Tổng quan về thủy võn số

1./ Lịch sử thủy võn số

Nghệ thuật làm giấy đã đƣợc phỏt minh ở Trung Quốc cỏch đõy trờn một ngàn năm nhƣng mãi đến khoảng năm 1282 cỏc thủy võn (watermark) mới xuất hiện lần đầu tiờn dƣới hỡnh thức là một số khuụn giấy là cỏc mẫu dõy mỏng hơn, khi đú giấy sẽ mỏng và trong suốt hơn ở những vị trớ dõy mỏng. Cỏc watermark nguyờn thủy giỳp xỏc nhận xƣởng sản xuất hay đơn giản là để trang trớ.

Vào thế kỷ thứ 18, ở Chõu Âu và Mỹ, watermark đã đem lại những lợi ớch thiết thực trong việc xỏc định nhón hiệu thƣơng mại, ghi ngày sản xuất, chống làm tiền giả.

Thuật ngữ watermark bắt nguồn từ một loại mực vụ hỡnh đƣợc viết trờn giấy và chỉ hiển thị khi nhỳng giấy đú vào nƣớc. Thuật ngữ thủy võn số (digital watermaking) đƣợc cộng đồng thế giới chấp nhận rộng rãi vào đầu thập niờn 1990. Khoảng năm 1995, sự quan tõm đến watermaking bắt đầu phỏt triển nhanh. Năm 1996, hội thảo về che giấu thụng tin lần đầu tiờn đƣa watermaking vào phần nội dung chính. Đến năm 1999, SPIE đã tổ chức hội nghị đặc biệt về Bảo mật và watermaking trờn cỏc nội dung đa phƣơng tiện [10].

Cũng trong khoảng thời gian này, một số tổ chức đã quan tõm đến kỹ thuật watermaking ở mức độ khỏc nhau. Chẳng hạn CPTWG thử nghiệm hệ thống watermaking để bảo vệ phim trờn DVD. SDMI sử dụng watermaking trong việc bảo vệ cỏc đoạn nhạc. Hai dự ỏn khỏc đƣợc liờn minh Chõu Âu ủng hộ, VIVA và Talisman đã thử nghiệm sử dụng watermaking để theo dừi phỏt súng. Vào cuối thập niờn 1990, một số cụng ty đƣa watermaking vào thƣơng trƣờng, chẳng hạn nhƣ nhà phõn phối nhạc trờn Internet sử dụng Liqid Audio ỏp dụng cụng nghệ Verance Corporation. Trong lĩnh vực watermaking ảnh, Photoshop đã tích hợp một bộ nhỳng và bộ dũ watermark tờn là Digimarc. Ngày nay, cỏc cụng ty chuyờn kinh doanh cỏc hệ thống watermaking đã tăng đỏng kể.

32

2./ Khỏi niệm, phõn loại thủy võn số a). Khỏi niệm thủy võn số

Thủy võn số: là kỹ thuật nhỳng tin giấu vào một sản phẩm số (text, image, audio, video,…), mà tin giấu này cú thể đƣợc phỏt hiện và tỏch ra sau đú nhằm chứng thực (đỏnh dấu, xỏc thực) nguồn gốc hay chủ sở hữu của sản phầm số này [2].

b). So sỏnh thủy võn số với giấu tin

Mặc dự thủy võn số (watermarking) và giấu tin (steganography) cựng nằm trong lĩnh vực nghiờn cứu nhằm che dấu đi sự hiện diện của thụng tin nhƣng chỳng cú một số đặc điểm khỏc biệt:

Watermarking Steganography

- Mục đích là bảo vệ mụi trƣờng giấu tin.

- Chỉ cần thụng tin đủ để đặc trƣng cho bản quyền của chủ sở hữu.

- Thụng tin giấu cú thể ẩn (invisible watermarking) hoặc hiện (visible watermarking).

- Chỉ tiờu quan trọng nhất là tớnh bền vững của tin đƣợc giấu.

- Mục đích là bảo vệ thụng tin đƣợc giấu.

