Nâng cao hiệu quả và hiệu năng giấu tin trong ảnh số

Kĩ thuật giấutin có nhiều ứng dụng quan trọng như ngụy trang trong giao tiếp để bảo vệthông tin mật hoặc nhúng thông tin vào ảnh nhằm bảo vệ nội dung ảnh số.Trong luận án này, lược đồ nh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

VÕ PHƯỚC HƯNG

NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ

HIỆU NĂNG GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN

CẦN THƠ - 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

VÕ PHƯỚC HƯNG

NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ

HIỆU NĂNG GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN

Mã ngành: 62480104

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS ĐỖ THANH NGHỊ

CẦN THƠ - 2020

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Khoa Công nghệ Thông tin và Truyềnthông, Trường Đại học Cần Thơ Lời đầu tiên, Nghiên cứu sinh (NCS) bày tỏlòng tri ân sâu sắc đến PGS.TS Đỗ Thanh Nghị, người đã tận tình hướng dẫn

và định hướng trong suốt quá trình nghiên cứu luận án

NCS chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Cần Thơ, BanChủ nhiệm Khoa, Quý Thầy, Cô giảng viên Khoa Công nghệ Thông tin vàTruyền thông, Trường Đại học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôihoàn thành chương trình học tập và thực hiện nghiên cứu tại Trường Đại họcCần Thơ

NCS gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Nguyễn Thái Sơn, TrưởngKhoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh đã có những góp ýquý báu cho quá trình thực hiện nghiên cứu; Quý Thầy, Cô giảng viên Bộ mônCông nghệ Thông tin, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinhluôn động viên và khuyến khích tôi thực hiện nghiên cứu

Tôi trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Trà Vinh luôn tạođiều kiện tốt nhất cho tôi được tập trung thực hiện nghiên cứu

Cuối lời, tôi chân thành cảm ơn gia đình và bạn thân, những người luônbên cạnh, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập, thực hiệnnghiên cứu và hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh

VÕ PHƯỚC HƯNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Thanh Nghị.

Xin cam đoan các nội dung và kết quả nghiên cứu được trình bày

trong luận án là trung thực Một số kết quả nghiên cứu là thành quả tập thể và

đã được các đồng tác giả đồng ý cho sử dụng trong luận án Mọi tham khảođều được trích dẫn, chỉ rõ nguồn tham khảo theo đúng quy định.

ii

TÓM TẮT

Sự phát triển của truyền thông kĩ thuật số và hiệu năng tính toán cao củamáy tính tăng nhanh đã tạo ra sự tăng trưởng theo cấp số nhân trong việc sửdụng Internet Các tương tác trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội liên quanđến việc truyền tải nhiều dữ liệu phức tạp, chứa những thông tin quan trọng vànhạy cảm Việc bảo đảm nội dung giao dịch qua các phương tiện truyền thông

an toàn là một vấn đề cần được xem xét thấu đáo trong học thuật và trong côngnghiệp Do đó, nghiên cứu bảo mật thông tin thu hút ngày càng nhiều sự quantâm và phạm vi ứng dụng của nó ngày càng mở rộng đáng kể Cùng với việcthông tin số dễ dàng bị đánh cắp, giả mạo, nhân bản và phân phối…, các cơchế bảo mật truyền thông đã được nghiên cứu và phát triển để bảo vệ quyềnriêng tư thông tin của con người Nhiều giải pháp kĩ thuật, trong đó có kĩ thuậtgiấu tin trong ảnh số, đã ra đời để giải quyết vấn đề này Ảnh số là một trongnhững nội dung số quan trọng cần được bảo vệ Đồng thời, ảnh số cũng là đốitượng phù hợp cho việc nhúng dữ liệu, thông tin mà ít tạo sự chú ý đối vớingười dùng không chỉ định Giấu tin khả nghịch ảnh số là kĩ thuật nhúng thôngtin vào ảnh theo cách của người gửi mà không bị phát hiện bởi các hệ thống thịgiác của người hoặc máy Hơn nữa, ảnh gốc được khôi phục hoàn toàn sau khithông tin nhúng được trích xuất bởi người nhận được chỉ định Kĩ thuật giấutin có nhiều ứng dụng quan trọng như ngụy trang trong giao tiếp để bảo vệthông tin mật hoặc nhúng thông tin vào ảnh nhằm bảo vệ nội dung ảnh số.Trong luận án này, lược đồ nhúng tin khả nghịch trong miền tần số ảnh Stereovới khả năng nhúng tin và hiệu quả chất lượng ảnh mang tin đạt ở mức cao và

an toàn được đề xuất Ngoài ra, để bảo vệ bản quyền nội dung ảnh Stereo, lược

đồ nhúng tin thủy vân ảnh trong miền tần số mạnh và bền vững cũng được đềxuất Kết quả thực nghiệm cho thấy, thông tin nhúng vào miền biến đổi DCTảnh đạt hiệu quả cao, đáp ứng yêu cầu của hệ thống giấu tin: hiệu quả ảnh saunhúng tin (ảnh Stego), hiệu năng nhúng thông tin vào ảnh bền vững và an toàn

tương đồng giữa hai ảnh, lượng tử hóa các hệ số biến đổi DCT được thực hiện trêntừng khối ảnh trái và phải có kích thước (8×8) Nếu sự khác biệt giữa các hệ số lượng

tử trong vùng tần số thấp trong phép biến đổi DCT của hai khối ảnh trái và phải nhỏhơn ngưỡng thì được xem là giống nhau Một biểu đồ tần số các hệ số lượng tử trongvùng tần số trung bình được xây dựng Các hệ số của biểu đồ được dịch chuyển haichiều để nhúng thông tin Sự thay đổi hệ số trong miền tần số để nhúng thông tin ítgây nguy hại đến chất lượng ảnh so với nhúng trực tiếp vào giá trị điểm ảnh trongmiền không gian

- Biến đổi DCT loại bỏ sự tương quan giữa các điểm ảnh trong miềnkhông gian, giúp xác định vùng tần số nhúng tin phù hợp Để cải tiến khả năng nhúng

và duy trì chất lượng ảnh Stego ở mức cao, một lược đồ điều hướng nhúng EDH được

đề xuất kết hợp với lược đồ dịch chuyển 2-D Kết quả thực nghiệm cho thấy, phươngpháp đề xuất đạt được sự cân bằng giữa khả năng nhúng thông tin và tính trong suốtảnh Stego so với ảnh Stereo gốc

chỉnh sửa, sao chép và phát tán bất hợp pháp bằng những phương tiện sẵn có Vì vậy,bảo vệ bản quyền nội dung ảnh số cũng là vấn đề cần được quan tâm Luận án đề xuấtlược đồ nhúng tin thủy vân ảnh số ẩn để bảo vệ bản quyền sở hữu trí tuệ ảnh số Khaitriển SVD các hệ số lượng tử trên đường chéo phụ của hai khối ảnh tương đồng kíchthước (8×8) được thực hiện Thông tin thủy vân sẽ được nhúng vào giá trị riêng trongphép phân tích SVD Qua kết quả thực nghiệm, lược đồ nhúng thủy vân ẩn đề xuất dựatrên biến đổi DCT và SVD cho thấy đạt được sự bền vững trước một số tấn công xử líảnh và hình học

của hệ thống giấu tin thủy vân số ẩn, một phương pháp mã hóa ảnh nhúng thủy vân vàảnh thủy vân được đề xuất Sơ đồ mã hóa ảnh dựa trên thuyết hỗn loạn, một cơ sở toánhọc tốt để khuếch tán mối quan hệ lân cận các điểm ảnh trong ảnh Sự mã hóa ảnh đểnhúng thông tin thủy vân dựa trên phân tích SVD các hệ số lượng tử không chỉ nângcao tính bền vững mà còn giữ hệ thống nhúng thủy vân được an toàn Bởi vì, thông tinthủy vân không chỉ được nhúng vào miền biến đổi tần số ảnh mà vị trí nhúng thông tincũng bị ẩn giấu

iv

The rapid growth of digital communication technologies and efficientperformances of the computer has created exponential growth in Internet usage.Interactions in all areas of social life relate to the transmission of complex data,containing sensitive and important information Ensuring the contents oftransactions through secure media is an issue that needs to be carefullyconsidered in academia and the industry Therefore, research about informationsecurity has attracted more and more interests and the scope of its applicationshas significantly expanded Along with digital information being easily stolen,forged, duplicated, and distributed, communication security mechanisms havebeen researched and developed to protect the privacy of users Many technicalsolutions, including the technique of hiding information in digital images, haveemerged to solve this problem Digital images are a kind of important digitalcontent that needs to be protected Simultaneously, digital images are alsosuitable objects for embedding data and information but create little attention forunspecified users Reversible data hiding in digital images is a technique thatembeds data in digital images by the way the sender does without being detected

by human or machine vision systems Furthermore, the original image can befully recovered after the embedded information is extracted by appointedreceivers Data hiding techniques have many important applications such ascamouflaging in communication to protect confidential information or embeddinginformation in images to protect digital image contents In this thesis, a reversibledata embedding scheme in the Stereo image frequency-domain with the ability toembed information and the efficiency of the high quality and secure imagequality is proposed Also, to protect the copyright of the Stereo image contents, astrong and sustainable image embedded watermarking scheme in the frequencydomain is proposed The experimental results show that the informationembedded in the image DCT transformation domain achieved high efficiency,meeting the requirements of the data hiding system: the effect of the images afterembedding data (Stego images), the performance of embedding information intothe images are durable and safe

- Based on features of Stereo images, consisting of left and right image,there are many similar blocks between two images, quantization of the DCTtransformation coefficients is performed on each left and right block with dimensions(8×8) If the differences between the quantum coefficients in the low-frequency area inthe DCT transformation of the left and right image blocks are less than threshold , theyare considered the same A frequency chart of the

quantum coefficients in the region of the average frequency is constructed.Graph coefficients are shifted with two dimensions to embed information Thecoefficient changes in the frequency domain to embed information does lessharm to the quality of images compared to embedding directly into the pixelvalue in the spatial domain.

- The DCT transformation eliminates the correlation between pixels in thespatial domain, helps determine the appropriate embedded frequency area To improveembedding capabilities and to maintain a high level of the quality of Stego images, anembedded EDH navigation scheme is proposed in conjunction with the 2-D shiftingscheme The experimental results indicate that the proposed method achieves a balancebetween the ability to embed information and the transparency of Stego images compared

to the original Stereo images

- Unlike traditional images, digital images are easily edited, copied, anddistributed illegally by available means Therefore, protecting the copyright of contents indigital images is also a matter of concern This thesis proposes a scheme to embedinvisible watermarks in a digital image to protect its intellectual property rights SVDexpansion of the quantum coefficients on the sub-diagonal of two similarly sized (8 × 8)image blocks were performed The watermarked information will be embedded in specificvalues in the SVD analysis Through the experimental results, the proposed invisiblewatermarking embedding scheme based on the DCT and SVD transformations shows thatthe stability is achieved against some image processing and geometry attacks

However, to optimize the balance between sustainability and safety ofinvisible digital watermarking data hiding systems, a method of encodingwatermarked embedded images and watermarked images is proposed Theimage encoding diagram is based on the Chaos theory which is a soundmathematical basis for diffusing the neighbors of pixels in an image Imageencoding for embedding watermarked information based on the SVD analysis

of quantum coefficients does not only improve the stability but also keep theembedded watermarked system safe That is because the watermarkedinformation is not only embedded in the image frequency variation domain butalso the locations of the embedding of information are hidden

vi

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT v

MỤC LỤC vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ xi

DANH MỤC HÌNH VẼ xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

Chương 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 An toàn và bảo mật thông tin 1

1.2 Mã hóa thông tin và giấu thông tin 2

1.2.1 Mã hóa thông tin 2

1.2.2 Giấu thông tin 3

1.3 Giấu tin trong ảnh số 4

1.3.1 Ảnh số 5

1.3.2 Hệ thống giấu tin 5

1.3.3 Kĩ thuật giấu tin trong ảnh số 6

1.3.4 Ứng dụng của kĩ thuật giấu tin 8

1.4 Nội dung nghiên cứu của luận án 9

1.5 Mục tiêu nghiên cứu 10

1.6 Phương pháp nghiên cứu 10

1.7 Đóng góp của luận án 10

1.8 Cấu trúc luận án 11

Chương 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12

2.1 Giới thiệu 12

2.2 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống giấu tin 12

2.2.1 Chất lượng ảnh 12

2.2.2 Bền vững ảnh giấu tin 14

2.3 Phân loại kĩ thuật giấu tin trong ảnh 14

2.3.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa trên ảnh khôi phục 14

2.3.1.1 Giấu tin bất khả nghịch 14

2.3.1.2 Giấu tin khả nghịch 15

2.3.2 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa trên miền nhúng thông tin 15

2.3.2.1 Kĩ thuật giấu tin trong miền không gian 16

2.3.2.2 Giấu tin trong miền tần số ảnh 26

2.3.3 Kĩ thuật giấu tin dựa trên ảnh mang tin 28

2.3.4 Giấu tin dựa trên học máy và trí tuệ nhân tạo 29

2.4 Kết luận chương 32

Chương 3: GIẤU TIN KHẢ NGHỊCH TRONG MIỀN TẦN SỐ ẢNH STEREO 33

3.1 Giới thiệu 33

3.2 Cơ sở lí thuyết 35

3.2.1 Biến đổi cosine rời rạc (DCT) 35

3.2.2 Lượng tử và giải lượng tử trong chuẩn nén JPEG 37

3.3 Giấu tin khả nghịch trên ảnh Stereo với lược đồ dịch chuyển 2-D các hệ số biến đổi DCT 38

3.3.1 Giấu tin khả nghịch dựa trên dịch chuyển lược đồ 2-D hệ số DCT 38

3.3.1.1 Tìm khối ảnh giống nhau 39

3.3.1.2 Dịch chuyển và nhúng 41

3.3.2 Trích xuất dữ liệu ẩn giấu và khôi phục ảnh gốc 46

3.3.3 Kết quả thực nghiệm và đánh giá 49

3.4 Giấu tin khả nghịch dựa trên lược đồ điều hướng nhúng để dịch chuyển hệ số DCT trong lược đồ 2-D 58

3.4.1 Giới thiệu 58

3.4.2 Xây dựng lược đồ điều hướng nhúng 59

3.4.3 Kĩ thuật nhúng thông tin dựa trên lược đồ dịch chuyển 2-D và EDH 61

viii

3.4.3.1 Dịch chuyển lược đồ 62

3.4.3.2 Nhúng thông tin 62

3.4.3.3 Ví dụ quá trình nhúng thông tin dựa trên EDH 63

3.4.4 Trích xuất thông tin và phục hồi ảnh nhúng 66

3.4.4.1 Thủ tục trích xuất thông tin 67

3.4.4.2 Ví dụ tiến trình rút trích thông tin và khôi phục ảnh gốc 68 3.4.5 Kết quả thực nghiệm và đánh giá 70

3.5 Kết luận chương 77

Chương 4: GIẤU TIN THỦY VÂN SỐ ẨN BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH STEREO 78

4.1 Giới thiệu 78

4.2 Cơ sở lí thuyết 80

4.2.1 Phân tích giá trị riêng (SVD) 80

4.2.2 Thuyết hỗn loạn 80

4.3 Sơ đồ nhúng tin thủy vân số bền vững trong miền tần số ảnh Stereo để bảo vệ bản quyền sở hữu trí tuệ 81

4.3.1 Thủ tục nhúng tin thủy vân số cho ảnh Stereo 81

4.3.1.1 Tiến trình tìm khối ảnh tương đồng 82

4.3.1.2 Tiến trình phân tích SVD các hệ số DCT và nhúng ảnh thủy vân 82

4.3.2 Thủ tục trích xuất ảnh thủy vân và xác thực 84

4.3.3 Kết quả thực nghiệm và đánh giá 85

4.4 Sơ đồ nhúng tin thủy vân số an toàn và bền vững cho ảnh Stereo kết hợp phép biến đổi tần số DCT-SVD và thuyết hỗn loạn 92

