HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
NGUYỄN LÊ CƯỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG THỦY VÂN SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI
COSINE RỜI RẠC TRÊN ẢNH JPEG
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT

Vào hồi: 14 giờ 00, ngày 13 tháng 12 năm 2012
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

[1] Hieu T. Nguyen, Minh N. Nguyen, Cuong L. Nguyen, Edhem Custovic,
“An FPGA-based Implementation for Repeated Square-and-Multiply
Polynomials”, Proceedings of the 6th IEEE International Conference on
Broadband Communications & Biomedical Applications, Nov. 2011,
Melbourne, Australia.
[2] Cuong L. Nguyen, Minh N. Nguyen, Binh Nguyen, Edhem Custovic,
“An algorithm to improve the robustness of imperceptible watermarks
against JPEG compression", Proceedings of the 6th IEEE International
Conference on Broadband Communications & Biomedical Applications,
Nov. 2011, Melbourne, Australia.
[3] Nguyễn Lê Cường, “Một phương pháp lựa chọn hệ số nhúng nhằm nâng
cao tính bền vững của thủy vân ẩn đối với phép nén ảnh JPEG”, Tạp chí
Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, số 17, tr.102-108, tháng 2,
2012.
[4] Nguyễn Lê Cường, “Tối ưu hóa tham số cho thủy vân ẩn chống lại tấn
công nén ảnh JPEG với các hệ số chất lượng khác nhau”, Tạp chí
Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, số 19, tr.45-54, tháng 6,
2012.

mình. Mục đích của những nghiên cứu trình bày trong luận án là nhằm giải
quyết các vấn đề nêu trên ở khía cạnh chất lượng ảnh chứa thủy vân, tính bền
vững của thủy vân trước tấn công nén ảnh JPEG. Nhiệm vụ cụ thể để thực
hiện mục đích trên gồm: nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng
thủy vân ẩn trên ảnh số chống lại tấn công nén JPEG thông qua việc nghiên
cứu tác nhân gây ảnh hưởng và cách khắc phục ảnh hưởng của nén JPEG đến
chất lượng thủy vân; đề xuất phương pháp nhúng thủy vân ẩn vào ảnh số trên
miền DCT đáp ứng các yêu cầu cho trước về chất lượng ảnh chứa thủy vân, độ
bền vững của thủy vân trước tấn công nén ảnh JPEG với tỉ số nén thay đổi; đề
2

xuất mô hình hệ thống thủy vân số có tính mở nhằm tạo điều kiện cho việc
ứng dụng hiệu quả các kết quả đạt được.
Luận án sử dụng các công cụ toán học và các công cụ của lý thuyết xử
lý tín hiệu số, xử lý ảnh, mã hóa, lý thuyết thống kê, tối ưu hóa để giải quyết
yêu cầu nghiên cứu. Các chức năng lập trình, mô phỏng của phần mềm
Matlab, thư viện ảnh mẫu được sử dụng như là công cụ để thử nghiệm đánh
giá các kết quả nghiên cứu.
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong bốn chương của luận
án, ngoài phần mở đầu và kết luận. Chương 1: Tổng quan về các nghiên cứu
trong lĩnh vực thủy vân số. Chương 2: Chất lượng của thủy vân ẩn trước tấn
công nén ảnh JPEG. Chương 3: Thủy vân ẩn trên ảnh số trước nén ảnh JPEG
với tỉ số nén khác nhau. Chương 4: Đề xuất một mô hình quản trị thủy vân
trên ảnh số.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH
VỰC THỦY VÂN SỐ
1.1 Giới thiệu chương
Chương này trình bày tổng quan về kỹ thuật thủy vân số. Trong đó, luận
án giới thiệu tổng quát về thủy vân số, điểm qua một số xu hướng đã được

con người, đó là, nhạy cảm cao hơn với những tần số thấp và kém hơn đối với
tần số cao.
Nén ảnh có tổn hao về bản chất làm suy giảm chất lượng đối với thủy
vân trên ảnh số và có thể xem như là một trong những phép tấn công phổ biến
nhất bởi ứng dụng rộng rãi của nó trong đời sống xã hội. Trong phần này, hai
kỹ thuật nén ảnh phổ biến nhất là JPEG và JPEG2000 được phân tích để làm
rõ các nguyên nhân làm biến đổi thủy vân trên ảnh số khi ảnh có chứa thủy
vân được nén
1.2.2.2 Ảnh hưởng của các kỹ thuật nén ảnh đến thủy vân
Với nén JPEG, các hệ số tần số được lượng tử hoá thô (bước lượng tử
lớn) đối với các hệ số tần số cao và lượng tử hoá tinh (bước lượng tử nhỏ) đối
với các hệ số có tần số thấp. Bảng lượng tử hoá được lấy tỉ lệ để tạo ra các
mức nén thay đổi tuỳ theo tốc độ bít và chất lượng ảnh. Với nén JPRG quá
4

trình làm tròn trong khi lượng tử hoá chính là nguyên nhân chính gây ra sự tổn
hao nhưng lại là nhân tố chính đem lại hiệu suất nén
Với JPEG2000, biến đổi sóng con chia dải tần số của ảnh thành nhiều
dải tần con và mã hoá ở mỗi dải tần bởi một số lượng bit khác nhau. Các hệ số
của phép biến đổi sóng con được lượng tử hoá. Quá trình lượng tử hoá cho
phép đạt tỷ lệ nén cao hơn bằng cách thể hiện các giá trị biến đổi với độ chính
xác tương ứng cần thiết với mức chi tiết của ảnh cần nén. Lượng tử hóa trong
JPEG2000 có tác dụng ít hơn đối với hiệu suất nén và cũng ít ảnh hưởng đến
chất lượng thủy vân hơn so với nén JPEG.
1.2.3. Nhận xét
Cả phép nén và thuỷ vân đều dựa trên thực tế rằng những thay đổi nhỏ
trong biểu diễn tín hiệu sẽ không dễ nhận thấy khi hiển thị. Đối với phép nén,
những thay đổi này là việc giảm số lượng bit lưu trữ cần thiết. Đối với kỹ
thuật thuỷ vân, những thay đổi này được sử dụng trong việc nhúng và dò tìm
thuỷ vân. Để kết hợp thành công mã hoá thị giác với thủy vân, chúng ta phải






),(
),(
,
jiQ
jiC
roundjiF
n
n
(1.6)
Quá trình giải lượng tử được thực hiện theo phương trình sau:
),(),(),(
'
jiQjiFjiC
nn

(1.7)
Mục đích của việc lượng tử hoá là giảm số lượng bit cần để lưu trữ các
hệ số biến đổi bằng việc giảm độ chính xác của các hệ số này cho nên lượng
tử là quá trình xử lý có mất thông tin. Trong qus trình này bản thân biến đổi
DCT không làm mất (hoặc làm mất rất ít) thông tin vì DCT là một biến đổi
tuyến tính chuyển các giá trị của điểm ảnh từ miền không gian thành các hệ số
trong miền tần số. Quá trình lượng tử mới theo bảng lượng tử hóa là nguyên
nhân chủ yếu mất thông tin của ảnh và cũng chính là tấn công đối với thủy
vân.
1.4. Kết luận chương

biết chất lượng của ảnh sau khi nhúng thủy vân:












MSE
jiCMax
20PSNR
n
10
)],([
log
(2.1)
Hệ số tương quan của hai ảnh -

cho biết mức độ giống nhau của
thủy vân gốc và thủy vân tách được từ ảnh có nhúng thủy vân sau tấn công
hay độ bền vững của thủy vân đối với tấn công:





(2.3)
7

2.3. Phương pháp thủy vân dựa trên sai số lượng tử
2.3.1. Giới thiệu phương pháp thủy vân thông thường trên miền DCT
Biểu thức mô tả mối quan hệ giữa các hệ số DCT của ảnh gốc
),( jiC
n

với các hệ số DCT của ảnh sau khi nhúng thủy vân
),( jiC
n
w
:
),(),(),( jiWjiCjiC
nn
ij
nn
ij
n
w


(2.4)
Trong đó,
),( jiW
n

là các hệ số DCT của thủy vân gốc ở vị trí tọa độ (i,
j) thuộc khối hệ số DCT thứ n;

jiCjiCjiW

/)),(),((),(
''

(2.5)
Để đơn giản người ta hay chọn
n
ij

=1 và
n
ij

như sau:







khácji
0ji
n
00
n
ij
,


được chọn như sau:
8 










),(),(
),(),(
jiFjiF0
jiFjiF
0ji
n
q
n
wq
n
q
n
wq
n
00

Hinh 2.2 Hệ số nhúng

và tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu PSNR ứng với
phương pháp QEWM và TWM
0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
HÖ sè t¬ng quan-

HÖ sè nhóng-QEWM
TWM
0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
36
37
38
39
40

dựa trên bù sai số lượng tử nhằm cải thiện khả năng chứa thủy vân của ảnh
gốc nhờ đó tăng cường độ bền vững của thủy vân trước tấn công nén ảnh
JPEG với tỉ số nén cố định.
2.4.2. Phân bố thống kê của sai số lượng tử trong phép nén ảnh JPEG và khái
niệm bù sai số lượng tử
Định nghĩa: Bù sai số lượng tử tại hệ số DCT
),( jiC
n
khi nén ảnh với hệ số
chất lượng q là đại lượng được định nghĩa bởi

),(),(),( jijiQji
nn


(2.11)
Trong đó:
-
),( jiQ
là bước lượng tử hóa tại vị trí
),( ji
trong bảng lượng tử hóa
với hệ số chất lượng q,
-
),( ji
n

là sai số lượng tử tại hệ số
),( jiC
n

n
(2.13)
10

),( ji
n

: là hệ số nhúng tạm tính, được xác định như sau:












0jiW0
0jiW
jiW
ji
jiW
jijiQ
ji
n
n
n

Bảng 2.2 cho thấy để thu được các hệ số tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu –
PSNR tương tự nhau thì hệ số tương quan γ
QEWM-A
đạt được từ thủy vân tách ra
sau tấn công với thủy vân gốc trong phương pháp QEWM-A

lớn hơn nhiều so
với hệ số nhúng cố định

và γ
TWM
của phương pháp TWM. Cũng như vậy,
để đạt được các hệ số tương quan

tương tự nhau thì PSNR
QEWM-A
lớn hơn
nhiều so với PSNR
TWM
.


γ
TWM
PSNR
TWM

γ
QEWM-A
PSNR

41.4527

0.04

0.8742

44.9684

0.025

0.5467

40.614
0

0.05

0.8889

44.1800

0.030

0.6112

39.7695

0.06

0.8969

0.7273

37.4069

0.09

0.9147

41.8343

0.050

0.7494

36.6986

0.10

0.9189

41.3355

Bảng 2.1 Hệ số nhúng

,

với hệ số tương quan γ và tỉ số đỉnh tín hiệu
trên nhiễu PSNR tương ứng
11



giảm nghiêm trọng

. Cần ước lượng hệ số chất lượng khi
nhúng thủy vân q
c
và giới hạn hệ số nhúng

phù hợp để đảm bảo chất lượng
ảnh chứa thủy vân (PSNR) và độ bền vững của thủy vân (

).
12

3.3. Đề xuất phương pháp ước lượng các tham số trong trường hợp toàn
ảnh
3.3.1. Giới thiệu
Phần này đề xuất một giải pháp ước lượng các tham số nhằm giảm ảnh
hưởng đến chất lượng ảnh trong khi vẫn duy trì được khả năng khôi phục hoặc
phát hiện thủy vân đối với tấn công (phép nén ảnh JPEG với các hệ số chất
lượng khác nhau).
3.3.2. Một số đại lượng và bài toán ước lượng tham số
Với mục đích tìm q
c
,

thỏa mãn các yêu cầu trên, luận án định nghĩa
một số đại lượng gồm: trị trung bình của hệ số tương quan, phương sai của hệ
số tương quan.
- Gọi


)(
)(
,
,






(3.1)
- Phương sai của
a
q
c
q )( ,


khi hệ số chất lượng q
a
thay đổi từ q
min
đến
q
max
:

 
minmax


min
c
q

)( ,




 Các điều kiện ràng buộc:
PSNRTPSNR
c
q _)( , 






_)( , T
c
q *, Nqqqq
c
max
c
min


].Thực hiện thủy vân theo phương pháp QEWM-
A với q
co
,
o

vừa tìm được.
3.3.4. Cải tiến phương pháp QEWM-AO-phương pháp QEWM-AOA
Độ hội tụ của phân bố tương quan giữa thủy vân gốc và thủy vân khôi
phục là tỉ số giữa trị trung bình và phương sai của phân bố tương quan, được
xác định như sau:

)(
)(
)(
,
,
,









c
c

c
max
c
min


R
0




,

3.3.5. Thuật giải QEWM-AOA
Dựa vào các nghiên cứu trên, thuật giải ước lượng các tham số (q
co
,
o

) cải
tiến theo Bài toán 2 được xây dựng như sau:
 Xác định q
min
, q
max
, θ
min
, θ
max


, q
cj
);
if PSNR(C, C
w
) > T_PSNR
14

for q
ak
=q
min
:q
max
C’
w
=JPEG(C
w
, q
ak
);
W’ =I_QEWM_A(C’
w
, q
cj
);

ak
q

)( ,
icj
q


=var[ )( ,
icj
q

];
)(
)(
)(
,
,
,
i
i
i
cj
cj
cj
q
q
q






end

)()( ,,
icjoco
qq


|max[
)( ,
icj
q


];
Thực hiện thủy vân theo phương pháp QEWM-A với q
co
,
o

vừa tìm được.
3.3.6. Thử nghiệm và kết quả
Các kết quả và phân tích cho thấy thuật giải cải tiến QEWM-AOA với
tiêu chí là cực đại hóa độ hội tụ đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về chất lượng
thủy vân trước tấn công nén ảnh JPEG với các hệ số chất lượng khác nhau so
với thuật giải QEWM-AO dựa trên tiêu chí cực tiểu hóa phương sai phân bố
tương quan giữa thủy vân gốc và thủy vân khôi phục được.
15

Hình 3.1 Hệ số tương quan


D 0.08 54 45.21 0.7468 0.006267 119.2 0.5596 0.7796 0.8606

Bảng 3.1 Giá trị các đại lượng tương ứng với (q
c
,

)= A(90, 0.02); B(59, 0.09); C(51, 0.06); D(54, 0.08)

(a) (b)
Hình 3.2 a. Ảnh gốc b. Thủy vân gốc
(a) (b) (c) (d)
Hình 3.3 Ảnh chứa thủy vân với các tham số q
c
=90,

=0.02 và thủy vân khôi phục được
a. Ảnh chứa thủy vân b. q
a
=30 c. q
a
=70 d. q
a
=100
30 40 50 60 70 80 90 100

=59,

=0.09 và thủy vân khôi phục được
a. Ảnh chứa thủy vân b. q
a
=30 c. q
a
=70 d. q
a
=100
(a) (b) (c) (d)
Hình 3.5 Ảnh chứa thủy vân với các tham số q
c
=51,

=0.06 và thủy vân khôi phục được
a. Ảnh chứa thủy vân b. q
a
=30 c. q
a
=70 d. q
a
=100
(a) (b) (c) (d)

công nén ảnh JPEG với các hệ số chất lượng khác nhau.
3.4.2. Một số định nghĩa
Trong phương pháp mới, thay cho việc ước lượng các tham số hệ số
lượng tử hóa, giới hạn hệ số nhúng tối ưu cố định cho toàn ảnh, các đặc tính
thống kê của sai số lượng tử hóa sẽ được phân tích, đánh giá để từ đó xác định
khả năng chứa thủy vân, độ bền vững trước tấn công đối với từng hệ số DCT.
Trị trung bình của bù sai số lượng tử tại hệ số DCT
),( jiC
n
khi hệ số chất
lượng q thay đổi:

minmax
q
qq
n
q
n
qq
ji
ji
max
min






),(

q
n









(3.10)
Giá trị
),( ji
n


tỉ lệ nghịch với độ đồng đều phân bố của sai số lượng tử khi hệ
số chất lượng q thay đổi.
Độ bền vững của phân bố của sai số lượng tử tại hệ số DCT
),( jiC
n
khi
hệ số chất lượng q thay đổi như sau:
),(
),(
),(
ji
ji
ji

_),( thresji
n


) là dung lượng chứa thủy vân của ảnh gốc ứng
với giới hạn độ bền đó (

_thres
), ký hiệu là


_thres
.
Tính chất 1: Dung lượng chứa thủy vân của ảnh gốc không phụ thuộc
vào đặc tính của thủy vân nhúng vào nó.
3.4.4. Tỷ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu cực tiểu
Tính chất 2: Tồn tại tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu cực tiểu ứng với
dung lượng chứa thủy vân


_thres
cho trước.
Tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu đạt cực tiểu:








10
n
10MIN




_
)]([
)],([
log
)],([
log
max
(3.17)
3.4.5. Xây dựng thuật toán nhúng thủy vân thích nghi
 Xét ảnh gốc I có kích thước N khối 8x8 điểm ảnh, thủy vân IW có kích
thước M khối 8x8 điểm ảnh
 Biến đổi DCT ảnh gốc và thủy vân gốc để thu được các ma trận
),( jiC
n

và
),( jiW
n
tương ứng.
 Tính
),( ji
n


idx

. Trong đó kết quả sắp xếp
được lưu trong dãy
)(k


, ma trận
),( ji
n
idx

chứa các chỉ số k của
)(k


sao
cho:
)],([),( jiji
n
idx
n



(3.18)
Tương ứng ta có các dãy
)(k





lớn
nhất và
),( ji
n


ứng với nó lớn hơn một ngưỡng

_thres
cho trước. Xét các phần
tử
)(k


lần lượt từ k=1 đến k lớn nhất (nghĩa là giá trị
)(k


từ cao xuống
thấp), các phần tử
)(k


có
)(k


tương ứng thỏa mãn

_thres
.
 Sắp xếp các hệ số
),( jiW
n
theo thứ tự giảm dần được dãy
)(mW
và ma trận
chứa chỉ số
),( jiW
n
idx
sao cho:
)],([),( jiWWjiW
n
idx
n

(3.20)
Ma trận
)],([ jiWW
n
idx
được dùng trong trong quá trình nhúng thủy vân và được
lưu lại như một khóa bí mật thứ hai dùng trong quá trình tách thủy vân.
 Nhúng thủy vân
)(mW
vào các hệ số
)(kC
mà




0mW0
0mW
mW
k
k
)(
)(
)(
)(
)(



(3.22)
)(k

được lưu lại như là khóa bí mật thứ ba dùng trong quá trình tách thủy vân.
 Tìm ma trận
),( jiC
n
w
:
)],([),( jiCjiC
n
idx
n
w



(3.24)
20

 Tìm ma trận )(
'
mW sau khi bị tấn công:







0k0
0kkkCkC
mW
ww
)(
)()(/)]()([
)(
'
'


(3.25)
 Khôi phục ma trận:
)],([),(
''



_
thres



_thres

PSNR









QEWM-AOA 0.08 54 - - 45.2100 0.7468 0.006267 119.2000
QEWM-AMN 1 - - 0.380 162 50.7417 0.7848 0.006900 113.1365
QEWM-AMN 2 - - 0.335 332 48.6827 0.8530 0.003800 223.1833
QEWM-AMN 3 - - 0.290 616 44.0513 0.8748 0.005200 169.4572
Bảng 3.2 Các tham số và kết quả của phương pháp thủy vân QEWM-AOA và QEWM-AMN
0 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700
0
0.5
1
1.5
2


CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MỘT MÔ HÌNH QUẢN TRỊ THỦY VÂN ẨN
TRÊN ẢNH SỐ
4.1. Giới thiệu chương
Ứng dụng các kết quả nghiên cứu trình bày trong chương 2 và 3, luận án
đề xuất một mô hình hệ thống thực hiện các thuật toán thủy vân được đề xuất
trong luận án này. Đây là hệ thống mở, cho phép lựa chọn, cập nhật các lược
30 40 50 60 70 80 90 100
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
HÖ sè chÊt lîng cña tÊn c«ng nÐn ¶nh JPEG - q
HÖ sè t¬ng quan - 
aQEMW-AOA
QEMW-AMN

=0.290
QEMW-AMN =0.335
QEMW-AMN =0.380

vân gốc, ảnh nhúng thủy vân và các tham số nhúng thủy vân; các tham số của
Tính toán tham số và
nhúng thủy vân

Thư viện
ảnh gốc
Thêm/bớt ảnh

Phân tích
ảnhThư viện
thủy vân
Thêm/b
ớt
th
ủy
vân

Phân tích th
ủy
vân

Thư viện ảnh
chứa thủy vân
Thư vi
ện các

tham số