Nghiên cứu các giải pháp bảo vệ bản quyền cho ảnh số dựa trên miền tần số

Giấu dữ liệu có thể chia thành nhiều loại khác nhau theo các cách khác nhau: - Phân loại theo nguồn giấu thì có 4 dạng giấu dữ liệu: + Giấu dữ liệu trên Text + Giấu dữ liệu trên ảnh +

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN CHO

ẢNH SỐ DỰA TRÊN TẦN SỐ

LuËn V¨n Th¹c SÜ Khoa Häc

NGHIÊN C ỨU CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN CHO ẢNH SỐ

D ỰA TRÊN MIỀN TẦN SỐ

LÊ THANH NGUY ỆT

CHUYÊN NGÀNH: XỬ LÍ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Hµ Néi - 2005

LuËn V¨n Th¹c SÜ Khoa Häc

NGHIÊN C ỨU CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN CHO ẢNH SỐ

D ỰA TRÊN MIỀN TẦN SỐ

LÊ THANH NGUY ỆT

CHUYÊN NGÀNH: XỬ LÍ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS – TS NGUY ỄN THỊ HOÀNG LAN

Hµ Néi - 2005

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới cô giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình xây

dựng và phát triển bài toán

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo khoa Công Nghệ Thông tin, cũng như các thầy, cô giáo trong và ngoài trường đã trang bị cho tôi những kiến thức cơ bản để tôi hoàn thành luận văn như ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn các bạn trong và ngoài lớp đã động viên và đóng góp nhiều ý kiến xây dựng chương trình

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ biết ơn đến những người thân đã dành cho tôi

sự quan tâm hết mực và luôn động viên tôi

Học viên Lê Thanh Nguyệt

MỤC LỤC MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN 4

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING 6

1.1 Khái niệm Watermarking (đánh dấu ẩn) 6

1.2 Kiến trúc chung của Watermarking 7

1.3 Các tính chất của Watermarking 9

1.3.1 Tính bền vững 10

1.3.1.1 Các mức độ bền vững của Watermarking trong các ứng dụng 11

1.3.1.2 Nhận định đặc điểm của kẻ tấn công 12

1.3.2 Tính che dấu 21

1.3.2.1 Các yếu tố về thị giác ở mức thấp 22

1.3.2.2 Các nhân tố ở mức cao 23

1.3.3 Tính hiệu quả 25

1.4 Các hướng tiếp cận đánh dấu ẩn 25

1.4.1 Giới thiệu 25

1.4.1.1 Chọn vùng nhúng dấu ẩn 26

1.4.1.2 Chọn miền đánh dấu ẩn 27

1.4.1.3 Chọn kiểu nhúng dấu ẩn 28

1.4.1.4 Chọn kiểu tách dấu ẩn 29

1 4.2 Nhóm các kỹ thuật đánh dấu ẩn trên miền không gian ảnh 30

1.4.3 Nhóm các kỹ thuật đánh dấu ẩn trên miền tần số ảnh 31

1.4.3.1 Đánh dấu ẩn ảnh trong miền DCT 32

1.4.3.2 Đánh dấu ẩn ảnh trong miền DWT 33

1.4.3.2 Đánh dấu ẩn ảnh trong miền DWT 35

CH ƯƠNG II: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬTWATERMARKING TRÊN MIỀN BIẾN ĐỔI DCT 37

2.1.Thuật toán nhúng dấu ẩn 37

2.1.1 Chuẩn bị dữ liệu 38

2.1.2 Hoán vị giả ngẫu nhiên watermark W 38

2.1.3 Hoán vị các khối của ảnh W và X 39

2.1.4 Biến đổi cosin rời rạc ảnh X (DCT) 42

2.1.5 Chọn lựa các hệ số trung tần 42

2.1.6 Nhúng các bít ảnh của W vào các hệ số trung tần của Y r 43

2.1.6.1 Nhúng trong mối quan hệ giữa các khối lân cận 43

2.1.6.2 Nhúng trong mối quan hệ địa phương của mỗi khối 47

2.1.7 Ánh xạ Y r ∧ vào Y để thu được Y∧ 50

2.2 Thuật toán tách thông tin nhúng 50

2.2.1 Biến đổi khối 50

2.2.2 Tạo ra mẫu chênh lệch 50

2.2.3 Tách dữ liệu được hoán vị 50

2.2.4 Đảo hoán vị dựa trên khối 51

2.2.5 Đảo ngược hoán vị ngẫu nhiên 51

2.3 Chứng minh tính đúng đắn của thuật toán 51

2.4 Xây dựng giải pháp thực hiện 53

CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM 57

3.1 Môi trường cài đặt 57

3.2 Nhóm các khối (module) nạp và lưu ảnh 57

3.3 Nhóm các khối (module) thực hiện việc Watermarking 58

3.4 Đánh giá kết quả 61

KẾT KUẬN 63

PHỤ LỤC 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1 Hình 1.1 Mô hình đầy đủ về kiến trúc chung của quá trình đánh dấu

bản quyền(Watermarking) 7

Hình 1.2 Tổng quát quá trình nhúng dấu bản quyền 8

Hình 1.3 Tổng quát quá trình khôi phục dấu bản quyền 9

Hình 1.4.Trọng tâm của ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng) 14

Hình 1.5.Trọng tâm của ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng) 14

Hình 1.6 Phương của ảnh Hoa.bmp thỏa mãn m1,2+ m3,0 = 0 17

Hình 1.7 Biểu diễn độ chói 21

Hình 1.8 Sơ đồ tổng quát mô tả các kỹ thuật đánh dấu cho ảnh 25

Hình 1.9 Phương pháp đánh dấu ẩn trên miền không gian 30

Hình 1.10 Minh hoạ các hệ số của biến đổi DCT 32

Hình 2.1 Ví dụ sự hoán vị dựa trên khối 38

Hình 2.2 Bảng lượng tử hóa độ chói 43

Hình 2.3.Tổng quát hoá qúa trình nhúng dấu ẩn 50

Hình 2.4 Quá trình nhúng dấu ẩn 52

Hình 2.5 Quá trình tách dấu ẩn 53

Hình 3.1 Ảnh trước và sau khi nhúng đơn dấu ẩn không nén, không cắt 56

Hình 3.2 Ảnh trước và sau khi nhúng đa dấu ẩn không nén, không cắt 57

Hình 3.3 Ảnh trước và sau khi nhúng đa dấu ẩn nén JPEG, không cắt 58

Hình 3.4 Ảnh trước và sau khi nhúng đơn dấu ẩn chịu nén JPEC, cắt 59

LỜI MỞ ĐẦU

Do sự tăng trưởng nhanh và rộng rãi của công nghiệp chế tác điện tử,

dữ liệu ngày nay có thể được phân phối nhanh hơn và dễ dàng hơn

Bên cạnh đó, những bước ngoặt mới của công nghệ thông tin nên các phương thức trao đổi dữ liệu trên các hệ thống mạng đang được rất nhiều người sử dụng Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin thế giới, nghành công nghệ thông tin nước ta cũng có rất nhiều bước tiến triển đáng kể Các ứng dụng về mạng đặc biệt là mạng Internet đang ngày càng được sử dụng nhiều

