Kết hợp phép biến đổi DWT và DCT trong kỹ thuật thủy vân video

Tóm tắt Kết hợp phép biến đổi DWT và DCT trong kỹ thuật thủy vân video: ...miền biểu diễn các tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số, được ứng dụng nhiều trong xử lý tín hiệu số. Phép biến đổi DCT hai chiều tổng quát thực hiện trên khối m×n bất kì. Bài báo này, chúng tôi lựa chọn phép biến đổi DCT trên khối 8×8 dùng trong chuẩn nén ảnh JPEG. Khối hệ số DCT có...ể được video đã nhúng thủy vân Lược đồ tách thủy vân. Lược đồ tách thủy vân được mô tả trong hình 6. DCT IDCT IDWT 128 Lê Văn Điệp và Phạm Thị Thủy Hình. 6. Lược đồ tách thủy vân Vào: Frame chứa thuỷ vân Iw (có thể đã bị tấn công) Ra: Thuỷ vân dạng chuỗi bit W Thực hiện: 1. Tách...biến đổi DWT, chia băng LH1 (HL1) thành các khối 8×8 áp dụng phép biến đổi DCT, trích thủy vân từ miền tần số giữa của các khối vuông này, ghép lại thành vectơ thủy vân. Chất lượng frame sau khi nhúng thủy vân được đánh giá thông qua giá trị của tỷ số PSNR giữa frame gốc I và frame chứa thủy...

pdf8 trang | Chia sẻ: Tài Phú | Ngày: 19/02/2024 | Lượt xem: 56 | Lượt tải: 0download
Nội dung tài liệu Kết hợp phép biến đổi DWT và DCT trong kỹ thuật thủy vân video, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Lê Văn Điệp và Phạm Thị Thủy 
Kết hợp phép biến đổi DWT và DCT 
trong kỹ thuật thủy vân video 
Lê Văn Điệp và Phạm Thị Thủy 
Đại học Công nghiệp Việt Trì 
Tóm tắt: Kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ (DWT-Discrete Wavelet 
Transform) đảm bảo tính bền vững của thủy vân, tuy nhiên tính ẩn chỉ đạt ở mức chấp nhận 
được [1]. Kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi cosine rời rạc (DCT-Discrete Cosine 
Transform) đảm bảo được tính ẩn của thủy vân, nhưng tính bền vững của thủy vân chưa 
cao [2]. Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra một kỹ thuật thủy vân video sử dụng kết hợp 
phép biến đổi DWT và DCT. Trước hết, video sẽ được tách thành các frame, chọn một 
frame, sử dụng DWT phân tích frame này thành bốn băng con. Tiếp theo, chia băng LH1 
hoặc HL1 thành các khối vuông nhỏ, áp dụng biến đổi DCT rồi nhúng mỗi bit thủy vân vào 
miền tần số giữa của từng khối 8×8. Kết quả thực nghiệm cho thấy kỹ thuật này giữ lại 
được ưu điểm, khắc phục nhược điểm của phép biến đổi DWT và DCT nên đã cải thiện 
được cả về tính ẩn và tính bền vững của thủy vân. 
Từ khóa: Thủy vân video, biến đổi DCT, biến đổi DWT, kết hợp phép biến đổi DWT và 
DCT, bảo vệ bản quyền. 
1 Giới thiệu 
Thủy vân là một trong những giải pháp hữu hiệu nhằm bảo vệ bản quyền cho các sản phẩm 
số. Dựa vào những đặc trưng, tính chất và ứng dụng của thủy vân có thể chia thủy vân thành hai 
loại: Thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ. Đối với thủy vân bền vững lại được chia thành hai 
loại là thủy vân ẩn và thủy vân hiện. Trong khuôn khổ của bài báo này chúng tôi chỉ đề cập đến 
kỹ thuật thủy vân ẩn, bền vững. Nghĩa là bằng mắt thường con người không thể nhìn thấy thủy 
vân, đồng thời thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, nếu muốn loại bỏ thủy vân thì 
chỉ có cách duy nhất là phá hủy sản phẩm. 
Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DWT sẽ phân tích một frame hình thành các miền 
tần số LL, LH, HL, HH sau đó nhúng thuỷ vân vào một miền tần số với hệ số tương quan khác 
nhau. Frame chứa thủy vân được thử qua phép biến đổi thông thường rồi tìm lại thủy vân. 
Kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT chia frame hình thành các khối, thực hiện 
phép biến đổi DCT với từng khối frame gốc để được miền tần số thấp, miền tần số giữa và miền 
tần số cao. 
