Phần này trình bày tất cả các ứng dụng của watermarking trên hầu hết các tài liệu đa phương tiện (ảnh, âm thanh, phim), bao gồm:
Theo dõi phát sóng ( broadcast watermarking ) Nhận ra người chủ sở hữu ( owner identification ) Bằng chứng của quyền sở hữu ( proof of owner ship )
Lưu vết giao tác hay dấu vân tay ( transaction tracking/fingerprinting ) Sự xác nhận nội dung ( content authentication )
Kiểm soát sao chép ( copy control )
1.3.1 Theo dõi phát sóng
Trong thực tế, việc phát sóng các đoạn phim hay âm thanh qua các phương tiện thông tin đại chúng có những nhu cầu như:
Các nhà quảng cáo muốn chắc chắn rằng đoạn chương trình quảng cáo của họ được phát đủ thời gian mà họ đã mua từ các nhà phát sóng. Các diễn viên tham gia đoạn chương trình quảng cáo đó muốn bảo đảm họ được trả tiền bản quyền ứng với thời lương phát sóng từ các công ty quảng cáo.
Những người sở hữu một đoạn nhạc hay phim không muốn tác phẩm của mình bị xâm phạm tác quyền qua việc thu và phát sóng lại. Một cách để giải quyết điều này là sử dụng hệ thống theo dõi tự động thụ
Hệ thống theo dõi thụ động mô phỏng như một quan sát viên, nó chứa một máy tính chuyên theo dõi nội dung phát sóng và so sánh tín hiệu nhận được với một cơ sở dữ liệu các tác phẩm biết trước. Lợi điểm của nó là không cần bất kỳ thông tin liên kết vào quá trình phát sóng, và như vậy không đòi hỏi bất kỳ sự hợp tác nào với các nhà quảng cáo hay các nhà phát sóng. Như vậy có thể áp dụng nó trong các dịch vụ điều tra thị trường nhằm mục đích cạnh tranh. Khó khăn của hệ thống này là:
+ Thứ nhất, việc so sánh tín hiệu nhận được với cơ sở dữ liệu không phải chuyện tầm thường. Về nguyên tắc, cần chia tín hiệu nhận được thành các đơn vị có thể phân tích được và tìm chúng trong cơ sở dữ liệu. Tuy nhiên mỗi frame của video chứa hàng ngàn bit thông tin và không thực tế chút nào cho quá trình tìm kiếm. Như vậy hệ thống trước hết phải xử lý tín hiệu thành những chữ ký nhỏ hơn sao cho vừa đủ để phân biệt với tài liệu khác và phải đủ nhỏ để lưu được trong cơ sở dữ liệu.
+ Thứ hai, sự giảm tín hiệu trong quá trình phát sóng là điều không tránh khỏi, nó thay đổi theo thời gian, tức là sự thu tín hiệu của cùng một nội dung ở các thởi điểm khác nhau có thể dẫn đến những tín hiệu khác nhau. Vì thế, hệ thống không thể tìm nó chính xác trong cơ sở dữ liệu mà chỉ có thể tìm dưới dạng người láng giềng gần nhất, thực tế phức tạp hơn nhiều.
+ Thứ ba, ngay cả khi vấn đề tìm kiếm được giải quyết thì việc lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu cũng là vấn đề lớn. Hơn nữa hệ thống phải theo dõi nhiều vị trí địa lý khác nhau đồng thời, phải truy xuất và giao tiếp cơ sở dữ liệu trung tâm hoặc là lưu cơ sở dữ liệu cục bộ.
Hệ thống theo dõi chủ động đơn giản hơn về mặt kỹ thuật hơn vì thông tin nhận dạng được giải mã trực tiếp, không cần cơ sở dữ liệu để thông dịch nghĩa
của nó. Một cài đặt của hệ thống này là lưu các mã nhận dạng ở phần đầu file. Khó khăn là người xử lý trung gian và người phân phối cuối cùng không bảo đảm phân phát thông tin đầu file nguyên vẹn. Hơn nữa dữ liệu khó sống sót với sự chuyển đổi định dạng.
Watermarking là một phương pháp mã hoá thông tin nhận dạng cho theo dõi chủ động. Nó có thuận lợi là watermark tồn tại bên trong nội dung tín hiệu phát sóng chứ không phải chỉ trong một đoạn đặc biệt của tín hiệu và vì thế hoàn toàn thương thích với nền tảng thiết bị phát sóng đã được cài đặt bao gồm cả bộ truyền tải digital và analog. Tuy nhiên, qui trình nhúng dò watermark phức tạp hơn việc thêm dữ liệu vào đầu file và tìm được một thuật toán sao cho chất lượng trực quan của nội dung giảm không đáng kể nhưng lại có độ an toàn cao cũng là một bài toán thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Như vậy, bằng cách nhận dạng những watermark được nhúng trong nội dung số, có thể chỉ ra khi nào và ở đâu nội dung đó được phát sóng [ 27][ 28].
