Luận án tiến sĩ: Thuật toán watermarking ảnh số trên phân tích đa phân giải

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật viễn thông xây dựng thuật toán watermarking ảnh số trên phân tích đa phân giải, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Tác giả: Nguyễn Chí Sỹ
• Người hướng dẫn: TS. Hà Hoàng Kha
• Trường học: Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Thuật Toán Watermarking Ảnh Số Trong Kỹ Thuật Viễn Thông
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về kỹ thuật watermarking ảnh số

Kỹ thuật watermarking ảnh số đã trở thành một phần quan trọng trong việc bảo vệ bản quyền và xác thực nội dung trong môi trường kỹ thuật số. Sự phát triển của Internet và các mạng xã hội đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc chia sẻ và truyền tải các ứng dụng đa phương tiện, bao gồm âm thanh, hình ảnh và video. Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc dễ dàng sao chép và giả mạo nội dung. Do đó, việc áp dụng các kỹ thuật watermarking để nhúng thông tin cần bảo vệ vào trong ảnh số là rất cần thiết. Các kỹ thuật này không chỉ giúp phát hiện và theo dõi vi phạm bản quyền mà còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, phát hiện giả mạo và dấu vân tay số. Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển các thuật toán nhúng và trích xuất watermark nhằm đáp ứng yêu cầu bảo vệ bản quyền trong các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Lịch sử và phát triển của kỹ thuật watermarking

Kỹ thuật watermarking đã có một lịch sử phát triển dài, bắt đầu từ những năm 1990. Ban đầu, các kỹ thuật này chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực truyền thông và bảo mật thông tin. Qua thời gian, với sự phát triển của công nghệ xử lý tín hiệu, các phương pháp watermarking đã được cải tiến và mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc nhúng watermark vào ảnh số có thể thực hiện được trong cả miền không gian và miền biến đổi. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, từ đó tạo ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này.

II. Các phương pháp watermarking ảnh số

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích và phát triển các thuật toán watermarking ảnh số dựa trên phân tích đa phân giải. Các phương pháp này được chia thành hai loại chính: phương pháp trong miền không gian và phương pháp trong miền biến đổi. Trong miền không gian, các kỹ thuật như tách bit có trọng số thấp nhất (LSB) và mã hóa ánh xạ bố cục hình ảnh được sử dụng. Trong khi đó, miền biến đổi sử dụng các kỹ thuật như DCT (Biến đổi Cosine rời rạc) và DWT (Biến đổi Wavelet rời rạc) để nhúng watermark. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc nhúng watermark trong miền DWT có tính bền vững tốt hơn so với miền DCT, đặc biệt khi đối mặt với các tấn công nén JPEG.

2.1. Kỹ thuật watermarking trong miền không gian

Phương pháp watermarking trong miền không gian thường dễ thực hiện và có thể được áp dụng nhanh chóng. Tuy nhiên, tính bền vững của nó không cao khi ảnh đã nhúng watermark bị tấn công. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các kỹ thuật như tách bit có trọng số thấp nhất có thể dẫn đến việc watermark dễ bị phát hiện và xóa bỏ. Do đó, cần phải phát triển các phương pháp mạnh mẽ hơn để đảm bảo tính bền vững và vô hình của watermark.

2.2. Kỹ thuật watermarking trong miền biến đổi

Phương pháp watermarking trong miền biến đổi, đặc biệt là DCT và DWT, cho thấy tính bền vững cao hơn so với miền không gian. Việc nhúng watermark vào các băng tần tần số thấp và giữa giúp tăng cường tính vô hình và khả năng chống lại các tấn công. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc sử dụng miền DWT cho phép nhúng watermark với tính bền vững tốt hơn, đặc biệt trong các tình huống bị tấn công nén JPEG. Điều này cho thấy rằng các phương pháp trong miền biến đổi có thể được áp dụng hiệu quả trong các ứng dụng thực tiễn.

III. Đề xuất giải thuật watermarking mới

Luận án này đề xuất một giải thuật mới cho watermarking ảnh số dựa trên phân tích đa phân giải Laplacian Pyramid (LP). Giải thuật này sử dụng biến đổi LP cải tiến để phân tích và tổng hợp lại ảnh chủ. Các vùng băng con tần số được khảo sát để lựa chọn một giải pháp watermarking phù hợp. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng giải thuật đề xuất có tính bền vững và tính vô hình tốt hơn so với các phương pháp trước đó. Điều này cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp mới trong lĩnh vực watermarking có thể mang lại những cải tiến đáng kể trong việc bảo vệ bản quyền.

3.1. Phân tích và tổng hợp ảnh chủ

Giải thuật đề xuất sử dụng biến đổi LP để phân tích ảnh chủ thành các băng con tần số. Việc này cho phép nhúng watermark vào các băng con tần số thấp và giữa, từ đó đảm bảo tính bền vững và vô hình của watermark. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng ảnh có nhiều thành phần tần số cao sẽ có tính vô hình tốt hơn khi nhúng watermark. Điều này chứng tỏ rằng việc lựa chọn đúng vùng nhúng là rất quan trọng trong việc phát triển các giải thuật watermarking hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề và hướng giải quyết vấn đề Trong phần trước luận án đã trình bày một nhu cầu rất bức thiết về bảo vệ bản quyền nội dung thông tin số (ảnh số, âm thanh số, video số và các nội dung số khác) và tăng cường bảo mật cho các nội dung số. Bằng việc nhúng thông tin mật như các chuỗi giả ngẫu nhiên, logo, các ảnh nhị phân, ảnh xám, ảnh màu, hay các ảnh sinh trắc học liên quan đến chủ sở hữu các ảnh số, kỹ thuật watermarking số có thể bảo vệ bản quyền sở hữu nội dung số cũng như tăng tính bảo mật cho các cơ sở dữ liệu ảnh số dùng trong quản lý con người. Không giống như kỹ thuật giấu tin mật (steganography) thông tin mật được giấu trong nội dung chứa thông tin mới quan trọng, trong kỹ thuật watermarking, cả thông tin được giấu và nội dung chứa thông tin đều quan trọng và chúng có mối quan hệ với nhau. Nên yêu cầu của kỹ thuật watermarking cũng đòi hỏi nhiều thông số hơn và mức độ đòi hỏi cao hơn.

Dựa vào việc watermark sau khi nhúng vào ảnh chủ có thể được nhìn thấy hoặc không nhìn thấy mà kỹ thuật watermarking được chia thành kỹ thuật watermarking hữu hình và kỹ thuật watermarking vô hình. Kỹ thuật watermarking hữu 3 hình được dùng để thông báo bản quyển tác giả của ảnh chủ, để ngăn chặn, hoặc ít nhất là không khuyến khích, sử dụng trái phép bản quyền ảnh số. Trong khi đó kỹ thuật watermarking vô hình nhúng watermark vào ảnh chủ mà không gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của ảnh chủ. Watermark được nhúng trong trường hợp này là bền vững trước các tấn công xử lý hình ảnh.

Kỹ thuật watermarking vô hình có thể được sử dụng để bảo vệ bản quyền tác giả ảnh số. Luận án này tập trung nghiên cứu kỹ thuật watermarking vô hình và khi trích watermark không cần ảnh chủ (watermarking mù) trên phân tích đa phân giải. Yêu cầu đối với các giải thuật watermarking phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Đối với các ứng dụng bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ thì tính bền vững yêu cầu cao trong khi vẫn đảm bảo tính vô hình (không ảnh hưởng đến giá trị thương mại của ảnh chủ).

Trong khi đó, đối với các ứng dụng xác thực tính toàn vẹn của nội dung thông tin số thì tính không bền vững lại quan trọng. Các yêu cầu đối với kỹ thuật watermarking [2, 4] là: tính bền vững (robustness), tính vô hình (imperceptibility), dung lượng nhúng (capacity) và tính bảo mật (security). Một yêu cầu khác cũng thường được quan tâm trong kỹ thuật watermarking đó là thời gian nhúng và trích watermark.2 trình bày mối quan hệ giữa tính vô hình và tính bền vững [4], qua đồ thị cho thấy khi tính bền vững tăng thì tính vô hình giảm và ngược lại được thể hiện trong Hình 1.2(a), nhiệm vụ của các nhà nghiên cứu là làm thế nào để đồ thị quan hệ giữa tính bền vững và tính vô hình tiến theo hướng mũi tên như Hình 1.2(c), nghĩa là nâng cao tính bền vững và tính vô hình khi so sánh với các nghiên cứu trước. Tương tự cho mối quan hệ giữa tính vô hình và dung lượng nhúng, cũng như giữa dung lượng nhúng và tính bền vững [4].

Hiện nay, watermarking số đã và đang được áp dụng rộng rãi để xác thực và bảo vệ bản quyền thông tin số (hình ảnh, âm thanh, video, văn bản) [5]. Watermarking số là quá trình nhúng thông tin mật vào dữ liệu số sao cho con người không thể nhận biết bằng mắt thường (invisibility – tính vô hình); đủ bền vững (robustness) khi bị nhiễu trên đường truyền, nén có tổn hao như JPEG, hoặc bị tấn công do vô ý bởi xử lý tín hiệu tăng giảm độ sáng, lọc,. hoặc do cố ý bởi cắt (dropping). Nếu watermark được nhúng vào dữ liệu số bị phá hỏng thì dữ liệu số đó cũng không còn giá trị thương mại (chất lượng ảnh sau khi bị tấn công suy giảm rất nhiều so với ảnh chủ ban đầu).

Có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật watermarking ảnh số như kỹ thuật watermarking trong miền không gian, kỹ thuật watermarking trong miền tần số và kỹ thuật watermarking ảnh số trên miền biến đổi định hướng, kỹ thuật watermarking sử dụng trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là kỹ thuật học sâu (deep learning). Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng (sẽ được trình bày trong phần 1. Yêu cầu đối với các ứng dụng bảo vệ bản quyền ảnh số là watermark phải bền vững trước các tấn công trong khi tính vô hình phải được đảm bảo; tính bảo mật, dung lượng nhúng và độ phức tạp tính toán cũng cần quan tâm xem xét. Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển các thuật toán nhúng và trích watermark thỏa mãn yêu cầu các ứng dụng watermarking trong bảo vệ bản quyền.

Hiệu năng của các thuật toán được phát triển sẽ được đánh giá theo nhiều thông số trên các cơ sở dữ liệu ảnh màu, ảnh xám chuẩn. Một số đặc điểm của giải thuật đề xuất 4 Hình 1.2: Quan hệ giữa tính bền vững và tính vô hình • Các giải thuật đề xuất là mù vì ảnh chủ gốc không cần được sử dụng trong quá trình trích watermark. • Các watermark là vô hình sau khi nhúng và việc nhúng watermark gây ra sự méo dạng tối thiểu với ảnh chủ. • Các giải thuật phải bền vững chống lại các tấn công chủ yếu.

• Giải quyết được bài toán bảo vệ bản quyền ảnh số. • Giảm thời gian tính toán cho các ứng dụng yêu cầu thời gian thực. • Đảm bảo tính bảo mật. Để giải quyết vấn đề đặt ra, trong luận án này đã khảo sát các nghiên cứu trước liên quan đến kỹ thuật watermarking ảnh số để bảo vệ bản quyền tác giả từ các công trình được công bố trên IEEE và Science Direct trong thời gian 10 năm gần đây.

Trên cơ sở các nghiên cứu trước đã được nghiên cứu phân tích để rút ra ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp từ đó đề xuất hướng nghiên cứu của luận án. Trong quá trình khảo sát các nghiên cứu trước, một số giải thuật đề xuất trong miền không gian và miền biến đổi DWT, DCT cũng được tiến hành và đo lường hiệu năng của thuật toán đề xuất. Bước nghiên cứu này, giúp kiểm chứng, so sánh với các nghiên cứu trong miền nhúng tương tự, còn làm nền tảng ban đầu để nghiên cứu đề xuất các miền nhúng có nhiều ưu điểm cho thuật toán watermarking ảnh số hơn. Qua kết quả khảo sát, các thuật toán đề xuất trong luận án được dựa trên các cơ sở: miền nhúng 5 là miền tần số mới đảm bảo được tính bền vững; các miền nhúng trên phân tích đa phân giải (multiresolution analysis) có nhiều tiềm năng mang lại hiệu năng cao như: miền DWT, LP, miền biến đổi định hướng như curvelets, contourlets; nhúng dựa trên kỹ thuật học sâu CNN.

Các giải thuật watermarking đề xuất được xây dựng mô hình toán học và tiến hành mô phỏng bằng Matlab để đánh giá kết quả. Giải thuật watermarking sẽ được đánh giá bằng thông số khách quan như PSNR, NC, BER, SSIM. hoặc quan sát chủ quan (được thực hiện bởi những chuyên gia xử lý ảnh). So sánh tính bền vững và tính vô hình của giải thuật watermarking đề xuất với một số giải pháp phổ biến.3 Các nghiên cứu trước về kỹ thuật watermarking ảnh số Trong khi có một số kỹ thuật watermarking hữu hình (watermark có thể được nhìn thấy) [6], thì hầu hết các kỹ thuật watermarking được quan tâm là watermarking vô hình (watermark không thể được nhìn thấy).

Có nhiều phân lớp đối với kỹ thuật watermarking vô hình như watermarking bền vững, watermarking nửa dễ vỡ và watermarking dễ vỡ. Watermarking dễ vỡ được thiết kế để watermark bị vỡ một cách dễ dàng bởi các hoạt động xử lý ảnh. Kỹ thuật watermarking dễ vỡ có thể được sử dụng để phát hiện sự sửa đổi ảnh chủ [7]. Dựa vào quá trình nhúng và trích watermark, kỹ thuật watermarking bền vững lại được phân ra thành watermarking mù, watermarking nửa mù và watermarking không mù.

Dựa vào miền nhúng, kỹ thuật watermarking cũng được phân loại thành 2 nhánh lớn: kỹ thuật watermarking trong miền không gian và kỹ thuật watermarking trong miền tần số. Watermarking trong miền không gian, watermark được nhúng trực tiếp vào các giá trị điểm ảnh của ảnh chủ [8, 9]. Trong [8], trình bày một phương pháp watermarking mới, bền vững trong miền không gian. Kỹ thuật này dựa trên thuật toán ICA (Imperialist Competitive Algorithm).

Tính mới của nghiên cứu này là sử dụng thuật toán ICA và màu trọng số thấp nhất được chọn, ở đây ICA xác định vùng nhúng trong ảnh chủ. Sau khi chọn một số vị trí, các điểm ảnh gần nhau 5 × 5 được chọn và với mỗi điểm ảnh gần nhau được chọn, màu có trọng số thấp nhất được chọn để chèn. Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng trong điều kiện chưa bị tấn công, tính vô hình và khả năng trích watermark là rất tốt, giá trị của PSNR đạt khoảng 43 (dB). Nhưng sau khi áp dụng một số cuộc tấn công, ảnh watermark trích được bị biến dạng nhiều so với ảnh chủ, đặc biệt là sau khi ảnh đã watermark bị nén JPEG.

Trong [9], giải thuật watermarking được đề xuất dựa trên bit có trọng số thấp (LSB) bền vững được tối ưu hóa dựa trên tham số SSIM để nhúng và trích watermark. Watermark được nhúng vào ảnh chủ bằng thuật toán thích ứng (adaptive algorithm). Giải thuật đề xuất cho phép đánh đổi tốt hơn giữa dung lượng nhúng (capacity) và tính vô hình. Kết quả mô phỏng cho thấy watermark có thể được trích xuất với độ chính xác có thể chấp nhận được sau các tấn công.

So với các thuật toán đã đề xuất trước, phương pháp này gia tăng dung lượng nhúng trong khi vẫn đảm bảo được tính bền vững và tính vô hình. Trong miền biến đổi, watermarking được thực hiện bằng cách thay đổi các hệ số trong miền biến 6 đổi của ảnh chủ. Các ví dụ ban đầu về kỹ thuật này nhận được từ việc sửa đổi các hệ số DCT [10, 11] và các hệ số DWT [12–15]. Mã fractal được chuyển đổi sang các ảnh nhị phân và được sử dụng như là watermark.

Ảnh chủ được phân tích sang các thành phần ảnh đỏ, ảnh xanh lá và ảnh xanh lam tương ứng. Mã fractal là các ảnh nhị phân được nhúng vào các thành phần ảnh xám tương đương với các thành phần RGB của ảnh chủ. Việc nhúng được thực hiện trong tần số giữa để bảo mật watermark khỏi một số tấn công. Tính bền vững và tính vô hình của thuật toán được thể hiện trong các kết quả và phân tích.