Trong bài báo [2], tác giả chỉ ra lược đồ thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi DCT thì chất 
lượng của ảnh nhúng thủy vân tương đối cao, song thủy vân tìm lại được còn sai khác so với 
thủy vân gốc. Trong bài báo [1], tác giả chỉ ra lược đồ thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi 
DWT đã đảm bảo tính bền vững của thủy vân, tuy nhiên tính ẩn mới đạt ở mức chấp nhận được. 
Trong [4], tác giả cũng chỉ ra sự kết hợp các phép biến đổi rời rạc trên ảnh cho kết quả khá tốt. 
Vì vậy, trong bài báo này chúng tôi thực hiện kỹ thuật thủy vân video dựa vào phép biến đổi 
DWT kết hợp với phép biến đổi DCT nhằm cải thiện cả tính ẩn và tính bền vững của thủy vân. 
125
KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC 
Thông thường một file video cấu tạo bởi 4 thành phần: sound, frame, text, midi [3]. Các 
thành phần đều có thể dùng làm môi trường nhúng thủy vân. Trong bài báo này, chúng tôi tập 
trung nghiên cứu kỹ thuật nhúng thủy vân trong các frame hình của video. 
2 Nội dung nghiên cứu 
2.1 Phép biến đổi DWT, DCT 
Phép biến đổi DWT. 
Ý tưởng của phép biến đổi sóng nhỏ là dùng hai bộ lọc bù nhau. Bộ lọc thứ nhất là bộ lọc 
thông thấp chỉ cho các thành phần có tần số thấp đi qua. Bộ lọc thứ hai là bộ lọc thông cao, chỉ 
cho các thành phần có tần số cao đi qua. Sau quá trình lọc ở mức một chia ảnh thành bốn băng 
con đã phân giải không chồng nhau là LL1, LH1, HL1 và HH1. Băng con LL1 thể hiện phần nội 
dung có tần số thấp chứa những thông tin quan trọng nhất (phần xấp xỉ - mang những đặc tính 
nhận dạng), các băng còn lại thể hiện phần nội dung có tần số cao (phần tiểu tiết - chỉ mang sắc 
thái của tín hiệu). 
LL1 HL1 
LH1 HH1 
Hình. 1. Cấu trúc phân tích ảnh qua phép biến đổi DWT mức 1 
Sau khi thực hiện phép biến đổi DWT, hầu hết năng lượng của ảnh tập trung ở băng con tần 
số thấp LL1, nếu nhúng thủy vân vào băng này làm suy giảm đáng kể chất lượng của ảnh, nhưng 
độ bền vững của thủy vân cao vì các phép biến đổi ảnh phải bảo toàn thông tin trong băng con 
này. Với băng con tần số cao HH1 thì hệ thống thị giác của con người thường không nhạy cảm, 
nếu nhúng thủy vân vào băng này sẽ không bị phát hiện bằng mắt thường, tuy nhiên độ bền 
vững của thủy vân thấp do ảnh hưởng của phép xử lý ảnh. Vì vậy, thường sử dụng băng con 
LH1 hoặc HL1 để nhúng thủy vân [3]. 
Phép biến đổi DCT. 
DCT là một biến đổi toán học nhằm chuyển đổi miền biểu diễn các tín hiệu từ miền không 
gian sang miền tần số, được ứng dụng nhiều trong xử lý tín hiệu số. 
Phép biến đổi DCT hai chiều tổng quát thực hiện trên khối m×n bất kì. Bài báo này, chúng 
tôi lựa chọn phép biến đổi DCT trên khối 8×8 dùng trong chuẩn nén ảnh JPEG. 
Khối hệ số DCT có thể chia thành 3 miền tần số: thấp, giữa và cao. 
Hình. 2. Phân chia 3 miền tần số ảnh của phép biến đổi DCT 
(a) Miền tần số thấp, (b) Miền tần số ở giữa, (c) Miền tần số cao 
Miền tần số thấp chứa thông tin quan trọng ảnh hưởng đến tri giác, do đó một sự thay đổi 
nhỏ trong miền này cũng làm giảm chất lượng tri giác của ảnh. Thông tin trong miền tần số cao 
126
Lê Văn Điệp và Phạm Thị Thủy 
mang tính tri giác thấp, nhưng không bền vững trước các phép xử lí ảnh, nén ảnh. Vì vậy, miền 
tần số giữa hay được sử dụng và cho kết quả tốt nhất [3]. 
2.2 Kết hợp phép biến đổi DWT và DCT 
Quy trình thủy vân trong video. 
Quy trình nhúng thủy vân trong video. 
