Nghiên cứu công nghệ thủy vân số và ứng dụng trong bảo vệ bản quyền nội dung số

Ảnh số là một trong những nội dung số quan trọng nhất, cácnhà nghiên cứu đã đề xuất rất nhiều loại kỹ thuật thủy vân trên ảnh số với các ứng dụngkhác nhau.. Trong đó, thủy vân ấn thường

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học.TS Vũ Văn Thỏa

Phản biện 1: TS Nguyễn Ngọc Cương

Phản biện 2: TS Nguyễn Khắc Lịch

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện

Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 15 giờ 00 ngày 27 tháng 02 năm 2016

Có thê tìm hiéu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

.MỞ ĐẦU

Một trong những van nạn trong kỷ nguyên kỹ thuật số mà chúng ta đang phải đươngđầu hiện nay là van nạn vi phạm bản quyền nội dung số Người sở hữu nội dung số càng dédàng quảng bá sản phẩm của mình thì lại càng khó khăn trong việc bảo vệ quyền và lợi íchhợp pháp của mình đối với các sản pham đó Việc thông tin số dé dàng được nhân bản vàphân phối đi dẫn đến yêu cầu cần có những công cụ hữu hiệu về mặt pháp lý cũng như kỹthuật dé bảo vệ bản quyên Đã có nhiều giải pháp kỹ thuật, trong đó có thủy vân số, ra đờinhằm giải quyết vấn đề này Ảnh số là một trong những nội dung số quan trọng nhất, cácnhà nghiên cứu đã đề xuất rất nhiều loại kỹ thuật thủy vân trên ảnh số với các ứng dụngkhác nhau Ứng dụng quan trọng và cơ bản nhất của thủy vân số là thủy vân trên ảnh số

dé bảo vệ bản quyền ảnh số Trong đó, thủy vân ấn thường được sử dụng vi tính an củathủy vân là một đặc trưng quan trọng trong các ứng dụng giấu tin trên ảnhsố hay đánh dấubản quyền ảnh số mà vẫn đảm bảo chất lượng ảnh Ngoài việc đảm bảo chất lượng ảnh saukhi đánh dấu thì thủy vân còn phải bền vững trước các tác động từ bên ngoài lên ảnh changhạn như các phép xử lý ảnh Đối với ảnh số thì việc nén ảnh, đặc biệt là nén JPEG, là phép

xử lý ảnh được sử dụng phổ biến

Tạo thủy vân là một phương pháp nhúng một lượng thông tin nào đó vào trong dữ

liệu đa phương tiện cần được bảo vệ sở hữu và không ảnh hưởng tới chất lượng của sản

phẩm Thủy vân phải tồn tại bền vững với sản phẩm số và không thé loại bỏ bang bat kìnhững tan công có chủ đích hay không chủ đích nào trừ khi phá hủy sản phẩm

Luận văn với đề tài “Nghiên cứucông nghệ thủy vân số và ứng dụng trong bảo vệbản quyền nội dung số“ sẽ tập trung trình bày những kết quả nghiên cứu đã đạt được vềthủy vân số, ứng dụng thủy vân số để bảo vệ bản quyền tài liệu điện tử, đặc biệt là ảnh số.Luận văn cũng tìm hiểu một số thuật toán thủy vân tiêu biểu và viết ứng dụng giấu tin sử

dụng thuật toán DCT.

Nội dung chính của luận văn bao gồm:

Chương 1: Với tiêu đề “Tổng quan về thủy vân số” , chương nay trình bày khái niệmthủy vân số, lịch sử hình thành và phát triển của thủy vân Chương 1 cũng trình bày về các

đặc tính, phân loại thủy vân cũng như quy trình thực hiện thủy vân và ứng dụng của nó.

Chương 2: “Nghiên cứu các thuật toán thủy vân sé” , tập trung khảo sát một số thuật

toán nhúng thủy vân, nghiên cứu các định dạng ảnh và các thuật toán thủy vân trên ảnh.

Chương 3: Cài đặt ứng dụng tạo thủy vân số cho ảnh trên Matlab - cài đặt và chương

trình, thực hiện nhúng và tách thủy vân dưới dạng văn bản và thủy vân dưới dạng ảnh.

