Tìm hiểu các phép biến đổi ma trận SVD, QR và ứng dụng để xây dựng lược đồ thủy vân

Mục đích của phương pháp này là nhúng một lượng thôngtin có ích vào các sản phẩm số lượng thông tin này được gọi là thủy vân.Dựa trên mục đích sử dụng các lược đồ thủy vân được chia thàn

ĐẠ HỌC THÁ NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

-

-Học viên thực hiện Lê Minh Hoài

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN:

TÌM HIỂU CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN SVD, QR

VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XÂY DỰNG LƯỢC ĐỒ THỦY VÂN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên, tháng 07 năm 2014

ĐẠ HỌC THÁ NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

-

-Học viên thực hiện Lê Minh Hoài

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN:

TÌM HIỂU CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI MA TRẬN SVD, QR

VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ XÂY DỰNG LƯỢC ĐỒ THỦY VÂN

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60 48 01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Lê Minh Hoài

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giảng dạy và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập ở trường Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới PGS.TS Nguyễn Bá Tường đã hướng dẫn, chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn mọi sự giúp đỡ từ người thân, đồng nghiệp những người đã luôn ủng hộ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn của mình Mặc dù đã có nhiều cố gắng, tuy nhiên luận văn của tôi không thể tránh khỏi những thiếu sót, do đó tôi rất mong nhận được những ý kiến đánh giá, bổ sung để tôi có thể hoàn thiện luận văn của mình./.

Thái Nguyên, ngày 07 tháng 10 năm 2014

Học viên

Lê Minh Hoài

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

MỤC LỤC

i LỜI CẢM ƠN iv DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA ix MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Ảnh số 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Phân loại ảnh 3

