thủy phân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc (dwt)

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

Đại học Thái Nguyên
khoa công nghệ thông tin





Trần Thị Thanh Mai

Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi
sóng nhỏ rời rạc (DWT)








Luận văn thạc sĩ cÔNG NGHệ THÔNG TIN













Thái Nguyên - 2010
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

Đại học Thái Nguyên
khoa công nghệ thông tin





Trần Thị Thanh Mai




Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi
sóng nhỏ rời rạc (DWT)

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01

Luận văn thạc sĩ CÔNG NGHệ THÔNG TIN




Ng-ời h-ớng dẫn khoa học

TS Bùi Thế Hồng








Thái Nguyên - 2010






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



i

LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của Luận văn này hoàn toàn đƣợc
hoàn thành và phát triển từ những quan điểm của chính cá nhân tôi, dƣới sự
hƣớng dẫn khoa học của TS Bùi Thế Hồng. Các số liệu và kết quả có đƣợc
trong Luận văn là hoàn toàn trung thực.

Tác giả luận văn
Trần Thị Thanh Mai



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



ii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
NỘI DUNG 5
Chƣơng1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THUỶ
VÂN TRÊN ẢNH SỐ 5
1.1 Tổng quan về các kỹ thuật giấu tin 5
1.1.1 Khái niệm giấu tin 5
1.1.2 Mục đích của việc giấu thông tin . 6
1.1.3 Phân loại. 8
1.1.4 Môi trƣờng giấu tin. 11
2.2 Những yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh số: 13
2.2.1 Yêu cầu chung 13

2.2.2 Yêu cầu riêng 13
2.2.2.1 Thông tin trong ảnh có thể bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào
trên ảnh? 13
2.2.2.2 Thuỷ vân ẩn hay thuỷ vân hiện? 13
2.2.2.3 Tính chất bền vững 14
2.2.2.4 Thuỷ vân cái gì 14
1.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân 16
Chƣơng 2: KỸ THUẬT THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI
SÓNG NHỎ RỜI RẠC (DWT) 20
2.1 Phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc 20
2.2 Các thuật toán thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc 24
2.3 Một số cải tiến, mở rộng đối với các thuật toán thủy vân dựa vào phép
biến đổi sóng nhỏ rời rạc: 30
Chƣơng 3:THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN CHƢƠNG TRÌNH THUỶ VÂN
THỬ NGHIỆM 35

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



iii
3.1 Cài đặt một số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời
rạc: 35
3.2 Đánh giá và so sánh các kết quả đạt đƣợc 39
KẾT LUẬN 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO 42


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

iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DFT
Discrete Fourier Transform
DCT
Discrete CosineTransform
DWT
Discrete Wavelet Transform



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



v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ nhúng thuỷ vân và tìm lại thuỷ vân 7
Hình1.2: Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân 8
Hình 1.3: Thuỷ vân 10
Hình 1.4: Ảnh thu được khi dùng kỹ thuật thuỷ vân ẩn 10
Hình 1.5: Ảnh thu được khi dùng kỹ thuật thuỷ hiện 11
Hình 1.6: Thuỷ vân dòng Text vào ảnh chủ 14
Hình 1.7: Kết quả thu được khi thực hiện thuỷ vân 15
Hình 1.8: Kết quả thu được khi thuỷ vân bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ 15
Hình 2.1 Lọc theo tần số thấp và cao 20
Hình 2.2: Quá trình phân tích và tổng hợp tín hiệu 21

Hình 2.3: Phân tích DWT hai mức 22
Hình 2.4: Công cụ phân tích và tổng hợp DWT của MATLAB 23
Hình 2.5: Ảnh chủ trong kỹ thuật thuỷ vân DWT 24
Hình 2.6: Ảnh thuỷ vân trong kỹ thuật thuỷ vân DWT 24
Hình 2.7: Ảnh sau khi thuỷ vân bằng kỹ thuật thuỷ vân DWT 28
Hình 2.8: Ảnh đã thuỷ vân bằng kỹ thuật thuỷ vân DWT 29
Hình 2.9: Ảnh thuỷ vân lấy lại được bằng kỹ thuật thuỷ vân DWT 30
Hình 2.10 Quá trình nhúng Watermark .30
Hình 2.11 Quá trình trích Watermark 31
Hình 2.12: Ảnh sau khi thuỷ vân ứng với các giá trị khác nhau của khoá K .33




