Tài liệu Xây dựng thuật toán watermarking ảnh số trên phân tích đa phân giải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN CHÍ SỸ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN WATERMARKING ẢNH SỐ TRÊN PHÂN TÍCH ĐA PHÂN GIẢI LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN CHÍ SỸ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN WATERMARKING ẢNH SỐ TRÊN PHÂN TÍCH ĐA PHÂN GIẢI Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số chuyên ngành: 62520208 Phản biện độc lập 1: PGS. TS Phạm Hồng Liên Phản biện độc lập 2: TS. Bùi Trọng Tú Phản biện 1: PGS. TS Phan Văn Ca Phản biện 2: PGS. TS Trần Công Hùng Phản biện 3: PGS. TS Đỗ Hồng Tuấn NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. PGS. TS HÀ HOÀNG KHA 2. TS. NGUYỄN MINH HOÀNG LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Chí Sỹ i TÓM TẮT LUẬN ÁN Sự phát triển bùng nổ của Internet và các mạng xã hội đã tạo thuận lợi ngày càng tăng cho việc truyền tải và chia sẻ các ứng dụng đa phương tiện số như âm thanh, hình ảnh và video. Với sự phát triển của các công nghệ xử lý tín hiệu, tín hiệu đa phương tiện số có thể dễ dàng và đơn giản bị sao chép và bị giả mạo. Do đó, các vấn đề liên quan đến bảo vệ, xác thực nội dung và bản quyền thông tin đa phương tiện được quan tâm đặc biệt. Với dữ liệu ảnh số, có nhiều nghiên cứu sâu về cách ngăn chặn người dùng bất hợp pháp từ việc sao chép, sửa đổi và phân phối. Các kỹ thuật watermarking (tạm dịch là thủy vân) số nhúng thông tin cần giấu (được gọi là watermark) vào phương tiện truyền thông chủ (host media) để phát hiện và theo dõi sự vi phạm bản quyền. Các kỹ thuật này đã thu hút sự quan tâm đáng kể từ các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp sản xuất phương tiện truyền thông số. Kỹ thuật watermarking ảnh số có thể được tìm thấy trong nhiều ứng dụng thực tiễn như ứng dụng bảo vệ bản quyền, xác thực hình ảnh, ứng dụng trong y tế, phát hiện giả mạo, dấu vân tay số. Mục tiêu của luận án là phát triển các thuật toán nhúng và trích watermark thỏa mãn yêu cầu các ứng dụng watermarking trong bảo vệ bản quyền. Luận án tập trung nghiên cứu xây dựng thuật toán watermarking ảnh số trên phân tích đa phân giải. 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. Trước tiên, luận án khảo sát các kỹ thuật watermarking ảnh số trong miền không gian và miền biến đổi. Trong mỗi phương pháp, cơ sở của toán học, phương pháp watermarking, ưu điểm hạn chế của từng phương pháp được trình bày. Sau đó, luận án đề xuất vùng nhúng thích hợp trong miền phổ cho watermark để gia tăng tính bền và tính vô hình của các ảnh đã nhúng watermark. Các kết quả thực nghiệm của watermarking ảnh số trên miền không gian, biến đổi cosine rời rạc (DCT), biến đổi wavelets rời rạc (DWT), miền DCT-DWT kết hợp cũng được trình bày và thảo luận. Qua kết quả thực nghiệm cho thấy watermarking trong miền không gian không đảm bảo tính bền vững khi ảnh đã nhúng watermark bị tấn công bởi các hoạt động xử lý tín hiệu; tính bền vững khi nhúng watermark trong miền DWT tốt hơn nhúng trong miền DCT, tuy nhiên khi bị tấn công nén JPEG tính bền vững khi nhúng watermark vào miền DCT tốt hơn vào miền DWT nhưng không đáng kể; bằng cách nhúng watermark vào băng con tần số giữa, chỉ nhúng bit 0, thuật toán watermarking ảnh số trong miền DCT-DWT kết hợp đảm bảo cân bằng tính vô hình và tính bền vững. Như vậy, đối với các ứng dụng watermarking cần tính bền vững thì giải pháp nhúng watermark trong miền không gian, miền DCT tỏ ra ít khả thi; nhúng watermark trong miền phân tích đa phân giải DWT, miền DCT-DWT kết hợp có thể áp dụng cho nhóm ứng dụng watermarking cần tính bền vững. Tiếp theo, luận án đề xuất phương pháp khai thác phân tích đa phân giải Laplacian Pyramid (LP) cải tiến để phát triển giải thuật watermarking ảnh số mới, trong đó biến đổi LP cải tiến được sử dụng để phân tích và tổng hợp lại ảnh chủ. Để lựa chọn một giải pháp watermarking phù hợp, nhiều vùng băng con tần số được khảo sát với các mức và độ lợi khác nhau để thực hiện việc nhúng watermark. Các kết quả thực nghiệm của giải thuật đề xuất cho thấy các ảnh có thành ii phần tần số cao nhiều sẽ có tính vô hình tốt hơn khi nhúng watermark; tính bền vững và tính vô hình được đảm bảo với các độ lợi khác nhau, trên các băng con tần số thấp và tần số giữa; khi được so sánh với các giải thuật watermarking sử dụng curvelets, giải thuật đề xuất là bền vững hơn khi bị tấn công bởi nén JPEG có tổn hao và các tấn công lọc thông thấp Gaussian. Hơn nữa, phương pháp đề xuất cũng hiệu quả khi xét về thời gian tính toán. Do đó, giải pháp watermarking ảnh số trên miền LP có khả năng áp dụng hiệu quả trong các ứng dụng watermarking bền vững và thời gian tính toán thấp. Trong một nghiên cứu khác, luận án sử dụng phân tích đa phân giải định hướng curvelets cho watermarking ảnh số bởi vì biến đổi curvelets là hiệu quả khi trình bày các đường cong với ít hệ số hơn các biến đổi khác như wavelets với cùng một độ chính xác. Nghiên cứu này khảo sát các tỷ lệ khác nhau của miền biến đổi curvelets để nhúng watermark nhằm đạt được cả tính bền vững và tính vô hình. Hiệu năng thuật toán watermarking ảnh số trong miền biến đổi curvelets được so sánh với cùng một thuật toán nhưng được áp dụng trên miền DCT-DWT kết hợp. Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng tính vô hình (PSNR) trong điều kiện ảnh đã nhúng watermark chưa bị tấn công hơn 42 (dB) và tính bền vững (NC) trong hầu hết các tấn công hơn 0.9. Hiệu năng xét về tính vô hình và tính bền vững của thuật toán đề xuất là tốt hơn so với thuật toán được áp dụng trên miền DCT-DWT kết hợp khi bị tấn công bởi nén JPEG có tổn hao, nhiễu speckle và nhiễu Gaussian. Đây cũng là một phương pháp watermarking mù, vô hình, bền vững có thể áp dụng vào thực tiễn hiệu quả. Một đóng góp khác của nghiên cứu trong luận án này liên quan đến kỹ thuật watermarking ảnh số màu mới dựa trên các phép biến đổi định hướng. Nghiên cứu này khảo sát hiệu năng giải thuật watermarking sử dụng biến đổi curvelets rời rạc nhanh (FDCT) và biến đổi contourlets (CT). Nghiên cứu tiến hành khảo sát để chọn ra độ lợi và các mức phân tích phù hợp nhất để tiến hành watermarking. Luận án đánh giá hiệu năng của các giải thuật watermarking sử dụng các phép biến đổi định hướng dựa trên cơ sở dữ liệu ảnh màu chuẩn xét về tính bền vững và tính vô hình. Các kết quả thực nghiệm cho thấy các giải thuật watermarking trong các miền biến đổi định hướng có tính vô hình và tính bền vững tốt hơn khi áp dụng cùng một giải thuật trên các miền DWT; các ảnh có nhiều thông tin hướng tính có tính bền vững tốt hơn các ảnh có ít thông tin hướng tính. Phương pháp watermarking với các phép biến đổi định hướng thực sự phù hợp với các ảnh có nhiều thông tin hướng tính. Sau cùng, luận án đề xuất một giải thuật mới về watermarking ảnh số mù dựa trên sự kết hợp của biến đổi wavelets rời rạc và mạng nơ ron tích chập (CNN). Ảnh chủ được phân tích bởi DWT thành các băng con, các băng con tần số thấp và các băng con tần số cao, băng con tần số giữa được sử dụng làm dữ liệu đầu vào và dữ liệu đích đầu ra để huấn luyện mô hình CNN cho việc nhúng và trích watermark. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng giải thuật đề xuất có hiệu năng vượt trội chống lại các tấn công như nén JPEG có tổn hao, lọc median và lọc trung bình, nhiễu muối tiêu, nhiễu Gaussian, nhiễu speckle, điều chỉnh độ sáng tối, điều chỉnh tỷ lệ, cắt và shearing. iii ABSTRACT The explosive growth of the Internet and social networks has provided the increasing convenience for the transmission and sharing digital multimedia applications such as audio, images and videos. With the development of the advanced multimedia signal processing technologies, digital multimedia can be easily and simply acquired, copied and tampered. Thus, the issues related to multimedia information protection, copyright and content authentication have been of great concerns. With digital image data, there have been extensive studies on how to prevent unauthorized users from illegally copying, and distributing, modifying the digital images. The digital watermarking techniques which embed hidden information (known as a watermark) to a host media to detect and trace copyright violations have attracted considerable interest from academia and industry. Digital image watermarking can be found in various practical applications of copyright protection, image authentication, medical applications, tamper detection, digital finger printing. The objective of the thesis is to develop algorithms for embedding and extracting watermarks that satisfy the requirements of watermarking applications in copyright protection. This thesis mainly focuses on digital image watermarking schemes based on multiresolution analysis. The performance of the proposed algorithms will be evaluated by various parameters on standard gray and color image datasets. At first, the thesis investigates on the digital image watermarking techniques in spatial domain and transform domains. In each method, the basis of mathematics, watermarking schemes, the advantages and disadvantages will be presented. Then, we propose the appropriate region in spectral domain for watermarking to enhance the robustness and invisibility of watermarked images. The experimental results of digital image watermarking on spatial domain, DCT, DWT, combined DCT-DWT are also presented and discussed. The experimental results show that watermarking in spatial domain is not guaranteed the robustness when the watermarked images are attacked by signal processing operations; the robustness of watermarking in DWT domain is better than that in DCT domain, however under the JPEG compression attacks, the robustness of watermarking in DCT domain is slightly better than that in DWT domain; By embedding the watermark into the subband of middle frequencies, the digital image watermarking algorithm in DCT-DWT domain is guaranteed to balance between the invisibility and robustness. As such, watermarking for applications with the required robustness, the schemes of embedding watermark in spatial domain or DCT domain are proved less suitable; embedding