Tóm tắt Luận án tiến sĩ Toán học: Nghiên cứu phát triển một số phương pháp thủy vân ứng dụng trong xác thực và bảo vệ bản quyền ảnh số

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

63
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm đề xuất một số phương pháp thủy vân bền vững có khả năng chống được những tấn công có chủ định trên ảnh số. Đề xuất một số phương pháp thủy vân dễ vỡ khóa công khai có thể phát hiện mọi sự thay đổi dù nhỏ trên ảnh số. Xây dựng một số module thư viện dùng chung thực hiện việc nhúng và tách dấu thủy vân theo các phương pháp đề xuất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Toán học: Nghiên cứu phát triển một số phương pháp thủy vân ứng dụng trong xác thực và bảo vệ bản quyền ảnh số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ii BỘ QUỐC PHÕNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ----------------------- CAO THỊ LUYÊN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP THỦY VÂN ỨNG DỤNG TRONG XÁC THỰC VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho tin học Mã số: 9 46 01 10 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC HÀ NỘI – 2018
ii Công trình đƣợc hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Phạm Văn Ất 2. TS. Nguyễn Đức Thảo Phản biện 1: PGS.TS. Ngô Quốc Tạo Việt Hàn Lâm KH&CN Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Linh Giang Đại Học Bách Khoa Hà Nội Phản biện 3: TS. Tạ Minh Thanh Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện KH&CN quân sự vào hồi ….. ngày ….. tháng …. năm 2018. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Viện KH&CN quân sự - Thư viện Quốc gia Việt nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Ngày nay, việc lưu trữ và truyền tải dữ liệu được thực hiện phổ biến qua môi trường Internet. Vấn nạn vi phạm bản quyền sản phẩm số ảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế, chính trị, xã hội... Mặt khác sản phẩm số có bị biến đổi trước khi đến với người nhận hay không, nếu dữ liệu nhận được đã bị biến đổi trước đó thì vùng nào là vùng bị biến đổi. Đó chính là vấn đề xác thực dữ liệu số. Việc tìm ra phương pháp hiệu quả để giải quyết bài toán bảo vệ bản quyền và xác thực nội dung có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong kinh tế, chính trị, anh ninh - quốc phòng và được các nhà chuyên môn và cả xã hội quan tâm. Thủy vân là một trong những biện pháp hữu hiệu giải quyết các vấn đề trên. Các công trình nghiên cứu về thủy vân hiện nay đều hướng đến mục tiêu là xây dựng thành công hệ thống thủy vân thỏa mãn tốt nhất các yêu cầu cơ bản của hệ thống thủy vân như chất lượng ảnh thủy vân, khả năng nhúng, độ phức tạp tính toán, độ an toàn. Các kết quả về thủy vân khóa công khai hiện còn hạn chế. Đề tài tập trung nghiên cứu để đề xuất ra các lược đồ thủy vân bền vững và dễ vỡ sử dụng khóa công khai nhằm nâng cao độ bảo mật và cải thiện tính chính xác của hệ thống xác thực ảnh cũng như nâng cao tính bền vững của lược đồ thủy vân bên cạnh việc tăng cường chất lượng ảnh thủy vân. 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: o Các phương pháp thủy vân, giấu tin o Các phép biến đổi ma trận o Mô hình khóa công khai Phạm vi nghiên cứu: Các lược đồ thủy vân trên ảnh số 3. Mục tiêu nghiên cứu  Đề xuất một số phương pháp thủy vân bền vững có khả năng chống được những tấn công có chủ định trên ảnh số.  Đề xuất một số phương pháp thủy vân dễ vỡ khóa công khai có thể phát hiện mọi sự thay đổi dù nhỏ trên ảnh số.  Xây dựng một số module thư viện dùng chung thực hiện việc nhúng và tách dấu thủy vân theo các phương pháp đề xuất. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2  Thu thập, tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp giấu tin, thủy vân đã có, trên cơ sở đó phân loại, đánh giá và tìm ra hướng nghiên cứu cụ thể.  Sử dụng các phương pháp toán học để phân tích và đánh giá tính hiệu quả, tính bền vững, tính bảo mật, tính dễ vỡ của các phương pháp thủy vân. Khai thác mặt hạn chế của lược đồ thủy vân đã có để tìm ra phương pháp mới hay cải tiến nó.  Sử dụng phần mềm và bộ dữ liệu để so sánh đánh giá các phương pháp thủy vân khác nhau. 5. Nội dung nghiên cứu • Nghiên cứu, phân tích, đánh giá các phương pháp, thuật toán, hệ thống thủy vân, giấu tin trên ảnh số hiện hành đặc biệt là thủy vân trên miền SVD, thủy vân thuận nghịch và thủy vân khóa công khai. • Đề xuất một số phương pháp thủy vân bền vững dựa trên phép biến đổi SVD. • Nghiên cứu các lược đồ thủy vân trên ảnh JPEG, đánhgiá và cải tiến để xây dựng lược đồ thủy vân khóa công khai dễ vỡ có khả năng nhúng cao. • Nghiên cứu và đề xuất phương pháp thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai dựa trên phép mở rộng hiệu có thể phát hiện mọi sự thay đổi dù nhỏ. • Xây dựng một số module thư viện sử dụng các thuật toán đề xuất giải quyết các bài toán bảo vệ bản quyền và xác thực ảnh. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Việc nghiên cứu các phương pháp thủy vân khóa công khai có ý nghĩa trên cả hai phương diện khoa học và thực tiễn:  n ph ng i n ho h Các phương pháp thủy vân hiện nay thường sử dụng chung 1 khóa bí mật trong cả 2 quá trình nhúng và kiểm tra thủy vân. Phương này có nhược điểm là dễ bị lộ khóa trong quá trình trao đổi giữa người nhúng thủy vân và người sử dụng, vì vậy tính an toàn không cao. Trong phương pháp thủy vân khóa công khai ta sử dụng 2 khóa: Khóa bí mật để nhúng và khoá công khai để kiểm tra thủy vân. Như vậy, việc không cần phải trao đổi khóa sẽ giúp hệ thống thủy vân an toàn hơn. Phương pháp thủy vân do NCS đề xuất sẽ vừa dễ sử dụng vừa an toàn. Ngoài ra, lược đồ thủy vân đề xuất sẽ có chất lượng ảnh thủy vân tốt cũng như giảm độ phức tạp tính toán so với phương pháp hiện hành.
3 n ph ng i n thự tiễn Trên cơ sở nghiên cứu các kỹ thuật hiện tại, NCS sẽ đề xuất một số phương pháp thủy vân khóa công khai mới. Các phương pháp này sẽ được biểu diễn trên cơ sở toán học và thực thi bằng các mudule thư viện thực hiện chức năng nhúng và tách dấu thủy vân trên dữ liệu ảnh số. Các module này có thể phát triển thành phần mềm và áp dụng cho bất k nhà cung cấp dịch vụ thông tin nào để bảo vệ tính toàn v n của thông tin, hạn chế việc xuyên tạc, sử dụng trái phép chúng trên môi trường trao đổi công khai cũng như góp phần vào việc phòng chống ảnh giả mạo. 7. Bố cục của luận án Luận án gồm 03 chương cùng với các phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình và phụ lục. Sản phẩm của luận án là 07 bài báo khoa học đã được công bố trên các hội thảo và tạp chí uy tín, trong đó 01 bài có chỉ số SCOPUS. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN 1.1 Khái niệm về giấu tin, thủy vân Giấu tin [36] là kỹ thuật nhúng thông tin A vào môi trường B. A và B có thể là tệp văn bản, ảnh, âm thanh hay video. Thông tin được nhúng A có thể chứa những thông điệp bí mật cần trao đổi hay là thông tin về bản quyền tác giả, sản phẩm đa phương tiện. Thủy vân số là kỹ thuật nhúng thông tin ( ấu thủy vân-g i tắt là thủy vân) vào một đối tượng nào đó (môi t ờng giấu tin) trước khi nó được phân phối trên mạng nhằm bảo vệ đối tượng chứa tin. Đối tượng chứa tin cũng có thể là ảnh số, tệp văn bản, file âm thanh,… Thủy vân sau đó có thể được khôi phục làm bằng chứng để chứng minh quyền hợp pháp cũng như kiểm nghiệm sản phẩm số có toàn v n hay có bị truy cập trái phép trước khi đến người sử dụng. 1.2 Các đặc tính quan trọng của lƣợc đồ thủy vân Theo [36] hệ thống thủy vân cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau: - Tính bền vững (Robustness): yêu cầu này thường dùng cho hệ thống xác thực có chọn lọc như hệ thống thủy vân bán dễ vỡ[13], [23], [32], [65], [69], [73] hay thủy vân bền vững [3], [6], [62], [72], [83]. Tính bền vững của hệ thống thủy vân tức là thủy vân không bị biến đổi (ít bị biến đổi) trước các phép tấn công có chủ đích nhằm thay đổi nội dung.
4 - Độ nhạy cảm hay còn gọi là tính dễ vỡ (sensitivity - fragile): Hệ thống xác thực phải có khả năng phát hiện bất k sửa đổi nội dung hoặc phát hiện bất k một thao tác nào lên ảnh dù là nhỏ. Đối với thủy vân dễ vỡ [4], [5], [19], [34], [45] thì thủy vân sẽ bị phá vỡ trước bất k thao tác nào, không chỉ là những hành vi nhằm biến đổi về nội dung. - Khả năng nhúng: thủy vân thường có kích thước không lớn, tuy nhiên lược đồ thủy vân phải có khả năng nhúng được một lượng thủy vân xác định. Lược đồ càng có khả năng nhúng càng nhiều càng được đánh giá là tốt. - Định vị hóa: Hệ thống thủy vân có khả năng xác định được vị trí các khu vực hình ảnh đã bị thay đổi. - Khả năng khôi phục: Hệ thống thủy vân có khả năng khôi phục một phần hoặc hoàn toàn vùng hình ảnh đã bị giả mạo. - Tính bảo mật: Hệ thống thủy vân có khả năng bảo vệ các dữ liệu xác thực chống lại bất k nỗ lực làm giả nào. - Độ phức tạp: Hệ thống thủy vân phải sử dụng thời gian thực hiện các thuật toán nhưng không phải là quá phức tạp và cũng không được quá chậm. Tùy thuộc vào từng loại hệ thống thủy vân mà đặc tính nào được đề cao. Chẳng hạn: đối với thủy vân bền vững thì tính bền vững của lược đồ là rất quan trọng còn tính nhạy cảm bị bỏ qua, trong khi đó các lược đồ thủy vân dễ vỡ thì tính nhạy cảm lại quan trọng còn tính bền vững không được xem xét trong loại thủy vân này. 1.3 Nguyên tắc xây dựng lƣợc đồ thủy vân Một lược đồ thủy vân gồm hai quá trình [36]: quá trình nhúng thủy vân và quá trình kiểm tra dấu thủy vân. Trong quá trình nhúng thủy vân, chủ sở hữu nhúng thủy vân vào ảnh gốc để nhận được ảnh thủy vân . Để tăng thêm tính bảo mật có thể sử dụng thêm khóa K1. Việc trao đổi trên mạng Internet ảnh thủy vân có thể bị biến đổi thành ảnh . Thủ tục kiểm tra xác định bản quyền hay xác thực tính toàn v n của ảnh có thể cần phải khôi phục thủy vân hay phục hồi ảnh gốc. Quá trình kiểm tra cũng có thể phải sử dụng thêm khóa K2. Nếu từ ảnh thủy vân khôi phục được ảnh gốc thì được gọi là thủy vân thuận nghịch (reversible watermarking). Nếu khóa K1 dùng trong quá trình nhúng thủy vân là khóa bí mật, khóa K2 để kiểm tra dấu thủy vân là khóa công khai thì được gọi là thủy vân khóa công khai nếu K1 trùng với K2 thì gọi đó là mô hình thuy vân khóa đối xứng. Dưới đây là chi tiết phân loại thủy vân.
