Nghiên cứu phương pháp bảo vệ bản quyền ảnh số và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

LÂM MẠNH TUYÊN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ
VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

------------------

LÂM MẠNH TUYÊN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ
VÀ ỨNG DỤNG
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60 48 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Trịnh Nhật Tiến

HÀ NỘI - 2011


LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những sự kiện công nghệ lớn của hai thập kỉ trƣớc đó là sự thâm nhập
của dữ liệu đa phƣơng tiện vào mọi khía cạnh của đời sống. Dữ liệu số có thể lƣu trữ
dễ dàng với chất lƣợng cao, và nó có thể đƣợc xử lý trên máy tính một cách dễ dàng.
Hơn thế nữa, dữ liệu số có thể đƣợc truyền một cách nhanh và rẻ thông qua mạng
truyền thông mà không bị suy giảm chất lƣợng. “ Dữ liệu số đa phƣơng tiện” có những
lợi thế quan trọng nhƣ: bản sao của dữ liệu đa phƣơng tiện (âm thanh số, hình ảnh, tín
hiệu video …) không sai khác với bản gốc và dễ dàng chỉnh sửa, bản sao của dữ liệu
đa phƣơng tiện có tính “trung thực” cao (giống y hệt so với bản gốc). Cùng với sự phát
triển của Internet quá trình phân phối các sản phẩm kỹ thuật số trở nên dễ dàng và
nhanh chóng, nhƣng chính điều đó lại làm cho “quyền sở hữu trí tuệ” (IPRIntellectual Property Right) bị đe dọa hơn bao giờ hết, bởi khả năng sao chép không bị
giới hạn. Một trong những giải pháp đƣợc đƣa ra để bảo vệ “quyền sở hữu trí tuệ” là
để hạn chế truy cập dữ liệu bằng cách sử dụng một số kỹ thuật mã hóa.Tuy nhiên kỹ
thuật mã hóa khơng cung cấp phƣơng thức bảo vệ sản phẩm một cách “tồn diện”.
Đồng thời, q trình mã hóa và giải mã cũng gây ra những trở ngại trong quá trình
phân phối và xử lý dữ liệu. Có một giải pháp tốt hơn cho vấn đề trên, đó là giấu những
“dữ liệu về quyền sở hữu”(ownership data) vào trong các dữ liệu đa phƣơng tiện, sau
đó có thể trích xuất những dữ liệu này để chứng minh quyền sở hữu sản phẩm [E9].
Hiện nay, vấn đề bảo vệ quyền tác giả có những tác động tài chính lớn và có tầm
quan trọng đặc biệt, do vậy việc xây dựng và ứng dụng các thuật toán để ngăn chặn
việc sao chép bất hợp pháp nội dung sản phẩm đa phƣơng tiện là thực sự cần thiết.
Giấu tin nói chung hay thủy vân nói riêng là một lĩnh vực rộng lớn, trong luận
văn này đi sâu tìm hiểu một số giải pháp bảo vệ bản quyền dữ liệu đa phƣơng tiện nói
chung và bảo vệ bản quyền ảnh số nói riêng bằng kỹ thuật thủy vân số. Từ đó có thể

tìm hiểu để lựa chọn phƣơng pháp thủy vân phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

3


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ 1
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................. 6
Chương 1

VẤN ĐỀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ ....................................................... 7

1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM ................................................................................................. 7

1.1.1 Khái niệm ảnh số ........................................................................................ 7
1.1.2 Điểm ảnh. ................................................................................................... 8
1.1.3 Độ phân giải của ảnh ................................................................................... 9
1.1.4 Các lân cận của điểm ảnh (Image Neighbors) .............................................. 9
1.2. BIỂU DIỄN ẢNH SỐ................................................................................................ 10

1.2.1 Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh .......................................................... 10
1.2.2 Biểu diễn tín hiệu ảnh số ........................................................................... 11
1.3. BẢN QUYỀN VÀ CÁC QUY ĐỊNH ........................................................................ 13

1.3.1. Bảo vệ bản quyền ..................................................................................... 13
1.3.2. Vi phạm bản quyền .................................................................................. 14
1.3.3. Bản quyền và quyền sở hữu trí tuệ ........................................................... 15
1.4. BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ ............................................................................. 16

1.4.1. Một số vấn đề trong bảo vệ bản quyền ảnh số. ......................................... 16
1.4.2. Giải pháp và kỹ thuật bảo vệ bản quyền. .................................................. 17
Chương 2

KỸ THUẬT THỦY VÂN ................................................................................. 20

2.1. TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN ................................................................................ 20

2.1.1 Khái niệm thủy vân ................................................................................... 20
2.1.2 Lịch sử phát triển ...................................................................................... 21
2.1.3 Phân loại thủy vân ..................................................................................... 22
2.1.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thủy vân ...................................................... 24
2.1.5 Đặc tính thủy vân ...................................................................................... 26
2.1.6. Tiêu chuẩn và hiệu suất lƣợc đồ thủy vân ................................................. 29
2.2. KỸ THUẬT THỦY VÂN TRÊN ẢNH ..................................................................... 31

2.2.1. Kỹ thuật thủy vân trên miền không gian ................................................... 31
2.2.2. Kỹ thuật thủy vân trên miền tần số ........................................................... 40
Chương 3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG BẢO VỆ BẢN QUYỀN .................................. 70
3.1 HỆ THỐNG XÁC THỰC TRÊN MÁY ẢNH KỸ THUẬT SỐ .................................. 70

3.1.1 Tính pháp lý của hình ảnh số ..................................................................... 70
4


3.1.2 Máy ảnh kỹ thuật số .................................................................................. 72
3.1.3 Dữ liệu sinh trắc học ................................................................................. 74
3.1.4 Sơ đồ làm việc của hệ thống an toàn trên máy ảnh số ................................ 78
3.2 BẢO VỆ NHÃN HIỆU SẢN PHẨM .......................................................................... 81

3.2.1 Nhãn hiệu hàng hóa và vấn đề bản quyền .................................................. 81
3.2.2 Ý tƣởng và mơ hình bảo vệ nhãn hiệu với thủy vân số. ............................. 82
3.2.3 Tiền xử lý thủy vân ................................................................................... 84
3.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC ................................................................................... 90

3.3.1 Tăng cƣờng bảo mật thẻ thông minh ........................................................ 90
3.3.2 Bảo vệ bản quyền bản đồ vectơ ................................................................ 95
Chương 4

THỬ NGHIỆM THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ ............................................... 99

4.1. CẤU HÌNH HỆ THỐNG CHO CHƢƠNG TRÌNH ................................................... 99

4.1.1. Cấu hình hệ thống. ................................................................................... 99
4.1.2. Chức năng chính ...................................................................................... 99
4.2. CÁC THÀNH PHẦN CHƢƠNG TRÌNH ................................................................ 100

4.2.1. Module nhúng thủy vân.......................................................................... 100
4.2.2. Module tách thủy vân ............................................................................. 102
4.2.3. Module xác thực ảnh .............................................................................. 104
4.3. CHƢƠNG TRÌNH. ................................................................................................. 110
4.4. HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH ........................................................ 113

4.4.1. Quy trình nhúng thủy vân ....................................................................... 113
4.4.2. Xác thực ảnh .......................................................................................... 113
4.4.3 Trích thủy vân ......................................................................................... 115
KẾT LUẬN........................................................................................................................ 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 118
TIẾNG VIỆT ................................................................................................................. 118
TIẾNG ANH .................................................................................................................. 118

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DCT (Discrete Cosine Transform)

Phép biến đổi Cosin rời rạc

IDCT (Invert DiscreteCosineTransform)

Phép biến đổi ngƣợc DCT.

