quyết định

Trong giai đoạn này, hệ thống thủy vân phân tích dữ liệu trích Phụ thuộc vào loại ứng dụng và bản chất của thông điệp, có thể có một số yêu cầu khác nhau

Trong ứng dụng chống sao chép, ngõ ra của hệ thống thủy vân có thể sắp xếp các câu trả lời từ đơn giản đến phức tạp Trường hợp đơn giản nhất, kết quả chỉ là sự biểu thị có hay không dấu (mark) của người chủ bản quyền được tìm thấy trong dữ liệu ảnh nhận được Trong các hệ thống phức tạp thì phải trích ra logo được nhúng hay là thông tin bản quyền nguyên bản được đặt vào dữ liệu ảnh chủ

Thông thường cần phải có thông số nhằm đánh giá sự giống nhau (mối tương quan) giữa dữ liệu gốc (W) và dữ liệu sau khi trích được (W*) là tương quan chuẩn hóa của chuỗi ngẫu nhiên giả:

W W

W W

Khóa

Hệ thống nhìn (HVS)

đã bị biến dạng

Trích dữ liệu

Dữ liệu khôi phục

Hình 1.9 Giai đoạn phát hiện thủy vân

Các ứng dụng giấu thông tin và nhãn ảnh thì cố trích thông điệp gốc được nhúng

Do không cho phép thay đổi thông điệp, vì thế việc sử dụng mã sửa đổi bắt buộc dùng cho loại ứng dụng này khi có sự tác động hay méo dạng thông tin nhúng

1.2.4 Một số ứng dụng [12]

Trong lĩnh vực thủy vân, các điều kiện cần thỏa mãn của một hệ thống thủy vân luôn tùy thuộc vào ứng dụng của nó Vì vậy, trước khi xét đến các điều kiện, cũng như cách thiết kế hệ thống thủy vân cần xét đến các ứng dụng của kỹ thuật thủy vân Ngoài

ra ta còn thấy rằng hiện không có một giải thuật thủy vân nào là hoàn hảo và mọi giải thuật thủy vân đều phải chú trọng đến mức độ bền vững của dữ liệu sao cho phù hợp với từng ứng dụng

1.2.4.1 Bảo vệ quyền sở hữu

Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân Mục đích của thủy vân cho bảo vệ quyền tác giả là nhúng thông tin xác nhận bản quyền vào dữ liệu ảnh số để có thể nhận biết người chủ bản quyền Ngoài ra còn để kiểm tra kín công việc của người mua (truy xét các bản sao không hợp lệ) Dữ liệu nhúng có thể là một số đăng ký (giống như mã sản phẩm chung UPC trên đĩa), một đoạn thông điệp, logo hoặc là một mẫu duy nhất (như ADN: Acid deoxyribonucleic) Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật Thủy vân mang các giá trị chỉ trạng thái cho phép sao chép dữ liệu như “copy never” - không được phép sao chép hay “copy once”

- chỉ được copy một lần sau khi copy xong, bộ đọc, ghi thủy vân sẽ ghi thủy vân mới, chỉ trạng thái mới lên DVD Các ứng dụng loại này yêu cầu thủy vân phải được bảo đảm an toàn và sử dụng phương pháp phát hiện

1.2.4.2 Xác nhận thông tin ảnh và tình trạng nguyên vẹn dữ liệu

Một ứng dụng khác của thủy vân là xác nhận đúng ảnh và xác nhận sự giả mạo Ảnh số ngày càng được sử dụng như một chứng cứ buộc tội Thủy vân được sử dụng

để phát hiện nó có bị sửa đổi hay không và có thể định vị được vị trí sửa đó Ảnh số dễ

bị sửa đổi từ ứng dụng xử lý ảnh phức tạp Thủy vân được sử dụng để xác nhận tính xác thực của ảnh Đối với ứng dụng loại này thủy vân cần phải yếu (fragile) không cần

