Thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạcc

Lý do chọn đề tài: Thuỷ vân số là phương pháp nhúng một lượng thông tin nào đó vào một sản phẩm đa phương tiện cần được bảo vệ quyền sở hữu mà không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng c

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài:

Thuỷ vân số là phương pháp nhúng một lượng thông tin nào đó vào

một sản phẩm đa phương tiện cần được bảo vệ quyền sở hữu mà không làm

ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của sản phẩm Thuỷ 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 hoá Thuỷ vân phải

tồn tại bền vững với sản phẩm và phải không được loại bỏ bằng bất kì những

tấn công có chủ đích hay không chủ đích nào trừ khi phá huỷ 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 multimedia 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 đã biết, thông tin số được sử dụng rộng rãi trong một

môi trường mở: tài nguyên được phân phối, đa người dùng và đa truy cập

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 thuỷ vân số (digital watermarking)

Giải pháp này tuy mới được đưa ra nhưng đã nhận được sự quan tâm rất lớn

của các nhà khoa học và đã có rất nhiều những nghiên cứu trong lĩnh vực thuỷ

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 thuỷ vân số đang được nghiên cứu bao gồmbảo vệ bản quyền, in vân tay, nhận thực thông tin, phát hiện xuyên tạc, điềukhiển truy cập và giấu thông tin mật

Thuỷ vân trên ảnh số là một trong những kỹ thuật được phát triển sớmnhất trong các kỹ thuật thuỷ vân nói chung Thuỷ vân trên ảnh số giống nhưmột ảnh được “dán tem” sở hữu của người chủ Thuỷ vân phải mang thông tin

có ý nghĩa xác định duy nhất người được sở hữu ảnh đó

Việc thủy vân có thể thực hiện trực tiếp trên các điểm ảnh hoặc trênmiền biến đổi của ảnh Hiện tại, người ta đã sử dụng các phép biến đổi rờirạc như phép biến đổi Fourier (DFT), phép biến đổi cosine (DCT) và phépbiến đổi sóng nhỏ (DWT) Các kỹ thuật thủy vân dựa vào DCT và DWT đãđược một số tác giả nghiên cứu và chứng tỏ khá bền vững trước những tấncông thông thường

Từ những phân tích trên và trong khuôn khổ của một luận văn thạc sỹ,

tác giả thực hiện đề tài “Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc (DWT)"

II Nội dung nghiên cứu:

1 Mục tiêu nghiên cứu:

- Tìm hiểu một số kỹ thuật thuỷ vân bảo vệ bản quyền cho các bức ảnh

- Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổisóng nhỏ rời rạc.

- Các công cụ lập trình và phần mềm dùng để cài đặt các lược đồ nhúng

và giải thuỷ vân trên ảnh số

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu các tài liệu có liên quan về thuỷ vân ảnh

- Tìm hiểu và phát hiện các vấn đề trong thực tế, so sánh đánh giá và đưa

ra các giải pháp

- Cài đặt thử nghiệm trên những cải tiến được đưa ra

5 Các kết quả dự kiến đạt được:

- Kết quả nghiên cứu, tìm hiểu và phát hiện những yêu cầu và thách thứctrong thực tế đối với vấn đề kỹ thuật thuỷ vân ảnh số nói chung và dựavào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc nói riêng

- Phát triển và cải tiến các kỹ thuật thuỷ vân ảnh số nhằm nâng cao độbền vững của thuỷ vân trong ảnh và giảm mức độ ảnh hưởng của thuỷvân đối với chất lượng của ảnh

- Chương trình thử nghiệm thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi DWT

III Bố cục của luận văn:

Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật giấu tin và thuỷ vân trên ảnh số.

1 Tổng quan về các kỹ thuật giấu tin

2 Những yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh số

3 Những tấn công trên hệ thuỷ vân

4 Những ứng dụng chủ yếu của thuỷ vân

Chương 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc

1 Phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc

2 Các thuật toán thủy vân ảnh dựa vào phép biến đổi sóng nhỏrời rạc

3 Một số cải tiến, mở rộng đối với các thuật toán thủy vân dựa vàophép biến đổi sóng nhỏ rời rạc

Chương 3: Thiết kế và phát triển chương trình thuỷ vân thử nghiệm.

