giấu tin trong ảnh và bài toán trao đổi - xác thực đề thi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN
THÔNG



 !"#$

%&'()

ii
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN
THÔNG



*+, ./0.*1!"#$
#2

341

5')6'('(
 !"#$
/789*7:./;<.=*>?*@A1BCCB#

%&'()

ii
D#
Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng

cá nhân, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận
văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ
nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và
được trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo
quy định cho lời cam đoan của mình.
 !"#

i
D#E
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến đến Ban Giám Hiệu,
các thầy giáo, cô giáo phòng sau đại học trường đại học Công Nghệ Thông
Tin & Truyền Thông, và các thầy giáo ở Viện Công Nghệ Thông Tin đã giảng
dạy và cung cấp cho tôi những kiến thức rất bổ ích trong thời gian học, giúp
tôi có nền tảng tri thức để phục vụ nghiên cứu khoa học sau này
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
giáo PGS-TS. Phạm Văn Ất người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người luôn
quan tâm, động viên và khuyến khích tôi.
 !"#

ii
#FF
(C(C#GH34=*I9.9JKALMN.CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCO
1.1.1. Khái niệm về giấu tin 3
1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin 3
1.1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin 4
1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin 6
(C&CIA*7:./H9PQAR.AS?=TH*+RH/9U+H9.HV>./N.*CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCW

1.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh 7
1.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh 8
(COC*S,XY.34HV N.*CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCZ
1.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân 11
1.3.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân 12
1.3.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân 14
1.3.4. Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân 15
&C(C!TH*+RH/9U+H9.*[.B?.3[./CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC(W
2.1.1. Ý tưởng 18
2.1.2. Thuật toán nhúng tin CPT 19
2.1.3. Một số thí dụ minh họa thuật toán CPT 22
2.1.4. Phân tích thuật toán 25
&C&C!TH*+RH/9U+H9.*?./3[./9.CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC&5
2.2.1. Ý tưởng 27
2.2.2. Thuật toán 27
2.2.3. Phân tích thuật toán 28
2.2.4. Ví dụ minh họa 29

iii
\#F
(C(C#GH34=*I9.9JKALMN.CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCO
1.1.1. Khái niệm về giấu tin 3
1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin 3
1.1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin 4
1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin 6
(C&CIA*7:./H9PQAR.AS?=TH*+RH/9U+H9.HV>./N.*CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCW
1.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh 7
1.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh 8
(COC*S,XY.34HV N.*CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCZ
1.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân 11

1.3.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân 12
1.3.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân 14
1.3.4. Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân 15
&C(C!TH*+RH/9U+H9.*[.B?.3[./CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC(W
2.1.1. Ý tưởng 18
2.1.2. Thuật toán nhúng tin CPT 19
2.1.3. Một số thí dụ minh họa thuật toán CPT 22
2.1.4. Phân tích thuật toán 25
&C&C!TH*+RH/9U+H9.*?./3[./9.CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC&5
2.2.1. Ý tưởng 27
2.2.2. Thuật toán 27
2.2.3. Phân tích thuật toán 28
2.2.4. Ví dụ minh họa 29
\#F]

iv
(C(C#GH34=*I9.9JKALMN.CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCO
1.1.1. Khái niệm về giấu tin 3
1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin 3
1.1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin 4
1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin 6
(C&CIA*7:./H9PQAR.AS?=TH*+RH/9U+H9.HV>./N.*CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCW
1.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh 7
1.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh 8
(COC*S,XY.34HV N.*CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCZ
1.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân 11
1.3.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân 12
1.3.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân 14
1.3.4. Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân 15
&C(C!TH*+RH/9U+H9.*[.B?.3[./CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC(W