Ký số trích

Ký số

Lấy ngưỡng

Quyết định tính tương quan, so sánh

Ký số trích

bền vững trước các phép xử lý trên ảnh đã được giấu tin để bất cứ sự sửa đổi nào trên ảnh sẽ phá hủy thủy vân (phát hiện sự sửa đổi)

1.2.4.3 Theo dõi quá trình sử dụng

Thủy vân có thể được dùng để theo dõi quá trình sử dụng của các digital media Mỗi bản sao của sản phẩm được chứa một ký số duy nhất dùng để xác định người được phép sử dụng là ai Nếu có sự nhân bản bất hợp pháp, ta có thể truy ra người vi phạm nhờ vào ký số được chứa bên trong digital media

1.2.4.4 Kiểm tra giả mạo

Thủy vân có thể được dùng để chống sự giả mạo Nếu có bất cứ sự thay đổi nào

về nội dung của các digital media thì ký số này sẽ bị huỷ đi Do đó rất khó làm giả các digital media có chứa ký số

1.2.4.5 Truyền tin bí mật

Vì thủy vân là một dạng đặc biệt của kỹ thuật che giấu dữ liệu nên người ta có thể dùng để truyền các thông tin bí mật

1.2.5 Một số yêu cầu của thủy vân

Tùy theo ứng dụng và mục đích thủy vân, những điều kiện cần khác nhau phát sinh những vấn đề thiết kế khác nhau bao gồm những điều kiện sau:

- Tính bảo mật

Trong hầu hết các ứng dụng, chẳng hạn như bảo vệ bản quyền, tính bảo mật của thông tin nhúng cần phải được bảo đảm Với một ứng dụng thủy vân, một khi biết được cách làm việc của bộ nhúng và bộ dò, kẻ tấn công sẽ dễ dàng loại bỏ ký số Đối với các hệ thống đòi hỏi tính an toàn, thì một khóa bảo mật có thể được sử dụng trong quá trình nhúng và trích Với mức độ bảo mật cao nhất, những người sử dụng không được phép không thể đọc, giải mã ký số nhúng cũng như không thể phát hiện dữ liệu

có chứa đựng ký số hay không, và thông tin nhúng không thể đọc được nếu không có khóa bí mật

- Tính không nhìn thấy

Một trong những điều kiện quan trọng là tính trong suốt hay không nhìn thấy của thủy vân và đặc tính này độc lập với các mục đích và các ứng dụng khác nhau Thành phần lạ xuất hiện trong quá trình xử lý thủy vân không những gây phiền phức không mong muốn mà còn làm suy giảm hay phá hủy các giá trị thương mại của dữ liệu Vì vậy, một điều quan trọng là thiết kế thủy vân phải khai thác các hiệu quả cảm nhận của mắt người cũng như của tai người để cực đại hóa năng lượng thủy vân mà vẫn không vượt quá mức ngưỡng cảm nhận được

+ Vô hình đối với mắt: những nhà nghiên cứu gần đây đã cố gắng giấu thủy sao

cho nó khó bị phát hiện (không hiển thị trên nền ảnh) và không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng mắt cũng như nội dung dữ liệu chứa Tuy nhiên, yêu cầu này mâu thuẫn với một số yêu cầu khác, chẳng hạn như tính bền vững là một yêu cầu quan trọng khi đối đầu với các thao tác tấn công thủy vân, đặc biệt là thuật toán nén có tổn hao Thông thường, các bit ít có ý nghĩa đối với mắt người sẽ được ưu tiên dùng để chứa ký số Để đạt được mục đích này, chúng ta phải khảo sát các tính chất của hệ thống mắt người HVS (đối với ảnh) và hệ thống thính giác con người HAS (đối với âm thanh) trong quá trình nhúng và dò tìm ký số

+ Vô hình đối với thống kê: một cá nhân bất hợp pháp không thể dò tìm ký số

bằng các phương pháp thống kê Ví dụ nhiều tác phẩm kỹ thuật số đã được nhúng cùng một watermark sao cho khi thực hiện tấn công dựa trên thống kê thì không tài nào trích được watermark

Cần lưu ý rằng, tính bền vững thật sự bao gồm hai vấn đề riêng biệt là: thủy vân phải tồn tại trong dữ liệu dù có xảy ra méo dạng hay không và liệu máy dò tìm thủy vân có phát hiện ra nó hay không

- Khả năng tải thông tin

Lượng thông tin có thể chứa trong thủy vân tùy thuộc vào các ứng dụng khác nhau Chẳng hạn, đối với ứng dụng chống sao chép, thông tin thủy vân chỉ cần một bit

là đủ

- Chứng minh quyền sở hữu thật sự

Để có thể thực hiện quyền sở hữu hợp pháp, cần phải xác định ai là người nhúng thủy vân vào dữ liệu trước tiên trong trường hợp có nhiều thủy vân được nhúng Điều

này có thể thực hiện thông qua việc đặt ra các trở ngại thiết kế như tính khả đảo của thủy vân,

- Tính linh hoạt

Trong các ứng dụng thương mại, chi phí tính toán cho việc nhúng và trích rất quan trọng Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, việc chèn thủy vân chỉ có thể thực hiện một lần và offline Do đó, chi phí nhúng có thể không quan trọng bằng chi phí dò, vốn thường phải xảy ra theo thời gian thực Hơn nữa, chúng ta biết rằng tốc độ máy tính tăng xấp xỉ gấp đôi sau 18 tháng, những gì được tính toán không thỏa đáng ngày nay

có thể nhanh chóng trở thành hiện thực

- Khôi phục thủy vân cần hay không cần dữ liệu gốc

Kỹ thuật thủy vân sử dụng dữ liệu gốc trong quá trình khôi phục làm tăng tính bền vững hơn không chỉ với các loại méo dạng như nhiễu mà còn với các loại méo dạng trong các thao tác xử lý hình học vì nó cho phép phát hiện và đảo ngược những méo dạng này Trong nhiều ứng dụng, như giám sát hoặc theo dõi dữ liệu, thì việc truy xuất dữ liệu gốc là không thể Trong những ứng dụng khác như ứng dụng thủy vân trong video, không thực tế khi dùng dữ liệu gốc bởi vì phải xử lý một lượng dữ liệu lớn

Trong khi những kỹ thuật thủy vân ở những giai đoạn đầu cần dùng dữ liệu gốc trong quá trình khôi phục thì ngày nay có khuynh hướng xây dựng các kỹ thuật thủy vân không cần dữ liệu gốc khi khôi phục (sử dụng khóa hoặc chỉ một phần đặc trưng của dữ liệu gốc) Và kỹ thuật này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng

- Tính phổ thông

Thủy vân số nên áp dụng cho cả ba phương tiện truyền thông đang được chú ý là

âm thanh, hình ảnh, video Điều này có khả năng giúp ích trong vấn đề thủy vân cho những sản phẩm truyền thông đa phương tiện Đặc tính này cũng dẫn tới sự thực thi toàn bộ thuật toán thủy vân cho cả âm thanh, hình ảnh, video trên cùng một phần cứng

- Độ tin cậy trong quá trình dò tìm và rút trích

Ngay cả khi không có các tấn công cũng như các biến dạng tín hiệu, khả năng không dò được watermark đã nhúng (lỗi phủ định sai) hoặc dò sai watermark khi mà

nó không tồn tại trong thực tế (khẳng định sai) phải rất nhỏ Thông thường, các thuật toán thống kê cơ bản không có khó khăn gì trong việc đáp ứng những yêu cầu này Tuy nhiên một khả năng như vậy phải được đưa lên hàng đầu nếu ứng dụng thủy vân liên quan đến luật pháp, vì có như vậy mới tạo sự tin cậy chắc chắn cho các phán quyết cuối cùng

- Chống lại sự xuyên tạc

Thủy vân có thể bị tấn công bằng các phép xử lý tín hiệu với ý định duy nhất là loại bỏ ký số Làm sao để thủy vân chống lại sự xuyên tạc như thế cũng là một vấn đề đáng quan tâm