DFT (Discrete Fourier Transform)

Phép biến đổi Forier rời rạc

IDFT (Invert Discrete FourierTransform )

Phép biến đổi ngƣợc DFT

DWT (Discrete Wavelet Transform)

Phép biến đổi Wavelet rời rạc

IDWT (Invert Discrete Wavelet Transform)

Phép biến đổi ngƣợc DWT

IPR- Intellectual Property Right

Quyền sở hữu trí tuệ

LSB (Least Significant Bit)

Bít ít quan trọng

Watermarking

Kĩ thuật thủy vân

Watermark

Thủy vân

Blind Watermarking

Kĩ thuật thủy vân mù

Visible Watermark

Thủy vân hiện

Invisible Watermark

Thủy vân ẩn

Private watermarking scheme

Lƣợc đồ thủy vân bí mật

Public watermarking scheme

Lƣợc đồ thủy vân cơng khai

Blind Extract

Trích xuất mù

JPEG (Joint Photographic Expert Group)

Chuẩn nén ảnh quốc tế

HVS (Human Visual System)

Hệ thống thị giác con ngƣời

TRNG (True Radom Number Genenerator)

Sinh số ngẫu nhiên

6


Chương 1
VẤN ĐỀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ
Hiện nay, ảnh số là là loại dữ liệu phổ biến và thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm và
nghiên cứu. Cùng với sự phát triển của Internet vấn đề bảo vệ bản quyền ảnh số ngày
càng trở nên quan trọng. Thông tin đƣợc số hóa có thể dễ dàng sao chép mà không làm
giảm chất lƣợng và hỗ trợ phân phối một cách hiệu quả. Do tính dễ sao chép, phát tán

và thậm chí là chỉnh sửa, nên kẻ gian có thể xâm phạm bản quyền của chủ sở hữu thực
sự. Việc giải quyết bài toán về bảo vệ quyền là yêu cầu cơ bản của các dịch vụ đa
phƣơng tiện hiện tại cũng nhƣ trong tƣơng lai.
Trong chƣơng này, luận văn đề cập tới khái niệm cùng những thuộc tính của ảnh
số, vấn đề vi phạm bản quyền, bảo vệ bản quyền. Đồng thời cũng tập trung nghiên cứu
các bài toán đặt ra trong bảo vệ bản quyền ảnh số và đề xuất các giải pháp phù hợp để
giải quyết từng bài toán.

1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM
1.1.1 Khái niệm ảnh số
Hình ảnh có thể là bức vẽ, họa hình (Picture, Photograph) hay nói cách khác đó
là các dữ liệu có thể đƣợc cảm nhận bằng thị giác (Visual data). Một hình ảnh số thơng
thƣờng có số chiều là 2 hoặc 3.[V3]
Trong kỹ thuật tƣơng tự, một bức ảnh thƣờng đƣợc biểu diễn dƣới dạng các dòng
nằm ngang kế tiếp nhau. Mỗi dịng là một tín hiệu tƣơng tự mang theo các thông tin về
cƣờng độ sáng dọc theo một đƣờng nằm ngang trong ảnh gốc. Ảnh trên một chiếc TV
đƣợc hiện lên qua các dòng quét này. Mặc dù thuật ngữ "tƣơng tự" đƣợc dùng để mô
tả cho các ảnh quét liên tiếp nhƣng thực tế ảnh chỉ tƣơng tự theo hƣớng nằm ngang.
Nó là rời rạc khi xét theo hƣớng dọc và chính vì vậy mà tín hiệu ảnh là tín hiệu lai nửa
tƣơng tự, nửa số.
Nhƣ vậy, có thể định nghĩa ảnh số là một ảnh đã đƣợc rời rạc hóa trong khơng
gian hai chiều có ảnh hƣởng do cƣờng độ ánh sáng và đƣợc mô tả nhƣ ma trận hai
chiều. Dựa trên màu sắc có thể phân loại ảnh số thành ảnh đen trắng và ảnh màu.
a). Ảnh đen trắng
Ảnh đen trắng chỉ bao gồm 2 màu: màu đen và màu trắng. Ngƣời ta phân mức
đen trắng đó thành L mức Nếu sử dụng số bit B=8 bít để mã hóa mức đen trắng (hay
mức xám) thì L đƣợc xác định :
L=2B (trong ví dụ của ta L=28= 256 mức)

7

Nếu L bằng 2, B=1, nghĩa là chỉ có 2 mức: mức 0 và mức 1, còn gọi là ảnh nhị
phân. Mức 1 ứng với màu sáng, còn mức 0 ứng với màu tối. Nếu L lớn hơn 2 ta có ảnh
đa cấp xám. Nói cách khác, với ảnh nhị phân mỗi điểm ảnh đƣợc mã hóa trên 1 bit,
cịn với ảnh 256 mức, mỗi điểm ảnh đƣợc mã hóa trên 8 bit. Nhƣ vậy, với ảnh đen
trắng: nếu dùng 8 bit (1 byte) để biểu diễn mức xám, số các mức xám có thể biểu diễn
đƣợc là 256. Mỗi mức xám đƣợc biểu diễn dƣới dạng là một số nguyên nằm trong
khoảng từ 0 đến 255, với mức 0 biểu diễn cho mức cƣờng độ tối nhất và 255 biểu
diễn cho mức cƣờng độ sáng nhất.
Ảnh nhị phân khá đơn giản, các phần tử ảnh có thể coi nhƣ các phần tử logic.
Ứng dụng chính của nó đƣợc dùng theo tính logic để phân biệt đối tƣợng ảnh với nền
hay để phân biệt điểm biên với điểm khác.
b). Ảnh màu
Ảnh màu theo lý thuyết là ảnh tổ hợp từ 3 màu cơ bản: đỏ (R), lục (G), lơ (B) và
thƣờng thu nhận trên các dải băng tần khác nhau. Với ảnh màu, cách biểu diễn cũng
tƣơng tự nhƣ với ảnh đen trắng, chỉ khác là các số tại mỗi phần tử của ma trận biểu
diễn cho ba màu riêng rẽ gồm: đỏ (red), lục (green) và lam (blue). Để biểu diễn cho
một điểm ảnh màu cần 24 bit. 24 bit này đƣợc chia thành ba khoảng 8 bit. Mỗi màu
cũng phân thành L cấp màu khác nhau (thƣờng L=256). Mỗi khoảng này biểu diễn
cho cƣờng độ sáng của một trong các màu chính.
Do đó, để lƣu trữ ảnh màu ngƣời ta có thể lƣu trữ từng màu riêng biệt, mỗi
màu lƣu trữ nhƣ một ảnh đa cấp xám. Do đó, khơng gian nhớ dành cho một ảnh màu
lớn gấp 3 lần một ảnh đa cấp xám cùng kích cỡ.
1.1.2 Điểm ảnh.
Ảnh tự nhiên là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý đƣợc bằng
máy tính, ảnh cần phải đƣợc số hoá. Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh
liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng
(mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó đƣợc thiết lập sao cho mắt ngƣời
khơng phân biệt đƣợc ranh giới giữa chúng. Mỗi một điểm nhƣ vậy gọi là điểm ảnh

(PEL: Picture Element) hay gọi tắt là Pixel. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi
pixel ứng với cặp tọa độ (x, y).
Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc
màu nhất định. Kích thƣớc và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó đƣợc chọn thích
hợp sao cho mắt ngƣời cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu)
của ảnh số gần nhƣ ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận đƣợc gọi là một phần tử ảnh.

8


1.1.3 Độ phân giải của ảnh
Độ phân giải (Resolution) của ảnh là mật độ điểm ảnh đƣợc ấn định trên một
ảnh số đƣợc hiển thị. Theo định nghĩa, khoảng cách giữa các điểm ảnh phải đƣợc
chọn sao cho mắt ngƣời vẫn thấy đƣợc sự liên tục của ảnh. Việc lựa chọn khoảng
cách thích hợp tạo nên một mật độ phân bổ, đó chính là độ phân giải và đƣợc phân bố
theo trục x và y trong khơng gian hai chiều.
Ví dụ: Độ phân giải của ảnh trên màn hình CGA (Color Graphic Adaptor) là
một lƣới điểm theo chiều ngang màn hình: 320 điểm chiều dọc * 200 điểm ảnh
(320*200). Rõ ràng, cùng màn hình CGA 12” ta nhận thấy mịn hơn màn hình CGA
17” độ phân giải 320*200. Lý do: cùng một mật độ (độ phân giải) nhƣng diện tích
màn hình rộng hơn thì độ mịn (liên tục của các điểm) kém hơn.
1.1.4 Các lân cận của điểm ảnh (Image Neighbors)
Một ảnh số giả sử đƣợc biểu diễn bằng hàm f(x, y). Tập con các điểm ảnh là S;
cặp điểm ảnh có quan hệ với nhau ký hiệu là p, q. Chúng ta có lân cận của điểm ảnh
nhƣ sau:
Giả sử có điểm ảnh p tại toạ độ (x, y). p có 4 điểm lân cận gần nhất theo chiều
đứng và ngang (có thể coi nhƣ lân cận 4 hƣớng chính: Đơng, Tây, Nam, Bắc).
{(x-1, y); (x, y-1); (x, y+1); (x+1, y)} = N4(p)
trong đó: số 1 là giá trị logic; N4(p) tập 4 điểm lân cận của p.

Hình 1.1 Lân cận các điểm ảnh của tọa độ (x,y)
Các lân cận chéo: Các điểm lân cận chéo NP(p) (Có thể coi lân cận chéo là 4
hƣớng: Đông-Nam, Đông-Bắc, Tây-Nam, Tây-Bắc)
Np(p) = { (x+1, y+1); (x+1, y-1); (x-1, y+1); (x-1, y-1)}
Tập kết hợp: N8(p) = N4(p) + NP(p) là tập hợp 8 lân cận của điểm ảnh p.
Nếu (x, y) nằm ở biên (mép) ảnh; một số điểm sẽ nằm ngoài ảnh.

9


1.2. BIỂU DIỄN ẢNH SỐ
1.2.1 Các giai đoạn chính trong xử lý ảnh
1). Thu nhận hình ảnh:
Đây là giai đoạn đầu tiên và quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình xử lý
ảnh. Ảnh nhận đƣợc tại đây chính là ảnh gốc để đƣa vào xử lý tại các giai đoạn sau,
trƣờng hợp ảnh gốc có chất lƣợng kém thì hiệu quả của các bƣớc xử lý tiếp theo sẽ
bị giảm.
2). Tiền xử lý ảnh:
Giai đoạn xử lý tƣơng đối đơn giản nhằm nâng cao chất lƣợng ảnh để trợ giúp
cho các quá trình xử lý nâng cao tiếp theo, ví dụ: tăng độ tƣơng phản, làm nổi đƣờng
biên, khử nhiễu v.v.
3). Phân đoạn:
Là quá trình tách hình ảnh thành các phần hoặc vật thể riêng biệt. Đây là một
trong nhƣng vấn đề khó giải quyết nhất trong lĩnh vực xử lý ảnh. Nếu thực hiện tách
quá chi tiết thì bài toán nhận dạng các thành phần đƣợc tách ra trở nên phức tạp, cịn
ngƣợc lại nếu q trình phân đoạn đƣợc thực hiện quá thô hoặc phân đoạn sai thì
kết quả nhận đƣợc cuối cùng sẽ khơng chính xác.
4). Biểu diễn và mơ tả:
Là q trình xử lý tiếp sau khâu phân đoạn hình ảnh. Các vật thể sau khi phân
đoạn đƣợc mô tả dƣới dạng chuỗi điểm ảnh tạo nên ranh giới một vùng, hoặc tập hợp

tất cả điểm ảnh nằm trong vùng đó. Phƣơng pháp mơ tả thông qua ranh giới vùng
thƣờng đƣợc sử dụng khi tập trung sự chú ý vào hình dạng bên ngồi của chi tiết ảnh
nhƣ: độ cong, các góc cạnh v.v. Biểu diễn vùng thƣờng sử dụng khi quan tâm tới đặc
tính bên trong vùng ảnh nhƣ đƣờng vân (texture) hay hình dạng xƣơng (skeletal).
5). Nén ảnh:
Bao gồm các biện pháp giảm thiểu dung lƣợng bộ nhớ cần thiết để lƣu trữ hình
ảnh, hay giảm băng thơng kênh truyền, cần thiết để truyền tín hiệu hình ảnh số.
6). Nhận dạng:
Là q trình phân loại vật thể dựa trên cơ sở các chi tiết mơ tả vật thể đó. Các
q trình xử lý liệt kê ở trên đều đƣợc thực hiện dƣới sự giám sát và điều khiển dựa
trên cơ sở các kiến thức về lĩnh vực xử lý ảnh. Các kiến thức cơ bản có thể đơn giản
nhƣ vị trí vùng ảnh nơi có những thơng tin cần quan tâm, nhƣ vậy có thể thu nhỏ vùng
tìm kiếm. Trƣờng hợp phức tạp hơn, cơ sở kiến thức có thể chứa danh sách tất cả
những hƣ hỏng có thể gặp trong q trình kiểm sóat chất lƣợng thành phẩm hoặc các
ảnh có độ chi tiết cao theo dõi sự thay đổi môi trƣờng trong một vùng. Ngoài việc
điều khiển hoạt động của từng modul xử lý ảnh (hình 1.2), cơ sở kiến thức còn sử
dụng để thực hiện việc điều khiển tƣơng tác giữa các modules.
10


