Trang 84

Chương 7 : Kết quả Watermarking trong miền

wavelets

7.1 Giao diện chương trình

Hình 7.1 trình bày giao diện thực hiện watermarking viết bằng Matlab2007.

Hình 7.1: Giao diện mô phỏng watermarking ảnh số dùng wavelets

7.2 Khảo sát quá trình watermarking trong trường hợp chưa bị tấn công

Trước tiên để thể hiện tính đúng đắn của giải thuật đề xuất. Tác giả tiến hành

một số khảo sát để minh hoạ khả năng thực hiện của chương trình mô phỏng.

Trang 85

Thực nghiệm watermarking với 6 ảnh màu có cùng kích thước 512x512 làm

ảnh gốc bao gồm các ảnh: Lena, Baboon, Pepper, Aztec, Cornell, và SunFlower,

được trình bày ở hình 7.2 với ảnh watermark là ảnh màu Copyright kích thước

50x20. Sử dụng hàm phân tích wavelet Haar, phân tích ở mức phân giải thứ ba,

chọn băng con tần số thấp (thành phần xấp xỉ) để nhúng watermark. Tất cả các

trường hợp cho chỉ số PSNR (bảng 7.1) của các ảnh đều lớn hơn 37dB, sự sai biệt

giữa ảnh đã watermark và ảnh gốc là không nhìn thấy. Tương quan tất cả đều lớn

hơn 0.98 khi chưa có tấn công, vì vậy kỹ thuật watermarking này cơ bản đã thỏa

được hai yêu cầu là tính không nhìn thấy và có độ tin cậy cao. PSNR của ảnh

watermark và ảnh watermark sau khi trích và giá trị tương quan cũng được mô tả

trong bảng 7.2. Tất cả chỉ số PSNR đều lớn hơn 37.9dB và tất cả mức tương quan

đều lớn hơn 0.99 khi chưa có tấn công.

+ =

Ảnh gốc Ảnh Watermark Image Ảnh sau nhúng Watermark

Lena 512x512 Copyright 50x20 Lena 512x512

Hình 7.2 Quá trình nhúng ảnh copyright vào trong ảnh gốc Lena.

Trường hợp Giá trị MSE = 0; PSNR = Inf; Corr = 1 chứng tỏ ảnh sau

watermarking và ảnh gốc là hoàn toàn đồng nhất.

Thực hiện khi trích một ảnh không gắn watermark có tương quan bằng

0.0804 điều này có nghĩa rằng chúng ta không thể trích được watermark khi không

nhúng thông tin watermark vào ảnh gốc.

Trang 86

Bảng 7.1: Ảnh sau khi nhúng watermark tương ứng với 6 ảnh gốc, MSE, PSNR

và các giá trị tương quan với watermark là copyright

Lena Baboon Pepper

Ảnh gốc

Ảnh nhúng

Watermark

MSE 8.1721 8.1476 8.1572

PSNR 43.7787 43.8257 43.820

Correlation 0.999536 0.999457 0.999615

Aztec Cornell SunFlower

Ảnh gốc

Ảnh nhúng

Watermark

MSE 6.25337 8.07786 7.14556

PSNR 44.9749 43.8637 44.3957

Correlation 0.999848 0.999783 0.999849

Trang 87

Bảng 7.2: Ảnh watermark trích, MSE, PSNR và hệ số tương quan với watermark là

Copyright

Ảnh gốc Lena Baboon Pepper Aztec Cornell SunFlower

Watermark

trích

MSE 0 0.034 0 0 0 31.6133

PSNR Inf 67.6212 Inf Inf Inf 37.9373

Correlation 1 0.999998 1 1 1 0.998142

Nhận xét: Các ảnh sau khi nhúng watermark có MSE thấp, PSNR cao

chứng tỏ phương pháp tiếp cận này đáng tin cậy. Ảnh sau khi giấu thông tin không

bị suy giảm chất lượng.

ấ

7.2.1 Khảo sát việc lựa chọn ảnh watermark

Để chứng tỏ tính khách quan của phương pháp đề xuất, kế tiếp lựa chọn

watermark nào phù hợp cho các thử nghiệm tiếp theo. Luận văn tiến hành thực hiện

watermarking với một số ảnh watermark khác nhau vào ảnh gốc là Lena kích thước

512x512.

Bảng 7.3 trình bày kết quả chi tiết các thông số (MSE, PSNR và các giá trị

tương quan) đánh giá quá trình watermarking với trường hợp nhúng 5 ảnh

watermark khác nhau vào ảnh gốc Lena.

Nhận xét: Dựa vào bảng 7.3 nhận thấy rằng mặc dù khi nhúng ảnh copyright

phương pháp thể hiện được chất lượng tốt nhất (MSE=0, PSNR=Inf, Correlation=1)

nhưng đặc trưng của ảnh copyright lại có ít thành phần màu hơn. Do đó luận văn

lựa chọn sử dụng ảnh watermark là square cho các khảo sát tiếp theo vì với ảnh này

PSNR của ảnh trích được cũng cao (41.3226dB).

Trang 88

Bảng 7.3: Ảnh sau khi nhúng tương ứng 5 watermark khác nhau vào ảnh gốc Lena,

MSE, PSNR và các giá trị tương quan.

Ảnh

watermark

H

(16x16)

Square

(30x30)

Copyright

(50x20)

Circle

(33x33)

Pie

(60x40)

Watermark

Ảnh sau

nhúng

Watermark

MSE 6.42498 7.24631 8.1721 6.42498 3.30435

PSNR 44.8573 44.3348 43.8127 44.8573 42.9399

Correlation 0.999185 0.999409 0.999536 0.999185 0.997614

Watermark

sau khi trích

MSE 30.681 14.4993 0 24.4056 31.1349

PSNR 38.0673 41.3226 Inf 39.0611 38.0726

Correlation 0.998242 0.999445 1 0.997209 0.997717

Trang 89

7.2.2 Khảo sát việc lựa chọn kích thước ảnh gốc

Bảng 7.4: Ảnh sau khi nhúng tương ứng 4 ảnh gốc có kích thước khác nhau, MSE,

PSNR và các giá trị tương quan với watermark là Square.

Ảnh gốc Lena

512x512

Flower

640x480

Scence

800x600

Cat

1024x768

Ảnh sau khi

nhúng

MSE 7.24631 6.21736 4.10702 2.66915

PSNR 44.3348 45 46.7667 48.6723

Correlation 0.999409 0.999501 0.999645 0.99981

Watermark

sau khi

trích

MSE 14.4993 15.5048 14.6544 14.5619

PSNR 41.3226 41.0313 41.2423 41.3038

Correlation 0.999445 0.999405 0.999439 0.999442

Nhận xét: theo kết quả liệt kê trong bảng 7.4 chứng tỏ rằng khi nhúng

watermark là ảnh square vào trong các ảnh gốc có kích thước khác nhau cho ra các

kết quả sai khác nhau không nhiều. Tuy nhiên do phương pháp tiếp cận này thiết kế

cho việc nhúng thông tin watermark vào một trong bốn băng con (A, H, V, D) của

mức phân tích wavelet thứ ba của ảnh nên để tăng khả năng chứa watermark nên

lựa chọn ảnh gốc có kích thước vừa phải, do vậy sử dụng ảnh flower (640x480) làm

ảnh gốc cho các khảo sát kế tiếp.

Trang 90

7.2.3 Khảo sát việc lựa chọn băng tần nhúng

Để khảo sát việc lựa chọn băng tần nhúng phù hợp, khảo sát quá trình

watermarking với ảnh gốc là flower kích thước 640x480, ảnh watermark là square

kích thước 30x30, hàm phân tích Haar, mức phân tích wavelet mức 3.

Bảng 7.5: Ảnh sau khi nhúng ảnh square vào ảnh flower, MSE, PSNR và các giá

trị tương quan với các băng tần nhúng khác nhau.