4.4.1 Kĩ thuật giấu tin thủy vân ẩn ảnh Stereo 93

4.4.2 Kĩ thuật trích xuất ảnh thủy vân số 94

4.4.3 Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm hệ thống thủy vân số bền vững và an toàn 95

4.4.3.1 Đánh giá độ nhạy cảm của tham số x0 và μ 95

4.4.3.2 Phân tích quan hệ lân cận điểm ảnh trong ảnh 96

4.4.3.3 Tính hiệu quả và bền vững của hệ thống nhúng thủy vân số 99

4.5 Kết luận chương 102

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 103

5.1 Kết luận 103

5.2 Hướng phát triển 104

DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC 120

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

Transform

PSNR Peak signal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu

xi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mục tiêu an toàn và bảo mật thông tin 2

Hình 1.2 Sơ đồ hệ mật mã khóa đồng bộ [2] 3

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống giấu tin 3

Hình 1.4 Ảnh số 5

Hình 1.5 Các thành phần của ảnh màu 5

Hình 1.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống giấu tin trong ảnh 6

Hình 1.7 Lĩnh vực ứng dụng khác nhau của giấu tin 8

Hình 2.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin ảnh số 15

Hình 2.2 Cấu trúc ảnh đa cấp xám 16

Hình 2.3 Nhúng tin theo phương pháp LSB 17

Hình 2.4 Tiến trình nhúng và trích xuất thông tin dựa trên độ lệch cường độ 19 Hình 2.5 Ảnh Lena và biểu đồ xám ảnh Lena 20

Hình 2.6 Biểu đồ xám ảnh Lena sau khi dịch phải các giá trị thuộc (153,254) 21 Hình 2.7 Kết quả thực nghiệm: (a) ảnh gốc I c , ảnh sau khi nhúng I s 22

Hình 2.8 Cấu trúc khối ảnh sau biến đổi DCT 26

Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống giấu tin dựa trên biến đổi DCT 27

Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống giấu tin dựa trên biến đổi DWT 27

Hình 3.1 Một cặp của ảnh Stereo [22, 23] 33

Hình 3.2 Tiêu chuẩn tiêu biểu hệ thống giấu tin khả nghịch 34

Hình 3.3 Sơ đồ nén ảnh JPEG 35

Hình 3.4 Biểu diễn khối ảnh trong miền không gian và miền tần số DCT 37

Hình 3.5 Lượng tử hóa các hệ số DCT khối ảnh Hình 3.4 (b) 38

Hình 3.6 Sơ đồ nhúng tin vào miền tần số ảnh Stereo 39

Hình 3.7 Thứ tự quét zigzag trong khối 8×8 40

Hình 3.8 Cặp khối ảnh tương đồng 41

Hình 3.9 Đồ thị các cặp hệ số lượng tử trong vùng tần số trung bình 42

Hình 3.10 Giấu tin dựa trên lược đồ dịch chuyển 2-D 44

Hình 3.11 Cặp khối ảnh Stego 46

Hình 3.12 Sơ đồ quá trình trích xuất dữ liệu và khôi phục ảnh 47

Hình 3.13 Ảnh Baboon dùng làm thông tin nhúng 49

Hình 3.14 Một số cặp ảnh Stereo mẫu 50

Hình 3.15 Ảnh Stego thực nghiệm với = 20, μ = 70 52

Hình 3.16 Ràng buộc tham số và μ ảnh hưởng đến EC và PSNR 55

Hình 3.17 Hiệu quả của phương pháp ĐX1 theo EC và PSNR được so sánh với phương pháp của Yang và Chen với = 20, μ = 70 56

Hình 3.18 Sơ đồ nhúng tin 59

Hình 3.19 Lược đồ tần suất 60

Hình 3.20 Lược đồ EDH 61

Hình 3.21 Lược đồ 2-D các cặp hệ số lượng tử DCT của vùng nhúng 61

Hình 3.22 Nhúng dữ liệu bằng cách chập hai lược đồ 63

Hình 3.23 Cặp khối ảnh tương đồng trong miền tần số 63

Hình 3.24 Lược đồ 2-D hệ số lượng tử DCT vùng nhúng thông tin 64

Hình 3.25 Lược đồ thông tin nhúng 64

Hình 3.26 Lược đồ điều hướng nhúng EDH 65

Hình 3.27 Cặp khối ảnh Stego-Stereo 66

Hình 3.28 Sơ đồ trích xuất thông tin và khôi phục ảnh gốc 67

Hình 3.29 Cặp khối ảnh Stego lượng tử 69

Hình 3.30 Bộ ảnh Stereo mẫu 70

Hình 3.31 Ảnh hưởng của hệ số μ đến khả năng nhúng thông tin 71

Hình 3.32 Khả năng và chất lượng ảnh nhúng với các hệ số μ 72

Hình 3.33 Hiệu năng nhúng tin các phương pháp khi PSNR = 45 (dB) 75

Hình 3.34 Đồ thị so sánh PSNR và EC giữa ba phương pháp liên quan 76

Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống giấu tin thủy vân số 79

Hình 4.2 Đồ thị phân kì hàm Logistic 81

Hình 4.3 Cặp khối tương đồng với ngưỡng = 5 82

Hình 4.4 Minh họa tiến trình phân tích SVD và nhúng ảnh thủy vân 84

xiii

Hình 4.5 Ảnh thủy vân nhị phân, logo Trường Đại học Cần Thơ 86

Hình 4.6 Ảnh Stereo gốc [22, 23] 87

Hình 4.7 Ảnh Stereo nhúng thủy vân và ảnh thủy vân trích xuất 88

Hình 4.8 Mối quan hệ giữa tính trong suốt và bền vững 89

Hình 4.9 PSNR với các hệ số nhúng σ khác nhau 89

Hình 4.10 Tấn công xén ảnh nhúng thủy vân và ảnh thủy vân trích xuất 91

Hình 4.11 Tấn công xử lí ảnh nhúng thủy vân và ảnh thủy vân trích xuất 92

Hình 4.12 Sơ đồ thủy vân số trong miền biến đổi tần số tín hiệu ảnh mã hóa 93 Hình 4.13 Sự nhạy cảm với điều kiện ban đầu của hệ thống 96

Hình 4.14 Quan hệ lân cận của 2048 cặp điểm, (b)-(d) quan hệ lân cận các điểm ảnh trong ảnh gốc theo hướng ngang, dọc và chéo; (f)-(h) quan hệ lân cận các điểm ảnh trong ảnh mã hóa theo hướng ngang, dọc và chéo 97

Hình 4.15 Ảnh nhúng thủy vân và ảnh thủy vân trích xuất 100

Hình 4.16 Ảnh thủy vân trích xuất sau khi bị tấn công xén 100

Hình 4.17 Ảnh thủy vân và ảnh nhúng thủy vân 101

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các kĩ thuật an toàn bảo mật thông tin 4

Bảng 1.2 So sánh mục tiêu và đặc tính của kĩ thuật giấu tin mật với kĩ thuật giấu tin thủy vân 9

Bảng 2.1 Tóm tắt một số phương pháp giấu tin trong miền không gian ảnh số 24 Bảng 2.2 Tóm tắt một số phương pháp giấu tin trong miền tần số ảnh 30

Bảng 3.1 Từng bước tiến trình nhúng thông tin 45

Bảng 3.2 PSNR và EC của tập dữ liệu gồm 50 ảnh Stereo với =20 và các μ 51 Bảng 3.3 PSNR và EC của tập dữ liệu gồm 50 ảnh Stereo với μ =75 và các 53 Bảng 3.4 Kết quả thực nghiệm của phương pháp ĐX1 và phương pháp Yang và Chen [73] 55

Bảng 3.5 So sánh phương pháp ĐX1 với một vài nghiên cứu liên quan khác với =5, μ = 75 57

