ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN


HUỲNH VĂN THANH

GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRONG ẢNH STEREO
VỚI KHẢ NĂNG NHÚNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ SỐ: 60480201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN THÁI SƠN

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Giấu tin thuận nghịch trong ảnh stereo với khả
năng nhúng cao” tuân thủ các quy định hiện hành của pháp luật về sở hữu trí tuệ.
Các số liệu sử dụng trong luận văn là trung thực. Các kết quả nguyên cứu trong luận
văn là kết quả lao động chính của tôi, chưa được người khác công bố trong bất cứ
một công trình nghiên cứu nào.
Học viên

HUỲNH VĂN THANH

i

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................i
MỤC LỤC ............................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...........................................................................5
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................6
Chương 1.
1.1.

TỔNG QUAN ............................................................................................8

Các khái niệm tổng quan ...................................................................................8

1.1.1. Sơ lược an toàn thông tin ..............................................................................8
1.1.2. Mục đích của giấu tin ....................................................................................9
1.1.3. Hai hình thức giấu tin mật ............................................................................9
1.1.4. Phân loại kỹ thuật giấu tin trong ảnh theo miền của ảnh ....................... 10
1.1.5. Kiến thức nền tảng giấu thông tin trên ảnh số......................................... 11
1.2.

Thực trạng nghiên cứu .................................................................................... 12

1.2.1. Nghiên cứu trong nước............................................................................... 12
1.2.2. Nghiên cứu ngoài nước .............................................................................. 13
1.2.3. Khả năng ứng dụng của đề tài ................................................................... 16
Chương 2.

CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ................................................... 17


2.1.

Biến đổi DCT và bảng lượng tử .................................................................... 17

2.2.

Phương pháp của Yang và Chen ................................................................... 19

Chương 3.
3.1.

PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT ................................................................ 22

Quá trình giấu tin............................................................................................. 22

3.1.1. Tìm cặp khối ảnh giống nhau .................................................................... 23
3.1.2. Giấu tin bằng phương pháp dịch chuyển lưu đồ hai chiều .................... 24
3.1.3. Ví dụ họa minh họa thuật toán giấu tin .................................................... 27
3.2.

Quá trình tách tin ............................................................................................. 30

1


Chương 4.

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................ 34


4.1.

Tập dữ liệu mẫu thực nghiệm ........................................................................ 34

4.2.

Phương pháp đánh giá hiệu suất thuật toán giấu tin ................................... 35

4.2.1. Phương pháp đo khả năng giấu tin ........................................................... 35
4.2.2. Phương pháp đo chất lượng ảnh ............................................................... 36
4.3.

Phân tích kết quả thực nghiệm....................................................................... 36

Chương 5.

KẾT LUẬN ............................................................................................. 42

5.1.

Kết quả đạt được.............................................................................................. 42

5.2.

Hướng phát triển.............................................................................................. 42

Danh mục công bố khoa học của tác giả ....................................................................... 43
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................ 44

2



DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT

TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT ĐẦY ĐỦ

1

2D

2-dimensional

2

3D

3-dimensional

3

AC

Alternating Current

4

AES


Advanced Encryption Standard

5

BPP

Bit Per Pixel

6

CCD

Charge Coupled Device

7

DC

Direct Current

8

DCT

Discrete Cosine Transform

9

DES


Data Encryption Standard

10

DFT

Decrete Fourier Transform

11

DWT

Discrete Wavelet Transforma

12

IDCT

Inverse Discrete Cosine Transform

13

LSB

Least Significant Bit

14

PSNR


15

QF

Quality Factor

16

RSA

Ron Rivest, Adi Shamir, and Leonard Adleman

Peak Signal-to-Noise Ratio

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Bảng liệt kê thứ tự giấu thông tin vào 2 khối ảnh ....................................... 29
Bảng 3.2 Bảng quy luật tách thông tin mật................................................................... 30
Bảng 3.3 Ví dụ khôi phục các cặp hệ số đã mở rộng bởi công thức (3.1) ................ 31
Bảng 3.4 Bảng liệt kê thứ tự tách thông tin từ hai khối ảnh ....................................... 33
Bảng 4.1 Bảng so sánh chất lượng ảnh (PSNR) và tỉ lệ giấu tin (bpp) của 21 ảnh
stereo khi dùng ngưỡng T = 5 với QF khác nhau ......................................................... 37
Bảng 4.2 Bảng so sánh chất lượng ảnh (PSNR) và tỉ lệ giấu tin (bpp) của 21 ảnh
stereo khi QF = 75 với T khác nhau ............................................................................... 38
Bảng 4.3 Bảng so sánh giá trị trung bình của PSNR và bpp đối với 21 ảnh stereo
của hai phương pháp với QF = 75 .................................................................................. 39


4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ phân loại hướng nghiên cứu về an toàn thông tin ...............................8
Hình 1.2 Lược đồ chung cho giấu tin mật .................................................................... 10
Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình mã hoá ảnh JPEG ........................................................ 17
Hình 2.2 Phân bố các hệ số DC và AC trong khối 8×8 .............................................. 18
Hình 2.3 Bảng lượng tử chuẩn Q50 ................................................................................ 18
Hình 2.4 Bảng lượng tử với Q80 ..................................................................................... 19
Hình 2.5 Ba vùng hệ số DCT khác nhau c ủa khối 8×8............................................... 20
Hình 3.1 Một ví dụ của ảnh stereo: (a) Ảnh bên trái, (b) Ảnh phải phải .................. 22
Hình 3.2 Sơ đồ khối quá trình giấu tin vào ảnh stereo ................................................ 23
Hình 3.3 Ba vùng của một khối 8×8 trong miền DCT................................................ 23
Hình 3.4 Lưu đồ dịch chuyển hai chiều để giấu tin với (x, y) = (0, 0) ..................... 25
Hình 3.5 Ví dụ về tìm khối tương đồng ........................................................................ 28
Hình 3.6 Hai khối sau khi dịch chuyển ......................................................................... 28
Hình 3.7 Hai khối trước khi giấu tin ............................................................................. 29
Hình 3.8 Hai khối sau khi giấu tin ................................................................................. 30
Hình 3.9 Ví dụ về quá trình tách tin và khôi phục ảnh mang tin ............................... 32
Hình 4.1 Sáu cặp ảnh stereo trong tập mẫu [34] .......................................................... 34
Hình 4.2 Baboon – thông tin mật................................................................................... 35
Hình 4.3 Biểu đồ so sánh khả năng giấu tin giữa phương pháp đề xuất và phương
pháp của Yang khi T = 20 và QF = 75. ......................................................................... 40
Hình 4.4 So sánh tính hiệu quả của hai phương pháp khi T = 20, QF = 75 ............. 41

5


MỞ ĐẦU

Với sự phát triển mạnh mẽ của đa phương tiện và mạng máy tính, dữ liệu số
đã được dùng một cách rộng rãi để thay thế những dữ liệu lưu trữ theo cách truyền
thống. Khi dữ liệu số được truyền qua một kênh phổ thông như Internet, nó đối mặt
với những nguy hiểm từ những kẻ tấn công, nhằm muốn thay đổi hay phá hoại
thông tin. Chính vì vậy, vấn đề bảo vệ sự an toàn của dữ liệu số trở thành một vấn
đề ngày càng thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu trong nhiều lĩnh
vực khác nhau. Nhiều giải pháp như mã hoá thông tin (cryptography) và giấu tin
trong dữ liệu (information hiding) được đưa ra để giải quyết vấn đề khó khăn này.
Mã hoá thông tin là việc chuyển đổi các thông tin ở dạng có ý nghĩa sang dạng
không có ý nghĩa. Tuy nhiên, bằng cách làm như thế nó thu hút nhiều hơn sự quan
tâm của những kẻ tấn công. Ngược lại, phương pháp giấu tin thực hiện việc giấu
thông tin mật vào một dữ liệu số (dữ liêu chứa tin). Sau khi thông tin mật được giấu
vào dữ liệu chứa tin vẫn ở dạng có ý nghĩa vì thế có thể tránh được sự quan tâm
không đáng có của những người dùng không hợp pháp. Do đó, đảm bảo sự an toàn
của thông tin mật. Chính vì thế, phương pháp giấu tin trong ảnh được đông đảo
cộng đồng các nhà nghiên cứu quan tâm phát triển.
Công nghệ 3D (3-Dimensional) đang được phát triển rất nhanh và được áp
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong đó, ảnh stereo là một kết quả của công
nghệ này khi nó có khả năng tạo được ảo giác về độ sâu 3D. Ảnh này được thu nhận
đồng thời từ cặp cảm biến CCDs (charge coupled device) của máy ảnh, do đó ảnh
stereo có một ảnh bên trái và một ảnh bên phải rất giống nhau. Dựa vào đặc điểm
này, đã có nhiều kỹ thuật giấu tin trong ảnh stereo được đề xuất. Tuy nhiên, khả
năng giấu tin cũng như chất lượng ảnh sau khi chứa tin của những kỹ thuật đó còn
hạn chế.
Trong báo cáo này, một phương pháp mới về giấu tin thuận nghịch sẽ được đề
xuất để giấu thông tin mật vào những cặp khối giống nhau của ảnh stereo. Phương
pháp này thực hiện giấu tin bằng cách xây dựng lưu đồ dịch chuyển hai chiều (2D
histogram shifting) từ các cặp hệ số DCT đã lượng tử. Những cặp DCT đã lượng tử
được rút ra từ các cặp khối (8×8 pixels) trái và phải giống nhau trên ảnh stereo.


6


Trong lưu đồ hai chiều, lưu đồ được chia thành 4 hướng khác nhau. Trong khi, các
cặp hệ số lượng tử DCT đa số có giá trị dương hoặc giá trị gần bằng không (0), vì
vậy tọa độ của chúng luôn ở gốc trên bên phải của lưu đồ. Do đó, đây là gốc thích
hợp nhất để giấu nhiều thông tin mật với khả năng nhúng cao mà vẫn duy trì được
chất lượng ảnh stereo. Các kết quả trong phần thực nghiệm sẽ chứng minh rằng
phương pháp đề xuất đạt được khả năng giấu tin cao hơn các giải pháp trước đây
trong khi vẫn đảm bảo chất lượng của ảnh mang tin. Nội dung báo cáo này gồm 5
chương như sau:
Chương 1. Tổng quan: Trình bày các khái niệm tổng quan về an toàn thông
tin. Giới thiệu sơ lược về kỹ thuật giấu tin và thực trạng nghiên cứu về giấu tin
trong thời gian qua.
Chương 2. Các nghiên cứu liên quan: Trình bày các nghiên cứu liên quan đến
đề tài của luận văn.
Chương 3. Phương pháp đề xuất: Trình bày chi tiết phương pháp giấu tin
thuận nghịch trong ảnh stereo. Trình bày ví dụ minh họa cho thuật toán giấu tin và
tách tin.
Chương 4. Kết quả thực nghiệm: Trình bày các kết quả thực nghiệm. Đánh giá
hiệu suất của giải pháp đề xuất so với các giải pháp đã tồn tại.
Chương 5. Kết luận và hướng phát triển.

7


Chương 1. Tổng quan

CHƯƠNG 1.
1.1.


