Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN NIÊN

BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT
THỦY VÂN DỰAVÀO PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ

LUẬN VĂN THẠC SỸ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn "Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật
thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ " là kết quả nghiên cứu của riêng
tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Được các tác giả cho
phép tham khảo và sử dụng các tài liệu đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và
các trang Web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 05 năm 2015
Nguyễn Niên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iii
iiii ƠN
LỜI CẢM
Để hoàn tất một luận văn thạc sĩ yêu cầu sự tập trung, sự cố gắng và
độc lập nghiên cứu. Bản thân tôi sau những năm tháng học tập vất vả và
nghiên cứu cũng đã cố gắng để hoàn thành được luận văn này. Tôi luôn ghi
nhận những sự đóng góp giúp đỡ nhiệt tình của những người bên cạnh mình,
sự ủng hộ, hỗ trợ của bố mẹ bạn bè giúp tôi có thêm động lực để hoàn thành
khóa luận tốt nghiệp, nhân đây tôi muốn gửi lời cảm ơn nhất tới họ.
Lời đầu tiên em gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS.TS.
Bùi Thế Hồng thầy đã tận tụy hướng dẫn, động viên, giúp đỡ em trong suốt
thời gian thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Công Nghệ Thông Tin
Trường Đại học Công Nghệ và Truyền Thông Thái Nguyên đã truyền đạt kiến
thức quý báu cho chúng em trong những năm học vừa qua.
Chân trọng cảm ơn đến Bố, Mẹ, luôn là nguồn động viên trên mỗi bước
đường học vấn. Xin chân thành cảm ơn tập thể lớp K12G đã ủng hộ, giúp đỡ
và động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu luận văn.
Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho
phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi kính mong
nhận được sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 06 năm 2015
Học viên
Nguyễn Niên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC..................................................................................................................iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ ..........................................................................................vii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN
TRÊN ẢNH SỐ........................................................................................................... 4
1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 4
1.2 Giấu tin là gì và vài nét về lịch sử giấu tin ....................................................... 5
1.2.1 Định nghĩa ................................................................................................. 5
1.2.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin................................................................... 6
1.3 Mô hình kỹ thuật giấu tin và một số thuật ngữ cơ bản ..................................... 7
1.4 Một số ứng dụng đang được triển khai ............................................................. 9
1.5 Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện............................................................. 11
1.5.1 Giấu tin trong ảnh .................................................................................... 11
1.5.2 Giấu tin trên ảnh tĩnh ............................................................................... 13
1.6 Giới thiệu chung về kỹ thuật thuỷ vân............................................................ 16
1.6.1 Thủy vân số (Watermarking) và Giấu tin mật ( Steganography) ............ 16
1.6.2 Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh ......................................... 19
1.7 Những tấn công trên hệ thuỷ vân .................................................................... 21
1.8 Những khuynh hướng tiếp cân của kỹ thuật thuỷ vân .................................... 22
1.8.1 Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh ....................................... 22
1.8.2 Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh ......................................... 23
1.9 Một số kỹ thuật bổ trợ cho kỹ thuật thuỷ vân số trên ảnh .............................. 24
Chương 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI..
26
2.1 Các phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần số ............................. 26

2.1.1 Phép biến đổi Fourier rời rạc ................................................................... 26
2.1.2 Phép biến đổi Cosin rời rạc ..................................................................... 27
2.1.3 Phép biến đổi sóng nhỏ (Wavelet) .......................................................... 28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

v
2.1.4 Kỹ thuật sinh chuỗi giả ngẫu nhiên ......................................................... 31
2.1.5 Kỹ thuật trải phổ trong truyền thông ....................................................... 31
2.1.6 Các kỹ thuật kiểm định thuỷ vân ............................................................. 33
2.2. Mô hình thị giác người .................................................................................. 34
2.2.1. Nhạy cảm về sự tương phản ................................................................... 35
2.2.3. Nhạy cảm về tần số ................................................................................ 36
2.2.4. Mặt nạ thị giác ........................................................................................ 38
Chương 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO
PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ SỬ DỤNG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG
THỊ GIÁC CỦA CON NGƯỜI ................................................................................ 39
3.1 Cài đặt một số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ sử dụng
các đặc trưng của hệ thống thị giác của con người............................................... 39
3.2 Các độ đo chất lượng mang tính nhận thức .................................................... 43
3.3 Thiết kế chương trình chạy thử....................................................................... 44
3.3.1 Chương trình nhúng................................................................................. 44
3.3.2 Chương trình trích thủy vân .................................................................... 49
3.3.3 Chương trình kiểm tra ............................................................................. 52
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 58

