Tìm hiểu về kỹ thuật Watermarking trong truyền thông đa phương tiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
  
BÁO CÁO ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN
Đề tài:
“Tìm hiểu về kỹ thuật Watermarking trong truyền thông đa phương tiện”
Giảng viên: TS. Đỗ Văn Tuấn
Nhóm sinh viên: Nguyễn Tuấn Bảo
Nguyễn Xuân Đoàn
Nguyễn Mạnh Hiếu
Nguyễn Thị Lộc
Nguyễn Tiến Trung
Nguyễn Quang Huy
Bùi Đình Thắng
Lớp: Đ6-ĐTVT2
Ngành: Điện Tử - Viễn Thông
Hà Nội, 05/2012
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, bên cạnh những ích lợi to lớn,
thiết thực mà mạng máy tính đem lại,
chúng ta cũng đang đối đầu với những thử thách liên quan đến các vấn đề truyền thông
bảo mật và đặc biệt là vấn đề phân phối các tài liệu đa phương tiện sao cho bảo đảm quyền
sở hữu trí tuệ. Tình trạng sao chép bất hợp pháp, giả mạo các tác phẩm số hóa gây búc xúc
không chỉ riêng các tác giả mà còn cho cả những người làm pháp luật.
Những hành vi xâm
phạm bản quyền
như
giả mạo, ăn cắp tác phẩm, sử dụng các tác
phẩm
không có bản

quyền,… đang trở nên phổ biến và
ngày
càng tinh vi.
Tuy nhiên với các phương pháp bảo vệ dữ
liệu
truyền thống như mã hoá, sử
dụng khóa đều
không
đem lại hiệu quả cao trong tình hình hiện nay. Các loại truyền
t hông đa phương tiện như âm t h a n h số , ả n h s ố , v i d e o là nh ữn g dạng dữ liệu
rất khó bảo vệ. Trong bối cảnh đó, kỹ
thuật
Watermarking ra đời như một cứu
cánh.
Watermarking là một kỹ thuật mới cho phép nhúng thông tin tác giả, gọi là một
Watermark, vào các tài liệu số hóa sao cho chất lượng trực quan của tài liệu không bị ảnh
hưởng và khi cần có thể dò lại được Watermark đã nhúng nhằm xác nhận bản quyền.
Bài tiểu luận tiến hành nghiên cứu một số vấn đề lý thuyết tổng quan về
Watermarking và các ứng dụng của nó trong công nghệ truyền thông đa phương tiện, đồng
thời tìm hiểu và phân tích sơ bộ về một số kỹ thuật Watermarking trong môi trường ảnh
màu kỹ thuật số.
Bài tiểu luận được trình bày thành 3 phần:
Phần 1: Tổng quan về Watermarking.
Phần 2: Các mô hình Watermarking, các thuật toán và phân loại.
Phần 3: Độ an toàn Watermarking và tấn công Watermark.
Phần 4: Tổng kết và hướng phát triển đề tài.
Do thời gian thực hiện và kiến thức tìm hiểu còn nhều hạn chế nên chắc chắn
không tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến, bổ
sung, sửa đổi của quý thầy cô giáo, các bạn, đồng môn để bài tiểu luận hoàn chỉnh hơn,
thiết thực hơn.

Xin chân thành cảm ơn.
Nhóm sinh viên thực hiện
2
MỤC LỤC
3
CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1 Sơ đồ chung của hệ thống nhúng Watermark…………………………………… 6
Hình 2: Bộ dò không cần ảnh gốc……………………………………………………… 20
Hình 3: Bộ dò cần ảnh gốc……………………………………………………………… 20
Hình 4: Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông với thông
tin phụ ở bộ trung chuyển……………… ……………………………………………….21
Hình 5: Bộ dò trong mô hình Watermarking theo quan niệm hình học
trên không gian nhúng…………………………………………………………………….22
Hình 6: Bộ nhúng trong mô hình Watermarking theo quan niệm hình học trên không gian
nhúng………………………………………………………………………………… …23
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING
Watermarking là một trong những kỹ thuật giấu dữ liệu hiện đại. Nó được định
nghĩa như là quá trình chèn thông tin vào dữ liệu đa phương tiện nhưng bảo đảm không cảm
thụ được, nghĩa là chỉ làm thay đổi nhỏ dữ liệu gốc. Thông thường người ta chỉ đề cập đến
Watermarking số. Đó là một tập các dữ liệu số thứ cấp - gọi là Watermark (mã đánh dấu
bản quyền) - được nhúng vào dữ liệu số sơ cấp - gọi là dữ liệu bao phủ (ví dụ như văn bản,
hình ảnh, video và audio số, ). Dữ liệu sau quá trình nhúng được gọi là dữ liệu nhúng.
Tanaka (1990), Caronni và Tirkel (1993) lần lượt đưa ra những ấn bản đầu tiên về
Watermarking nhưng chưa nhận được sự quan tâm đúng mức. Mãi đến năm 1995, chủ đề
này mới bắt đầu được quan tâm và kể từ đó, Watermarking số đã phát triển rất nhanh với
nhiều hướng nghiên cứu và phương pháp thực hiện khác nhau.
Watermarking được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bảo vệ quyền sở hữu, điều
khiển việc sao chép, xác nhận giấy tờ, hay truyền đạt thông tin khác, … trong đó ứng dụng
phổ biến của nó là cung cấp bằng chứng về bản quyền tác giả của các dữ liệu số bằng cách

nhúng các thông tin bản quyền. Rõ ràng trong ứng dụng này, thông tin nhúng cần phải
bền vững trước các thao tác nhằm loại bỏ chúng.
a) Sơ đồ nhúng Watermark b) Sơ đồ khôi phục Watermark
Hình 1 Sơ đồ chung của hệ thống nhúng Watermark.
Tất cả các phương pháp Watermarking đều có chung các khối sau: một hệ thống
nhúng Watermark và một hệ thống khôi phục Watermark. Ngõ vào là Watermark, dữ liệu
cần nhúng và mã cá nhân hay công cộng. Watermark có thể ở bất kì dạng nào như chữ số, văn
bản hay hình ảnh. Khoá có thể được dùng để tang cường tính bảo mật, nghĩa là ngăn chặn
những kẻ không có bản quyền khôi phục hay phá hủy Watermark. Các hệ thống
thực tế dùng ít nhất là một khoá, thậm chí kết hợp nhiều khoá. Ngõ ra là dữ liệu đã được
Watermark. Quá trình khôi phục Watermark tổng quát. Các ngõ vào là dữ liệu đã Watermark,
khoá và dữ liệu gốc (có thể có hoặc không tuỳ thuộc vào phương pháp). Ngõ ra hoặc là
Watermark khôi phục được hoặc đại lượng nào đó chỉ ra mối tương quan giữa nó và
Watermark cho trước ở ngõ vào.
1.1 Lịch sử Watermarking
5
Nghệ thuật làm giấy đã được phát minh ở Trung Quốc cách đây trên một ngàn năm
nhưng mãi đến khoảng năm 1282, các công nghệ Watermark trên giấy mới xuất hiện đầu tiên
dưới hình thức một số vị trí khuôn giấy là các mẫu dây mỏng hơn, khi đó giấy sẽ mỏng và
trong suốt hơn ở những vị trí dây mỏng. Các Watermark giấy nguyên thủy giúp xác nhận
xưởng sản xuất hay đơn giản chỉ là để trang trí. Vào thế kỉ thứ 18, ở châu Âu và Mỹ,
Watermark trên giấy đã đem lại những lợi ích thiết thực trong việc xác định nhãn hiệu thương
mại, ghi nhận ngày sản xuất, chống làm tiền giả. Thuật ngữ Watermark bắt nguồn từ một loại
mực vô hình được viết lên giấy và chỉ hiển thị khi nhúng giấy đó vào nước. Thuật ngữ digital
Watermarking được cộng đồng thế giới chấp nhận rộng rãi vào đầu thập niên 1990. Khoảng
năm 1995, sự quan tâm đến Watermarking bắt đầu phát triển nhanh. Năm 1996, hội thảo về
che dấu thông lần đầu tiên đưa Watermarking vào phần trình nội dung chính. Đến năm 1999,
SPIE đã tổ chức hội nghị đặc biệt về Bảo mật và Watermarking trên các nội dung đa phương
tiện.
Cũng trong khoảng thời gian này, một số tổ chức đã quan tâm đến kỹ thuật

Watermarking với những mức độ khác nhau. Chẳng hạn CPTWG thử nghiệm hệ thống
Watermarking bảo vệ phim trên DVD. SDMI sử dụng Watermarking trong việc bảo vệ các
đoạn nhạc. Hai dự án khác được liên minh châu Âu ủng hộ, VIVA và Talisman đã thử nghiệm
sử dụng Watermarking để theo dõi phát sóng. Vào cuối thập niên 1990, một số công ty đưa
Watermarking vào thương trường, chẳng hạn các nhà phân phối nhạc trên internet sử dụng
Liqid Audio áp dụng công nghệ của Verance Corporation. Trong lĩnh vực Watermarking
ảnh, Photoshop đã tích hợp một bộ nhúng và bộ dò Watermark tên là Digimarc.
Ngày nay, các công ty chuyên kinh doanh các hệ thống Watermarking đã tăng đáng
kể, dưới đây là một số ví dụ về các công ty và sản phẩm trong lĩnh vực Watermarking:
Các hệ thống Watermarking trên ảnh
Signum
Technologies
Một công ty Anh phát triển hệ
th
ống Watermarking
'SureSign' dùng cho bảo vệ bản quyền và hệ thống 'VeriData'
dùng để xác thự tính toàn vẹn của các ảnh số.
Digimarc
Các công nghệ có bằng sáng chế của
Digimarc
cho phép dữ
liệu kĩ thuật số được nhúng trong
các
tài liệu có giá trị
như giấy tờ tài chính, thị thực, g
i
úp ngăn chặn giả mạo,
trộm và sử dụng không đượ
c
phép

khác.
Bảng - 1: Các công ty và sản phẩm trong lĩnh vực Watermarking trên ảnh
1.2 Các tiêu chí cần có của một thuật toán Watermarking mạnh mẽ
Tùy thuộc vào từng ứng dụng, kỹ thuật Watermarking có những đòi hỏi khác nhau.
Tuy nhiên có một số yêu cầu chung mà mà hầu hết các ứng dụng thực tế phải đạt được.
1.2.1 Tính bảo mật
6
Giống như trong lĩnh vực mã hóa, tính hiệu quả của một thuật toán không thể dựa vào
giả định là các kẻ tấn công không biết cách mà Watermark được nhúng vào tài liệu đa phương
tiện. Tuy nhiên, giả định đó lại được dùng để đánh giá độ an toàn của các sản phẩm thương
mại sử dụng Watermarking có giá trị trên thị trường. Vì vậy với một ứng dụng Watermarking,
một khi biết được cách làm việc của bộ nhúng và bộ dò, việc làm cho Watermark không đọc
được thường rất dễ dàng. Hơn nữa một số kỹ thuật sử dụng dữ liệu gốc trong quy trình dò và
thường thì các giải pháp loại này không khả thi trong thực tế.
1.2.2 Tính vô hình
Những nhà nghiên cứu gần đây đã cố nhúng những Watermark bằng cách sao cho nó
không thể được nhận ra. Tuy nhiên yêu cầu này mâu thuẫn với các yêu cầu khác chẳng hạn
sức chịu đựng và độ an toàn chống sự bền vững chống được giả mạo đặc biệt là các thuật toán
nén có mất thông tin. Vì mục đích này chúng ta phải khảo sát các tính chất của HVS và
HAS trong quy trình dò Watermark. Các thuật toán nén được dùng hiện nay cho phép đạt
được mục tiêu đó, tuy nhiên điều này sẽ không khả thi trong tương lai là do thế hệ của thuật
toán nén tiếp theo có thể thay đổi, cần phải cho các người quan sát đã qua huấn luyện (người
được yêu cầu so sánh phiên bản của tài liệu gốc và tài liệu được ấn dấu) thấy được
Watermark. Dĩ nhiên đây không phải là khó khăn trong thực tế vì người dùng thông thường
không có khả năng so sánh đó.
1.2.3 Tính vô hình đối với thống kê
Watermark không thể dò được bằng phương pháp thống kê bởi một ngưởi không
được phép. Ví dụ nhiều tác phẩm kỹ thuật số đã được nhúng cùng một Watermark sao cho khi
thực hiện tấn công dựa trên thống kê thì không tài nào trích được Watermark. Một giải pháp
khả thi là sử dụng Watermark phụ thuộc nội dung.

1.2.4 Tỉ lệ bit
Tùy thuộc vào ứng dụng, thuật toán Watermark có thể cho phép một số lượng bit cần
ẩn được định nghĩa trước. Không tồn tại các quy tắc chung, tuy nhiên đối với ảnh thì tối thiểu
300 - 400 bit. Trong bất kỳ trường hợp nào thì nhà thiết kế hệ thống phải nhớ rằng tốt nhất là
không nên giới hạn số lượng bit được nhúng vào dữ liệu.
1.2.5 Quá trình dò đáng tin cậy
Thậm chí khi không có các tấn công cũng như các biến dạng tín hiệu, khả năng không
dò được Watermark đã nhúng hoặc dò sai Watermark phải rất nhỏ. Thông thường các thuật
toán dựa trên thống kê dễ dàng thỏa được các yêu này. Tuy nhiên một khả năng như vậy phải
được đưa lên hàng đầu nếu ứng dụng Watermarking liên quan đến luật pháp vì có như vây
mới tạo sự tin cậy chắc chắn trong các phán quyết cuối cùng.
1.2.6 Tính bền vững
Việc sử dụng các tín hiệu âm nhạc, hình ảnh và phim dưới dạng kỹ thuật số thông
thường có liên quan tới nhiều kiểu biến dạng, chẳng hạn như nén có mất thông tin, hay trong
trường hợp ảnh là các phép lọc, định lại kích thước, cải tiến độ tương phản, phép quay, v.v.
7
Để Watermarking hữu ích, Watermark phải dò được ngay khi cả các biến dạng xảy ra. Quan
điểm chung để đạt được tính mạnh mẽ chống được các biến dạng tính hiệu là đặt Watermark
vào các phần quan trọng của tín hiệu. Điều này phụ thuộc vào cách xử lý của các thuật toán
nén có mất thông tin (bỏ qua các phần dữ liệu không quan trọng mà không làm ảnh hưởng
đến chất lượng của dữ liệu được nén. Điều này dẫn đến một Watermark được ẩn trong các dữ
liệu không quan trọng khó tồn tại khi bị nén. Trong trường hợp Watermarking trên ảnh, sức
chịu đựng với các xử lý hình học (dịch chuyển, định lại kích thước, quay, xén ) thì vẫn là một
vấn đề mở, những thao tác như vậy rất thông thường và một giải pháp đề ra cần giải quyết
được trước khi áp dụng Watermark cho bảo vệ tác quyền ảnh.
1.2.7 Nhúng nhiều Watermark
Cần phải cho phép nhúng một tập hợp các Watermark khác nhau trong cùng ảnh bằng
cách sao cho mỗi Watermark có thể dò được bởi người dùng được cấp quyền. Đặc trưng này
thì hữu dụng trong các ứng dụng dấu vân tay, trong đó thuộc tính tác quyền được truyền từ
người sở hữu tác phẩm đến các tác phẩm khác. Hơn nữa chúng ta có thể ngăn người khác thực

hiện Watermarking cho một tác phẩm đã được đóng dấu. Trong một số trường hợp việc sửa
một Watermark sau khi nhúng là cần thiết chẳng hạn trong trường hợp của các đĩa DVD, một
con dấu có thể được dùng để chỉ số lượng các bản sao chép được phép. Mỗi lần một bản sao
chép được thực hiện con dấu sẽ được sửa đổi để giảm số. Sự chỉnh sửa có thể thực hiện được
bằng cách xoá bỏ dấu cũ và nhúng dấu mới hoặc là nhúng một dấu mới chồng lên dấu cũ. Khả
năng thứ hai được chọn lựa nhiều hơn bởi vì một Watermark mà có thể xoá được thì yếu và
không chịu đựng được các tấn công giả mạo.
1.2.8 Blind/non-blind, public/private Watermarking
Mối quan tâm đặc biệt là cơ chế sử dụng để khôi phục vết ấn từ ảnh. Trong một số
trường hợp để phát triển một thuật toán mạnh mẽ, Watermark được trích bằng cách so sánh
các phiên bản đã được đóng dấu vả chưa đóng dấu. Trong đó nhiều phương pháp được đề
xuất chịu đựng được nhiều kỹ thuật xử lý ảnh và các tấn công có thể nhằm vào việc gỡ
Watermark hay làm cho nó không thể đọc được. Tuy nhiên thông thường trong thế giới thực,
sự có mặt của ảnh gốc trong quá trình dò không được bảo đảm, do vậy thuật toán cần ảnh gốc
để hồi phục vết ấn không thích hợp cho nhiều ứng dụng thực tế. Ngoài ra loại thuật toán này
không thể được dùng cho việc chứng minh quyền sở hữu hoàn toàn trừ khi thỏa một số yêu
cầu phụ khác như không tựa khả đảo (non-quasi-invertibility) của Watermark, vốn rất khó đạt
được và hầu như không thể chứng minh. Các kỹ thuật khôi phục Watermark không cần so
sánh các tín hiệu được mark và không được mark thường gọi là oblivious hay blind. Trong
các trường hợp khác thuật ngữ public Watermarking được dùng để đối lại với private
Watermarking . Thực sự, thuật ngữ public/private Watermarking để chỉ một khái niệm khác:
một kỹ thuật được gọi là private nếu chỉ có người sở hữu tài liệu hay người được cấp quyền
8
mới trích Watermark bởi vì anh ta mới là người có thể truy xuất vào ảnh gốc hoặc anh ta mới
là người biết khoá chính xác đúng để trích Watermark từ dữ liệu chủ. Trái lại các kỹ thuật mà
cho phép bất kỳ người nào cũng đọc được Watermark được gọi là public. Hầu hết mọi người
cho rằng các cơ chế private dường như mạnh mẽ hơn public ở chỗ là mỗi khi Watermark
được đọc, kỹ thuật public làm cho các kẻ tấn công dễ xóa Watermark hay làm cho Watermark
không đọc được chẳng hạn bằng cách đảo quy trình nhúng hay bằng cách nhúng một
Watermark đảo (Watermark reversibility). Nói một cách tổng quát trong số các kỹ thuật