2.1.1. Ý tưởng 18
2.1.2. Thuật toán nhúng tin CPT 19
2.1.3. Một số thí dụ minh họa thuật toán CPT 22
2.1.4. Phân tích thuật toán 25
&C&C!TH*+RH/9U+H9.*?./3[./9.CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC&5
2.2.1. Ý tưởng 27
2.2.2. Thuật toán 27
2.2.3. Phân tích thuật toán 28
2.2.4. Ví dụ minh họa 29

v
#^_
Ngày nay, cùng với sự ra đời và phát triển rộng rãi của mạng Internet
trong những thập niên cuối của thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21, nhu cầu trao đổi
thông tin qua mạng ngày càng lớn. Thông tin đã trở thành sẵn sàng và trực
tuyến. Chúng ta đang sống trong xã hội của thông tin, đã có truyền tin thì
thường có yêu cầu bí mật quốc gia, có bí mật quân sự, có bí mật công nghệ,
có bí mật kinh tế, và rất nhiều bí mật cá nhân nữa. Chính vì vậy, vấn đề an
toàn và bảo mật thông tin luôn nhận được sự quan tâm của nhiều lĩnh vực.
Các công nghệ và giải pháp để bảo vệ thông tin đã và đang được nghiên cứu,
phát triển phù hợp với nhiều dạng lưu trữ các thông tin và phương thức truyền
tải thông tin.
Giải pháp bảo mật thông tin được sử dụng phổ biến nhất là dùng các hệ
mật mã như: Hệ mã hoá công khai, hệ mã hoá bí mật. Với giải pháp này,
thông tin ban đầu (bản rõ) sẽ được mã hoá thành bản mật mã (bản mật). Một
phương pháp khác đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rất mạnh mẽ ở
nhiều lĩnh vực đó là phương pháp giấu tin mật (Steganography). Nhiều cách
thức giấu tin mật đã được nghiên cứu và ứng dụng, trên nhiều định dạng khác
nhau như âm thanh, hình ảnh và video…Cả hai phương pháp trên đều có
những ưu, nhược điểm nhất định. Mã hoá giúp che giấu nội dung thông tin,

giấu tin mật giúp che giấu hoạt động trao đổi thông tin. Trên thực tế, để đảm
bảo an toàn cho các kênh trao đổi thông tin bí mật ta cần phải kết hợp cả hai
phương pháp này.
Giấu dữ liệu là một lĩnh vực rộng lớn, trong luận văn này chỉ đề cập đến
việc nghiên cứu các kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh đó cũng là kiểu dữ liệu
được dùng rộng rãi.

Nội dung luận văn tập trung tìm hiểu một số kỹ thuật giấu dữ liệu trong
ảnh đã được công bố, sau đó phát triển mở rộng xây dựng chương trình giấu
tin trong ảnh mầu phục vụ cho quá trình trao đổi đề thi giữa Đại học Thái
Nguyên với các cơ sở đào tạo.
Cấu trúc của luận văn:
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục và tài liệu tham khảo.
Luận văn được bố cục thành 3 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về các kỹ thuật giấu tin.
Chương 2. Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh.
Chương 3: Ứng dụng giấu tin trong trao đổi đề thi giữa Đại học Thái
Nguyên với các cơ sở đào tạo.
- Kết luận và những kiến nghị về hướng phát triển.
Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi những
thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy giáo, cô
giáo và các bạn.

2
*7L./(
`!a
(C(C#GH34=*I9.9JKALMN.
1.1.1. Khái niệm về giấu tin
Giấu tin là một kỹ thuật giấu một lượng thông tin số nào đó vào một
đối tượng dữ liệu khác.

