BÁO CÁO MÔN HỌC KỸ THUẬT GIẤU TIN Đề tài 1: Một giải thuật thủy vân số dựa trên DCT: Ứng dụng trên hình ảnh y khoa

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ
KHOA AN TỒN THƠNG TIN

BÁO CÁO MÔN HỌC

KỸ THUẬT GIẤU TIN
Đề tài 1:

Một giải thuật thủy vân số dựa trên DCT: Ứng dụng
trên hình ảnh y khoa
Sinh viên thực hiện: Lê Xuân Thiện AT150254
Nguyễn Công Vĩnh AT150265
Kiều Văn Đỗ AT150213
Nguyễn Quang Hào AT150217
Nguyễn Tuấn Đạt AT150212
Nhóm 2
Giảng viên mơn học: Hồng Thu Phương

Hà Nội, 2-2022


Mục lục

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PSNR

Peak signal-to-noise ratio

SNR

Signal-to-noise ratio

IRN

Instituto dos Registos e do Notariado

DCT

Dual Clutch Transmission

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1

Chỉ số thang điểm chuyên dụng cho chất lượng hình ảnh

DANH MỤC HÌNH ẢNH


Hình 1

Q trình nhúng

Hình 2

Phân rã thơng điệp thành các khối 512 bit

Hình 3

Một lần lặp lại trong chức năng nén SHA-1

Hình 4

Sơ đồ "Turbocode" nối tiếp

Hình 5

Biến đổi cosin rời rạc của một khối 8 * 8

Hình 6

PSNR và wPSNR cho hình ảnh IRM

Hình 7

PSNR và wPSNR cho hình ảnh Echographic

Hình 8

PSNR và wPSNR cho hình ảnh X quang

Hình 9

PSNR và wPSNR cho hình ảnh IRM được đánh dấu mờ
và nén với α = 20

Hình 10

PSNR và wPSNR cho hình ảnh Echographic được đánh dấu
mờ

và nén với α = 20

Hình 11

PSNR và wPSNR cho hình ảnh bức xạ được đánh dấu mờ
và nén với α = 20

Hình 12

Các lỗi cịn lại sau khi sửa cho IRM, Echographic và Ảnh
phóng xạ với α = 20

Hình 13

PSNR và wPSNR cho hình ảnh IRM được đánh dấu mờ và bị
tấn công bởi một nhiễu kênh xung với α = 20

Hình 14

PSNR và wPSNR cho hình ảnh Echographic được đánh dấu
chìm và bị tấn công bởi một tiếng ồn kênh xung với α = 20

Hình 15

PSNR và wPSNR cho hình ảnh Xạ hình được đánh dấu chìm
và bị tấn cơng bởi một tiếng ồn kênh xung với α = 20

Hình 16

Các lỗi cịn lại sau khi sửa cho IRM, Echographic và Hình ảnh

bức xạ bị tấn công bởi nhiễu kênh xung với α = 20


1. Giới thiệu
Sự phát triển của công nghệ thông tin và lĩnh vực truyền thông mang đến
cho ngành y nhiều cơ hội thực hiện các dịch vụ y tế từ xa nhằm nâng cao chất
lượng cuộc sống và tăng hiệu quả của dịch vụ y tế. Dịch vụ này có tên
"Telemedicine", nó cung cấp quyền truy cập vào hồ sơ của bệnh nhân và hình
ảnh y tế. Khi các trang web thực hiện dịch vụ này được bảo vệ bằng cách kiểm
sốt quyền truy cập, bảo mật khơng bao giờ là tuyệt đối.
Ở bước này, watermarking góp phần giữ bí mật cho nhiều dữ liệu của
riêng bệnh nhân và giữ chất lượng của hình ảnh. Một mặt, vấn đề chính đối với
watermarking được áp dụng trên các hình ảnh y tế là bảo tồn chất lượng hình
ảnh (việc sửa đổi dữ liệu nhỏ nhất trong các hình ảnh cũng có thể dẫn đến chẩn
đốn sai) và mặt khác, để trích xuất tồn bộ dữ liệu sau nhiều cuộc tấn cơng
(việc sửa đổi ít nhất của dữ liệu được trích xuất có nghĩa là chẩn đốn sai).
Trong bối cảnh này cần có một phương pháp watermarking được áp dụng
trên các hình ảnh y tế. Các không gian được đề xuất trong hệ thống này sử dụng
phép biến đổi cosin rời rạc (DCT).
2. Đánh giá thuật toán Watermarking
Để đánh giá thuật toán watermarking, nhiều tiêu chí được sử dụng. Điều
quan trọng nhất là chất lượng của hình ảnh và độ an tồn của các sơ đồ
watermarking trước các cuộc tấn công khác nhau. Chất lượng của hình mờ được
đánh giá bằng hai loại thước đo.
2.1 Các biện pháp chủ quan
Đối với hình ảnh y tế, đánh giá chủ quan về chất lượng hình ảnh được xác
định bởi một thang điểm đánh giá chuyên dụng. Khoảng cách định dạng cần
thiết là 4 lần chiều cao của màn hình. Bảng 1 cho thấy thang đo quan sát về chất
lượng hình ảnh
Bảng 1. Chỉ số thang điểm chuyên dụng cho chất lượng hình ảnh

