Kỹ thuật thủy vân thuận nghịch ứng dụng trong xác thực ảnh gốc

B ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
•

•

•

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
_____________________________ • _______________ 2 __________________________________ 2 _________________________________m

NGUYỄN THỊ THÚY DUNG

KỸ THUẬT THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH
•
•

ỨNG DỤNG TRONG XÁC THựC ẢNH GỐC

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH

HÀ NỘI, 2015

•


B ộ• GIÁO DỤC
• VÀ ĐÀO TẠO
•
TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
•

•

•

•

NGUYỄN THỊ THÚY DUNG

KỸ THUẬT THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH
•

•

ỨNG DỤNG TRONG XÁC THựC ẢNH GỐC
Chuyên ngành: Khoa học Máy tính
Mã số: 60 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Thế Hồng

HÀ NỘI, 2015

•


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn “Kỹ thuật thủy vân thuận

nghịch ứng dụng trong xác thực ảnh gốc” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
trực tiếp của Thầy PGS.TS. Bùi Thế Hồng.
Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả,
tên công tình, thời gian, địa điểm công bố.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin
chịu trách nhiệm hoàn toàn.

Hà Nội, tháng 10 năm 2015

Nguyễn Thị Thúy Dung


2

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS. Bùi Thế Hồng, Thầy đã
cho tôi những định hướng, tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi những ý kiến rất quý báu để
tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin cảm ơn Trường Đại Học sư phạm Hà Nội 2 đã hết sức tạo điều kiện
cho tôi trong quá trình học, làm và hoàn thành khóa luận này.
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong phòng Sau đại học Trường Đại
học sư phạm Hà Nội 2 và Thầy Cô giáo dạy thỉnh giảng đã nhiệt tình giảng dạy,
giúp đỡ và trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập tại
trường.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, những người bạn của tôi đã động
viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................1
LỜI CẢM Ơ N .................................................................................................... 2
MỤC LỤC.......................................................................................................... 3
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH YẼ..................................................................................... 6
DANH MỤC BẢNG.......................................................................................... 7
MỞ ĐẦU............................................................................................................ 8
Chương 1. TỔNG QUAN YỀ KỸ THUẬT THỦY YÂN...............................10
1.1. Kiến thức cơ bản về thủy vân....................................................................10
1.1.1. Khái niệm thủy vân................................................................................ 10
1.1.2. Phân loại thủy vân...................................................................................11
1.1.2.1. Thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ................................................. 11
1.1.2.2. Thủy vân ẩn và thủy vân hiện..............................................................12
1.1.3. Một số tính chất của thủy vân trên ảnh................................................... 14
1.2.

ứng dụng của thủy vân số trên ảnh......................................................14

1.2.1. Bảo vệ bản quyền ảnh số tác giả (copyright protection)........................14
1.2.2. Xác thực thông tin và phát hiện giả mạo, xuyên tạc thông tin ...............15
1.2.3. Điều khiển tiny nhập (copy control) và Dán nhãn (labeling)................. 15
1.3. Các yêu cầu của thủy vân trên ản h ...................................................... 16
1.4. Những tấn công trên thủy v ân ............................................................... 16
Chương 2.KỸ THUẬT THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH ỨNG DỤNG TRONG
XÁC THỰC ẢNH GỐC...................................................................................18
2.1. Tổng quan về kỹ thuật thủy vân thuận nghịch...........................................18
2.2. Giới thiệu một số hướng tiếp cận trong thủy vân thuận nghịch................ 19
2.2.1. Biến đổi sóng wavelet............................................................................. 19