5 1.4 Các ứng dụng chính của thủy vân Ứng dụng của thủy vân được kể đến như: kiểm soát sao chép, bảo vệ bản quyền, xác thực tính toàn v n của ảnh số... 1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Trong nước đã có một số bài báo và luận án tiến sĩ về giấu tinh và thủy vân song chủ yếu là thủy vân bền vững, các lược đồ thủy vân sử dụng khóa bí mật. Trên thế giới hàng năm diễn ra hội nghị thường niên về phát hiện ảnh giả mạo và thủy vân số IWDW – International Workshop on Digital forensics and Watermarking, các bài được nhà xuất bản Springer đăng trên Lecture Notes in Computer Sciences. Để đơn giản, luận án khảo sát các lược đồ thủy vân theo các hướng nghiên cứu hiện hành. 1.5.1 Giấu tin và thủy vân trên miền không gian ảnh Nhóm các phương pháp này trình bày trên ảnh nhị phân song hoàn toàn có thể áp dụng trên ảnh xám cũng như ảnh màu bằng cách tách các bít thấp để tạo thành các ma trận nhị phân. Ưu điểm của nó là tốc độ tính toán thấp và dễ vỡ nên thường được áp dụng cho vấn đề giấu tin mật hoặc xác thực tính toàn v n dữ liệu. 1.4.1.1 Giấu tin, thủy vân ự vào tính hẵn lẻ Năm 1998, M.Wu và J.Lee đã đề xuất lược đồ nhúng tin đơn giản trên ảnh nhị phân dựa vào tính chẵn lẻ (gọi tắt là thuật toán WL) và được nhiều công trình trích dẫn [54]. Năm 2000, Y. Cheng và các đồng sự [80] đã mở rộng thuật toán WL để nhúng được tối đa r bít trên một khối phần tử chỉ thay đổi 2 phần tử ( ⌊ ⌋) 1.4.1.2 Giấu tin và thủy vân ự theo ỹ thuật hèn bít thấp Kỹ thuật này dựa trên nhận xét nếu chỉ thay đổi bít thấp thì mắt thường không phát hiện được sự biến đổi của ảnh. Kỹ thuật này chèn thông tin bí mật vào bít thấp của điểm ảnh 8 bít. Lược đồ tiêu biểu sử dụng kĩ thuật này F5 do Andress Westfeld đề xuất năm 1999, Jsteg do J. Fridrich và đồng sự [37] đề xuất năm 2003,.. Ưu điểm của phương pháp này là nhúng được nhiều (ảnh màu nhúng được 3 bít). Hạn chế lớn nhất của nó là dễ dàng bị phát hiện ảnh có chứa tin bằng phương pháp thống kê do ảnh chứa tin bị biến đổi histogram, cũng như phương pháp này không bền vững trước phép biến đổi hình học. Lược đồ nhúng tin và thủy vân dựa trên kỹ thuật chèn bít thấp hay sử dụng tính chất chẵn lẻ đều có tính chất dễ vỡ nên thường được sử dụng trong các lược đồ thủy vân dễ vỡ.
6 1.5.2 Giấu tin, thủy vân trên miền biến đổi ảnh Để có được các lược đồ thủy vân bền vững hơn người ta sử dụng các phép biến đổi trực chuẩn DCT, DWT, DFT, SVD, QR...trong lược đồ thủy vân. 1.5.3 Thủy vân dễ vỡ Thủy vân dễ vỡ [4], [5], [34], [36], [45] là loại thủy vân mà thủy vân dễ dàng bị biến dạng nếu ảnh bị tấn công dù là ảnh thay đổi nhỏ. Dựa vào sự biến đổi đó của thủy vân để kết luận ảnh đã bị truy cập trái phép, cũng như tính toàn v n của ảnh. Nếu ảnh bị biến đổi thì xác định vùng nào của ảnh bị thay đổi. Thủy vân này thường sử dụng kỹ thuật nhúng trên miền không gian ảnh và được ứng dụng trong bài toán xác thực tính toàn v n của ảnh. 1.5.4 Thủy vân bền vững Trái với thủy vân dễ vỡ, thủy vân bền vững là loại thủy vân mà đòi hỏi thủy vân phải tồn tại bền vững trước các phép tấn công thông thường nhằm loại bỏ dấu thủy vân (nén JPEG, thêm nhiễu, lọc, xoay, cắt xén, làm mờ, thay đổi kích thước, thay đổi sáng tối, thay đổi tương phản)…, hoặc trong trường hợp loại bỏ được thủy vân thì ảnh sau khi bị tấn công cũng không còn giá trị sử dụng. Thủy vân bền vững [3], [6], [63], [73], [83] phổ biến thực hiện nhúng thủy vân trên miền biến đổi. Các miền biến đối thường được thực hiện thông qua những phép biến đổi như DCT (discrete Cosine transform) [4], [33], [56], SVD (singular value decomposition) [8], [40], [54], [58], [54], [60], [73], DWT (discrete wavelet transform) [6], QR (quick responsion) [31] hoặc kết hợp các phép biến đổi trên [9], [15], [23], [31], [54], [72] để tạo ra các lược đồ mới. Luận án sử dụng phép biến đổi SVD vì phép biến đổi này gần đây được nghiên cứu và ứng dụng nhiều. Phép biến đổi SVD như sau: Mọi ma trận thực A cấp cho trước luôn khai triển được thành tích của ba ma trận thực như sau [28, trang 448]: Trong đó : U là ma trận trực chuẩn cấp V là ma trận trực chuẩn cấp D là ma trận đường chéo cấp có tính chất: D(1,1)≥D(2,2)≥...≥D(s,s) ≥ 0, với s=min {m,n}. 1.5.5 Thủy vân khóa công khai Hầu hết các lược đồ đã trình bày là lược đồ thủy vân khóa bí mật [47], [52], [58], [62], [65], [83]. Các lược đồ này sử dụng chung một khóa bí mật cho cả hai quá trình nhúng và kiểm tra dấu thủy vân (Khóa
7 K2=K trong các Hình 1.2 – Hình 1.5). Vậy nên cần phải có công đoạn trao đổi khóa giữa người nhúng và người kiểm tra dấu thủy vân. Việc giữ bí mật thông tin về khóa gặp không ít khó khăn. Tuy nhiên, hạn chế này sẽ được giải quyết nếu sử dụng mô hình thủy vân khóa công khai. Đối với thủy vân khóa công khai [33], [59], [78], [79], [81] người ta dùng hai khóa, khóa bí mật K được sử dụng trong quá trình nhúng dấu thủy vân còn ở giai đoạn kiểm tra dấu thủy vân thì dùng khóa công khai K2. Đối với đồ thủy vân bền vững khóa công khai có các hướng trải phổ, sử dụng dãy giả ngẫu nhiêu; Đối với thủy vân dễ vỡ khóa công khai người ta áp dụng lược do Kim đề xuất năm 2004. 1.5.6 Thủy vân thuận nghịch Các lược đồ thủy vân trên hầu hết đều là các lược đồ thủy vân không thuận nghịch. Thủy vân thuận nghịch là loại thủy vân mà bên cạnh việc khôi phục thủy vân lược đồ còn cho phép phục hồi lại ảnh gốc. Gần đây, thủy vân thuận nghịch được nghiên cứu nhiều vì khả năng ứng dụng của nó trong thực tế, đặc biệt trong y tế, quân sự, an ninh cũng như trong giáo dục. Các phương pháp thủy vân thuận nghịch đều tuân theo nguyên tắc là tồn tại phép biến đổi ngược. Một số phương pháp thủy vân thuận nghịch: sử dụng đặc trưng nén [11], [17], [67], dịch chuyển histogram [30], [68], [85] mở rộng hiệu [5], [22], [39], [42], [47], [51], [78], dự báo [24], [25] hay kết hợp các phương pháp trên [10], [20]. 1.5.7 Thủy vân không (zero watermarking) Thủy vân truyền thống thực hiện nhúng thông tin quan trọng vào trong ảnh để bảo vệ ảnh hay xác thực tính toàn v n của ảnh. Điều này làm ảnh hưởng ít nhiều đến chất lượng ảnh. Thường thì người ta phải chấp nhận giảm một chút về độ bền vững, hay phải trả giá về tính dễ vỡ để được chất lượng ảnh thủy vân phù hợp. Thủy vân không sẽ giải quyết được vấn đề đó nhờ vào việc thủy vân nhưng không phải nhúng bất cứ thông tin nào vào trong ảnh. Vậy làm thế nào để bảo đảm được bản quyền của người sở hữu cũng như xác thực được ảnh đó có bị truy nhập trái phép. Đặc điểm của thủy vân rỗng là tìm ra đặc trưng bền vững của ảnh, đặc trưng đó có thể được lưu trữ hoặc kết hợp với thông tin bí mật để làm thủy vân làm bằng chứng trong quá trình kiểm định bản quyền hay xác định tính toàn v n của ảnh. Nhược điểm của loại thủy vân này là tính bền vững của lược đồ phụ thuộc vào phương pháp trích chọn đặc trưng của ảnh. Một số phương pháp trích chọn đặc trưng như DCT, SVD, QR, DWT hay kết hợp các phép biến đổi này [6], [67], [68], [82], [83].
8 1.6 Tham số đánh giá lƣợc đồ thủy vân PSNR: Hệ số này để đánh giá chất lượng ảnh thủy vân được tính theo công thức: ( ) (1.1) √ Trong đó MAX là giá trị cực đại của điểm ảnh và MSE được xác định theo công thức: ∑ ∑ (1.2) ERR: là tỷ lệ sai khác giữa thủy vân trích được W* so với thủy vâ gốc W được tính theo công thức: ∑ | | (1.3) Lược đồ nào có ERR càng nhỏ chứng tỏ lược đồ đó càng bền vững. 1.7 Kết luận chƣơng 1 Chương này tìm hiểu các kiến thức nền về thủy vân: khái niệm về thủy vân, giấu tin; các tính chất quan trọng của lược đồ thủy vân; ứng dụng của thủy vân; các hướng nghiên cứu; nguyên tắc xây dựng lược đồ thủy vân; khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Các công trình nghiên cứu về thủy vân hiện nay đều hướng đến mục tiêu là xây dựng thành công hệ thống thủy vân thỏa mãn tốt nhất các yêu cầu cơ bản của hệ thống thủy vân như chất lượng ảnh thủy vân tốt, khả năng nhúng cao, độ phức tạp tính toán thấp, tính an toàn cao… đã nêu trong Mục 1.2. Luận án tập trung khảo sát, nghiên cứu các lược đồ thủy vân hiện hành nhằm cải tiến, xây dựng các lược đồ thủy vân khóa công khai và lược đồ thủy vân thuận nghịch có chất lượng ảnh thủy vân tốt, độ phức tạp tính toán thấp hơn cũng như nâng cao khả năng nhúng. Đây là hai hướng nghiên cứu mang tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và có khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn. Phần tiếp theo luận án sẽ nghiên cứu thủy vân bền vững trên phép biến đổi SVD ở chương 2, thủy vân thuận nghịch dựa trên phép mở rộng hiệu của dãy véc tơ điểm ảnh và thủy vân dễ vỡ khóa công khai ở chương 3.