1 Cài đặt một số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi sóngnhỏ rời rạc

2 Cài đặt một số cải tiến đối với thuật toán thủy vân dựa vào phépbiến đổi sóng nhỏ rời rạc

3 Đánh giá và so sánh các kết quả đạt được

NỘI DUNG Chương 1:

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN

VÀ THUỶ VÂN TRÊN ẢNH SỐ1.1 Tổng quan về các kỹ thuật giấu tin:

1.1.1 Khái niệm giấu tin:

Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, đặc biệt là sự bùng nổcủa Internet và các phương tiện multimedia mang lại nhiều thuận lợi nhưnglại xẩy ra những vẫn nạn như ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy cậpthông tin trái phép…đang ra tăng, đòi hỏi không ngừng tìm các giải pháp mớihữu hiệu đảm bảo cho sự an toàn và bảo mật thông tin Nhiều phương phápbảo vệ thông tin đã được đưa ra trong đó giải pháp dùng mật mã được ứngdụng rộng rãi nhất Thông tin ban đầu được mã hoá và gửi đi, người nhậnđược sẽ giải mã thông tin nhờ khoá của hệ mật mã Có nhiều hệ mã phức tạpđược sử dụng như DES, RSA, NAPSACK…mang lại nhiều hiệu quả cao Bêncạnh đó một phương pháp được sử dụng mang lại nhiều lợi ích tối ưu đó là kỹthuật giấu tin (DataHiding)

Vậy kỹ thuật giấu tin là gì?

Giấu tin là kỹ thuật nhúng (emberdding) một lượng thông tin số nào đóvào trong một đối tượng dữ liệu số khác Một trong những yêu cầu cơ bản củagiấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làmảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc

Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mã hoáthông tin làm cho các thông tin hiện rõ là nó có được mã hoá hay không, giấu

tin thì lại khác, người ta khó phát hiện trong đối tượng đó có được giấu thôngtin hay không.

1.1.2 Mục đích của việc giấu thông tin.

Tính năng an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu tin được thểhiện ở hai khía cạnh:

Một là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu (embedded), thông tin mật đượcgiấu kỹ trong đối tượng khác sao cho người khác không phát hiện được

Hai là bảo vệ cho chính đối tượng được dùng để giấu tin (host data),như ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin(watermarking)…

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 “thủy 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 mụcđích trang trí và phân biệt được xuất xứ của sản phẩm giấy

Trong kỹ thuật giấu tin mật, thông tin cần giấu được gọi là thông điệp(thuyvan), trong kỹ thuật thuỷ vân số thì gọi là thuỷ vân (watermark) Thuỷvân có thể là một chuỗi các ký tự hay một hình ảnh logo nào đó

Ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân là đảm bảo an toàn dữ liệucho đối tượng được sử dụng để giấu tin như: bảo vệ bản quyền, chống xuyêntạc, nhận thực thông tin…Mỗi ứng dụng có yêu cầu riêng và tính chất riêng,

do đó có các kỹ thuật thuỷ vân cũng có những tính năng khác biệt tương ứng.Thuỷ vân được chèn vào trong dữ liệu đa phương tiện nhưng đảm bảo khôngcảm thụ được, nghĩa là chỉ làm thay đổi nhỏ dữ liệu gốc Thuỷ vân số(Watermarking) là tập hợp các dữ liệu số thứ cấp - gọi là water (mã đánh dấubản quyền) được nhúng vào dữ liệu sơ cấp (như text, image, video, ) Dữ liệusau quá trình nhúng được gọi là dữ liệu nhúng Tanaka(1990), Caronni và