- Giấu đƣợc càng nhiều thụng tin càng tốt, ứng dụng trong truyền dữ liệu thụng tin mật.

- Thụng tin đƣợc giấu phải ẩn, khụng cho ngƣời khỏc thấy đƣợc bằng mắt thƣờng.

- Chỉ tiờu quan trọng nhất là dung lƣợng của tin đƣợc giấu.

33

c). Phõn loại thủy võn số

Cú rất nhiều cỏch phõn loại thủy võn số khỏc nhau. Dƣới đõy là một số cỏch phõn loại thủy võn đối với ảnh số:

 Theo khả năng cảm nhận

- Visible/Perceptible (hữu hỡnh): Cú thể nhỡn thấy thủy võn đƣợc giấu. Trong trƣờng hợp này, chủ sở hữu muốn ngƣời khỏc nhỡn thấy ngay thủy võn họ nhỳng vào ảnh để chứng nhận bản quyền.

- Invisible (vụ hỡnh): Khụng thể nhỡn thấy thủy võn đƣợc giấu bằng mắt thƣờng. Trong một số trƣờng hợp, chủ sở hữu khụng muốn thủy võn làm ảnh hƣởng đến bức ảnh, thủy võn sẽ khú cú thể nhỡn thấy bằng mắt thƣờng, chỉ đƣợc tỏch ra khỏi ảnh khi cần thiết, nhƣ để chứng thực bản quyền của bức ảnh.

 Theo tớnh bền vững

- Robust watermarking: Thủy võn nhỳng theo phƣơng phỏp này rất khú phỏ hủy. Việc tấn cụng thủy võn trong trƣờng hợp này sẽ làm suy giảm nghiờm trọng chất lƣợng ảnh mang thủy võn. Núi một cỏch dễ hiểu, nếu thỏo thủy võn cũng đồng nghĩa với việc phỏ hủy ảnh mang thủy võn.

- Fragile watermarking: Loại này nhằm đảm bảo tớnh toàn vẹn cho nội dung thủy võn. Bất kỳ một sự thay đổi nhỏ nào cũng cú thể làm hỏng thủy võn.

- Semi-fragile watermarking: Thủy võn này sẽ tự phỏ hủy trong trƣờng hợp bị tấn cụng. Vớ dụ: Một ảnh cú chứa thủy võn, khi tấn cụng khụng hợp lý thỡ thủy võn này sẽ bị phỏ hủy vĩnh viễn và khụng thể khụi phục lại đƣợc.

 Theo sự yờu cầu ảnh gốc cho việc tỏch thủy võn

- Blind watermarking: khụng yờu cầu ảnh gốc khi tỏch thủy võn. - Non-blind watermarking: yờu cầu ảnh gốc khi tỏch thủy võn.

- Semi-blind watermarking: yờu cầu thụng tin ảnh gốc khi tỏch thủy võn.  Theo khuynh hƣớng tiếp cận

- Spatial domain: nhỳng thủy võn trong miền khụng gian. - Frequency domain: nhỳng thủy võn trong miền tần số.

34  Theo tớnh phụ thuộc ảnh

- Image adaptive (phụ thuộc ảnh): Cỏc phƣơng phỏp nhỳng thủy võn theo loại này phụ thuộc vào định dạng ảnh. Nú cú hạn chế là thủy võn rất dễ bị tổn hại bởi cỏc phộp biến đổi ảnh.

- Image independent (độc lập ảnh): Cỏc phƣơng phỏp nhỳng thủy võn trong loại này lợi dụng việc biến đổi ảnh để giấu thủy võn vào trong đú. Vớ dụ giấu vào cỏc hệ số biến đổi. Nhúm này cú nhiều ƣu điểm hơn nhúm phụ thuộc ảnh về tớnh bền vững nhƣng cài đặt sẽ phức tạp hơn.