4

2.2.2. Dịch chuyển Histogram........................................................................20
2.2.3. Sử dụng nén JPEG................................................................................20
2.2.4. Sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu.................................................... 21
2.2.4.2 Thuật toán nhúng và khôi phục tin sử dụng mở rộng hiệu và LSB.... 22
2 2 A 3 . Lược đồ thủy vân thuận nghịch Tian................................................. 24
2.3. Lược đồ xác thực ảnh gốc........................................................................ 27
2.3.1. Xác thực bản gốc...................................................................................28
2.3.2. Khôi phục bản gốc................................................................................ 28
2.4. Đánh giá chất lượng thủy vân.................................................................. 30
2.4.1. Chất lượng ảnh sau khi nhúng thủy vân............................................... 30
2.4.2. Chất lượng thủy vân trích ra từ ảnh nhúng........................................... 31
Chương 3. CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM............................................. 32
3.1. Chương trình nhúng thủy vân.................Error! Bookmark not defined.
3.2. Chương trình xác thực và khôi phục ảnh gốc.......................................... 37
3.3. Kết quả thử nghiệm..................................................................................42
3.3.1. Nhúng thủy vân.....................................................................................42
3.3.2. Xác thực và khôi phục ảnh gốc.............................................................44
KẾT LUẬN.....................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................47


DANH MUC CHI VIET TAT
TV • A

Chữ viêt tăt

• *7 •

Dien giai

Y nghĩa

CLTT

Chang - Lin - Tseng -Tai

Tên 4 tác giả của lược đô CLTT

DCT

Discrete Cosine Transform

Phép biên đôi cosine rời rạc

IWT

Interger Wavelet Transform

Biên đôi sóng nhỏ nguyên

JPEG

Joint Photographic Experts

Một định dạng ảnh nén

LSB

Least Significant Bit

Bit ít ý nghĩa nhât

LS

Lin - Shiii

Tên hai tác giả của lược đô LS

LL

Horizontally and vertically

Lọc thâp ngang và dọc

lowpass
LH

Horizontally lowpass and

Lọc thâp ngang và lọc cao dọc

vertically highpass
HL

Horizontally highpass and

Lọc cao ngang và lọc thâp dọc

vertically lowpass
HH

Horizontally and vertically

Lọc cao ngang và lọc thâp

highpass

ngang

PSNR

Peak Signal to Noise Ratio

r p ’

SR

Similitary Ratio

Tỉ sô tương tự

ĩ
Á

1f

1

• A

1

mi
• A

Tỉ sô tín hiệu nhiêu


6

DANH MỤC HÌNH VẼ
Tên hình

Ý nghĩa

Hình 1.1

Mô hình phân loại thủy vân

Hình 1.2

Ví dụ về thủy vân ẩn và thủy vân hiện

Hình2.1

Mô hình thủy vân thuận nghịch

Hình2.2

Lược đồ xác thực và trích ảnh gốc

Hình3.1

Nhúng thủy vân vào ảnh gốc Lena

Hình3.2

Nhúng thủy vân vào ảnh gốc Aừplane

Hình3.3

Nhúng thủy vân vào ảnh gốc Baboon

Hình3.4

Xác thực, trích thủy vân và khôi phục ảnh gôc lena

Hình 3.5

Xác thực, trích thủy vân và khôi phục ảnh gôc Airplane

Hình 3.6

Xác thực, trích thủy vân và khỏi phục ảnh gôc baboon

Hình 3.7

Anh thủy vân gôc và thủy vân tìm lại được trích ra từ các ảnh
gốc ( Lena, Airplane, Baboon)


7

DANH MỤC BẢNG
Tên bảng

Y nghĩa

Bảng 1

Chât lượng ảnh sau khi nhúng thủy
vân tính theo PSNR


8

M Ở ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Trong thời đại thông tin kỹ thuật số, các sản phẩm số như âm thanh, hình
ảnh, video và phần mềm có thể dễ dàng bị sao chép, sửa đổi và buôn bán trái phép.
Bảo vệ bản quyền tác giả và xác thực nội dung gốc của sản phẩm kỹ thuật số đã trở
thành một vấn đề cấp bách cho chủ sở hữu và các nhà phân phối. Một trong những
giải pháp cho vấn đề này là nhúng một cách bí mật hoặc công khai một dấu hiệu
nào đó vào sản phẩm. Kỹ thuật này có tên gọi là thủy vân số.
Thủy vân số có thể được dùng trong các lĩnh vực bảo vệ bản quyền, chống
sao chép, phân biệt giả mạo. Dựa trên ứng dụng của nó, hầu hết các phương pháp

