NHÚNG ẢNH SỐWATERMARKING OF DIGITAL IMAGES

Nguyễn Duy Thảo, Lê Minh Thành, Nguyễn Trường Duy

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

TÓM TẮT

Nhúng ảnh số là một trong các kỹ thuật tiên tiến được dùng để bảo vệ ảnh số từ các thao tác bất hợp pháp. Dựa trên phép biến đổi cosine và wavelet, ảnh watermark có thể được nhúng vào một ảnh tùy mục đích riêng của tác giả. Ảnh watermark này có thể ẩn hay hiện rõ trên ảnh gốc sau khi nhúng. Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng thuật toán nhúng ảnh số với ảnh watermark nhìn thấy được. Kết quả được đánh giá giữa ảnh gốc chưa nhúng và ảnh gốc có nhúng, watermark nhúng và watermark hồi phục thông qua thông số PSNR.

Từ khóa: Nhúng ảnh số, biến đổi cosin rời rạc, biến đổi wavelet rời rạc.

ABSTRACT

Digital image watermarking is one of advanced technologies that have been developed to protect digital images from illegal manipulations. Based on the discrete cosine and the discrete wavelet transform, a particular watermark is embedded depending on the author’s private goals. A watermark is visible or invisible from the original image in this algorithm. In this paper, we apply both the discrete cosine and wavelet transform to embed a visible watermark to an original image. The result of this work is a PSNR-based comparison between the original images and watermarked images, original watermark and extracted watermark.

Keywords: Digital image watermarking, Discrete Cosine Transform (DCT), Discrete Wavelet Transform (DWT).

1. KỸ THUẬT NHÚNG ẢNH

Watermarking là nhúng dữ liệu nhúng vào dữ liệu gốc.

Kỹ thuật nhúng được chia theo dữ liệu gốc có bốn loại như sau: Nhúng văn bản (Text Watermarking), nhúng ảnh (Image Watermarking), nhúng tín hiệu âm thanh (Audio Watermarking) và nhúng tín hiệu hình (Video Watermarking).

Trong trường hợp ảnh có hai phương pháp nhúng trong miền không gian (Spatial Domain) và trong miền tần số (Frequency Domain).

Một cách chia khác có ba loại nhúng: Nhúng nhìn thấy được (Visible watermark), nhúng không nhìn thấy được bền vững (Invisible-Robust watermark) và nhúng không nhìn thấy yếu (Invisible-Fragile watermark).

Theo ứng dụng nhúng có hai loại: Bảo vệ bản quyền, bảo mật thông tin.

Thuật toán nhúng gồm ba phần: Mã hóa (Encoder), giải mã (Decoder) và so sánh (Comparator) như sau [6]:

Hình 1. Mã hóa

Hình 2. Giải mã và so sánh

2. NHÚNG ẢNH TRONG MIỀN TẦN SỐ

2.1 Phép biến đổi DCT [3]

Biến đổi DCT 2 chiều được mở rộng từ biến đổi DCT 1 chiều được cho bởi:

Trong đó:

Biến đổi ngược DCT 2 chiều được cho bởi:

Hệ số biến đổi đầu tiên là trung bình của

các mẫu. Nó được gọi là hệ số DC. Các hệ số khác gọi là hệ số AC.

2.2 Phép biến đổi DWT[2]

Khi thực hiện biến đổi DWT hai chiều cho ảnh số thì ma trận ảnh sẽ được thực hiện DWT theo từng hàng và từng cột.

Rõ hơn là lọc ảnh theo từng hàng sau đó giảm mẫu đi một nửa bằng cách loại bỏ một nữa số cột, sau đó lọc theo từng cột và giảm đi một nửa số hàng.

Hình 3. Phân tích DWT 2 chiều

2.3 Quá trình nhúng ảnh

Quá trình nhúng ảnh: Đọc ảnh gốc; Phân tích ảnh gốc; Đọc ảnh nhúng; Phân tích ảnh nhúng; Thực hiện nhúng ảnh; Tính thông số PSNR (Giữa ảnh gốc và ảnh đã nhúng).

Thuật toán nhúng:

O’(u,v) = O(u,v) + W(u,v) (3)

Trong đó:O(u,v): Phân tích (DCT/DWT) ảnh gốc.W(u,v): Phân tích (DCT/DWT) ảnh nhúng.O’(u,v):Phân tích (DCT/DWT)ảnh đã nhúng.: Hệ số cường độ nhúng 0 < <1.

