1

CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Sự cần thiết của nghiên cứu

Hiện nay, cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư đang diễn ra. Khác với 3

cuộc Cách mạng Công nghiệp trước, không chỉ dừng lại ở tự động hóa sản xuất

và chế tạo sản phẩm, cuộc Cách mạng Công nghiệp lần này đang hứa hẹn làm

thay đổi sâu, rộng thế giới. Hình ảnh, audio, video dường như không còn được

sản xuất và phân phối ở dạng tương tự (analog), hình thức sản xuất và phân

phối ở dạng này có nhiều mặt hạn chế trong đó có hạn chế là có thể gây ra ô

nhiễm môi trường. Thay vào đó, dữ liệu đa phương tiện (multimedia) được sử

dụng, và phân phối phổ biến qua Internet. Có được sự chuyển biến mạnh mẽ

này là nhờ sự phát triển nhanh chóng của máy tính cá nhân (PC), hạ tầng mạng

Internet, công nghệ mạng di động băng thông rộng 3G, 4G và 5G, các thế hệ

điện thoại thông minh (iphone, smart phone), giá của các thiết bị kỹ thuật số

ngày càng rẻ, và khả năng tiếp cận và sử dụng các thiết bị số của người sử dụng

ngày càng phổ biến. Sau những năm 1980, PC có cấu hình ngày càng cao, trong

khi đó giá của PC ngày càng thấp và PC không thể thiếu trong cuộc sống hằng

ngày của mỗi gia đình và mỗi tổ chức, doanh nghiệp. Máy tính cá nhân (hay

thiết bị cầm tay) càng phát huy sức mạnh hơn khi được kết nối vào Internet,

mọi người không cần có kỹ năng đặc biệt về công nghệ thông tin cũng có thể

lướt web bằng cách sử dụng một trình duyệt web (ví dụ Internet Explorer,

Firefox, Google Chrome, Safari,...) để tìm kiếm, thu thập, và tải (download)

thông tin bằng các công cụ tìm kiếm (ví dụ: Google, Bing, Wolfram Alpha,...).

Một khả năng đặc biệt mà chỉ có công nghệ thông tin mới có đó là khả năng sao

chép nhanh, chính xác, không phân biệt được bản sao và bản gốc, không tốn chi

phí. Với đặc điểm này, ngành công nghệ thông tin có giá trị gia tăng rất lớn,

một phần mềm có thể nhân rộng với số lượng bản sao không bị giới hạn. Tuy

nhiên, các ảnh số có giá trị thương mại có bản quyền, các ảnh số có giá trị pháp

lí cũng có thể dễ dàng sao chép và chia sẻ rất nhanh không mấy khó khăn. Sự

sao chép và chia sẻ các nội dung số trong một số tình huống là rất thuận lợi,

2

nhưng trong một số tình huống khác bị xem là phi pháp, phi đạo đức. Mặt khác,

ảnh số cũng có thể dễ dàng thu thập, chỉnh sửa, và làm giả bằng các thao tác

đơn giản bởi những phần mềm xử lí ảnh. Với sự phát triển của công nghệ thông

tin và Internet, dữ liệu số, thông tin số, ảnh số,... bị sử dụng, chia sẻ, sao chép,

làm giả ngày càng nhiều. Hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ thông tin số

thường phân phối các sản phẩm của họ qua Internet, với tình hình vi phạm bản

quyền như hiện nay, sự tổn thất về kinh tế hằng năm là không nhỏ. Đối với các

cơ quan quản lí nhà nước, các cơ sở dữ liệu ảnh số phải đảm bảo bảo mật để

đảm bảo xác thực đúng và chống làm giả mạo. Do đó, chủ sở hữu các dữ liệu số

có nhu cầu bảo vệ dữ liệu số và ngăn chặn việc sử dụng, chia sẻ, làm giả, và

tuyên bố bản quyền trái phép đối với dữ liệu số. Do đó, hoạt động nghiên cứu

để bảo vệ bản quyền nội dung thông tin số được sự quan tâm đặc biệt của cộng

đồng nghiên cứu khoa học, trong đó ngăn chặn sự trộm cắp bản quyền và làm

giả mạo các nội dung số là mục tiêu hàng đầu. Quản lí bản quyền số (Digital

Rights Management) đã được chọn là một trong 10 công nghệ hàng đầu nổi lên

có thể làm "Thay đổi thế giới". Qua đó, cho thấy công nghệ bảo vệ bản quyền

số giữ vai trò rất quan trọng. Để giải quyết vấn đề bảo vệ bản quyền thông tin

số và bảo mật với các cơ sở dữ liệu số, mật mã (cryptography) và watermarking

số (digital watermarking) được sử dụng. Mật mã là một kỹ thuật rất lâu đời

được con người sử dụng trong chiến tranh hoặc trong một số tình huống khác.

