Kỹ thuật thủy vân bền vững dựa vào các phép biến đổi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

NGUYỄN HẢI YẾN

KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG
DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH

HÀ NỘI, 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

NGUYỄN HẢI YẾN

KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG
DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI

Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính
Mã số: 60480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Thế Hồng

HÀ NỘI, 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Nguyễn Hải Yến


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS. Bùi Thế Hồng,
Thầy đã cho tôi những định hướng, tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi những ý kiến
rất quý báu để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin cảm ơn Trường Đại Học Sư phạm Hà Nội 2 đã hết sức tạo điều
kiện cho tôi trong quá trình học, làm và hoàn thành khóa luận này.
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong phòng Sau đại học Trường
Đại học sư phạm Hà Nội 2 và Thầy Cô giáo dạy thỉnh giảng đã nhiệt tình
giảng dạy, giúp đỡ và trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt thời
gian học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, những người bạn của tôi đã
động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỦY VÂN....................... 3
1.1. Kiến thức cơ bản về thủy vân .................................................................. 3
1.1.1. Khái niệm thủy vân trên ảnh số ............................................................ 3
1.1.2. Phân loại thủy vân trên ảnh số ............................................................. 4

1.1.3. Một số tính chất của thủy vân trên ảnh số............................................. 7
1.2. Ứng dụng của thủy vân trên ảnh số.......................................................... 8
1.2.1 Bảo vệ bản quyền ảnh số .................................................................... 10
1.2.2. Phát hiện giả mạo trên ảnh số ............................................................ 11
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG BẢO VỆ BẢN
QUYỀN ẢNH SỐ DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI SVD VÀ DWT . 13
2.1. Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân bền vững dựa vào phép
biến đổi SVD kết hợp với phép biến đổi DWT ............................................. 13
2.1.1 Phép biến đổi phân tích giá trị đơn SVD ............................................. 13
2.1.2 Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân bền vững dựa vào phép
biến đổi SVD ................................................................................................ 14
2.1.3. Phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc ........................................................... 19
2.2. Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân bền vững dựa vào phép
biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT kết hợp với phép biến đổi SVD................... 25
2.2.1.Lược đồ thủy vân DWT-SVD ............................................................... 25
2.2.2. Quá trình nhúng thủy vân DWT- SVD ................................................ 27
2.2.3. Quá trình trích thủy vân DWT- SVD ................................................... 28


CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM KỸ THUẬT THỦY VÂN
BỀN VỮNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN
ĐỔI DWT VÀ SVD .................................................................................... 30
3.1. Chương trình nhúng thủy vân ................................................................ 30
3.2. Chương trình trích thủy vân ................................................................... 31
3.3. Chương trình kết hợp DWT _SVD ........................................................ 33
3.4. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 36
3.5. Đánh giá thực nghiệm............................................................................ 37
3.5.1.Độ cảm nhận của thủy vân ............................................................... 37
3.5.2.Độ bền vững của thỷ vân .................................................................. 37
KẾT LUẬN ................................................................................................. 41

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................... 42


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Diễn giải

Ý nghĩa

DCT

Discrete Cosine Transform

Biến đổi Cosin rời rạc

DWT

Discrete Wavelet Transform

Biến đổi sóng nhỏ rời
rạc

IDWT

Invert Discrete Wavelet Transform

Biến đổi ngược DWT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Forier rời rạc

PRNS

Pseudo random number sequence

Tỉ số tín hiệu nhiễu

SVD

Singular Value Decomposition

Biến đổi phân tích giá

DFT

trị đơn
JPEG

Joint Photographic Experts

Một định dạng ảnh nén

LL

Horizontally and vertically lowpass

Lọc thấp ngang và dọc

LH

Horizontally lowpass and vertically Lọc thấp ngang và lọc
highpass

HL

Horizontally highpass and vertically Lọc cao ngang và lọc
lowpass

HH

cao dọc

thấp dọc

Horizontally and vertically highpass Lọc cao ngang và lọc
thấp ngang

SR

Similitary Ratio

Tỉ số tương tự


DANH MỤC HÌNH VẼ
Tên hình

Ý nghĩa

Hình 1.1

Phân loại các kỹ thuật thủy vân

Hình 1.2

Mô hình quá trình nhúng thủy vân

Hình 1.3

Mô hình quá trình tách và kiểm định thủy vân

Hình 2.1

Một khối ảnh 8x8 của ảnh Baboon

Hình 2.2

Kết quả phân tích SVD đối với ma trận A của Hình 2.1

Hình 2.3

Phân tích đa phân giải sử dụng Wavelet rời rạc

Hình 2.4

Miền DWT một chiều

Hình 2.5

Miền DWT hai chiều

Hình 2.6

Lược đồ nhúng thủy vân sử dụng DWT kết hợp với SVD

Hình 2.7

Lược đồ trích thủy vân sử dụng DWT kết hợp SVD

Hình 3.1

Kết quả thủy vân với ảnh Lena

Hình 3.2

Kết quả thủy vân với ảnh Mandril

Hình 3.3

Nhúng thủy vân và giải nhúng sử dụng phép biến đổi
DWT kết hợp SVD với ảnh Lena

Hình 3.4

Nhúng thủy vân và giải nhúng sử dụng phép biến đổi
DWT kết hợp SVD với ảnh Mandril

DANH MỤC BẢNG
Tên Bảng
Bảng 3.1

Ý nghĩa
Chất lượng ảnh nhúng thủy vân và thủy vân tìm lại được.
Sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp vào băng HH.

Bảng 3.2

Chất lượng ảnh nhúng thuỷ vân (chưa bị biến đổi) và thuỷ
vân tìm lại được khi thay đổi k, vẫn nhúng vào băng HH.


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Mấy năm trở lại đây có một vấn đề rất được quan tâm đó là việc truy
cập và sử dụng không phép các dữ liệu trên mạng internet. Mọi người thường
xuyên sao chép trái phép các dữ liệu có bản quyền. Vì vậy yêu cầu đặt ra là
chúng ta cần đưa ra một phương pháp hữu hiệu để bảo vệ các dữ liệu có bản
quyền. Một trong các phương pháp đó là thùy vân số.
Hiện tại, đã có khá nhiều kỹ thuật thủy vân bền vững dựa vào các phép
biến đổi rời rạc, trong đó các phép biến đổi Fourier, cosine và phép biến đổi
sóng nhỏ (DWT) đã được một số nhà nghiên cứu về thủy vân sử dụng. Ngoài
ra, còn có một số phép biến đổi rời rạc khác có thể sử dụng riêng rẽ hoặc kết
hợp để nhúng thủy vân vào ảnh. Đó là phép biến đổi SVD (Singular Value
Decomposition) kết hợp với phép biến đổi DWT (Discret Wavelet
Transportation).

Do vậy, em chọn đề tài nghiên cứu: “Kỹ thuật thủy vân bền vững dựa
vào các phép biến đổi”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu các lược đồ thủy vân bền vững bảo vệ bản quyền ảnh số
dựa vào phép biến đổi SVD và DWT.
- Cài đặt lược đồ thử nghiệm và đánh giá kết quả.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bền vững.
- Tìm hiểu kỹ thuật thủy vân bền vững, ứng dụng trong bảo vệ bản
quyền ảnh số dựa vào các phép biển đổi SDV và DWT.
- Sử dụng công cụ lập trình để tạo chương trình thử nghiệm.


2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là lý thuyết về thủy vân bền vững và về
các phép biến đổi SDV và DWT.
- Nghiên cứu cơ chế mã hóa và giải mã thủy vân bền vững trên ảnh số.
5.Những đóng góp mới của đề tài
- Tìm hiểu và nghiên cứu kỹ thuật thủy vân bảo vệ bản quyền ảnh số.
- Cải tiến và nâng cao độ chính xác khi bảo vệ bản quyền ảnh số.
- Cài đặt chương trình thử nghiệm để đánh giá một số lược đồ thủy vân
bền vững bảo vệ bản quyền ảnh số.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu chủ yếu ở đây là phương pháp tiếp cận lý
thuyết, sau đó áp dụng lý thuyết để kiểm chứng vào chương trình thử nghiệm.
Dựa trên kết quả kiểm chứng đó để đưa ra kết luận và các đề xuất nhằm hoàn
thành mục tiêu nghiên cứu.
- Nghiên cứu về lý thuyết thủy vân bền vững. Nghiên cứu ứng dụng và
mô tả chi tiết về kỹ thuật thủy vân bền vững bảo vệ bản quyền ảnh số.

Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn gồm 3
chương:
Chương 1 trình bày tổng quan về kỹ thuật thủy vân bao gồm các khái niệm,
các phân loại, các tính chất và ứng dụng của thủy vân trên ảnh số.
Chương 2 trình bày kỹ thuật thủy vân bền vững dưạ vào các phép biến đổi
DWT và SDV, lược đồ kết hợp giữa hai kỹ thuật thủy vân.
Chương 3 trình bày chương trình cài đặt, chạy thực nghiệm, kết quả thực
nghiệm và đánh giá thự nghiệm.


3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THỦY VÂN
1.1.

Kiến thức cơ bản về thủy vân
Khái niệm thủy vân đã ra đời từ lâu và được các công nhân nhà máy giấy

ở Italia sử dụng. Các tờ giấy được thủy vân sẽ mỏng hơn và có hoa văn trên
đó. Ý nghĩa của việc thủy vân này giúp các xưởng sản xuất giấy đánh dấu bản
quyền trên tờ giấy của họ làm ra. Thuật ngữ thủy vân bắt nguồn từ một loại
mực vô hình và chỉ hiện lên khi nhúng vào nước.
Thủy vân số được coi là ra đời từ năm 1954 với bằng sáng chế của Emile
Hembrooke. Tuy nhiên, nghiên cứu thủy vân vẫn chưa được đặt ra như một
lĩnh vực nghiên cứu độc lập cho tới những năm 1980 và khái niệm thủy vân
chỉ được hoàn thiện vào giữa những năm 90 của thế kỷ 20.
Agrawal và Kiernan (2002) đưa ra những đề xuất đầu tiên về kỹ thuật
thủy vân trên cơ sở dữ liệu quan hệ bởi nhu cầu cấp thiết của người chủ dữ
liệu muốn bảo vệ sản phẩm của mình trước những tấn công bên ngoài. Các
tác giả đã đề xuất một lược đồ thủy vân trong đó dữ liệu có thể chấp nhận

những thay đổi nhỏ mà không ảnh hưởng đến giá trị sử dụng của chúng.
Mục đích của thủy vân: Các lược đồ thủy vân khác nhau được thiết kế
để phục vụ cho các mục đích khác nhau, cụ thể là: bảo vệ bản quyền, đảm
bảo sự toàn vẹn hay phát hiện giả mạo, khoanh vùng, chứng minh quyền sở
hữu,... Đối với các lược đồ thủy vân bền vững thường dùng để bảo vệ bản
quyền ảnh số.
1.1.1. Khái niệm thủy vân trên ảnh số
Thủy vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin vào một
bức ảnh số, các thông tin để nhúng có thể ẩn hoặc hiện thị phụ thuộc vào kỹ
thuật thủy vân cụ thể. Trong kỹ thuật thủy vân số thì thông tin nhúng được gọi


4
là thủy vân (watermark). Thủy vân có thể là một chuỗi các ký tự, một hình
ảnh, hay một logo nào đó… Có thể chia thủy vân thành 2 nhóm:
- Thủy vân dễ vỡ: là kỹ thuật nhúng thủy vân vào trong ảnh số, sao cho
nếu có một phép biến đổi nào đó làm thay đổi ảnh gốc thì thùy vân được giấu
trong đó sẽ không còn nguyên vẹn như thủy vân gốc.
- Thủy vân bền vững: Các kỹ thuật thủy vân bền vững thường sử dụng
trong các ứng dụng bảo vệ tác quyền. Trong đó thủy vân đóng vai trò là thông
tin sở hữu của người chủ hợp pháp. Thủy vân được nhúng trong các sản phẩm
như một hình thức dán tem bản quyền. Trong trường hợp như thế, thủy vân
phải tồn tại bền vững cùng sản phẩm nhằm chống việc biến đổi, làm giả hay
tẩy xóa phá hủy thủy vân. Một yêu cầu lý tưởng đối với thùy vân bền vững là
nếu muốn phá hủy thùy vân thì chỉ có cách duy nhất là phá hủy sản phẩm.
1.1.2. Phân loại thủy vân trên ảnh số
Các kỹ thuật thủy vân có thể chia theo các nhóm như hình minh họa sau:
Bản quyền ảnh số

