Nghiên cứu các phương pháp nhúng dấu ẩn vào dữ liệu đa phương tiện và ứng dụng

ĐẶNG THỊ TUYẾT THANH

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP NHÚNG
DẤU ẨN VÀO DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN VÀ
ỨNG DỤNG

ĐẶNG THỊ TUYẾT THANH

2005 - 2007
Hà Nội
2007

HÀ NỘI 2007


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP NHÚNG
DẤU ẨN VÀO DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN VÀ
ỨNG DỤNG

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ SỐ:3.04.3898
ĐẶNG THỊ TUYẾT THANH

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LINH GIANG

HÀ NỘI 2007


MỞ ĐẦU
Trong lĩnh vực truyền dữ liệu đa phương tiện an toàn từ trước đến nay đã tồn tại
kỹ thuật cryptography là kỹ thuật bảo mật dữ liệu gặt hái nhiều thành công và được
ứng dụng rất rộng rãi. Đặc điểm nổi bật của kỹ thuật này là dữ liệu trên đường
truyền được mã hoá để chống ăn cắp dữ liệu. Thế nhưng xa hơn nữa, có một vấn đề
đặt ra đó là dữ liệu sau khi được giải mã để thu được dữ liệu gốc, dữ liệu không
được bảo vệ nữa. Người dùng có thể sao chép, phát tán tuỳ ý, hoặc họ giả mạo tác
giả.
Vì thế, kỹ thuật watermarking - nhúng dấu ẩn ra đời để đáp ứng yêu cầu trên.
Mục đích ứng dụng của nhúng dấu ẩn chủ yếu là chứng minh bản quyền tác giả, bảo
vệ bản quyền tác giả, chống sao chép dữ liệu. Để bảo vệ bản quyền, các tác giả có
thể nhúng dấu hoặc che dấu thông tin trên ảnh, thông tin nhúng dấu có thể là tên tác
giả. Vì vậy, dấu được nhúng sẽ cho phép xác nhận bản quyền. Không chỉ thực hiện
nhúng dấu trên ảnh, việc này còn có thể thực hiện đối với audio và video số. Đặc
biệt là việc phân tán audio số thông qua internet trong định dạng mp3 hiện nay là
một vấn đề lớn. Trong trường hợp này, nhúng dấu ẩn có thể hữu ích để thiết lập
điều khiển phân tán audio và giúp bảo vệ bản quyền.

Luận văn đã nghiên cứu và trình bày các phương nhúng dấu ẩn vào ba kiểu dữ
liệu đa phương tiện gồm ảnh tĩnh, video và audio. Phần lý thuyết đi sâu vào các
nguyên lý nhúng dấu ẩn và các thuật toán cụ thể. Trọng tâm nghiên cứu các phương
pháp nhúng dấu ảnh tĩnh, so sánh các phương pháp nhúng dấu theo không gian,
miền tần số và miền đa phân giải.
Phần thực nghiệm đã cài đặt 11 thuật toán nhúng dấu ảnh tĩnh, chạy chương
trình và so sánh kết quả. Từ đó đánh giá được ưu nhược điểm của từng thuật toán
cũng như thấy được mức độ tin cậy của nhúng dấu ẩn. Cuối cùng đề xuất một số
ngữ cảnh ứng dụng trong thực tế.
Em xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo, tiến sĩ
Nguyễn Linh Giang trong quá trình thực hiện đề tài.
Hà Nội, ngày 31 tháng 10 năm 2007.
Đặng Thị Tuyết Thanh


II

MỤC LỤC

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ................................................................................ I
1.1 Nhúng dấu ẩn vào dữ liệu đa phương tiện ............................................... 1
1.2 Các ứng dụng nhúng dấu số ...................................................................... 3
1.3 Kỹ thuật nhúng dấu tổng quát .................................................................. 5
1.3.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật nhúng dấu ............................................ 6
1.3.2 Phân loại dấu nhúng............................................................................... 7
1.3.3 Phân loại hệ thống nhúng dấu................................................................ 8
1.4 Các mô hình nhúng dấu ẩn ........................................................................ 10
1.4.1 Mã hoá LSB ........................................................................................... 12
1.4.2 Kỹ thuật trải phổ .................................................................................... 13
1.4.3 Kỹ thuật Patchwork ............................................................................... 15

1.4.4 Kỹ thuật điều chế chỉ số lượng tử .......................................................... 16
1.5 Các vấn đề đối với nhúng dấu ẩn .............................................................. 17
1.5.1 Yêu cầu đặt ra đối với nhúng dấu ẩn ..................................................... 17
1.5.2 Các vấn đề khi nhúng dấu...................................................................... 17
CHƯƠNG II. NHÚNG DẤU ẢNH TĨNH.......................................................... 23
2.1 Tổng quan nhúng dấu ảnh tĩnh ................................................................. 23
2.1.1 Cơ bản nhúng dấu ảnh tĩnh .................................................................... 23
2.1.2 Công việc nhúng dấu ............................................................................. 25
2.2 Phương pháp nhúng dấu theo miền không gian...................................... 28
2.2.1 Kỹ thuật nhúng dấu theo miền không gian ............................................ 28
2.2.2 Các thuật toán nhúng dấu theo miền không gian................................... 29
2.3 Phương pháp nhúng dấu theo miền tần số............................................... 33
2.3.1 Kỹ thuật biến đổi cô sin rời rạc.............................................................. 33
2.3.2 Các thuật toán nhúng dấu dựa trên biến đổi cô sin rời rạc .................... 43
2.4 Phương pháp nhúng dấu theo miền đa phân giải ................................... 53
2.4.1 Kỹ thuật biến đổi sóng con rời rạc......................................................... 53


III

2.4.2 Các thuật toán nhúng dấu dựa trên biến đổi sóng con rời rạc ............... 58
2.5 So sánh các phương pháp nhúng dấu ....................................................... 61
CHƯƠNG III. NHÚNG DẤU CÁC LOẠI DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN
KHÁC ..................................................................................................................... 64
3.1 Nhúng dấu video ......................................................................................... 64
3.1.1 Nhúng dấu trong miền không gian ........................................................ 66
3.1.2 Nhúng dấu trong miền biến đổi ............................................................. 67
3.1.3 Nhúng dấu vào dữ liệu đã nén ............................................................... 68
3.1.4 Một số thuật toán nhúng dấu video ....................................................... 68
3.2 Nhúng dấu audio......................................................................................... 71

3.2.1 Kỹ thuật nhúng dấu audio cảm quan ..................................................... 71
3.2.2 Các phương pháp nhúng dấu audio ....................................................... 73
CHƯƠNG IV. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỮ LIỆU ................................... 79
4.1 Đánh giá chất lượng dữ liệu được nhúng dấu ......................................... 79
4.1.1 Dữ liệu ảnh............................................................................................. 79
4.1.2 Dữ liệu video và audio ........................................................................... 81
4.2 Các tấn công ảnh hưởng đến dấu nhúng.................................................. 82
4.2.1 Phân loại tấn công .................................................................................. 83
4.2.2 Các thao tác và tấn công xoá bỏ ............................................................ 84
4.2.3 Các tấn công phá vỡ sự đồng bộ ............................................................ 85
4.2.4 Các tấn công nhúng và tấn công phát hiện ............................................ 86
CHƯƠNG V. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN .88
5.1 Kết quả thực nghiệm .................................................................................. 90
5.1.1 Các thuật toán nhúng dấu trong miền không gian ................................. 90
5.1.2 Các thuật toán dựa trên DCT ................................................................. 91
5.1.3 Các thuật toán dựa trên DWT ................................................................ 98
5.2 So sánh và đánh giá ...................................................................................105
5.3 Đề xuất kịch bản sử dụng: ........................................................................107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................112


IV

DANH MỤC CÁC HÌNH VỄ ĐỒ THỊ

Hình 1.2: Bộ giải mã dấu nhúng đầy đủ ................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3 : Phân loại nhúng dấu ẩn ............................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4 Mô hình truyền thông bảo mật cơ bản ...... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5 Mô hình truyền thông dấu nhúng cơ bản .. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6 Bộ phát hiện dấu nhúng cơ bản .................. Error! Bookmark not defined.

Hình 1.7 Mô hình nhúng của thuật toán nhúng dấu ẩn Cox .. Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.8 Ví dụ sử dụng hai bộ lượng tử để nhúng dấu. .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.9: Mô hình kênh truyền của phương pháp nhúng loại 1. .. Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.10: Mô hình kênh truyền phương pháp nhúng dấu ẩn loại 2. ............... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.11: Kênh đối xứng nhị phân với xác suất lật p. .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.12: Minh họa bản chất cấp phát lại bit của nhúng dấu ẩn. . Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.1: Quá trình nhúng dấu ẩn [8]. ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2. (a) tính tương quan tự động của ảnh không tương quan trước và sau DCT
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3 (a) Ảnh thứ nhất, (b) ảnh thứ 2 .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4. (a) ảnh không tương quan và DCT của (b) ảnh tương quan và DCT của
nó. ..............................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5. Các khối xử lý của quá trình nhúng và phát hiện dấu nhúng dựa trên DCT
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6 Chọn block site sử dụng mạng Gaussian trong đó các .. Error! Bookmark
not defined.
block site được chọn có màu đen. ............................. Error! Bookmark not defined.


V

Hình 2.7: Hàm chỉ số ind(c). ..................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.8: sơ đồ khối của kỹ thuật nhúng dấu DWT . Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1: Quá trình nhúng dấu video ........................ Error! Bookmark not defined.

Hình 3.2: quá trình phát hiện dấu nhúng video ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3: Mô hình nhúng dấu JAWS ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4 Sơ đồ khối của mô hình nhúng dấu video đã nén .... Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.5 Bộ mã hoá dấu nhúng và các thành phần của nó .... Error! Bookmark not
defined.
Hình 5.1 Ảnh lena.jpg bensong.jpg: ảnh đơn giản, ít chi tiết, ít biên ............... Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.2 Ảnh bensong.jpg vantay.jpg: là ảnh phức tạp, có nhiều biên và kết cấu
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 5.3 Ảnh vantay.jpg - đầu ra: các ảnh đã được nhúng dấu ..... Error! Bookmark
not defined.
Hình 5.4 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Bruyn, ảnh lena.jpg ............ Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.5 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Fotopoulos, ảnh lena.jpg .... Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.5 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Hsu Stil, ảnh bensong.jpg .. Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.6 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Cox, ảnh lena.jpg ............... Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.7 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Yulin Wang, ảnh vantay.jpg
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 5.8 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Zhu, ảnh lena.jpg................ Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.9 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Kim, ảnh lena.jpg ............... Error!
Bookmark not defined.


VI

Hình 5.10 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Wang, ảnh lena.jpg .......... Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.11 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Corvi, ảnh lena.jpg ........... Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.12 Ảnh kết quả và ảnh sai khác, thuật toán Xia, ảnh lena.jpg .............. Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.13. Mô hình hệ thống phân phối dữ liệu đa phương tiện an toàn. ........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 5.14. Quá trình tạo dấu ẩn. Error! Bookmark not defined.


VII

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Sự tương đồng giữa hệ thống truyền thông và hệ thống nhúng dấu ẩn
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.1: Các hệ số DCT được sử dụng ................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.2: Đánh số thứ tự 3 x 3 khối 8 x 8 các hệ số DCT của thuật toán Yulin
Wang và Alan Pearmain............................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.3: Bảng so sánh tổng hợp các phương pháp nhúng dấu ảnh tĩnh ......... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.1 Kết quả nhúng dấu thuật toán Bruyn, ảnh lena.jpg . Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.3 Kết quả nhúng dấu thuật toán Bruyn, ảnh bensong.jpg .. Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.4 Kết quả sau tấn công thuật toán Bruyn, ảnh bensong.jpg ................. Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.5 Kết quả nhúng dấu thuật toán Bruyn, ảnh vantay.jpg .... Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.6 Kết quả sau tấn công thuật toán Bruyn, ảnh vantay.jpg . Error! Bookmark

not defined.
Bảng 5.7 Kết quả nhúng dấu thuật toán Fotopoulos, ảnh lena.jpg Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.8 Kết quả sau tấn công thuật toán Fotopoulos, ảnh lena.jpg ................ Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.9 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Fotopoulos, ảnh vantay.jpg
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.10 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Fotopoulos, ảnh bensong.jpg
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.11 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Hsu Stil, ảnh lena.jpg ... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.12 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Hsu Stil, ảnh vantay.jpg Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.13 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Hsu Stil, ảnh bensong.jpg
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.14 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Cox, ảnh lena.jpg.......... Error!
Bookmark not defined.


VIII

Bảng 5.15 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Cox, ảnh vantay.jpg...... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.16 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Cox, ảnh bensong.jpg ... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.17 Kết quả nhúng dấu thuật toán Yulin Wang, ảnh lena.jpg ................ Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.18 Kết sau tấn công thuật toán Yulin Wang, ảnh lena.jpg Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.19 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Yulin Wang, ảnh bensong.jpg

...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.20 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Yulin Wang, ảnh vantay.jpg
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.21 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Barni, ảnh lena.jpg ....... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.22 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Barni, ảnh vantay.jpg ... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.23 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Barni, ảnh bensong.jpg . Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.24 Kết nhúng dấu thuật toán Zhu, ảnh lena.jpg .......... Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.25 Kết sau tấn công thuật toán Zhu, ảnh lena.jpg ...... Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.26 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Zhu, ảnh bensong.jpg ... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.27 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Zhu, ảnh vantay.jpg ...... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.28 Kết quả nhúng dấu thuật toán Kim, ảnh lena.jpg . Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.29 Kết quả sau tấn công thuật toán Kim, ảnh lena.jpg ..... Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.30 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Kim, ảnh bensong.jpg... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.31 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Kim, ảnh vantay.jpg ..... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.32 Kết quả nhúng dấu thuật toán Wang, ảnh lena.jpg Error! Bookmark not
defined.


IX

Bảng 5.33 Kết quả sau tấn công thuật toán Wang, ảnh lena.jpg.... Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.34 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Wang, ảnh bensong.jpg Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.35 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Wang, ảnh vantay.jpg ... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.36 Kết quả nhúng dấu thuật toán Corvi, ảnh lena.jpg Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.37 Kết quả sau tấn công thuật toán Corvi, ảnh lena.jpg .... Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.38 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Corvi, ảnh bensong.jpg. Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.39 Kết quả nhúng và sau tấn công thuật toán Corvi, ảnh vantay.jpg ... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.40 Kết quả nhúng dấu thuật toán Xia, ảnh lena.jpg.... Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.41 Kết quả sau tấn công thuật toán Xia, ảnh lena.jpg Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.42 Kết quả sau tấn công thuật toán Xia, ảnh bensong.jpg . Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.43 Kết quả sau tấn công thuật toán Xia, ảnh vantay.jpg ... Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.44 Bảng tổng hợp giá trị tương quan sau nhúng dấu, các thuật toán miền
DCT ...........................................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.45 Bảng tổng hợp giá trị tương quan sau nhúng dấu, các thuật toán miền
DWT ..........................................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.46 Bảng tổng hợp giá trị MSE, PSNR sau nhúng dấu, các thuật toán miền DCT
...................................................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.47 Bảng tổng hợp giá trị MSE, PSNR sau nhúng dấu, các thuật toán miền DWT.

...................................................................................Error! Bookmark not defined.


X

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive white Gaussian noise

Nhiễu cộng, trắng phân phối chuẩn

AWUN Additive white uniform noise

Nhiễu cộng, trắng phân phối đều

DICO

Đầu vào rời rạc, đầu ra liên tục

Discrete input and continuous
output

DIDO

Discrete input and continuous

Đầu vào rời rạc, đầu ra rời rạc

output
CICO

Continuous input and

Đầu vào liên tục, đầu ra liên tục

continuous output
MSE

Mean square error

Lỗi bình phương trung bình

VER

Variable embedding rate

Tốc độ nhúng biến đổi

CER

Constant embedding rate

Tốc độ nhúng hằng

PSNR

Peak signal to noise ratio

Tỉ lệ tín hiệu nhiễu cao nhất

DCT

Discrete cosine transform

Biến đổi cô sin rời rạc

DWT

Discrete wavelets transform

Biến đổi sóng con rời rạc

LSB

Least significant bit

Bít ít quan trọng nhất


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1 Nhúng dấu ẩn vào dữ liệu đa phương tiện
Gần đây sự lớn mạnh của phương tiện số ví dụ như Internet cho phép chúng
ta dễ dàng truy cập, sao lưu, sửa đổi nội dung của các tài liệu số như ảnh, âm thanh,
video số. Vấn đề đặt ra là rất cần phát triển các kỹ thuật bảo vệ bản quyền của các
dữ liệu số của người gửi và ngăn ngừa việc sao chép hoặc giả mạo bản quyền tác
giả.
Nhúng dấu ẩn là một kỹ thuật mô phỏng theo việc sử dụng công nghệ đánh
dấu trên giấy tờ rất thông dụng vào thế giới số. Nhúng dấu ẩn mô tả các phương
pháp và công nghệ cho phép che dấu thông tin, ví dụ một con số nào đó, một văn
bản trong dữ liệu số như ảnh, video và audio. Trong kỹ thuật nhúng, thông tin

không được nhúng trong khuôn khổ khu vực dữ liệu. Quá trình nhúng dấu ẩn giống
như việc sửa đổi dữ liệu mà ta không nhận thấy bằng mắt. Với các ảnh thì điều này
nghĩa là việc sửa đổi các giá trị điểm ảnh phải bị ẩn. Xa hơn nữa, dấu nhúng phải
đơn giản, gọn nhẹ phụ thuộc vào ứng dụng. Với những dấu nhúng phức tạp, chúng
ta phải xem xét dấu nhúng có khả năng chống lại sự vận động của dữ liệu số, như là
việc nén làm mất thông tin, co giãn, cắt xén.
Nhúng dấu ẩn được sử dụng để làm gì?
Điều đầu tiên là vấn đề bảo vệ bản quyền của dữ lịêu số trong các ứng dụng.
Trước đây, việc sao lưu dữ liệu số khá phức tạp và phải yêu cầu kinh nghiệm để có
thể giả mạo. Tuy nhiên, trong thế giới số ngày nay điều đó không còn khó nữa. Mọi
người có thể sao chép dễ dàng dữ liệu số và thậm chí còn đảm bảo chất lượng tốt.
Để bảo vệ bản quyền, các tác giả có thể nhúng dấu hoặc che dấu thông tin trên ảnh,
thông tin nhúng dấu có thể là tên tác giả. Vì vậy, dấu được nhúng sẽ cho phép xác
nhận bản quyền. Không chỉ thực hiện nhúng dấu trên ảnh, việc này còn có thể thực
hiện đối với audio và video số. Đặc biệt là việc phân tán audio số thông qua internet
trong định dạng mp3 hiện nay là một vấn đề lớn. Trong trường hợp này, nhúng dấu
ẩn có thể hữu ích để thiết lập điều khiển phân tán audio và giúp bảo vệ bản quyền.
Nguồn gốc của nhúng dấu ẩn
Phương pháp nhúng dấu ẩn đầu tiên là dấu ẩn giấy. Đó là một dấu ẩn nhìn
thấy được, nhỏ, chìm trong giấy để đảm bảo đây là bản gốc hoặc chính thức. Ví dụ,
dấu ẩn trong các tờ séc của chính phủ, các văn bản chính thức và tiền giấy. Dấu ẩn
giấy được sử dụng ở châu Âu từ ít nhất là thế kỷ thứ 13 với mục đích xác thực. Và
ngày nay, chúng vẫn được sử dụng như là một đặc trưng bảo mật.


2

Năm 1954, Emil Hembrooke, công ty Muzac đã lấy bằng sáng chế “Nhận
dạng âm thanh và các tín hiệu tương tự”. Bằng sáng chế mô tả phương pháp nhúng
một đoạn mã nhận dạng vào âm nhạc sao cho người nghe không thể cảm thấy thay

đổi để bảo vệ bản quyền. Bằng sáng chế có đoạn “Phát minh này cho phép nhận
dạng bản gốc của các sản phẩm âm nhạc, do đó, là một phương pháp bảo vệ bản
quyền hiệu quả, nghĩa là, có thể xem nó như là dấu ẩn trên giấy”. Dấu ẩn điện tử đã
ra đời như thế.
Từ lúc này, các phương pháp nhúng dấu ẩn được phát triển và sử dụng trong
nhiều ứng dụng. Nhúng dấu ẩn tiếp tục được nền công nghiệp quan tâm nhiều. Tuy
nhiên, mãi đến tận những năm 1990, dấu ẩn điện tử (đặc biệt là dấu ẩn số) mới nhận
được các mối quan tâm đáng kể từ giới học viện. Từ đây, các nghiên cứu về đề tài
này mở rộng nhanh chóng và ngày nay có rất nhiều cuộc hội nghị diễn ra đánh giá
về nhúng dấu ẩn.
So sánh watermarking và cryptography
Đối với vấn đề bảo mật nhúng dấu, không thể tránh được việc so sánh với
cryptography. Việc bảo mật dữ liêu số nằm trong lĩnh vực của cryptography nhiều
thập kỷ nay và nó rất hiệu quả. Watermarking là lĩnh vực mới sử dụng để bảo mật
dữ liệu. Có một số khác nhau giữa hai phương pháp này.
Giống nhau: cả hai phương pháp có chung mục đích bảo vệ dữ liệu số, chống
ăn cắp dữ liệu. Cơ chế đều chèn thêm thông tin bí mật vào nội dung và mã hoá
khiến cho kẻ ăn cắp dữ liệu không giải mã được để thu nhận dữ liệu gốc.
Khác nhau:
- Cryptography dùng để đối phó với dữ liệu nhị phân và nó được dựa trên các
nguyên lý toán học, trong khi đó nhúng dấu dùng để đối phó với dữ liệu liên tục,
được dựa trên xử lý ảnh và tín hiệu.
- Đối với dữ liệu được mã hoá bởi hệ thống cryptography, nội dung của dữ
liệu được bảo vệ suốt trong quá trình truyền từ nơi gửi đến nơi nhận, sau khi nhận
và giải mã, dữ liệu rõ ràng giống như dữ liệu gốc và nó không còn được bảo vệ nữa.
Còn dữ liệu watermarking, không phải bí mật trên đường truyền, việc bảo mật của
kỹ thuật nhúng dấu được dựa trên nội dung của chính nó. Vì thế, việc bảo vệ dữ liệu
số vẫn được tiếp tục thậm chí sau khi kẻ tấn công thu được dữ liệu nhúng dấu.
Watermarking áp dụng cho các ứng dụng bảo vệ bản quyền mà cryptography không
thể đáp ứng được.

- Dữ liệu mã hoá bởi hệ thống cryptography có dung lượng tăng, vì thế phải
gửi lượng dữ liệu lớn trên đường truyền, trong khi với hệ thống nhúng dấu, dung
lượng của dữ liệu gần như không thay đổi.


3

1.2 Các ứng dụng nhúng dấu số
i, Kỹ thuật nhúng dấu số đối với quản lý bản quyền
Một trong những ứng dụng truyền thống của nhúng dấu đó là bảo vệ bản
quyền. Lý do chính sử dụng các dấu nhúng đó là để xác nhận bản quyền nội dung
bằng một dấu ẩn được in chèn vào trong ảnh. Trong nhiều trường hợp, dấu nhúng
được sử dụng thêm vào để mã hoá nội dung, khi mà việc mã hoá cung cấp phương
pháp bảo mật khi phân phát dữ liệu. Quyền sở hữu đối với người nhận và dấu nhúng
giúp cho người sở hữu nội dung xác nhận nội dung và bảo vệ sự sao chép hoặc sử
dụng bất hợp pháp. Nếu không có nhúng dấu, không có cách nào để mở rộng việc
điều khiển bản quyền nội dung mỗi khi nội dung vượt khỏi phạm vi số cần bảo vệ
và tới người sử dụng bất kỳ.
Nhúng dấu số được sử dụng để mở rộng việc bảo vệ và cung cấp nhiều cơ
hội để những người sở hữu nội dung bảo vệ bản quyền và tính năng của nội dung số.
Chữ ký của người sở hữu, nội dung và giới hạn sử dụng có thể nhúng vào nội dung.
Cơ chế này làm tăng khả năng bảo vệ nội dung sau khi phát tán nội dung ra môi
trường quảng bá.
Những yêu cầu chính về kỹ thuật đối với ứng dụng này như sau:
฀฀฀Dấu nhúng không gây hại cho dữ liệu
฀฀฀Dấu nhúng độc lập với định dạng dữ liệu
฀฀฀Thông tin được mang bởi dấu nhúng phải bền vững trước các tác động
lên nội dung dữ liệu, nén dữ liệu.
฀฀฀Dấu nhúng có thể phát hiện mà không cần dùng đến nội dung gốc ban
đầu

฀฀฀Dấu nhúng có thể xác nhận bởi một số kiểu khoá được sử dụng để xác
nhận một lượng lớn nội dung đối với một cá nhân là duy nhất.
Nội dung có thể bị thay đổi với các định dạng khác, tác động soạn thảo hoặc
cắt xén của người dùng, việc nén để lưu trữ hoặc truyền đi, và yêu cầu đặt ra là có
thể bảo vệ dấu nhúng trước những nội dung đã bị xử lý này. Thông thường, tín hiệu
dấu nhúng được nhúng vào nội dung không biến mất sau khi soạn thảo nội dung,
nhưng trở nên khó bị phát hiện hơn trong khi nội dung bị thay đổi. Thông thường
tính bền vững cao có thể thu được bởi tăng chiều dài của tín hiệu dấu nhúng, vì thế
mà cải tiến được khả năng bảo vệ.
Hiện nay, nhiều sản phẩm và dịch vụ thương mại sử dụng kỹ thuật nhúng
dấu. Chúng bao gồm các ứng dụng nhúng/phát hiện dấu nhúng và các dịch vụ để
tìm kiếm nội dung trên internet với các dấu nhúng được thiết kế tin cậy. Các ứng
dụng này thay thế vai trò giữa những người sở hữu nội dung và khách hàng của họ.


4

ii, Kỹ thuật nhúng dấu số đối với việc chứng minh bản quyền tác giả và sự giả mạo
Ứng dụng khác của nhúng dấu số là chứng minh bản quyền tác giả và chứng
minh sự giả mạo. Nó không bảo vệ nội dung trước sự sao chép hoặc đánh cắp,
nhưng cung cấp phương pháp để chứng thực dữ liệu và đảm bảo tính toàn vẹn của
dữ liệu.
Các máy ảnh số nhanh chóng mở rộng và được sử dụng trong nhiều ứng
dụng công nghiệp, bởi vì sử dụng ảnh số đem lại hiệu quả lớn hơn nhiều, có thể tiết
kiệm thời gian, tiền bạc khi phát triển, in ấn hoặc trưng bày so với các ảnh cơ truyền
thống. Có một số vấn đề hạn chế đối với một số ứng dụng, đó là với các ảnh mà
được sử dụng để chứng thực hoặc tài liệu dùng cho việc phán đoán. Ví dụ như, các
công ty bảo hiểm xe ô tô đôi khi sử dụng các bức ảnh xe bị tai nạn do cửa hàng sửa
chữa xe cung cấp để ước lượng giá cả sửa chữa. Việc làm thay đổi các ảnh số này sẽ
phải tốn một lượng đáng kể tiền bạc và thời gian để sửa chữa.

Tuy nhiên, các ảnh số có thể bị thay đổi để phóng đại phá huỷ. Kết quả là
phát sinh một lượng lớn thanh toán gây ra cho các công ty bảo hiểm, hoặc đáng lo
hơn làm huỷ hoại uy tín của họ. Có một kiểu dấu nhúng số, gọi là dấu nhúng
tamper-detect, có thể giải quyết vấn đề này, và cung cấp môi trường bảo vệ cho ảnh.
Cách để thực hiện tính năng này là nhúng một lớp tín hiệu bản quyền vào
ảnh số sử dụng một dấu nhúng số. Lớp bổ sung này được sử dụng như là một
“sensor” để phát hiện sự thay đổi. Những thực thi gần đây có thể phát hiện thậm chí
cả vị trí thay đổi trên ảnh.
Các yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này như sau:
฀฀฀Che dấu người sử dụng,
฀฀฀Có thể thực hiện với định dạng ảnh nén (hầu hết là JPEG)
฀฀฀Nhạy cảm đối với các tác động lên nội dung, nén,…
iii, Nhúng dấu nổi
Không giống các kỹ thuật nhúng dấu số được mô tả ở trên, dấu nhúng trong
trường hợp này phải hiện. Nó áp dụng trong các sản phẩm thương mại. Dạng thức
duy nhất của kỹ thuật nhúng dấu do IBM cung cấp cho phép nội dung của người sở
hữu nhúng một nhãn hiệu là lô gô hoặc hình ảnh nào đó lên trên bề mặt của ảnh.
Nhãn hiệu chỉ bị loại bỏ khi sử dụng phần mềm loại bỏ dấu nhúng và dùng đến
khoá để giải mã.
Nhãn hiệu này được cung cấp nhờ hiệu chỉnh các hệ số DCT của ảnh nén
JPEG theo các qui tắc cho trước và kết quả phân tích tác động trực quan để tạo ra
tính trong suốt cho nó, mà không bị phá huỷ. Bằng chương trình loại bỏ dấu nhúng,


5

khoá được sử dụng để xoá bỏ nhãn hiệu từ ảnh. Loại bỏ nhãn hiệu hiện cũng có thể
không thực hiện được khi nhúng một nhãn hiệu ẩn nữa lên ảnh vì mục đích theo dõi.
Với dấu nhúng hiện ở trên ảnh, khiến cho nội dung của nó được bảo vệ, nội
dung của người sở hữu có thể phân tán trên toàn bộ ảnh lên mạng internet hoặc khi

mở bằng nhiều ứng dụng đa dạng. Khi người sử dụng muốn sử dụng bản sao chất
lượng tốt của ảnh, anh ta phải yêu cầu một khoá giải mã và phải trả tiền để có nó.
Điều này giúp giảm yếu tố rủi ro và lượng truyền dữ liệu trên mạng.
iv, Nhúng dấu sinh trắc vào thẻ thông minh

Quét các thông tin về vân tay, ảnh khuôn mặt, chữ ký viết tay  dạng ảnh
hoặc các dữ liệu sinh trắc đặc trưng
Nhúng các dấu sinh trắc đó vào các thẻ thông minh, hộ chiếu, thẻ mua
hàng,…
Sử dụng các thẻ đó để chứng thực người dùng trong các hệ thống phần mềm
ứng dụng. Trong các phần mềm đó đã có kho lưu trữ dữ liệu sinh trắc của người.
Căn cứ vào thẻ đó, phần mềm xác thực được người dùng.
1.3 Kỹ thuật nhúng dấu tổng quát
Nhúng dấu là quá trình nhúng dữ liệu dấu mờ hoặc tín hiệu số hoặc nhãn bản
quyền vào đối tượng đa phương tiện, dấu nhúng có thể được phát hiện để tạo ra sự
xác nhận về đối tượng. Đối tượng có thể là ảnh, audio hoặc video. Một ví dụ đơn
giản của dấu nhúng số có thể là một dấu hiệu nổi thay thế một ảnh để xác nhận bản
quyền. Tuy nhiên dấu nhúng có thể chứa các thông tin thêm vào bao gồm việc nhận
dạng người mua một bản tài liệu cụ thể nào đó.
Thông thường, bất kỳ mô hình (thuật toán) nhúng dấu nào cũng bao gồm 3
phần sau:
_ Dấu nhúng
_ Khoá
_ Bộ phận mã hoá (thuật toán chèn).
_ Bộ giải mã và so sánh (thuật toán phát hiện).
Mỗi chủ sở hữu có một dấu nhúng duy nhất hoặc họ cũng có thể đưa nhiều
dấu nhúng khác nhau vào trong các đối tượng khác nhau. Thuật toán nhúng dấu hợp
nhất các dấu nhúng vào trong một đối tượng. Thuật toán thẩm tra sẽ xác nhận đối
tượng để xác định chủ sở hữu và tình trạng của đối tượng.

6

1.3.1 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật nhúng dấu
Nguyên lý chính của các hệ thống nhúng dấu hiện tại có thể so sánh với mã
hoá đối xứng khi sử dụng cùng một khoá để mã hoá và giải mã dấu nhúng. Mỗi hệ
thống nhúng dấu bao gồm hai hệ thống con: một bộ mã hoá nhúng dấu và một bộ
giải mã tương ứng. Chính thức, hệ thống nhúng dấu có thể được mô tả bằng một tập
(O, W, K, Ek, Dk, Cτ ), trong đó O là tập gồm tất cả dữ liệu ban đầu, W là tập tất cả
dấu nhúng, K là tập các khoá. Hai hàm sau:
(1.1)
Ek: O x W x K  O
(1.2)
Dk: O x K  W
mô tả quá trình nhúng dấu và phát hiện. Hàm so sánh như sau:
Cτ : W 2 → {0,1} (1.3)
so sánh cái đã phân tách với dấu đã nhúng sử dụng ngưỡng τ để so sánh. Các tham
số đầu vào của quá trình nhúng là đối tượng mang (hoặc gốc co), dấu nhúng w dùng
để nhúng, khoá bí mật hoặc công khai K:
E k (c o , w) = c w (1.4)
Đầu ra của bộ mã hoá tạo thành tập dữ liệu đã nhúng dấu

Hình 1.1: bộ mã hoá dấu nhúng đầy đủ
Trong quá trình phát hiện, tập dữ liệu đã được thao tác và nhúng dấu ˆcw, dữ
liệu gốc co, dấu nhúng cw, khoá K được sử dụng suốt trong qúa trình nhúng tạo
thành tập hợp tối đa các tham số đầu vào (hình 1.1).
Các kiểu hệ thống nhúng dấu khác nhau phân biệt bởi số lượng tham số đầu
vào trong quá trình đọc. Dấu nhúng đã phân tách ^w thường khác với dấu đã nhúng
w là do các thao tác vận động. Để mà xét đoán sự tương ứng của hai dấu nhúng,
hàm so sánh Cτ sẽ so sánh dấu nhúng khả nghi với dấu nhúng thu nhận được dựa

vào ngưỡng τ :
∧
1, c ≥ τ
(1.5)
Cτ ( w, w) = 
0, c < τ

ngưỡng τ phụ thuộc vào thuật toán đã chọn và một hệ thống hoàn hảo để có
thể xác định rõ ràng dấu nhúng. Việc phân tích khuôn dạng chính thức của các hệ


7

thống nhúng dấu cũng có thể được sử dụng để phát triển sự phiên dịch hình học của
các thuật toán nhúng dấu đã trình bày.

Hình 1.2: Bộ giải mã dấu nhúng đầy đủ
1.3.2 Phân loại dấu nhúng
- Dấu nhúng bền vững được thiết để chống lại các vận động hỗn tạp, tất cả
các ứng dụng cung cấp sẵn tính năng bảo mật cho hệ thống nhúng dấu yêu cầu loại
dấu nhúng này
- Dấu nhúng dễ hỏng được nhúng với tính chất bền vững rất thấp. Vì thế, loại
dấu nhúng này có thể bị phá huỷ thậm chí bởi các vận động nhẹ nhất. Trong trường
hợp này chúng được so sánh với các thông báo ẩn trong các phương pháp
steganographic. Chúng có thể được sử dụng để kiểm tra tính nguyên vẹn của các đối
tượng.
- Dấu nhúng công khai và dấu nhúng bí mật được phân biệt với nhau theo
các yêu cầu về tính bí mật đối với khoá được dùng để nhúng và thu nhận dấu nhúng
Theo nguyên lý cơ bản của kỹ thuật nhúng dấu, khoá giống nhau được sử
dụng trong quá trình mã hoá và giải mã. Nếu khoá được biết, loại dấu nhúng này sẽ

là public, trái lại khoá bị ẩn thì dấu nhúng là private. Các dấu nhúng public có thể
sử dụng trong các ứng dụng mà không có yêu cầu liên quan đến bảo mật (ví dụ
nhúng siêu dữ liệu)
- Dấu nhúng nổi hoặc dấu nhúng khoanh vùng có thể là lô gô hoặc các ảnh
chèn lên bề mặt trong lĩnh vực nhúng dấu ảnh hoặc video. Để đối phó với việc xác
định vị trí thông tin ẩn dấu, các dấu nhúng này không bền vững.
Bên cạnh các loại dấu nhúng đa dạng, có bốn hệ thống nhúng dấu được
phân lớp theo đầu vào và đầu ra suốt trong quá trình phát hiện. Việc sử dụng nhiều
thông tin hơn ở phía phát hiện sẽ làm tăng tính linh hoạt của toàn bộ hệ thống nhúng
dấu nhưng lại giới hạn tính khả thi của tiếp cận nhúng dấu ở phía nhúng.


8

1.3.3 Phân loại hệ thống nhúng dấu
- Nhúng dấu rõ ràng yêu cầu ít nhất phải có dữ liệu gốc trong quá trình đọc.
Chúng ta có thể phân chia nhỏ hơn kiểu hệ thống này thành hai loại phụ thuộc vào
việc dấu nhúng có cần thiết có mặt trong quá trình giải mã hay không
Kiểu 1 phát hiện dấu nhúng của tập dữ liệu được thao tác có tiềm nằng nhờ
vào dữ liệu gốc
∧

∧

Dk (c w , co ) = w (1.6)

Kiểu 2 phải sử dụng thêm dấu nhúng và vì thế biểu thị trường hợp thông
dụng nhất như sau
∧
∧

∧
1, c ≥ τ
(1.7)
D k (c w , co , w) = w và Cτ ( w, w) = 
0, c < τ
Các hệ thống này trả lời câu hỏi: dấu nhúng w có được nhúng trong tập dữ
liệu ^cw hay không? Theo cách này nội dung thông tin của dấu nhúng là 1 bít. Bằng
cách sử dụng thêm thông tin, tính bền vững của các phương pháp nhúng này thông
thường sẽ tăng lên.
- Nhúng dấu bán đui mù khác với phương pháp trên, hệ thống này không sử
dụng dữ liệu gốc để phát hiện
∧
∧
∧
1, c ≥ τ
(1.8)
Dk (c w , w) = w và Cτ ( w, w) = 
0, c < τ
điều này cần thiết trong các ứng dụng mà việc truy cập đến dữ liệu gốc không có ích
hoặc không thể. Các phương pháp nhúng dấu bán đui mù có thể được sử dụng để
sao chép điều khiển và bảo vệ bản quyền
- Nhúng dấu đui mù là thách thức lớn nhất đối với việc phát triển của một hệ
thống nhúng dấu. Cả dữ liệu gốc mà và dấu nhúng đều không được sử dụng trong
quá trình giải mã.
∧

∧

Dk (c w ) = w

(1.9)

điều này là cần thiết trong các ứng dụng mà n bít thông tin phải được đọc ngoài tập
dữ liệu đã nhúng dấu ^cw, ví dụ, trong việc theo dõi các bản sao được phân tán bất
hợp pháp.


9

Tổng quát ta có phân loại như sau
Các phương pháp nhúng dấu ẩn
Nguồn cảm nhận
Theo nguồn đa phương tiện
Nguồn không cảm nhận
Thấy được

Theo cảm nhận của con người

Không thấy được
Theo miền hệ số

Miền không gian

DCT

Miền tần số

FFT
FWT

Theo khả năng chịu tấn công

Bền vững
Dễ hỏng
Chịu được tấn công loại bỏ

Hình 1.3 : Phân loại nhúng dấu ẩn
Cách phân loại đơn giản nhất là theo nguồn đa phương tiện: nguồn cảm nhận
(âm thanh, ảnh, video, đồ họa 3D) và nguồn không cảm nhận (văn bản, các đoạn mã
nguồn có khả năng thực thi). Sự khác nhau chủ yếu là nguồn không cảm nhận
thường yêu cầu xử lý, truyền tải, lưu trữ không mất mát thông tin. Tuy nhiên, dữ
liệu cảm nhận có giới hạn chịu đựng biến đổi, cho phép không phát hiện những thay
đổi nhỏ.
Mặc dầu nhiều kỹ thuật nhúng dấu ẩn có thể áp dụng chung cho các loại
nguồn cảm nhận, đa số các phương pháp chỉ áp dụng với một loại duy nhất. Nguyên
nhân chính là chúng liên quan đến những giác quan khác nhau và về mặt sinh học
thì quá trình nhìn thì phức tạp hơn quá trình nghe nhiều. Phải dựa trên mô hình giác
quan để chắc chắn rằng dữ liệu gốc đã được thay đổi theo cách thức khó cảm nhận
được.


10

Theo cảm nhận của con người, kỹ thuật nhúng dấu ẩn có thể chia làm hai
nhóm: thấy được và không thấy được. Dấu ẩn thấy được chủ yếu được sử dụng
trong ảnh và video, thường mang thông tin về bản quyền, về chủ sở hữu hoặc chính
sách kiểm soát truy nhập để can ngăn những sử dụng trái phép ảnh đã nhúng dấu ẩn.
Phần lớn các nghiên cứu về nhúng dấu ẩn hiện nay đang tập trung vào nhúng dấu ẩn
không thấy được.
Ngoài ra, còn nhiều cách phân loại khác như phân loại theo miền nhúng dấu

ẩn: miền tần số và miền không gian, theo khả năng chịu tấn công: bền vững hay dễ
hỏng, …
1.4 Các mô hình nhúng dấu ẩn
Mô hình nhúng dấu ẩn-mô hình truyền thông
Nhúng dấu ẩn có thể xem như là một bài toán truyền thông, trong đó dữ liệu
ẩn có thể được phân phối và dữ liệu gốc sẽ hoạt động như là vật mang hay là một
phần của kênh truyền. Các kỹ thuật như lọc, truyền thông trải phổ, dồn và phân
kênh và mã sửa lỗi được sử dụng nhiều trong đánh dấu ẩn. Ngoài ra, cấu trúc phân
lớp giúp cho việc ưu tiên và phân tách nhiều vấn đề khi thiết kế.

Hình 1.4 Mô hình truyền thông bảo mật cơ bản


11

Hình 1.5 Mô hình truyền thông dấu nhúng cơ bản
Hệ thống truyền thông
Thông tin
Kênh truyền thông
Các ràng buộc trên tín hiệu
được truyền vì giới hạn vật lý
Nhiễu
Thông tin phụ tại bộ phát
hay/và bộ thu
Dung lượng kênh truyền

Hệ thống nhúng dấu ẩn
Dấu ẩn
Tín hiệu gốc
Các ràng buộc trên dấu ẩn vì giới hạn chất lượng

cảm nhận
Các tấn công vào tín hiệu gốc và dấu ẩn
Các hiểu biết về tín hiệu gốc, các tham số của quá
trình nhúng dấu ẩn như khóa, …, tại bộ nhúng dấu
ẩn và bộ phát hiện dấu ẩn
Dung lượng của nhúng dấu ẩn

Bảng 1.1: Sự tương đồng giữa hệ thống truyền thông và hệ thống nhúng dấu ẩn
Các thành phần chính của hệ thống nhúng dấu ẩn bao gồm:
- Mô hình cảm nhận.
- Cách thức nhúng 1 bit.
- Cách thức nhúng nhiều bit thông qua kỹ thuật điều chế và giải điều
chế.
- Cách giải quyết vấn đề dung lượng nhúng không đều.
- Cách cải thiện tính bền vững và tính bảo mật.
- Dữ liệu nào cần nhúng.


12

Các thành phần này có thể thấy được trong các lớp, tương tự với cấu trúc lớp
của truyền thông mạng máy tính. Tầng vật lý của nhúng dấu ẩn giải quyết vấn đề
làm thế nào 1 hoặc nhiều bit có thể nhúng không thấy được vào trong dữ liệu gốc.
Tầng này có 3 thành phần chính, (1) kỹ thuật nhúng 1 bit, (2) mô hình cảm nhận để
đảm bảo tính không thấy được, và (3) các kỹ thuật dồn kênh/phân kênh để nhúng
nhiều bit. Các giao thức để thu được tính năng bổ sung được xây dựng trên đỉnh của
tầng vật lý, như phương pháp kiểm soát dung lượng nhúng không đều, cải thiện tính
bền vững, nâng cao dung lượng thông qua mã sửa sai.
Sự khác nhau chính giữa hai mô hình này là việc mã hóa trong hệ thống
truyền thông là nhằm bảo vệ các bit thông tin khỏi các biến đổi do kênh truyền

trong khi trong hệ thống đánh dấu ẩn, việc nhúng dấu ẩn nhằm mục đích giảm thiểu
các biến đổi về cảm nhận gây ra đối với nội dung được đánh dấu ẩn.
1.4.1 Mã hoá LSB
Một trong những kỹ thuật đầu tiên được tìm ra trong lĩnh vực nhúng dấu,
được ứng dụng cho tất cả các kiểu dữ liệu đa phương tiên, được gọi là phương pháp
mã hoá bít ít quan trọng nhất (LSB). Nó được dựa trên việc thay thế LSB của tín
hiệu mang bằng một bít lấy từ dấu nhúng. Các bít này được nhúng vào các giá trị tin
cậy, ví dụ như các điểm ảnh. Bộ giải mã có thể thu nhận dấu nhúng nếu nó biết
thông tin về các giá trị được dùng để nhúng các bít đó.

Hình 1.6 Bộ phát hiện dấu nhúng cơ bản
Bộ mã hoá dấu nhúng sử dụng một tập con co j [1], . . . , co j [l(co j )] gồm
tất cả các thành phần mang co được chọn từ khoá bí mật. Thao tác thay thế co j [i] m[i] trong các LSB đuợc thực hiện trong tập con này. Quá trình đọc thu nhận giá trị
của các bít. Vì thế, bộ giải mã cần tất cả các thành phần mang được sử dụng suốt
trong quá trình nhúng. Tổng quát l(co) l(m); vì thế, tính bền vững có thể đuợc cải
tiến bằng cách nhúng lặp lại dấu nhúng. Việc chọn lọc ngẫu nhiên các thành phần
để nhúng và thay đổi LSB làm sinh ra lượng nhiễu nhỏ hơn và mật độ cố định. Việc
nhận ra các nhiễu này phụ thuộc vào ngưỡng chấp nhận của đối tượng mang gốc và
vì thế phụ thuộc vào nội dung của nó. Ưu điểm chính của phương pháp này là trọng


13

tải cao, trong khi đó nhược điểm đó là tính bền vững kém, việc thay đổi ngẫu nhiên
LSB làm phá huỷ dấu nhúng. Các đặc tính này của LSB giới hạn khả năng của nó
và đòi hỏi một môi trường số nghèo nàn
1.4.2 Kỹ thuật trải phổ
Truyền thông trải phổ bao gồm một số các kỹ thuật đánh dấu tín hiệu trong
đó băng thông được truyền có tầm quan trọng hơn được yêu cầu bởi tốc độ dữ liệu
và băng thông truyền được xác định một hàm độc lập với thông báo liên quan với

người gửi và nguời nhận.
Trước tiên dự kiến tăng sức chịu đựng đối với việc giảm nhiễu, các đặc điểm
này cũng rất cần thiết với nhiều ứng dụng khác và trước tiên được áp dụng với lĩnh
vực nhúng dấu số. Sáng kiến về truyền thông trải phổ được Kiesler và Antheil để
xuất.
Mô hình:
Với việc sử dụng rộng rãi thuật ngữ trong ngữ cảnh trải phổ, tín hiệu mang
có thể được xem như một bộ nhiễu âm gây nhiễu cho tín hiệu trọng tải mang thông
tin dấu nhúng.
Giả sử tín hiệu mang được biểu diễn bởi N mẫu tần, và một tín hiệu trọng tải
cơ sở
được biểu diễn bằng D ≤ N hàm cơ sở trực giao và đưa ra
trực giao mở rộng không gian tín hiệu trong đó tín hiệu mang c(t) được biểu diễn
bằng công thức (1.10) trong không gian N chiều và trong đó tín hiệu biến đổi phụ
thuộc thời gian t.
c(t ) = ∑ c k ϕ k (t );
N

k =1

0≤t ≤T

(1.10)

năng lượng tổng cộng của tín hiệu mang được đưa ra bởi công thức sau:
2
2
∫ c (t )dt = ∑ ck = Ec

T

N

0

k =1

∆

(1.11)

tín hiệu trọng tải có thể không bị mất tính tổng quát được biểu diễn bằng D có xác
xuất tương đương và các tín hiệu trực giao năng lượng tương đượng được tính theo
(1.12):
si (t ) = ∑ sik ϕ k (t );
N

k =1

1 ≤ i ≤ D,0 ≤ t ≤ T , trong đó

∆ 1,
sik = ∫ si (t )ϕ k (t )dt Φ l , Φ m = ∫ ϕ l (t )ϕ m (t )dt = δ lm =
0,
0
0
T

(1.12)

T

l=m
l≠m