Theo thời gian, các kỹ thuật mật mã được cải tiến về mọi mặt về tốc độ, lượng

thông tin ẩn và bảo mật. Tuy nhiên, các hệ thống mật mã truyền thống chỉ cho

phép người giữ mật mã đúng sử dụng, chia sẻ sau khi đã giải mã dữ liệu. Vì thế,

các hệ thống mật mã chỉ có khả năng bảo mật dữ liệu khi dữ liệu chưa được giải

mã, trong khi đó các nhà cung cấp nội dung thông tin số cần giải quyết triệt để

nạn sao chép trái phép. Hạn chế của giải pháp bảo vệ quyền sở hữu dữ liệu ảnh

số bằng mật mã là một khi dữ liệu số đã bị giải mã bởi người không phải là chủ

sở hữu thật sự, thì dữ liệu sẽ khó được bảo vệ và việc theo dõi việc phân phối

bất hợp pháp sẽ khó kiểm soát. Đồng thời, việc chứng minh quyền sở hữu hợp

pháp của chủ nhân thật sự của nội dung số đó là không có cơ sở. Watermarking

có thể khắc phục những hạn chế của kỹ thuật mật mã trong bảo vệ bản quyền

3

nội dung thông tin số. Kỹ thuật watermarking số nhúng thông tin bảo mật trong

dữ liệu chủ. Thông tin này vẫn còn tồn tại ở đó thậm chí cả sau khi tiến trình

giải mã được thực hiện. Trong các nội dung số, ảnh số được sử dụng phổ biến,

video cũng dựa trên sự chuyển động của các khung (frame) ảnh, hơn nữa hầu

hết các cơ sở dữ liệu dùng để xác thực con người cũng dựa trên ảnh số sinh trắc

học. Do đó, watermarking ảnh số thời gian gần đây đã trở thành một trong

những lĩnh vực được quan tâm, nghiên cứu nhiều. Thật vậy, bằng cách sử dụng

cụm từ khóa "Digital Image Watermarking" để tìm kiếm các nghiên cứu trên 2

website chính thức của IEEE và Science Direct cho thấy số lượng nghiên cứu

về lĩnh vực này không ngừng tăng lên, từ giai đoạn 1994 đến 2019, số nghiên

cứu nhiều nhất của 1 năm từ IEEE là 412 và từ Science Direct là 465.

1.2 Đặt vấn đề và hƣớng 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 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

4

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 gốc (watermarking

mù). 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. Hình 1.2 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].

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:

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.

5

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.

Hình 1.2: Quan hệ giữa tính bền vững và tính vô hình

1.3 Các nghiên cứu trƣớc 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 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 gốc [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.

6

1.4 Những đóng góp chính

Nội dung thực hiện và đóng góp chính của luận án có thể tóm tắt như sau:

Đề xuất thuật toán watermarking ảnh số mù, bền vững trong miền

DCT-DWT kết hợp.

Đề xuất thuật toán watermarking ảnh số trong miền curvelets đảm

bảo tính bền vững và tính vô hình.

Đề xuất thuật toán watermarking ảnh số trong miền LP bền vững,

vô hình, độ phức tạp tính toán thấp.

Đề xuất thuật toán watermarking ảnh số màu trong miền curvelet,

contourlet bền vững, vô hình hiệu năng thuật toán cao.

Đề xuất thuật toán watermarking ảnh số mù, vô hình dựa trên sự

kết hợp CNN và DWT có khả năng chống lại nhiều loại tấn công

khác nhau.

Công bố 2 bài báo trên hai tạp chí quốc tế nƣớc ngoài, 1 bài báo

trên tạp chí trong nƣớc, 1 bài báo tại hội nghị quốc tế ở nƣớc ngoài,

3 bài báo tại 3 hội nghị quốc tế trong nƣớc và 1 bài báo tại hội nghị

quốc gia.

1.5 Cấu trúc Luận án

Luận án bao gồm các Chương sau:

Chương 1 Giới thiệu

Chương 2 Tổng quan về kỹ thuật watermarking ảnh số và một số đề xuất giải

thuật nghiên cứu ban đầu

Chương 3 Giải thuật watermarking ảnh số bền vững dựa trên phép biến đổi

Laplacian Pyramid

Chương 4 Kỹ thuật watermarking trong miền biến đổi định hướng curvelet

Chương 5 Kỹ thuật watermarking số hiệu quả cho ảnh màu sử dụng các phép

biến đổi contourlet

Chương 6 Giải pháp watermarking mù bền vững hiệu quả sử dụng mạng nơ-ron

tích chập và miền biến đổi wavelet

Chương 7 Kết luận và hướng phát triển.

7

CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT WATERMARKING ẢNH

SỐ VÀ MỘT SỐ ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU

2.1 Tổng quan về kỹ thuật watermarking

Kỹ thuật watermarking được trình bày rất chi tiết trong các tài liệu [5, 24],

trong phần này chúng tôi sẽ trình này các điểm chính về kỹ thuật watermarking

gồm: vài nét về kỹ thuật watermarking, lịch sử hình thành watermarking, ứng

dụng watermarking, phân loại watermarking, các tham số cơ bản đo lường hiệu

năng của thuật toán watermarking ảnh số.

2.2 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền không gian

Kỹ thuật watermarking trong miền không gian là đơn giản và độ phức tạp tính

toán thấp, bởi vì phép biến đổi ảnh chủ không cần chuyển sang miền tần số.

Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là không bền vững. Dưới các tấn công

vô ý hay cố ý, watermark có thể bị loại bỏ như nén có tổn hao JPEG, bộ lọc

thông thấp. Sau đây là một số thuật toán watermarking cơ bản trên miền không

gian: tách bit có trọng số thấp nhất (LSB), kỹ thuật mã hóa ánh xạ bố cục của

hình ảnh, thuật toán kết nối, kỹ thuật dựa vào sự tương quan. Thuật toán LSB

trong miền không gian được trình bày trong Thuật toán 1.

