Giấu tin thuận nghịch cho ảnh stereo dựa trên phương pháp dịch chuyển histogram và EMD
Kỷ yếu Hội nghị KHCN Quốc gia lần thứ XII về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR); Huế, ngày 07-08/6/2019
DOI: 10.15625/vap.2019.00025
GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH CHO ẢNH STEREO DỰA TRÊN PHƯƠNG
PHÁP DỊCH CHUYỂN HISTOGRAM VÀ EMD
Huỳnh Văn Thanh1, Võ Phước Hưng1,2, Nguyễn Thái Sơn1, Trầm Hoàng Nam1, Đỗ Thanh Nghị2
1Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Đại học Trà Vinh
2Khoa Công nghệ thông tin và Truyền thông, Đại học Cần Thơ
TÓM TẮT: Ảnh stereo gồm hai ảnh, bên trái và bên phải, có cùng kích thước và có nhiều khối ảnh tương đồng nhau. Dựa trên đặc
tính này, một phương pháp giấu tin thuận nghịch được đề xuất để giấu thông tin mật vào các cặp khối ảnh tương đồng trong ảnh
stereo. Phương pháp đề xuất thực hiện giấu tin bằng cách xây dựng lược đồ histogram hai chiều các cặp hệ số DCT được lượng tử
hóa. Mỗi cặp khối tương đồng của ảnh stereo chứa nhiều cặp hệ số giống nhau có giá trị gần bằng không (0, 0) và chúng được chọn
để giấu tin. Ngoài ra, để nâng cao khả năng giấu tin trong khi vẫn duy trì được chất lượng ảnh stereo sau khi nhúng tin, chúng tôi
xây dựng bảng điều hướng nhúng tối ưu (optimal EMD) để dịch chuyển histogram khi giấu tin. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng,
giải pháp đề xuất tăng hơn 40 % hiệu năng giấu tin nhưng không làm suy giảm chất lượng ảnh mang tin.
Từ khóa: ảnh stereo, DCT, dịch chuyển histogram, EMD, giấu tin thuận nghịch.
I. GIỚI THIỆU
Ngày nay, khi dữ liệu số đƣợc truyền qua kênh phổ thông nhƣ mạng Internet, sẽ đối mặt với những rủi ro tiềm
ẩn từ những kẻ tấn công nhằm muốn thay đổi, phá hoại thông tin. Chính vì vậy, vấn đề bảo đảm sự an toàn của dữ liệu
số ngày càng thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Nhiều giải pháp giữ an toàn và
bảo mật thông tin đƣợc đề xuất nhƣ mã hoá thông tin (cryptography) hay giấu thông tin trong dữ liệu (steganorgraphy)
đƣợc đề xuất để giải quyết vấn đề khó khăn này. Trong đó, mã hoá thông tin là việc chuyển đổi các thông tin ở dạng có
ý nghĩa (plaintext) sang dạng không có ý nghĩa (ciphertext). Tuy nhiên, phƣơng pháp này thu hút nhiều hơn sự quan
tâm của những kẻ tấn công đối với bản mật mã. Trong khi đó, phƣơng pháp giấu tin, thực hiện việc giấu thông tin mật
vào một dữ liệu số (dữ liệu mang tin). Các dữ liệu mang tin vẫn ở dạng có ý nghĩa sau khi giấu tin, do đó tránh đƣợc sự
quan tâm không đáng có của những ngƣời dùng không hợp pháp. Vì vậy, phƣơng pháp giấu thông tin mật vào một đối
tƣợng mang tin đang nổi lên nhƣ một giải pháp hữu hiệu cho sự đảm bảo an toàn thông tin khi truyền trên môi trƣờng
mạng mở.
Các đối tƣợng mang tin (cover data) có thể là các tập tin văn bản (text), hình ảnh (image), âm thanh (audio),
phim (video). Trong đó, giấu tin vào ảnh đƣợc cộng đồng các nhà nghiên cứu quan tâm phát triển. Thông thƣờng, các
kỹ thuật giấu tin sẽ làm cho đối tƣợng mang tin bị nhiễu, bị biến dạng sau khi thông tin ẩn giấu đƣợc rút trích. Tuy
nhiên, nếu kỹ thuật giấu tin đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt nhƣ ảnh y sinh hay ảnh pháp chứng số, thì đòi
hỏi cả thông tin giấu và ảnh mang tin phải đƣợc bảo toàn (lossless) sau khi rút trích. Do đó, cần có các phƣơng pháp
giấu tin đảm bảo khả năng khôi phục đƣợc hoàn toàn đối tƣợng mang tin về trạng thái ban đầu sau khi thông tin mật
đƣợc rút trích. Các phƣơng pháp giấu tin làm đƣợc nhƣ thế đƣợc gọi phƣơng pháp giấu tin thuận nghịch (reversible
data hiding) [1].
