thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi cosine rời rạc

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


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN






TRẦN THỊ SON





THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI
COSINE RỜI RẠC







LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2010





Th¸i Nguyªn - 20



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



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

TRẦN THỊ SON




THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐẶI
COSINE RỜI RẠC



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. BÙI THẾ HỒNG

Thái Nguyên - 2010





Th¸i Nguyªn - 20

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


i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả đạt được trong luận văn này là do tôi
nghiên cứu, sưu tầm, tổng hợp và sắp xếp lại phù hợp với yêu cầu của luận
văn. Toàn bộ những điều được trình bày trong khóa luận hoặc là của cá nhân,
hoặc được tham khảo và tổng hợp từ các nguồn tài liệu khác nhau.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan của mình. Nếu có

điều gì sai trái, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2010.
Học viên
Trần Thị Son


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


ii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn nghiên cứu “Thuỷ
vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc” tác giả nhận được sự
hướng dẫn quý báu của các thầy cô, anh chị, các bạn và các em. Với lòng kính
trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến sự hỗ trợ
giúp đỡ của nhiều người:
Trước hết tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy kính mến
PGS.TS Bùi Thế Hồng, người đã tận tình giúp đỡ tác giả về đề tài về kiến
thức và tinh thần cho tác giả trong suốt quá trình hoàn thành tốt luận văn.
Xin cảm ơn các Thầy trong hội đồng bảo vệ đề cương đã cho tôi những
quý báo để hoàn chỉnh luận văn này.
Thành công của tác giả phải kể đến sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn
lớp CHK7 trường Đại học Thái Nguyên, các bạn đã giúp tác giả thu thập tài
liệu, ủng hệ về tinh thần và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành tốt
luận văn của mình. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các bạn.
Xin cảm bố mẹ, người chồng yêu quý đã luôn bên cạnh động viên và
giúp đỡ tôi học tập làm việc hoàn thành luận văn.

Xin chân thành cảm ơn!

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


iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN viii
LỜI NÓI ĐẦU 1
1. Giới thiệu tổng quan về đề tài. 1
2. Lý do chọn đề tài 1
3. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài 1
4. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng 2
5. Ý nghĩa khoa học 2
6. Phương pháp nghiên cứu 2
7. Bố cục của luận văn 2
Chương 1: Tổng quan về thuỷ vân ảnh số 2
Chương 2: Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời
rạc(DCT) 3
Chương 3: Thiết kế và phát triển chương trình thử nghiệm 3
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THUỶ VÂN ẢNH SỐ 4
1.1. Cấu trúc một số loại ảnh thông dụng 4
1.1.1. Khái niệm về ảnh số 4

1.1.2. Ảnh bitmap (BMP) 5

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


iv


1.1.3. Ảnh JPEG (Joint Photographic Expert Group) 6
1.2. Giấu tin trong ảnh 7
1.2.1. Khái niệm giấu tin 7
1.2.2. Mục đích của việc giấu tin 7
1.3. Giới thiệu về thuỷ vân 7
1.3.1. Thuỷ vân là gì? 7
1.3.2. Phân loại thuỷ vân 8
1.3.3. Mục đích của việc “Thuỷ vân” 10
1.3.4. Truyền thông tin mật (Steganography) 13
1.4. Thuỷ vân ảnh số 14
1.4.1. Thông tin trong ảnh có bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào
trên ảnh 15
1.4.2. Thuỷ vẩn ẩn hay thuỷ vân hiện 15
1.4.3. Tính chất bền vững 15
1.4.4. Thuỷ vân cái gì 15
1.5. Thuỷ vân trên đa phương tiện (video, audio,…) 18
1.6. Những tấn công trên hệ thuỷ vân 19
1.7. Những khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật thuỷ vân 19
1.7.1. Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh 19
1.7.2. Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh 21
1.8. Một số kỹ thuật bổ trợ cho các kỹ thuật thuỷ vân số trên ảnh 22
CHƢƠNG II: THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI COSINE

RỜI RẠC (DCT) 24
2.1. Phép biến đổi Cosine rời rạc 24
2.1.1. Định nghĩa biến đổi Cosine rời rạc hai chiều 24

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


v


2.1.2. Đặc điểm của phép biến đổi DCT trên ảnh hai chiều: 25
2. 2. Các thuật toán thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc 28
2.3. Một số cải tiến, mở rộng đối với các thuật toán thuỷ vân dựa vào phép
biến đổi Cosine rời rạc 42
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM
51
3.1. Cài đặt một số thuật toán thuỷ vân dựa vào phép biến đổi Cosine rời
rạc 51
3.2. Cài đặt một số cải tiến đối với thuật toán thủy vân dựa vào phép biến
đổi Cosine rời rạc 57
3.3. Đánh giá và so sánh kết quả đạt được 65
KẾT LUẬN 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69


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


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1: Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân 8
Hình 1.2: Ví dụ về thuỷ vân hiện (Trên trang Web thƣ viện số của Liên Bang
Mỹ) 9
Hình 1.3: Ảnh Lena đã nhúng thuỷ vân là logo ở hình bên phải 10
Hình 1.4: Hai ảnh trƣớc và sau khi giấu tin giống hệt nhau 11
Hình 1.5: Thực chất bên trong ảnh có chứa thông tin ngƣời chủ sở hữu 12
Hình 1.6: Sơ đồ nhúng thuỷ vân và tìm lại thuỷ vân 13
Hình 1.7: Thuỷ vân dòng Text vào ảnh chủ 16
Hình 1.8: Kết quả thu đƣợc khi thực hiện thuỷ vân 16
Hình 1.9: Kết quả thu đƣợc khi thuỷ vân bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ 17
Hình 2.1: Ảnh Lena.bmp 26
Hình 2.2: Năng lƣợng phân bố của ảnh qua phép biến đổi DCT 26
Hình 2.3: Phân chia 3 miền tần số ảnh của phép biến đổi DCT 27
Hình 2.4: Quá trình nhúng thuỷ vân 30
Hình 2.5: Ảnh chủ trong kỹ thuật DCT 34
Hình 2.6: Ảnh thuỷ vân trong kỹ thuật DCT 34
Hình 2.7: Ảnh thu đƣợc sau khi thuỷ vân trong kỹ thuật DCT 34
Hình 2.8: Quá trình giải mã 35
Hình 2.9: Ảnh thu đƣợc sau khi tách thuỷ vân 37
Hình 2.10. Ảnh Lena.BMP 512 × 512 a = 10 38

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


vii

Hình 2.11: Ảnh Lena sau khi giấu tin 40
Hình 2.12: Ảnh Lena sau 5 lần tấn công làm sắc 40
Hình 2.13: Các ảnh mô tả cropping 41
Hình 2.14: Ảnh chủ 48
Hình 2.15: Ảnh thuỷ vân 48
Hình 2.16: K = 5; Cỡ khối = 8 49
Hình 2.17: K = 5; Cỡ khối = 16 49
Hình 3.1: Ảnh chủ 66
Hình 3.2: Ảnh thuỷ vân 66
Hình 3.3: Ảnh sau khi thuỷ vân theo Shoemarker 66
Hình 3.4: Ảnh sau khi thuỷ vân bằng kỹ thuật cải tiến 66

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


viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN
Bảng 1: Chọn một khối ảnh bất kỳ 8x8 32
Bảng 2: Thu đƣợc khối 8x8 sau khi biến đổi DCT 32
Bảng 3: Thu đƣợc khối 8x8 sau khi biến đổi ngƣợc DCT 33
Bảng 4: Thực nghiệm với ảnh Lena.Bmp 512 × 512 (chƣa nén JPEG) 38
Bảng 5: Thực nghiệm với ảnh Lena.Bmp 512 × 512 với các trƣờng hợp nén
JPEG 39
Bảng 6: Kết quả kiểm nghiệm với phép tấn công làm sắc ảnh 39