Thuật toán 1: watermarking LSB trong miền không gian

Giải thuật nhúng

1) Tách ảnh chủ và watermark cùng kích thước thành 8 bit plane.

2) Thay thế các bit plane có trọng số thấp của ảnh chủ bởi các bit plane có

trọng số cao của watermark.

Giải thuật trích

1) Tách ảnh đã nhúng watermark thành 8 bit plane.

2) Lấy các bit plane có trọng số thấp được thay thế trong giải thuật toán nhúng

làm bit plane có trọng số cao của watermark được phục hồi; thêm các plane

rỗng còn thiếu để tái tạo watermark.

8

2.3 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền biến đổi

So với phương pháp watermarking trong miền không gian, phương pháp

watermarking trong miền biến đổi có ứng dụng rộng hơn. Watermark được

nhúng vào phổ của ảnh chủ, vì thế việc nhúng watermark không trực tiếp tác

động đến chất lượng ảnh. Các phép biến đổi được sử dụng phổ biến là biến đổi

cosine rời rạc (DCT), biến đổi wavelet rời rạc (DWT). Bởi vì các hệ số phổ

được trình bày gần với đặc điểm của HVS vì thế watermarking trong miền biến

đổi mang lại hiệu quả cao hơn so với watermarking trong miền không gian [35].

Thuật toán số 2 trình bày các bước watermarking trên miền DCT theo khối

[39, 40]

Thuật toán 2: watermarking ảnh số trên miền DCT theo khối

1) Chia ảnh thành các khối 8x8 không chồng lấn;

2) Áp dụng DCT trên mỗi khối;

3) Lựa chọn các khối theo một số điều kiện nào đó;

4) Lựa chọn các hệ số theo một số điều kiện nào đó;

5) Sửa đổi các hệ số lựa chọn;

6) Áp dụng DCT ngược trên mỗi block.

2.4 Đề xuất giải thuật watermarking trong miền DCT-DWT kết hợp

Nghiên cứu này 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-

DWT, 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 [46].

9

2.5 Các kết quả thực nghiệm của giải thuật watermarking trong miền

DCT-DWT kết hợp

Ảnh xám “Lena” 2.7(a) 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. Kích thước ảnh watermark trong thực

nghiệm này là 16x16 điểm ảnh lớn hơn kích thước ảnh watermark của bài báo

[46] là 15x9 điểm ảnh. Hệ số k (k=15) của thuật toán đề xuất thấp hơn so với hệ

số k (k=32) của bài báo [46]. 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 cụ thể mà

chọn k phù hợp. Qua phương pháp thực hiện watermark trên ta thu được một

ảnh mới 2.7(b) có chất lượng hầu như không thay đổi so với ảnh gốc 2.7(a).

Các hình thức tấn công để thử nghiệm tính bền vững và tính vô hình: nhiễu

Gaussian, 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 2.4. Qua bảng so sánh, ta thấy PSNR của thuật toán

đề xuất PSNRp =45.2036 (dB) lớn hơn PSNR = 43.04 (dB) trong tài liệu [46].

Các tấn công xén (5%), tăng giảm độ sáng có NC bằng nhau giữa thuật toán đề

xuất và [46] 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 [46] khi thể hiện ở hệ số NC thấp hơn.

2.6 Kết luận Chƣơng 2

Trong Chương 2, tổng quan về kỹ thuật watermarking; các phương pháp đo

lường tính vô hình và tính bền vững của thuật toán watermarking; khảo sát các

phương pháp watermarking trong miền không gian và miền biến đổi, đề xuất

các thuật toán watermarking trong miền không gian, miền DCT, miền DWT và

miền DCT-DWT kết hợp được trình bày. Các nội dung về tổng quan kỹ thuật

watermarking và 4 giải thuật đề xuất trong miền không gian, miền biến đổi

DCT, DW, và DCT-DWT kết hợp được trình bày trong Chương 2 đều được báo

cáo tại các hội nghị khoa học [47, 48].

10

CHƢƠNG 3 GIẢI THUẬT WATERMARKING ẢNH SỐ BỀN VỮNG

DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI LAPLACIAN PYRAMID

3.1 Giới thiệu

Các tác giả trong [57] đã đề xuất giải thuật Laplacian pyramid (LP) để trình bày

đa phân giải đối với các tín hiệu hình ảnh. Các lợi thế của giải thuật LP là sự

đơn giản và độ phức tạp tính toán thấp. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số hạn chế

như lấy mẫu không tường minh (implicit oversampling) [58]. Các tác giả trong

[58] đã đề xuất giải thuật LP cải tiến bằng cách khai thác các lợi thế của băng

lọc (filter bank). Giải pháp này đã được chứng minh là hiệu quả hơn phương

pháp truyền thống khi tái tạo tín hiệu trong điều kiện tín hiệu bị suy biến do

nhiễu. Những lợi thế của giải thuật LP cải tiến trong [58] và từ các kết quả

nghiên cứu trước [54,56], Luận án đã phát triển thuật toán watermarking mù

trong miền LP cải tiến mà ở đó phương pháp song trực giao đối xứng

(symmetric bi-orthogonal) và các phương pháp tái tạo mới được sử dụng. Để

cân bằng giữa tính bền vững và tính vô hình, Luận án khai thác tần số thấp và

các vùng tần số giữa để nhúng watermark. Luận án khảo sát nhiều mức và các

hệ số độ lợi (strength factors) để chọn các giá trị thích hợp.