Watermarking ảnh được đề xuất gần đây, các sản phẩm thương mại thường áp dụng các hệ
thống public trong khi các nghiên cứu lại tập trung vào tiếp cận private.
1.2.9 Watermarking đọc được và dò được
Một Watermark mà có thể dò được chỉ nếu nội dung của nó được biết trước gọi là một
Watermark dò được. Ngược lại các kỹ thuật cho phép Watermark đọc được ngay khi nội dung
của nó bỏ qua thì gọi là Watermark đọc được. Nói cách khác, theo hướng tiếp cận dò được,
người ta có thể chỉ cần biết một Watermark có tồn tại trong dữ liệu hay không. Nếu một người
không biết Watermark là gì thì không thể phân tích tài liệu đa phương tiện để tìm ra
Watermark. Điều này không giống với các kỹ thuật đọc được, trong đó cơ chế nhúng và trích
Watermark được thực hiện sao cho bất kỳ ai cũng có thể đọc được Watermark. Dĩ nhiên tính
chất đọc được/ dò được của Watermark ảnh hưởng nhiều đến cách mà nó được sử dụng trong
các ứng dụng thực tế. Ví dụ giả sử có một tình huống trong đó người ta muốn biết ai là người
sở hữu của một ảnh mà anh ta đã tìm đã tìm thấy đâu đó trên Internet. Ngoài ra giả sử rằng
Watermark chỉ ra người sở hữu đã được nhúng trong ảnh sử dụng kỹ thuật Watermarking dò
được. Không có cách nào để đọc được Watermark nếu không thực hiện các giả định về người
sở hữu có thể, bởi vì nhờ tính chất dò được của Watermark chỉ có thể xác định ảnh có thuộc
một tác giả cụ thể nào đó (Watermark của anh ta được biết ) không.
1.2.10 Tính khả đảo và tính thuận nghịch của Watermark
Mặc dù tính mạnh mẽ thường được chỉ ra như một yêu cầu chính được thỏa mãn, mối
quan tâm lớn lại tập trung vào tính khả đảo của Watermark. Thuật ngữ khả đảo được dùng với
những ý nghĩa khác nhau, nghĩa tự nhiên nhất định nghĩa một Watermark là khả đảo nếu các
người dùng được cấp quyền có thể xoá nó khỏi tài liệu. Trong nhiều ứng dụng tính khả đảo
này có thể là một đặc trưng mong đợi, bởi vì nó có thể cho phép thay đổi tình trạng của một
tài liệu cho trước theo lịch sử của nó mà không cần phải ẩn quá nhiều bit thông tin trong nó.
Tính khả đảo của Watermark còn được định nghĩa theo cách khác: đó là khả năng làm mất
hiệu lực thừa nhận quyền sở hữu được hỗ trợ bởi Watermarking bằng cách sử dụng kỹ thuật
công nghệ đảo để đảo lại quy trình Watermarking. Một mô hình Watermarking để được sử
dụng thành công trong ứng dụng bảo vệ quyền sở hữu, tính không khả đảo của Watermark
phải được thỏa mãn. Hơn nữa đây chỉ là một điều kiện cần thiết phải thỏa mãn bởi vì tổng
9

quát hơn tính người ta cần tính không tựa khả đảo của Watermark hơn. Ở đây thuật ngữ khả
đảo và tựa khả đảo được hiểu theo nghĩa tự nhiên như đã nói trên. Không cần đi vào chi tiết,
chúng ta có thể nói rằng một Watermark là khả đảo nếu nó có thể tạo ra một Watermark
ngược (false Watermark) và một tài liệu giả mạo tài liệu gốc mà giống như tài liệu gốc sao
cho bằng cách nhúng false Watermark vào nó, ta có thể thu được một tài liệu mà giống hay
gần giống với tài liệu gốc thực sự đã được đóng dấu. Để tránh việc dùng nhập nhằng thuật
ngữ invertibility, thuật ngữ reversibility được đề xuất để chỉ rằng một Watermark có thể xóa
khỏi ảnh chủ mỗi khi nội dung của nó được biết.
1.2.11 Tính có thể thay đổi tỉ lệ (scalability)
Trong các ứng dụng thương mại, chi phí tính toán cho việc nhúng và trích là rất quan
trọng. Trong một số ứng dụng việc chèn vào chỉ có thể thực hiện một lần. Do đó, chi phí
nhúng có thể ít quan trọng hơn là chi phí dò, vốn thường phải xảy ra theo thời gian thực, ví
dụ như tốc độ giải mã của các frame video. Các yêu cầu tính toán ràng buột một
Watermark phải đơn giản, nhưng sự đơn giản này có thể giảm trầm trọng tính chịu đựng giả
mạo. Hơn nữa, người ta biết rằng tốc độ máy vi tính thì cứ tăng xấp xỉ gấp đôi sau 18 tháng,
để mà những gì được tính toán không thỏa đáng ngày hôm nay có thể nhanh chóng trở thành
hiện thực. Do đó người ta rất mong đợi thiết kế một Watermark mà bộ dò tương thích với mỗi
thế hệ máy vi tính. Ví dụ thế hệ thứ nhất của bộ dò có thể có chi phí tính toán rẻ nhưng có thể
không đáng tin cậy bằng bộ dò ở thế hệ tiếp theo mà có thể cấp cho nhiều tính toán hơn để xử
lý với các vấn đề chẳng hạn như các biến dạng hình học.
1.3 Các ứng dụng của Watermarking
Phần này trình bày tất cả các ứng dụng của Watermarking trên hầu hết các tài liệu đa
phương tiện (ảnh, âm thanh, phim), bao gồm:
• ƒTheo dõi phát sóng (broadcast Watermarking )
• ƒNhận ra người chủ sở hữu (owner identification )
• ƒBằng chứng của quyền sở hữu (proof of owner ship )
• ƒLưu vết giao tác hay dấu vân tay (transaction tracking/fingerprinting )
• ƒSự xác nhận nội dung (content authentication )
• ƒKiểm soát sao chép (copy control )
1.3.1 Theo dõi phát sóng

Trong thực tế, việc phát sóng các đoạn phim hay âm thanh qua các phương tiện thông
tin đại chúng có những nhu cầu như:
Các nhà quảng cáo muốn chắc chắn rằng đoạn chương trình quảng cáo của họ được
phát đủ thời gian mà họ đã mua từ các nhà phát sóng.
Các diễn viên tham gia đoạn chương trình quảng cáo đó muốn bảo đảm họ được trả
tiền bản quyền ứng với thời lương phát sóng từ các công ty quảng cáo.
Những người sở hữu một đoạn nhạc hay phim không muốn tác phẩm của mình bị xâm
phạm tác quyền qua việc thu và phát sóng lại.
10
Một cách để giải quyết điều này là sử dụng hệ thống theo dõi tự động thụ động và chủ
động. Hệ thống theo dõi thụ động mô phỏng như một quan sát viên, nó chứa một máy tính
chuyên theo dõi nội dung phát sóng và so sánh tín hiệu nhận được với một cơ sở dữ liệu các
tác phẩm biết trước. Lợi điểm của nó là không cần bất kỳ thông tin liên kết vào quá trình phát
sóng, và như vậy không đòi hỏi bất kỳ sự hợp tác nào với các nhà quảng cáo hay các nhà phát
sóng. Như vậy có thể áp dụng nó trong các dịch vụ điều tra thị trường nhằm mục đích cạnh
tranh. Khó khăn của hệ thống này là:
+ Thứ nhất, việc so sánh tín hiệu nhận được với cơ sở dữ liệu không phải chuyện tầm
thường. Về nguyên tắc, cần chia tín hiệu nhận được thành các đơn vị có thể phân tích được và
tìm chúng trong cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên mỗi frame của video chứa hàng ngàn bit thông tin và
không thực tế chút nào cho quá trình tìm kiếm. Như vậy hệ thống trước hết phải xử lý tín hiệu
thành những chữ ký nhỏ hơn sao cho vừa đủ để phân biệt với tài liệu khác và phải đủ nhỏ để
lưu được trong cơ sở dữ liệu.
+ Thứ hai, sự giảm tín hiệu trong quá trình phát sóng là điều không tránh khỏi, nó thay
đổi theo thời gian, tức là sự thu tín hiệu của cùng một nội dung ở các thởi điểm khác nhau có
thể dẫn đến những tín hiệu khác nhau. Vì thế, hệ thống không thể tìm nó chính xác trong cơ
sở dữ liệu mà chỉ có thể tìm dưới dạng người láng giềng gần nhất, thực tế phức tạp hơn nhiều.
+ Thứ ba, ngay cả khi vấn đề tìm kiếm được giải quyết thì việc lưu trữ và quản lý cơ
sở dữ liệu cũng là vấn đề lớn. Hơn nữa hệ thống phải theo dõi nhiều vị trí địa lý khác nhau
đồng thời, phải truy xuất và giao tiếp cơ sở dữ liệu trung tâm hoặc là lưu cơ sở dữ liệu cục bộ.
Hệ thống theo dõi chủ động đơn giản hơn về mặt kỹ thuật hơn vì thông tin nhận dạng

được giải mã trực tiếp, không cần cơ sở dữ liệu để thông dịch nghĩa của nó. Một cài đặt của
hệ thống này là lưu các mã nhận dạng ở phần đầu file. Khó khăn là người xử lý trung gian và
người phân phối cuối cùng không bảo đảm phân phát thông tin đầu file nguyên vẹn. Hơn nữa
dữ liệu khó sống sót với sự chuyển đổi định dạng.
Watermarking là một phương pháp mã hoá thông tin nhận dạng cho theo dõi chủ
động. Nó có thuận lợi là Watermark tồn tại bên trong nội dung tín hiệu phát sóng chứ không
phải chỉ trong một đoạn đặc biệt của tín hiệu và vì thế hoàn toàn thương thích với nền tảng
thiết bị phát sóng đã được cài đặt bao gồm cả bộ truyền tải digital và analog. Tuy nhiên, qui
trình nhúng dò Watermark phức tạp hơn việc thêm dữ liệu vào đầu file và tìm được một thuật
toán sao cho chất lượng trực quan của nội dung giảm không đáng kể nhưng lại có độ an toàn
cao cũng là một bài toán thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Như vậy, bằng cách nhận
dạng những Watermark được nhúng trong nội dung số, có thể chỉ ra khi nào và ở đâu nội
dung đó được phát song.
1.3.2 Nhận ra người chủ sở hữu
Trong thực tế có trường hợp một tác phẩm đã có tác quyền bị sử dụng sai mục đích và
phán quyết của cơ quan luật pháp rất cần thông báo tác quyền trên một hình thức hay vị trí
11
nào xem được trên tài liệu được phân phối. Thông báo tác quyền chúng ta thường thấy trên có
các tài liệu khả kiến là “Copyright ngày người sở hữu”, “© ngày người sở hữu” hay “Corp.
ngày người sở hữu”. Trên các tác phẩm âm thanh các thông báo đó phải được đặt lên bề mặt
của đĩa vật lý, tên nhãn hay trên bao bì. Dễ thấy rằng, giới hạn của nó là việc nhận dạng người
sở hữu tác quyền của một tác phẩm không bảo đảm do người ta không quá khó để loại bỏ nó
ra khỏi một tài liệu khi tiến hành sao chụp lại thậm chí không cần quan tâm rằng đó là một
việc làm sai: Chẳng hạn, một giáo viên chụp một số trang từ quyển sách mà quên chụp luôn
thông báo tác quyền ở trang tiêu đề, một họa sĩ sử dụng một bức hình hợp pháp trong mục
quảng cáo của báo có thể xén đi phần có chứa thông tin tác quyền. Rồi sau đó các công dân
tôn trọng luật pháp muốn dùng tác phẩm có thể không tài nào xác định được tác phẩm có
được bảo vệ tác quyền hay chưa. Một trường hợp khá nổi tiếng là Lena Sjooblom. Đây là ảnh
thử thông thường nhất trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý ảnh và đã xuất hiện không biết bao
nhiêu mà kể ở các bào báo hội nghị nhưng không ai tham khảo tên người sở hữu hợp pháp của

nó, đó là hãng Playboy. Ban đầu nó là một ảnh phóng to lồng giữa các trang của tạp chí
Playboy (Tháng 11- 1972 ). Khi ảnh được Scan và dùng cho mục đích kiểm thử, hầu hết ảnh
đã bị xén chỉ còn khuôn mặt và vai của Lena. Không may là dòng chữ ghi Playboy là người
sở hữu cũng bị xén mất. Từ đó ảnh được phân phối toàn cầu và hầu hết các nhà nghiên cứu
dùng nó trong các bào báo đã không biết rằng chúng là tác quyền của Playboy.
Thứ hai là vấn đề thẩm mỹ, dù chỉ đặt ở một phần của ảnh nhưng một dòng chữ thông
tin tác quyền có thể làm giảm bớt vẻ đẹp của nó. Với các tài liệu âm thanh hay phim, vì thông
báo tác quyền nằm trên băng đĩa vật lý và bao bì nên sẽ không có thông báo nào được sao
chép cùng với nội dung của nó.
Do các Watermark có thể vừa không thể nhận thấy vừa không thể tách rời tác phẩm
chứa nó nên chúng là giải pháp tốt hơn dòng chữ đối với việc nhận ra người sở hữu nếu
người dùng tác phẩm được cung cấp bộ dò Watermark. Digimarc cho ảnh là ứng dụng
mà ta đang đề cập. Nó được tích hợp vào Photoshop. Khi bộ dò của Digimarc nhận ra một
Watermark, nó liên lạc với cơ sở dữ liệu trung tâm trên Internet và dùng thông điệp
Watermark như một khóa để tìm thông tin liên lạc cho người sở hữu ảnh. Tính hợp pháp của
một ứng dụng như vậy chưa được thừa nhận bởi cơ quan pháp luật nhưng nó giúp những
người lương thiện dễ dàng tìm ra người họ muốn liên lạc để dùng ảnh. Như vậy, nhúng thông
tin của người giữ tác quyền của một tác phẩm như là một Watermark.
1.3.3 Bằng chứng về quyền sở hữu
Watermark không chỉ được dùng để chỉ ra thông tin tác quyền mà còn được dùng để
chứng minh tác quyền. Thông tin tác quyền có thể dễ bị giả. Chẳng hạn, giả sử A tạo một ảnh
và post lên mạng với thông tin tác quyền “© 2003 A”. Một tên trộm (B) lấy ảnh đó, dùng
chương trình xử lý ảnh để thay thông tin tác quyền đó bằng “© 2003 B” và sau đó tự cho là
12
anh ta là người sở hữu. Vậy giải quyết tranh luận ra sao. Nếu A đã đăng ký bản quyền tác
phẩm của mình với một cơ quan pháp luật và gửi cho họ ảnh gốc khi vừa mới tạo ra nó thì
không có vấn đề gì. Tuy nhiên nếu A không làm việc đó vì chi phí tốn kém thì A phải đưa ra
bằng chứng chứng tỏ mình đã tạo ra ảnh. Chẳng hạn, là một tấm phim nếu ảnh được chụp, là
một bản phát thảo nếu đó là một bức họa. Vấn đề là B cũng có thể ngụy tạo bằng chứng. Tệ
hơn nữa là nếu ảnh được chụp bằng kỹ thuật số thì chẳng có phim âm bản cũng như bản phát

thảo.
A có thể nào bảo vệ quyền lợi của mình mà không phải tốn phí đăng ký bằng cách áp
dụng Watermark vào ảnh của mình? Nếu A dùng Digimarc, vấn đề không được giải quyết vì
bộ dò cũng được kẻ trộm biết. Về lý thuyết, ai dò được Watermark đều có thể xoá bỏ nó. Do
đó B có thể dùng bộ dò Digimarc, gỡ Watermark của A và thay vào đó Watermark của mình.
Để đạt được mức bảo mật trong bằng chứng tác quyền, cần giới hạn tính khả dụng của bộ dò.
Đối với kẻ trộm không có một bộ dò, việc bỏ Watermark thì rất khó khăn phức tạp. Như thế
khi A và B ra tòa, A dùng ảnh gốc và ảnh tranh cãi đưa vào bộ dò và bộ dò sẽ cho ra
Watermark của A. Tuy nhiên cũng có một dạng hệ thống Watermarking mà B có thể dùng và
làm như thể Watermark của B nằm trong bản gốc ảnh của A. Tấn công được gọi là tấn công
đảo (inversion attack) hay tấn công khóa chết (dead lock attack). Không có cách gì để giải
quyết quyền sở hữu bản quyền trong trường hợp này và tòa cũng không thể biết A hay B có
ảnh gốc thực sự. Điều này cho thấy rằng chỉ với một mình Watermark mà không có một nghi
thức khác hỗ trợ nó thì sẽ không đủ để giải quyết tình huống bản quyền này.
Bài toán có thể được giải quyết nếu ta thay đổi phần phát biểu nó: Thay vì cố chứng
minh trực tiếp quyền sở hữu bằng cách nhúng một Watermark “A sở hữu ảnh này”, ta nên cố
chứng minh một ảnh bắt nguồn từ ảnh khác. Một hệ thống như vậy cung cấp một bằng chứng
gián tiếp rằng khả năng ảnh tranh cãi là của A cao hơn B, trong đó A là người có phiên bản
mà từ đó hai ảnh khác tạo ra.
1.3.4 Lưu vết giao tác hay dấu vân tay
Trong ứng dụng này, Watermark lưu lại một hay nhiều giao dịch đã xảy ra trong
những lần sao chép tác phẩm đã có nhúng Watermark. Ví dụ, Watermark có thể lưu tên người
mua trong mỗi lần mua bán hợp pháp hay phân phối. Người sở hữu và người tạo ra tác phẩm
có thể dùng những Watermark khác nhau trong mỗi bản sao. Nếu tài liệu bị dùng sai mục đích
(phát hành hay phân phối trái phép ) người sở hữu có thể tìm ra người có trách nhiệm.
Một giải pháp thông thường cho Watermarking áp dụng cho lưu vết giao tác là dùng
các Watermark hữu hình, chẳng hạn các tài liệu thương mại được in có background có chứa
các số lớn hơn màu xám, với mỗi bản sao sẽ chứa một số khác.
Một ví dụ khác có sử dụng Watermarking cho việc theo dõi giao tác đã được cài đặt
bởi DiVX Corporation. DiVX bán một DVD player triển khai theo mô hình kinh doanh pay-

per-view. Họ cài đăt nhiều kỹ thuật để ngăn giả mạo đĩa của họ, một trong số đó là
13
Watermark được thiết kế cho lưu vết giao tác. Mỗi DVD player phải đặt một Watermark duy
nhất vào mỗi video mà nó chiếu. Nếu ai đó thu lại đoạn video và bán các bản sao, DiVX có
thể lấy được bản copy đó và tìm ra kẻ phản bội bằng cách giải mã Watermark.
Một ví dụ khác là trong phân phối các nhật báo phim. Suốt quá trình thực hiện một
phim, kết quả các bức hình mỗi ngày được phân phối cho nhiều người có tham gia vào phim.
Nhưng những nhật báo này được yêu cầu giấu bí mật, không muốn bị lộ ra ngoài. Gặp trường
hợp này, trường quay nhanh chónh xác định được người đã làm rò rỉ thông tinh. Trường quay
có thể dùng đoạn văn hữu hình ở góc màn hình để xác định mỗi bản sao của ảnh. Tuy nhiên,
các Watermark được chuộng hơn vì đoạn văn bản dễ bị xóa đi.
1.3.5 Xác nhận nội dung
Các tác phẩm kỹ thuật số ngày nay đứng trước nguy cơ bị làm giả nhiều hơn, dễ dàng
hơn và tinh vi hơn. Nếu ảnh là một bằng chứng quan trọng trong điều tra của cảnh sát, sự giả
mạo có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng.
Bài toán xác nhận thông điệp đã được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực mã hóa
(crytography). Một tiếp cận mã hóa thông thường cho bài toán này là tạo ra một chữ kí điện
tử. Thuật toán được dùng là mã hóa khoá bất đối xứng. Chỉ có tác giả thông điệp mới biết
khoá cần để tạo ra các chữ ký. Do vậy, kẻ trộm cố thay đổi thông điệp thì sẽ không tạo ra
được một chữ ký mới. Nếu khi tiến hành so sánh, thông điệp được sửa đổi khác với chữ ký
gốc, ta có thể khẳng định thông điệp đã bị sửa. Chữ ký điện tử đã được áp dụng cho các
camera kỹ thuật số bởi Fredman, người gợi ý tạo ra một máy ảnh có chữ ký bên trong. Khóa
để tạo chữ kí chỉ có trong máy ảnh mà thôi.
Chữ ký dạng như vậy chung qui là một dạng dữ liệu meta được đi kèm với tài liệu mà
chúng xác nhận. Điều này cho thấy rất dễ làm mất các chữ ký. Chẳng hạn một hệ thống xác
nhận ảnh lưu dữ liệu meta vào phần vào phần đầu (header) của ảnh JPEG. Nếu ảnh được
chuyển sang dạng khác, chữ ký sẽ bị mất và dĩ nhiên tài liệu không còn được chứng thực nữa.
Một giải pháp hay là những chữ ký trực tiếp vào tài liệu dùng kỹ thuật Watermarking.
Epson đề ra một hệ thống như vậy trên nhiều máy ảnh kỹ thuật số của hãng. Ta gọi chữ ký
này là chữ kí xác nhận (authentication mark). Chữ kí xác nhận được thiết kế sao cho trở nên

sai lệch dù chỉ gặp sự chỉnh sửa nhỏ nhất được gọi là các Watermark dễ vỡ (fragile
Watermark).
Mối lo ngại về việc các chữ ký có trong tài liệu hay không giờ đây đã bị loại trừ. Điều
quan tâm lúc này là việc nhúng Watermark cần bào đảm không thay đổi tài liệu nhiều quá để
nó còn đúng khi so sánh với chữ ký. Điều này có thể thực hiện được bằng cách xem tài liệu
thành hai phần : Một dùng cho việc tính toán bằng chữ ký, một dùng cho việc nhúng chữ ký.
Ví dụ, nhiều tác giả đề xuất tính toán một chữ ký từ các bit cao của ảnh và nhúng chữ ký vào
các bit thấp của ảnh.
Nếu một tài liệu có chứa chữ kí xác nhận bị thay đổi, chữ kí xác nhận cũng thay đổi
theo. Điều này mở ra một hướng nghiên cứu mới là tìm hiểu tài liệu đã bị giả mạo như thế
14
nào. Chẳng hạn nếu một ảnh được chia làm nhiều khối, mỗi khối có một chữ kí xác nhận,
chúng ta dễ phát thảo ra phần nào của ảnh nguyên trạng và phần nào bị chỉnh sửa.
Một ví dụ rất hay được áp dụng trong điều tra tội phạm của cảnh sát, sử dụng chữ kí
xác nhận khoanh vùng (localized authentication). Cảnh sát nhận được một đoạn phim theo dõi
đã bị giả mạo. Nếu đoạn phim này dùng các chứng thực chữ ký truyền thống, dễ thấy rằng họ
biết phim bị giả mạo và không tin bất cứ điều gì trong phim. Tuy nhiên nếu dùng một
Watermark theo kiểu xác nhận khoanh vùng , họ có thể khám phá rằng trong các khung
(frame) của phim vẫn có chỗ tin cậy. Như vậy kẻ có liên quan đến tội ác đã bị gỡ bớt các
frame có dấu vết của hắn.
Khi kiểm tra một chữ kí xác nhận đã bị sửa đổi ta cũng có được thông tin “Liệu nén có
mất có được áp dụng vào tài liệu hay không”. Hầu hết các thuật toán nén ảnh có mất đều áp
dụng sự lượng tử hóa, chính điều này đã để lại các thay đổi thống kê trong một Watermark và
có thể nhận diện được.
1.3.6 Kiểm soát sao chép
Các ứng dụng đã đề cập ở trên hầu hết có tác dụng sau khi có ai đó làm sai. Chẳng hạn
theo dõi phát sóng giúp phát hiện nhà phát sóng bất lương đã ăn chặn tiền sau khi biết họ đã
phát sóng không đúng thời lượng. Còn lưu vết giao tác chỉ ra kẻ phản bội sau khi họ đã làm lộ
và phân phối các bản sao bất hợp pháp. Các kỹ thuật này có tể nói là chữa bệnh chứ không
phòng bệnh. Rõ ràng là sẽ tốt hơn nếu ngăn ngay từ đầu những hành vi bất hợp pháp, như vậy