Hình 1.2 Quy trình xử lý ảnh số
1.2.2 Biểu diễn tín hiệu ảnh số
Sau khi số hóa tín hiệu hình ảnh, chúng ta nhận đƣợc ma trận giá trị mức
xám của các điểm ảnh. Chúng ta sẽ sử dụng 2 cách biểu diễn tín hiệu ảnh số. Cách
thứ nhất, các điểm ảnh rời rạc đƣợc sắp xếp theo cột và hàng nhƣ trên hình 1.3. Tọa
độ của các điểm ảnh (x,y) là rời rạc. Gốc tọa độ nằm tại góc trên bên trái của ảnh
x, y   1,1 .

Hình 1.3 Hệ tọa độ để biểu diễn ảnh số

11


Nhƣ vậy, chúng ta có thể biểu diễn ảnh số nói trên nhƣ ma trận kích thƣớc
MxN:

Mỗi phần tử của ma trận đƣợc gọi là 1 điểm ảnh (image element hay pixel).

Trong một số trƣờng hợp, chúng ta có thể sử dụng phƣơng pháp mô tả ảnh số
nhƣ một ma trận thông thƣờng. Với cách biểu diễn trên, a i, j  f x  i, y  j  f  i, j ,
do đó hai ma trận trên hoàn toàn giống nhau. Đối với ảnh số, giá trị M và N phải là số
nguyên dƣơng. Số lƣợng mức xám có thể gán cho 1 điểm ảnh L thƣờng đƣợc lựa
chọn sao cho L  2 k , k là số nguyên dƣơng.
Nhƣ vậy, số lƣợng bit đƣợc sử dụng để biểu diễn 1 ảnh số sẽ đƣợc xác định theo
công thức: b  M  N  k .
Ví dụ: ảnh số hiển thị trên màn hình VGA có kích thƣớc 640x480 điểm, số lƣợng
các mức xám là 256 (8 bits/mẫu) có thể đƣợc lƣu lại trong bộ nhớ có kích thƣớc bằng:
b  640  480  8  2 457 600 bits .

Hình 1.4 Điểm ảnh dưới dạng ma trận giá trị

12


1.3. BẢN QUYỀN VÀ CÁC QUY ĐỊNH
Bản quyền tác giả liên quan nhiều đến khía cạnh đạo đức, kinh tế. Việc vi phạm
bản quyền có thể do hành vi cố tình nhằm mƣu lợi hoặc cũng có thể do vơ tình, nếu
khơng hiểu biết đầy đủ về bản quyền tác giả, về sở hữu trí tuệ, nhiều ngƣời khơng nhận
thức đƣợc tác hại của việc vi phạm bản quyền [V3,4].
1.3.1. Bảo vệ bản quyền

Quốc tế qui định tính có bản quyền. Kí hiệu bản quyền © là kí hiệu quốc tế dùng
để cho biết tính bản quyền của tác phẩm. Với mỗi sản phẩm đăng kí bản quyền, ngƣời
ta biết các thơng tin về bản quyền sau :
+ Kí hiệu bản quyền;
+ Tên ngƣời sở hữu;
+ Năm đƣa ra lần đầu;
+ Mục đích của bản quyền;
+ Thể hiện đƣợc ý tƣởng sáng tạo của sản phẩm;
+ Tƣ tƣởng nguyên gốc của sản phẩm;
+ Quyền tác giả;
+ Quyền tác giả, theo luật pháp...
Các sản phẩm đa phƣơng tiện sau đƣợc quốc tế quy định cần bảo vệ bản quyền
tác giả :
+ Tác phẩm âm nhạc;
+ Tác phẩm văn học;
+ Tác phẩm kịch câm;
+ Tác phẩm nghệ thuật;
+ Tác phẩm kiến trúc;
+ Tạo hình về tự nhiên;
+ Tác phẩm điện ảnh;
+ Tác phẩm ảnh;
+ Chƣơng trình máy tính;
Các khn mẫu tại cơ quan quản lý sở hữu trí tuệ cho phép ngƣời ta khai báo sản
phẩm để đƣợc bảo vệ.

13


1.3.2. Vi phạm bản quyền
Vi phạm quyền tác giả sẽ ảnh hƣởng đến tác giả về quyền lợi, ý tƣởng riêng, trách

nhiệm về sản phẩm. Các dạng vi phạm đƣợc thống kê [V4, E5]:
+ Sao chép: việc lại thể hiện rõ ràng qua hiện tƣợng chép lại cả đoạn văn vào tài
liệu của mình, chƣa kể đến sao chép ý tƣởng mà đoạn văn đó thể hiện;
+ Thể hiện lại: một số sản phẩm lấy việc thể hiện là trọng tâm, nhƣ động tác kịch
câm, việc thể hiện lại bị coi nhƣ sao chép tƣ tƣởng. Thể hiện lại cũng nhƣ là sắp đặt,
thiết kế theo mẫu của ngƣời khác cũng bị coi là vi phạm ý tƣởng.
+ Truyền bá: sử dụng ý tƣởng của tác giả sản phẩm trong việc chứng minh, thể
hiện nội dung của mình, mà khơng xin phép tác giả sẽ bị xem là truyền tải, truyền bá
khơng đƣợc phép;
+ Trích dẫn: ngƣời ta khơng cho phép sử dụng sản phẩm trong việc thể hiện ý
tƣởng của mình, cho dù là trích sản phẩm nhƣ là thí dụ. Việc trích dẫn cần đƣợc xin
phép, và đơi khi phải có chi phí;
+ Triển lãm: sản phẩm đa phƣơng tiện tại các buổi trƣng bày, triển lãm thuộc về
tác giả. Vậy nên dùng tác phẩm trong triển lãm phải đƣợc sự đồng ý của tác giả sản
phẩm;
+ Dịch lại: việc dịch tài liệu ra ngôn ngữ khác cũng nhƣ thể hiện lại tác phẩm liên
quan đến sở hữu trí tuệ, khơng nên vi phạm;
+ Trình bày trƣớc cơng chúng: Việc thể hiện lại sản phẩm đa phƣơng tiện trƣớc
đám đông cũng nhƣ truyền bá là không đƣợc phép;
+ Suy diễn: suy luận là q trình rút ra thơng tin mới từ các dữ liệu đã có; việc
dùng ý của một sản phẩm tác giả để thu đƣợc sản phẩm khác cần coi nhƣ tác giả sản
phẩm đầu cũng là một phần đóng góp trong sản phẩm sau. Vậy suy diễn nội dung sản
phẩm là vi phạm bản quyền.

Hình 1.5 Vi phạm bản quyền
14


1.3.3. Bản quyền và quyền sở hữu trí tuệ
Quyền sở hữu trí tuệ là quyền của tổ chức, cá nhân đối với tài sản trí tuệ, bao gồm

quyền tác giả và quyền liên quan đến quyền tác giả, quyền sở hữu cơng nghiệp.
Bản quyền và Quyền sở hữu trí tuệ đƣợc tơn trọng thì mới phát triển đƣợc các ý
tƣởng sáng tạo. Ngồi phạm trù đạo đức, cần có điều luật giữ quyền tác giả, hạn chế vi
phạm sở hữu trí tuệ. Một số vi phạm hay đƣợc nhắc đến gần đây nhƣ sử dụng âm nhạc,
ca từ không của mình; sao chép phần mềm và mở khố để sử dụng; sử dụng lại kiến
trúc trang tin của đơn vị khác.
Hội ngƣời tiêu dùng sản phẩm đa phƣơng tiện, hệ thống truyền thơng cơng cộng
cũng đóng góp nhiều vào việc giữ bản quyền. Bản quyền áp dụng cho nhiều lĩnh vực
văn hố, khoa học, trí tuệ…
Có cơ quan chứng nhận bản quyền sở hữu trí tuệ, và cơ quan pháp luật giải quyết
các tranh chấp về quyền sở hữu trí tuệ đối với sản phẩm. Vi phạm quyền tác giả đƣợc
mơ tả với qui định chặt chẽ. Ngay việc trích dẫn, trình diến lại, khi chƣa có đồng ý của
tác giả, cũng bị coi là vi phạm quyền tác giả.

Hình 1.6 Chứng nhận bản quyền

15


1.4. BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ
Mặc dù đã có nhiều quy định về bảo vệ bản quyền và đã có những chuyển biến tích
cực trong việc thực thi quyền tác giả, nhƣng bấy nhiêu vẫn còn chƣa đủ. Những hành vi
xâm hại quyền tác giả diễn ra tràn lan, tinh vi và cơng khai trƣớc sự xót xa, bất lực của
các chủ sở hữu. Đặc biệt với dữ liệu số chẳng hạn nhƣ ảnh số với nhiều định dạng thì
vấn đề bảo vệ bản quyền lại càng trở nên khó khăn hơn.
1.4.1. Một số vấn đề trong bảo vệ bản quyền ảnh số.
Trong mua bán và trao đổi các tác phẩm số nảy sinh một số vấn đề cụ thể nhƣ:
+ Vấn đề thứ nhất là phải bảo đảm quyền tác giả:

Hình 1.7 Tranh chấp quyền sở hữu sản phẩm số

Để bảo vệ đƣợc bản quyền của ngƣời chủ sở hữu tác phẩm số thì sản phẩm đó phải
mang những thơng tin đặc biệt chứng minh đƣợc nó là thuộc quyền sở hữu của ngƣời
chủ. Nhờ những thông tin này chủ tác phẩm số có thể chứng minh đƣợc với cơ quan có
thẩm quyền quyền sở hữu hợp pháp của mình [E4].
+ Vấn đề thứ hai là đảm bảo thông tin sẵn sàng cho ngƣời dùng hợp pháp và chống
phân phối bất hợp pháp nội dung tác phẩm: việc mua bán, phân phối các hợp pháp sản
phẩm số (đặc biệt là ảnh số) đƣợc thực hiện dựa trên nguyên tắc là ngƣời mua sẽ trả tiền
để nhận đƣợc những bản sao hợp pháp của các sản phẩm này.
+ Vấn đề thứ ba lần vết thông tin phát hiện ngƣời phân phối sản phẩm bất hợp
pháp: khi vấn đề về vi phạm bản quyền xảy ra hoặc khi chủ sở hữu sản phẩm số nghi
ngờ là có bản sao sản phẩm khơng hợp lệ, thì phải có biện pháp để xác minh hoặc tìm ra
trong những ngƣời dùng hợp pháp ai là ngƣời phân phối sản phẩm trái phép.

16


1.4.2. Giải pháp và kỹ thuật bảo vệ bản quyền.
1). Ẩn giấu tin và thủy vân.
Thủy vân không phải là một kỹ thuật mới. Nó là một nhánh của kỹ thuật ẩn giấu
tin đã tồn tại vài trăm năm trƣớc. Ẩn giấu tin là một kỹ thuật sử dụng cho việc truyền
các thông tin mật. Thông điệp đƣợc truyền ở đây là một bí mật mà sự tồn tại của nó là
chỉ đƣợc biết đến bởi các bên liên quan trong giao tiếp [E5, 6, 7].
Trong giấu tin, một thông điệp bí mật đƣợc giấu và mơi trƣờng giấu tin khơng có
sự liên quan và nó chỉ nhằm mục đích gửi thơng tin bí mật tới những thành viên khác.
Trái ngƣợc với điều này, trong thủy vân thông tin đƣợc giấu là có liên quan tới mơi
trƣờng giấu tin theo một nghĩa nào đó.
Phƣơng pháp giấu tin nói chung khơng có tính bền vững, tức thơng tin đƣợc giấu
khơng thể khôi phục đƣợc sau khi xử lý. Trái với giấu tin, thủy vân có tính bền vững
chống lại các cuộc tấn công. Ngay cả khi biết sự tồn tại của thủy vân thì kẻ tấn cơng
cũng khó có thể phá hủy thủy vân, thậm chí thuật tốn thủy vân đƣợc cơng khai. Chính

vì vậy nên thủy vân thƣờng đƣợc sử dụng trong một số lĩnh vực [E1,2,3]:
+ Bảo vệ bản quyền: kỹ thuật thủy vân số có thể đƣợc sử dụng để xác định và bảo
vệ bản quyền tác giả. Thông tin về bản quyền đƣợc nhúng vào trong các dữ liệu đa
phƣơng tiện để xác định chủ sở hữu bản quyền.
+ Chống sao chép: dữ liệu số có thể đƣợc nhúng thủy vân để chỉ ra rằng không
thể nhân bản bất hợp pháp nội dung. Sau đó, các thiết bị có khả năng sao chép có thể
phát hiện ra thủy vân và ngăn chặn sao chép trái phép nội dung.
+ Theo dõi và lần “vết”: kỹ thuật thủy vân số có thể đƣợc sử dụng để theo dõi
việc sử dụng nội dung dữ liệu số. Mỗi bản sao của dữ liệu số có thể đƣợc nhúng thủy
vân đặc biệt và duy nhất để xác thực ngƣời dùng có thẩm quyền sử dụng nội dung. Thủy
vân này có thể đƣợc sử dụng để phát hiện nhân bản bất hợp pháp của nội dung và xác
định những ngƣời dùng nào đã sao chép nội dung bất hợp pháp. Kỹ thuật thủy vân đƣợc
sử dụng để theo dõi đƣợc gọi là vân tay (fingerprinting). Hình 1.8 cho thấy cách thủy
vân có thể đƣợc sử dụng để theo dõi và lần vết.

17


Hình 1.8 Kỹ thuật thủy vân áp dụng cho lần vết sử dụng nội dung
2). Mã hóa
Thủy vân là hồn tồn khác so với kĩ thuật mã hóa. Mã hóa cung cấp phƣơng thức
bảo mật bằng việc mã hóa và giải mã. Tuy nhiên, mã hóa khơng thể giám sát và bảo vệ
nội dung thông tin sau khi giải mã.
Qui trình mã hóa thể hiện trong hình 1.9, trong trƣờng hợp khách hàng có thể làm
bản sao bất hợp pháp của nội dung số. Không giống nhƣ các mật mã, kỹ thuật thủy vân
có thể bảo vệ nội dung ngay cả khi dữ liệu đƣợc giải mã [V1, E8].

Hình 1.9 Kĩ thuật mã hóa và vấn đề sao chép bất hợp pháp thông tin số

18

Trong kỹ thuật thủy vân, thủy vân có sự liên hệ mật thiết với dữ liệu đƣợc thủy vân,
việc nhúng thủy vân ngồi việc bảo vệ nội dung cịn hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhƣ
bảo vệ quyền tác giả, bảo vệ sao chép, bảo mật thẻ ID, vv..
Ngoài ra, việc tấn cơng trên hệ thống mã hóa và hệ thống thủy vân cũng có sự khác
biệt. Một hệ thống mã hóa bị phá vỡ khi những kẻ tấn cơng có thể giải mã đƣợc thơng
điệp bí mật. Nhƣng để phá vỡ của một hệ thống thủy vân gồm hai giai đoạn:
1) Những kẻ tấn cơng có thể phát hiện rằng kỹ thuật thủy vân đã đƣợc sử dụng.
2.) Kẻ tấn cơng có thể đọc, sửa đổi hoặc loại bỏ thủy vân đã đƣợc nhúng.
Thủy vân và mã hóa, mỗi kỹ thuật đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng nên
trong nhiều trƣờng hợp nên sử dụng kết hợp cả hai kỹ thuật này.
3). Ký số
Ký số là giải pháp hiệu quả trong việc đảm bảo toàn vẹn và xác thực của các dữ liệu
số, ký số đƣợc thực hiện trên từng bít của tài liệu [V1]. Tuy nhiên, việc sử dụng chữ ký
số yêu cầu bổ sung băng thơng và làm tăng chi phí chẳng hạn: chữ ký đƣợc gắn kèm
với thông điệp ( sơ đồ chữ ký Elgamal thì chữ ký có độ dài bằng hai lần thông điệp)
hoặc sử dụng chữ ký khôi phục thông điệp ( sơ đồ chữ ký RSA thì độ dài của chữ ký
bằng độ dài thông điệp) [E6] .
Với thủy vân chúng ta nhúng thủy vân với dung lƣợng không đáng kể vào nội dung
các dữ liệu đa phƣơng tiện vì vậy khơng địi hỏi thêm nhiều băng thơng.
Tuy nhiên, trong nhiều trƣờng hợp này thì việc sử dụng kết hợp ký số với những
phƣơng pháp khác lại là giải pháp tuyệt vời để giải quyết nhiều vấn đề phức tạp.

19


Chương 2

KỸ THUẬT THỦY VÂN

Chƣơng này giới thiệu tổng quan về kỹ thuật thủy vân và thủy vân trên ảnh số.
Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật “thủy vân số”. Các yêu cầu và cấu trúc của hệ thống
“thủy vân” điển hình đƣợc nghiên cứu. Đồng thời xem xét các thuộc tính quan trọng
nhất của hệ thống “thủy vân” và đánh giá sơ bộ thông số của các thuật tốn thủy vân.
Các hình thức tấn cơng trên ảnh đã thủy vân và các giải pháp khắc phục

2.1. TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN
2.1.1 Khái niệm thủy vân
Trƣớc đây, một thủy vân đƣợc tạo bởi các hoa văn hoặc hình trạm trổ với độ
trong suốt nhất định. Khi đó, thủy vân thƣờng là một biểu tƣợng hay hình ảnh có thể
nhận biết bằng cách đƣa ra ánh sáng để làm nổi thủy vân và nội dung thông tin. Khi
ngành công nghiệp số ra đời, kỹ thuật thủy vân (watermarking) đƣợc nhắc tới nhƣ là
việc thủy vân trên tín hiệu số. Trong đó, thủy vân số là tập các bit thơng tin đƣợc
nhúng vào một đối tƣợng nhằm xác định thông tin về nguồn gốc hay thông tin về các
bản sao hợp lệ. Thao tác đƣa thủy vân vào trong một môi trƣờng số đƣợc gọi là thủy
vân số (watermarking). Thủy vân số đƣợc xem nhƣ là một hình thức của ẩn giấu tin
(Steganography).
Một trong những ứng dụng tiêu biểu của thủy vân là ứng dụng trong phát hành
tiền giấy. Trong đó, các họa tiết đƣợc nhúng chìm vào trong tờ tiền và đƣợc sử dụng
để xác định tờ tiền thật. Tƣơng tự nhƣ vậy, “thủy vân số” đƣợc sử dụng trong “ dữ liệu
số đa phƣơng tiện” để kiểm tra tính xác thực nội dung nguyên mẫu của sản phẩm.
Thủy vân