Thủy vân bền vững

Thủy vân ẩn

Thủyvân hiện

Thủy vân dễ vỡ

Thủy vân ẩn

Thủy vân

Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật thủy vân
Các kỹ thuật thủy vân trên hình 1.1 được phân biệt khác nhau bởi
những đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật và khía cạnh ứng dụng của
những kỹ thuật đó. Trong thực tế, tùy theo mục đích, yêu cầu của bài toán mà
ta chọn kỹ thật thủy vân phù hợp. Tuy nhiên, các kỹ thuật này cũng có một số
đặc điểm giống nhau.


5
Với kỹ thuật thủy vân bền vững thường được sử dụng trong bài toán
bảo vệ bản quyền. Trong những ứng dụng đó, thủy vân đóng vai trò là thông
tin sở hữu của người chủ hợp pháp. Thủy vân được nhúng vào trong các sản
phẩm như hình thức dánh dấu bản quyền. Thủy vân bền vững được chia làm
hai loại thủy vân ẩn và thủy vân hiện. Thủy vân hiện là thủy vân được hiện
ngay trên sản phẩm và người sử dụng có thể nhìn thấy được, hoặc các thủy
vân hiện trên ảnh thì thường hiện thị dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt
nhằm không gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm ảnh gốc. Đối với thủy
vân hiện này thì thông tin bản quyền hiện thị ngay trên sản phẩm gốc. Thủy
vân ẩn thì cũng giống như giấu tin, yêu cầu tính ẩn rất cao, bằng mắt thường

không thể nhìn thấy thủy vân. Với vấn đề bảo vệ bản quyền, thủy vân ẩn
mang nhiều tính bất ngờ hơn trong việc phát hiện sản phẩm bị lấy cắp hay sản
phẩm giả mạo. Trong trường hợp này thì người chủ sở hữu hợp pháp sẽ đưa
ra bằng chứng là thủy vân đã được nhúng vào sản phẩm đó.
Còn đối với thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thủy vân vào trong ảnh
sao cho sản phẩm khi phân phối, truyền tải trong môi trường nếu có bất kỳ
một phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thủy vân đã
được giấu trong đối tượng đó sẽ không còn nguyên vẹn như thủy vân gốc.
Các tính chất của kỹ thuật thủy vân này thường được sử dụng trong các
ứng dụng xác thực thông tin và phát hiện bị xuyên tạc, làm giả. Đó chính là
nguyên nhân vì sao các ứng dụng loại này rất cần đến thủy vân dễ vỡ. Thí
dụ như để bảo vệ chống bị xuyên tạc một ảnh nào đó, người ta nhúng một
thủy vân vào và sau đó quảng bá, phân phối đối tượng này. Khi cần kiểm
tra lại người ta sử dụng hệ thống đọc thủy vân, nếu không đọc được thủy
vân hoặc thủy vân bị sai lệch nhiều so với thủy vân ban đầu đã được nhúng
vào đối tượng thì có nghĩa là bức ảnh đó đã bị thay đổi, chỉnh sửa, làm nhái
hay làm giả,…


6
Quá trình nhúng thủy vân: cần có ảnh gốc cần bảo vệ S, tùy thuộc mục
đích bảo vệ mà người sở hữu sẽ chọn thủy vân dạng phù hợp như văn bản,
chuỗi bit,… gọi chung thủy vân W, sử dụng hệ thống khóa K làm khóa cho
quá trình nhúng tách thủy vân.
Sử dụng một thuât toán trong hệ thống sẽ kết hợp giữa thông tin về ảnh gốc,
thông tin thủy vân và thông tin khóa để tạo thành một bức ảnh mới, còn gọi là
ảnh đã nhúng thủy vân hay ảnh chứa thủy vân SW. Từ đây bức ảnh này sẽ
được phân phối, truyền tải đi.

