Xem mẫu
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
Watermarking ảnh số dựa vào sự kết hợp
DCT và DWT để nâng cao tính bền vững và tính
vô hình
Nguyễn Chí Sỹ, Hà Hoàng Kha Nguyễn Minh Hoàng
Bộ môn Viễn thông, Khoa Điện – Điện tử Viện Công nghệ Viễn thông Sài gòn
Đại học Bách khoa, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
Email: ncsy@pyitc.vn, hhkha@hcmut.edu.vn Email: nmhoang@saigon-ict.edu.vn
Tóm tắt—Bài báo nghiên cứu thuật toán watermarking Fourier Transform). Mỗi phép biến đổi đều có ưu nhược
dựa trên sự kết hợp phép biến đổi Discrete Cosine điểm riêng. Để nâng cao tính bền vững và tính vô hình,
Transform (DCT) và Discrete Wavelet Transform (DWT). giải pháp dựa trên sự kết hợp giữa các phép biến đổi để
Sử dụng phép biến đổi wavelets lần thứ nhất trên ảnh phủ phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm của mỗi
(cover image) thu được các băng con LL, HL, LH và HH phép biến đổi là một trong những cách tiếp cận được
(L:Low và H: High). Tiếp tục áp dụng phép biến đổi nhiều người quan tâm. [11] [14] đã chứng minh thuật
wavelets trên băng con LH ta thu được 4 băng con LL2, toán watermarking dựa trên sự kết hợp của DWT và
HL2, LH2 và HH2. Hai băng con LH2 và HL2 được chọn DCT là tốt hơn thuật toán watermarking chỉ sử dụng một
để nhúng watermark, các băng này chia thành các khối
trong 2 phép biến đổi. Trong bài báo này thuật toán
8x8 không chồng lấn và áp dụng biến đổi DCT trên các
watermarking dựa trên sự kết hợp của hai phép biến đổi
khối này, watermark sẽ được nhúng vào tần số giữa trên
cả hai băng. Kết quả thực hiện giải thuật đề xuất trên ảnh DCT và DWT sẽ được đề xuất và được thực nghiệm
xám Lena, kích thước 512x512; watermark là các bit 0 và bằng chương trình Matlab. Sự hiệu quả của giải pháp
1 ngẫu nhiên kích thước 16x16 cho thấy trong điều kiện được so sánh với kết quả trong bài báo [8] về chất lượng
không có các tấn công, PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) ảnh được quan sát, tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu
của thuật toán đề xuất cao hơn PSNR của một số nghiên PSNR, tính bền vững.
cứu trước và bền vững trong điều kiện có các tấn công Bài báo bao gồm các nội dung sau: Phần II giới thiệu
thông thường.
thuật toán watermarking bền vững dựa vào phép biến đổi
Từ khóa—Watermarking; Discrete Cosine Transform; DCT, thuật toán watermarking trong miền wavelet và
Discrete Wavelet Transform; Tính bền vững; Tính vô hình phương pháp đo lường hiệu quả thuật toán watermaking.
Phần III đề xuất thuật toán nhúng và trích watermarking.
I. GIỚI THIỆU Phần IV trình bày kết quả thực nghiệm và phần V là kết
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ thông tin và luận.