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

1


LỜI NÓI ĐẦU

1. Giới thiệu tổng quan về đề tài.
Trong kỷ nguyên số, thông tin số được sử dụng rộng rãi trong một môi
trường mở, tài nguyên được phân phối cho nhiều người sử dụng, nhu cầu
được bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ các sản phẩm số đã trở thành một vấn
đề quan trọng và được nhiều cơ sở nghiên cứu quan tâm.
Thuỷ vân ảnh được đánh giá mang lại nhiều hứa hẹn trong ứng dụng
bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc. Việc thuỷ vân có thể thực hiện trực
tiếp trên miền không gian ảnh hoặc trên miền biến đổi 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).
Phép biến đổi cosine rời rạc viết tắt là DCT (Discrete Cosine
Transform) được sử dụng rất phổ biến trong kỹ thuật xử lí ảnh số nói riêng và
xử lí tín hiệu số nói chung. Trong các kỹ thuật thuỷ vân ảnh dựa trên phép
biến đổi dữ liệu ảnh sang miền tần số thì phép biến đổi DCT được sử dụng
nhiều nhất. Lý do ở đây là phép biến đổi DCT đã được dùng trong dạng chuẩn
ảnh JPEG. Nếu áp dụng DCT thì cũng theo chuẩn của JPEG và do đó sẽ tránh
được mất thuỷ vân do phép nén JPEG.
2. Lý do chọn đề tài
- Đề tài mang tính ứng dụng và thực tiễn
- Đáp ứng yêu cầu bảo vệ bản quyền các sản phẩm đa phương tiện
trong môi trường phân phối lưu thông Internet.
- Phù hợp với chuyên ngành của học viên
3. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài

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

2


Nghiên cứu tìm hiểu các kỹ thuật thủy vân số để bảo vệ bản quyền hoặc
chứng minh quyền sở hữu của bức ảnh số
- Nghiên cứu tìm cách cải tiến, mở rộng đối với một vài kỹ thuật thuỷ
vân dựa vào phép biến đổi DCT nhằm đảm bảo chất lượng của ảnh, đồng thời
nâng cao độ bền vững của thuỷ vân trước những tấn công thông thường.
- Cài đặt thử nghiệm lược đồ thuỷ vân dựa vào phép biến đổi DCT trên
ảnh tĩnh
4. Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng
- Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật thuỷ vân trên ảnh tĩnh
- Công cụ lập trình và phần mềm dùng để cài đặt các ứng dụng của thuỷ
vân trên ảnh.
5. Ý nghĩa khoa học
- Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật thuỷ vân trên ảnh tĩnh
- Thủy vân phải tồn tại bền vững không bị xoá bởi các tấn công khác.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan
- 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.
7. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm 3 chương:
Chƣơng 1: Tổng quan về thuỷ vân ảnh số
1. Cấu trúc một số loại ảnh thông dụng
2. Giấu tin trong ảnh
3. Giới thiệu về thủy vân

4. Thuỷ vân ảnh số

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


3


5. Thuỷ vân trên đa phương tiện(video, audio)
6. Những tấn công trên hệ thuỷ vân
7. Những khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật thuỷ vân
Chƣơng 2: Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc(DCT)
1. Phép biến đổi Cosine rời rạc
2. Các thuật toán thuỷ vân ảnh dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc
3. Một số cải tiến, mở rộng đối với các thuật toán thuỷ vân dựa vào
phép biến đổi cosine rời rạc
Chƣơng 3: Thiết kế và phát triển chƣơng trình thử nghiệm
1. Cài đặt một số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi Cosine rời
rạc
2. Cài đặt một số cải tiến đối với thuật toán thủy vân dựa vào phép biến
đổi Cosine rời rạc
3. Đánh giá so sánh các kết quả đạt được

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


4


NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THUỶ VÂN ẢNH SỐ
1.1. Cấu trúc một số loại ảnh thông dụng
1.1.1. Khái niệm về ảnh số
Ảnh trong thực tế là ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng,
một ảnh có thể được định nghĩa là một hàm hai chiều f(x,y) trong đó x và y là
toạ độ trong không gian và biên độ của hàm f tại bất kỳ cặp toạ độ (x,y) nào
cũng gọi là cường độ của ảnh tại điểm đó. Khái niệm cấp xám thường được
dùng để đề cập đến cường độ của ảnh đơn sắc. Ảnh màu được tạo thành từ sự
kết hợp của các ảnh 2D riêng biệt. Ví dụ, trong hệ thống màu RGB, một ảnh
màu là sự phối hợp của ba thành phần màu (đỏ, xanh lá cây, xanh ra trời)
riêng biệt. Chính vì lý do này, rất nhiều kỹ năng áp dụng với ảnh đơn sắc
cũng có thể áp dụng với ảnh màu bằng cách xử lý ba thành phần ảnh riêng
biệt.
Chuyển đổi một ảnh thông thường sang dạng số yêu cầu toạ độ không
gian cũng như biên độ của ảnh đó phải được số hoá, nghĩa là các tín hiệu liên
tục được biến đổi thành các tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu
(sampling - rời rạc hoá về không gian) và lượng tử hoá (quantization - chuyển
đối tín hiệu tương tự dạng tín hiệu số) các thành phần của ảnh mà về nguyên
tắc bằng mắt thường không thể phân biệt được hai điểm kề nhau. Do đó, khi
các giá trị x, y và biên độ của hàm f là xác định, mang giá trị rời rạc, ta gọi
một ảnh là ảnh số
Sau quá trình lấy mẫu và lượng tử hoá, ta thu được một ma trận số thực
gồm M hàng và N cột. Một giá trị (x,y) của ma trận được gọi là một điểm ảnh

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


5

(pixel hay pel), mỗi điểm ảnh được xác định bởi toạ độ và màu. Như vậy, một
ảnh số là tập hợp nhiều điểm ảnh, ta nói ảnh gồm M x N điểm
1.1.2. Ảnh bitmap (BMP)
Ảnh bitmap (hay Windows bitmap) được phát triển bởi microsoft
Corporation, được lưu trữ dưới dạng độc lập thiết bị cho phép Windows hiển
thị dữ liệu không phụ thuộc vào khung chỉ định màu trên bất kỳ phần cứng
nào. Các ảnh bitmap thường được lưu trữ với phần mở rộng phổ biến .bmp
(hoặc dạng ít hơn gặp hơn là .dib – device independent bitmap).
Cấu trúc một ảnh bitmap gồm bốn phần
- Bitmap Header (14byte) lưu các thông tin: Kiểu tệp, kích thước tệp,
địa chỉ offset của vùng dữ liệu
- Bitmap Information (40 byte): Lưu một số thông tin chi tiết giúp hiển
thị ảnh như kích thước ảnh (chiều rộng, chiều cao), số mặt phẳng màu
(thường cố định là 1), số bit trên một điểm ảnh (quyết định chất lượng ảnh),
độ phân giải ảnh, số màu sử dụng
- Bảng Palette màu: Định nghĩa các màu sẽ được sử dụng trong ảnh
- Bitmap data: Nằm ngay sau phần palette màu, chứa giá trị màu của
các điểm ảnh. Các điểm ảnh được lưu theo các dòng từ trái sang phải, các
dòng ảnh được lưu từ dưới lên trên. Giá trị mỗi điểm ảnh là một chỉ số trỏ tới
phần tử màu tương ứng của bảng màu
Người ta ký hiệu số bit trên một điểm ảnh (bit per pixel) là n. Một ảnh
bitmap n – bit có 2
n
màu, giá trị n càng lớn thì ảnh càng có nhiều màu và càng
rõ nét. Các giá trị thường gặp của n là 1 (ảnh đen trắng), 4 (ảnh 16 màu), 8
(ảnh 256 màu), 16 (ảnh high color – 65536 màu) và 24 (ảnh true color – 16
triệu màu). Ảnh 24 bit cho chất lượng ảnh trung thực nhất.