3.2 Giải thuật watermarking mù đƣợc đề xuất dựa trên phép biến đổi

LP cải tiến

Để nhúng watermark vào miền biến đổi LP, ảnh chủ được phân tích thành các

ảnh đa tỷ lệ bởi phép biến đổi LP cải tiến. Bởi vì hệ thống thị giác của con

người (HVS) là rất nhạy với các hệ số tần số thấp, watermark được nhúng vào

các hệ số tần số cao sẽ gia tăng tính vô hình. Tuy nhiên, các tấn công xử lí ảnh

phổ biến thông thường tác động lên tần số cao của các tín hiệu hình ảnh. Vì thế,

tính bền vững được cải tiến nếu watermark được chèn vào các hệ số tấn số thấp.

Cần lưu ý rằng tính bền vững đóng vai trò quan trọng đối với các ứng dụng bảo

vệ bản quyền ảnh số. Sau đây là giải thuật nhúng watermark.

11

3.3 Các kết quả thực nghiệm

Thực nghiệm khảo sát độ lợi và miền nhúng watermark

Các kết quả thực nghiệm mở rộng, so sánh kết quả thực nghiệm

với các thuật toán khác

Chúng tôi đã tiến hành 3 thực nghiệm để đánh giá hiệu năng thuật toán đề xuất.

Giải thuật trong [61] đã được cải tiến trong nghiên cứu này bằng cách sử dụng

sự kết hợp giữa tần số thấp và tần số giữa để nhúng watermark (d5, d4, d3 như

được trình bày trong Hình 3.5 được sử dụng). Hơn nữa, watermark cũng có

kích thước lớn hơn watermark được sử dụng trong [61]. Ảnh chủ được chuyển

đổi vào miền tần số và được tái tạo vào miền không gian sử dụng LP cải tiến.

12

Ảnh watermark nhị phân sau khi áp dụng hàm Arnold để nâng cao tính bảo mật

được nhúng vào phần sai số dự bảo của miền biến đổi. Sau đây là một số kết

quả thực nghiệm so sánh với các nghiên cứu trước.

3.4 Kết luận Chƣơng 3

Trong nghiên cứu này, luận án đã trình bày giải thuật watermarking cải tiến dựa

trên phép biến đổi Laplacian Pyramid sử dụng các hệ số trong các băng con tần

số thấp và tần số giữa để nhúng ảnh nhị phân. Các kết quả của nghiên cứu này

đã chỉ ra rằng hiệu năng của thuật toán được đề xuất khi xét về tính vô hình và

tính bền vững là tốt hơn tính bền vững và tính vô hình khi áp dụng cùng một

thuật toán trên miền biến đổi FDCT khi bị tấn công cắt cố ý, lọc thông thấp

Gaussian và nén JPEG có tổn hao. Hơn nữa, các giải thuật được đề xuất yêu cầu

thời gian tính toán để nhúng và trích watermark ít hơn các thuật toán khác.

Phương pháp được đề xuất sử dụng biến đổi LP là watermarking mù và có tính

bảo mật cao, vì thế, watermark chỉ dò được bởi người sử dụng hợp pháp. Cơ sở

toán học của LP cải tiến, cũng như thuật toán đề xuất trong miền này, các kết

quả thực nghiệm và các nội dung có liên quan được báo cáo tại hội nghị [61] và

đăng ở tạp chí [63].

CHƢƠNG 4 KỸ THUẬT WATERMARKING TRONG MIỀN BIẾN

ĐỔI ĐỊNH HƢỚNG CURVELET

4.1 Giới thiệu

Phép biến đổi ridgelet và curvelet đã được đề xuất bởi Candès và Donoho [63,

64] để khắc phục những hạn chế của wavelets. Các phép biến đổi này có thể

13

trình bày thưa các đường thẳng, các đường biên (edge) và các đường cong

(curve) xuất hiện trong hình ảnh. Nhờ khả năng phân tích đặc điểm hình học đa

tỷ lệ mà curvelets và ridgelets có rất nhiều thành công trên các ứng dụng xử lý

ảnh như watermarking [54, 56, 68-70], khử nhiễu [18] và nhiều ứng dụng khác.

Biến đổi curvelet được phát triển để trình bày ảnh số ở các tỷ lệ khác nhau và ở

các góc khác nhau. Trong xử lí tín hiệu hình ảnh, hầu hết các đường biên (edge)

của hình ảnh thuộc về các đường cong hơn là các đường thẳng. Ridgelets không

thể trình bày hiệu quả để phân tích các hình ảnh này. Tuy nhiên, ridgelets có thể

được sử dụng để phân tích cục bộ. Ở các tỷ lệ tinh (fine scale) các đường biên

cong (curved edge) gần như đường thẳng. Do đó, phép biến đổi curvelet cung

cấp phương pháp phân tích hình ảnh với các khối kích thước khác nhau và các

hướng khác nhau.

4.2 Ridgelets

Phép biến đổi Ridgelet 2D được trình bày chi tiết trong [64, 65]. Những nội

dung cơ bản của phép biến đổi Ridgelet 2D được trình bày trong mục này.

