Nâng cao hiệu quả giấu tin trong ảnh số - Luận án tiến sĩ ngành Hệ thống thông tin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ VÕ PHƯỚC HƯNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ HIỆU NĂNG GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN CẦN THƠ - 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ VÕ PHƯỚC HƯNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ VÀ HIỆU NĂNG GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã ngành: 62480104 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS. ĐỖ THANH NGHỊ CẦN THƠ - 2020 luan an LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện tại Khoa Công nghệ Thông tin và Truyền thông, Trường Đại học Cần Thơ. Lời đầu tiên, Nghiên cứu sinh (NCS) bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến PGS. Đỗ Thanh Nghị, người đã tận tình hướng dẫn và định hướng trong suốt quá trình nghiên cứu luận án.

NCS chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Cần Thơ, Ban Chủ nhiệm Khoa, Quý Thầy, Cô giảng viên Khoa Công nghệ Thông tin và Truyền thông, Trường Đại học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành chương trình học tập và thực hiện nghiên cứu tại Trường Đại học Cần Thơ. NCS gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. Nguyễn Thái Sơn, Trưởng Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh đã có những góp ý quý báu cho quá trình thực hiện nghiên cứu; Quý Thầy, Cô giảng viên Bộ môn Công nghệ Thông tin, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh luôn động viên và khuyến khích tôi thực hiện nghiên cứu. Tôi trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Trà Vinh luôn tạo điều kiện tốt nhất cho tôi được tập trung thực hiện nghiên cứu.

Cuối lời, tôi chân thành cảm ơn gia đình và bạn thân, những người luôn bên cạnh, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập, thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh VÕ PHƯỚC HƯNG i luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện, dưới sự hướng dẫn của PGS. Xin cam đoan các nội dung và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực. Một số kết quả nghiên cứu là thành quả tập thể và đã được các đồng tác giả đồng ý cho sử dụng trong luận án.

Mọi tham khảo đều được trích dẫn, chỉ rõ nguồn tham khảo theo đúng quy định. Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS. ĐỖ THANH NGHỊ VÕ PHƯỚC HƯNG ii luan an TÓM TẮT Sự phát triển của truyền thông kĩ thuật số và hiệu năng tính toán cao của máy tính tăng nhanh đã tạo ra sự tăng trưởng theo cấp số nhân trong việc sử dụng Internet. Các tương tác trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội liên quan đến việc truyền tải nhiều dữ liệu phức tạp, chứa những thông tin quan trọng và nhạy cảm.

Việc bảo đảm nội dung giao dịch qua các phương tiện truyền thông an toàn là một vấn đề cần được xem xét thấu đáo trong học thuật và trong công nghiệp. Do đó, nghiên cứu bảo mật thông tin thu hút ngày càng nhiều sự quan tâm và phạm vi ứng dụng của nó ngày càng mở rộng đáng kể. Cùng với việc thông tin số dễ dàng bị đánh cắp, giả mạo, nhân bản và phân phối…, các cơ chế bảo mật truyền thông đã được nghiên cứu và phát triển để bảo vệ quyền riêng tư thông tin của con người. Nhiều giải pháp kĩ thuật, trong đó có kĩ thuật giấu tin trong ảnh số, đã ra đời để giải quyết vấn đề này.

Ảnh số là một trong những nội dung số quan trọng cần được bảo vệ. Đồng thời, ảnh số cũng là đối tượng phù hợp cho việc nhúng dữ liệu, thông tin mà ít tạo sự chú ý đối với người dùng không chỉ định. Giấu tin khả nghịch ảnh số là kĩ thuật nhúng thông tin vào ảnh theo cách của người gửi mà không bị phát hiện bởi các hệ thống thị giác của người hoặc máy. Hơn nữa, ảnh gốc được khôi phục hoàn toàn sau khi thông tin nhúng được trích xuất bởi người nhận được chỉ định.

Kĩ thuật giấu tin có nhiều ứng dụng quan trọng như ngụy trang trong giao tiếp để bảo vệ thông tin mật hoặc nhúng thông tin vào ảnh nhằm bảo vệ nội dung ảnh số. Trong luận án này, lược đồ nhúng tin khả nghịch trong miền tần số ảnh Stereo với khả năng nhúng tin và hiệu quả chất lượng ảnh mang tin đạt ở mức cao và an toàn được đề xuất. Ngoài ra, để bảo vệ bản quyền nội dung ảnh Stereo, lược đồ nhúng tin thủy vân ảnh trong miền tần số mạnh và bền vững cũng được đề xuất. Kết quả thực nghiệm cho thấy, thông tin nhúng vào miền biến đổi DCT ảnh đạt hiệu quả cao, đáp ứng yêu cầu của hệ thống giấu tin: hiệu quả ảnh sau nhúng tin (ảnh Stego), hiệu năng nhúng thông tin vào ảnh bền vững và an toàn.

- Dựa trên đặc tính ảnh Stereo, gồm ảnh trái và phải, có nhiều khối ảnh tương đồng giữa hai ảnh, lượng tử hóa các hệ số biến đổi DCT được thực hiện trên từng khối ảnh trái và phải có kích thước (8×8). Nếu sự khác biệt giữa các hệ số lượng tử trong vùng tần số thấp trong phép biến đổi DCT của hai khối ảnh trái và phải nhỏ hơn ngưỡng 𝓉 thì được xem là giống nhau. Một biểu đồ tần số các hệ số lượng tử trong vùng tần số trung bình được xây dựng. Các hệ số của biểu đồ được dịch chuyển hai chiều để nhúng thông tin.

Sự thay đổi hệ số trong miền tần số để nhúng thông tin ít gây nguy hại đến chất lượng ảnh so với nhúng trực tiếp vào giá trị điểm ảnh trong miền không gian. iii luan an - Biến đổi DCT loại bỏ sự tương quan giữa các điểm ảnh trong miền không gian, giúp xác định vùng tần số nhúng tin phù hợp. Để cải tiến khả năng nhúng và duy trì chất lượng ảnh Stego ở mức cao, một lược đồ điều hướng nhúng EDH được đề xuất kết hợp với lược đồ dịch chuyển 2-D. Kết quả thực nghiệm cho thấy, phương pháp đề xuất đạt được sự cân bằng giữa khả năng nhúng thông tin và tính trong suốt ảnh Stego so với ảnh Stereo gốc.

- Khác với dữ liệu ảnh truyền thống, dữ liệu ảnh số ngày nay dễ dàng bị chỉnh sửa, sao chép và phát tán bất hợp pháp bằng những phương tiện sẵn có. Vì vậy, bảo vệ bản quyền nội dung ảnh số cũng là vấn đề cần được quan tâm. Luận án đề xuất lược đồ nhúng tin thủy vân ảnh số ẩn để bảo vệ bản quyền sở hữu trí tuệ ảnh số. Khai triển SVD các hệ số lượng tử trên đường chéo phụ của hai khối ảnh tương đồng kích thước (8×8) được thực hiện.

Thông tin thủy vân sẽ được nhúng vào giá trị riêng trong phép phân tích SVD. Qua kết quả thực nghiệm, lược đồ nhúng thủy vân ẩn đề xuất dựa trên biến đổi DCT và SVD cho thấy đạt được sự bền vững trước một số tấn công xử lí ảnh và hình học. - Tuy nhiên bên cạnh đó, để tối ưu sự cân bằng giữa bền vững và an toàn của hệ thống giấu tin thủy vân số ẩn, một phương pháp mã hóa ảnh nhúng thủy vân và ảnh thủy vân được đề xuất. Sơ đồ mã hóa ảnh dựa trên thuyết hỗn loạn, một cơ sở toán học tốt để khuếch tán mối quan hệ lân cận các điểm ảnh trong ảnh.

Sự mã hóa ảnh để nhúng thông tin thủy vân dựa trên phân tích SVD các hệ số lượng tử không chỉ nâng cao tính bền vững mà còn giữ hệ thống nhúng thủy vân được an toàn. Bởi vì, thông tin thủy vân không chỉ được nhúng vào miền biến đổi tần số ảnh mà vị trí nhúng thông tin cũng bị ẩn giấu. iv luan an ABSTRACT The rapid growth of digital communication technologies and efficient performances of the computer has created exponential growth in Internet usage. Interactions in all areas of social life relate to the transmission of complex data, containing sensitive and important information.

Ensuring the contents of transactions through secure media is an issue that needs to be carefully considered in academia and the industry. Therefore, research about information security has attracted more and more interests and the scope of its applications has significantly expanded. Along with digital information being easily stolen, forged, duplicated, and distributed, communication security mechanisms have been researched and developed to protect the privacy of users. Many technical solutions, including the technique of hiding information in digital images, have emerged to solve this problem.

Digital images are a kind of important digital content that needs to be protected. Simultaneously, digital images are also suitable objects for embedding data and information but create little attention for unspecified users. Reversible data hiding in digital images is a technique that embeds data in digital images by the way the sender does without being detected by human or machine vision systems. Furthermore, the original image can be fully recovered after the embedded information is extracted by appointed receivers.

Data hiding techniques have many important applications such as camouflaging in communication to protect confidential information or embedding information in images to protect digital image contents. In this thesis, a reversible data embedding scheme in the Stereo image frequency- domain with the ability to embed information and the efficiency of the high quality and secure image quality is proposed. Also, to protect the copyright of the Stereo image contents, a strong and sustainable image embedded watermarking scheme in the frequency domain is proposed. The experimental results show that the information embedded in the image DCT transformation domain achieved high efficiency, meeting the requirements of the data hiding system: the effect of the images after embedding data (Stego images), the performance of embedding information into the images are durable and safe.

- Based on features of Stereo images, consisting of left and right image, there are many similar blocks between two images, quantization of the DCT transformation coefficients is performed on each left and right block with dimensions (8×8). If the differences between the quantum coefficients in the low-frequency area in the DCT transformation of the left and right image blocks are less than threshold 𝓉, they are considered the same. A frequency chart of the v luan an quantum coefficients in the region of the average frequency is constructed. Graph coefficients are shifted with two dimensions to embed information.

The coefficient changes in the frequency domain to embed information does less harm to the quality of images compared to embedding directly into the pixel value in the spatial domain. - The DCT transformation eliminates the correlation between pixels in the spatial domain, helps determine the appropriate embedded frequency area. To improve embedding capabilities and to maintain a high level of the quality of Stego images, an embedded EDH navigation scheme is proposed in conjunction with the 2-D shifting scheme. The experimental results indicate that the proposed method achieves a balance between the ability to embed information and the transparency of Stego images compared to the original Stereo images.