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE THỦY VAN SO

Chương nay luận văn trình bày khái niệm thủy vân số, lịch sử hình thành và pháttriển của thủy vân,các đặc tính của thủy vân số, phân loại thủy vân số và quy trình tạo thủyvân số, các ứng dung của thủy vân sé

1.1Giới thiệu chung

1.1.1 Khái niệm thủy vân số

Thủy vân số (Digital WaterMaking) là kỹ thuật nhúng “dau ấn số” (Watermark - tingiấu) vào một sản phẩm số như văn bản, hình anh, âm thanh, video mà tin giấu này cóthé được phát hiện và tách ra sau đó nhằm chứng thực (đánh dấu, xác thực) nguồn gốc haychủ sở hữu của sản phâm số nay[1]

1.1.2 Quá trình hình thành và phát triển

Thuật ngữ thủy vân số được cộng đồng thé giới chấp nhận rộng rãi vào đầu thập niên

1990 Khoảng năm 1995, sự quan tâm đến thủy vân bắt đầu phát triển nhanh Năm 1996, hộithảo về che dấu thông tin lần đầu tiên đưa thủy vân vào phan trình bày nội dung chính

Vào cuối thập niên 1990, một số công ty đã đưa thủy vân vào thương trường, chănghạn các nhà phân phối nhạc trên Internet sử dụng Liquid Audio áp dụng công nghệ của

Verance Corporation Trong lĩnh vực thủy vân ảnh, Photoshop đã tích hợp một bộ nhúng va

bộ dò thủy vân tên là Digimarc.

Với sự ra đời của thủy vân, thì năm 1990 trở về sau, đã có nhiều nghiên cứu về tấncông cũng như chống tấn công đối với thủy vân Những nghiên cứu này đã thúc đầy quátrình nghiên cứu thủy vân đạt được nhiều kết quả mới

Thủy vân sử dụng công nghệ trải phổ (spread spectrum) được giới thiệu cùng thờiđiểm với mô hình tri giác, là một nỗ lực nhằm cân bằng giữa tính bền vững (robustness) vàtính tin cậy (fidelity) của thủy vân số Công nghệ trải phố sẽ trải một băng tần hẹp vào mộtbăng tần rộng hơn, do đó tỷ lệ nhiễu trên mỗi tần số trở nên rất nhỏ Phía bên người gửi sẽtong hợp lại các tín hiệu này, và lúc này nhiễu trở nên lớn Công nghệ trải phô là một hướng

đi có nhiều triển vọng của kỹ thuật thủy vân

Chất lượng tài liệu điện tử sau khi giấu tin phải không được thay đổi nhiều, để chocon người khó có thé nhận ra bang các giác quan thông thường

Thủy vân sô là một lĩnh vực nghiên cứu mới, có nhiêu triên vọng Những năm gân

đây lĩnh vực này có được sự quan tâm đáng ké của các nhà nghiên cứu

1.2 Các đặc tính và phân loại thủy vân số

1.2.1 Các đặc tinh của thủy vân số

- Tính bảo mật

- Tinh bền vững

- Tính ân

- Dam bảo toàn vẹn dir liệu

- Tinh hiệu qua

- Tính vô hình

1.2.2 Phân loại thủy vân số

Có rất nhiều phương pháp dé phân loại thủy vân số, dưới đây là một số phương pháp

phân loại phô biên hiện nay

Phân loại theo tính bền vững

e Thủy vân bền vững (Robust watermarking): là các thủy vân nhúng theo phương pháp

rât khó phá hủy Việc tân công thủy vân sô trong trường hợp này sẽ làm giảm chât lượng của thông tin Nói cách khác thì nêu phá hủy thủy vân thì đông thời sẽ phá

hủy đôi tượng mang.

e Thuy vân dễ vỡ (Fragile watermarking): loại này nhằm đảm bảo tính toàn ven cho

nội dung thông tin nên bât kỳ sự thay đôi nào cũng có thê làm cho thủy vân bị hỏng Phân loại theo khả năng cảm nhận

e Thủy vân ấn (Invisible watermarking): là các thủy vân không thể nhìn thấy được

băng mat thường.

e Thủy vân hiện (Visible watermarking): là thủy vân có thể nhìn thấy được bằng mắt

thường.