Kỹ thuật giấu tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được
đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng được giấu tin ở trong. Hai mục
đích khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Hướng thứ nhất
là giấu tin mật, nhằm tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho người khác
khó phát hiện được đối tượng có chứa thông tin mật bên trong. Hướng thứ hai
là thuỷ vân số, hướng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được quan
tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có rất nhiều kỹ thuật đã được đề xuất.
1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin
Kỹ thuật giấu tin đã được đề xuất và sử dụng từ thời xa xưa, và sau này
đã được phát triển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực. Từ Steganography bắt nguồn
từ Hi Lạp với ý nghĩa là tài liệu được phủ (coevered writting). Các câu
chuyện kể về kỹ thuật giấu thông tin được truyền qua nhiều thế hệ. Có lẽ
những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin thuộc về sử gia Hi Lạp
Herodotus. Khi bạo chúa Herodotus bị vua Darius bắt ở Susa vào thế kỷ thứV
trước công nguyên, ông ta đã gửi một bài báo bí mật cho con rể của mình là
Aristagoras ở Miletus. Để thực hiện điều này, Histiaeus đã cạo trọc đầu một
nô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của người nô lệ ấy. Khi tóc
của người nô lệ mọc đủ dài người nô lệ được gửi tới Miletus.
Một câu chuyện khác về thời Hi Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại.
Môi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong.
Demeratus, một người Hi Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định

3
xâm chiếm Hi Lạp. Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các
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 được để ngỏ và lọt
qua mọi sự kiểm soát một cách dễ dàng.
Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một
thời gian dài. Người Roman cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước
quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự

thông thường. Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy trở lên sẫm
màu và có thể đọc dễ dàng. Mực không màu cũng được sử dụng rất gần đây,
như trong thời gian chiến tranh Thế giới II. Như vậy ý tưởng về che giấu
thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng chủ yếu được áp dụng
trong quân đội và các cơ quan tình báo. Mãi cho tới vài thập niên gần đây, do
sự phát triển rộng rãi của Internet, nhu cầu bảo mật thông tin cho cá nhân và
các cơ sở tư nhân và các giao dịch trên mạng máy tính ngày một trở thành bức
thiết, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu với
hàng loạt công trình có giá trị được áp dụng rộng rãi và công khai trong hoạt
động sản xuất,quản trị và kinh doanh. Cuộc cách mạng số hóa thông tin và sự
phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến
sự thay đổi này. Gần đây, những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật
thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng diện rộng
của các dữ liệu đa phương tiện đã làm nảy sinh nhiều vấn đề nhức nhối về nạn
ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép càng đòi hỏi
phải đẩy mạnh hơn nữa việc nghiên cứu trong lĩnh vực này.
1.1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin
Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng chính, đó là thuỷ vân số
và giấu tin mật.

4
Kỹ thuật giấu tin mật luôn chú trọng đến tính che giấubvới tính che
giấu, các đối thủ khó có thể phát hiện được đối tượng có chứa tin mật bên
trong hay không; hơn nữa, nếu phát hiện có giấu tin thì việc giải mã thông tin
mật cũng khó có thể thực hiện được. Đồng thời, các kỹ thuật giấu tin mật còn
quan tâm lượng tin có thể được giấu.
Phạm vi ứng dụng của thuỷ vân đa dạng hơn, tuỳ theo mục đích của hệ
thuỷ vân mà người ta lại chia thành các hướng nhỏ như: thuỷ vân dễ vỡ và
thuỷ vân bền vững. Thuỷ vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng những
mẩu tin đòi hỏi độ bền vững cao của thông tin được giấu trước các biến đổi

thông thường trên dữ liệu môi trường. Thuỷ vân dễ vỡ yêu cầu thông tin giấu
sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi nào trên dữ liệu chứa. Như vây, kỹ
thuật giấu tin có thể được phân loại như trong hình 1.1.
Hình 1.1. Phân loại kỹ thuật giấu tin