Khóa K

Thuật
toán
thủy vân

Ảnh gốc S

Ảnh chứa
thủy vân
SW

Thủy vân W
Hình 1.2 Mô hình quá trình nhúng thủy vân
Quá trình tách thủy vân: Ảnh chứa thủy vân SW trong quá trình phân
phối, truyền tải có thể bị sử dụng trái phép, người sử dụng có thể đã dung
một số phép biến đổi nhằm tác động tấn công vào SW nhằm phá hủy thủy
vân nếu có trong đó, các tấn công vào trong SW sẽ tạo ra S

∗

(

∗

có

thể trùng với SW).
∗

Sử dụng ảnh chứa thủy vân

, hệ thống khóa K đã sử dụng trong

quá trình nhúng thủy vân, Tùy theo kỹ thuật ảnh gốc S có thể sử dụng, tách
thủy vân được thực hiện theo một thuật toán đã xác định, kết quả là thông tin
thủy vân

∗

được tách ra từ

∗

, thủy vân được tách cần so sánh với thủy

vân gốc W để đưa ra những kết luận.


7
Mô tả quá trình tách thủy vân trong hệ thống thủy vân được minh họa
hình dưới đây.
Thủy vân gốc

Khóa K

Ảnh gốc S

Thủy vân W

Thuật
toán

tách
thủy
vân

Thủy
vân
được
tách

Kiểm
định

Kết
luận

Hình 1.3 Mô hình quá trình tách và kiểm định thủy vân
1.1.3. Một số tính chất của thủy vân trên ảnh số
Hệ thủy vân trên ảnh cũng là một hệ giấu tin cho nên cũng có một số
đặc điểm và tính chất giống như che giấu thông tin trong ảnh như sau:
- Phương tiện chứa là hình ảnh hai chiều tĩnh.
- Thông tin được giấu vào trong ảnh nhưng không ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng hình ảnh đó.
- Kỹ thuật che giấu phụ thuộc vào bản chất của hệ thống thị giác của
con người.
- Ngoài các đặc điểm chung đã nêu thì kỹ thuật thủy vân trên ảnh số
được phân biệt với kỹ thuật giấu tin mật ở nhưng đặc trưng sau:
1. Thông tin thủy vân có hoặc không bị biến đổi khi ảnh chứa bị thay đổi:
Với hệ thống thủy vân bền vững, các yêu cầu thông tin thủy vân không
thay đổi trước các tác động làm biến dạng thông tin trên ảnh chứa thủy vân và
ngược lại hệ thống thủy vân dễ vỡ yêu cầu thông tin thủy vân sẽ thay đổi khi

có bất kỳ sự tác động nào vào ảnh chứa thủy vân.


8
2. Thủy vân hiện, thủy vân ẩn
Không giống như giấu thông tin mật với yêu cầu bắt buộc là thông tin
che giấu phải ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thường không nhận biết được sự
tồn tại của thông tin giấu. Nhưng kỹ thuật thủy vân số lại có hai loại là thủy
vân hiện và thủy vân ẩn. Có nghĩa là có loại thủy vân cho phép nhìn thấy
được thông tin được nhúng vào và có loại không thể nhìn thấy được. Thủy
vân hiện thường được ứng dụng cho mục đích tuyên bố, công khai về quyền
sở hữu và ngược lại thủy vân ẩn thường được sử dụng với mục đích như giấu
bí mật các thông tin xác nhận quyền sở hữu sản phẩm.
3. Tính chất bền vững
Đó chính là đặc tính quan trọng nhất của một hệ thống thủy vân bền
vững. Đối với hệ thống thủy vân này thì yêu cầu đầu tiên là hệ thủy vân phải
chống lại được phép biến đổi hay tấn công có chủ đích hoặc không có chủ
đích lên ảnh chứa thủy vân. Tiêu chuẩn của nó là thủy vân phải tồn tại cùng
với sự tồn tại của ảnh chứa, thủy vân chỉ bị phá hủy khi ảnh chứa chấp nhận
mất đi phần lớn chất lượng của mình.
1.2. Ứng dụng của thủy vân trên ảnh số
Yêu cầu cơ bản nhất của hệ thống thủy vân là phải đảm bảo tính chất
bền vững mà người ta đã ứng dụng kỹ thuật giấu tin vào một số bài toán sau:
1. Bài toán bảo vệ quyền tác giả (copyright protection):
Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân số. Một thông tin
nào đó mang ý nghĩa đặc trưng riêng, bản quyền được sở hữu bởi tác giả thì
gọi đó là thủy vân, thông tin này sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm đa
phương tiện, và nó là minh chứng cho bản quyền của tác giả nhằm bảo vệ các
sản phẩm chống lại các hành vi, vi phạm lấy cắp hoặc làm nhái. Các yêu cầu
kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản

9
phẩm, chỉ khi muốn bỏ thủy vân này mà không được phép của người chủ sở
hữu hay tác giả thì chỉ còn có cách là phá hủy sản phẩm đó.
2. Bài toán giấu tin mật (steganography):
Với bài toán này, thông tin cần được che giấu trong trường hợp này là
cần được bảo vệ trước các đối tượng không được phép. Việc giải mã nó để
nhận được thông tin cũng không cần giữ liệu môi trường gốc. Đối với các
thuật toán giấu thông tin mật này không quan tâm đến việc bảo vệ thông tin
mất trước sự tấn công, phá hoại của các đối thủ mà thay vào đó là các thuật
toán cần chú trọng đến tính ẩn và tính an toàn đối với dữ liệu thông tin cần
che giấu. Do đó, các thuật toán giấu tin này có độ bảo mật cao sẽ được dùng
trong các ứng dụng giấu tin mật.
3. Bài toán xác thực thông tin (authentication and tamper detection):
Với bài toán này, một số thông tin sẽ được che giấu trong dữ liệu nguồn
và thông tin này sẽ được sử dụng để nhận biết xem dữ liệu nguồn có bị thay
đổi, biến dạng hay không. Với loại ứng dụng này thì thủy vân cần được ẩn để
tránh được sự tò mò, nhận thấy của đối thủ, hơn nữa việc làm giả các thủy vân
hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng rất cần được quan tâm chú ý. Các
ứng dụng trong thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí bị xuyên phá
cũng như nhận biết được các thay đổi. Các yêu cầu chung đối với loại ứng
dụng này là khả năng giấu thông tin rất cao và thùy vân không bền vững.
4. Bài toán kiểm soát sao chép (coppy control):
Với bài toán này, thủy vân được sử dụng để kiểm soát việc sao chép
thông tin. Các thiết bị phát hiện ra thủy vân thường được cài đặt sẵn trong các
hệ thống đọc và ghi. Các ứng dụng thuộc bài toán này yêu cầu thủy vân phải
được đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thủy vân đã
giấu mà không cần thông tin gốc.

10
5. Bài toán dán nhãn hay giấu vân tay (fingerprinting and labeling):
Với bài toán này, thủy vân số được sử dụng để nhận diện người gửi hay
người nhận của một thông tin nào đó. Các thủy vân khác nhau sẽ được nhúng
vào các bản sao khác nhau của thông tin gốc trước khi gửi đi cho nhiều người
khác nhau. Yêu cầu của các ứng dụng này là đảm bảo độ an toàn cao cho các
thủy vân nhằm tránh sự xóa dấu vết trong khi phân phối, truyền tải.
1.2.1 Bảo vệ bản quyền ảnh số
Mục đích của thủy vân với bảo vệ bản quyền ảnh số là gắn một “dấu
hiệu” vào dữ liệu ảnh mà có thể xác định được người nắm giữ bản quyền. Và
cũng có thể gắn thêm một dấu hiệu khác gọi là vân tay để xác định người
dùng của sản phẩm. Dấu hiệu có thể là một dãy số như mã hàng hóa quốc tế,
một nhãn hoặc một logo…
Mặc dù đã có nhiều quy định về bảo vệ bản quyền và đã có những
chuyển biến tích cực trong việc thực thi quyền tác giả, nhưng bấy nhiêu vẫn
còn chưa đủ. Những hành vi xâm hại quyền tác giả diễn ra tràn lan, tinh vi và
công khai trước sự xót xa, bất lực của các chủ sở hữu. Đặc biệt với dữ liệu số
chẳng hạn như ảnh số với nhiều định dạng thì vấn đề bảo vệ bản quyền lại
càng trở nên khó khăn hơn.
Một số vấn đề trong bảo vệ bản quyền ảnh số, trong mua bán và trao
đổi các tác phẩm số nảy sinh một số vấn đề cụ thể như:
1. Vấn đề thứ nhất là phải bảo đảm quyền tác giả: để bảo vệ được bản quyền
của người chủ sở hữu tác phẩm số thì sản phẩm đó phải mang những thông tin
đặc biệt chứng minh được nó là thuộc quyền sở hữu của người chủ. Nhờ
những thông tin này chủ tác phẩm số có thể chứng minh được với cơ quan có
thẩm quyền quyền sở hữu hợp pháp của mình.
2.Vấn đề thứ hai là đảm bảo thông tin sẵn sàng cho người dùng hợp pháp và
chống phân phối bất hợp pháp nội dung tác phẩm: việc mua bán, phân