35

3./ Cỏc tiờu chớ cần cú của một thuật toỏn thủy võn mạnh mẽ

Tựy theo mỗi loại thủy võn, yờu cầu với chỳng cũng cú một số điểm khỏc biệt.

a). Tớnh bền vững

Nhỡn chung, một thủy võn phải bền vững với cỏc phộp biến đổi nhƣ chuyển đổi tớn hiệu A/D (Analog to Digital – tớn hiệu tƣơng tự sang tớn hiệu số) và D/A, cỏc phộp nộn mất dữ liệu, in, quột, nhiễu,… trờn đƣờng truyền.

Với ảnh núi riờng, thủy võn phải bền vững với cỏc phộp biến đổi hỡnh học nhƣ phộp dịch chuyển, co dón, hoặc cắt xộn,... Phƣơng phỏp thủy võn số phải đảm bảo sao cho việc khụng lấy lại đƣợc thủy võn tƣơng ứng với việc ảnh đã bị biến đổi quỏ nhiều.

b). Tớnh ẩn

Việc nhỳng thụng tin vào ảnh sẽ làm biến đổi ảnh ớt hay nhiều. Tớnh ẩn trong loại thủy võn ẩn (invisible watermarking) yờu cầu sự biến đổi ảnh mang là nhỏ nhất cú thể. Cỏc phƣơng phỏp thủy võn số tốt sẽ làm cho thụng tin đƣợc nhỳng trở nờn vụ hỡnh trong ảnh mang, theo nghĩa là ngƣời dựng khú cú thể nhận ra trong bức ảnh cú giấu thụng tin bằng mắt thƣờng. Điều này cú nghĩa là thủy võn làm ảnh hƣởng rất ít đến chất lƣợng ảnh mang.

Trỏi với thủy võn ẩn, thủy võn hiện (visible watermarking) khụng cần tớnh chất ẩn đối với thủy võn đƣợc nhỳng. Thực tế, loại thủy võn số này yờu cầu thụng tin nhỳng vào ảnh phải đƣợc nhỡn thấy để bảo vệ bản quyền.

c). Sự sửa đổi ảnh mang

Sự sửa đổi ảnh mang là một tiờu chớ quan trọng quyết định đến chất lƣợng của việc thủy võn số, mà trực tiếp là tớnh ẩn của thủy võn. Thủy võn số phải đảm bảo việc gõy ra ớt sự thay đổi cho ảnh mang nhất, nghĩa là số lƣợng cỏc pixel cần sửa là nhỏ nhất.

Cỏc kỹ thuật thủy võn tốt sẽ đảm bảo việc sửa đổi ảnh mang là ớt nhất cú thể, từ đú đảm bảo tớnh ẩn của thủy võn, xa hơn là tính bền vững và toàn vẹn dữ liệu. Vỡ nếu khú nhận biết trong ảnh cú thủy võn hay khụng sẽ đảm bảo thủy võn ấy an toàn hơn, giảm bớt sự phỏ hoại của kẻ gian.

36

d). Đảm bảo toàn vẹn dữ liệu

Thụng thƣờng, ảnh sau khi đã nhỳng thủy võn nếu khụng gặp sự thay đổi nào, khi muốn lấy thủy võn ở cỏc bức ảnh đú thƣờng sẽ rất dễ dàng và thủy võn đƣợc lấy ra cũng đỳng với thủy võn gốc.

Tuy nhiờn, trong một số trƣờng hợp, ảnh đã nhỳng thủy võn phải chịu sự biến đổi nào đú (nhƣ nhiễu trờn đƣờng truyền, nộn mất dữ liệu, in, quột, co dón, cắt xộn,…). Khi ấy, cỏc tớnh chất của ảnh (độ sỏng, giỏ trị màu, kích thƣớc,…) bị biến đổi. Vỡ thế điều khú trỏnh khỏi là thủy võn cũng sẽ bị ảnh hƣởng theo cỏc mức độ khỏc nhau. Việc lấy ra thủy võn sẽ khú khăn hơn, thủy võn lấy ra cú thể khụng nguyờn vẹn nhƣ thủy võn ban đầu, thậm chớ nếu ảnh đã nhỳng thủy võn bị thay đổi quỏ nhiều ta khụng thể tỏch thủy võn khỏi bức ảnh đú đƣợc.

