Xây dựng thuật toán watermarking ảnh số trên phân tích đa phân giải (luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông)

Sau đó, luận án đề xuất vùng nhúng thích hợp trongmiền phổ cho watermark để gia tăng tính bền và tính vô hình của các ảnh đã nhúng watermark.Các kết quả thực nghiệm của watermarking ảnh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN CHÍ SỸ

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN WATERMARKING ẢNH SỐ

TRÊN PHÂN TÍCH ĐA PHÂN GIẢI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN CHÍ SỸ

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN WATERMARKING ẢNH SỐ

TRÊN PHÂN TÍCH ĐA PHÂN GIẢI

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu

và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào vàdưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện tríchdẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Chí Sỹ

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Sự phát triển bùng nổ của Internet và các mạng xã hội đã tạo thuận lợi ngày càng tăng cho việctruyền tải và chia sẻ các ứng dụng đa phương tiện số như âm thanh, hình ảnh và video Với sựphát triển của các công nghệ xử lý tín hiệu, tín hiệu đa phương tiện số có thể dễ dàng và đơngiản bị sao chép và bị giả mạo Do đó, các vấn đề liên quan đến bảo vệ, xác thực nội dung và bảnquyền thông tin đa phương tiện được quan tâm đặc biệt Với dữ liệu ảnh số, có nhiều nghiên cứusâu về cách ngăn chặn người dùng bất hợp pháp từ việc sao chép, sửa đổi và phân phối Các kỹthuật watermarking (tạm dịch là thủy vân) số nhúng thông tin cần giấu (được gọi là watermark)vào phương tiện truyền thông chủ (host media) để phát hiện và theo dõi sự vi phạm bản quyền.Các kỹ thuật này đã thu hút sự quan tâm đáng kể từ các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệpsản xuất phương tiện truyền thông số Kỹ thuật watermarking ảnh số có thể được tìm thấy trongnhiều ứng dụng thực tiễn như ứng dụng bảo vệ bản quyền, xác thực hình ảnh, ứng dụng trong y

tế, phát hiện giả mạo, dấu vân tay số Mục tiêu của luận án là phát triển các thuật toán nhúng vàtrích watermark thỏa mãn yêu cầu các ứng dụng watermarking trong bảo vệ bản quyền Luận ántập trung nghiên cứu xây dựng thuật toán watermarking ảnh số trên phân tích đa phân giải Hiệunăng của các thuật toán được phát triển sẽ được đánh giá theo nhiều thông số trên các cơ sở dữliệu ảnh màu, ảnh xám chuẩn

Trước tiên, luận án khảo sát các kỹ thuật watermarking ảnh số trong miền không gian và miềnbiến đổi Trong mỗi phương pháp, cơ sở của toán học, phương pháp watermarking, ưu điểm hạnchế của từng phương pháp được trình bày Sau đó, luận án đề xuất vùng nhúng thích hợp trongmiền phổ cho watermark để gia tăng tính bền và tính vô hình của các ảnh đã nhúng watermark.Các kết quả thực nghiệm của watermarking ảnh số trên miền không gian, biến đổi cosine rời rạc(DCT), biến đổi wavelets rời rạc (DWT), miền DCT-DWT kết hợp cũng được trình bày và thảoluận Qua kết quả thực nghiệm cho thấy watermarking trong miền không gian không đảm bảotính bền vững khi ảnh đã nhúng watermark bị tấn công bởi các hoạt động xử lý tín hiệu; tính bềnvững khi nhúng watermark trong miền DWT tốt hơn nhúng trong miền DCT, tuy nhiên khi bịtấn công nén JPEG tính bền vững khi nhúng watermark vào miền DCT tốt hơn vào miền DWTnhưng không đáng kể; bằng cách nhúng watermark vào băng con tần số giữa, chỉ nhúng bit 0,thuật toán watermarking ảnh số trong miền DCT-DWT kết hợp đảm bảo cân bằng tính vô hình

và tính bền vững Như vậy, đối với các ứng dụng watermarking cần tính bền vững thì giải phápnhúng watermark trong miền không gian, miền DCT tỏ ra ít khả thi; nhúng watermark trongmiền phân tích đa phân giải DWT, miền DCT-DWT kết hợp có thể áp dụng cho nhóm ứng dụngwatermarking cần tính bền vững

Tiếp theo, luận án đề xuất phương pháp khai thác phân tích đa phân giải Laplacian Pyramid (LP)cải tiến để phát triển giải thuật watermarking ảnh số mới, trong đó biến đổi LP cải tiến được sửdụng để phân tích và tổng hợp lại ảnh chủ Để lựa chọn một giải pháp watermarking phù hợp,nhiều vùng băng con tần số được khảo sát với các mức và độ lợi khác nhau để thực hiện việcnhúng watermark Các kết quả thực nghiệm của giải thuật đề xuất cho thấy các ảnh có thành

phần tần số cao nhiều sẽ có tính vô hình tốt hơn khi nhúng watermark; tính bền vững và tính vôhình được đảm bảo với các độ lợi khác nhau, trên các băng con tần số thấp và tần số giữa; khiđược so sánh với các giải thuật watermarking sử dụng curvelets, giải thuật đề xuất là bền vữnghơn khi bị tấn công bởi nén JPEG có tổn hao và các tấn công lọc thông thấp Gaussian Hơn nữa,phương pháp đề xuất cũng hiệu quả khi xét về thời gian tính toán Do đó, giải pháp watermarkingảnh số trên miền LP có khả năng áp dụng hiệu quả trong các ứng dụng watermarking bền vững

và thời gian tính toán thấp

Trong một nghiên cứu khác, luận án sử dụng phân tích đa phân giải định hướng curvelets chowatermarking ảnh số bởi vì biến đổi curvelets là hiệu quả khi trình bày các đường cong với ít

hệ số hơn các biến đổi khác như wavelets với cùng một độ chính xác Nghiên cứu này khảo sátcác tỷ lệ khác nhau của miền biến đổi curvelets để nhúng watermark nhằm đạt được cả tính bềnvững và tính vô hình Hiệu năng thuật toán watermarking ảnh số trong miền biến đổi curveletsđược so sánh với cùng một thuật toán nhưng được áp dụng trên miền DCT-DWT kết hợp Kếtquả thực nghiệm đã chỉ ra rằng tính vô hình (PSNR) trong điều kiện ảnh đã nhúng watermarkchưa bị tấn công hơn 42 (dB) và tính bền vững (NC) trong hầu hết các tấn công hơn 0.9 Hiệunăng xét về tính vô hình và tính bền vững của thuật toán đề xuất là tốt hơn so với thuật toán được

áp dụng trên miền DCT-DWT kết hợp khi bị tấn công bởi nén JPEG có tổn hao, nhiễu speckle

và nhiễu Gaussian Đây cũng là một phương pháp watermarking mù, vô hình, bền vững có thể

áp dụng vào thực tiễn hiệu quả

Một đóng góp khác của nghiên cứu trong luận án này liên quan đến kỹ thuật watermarking ảnh

số màu mới dựa trên các phép biến đổi định hướng Nghiên cứu này khảo sát hiệu năng giảithuật watermarking sử dụng biến đổi curvelets rời rạc nhanh (FDCT) và biến đổi contourlets(CT) Nghiên cứu tiến hành khảo sát để chọn ra độ lợi và các mức phân tích phù hợp nhất đểtiến hành watermarking Luận án đánh giá hiệu năng của các giải thuật watermarking sử dụngcác phép biến đổi định hướng dựa trên cơ sở dữ liệu ảnh màu chuẩn xét về tính bền vững và tính

vô hình Các kết quả thực nghiệm cho thấy các giải thuật watermarking trong các miền biến đổiđịnh hướng có tính vô hình và tính bền vững tốt hơn khi áp dụng cùng một giải thuật trên cácmiền DWT; các ảnh có nhiều thông tin hướng tính có tính bền vững tốt hơn các ảnh có ít thôngtin hướng tính Phương pháp watermarking với các phép biến đổi định hướng thực sự phù hợpvới các ảnh có nhiều thông tin hướng tính

Sau cùng, luận án đề xuất một giải thuật mới về watermarking ảnh số mù dựa trên sự kết hợp củabiến đổi wavelets rời rạc và mạng nơ ron tích chập (CNN) Ảnh chủ được phân tích bởi DWTthành các băng con, các băng con tần số thấp và các băng con tần số cao, băng con tần số giữađược sử dụng làm dữ liệu đầu vào và dữ liệu đích đầu ra để huấn luyện mô hình CNN cho việcnhúng và trích watermark Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng giải thuật đề xuất có hiệu năng vượttrội chống lại các tấn công như nén JPEG có tổn hao, lọc median và lọc trung bình, nhiễu muốitiêu, nhiễu Gaussian, nhiễu speckle, điều chỉnh độ sáng tối, điều chỉnh tỷ lệ, cắt và shearing

The explosive growth of the Internet and social networks has provided the increasing nience for the transmission and sharing digital multimedia applications such as audio, imagesand videos With the development of the advanced multimedia signal processing technologies,digital multimedia can be easily and simply acquired, copied and tampered Thus, the issuesrelated to multimedia information protection, copyright and content authentication have been

conve-of great concerns With digital image data, there have been extensive studies on how to preventunauthorized users from illegally copying, and distributing, modifying the digital images Thedigital watermarking techniques which embed hidden information (known as a watermark) to

a host media to detect and trace copyright violations have attracted considerable interest fromacademia and industry Digital image watermarking can be found in various practical appli-cations of copyright protection, image authentication, medical applications, tamper detection,digital finger printing The objective of the thesis is to develop algorithms for embedding andextracting watermarks that satisfy the requirements of watermarking applications in copyrightprotection This thesis mainly focuses on digital image watermarking schemes based on mul-tiresolution analysis The performance of the proposed algorithms will be evaluated by variousparameters on standard gray and color image datasets

At first, the thesis investigates on the digital image watermarking techniques in spatial domainand transform domains In each method, the basis of mathematics, watermarking schemes, theadvantages and disadvantages will be presented Then, we propose the appropriate region inspectral domain for watermarking to enhance the robustness and invisibility of watermarked im-ages The experimental results of digital image watermarking on spatial domain, DCT, DWT,combined DCT-DWT are also presented and discussed The experimental results show that wa-termarking in spatial domain is not guaranteed the robustness when the watermarked imagesare attacked by signal processing operations; the robustness of watermarking in DWT domain

is better than that in DCT domain, however under the JPEG compression attacks, the robustness

of watermarking in DCT domain is slightly better than that in DWT domain; By embedding thewatermark into the subband of middle frequencies, the digital image watermarking algorithm inDCT-DWT domain is guaranteed to balance between the invisibility and robustness As such,watermarking for applications with the required robustness, the schemes of embedding water-mark in spatial domain or DCT domain are proved less suitable; embedding the watermark in themulti-resolution domains (DWT and DCT-DWT) can be applied for watermarking applicationsthat need the robustness

Next, the thesis proposes a novel method exploiting the improved Laplacian pyramid (LP) form to develop a new image watermarking scheme in which the improved Laplacian pyramidtransform is used to decompose and reconstruct the host image Then, to select an appropriatewatermarking solution, we investigate the various frequency subband regions with different thelevels and strength factors to perform the watermark embedding The experimental results of

trans-the proposed algorithm show that images which have much high frequency components result

in the better invisibility when embedded with watermarks; the robustness and invisibility anteed with different strength factors on the low and mid frequency subbands As compared tothe watermarking schemes using the curvelets, our watermarking scheme is more robust for thelossy JPEG compression and Gaussian low pass filtering attacks In addition, our method is alsoefficient in terms of computational time Thus, the approach of the digital image watermarking

guar-in LP domaguar-ins is applicable for applications requirguar-ing the robust watermarkguar-ing and low plexity computation

com-In the other research, the thesis introduces the usage of curvelet transform domain for imagewatermarking since curvelet transform is effective when representing curves with fewer coeffi-cients than other transforms such as wavelets for the same accuracy The thesis investigates thedifferent scales of curvelet transform domain for embedding the watermark to achieve both invis-ibility and robustness The performance of image watermarking in curvelet transform domain iscompared with the same algorithm but applied on DCT-DWT combined domain Experimentalresults have shown that invisibility (PSNR) under no attack is higher than 42 (dB) and the ro-bustness (NC) in most attacks is more than 0.9 The performance in terms of the invisibility androbustness of the proposed algorithm is better than the given algorithm applied on DCT-DWTdomain when the watermarked images are attacked by lossy JPEG compression, speckle noiseand Gaussian noise This is also a blind, invisible, robust watermarking method which can beeffectively applied in practice

Another contribution of the research in this thesis is concerned with a digital watermarkingtechnique for color images based on directional transforms This research investigates the perfor-mance of the watermarking schemes using FDCT and CT The research conducts the experiments

to select appropriate strength factors and analysis levels for the proposed watermarking scheme

We evaluate the performance of the watermarking schemes using the directional transforms on

a standard database of color images in terms of invisibility and robustness The experimentalresults reveal that watermarking schemes in the directional transform domains outperform theother schemes in DWT domains in terms of invisibility and robustness, especially for imageswith much directional information These watermarking schemes on directional transforms areespecially suitable for images with directional information

Finally, a novel scheme of digital image blind watermarking based on the combination of theDWT and the convolutional neural network (CNN) is proposed Firstly, the host images are de-composed by DWT and, then, the low frequency sub-bands and the high frequency subbands,the middle frequency sub-bands are used as the input data and the output target data to trainthe CNN model for embedding and extracting the watermark Experimental results show thatthe proposed scheme has superior performance against common attacks of JPEG compression,mean and median filtering, salt and pepper noise, Gaussian noise, speckle noise, brightnessmodification, scaling, cropping, rotation, and shearing operations

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi đặc biệt biết ơn PGS.TS Hà Hoàng Kha, người Thầy hướng dẫn nghiên cứu, đãgiúp đỡ tôi ngay từ những ngày đầu tiên Trong quá trình nghiên cứu, Thầy thường xuyên độngviên, khích lệ tinh thần khi tôi gặp phải những khó khăn và tư vấn hướng nghiên cứu giúp tôi đạtđược kết quả như ý Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Minh Hoàng, người Thầy đồng hướngdẫn nghiên cứu, với những tư vấn, hỗ trợ, chia sẻ và góp ý quan trọng cho quá trình nghiên cứucủa tôi

Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô ở Bộ Môn Viễn Thông đã góp ý các chuyên đề giúp tôi hoàn thiệnkết quả nghiên cứu của mình Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện-Điện Tử,Phòng Đào tạo Sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và thực hiệnnghiên cứu Tôi trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã chotôi những cơ hội tốt để tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của mình

Xin cảm ơn người bạn đời đã đồng hành, chia sẻ mọi khó khăn trong suốt chặng đường tôi đi,các con thân yêu và những người thân quanh tôi đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi yên tâm họctập, nghiên cứu

Sau cùng, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến ba, má, người đã có công sinh thành, dưỡngdục và luôn yêu thương, cổ vũ, động viên tôi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x

1.1 Sự cần thiết của nghiên cứu 1

1.2 Đặt vấn đề và hướng giải quyết vấn đề 3

1.3 Các nghiên cứu trước về kỹ thuật watermarking ảnh số 6

1.4 Những đóng góp chính 9

1.5 Cấu trúc của luận án 12

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT WATERMARKING ẢNH SỐ VÀ MỘT SỐ ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU 13 2.1 Tổng quan về kỹ thuật watermarking 13

2.1.1 Vài nét về kỹ thuật watermarking 13

2.1.2 Lịch sử hình thành watermarking 15

2.1.3 Ứng dụng watermarking 16

2.1.4 Phân loại watermarking 18

2.1.5 Các tham số cơ bản đo lường hiệu năng của thuật toán watermarking ảnh số 19

2.2 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền không gian 21

2.2.1 Tách bit có trọng số thấp nhất 22

2.2.2 Kỹ thuật mã hóa ánh xạ bố cục của hình ảnh 22

2.2.3 Thuật toán kết nối 23

2.2.4 Kỹ thuật dựa vào sự tương quan 23

2.3 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền biến đổi 23

2.3.1 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền biến đổi DCT 24

2.3.2 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền biến đổi DWT 24

2.3.3 Đề xuất giải thuật watermarking trong miền DCT-DWT kết hợp 26

2.4 Các kết quả thực nghiệm 28

2.4.1 Kết quả thực nghiệm giải thuật watermarking LSB trong miền không gian 28 2.4.2 Kết quả thực nghiệm giải thuật watermarking đề xuất trên miền DCT và DWT 29

2.4.3 Kết quả thực nghiệm giải thuật watermarking đề xuất trong miền DCT-DWT kết hợp 34

2.5 Kết luận Chương 2 35

CHƯƠNG 3 GIẢI THUẬT WATERMARKING ẢNH SỐ BỀN VỮNG DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI LAPLACIAN PYRAMID 37 3.1 Giới thiệu 37

3.2 Giải thuật watermarking mù đề xuất dựa trên phép biến đổi LP cải tiến 39

3.2.1 LP và phương pháp tái tạo mới 39

3.2.2 Biến đổi Arnold 43

3.2.3 Giải thuật nhúng watermark 45

3.2.4 Giải thuật trích watermark 45

3.3 Các kết quả thực nghiệm 46

3.3.1 Thực nghiệm 1: Khảo sát độ lợi và miền nhúng watermark 47

3.3.2 Thực nghiệm 2: Mở rộng thực nghiệm, so sánh kết quả thực nghiệm với các thuật toán khác 50

3.4 Kết luận Chương 3 55

CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT WATERMARKING TRONG MIỀN BIẾN ĐỔI ĐỊNH HƯỚNG CURVELETS 57 4.1 Giới thiệu phương pháp watermarking trong biến đổi định hướng 57

4.2 Ridgelets 58

4.2.1 Phép biến đổi Ridgelet liên tục 58

4.2.2 Biến đổi wavelets một chiều lần lượt trên các tia xuyên tâm trong không gian radon 59

4.2.3 Biến đổi ridgelet trên rectopolar 60

4.3 Curvelets 60

4.3.1 Phép biến đổi curvelets thế hệ thứ nhất 60

4.3.2 Phép biến đổi curvelets thế hệ thứ hai 62

4.4 Cải tiến giải thuật watermarking bằng cách lựa chọn các tỷ lệ curvelets 64

4.4.1 Nghiên cứu trước về watermarking trong miền curvelets 64

4.4.2 Đề xuất giải thuật watermarking trong miền biến đổi định hướng curvelets 65 4.5 Kết quả thực nghiệm watermarking trong miền curvelets 66

4.6 Kết luận chương 4 68

CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT WATERMARKING SỐ HIỆU QUẢ CHO ẢNH MÀU SỬ DỤNG CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI CONTOURLETS 70 5.1 Giới thiệu 70

5.2 Đề xuất giải thuật watermarking trong miền contourlets 72

5.2.1 Biến đổi curvelets rời rạc nhanh 72

5.2.2 Biến đổi contourlets 72

5.2.3 Các thuật toán được đề xuất về nhúng và trích watermark 76

5.3 Các kết quả thực nghiệm 78

5.3.1 Thực nghiệm 1: Khảo sát độ lợi, mức phân tích của thuật toán đề xuất, so sánh hiệu năng thuật toán đề xuất với thuật toán khác 78

5.3.2 Thực nghiệm 2: Khảo sát hiệu năng vô hình, bền vững và thời gian tính toán của thuật toán đề xuất trên cơ sở dữ liệu ảnh màu chuẩn 86

5.3.3 Thực nghiệm 3: So sánh hiệu năng của thuật toán đề xuất trên các miền DWT, FDCT và CT 90

5.3.4 Thực nghiệm 4: So sánh thuật toán đề xuất với thuật toán nghiên cứu

trước khác 91

5.4 Kết luận Chương 5 95

CHƯƠNG 6 GIẢI PHÁP WATERMARKING MÙ BỀN VỮNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG MẠNG NƠ-RON TÍCH CHẬP VÀ MIỀN BIẾN ĐỔI WAVELETS 96 6.1 Giới thiệu 96

6.2 Giải thuật watermarking đề xuất 98

6.2.1 Biến đổi wavelets rời rạc 98

6.2.2 Mạng nơ-ron tích chập 100

6.2.3 Thuật toán nhúng watermark 102

6.2.4 Thuật toán trích watermark 103

6.3 Đánh giá hiệu quả của giải thuật đề xuất nhúng sử dụng CNN và DWT 105

6.3.1 Thực nghiệm 1: Hiệu năng của tính bền vững và tính vô hình của thuật toán đề xuất 106

6.3.2 Thực nghiệm 2: So sánh hiệu năng giữa giải thuật đề xuất với hiệu năng các phương pháp trước 114

6.4 Kết luận Chương 6 116

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 118 7.1 Kết luận 118

7.2 Hướng phát triển 120

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

1.1 Các công bố khoa học về watermarking ảnh số trong 20 năm qua được đăng bởi IEEE

và Science Direct Số liệu thống kê được thu thập từ website https://ieeexplore.ieee.org

và website https://www.sciencedirect.com với từ khóa "Digital Image

Water-marking" 3

1.2 Quan hệ giữa tính bền vững và tính vô hình 5

2.1 Mô tả quá trình nhúng watermark của thuật toán đề xuất trong miền DCT-DWT kết hợp 27

2.2 Mô tả quá trình trích watermark của thuật toán đề xuất trong miền DCT-DWT kết hợp 27

2.3 (a) Ảnh chủ Lena, (b) Ảnh chủ sau khi nhúng watermark 30

2.4 (a) Watermark Baboon, (b) Watermark trích được trong điều kiện chưa bị tấn công 30 2.5 Các bit plane của ảnh chủ Lena.(a) bit plane thứ 8 của ảnh chủ Lena,(b) bit plane thứ 7 của ảnh chủ Lena,(c) bit plane thứ 6 của ảnh chủ Lena,(d) bit plane thứ 5 của ảnh chủ Lena,(e) bit plane thứ 4 của ảnh chủ Lena,(f) bit plane thứ 3 của ảnh chủ Lena,(g) bit plane thứ 2 của ảnh chủ Lena,(h) bit plane thứ 1 của ảnh chủ Lena 31

2.6 Các bit plane của ảnh watermark Baboon.(a) bit plane thứ 8 của ảnh watermark Baboon,(b) bit plane thứ 7 của ảnh watermark Baboon,(c) bit plane thứ 6 của ảnh watermark Baboon,(d) bit plane thứ 5 của ảnh watermark Baboon,(e) bit plane thứ 4 của ảnh watermark Baboon,(f) bit plane thứ 3 của ảnh watermark Baboon,(g) bit plane thứ 2 của ảnh watermark Baboon,(h) bit plane thứ 1 của ảnh watermark Baboon 32

2.7 Ảnh chủ gốc và ảnh chủ sau khi nhúng watermark của thuật toán watermarking dựa trên DCT-DWT kết hợp (a) Ảnh chủ Lena; (b) Ảnh chủ Lena sau khi nhúng watermark 35

3.1 Giải thuật nhúng watermark được đề xuất 40

3.2 Giải thuật trích watermark được đề xuất 41

3.3 Biến đổi LP điển hình: (a) Giải thuật phân tích: (b) Lược đồ tái tạo 43

3.4 Lược đồ tái tạo mới cho giải thuật LP 44

3.5 Các kết quả phân tích của ảnh chủ bằng cách sử dụng phép biến đổi LP cải tiến với 5 mức 44

3.6 (a) Lena, (b) Baboon, (c) Peppers, (d) Ảnh Watermark gốc 48

3.7 Các ảnh đã watermarking và các watermark trích được: (a) β = 0.20, (b) β = 0.50, (c) β = 0.75 48

3.8 Hiệu năng thuật toán đề xuất trong điều kiện ảnh đã nhúng watermark chưa bị tấn công (a) Ảnh chủ Lena, (b) watermark nhị phân gốc, (c) ảnh chủ sau khi đã nhúng watermark, (d) watermark trích được 51

3.9 Các watermark trích được dưới các tấn công nén JPEG có tổn hao:(a) không bị tấn

công, (b) Q = 50, (c) Q = 30,(d) Q = 20, (e) Q = 15 52

3.10 Các watermark trích được khi bị tấn công bởi lọc thông thấp Gaussian: (a) σ(window) = 0.5(3 × 3), (b) σ(window) = 1.5(3 × 3), (c) σ(window) = 0.5(5 × 5), (d) σ(window) = 1.5(5 × 5), (e) σ(window) = 5.0(3 × 3) 54

3.11 Các tấn công cắt 25%, (a) ảnh chủ Baboon, (d) ảnh chủ Peppers, (g) ảnh chủ Boat, (b) ảnh chủ Baboon đã nhúng watermark, (e) ảnh chủ Peppers đã nhúng watermark, (h) ảnh chủ Boat đã nhúng watermark, (c) watermark trích được từ ảnh chủ đã nhúng watermark Baboon, (f) watermark trích được từ ảnh chủ đã nhúng watermark Peppers, (k) watermark trích được từ ảnh chủ đã nhúng watermark Boat 56

4.1 Ví dụ về một số Ridgelet, các Ridgelet (b), (c) và (d) nhận được từ Ridgelet (a) bằng các phép quay, thay đổi tỷ lệ và dịch chuyển 59

4.2 Sơ đồ biến đổi ridgelet, mỗi đường trong 2n đường xuyên tâm của miền Fourier được xử lí độc lập Biến đổi FFT ngược được tính toán lần lượt cho các đường xuyên tâm bằng biến đổi wavelets không trực giao một chiều Thực tế, các hệ số wavelets một chiều được tính trực tiếp từ không gian Fourier 61

4.3 Mô tả lưới giả cực trong miền tần số cho ảnh kích thước 8 × 8 61

4.4 Biến đổi curvelets rời rạc thế hệ thứ nhất 62

4.5 So sánh hiệu năng phép xấp xỉ phi tuyến giữa wavelets (a) và Xlets (b) 64

4.6 (a) watermark gốc; (b) watermark trích được trong điều kiện không bị tấn công, NC=0.9795; (c) watermark trích được trong điều kiện bị nhiễu speckle 4%, NC=0.9176; (d) watermark trích được trong điều kiện bị nén JPEG với Q = 30, NC=0.9702 67

4.7 Quy trình chèn watermark đề xuất trong miền curvelets 68

4.8 Các ảnh đã watermark, (a) Lena, (b) Baboon, (c) Texmos1 69

4.9 Biểu đồ so sánh tính bền vững của thuật toán trên miền FDCT và DCT-DWT kết hợp 69 5.1 Giải thuật nhúng watermark 73

5.2 Giải thuật trích watermark 74

5.3 Biến đổi "wrapping", trong đó υ(υ1, υ2) là tần số liên tục 75

5.4 Một giải thuật băng lọc điển hình 75

5.5 Ảnh chủ Barnfall 77

5.6 Một ví dụ về biến đổi contourlets trên ảnh đỏ của ảnh chủ màu Barnfall 79

5.7 Lưu đồ thuật toán nhúng watermark 80

5.8 Lưu đồ thuật toán trích watermark 81

5.9 Các ảnh chủ và watermark được sử dụng trong Thực nghiệm 1 (a) Ảnh chủ Lena, (b) Ảnh chủ Barbara, (c) Ảnh chủ Peppers, (d) Ảnh chủ Watermark 82

5.10 Các ảnh và watermark được sử dụng trong Thực nghiệm 4 (a) Ảnh màu Lena, (b)

Ảnh đỏ Lena, (c) Ảnh watermark nhị phân, (d) Ảnh xanh lá Lena, (e) Ảnh xanh

lam Lena 82

5.11 Hiệu năng vô hình của thuật toán đề xuất trong thực nghiệm 2 (a) Ảnh watermark gốc, (b) ảnh chủ “Goldgate”, (c) ảnh đã watermark sử dụng ảnh đỏ, (d) ảnh đã watermark sử dụng ảnh xanh lá, (e) ảnh đã watermark sử dụng ảnh xanh lam 83

5.12 Hiệu năng thuật toán đề xuất trên các miền phân tích đa phân giải khác nhau của Thực nghiệm 3 (a) Ảnh chủ “Mare”, (b) ảnh đã nhúng watermark trong miền CT, (c) watermark nhị phân gốc, (d) watermark trích được của watermarking trong miền CT, (e) ảnh đã nhúng watermark trong miền FDCT, (f) ảnh đã nhúng watermark trong miền 2D DWT, (g) watermark trích được của watermarking trong miền FDCT, (h) watermark trích được của watermarking trong miền 2D DWT 84

5.13 β = 0.20 ảnh đã watermark (a) (g) (n), watermark trích được tương ứng (d) (k) (q); β = 0.10 ảnh đã watermark (b) (h) (o), watermark trích được tương ứng (e) (l) (r); β = 0.05 ảnh đã watermark (c) (i) (p), watermark trích được tương ứng (f) (m) (s) 85

5.14 Các watermark trích được sau tấn công (a) Salt & pepper , (b) Median filter , (c) Gaussian filter , (d) Wiener filter,(e) Cropping 88

5.15 Các giá trị PSNR của 65 hình ảnh trên 3 ảnh một màu được tách ra (đỏ, xanh lá, xanh lam) 90

5.16 Tính bền vững của giải thuật được đề xuất khi bị tấn công nén có tổn hao JPEG2000 với tỷ lệ nén 2 đến 10 92

5.17 Lọc thông thấp Gaussian với độ lệch chuẩn (standard deviation) σ từ 0.4 tới 2.4 93

5.18 Các bộ lọc Median với kích thước cửa sổ từ [1 1] tới [5 5] 94

6.1 Một ví dụ về phân tích 4 mức sử dụng DWT 99

6.2 Kiến trúc mạng nơ-ron tích chập tiêu biểu 100

6.3 Lưu đồ chuẩn bị dữ liệu để huấn luyện cho CNN được đề xuất 104

6.4 (a) Ảnh chủ Lena, (b) Ảnh chủ Airplane, (c) Ảnh chủ Sailboat on lake, (d) Ảnh chủ Peppers, (e) Ảnh chủ Aerial, (f) Ảnh chủ Barbara, (g) Ảnh chủ Boat, (h) Ảnh chủ House, (k) Watermark gốc 106

6.5 Hiệu năng về vô hình và bền vững trong điều kiện không bị tấn công của thuật toán

đề xuất nhúng watermark trong băng con HH4 a, e: ảnh Lena sau khi nhúngwatermark và PSNR tương ứng; b, f: ảnh Airplane sau khi nhúng watermark vàPSNR tương ứng; c, g: ảnh Sailboat on lake sau khi nhúng watermark và PSNRtương ứng; d, h: ảnh Peppers sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; k,o: ảnh Aerial sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; l, p: ảnh Barbarasau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; m, q: ảnh Boat sau khi nhúngwatermark và PSNR tương ứng; n, r: ảnh House sau khi nhúng watermark vàPSNR tương ứng 1086.6 (a) Ảnh chủ Lena, (b) Ảnh đã nhúng watermark Lena, (c) Nhiễu Gaussian, (d) Nhiễu

muối tiêu, (e) Nhiễu speckle khi nhúng watermark vào băng con HH4 1096.7 Đồ thị sự bền vững của thuật toán đề xuất khi các ảnh đã nhúng watermark vào băng

con HH4 bị các tấn công nén JPEG có tổn hao 1116.8 Các watermark trích được của thuật toán đề xuất sau khi ảnh đã nhúng watermark

vào băng con HH4 bị tấn công nén JPEG 1116.9 Ảnh chủ đã nhúng watermark vào băng con HH4 sau khi bị tấn công, a) scale 70%,

b) Cắt 14 trên trái, c) Cắt 14 dưới phải, d) Quay 180o , e) Quay 45o, f) Shear 1136.10 Các watermark nhúng vào băng con HH4 trích được trong điều kiện bị các tấn công

hình học 1136.11 Các watermark trích được của thuật toán đề xuất, a) Watermark gốc, b) Không bị

tấn công, c) JPEG Q=50, d) Nhiễu muối tiêu (density=0.001), e) Nhiễu Gaussian(0,002) 1156.12 a Ảnh chủ "Mandrill", b Ảnh đã nhúng watermark "Mandrill", c watermark gốc,

d Watermark trích được trong điều kiện bị tấn công bởi nén JPEG(Q=95), d.Watermark trích được trong điều kiện bị tấn công bởi nhiễu muối tiêu (0.001) 117

DANH MỤC BẢNG BIỂU

2.1 Bốn loại ẩn thông tin 14

2.2 Kết quả thực nghiệm của watermarking trong miền không gian 33

2.3 Kết quả thực nghiệm watermarking trên DCT và DWT 34

2.4 Kết quả thực nghiệm thuật toán watermarking đề xuất trên miền DCT-DWT kết hợp 36 3.1 Các bộ lọc trực giao 9-7 với các hệ số 43

3.2 PSNR (dB) giữa ảnh chủ và ảnh sau khi watermarking, NC luôn bằng 1 trong điều kiện không bị tấn công 47

3.3 So sánh kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.75 49

3.4 So sánh kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.50 49

3.5 So sánh kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.20 49

3.6 So sánh hiệu năng thuật toán đề xuất với hiệu năng các thuật toán nghiên cứu trước 50 3.7 So sánh tính bền vững của thuật toán đề xuất với các thuật toán khác khi bị tấn công bởi nén có tổn hao JPEG 51

3.8 So sánh tính bền vững của giải thuật được đề xuất với giải thuật khác khi bị tấn công bởi lọc thông thấp Gaussian 53

3.9 Các kết quả thực nghiệm về tính bền vững và tính vô hình của giải thuật được đề xuất khi bị các tấn công cắt 25% 55

3.10 So sánh thời gian xử lý của 2 phép biến đổi: FDCT(wrapping) và LP cải tiến 55

4.1 Cấu trúc của các hệ số hình ảnh dựa trên phép biến đổi curvelets 64

4.2 PSNR, NC và BER khi áp dụng giải thuật đề xuất trong điều kiện ảnh đã watermark-ing chưa bị tấn công 67

4.3 Kết quả thực nghiệm watermarking trên miền FDCT và miền kết hợp DCT-DWT 69 5.1 Tính vô hình giữa ảnh chủ và ảnh watermark trong điều kiện ảnh chủ đã watermark chưa bị tấn công NC giữa watermark gốc và watermark trích được bằng 1 cho cả 7 ảnh 86

5.2 So sánh các kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.20 87

5.3 So sánh các kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.10 87

5.4 So sánh các kết quả thực nghiệm của thuật toán đề xuất với thuật toán khác khi bị tấn công nén JPEG 87

5.5 So sánh các kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.05 87

5.6 So sánh các kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh, β = 0.20 với thuật toán khác khi bị tấn công 89

5.7 Các tham số đo lường về tính vô hình và thời gian xử lý với ảnh chủ "Goldgate" trong Hình 5.11 (a) PSNR, NC và SSIM được tính toán giữa ảnh chủ - x (x-plane) và ảnh chủ - x đã nhúng watermark NC của ảnh watermark và watermark trích được luôn bằng 1 trong điều kiện không bị tấn công 89

5.8 Các tham số trung bình của thuật toán watermarking đề xuất trên 65 ảnh màu chủ.

PSNR được tính toán giữa ảnh chủ - x (x: đỏ hay xanh lá hay xanh lam) và ảnh-x đã nhúng watermark trong điều kiện không bị tấn công 895.9 Hiệu năng của giải thuật được đề xuất trong điều kiện không bị tấn công 915.10 So sánh NC của giải thuật được đề xuất với NC thuật toán khác 926.1 Tính vô hình của các giải thuật đề xuất khi nhúng watermark trong băng con HH4

và HL4, trong điều kiện không bị tấn công 1076.2 So sánh tính vô hình và tính bền vững của thuật toán đề xuất nhúng watermark trong

băng con HH4, HL4 khi ảnh đã nhúng watermark Lena bị các loại tấn công nhiễukhác nhau 1086.3 Sự bền vững của thuật toán đề xuất khi bị các tấn công nén JPEG có tổn hao 1106.4 Sự bền vững của các thuật toán đề xuất trong điều kiện bị tấn công bởi lọc trung

bình [3 3], lọc trung vị [3 3] và tăng/ giảm độ sáng 20% 1126.5 Sự bền vững của thuật toán đề xuất khi bị các tấn công hình học (TL: trên trái, BR:

dưới phải) 1146.6 So sánh hiệu năng giữa thuật toán đề xuất và thuật toán được so sánh trên ảnh Lena

với các tấn công 1156.7 So sánh hiệu năng thuật toán đề xuất với hiệu năng thuật toán được so sánh 116

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi cosine rời rạc

DRM Digital Rights Management Quản lý bản quyền số

DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelets rời rạc

FDCT Fast Discrete Curvelet Transform Biến đổi curvelets rời rạc nhanh

JPEG Joint Photographic Experts Group Nén JPEG có tổn hao

LSB Least Significant Bit Bit có trọng số thấp nhất

LWT Lifting Wavelet Transform Biến đổi wavelets Lifting

PSNR Peak Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu

SSIM Structural Similarity Index Measure Đo lường chỉ số tương tự về cấu trúcSVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị đơn

USFFT Unequally Spaced Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh không đều

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Sự cần thiết của nghiên cứu

Hiện nay, cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư đang diễn ra Khác với 3 cuộc Cách mạngCông nghiệp trước, không chỉ dừng lại ở tự động hóa sản xuất và chế tạo sản phẩm, cuộc Cáchmạng Công nghiệp lần này đang hứa hẹn làm thay đổi sâu, rộng thế giới Hình ảnh, audio, videodường như không còn được sản xuất và phân phối ở dạng tương tự (analog), hình thức sản xuất

và phân phối ở dạng này có nhiều mặt hạn chế trong đó có hạn chế là có thể gây ra ô nhiễm môitrường Thay vào đó, dữ liệu đa phương tiện (multimedia) được sử dụng và phân phối phổ biếnqua Internet Có được sự chuyển biến mạnh mẽ này là nhờ sự phát triển nhanh chóng của máytính cá nhân PC, hạ tầng mạng Internet, công nghệ mạng di động băng thông rộng 3G (ThirdGeneration), 4G (Fourth Generation) và 5G (Fifth Generation), các thế hệ điện thoại thông minh(iphone, smart phone), giá của các thiết bị kỹ thuật số ngày càng rẻ và khả năng tiếp cận và sửdụng các thiết bị số của người sử dụng ngày càng phổ biến Sau những năm 1980, PC có cấuhình ngày càng cao, trong khi đó giá của PC ngày càng thấp và PC không thể thiếu trong cuộcsống hằng ngày của mỗi gia đình và mỗi tổ chức, doanh nghiệp Máy tính cá nhân (hay thiết bịcầm tay) càng phát huy sức mạnh hơn khi được kết nối vào Internet, mọi người không cần có kỹnăng đặc biệt về công nghệ thông tin cũng có thể lướt web (WWW) bằng cách sử dụng một trìnhduyệt web (ví dụ Internet Explorer, Firefox, Google Chrome, Safari, ) để tìm kiếm, thu thập vàtải (download) thông tin bằng các công cụ tìm kiếm (ví dụ: Google, Bing, Wolfram Alpha, ).Một khả năng đặc biệt mà chỉ có công nghệ thông tin mới có đó là khả năng sao chép nhanh,chính xác, không phân biệt được bản sao và bản gốc, không tốn chi phí Với đặc điểm này, ngànhcông nghệ thông tin có giá trị gia tăng rất lớn, một phần mềm có thể nhân rộng với số lượng bảnsao không bị giới hạn Tuy nhiên, các ảnh số có giá trị thương mại có bản quyền, các ảnh số cógiá trị pháp lí cũng có thể dễ dàng sao chép và chia sẻ rất nhanh không mấy khó khăn Sự saochép và chia sẻ các nội dung số trong một số tình huống là rất thuận lợi, nhưng trong một số tìnhhuống khác bị xem là phi pháp, phi đạo đức Mặt khác, ảnh số cũng có thể dễ dàng thu thập,chỉnh sửa và làm giả bằng các thao tác đơn giản bởi những phần mềm xử lý ảnh Với sự pháttriển của công nghệ thông tin và Internet, dữ liệu số, thông tin số, ảnh số, bị sử dụng, chia sẻ,sao chép, làm giả ngày càng nhiều Hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ thông tin số thường phânphối các sản phẩm của họ qua Internet, với tình hình vi phạm bản quyền như hiện nay, sự tổn thất

về kinh tế hằng năm là không nhỏ Đối với các cơ quan quản lí nhà nước, các cơ sở dữ liệu ảnh

số phải đảm bảo bảo mật để đảm bảo xác thực đúng và chống làm giả mạo Do đó, chủ sở hữu

các dữ liệu số có nhu cầu bảo vệ dữ liệu số và ngăn chặn việc sử dụng, chia sẻ, làm giả và tuyên

bố bản quyền trái phép đối với dữ liệu số Do đó, hoạt động nghiên cứu để bảo vệ bản quyền nộidung thông tin số được sự quan tâm đặc biệt của cộng đồng nghiên cứu khoa học, trong đó ngănchặn sự trộm cắp bản quyền và làm giả mạo các nội dung số là mục tiêu hàng đầu Quản lí bảnquyền số (DRM) đã được chọn là một trong 10 công nghệ hàng đầu nổi lên có thể làm "Thayđổi thế giới" [1] Qua đó, cho thấy công nghệ bảo vệ bản quyền số giữ vai trò rất quan trọng