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

6


Đặc điểm nổi bật của ảnh bitmap là ảnh không được nén bởi bất kỳ
thuật toán nào. Khi lưu ảnh, các điểm ảnh được ghi trực tiếp vào tập tin - một
điểm ảnh sẽ được mô tả bởi một hay nhiều byte tuỳ thuộc vào giá trị n của
ảnh. Do đó, một hình ảnh lưu dưới dạng BMP thường có kích cỡ rất lớn, gấp
nhiều lần so với ảnh được nén (chẳng hạn GIF, JPEG hay PNG).
1.1.3. Ảnh JPEG (Joint Photographic Expert Group)
Ảnh JPEG là ảnh có tỉ lệ nén dữ liệu rất cao, thường dùng cho ảnh
chụp. Đây là một định dạng ảnh rất thông dụng hiện nay, phần mở rộng hay
gặp nhất của ảnh JPEG là .jpg ngoài ra còn có .jpeg, .jpe phương pháp nén
ảnh JPEG là một trong những phương pháp nén ảnh hiệu quả, có tỉ lệ nén ảnh
tới vài chục lần. Tuy nhiên ảnh sau khi giải nén sẽ khác với ảnh ban đầu. Chất
lượng ảnh bị suy giảm sau khi giải nén. Sự suy giảm này tăng dần theo hệ số
nén. Tuy nhiên sự mất mát thông tin này có thể chấp nhận được và việc loại
bỏ những thông tin không cần thiết được dựa trên những nghiên cứu về hệ
thống thị giác người.
Quá trình nén ảnh JPEG thường trải qua các giai đoạn:
- Chuyển đổi hệ thống màu RGB sang hệ thống màu YCbCr (Y:
Intensity, Cb: Blue/Yellow, Cr: Red/Green)/
- Loại bỏ các thông tin thừa trong ảnh gốc, các thông tin được chọn để
loại bỏ thường có đặc điểm ít gây chú ý với mắt người, có mặt chúng hay
không con người cũng khó nhận thấy.
- Biến đổi Cosine rời rạc ảnh ban đầu được chia thành các khối 8*8 và
thực hiện phép biến đổi Cosine rời rạc trên các khối này.
- Lượng tử hoá: Dựa vào ma trận lượng tử và công thức để lượng tử
hoá các hệ số DCT (DCT Coefficients).

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


7


Sắp xếp theo hình zig-zag: Các hệ số DCT sau khi được lượng tử hoá
phần lớn đều mang giá trị 0, ta sắp xếp theo hình zig – zag, sẽ được các hệ số
DCT khác 0 nằm phía trên bên trái của ma trận lượng tử.
- Nén không mất dữ liệu: Thuật toán Huffman thường được sủ dụng để
nén, tạo ảnh JPEG.
Với các ưu điểm có được, ảnh JPEG được công nhận là chuẩn để lưu
trữ ảnh màu thực tế (theo chuẩn ISO 10918 - 1).
1.2. Giấu tin trong ảnh
1.2.1. Khái niệm giấu tin
Giấu tin là kỹ thuật nhúng 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.
1.2.2. Mục đích của việc giấu 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 chính đối tượng được dùng để giấu tin (hot data), như ứng dụng
bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin (watermarking),…
1.3. Giới thiệu về thuỷ vân
1.3.1. Thuỷ vân là gì?
“Thuỷ vân” có xuất xứ từ thời xưa. Đây là kỹ thuật đánh dấu chìm một
hình ảnh, một lôgô, hay một dữ liệu nào đó trên giấy nhằm mục đích trang trí

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


8


và phân biệt được xuất xứ của sản phẩm giấy. Như vậy, thông tin cần giấu
được gọi là “ thuỷ vân”
Nói đến kỹ thuật thuỷ vân số là nói đến kỹ thuật giấu tin nhằm đếm
những ứng dụng bảo đảm 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, điều khiển
truy cập,… Có thể thấy rõ phần ứng dụng của thủy vân là rất lớn, mỗi ứng
dụng lại có những yêu cầu riêng và tính chất riêng, do đó các kỹ thuật thuỷ
vân cũng có những tính năng khác biệt tương ứng.
1.3.2. Phân loại thuỷ vân
Dựa và các tính chất , đặc trưng, ứng dụng của từng kỹ thuật mà người
ta phân làm hai: Thuỷ vân bền vững và thuỷ vân dễ vỡ










Hình 1.1: Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân
Robust Copyright

marking
Thuỷ vân bền vững
Imperceptible
Watermarking
Thuỷ vân ẩn
Watermarking
Thuỷ vân số
Fragile Watermarking
Thuỷ vân dễ vỡ
Visible
Watermarking
Thuỷ vân hiện