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



1
MỞ ĐẦU

I. Lý do chọn đề tài:
Thuỷ vân số là phương pháp nhúng một lượng thông tin nào đó vào
một sản phẩm đa phương tiện cần được bảo vệ quyền sở hữu mà không làm
ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của sản phẩm. Thuỷ vân số hứa hẹn một giải
pháp cho vấn đề bảo vệ bản quyền đối với sản phẩm số khi sản phẩm đó được
sử dụng trong môi trường mở mà không cần đến việc mã hoá. Thuỷ vân phải
tồn tại bền vững với sản phẩm và phải không được loại bỏ bằng bất kì những
tấn công có chủ đích hay không chủ đích nào trừ khi phá huỷ sản phẩm.
Trong những năm gần đây sự bùng nổ của công nghệ thông tin, đặc biệt

là sự bùng nổ của Internet và các phương tiện multimedia đã mang lại nhiều
thuận lợi cho người sử dụng, nhưng bên cạnh đó vấn đề ăn cắp bản quyền,
xuyên tạc thông tin, truy cập thông tin trái phép…đang tăng, đòi hỏi không
ngừng tìm các giải pháp mới hữu hiệu đảm bảo cho sự an toàn và bảo mật
thông tin. Như chúng ta đã biết, thông tin số được sử dụng rộng rãi trong một
môi trường mở: tài nguyên được phân phối, đa người dùng và đa truy cập.
Trong hoàn cảnh như thế, nhu cầu được bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ
các sản phẩm số đã trở thành một vấn đề hết sức quan trọng và đang được sự
quan tâm của giới khoa học và công nghệ. Đây là một vấn đề nghiên cứu mới
và phức tạp không chỉ ở trong nước mà còn với cả thế giới công nghệ thông
tin. Trong một vài năm trở lại đây đã có nhiều hội nghị quốc tế về vấn đề này
và giải pháp được đưa ra là phương pháp thuỷ vân số (digital watermarking).
Giải pháp này tuy mới được đưa ra nhưng đã nhận được sự quan tâm rất lớn
của các nhà khoa học và đã có rất nhiều những nghiên cứu trong lĩnh vực thuỷ
vân số trong đó đã có nhiều những công trình nghiên cứu rất có giá trị về lĩnh
vực này.

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



2
Các ứng dụng phổ biến của thuỷ vân số đang được nghiên cứu bao gồm
bảo vệ bản quyền, in vân tay, nhận thực thông tin, phát hiện xuyên tạc, điều
khiển truy cập và giấu thông tin mật.
Thuỷ vân trên ảnh số là một trong những kỹ thuật được phát triển sớm
nhất trong các kỹ thuật thuỷ vân nói chung. Thuỷ vân trên ảnh số giống như
một ảnh được “dán tem” sở hữu của người chủ. Thuỷ vân phải mang thông tin
có ý nghĩa xác định duy nhất người được sở hữu ảnh đó.
Việc thủy vân có thể thực hiện trực tiếp trên các điểm ảnh hoặc trên

miền biến đổi của ảnh. Hiện tại, người ta đã sử dụng các phép biến đổi rời
rạc như phép biến đổi Fourier (DFT), phép biến đổi cosine (DCT) và phép
biến đổi sóng nhỏ (DWT). Các kỹ thuật thủy vân dựa vào DCT và DWT đã
được một số tác giả nghiên cứu và chứng tỏ khá bền vững trước những tấn
công thông thường.
Từ những phân tích trên và trong khuôn khổ của một luận văn thạc sỹ,
tác giả thực hiện đề tài “Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời
rạc (DWT)".