Phân loại theo hướng tiếp cận

e Theo miền không gian (Spatial domain): là kỹ thuật nhúng thủy vân thực tiếp vào

vùng không gian dữ liệu ảnh.

e Theo miễn tần số (Frepuency domain): là kỹ thuật nhúng thủy vân vào vùng biến đổi

tân sô của dir liệu anh.

1.3 Quy trình thực hiện thủy vân số

e Tao thủy vân

e Thủy vân số phô biến là dạng text hoặc dạng ảnh Thủy vân có thể được biến đổi mã

hóa trước khi nhúng vào ảnh Thủy vân bao gồm thông tin mật đã được mã hóa cùng

với khóa đã được mã hóa được nhúng vào ảnh mang và gửi cho người nhận.

e_ Nhúng thủy vân số

e Sau khi tạo thủy vân xong, thủy vân được nhúng trực tiếp vào ảnh hay vào miền biến

đổi của anh tùy thuộc vào thuật toán mà chúng ta sử dụng

e Để tách thủy vân ta sử dụng khóa trong quá trình nhúng và anh đã nhúng thủy vân

Việc tách thủy vân có quy trình ngược lại so với quy trình nhúng Sauk hi tách được

thủy vân, nếu thủy vân bị mã hóa thì chúng ta thực hiện giải mã để thu được thôngđiệp gốc Sau đó thông điệp sẽ được so sánh với thông điệp cũ đề xác thực

1.4 Các ứng dụng của thủy vân số

e_ Bảo vệ quyền sở hữu (Copyright Protection): Digital watermark có thé được dung

dé bảo vệ quyền sở hữu đối với các sản phẩm tài liệu điện tử (digital media) Nộidung của các tài liệu điện tử này sẽ chứa thêm các thông tin về người sở hữu Khi các

tài liệu điện tử này được sử dụng bat hop phap thi ta co thé dung bộ watermark

detector dé phát hiện

e Chong sao chép bat hợp pháp (Copy Protection): các sản phâm có chứa digital

watermark biểu hiện cho việc sản phâm này không được sao chép, vì nếu sao chép sẽphạm luật Nhà sản xuất sẽ trang bị cho các phương tiện dung để nhân bản như CDWriter khả năng phát hiện xem tài liệu điện tử có chứa thủy vân hay không, nếu

có thì sẽ từ chối sao chép Một số phần mềm cũng có chức năng này Ví dụ như phầnmềm xem phim của hang DivX sẽ từ chối chiếu các bộ phim chứa thủy vân

e_ Theo dõi quá trình sử dụng (Tracking): digital watermarking có thê được dùng dé

theo dõi quá trình sử dụng của các tài liệu điện tử Mỗi bản sao của sản phẩm chứamột watermarked duy nhất dùng dé xác định người sử dụng là ai Nếu có sự sao chépbất hợp pháp, ta có thể truy ra người vi phạm nhờ bào watermark được chứa bên

trong tài liệu điện tử.

e Chống giả mạo (Tamper Proofing): digital watermarking có thé được sử dụng dé

chống giả mạo Nếu có bat cứ sự thay đôi nào về nội dung của các tài liệu điện tử thìwatermark này sẽ bị hủy đi Do đó rất khó làm giả các tài liệu điện tử có chứa

watermark.

e_ Theo dõi truyền thông (Broadcast Monitoring): các công ty truyền thông và quảng

cáo có thé dùng kỹ thuật digital wartermarking dé quản lý xem có bao nhiêu kháchhàng đã dùng dịch vụ cung cấp

e_ Truyền tin bí mật (Concealed Communication): bởi vì digital watermarking là một

dang đặc biệt của che giấu dữ liệu (steganography) nên người ta có thé dùng détruyền các thông tin bí mật

1.5 Kết luận chương

Trong chương 1, luận văn đã khảo sát tổng quan về thủy vân số, các đặc tính và phânloại thủy vân số Chương này cũng nghiên cứu quy trình thực hiện thủy vân số và các ứngdụng thực tế của thủy vân số Trên cơ sở các vấn đề nghiên cứu, trong chương 2 luận văn sẽkhảo sát các thuật toán tạo thủy vân SỐ

2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Các phép biến đổi ảnh

Các phép biến đổi ảnh có thé chia làm hai loại chính, tương ứng với hai loại thủy vân

đó là các phép biến đổi dựa vào không gian ảnh và các phép biến đổi trên miền tần số của

- Loc tuyén tinh

- Loc phi tuyến

2.1.2 Các toán tử tan số

Phép biến đổi FourierBiến đôi Fourier do nhà toán học Joseph Fourier (1768-1830) đưa ra Ông đã chứngminh rang bat cứ một hàm số tuần hoàn nào cũng có thé biến đồi thành tổng vô hạn hoặc

hữu hạn các hàm sin hoặc cos.

