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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

VÕ PHƯỚC HƯNG

NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ
HIỆU NĂNG GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN
MÃ NGÀNH: 62480104

CẦN THƠ - 2020


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Người hướng dẫn: PGS. TS. Đỗ Thanh Nghị

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ
cấp trường
Họp tại: Phòng Bảo vệ Luận án tiến sĩ , Lầu 2 – Nhà Điều
hành, Trường Đại học Cần Thơ
Vào lúc

giờ ngày

tháng

năm 2020

Phản biện 1:
Phản biện 2:

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
Trung tam học liệu, Trường Đại học Cần Thơ
Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
[CT1]. Nguyễn Thái Sơn, Võ Phước Hưng, Huỳnh Văn Thanh, Đỗ Thanh Nghị,
“Giấu tin thuận nghịch trong ảnh Stereo với khả năng nhúng tin cao”, Kỉ yếu hội
thảo FAIR 2016, pp. 631-637.
[CT2]. P-H. Vo, T-S. Nguyen, V-T. Huynh and T-N. Do. A robust hybrid
watermarking scheme based on DCT and SVD for copyright protection of Stereo
images. in proc. of NAFOSTED Conf. on Information and Computer Science
(NICS 2017), 2017, pp. 331-335.
[CT3]. P-H. Vo, T-S. Nguyen, V-T. Huynh and T-N. Do. A Novel Reversible
Data Hiding Scheme with Two-Dimensional Histogram Shifting Mechanism. in
International Journal of Multimedia Tools and Applications, Vol.77(21): 2877728797, Springer, 2018. [SCIE]
[CT4]. Võ Thành C, Võ Phước Hưng, Trầm Hoàng Nam, Nguyễn Thái Sơn,
Đỗ Thanh Nghị, "Một thuật toán thủy vân ảnh số mạnh dựa trên DWT, DCT,
SVD và đặc trưng SIFT", Kỉ yếu hội thảo FAIR 2019.
[CT5]. P-H. Vo, T-S. Nguyen, V-T. Huynh, T-C. Vo and T-N. Do. Secure and
Robust Watermarking Scheme in Frequency Domain Using Chaotic Logistic
Map Encoding. in proceeding of International Conference on Computer Science,
Applied Mathematics and Applications (ICCSAMA 2019), Springer, 2019.
[Indexed by Scopus]
[CT6]. P-H. Vo, T-S. Nguyen, V-T. Huynh, T-N. Do. A High capacity invertible
steganography method for Stereo image. in the book Digital Media

Steganography: Principles, Algorithms, Advances, ELSEVIER Inc., 2020.
[Scopus]


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, khi công cuộc chuyển đổi số đang đi vào chiều sâu, càng nhiều
thông tin số được giao tiếp từ xa qua mạng. Trong số đó, nhiều thông tin quan
trọng đang được trao đổi, điều này đã thu hút sự quan tâm của nhiều người dùng
trái phép như là đánh cắp, giả mạo, thay đổi nội dung thông tin có chủ đích. Đó
cũng là vấn đề nghiêm trọng kìm hãm sự phát triển về kinh tế, xã hội của các
quốc gia nếu như không có giải pháp hữu hiệu ngăn chặn làn sóng ấy. An toàn
và bảo mật thông tin trở thành sự bảo đảm quan trọng cho phát triển kinh tế, xã
hội trong các lĩnh vực giao tiếp, lưu trữ, chính sách nội dung và xác thực dữ liệu.
Để bảo đảm sự bí mật của thông tin trong quá trình truyền tin, cũng như bảo vệ
quyền sở hữu nội dung thông tin số; kỹ thuật giấu tin đang trở thành cách tiếp
cận mới trong lĩnh vực an toàn thông tin.
1.2 Kĩ thuật giấu tin trong ảnh số
Với sự phát triển của kĩ thuật xử lí ảnh và phổ biến của mạng Internet, ảnh số
ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác từ y tế, pháp lí, cho đến mua
sắm hàng ngày. Vì vậy, trong nghiên cứu này, ảnh số được sử dụng như một đối
tượng mang tin nhằm bảo vệ thông tin mật trong giao tiếp và lưu trữ. Bên cạnh
đó, nội dung thông tin ảnh số cũng được bảo vệ bản quyền và quyền sở hữu trí
tuệ với việc nhúng một lượng thông tin phù hợp vào nó. Sơ đồ hệ thống giấu tin
trong ảnh số được biểu diễn như Hình 1.1

Hình 1.1 Flowchart of data hiding

1

Trong đó:
•
•
•
•
•
•
•

IC: Ảnh mang tin (Cover Image)
S: Thông tin mật (Secret message)
k: Khóa (Key)
fEmbed: Hàm nhúng thông tin
IS: Ảnh sau khi đã nhúng thông tin mật (Stego image)
fExtract: Hàm trích xuất thông tin
I′C: Ảnh sau khi trích xuất thông tin

Giai đoạn nhúng, thông tin mật S được nhúng vào ảnh mang tin Ic dựa trên
hàm nhúng fE với khóa K và được biểu diễn như công thức (1.1):
𝐼𝑆 = 𝑓𝐸𝑚𝑏𝑒𝑑 (𝐼𝐶 , 𝑆, [𝑘])

(1.1)

Giai đoạn rút trích, thông tin mật S được trích xuất ra từ ảnh Is dựa trên hàm
rút trích fExtract với khóa K và được biểu như công thức (1.2):
(𝑆, 𝐼𝐶′ ) = 𝑓𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡 (𝐼𝑆 , [𝑘])
(1.2)
Thuật toán nhúng tin hoàn thành sao cho ảnh IS khó phân biệt với ảnh IC.
Sự khác nhau giữa IS và IC gọi là nhiễu. Thông thường sau khi IS được tạo ra và

gửi đi có thể bị tấn công và bị gây ra nhiễu. Thông tin nhúng sẽ được trích xuất
từ ảnh Stego IS dựa vào hàm rút trích thông tin. Hiệu quả và hiệu năng của hệ
thống giấu tin được xác định dựa vào các đặc tính kĩ thuật khác nhau của hệ thống
giấu tin. Tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà mức độ quan tâm mỗi đặc tính sẽ là
khác nhau. Các đặc tính kĩ thuật của hệ thống giấu tin gồm có:
• Tính trong suốt (Imperceptibility) /chất lượng ảnh sau nhúng (Stegoimage quality): là hiệu quả của phương pháp giấu tin để không bị phát hiện bởi
hệ thống thị giác của máy hay người (HVS – Human Visual System). Chất lượng
của ảnh Stego IS so với ảnh gốc IC được đánh giá bởi Peak-Signal-to-Noise Ratio
(PSNR). Trong tất cả thực nghiệm ứng dụng, nếu lược đồ nhúng cho ảnh IS có
PSNR đạt từ trên 35(dB), thì khi đó IS khó bị phát hiện bởi HVS là có sự tồn tại
thông tin giấu bên trong ảnh. PSNR là tiêu chí đánh giá sự trong suốt của ảnh IS
đối với ảnh IC, nghĩa là so sánh sự khác biệt giữa ảnh sau khi nhúng thông tin và
ảnh trước khi nhúng thông tin.
• Khả năng nhúng (Hiding capacity/Payload): lượng thông tin mật S
được nhúng vào ảnh IC.
2


• Tính chính xác (Fidelity): độ chính xác khi khôi phục lại ảnh gốc IC từ
ảnh IS sau khi thông tin ẩn được trích xuất. Đây là đặc tính quan trọng trong các
ứng dụng xử lí ảnh y sinh và pháp y. Đặc tính này cũng đã phân chia hướng
nghiên cứu và ứng dụng của hệ thống giấu tin thành hệ thống giấu tin khả nghịch
và hệ thống giấu tin bất khả nghịch. Theo Công thức (1.1) và (1.2), nếu I′C = IC
thì ta có sơ đồ hệ thống giấu tin khả nghịch, ngược lại là sơ đồ hệ thống giấu tin
bất khả nghịch.
• Tính bền vững (Robustness): là khả năng của ảnh Stego Is chịu đựng sự
tấn công lên ảnh như là nén, gây nhiễu, cắt xén, xoay.
• Tính an toàn (Security): Cho dù thông tin ẩn có thể bị phát hiện thì cũng
chỉ được thực hiện bởi người dùng sở hữu, ngay cả khi ảnh Stego có thể bị tấn
công.

1.3 Nội dung nghiên cứu của luận án
Hiệu quả và hiệu năng của hệ thống giấu tin trong ảnh số được xác định
dựa trên hiệu quả giải thuật nhúng. Hệ thống được thiết kế sao cho duy trì được
chất lượng của ảnh Stego, khả năng nhúng tin cao và bền vững đối với tấn công.
Đầu tiên, hiệu quả phương pháp nhúng có thể được định lượng bằng cách
trả lời câu hỏi: (1) Thông tin mật nhúng trong ảnh có thể an toàn? (2) Ảnh sau
khi nhúng (Stego image) liệu có duy trì chất lượng tương đương như ảnh gốc?
(3) Liệu có chắc rằng thông tin mật không bị phát hiện sau khi giấu trong ảnh?
Tỉ lệ nhúng là yêu cầu thứ hai đối với hệ thống giấu tin nhằm tăng lượng
thông tin nhúng; lượng thông tin được nhúng vào ảnh mang tin mà ít gây suy hao
đến chất lượng của ảnh mang tin. Tuy nhiên, hiệu năng nhúng và hiệu quả nhúng
(duy trì chất lượng ảnh sau nhúng) luôn là bài toán đối nghịch và tác động lẫn
nhau. Có nghĩa là, nếu nhúng càng nhiều thông tin thì chất lượng ảnh sau nhúng
càng kém và ngược lại. Do đó, cần nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cân bằng hiệu
quả và hiệu năng cho bài toán giấu tin trong ảnh số.
1.4 Mục tiêu nghiên cứu
Vấn đề được xác định trong luận án này là truyền tải thông tin bí mật trên
kênh truyền dẫn không an toàn cũng như bảo vệ bản quyền nội dung số. Nếu
những hạn chế mà kĩ thuật mã hóa tin không thể giải quyết cho vấn đề đặc biệt
này thì kĩ thuật giấu tin được xem như giải pháp thay thế hữu hiệu. Mục tiêu
3


chính của luận án là nghiên cứu, xây dựng giải pháp hiệu quả nhằm giải quyết
các vấn đề nêu trên, qua đó tạo thuận tiện và an toàn trong giao tiếp. Để đạt mục
tiêu chính này, luận án tập trung nghiên cứu các mục tiêu cụ thể sau:
• Nghiên cứu tổng quan các giải pháp giấu tin trong ảnh, phân tích, tổng
hợp điểm mạnh, điểm yếu của mỗi giải pháp.
• Nghiên cứu ảnh số Stereo, ảnh nén trong miền không gian, miền chuyển
đổi tần số ảnh để nâng cao phân tích, tổng hợp cách nhúng thông tin vào ảnh.

• Nghiên cứu tìm giải pháp nâng cao hiệu quả và hiệu năng giấu tin trong
ảnh số cùng với việc khôi phục lại ảnh gốc sau khi thông tin ẩn được trích xuất.
• Nghiên cứu kĩ thuật giấu tin kết hợp với mã hoá tin để tăng cường khả
năng bảo mật, bảo vệ bản quyền nội dung ảnh số.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu phân tích, tổng hợp, chứng minh,
cài đặt thử nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm.
Cơ sở lí thuyết toán học, xử lí ảnh, mã hóa, thống kê và tối ưu hóa được vận
dụng để giải quyết mục tiêu nghiên cứu.
Các giải pháp đề xuất mới được chứng minh và cài thử nghiệm trên phần
mềm Matlab.
1.6 Đóng góp của luận án
Luận án phát hiện một vài tiếp cận mới để nâng cao hiệu quả và hiệu năng
giấu tin trong ảnh số. Đóng góp chính của luận án là xây dựng và phát triển kĩ
thuật dùng cho hệ thống giấu tin đó là hệ thống giấu tin khả nghịch với khả năng
nhúng tin cao trong miền tần số, khó phát hiện thông tin giấu và giấu tin thủy vân
số ẩn, mạnh và bảo mật nhằm bảo vệ bản quyền nội dung. Cụ thể cho những
đóng góp của luận án:
• Đề xuất kĩ thuật giấu tin khả nghịch dựa trên dịch chuyển lược đồ hai
chiều các hệ số lượng tử hóa trong phép biến đổi cosin rời rạc (DCT- discrete
cosine tranformation). Để cân bằng hiệu quả và hiệu năng giấu tin, thông tin mật
được nhúng vào lớp tần số trung bình của tín hiệu ảnh trong miền biến đổi DCT,
• Xây dựng và đề xuất lược đồ điều hướng nhúng EDH để tăng khả năng
nhúng thông tin đồng thời duy trì chất lượng ảnh sau nhúng,
4


• Đề xuất lược đồ nhúng thủy vân số mạnh để bảo vệ bản quyền ảnh Stereo
dựa trên biến đổi DCT và SVD,
• Giải pháp nhúng tin thủy vân số an toàn và bảo mật, bảo vệ nội dung ảnh

Stereo trong miền tần số các tín hiệu mã hóa dựa trên thuyết hỗn loạn (Chaos
logistic).
1.7 Cấu trúc của luận án
Luận án được tổ chức thành năm chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Giới thiệu lĩnh vực nghiên cứu an toàn và bảo mật thông tin. Phân
biệt kĩ thuật mã hóa thông tin với kĩ thuật giấu thông tin.
Chương 2: Tổng quan các nghiên cứu liên quan trong lĩnh vực giấu tin, trình
bày khái quát các phương pháp, kết quả nghiên cứu điển hình gần đây của các
tác giả có liên quan đến vấn đề nghiên cứu, là tiền đề cho nghiên cứu của luận
án.
Chương 3: Trình bày lược đồ giấu tin khả nghịch trong miền biến đổi tần số
ảnh Stereo. Trong đó, luận án đề xuất lược đồ giấu tin dựa trên lược đồ các hệ số
lượng tử trong vùng tần số trung bình phép biến đổi cosine rời rạc (DCT) của hai
khối ảnh tương đồng và dịch chuyển hai chiều (2-D) các hệ số lượng tử dương.
Đồng thời kết hợp lược đồ dịch chuyển 2-D với bảng điều hướng nhúng (EDH)
để nâng cao hiệu quả và hiệu năng giấu tin trong ảnh Stereo.
Chương 4: Trình bày lược đồ giấu tin thủy vân số ẩn bảo vệ bản quyền sở
hữu trí tuệ ảnh Stereo. Trong đó, luận án đề xuất lược đồ nhúng tin thủy vân số
ẩn bền vững dựa vào phân tích giá trị riêng (SVD) các hệ số lượng tử trên đường
chéo phụ của hai khối ảnh tương đồng. Đồng thời đề xuất nâng cao tính bền vững
và an toàn cho hệ thống nhúng tin thủy vân số ẩn dựa trên thuyết hỗn loạn.
Chương 5: Trình bày kết luận và hướng phát triển nghiên cứu của đề tài.

5


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1 Giới thiệu
Sự lớn mạnh của dữ liệu số, nhất là hình ảnh (image) kết hợp với sự phát triển
của công nghiệp xử lí ảnh, đã tạo nên sự phổ dụng và sẵn dùng ảnh số, từ đó thúc

đẩy sự quan tâm sâu sắc của các nhà nghiên cứu trong việc sử dụng hình ảnh như
một đối tượng để ẩn giấu thông tin trong liên lạc. Tuy nhiên, ảnh số dễ dàng bị
các thao tác chỉnh sửa, sao chép và phân phối một cách phi pháp. Vì vậy, trong
một số trường hợp, đối tượng ảnh cũng rất cần được bảo vệ. Để giải quyết những
thách thức này, gần đây, nhiều nghiên cứu về kĩ thuật giấu tin với những cách
tiếp cận khác nhau đã được thực hiện. Để có cái nhìn tổng quan về kĩ thuật giấu
tin trong ảnh số cũng như tiếp cận cho các ứng dụng, phần tiếp theo trong chương
này sẽ tìm hiểu, phân tích những tiêu chuẩn đánh giá hệ thống giấu tin. Sau đó,
các nghiên cứu về kĩ thuật giấu tin sẽ được lược khảo, phân tích và đánh giá.
2.2 Tiêu chuẩn đánh giá hệ thống giấu tin
2.2.1 Chất lượng ảnh (Image visual quality)
Chất lượng ảnh sau nhúng tin so với ảnh gốc được đánh dựa vào tỉ số tín hiệu
cực đại trên nhiễu (PSNR) giữa ảnh gốc và ảnh nhúng tin theo công thức (2.1)
𝑃𝑆𝑁𝑅 = 10 log10

𝐵2
𝑀𝑆𝐸

(2.1)

Trong đó, B là biên màu sắc cực đại của ảnh, MSE là sai số toàn phương trung
bình (Mean Squared Error) giữa ảnh gốc và ảnh Stego được định nghĩa như sau:
𝑀

𝑁

1
𝑀𝑆𝐸 =
∑ ∑(𝐼𝑠 (𝑥, 𝑦) − 𝐼𝑐 (𝑥, 𝑦))2
𝑀×𝑁

(2.2)

𝑥=1 𝑦=1

với M, N là kích thước của ảnh; IC(x,y), IS(x,y) tương ứng giá trị điểm ảnh tại tọa
độ (x,y) của ảnh gốc và ảnh Stego.
2.2.2 Bền vững ảnh giấu tin
Để đánh giá độ bền vững của ảnh giấu tin trong các ứng dụng nhúng tin
thủy vân để xác thực bản quyền bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, tiêu chí đánh giá độ
bền vững của ảnh nhúng được quan tâm. Tỉ lệ bit đúng, BCR (Bit Correct ratio)
6


được sử dụng để đánh giá sự tương quan giữa ảnh thủy vân gốc và ảnh thủy vân
trích xuất. BCR được định nghĩa như sau:
𝐵𝐶𝑅 =

′
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
∑𝑛×𝑛
𝑖=1 𝑤𝑖 ⨁𝑤𝑖
𝑛×𝑛

(2.3)

trong đó 𝑤𝑖 và 𝑤𝑖′ là bit thứ ith tương ứng của ảnh thủy vân gốc và ảnh thủy vân
rút trích; ⨁ chỉ rằng phép toán XOR.
2.3 Phân loại kĩ thuật giấu tin
Dựa trên mục đích ứng dụng khác nhau và quá trình nhúng, kĩ thuật giấu tin

có thể được phân thành những phương thức khác nhau. Hình 2.1 phác họa cây
phân loại kĩ thuật giấu tin trong ảnh số. Sự phân loại này có thể dựa trên miền dữ
liệu ảnh mang tin, khả năng khôi phục ảnh hoặc kiểu ảnh mang tin.

Hình 2.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin trong ảnh số
2.3.1 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa trên ảnh khôi phục
2.3.1.1 Giấu tin bất khả nghịch

7


Ảnh mang tin bi phá vỡ sau khi thông tin mật được trích xuất. Kĩ thuật giấu
tin bất khả nghịch có thể được sử dụng trong các ứng dụng mà ở đó không đòi
hỏi khôi phục lại ảnh gốc.
2.3.1.2 Giấu tin khả nghịch
Đối với kĩ thuật giấu tin khả nghịch, ảnh mang tin được khôi phục hoàn
toàn mà không bị mất thông tin. Giấu tin khả nghịch được ứng dụng trong các
hệ thống mà ở đó thông tin mật và ảnh mang tin là quan trọng.
2.3.2 Phân loại kĩ thuật giấu tin dựa trên miền nhúng thông tin
2.3.2.1 Kĩ thuật giấu tin trong miền không gian
Giấu tin trong miền không gian ảnh là cách tiếp cận đơn giản nhất, ở đó giá
trị các điểm ảnh được điều chỉnh để chèn thông tin mật.
2.3.2.1 Giấu tin trong miền tần số ảnh
Giấu tin trong miền tần số, thông tin mật đượcc tích hợp vào các hệ số biến
đổi ảnh. Tiến trình nhúng và trích xuất thông tin nhúng trong miền tần số ảnh thì
khác phức tạp so với kĩ thuật giấu tin trong miền không gian. Tuy nhiên, kĩ thuật
giấu tin trong miền biến đổi tần số khá bền vững và an toàn trước các tấn công
ảnh.
2.3.3 Kĩ thuật giấu tin dựa trên ảnh mang tin
Ảnh có thể được biểu diễn với nhiều định dạng khác nhau, bao gồm ảnh 2

chiều, ảnh 3 chiều hay là ảnh Stereo.
2.3.4 Giấu tin dựa trên học máy và trí tuệ nhân tạo
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu này để tìm giải pháp mới, hiệu quả,
đóng góp cho lĩnh vực an toàn và bảo mật thông tin, chúng tôi không thể bỏ qua
một cách tiếp cận khác trong kĩ thuật giấu tin đó là ứng dụng học máy (MLMachine Learning) và trí tuệ nhân tạo (AI-Artificial Intelligent) để giấu tin. ML
được ứng dụng đầu tiên trong nhận dạng, phân đoạn ảnh, phân loại ảnh. Trong
lĩnh vực giấu tin, ML có thể dùng các kĩ thuật máy học vector hỗ trợ (SVM).

8


2.4 Kết luận chương
Nội dung chương trình bày tóm tắt các sơ đồ, kiến trúc, kĩ thuật giấu tin trong
ảnh số đã được nghiên cứu những năm qua. Lược khảo tài liệu cho thấy hiệu quả
về chất lượng ảnh Stego suy giảm nhiều. Hay nói cách khác, tính trong suốt giữa
ảnh sau nhúng tin và ảnh gốc là không cao.
Những thử thách chính của hệ thống giấu tin trong ảnh số có thể được chỉ ra
như là: (i) giữ hiệu quả chất lượng ảnh Stego ở mức cao, (ii) khả năng khôi phục
ảnh gốc sau trích xuất thông tin, (iii) hiệu năng giấu thông tin, (iv) bền vững
trước các tấn công, (v) giữ an toàn cho thông tin nhúng.

9


CHƯƠNG 3: GIẤU TIN KHẢ NGHỊCH
TRONG MIỀN TẦN SỐ ẢNH STEREO
3.1 Giới thiệu
Như được trình bày ở phần tổng quan các vấn đề nghiên cứu, hầu hết các
thuật toán giấu tin khả nghịch được đề xuất được áp dụng cho ảnh 2-D. Gần đây,
với kĩ thuật stereocopy ảnh Stereo được tạo ra với độ cảm nhận chiều sâu 3 chiều.

để nâng cao khả năng nhúng thông tin và hiệu quả chất lượng ảnh ảnh stego, lược
đồ giấu tin khả nghịch được đề xuất.
3.2 Lược đồ giấu tin khả nghịch với kĩ thuật dịch chuyển biểu đồ hai chiều
các hệ số lượng tử
3.2.1 Nghiên cứu liên quan
3.2.2 Phương pháp đề xuất
Mục tiêu nghiên cứu nhằm phát triển lược đồ giấu tin khả nghịch trong miền
tần số ảnh Stereo, ở đó khả năng nhúng thông tin và hiệu quả chất lượng ảnh
stego được nâng cao. Một kĩ thuật giấu tin khả nghịch dựa trên lược đồ dịch hai
chiều các hệ lượng tử hóa DCT. Kĩ thuật được gọi tắt là ĐX1. Trong phương
pháp ĐX1, một lược đồ hai chiều các hệ số QDCT của khối kích thước 8×8 của
ảnh trái và ảnh phải được xây dựng. Phương pháp giới hạn việc thay đổi giá trị
của các cặp hệ số và có khả năng nhúng dữ liệu trên mọi cặp hệ số lượng tử
DCT. Từ nó nâng cao hiệu năng nhúng thông tin vào ảnh mang tin. Kết quả thực
nghiệm cho thấy phương pháp ĐX1 vượt trội so với các nghiên cứu liên quan về
khả năng nhúng thông tin và chất lượng ảnh stego.
3.2.2.1 Tìm khối ảnh tương đồng
Với đặc tính kĩ thuật, ảnh Stereo có ảnh trái và ảnh phải có nội dung thông
tin tương tự nhau. Do đó, mỗi ảnh trái và phải với kích thước M×N được phân
hoạch thành từng khối 8×8. Lượng tử hóa DCT các khối ảnh. Mỗi khối Bm,n [m
∈ (0, M-1), n∈(0, N-1)] có thể được phân thành ba vùng gọi là: (a) vùng tìm kiếm,
gồm các hệ số lượng tử trong vùng tần số thấp, (b) vùng nhúng thông tin, gồm
các hệ số lượng tử trong vùng tần số trung bình và (c) vùng để trống, gồm các hệ
số lượng tử còn lại thuộc vùng tần số cao.
3.2.2.2 Lược đồ dịch chuyển hai chiều
10


Lược đồ dịch chuyển hai chiều, kí hiêu: h(x, y), với x và y là cặp hệ số lương
tử tương ứng khối trái và phải. Lược đồ dịch chuyển hai chiều được dùng cho

quá trình nhúng thông tin vào ảnh mang tin. Các hệ số lượng tử trong vùng nhúng
thông tin (6 ≤ u + v ≤ 9) phần lớn có giá trị ‘0’.
Dựa trên sơ đồ giấu tin ĐX1, lượng lớn các hệ số DCT bằng ‘0’ thì khả năng
nhúng thông tin càng cao. Một điều cho thấy, hầu hết các hệ số lượng tử DCT
này ở gốc trên bên phải của đồ thị như Hình 3.1 (hướng Đông – Bắc). Do đó, tiến
trình nhúng thông tin dựa trên dịch chuyển lược đồ được thực hiện trên các hệ số
ở khu vực này. Kết quả là các hệ số của lược đồ ít dịch chuyển dẫn đến khả năng
lượng thông tin nhúng lớn nhưng vẫn duy trì được chất lượng ảnh stego.

(a) Trước khi dịch chuyển

(b) Sau khi dịch chuyển

(c) Sau khi nhúng thông tin
Fig. 3.1 Lược đồ nhúng tin hai chiều của ĐX1
11


3.2.3 Kết quả thực nghiệm
Trong thực nghiệm, ngưỡng tương đồng 𝓉 được dùng để tìm cặp khối ảnh
tương đồng. Hệ số chất lượng nén μ cho các biến đổi DCT .
Quan sát trên tập dữ liệu ảnh với ngưỡng 𝓉 = 20 và μ = 75, phương pháp đề
xuất ĐX1 là rất cao và luôn vượt trội hơn so với phương pháp của Yang và Chen
về phương diện khả năng nhúng thông tin (EC) và chất lượng ảnh stego (PSNR)
như được biểu diễn ở Hình 3.2 .

(a) PSNR và EC của ảnh Img1

(b) PSNR và EC của ảnh Img33

(c) PSNR và EC của ảnh Img36

(d) PSNR và EC của ảnh Img38

Fig. 3.2 EC và PSNR của phương pháp ĐX1 và
phương pháp củaYang cộng sự với 𝓉 = 20, μ = 75

12


Ngoài ra phương pháp ĐX1 cũng được so sánh mới một vài phương pháp
khác được thực hiện trong cùng miền dữ liệu (Parah et al.’ scheme1, Gou et al.’s
scheme2 and Yang et al.’s scheme3). Bảng 1 cho thấy tỉ lệ nhúng tin của phương
pháp Yang và Chen thì cao hơn so với hai phương pháp của Parah và cộng sự
và phương của Gou và công sự. Tỉ lệ nhúng tin của phương pháp Yang và Chen
vào khoảng 0.131 bpp thấp hơn so với phương pháp ĐX1 là 0.160 bpp.
Lí do chính cho sự vượt trội về khả năng nhúng và duy trì chất lượng ảnh
nhúng là ở phương pháp Yang và Chen thông tin chỉ nhúng vào giá trị khác nhau
bằng ‘0’ của cặp hệ số lượng tử của khu vực nhúng. Trong khi đó, phương pháp
ĐX1 dùng lược đồ dịch chuyển 2-D để tăng cường hiệu năng nhúng thông tin.
Theo cách này, khu vực nhúng thông tin trên lược đồ 2-D được mở rộng. Mặc
dù hệ số lượng tử dịch chuyển và nhúng thông tin, nhưng trong mỗi trường hợp
nhúng như vậy chỉ một hệ số của lược đồ 2-D bị thay đổi. Do đó, chất lượng của
ảnh nhúng so với ảnh gốc vẫn được bảo đảm.
Bảng 1. So sánh tỉ lệ nhúng và PSNR của ĐX1 với các phương pháp với ngưỡng
tương đồng 𝓉 = 5, và hệ số chất lượng nén μ = 75
Schemes

Average Average embedding
PSNR (dB)

rate (bpp)

Domain

Invertibility

Parah et al.

41.48

0.015

DCT

không

Gou et al.

39.82

0.015

DWT+DCT

không

Yang et al.