TỔNG QUAN

Các khái niệm tổng quan

1.1.1. Sơ lược an toàn thông tin
Ngành an toàn thông tin (information security) có vai trò quan trọng trong việc
bảo vệ các thông tin có tính chất nội bộ nhằm ngăn chặn việc truy cập trái phép của
người dùng. Để làm được điều này, trong nhiều thập kỷ qua các chuyên gia bảo mật
đã nghiên cứu nhiều giải pháp để bảo vệ. Trong đó, các kỹ thuật như dùng mật mã
hay giấu tin thường được dùng với mục đích bảo vệ các nội dung mang tính riêng tư
đó hoặc ngăn chặn sự sao chép bản quyền (copyright) các dữ liệu đa phương tiện.
Một cách tổng quát, an toàn thông tin có thể được chia thành các hướng nghiên cứu
như sau: mã hoá thông tin, giấu tin mật và thuỷ vân số như được trình bày trong
Hình 1.1 [5].
An toàn thông tin
(Information security)

Giấu tin
(Information hiding)

Mã hóa thông tin
(Cryptography)

Giấu tin mật
(Steganography)

Thủy vân số
(Watermarking)


Hình 1.1 Sơ đồ phân loại hướng nghiên cứu về an toàn thông tin

Phương pháp giấu tin là sự che giấu thông tin vào bên trong các đối tượng mang
tin khác (cover data). Các đối tượng mang tin có thể là các tập tin văn bản, hình
ảnh, âm thanh, phim (text, image, audio, video) [5-9]. Còn phương pháp mã hoá
thông tin, dữ liệu sẽ được mã hóa trước khi được truyền đi bởi các thuật toán mã
hoá, như DES, AES hoặc RSA [10], vì thế dữ liệu truyền đi được bảo mật. Tuy
nhiên, bằng cách chuyển đổi dữ liệu sang một phiên bản không có ý nghĩa chúng sẽ
càng kích thích sự tò mò của những kẽ tấn công nguy hiểm. Ngược lại, mục đích
của phương pháp giấu tin là để đảm bảo tính bảo mật của thông tin được giấu bên
trong đối tượng mang tin.
8


Chương 1. Tổng quan

1.1.2. Mục đích của giấu tin
Dựa vào mục tiêu của các ứng dụng, giấu tin có thể được phân thành hai loại
như: giấu tin mật (steganography) và thuỷ vân số (watermarking). Trong đó, mục
tiêu của kỹ thuật giấu tin mật là che giấu sự tồn tại của thông tin được giấu trong đối
tượng mang tin khác nhằm bảo vệ chính thông tin được giấu tránh sự phát hiện của
người khác. Hơn nữa, kỹ thuật này đòi hỏi khả năng giấu thông tin càng nhiều càng
tốt trong khi vẫn duy trì chất lượng cao của đối tượng mang tin. Khác với giấu tin
mật, thuỷ vân số hướng đến mục tiêu không chỉ bảo vệ thuỷ vân (watermark,
thường là logo của doanh nghiệp) mà còn nhằm mục đích chứng thực đối tượng
mang tin. Bên canh đó, các kỹ thuật thuỷ vân cần phải đạt được về độ bền vững
(robustness). Nghĩa là thuỷ vân sau khi nhúng có khả năng chống lại các dạng tấn
công như xử lý tín hiệu, thay đổi hình học...
1.1.3. Hai hình thức giấu tin mật
Bằng cách dựa vào khả năng khôi phục được đối tượng mang tin về trạng thái

gốc ban đầu sau khi thông tin mật được tách ra hay không. Các phương pháp giấu
tin mật được phân thành hai hình thức khác nhau, đó là giấu tin thuận nghịch
(reversible data hiding) và giấu tin không thuận nghịch (irreversible data hiding).
Mô hình tổng quát của phương pháp giấu tin có thể được trình bày trong sơ đồ Hình
1.2 [9].

9


Chương 1. Tổng quan

secret

cover

key

Hàm Giấu tin
fE

stego

Hàm Tách tin
fE-1

cover’

key

secret’


Hình 1.2 Lược đồ chung cho giấu tin mật

Đầu vào của bên gửi, thông tin mật secret sẽ được nhúng vào đối tượng mang
tin cover bởi hàm giấu tin fE kết hợp với khoá key để tạo thành đối tượng mang tin
mật stego. Ngược lại bên nhận, bằng cách dùng khoá key kết hợp với hàm tách tin
fE-1 trên đối tượng mang tin mật stego sẽ thu được thông tin mật secret’ đúng với
thông tin secret như lúc gửi. Khi đó, một kỹ thuật giấu tin được gọi là thuận nghịch
khi đối tượng mang tin cover’ sau khi tách tin ra có thể khôi phục được trạng thái
gốc ban đầu. Ngược lại, được gọi là kỹ thuật giấu tin không thuận nghịch.
1.1.4. Phân loại kỹ thuật giấu tin trong ảnh theo miền của ảnh
Hai phương pháp phổ biến dùng để giấu tin trong ảnh là thực hiện giấu tin trên
miền không gian (spatial domain) hoặc miền tần số (frequency domain) của ảnh
mang tin. Trong đó, giấu tin trên miền không gian ảnh, các thông tin mật được giấu
trực tiếp vào giá trị các điểm ảnh (pixels) của ảnh mang tin. Ngược lại, phương
pháp giấu tin trên miền tần số, các thông tin mật được giấu vào giá trị các điểm ảnh
sau khi đã dùng các phép biến đổi rời rạc như: biến đổi Fourier (DFT), biến đổi
Cosine (DCT) và biến đổi sóng nhỏ (DWT).

10


Chương 1. Tổng quan

1.1.5. Kiến thức nền tảng giấu thông tin trên ảnh số
Giấu thông tin trên ảnh số thường được thực hiện trên miền không gian ảnh
hoặc trên miền biến đổi tần số. Đối với các phương pháp giấu tin trên miền không
gian, thường có thuật toán cài đặt đơn giản hơn và bảo mật kém. Tuy nhiên, phương
pháp này tác động trực tiếp đến các giá trị của điểm ảnh, điều này làm ảnh hưởng
xấu đến chất lượng ảnh mang tin. Bên cạnh đó, ảnh mang tin khi được áp dụng bằng

phương pháp này có khả năng chịu tấn công kém, dẫn đến khả năng khôi phục
thông tin giấu gặp khó khăn khi ảnh bị thay đổi. Ngược lại, phương pháp giấu tin
trên miền tần số, thông tin mật được giấu sau khi thực hiện các biến đổi ảnh từ miền
không gian sang miền tần. Bằng cách giấu tin trên miền trung gian này (sau khi thực
hiện các phép biến đổi), đã giúp chất lượng của ảnh mang tin ít bị ảnh hưởng đồng
thời làm cho phương pháp này có khả năng chịu đựng tốt hơn các dạng tấn công từ
kẻ phá hoại. Tức là, thông tin được giấu trong ảnh mang tin có tính bền vững cao.
Đây cũng là một trong các tiêu chí quan trọng đánh giá tính hiệu quả của mnột
phương pháp giấu tin.
Mục đích của giấu tin là nhằm bảo vệ các thông tin có tính chất nhạy cảm, bảo
vệ bản quyền tác giả hay chống giả mạo thông tin. Kỹ thuật giấu tin đã được áp
dụng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau. Điển hình như các ứng dụng trong ngành
y khoa như: chuẩn đoán bệnh từ xa, hội thảo y tế từ xa… Trong các trường hợp này,
cần có sự trao đổi hình ảnh y khoa cùng các thông tin về hồ sơ bệnh nhân giữa các
bác sĩ cũng như các chuyên gia y tế với nhau. Thông thường, ảnh y khoa và thông
tin bệnh nhân sẽ được gửi độc lập với nhau. Điều này, tạo nên những bất cập như:
có khả năng bị sai sót thông tin khi bị tách rời như thế, tức là hồ sơ bệnh nhân này
có thể được ghép với ảnh y khoa của bệnh nhân khác. Hơn nữa, thông tin bệnh nhân
cũng có thể bị xem bất hợp pháp hoặc bị chỉnh sửa hay bị giả mạo thông tin. Từ
những thách thức như trên, giải pháp giấu tin mật trong ảnh số là giải pháp tốt nhất
sẽ giải quyết được khó khăn này.
Trong kỹ thuật giấu tin truyền thống, khi thực hiện việc giấu thông tin mật vào
ảnh mang tin điều này làm cho ảnh mang tin bị biến dạng (distortion). Hơn nữa, ảnh
mang tin không thể được khôi phục lại trạng thái ban đầu sau khi thông tin mật

11


Chương 1. Tổng quan


được tách ra. Điều này không thể chấp nhận được trong các ứng dụng giấu tin trong
ngành y khoa hoặc quân đội như được đề cập ở trên. Do đó, để đáp ứng được các
ràng buộc trong lĩnh vực này thì cần một giải pháp giấu tin có tính chất thuận
nghịch (reversible data hiding), nghĩa là phải đảm bảo cả ảnh mang tin và thông tin
được giấu bên trong ảnh phải được khôi phục hoàn toàn sau khi thực hiện rút tin.
Trong thời gian qua, đã có nhiều phương pháp giấu tin thuận nghịch được đề
xuất. Dựa vào cách thức xử lý ảnh để giấu tin, các phương pháp đó có thể được chia
thành ba nhóm chính dựa trên kỹ thuật như: nén suy hao (lossless compression
based), mở rộng sự khác biệt (difference expansion based) và dịch chuyển lưu đồ
(histogram shifting based). Mỗi kỹ thuật sẽ có các ưu nhược điểm khác nhau.
1.2.

Thực trạng nghiên cứu
Ngày nay, các thiết bị công nghệ ngày càng phổ biến, người dùng dễ dàng dùng

một máy ảnh ống kính kép (dual-camera) để thu nhận ảnh dạng stereo để tạo ảo giác
3D [11] khi xem. Hơn nữa, với sự lớn mạnh của mạng máy tính và nhu cầu trao đổi
thông tin số trên mạng Internet tăng lên từng giây. Vì vậy, các dữ liệu số này có thể
dễ dàng bị biên tập, chỉnh sửa hay nhân bản trái phép bởi những kẻ tấn công. Từ các
thách thức trên, làm cách nào để đảm bảo tính an toàn và bảo mật những dữ liệu số
này trở nên vấn đề ngày càng được quan tâm bởi các nhà khoa học ở nhiều lĩnh vực
khác nhau.
1.2.1. Nghiên cứu trong nước
Trong các năm qua, trong nước có các nhóm nghiên cứu về các giải pháp giấu
tin trong ảnh. Cụ thể vào năm 2012-2013, nhóm tác giả Duc M. Duong đã đề xuất
các phương pháp giấu tin trên các ảnh mức xám (grayscale images) bằng cách dựa
vào miền biến đổi Contourlet [13-16]. Các giải pháp được đề xuất của nhóm tác giả
trên đã đạt được các ưu điểm nổi bật như: độ an toàn thông tin được giấu, khả năng
giấu tin cao cũng như khả năng chịu được các dạng tấn công tốt. Tuy nhiên, các giải
pháp trên chưa hỗ trợ cơ chế thuận nghịch nên chưa đáp ứng được trong các ứng

dụng đòi hỏi ảnh mang tin phải được khôi phục hoàn toàn sau khi thông tin mật
được rút ra. Chẳng hạn như trong ảnh y khoa, nếu ảnh bị biến dạng sau khi mang tin
và không thể khôi phục lại trạng thái ban đầu thì dẫn đến việc chuẩn đoán bệnh của
12