Tirkel (1993) lần lượt đưa ra những ấn bản đầu tiên về watermarking nhưngchưa nhận được sự quan tâm đúng mức Mãi đến năm 1995, chủ đề này mớibắt đầu được quan tâm và kể từ đó, watermarking số đã phát triển rất nhanhvới nhiều hướng nghiên cứu và phương pháp thực hiện khác nhau

Một mẫu cơ bản về quy trình thủy vân và tìm lại thuỷ vân:

Hình 1.1: Sơ đồ nhúng thuỷ vân và tìm lại thuỷ vân

- Quy trình thuỷ vân:

Dữ liệu đưa vào là ảnh chủ và đối tượng dùng để nhúng vào ảnh(watermark), watermark có thể ở bất kỳ dạng nào như chữ số, văn bản hayhình ảnh Khoá có thể được dùng để tăng cường tính bảo mật, ngăn chặnnhững kẻ không có bản quyền khôi phục hay phá huỷ watermark Sau đóbằng cách sử dụng kỹ thuật thuỷ vân để nhúng watermark vào ảnh chủ ta thuđược ảnh sau khi nhúng Ảnh sau khi nhúng có thể nhìn thấy watermark (thuỷvân hiện) hoặc không nhìn thấy watermark (thuỷ vân ẩn) Ảnh sau khi thuỷ

Ảnh chủ

Xuyên tạc (tấn công )

Ảnh sau thuỷ vân

Khoá

Chữ ký ,

hình

ảnh, text

vân có thể bị những tấn công bên ngoài có chủ đích hoặc không có chủ đíchnhưn nén ảnh, xuyên tạc ảnh,……

- Quy trình tìm lại thủy vân:

Dữ liệu vào là ảnh đã được thuỷ vân, khoá và dữ liệu gốc (có thể cóhoặc không tuỳ thuộc vào phương pháp tìm thuỷ vân) Dữ liệu ra làwatermark khôi phục được hoặc đại lượng nào đó chỉ ra mối tương quan giữawatermark thu đựơc và watermark cho trước ở dữ liệu vào Ta so sánh giữawatermark trước khi nhúng và watermark khôi phục để chứng thực bản quyềncủa sản phẩm

RobustCopyright markingThuỷ vân bền vững

FragileWatermarkingThuỷ vân “dẽ vỡ”

Imperceptible

Watermarking

Thuỷ vân ẩn

VisibleWatermarkingThuỷ vân hiện

Thuỷ vân “dễ vỡ” (fragile Watermarking) là kỹ thuật nhúng thuỷ vânvào trong ảnh sao cho khi phân bố sản phẩm trong môi trường mở nếu cóphép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thuỷ vân đã đượcgiấu trong đối tượng sẽ bị thay đổi (dễ vỡ) Các kỹ thuật thuỷ vân có tính chấtnày được sử dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin (authentication) vàphát hiện xuyên tạc thông tin (tamper detection) Ví dụ như để bảo vệ chốngxuyên tạc một ảnh nào đó ta nhúng một thuỷ vân vào ảnh sau đó lưu truyền,quảng bá ảnh đó Khi cần kiểm tra lại ảnh ta sử dụng hệ thống đọc thuỷ vân,nếu không đọc được thuỷ vân hoặc thuỷ vân đã bị sai lệch nhiều so với thuỷvân ban đầu đã nhúng vào ảnh thì có nghĩa là có thể ảnh đó đã bị thay đổi.Nhưng ở đây ta gặp một vẫn đề là phải phân biệt giữa sai lệch thuỷ vân doxuyên tạc và sai lệch do lỗi đường truyền.

Thuỷ vân bền vững (Robust Copyright Marking) có nghĩa là thông tindấu trong sản phẩm sẽ không bị thay đổi khi thay đổi sản phẩm gốc Thuỷ vânđược nhúng trong sản phẩm như một hình thức dán tem bản quyền, thuỷ vântồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm đổi hayphá huỷ thuỷ vân Muốn xoá bỏ thuỷ vân bền vững chỉ có một cách duy nhất

là phá huỷ sản phẩm Các kỹ thuật thuỷ vân bền vững thường được sử dụngtrong các ứng dụng bảo vệ bản quyền

Thuỷ vân bền vững được chia làm hai loại là thuỷ vân ẩn(Imperceptible Watermarking) và thuỷ vân hiện (Visible Watermarking).Thuỷ vân ẩn là thuỷ vân được nhúng vào sản phẩm nhưng bằng mắt thường takhông thể nhìn thấy được, với những kỹ thuật thuỷ vân tốt thì ảnh trước vàsau khi nhúng thuỷ vân gần như không có gì khác biệt Trong vấn đề bảo vệbản quyền thì người chủ sở hữu hợp pháp sẽ tách thuỷ vân đã được giấu trongsản phẩm bị đánh cắp ra làm bằng chứng chứng thực bản quyền của sảnphẩm Còn thuỷ vân hiện là thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và người

dùng có thể nhìn thấy, khi đó thông tin bản quyền được hiện ngay trên sảnphẩm, ví dụ như các logo, các biểu tượng… Các thuỷ vân hiện trên ảnhthường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chấtlượng ảnh gốc.

Ví dụ về thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện khi thực hiện với 2 bức ảnh sau:

Hình 1.3.1: Ảnh chủ Hình 1.3.2: Ảnh thuỷ vân

(watermark) Hình 1.3: Thuỷ vân

Trong trường hợp thuỷ vân ẩn ta thu được kết quả

Hình 1.4: Ảnh thu được khi dùng kỹ thuật thuỷ vân ẩn

Trong trường hợp thuỷ vân hiện ta thu được kết quả sau:

Hình 1.5: Ảnh thu được khi dùng kỹ thuật thuỷ hiện

1.1.4 Môi trường giấu tin.

Kỹ thuật giấu tin được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều môi trường

dữ liệu khác nhau như trong dữ liệu đa phương tiện (text, image, audio,…),trong các sản phẩm phần mềm và gần đây là những hướng nghiên cứu trênmôi trường cơ sở dữ liệu quan hệ Trong các môi trường dữ liệu đó thì dữ liệu

đa phương tiện là môi trường chiếm tỷ lệ chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin

Giấu tin trong ảnh là một trong nhứng hướng nghiên cứu được nhiềungười quan tâm và chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng.Giấu tin trong ảnh đóng vai trò hết sức quan trọng đối với hầu hết các ứngdụng bảo vệ an toàn thông tin như nhận thực thông tin, xác định xuyên tạcthông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật…

Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ítthay đổi và không ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ýnghĩa Việc giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều ứng dụng trong nhiềulĩnh vực đời sống xã hội Ví dụ trong các dịch vụ ngân hàng và tài chính ởmột số nước phát triển, thuỷ vân được sử dụng để nhận diện khách hàng trongcác thẻ tín dụng Mỗi khách hàng có một chữ ký viết tay, sau đó chữ ký này

được số hoá và lưu trữ trong hồ sơ khách hàng Chữ ký này sẽ được sử dụngnhư là thuỷ vân để nhận thực thông tin khách hàng Trong các thẻ tín dụng,chữ ký tay được giấu trong ảnh của khách hàng trên thẻ Khi sử dụng ngườidùng đưa thẻ vào hệ thống, hệ thống có gắn thiết bị đọc thuỷ vân trên ảnh vàlấy được chữ ký số đã nhúng trong ảnh Thuỷ vân được lấy ra và so sánh vớichữ ký số đã lưu trữ xem có trùng hợp không, từ đó xác định nhận thực kháchhàng.

Một số những ứng dụng về nhận diện thẻ chứng minh, thẻ căn cước, hộchiếu…Người ta có thể giấu tin trên ảnh thẻ để xác định thông tin thực Ví dụthông tin giấu trong ảnh thẻ có thể là số thẻ, khi khách hàng đưa thẻ vào hệthống, hệ thống sẽ tách số thẻ ở trong ảnh thẻ ra và so sánh xem có trùng với

số đã được in trong thẻ hay không, từ đó nhận diện thẻ khách hàng

Một số ứng dụng về bảo vệ bản quyền của tác giả cho những bức ảnh.Trước khi lưu truyền và quảng bá bức ảnh, tác giả nhúng vào trong bức ảnh

đó một thông tin nào đó để khi có sự tranh chấp về bản quyền tác giả thìthông tin đem nhúng chính là bằng chứng để bảo vệ bản quyền Thông tinđem nhúng có thể là ngày sinh của tác giả, chữ ký của tác giả, tên tác giả……hoặc là logo hay một bức ảnh nhỏ Thông tin đem giấu phải rõ ràng, dễ nhậndiện vì khi lấy lại thông tin đem giấu trong bức ảnh có thể không đựoc rõ nétgiống như thông tin trước khi giấu, khi đó ta chỉ có thể so sánh được nhữngnét cơ bản của thông tin thu được với thông tin gốc trước khi giấu

2.2 Những yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh số:

2.2.1 Yêu cầu chung.

Hệ thuỷ vân số trên ảnh cũng là một hệ giấu tin nên cũng có một số đặcđiểm và tính chất giống như giấu tin trong ảnh như:

- Phương tiện chứa là ảnh hai chiều tĩnh

- Thuỷ vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làmthay đổi kích thướng ảnh

- Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào tính chất của hệ thống thị giác conngười

- Khi giải tin có thể cần ảnh gốc

2.2.2 Yêu cầu riêng.

Kỹ thuật thuỷ vân số còn có một số đặc trưng phân biệt với kỹ thuậtgiấu tin mật như sau:

2.2.2.1 Thông tin trong ảnh có thể bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào trên ảnh?

Tính chất này có trong kỹ thuật giấu tin mật nhưng đối với kỹ thuậtthuỷ vân thì tính chất này chỉ có trong loại thuỷ vân “dễ vỡ” Còn đối với loạithuỷ vân “bền vững” thì lại yêu cầu thông tin trong ảnh chống lại được nhữngphép biến đổi thông thường trên ảnh

2.2.2.2 Thuỷ vân ẩn hay thuỷ vân hiện?

Đối với giấu tin mật thì yêu cầu thông điệp đem giấu phải ẩn bên trongảnh sao cho mắt thường không nhìn thấy được, còn thuỷ vân số thì lại có hailoại là thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện Thuỷ vân ẩn thì mắt thường không nhìnthấy được, nó được sử dụng với mục đích gài bí mật các thông tin trong ảnh

để xác nhận chủ quyền của bức ảnh Thuỷ vân hiện thì cho phép nhìn thấythông tin đem nhúng vào, nó được sử dụng cho mục đích công bố công khai

về chủ quyền sở hữu

2.2.2.3 Tính chất bền vững.

Đây là tính chất quan trọng nhất của hệ thuỷ vân bền vững Nghĩa là hệthuỷ vân phải chống lại được các phép biến đổi, hay tấn công có chủ đíchhoặc không có chủ đích lên thuỷ vân

2.2.2.4 Thuỷ vân cái gì?

Thông tin gì được giấu bên trong ảnh?

Thông thường để bảo vệ bản quyền tác giả thì người ta hay nhúng vàotrong ảnh một chuỗi ký tự mang những thông tin về tác giả như tên tác giả,tiêu đề, ngày tháng năm,….Tuy nhiên chuỗi ký tự lại bị một hạn chế là mỗi

ký tự được biểu diễn bằng nhiều bit, nếu một bit bị lỗi thì sẽ làm sai cả chuỗi

ký tự và chỉ cần một phép biến đổi đơn giản như phép biến đổi JPEG cũng cóthể làm cho thuỷ vân bị sai lệch rất nhiều

Ví dụ thuỷ vân dòng chữ “IBM” vào bức ảnh

Hình 1.6.1: Ảnh chủ Hình 1.6.2: Text thuỷ

vân (watermark) Hình 1.6: Thuỷ vân dòng Text vào ảnh chủ

Kết quả thu được:

Hình 1.7: Kết quả thu được khi thực hiện thuỷ vân

Thông tin nhúng trong ảnh có thể lại là một bức ảnh nhỏ, khi giải tin thìmột số điểm ảnh có thể bị sai nhưng hình tổng thể sẽ đựơc giữ nguyên Do đókhi lựa chọn ảnh làm thuỷ vân phải lựa chọn những bức ảnh đơn giản, dễnhận dạng, ví dụ như logo,…

Ví dụ về thuỷ vân một bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ

Hình 1.8: Kết quả thu được khi thuỷ vân bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ

Thông tin nhúng trong ảnh có thể là một chuỗi bit sinh ngẫu nhiên theomột luật phân phối xác suất nào đó, sau đó áp dụng các lí thuyết xác suấtthống kê để chứng thực thuỷ vân.

Trong các loại thuỷ vân thì thuỷ vân ẩn và bền vững được quan tâmnghiên cứu nhiều hơn vì nó có nhiều ứng dụng lớn Đây cũng là tính chấtquan trọng đang được nghiên cứu nhưng đây cũng lại là mấu chốt của sự phứctạp vì hai thuộc tính này mâu thuẫn với nhau Sự mâu thuẫn này được thể hiện

ở chỗ:

+ Để đảm bảo tính chất ẩn thì thủy vân phải được giấu ở những vị trí ít

có ý nghĩa tri giác nhất, ít bị chú ý nhất

+ Để đảm bảo tính chất bền vững thì thuỷ vân phải chịu được nhữngphép xử lý ảnh phổ biến như dịch chuyển ảnh hay nén JPEG Ví dụ, trongphép nén JPEG sẽ loại bỏ ở ảnh những thông tin ít có tính tri giác nhất để làmgiảm kích thước của ảnh nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng ảnh Khi đónhững dữ liệu thuỷ vân nằm trong vùng này sẽ bị mất đi hoặc bị biến đổi sailệch hoàn toàn Với tính chất phức tạp của yêu cầu cho một hệ thuỷ vân,chúng ta sẽ tìm hiểu những giải pháp kỹ thuật thuỷ vân đã được đưa ra củacác nhà khoa học trên thế giới

1.3 Những tấn công trên hệ thuỷ vân:

Phương pháp thủy vân phải chống lại một số phép xử lý ảnh thôngthường (ví dụ như lỗi khi ảnh truyền đi, nén ảnh, ) và một số tấn công có chủđích nhằm xuyên tác, phá hoại bức ảnh Trong thực tế thì thủy vân phải cânđối giữa tính bền vững với các tính chất khác như lượng thông tin dấu, tínhẩn…Dựa trên yêu cầu thực tế của ứng dụng, người ta sẽ lựa chọn phươngpháp thủy vân thích hợp nhất

Từ những biến đổi có chủ đích hay không có chủ đích đã biết với hệthủy vân mà ta có thể phân biệt thành hai nhóm xuyên tạc sau: Một là các

biến đổi xem như là nhiễu với dữ liệu, hai là làm mất tính đồng bộ để khôngthể lấy tin ra được

Một vài phép biến đổi thường gặp:

- Biến đổi tín hiệu: Làm sắc nét, thay đổi độ tương phản, màu,

- Nhiễu cộng, nhiễu nhân,…

- Lọc tuyến tính

- Nén mất thông tin

- Biến đổi affine cục bộ hoặc toàn cục

- Giảm dữ liệu: Cropping, sửa histogram

- Chuyển mã (gif  Jpeg)

- Chuyển đổi tưong tự - số

- Thuỷ vân nhiều lần

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp thuỷ vân là đảm bảo đủ tính bềnvững sao cho các tấn công không làm cho giá trị thương mại của ảnh gốc bịảnh hưởng

1.4 Những ứng dụng chủ yếu của thuỷ vân:

Bảo vệ bản quyền tác giả (Copyright protection)

Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số, một dạng củaphương pháp dấu tin Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tácgiả được nhúng vào trong sản phẩm (ảnh, âm thanh, video ), thuỷ vân đó chỉ

có một mình người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được làmminh chứng cho bản quyền sản phẩm Để bảo vệ các sản phẩm chống lại hành

vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền”vào sản phẩm này Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phảiđảm 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 bềnvững cùng với sản phẩm, muốn huỷ bỏ thuỷ vân mà không được phép củangười chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm.