Hình 2.1 Kỹ thuật thủy vân trên tiền giấy

20


Nhƣ vậy, có thể định nghĩa, “thủy vân số” là q trình đó nhúng những dữ liệu
vào một đối tƣợng đa phƣơng tiện theo một cách nào đó, để sau đó có thể phát hiện

hoặc trích xuất thủy vân cho mục đích xác thực nguồn gốc sản phẩm [E9].
Thủy vân là một phần đặc trƣng của thông tin nhúng vào dữ liệu cần bảo vệ.
Một yêu cầu quan trọng đối với thủy vân là rất khó để trích xuất hoặc gỡ bỏ đƣợc nó từ
đối tƣợng đƣợc nhúng thủy vân nếu khơng biết chìa khóa bí mật.
2.1.2 Lịch sử phát triển
Kỹ thuật thủy vân trên giấy xuất hiện trong các tác phẩm nghệ thuật làm giấy
thủ công cách đây khoảng hơn 700 năm. Loại giấy có thủy vân cổ nhất đƣợc tìm thấy
vào những năm 1292 và nguyên bản của nó bắt nguồn từ thị trấn Fabriano ở Ý đã đóng
một vai trị rất lớn đối với sự tiến hóa của cơng nghiệp sản xuất giấy. Cuối thế kỷ 13,
có khoảng 40 nhà máy giấy cạnh tranh nhau ở vùng Fabriano với nhiều mẫu giấy có
chất lƣợng giá thành khác nhau. Vào thời điểm đó các nhà máy sản xuất giấy thơ với
bề mặt nhám khơng thể viết lên đó. Nguyên liệu giấy thô này đƣợc đƣa đến các thợ thủ
công để cho họ làm nhẵn bề mặt giấy nhờ đó mà có thể viết lên giấy đƣợc. Giấy sau
khi làm nhẵn đƣợc bán cho các thƣơng gia, rồi tới tay ngƣời sử dụng. Do vậy cạnh
tranh diễn ra khốc liệt khơng chỉ giữa các nhà máy giấy mà cịn giữa các thợ thủ cơng
và thƣơng gia. Thật khó để xác định loại giấy nào đƣợc sản xuất bởi một cá nhân hay
một tổ chức nào.
Vào thời điểm này, kỹ thuật thủy vân đƣợc xem là một phƣơng pháp hữu hiệu
để xác định nguồn gốc sản phẩm, giúp ngƣời dùng lựa chọn đúng hãng sản xuất giấy
mà mình muốn mua. Sau khi xuất hiện một thời gian, kỹ thuật thủy vân đã lan rộng ra
khắp nƣớc Ý và trên cả Châu Âu mặc dù lúc đầu nó chỉ đƣợc dùng để xác định nhãn
hiệu của nhà sản xuất giấy [E10].
Một trong những thủy
vân trên giấy cổ nhất
được
tìm
thấy
ở
Cambrige. Giúp người
dùng xác định sản phẩm

giấy thuộc về nhà máy
sản xuất nào

Hình 2.2 Kỹ thuật thủy vân trên giấy cổ

21


Kỹ thuật thủy vân trên dữ liệu đa phƣơng tiện đƣợc biết đến đầu tiên vào năm
1979. Tuy nhiên mãi tới năm 1990 thì kỹ thuật thủy vân số mới thật sự đƣợc quan tâm,
nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới.
2.1.3 Phân loại thủy vân
Thủy vân và kỹ thuật thủy vân tùy theo từng tiêu chí phân loại mà có thể đƣợc
chia thành nhiều loại khác nhau [E11, 12, 15].
1). Phân loại thủy vân theo miền nhúng:
Một trong những tiêu chí để phân loại là “miền nhúng” là nơi chứa thủy vân Ví
dụ, thủy vân có thể đƣợc thực hiện trong “miền không gian”. Một khả năng khác là
thủy vân trong “miền tần số”. Trong hình 2.3 trình bày khái quát một số loại thủy vân
khác nhau.

Hình 2.3: Các loại kĩ thuật thủy vân
2). Phân loại theo đối tượng được nhúng thủy vân:
Kĩ thuật thủy vân có thể đƣợc phân loại theo đối tƣợng đa phƣơng tiện cần nhúng
thủy vân nhƣ sau:
+ Thủy vân trên ảnh.
+ Thủy vân trên video.
+ Thủy vân trên âm thanh.
+ Thủy vân trên văn bản.
3). Phân loại thủy vân theo cảm nhận của con người:
Theo cảm nhận của con ngƣời, thủy vân có thể đƣợc chia làm ba loại khác nhau

nhƣ sau:
+ Thủy vân hiện.
+ Tthủy vân ẩn bền vững và thủy vân ẩn dễ vỡ.
+ Thủy vân ẩn và hiện đồng thời .
22


Thủy vân hiện hiển thị cho ngƣời xem thông tin về sản phẩm dƣới dạng các
hình mờ.
Thủy vân ẩn bền vững đƣợc nhúng bằng cách thay đổi trên điểm ảnh sao cho
hệ thống cảm giác của con ngƣời không thể nhận thấy và phải chịu đƣợc các thao
tác xử lý tín hiệu thơng thƣờng (đƣợc gọi là "tấn cơng") và nó chỉ có thể đƣợc phục
hồi với cơ chế giải mã thích hợp mà thơi.
Thủy vân ẩn dễ vỡ đƣợc nhúng theo cách mà bất kỳ biến đổi hay giả mạo đều
làm thay đổi hay phá hủy “thủy vân”.
Thủy vân đồng thời (dual watermark) là sự kết hợp giữa “thủy vân” ẩn và
“thủy vân” hiện.
Xét theo tính bí mật thủy vân bền vững đƣợc phân loại nhỏ hơn nhƣ sau:
- Lƣợc đồ “thủy vân” bí mật (private watermarking scheme):
Cần tới ảnh gốc để trích xuất “thủy vân”. Có hai loại lƣợc đồ thủy vân bí mật:
Loại 1: yêu cầu cả ảnh bị biến đổi và ảnh gốc khi trích xuất “thủy vân”.
Ảnh gốc đƣợc sử dụng để tìm kiếm vị trí “thủy vân” trong bức ảnh bị biến đổi.
Loại 2: trong đó yêu cầu một bản sao của “thủy vân” trong q trình trích
xuất và kiểm tra, mới có thể biết đƣợc “thủy vân” có ở trong bức ảnh cần kiểm
tra hay khơng.
Trong cả hai loại trên khi trích xuất “thủy vân” cần địi hỏi có chìa khóa bí
mật. Đối với loại thứ nhất thì chìa khóa bí mật ở đây là bức ảnh gốc, còn đối với loại
thứ hai chìa khóa bí mật là dữ liệu bí mật đƣợc sử dụng để nhúng vào bức ảnh (hay
nói cách khác đó là “thủy vân”).
- Lƣợc đồ “thủy vân nửa bí mật” (semi-private watermarking):

Khơng sử dụng ảnh gốc trong q trình xác định thủy vân. Tuy nhiên, lƣợc đồ
này chỉ đƣa ra thơng tin có sự hiện diện của thủy vân hay không.
- Lƣợc đồ “thủy vân” mù” (blind watermarking):
Trong lƣợc đồ này không yêu cầu ảnh gốc lẫn thủy vân đƣợc nhúng trong q
trình trích xuất thủy vân.
- Lƣợc đồ “thủy vân khố cơng khai” (public-key watermarking):
Cịn gọi là “thủy vân” bất đối xứng (asymmetric watermarking). Trong lƣợc
đồ này, chìa khóa để tìm kiếm và trích xuất “thủy vân” đƣợc cơng khai với mọi
ngƣời trái ngƣợc với thủy vân bí mật chìa khóa để tìm kiếm và trích xuất thủy vân là
chìa khóa bí mật. Biết đƣợc khóa cơng khai “khó” tính đƣợc khóa bí mật và khóa bí
mật đƣợc sử dụng để nhúng và loại bỏ thủy vân. Tuy nhiên trong những lƣợc đồ
đƣợc đề xuất cho đến nay chƣa có lƣợc đồ nào đảm bảo đƣợc tính chất trên.