Hình. 3. Quy trình nhúng thủy vân video 
- Tách video thành 2 file: file âm thanh và file video (không có tiếng). 
- Lấy file video thu được ở trên tách ra các frame. 
- Phân tích frame và thực hiện nhúng thủy vân. 
- Ghép các frame, kết hợp với file âm thanh ghép trở lại video ban đầu. 
Quy trình tách thủy vân trong video. 
Hình. 4. Quy trình tách thủy vân trong video 
- Tách video thành 2 file: file âm thanh và file video (không có tiếng). 
- Lấy file video thu được ở trên tách ra các frame. 
- Phân tích frame và thực hiện trích thủy vân. 
Kỹ thuật thủy vân video sử dụng DWT kết hợp với DCT. 
Lược đồ nhúng thủy vân. 
Lược đồ nhúng thủy vân được mô tả trong hình 5. 
127
KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC 
Hình. 5. Lược đồ nhúng thủy vân 
Vào: - Frame gốc I 
- Thuỷ vân là một ảnh nhị phân W 
Ra: - Frame Iw chứa thuỷ vân. 
Thực hiện: 
1. Tách video gốc thành các frame, chọn một frame để nhúng thủy vân. 
2. Sử dụng phép biến đổi DWT mức 1 để phân tích frame đó thành bốn băng con: LL1, HL1, 
LH1, HH1. Với mỗi băng con thực hiện các bước sau: 
3. Chia băng con định nhúng thủy vân (LH1 hoặc HL1) thành các khối 8×8 
4. Áp dụng DCT cho từng khối 8×8 để thu được ma trận các hệ số DCT 
5. Chuyển thủy vân thành một vector W(i), i = 1,2,N các số 0 và 1. Số phần tử của W nhỏ 
hơn hoặc bằng số khối 8×8 của mỗi băng con. 
6. Nhúng các bít thủy vân vào miền tần số giữa của ma trận hệ số DCT trong các khối 8×8 
của băng LH1 hoặc HL1 
Nếu bít cần nhúng 0
i
b và ),(),( '' qpFvuF
ii
 thì đổi chỗ hai hệ số này. 
Ngược lại, nếu 1
i
b và ),(),( '' qpFvuF
ii
 thì đổi chỗ hai hệ số này. 
Nếu ),(),( '' qpFvuF
ii
 và kqpFvuF
ii
 ),(),( '' thì tăng ),(' vuF
i
 giảm 2/),(' kqpF
i
. 
Ngược lại, ),(),( '' qpFvuF
ii
 và kvuFqpF
ii
 ),(),( '' thì tăng ),(' qpF
i
 giảm 2/),(' kvuF
i
7. Áp dụng biến đổi ngược IDCT đối với mỗi khối mà các hệ số giữa đã bị thay đổi để 
nhúng bit thủy vân trong bước 6. 
8. Áp dụng biến đổi ngược IDWT đối với băng vừa nhúng thủy vân để thu được frame đã 
thủy vân. 
9. Ghép frame đã thủy vân với các frame khác để được video đã nhúng thủy vân 
Lược đồ tách thủy vân. 
Lược đồ tách thủy vân được mô tả trong hình 6. 
DCT IDCT 
IDWT 
128
Lê Văn Điệp và Phạm Thị Thủy 
Hình. 6. Lược đồ tách thủy vân 
Vào: Frame chứa thuỷ vân Iw (có thể đã bị tấn công) 
Ra: Thuỷ vân dạng chuỗi bit W 
Thực hiện: 
1. Tách video đã nhúng thủy vân thành các frame. 
2. Sử dụng DWT để phân tích frame đã thủy vân thành bốn băng con LL1, HL1, LH1, HH1. 
Đối với mỗi băng đã nhúng thủy vân thực hiện: 
3. Chia băng con đó thành các khối 8×8 
4. Áp dụng DCT cho các khối 8×8, gọi X là miền tần số giữa của ma trận hệ số DCT. 
5. Gọi bi là bít thủy vân cần tìm. Quy tắc trích thủy vân thực hiện như sau 
Đọc vào vị trí hai hệ số đã biến đổi (u,v) và (p,q) tương ứng với '
i
F 
Tính: ),(),( '' qpFvuFk
ii
 Nếu k > 0 thì gán 0
i
b , ngược lại gán 1
i
b 
Ghép các bít thủy vân đã tìm được thành một vector. 
3 Kết quả 
3.1 Các độ đo đánh giá hiệu quả 
Tính ẩn của thủy vân. 