Giấu thông tin
Giấu tin mật Thuỷ vân số
Thuỷ vân
bền vững
Thuỷ vân
dễ vỡ
Thuỷ vân ẩn Thuỷ vân
hiện
Thuỷ vân ẩn Thuỷ vân
hiện
5
1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin
Mô hình của kỹ thuật giấu tin được mô tả trong Hình 1.2 và 1.3. Trong đó,
Hình 1.2 biểu diễn quá trình giấu tin. Phương tiện chứa bao gồm các đối
tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như các tệp Multimedia. Thông
tin cần giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó tuỳ thuộc vào
mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu vào trong môi trường
chứa nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những chương trình, thuật toán để giấu
tin và được thực hiện với một khoá bí mật giống như các hệ mật mã cổ điển.
Sau khi giấu tin ta thu được môi trường đã giấu tin và được phân phối trên các
phương tiện truyền thông khác nhau.
Hình 1.2. Lược đồ của quá trình giấu tin
Hình 1.3 chỉ ra các công việc của quá trình giải mã thông tin đã được
giấu. Quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng
với bộ nhúng thông tin kết hợp với khoá để giải mã thông tin. Khoá để giải

mã thông tin có thể giống hoặc khác với khoá để nhúng thông tin. Kết quả thu
được gồm môi trường gốc và thông tin đã được giấu. Tuỳ trường hợp, thông
tin táchđược có thể cần xử lí, kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu.

Dữ liệu
môi
trường
(audio,
video,
ảnh )
Bộ
nhúng
thông tin
Khoá
Thông tin cần giấu
Dữ liệu
môi
trường
đã
được
giấu tin
6
Thông qua dữ liệu mật được tác ra từ môi trường chứa tin giấu, người ta có
thể biết được trong quá trình phát tán dữ liệu có bị tấn công hay không.
Với một hệ thống giấu tin mật, tính an toàn của dữ liệu cần giấu
được quan tâm đặc biệt. Một hệ thống được xem là có độ bảo mật cao nếu
độ phức tạp của các thuật toán thám mã khó có thể thực hiện được trên máy
tính. Tuy nhiên, cũng có một số hệ thống lại quan tâm đến số lượng thông
tin có thể được giấu, hoặc quan tâm đến sự ảnh hưởng của thông tin mật
đến môi trường chứa dữ liệu.

Hình 1.3. Lược đồ giải mã tin giấu
(C&CIA*7:./H9PQAR.AS?=TH*+RH/9U+H9.HV>./N.*
1.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh
Miền không gian ảnh là miền dữ liệu ảnh gốc, tác động lên miền không
gian ảnh chính là tác động lên các điểm ảnh, thay đổi giá trị trực tiếp của điểm
ảnh. Đây là hướng tiếp cận tự nhiên bởi vì khi nói đến việc giấu tin trong ảnh

Dữ liệu
môi
trường
(audio,
video,
ảnh )
Bộ giải
mã tin
Khoá
Thông tin giấu
Dữ liệu
môi
trường
đã
được
giấu tin
Kiểm định
7
người ta thường nghĩ ngay đến việc thay đổi giá trị các điểm ảnh nguồn,
một phương pháp phổ biến của hướng tiếp cận này là phương pháp tác động
đến bit ít quan trọng của mỗi điểm ảnh.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhiều hạn chế, chẳng hạn như không
đảm bảo được tính bền vững của thông tin giấu đối với các thao tác biến đổi