Bảng 3.6 Bảng tần suất s i 59

Bảng 3.7 Tiến trình nhúng dữ liệu 65

Bảng 3.8 Ví dụ tiến trình trích xuất thông tin và khôi phục ảnh mang tin 69

Bảng 3.9 PSNR và EC của tập dữ liệu gồm 50 ảnh Stereo với μ =75 và các 73 Bảng 3.10 PSNR và EC của tập dữ liệu gồm 50 ảnh Stereo với =20 và các μ 74 Bảng 3.11 PSNR ảnh Stego so với ảnh gốc với EC=20000 bits của các phương pháp với tham số μ =75 77

Bảng 4.1 Kết quả PSNR của ảnh nhúng thủy vân và BCR của ảnh thủy vân trích xuất với các hệ số σ 90

Bảng 4.2 Entropy thông tin quan hệ lân cận các điểm ảnh 98

Bảng 4.3 Kết quả ảnh nhúng thủy vân sau tấn công và ảnh thủy vân trích xuất 101 Bảng 4.4 PSNR và SSIM của ảnh nhúng thủy vân 102

xv

Chương 1: GIỚI THIỆU

1.1 An toàn và bảo mật thông tin

Với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và phát triển khoa học kĩ thuật,nhân loại đang bước vào một thời đại mới − thời đại của nền kinh tế thông tintoàn cầu Trong những năm gần đây, rất nhiều thông tin được số hóa bao trùmtrong các lĩnh vực: kinh tế, văn hóa, xã hội, giáo dục, quân sự… và được lưu trữtrên đám mây điện toán, phân phối qua hệ thống mạng Dù rằng, Internet được sửdụng như một phương tiện giao tiếp, thuận lợi trong trao đổi thông tin theo nhucầu Nhưng đồng thời, môi trường Internet cũng mang đến cho con người nhiềurủi ro trong giao tiếp Khi công cuộc chuyển đổi số đang đi vào chiều sâu, càngnhiều thông tin số được giao tiếp từ xa qua mạng Trong số đó, nhiều thông tinquan trọng đang được trao đổi, điều này đã thu hút sự quan tâm của nhiều ngườidùng trái phép như là đánh cắp, giả mạo, thay đổi nội dung thông tin có chủ đích.Ngày nay, hơn bao giờ hết, sự phát triển mạnh mẽ của các tội phạm tin học bằngcác công cụ sẵn có trên mạng đã và đang làm cho các quốc gia trên toàn thế giớiphải đối mặt với những đe dọa nghiêm trọng về an ninh và an toàn thông tin Đócũng là vấn đề nghiêm trọng kìm hãm sự phát triển về kinh tế, xã hội của cácquốc gia nếu như không có giải pháp hữu hiệu ngăn chặn làn sóng ấy An toàn vàbảo mật thông tin trở thành sự bảo đảm quan trọng cho phát triển kinh tế, xã hộitrong các lĩnh vực giao tiếp, lưu trữ, chính sách nội dung và xác thực dữ liệu.Phương pháp bảo đảm sự an toàn thông tin còn gọi là kĩ thuật an toàn thông tin và

an ninh mạng Kĩ thuật này được thiết kế nhằm bảo vệ thông tin trước những đedọa tấn công Hiện nay, hai kĩ thuật bảo đảm sự an toàn của thông tin là mã hóathông tin (Cryptography) và giấu thông tin (Steganography/Information hiding)

Mã hóa thông tin là kĩ thuật làm cho tin tặc không hiểu được nội dung bản tin Mãhóa thông tin hầu hết được tiếp cận cho những ứng dụng bảo vệ sự an toàn củathông tin bằng cách diễn dịch bản tin từ dạng rõ nghĩa sang dạng vô nghĩa Trongkhi đó, giấu thông tin là kĩ thuật nhúng nội dung thông tin mật cần bảo vệ vàotrong thông tin khác làm cho tin tặc không phát hiện thông tin đã giấu, hoặcnhúng nội dung thông tin vào trong thông tin khác cần được bảo vệ Như vậy, kĩthuật giấu tin không chỉ bảo đảm sự bí mật của thông tin được giấu trong quátrình truyền tin, mà còn bảo vệ nội dung đối tượng mang thông tin ẩn giấu Vớinhững đặc điểm, tính chất kĩ thuật như vậy, giấu thông tin đang trở thành mộtcách tiếp cận mới trong lĩnh vực an ninh và an toàn thông tin Nó được sử dụngnhiều cho các ứng dụng bảo mật, ngụy trang trong giao tiếp cũng như bảo vệ bảnquyền nội dung thông tin, đặc

biệt là trong các giao dịch điện tử trên môi trường Internet, một môi trường mạng mở trao đổi không tin cậy [1–7].

Trong khoa học máy tính và hệ thống thông tin, an toàn và bảo mật thông

thông tin bí mật không bị truy cập trái phép,

• Toàn vẹn dữ liệu (Integrity): bảo đảm thông tin chỉ có thể được thay

đổi bởi người dùng được chỉ định,

thông tin cho người dùng hợp pháp

Hình 1.1 Mục tiêu an toàn và bảo mật thông tin

1.2 Mã hóa thông tin và giấu thông tin

Mục tiêu chính của mã hóa thông tin và giấu thông tin, sau đây gọi tắt là

mã hóa tin và giấu tin, là giữ sự an toàn cho thông tin trong truyền thông giaotiếp Tuy nhiên, để có sự phân định rõ ràng giữa hai kĩ thuật này trong các hệthống ứng dụng an toàn thông tin, ta cần xem xét ý nghĩa gốc của từ mà nóđược định danh Cả hai thuật ngữ đều có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, “Mã hóatin” – Cryptography với nghĩa là ‘Secret writing’, trong khi “Giấu tin” –Steganography mang ý nghĩa là ‘Covered writing’ Như vậy, mã hóa tin là kĩthuật chuyển mã làm cho thông tin không còn ý nghĩa về mặt tri thức đối vớibên thứ ba, bên không được chỉ định Trong khi đó, giấu tin là kĩ thuật nhúngthông tin bên trong đối tượng mang tin nhưng không phá vỡ cấu trúc của đốitượng mang tin nhằm ngụy trang sự giao tiếp thông tin đối với bên thứ ba.Giấu tin tạo ra kênh giao tiếp an toàn giữa người gửi và người nhận được chỉđịnh [9]

1.2.1 Mã hóa thông tin

Mã hóa tin là một lĩnh vực liên quan đến các kĩ thuật ngôn ngữ học và toánhọc, là kĩ thuật mã hóa thông tin mà ở đó người gửi (sender) mã hóa dữ liệu ở

2

dạng đọc hiểu/bản rõ (plain-text) sang dạng đọc không hiểu hay còn gọi bản mật

mã (cipher-text) trước khi gửi đến cho người nhận (recipient) Để hiểu đượcthông điệp, người nhận phải giải mã với khóa thích hợp và kể từ đó thông điệpkhông còn được bảo vệ Hình 1.2 biểu diễn sơ đồ hệ mật mã khóa đồng bộ Hơnnữa, với môi trường truyền thông đa phương tiện, các bản mật mã dễ gây chú ýđến những tin tặc và hệ thống giám sát truyền thông trên môi trường mạng Từ

đó, tin tặc luôn tìm cách thám mã để đọc những thông tin bị mã hóa đó

Hình 1.2 Sơ đồ hệ mật mã khóa đồng bộ [2]

1.2.2 Giấu thông tin

Để bảo đảm an toàn thông tin, bên cạnh kĩ thuật mã hóa tin còn có kĩ thuậtgiấu tin Thông tin cần giấu có thể được điều chỉnh sao cho phù hợp với đa dạngđối tượng mang tin như hình ảnh, âm thanh, video, và văn bản Lợi ích của giấutin so với mã hóa tin là không bộc lộ bất kì sự khác thường nào đối với tin tặc là

có thông tin được nhúng bên trong vật mang tin Hình 1.3 trình bày sơ đồ hệthống giấu tin nhằm ngụy trang sự giao tiếp hay còn gọi là giao tiếp ẩn

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống giấu tinNhư vậy, mục tiêu chính của hai kĩ thuật mã hóa tin và giấu tin là bảođảm an toàn thông tin Tuy nhiên, có sự khác nhau quan trọng giữa hai kĩ thuậtnày, với mã hóa tin thì bên thứ ba có thể nhìn thấy sự giao tiếp thông tin mậtgiữa bên gửi và bên nhận; trong khi đó với giấu tin thì sự tồn tại của thông tinmật hoàn toàn được ẩn giấu, có nghĩa là không ai nhìn thấy sự trao đổi thôngtin mật giữa bên gửi và bên nhận

Bảng 1.1 tóm tắt sự khác nhau chính của hai kĩ thuật bảo đảm an toàn

và cần có khóa để đọc thông tin, do đó trong trường hợp tốt nhất tin tặc khôngthể giải mã Tuy nhiên, do bản mật mã dễ dàng bị chỉnh sửa nên tính toàn vẹn

về dữ liệu không còn được bảo đảm Với mục tiêu ẩn thông tin mật khi giaotiếp, về nguyên tắc, kĩ thuật giấu tin không bị phát hiện và dữ liệu được giữ bímật trừ khi tin tặc tìm được cách phát hiện ra nó

Bảng 1.1 So sánh các kĩ thuật an toàn bảo mật thông tin

đến đối tượng mangtin

1.3 Giấu tin trong ảnh số

Tính bí mật của thông tin liên lạc được bảo đảm chủ yếu bởi khả năng ngụytrang của thuật toán được áp dụng trên đối tượng mang tin cũng như mức độ xử lí

dữ liệu, đây được xem là khả năng chống lại các nỗ lực phát hiện thông tin ẩn.Đối tượng mang tin (cover media) tốt nhất phải thỏa mãn hai điều kiện:

bình thường, không bộc lộ bất kì sự đặc biệt nào nhằm ngụy trang sự giao tiếp thôngtin giữa các bên; (2) những sửa chữa liên quan đến nhúng thông tin vào đối tượngmang tin là không rõ ràng và trong suốt để không gây chú ý đối với hệ thống giám sátthông tin Thực tế cho thấy rằng ảnh số là đối tượng mang tin tốt vì sự phổ biến của nócũng như sự dư thừa dữ liệu bên trong ảnh Đó là môi trường tốt để nhúng thông tin vì

ít phá vỡ màu sắc và cấu trúc ảnh

4

1.3.1 Ảnh số

Đối với máy tính, ảnh số I là một mảng hai chiều có kích thước M×N chứa những con số biểu thị

cho độ sáng của mỗi điểm ảnh (pixel) và được biểu diễn bởi hàm số:

= { ( , ) ∈ [0, ]|1 ≤ ≤ , 1 ≤ ≤ }

trong đó, I(x,y) là giá trị màu hay mức sáng của điểm ảnh tại hàng thứ x và cột thứ y của ma trận điểm ảnh I, B là biên độ màu sắc cực đại có thể của ảnh.

Hình 1.4 phânloại ba kiểu màu sắc của ảnh số ‘Lena’ Dựa vào vùng của

I(x,y) mà ta có thể phân loại ảnh số thành ảnh nhị phân, khi đó giá trị điểm ảnh

là: I(x,y) {0,1} Hoặc giá trị màu điểm ảnh chứa trong vòng 8 bits dữ liệu gọi

của một điểm ảnh trong ảnh màu được tạo thành bởi ba thành phần màu chính:

đỏ (red), xanh lá (green), và xanh dương (blue), mỗi thành phần được biểudiễn bằng 8 bits Như vậy, ảnh 24-bit, mỗi điểm ảnh dùng 3 bytes để biểu thị

của ảnh màu ‘Lena’

5

Herodotus viết rằng vào khoảng năm 480 trước Công nguyên, để có thể giao tiếp

bí mật, Histiaeus đã cho xăm thông tin lên da đầu người nô lệ và đợi đến khi tócmọc đầy trở lại, người nô lệ ra đi với thông điệp được mang theo [10] Hay trongtác phẩm ‘The Prisonsers’ Problem’ [11], Simmons mô tả cách hai tù nhân đãthành công trong giao tiếp, tránh khỏi sự giám sát của quản giáo nhờ dựa vào kĩthuật giấu tin khi họ bị giam cầm biệt lập ở hai phòng khác nhau

Về cơ bản, một hệ thống giấu tin có thể phân thành hai tiến trình: (i) tiến

1.3.3 Kĩ thuật giấu tin trong ảnh số

Với sự phát triển của kĩ thuật xử lí ảnh và phổ biến của mạng Internet,ảnh số ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác từ y tế, pháp lí,cho đến mua sắm hàng ngày Vì vậy, trong nghiên cứu này, ảnh số được sửdụng như một đối tượng mang tin nhằm bảo vệ thông tin mật trong giao tiếp

và lưu trữ Bên cạnh đó, nội dung thông tin ảnh số cũng được bảo vệ bảnquyền và quyền sở hữu trí tuệ với việc nhúng một lượng thông tin phù hợp vào

Hình 1.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống giấu tin trong ảnh

Trong đó:

mật (Secret information) hay thông tin thủy vân (Watermarking information)

Tiến trình nhúng tin, khóa (Key) k có thể được chọn để tăng tính bảo mật

=( , , [ ])

Tiến trình trích xuất thông tin: thông tin mật S được trích xuất ra từ ảnh

công thức:

( , ′ ) = ( , [ ])

và gửi đi có thể bị tấn công và bị gây ra nhiễu Thông tin nhúng sẽ được trích

của hệ thống giấu tin được xác định dựa vào các đặc tính kĩ thuật khác nhaucủa hệ thống giấu tin [12–18] Tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà mức độ quantâm mỗi đặc tính sẽ là khác nhau Các đặc tính kĩ thuật của hệ thống giấu tingồm có:

(Stego-image quality): là hiệu quả của phương pháp giấu tin để không bị phát hiện

bởi hệ thống thị giác của máy hay người (HVS – Human Visual System) Chất lượng

nghĩa là so sánh sự khác biệt giữa ảnh sau khi nhúng thông tin và ảnh trước khi nhúngthông tin

ứng dụng xử lí ảnh y sinh và pháp y Đặc tính này cũng đã phân chia hướng nghiêncứu và ứng dụng của hệ thống giấu tin thành hệ thống giấu tin khả nghịch và hệ thống

bất khả nghịch

đựng sự tấn công lên ảnh như là nén, gây nhiễu, cắt xén, xoay

7

• Tính an toàn (Security): Cho dù thông tin ẩn có thể bị phát hiện

thì cũng chỉ được thực hiện bởi người dùng sở hữu, ngay cả khi ảnh Stego có thể bị tấn

công

1.3.4 Ứng dụng của kĩ thuật giấu tin

Trong xã hội ngày nay, khi việc giao tiếp qua phương tiện truyền thông điện

tử ngày càng trở nên phổ biến và thông tin có ý nghĩa cực kì quan trọng, thì kĩthuật giấu tin được xem như cách an toàn trong giao tiếp Mặc dù mục tiêu chínhcủa giấu tin và mã hóa tin là giống nhau, nhưng cách tiếp cận có sự khác nhau Hệthống mã hóa tin được đánh giá là không an toàn khi bên thứ ba truy xuất đượcthông tin gốc; trong khi đó, hệ thống giấu tin bị đánh giá là thất bại nếu bên thứ

ba biết được sự tồn tại của thông tin giấu bên trong đối tượng mang tin Do đó, kĩthuật giấu tin trong ảnh không những che giấu sự hiện diện của thông tin ẩn màcòn duy trì sự ổn định về cấu trúc, định dạng của ảnh mang tin

[3]. Hình 1.7 trìnhbàylĩnh vựcứng dụng khác nhau củakĩ thuật giấu tin

Hình 1.7 Lĩnh vực ứng dụng khác nhau của giấu tin

Kĩ thuật giấu tin mật được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y

tế, quân sự, pháp lí,… [19, 20] Dựa vào đặc tính chính xác (fidelity) của ảnhđược khôi phục sau khi thông tin mật được trích xuất, ta có hệ thống giấu tinkhả nghịch hay bất khả nghịch

Bên cạnh đó, những thông tin số, nhất là hình ảnh, rất dễ bị sao chép, chỉnhsửa và phân phối bất hợp pháp qua mạng Vì vậy, kĩ thuật giấu tin cũng được ứngdụng trong việc bảo vệ bản quyền, chống sao chép Ở đó, một mẫu thông tin nhỏ,chẳng hạn logo, được nhúng vào đối tượng ảnh nào đó mà ta cần bảo vệ thì đượcgọi là nhúng tin thủy vân số Dựa vào cách hiển thị của thông tin thủy vân mà ta

có hệ thống nhúng tin thủy vân số hiện/nổi (visibility) hay hệ thống nhúng tinthủy vân ẩn (invisibility) Kĩ thuật nhúng tin thủy vân số được ứng dụng mạnhtrong việc theo vết sản phẩm, phát hiện giả mạo, gian lận, giám

sát phát sóng truyền hình/truyền thanh, quản lí nội dung số trên mạng xã hội[21].

Bảng 1.2 trìnhbày so sánh mục tiêu và đặc tínhkĩ thuật hệthống giấu tinmật với hệ thống giấu tin thủy vân

Bảng 1.2 So sánh mục tiêu và đặc tính của kĩ thuật giấu tin mật với kĩ thuậtgiấu tin thủy vân

hiện

ngẫu nhiên

1.4 Nội dung nghiên cứu của luận án

Hiệu quả và hiệu năng của hệ thống giấu tin trong ảnh số được xác định dựatrên hiệu quả giải thuật nhúng Hệ thống được thiết kế sao cho duy trì được chấtlượng của ảnh Stego, khả năng nhúng tin cao và bền vững đối với tấn công

Đầu tiên, hiệu quả phương pháp nhúng có thể được định lượng bằng cáchtrả lời câu hỏi: (1) Thông tin mật nhúng trong ảnh có thể an toàn? (2) Ảnh saukhi nhúng (Stego image) liệu có duy trì chất lượng tương đương như ảnh gốc?(3) Liệu có chắc rằng thông tin mật không bị phát hiện sau khi giấu trong ảnh?

Tỉ lệ nhúng là yêu cầu thứ hai đối với hệ thống giấu tin nhằm tăng lượngthông tin nhúng; lượng thông tin được nhúng vào ảnh mang tin mà ít gây suyhao đến chất lượng của ảnh mang tin Tuy nhiên, hiệu năng nhúng và hiệu quảnhúng (duy trì chất lượng ảnh sau nhúng) luôn là bài toán đối nghịch và tácđộng lẫn nhau Có nghĩa là, nếu nhúng càng nhiều thông tin thì chất lượng ảnhsau nhúng càng kém và ngược lại Do đó, cần nghiên cứu tìm kiếm giải phápcân bằng hiệu quả và hiệu năng cho bài toán giấu tin trong ảnh số

Tính bền vững và bảo mật là những ràng buộc được quan tâm cao đối với

hệ thống giấu tin thủy vân trong các ứng dụng chống sao chép, bảo vệ bảnquyền nội dung trên mạng, … Vì vậy, chúng cũng là vấn đề cần được nghiêncứu nghiêm túc và thấu đáo

9

1.5 Mục tiêu nghiên cứu

Vấn đề được xác định trong luận án này là truyền tải thông tin bí mật trênkênh truyền dẫn không an toàn cũng như bảo vệ bản quyền nội dung số Nếunhững hạn chế mà kĩ thuật mã hóa tin không thể giải quyết cho vấn đề đặc biệtnày thì kĩ thuật giấu tin được xem như giải pháp thay thế hữu hiệu Mục tiêuchính của luận án là nghiên cứu, xây dựng giải pháp hiệu quả nhằm giải quyếtcác vấn đề nêu trên, qua đó tạo thuận tiện và an toàn trong giao tiếp Để đạtmục tiêu chính này, luận án tập trung nghiên cứu các mục tiêu cụ thể sau:

tổng hợp điểm mạnh, điểm yếu của mỗi giải pháp

chuyển đổi tần số ảnh để nâng cao phân tích, tổng hợp cách nhúng thông tin vào ảnh

trong ảnh số cùng với việc khôi phục lại ảnh gốc sau khi thông tin ẩn được trích xuất

khả năng bảo mật, bảo vệ bản quyền nội dung ảnh số

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu phân tích, tổng hợp, chứngminh, cài đặt thử nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm

Cơ sở lí thuyết toán học, xử lí ảnh, mã hóa, thống kê và tối ưu hóa đượcvận dụng để giải quyết mục tiêu nghiên cứu

Các giải pháp đề xuất mới được chứng minh và cài thử nghiệm trên phầnmềm Matlab với tập dữ liệu ảnh mẫu [22, 23]

1.7 Đóng góp của luận án

Luận án phát hiện một vài tiếp cận mới để nâng cao hiệu quả và hiệunăng giấu tin trong ảnh số Đóng góp chính của luận án là xây dựng và pháttriển kĩ thuật dùng cho hệ thống giấu tin đó là hệ thống giấu tin khả nghịch vớikhả năng nhúng tin cao trong miền tần số, khó phát hiện thông tin giấu và giấutin thủy vân số ẩn, mạnh và bảo mật nhằm bảo vệ bản quyền nội dung Cụ thểcho những đóng góp của luận án:

• Đề xuất kĩ thuật giấu tin khả nghịch dựa trên dịch chuyển lược đồhai chiều các hệ số lượng tử hóa trong phép biến đổi cosin rời rạc (DCT- discrete cosinetranformation) Để cân bằng hiệu quả và hiệu

10

năng giấu tin, thông tin mật được nhúng vào lớp tần số trung bình của tín hiệu ảnh trong miền biến đổi DCT,

năng nhúng thông tin đồng thời duy trì chất lượng ảnh sau nhúng,

Stereo dựa trên biến đổi DCT và SVD,

dung ảnh Stereo trong miền tần số các tín hiệu mã hóa dựa trên thuyết hỗn loạn (Chaoslogistic)

1.8 Cấu trúc luận án

Luận án được tổ chức thành năm chương, cụ thể như sau:

Chương 1: Giới thiệu lĩnh vực nghiên cứu an toàn và bảo mật thông tin.Phân biệt kĩ thuật mã hóa thông tin với kĩ thuật giấu thông tin

Chương 2: Tổng quan các nghiên cứu liên quan trong lĩnh vực giấu tin,trình bày khái quát các phương pháp, kết quả nghiên cứu điển hình gần đâycủa các tác giả có liên quan đến vấn đề nghiên cứu, là tiền đề cho nghiên cứucủa luận án

Chương 3: Trình bày lượcđồgiấu tin khảnghịch trong miền biến đổi tần

số ảnh Stereo Trong đó, luận án đề xuất lược đồ giấu tin dựa trên lược đồ các

hệ số lượng tử trong vùng tần số trung bình phép biến đổi cosine rời rạc (DCT)của hai khối ảnh tương đồng và dịch chuyển hai chiều (2-D) các hệ số lượng tửdương Đồng thời kết hợp lược đồ dịch chuyển 2-D với bảng điều hướngnhúng (EDH) để nâng cao hiệu quả và hiệu năng giấu tin trong ảnh Stereo

Chương 4: Trìnhbày lược đồ giấu tin thủy vân số ẩn bảo vệ bản quyền sởhữu trí tuệ ảnh Stereo Trong đó, luận án đề xuất lược đồ nhúng tin thủy vân số ẩnbền vững dựa vào phân tích giá trị riêng (SVD) các hệ số lượng tử trên đườngchéo phụ của hai khối ảnh tương đồng Đồng thời đề xuất nâng cao tính bền vững

và an toàn cho hệ thống nhúng tin thủy vân số ẩn dựa trên thuyết hỗn loạn

Chương 5: Trình bày kết luận và hướng phát triển nghiên cứu của đềtài

11

Chương 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Giới thiệu

“Trăm nghe không bằng một thấy” là một thành ngữ thông dụng trong tiếngViệt, tương đương trong tiếng Anh có câu: “A picture is worth a thousand words”[24] với ý nghĩa đề cao sức mạnh của truyền thông hình ảnh trong đời sống Vớinền tảng của cách mạng công nghiệp lần thứ tư, chuyển đổi số đã và đang tạo ralượng thông tin vô cùng lớn Sự lớn mạnh của dữ liệu số, nhất là hình ảnh (image)kết hợp với sự phát triển của công nghiệp xử lí ảnh, đã tạo nên sự phổ dụng và sẵndùng ảnh số, từ đó thúc đẩy sự quan tâm sâu sắc của các nhà nghiên cứu trongviệc sử dụng hình ảnh như một đối tượng để ẩn giấu thông tin trong liên lạc Tuynhiên, ảnh số dễ dàng bị các thao tác chỉnh sửa, sao chép và phân phối một cáchphi pháp Vì vậy, trong một số trường hợp, đối tượng ảnh cũng rất cần được bảo

vệ Để giải quyết những thách thức này, gần đây, nhiều nghiên cứu về kĩ thuậtgiấu tin với những cách tiếp cận khác nhau đã được thực hiện Để có cái nhìn tổngquan về kĩ thuật giấu tin trong ảnh số cũng như tiếp cận cho các ứng dụng, phầntiếp theo trong chương này sẽ tìm hiểu, phân tích những tiêu chuẩn đánh giá hệthống giấu tin Sau đó, các nghiên cứu về kĩ thuật giấu tin sẽ được lược khảo,phân tích và đánh giá

2.2 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống giấu tin

Giấu tin trong ảnh số không chỉ bó hẹp ở tiến trình nhúng thông tin quantrọng vào ảnh mà còn giữ thông tin ấy được an toàn, bí mật, chịu được các tấncông trên ảnh cũng như độ chính xác của ảnh khôi phục Tùy theo hệ thốngứng dụng kĩ thuật giấu tin mà trọng số tiêu chí đánh giá là khác nhau, thôngthường gồm các tiêu chí sau:

2.2.1 Chất lượng ảnh

Đánh giá chất lượng của ảnh sau khi nhúng tin là tiêu chí được quan tâmđối với một hệ thống giấu tin trong hầu hết các ứng dụng Chất lượng của ảnhđược đánh giá dựa vào tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu (PSNR) giữa ảnh gốc

và ảnh nhúng tin [25] Giá trị PSNR càng cao, chất lượng ảnh càng tốt và

2

= 10 log 10

Trong đó, B là biên màu sắc cực đại của ảnh, MSE là sai số toàn phương trung

bình (Mean Squared Error) giữa ảnh gốc và ảnh Stego được định nghĩa như sau:

1

12

với M, N là kích thước của ảnh; I C (x,y), I S (x,y) tương ứng giá trị điểm ảnh tại tọa độ (x,y) của ảnh gốc và ảnh Stego.

Mặc dù PSNR được sử dụng phổ biến trong việc đánh giá chất lượngảnh, tuy nhiên trong một số trường hợp PSNR không phản ánh chính xác chấtlượng ảnh sau khi nhúng, nhất là trong các ứng dụng nhúng tin thủy vân [26–29] Cùng với PSNR, SSIM (Structure SIMilarity) [30–33] được sử dụng đểđánh giá sự tương quan giữa hai ảnh Sự tương quan này được xem xét trên ba

khía cạnh của tín hiệu ảnh X (ảnh tham chiếu) và ảnh Y (ảnh đánh giá) là: độ

sáng (luminance), độ tương phản (contrast) và kết cấu (structure)

và để đơn giản C3=1/2×C2, khi đó công thức (2.10) được viết lại như sau:

Để đánh giá độ bền vững của ảnh giấu tin trong các ứng dụng nhúng tin

thủy vân để xác thực bản quyền bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, tiêu chí đánh giá

độ bền vững của ảnh nhúng được quan tâm Tỉ lệ bit đúng, BCR (Bit Correct

ratio) được sử dụng để đánh giá sự tương quan giữa ảnh thủy vân gốc và ảnh

thủy vân trích xuất BCR được định nghĩa như sau:

2.3 Phân loại kĩ thuật giấu tin trong ảnh

Mục tiêu chính của kĩ thuật giấu tin trong ảnh là giữ sự giao tiếp được an

toàn trong môi trường mạng bằng cách chèn thông tin vào ảnh mang tin để bảo

vệ thông tin được chèn vào hoặc bảo vệ chính ảnh mang tin [5] Trong những

năm gần đây, kĩ thuật giấu tin được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

thương nghiệp, công nghiệp [34–38] và hơn thế nữa Năm 2001, kĩ thuật giấu

tin đã bị lợi dụng bởi những kẻ khủng bố cho kế hoạch tấn công Hoa Kì trong

sự kiện 11/9 [9, 39, 40] Dựa trên mục đích ứng dụng khác nhau và quá trình

nhúng, kĩ thuật giấu tin có thể được phân thành những phương thức khác nhau

Hình 2.1 phác họa cây phân loại kĩ thuật giấu tin trong ảnh số Sự phân loại

kiểu ảnh mang tin

2.3.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa trên ảnh khôi phục

Giấu tin trong ảnh số là quá trình nhúng thông tin vào đối tượng mang tin

là ảnh tại phía người gửi Tại phía người nhận, thông tin sẽ được rút trích đầy

đủ và chính xác Bên cạnh đó, ảnh gốc có thể được yêu cầu khôi phục hoàn

toàn tùy theo ứng dựng Hệ thống giấu tin mà trong đó thao tác khôi phục ảnh

gốc ban đầu không phải là tiêu chí bắt buộc được gọi là hệ thống giấu tin bất

khả nghịch; ngược lại ta có hệ thống giấu tin khả nghịch [41–43]

2.3.1.1 Giấu tin bất khả nghịch

Đây là cách tiếp cận phổ biến trong lĩnh vực giấu tin, trong đó chỉ mỗi

thông tin nhúng là quan trọng còn ảnh mang tin chỉ được dùng như đối tượng

chuyên chở, che phủ dữ liệu được nhúng bên trong Đối với cách tiếp cận này,

14

đối tượng dùng để mang tin thường là những hình ảnh thông thường được phổbiến rộng rãi vì khi đó việc khôi phục hoàn toàn ảnh gốc ban đầu không cần quantâm Thiết kế giải thuật cho hệ thống giấu tin bất khả nghịch chủ yếu quan tâmđến tăng hiệu năng nhúng (payload capacity) và hiệu quả ảnh sau nhúng(perceptibility) mà không quan tâm đến khả năng khôi phục ảnh gốc [44–49].

Hình 2.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin ảnh số

2.3.1.2 Giấu tin khả nghịch

Giấu tin khả nghịch là mô hình giấu tin mà ở đó thông tin nhúng và đốitượng mang tin được chú trọng như nhau Trong lĩnh vực quân sự, y tế, các ảnhmang tin cần được khôi phục hoàn toàn sau khi thông tin mật được trích xuất, vìvậy ứng dụng mô hình giấu tin khả nghịch cho các lĩnh vực này rất phù hợp [50,51] Những kĩ thuật giấu tin khả nghịch phổ biến dựa trên trên miền không gianảnh như phương pháp mở rộng sự khác biệt hai điểm ảnh lân cận trong ảnh(Difference Expansion), dịch chuyển biểu đồ tần số ảnh (Histogram Shifting)[52–54] hoặc dựa trên miền biến đổi tần số ảnh DCT, DWT, DFT [55–57]

2.3.2 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa trên miền nhúng thông tin

Giấu tin trong ảnh là quá trình nhúng thông tin vào ảnh số Tiến trình này cóthể được thực hiện trong miền không gian (spatial domain) hoặc miền tần số(frequency domain) của tín hiệu ảnh [58–67, 67–73] Nhúng tin trong miền khônggian tín hiệu ảnh là quá trình điều chỉnh giá trị cường độ sáng điểm ảnh Nhữngphương pháp của kĩ thuật nhúng trong miền không gian bao gồm phương

pháp điều chỉnh LSB (Least Siginificant Bit), PVD (Pixel Value Differencing),

dịch chuyển biểu đồ (Histogram shifting) Phương pháp giấu tin trong miền

không gian ảnh thì đơn giản trong tính toán và dễ khai triển Hạn chế của phương

pháp giấu tin trong miền không gian là gây nhiễu cao cho ảnh mang tin Trong

khi đó, kĩ thuật giấu tin trong miền tần số là tích hợp bit thông tin mật vào hệ số

biến đổi tín hiệu ảnh Quá trình nhúng và trích xuất thông tin thường có độ tính

toán khá phức tạp nhưng an toàn cao hơn so với kĩ thuật giấu tin trong miền

không gian Hơn nữa, phương pháp nhúng tin trong miền tần số ít bị ảnh hưởng

bởi những phép xử lí ảnh như nén, thay đổi tỉ lệ, gây nhiễu, … Những phương

pháp biến đổi tần số tín hiệu ảnh thường được sử dụng cho kĩ thuật giấu tin có thể

gồm DCT (Discrete Cosine Transform), DWT (Dicrete Wavelet Transform) hoặc

là IWT (Integer Wavelet Transfom) Một vài phương pháp có liên quan gần đến

nghiên cứu này sẽ được trình bày trong những phần tiếp theo

2.3.2.1 Kĩ thuật giấu tin trong miền không gian

a Giấu tin dựa trên bit chứa ít thông tin nhất (LSB)

LSB là phương pháp giấu tin phổ biến trong miền không gian ảnh Ở đó,

bit thấp của giá trị cường độ điểm ảnh được dùng để nhúng thông tin mật Cấu

giá trị từ 0 đến 255 được trình bày như công thức:

( , ) = { ( , )|0 ≤ ( , ) ≤ 255, 1 ≤ ≤ , 1 ≤ ≤ } (2.13)

Hình 2.2 Cấu trúc ảnh đa cấp xám

Một cách tổng quát, k bit thông tin mật có thể được nhúng vào k vị trí bit

bên phải nhất của điểm ảnh mang tin Giả sử s là chuỗi bit thông tin mật cần

giấu vào điểm ảnh p(x,y), giá trị điểm ảnh Stego p′(x,y) có thể được tính như

công thức:

′ ( , )=( ( , )−( ( , ) 2 )+∑ ) (2.14)

=1

16

Quá trình rút trích thông tin mật có thể được thực hiện trực tiếp trên điểm

Hình 2.3 Nhúng tin theo phương pháp LSB

Để giảm xác suất gây nhiễu cho ảnh mang tin, Mielikainen [58] đề xuấtthuật toán LSB Matching Thay vì chỉ đơn giản thay thế LSB của giá trị điểmảnh bởi bit thông tin trong phương pháp nhúng dựa trên LSB truyền thống thìphương pháp LSB Matching sẽ tăng hoặc giảm 1 (±1) giá trị điểm ảnh của ảnhmang tin nếu giá trị LSB khác giá trị bit thông tin, ngược lại không điều chỉnhgiá trị điểm ảnh Tuy nhiên, hiệu năng nhúng của LSB truyền thống và LSBMatching là tương đương nhau Năm 2015, trong nghiên cứu [44], Luu và cáccộng sự đề xuất kĩ thuật LSB Matching cho ảnh kép mang tin Phương pháp đãcho PSNR trung bình của ảnh Stego đạt 48-49dB Tuy nhiên, độ phức tạp cóthời gian cao hơn so với các phương pháp được đề cập trước, thời gian trungbình thực hiện cho một ảnh đa cấp xám khoảng 2.75s Gần đây, một số kĩ thuậtđược đề xuất để cải tiến khả năng nhúng thông tin mật vào miền không gianảnh, năm 2016, Swain [45] cải tiến phương pháp LSB Matching để đạt đượchiệu quả nhúng lên đến 2bpp Ngoài ra, còn có những phương pháp là sự kếthợp LSB và LSB Matching [46, 47] cũng nhằm mục đích là tăng khả năngnhúng tin

b Giấu tin dựa trên mở rộng độ lệch (DE - Diffrerence Expansion)

cường độ của hai điểm ảnh

Năm 2003, Tian [63] đề xuất phương pháp giấu tin khả nghịch dựa trên

độ lệch cường độ của hai điểm ảnh lân cận nhúng bit thông tin Phương pháp

dùng phép biến đối số nguyên để mở rộng độ lệch giữa những giá trị điểm ảnh

Thuật toán bắt đầu bằng việc tính độ lệnh d và trung bình cộng m giữa hai

Cho (p1, p2) là cặp giá trị cường độ điểm ảnh liên tiếp nhau của ảnh gốc (0

Bit thông tin mật s (0,1) được nhúng thông qua sự mở rộng độ lệch d’

′ =2× +

Khi đó cặp điểm ảnh Stego ( 1′, 2′) được tính thông qua độ lệch mới ′

và giá trị trung bình gốc m như Công thức (2.19 ) và ( 2.20 ) :

Với cặp điểm ảnh Stego ( 1′, 2′), tính độ lệch ′ và giá trị nguyên trung bình ′của hai điểm ảnh ( 1′, 2′):

Cuối cùng bit thông tin s được trích xuất thông qua LSB của ′ và cặp

điểm ảnh gốc được khôi phục hoàn toàn:

18

Hình 2.4 Tiến trình nhúng và trích xuất thông tin dựa trên độ lệch cường độ

Phương pháp DE cho hiệu năng nhúng và duy trì hiệu quả chất lượng ảnhStego tốt Tuy nhiên, kĩ thuật này gặp phải một hạn chế là overflow và underflow.Bởi vì, đôi khi sự điều chỉnh giá trị cường độ điểm ảnh sẽ vượt qua ngưỡng 255(cường độ mạnh của điểm ảnh 8 bits) hoặc dưới ngưỡng 0 (cường độ yếu củađiểm ảnh 8 bits) Để khắc phục overflow và underflow, tác giả đã dùng bản đồnhúng (location map) để đánh dấu vị trí có điểm ảnh ngoài ngưỡng cho quá trìnhrút trích thông tin và khôi phục ảnh, vì thế làm hạn chế hiệu năng nhúng tin (nhỏhơn 0.5bpp) Nhằm khắc phục hạn chế này, Kamtra và Heijmans

tăng khả năng nhúng dữ liệu Còn trong nghiên cứu [74], Shiu và cộng sự đề xuấtthông tin nên được mã hóa trước khi nhúng để tăng khả năng bảo mật cho thông tinnhúng

Năm 2006, Ni và các cộng sự [61] đề xuất một giải pháp mới cho hệ thốnggiấu tin khả nghịch Phương pháp này có thể khôi phục hoàn toàn ảnh gốc sau khithông tin ẩn giấu được trích xuất Giải thuật sử dụng giá trị nhỏ nhất và lớn

nhất của lược đồ xám của ảnh và có sự điều chỉnh giá trị xám của ảnh (0-255)

để nhúng dữ liệu vào ảnh Phương pháp đề xuất có khả năng nhúng được nhiềuthông tin hơn so với các phương pháp giấu tin khả nghịch ở cùng thời điểm[75– 79] và đặc biệt là ảnh Stego vẫn đạt PSNR trên 48dB Thuật toán có thểđược trình bày như sau:

* Tiến trình nhúng thông tin

Cho ảnh đầu vào I C như Hình 2.5(a) , biểu đồ tần xuất tương ứng của ảnh như Hình 2.5(b) và chuỗi bit thông tin S = {s i ∈ (0,1)}.

(a) Ảnh Lena

(b) Biểu đồ xám ảnh LenaHình 2.5 Ảnh Lena và biểu đồ xám ảnh Lena

• Quét toàn bộ ảnh, tìm điểm cực đại X và cực tiểu Z của biểu đồ xám

ảnh Điểm cực đại X có nghĩa có nhiều điểm ảnh có giá trị bằng X,

20