Chương 1. Tổng quan

các bác sĩ không chính xác. Vào năm 2015, nhóm tác giả Tri. H. Nguyen và Duc M.
Duong cũng đề xuất thêm các phương pháp thuỷ vân thuận nghịch dựa trên kỹ thuật
dịch chuyển lưu đồ [17-18]. Các kỹ thuật này được áp dụng trên các loại ảnh xám
khác nhau trong đó có ảnh y khoa [18]. Bên cạnh đó, một giải pháp giấu tin khác
dựa trên miền biến đổi DWT còn đề xuất năm 2015 [19]. Kết quả thực nghiệm giải
pháp này cho thấy khả năng chịu được tấn công cao. Tuy nhiên, giải pháp cũng
chưa hỗ trợ tính thuận nghịch.
Biên cạnh đó, tại hội nghị Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin
lần thứ 8 năm 2015, một phương pháp thủy vân thuận nghịch dựa trên dịch chuyển
histogram cũng được đề xuất bởi nhóm tác giả Nguyễn Kim Sao [3]. Giải pháp này
được thực hiện trên miền không gian ảnh nên khả năng chịu tấn công kém. Trước
đó, vào năm 2012, tác giả D. Van Tuan và đồng nghiệp cũng đã công bố kết quả
nghiên cứu về kỹ thuật giấu tin trên ảnh nhị phân [12]. Giải pháp này chỉ áp dụng
trên các ảnh nhị phân, kết quả thực nghiệm cho thấy chất lượng ảnh chỉ đạt ở mức
trung bình khoảng 22 dB với khả năng mang tin cũng rất thấp chỉ khoảng 333 bits.
Năm 2012, luận án tiến sĩ nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng thủy vân
sử dụng biến đổi Cosine rời rạc trên ảnh JPEG [1]. Trong luận án này, tác giả dùng
phương pháp bù sai số lượng tử vào việc chọn hệ số nhúng nhằm nâng cao chất
lượng thuỷ vân. Tuy nhiên, giải pháp này chỉ có khả năng chống lại kiểu tấn công
nén ảnh JPEG. Bên cạnh đó, một báo cáo khoa học khác nghiên cứu một số kỹ thuật
phát hiện ảnh giấu tin [4] cũng được công bố. Tác giả của báo cáo đề xuất các kỹ
thuật phát hiện mù cho ảnh giấu tin trên LSB của miền không gian ảnh bằng cách

phân tích độ lệch chuẩn, phân tích tỉ lệ xám hay thống kê để phát hiện ảnh giấu tin.
Ngoài ra, cũng có các đề tài luận văn về giấu tin chủ yếu dựa vào kỹ thuật LSB của
các bạn sinh viên như [2]. Tuy nhiên, hầu hết các giải pháp trên thường chỉ áp dụng
trên các đối tượng ảnh mức xám và chưa hỗ trợ cơ chế thuận nghịch (reversible).
1.2.2. Nghiên cứu ngoài nước
Bằng kỹ thuật giấu tin trên miền không gian ảnh, nhiều công trình [20-22] thực
hiện giấu tin mật trực tiếp vào giá trị các điểm ảnh (pixels) của ảnh mang tin đã

13


Chương 1. Tổng quan

được công bố trong các năm qua. Phương pháp giấu tin phổ biến trong miền không
gian là thực hiện thay đổi bit có trọng số ít quan trọng nhất (LSB) của các điểm ảnh
để giấu tin. Một đề xuất khác dùng miền không gian này cũng được Tian [20] công
bố năm 2003. Bằng cách dựa trên sự mở rộng khác biệt (difference expansion) của
hai điểm ảnh tác giả đã giấu thông tin mật vào sự khác biệt này. Đây là một trong
các kỹ thuật giấu tin thuận nghịch có khả năng phục hồi ảnh gốc. Tuy nhiên phương
pháp này có điểm yếu là có khả năng làm cho một số pixel bị vượt ngưỡng
(overflow) hoặc dưới ngưỡng (underflow) khi thực hiện giấu thông tin vào các điểm
ảnh đó.
Song song đó, các giải pháp giấu tin dựa trên miền tần số như [23-30]. Trong
các phương pháp này, các tác giả thực hiện giấu các thông tin mật vào giá trị các hệ
số (coefficients) của điểm ảnh sau khi được biến đổi thông qua một trong các phép
biến đổi rời rạc như: DFT, DCT và DWT. Dựa vào các phép biến đổi này, Chang và
các đồng nghiệp của ông [29] đã đề xuất giải pháp giấu tin thuận nghịch dựa trên
miền biến đổi tần số DCT của ảnh nén JPEG, giải pháp này đạt được tính thuận
nghịch nhưng bị giới hạn ở khả năng giấu tin. Sau đó, Lin và Shiu [30] đã cải tiến
phương pháp của Chang nhằm tăng khả năng giấu tin được nhiều hơn, trung bình

khoảng 0.22 bpp với chất lượng ảnh khoảng 30.30 dB.
Hầu hết các kỹ thuật giấu tin thuận nghịch đã được đề xuất [20, 21, 24, 27-30]
chỉ áp dụng trên ảnh 2D. Ngày nay, bằng cách dùng kỹ thuật stereoscopy có thể để
tạo ra ảo giác về độ sâu 3D từ một cặp ảnh 2D (ảnh stereo), Patrizio Campisi [31]
đã đề xuất một phương pháp hướng đối tượng cho thuỷ vân số trên ảnh này. Trong
phương pháp này, một bản đồ về độ sâu (depth map) sẽ được tạo ra từ một cặp của
ảnh stereo, sau đó thông tin được thuỷ vân trong miền hệ số lượng tử DWT. Một
giải pháp khác về thủy vân số trên ảnh stereo cũng được đề xuất bởi Luo và các
đồng nghiệp [32]. Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp này đều không có khả năng
thuận nghịch, nghĩa là chúng thường ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của ảnh
mang tin mật khi lượng lớn thông tin được giấu, đồng thời các giải pháp này cũng
không thể khôi phục lại trạng thái ban đầu của đối ảnh mang tin. Điều này không
thể chấp nhận trong một số lĩnh vực đặc biệt như y khoa, quân đội hoặc pháp

14


Chương 1. Tổng quan

chứng… Ví dụ trong dịch vụ chăm sóc sức khoẻ, thông tin cá nhân bệnh nhân có
thể được giấu trong ảnh chụp X-quang của bệnh nhân. Các thông tin này khi được
tách ra từ ảnh chụp X-quang ở bên người nhận vẫn đảm bảo chính xác và ảnh Xquang cũng không được sai lệch. Do đó, trong những ứng dụng như vậy cần có
thuật toán giấu tin thuận nghịch [33], tức là ngoài khả năng giấu được lượng lớn
thông tin, chất lượng của ảnh mang tin được đảm bảo. Trong các ứng dụng như thế
cần có khả năng khôi phục đối tượng mang tin về định dạng gốc ban đầu (original
data) với không có bất kỳ một sự nhiễu nào (without any distortion).
Để đạt được các mục tiêu trên, năm 2015, Yang và Chen [26] đã đề xuất một
phương pháp giấu tin thuận nghịch trên ảnh stereo. Trong phương pháp này, trước
khi giấu tin, tác giả thực hiện mã hóa mỗi 3 bit thông tin cần giấu thành một cặp số
nguyên trong khoảng [-1, 1]. Sau đó giấu chúng vào giá trị khác biệt của hai hệ số

lượng tử DCT tương ứng từ hai khối ảnh bên trái và phải. Bằng cách làm như vậy,
phương pháp này có thể khôi phục lại hoàn toàn ảnh gốc sau khi tách thông tin mật.
Tuy nhiên, khả năng thông tin được nhúng vẫn còn bị giới hạn. Nguyên nhân chính
là phương pháp này phải phụ thuộc vào tần suất xuất hiện của giá trị khác biệt bằng
0 của hai hệ số lượng tử DCT. Hơn nữa, bằng cách phụ thuộc vào phương pháp thay
đổi lưu đồ (histogram shifting) để giấu tin, phương pháp này dẫn đến hầu như tất cả
các cặp hệ số lượng tử DCT phải thay đổi giá trị dẫn đến chất lượng của ảnh chứa
tin giảm đáng kể.
Để khắc phục những yếu điểm của những giải pháp giấu tin hiện có trên ảnh
stereo, báo cáo này đề xuất một giải pháp giấu tin thuận nghịch mới dựa vào việc
xây dựng lưu đồ dịch chuyển hai chiều trên các cặp hệ số lượng tử DCT. Với đặc
tính của ảnh stereo là có một ảnh bên trái và một ảnh bên phải, điều này tạo điều
kiện thuận lợi cho việc xây dựng lưu đồ hai chiều. Lưu đồ này được chia thành bốn
hướng, nhưng chỉ chọn một hướng để giấu tin. Điều này khắc phục được khả năng
việc thay đổi giá trị của các hệ số lượng tử DCT không liên quan khi giấu thông tin.
Bởi, chỉ có một hướng đượng chọn cho việc giấu thông tin, tỉ lệ thay đổi của ảnh
stereo chỉ xấp xỉ bằng ¼ so phương pháp xây dựng lưu đồ một chiều. Bằng cách
làm như thế, thì giải pháp mới đề xuất sẽ giới hạn được việc thay đổi giá trị của các
cặp hệ số lượng tử DCT sao cho bé nhất. Ngoài ra, giải pháp đề xuất cũng khắc
15


Chương 1. Tổng quan

phục được sự lệ thuộc vào tần suất của giá trị khác biệt bằng 0 của cặp hệ số lượng
tử DCT. Từ đó, sẽ có nhiều cặp hệ số được lựa chọn cho việc giấu tin hơn, giúp
nâng cao khả năng giấu tin của giải pháp.
1.2.3. Khả năng ứng dụng của đề tài
Với những ưu điểm của phương pháp giấu tin thuận nghịch trên ảnh số như đã
phân tích ở phần trên, cùng với việc xây dựng lưu đồ dịch chuyển hai chiều để giấu

tin. Phương pháp đề xuất sẽ đảm bảo về chất lượng ảnh mang tin được trong suốt.
Đồng thời, sau khi thực hiện rút tin phương pháp đề xuất còn cung cấp cơ chế khôi
phục hoàn toàn ảnh mang tin và thông tin mật được giấu trong ảnh đó. Với kết quả
đạt như trên, giải pháp giấu tin được đề xuất có khả năng áp dụng được trong việc
quản lý và trao đổi ảnh y khoa ở các cơ sở y tế. Ứng dụng này sẽ giấu thông tin hồ
sơ bệnh nhân vào bên trong ảnh y khoa. Điều này giúp cơ sở y tế quản lý bệnh an
toàn, tránh được sự sai sót trong việc kết hợp giữa thông tin bệnh nhân với ảnh y
khoa của họ. Bên cạnh đó, để tăng tính an toàn cho ứng dụng nhằm tránh thông tin
bị sửa đổi hoặc bị xem bất hợp pháp, thông tin về bệnh nhân này sẽ được mã hoá
trước khi được giấu vào trong ảnh.

16


Chương 2. Các nghiên cứu liên quan

CHƯƠNG 2.
2.1.

CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Biến đổi DCT và bảng lượng tử
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 được ứng dụng
nhiều trong kỹ thuật mã hoá ảnh JPEG. Quy trình mã hoá ảnh có thể được trình bày
trong sơ đồ Hình 2.1.
Quantization table
(Bảng lượng tử)


Input image
(8x8 blocks)
(Ảnh đầu vào)

DCT

Quantizaton
(Lượng tử hoá)

Entropy encoder
(Bộ mã hoá)

JPEG image
(Ảnh mã hoá)

Hình 2.1 Sơ đồ khối quá trình mã hoá ảnh JPEG

Đầu tiên ảnh đầu vào được chia thành các khối 8x8 pixels không trùng lặp
(non-overlapping), sau đó mỗi khối sẽ được biến đổi DCT theo công thức (2.1).

𝐹 (𝑢, 𝑣) =

𝑐 (𝑢) 𝑐(𝑣)
4

8

∑ ∑ 𝑓 (𝑥, 𝑦)cos⁡(

(2𝑥 + 1) 𝑢𝜋


𝑥=1 𝑦=1
1

Với 𝑐 (𝑒) = {

8

√2

16

) 𝑐𝑜𝑠 (

(2𝑦 + 1) 𝑣𝜇
16

)

(2.1)

, 𝑛ế𝑢⁡𝑒 = 0

1,⁡⁡⁡⁡⁡𝑛ế𝑢⁡𝑒⁡ ≠ 0⁡⁡
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
𝑓 (𝑥, 𝑦 ) là giá trị điểm ảnh tại toạ độ (x, y). Các hệ số DCT được duyệt theo hình
zigzag từ vùng có tần số thấp (low frequency band) đến vùng có tần số cao (low
frequency band). Hệ số đầu tiên tại vị trí F(1, 1) trong vùng tần số thấp được 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. Phân bố các hệ số đó được trình bày như Hình 2.2.


17


Chương 2. Các nghiên cứu liên quan

Hình 2.2 Phân bố các hệ số DC và AC trong khối 8×8

Tiếp theo, các hệ số DCT được lượng tử hoá theo công thức (2.2) với một
bảng lượng tử (quantization table) có cấu trúc ma trận kích thước 8×8 phần tử như
Hình 2.3.
𝐷 (𝑢, 𝑣) = 𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑 (

𝐹 (𝑢, 𝑣)
)
𝑄(𝑢, 𝑣)

(2.2)

Với 𝑄(𝑢, 𝑣) là giá trị phần tử tương ứng trong bảng lượng tử và 𝐷 (𝑢, 𝑣) là hệ
số DCT đã lượng tử.

Hình 2.3 Bảng lượng tử chuẩn Q 50

Bảng lượng tử trong Hình 2.3 là bảng chuẩn có hệ số chất lượng (quality
factor) QF = 50 [32]. Giá trị QF có thể thiết lập bằng từ 0 đến 100 để có chất lượng

18



Chương 2. Các nghiên cứu liên quan

ảnh khác nhau, với QF = 100 cho chất lượng ảnh tốt nhất. Từ bảng lượng tử chuẩn
này có thể tính ra các bảng lượng tử mở rộng khác theo công thức (2.3) và (2.4)
5000

(2.3)

,⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡𝑛ế𝑢⁡𝑄𝐹 < 50

𝑆𝐹 = { 𝑄𝐹
200 − 2 × 𝑄, 𝑛ế𝑢⁡𝑄𝐹 ≥ 50
𝑄𝑄𝐹 (𝑢, 𝑣) = ⌊

𝑆𝐹 × 𝑄50 (𝑢, 𝑣) + 50
100

⌋

(2.4)

Ví dụ với QF = 80, bảng lượng tử mở rộng được tạo ra như Hình 2.4 dưới đây.

Hình 2.4 Bảng lượng tử với Q 80

2.2.

Phương pháp của Yang và Chen
Năm 2015, Yang và Chen [26] đưa ra phương pháp giấu tin thuận nghịch cho


ảnh stereo dựa trên miền hệ số DCT. Phương pháp này dựa vào đặc điểm của một
cặp ảnh stereo (ảnh bên trái và bên phải) chứa nhiều cặp khối ảnh tương đồng nhau,
tác giả đã giấu thông tin mật vào các cặp tương đồng này trên miền hệ số lượng tử
DCT. Phương pháp này có hai quá trình: giấu tin vào ảnh và tách tin từ ảnh mang
tin (stego image). Trong quá trình giấu tin, đầu tiên mỗi ảnh sẽ được chia thành các
khối 8×8 pixels. Sau đó, từng khối ảnh sẽ được chuyển đổi sang miền hệ số DCT và
lượng tử chúng. Sau khi lượng tử, mỗi khối hệ số lượng tử DCT (DCT-quantized
coefficients) sẽ được chia thành ba vùng có tần số DCT khác nhau, vùng thứ nhất
chứa hệ số lượng tử DCT với tần số thấp (lower-frequency DCT-quantized
coefficients) được gọi là vùng tìm kiếm, vùng thứ hai chứa hệ số lượng tử DCT với

19


Chương 2. Các nghiên cứu liên quan

tần số trung bình được gọi là vùng giấu tin, vùng còn lại đa số các hệ số có giá trị
bằng 0 gọi là vùng không sử dụng. Việc phân chia này được thể hiện như Hình 2.5.

Hình 2.5 Ba vùng hệ số DCT khác nhau của khối 8×8
(Với  là vùng tìm kiếm,  là vùng giấu tin và



là vùng không sử dụng)

Tiếp theo, tìm những cặp khối tương đồng của ảnh stereo bằng cách tính sự
khác biệt giá trị hệ số lượng tử DCT của vùng tìm kiếm. Sau đó, tính giá trị khác
biệt 𝐷𝑖𝑓⁡𝐵 (𝑢, 𝑣) ⁡giữa các hệ số lượng tử DCT của hai khối ảnh bên trái và bên phải
trong vùng giấu tin theo công thức (2.5).

𝐷𝑖𝑓⁡𝐵(𝑢, 𝑣) = 𝐶𝐵𝐿 (𝑢, 𝑣) − 𝐶𝐶𝑜𝑟𝑟 𝑅 (𝑢, 𝑣), với 7 ≤ u+ v ≤ 9

(2.5)

Với các giá trị khác biệt 𝐷𝑖𝑓⁡𝐵 (𝑢, 𝑣) = 0 (hai hệ số lượng tử DCT khối bên
trái và bên phải bằng nhau) được dùng để giấu một số nguyên z  [-1, 1] theo công
thức (2.6).
𝐷𝑖𝑓⁡𝐵 (𝑢, 𝑣) + 1,
nếu⁡𝐷𝑖𝑓⁡𝐵 (𝑢, 𝑣) > 0⁡
𝐷𝑖𝑓′⁡𝐵(𝑢, 𝑣) = { 𝑧⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡nếu⁡𝐷𝑖𝑓 ⁡𝐵(𝑢, 𝑣) = 0
𝐷𝑖𝑓⁡𝐵 (𝑢, 𝑣) − 1,
nếu⁡𝐷𝑖𝑓⁡𝐵 (𝑢, 𝑣) < 0⁡

(2.6)

Sau đó, giá trị khác biệt mới Dif′⁡𝐵(𝑢, 𝑣) của hệ số lượng tử DCT được dùng để
cập nhật lại cho cặp khối ảnh bên trái và bên phải của ảnh stereo. Bằng cách áp
dụng các bước trên thì thông tin mật được giấu vào ảnh stereo.

20


Chương 2. Các nghiên cứu liên quan

Nhưng theo công thức (2.6), hầu như mỗi cặp hệ số lượng tử DCT sẽ bị thay đổi
giá trị để giấu thông tin, điều này làm cho chất lượng ảnh bị ảnh hưởng. Hơn nữa,
phương pháp này dựa vào giải thuật dịch chuyển lưu đồ một chiều để giấu tin nên
khả năng giấu thông tin còn hạn chế.

21



Chương 3. Phương pháp đề xuất

CHƯƠNG 3.

PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT

Như đã đề cập ở phần 2.2, phương pháp của Yang và Chen [26] khả năng
thông tin được giấu vẫn còn giới hạn. Vì khả năng giấu tin phụ thuộc vào tần suất
xuất hiện của giá trị khác biệt bằng 0 của hai hệ số lượng tử DCT, cũng như phụ
thuộc vào kỹ thuật dịch chuyển lược đồ xám của ảnh để giấu tin. Để khắc phục các
hạn chế này, luận văn đề xuất một giải pháp giấu tin mới dựa vào việc cải tiến lưu
đồ dịch chuyển các các cặp hệ số lượng tử DCT thành lưu đồ hai chiều phù hợp với
ảnh stereo. Phương pháp này sẽ giới hạn được việc thay đổi giá trị của các cặp hệ số
và có nhiều cặp hệ số lượng tử DCT được chọn để giấu tin hơn, từ đó nâng cao khả
năng giấu tin vào ảnh stereo (cover stereo image). Giải pháp đề xuất cũng gồm hai
quá trình chính: quá trình giấu tin và quá trình tách tin.
3.1.

Quá trình giấu tin

(a) Ảnh bên trái

(b) Ảnh bên phải

Hình 3.1 Một ví dụ của ảnh stereo: (a) Ảnh bên trái, (b) Ảnh phải phải

Hình 3.1 là một ví dụ về ảnh stero. Một ảnh stereo có hai ảnh rất giống nhau
(ảnh trái và ảnh phải). Dó đó, giữa hai ảnh trái Hình 3.1(a) và phải Hình 3.1(b) sẽ có

nhiều khối ảnh giống nhau. Dựa vào đặc tính giống nhau này, phương pháp đề xuất
cũng chia hệ số lượng tử DCT mỗi khối ảnh thành ba vùng sau: vùng tiềm kiếm,
vùng giấu tin và vùng không sử dụng, giống với phương pháp của Yang [26]. Đầu
tiên, mỗi ảnh bên trái và bên phải sẽ được chia thành những khối có kích thước 8×8
pixel trong miền tần số DCT và lượng tử hóa chúng. Tiếp theo, dựa trên vùng tìm
kiếm để tìm cặp khối ảnh giống nhau theo một ngưỡng (threshold) T nào đó. Khi đó
thông tin mật sẽ được giấu vào vùng giấu tin của những khối ảnh tương đồng đã
được chọn. Cuối cùng, thực hiện giải lượng tử và biến đổi DCT ngược để được ảnh

22


Chương 3. Phương pháp đề xuất

mang tin mật (stego-image). Quá trình giấu tin vào ảnh stereo có thể được mô tả
như sơ đồ khối Hình 3.2.

Hình 3.2 Sơ đồ khối quá trình giấu tin vào ảnh stereo

3.1.1. Tìm cặp khối ảnh giống nhau
Ảnh stereo được chia thành các khối 8×8 pixel không trùng lặp, cứ mỗi khối
BL của ảnh bên trái, dựa vào vùng tìm kiếm như mô tả trong Hình 3.3 để xác định

khối tương đồng nhất BR trong ảnh bên phải theo công thức (3.1).
Cặp khối được gọi là tương đồng nhất khi giá trị khác biệt 𝐷𝑖𝑓 (𝐵) trong công
thức (3.1) là nhỏ nhất. Sau đó, các cặp khối tương đồng nhỏ nhất trong ngưỡng T
cho phép được dùng để giấu thông tin mật vào vùng giấu tin của nó.

Hình 3.3 Ba vùng của một khối 8×8 trong miền DCT
(S: Vùng tìm kiếm, E: vùng giấu tin, rỗng: vùng không dùng)


23