Phƣơng pháp giấu tin trong ảnh có thể đƣợc thực hiện trên miền không gian (spatial domain) hoặc miền tần số
(frequency domain). Trong đó, với phƣơng pháp giấu tin trên miền không gian ảnh, các thông tin mật đƣợc giấu trực
tiếp vào giá trị các điểm ảnh (pixels) của ảnh mang tin [2]-[7]. Phƣơng pháp đơn giản nhất thuộc nhóm này là thay thế
dữ liệu mật vào các bít thông tin có trọng số thấp (LSB) của các điểm ảnh [3]. Tuy nhiên, phƣơng pháp này không thể
khôi phục ảnh mang tin về trạng thái gốc sau khi tin mật đƣợc trích ra. Năm 2003, Tian [7] đã đề xuất một lƣợc đồ giấu
tin thuận nghịch đầu tiên, bằng cách giấu tin dựa vào mở rộng sự khác biệt (difference expansion - DE) của các cặp
điểm ảnh. Giải pháp này giúp bảo toàn ảnh mang tin sau khi rút trích, tuy nhiên cần phải dùng bản đồ định vị (location
map) để xác định các điểm ảnh đƣợc nhúng hoặc không nhúng, đây là nguyên nhân dẫn đến khả năng nhúng không
cao. Trong khi đó, với phƣơng pháp dự báo (prediction), đã có nhiều lƣợc đồ giấu tin hiệu quả hơn đƣợc đề xuất trong
[5], [6]. Những phƣơng pháp này, tác giả xây dựng lƣu đồ dịch chuyển (histogram shifting - HS) từ các giá trị mở rộng
sai số dự báo (prediction error expansion) để giấu tin. Phƣơng pháp dịch chuyển histogram đƣợc xem là một trong các
phƣơng pháp cổ điển trong lĩnh vực giấu tin thuận nghịch, vì có khả năng khôi phục hoàn toàn đối tƣợng mang tin về
trạng thái gốc cũng nhƣ cải thiện khả năng nhúng tin. Ngƣợc lại, phƣơng pháp giấu tin trên miền tần số, các thông tin
mật đƣợc giấu vào giá trị các điểm ảnh sau khi đã dùng các phép biến đổi nhƣ: biến đổi Cosine rời rạc (DCT), biến đổi
sóng nhỏ (DWT),… [8]-[15]. Một trong các lƣợc đồ giấu tin thuộc nhóm này đƣợc đề xuất trong [12], tác giả đã thực
hiện giấu tin vào miền biến đổi Contourlet của ảnh đa mức xám (grayscale images). Phƣơng pháp này đạt độ an toàn
thông tin giấu dƣới các dạng tấn công khác nhau, tuy nhiên vẫn chƣa hỗ trợ tính thuận nghịch. Bên cạnh đó, nhiều giải
pháp giấu tin trên ảnh nén JPEG đƣợc công bố trong [8]-[11]. Những phƣơng pháp này, các tác giả thực hiện giấu tin
vào các hệ số lƣợng tử hóa DCT (quantized discrete cosine transformation - QDCT), cho nên đạt đƣợc độ bền vững tốt
hơn các phƣơng pháp giấu tin trên miền không gian.