II. Nội dung nghiên cứu:
1. Mục tiêu nghiên cứu:
- Tìm hiểu một số kỹ thuật thuỷ vân bảo vệ bản quyền cho các bức ảnh
số.
- Nghiên cứu kỹ thuật thuỷ vân ảnh số dựa vào một số phép biến đổi rời
rạc trong đó tập trung vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc.
- Thử nghiệm kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ
rời rạc.
2. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng:
- Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi
sóng nhỏ rời rạc.

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



3
- Các công cụ lập trình và phần mềm dùng để cài đặt các lược đồ nhúng
và giải thuỷ vân trên ảnh số.
3. Ý nghĩa khoa học:
- Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng

nhỏ rời rạc.
- Phát triển và cải tiến các kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng
nhỏ rời rạc.
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu các tài liệu có liên quan về thuỷ vân ảnh.
- Tìm hiểu và phát hiện các vấn đề trong thực tế, so sánh đánh giá và đưa
ra các giải pháp.
- Cài đặt thử nghiệm trên những cải tiến được đưa ra.
5. Các kết quả dự kiến đạt được:
- Kết quả nghiên cứu, tìm hiểu và phát hiện những yêu cầu và thách thức
trong thực tế đối với vấn đề kỹ thuật thuỷ vân ảnh số nói chung và dựa
vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc nói riêng.
- Phát triển và cải tiến các kỹ thuật thuỷ vân ảnh số nhằm nâng cao độ
bền vững của thuỷ vân trong ảnh và giảm mức độ ảnh hưởng của thuỷ
vân đối với chất lượng của ảnh.
- Chương trình thử nghiệm thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi DWT.

III. Bố cục của luận văn:
Chƣơng 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật giấu tin và thuỷ vân trên ảnh số.
1. Tổng quan về các kỹ thuật giấu tin.
2. Những yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh số.
3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân
4. Những ứng dụng chủ yếu của thuỷ vân.

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



4
Chƣơng 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời

rạc
1. Phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc
2. Các thuật toán thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời
rạc.
3. Một số cải tiến, mở rộng đối với các thuật toán thủy vân dựa vào
phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc.
Chƣơng 3: Thiết kế và phát triển chƣơng trình thuỷ vân thử nghiệm.
1. Cài đặt một số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng
nhỏ rời rạc.
2. Cài đặt một số cải tiến đối với thuật toán thủy vân dựa vào phép
biến đổi sóng nhỏ rời rạc.
3. Đánh giá và so sánh các kết quả đạt được .

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



5
NỘI DUNG
Chƣơng 1:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN
VÀ THUỶ VÂN TRÊN ẢNH SỐ
1.1 Tổng quan về các kỹ thuật giấu tin:

1.1.1 Khái niệm giấu tin:
Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, đặc biệt là sự bùng nổ
của Internet và các phương tiện multimedia mang lại nhiều thuận lợi nhưng
lại xẩy ra những vẫn nạn như ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy cập
thông tin trái phép…đang ra tăng, đòi hỏi không ngừng tìm các giải pháp mới
hữu hiệu đảm bảo cho sự an toàn và bảo mật thông tin. Nhiều phương pháp

bảo vệ thông tin đã được đưa ra trong đó giải pháp dùng mật mã được ứng
dụng rộng rãi nhất. Thông tin ban đầu được mã hoá và gửi đi, người nhận
được sẽ giải mã thông tin nhờ khoá của hệ mật mã. Có nhiều hệ mã phức tạp
được sử dụng như DES, RSA, NAPSACK…mang lại nhiều hiệu quả cao. Bên
cạnh đó một phương pháp được sử dụng mang lại nhiều lợi ích tối ưu đó là kỹ
thuật giấu tin (DataHiding).
Vậy kỹ thuật giấu tin là gì?
Giấu tin là kỹ thuật nhúng (emberdding) một lượng thông tin số nào đó
vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của
giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm
ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc.
Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mã hoá
thông tin làm cho các thông tin hiện rõ là nó có được mã hoá hay không, giấu