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


9


Thuỷ vân bền vững (Robust Copyright Marking) là thuỷ vân tồn tại bền
vững cùng với dữ liệu, không dễ dàng bị phá huỷ trước những biến đổi, tấn
công lên dữ liệu. Các kỹ thuật này thường được dùng trong các ứng dụng bảo
vệ bản quyền, chứng minh quyền sở hữu. Trong những ứng dụng đó, thuỷ vân
đóng vai trò là thông tin sở hữu của người chủ hợp pháp. Thuỷ vân được
nhúng trong sản phẩm như một hình thức dán tem bản quyền. Trong trường
hợp như thế, thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm chống việc tẩy
xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân. Một yêu cầu lí tưởng là nếu muốn
loại bỏ thuỷ vân chỉ còn cách phá huỷ sản phẩm.
Thuỷ vân bền vững lại được chia làm hai loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ
vân hiện. Thuỷ vân hiện là loại thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và

người dùng có thể nhìn thấy được. Các thuỷ vân hiện trên ảnh thường dưới
dạng chìm, mờ để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc. Đối với thuỷ
vân hiện thông tin bản quyền hiển thị ngay trên sản phẩm ví dụ như các logo,
biểu tượng hay giống như tên kênh trên chương trình ti vi ta thường thấy
VTV1, VTV3,…các thuỷ vân hiện trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ hoặc
trong suốt không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc.
Đối với thuỷ vân hiện thông tin bản quyền hiển thị ngay trên sản phẩm

Hình 1.2: Ví dụ về thuỷ vân hiện (Trên trang Web thƣ viện số của Liên
Bang Mỹ)

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


10




Hình 1.3: Ảnh Lena đã nhúng thuỷ vân là logo ở hình bên phải
Còn đối với thuỷ vân ẩn thì cũng giống như giấu tin, thuỷ vân phải đảm
bảo tính chất ẩn trên ảnh, bằng mắt thường không thể nhìn thấy được. Tính
chất ẩn sẽ làm cho sản phẩm không bị ảnh hưởng cảm nhận bằng mắt thường
như đối với thuỷ vân hiện. Đây là một tính chất ưu việt hơn của thuỷ vân ẩn
do đó người ta tập trung vào nghiên cứu các kỹ thuật thuỷ vân ẩn. Còn trong
vấn đề bảo vệ bản quyền, thuỷ vân ẩn mang tính “bất ngờ” hơn. Khi người
nào đó định sử dụng sản phẩm của người khác, người ta sẽ không nhìn thấy
và không biết rằng sản phẩm đó đã bị đánh dấu bản quyền, nếu sử dụng trái
phép thì người chủ sở hữu hợp pháp sẽ kiện với bằng chứng là thuỷ vân đã
được nhúng trong đó.

Thuỷ vân dễ vỡ (Fragile Watermarking) là thuỷ vân dễ bị biến đổi
trước những tấn công lên dữ liệu. Các kỹ thuật này thường được dùng trong
các ứng dụng nhận thực thông tin, đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu
1.3.3. Mục đích của việc “Thuỷ vân”
Tính năng an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu tin được thể
hiện ở các khía cạnh sau:
Thứ nhất là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu (embedded), thông tin mật
được giấu trong đối tượng khác sao cho người khác không phát hiện được.
Thứ hai là bảo vệ cho chính đối tượng được dùng để giấu tin (host
data), như ứng dụng của bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin,…

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


11


Tưng 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).
Trong kỹ thuật giấu tin mật, thông tin cần giấu gọi là thông điệp (thuỷ
vân), trong kỹ thuật thuỷ vân số thì gọi là thủy vân (Watermark). Thuỷ vân có
thể là một chuỗi các ký tự hay một hình ảnh logo nào đó.
1.3.3.1. 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 giấu tin. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác
giả sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm kỹ thuật số trước khi đưa vào lưu
thông, phân phối. Thuỷ vân này chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp các
sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả
sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phương tiện như ảnh, âm thanh, video
và cần được lưu 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 “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 chất lượng cảm nhận của
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 được phép của
người chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm.