192 GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH CHO ẢNH STEREO DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP DỊCH CHUYỂN HISTOGRAM VÀ EMD
Hầu hết các kỹ thuật giấu tin thuận nghịch đã đề xuất trong [2], [5]-[11] chỉ áp dụng cho ảnh 2D. Ngày nay,
bằng cách dùng kỹ thuật stereoscopy để ra ảo giác về độ sâu ảnh từ một cặp ảnh 2D, nhiều ảnh stereo (stereo images)
đƣợc tạo ra và đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ đó, nhiều kỹ thuật giấu tin cho các loại ảnh
này đƣợc giới thiệu [13]-[17]. P. Campisi [17] đã đề xuất một phƣơng pháp thủy vân số (watermaking) cho ảnh stereo
dựa trên miền tần số DWT. Sau đó, Lou [16] cũng bổ sung một phƣơng pháp thủy vân số để chứng thực ảnh stereo dựa
vào sự tham chiếu tƣơng đồng trong ảnh stereo. Tuy nhiên, hai phƣơng pháp này đều không thuận nghịch và ảnh
hƣởng đáng kể đến chất lƣợng của ảnh khi lƣợng lớn thông tin đƣợc nhúng vào. Có nghĩa là, các giải pháp này không
thể khôi phục lại trạng thái ban đầu của ảnh mang tin sau khi tin mật đƣợc trích ra. Điều này không thể áp dụng trong
các lĩnh vực đặc biệt nhƣ y khoa, an ninh, quân đội,... Để khắc phục vấn đề này, Yang và Chen [15] đã đƣa ra một lƣợc
đồ giấu tin thuận nghịch cho loại ảnh stereo này. Đầu tiên, Yang mã hóa mỗi 3 bits dữ liệu trƣớc khi giấu thành một
cặp số nguyên trong đoạn [-1, 1], sau đó nhúng vào sự mở rộng khác biệt các cặp hệ số QDCT của các cặp khối ảnh
tƣơng đồng bên trái và bên phải. Phƣơng pháp này có thể khôi phục lại hoàn toàn ảnh stereo sau khi tách thông tin mật
ra. Dựa vào đặc tính tƣơng đồng của ảnh stereo nhƣ trên, nhóm tác giả trong [14] cũng đề xuất một lƣợc đồ giấu tin
thuận nghịch cho ảnh stereo bằng phƣơng pháp dịch chuyển histogram hai chiều (2D-HS). Histogram này đƣợc xây
dựng trực tiếp từ các cặp hệ số QDCT của ảnh bên trái và ảnh bên phải, khác với histogram trong [15] đƣợc xây dựng
từ các giá trị khác biệt giữa các cặp hệ số QDCT. Tuy nhiên, cả hai phƣơng pháp vẫn còn giới hạn ở khả năng giấu tin.
Hạn chế phƣơng pháp của Yang [15] là sự phụ thuộc vào mức độ giống nhau của các cặp khối tƣơng đồng để tạo ra
nhiều giá trị có thể giấu tin. Tuy phƣơng pháp [14] không cần tìm giá trị khác biệt, nhƣng khả năng nhúng vẫn phụ
thuộc vào các cặp hệ số QDCT có giá trị gần bằng không của cặp khối ảnh bên trái và bên phải. Hơn nữa, bằng cách
phụ thuộc vào phƣơng pháp dịch chuyển histogram để giấu tin, nên hai phƣơng pháp này gây ảnh hƣởng lên giá trị tất
cả các cặp hệ số QDCT, dẫn đến chất lƣợng của ảnh stereo giảm đáng kể.
Để khắc phục những hạn chế của giải pháp giấu tin hiện có trên ảnh stereo, trong bài báo này, chúng tôi đề xuất
một lƣợc đồ giấu tin thuận nghịch mới dựa trên dịch chuyển histogram các hệ số QDCT kết hợp với dùng bảng điều
hƣớng nhúng (exploiting modification direction - EMD). Phƣơng pháp này thực hiện giấu tin bằng cách xây dựng lƣu
đồ dịch chuyển hai chiều (two-dimensional histogram shifting) các cặp hệ số QDCT, đƣợc rút ra từ cặp khối ảnh tƣơng
đồng của ảnh stereo. Từ các cặp khối tƣơng đồng của ảnh stereo, sẽ có nhiều cặp hệ số QDCT giống nhau, từ đó tạo
nên histogram hai chiều với giá trị tập trung chủ yếu tại đỉnh (shark histogram). Hơn nữa, bằng cách dùng bảng điều
hƣớng nhúng tối ƣu (optimal EMD) để thay đổi histogram, sẽ ít làm thay đổi giá trị các hệ số QDCT sau khi giấu tin.
Bằng cách làm này, giải pháp đề xuất sẽ duy trì đƣợc chất lƣợng ảnh và cải thiện khả năng nhúng đáng kể.
II. NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
A. Biến đổi cosine rời rạc và lượng tử hóa
Biến đổi cosine rời rạc DCT là một kỹ thuật quan trọng để biến đổi dữ liệu hình ảnh từ dạng biên độ thành dạng
dữ liệu tần số. Biến đổi DCT đƣợc ứng dụng nhiều trong kỹ thuật mã hoá ảnh JPEG. Đầu tiên, ảnh sẽ đƣợc chia thành
các khối 8×8 pixels không trùng lặp. Tiếp theo, mỗi khối sẽ đƣợc biến đổi DCT theo công thức (1) để thu đƣợc khối hệ
số DCT tƣơng ứng.
( )
(
)
(
)
( )
(
)
(
)
(1)
∑ ∑ (
) (
)
√
( )
Với {
(
)
Trong đó, F(u, v) là hệ số DCT tại toạ độ (u, v) với u, v có giá tri từ 1 đến 8 và là giá trị điểm ảnh tại toạ
độ (x, y).