Thuật toán trích:

W’(u,v) = [O’(u,v) - O(u,v)]/ (4)

Trong đó:

W’(u,v): Phân tích (DCT/DWT) ảnh trích.

3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

3.1 Thay đổi ảnh gốc

Khi thay đổi ảnh gốc thì có sự thay đổi thông số PSNR rất nhỏ (Giữa ảnh gốc và ảnh đã nhúng).

Bảng 1. Thay đổi ảnh gốc

DCT DWT

PSNR=25.6239dB PSNR= 25.5947dB

PSNR=25.5456dB PSNR= 25.5165dB

3.2 Thay đổi ảnh nhúng

Khi thay đổi ảnh nhúng thì có sự thay đổi thông số PSNR rất nhỏ (Giữa ảnh gốc và ảnh đã nhúng).

Bảng 2. Thay đổi ảnh nhúng

DCT DWT

PSNR= 25.0661dB PSNR= 25.0582dB

PSNR=25.5456dB PSNR= 25.5165dB

3.3 Thay đổi cường độ nhúng

Khi thay đổi cường độ nhúng thì có sự thay đổi thông số PSNR (Giữa ảnh gốc và ảnh đã nhúng) càng tăng cường độ nhúng thì thông số PSNR càng giảm.

Bảng 3. Ảnh nhúng khi thay đổi

DCT DWT

0.1

PSNR=25.5456dB PSNR=25.5165dB

0.2

PSNR=24.6129dB PSNR=24.5993dB

0.3

PSNR= 24.2603dB PSNR=24.2477dB

3.4 Ảnh trích

Khi thay đổi cường độ nhúng thì có sự thay đổi thông số PSNR (Giữa ảnh trích và ảnh nhúng) càng tăng cường độ nhúng thì thông số PSNR càng tăng.

Bảng 4. Ảnh trích khi thay đổi

DCT DWT

0.1

PSNR= 37.031dB PSNR= 37.8008dB

0.2

PSNR= 38.274dB PSNR= 40.7953dB

0.3

PSNR=39.932dB PSNR=43.2685dB

4. KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu: Thực hiện nhúng ảnh màu trong miền DCT, Thực hiện nhúng ảnh màu trong miền DWT.

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào bảo vệ bản quyền tác giả, bảo mật thông tin.

Định hướng nghiên cứu trong tương lai: Nhúng ảnh có tấn công, nhúng ảnh trên kit TMS320DM6437 EVM.

LỜI CẢM ƠN

Người viết xin cảm ơn những tác giả của các tài liệu đã trích dẫn trong bài viết.

TÀI LIỆU THAM KHẢO[1] Phan Thế Đức – Dương Minh Vũ, Thực hiện bản quyền ảnh số dùng Watermarking kết hợp Wavelets trên kit DM6437 EVM, Luận văn kỹ sư Công nghệ Điện tử Viễn thông, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM, năm 2014.[2] Nguyễn Thanh Hải, Giáo trình Xử lý ảnh, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM, năm 2014.[3] Ali Al-Haj, Combined DWT-DCT Digital Image Watermarking, Department of Computer Engineering, School of Electrical Engineering, Princess Sumaya University for Technology, PO Box 1928, Al-Jubeiha, 11941 Amman, Jordan.[4]. Ingemar J. Cox - Matthew L. Miller - Jeffrey A. Bloom - Jessica Fridrich and Ton Kalker, Digital Watermarking and Steganography, 2nd edition, ISBN: 978-0-12-372585-1, Morgan Kaufmann, 2008.[5] Mingwei Zhao - Yanzhong Dang, Color Image Copyright Protection Digital Watermarking Algorithm Based on DWT & DCT, Institute of Systems Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, China, 2008.[6] Saraju Prasad Mohanty, Watermarking of Digital Images, A Project Report Submitted in Partial Fulfillment of the Requirement for the degree of Master of Engineering in System Science and Automation, Department of Electrical Engineering Indian Institue of Science Bangalore-560 012, India, January 1999.Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết):

Họ tên: Nguyễn Duy Thảo.

Đơn vị: Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Khoa Điện Điện tử.

Điện thoại: 0913134406.

Email: ngduythao76@yahoo.com.