Gần đây, các phòng trưng bày và bảo tàng nghệ thuật cũng như các phòng tranh của tư nhân và của bản thân họa sĩ đều rất quan tâm tới vấn đề bán tác phẩm nghệ thuật qua mạng Các máy quét hình và màn hình màu sẵn

có cùng với phần mềm xử lý ảnh đã làm cho quá trình chuyển đổi ảnh màu truyền thống sang ảnh màu kỹ thuật số đa xử lý đã trở thành một nhiệm vụ đơn giản Khi đã ở dạng kỹ thuật số, việc lớn mạnh trong cơ sở hạ tầng cho thương mại điện tử có thể được khai thác nhằm vươn tới được khối lượng khách hàng tiềm năng khổng lồ qua mạng Tuy nhiên, yếu điểm của phương pháp này nảy sinh từ thực tế là với công nghệ hiện đại, ảnh kỹ thuật số có thể được tái sản xuất đơn giản, nhanh chóng và không hề tốn kém

Do vậy, việc bảo vệ bản quyền và chống xâm phạm trái phép các dữ liệu đa phương tiện gặp rất nhiều khó khăn Nhiều kỹ thuật đã được ra đời để giải quyết vấn đề này Một trong những giải pháp quan trọng nhất là mã hoá thông tin Cryptorgraphy, mã hoá thông tin Cryptorgraphy(Encryption) đã được áp dụng để triệt phá vấn nạn trên, tức là sử dụng một thuật toán nào đó

chuyển thông tin thành các mã vô nghĩa, sau đó gửi nó đi thông qua mạng Nhận được bản mã đó và khóa, người nhận tiến hành giải mã để thu được thông tin gốc Đã có rất nhiều những thuật toán mã hoá phức tạp được sử dụng như DES, RSA, NAPSACK Tuy nhiên một thông điệp bị mã hoá dễ gây ra sự chú ý và một khi thông tin mã hoá bị phát hiện thì các tin tặc sẽ tìm mọi cách để giải mã Và cuộc chạy đua giữa những người giải mã và bọn tin tặc vẫn chưa kết thúc tuyệt đối về bên nào Một công nghệ mới phần nào giải quyết được những vấn đề khó khăn trên là giấu thông tin trong các nguồn đa phương tiện Steganography và Watermarking là hai dạng đặc biệt của vấn đề

ẩn giấu thông tin chung Xét theo khía cạnh tổng quát thì dấu thông tin cũng

là một hệ mã mật nhằm đảm bảo tính an toàn thông tin nhưng phương pháp này có ưu điểm là giảm được khả năng phát hiện ra sự tồn tại của thông tin trong các nguồn mang Không giống như mã hoá thông tin là để chống sự truy cập và sửa chữa một cách trái phép thông tin, mục tiêu của giấu thông tin là làm cho thông tin trở nên vô hình hay không nghe thấy được đối với đối phương Điều này sẽ đánh lừa được sự phát hiện của các tin tặc và do đó sẽ làm giảm khả năng bị giải mã

Steganography đại diện cho những kĩ thuật cho phép truyền dữ liệu bí mật bằng cách nhúng hay ẩn thông tin bí mật vào trong dữ liệu không bị nghi ngờ khác Các phương pháp Steganography thường dựa vào giả thiết về sự tồn tại của sự giao tiếp bí mật mà bên thứ ba không biết, sử dụng trong giao tiếp điểm-điểm giữa những thành viên thực sự tin cậy Những phương pháp Steganography nhìn chung không bền vững, có nghĩa là thông tin ẩn có thể không khôi phục lại được sau khi dữ liệu bị sửa đổi

Watermarking có thêm những chú ý về tính bền vững Ngay cả khi biết được sự tồn tại của thông tin ẩn, những kẻ tấn công cũng rất khó phá huỷ những dấu ẩn được nhúng Ngay cả khi những nguyên lý thuật toán của

phương pháp đánh dấu ẩn là công khai Trong lĩnh vực mật mã được biết đến như luật Kerkhoffs, một hệ thống mật mã an toàn cho dù kẻ tấn công biết được nguyên lý và phương pháp mã hoá thì cũng không thể có được khoá giải

mã thích hợp Một liên quan thực tế đòi hỏi tính bền vững là những phương pháp Watermarking có thể nhúng lượng thông tin vào trong dữ liệu chủ ít hơn các phương pháp Steganography Steganography và Watermarking là hai phương pháp bổ sung cho nhau Tóm lại, như trong [13] đối với Watermarking thì thông tin giấu phải rõ ràng vì dữ liệu chủ tất nhiên là có giá trị Điều này ngược hẳn với “Steganography” trong đó dữ liệu chủ không mang giá trị gì

Mục đích của luận văn là tìm hiểu một số giải pháp giấu tin vào ảnh

số, sau đó nghiên cứu, cài đặt một giải pháp áp dụng phép biến đổi Cosine rời rạc( DCT- Discrete Cosine Transformation) nhằm mục đích bảo vệ bản quyền cho ảnh đó Dưới góc độ của người nghiên cứu tin học, và mục đích của luận văn này tôi chọn, đi sâu nghiên cứu kỹ thuật Watermarking áp dụng cho ảnh số

Nội dung của luận văn gồm phần mở đầu và 3 chương chính: Chương

1, trình bày tổng quan về kỹ thuật đánh dấu tin, khái niệm đánh dấu tin, các yêu cầu của một thuật toán đánh dấu tin phải đạt được, các ứng dụng của kỹ thuật đánh dấu tin, cuối cùng là các trường hợp tiếp cận giải quyết Chương 2, Phương pháp áp dụng phép biến đổi DCT cho đánh dấu tin bền vững Chương

3, Chọn ngôn ngữ thể hiện thuật toán, môi trường làm việc của chương trình,

tổ chức thực hiện chương trình, cuối cùng giới thiệu các kết quả và hạn chế trong việc sử dụng thuật toán đã chọn Kết luận, phụ lục, tài liệu tham khảo ở cuối luận văn nêu rõ các tài liệu được sử dụng trong luận văn

CH ƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING

1.1 Khái niệm Watermarking(đánh dấu ẩn)

Theo truyền thống, một bức tranh được ký bởi họa sĩ để chứng nhận bản quyền, một thẻ căn cước được đóng dấu bằng con dấu để tránh sự giả mạo, và tiền giấy được nhận dạng bởi chân dung người được chạm nổi Mỗi loại chữ ký tay, con dấu, còn được gọi là Watermark(W) hay dấu ẩn

Watermarking là kỹ thuật đánh dấu ẩn từ vài bít tới vài nghìn bít( có thể là bất

cứ cái gì ví dụ như số, ID,logo ) trực tiếp vào nội dung thông tin khác, theo một cách nào đó để người quan sát bình thường không cảm nhận được, nhưng

dễ dàng được phát hiện bởi các chương trình máy tính Lợi thế thiết yếu của watermarking là nội dung thông tin được giấu không thể tách rời khỏi tệp dữ liệu môi trường