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



6
tin thì lại khác, người ta khó phát hiện trong đối tượng đó có được giấu thông
tin hay không.
1.1.2 Mục đích của việc giấu thông tin.
Tính năng an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu tin được thể
hiện ở hai khía cạnh:
Một là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu (embedded), thông tin mật được
giấu kỹ trong đối tượng khác sao cho người khác không phát hiện được.
Hai là bảo vệ cho chính đối tượng được dùng để giấu tin (host data),
như ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin
(watermarking)…
Tương ứng với hai khía cạnh đó chúng ta có hai khuynh hướng kỹ thuật

rõ ràng đó là giấu tin mật (Steganography) và thuỷ vân số (Watermarking).
Từ “thủy vân“ có xuất xứ từ kỹ thuật đánh dấu nước thời xưa. Kỹ thuật này
là kỹ thuật đánh dấu chìm một hình ảnh logo nào đó lên trên giấy nhằm mục
đích trang trí và phân biệt được xuất xứ của sản phẩm giấy.
Trong kỹ thuật giấu tin mật, thông tin cần giấu được gọi là thông điệp
(thuyvan), trong kỹ thuật thuỷ vân số thì gọi là thuỷ vân (watermark). Thuỷ
vân có thể là một chuỗi các ký tự hay một hình ảnh logo nào đó.
Ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân là đảm bảo an toàn dữ liệu
cho đối tượng được sử dụng để giấu tin như: bảo vệ bản quyền, chống xuyên
tạc, nhận thực thông tin…Mỗi ứng dụng có yêu cầu riêng và tính chất riêng,
do đó có các kỹ thuật thuỷ vân cũng có những tính năng khác biệt tương ứng.
Thuỷ vân được chèn vào trong dữ liệu đa phương tiện nhưng đảm bảo không
cảm thụ được, nghĩa là chỉ làm thay đổi nhỏ dữ liệu gốc. Thuỷ vân số
(Watermarking) là tập hợp các dữ liệu số thứ cấp - gọi là water (mã đánh dấu
bản quyền) được nhúng vào dữ liệu sơ cấp (như text, image, video, ). Dữ liệu
sau quá trình nhúng được gọi là dữ liệu nhúng. Tanaka(1990), Caronni và

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



7
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.
Một mẫu cơ bản về quy trình thủy vân và tìm lại thuỷ vân:

Hình 1.1: Sơ đồ nhúng thuỷ vân và tìm lại thuỷ vân
- Quy trình thuỷ vân:
Dữ liệu đưa vào là ảnh chủ và đối tượng dùng để nhúng vào ảnh
(watermark), watermark có thể ở bất kỳ dạng nào như chữ số, văn bản hay
hình ảnh. Khoá có thể được dùng để tăng cường tính bảo mật, ngăn chặn
những kẻ không có bản quyền khôi phục hay phá huỷ watermark. Sau đó
bằng cách sử dụng kỹ thuật thuỷ vân để nhúng watermark vào ảnh chủ ta thu
được ảnh sau khi nhúng. Ảnh sau khi nhúng có thể nhìn thấy watermark (thuỷ
vân hiện) hoặc không nhìn thấy watermark (thuỷ vân ẩn). Ảnh sau khi thuỷ

Ảnh chủ
Xuyên tạc
(tấn công )
Ảnh sau
thuỷ vân

Thuỷ vân
Tấn công

Ảnh chủ

Tìm lại
Quyết định
(so sánh,
hiệu chỉnh)
Chữ ký
tìm
được

Khoá
Chữ ký ,
hình ảnh,
text

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



8
vân có thể bị những tấn công bên ngoài có chủ đích hoặc không có chủ đích
nhưn nén ảnh, xuyên tạc ảnh,……
- Quy trình tìm lại thủy vân:
Dữ liệu vào là ảnh đã được thuỷ vân, khoá và dữ liệu gốc (có thể có
hoặc không tuỳ thuộc vào phương pháp tìm thuỷ vân). Dữ liệu ra là
watermark khôi phục được hoặc đại lượng nào đó chỉ ra mối tương quan giữa
watermark thu đựơc và watermark cho trước ở dữ liệu vào. Ta so sánh giữa
watermark trước khi nhúng và watermark khôi phục để chứng thực bản quyền
của sản phẩm.
1.1.3 Phân loại.
Dựa vào những đặc trưng, tính chất, ứng dụng của từng kỹ thuật mà người ta

phân loại các kỹ thuật thuỷ vân như sau:













Hình1.2: Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân
Watermarking
Thuỷ vân số
Robust
Copyright marking
Thuỷ vân bền vững
Fragile
Watermarking
Thuỷ vân “dẽ vỡ”
Imperceptible
Watermarking
Thuỷ vân ẩn
Visible
Watermarking
Thuỷ vân hiện

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



9
Thuỷ vân “dễ vỡ” (fragile Watermarking) là kỹ thuật nhúng thuỷ vân
vào trong ảnh sao cho khi phân bố sản phẩm trong môi trường mở nếu có
phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thuỷ vân đã được
giấu trong đối tượng sẽ bị thay đổi (dễ vỡ). Các kỹ thuật thuỷ vân có tính chất
này được sử dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin (authentication) và
phát hiện xuyên tạc thông tin (tamper detection). Ví dụ như để bảo vệ chống
xuyên tạc một ảnh nào đó ta nhúng một thuỷ vân vào ảnh sau đó lưu truyền,
quảng bá ảnh đó. Khi cần kiểm tra lại ảnh ta sử dụng hệ thống đọc thuỷ vân,
nếu không đọc được thuỷ vân hoặc thuỷ vân đã bị sai lệch nhiều so với thuỷ
vân ban đầu đã nhúng vào ảnh thì có nghĩa là có thể ảnh đó đã bị thay đổi.
Nhưng ở đây ta gặp một vẫn đề là phải phân biệt giữa sai lệch thuỷ vân do
xuyên tạc và sai lệch do lỗi đường truyền.
Thuỷ vân bền vững (Robust Copyright Marking) có nghĩa là thông tin
dấu trong sản phẩm sẽ không bị thay đổi khi thay đổi sản phẩm gốc. Thuỷ vân
được nhúng trong sản phẩm như một hình thức dán tem bản quyền, thuỷ vân
tồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm đổi hay
phá huỷ thuỷ vân. Muốn xoá bỏ thuỷ vân bền vững chỉ có một cách duy nhất
là phá huỷ sản phẩm. Các kỹ thuật thuỷ vân bền vững thường được sử dụng
trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền.
Thuỷ vân bền vững được chia làm hai loại là thuỷ vân ẩn
(Imperceptible Watermarking) và thuỷ vân hiện (Visible Watermarking).
Thuỷ vân ẩn là thuỷ vân được nhúng vào sản phẩm nhưng bằng mắt thường ta
không thể nhìn thấy được, với những kỹ thuật thuỷ vân tốt thì ảnh trước và
sau khi nhúng thuỷ vân gần như không có gì khác biệt. Trong vấn đề bảo vệ
bản quyền thì người chủ sở hữu hợp pháp sẽ tách thuỷ vân đã được giấu trong

sản phẩm bị đánh cắp ra làm bằng chứng chứng thực bản quyền của sản
phẩm. Còn thuỷ vân hiện là thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và người

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



10
dùng có thể nhìn thấy, khi đó thông tin bản quyền được hiện ngay trên sản
phẩm, ví dụ như các logo, các biểu tượng… Các thuỷ vân hiện trên ảnh
thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất
lượng ảnh gốc.
Ví dụ về thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện khi thực hiện với 2 bức ảnh sau:







Hình 1.3.1: Ảnh chủ

Hình 1.3.2: Ảnh thuỷ vân
(watermark)
Hình 1.3: Thuỷ vân
Trong trường hợp thuỷ vân ẩn ta thu được kết quả

