Watermarking ảnh số dựa vào sự kết hợp DCT và DWT để nâng cao tính bền vững và tính vô hình

CT) và Discrete Wavelet Transform (DWT). Sử dụng phép biến đổi wavelets lần thứ nhất trên ảnh phủ (cover image) thu được các băng con LL, HL, LH và HH (L:Low và H: High). Tiếp tục áp dụng phép biến đổi wavelets trên băng con LH ta thu được 4 băng con LL2, HL2, LH2 và HH2. Hai băng con LH2 và HL2 được chọn để nhúng watermark, các băng này chia thành các khối 8x8 không chồng lấn và áp dụng biến đổi DCT trên các khối này, watermark sẽ được nhúng vào tần số giữa trên cả hai băng. Kết quả thực hiện giải thuật đề xuất trên ảnh xám Lena, kích thước 512x512; watermark là các bit 0 và 1 ngẫu nhiên kích thước 16x16 cho thấy trong điều kiện không có các tấn công, PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) của thuật toán đề xuất cao hơn PSNR của một số nghiên cứu trước và bền vững trong điều kiện có các tấn công thông thường. Từ khóa—Watermarking; Discrete Cosine Transform; Discrete Wavelet Transform; Tính bền vững; Tính vô hình I. GIỚI THIỆU Ngày nay, sự phát triển của công nghệ thông tin và Internet, nội dung số dễ dàng bị sao chép và phân phối thông qua mạng. Điều đó đặt ra một số vấn đề cấp bách cần giải quyết như bảo vệ quyền tác giả, chống giả mạo, xác minh tác giả (author authentication). Watermarking là một trong những giải pháp giải quyết vấn đề trên. Watermarking là việc giấu thông tin sở hữu trong các nội dung số như ảnh số, nhạc số, và video số [1][3][9]. Kỹ thuật watermarking có thể áp dụng trên nhiều loại nội dung số khác nhau. Tuy nhiên, chỉ có ảnh số được nghiên cứu trong bài báo này. Ảnh số có thể được biểu diễn trong miền không gian (spatial domain) bằng các điểm ảnh hoặc biểu diễn trong miền tần số (transform domain) bằng các hệ số. Watermarking được thực hiện trong miền biến đổi có độ bền vững tốt hơn khi thực hiện trong miền không gian [1][10]. Để biến đổi ảnh từ miền không gian sang miền tần số, chúng ta có thể sử dụng các phép biến đổi như DCT, DWT, hay DFT (Discrete Fourier Transform). Mỗi phép biến đổi đều có ưu nhược điểm riêng. Để nâng cao tính bền vững và tính vô hình, giải pháp dựa trên sự kết hợp giữa các phép biến đổi để phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm của mỗi phép biến đổi là một trong những cách tiếp cận được nhiều người quan tâm. [11] [14] đã chứng minh thuật toán watermarking dựa trên sự kết hợp của DWT và DCT là tốt hơn thuật toán watermarking chỉ sử dụng một trong 2 phép biến đổi. Trong bài báo này thuật toán watermarking dựa trên sự kết hợp của hai phép biến đổi DCT và DWT sẽ được đề xuất và được thực nghiệm bằng chương trình Matlab. Sự hiệu quả của giải pháp được so sánh với kết quả trong bài báo [8] về chất lượng ảnh được quan sát, tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu PSNR, tính bền vững. Bài báo bao gồm các nội dung sau: Phần II giới thiệu thuật toán watermarking bền vững dựa vào phép biến đổi DCT, thuật toán watermarking trong miền wavelet và phương pháp đo lường hiệu quả thuật toán watermaking. Phần III đề xuất thuật toán nhúng và trích watermarking. Phần IV trình bày kết quả thực nghiệm và phần V là kết luận. II. GIỚI THIỆU CÁC THUẬT TOÁN WATERMARKING A. Thuật toán wartermarking sử dụng phép biến đổi DCT Kỹ thuật watermarking dựa vào phép biến đổi DCT bền vững hơn so với kỹ thuật watermarking trong miền không gian [3]. Các thuật toán này bền vững với các phép xử lí số tín hiệu đơn giản như bộ lọc thông thấp, điều chỉnh độ tương phản và độ sáng, làm giảm chất lượng ảnh (blurring) [1]. Tuy nhiên, việc tính toán phức tạp hơn và triển khai cũng khó hơn. Hạn chế của kỹ thuật này là kém bền vững với các tấn công biến đổi hình học như phép quay, thay đổi tỷ lệ, xén [4]. Watermarking miền DCT có thể chia thành watermarking toàn bộ (Global DCT watermarking) và watermarking theo khối (Block based DCT Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 374 Các bước thực hiện thuật toán watermarking dựa vào khối DCT 1) Chia ảnh thành các khối không chồng lấn có kích thước 8x8 2) Áp dụng phép biến đổi DCT thuận trên mỗi block 3) Áp dụng một số điều kiện lựa chọn khối (ví dụ HVS) 4) Áp dụng một số điều kiện lựa chọn hệ số (ví dụ hệ số cao nhất) 5) Nhúng watermark vào các hệ số đã được lựa chọn 6) Áp dụng biến đổi DCT ngược cho mỗi block watermarking). [2] đã đề xuất thuật toán nhúng watermark vào các hệ số DCT lớn nhất (trừ DC). Ưu điểm của thuật toán này là hầu hết các giải thuật nén thường cắt bỏ những phần ít nhạy với HVS (Human Visual System). Trong miền không gian phần này được biểu diễn bởi LSB (Least Significant Bit). Trong miền tần số nó biểu diễn trong các thành phần tần số cao [3]. Các bước chính của thuật toán DCT khối được thể hiện trong Hình 1. Hình 1: Watermarking dựa vào khối DCT B. Thuật toán watermaking trong miền wavelets Wavelets đã được nghiên cứu trong những năm gần đây trong lĩnh vực xử lí số tín hiệu nói chung và đặc biệt là trong kỹ thuật nén ảnh. Một số ứng dụng, giải pháp watermarking (schemes) dựa vào wavelets có kết quả tốt hơn cách tiếp cận DCT [3]. Đặc điểm của DWT  Biến đổi wavelet phân tích ảnh thành 3 hướng không gian: là hướng ngang, thẳng đứng và hướng chéo (diagonal). Vì thế wavelets phản ánh thuộc tính không đẳng hướng của HVS chính xác hơn [6].  Biến đổi wavelets là hiệu quả trong tính toán và có thể được thực hiện bằng phép tích chập bộ lọc đơn.  Biên độ của các hệ số DWT lớn hơn trong băng thấp nhất (LL) tại mỗi mức phân tích và nhỏ hơn đối với những băng khác (HH, LH, HL) [7]  Biên độ các hệ số càng lớn càng quan trọng.  Việc dò watermark ở mức phân giải thấp thì tính toán sẽ hiệu quả hơn.  Các băng có độ phân giải cao giúp dễ dàng xác định các đường nét (edge) và kiểu cấu trúc (texture) của ảnh. C. Phương pháp đo lường hiệu quả thuật toán watermarking Hiệu năng của thuật toán watermarking được đo lường dựa trên tính vô hình và tính bền vững. Tính vô hình được đo bằng tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu PSNR, được tính toán giữa ảnh gốc và ảnh đã nhúng watermark. Đối với ảnh xám PSNR được tính bởi: trong đó MSE là sai số bình phương trung bình (Mean Square Error) được tính bởi công thức: Trong đó Xij là điểm ảnh của ảnh gốc kích thước MxN và Wij là điểm ảnh của ảnh đã nhúng watermark kích thước MxN. Độ bền vững được đo bằng tương quan chuẩn (Normalized Correlation) giữa watermark gốc và watermark trích được. Tương quan chuẩn được tính bởi công thức: trong đó Woij là điểm ảnh của watermark kích thước MxN và Wrij là điểm ảnh của watermark trích được kích thước MxN. NC có giá trị từ 0 đến 1, nếu NC càng lớn thì mức độ tương quan càng nhiều, tốt nhất là bằng 1. NC còn phản ánh khả năng bền vững trước các tấn công từ bên ngoài vào ảnh được watermarking. III. THUẬT TOÁN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT Đã có nhiều thuật toán watermarking được đề xuất dựa trên sự kết hợp của phép biến đổi DCT và DWT. Các nghiên cứu này cũng khá đa dạng dựa vào điều kiện lựa chọn các khối DCT, điều kiện lựa chọn các hệ số DCT để nhúng watermark; mức phân tích DWT, các băng con được chọn [8..14]. Bài báo này sẽ khảo sát và đánh giá hiệu quả sự kết hợp giữa DCT và DWT cho giải thuật wartermark, và từ đó đề xuất một phương pháp hiệu quả. Cụ thể, thuật toán watermarking được đề xuất dựa vào sự kết hợp phép biến đổi DCT và DWT kết hợp các điểm mạnh và khắc phục điểm yếu của hai phép biến đổi này. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả thực nghiệm của bài báo tham khảo số [8]. [8] dùng DWT phân tích ảnh phủ thành bốn băng con, dùng DWT phân tích băng con HL thành bốn băng con LL2, HL2, LH2 và HH2. Hai băng HL2 và LH2 được chia thành các khối 8x8 không chồng lấn, và áp dụng DCT trên các khối này. Watermark được nhúng vào hai băng HL2, LH2 và 4 băng LL2, HL2, LH2, HH2 để so sánh. Việc nhúng và trích watermark có sử dụng khoá để phát sinh PNS (pseudorandom noise sequences). Kết quả watermark nhúng vào 4 băng hiệu quả tốt hơn. Thuật toán watermarking được đề xuất dựa vào sự kết hợp phép biến đổi DCT và DWT. Chọn hai băng LH2 và HL2 để nhúng watermark do băng LL2 chứa thông tin chi tiết hình ảnh (tần số thấp), nếu chúng ta nhúng thông tin vào miền này thì chất lượng hình ảnh sẽ giảm, làm hỏng các chi tiết của hình ảnh. Như thế sẽ làm hệ số PSNR giảm. Băng HH2 là miền tần số cao, miền này thường được áp dụng các thuật toán nén, do đó để đảm bảo tính bền vững băng con HH2 không được sử dụng để nhúng thông tin. Điểm khác nhau giữa thuật (1) (2) (3) Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 375 Ảnh gốc DWT 2 mức DCT 8x8 Thuật toán nhúng IDCT 2 mức IDWT Ảnh đã watermark chuỗi PN Khóa Véc tơ watermark watermark k chuỗi PN Thuật toán trích DCT 8x8 2 mức DWT Véc tơ watermark Watermark trích được toán đề nghị và [8] là: 2 băng HL2 và LH2 được chọn để nhúng watermark; chỉ nhúng bit 0 để tăng hệ số PSNR (với giả sử rằng ứng dụng cần chất lượng hình ảnh sau khi nhúng watermark); và một điểm khác biệt nữa là bit watermark được nhúng vào cả hai băng, khi trích lấy trung bình cộng tương quan của chuỗi trích trên HL2 với PSN và tương quan của chuỗi trích trên LH2 với PSN để tăng độ bền vững của watermark. Trong thuật toán này, kỹ thuật DWT được đưa vào xem xét trong việc chọn lựa băng con thích hợp nhất cho việc nhúng watermark để đáp ứng hai tính chất là tính bền vững (robustness) và tính vô hình (imperceptibility), do đó băng con LH được chọn sau khi thực hiện DWT trên ảnh phủ lần thứ nhất. Khoá bí mật được sử dụng trong quá trình nhúng và trích watermark để đảm bảo tính bảo mật cho thuật toán watermarking và watermark được nhúng vào hai băng con nhỏ hơn trong băng LH. Kỹ thuật DCT được áp dụng trên hai băng con LH2 và HL2, watermark được nhúng vào 22 hệ số DCT (6 - 27) miền tần số giữa để tăng tính bền vững. Hình 2 mô tả quá trình nhúng và trích watermark. A. Thuật toán nhúng Bước 1: mức đầu tiên, DWT được thực hiện trên ảnh phủ để phân tích thành bốn băng con LL, LH, LH và HH. Bước 2: mức thứ hai, DWT được thực hiện trên băng con LH để được bốn băng con nhỏ hơn LL2, LH2, HL2, và HH2. Bước 3: các băng con LH2 và HL2 được phân tích thành những khối 8x8 không chồng lấn nhau và thực hiện biến đổi DCT trên các khối này. Bước 4: watermark được nhúng vào 22 hệ số DCT miền tần số giữa. Quét theo đường zig-zag trên những khối 8x8 DCT và 22 hệ số miền tần số giữa từ 7 đến 28 được chọn. Bước 5: watermark được chuyển đổi thành một véc tơ nhị phân (message vector - MV). Bước 6: chuỗi PSN là một vector có số chiều bằng 22 (bằng với số hệ số miền tần số giữa nhúng watermark) được phát sinh ngẫu nhiên tương ứng mới một khoá bí mật. Bước 7: Nếu phần tử thứ i của MV MV(i) = 0 ta tiến hành nhúng PSN vào 22 hệ số của khối DCT tương ứng. C(i) = C(i)+k*PSN(i); (4) Trong đó k là hệ số nhúng, C(i): là hệ số thứ i (miền tần số giữa) được chọn để nhúng watermark của khối DCT 8x8 tương ứng. PSN(i): là giá trị bit thứ i của chuỗi ngẫu nhiên PSN. Bước 8: biến đổi IDWT từ các băng con LL2, HL2, LH2, HH2 thu được băng con LH; biến đổi IDWT từ các băng LL, HL, LH, HH ta thu được ảnh watermark. B. Thuật toán trích Bước 1: mức đầu tiên, DWT được thực hiện trên ảnh nhúng watermark để phân tích thành bốn băng con LL, LH, HL, HH. Bước 2: mức thứ hai, DWT được thực hiện trên băng con LH để thu được bốn băng con nhỏ hơn LL2, LH2, HL2 và HH2. Bước 3: băng con LH2 và HL2 được chia thành các khối 8x8 không chồng lấn và DCT được thực hiện trên các khối này. Bước 4: 22 hệ số DCT từ mỗi khối được chọn tương ứng giữa hai băng (để tính tương quan và lấy giá trị trung bình). Bước 5: tạo chuỗi PSN là r_pn_zero tương ứng với key đã được sử dụng trong quá trình nhúng. Bước 6: tính toán hệ số tương quan giữa chuỗi trích từ Bước 2 với chuỗi r_pn_zero. Hệ số tương quan của bit thứ k (tạo thành véc tơ tương quan, k=1..22) của watermark được tính bằng trung bình cộng hai hệ số tương quan tìm được trên hai băng LH2 và HL2 tương ứng. Nếu hệ số này lớn hơn trung bình cộng của véc tơ tương quan thì bit thứ k của watermak là bit 0, ngược lại là bit 1. Bước 7: nắn (reshape) véc tơ thu được thành dạng ảnh để khôi phục watermark. Hình 2: mô tả quá trình nhúng và trích watermark. IV. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Ảnh xám “Lena” (Hình 3) kích thước 512x512 được sử dụng để thực nghiệm. Ảnh watermark là các bit 0 và 1 ngẫu nhiên kích thước 16x16 và khoá bí mật là một ảnh “key.pnp” có kích thước 72x72x3. Qua phương pháp thực hiện watermark trên ta thu được một ảnh mới (Hình 4 ) có chất lượng hầu như không thay đổi so với ảnh gốc (Hình 3). Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 376 Hình 3. Ảnh gốc Hình 4. Ảnh watermarked Các hình thức tấn công để thử nghiệm tính bền và tính vô hình: nhiễu Gauss, muối tiêu, Speckle. Sau đó là thử nghiệm với các phép nén JPEG theo từng mức khác nhau, thử nghiệm tăng giảm độ sáng, scaling, cropping. Kết quả được thể hiện trong Bảng 1. Qua bảng so sánh, ta thấy PSNR của thuật toán đề xuất (PSNRp = 45.2036) lớn hơn PSNR[8] = 43.04. Các tấn công xén (5%), tăng giảm độ sáng có NC bằng nhau giữa thuật toán đề xuất và [8] nhưng hệ số PSNRp cao hơn. Hầu hết thuật toán watermark này bền vững trước các tấn công (có NC > 0.75). Nhưng tiêu chí bền vững vẫn chưa đạt được bằng bài báo [8] khi thể hiện ở hệ số NC thấp hơn. Do ảnh watermark trong thực nghiệm này có kích thước 16x16 lớn hơn so với ảnh watermark của bài báo [8] có kích thước 16x9 nên NC của phương pháp đề xuất có thể cải thiện hơn nếu dùng cùng 1 tập dữ liệu. Một nguyên nhân khiến NC của thuật toán đề xuất thấp là do hệ số k=15 thấp hơn so với bài báo [8] có k=32. Hệ số k thấp thì điều kiện cảm nhận chất lượng ảnh càng tốt nhưng khả năng bền vững giảm. Vì vậy, tùy vào yêu cầu mà chọn k phù hợp. V. KẾT LUẬN Bài báo đã giới thiệu phương pháp watermarking cho ảnh số bằng cách sử dụng kết hợp biến đổi DCT và wavelets. Chúng tôi đã chỉ ra rằng bằng cách chọn băng tần nhúng thông tin phù hợp, cụ thể 2 băng HL2 và LH2 và chỉ nhúng bit 0 có thể cải thiện được PSNR, cũng như tính bền vững so với các phương pháp khác thực hiện ở băng con khác. BẢNG 1. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 377 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V.M. Potdar, S. Han and E. Chang, A survey of digital image watermarking techniques, in Proceedings of the IEEE 3rd International Conference on Industrial Informatics (INDIN), Perth, Australia, 10-12, pp. 709-716, August 2005. [2] I.J Cox, J. Kilian, F.T. Leighton, and T. Shamoon, “Secure spread spectrum watermarking for multimedia” in IEEE Transactions on Image Processing, Volume 6, no. 12, pp:1673 - 1687, Dec.1997. [3] Baisa L. Gunjal and R.R. Manthalkar, “An Overview of Transform Domain Robust Digital Image Watermarking Algorithms”, Journal of Emerging Trends in Computing and Information Sciences , Volume 2 No. 1 2010-2011, pp 37-42. [4] Mr.Navnath S. Narawade and Dr.Rajendra D.Kanphade, "DCT Based Robust Reversible Watermarking For Geometric Attack," International Journal of Emerging Trends & Technology in Computer Science, Volume 1, no. 2, pp. 27 -32, August 2012. [5] Fabien A.P. Petitcolas, Ross J. Anderson, Markus G. Kuhn, Information Hiding—A Survey, Proceedings of the IEEE, Volume 87, No. 7, July 1999, pp. 1062-1078, ISSN 0018-9219. [6] Voloshynovskiy, S, Deguillaume, F & Pun, T 2000, “Content Adaptive Watermarking based on a Stochastic Multiresolution Image” , in Tenth European Signal Processing Conference (EUSIPCO' 2000), Tampere, Finland, September 5-8 2000. [7] P.Tao, A.M.Eskicioglu, “A Robust Multiple Watermarking Scheme in the Discrete Wavelet Transform Domain”, in Symposium on Internet Multimedia Management Systems, Philadelphia, PA. October 25-28, 2004. [8] Angshumi Sarma, “Image Watermarking in DCT-DWT Domain”, IRNet Transactions on Electrical and Electronics Engineering (ITEEE) ISSN 2319 – 2577, Volume -1, iss-2, 2012. [9] Mei Jiansheng, Li Sukang, Tan Xiaomei, "A digital watermarking algorithm based on DCT and DWT", Proceedings of the 2009 International Symposium on Web Information Systems and Applications (WISA’09). Volume 8. 2009. [10] Kunal D Megha, Nimesh P Vaidya, Ketan Patel, “Digital Watermarking: Data Hiding Techniques using DCT-DWT Algorithm”. International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering Volume 2, Issue 6, June 2013. [11] Feng, Liu Ping, Liang Bin Zheng, and Peng Cao, "A DWT-DCT based blind watermarking algorithm for copyright protection." Computer Science and Information Technology (ICCSIT), 2010 3rd IEEE International Conference on. Volume 7. IEEE, 2010. [12] Mahasweta J. Joshi, Zankhana H. Shah, and Keyur N. Brahmbhatt, "Watermarking in DCT-DWT Domain." International Journal of Computer Science and Information Technologies, Volume 2 (2), 2011. [13] Surya Pratap Singh, Paresh Rawat, Sudhir Agrawal, “A Robust Watermarking Approach using DCT-DWT”. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 2, Issue 8, August 2012. [14] Ali. Al-Haj, "Combined DWT-DCT Digital Image Watermarking." Journal of computer science 3.9, 2007. Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) ISBN: 978-604-67-0349-5 378