Do vậy cần đảm bảo rằng ảnh đã nhỳng thủy võn khụng bị ảnh hƣởng quỏ nghiờm trọng, nú cú thể chịu cỏc tỏc động của mụi trƣờng, nhƣng khụng thay đổi quỏ nhiều để thủy võn chứa trong nú vẫn cú thể chứng thực nguồn gốc hay bản quyền của ảnh mang.

e). Tớnh an toàn của thủy võn

Thụng thƣờng, thủy võn sau khi đƣợc tỏch ra khỏi ảnh là cú thể hiểu ngay ý nghĩa của nú. Tuy nhiờn, trờn thực tế, để đảm bảo tớnh an toàn của thụng tin ấy, mó húa dữ liệu sẽ đƣợc ỏp dụng. Thủy võn sau khi đƣợc tạo ra, sẽ đƣợc mã húa trƣớc khi nhỳng vào ảnh. Nhƣ vậy, khi tỏch thủy võn, ta cần thực hiện thờm bƣớc giải mó để cú thể hiểu đƣợc ý nghĩa của thủy võn.

f). Dung lƣợng thụng tin giấu

Đối với giấu tin, tiờu chớ này gần nhƣ là quan trọng nhất vỡ mục đích của giấu tin là giấu đƣợc càng nhiều thụng tin càng tốt. Tuy nhiờn, đối với thủy võn, chỉ cần một lƣợng thụng tin vừa đủ nhỳng vào ảnh mang nhằm chứng thực bản quyền,…

Với ảnh số, tiờu chớ này đề cập đến số lƣợng bit thủy võn cú thể nhỳng vào ảnh. Với õm thanh, thỡ đú là số lƣợng bit nhỳng trờn một giõy đƣợc truyền đi. Cũn đối với video thỡ cú thể là số lƣợng bit trờn một khung hỡnh hay trờn một giõy. Tựy theo mục đích của mỗi ứng dụng, yờu cầu về số lƣợng bit thủy võn đƣợc nhỳng là khỏc nhau.

37

g). Tớnh hiệu quả của thuật toỏn thủy võn số

Tớnh hiệu quả của thuật toỏn thủy võn cũng là một chỉ tiờu quan trọng đỏnh giỏ chất lƣợng của một phƣơng phỏp thủy võn số trong ảnh. Tiờu chớ này đề cập đến tài nguyờn (thời gian và bộ nhớ) cần thiết dựng đề thực hiện phƣơng phỏp ấy.

Với chủ sở hữu, thời gian thực hiện thuật toỏn thủy võn phải đủ nhanh. Ngƣợc lại, với kẻ gian thỡ bài toỏn tỏch hoặc sửa đổi thủy võn phải là bài toỏn “khú”. Nhƣ thế mới đảm bảo tớnh bền vững của thủy võn đƣợc giấu, từ đú mới đảm bảo bản quyền cho bức ảnh.

38

4./ Cỏc ứng dụng của thủy võn số

a). Bảo vệ bản quyền (Copyright protection)

Đõy là ứng dụng cơ bản nhất của thủy võn số. Một thụng tin để chứng minh quyền sở hữu của tỏc giả (gọi là watermark hay thủy võn) sẽ đƣợc nhỳng vào cỏc tài liệu số trƣớc khi tài liệu này đƣợc đƣa lờn mạng. Thủy võn này chỉ cú ngƣời sở hữu sản phẩm cú thể tỏch ra, và đƣợc sử dụng làm minh chứng bản quyền của sản phẩm.

Yờu cầu quan trọng với ứng dụng này là tớnh bền vững của thủy võn, để ngƣời khỏc khú cú thể gỡ chỳng ra khỏi sản phẩm số.

(a) Ảnh ban đầu (b) Sau khi nhỳng Watermark

Hỡnh 2: Trước và sau khi nhỳng Watermark

b). Xỏc thực thụng tin hay phỏt hiện xuyờn tạc thụng tin

Thủy võn số cú thể đƣợc dựng để xỏc thực thụng tin hay phỏt hiện giả mạo. Thủy võn đƣợc dựng để kiểm tra xem ảnh là nguyờn gốc hay đã chịu sự tỏc động bằng cỏc phộp xử lý ảnh. Ngƣời ta thƣờng dựng phƣơng phỏp thủy võn dễ vỡ

(fragile watermarking) để nhỳng thụng tin vào ảnh. Nếu ảnh bị tỏc động bằng cỏc phộp xử lý ảnh, thủy võn sẽ khụng cũn nguyờn vẹn.

(a) Clinton và Hillary (b) Clinton và Monica

39

c). Dỏn nhón (Labeling)

Hỡnh 4: Minh họa một ảnh được nhỳng thủy võn khỏc nhau

Trong ứng dụng này, thủy võn đƣợc dựng để nhận diện ngƣời gửi hay ngƣời nhận thụng tin.

Vớ dụ với trƣờng hợp nhận diện ngƣời nhận: Một bức ảnh ban đầu bỏn cho cỏc khỏch hàng khỏc nhau, nú sẽ đƣợc nhỳng thủy võn là chữ ký của từng khỏch hàng tƣơng ứng. Sau đú ảnh đƣợc chuyển cho cỏc khỏch hàng. Mỗi khỏch hàng cú thể kiểm tra thủy võn trong ảnh để chắc chắn ảnh đú chuyển cho mỡnh.

d). Điều khiển truy cập

Một vớ dụ là trƣờng hợp khỏch hàng sử dụng cỏc dịch vụ truyền hỡnh, nhƣ trả tiền cho cỏc kờnh truyền hỡnh hay hoặc mua cỏc đĩa phim mới. Mỗi khỏch hàng sẽ cú một Set-top Box và một thẻ thụng minh (Smart card), cỏc thiết bị này sẽ cú định danh duy nhất, đại diện cho khỏch hàng. Để ngăn chặn những ngƣời sử dụng dịch vụ mà khụng trả tiền, nhà cung cấp dịch vụ sẽ mó húa dữ liệu sử dụng cỏc khúa trƣớc khi chuyển đến cho khỏch hàng. Khi Smart card của khỏch hàng cũn hiệu lực, Set-top Box sẽ giải mó dữ liệu chuyển đến. Sau đú, nú nhỳng thủy võn là định danh của ngƣời dựng vào dữ liệu đú.

… W1 W2 Wn n khỏch hàng … + ảnh gốc Wi (i = {1,2,…,n}) là chữ ký khỏch hàng thứ i

40

Quỏ trỡnh ấy đƣợc gọi là ghi dấu võn tay (Finger Printing). Dữ liệu sau khi đã đƣợc ghi dấu võn tay sẽ đƣợc sử dụng bỡnh thƣờng. Nếu một khỏch hàng nào đú cố tỡnh cho ngƣời khỏc sử dụng trỏi phộp những dữ liệu ấy, nhà cung cấp dịch vụ sẽ biết điều đú và ngăn chặn hoặc xử phạt.

e). Điều khiển sao chộp

Tất cả cỏc ứng dụng của thủy võn số trỡnh bày ở trờn chỉ cú tỏc dụng sau khi ngƣời dựng đã làm sai. Ví dụ khi cú sự vi phạm bản quyền xảy ra, thỡ mới dựng thủy võn để xỏc định chớnh xỏc ai là chủ sở hữu thực sự, hoặc sau khi một bức ảnh đã bị thay đổi mới dựng thủy võn để xỏc định bức ảnh nào là giả mạo,… Ứng dụng điều khiển sao chộp cú tỏc dụng ngăn chặn hành động sai, cụ thể là ngăn chặn việc sao chộp trỏi phộp cỏc nội dung cú bản quyền.

Vớ dụ nhƣ hệ thống quản lý sao chộp DVD. Cỏc thiết bị phỏt hiện thủy võn sẽ đƣợc tớch hợp vào thiết bị đọc ghi DVD. Khi muốn sao chộp DVD, phải cú sự đồng ý của chủ sở hữu.

41