Ứng dụng watermarking vào bảo vệ bản quyền

Abstract: Nowadays, the copyright protection problem of
digital works becomes the urgent and necessary
requirement. Therefore, the watermarking technology has
been interesting and developing rapid for the recent years
and expected to use more. Besides, the Wavelet transform
currently shows pre-eminent characteristics and is used in
the JPEG2000 compression standard. Based on these
approaches, the paper proposes a method of watermarking
approach for copyright protection applied to still images in
the DWT (Discrete Wavelet Transform) domain, finds out
the optimal parameters for embedding and detecting
watermarks and estimates its robustness in comparison
with the algorithm using the traditional DCT (Discrete
Fourier Transform). The paper uses two keys: one for
watermark and another for generating embedded multi-bits
to reinforce the security. Furthermore, lots of various
attacks such as the compression (JPEG and JPEG2000),
the filters (average, median, adaptive, sharpening,
Gaussian, etc) and the noise are investigated with different
type of images. The paper also presents the verification the
simulated results on the TMS320C6711 Digital Signal
Processor.
Keywords: Watermarking, DCT, Wavelets, DWT,
JPEG2000
I. TỔNG QUAN 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 - gọ
i 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 [1].
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 [4], [5]. Rõ ràng
trong ứng dụng này, thông tin nhúng cần phải bền
vững trước các thao tác nhằm loại bỏ chúng.

Hình 1. Sơ đồ nhúng watermark.
Giải pháp hiệu quả
dùng kỹ thuật watermarking
cho ứng dụng bảo vệ bản quyền ảnh số
An Efficient Watermarking Approach for Copyright
Protection Application of Digital Images

Lê Tiến Thường, Nguyễn Thanh Tuấn
Nhúng
watermar
k

Dữ liệu
bao phủ
Watermark
Dữ liệu
nhúng
Mã cá nhân
/công cộng

Hình 2. Sơ đồ khôi phục 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. Hình 1 trình bày quá
trình nhúng watermark tổng quát. 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 tăng
cường tính bảo mật, nghĩa là ngăn chặn những kẻ
không có bản quyền khôi phục hay phá hủy
watermark. Các hệ thống thự
c 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 được cho
ở Hình 2. 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.
Phụ thuộc vào mục đích và ứng dụng mà các yêu
cầu củ
a hệ thống watermarking được đặt ra. Với các
hệ thống thực tế, chúng đòi hỏi các yêu cầu sau:
− Tính không cảm thụ: các điều chỉnh gây ra do
nhúng watermark phải thấp hơn ngưỡng cảm thụ,
nghĩa là các mẫu dùng trong nhúng watermark chỉ
được phép thay đổi nhỏ.
−
Tính bền vững: đây là một yêu cầu nòng cốt của
watermarking.
− Khôi phục watermark cần hoặc không cần dữ liệu
gốc.
− Trích watermark hay kiể
m chứng sự tồn tại của
watermark.
− Các khoá và bảo mật watermark.
II. CƠ BẢN VỀ PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG CON
DÙNG TRONG WATERMARKING
Wavelets là các hàm được định nghĩa trong khoảng
hữu hạn và có giá trị trung bình bằng 0. Ý tưởng cơ
bản của phép biến đổi sóng con là khai triển hàm ƒ(t)
bất kỳ như một xếp chồng của các sóng con (wavelets)
hay các hàm cơ sở. Các hàm cơ sở này có được từ một
wavelet nguyên mẫu gọ
i là wavelet mẹ (mother
wavelet) bằng cách lấy tỉ lệ và dịch [2]. Trong thực tế

tính toán, biến đổi sóng con rời rạc thuận và nghịch
(DWT và IDWT) thường được thực hiện bởi phương
trình (1) và (2).

∫
+∞
∞−
−−
−= dtnbtatfa
mm
)()(n)(m,DWT
00
*2/
0f
ψ
(1)

∑∑
+∞
−∞=
+∞
−∞=
><=
mn
nmnm
tftf )(
~
,)(
,,
ψψ

(2)
trong đó,
ψ
(t) là hàm wavelet mẹ. Điều kiện
ψ
(t) là
một hàm thông dải đảm bảo sự tồn tại của biến đổi
sóng con ngược. Thông thường, người ta chọn a
0
=2
và b
0
=1.
Trong nhiều ứng dụng, sơ đồ dùng biến đổi sóng
con đã tỏ ra ưu thế so với biến đổi Fourier rời rạc DFT
(Discrete Fourier Transform) hay biến đổi cosine rời
rạc DCT truyền thống. Do đặc tính đa phân giải, sơ đồ
mã hoá Wavelets đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng
mà tính vô hướng và suy biến đóng vai trò quan trọng.
Minh chứng cho điều này là biến đổi sóng con đã
được dùng như một tiêu chuẩn trong nén JPEG2000.
Ngoài ra, tính
đa phân giải của Wavelets còn hữu ích
trong việc phân phối thông điệp vào đối tượng bao
phủ trong khi vẫn đảm bảo tính bền vững và chất
lượng hiển thị. Do đó, watermarking dùng DWT dự
báo sự sống còn của watermark sau tác động nén có
tổn hao JPEG2000 trong khi vẫn đảm bảo sự suy giảm
chất lượng ảnh cho phép. Tổng quát, biến đổi sóng
con thực hiện khai triển tần số - không gian đa tỉ lệ

củ
a một ảnh. Khai triển này tạo ra các hệ số xấp xỉ và
các hệ số chi tiết ngang, dọc và chéo. Quá trình khai
triển lại tiếp tục với các hệ số xấp xỉ ở các mức phân
tích cao hơn. Các hệ số xấp xỉ sau cùng chứa thông tin
về băng tần thấp nhất trong khi các hệ số chi tiết chứa
Phát hiện
watermark
Dữ liệu
nhúng
Watermark
Quyết định
watermark
Mã cá nhân
/công cộ
ng
thông tin về băng tần cao hơn.
III. GIẢI THUẬT THỰC HIỆN
Dựa trên giải thuật watermarking cho ảnh dạng
tường minh, watermark cộng ở miền DCT của Cox
[3], bài báo đưa ra một số cải tiến và thực hiện nhúng
watermark ở miền DWT theo sơ đồ dưới đây [6], [7].
Watermark được tạo ra từ bộ tạo số giả ngẫu nhiên
(PRN) với một khoá bí mật Key. Chiều dài watermark
N xác định mức độ tr
ải watermark vào dữ liệu. Trong
phần lớn trường hợp, chiều dài watermark càng lớn thì
độ mạnh watermark đòi hỏi càng nhẹ. Nhưng nói
chung, không có chiều dài watermark thích hợp cho
tất cả các ảnh.

Hình 3. Quá trình nhúng watermark.

Hình 4. Quá trình trích watermark.
Trong quá trình nhúng watermark, chúng ta thực
hiện DWT cho ảnh. Một tập các hệ số lớn nhất (có
chiều dài bằng chiều dài watermark) trong băng tần
thích hợp được trích ra và cộng với watermark theo
biểu thức (3).

* C C
'
W
α
+=
(3)
trong đó
a
là độ mạnh của watermark nhúng.
Từ biểu thức (3), quá trình trích watermark được
xác định như sau:

α
C)/-(C W
"'
=
(4)
trong đó C’’ là N hệ số DWT lớn nhất của ảnh
nhúng sau các tấn công (nếu có).
Cũng từ biểu thức (4) có thể thấy rằng các hệ số gốc

C cần thiết cho quá trình trích. Do đó, giải thuật này
thuộc dạng tường minh.
Khi có watermark trích, ta so sánh nó với watermark
gốc bằng cách đánh giá hệ số tương quan d.

( )
()
()
∑∑∑∑
====
∗=
N
j
j
N
i
i
N
i
ji
N
j
WWWWd
1
2
1
2
'
1
'

1
(5)
Giá trị của d trong tầm -1 tới 1. Giá trị này càng gần
1 nghĩa là mức độ tương quan giữa hai watermark
càng tốt. Bằng cách so sánh d với ngưỡng xác định
trước, có thể xác định liệu watermark có tồn tại hay
không. Bài báo sẽ khảo sát nhằm rút ra ngưỡng tối ưu
để đảm bảo tính tin cậy của quá trình nhúng và trích
watermark trước các tấn công khác nhau.
IV. KẾT QUẢ THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU
1. Tối ưu chuỗi watermark
Trước hết, bài báo khảo sát vi
ệc lựa chọn chuỗi
watermark. Đó là chuỗi các số ngẫu nhiên có phân bố
đều (uniform) hoặc phân bố chuẩn (normal hay còn
gọi là Gauss). Chiều dài của chuỗi watermark trong
quá trình khảo sát là 50, 100, 200, 300, 1000 và
10000.

Hình 5. Giá trị tương quan của các chuỗi watermark khác
nhau.
Hình 5 biểu diễn các giá trị tương quan trung bình
và tối đa khi khảo sát với 10000 chuỗi watermark
Tính
tương quan
PRN
Key
X
Y’
W’

W
d
C C’’
DWT
Trích
DWT
X
DWT
PRN
Y
α
Key W
C’
IDWT
khác nhau. Khi hai chuỗi watermark giống nhau, giá
trị tương quan bằng 1. Khi hai chuỗi watermark khác
nhau, giá trị tương quan càng gần 0 càng thể hiện tính
ngẫu nhiên của chuỗi watermark. Kết quả ở hình 5
cho thấy chuỗi ngẫu nhiên phân bố chuẩn cho kết quả
tốt hơn là phân bố đều và chiều dài watermark càng
lớn thì càng tốt. Tuy nhiên, khi chiều dài watermark
lớn thì khả năng nhúng nhiều bit sẽ thấp. Từ đó, bài
báo đề nghị dùng chuỗi watermark chiều dài 1000 có
dạng ngẫ
u nhiên phân bố chuẩn trong trường hợp
nhúng 1 bit.
2. Tối ưu các thông số miền Wavelets
Các thông số tối ưu cần xác định trong phương
pháp watermarking miền DWT là họ wavelets, mức
phân tích và băng tần nhúng (xấp xỉ hay chi tiết). Như

đã trình bày ở phần lý thuyết, quá trình phân tích
Wavelets một ảnh tạo ra băng tần xấp xỉ và các băng
tần chi tiết (dọc, ngang và chéo).
Có thể thấy rằng nếu chỉ dùng đại lượng khách
quan MSE (Mean Square Error) hay PSNR (Peak
Signal Noise Ratio) để
đánh giá thì quá trình
watermarking cho kết quả xấp xỉ nhau ở các băng tần
nhúng khác nhau. Tuy nhiên, khi xem xét mức độ cảm
thụ dùng HVS (Human Visual System) thì
watermarking ở băng tần xấp xỉ gây ra mức độ cảm
thụ có phần rõ hơn so với ở các băng tần chi tiết.
Chính vì vậy, trong nhiều giải thuật khác dùng phép
biến đổi sóng con, quá trình nhúng được thực hiện với
băng tần chi tiết để đảm bảo mức độ c
ảm thụ tốt nhất.
Tuy nhiên, nhúng watermark ở băng tần xấp xỉ sẽ bền
vững hơn trước những tấn công, nhất là các tấn công
nhằm loại bỏ thành phần tần số cao như nén hay lọc
nhiễu.
Bảng I. Giá trị MSE.
DCT
6.3005
DWT
xấp xỉ
DWT
ngang
DWT
dọc
DWT

chéo
Mức 1 6.2150 6.1344 6.1213 6.1020
Mức 2 6.2099 6.1960 6.2040 6.1978
Mức 3 6.2899 6.2897 6.2900 6.2897

(a) Ảnh gốc (b) Ảnh tách biên

(c) Ảnh sai biệt DCT (d) Xấp xỉ, mức 1

(e) Xấp xỉ, mức 3 (f) Chi tiết dọc, mức 3

(g) Chi tiết ngang 3 (h) Chi tiết chéo 3
Hình 6. Mức độ cảm thụ HVS của ảnh nhúng miền DCT và
miền DWT ở các băng tần.
Bảng II. Giá trị PSNR (dB).
DCT
35.30
DWT
xấp xỉ
DWT
ngang
DWT
dọc
DWT
chéo
Mức 1 35.35 35.41 35.42 35.43
Mức 2 35.36 35.37 35.36 35.36
Mức 3 35.30 35.30 35.30 35.30

Hình 7. Watermarking ở các băng tần khác nhau

trước nén JPEG2000.
Kết quả ở hình 7 cho thấy việc thực hiện
watermarking ở băng tần xấp xỉ làm cho quá trình
watermarking trở nên bền vững hơn so với khi thực
hiện ở các băng tần chi tiết. Mặt khác, qua đánh giá
chủ quan HVS về mức độ cảm thụ thì watermarking ở
băng tần xấp xỉ là chấp nhận được.
Tiếp theo, bài báo tiến hành xác định họ wavelets
tối ưu. Qua kết quả
khảo sát trình bày ở hình 8, họ
wavelets rbio1.5 cho kết quả tốt nhất trong trường hợp
tấn công nén JPEG.

Hình 8. Watermarking với các họ wavelets khác nhau trước
nén JPEG.
Rõ ràng mức phân tích ảnh hưởng trực tiếp đến độ
phân giải của biến đổi sóng con. Trong nhiều trường
hợp tấn công, việc thực hiện watermarking ở mức
phân tích càng cao, nghĩa là độ phân giải càng lớn hứa
hẹn cho kết quả bền vững hơn. Tuy nhiên, nếu mức
phân tích lớn sẽ làm giảm dung lượng bit thông tin
nhúng trong ảnh. Vì vậy, bài báo thực hiện nhúng với
mức phân tích bằng 3. Tóm lại, thông số tố
i ưu cho
việc thực hiện watermarking miền DWT là nhúng ở
băng tần xấp xỉ, họ wavelet song trực giao ngược
rbio1.5 và với mức phân tích 3.

(a) DCT (b) DWT
Hình 9. Ảnh sau watermaking.

3. So sánh giải thuật watermarking miền DCT và
DWT
Trước tiên, xem xét mức độ cảm thụ của ảnh sau
watermarking. Kết quả ở hình 9 cho thấy chất lượng
ảnh sau watermarking miền DCT và DWT đều chấp
nhận được. Kế đến, xem xét ảnh hưởng của các tấn
công khác nhau.

Hình 10. Giá trị tương quan sau tấn công.
Như đã phân tích ở phần trước, quá trình
watermarking càng bền vững khi giá trị tương quan
của watermark trích và watermark gốc càng gần 1.
Kết quả ở hình 10 cho thấy phương pháp
watermarking ở miền DWT bền vững hơn nhiều (giá
trị tương quan lớn hơn) so với thực hiện ở miền DCT,
nhất là trong các tấn công nén JPEG2000, lọc trung
bình, lọc Gaussian, lọc sắc nét và co dãn ảnh. Một
thông số khác để đánh giá độ tin cậy của hệ thống
watermarking là tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate).
Trong quá trình khôi phục watermark, xuất hiện hai
loại lỗi: lỗi không phát hiện được và lỗi phát hiện sai.
Rõ ràng khi chọn ngưỡng càng nhỏ thì lỗi không phát
hiện được sẽ giảm nhưng khi đó lỗi phát hiện sai sẽ
tăng và ngược lại. Dựa trên kết quả ở hình 5, do giá trị
tương quan lớn nhất giữa hai chuỗi ngẫu nhiên bất kì
có chiều dài 1000 xấp xỉ 0.2 nên ngưỡng lựa chọn là
0.2 nhằm đạt đượ
c lỗi phát hiện sai là nhỏ nhất.
Kết quả ở hình 11 với mức ngưỡng 0.2 cho thấy
trong trường hợp nhúng nhiều bit, phương pháp

watermarking miền DWT cho xác suất lỗi bit thấp hơn
so với phương pháp DCT, nghĩa là bền vững hơn
trước những tấn công.
Đặc biệt, ngay trong trường hợp kẻ tấn công biết rõ
giải thuật và thực hiện tấn công trực tiếp vào vùng
nhúng bằng cách nhúng thêm một thông tin khác vào
ảnh sau watermarking, đ
ây là dạng tấn công giao thức,
thì quá trình trích thông tin nhúng ban đầu vẫn thành
công ở miền DWT so với miền DCT. Kết quả được
trình bày ở hình12 (a) và (b).

Hình 11. Đồ thị tốc độ lỗi bit BER.

Hình 12. (a) Tấn công giao thức miền DCT.

Hình 12. (b) Tấn công giao thức miền DWT.
4. Kiểm chứng đánh giá kết quả trên DSP
TMS320C6711 của Texas Instrument.
Để kiểm chứng lại các kết quả ở phần mô phỏng ở
trên đồng thời nhằm mục đích xem xét khả năng đáp
ứng thời gian thực của giải thuật để có thể phát triển
giải thuật cho các ứng dụng đòi hỏi thời gian thực, bài
báo thực hiện quá trình watermarking trên phần cứng
DSP TMS 320C6711 theo lưu đồ ở
hình 13. Kết quả
khảo sát cho thấy, quá trình mô phòng và kiểm chứng
là hoàn toàn phù hợp đồng thời cũng cho thấy tính
khả thi của việc dùng phép biến đổi sóng con trong
các ứng dụng khác đòi hỏi thời gian thực của kỹ thuật

watermarking.
V. KẾT LUẬN
Tóm lại, qua quá trình khảo sát, có thể kết luận rằng
thực hiện watermarking trong miền DWT làm cho hệ
thống trở nên mạnh mẽ và bền vững hơn khi so sánh
với miền DCT truyền thống trong khi vẫn đảm bảo
yêu cầu về mức độ cảm thụ, đặc biệt là trong các tấn
công nén JPEG2000, lọc trung bình, lọc Gaussian, lọc
sắc nét và co dãn ảnh. Xét về mặt thời gian cũng như
độ phứ
c tạp thì việc thực hiện watermarking trong
miền DWT là hoàn toàn khả thi thông qua việc kiểm
chứng thành công trên kit DSP. Điều này mở ra một
hướng nghiên cứu dùng phép biến đổi sóng con trong
watermarking cho các ứng dụng đòi hỏi thời gian thực
như điều khiển và chống sao chép hay xác nhận lấy
dấu tay. Ngoài ra, từ kết quả này, có thể tiến hành
thực hiện watermarking cho chuỗi dữ liệu video với
một số điều ch
ỉnh hợp lý để đạt kết quả tốt hơn [8, 9].
Xa hơn, có thể kết hợp thực hiện với dữ liệu audio để
watermarking cho dữ liệu media.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Stefan Katzenbeisser and Fabien A. P. Petitcolas,
Information Hiding techniques for steganography and
digital watermarking, Security Technologies for the
World Wide Web, Rolf Oppliger, 1999.
[2] Martin Vetterli and Jelena Kovacevic, Wavelets and
Subband Coding, Prentice Hall 1995. ISBN
0−13−097080−8.

[3] Ingemar J. Cox, Joe Kilian, Tom Leighton, and Talal
G. Shamoon, Cox’s DCT,
additive, non-blind Image
Watermarking Algorithm,
Proceedings of the IEEE
International Conf. on Image
Processing, ICIP ’97, vol. 6,
page 1673-1687, Santa
Barbara, California, USA,
1997.
[4] Special issue on signal
processing for data hiding in
digital media and secure
content delivery, IEEE Trans
on Signal Processing, Vol.51,
No.4, ISSN 1053-587X,
04/2003.
[5] I. Cox, J. Bloom and M.
Miller, Digital Watermarking,
San Francisco, CA: Morgan Kaufmann, 2001.
[6] Yiwei Wang, John F. Doherty, and Robert E. Van
Dyck, A wavelet-based watermarking algorithm for
ownership verification of digital image, IEEE
Transactions on Image Processing, Vol. 11, No 2, Feb
2002.
[7] Chih-Wei Tang and Hsueh-Ming Hang, Fellow, IEEE,
A Feature-Based Robust Digital Image Watermarking
Scheme, IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.
51, No. 4, April 2003.
[8] Gerhard C. Langelaar, Iwan Setyawan, and Reginald

L. Lagendijk, Watermarking Digital Image and Video
Data, IEEE Signal Processing Magazine, Vol. 17, No.
5, September 2000.
[9] Nguyễn Thanh Tuấn, Lê Tiến Thường, Dùng biến đổi
Wavelets trong watermarking cho ứng dụng bảo vệ bản
quyền ảnh số, luận văn cao học Khoá 13 chuyên ngành
Vô tuyến điện tử, tr
ường Đại học Bách Khoa TP.HCM,
tháng 08-2004.
Ngày nhận bài 04/10/2004




Hình 13. Lưu đồ kiểm chứng trên DSP.
SƠ LƯỢC TÁC GIẢ
LÊ TIẾN THƯỜNG
Sinh năm 1957 tại TP. Hồ Chí
Minh.
Đã nhận bằng kỹ sư năm
1981, tiến sĩ năm 1998 tại Đại
học Tasmania, Australia ngành
Điện tử - Viễn thông, Được
phong Phó Giáo sư năm 2002.
Hiện công tác tại Khoa Điện -
Điện tử, Đại học Bách Khoa TP.
HCM.
Lĩnh vực nghiên cứu: Xử lý tín hiệu, Thông tin số,
xử lý tín hiệu radar, wavelets và ứng d
ụng, neural-

fuzzy systems.
Email:







NGUYỄN THANH TUẤN
Sinh năm 1979 tại TP.Hồ Chí
Minh.
Tốt nghiệp Đại học Bách
Khoa TP.HCM chuyên ngành
Điện tử-Viễn thông năm 2002.
Bảo vệ luận án Thạc sĩ ngành
Kỹ thuật vô tuyến điện tử tại
Đại học Bách Khoa TP.HCM
tháng 08 - 2004.
Hiện là cán bộ giảng dạy tại Khoa Điện-Điện tử,
Đại học Bách Khoa TP.HCM.
Lĩnh vực nghiên cứu: Xử
lý tín hiệu, Thông tin vô
tuyến, Mạch điện tử, Wavelets – Neural – Fuzzy.
Email: