NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG THỦY VÂN SỬ DỤNG BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC TRÊN ẢNH JPEG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Nguyễn Lê Cƣờng

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƢỢNG THỦY VÂN SỬ DỤNG
BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC TRÊN ẢNH JPEG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT

HÀ NỘI - 2012

1


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Nguyễn Lê Cƣờng

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƢỢNG THỦY VÂN SỬ DỤNG
BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC TRÊN ẢNH JPEG

Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử
Mã số: 62.52.70.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. GS.TS Nguyễn Bình
2. TS Nguyễn Ngọc Minh

HÀ NỘI - 2012

2


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số
liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chƣa đƣợc công bố bởi
bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Lê Cƣờng

i


LỜI CẢM ƠN
Luận án Tiến sĩ này đƣợc thực hiện tại Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn
thông dƣới sự hƣớng dẫn của GS.TS Nguyễn Bình và TS Nguyễn Ngọc Minh.
Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về sự giúp đỡ, tạo điều
kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh hoàn thiện công trình nghiên cứu của mình.
Nghiên cứu sinh cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tác giả các công
trình nghiên cứu đƣợc trích dẫn trong luận án này vì đó là nguồn tƣ liệu quý báu
cung cấp kiến thức cho nghiên cứu sinh trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện luận
án.
Nghiên cứu sinh xin đƣợc cảm ơn lãnh đạo Học viện Công nghệ Bƣu chính
Viễn thông đã tạo mọi điều kiện để nghiên cứu sinh đƣợc thực hiện và hoàn thành

chƣơng trình nghiên cứu của mình. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Khoa Quốc tế
và Đào tạo sau đại học, Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, Học viện Công nghệ Bƣu chính
Viễn thông và các đồng nghiệp đã hợp tác và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên
cứu của mình.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo nhà trƣờng và các đồng nghiệp tại Khoa
Điện tử-Viễn thông, trƣờng Đại học Điện lực đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
trong quá trình vừa làm nghiên cứu sinh vừa công tác tại trƣờng.
Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi có đủ thời gian,
sức khỏe, nghị lực để hoàn thành luận án.

Hà Nội, tháng 05 năm 2012

Tác giả

Nguyễn Lê Cƣờng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................ii
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii
CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................ ix
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................................... x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1 ......................................................................................................................... 7
TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC THỦY VÂN SỐ ............. 7
1.1. Giới thiệu chƣơng ...................................................................................................... 7

1.2. Khảo sát những nghiên cứu gần đây về các kỹ thuật thủy vân ảnh số và tấn công
nén ảnh số ....................................................................................................................... 11
1.2.1. Một số công trình liên quan đến kỹ thuật thủy vân trên ảnh số ........................ 11
1.2.2. Một số nghiên cứu về tấn công nén ảnh số đối với thủy vân ........................... 17
1.2.3. Nhận xét ............................................................................................................ 20
1.3. Phƣơng pháp thủy vân trong miền DCT và tấn công nén ảnh JPEG ...................... 21
1.3.1. Biến đổi cosine rời rạc (DCT) .......................................................................... 21
1.3.2. Tấn công nén ảnh JPEG.................................................................................... 23
1.4. Kết luận chƣơng ...................................................................................................... 26
CHƢƠNG 2 ....................................................................................................................... 27
CHẤT LƢỢNG THỦY VÂN ẨN TRƢỚC TẤN CÔNG NÉN ẢNH JPEG.................... 27
2.1. Giới thiệu chƣơng.................................................................................................... 27
2.2. Đánh giá chất lƣợng của thủy vân ........................................................................... 27
2.3. Phƣơng pháp thủy vân dựa trên sai số lƣợng tử ...................................................... 30
2.3.1. Giới thiệu phƣơng pháp thủy vân thông thƣờng trên miền DCT ..................... 30
2.3.2. Đề xuất phƣơng pháp thủy vân dựa trên sai số lƣợng tử .................................. 32
2.3.3. Thử nghiệm và kết quả ..................................................................................... 34
2.4. Đề xuất phƣơng pháp thủy vân cải tiến dựa trên bù sai số lƣợng tử ....................... 37
2.4.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 37

iii


2.4.2. Phân bố thống kê của sai số lƣợng tử trong phép nén ảnh JPEG và khái niệm
bù sai số lƣợng tử........................................................................................................ 38
2.4.3. Nội dung phƣơng pháp và các biện luận .......................................................... 40
2.4.4. Thực nghiệm và kết quả ................................................................................... 41
2.5. Kết luận chƣơng ...................................................................................................... 44
CHƢƠNG 3 ....................................................................................................................... 45
THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ TRƢỚC NÉN ẢNH JPEG VỚI TỈ SỐ NÉN KHÁC