1.1.3 Histogram của ảnh 4

1.1.4 Cấu trúc tệp ảnh Bitmap 5

1.2 Chất lượng ảnh 6

1.2.1 Hệ số PSNR 6

1.2.2 Hệ số Diff 6

1.3 Một số phép biến đổi 7

1.3.1 Phép biến đổi Cosin rời rạc 7

Phép biến đổi DCT 1-D 8

Phép biến đổi DCT 2-D 9

1.3.2 Phép biến đổi SVD 10

1.3.3 Phép biến đổi QR 10

1.4 Giấu tn 11

1.4.1 Khái niệm giấu tin 11

1.4.2 Giấu tin trên miền không gian 14

1.4.3 Giấu tin trên miền biến đổi 14

1.5 Thủy vân số 15

1.5.1 Khái niệm thủy vân 15

1.5.2 Phân loại thủy vân 16

1.5.3 Một số tính chất của thủy vân số 19

1.5.4 Ứng dụng của thủy vân 21

CHƯƠNG 2: THỦY VÂN TRÊN MIỀN SVD 23

2.1 Phép biến đổi SVD 23

2.1.1 Khái niệm về SVD 232.1.2 Phép biến đổi SVD 24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

2.1.3 Một số tính chất của khai triển SVD 25

2.1.4 Ví dụ minh họa khải triển SVD 25

2.2 Lược đồ thủy vân SVD-1

27 2.2.1 Ý tưởng của thuật toán 27

2.2.2 Thuật toán nhúng thủy vân 27

2.2.3 Thuật toán trích thủy vân 29

2.2.4 Nhận xét về lược đồ SVD-1 30

2.3 Lược đồ thủy vân SVD-N

30 2.3.1 Ý tưởng của thuật toán 30

2.3.2 Thuật toán nhúng thủy vân 30

2.3.3 Thuật toán trích thủy vân 32

2.3.4 Nhận xét về lược đồ SVD-N 32

2.4 Mã nguồn Chương trình thử nghiệm

33 CHƯƠNG 3 : THỦY VÂN TRÊN MIỀN QR 34

3.1 Phép biến đổi QR

34 3.1.1 Khái niệm về QR 34

3.1.2 Phép biến đổi QR 35

3.1.3 Xét ví dụ khai triển SVD 35

3.2 Lược đồ thủy vân QR-1

37 3.2.1 Ý tưởng của thuật toán 37

3.2.2 Thuật toán nhúng thủy vân 37

3.2.3 Thuật toán trích thủy vân 38

3.2.4 Nhận xét về lược đồ QR-1 38

3.3 Lược đồ thủy vân QR-N

39 3.3.1 Ý tưởng của thuật toán 39

3.3.2 Thuật toán nhúng thủy vân 39

3.3.3 Thuật toán trích thủy vân 40

3.3.4 Nhận xét về lược đồ QR-N 40

3.4 Kết quả thực nghiệm của các lược đồ SVD và QR 41

3.4.1 Bộ ảnh thử nghiệm 41

3.4.2 So sánh tính bền vững của các lược đồ thủy vân 41

3.4.3 So sánh SVD-1 và QR-1 tại các vị trí nhúng thủy vân khác nhau 42

3.4.5 Khả năng lựa chọn phần tử nhúng thủy vân 46

3.4.5.3 So sánh các lược đồ SVD-N và QR-N 49

3.5 Chương trình thử nghiệm

49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosin rời rạc IDCT Invert Discrete Cosine Transform Biến đổi ngược DCT DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Forier rời rạc IDFT Invert Discrete Fourier Transform Biến đổi ngược DFT DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc IDWT Invert Discrete Wavelet Transform Biến đổi ngược DWT

FFT Fast fourier transfer Biến đổi Fourier nhanh GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý PRNS Pseudo random number sequence Dãy số giả ngẫu nhiên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1 Biểu đồ histogram của ảnh màu Pepper

Hình 1.2 Thứ tự cấu trúc các thành phần của ảnh Bitmap

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình giấu tin

Hình 1.4 Sơ đồ quá trình giải mã tin giấu

Hình 1.5 Phân loại các kỹ thuật thủy vân

Hình 1.6 Mô hình quá trình nhúng thủy vân

Hình 1.7 Mô hình quá trình tách và kiểm định thủy vân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu h t t p : / / www l r c - tn u e d u v n /

MỞ ĐẦU

Ngày nay, mạng Internet đã trở thành một trong các phương tiệntruyền tải, chia sẻ thông tin, tài liệu một cách thuận tiện, hiệu quả Thông tinluôn sẵn sàng trực tuyến, mọi người đều có thể kết nối vào Internet để tìmkiếm một cách dễ dàng các thông tin cần thiết Bên cạnh đó, các công ty, cácnhà cung cấp sản phẩm có thể bán sản phẩm của mình thông qua mạngInternet cũng như cung cấp dữ liệu, thông tn về các sản phẩm, dịch vụ củamình cho người dùng thông qua hệ thống mạng Internet một cách hiệu quả

Với lượng thông tn được truyền qua mạng ngày càng nhiều thì vấnnạn sao chép và sử dụng không hợp pháp dữ liệu số ngày một tăng Tuynhiên việc quản lý và khai thác các thông tin này lại đôi khi nằm ngoài tầmkiểm soát của các cá nhân, tổ chức do nạn sao chép bất hợp pháp, vi phạmbản quyền ngày một gia tăng Từ đó cần thiết phải có các giải pháp chốngsao chép để hạn chế việc vi phạm bản quyền các sản phẩm dữ liệu số

Một trong những giải pháp hữu hiệu để bảo vệ bản quyền các sảnphẩm dữ liệu số là kỹ thuật thủy vân số được xem là một trong nhữnggiải pháp quan trọng Thủy vân số dựa trên kết quả nghiên cứu của nhiềulĩnh vực khác nhau như: Mật mã học, kỹ thuật giấu tn, lý thuyết thống kê và

xử lý tín hiệu số Mục đích của phương pháp này là nhúng một lượng thôngtin có ích vào các sản phẩm số (lượng thông tin này được gọi là thủy vân).Dựa trên mục đích sử dụng các lược đồ thủy vân được chia thành hai nhómchính gồm thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ Thủy vân dễ vỡ là kỹ thuậtnhúng thủy vân vào trong ảnh, khi có bất kì sự can thiệp hay thay đổi nào tớiảnh gốc thì dấu thủy vân sẽ không còn nguyên vẹn, với kỹ thuật thủy vân nàyđược ứng dụng trong bài toán xác thực tnh toàn vẹn dữ liệu số Trong khi đóthủy vân bền vững được ứng dụng trong bài toán bảo vệ bản quyền đối vớicác sản phẩm số

Nội dung luận văn tập trung vào tìm hiểu một số kỹ thuật giấu tintrong ảnh số đã được công bố trên một số lược đồ thủy vân bền vững ứngdụng các phép biến đổi SVD, QR trong việc xác thực bảo vệ tác quyền trên dữliệu ảnh số Đây là hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và có nhiều ứng

dụng trong thực tế, vì thế em đã chọn đề tài nghiên cứu như sau: “Tìm hiểu các phép biến đổi ma trận SVD, QR và ứng dụng để xây dựng lược đồ thủy vân”.