1.3.2 Nhận ra người chủ sở hữu
Trong thực tế có trường hợp một tác phẩm đã có tác quyền bị sử dụng sai mục đích và phán quyết của cơ quan luật pháp rất cần thông báo tác quyền trên một hình thức hay vị trí nào xem được trên tài liệu được phân phối. Thông báo tác quyền chúng ta thường thấy trên có các tài liệu khả kiến là “Copyright ngày người sở hữu”, “© ngày người sở hữu” hay “Corp. ngày người sở hữu”. Trên các tác phẩm âm thanh các thông báo đó phải được đặt lên bề mặt của đĩa vật lý, tên nhãn hay trên bao bì. Dễ thấy rằng, giới hạn của nó là việc nhận dạng người sở hữu tác quyền của một tác phẩm không bảo đảm do người ta không quá khó để loại bỏ nó ra khỏi một tài liệu khi tiến hành sao chụp lại thậm chí không cần
trang từ quyển sách mà quên chụp luôn thông báo tác quyền ở trang tiêu đề, một họa sĩ sử dụng một bức hình hợp pháp trong mục quảng cáo của báo có thể xén đi phần có chứa thông tin tác quyền. Rồi sau đó các công dân tôn trọng luật pháp muốn dùng tác phẩm có thể không tài nào xác định được tác phẩm có được bảo vệ tác quyền hay chưa. Một trường hợp khá nổi tiếng là Lena Sjooblom. Đây là ảnh thử thông thường nhất trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý ảnh và đã xuất hiện không biết bao nhiêu mà kể ở các bào báo hội nghị nhưng không ai tham khảo tên người sở hữu hợp pháp của nó, đó là hãng Playboy. Ban đầu nó là một ảnh phóng to lồng giữa các trang của tạp chí Playboy ( Tháng 11- 1972 ). Khi ảnh được Scan và dùng cho mục đích kiểm thử, hầu hết ảnh đã bị xén chỉ còn khuôn mặt và vai của Lena. Không may là dòng chữ ghi Playboy là người sở hữu cũng bị xén mất. Từ đó ảnh được phân phối toàn cầu và hầu hết các nhà nghiên cứu dùng nó trong các bào báo đã không biết rằng chúng là tác quyền của Playboy.
Thứ hai là vấn đề thẩm mỹ, dù chỉ đặt ở một phần của ảnh nhưng một dòng chữ thông tin tác quyền có thể làm giảm bớt vẻ đẹp của nó. Với các tài liệu âm thanh hay phim, vì thông báo tác quyền nằm trên băng đĩa vật lý và bao bì nên sẽ không có thông báo nào được sao chép cùng với nội dung của nó.
Do các watermark có thể vừa không thể nhận thấy vừa không thể tách rời tác phẩm chứa nó nên chúng là giải pháp tốt hơn dòng chữ đối với việc nhận ra người sở hữu nếu người dùng tác phẩm được cung cấp bộ dò watermark. Digimarc cho ảnh là ứng dụng mà ta đang đề cập. Nó được tích hợp vào
Photoshop. Khi bộ dò của Digimarc nhận ra một watermark, nó liên lạc với cơ sở dữ liệu trung tâm trên Internet và dùng thông điệp watermark như một khóa để tìm thông tin liên lạc cho người sở hữu ảnh. Tính hợp pháp của một ứng dụng như vậy chưa được thừa nhận bởi cơ quan pháp luật nhưng nó giúp những người
lương thiện dễ dàng tìm ra người họ muốn liên lạc để dùng ảnh. Như vậy, nhúng thông tin của người giữ tác quyền của một tác phẩm như là một watermark.
1.3.3 Bằng chứng về quyền sở hữu
Watermark không chỉ được dùng để chỉ ra thông tin tác quyền mà còn được dùng để chứng minh tác quyền. Thông tin tác quyền có thể dễ bị giả. Chẳng hạn, [ 25] giả sử A tạo một ảnh và post lên mạng với thông tin tác quyền “© 2003 A”. Một tên trộm (B) lấy ảnh đó, dùng chương trình xử lý ảnh để thay thông tin tác quyền đó bằng “© 2003 B” và sau đó tự cho là anh ta là người sở hữu. Vậy giải quyết tranh luận ra sao. Nếu A đã đăng ký bản quyền tác phẩm của mình với một cơ quan pháp luật và gửi cho họ ảnh gốc khi vừa mới tạo ra nó thì không có vấn đề gì. Tuy nhiên nếu A không làm việc đó vì chi phí tốn kém thì A phải đưa ra bằng chứng chứng tỏ mình đã tạo ra ảnh. Chẳng hạn, là một tấm phim nếu ảnh được chụp, là một bản phát thảo nếu đó là một bức họa. Vấn đề là B cũng có thể ngụy tạo bằng chứng. Tệ hơn nữa là nếu ảnh được chụp bằng kỹ thuật số thì chẳng có phim âm bản cũng như bản phát thảo.
A có thể nào bảo vệ quyền lợi của mình mà không phải tốn phí đăng ký bằng cách áp dụng watermark vào ảnh của mình? Nếu A dùng Digimarc, vấn đề không được giải quyết vì bộ dò cũng được kẻ trộm biết. Về lý thuyết, ai dò được watermark đều có thể xoá bỏ nó. Do đó B có thể dùng bộ dò Digimarc, gỡ watermark của A và thay vào đó watermark của mình. Để đạt được mức bảo mật trong bằng chứng tác quyền, cần giới hạn tính khả dụng của bộ dò. Đối với kẻ trộm không có một bộ dò, việc bỏ watermark thì rất khó khăn phức tạp. Như thế khi A và B ra tòa, A dùng ảnh gốc và ảnh tranh cãi đưa vào bộ dò và bộ dò sẽ cho ra watermark của A. Tuy nhiên cũng có một dạng hệ thống watermarking
A. Tấn công được gọi là tấn công đảo (inversion attack) hay tấn công khóa chết (dead lock attack). Không có cách gì để giải quyết quyền sở hữu bản quyền trong trường hợp này và tòa cũng không thể biết A hay B có ảnh gốc thực sự. Điều này cho thấy rằng chỉ với một mình watermark mà không có một nghi thức khác hỗ trợ nó thì sẽ không đủ để giải quyết tình huống bản quyền này.
Bài toán có thể được giải quyết nếu ta thay đổi phần phát biểu nó: Thay vì cố chứng minh trực tiếp quyền sở hữu bằng cách nhúng một watermark “A sở hữu ảnh này”, ta nên cố chứng minh một ảnh bắt nguồn từ ảnh khác. Một hệ thống như vậy cung cấp một bằng chứng gián tiếp rằng khả năng ảnh tranh cãi là của A cao hơn B, trong đó A là người có phiên bản mà từ đó hai ảnh khác tạo ra.
1.3.4 Lưu vết giao tác hay dấu vân tay
Trong ứng dụng này, watermark lưu lại một hay nhiều giao dịch đã xảy ra trong những lần sao chép tác phẩm đã có nhúng watermark. Ví dụ, watermark có thể lưu tên người mua trong mỗi lần mua bán hợp pháp hay phân phối. Người sở hữu và người tạo ra tác phẩm có thể dùng những watermark khác nhau trong mỗi bản sao. Nếu tài liệu bị dùng sai mục đích ( phát hành hay phân phối trái phép ) người sở hữu có thể tìm ra người có trách nhiệm.
Một giải pháp thông thường cho watermarking áp dụng cho lưu vết giao tác là dùng các watermark hữu hình, chẳng hạn các tài liệu thương mại được in có background có chứa các số lớn hơn màu xám, với mỗi bản sao sẽ chứa một số khác.
Một ví dụ khác có sử dụng watermarking cho việc theo dõi giao tác đã được cài đặt bởi DiVX Corporation. DiVX bán một DVD player triển khai theo mô hình kinh doanh pay-per-view. Họ cài đăt nhiều kỹ thuật để ngăn giả mạo đĩa của họ, một trong số đó là watermark được thiết kế cho lưu vết giao tác. Mỗi
DVD player phải đặt một watermark duy nhất vào mỗi video mà nó chiếu. Nếu ai đó thu lại đoạn video và bán các bản sao, DiVX có thể lấy được bản copy đó và tìm ra kẻ phản bội bằng cách giải mã watermark [ 29].
Một ví dụ khác là trong phân phối các nhật báo phim. Suốt quá trình thực hiện một phim, kết quả các bức hình mỗi ngày được phân phối cho nhiều người có tham gia vào phim. Nhưng những nhật báo này được yêu cầu giấu bí mật, không muốn bị lộ ra ngoài. Gặp trường hợp này, trường quay nhanh chónh xác định được người đã làm rò rỉ thông tinh. Trường quay có thể dùng đoạn văn hữu hình ở góc màn hình để xác định mỗi bản sao của ảnh. Tuy nhiên, các watermark được chuộng hơn vì đoạn văn bản dễ bị xóa đi.
1.3.5 Xác nhận nội dung
Các tác phẩm kỹ thuật số ngày nay đứng trước nguy cơ bị làm giả nhiều hơn, dễ dàng hơn và tinh vi hơn. Nếu ảnh là một bằng chứng quan trọng trong điều tra của cảnh sát, sự giả mạo có thể gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng.
Bài toán xác nhận thông điệp đã được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực mã hóa (crytography). Một tiếp cận mã hóa thông thường cho bài toán này là tạo ra một chữ kí điện tử. Thuật toán được dùng là mã hóa khoá bất đối xứng. Chỉ có tác giả thông điệp mới biết khoá cần để tạo ra các chữ ký. Do vậy, kẻ trộm cố thay đổi thông điệp thì sẽ không tạo ra được một chữ ký mới. Nếu khi tiến hành so sánh, thông điệp được sửa đổi khác với chữ ký gốc, ta có thể khẳng định thông điệp đã bị sửa. Chữ ký điện tử đã được áp dụng cho các camera kỹ thuật số bởi Fredman, người gợi ý tạo ra một máy ảnh có chữ ký bên trong. Khóa để tạo chữ kí chỉ có trong máy ảnh mà thôi.
hạn một hệ thống xác nhận ảnh lưu dữ liệu meta vào phần vào phần đầu (header) của ảnh JPEG. Nếu ảnh được chuyển sang dạng khác, chữ ký sẽ bị mất và dĩ nhiên tài liệu không còn được chứng thực nữa.
Một giải pháp hay là những chữ ký trực tiếp vào tài liệu dùng kỹ thuật watermarking. Epson đề ra một hệ thống như vậy trên nhiều máy ảnh kỹ thuật số của hãng. Ta gọi chữ ký này là chữ kí xác nhận (authentication mark). Chữ kí xác nhận được thiết kế sao cho trở nên sai lệch dù chỉ gặp sự chỉnh sửa nhỏ nhất được gọi là các watermark dễ vỡ (fragile watermark).
Mối lo ngại về việc các chữ ký có trong tài liệu hay không giờ đây đã bị loại trừ. Điều quan tâm lúc này là việc nhúng watermark cần bào đảm không thay đổi tài liệu nhiều quá để nó còn đúng khi so sánh với chữ ký. Điều này có thể thực hiện được bằng cách xem tài liệu thành hai phần : Một dùng cho việc tính toán bằng chữ ký, một dùng cho việc nhúng chữ ký. Ví dụ, nhiều tác giả đề xuất tính toán một chữ ký từ các bit cao của ảnh và nhúng chữ ký vào các bit thấp của ảnh [ 26].
Nếu một tài liệu có chứa chữ kí xác nhận bị thay đổi, chữ kí xác nhận cũng thay đổi theo [ 30]. Điều này mở ra một hướng nghiên cứu mới là tìm hiểu tài liệu đã bị giả mạo như thế nào. Chẳng hạn nếu một ảnh được chia làm nhiều khối, mỗi khối có một chữ kí xác nhận, chúng ta dễ phát thảo ra phần nào của ảnh nguyên trạng và phần nào bị chỉnh sửa.
Một ví dụ rất hay được áp dụng trong điều tra tội phạm của cảnh sát, sử dụng chữ kí xác nhận khoanh vùng (localized authentication). Cảnh sát nhận được một đoạn phim theo dõi đã bị giả mạo. Nếu đoạn phim này dùng các chứng thực chữ ký truyền thống, dễ thấy rằng họ biết phim bị giả mạo và không tin bất cứ điều gì trong phim. Tuy nhiên nếu dùng một watermark theo kiểu xác
nhận khoanh vùng , họ có thể khám phá rằng trong các khung (frame) của phim vẫn có chỗ tin cậy. Như vậy kẻ có liên quan đến tội ác đã bị gỡ bớt các frame có dấu vết của hắn.
Khi kiểm tra một chữ kí xác nhận đã bị sửa đổi ta cũng có được thông tin “Liệu nén có mất có được áp dụng vào tài liệu hay không”. Hầu hết các thuật toán nén ảnh có mất đều áp dụng sự lượng tử hóa, chính điều này đã để lại các