- Tính khả đảo của thủy vân

Mặc dù tính bền vững thường được chỉ ra như một yêu cầu chính cần phải có, nhưng mối quan tâm lớn lại tập trung vào tính khả đảo của thủy vân Thuật ngữ khả đảo được dùng với những ý nghĩa khác nhau, nghĩa tự nhiên nhất được định nghĩa là một thủy vân gọi là khả đảo nếu các người dùng được cấp quyền có thể xoá nó khỏi tài liệu Trong nhiều ứng dụng, tính khả đảo này có thể là một đặc trưng mong đợi, bởi vì

nó có thể cho phép thay đổi tình trạng của một tài liệu cho trước theo lịch sử của nó

mà không cần phải ẩn quá nhiều bit thông tin trong nó

- Tối thiểu hóa sự thay đổi các pixel

Khi thực hiện thủy vân hình ảnh chất lượng cao và các tác phẩm nghệ thuật, số lượng các pixel cải biến nên là nhỏ nhất

- Tối thiểu hóa sự can thiệp của con người

Tùy thuộc vào từng ứng dụng, kỹ thuật thủy vân có những yêu cầu khác nhau Một trong những thách thức của những người nghiên cứu về lĩnh vực này là các yêu cầu trong kỹ thuật này thường mâu thuẫn với nhau Những yêu cầu liệt kê ở trên là những yêu cầu thông thường mà hầu hết các ứng dụng thực tế phải đạt được

Tóm lại, trong một hệ thống thủy vân các điều kiện này thường có mối quan hệ với nhau Nếu như một hệ số được sử dụng nhằm thay đổi mức độ nhúng thông tin trong dữ liệu nhúng thì hệ số này có tầm quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng dữ liệu sau nhúng cũng như tính bền vững của hệ thống

Trong thực tế, ba yêu cầu về tính ẩn, tính bền vững, và dung lượng của thủy vân

có thể xem như một dạng tam giác, nghĩa là nếu cái này bị biến đổi thì hai cái kia cũng

bị ảnh hưởng

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT WATERMARKING TRONG XÁC

THỰC ẢNH Y TẾ

Chương này đề cập đến các kỹ thuật watermarking trên ảnh số đang được nghiên cứu phổ biến Tùy theo lĩnh vực áp dụng, các yêu cầu cụ thể mà lựa chọn một phương pháp thích hợp Nhìn chung, có thể chia các kỹ thuật thuỷ vân theo hai hướng tiếp cận chính: Hướng thứ nhất dựa trên miền không gian ảnh có kỹ thuật mã bít ít quan trọng nhất LSB, Hướng thứ hai là sử dụng các phương pháp khảo sát gián tiếp khác thông

qua các kỹ thuật biến đổi bao gồm các biến đổi DCT hay DWT

2.1 CÁC KHUYNH HƯỚNG TIẾP CẬN CỦA KỸ THUẬT WATERMARKING [5] [12]

Có rất nhiều hướng tiếp cận nhưng hiện nay có 2 phương pháp chính:

Hướng tiếp cận theo miền không gian ảnh (Spatial Domain): nhóm kỹ thuật này tập trung vào việc thay đổi trực tiếp lên không gian các điểm ảnh và sử dụng các mô hình tri giác và phương pháp hình học Tuy nhiên, các kỹ thuật này chỉ đảm bảo được thuộc tính ẩn mà không có tính bền vững và thường được sử dụng trong các ứng dụng nhận thông tin, phát hiện xuyên tạc

Hướng tiếp cận theo miền tần số (Frequency Domain): đây là nhóm kỹ thuật sử dụng một phương pháp biến đổi trực giao như Fourier rời rạc, Cosine rời rạc, hay Wavelet rời rạc,… để chuyển miền không gian sang miền tần số theo kỹ thuật trãi phổ trong truyền thông Đây là kỹ thuật phổ biến nhất với nhiều thuật toán và được hứa hẹn là một phương pháp tốt giải quyết vấn đề đảm bảo hai thuộc tính quan trọng (tính

