Ứng dụng kỹ thuật thủy vân trong bảo vệ bản quyền video

Giấu tin trong ảnh, những đặc trưng và tính chất

Dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu của ảnh tĩnh, dù đã giấu thông tin vào trong ảnh hay chưa thì khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo thời gian, điều này khác với dữ liệu audio hay là video vì khi ta nghe hay xem thì dữ liệu gốc sẽ thay đổi liên tục với tri giác của con người theo các đoạn hay các bài, các cảnh. Dữ liệu ảnh được quan sát bằng hệ thống thị giác của con người nên các kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là những thay đổi trên ảnh phải rất nhỏ sao cho bằng mắt thường khó nhận ra được sự thay đổi đó vì có như thế thì mới đảm bảo được độ an toàn cho thông tin giấu.

Các kỹ thuật giấu tin

Nếu như watermark quan tâm nhiều đến các ứng dụng giấu các mẩu tin ngắn nhưng đòi hỏi độ bền vững lớn của thông tin cần giấu (trước các biến đổi thông thường của tệp dữ liệu môi trường) thì steganography lại quan tâm tới các ứng dụng che giấu các bản tin đòi hỏi độ mật và dung lượng càng lớn càng tốt. Đối với từng hướng lớn này, quá trình phân loại theo các tiêu chí khác có thể tiếp tục được thực hiện, chẳng hạn như dựa vào ảnh hưởng của các tác động bên ngoài có thể chia watermark thành hai loại, một loại bền vững với các tác động sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hoàn toàn đối lập, phải dễ bị phá huỷ trước các tác động nói trên. Thuỷ vân “dễ vỡ” (fragile) là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong ảnh sao cho khi phân phối sản phẩm trong môi trường mở nếu có bất cứ một phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thuỷ vân đã được giấu trong đối tượng sẽ không còn nguyên vẹn như trước khi giấu nữa (dễ vỡ).

Thuỷ vân hiện là loại thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được giống như các biểu tượng kênh chương trình vô tuyến mà chúng ta thường thấy VTV3, CCTV, TV5…Các thuỷ vân hiện trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc.

Một số ứng dụng đang được triển khai

Không giống như giấu tin mật với yêu cầu bắt buộc là thông điệp giấu phải ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thường không nhìn thấy được thì kỹ thuật thuỷ vân số lại có hai loại là thuỷ vân ẩn và thủy vân hiện. Nghĩa là có loại thuỷ vân cho phép nhìn thấy được thông tin đem nhúng vào (trong trường hợp này ta dùng từ nhúng thay cho từ giấu thích hợp hơn) và có loại không nhìn thấy. Loại thuỷ vân hiện được sử dụng cho mục đích công bố công khai về chủ quyền sở hữu, ngược lại, loại thuỷ vân ẩn được sử dụng với mục đích gài bí mật các thông tin xác nhận chủ quyền sở hữu. Tính chất bền vững. Tính chất này là tính chất quan trọng nhất của một hệ thuỷ vân bền vững. Nghĩa là hệ thuỷ vân phải chống lại được các phép biến đổi, hay các tấn công có chủ đích hoặc không có chủ đích lên thuỷ vân. Còn đối với giấu tin mật thì nó không quan trọng. gọi nó là thuỷ vân - watermark) sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thuỷ vân đó chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Nhận thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection): Một tập các thông tin sẽ được giấu trong phương tiện chứa sau đó được sử dụng để nhận biết xem dữ liệu trên phương tiện gốc đó có bị thay đổi hay không.

Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi (ví dụ như phân biệt xem một đối tượng đa phương tiện chứa thông tin giấu đã bị thay đổi, xuyên tạc nội dung hay là chỉ bị nén mất dữ liệu).

Một số phương pháp thủy vân ảnh

Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi cosin rời rạc

Hệ số góc trên là lớn và đặc trưng cho giá trị trung bình thành phần một chiều gọi là hệ số DC, còn các hệ số khác có giá trị nhỏ hơn biểu diễn cho các thành phần tần số cao theo hướng ngang và theo hướng thẳng đứng gọi là các hệ số AC.  Theo nguyên lý chung, khi biến đổi chi tiết giữa các điểm ảnh càng lớn theo một hướng nào đó trong khối các điểm ảnh, hướng ngang, hướng thẳng đứng hay theo đường chéo, thì tương ứng theo các hướng đó, các hệ số biến đổi DCT cũng lớn. Để khắc phục các nhược điểm nêu trên, trong [3] tác giả đã tiến hành xác định các cặp hệ số trong miền tần số giữa đã thoả mãn điều kiện nhúng bit thuỷ vân, việc biến đổi cặp hệ số chỉ diễn ra khi trong khối không có cặp hệ số nào thoả mãn, điều này làm giảm đáng kể sự thay đổi các giá trị điểm ảnh.

Hơn nữa, trong số các cặp hệ số đã tìm được thoả mãn điều kiện giấu, phương pháp chọn ngẫu nhiên cho từng khối làm tăng tính bí mật của thuỷ vân trong ảnh, việc phát hiện thuỷ vân khi không biết thông tin khoá trở lên khó khăn hơn.

Một số kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ 1. Phép biến đổi sóng nhỏ (DWT)

Như vậy, có thể sử dụng thuỷ vân nhúng vào tất cả các băng trong phép phân tích sóng nhỏ để có thể tìm được sự bền vững ở ít nhất một trong các băng trước các tấn công hoặc có thể xây dựng một phương pháp nhúng kết hợp vào các băng để tìm một thuỷ vân tổng hợp từ các băng đã nhúng. Thuỷ vân được nhúng ở băng tần số thấp thì bền vững đối với một nhóm các tấn công, trong khi thuỷ vân được nhúng ở băng tần số cao lại bền vững trước một nhóm các tấn công khác, thuỷ vân nhúng trong những băng tần số giữa cũng bền vững với một số tấn công. Mỗi bit thuỷ vân được nhúng vào một khối ảnh gốc có kích thước bằng với kích thước M0 và M1, khối ảnh gốc được cộng với M0 nếu bit thuỷ vân đang xét là 0 và được cộng với M1 nếu bit thuỷ vân đang xét là 1 theo một hệ số tương quan k.

Lược đồ thuỷ vân mới, chọn nhúng thuỷ vân vào ba băng LH, HL, HH và không nhúng vào băng LL vì phép biến đổi DWT cho băng LL là băng xấp xỉ với ảnh gốc, do đó nếu nhúng thuỷ vân làm thay đổi các hệ số trong băng này thì khi tổng hợp lại ảnh chứa thuỷ vân sẽ thay đổi nhiều so với ảnh gốc.

Thuỷ vân số trên file Video 1. Cấu trúc file Video

Khác với kỹ thuật thủy vân sử dụng ma trận số giả ngẫu nhiên, lược đồ thuỷ vân này không nhúng trực tiếp các bit thuỷ vân vào các khối ảnh gốc mà nhúng vào các khối thuộc miền tần số của ảnh gốc. Việc sinh hai ma trận số giả ngẫu nhiên độc lập PR_0 và PR_1 được thực hiện thông qua một khoá cơ sở bk chọn trước, đây là yếu tố làm tăng tính mật của thuỷ vân trong ảnh chứa. Quá trình phát hiện thuỷ vân dựa trên giá trị trung bình các hệ số tương quan của các khối tương ứng thuộc các băng tần đã chọn và các ma trận số giả ngẫu nhiên, điều này làm tăng tính chính xác cho quá trình tìm lại thuỷ vân.

Để tách thủy vân từ video ta cũng làm như trên nhưng ta không giấu tin nữa mà ta đi giải mã frame với khóa đã có để thu được tin.

Thử nghiệm và đánh giá kết quả

Hầu hết các kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ DWT đều có chung ý tưởng thực hiện biến đổi sóng nhỏ hai chiều để biến đổi ảnh gốc sang miền tần số, kết quả phép biến đổi DWT sẽ chia ảnh gốc thành bốn băng tần LL, LH, HL và HH, tiếp theo biến đổi giá trị các hệ số thuộc các băng tần bằng cách kết hợp với thông tin thuỷ vân, khoá. Chất lượng ảnh sau khi nhúng thuỷ vân, chất lượng thuỷ vân tách được từ ảnh chứa ngay sau khi nhúng (chưa qua các biến đổi) và tính bền vững của thuỷ vân trong ảnh chứa đã qua một số tấn công thông thường được thể hiện ở các hình 3.3 và bảng 3.3. Ảnh gốc sau khi nhúng thuỷ vân được biến đổi qua một số phép biến đổi ảnh thông thường, sau đó thực hiện quá trình lọc tìm lại thuỷ vân, so sánh thuỷ vân tìm được với thuỷ vân gốc để đánh giá độ bền vững của thuỷ vân trước các tấn công lên ảnh chứa.

• Phương pháp kết hợp đề xuất so với các phương pháp nhúng trực tiếp thuỷ vân vào các khối thuộc miền không gian ảnh gốc có một hạn chế là đã làm giảm 2 lần số bit thuỷ vân có thể nhúng do phép biến đổi DWT cho các băng có kích thước giảm 2 lần so với ảnh gốc. Thử nghiệm với các hệ số k khác nhau, kết quả cho thấy độ lớn của k tỷ lệ nghịch với chất lượng frame ảnh chứa thuỷ vân, tỷ lệ thuận với tính bền vững của thuỷ vân, đồng thời thuỷ vân tách được từ frame ảnh chứa (chưa qua các tấn công) luôn trùng với thuỷ vân gốc. Frame chứa thuỷ vân được ghép cùng các frame còn lại để tạo thành Video chứa thuỷ vân, đồng thời thay đổi tham số Quality trong quá trình ghép frame, sau đó mới sử dụng để tách lấy thuỷ vân ở các băng tương ứng, kiểm tra độ sai lệch so với thuỷ vân gốc.