Để giải quyết vấn đề bảo vệ bản quyền thông tin số và bảo mật với các cơ sở dữ liệu số, mật mã(cryptography) và watermarking số (digital watermarking) được sử dụng [2] Mật mã là một kỹthuật rất lâu đời được con người sử dụng trong chiến tranh hoặc trong một số tình huống khác.Theo thời gian, các kỹ thuật mật mã được cải tiến về mọi mặt về tốc độ, lượng thông tin ẩn vàbảo mật Tuy nhiên, các hệ thống mật mã truyền thống chỉ cho phép người giữ mật mã đúng sửdụng, chia sẻ sau khi đã giải mã dữ liệu Vì thế, các hệ thống mật mã chỉ có khả năng bảo mật

dữ liệu khi dữ liệu chưa được giải mã, trong khi đó các nhà cung cấp nội dung thông tin số cầngiải quyết triệt để nạn sao chép trái phép Hạn chế của giải pháp bảo vệ quyền sở hữu dữ liệu ảnh

số bằng mật mã là một khi dữ liệu số đã bị giải mã bởi người không phải là chủ sở hữu thật sự,thì dữ liệu sẽ khó được bảo vệ và việc theo dõi việc phân phối bất hợp pháp sẽ khó kiểm soát.Đồng thời, việc chứng minh quyền sở hữu hợp pháp của chủ nhân thật sự của nội dung số đó làkhông có cơ sở Watermarking có thể khắc phục những hạn chế của kỹ thuật mật mã trong bảo

vệ bản quyền nội dung thông tin số Kỹ thuật watermarking số nhúng thông tin bảo mật trong

dữ liệu chủ Thông tin này vẫn còn tồn tại ở đó thậm chí cả sau khi tiến trình giải mã được thựchiện Trong các nội dung số, ảnh số được sử dụng phổ biến, video cũng dựa trên sự chuyển độngcủa các khung (frame) ảnh, hơn nữa hầu hết các cơ sở dữ liệu dùng để xác thực con người cũngdựa trên ảnh số sinh trắc học Do đó, watermarking ảnh số thời gian gần đây đã trở thành mộttrong những lĩnh vực được quan tâm, nghiên cứu nhiều Thật vậy, bằng cách sử dụng cụm từkhóa "Digital Image Watermarking" để tìm kiếm các nghiên cứu trên 2 website chính thức củaIEEE và Science Direct cho thấy số lượng nghiên cứu về lĩnh vực này không ngừng tăng lên,

từ giai đoạn 1994 đến 2019, số nghiên cứu nhiều nhất của 1 năm từ IEEE là 412 và từ ScienceDirect là 465 Thông tin chi tiết được trình bày trong Hình 1.1

Theo [3], thời gian gần đây, các ứng dụng quan trọng của watermarking ảnh số là bảo vệ bảnquyền tác giả, quản lí và nhận biết nội dung, tư pháp số, quân sự, giám sát phát sóng, lưu trữfile đa phương tiện (media file archiving), liên lạc bí mật, giáo dục từ xa, ứng dụng trong y tế,lấy dấu vân tay, bỏ phiếu điện tử an toàn và các giấy phép khác, giải pháp bảo mật thông tincho thành phố thông minh, người máy (robotics) và âm thanh/video thời gian thực Ngoài ra,watermarking số cũng thích hợp để bảo vệ chip và phần cứng Rõ ràng, watermarking ảnh sốđược ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực quan trọng Mặt khác, ứng dụng watermarking ảnh sốngày càng tăng theo sự tiến bộ của công nghệ, đặc biệt là tính bảo mật, an toàn, an ninh thôngtin được đặt lên hàng đầu trong kỷ nguyên chính phủ/ chính quyền số, kinh tế số, xã hội số Vìvậy, watermarking ảnh số thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu đề xuất nhiều giải pháp,

Hình 1.1: Các công bố khoa học về watermarking ảnh số trong 20 năm qua được đăng bởi IEEE và Science Direct.

Số liệu thống kê được thu thập từ website https://ieeexplore.ieee.org và website https://www.sciencedirect.com với

từ khóa "Digital Image Watermarking"

nhiều giải thuật mới góp phần nâng cao hiệu năng thuật toán watermarking ảnh số Việc sử dụngtrí tuệ nhân tạo, học sâu (deep learning) để nâng cao hiệu năng watermarking là hướng nghiêncứu mở, mới, có nhiều tiềm năng cần được khai phá Hơn nữa, Việt Nam đang tích cực thực hiệnchuyển đổi số Đây là sự chuyển dịch có tầm ảnh hưởng lớn, sẽ làm thay đổi diện mạo kinh tế,văn hóa, xã hội của đất nước Do đó, việc nghiên cứu đề xuất các giải thuật watermarking ảnh

số hiệu quả là việc cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

1.2 Đặt vấn đề và hướng giải quyết vấn đề

Trong phần trước luận án đã trình bày một nhu cầu rất bức thiết về bảo vệ bản quyền nội dungthông tin số (ảnh số, âm thanh số, video số và các nội dung số khác) và tăng cường bảo mậtcho các nội dung số Bằng việc nhúng thông tin mật như các chuỗi giả ngẫu nhiên, logo, cácảnh nhị phân, ảnh xám, ảnh màu, hay các ảnh sinh trắc học liên quan đến chủ sở hữu các ảnh

số, kỹ thuật watermarking số có thể bảo vệ bản quyền sở hữu nội dung số cũng như tăng tínhbảo mật cho các cơ sở dữ liệu ảnh số dùng trong quản lý con người Không giống như kỹ thuậtgiấu tin mật (steganography) thông tin mật được giấu trong nội dung chứa thông tin mới quantrọng, trong kỹ thuật watermarking, cả thông tin được giấu và nội dung chứa thông tin đều quantrọng và chúng có mối quan hệ với nhau Nên yêu cầu của kỹ thuật watermarking cũng đòi hỏinhiều thông số hơn và mức độ đòi hỏi cao hơn Dựa vào việc watermark sau khi nhúng vàoảnh chủ có thể được nhìn thấy hoặc không nhìn thấy mà kỹ thuật watermarking được chia thành

kỹ thuật watermarking hữu hình và kỹ thuật watermarking vô hình Kỹ thuật watermarking hữu

hình được dùng để thông báo bản quyển tác giả của ảnh chủ, để ngăn chặn, hoặc ít nhất là khôngkhuyến khích, sử dụng trái phép bản quyền ảnh số Trong khi đó kỹ thuật watermarking vô hìnhnhúng watermark vào ảnh chủ mà không gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của ảnh chủ.Watermark được nhúng trong trường hợp này là bền vững trước các tấn công xử lý hình ảnh Kỹthuật watermarking vô hình có thể được sử dụng để bảo vệ bản quyền tác giả ảnh số Luận ánnày tập trung nghiên cứu kỹ thuật watermarking vô hình và khi trích watermark không cần ảnhchủ (watermarking mù) trên phân tích đa phân giải Yêu cầu đối với các giải thuật watermarkingphụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.

Đối với các ứng dụng bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ thì tính bền vững yêu cầu cao trong khi vẫnđảm bảo tính vô hình (không ảnh hưởng đến giá trị thương mại của ảnh chủ) Trong khi đó, đốivới các ứng dụng xác thực tính toàn vẹn của nội dung thông tin số thì tính không bền vững lạiquan trọng Các yêu cầu đối với kỹ thuật watermarking [2, 4] là: tính bền vững (robustness), tính

vô hình (imperceptibility), dung lượng nhúng (capacity) và tính bảo mật (security) Một yêu cầukhác cũng thường được quan tâm trong kỹ thuật watermarking đó là thời gian nhúng và tríchwatermark Hình 1.2 trình bày mối quan hệ giữa tính vô hình và tính bền vững [4], qua đồ thịcho thấy khi tính bền vững tăng thì tính vô hình giảm và ngược lại được thể hiện trong Hình1.2(a), nhiệm vụ của các nhà nghiên cứu là làm thế nào để đồ thị quan hệ giữa tính bền vững vàtính vô hình tiến theo hướng mũi tên như Hình 1.2(c), nghĩa là nâng cao tính bền vững và tính

vô hình khi so sánh với các nghiên cứu trước Tương tự cho mối quan hệ giữa tính vô hình vàdung lượng nhúng, cũng như giữa dung lượng nhúng và tính bền vững [4]

Hiện nay, watermarking số đã và đang được áp dụng rộng rãi để xác thực và bảo vệ bản quyềnthông tin số (hình ảnh, âm thanh, video, văn bản) [5] Watermarking số là quá trình nhúng thôngtin mật vào dữ liệu số sao cho con người không thể nhận biết bằng mắt thường (invisibility – tính

vô hình); đủ bền vững (robustness) khi bị nhiễu trên đường truyền, nén có tổn hao như JPEG,hoặc bị tấn công do vô ý bởi xử lý tín hiệu tăng giảm độ sáng, lọc, hoặc do cố ý bởi cắt(dropping) Nếu watermark được nhúng vào dữ liệu số bị phá hỏng thì dữ liệu số đó cũng khôngcòn giá trị thương mại (chất lượng ảnh sau khi bị tấn công suy giảm rất nhiều so với ảnh chủban đầu) Có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật watermarking ảnh số như kỹ thuật watermarkingtrong miền không gian, kỹ thuật watermarking trong miền tần số và kỹ thuật watermarking ảnh

số trên miền biến đổi định hướng, kỹ thuật watermarking sử dụng trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là kỹthuật học sâu (deep learning) Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng (sẽ được trìnhbày trong phần 1.3) Yêu cầu đối với các ứng dụng bảo vệ bản quyền ảnh số là watermark phảibền vững trước các tấn công trong khi tính vô hình phải được đảm bảo; tính bảo mật, dung lượngnhúng và độ phức tạp tính toán cũng cần quan tâm xem xét

Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển các thuật toán nhúng và trích watermark thỏa mãnyêu cầu các ứng dụng watermarking trong bảo vệ bản quyền Hiệu năng của các thuật toán đượcphát triển sẽ được đánh giá theo nhiều thông số trên các cơ sở dữ liệu ảnh màu, ảnh xám chuẩn.Một số đặc điểm của giải thuật đề xuất

Hình 1.2: Quan hệ giữa tính bền vững và tính vô hình

• Các giải thuật đề xuất là mù vì ảnh chủ gốc không cần được sử dụng trong quá trình tríchwatermark

• Các watermark là vô hình sau khi nhúng và việc nhúng watermark gây ra sự méo dạng tốithiểu với ảnh chủ

• Các giải thuật phải bền vững chống lại các tấn công chủ yếu

• Giải quyết được bài toán bảo vệ bản quyền ảnh số

• Giảm thời gian tính toán cho các ứng dụng yêu cầu thời gian thực

• Đảm bảo tính bảo mật

Để giải quyết vấn đề đặt ra, trong luận án này đã khảo sát các nghiên cứu trước liên quan đến

kỹ thuật watermarking ảnh số để bảo vệ bản quyền tác giả từ các công trình được công bố trênIEEE và Science Direct trong thời gian 10 năm gần đây Trên cơ sở các nghiên cứu trước đã đượcnghiên cứu phân tích để rút ra ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp từ đó đề xuất hướngnghiên cứu của luận án Trong quá trình khảo sát các nghiên cứu trước, một số giải thuật đề xuấttrong miền không gian và miền biến đổi DWT, DCT cũng được tiến hành và đo lường hiệu năngcủa thuật toán đề xuất Bước nghiên cứu này, giúp kiểm chứng, so sánh với các nghiên cứu trongmiền nhúng tương tự, còn làm nền tảng ban đầu để nghiên cứu đề xuất các miền nhúng có nhiều

ưu điểm cho thuật toán watermarking ảnh số hơn

Qua kết quả khảo sát, các thuật toán đề xuất trong luận án được dựa trên các cơ sở: miền nhúng

là miền tần số mới đảm bảo được tính bền vững; các miền nhúng trên phân tích đa phân giải(multiresolution analysis) có nhiều tiềm năng mang lại hiệu năng cao như: miền DWT, LP, miềnbiến đổi định hướng như curvelets, contourlets; nhúng dựa trên kỹ thuật học sâu CNN.