4.3 Curvelets

Ridgelets không thể trình bày hiệu quả lớp hình ảnh có nhiều đường cong hơn

đường thẳng. Vì thế phép biến đổi curvelet thế hệ thứ nhất đã được đề xuất để

khắc phục hạn chế của ridgelets. Tuy nhiên, ưu điểm của ridgelets được khai

thác ở khía cạnh cục bộ nghĩa là ở tỷ lệ tinh (fine scale) các đường cong có thể

xem gần như đường thẳng. Ý tưởng của phép biến đổi curvelet thế hệ thứ nhất

được trình bày chi tiết trong [66].

Trong những năm gần đây, curvelets đã được thiết kế lại với kiến trúc toán học

mới, đơn giản hơn và dễ thực hiện hơn. Đó là phép biến đổi curvelet rời rạc

nhanh được đề xuất bởi Candès and Donoho [73]. Các tác giả đã đề xuất 2 giải

pháp là USFFT (Unequally Spaced Fast Fourier Transform) và Frequency

Wrapping. Kỹ thuật biến đổi curvelet dựa vào Wrapping được chứng minh là

dễ hiểu, tính toán nhanh và ít dư thừa dữ liệu hơn các giải pháp trước. Vì thế,

nó thường được sử dụng hơn trong nghiên cứu có sử dụng biến đổi curvelet [69,

14

70, 74]. Ý tưởng chính của phép biến đổi curvelet là tính toán tích trong giữa

tín hiệu và hàm curvelet để trình bày thưa các tín hiệu [66, 72, 75].

15

16

4.4 Cải tiến giải thuật watermarking bằng cách lựa chọn các tỷ lệ

curvelet

4.5 Kết quả thực nghiệm watermarking trong miền curvelets

So sánh hiệu năng của thuật toán đề xuất trong miền curvelet và thuật toán

trong miền kết hợp DCT-DWT được trình bày trong Hình 4.9. Kết quả thực

nghiệm chỉ ra rằng PSNR khi áp dụng thuật toán trên miền curvelet tốt hơn khi

áp dụng thuật toán trên miền DCT-DWT kết hợp nhưng không đáng kể. Nhưng

tính bền vững của watermarking trong miền curvelet tốt hơn khi áp dụng thuật

toán này trong miền kết hợp DCT-DWT nhờ khả năng trình bày thưa tín hiệu

của FDCT đặc biệt khi bị tấn nén nén JPEG có tổn hao, chi tiết trong Bảng 4.3.

4.6 Kết luận Chƣơng 4

Trong chương này, một giải thuật watermarking mù, bền vững trong miền

curvelet được đề xuất. Chúng tôi đã nhúng ảnh nhi phân vào các hệ số curvelet

trong các khối của các tỷ lệ chọn lọc. Bằng cách chọn các tỷ lệ thích hợp, kết

quả thực nghiệm của Chương này đã chỉ ra rằng nhúng watermark trong miền

curvelet đảm bảo tính bền vững và tính vô hình. Kết quả thực nghiệm chứng tỏ

rằng nhúng watermark trong miền curvelet là bền vững hơn miền kết hợp DCT-

DWT dưới các tấn công nén có tổn hao JPEG, nhiễu speckle và nhiễu Gaussian.

Cơ sở toán học của phép biến đổi curvelet, cũng như thuật toán đề xuất trong

miền này, các kết quả thực nghiệm và các nội dung có liên quan được trình bày

trong chương này đều được báo cáo tại Hội nghị khoa học [56].

CHƢƠNG 5 KỸ THUẬT WATERMARKING SỐ HIỆU QUẢ CHO

ẢNH MÀU SỬ DỤNG CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI CONTOURLET

5.1 Giới thiệu

5.2 Đề xuất giải thuật watermarking trong miền contourlet

Sự trình bày hiệu quả các thông tin thị giác (visual information) đóng vai trò

quan trọng trong các ứng dụng xử lí ảnh như watermarking, phục hồi

(reconstruction), khử nhiễu, nén, và trích đặc trưng [70]. Mặc dù các biến đổi

17

wavelet là công cụ rất quan trọng của nhiều ứng dụng xử lí ảnh, nhưng chúng

không trình bày tốt các đối tượng với các yếu tố bất đẳng hướng cao chẳng hạn

như các đường hay các cấu trúc cong [64]. Các biến đổi định hướng có thể khắc

phục hạn chế này của biến đổi wavelet. Vì thế, chúng tôi đề xuất các giải thuật

watermaking bền vững và mù dựa trên các biến đổi curvelet và biến đổi

contourlet.

18

5.3 Các kết quả thực nghiệm

Các kết quả thực nghiệm được thực hiện để đánh giá tính vô hình khi

watermark được ẩn vào ảnh chủ, thời gian tính toán để nhúng và trích

watermark, cũng như tính bền vững của thuật toán được đề xuất chống lại các

cuộc tấn công.

19

Có 4 thực nghiệm được tiến hành trong Chương này. Sau đây là một số kết quả

thực nghiệm tiêu biểu.

5.4 Kết luận Chƣơng 5

Trong nội dung này, chúng tôi đã khảo sát các giải thuật watermarking được

dựa trên các phép biến đổi định hướng trong miền curvelet và miền contourlet.