the watermark in the multi-resolution domains (DWT and DCT-DWT) can be applied for watermarking applications that need the robustness. Next, the thesis proposes a novel method exploiting the improved Laplacian pyramid (LP) transform to develop a new image watermarking scheme in which the improved Laplacian pyramid transform is used to decompose and reconstruct the host image. Then, to select an appropriate watermarking solution, we investigate the various frequency subband regions with different the levels and strength factors to perform the watermark embedding. The experimental results of iv the proposed algorithm show that images which have much high frequency components result in the better invisibility when embedded with watermarks; the robustness and invisibility guaranteed with different strength factors on the low and mid frequency subbands. As compared to the watermarking schemes using the curvelets, our watermarking scheme is more robust for the lossy JPEG compression and Gaussian low pass filtering attacks. In addition, our method is also efficient in terms of computational time. Thus, the approach of the digital image watermarking in LP domains is applicable for applications requiring the robust watermarking and low complexity computation. In the other research, the thesis introduces the usage of curvelet transform domain for image watermarking since curvelet transform is effective when representing curves with fewer coefficients than other transforms such as wavelets for the same accuracy. The thesis investigates the different scales of curvelet transform domain for embedding the watermark to achieve both invisibility and robustness. The performance of image watermarking in curvelet transform domain is compared with the same algorithm but applied on DCT-DWT combined domain. Experimental results have shown that invisibility (PSNR) under no attack is higher than 42 (dB) and the robustness (NC) in most attacks is more than 0.9. The performance in terms of the invisibility and robustness of the proposed algorithm is better than the given algorithm applied on DCT-DWT domain when the watermarked images are attacked by lossy JPEG compression, speckle noise and Gaussian noise. This is also a blind, invisible, robust watermarking method which can be effectively applied in practice. Another contribution of the research in this thesis is concerned with a digital watermarking technique for color images based on directional transforms. This research investigates the performance of the watermarking schemes using FDCT and CT. The research conducts the experiments to select appropriate strength factors and analysis levels for the proposed watermarking scheme. We evaluate the performance of the watermarking schemes using the directional transforms on a standard database of color images in terms of invisibility and robustness. The experimental results reveal that watermarking schemes in the directional transform domains outperform the other schemes in DWT domains in terms of invisibility and robustness, especially for images with much directional information. These watermarking schemes on directional transforms are especially suitable for images with directional information. Finally, a novel scheme of digital image blind watermarking based on the combination of the DWT and the convolutional neural network (CNN) is proposed. Firstly, the host images are decomposed by DWT and, then, the low frequency sub-bands and the high frequency subbands, the middle frequency sub-bands are used as the input data and the output target data to train the CNN model for embedding and extracting the watermark. Experimental results show that the proposed scheme has superior performance against common attacks of JPEG compression, mean and median filtering, salt and pepper noise, Gaussian noise, speckle noise, brightness modification, scaling, cropping, rotation, and shearing operations. v LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi đặc biệt biết ơn PGS.TS Hà Hoàng Kha, người Thầy hướng dẫn nghiên cứu, đã giúp đỡ tôi ngay từ những ngày đầu tiên. Trong quá trình nghiên cứu, Thầy thường xuyên động viên, khích lệ tinh thần khi tôi gặp phải những khó khăn và tư vấn hướng nghiên cứu giúp tôi đạt được kết quả như ý. Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Minh Hoàng, người Thầy đồng hướng dẫn nghiên cứu, với những tư vấn, hỗ trợ, chia sẻ và góp ý quan trọng cho quá trình nghiên cứu của tôi. Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô ở Bộ Môn Viễn Thông đã góp ý các chuyên đề giúp tôi hoàn thiện kết quả nghiên cứu của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Điện-Điện Tử, Phòng Đào tạo Sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu. Tôi trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã cho tôi những cơ hội tốt để tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của mình. Xin cảm ơn người bạn đời đã đồng hành, chia sẻ mọi khó khăn trong suốt chặng đường tôi đi, các con thân yêu và những người thân quanh tôi đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi yên tâm học tập, nghiên cứu. Sau cùng, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến ba, má, người đã có công sinh thành, dưỡng dục và luôn yêu thương, cổ vũ, động viên tôi. vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1 1.1 Sự cần thiết của nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Đặt vấn đề và hướng giải quyết vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Các nghiên cứu trước về kỹ thuật watermarking ảnh số . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Những đóng góp chính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5 Cấu trúc của luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT WATERMARKING ẢNH SỐ VÀ MỘT SỐ ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU 13 2.1 Tổng quan về kỹ thuật watermarking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.1 Vài nét về kỹ thuật watermarking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.2 Lịch sử hình thành watermarking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.3 Ứng dụng watermarking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.4 Phân loại watermarking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.5 Các tham số cơ bản đo lường hiệu năng của thuật toán watermarking ảnh số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền không gian . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1 Tách bit có trọng số thấp nhất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.2 Kỹ thuật mã hóa ánh xạ bố cục của hình ảnh . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.3 Thuật toán kết nối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.4 Kỹ thuật dựa vào sự tương quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền biến đổi . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.1 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền biến đổi DCT . . . . . . . 24 2.3.2 Thuật toán watermarking ảnh số trong miền biến đổi DWT . . . . . . . 24 2.3.3 Đề xuất giải thuật watermarking trong miền DCT-DWT kết hợp . . . . 26 2.4 Các kết quả thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.1 Kết quả thực nghiệm giải thuật watermarking LSB trong miền không gian 28 2.4.2 Kết quả thực nghiệm giải thuật watermarking đề xuất trên miền DCT và DWT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.3 Kết quả thực nghiệm giải thuật watermarking đề xuất trong miền DCTDWT kết hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Kết luận Chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 CHƯƠNG 3 GIẢI THUẬT WATERMARKING ẢNH SỐ BỀN VỮNG DỰA TRÊN PHÉP BIẾN ĐỔI LAPLACIAN PYRAMID 37 3.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2 Giải thuật watermarking mù đề xuất dựa trên phép biến đổi LP cải tiến . . . . . 39 3.2.1 LP và phương pháp tái tạo mới . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 vii 3.2.2 Biến đổi Arnold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Giải thuật nhúng watermark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Giải thuật trích watermark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Các kết quả thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Thực nghiệm 1: Khảo sát độ lợi và miền nhúng watermark . . . . . . . 3.3.2 Thực nghiệm 2: Mở rộng thực nghiệm, so sánh kết quả thực nghiệm với các thuật toán khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Kết luận Chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CHƯƠNG 4 KỸ THUẬT WATERMARKING TRONG MIỀN BIẾN ĐỔI ĐỊNH HƯỚNG CURVELETS 4.1 Giới thiệu phương pháp watermarking trong biến đổi định hướng . . . . . . . . 4.2 Ridgelets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Phép biến đổi Ridgelet liên tục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Biến đổi wavelets một chiều lần lượt trên các tia xuyên tâm trong không gian radon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Biến đổi ridgelet trên rectopolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Curvelets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Phép biến đổi curvelets thế hệ thứ nhất . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Phép biến đổi curvelets thế hệ thứ hai . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Cải tiến giải thuật watermarking bằng cách lựa chọn các tỷ lệ curvelets . . . . . 4.4.1 Nghiên cứu trước về watermarking trong miền curvelets . . . . . . . . 4.4.2 Đề xuất giải thuật watermarking trong miền biến đổi định hướng curvelets 4.5 Kết quả thực nghiệm watermarking trong miền curvelets . . . . . . . . . . . . 4.6 Kết luận chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT WATERMARKING SỐ HIỆU QUẢ CHO ẢNH MÀU SỬ DỤNG CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI CONTOURLETS 5.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Đề xuất giải thuật watermarking trong miền contourlets . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Biến đổi curvelets rời rạc nhanh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Biến đổi contourlets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Các thuật toán được đề xuất về nhúng và trích watermark . . . . . . . . 5.3 Các kết quả thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Thực nghiệm 1: Khảo sát độ lợi, mức phân tích của thuật toán đề xuất, so sánh hiệu năng thuật toán đề xuất với thuật toán khác . . . . . . . . 5.3.2 Thực nghiệm 2: Khảo sát hiệu năng vô hình, bền vững và thời gian tính toán của thuật toán đề xuất trên cơ sở dữ liệu ảnh màu chuẩn . . . . . . 5.3.3 Thực nghiệm 3: So sánh hiệu năng của thuật toán đề xuất trên các miền DWT, FDCT và CT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii 43 45 45 46 47 50 55 57 57 58 58 59 60 60 60 62 64 64 65 66 68 70 70 72 72 72 76 78 78 86 90 5.3.4 Thực nghiệm 4: So sánh thuật toán đề xuất với thuật toán nghiên cứu trước khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Kết luận Chương 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CHƯƠNG 6 GIẢI PHÁP WATERMARKING MÙ BỀN VỮNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG MẠNG NƠ-RON TÍCH CHẬP VÀ MIỀN BIẾN ĐỔI WAVELETS 6.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Giải thuật watermarking đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Biến đổi wavelets rời rạc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Mạng nơ-ron tích chập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Thuật toán nhúng watermark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4 Thuật toán trích watermark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Đánh giá hiệu quả của giải thuật đề xuất nhúng sử dụng CNN và DWT . . . . . 6.3.1 Thực nghiệm 1: Hiệu năng của tính bền vững và tính vô hình của thuật toán đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Thực nghiệm 2: So sánh hiệu năng giữa giải thuật đề xuất với hiệu năng các phương pháp trước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Kết luận Chương 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Hướng phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO ix 91 95 96 96 98 98 100 102 103 105 106 114 116 118 118 120 121 123 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Các công bố khoa học về watermarking ảnh số trong 20 năm qua được đăng bởi IEEE và Science Direct. Số liệu thống kê được thu thập từ website https://ieeexplore.ieee.org và website https://www.sciencedirect.com với từ khóa "Digital Image Watermarking" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Quan hệ giữa tính bền vững và tính vô hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Mô tả quá trình nhúng watermark của thuật toán đề xuất trong miền DCT-DWT kết hợp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Mô tả quá trình trích watermark của thuật toán đề xuất trong miền DCT-DWT kết hợp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 (a) Ảnh chủ Lena, (b) Ảnh chủ sau khi nhúng watermark. . . . . . . . . . . . . . . 30 (a) Watermark Baboon, (b) Watermark trích được trong điều kiện chưa bị tấn công. 30 Các bit plane của ảnh chủ Lena.(a) bit plane thứ 8 của ảnh chủ Lena,(b) bit plane thứ 7 của ảnh chủ Lena,(c) bit plane thứ 6 của ảnh chủ Lena,(d) bit plane thứ 5 của ảnh chủ Lena,(e) bit plane thứ 4 của ảnh chủ Lena,(f) bit plane thứ 3 của ảnh chủ Lena,(g) bit plane thứ 2 của ảnh chủ Lena,(h) bit plane thứ 1 của ảnh chủ Lena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Các bit plane của ảnh watermark Baboon.(a) bit plane thứ 8 của ảnh watermark Baboon,(b) bit plane thứ 7 của ảnh watermark Baboon,(c) bit plane thứ 6 của ảnh watermark Baboon,(d) bit plane thứ 5 của ảnh watermark Baboon,(e) bit plane thứ 4 của ảnh watermark Baboon,(f) bit plane thứ 3 của ảnh watermark Baboon,(g) bit plane thứ 2 của ảnh watermark Baboon,(h) bit plane thứ 1 của ảnh watermark Baboon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Ảnh chủ gốc và ảnh chủ sau khi nhúng watermark của thuật toán watermarking dựa trên DCT-DWT kết hợp (a) Ảnh chủ Lena; (b) Ảnh chủ Lena sau khi nhúng watermark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Giải thuật nhúng watermark được đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Giải thuật trích watermark được đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Biến đổi LP điển hình: (a) Giải thuật phân tích: (b) Lược đồ tái tạo . . . . . . . . . 43 Lược đồ tái tạo mới cho giải thuật LP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Các kết quả phân tích của ảnh chủ bằng cách sử dụng phép biến đổi LP cải tiến với 5 mức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 (a) Lena, (b) Baboon, (c) Peppers, (d) Ảnh Watermark gốc . . . . . . . . . . . . . 48 Các ảnh đã watermarking và các watermark trích được: (a) β = 0.20, (b) β = 0.50, (c) β = 0.75 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Hiệu năng thuật toán đề xuất trong điều kiện ảnh đã nhúng watermark chưa bị tấn công. (a) Ảnh chủ Lena, (b) watermark nhị phân gốc, (c) ảnh chủ sau khi đã nhúng watermark, (d) watermark trích được . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 x 3.9 Các watermark trích được dưới các tấn công nén JPEG có tổn hao:(a) không bị tấn công, (b) Q = 50, (c) Q = 30,(d) Q = 20, (e) Q = 15 . . . . . . . . . . . . . . 