Cấu trúc của Luận văn bao gồm các thành phần với nội dung như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về các kiến thức cơ bản về ảnh số, các phép biếnđổi, thông tin về giấu tin và thủy vân trên ảnh số

Chương 2: Thủy vân trên miền SVD

Tập trung t ì m h i ể u , phân tch, đánh giá p h é p b i ế n đ ổ i S V

D v à c h ư ơ n g t r ì n h S V D t h ử n g h i ệ m

Chương 3: Thủy vân trên miền QR

Tập trung t ì m h i ể u , phân tch, đánh giá p h é p b i ế n đ ổ i Q

R v à c h ư ơ n g t r ì n h Q R t h ử n g h i ệ m

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Thủy vân trên ảnh số là hướng nghiên cứu nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Để tăng cường tính bền vững cho các thuật toán thủy vân, hầu hết các lược đồ đều sử dụng miền biến đổi để nhúng dấu thủy vân thay cho việc sử dụng trực tiếp trên miền không gian ảnh.

Nội dung chương này tập trung trình bày một số khái niệm liên quan đến ảnh

số, thủy vân số và một số phép biến đổi thường được sử dụng trong các lược

đồ thủy vân như phép biến đổi DCT, phép biến đổi SVD và phép biến đổi QR.

1.1 Ảnh số

1.1.1 Khái niệm

Như đã biết, ảnh số tự nhiên được lượng tử từ ảnh liên tục (ảnh tự nhiên) Do vậy, dữ liệu của ảnh thường có sự tương quan cao Nói cách khác, các điểm ảnh lân cận (liền kề) có giá trị xấp xỉ nhau.

1.1.2 Phân loại ảnh

Trên phương diện toán học, ảnh số được xem như là một ma trậnnguyên dương gồm m hàng và n cột, mỗi phần tử của ma trận đại diện chomột điểm ảnh Dựa theo màu sắc ta có thể chia ảnh số thành 3 dạng cơ

bản như: Ảnh nhị phân, ảnh đa cấp xám và ảnh màu (true color).

- Ảnh nhị phân là ảnh chỉ có hai màu, một màu đại diện cho màu nền vàmàu còn lại cho đối tượng của ảnh Nếu hai màu là đen và trắng thì gọi là ảnhđen trắng Như vậy, ảnh nhị phân được xem như một ma trận nhị phân

- Ảnh đa cấp xám là ảnh có thể nhận tối đa 256 mức sáng khác nhautrong khoảng màu đen - màu trắng Như vậy, ảnh đa mức xám xem như là

ma trận không âm có giá trị tối đa 255

Ảnh màu hay còn gọi là ảnh true color, mỗi điểm ảnh được biểu diễn

bởi một số byte (thường 3 byte) đại diện cho 3 thành phần màu và như

vậy,

1.1.3 Histogram của ảnh

Histogram là khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh Histogram là bảngthống kê tần xuất giá trị cường độ sáng của các điểm ảnh Đối với ảnh màu,cường độ sáng của một điểm ảnh được xác định theo công thức:

Y= 0.299R + 0.587G + 0.114B (1.1)trong đó R,G,B là giá trị các thành phần màu và là cường độ sáng của

điểm ảnh Ví dụ: Từ ảnh màu pepper.bmp ta có thể dễ dàng xác định

được biểu đồ histogram tương ứng như hình 1.3

ảnh pepper.bmp Biểu đồ histogram

Hình 1.1 Biểu đồ histogram của ảnh màu Pepper

1.1.4 Cấu trúc tệp ảnh Bitmap

Ảnh Bitmap được lưu trữ dưới dạng nhị phân, là một tệp địnhdạng được chia thành các thành phần như sau: Tiêu đề file (Bitmap Header),thông tin ảnh (Bitmap Infor), bảng màu (Pallete Table) và vùng dữ liệu(Data) Thứ

tự các thành phần trên được lưu trữ tuần tự trong bộ nhớ như hình minh họa

HeaderInfo header

Optional palette

Image data

Hình 1.2 Thứ tự cấu trúc các thành phần của ảnh Bitmap

Ý nghĩa của các thành phần như sau :

- Tiêu đề file (Header): Mô tả thông tin chung về file định dạngBitmap, độ dài của nó được cố định với mọi ảnh Bitmap

- Thông tin ảnh (Infor header): Mô tả thông tin về ảnh được lưu trữ, độdài của nó cũng cố định

- Bảng màu (Optonal Palette): Là bảng màu của ảnh Bitmap, độ dàicủa nó có thể bằng không ( không có bảng màu) đối với ảnh đen trắng và ảnhmàu có số lượng màu lớn hơn 256 màu

- Vùng dữ liệu (Image Data): Chứa thông tin của từng điểm ảnh, độ dàicủa phần này phụ thuộc vào kích thước của ảnh Nó được lưu trữ theohướng từ dưới lên trên và từ trái qua phải

1.2 Chất lượng ảnh

Như đã đề cập ở trên, chất lượng ảnh chứa tin là một trong những yếu tốquan trọng trong giấu tin mật, đặc biệt là thủy vân số Chất lượng ảnh chứa

tn có thể được đánh giá bằng hệ số PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) Lược

đồ có hệ số càng lớn thì chất lượng ảnh chứa tin càng cao

1.2.1 Hệ số PSNR

Như ta đã đề cập ở trên, chất lượng ảnh giấu tn là một trong các yếu tốquan trọng trong giấu tin mật, đặc biệt là thủy vân số Chất lượng ảnh chứa

tn có thể đánh giá bằng hệ số PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) Lược đồ có

hệ số PSNR càng lớn thì chất lượng ảnh chứa tin càng cao Hệ số PSNR củaảnh

chứa tin I’ so với ảnh gốc I kích thước m x n được tính theo công thức :

Sử dụng Diff để đánh giá chất lượng ảnh của các lược đồ thuỷ vân Lược

đồ nào có Diff nhỏ hơn thì có chất lượng ảnh thuỷ vân tốt hơn.

Trong các lược đồ thủy vân dưới đây chỉ xét ảnh đa cấp xám I có kích thước M×N (nếu I là ảnh màu thì sử dụng công thức I=0.299R+0.587G+0.114B để chuyển sang đa cấp xám) Như vậy ảnh thực chất là một ma trận nguyên không âm Giả sử I là ảnh gốc và I' là ảnh sau khi

nhúng dấu thuỷ vân (ảnh thuỷ vân) Để đánh giá chất lượng của ảnh thuỷvân

I' có thể sử dụng chuẩn của ma trận hiệu I' - I:

1.3.1 Phép biến đổi Cosin rời rạc

Biến đổi Cosine rời rạc (DCT - Descrete Cosine Transform) là mộttrong những phép biến đổi quan trọng trong lĩnh vực xử lý tín hiện nói chung

và nén ảnh nói riêng DCT đã trở thành một công cụ hữu ích trong các chuẩnnén dữ liệu hình ảnh, âm thanh

Cũng giống như các phép biến đổi khác, biến đổi Cosine rời rạc gồm:biến đổi thuận (DCT) và biến đổi ngược (IDCT - Inverse Descrete CosineTransform) Phép biến DCT sẽ chuyển dữ liệu ở miền thời gian sang miền tần

số, và được thực hiện ngược lại đổi với phép biến đổi IDCT Nội dung chi tết

về biến đổi Cosine rời rạc được trình bày trong các mục tếp theo

Phép biến đổi DCT 1-D

Với dữ liệu đầu vào là tập n giá trị p t (giá trị điểm ảnh, mẫu âm thanh )Theo [8], phép biến đổi thuận DCT một chiều được xác định:

1 0

0

1 0

,

1 0

C f 2 nêu f

nêu f

và G f là tập n hệ số DCT tương ứng của đầu vào Hệ số đầu tiên G o

được gọi là phần tử DC (Direct Current) và các hệ số còn lại được gọi là phần

tử AC (Alternating current) Các hệ số này có thể bao gồm cả số âm và số

dương

Phép biến đổi IDCT biến đổi các hệ số DCT (DC và AC) từ miền tần số

về miền thời gian được xác định theo công thức:

Ví dụ với 8 mẫu dữ liệu p = (12,10,8,10,12,10,8,11), áp dụng phép biến

đổi thuận ta nhận được 8 hệ số DCT tương ứng:

G=(28.6375; 0.571202; 0.46194; 1.757; 3.18198; -11.72956; 0.191342;

0.308709)

và áp dụng IDCT đối với G ta sẽ nhận được dãy dữ liệu p như ở trên.

