giấu tin bền vững trong ảnh tiếp cận theo hướng mã sửa lỗi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG







MÃ VĂN DU







GIẤU TIN BỀN VỮNG TRONG ẢNH
TIẾP CẬN THEO HƯỚNG MÃ SỬA LỖI





LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG





MÃ VĂN DU







GIẤU TIN BỀN VỮNG TRONG ẢNH
TIẾP CẬN THEO HƯỚNG MÃ SỬA LỖI

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01



LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Tảo





Thái Nguyên - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, với sự ra đời và phát triển của mạng Internet, mọi ngƣời đều
có thể kết nối vào Internet, tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng thông qua
nhà cung cấp dịch vụ mạng.
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực
đặc biệt là trong lĩnh vực đa phƣơng tiện (multimedia) làm cho sự sản xuất,
quản lý và phân phối các sản phẩm này: hình ảnh, âm thanh… rất dễ dàng.
Cùng với sự phổ biến rộng rãi các mạng internet tốc độ cao làm cho quá trình
phân phối chúng trở nên rất nhanh chóng, dễ dàng, đem lại những thuận lợi to
lớn thông qua hệ thống thƣơng mại điện tử.
Với môi trƣờng mở và tiện nghi nhƣ thế, các hệ thống mạng hiện đại
trở thành phƣơng tiện phân phối tài liệu một cách nhanh chóng và kinh tế.
Tuy nhiên, việc phân phối một cách phổ biến các tài nguyên trên mạng hiện
nay luôn gặp phải nạn sao chép và sử dụng không hợp pháp nhƣ: Xâm phạm
bản quyền, truy cập trái phép, xuyên tạc, giả mạo thông tin…
Đứng trƣớc tình hình đó vấn đề về giấu thông tin hiện nay luôn nhận

đƣợc sự quan tâm đặc biệt trong nhiều lĩnh vực. Từ xa xƣa đã có nhiều cách
để giấu thông tin, một trong những phƣơng pháp dùng rất sớm để bảo vệ
quyền sở hữu đối với nội dung của các sản phẩm đa phƣơng tiện là mã hoá.
Nội dung của sản phẩm đó đƣợc mã hoá và gửi cho ngƣời sử dụng. Ngƣời sử
dụng chỉ đọc đƣợc các thông tin này khi nhận đƣợc khoá để giải mã đi kèm.
Phƣơng pháp mã hoá trên chỉ hiệu quả trong việc truyền thông tin nhƣng
không hiệu quả trong việc khi lấy lại thông tin. Sau khi ngƣời sử dụng đã giải
mã đƣợc thì sẽ nhân bản và phân phối lại sản phẩm đó. Ngày nay phƣơng
pháp giấu thông tin trong các sản phẩm đa phƣơng tiện đƣợc dùng phổ biến vì

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
ngoài vấn đề bảo mật còn bảo vệ bản quyền, chống sao chép bất hợp pháp,
chống truy cập trái phép, chống xuyên tạc, chống giả mạo thông tin…
2. Mục đích luận văn
Giấu tin là một lĩnh vực rộng lớn, trong luận văn này nghiên cứu các
kỹ thuật giấu tin trong ảnh rồi áp dụng sử dụng mã sửa lỗi Hamming
để khôi phục tin, một trong những vấn đề đƣợc ứng dụng khá rộng rãi. Để
thực hiện việc giấu tin trong ảnh, ý tƣởng cơ bản là khôi phục một số thuộc
tính bị lỗi đã tấn công lên ảnh của các điểm trên ảnh theo một số thuật toán
nhất định, nhằm đảm bảo rằng dữ liệu ảnh, về mặt thị giác, không sai khác so
với bản gốc, đồng thời, sau khi nhận đƣợc ảnh đích, sử dụng quy trình giải mã
với các khóa phù hợp, ta có thể trích đƣợc thông tin đã dấu.
3. Bố cục luận văn
Luận văn gồm: Phần mở đầu, ba chƣơng chính, phần kết luận
Chương 1: Tổng quan về giấu tin
Trình bày tổng quan về giấu tin, phân tích các yêu cầu đối với giấu tin
cho ảnh, trình bày một số yêu cầu đối với giấu tin trong ảnh. Bên cạnh đó
trình bày một số mô hình giấu tin và các ứng dụng của chúng, những đặc

trƣng và tính chất của giấu tin trong ảnh.
Chương 2: Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh
Trình bày về cấu trúc file ảnh bitmap, kỹ thuật đọc và xử lý file ảnh; nghiên
cứu, đánh giá một số thuật toán giấu tin trong ảnh; đi sâu nghiên cứu và trình bày
một thuật toán giấu tin trong miền không gian ảnh; mã sửa lỗi và khả năng ứng
dụng trong quá trình trích tin đã giấu trong ảnh sau khi bị tấn công.
Chương 3: Cài đặt và thử nghiệm nhúng thủy vân, tách thủy vân, đánh giá về tính
ẩn của thủy vân, tính bền vững của thủy vân trƣớc một số tấn công lên ảnh chứa.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN
1.1. Các khái niệm cơ bản về giấu tin
1.1.1. Định nghĩa giấu tin
Qua nghiên cứu các phƣơng pháp giấu tin, ta có thể định nghĩa nó nhƣ sau:
Giấu thông tin là kỹ thuật nhúng (embedding) một lƣợng thông tin số
nào đó vào trong một đối tƣợng dữ liệu số khác.
Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mã hoá
làm cho các thông tin hiện rõ là nó có đƣợc mã hoá hay không tức là giấu đi ý
nghĩa của thông tin còn, còn với giấu thông tin thì ngƣời ta sẽ khó biết đƣợc là
có thông tin giấu bên trong tức là giấu đi sự hiện diện của thông tin. Về bản chất
giấu tin gần với nén dữ liệu hơn. Tóm lại giấu tin và mã hóa có mối quan hệ mật
thiết với nhau, cùng xây dựng một hệ thống an toàn và bảo mật thông tin.
Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật
thông tin ở hai khía cạnh. Một là bảo mật cho giữ liệu đƣợc đem giấu
(embedded data), chẳng hạn nhƣ giấu tin mật: thông tin mật đƣợc giấu kỹ
trong một đối tƣợng khác sao cho ngƣời khác không phát hiện đƣợc
(steganography), hai là bảo mật cho chính đối tƣợng đƣợc dùng để giấu tin

(host data), chẳng hạn nhƣ ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc
thông tin (watermarking) Hai khía cạnh khác nhau này dẫn đến hai khuynh
hƣớng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin.
Khuynh hƣớng thứ nhất là giấu tin mật. Khuynh hƣớng này tập trung
vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu đƣợc nhiều và quan trọng là
ngƣời khác khó phát hiện đƣợc một đối tƣợng có bị giấu tin bên trong hay
không. Khuynh hƣớng thứ hai là thuỷ vân số. Khuynh hƣớng thuỷ vân số
đánh giấu vào đối tƣợng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện
xuyên tạc thông tin. Thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên đƣợc quan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật dành cho
khuynh hƣớng này.
1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin
Do kỹ thuật giấu thông tin số mới đƣợc hình thành trong thời gian gần
đây nên xu hƣớng phát triển chƣa ổn định. Nhiều phƣơng pháp mới, theo
nhiều khía cạnh khác nhau đang và chắc chắn sẽ đƣợc đề suất, bởi vậy một
định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chƣa thể có đƣợc. Sơ
đồ phân loại trên đƣợc Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm 1999.
Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hƣớng lớn là thủy vân số và giấu
tin mật [12]. Giấu tin mật quan tâm đến các ứng dụng sao cho ngƣời khác khó
phát hiện nhất việc có tin đƣợc giấu và nếu có phát hiện tin đƣợc giấu thì việc
giải tin cũng khó thực hiện nhất.
Phạm vi ứng dụng của thủy vân đa dạng hơn, tùy theo mục đích của hệ
thủy vân mà ngƣời ta lại chia thành các hƣớng nhỏ nhƣ thủy vân dễ vỡ và
thủy vân bền vững.

Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin (Petitcolas, 1999)

Giấu thông tin
Giấu tin mật
Thủy vân số
Thủy vân bền vững
Thủy vân dễ vỡ
Thủy vân ẩn
Thủy vân hiện
Thủy vân ẩn
Thủy vân hiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
Sơ đồ phân loại này nhƣ một bức tranh khái quát về ứng dụng và kỹ
thuật giấu thông tin. Dựa trên việc thống kê sắp xếp khoảng 100 công trình đã
công bố trên một số tạp chí, cùng với thông tin về tên và tóm tắt nội dung của
khoảng 200 công trình đã công bố trên Internet, có thể chia lĩnh vực giấu tin
ra làm hai hƣớng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số
Steganography (giấu tin, viết phủ) là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng
các mẩu tin mật vào một môi trƣờng phủ. Trong quá trình giấu tin để tăng bảo
mật có thể ngƣời ta dùng một khoá viết mật khi đó ngƣời ta nói về
Intrinsic Steganography (giấu tin có xử lý). Khi đó để giải mã ngƣời dùng
cũng phải có khoá viết mật đó. Chú ý rằng khoá này không phải là khoá dùng
để lập mật mã mẩu tin, ví dụ nó có thể là khoá để sinh ra hàm băm phục vụ rải
tin vào môi trƣờng phủ. Ngƣợc lại nếu không dùng khoá viết mật thì ngƣời ta
chỉ dấu tin đơn thuần vào môi trƣờng phủ thì khi đó ngƣời ta nói về Pure
Steganography (giấu tin đơn thuần).
Watermarking (thuỷ ấn) là kỹ thuật nhúng một lƣợng thông tin vào
trong ảnh môi trƣờng để xác định quyền sở hữu ảnh môi trƣờng, chống sự giả
mạo và xuyên tạc thông tin. Kích thƣớc của biểu tƣợng thƣờng nhỏ. Kỹ thuật

này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tƣợng khi ảnh môi trƣờng bị biến đổi
bởi các thao tác nhƣ lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy compression), hay
các biến đổi hình học. Tuy nhiên việc đảm bảo nguyên vẹn biểu tƣợng không
kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ thuật toán và có bộ giải mã
trong tay. Thông tin giấu là một định danh duy nhất, ví dụ định danh ngƣời
dùng thì khi đó ngƣời ta gọi là Fingerprinting.
Nếu nhƣ watermark (thủy vân, thủy ấn) quan tâm nhiều đến ứng dụng
giấu các mẩu tin ngắn nhƣng đòi hỏi độ bền vững lớn của thông tin cần giấu
(trƣớc các biến đổi thông thƣờng của tệp dữ liệu môi trƣờng) thì
steganography lại quan tâm tới ứng dụng che giấu các bản tin đòi hỏi độ bí

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
mật và dung lƣợng càng lớn càng tốt. Đối với từng hƣớng lớn này, quá trình
phân loại theo các tiêu chí khác có thể tiếp tục đƣợc thực hiện, ví dụ dựa theo
ảnh hƣởng các tác động từ bên ngoài có thể chia watermark thành hai loại,
một loại bền vững với các tác động sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính
chất hoàn toàn đối lập: dễ bị phá huỷ trƣớc các tác động nói trên. Cũng có thể
chia watermark theo đặc tính, một loại cần đƣợc che giấu để chỉ có một số
ngƣời tiếp xúc với nó có thể thấy đƣợc thông tin, loại thứ hai đối lập, cần
đƣợc mọi ngƣời nhìn thấy.
Xét về tính chất thuỷ ấn giống giấu tin ở chỗ tìm cách nhúng thông tin
mật vào một môi trƣờng. Nhƣng về bản chất thì thuỷ ấn có những nét khác ở
một số điểm:
Mục tiêu của thuỷ ấn là nhúng thông tin không lớn thƣờng là biểu
tƣợng, chữ ký hay các đánh dấu khác vào môi trƣờng phủ nhằm phục vụ việc
xác nhận bản quyền;
Khác với giấu tin ở chỗ giấu tin sau đó cần tách lại tin còn thuỷ ấn tìm
cách biến tin giấu thành một thuộc tính của vật mang;

Chỉ tiêu quan trọng nhất của một thuỷ ấn là tính bền vững, của giấu tin
là dung lƣợng.
Điểm khác nữa giữa thuỷ ấn và giấu tin là thuỷ ấn có thể vô hình hoặc
hữu hình trên ảnh mang.
Kỹ thuật giấu tin đƣợc áp dụng cho các loại dữ liệu ảnh, audio, vidio.
Chức năng của giấu tin trong ảnh sẽ khác nhau tuỳ theo các hình thức xâm
phạm dữ liệu ảnh.
Ảnh bị vi phạm bản quyền: nội dung của ảnh giống với nội dung ảnh
bản quyền nhƣng chúng đƣợc dùng với mục đích mà tác giả không cho phép.
Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải
có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem hay

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hƣởng lớn
nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ
vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không
đƣợc phép của ngƣời chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huỷ sản phẩm.
Ảnh bị sửa đổi: nội dung của ảnh bị xuyên tạc. Trong trƣờng hợp này
giấu tin có tác dụng phân biệt ảnh bản quyền với ảnh bị sửa đổi nội dung. Áp
dụng các bƣớc tách tin giống nhau với các ảnh khác nhau, ta sẽ tách đƣợc dấu
bản quyền đã đƣợc đăng ký trƣớc đối với ảnh bị xuyên tạc.
Hầu hết giấu tin đƣợc gắn cho ảnh là giấu không nhìn thấy nhƣng trên
thực tế tồn tại một loại giấu tin có thể nhìn thấy, chúng không trong suốt hoàn
toàn.Tuy nhiên trong luận văn này em chỉ đề cập tới hệ thống nhúng thủy vân.
1.1.3. Vài nét về lịch sử giấu tin
Các kỹ thuật giấu tin đã đƣợc đề xuất và sử dụng từ xa xƣa, và sau này
đã đƣợc phát triển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực. Từ Steganography bắt nguồn
từ Hi-Lạp với ý nghĩa là tài liệu đƣợc phủ (covered writing). Các câu chuyện

kể về kỹ thuật giấu thông tin đƣợc truyền qua nhiều thế hệ. Có lẽ những ghi
chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin (thông tin đƣợc hiểu theo nghĩa
nguyên thủy của nó) thuộc về sử gia Hy-Lạp Herodotus. Khi bạo chúa Hy-
Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm trƣớc Công
nguyên, ông ta đã gửi một thông báo bí mật cho con rể của mình là
Aristagoras ở Miletus. Histiaeus đã cạo trọc đầu của một nô lệ tin cậy và xăm
một thông báo trên da đầu của ngƣời nô lệ ấy. Khi tóc của ngƣời nô lệ này
mọc đủ dài ngƣời nô lệ đƣợc gửi tới Miletus.
Một câu chuyện khác về thời Hy-Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại.
Môi trƣờng để ghi văn bản chính là các viên thuốc đƣợc bọc trong sáp ong.
Demeratus, một ngƣời Hy-Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định
xâm chiếm Hy-Lạp. Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại
các viên thuốc bằng một lớp sáp mới. Những viên thuốc đƣợc để ngỏ và lọt
qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng.
Mực không màu là phƣơng tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong
một thời gian dài. Ngƣời Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có nhƣ
nƣớc quả, nƣớc tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn
tự thông thƣờng. Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên
sẫm màu và có thể đọc dễ dàng.
Ý tƣởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trƣớc nhƣng
kỹ thuật này đƣợc dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo.
Mãi cho tới vài thập niên gần đây, giấu thông tin mới nhận đƣợc sự quan tâm
của các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với hàng loạt công
trình nghiên cứu giá trị. Cuộc cách mạng số hoá thông tin và sự phát triển
nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay

đổi này. Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửa đổi
tinh vi, cộng với sự lƣu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phƣơng
tiện đã sinh ra nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất
hợp pháp, xuyên tạc trái phép
1.1.4. Các yêu cầu đối với giấu tin trong ảnh
Mục đích của giấu tin cho ảnh là bảo vệ bản quyền cho chủ sở hữu ảnh.
Những yêu cầu cơ bản đối với giấu tin cho ảnh là:
Tính ẩn của tin giấu đƣợc chèn vào ảnh: Sự hiện diện của tin giấu trong
ảnh không làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng của ảnh đã chèn tin;
Tính bền của tin giấu: Cho phép các tin có thể tồn tại đƣợc qua các
phép biến đổi ảnh, biến dạng hình học hay các hình thức tấn công cố ý khác;
Tính an toàn: không thể xoá đƣợc tin ra khỏi ảnh trừ khi ảnh đƣợc biến
đổi tới mức không còn mang thông tin.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Tính ẩn của tin là một yêu cầu rất quan trọng của phƣơng pháp giấu
tin. Nếu tính ẩn của tin không đƣợc đảm bảo thì không những nó làm ảnh
hƣởng tới chất lƣợng của ảnh mà còn dễ dàng tạo điều kiện cho các hình thức
tấn công nhằm loại bỏ tin ra khỏi ảnh. Với ảnh đƣợc đánh dấu một cách lý
tƣởng, ảnh có bản quyền và ảnh gốc sẽ không thể phân biệt đƣợc bằng mắt
thƣờng. Nhƣ vậy giá trị của bức ảnh sẽ không bị thay đổi và việc các tin nhƣ
vậy sẽ là rào cản lớn cho những kẻ phá hoại trong việc cố gắng xoá hoặc sửa
đổi các thông tin về bản quyền ảnh. Trên thực tế khi chèn tin vào ảnh thì ảnh
kết quả và ảnh gốc sẽ có những sai khác, để không thể nhận ra đƣợc những
thay đổi về nội dung dữ liệu này, ngƣời ta thƣờng khai thác các đặc điểm về
khả năng cảm thụ của mắt ngƣời.
Tính bền của giấu tin liên quan đến việc tách tin từ ảnh có bản quyền
một ảnh sau khi đƣợc đánh dấu có thể đƣợc đem ra xử lý để phục vụ cho các

mục đích khác nhau nhƣ nén ảnh, biến đổi hình học, lọc ảnh cải thiện ảnh, các
biến đổi cố tình để xoá dấu tin ra khỏi ảnh,…v.v. Vấn đề đƣợc đặt ra liệu sau
khi ảnh bị xử lý ta còn có thể tách đƣợc lƣợng tin ra khỏi ảnh không và tách
đƣợc thì chất lƣợng của tin có đảm bảo tin cậy không nhƣ ta đã biết khi chèn
một dấu ẩn vào ảnh thì trƣớc hết phải đảm bảo tính ẩn của nó, nói cách khác
thông tin về dấu ẩn có năng lƣợng rất nhỏ so với thông tin ảnh. Mặt khác để
tăng tính bền cho dấu ẩn ta phải tăng năng lƣợng của thông tin dấu ẩn đƣợc
chèn vào ảnh điều này đối nghịch với yêu cầu của tính ẩn. Do vậy việc đảm
bảo sự tồn tại của dấu ẩn trong ảnh cũng giống nhƣ việc đảm bảo truyền tín
hiệu có năng lƣợng nhỏ trong môi trƣờng có nhiễu lớn. Đây là cơ sở để áp
dụng các phƣơng pháp xử lí tín hiệu số trong chèn dấu ẩn.
Trong trƣờng hợp một ảnh đƣợc chèn nhiều ký hiệu bản quyền thì các
ký hiệu này phải đảm bảo có thể phân biệt đƣợc. Tuy nhiên việc tăng số
lƣợng các dấu ẩn cũng đồng nghĩa với việc tăng lƣợng của các thông tin đƣợc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
chèn vào ảnh do đó tính ẩn của ảnh cũng bị ảnh hƣởng theo chiều hƣớng
giảm. Tóm lại các yêu cầu đặt ra đối với đánh dấu ẩn cho ảnh có chiều hƣớng
xung đột nhau, nếu thoả mãn tốt yêu cầu này thì không đáp ứng đƣợc yêu cầu
kia và ngƣợc lại. Qua đó ta có kết luận rằng không thể có mô hình đánh dấu
ẩn nào cho ảnh một cách lí tƣởng. Để có đƣợc một phƣơng pháp đánh dấu ẩn
ảnh hợp lý, ngƣời ta thƣờng đƣa ra hệ số cân đối và tuỳ theo những yêu cầu
cụ thể, hệ số cân đối này sẽ đƣợc chọn thích hợp.
1.1.5. Mô hình Kỹ thuật giấu tin
Hệ thống giấu tin nói chung bao gồm 2 phần chính: Nhúng tin và tách
tin (Hình 1.2). Giai đoạn nhúng tin, các thông tin khoá và thông tin giấu đƣợc
chèn vào ảnh gốc để đƣợc ảnh có bản quyền. Giai đoạn tách tin, dữ liệu khoá
(bí mật) và hoặc ảnh gốc (ảnh không chèn tin) sẽ làm dữ liệu cơ sở để tách tin

từ ảnh có bản quyền.





a. Nhúng tin

b. Tách tin
Hình 1.2. Quá trình nhúng tin và tách tin

Tách tin
Ảnh gốc
Khóa K
Ảnh bản quyền
Tin
Nhúng tin
Mẫu tin mật
Khóa K
Ảnh gốc
Ảnh bản quyền

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
Mẩu tin mật - có thể là văn bản hoặc tệp ảnh hay bất kỳ một tệp nhị
phân nào, vì quá trình xử lý chúng ta đều chuyển chúng thành chuỗi các bit;
Ảnh phủ hay ảnh gốc - ảnh đƣợc dùng để làm môi trƣờng nhúng tin
mật;
Khoá K - khoá mật tham gia vào quá trình giấu tin, tăng tính bảo mật;

Ảnh bản quyền - là ảnh sau khi đã nhúng tin mật vào đó.
Khoá k trong hệ giấu tin trên là để đảm bảo tính bí mật của tin giấu
chống lại các hình thức khai thác quy luật về thông tin đƣợc chèn vào ảnh.
Đây là hình thức bảo vệ an toàn cho ảnh bản quyền trƣớc các hình thức tấn
công cố ý nhằm xoá tin giấu ra khỏi ảnh.
1.1.6. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin
Bảo vệ bản quyền tác giả. Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật
thủy vân số. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả gọi là
thủy vân sẽ đƣợc nhúng vào trong các sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình
chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và đƣợc dùng làm minh chứng cho
bản quyền sản phẩm. Giả sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phƣơng tiện
nhƣ ảnh, âm thanh, video và cần đƣợc lƣu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản
phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để
“ gián tem bản quyền ” vào sản phẩm này. Việc gián tem hay chính là việc
nhúng thủy vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hƣởng đáng kể nào
đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy
vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà
không đƣợc phép của ngƣời chủ sở hữu thì chí có cách là phá hủy sản phẩm.
Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin. Một tập các thông
tin sẽ đƣợc giấu trong phƣơng tiện chứa sau đó đƣợc sử dụng để nhận biết
xem dữ liệu trên phƣơng tiện gốc đó có bị thay đổi không. Các thủy vân nên
đƣợc ẩn để tránh sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa việc làm giả các thủy vân hợp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần đƣợc xem xét. Trong các ứng dụng
thực tế ngƣời ta mong muốn tìm đƣợc vị trí bị xuyên tạc cũng nhƣ phân biệt
đƣợc các thay đổi. Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu
thông tin cao và thủy vân không cần bền vững.

Giấu vân tay hay dán nhãn. Thủy vân trong những ứng dụng này đƣợc
sử dụng để nhận diện ngƣời gửi hay ngƣời nhận của một thông tin nào đó. Ví
dụ các vân khác nhau sẽ đƣợc nhúng vào các bản sao khác nhau của thông tin
gốc trƣớc khi chuyển cho nhiều ngƣời. Với ứng dụng này thì yêu cầu là đảm
bảo độ an toàn cao cho các thủy vân tránh sự xóa dấu vết trong khi phân phối.
Kiểm soát sao chép. Các thủy vân trong trƣờng hợp này đƣợc sử dụng
để kiểm soát sao chép đối với các thông tin. Các thiết bị phát ra thủy vân
thƣờng đƣợc gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc/ghi. Ví dụ nhƣ hệ thống
quản lý sao chép DVD đã đƣợc ứng dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại này cũng
yêu cầu thủy vân phải đƣợc đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phƣơng pháp
phát hiện thủy vân đã giấu mà không cần thông tin gốc.
Giấu tin mật. Các thông tin giấu đƣợc trong trƣờng hợp này càng nhiều
càng tốt, việc giải mã để nhận đƣợc thông tin cũng không cần phƣơng tiện
chứa ban đầu. Các yêu cầu mạnh về chống tấn công của kẻ thù không cần
thiết lắm thay vào đó là thông tin giấu phải đảm bảo tính ẩn.
1.2. Giấu tin trong ảnh đặc trƣng và tính chất
1.2.1. Mục đích của giấu thông tin
Bảo mật thông tin bằng giấu tin có hai khía cạnh.
Một là bảo mật cho dữ liệu đem giấu (embedded data), chẳng hạn nhƣ
giấu tin mật: thông tin mật đƣợc giấu kỹ trong một đối tƣợng khác sao cho
ngƣời khác không phát hiện đƣợc (steganography).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
Hai là bảo mật chính đối tƣợng đƣợc dùng để giấu dữ liệu vào (host
data), chẳng hạn nhƣ ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông
tin (watermarking)
1.2.2. Bảo vệ bản quyền tác giả (Copyright protection)
Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số. Một thông tin

nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (ngƣời ta gọi nó là thuỷ vân -
watermark) sẽ đƣợc nhúng vào trong các sản phẩm, thuỷ vân đó chỉ một mình
ngƣời chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và đƣợc dùng làm minh
chứng cho bản quyền sản phẩm.
Giả sử có một file dữ liệu dạng đa phƣơng tiện nhƣ ảnh, âm thanh,
video cần đƣợc lƣu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại hành
vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền”
vào sản phẩm này. Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải
đảm bảo không để lại một ảnh hƣởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm.
Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng
với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không đƣợc phép của ngƣời chủ sở
hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm.
1.2.2.1. Nhận thực thông tin (authentication and tamper detection)
Một tập thông tin sẽ đƣợc giấu trong phƣơng tiện chứa, sau đó đƣợc sử
dụng để nhận biết xem dữ liệu trên phƣơng tiện gốc có bị thay đổi hay không.
Các thuỷ vân nên đƣợc ẩn để tránh sự tò mò của đối phƣơng, hơn nữa việc
làm giả các thuỷ vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần xem xét.
Trong các ứng dụng thực tế, ngƣời ta mong muốn tìm đƣợc vị trí bị
xuyên tạc cũng nhƣ phân biệt đƣợc các thay đổi (ví dụ nhƣ phân biệt xem một
đối tƣợng đa phƣơng tiện chứa thông tin giấu đã bị thay đổi, xuyên tạc nội
dung hay là chỉ bị nén mất dữ liệu). Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là
khả năng giấu thông tin cao và thuỷ vân không cần bền vững.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
1.2.2.2. Điều khiển truy cập (copy control)
Các thiết bị phát hiện thuỷ vân (ở đây sử dụng phƣơng pháp phát hiện
thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc) đƣợc gắn sẵn vào trong các hệ
thống đọc ghi, tùy thuộc vào việc có thủy vân hay không để điều khiển (cho

phép/cấm) truy cập. Ví dụ nhƣ hệ thống quản lí sao chép DVD đã đƣợc ứng
dụng ở Nhật.
1.2.2.3. Truyền thông tin mật (steganography)
Các thông tin giấu đƣợc trong những trƣờng hợp này càng nhiều càng tốt.
Việc giải mã để nhận đƣợc thông tin cũng không cần phƣơng tiện chứa gốc.
1.2.3. Những đặc trƣng và tính chất
Giấu tin trong chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin, vì vậy
mà các kỹ thuật giấu tin phần lớn cũng tập trung vào các kỹ thuật giấu tin
trong ảnh. Các phƣơng tiện chứa khác nhau thì cũng sẽ có các kỹ thuật giấu
khác nhau. Đối tƣợng ảnh là một đối tƣợng dữ liệu tĩnh có nghĩa là dữ liệu tri
giác không biến đổi theo thời gian. Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, mỗi định
dạng có những tính chất khác nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thƣờng
chú ý những đặc trƣng và các tính chất cơ bản sau đây:
1.2.3.1. Phƣơng tiện có chứa dữ liệu tri giác tĩnh
Dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu tĩnh, dù đã giấu thông tin vào trong ảnh
hay chƣa thì khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo
thời gian, điều này khác với dữ liệu âm thanh và dữ liệu băng hình vì khi ta
nghe hay xem thì dữ liệu gốc sẽ thay đổi liên tục với tri giác của con ngƣời
theo các đoạn, các bài hay các cảnh…
1.2.3.2. Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh
Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau. Chẳng hạn đối
với ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh màu ta cũng có những kỹ thuật riêng cho
từng loại ảnh có những đặc trƣng khác nhau.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
1.2.3.3. Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con ngƣời
Giấu tin trong ảnh ít nhiều cũng gây ra những thay đổi trên dữ liệu ảnh
gốc. Dữ liệu ảnh đƣợc quan sát bằng hệ thống thị giác của con ngƣời nên các

kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là những thay đổi trên ảnh
phải rất nhỏ sao cho bằng mắt thƣờng khó nhận ra đƣợc sự thay đổi đó vì có
nhƣ thế thì mới đảm bảo đƣợc độ an toàn cho thông tin giấu. Rất nhiều các kỹ
thuật đã lợi dụng các tính chất của hệ thống thị giác để giấu tin chẳng hạn nhƣ
mắt ngƣời cảm nhận về sự biến đổi về độ chói kém hơn sự biến đổi về màu
hay cảm nhận của mắt về màu xanh da trời kém nhất trong ba màu cơ bản.
1.2.3.4. Giấu thông tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhƣng không
thay đổi kích thƣớc ảnh
Các thuật toán thực hiện công việc giấu thông tin sẽ đƣợc thực hiện
trên dữ liệu của ảnh. Dữ liệu ảnh bao gồm phần header, bảng màu (có thể có)
và dữ liệu ảnh. Do vậy mà kích thƣớc ảnh trƣớc hay sau khi giấu thông tin là
nhƣ nhau.
1.2.3.5. Đảm bảo chất lƣợng sau khi giấu tin
Đây là một yêu cầu quan trọng đối với giấu tin trong ảnh. Sau khi giấu
tin bên trong, ảnh phải đảm bảo đƣợc yêu cầu không bị biến đổi để có thể bị
phát hiện dễ dàng so với ảnh gốc. Yêu cầu này dƣờng nhƣ khá đơn giản đối
với ảnh màu hoặc ảnh xám bởi mỗi điểm ảnh đƣợc biểu diễn bởi nhiều bit,
nhiều giá trị và khi ta thay đổi một giá trị nhỏ nào đó thì chất lƣợng ảnh thay
đổi không đáng kể, thông tin giấu khó bị phát hiện, nhƣng đối với ảnh đen
trắng mỗi điểm ảnh chỉ là đen hoặc trắng, và nếu ta biến đổi một bit từ trắng
thành đen và ngƣợc lại mà không khéo thì sẽ rất dễ bị phát hiện. Do đó, yêu
cầu đối với các thuật toán giấu thông tin trong ảnh màu hay ảnh xám và giấu
thông tin trong ảnh đen trắng là khác nhau. Trong khi đối với ảnh màu thì các
thuật toán chú trọng vào việc làm sao giấu đƣợc càng nhiều thông tin càng tốt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
thì các thuật toán áp dụng cho ảnh đen trắng lại tập trung vào việc làm thế nào
để thông tin giấu khó bị phát hiện nhất.

1.2.3.6. Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên ảnh
Vì phƣơng pháp giấu thông tin trong ảnh dựa trên việc điều chỉnh các
giá trị của các bit theo một quy tắc nào đó và khi giải mã sẽ theo các giá trị đó
để tìm đƣợc thông tin giấu. Theo đó, nếu một phép biến đổi nào đó trên ảnh
làm thay đổi giá trị của các bit thì sẽ làm cho thông tin giấu bị sai lệch. Nhờ
đặc điểm này mà giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thực và phát hiện
xuyên tạc thông tin [2].
1.2.3.7. Vai trò của ảnh gốc khi giải tin
Các kỹ thuật giấu tin phải xác định rõ ràng quá trình lọc ảnh để lấy
thông tin giấu cần đến ảnh gốc hay không cần. Đa số các kỹ thuật giấu tin mật
thì thƣờng không cần ảnh gốc để giải mã. Thông tin đƣợc giấu trong ảnh sẽ
đƣợc mang cùng với dữ liệu ảnh, khi giải mã chỉ cần ảnh đã mang thông tin
giấu mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu.
1.3. Môi trƣờng giấu tin
Kỹ thuật giấu tin đã đƣợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiều môi
trƣờng dữ liệu khác nhau nhƣ trong dữ liệu đa phƣơng tiện (text, image,
audio, video), trong sản phẩm phần mềm và gần đây là những nghiên cứu trên
môi trƣờng cơ sở dữ liệu quan hệ. Trong các môi trƣờng dữ liệu đó thì dữ liệu
đa phƣơng tiện là môi trƣờng chiếm tỉ lệ chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin.
1.3.1. Giấu tin trong ảnh
Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất
trong các chƣơng trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa
phƣơng tiện bởi lƣợng thông tin đƣợc trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa
giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong các
hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin nhƣ: nhận thực thông tin, bảo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật. Vì vậy vấn đề

giấu tin trong ảnh này đang đƣợc quan tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu.
Thông tin sẽ đƣợc giấu cùng với dữ liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh ít bị
thay đổi và không thể nhận biết đƣợc bằng thị giác của con ngƣời, nó chỉ có
thể bị phát hiện bởi “thị giác máy”.
Ngày nay, khi ảnh số đã đƣợc sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin
trong ảnh đã đem lại rất nhiều những ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh
vực trong đời sống xã hội thì việc nhận thực chữ kí số, xác thực thông tin đã
trở thành một vấn đề cực kì quan trọng khi mà việc ăn cắp thông tin hay
xuyên tạc thông tin bởi các tin tặc đang trở thành một vấn nạn đối với
bất kì quốc gia nào, tổ chức nào.
Một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thông tin đƣợc giấu
trong ảnh một cách vô hình, nó nhƣ là một cách mà truyền thông tin mật cho
nhau mà ngƣời khác không thể biết đƣợc bởi sau khi giấu thông tin thì chất
lƣợng ảnh gần nhƣ không thay đổi đặc biệt đối với ảnh mầu hay ảnh xám.
1.3.2. Giấu tin trong audio
Giấu thông tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu
thông tin trong các đối tƣợng đa phƣơng tiện khác. Một trong những yêu cầu
cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin đƣợc giấu đồng thời
không làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng của dữ liệu gốc.
Để đảm bảo yêu cầu này, kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh phụ thuộc
vào hệ thống thị giác của con ngƣời HVS (Human Vision System) còn kỹ
thuật giấu thông tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS
(Human Auditory System).
Một vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống thính giác của con ngƣời nghe
đƣợc các tín hiệu ở các giải tần rộng và công suất lớn nên đã gây khó dễ đối
với các phƣơng pháp giấu tin trong audio. Nhƣng thật may là HAS lại kém
trong việc phát hiện sự khác biệt các giải tần và công suất điều này có nghĩa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu đƣợc các âm thanh nhỏ thấp
một cách dễ dàng. Các mô hình phân tích tâm lý đã chỉ ra điểm yếu trên và
thông tin này sẽ giúp ích cho việc chọn các audio thích hợp cho việc giấu tin.
Vấn đề khó khăn thứ hai đối với giấu thông tin trong audio là kênh
truyền tin. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng
thông tin sau khi giấu.
Giấu thông tin trong audio đòi hỏi yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và
tính an toàn của thông tin. Các phƣơng pháp giấu thông tin trong audio đều
lợi dụng điểm yếu trong hệ thống thính giác của con ngƣời.
1.3.3. Giấu thông tin trong video
Cũng giống nhƣ giấu thông tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong
video cũng đƣợc quan tâm và đƣợc phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng
nhƣ điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thông tin và bảo vệ bản quyền
tác giả. Các kỹ thuật giấu tin trong video cũng đƣợc phát triển mạnh mẽ và
cũng theo hai khuynh hƣớng là thuỷ vân số và data hiding.
Một phƣơng pháp giấu tin trong video đƣợc đƣa ra bởi Cox là phƣơng
pháp phân bố đều. Ý tƣởng cơ bản của phƣơng pháp là phân phối thông tin
giấu dàn trải theo tần số của dữ liệu chứa gốc.
Một số nhà nghiên cứu khác đã dùng những hàm Cosin riêng và các
hệ số truyền sóng riêng để giấu tin. Trong các thuật toán khởi nguồn thì
thƣờng các kỹ thuật cho phép giấu các ảnh vào trong video nhƣng thời gian
gần đây các kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video.
Giấu tin là một công nghệ mới rất phức tạp, nó đang đƣợc các nhà khoa
học tập trung nghiên cứu ở nhiều nƣớc trên thế giới. Tuy nhiên, những
kết quả thực nghiệm cho thấy để thực sự ứng dụng thực tế thì lĩnh vực này
cần phải có thêm thời gian để nghiên cứu và thẩm định.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
1.4. Các tấn công trên hệ giấu tin
Dữ liệu chứa sau khi đƣợc nhúng tin có thể chịu một số tấn công. Các
tấn công này có thể làm sai lệch một phần hoặc toàn bộ tin giấu.
1.4.1. Lấy lại mẫu
Tấn công này làm thay đổi cấu trúc lƣu trữ của file dữ liệu gốc. Một
mẫu tin giấu trong file mới sẽ đƣợc lƣu lại bằng một số bit có thể nhiều hoặc
ít hơn so với trong file gốc.
1.4.2. Lọc thông
Phƣơng pháp này chỉ chọn lại tần số của dữ liệu thỏa điều kiện nằm
trong một ngƣỡng nào đó. Các phƣơng pháp giấu trên miền tần số sẽ bị ảnh
hƣởng nếu chịu các tấn công loại này
1.4.3. Thêm nhiễu
Tấn công này đƣợc thực hiện bằng cách thêm các tín hiệu nhiễu vào trong
dữ liệu chứa, dẫn đến khi giải tin ngƣời nhận sẽ nhận lại tin sai với tin giấu.
1.4.4. Biến đổi D/A - A/D
Tấn công này thực hiện bằng cách biến đổi C’ từ dạng số sang dạng
analog sau đó thực hiện đổi analog sang lại số, và kết quả là đƣợc C” có thể
khác C’.
Ngoài ra còn các tấn công khác nhƣ nén, lƣợng tử hóa… Các tấn công
trên các hệ giấu tin có thể làm cho tin giấu nhận đƣợc khi giải tin bị sai. Để
kiểm chứng lại tin giấu có bị sai không khi giải tin, ta có thể kết hợp các kĩ
thuật mã hóa cho phép phát hiện và sửa lỗi nhƣ kỹ thuật sử dụng mã
Hamming để mã hóa tin giấu trƣớc khi nhúng vào trong dữ liệu chứa.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
CHƢƠNG 2

MỘT SỐ KĨ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH
Thuỷ vân ẩn bền vững trên ảnh hƣớng đến mục đích chính là bảo vệ bản
quyền các bức ảnh số. Trong chƣơng này, em xin trình bày một số kỹ thuật
thuỷ vân trên miền tần số của ảnh sử dụng phép biến đổi cosin rời rạc, mã sửa
lỗi Hamming và đề xuất mô hình hệ thống thủy vân sử dụng kết hợp mã sửa
lỗi Hamming và phép biến đổi cosin rời rạc.
2.1. Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi cosin rời rạc
Chƣơng 1 đã trình bày những khái niệm cơ bản của một hệ thống thuỷ
vân. Miền ứng dụng của thuỷ vân rất lớn và mỗi ứng dụng có những yêu cầu
về tính năng khác nhau. Nghệ thuật của thuỷ vân số chính là lựa chọn công
nghệ tuỳ theo ứng dụng. Có nhiều các yếu tố khác nhau liên quan đến việc lựa
chọn những giải pháp cho thuỷ vân số nhƣ là: bảo mật, yếu tố tri giác, độ bền
vững, độ phức tạp, cần phải cân bằng giữa các yếu tố.
2.1.1. Phép biến đổi cosin rời rạc
Biến đổi Cosin rời rạc viết tắt là DCT (Discrete Cosine Transform) do
Ahmed và các đồng nghiệp của ông đƣa ra vào năm 1974. Từ đó cho đến nay,
nó đƣợc sử dụng rất phổ biến trong nhiều kỹ thuật xử lí ảnh số. Trong các kỹ
thuật thuỷ vân ảnh dựa trên phép biến đổi dữ liệu ảnh sang miền tần số thì
phép biến đổi DCT đƣợc sử dụng nhiều nhất. Lí do ở đây là phép biến đổi
DCT đã đƣợc dùng trong dạng chuẩn JPEG. Nếu áp dụng DCT cũng theo
chuẩn của JPEG và do đó sẽ tránh đƣợc mất thủy vân do phép nén JPEG.
Định nghiã biến đổi cosine rời rạc hai chiều
Biến đổi DCT hai chiều tổng quát là biến đổi trên khối hai chiều bất kỳ
MxN, trong đó các khối kích thƣớc 8x8, 16x16 đƣợc sử dụng nhiều nhất. Tuy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
nhiên, chúng ta sẽ tìm hiểu phép biến đổi DCT trên khối 8x8 đƣợc sử dụng
trong chuẩn nén ảnh JPEG.

- Phép biến đổi thuận DCT 8x8 đƣợc định nghĩa nhƣ sau:


, 

=




()
4

7
=0
X

, 

cos(
(2+ 1)
16
)
7
=0
cos
(2+ 1)
16

I(u,v) đƣợc gọi là hệ số DCT là số thực.

- Phép biến đổi ngƣợc IDCT đƣợc định nghĩa nhƣ sau:


, 

= 
7
=0
I

, 

cos(
(2+ 1)
16
)
7
=0
cos
(2+ 1)
16

ở đây 0  k, l, u, v  7 và (u) =

1
2
u > 0
1 u = 0


(u) =

1
2
v > 0
1 v = 0


2.1.1.1. Đặc điểm của phép biến đổi DCT trên ảnh hai chiều
Biến đổi DCT trên ảnh thể hiện đặc tính nội dung về tần số của thông tin
ảnh. Hệ số góc trên là lớn và đặc trƣng cho giá trị trung bình thành phần một
chiều gọi là hệ số DC, còn các hệ số khác có giá trị nhỏ hơn biểu diễn cho các
thành phần tần số cao theo hƣớng ngang và theo hƣớng thẳng đứng gọi là các
hệ số AC.

Hình 2.1. Ảnh gốc và năng lƣợng phân bố của ảnh qua phép biến đổi DCT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22
 Bản thân biến đổi DCT không nén đƣợc dữ liệu.
 Theo nguyên lý chung, khi biến đổi chi tiết giữa các điểm ảnh càng
lớn theo một hƣớng nào đó trong khối các điểm ảnh, hƣớng ngang,
hƣớng thẳng đứng hay theo đƣờng chéo, thì tƣơng ứng theo các
hƣớng đó, các hệ số biến đổi DCT cũng lớn.
Tóm lại, DCT làm giảm độ tƣơng quan không gian của thông tin trong
khối ảnh. Điều đó cho phép biểu diễn thích hợp ở miền DCT do các hệ số
DCT có xu hƣớng có phần dƣ thừa ít hơn.
Khối hệ số DCT có thể chia thành 3 miền, miền tần số thấp chứa các
thông tin quan trọng ảnh hƣởng đến tri giác, miền tần số giữa, và miền tần số

cao. Các thông tin trong miền tần số cao thƣờng mang tính tri giác thấp.

(a)

















(b)

(c)

Hình 2.2. Phân chia 3 miền tần số ảnh của phép biến đổi DCT
(a) Miền tần số thấp, (b) Miền tần số ở giữa, (c) Miền tần số cao
Trong các thuật toán thuỷ vân, miền hệ số DCT tần số cao thƣờng không
đƣợc sử dụng do nó thƣờng không bền vững với các phép xử lí ảnh, hoặc nén
ảnh JPEG. Miền tần số thấp cũng ít đƣợc sử dụng do một sự thay đổi dù nhỏ
trong miền này cũng làm giảm chất lƣợng tri giác của ảnh. Vì vây, miền tần số ở
giữa thƣờng hay đƣợc sử dụng nhất và cũng cho kết quả tốt nhất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23
2.1.1.2. Kỹ thuật thuỷ vân của Shoemarker C.
Shoemarker C. đã sử dụng phép biến đổi DCT để phân tích khối đƣợc
chọn từ ảnh gốc thành các miền tần số, rồi chọn một cặp 2 hệ số trong miền
tần số giữa để thực hiện quá trình nhúng một bit thuỷ vân. Quá trình nhúng
luôn đảm bảo sau khi nhúng bit thuỷ vân thì khoảng cách về giá trị giữa hai
hệ số đƣợc chọn có giá trị lớn hơn hoặc bằng k cho trƣớc [14].
2.1.1.3. Quá trình nhúng thuỷ vân
Vào: + Thuỷ vân: Một chuỗi các bit S hoặc một ảnh nhị phân W;
+ Một ảnh gốc F
Ra: Ảnh đã nhúng thuỷ vân Fw.
Thực hiện:
1. Ảnh gốc có kích thƣớc m×n sẽ đƣợc chia thành (mn)/64 khối 8×8, mỗi
bit của thuỷ vân sẽ đƣợc nhúng trong một khối.
2. Chọn một khối ảnh gốc F

i
(8×8), thực hiện phép biến đổi DCT với F
i
để
đƣợc
'
i
F
.
3. Chọn hai hệ số thuộc miền tần số giữa của
'
i
F
, giả sử đó là
'
i
F
(u,v) và
'
i
F
(p,q), đọc bit thuỷ vân cần nhúng giả sử đó là b
i
.
4. Nếu bít cần nhúng b
i
=0 và nếu
'
i
F

(u,v)<
'
i
F
(p,q) thì đổi chỗ hai hệ số này.
Ngƣợc lại nếu bít cần nhúng b
i
=1 và nếu
'
i
F
(u,v)
'
i
F
(p,q) thì đổi chỗ hai
hệ số này.
5. Nếu
'
i
F
(u,v)>
'
i
F
(p,q) và nếu
'
i
F
(u,v)-

'
i
F
(p,q)<k thì tăng
'
i
F
(u,v) đồng
thời giảm
'
i
F
(p,q) k/2. Ngƣợc lại, nếu
'
i
F
(u,v)
'
i
F
(p,q) và
'
i
F
(p,q)-
'
i
F
(u,v)<k thì tăng
'

i
F
(p,q) đồng thời giảm
'
i
F
(u,v) k/2.
6. Dùng phép biến đổi ngƣợc IDCT với mỗi khối đã nhúng thuỷ vân
'
i
F
.
7. Ghép các khối ảnh để đƣợc ảnh đã nhúng thuỷ vân Fw.