một ứng dụng kiểm soát sao chép ngăn không cho tạo các bản sao bất hợp pháp từ nội dung
đã có bản quyền.
Mã hóa cũng có thể dùng để cài đặt cho ứng dụng dạng này. Tài liệu được mã hóa với
một khóa duy nhất, nếu không có khóa thì không dùng được. Tuy nhiên khóa này được cung
cấp theo kiểu khó mà sao chép hay phân phối lại (nhằm hạn chế thếp nhất khả năng khách
hàng cho khóa của họ cho người khác xài miễn phí). Ví dụ, nhiều sóng TV được mã hóa,
khóa giải mã được tích hợp vào một thẻ thông minh (smart card) cho các khách hàng nào trả
tiền. Thẻ thông tin được giấu vào hộp antene của TV. Nếu ai đó cố tình xem hay thu sóng mà
không có thẻ thông minh card chắc chắn chỉ thấy hình nhiễu. Điều đáng quan tâm là mã hóa
không thực sự giải quyết tốt ứng dụng này, vì chúng dễ bị phá bằng ba cách sau: Thứ nhất, cố
giải mã tín hiệu với hàng triệu trường hợp khóa có thể. Tuy nhiên nếu khóa ≥ 50 bit thì điều
này không thực hiện được. Thứ hai, dùng công nghệ đảo phần mềm hay phần cứng chứa
khóa. (Giống như crack phần mềm). Ví dụ như chương trình DeCSS của Jon Johanasen và
hai cộng sự người Đức. CSS (Content Scrambling System ) là hệ thống mã hoá dùng để
chống ghi DVD bất hợp pháp. Jon đã dùng công nghệ đảo áp dụng cho một đầu đọc DVD và
tìm khóa giải mã của nó. Sau đó bất kỳ video nào đã được mã hóa cũng có thể được giải mã.
Cách thứ ba là trả tiền để có một khóa rồi sao chép nội dung đã được giải mã. Một kẻ trộm
muốn thu và phát lại sóng vệ tinh chỉ cần đăng ký là khách hàng, mua một thẻ thông minh,
15
nối đầu đọc với đầu thu, cứ thể thu lại nội dung đã được giải mã. Ví dụ này chỉ ra yếu kém
chính của bảo vệ nội dung sử dụng mã hóa: Một nội dung muốn dùng được cần phải giải mã,
khi đã được giải mã rồi, tất cả các bảo vệ coi như không còn.
Điều chúng ta cần là làm sao cho dữ liệu media xem được nhưng vẫn ngăn không cho
thu lại. Một kỹ thuật làm được điều này, trong trường hợp video NTSC đó là quy trình chống
sao chép videocassette của Marovision. Quy trình này sửa tín hiệu video sao cho làm rối loạn
điều khiển trên VCRs. Tín hiệu thu được có thể xem tốt trên TV nhưng với VCR nó sẽ tạo ra
những thứ kông thể xem được. Tuy nhiên, kỹ thuật này chỉ áp dụng cho tím hiệu TV tuần tự ,
không được cho audio và các kiểu tín hiệu số khác. Do vậy mặc dù hệ thống của Macrovision
thích hợp để chống thu video bất hợp pháp bằng VCRs, nó lại không dùng được cho đầu
DVDs, VCRs số, hay các kỹ thuật thu video số khác.

Do các Watermark được nhúng trong nội dung nên chúng có mặt khi có nội dung và
như vậy nó cung cấp một phương pháp tốt hơn để cài đặt các ứng dụng kiểm soát sao chép.
Nếu mọi thiết bị thu được gắn bộ dò Watermark , việc thu có thể bị các thiết bị thu ngăn cản
khi chúng dò ra một Watermark dạng như “không được chép”. Một hệ thống như vậy đã
được “Copy protection Technical Working Group” (CPTWG) dùng cho đầu video DVD và
SDMI dùng cho audio.
Vấn đề đặt ra là làm sao bảo đảm rằng mọi đầu thu chứa bộ dò Watermark. Chẳng có
động lực tự nhiên nào để các nhà sản xuất đầu thu lại bỏ thêm chi phí để tích hợp bộ dò vào
sản phẩm của họ. Trong thực tế, theo cách nhìn của khách hàng thì bộ dò Watermark chỉ làm
chỉ làm giảm giá trị của đầu thu vì dĩ nhiên họ muốn thiết bị của mình có thể sao chép được
bất kì tài liệu nào họ muốn (Cho dù điều đó là không hợp pháp).
Giải pháp trực tiếp cho vấn đề này đòi hỏi luật quy định các đầu thu phải có bộ dò
Watermark. Tuy nhiên, cho đến bây giờ thì chưa có luật nào như vậy, và thỏa yêu cầu đó là cả
một vấn đề vì nó cần sự tham gia tất cả các quốc gia. Vì lẽ này, CPTWG và SDMI đều không
phụ thuộc luật nói trên. CPTWG và SDMI đưa ra yêu cầu vào cam kết tác quyền là “Nhà sản
xuất đầu thu nào sử dụng kỹ thuật của họ phải có bộ dò”. Cách tiếp cận này phù hợp ở chỗ nó
dưa trên những luật đã có sẵn trên hầu hết các nước. Bất lợi của nó là nó cho phép nhà sản
xuất tạo ra bộ thu không chứa bộ dò Watermark khi họ không dùng kỹ thuật có đề cập yêu
cầu đó. Một giải pháp dung hòa là cho phép lưu hành cả hai hai loại thiết bị (có và không cài
Watermarking): Chẳng hạn, đầu đọc không cài Watermarking chỉ đọc được các bản sao chép
được đã được giải mã mà không đọc được các bản sao chép chưa được giải mã, và khi đã đọc
được thì nó có thể được thu tiếp bằng đầu thu không cài Watermarking.Đầu đọc có
Watermarking đọc được các bản sao chép có mã hóa, không đọc được bản sao đã qua giải mã,
và khi đã đọc được thì nó có thể được thu tiếp bằng đầu thu không cài Watermarking. Như
vậy lợi và hại của mỗi thiết bị có thể để khách hàng cân nhắc lựa chọn và hy vọng những
16
công dân có ý thức pháp luật và tôn trọng quyền sở hữu trí tuệ sẽ sử dụng loại có cài
Watermarking nhiều hơn.
Từ các phân tích ở trên, có thể thấy rằng Watermarking giải quyết các bài toán về ẩn
giấu thông tin linh hoạt hơn những phương pháp truyền thống khác chẳng hạn như mã hóa

nhờ lợi thế thông tin nhúng nằm kèm theo trong tài liệu chủ. Đó là các ứng dụng chung của
Watermarking trên các tài liệu đa phương tiện, riêng đối với ảnh số, bảo vệ bản quyền và xác
nhận nội dung là hai ứng dụng khả thi nhất, quan trọng nhất mà ảnh số có thể áp dụng được
và sẽ được nghiên cứu và phân tích sâu trong các chương sau.
17
CHƯƠNG 2. CÁC MÔ HÌNH WATERMARKING, CÁC THUẬT TOÁN
Các mô hình Watermarking hiện nay chia làm hai nhóm: thứ nhất là các mô hình dựa
trên quan điểm xem Watermarking như một phương thức truyền thông, và các mô hình dựa
trên quan điểm hình học.
2.1 Mô hình trên quan điểm Watermarking như một dạng truyền thông
Có 3 loại và chúng khác nhau ở cách tích hợp của tài liệu chủ vào trong hệ thống.
2.1.1 Mô hình cơ bản
Trong mô hình này, tài liệu chủ được xem như nhiễu được thêm vào trong suốt quá
trình truyền tín hiệu Watermark.
Hình 2: Bộ dò không cần ảnh gốc
Hình 3: Bộ dò cần ảnh gốc
Không quan tâm bộ dò ở đây là blind hay non-blind, qui trình nhúng bao gồm hai
bước:
Trước hết, thông điệp được ánh xạ thành một mẫu thêm (added pattern) wa có cùng
kiểu và kích thước với ảnh chủ c0. Ví dụ, trong Watermarking ảnh, bộ nhúng tạo ra một mẫu
các pixel hai chiều cùng kích thước với ảnh chủ gốc. Sự ánh xạ này được thực hiện với một
18
khóa Watermark. Các mẫu thêm thường được tính qua nhiều bước. Với các mẫu định nghĩa
sẵn và có thể phụ thuộc vào khóa, gọi là mẫu tham khảo (reference pattern) wr0, wr1, wr2,
chúng ta liên kết chúng lại để tạo ra một mẫu mã hóa, ta gọi là mẫu thông điệp (message
pattern), wm. Mẫu thông điệp này sau đó được chỉnh sửa hay thay đổi tỉ lệ để thu được mẫu
thêm.Sau đó, wa được thêm vào tài liệu chủ, c0, để tạo tài liệu được Watermark
(Watermarked Work), cw.
Sau khi mẫu thêm được nhúng, giả sử tài liệu được Watermark cw bị thay đổi vì một
xử lý nào đó, ta mô hình hóa hiệu ứng xử lý này bằng một nhiễu cộng. Các kiểu xử lý có thể

gồm: Nén, giải nén, phát sóng qua các kênh tuần tự, cải thiện ảnh hay âm thanh… hay một xử
lý bất kì của kẻ trộm nhằm gỡ bỏ Watermark…
2.1.2 Mô hình Watermarking truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung chuyển
Tài liệu chủ vẫn được xem là một nhiễu, nhưng qui trình nhúng Watermark cần được
cung cấp thêm ảnh chủ đó với vai trò là thông tin phụ. Thông tin phụ (side information) là
thông tin được cung cấp cho bộ trung chuyển hoặc bộ nhận trong một hệ thống truyền thông,
khác với thông điệp được chuyển hay tín hiệu nhận được cần giải mã. Trong mô hình
Watermarking này, chúng ta xem ảnh chủ là một thông tin phụ đối với bộ nhúng.
Trong mô hình trước, giới hạn của nó là vết Watermark được mã hóa độc lập với tài
liệu chủ co, điều này không tận dụng triệt để ảnh gốc. Nếu ta cho phép bộ mã hóa Watermark
kiểm tra co trước khi mã hóa mẫu thêm thì ta sẽ có thuật toán nhúng hiệu quả hơn.
Hình 4: Mô hình Watermarking theo quan niệm truyền thông với thông tin phụ ở bộ trung
chuyển
19
2.2 Mô hình dựa trên quan điểm hình học
Quan điểm Watermarking hình học xem các tài liệu là các điểm trong không gian đa
phương tiện (media space) nhiều chiều. Khi phân tích các thuật toán phức tạp hơn, ta cần
chiếu hay làm biến dạng không gian đó thành không gian nhúng.
2.2.1 Các phân phối và miền trong không gian đa phương tiện
Trong không gian đa phương tiện có những phân phối xác suất và vùng sau: Phân phối
các tài liệu chưa được nhúng Watermark (distribution of unWatermarked works) tượng trưng
cho mỗi tài liệu.Vùng tương tự cảm nhận được giữa ảnh gốc và ảnh qua xử lý có thể chấp
nhận (Region of acceptable fidelity) là vùng trong đó tất cả các tài liệu đều là ứng viên tiềm
năng của một tài liệu cho trước. Vùng dò (Detection region) tượng trưng cho cách làm việc
của thuật toán dò. Phân phối nhúng hay vùng nhúng (Embedding distribution/embedding
region) thể hiện hiệu quả của một thuật toán nhúng. Phân phối biến dạng (Distortion
distribution) thể hiện cách mà tài liệu bị làm biến dạng trong quá trình sử dụng.
2.2.2 Mô hình Watermarking trong không gian nhúng
Phần lớn các bộ dò Watermark thường được thiết kế để áp dụng được trên không gian
nhúng (marking space), đó là một không gian thu hẹp của không gian đa phương tiện qua

phép chiếu hoặc phép biến hình.
Hình 5: Bộ dò trong mô hình Watermarking theo quan niệm hình học trên không gian nhúng
Như hình trên, bộ dò như vậy chứa một qui trình gồm 2 bước:
+ Bước 1: Trích Watermark
Áp dụng một hay nhiều tiền xử lý cho tài liệu gốc chẳng hạn biến đổi tần số
(frequency transform), lọc (filtering) , trung bình khối (block averaging) , căn mép tạm hay
hình học (geomatric or temporal registration) và trích đặc trưng (feature extraction). Kết quả
thu được một vec tơ (một điểm trong không gian nhúng) có chiều nhỏ hơn chiều của vec tơ
ban đầu. Chúng ta gọi vec tơ này là vết trích. (extracted mark)
+ Bước 2 : Xác định xem vết trích có chứa Watermark không và nếu có thì giải mã
thông điệp được nhúng. Điều này đòi hỏi phải đi so sánh vết trích với một hay nhiều vết tham
20
khảo được định nghĩa trước (reference mark) . Bước 2 có thể là một bộ dò Watermark đơn
giản thực hiện trên các vec tơ trong không gian nhúng. Đối với các bộ nhúng Watermark
thường thì chúng không được thiết kế để dùng trong không gian nhúng nhưng trên thực tế vẫn
có thể thực hiện được.
Hình 6: Bộ nhúng trong mô hình Watermarking theo quan niệm hình học trên không gian
nhúng
Một bộ dò nhúng như vậy chứa một quy trình 3 bước như hình:
+ Bước 1: Tương tự bước trích trong bộ dò Watermark ở trên.
+ Bước 2: Chọn 1 vec tơ mới trong không gian nhúng gần với vết trích và hy vọng
rằng vec tơ này được dò có chứa Watermark. Vec tơ mới này ta gọi là vết thêm (added mark).
Bước 2 này có thể xem như bộ nhúng Watermark đơn giản thực hiện trong không gian nhúng.
+ Bước 3: Đảo ngược quy trình trích, chiếu vec tơ mới trở lại không gian đa phương
tiện để thu được tài liệu được Watermark. Nếu không gian nhúng có cùng chiều với không
gian đa phương tiện, phép chiếu có thể được thực hiện theo cách ánh xạ 1:1. Tuy nhiên, nếu
không gian nhúng có chiều nhỏ hơn không gian đa phương tiện, mỗi điểm trong không gian
nhúng phải tương ứng với không gian đa phương tiện. Do vậy, việc tìm một tài liệu sẽ nhận
vec tơ mới như một vết trích cho ta nhiều tài liệu khác nhau thỏa như vậy. Nói một cách lý
tưởng là, ta tìm một tài liệu mà được cảm nhận là gần với tài liệu gốc nhất. Trong thực tế, ta

dùng một thuật toán xấp xỉ , tức là không cho ta tài liệu gần nhất mà cho tài liệu phải chăng
nhất.
Trong 2 sơ đồ trên, mục tiêu của hàm extraction là nhằm giảm chi phí nhúng và dò.
Thêm nữa là nhằm đơn giản hóa phân phối của những tài liệu không có Watermark, vùng
21
tương tự cảm nhận được giữa ảnh gốc và ảnh qua xử lý có thể chấp nhận, và phân phối biến
dạng để cho các thuật toán Watermarking được thực hiện tốt.
2.3. Các thuật toán Watermarking và phân loại
Gần đây, một số thuật toán Watermarking đã được triển khai để hỗ trợ việc bảo vệ bản
quyền ảnh số và xác minh tính toàn vẹn của dữ liệu đa phương tiện. Hầu hết các thuật toán
Watermarking biến đổi ảnh chủ thành một miền nào đó thuận tiện cho việc nhúng thông tin
của Watermark, làm sao để nó vừa có độ an toàn cao, vừa vô hình. Các biến đổi thường dùng
để làm việc này là DFT, DCT và mới đây là DWT.
Phân loại: Nhìn chung, các thuật toán Watermarking có thể được phân loại như sau:
• Theo miền nhúng/trích:
o Miền không gian
o Miền biến đổi cosine rời rạc (DCT)
o Miền biến đổi Fourier rời rạc (DFT)
o Miền biến đổi wavelet rời rạc (DWT)
o Các miền hỗn hợp khác, ví dụ: miền fractal, miền Fourier-Mellin, đặc tả
Histogram, miền biến đổi wavelet phức (CWT), …
• Theo dữ liệu cần tham chiếu (thường là ảnh gốc) khi trích Watermark:
o Không tham chiếu dữ liệu (blind)
o Tham chiếu dữ liệu tương đối (semi-blind)
o Tham chiếu dữ liệu hoàn toàn (non-blind)
• Theo cách sửa đổi dữ liệu ảnh chủ:
o Cộng tuyến tính tín hiệu tán phổ
o Hợp nhất ảnh (ví dụ nhúng một logo)
o Lượng tử và thay thế phi tuyến
• Theo mô hình cảm quan

o Không có mô hình
o Mô hình ẩn qua các thuộc tính miền biến đổi
o Mô hình HVS tường minh
• Theo mục đích của ứng dụng Watermarking
o Bảo vệ bản quyền, theo dõi việc phát hành
o Xác minh dữ liệu ảnh, xác nhận và phát hiện giả mạo
o Ẩn dữ liệu và gắn nhãn ảnh
ƒ …
• Theo kiểu dữ liệu đa phương tiện chủ:
o Ảnh tĩnh
o Video
o Các định dạng đa phương tiện khác như: ảnh hoạt họa, ảnh bản đồ, …
Trong các cách phân loại đó, một trong những cách được quan tâm nhất là cách bổ
sung dữ liệu Watermark vào ảnh chủ. Có 2 loại nhúng chủ yếu hay được đề nghị:
1. Nhúng cộng tuyến tính
• Chuỗi Gauss
• Hợp nhất ảnh
22
2. Nhúng lượng tử phi tuyến
• Lượng tử vô hướng
• Lượng tử hữu hướng (vector)
Đặc điểm của nhúng cộng là việc sửa đổi tuyến tính ảnh chủ và xử lý tương quan
trong lúc dò, còn nhúng lượng tử thực hiện các sửa đổi phi tuyến và dò tìm thông điệp nhúng
bằng cách lượng tử hóa các mẫu thu được để ánh xạ chúng vào trong điểm tái tạo gần nhất.
23
CHƯƠNG 3. ĐỘ AN TOÀN, TẤN CÔNG WATERMARK
Trong khi có những nghiên cứu về làm sao có thể tạo ra các Watermark có độ an toàn
cao thì cũng có những nghiên cứu tập trung về cách tấn công các mô hình Watermarking. Tấn
công watemark lại là một phần không thể bỏ quên khi sáng tạo ra một mô hình Watermarking
mới vì nó góp phần phân tích các điểm sơ hở, chưa thỏa đáng của một thuật toán để đề xuất

một cách tiếp cận cao hơn.
3.1 Các phương pháp tiếp cận nhằm tạo Watermark có độ an toàn cao
Trong hầu hết các ứng dụng Watermarking, một yêu cầu luôn được đặt lên hàng đầu
đó là làm sao thiết kế một Watermark có thể dò ra được ngay cả trong trường hợp tài liệu
được nhúng đã bị sửa đổi xử lý. Một Watermark có độ an toàn cao là Watermark có khả năng
sóng sót khi nội dung tài liệu bị chỉnh sửa trong một chừng mực được phép. Người thiết kế
phải lường trước các tấn công có thể xảy ra và giới hạn lại yêu cầu Watermark của mình chỉ
quan tâm một số xử lí cụ thể nào đó. Các tiến trình xảy ra giữa khâu nhúng và dò cần được
xác định rõ, chẳng hạn, chúng có thể bao gồm: nén có mất thông tin, chuyển tín hiệu từ tuần
tự sang số và ngược lại, thâu âm thanh, in và quét, giảm nhiễu, chuyển đổi định dạng.
3.1.1 Nhúng thừa, nhúng lặp
Phương pháp này giúp Watermark không bị mất khi ảnh được nhúng bị xử lý bằng các
phép như xén ảnh, lọc, cộng nhiễu. Thông thường, ảnh không phải bị chỉnh sửa tất cả các hệ
số hiển thị mà chỉ một phần nào đó. Chẳng hạn, khi một bộ lọc băng thông được áp dụng vào
ảnh, miền không gian của ảnh bị lấy mẫu lại toàn bộ trong khi miền Fourier chỉ tác động bị
tác động vào các băng thông xác định. Như vậy, có thể nhúng Watermark qua nhiều hệ số để
cho khi hệ số này bị hỏng thì vẫn còn những hệ số khác giúp dò ra được.
Một cách khác là kiểm tra Watermark trong từng khối của ảnh, nếu tỉ lệ khối dò được
Watermark đạt một ngưỡng cố định nào đó, có thể kết luận toàn khối ảnh có chứa Watermark.
Ý tưởng của nhúng lặp, nhúng thừa được phát triển ở một hình thức cấp cao hơn là nhúng một
thông điệp nhiều lần, sử dụng các bộ mã hóa watemark khác nhau, trong đó mỗi bộ nhúng
được thiết kế mạnh mẽ với từng biến dạng. Thông thường, khả năng ảnh bị thực hiện tất cả
các biến đổi là không thể xảy ra và như vậy sẽ có tối thiểu một Watermark sống sót. Tác giả
C.S. Lu, H.Y.M. Liao đã gọi một hệ thống Watermarking như vậy với một thuật ngữ rất vui
mà chính xác là “Cocktail Watermarking”.
3.1.2 Mã hóa tán phổ
Trong hệ thống truyền thông tán phổ, các thông điệp được mã hóa là một dãy ký tự.
Các ký tự được truyền trong miền thời gian, từng ký tự xem như một tín hiệu (chip). Các chip
là các chuỗi giả ngẫu nhiên 0 và 1. Trong miền tần số, chúng được truyền trãi rộng trên một
24

khoảng tần số. Nếu có một tiến trình làm hỏng tín hiệu thì cũng chỉ ảnh hưởng chỉ trên một
tần số và như vậy các chíp vẫn sóng sót vẫn còn nhận được và dùng được.
Truyền thông tán phổ có hai tính chất quan trọng có thể áp dụng vào Watermarking đó
là năng lượng được chèn vào bất kì một tần số nào cũng khá nhỏ. Điều này giúp giữ được tính
trực quan của anh. Thứ hai, nhờ Watermark phân tán rải rác trên nhiều tần số nên nó có độ an
toàn cao với các biến dạng tín hiệu thông thường.
3.1.3 Nhúng trong các hệ số quan trọng cảm nhận được
Không phải tất cả các hệ số trong cách trình bày của một ảnh đều có ích. Chẳng hạn,
đối với phép tịnh tiến, trong khi thành phần biên độ của phổ Fourier là không bị ảnh hưởng thì
miền tần số cao của biến đổi Fourier này lại bị thay đổi khá nhiều. Trong các pháp xử lý ảnh
khác, điều này càng rõ ràng hơn: nén có mất lượng hóa các tần số cao thành không, phép
halftoning cộng các nhiễu cao tần, quét ảnh áp dụng bộ lọc băng thông thấp trước khi lấy
mẫu. Nếu sử dụng các hệ số không đáng tin cậy đó trong quá trình dò, hệ thống sẽ không bảo
đảm được tính tin cậy. Vậy làm sao quyết định hệ số nào là tin cậy hay không. Ta đề xuất các
hệ số tin cậy là các hệ số quan trọng theo cảm quan, đó là các hệ số không bao giờ thay đổi
trừ khi ảnh bị biến dạng nhận thấy được. Nói cách khác, Watermark không nhất thiết phải
sống sót qua các xử lý làm hỏng chất lượng trực quan vì thông tin tác quyền cho một ảnh chất
lượng xấu, một đoạn âm thanh tồi thì không cần thiết.
Một hướng tiếp cận này là phân tán Watermark trong nhiều hệ số quan trọng cảm quan
trong miền tần số. Do mã hóa tán phổ cho phép sử dụng năng lượng nhỏ trong mỗi tần số nên
thay đổi trong mỗi hệ số thì nhỏ vừa đủ để không thể mất chất lượng cảm quan.
3.1.4 Nhúng trong các hệ số được cho là mạnh mẽ
Trong một số ứng dụng, chúng ta không nhất thiết đòi hỏi ảnh phải sóng sót qua tất cả
các xử lý (cách tiếp cận 3) mà chỉ cần mạnh mẽ, an toàn cao với chỉ một số xử lý cụ thể. Cách
thông thường là thực hiện các thử nghiệm biến dạng vào ảnh và đo lường tính mạnh mẽ của
nó trong một miền nào đó, từ đó chọn ra các hệ số được xem là manh mẽ.
3.1.5 Đảo nhiễu trong bộ dò
Trong hướng tiếp cận này, trước khi bộ dò trích Watermark từ ảnh mang, nó tìm và
phát hiện các xử lý đã thực hiện trên ảnh, đảo lại các xử lý đó nếu có thể. Sau cùng mới thực
hiện việc trích. Bước khó thực hiện nhất là xác định nhiễu nào đã xảy ra để thực hiện phép

biến đổi ngược. Trong trường hợp tệ nhật thì một thuật toán tìm vét cạn được chọn. Một số
thuật toán sử dụng ảnh gốc trong quá trình dò để tham khảo và phân tích so sánh với ảnh gốc
để phát hiện thay đổi.
25