tìm hiểu các phép biến đổi ma trận svd, qr và ứng dụng để xây dựng lược đồ thủy vân

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

---------------    ---------------

Học viên thực hiện: Lê Minh Hồi

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN:
TÌM HIỂU CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN SVD, QR
VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XÂY DỰNG LƢỢC ĐỒ THỦY VÂN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Ngun, tháng 07 năm 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

---------------    ---------------

Học viên thực hiện: Lê Minh Hồi

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN:
TÌM HIỂU CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN SVD, QR
VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XÂY DỰNG LƢỢC ĐỒ THỦY VÂN

Chuyên ngành:
Mã số:

Khoa học máy tính

60 48 01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS Nguyễn Bá Tƣờng

Thái Nguyên, tháng 07 năm 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iii
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Học viên

Lê Minh Hồi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iv
LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phịng Đào tạo, các thầy cơ
giáo trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã
quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giảng dạy và hướng dẫn tơi trong suốt q
trình học tập ở trường. Đặc biệt tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS.
Nguyễn Bá Tường đã hướng dẫn, chỉ bảo và động viên trong suốt q trình thực hiện
luận văn.
Cuối cùng tơi xin cảm ơn mọi sự giúp đỡ từ người thân, đồng nghiệp những
người đã luôn ủng hộ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn của mình.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, tuy nhiên luận văn của tôi không thể tránh khỏi
những thiếu sót, do đó tơi rất mong nhận được những ý kiến đánh giá, bổ sung để tơi
có thể hồn thiện luận văn của mình./.

Thái Ngun, ngày 07 tháng 10 năm 2014
Học viên

Lê Minh Hồi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

v
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA ...........................................................ix

MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .............................................................................. 3
1.1 Ảnh số ...................................................................................................................... 3

1.1.1 Khái niệm ............................................................................................. 3
1.1.2 Phân loại ảnh ........................................................................................ 3
1.1.3 Histogram của ảnh ............................................................................... 4
1.1.4 Cấu trúc tệp ảnh Bitmap ...................................................................... 5
1.2 Chất lƣợng ảnh ....................................................................................................... 6

1.2.1 Hệ số PSNR ......................................................................................... 6
1.2.2 Hệ số Diff............................................................................................. 6
1.3 Một số phép biến đổi .............................................................................................. 7

1.3.1 Phép biến đổi Cosin rời rạc.................................................................. 7
Phép biến đổi DCT 1-D ................................................................................ 8
Phép biến đổi DCT 2-D ................................................................................ 9
1.3.2 Phép biến đổi SVD ............................................................................10
1.3.3 Phép biến đổi QR ...............................................................................10
1.4 Giấu tin ................................................................................................................. 11

1.4.1 Khái niệm giấu tin..............................................................................11
1.4.2 Giấu tin trên miền không gian ...........................................................14
1.4.3 Giấu tin trên miền biến đổi ................................................................14
1.5 Thủy vân số ........................................................................................................... 15

1.5.1 Khái niệm thủy vân ............................................................................15
1.5.2 Phân loại thủy vân..............................................................................16
1.5.3 Một số tính chất của thủy vân số .......................................................19
1.5.4 Ứng dụng của thủy vân ......................................................................21

CHƢƠNG 2: THỦY VÂN TRÊN MIỀN SVD ..............................................23
2.1 Phép biến đổi SVD ............................................................................................... 23

2.1.1 Khái niệm về SVD .............................................................................23
2.1.2 Phép biến đổi SVD ............................................................................24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vi
2.1.3 Một số tính chất của khai triển SVD .................................................25
2.1.4 Ví dụ minh họa khải triển SVD .........................................................25
2.2 Lƣợc đồ thủy vân SVD-1 ..................................................................................... 27

2.2.1 Ý tưởng của thuật toán .......................................................................27
2.2.2 Thuật tốn nhúng thủy vân ................................................................27
2.2.3 Thuật tốn trích thủy vân ...................................................................29
2.2.4 Nhận xét về lược đồ SVD-1 ..............................................................30
2.3 Lƣợc đồ thủy vân SVD-N .................................................................................... 30

2.3.1 Ý tưởng của thuật toán .......................................................................30
2.3.2 Thuật toán nhúng thủy vân ................................................................30
2.3.3 Thuật tốn trích thủy vân ...................................................................32
2.3.4 Nhận xét về lược đồ SVD-N..............................................................32
2.4. Mã nguồn Chƣơng trình thử nghiệm ................................................................ 33

CHƢƠNG 3 : THỦY VÂN TRÊN MIỀN QR ...............................................34
3.1 Phép biến đổi QR ................................................................................................. 34

