Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin bằng thủy vân số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
________________________

VŨ THỊ NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT GIẤU TIN
BẰNG THỦY VÂN SỐ

LUẬN VĂN THAC SỸ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN THANH THUỶ

HÀ NỘI - 2010


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN SỐ ........ 6
1.1. Các khái niệm cơ bản về giấu tin .................................................................. 6
1.1.1. Định nghĩa ........................................................................................... 6
1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin ............................................................... 6
1.1.3. Vài nét về lịch sử giấu tin ..................................................................... 7
1.2. Mô hình kỹ thuật giấu tin ............................................................................. 8
1.2.1. Giấu tin trong ảnh ............................................................................... 10
1.2.2. Giấu tin trong audio ............................................................................ 10
1.2.3. Giấu tin trong video ............................................................................ 11
1.2.4. Giấu tin trong văn bản ........................................................................ 12
1.3. Giấu tin trong ảnh những đặc trưng và tính chất .......................................... 12
1.4. Khái niệm và phân loại thủy vân ................................................................. 14

1.4.1. Thủy vân số trên ảnh........................................................................... 14
1.4.2. Phân loại thủy vân .............................................................................. 15
1.4.3. Các ứng dụng của thủy vân ................................................................. 16
1.4.4. Những tấn công trên hệ thủy vân ......................................................... 18
1.5. Kỹ thuật thủy vân ....................................................................................... 18
1.5.1. Sơ đồ của hệ thủy vân ......................................................................... 18
1.5.2. Các yêu cầu cơ bản của hệ thủy vân .................................................... 21
1.5.3. Các kỹ thuật kiểm định thủy vân ......................................................... 23
1.6. Tổng kết chương 1 ..................................................................................... 25
Chương 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT BỔ TRỢ CHO THỦY VÂN .......................... 26
2.1. Đọc dữ liệu và ghép ảnh bitmap .................................................................. 26
2.2. Các phép biến đổi từ miền không gian ảnh sang miền tần số ........................ 28
2.2.1. Phép biến đổi Fourier rời rạc ............................................................... 28
2.2.2. Phép biến đổi Cosin rời rạc ................................................................. 29
2.2.3. Phép biến đổi sóng nhỏ - Descrete Wavelet Transform (DWT) ............. 31
2.3. Kỹ thuật sinh chuỗi giả ngẫu nhiên ............................................................. 33
2.4. Kỹ thuật trải phổ truyền thông .................................................................... 36
2.5. Các kỹ thuật giấu tin trên ảnh ..................................................................... 37
2.5.1. Kỹ thuật giấu tin theo khối bit ............................................................. 37
2.5.2. Kỹ thuật giấu tin Wu - Lee .................................................................. 45
2.6. Tổng kết chương 2 ..................................................................................... 51
Chương 3. PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT GIẤU TIN BẰNG THỦY VÂN ............. 52

-1-


3.1. Kỹ thuật thủy vân dựa trên phép biến đổi Cosin rời rạc. ............................... 52
3.1.1. Ý tưởng.............................................................................................. 52
3.1.2. Quá trình nhúng thủy vân .................................................................... 52
3.1.3. Thuật toán nhúng thủy vân WM ......................................................... 54

3.1.4. Ví dụ minh họa ................................................................................... 56
3.1.5. Quá trình trích thủy vân ...................................................................... 58
3.1.6. Kết luận ............................................................................................. 60
3.2. Kỹ thuật thủy vân của Chris Shoemarker..................................................... 61
3.2.1. Ý tưởng .............................................................................................. 61
3.2.2. Quá trình nhúng thủy vân................................................................... 61
3.2.3. Quá trình tách thủy vân ...................................................................... 62
3.2.4. Kết quả .............................................................................................. 62
3.3. Kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ ...................................... 63
3.3.1. Kỹ thuật thủy vân của Raval Mehul va Rege Priti ................................ 63
3.3.2. Kỹ thuật thủy vân của Peining Tao và Ahmet M. Eskicioglu ................ 64
3.4. Thủy vân trong audio ................................................................................. 65
3.4.1. Kỹ thuật chèn vào các bit ít quan trọng ................................................ 67
3.4.2. Kỹ thuật mã hóa Parity (Parity Coding) .............................................. 67
3.4.3. Kỹ thuật mã hóa pha (Phase Coding) ................................................... 68
3.4.4. Kỹ thuật trải phổ................................................................................. 69
3.4.5. Kỹ thuật giấu dựa vào tiếng vang (Echo) ............................................. 70
3.5. Thủy vân trong video ................................................................................. 71
3.6. Thủy vân trong text .................................................................................... 73
3.7. Tổng kết chương 3 ..................................................................................... 73
Chương 4. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỦY VÂN TRONG ẢNH TĨNH .. 75
4.1. Phân tích yêu cầu của chương trình ............................................................. 75
4.2. Giới thiệu thuật toán.................................................................................... 75
4.3.1. Sơ đồ mô tả chức năng chương trình ..................................................... 76
4.3.2. Giao diện của chương trình ................................................................... 77
4.3. Cấu trúc chương trình.................................................................................. 81
4.4. Một số kết quả thực nghiệm ........................................................................ 81
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 85

-2-


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Sự phát triển mạnh mẽ các hệ thống đa phương tiện kết nối mạng Internet
dẫn đến nhu cầu bảo vệ bản quyền cho các phương tiện dữ liệu số, như các bức ảnh,
các audio, video clip v. v…Việc bảo vệ bản quyền bao gồm xác nhận bản quyền tác
giả và nhận biết các sao chép bất hợp pháp các dữ liệu số này. Một lĩnh vực nghiên
cứu giải quyết vấn đề này là tìm cách đưa thêm các cấu trúc ẩn hoặc là không ẩn
vào dữ liệu số, sao cho các cấu trúc này có thể dùng để chứng thực hay đánh dấu
chúng. Những cấu trúc này được biết như là thủy vân, thủy vân có thể chứa thông
tin về tác giả của sản phẩm, mã số xác định bản quyền, các lời chú thích cần thiết về
tác phẩm. Có thể ứng dụng thủy vân để xây dựng các ứng dụng thực hiện việc xác
nhận bản quyền, chống giả mạo, điều khiển truy cập…
Sau khi nghiên cứu một số tài liệu liên quan đến lĩnh vực giấu tin sử dụng
thủy vân số trong các phương tiện media và được sự đồng ý, động viên của thầy
hướng dẫn khoa học, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật giấu tin bằng thủy
vân số” làm đề tài nghiên cứu cho luận văn cao học của mình.
2. Mục đích của luận văn
Mục đích của luận văn là nghiên cứu hệ thống lý thuyết liên quan đến việc
giấu tin thông thường và giấu tin sử dụng thủy vân số. Các dữ liệu sử dụng để giấu
tin có thể là ảnh, là các file audio, video, text. Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về
thủy vân và ứng dụng của thủy vân trong ảnh, các tính chất và yêu cầu của một hệ
thủy vân, các kỹ thuật bổ trợ cho thủy vân, các thuật toán sử dụng trong quá trình
nhúng thủy vân. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết đó, tác giả sẽ triển khai cài đặt
chưng trình ứng dụng nhúng thủy vân trên ảnh tĩnh.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu các kiểu dữ liệu khác nhau cụ thể: ảnh, các file audio,
video, text. Các hệ thống thủy vân trên các dữ liệu media khac nhau đòi hỏi phải có

-3-


thuật toán khác nhau và rất phức tạp. Trong luận văn này tập trung nghiên cứu kỹ
thuật giấu tin bằng thủy vân trên ảnh tĩnh, cụ thể là ảnh bitmap, một kiểu định dạng
phổ biến trên các máy tính và trên hệ thống mạng máy tính. Ngoài ra luận văn cũng
trình bày một cách sơ lược về các phương pháp thủy vân trong audio, video, text.
4. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tư liệu kết hợp với triển
khai thực nghiệm. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết cơ bản giấu tin và về thủy vân
cùng với các thuật toán thủy vân trong ảnh sẽ tiến hành cải tiến thuật toán và cài
đặt chương trình thực hiện thủy vân trong ảnh tĩnh, nhằm mục đích bảo vệ cho bức
ảnh.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Về mặt lý thuyết đề tài tiếp cận một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực
an toàn bảo mật thông tin, đặc biệt là các thông tin được truyền trên các kênh
truyền thông công cộng cần bảo vệ bản quyền. Đề tài trình bày lý thuyết về kỹ
thuật giấu tin sử dụng thủy vân số cụ thể đi sâu chi tiết các phương pháp giấu
tin, các thuật toán thủy vân trên các môi trường dữ liệu khác nhau.
Về mặt thực tiễn: với việc triển khai thực hiện chương trình, đề tài này có
thể ứng dụng trong việc bảo vệ bản quyền phần mềm, bảo vệ bản quyền ảnh số,
chống các sai lệch thông tin hay giấu các thông tin mật trong ảnh.
6. Bố cục luận văn
Luận văn được phân làm bốn chương, chương một trình bày tổng quan về
giấu tin và thủy vân số, chủ yếu trình bày những điểm khác nhau cơ bản của giấu
tin mật (steganography) và thủy vân (watermarking), phân loại thủy vân và các lĩnh
vực ứng dụng của thủy vân. Trong chương này cũng trình bày các yêu cầu cơ bản
của thủy vân và các kỹ thuật kiểm định thủy vân.
Chương hai trình bày một số kỹ thuật bổ trợ cho thủy vân và một số kỹ thuật

giấu tin. Cụ thể trình bày các phép biến đổi từ miền không gian ảnh sang miền tần

-4-


số, bao gồm các phép biến đổi cosin rời rạc, phép biến đổi Fourier rời rạc, phép
biến đổi sóng con và kỹ thuật sinh chuỗi giả ngẫu nhiên, kỹ thuật trải phổ.
Chương ba trình bày các kỹ thuật giấu tin sử dụng thủy vân số, cụ thể trình
bày các thuật toán áp dụng trong quá trình nhúng gỡ thủy vân từ đó đánh giá mức
độ bền vững của thủy vân qua các tấn công.
Chương bốn xây dựng chương trình giấu tin bằng thủy vân số trên ảnh tĩnh
từ đó đưa ra một số kết quả thực nghiệm.

-5-


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN
VÀ THỦY VÂN SỐ
1.1.

Các khái niệm cơ bản về giấu tin

1.1.1. Định nghĩa
Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó
vào một đối tượng dữ liệu số khác.
Kỹ thuật giấu thông tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được
đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng giấu tin ở trong. Hai mục đích khác
nhau này dẫn đến hai hướng 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 một đối tượng có giấu tin bên trong hay không. Hướng thứ hai là thủy vân số,

hướng thủy vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được quan tâm nghiên cứu nhiều
hơn và thực tế đã có rất nhiều những kỹ thuật được đề xuất.
1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin
Như vậy, có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng lớn, đó là thủy vân số
và giấu tin mật.
Giấu tin mật liên quan đến các ứng dụng sao cho người khác khó phát hiện
nhất việc có tin được giấu; hơn nữa, nếu phát hiện có tin giấu thì việc giải tin cũng
khó thực hiện được. Đồng thời, các kỹ thuật giấu tin mật còn quan tâm lượng tin có
thể được giấu. Lượng thông tin giấu càng lớn thì tính ẩn của thông tin giấu càng
thấp.
Phạm vi ứng dụng của thủy vân đa dạng hơn, tùy theo mục đích của hệ thủy
vân mà người ta lại chia thành các hướng nhỏ như thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền
vững. Thủy 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
chứa. Thủy vân dễ vỡ yêu cầu thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi

-6-


nào trên dữ liệu chứa. Một sự phân loại tương đối các kỹ thuật giấu tin được thể
hiện trên hình 1.1

Giấu thông tin

Giấu tin mật

Thủy vân số

Thủy vân
bền vững

Thủy vân ẩn

Thủy vân
dễ vỡ

Thủy vân hiện

Thủy vân ẩn

Thủy vân hiện

Hình 1.1. Phân loại các kỹ thuật giấu tin
1.1.3. Vài nét về lịch sử giấu tin
Từ Steganography bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp và được sử dụng cho tới ngày
nay, nó có ý nghĩa là tài liệu được phủ (covered witting). 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 (thông tin được hiểu theo nghĩa nguyên thủy của nó)
thuộc về sử gia Hy Lạp Herodotus. Khi bạo chúa Hy Lạp Histiaeus bị vua Darius
bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm trước Công nguyên, ông ta đã gửi một thông báo
bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus. Histiaeus đã cạo trọc đầu của
một nô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của người nô lệ ấy. Khi tóc của
người nô lệ này mọc đủ dài người nô lệ được gửi tới Miletus.

-7-


Một câu chuyện khác về thời Hy 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 Hy Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hy 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 mang tin mật đã ngụy trang được để cùng với các viên
thuốc thông thường khác lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng.
Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một
thời gian dài. Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất rắn có sẵn như nước
quả, nước tiểu và sữa các thông báo bí mật những hàng văn tự thông thường. Khi
được hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm mầu và có thể đọc
dễ dàng. Mực không màu cũng được sử dụng rất gần đây, như trong thời gian chiến
trang thế giới thứ II.
Ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng kỹ
thuật này được dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo. Mãi cho
tới vài thập niên gần đây, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu với rất nhiều các công trình nghiên cứu.
1.2.

Mô hình kỹ thuật giấu tin
Mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản được mô tả trong các Hình 1.2 và 1.3.

Trong đó, Hình 1.2 biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Phương tiện chứa bao gồm
các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như văn bản, audio, video,
ảnh… Thông tin cần giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó tùy
thuộc vào mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu vào trong phương
tiện chứa nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những chương trình theo những thuật
toán để giấu tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như các hệ mã mật cổ
điển. Sau khi giấu tin ta thu được phương tiện chứa đã giấu và được phân phối trên
các môi trường khác nhau.

-8-

Thông tin cần giấu

Phương
tiện
chứa tin
(audio,
ảnh,
video)

Phương
tiện chứa
đã được
giấu tin

Bộ
nhúng
thông

Phân phối

Hình 1.2. Sơ đồ quá trình giấu tin
Quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ
nhúng thông tin cùng với khóa của quá trình nhúng. Kết quả thu được gồm phương
tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Tùy trường hợp, thông tin tác được có thể cần xử
lí, kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu.

Phương
tiện chứa
đã được

giấu tin

Bộ giải
mã tin

Thông tin giấu

Hình 1.3. Sơ đồ quá trình giải mã

-9-

Kiểm
định


Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện
1.2.1. Giấu tin trong ảnh
Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong
các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong dữ liệu đa
phương tiện bởi lượng thông tin trao đổi bằng hình ảnh là rất lớn. Hơn nữa, giấu
thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các ứng dụng
bảo vệ an toàn thông tin như: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo
vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật,… Vì thế mà vấn đề
này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và
các viện nghiên cứu trên thế giới.
Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi
và ít ai biết được bên trong bức ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa khác. Và
ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến, giấu thông tin trong ảnh đã đem
lại rất nhiều những ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội.
Ví dụ tại các nước phát triển, chữ ký tay đã được số hóa và lưu trữ sử dụng như là

hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để nhận thực
trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng. Thêm vào đó, lại có rất nhiều loại thông
tin quan trọng cần được bảo mật, chúng rất dễ bị lấy cắp và bị thay đổi bởi các phần
mềm chuyên dụng. Việc nhận thực chúng cũng như phát hiện thông tin xuyên tạc đã
trở nên vô cùng quan trọng và cấp thiết. Một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh
đó là thông tin được giấu trong ảnh một cách vô hình, nó như là một cách truyền
thông tin mật cho nhau mà người khác không thể biết được bởi sau khi giấu thông
tin thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi, đặc biệt đối với ảnh mầu hay ảnh đa
mức xám.
1.2.2. Giấu tin trong audio
Giấu thông tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu thông
tin trong các đối tượng đa phương tiện khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của
giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh

-10-


hưởng nhiều đến chất lượng của dữ liệu gốc. Để đảm bảo yêu cầu này, kỹ thuật giấu
thông tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị giác của con người, còn kỹ thuật
giấu thông tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác. Và một vấn đề khó
khăn ở đây là hệ thống thích giác của con người nghe được các tín hiệu ở các giải
tần rộng và công suất lớn nên đã gây khó khăn đối với các phương pháp dấu tin
trong audio. Nhưng hệ thống thính giác lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt
của các giải tần và công suất. Điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể
che giấu được các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng. Các mô hình phân tích tâm
lý đã chỉ ra điểm yếu trên và thông tin này sẽ giúp ích cho việc chọn các audio thích
hợp cho việc giấu tin. Vấn đề khó khăn thứ hai cho việc giấu thông tin trong audio
là kênh truyền tin. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng
thông tin sau khi giấu. Các phương pháp giấu thông tin trong audio đều lợi dụng
điểm yếu trong hệ thống thính giác của con người.

1.2.3. Giấu tin trong video
Cũng giống như giấu tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong video cũng
được quan tâm và được phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như kiểm soát sao
chép thông tin, nhận thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Ta có thể lấy một
ví dụ là các hệ thống chương trình trả tiền xem theo đoạn phim đã xem. Một
phương pháp giấu tin trong video được đưa ra bởi Cox [14] là phương pháp phân bố
đều. Ý tưởng cơ bản của phương pháp là phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần
số của dữ liệu chứa gốc. Nhiều nhà nghiên cứu đã dùng những hàm cosin riêng và
các hệ số truyền sóng riêng dể giấu tin. Trong các thuật toán khởi nguồn thì thường
các kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video. Như phương pháp
của Swanson [21] đã sử dụng cách giấu theo khối, phương pháp này đã giấu được
hai bit vào khối 8x8.
Kỹ thuật giấu thông tin bằng video áp dụng cả đặc điểm thị giác và thính
giác của con người.

-11-


Kỹ thuật giấu tin đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng chứ không chỉ
riêng dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio hay video. Gần đây, đã có một số
nghiên cứu giấu tin trong văn bản text, cơ sở dữ liệu quan hệ và cơ sở dữ liệu XML,
cho phép mở ra những hướng nghiên cứu mới.
1.2.4. Giấu tin trong văn bản
Trong trao đổi thông tin qua hệ thống máy tính, văn bản chiếm một tỷ lệ rất
lớn so với các loại phương tiện chứa khác. Tuy vậy, giấu tin trong văn bản lại chưa
được quan tâm nghiên cứu nhiều. Các nghiên cứu về giấu tin trong văn bản được
chia theo hai hướng, thứ nhất văn bản được sử dụng để giấu tin là những văn bản
được chụp lại và lưu trên máy như một bức ảnh nhị phân. Theo hướng này, các kỹ
thuật giấu tin được thực hiện như kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Hướng thứ hai,
phương tiện chứa sử dụng cho quá trình giấu tin được lưu dưới dạng văn bản. Theo

hướng này, các kỹ thuật giấu tin cũng tiến hành như giấu tin trong ảnh bằng cách
thay đổi một số ký tự tại một số vị trí trên văn bản mà không làm ảnh hưởng nhiều
đến nội dung văn bản gốc.
1.3.

Giấu tin trong ảnh những đặc trưng và tính chất
Giấu tin trong ảnh chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin, vì vậy các

kỹ thuật giấu tin phần lớn cũng tập trung vào các kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Các
phương tiện chứa khác nhau thì cũng sẽ có các kỹ thuật giấu khác nhau. Đối tượng
ảnh là một đối tượng dữ liệu tĩnh có nghĩa là dữ liệu tri giác không biến đổi theo
thời gian. Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, mỗi định dạng có những tính chất khác
nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thường chú ý những đặc trưng và các chất
cơ bản sau đây:
Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh
Dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu của ảnh tĩnh, dù có giấu thông tin vào trong ảnh
hay không, khi ta xem ảnh bằng thị giác dữ liệu ảnh không thay đổi theo thời gian.
Điều này khác với dữ liệu audio hay video, vì khi ta nghe hay xem thì dữ liệu gốc sẽ
thay đổi liên tục với tri giác của con người theo các đoạn hay các bài, các ảnh… Sự

-12-


khác biệt này ảnh hưởng lớn đối với các kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh với kỹ
thuật giấu thông tin trong audio hay video.
Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh
Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau. Chẳng hạn, đối với
ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh màu ta cũng có những kỹ thuật riêng do các loại
ảnh có những đặc trưng khác nhau
Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người

Giấu tin trong ảnh ít nhiều cũng gây ra những thay đổi trên dữ liệu ảnh gốc.
Dữ liệu ảnh được quan sát bằng hệ thống thị giác của con người nên các kỹ thuật
giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là những thay đổi trên ảnh phải rất nhỏ,
sao cho bằng mắt thường khó nhận ra được sự thay đổi đó, vì có như thế mới đảm
bảo được độ an toàn cho thông tin giấu. Rất nhiều các kỹ thuật đã lợi dụng các tính
chất của hệ thống thị giác để giấu tin chẳng hạn nhưn mắt người cảm nhận về sự
biến đổi về độ chói kém hơn sự biến đổi về mầu hay cảm nhận của mắt về mầu
xanh da trời là kém nhất trong ba màu cơ bản.
Giấu tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không thay đổi kích thước
ảnh
Các thuật toán thực hiện công việc giấu thông tin sẽ được thực hiện trên dữ
liệu của ảnh. Dữ liệu ảnh bao gồm cả phần header, bảng màu (có thể có) và dữ liệu
ảnh. Khi giấu thông tin, các phương pháp giấu đều biến đổi các giá trị của các bit
trong dữ liệu ảnh chứ không thêm vào hay bớt đi dữ liệu ảnh. Do vậy mà kích thước
ảnh trước hay sau khi giấu thông tin là như nhau.
Đảm bào chất lượng ảnh sau khi giấu tin
Đây là một yêu cầu quan trọng đối với giấu tin trong ảnh. Sau khi giấu tin
bên trong, ảnh phải đảm bảo được yêu cầu không bị biến đổi để có thể bị phát hiện
dễ dàng so với ảnh gốc. Yêu cầu này dường như là khá đơn giản đối với ảnh mầu
hoặc ảnh xám bởi mỗi một điểm ảnh được biểu diễn bởi nhiều bit, nhiều giá trị và

-13-


khi ta thay đổi một giá trị nhỏ nào đó thì chất lượng ảnh thay đổi không đáng kể,
thông tin giấu khó bị phát hiện, nhưng đối với ảnh đen trắng thì việc giấu thông tin
phức tạp hơn nhiều, vì đối với ảnh đen trắng mỗi điểm ảnh chỉ là trắng hoặc đen, và
nếu ta biến đổi một bit từ đen sang trắng mà không khéo thì sẽ rất dễ bị phát hiện.
Do đó, yêu cầu đối với các thuật toán giấu thông tin trong ảnh mầu hay ảnh xám và
giấu thông tin trong ảnh đen trắng là khác nhau. Trong khi đối với ảnh màu thì các

thuật toán chú trọng vào việc sao giấu được càng nhiều thông tin càng tốt, các thuật
toán áp dụng cho ảnh đen trắng lại tập trung vào việc làm thế nào để thông tin giấu
khó bị phát hiện nhất.
Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên ảnh
Vì phương pháp giấu tin trong ảnh dựa trên việc điều chỉnh các giá trị của
các bit theo một qui tắc nào đó và khi giải mã sẽ theo các giá trị đó để tìm được
thông tin. Theo đó, nếu một phép biến đổi nào đó trên ảnh làm thay đổi giá trị của
các bit thì sẽ làm cho thông tin giấu bị sai lệch. Nhờ đặc điểm này mà giấu thông tin
trong ảnh có tác dụng nhận thực và phát hiện xuyên tạc thông tin.
Vai trò của ảnh gốc khi giải tin
Các kỹ thuật giấu tin phải xác định rõ rảng quá trình lọc ảnh để lấy thông tin
giấu cần hay không cần đến ảnh gốc. Đa số các kỹ thuật giấu tin mật thường không
cần đến ảnh gốc khi giải mã. Thông tin được giấu trong ảnh sẽ được mang cùng với
dữ liệu ảnh, khi giải mã chỉ cần ảnh đã mang thông tin giấu mà không cần dùng đến
ảnh gốc để so sánh đối chiếu.
1.4.

Khái niệm và phân loại thủy vân

1.4.1. Thủy vân số trên ảnh
Như đã giới thiệu trong các phần trước, tính năng an toàn và bảo mật thông
tin của kỹ thuật giấu tin được thể hiện ở hai khía cạnh. Một là bảo vệ cho dữ liệu
đem giấu và hai là bảo vệ cho chính đối tượng được sử dụng để giấu tin. Tương ứng

-14-


với hai khía cạnh đó có hai khuynh hướng kỹ thuật rõ ràng đó là giấu tin mật và
thủy vân số.
Thủy vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số vào một bức

ảnh và thông tin nhúng được gắn liền với bức ảnh chứa.
Trong kỹ thuật thủy vân số, thông tin nhúng được gọi là thủy vân. Thủy vân
có thể là một chuỗi các kĩ tự, hay một hình ảnh, logo nào đó.
1.4.2. Phân loại thủy vân
Nói đến thủy 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 v.v… Có thể thấy
rõ là phần ứng dụng của thủy vân rất lớn, mỗi ứng dụng lại có những yêu cầu riêng
và tính chất 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 1.1.
Thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thủy vân vào trong ảnh sao cho sản phẩm
khi phân phối trong môi trường mở nếu có bất cứ một phép biến đổi nào làm thay
đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thủy vân đã được giấu trong đối tượng sẽ không còn
nguyên vẹn như thủy vân gốc. Các kỹ thuật thủy 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 hình ảnh nào đó ta nhúng một thủy 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 thủy vân. Nếu không đọc được thủy vân hoặc thủy vân đã bị sai lệch nhiều so
với thủy vân ban đầu đã nhúng vào ảnh thì có nghĩa là ảnh đó đã bị thay đổi.
Ngược lại với kỹ thuật thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật thủy 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, thủy vân đóng vai trò là thông tin sở hữu của
người chủ hợp pháp. Thủy vân được nhúng trong sản phẩm như một hình thức dán
tem bản quyền. Trong trường hợp như thế, thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với

-15-


sản phảm nhằm chống việc tẩy xóa, làm giả hay biến đổi phá hủy thủy vân. Một yêu

cẩu lý tưởng đối với thủy vân bền vững là nếu muốn loại bỏ thủy vân thì cách duy
nhất là phá hủy sản phẩm.
Thủy vân bền vững lại được chia thành hai loại là thủy vân ẩn và thủy vân
hiện. Thủy vân hiện là loại thủy 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 VTV3,
CCTV, TV5,… Các thủy vân hiện trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong
suốt để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc. Đối với thủy vân hiện, thông
tin bản quyền hiển thị ngay trên sản phẩm. Còn đối với thủy vân ẩn thì cũng giống
như giấu tin, yêu cầu tính ẩn cao, bằng mắt thường không thể nhìn thấy thủy vân.
Trong vấn đề bảo vệ bản quyền, thủy vân ẩn mang tính bất ngờ hơn trong việc phát
hiện sản phẩm bị đánh cắp. Trong trường hợp này, người chủ sở hữu hợp pháp sẽ
chỉ ra bằng chứng là thủy vân đã được nhúng trong sản phẩm bị đánh cắp.
1.4.3. Các ứng dụng của thủy vân
Ứng dụng bảo vệ bản quyền tác giả.
Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân số. Một thông tin nào đó
mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (thường gọi là thủy vân – watermark) sẽ được
nhúng vào trong các sản phẩm. Chỉ có chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có
quyền thiết kế và nhúng thủy vân vào sản phẩm với mục đích minh chứng cho bản
quyền sản phẩm. Giả sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phương tiện như ảnh,
âm thanh, video cần được lưu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản phẩm, chống lại
các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái, cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền”
vào sản phẩm này. Việc dán tem hay chính là việc nhúng thủy vân cần phải đảm
bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ
thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm.
Muốn gỡ bỏ thủy vân mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là
phá hủy sản phẩm.

-16-

Nhận thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc
Một tập các thông tin sẽ được giấu trong phương tiện chứa sau đó được sử
dụng để nhận biết xem dữ liệu trên phương tiện gốc đó có bị thay đổi hay không.
Các thủy vân nên được ẩn để tránh được sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa việc làm giả
các thủy vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần được xem xét. 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. Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu
thông tin cao và thủy vân không cần bền vững.
Giấu vân tay hay dán nhãn
Thủy vân trong những ứng dụng này được sử dụng để nhận diện người gửi
hay người nhận của một thông tin nào đó. Ví dụ như các vân khác nhau sẽ được
nhúng vào các bản sao khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho nhiều
người [20]. Với những ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn cao cho các
thủy vân tránh sự xóa giấu vết trong khi phân phối.
Kiểm soát sao chép
Các thủy vân trong những trường hợp này được sử dụng để kiểm soát sao
chép đối với các thông tin. Các thiết bị phát hiện ra thủy vân thường được gắn sẵn
vào trong các hệ thống đọc/ghi. Ví dụ như hệ thống quản lý sao chép DVD đã được
ứng dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại này cũng yêu cầu thủy vân phải được bảo đảm
an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thủy vân đã giấu mà không cần
thông tin gốc.
Giấu tin mật
Các thông tin giấu được trong những trường hợp này càng nhiều càng tốt,
việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện ban đầu. Các yêu
cầu mạnh về chống tấn công của kẻ thù không cần thiết lắm thay vào đó là thông tin
giấu phải đảm bảo tính ẩn.

-17-

1.4.4. Những tấn công trên hệ thủy vân
Hệ thống thủy vân cần chống lại được một số phép xử lý ảnh thông thường
và một số tấn công có chủ đích đối với ảnh chứa thủy vân. Tùy theo mục tiêu bảo
vệ, trong thực tế khi tiến hành thủy 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
đích hay không có chủ đích đối với hệ thủy 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, gamma;

•

Nhiễu cộng, nhiễu nhân;

•

Lọc tuyến tính;

•

Nén mất thông tin;

•

Giảm dữ liệu: cropping, sửa histogram;

•

Thủy vân nhiều lần.

Yêu cầu cơ bản nhất của hệ thống thủy vân bền vững là đảm bảo tính bền vững
của thủy vân sao cho các tấn công có chủ đích với mục đích loại bỏ thủy vân sẽ làm
cho giá trị thương mại của ảnh gốc bị ảnh hưởng lớn thậm chí đến việc hủy sản
phẩm gốc.
1.5.

Kỹ thuật thủy vân

1.5.1. Sơ đồ của hệ thủy vân
Một mô hình hệ thống thủy vân tổng quát được xem xét theo hai quá trình:
Quá trình nhúng thủy vân
- Một bức ảnh gốc cần được bảo vệ I;
- Tùy 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;

-18-


- Có thể sử dụng một hệ thống khóa K làm khóa cho quá trình nhúng và tách
thủy vân;
- Một thuật 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 gọi là ảnh đã nhúng
thủy vân hay ảnh chứa thủy vân IW. Bức ảnh này sẽ được sử dụng để phân phối.
Mô hình quá trình nhúng thủy vân được thể hiện qua hình 1.4.

Hình 1.4. Sơ đồ quá trình nhúng thủy vân
Quá trình tách thủy vân
Ảnh chứa thủy vân Iw 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 Iw nhằm phá hủy thủy vân nếu có trong Iw, các tấn công trên Iw tạo ra I*w.
Quá trình tách thủy vân từ ảnh chứa I*w (I*w có thể trùng với Iw) được tiến
hành như sau:
-

Sử dụng ảnh chứa thủy vân I*w, hệ thống khóa K đã sử dụng trong

quá trình nhúng thủy vân;
-

Tùy theo kỹ thuật, ảnh gốc I có thể được 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 I*w;

-19-


-

Thủy vân tách cần được so sánh với thủy vân gốc W để đưa ra những

kết luận.
Mô hình quá trình tách thủy vân trong hệ thống thủy vân được trình bày
trong hình 1.5.

Thủy vân

gốc W

Khóa K
Bộ tách
thủy vân

Ảnh chứa
thủy vân I*w

Thủy vân
tách W*

Kiểm định

Kết luận

Ảnh gốc I

Hình 1.5. Sơ đồ quá trình tách và kiểm định thủy vân
Theo mô sơ đồ của hệ thống nhúng và tách thủy vân, ta có một số nhận xét
sau:
- Trước khi bức ảnh I được nhúng thủy vân, nó có thể được biến đổi sang
miền tần số hoặc thực hiện trực tiếp trên không gian ảnh. Nếu các phương pháp
thủy vân được thực hiện trên miền không gian ảnh (xử lý trực tiếp trên các điểm
ảnh) thủy vân được nhúng thông thường không có độ bền cao, dễ dàng bị phá vỡ
bởi các tấn công đơn giản.
- Chuỗi thủy vân được nhúng trong ảnh có thể là dãy các bit nhị phân. Các
phương pháp thủy vân thực hiện giấu từng bit của chuỗi thủy vân vào từng khối nhỏ
trong ảnh. Thông thường chuỗi nhị phân này được sinh ra một cách ngẫu nhiên từ
một khóa K. Để tăng tính ngẫu nhiên, người ta có sử dụng các kỹ thuật sinh chuỗi

số giả ngẫu nhiên khác nhau. Chuỗi nhị phân này cũng có thể nhận được từ cách
chuyển một chuỗi ký tự hay một số sang dạng nhị phân.

-20-


- Trong quá trình nhúng thủy vân, từng khối ảnh khác nhau có thể giấu lượng
tin khác nhau. Đối với khối ảnh là biên (edge) thì lượng tin giấu vào đây phải ít nhất
để tránh làm thay đổi chất lượng ảnh. Các khối có độ lệch giữa các bit.
1.5.2. Các yêu cầu cơ bản của hệ thủy vân
Hệ thủy 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;

•

Khi tách thủy vân có thể cần ảnh gốc hoặc không cần.

Ngoài một số đặc điểm chung ra, kỹ thuật thủy vân trên ảnh số được phân
biệt với kỹ thuật giấu tin mật ở những đặc trưng sau đây:
Thông tin thủy vân có bị biến đổi hay không khi có biến đổi trên ảnh chứa
Đối với hệ thống thủy vân bền vững, yêu cầu thông tin thủy vân không thay
đổi trước các tác động làm thay đổi thông tin trên ảnh chứa thủy vân. Ngược lại, hệ
thống thủy vân dễ vỡ yêu cầu thông tin thủy vân sẽ bị thay đổi (vỡ) nếu có bất cứ
thay đổi nào trên ảnh chứa thủy vân.
Thủy vân ẩn, thủy vân hiện
Không giống như giấu tin mật với yêu cầu bắt buộc là thông điệp giấu phải
ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thường không phát hiện được sự tồn tại của thông tin
giấu thì kỹ thuật vân số lại có hai loại là thủy vân ẩn và thủy vân hiện. Nghĩa là có
loại thủy vân cho phép nhìn thấy được thông tin đem nhúng vào, có loại không nhìn
thấy. Loại thủy vân hiện được sử dụng cho mục đích công bố công khai về quyền sở

-21-


hữu, ngược lại, thủy vân ẩn được sử dụng với mục đích gài bí mật các thông tin xác
nhận quyền sở hữu.
Tính chất bền vững
Đây chính là tính chất quan trọng nhất của một hệ thủy vân. Đối với hệ thống
thủy vân này, yêu cầu hàng đầu là hệ thủy vân phải chống lại được các phép biến
đổi, hay các tấn công có chủ đích hoặc không có chủ đích lên ảnh chứa thủy vân.
Tiêu chuẩn của hệ thủy vân này là thủy vân tồn tại cùng với sự tồn tại của ảnh chứa,
thủy vân chỉ bị phá hủy khi chấp nhận mất đi đáng kể chất lượng của ảnh chứa.
Thông tin được thủy vân

Một câu hỏi đầu tiên đối với hệ thủy vân là thông tin gì sẽ được giấu vào bên
trong ảnh? Kiểu thủy vân hay dùng nhất là một chuỗi các ký tự, chuỗi ký tự được
nhúng trực tiếp lên ảnh mang những thông tin như tác giả, tiêu đề, ngày tháng, hay
thông tin bản quyền… Sử dụng chuỗi ký tự lại bị một hạn chế, đó là mỗi ký tự
biểu diễn bằng nhiều bit nếu như vì một lý do nào đó một bit bị lỗi sẽ làm sai cả ký
tự và do đó chỉ cần một phép biến đổi đơn giản như phép nén ảnh cũng có thể làm
cho thủy vân bị sai lệch rất nhiều. Ngoài chuỗi ký tự người ta còn sử dụng thủy vân
là ảnh để nhúng, khi đó ta sẽ có ảnh trong ảnh. Khi giải tin một số điểm ảnh có thể
sai nhưng hình tổng thể sẽ được giữ nguyên.
Trong các loại thủy vân, thủy vân ẩn và bền vững là loại được quan tâm
nghiên cứu nhiều nhất vì ý nghĩa ứng dụng lớn của nó như đã nói ở phần trên. Do
vậy, hai tính chất quan trọng nhất của hệ thủy vân mà các nhà nghiên cứu đang cố
gắng đạt được là tính ẩn và tính bền vững. Nhưng đây lại là mấu chốt của sự phức
tạp vì hai thuộc tính này mâu thuẫn nhau. Nếu như để đảm bảo tính ẩn, thủy vân
phải được giấu trong những vị trí có ý nghĩa tri giác nhất, ít bị chú ý nhất thì để đảm
bảo được thuộc tính bền vững, thủy vân phải chịu được những phép xử lý ảnh phổ
biến như dịch chuyển ảnh hay nén ảnh, mà những phép biến đổi này lại làm mất đi
những thông tin ít ý nghĩa tri giác của ảnh. Ví dụ như phép nén JPEG loại bỏ ở ảnh
những thông tin ít có tính tri giác nhất để làm giảm kích thước của ảnh mà vẫn đảm

-22-


bảo được chất lượng ảnh. Khi đó những dữ liệu của thủy vân nằm trong vùng này sẽ
bị mất đi hoặc bị biến đổi sai lệch hoàn toàn.
1.5.3. Các kỹ thuật kiểm định thủy vân
Hệ thống thủy vân theo hai hướng, thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững.
Trong thủy vân bền vững kỹ thuật thủy vân ẩn có nhiều hướng ứng dụng. Trong hệ
thống thủy vân ẩn, thủy 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 thủy vân

trong ảnh chứa, ảnh được nhúng thủy vân vẫn đảm bảo chất lượng thương mại so
với ảnh gốc; tính bền vững của thủy 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.
Chất lượng ảnh gốc và ảnh chứa thủy vân
Trong giấu tin nói chung, và trong hệ thống thủy 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 tri 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
I và ảnh sau khi nhúng thông tin thủy vân I*w có thể thực hiện qua việc tính giá trị
PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) giữa ảnh gốc I và ảnh chứa thủy vân I*w có
cùng kích thước m x n theo công thức:
PSNR=20 log10 ⎛⎜⎜ Max( I ) ⎞⎟⎟ ;
⎝

Trong đó MSE=

MSE ⎠

1 m n
∑∑ ( I (i, j ) − I ′(i, j )) 2 là bình phương độ lệch giữa ảnh
m × n i =1 j =1

gốc I và ảnh chứa thủy vân I’.

-23-


Với các phép nén ảnh, người ta chấp nhận giá trị PSNR trong khoảng 20–

40dB. Giá trị PSNR càng lớn thể hiện sự sai khác giữa ảnh gốc và ảnh sau khi
nhúng thông tin càng thấp.
So sánh thủy vân tách được với thủy vân gốc
Thủy vân được nhúng sau khi giải mã sẽ được so sánh để kiểm định, chứng
thực thủy vân. Có những thủy vân nhìn thấy được và mang ý nghĩa nhận biết thì
công việc trở nên đơn giản chẳng hạn như thủy vân là một chuỗi mã ký tự ASCII
mang thông tin nào đó như tên tác giả, ngày tháng… thì khi giải mã ta cũng dễ dàng
nhận biết thông tin. Hay như thủy vân là một ảnh nào đó chẳng hạn thì giải mã ra
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 thủy vân là một chuỗi bit, khi đó
công việc nhận diện thủy vân sẽ không đơn giản. Hoặc ngay cả trong trường hợp
thủy 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 thủy vân.
Có nhiều kỹ thuật để kiểm định định lượng thủy vân. Kỹ thuật đơn giản nhất
là tính tỉ lệ đúng sai từng bit theo công thức:
SR = (Số bit trùng nhau)/(Tổng số bit)
Chẳng hạn ta nhúng một thủy vân có độ dài là 1000 bit, khi giải mã so với
thủy vân gốc, thủy vân tách được bị sai lệch mất 100 bit và 900 bit con lại là trùng
nhau, vậy thì tỉ lệ trùng khớp là SR=900/1000 (=0.9). Theo tiêu chuẩn so sánh này,
giá trị SR càng gần 1 thì sự sai khác giữa thủy vân tác được với thủy vân gốc càng
thấp.
Một số kỹ thuật thủy vân áp dụng với trường hợp thủy vân là một ảnh đa cấp
xám. Khi đó, các cặp điểm ảnh chênh lệch một đơn vị vẫn được xem là rất nhỏ nên
việc đánh giá độ lệch theo cách trên là không phù hợp. Trong trường hợp này, sử
dụng hệ số đồng dạng SF ( similarity factor) để đánh giá tỷ lệ đồng dạng giữa thủy
vân gốc W và thủy vân tách được W*. Công thức tính hệ số đồng dạng giữa thủy

-24-