11
phốihợp pháp các sản phẩm số (đặc biệt là ảnh số) được thực hiện dựa trên
nguyên tắc là người mua sẽ trả tiền để nhận được những bản sao hợp pháp của
các sản phẩm này.
3. Vấn đề thứ ba là lần vết thông tin phát hiện người phân phối sản phẩm bất
hợp pháp: khi vấn đề về vi phạm bản quyền xảy ra hoặc khi chủ sở hữu sản
phẩm số nghi ngờ là có bản sao sản phẩm không hợp lệ, thì phải có biện pháp
để xác minh hoặc tìm ra trong những người dùng hợp pháp ai là người phân
phối sản phẩm trái phép.
1.2.2. Phát hiện giả mạo trên ảnh số
Một ứng dụng khác nữa của thủy vân là xác thực ảnh và phát hiện giả
mạo. Hiện nay ảnh số ngày càng được sử dụng như các bằng chứng trước
pháp luật, vấn đề là cần xác thực được tính hợp phát của bức ảnh đó. Thủy
vân được sử dụng ở đây để xác định xem ảnh là nguyên bản hay đã chịu tác
động của con người, bằng các ứng dụng xử lý ảnh. Thủy vân được giấu lúc
đầu phải mang tính chất không bền vững, để bất kỳ sự thay đổi nào tới ảnh
cũng có thể làm hỏng thủy vân hoặc phát hiện được thay đổi với thủy vân này
để phát hiện ra ảnh giả mạo.
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.

12
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 thủy 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.
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 hoặc ghi. 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.


13
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN BỀN VỮNG BẢO VỆ BẢN
QUYỀN ẢNH SỐ DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI SVD VÀ DWT

Một số phép biến đổi thường được sử dụng trong kỹ thuật thủy vân bền
vững như: SVD, QR, NMF, DCT, DWT, để tăng cường tính bền vững, phù
hợp với các định dạng dữ liệu các lược đồ có thể kết hợp các miền biến đổi
với nhau. Và đây cũng là một trong những hướng nghiên cứu nhận được
nhiều sự quan tâm.Do vậy nội dung chương này tôi sẽ tập trung trình bày hai
lược đồ thủy vân dựa trên hai miền kết hợp: SVD –DWT
2.1. Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân bền vững dựa vào
phép biến đổi SVD kết hợp với phép biến đổi DWT
2.1.1 Phép biến đổi phân tích giá trị đơn SVD
Phép biến đổi SDV (Singular Value Decomposition) là phép biên
đổima trận trực giao và tính chất quan trọng là tập trung năng lượng ảnh vào
một phần tử cố định của miền biến đổi. Trong phép biến đổi SDV năng lượng

ảnh tập trung vào phần tử có tính ổn định cao, vì vậy có thể sử dụng chúng để
xây dựngcác lược đồ thủy vân bền vững trước các phép tấn công.
Mọi ma trận thực Y cấp ×

cho trước luôn có thể phân tích thành

tích của 3 ma trận thực như sau:
Y= U × D ×

(2.1)

Trong đó:
- U là ma trận trực chuẩn cấp

× .

- V là ma trận trực chuẩn cấp

× .

- D là ma trận đường chéo cấp

×

có tính chất:

(1,1) ≥ (2,2) ≥ … ≥ ( , ) ≥ 0,
k được gọi là hạng của ma trận Y.

ớ = min( , )

14
Do U, V là các ma trận trực chuẩn nên giá trị các phần tử của những ma trận
này thường khá nhỏ. Giá trị trung bình của phần tử

,

ứng với ma trận U có

thể được xác định như sau:
,

≈

1

Tương tự như ma trận U, giá trị trung bình của phần tử

,

trên ma trận V có

thể là:
,

≈

1

Như vậy, giá trị các phần tử của hai ma trận U,V tỉ lệ nghịch với kích thước
của ma trận.
2.1.2 Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân bền vững dựa vào
phép biến đổi SVD
2.1.2.1.Một số tính chất của khai triển SVD
Như đã đề cập ở trên, trong khai triển SVD, giá trị các phần tử trên hai ma
trận U,V thường khá nhỏ. Từ công thức (2.1) suy ra, năng lượng của U,V là:
P(U) = m và P(V) = n
Trong khai triển SDV năng lượng của ảnh tập trung vào ma trận đường
chéo D, đặc biệt là phần D(1,1). Do đó, nếu sử dụng ma trận D để nhúngthủy
vân thì tính bền vững của thuật toán được cải thiện nhưng chất lượng ảnh sẽ
bị giảm.
Nếu áp dụng khai triển SVD trên dữ liệu ảnh, thì ma trận U,V đại diện
cho cường độ sáng của ảnh, hai ma trận đại diện cho hình ảnh của ảnh.
2.1.2.2.Ví dụ minh họa khai triển SVD
Để dễ theo dõi, ta xét ví dụ minh họa khai triển SVD trên khối ảnh A
có giá trị như sau:


15

Hình 2.1.Một khối ảnh 8x8 của ảnh Baboon
Từ ma trận qua A phân tích SVD ta nhận được 3 ma trận U,D và V
tương ứng như hình sau :

Ma trận U

Ma trận D

Ma trận V

Hình 2.2. Kết quả phân tích SVD đối với ma trận A của Hình 2.1


16
2.1.2.3.Thủy vân trên miền SVD
Dựa trên khai triển, nhiều tác giả đề xuất các lược đồ thủy vân trên
miền SVD. Theo các tài liệu nghiên cứu, dữ liệu ảnh được chia thành các khối
kích thước ×

, i = 1..N. Với mỗi khối F, các thuật toán áp dụng phép

khai triển SVD để nhận được 3 ma trận U,D,V tương ứng.
Sau khai triển SVD, mỗi ma trận U được nhúng một bít thủy vân vào
′

một hoặc hai phần tử U của ma để nhận được ma trận
biến đổi SVD ngược sẽ nhận được khối ảnh thủy vân

′

. Từ

′

, bằng phép

.

Thay việc sử dụng ma trận U để nhúng thủy vân, một số phương pháp
nhúng thủy vân trên các ma trận V, U. Theo kết quả thực nghiệm của các

phương pháp thì, nhúng thủy vân trên ma trận D có tính bền vững cao hơn so với
nhúng thủy vân trên ma trận V và U. Tuy nhiên, chất lượng ảnh của các lược đồ
thủy vân trên các ma trận U, V lại cao hơn các thuật toán trên ma trận D.
Trên miền SVD, Thuật toán sử dụng ảnh gốc I, thủy vân W=(w1,...,wt)
có độ dài t bít và một số nguyên dương q dùng làm hệ số lượng tử. Đầu ra là
ảnh I’ chứa dấu thủy vân W. Các bước của thuật toán như sau:
Bước 1: Chia ảnh I thành t khối không giao nhau từng đôi một và có cùng
kích thước m×n, ký hiệu là ,i=1,2,...,t.
Bước 2: Áp dụng phân tích SVD trên mỗi khối :
=
Bước 3: Nhúng bít

vào phần tử

×

×

(1,1)của ma trận đường chéo :

Bước 3.1: Tính:


=

(1,1)



Trong đó q là hệ số lượng tử cho trước, nó thể hiện tính bền vững của lược đồ

thủy vân. Nếu hệ số q càng nhỏ thì tính bền vững của lược đồ càng thấp,
nhưng chất lượng ảnh thủy vân càng cao. Ngược lại hệ số q càng lớn thì tính
bền vững của lược đồ càng cao, nhưng chất lượng ảnh thủy vân càng thấp. Vì