23


2.1.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thủy vân
Hệ thống thủy vân bao gồm ít nhất hai quy trình sau [E14]:
- Quy trình nhúng thủy vân (watermark).
- Quy trình phát hiện / trích xuất thủy vân.
Ngồi ra tùy từng hệ thống thủy vân, cịn có thêm một số các quy trình khác. Các
quy trình có thể đƣợc xem xét một cách riêng biệt, đƣợc mô tả trong phần sau.
1). Tạo thuỷ vân
Thuỷ vân có thể là một hình ảnh dạng logo hay văn bản với độ dài cho trƣớc.
Thủy vân dạng ảnh có khả năng chống chịu trƣớc các phép xử lý ảnh tốt hơn nhiều
hơn so với thủy vân dạng ký tự. Thuỷ vân có thể đƣợc biến đổi (bằng mã hoá, chuyển
đổi định dạng), trƣớc khi giấu vào ảnh. Các thuật toán nhúng thuỷ vân dạng logo
đƣợc gọi là thuật toán thuỷ vân hợp nhất ảnh (image-fusion). Thuỷ vân dạng ảnh có
lợi ích là dễ dàng nhận biết về mặt trực giác và đƣa ra một chứng minh đúng đắn về
quyền sở hữu ảnh. Bình thƣờng sẽ có một khố bí mật K dùng để tăng tính bảo mật

cho dữ liệu đƣợc nhúng. Do tính bền vững đƣợc đảm bảo hơn nên thủy vân dạng ảnh
đƣợc sử dụng nhiều hơn.
Để tăng thêm tính an tồn và dung lƣợng, thì thủy vân trƣớc khi nhúng vào ảnh
mang có thể đƣợc mã hóa hay nén lại. Theo cơ chế này, đầu tiên thủy vân số sẽ đƣợc
nén lại để lƣợng dữ liệu thủy vân có thể tăng lên, sau đó đƣợc mã hóa để tăng tính bảo
mật cho thơng tin trƣớc khi đƣợc giấu vào trong ảnh mang. Tuy nhiên, giải pháp này
làm tăng độ phức tạp của bài tốn phát hiện thủy vân.
2). Qui trình nhúng thủy vân
Hình 2.4 trình bày và giải thích q trình nhúng thủy vân cho ảnh tĩnh. Trong
đó, Ảnh gốc đƣợc kí hiệu bằng I, “thủy vân” đƣợc kí hiệu bởi W, hình ảnh chứa
“thủy vân” là IW và K là khóa nhúng. Hàm nhúng EMB có đầu vào là ảnh gốc I,
“thủy vân” W và khóa K và tạo ra một ảnh mới có chứa thủy vân mới thể hiện bằng
IW.
Khóa nhúng K là thực sự cần thiết cho việc nâng cao khả năng bảo mật của hệ
thống “thủy vân” . Trƣớc q trình nhúng, hình ảnh gốc có thể đƣợc chuyển đổi sang
miền tần số hoặc nhúng có thể đƣợc thực hiện biến đổi sang miền không gian. Miền
đƣợc chọn phụ thuộc vào việc lựa chọn kỹ thuật “thủy vân”. Nếu quá trình nhúng
đƣợc thực hiện trong miền tần số, biến đổi nghịch đảo đƣợc áp dụng để thu đƣợc hình
ảnh chứa “thủy vân”. Biểu thức toán học cho hàm nhúng có thể đƣợc thể hiện nhƣ
sau:
Đối với kỹ thuật biến đổi theo miền không gian:
Emb(I,W,K) = IW
(1.1)
24


Đối với kỹ thuật biến đổi theo miền tần số:
Emb(f,W,K) = IW
(1.2)
Trong đó f là vectơ hệ số cho phép biến đổi.

Hình 2.4 Quy trình nhúng thủy vân
Khi thu đƣợc hình ảnh chứa “thủy vân” và đƣợc lƣu trữ hoặc truyền qua các kênh
truyền thơng thì có thể xảy ra các cuộc tấn cơng (hình ảnh Ir đƣợc tạo ra).
3). Trích xuất và tìm kiếm thủy vân
Hình 2.4 trình bày và giải thích quy trình phát hiện/trích xuất ảnh tĩnh. Một hàm
phát hiện Dtc có đầu vào là hình ảnh Ir có chức năng xác định quyền sở hữu sản phẩm.
Các hình ảnh Ir có thể chứa “thủy vân” hoặc khơng chứa “thủy vân”. Trong trƣờng
hợp tổng qt, hình ảnh có thể bị biến đổi. Hàm phát hiện có khả năng khôi phục
“thủy vân” We từ bức ảnh hoặc kiểm tra có sự hiện diện của “thủy vân” W trong bức
ảnh đã cho Ir hay khơng. Trong q trình này hình ảnh gốc I cũng có thể đƣợc u
cầu, phụ thuộc vào lƣợc đồ “thủy vân” đƣợc lựa chọn.
Biểu thức tốn học cho thủ tục trích xuất “mù” (blind extraction – trích xuất
khơng sử dụng ảnh gốc I ) cụ thể nhƣ sau:
Dtc(Ir,K) = W
(1.3)
Biểu thức toán học cho thủ tục trích xuất “ khơng mù” (non-blind extraction –
trích xuất có sử dụng ảnh gốc I ) cụ thể nhƣ sau:
Dtc(Ir,I,K) = We
(1.4)
Thuật tốn phát hiện thủy vân “mù” có đầu ra là một giá trị nhị phân cho biết có
sự hiện diện của “thủy vân” W hay khơng. Bởi vậy, có thể giả sử:
Dtc(Ir,K) =

Nếu có thủy vân.
Nếu khơng có thủy vân.

Trong lƣợc đồ tách thủy vân phải đƣợc trích xuất một cách chính xác, nguyên
mẫu. Lƣợc đồ trích xuất “thủy vân” có thể chứng minh quyền sở hữu, trong khi lƣợc
đồ phát hiện “thủy vân” chỉ có thể xác nhận có sự hiện diện của thủy vân hay không.

25