52 3.10 Các watermark trích được khi bị tấn công bởi lọc thông thấp Gaussian: (a) σ(window) = 0.5(3 × 3), (b) σ(window) = 1.5(3 × 3), (c) σ(window) = 0.5(5 × 5), (d) σ(window) = 1.5(5 × 5), (e) σ(window) = 5.0(3 × 3) . . . . . . . . . . . . . 54 3.11 Các tấn công cắt 25%, (a) ảnh chủ Baboon, (d) ảnh chủ Peppers, (g) ảnh chủ Boat, (b) ảnh chủ Baboon đã nhúng watermark, (e) ảnh chủ Peppers đã nhúng watermark, (h) ảnh chủ Boat đã nhúng watermark, (c) watermark trích được từ ảnh chủ đã nhúng watermark Baboon, (f) watermark trích được từ ảnh chủ đã nhúng watermark Peppers, (k) watermark trích được từ ảnh chủ đã nhúng watermark Boat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1 Ví dụ về một số Ridgelet, các Ridgelet (b), (c) và (d) nhận được từ Ridgelet (a) bằng các phép quay, thay đổi tỷ lệ và dịch chuyển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Sơ đồ biến đổi ridgelet, mỗi đường trong 2n đường xuyên tâm của miền Fourier được xử lí độc lập. Biến đổi FFT ngược được tính toán lần lượt cho các đường xuyên tâm bằng biến đổi wavelets không trực giao một chiều. Thực tế, các hệ số wavelets một chiều được tính trực tiếp từ không gian Fourier. . . . . . . . . . . 61 4.3 Mô tả lưới giả cực trong miền tần số cho ảnh kích thước 8 × 8. . . . . . . . . . . . 61 4.4 Biến đổi curvelets rời rạc thế hệ thứ nhất. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.5 So sánh hiệu năng phép xấp xỉ phi tuyến giữa wavelets (a) và Xlets (b). . . . . . . . 64 4.6 (a) watermark gốc; (b) watermark trích được trong điều kiện không bị tấn công, NC=0.9795; (c) watermark trích được trong điều kiện bị nhiễu speckle 4%, NC=0.9176; (d) watermark trích được trong điều kiện bị nén JPEG với Q = 30, NC=0.9702 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.7 Quy trình chèn watermark đề xuất trong miền curvelets . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.8 Các ảnh đã watermark, (a) Lena, (b) Baboon, (c) Texmos1. . . . . . . . . . . . . . 69 4.9 Biểu đồ so sánh tính bền vững của thuật toán trên miền FDCT và DCT-DWT kết hợp. 69 5.1 Giải thuật nhúng watermark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.2 Giải thuật trích watermark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3 Biến đổi "wrapping", trong đó υ(υ1 , υ2 ) là tần số liên tục. . . . . . . . . . . . . . . 75 5.4 Một giải thuật băng lọc điển hình. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.5 Ảnh chủ Barnfall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.6 Một ví dụ về biến đổi contourlets trên ảnh đỏ của ảnh chủ màu Barnfall. . . . . . . 79 5.7 Lưu đồ thuật toán nhúng watermark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.8 Lưu đồ thuật toán trích watermark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.9 Các ảnh chủ và watermark được sử dụng trong Thực nghiệm 1. (a) Ảnh chủ Lena, (b) Ảnh chủ Barbara, (c) Ảnh chủ Peppers, (d) Ảnh chủ Watermark. . . . . . . 82 xi 5.10 Các ảnh và watermark được sử dụng trong Thực nghiệm 4. (a) Ảnh màu Lena, (b) Ảnh đỏ Lena, (c) Ảnh watermark nhị phân, (d) Ảnh xanh lá Lena, (e) Ảnh xanh lam Lena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.11 Hiệu năng vô hình của thuật toán đề xuất trong thực nghiệm 2. (a) Ảnh watermark gốc, (b) ảnh chủ “Goldgate”, (c) ảnh đã watermark sử dụng ảnh đỏ, (d) ảnh đã watermark sử dụng ảnh xanh lá, (e) ảnh đã watermark sử dụng ảnh xanh lam. . 83 5.12 Hiệu năng thuật toán đề xuất trên các miền phân tích đa phân giải khác nhau của Thực nghiệm 3. (a) Ảnh chủ “Mare”, (b) ảnh đã nhúng watermark trong miền CT, (c) watermark nhị phân gốc, (d) watermark trích được của watermarking trong miền CT, (e) ảnh đã nhúng watermark trong miền FDCT, (f) ảnh đã nhúng watermark trong miền 2D DWT, (g) watermark trích được của watermarking trong miền FDCT, (h) watermark trích được của watermarking trong miền 2D DWT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.13 β = 0.20 ảnh đã watermark (a) (g) (n), watermark trích được tương ứng (d) (k) (q); β = 0.10 ảnh đã watermark (b) (h) (o), watermark trích được tương ứng (e) (l) (r); β = 0.05 ảnh đã watermark (c) (i) (p), watermark trích được tương ứng (f) (m) (s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.14 Các watermark trích được sau tấn công (a) Salt & pepper , (b) Median filter , (c) Gaussian filter , (d) Wiener filter,(e) Cropping. . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.15 Các giá trị PSNR của 65 hình ảnh trên 3 ảnh một màu được tách ra (đỏ, xanh lá, xanh lam). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.16 Tính bền vững của giải thuật được đề xuất khi bị tấn công nén có tổn hao JPEG2000 với tỷ lệ nén 2 đến 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.17 Lọc thông thấp Gaussian với độ lệch chuẩn (standard deviation) σ từ 0.4 tới 2.4. . . 93 5.18 Các bộ lọc Median với kích thước cửa sổ từ [1 1] tới [5 5]. . . . . . . . . . . . . . 94 6.1 Một ví dụ về phân tích 4 mức sử dụng DWT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.2 Kiến trúc mạng nơ-ron tích chập tiêu biểu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.3 Lưu đồ chuẩn bị dữ liệu để huấn luyện cho CNN được đề xuất. . . . . . . . . . . . 104 6.4 (a) Ảnh chủ Lena, (b) Ảnh chủ Airplane, (c) Ảnh chủ Sailboat on lake, (d) Ảnh chủ Peppers, (e) Ảnh chủ Aerial, (f) Ảnh chủ Barbara, (g) Ảnh chủ Boat, (h) Ảnh chủ House, (k) Watermark gốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 xii 6.5 Hiệu năng về vô hình và bền vững trong điều kiện không bị tấn công của thuật toán đề xuất nhúng watermark trong băng con HH4. a, e: ảnh Lena sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; b, f: ảnh Airplane sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; c, g: ảnh Sailboat on lake sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; d, h: ảnh Peppers sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; k, o: ảnh Aerial sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; l, p: ảnh Barbara sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; m, q: ảnh Boat sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng; n, r: ảnh House sau khi nhúng watermark và PSNR tương ứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 (a) Ảnh chủ Lena, (b) Ảnh đã nhúng watermark Lena, (c) Nhiễu Gaussian, (d) Nhiễu muối tiêu, (e) Nhiễu speckle khi nhúng watermark vào băng con HH4 . . . . . 6.7 Đồ thị sự bền vững của thuật toán đề xuất khi các ảnh đã nhúng watermark vào băng con HH4 bị các tấn công nén JPEG có tổn hao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Các watermark trích được của thuật toán đề xuất sau khi ảnh đã nhúng watermark vào băng con HH4 bị tấn công nén JPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Ảnh chủ đã nhúng watermark vào băng con HH4 sau khi bị tấn công, a) scale 70%, b) Cắt 14 trên trái, c) Cắt 14 dưới phải, d) Quay 180o , e) Quay 45o , f) Shear . . . 6.10 Các watermark nhúng vào băng con HH4 trích được trong điều kiện bị các tấn công hình học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11 Các watermark trích được của thuật toán đề xuất, a) Watermark gốc, b) Không bị tấn công, c) JPEG Q=50, d) Nhiễu muối tiêu (density=0.001), e) Nhiễu Gaussian (0,002) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12 a. Ảnh chủ "Mandrill", b. Ảnh đã nhúng watermark "Mandrill", c. watermark gốc, d. Watermark trích được trong điều kiện bị tấn công bởi nén JPEG(Q=95), d. Watermark trích được trong điều kiện bị tấn công bởi nhiễu muối tiêu (0.001) . xiii 108 109 111 111 113 113 115 117 DANH MỤC BẢNG BIỂU 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 Bốn loại ẩn thông tin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kết quả thực nghiệm của watermarking trong miền không gian. . . . . . . . . . . . Kết quả thực nghiệm watermarking trên DCT và DWT. . . . . . . . . . . . . . . . Kết quả thực nghiệm thuật toán watermarking đề xuất trên miền DCT-DWT kết hợp. Các bộ lọc trực giao 9-7 với các hệ số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PSNR (dB) giữa ảnh chủ và ảnh sau khi watermarking, NC luôn bằng 1 trong điều kiện không bị tấn công . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 So sánh kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.75 . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 So sánh kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.50 . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 So sánh kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.20 . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 So sánh hiệu năng thuật toán đề xuất với hiệu năng các thuật toán nghiên cứu trước 3.7 So sánh tính bền vững của thuật toán đề xuất với các thuật toán khác khi bị tấn công bởi nén có tổn hao JPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 So sánh tính bền vững của giải thuật được đề xuất với giải thuật khác khi bị tấn công bởi lọc thông thấp Gaussian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9 Các kết quả thực nghiệm về tính bền vững và tính vô hình của giải thuật được đề xuất khi bị các tấn công cắt 25% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10 So sánh thời gian xử lý của 2 phép biến đổi: FDCT(wrapping) và LP cải tiến . . . . 4.1 Cấu trúc của các hệ số hình ảnh dựa trên phép biến đổi curvelets. . . . . . . . . . . 4.2 PSNR, NC và BER khi áp dụng giải thuật đề xuất trong điều kiện ảnh đã watermarking chưa bị tấn công. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Kết quả thực nghiệm watermarking trên miền FDCT và miền kết hợp DCT-DWT . 5.1 Tính vô hình giữa ảnh chủ và ảnh watermark trong điều kiện ảnh chủ đã watermark chưa bị tấn công. NC giữa watermark gốc và watermark trích được bằng 1 cho cả 7 ảnh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 So sánh các kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.20 . . . . . . . . . . . . . . 5.3 So sánh các kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.10 . . . . . . . . . . . . . . 5.4 So sánh các kết quả thực nghiệm của thuật toán đề xuất với thuật toán khác khi bị tấn công nén JPEG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 So sánh các kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh với β = 0.05 . . . . . . . . . . . . . . 