9 CHƢƠNG 2 THỦY VÂN BỀN VỮNG DỰA TRÊN KHAI TRIỂN SVD Thủy vân bền vững là một trong những giải pháp hữu hiệu cho bài toán bảo vệ bản quyền. Quá trình nhúng thủy vân và kiểm tra bản quyền của các lược đồ thủy vân bền vững thường được thực hiện trên miền biến đổi nhờ các phép biến đổi. Luận án chọn phép biến đổi SVD (Singular Value Decomposition) vì các lý do sau: SVD là phép biến đổi linh hoạt có thể phân hoạch một ma trận thành tích các ma trân vuông hay chữ nhật trong khi DCT và DWT chỉ cho phép chia ảnh thành các ma trận vuông; Phép biến đổi SVD tập trung năng lượng nên có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: giấu tin, nén ảnh, trích chọn đặc trưng, thủy vân.... Nội dung của chương này sẽ trình bày phép khai triển SVD; Ứng dụng SVD trong trích chọn đặc trưng bền vững và trong thủy vân ảnh; Các cải tiến để việc trích chọn đặc trưng là bền vững hơn; Đề xuất lược đồ thủy vân bền vững khóa công khai có chất lượng ảnh tốt và độ phức tạp tính toán thấp. 2.1 Thủy vân dựa trên khai triển SVD Phép biến đổi SVD được dùng khá phổ biến để xây dựng các lược đồ thủy vân [8], [15], [16], [40], [57], [59]. Mỗi lược đồ thủy vân gồm hai quá trình: quá trình nhúng thủy vân và quá trình kiểm tra thủy vân. Ở quá trình nhúng thủy vân: đầu tiên ảnh gốc được phân hoạch thành các khối con. Mỗi khối con sẽ được khai triển SVD và một bít thủy vân sẽ nhúng trên mỗi khối con đó. Tiếp theo, thực hiện phép biến đổi SVD ngược để nhận được khối ảnh con mới. Cuối cùng, ghép các khối ảnh con đó để nhận được ảnh thủy vân. Ở giai đoạn kiểm tra thủy vân, người ta cũng chia ảnh thành các khối con như trong quá trình nhúng thủy vân. Tiếp theo, mỗi khối con sẽ được áp dụng phép biến đổi SVD rồi trích ra bít thủy vân đã nhúng. Dựa vào dãy bít trích được để kết luận ảnh nhận được có thuộc sở hữu của tác giả hay không. Có hai hướng nghiên cứu chính xây dựng các lược đồ thủy vân dựa theo phép biến đổi SVD. Hướng thứ nhất: việc nhúng và trích dấu thủy vân vào m t ận đ ờng héo D, ụ thể là t n phần tử D(1,1) như trong [59], hay trên một số phần tử của D như trong [72], [74], hoặc dựa vào toàn bộ ma trận D như trong [15], [57]. Hướng thứ 2: việc nhúng và trích dấu thủy vân vào các phần tử trên cột thứ nhất của ma trận U hoặc V như trong [16], [40]. Ngoài ra, một số tác giả kết hợp phân tích SVD với một số phương pháp khác như DCT, QR, DWT…để tạo ra các lược đồ thủy vân mới như trong [9], [23], [31], [52], [69]. Trong số các lược đồ SVD mà việc nhúng – kiểm tra thủy vân được thực hiện D thì lược đồ do Sun
10 và các đồng sự đề xuất (SunSVD) được nhiều người tham chiếu [59], hay nhúng – trích trên cột 1 của U hoặc V, thì các lược đồ được đề xuất bởi Chung [40] cùng các đồng sự(ChungSVD) và C.C.Lai [16] (LaiSVD) là khá tiêu biểu. Ngoài ra một số lược đồ tiếp cận theo phương pháp kết hợp khai triển SVD với một số phép biến đổi khác như DCT, DWT [67], [82]. Theo ChungSVD, ảnh gốc được chia thành các khối không giao nhau sau đó khai triển SVD rồi nhúng một bít trên mỗi khối dựa vào U(2,1) và U(3,1). Để tăng cường chất lượng ảnh thì LaiSVD đã cải tiến bằng cách đưa ra tiêu chuẩn chọn khối theo entropy rồi nhúng trên những khối được chọn. Ngoài ra, lược đồ này còn kết hợp SVD với phép biến đổi DCT để nâng cao độ bền vững. Khi nhúng, LaiSVD dựa vào U(3,1) và U(4,1) thay vì U(2,1) và U(3,1) như ChungSVD. 2.1.1 Nhận xét - Trường hợp dấu thủy vân cần nhúng là ít so với khả năng nhúng thì việc lựa chọn khối nào để nhúng sao cho khả năng che dấu tốt. Lược đồ LaiSVD có đưa ra tiêu chuẩn chọn khối theo entropy nhưng hiệu quả chưa rõ rệt. - Hầu hết các lược đồ chỉ dùng D(1,1) hay U(1) để nhúng và kiểm tra thủy vân, tuy nhiên bài toán khai triển SVD vẫn phải thực hiện tìm D(i,i) và U(i) tương ứng, i=1,2...,s nên độ phức tạp tính toán lớn. 2.2 Các đề xuất 2.2.1 Đề xuất tính độ đan xen Ý tưởng sử dụng độ đan xen màu để nâng cao chất lượng ảnh thủy vân dựa trên nhận xét: việc nhúng tin trên khối ảnh có kết cấu màu phức tạp (gồm nhiều miền con có màu sắc khác nhau) sẽ khó phát hiện hơn so với việc giấu tin trên khối ảnh có kết cấu đơn giản. Độ đan xen màu là một cách lượng hóa mức độ phức tạp kết cấu màu của khối ảnh, cho phép chọn các khối ảnh thích hợp nhất để nhúng tin nhằm nâng cao chất lượng ảnh thủy vân. Đánh giá độ đan xen màu của khối ảnh được xác định như sau: Giả sử A là khối ảnh có kích thước m×n. Ta có thể xem hai điểm ảnh A(i,j) và A(i,j+1) là phân biệt nhau nếu |A(i,j)-A(i,j+1)|>  . Qua khảo sát ngưỡng phân biệt màu  có giá trị trên 4, trong chương trình  được chọn bằng 5. Gọi g là hàm đan xen của hai mầu m1 và m2 | |  g(m1,m2)={ Độ đan xen màu của khối ảnh A ký hiệu là hc(A) và được tính như sau :
11 m n hc(A)=  h ( A)   c ( A) i 1 i j 1 j Trong đó, ∑ ∑ hc(A) là tổng số sai khác màu giữa hai điểm ảnh liên tiếp nhau theo hàng và theo cột. 2.2.2 Cách tìm trực tiếp D(1,1), U(1), V(1) Đặt Ai= Ii IiT, Ai ≥ 0, Do Ui và Vi trực chuẩn nên từ (4.1) suy ra: Ai=UiDi2UiT Nhân cả hai vế với ma trận Ui sẽ được: AiUi= UiDi2 Suy ra: AiUi(1)= Di2(1,1) Ui(1) Như vậy,theo định nghĩa về giá trị riêng và véc tơ riêng, Di2(1,1) là giá trị riêng lớn nhất và Ui(1) là véc tơ riêng đã được chuẩn hóa tương ứng của Ai. Tương tự, nếu đặt Bi= IiT Ii, Bi ≥ 0, thì Di2(1,1) là giá trị riêng lớn nhất và Vi(1) là véc tơ riêng chuẩn hóa tương ứng của Bi. Từ đó suy ra việc xác định Di2(1,1), Ui(1), Vi(1)có thể quy về bài toán tìm giá trị riêng lớn nhất và véc tơ riêng tương ứng của ma trận không âm (g i là bài toán giá t ị i ng lớn nhất) 2.2.3 Lược đồ thủy vân đề xuất SVD3 Quá trình nhúng thủy vân: B ớ 1 Chia ảnh gốc I thành các khối con không giao nhau kích thước m×n. B ớc 2: Tìm (1,1), (1) và (1) bằng cách tìm nghiệm của các trận không âm và . B ớ 3 Nhúng vào { } hoặc { } Nếu khóa nhúng vào { } ngược lại thì nhúng vào cặp { }. Dưới đây trình bày việc nhúng vào { } (việc vào { } được thực hiện tương tự). + Tính và ,
12 ⌊ ⌋. + Hiệu chỉnh để thỏa mãn . Khi đó, ta nhận được . + Tìm + Biến đổi thành and : B ớ 4 Tìm 1,1 1 1,1 1 Quy trình kiểm tra thủy vân: Đầu tiên, chia ảnh được thành các khối con như quá trình nhúng. B ớ 1 Tính các ma trận: là các vector riêng tương ứng với giá trị riêng lớn nhất của ma trận không âm và được xác định như Mục 2.2.2.2. B ớ 2 Bít được trích theo công: If then If then Tính : ⁄ ⌊ ⌋ = Bước 3: Tính ∑ | |. Nếu Err
13 dùng phương pháp giải bài toán giá trị riêng lớn nhất thay vì phải khai triển SVD nhằm giảm độ phức tạp tính toán. 2.3 Trích chọn đặc trƣng đề xuất dựa vào khai triển SVD SVD không chỉ được dùng trong các lược đồ nhúng tin mà còn được sử dụng trong các thuật toán nén ảnh hay trích chọn dữ liệu. Phần này giới thiệu các phương pháp trích chọn đặc trưng sử dụng phân tích SVD kết hợp với phép biến đổi DWT của Yaxun Zhou cùng đồng sự đề xuất [82] và lược đồ của T.Ye [68] kết hợp khai triển SVD với phép biến đổi DCT. Thực nghiệm cho thấy, đặc trưng được trích chọn theo các thuật toán [68], [82] là bền vững trước một số phép tấn công biến đổi ảnh. Để bền vững hơn [68], [82], luận án đưa thêm vùng đệm T vào trong công thức trích chon đặc trưng để nếu ảnh bị tấn công thì vẫn trích chọn được chính xác các đặc trưng của ảnh. Tiếp đó, phương pháp trích chọn đặc trưng đề xuất sẽ được sử dụng trong lược đồ thủy vân bền vững khóa công khai mở rộng mô hình thủy vân dễ vỡ khóa công khai [80], [81]. Việc trích chọn đặc trưng trong [68], [82] đều dựa vào mối quan hệ so sánh trực tiếp của hay . Nếu ảnh bị tấn có thể quan hệ so sánh đó sẽ không còn thỏa mãn dẫn đến việc trích chọn đặc trưng của ảnh thủy vân sau biến đổi sai lệch so với đặc trưng của ảnh gốc. Giải pháp luận án đề xuất là tạo ra một vùng đệm T để tăng tính bền vững của phương pháp trích chọn đặc trưng ảnh. Hơn nữa, việc trích chọn đặc trưng của Y. Zhou và đồng sự cũng như thuật toán đề xuất chỉ dựa vào giá trị lớn nhất của ma trận đặc trưng nên có thể dùng lời giải của bài toán tìm giá trị riêng lớn nhất và véc tơ riêng tương ứng của ma trận không âm để tìm trực tiếp (Mục 2.2) thay vì khai triển SVD nhằm giảm độ phức tạp tính toán. Dưới đây là chi tiết của thuật toán trích chọn đăc trưng đề xuất. B ớ 1 Chia I thành các khối con không giao nhau kí kiệu là , giả sử có k khối con. B ớ 2 Tìm trực tiếp bằng cách áp dụng thuật toán nêu ở Mục 2.2 thay vì khai triển SVD. B ớ 3 Xác định đặc trưng B theo công thức dưới đây: Nếu | | thì B(i)=1 ngược lại thì B(i)=0, trong đó ⌊ ⌋ Luận án sử dụng thuật toán trích chọn đặc trưng đề xuất để xây dựng mô hình thủy vân bền vững khóa công khai.
14 2.4 Đề xuất mô hình thủy vân bền vững khóa công khai dựa theo khai triển SVD Phần này sử dụng mô hình thủy vân khóa công khai của lược đồ thủy vân dễ vỡ [31], [32] để xây dựng mô hình thủy vân bền vững bằng thuật toán trích chọn đặc trưng bền vững cũng như thuật toán nhúng dữ liệu và trích thông tin bền vững. Dưới đây là chi tiết của quy trình nhúng thủy vân và quy trình kiểm tra bản quyền. 2.4.1 Thuật toán nhúng thủy vân Cho ảnh gốc , ảnh thủy vân được xác định theo các bước như sau: B ớc 1: Phân hoạch ảnh thành hai phần và , sẽ được dùng để tạo dấu thủy vân, là vùng được nhúng dấu thủy vân. B ớ 2: Tạo dấu thủy vân W Trích chọn đặc trưng của vùng như Mục 2.4.3 để thu được chuỗi bít nhị phân kí hiệu là W, giả sử W có độ dài là k. B ớ 3: Nhúng dấu thủy vân W vào theo thuật toán nhúng dữ liệu đã trình bày ở Mục 2.3.2 để nhận được vùng ảnh . B ớ 4: Tạo ảnh thủy vân bằng các ghép và . 2.4.2 Thuật toán xác định bản quyền của ảnh Trong quá trình truyền tải, ảnh thủy vân có thể bị tấn công thành ảnh Thuật toán kiểm tra ảnh liệu thuộc bản quyền của tác giả có ảnh được thực hiện theo các bước sau: B ớ 1: Phân hoạch ảnh thành hai miền và như Bước 1 của thuật toán nhúng thủy vân. B ớ 2: Trích từ theo thuật toán trích dữ liệu đã trình bày ở Mục 2.2. B ớ 3: Từ dãy trích chọn được cái đặc trưng theo thuật toán nêu ở Mục 2.3 kí hiệu là . B ớ 4: Kiểm tra bản quyền Tính Nếu thì kết luận ảnh thuộc bản quyền của tác giả có ảnh và ngược lại thì kết luận ảnh không thuộc bản quyền của tác giả có ảnh . 2.5 Kết luận chƣơng 2 Thủy vân bền vững là một trong các lĩnh vực được nhiều nhà khoa học quan tâm nhằm giải quyết vấn nạn vi phạm bản quyền. Chương này đã trình bày một số lược đồ thủy vân dựa theo phép khai triển SVD. Đón góp của chương này làvđề xuất các lược đồ thủy vân đã được với mục tiêu cải thiện chất lượng ảnh, giảm độ phức tạp tính toán và nâng cao
15 tính an toàn của hệ thống thủy vân. Các kết quả thử nghiệm cho thấy các lược đồ đề xuất đều đạt được mục tiêu đề ra bằng các giải pháp: - Đề ra tiêu chuẩn chọn khối ảnh có độ đan xen cao và chỉ nhúng thủy vân trên các khối có độ đan xen cao đã được lựa chọn. Nhờ vậy mà chất lượng ảnh được nâng cao. Kết quả nghiên cứu này là bài báo số 1 trong danh mục các trình công bố của tác giả. - Nhằm giảm độ phức tạp tính, thay vì khai triển SVD như các lược đồ trước đó thì các lược đồ đề xuất thực hiện tính trực tiếp các phần tử dùng trong quá trình nhúng – kiểm tra thủy vân. Kết quả nghiên cứu này là bài báo số 2, 4 và 7 trong danh mục các trình công bố của tác giả. - Luận án cải tiến thuật toán trích chọn đặc trưng dựa trên khai triển SVD để trích chọn được đặc trưng bền vững hơn, từ đó xây dựng mô hình thủy vân bền vững khóa công khai dựa trên thuật toán đã đề xuất khả dụng trong thực tiễn. CHƢƠNG 3. THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH VÀ THỦY VÂN DỄ VỠ TRÊN ẢNH JPEG Thủy vân dễ vỡ là thủy vân mà nếu có một tác động nhỏ nào đó lên ảnh thì thủy vân đã nhúng vào trong ảnh sẽ bị biến đổi [36]. Loại thủy vân này được ứng dụng trong bài toán xác thực ảnh để trả lời xác thực ảnh nhận được có bị biến đổi hay không. Nếu ảnh đã bị thay đổi thì cần định vị vùng đó. Thủy vân thuận nghịch [7] cho phép khôi phục ảnh gốc bên cạnh dấu thủy vân cũng thuộc thủy vân dễ vỡ. Phần này nghiên cứu thủy vân thuận nghịch dựa trên phép biến đổi nguyên từ đó xây dựng lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa công khai có độ phức tạp tính toán nhỏ và hiệu quả nhúng cao. Một hướng nghiên cứu về thủy vân dễ vỡ cũng được quan tâm là thủy vân trên ảnh JPEG. Chương này đưa ra cải tiến nhằm xây dựng lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa công khai có khả năng nhúng cao hơn cũng như chất lượng ảnh tốt hơn các lược đồ hiện hành. 3.1 Thủy vân thuận nghịch dựa trên mở rộng hiệu của dãy điểm ảnh Hệ thống thủy vân mà có khả năng khôi phục lại ảnh gốc bên cạnh việc phục hồi thông tin đã nhúng [3], [7] là thủy vân thuận nghịch. Thủy vân thuận nghịch là một hướng nghiên cứu được nhiều học giả quan tâm hiện nay bởi sự gia tăng lĩnh vực ứng dụng nó như y học, quân sự, ... Hướng nghiên cứu của thủy vân thuận nghịch được kể đến: dịch chuyển histogram, biến đổi nguyên, mở rộng hiệu, dự báo,… Phương pháp mở rộng hiệu được Tian [36] đề xuất đã đang và vẫn là hướng được nghiên cứu bởi ưu điểm về khả năng nhúng nhiều mà chất lượng ảnh tốt. Theo Tian, ảnh gốc được chia thành các cặp điểm ảnh , với