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
CSF

Tiếng Anh
Contrast Sensitivity Function

Tiếng Việt
Hàm nhạy cảm tƣơng phản

DCT
DFT
DWT
HVS
MSE

Discrete Cosine Transform
Discrete Fourier Transform
Discrete Wavelet Transform
Human visual system
Mean squared error

Biến đổi cosine rời rạc
Biến đổi Fourier
Biến đổi sóng nhỏ rời rạc
Hệ thống trực quan của con ngƣời
Sai số bình phƣơng trung bình

NC
PSNR

Normalized Correlation
Peak Signal to noise ration

HH
HL
LH
LL

Hệ số tƣơng quan
Tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu
Horizontally and vertically Theo chiều ngang và theo chiều dọc
high - pass
cao - vƣợt qua
Horizontally high - pass and Theo chiều ngang cao - qua
vertically low - pass
và
Horizontally low - pass and Theo chiều ngang thấp - qua
vertically high pass
và
theo chiều dọc cao - qua
Horizontally and vertically low Theo chiều ngang và theo chiều dọc
– pass
thấp - vƣợt qua

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin ..................................................................... 7
Hình 1.2 Lược đồ chung cho quá trình giấu tin .......................................................... 7
Hình 1.3 Lược đồ cho quá trình giải mã ..................................................................... 8
Hình 1.4 Hai ảnh trước và sau khi giấu tin giống hệt nhau ...................................... 10
Hình 1.5 Thực chất bên trong ảnh đã giấu có chứa thông tin của người chủ sở hữu
......... 10
Hình 1.6. Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân ................................................................ 17
Hình 1.7. Ví dụ về thuỷ vân hiện (Trên trang Web thư viện số của Mỹ) ................ 18
Hình 1.8. Ảnh Lena đã được nhúng thuỷ vân là logo ở hình bên phải .................... 19
Hình 2.1 Cấu trúc phân tích ............................................................... ....................... 30
Hình 2.2 Ảnh được phân tích ............................................................... .................... 30
Hình 2.3 Vấn đề thuỷ vân dưới góc nhìn của truyền thông ...................................... 33
Hình 2.4 Ngưỡng biến đổi nhỏ nhất mà con ngườicảm nhận được với các độ chói I
khác nhau................................................................................................................... 35
Hình 2.5 Hàm nhạy cảm tương phản dựa trên mẫu của Mannos và Sakrison ......... 37
Hình 2.6 Sự cảm nhận ba màu của thị giác người ................................................... 37
Hình 2.7 Độ nhạy cảm của mắt người với các tần số thời gian khác nhau............... 38
Hình 3.1 Lược đồ đề xuất cho thủy vân ảnh ............................................................. 41
Hình 3.2 Nhúng thủy vân vào các hệ số sóng nhỏ dương......................................... 42