như quay ảnh hoặc nén ảnh Jpeg. Điều này là dễ hiểu vì các thao tác nói trên
cũng loại bỏ hoặc làm sai lệch các bit ít quan trọng nhất của mỗi điểm ảnh.
1.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh
Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh như đã trình bày ở trên là
cách tiến hành khảo sát tín hiệu và hệ thống rời rạc một cách trực tiếp trên
miền giá trị rời rạc của các điểm ảnh gọi là trên miền biến số độc lập tự nhiên.
Nhưng trong nhiều trường hợp, cách khảo sát trực tiếp này gặp phải những
khó khăn nhất định hoặc rất phức tạp và hiệu quả không cao.
Ngoài phương pháp khảo sát trực tiếp, có thể dùng phương pháp khảo sát
gián tiếp thông qua các kỹ thuật biến đổi. Các biến đổi này làm nhiệm vụ
chuyển miền biến số độc lập sang các miền khác và như vậy tín hiệu và hệ
thống rời rạc sẽ được biểu diễn trong các miền mới với các biến số mới.
Phương pháp biến đổi này cũng giống như phương pháp biến đổi trong phép
tính tích phân hay phương pháp đổi hệ toạ độ trong giải tích của toán phổ
thông quen thuộc.
Mỗi cách biến đổi sẽ có những thuận lợi riêng, tuỳ từng trường hợp mà
chúng ta chọn phép biến đổi nào cho phù hợp. Sau khi khảo sát, biến đổi xong
các tín hiệu và hệ thống rời rạc trong miền các biến số mới này, nếu cần thiết
có thể dùng các biến đổi ngược để đưa chúng trở lại miền biến số độc lập.
Phương pháp khảo sát gián tiếp sẽ làm đơn giản rất nhiều các công việc
gặp phải khi dùng phương pháp khảo sát trực tiếp trong miền biến số độc lập

8
tự nhiên. Hệ thống rời rạc cần khảo sát chính là miền không gian các điểm
ảnh. Có một số phương pháp biến đổi được sử dụng rất phổ biến như: Furier,
Cosin rời rạc (DCT), Wavelet… Đây là những phép biến đổi được sử dụng
nhiều trong các kỹ thuật xử lý ảnh và âm thanh. Trong giấu tin, đặc biệt trong
kỹ thuật thuỷ vân tiếp cận theo miền tần số, các phép biến đổi từmiền biến số
tự nhiên của ảnh sang miền tần số như biến đổi Furier, biến đổi cosin rời rạc,
Wavelet được sử dụng phổ biến.

(COC*S,XY.34HV N.*
Như đã giới thiệu ở trên, tính 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 và hai là
bảo vệ cho chính đối tượng sử dụng để giấu tin. Tương ứng với hai khía cạnh đó
có hai khuynh hướng kỹ thuật rõ ràng đó là giấu tin mật và thuỷ vân số.
Thuỷ vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số vào một
bức ảnh số và thông tin nhúng được gắn liền với bức ảnh chứa và dữ liệu thuỷ
vân có thể được hiển thị hoặc ẩn phụ thuộc vào mỗi kỹ thuật thuỷ vân cụ thể.
Trong kỹ thuật thuỷ vân số thì thông tin nhúng được gọi là thuỷ vân. Thuỷ
vân có thể là một chuỗi ký tự, hay một hình ảnh, logo nào đó.
Nói đến thuỷ vân số là nói đến kỹ thuật giấu tin nhắm đến 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 sao
chép… Có thể thấy rõ là phần ứng dụng của thuỷ vân rất lớn, mỗi ứng dụng
lại có những yêu cầu riêng, do đó các kỹ thuật thủy vân cũng có những tính
năng khác biệt tương ứng. Có thể chia các kỹ thuật thủy vân theo nhóm như
trong hình 1.3.

9
Hình 1.4. Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân
Các kỹ thuật thủy vân trên hình 1.4. được phân biệt nhau bởi những đặc
trưng, tính chất của từng kỹ thuật và khía cạnh ứng dụng những kỹ thuật đó.
Trong thực tế, tuỳ theo mục đích, yêu cầu của bài toán mà ta sẽ chọn kỹ thuật
thuỷ vân phù hợp. Tuy nhiên, các kỹ thuật trên cũng có một số đặc điểm
giổng nhau.
Thuỷ vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong ảnh sao cho sản
phẩm khi phân phối trong môi trường nếu có bất cứ một phép biến đổi nào
làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thuỷ vân đã được giấu trong đối
tượng sẽ không còn nguyên vẹn như thuỷ vân gốc. Các kỹ thuật thuỷ vân có
tính chất này được sử dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin và phát

hiện xuyên tạc thông tin. Rất dễ hiểu vì sao những ứng dụng này cần đến kỹ
thuật thủy vân dễ vỡ. Ví dụ như để bảo vệ chống xuyên tạc, một ảnh nào đó ta
nhúng một thuỷ vân vào trong ảnh và sau đó phân phối, 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 ảnh đó đã bị thay đổi.

Thuỷ vân
Thuỷ vân bền vững Thuỷ vân dễ vỡ
Thuỷ vân ẩn Thuỷ vân hiện Thuỷ vân ẩn Thuỷ vân hiện
10
Ngược lại, với kỹ thuật thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật thuỷ vân bền vững. Các
kỹ thuật thủy vân bền vững thường được sử dụng trong các ứng dụng bảo vệ
bản quyền. 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 các 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 nhằm chống việc tẩy xoá, làm giả hay
biến đổi phá huỷ thuỷ vân. Một yêu cầu lý tưởng đối với thuỷ vân bền vững là
nếu muốn loại bỏ thuỷ vân thì cách duy nhất là phá huỷ sản phẩm.
Thuỷ vân bền vững lại được chia thành hai loại là thủy 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 giống như các biểu tượng kênh chương trình vô
tuyến VTV1, VCT2, TV5… Các thuỷ vân hiện trên ảnh thường dưới dạng
chìm, mờ hoặc trong suốt 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. Còn
đối với thuỷ vân ẩn thì cũng giống như giấu tin, yêu cầu tính ẩn cao, bằng mắt
thường không thể nhìn thấy thuỷ vân. Trong vấn đề bảo vệ bản quyền, thủy
vân ẩn mang tính bất ngờ hơn trong việc phát hiện sản phẩm bị lấy cắp. Trong
trường hợp này, người chủ sở hữu hợp pháp sẽ chỉ ra bằng chứng là thuỷ vân
đã được nhúng trong sản phẩm bị đánh cắp.

1.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân
Hệ thuỷ vân số trên ảnh cũng là một hệ giấu tin nên cũng có một số đặc
điểm và tính chất giống giấu tin trong ảnh. Đó là:
- Phương tiện chứa là ảnh hai chiều tĩnh
- Thủy vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm thay đổi
kích thước ảnh
- Thông tin được giấu vào trong ảnh nhưng không ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng ảnh.
- Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào bản chất của hệ thống thị giác con người.

11
- Ngoài một số đặc điểm chung nêu trên, kỹ thuật thuỷ vân trên ảnh số
được phân biệt với kỹ thuật giấu tin mật ở những đặc trưng sau đây:
 $%&'($)*+,(!-)
.+,
Đối với hệ thống thuỷ vân bền vững, yêu cầu thông tin thuỷ vân không
thay đổi trước các tác động làm thay đổi thông tin trên ảnh chứa thuỷ vân.
Ngược lại, hệ thống thuỷ vân dễ vỡ yêu cầu thông tin thuỷ vân sẽ bị thay đổi
(vỡ) nếu có bất cứ thay đổi nào trên ảnh chứa thuỷ vân.
 %/0%
Không giống như giấu in mật với yêu cầu bắt buộc là thông điệp giấu
phải ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thường không phát hiện được sự tồn tại của
thông tin giấu thì kỹ thuật thủy vân số lại có hai loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ
vân hiện. Nghĩa là có loại thuỷ vân cho phép nhìn thấy được thông tin đem
nhúng vào, có loại không nhìn thấy. Loại thuỷ vân hiện được sử dụng cho
mục đích công bố công khai về quyền sở hữu, ngược lại, thuỷ vân ẩn được sử
dụng với mục đích giấu bí mật các thông tin xác nhận quyền sở hữu sản phẩm
 1234
Đây là tính chất quan trọng nhất của một hệ thuỷ vân bền vững. Đối với
hệ thống thuỷ vân này, yêu cầu hàng đầu là hệ thuỷ vân phải chống lại được