3.1.1 Khái niệm về QR ...............................................................................34

3.1.2 Phép biến đổi QR ...............................................................................35
3.1.3 Xét ví dụ khai triển SVD ...................................................................35
3.2 Lƣợc đồ thủy vân QR-1 ....................................................................................... 37

3.2.1 Ý tưởng của thuật toán .......................................................................37
3.2.2 Thuật toán nhúng thủy vân ................................................................37
3.2.3 Thuật tốn trích thủy vân ...................................................................38
3.2.4 Nhận xét về lược đồ QR-1 .................................................................38
3.3 Lƣợc đồ thủy vân QR-N ...................................................................................... 39

3.3.1 Ý tưởng của thuật toán .......................................................................39
3.3.2 Thuật toán nhúng thủy vân ................................................................39
3.3.3 Thuật tốn trích thủy vân ...................................................................40
3.3.4 Nhận xét về lược đồ QR-N ................................................................40
3.4 Kết quả thực nghiệm của các lƣợc đồ SVD và QR ........................................... 41

3.4.1 Bộ ảnh thử nghiệm .............................................................................41
3.4.2 So sánh tính bền vững của các lược đồ thủy vân ..............................41
3.4.3 So sánh SVD-1 và QR-1 tại các vị trí nhúng thủy vân khác nhau ....42
3.4.5 Khả năng lựa chọn phần tử nhúng thủy vân ......................................46
3.4.5.1 Chất lƣợng ảnh sau khi nhúng thủy vân ............................................47
3.4.5.2 So sánh các lược đồ SVD-1 và QR-1 ...................................................47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vii
3.4.5.3 So sánh các lược đồ SVD-N và QR-N .................................................49
3.5 Chƣơng trình thử nghiệm ................................................................................... 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Diễn giải

Ý nghĩa

DCT

Discrete Cosine Transform

Biến đổi Cosin rời rạc

IDCT

Invert Discrete Cosine Transform

Biến đổi ngược DCT

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Forier rời rạc

IDFT

Invert Discrete Fourier Transform

Biến đổi ngược DFT.

DWT

Discrete Wavelet Transform

Biến đổi Wavelet rời rạc

IDWT

Invert Discrete Wavelet Transform

Biến đổi ngược DWT

PN

Pseudo Noise

Giả nhiễu

FFT

Fast fourier transfer

Biến đổi Fourier nhanh

GIS

Geographic Information System

Hệ thống thông tin địa lý

PRNS

Pseudo random number sequence

Dãy số giả ngẫu nhiên

Fourier Transfer

Biến đổi Fourier

FT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA
Ý nghĩa

Tên hình

Hình 1.1

Biểu đồ histogram của ảnh màu Pepper

Hình 1.2

Thứ tự cấu trúc các thành phần của ảnh Bitmap

Hình 1.3

Sơ đồ quá trình giấu tin
1999)

Hình 1.4

Sơ đồ quá trình giải mã tin giấu

Hình 1.5

Phân loại các kỹ thuật thủy vân

Hình 1.6

Mơ hình q trình nhúng thủy vân

Hình 1.7

Mơ hình q trình tách và kiểm định thủy vân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng Internet đã trở thành một trong các phương tiện truyền
tải, chia sẻ thông tin, tài liệu một cách thuận tiện, hiệu quả. Thông tin luôn sẵn
sàng trực tuyến, mọi người đều có thể kết nối vào Internet để tìm kiếm một
cách dễ dàng các thơng tin cần thiết. Bên cạnh đó, các cơng ty, các nhà cung
cấp sản phẩm có thể bán sản phẩm của mình thông qua mạng Internet cũng
như cung cấp dữ liệu, thông tin về các sản phẩm, dịch vụ của mình cho người
dùng thông qua hệ thống mạng Internet một cách hiệu quả.
Với lượng thông tin được truyền qua mạng ngày càng nhiều thì vấn nạn
sao chép và sử dụng khơng hợp pháp dữ liệu số ngày một tăng. Tuy nhiên
việc quản lý và khai thác các thông tin này lại đôi khi nằm ngồi tầm kiểm
sốt của các cá nhân, tổ chức do nạn sao chép bất hợp pháp, vi phạm bản
quyền ngày một gia tăng. Từ đó cần thiết phải có các giải pháp chống sao
chép để hạn chế việc vi phạm bản quyền các sản phẩm dữ liệu số.
Một trong những giải pháp hữu hiệu để bảo vệ bản quyền các sản phẩm
dữ liệu số là kỹ thuật thủy vân số được xem là một trong những giải pháp
quan trọng. Thủy vân số dựa trên kết quả nghiên cứu của nhiều lĩnh vực khác
nhau như: Mật mã học, kỹ thuật giấu tin, lý thuyết thống kê và xử lý tín hiệu
số. Mục đích của phương pháp này là nhúng một lượng thơng tin có ích vào
các sản phẩm số (lượng thông tin này được gọi là thủy vân). Dựa trên mục
đích sử dụng các lược đồ thủy vân được chia thành hai nhóm chính gồm thủy
vân bền vững và thủy vân dễ vỡ. Thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thủy vân
vào trong ảnh, khi có bất kì sự can thiệp hay thay đổi nào tới ảnh gốc thì dấu
thủy vân sẽ khơng cịn ngun vẹn, với kỹ thuật thủy vân này được ứng dụng
trong bài toán xác thực tính tồn vẹn dữ liệu số. Trong khi đó thủy vân bền
vững được ứng dụng trong bài toán bảo vệ bản quyền đối với các sản phẩm

số.


2
Nội dung luận văn tập trung vào tìm hiểu một số kỹ thuật giấu tin trong
ảnh số đã được công bố trên một số lược đồ thủy vân bền vững ứng dụng các
phép biến đổi SVD, QR trong việc xác thực bảo vệ tác quyền trên dữ liệu ảnh
số. Đây là hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và có nhiều ứng dụng trong
thực tế, vì thế em đã chọn đề tài nghiên cứu như sau: “Tìm hiểu các phép
biến đổi ma trận SVD, QR và ứng dụng để xây dựng lƣợc đồ thủy vân”.
Cấu trúc của Luận văn bao gồm các thành phần với nội dung như sau:
Mở đầu
Chƣơng 1: Tổng quan
Trình bày tổng quan về các kiến thức cơ bản về ảnh số, các phép biến
đổi, thông tin về giấu tin và thủy vân trên ảnh số
Chƣơng 2: Thủy vân trên miền SVD
Tập trung tìm hiểu, phân tích, đánh giá phép biến đổi SVD và
chương trình SVD thử nghiệm.
Chƣơng 3: Thủy vân trên miền QR
Tập trung tìm hiểu, phân tích, đánh giá phép biến đổi QR và
chương trình QR thử nghiệm.


3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
Thủy vân trên ảnh số là hướng nghiên cứu nhận được nhiều sự quan tâm của
các nhà nghiên cứu trong và ngồi nước. Để tăng cường tính bền vững cho các
thuật toán thủy vân, hầu hết các lược đồ đều sử dụng miền biến đổi để nhúng dấu
thủy vân thay cho việc sử dụng trực tiếp trên miền khơng gian ảnh.
Nội dung chương này tập trung trình bày một số khái niệm liên quan đến ảnh

số, thủy vân số và một số phép biến đổi thường được sử dụng trong các lược đồ
thủy vân như phép biến đổi DCT, phép biến đổi SVD và phép biến đổi QR.

1.1 Ảnh số
1.1.1 Khái niệm
Như đã biết, ảnh số tự nhiên được lượng tử từ ảnh liên tục (ảnh tự nhiên).
Do vậy, dữ liệu của ảnh thường có sự tương quan cao. Nói cách khác, các
điểm ảnh lân cận (liền kề) có giá trị xấp xỉ nhau.
1.1.2 Phân loại ảnh
Trên phương diện toán học, ảnh số được xem như là một ma trận nguyên
dương gồm m hàng và n cột, mỗi phần tử của ma trận đại diện cho một điểm
ảnh. Dựa theo màu sắc ta có thể chia ảnh số thành 3 dạng cơ bản như: Ảnh
nhị phân, ảnh đa cấp xám và ảnh màu (true color).
- Ảnh nhị phân là ảnh chỉ có hai màu, một màu đại diện cho màu nền và
màu còn lại cho đối tượng của ảnh. Nếu hai màu là đen và trắng thì gọi là ảnh
đen trắng. Như vậy, ảnh nhị phân được xem như một ma trận nhị phân.
- Ảnh đa cấp xám là ảnh có thể nhận tối đa 256 mức sáng khác nhau trong
khoảng màu đen - màu trắng. Như vậy, ảnh đa mức xám xem như là ma trận
không âm có giá trị tối đa 255.
Ảnh màu hay cịn gọi là ảnh true color, mỗi điểm ảnh được biểu diễn
bởi một số byte (thường 3 byte) đại diện cho 3 thành phần màu và như vậy,


4
ảnh màu có thể xem như 3 ma trận nguyên ứng với 3 thành phần màu của các
điểm ảnh.
Trong lĩnh vực giấu tin, mỗi dạng ảnh có những thuận lợi, khó khăn và
cách tiếp cận riêng. Tuy nhiên, một lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân ta có
thể dễ dàng áp dụng cho ảnh đa cấp xám, hoặc ảnh màu thơng qua tính chẵn
lẻ của giá trị điểm ảnh. Nhưng từ lược đồ giấu tin trên ảnh màu hoặc ảnh đa

cấp xám khó có thể áp dụng đối với ảnh nhị phân.
1.1.3 Histogram của ảnh
Histogram là khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh. Histogram là bảng
thống kê tần xuất giá trị cường độ sáng của các điểm ảnh. Đối với ảnh màu,
cường độ sáng của một điểm ảnh được xác định theo công thức:
Y= 0.299R + 0.587G + 0.114B

(1.1)

trong đó R,G,B là giá trị các thành phần màu và là cường độ sáng của
điểm ảnh.

Ví dụ: Từ ảnh màu pepper.bmp ta có thể dễ dàng xác định được

biểu đồ histogram tương ứng như hình 1.3.

ảnh pepper.bmp

Biểu đồ histogram

Hình 1.1 Biểu đồ histogram của ảnh màu Pepper


5
1.1.4 Cấu trúc tệp ảnh Bitmap
Ảnh Bitmap được lưu trữ dưới dạng nhị phân, là một tệp định dạng
được chia thành các thành phần như sau: Tiêu đề file (Bitmap Header), thông
tin ảnh (Bitmap Infor), bảng màu (Pallete Table) và vùng dữ liệu (Data). Thứ
tự các thành phần trên được lưu trữ tuần tự trong bộ nhớ như hình minh họa.
Header

Info header

Optional palette

Image data

Hình 1.2 Thứ tự cấu trúc các thành phần của ảnh Bitmap
Ý nghĩa của các thành phần như sau :
- Tiêu đề file (Header): Mô tả thông tin chung về file định dạng
Bitmap, độ dài của nó được cố định với mọi ảnh Bitmap.
- Thông tin ảnh (Infor header): Mô tả thông tin về ảnh được lưu trữ, độ
dài của nó cũng cố định.
- Bảng màu (Optional Palette): Là bảng màu của ảnh Bitmap, độ dài
của nó có thể bằng khơng ( khơng có bảng màu) đối với ảnh đen trắng và ảnh
màu có số lượng màu lớn hơn 256 màu.
- Vùng dữ liệu (Image Data): Chứa thông tin của từng điểm ảnh, độ dài
của phần này phụ thuộc vào kích thước của ảnh. Nó được lưu trữ theo hướng
từ dưới lên trên và từ trái qua phải.


6
1.2 Chất lƣợng ảnh
Như đã đề cập ở trên, chất lượng ảnh chứa tin là một trong những yếu tố
quan trọng trong giấu tin mật, đặc biệt là thủy vân số. Chất lượng ảnh chứa tin
có thể được đánh giá bằng hệ số PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio). Lược đồ
có hệ số càng lớn thì chất lượng ảnh chứa tin càng cao.
1.2.1 Hệ số PSNR
Như ta đã đề cập ở trên, chất lượng ảnh giấu tin là một trong các yếu tố
quan trọng trong giấu tin mật, đặc biệt là thủy vân số. Chất lượng ảnh chứa tin
có thể đánh giá bằng hệ số PSNR (Peak Signal to Noise Ratio). Lược đồ có hệ

số PSNR càng lớn thì chất lượng ảnh chứa tin càng cao. Hệ số PSNR của ảnh
chứa tin I’ so với ảnh gốc I kích thước m x n được tính theo cơng thức :
PSNR 20. log10

MAX
MSE

(1.2)

Trong đó MAX, là giá trị cực đại của điểm ảnh và MSE (Mean Square
Error) được xác định theo công thức :

MSE

1
mxn

m

n
2

[ I (i, j ) I ' (i, j )]

(1.3)

i 1 j 1

Đối với ảnh màu, thì giá trị PSNR có thể chấp nhận được nếu thuộc
khoảng tử 30dB đến 50dB.

1.2.2 Hệ số Diff
Được sử dụng để có một đánh giá độc lập với kích thước ảnh, có thể dùng
đại lượng sau:
Diff

I'

I

M

N

nó chính là độ sai khác trung bình giữa ảnh gốc và ảnh thuỷ vân.

(1.4)


7
Sử dụng Diff để đánh giá chất lượng ảnh của các lược đồ thuỷ vân. Lược
đồ nào có Diff nhỏ hơn thì có chất lượng ảnh thuỷ vân tốt hơn.
Trong các lược đồ thủy vân dưới đây chỉ xét ảnh đa cấp xám I có kích
thước

M×N

(nếu

là

I

ảnh

màu

thì

sử

dụng

cơng

thức

I=0.299R+0.587G+0.114B để chuyển sang đa cấp xám). Như vậy ảnh thực
chất là một ma trận nguyên không âm. Giả sử I là ảnh gốc và I' là ảnh sau khi
nhúng dấu thuỷ vân (ảnh thuỷ vân). Để đánh giá chất lượng của ảnh thuỷ vân
I' có thể sử dụng chuẩn của ma trận hiệu I' - I:
M

I'

N

I ' (i, j )

I

I (i, j )

(1.5)

i 1 j 1

Nếu giá trị này càng nhỏ thì I' càng giống I và chất lượng ảnh thuỷ vân
càng tốt. Rõ ràng ||I' - I|| phụ thuộc vào kích thước của ảnh.
1.3 Một số phép biến đổi
Theo [14], để tăng cường tính bền vững trong các thuật tốn thủy vân, hầu
hết các thuật toán thực hiện việc nhúng tin trên các miền biến đổi thay cho
miền không gian. Một số phép biến đổi thường được sử dụng như: DCT,
DWT, SVD, QR. Dưới đây sẽ trình bày tóm tắt một số phép biến đổi này.
1.3.1 Phép biến đổi Cosin rời rạc
Biến đổi Cosine rời rạc (DCT - Descrete Cosine Transform) là một
trong những phép biến đổi quan trọng trong lĩnh vực xử lý tín hiện nói chung
và nén ảnh nói riêng. DCT đã trở thành một cơng cụ hữu ích trong các chuẩn
nén dữ liệu hình ảnh, âm thanh.
Cũng giống như các phép biến đổi khác, biến đổi Cosine rời rạc gồm:
biến đổi thuận (DCT) và biến đổi ngược (IDCT - Inverse Descrete Cosine
Transform). Phép biến DCT sẽ chuyển dữ liệu ở miền thời gian sang miền tần
số, và được thực hiện ngược lại đổi với phép biến đổi IDCT. Nội dung chi tiết
về biến đổi Cosine rời rạc được trình bày trong các mục tiếp theo.


8
Phép biến đổi DCT 1-D
Với dữ liệu đầu vào là tập n giá trị pt (giá trị điểm ảnh, mẫu âm thanh..)
Theo [8], phép biến đổi thuận DCT một chiều được xác định:
Gf

2
Cf
n

n 1

pt cos
t 0

(2t 1) f
2n

(1.6)

trong đó

Cf

1
'
2
1

nêu f

0

nêu f

0

f

0,1,..., n 1

(1.7)

và Gf là tập n hệ số DCT tương ứng của đầu vào. Hệ số đầu tiên Go
được gọi là phần tử DC (Direct Current) và các hệ số còn lại được gọi là phần
tử AC (Alternating current). Các hệ số này có thể bao gồm cả số âm và số
dương.
Phép biến đổi IDCT biến đổi các hệ số DCT (DC và AC) từ miền tần
số về miền thời gian được xác định theo công thức:
pt

2n 1
(2t 1) j
CjGj cos
nj 0
2n

,

t

0,1,...., n 1

(1.8)

Một tính chất quan trọng của DCT hữu ích trong bài tốn nén dữ liệu,
với dữ liệu đầu vào có sự tương quan cao thì năng lượng của dữ liệu đầu vào
sẽ tập trung vào một số phần tử đầu tiên, đặc biệt là hệ số DC. Các phần tử
cịn lại có giá trị nhỏ, thường xấp xỉ bằng 0.
Ví dụ với 8 mẫu dữ liệu p = (12,10,8,10,12,10,8,11), áp dụng phép biến
đổi thuận ta nhận được 8 hệ số DCT tương ứng:
G=(28.6375; 0.571202; 0.46194; 1.757; 3.18198; -11.72956; 0.191342; 0.308709)
và áp dụng IDCT đối với G ta sẽ nhận được dãy dữ liệu p như ở trên.


9
Phép biến đổi DCT 2-D
Phép biến đổi DCT 1-D phù hợp với các mẫu dữ liệu âm thanh. Nhưng
không phù hợp ảnh, do dữ liệu ảnh có quan hệ trên không gian hai chiều
(hàng, cột). Tuy nhiên, đối với ảnh ta có thể áp dụng DCT 1-D hai lần: trên
các hàng và trên các cột. Do vậy ta gọi phép biến đổi này là DCT 2-D.
Theo [7], phép biến đổi thuận DCT 2-D đối với m x n giá trị của p trên
không gian 2 chiều được xác định theo công thức:
Gi , j

n
2
CiC j
mn
x

1m 1

px , y cos
0y 0

(2 y 1) j
2m

với 0 ≤ i ≤ n - 1, 0 ≤ j ≤ m - 1 và Ci,Cj

Cf

1
'
2
1

nêu f

0

nêu f

cos

(2 x 1)i
2n

(1.9)

'

được xác định:

0

f

(1.10)

0,1,..., n 1

Khi đó, hệ số đầu tiên G0,o gọi là phần tử DC và các hệ số còn lại là AC.
Phép biến đổi IDCT 2-D tương ứng đối với m x n hệ số G về miền khơng gian
được tính theo cơng thức:
px , y

2
mn

n 1m 1

Ci C j Gi , j cos
x 0y 0

( 2 y 1)i
2m

cos

(2 x 1) j
2n

'

(1.11)

với 0 ≤ i ≤ n-1, 0 ≤ j ≤ m-1 và Ci,Cj được xác định:

Cf

1
'
2
1

nêu f

0

nêu f

0

f

0,1,..., n 1

(1.12)

Trong ứng dụng, dữ liệu ảnh được chia thành các khối 8 x8, áp dụng phép
biến đổi DCT 2-D để nhận được khối hệ số DCT gồm 64 phần tử. Để tăng tốc
độ thực hiện, phép biến đổi DCT thường được tiếp cận theo phương pháp ma
trận.Theo [7], ma trận Cosine rời rạc T cấp 8 x 8 được tính theo cơng thức:

10

Cf

1
'
8

nêu i

1
( j 0.5)i
cos
8
8

0

(1.13)
'

nêu i

0

(T là ma trận trực chuẩn nên T↑’= T↑(-1)).
Khi đó, phép biến đổi Cosine rời rạc hai chiều đối với khối điểm ảnh P
để nhận được khối hệ số DCT G theo công thức:

G = TPT’

(1.14)

và phép biến đổi ngược tương ứng:
P = T’GT

(1.15)

1.3.2 Phép biến đổi SVD
Phép biến đổi SVD (Singular Value Decomposition: A U D V T )
cũng giống như DCT, DWT đều là các phép biến đổi ma trận trực giao và có
cùng một tính chất quan trọng là tập trung năng lượng ảnh vào một số phần tử
cố định của miền biến đổi. Năng lượng ảnh tập trung vào phần tử D(1,1) trong
phép biến đổi SVD phần tử này có tính ổn định cao, vì vậy có thể sử dụng
chúng để xây dựng các lược đồ thủy vân bền vững trước các phép tấn công.
1.3.3 Phép biến đổi QR
Phép biến đổi QR (QR Decomposition: A=Q×R) cũng giống như DCT,
DWT là các phép biến đổi ma trận trực giao và có cùng một tính chất quan
trọng là tập trung năng lượng ảnh vào một số phần tử cố định của miền biến
đổi. Năng lượng ảnh tập trung vào hàng đầu của ma trận R trong phép biến
đổi QR. Các phần tử này có tính ổn định cao, vì vậy có thể sử dụng chúng để
xây dựng các lược đồ thủy vân bền vững trước các phép tấn công.


11
1.4 Giấu tin
1.4.1 Khái niệm giấu tin

.

* Một là bảo vệ cho chính đối tượng được giấu tin bên trong. Đây chính
là thủy vân số, là lĩnh vực rất đa dạng, có nhiều mục đích và đang được quan
tâm, nghiên cứu rất nhiều; tính ứng dụng của nó trong hiện tại rất lớn và đã có
nhiều kỹ thuật được đề xuất.
* Hai là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu. Chính là giấu tin mật, tập
trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho người khác rất vất vả, khó khăn mới
phát hiện được đối tượng có chứa thơng tin mật bên trong.

,h

con (DWT).

.


12
* Mơ hình kỹ thuật giấu tin:
Thơng tin cần giấu

Dữ liệu mơi
trường thơng
tin(Hình ảnh,
âm thanh,
phim,..)

Bộ nhúng
thơng tin

Dữ liệu
mơi

trường đã
được giấu
tin

Khóa
Hình 1.3 Sơ đồ q trình giấu tin
Trong các mơ hình kỹ thuật giấu tin được mô tả như trong các hình
minh họa 1.3 và 1.4 dưới đây. Theo mơ hình 1.3 biểu diễn sơ đồ quá trình
giấu tin ta thấy ở đây phương tiện chứa thông tin bao gồm các đối tượng được
dùng làm môi trường để giấu tin như các tệp đa phương tiện. Thông tin cần
giấu là một lượng thơng tin mang ý nghĩa và mục đích nào đó tùy thuộc vào
mục đích và u cầu của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu vào trong
môi trường chứa thông tin nhờ một bộ nhúng thông tin. Bộ nhúng thơng tin là
những chương trình có chứa các thuật tốn để giấu thơng tin và được thực
hiện với một khóa bí mật giống như các hệ mật mã.
Sau khi giấu thông tin ta thu được một môi trường đã giấu tin và sẽ
được truyền tải, phân phối trên các phương tiện truyền thông khác nhau.


13
Khóa

Dữ liệu
mơi
trường
đã được
giấu tin

Bộ giải
mã

thơng tin

Dữ liệu mơi
trường thơng
tin(Hình ảnh,
âm thanh,
phim,..)

Thơng tin cần giấu

Kiểm
định

Hình 1.4 Sơ đồ q trình giải mã tin giấu
Trong hình 1.4 đã chỉ ra các nhiệm vụ của q trình giải mã thơng tin
đã được giấu. Q trình giải mã này phải được thực hiện thơng qua một bộ
giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin và kết hợp với khóa để giải mã tin.
Khóa để giải mã tin này có thể giống hay khác với khóa đã nhúng tin. Kết quả
thu được bao gồm môi trường gốc và thông tin đã được che giấu. Tùy theo
các trường hợp cụ thể, thông tin tách được ra có thể phải cần xử lý, kiểm định
và so sánh với thông tin đem giấu ban đầu. Thông qua dữ liệu được tách ra từ
môi trường chứa thông tin giấu, người ta có thể biết được trong q trình
truyền tải, phân phát dữ liệu có bị xâm phạm, tấn công hay không.
Đối với các hệ thống giấu thông tin mật thì rất quan tâm đến tính an tồn
và bảo mật thông tin của dữ liệu cần giấu. Hệ thống giấu tin mật có độ bảo
mật cao nếu có độ phức tạp của các thuật tốn thám mã khó có thể thực hiện
được trên máy tính. Tuy nhiên, cũng có các hệ thống chỉ quan tâm đến số
lượng thông tin có thể được che giấu, hay quan tâm đến sự ảnh hưởng của
thông tin mật đến các môi trường chứa dữ liệu.

14
1.4.2 Giấu tin trên miền không gian
Miền không gian của ảnh là miền dữ liệu của ảnh gốc, tác động đến
miền khơng gian ảnh chính là tác động trực tiếp đến các điểm ảnh, làm thay
đổi giá trị của điểm ảnh. Đây là xu hướng trực quan được tập trung khai thác
trong q trình thủy vân trong ảnh, khi nói đến việc giấu tin trong ảnh chính
là nhằm thay đổi giá trị các điểm ảnh gốc, những bít ít quan trọng của mỗi
điểm ảnh đảm bảo cho ảnh được chỉnh sửa giá trị điểm ảnh gần nguyên gốc
nhất.
Tuy nhiên, phương pháp này có nhiều nhược điểm, chẳng hạn như tính
bền vững không được đảm bảo với dấu thủy vân qua các thao tác biến đổi ảnh
như quay chụp ảnh, nén ảnh... các tác tác động đó đơi khi cũng làm sai lệch
điểm ảnh dẫn đến các bít ít quan trọng nhất cũng bị thay đổi.
Phương pháp biến đổi dựa trên miền khơng gian như trình bày ở trên là
cách biến đổi tín hiệu và miền giá trị rời rạc của các điểm ảnh được gọi là
miền biến số độc lập. Trong thực thế phép biến đổi trực tiếp này gặp phải
những khó khăn và hiệu quả khơng cao.
Ngồi phương pháp biến đổi trực tiếp, có dùng phương pháp biến đổi gián
tiếp thông qua các phép biến đổi trực giao làm nhiệm vụ chuyển miền không
gian sang miền biến đổi.
1.4.3 Giấu tin trên miền biến đổi
Miền biến đổi hay còn gọi là miền tần số là miền nhận được khi biến
đổi miền ảnh. Đây là kỹ thuật sử dụng phương pháp biến đổi như tính tích
phân hay phương pháp đổi hệ tọa độ trong tích đề các. Phương pháp này
nhằm chuyển miền không gian sang miền tần số, cụ thể là biến đổi tín hiệu và
miền giá trị rời rạc của các điểm ảnh sang miền mới và có biến số mới.
Mỗi phép biến đổi có những thuận lợi và khó khăn riêng, tùy vào
trường hợp cụ thể để lựa chọn phép biến đổi nào cho phù hợp. Sau khi biến

15
đổi các tín hiệu và miền giá trị rời rạc trong miền biến số mới này, nếu cần
thiết có thể dùng phép biến đổi ngược lại để đưa ảnh về miền biến số độc lập.
Phương pháp biến đổi gián tiếp làm đơn giản rất nhiều các công việc
gặp phải khi dùng phương pháp biến đổi trực tiếp trong miền biến số độc lập.
Có một số phương pháp biến đổi phổ biến hiện nay như: Fourier, Cosin rời
rạc (DCT), Wavelet ... là những phép biến đổi được sử dụng phố biến trong
các kỹ thuật xử lý multimedia, đặc biệt trong xử lý ảnh số. Ngồi ra các phép
biến đổi này cịn dùng nhiều trong lĩnh vực giấu tin, thủy vân số.
1.5 Thủy vân số
1.5.1 Khái niệm thủy vân
Thủy vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin vào một
bức ảnh số, các thơng tin được nhúng có thể được ẩn hoặc hiện thị phụ thuộc
vào kỹ thuật thủy vân cụ thể. Trong kỹ thuật thủy vân số thì thơng tin nhúng
được gọi là thủy vân. Thủy vân có thể là một chuỗi các ký tự, một hình ảnh,
hay một logo nào đó. Có thể chia thủy vân số thành hai nhóm là thủy vân dễ
vỡ và thủy vân bền vững.
* Thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thủy vân vào trong ảnh, sao cho
nếu có một phép biến đổi nào làm thay đổi ảnh gốc thì thủy vân được giấu
trong đó sẽ khơng cịn ngun vẹn như thủy vân gốc.
* Ngược lại, với kỹ thuật thủy vân dễ vỡ là thủy vân bền vững. Các kỹ
thuật thủy vân bền vững thường được sủ dụng trong các ứng dụng bảo vệ tác
quyền. Trong những ứng dụng đó, thủy vân đóng vai trị là thơng tin sở hữu
của người chủ hợp pháp. Thủy vân được nhúng trong các sản phẩm như một
hình thức dán tem bản quyền. Trong thường hợp như thế, thủy vân phải tồn
tại bền vững cùng sản phẩm nhằm chống việc tẩy xóa, làm giả hay biến đổi
nhằm phá hủy thủy vân. Một yêu cầu lý tưởng đối với thủy vân bền vững là
nếu muốn phá hủy thủy vân thì chỉ có cách duy nhất là phá hủy sản phẩm.

16
1.5.2 Phân loại thủy vân
Nói đến thủy vân số là nói đến kỹ thuật giấu tin nhắm đến những ứng
dụng nhằm đảm bảo an toàn dữ liệu cho đối tượng được sử dụng để giấu tin
như: Bảo vệ bản quyền, xác thực thông tin, chống xuyên tạc, điều khiển sao
chép,.. ta có thể nhận thấy tính ứng dụng của thủy vân rất là lớn, với mỗi ứng
dụng lại có các yêu cầu đặc trưng riêng, do đó các kỹ thuật thủy vân này cũng
có những tính năng khác biệt tương ứng.
Trong kỹ thuật thủy vân số thì thơng tin nhúng được gọi là thủy vân.
Thủy vân có thể là một chuỗi ký tự hay là một tệp hình ảnh, biểu tượng.
Thủy vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số vào một
bức ảnh số và thông tin nhúng được gắn liền với bức ảnh chứa và dữ liệu thủy
vân có thể được hiển thị hay ẩn là tùy thuộc vào mỗi kỹ thuật thủy vân cụ thể.
Có thể chia các kỹ thuật thủy vân theo các nhóm như hình minh họa
như hình 1.5 như sau.
Thủy vân số

Thủy vân bền vững

Thủy vân ẩn

Thủy vân hiện

Thủy vân dễ vỡ

Thủy vân ẩn

Thủy vân hiện

Hình 1.5 Phân loại các kỹ thuật thủy vân.
Các kỹ thuật thủy vân trên hình 1.5 được phân biệt khác nhau bởi
những đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật và khía cạnh ứng dụng của
những kỹ thuật đó. Trong thực tế, tùy theo mục đích, yêu cầu của bài toán mà
ta sẽ chọn kỹ thuật thủy vân phù hợp. Tuy nhiên, các kỹ thuật này cũng có
một số đặc điểm giống nhau.