kỹ thuật thủy vân số có thể được chia thành hai loại, thủy vân bền vững để bảo vệ
bản quyền và thủy vân dễ vỡ để xác thực sự toàn vẹn.
Ngoài ra, trong kỹ thuật thủy vân dễ vỡ có một kỹ thuật đặc biệt được gọi là
thủy vân thuận nghịch (reversible watermark) cho phép phục hồi lại bản gốc sau
khi đã xác thực được sự toàn vẹn của bản thủy vân. Đây là một kỹ thuật rất hữu
ích, nó không những xác thực được sự toàn vẹn mà còn khôi phục lại bản gốc trước
khi bị thủy vân, một việc mà hầu hết các kỹ thuật thủy vân khác chưa đề cập đến.
Để đi sâu giải quyết vấn đề này em quyết định chọn đề tài luận văn: “Kỹ thuật thủy
vân thuận nghich ứng dụng trong xác thực ảnh gốc.”
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân thuận nghịch để xác thực và khôi phục ảnh
gốc.
- Xây dựng chương trình thử nghiệm để xác thực và khôi phục ảnh gốc.


9

3. Nhiệm yụ nghiên cứu
- Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân thuận nghịch ứng dụng trong xác thực và
khôi phục ảnh gốc.
- Các kỹ thuật thủy vân trên ảnh và tìm hiểu thủy vân số.
- Xây dựng chương trình thử nghiệm một lược đồ thủy vân thuận nghịch để
khôi phục nguyên gốc ảnh đã thủy vân.
- Sử dụng công cụ lập trình MATLAB để phát triển chương trình thủy vân
thử nghiệm.
4. Đối tượng và phạm YỈ nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là lý thuyết về thủy vân nói chung, thủy vân
thuận nghịch và kỹ thuật khôi phục ảnh gốc, kỹ thuật giấu tin.
- Nghiên cứu cơ chế mã hóa và giải mã thủy vân thuận nghịch.
5. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu chủ yếu ở đây là phương pháp tiếp cận lý thuyết,
sau đó áp dụng lý thuyết để kiểm chứng. Dựa trên kết quả kiểm chứng đó để đưa ra
kết luận và các đề xuất nhằm hoàn thành mục tiêu nghiên cứu.
- Nghiên cứu về lý thuyết thủy vân thuận nghịch. Nghiên cứu ứng dụng và
mô tả chi tiết về kỹ thuật thủy vân.
6. Cấu trúc của luân văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn gồm 3 chương”
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật thủy vân
Chương 2: Kỹ thuật thủy vân thuận nghịch ứng dụng trong xác thực ảnh gốc.
Chương 3: Chương trình thử nghiệm


10

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỦY VÂN

1.1. Kiến thức cơ bản về thủy vân
1.1.1. Khái niệm thủy vân
Phương pháp thủy vân đầu tiền được thực hiện là thủy vân trên giấy. Đó là
một thông tin nhỏ được nhúng chìm trong giấy để thể hiện bản gốc hoặc bản chính
thức. Theo Hartung và Kutter, thủy vân trên giấy đã bắt đầu được sử dụng vào năm
1292 ở Fabriano, Italy - đó là nơi khởi đầu của thủy vân. Sau đó, thủy vân đã
nhanh chóng lan rộng trên toàn Italy, rồi đến các nước châu Âu và châu Mỹ. Ban
đầu, thủy vân giấy được dùng với mục đích xác định nhãn hàng và nhà máy sản
xuất. Sau này được sử dụng để xác định định dạng, chất lượng và độ dài, ngày
tháng của sản phẩm.
Đến thế kỷ thứ 18, thủy vân bắt đầu được sử dụng cho lĩnh vực tiền tệ và
đến nay thủy vân vẫn là một công cụ được dùng rộng rãi vói mục đích bảo mật cho
tiền tệ, chống làm tiền giả. Thuật ngữ “thủy vân” (watermarking) được đưa ra vào
cuối thế 18, nó bắt nguồn từ một loại mực vô hình khi viết lên giấy và chỉ hiển thị

khi nhúng giấy đó vào nước. Năm 1988, Komatsu và Tominaga đã đưa ra thuật
ngữ “thủy vân số” (Digital watermarking).
Vậy thủy vân số (Digital watermarking) là quá trình sử dụng các thông tin
(ảnh, chuỗi bít, chuỗi số) nhúng một cách bí mât hoặc công khai một dấu hiệu nào
đó vào dữ liệu số (ảnh số, audio, video hay bản text) nhằm xác định thông tin bản
quyền của tác phẩm số. Mục đích của thủy vân số là phát hiện giả mạo hoặc bảo vê
bản quyền cho phương tiện dữ liệu số mang thông tin thủy vân.