5.6 So sánh các kết quả thực nghiệm trên 3 ảnh, β = 0.20 với thuật toán khác khi bị tấn công. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Các tham số đo lường về tính vô hình và thời gian xử lý với ảnh chủ "Goldgate" trong Hình 5.11 (a). PSNR, NC và SSIM được tính toán giữa ảnh chủ - x (x-plane) và ảnh chủ - x đã nhúng watermark. NC của ảnh watermark và watermark trích được luôn bằng 1 trong điều kiện không bị tấn công. . . . . . . . . . . . . . . . xiv 14 33 34 36 43 47 49 49 49 50 51 53 55 55 64 67 69 86 87 87 87 87 89 89 5.8 Các tham số trung bình của thuật toán watermarking đề xuất trên 65 ảnh màu chủ. PSNR được tính toán giữa ảnh chủ - x (x: đỏ hay xanh lá hay xanh lam) và ảnh -x đã nhúng watermark trong điều kiện không bị tấn công. . . . . . . . . . . . 5.9 Hiệu năng của giải thuật được đề xuất trong điều kiện không bị tấn công. . . . . . . 5.10 So sánh NC của giải thuật được đề xuất với NC thuật toán khác. . . . . . . . . . . 6.1 Tính vô hình của các giải thuật đề xuất khi nhúng watermark trong băng con HH4 và HL4, trong điều kiện không bị tấn công . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 So sánh tính vô hình và tính bền vững của thuật toán đề xuất nhúng watermark trong băng con HH4, HL4 khi ảnh đã nhúng watermark Lena bị các loại tấn công nhiễu khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Sự bền vững của thuật toán đề xuất khi bị các tấn công nén JPEG có tổn hao . . . . 6.4 Sự bền vững của các thuật toán đề xuất trong điều kiện bị tấn công bởi lọc trung bình [3 3], lọc trung vị [3 3] và tăng/ giảm độ sáng 20% . . . . . . . . . . . . . 6.5 Sự bền vững của thuật toán đề xuất khi bị các tấn công hình học (TL: trên trái, BR: dưới phải) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 So sánh hiệu năng giữa thuật toán đề xuất và thuật toán được so sánh trên ảnh Lena với các tấn công. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 So sánh hiệu năng thuật toán đề xuất với hiệu năng thuật toán được so sánh . . . . xv 89 91 92 107 108 110 112 114 115 116 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 2D Two-Dimensional Hai chiều BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit CT Biến đổi contourlets Contourlet Transform DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi cosine rời rạc DRM Digital Rights Management Quản lý bản quyền số DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi wavelets rời rạc FDCT Fast Discrete Curvelet Transform Biến đổi curvelets rời rạc nhanh HVS Human Visual System Hệ thống thị giác con người JPEG Joint Photographic Experts Group Nén JPEG có tổn hao LP Laplacian Pyramid Biến đổi Laplacian pyramid LSB Least Significant Bit Bit có trọng số thấp nhất LWT Lifting Wavelet Transform Biến đổi wavelets Lifting MSB Most Significant Bit Bit có trọng số cao nhất NC Normalized Correlation Tương quan được chuẩn hóa PC Personal Computer Máy tính cá nhân PSNR Peak Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu RGB Red Green Blue Đỏ Lục Lam SP Steerable Pyramid Steerable Pyramid SSIM Structural Similarity Index Measure Đo lường chỉ số tương tự về cấu trúc SVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị đơn USFFT Unequally Spaced Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh không đều WWW World Wide Web Web toàn cầu xvi CHƯƠNG 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 (Third Generation), 4G (Fourth Generation) và 5G (Fifth Generation), 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 (WWW) 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, 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 lý 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 1 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 (DRM) đã được chọn là một trong 10 công nghệ hàng đầu nổi lên có thể làm "Thay đổi thế giới" [1]. 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 [2]. 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 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. Thông tin chi tiết được trình bày trong Hình 1.1. Theo [3], thời gian gần đây, các ứng dụng quan trọng của watermarking ảnh số là bảo vệ bản quyền tác giả, quản lí và nhận biết nội dung, tư pháp số, quân sự, giám sát phát sóng, lưu trữ file đa phương tiện (media file archiving), liên lạc bí mật, giáo dục từ xa, ứng dụng trong y tế, lấy dấu vân tay, bỏ phiếu điện tử an toàn và các giấy phép khác, giải pháp bảo mật thông tin cho thành phố thông minh, người máy (robotics) và âm thanh/video thời gian thực. Ngoài ra, watermarking số cũng thích hợp để bảo vệ chip và phần cứng. Rõ ràng, watermarking ảnh số được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực quan trọng. Mặt khác, ứng dụng watermarking ảnh số ngày càng tăng theo sự tiến bộ của công nghệ, đặc biệt là tính bảo mật, an toàn, an ninh thông tin được đặt lên hàng đầu trong kỷ nguyên chính phủ/ chính quyền số, kinh tế số, xã hội số. Vì vậy, watermarking ảnh số thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu đề xuất nhiều giải pháp, 2