Các hệ số DCT đƣợc duyệt theo hình zigzag từ vùng có tần số thấp đến vùng có tần số cao. Hệ số đầu tiên trong
vùng tần số thấp đƣợc gọi là DC chứa thông tin độ sáng của khối đó, các hệ số còn lại biểu diễn cho các thành phần tần
số cao gọi AC đƣợc minh họa nhƣ Hình 1.
Hình 1. Phân bố các hệ số DC và AC trong khối 8×8
Huỳnh Văn Thanh, Võ Phƣớc Hƣng, Nguyễn Thái Sơn, Trầm Hoàng Nam, Đỗ Thanh Nghị
193
(2)
Sau đó, các hệ số DCT đƣợc lƣợng tử với bảng lƣợng tử có cấu trúc ma trận kích thƣớc 8×8 phần tử theo (2).
(
)
)
(
)
(
)
(
Trong đó:
(
)
(
)
là hệ số DCT trƣớc lƣợng tử tại tọa độ ;
(
)
là giá trị phần tử tƣơng ứng trong bảng lƣợng tử;
(
)
là hệ số DCT đã lƣợng tử.
B. Phương pháp của Yang
Để tăng khả năng giấu tin cho ảnh, Yang [15] mã hóa mỗi 3 bit thông tin thành một cặp số nguyên z [-1, 1] và
giấu vào các cặp hệ số QDCT tƣơng đồng của ảnh stereo. Quá trình giấu tin đƣợc tóm tắt qua các bƣớc chính sau:
Ban đầu, mỗi ảnh stereo sẽ đƣợc biến đổi DCT và lƣợng tử chúng để nhận đƣợc các khối hệ số QDCT 8×8 phần
tử với ba vùng tần số khác nhau nhƣ Hình 2. Trong đó, vùng hình tròn đen chứa các hệ số có tần số thấp gọi là vùng
tìm kiếm, vùng hình vuông đen chứa các hệ số có tần số trung bình đƣợc dùng để giấu tin, phần còn lại không sử dụng.
Tiếp theo, ứng với mỗi khối hệ số QDCT 8×8 của ảnh trái, tìm khối tƣơng đồng bên phải theo công thức (3).
(
)
(
)
(
) ∑ [
]
(3)
(
)
Trong đó, là hệ số QDCT của khối tại tọa độ (u, v). Hai khối đƣợc xem là tƣơng đồng nhau, khi
(
) .
Hình 2. Ba vùng hệ số QDCT khác nhau của khối 8×8
Sau đó, tính giá trị khác biệt các hệ số QDCT trong vùng giấu tin mỗi cặp tƣơng đồng theo công thức (4).
(
)
(
)
( )
(4)
(5)
Với mỗi ( ) 0 đƣợc dùng để nhúng một số nguyên z theo công thức (5).
(
)
(
)
(
)
( )
{
(
)
(
)
(
)
Cuối cùng, giá trị khác biệt mới của hệ số QDCT đƣợc dùng để cập nhật lại cho cặp khối bên trái và
bên phải của ảnh stereo. Bằng cách áp dụng các bƣớc trên thì thông tin mật đƣợc nhúng vào ảnh stereo.
Tuy nhiên theo công thức (5), hầu nhƣ mỗi cặp hệ số QDCT sẽ bị thay đổi giá trị để nhúng thông tin, điều này
làm cho chất lƣợng ảnh bị ảnh hƣởng. Hơn nữa, phƣơng pháp này dựa vào kỹ thuật dịch chuyển lƣu đồ một chiều để
giấu tin nên khả năng giấu thông tin còn hạn chế.
III. GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
Mỗi ảnh stereo gồm hai ảnh bên trái và ảnh bên phải có cùng kích thƣớc và rất giống nhau. Dựa vào đặc tính
này, chúng tôi đề xuất một lƣợc đồ giấu tin thuận nghịch cho ảnh stereo bằng phƣơng pháp dịch chuyển histogram hai
chiều kết hợp với việc tối ƣu bảng điều hƣớng nhúng để cải thiện hiệu suất giấu tin. Quá trình giấu tin của chúng tôi
gồm các bƣớc chính đƣợc mô tả trong sơ đồ Hình 3. Đầu tiên, chúng tôi sẽ xây dựng bảng điều hƣớng nhúng tối ƣu
phụ thuộc vào chuỗi dữ liệu nhúng. Kế tiếp, mỗi ảnh stereo sẽ đƣợc chia thành các khối 8×8 pixels, mỗi khối này đƣợc
biến đổi DCT và lƣợng tử hóa. Sau đó, dựa vào vùng tìm kiếm (Hình 2), từng cặp khối tƣơng đồng nhất của ảnh stereo
sẽ đƣợc xác định. Tiếp theo, chúng tôi sẽ nhúng dữ liệu mật vào vùng giấu tin của các cặp khối tƣơng đồng này theo
194 GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH CHO ẢNH STEREO DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP DỊCH CHUYỂN HISTOGRAM VÀ EMD
phƣơng pháp dịch chuyển histogram dựa vào bảng EMD. Các khối tƣơng đồng đã mang tin sẽ đƣợc biến đổi cosine rời
rạc ngƣợc (IDCT) và giải lƣợng tử. Cuối cùng, các khối 8×8 này sẽ đƣợc kết hợp lại để tạo thành ảnh mang tin.
Hình 3. Lƣu đồ quá trình giấu tin của giải pháp đề xuất
A. Tạo bảng EMD tối ưu (OET)
Để xây dựng bảng điều hƣớng nhúng tối ƣu hơn so với bảng EMD truyền thống [18], chúng tôi thực hiện
chuyển mỗi 3 bit dữ liệu nhúng thành dãy các số tự nhiên { } . Do đó, mỗi số tự nhiên sẽ có giá
trị từ „0‟ đến „7‟. Tiếp đó, sẽ đƣợc sắp xếp dựa trên tần suất xuất hiện của chúng trong . Hình 4 (a) và (b) là ví dụ về
tần suất xuất hiện của trƣớc và sau khi sắp xếp. Với xuất hiện cao nhất ( ), đƣợc đặt ở vị trí trung tâm của bảng
EMD và bốn số có tần xuất cao tiếp theo ( ) đƣợc đặt lần lƣợt bên trái, dƣới, phải và trên vị trí trung tâm.
Bằng cách làm nhƣ vậy, sẽ tạo đƣợc bảng EMD tối ƣu (OET). Do đó, sẽ làm ít thay đổi histogram khi giấu tin, dẫn đến
duy trì đƣợc chất lƣợng ảnh và cải thiện đƣợc khả năng nhúng của giải pháp đề xuất. Khi đó, bảng OET sẽ có dạng nhƣ
trong Hình 5.
(b)
(a)
Hình 4. Ví dụ về tần suất xuất hiện của , (a) trƣớc sắp xếp, (b) sau khi sắp xếp
a
b
Hình 5. Ví dụ bảng EMD tối ƣu (OET)
Huỳnh Văn Thanh, Võ Phƣớc Hƣng, Nguyễn Thái Sơn, Trầm Hoàng Nam, Đỗ Thanh Nghị
195
B. Giấu tin bằng cách dịch chuyển histogram hai chiều dựa theo bảng OET
Giấu tin bằng dịch chuyển histogram một chiều theo Yang [15] bị giới hạn khả năng nhúng và ảnh hƣởng chất
lƣợng ảnh. Trong phần này, chúng tôi xây dựng histogram hai chiều từ các khối hệ số QDCT tƣơng đồng của ảnh
stereo, với h(x, y) là tần suất xuất hiện của các cặp hệ số QDCT (x, y) của ảnh trái và ảnh phải. Do hầu hết các cặp hệ
số QDCT có giá trị gần bằng không (0), nên khi làm tròn thì h(0, 0) sẽ là cột (bin) cao nhất (peak point) và đƣợc dùng
để mang tin mật. Quá trình giấu tin bằng phƣơng pháp dịch chuyển histogram hai chiều dựa theo bảng OET sẽ đƣợc
minh họa nhƣ trong Hình 6. Đầu tiên, histogram hai chiều sẽ đƣợc xây dựng từ các cặp hệ số QDCT của ảnh trái và
ảnh phải (Hình 6.a). Trƣớc khi nhúng dữ liệu, các bin lân cận peak point sẽ đƣợc mở rộng, để tạo không gian nhúng dữ
liệu (Hình 6.b). Sau đó, dữ liệu mật sẽ đƣợc nhúng vào peak point theo bảng OET.
Hình 6. Minh họa quá trình nhúng tin của giải pháp đề xuất
Thuật toán nhúng tin vào ảnh stereo sẽ đƣợc mô tả chi tiết qua các bƣớc sau:
Đầu vào: Ảnh stereo , thông tin mật
Đầu ra: Ảnh stereo mang tin mật
Bƣớc 1. Xây dựng bảng OET từ thông tin mật để tạo ra chuỗi dữ liệu nhúng nhƣ trình bày trong phần A. Để đảm
bảo quá trình tách tin thành công, bảng OET (kích thƣớc 3×8 bit) cần đƣợc nhúng vào ảnh stereo. Do đó, chúng tôi dùng cặp
khối tƣơng đồng đầu tiên của ảnh stereo để chứa 24 bits này theo phƣơng pháp dịch chuyển lƣu đồ truyền thống.