11

1.1.2. Phân loại thủy vân
Thủy vân số có thể được dùng trong các lĩnh vực bảo vệ bản quyền, chống
sao chép, phân biệt giả mạo. Dựa trên ứng dụng của nó, hầu hết các phương pháp
kỹ thuật thủy vân số có thể được chia thành hai loại, thủy vân bền vững để bảo vệ
bản quyền và thủy vân dễ vỡ để xác thực sự toàn vẹn.

Hình 1.1: Mô hình phân loại thủy vân


12

1.1.2.1. Thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ
Thủy vân bền vững (robust watermark): là thuỷ vân tồn tại bền vững cùng
với dữ liệu và quan tâm nhiều đến việc nhúng những mẩu thông tin đòi hỏi độ bền
vững cao của thông tin được giấu trước các biến đổi thông thường trên dữ liệu
chứa. Được sử dụng để bảo vệ bản quyền tác giả, chứng minh quyền sở hữu.
Thuỷ vân dễ vỡ (fragile watermark): là thuỷ vân dễ bị biến đổi trước những
biến đổi hay tấn công lên dữ liệu và yêu cầu thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất
kỳ sự thay đổi nào trên dữ liệu chứa. Được sử dụng để xác thực sự toàn vẹn, để

phát hiện sự xuyên tạc thông tin.
1.1.2.2. Thủy vân ẩn và thủy vân hiện
Ở mỗi loại thủy vân bền vững hay thủy vân dễ vỡ lại chia thành hai loại dựa
theo đặc tính, đó là thủy vân ẩn và thủy vân hiện.
• Thủy vân hiện (visible watermarking): cho phép ta nhìn thấy thông tin được
nhúng vào dữ liệu chứa, ta có thể phát hiện được sự tồn tại của thủy vân bằng
mắt thường và nó được sử dụng với mục đích công khai, công bố quyền sở hữu.
Yí dụ như các biểu tượng kênh truyền hình vô tuyến mà chúng ta thường thấy là
VTV3,CCTV,TV5...
• Thủy vân ẩn (imperceptible watermarking): không cho phép ta nhìn thấy nội
dung thông tin được nhúng, không thể phát hiện được sự tồn tại của thủy vân và
nó được sử dụng với mục đích giấu bí mật các thông tin xác nhận quyền sở hữu.


13
7

Thủy vân ân và thủy vân hiện được minh họa đơn giản dưới hình vẽ sau:

Invisibly Watermarked Image

Visibly Watermarked [mage

Hình 1.2: Ví dụ về thủy vân ẩn và thủy vân hiện


14

1.1.3. Một số tính chất của thủy vân trên ảnh
Tính bền vững: Chất lượng của thuật toán phụ thuộc vào tính về vững của

thủy vân. Đặc biệt với thủy vân bề vững yêu cầu phải thủy vân sao cho không bị
thay đổi sau một số phép xử lý trên đối tượng được nhúng. Đối vói ảnh số các phéo
xử lý này có thể là nén thông tin, lọc, tịnh tiến, quay, làm sắc ảnh, xén ảnh...
Tính vô hình: Đối với thủy vân ẩn thì mọi thuật toán đều cần phải nhúng
thủy vân sao cho chúng không bị phát hiện ra bằng mắt thường được. Thông
thường đối vói một thuật toán nếu tính bền vững cao thì tính vô hình lại kém và
ngược lại, do đó cần có sự cân nhắc giữa tính bền vững và tính vô hình để đảm bảo
thủy vân đạt được cả tính bền vững cũng như tính vô hình.
Tính bảo mật: Bảo mật để thủy vân sao cho nếu một ai đó không có quyền
thì không thể dò được thủy vân.
1.2. ứng dụng của thủy vân số trên ảnh
1.2.1. Bảo vệ bản quyền ảnh số tác giả (Copyright protection)
Đối vói việc bảo vệ bản quyền tác giả thì mục đích thủy vân là ta đi giấu một
thông tin vào dữ liệu, để có thể xác định được bản quyền tác giả và ta cũng có thể
gắn thêm một dấu thông tin nào đó khác, thường gọi là dấu vân tay, dán nhãn
(fingerprinting and labeling) để xác định người sử dụng sản phẩmví dụ như logo,
mã số...
Yí dụ trong mua bán và trao đổi các tác phẩm số nảy sinh một số vấn đề cụ
thể như:
+ Vấn đề thứ nhất là phải bảo đảm quyền tác giả: Để bảo vệ được bản
quyền của người chủ sở hữu tác phẩm số thì sản phẩm đó phải mang những thông
tin đặc biệt chứng minh được nó là thuộc quyền sở hữu của người chủ. Nhờ những
thông tin này chủ tác phẩm số có thể chứng minh được vói cơ quan có thẩm quyền
quyền sở hữu hợp pháp của mình.


15

+ Vấn đề thứ hai là đảm bảo thông tin sẵn sàng cho người dùng hợp pháp
và chống phân phối bất hợp pháp nội dung tác phẩm: việc mua bán, phân phối

các hợp pháp sản phẩm số (đặc biệt là ảnh số) được thực hiện dựa trên nguyên tắc
là ngưòi mua sẽ trả tiền để nhận được những bản sao hợp pháp của các sản phẩm
này.
+ Vấn đề thứ ba lần vết thông tin phát hiện người phân phối sản phẩm bất
hợp pháp: khi vấn đề về vi phạm bản quyền xảy ra hoặc khi chủ sở hữu sản phẩm
số nghi ngờ là có bản sao sản phẩm không hợp lệ, thì phải có biện pháp để xác
minh hoặc tìm ra trong những người dùng hợp pháp ai là người phân phối sản
phẩm trái phép.
1.2.2. Xác thực thông tin và phát hiện giả mạo, xuyên tạc thông tín
(authentication and tamper detection)
Yiệc xác thực thông tin, phát hiện giả mạo hay xuyên tạc thông tin là một
việc quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực pháp luật, quốc phòng... Thủy vân được
sử dụng để xác thực xem đây có phải là sản phẩm nguyên bản hay không, đã chịu
sự tác động của con người hay chưa... Thủy vân được dấu lúc đầu phải có tính
chất không bền vững, để khi có bất kỳ một tác động nào , dù là nhỏ nhất lên sản
phẩm cũng có thể làm hỏng thủy vân hay phát hiện được sự thay đổi đối với thủy
vân này.
1.2.3. Điều khiển truy nhập (copy control) và Dán nhãn (labeling)
Đối vói việc điều khiển tiny nhập thì chỉ có những tổ chức có quyền mói có
thể truy nhập được vào thủy vân đã nhúng. Nếu không được cấp quyền thì ta
không thể truy nhập được vào sản phẩm đã được bảo vệ.
Còn ứng dụng dán nhãn dùng để cung cấp thêm thông tin cho người dùng
hoặc để khôi phục lại sản phẩm từ cơ sở dữ liệu ban đầu.


16

1.3. Các yêu cầu của thủy vân trên ảnh
Thủy vân số trên ảnh cũng là một phương pháp giấu tin nên cũng có một số đặc
điểm và tính chất giống như giấu tin trong ảnh như sau:

-

Phương tiện chưa là ảnh hai chiều tĩnh.

- Thủy vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không là thay đổi kích
thước của ảnh.
- Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào tính chất của hệ thống thị giác con người.
- Khi trích tin, giải tin có thể cần ảnh gốc.
1.4. Những tấn công trên thủy vân
Trong thực tế thủy vân cần phải tính toán đến tính bền vững với các thuộc tính
khác nhau như lượng thông tin giấu đi hay tính ẩn thông tin... Dựa vào yêu cầu
của ứng dụng sẽ ảnh hưởng đến phương pháp thủy vân và dựa vào những biến
đổi có chủ đích hay không có chủ đích với hệ thủy vân mà ta có thể phân biệt
thành hai nhóm xuyên tạc sau: Một là biến đổi được xem như là nhiễu đối với
dữ liệu, hai là làm mất tính đồng bộ để không thể lấy tin ra được.
Vì yậy những tấn công trên hệ thủy vân có thể như sau:
-

Biến đổi tín hiệu: làm sắc, biến đổi tương phản, màu...

-

Nhiễu cộng, nhiễu nhân...

-

Nén mất thông tin.

-

Lọc tuyến tính.

-

Biến đổi affine cục bộ hoặc toàn cục.

-

Giảm dữ liệu như cropping, sửa histogram...

-

Chuyển đổi tương tự sang số.

-

Chuyển mã như gif sang jpeg...

-

Thủy vân nhiều lần.


17

Điều quan trọng nhất là phương pháp thủy vân phải đảm bảo đủ tính bền
vững sao cho các tấn công sẽ làm cho giá trị thương mại của ảnh gốc sẽ bị
ảnh hưởng.

18

Chương 2. KỸ THUẬT THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH
ỨNG DUNG TRONG XÁC THƯC ẢNH GỐC
•

•

2.1. Tầng quan về kỹ thuật thủy vân thuận nghịch
Thủy vận thuật nghịch là kỹ thuật giấu thông tin cố khả năng khôi phục lại
nguyên bản hoặc gần như ảnh gốc ban đầu. Hay nói cách khác thủy vân thuận
nghịch cố thể khôi phục lại ảnh ban đầu mà không làm thay đổi hay biến dạng sau
khỉ dữ liệu được trích ra từ sản phẩm đã nhúng thủy vân.

Hình 2.1: Mô hình thủy vẩn thuận nghịch
Kỹ thuật thủy vân thuận nghịch là một lĩnh vực mói lạ của các đề án thủy
vân, không chỉ có ý nghĩa tăng quyền sở hữu của các phương tiện truyền thông ban
đầu mà còn có thể phục hồi hoàn toàn được dữ liệu gốc từ các phương tiện truyền
thông mang thủy vân. Trong kỹ thuật thủy vân thuận nghịch quá trình nhúng có bổ
xung một tải trọng payload, dùng để nhúng thêm thông tin, chứa dữ liệu phục hồi
và được sử dụng bởi các bộ giải mã để tái tạo lại hình ảnh gốc. Do đó tải trọng
payload bao gồm các dữ liệu xác thực và phục hồi thông tín. Thủy vân thuận


19

nghịch đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi chất lượng hình ảnh cao như
một số ứng dụng của phương tiện truyền thông kỹ thuận số, ví dụ như cho chứng
cứ pháp lý, kỹ thuật số thương mại, giám sát an ninh... Ta có thể tiếp cận thủy vân
thuận nghịch theo một số phương pháp thường dùng như: nén không mất mát

thông tin,dịch chuyển Histogram, các phép biến đổi nguyên như mở rộng hiệu,
tương phản, các phép biến đổi sóng nhỏ wavelet, Integer Cosine và sử dụng đặc
trưng nén JPEG.
2.2. Giói thiệu một số hướng tiếp cận trong thủy vân thuận nghịch
2.2.1. Biến đổi sóng wavelet
Sunil Lee đãsử dụng phép biến đổi integer-to-integer wavelet cho thủy vân
thuận nghịch. Phương pháp này chia tách các hình ảnh đầu vào thành các băng và
thường được ký hiệu là LL, LH, HL, HH. Mỗi bănglà các hệ số sóng nhỏ (wavelet)
khác nhau. Chỉ có các phần băng cao như LH, HL, HH được sử dụng cho nhúng
thủy vân. Thủy vân được nhúng vào hệ số wavelet này bằng cách sử dụng các thay
thế LSB (LSB - Least Significant Bit) hoặc chuyển dịch bit. Các hệ số wavelet
được kiểm tra xem có tràn trên (overflow) hoặc tràn dưới (underflow) trước khi
nhúng thủy vân vào. Các tác giả cũng lấy được các điều kiện cho cả overflow và
underflow khi sử dụng cân bằng nghịch đảo tự nhiên của số nguyên biến đổi
wavelet (IWT) của Le Galle. Vì phương pháp này sử dụng khai thác thủy vân mù,
mà không đòi hỏi những hình ảnh ban đầu, bản đồ vị trí của các vị trí nhúng thủy
vân được thêm vào ảnh nhúng. Trong [10] một chương trình thủy vân được đề xuất
trong đó hình ảnh được phân vào các hệ số wavelet. Một hình ảnh biểu tượng dễ
nhận biết và dựa vào nội dung thông tin thủy vân được nhúng vào trong các hệ số
wavelet. Các hệ số wavelet tương ứng với các điểm nằm trong một khu có entropy
tối đa được sử dụng để nhúng biểu tượng trực quan và các quan hệ giữa các hệ số
xung quanh trong những băng phụ, wavelet được chọn sẽ được nhúng vào cặp tần
số giữa các hệ số quy mô đầu tiên. Phương pháp này sẽ nhúng tối đa lượng của


20

thủy vân trong khi thủy vân là không thể nhận thấy. Kỹ thuật này cung cấp hai mức
độ bảo vệ trong khi duy tri chất lượng hình ảnh. Nhúng các hệ số tương quan cung
cấp khả năng để xác định những thay đổi được thực hiện trên hình ảnh. Tương tự

như các phép biến đổi wavelet, phép biến đổi cosine nguyên cũng có thể được sử
dụng trong thủy vân thuận nghịch [11].
2.2.2. Dịch chuyển Histogram
Dựa trên bảng thống kê tần xuất giá trị điểm ảnh, Zhicheng Ni và các cộng
sự (NSAS) đã đề xuất lược đồ giấu tin thuận nghịch trên ảnh đa cấp xám bằng cách
dịch chuyển histogram, trong đó toàn bộ tín hiệu được xử lý trước khi nhúng.
Trong phương pháp này thì một phần của biểu đồ hình ảnh bìa được dịch chuyển
sang phải hoặc sang trái để tạo không gian cho dữ liệu nhúng. Việc dịch chuyển
thông tin này được thực hiện như một phần của tải trọng payload và được sử dụng
trong khi khôi phục lại hình ảnh ban đầu. Trong đề xuất của họ, điểm 0 và điểm
cực đại của một biểu đồ hình ảnh thì dịch chuyển khỏi không gian trống cho dữ
liệu nhúng và khi đó thủy vân được thuận nghịch. Đề án của họ đã đạt được chất
lượng hình ảnh cao mà chi phí tính toán thấp. Tuy nhiên khả năng nhúng lại thấp
và phụ thuộc chủ yếu vào sự phân bố của các hình ảnh biểu đồ.
2.2.3. Sử dụng nén JPEG
Việc sử dụng đặc trưng ảnh nén JPEG để nhúng tin được bắt đầu nghiên cứu
bởi Iwata và các đồng sự bằng cách sử dụng các khối DCT (Discrete Cosine
Transform) nhận được sau khi đã lượng tử hóa (khối DCT lượng tử). Mỗi khối này có
kích thước 8

X

8 và thường chứa nhiều hệ số 0 ở góc dưới phải. Iwata sử dụng 9

đường chéo của khối (cùng chiều với đường chéo chính) và nhúng 1 bít trên mỗi
đường chéo bằng cách biến đổi sao cho tổng số các hệ số 0 liên tiếp tính tò dưới lên
của mỗi đường chéo có cùng tính chẵn lẻ vói bít cần nhúng. Tuy nhiên lược đồ này
chưa có tính chất thuận nghịch.

21

Chang và đồng sự cũng sử dụng 9 đường chéo như c . Lin và đồng sự nhưng
nhúng trên mỗi đường chéo tối đa một bít tại hai phần tử bằng 0 cuối cùng (nếu có)
trong dãy các phần tử 0 liên tiếp tính từ dưới lên. Ngoài ra, phần tử khác 0 cuối
cùng được biến đổi theo một qui tắc nhất định để có thể xác định chính xác yị trí
nhúng tin. Do đó lược đồ CLTT vừa trích được các bít đã nhúng và vừa có khả
năng khôi phục được ảnh gốc. Tuy nhiên khả năng nhúng tin của lược đồ này còn
hạn chế. Để nâng cao khả năng nhúng tin, c. Lin và đồng sự đã đề xuất lược đồ
nhúng tin hai lớp (lược đồ LS) bằng cách kết họp lược đồ CLTT với phương pháp
mở rộng hiệu. Theo kết quả thực nghiệm của c . Lin và đồng sự, khả năng nhúng
tin của lược đồ LS được cải thiện hơn so với lược đồ CLTT, nhưng chất lượng ảnh
giảm đáng kể.
2.2.4. Sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu
2.2.4.I. Một sổ lưu ý
a) Lưu ý 1: LSB (Least Significant Bit) là thuật toán thủy vân dựa vào các bit ít ý
nghĩa nhất. Giá trị của mỗi điểm ảnh của ảnh màu và ảnh đa mức xám có thể được
biểu diễn bằng nhiều nhiều bit. Trong dãy các bit này bit bên phải nhất được gọi là
bit it quan trọng nhất vì khi ta đảo giá trị của nó thì màu của điểm ảnh bị thay đổi ít
nhất.
b) Lưu ý 2: Theo Tian và các đồng sự thì vói mỗi cặp điểm ảnh (x, y) với X, y t
0 < X, y < 255 và l =

z,

vàh = X — y thì thì ta có hai định nghĩa sau:

Định nghĩa 1: Cặp điểm ảnh (x, y) với 0 < X, y < 255 được gọilà khả mở, tức là
có thể mở rộng được (expandable) nếu thỏa mãn điều kiện:
0 < 1+

< 2 5 5 v à 0 < l - — <255
2
2
Điều kiện trên cũng tương đương với điều kiện:
\2h + b\ < m in{2(255 - ĩ), 21 + 1} với b G {0,1}
Định nghĩa 2: Cặp điểm ảnh (x, y) được gọi là khả biến, tứclà có thểthay đổi
được (changeable) nếu thỏa mãn điều kiện:


22

+ b < m in{2(255 —t), 21 + 1} với b 6 {0,1}
2.2A.2 Thuật toán nhúng và khôi phục tín sử dụng mở rộng hiệu và LSB
a) Nhúng tin và khôi phục đối vói cặp (x, y) khả mở
Thuật toán nhứng
Việc nhúng bít thủy vân b vào cặp điểm ảnh khả mở (x, y) để nhận được cặp
điểm ảnh mới (x5, y’) được thực hiện theo các bước sau:
Bưởc 1: Tính trung bình 1 và hiệu h của X và y

• h = X —y
• l =

x -y

Bước 2: Nhúng tin
• h' = 2h + b
, _ 1 . h' + 1
• x' = 1 +

• y'= l -

hr

Thuât toán trích tin và khôi phuc căp ảnh gốc
Để trích bít đã nhúng b và khôi phục cặp điểm ảnh gốc (x, y) từ cặp điểm ảnh
(x’, y’) được thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Tính trung bình cộng và hiệu của x’ và y’

• h' = x' - y'
. I = x'+y'
Bước 2: Trích bít thủy vân

• b = h ’ mod. 2


23

Bước 3: Khôi phục cặp điểm ảnh gốc (x, y)
• h = h ’ div 2
_ I , h +1
• X = 1+

• y= l b) Nhúng tin và khôi phục đối với (x, y) khả biến
Vói cặp điểm ảnh (x, y) không khả mở nhưng khả biến thì thuật toán nhúng tin
là không thuận nghịch. Để thuật toán thành thuận nghịch thì ta cần lưu lại bít thấp
của hiệu (h) trong quá trình nhúng tin.
Thuât toán nhúns
Việc nhúng bít b vào cặp điểm ảnh khả biến (x, y) để nhận được cặp điểm ảnh
(x5, y’) được thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Tính trung bình cộng 1 và hiệu h của X và y

• h = X — -y
• l =

x+ y

• LSB (/i) = h mod 2 , lưu lại bít thấp của h
Bước 2: Nhúng tin
• h' = 2
• x' = 1 +

+b
h' + 1

• y' = l Thuât toán trích, tin và khôi phuc cày ảnh eổc
Để trích bít đã nhúng b và khôi phục cặp điểm ảnh gốc (x, y) từ cặp điểm ảnh
(x5, y’) được thực hiện theo các bước:
Bước 1: Tính