các phép biến đổi, hay các tấn công có chủ định hoặc không có chủ định lên
ảnh chứa thuỷ vân. Tiêu chuẩn của hệ thuỷ vân này là thủy vân phải tồn tại
cùng với sự tồn tại của ảnh chứa, thủy vân chỉ bị phá huỷ khi chấp nhận mất
đi đáng kể chất lượng của ảnh chứa.
1.3.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân
Một mô hình hệ thống thuỷ vân tổng quát được xem xét theo hai quá trình:
5 67%
- Một bức ảnh gốc cần được bảo vệ S.
- Tuỳ theo mục đích bảo vệ người ta chọn thủy vân có thể là dạng văn
bản, chuỗi bit hoặc một bức ảnh gọi chung là thông tin thủy vân W;

12
- Có thể sử dụng một hệ thống khoá K làm khoá cho quá trình nhúng và
tách thuỷ vân.
- Một thuật toán trong hệ thống sẽ kết hợp giữa thông tin về ảnh gốc,
thông tin thuỷ vân, và thông tin khoá để tạo thành một bức ảnh mới gọi là ảnh
đã nhúng thuỷ vân hay ảnh chứa thuỷ vân SW. Bức ảnh này sẽ được sử dụng
để phân phối.
Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân được thể hiện qua hình 1.4.
Hình 1.5. Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân
5 6 %
Ảnh chứa thuỷ vân S
W
trong quá trình phân phối có thể bị sử dụng trái
phép, người sử dụng có thể đã dùng một số phép biến đổi ảnh thông thường
để tấn công vào S
W
nhằm phá huỷ thủy vân nếu có trong S
W
, các tấn công trên

S
W
tạo ra S
W*
.
Quá trình tách thuỷ vân từ ảnh chứa S
W*
(S
W*
có thể trùng với S
W
)
tiến hành:
- Sử dụng ảnh chứa thuỷ vân S
W*,
hệ thống khoá K đã sử dụng trong
quá trình nhúng thuỷ vân;
- Tuỳ theo kỹ thuật, ảnh gốc S có thể sử dụng ;
- Việc tách thủy vân được thực hiện theo một thuật toán đã xác định.
Kết quả là thông tin thủy vân W* tách được từ S
W*
.

Ảnh gốc S
Thuỷ vân W
Thuật toán
thuỷ vân
Ảnh chứa
thuỷ vân S
W

Khoá K
13
- Thuỷ vân tách được cần so sánh với thuỷ vân gốc W để đưa ra những
kết luận.
Mô hình quá trình tách thuỷ vân trong hệ thống thuỷ vân được trình bày
trong hình 1.6.
Hình 1.6. Mô hình quá trình tách và kiểm định thuỷ vân
1.3.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân
Hệ thống thủy vân cần chống lại được một số phép xử lý ảnh thông
thường và một số tấn công có chủ định đối với ảnh chứa thuỷ vân. Tuỳ theo
mục tiêu bảo vệ, trong thực tế khi tiến hành thuỷ vân phải cân nhắc giữa tính
bền vững với các thuộc tính khác như lượng thông tin giấu, tính ẩn… Dựa
vào những biến đổi có chủ định hay không có chủ định đối với hệ thuỷ vân
mà ta có thể phân biệt thành một số loại tấn công sau:
- Biến đổi tín hiệu, làm sắc nét, thay đổi độ tương phản, màu, gam màu
- Nhiễu cộng, nhiễu nhân;
- Lọc tuyến tính;
- Nén mất thông tin;
- Giảm dữ liệu: cropping,sửa histogram;
- Thuỷ vân nhiều lần

Khoá K
Ảnh chứa
thuỷ vân S
W*
Ảnh gốc S
Thuật toán
tách thuỷ vân
Thuỷ vân tách
W*