Băng tần

nhúng Xấp xỉ Chi tiết ngang

Ảnh sau

nhúng

Watermark

MSE 6.21736 5.81408

PSNR 44.966 45.2572

Correlation 0.999501 0.999206

Watermark

trích

MSE 15.5048 12.3748

PSNR 40.9974 41.9766

Correlation 0.999405 0.999533

Trang 91

Bảng 7.5 (tiếp theo)

Băng tần

nhúng Chi tiết dọc Chi tiết chéo

Ảnh sau

nhúng

Watermark

MSE 5.81308 5.81387

PSNR 45.258 45.2574

Correlation 0.999206 0.999206

Watermark

trích

MSE 12.4526 12.3574

PSNR 41.9494 41.9827

Correlation 0.99953 0.999534

Hình 7.3 so sánh PSNR của ảnh sau nhúng với ảnh gốc ở các băng tần khác

nhau và tương quan giữa ảnh gốc và ảnh nhúng. Có thể dễ dàng thấy rằng khi PSNR

ở băng tần chi tiết nhỏ tương ứng với hệ số tương quan giữa ảnh gốc và ảnh nhúng

vào lớn. Tuy nhiên khi nhúng ở băng tần này rất dễ bị cảm nhận bằng mắt người.

Nên nếu lựa chọn băng tần chi tiết của ảnh để nhúng watermark vào sẽ ảnh hưởng

đến chất lượng của ảnh cần bảo vệ, vậy nên nhúng watermark vào 3 thành phần còn

Trang 92

lại, ở 3 thành phần này chất lượng ảnh ít sai biệt nhau và từ đây về sau các khảo sát

kế tiếp luận văn lựa chọn nhúng watermark vào băng tần số cao (chi tiết chéo).

(a) (b)

Hình 7.3 : (a) PSNR ; (b) Correlation của ảnh nhúng với các băng tần khác nhau

7.2.4 Khảo sát việc lựa chọn các họ wavelets

Thực hiện quá trình watermarking với ảnh gốc là flower kích thước 640x480,

ảnh watermark là square kích thước 30x30, mức phân tích wavelet mức 3, nhúng ở

băng tần chi tiết chéo.

Bảng 7.6 trình bày cụ thể các ảnh sau khi nhúng ảnh square vào ảnh flower,

MSE, PSNR và các giá trị tương quan của ảnh gốc lẫn ảnh trích với các hàm phân

tích wavelet khác nhau.

38

39

40

41

42

43

44

45

46

A H V D

PS

NR PSNR

PSNR W

0.999

0.9991

0.9992

0.9993

0.9994

0.9995

0.9996

A H V D

Correla

tion

Correlation

Correlation W

Trang 93

Bảng 7.6: Ảnh sau khi nhúng ảnh square vào ảnh flower, MSE, PSNR và các giá

trị tương quan với các hàm phân tích wavelet khác nhau

Hàm wavelet

haar db1 db2 db3 sym2

Ảnh sau

nhúng

Watermark

MSE 5.81387 5.81387 5.23071 5.2047 5.23071

PSNR 45.2574 45.2914 45.7504 45.7721 45.7504

Correlation 0.999206 0.999206 0.999285 0.999288 0.999285

Watermark

trích

MSE 12.3574 12.3574 195.595 407.817 195.595

PSNR 41.9827 42.0167 30.0224 26.8314 30.0224

Correlation 0.999534 0.999534 0.994709 0.986684 0.994709

Hàm

wavelet sym4 bior1.1 bior1.3 rbio1.1 rbio1.3

Ảnh sau

nhúng

Watermark

MSE 5.17966 5.81387 5.41375 5.81387 5.76544

PSNR 45.793 45.2914 45.601 45.2914 45.3277

Correlation 0.999292 0.999206 0.99926 0.999206 0.999212

Watermark

trích

MSE 359.077 12.3574 317.157 12.3574 299.789

PSNR 27.3841 42.0167 27.9233 42.0167 28.1679

Correlation 0.988781 0.999534 0.988953 0.999534 0.989852

Trang 94

Hình 7.6 so sánh PSNR của ảnh sau nhúng và giá trị tương quan của ảnh

trích khi thực hiện watermarking với các các hàm wavelets khác nhau: Haar, db1,

db2, db3, sym2, bior1.1, bior1.3, nhận thấy rằng khi nhúng watermark với các họ

Haar, db1, bior1.1 cho kết quả tốt nhất.

(a)

(b)

Hình 7.4: (a) PSNR ; (b) Correlation ảnh nhúng tương ứng với các hàm

wavelets khác nhau: Haar, db1, db2, db3, sym2, bior1.1, bior1.3

Nhận xét: Với phương pháp tiếp cận mà tác giả lựa chọn, nhận thấy rằng chất

lượng watermarking của các họ wavelet khác nhau ảnh hưởng kết quả của quá trình

watermarking, tuy nhiên với họ wavelet nào ta cũng trích được ảnh watermark đã

được nhúng do đó vẫn thoả mãn mục đích là xác minh bản quyền ảnh số. Do vậy để

đảm bảo tính bảo mật ta nên tuỳ chọn thay đổi loại họ wavelet trong quá trình thực

hiện trong thực tế.

0.9820.9840.9860.9880.99

0.9920.9940.9960.998

11.002

Haa

r

DB1

DB2

DB3

SYM2

SYM4

BIOR1.

1

BIOR1.

3

R B

IOR1.

1

R B

IOR1.

3

Co

rrela

tio

n

Correlation

CorrelationW

0

10

20

30

40

50

Haa

rDB1

DB2

DB3

SYM2

SYM4

BIOR1.

1

BIOR1.

3

R B

IOR1.

1

R B

IOR1.

3

PS

NR PSNR

PSNRW

Trang 95

Tóm lại: Để thoả mãn tính không nhìn thấy, tính bền vững, khi thực hiện

watermarking nên nhúng ảnh watermark vào ảnh gốc ở băng tần chi tiết chéo, mức

phân tích wavelet thứ 3, hàm haar, db1, hay bior1.1.

7.3 Khảo sát ảnh sau watermarking bị tấn công

7.3.1 Tấn công bằng nén JPEG

Bảng 7.7 trình bày MSE, PSNR và tương quan giữa watermark và watermark

trích sau khi tấn công JPEG với các tỉ số nén từ 10% đến 90% với ảnh gốc là flower

kích thước 640x480, dung lượng ảnh là 900KB. Ảnh square là watermark nhúng ở

băng tần chi tiết mức 3 họ wavelet Haar. Watermark trích có thể nhận biết được

thậm chí khi tỉ lệ nén là 90%.

Bảng 7.7: Ảnh trích, MSE, PSNR và tương quan giữa watermark trích và

watermark sau khi tấn công JPEG với các tỉ lệ nén khác nhau của ảnh gốc flower,

watermark là square.

Tỉ lệ nén

JPEG 0% 10% 20% 30% 40%

Watermark trích

MSE 15.5048 34.0933 99.8767 15.5048 409.097

PSNR 41.0313 37.6093 32.9414 41.0313 26.8177

Correlation 0.999405 0.998738 0.996355 0.999405 0.98524

Tỉ lệ nén

JPEG 50% 60% 70% 80% 90%

Watermark trích

MSE 604.065 838.671 1276.41 1652.95 1972.16

PSNR 25.1252 23.7001 21.8761 20.7534 19.9866

Correlation 0.977915 0.969095 0.952512 0.936972 0.923

Trang 96

7.3.2 Tấn công bằng nén JPEG2000

JPEG dựa trên biến đổi DCT, còn JPEG2000 dựa trên cơ sở biến đổi

wavelet. Sau đây xét những tấn công bằng nén JPEG2000 với các tỉ lệ nén từ 10 đến

90%. Bảng 7.8 trình bày chi tiết các kết quả đạt được. Nhận xét các watermark trích

vẫn được giữ lại dưới tỉ số nén cao.

Bảng 7.8: Ảnh trích, MSE, PSNR và tương quan giữa watermark trích và

watermark sau khi tấn công JPEG2000 với các tỉ lệ nén khác nhau của ảnh gốc

flower, watermark là square.

Tỉ lệ nén

JPEG2000 0% 10% 20% 30% 40%

Watermark trích

MSE 15.5048 20.8426 24.3385 27.0274

28.2922

PSNR 41.0313 39.7465 39.0731 38.618

38.4193

Correlation 0.999405 0.999224 0.999106 0.999003

0.998967

Tỉ lệ nén

JPEG2000 50% 60% 70% 80% 90%

Watermark trích

MSE 29.9774 31.6378 32.3178 33.0752 33.7067

PSNR 38.1681 37.934 37.8416 37.741 37.6589

Correlation 0.998904 0.998844 0.998821 0.998791 0.998762

Dựa vào bảng 7.8 và hình 7.5 nhận thấy rằng với tấn công bằng cách nén ảnh

nhận thấy rằng khi nén với tỉ lệ cao nén JPEG2000 cho chất lượng watermark trích

Trang 97

được rõ ràng hơn với nén JPEG. Vậy phương pháp này phù hợp với các chuẩn nén

do đó có thể ứng dụng trong thực tế khi cần trao đổi thông tin qua mạng ineternet.

(a)

(b)

Hình 7.5: (a) PSNR ; (b) Correlation ảnh nhúng tương ứng với các tỉ lệ

nén JPEG và JPEG2000 khác nhau

7.3.3 Tấn công bằng các thao tác xử lý ảnh

Để chứng tỏ phương pháp cũng bền vững trước các tấn công bằng phép xử lý

ảnh như: Lọc gồm có thao tác làm nhẵn chẳng hạn lấy trung bình hay lọc trung vị

(median) được hình thành làm giảm hiệu ứng giả mạo có thể còn tồn tại ở đường

truyền nghèo. Bảng 7.9 mô tả chi tiết các kết quả khi thực hiện tấn công xử lý ảnh

với ảnh gốc flower ảnh watermark là square. Thực hiện dùng hàm phân tích Haar,

nhúng ở thành phần chi tiết chéo D

0.88

0.90.92

0.940.96

0.981

1.02

0% 10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

Co

rre

lati

on

Correlation JPEG

Correlation JPEG2000

0

10

20

30

40

50

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%

PS

NR PSNR JPEG

PSNR JPEG2000

Trang 98

Bảng 7.9: Ảnh trích, MSE, PSNR và các hệ số tương quan sau khi tấn công một số

tấn công xử lý ảnh

Loại tấn

công

Chưa bị tấn

công Lọc average Lọc median Lọc gauss

Ảnh sau

tấn công

Watermark

trích

MSE 15.5048 199.129 29.613 32.5541

PSNR 41.0313 29.9447 38.2212 37.81

Correlation 0.999405 0.992471 0.998872 0.99876

Loại tấn

công

Chưa bị tấn

công Lọc average Lọc median Lọc gauss

Ảnh sau

tấn công

Watermark

trích

MSE 15.5048 199.129 29.613 32.5541

PSNR 41.0313 29.9447 38.2212 37.81

Correlation 0.999405 0.992471 0.998872 0.99876

Trang 99

Loại tấn

công Sau unsharp

Salt & peper

0.001

Salt & peper

0.002

Salt & peper

0.005

Ảnh sau

tấn công

Watermark

trích

MSE 1772.33 39.3752 59.9422 129.09

PSNR 20.4506 36.9838 35.1587 31.8271

Correlation 0.930351 0.998498 0.997744 0.995251

Loại tấn công

Salt & peper 0.01

Resize 0.9 Resize 0.8 Resize 0.7

Ảnh sau

tấn công

Watermark

trích

MSE 270.556 15075.8 16180.6 17418.9

PSNR 28.6134 11.1532 10.8461 9.3467

Correlation 0.990162 0.458591 0.418262 0.404058

Trang 100

Loại tấn

công Rotate 1

0 Rotate 2

0 Rotate 3

0 Crop

Ảnh sau

tấn công

Watermark

trích

MSE 11774.5 17695.5 20616.3 9878.89

PSNR 12.2266 10.4574 9.79 39 12.9889

Correlation 0.55859 0.378781 0.297164 0.616834

(a)

(b)

Hình 7.6: (a) PSNR ; (b) Correlation ảnh nhúng tương ứng với các tấn

công lọc và tấn công hình học.

PSNR

0

10

20

30

40

50

Chưa bi� t â� n

công

Lọc

Average

Lọc Median Lọc Gauss Sau

Unsharp

Salt & peper

0.005

Resize 0.9 Rotate 10 Crop

Correlation

00.20.40.60.8

11.2

Chư

a b

i�

tâ�n

cô

ng

Lọc

Med

ian

Sau

Uns

harp

Res

ize

0.9 Cro

p

Trang 101

Nhận xét : sau khi thực hiện một số tấn công đối với ảnh đã giấu thông tin

(watermark) nhận thấy rằng phương pháp thực sự hiệu quả với các tấn công bằng

nén JPEG, nén JPEG2000, các thao tác xử lý ảnh khác như lọc nhưng lại kém đối

với các phép biến đổi hình học. Tuy nhiên với các thông số như vậy về cơ bản ta

cũng có thể chấp nhận được vì vẫn trích ra được ảnh đã nhúng.