Internet, nội dung số dễ dàng bị sao chép và phân phối II. GIỚI THIỆU CÁC THUẬT TOÁN
thông qua mạng. Điều đó đặt ra một số vấn đề cấp bách WATERMARKING
cần giải quyết như bảo vệ quyền tác giả, chống giả mạo,
xác minh tác giả (author authentication). Watermarking A. Thuật toán wartermarking sử dụng phép biến đổi
là một trong những giải pháp giải quyết vấn đề trên. DCT
Watermarking là việc giấu thông tin sở hữu trong các nội Kỹ thuật watermarking dựa vào phép biến đổi DCT
dung số như ảnh số, nhạc số, và video số [1][3][9]. Kỹ bền vững hơn so với kỹ thuật watermarking trong miền
thuật watermarking có thể áp dụng trên nhiều loại nội không gian [3]. Các thuật toán này bền vững với các
dung số khác nhau. Tuy nhiên, chỉ có ảnh số được
phép xử lí số tín hiệu đơn giản như bộ lọc thông thấp,
nghiên cứu trong bài báo này. Ảnh số có thể được biểu
điều chỉnh độ tương phản và độ sáng, làm giảm chất
diễn trong miền không gian (spatial domain) bằng các
điểm ảnh hoặc biểu diễn trong miền tần số (transform lượng ảnh (blurring) [1]. Tuy nhiên, việc tính toán phức
domain) bằng các hệ số. Watermarking được thực hiện tạp hơn và triển khai cũng khó hơn. Hạn chế của kỹ thuật
trong miền biến đổi có độ bền vững tốt hơn khi thực hiện này là kém bền vững với các tấn công biến đổi hình học
trong miền không gian [1][10]. Để biến đổi ảnh từ miền như phép quay, thay đổi tỷ lệ, xén [4].
không gian sang miền tần số, chúng ta có thể sử dụng Watermarking miền DCT có thể chia thành
các phép biến đổi như DCT, DWT, hay DFT (Discrete watermarking toàn bộ (Global DCT watermarking) và
watermarking theo khối (Block based DCT
ISBN: 978-604-67-0349-5 374
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
watermarking). [2] đã đề xuất thuật toán nhúng
watermark vào các hệ số DCT lớn nhất (trừ DC). Ưu (2)
điểm của thuật toán này là hầu hết các giải thuật nén
thường cắt bỏ những phần ít nhạy với HVS (Human Trong đó Xij là điểm ảnh của ảnh gốc kích thước
Visual System). Trong miền không gian phần này được MxN và Wij là điểm ảnh của ảnh đã nhúng watermark
biểu diễn bởi LSB (Least Significant Bit). Trong miền kích thước MxN.
tần số nó biểu diễn trong các thành phần tần số cao [3]. Độ bền vững được đo bằng tương quan chuẩn
Các bước chính của thuật toán DCT khối được thể hiện (Normalized Correlation) giữa watermark gốc và
trong Hình 1. watermark trích được. Tương quan chuẩn được tính bởi
Các bước thực hiện thuật toán watermarking dựa vào khối DCT công thức:
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) (3)
5) Nhúng watermark vào các hệ số đã được lựa chọn
6) Áp dụng biến đổi DCT ngược cho mỗi block
Hình 1: Watermarking dựa vào khối DCT trong đó Woij là điểm ảnh của watermark kích thước
MxN và Wrij là điểm ảnh của watermark trích được kích
B. Thuật toán watermaking trong miền wavelets 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.
Wavelets đã được nghiên cứu trong những năm gần
NC còn phản ánh khả năng bền vững trước các tấn công
đây trong lĩnh vực xử lí số tín hiệu nói chung và đặc biệt từ bên ngoài vào ảnh được watermarking.
là trong kỹ thuật nén ảnh. Một số ứng dụng, giải pháp
watermarking (schemes) dựa vào wavelets có kết quả tốt III. THUẬT TOÁN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT
hơn cách tiếp cận DCT [3]. Đã có nhiều thuật toán watermarking được đề xuất
Đặc điểm của DWT dựa trên sự kết hợp của phép biến đổi DCT và DWT.
