Watermarking ảnh số dựa vào sự kết hợp DCT và DWT để nâng cao tính bền vững và tính vô hình

Watermarking ảnh số dựa vào sự kết hợp 
DCT và DWT để nâng cao tính bền vững và tính 
vô hình 
Nguyễn Chí Sỹ, Hà Hoàng Kha 
Bộ môn Viễn thông, Khoa Điện – Điện tử 
Đại học Bách khoa, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam 
Email: ncsy@pyitc.vn, hhkha@hcmut.edu.vn 
Nguyễn Minh Hoàng 
Viện Công nghệ Viễn thông Sài gòn 
Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam 
Email: nmhoang@saigon-ict.edu.vn
Tóm tắt—Bài báo nghiên cứu thuật toán watermarking 
dựa trên sự kết hợp phép biến đổi Discrete Cosine 
Transform (DCT) và Discrete Wavelet Transform (DWT). 
Sử dụng phép biến đổi wavelets lần thứ nhất trên ảnh phủ 
(cover image) thu được các băng con LL, HL, LH và HH 
(L:Low và H: High). Tiếp tục áp dụng phép biến đổi 
wavelets trên băng con LH ta thu được 4 băng con LL2, 
HL2, LH2 và HH2. Hai băng con LH2 và HL2 được chọn 
để nhúng watermark, các băng này chia thành các khối 
8x8 không chồng lấn và áp dụng biến đổi DCT trên các 
khối này, watermark sẽ được nhúng vào tần số giữa trên 
cả hai băng. Kết quả thực hiện giải thuật đề xuất trên ảnh 
xám Lena, kích thước 512x512; watermark là các bit 0 và 
1 ngẫu nhiên kích thước 16x16 cho thấy trong điều kiện 
không có các tấn công, PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) 
của thuật toán đề xuất cao hơn PSNR của một số nghiên 
cứu trước và bền vững trong điều kiện có các tấn công 
thông thường. 
Từ khóa—Watermarking; Discrete Cosine Transform; 
Discrete Wavelet Transform; Tính bền vững; Tính vô hình 
I. GIỚI THIỆU 
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ thông tin và 
Internet, nội dung số dễ dàng bị sao chép và phân phối 
thông qua mạng. Điều đó đặt ra một số vấn đề cấp bách 
cần giải quyết như bảo vệ quyền tác giả, chống giả mạo, 
xác minh tác giả (author authentication). Watermarking 
là một trong những giải pháp giải quyết vấn đề trên. 
Watermarking là việc giấu thông tin sở hữu trong các nội 
dung số như ảnh số, nhạc số, và video số [1][3][9]. Kỹ 
thuật watermarking có thể áp dụng trên nhiều loại nội 
dung số khác nhau. Tuy nhiên, chỉ có ảnh số được 
nghiên cứu trong bài báo này. Ảnh số có thể được biểu 
diễn trong miền không gian (spatial domain) bằng các 
điểm ảnh hoặc biểu diễn trong miền tần số (transform 
domain) bằng các hệ số. Watermarking được thực hiện 
trong miền biến đổi có độ bền vững tốt hơn khi thực hiện 
trong miền không gian [1][10]. Để biến đổi ảnh từ miền 
không gian sang miền tần số, chúng ta có thể sử dụng 
các phép biến đổi như DCT, DWT, hay DFT (Discrete 
Fourier Transform). Mỗi phép biến đổi đều có ưu nhược 
điểm riêng. Để nâng cao tính bền vững và tính vô hình, 
giải pháp dựa trên sự kết hợp giữa các phép biến đổi để 
phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm của mỗi 
phép biến đổi là một trong những cách tiếp cận được 
nhiều người quan tâm. [11] [14] đã chứng minh thuật 
toán watermarking dựa trên sự kết hợp của DWT và 
DCT là tốt hơn thuật toán watermarking chỉ sử dụng một 
trong 2 phép biến đổi. Trong bài báo này thuật toán 
watermarking dựa trên sự kết hợp của hai phép biến đổi 
DCT và DWT sẽ được đề xuất và được thực nghiệm 
bằng chương trình Matlab. Sự hiệu quả của giải pháp 
được so sánh với kết quả trong bài báo [8] về chất lượng 
ảnh được quan sát, tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu 
PSNR, tính bền vững. 
Bài báo bao gồm các nội dung sau: Phần II giới thiệu 
thuật toán watermarking bền vững dựa vào phép biến đổi 
DCT, thuật toán watermarking trong miền wavelet và 
phương pháp đo lường hiệu quả thuật toán watermaking. 
Phần III đề xuất thuật toán nhúng và trích watermarking. 
Phần IV trình bày kết quả thực nghiệm và phần V là kết 
luận. 
II. GIỚI THIỆU CÁC THUẬT TOÁN 
WATERMARKING 
A. Thuật toán wartermarking sử dụng phép biến đổi 
DCT 
Kỹ thuật watermarking dựa vào phép biến đổi DCT 
bền vững hơn so với kỹ thuật watermarking trong miền 
không gian [3]. Các thuật toán này bền vững với các 
phép xử lí số tín hiệu đơn giản như bộ lọc thông thấp, 
điều chỉnh độ tương phản và độ sáng, làm giảm chất 
lượng ảnh (blurring) [1]. Tuy nhiên, việc tính toán phức 
tạp hơn và triển khai cũng khó hơn. Hạn chế của kỹ thuật 
này là kém bền vững với các tấn công biến đổi hình học 
như phép quay, thay đổi tỷ lệ, xén [4]. 
 Watermarking miền DCT có thể chia thành 
watermarking toàn bộ (Global DCT watermarking) và 
watermarking theo khối (Block based DCT 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 374
Các bước thực hiện thuật toán watermarking dựa vào khối DCT 
1) Chia ảnh thành các khối không chồng lấn có kích thước 8x8 
2) Áp dụng phép biến đổi DCT thuận trên mỗi block 
3) Áp dụng một số điều kiện lựa chọn khối (ví dụ HVS) 
4) Áp dụng một số điều kiện lựa chọn hệ số (ví dụ hệ số cao nhất) 
5) Nhúng watermark vào các hệ số đã được lựa chọn 
6) Áp dụng biến đổi DCT ngược cho mỗi block 
watermarking). [2] đã đề xuất thuật toán nhúng 
watermark vào các hệ số DCT lớn nhất (trừ DC). Ưu 
điểm của thuật toán này là hầu hết các giải thuật nén 
thường cắt bỏ những phần ít nhạy với HVS (Human 
Visual System). Trong miền không gian phần này được 
biểu diễn bởi LSB (Least Significant Bit). Trong miền 
tần số nó biểu diễn trong các thành phần tần số cao [3]. 
Các bước chính của thuật toán DCT khối được thể hiện 
trong Hình 1. 
Hình 1: Watermarking dựa vào khối DCT 
B. Thuật toán watermaking trong miền wavelets 
 Wavelets đã được nghiên cứu trong những năm gần 
đây trong lĩnh vực xử lí số tín hiệu nói chung và đặc biệt 
là trong kỹ thuật nén ảnh. Một số ứng dụng, giải pháp 
watermarking (schemes) dựa vào wavelets có kết quả tốt 
hơn cách tiếp cận DCT [3]. 
Đặc điểm của DWT 
 Biến đổi wavelet phân tích ảnh thành 3 hướng 
không gian: là hướng ngang, thẳng đứng và hướng chéo 
(diagonal). Vì thế wavelets phản ánh thuộc tính không 
đẳng hướng của HVS chính xác hơn [6]. 
 Biến đổi wavelets là hiệu quả trong tính toán và 
có thể được thực hiện bằng phép tích chập bộ lọc đơn. 
 Biên độ của các hệ số DWT lớn hơn trong băng 
thấp nhất (LL) tại mỗi mức phân tích và nhỏ hơn đối 
với những băng khác (HH, LH, HL) [7] 
 Biên độ các hệ số càng lớn càng quan trọng. 
 Việc dò watermark ở mức phân giải thấp thì tính 
toán sẽ hiệu quả hơn. 
 Các băng có độ phân giải cao giúp dễ dàng xác 
định các đường nét (edge) và kiểu cấu trúc (texture) của 
ảnh. 
C. Phương pháp đo lường hiệu quả thuật toán 
watermarking 
Hiệu năng của thuật toán watermarking được đo 
lường dựa trên tính vô hình và tính bền vững. Tính vô 
hình được đo bằng tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu 
PSNR, được tính toán giữa ảnh gốc và ảnh đã nhúng 
watermark. Đối với ảnh xám PSNR được tính bởi: 
trong đó MSE là sai số bình phương trung bình (Mean 
Square Error) được tính bởi công thức: 
Trong đó Xij là điểm ảnh của ảnh gốc kích thước 
MxN và Wij là điểm ảnh của ảnh đã nhúng watermark 
kích thước MxN. 
Độ bền vững được đo bằng tương quan chuẩn 
(Normalized Correlation) giữa watermark gốc và 
watermark trích được. Tương quan chuẩn được tính bởi 
công thức: 
trong đó Woij là điểm ảnh của watermark kích thước 
MxN và Wrij là điểm ảnh của watermark trích được kích 
thước MxN. NC có giá trị từ 0 đến 1, nếu NC càng lớn 
thì mức độ tương quan càng nhiều, tốt nhất là bằng 1. 
NC còn phản ánh khả năng bền vững trước các tấn công 
từ bên ngoài vào ảnh được watermarking. 
III. THUẬT TOÁN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT 
 Đã có nhiều thuật toán watermarking được đề xuất 
dựa trên sự kết hợp của phép biến đổi DCT và DWT. 
Các nghiên cứu này cũng khá đa dạng dựa vào điều kiện 
lựa chọn các khối DCT, điều kiện lựa chọn các hệ số 
DCT để nhúng watermark; mức phân tích DWT, các 
băng con được chọn [8..14]. Bài báo này sẽ khảo sát và 
đánh giá hiệu quả sự kết hợp giữa DCT và DWT cho 
giải thuật wartermark, và từ đó đề xuất một phương pháp 
hiệu quả. Cụ thể, thuật toán watermarking được đề xuất 
dựa vào sự kết hợp phép biến đổi DCT và DWT kết hợp 
các điểm mạnh và khắc phục điểm yếu của hai phép biến 
đổi này. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả 
thực nghiệm của bài báo tham khảo số [8]. [8] dùng 
DWT phân tích ảnh phủ thành bốn băng con, dùng DWT 
phân tích băng con HL thành bốn băng con LL2, HL2, 
LH2 và HH2. Hai băng HL2 và LH2 được chia thành 
các khối 8x8 không chồng lấn, và áp dụng DCT trên các 
khối này. Watermark được nhúng vào hai băng HL2, 
LH2 và 4 băng LL2, HL2, LH2, HH2 để so sánh. Việc 
nhúng và trích watermark có sử dụng khoá để phát sinh 
PNS (pseudorandom noise sequences). Kết quả 
watermark nhúng vào 4 băng hiệu quả tốt hơn. 
Thuật toán watermarking được đề xuất dựa vào sự 
kết hợp phép biến đổi DCT và DWT. Chọn hai băng 
LH2 và HL2 để nhúng watermark do băng LL2 chứa 
thông tin chi tiết hình ảnh (tần số thấp), nếu chúng ta 
nhúng thông tin vào miền này thì chất lượng hình ảnh sẽ 
giảm, làm hỏng các chi tiết của hình ảnh. Như thế sẽ làm 
hệ số PSNR giảm. Băng HH2 là miền tần số cao, miền 
này thường được áp dụng các thuật toán nén, do đó để 
đảm bảo tính bền vững băng con HH2 không được sử 
dụng để nhúng thông tin. Điểm khác nhau giữa thuật 
(1) 
(2) 
(3) 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 375
 Ảnh gốc 
DWT 2 mức 
DCT 8x8 
Thuật toán 
nhúng 
IDCT 
2 mức IDWT 
Ảnh đã 
watermark 
chuỗi PN Khóa
Véc tơ 
watermark 
watermark
k 
chuỗi PN 
Thuật 
toán 
trích 
DCT 8x8 
2 mức DWT 
Véc tơ 
watermark 
Watermark 
trích được 
toán đề nghị và [8] là: 2 băng HL2 và LH2 được chọn để 
nhúng watermark; chỉ nhúng bit 0 để tăng hệ số PSNR 
(với giả sử rằng ứng dụng cần chất lượng hình ảnh sau 
khi nhúng watermark); và một điểm khác biệt nữa là bit 
watermark được nhúng vào cả hai băng, khi trích lấy 
trung bình cộng tương quan của chuỗi trích trên HL2 với 
PSN và tương quan của chuỗi trích trên LH2 với PSN để 
tăng độ bền vững của watermark. Trong thuật toán này, 
kỹ thuật DWT được đưa vào xem xét trong việc chọn lựa 
băng con thích hợp nhất cho việc nhúng watermark để 
đáp ứng hai tính chất là tính bền vững (robustness) và 
tính vô hình (imperceptibility), do đó băng con LH được 
chọn sau khi thực hiện DWT trên ảnh phủ lần thứ nhất. 
Khoá bí mật được sử dụng trong quá trình nhúng và trích 
watermark để đảm bảo tính bảo mật cho thuật toán 
watermarking và watermark được nhúng vào hai băng 
con nhỏ hơn trong băng LH. Kỹ thuật DCT được áp 
dụng trên hai băng con LH2 và HL2, watermark được 
nhúng vào 22 hệ số DCT (6 - 27) miền tần số giữa để 
tăng tính bền vững. Hình 2 mô tả quá trình nhúng và 
trích watermark. 
A. Thuật toán nhúng 
Bước 1: mức đầu tiên, DWT được thực hiện trên ảnh 
phủ để phân tích thành bốn băng con LL, LH, LH và 
HH. 
Bước 2: mức thứ hai, DWT được thực hiện trên băng 
con LH để được bốn băng con nhỏ hơn LL2, LH2, HL2, 
và HH2. 
Bước 3: các băng con LH2 và HL2 được phân tích 
thành những khối 8x8 không chồng lấn nhau và thực 
hiện biến đổi DCT trên các khối này. 
Bước 4: watermark được nhúng vào 22 hệ số DCT 
miền tần số giữa. Quét theo đường zig-zag trên những 
khối 8x8 DCT và 22 hệ số miền tần số giữa từ 7 đến 28 
được chọn. 
Bước 5: watermark được chuyển đổi thành một véc 
tơ nhị phân (message vector - MV). 
Bước 6: chuỗi PSN là một vector có số chiều bằng 
22 (bằng với số hệ số miền tần số giữa nhúng 
watermark) được phát sinh ngẫu nhiên tương ứng mới 
một khoá bí mật. 
Bước 7: Nếu phần tử thứ i của MV MV(i) = 0 ta tiến 
hành nhúng PSN vào 22 hệ số của khối DCT tương ứng. 
 C(i) = C(i)+k*PSN(i); (4) 
Trong đó k là hệ số nhúng, C(i): là hệ số thứ i (miền 
tần số giữa) được chọn để nhúng watermark của khối 
DCT 8x8 tương ứng. PSN(i): là giá trị bit thứ i của chuỗi 
ngẫu nhiên PSN. 
Bước 8: biến đổi IDWT từ các băng con LL2, HL2, 
LH2, HH2 thu được băng con LH; biến đổi IDWT từ các 
băng LL, HL, LH, HH ta thu được ảnh watermark. 
B. Thuật toán trích 
Bước 1: mức đầu tiên, DWT được thực hiện trên ảnh 
nhúng watermark để phân tích thành bốn băng con LL, 
LH, HL, HH. 
Bước 2: mức thứ hai, DWT được thực hiện trên băng 
con LH để thu được bốn băng con nhỏ hơn LL2, LH2, 
HL2 và HH2. 
Bước 3: băng con LH2 và HL2 được chia thành các 
khối 8x8 không chồng lấn và DCT được thực hiện trên 
các khối này. 
Bước 4: 22 hệ số DCT từ mỗi khối được chọn tương 
ứng giữa hai băng (để tính tương quan và lấy giá trị 
trung bình). 
Bước 5: tạo chuỗi PSN là r_pn_zero tương ứng với 
key đã được sử dụng trong quá trình nhúng. 
Bước 6: tính toán hệ số tương quan giữa chuỗi trích 
từ Bước 2 với chuỗi r_pn_zero. Hệ số tương quan của bit 
thứ k (tạo thành véc tơ tương quan, k=1..22) của 
watermark được tính bằng trung bình cộng hai hệ số 
tương quan tìm được trên hai băng LH2 và HL2 tương 
ứng. Nếu hệ số này lớn hơn trung bình cộng của véc tơ 
tương quan thì bit thứ k của watermak là bit 0, ngược lại 
là bit 1. 
Bước 7: nắn (reshape) véc tơ thu được thành dạng 
ảnh để khôi phục watermark. 
Hình 2: mô tả quá trình nhúng và trích watermark. 
IV. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 
Ảnh xám “Lena” (Hình 3) kích thước 512x512 được 
sử dụng để thực nghiệm. Ảnh watermark là các bit 0 và 
1 ngẫu nhiên kích thước 16x16 và khoá bí mật là một 
ảnh “key.pnp” có kích thước 72x72x3. 
Qua phương pháp thực hiện watermark trên ta thu 
được một ảnh mới (Hình 4 ) có chất lượng hầu như 
không thay đổi so với ảnh gốc (Hình 3). 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 376
 Hình 3. Ảnh gốc Hình 4. Ảnh watermarked 
Các hình thức tấn công để thử nghiệm tính bền và 
tính vô hình: nhiễu Gauss, muối tiêu, Speckle. Sau đó là 
thử nghiệm với các phép nén JPEG theo từng mức khác 
nhau, thử nghiệm tăng giảm độ sáng, scaling, cropping. 
Kết quả được thể hiện trong Bảng 1. Qua bảng so sánh, 
ta thấy PSNR của thuật toán đề xuất (PSNRp = 45.2036) 
lớn hơn PSNR[8] = 43.04. Các tấn công xén (5%), tăng 
giảm độ sáng có NC bằng nhau giữa thuật toán đề xuất 
và [8] nhưng hệ số PSNRp cao hơn. 
Hầu hết thuật toán watermark này bền vững trước 
các tấn công (có NC > 0.75). Nhưng tiêu chí bền vững 
vẫn chưa đạt được bằng bài báo [8] khi thể hiện ở hệ số 
NC thấp hơn. Do ảnh watermark trong thực nghiệm này 
có kích thước 16x16 lớn hơn so với ảnh watermark của 
bài báo [8] có kích thước 16x9 nên NC của phương pháp 
đề xuất có thể cải thiện hơn nếu dùng cùng 1 tập dữ liệu. 
Một nguyên nhân khiến NC của thuật toán đề xuất thấp 
là do hệ số k=15 thấp hơn so với bài báo [8] có k=32. Hệ 
số k thấp thì điều kiện cảm nhận chất lượng ảnh càng tốt 
nhưng khả năng bền vững giảm. Vì vậy, tùy vào yêu cầu 
mà chọn k phù hợp. 
V. KẾT LUẬN 
Bài báo đã giới thiệu phương pháp watermarking cho 
ảnh số bằng cách sử dụng kết hợp biến đổi DCT và 
wavelets. Chúng tôi đã chỉ ra rằng bằng cách chọn băng 
tần nhúng thông tin phù hợp, cụ thể 2 băng HL2 và LH2 
và chỉ nhúng bit 0 có thể cải thiện được PSNR, cũng như 
tính bền vững so với các phương pháp khác thực hiện ở 
băng con khác. 
BẢNG 1. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 377
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] V.M. Potdar, S. Han and E. Chang, A survey of digital image 
watermarking techniques, in Proceedings of the IEEE 3rd 
International Conference on Industrial Informatics (INDIN), 
Perth, Australia, 10-12, pp. 709-716, August 2005. 
[2] I.J Cox, J. Kilian, F.T. Leighton, and T. Shamoon, “Secure 
spread spectrum watermarking for multimedia” in IEEE 
Transactions on Image Processing, Volume 6, no. 12, pp:1673 -
1687, Dec.1997. 
[3] Baisa L. Gunjal and R.R. Manthalkar, “An Overview of 
Transform Domain Robust Digital Image Watermarking 
Algorithms”, Journal of Emerging Trends in Computing and 
Information Sciences , Volume 2 No. 1 2010-2011, pp 37-42. 
[4] Mr.Navnath S. Narawade and Dr.Rajendra D.Kanphade, "DCT 
Based Robust Reversible Watermarking For Geometric Attack," 
International Journal of Emerging Trends & Technology in 
Computer Science, Volume 1, no. 2, pp. 27 -32, August 2012. 
[5] Fabien A.P. Petitcolas, Ross J. Anderson, Markus G. Kuhn, 
Information Hiding—A Survey, Proceedings of the IEEE, 
Volume 87, No. 7, July 1999, pp. 1062-1078, ISSN 0018-9219. 
[6] Voloshynovskiy, S, Deguillaume, F & Pun, T 2000, “Content 
Adaptive Watermarking based on a Stochastic Multiresolution 
Image” , in Tenth European Signal Processing Conference 
(EUSIPCO' 2000), Tampere, Finland, September 5-8 2000. 
[7] P.Tao, A.M.Eskicioglu, “A Robust Multiple Watermarking 
Scheme in the Discrete Wavelet Transform Domain”, in 
Symposium on Internet Multimedia Management Systems, 
Philadelphia, PA. October 25-28, 2004. 
[8] Angshumi Sarma, “Image Watermarking in DCT-DWT 
Domain”, IRNet Transactions on Electrical and Electronics 
Engineering (ITEEE) ISSN 2319 – 2577, Volume -1, iss-2, 
2012. 
[9] Mei Jiansheng, Li Sukang, Tan Xiaomei, "A digital 
watermarking algorithm based on DCT and DWT", Proceedings 
of the 2009 International Symposium on Web Information 
Systems and Applications (WISA’09). Volume 8. 2009. 
[10] Kunal D Megha, Nimesh P Vaidya, Ketan Patel, “Digital 
Watermarking: Data Hiding Techniques using DCT-DWT 
Algorithm”. International Journal of Advanced Research in 
Computer and Communication Engineering Volume 2, Issue 6, 
June 2013. 
[11] Feng, Liu Ping, Liang Bin Zheng, and Peng Cao, "A DWT-DCT 
based blind watermarking algorithm for copyright protection." 
Computer Science and Information Technology (ICCSIT), 2010 
3rd IEEE International Conference on. Volume 7. IEEE, 2010. 
[12] Mahasweta J. Joshi, Zankhana H. Shah, and Keyur N. 
Brahmbhatt, "Watermarking in DCT-DWT Domain." 
International Journal of Computer Science and Information 
Technologies, Volume 2 (2), 2011. 
[13] Surya Pratap Singh, Paresh Rawat, Sudhir Agrawal, “A Robust 
Watermarking Approach using DCT-DWT”. International 
Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 
Volume 2, Issue 8, August 2012. 
[14] Ali. Al-Haj, "Combined DWT-DCT Digital Image 
Watermarking." Journal of computer science 3.9, 2007. 
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 378