ẩn và tính bền vững) của thủy vân khi giấu

2.1.1 Kỹ thuật thủy vân trên miền không gian ảnh

Thủy vân trong miền không gian tín hiệu được khảo sát bằng cách rời rạc trực tiếp Các giá trị rời rạc của điểm ảnh gọi là miền biến số độc lập tự nhiên Sau đó tìm cách nhúng thông tin vào ảnh bằng cách thay đổi các giá trị điểm ảnh sao cho không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh và đảm bảo sự bền vững của thông tin nhúng trước những tấn công có thể có đối với bức ảnh đã nhúng Có hai phương pháp điển hình là phương pháp tách bit có trọng số ít quan trọng nhất (LSB- Least Significant Bit) và phương pháp sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên

2.1.2 Quá trình chèn thủy vân vào ảnh

- Mục đích: đưa một đoạn thông điệp W (thủy vân) N bit vào ảnh A

- Cách thực hiện:

Chia ảnh A (ảnh gốc) thành N khối có chiều dài bằng nhau hoặc gần bằng nhau Trên mỗi khối: lấy ngẫu nhiên 1 bit có trọng số nhỏ nhất của 1 điểm ảnh thuộc khối đó (có thể chọn cố định bit có trọng số nhỏ nhất của byte đầu tiên, tuy nhiên làm theo cách này thì thủy vân dễ bị phá hủy hơn)

Trên mỗi khối thay thế 1 bit được chọn bằng 1 bit trong thủy vân W sẽ thu được một hình ảnh A’ và một khoá key, khoá này cho biết vị trí của bit trong khối i được thay thế

- Nhận xét: Vì dùng bit có trọng số nhỏ nhất để chứa thông điệp (thủy vân) nên

trong các tác vụ xử lý ảnh thông thường người ta có thể bỏ qua bit này mà chất lượng của ảnh không bị suy giảm Do đó cách đưa thủy vân vào ảnh theo cách này sẽ không bền vững trước các tấn công

2.1.3 Quá trình phát hiện watermark

- Mục đích: phát hiện xem ảnh A’ có chứa thủy vân hay không?

- Cách thực hiện:

Giá trị vào: A, A’, và key

Dựa vào key ta lấy được các bit bị thay đổi trong giải thuật nhúng ở trên

So sánh A và A’ chỉ khác nhau ở các vị trí quy định trong các bit hay không? Nếu đúng thì A’ chứa thủy vân từ A, ta có thể thu được thủy vân W’ bằng cách lấy lại các bit thay đổi ở trên

- Nhận xét: bởi vì so sánh A’ và A đòi hỏi phải giống nhau ở tất cả các vị trí còn

lại nên khi ảnh A’ bị nhiễu hoặc bị thay đổi do các hành động thông thường như cắt, xoay ảnh,… thì giải thuật trên không phát hiện được Trong thực tế thì khi hiện thực giải thuật này người ta không yêu cầu phải so sánh chính xác, mà có một sai số cho phép, nếu kết quả của quá trình so sánh A và A’ nhỏ hơn sai số cho phép này thì xem như A’ được sinh ra từ A

2.1.4 Kỹ thuật thủy vân dùng phép biến đổi DCT

Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DCT thường chia ảnh gốc thành các khối, thực hiện phép biến đổi DCT với từng khối ảnh gốc để được miền tần số thấp, miền tần số giữa và miền tần số cao Đa số kỹ thuật thủy vân ẩn bền vững sẽ chọn miền tần số giữa

của mỗi khối để nhúng thủy vân theo một hệ số k nào đó gọi là hệ số tương quan giữa chất lượng ảnh sau khi nhúng (tính ẩn của thủy vân và độ bền vững của thủy vân)

Ví dụ đơn giản quá trình thủy vân sử dụng biến đổi DCT với đối tượng ảnh như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình thủy vân dùng biến đổi DCT

Thực hiện biến đổi DCT đối với ảnh chứa mà được đại diện bởi khối thứ nhất (8x8 pixel) của bức ảnh “rừng cây” :