Bƣớc 2. Chia ảnh stereo thành các khối 8×8 không trùng lặp. Tiếp theo, thực hiện biến đổi DCT và lƣợng tử
(
)
hóa chúng. Sau đó, tìm các khối tƣơng đồng dựa vào vùng tìm kiếm, vùng tọa độ theo công thức (3).
Bƣớc 3. Với mỗi cặp khối tƣơng đồng đƣợc tìm thấy (trừ cặp đầu tiên). Tiến hành nhúng tin mật vào vùng giấu
(
)
(
)
tin, vùng của hai khối hệ số QDCT tƣơng đồng. Trong thuật toán này, chúng tôi gọi ( )
(
)
(
)
là cặp hệ số QDCT khối bên trái và khối bên phải sau khi làm tròn, ( ) tƣơng ứng với các hệ số
QDCT sau khi nhúng. Quá trình nhúng sẽ nhƣ sau:
| | | |
(
)
3.1. Mở rộng: Nếu thì hàm mở mở rộng đƣợc tính theo công thức (6), ngƣợc lại dùng công
thức (7).
( ) {
(
)
( ) {
( ) {
(6)
(7)
{
(
)
{
(
)
{
(
)
( ) {
( ) {
{
196 GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH CHO ẢNH STEREO DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP DỊCH CHUYỂN HISTOGRAM VÀ EMD
3.2. Nhúng tin: Mỗi dữ liệu nhúng sẽ đƣợc nhúng vào một cặp ( ) ( ) theo bảng OET. Bằng cách truy
(
)
vấn trong bảng, nếu OET thì thay đổi giá trị và thành và , với * +.
Lặp lại Bƣớc 3 cho đến khi tất cả các khối tƣơng đồng đƣợc nhúng tin. Cuối cùng sẽ tạo đƣợc ảnh stereo mang
tin mật .
C. Trích tin và khôi phục ảnh gốc
Quá trình trích tin thực hiện tƣơng tự nhƣ quá trình nhúng tin. Các bƣớc thực hiện sẽ đƣợc mô tả nhƣ sau:
Đầu vào: Ảnh stereo mang tin mật
Đầu ra: Ảnh stereo và thông tin mật
Bƣớc 1. Ảnh mang tin mật đƣợc chia thành các khối 8×8. Thực hiện các công việc giống trong Bƣớc 2 của
quá trình nhúng tin để tìm các khối tƣơng đồng.
Bƣớc 2. Bảng OET‟ sẽ đƣợc trích ra từ 24 hệ số QDCT từ cặp khối tƣơng đồng đầu tiên.
Bƣớc 3. Trích tin: Với mỗi khối tƣơng đồng tiếp theo, từng cặp hệ số ( ) * + sẽ đƣợc tra cứu trong
(
)
(
)
bảng OET‟. Nếu ( ) = , thì dữ liệu mật = OET‟ sẽ đƣợc trích ra, đồng thời giá trị và sẽ đƣợc
khôi phục thành và , với * +. Sau đó, mỗi sẽ đƣợc chuyển thành chuỗi thông
tin mật .
|
|
| |
Bƣớc 4. Khôi phục ảnh gốc: nếu thì khôi phục các hệ số QDCT theo công thức (8), ngƣợc lại theo
công thức (9).
(
)
{
(
)
(8)
( ) {
{
( ) {
(
)
{
(
)
{
(
)
(9)
{
( ) {
( ) {
Bằng cách lặp lại Bƣớc 3 và Bƣớc 4 cho đến khi tất cả các khối tƣơng đồng đƣợc xử lý. Cuối cùng, thu đƣợc
thông tin mật và ảnh stereo .
IV. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
A. Tập dữ liệu mẫu thực nghiệm
Trong phần này, tập dữ liệu dùng để chạy thực nghiệm gồm 21 ảnh stereo đƣợc lấy từ tập dữ liệu mẫu trên thƣ
viện Middlebury [19]. Hình 7 là một số ví dụ về ảnh stereo trong thƣ viện trên. Thông tin mật sẽ đƣợc phát sinh từ ảnh
Baboon và đƣợc dùng làm dữ liệu nhúng cho cả ba phƣơng pháp trong thực nghiệm.
(a) Left Aloe
(b) Right Aloe
(c) Left Baby1
(d) Right Baby1
(e) Left Monopoly (f) Right Monopoly
(g) Left Bowling1
(h) Right Bowling1
(i) Left Flowerpots (j) Right Flowerpots
(k) Left Cloth4
(l) Right Cloth4
Hình 7. Ví dụ sáu ảnh stereo trong thƣ viện [19]
Huỳnh Văn Thanh, Võ Phƣớc Hƣng, Nguyễn Thái Sơn, Trầm Hoàng Nam, Đỗ Thanh Nghị
197
B. Phân tích kết quả thực nghiệm
Để đánh giá kết quả thực nghiệm của giải pháp đề xuất, một ngƣỡng đƣợc dùng để xác định các cặp khối tƣơng
đồng để giấu tin. Chúng tôi dùng các ngƣỡng khác nhau để thấy sự tác động của vào tỉ lệ nhúng (bpp) và chất lƣợng
ảnh mang tin (PSNR). Kết quả cho thấy, với càng lớn thì khả năng nhúng tăng lên và chất lƣợng ảnh sẽ giảm.
