Luận án tiến sĩ kỹ thuật viễn thông nâng cao hiệu quả kỹ thuật watermarking thiế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH TUẤN NÂNG CAO HIỆU QUẢ KỸ THUẬT WATERMARKING THIẾU THÔNG TIN TIÊN NGHIỆM CHO ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH ĐA KÊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH TUẤN NÂNG CAO HIỆU QUẢ KỸ THUẬT WATERMARKING THIẾU THÔNG TIN TIÊN NGHIỆM CHO ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH ĐA KÊNH IMPROVING THE EFFECTIVENESS OF BLIND WATERMARKING TECHNIQUES FOR MEDICAL IMAGES AND MULTI-CHANNEL IMAGES LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP.

HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH TUẤN NÂNG CAO HIỆU QUẢ KỸ THUẬT WATERMARKING THIẾU THÔNG TIN TIÊN NGHIỆM CHO ẢNH Y TẾ VÀ ẢNH ĐA KÊNH Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số chuyên ngành: 62520208 Phản biện độc lập: PGS. Trần Công Hùng Phản biện độc lập: PGS. Nguyễn Thanh Hải Phản biện: PGS.

Huỳnh Trung Hiếu Phản biện: TS. Bùi Trọng Tú Phản biện: TS. Huỳnh Khả Tú NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Lê Tiến Thường LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả.

Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Nguyễn Thanh Tuấn i TÓM TẮT LUẬN ÁN Watermarking là kỹ thuật nhúng trích thông điệp (thông tin) vào dữ liệu đa phương tiện. Gần đây, kỹ thuật này nhận được sự quan tâm rất lớn trong nghiên cứu lý thuyết cũng như triển khai ứng dụng do khả năng có thể giải quyết nhiều vấn đề thực tiễn.

Mặc dù có nhiều giải pháp thực hiện khác nhau nhưng nhìn chung có thể chia kỹ thuật watermarking ra làm hai loại là có đầy đủ thông tin tiên nghiệm (tường minh) và thiếu thông tin tiên nghiệm (mù). Phần lớn các giải pháp cải tiến đề xuất cho kết quả tốt với watermarking tường minh nhưng lại bị giới hạn trong phạm vi ứng dụng thực tế do yêu cầu phải có dữ liệu gốc hoặc các đặc trưng của dữ liệu gốc trong quá trình trích thông tin. Mặt khác, trong trường hợp watermarking ảnh, nhiều tác giả chỉ tập trung cải tiến các giải thuật cho một loại ảnh cụ thể, phần lớn là ảnh xám đơn kênh thông thường. Số lượng các nghiên cứu cho các loại ảnh y tế và ảnh đa kênh vẫn còn giới hạn và thách thức.

Bên cạnh đó, các thông số trong các giải thuật này chủ yếu được lựa chọn dựa trên kinh nghiệm hoặc thử nghiệm đơn giản mà thiếu các phân tích đánh giá tối ưu. Ngoài ra, nhiều tác giả không xem xét tính bền vững của thông tin nhúng trước đầy đủ các loại tấn công khác nhau hay tính năng bảo mật khi thực hiện trích thông tin. Do đó, mục tiêu của luận án là đưa ra các giải pháp nâng cao hiệu quả của các kỹ thuật watermarking thiếu thông tin tiên nghiệm với ảnh y tế và ảnh đa kênh ở miền không gian cũng như các miền biến đổi phù hợp với mỗi yêu cầu ứng dụng cụ thể. Các giải pháp đề xuất được phân tích có thể áp dụng cho cả hai trường hợp watermarking một bit và nhiều bit.

Các kết quả lý thuyết đã được kiểm chứng thông qua mô phỏng và ứng dụng thực tiễn. Các kết quả được thực hiện với nhiều loại ảnh phổ biến cũng như đặc thù và xem xét các loại tấn công khác nhau bao gồm cả hai loại đồng bộ và không đồng bộ. Bên cạnh việc đánh giá tính cảm thụ, tính bền vững, luận án còn bổ sung đánh giá độ tin cậy và tăng cường tính năng bảo mật để phù hợp với các yêu cầu đặc thù trong lĩnh vực y tế. Để thực hiện mục tiêu trên, trước tiên, luận án tiến hành phân tích sơ đồ tổng quát của hệ thống watermarking dựa trên nền tảng lý thuyết truyền thông và khảo sát các thông số khách quan dùng trong nghiên cứu đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật watermarking tiêu biểu với dữ liệu ảnh số.

Bên cạnh đó, luận án kết hợp phân tích lý thuyết dựa trên các mô hình xác suất thống kê để đưa ra lời giải tối ưu đồng thời tiến hành khảo sát thực nghiệm với các cơ sở dữ liệu và môi trường ứng dụng cụ thể để so sánh đánh giá ưu khuyết điểm của các phương pháp watermarking khác nhau làm cơ sở cho các giải pháp nâng cao hiệu quả của kỹ thuật watermarking cho các ứng dụng xử lý ảnh chuyên dụng. Nội dung đóng góp đầu tiên của luận án là đề xuất hai giải pháp DICOM_LSB_AES và DICOM_LSB_AES_RONI bằng cách kết hợp kỹ thuật mã hóa và kỹ thuật mật mã AES (Advanced Encryption Standard) để nhúng trích thông tin cá nhân trong toàn bộ hoặc chỉ vùng không quan trọng RONI (Region Of Non-Interest) của ảnh y tế đặc thù DICOM (Digital Imaging and COmmunications in Medicine) dựa trên kỹ thuật thay thế bit trọng ii số thấp LSB (Least Significant Bit) nhằm tăng cường tính bảo mật hỗ trợ cho ứng dụng y tế từ xa. Với đặc trưng ảnh DICOM thường sử dụng hơn 8 bit so với các định dạng ảnh xám (đơn sắc) phổ biến, có thể hỗ trợ lên đến 16 bit để đạt chất lượng hiển thị cao cho chẩn đoán thì việc nghiên cứu hoàn thiện kỹ thuật watermarking LSB cho ảnh DICOM mang lại hiệu quả rõ rệt về mặt cảm thụ. Ngoài ra, phương pháp này còn có thuận lợi là đơn giản trong thực hiện nhúng và trích thông tin do có thể thực hiện trực tiếp trong miền không gian nên phù hợp với ứng dụng thực tiễn.

Tiếp theo, một nội dung nghiên cứu khác của luận án tập trung đề xuất các giải pháp watermarking hiệu quả cho ảnh y tế dựa trên kỹ thuật lượng tử nhằm nâng cao tính bền vững bằng cách chọn lọc các đặc trưng SIFT (Scale-Invariant Feature Transform) ổn định trong khi quá trình trích vẫn không cần sử dụng ảnh gốc hoặc thông tin đặc trưng ban đầu để so khớp các đặc trưng như một số phương pháp truyền thống. Ngoài giải pháp watermaring cho một bit thông tin Q_SIFT (Quantization_SIFT), luận án còn mở rộng phân tích đánh giá watermarking nhiều bit với hai giải pháp nhúng theo hình quạt FSMQ_SIFT (Fan-shaped Multi-bit Q_SIFT) và hình nửa vành khuyên HRSMQ_SIFT (Half-Ring-shaped Multi-bit Q_SIFT). Với mỗi giải pháp, luận án đều bổ sung tính bảo mật kép bằng cách khai thác các thông số của đặc trưng SIFT qua giải pháp SQ_SIFT (Secure Q_SIFT) và khóa bí mật. Các mô phỏng được xem xét với đa dạng phương thức tạo ảnh y tế phổ biến bao gồm cắt lớp vi tính (Computed Tomography), cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging), X quang (X-Ray), siêu âm (UltraSound) nhằm đánh giá mức độ hiệu quả các giải pháp đề xuất đạt hiệu quả cao trước nhiều loại tấn công điển hình trong xử lý ảnh y tế từ loại không đồng bộ như nhiễu, nén, lọc, cho đến đồng bộ như xoay, co giãn, cắt xén và cả siêu phân giải dùng trí tuệ nhân tạo dựa trên kỹ thuật ESRGAN (Enhanced Super-Resolution Generative Adversarial Networks) với mô hình kiến trúc mạng học sâu RRDN (Residual-in-Residual Dense Network).

Sau cùng, luận án đưa ra các điều chỉnh cải tiến mở rộng MISS (Multi-bit Improved SS), MISS_DCT (MISS_Discrete Cosine Transform) và MISS_DWT (MISS_Discrete Wavelet Transform) nhằm nâng cao hiệu quả của phương pháp watermarking dựa trên kỹ thuật trải phổ SS (Spread Spectrum) truyền thống cho ảnh đơn kênh nhằm khắc phục một số hạn chế còn tồn tại, để từ đó phát triển đề xuất giải pháp mới watermarking trải phổ hợp tác CSS (Cooperative SS) và khai thác biến đổi KLT (Karhunen-Loève Transform) với giải pháp CSS_KLT để giải tương quan giữa các thành phần tín hiệu của ảnh đa kênh. Bên cạnh đó, các giải pháp cải tiến để loại bỏ can nhiễu giữa watermark và các kênh ảnh cũng như mở rộng watermarking nhiều bit cũng được đề xuất và phân tích, bao gồm ICSS (Improved CSS), MCSS (Multi-bit CSS), ICSS_KLT (Improved CSS_KLT), MCSS_KLT (Multi-bit CSS_KLT). Các kết quả được phân tích lý thuyết bằng mô hình toán học đồng thời kiểm chứng qua mô phỏng và thực nghiệm với các loại ảnh y tế khác nhau. iii ABSTRACT Watermarking is a technique of embedding and extracting message (information) in multimedia data.

Recently, it has received great attention in theoretical research as well as application to solve practical problems. Although there are many different implementation solutions, in general, watermarking methods can be divided into two types: obvious and blind. Most of the improved solutions obtain good results with obvious watermarking but are limited in practical applications due to the requirement of original data or its features in the information extraction process. On the other hand, in the case of image watermarking, many authors only focus on improving algorithms for a specific type of image, most of which are common grayscale images.

The number of studies for medical images and multi-channel images is still limited and challenging. In addition, the parameters in these algorithms are mainly selected based on experience without optimal evaluation analysis. In addition, many authors do not consider the robustness of embedded information against the full range of different types of attacks or security when performing information extraction. Therefore, the objective of the dissertation is to provide solutions to improve the effectiveness of blind watermarking techniques for medical images and multi-channel images in the spatial domain as well as in the transform domains suitable for each specific application requirement.

The proposed solutions can be applied to both single- bit and multi-bit watermarking cases. The theoretical results have been verified through simulation and practical applications. The results are performed with a variety of common and specific image types and consider different types of attacks including both synchronous and nonsynchronous types. In addition to assessing the imperceptibility and robustness, the thesis also assesses the reliability and enhances the security to match the specific requirements in the medical field.

To achieve the above goal, firstly, the thesis analyzes the general diagram of the watermarking system based on communication theory and investigates objective parameters used in research to evaluate the effectiveness of typical watermarking techniques with digital image data. In addition, theoretical analysis based on statistical probabilistic models to provide the optimal solutions and simulation and experiment surveys with specific databases and application environments are combined to compare and evaluate advantages and disadvantages of different watermarking methods as a basis for solutions to improve the effectiveness of watermarking techniques for specialized image processing applications. The first contribution of the thesis is to propose two solutions DICOM_LSB_AES and DICOM_LSB_AES_RONI by combining coding technique, Advanced Encryption Standard technique and Least Significant Bit based watermarking technique for embedding and extracting personal information in whole or only the RONI (Region Of Non-Interest) of DICOM (Digital Imaging and COmmunications in Medicine) medical iv images to enhance security for telemedicine applications.