Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân số (Digital Watermaking) trong việc xác định bản quyền ảnh số

MỞ ĐẦU

Vài năm gần đây kỹ thuật thủy vân số là kỹ thuật trong lĩnh vực an toàn thông tin được thế giới nghiên cứu, chúng được sử dụng rộng

rãi trong các lĩnh vực đa phương tiện như video, hình ảnh, âm thanh,

và các lĩnh vực công nghệ số Do được ứng dụng rộng rãi trong các van đề về bản quyên, phân biệt thật giả, bí mật thông tin, và giấu tin,

mà càng ngày càng trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng.

Trong đó, thủy vân số ứng dụng trong các video được ứng dụng nhiều nhất hiện nay.

Đối với việc bảo vệ bản quyền tác giả đối với các tài liệu số thường sử dụng phương pháp ký số Nhưng phương pháp này thường không thé sửa đổi lại được nội dung tài liệu, mà phải thêm bản tin sáng tỏ bản quyền ở phần đầu của tài liệu số, hoặc sẽ lưu thành một văn kiện riêng rẽ, đồng thời sản phâm này phải được đồng thời chuyển tới khách hàng, ký số là một ví dụ điển hình Yếu điểm lớn nhất của phương pháp này đó là tin tức bản quyền và nội dung tác phẩm riêng biệt, rất dé bị vi phạm bản quyên.

Bởi vậy, vài năm gan đây kỹ thuật Thủy vân số (Digital

Watermaking) đã được đưa ra, kỹ thuật mang bản tin có tính bảo mật

và tính xác định trực tiếp được nhúng vào dữ liệu ban đầu, đồng thời

là một bộ phần của các dữ liệu nguyên thủy được lưu giữ ở bên trong, do đó cho dù các dit liệu của tài liệu ban dau bị giải mã xong có thé

theo dõi sự sao chép và truyền nhận cua df liệu, tiên hành bảo vệ các

dữ liệu, loại tin tức này rất hiếm gặp, chỉ thông qua các trình duyệt chuyên dụng mới có thé lay được

Xuất phát từ yêu cầu của thực tế, nhằm mục đích hướng tới một phần nhiệm vụ nhiệm vụ bảo vệ bản quyền thông tin số, luận văn có tựa đề: “Nghiên cứu kỹ thuật thủy vân số (Digital Watermaking)

trong việc xác định bản quyên anh so”

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE THỦY VAN SO

Chương này sẽ trình bày tổng quan về thủy vân số đưa ra khái niệm thủy vân số, cùng những tính chất đặc trưng của kỹ thuật này, dong thời nêu ứng dụng của kỹ thuật trong thực tiên Qua đó nêu rõ những ý nghĩa tam quan trọng của kỹ thuật thủy vân số trong an toàn thông tin Chương một còn giới thiệu về các phương pháp nén ảnh

được su dụng hiện nay.

1.1 Tổng quan về thủy vân số 13.1 Khái niệm thủy vân số

Kỹ thuật thủy vân SỐ (digital watermaking)[1] là một dạng kỹ thuật giấu tin, tư tưởng chính của kỹ thuật đó là phép nhúng những ban tin mật, có thé là bản quyền của các sản phẩm số, những tin tức đáng tin cậy, chân thực dé chứng minh nguồn gốc sản phẩm, những

chứng cứ theo dõi hành vi đạo tặc vào những bức tranh, hình anh,

audio, video hay những sản phẩm công nghệ số Trong đó những bản tin mật có thể là những logo bản quyền, những dãy ký hiệu người dùng hoặc là những tin tức liên quan đến sản phẩm Thông thường, chúng thường được qua những phép biến đổi tương ứng rồi nhúng vào các sản phẩm số, sau khi biến đổi các tin tức mật này được gọi là thủy vân số Thường, có thể định nghĩa thủy vân là tin hiệu như sau:

Hệ thống thủy vân số được cấu thành từ hệ thống nhúng và máy kiểm tra như hình (hình 1.1) Hệ thống nhúng có hai đầu vào: một là

các bản tin nhúng cần được mã hóa, hai là các sản phẩm đa phương tiện cần được nhúng Đầu ra của hệ thống nhúng thường được truyền đi và lưu lại Sau đó, đưa các sản phẩm đã nhúng tới máy kiểm tra thủy vân, đại đa số cá máy kiểm tra này thường được thiết kế để kiểm tra xem thủy vân có tồn tại hay không, sau đó sẽ đưa các bản tin

nhúng đã mã hóa ra bên ngoài.

1.3.2 Những tinh chất và phân loại của thủy vân số

Về mặt tư tưởng của kỹ thuật thủy vân số mặc dù đơn giản, thế

(5) Tinh an toàn

(6) Tính cảnh báo lỗi

Phân loại thủy vân số có rất nhiều phương pháp, thường gặp có

những phân loại dưới đây:

(1) Thuy van ẩn và hiện

(2) Thủy vân dé phá vỡ và bên vững

(3) Thủy vân miễn tan số và miễn không gian

(4) Phi manh và manh thủy van

(5) Thuy van bí mật và thủy van công khai

(6) Thủy vân đối xứng và không đối xứng 1.3.3 Ứng dụng của kỹ thuật thủy vân số

Thủy vân sô có ứng dụng rât rộng trong nhiêu lĩnh vực, dưới

đây sẽ liệt kê một số ứng dụng chính của thủy vân

Bảo vệ quyền sở hữu (Copyright Protection)

Chống nhân bản bat hợp pháp (Copy Protection)

Theo dõi quá trình sử dụng (Tracking)

Chống giả mao (Tamper Proofing)

Theo dõi truyền thông (Broadcast Monitoring) Truyền tin bí mat (Concealed Communication)

Thủy vân sô có rât nhiêu ứng dụng và được áp dụng rât nhiêu

vào các lĩnh vực khác nhau trong thực tế.

1.2 Y nghĩa của kỹ thuật thủy vân số đối với an toàn thông tin

Cùng với sự phát triển của mạng lưới thông tin, rất nhiều nội dung đa phương tiện truyền thống đều số hóa, đồng thời chiếm một phần ngạch lớn trong thương mại điện tử, ví như việc trao đôi mua bán mp3 trên mạng, truyền hình ảnh số đang ngày càng rộng rãi, sách điện tử,v.v trên các lĩnh vực không dây, cùng sự biến hóa không

ngừng của mạng di động từ thứ 3 sang thứ 4, người dung di động có

thé vô cùng tiện lợi nhanh chóng tiếp xúc các nội dung đa phương tiện trên internet, đối với ứng dụng của nội dung số đa phương tiện của mạng không dây hay có dây sẽ dan dan trở nên truyền thống đối với thời đại tin tức mới Thế nhung,van đề về an toàn nội dung đa phương tiện số đang trở thành một nút thắt, luôn trói buộc theo lộ trình số hóa

tin tức.

Hiện tại, trong và ngoài nước xuất hiện một số những sản phâm bản quyền số, thế nhưng do thiếu mat kỹ thuật hạt nhân là kỹ thuật thủy vân số mà tôn tại rất nhiều vẫn đề Hoa Kỳ vào năm 2002 thông qua một hạng mục luật pháp, đã cung cấp chứng cứ cho tòa án để giải quyết van đề về bản quyền số Ở Việt Nam từ lĩnh vực điện tử, cần giải quyết các van đề cơ bản về tin tức an toàn và bản quyên tác giả, kỹ thuật thủy vân số do đó là một kỹ thuật tiềm năng.

1.3 Nén dữ liệu Multimedia

Việc phát triển các công nghệ nén multimedia [3] như các chuẩn JPEG, MPEG và gan đây là JPEG2000 đã làm cho việc sử dụng, phát hành và trao đổi các nội dung multimedia số trở nên dé dang hon và bùng nỗ qua mạng Internet Đồng thời, nó cũng tao ra những thách

thức cho việc bảo vệ bản quyền, chống copy hoặc sử dụng trái phép

các nội dung số này Ngoài việc đảm bảo chất lượng ảnh sau khi đánh dấu thì thủy vân còn phải bền vững trước những tác động từ bên ngoài lên ảnh chăn hạn như các phép xử lý ảnh Đối với thủy vân trên ảnh số thì việc nén ảnh, đặc biệt là nén JPEG, là tan công phổ biến Đã có rất nhiều nghiên cứu về van dé thủy vân trên ảnh số dựa trên biến đổi DCT để đối phó với nén JPEG Do đó tiếp theo luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về multimedia, và các phép nén đang sử dụng hiện nay.

1.3.1 Tổng quan về multimedia

Chúng ta đang chứng kién một cuộc cách mạng trong các công nghệ truyền thông và máy tính trong thế ky 21 Ngành công nghiệp viễn thông đã trải qua một sự thay đổi to lớn từ mạng tương tự sang mạng số cho phép công nghệ Internet phát triển như vũ bão như ngày nay Truyền dẫn từ tương tự sang truyền dẫn số mang lại cho chúng ta rất nhiều cơ hội trong từng khía cạnh của cuộc sống Viễn thông, Internet, giải trí số, và tính toán tổng quát đang trở thành một phần tất yếu của cuộc sống hàng ngày Ngày nay chúng ta đang nói nhiều về các mạng số, sự biểu diễn số của các ảnh, các bộ phim, video, tivi,

thoại, thu viện sô tât cả bởi vì sự biêu diễn sô của tín hiệu mạnh hon

rất nhiều so với sự biểu diễn tương tự về xử lý, tính toán, lưu trữ, khôi phục, và truyền dẫn qua khoảng cách địa lý dài Trong những năm gần đây có nhiều các thành tựu

1.3.2 Tổng quan về nén ảnh

Mô hình tong quan của nén ảnh tĩnh có thé được mô tả sử dụng một sơ đồ khối thê hiện trên hình 1.2.

ae Mã hóa không Ảnh nén

Ảnh đầu Giải tương quan tổn hao Mã hóa

hay tiền xử lý Entropy [TT

Mã hóa tẩn hao

Khối xử lý

Hình 1.2: Một mô hình nén ảnh tông quát

Phân tích thống kê của một ảnh thông thường cho thấy rằng có một tương quan rất lớn giữa các pixel liền kề nhau Điều này gây ra sự

dư thừa thông tin trong anh Sự dư thừa này phan lớn có thé loại bỏ băng việc giải tương quan ảnh với một vài kỹ thuật tiền xử lý Tổng

quát, các kỹ thuật nén ảnh tĩnh phụ thuộc vào hai nguyên lý giảm dư

thừa cơ bản là giảm dư thừa về mặt không gian và giảm dư thừa về mặt thống kê Dư thừa không gian là sự giống nhau của các pixel liền kể trong một ảnh và nó được làm giảm bằng cách các kỹ thuật giải tương quan như là mã hóa dự đoán, mã hóa chuyên đổi, mã hóa băng con, Còn các dư thừa về mặt thống kê thì được làm giảm bằng phương pháp mã hóa entropy, như là mã hóa Huffman, mã hóa số

học

1.3.3 Các chuẩn nén dữ liệu multimedia 1.3.4.1 Chuan mã hóa ảnh tinh.

1.3.4.2 Các chuân mã hóa video 1.3.4.3 Chuẩn mã hóa audio

1.4 Kết luận chương

Kỹ thuật thủy vân số là kỹ thuật từ những dữ liệu đa phương tiện (như các tín hiệu hình ảnh, âm thanh, audio) thêm vào một số tin tức số (thủy vân) mà không ảnh hưởng tới hiệu quả chất lượng của âm thanh, số liệu, đồng thời những tin tức số này có thé hồi phục lại một bộ phận hoặc toàn vẹn từ những dữ liệu phức hợp, dé đáp ứng được van dé bản quyền Luận văn cũng giới thiệu các loại thủy vân trong đó nói rõ đến thủy vân được ứng dụng trong bản quyền tác giả chính là

hướng nghiên cứu chính của luận văn.

CHUONG 2: MOT SO KY THUAT THỦY VAN

TRONG ANH SO

Chương hai sẽ di vào giới thiệu những nguyên lý cua các phép

biến đối DCT và DWT, dong thời sử dung các pháp biến đổi này vào kỹ thuật thủy vân số ra sao Qua đó tiến hành so sánh hai loại kỹ thuật mà hiện nay đang được sử dụng chủ yếu này Các kỹ thuật biến đổi này làm nhiệm vụ chuyển miễn biến số độc lập sang các miễn khác và như vậy tín hiệu và hệ thong roi rac sé duoc biéu dién trong các mién mới với các biến số mới Sau đó, tim cách nhúng thuỷ vân vào ảnh bằng cách thay đổi các hệ số biến đổi trong những miễn thích hợp để đảm bảo chất lượng ảnh và sự bên vững của thuỷ vân sau khi nhúng.

2.1 Nguyên lý của các phép biến đổi

2.2.1 Pháp biến đổi cosin rời rac (DCT)

Nguyên lý phép biến đổi cosin rời rạc (Discrete Cosine Transform,DCT) là một biến đổi trên miền số thực, cốt lõi của biến đổi này là biến đổi hàm số cosin Lợi dụng tính đối xứng của biến đôi Fourier, sử dụng thao tác đường giới han ánh xạ dé biến đổi hình ảnh sang hình thức hàm số chan, sau đó tiến hành xử lý hình ảnh bằng biến đổi Fourier rời rạc hai chiều, kết quả sau khi biến đổi sẽ chỉ còn bao gồm hàm số cosin, bởi vậy gọi là phép biến đổi cosin rời rac Đối với một hình ảnh tiến hành biến đổi cosin rời rạc, có những tính chất

sau: rât nhiêu các bản tin quan trọng có thê nhìn thây liên quan của

hình ảnh đều tập trung vào một bộ phận nhỏ của biến đổi DCT, đồng thời một trong những tên gọi là “Phép biến đổi thuật toán giấu tin” của biến đổi DCT Do xử lý hình anh vận dụng biến đổi cosin 2 chiều, bởi vậy dưới đây sẽ chủ yếu giới thiệu về phép biến đổi DCT hai chiều.

2.2.2 Nguyên lý của phép biến đổi sóng con (DWT)

Thông thường, sóng con (Wavelet) là một dạng sóng tồn tại trong một khu vực có giới hạn, là hàm số có dạng sóng đặc biệt trong phạm vi có hạn với s(x) không bằng 0 Giả sử tồn tại một hàm số tức

thời øœ), sao cho:

2đ) >ø(œ) (ff tức là bién đổi Fourier)

Nếu chúng ta xem quá trình khúc xạ qua một lăng kính là biến đổi Fourier, thì đương nhiên, ảnh của biến đổi Fourier sẽ khúc xa tới một tổ hợp hàm số do hàm số cosin và sin trực giao tạo thành, va tín hiệu sẽ chính là phép cộng của cosin và sin Cũng giống như thế, thì biến đổi sóng con cũng là một quá trình khúc xạ qua lăng kính, tin

hiệu khúc xạ là ảnh chính là tô hợp hàm sô sóng con trực giao, và tinhiệu sẽ băng phép cộng của dãy sóng con này

Wavele 2

—_— Wavelet

Hình 2.1: Miêu tả phép biến đổi sóng con đơn giản

Vay muôn có được dãy hàm sô sóng con này, can phải dung đênhàm sô sóng con mâu Tiên hành chia tỉ lệ và di chuyên hàm sô theotrục thời gian hàm sô sóng con mâu thỏa mãn được biêu thức (2.5) tađược:

,,(t) =|al2 @C—”) aeR-|0],beR

é,,(0) gọi là hàm số sóng con hay sóng con Ở biểu thức (2.6), a là độ rộng của hàm số, » là vi trí mà sóng con di chuyền song song theo thời gian: Đương nhiên, ¿,¿) và hàm số sóng con mau gi) có tính chat là như nhau Đối với hàm số sóng con maugi), thì năng lượng tập trung ở điểm gốc, còn năng lượng của/,,0) tập trung tại điểm ».

2.2 Uu nhược điểm của hai phép biến đổi trong kỹ thuật thủy

vân sô

Từ những nguyên lý của hai pháp biến đổi DCT và DWT luận văn sẽ đi vào so sánh hai phép biến đổi này khi sử dụng trong kỹ thuật

thủy vân số, phân tích những ưu nhược điểm về tính năng của hai phép biến đổi có ảnh hưởng đến quá trình nhúng thủy vân ra sao Qua đó để tìm ra thuật toán cho pháp nhúng và tách thủy vân số được xây

dựng ở chương ba.

2.2.1 Thủy vân số sử dụng phép bién đổi cosine rời rac:

Quá trình nhúng thủy vân là lấy hình ảnh thủy vân số tiến hành biến đôi DCT, sau đó nhúng phân lượng B của hình gốc để hoàn thành nhúng, đồng thời lưu trữ hình ảnh đã được nhúng: Lấy thủy vân số tức là đọc hình ảnh thủy vân số đã được nhúng, thông qua biến đổi DCT ngược dé lấy ra hình ảnh thủy van số.

Do phép biến đổi DCT có hiệu ứng tốt về tính năng hội tụ, bởi vậy là một ứng dụng hiệu quả trong kỹ thuật thủy vân số Trong tài liệu trích dẫn [6] đã đề cập đến kỹ thuật thủy vân số sử dụng phép biến đổi DCT, bởi vì khi nhúng thủy vân vào miền tan số thấp của ảnh sẽ phát huy mạnh tính bền vững, nhưng tính vô hình thì thấp; khi nhung thủy vân vào miền tần số cao thì có thể đạt được tính vô hình nhưng tính bền vững lại kém, bởi vậy trong luận văn này sẽ nhúng ảnh

vào miên tân sô giữa Phương pháp này sẽ tiên hành phân ảnh gôc

thành ma trận 8x8, sau đó tiễn hành biến đổi DCT với từng phân ảnh, để đạt được 64 loại hệ số DCT, sử dụng phương pháp quét ZigZag sẽ lựa chọn ra miền hệ số giữa để nhúng thủy vân, giải quyết được mâu thuẫn về tính bền vững và tính vô hình.

2.2.2 Thủy vân số sử dụng phép biến đổi sóng con rời rac

Trong nhúng thủy vân số phương pháp biến đổi wavelet rời rac, do phải nhúng từng phân lượng R,B,G của hình gốc, nên phải phân li màu sắc của hình gốc và thủy vân số, từng bộ phận tiễn hành phân tích wavelet của hình gốc và thủy vân số đồng thời với quá trình nhúng,

sau đó mới đẹp 3 màu kết hợp lại, hoàn thành nhúng thủy vân số và

Cách lấy thủy vân số, tức là lấy phân lượng R,B,G của miền nhúng thông qua hệ thông wavelet lay ra thủy vân số của 3 phân lượng, cuối cùng nhập 3 phân lượng lại hình thành thủy vân số ảnh.

Những năm gan đây, kỹ thuật giấu tin sử dụng DWT đang được nhiều người quan tâm, so sánh với những kỹ thuật thủy vân khác, sử dụng biến đổi DWT thé hiện rõ tính chất bền vững, sau khi qua nhiều những công kích, như tăng nhiễu, lọc, cắt, nén, v.v sẽ van duy trì được tính bền vững Đối với nhúng thủy vân, loại hình biến đổi sóng

con, lựa chọn thủy vân, nhúng thủy vân vào vi trí nào, nhúng thủy vân

với hệ số bao nhiêu, bốn yếu tố này quyết định tới thuật toán nhúng

thủy vân Trong thủy vân hình ảnh có thé nhúng những dữ liệu mật

vào trong hệ sô sóng con có thê đạt được tính bên vững cao

Thực tế, cho dù là phép biến đổi DCT hay phép biến đổi DWT dù biến đổi ở miền tần số thấp hay miễn tần số cao, chỉ cần cường độ nhúng không vượt quá tính giới hạn cảm nhận thấy của con người, đều có thể nhúng thủy vân Giá trị tuyệt đối của hệ số miền tần số thấp sẽ cao hơn rất nhiều so với giá trị tuyệt đối ở miền tần số cao, nghĩ tới tính bền vững thì khi hệ số nhúng thủy vân ở miền tần số thấp sẽ có ưu thế hơn, còn nghĩ tới tính vô hình thì có thể lựa chọn ở hệ số nhúng

miền tần số cao là một lựa chọn đúng đắn Nhưng dù thế nào thì hai

tính chất quan trọng nhất của thủy vân số đó là tính bền vững và tính vô hình đều phải tìm được điểm cân bằng đó là bước tiến mới quan

trọng trong hướng nghiên cứu mới.

2.3 Các đặc tính của hệ thống thị giác HVS ảnh hưởng đến quá

trình Thủy vân

Hệ thống thị giác đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý

ảnh nói chung và kỹ thuật Thủy vân sô nói riêng:

Mat người quan sát tốt nhất trong các vùng tần số thấp (kha năng quan sát tại các thành phần tần số cao là kộm hơn so với tại các thành phần tần số thấp).

Trong câu tạo của mat sự phân bô của các tê bào hình nón màu

lam (Blue cone) không dày đặc bằng sự phân bố của các tế bào hình