Kiểm
định
Thuỷ vân gốc W
Kết luận
14
Yêu cầu cơ bản nhất của hệ thống thuỷ vân bền vững là đảm bảo tính
bền vững của thuỷ vân sao cho các tấn công có chủ định với mục đích loại bỏ
thuỷ vân sẽ làm cho giá trị thương mại của ảnh gốc bị ảnh hưởng lớn thậm chí
đến việc huỷ sản phẩm gốc.
1.3.4. Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân
Hệ thống thuỷ vân theo hai hướng, thuỷ vân dễ vỡ và thuỷ vân bền vững.
Trong thuỷ vân bền vững thì kỹ thuật thuỷ vân ẩn có nhiều hướng ứng dụng.
Trong hệ thống thuỷ vân ẩn, thuỷ vân được nhúng mang tính bất ngờ trong
việc chứng minh quyền sở hữu cho nên yêu cầu cơ bản đối với kỹ thuật này
là: tính ẩn của thuỷ vân trong ảnh chứa, ảnh được nhúng thuỷ vân vẫn đảm
bảo chất lượng thương mại so với ảnh gốc: tính bền vững của thuỷ vân trước
các tấn công thông thường lên ảnh chứa. Liên quan đến những yếu tố này, các
kỹ thuật đánh giá chất lượng ảnh được sử dụng.
89:8;2<=!>!-%
Trong giấu tin nói chung, và trong hệ thống thuỷ vân ẩn nói riêng, một
yêu cầu cao được đặt ra là ảnh sau khi nhúng thông tin có sự sai khác so với
ảnh gốc càng ít càng tốt. Có thể sử dụng hệ thống thị giác của con người để
cảm nhận và đánh giá tiêu chuẩn này.
Việc đánh giá, so sánh một cách chính xác sự sai khác về chất lượng ảnh
gốc F và ảnh sau khi nhúng thông tin thuỷ vân G có thể thực hiện qua việc
tính giá trị PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) giữa ảnh gốc F và ảnh chứa
thuỷ vân G cùng có kích thước min theo công thức:







=
?@
A?B
CDE
)(
log20
10
Trong đó:
2
1
)),(
1
),((
1
F
F
GFA

?@


∑∑
=
−
×
=
=

là bình phương độ lệch giữa ảnh gốc F và ảnh chứa thuỷ vân G

15
Với các phép nén ảnh, người ta chấp nhận giá trị PSNR trong khoảng 30-
40dB. Giá trị PSNR càng lớn thể hiện sự sai khác giữa ảnh gốc và ảnh sau khi
nhúng thông tin càng thấp.
89:H&I % +<=JK.
Thủy vân được nhúng sau khi giải mã sẽ được so sánh để kiểm định,
chứng thực thuỷ vân. Có những thuỷ vân nhìn thấy được và mang ý nghĩa
nhận biết thì công việc trở nên đơn giản chẳng hạn như thuỷ vân là một chuỗi
ký tự ASCII mang thông tin nào đó như tên tác giả,ngày tháng… thì khi giải
mã ta cũng dễ dàng nhận biết được thông tin. Hay như thuỷ vân là một ảnh
nào đó chẳng hạn thì giải mã ta cũng được một ảnh tương tự và ta có thể nhìn
thấy sự khác biệt giữa hai ảnh.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp thì thuỷ vân là một chuỗi bit, khi đó
công việc nhận diện thuỷ vân sẽ không đơn giản. Hoặc ngay cả trong trường
hợp thuỷ vân là những thông tin mang ý nghĩa nhận biết được thì cũng phải
có kỹ thuật để kiểm định, định lượng sự đúng sai của thuỷ vân.
Có nhiều kỹ thuật để kiểm định, định lượng thuỷ vân. Kỹ thuật đơn giản
nhất là ta tính tỷ lệ đúng sai từng bit theo công thức:
SR = (số bít trùng nhau) / (tổng số bit)

16