Hình 1.4: Ảnh thu được khi dùng kỹ thuật thuỷ vân ẩn

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

11
Trong trường hợp thuỷ vân hiện ta thu được kết quả sau:


Hình 1.5: Ảnh thu được khi dùng kỹ thuật thuỷ hiện
1.1.4 Môi trƣờng giấu tin.
Kỹ thuật giấu tin được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều môi trường
dữ liệu khác nhau như trong dữ liệu đa phương tiện (text, image, audio,…),
trong các sản phẩm phần mềm và gần đây là những hướng nghiên cứu trên
môi trường cơ sở dữ liệu quan hệ. Trong các môi trường dữ liệu đó thì dữ liệu
đa phương tiện là môi trường chiếm tỷ lệ chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin.
Giấu tin trong ảnh là một trong nhứng hướng nghiên cứu được nhiều
người quan tâm và chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng.
Giấu tin trong ảnh đóng vai trò hết sức quan trọng đối với hầu hết các ứng
dụng bảo vệ an toàn thông tin như nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc
thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật….
Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít
thay đổi và không ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý
nghĩa. Việc giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực đời sống xã hội. Ví dụ trong các dịch vụ ngân hàng và tài chính ở
một số nước phát triển, thuỷ vân được sử dụng để nhận diện khách hàng trong

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



12

các thẻ tín dụng. Mỗi khách hàng có một chữ ký viết tay, sau đó chữ ký này
được số hoá và lưu trữ trong hồ sơ khách hàng. Chữ ký này sẽ được sử dụng
như là thuỷ vân để nhận thực thông tin khách hàng. Trong các thẻ tín dụng,
chữ ký tay được giấu trong ảnh của khách hàng trên thẻ. Khi sử dụng người
dùng đưa thẻ vào hệ thống, hệ thống có gắn thiết bị đọc thuỷ vân trên ảnh và
lấy được chữ ký số đã nhúng trong ảnh. Thuỷ vân được lấy ra và so sánh với
chữ ký số đã lưu trữ xem có trùng hợp không, từ đó xác định nhận thực khách
hàng.
Một số những ứng dụng về nhận diện thẻ chứng minh, thẻ căn cước, hộ
chiếu…Người ta có thể giấu tin trên ảnh thẻ để xác định thông tin thực. Ví dụ
thông tin giấu trong ảnh thẻ có thể là số thẻ, khi khách hàng đưa thẻ vào hệ
thống, hệ thống sẽ tách số thẻ ở trong ảnh thẻ ra và so sánh xem có trùng với
số đã được in trong thẻ hay không, từ đó nhận diện thẻ khách hàng.
Một số ứng dụng về bảo vệ bản quyền của tác giả cho những bức ảnh.
Trước khi lưu truyền và quảng bá bức ảnh, tác giả nhúng vào trong bức ảnh
đó một thông tin nào đó để khi có sự tranh chấp về bản quyền tác giả thì
thông tin đem nhúng chính là bằng chứng để bảo vệ bản quyền. Thông tin
đem nhúng có thể là ngày sinh của tác giả, chữ ký của tác giả, tên tác
giả……hoặc là logo hay một bức ảnh nhỏ. Thông tin đem giấu phải rõ ràng,
dễ nhận diện vì khi lấy lại thông tin đem giấu trong bức ảnh có thể không
đựoc rõ nét giống như thông tin trước khi giấu, khi đó ta chỉ có thể so sánh
được những nét cơ bản của thông tin thu được với thông tin gốc trước khi
giấu.

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



13
2.2 Những yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh số:

2.2.1 Yêu cầu chung.
Hệ thuỷ vân số trên ảnh cũng là một hệ giấu tin nên cũng có một số đặc
điểm và tính chất giống như giấu tin trong ảnh như:
- Phương tiện chứa là ảnh hai chiều tĩnh.
- Thuỷ vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm
thay đổi kích thướng ảnh.
- Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào tính chất của hệ thống thị giác con
người .
- Khi giải tin có thể cần ảnh gốc.
2.2.2 Yêu cầu riêng.
Kỹ thuật thuỷ vân số còn có một số đặc trưng phân biệt với kỹ thuật
giấu tin mật như sau:
2.2.2.1 Thông tin trong ảnh có thể bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi
nào trên ảnh?
Tính chất này có trong kỹ thuật giấu tin mật nhưng đối với kỹ thuật
thuỷ vân thì tính chất này chỉ có trong loại thuỷ vân “dễ vỡ”. Còn đối với loại
thuỷ vân “bền vững” thì lại yêu cầu thông tin trong ảnh chống lại được những
phép biến đổi thông thường trên ảnh.
2.2.2.2 Thuỷ vân ẩn hay thuỷ vân hiện?
Đối với giấu tin mật thì yêu cầu thông điệp đem giấu phải ẩn bên trong
ảnh sao cho mắt thường không nhìn thấy được, còn thuỷ vân số thì lại có hai
loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện. Thuỷ vân ẩn thì mắt thường không nhìn
thấy được, nó được sử dụng với mục đích gài bí mật các thông tin trong ảnh
để xác nhận chủ quyền của bức ảnh. Thuỷ vân hiện thì cho phép nhìn thấy
thông tin đem nhúng vào, nó được sử dụng cho mục đích công bố công khai
về chủ quyền sở hữu.