NHAU ................................................................................................................................ 45
3.1. Giới thiệu chƣơng.................................................................................................... 45
3.2. Ảnh hƣởng của nén ảnh JPEG với tỉ số nén khác nhau .......................................... 45
3.3. Đề xuất phƣơng pháp ƣớc lƣợng các tham số trong trƣờng hợp toàn ảnh .............. 47
3.3.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 47
3.3.2. Một số đại lƣợng và bài toán ƣớc lƣợng tham số ............................................. 48
3.3.3. Thuật giải QEWM-AO ..................................................................................... 50
3.3.4. Cải tiến phƣơng pháp QEWM-AO-phƣơng pháp QEWM-AOA ..................... 52
3.3.5. Thuật giải QEWM-AOA .................................................................................. 53
3.3.6. Thử nghiệm và kết quả ..................................................................................... 54
3.4. Đề xuất phƣơng pháp ƣớc lƣợng các tham số thích nghi đối với từng hệ số .......... 60
3.4.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 60
3.4.2. Một số định nghĩa ............................................................................................. 61
3.4.3. Dung lƣợng chứa thủy vân của ảnh gốc ........................................................... 63
3.4.4. Tỷ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu cực tiểu ............................................................. 64
3.4.5. Xây dựng thuật toán nhúng thủy vân thích nghi .............................................. 65
3.4.6. Thử nghiệm và kết quả ..................................................................................... 68
3.5. Kết luận chƣơng ...................................................................................................... 73
CHƢƠNG 4 ....................................................................................................................... 75
ĐỀ XUẤT MỘT MÔ HÌNH QUẢN TRỊ THỦY VÂN ẨN TRÊN ẢNH SỐ .................. 75
4.1. Giới thiệu chƣơng.................................................................................................... 75
4.2. Thiết kế tổng thể hệ thống ....................................................................................... 75
4.2.1. Chức năng của hệ thống ................................................................................... 75
4.2.2. Yêu cầu đối với hệ thống .................................................................................. 76
4.2.3. Đề xuất sơ đồ khối của hệ thống ...................................................................... 76

iv


4.3. Các thành phần của hệ thống................................................................................... 77

4.3.1. Cơ sở dữ liệu..................................................................................................... 77
4.3.2. Tính toán tham số và nhúng thủy vân............................................................... 80
4.3.3. Khôi phục và đánh giá thủy vân ....................................................................... 81
4.3.4. Module giao tiếp ngƣời dùng ........................................................................... 81
4.4. Một minh họa cho ứng dụng của hệ thống .............................................................. 82
4.5. Kết luận chƣơng ...................................................................................................... 84
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 85
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 89

v


CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Thuật ngữ tiếng Anh

Thuật ngữ tiếng Việt

3D

Three dimensional

3 chiều

AC

Alternating Component

Thành phần xoay chiều

A/D

Analog to Digital Conversion

Biến đổi tƣơng tự-số

CT

Computed Tomography

Chụp cắt lớp vi tính

DC

Direct Component

Thành phần một chiều

DCT

Discrete Cosin Transform

Biến đổi Cosin rời rạc

DES

Data Encryption Standard

Chuẩn mã hóa dữ liệu DES

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DRM

Digital Right Management

Quản lý bản quyền dữ liệu số

DWT

Discrete Wavelet Transform

Biến đổi sóng con rời rạc

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FPGA

Field Programable Gate Array

Ma trận cổng logic lập trình đƣợc

GGF

General Gaussian Function

Hàm Gauss tổng quát

HVS

Human Visual System

Hệ thống thị giác con ngƣời

vi


IDCT

IID

Inverse Descrete Cosine
Transform
Independent Identically
Distributed

Biến đổi Cosine rời rạc ngƣợc

Đƣợc phân bố chồng khít độc lập

IP

Intellectual Property

Sở hữu trí tuệ

IPP

Intellectual Property Protection

Bảo vệ sở hữu trí tuệ

JPEG

Joint Photographic Experts Group

KL

Karhunen - Loeve Transform

Biến đổi KL

LSB

Least Significant Bit

Bit có trọng số thấp nhất

MRI

Magnetic Resonance Imaging

Chụp cộng hƣởng từ

MOS

Mean Observer Score

Điểm quan sát trung bình

MPEG

Moving Picture Expert Group

Nhóm chuyên gia về ảnh động

MSE

Mean Squared Error

Sai số bình phƣơng trung bình

PCM

Pulse-Code Modulation

Điều chế xung mã

PN

Pseudo Noise

Giả tạp âm

PRN

Pseudo Random Noise

Giả tạp âm ngẫu nhiên

vii

Nhóm phối hợp các chuyên gia về
ảnh


PSNR

Peak signal-to-noise ratio

Tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu

QEWM

Quantization Error Watermarking

Thủy vân dựa trên sai số lƣợng tử

RGB

Red Green Blue

Hệ màu RGB
Sai số bình phƣơng trung bình

RMSE

Root Mean Squared Error

chuẩn (Căn bậc hai của sai số
bình phƣơng trung bình)
Quay, thay đổi tỉ lệ và dịch

RST

Rotation, Scale and Translation

SDM

Sampling Distribution of Means

SNR

Signal to Noise Ratio

TWM

Trivial Watermarking Method

XML

EXtensible Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

WTGM

Wavelet Tree Group Modulation

Điều chế nhóm cây sóng con

WTQ

Wavelet Tree Quantization

Lƣợng tử hóa cây sóng con

viii

Cắt mẫu phân bố của các trung
bình
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
Phƣơng pháp thủy vân thông
thƣờng


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các hệ số DC và AC trong ma trận biến đổi DCT 8x8 ...................................... 23
Bảng 1.2 Bảng lƣợng tử cho thành phần chói với q=75 .................................................... 24
Bảng 2.1 Hệ số nhúng  , hệ số tƣơng quan



và tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu PSNR .. 36

Bảng 2.2 Hệ số nhúng  ,  với hệ số tƣơng quan γ và tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu PSNR
tƣơng ứng ........................................................................................................................... 43
Bảng 3.1 Giá trị các đại lƣợng tƣơng ứng với ................................................................... 58
Bảng 3.2 Các tham số và kết quả của phƣơng pháp thủy vân QEWM-AOA và QEWMAMN .................................................................................................................................. 72

ix


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ phân loại kỹ thuật nén ảnh ........................................................................ 18
Hình 1.2 Sơ đồ tóm tắt lƣợc đồ mã hóa và giải mã JPEG dùng biến đổi DCT ................. 24
Hinh 2.1 Các vùng tần số trong ma trận các hệ số DCT .................................................... 30
Hinh 2.2 a. Ảnh gốc

b. Thủy vân gốc ................................................................. 35

Hinh 2.3 Thực hiện theo phƣơng pháp QEWM với  =0.02.............................................. 35
Hinh 2.4 Thực hiện theo phƣơng pháp TWM với
Hinh 2.5 Hệ số nhúng  , hệ số tƣơng quan
Hinh 2.6 Hệ số nhúng





 =0.02 ............................................... 35

ứng với phƣơng pháp QEWM và TWM 36

và tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu PSNR ứng với phƣơng pháp

QEWM và TWM ............................................................................................................... 37
Hinh 2.7 Phân bố của sai số lƣợng tử ảnh Lena với các hệ số chất ................................... 40
Hinh 2.8 a. Ảnh gốc

b. Thủy vân gốc ...................................................................... 42

Hinh 2.9 Thực hiện theo phƣơng pháp TWM với  =0.015.............................................. 42
Hinh 2.10 Thực hiện theo phƣơng pháp QEWM-A với  =0.08 ....................................... 42
Hình 3.1 Tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu PSNR với ứng với (qc ,  ) khác nhau ................... 56
Hình 3.2 Trị trung bình của hệ số tƣơng quan  với (qc , ) khác nhau thỏa mãn
PSNR>T_PSNR và  > T _  ........................................................................................... 57
Hình 3.3 Phƣơng sai của hệ số tƣơng quan  với (qc , ) khác nhau thỏa mãn
PSNR>T_PSNR và  > T _  ........................................................................................... 57
Hình 3.4 Độ hội tụ của hệ số tƣơng quan  với (qc , ) khác nhau thỏa mãn
PSNR>T_PSNR và  > T _  ........................................................................................... 57

x


Hình 3.5 Hệ số tƣơng quan  ............................................................................................ 58
Hình 3.6 a. Ảnh gốc

b. Thủy vân gốc ............................................................... 58

Hình 3.7 Ảnh chứa thủy vân với các tham số qc=90,  =0.02 và thủy vân khôi phục đƣợc
............................................................................................................................................ 59
Hình 3.8 Ảnh chứa thủy vân với các tham số qc=59,  =0.09 và thủy vân khôi phục đƣợc
............................................................................................................................................ 59
Hình 3.9 Ảnh chứa thủy vân với các tham số qc=51,  =0.06 và thủy vân khôi phục đƣợc
............................................................................................................................................ 59
Hình 3.10 Ảnh chứa thủy vân với các tham số qc=54,  =0.08 và thủy vân khôi phục đƣợc
............................................................................................................................................ 59
Hình 3.11 a. Ảnh gốc

b. Thủy vân gốc .............................................................. 71

Hình 3.12 Đặc tuyến biểu diễn mối quan hệ giữa ngƣỡng bền vững thres _  và dung
lƣợng chứa thủy vân tính theo đơn vị dB:  dB =log10(  thres _  ) của ảnh Lena .................... 71
Hình 3.13 Hệ số tƣơng quan giữa thủy vân gốc và thủy vân khôi phục sau tấn công ....... 73
Hình 3.14 Phƣơng pháp QEWM-AOA với các tham số đƣợc ƣớc lƣợng qc=54,  =0.08 và
thủy vân khôi phục ............................................................................................................. 71
Hình 3.15 Phƣơng pháp QEWM-AMN với thres _  =0.380 và thủy vân khôi phục .......... 72
Hình 3.16 Phƣơng pháp QEWM-AMN với thres _  =0.335 và thủy vân khôi phục ........ 72
Hình 3.17 Phƣơng pháp QEWM-AMN với thres _  =0.290 và thủy vân khôi phục .......... 72
Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống ...................................................................................... 76
Hình 4.2 Một số ảnh trong thƣ viện ảnh gốc ..................................................................... 79
Hình 4.3 Một số ảnh trong thƣ viện thủy vân .................................................................... 79
Hình 4.4 Đồ thị sắp xếp các hệ số DCT của ảnh gốc và thủy vân giảm dần ..................... 79
Hình 4.5 Đặc tuyến quan hệ giữa độ bền vững và dung lƣợng thủy vân của các ảnh ....... 80

xi


Hình 4.6 Đặc tuyến hệ số tƣơng quan giữa thủy vân gốc và thủy vân khôi phục đƣợc đối

với tấn công nén JPEG với hệ số chất lƣợng q khác nhau ................................................. 80
Hình 4.7 Hiển thị kết quả nhúng thủy vân ......................................................................... 81
Hình 4.8 Đặc tuyến tỉ số PSNR tối thiểu-Ngƣỡng giới hạn độ bền của ............................ 83
Hình 4.9 Kết quả nhúng và khôi phục thủy vân sau tấn công với ảnh Baboon ................. 83

xii


MỞ ĐẦU
Một trong những vấn nạn trong kỷ nguyên kỹ thuật số mà chúng ta
đang phải đƣơng đầu hiện nay là vấn nạn vi phạm bản quyền nội dung số.
Ngƣời sở hữu nội dung số càng dễ dàng quảng bá sản phẩm của mình thì lại
càng khó khăn trong việc bảo vệ quyền và lợi ích hợp pháp của mình đối với
các sản phẩm đó. Việc thông tin số dễ dàng đƣợc nhân bản và phân phối đi
dẫn đến yêu cầu cần có những công cụ hữu hiệu về mặt pháp lý cũng nhƣ kỹ
thuật để bảo vệ bản quyền. Đã có nhiều giải pháp kỹ thuật, trong đó có thủy
vân số, ra đời nhằm giải quyết vấn đề này. Ảnh số là một trong những nội
dung số quan trọng nhất, các nhà nghiên cứu đã đề xuất rất nhiều loại kỹ
thuật thủy vân trên ảnh số với các ứng dụng khác nhau. Ứng dụng quan
trọng và cơ bản nhất của thủy vân số là thủy vân trên ảnh số để bảo vệ bản
quyền ảnh số. Trong đó, thủy vân ẩn thƣờng đƣợc sử dụng vì tính ẩn của
thủy vân là một đặc trƣng quan trọng trong các ứng dụng giấu tin trên ảnh số
hay đánh dấu bản quyền ảnh số mà vẫn đảm bảo chất lƣợng ảnh. Ngoài việc
đảm bảo chất lƣợng ảnh sau khi đánh dấu thì thủy vân còn phải bền vững
trƣớc các tác động từ bên ngoài lên ảnh chẳng hạn nhƣ các phép xử lý ảnh.
Đối với ảnh số thì việc nén ảnh, đặc biệt là nén JPEG, là phép xử lý ảnh
đƣợc sử dụng phổ biến. Kỹ thuật thủy vân ẩn dựa trên biến đổi DCT có vị trí
nổi bật vì những lý do sau:
- Thứ nhất, nhờ biến đổi DCT mà có thể loại bỏ sự tƣơng quan giữa các
điểm ảnh trong miền không gian, giúp xác định các vùng tần số nhúng thủy

vân phù hợp có tính đến đặc tính của hệ thống thị giác mắt ngƣời, đảm bảo
điều khiển đƣợc tính ẩn của thủy vân lẫn chất lƣợng ảnh chứa thủy vân.
- Thứ hai, biến đổi DCT yêu cầu ít sự phức tạp tính toán và tài nguyên
hơn so với nhiều biến đổi khác.

1


- Cuối cùng, biến đổi này đƣợc sử dụng hết sức rộng rãi và đã cho thấy
hiệu quả của nó trong các phép xử lý ảnh. Điều này cho phép thực hiện thủy
vân số trên miền DCT song song với các kỹ thuật xử lý ảnh khác cũng sử
dụng biến đổi này nhƣ phép nén ảnh JPEG.
Đã có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề thủy vân trên ảnh số dựa trên biến
đổi DCT và ứng dụng của nó. Các kết quả đạt đƣợc đã có đóng góp thiết
thực trong lĩnh vực bảo vệ bản quyền cũng nhƣ bảo mật dữ liệu số. Tuy
nhiên các tác giả trƣớc thƣờng phải giải quyết các vấn đề gặp phải sau đây:
- Tính ẩn và chất lƣợng ảnh chứa thủy vân mâu thuẫn với độ bền vững
của thủy vân trƣớc các tấn công. Sở dĩ nhƣ vậy là vì khi tăng lƣợng thông tin
nhúng vào ảnh, chẳng hạn nhƣ nhúng lặp lại nhiều lần hoặc vào nhiều vị trí
khác nhau trong ảnh gốc, thì sẽ nâng cao khả năng khôi phục đƣợc thủy vân
trƣớc các tấn công nhƣng sẽ làm thủy vân dễ bị phát hiện hơn cũng nhƣ làm
suy giảm chất lƣợng ảnh gốc nhiều hơn.
- Các phép xử lý trên miền DCT cũng chính là các tấn công phổ biến,
cụ thể và điển hình là một trong những tấn công phổ biến nhất hiện nay đối
với thủy vân trên ảnh số là phép JPEG có tổn hao. Trong đó, quá trình lƣợng
tử hóa các hệ số DCT của ảnh theo bảng lƣợng tử hóa là quá trình quan
trọng để làm giảm dung lƣợng ảnh và cũng làm tổn hao thông tin hay suy
giảm chất lƣợng ảnh nhiều nhất. Đây cũng chính là tác nhân quan trọng nhất
dẫn đến suy giảm chất lƣợng thủy vân chứa trong ảnh.
Nhiều phƣơng án dung hòa mâu thuẫn này đã đƣợc nghiên cứu và đề

xuất. Một số phƣơng án đã đƣợc đề xuất và thử nghiệm thành công trong đó
có phƣơng án thủy vân dựa trên miền DCT dựa trên tính toán sai số lƣợng tử
hóa của phép nén JPEG trên miền này. Tuy nhiên hầu hết các lƣợc đồ này

2


mới chỉ cho phép nhúng thủy vân nhị phân dựa trên sai số lƣợng tử hóa, ít đề
cập đến việc nhúng các dữ liệu đa cấp xám cũng nhƣ vấn đề lƣợng hóa, tối
ƣu hóa, quản lý chất lƣợng của quá trình nhúng (đảm bảo dung lƣợng thủy
vân, đảm bảo chất lƣợng ảnh chứa thủy vân, đảm bảo độ bền vững trƣớc tấn
công nén JPEG với các tỉ số nén khác nhau...) cũng chƣa đƣợc đề cập một
cách thấu đáo.
Chính vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao
chất lƣợng thủy vân sử dụng biến đổi cosine rời rạc trên ảnh JPEG” để thực
hiện luận án tiến sĩ của mình. Mục đích của những nghiên cứu trình bày
trong luận án là nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên ở khía cạnh chất lƣợng
ảnh chứa thủy vân, tính bền vững của thủy vân trƣớc tấn công nén ảnh
JPEG.
Nhiệm vụ cụ thể để thực hiện mục đích trên gồm:
1. Tìm giải pháp nâng cao chất lƣợng thủy vân ẩn trên ảnh số chống lại
tấn công nén JPEG thông qua việc nghiên cứu tác nhân gây ảnh hƣởng và
cách khắc phục ảnh hƣởng của nén JPEG đến chất lƣợng thủy vân.
2. Tìm phƣơng pháp nhúng thủy vân ẩn vào ảnh số trên miền DCT đáp
ứng các yêu cầu cho trƣớc về chất lƣợng ảnh chứa thủy vân, độ bền vững
của thủy vân trƣớc tấn công nén ảnh JPEG với tỉ số nén thay đổi.
3. Xây dựng mô hình hệ thống thủy vân số có tính mở nhằm tạo điều
kiện cho việc ứng dụng hiệu quả các kết quả đạt đƣợc.
Luận án sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu tổng hợp - phân tích, đề xuất
- chứng minh - thử nghiệm - đánh giá. Kết quả tổng hợp các kết quả nghiên

cứu đã có của các tác giả khác có liên quan đến đề tài sẽ đƣợc luận án sử
dụng trong việc phân tích tìm ra các ƣu nhƣợc điểm từ đó đề xuất các
phƣơng pháp mới nhằm phát huy các ƣu điểm, hạn chế các nhƣợc điểm hoặc

3


tìm ra phƣơng thức áp dụng phù hợp nhất trƣớc các yêu cầu ứng dụng cụ
thể. Các phƣơng pháp mới sẽ đƣợc chứng minh bằng lý thuyết và kiểm
chứng bằng thực nghiệm để đánh giá kết quả, rút ra kết luận.
Luận án sử dụng các công cụ toán học và các công cụ của lý thuyết xử
lý tín hiệu số, xử lý ảnh, mã hóa, lý thuyết thống kê, tối ƣu hóa để giải quyết
yêu cầu nghiên cứu [1], [4], [5], [6], [7], [8], [9]. Các chức năng lập trình,
mô phỏng của phần mềm Matlab [3], thƣ viện ảnh mẫu USC [66] đƣợc sử
dụng nhƣ là công cụ để thử nghiệm đánh giá các kết quả nghiên cứu.
Trên cơ sở các phƣơng pháp và công cụ nghiên cứu nêu trên, những
nhiệm vụ đề ra đã đƣợc thực hiện và có các kết quả sau:
1. Đề xuất khái niệm “bù sai số lƣợng tử” trên cơ sở nghiên cứu ảnh
hƣởng và khảo sát thống kê phân bố của sai số lƣợng tử trong nén ảnh JPEG.
Đây là cơ sở để cải tiến cũng nhƣ đề xuất các phƣơng pháp thủy vân mới
chống lại ảnh hƣởng của tấn công nén ảnh JPEG đối với chất lƣợng thủy
vân.
2. Đề xuất các phƣơng pháp thủy vân thích nghi, đảm bảo chất lƣợng
ảnh chứa thủy vân ẩn cũng nhƣ nâng cao độ bền vững của thủy vân trƣớc
phép nén ảnh JPEG.
3. Đề xuất một mô hình hệ thống quản trị thủy vân trên ảnh số là cơ sở
cho việc xây dựng và phát triển các ứng dụng thủy vân nhằm sử dụng một
cách hiệu quả các kết quả của luận án.
Những kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong bốn chƣơng của luận
án, ngoài phần mở đầu và kết luận. Cụ thể nhƣ sau:

Chƣơng 1 có tiêu đề “Tổng quan về các nghiên cứu trong lĩnh vực thủy
vân số” trình bày khái quát về luận cứ, các kết quả nghiên cứu điển hình của

4


các tác giả trong và ngoài nƣớc có liên quan đến đề tài, đây chính là tiền đề
cho các nghiên cứu của luận án.
Chƣơng 2 với tiêu đề “Chất lƣợng của thủy vân ẩn trƣớc tấn công nén
ảnh JPEG” trình bày tóm tắt về chất lƣợng, phƣơng pháp đánh giá chất
lƣợng thủy vân trên khía cạnh chất lƣợng ảnh chứa thủy vân và độ bền vững
của thủy vân. Trên cơ sở nghiên cứu ảnh hƣởng của quá trình lƣợng tử hóa
các hệ số DCT trong nén ảnh JPEG đến chất lƣợng thủy vân, chƣơng này
trình bày khái niệm “bù sai số lƣợng tử” và nội dung các phƣơng pháp nâng
cao chất lƣợng thủy vân dựa trên sai số lƣợng tử và bù sai số lƣợng tử .
Chƣơng 3 “Thủy vân ẩn trên ảnh số trƣớc nén ảnh JPEG với tỉ số nén
khác nhau” tóm tắt ảnh hƣởng của nén ảnh JPEG với các tỉ số nén khác nhau
đến chất lƣợng thủy vân, nội dung các đề xuất phƣơng pháp ƣớc lƣợng tham
số toàn ảnh và ƣớc lƣợng tham số thích nghi nhằm đảm bảo chất lƣợng thủy
vân trƣớc tấn công nén ảnh với các tỉ số nén khác nhau, so sánh ƣu nhƣợc
điểm của các phƣơng pháp này.
Chƣơng 4 “Đề xuất một mô hình quản trị thủy vân trên ảnh số” trình
bày nội dung mô hình đề xuất hệ thống thủy quản trị các ứng dụng thủy vân
ẩn trên ảnh số đã đƣợc đề xuất và tóm tắt một số ví dụ minh họa cho hiệu
quả của việc sử dụng hệ thống này.
Các đề xuất mới trong luận án về cơ bản đƣợc sử dụng để tạo ra các
ứng dụng nâng cao chất lƣợng thủy vân số, chống lại tấn công nén ảnh JPEG
dùng trong lĩnh vực bảo vệ bản quyền dữ liệu số…Tuy nhiên kết quả và
phƣơng pháp tiếp cận của các đề xuất này có thể là cơ sở cho các nghiên cứu
tiếp theo để xây dựng các phƣơng pháp thủy vân hiệu quả hơn nữa, có khả

năng chống lại nhiều tấn công khác nhau, phù hợp với từng trƣờng hợp ứng

5


dụng cụ thể và cho các lĩnh vực khác nhƣ bảo mật dữ liệu số, truyền tin bí
mật, xác thực tính toàn vẹn, điều khiển sao chép, giám sát nội dung số…

6


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH
VỰC THỦY VÂN SỐ
1.1. Giới thiệu chƣơng
Kỹ thuật thuỷ vân số đang nổi lên nhƣ là một giải pháp trƣớc các thách
thức của lĩnh vực truyền thông. Do sự phát triển mạnh mẽ của nội dung số
đa phƣơng tiện đã dẫn đến đòi hỏi phải xây dựng phƣơng thức an toàn để
phân phối hợp pháp các nội dung số đó. Hơn nữa, nhờ sự phát triển nhanh
chóng của Internet và các hệ thống đa phƣơng tiện trong môi trƣờng phân
tán mà các chủ sở hữu nội dung số dễ dàng truyền tải, phân phối các dữ liệu
đi. Điều đó làm cho vấn đề bảo vệ bản quyền nội dung số ngày càng trở nên
bức thiết [47], [51]. Các công cụ xử lý ảnh số đƣợc phổ biến cũng làm tăng
các lỗ hổng cho việc sao chép, sửa đổi, phân tán bất hợp pháp các hình ảnh
số. An ninh ảnh số có một ý nghĩa rất lớn với mọi mặt của Internet. Bên
cạnh đó, gần đây, các kỹ thuật giấu dữ liệu số điển hình là kỹ thuật thủy vân
đã thu hút nhiều chú ý [2], [30] . Thủy vân số đƣợc triển khai để ngăn cấm
sao chép hoặc khai thác bất hợp pháp các dữ liệu số [39], [57][56].
Thủ tục nhúng dữ liệu vào một yếu tố đa phƣơng tiện nhƣ âm thanh,
hình ảnh hoặc video số đƣợc biết đến là thủy vân số. Sau đó, ngƣời ta có thể

tách ra hoặc phát hiện dữ liệu đã nhúng để phục vụ cho nhiều mục đích khác
nhau bao gồm bảo vệ bản quyền, điều khiển truy cập và theo dõi quảng bá.
Thủy vân là một tín hiệu nhỏ đƣợc bổ sung vào dữ liệu số gốc (còn gọi là dữ
liệu bao phủ, dữ liệu gốc) trong quá trình nhúng thủy vân. Dữ liệu gốc có
chứa thủy vân có thể bị thay đổi theo một cách nào đó gọi là các tấn công.
Tín hiệu đƣợc tách ra sau đó gọi là thủy vân khôi phục. Thủy vân có thể

7


đƣợc dùng để xác định ngƣời mua/bán, bằng chứng sở hữu, và những vấn đề
tƣơng tự khác. Thủy vân số có thể đƣợc phân loại thành thủy vân ảnh số,
thủy vân video số và thủy vân âm thanh số phụ thuộc vào phạm vi ứng dụng.
Hiện nay các ứng dụng thủy vân số tập trung vào lĩnh vực bảo vệ bản quyền
ảnh và video số và bảo vệ bí mật thông tin số. Thông thƣờng, thủy vân là
một mã đƣợc nhúng trong một ảnh. Nó cũng có thể đóng vai trò chữ ký số,
cung cấp hình ảnh với một cảm giác về quyền sở hữu hoặc xác thực. Thủy
vân cũng có thể chính là thông tin cần bảo mật. Điểm mạnh đầu tiên của
thủy vân số là thủy vân không bị tách rời khỏi vật phủ.
Tùy vào ứng dụng cụ thể thủy vân cần phải có một hoặc nhiều đặc tính
quan trọng , bao gồm: tính khó cảm nhận, chịu đựng biến dạng chung, chống
lại các tấn công, mang nhiều bit thông tin, có khả năng cùng tồn tại với thủy
vân khác, ít yêu cầu về tính toán khi chèn và tách thủy vân [40]... Trong lĩnh
vực thủy vân trên ảnh số, thủy vân cần đáp ứng các yêu cầu tiếp theo dƣới
đây:
Tính trong suốt: Thủy vân nhúng vào không phá hủy độ trung thực
ảnh chứa.
Tính bền vững: Thủy vân cần khó bị phát hiện và loại bỏ một cách bất
hợp pháp. Muốn vậy thủy vân cần phải linh hoạt để tránh đƣợc những tấn
công. Những tấn công đó có thể là phép nén (JPEG, JP2000), phép thay đổi

tỉ lệ, phép quay, phép xén, phép loại bỏ hàng và cột, phép thêm nhiễu, phép
lọc, mật mã và tấn công thống kê, cũng nhƣ phép chèn các thủy vân khác
[57].
Thủy vân số đƣợc phân chia thành nhiều loại theo nhiều cách khác
nhau. Bao gồm các lƣợc đồ thủy vân non-blind (không mù), semi-blind (bán

8


mù) và blind (mù) trên cơ sở các yêu cầu về tách và phát hiện thủy vân [55],
[22]. Trong các lƣợc đồ thủy vân không mù, để xác định thủy vân trong ảnh
có chứa thủy vân cần sự hỗ trợ của ảnh gốc và khóa bí mật. Các lƣợc đồ
thủy vân bán mù yêu cầu cả khóa bí mật và chuỗi bit thủy vân. Ngƣợc lại,
với các kỹ thuật thủy vân mù thì chỉ cần khóa bí mật để tách thủy vân từ ảnh
có chứa thủy vân. Có thể cho dữ liệu nhúng (thủy vân) ẩn hoặc hiện (rõ).
Trong trƣờng hợp thủy vân rõ, thủy vân đƣợc nhúng trong ảnh gốc và có thể
nhìn thấy bằng mắt thƣờng. Thủy vân rõ có hạn chế nhiều mặt. Nó ảnh
hƣởng đến độ trung thực của ảnh và dễ bị tấn công bằng các phép xử lý ảnh.
Còn trong trƣờng hợp thủy vân ẩn, thủy vân không thể nhìn thấy bằng mắt
mà cần sử dụng công cụ đặc biệt cùng với các thông tin khác (nếu có) để
tách ra khỏi ảnh chứa [61].
Thủy vân bền vững thƣờng đƣợc thiết kế để chống lại các cấn công ảnh
nhƣ phóng to, thu nhỏ, cắt, nén ảnh. Nó thƣờng áp dụng trong lĩnh vực bảo
vệ bản quyền tác giả. Ngƣợc lại thủy vân dễ vỡ (fragile watermarking) đƣợc
thiết kế để xác định bất cứ sự thay đổi nhỏ nào của các nội dung số ban đầu
[61]. Nó đƣợc sử dụng để quyết định liệu hình ảnh có bị thay đổi hay không.
Nó có thể xác thực tính toàn vẹn của hình ảnh.
Các ứng dụng của thủy vân đƣợc nhắc lại một cách ngắn gọn trong nhƣ
sau [14], [30]:
- Bảo vệ bản quyền: Thủy vân về cơ bản là đƣợc ứng dụng để bảo vệ