Phép biến đổi DCT 2-D

Phép biến đổi DCT 1-D phù hợp với các mẫu dữ liệu âm thanh Nhưngkhông phù hợp ảnh, do dữ liệu ảnh có quan hệ trên không gian hai

chiều (hàng, cột) Tuy nhiên, đối với ảnh ta có thể áp dụng DCT 1-D hai lần:

trên các hàng và trên các cột Do vậy ta gọi phép biến đổi này là DCT 2-D

Theo [7], phép biến đổi thuận DCT 2-D đối với m x n giá trị của p trên

không gian 2 chiều được xác định theo công thức:

' (

1 c

1 1

0 0

1 0

C f 2 nêu f

nêu f

Khi đó, hệ số đầu tên G0,o gọi là phần tử DC và các hệ số còn lại là AC

Phép biến đổi IDCT 2-D tương ứng đối với m x n hệ số G về miền không gian được tnh theo công thức:

độ thực hiện, phép biến đổi DCT thường được tếp cận theo phương pháp

ma trận.Theo [7], ma trận Cosine rời rạc T cấp 8 x 8 được tnh theo côngthức:

1

' nêu i 0

8

C f (1.13)

Khi đó, phép biến đổi Cosine rời rạc hai chiều đối với khối điểm ảnh P

để nhận được khối hệ số DCT G theo công thức:

G = TPT’ (1.14)

và phép biến đổi ngược tương ứng:

P = T’GT (1.15)

1.3.2 Phép biến đổi SVD

Phép biến đổi SVD (Singular Value Decomposition: A U D T )

cũng giống như DCT, DWT đều là các phép biến đổi ma trận trực giao và cócùng một tính chất quan trọng là tập trung năng lượng ảnh vào một số phần

tử cố định của miền biến đổi Năng lượng ảnh tập trung vào phần tử D(1,1)

trong phép biến đổi SVD phần tử này có tính ổn định cao, vì vậy có thể sửdụng chúng để xây dựng các lược đồ thủy vân bền vững trước các phép tấncông

1.3.3 Phép biến đổi QR

Phép biến đổi QR (QR Decomposition: A=Q×R) cũng giống như DCT,

DWT là các phép biến đổi ma trận trực giao và có cùng một tính chất quantrọng là tập trung năng lượng ảnh vào một số phần tử cố định của miền biến

đổi Năng lượng ảnh tập trung vào hàng đầu của ma trận R trong phép

biến đổi QR Các phần tử này có tính ổn định cao, vì vậy có thể sử dụngchúng để xây dựng các lược đồ thủy vân bền vững trước các phép tấn công

* Hai là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu Chính là giấu tin mật, tậptrung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho người khác rất vất vả, khó khăn mớiphát hiện được đối tượng có chứa thông tin mật bên trong.

, h

con (DWT)

* Mô hình kỹ thuật giấu tn:

Thông tin cần giấu

Dữ liệu môi trường đã được giấu tn

Khóa

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình giấu tin

Trong các mô hình kỹ thuật giấu tin được mô tả như trong cáchình minh họa 1.3 và 1.4 dưới đây Theo mô hình 1.3 biểu diễn sơ đồ quátrình giấu tn ta thấy ở đây phương tiện chứa thông tn bao gồm các đốitượng được dùng làm môi trường để giấu tin như các tệp đa phương tện.Thông tin cần giấu là một lượng thông tin mang ý nghĩa và mục đích nào đótùy thuộc vào mục đích và yêu cầu của người sử dụng Thông tin sẽ đượcgiấu vào trong môi trường chứa thông tin nhờ một bộ nhúng thông tin Bộnhúng thông tin là những chương trình có chứa các thuật toán để giấuthông tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như các hệ mật mã