Bảng 1. So sánh giá trị trung bình PSNR, bpp của 21 ảnh stereo của các phƣơng pháp
Phương pháp
Yang [15]
FAIR’9 [14]
PSNR bpp
Đề xuất
PSNR bpp
T
PSNR
bpp
5
42,35
40,32
39,26
38,60
38,14
37,81
0,13
0,18
0,21
0,23
0,24
0,26
42,52
40,56
39,51
38,88
38,43
38,11
0,22 40,15
0,29 38,15
0,34 37,10
0,37 36,46
0,40 36,02
0,42 35,70
0,32
0,42
0,48
0,53
0,56
0,60
10
15
20
25
30
Bảng 1 cho thấy rằng phƣơng pháp đề xuất của chúng tôi có tỉ lệ nhúng tăng hơn 100% so với phƣơng pháp của
Yang [15] và hơn 40% so với phƣơng pháp [14], trong khi chất lƣợng ảnh vẫn duy trì ở mức trên 35 dB.
Một kết quả thực nghiệm khác trong Bảng 2 cũng góp phần khẳng định sự vƣợt trội của giải pháp đề xuất bằng
cách so sánh về khả năng nhúng (EC) tối đa của giải pháp đề xuất so với các phƣơng pháp trƣớc. Dễ dàng nhận thấy
rằng khả năng nhúng tối đa của giải pháp Yang chỉ đạt 42.360 bits, của phƣơng pháp [14] là 104.441 bits, trong khi
giải pháp của chúng tôi đạt tối đa lên đến 150.480 bits.
Bảng 2. So sánh khả năng nhúng (bits) và chất lƣợng ảnh (dB) của các phƣơng pháp khi
Phương pháp EC trung bình (bits) PSNR trung bình (dB) EC tối đa (bits) Kỹ thuật áp dụng
Yang [15]
FAIR‟9 [14]
Đề xuất
38.513
62.723
89.703
38,14
38,43
36,02
42.360 HS
104.441 2D-HS
150.480 2D-HS, EMD
V. KẾT LUẬN
Bài báo đề xuất một lƣợc đồ giấu tin thuận nghịch mới cho ảnh stereo. Trong giải pháp này, lƣu đồ dịch chuyển
hai chiều cho các cặp hệ số QDCT đƣợc xây dựng để giấu tin. Hơn nữa, bằng cách kết hợp bảng EMD tối ƣu để dịch
chuyển lƣu đồ, sẽ cho phép một lƣợng lớn thông tin mật có thể đƣợc giấu vào ảnh mà vẫn đảm bảo đƣợc chất lƣợng
của ảnh stereo. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, giải pháp đề xuất đã cải thiện đáng kể khả năng giấu tin của các
giải pháp trƣớc đây trong khi vẫn đảm bảo chất lƣợng của ảnh mang tin ở mức cao. Ngoài ra, giải pháp đề xuất cũng
đảm bảo đƣợc tính thuận nghịch vì thế có thể áp dụng vào các lĩnh vực đặc biệt nhƣ y khoa, quân đội hoặc
pháp chứng…
VI. LỜI CÁM ƠN
Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài
mã số 102.01-2016.06.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] K. H. Jung, “A Survey of Reversible Data Hiding Methods in Dual Images,” IETE Technical Review, vol. 33, no.
4, pp. 441-452, Jul. 2016.
[2] R. Kumar and S. Chand, “A reversible high capacity data hiding scheme using pixel value adjusting feature,”
Multimedia Tools and Applications, vol. 75, no. 1, pp. 241-259, Jan. 2016.
[3] M. U. Celik, G. Sharma, A. M. Tekalp, and E. Saber, “Lossless generalized-LSB data embedding,” IEEE
Transactions on Image Processing, vol. 14, no. 2, pp. 253-266, Feb. 2005.
[4] S. A. Parah, J. A. Sheikh, U. I. Assad, and G. M. Bhat, “Realisation and robustness evaluation of a blind spatial
domain watermarking technique,” International Journal of Electronics, vol. 104, no. 4, pp. 659-672, Apr. 2017.
[5] B. Ou, X. Li, and J. Wang, “Improved PVO-based reversible data hiding: A new implementation based on
multiple histograms modification,” Journal of Visual Communication and Image Representation, vol. 38, pp.
328-339, Jul. 2016.
[6] S. Weng, G. Zhang, J. S. Pan, and Z. Zhou, “Optimal PPVO-based reversible data hiding,” Journal of Visual
Communication and Image Representation, vol. 48, pp. 317-328, Oct. 2017.
[7] Jun Tian, “Reversible data embedding using a difference expansion,” IEEE Transactions on Circuits and Systems
for Video Technology, vol. 13, no. 8, pp. 890-896, Aug. 2003.
[8] D. Hou, H. Wang, W. Zhang, and N. Yu, “Reversible data hiding in JPEG image based on DCT frequency and
block selection,” Signal Processing, vol. 148, pp. 41-47, Jul. 2018.
198 GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH CHO ẢNH STEREO DỰA TRÊN PHƢƠNG PHÁP DỊCH CHUYỂN HISTOGRAM VÀ EMD
[9] F. Huang, X. Qu, H. J. Kim, and J. Huang, “Reversible Data Hiding in JPEG Images,” IEEE Transactions on
Circuits and Systems for Video Technology, vol. 26, no. 9, pp. 1610-1621, Sep. 2016.
[10] Y. Liu and C. C. Chang, “Reversible data hiding for JPEG images employing all quantized non-zero AC
coefficients,” Displays, vol. 51, pp. 51-56, Jan. 2018.
[11] A. Nikolaidis, “Reversible data hiding in JPEG images utilising zero quantised coefficients,” IET Image
Processing, vol. 9, no. 7, pp. 560-568, Jul. 2015.
[12] Duc M. Duong and Duc A. Duong, “A normalization based robust image watermarking scheme in Contourlet
domain,” in 6th International Congress on Image and Signal Processing (CISP), Hangzhou, China, 2013, pp.
490-495.
[13] P. H. Vo, T. S. Nguyen, V. T. Huynh, and T. N. Do, “A robust hybrid watermarking scheme based on DCT and
SVD for copyright protection of stereo images,” in 2017 4th NAFOSTED Conference on Information and
Computer Science, Hanoi, Vietnam, 2017, pp. 331-335.
[14] N. T. Sơn, V. P. Hƣng, H. V. Thanh, and Đ. T. Nghị, “Giấu tin thuận nghịch trong ảnh stereo với khả năng nhúng
tin cao,” Proceeding of Publishing House for Science and Technology, pp. 631-637, 2017.
[15] W. C. Yang and L. H. Chen, “Reversible DCT-based data hiding in stereo images,” Multimedia Tools and
Applications, vol. 74, no. 17, pp. 7181-7193, Sep. 2015.
[16] T. Luo, G. Jiang, X. Wang, M. Yu, F. Shao, and Z. Peng, “Stereo image watermarking scheme for authentication
with self-recovery capability using inter-view reference sharing,” Multimedia Tools and Applications, vol. 73, no.
3, pp. 1077-1102, Dec. 2014.
[17] P. Campisi, “Object-oriented stereo-image digital watermarking,” Journal of Electronic Imaging, vol. 17, no. 4,
p. 043024, Oct. 2008.
[18] X. Zhang and S. Wang, “Efficient Steganographic Embedding by Exploiting Modification Direction,” IEEE
Communications Letters, vol. 10, no. 11, pp. 781-783, Nov. 2006.
[19] “The Middlebury Computer Vision Pages (2006), http://vision.middlebury.edu/stereo/data/.”
REVERSIBLE DATA HIDING FOR STEREO IMAGES BASED ON HISTOGRAM
SHIFTING AND EMD MECHANISM
Huynh Van Thanh, Vo Phuoc Hung, Nguyen Thai Son, Tram Hoang Nam, Do Thanh Nghi
ABSTRACT: Stereo images have a pair of images, the left and right images, the images are the same size and have a lot of similar
block pairs. In this paper, we proposed a reversible data hiding scheme based on histogram shifting and EMD mechanism. In this
proposed scheme, a histogram shifting is constructed by DCT-quantized coefficients blocks with the size of 8×8 of the left image and
the right image. Once most of DCT-quantized coefficients pairs of stereo images are close to zero values (0, 0), these DCT-
quantized coefficients pairs are selected for embedding data based on optimum EMD table to achieve high embedding capacity.
Experimental results show that our method can achieve 40% better performance compared with the related works in terms of
embedding capacity.
8 trang
17920
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giấu tin thuận nghịch cho ảnh stereo dựa trên phương pháp dịch chuyển histogram và EMD", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giau_tin_thuan_nghich_cho_anh_stereo_dua_tren_phuong_phap_di.pdf