bản quyền. Mục đích là để tránh các bên khác tuyên bố bản quyền bằng cách
nhúng các thông tin xác định chủ sở hữu. Ứng dụng này phải đảm bảo thủy
vân đã nhúng phải bền vững không thể bị loại bỏ và không gây ra sự thay
đổi đáng kể nào đối với các dữ liệu số. Bên cạnh độ bền vững, một số các
yêu cầu khác cũng rất quan trọng. Ví dụ, thủy vân phải có thể xác định chủ

9


sở hữu đích thực khi các bên tranh chấp bản quyền nhau khác cùng nhúng
thủy vân vào nội dung số.
- Chữ ký: Các chủ sở hữu nội dung số đƣợc xác nhận bởi thủy vân.
Chữ ký có thể đƣợc sử dụng bởi một ngƣời dùng muốn có quyền sao chép
và xuất bản hợp pháp nội dung số từ chủ sở hữu.
- Đánh dấu: Thủy vân có thể đƣợc dùng để nhận ra những ngƣời mua
nội dung. Điều này hỗ trợ rất tốt cho việc truy tìm nguồn gốc của bản sao bất
hợp pháp.
- Theo dõi việc quảng bá thông tin và xuất bản: Thủy vân đƣợc dùng
để trợ giúp các hệ thống tự động giám sát chƣơng trình phát sóng truyền
hình, đài phát thanh, mạng máy tính và các kênh phân phối khác để theo dõi
nội dung xuất hiện khi nào và ở đâu.
- Xác thực: Thủy vân mã hóa thông tin cần thiết để kết luận rằng nội
dung là xác thực.
- Điều khiển sao chép: Thủy vân bao gồm các thông tin về các quy tắc
sử dụng và sao chép mà chủ sở hữu nội dung mong muốn thực thi. Thông
thƣờng là các quy tắc dễ thỏa mãn nhƣ “Không đƣợc sao chép nội dung này”
hoặc “Có thể sao chép nội dung này, nhƣng không đƣợc sao chép từ các bản
sao”.
- Truyền thông bí mật: Các tín hiệu nhúng đƣợc sử dụng để truyền tải
thông tin bí mật từ một ngƣời hoặc máy tính này tới ngƣời hoặc máy tính

khác, không có bất kỳ ai có thể biết đƣợc thông tin đang đƣợc truyền đi.

10


Chƣơng này trình bày tổng quan về kỹ thuật thủy vân số. Trong đó,
luận án giới thiệu tổng quát về thủy vân số, điểm qua một số xu hƣớng đã
đƣợc nghiên cứu, hoàn thiện của các tác giả trong và ngoài nƣớc có liên
quan đến đề tài. Phần này cũng nhắc lại một số nét cơ bản về nén ảnh, cụ thể
là nén ảnh JPEG, trên quan điểm coi đó là một tấn công đối với thủy vân.
Qua đó, luận án nêu và phân tích những vấn đề còn tồn tại của phƣơng pháp
thủy vân nói chung, phƣơng pháp thủy vân ẩn trên ảnh số sử dụng biến đổi
DCT nhằm chống lại tấn công nén ảnh JPEG nói riêng. Đây chính là tiền đề
cho những nghiên cứu trong luận án.

1.2. Khảo sát những nghiên cứu gần đây về các kỹ thuật thủy
vân ảnh số và tấn công nén ảnh số
1.2.1. Một số công trình liên quan đến kỹ thuật thủy vân trên ảnh số
1.2.1.1 Phương pháp miền không gian
Kỹ thuật chân phƣơng nhất là nhúng thủy vân vào các bít có trọng số
thấp nhất (LSB) [34]. Đây là phƣơng pháp dễ thực hiện nhƣng cũng rất dễ bị
nhận biết và tấn công vì đơn giản, chỉ cần đặt tất cả các bit LSB này về
không (0) hoặc một (1) là có thể phá hủy hoàn toàn thủy vân. Bên cạnh đó,
một khi đã bị nhận biết thủy vân theo phƣơng pháp này cũng dễ bị thay đổi
bởi ngƣời tấn công. Một cải tiến của phƣơng pháp này là sử dụng một bộ tạo
chuỗi giả ngẫu nhiên để xác định những điểm ảnh đƣợc dùng để nhúng thủy
vân sao cho không thể dễ dàng phát hiện ra thủy vân nữa. Dù vậy thì tính
bền vững của thủy vân theo kỹ thuật này vẫn là vấn đề lớn nhất khi ngƣời ta
vẫn có thể loại bỏ thủy vân theo cách trên mà không làm ảnh hƣởng nhiều
đến chất lƣợng ảnh.

11