Chỉ số

Chất lượng

5

Xuất sắc

4

Tốt

3

Trung bình khá

2

Trung bình

1

Tệ


Trong trường hợp cơ sở dữ liệu lớn, loại đánh giá này càng trở nên đắt
hơn.
2.2 Các biện pháp khách quan
Các biện pháp khách quan dựa trên sự so sánh giữa hình ảnh watermark
nhận được và hình ảnh gốc. Từ các phép đo này, tính tốn được tỷ lệ tín hiệu

trên nhiễu đỉnh PSNR, PSNR có trọng số, entropy tương đối, sai số bình phương
trung bình và sai số tuyệt đối trung bình.
• Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đỉnh: Trong số các
biện pháp bóp méo quan trọng nhất trong xử lý hình ảnh là tỷ lệ tín hiệu
trên nhiễu (SNR) và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đỉnh (PSNR). SNR và PSNR
được xác định theo các cơng thức sau:

• Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đỉnh có trọng số: Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đỉnh
PSNR dựa trên việc so sánh pixel của hình ảnh gốc và pixel của hình ảnh
có watermarking. wPSNR do Voloshy Noviskiand và Al đề xuất được xác
định bằng công thức sau:

Với giá trị (i, j) đại diện cho phương sai cục bộ của pixel (i, j), I (i, j) là
giá trị cường độ cho pixel (i, j) từ hình ảnh gốc và Iw (i, j) giá trị cường
độ cho pixel của hình ảnh trong thử nghiệm. M và N lần lượt là chiều cao
và chiều rộng của ảnh.


2.3 Các công cụ phát hiện chữ ký
Phép đo "mức độ tin cậy" của dữ liệu được phát hiện dựa trên "tính tốn
khoảng cách" giữa dữ liệu được chèn vào và được phát hiện. Biện pháp này
được thực hiện bằng cách sử dụng mối tương quan. Mối tương quan của hai tín
hiệu bao gồm đo lường sự phụ thuộc của chúng. Tương quan giữa hai hình ảnh
X và Y là tính tốn sự tương quan giữa hai ma trận X và Y có cùng kích thước
bằng cách sử dụng cơng thức sau:

3. Các loại tấn công
Để đánh giá mức độ hiệu quả của phương pháp watermarking cần điều tra
ảnh hưởng của các cuộc tấn cơng khác nhau đối với hình ảnh. Các cuộc tấn cơng
có thể được chia thành hai loại:

• Các cuộc tấn cơng vơ hại
Trong giai đoạn truyền, hình ảnh trải qua các xử lý khác nhau như lọc,
nén và các phép biến đổi hình học. Đây là các phương pháp xử lý được
phân loại là tấn công vơ hại.
• Các cuộc tấn cơng độc hại.
Các cuộc tấn công độc hại ngăn cản việc nhận chữ ký của hình ảnh đã
được đánh dấu. Các cuộc tấn cơng này có thể giải mã, hoặc thậm chí phá
hủy nó và điều này sẽ dẫn đến việc mất dữ liệu được mã hóa. Các cuộc
tấn cơng độc hại có liên quan đến giật hình, tấn cơng đánh dấu bổ sung,
tấn cơng sao chép và tấn công ghép, v.v
4. Đề xuất phương pháp watermarking
Như thể hiện trong hình 1, phương pháp đề xuất được trình bày trong tài
liệu này kết hợp nhiều cơng cụ khác nhau.
• Thơng tin về tọa độ bệnh nhân, trung tâm y tế và cuối cùng là chẩn đốn y
tế được giới thiệu;
• Hàm băm có mục đích là tạo ra chữ ký của trung tâm bệnh viện;