Thuật ngữ Đánh dấu ẩn - Digital Watermarking đã ra đời từ năm 1993

do Tirkel khởi xướng Trên thực tế, thuật ngữ Watermark đã tồn tại từ khá lâu, khoảng thế kỷ 15 người ta đã biết tạo ra các tờ giấy có in chìm các con linh vật để người đọc có thể biết xuất xứ của chúng Đánh dấu ẩn thời bấy giờ

là đánh dấu ẩn cơ học Sở dĩ nói như vậy là do dấu ẩn được gắn lên những đồ vật cụ thể Ý nghĩa của việc làm này là tạo một dấu "trong suốt" lên vật phẩm, dấu này không thể xoá được và cũng không dễ bắt chước, chỉ những người chủ đích thực của vật phẩm này mới có thể tạo được các dấu này Ngày nay, dấu ẩn cơ học vẫn còn được dùng như các hoa văn in chìm trong các văn bản quan trọng, trong tiền, hộ chiếu, vv Với sự phát triển của công nghệ số và Internet, ý nghĩa của thuật ngữ đánh dấu được mở rộng đối với các dữ liệu số

Thuật ngữ Watermark đã được thay thế bởi Digital Watermarking , tuy mục

đích không thay đổi nhưng kỹ thuật đánh dấu ẩn số đã có những khác biệt cơ bản

Giấu dữ liệu có thể chia thành nhiều loại khác nhau theo các cách khác nhau:

- Phân loại theo nguồn giấu thì có 4 dạng giấu dữ liệu:

+ Giấu dữ liệu trên Text

+ Giấu dữ liệu trên ảnh

+ Giấu dữ liệu trên File audio

+ Giấu dữ liệu trên File video

- Phân loại theo tính ẩn của Watermarking thì có 2 dạng giấu dữ liệu:

+ Giấu dữ liệu có thể nhìn thấy

+ Giấu dữ liệu không thể nhìn thấy

Trong luận văn này sử dụng phương pháp giấu dữ liệu không thể nhìn thấy

1.2 Kiến trúc chung của Watermarking

Mô hình đầy đủ về kiến trúc chung của Watermarking được trình bày trong hình 1.1

Các tấn công

Khóa bí mật K

Quá trình tách

Hình 1.1 Mô hình đầy đủ về kiến trúc chung của quá trình đánh

dấu bản quyền(Watermarking)

Thông tin bản quyền(I)

Nhìn vào sơ đồ chúng ta thấy có ba vấn đề chính trong thiết kế dấu ẩn

Thiết kế dấu W để thêm vào dữ liệu chủ Dấu ẩn phụ thuộc vào một khoá bí mật K và thông tin bản quyền I

W=f0(I, K) Cũng có thể W phụ thuộc vào dữ liệu chủ X mà nó được nhúng

W=f0(I, K, X) Thiết kế một phương pháp nhúng hợp nhất tín hiệu W vào trong dữ liệu chủ X hình thành dữ liệu được đánh dấu Y

Y=f1(X, W) Thiết kế phương pháp trích chọn tương ứng để khôi phục những thông tin dấu

ẩn từ hỗn hợp tín hiệu sử dụng khoá cùng với sự trợ giúp của tín hiệu gốc

Î=g(X, Y, K) Hoặc không có trợ giúp của tín hiệu gốc

Î=g(Y, K) Hai vấn đề đầu, thiết kế và nhúng tín hiệu dấu ẩn thường được xem như là một, đặc biệt trong các phương pháp dấu ẩn được nhúng là dữ liệu chủ tương ứng Cụ thể:

Watermarked Data

Watermarking Watermark

Secret/Public Key

Hình 1.2 Tổng quát quá trình nhúng dấu ẩn

Hình 1.2 là sơ đồ tổng quát đối với quá trình nhúng Đầu vào là một Watermark, dữ liệu chủ và khoá tuỳ chọn hoặc khoá bí mật Dữ liệu chủ có thể nén hoặc không nén, phụ thuộc vào ứng dụng Khoá là bí mật hoặc công khai được sử dụng để đảm bảo an toàn Đầu ra của sơ đồ đánh dấu ẩn được thay đổi, có nghĩa là dữ liệu chủ được đánh dấu ẩn

Hình 1.3 minh hoạ quá trình khôi phục dấu ẩn Đầu vào là dữ liệu được đánh dấu, khoá công khai hay khoá bí mật phụ thuộc vào phương pháp, dữ liệu gốc hay dấu ẩn gốc Đầu ra của quá trình khôi phục có thể là dấu ẩn được khôi phục hoặc một loại độ đo nào đó có độ tin cậy chỉ ra sự giống nhau như

thế nào đối với dấu ẩn cho trước ở đầu vào được biểu diễn trong dữ liệu

1.3 Các tính chất của Watermarking

Có một số đặc tính quan trọng mà một W cần phải có Đó là khả năng chống lại tấn công sau các biến dạng thông thường của môi trường, khả năng chống lại tấn công, có thể cùng tồn tại với những W khác, và yêu cầu một thuật toán tốt theo nghĩa độ phức tạp tính toán nhỏ, nhất là giai đoạn khôi phục thông tin

Và đặc biệt, nếu an toàn có nghĩa là sự bí mật của những thông tin nhúng được yêu cầu thì một hay một vài khoá an toàn để đảm bảo bí mật phải được sử dụng cho quá trình nhúng và tách Ví dụ trong nhiều phương pháp, những tín hiệu giả ngẫu nhiên được nhúng như những dấu ẩn

Watermark

or confidence

recovery Watermark

Secret/Public Key

Hình 1.3 Tổng quát quá trình khôi phục dấu ẩn

Trong trường hợp này, sự mô tả và hạt nhân của bộ phận phát sinh số giả ngẫu nhiên có thể được sử dụng như là khoá Sự quan trọng của những đặc tính này nói chung phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể Sau đây là phần trình bày cho những tính chất chung đó

1.3.1 Tính bền vững

Trong thực tế đối với bất kỳ một phương pháp đánh dấu ẩn nào, tính bền vững cũng là một trong những vấn đề chính, đó là khả năng chống lại sự biến đổi dữ liệu xảy ra do các tấn công và quá trình xử lý dữ liệu chuẩn Quá trình

xử lý dữ liệu chuẩn bao gồm tất cả những sửa chữa thay đổi dữ liệu mà dữ liệu có thể trải qua trong chuỗi phân phối như: soạn thảo, in ấn, nâng cấp, chuyển đổi khuôn dạng “Tấn công” là những thao tác trên dữ liệu với mục đích làm hỏng, phá huỷ hay gỡ bỏ những dấu ẩn được nhúng

Mặc dù có thể thiết kế những kỹ thuật đánh dấu ẩn bền vững, nhưng cũng cần chú ý rằng dấu ẩn chỉ bền vững khi nó không được công khai, có nghĩa là mọi người không thể nhìn thấy nó Trước tiên, chúng ta đề cập tới các mức độ yêu cầu của tính bền vững trong nhiều ứng dụng khác nhau và phân loại các dạng tấn công mà giải thuật đánh dấu ẩn phải thể hiện được tính bền vững

1.3.1.1 Các mức độ bền vững của Watermarking trong các ứng dụng

Trong [8], tác giả đã phân biệt mức độ thể hiện tính bền vững thực theo yêu cầu đối với bốn dạng ứng dụng: xác nhận giá trị, kiểm soát dữ liệu, lấy dấu tay và bảo vệ bản quyền Trong ứng dụng về xác nhận giá trị, chỉ có một

số dạng tấn công và cụ thể là kỹ thuật nén đơn giản được xem xét Vì trong ứng dụng này mục đích là xem được ảnh đó có thật hay không, và phá huỷ được Watermark khi thao tác dữ liệu Kiểm soát dữ liệu cần tới tính bền vững cao hơn Những ứng dụng này đòi hỏi sự dò tìm về các giao dịch hoặc lưu trữ

đa phương tiện điển hình cho mục đích quảng cáo Ở đây, Watermark phải chịu được nén và sửa đổi định dạng Trong hai dạng đầu tiên, chỉ cần tới Watermark 1 bit vì ở đây chỉ cần quyết định được có cần hay không cần tới Watermark

Ứng dụng lấy dấu tay, liên kết thiết bị nhận dạng Watermark đa phương tiện với bản thân phương tiện đó bằng cách nhập vào ID duy nhất của người sử dụng và ID duy nhất của tài liệu vào phương tiện truyền thông đó Việc này tạo ra cơ chế để tìm ra dấu vết từ bản in lậu cho tới cá nhân in lậu

nó Thực tế, đã cho thấy một hình ảnh có thể được bán cho nhiều người, nhu cầu là phải nâng cao khả năng cho ứng dụng này Ở đây cần số bit vừa đủ để

hệ thống được nhận dạng duy nhất đối với mỗi ảnh bán đi Đòi hỏi về tính bền vững cũng ở mức cao vì Watermark phải chịu được quá trình xử lý số liệu cũng như các tấn công cố ý nhằm sao chép của những người muốn xoá bỏ Watermark

Tương tự, bảo vệ bản quyền cũng đòi hỏi tính hiệu quả khoảng 60 - 100 bit trong một hệ thống thương mại điển hình và cũng đòi hỏi tính bền vững cao Ngoài việc chịu được với quá trình xử lý dữ liệu và tấn công cố ý, Watermark bảo vệ bản quyền phải có khả năng chống lại các Watermark phức tạp do những người in lậu chèn thêm để tạo ra tình huống khóa chết trong đó người chủ thực sự của hình ảnh trở nên nhập nhằng (khó phân biệt)

1.3.1.2 Nhận định đặc điểm của kẻ tấn công

Như chúng ta đã thấy, tùy thuộc vào các loại ứng dụng, có một yêu cầu khả năng bền vững nhất định để chống lại các tấn công chủ ý hay không chủ ý loại bỏ Watermark Những dạng tấn công này có thể chia thành 4 loại như đã nêu trong [6]

Dạng tấn công thứ nhất gồm những loại tấn công đơn giản, không làm

thay đổi mặt hình học của ảnh và không lợi dụng các thông tin quan trọng của Watermark Ví dụ, những biện pháp này không xử lý Watermark như nhiễu, nhưng lại giả định rằng Watermark và dữ liệu chủ là không thể tách rời được Các loại tấn công ở dạng này bao gồm các bộ lọc file, nén JPEG và nén trong miền wavelet, bổ sung nhiễu, lượng tử hóa, biến đổi số sang tương tự, cải tiến, cân bằng lược đồ Histogram, hiệu chỉnh gama Các dạng tấn công này nhằm làm giảm khả năng phản ứng của thiết bị dò tìm bằng cách tăng nhiễu liên quan tới Watermark

Dạng tấn công thứ hai dạng tấn công này không làm mất dấu ẩn trong

ảnh nhưng sẽ làm mất đồng bộ giữa ma trận giá trị ảnh với ma trận ngẫu nhiên theo luật sinh đã định trước Do vậy, mặc dù dấu ẩn trong ảnh vẫn tồn tại, nhưng không thể tách được dấu ẩn ra khỏi ảnh Một số biến đổi hình học thường gặp là: xoay ảnh, thay đổi tỷ lệ ảnh, xén bớt ảnh Để bảo vệ ảnh trước hình thức tấn công này, người ta đã đưa ra một số phép biến đổi đặc biệt để có thể khôi phục lại hình dạng của ảnh về trạng thái ban đầu trước khi tiến hành tách dấu ẩn

 Xoay ảnh

Để có thể khôi phục lại vị trí góc xoay ảnh, ta sử dụng khái niệm moment ảnh Đối với ảnh tự nhiện, các giá trị độ chói thuộc miền ảnh là liên tục và đối với ảnh số, các giá trị đó là rời rạc Ta coi một ma trận dữ liệu ảnh

là một tấm phẳng có trọng lượng phân bố không đều, phân bố này là liên tục hoặc rời rạc tuỳ theo ảnh là ảnh tự nhiên hay ảnh số Công thức tính trọng lượng của tấm phẳng có phân bố liên tục như sau:

Với f(x,y) là các giá trị liên tục thuộc miền D Đối với tấm phẳng phân

bố rời rạc, công thức tính trọng lượng là :

với x và y là chỉ số của ma trận I, M và N là kích thước của ma trận Do

ta chỉ xét với ảnh số nên sẽ chỉ đề cập tới các công thức đối với tấm phẳng phân bố rời rạc Công thức (1.2) được gọi là moment cấp 0 của ảnh Tương

tự, moment cấp 1 của ảnh số được tính theo công thức sau:

0 1 0

1 0

Hình 1.4.Trọng tâm của ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng)

Hình 1.5.Trọng tâm của ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng)

Hình 1.4 và hình 1.5 là các thử nghiệm trong VisuaC++6.0 đánh dấu trọng tâm của cùng một ảnh trước và sau khi xoay đi một góc 300 Ta thấy rằng vị trí tương đối của trọng tâm (dấu “+”) không thay đổi trong cả hai ảnh Công thức tính moment cấp 3 của ảnh như sau:

2 2

y x

yI x m

y x

I x m

2 0

y x

I y m

3 3

N y

I y

x y

=

1

2

1 2

Sau khi biến đổi ta được :

( )

2 1

2 3

2 1 2

3 0

3

2 2

1

2

2

, ,

' ,

'

,

cos.sin

cos.sin.sin

cos.sin.cos

sin.cos

m m

m m

m

θθ

θθ

θ

θθθ

θθ

+

−

+

−+

x m

3 0

Sau khi biến đổi ta được :

3 0

3 1

2 2

2 1

2 0

3

3 0

3

3

3

, ,

, ,

'

,

.sin

cos

sin

cos.sin

cos

m m

m m

m

θθ

θ

θθθ

+

++

Xét công thức (1.18), nếu

3 0 1 2

0 3 2 1

, ,

, ,

tancos

sin

m m

m m

0 3 2 1

, ,

, ,

arctan

m m

m m

của ảnh tại phương này có đặc điểm là:

0

0 3 3

1, +m , =

Phương trình (1.19) chỉ thoả mãn với điều kiện moment cấp 3 của các vị trí xoay ảnh khác nhau được tính với một gốc toạ độ có vị trí tương đối không

đổi Toạ độ này ta có thể chọn là toạ độ trọng tâm của ảnh Hình 2.4 là minh hoạ trọng VisuaC++6.0 phương không đổi của ảnh Hoa.bmp thoả mãn m1,2+

0 3 2 1

, ,

, ,

arctan

m m

m m

này

 Thay đổi tỷ lệ ảnh

Ảnh sau khi đánh dấu ẩn có thể bị phóng to, hay thu nhỏ lại và gây nên mất đồng bộ quá trình nhúng và tách dấu ẩn Để bảo vệ ảnh chống lại hình thức tấn công này, ta quy định ảnh trước khi nhúng dấu ẩn phải là ảnh có kích thước hai chiều bằng nhau và sau khi nhúng dấu ẩn, ta lưu lại giá trị moment

Hình 1.6 Phương của ảnh Hoa.bmp thỏa mãn m 1,2 + m 3,0 = 0

cấp 0 của ảnh (m0,0) Gọi γ là hệ số tỷ lệ giữa chiều cao ly và chiều rộng lx của ảnh sau khi bị tác động thay đổi tỷ lệ Ta có:

;'

,

,

0 0

00 00

0 0

m

m b

đã trình bày Đề xuất đưa ra trong [2] là thay vì tìm trọng tâm không đổi của

toàn bộ vùng ảnh, ta đi tìm trọng tâm của miền cục bộ trên ảnh Thuật toán tìm trọng tâm như sau:

* Khởi tạo tìm điểm trọng tâm ban đầu C0, điểm này là trọng tâm của toàn bộ miền ảnh

* Xác định bán kính r và tìm trọng tâm C1 của miền hình tròn tâm C0, bán kính r

* Trọng tâm C1 tiếp tục được dùng để tính trọng tâm C2 của miền hình tròn bán kính r, tâm C1 Quá trình này được lặp cho tới khi Cn = Cn – 1 với Cn

và Cn-1 là toạ độ trọng tâm tại bước lặp thứ n và n-1

Áp dụng cách làm như trên cho cả quá trình nhúng và tách dấu ẩn ta luôn tìm được toạ độ trọng tâm và phương ban đầu không đổi trong cả trường hợp ảnh bị cắt xén Ngoài ra việc đánh dấu ẩn cũng sẽ được áp dụng chỉ đối với miền hình tròn bán kính r tìm được trong thuật toán kể trên

Thậm chí còn nhiều dạng tấn công tinh vi hơn như trình bày trong [3]

Ở đây, ảnh bị bóp méo bên trong mà không bị nhận diện bằng cách uốn cong

và lấy mẫu Mục đích chính của dạng tấn công này nhằm làm cho Watermark không thể đọc được ngay cả khi nó vẫn thể hiện trên ảnh đã được biến đổi

Loại tấn công thứ ba gọi là “tấn công nhập nhằng” Mục đích nhằm tạo

ra một khóa chết trong đó không thể biết được đó là ảnh gốc hay không Ví dụ như kẻ sao chép sẽ chèn thêm vào một Watermark khác bằng cách copy Trong [7], tác giả đã đưa ra sơ đồ khái niệm về hệ thống tạo Watermark không thể đảo ngược và đã chứng minh rằng trong những hoàn cảnh nhất định

có thể tạo ra một bản gốc giả mạo Điều này đã tạo ra tình huống khóa chết trong đó chương trình không thể xác định đâu là người chủ thực sự của ảnh

Một dạng tấn công khác trong loại này được gọi là “tấn công sao chép”

Trong đó, kẻ tấn công dự tính một Watermark từ một ảnh và thêm Watermark

đó vào một ảnh khác để tạo ra một ảnh có gắn Watermark

Dạng tấn công cuối cùng được đề cập là “tấn công loại bỏ” Đây là

dạng tấn công tinh vi nhất vì chúng tận dụng các kiến thức ưu việt của lĩnh

vực đánh dấu ẩn, chúng sẽ cố đoán Watermark và xóa đi Watermark đó mà

không cần làm suy biến phương tiện truyền thông chủ Ví dụ như các tấn công

thông đồng để cố gắng có được dự đoán đúng Watermark từ một số ảnh có

nhúng Watermark như trong [5]

1.3.2.Tính che dấu

Một trong những yêu cầu chính đối với đánh dấu ẩn là tính trong suốt

với nhận thức Quá trình nhúng dữ liệu phải không thể hiện bất cứ những gì

mới được tạo ra trong dữ liệu chủ Tức Watermark phải không gây ra bất kỳ

sự chú ý không mong muốn nào cũng như không làm giảm chất lượng của tệp

dữ liệu chủ Trong một số bài báo các tác giả còn gọi tính chất này là

"imperceptible" (tính không cảm nhận được) Tuy nhiên nếu một tín hiệu ở

mức không cảm nhận được, thì những giải thuật nén có mất thông tin thường

có xu hướng loại bỏ chúng Vì mục tiêu của các giải thuật nén tiêu hao sẽ

giảm bớt dung lượng dữ liệu bằng cách loại bỏ những thông tin "thừa" theo

nghĩa cảm nhận, hay nói cách khác là chọn lọc các thông tin dựa vào hệ thống

thị giác con người Như vậy tín hiệu watermark cũng phải trải qua giai đoạn

nén và giải nén có tổn hao thông tin Nhưng nếu một Watermark cần được

phát hiện sau khi dữ liệu được giải nén cũng phải giống nhau

Hệ thống giải mã đã giảm thiểu sai số nhận biết qua HVS( Human

Vitual Systems) Hệ thống này được đề cập vì người ta thấy rằng sử dụng tiêu

chuẩn tỷ số tín hiệu trên nhiễu (PSNR) cao và tiêu chuẩn cho sai số giá trị

bình phương trung bình (MSE) không đủ để giảm méo hình do nén gây ra

Không giống như PSNR và MSE là những tiêu chuẩn toán học chung đơn thuần, hệ giải mã còn cố gắng tận dụng tính năng của HVS Hệ giải mã này đã cho thấy kết quả cải tiến rõ rệt qua các thuật toán nén trong khi hạn chế tối đa việc làm méo ảnh Ví dụ hệ thống nén JPEG đã lượng tử hóa hệ số DCT dựa trên bảng mã phản ánh tác động của mỗi hệ số DCT

Nghiên cứu gần đây tập trung về các mô hình giác quan đã kết hợp các yếu tố về thị giác ở mức thấp cũng như các thừa số ở mức cao hơn Cho tới đầu những năm 1990, hầu hết các công trình nghiên cứu đều quan tâm tới các thừa số ở mức thấp Sau đây là chi tiết các nhân tố ở mức thấp và tiếp đó xem xét tóm tắt các nhân tố ở mức cao mà chưa được sử dụng trong giải thuật đánh dấu ẩn

Hình 1.7 Biểu diễn độ chói

Cỏc tỏc giả đều thừa nhận rằng ở độ chúi cao, độ nhạy của HVS theo quy luật Weber trong đú k Weber

l

l =

δ ,với δl là mức thay đổi độ chúi của hỡnh

vuụng trung tõm và l là độ chúi của màu nền Tuy nhiờn, ở độ chúi thấp, Jayvant cho rằng HVS ớt nhạy hơn với nhiễu thỡ nhiều tài liệu khỏc lại cho rằng mắt HVS cú độ nhạy lớn hơn đối với nhiễu Cỏc tài liệu gần đõy đó vận

dụng quy luật DeVries-Rose ỏp dụng mức độ chúi thấp (điển hỡnh là < l th =

10 cd/m 2 ) trong đú núi rằng * kWeber

l

l l

l th

sử dụng cỏc băng tần khỏc nhau của một phộp biến đổi vớ dụ như DCT hay Wavelet

- Kết cấu: Kết cấu là thuật ngữ phản ỏnh sự lặp lại của cỏc phần tử sợi (texel)

cơ bản Sự lặp lại này cú thể là ngẫu nhiờn hay cú tớnh chu kỳ hoặc là gần chu

kỳ Kết cấu ảnh được phõn làm hai loại chớnh là loại thống kờ và loại cấu trỳc

1.3.2 2 Cỏc nhõn tố ở mức cao

Không giống như các nhân tố ở mức thấp các nhân tố ở mức cao yêu cầu phản hồi từ não Trong thực tế, gần đây rất nhiều sự chú ý đã đưa ra một

vấn đề để quyết định sự quan trọng của việc dành chỗ cho các vật thể tới các vùng trong ảnh Cuối cùng 8 nhân tố đã được định nghĩa trong [8]:

- Độ tương phản: Những vựng cú độ tương phản cao với đường biờn thu hỳt

sự chỳ ý của con người và chắc chắn cú vai trũ thị giỏc quan trọng hơn

- Kớch cỡ: Vựng lớn hơn sẽ được chỳ ý nhiều hơn với vựng nhỏ, tuy nhiờn điểm bóo hũa xảy ra khi tầm quan trọng về kớch cỡ khụng cũn giỏ trị

- Hỡnh dỏng: Cỏc vựng dài và mảnh (như phần biờn) được chỳ ý nhiều hơn vựng rộng

- Màu sắc: Một số màu đặc biệt (màu đỏ) thu hỳt sự chỳ ý nhiều hơn Ngoài

ra, hiệu quả rừ rệt hơn khi màu của vựng cú sự khỏc biệt hẳn so với màu nền

- Vị trớ: Con người thường tập trung chỳ ý vào vựng trung tõm của ảnh Điều này cú thể hoặc khụng quan trọng đối với ứng dụng tạo Watermark vỡ nú phải thoả món được cả trong trường hợp ảnh bị cắt xộn Khi điều này xảy ra thỡ vị trớ trung tõm cũng sẽ thay đổi

- Hỡnh nổi và hỡnh nền: Người quan sỏt thường thớch xem đối tượng trong phần hỡnh nổi hơn là hỡnh nền

- Con người: Nhiều nghiờn cứu đó cho thấy chỳng ta thường tập trung vào con người trong từng bối cảnh và đặc biệt là khuụn mặt, mắt, miệng và chõn tay

- Bối cảnh: Cử động mắt của người quan sỏt cú thể thay đổi đột ngột phụ thuộc vào sự hướng dẫn trước đú hoặc trong suốt quỏ trỡnh quan sỏt ảnh

Túm lại, tớnh bền vững cao thỡ tầm thể hiện của dấu ẩn càng cao càng tốt Vỡ vậy, thiết kế một phương phỏp đỏnh dấu ẩn luụn gắn liền với sự cõn bằng giữa khả năng che dấu và tớnh bền vững Điều đú sẽ tối ưu hoỏ việc nhỳng một dấu ẩn chỉ dưới ngưỡng nhận thức

1.3.3 Tính hiệu quả

Cuối cùng, Theo [8] tính hiệu quả đề cập tới khối lượng thông tin có thể chèn thêm vào ảnh Yêu cầu về tính hiệu quả cũng khác nhau vì không giống như “Steganography”, chỉ có một khối lượng nhỏ thông tin để giao tiếp bao gồm các thông tin nhận dạng về người mua và người bán Khối lượng thông tin này chỉ khoảng 100 bit

Việc thiết kế và tối ưu thông tin bằng các thuật toán là một quá trình cân đối giữa các yêu cầu mang tính đối lập nhau này

Tùy vào ứng dụng của watermarking và mục đích của ứng dụng, các yêu cầu khác nhau được đặt ra Nhưng yêu cầu thường gặp là tính không cảm nhận được và tính độc lập với mục tiêu ứng dụng

1.4 Các h ướng tiếp cận đánh dấu ẩn

1.4.1.Giới thiệu

Các thuật toán được áp dụng cho ảnh số chủ yếu là ảnh đa mức xám, tuy nhiên chúng cũng có thể được dùng để đánh dấu ẩn cho ảnh mầu bằng cách tách ra ma trận dữ liệu độ chói của ảnh mầu để áp dụng nhúng dấu ẩn

* Chọn các khu vực của ảnh để nhúng dấu ẩn: Thông thường, các vị trí được chọn là nơi có tần số cao (các biên ảnh), đó là nơi mà mắt người kém phân biệt được sự thay đổi của ảnh nhất,

* Chọn miền làm việc của thuật toán: Thuật toán nhúng dấu ẩn có thể được thực hiện trực tiếp trên ma trận dữ liệu ảnh, ta gọi là thuật toán nhúng dấu ẩn trong miền quan sát Trong trường hợp ảnh được biến đổi từ miền quan sát sang một miền khác trước khi áp dụng thuật toán nhúng dấu ẩn (ví dụ: biến đổi Fourier, Cosin, Wavelet), ta gọi là thuật toán nhúng dấu ẩn trong

miền DFT, DCT, DWT Dấu ẩn được nhúng vào các miền này sau đó ta tiến hành biến đổi ngược về miền quan sát để nhận được ảnh đã nhúng dấu ẩn

* Chọn cách nhúng dấu ẩn vào ảnh: Dấu ẩn có thể được nhúng bằng cách cộng trực tiếp vào các miền giá trị được chọn của ảnh hoặc thay đổi cách biểu diễn giá trị ảnh theo cách biểu diễn giá trị của dấu ẩn

* Chọn cách tách dấu ẩn ra khỏi ảnh: Do năng lượng của dấu ẩn được nhúng vào ảnh rất nhỏ so với năng lượng của toàn bộ dữ liệu ảnh nên việc tách dấu ẩn ra khỏi ảnh giống như tách tín hiệu trong miền truyền thông chứa rất nhiều nhiễu Hình 1.8 là sơ đồ tổng quát mô tả các kỹ thuật đánh dấu cho ảnh

1.4.1.1 Chọn vùng nhúng dấu ẩn

Dưới góc độ về độ cảm nhận đối với ảnh thì mắt người kém nhậy với các

bề mặt gồ ghề hơn so với các bề mặt mịn trên ảnh Nói cách khác, nếu bề mặt

gồ ghề trên ảnh có một chút ít thay đổi thì mắt người cũng không phân biệt được, trái lại nếu có sự thay đổi trên bề mặt mịn của ảnh thì ta sẽ nhận ra ngay Dựa trên đặc tính này, các thuật toán đánh dấu ẩn đều chọn vùng có bề mặt gồ ghề để nhúng dấu ẩn Trong trường hợp ảnh được biến đổi trong miền

Các kỹ thuật đánh dấu ẩn

Chọn

vị trí đánh dấu ẩn

Chọn miền đánh dấu ẩn

Chọn kiểu nhúng dấu ẩn

Chọn kiểu tách dấu ẩn

Hình 1.8 Sơ đồ tổng quát mô tả các kỹ thuật đánh dấu cho ảnh

tần số thì các bề mặt gồ ghề tương ứng với các tần số cao Tần số càng cao thì các đường biên tương ứng trên ảnh càng sắc nét Tuy nhiên trên thực tế người

ta không chọn các vùng có tần số cao nhất của ảnh để nhúng dấu ẩn Nguyên nhân chính là các vùng tần số cao trong ảnh thường bị làm tròn về zero ở bước lượng tử hoá trong nén ảnh mất mát thông tin như Jpeg, Jpeg2000 Để đảm bảo tính bền của dấu ẩn được nhúng vào ảnh, vùng được chọn là vùng có tần số trung bình