Sau khi giấu thông tin ta thu được một môi trường đã giấu tin và

sẽ được truyền tải, phân phối trên các phương tện truyền thông khác nhau

Khóa

Dữ liệumôitrườngđãđượcgiấu tin

Bộ giảimãthông tin

Dữ liệu môitrườngthông

tin(Hình ảnh,

âm thanh, phim, )

Thông tin cần giấu Kiểm định

Hình 1.4 Sơ đồ quá trình giải mã tin giấu

Trong hình 1.4 đã chỉ ra các nhiệm vụ của quá trình giải mã thông tin

đã được giấu Quá trình giải mã này phải được thực hiện thông qua một

bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin và kết hợp với khóa để giải mã

tn Khóa để giải mã tn này có thể giống hay khác với khóa đã nhúng tin Kếtquả thu được bao gồm môi trường gốc và thông tin đã được che giấu Tùytheo các trường hợp cụ thể, thông tin tách được ra có thể phải cần xử lý,kiểm định và so sánh với thông tin đem giấu ban đầu Thông qua dữ liệuđược tách ra từ môi trường chứa thông tin giấu, người ta có thể biết đượctrong quá trình truyền tải, phân phát dữ liệu có bị xâm phạm, tấn công haykhông

Đối với các hệ thống giấu thông tn mật thì rất quan tâm đến tnh antoàn và bảo mật thông tin của dữ liệu cần giấu Hệ thống giấu tn mật có

độ bảo mật cao nếu có độ phức tạp của các thuật toán thám mã khó có thểthực hiện được trên máy tnh Tuy nhiên, cũng có các hệ thống chỉ quan tâmđến số lượng thông tin có thể được che giấu, hay quan tâm đến sự ảnhhưởng của thông tin mật đến các môi trường chứa dữ liệu

1.4.2 Giấu tin trên miền không gian

Miền không gian của ảnh là miền dữ liệu của ảnh gốc, tác độngđến miền không gian ảnh chính là tác động trực tiếp đến các điểm ảnh, làmthay đổi giá trị của điểm ảnh Đây là xu hướng trực quan được tập trung khaithác trong quá trình thủy vân trong ảnh, khi nói đến việc giấu tin trong ảnhchính là nhằm thay đổi giá trị các điểm ảnh gốc, những bít ít quan trọng củamỗi điểm ảnh đảm bảo cho ảnh được chỉnh sửa giá trị điểm ảnh gần nguyêngốc nhất

Tuy nhiên, phương pháp này có nhiều nhược điểm, chẳng hạn nhưtính bền vững không được đảm bảo với dấu thủy vân qua các thao tác biếnđổi ảnh như quay chụp ảnh, nén ảnh các tác tác động đó đôi khi cũng làmsai lệch điểm ảnh dẫn đến các bít ít quan trọng nhất cũng bị thay đổi

Phương pháp biến đổi dựa trên miền không gian như trình bày ở trên

là cách biến đổi tín hiệu và miền giá trị rời rạc của các điểm ảnh được gọi

là miền biến số độc lập Trong thực thế phép biến đổi trực tiếp này gặp phảinhững khó khăn và hiệu quả không cao

Ngoài phương pháp biến đổi trực tiếp, có dùng phương pháp biến đổigián tếp thông qua các phép biến đổi trực giao làm nhiệm vụ chuyển miềnkhông gian sang miền biến đổi

1.4.3 Giấu tin trên miền biến đổi

Miền biến đổi hay còn gọi là miền tần số là miền nhận được khi biếnđổi miền ảnh Đây là kỹ thuật sử dụng phương pháp biến đổi như tnhtích phân hay phương pháp đổi hệ tọa độ trong tích đề các Phươngpháp này nhằm chuyển miền không gian sang miền tần số, cụ thể là biến đổitín hiệu và miền giá trị rời rạc của các điểm ảnh sang miền mới và có biến sốmới

Mỗi phép biến đổi có những thuận lợi và khó khăn riêng, tùy vàotrường hợp cụ thể để lựa chọn phép biến đổi nào cho phù hợp Sau khibiến

đổi các tín hiệu và miền giá trị rời rạc trong miền biến số mới này, nếu cầnthiết có thể dùng phép biến đổi ngược lại để đưa ảnh về miền biến số độc lập.