Các nghiên cứu này cũng khá đa dạng dựa vào điều kiện
Biến đổi wavelet phân tích ảnh thành 3 hướng
lựa chọn các khối DCT, điều kiện lựa chọn các hệ số
không gian: là hướng ngang, thẳng đứng và hướng chéo DCT để nhúng watermark; mức phân tích DWT, các
(diagonal). Vì thế wavelets phản ánh thuộc tính không băng con được chọn [8..14]. Bài báo này sẽ khảo sát và
đẳng hướng của HVS chính xác hơn [6]. đánh giá hiệu quả sự kết hợp giữa DCT và DWT cho
Biến đổi wavelets là hiệu quả trong tính toán và giải thuật wartermark, và từ đó đề xuất một phương pháp
có thể được thực hiện bằng phép tích chập bộ lọc đơn. hiệu quả. Cụ thể, thuật toán watermarking được đề xuất
Biên độ của các hệ số DWT lớn hơn trong băng dựa vào sự kết hợp phép biến đổi DCT và DWT kết hợp
thấp nhất (LL) tại mỗi mức phân tích và nhỏ hơn đối các điểm mạnh và khắc phục điểm yếu của hai phép biến
với những băng khác (HH, LH, HL) [7] đổi này. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả
Biên độ các hệ số càng lớn càng quan trọng. thực nghiệm của bài báo tham khảo số [8]. [8] dùng
DWT phân tích ảnh phủ thành bốn băng con, dùng DWT
Việc dò watermark ở mức phân giải thấp thì tính phân tích băng con HL thành bốn băng con LL2, HL2,
toán sẽ hiệu quả hơn. LH2 và HH2. Hai băng HL2 và LH2 được chia thành
Các băng có độ phân giải cao giúp dễ dàng xác các khối 8x8 không chồng lấn, và áp dụng DCT trên các
định các đường nét (edge) và kiểu cấu trúc (texture) của khối này. Watermark được nhúng vào hai băng HL2,
ảnh. LH2 và 4 băng LL2, HL2, LH2, HH2 để so sánh. Việc
nhúng và trích watermark có sử dụng khoá để phát sinh
C. Phương pháp đo lường hiệu quả thuật toán
PNS (pseudorandom noise sequences). Kết quả
watermarking watermark nhúng vào 4 băng hiệu quả tốt hơn.
Hiệu năng của thuật toán watermarking được đo
lường dựa trên tính vô hình và tính bền vững. Tính vô Thuật toán watermarking được đề xuất dựa vào sự
hình được đo bằng tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu kết hợp phép biến đổi DCT và DWT. Chọn hai băng
PSNR, được tính toán giữa ảnh gốc và ảnh đã nhúng LH2 và HL2 để nhúng watermark do băng LL2 chứa
watermark. Đối với ảnh xám PSNR được tính bởi: thông tin chi tiết hình ảnh (tần số thấp), nếu chúng ta
nhúng thông tin vào miền này thì chất lượng hình ảnh sẽ
(1) 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
trong đó MSE là sai số bình phương trung bình (Mean này thường được áp dụng các thuật toán nén, do đó để
Square Error) được tính bởi công thức: đảm bảo tính bền vững băng con HH2 không được sử
dụng để nhúng thông tin. Điểm khác nhau giữa thuật
ISBN: 978-604-67-0349-5 375
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
toán đề nghị và [8] là: 2 băng HL2 và LH2 được chọn để B. Thuật toán trích
nhúng watermark; chỉ nhúng bit 0 để tăng hệ số PSNR Bước 1: mức đầu tiên, DWT được thực hiện trên ảnh
(với giả sử rằng ứng dụng cần chất lượng hình ảnh sau nhúng watermark để phân tích thành bốn băng con LL,
khi nhúng watermark); và một điểm khác biệt nữa là bit LH, HL, HH.
watermark được nhúng vào cả hai băng, khi trích lấy Bước 2: mức thứ hai, DWT được thực hiện trên băng
trung bình cộng tương quan của chuỗi trích trên HL2 với con LH để thu được bốn băng con nhỏ hơn LL2, LH2,
PSN và tương quan của chuỗi trích trên LH2 với PSN để HL2 và HH2.
tăng độ bền vững của watermark. Trong thuật toán này, Bước 3: băng con LH2 và HL2 được chia thành các
kỹ thuật DWT được đưa vào xem xét trong việc chọn lựa khối 8x8 không chồng lấn và DCT được thực hiện trên
băng con thích hợp nhất cho việc nhúng watermark để các khối này.
đáp ứng hai tính chất là tính bền vững (robustness) và Bước 4: 22 hệ số DCT từ mỗi khối được chọn tương
tính vô hình (imperceptibility), do đó băng con LH được ứng giữa hai băng (để tính tương quan và lấy giá trị
chọn sau khi thực hiện DWT trên ảnh phủ lần thứ nhất. trung bình).
Khoá bí mật được sử dụng trong quá trình nhúng và trích Bước 5: tạo chuỗi PSN là r_pn_zero tương ứng với
watermark để đảm bảo tính bảo mật cho thuật toán key đã được sử dụng trong quá trình nhúng.
watermarking và watermark được nhúng vào hai băng Bước 6: tính toán hệ số tương quan giữa chuỗi trích
con nhỏ hơn trong băng LH. Kỹ thuật DCT được áp từ Bước 2 với chuỗi r_pn_zero. Hệ số tương quan của bit
dụng trên hai băng con LH2 và HL2, watermark được thứ k (tạo thành véc tơ tương quan, k=1..22) của
nhúng vào 22 hệ số DCT (6 - 27) miền tần số giữa để watermark được tính bằng trung bình cộng hai hệ số
tăng tính bền vững. Hình 2 mô tả quá trình nhúng và tương quan tìm được trên hai băng LH2 và HL2 tương
trích watermark. ứng. Nếu hệ số này lớn hơn trung bình cộng của véc tơ
A. Thuật toán nhúng tương quan thì bit thứ k của watermak là bit 0, ngược lại
là bit 1.
Bước 1: mức đầu tiên, DWT được thực hiện trên ảnh Bước 7: nắn (reshape) véc tơ thu được thành dạng
phủ để phân tích thành bốn băng con LL, LH, LH và ảnh để khôi phục watermark.
HH.
Ảnh gốc Watermark
Bước 2: mức thứ hai, DWT được thực hiện trên băng trích được
con LH để được bốn băng con nhỏ hơn LL2, LH2, HL2, watermark
DWT 2 mức
và HH2. k Véc tơ
watermark
Bước 3: các băng con LH2 và HL2 được phân tích DCT 8x8
Véc tơ
thành những khối 8x8 không chồng lấn nhau và thực
watermark
hiện biến đổi DCT trên các khối này. Thuật toán
Thuật
toán
Bước 4: watermark được nhúng vào 22 hệ số DCT nhúng chuỗi PN Khóa chuỗi PN
trích
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 IDCT
được chọn. DCT 8x8
2 mức IDWT
Bước 5: watermark được chuyển đổi thành một véc
tơ nhị phân (message vector - MV). Ảnh đã
2 mức DWT
watermark
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 Hình 2: mô tả quá trình nhúng và trích watermark.
một khoá bí mật.
IV. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
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. Ảnh xám “Lena” (Hình 3) kích thước 512x512 được
C(i) = C(i)+k*PSN(i); (4) sử dụng để thực nghiệm. Ảnh watermark là các bit 0 và
Trong đó k là hệ số nhúng, C(i): là hệ số thứ i (miền 1 ngẫu nhiên kích thước 16x16 và khoá bí mật là một
tần số giữa) được chọn để nhúng watermark của khối ảnh “key.pnp” có kích thước 72x72x3.
DCT 8x8 tương ứng. PSN(i): là giá trị bit thứ i của chuỗi Qua phương pháp thực hiện watermark trên ta thu
ngẫu nhiên PSN. được một ảnh mới (Hình 4 ) có chất lượng hầu như
Bước 8: biến đổi IDWT từ các băng con LL2, HL2, không thay đổi so với ảnh gốc (Hình 3).
LH2, HH2 thu được băng con LH; biến đổi IDWT từ các
băng LL, HL, LH, HH ta thu được ảnh watermark.
ISBN: 978-604-67-0349-5 376
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
BẢNG 1. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
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.
ISBN: 978-604-67-0349-5 377
- Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014)
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.
ISBN: 978-604-67-0349-5 378
nguon tai.lieu . vn