Trang 102

Kết luận và hướng phát triển

Nhiều phương pháp giấu thông tin đã và đang được nghiên cứu, mỗi phương

pháp có những ưu điểm, nhược điểm và các ứng dụng khác nhau. Phương pháp sử

dụng các bít trọng số nhỏ đơn giản tuy nhiên thông tin giấu không bền vững trước

nhiều hình thức tấn công. Phương pháp gán và sử dụng thuộc tính chẵn lẻ có một số

ưu điểm như đơn giản trong cài đặt, dễ kiểm soát chất lượng môi trường giấu tin, có

độ bền vững cao trước nhiều hình thức tấn công. Phương pháp sử dụng các hệ số

biến đổi (chẳng hạn biến đổi từ miền không gian sang miền tần số như DFT, DCT,

hay wavelets,...) nói chung có tính bền vững cao, tuy nhiên khá phức tạp trong cài

đặt .

Nội dung luận văn đã đề cập đến phương pháp watermarking trong miền

biến đổi Wavelets. Và kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp hiệu quả khi

nhúng thông tin watermark vào trong ảnh màu ở các băng con tần số cao (thành

phần chi tiết) của ảnh gốc. Phương pháp thứ nhất đã đạt được tính không nhìn thấy

vì áp dụng hệ thống nhìn của người bằng cách nhúng watermark vào trong thành

phần chói của ảnh chính là thành phần ít nhạy với mắt người nhất. Thứ hai phương

pháp cũng đạt được tính bền vững thông qua việc thực hiện với một số tấn công mà

luận văn đã đưa ra như mạnh mẽ với các tấn công xử lý ảnh bao gồm lọc, gây nhiễu,

nén thậm chí có thể chịu đựng được cả những tấn công bằng các phép biến đổi hình

học như co dãn hình, xoay hình do tác giả sử dụng phương pháp trích bán mù.

Trong quá trình nhúng tác giả đã viết chương trình lưu lại một số thông tin đặc

trưng về ảnh gốc và ảnh watermark (key) giúp quá trình trích thông tin được chính

xác mà không cần sử dụng ảnh gốc để so sánh nhằm tăng cường tính mạnh mẽ

trước các tấn công cho dù kẻ tấn công biết được giải thuật nhúng và trích vẫn không

thể phá hủy được vì không có key đó. Tuy nhiên đây là đề tài thực hiện mang tính

chất nghiên cứu việc ứng dụng biến đổi wavelets vào kỹ thuật watermarking nên tác

giả viết chương trình cho lựa chọn các băng tần nhúng để mô tả vấn đề rõ ràng

nhưng chính điều này lại hạn chế dung lượng watermark gắn vào. Trong thực tế khi

Trang 103

cần nhúng watermark có dung lượng lớn vào trong ảnh gốc ta có thể kết hợp nhúng

watermark vào trong nhiều thành phần phân tích wavelet như nhúng vào cả 4 thành

phần phân tích mức 3, phức tạp hơn ta có thể nhúng watermark vào cả 10 thành

phần khi ta dùng phân tích wavelet mức 3 (4 thành phần mức 3, 3 thành phần mức 2

và 3 thành phần mức 1) để có được dung lượng lớn hơn nhúng lớn hơn đồng thời có

thể chống lại với các phương pháp tấn công.

Tóm lại khi thực hiện watermarking dù là với phương pháp nào thì cũng cần

dung hòa giữa hai tiêu chuẩn là mức độ cảm nhận watermark trong ảnh đã được

nhúng thông tin và tính mạnh mẽ của watermark trước các loại tấn công nhằm hủy

bỏ watermark nhúng. Thêm vấn đề nữa là để thực hiện watermarking hiệu quả nên

nhúng watermark trong cả hình ảnh, audio và chuỗi video.