Phương pháp biến đổi gián tiếp làm đơn giản rất nhiều các côngviệc gặp phải khi dùng phương pháp biến đổi trực tiếp trong miền biến sốđộc lập Có một số phương pháp biến đổi phổ biến hiện nay như: Fourier,Cosin rời rạc (DCT), Wavelet là những phép biến đổi được sử dụng phốbiến trong các kỹ thuật xử lý multmedia, đặc biệt trong xử lý ảnh số Ngoài

ra các phép biến đổi này còn dùng nhiều trong lĩnh vực giấu tin, thủy vân số

1.5 Thủy vân số

1.5.1 Khái niệm thủy vân

Thủy vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tn vàomột bức ảnh số, các thông tin được nhúng có thể được ẩn hoặc hiện thị phụthuộc vào kỹ thuật thủy vân cụ thể Trong kỹ thuật thủy vân số thì thông tinnhúng được gọi là thủy vân Thủy vân có thể là một chuỗi các ký tự, một hìnhảnh, hay một logo nào đó Có thể chia thủy vân số thành hai nhóm là thủyvân dễ vỡ và thủy vân bền vững

* Thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thủy vân vào trong ảnh, sao chonếu có một phép biến đổi nào làm thay đổi ảnh gốc thì thủy vân được giấutrong đó sẽ không còn nguyên vẹn như thủy vân gốc

* Ngược lại, với kỹ thuật thủy vân dễ vỡ là thủy vân bền vững Các kỹthuật thủy vân bền vững thường được sủ dụng trong các ứng dụng bảo vệtác quyền Trong những ứng dụng đó, thủy vân đóng vai trò là thông tin sởhữu của người chủ hợp pháp Thủy vân được nhúng trong các sản phẩm nhưmột hình thức dán tem bản quyền Trong thường hợp như thế, thủy vânphải tồn tại bền vững cùng sản phẩm nhằm chống việc tẩy xóa, làm giả haybiến đổi nhằm phá hủy thủy vân Một yêu cầu lý tưởng đối với thủy vân bền

vững là nếu muốn phá hủy thủy vân thì chỉ có cách duy nhất là phá hủy sảnphẩm.

1.5.2 Phân loại thủy vân

Nói đến thủy vân số là nói đến kỹ thuật giấu tin nhắm đến những ứngdụng nhằm đảm bảo an toàn dữ liệu cho đối tượng được sử dụng để giấu tnnhư: Bảo vệ bản quyền, xác thực thông tin, chống xuyên tạc, điều khiển saochép, ta có thể nhận thấy tính ứng dụng của thủy vân rất là lớn, với mỗi ứngdụng lại có các yêu cầu đặc trưng riêng, do đó các kỹ thuật thủy vân này cũng

có những tính năng khác biệt tương ứng

Trong kỹ thuật thủy vân số thì thông tin nhúng được gọi là thủy vân.Thủy vân có thể là một chuỗi ký tự hay là một tệp hình ảnh, biểu tượng

Thủy vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số vàomột bức ảnh số và thông tin nhúng được gắn liền với bức ảnh chứa và dữliệu thủy vân có thể được hiển thị hay ẩn là tùy thuộc vào mỗi kỹ thuật thủyvân cụ thể

Có thể chia các kỹ thuật thủy vân theo các nhóm như hình minhhọa như hình 1.5 như sau

Thủy vân số

Thủy vân bền vững Thủy vân dễ vỡ

Thủy vân ẩn Thủy vân hiện Thủy vân ẩn Thủy vân hiện

Hình 1.5 Phân loại các kỹ thuật thủy vân.

Các kỹ thuật thủy vân trên hình 1.5 được phân biệt khác nhaubởi những đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật và khía cạnh ứngdụng của những kỹ thuật đó Trong thực tế, tùy theo mục đích, yêu cầu củabài toán mà ta sẽ chọn kỹ thuật thủy vân phù hợp Tuy nhiên, các kỹ thuậtnày cũng có một số đặc điểm giống nhau