Do ảnh số chi là một phan của tin hiệu số và bản chat tín hiệu ảnh số là tín hiệu rờirac do quá trình lay mẫu từ môi trường nên ta sử dụng biến đổi Fourier rời rac (Discrete

Fourier Transform - DFT) trong xử lý ảnh.

Phép biến đổi Cosine rời racPhép biến đổi cosine rời rac (Discrete Cosine Transform - DCT) là một phép biến đổi

có nhiều ứng dụng trong nén ảnh và đã được sử dụng trong định dạng ảnh JPEG

Phép biến đổi cosine rời rạc (DCT) được Ahmed đưa ra vào năm 1974 Kê từ đó đếnnay nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều phương thức mã hóa ảnh khác nhau nhờ hiệusuất gần như tối ưu của nó đối với các ảnh có độ tương quan cao giữa các điểm ảnh lân cận.Biến đồi cosine rời rac được sử dụng trong chuẩn nén ảnh JPEG và định dang phim MPEG

Phép biến đổi cosine một chiềuPhép biến đổi sóng con rời racPhép biến đổi sóng con rời rac (Discrete Wavelet Tranform - DWT) là một phép biếnđổi mới và hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong xử lý ảnh số DWT đã được sử dụng trong định

GIF (Graphics Interchange Format) là một định dang tập tin hình anh bitmap cho các

hình ảnh dùng ít hơn 256 màu sắc khác nhau và các hoạt hình dùng ít hơn 256 màu cho mỗi

khung hình GIF là định dạng nén dữ liệu đặc biệt hữu ích cho việc truyền hình ảnh qua

đường truyền lưu lượng nhỏ Định dạng này được CompuServe cho ra đời vào năm 1987 vànhanh chóng được dùng rộng rãi trên World Wide Web cho đến nay

Tập tin GIF dùng nén đữ liệu bảo toàn trong đó kích thước tập tin có thé được giảm

mà không làm giảm chất lượng hình ảnh, cho những hình anh có ít hơn 256 màu Số lượngtối đa 256 màu làm cho định dạng này không phù hợp cho các hình chụp (thường có nhiềumàu sắc) [7], tuy nhiên các kiểu nén dữ liệu bảo toàn cho hình chụp nhiều màu cũng có kích

thước quá lớn đối với truyền dữ liệu trên mạng hiện nay Như vậy, GIF thường được dùng

cho sơ đô, hình vẽ nút bam và các hình ít màu [1]

Định dạng ảnh PNG

PNG (Portable Network Graphics) là một dạng hình ảnh sử dụng phương pháp nén

dữ liệu mới - không làm mất đi đữ liệu gốc PNG được tạo ra nhằm cải thiện và thay thế

định dạng ảnh GIF với một định dạng hình ảnh không đòi hỏi phải có giấy phép sáng chếkhi sử dụng PNG được hỗ trợ bởi thư viện tham chiếu libpng, một thư viện nền tảng độclập bao gồm các hàm của C đề quản lý các hình ảnh PNG

dưới dạng BMP thường có đuôi là BMP hoặc DIB (Device Independent Bitmap).

Các thuộc tính tiêu biểu của một tập tin ảnh BMP (cũng như file ảnh nói chung) là sốbit trên mỗi điểm ảnh (bit per pixel), thường được ký hiệu bởi n Một anh BMP n-bit có 2nmàu Giá trị n càng lớn thì ảnh càng có nhiều màu, và càng rõ nét hơn Giá trị tiêu biểu của

n là 1 (ảnh đen trắng), 4 (ảnh 16 mau), 8 (ảnh 256 màu), 16 (ảnh 65536 màu) và 24 (ảnh 16triệu màu) Ảnh BMP 24-bit có chất lượng hình anh trung thực nhất [6]

Cấu trúc tập tin ảnh BMP bao gồm 4 phần:

- Bitmap Header (14 bytes)

- Bitmap Information (40 bytes)

- Color Palette (4*x bytes)

- Bitmap Data Dinh dang anh JPEG

JPEG (Joint Photographic Experts Group) là một trong những phương pháp

nén ảnh hiệu quả, có tỷ lệ nén ảnh tới vài chục lần Tuy nhiên ảnh sau khi giải nén

sẽ khác với ảnh ban đầu Chất lượng ảnh bị suy giảm sau khi giải nén Sự suygiảm này tăng dần theo hệ số nén Tuy nhiên sự mất mát thông tin này là có thểchấp nhận được và việc loại bỏ những thông tin không cần thiết được dựa trênnhững nghiên cứu về hệ nhãn thị của mắt người

Kỹ thuật nén ảnh JPEG

Một tính chất chung nhất của tất cả các ảnh số đó là tương quan giữa các pixel ở cạnhnhau lớn, điều này dẫn đến dư thừa thông tin dé biểu diễn ảnh Dư thừa thông tin sẽ làm choviệc mã hóa không tối ưu Do đó công việc cần làm để nén ảnh là phải tìm được các biểudiễn ảnh với tương quan nhỏ nhất dé giảm thiêu độ dư thừa thông tin của ảnh

2.2 Một số thuật toán thủy vân trên ảnh số

2.2.1 Thuật toán thủy vân dựa vào các bit có trọng số thấp LSB

Thuật toán này sử dụng các bit có trọng số thấp (Least Significant Bit - LSB) dé giấu

thủy vân.

Các bit có trọng số thấp được hiểu là các bit mà nếu thay đổi giá trị của chúng sẽ ítlàm thay đổi đến chất lượng ảnh Ví dụ với ảnh bitmap 256 màu, màu của mỗi điểm ảnhđược biểu dién bang 8bit, nếu tat hay déi gia tri thứ 8 cua mã mau thì mã màu chi thay đôigiá trị có 1 đơn vị nên nhìn chung thì cả bức ảnh không bị ảnh hưởng nhiều

Ưu điểm của thuật toán: đơn giản và dung lượng giấu tin cao

Nhược điểm: kẻ tấn công chỉ cần thay đổi ngẫu nhiên giá trị của các bit có trọng sốthấp là thủy vân đã bị phá hủy

2.2.2Thúy vân ảnh trên miền DCT

Khác với thủy vân dựa trên biến đôi không gian ảnh tương đối dễ bị tan công và pháthiện Năm 1995, Cox đã đưa ra một mô hình khác đó là nhúng thủy vân vào miền tần sé

Dựa trên mô hình của Cox, năm 1998, Burgett đã áp dụng một thuật toán thủy vân

ảnh dựa vào biến đổi DCT với định dạng JPEG

Thuật toán của Burgett sẽ chia anh JPEG thành các khối (block) có kích thước 8x8điểm ảnh Mỗi khối sẽ được biến đổi DCT Thuật toán sẽ chọn ngẫu nhiên các khối dénhúng thủy van Thủy vân được nhúng trên mỗi khối bằng cách đổi chỗ một cặp hệ số củabiến đổi DCT [2][8]

2.2.3Thuật toán thiy vân trên miền DWT

Tương tự như thuật toán thủy vân ảnh trên miền DCT, trong biến đổi DWT, thủy vân

được nhúng vào các dải tân sô cao nhât theo công thức sau:

CHF [ij] = CS" [ij] + øA+*[ij] W [iN+j]

ci [ij] = Cết [i,j] + øA"[ij] W [MN+iN+]]

CH [ij] = Co" [ij] + oAHH[i,j] W [2MN+iN+)]

2.2.4Thủy vân dễ vỡ

Thủy vân dễ vỡ (fragile watermark) là một dạng thủy vân đặc biệt Được sử dụng déđảm bao tính toàn ven thông tin ảnh số Đặc điểm của thủy vân dé vớ là chỉ cần ảnh bị thayđổi thì thủy vân sẽ bị phá hủy Do đó chống lại sự xuyên tạc nội dung của ảnh