Chúng tôi đã đề xuất các thuật toán nhúng và trích watermark sử dụng các phép

biến đổi định hướng để cải tiến hiệu năng watermarking về PSNR, SSIM và

NC. Chúng tôi đã thực hiện mở rộng các thực nghiệm của các giải thuật

watermarking được đề xuất trên cơ sở dữ liệu ảnh chuẩn. Các kết quả thực

20

nghiệm đã chỉ ra rằng watermarking trong miền biến đổi định hướng mang lại

hiệu năng cao hơn các giải thuật khác chẳng hạn các miền biến đổi wavelet rời

rạc. Cơ sở toán học của contourlets, cũng như thuật toán đề xuất trong miền

này, các kết quả thực nghiệm và các nội dung có liên quan được trình bày trong

Chương này đã được báo cáo tại hội nghị [59] và đăng ở tạp chí [104].

CHƢƠNG 6 GIẢI PHÁP WATERMARKING MÙ BỀN VỮNG HIỆU

QUẢ SỬ DỤNG MẠNG NƠ-RON TÍCH CHẬP VÀ MIỀN BIẾN ĐỔI

WAVELET

6.1 Giới thiệu

Lấy động lực từ những nghiên cứu trước, trong chương này, chúng tôi phát

triển một giải thuật watermarking mù bằng cách sử dụng CNN trong miền biến

đổi wavelet. Trong thuật toán này, chúng tôi phân tích ảnh chủ thành các băng

con bằng cách sử dụng DWT. Sau đó,các băng con ở tần số thấp được chọn để

sử dụng như là ngõ vào của CNN trong khi đó các băng con ở tần số cao, các

băng con tần số giữa được sử dụng như là ngõ ra được mong đợi. Chúng tôi

thực hiện huấn luyện cho CNN bằng cách sử dụng tập hợp các ảnh số trong cơ

sở dữ liệu chuẩn. CNN được huấn luyện được sử dụng cho cả quá trình nhúng

và trích các watermark. Khác với phương pháp trong [113] sử dụng phân tích

DWT 2 mức, và sử dụng BP NN để nhúng và trích watermark, giải thuật đề

xuất sử dụng phân tích DWT 4 mức và áp dụng CNN để nhúng và trích

watermark. Để đánh giá hiệu năng của thuật toán đề xuất, chúng tôi tiến hành

nhiều thực nghiệm trên nhiều ảnh số và nhiều tấn công khác nhau cả biến đổi

hình học và phi hình học. Các kết quả định lượng chứng tỏ giải thuật của chúng

tôi mang lại hiệu năng tốt hơn xét về tính bền vững và tính vô hình khi được so

sánh với các phương pháp trước đây.

Đóng góp chính của chương này có thể được tóm lược như sau:

Giới thiệu giải thuật watermarking mới bằng cách lựa chọn các băng con

thích hợp trong miền DWT cho dữ liệu đầu vào và đầu ra đích để huấn

21

luyện CNN. Sau đó, CNN đã huấn luyện được sử dụng để nhúng và trích

các watermark.

Tiến hành các thí nghiệm mở rộng để chứng minh tính ưu việt của giải

thuật đề xuất so với các phương pháp hiện có điển hình khác về tính vô

hình và tính bền vững dưới các tấn công khác nhau.

6.2 Giải thuật watermarking đề xuất

6.3 Đánh giá hiệu quả của giải thuật đề xuất nhúng sử dụng CNN và

DWT

Các thực nghiệm dùng để đánh giá hiệu quả của giải thuật đề xuất nhúng, trích

watermark sử dụng CNN và DWT. Tính vô hình của watermark khi được

nhúng vào ảnh chủ cũng như tính bền vững của thuật toán được đề xuất để

chống lại các tấn công được kiểm tra bằng các thực nghiệm này. Hơn nữa, hiệu

năng của thuật toán chúng tôi đề xuất được so sánh với hiệu năng thuật toán

được đề xuất trong [113] và [30]. Cả hai thực nghiệm được tiến hành trên các

ảnh chủ với kích thước 512x512 điểm ảnh, 8 bit/điểm ảnh và watermark nhị

phân với kích thước 32x32 điểm ảnh. Những hình ảnh trong các thí nghiệm

được lấy từ cơ sở dữ liệu ảnh chuẩn tại địa chỉ http://sipi.usc.edu/database của

Đại học Nam California (University of Southern California). Cấu trúc ban đầu

giống nhau của CNN được sử dụng trong cả hai thực nghiệm sau bao gồm lớp

đầu vào với 64 nút; lớp tích chập với kích thước bản đồ đặc điểm 15, kích

thước của kernels 3x3 và hàm kích hoạt ’tanh’; lớp tổng hợp (pooling) trung

bình với nhân tố lấy mẫu thay thế (with sub sampling factor) là 3, lớp kết nối

đầy đủ với 150 nút với hàm kích hoạt ’tanh’; một lớp kết nối đầy đủ với 1 nút,

hàm kích hoạt ’sigmoid’. Các khối 8x8 điểm ảnh của hình ảnh trong miền biến

đổi được sử dụng để huấn luyện CNN. CNN đã qua huấn luyện được sử dụng

để nhúng và trích watermark. Tất cả các thực nghiệm được tiến hành trê

MATLAB R2013a trên nhân (Core) Intel i5-2450M CPU @ 2.50GHz máy

tính cá nhân với 4 GB (RAM).

22

23

6.4 Kết luận Chƣơng 6

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đề xuất các giải thuật watermarking mới

dựa trên sự kết hợp của 2 công cụ xử lý tín hiệu mạnh: CNN và DWT. DWT đã

được sử dụng để phân tích các ảnh chủ thành các băng con khác nhau. Sau đó,

các điểm ảnh trong các băng con tần số thấp và tần số cao được chọn đã được

sử dụng như dữ liệu ngõ vào và ngõ ra mong đợi để huấn luyện CNN. Tiến

24

trình nhúng và trích watermark được thực hiện bởi CNN đã qua huấn luyện.

Các kết quả thí nghiệm sâu, rộng đã được thực hiện để đo lường tính vô hình và

tính bền vững của thuật toán watermarking đề xuất. Bằng các kết quả lượng

hóa, phương pháp chúng tôi đề xuất đã chứng minh có hiệu năng tốt hơn về mặt

PSNR, NC và SSIM so với các phương pháp khác. Cơ sở toán học của phương

pháp học sâu CNN, cũng như thuật toán đề xuất trong miền này và miền

wavelet, các kết quả thực nghiệm và các nội dung có liên quan được trình bày

trong Chương đã công bố ở tạp chí quốc tế [120].

CHƢƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN

7.1. Kết luận

Như đã trình bày trong phần giới thiệu, đối với bài toán watermarking ảnh số để

bảo vệ bản quyền tác giả thì 2 đặc tính quan trọng là tính vô hình và tính bền

vững, hai đặc tính này đã được chứng minh là có sự đánh đổi qua lại. Thách

thức được đặt ra là làm thế nào để nâng cao tính bền vững mà tính vô hình vẫn

được đảm bảo. Để giải quyết vấn đề này, Luận án đã lần lượt khảo sát và đề

xuất các thuật toán để nâng cao hiệu năng watermarking, các nghiên cứu đã

được phản biện độc lập và được đăng trong các kỷ yếu hội thảo khoa học và các

tạp chí khoa học.

Những đóng góp chính của Luận án được tóm lược như sau:

Tổng quan về kỹ thuật watermarking ảnh số và một số thuật toán đề xuất

trong miền không gian, miền biến đổi DCT, DWT và DCT, DWT kết hợp

25

Nghiên cứu đã hệ thống các nội dung tổng quan về kỹ thuật watermarking; các

phương pháp đo lường tính vô hình và tính bền vững của thuật toán

watermarking. Luận án cũng khảo sát những điểm mạnh, điểm yếu của các kỹ

thuật watermarking ảnh số trong miền không gian, miền biến đổi để đề xuất

vùng nhúng và giải thuật nhúng phù hợp đảm bảo hiệu năng thuật toán. Đối với

miền không gian, Luận án mô phỏng giải thuật LSB, sử dụng 4 bit plane có

trọng số thấp để nhúng watermark. Mặc dù kết quả thực nghiệm tính bền vững

chưa được đảm bảo, nhưng qua đó đóng góp vào kết luận chung là kỹ thuật

watermarking trong miền không gian tính bền vững không được bảo đảm.

Đối với phương pháp watermarking ảnh số trong miền biến đổi DCT, DWT, kết

quả mô phỏng đã chứng minh ưu điểm của phương pháp watermarking trong

các khối 8x8 không chồng lấn khi bị tấn công nén JPEG có tổn hao. Cũng qua

kết quả thực nghiệm chứng tỏ miền DWT có hiệu năng watermarking ảnh số

cao. Trên cơ sở ưu điểm và hạn chế của DCT, DWT một giải thuật mới

watermarking ảnh số được đề xuất trong miền DCT-DWT kết hợp, hiệu năng

của đề xuất này là tốt hơn so với phương pháp watermarking trên một miền

biến đổi. Phương pháp này cân bằng giữa tính vô hình và tính bền vững. Do đó,

các ứng dụng yêu cầu tính bền vững nhưng vẫn đảm bảo tính vô hình như bảo

vệ quyền tác giả ảnh số, xác nhận chủ sở hữu ảnh số là phù hợp với phương

pháp này.

Đề xuất giải thuật watermarking ảnh số mới bền vững dựa trên phép biến

đổi Laplacian pyramid

Thuật toán này đã phát hiện việc nhúng watermark vào các hệ số trong các băng

con tần số thấp và tần số giữa trong miền LP đảm bảo tính bền vững và tính vô

hình. Kết quả thực nghiệm của thuật toán đề xuất đã chứng tỏ rằng hiệu năng

của nó khi xét về tính vô hình và tính bền vững là tốt hơn tính bền vững và tính

vô hình khi áp dụng cùng một thuật toán trên miền biến đổi định hướng FDCT

khi bị tấn công cắt cố ý, lọc thông thấp Gaussian và nén JPEG có tổn hao. Một

phát hiện thú vị nữa là thời gian tính toán để nhúng và trích watermark ít hơn so

26

với các thuật toán khác. Các ảnh có nhiều thông tin chi tiết khi áp dụng phương

pháp nhúng watermark này có tính vô hình cao hơn các ảnh có ít thông tin chi

tiết hơn. Các ứng dụng khuyến nghị áp dụng cho phương pháp này là dò giao

dịch ảnh số, bảo vệ quyền tác giả ảnh số.