Hình 1.4: Hai ảnh trƣớc và sau khi giấu tin giống hệt nhau

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


12


1.3.3.2. Nhận thực thông tin và phát hiện xuyên tạc thông tin
(authentication and tamper detection)
Một tập các thông tin sẽ được giấu trong sản phẩm. Sau đó, các thông
tin này sẽ được sử dụng để nhận biết xem sản phẩm gốc có bị thay đổi hay
không. Trong trường hợp này, các thuỷ vân thường có dạng ẩn để không bị
phát hiện và nếu có bị lộ thì cũng khó làm giả và cũng dễ nhận ra những chỗ
đã bị xuyên tạc. Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được
vị trí bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi (ví dụ như phân biệt
xem một đối tượng đa phương 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.

Hình 1.5: Thực chất bên trong ảnh có chứa thông tin ngƣời chủ sở hữu
1.3.3.3. Lăn tay hoặc dán nhãn (fingerprinting or labeling)
Thuỷ vân trong những ứng dụng này đựơc sử dụng để nhận diện người

gửi hay người nhận của 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 loại này thì yêu cầu cơ bản chính là
đảm bảo độ an toàn cao cho các thuỷ vân không bị xoá hoặc thay đổi trong
quá trình phân phối.

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


13


1.3.3.4. Kiểm soát sao chép (copy control)
Các thuỷ vân trong những 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
ra thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc/ghi. Ví dụ như
hệ thống quản lí sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại
này cũng yêu cầu thuỷ vân phải được bảo đảm an toàn và cũng sử dụng
phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc.
1.3.4. Truyền thông tin mật (Steganography)
Các thông tin được giấu trong các trường hơp này càng nhiều càng tốt.
Việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện chứa thông
tin gốc
Một mẫu cơ bản về quy trình thủy vân và tìm lại thuỷ vân:

Hình 1.6: Sơ đồ nhúng thuỷ vân và tìm lại thuỷ vân

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


14

1.3.4.1. 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
vân có thể bị những tấn công bên ngoài có chủ đích hoặc không có chủ đích
như nén ảnh, xuyên tạc ảnh,……
1.3.4.2. 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.
1.4. Thuỷ vân ảnh số
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 có dữ liệu tri giác tĩnh.
Thuỷ vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm thay đổi
kích thước ảnh
Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào tính chất của hệ thống thị giác con người.
Khi giải tin có cần phương tiện chứa gốc (ảnh gốc)

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

15


Ngoài một số đặc điểm chung ra, kỹ thuật thuỷ vân số được phân biệt
với kỹ thuật giấu tin mật ở những đặc trưng sau đây:
1.4.1. Thông tin trong ảnh có 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 chỉ có trong trong loại thuỷ vân dễ vỡ. Còn đối với loại thuỷ vân
bền vững thì lại yêu cầu chống lại được những phép biến đổi thông thường
trên ảnh.
1.4.2. Thuỷ vẩn ẩn hay thuỷ vân hiện
Không giống như giấu tin mật với yêu cầu bắt buộc là thông điệp giấu
phải ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thường không nhìn thấy được thì kỹ thuật
thuỷ vân số lại có hai loại là thuỷ vân ẩn và thủy vân hiện. Nghĩa là thuỷ vân
ẩn thì mắt thường không nhìn thấy được nó được dùng mục đích gài bí mật
các thông tin trong ảnh để xác nhận chủ quyền của bức ảnh. Thuỷ vân hiện
cho phép nhìn thấy được thông tin đem nhúng vào, nó được sử dụng cho mục
đích công bố công khai về chủ quyền sở hữu (trong trường hợp này ta dùng từ
nhúng thay cho từ giấu thích hợp hơn).
1.4.3. Tính chất bền vững
Tính chất này là tính chất quan trọng nhất của một hệ thuỷ vân bền
vững. Nghĩa là hệ thuỷ vân phải chống lai được các phép biến đổi, hay các tấn
công có chủ đích hoặc không có chủ đích lên thuỷ vân.
1.4.4. Thuỷ vân cái gì
Một câu hỏi đầu tiên đối với hệ thuỷ vân là thông tin gì sẽ được giấu
vào bên trong ảnh? Kiểu thuỷ vân hay dùng nhất là một chuỗi các ký tự mã
ASCII, chuỗi kí tự được nhúng trực tiếp lên ảnh mang những thông tin như