Hình 2.2 Khối 8x8 đầu tiên của ảnh “Rừng cây”

Khối được cho bởi:

B1 =

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7025

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7025

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7025

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7745

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7025

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7745

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7232

0.7745

0.5880

0.6122

0.6122

0.6003

0.7232

0.6599

0.8245

Biến đổi tần

số ngược (IDCT)

Ảnh đã nhúng ký số

+

DCT(B1) =

0.0329 0.0422-

0.0084-

0.0286

0.0140-

0.0327 0.0697

0.0025

0.0980-

0.0105 0.0141 0.0518 0.0150-

0.0460-

0.0366 0.0422-

0.0731-

0.0586-

0.0361-

0.0200-

0.0240 0.0088 0.0064-

0.0790-

0.0278-

0.0526 0.0147 0.0093-

0.0355-

0.0034 0.0500 0.1066-

0.0589-

0.0031-

0.0182 0.0394-

0.0090-

0.0379 0.0436 0.0953-

0.0063 0.0871-

0.0187-

0.0081-

0.0410-

0.0136-

0.0739 0.0354-

0.0336-

0.0415-

0.0114-

0.0137-

0.0104

0.0645 0.1157 0.0526-

0.0070-

0.0472-

0.0032-

0.0093-

0.0161

0.0379-

0.1162 5.7656

Lưu ý rằng phần lớn năng lượng DCT của B1 được nén tại giá trị DC (hệ số DC

0.6811-

1.7004

2.5359

0.0268

0.5532

1.7087-

0.1033-

0.6312-

0.1278

0.0855-

0.1994

0.3541

1.1233

1.7409-

0.0509

0.7952-

0.0007-

0.8294

0.3946-

1.1281-

1.6732

0.3008-

0.1303-

1.0894-

0.8054-

0.7764-

1.6061-

0.9099-

0.5224

1.8204

0.2059

0.0374

1.1958-

0.1539

0.5422

1.4165-

0.0246-

0.8966

0.9424

2.5061

0.3633-

0.1870

0.7859

0.0870-

1.6191

0.7000

0.7319

0.9269-

1.6095-

0.2174

0.4993

0.3888-

0.8350

0.6320-

0.7922

0.7167

0.4570-

0.2259

1.0693-

1.6130-

0.8579-

0.2759

1.6505

Biến đổi DCT trên W, được kết quả là:

DCT(W)=

0.5278-

0.7046-

0.4169

0.0656

1.5084-

0.9942

0.0380

0.4453

0.0535

0.4119

0.7244-

0.3144-

0.2921-

1.7449

1.1271-

1.4724

0.1452

0.1021-

0.1858

0.6200

0.0979-

1.2626

0.9041-

0.4222

0.8152-

0.9079-

0.9858-

0.0309-

1.2930

0.9799

0.5313

0.7653-

0.5771-

0.4434-

1.1027 1.7946-

0.0076-

1.5394

0.8337

1.7482-

0.3735

0.8743

1.0022

1.3513

1.3837

1.3448-

1.4093-

0.0217

0.8266-

0.1335-

1.1665-

0.6162

0.2411-

2.8606

0.8694

0.1255

1.3164 2.6675

1.0925-

0.3163-

0.7187

0.1714

1.5861

0.2390

B1 đã được nhúng thủy vân với W theo công thức sau:

f w f

nhằm giảm sự méo dạng của ảnh đã được thủy vân Do vậy, giá trị DC sẽ được giữ lại, không bị nhúng

Công thức (3.1) có thể được viết lại ở dạng ma trận như sau:

DCT(B1w) =

DC i i B DCT

DC i B DCT W DCT B

DCT

:),(

\),()

(.)(

1

1 1

0.0088-

0.0288

0.0119-

0.0360 0.0700

0.0026

0.0985-

0.0109 0.0131 0.0502 0.0146-

0.0494-

0.0325

0.0485-

0.0742-

0.0580-

0.0368-

0.0212-

0.0238 0.0099 0.0058-

0.0823-

0.0255-

0.0478 0.0132 0.0092-

0.0400-

0.0037

0.0527 0.0984-

0.0555-

0.0029-

0.0202 0.0323-

0.0090-

0.0438 0.0472 0.0786-

0.0066 0.0947-

0.0206-

0.0092-

0.0467-

0.0117-

0.0635

0.0355-

0.0308-

0.0409-

0.0101-

0.0145-

0.0101

0.0830 0.1258 0.0532-

0.0079-

0.0598-

0.0028-

0.0090-

0.0172

0.0386-

0.1346 5.7656

Chú ý giá trị DC của DCT(B 1w ) giống giá trị DC của DCT(B 1 ) Để tạo ảnh đã

được thủy vân, thực hiện biến đổi DCT ngược ta được kết quả sau:

B1w =

0.6992

0.7736

0.7026

0.7765

0.7067

0.7002

0.7765

0.7017

0.6978

0.7015

0.7741

0.7078

0.7801

0.7026

0.7032

0.7051

0.6996

0.7013

0.7012

0.7067

0.7081

0.7789

0.7100

0.7872

0.6933

0.6986

0.7692

0.7013

0.7037

0.7045

0.7093

0.7064

0.6920

0.6956

0.7002

0.7663

0.7682

0.6973

0.7746

0.7734

0.6998

0.7755

0.6955

0.7712

0.7011

0.7735

0.7809

0.7818

0.5922

0.6175

0.6026

0.5991

0.7228

0.6609

0.8361

0.7331

Nhận xét:

Dễ dàng so sánh B 1w và B 1 và nhận thấy sự thay đổi rất nhỏ do thủy vân Phương pháp bền vững dưới sự thay đổi khác nhau của ảnh nên kỹ thuật này áp dụng trong thiết bị xác nhận, chống lại nén JPEG Tuy nhiên cần có ảnh gốc để khôi phục thủy vân

2.1.5 Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DWT

Kỹ thuật thủy vân cơ bản sử dụng phép biến đổi DWT thường phân tích ảnh gốc thành bốn băng tần số khác nhau gồm: tần số thấp, tần số giữa và tần số cao (ký hiệu là: LL1, LH1, HL1, HH1) bằng cách sắp xếp các bộ lọc băng con Để tạo thêm được các

hệ số wavelet, băng con LL1 lại tiếp tục được phân tích tiếp Quá trình này được lặp lại cho đến khi có được kết quả mong muốn nhằm phù hợp với từng ứng dụng Tiếp theo nhúng thông tin thủy vân vào một hoặc một số wavelet băng con với các hệ số tương quan khác nhau (cần cân nhắc giữa tính trong suốt của ảnh sau khi nhúng và tính mạnh

mẽ của phương pháp) Sau đó tổng hợp lại các băng con để thu được ảnh chứa thủy vân Sau cùng thử nghiệm ảnh đã chứa thủy vân qua các phép biến đổi ảnh thông thường rồi tìm lại thủy vân gốc

Hình 2.3 Sơ đồ thủy vân tổng quát dùng phân tích DWT

2.1.5.1 Quá trình nhúng

Hình 2.4 Kết quả phân tích DWT ảnh gốc

Ảnh gốc được phân tích DWT 2 chiều ở mức 3 với 10 băng con Mỗi mức có thông tin băng tần cụ thể chẳng hạn như là LL, LH, HL và HH Băng tần thấp nhất nằm ở trên cùng bên trái, và băng cao nhất nằm ở dưới cùng bên phải

Cộng một chuỗi ngẫu nhiên giả N (thường dùng phân bố Gauss có trung bình bằng không và phương sai đơn vị) vào các hệ số của các băng tần số cao và băng tần

số giữa (nghĩa là tất cả các băng tần thấp nhất bị loại trừ, nằm ở góc trái bên trên của Hình 3.4) Phân bố chuẩn hóa được dùng vì nó khá mạnh mẽ với các loại tấn công kết cấu Để sắp xếp trọng số thủy vân vào các hệ số DWT có biên độ lớn, ta dùng một trong hai quan hệ theo hai phương trình sau đối với các hệ số của ảnh gốc y và ảnh đã thủy vân y’:

y’[m, n] = y[m, n]+ (y[m, n])2N[m, n] (2.3) hoặc

Giữa (2.3) và (2.4) về mặt toán học khác nhau nhưng lại có cùng mục đích là đặt nhiều trọng số thủy vân cộng vào các hệ số DWT có giá trị cao Tham số α dùng để điều khiển mức độ thủy vân, cách tốt nhất để chọn lựa là phải dung hòa giữa tính mạnh

mẽ và tính ẩn Cuối dùng biến đổi DWT ngược hai chiều để tạo lại ảnh đã nhúng thủy vân y’

2.1.5.2 Quá trình trích

Tại đầu cuối của kênh truyền, một bộ giải mã được dùng để trích thông tin thủy vân từ ảnh thu được Dựa trên ảnh thủy vân đề xuất, thuật toán phát hiện thủy vân bằng cách so sánh các hệ số DWT của ảnh thu được so với DWT của ảnh gốc (không nhúng thủy vân)

Bài toán gồm việc lấy khóa mật để đặt vào trong bằng cách tính tương quan các băng con ở mức phân giải đầu tiên (nghĩa là các hệ số tần số cao nhất) Thủy vân được phát hiện nếu có đỉnh tương quan ứng với dấu hiệu dương Nếu không, bộ giải mã thực hiện tiếp ở mức phân giải thứ hai để tìm đỉnh Nếu có một đỉnh thì thủy vân được gọi

là bị phát hiện nếu không cứ tiếp tục cho tới mức phân giải thứ ba

Kỹ thuật này cho phép phát hiện thủy vân tốt thậm chí cả ở phần bị sửa, giữ mức phát hiện sai ở trạng thái cực tiểu vì tìm kiếm dấu hiệu riêng xuyên qua từng bước phát hiện để xác nhận giá trị dương gọi là bị phát hiện Mục đích các bước của bộ phát hiện nhằm bảo đảm cực đại giá trị trích được trong bộ phát hiện với các khóa riêng, cực tiểu

số giá trị dương phát hiện sai

2.1.6 Kỹ thuật thủy vân dùng biến đổi DWT

Kỹ thuật thủy vân cơ bản sử dụng phép biến đổi DWT thường phân tích ảnh gốc thành bốn băng tần số khác nhau gồm: tần số

2.2 KỸ THUẬT THỦY VÂN DÙNG BIẾN ĐỔI DWT TRONG XÁC THỰC ẢNH Y TẾ

Hình ảnh y tế hoặc các thông tin y tế (ví dụ như, CT scan, hình ảnh MRI Scan vv) cần phải được an toàn hơn và đáng tin cậy Thông tin y tế nên được an toàn và ngăn chặn từ sửa đổi bởi người trái phép và cũng thay thế báo cáo của một người bởi những người khác Những vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách ẩn các thông tin bệnh nhân trong những hình ảnh y tế bởi watermarking cách tiếp cận, do đó bác sĩ

có thể chẩn đoán hình ảnh y tế và cũng có thể nó là an toàn hơn Khi đóng dấu hình ảnh y tế được thực hiện, một sự chăm sóc đặc biệt là cần thiết, để các nội dung y tế không bị xáo trộn hoặc bị mất Các thông tin bệnh nhân được nhúng vào hình ảnh y tế

mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng hoặc nội dung gốc của hình ảnh y tế

Dựa vào phép biến đổi DWT để chuyển thực hiện việc nhúng thông tin của bệnh nhân vào hình ảnh y tế Ở mức độ phân giải khác nhau, DWT có thể cung cấp nội địa hóa không gian và tần số, vì vậy DWT hiệu quả hơn khi so sánh với các biến đổi tên miền watermarking

2.2.1 Nhúng Thuật toán:

Các chi tiết của bệnh nhân được nhúng vào y tế hình ảnh như là watermark nội dung bởi watermarking như hình 2.5