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

14
2.2.2.3 Tính chất bền vững.
Đây là tính chất quan trọng nhất của hệ thuỷ vân bền vững. Nghĩa là hệ
thuỷ vân phải chống lại được các phép biến đổi, hay tấn công có chủ đích
hoặc không có chủ đích lên thuỷ vân.
2.2.2.4 Thuỷ vân cái gì?
Thông tin gì được giấu bên trong ảnh?
Thông thường để bảo vệ bản quyền tác giả thì người ta hay nhúng vào
trong ảnh một chuỗi ký tự mang những thông tin về tác giả như tên tác giả,
tiêu đề, ngày tháng năm,….Tuy nhiên chuỗi ký tự lại bị một hạn chế là mỗi
ký tự được biểu diễn bằng nhiều bit, nếu một bit bị lỗi thì sẽ làm sai cả chuỗi
ký tự và chỉ cần một phép biến đổi đơn giản như phép biến đổi JPEG cũng có
thể làm cho thuỷ vân bị sai lệch rất nhiều.
Ví dụ thuỷ vân dòng chữ “IBM” vào bức ảnh








Hình 1.6.1: Ảnh chủ

Hình 1.6.2: Text thuỷ
vân (watermark)
Hình 1.6: Thuỷ vân dòng Text vào ảnh chủ

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



15
Kết quả thu được:

Hình 1.7: Kết quả thu được khi thực hiện thuỷ vân
Thông tin nhúng trong ảnh có thể lại là một bức ảnh nhỏ, khi giải tin thì
một số điểm ảnh có thể bị sai nhưng hình tổng thể sẽ đựơc giữ nguyên. Do đó
khi lựa chọn ảnh làm thuỷ vân phải lựa chọn những bức ảnh đơn giản, dễ
nhận dạng, ví dụ như logo,…
Ví dụ về thuỷ vân một bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ.


Hình 1.8: Kết quả thu được khi thuỷ vân bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ

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



16
Thông tin nhúng trong ảnh có thể là một chuỗi bit sinh ngẫu nhiên theo
một luật phân phối xác suất nào đó, sau đó áp dụng các lí thuyết xác suất
thống kê để chứng thực thuỷ vân.
Trong các loại thuỷ vân thì thuỷ vân ẩn và bền vững được quan tâm
nghiên cứu nhiều hơn vì nó có nhiều ứng dụng lớn. Đây cũng là tính chất
quan trọng đang được nghiên cứu nhưng đây cũng lại là mấu chốt của sự phức
tạp vì hai thuộc tính này mâu thuẫn với nhau. Sự mâu thuẫn này được thể hiện
ở chỗ:

+ Để đảm bảo tính chất ẩn thì thủy vân phải được giấu ở những vị trí ít
có ý nghĩa tri giác nhất, ít bị chú ý nhất.
+ Để đảm bảo tính chất bền vững thì thuỷ vân phải chịu được những
phép xử lý ảnh phổ biến như dịch chuyển ảnh hay nén JPEG. Ví dụ, trong
phép nén JPEG sẽ loại bỏ ở ảnh những thông tin ít có tính tri giác nhất để làm
giảm kích thước của ảnh nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng ảnh. Khi đó
những dữ liệu thuỷ vân nằm trong vùng này sẽ bị mất đi hoặc bị biến đổi sai
lệch hoàn toàn. Với tính chất phức tạp của yêu cầu cho một hệ thuỷ vân,
chúng ta sẽ tìm hiểu những giải pháp kỹ thuật thuỷ vân đã được đưa ra của
các nhà khoa học trên thế giới.
1.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân:
Phương pháp thủy vân phải chống lại một số phép xử lý ảnh thông
thường (ví dụ như lỗi khi ảnh truyền đi, nén ảnh, ) và một số tấn công có chủ
đích nhằm xuyên tác, phá hoại bức ảnh. Trong thực tế thì thủy vân phải cân
đối giữa tính bền vững với các tính chất khác như lượng thông tin dấu, tính
ẩn…Dựa trên yêu cầu thực tế của ứng dụng, người ta sẽ lựa chọn phương
pháp thủy vân thích hợp nhất.
Từ những biến đổi có chủ đích hay không có chủ đích đã biết với hệ
thủy vân mà ta có thể phân biệt thành hai nhóm xuyên tạc sau: Một là các

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



17
biến đổi xem như là nhiễu với dữ liệu, hai là làm mất tính đồng bộ để không
thể lấy tin ra được.
Một vài phép biến đổi thường gặp:
- Biến đổi tín hiệu: Làm sắc nét, thay đổi độ tương phản, màu,
- Nhiễu cộng, nhiễu nhân,….

- Lọc tuyến tính.
- Nén mất thông tin.
- Biến đổi affine cục bộ hoặc toàn cục.
- Giảm dữ liệu: Cropping, sửa histogram.
- Chuyển mã (gif  Jpeg)
- Chuyển đổi tưong tự - số
- Thuỷ vân nhiều lần.
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp thuỷ vân là đảm bảo đủ tính bền
vững sao cho các tấn công không làm cho giá trị thương mại của ảnh gốc bị
ảnh hưởng.
1.4 Những ứng dụng chủ yếu của thuỷ vân:
Bảo vệ bản quyền tác giả (Copyright protection)
Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số, một dạng của
phương pháp dấu tin. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác
giả được nhúng vào trong sản phẩm (ảnh, âm thanh, video ), thuỷ vân đó chỉ
có một mình người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được làm
minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại hành
vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có 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 hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm.

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



18
Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền
vững cùng với sản phẩm, muốn huỷ bỏ thuỷ vân mà không được phép của
người chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm.
Nhận thực thông tin và phát hiện xuyên tạc thông tin

(authentication and tamper detection)
Một tập thông tin sẽ được giấu trong sản phẩm, sau đó các thông tin
này sẽ được tách ra khỏi sản phẩm và so sánh với thông tin ban đầu. Nếu
thông tin ban đầu và thông tin thu được sau khi tách trùng với nhau thì chứng
tỏ sản phẩm không bị xuyên tạc, thay đổi. Nếu thông tin ban đầu và thông tin
thu được sau khi tách có sự khác biệt thì chứng tỏ sản phẩm đó đã bị thay đổi,
xuyên tạc. Trong trường hợp này các thuỷ vân thường có dạng ẩn để trách sự
tò mò, phát hiện của đối phương, nếu có bị lộ thì khó làm giả hay xuyên tạc
thông tin. Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí
xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi của sản phẩm gốc là do
xuyên tạc nội dung hay đó chỉ là do nén mất dữ liệu, hay mất dữ liệu do lỗi
trên đường truyền.
Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và
thuỷ vân không cần bền vững.
Lăn tay hoặc dán nhãn (fingerprinting or labeling).
Thuỷ vân trong những ứng dụng này được sử dụng để nhận diện người
gửi hay nhận một thông tin nào đó. Ví dụ như các vân khác nhau sẽ được
nhúng vào các bản copy khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho
nhiều người. Với những ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn cao
cho các thuỷ vân, tránh bị xoá hoặc thay đổi trong quá trình phân phối.
Kiểm soát sao chép (copy control)
Các thuỷ vân trong các trường hợp này được sử dụng để kiểm soát sao
chép không hợp lệ đối với các sản phẩm kỹ thuật số. Các thiết bị phát hiện