Một nghiên cứu về đánh giá và so sánh các kỹ thuật nhúng ảnh trong mạng cảm biến hình ảnh không dây

Bài viết trình bày một số đánh giá so sánh về hiệu năng lỗi khi sử dụng các kỹ thuật xử lý ảnh theo chuẩn JPEG/JPEG2000 và phiên bản nhúng watermark của chúng trong môi trường mạng cảm biến ảnh không dây.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một nghiên cứu về đánh giá và so sánh các kỹ thuật nhúng ảnh trong mạng cảm biến hình ảnh không dây Kỹ thuật điều khiển & Điện tử MỘT NGHIÊN CỨU VỀ ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT NHÚNG ẢNH TRONG MẠNG CẢM BIẾN HÌNH ẢNH KHÔNG DÂY Lê Hải Triều1, Hoàng Trọng Minh2* Tóm tắt: Các mạng cảm biến không dây (WSNs) đóng vai trò then chốt trong quá trình phát triển của Internet vạn vật (IoT). Trong đó, các mạng cảm biến ảnh không dây (Wireless Image Sensor Networks: WISN) có hàng loạt ứng dụng trong cả khoa học và dân sự đã và đang thu hút rất nhiều hướng nghiên cứu gần đây. Tương tự như các hạ tầng truyền thông, vấn đề an ninh mạng luôn được đề cao trong các mạng cảm biến WSNs. Cụ thể, một số kỹ thuật nhận thực đã được đề xuất và kỹ thuật watermarking được coi là cách tiếp cận đầy hứa hẹn cho các loại mạng này do tính phổ biến và đơn giản khi sử dụng. Để phát triển giải pháp bảo mật dựa trên tiếp cận này, kỹ thuật nhúng watermark trên ảnh số cần phải được xem xét dưới các khía cạnh hiệu năng khác nhau. Bài viết trình bày một số đánh giá so sánh về hiệu năng lỗi khi sử dụng các kỹ thuật xử lý ảnh theo chuẩn JPEG/JPEG2000 và phiên bản nhúng watermark của chúng trong môi trường mạng cảm biến ảnh không dây. Hơn nữa, xác suất phát hiện watermark ở phía nhận với các phương pháp biến đổi đa dạng được đưa ra như một cơ chế để nhận ra khả năng bị tấn công. Kết quả số được đưa ra nhằm kiểm chứng và đề xuất phương thức lựa chọn kỹ thuật nhúng watermark tốt nhất cho mạng cảm biến ảnh không dây WISN. Từ khóa: Mạng cảm biến không dây, Bảo mật, JPEG/JPEG2000, Kỹ thuật nhận thực, Kỹ thuật watermarking. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Những năm gần đây, các mạng cảm biến không dây được xem như phần quan trọng trong thời đại của kết nối vận vật qua Internet. Chúng có ý nghĩa lớn trong việc truyền thông tin đa dịch vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau. Trong đó, mạng cảm biến ảnh không dây WISN, nơi các nút được trang bị các camera thu nhỏ để cung cấp các thông tin dưới dạng hình ảnh là một công nghệ đầy hứa hẹn cho dự báo, theo dõi, giám sát hoặc các ứng dụng yêu cầu an toàn. Bên cạnh những lợi ích hiện hữu, WISN phải đối mặt với nhiều thách thức như thời gian hoạt động, hiệu năng mạng do hạn chế về băng thông, năng lượng hay bảo mật [1]. Trong nhiều ứng dụng dựa trên nén và truyền ảnh, kỹ thuật nén là giải pháp nhằm tối ưu quá trình xử lý ảnh độc lập. Theo đó, tiêu chuẩn nén JPEG hoặc JPEG2000 là một trong những kỹ thuật phổ biến được sử dụng trong WISNs do tính tiện lợi và hiệu quả [2][3]. Kể từ đó, liên tiếp những nghiên cứu tập trung vào khảo sát độ phức tạp các thuật toán biến đổi, đảm bảo năng lượng hoặc hiệu năng mạng cho các môi trường ứng dụng cụ thể. Từ khía cạnh an ninh, tài nguyên hạn chế để xử lý bảo mật trong WISNs là một thách thức cố hữu. Do đó, watermarking được xem là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn cho việc đảm bảo nhận thực, bảo mật và bảo vệ bản quyền kỹ thuật số nhờ việc xử lý đơn giản so hơn với những tiếp cận thông thường [4][5]. Cách tiếp cận này là cần thiết để xem xét kỹ lưỡng các khía cạnh khác nhau để đưa đến một giải pháp thiết thực. Qua những hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, chưa có một nghiên cứu đầy đủ nào trước đây nhằm so sánh hiệu năng lỗi khi dùng các thuật toán biến 30 L. H. Triều, H. T. Minh, “Một nghiên cứu về… mạng cảm biến hình ảnh không dây.” Nghiên cứu khoa học công nghệ đổi khác nhau, và việc đánh giá xác suất phát hiện watermark là vấn đề quan trọng đối với an ninh trong WISN thực tế. Sự đóng góp của bài báo gồm hai phần chính. Đầu tiên, chúng tôi xem xét và so sánh hiệu suất lỗi trên JPEG/JPEG2000 và kỹ thuật watermarking dựa trên biến đổi trong miền tần số là biến đổi Cosin rời rạc (DCT) và biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) cho mạng cảm biến ảnh không dây điển hình. Thứ hai, xác suất phát hiện watermark tại nút đích được tính toán trong hai phương thức nêu trên. Kết quả được đưa ra bằng mô phỏng số. Cấu trúc của bài báo được tổ chức như sau. Phần 2 tóm tắt một số nghiên cứu liên quan. Trong phần 3, chúng tôi giới thiệu các giả thiết và các phương trình ngắn gọn cho các kỹ thuật xử lý ảnh khác nhau. Kết quả số và thảo luận được chi tiết hóa ở phần 4. Cuối cùng, phần 5 đưa ra kết luận và hướng phát triển sau này. 2. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Kỹ thuật watermark là phương pháp thuận lợi để cung cấp một số mức bảo mật như phát hiện làm giả, xác thực dữ liệu sở hữu và đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng an ninh. Với việc nhúng watermark vào một đối tượng ảnh, nó có thể phát hiện hoặc trích ra như một sự chắc chắn về đối tượng. Theo cách tiếp cận này, nhiều công trình phát triển theo kịch bản này được sử dụng trong thời gian gần đây. Một số mạng WISNs sử dụng hình ảnh như là dữ liệu cảm nhận được để truyền trực tiếp thông qua mạng cảm biến hình ảnh không dây tới nút đích [6][7][8]. Ngoài ra, một số loại watermark (ảnh logo, binary hoặc text [9]) được chèn vào hình ảnh ban đầu để việc truyền tải an toàn. Kỹ thuật watermark không chỉ ý nghĩa đối với mục đích nhận thực mà còn đảm bảo dữ liệu truyền dẫn [1][10]. Để nhúng tín hiệu watermark vào một ảnh, một số đề xuất dựa trên kỹ thuật biến đổi truyền thống trong miền tần số. Các tác giả trong [11] sử dụng biến đổi DCT để nhúng watermark đối với dữ liệu ảnh cảm nhận được. Nghiên cứu trong [12] đã đề cập tới hiệu năng lỗi của JPEG và kỹ thuật nhận thực trong mạng cảm biến không dây dựa trên biến đổi DCT nhưng không xét tới khía cạnh an ninh. Các tác giả trong [13] đã đề xuất cơ chế mới nhằm tính toán xác suất tìm thấy watermark tại nút đích nhưng chỉ tập trung vào biến đổi DCT. Qua khảo sát kỹ lưỡng các nghiên cứu liên quan gần đây, hiệu năng lỗi và xác suất phát hiện watermark của cả hai phương thức biến đổi DCT và DWT chưa được đề cập và xem xét. Do đó, bài báo này tập trung vào so sánh các thôn ...