Tính ẩn (hay độ cảm nhận) của thủy vân được đánh giá thông qua sự sai khác về chất lượng 
frame gốc F và frame sau khi nhúng thuỷ vân F’ bằng cách tính giá trị PSNR (Peak Signal to 
Noise Ratio) giữa F và F’ có cùng kích thước m×n theo công thức:
10
( )
20log
Max F
PSNR
MSE
 
  
 
 (1) 
trong đó,  
2
1 1
1
( , ) '( , )
m n
i j
MSE F i j F i j
m n  
 

 là bình phương độ lệch giữa F và F’. 
Có thể sử dụng hệ thống thị giác của con người để cảm nhận và đánh giá tính ẩn. Giá trị 
PSNR tỷ lệ nghịch với sự sai khác giữa frame gốc và frame sau khi nhúng thủy vân, do đó PSNR 
càng lớn càng tốt. 
Tính bền vững của thủy vân. 
Tính bền vững là độ đo sự bền vững của thủy vân trước những tấn công nhằm gỡ bỏ hoặc 
biến dạng thủy vân bởi các phép xử lý tín hiệu số. Trong bài báo này, chúng tôi đánh giá độ bền 
DCT 
129
KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC 
vững của thủy vân thông qua phép nén ảnh và đo sự giống nhau của thủy vân gốc W với thủy 
vân tách được từ video đã thủy vân W* bằng tỷ số tương tự SR (Similitary Ratio) theo công thức: 
 / ( )SR S S D  (2) 
Trong đó S là số bit trùng nhau, còn D là số bit lệch nhau của W và W*. 
SR[0,1]. Nếu tỷ số SR tiến gần về 1 thì mức độ tương tự giữa W và W* càng cao. 
3.2 Kết quả thử nghiệm 
Chúng tôi đã cài đặt lược đồ thủy vân với video định dạng avi. Thủy vân là một ảnh đen 
trắng, có định dạng là bmp với kích thước là 12×9. 
Đầu tiên, video được tách thành các frame, chọn một frame sử dụng phép biến đổi DWT 
phân tích thành bốn băng con LL1, LH1, HL1 và HH1. Mỗi băng LH1 hoặc HL1 chia thành các 
khối vuông 8×8. Áp dụng phép biến đổi DCT đối với mỗi khối vuông này của từng băng con, 
sau đó nhúng các bit thủy vân vào miền tần số giữa của ma trận hệ số DCT. Tiếp theo, áp dụng 
IDCT đối với các khối vuông 8×8 của từng băng con để được băng con ban đầu. Cuối cùng áp 
dụng IDWT để được frame đã nhúng thủy vân. Ghép frame đó với các frame khác để được 
video đã nhúng thủy vân. 
Để trích thủy vân, tách video đã nhúng thủy vân thành các frame, phân tích frame đã nhúng 
thủy vân bởi phép biến đổi DWT, chia băng LH1 (HL1) thành các khối 8×8 áp dụng phép biến 
đổi DCT, trích thủy vân từ miền tần số giữa của các khối vuông này, ghép lại thành vectơ thủy 
vân. 
Chất lượng frame sau khi nhúng thủy vân được đánh giá thông qua giá trị của tỷ số PSNR 
giữa frame gốc I và frame chứa thủy vân Iw. Chất lượng thủy vân tách ra được đánh giá thông 
qua tỷ số tương tự SR1 giữa thủy vân gốc W và thủy vân tách được W‘, SR2 giữa thủy vân gốc 
W và thủy vân tách được từ video đã nén W“. 
Thử nghiệm thứ nhất. 
Hình 7 thể hiện kết quả thử nghiệm với video1.avi có kích thước 296 KB, tách được thành 46 
frames, mỗi frame có kích thước 320×240. 
Frame 
gốc PSNR=60,6761 PSNR=49,1039 PSNR=57,3164 
Thủy vân gốc 
SR1=0,9813 
SR1=1,0 
SR1=1,0 
SR2=0,9722 
SR2=1,0 
SR2=1,0 
I A B C 
Hình. 7. So sánh chất lượng frame nhúng thủy vân và thủy vân tách được của ba phương pháp với thử 
nghiệm thứ nhất 
Cột A là kết quả của kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT có PSNR cao nhất là 
60,6761, tuy nhiên SR1 và SR2 thấp nhất là 0,9813 và 0,9722. 
Cột B là kết quả của kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT có PSNR tương đối thấp 
là 49,1039, nhưng SR1 và SR2 đạt giá trị tuyệt đối là 1. 
130
Lê Văn Điệp và Phạm Thị Thủy 
Cột C là kết quả của kỹ thuật thủy vân sử dụng kết hợp phép biến đổi DWT và DCT có SR1 
và SR2 vẫn đạt giá trị tuyệt đối là 1 và PSNR là 57,3164 cao hơn PSNR ở cột B. 
Thử nghiệm thứ hai. 
Hình 8 thể hiện kết quả thử nghiệm với video2.avi có kích thước 28 MB, tách được thành 340 
frames, mỗi frame có kích thước 360×240. 
Frame gốc PSNR=50,7443 PSNR=45,7257 PSNR=47,0700 
Thủy vân gốc 
SR1=0,9815 
SR1=1,0 
SR1=1,0 
SR2=0,9815 
SR2=1,0 
SR2=1,0 
I A B C 
Hình. 8. So sánh chất lượng frame nhúng thủy vân và thủy vân tách được của ba phương pháp với thử 
nghiệm thứ hai 
Cột A là kết quả của kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DCT có PSNR cao nhất là 
50,7443, tuy nhiên SR1 và SR2 thấp nhất là 0,9815. 
Cột B là kết quả của kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT có PSNR thấp hơn là 
45,7257, nhưng SR1 và SR2 đạt giá trị tuyệt đối là 1. 
Cột C là kết quả của kỹ thuật thủy vân sử dụng kết hợp phép biến đổi DWT và DCT có SR1 
và SR2 vẫn đạt giá trị tuyệt đối là 1 và PSNR là 47,07 cao hơn PSNR ở cột B. 
4 Kết luận 
Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất kỹ thuật thủy vân video sử dụng kết hợp hai phép 
biến đổi DWT và DCT. Kết quả thử nghiệm bước đầu thể hiện: 
Video nhúng thủy vân sai khác với video gốc tương đối ít, với những video có số lượng 
frames lớn thì bằng mắt thường con người không cảm nhận được sự khác biệt, do thủy vân chỉ 
nhúng vào một frame nào đó trong video. 
Kỹ thuật thủy vân kết hợp phép biến đổi DWT và DCT thể hiện chất lượng của video sau khi 
nhúng thủy vân tốt hơn kỹ thuật chỉ sử dụng phép biến đổi DWT và chất lượng của thủy vân 
tách được tốt hơn kỹ thuật thủy vân chỉ sử dụng phép biến đổi DCT. 
Phương pháp kết hợp phép biến đổi DWT và DCT, video gốc sau khi nhúng thủy vân bị nén 
thì việc tìm lại thủy vân không bị ảnh hưởng, cho kết quả giống với thủy vân tách được từ video 
đã nhúng thủy vân và chưa thực hiện bất kỳ phép biến đổi nào. 
Phương pháp kết hợp so với các phương pháp nhúng trực tiếp thuỷ vân vào các khối thuộc 
miền không gian của frame gốc có một hạn chế là làm giảm số bit thuỷ vân có thể nhúng do 
phép biến đổi DWT chia frame gốc thành 4 băng, sau khi chọn 1 băng để nhúng thủy vân lại 
tiếp tục chia thành các khối 8×8. Tuy nhiên, trong hệ thống thuỷ vân ẩn bền vững, yêu cầu về 
lượng thông tin nhúng không phải là yếu tố quan trọng. 
131
KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA 2018 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC 
Với những ưu điểm về chất lượng video sau khi nhúng thuỷ vân, độ bền vững của thuỷ vân 
trước một số phép tấn công, kỹ thuật kết hợp phép biến đổi DWT và DCT phù hợp cho ứng 
dụng thuỷ vân ẩn, bền vững trong bảo vệ bản quyền video số. 
Tài liệu tham khảo 
1. Bùi Thế Hồng, Nguyễn Văn Tảo: Về một lược đồ thủy vân dựa trên phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc và 
các ma trận số giả ngẫu nhiên, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 45, Số 3 (2007). 
2. Bùi Thế Hồng, Nguyễn Văn Tảo: Nâng cao chất lượng ảnh trong kỹ thuật thủy vân sử dụng miền tần 
số giữa của phép biến đổi DCT, Tạp chí Tin học và Điều khiển học, Tập 22, Số 3 (2006). 
3. Lê Văn Điệp: Bảo vệ bản quyền video bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào các phép biến đổi rời rạc, 
Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 (2017). 
4. Phạm Thị Thủy: Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào các phép biến đổi rời rạc, 
Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông – Đại học Thái Nguyên 
(2013). 
132

File đính kèm:

  • pdfket_hop_phep_bien_doi_dwt_va_dct_trong_ky_thuat_thuy_van_vid.pdf
Ebook liên quan