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

1
MỞ ĐẦU

ĐẶT VẤN ĐỀ
Thủy vân số là phương pháp nhúng một lượng thông tin nào đó vào một
sản phẩm đa phương tiện cấn được bảo vệ quyền sở hữu mà không làm ảnh
hưởng nhiều đến chất lượng của sản phẩm. Thủy vân số hứa hẹn một giải
pháp cho vấn đề bảo vệ bản quyền đối với sản phẩm số khi sản phẩm đó được
sử dụng trong môi trường mở mà không cần đến việc mã hóa. Thủy vân phải
tồn tại bền vững với sản phẩm và phải không được loại bỏ bằng bất kỳ những
tấn công có chủ đích hay không chủ đích nào trừ khi phá hủy sản phẩm.
Trong những năm gần đây sự bùng nổ của công nghệ thông tin, đặc biệt là
sự bùng nổ của Internet và các phương tiện dữ liệu số (như các bức ảnh, các
audio, video...), đã mang lại nhiều thuận lợi cho người sử dụng, nhưng bên
cạnh đó vấn đề ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy cập thông tin trái
phép… đang tăng, đòi hỏi không ngừng tìm các giải pháp mới hữu hiệu đảm
bảo cho sự an toàn và bảo mật thông tin. Như chúng ta biết, thông tin số được
sử dụng rộng rãi trong một môi trường mở. Trong hoàn cảnh như thế, nhu cầu
được bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ các sản phẩm số đã trở thành một
vấn đề hết sức quan trọng và đang được sự quan tâm của giới khoa học và
công nghệ. Đây là một vấn đề nghiên cứu mới và phức tạp không chỉ ở trong
nước mà còn với cả thế giới công nghệ thông tin. Trong một vài năm trở lại
đây đã có nhiều hội nghị quốc tế về vấn đề này và giải pháp được đưa ra là
phương pháp thủy vân số. Giải pháp này tuy mới đưa ra những đã nhận được
sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học và đã có nhiều những nghiên cứu
trong lĩnh vực thủy vân số trong đó đã có nhiều những công trình nghiên cứu
rất có giá trị về lĩnh vực này. Các ứng dụng phổ biến của thủy vân số đang
được nghiên cứu bao gồm bảo vệ bản quyền, in vân tay, nhận thức thông tin,
phát hiện xuyên tạc, điều khiện truy cập và giấu thông tin mật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Thủy vân trên ảnh số là một trong những kỹ thuật được phát triển sớm
nhất trong các kỹ thuật thủy vân nói chung. Thủy vân trên ảnh số giống như
một ảnh được “dán tem” sở hữu của người chủ. Thủy vân phải mang thông tin
có ý nghĩa xác định duy nhất người được sở hữu ảnh đó.
Việc thủy vân có thể được thực hiện trực tiếp trên các điểm ảnh hoặc trên
miền biến đổi của ảnh. Hiện tại, người ta đã sử dụng các phép biến đổi rời rạc
như phép biến đổi Fourier (DFT), phép biến đổi cosine(DCT) và phép biến
đổi sóng nhỏ (DWT). Các kỹ thuật thủy vân dựa vào DCT và DWT đã được
một số tác giả nghiên cứu và chứng tỏ khá bền vững trước những tấn công
thông thường.
Từ những phân tích trên và trong khuôn khổ của một luận văn thạc sỹ, tác
giả thực hiện đề tài "Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa
vào phép biến đổi sóng nhỏ "
1. ĐỐI TƯỢNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật bảo vệ bản quyền ảnh số dựa vào các
phép biến đổi sóng nhỏ.
- Tìm hiểu các đặc trưng của hệ thống thị giác của con người nhằm phát
triển các kỹ thuật giấu tin sao cho có thể giấu thông tin bản quyền vào các hệ
số biến đổi mà không ảnh hưởng đến chất lượng của ảnh dưới góc nhìn của
thị giác con người.
- Các công cụ lập trình và phần mềm dùng để cài đặt chương trình thử
nghiệm
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu các tài liệu có liên quan về bảo vệ bản quyền ảnh số.
- Tìm hiểu và phát hiện các vấn đề trong thực tế, so sánh, đánh giá và
đưa ra giải pháp.
- Cài đặt thử nghiệm trên những giải pháp được đưa ra.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu, phát triển và cài đặt một lược đồ thủy vân ảnh bền vững và
đảm bảo chất lượng cảm quan của ảnh.
- Lược đồ này sẽ dựa vào các phép biến đổi sóng nhỏ kết hợp tận dụng
các đặc trưng của hệ thống thị giác của con người.
- Lược đồ này sẽ được sử dụng để bảo vệ bản quyền của ảnh trước sự
mạo nhận và những tấn công nhằm gỡ bỏ thủy vân.
4. BỐ CỤC LUẬN VĂN
Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật giấu tin và thủy vân trên ảnh số.
Chương 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào các phép biến đổi
Chương 3: Thiết kế chương trình thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi
sóng
nhỏ sử dụng các đặc trưng của hệ thống thị giác của con người
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật bảo vệ bản quyền dựa vào các phép biến
đổi sóng nhỏ.
- Cải tiến, phát triển kỹ thuật bảo vệ bản quyền dựa vào phép biến đổi
sóng nhỏ rời rạc DWT kết hợp với các đặc trưng của hệ thống thị giác con
người.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Chương 1:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN
TRÊN ẢNH SỐ

1.1 Giới thiệu chung
Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu
sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Những thuận lợi mà thông
tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội mới cho quá
trình đổi mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị
mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm
kỹ thuật số, v.v, đã với tới thế giới tiêu dùng rộng lớn để sáng tạo, xử lý và
thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện (multimedia data). Mạng Internet
toàn cầu đã biến thành một xã hội ảo nơi diễn ra quá trình trao đổi thông tin
trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại. Và
chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế đã xuất hiện những vấn nạn,
tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn thông tin
như nạn ăn cắp bản quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái
phép v.v.. Đi tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp ta hiểu thêm
về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn đưa ra những cơ
hội kinh tế mới cần khám phá.
Các giải pháp cho những vấn đề trên
Trong một quá trình phát triển lâu dài, nhiều phương pháp bảo vệ thông
tin đã được đưa ra trong đó giải pháp dùng mật mã học là giải pháp được ứng
dụng rộng rãi nhất. Các hệ mã mật đã được phát triển nhanh chóng và được
ứng dụng rất phổ biến cho đến tận ngày nay. Thông tin ban đầu sẽ được mã
hoá thành các ký hiệu vô nghĩa, sau đó sẽ được lấy lại thông qua việc giải mã
nhờ khoá của hệ mã. Đã có rất nhiều những hệ mã phức tạp được sử dụng như
DES, RSA, NAPSACK...và phương pháp này đã được chứng minh thực tế là
rất hiệu quả và được ứng dụng phổ biến.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Nhưng ở đây ta không định nói về các hệ mã mật mà ta tìm hiểu về một

phương pháp đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng rất mạnh mẽ ở nhiều
nước trên thế giới đó là phương pháp giấu tin (data hiding). Đây là phương
pháp mới và phức tạp, nó đang được xem như một công nghệ chìa khoá cho
vấn đề bảo vệ bản quyền, nhận thực thông tin và điều khiện truy cập ứng dụng
trong an toàn và bảo mật thông tin.
Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là phương
pháp mã hoá làm cho các thông tin hiện rõ có được mã hoá hay không vì tín
hiệu thu được toàn những ký hiệu vô nghĩa còn đối với phương pháp giấu
thông tin thì người ta sẽ khó biết được là có thông tin giấu bên trong. Một khi
những thông tin mã hoá bị phát hiện thì những tên tin tặc sẽ tìm mọi cách để
triệt phá. Và cuộc chạy đua giữa những người bảo vệ thông tin và bọn tin tặc
vẫn chưa kết thúc tuyệt đối về bên nào. Trong hoàn cảnh đó thì giấu thông tin
trở thành một phương pháp hữu hiệu.
Giấu thông tin, xét theo khía cạnh tổng quát thì cũng là một hệ mã mật,
nhằm đảm bảo tính an toàn thông tin. Phương pháp này ưu điểm là ở chỗ việc
gửi đi những bức ảnh thông thường sẽ không gây ra sự chú ý của người khác.
Sự vô hình của thông tin chứa trong ảnh sẽ đánh lừa được sự phát hiện của
những tên tin tặc. Giấu tin trong ảnh và hệ mã mật có quan hệ mật thiết với
nhau, cùng xây dựng nên một hệ thống an toàn và bảo mật thông tin.
1.2 Giấu tin là gì và vài nét về lịch sử giấu tin
1.2.1 Định nghĩa
Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào
đó vào trong 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 mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin. Hai
mục đích khác nhau này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu
tin. Khuynh hướng thứ nhất là giấu tin mật (steganography), khuynh hướng
này tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho giấu được nhiều thông tin và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

quan trọng là người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên
trong hay không. Khuynh hướng thứ hai là thuỷ vân số (watermarking).
Khuynh hướng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được quan tâm
nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có rất nhiều những kỹ thuật dành cho
khuynh hướng này [2].
1.2.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin
Do kỹ thuật giấu thông tin số mới được hình thành trong thời gian gần
đây nên xu hướng phát triển vẫn chưa ổn định. Nhiều phương pháp mới, theo
nhiều khía cạnh khác nhau đang và chắc chắn sẽ được đề xuất, bởi vậy một
định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chưa thể có được.
Một số tác giả đã đưa ra các cách đánh giá phân loại, thậm chí các định
nghĩa, nhưng không lâu sau lại có các định nghĩa khác, một sự phân loại khác
được đề xuất. Sơ đồ phân loại trên Hình 1.1 được Fabien A. P. Petitcolas đề
xuất năm 1999.
Sơ đồ phân loại này như một bức tranh khái quát về ứng dụng và kỹ
thuật giấu thông tin. Dựa trên việc thống kê sắp xếp khoảng 100 công trình đã
công bố trên một số tạp chí, cùng với thông tin về tên và tóm tắt nội dung của
khoảng 200 công trình đã công bố trên internet, có thể chia lĩnh vực giấu dữ
liệu ra làm hai hướng lớn, đó là watermarking và steganography. Nếu như
watermark quan tâm nhiều đến các ứng dụng giấu các mẩu tin ngắn nhưng đòi
hỏi độ bền vững lớn của thông tin cần giấu (trước các biến đổi thông thường
của tệp dữ liệu môi trường) thì steganography lại quan tâm tới các ứng dụng
che giấu các bản tin đòi hỏi độ mật và dung lượng càng lớn càng tốt. Đối với
từng hướng lớn này, quá trình phân loại theo các tiêu chí khác có thể tiếp tục
được thực hiện, ví dụ dựa theo ảnh hưởng các tác động từ bên ngoài có thể
chia watermark thành hai loại, một loại bền vững với các tác động sao chép
trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hoàn toàn đối lập: phải dễ bị phá huỷ
trước các tác động nói trên. Cũng có thể chia watermark theo đặc tính, một

loại cần được che dấu để chỉ có một số những người tiếp xúc với nó có thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

thấy được thông tin, loại thứ hai đối lập, cần được mọi người nhìn thấy. Chi
tiết hơn về vấn đề này sẽ được trình bày trong phần sau [2].
Infomation
hiding
Giấu thông tin

Watermarking
Thuỷ vân số

Steganography
Giấu tin mật

Robust Copyright
marking Thuỷ vân
bền vững

Imperceptible
Watermarking
Thuỷ vân ẩn

Fragile
Watermarking
Thuỷ vân “dễ vỡ”

Visible

Watermarking
Thuỷ vân hiển

Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin
1.3 Mô hình kỹ thuật giấu tin và một số thuật ngữ cơ bản
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 text, audio,
video, ảnh …
Thông tin cần

Phương
tiện chứa

Bộ
nhúng

Phương
tiện chứa

Phân

Kho

Hình 1.2 Lược đồ chung cho quá trình giấu tin
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

Thông tin cần giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó tuỳ

thuộc vào mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu vào trong
phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những chương trình, những
thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khoá 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 sử dụng trên mạng.
Hình 1.3 chỉ ra các công việc giải mã thông tin đã giấu. Quá trình giải
mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông
tin cùng với khoá của quá trình nhúng. Kết quả thu được gồm phương tiện
chứa gốc và thông tin đã giấu. Bước tiếp theo thông tin giấu sẽ được xử lí
kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu.
Khoá

Phương tiện
chứa đã được
giấu tin

Bộ giải
mã tin

Thông tin giấu

Phương tiện
chứa (audio,
ảnh, video)

Kiểm định

Hình 1.3 Lược đồ cho quá trình giải mã
Một số thuật ngữ cơ bản:
datahiding: là thuật ngữ chỉ kỹ thuật giấu tin nói chung bao gồm cả giấu

tin mật và thuỷ vân số.
steganography: chỉ kỹ thuật giấu tin mật trong một đối tượng.
watermarking: thuỷ vân số, chỉ những kỹ thuật giấu tin dùng để bảo vệ
đối tượng chứa thông tin giấu.


phương tiện chứa (host signal): là phương tiện gốc được dùng để nhúng
thông tin. Trong dấu thông tin trong ảnh thì nó mang tên ảnh chứa, còn
trong audio là audio chứa v.v..
thông tin cần giấu (embeded data): là lượng thông tin được nhúng vào
trong phương tiện chứa. Trong giấu tin mật (steganography), thông tin
giấu được gọi là thông điệp giấu (message), còn trong kỹ thuật thuỷ vân số
thì thông tin giấu được gọi là thuỷ vân (watermark)
1.4 Một số ứng dụng đang được triển khai
Bảo vệ bản quyền tác giả (copyright protection): Đây là ứng dụng cơ bản
nhất của kỹ thuật thuỷ vân số (digital watermarking) - một dạng của
phương pháp giấu tin. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu
tác giả (người ta gọi nó là thuỷ vân - watermark) sẽ được nhúng vào trong
các sản phẩm, thuỷ vân đó chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp các
sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm.
Giả sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phương tiện như ảnh, âm thanh,
video và cần được lưu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại
các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem
bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ
vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm
nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn
tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không được
phép của người chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm.

a) Ảnh hoa hồng gốc

b) Ảnh hoa hồng sau khi giấu
thông tin bản quyền

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

Hình 1.5 Thực chất bên trong ảnh đã giấu có chứa thông tin của người chủ sở
hữu
Nhận thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin
(authentication and tamper detection):
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 thuỷ vân nên được ẩn để tránh được sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa
việc làm giả các thuỷ 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 (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.
Giấu vân tay và dán nhãn (fingerprinting and labeling):
Thuỷ vân trong những ứng dụng này đựơc sử dụng để nhận diện người
gửi hay người nhận của một thông tin nào đó. Ví dụ như các vân khác nhau sẽ
được nhúng vào các bản copy khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển
cho nhiều người. Với những ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn
cao cho các thuỷ vân tránh sự xoá giấu vết trong khi phân phối.
Kiểm soát sao chép (copy control):
Các thuỷ 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 thuỷ vân thường được
gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc/ghi. Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép
DVD đã được ứng dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại này cũng yêu cầu thuỷ
vân phải được bảo đảm an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thuỷ
vân đã giấu mà không cần thông tin gốc.
Giấu tin mật (steganography):
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 chứa
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 được giấu kín.
1.5 Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện
1.5.1 Giấu tin trong ảnh
Giấu thông tin trong ảnh, hiện nay, là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất
trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa
phương tiện bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa
giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong các 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 khiện truy cập, giấu thông


tin mật...Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của
các nhà cá nhân, tổ chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới.
Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi
và chẳng ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Và
ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến, thì 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 như đối với các nước phát triển, chữ kí tay đã được số
hoá 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.
Phần mềm WinWord của MicroSoft cũng cho phép người dùng lưu trữ chữ kí

trong ảnh nhị phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính
an toàn của thông tin. Tài liệu sau đó được truyền trực tiếp qua máy fax hoặc
lưu truyền trên mạng. Theo đó, việc nhận thực chữ kí, xác thực thông tin đã
trở thành một vấn đề cực kì quan trọng khi mà việc ăn cắp thông tin hay
xuyên tạc thông tin bởi các tin tặc đang trở thành một vấn nạn đối với bất kì
quốc gia nào, tổ chức nào. Thêm vào đó, lại có rất nhiều loại thông tin quan
trọng cần được bảo mật như những thông tin về an ninh, thông tin về bảo
hiểm hay các thông tin về tài chính, các thông tin này được số hoá và lưu trữ
trong hệ thống máy tính hay trên mạng. Chúng rất dễ bị lấy cắp và bị thay đổi
bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc nhận thực 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 xám. Gần đây báo chí đã đưa tin vụ việc
ngày 11-9 gây chấn động nước Mỹ và toàn thế giới, chính tên trùm khủng bố
quốc tế Osma BinLaDen đã dùng cách thức giấu thông tin trong ảnh để liên
lạc với đồng bọn, và đã qua mặt được Cục tình báo trung ương Mỹ CIA và


các cơ quan an ninh quốc tế. Chắc chắn sau vụ việc này, việc nghiên cứu các
vấn đề liên quan đến giấu thông tin trong ảnh sẽ rất được quan tâm.
1.5.2 Giấu tin trên ảnh tĩnh
Qua phần trên, chúng ta đã nắm bắt được một số khái niệm cơ bản của
giấu tin. Trong phần này chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu vấn đề giấu tin trong ảnh,
lần lượt xem xét những nội dung sau:
Giấu thông tin trong ảnh, những đặc trưng và tính chất
Giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh màu, ảnh đa cấp xám
Cấu trúc ảnh Bitmap
Một số kỹ năng xử lí ảnh trong kỹ thuật giấu tin.

Chúng ta chú ý là khi ta nói đến kỹ thuật giấu tin có nghĩa là ta đang
nói đến giấu tin thông mật (khái niệm steganography) còn ở phần sau chúng
ta sẽ nói đến kỹ thuật thuỷ vân số (watermarking) và cả hai kỹ thuật này đều
thuộc lĩnh vực giấu tin (datahiding).
Giấu tin trong ảnh, những đặc trưng và tính chất
Như đã được giới thiệu ở trên, giấu tin trong ảnh chiếm vị trí chủ yếu
trong các kỹ thuật giấu tin chính vì vậy mà 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 được tri giác tĩnh có nghĩa là dữ liệu tri giác không biến đổi
theo thời gian ( không giống như audio và video ) và có nhiều định dạng cũng
như tính chất của các ảnh khác nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh phải
chú ý những đặc trưng và các tính 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 đã giấu thông tin vào trong
ảnh hay chưa thì khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo
thời gian, điều này khác với dữ liệu audio hay là 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 cảnh.... Sự 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 như
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 (sẽ được trình bày kỹ hơn ở
phần sau). Ảnh nén và ảnh không nén cũng có những kỹ thuật giấu khác nhau
vì ảnh nén có thể mất mát thông tin ảnh do nén ảnh…
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 giữ liệu ảnh

gốc. Giữ liệu ảnh được quan sát bằng hệ thống thị giác (HVS - Human Vision
System) 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 không
thể nhận ra được sự thay đổi đó vì có như thế thì 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 như mắt người cảm nhận về sự biến
đổi về độ chói kém hơn sự biến đổi về màu hay cảm nhận của mắt về màu
xanh da trời (Blue) là kém nhất trong ba màu cơ bản RGB…
Giấu thông tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không thay
đổi kích thước ảnh:
Các phép 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 bảo yêu cầu chất lượng ảnh sau khi giấu thông tin:
Đây là một yêu cầu quan trọng đối với giấu thông tin trong ảnh. Sau khi
giấu thông 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 khá đơn
giản đổi với ảnh màu hoặc ảnh xám bởi mỗi một pixel ảnh được biểu diễn bởi
nhiều bit, nhiều giá trị và khi ta thay đổi một giá trị nhỏ nào đó thì chất lượng
ảnh không thay đổi, thông tin giấu khó bị phát hiện, nhưng đối với ảnh đen
trắng thì việc giấu thông tin phức tạp hơn nhiều, vì ảnh đen trắng mỗi pixel
ảnh chỉ gồm hai giá trị hoặc trắng hoặc đen, và nếu ta biến đổi một bit từ đen
thành 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 màu 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 làm sao cho giấu được càng nhiều thông tin càng tốt

thì các thuật toán áp dụng cho ảnh đen trắng lại tập trung vào làm thế nào để
thông tin giấu khó bị phát hiện.
Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào trên
ảnh:
Vì phương pháp giấu 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 giấu. 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 sẽ bị sai lệch. Chính đặc điểm
này mà giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thực và phát hiện xuyên tạc
thông tin.
Cần ảnh gốc khi giải mã ảnh ?
Các kỹ thuật giấu tin phải phân biệt rõ ràng quá trình giải mã ảnh để lấy
thông tin giấu có cần ảnh gốc hay không. Đa số các kỹ thuật giấu tin mật thì
thường không cần 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.


Thủy vân số trên ảnh tĩnh
Như chúng ta đã biết, giấu tin trong ảnh (datahiding) có hai hướng
nghiên cứu chủ yếu là giấu tin mật (steganography) và thuỷ vân số
(watermarking). Trong các phần 2, chúng ta đã tìm hiểu các khái niệm cơ bản
về giấu tin mật, những đặc điểm, tính chất và một số thuật toán giấu tin.
Hướng nghiên cứu thứ hai là thuỷ vân số sẽ được trình bày trong các phần sau
đây. Cụ thể, chúng ta tìm hiểu những vấn đề cơ bản sau đây của thuỷ vân số.
Phân biệt giữa Steganography và Watermarking
Các yêu cầu cơ bản của một hệ thuỷ vân số ẩn
Các tấn công trên thuỷ vân
Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân theo ứng dụng.
Những khuynh hướng tiếp cận của các kỹ thuật thuỷ vân

Một số kỹ thuật bổ trợ cho thuỷ vân.
1.6 Giới thiệu chung về kỹ thuật thuỷ vân
1.6.1 Thủy vân số (Watermarking) và Giấu tin mật ( Steganography)
Như đã giới thiệu ở 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 với hai khía cạnh đó chúng ta có hai khuynh hướng kỹ thuật rõ
ràng đó là giấu tin mật (steganography) và thuỷ vân số (watermarking). Từ
“thuỷ vân” có xuất xứ từ kỹ thuật đánh dấu nước thời xưa. Kỹ thuật này là kỹ
thuật đánh dấu chìm một hình ảnh logo nào đó lên trên giấy nhằm mục đích
trang trí và phân biệt được xuất xứ của sản phẩm giấy [1].
Trong kỹ thuật giấu tin mật, thông tin cần giấu được gọi là thông điệp
(message) còn trong kỹ thuật thuỷ vân số thì được gọi là thuỷ vân
(watermark). Thuỷ vân có thể là một chuỗi các kí tự, hay một hình ảnh, logo
nào đó.


Nói đến thuỷ vân số là nói đến kỹ thuật giấu tin nhắm đến những ứng
dụng bảo đảm an toàn dữ liệu cho đối tượng được sử dụng để giấu tin như:
bảo vệ bản quyền, chống xuyên tạc, nhận thực thông tin, điều khiện 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 thuỷ vân cũng
có những tính năng khác biệt tương ứng:
Watermarking
Thuỷ vân số

Robust Copyright
marking Thuỷ vân
bền vững

Imperceptible
Watermarking
Thuỷ vân ẩn

Fragile
Watermarking
Thuỷ vân “dễ vỡ”

Visible
Watermarking
Thuỷ vân hiện

Hình 1.6. Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân
Các kỹ thuật thuỷ vân trên Hình 1.6 được phân biệt nhau bởi những đặc
trưng, tính chất của từng kỹ thuật và ứng dụng những kỹ thuật đó. Thuỷ vân
“dễ vỡ” (fragile) là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong ảnh sao cho khi phân
bố sản phẩm trong môi trường mở nếu có bất cứ một phép biến đổi nào làm
thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thuỷ vân đã được giấu trong đối tượng sẽ
không còn nguyên vẹn như trước khi giấu nữa (dễ vỡ). Các kỹ thuật thuỷ vân
có tính chất này được sử dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin
(authentication) và phát hiện xuyên tạc thông tin (tamper detection). Rất dễ
hiểu vì sao những ứng dụng này cần đến kỹ thuật thuỷ vân dễ vỡ. Ví dụ như
để bảo vệ chống xuyên tạc một ảnh nào đó ta nhúng một thuỷ vân vào trong
ảnh và sau đó phân phối, quảng bá ảnh đó. Khi cần kiểm tra lại ảnh ta sử dụng
hệ thống đọc thủy vân. Nếu không đọc được thuỷ vân hoặc thuỷ vân đã bị sai


lệch nhiều so với thuỷ vân ban đầu đã nhúng vào ảnh thì có nghĩa là có thể
ảnh đó đã bị thay đổi. Cái khó ở đây là ta phải phân biệt giữa sai lệch thuỷ
vân do xuyên tạc và sai lệch do lỗi đường truyền. Ngược lại, với kỹ thuật thuỷ

vân dễ vỡ là kỹ thuật thuỷ vân bền vững (robust). Các kỹ thuật thuỷ vân bền
vững thường được ứng dụng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền. Trong
những ứng dụng đó, thuỷ vân đóng vai trò là thông tin sở hữu của người chủ
hợp pháp. Thuỷ vân được nhúng trong sản phẩm như một hình thức dán tem
bản quyền. Trong trường hợp như thế, thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng
với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ
vân. Một yêu cầu lí tưởng đối với thuỷ vân bền vững là nếu muốn loại bỏ thuỷ
vân thì chỉ có một cách duy nhất là phá huỷ sản phẩm.
Thuỷ vân bền vững lại được chia thành hai loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ
vân hiện. Thuỷ vân hiện là loại thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và
người dùng có thể nhìn thấy được giống như các biểu tượng kênh chương
trình vô tuyến mà chúng ta thường thấy VTV3, CCTV, TV5…Các thuỷ vân
hiện trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh
hưởng đến chất lượng ảnh gốc. Đối với thuỷ vân hiện, thông tin bản quyền
hiện thị ngay trên sản phẩm.

Hình 1.7. Ví dụ về thuỷ vân hiện (Trên trang Web thư viện số của Mỹ)