• Kết nối chữ ký và tất cả hồ sơ bệnh nhân, những thông tin này được sắp
xếp, trong thông điệp dữ liệu;
• Mã hóa thơng điệp dữ liệu bằng cách sử dụng mã sửa lỗi (ECC), trong
hình 1 turbocode nối tiếp được đề xuất, với mục đích là đóng góp vào bảo
mật dữ liệu và khai thác dữ liệu phù hợp sau khi áp dụng một số cuộc tấn
cơng;
• Biến đổi cosin rời rạc (DCT) như khơng gian chèn.

Hình 1. Quá trình nhúng


5. Chuẩn bị watermark

Trong mục này, tồn bộ thơng điệp được thay thế, trong hình ảnh y tế, có
chữ ký của trung tâm bệnh viện và dữ liệu của bệnh nhân. Sau đó, mã turbocode
nối tiếp được sử dụng để góp phần bảo mật và mang lại hiệu quả sau khi ứng
dụng qua nhiều cuộc tấn công.
5.1 Thế hệ chữ ký
Hàm băm được đề xuất sử dụng trong công việc này là hàm băm SHA-1.
SHA-1 là một phương pháp băm mật mã được NASA thiết kế vào năm 1995
như một phương pháp xử lý thông tin tiêu chuẩn. SHA-1 là một hàm của hàm
băm một chiều này. Thuật toán băm an tồn nhận thơng báo nhỏ hơn 2^64 chiều
dài bit và tạo ra một bản tóm tắt thơng báo 160-bit được thiết kế sao cho việc tìm
một văn bản phù hợp với một hàm băm đã cho sẽ rất phức tạp về mặt tính tốn.

Hình 2. Phân rã thơng điệp thành các khối 512 bit
Quá trình xử lý được thực hiện trên tổng thể N khối, lần lượt đến khối
cuối cùng để tìm ra chữ ký số cuối cùng. Hình 3 minh họa các bước khác nhau
để tìm băm của khối M (i).


Hình 3. Một lần lặp lại trong chức năng nén SHA-1
Với:
•
•
•
•

Kt: Hằng số được sử dụng trong i^eme lần lặp lại;
Wt: Từ của thơng điệp thứ t trong chương trình;
F: Mơ tả các hàm được sử dụng để tính tốn các giá trị băm;
Rot: Mơ tả một vịng quay với n bit.

5.2 Mã sửa lỗi: Serial "Turbocode"
Khái niệm Turbocode gần đúng với khái niệm về sự kết hợp của nhiều
loại mã sửa lỗi. Thật vậy, một turbocode là để nối hai hoặc nhiều ECC nói chung
là phức hợp được phân tách bằng một khối xen kẽ. Nhắc lại rằng một mã chập là
để coi dữ liệu như một dãy ký hiệu vô hạn phải đi qua một số bộ nhớ bằng m + 1
trên đường sinh tạo ra một chuỗi mã hóa các ký hiệu.
Đối với "Turbocode" nối tiếp, ý tưởng là nối hai hoặc nhiều mã chập
trong chuỗi nối tiếp. Các mã này thường được phân tách bằng một khối xen kẽ.
Kiến trúc này cho phép bộ mã phá vỡ các gói lỗi có nguồn gốc bên trong bộ giải
mã để tạo điều kiện thuận lợi cho công việc của bộ giải mã khác được cho là "ở
ngoài".


Hình 4. Sơ đồ "Turbocode" nối tiếp
Bên ngồi thơng tin được trình bày, bên trong sơ đồ trên đề cập đến một
tập dữ liệu được gọi là dữ liệu về độ tin cậy. Nó được trao đổi giữa các bộ giải
mã vào cuối quá trình hiệu chỉnh để cải thiện qua các lần lặp.
6. Chuẩn bị không gian chèn: không gian DCT
Biến đổi Cosin rời rạc (DCT) là biến đổi lựa chọn trong bối cảnh xử lý
ảnh. Đây là sự chuyển đổi được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong các tiêu
chuẩn nén JPEG. Biểu thức của DCT là:

Với a(0) = √2/2 khi k ≠ 0 và a(k) = 1
Các thuận lợi chủ yếu của DCT là nó cung cấp biểu đồ cho các tần số
khác nhau. Hình 5 cho thấy biểu đồ của các tần số khác nhau được áp dụng
trong phần 8 * 8 của một hình ảnh.


Hình 5. Biến đổi cosin rời rạc của một khối 8 * 8
Trong miền tần số, các thành phần có ý nghĩa tri giác thường tương ứng

với các tần số băng tần thấp và trung. Chọn một tần số băng tần trung bình đảm
bảo sự cân đối giữa khả năng chống lại sự tấn công tối đa và sự suy giảm chất
lượng hình ảnh tối thiểu. Do đó, âm tần trung được giữ lại như một lựa chọn đầu
tiên.
7. Mô tả lược dồ watermarking
Lược đồ Watermarking được chia thành hai bước, bước chèn và bước phát
hiện. Đối với bước chèn, bạn nên:
• Tính tốn trung tâm chữ ký bệnh viện bằng cách sử dụng 160-bit SHA-1
làm hàm băm;
• Nối chữ ký có chứa thơng tin và dữ liệu chẩn đốn của bệnh nhân. Những
dữ liệu này sẽ được chuyển thành thơng điệp nhị phân và được mã hóa
bằng cách sử dụng các mã sửa lỗi (turbocode nối tiếp);
• Áp dụng DCT trên các khối khác nhau (8 * 8) của hình ảnh, lựa chọn dải
trung bình làm lựa chọn đầu tiên. Ở lần lựa chọn thứ hai, chúng tôi chọn
thứ tự các hệ số theo thứ tự giảm dần;
• Trong cách làm này, họ đề xuất chèn một bit vào mỗi khối. Việc sử dụng
khóa bí mật được chọn bởi các tần số khác nhau để hỗ trợ hình mờ. Quy
trình chèn tn theo cơng thức:
Y’(i) = Y(i) + a × message(i) (6)


• Áp dụng đảo ngược DCT trên các khối 8 * 8 khác nhau để tạo hình mờ
cho hình ảnh.
Bước trích xuất bao gồm các bước ngược lại với các bước trước đó.
8. Kết quả
Thuật tốn watermarking với các hình ảnh IRM, Echographic và
Radiographic khác nhau đã được đánh giá.
Thông báo được hình thành với:
o Chữ ký của trung tâm bệnh viện;
o Thơng tin bệnh nhân;

o Thơng tin chuẩn đốn.
Thuật tốn này cho phép phát hiện tồn bộ thơng báo được chèn trong các
hình ảnh được kiểm tra. Khi hình ảnh watermark được thử nghiệm trải qua cuộc
tấn công ''sao chép/dán, một thông báo chứa dữ liệu thông tin chẩn đoán và bệnh
nhân cùng với chữ ký của bệnh viện sẽ được trích xuất. Nhưng trong một số
hình ảnh, chữ ký được trích xuất khác với chữ ký ban đầu. Về nó, chúng tơi kết
luận rằng một số thay đổi đã xảy ra.
Hình 6, 7 và 8 cho thấy các số đo của PSNR và wPSNR khi hệ số hiển thị
α thay đổi.

Hình 6. PSNR và wPSNR cho hình ảnh IRM



Hình 7. PSNR và wPSNR cho hình ảnh Echographic

Hình 8. PSNR và wPSNR cho hình ảnh X quang


Hình 9, 10 và 11 cho thấy chất lượng của hình ảnh watermark IRM,
Echographic và Radiographic của lược đồ watermark chống lại các cuộc tấn
công JPEG với tốc độ nén khác nhau.

Hình 9. PSNR và wPSNR cho hình ảnh IRM được đánh dấu mờ
và nén với α = 20.

Hình 10. PSNR và wPSNR cho hình ảnh Echographic được đánh dấu mờ
và nén với α = 20

Hình 11. PSNR và wPSNR cho hình ảnh bức xạ được đánh dấu mờ
và nén với α = 20
Liên quan đến mã sửa lỗi (hình 12), nhiều thử nghiệm cho thấy có thể sửa
các lỗi đã xảy ra khi hình ảnh được thử nghiệm có tỷ lệ hình ảnh nén thấp hơn
40% đối với loại hình ảnh IRM và Echographic và 50% đối với hình ảnh bức xạ.