Đề xuất kỹ thuật watermarking ảnh số trong miền biến đổi định hƣớng

curvelet

Luận án cũng đã đề xuất một giải thuật watermarking mù, bền vững trong miền

curvelet. Ảnh nhị phân được nhúng vào các hệ số curvelet trong các khối của

các tỷ lệ chọn lọc. Đóng góp của Luận án là đã chọn lọc các tỷ lệ thích hợp để

nhúng watermark trong miền curvelet đảm bảo được tính bền vững và tính vô

hình. Kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng nhúng watermark trong miền curvelet

là bền vững hơn miền kết hợp DCT-DWT dưới các tấn công nén có tổn hao

JPEG, nhiễu speckle và nhiễu Gaussian. Phương pháp này có thể ứng dụng

chèn định danh của ảnh để phục vụ công tác quản lý trong các kho dữ liệu ảnh

lớn, xác nhận chủ sở hữu ảnh số.

Đề xuất kỹ thuật watermarking ảnh số hiệu quả cho ảnh màu sử dụng các

phép biến đổi contourlet

Hai kỹ thuật watermarking được dựa trên các phép biến đổi định hướng trong

miền curvelet và miền contourlet được khảo sát, đề xuất giải thuật và tiến hành

thực nghiệm. Cơ sở dữ liệu ảnh chuẩn được khai thác, sử dụng trong các thực

nghiệm. Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ rằng watermarking trong miền

biến đổi định hướng mang lại hiệu năng cao hơn các giải thuật khác chẳng hạn

các miền biến đổi wavelet rời rạc. Kết quả thực nghiệm của giải thuật đề xuất

cũng chỉ ra rằng tính bền vững của các ảnh có nhiều thông tin hướng tính sẽ tốt

hơn các ảnh có ít thông tin hướng tính hơn. Phương pháp này tốt nhất cho loại

ảnh có nhiều thông tin hướng tính. Khuyến nghị áp dụng phương pháp này

trong bảo vệ quyền tác giả ảnh số, xác nhận chủ sở hữu ảnh số, chèn định danh

của ảnh số để phục vụ công tác quản lý ảnh số.

27

Giải pháp watermarking mù bền vững hiệu quả dựa vào CNN và miền

biến đổi DWT

Các giải thuật watermarking mới dựa trên sự kết hợp của CNN và DWT đã

được đề xuất. Đây là một hướng nghiên cứu mới. Việc ứng dụng kỹ thuật học

sâu vào watermarking là cơ sở quan trọng để có những nghiên cứu sâu hơn góp

phần nâng cao hiệu năng thuật toán watermarking ảnh số. Các điểm ảnh trong

các băng con tần số thấp và tần số cao (hoặc tần số giữa) được chọn để huấn

luyện CNN. CNN đã qua huấn luyện được sử dụng để nhúng và trích

watermark. Tính vô hình và tính bền vững của thuật toán đề xuất được chứng

minh là bền vững qua các kết quả thực nghiệm. Phương pháp này được chứng

minh là đảm bảo tính bền vững khi bị tấn công vô ý, tấn công cố ý, tấn công

hình học và cả tấn công phi hình học. Các ứng dụng khuyến nghị cho phương

pháp này là bảo vệ quyền tác giả ảnh số, xác nhận chủ sở hữu ảnh số, chèn định

danh của ảnh để phục vụ công tác quản lý trong các cơ sở dữ liệu ảnh lớn.

Kết luận chung

Luận án đã đề xuất 5 thuật toán watermarking ảnh số mù, bền vững và vô hình.

Hiệu năng của các giải thuật đề xuất này hiệu quả xét về tính vô hình và tính

bền vững. Điều đó chứng tỏ rằng miền phân tích đa phân giải, đặc biệt là miền

phân tích đa phân giải hướng tính có nhiều tiềm năng để phát triển các giải

thuật watermarking ảnh số. Các kết quả nghiên cứu của Luận án là những cơ sở

quan trọng để triển khai ứng dụng thực tiễn. Vì đây là các giải pháp

watermarking mù, vô hình và bền vững nên có thể áp dụng vào các lĩnh vực

như bảo vệ quyền tác giả, xác nhận chủ sở hữu, giám sát truyền tín hiệu video

số.

7.2. Hƣớng phát triển

Luận án này đã đề xuất các giải thuật watermarking trong miền DCT-DWT kết

hợp, miền LP cải tiến, các miền biến đổi định hướng curvelet, contourlet. Bên

cạnh đó, Luận án cũng đề xuất giải thuật watermarking mù bền vững sử dụng

CNN và wavelets. Mặt khác, các giải thuật này đều được thực hiện mô phỏng

28

và đánh giá bằng phần mềm MATLAB. Các kết quả mô phỏng cho phép nhanh

chóng đánh giá hiệu quả cần thiết của giải thuật watermarking như tính bền

vững, tính vô hình. Trong thực tế, các giải thuật watermarking có thể thực hiện

bằng phần mềm trên máy tính, trên các kit sử dụng số tín hiệu hoặc trên các cấu

trúc phần cứng như FPGA. Do đó, việc nghiên cứu giải thuật watermarking

cho ảnh số thực hiện hiệu quả trên các kit xử lý số tín hiệu hoặc FPGA là một

hướng nghiên cứu có thể phát triển trong giai đoạn tiếp theo.

Trong giai đoạn hiện nay, xu hướng nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, mà đặc biệt

là phương pháp học sâu ngày càng giữ vai trò quan trọng các ứng dụng xử lý

ảnh số. Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn và đề xuất các giải thuật watermarking

dựa trên học máy, học sâu là một hướng mở có khả năng mang lại các kết quả

nghiên cứu quan trọng góp phần thúc đẩy ứng dụng watermarking ảnh số.