16 . Với mỗi cặp khả mở nhúng được một bít để nhận được cặp ( ). Cặp được gọi là khả mở nếu . Hướng mở rộng phương pháp là: - Tạo ra nhiều cặp điểm ảnh để nâng cao khả năng nhúng - Cải tiến bản đồ để sao cho không phải dùng bản đồ mà vẫn khôi phục được ảnh. Luận án nghiên cứu và mở rộng thủy vân thuận nghịch theo cách tiếp cận thứ nhất, từ đó xây dựng lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa công khai. 3.1.2 Phép biến đổi Alattar và phép biến đổi Weng cùng các đồng s 3.1.2.1 Phép biến đổi Alattar Phép biến đổi thuận: Cho và dãy . Dãy nhận được từ và theo các bước sau đây: B ớc 1: Xác định dãy : ∑ ̅̅̅̅ ⌊ ⌋ , B ớc 2: Biến đổi thành B ớc 3: Xác định : ∑ ⌊ ⌋ Phép biến đổi nghịch: Cho dãy . Các dãy và dãy được khôi phục theo các bước sau đây: B ớc 1: Biến đổi sang : ∑ ⌊ ⌋, , B ớc 2: Khôi phục B và V từ ⌊ ⌋ Bƣớc 3: Khôi phục dãy theo công thức: ∑ ⌊ ⌋,
17 3.1.2.2 Phép biến đổi Weng Weng thực hiện ý tưởng của Alattar trên n-1 phần tử đầu để nhúng n- 2 bít. 1 bít còn lại sẽ được nhúng theo phương pháp dự báo của điểm cuối dựa vào n-1 phần tử đầu. 3.1.2.3 Nhận xét Dữ liệu B chỉ được nhúng vào U khi tất cả các thành phần của đều nằm trong miền . Do vậy cần kiểm tra điều kiện khả mở hay khả biến trước khi nhúng dữ liệu. Để kiểm tra điều kiện khả mở hay khả biến của dãy U gồm n phần tử cần phải kiểm tra dãy khác nhau đều nằm trong miền tương ứng với trường hợp có thể có của dãy bít cần nhúng độ dài n-1. Để tính mỗi cần thực hiện phép nhân chia (không kể các phép cộng). Để kiểm tra mỗi có thuộc đoạn hay không cần thực hiện phép so sánh. Như vậy, cần thực hiện: phép nhân chia và phép so sánh để xét tính khả mở hay khả biến của một dãy n phần tử. Chẳng hạn, nếu chia ảnh kích thước thành các dãy con độ dài thì số dãy khác nhau có thể có là 32768. Khi đó, để xác định tính khả mở hay khả biến của các một dãy con cần thực hiện: - phép nhân chia - phép so sánh Trong thực tế, lược đồ trên Alattar, Weng và các lược đồ phát triển trên ý tưởng này [20, [22], [42], [48], [51] chỉ thực nghiệm được đối với dãy con 4 phần tử. Với khối có kích thước lớn hơn thì không khả thi trong khi các khối có kích thước càng lớn thì nhúng được càng nhiều. Do vậy, các lược đồ trên không đạt được khả năng nhúng như phân tích lý thuyết. Luận án đề xuất tiêu chuẩn hiệu quả để đánh giá một khối là khả mở hay khả biến, do đó mà giảm đáng kể thời gian tính toán. Vì vậy có thể tiến hành thử nghiệm với khối con có kích thước lớn, do đó mà khả năng nhúng cao của các lược đồ trên và các lược đồ liên quan mới thực sự đạt được trong thực tiễn. 3.1.3 Đề xuất tiêu chuẩn đánh giá khả mở, khả biến của lược đồ Alattar và lược đồ Weng 3.1.3.1 Điều i n hả mở và hả biến ủ l ợ đồ Alattar Định lý 1 (điều kiện khả mở) a. khả mở khi và chỉ khi ⌊ ⌋ ̅̅̅ ⌊ ⌋ b. ⌊ ⌋ ̅̅̅̅ ⌊ ⌋
18 ∑ ∑ Trong đó ̅̅̅̅ ⌊ ⌋ ̅̅̅̅ Định lý 2(điều kiện khả biến) a. ∑ ∑ ⌊ ⌋ ⌊ ⌋ b. khả biến khi và chỉ khi ∑ ∑ ⌊ ⌋ ⌊ ⌋ Trong đó ⌊ ⌋ 3.1.3.2 Điều i n hả mở và hả biến l ợ đồ Weng Định lý 3 (điều kiện khả mở) a. khả mở khi và chỉ khi: ⌊ ̃ ⌋ ⌊ ⌋ ̅̅̅̅̅̅ ⌊ ̃⌋ b. khả mở khi và chỉ khi: ⌊ ̃ ⌋ ̅̅̅̅̅̅ ⌊ ̃ ⌋ . c. khả mở khi và chỉ khi ̅̅̅̅̅̅ ∑ ∑ Trong đó ̅̅̅̅̅̅ ⌊ ⌋ ̃ ̅̅̅̅̅̅ Định lý 4 (điều kiện khả biến) a. khả biến khi và chỉ khi ⌊ ⌋ ⌊̃ ⌋ ⌊̃ ⌋. b. khả biến khi và chỉ khi ∑̃ ⌊̃ ⌋ và ∑̃ ⌊̃ ⌋ c. khả biến khi và chỉ khi ̃ ∑ ∑ Trong đó: ̃ ⌊ ⌋ ̃ ⌊ ⌋ ̅̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅̅ ̃ ⌊ ⌋ ∑ ̃