Với kỹ thuật thủy vân bền vững thường được sử dụng trong bàitoán bảo vệ bản quyền Trong những ứng dụng đó, thủy vân đóng vai trò làthông tin sở hữu của người chủ hợp pháp Thủy vân được nhúng vào trongcác sản phẩm như là hình thức dán tem bản quyền Trong các trường hợpnày thì thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, nhằm chống lạiviệc tẩy xóa, làm giả hay biến đổi phá hủy thủy vân Một yêu cầu lý tưởng đốivới thủy vân bền vững là nếu muốn loại bỏ thủy vân này thì chỉ còn cócách duy nhất là phá hủy sản phẩm Thủy vân bền vững lại được chia thànhhai loại là thủy vân ẩn và thủy vân hiện Thủy vân hiện là loại thủy vân đượchiện lên ngay trên sản phẩm và người sử dụng có thể nhìn thấy được, ví dụnhư các biểu tượng của các đài truyền hình trên các kênh vô tuyến VTV1,VTC1, Bibi, Các thủy vân hiện trên ảnh thường hiển thị dưới dạng chìm, mờhoặc trong suốt nhằm không gây ảnh hưởng đến chất lượng các sản phẩmảnh gốc Đối với thủy vân hiện này thì thông tn bản quyền hiển thị ngay trênsản phẩm; còn đối với thủy vân ẩn thì cũng giống như giấu tin, yêu cầu tính

ẩn rất cao, bằng mắt thường không thể nhìn thấy thủy vân Trong vấn đề bảo

vệ bản quyền, thủy vân ẩn mang nhiều tính bất ngờ hơn trong việc phát hiệnsản phẩm bị lấy cắp Trong trường hợp này thì người chủ sở hữu hợp pháp sẽđưa ra bằng chứng là thủy vân đã được nhúng vào trong sản phẩm đó

Còn đối với thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thủy vân vào trong ảnhsao cho sản phẩm khi phân phối, truyền tải trong các môi trường nếu cóbất kỳ một phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thìthủy vân đã được giấu trong đối tượng đó sẽ không còn nguyên vẹn nhưthủy vân gốc Các tính chất của kỹ thuật thủy vân này thường được sử dụngtrong các ứng dụng xác thực thông tin và phát hiện thông tin bị xuyên tạc Đóchính là nguyên nhân vì sao các ứng dụng loại này rất cần đến kỹ thuậtthủy vân dễ vỡ Ví dụ như để bảo vệ chống bị xuyên tạc một ảnh nào đó,người ta nhúng một thủy vân vào đó và sau đó quảng bá, phân phối đốitượng này Khi cần

kiểm tra lại người ta sử dụng hệ thống đọc thủy vân, nếu không đọc đượcthủy vân hoặc thủy vân đã bị sai lệch nhiều so với thủy vân ban đầu đã đượcnhúng vào đối tượng thì có nghĩa là bức ảnh đó đã bị thay đổi, chỉnh sửa,

Mô hình hệ thống thủy vân thường liên quan đến các quá trình

- Sử dụng một thuật toán trong hệ thống sẽ kết hợp giữa thông tin

về ảnh gốc, thông tin thủy vân và thông tn khóa để tạo thành một bức ảnhmới hay còn gọi là ảnh đã nhúng thủy vân hay ảnh chứa thủy vân SW Từ đâybức ảnh này sẽ được sử dụng để phân phối, truyền tải đi

*Mô hình quá trình nhúng thủy vân được minh họa như hình

1.4

Hình 1.6 Mô hình quá trình nhúng thủy vân

* Quá trình tách thủy vân

Ảnh chứa thủy vân SW trong quá trình phân phối, truyền tải có thể

bị sử dụng trái phép, người sử dụng có thể đã dùng một số phép biến đổi nhằm

tác động, tấn công vào SW nhằm phá hủy thủy vân nếu có trong đó, các tấn công vào trong SW sẽ tạo ra SW*

Quá trình tách thủy vân từ ảnh chứa SW* ( SW* có thể trùng với SW)tến hành quá trình:

- Sử dụng ảnh chứa thủy vân SW*, hệ thống khóa K đã sử dụng trongquá trình nhúng thủy vân

- Tùy theo kỹ thuật, ảnh gốc S có thể sử dụng

- Tách thủy vân được thực hiện theo một thuật toán đã xác định Kết quả là thông tin thủy vân W* được tách ra từ SW*

- Thủy vân tách được cần so sánh với thủy vân gốc W để đưa ra

những kết luận

Mô hình quá trình tách thủy vân trong hệ thống thủy vân được minh họa như hình 1.7 như sau:

Thủy vân gốc