Nhận thực thông tin và phát hiện xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection)

Một tập thông tin sẽ được giấu trong sản phẩm, sau đó các thông tinnày sẽ được tách ra khỏi sản phẩm và so sánh với thông tin ban đầu Nếuthông tin ban đầu và thông tin thu được sau khi tách trùng với nhau thì chứng

tỏ sản phẩm không bị xuyên tạc, thay đổi Nếu thông tin ban đầu và thông tinthu được sau khi tách có sự khác biệt thì chứng tỏ sản phẩm đó đã bị thay đổi,xuyên tạc Trong trường hợp này các thuỷ vân thường có dạng ẩn để trách sự

tò mò, phát hiện của đối phương, nếu có bị lộ thì khó làm giả hay xuyên tạcthông tin Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị tríxuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi của sản phẩm gốc là doxuyên tạc nội dung hay đó chỉ là do nén mất dữ liệu, hay mất dữ liệu do lỗitrên đường truyền

Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao vàthuỷ vân không cần bền vững

Lăn tay hoặc dán nhãn (fingerprinting or labeling).

Thuỷ vân trong những ứng dụng này được sử dụng để nhận diện ngườigửi hay nhận một thông tin nào đó Ví dụ như các vân khác nhau sẽ đượcnhúng vào các bản copy khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển chonhiều người Với những ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn caocho các thuỷ vân, tránh bị xoá hoặc thay đổi trong quá trình phân phối

Kiểm soát sao chép (copy control)

Các thuỷ vân trong các trường hợp này được sử dụng để kiểm soát saochép không hợp lệ đối với các sản phẩm kỹ thuật số Các thiết bị phát hiện

thuỷ vân (ở đây sử dụng phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà khôngcần thông tin gốc) được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi, tuỳ thuộc vàoviệc có thuỷ vân hay không để điều khiển (cho phép/cấm) truy cập.Ví dụ như

hệ thống quản lý sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật

Các ứng dụng loại này yêu cầu thuỷ vân phải được bảo đảm an toàn

Truyền thông tin mật (Steganography):

Các thông tin được giấu trong những trường hợp này càng nhiều càngtốt Việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện chứathông tin gốc

Chương 2:

KỸ THUẬT THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO

PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ RỜI RẠC (DWT)

2.1 Phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc:

Đây là phép biến đổi mới nhất được áp dụng cho ảnh số Ý tưởng củaDWT cho tín hiệu một chiều như sau:

Tín hiệu được chia thành 2 phần, phần tần số cao và phần tần số thấp.Đối với nhiều tín hiệu, phần nội dung có tần số thấp chứa những thông tinquan trọng nhất - những đặc tính nhận dạng Trái lại, phần nội dung có tần sốcao chỉ mang sắc thái của tín hiệu Bởi vậy, trong biến đổi sóng nhỏ, người tathường nói về các phần gần đúng (approximations) và các phần tiểu tiết(details) của tín hiệu Phần gần đúng là những thành phần có tỷ lệ cao (high-scale) nhưng có tần số thấp của tín hiệu Phần tiểu tiết là những thành phần có

tỷ lệ thấp nhưng có tần số cao của tín hiệu

Để tách một tín hiệu thành hai phần như trên, người ta dùng hai bộ lọc

bù nhau Bộ lọc thứ nhất gọi là low-pass filter chỉ cho phép các thành phần cótần số thấp đi qua Bộ lọc thứ hai gọi là high-pass filter chỉ cho phép cácthành phần có tần số cao đi qua Quá trình lọc ở mức cơ bản nhất có dạng nhưsau:

Hình 2.1 Lọc theo tần số thấp và cao