42.35

0.131

DCT

có

ĐX1

42.40

0.160

DCT

có

3.3 Phương pháp giấu tin khả nghịch với khả năng nhúng tin cao dựa trên
bảng điều hướng nhúng EDH
3.3.1 Nghiên cứu liên quan
3.3.2 Phương pháp đề xuất
1

Parah, S.A., Sheikh, J.A., Loan, N.A., Bhat, G.M.: Robust and blind watermarking technique in
DCT domain using inter-block coefficient differencing. Digital Signal Processing. 53, 11–24 (2016).
2
Guo, J., Zheng, P., Huang, J.: Secure watermarking scheme against watermark attacks in the
encrypted domain. Journal of Visual Communication and Image Representation. 30, 125–135 (2015).
3
Yang, W.-C., Chen, L.-H.: Reversible DCT-based data hiding in stereo images. Multimed Tools
Appl. 74, 7181–7193 (2015).

13


Trong phương pháp này, phương pháp ĐX2 đề xuất một kĩ thuật giấu tin khả
nghịch trên ảnh Stereo với khả năng nhúng thông tin lớn dựa trên dịch chuyển
lược đồ hai chiều và bảng điều hướng nhúng thông tin (EDH). Việc dùng bảng
điều hướng nhúng thông tin và lược đồ dịch chuyển hai chiều, phương pháp đề
xuất ĐX2 đạt được sự cân bằng giữa hiệu năng nhúng thông tin và hiệu quả chất
lượng ảnh stego. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy phương pháp ĐX2 đạt hiệu
quả cao hơn so với các nghiên cứu liên quan.
3.3.2.1 Xây dựng bảng điều hướng nhúng thông tin (EDH)
Để xây dựng bảng điều hướng nhúng, đầu tiên chuỗi thông tin mật được phân
thành từng nhóm 3 bits. Kế đến, mỗi nhóm 3 bits được biểu diễn sang hệ số thập
phân tạo thành chuỗi số S={s1, s2, …, s|n|/3}. Vì vậy, si có giá trị trong khoảng từ
0 đến 7. Sau đó, một lược đồ tần xuất các giá trị si được thiết lập. Và sau cùng
lược đồ tần suất si được sắp theo thứ tự giảm dần. EDH được tạo ra bởi các giá
trị từ 0 đến 7; như vậy với giá trị Si có tần suất cao nhất được đặt tại tọa độ (0,0),
kế đến 4 giá trị Si có tần suất tiếp theo lần lượt được đặt tại tọa độ (-1,0), (0,1),
(1,0), (0,-1). Ba giá trị Si còn lại lần lượt đạt tại tọa độ (-1,1), (1,1), (1,-1).
3.3.2.2 Giấu tin dựa trên dịch chuyển lược đồ hai chiều và bảng điều hướng
nhúng thông tin
Dịch chuyển lược đồ hai chiều: trước khi nhúng thông tin, lược đồ hai chiều
các hệ số lượng tự trong vùng nhúng thông tin được dịch chuyển nhằm tạo vùng
trống để chèn thông tin mật vào. Tuy nhiên cặp hệ số lượng tử QDCT có giá trị
(-1,-1) không vùng cho quá trình nhúng, vì vậy cặp hệ số này không phải dịch
chuyển. Vì rằng, EDH được tạo ra bởi các giá trị từ 0 đến 7, nên việc này nhằm
mục đích mở rộng lược đề vừa đủ trống để nhúng thông tin. Mô hình toán học
tiến trình dịch chuyển lược đồ được biểu diễn như sau:
-

Nếu ( |𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣)| = |𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣)|)
ℌ2(𝐵̂𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣), 𝐵̂𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣)) =

(𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣), 𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) + 1)

𝑖𝑓 (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) ≥ 1)&(𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) ≥ 1 )

{(𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) − 1, 𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) + 1) 𝑖𝑓 (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) ≤ −1)&(𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) ≥ 1)
(𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) + 1, 𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) − 1) 𝑖𝑓 (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣) ≥ 1)&(𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) ≤ −1)
-

Ngược lại

14

(3.1)


𝐿
𝑅
𝐿
𝑅
(𝐶𝑢,𝑣
, 𝐶𝑢,𝑣
+ 1) 𝑓𝑜𝑟 {𝐶𝑢,𝑣
= 0 𝑎𝑛𝑑 𝐶𝑢,𝑣
≥ 1}
𝐿
𝑅

ℎ2 (𝐶̂𝑢,𝑣
, 𝐶̂𝑢,𝑣
)=

𝐿 + 1, 𝐶 𝑅 )𝑓𝑜𝑟 {𝐶 𝐿 ≥ 1 𝑎𝑛𝑑 𝐶 𝑅 = 0}
(𝐶𝑢,𝑣
𝑢,𝑣
𝑢,𝑣
𝑢,𝑣
𝐿
𝑅
𝐿
𝑅
(𝐶𝑢,𝑣
, 𝐶𝑢,𝑣
− 1) 𝑓𝑜𝑟 {𝐶𝑢,𝑣
= 0 𝑎𝑛𝑑 𝐶𝑢,𝑣
≤ −1}

(3.2)

𝐿 − 1, 𝐶 𝑅 ) 𝑓𝑜𝑟 {𝐶 𝐿 ≤ −1 𝑎𝑛𝑑 𝐶 𝑅 = 0}
{ (𝐶𝑢,𝑣
𝑢,𝑣
𝑢,𝑣
𝑢,𝑣

Nhúng thông tin: Với mỗi cặp hệ số QDCT (𝐵𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣), 𝐵𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣)) =(0,0) với
u và v thõa (4 ≤ u+v ≤ 7), 3 bits thông tin mật được nhúng dựa trên bảng EDH
và được biểu diễn như sau:

{

𝐵̂𝑄𝐿 (𝑢, 𝑣)
=𝑎
𝐵̂𝑄𝑠𝑖𝑚 (𝑢, 𝑣) = 𝑏

(3.3)

3.3.3 Kết quả thực nghiệm
Hình 3.3 trình bày khả năng nhúng thông tin của 50 cặp ảnh Stereo với
ngưỡng tương đồng 𝓉 được chọn là 20 và với các hệ số chất lượng nén khác
nhau (μ= 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90). Hệ số μ ảnh hưởng đến hệ số biến
đổi cosin rời rạc dẫn đến ảnh hưởng khả năng nhúng thông tin.

Fig. 3.3 Khả năng nhúng thông tin của phương pháp ĐX2
Đồ thị Hình 3.4 biểu diễn các cong của hệ số μ phản ảnh hiệu quả chất lượng
ảnh stego và hiệu năng nhúng thông tin. PSNR đạt hiệu quả cao tương ứng với
hệ số μ thấp. Khi đó hiệu năng nhúng thông tin bị hạn chế. Đặc biệt, khi μ=50,
15


EC đạt rất cao, có thể nhúng đạt đến 80000 bits vận duy trì chất lượng ảnh stego
là 40 dB (Hình 3.4 (a)). Bởi vì khi đó nhiều cặp hệ số lượng tử QDCT trong vùng
nhúng thông tin đạt giá trị ‘0’.

(a) Ảnh Im1

(b) Ảnh Img2

Fig. 3.4 Đồ thị EC và PSNR của các hệ số μ

Đồ thị Hình 3.5 biểu diễn so sánh hiệu quả và hiệu năng nhúng thông tin của
phương pháp ĐX2 so với hiệu quả và hiệu năng nhúng thông tin của phương
pháp ĐX1và phương pháp của Yang và Chen.

Fig 3.5 So sánh hiệu quả và hiệu năng nhúng thông tin của phương pháp ĐX2
so với phương pháp ĐX1 và phương pháp của Yang và Chen
16


Bảng 3.1 trình bày sự so sánh của phương pháp ĐX1, ĐX2 và phương pháp
của Yang và Chen. Kết quả cho thấy rằng, phương pháp đề xuất đạt PSNR cao
nhất nếu nhúng 20000 bits thông tin với hệ số μ là 75.
Table 3.1 So sánh PSNR giữa các phương pháp ĐX1, ĐX2 và Yang và công sự
khi cho nhúng 20000 bits thông tin với μ=75
Image

Yang et al.

ĐX1

ĐX2

Img3

39.86

40.48

40.80

Img13

41.32

42.13

42.76

Img15

41.56

42.45

43.23

Img17

41.31

42.06

43.33

Img21

40.22

40.81

41.37

Average

40.85

41.59

42.30

3.3.4 Kết luận
Trong Chương này, luận án trình bày hai đề xuất giấu tin khả nghịch cho ảnh
Stereo được triển khai trong miền biến đổi tần số DCT các khối ảnh. Kĩ thuật
giấu tin đề xuất dựa trên dịch chuyển lược đồ hai chiều các hệ số lương tử QDCT
để nhúng thông tin mật. Phương pháp đề xuất đã giải quyết sự cần bằng tốt giữa
yếu tố PSNR và EC để đạt hiệu quả và hiệu năng giấu tin khả nghịch với ảnh
mang tin là ảnh Stereo. Ngoài ra để nâng cao EC và hiệu quả PSNR, một thuật
toán giấu tin khả nghịch cho ảnh Stereo trong miền tần số dựa trên bảng điều
hướng nhúng thông tin. Bên cạnh đó, tùy vào ứng dụng, chiến lược chọn ngưỡng
tương đồng 𝓉 và hệ số μ để đạt được PSNR và EC mong muốn.

17


CHAPTER 4. GIẤU TIN THỦY VÂN SỐ ẨN
BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH STEREO
4.1 Giới thiệu
Giấu tin thủy vân là kĩ thuật mà ở đó nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng
dụng bảo quyền sở hữu trí tuệ và nội dung số. Nhúng tin thủy vân có thể được
phân thành thủy vân dễ vỡ (fragile watermarking) và thủy vân mạnh (robust

watermarking).
Thủy vân dễ vỡ thì sẽ nhạy cảm với sự hiệu chỉnh, sửa chữa trên ảnh nhúng
thủy vân. Vì vậy, thủy vân dễ vỡ phù hợp các ứng dụng bảo vệ bản quyền tránh
giả mạo.
Thủy vân mạnh và an toàn bảo đảm sự tồn tại của thông tin nhúng trong ảnh
nhúng thủy vân ngay cả khi ảnh thủy vân bị tấn công bởi các cách xử lý. Vì vậy,
Thủy vân mạnh và an toàn phù hợp cho các ứng dụng bảo vệ bản quyền ngăn
chặn sao chép.
4.2 Sơ đồ nhúng tin thủy vân số dựa trên biến đổi DCT và SVD để bảo vệ
bản quyền ảnh Stereo
4.2.1 Nghiên cứu liên quan
4.2.2 Phương pháp đề xuất
Thủ tục nhúng tin thủy vân: Tiến trình nhúng tin thủy vân của phương pháp
ĐX3 bao gồm ba giai đoạn.
Giai đoạn 1: Tìm những khối ảnh tương đồng của ảnh trái và phải của ảnh
Stereo.
Giai đoạn 2: Biến đổi DCT các khối ảnh tương đồng. Một ma trận A có kích
thước 4×4 được tạo ra bởi hai đường chéo phụ cuả khối ảnh tương đồng sau khi
biến đổi DCT. Khai triển SVD trên ma trận A để nhận được các ma trân U, S và
V. Kế đến, ảnh nhị phân thủy vân được phân hoạch thành các khối w kích thước
4×4 và nhúng vào ma trận S theo công thức sau:
Sw = S + σ × w
trong đó, σ is hệ số bền vững của tiến trình nhúng tin thủy vân.
18

(4.1)


Sau đó, khai triển SVD đối với ma trân Sw thu nhận được các ma trận U1, S1,
và V1 sao cho:

SVD(Sw) = U1 × S1×V1

(4.2)

Sau cùng, biến đổi SVD ngược để nhận được ảnh nhúng thủy vân.
Thủ tục trích xuất thông tin thủy vân: Thông tin thủy vân có thể được trích
xuất từ ảnh nhúng thủy vân. Các bước tính toán trích xuất thông tin thủy vân
được trình bày tóm tắt như sau:
̌, 𝑆̌ và 𝑉̌ sao
- Bước 1: Khai triển SVD ma trận 𝐴̌ để thu nhận các ma trận 𝑈
cho:
̌ . 𝑆̌. 𝑉̌ 𝑇
𝐴̌ = 𝑈

(4.3)

- Bước 2: Tính ma trận 𝑆′𝑤 sao cho
𝑆𝑤′ = 𝑈1 . 𝑆̌. 𝑉1𝑇

(4.4)

- Bước 3: Trích xuất thông tin thủy vân 𝑤′
𝑤′ =

𝑆𝑤′ − 𝑆
𝜎

(4.5)

4.2.3 Kết quả thực nghiệm

Hình 4.1 minh họa kết quả thực nghiệm của phương pháp đề xuất ĐX3 vớ hệ
số σ =10. Kết quả trình bày chất lượng ảnh nhúng thủy vân và BCR dưới các
kiểu tấn công khác nhau trên ảnh Img1. Tính bền vững của hệ thống được thể
hiện khi ảnh nhúng thủy vân bị tấn công những vẫn trích xuất được thông tin
thủy vân có BCR đạt trên 80%. Cụ thể, ảnh nhúng thủy vân bị cắt xén 6,25% và
25% thì thông tin thủy vân trích xuất vẫn đạt BCR=83% và 81%, theo thứ tự đó.
Đối với các kiểu tấn công còn lại, như là nhiễu salt và pepper (density 1%) và
gaussian 5%, thông tin thủy vân trích xuất có BCR đạt lần lượt là 93% và 89%.

19


(a) Left watermarked
image Img1, Cropping
6,25%, PSNR=35.90

(b) Right watermarked
image Img1, Cropping
6,25%, PSNR=35.97

(c) extracted
watermarking image
BCR=0.83

(d) Left watermarked
image Img1, Cropping
25%, PSNR=29.99

(e) Right watermarked
image Img1, Cropping

25%, PSNR=30.01

(f) extracted
watermarking image
BCR=0.81

(g) Left watermarked
(h) Right watermarked
Img1, salt&pepper 1%, Img1, salt&pepper 1%,

PSNR=36.75

PSNR=36.91

(i) extracted
watermarking image
BCR=0.93

(j) Left watermarked
image Img1,Gaussian
5%, PSNR=31.48

(k) Left watermarked
image Img1,Gaussian
5%, PSNR=31.47

(l) extracted
watermarking image
BCR=0.89

Hình 4.1 PSNR của ảnh nhúng thủy vân bị tấn công và BCR ảnh thủy vân trích
xuất với các kiểu tấn công khác nhau
20


4.3 Sơ đồ giấu tin thủy vân mạnh và an toàn dựa trên biền đồi DCT-SVD và
thuyết hỗn loạn
4.3.1 Nghiên cứu liên quan
4.3.2 Phương pháp đề xuất
Phương pháp đề xuất giấu tin thủy vân số mạnh và bền vững ĐX4 được minh
họa như sơ đồ Hình 4.2. Phương pháp ĐX4 gồm hai tiến trình: nhúng thông tin
thủy vân và trích xuất thông tin thủy vân.

T

Hình 4.2 Sơ đồ giấu tin thủy vân ĐX4
4.3.3 Đánh giá hiệu suất phương pháp đề xuất
4.3.3.1 Phân tích độ nhạy cảm khóa của thuyết hỗn loạn đối với mã hóa ảnh
Như được biết, hàm chaotic có tính nhạy cảm cao đối với điều kiện ban đầu.
Như vậy khi mã hóa ảnh dựa trên thuyết hỗn loạn giúp hệ thống có khả năng chịu
đựng tấn công kiểu như brute-force. Để đánh giá độ nhạy cảm khóa trong hàm
Chaotic logistic, đầu tiên ảnh sẽ được mã hóa với hai tham số khởi đầu x0 và μ
lần lượt là 0.7589 và 3.67. Sau đó, giá trị x0 được thay đổi bằng cách cộng thêm
một đại lượng bằng 10-10 vào giá trị x0. Thực nghiệm tiến hành giải
mã ảnh với tham số μ=3.67 và x0 lần lượt là 0.7589 và 0.7589+10-10. Kết quả
cho thấy hệ thống rất nhạy cảm với điều kiện ban đầu dù sự thay đổi là rất bé.
Hình 4.3 trình bày kết quả của thực nghiệm tính nhạy cảm của hàm chaotic đối
với điều kiện ban đầu.
21

(a) Left view of
stereo image Art

(b) Left cipher
image

(c)
decoding

(e) Right view of
stereo image Art

(f) Right cipher
image

(g) Correct
decoding

Correct

(d) decoding with
x0+10-10

(h) decoding with
x0+10-10

Hình 4.3 Kết quả của thực nghiệm tính nhạy cảm khóa của hàm chaotic
4.3.3.2 Phân tích quan hệ lân cận điểm ảnh trong ảnh
Để kiểm tra độ an toàn của hệ thống, tính lận cận của các điểm ảnh trong ảnh

được phân tích và đánh giá. Nghiên cứu làm thực nghiệm bằng cách chọn ngẫu
nhiên 2048 điểm ảnh của ảnh gốc, ứng với mỗi điểm ảnh sẽ lấy điểm ảnh lân cận
với nó theo hướng ngang, dọc và đường chéo. Như vậy, thực nghiệm có 2048
cặp điểm ảnh theo hướng ngang dọc và đường chéo. Thực nghiệm được lặp lại
với ảnh mã hóa. Hình 4.4 biểu diễn sự phân bố cặp điểm ảnh của ảnh Stereo gốc
với kênh màu đỏ và ảnh mã hóa.

Plain image

(a) Horizontal

(b) Vertical

(c) Diagonal

Cipher image

(d) Horizontal

(e) Vertical

(f) Diagonal

Hình 4.4 Phân bố cặp điểm ảnh trước và sau mã hóa
22