Các giải thuật watermarking đề xuất được xây dựng mô hình toán học và tiến hành mô phỏngbằng Matlab để đánh giá kết quả Giải thuật watermarking sẽ được đánh giá bằng thông số kháchquan như PSNR, NC, BER, SSIM hoặc quan sát chủ quan (được thực hiện bởi những chuyêngia xử lý ảnh) So sánh tính bền vững và tính vô hình của giải thuật watermarking đề xuất vớimột số giải pháp phổ biến

1.3 Các nghiên cứu trước về kỹ thuật watermarking ảnh số

Trong khi có một số kỹ thuật watermarking hữu hình (watermark có thể được nhìn thấy) [6], thìhầu hết các kỹ thuật watermarking được quan tâm là watermarking vô hình (watermark khôngthể được nhìn thấy) Có nhiều phân lớp đối với kỹ thuật watermarking vô hình như watermarkingbền vững, watermarking nửa dễ vỡ và watermarking dễ vỡ Watermarking dễ vỡ được thiết kế đểwatermark bị vỡ một cách dễ dàng bởi các hoạt động xử lý ảnh Kỹ thuật watermarking dễ vỡ cóthể được sử dụng để phát hiện sự sửa đổi ảnh chủ [7] Dựa vào quá trình nhúng và trích watermark,

kỹ thuật watermarking bền vững lại được phân ra thành watermarking mù, watermarking nửa

mù và watermarking không mù Dựa vào miền nhúng, kỹ thuật watermarking cũng được phânloại thành 2 nhánh lớn: kỹ thuật watermarking trong miền không gian và kỹ thuật watermarkingtrong miền tần số

Watermarking trong miền không gian, watermark được nhúng trực tiếp vào các giá trị điểm ảnhcủa ảnh chủ [8, 9] Trong [8], trình bày một phương pháp watermarking mới, bền vững trongmiền không gian Kỹ thuật này dựa trên thuật toán ICA (Imperialist Competitive Algorithm).Tính mới của nghiên cứu này là sử dụng thuật toán ICA và màu trọng số thấp nhất được chọn, ởđây ICA xác định vùng nhúng trong ảnh chủ Sau khi chọn một số vị trí, các điểm ảnh gần nhau

5 × 5 được chọn và với mỗi điểm ảnh gần nhau được chọn, màu có trọng số thấp nhất được chọn

để chèn Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng trong điều kiện chưa bị tấn công, tính vô hình và khảnăng trích watermark là rất tốt, giá trị của PSNR đạt khoảng 43 (dB) Nhưng sau khi áp dụngmột số cuộc tấn công, ảnh watermark trích được bị biến dạng nhiều so với ảnh chủ, đặc biệt làsau khi ảnh đã watermark bị nén JPEG Trong [9], giải thuật watermarking được đề xuất dựa trênbit có trọng số thấp (LSB) bền vững được tối ưu hóa dựa trên tham số SSIM để nhúng và tríchwatermark Watermark được nhúng vào ảnh chủ bằng thuật toán thích ứng (adaptive algorithm).Giải thuật đề xuất cho phép đánh đổi tốt hơn giữa dung lượng nhúng (capacity) và tính vô hình.Kết quả mô phỏng cho thấy watermark có thể được trích xuất với độ chính xác có thể chấp nhậnđược sau các tấn công So với các thuật toán đã đề xuất trước, phương pháp này gia tăng dunglượng nhúng trong khi vẫn đảm bảo được tính bền vững và tính vô hình

Trong miền biến đổi, watermarking được thực hiện bằng cách thay đổi các hệ số trong miền biến

đổi của ảnh chủ Các ví dụ ban đầu về kỹ thuật này nhận được từ việc sửa đổi các hệ số DCT[10, 11] và các hệ số DWT [12–15] Trong [10], một thuật toán watermarking mù đã được đềxuất dựa trên các ảnh fractal trên miền biến đổi cosine rời rạc (DCT) Mã fractal được chuyểnđổi sang các ảnh nhị phân và được sử dụng như là watermark Ảnh chủ được phân tích sang cácthành phần ảnh đỏ, ảnh xanh lá và ảnh xanh lam tương ứng Mã fractal là các ảnh nhị phân đượcnhúng vào các thành phần ảnh xám tương đương với các thành phần RGB của ảnh chủ Việcnhúng được thực hiện trong tần số giữa để bảo mật watermark khỏi một số tấn công Tính bềnvững và tính vô hình của thuật toán được thể hiện trong các kết quả và phân tích Nghiên cứucủa họ bao gồm phát sinh mã fractal cho tất cả các hình ảnh để tạo sự hiệu quả hơn và tăng khảnăng sử dụng Trong [11], một giải thuật watermarking số bền vững để bảo vệ quyền sở hữuđược trình bày Giải thuật được dựa trên SP và DCT sử dụng tương quan moment tích Pearson.Trong quá trình nhúng watermark, SP được thực hiện trên ảnh chủ, băng con định hướng tươngứng được lựa chọn để nhúng watermark DCT được áp dụng trên mỗi khối kích thước 8 × 8 củacác băng con được chọn Hai chuỗi độc lập biểu diễn watermark được nhúng vào các thành phầnDCT ở tần số thấp và tần số giữa Việc dò watermark dựa trên kết quả so sánh giữa các tươngquan moment tích Pearson của hai chuỗi độc lập với mỗi khối đã nhúng watermark Các kết quảthực nghiệm đã chỉ ra rằng tính vô hình tốt và sự tái tạo của thuật toán đề xuất chống lại nhiềuloại tấn công có chủ ý và không có chủ ý.

Trong [12], nghiên cứu này đã quan tâm đến vấn đề bảo mật bản quyền ảnh số Một giải thuậtwatermarking ảnh số cho ảnh màu bền vững và vô hình Giải thuật này nhúng watermark vào ảnhchủ trong không gian RGB Sự kết hợp của DWT và SVD được sử dụng để nhúng watermark.Trong sự kết hợp của DWT và SVD, các giá trị đơn của các hệ số băng con khác nhau được sửađổi sử dụng các yếu tố tỷ lệ khác nhau để nhúng các giá trị đơn của watermark Các bản sao củawatermark được nhúng vào 4 hệ số băng con, việc này rất khó để xóa hay hủy watermark Sựkết hợp giữa DWT và SVD làm tăng tính bảo mật, tính bền vững và tính vô hình của giải thuật.Trong [13], một giải thuật watermarking mù mới dựa trên miền biến đổi DWT Phương phápnày sử dụng mô hình HVS và các mạng nơ-ron hàm RBF (Radial Basis Function) RBF được sửdụng để học đặc trưng của hình ảnh RBF sẽ được thực hiện khi nhúng và trích watermark Môhình HVS được sử dụng để xác định cường độ chèn watermark Các mạng neural gần như phụchồi chính xác watermark từ các ảnh đã watermarking sau khi huấn luyện và học Kết quả thựcnghiệm cho thấy giải thuật đề xuất đảm bảo tính vô hình và tính bền vững trước các tấn côngthông thường như nén JPEG, nhiễu cộng, lọc

Trong [14], một giải thuật watermarking nửa mù được giới thiệu để bảo vệ bản quyền ảnh số,giải thuật được xây dựng dựa trên LWT và SVD Tác giả đã sử dụng giải mã fractal để tạo ra sựtrình bày ảnh watermark ở mức độ nén cao Trong giai đoạn nhúng của giải thuật watermarking,trước tiên, ảnh chủ được phân tích với biến đổi LWT 2D, sau đó SVD được áp dụng cho cácbăng con của ảnh đã được biến đổi và nhúng watermark bằng cách sửa đổi các giá trị singular.Trong giai đoạn trích watermark, các mã nhúng được trích từ hình ảnh đã watermark Sau đó,

watermark thu được bằng cách thực hiện mã trích Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng watermark làbền vững chống lại các tấn công khác nhau, như bộ lọc trung bình, nén JPEG, quay và một sốtấn công khác.

Trong [15], watermarking số được thực hiện bằng cách sử dụng logic mờ dựa trên miền biến đổi.Logic mờ là một cách tiếp cận dựa trên "mức độ của sự thật" chứ không phải là logic Booleanthông thường có 2 trạng thái "đúng hoặc sai" Các tác giả đã sử dụng ảnh tham chiếu (referenceimage) thay cho ảnh chủ Để có được ảnh tham chiếu tương phản Chỉ thị (Directive contrast) vàGiá trị ngưỡng được tính cho các băng tần số giữa và tần số cao Miền biến đổi với sự trợ giúpcủa hệ thống logic mờ được sử dụng để nhúng watermark trong ảnh tham chiếu Ở đây logic mờđược sử dụng để tìm giá trị α được sử dụng để nhúng watermark Nhúng watermark được dựatrên DWT và SVD Sau khi phân tích ảnh chủ thành bốn băng con, SVD được áp dụng cho mộttrong các băng con tần số và nhúng các dữ liệu watermark giống nhau bằng cách sửa đổi cácgiá trị singular Các tấn công cũng được thực hiện trên ảnh đã watermark Các sự đo lường địnhlượng như PSNR, NC cũng được tính toán để kiểm tra ảnh đã watermark và cũng như watermarktrích được cả khi bị và không bị tấn công

Việc nhúng watermark vào mỗi miền tần số DCT, DWT đều có ưu và nhược điểm riêng, nênnhiều thuật toán đã đề xuất miền nhúng watermark dựa trên miền kết hợp DCT-DWT [16, 17].Trong [16], một thuật toán watermarking ảnh số lai cho các ảnh màu dựa trên DCT và DWT.Ảnh chủ được chuyển từ không gian màu RGB sang không gian màu YCbCr, sau đó thành phần

độ sáng (luminance) được phân vùng thành các khối điểm ảnh không chồng lấn theo số bit củawatermark gốc; và chuyển đổi DCT được thực hiện cho từng khối riêng biệt Sau khi chuyển đổiDCT, DWT được thực hiện và băng con LH được chọn để nhúng watermark Sau đó, thông tinwatermark được nhúng bằng công thức toán mới Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp nàyđảm bảo tính bền vững và tính vô hình đối với nhiều loại tấn công như nhiễu cộng, lọc, cắt vànén JPEG Trong [17], watermark số bảo mật được nhúng miền kết hợp DCT và DWT Kỹ thuậtnày có tính bền và tính vô hình cao, thuật toán này có khả năng chống lại các loại tấn công nhưcắt, nhiễu và co giãn

Candes và Donoho đã đề xuất các kỹ thuật biến đổi curvelets, kỹ thuật này dựa trên phân tíchridgelet của biến đổi radon hình ảnh [18] Curvelets là một dạng đặc biệt của wavelets, đang trởthành một kỹ thuật phổ biến để trình bày đối tượng đa tỷ lệ trong xử lý hình ảnh Khi một hìnhảnh bao gồm các đường cong liên tục (smooth curves) được phóng to, các cạnh gần như thẳng.Curvelets được định nghĩa dựa trên thuộc tính này và sử dụng các curvelets có độ phân giải caohơn cho các đường cong có độ cong giới hạn [18] Trong [19], một phương pháp watermarking

sử dụng miền curvelets đạt tính vô hình và tính bền vững cao Trong phương pháp này có ưuđiểm là giảm thiểu năng lượng nhúng watermark nhờ kỹ thuật phân tích đa hướng, biến đổicurvelets Tuy nhiên, nếu watermark được chèn vào miền curvelets với kỹ thuật watermarkingcủa các miền thông thường, thì watermark sẽ bị méo trong quá trình biến đổi curvelets thuận vànghịch Để giải quyết vấn đề này, các tác giả đã thiết kế giải pháp watermarking dựa trên sự xem

xét các đặc tính của bộ lọc curvelets Bằng cách giảm thiểu sự biến dạng watermark bởi biến đổicurvelets, độ bền vững đạt được cao với năng lượng nhúng watermark nhỏ.

Một kỹ thuật đa phân giải có nhiều đặc điểm có lợi cho kỹ thuật watermarking là Laplacianpyramid (LP) LP có thể trình bày tín hiệu đa phân giải đối với các tín hiệu hình ảnh Ưu điểmcủa LP là sự đơn giản và thời gian tính toán thấp Một số đề xuất giải thuật watermarking có sửdụng LP [20] Nghiên cứu [20] đã trình bày một giải thuật watermarking ảnh số trên biến đổi

LP dựa trên DCT để xác minh quyền sở hữu các ảnh số Giải thuật này bền vững khi so sánh vớicác nghiên cứu trước khi bị tấn công nén JPEG Thông số SNR (Signal to Noise Ratio) được sửdụng để đo lường hiệu năng thuật toán Mặt khác, biến đổi LP là một bước quan trọng trong biếnđổi CT CT là một trong những biến đổi định hướng có nhiều ưu điểm có thể áp dụng các thuậttoán watermarking để nâng cao hiệu năng thuật toán

CT có tính chất lan truyền Điều này có nghĩa là các bit watermark được nhúng vào băng con tần

số thấp hay tần số cao bất kỳ thì những bit này sẽ trải ra tất cả các băng con trong quá trình táitạo ảnh đã nhúng watermark Điều này làm cho các thuật toán watermarking trên miền CT bềnvững chống lại các tấn công hơn [21] Trong [22], các tác giả đã đề xuất giải thuật watermarkingảnh số nhân bản (multiplicative) mới trong miền contourlets bằng cách tính đến các thuộc tínhthống kê cục bộ và các phụ thuộc tỷ lệ nội bộ (inter-scale) giữa các hệ số contourlets của ảnh

số Từ các kết quả mô hình hóa, một bộ giải mã watermark mù tối ưu được thiết kế trong miềncontourlets sử dụng phương pháp likelihood cực đại Bằng cách thực hiện một số thực nghiệm,hiệu suất của bộ giải mã đề xuất được khảo sát dựa vào tỷ lệ lỗi bit và được so sánh với các bộgiải mã khác Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng bộ giải mã đề xuất có độ bền vững tốt hơn các bộgiải mã khác khi bị các cuộc tấn công như lọc, nén, cắt, co giãn và nhiễu

Gần đây, có sự áp dụng qua lại giữa học sâu và watermarking số Trong mô hình học sâu, việc

sử dụng các watermark số để bảo vệ các thuộc tính của mô hình học sâu cũng là một phươngpháp nghiên cứu tương đối mới Và đã có một số tiến bộ trong sử dụng phương pháp học sâu đểnâng cao tính bền vững của kỹ thuật watermarking số Trong [23], giải thuật watermarking bềnvững dựa vào CNN được đề xuất Kỹ thuật DWT và kỹ thuật SVD được sử dụng trong quá trìnhnhúng watermark Mô hình giả lập thuật toán đề xuất có hiệu năng tốt, watermark trích được cóthể được xác định rõ ràng

1.4 Những đóng góp chính

Luận án đã nghiên cứu, khảo sát và đề xuất các giải thuật trên miền không gian, miền tần số trêncác miền biến đổi như DCT, DWT, miền kết hợp DCT-DWT đã khẳng định lại các kết luận về kỹthuật watermarking ảnh số trên các miền biến đổi này Kết quả nghiên cứu làm cơ sở để so sánhvới các giải thuật được đề xuất sau đó Giải thuật watermarking trên miền biến đổi LP cải tiến

có hiệu năng cao xét về tính bền vững và tính vô hình Hơn nữa, độ phức tạp tính toán thấp, thờigian nhúng và trích watermark nhỏ phù hợp với các hệ thống ứng dụng yêu cầu thời gian xử lý

ngắn Các giải thuật watermarking đề xuất trên miền biến đổi định hướng curvelets, contourlets

có hiệu năng cao, dữ liệu thử nghiệm nhiều, là cơ sở khoa học quan trọng minh chứng cho cácgiải thuật watermarking trên miền biến đổi curvelets và contourlets Luận án còn đề xuất giảithuật watermarking dựa trên sự kết hợp CNN và wavelets có độ bền vững chống lại nhiều loại tấncông khác nhau Đề xuất giải thuật watermarking dựa vào phương pháp học sâu là định hướngnghiên cứu mới có nhiều tiềm năng

Nội dung thực hiện và đóng góp chính của luận án có thể tóm tắt như sau:

1 Đề xuất thuật toán watermarking ảnh số mù, bền vững trong miền DCT-DWT kết

4 Đề xuất thuật toán watermarking ảnh số màu trong miền curvelets, contourlets bền

vững, vô hình hiệu năng thuật toán cao.

5 Đề xuất thuật toán watermarking ảnh số mù, vô hình dựa trên sự kết hợp CNN và

DWT có khả năng chống lại nhiều loại tấn công khác nhau.

6 Công bố 2 bài báo trên hai tạp chí quốc tế nước ngoài, 1 bài báo trên tạp chí quốc

gia, 1 bài báo tại hội nghị quốc tế ở nước ngoài, 3 bài báo tại 3 hội nghị quốc tế trong nước và 1 bài báo tại hội nghị quốc gia.

Luận án này đã hệ thống hóa về kỹ thuật watermarking, các đặc điểm của watermarking, phânloại watermarking, ứng dụng watermarking, mô hình watermarking và các phương pháp đo lườnghiệu năng watermarking

Sau đó, luận án khảo sát các kỹ thuật watermarking ảnh số trên miền không gian và miền biếnđổi Trong mỗi phương pháp, cơ sở toán học; các thuật toán watermarking; thuận lợi và khó khăncủa từng phương pháp đã được trình bày Qua đó, các ưu, nhược điểm của từng phương phápđược phân tích Đồng thời, luận án cũng khảo sát thực nghiệm một số kỹ thuật watermarkingquan trọng Từ đó, luận án đề xuất vùng nhúng phù hợp để nâng cao tính bền vững và tính vôhình Các kết quả thực nghiệm của watermarking ảnh số trên miền không gian, miền biến đổicosine rời rạc, miền biến đổi wavelets rời rạc, miền kết hợp giữa miền biến đổi cosine rời rạc vàmiền biến đổi wavelets rời rạc, miền biến đổi curvelets cũng được trình bày và thảo luận Kết quảcác thực nghiệm đã chỉ ra rằng watermarking trong miền biến đổi bền vững hơn watermarkingđơn giản trong miền không gian Watermarking trong miền curvelets đảm bảo tính bền vững vàtính vô hình Nhờ khả năng trình bày thưa tín hiệu của phép biến đổi curvelets, watermarkingtrong miền này bền vững khi bị tấn công bởi nhiễu và nén có tổn hao

Trên cơ sở kết quả đã nghiên cứu và thực tế là các phương pháp biến đổi tín hiệu hình ảnh 2 chiều

được thực hiện theo từng chiều tương ứng bằng các bộ lọc một chiều (miền tần số) như biến đổicosine rời rạc DCT, biến đổi wavelets rời rạc DWT Các bộ lọc này sẽ không thể phân tích tín hiệuhình ảnh 2 chiều có nhiều chi tiết đặc trưng theo các hướng khác nhau Do đó, luận án đã nghiêncứu và đề xuất các giải thuật trên miền biến đổi định hướng Luận án đã trình bày chi tiết cơ sởtoán học và những vấn đề liên quan của các phép biến đổi định hướng ridgelet, curvelets thế hệthứ nhất, curvelets thế hệ thứ hai và contourlets Luận án cũng đề xuất giải thuật watermarkingtrong miền biến đổi LP và contourlets Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng watermarking trongmiền biến đổi định hướng đảm bảo tính bền vững và tính vô hình Hiệu năng các thuật toán đềxuất tốt hơn một số thuật toán khác khi bị tấn công, đặc biệt là tấn công nén JPEG có tổn hao.

Để khẳng định thêm các kết quả nghiên cứu, luận án đã mở rộng các kết quả nghiên cứu đã thựchiện Đối với giải thuật watermarking trong miền biến đổi LP, luận án đã sử dụng một watermarknhị phân mới có kích thước lớn hơn 32 × 32 điểm ảnh (giải thuật cũ 21 × 21) Luận án đã tiếnhành 3 thực nghiệm để đánh giá hiệu năng thuật toán Tính bền vững được kiểm tra bởi tấn côngnén JPEG có tổn hao, lọc thông thấp Gaussian và cố ý cắt ảnh đã nhúng watermark với tỷ lệcắt là 25%, bên cạnh đó luận án cũng khảo sát thời gian nhúng và trích watermark khi áp dụngcùng một thuật toán trên FDCT (wrapping) và trên biến đổi LP Kết quả thực nghiệm đã chỉ rarằng hiệu năng thuật toán đề xuất xét về tính bền vững và tính vô hình tốt hơn khi áp dụng cùngmột thuật toán trên DWT 2D và FDCT dưới các tấn công nén JPEG có tổn hao, các bộ lọc thôngthấp Gaussian và cố ý cắt ảnh Hơn nữa, thời gian tính toán để nhúng và trích watermark ít hơncác thuật toán khác Phương pháp đề xuất là watermarking mù và có tính bảo mật cao, như thế,watermark chỉ được trích ra bởi những người sử dụng hợp pháp Đối với giải thuật watermarkingtrong miền biến đổi định hướng, luận án đã sử dụng cơ sở dữ liệu ảnh màu chuẩn để làm ảnhchủ trong 2 thực nghiệm Thực nghiệm thứ nhất, luận án đã khảo sát hiệu năng về tính vô hình,thời gian tính toán để nhúng và trích watermark, khả năng trích chính xác watermark trên miền

CT của 65 hình ảnh trong điều kiện không bị tấn công Mỗi một ảnh màu chuẩn được tách rathành ba ảnh đỏ (red plane), xanh lá (green plane) và xanh lam (blue plane) Trên mỗi ảnh này,luận án tiến hành watermarking và đo lường tính vô hình, thời gian nhúng, trích watermark vàkhả năng trích watermark trong điều kiện ảnh đã nhúng watermark nhưng chưa bị tấn công Dựavào thực nghiệm số 1, luận án chọn ảnh có hệ số PSNR cao nhất trong điều kiện chưa bị tấncông để làm ảnh chủ Sau đó, luận án áp dụng giải thuật được đề xuất trên ảnh đỏ của ảnh chủnày trên 3 miền tần số DWT, FDCT và CT Để đo lường hiệu năng thuật toán đề xuất, các tấncông nén JPEG2000, lọc thông thấp Gaussian và lọc median với nhiều độ lợi khác nhau Kết quảthực nghiệm đã chỉ ra thuật toán nhúng và trích watermark trên các miền biến đổi định hướngcurvelets và contourlets làm cải tiến hiệu năng watermarking về PSNR, SSIM và NC Luận áncũng đã mở rộng các giải thuật được đề xuất trên cơ sở dữ liệu ảnh chuẩn Kết quả thực nghiệm

đã chỉ ra rằng watermarking trong miền biến đổi định hướng có hiệu năng cao hơn các miền biếnđổi khác Đóng góp gần đây là việc luận án đề xuất một giải thuật watermarking ảnh số mù mớidựa trên sự kết hợp giữa DWT và CNN Trước tiên, các ảnh chủ được phân tích bởi DWT với 4

mức và rồi, băng con tần số thấp của mức đầu tiên và băng con tần số cao hoặc băng con tần sốgiữa của mức bốn được sử dụng như dữ liệu đầu vào và dữ liệu đầu ra đích để huấn luyện môhình CNN cho việc nhúng và trích watermark Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ rằng cácgiải thuật đề xuất có hiệu năng cao chống lại nhiều tấn công.

1.5 Cấu trúc của luận án

Chương 2 giới thiệu về kỹ thuật watermarking ảnh số: vài nét về kỹ thuật watermarking, lịch sửhình thành, ứng dụng và phân loại watermarking Trình bày các thông số đo lường hiệu năngthuật toán về tính vô hình và tính bền vững Sau đó, các kỹ thuật watermarking trong miền khônggian và miền biến đổi cũng được trình bày Một số giải thuật watermarking trong miền khônggian như LSB, Texture Mapping, Coding, Patchwork, Correlation-Based được giới thiệu Cơ sởtoán học của các biến đổi DCT và DWT được trình bày thảo luận; đồng thời các giải thuật wa-termarking trong các miền không gian và miền DCT-DWT kết hợp cũng được đề xuất và tiếnhành mô phỏng trên Matlab Cuối cùng là phần thảo luận về các kết quả thực nghiệm để rút rakết luận chung

Chương 3 đề xuất một giải thuật watermarking trên miền LP cải tiến Tính bền vững của termark khá cao, tính vô hình được đảm bảo, cùng với thời gian tính toán là rất thấp so với giảithuật được áp dụng trên các miền biến đổi khác Cơ sở toán học của phép biến đổi LP và LP cảitiến được trình bày và thảo luận

wa-Chương 4 trình bày các phép biến đổi định hướng ridglets, curvelets, phân tích các ưu và nhượcđiểm của từng phương pháp và chỉ ra các ưu thế khi chọn phương pháp phân tích này để nhúngwatermark Một giải thuật watermarking được đề xuất dựa trên phép biến đổi curvelets nhanhFDCT Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng, watermarking trên miền biến đổi định hướng có hiệunăng tốt hơn các miền biến đổi khác

Chương 5 sử dụng một cơ sở dữ liệu ảnh màu chuẩn trong các thực nghiệm của thuật toán đềxuất trên miền biến đổi contourlets Các số liệu đo được trong quá trình thực nghiệm được tổnghợp và tính các đại lượng thống kê để phân tích so sánh Hiệu năng của thuật toán này rất cao,

cả về tính bền vững, tính vô hình, dung lượng nhúng, tính bảo mật và cả độ phức tạp tính toán.Chương 6 đề xuất giải thuật watermarking ảnh số trên cơ sở kết hợp giữa CNN và Wavelets Cơ

sở toán học của CNN được trình bày Các thực nghiệm của thuật toán đề xuất được so sánh với

2 công trình được công bố gần đây Nhiều kiểu tấn công được giả lập để kiểm chứng hiệu năngcủa thuật toán đề xuất

Chương 7 đưa ra kết luận chung và đề xuất định hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT WATERMARKING ẢNH

SỐ VÀ MỘT SỐ ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU

Trong Chương 1, luận án đã nêu sự cần thiết của nghiên cứu, nêu vấn đề nghiên cứu và đề xuấthướng giải quyết vấn đề bằng cách xây dựng các giải thuật watermarking ảnh số trên phân tích

đa phân giải Để làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo, chương này trình bày tổng quan về

kỹ thuật watermarking; các tham số đo lường hiệu năng thuật toán watermarking; các phươngpháp watermarking trong miền không gian và miền biến đổi; đề xuất và thực nghiệm giải thuậtwatermarking ảnh số trong miền không gian, miền biến đổi DCT, DWT và DCT-DWT kết hợp

Về tổng quan watermarking, các ứng dụng của kỹ thuật watermarking và phân loại watermarkingđược nhấn mạnh Các tham số đo lường hiệu năng thuật toán chủ yếu dùng để đo lường tính vôhình và tính bền vững của các thuật toán Đối với độ phức tạp tính toán, thời gian thực hiện việcnhúng và trích watermark được xem xét Các phương pháp watermarking trong miền không gian

và miền biến đổi được khảo sát, phân tích và trình bày Trong mỗi phương pháp, cơ sở toán học;các giải thuật watermarking; thuận lợi, khó khăn sẽ được giới thiệu Các vùng nhúng thích hợptrong miền biến đổi cũng được đề xuất Nội dung này là cơ sở để các giải thuật watermarkingmới được đề xuất trên cơ sở kế thừa các kết quả của các nghiên cứu trước Trong miền biến đổi,

kỹ thuật watermarking trong miền DCT và miền DWT được khảo sát Trong chương này, cácgiải thuật watermarking trên miền không gian, miền DCT, miền DWT được mô phỏng và giảithuật trên miền DCT-DWT kết hợp được đề xuất và thực nghiệm Nội dung thảo luận và kết luậnđược trình bày ở cuối chương

2.1 Tổng quan về kỹ thuật watermarking

Kỹ thuật watermarking được trình bày rất chi tiết trong các tài liệu [5, 24], trong phần này cácđiểm chính về kỹ thuật watermarking sẽ được trình bày

2.1.1 Vài nét về kỹ thuật watermarking

Ẩn thông tin (Information hiding), giấu tin mật (steganography) và watermarking là ba lĩnh vực

có mối liên quan chặt chẽ với nhau được thể hiện qua sự chồng lấn và chia sẻ nhiều giải pháp kỹthuật Tuy nhiên, có những sự khác biệt về triết lí cơ bản mà các triết lí này tác động đến các yêucầu của các giải pháp kỹ thuật khi thiết kế [25] Ẩn thông tin (hay ẩn dữ liệu − data hiding) là mộtthuật ngữ chung bao gồm nhiều vấn đề ngoài việc nhúng thông điệp vào nội dung (host work)

Thuật ngữ ẩn ở đây có thể chỉ đến việc nhúng thông điệp vào nội dung số và thông điệp nàykhông được nhìn thấy hoặc thông điệp này được nhìn thấy Thuật ngữ ’steganography’ được đềxuất bởi Trithemius Thuật ngữ kỹ thuật này có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp ’steganos’, có nghĩa

là được bao phủ, che chắn (covered) và ’graphia’, có nghĩa là viết (writing) [24] Steganography

là nghệ thuật giấu tin mật Bên cạnh việc sử dụng mực vô hình, một ví dụ thường được trích dẫn

về giấu tin mật là một câu chuyện cổ của Herodotus, người kể về một nô lệ được gửi bởi chủ nhâncủa anh ta, Histiæus, đến thành phố Ionian của Miletus với một thông điệp bí mật được xăm trên

da đầu của người nô lệ Sau khi xăm, người nô lệ đã để tóc mọc trở lại để giấu thông điệp đãđược ghi Sau đó ông ta đã đi đến Miletus, khi đến nơi, tóc của anh ta bị cạo để tiết lộ thông điệpđến người nhiếp chính của thành phố, Aristagoras Trong trường hợp này, thông điệp là giá trịchính đối với Histiæus và nô lệ đơn giản là người truyền thông điệp Ví dụ này có thể được sửdụng để làm nổi bật sự khác biệt giữa giấu tin mật (steganography) và watermarking Nếu thôngđiệp trên đầu của nô lệ ghi, ’Nô lệ này thuộc về Histiæus’ Thì thông điệp này nói đến nô lệ (vậtmang tin), thông điệp trong trường hợp này đáp ứng được định nghĩa về một watermark Nếu có

ai đó khẳng định quyền sở hữu nô lệ này, Histiæus có thể cạo đầu nô lệ và chứng minh quyền sởhữu của ông ta Trong trường hợp này, nô lệ (người đưa tin) là giá trị chính đối với Histiæus vàthông điệp cung cấp thông tin hữu ích về vật mang thông điệp Các hệ thống để chèn thông điệptrong các nội dung có thể được chia thành các hệ thống watermarking, trong đó thông điệp cóliên quan đến nội dung chứa thông điệp (trong trường hợp ảnh số thì đó là ảnh chủ, host image)

và các hệ thống không phải watermarking, trong đó thông điệp không liên quan đến nội dungchứa nó Chúng cũng có thể được chia thành các hệ thống steganographic, trong đó sự tồn tạicủa thông điệp được giữ bí mật và các hệ thống phi steganographic, trong đó sự tồn tại của thôngđiệp không cần phải giữ bí mật Dựa trên sự phân tích trên, các hệ thống ẩn thông tin được phânthành 4 loại, chi tiết được trình bày trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Bốn loại ẩn thông tin.

Watermark phụ thuộc ảnh chủ

Watermark không phụ thuộc ảnh chủ

Nhúng không nhìn thấy Watermarking vô hình Giấu tin mật

Nhúng nhìn thấy Watermarking hữu hình Truyền thông nhúng không ẩn

Watermarking là việc ẩn một thông điệp, văn bản, logo, chữ ký, các ảnh sinh trắc học vào mộthình ảnh, tệp audio, video hay các nội dung số khác Lĩnh vực watermarking số là tương đốimới và đã trở nên phổ biến như là một chủ đề nghiên cứu trong nửa sau của những năm 1990.Watermarking có thể được nhìn thấy, chẳng hạn như những hình ảnh được in trên tiền giấy, hoặc

vô hình, trong đó các watermark ẩn bên trong các nội dung truyền thông Watermarking có thểđược áp dụng cho các đối tượng vật lý, ví dụ: vải, nhãn hàng may mặc và bao bì sản phẩm có

thể được watermarking bằng cách sử dụng thuốc nhuộm đặc biệt và mực in Watermarking sốđược tiến hành trên các phương tiện truyền thông như audios, hình ảnh, video và các nội dung

số khác

2.1.2 Lịch sử hình thành watermarking

Nghệ thuật làm giấy đã được phát minh hơn một nghìn năm trước ở Trung Quốc, nhưng đến năm

1282 watermarking trên giấy mới lần đầu tiên xuất hiện ở nước Ý ’Watermark’ ở giai đoạn này

là các sợi dây mỏng được đặt vào khuôn giấy Tại những nơi có sợi dây này giấy sẽ hơi mỏnghơn và do đó nó sẽ trong suốt hơn Trong những ngày đầu, ý nghĩa của việc nhúng watermarkkhông rõ ràng Có thể dùng để xác định xuất xứ, hay nhãn hiệu của các nhà sản xuất Thế kỷ

18, watermark trên giấy được sử dụng để làm nhãn hiệu, ngày sản xuất ở Châu Âu và Châu Mỹ.Cũng trong thời gian này, watermark bắt đầu được sử dụng để chống làm giả tiền và các tài liệukhác Năm 1779, sự giả mạo tiền giấy lần đầu tiên được thực hiện bởi John Mathison Thuậtngữ watermark dường như đã được đặt ra vào gần cuối thế kỷ thứ mười tám và có thể được bắt

nguồn từ thuật ngữ tiếng Đức wassermarke, mà nó có nghĩa watermark trong tiếng Anh [26].

Tuy nhiên, việc làm giả mạo tiền và các loại giấy tờ vẫn còn xảy ra Chính điều này đã thúc đẩycác nhà nghiên cứu đề xuất các giải pháp nhúng watermark khó làm giả hơn William Congreve,một người Anh, đã phát minh ra một kỹ thuật watermark màu bằng cách chèn vật liệu nhuộm vàogiữa giấy trong quá trình làm giấy Một công nghệ thực tiễn hơn được phát minh bởi WilliamHenry Smith Công nghệ này đã thay thế những mẫu dây mảnh bằng các đường vân nổi nhỏđược ép vào khuôn giấy Sự thay đổi trên bề mặt khuôn tạo ra các watermark đẹp với các màuxám khác nhau Đây là kỹ thuật cơ bản được sử dụng hiện nay đối với khuôn mặt của tổng thốngJackson trên tờ 20 USD Năm 1961, một bằng sáng chế của Hoa Kỳ mô tả một sáng chế mới đểngăn chặn tình trạng vi phạm bản quyền trong âm nhạc Watermark được thực hiện bằng cáchchèn một mã nhận dạng trong bản nhạc Công nghệ này tương tự như các phương pháp kỹ thuậtwatermarking số được sử dụng ngày nay Watermarking số dần dần phát triển cho đến khi nóđược chấp nhận như là một hình thức bảo vệ bản quyền Năm 1979, Szepanski [27] đã mô tả mộtmẫu dò có thể được đặt trên các tài liệu nhằm chống giả mạo Chín năm sau, các nhà nghiên cứu

mô tả một phương pháp để nhúng một mã nhận dạng trong một tín hiệu âm thanh Năm 1988,các nhà nghiên cứu lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ watermarking số Vào đầu những năm 1990thuật ngữ watermarking số đã đạt được sự chấp nhận rộng rãi Năm 1996, Hội thảo Ẩn thôngtin (IHW) đầu tiên đã được tổ chức, bao gồm kỹ thuật watermarking số là một trong những chủ

đề chính Sau đó, nhiều hội thảo đặc biệt về bảo mật và watermarking các nội dung đa phươngtiện đã được tổ chức năm 1999 Trong thời gian này, nhiều tổ chức đã bắt đầu xem xét côngnghệ watermarking để đưa vào các tiêu chuẩn khác nhau Nhóm kỹ thuật bảo vệ bản quyền (TheCopy Protection Technical Working Group, CPTWG) đã thử nghiệm các hệ thống watermarking

để bảo vệ video trên đĩa DVD Ngoài ra bảo vệ các hệ thống âm nhạc và hệ thống âm thanh làđược giới thiệu bởi Sáng kiến Âm nhạc Kỹ thuật số Bảo mật (the Secure Digital Music Initiative,SDMI) Các tiêu chuẩn MPEG tiên tiến cũng được tạo ra bởi Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế về

Tiêu chuẩn (the International Organization for Standardization, ISO) Một số công ty đã thamgia vào công nghệ watermarking và bảo vệ sở hữu trí tuệ, bao gồm âm thanh, hình ảnh và video.

Ví dụ trong lĩnh vực watermarking ảnh số, Dig marc đã sử dụng công nghệ dò và watermarkđược nhúng bằng Adobe’s Photoshop Vào cuối những năm 90, các sản phẩm số được nhúngwatermark đã trở nên phổ biến

2.1.3 Ứng dụng watermarking

Watermarking số được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bảo vệ bản quyền tác giả (CopyrightProtection); xác nhận chủ sở hữu (Owner Identification); giám sát phát sóng (Broadcast Moni-toring); theo dõi giao dịch (Transaction Tracking); xác thực nội dung (Content Authentication);kiểm soát việc sao chép (Copy Control); điều khiển thiết bị (Device Control) và tăng cường địnhdanh khi nâng cấp hệ thống(Legacy Enhancement)

2.1.3.1 Bảo vệ bản quyền tác giả

Thông thường, các sản phẩm, hàng hóa lưu thông trên thị trường được dán tem để chống hànggiả, hàng nhái Đối với các sản phẩm số, kỹ thuật watermarking được sử dụng để cung cấp bằngchứng về bản quyền tác giả Rõ ràng trong ứng dụng này, thông tin nhúng (watermark) cần phảibền vững trước các thao tác vô ý hoặc cố ý loại bỏ chúng nhưng phải bảo đảm không có sự thayđổi nhiều giữa bản gốc và bản sau khi nhúng watermark Theo [28], các ứng dụng watermarking

để bảo vệ bản quyền tác giả nên sử dụng thuật toán watermarking mù, yêu cầu mức cao về tínhbền vững, nhưng dung lượng nhúng (capacity) không cần yêu cầu cao Trong trường hợp này,thông tin nhúng là thông tin bản quyền Thông tin bản quyền có thể là thông tin liên lạc chi tiết,thông tin chủ sở hữu, hoặc thông tin về cách sử dụng Khi có tranh chấp về bản quyền xảy ra,watermark được nhúng trong sản phẩm số này là bằng chứng giải quyết tranh chấp Đây là ứngdụng quan trọng nhất của kỹ thuật watermarking [2, 29]

2.1.3.2 Xác nhận chủ sở hữu

Dữ liệu dùng để xác nhận chủ sở hữu (watermark) có thể được nhúng vào hình ảnh Trước đây,

để xác nhận chủ sở hữu, watermark trực quan được sử dụng, nghĩa là watermark được nhìn thấy.Bằng cách này, watermark trực quan có thể bị mất đi, bị làm sai lệch thông tin bản quyền doảnh bị sửa đổi hoặc bị cắt, xén bởi các phần mềm xử lý ảnh Khi đó, những người sử dụng chânchính cũng không biết các hình ảnh mà họ định sử dụng là của tác giả nào Để khắc phục hạnchế này, watermark được ẩn vào ảnh chủ, watermark này là một thành phần bên trong của ảnhchủ, nghĩa là watermark này không được nhìn thấy Do đó, watermark không thể dễ dàng bị dò

và bị xóa [28] Bằng cách tích hợp công cụ dò watermark với các phần mềm xử lý hình ảnh phổbiến, xây dựng cơ sở dữ liệu tác giả, người sử dụng hình ảnh có thể tìm ra tác giả của ảnh số bởiviệc trích watermark và sử dụng watermark này như là khóa để tra cứu thông tin tác giả từ cơ sở

dữ liệu tác giả qua Internet [2]

2.1.3.3 Giám sát truyền tín hiệu video số

Giám sát phát sóng là kỹ thuật kiểm tra chéo về việc nội dung đã được thỏa thuận phát sóng(trên TV hoặc Radio) có được phát đúng thời điểm, đúng thời lượng hay không Ứng dụng nhiềunhất là trong giám sát phát sóng quảng cáo thương mại, ở đó các đơn vị đặt quảng cáo muốntheo dõi xem quảng cáo của họ đã đặt có thực sự được phát sóng đúng thời điểm và đúng thờilượng hay không Watermarking có thể được sử dụng để giám sát phát sóng Bằng cách nhúng

dữ liệu cần thông tin vào một nội dung kỹ thuật số trong thời gian sản xuất và khi nội dung nàyđang phát sóng, chủ sở hữu của nội dung này có thể được xác định Hơn nữa, đặt phần cứnghoặc phần mềm dò watermark có thể biết được một số thông tin bao gồm ai (who), trong bao lâu(how long), khi nào (when) và nơi nội dung được phát sóng Ngoài ra, để giám sát phát sóng, cóthể nhúng siêu dữ liệu, bao gồm tác giả, loại nội dung và tiêu đề, hoặc nhúng một thực thể thamchiếu (reference entity) được liên kết với cơ sở dữ liệu với siêu dữ liệu đầy đủ hơn liên quan đếnnội dung này Do đó, trong khi watermark được trích xuất từ nội dung để phân tích nhanh, cácchi tiết phát sóng được trích xuất để báo cáo và xác nhận từ các đài phát thanh và truyền hình[2]

2.1.3.4 Dò giao dịch

Watermark ghi lại một hoặc nhiều giao dịch đã diễn ra của bản sao thuộc một bản gốc số bằngcách nó được nhúng vào bản sao đó Dò giao dịch thường được gọi là dấu vân tay (fingerprinting),mỗi bản sao của bản gốc có thể được xác định duy nhất bởi watermark Ví dụ: watermark có thểghi lại người nhận trong mỗi lần mua bán hoặc phân phối hợp pháp Chủ sở hữu hoặc nhà sảnxuất bản gốc sẽ đặt một watermark khác nhau trong mỗi bản sao Nếu bản gốc sau đó bị lạmdụng (bị rò rỉ trên báo chí hoặc phân phối lại bất hợp pháp), chủ sở hữu có thể tìm ra ai chịutrách nhiệm về việc này

2.1.3.5 Xác thực dữ liệu

Thông thường kỹ thuật Watermarking dễ vỡ được sử dụng để bảo vệ nội dung thông tin số Mỗikhi có sự thay đổi nội dung thông tin thì watermark được nhúng sẽ bị vỡ Bằng cách này, việcxác thực nội dung và kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu có thể thực hiện được Trong các ứng dụngthực tế, sự thay đổi nội dung cũng cần xác định nguyên nhân Nội dung thay đổi do bị tấn cônghay nội dung bị thay đổi do nén có tổn hao Yêu cầu của watermarking đối với các ứng dụng này

là đảm bảo tính vô hình và watermarking dễ vỡ

2.1.3.6 Kiểm soát hành vi sao chép

Watermark chứa thông tin chủ sở hữu và chỉ ra số lượng bản sao được sao chép Điều này giảđịnh rằng phần cứng và phần mềm có khả năng cập nhật watermark mỗi khi sử dụng Kỹ thuậtwatermarking cũng cho phép sao chép dấu vết sự phân phối trái phép bởi vì thông tin chủ sở hữuđược ghi trong watermark

2.1.3.7 Điều khiển thiết bị

Hãng Digimarc đã ứng dụng kỹ thuật watermarking để điều khiển thiết bị Một định danh duynhất được nhúng vào các hình ảnh được in và phân phối ví dụ như các quảng cáo tạp chí, bao

bì, vé, Sau đó, hình ảnh này được chụp lại bởi camera của điện thoại di động, watermark đượcđọc bởi phần mềm trên điện thoại và định danh xác định được sử dụng để điều khiển trình duyệtweb chuyển đến website liên kết với định danh đó [2]

2.1.3.8 Tăng cường định danh khi nâng cấp hệ thống

Watermarking số là kỹ thuật giải quyết rất tốt vấn đề tương thích khi nâng cấp hệ thống thông tin

cũ lên hệ thống thông tin mới Ví dụ: Tổ chức an toàn bay của Châu Âu (Euro Control), xem xétviệc tự động chèn watermark định danh máy bay và phi công vào thông tin liên lạc bằng giọngnói của phi công Bằng cách watermarking tất cả các liên lạc bằng giọng nói, giúp việc nhậndiện chính xác số định danh máy bay Hệ thống watermark tương thích với các thiết bị truyềnthông hiện tại cho cả tàu bay và trung tâm điều khiển mặt đất Do đó watermarking đóng vai tròkết nối giữa hệ thống cũ và hệ thống mới góp phần quan trọng trong việc nâng cấp hệ thống có

kế thừa mà không có sự xáo trộn lớn

2.1.4 Phân loại watermarking

Phân loại watermarking có thể dựa vào miền nhúng watermark, dựa vào quá trình nhúng và tríchwatermark, dựa vào khả năng chống lại các tấn công và dựa vào cảm nhận Luận án tập trungnghiên cứu về kỹ thuật watermarking ảnh số trên phân tích đa phân giải, mù, bền vững và vôhình

2.1.4.1 Phân loại dựa trên miền nhúng watermark

Thông thường watermark được nhúng trong miền không gian hoặc miền biến đổi Kỹ thuậtwatermarking trong miền không gian nhúng watermark bằng cách thay đổi giá trị mức xám củacác điểm ảnh, hay các đặc điểm của hình ảnh Giải thuật watermarking được thiết kế sao cho

sự thay đổi các điểm ảnh không làm thay đổi chất lượng hình ảnh Các kỹ thuật watermarkingtrong miền biến đổi: watermark sẽ được nhúng trong ảnh chủ bằng cách thay đổi các hệ số củamiền biến đổi Vì thế, sự phân phối dữ liệu qua phổ tần số làm cho việc dò phi pháp watermarktrở nên khó khăn và nâng cao tính bền vững chống lại các kiểu tấn công xử lý tín hiệu Ví dụ:Watermarking trong miền DCT [30], watermarking trong miền biến đổi DWT [31]

2.1.4.2 Phân loại dựa vào quá trình nhúng và trích watermark

Sự phân loại theo kiểu trích watermark Căn cứ vào tài nguyên cần thiết được sử dụng để tríchwatermark mà watermarking được phân loại thành watermarking mù, watermarking nửa mù vàwatermarking không mù [5] Watermarking mù (Blind Watermarking): Đây là giải pháp được

nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Quá trình trích watermark không sử dụng ảnh chủ hay mark Vì trong một số ứng dụng, yêu cầu có ảnh chủ để trích watermark là không thể thực hiệnđược Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, khóa dùng để phát sinh chuỗi ngẫu nhiên trong quátrình nhúng watermark là cần được sử dụng trong quá trình trích watermark Watermarking nửa

water-mù (Semi-Blind Watermarking): Phương pháp này sử dụng một số thông tin của ảnh chủ trongquá trình trích watermark Watermarking không mù (Non-Blind Watermarking): Ảnh chủ vàảnh đã nhúng watermark được sử dụng trong quá trình trích watermark Giải pháp này có độ bềnvững tốt hơn watermarking mù [32]

2.1.4.3 Phân loại dựa vào khả năng chống lại các tấn công

Kỹ thuật watermarking được chia thành watermarking dễ vỡ, watermarking bán dễ vỡ và termarking bền vững dựa vào khả năng chống lại các tấn công Watermarking dễ vỡ (FragileWatermarking): Watermarking dễ vỡ là kỹ thuật watermarking mà watermark số được nhúng sẽ

wa-bị méo hay wa-bị phá hủy khi có bất cứ sự sửa đổi nhỏ nào trên tín hiệu chủ [33] Phương phápnày được sử dụng để xác thực và kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu Watermarking bán dễ vỡ(Semi-fragile Watermarking): Watermarking bán dễ vỡ là kỹ thuật watermarking kết hợp các đặcđiểm của kỹ thuật watermarking bền vững và kỹ thuật watermarking dễ vỡ Đây là kỹ thuật chènwatermark vào ảnh chủ theo cách nào đó sao cho ảnh cần được bảo vệ có khả năng chịu đượcmột số hoạt động xử lý tín hiệu cụ thể; và kỹ thuật này cũng có thể dò sự sửa đổi, định vị và phụchồi vùng ảnh đã bị sửa đổi[33] Watermarking bền vững (Robust Watermarking): Watermarkingbền vững là kỹ thuật watermarking được thiết kế để chống lại mọi sự tấn công nhằm phá hủywatermark[33] Giải pháp này được sử dụng để bảo vệ bản quyền các sản phẩm số

2.1.4.4 Phân loại theo cảm nhận

Dựa vào khả năng cảm nhận sự thay đổi của ảnh chủ sau khi nhúng watermark để phân loại.Theo cách này, watermarking được chia thành watermarking hữu hình và watermarking vô hình.Watermarking hữu hình (Visible/Perceptible Watermarking): người sử dụng dễ dàng nhìn thấywatermark Thông thường, watermark trong trường hợp này là logo để chống giả mạo Ví dụ:nhúng logo vào giấy hay nhúng logo vào tiền; một số ngân hàng, thư viện quản lí tài liệu bằng wa-termark hữu hình Watermarking vô hình (Invisible/Imperceptible Watermarking): người dùngkhông biết bất cứ thông tin gì về watermark được nhúng Giải pháp này thường được ứng dụng

để bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ và xác thực nội dung số Sự tồn tại của watermark được khẳngđịnh bằng cách sử dụng thuật toán dò hoặc trích phù hợp

2.1.5 Các tham số cơ bản đo lường hiệu năng của thuật toán watermarking ảnh số

Để đo lường tính vô hình và tính bền vững của giải thuật watermarking, nghiên cứu này sử dụngcác tham số: tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu (PSNR), tương quan được chuẩn hóa (NC), chỉ số

đo lường sự tương tự dựa trên cấu trúc (SSIM), tỷ lệ lỗi bit BER và thời gian cần thiết để thực

hiện việc nhúng, trích watermark Để đánh giá sự khác biệt giữa ảnh chủ và ảnh đã xử lý hoặc

bị tấn công, thường người ta có thể sử dụng ba tham số PSNR, NC, SSIM

2.1.5.1 PSNR và MSE

Giả sử số chiều của các hình ảnh là M × N và các điểm ảnh của ảnh chủ và các ảnh đã nhúngwatermark lần lượt là Xij và Wij Để đo lường tính vô hình giữa ảnh xám gốc và ảnh đã nhúngwatermark, PSNR được sử dụng Công thức tính PSNR được định nghĩa bởi

NXj=1(X(i, j) − W(i, j))2 (2.2)

NPj=1WoijWrijs

MPi=1

NPj=1

W2 oij

sMPi=1

NPj=1

W2 rij

(2.3)

trong đó Woijvà Wrijlần lượt là ảnh watermark gốc và watermark trích được kích thước M × N

Rõ ràng NC nhận các giá trị từ 0 đến 1 và giá trị NC bằng 1 có tính bền vững cao nhất Tính bềnvững của giải thuật watermarking cũng được phản ánh bởi NC khi ảnh đã nhúng watermark bịtấn công

SSIM = (2.γx.γy + C1)(2.ρxy + C2)

(γ2

x+ γ2+ C1)(ρ2

trong đó:

• γxvà γy là các giá trị trung bình có trọng số từ ảnh chủ và ảnh suy biến

• ρxvà ρy là các sự khác nhau có trọng số từ ảnh chủ và ảnh suy biến

• ρxy là sự tương tự được định nghĩa như sự đồng biến có trọng số giữa ảnh chủ và ảnh suybiến

• C1 và C2 là các hằng số

2.1.5.4 BER

Một đại lượng khác dùng để đo lường độ bền vững của watermark đó là tỷ lệ lỗi bit BER (BitError Rate) [35] Giả sử Wij là ảnh watermark gốc và W’ij là watermark trích được, trong đó

0 ≤ i, j ≤ n BER có thể được tính để dò sự hiện diện của watermark Nếu BER = 0 chứng tỏ

là có watermark Nếu BER =1 thì chứng tỏ không có watermark BER được tính như sau Giả

sử rằng E là tín hiệu nhận được và M là số lượng bit của watermark (M=n × n) thì

BER(W, W0) =

MPk=1

Ek

trong đó, Ek= 1 nếu Wij 6= W0

ij, Ek= 0 nếu Wij= W0ij

2.1.5.5 Thời gian nhúng và trích watermark

Một tham số khác được sử dụng để đánh giá hiệu năng của thuật toán đề xuất là thời gian thựcthi, là lượng thời gian được yêu cầu để nhúng watermark vào ảnh chủ, lượng thời gian để tríchwatermark đó ra

Trên đây là một số tham số thường dùng để đánh giá các thuật toán watermarking được đề xuất.Thực tế người ta còn dùng một số tham số khác, các tham số thường được sử dụng để đo lườngtính bền vững, tính vô hình và dung lượng nhúng watermark (khả năng tải dữ liệu - payload).Vấn đề thách thức lớn nhất hiện nay là làm thế nào để đánh đổi giữa tính bền vững và tính vôhình, bởi vì khi tăng độ bền vững đồng nghĩa với việc tăng độ lợi nhúng watermark và vì thế làmgiảm tính vô hình [36] Để giải quyết vấn đề này, nhiều giải thuật watermarking đã được đề xuất,trong Mục 1.3 một số nghiên cứu trước về thuật toán watermarking ảnh số đã được giới thiệu

2.2 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền không gian

Kỹ thuật watermarking trong miền không gian là đơn giản và độ phức tạp tính toán thấp, bởi vìphép biến đổi ảnh chủ không cần chuyển sang miền tần số Tuy nhiên, hạn chế của phương phápnày là không bền vững Dưới các tấn công vô ý hay cố ý, watermark có thể bị loại bỏ như nén có

tổn hao JPEG, bộ lọc thông thấp Sau đây là một số thuật toán watermarking cơ bản trên miềnkhông gian.

2.2.1 Tách bit có trọng số thấp nhất

Phương pháp phổ biến điển hình cho hướng tiếp cận này là tách bit có trọng số thấp nhất (LeastSignificant Bit) Phương pháp này dễ thực hiện và không gây ra méo dạng đáng kể đối với ảnhchủ Kỹ thuật LSB gốc dễ bị tấn công và watermark có thể dễ dàng bị phá hủy Cách tiếp cậnnày rất nhạy với nhiễu, với các phép xử lý tín hiệu thông thường Watermark có thể được nhúngtrong toàn bộ hay một phần của ảnh chủ Cho ảnh chủ X = x1, x2, x3, xN, trong đó xk: là giátrị mức xám của điểm ảnh tại vị trí (i, j) Giá trị của xk ∈ [0 255], vì xk = xb120 + xb221 +

xb322+ xb423+ xb524+ xb625+ xb726+ xb827 Dựa vào nguyên tắc này, thực nghiệm thuật toánnhúng và trích watermark được trình bày trong Thuật toán 1 được tiến hành

Thuật toán 1 : watermarking LSB trong miền không gian

Giải thuật nhúng

1: Tách ảnh chủ và watermark cùng kích thước thành 8 bit plane

2: Thay thế các bit plane có trọng số thấp của ảnh chủ bởi các bit plane có trọng số cao củawatermark

Giải thuật trích

1: Tách ảnh đã nhúng watermark thành 8 bit plane

2: Lấy các bit plane có trọng số thấp được thay thế trong giải thuật nhúng làm bit plane cótrọng số cao của watermark được phục hồi; thêm các plane rỗng còn thiếu để tái xây dựngwatermark

Trong trường hợp watermark được nhúng có kích thước nhỏ hơn nhiều lần so với ảnh chủ thìnhiều watermark sẽ được nhúng vào ảnh chủ [37] Nếu hầu hết các watermark bị mất do bịtấn công trong quá trình truyền dẫn, chỉ cần một watermark còn tồn tại là thành công Kỹ thuậtwatermarking LSB cũng đã được mô phỏng trên nhiều ảnh màu khác nhau (Lena, Baboon, Space

và Medical) [38] Trong nghiên cứu này, watermark được nhúng lần lượt vào các bit từ bit 1 đếnbit 4, để so sánh hiệu năng watermarking giữa các vị trí nhúng các tham số PSNR, MSE và BERđược sử dụng

Ưu điểm: Dễ hiểu, dễ thực hiện; ít làm ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh sau khi watermark;tính vô hình cao; dung lượng nhúng watermark cao đặc biệt quan trọng trong các hệ thống truyềntải thông tin bảo mật

Hạn chế: Thiếu bền vững; dễ bị tấn công bởi nhiễu, xén, scaling

2.2.2 Kỹ thuật mã hóa ánh xạ bố cục của hình ảnh

Kỹ thuật mã hóa ánh xạ bố cục của hình ảnh (Texture Mapping Coding Technique) hữu ích chỉđối với các hình ảnh có nhiều bố cục (texture) Đây là phương pháp ẩn watermark trong phần bốcục của ảnh chủ Thuật toán này chỉ phù hợp với những ảnh có nhiều bố cục Một hạn chế khác