Hình 12. Các lỗi còn lại sau khi sửa cho IRM, Echographic và Ảnh
phóng xạ với α = 20
Hình 13, 14 và 15 cho thấy chất lượng (PSNR và wPSNR) của các hình
ảnh IRM, Echographic và Radiographic sau khi áp dụng một cuộc tấn công
nhiễu bằng kênh xung đột.


Hình 13. PSNR và wPSNR cho hình ảnh IRM được đánh dấu mờ và bị tấn công
bởi một nhiễu kênh xung với α = 20

Hình 14. PSNR và wPSNR cho hình ảnh Echographic được đánh dấu chìm và bị
tấn cơng bởi một tiếng ồn kênh xung với α = 20


Hình 15. PSNR và wPSNR cho hình ảnh Xạ hình được đánh dấu chìm và bị tấn
cơng bởi một tiếng ồn kênh xung với α = 20
Liên quan đến độ chắc chắn, nhiều thử nghiệm được chỉ ra sau khi thêm
một cuộc tấn cơng nhiễu xung đột. Hình 16 cho thấy hệ số tương quan giữa
thông điệp gốc và thông điệp được trích xuất.

Hình 16. Các lỗi cịn lại sau khi sửa cho IRM, Echographic và Hình ảnh bức xạ
bị tấn công bởi nhiễu kênh xung với α = 20

9. Kết luận
Trong bài báo cáo này đề cập đến phương pháp watermarking đối với
hình ảnh y tế sử dụng không gian DCT và mã sửa lỗi. Mặt khác, hàm băm SHA1 được sử dụng để cải thiện tính tồn vẹn của thơng báo và ECC để tăng tính
bảo mật của thông báo trước tất cả các loại thay đổi. Tính xác thực và độ chắc
chắn của hình ảnh nhận được được xác minh chống lại các cuộc tấn công khác
nhau.
Để xác minh dữ liệu được trích xuất, họ sử dụng kỹ thuật tương quan để
trích xuất dữ liệu, sử dụng turbocode nối tiếp làm mã sửa lỗi để sửa các lỗi cuối
cùng có thể xảy ra do các kiểu tấn công khác nhau.
Việc chèn chữ ký và bản ghi của bệnh nhân bằng cách sử dụng phương
pháp này đã dẫn đến một kết quả tốt về chất lượng hình ảnh của hình ảnh
watermark. Tính chắc chắn của phương pháp này được xác minh đối với cuộc
tấn công "sao chép / dán", cuộc tấn công nén JPEG và cuộc tấn công nhiễu xung
đột.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] C. Fei, D. Kundur and R. H. Kwang, “Analysis and De-sign of
Watermarking Algorithms for Improved Resis-tance to Compression”, IEEE
Trans. Image Processing,Vol.13. pp. 126-144, Feb 2004.
[2] X. A. Xia, charles G. Boncelet and G. R. Arce, “Wavelettransform based
watermark for digital images”, OpticsExpress, Journal of Optics society of
America, Vol. 3,No. 12, pp. 497-511, 1998.
[3] R. Dugal, K Ratakonda and N. Ahuja, “A New waveletbased scheme for
watermarking images”,IEEE Interna-tional Conference on Image Processing, pp.
4-7, Octo-ber 1998.
[4] C. T. Hsu and J. L. Wu, “Multiresolution watermarkingfor digital images”,
IEEE Trans. On circuits & systemsVol. 45, no. 8, pp. 1097-1101, 1998.
[5] D. Prasad,Introduction to Numerical Analysis,SecondEdition, Narosa, 2003.
[6] A. G. Bors, and I. Pistas, “Image Watermarking UsingDCT Domain
Constraint”,IEEE International Confer-ence on Image Processing, Vol. 3, pp.
231-234,1996.

[7] J. J. Eggers and B. Girod, “Quantization Effects on Dig-ital Watermarks”,
Signal Processing Archive, Elsevier,Vol 81, no. 2, pp 239-263, Feb 2001

Kwang,
[2]
C. Fei,Image
“Analysis
D. Kundur
and
and
DeR.2004
H.
Algorithms
forProcessing,
Improved
ResisVol.13.
Trans.
pp.
126-144,
Feb