1.4.1.2 Chọn miền đánh dấu ẩn

Cách đơn giản nhất để đánh dấu ẩn cho ảnh là chọn miền quan sát để đánh dấu ẩn Tuy nhiên như đã trình bày trong mục trên nếu nhúng dấu ẩn trong miền quan sát thì rất khó tách ra các vùng ảnh có tần số trung bình để nhúng dấu ẩn và khi phải nhúng dấu ẩn trên toàn bộ vùng ảnh, dấu ẩn sẽ làm giảm đi một cách đáng kể độ trung thực của ảnh Để khắc phục nhược điểm trên, người ta thường tiến hành biến đổi ảnh sang miền tần số trước khi nhúng dấu ẩn Những ưu điểm cơ bản của nhúng dấu ẩn trong miền tần số là:

* Giữ được độ trung thực của ảnh sau khi nhúng dấu ẩn( đảm bảo tính trong suốt của dấu ẩn)

* Đảm bảo tính bền của dấu ẩn qua các biến đổi ảnh thông thường như nén ảnh, lọc cải thiện ảnh …v.v…

Do dự tồn tại của hai phương pháp nén ảnh phổ biến hiện nay là Jpeg và Jpeg2000 nên miền DCT và DWT hay được dùng để nhúng dấu ẩn

1.4.1.3 Chọn kiểu nhúng dấu ẩn

Hầu hết các thuật toán nhúng dấu ẩn đều dùng phương pháp cộng trực tiếp dấu ẩn lên các hệ số thuộc miền tần số Dấu ẩn ở đây thường là một ma trận nhị phân biểu diễn ký hiệu nào đó Trong nhiều trường hợp ma trận nhị phân được lấy ra từ logo hay ảnh của chữ ký tay thông qua Scaner Để tăng tính mật của dấu ẩn, người ta thường mã hoá ma trận nhị phân trước khi nhúng vào ảnh Các bước mã hoá được tiến hành như sau:

* Sắp xếp lại ma trận nhị phân thành vector

* Xây dựng ma trận ngẫu nhiên có giá trị thuộc miền {-1, 1} Kích thước của ma trận trùng với kích thước của ma trận của miền giá trị ảnh sẽ được nhúng dấu ẩn

* Số lượng ma trận ngẫu nhiên bằng với số lượng các phần tử trong véc

tơ dấu ẩn Mỗi ma trận ngẫu nhiên sẽ được nhân với giá trị bit tương ứng của véc tơ dấu ẩn

* Luật sinh của ma trận ngẫu nhiên được coi là khoá bí mật cho việc tạo

ký hiệu ảnh trước khi nhúng vào ảnh Để đồng bộ quá trình nhúng dấu ẩn và tách dấu ẩn ra khỏi ảnh thì luật sinh ma trận ngẫu nhiên cho quá trình nhúng

và tách dấu ẩn là giống nhau

Sau khi tạo xong các ma trận ngẫu nhiên của dấu ẩn, chúng sẽ được nhúng vào miền giá trị chọn trước của ảnh

Ngoài cách nhúng dấu ẩn theo phương pháp cộng trực tiếp người ta còn

sử dụng một cách nhúng dấu ẩn khác, đó là biểu diễn lại các giá trị của ảnh theo luật giá trị của ma trận dấu ẩn Tuy nhiên, cách này ít được sử dụng do

việc biểu diễn lại các giá trị của ảnh sẽ làm cho ảnh sau khi được nhúng dấu

ẩn không đảm bảo sự trung thực

1.4.1.4 Chọn kiểu tách dấu ẩn

Tuỳ theo cách lựa chọn miền áp dụng thuật toán khi tiến hành nhúng dấu

ẩn mà giải thuật tách dấu ẩn ra khỏi ảnh sẽ có những đặc thù riêng Tuy nhiên, các kỹ thuật tách dấu ẩn có những bước tiến hành tổng quát như sau:

* Ảnh có dấu ẩn sẽ được biến đổi vào miền tần số nào đó tương ứng với miền tần số khi nhúng dấu ẩn (có thể không phải biến đổi trong trường hợp đánh dấu ẩn trong miền quan sát)

* Chọn khoá bí mật tương ứng với quá trình nhúng dấu ẩn để sinh ra các

ma trận ngẫu nhiên thuộc miền {-1, 1} Kích thước của các ma trận này trùng với kích thước của miền chứa dấu ẩn

* Đối với mỗi ma trận ngẫu nhiên, do được sinh ra bởi cùng một luật sinh nên nó sẽ cộng hưởng với ma trận giá trị ảnh theo một mức giá trị nào đó (0 hoặc 1 tương ứng với giá trị của véc tơ dấu ẩn sẽ được tách ra) Giá trị cộng hưởng này được tính theo công thức quan hệ (*) Với w(i) là giá trị quan

hệ tại chỉ số thứ i của ma trận ngẫu nhiên (giá trị này sẽ được quyết định là 0 hay 1 căn cứ vào ngưỡng đánh giá quan hệ của bước tiếp theo) P là ma trận ngẫu nhiên theo luật sinh ở trên I là ma trận miền giá trị ảnh chứa dấu ẩn M

và N là kích thước của miền giá trị ảnh

N j j

M i

N

j i j i j

I

I P i

(*)

* Tiến hành chọn ngưỡng và quyết định giá trị quan hệ được tính theo công thức (*) thuộc 0 hoặc 1

* Chuyển vectơr dấu ẩn được tách ra thành ma trận hai chiều và so sánh với dấu ẩn nguyên bản để kết luận dấu ẩn được tách ra khỏi ảnh có hợp lệ hay không

Phương pháp tách dấu ẩn dựa trên việc tính quan hệ giữa ma trận giá trị ảnh như trên là một trong những phương pháp phổ biến nhất đối với tách dấu

ẩn Ngoài ra, còn một số phương pháp tách dấu ẩn khác dựa trên đặc tính ngẫu nhiên có trung bình 0 của miền giá trị chứa dấu ẩn của ảnh như miền DCT, DWT

Từ lời giới thiệu trên nói chung có hai hướng tiếp cận đánh dấu ẩn sau:

1.4.2 Nhóm các kỹ thuật đánh dấu ẩn trên miền không gian ảnh

Nhóm kỹ thuật này tập trung vào việc thay đổi trực tiếp lên không gian các điểm ảnh, sử dụng các mô hình tri giác và phương pháp hình học Kỹ thuật đánh dấu ẩn phổ biến và đơn giản nhất trong miền không gian là dùng các bít có ý nghĩa ít nhất (LSB) Quá trình nhúng bằng cách thay thế các bít LSB này của dữ liệu chủ với dữ liệu Watermark Quá trình tách Watermark

ngược với quá trình nhúng Trước đây, kỹ thuật LSB cũng đã được sử dụng như là một kỹ thuật mã hoá nhưng dùng mã hoá LSB để bảo vệ bản quyền không hiệu quả và hiện nay phương pháp này ít được sử dụng Khó khăn của

phương pháp này là các tấn công biết rằng tất cả các điểm ảnh đã được thay đổi Hình 1.9 là sơ đồ đánh dấu ẩn trong miền không gian sử dụng phương pháp thay thế bít LSB của Van Schydel [ST094]

Tuy nhiên, các kỹ thuật này chỉ đảm bảo được tính ẩn mà không có tính bền vững Phương pháp này thường được sử dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin, phát hiện xuyên tạc

1.4.3 Nhóm các kỹ thuật đánh dấu ẩn trên miền tần số của ảnh

1.4.3 Nhóm các kỹ thuật đánh dấu ẩn trên miền tần số ảnh

Các phép biến đổi ảnh sang miền tần số hay được áp dụng cho ảnh là: biến đổi Fourier, biến đổi Wavelet …v.v Một đặc tính quan trọng của dữ liệu miền tần số của ảnh là có thể chuyển đổi ngược không mất mát thông tin về không gian quan sát của ảnh và ta có thể sử dụng dữ liệu miền tần số để thực hiện nén ảnh Phương pháp nén ảnh phổ biến hiện nay là nén ảnh Jpeg, đây là phương pháp nén dữ liệu ảnh trong miền tần số nhờ phép biến đổi Cosin rời rạc (DCT) Nén ảnh Jpeg có ưu điểm là hệ số nén rất cao nhờ đặc tính phân

bố năng lượng tập trung của dãy biến đổi Cosin Ra đời sau nén ảnh Jpeg là nén ảnh Jpeg2000, sở dĩ có Jpeg2000 đó là do các hạn chế của ảnh Jpeg trong việc mở rộng khả năng ứng dụng Các tiêu chuẩn mới của nén ảnh Jpeg2000 được đưa ra nhằm khắc phục được các hạn chế của chuẩn Jpeg hiện tại:

* Hình xấu khi nén với hệ số nén cao: ảnh Jpeg thường chỉ cho ra ảnh

đẹp khi tỷ lệ bit/pixel đạt mức trung bình hoặc cao, khi tỷ lệ bit/pixel nhỏ thì chất lượng ảnh xấu không thể chấp nhận được

Hình 1.9 Ph ương pháp đánh dấu ẩn trên miền không gian

* Nén có mất mát thông tin và không mất mát thông tin: chuẩn hiện

nay của Jpeg không hỗ trợ cho cả nén mất mát thông tin và không mất mát thông tin

* Hỗ trợ cho ảnh được tạo ra từ máy tính: ảnh Jpeg chỉ cho ra ảnh nén

tốt đối với ảnh tự nhiên còn đối với ảnh được vẽ từ máy tính thì chất lượng sau nén không được tốt lắm

* Ảnh nhị phân: hiệu suất khi nén ảnh nhị phân của ảnh Jpeg không

được cao do số mức xám của ảnh này chỉ là 2

Do dữ liệu ảnh được lưu trữ dưới hai dạng nén là Jpeg và Jpeg2000 nên

để đánh dấu ẩn cho ảnh, ta phải nghiên cứu việc đánh dấu ẩn cho ảnh nén Jpeg và Jpeg2000, điều này đồng nghĩa với đánh dấu ẩn ảnh trong miền DCT

và DWT

1.4.3.1 Đánh dấu ẩn ảnh trong miền DCT

Khi gắn dấu ẩn lên ảnh ta quan tâm tới hai đặc tính cơ bản của dấu ẩn:

* Tính ẩn: dấu ẩn không làm thay đổi ảnh gốc (chính xác là khả năng cảm thụ ảnh của mắt người không phân biệt được sự thay đổi)

* Tính bền : dấu ẩn không bị mất đi dưới tác động của các phép biến đổi ảnh Một trong những phép biến đổi ảnh là nén ảnh

Vì phương pháp nén ảnh được sử dụng phổ biến hiện nay là nén ảnh Jpeg Sở dĩ ảnh nén Jpeg hay được sử dụng là do tỷ lệ nén đạt được của chúng rất cao nên giảm được đáng kể dung lượng file cần truyền tải trên mạng hoặc

để lưu trữ Tuy nhiên nén ảnh Jpeg là phương pháp nén mất mát thông tin nên

nếu gắn dấu ẩn trong miền quan sát thì không thể đảm bảo được tính bền qua biến đổi nén Để có thể gắn dấu ẩn lên ảnh nén Jpeg, ta phải tuân thủ theo trình tự các bước nén ảnh Jpeg

Khi nén ảnh Jpeg, ảnh ban đầu được chia thành các block 8 x8 pixel, mỗi block này được biến đổi DCT, Hình 1.10 là minh hoạ các hệ số của biến đổi DCT Hệ số trên cùng bên trái (DC) là thành phần một chiều của biến đổi DCT Các hệ số từ AC01~ AC02 theo đường ziczac là các hệ số thuộc miền tần

số thấp Các hệ số có ký hiệu là W thuộc miền tần số trung bình Các hệ số còn lại từ AC07~ AC77 thuộc miền tần số cao Đặc điểm cảm thụ của mắt người là nhạy với những thay đổi trong miền tần số thấp (tương ứng với vùng ảnh nền có sự thay đổi về độ chói không nhiều) do vậy không thể gắn dấu ẩn vào vùng này Miền tần số cao cũng không thể gắn dấu ẩn được vì đây là vùng sẽ bị làm tròn số về 0 trong quá trình nén ảnh Nếu gắn dấu ẩn vào miền này thì thông tin gắn thêm vào sẽ bị mất Như vậy ta chỉ có thể gắn dấu ẩn

ảnh vào miền tần số trung bình (có ký hiệu là W)

1.4.3.2 Đánh dấu ẩn ảnh trong miền DWT

Thực tế cho thấy các phương pháp đánh dấu ẩn ảnh dựa trên biến đổi wavelet không làm thay đổi chất lượng của ảnh sau khi watermark và kích

thước của ảnh cũng không bị thay đổi Tuy nhiên, do tính chất của phép biến đổi wavelet, nên các phương pháp này chỉ chịu được các dạng tấn công hình

học Nhìn chung, phương pháp đánh dấu ẩn dựa trên biến đổi Cosine rời rạc

vẫn cho kết quả tốt hơn, chịu được nhiều kiểu tấn công hơn và cũng không làm thay đổi nhiều đến chất lượng của ảnh sau phép watermark Trong

Hình 1.10 Minh hoạ các hệ số của biến đổi DCT

chương tiếp theo sẽ trình bày một thuật toán tiêu biểu sử dụng phép biến đổi Cosin rời rạc mà đáp ứng được khá tốt các yêu cầu của một hệ thống

watermarking

CH ƯƠNG II: NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI THUẬT

WATERMARKING TRÊN MIỀN BIẾN

ĐỔI DCT

Chương này sẽ trình bày, phân tích và đánh giá các giải thuật Watermarking, Theo [4], nhóm tác giả dựa vào độ chênh lệch giữa các điểm ảnh Nhóm tác giả nói rằng: Thông thường, người ta hay dựa vào độ chênh lệch giữa các điểm ảnh thuộc các khối kề nhau Tuy nhiên, kỹ thuật này không bền vững đối với nén tỷ lệ nén cao Kỹ thuật hiệu quả hơn đó là dựa vào độ chênh lệch cục bộ của các điểm ảnh trong mỗi khối, bằng cách so sánh giá trị chúng với phần tử DC của chính khối đó Toàn bộ quá trính nhúng và tách dấu ẩn trong chương này là sự cụ thể hoá của sơ đồ khối đã nêu trong hình 1.1.Sau đây là phần trình bày cho quá trình nhúng và tách dấu ẩn theo nhóm tác giả Chiou-ting Hsu và Ja-Ling Wu:

2.1.Thuật toán nhúng dấu ẩn

Thuật toán trình bày dưới đây sử dụng phương pháp nhúng dấu ẩn trong miền biến đổi cosin rời rạc Thuật toán nhúng dấu ẩn được mô tả qua các bước sau: