L ỜI CAM ĐOAN
3.2.2. Mô tả chức năng hệ thống
Hệ thống đƣợc xây dựng đảm bảo thực hiện các chức năng chính: tạo thủy vân, nhúng thủy vân, tách thủy vân và kiểm tra.
Hình 3.1. Sơ đồ chức năng hệ thống
a/ CHỨC NĂNG TẠO THỦY VÂN
Thủy vân là một ảnh: ảnh này có thể là một logo đặc trƣng cho công ty hoặc là
dấu vân tay đặc trƣng cho một cá nhân. Ảnh thủy vân phải có kích thƣớc nhỏ hơn nhiều so với ảnh gốc.
- Nếu ảnh thủy vân là ảnh đen trắng thì việc tạo thủy vân chỉ đơn thuần nhặt ra từng điểm ảnh để nhúng vào các khối ảnh. Nếu ảnh có kích thƣớc MxN thì chuỗi nhị phân biểu diễn cho ảnh nhị phân cần nhúng có độ dài là MxN bít.
- Nếu ảnh thủy vân là ảnh đa cấp xám: lấy giá trị của từng điểm ảnh theo cách duyệt ảnh từ trên xuống dƣới, từ trái qua phải xếp thành chuỗi số biểu diễn cho thủy vân cần nhúng. Mỗi số trong dãy số trên lại đƣợc chuyển thành một dãy 8 bit nhị phân. Vậy nếu ảnh có kích thƣớc MxN thì dãy thủy vân biểu diễn cho ảnh thủy vân có kích thƣớc là MxNx8 bits.
- Nếu ảnh thủy vân là ảnh 24 bits màu, mỗi thành phần mầu R, G, B chiếm 1 byte nhớ. Khi đó có 2 cách tạo thủy vân:
+ Một là tách riêng từng thành phần màu R, G, B. Mỗi thành phần mầu này tƣơng đƣơng với một ảnh đa cấp xám. Vậy một ảnh 24 bits màu sẽ tƣơng đƣơng với 3 ảnh đa cấp xám.
+ Hai là đặt từng nhóm 3 bytes một tƣơng ứng với mỗi một điểm ảnh của ảnh thủy vân liên tiếp để tạo ra chuỗi nhị phân tƣơng ứng. Nhƣ vậy, chuỗi bit tạo ra có độ dài là: MxNx3x8.
Vậy nếu chọn thủy vân là ảnh số thì phải tùy thuộc vào loại ảnh để chọn kích thƣớc thủy vân cho phù hợp vì lƣợng bits thủy vân nhúng đƣợc chỉ có giới hạn tùy thuộc vào từng thuật toán. Nhƣng nói chung tất cả các thuật toán đều không thể nhúng đƣợc nhiều thủy vân vì còn tác động đến chất lƣợng của tác phẩm sau khi nhúng thủy vân. HỆ THỐNG THỦY VÂN TẠO THỦY VÂN NHÚNG THỦY VÂN TÁCH
Thủy vân là chuỗi ký tự/ file văn bản: chứa các thông tin bản quyền nhƣ tên tác giả, số chứng minh thƣ, mã số bản quyền… Khi nhúng, mỗi ký tự này sẽ chuyển thành mã ASCII tƣơng ứng, sau đó đổi mã này thành chuỗi bít để đƣa vào ảnh cần nhúng. Rõ ràng so với thủy vân là ảnh thì thủy vân là ký tự có kích thƣớc nhẹ hơn rất nhiều. Nếu so với ảnh đa cấp xám thì mỗi ký tự tƣơng đƣơng với một điểm ảnh. Nếu so với ảnh 24 bít mầu thì mỗi điểm ảnh tƣơng đƣơng với 3 ký tự. Vì thế thủy vân là ký tự thì lƣợng thông tin nhúng đƣợc sẽ rất nhiều.
b/ CHỨC NĂNG NHÚNG THỦY VÂN
Sau khi tạo thủy vân chứa thông tin về bản quyền tác giả, hệ thống sẽ đƣa thủy vân này vào ảnh muốn bảo vệ bằng một trong các thuật toán thủy vân trong chƣơng 2. Kết quả ảnh sau khi nhúng đƣợc lƣu vào 1 file. Và đây là file mà tác giả sẽ đem cho ngƣời mua. Hay mỗi khi muốn tạo ra một bản copy hợp pháp tác giả sẽ lấy ảnh gốc, đƣa thông tin thủy vân vào hệ thống để tạo thủy vân, sau đó nhúng thủy vân vào ảnh gốc sẽ thu đƣợc một bản copy hợp pháp và có thể dễ dàng kiểm chứng nếu phát hiện có đối tƣợng tạo bản giả.
c/ CHỨC NĂNG TÁCH THỦY VÂN
Từ mỗi khối ảnh có thủy vân ta sẽ lấy ra đƣợc một số bit thủy vân. Ghép các bít này lại với nhau để đƣợc dãy bit. Thực hiện cắt từng đoạn 8 bit một của dãy bit này để thu đƣợc mã ASCII của ký tự hoặc giá trị mức xám của một điểm ảnh.
Với mục đích xác thực thông tin thì yêu cầu của hệ thống phải là thủy vân dễ vỡ. Khi đó chỉ việc so sánh thủy vân tách đƣợc từ ảnh nghi ngờ với thủy vấn gốc mà chủ sở hữu đang có, nếu không giống nhau thì có nghĩa là tác phẩm đã bị sửa chữa thông tin trái phép, không phải là sản phẩm nguyên bản của tác giả.
Với mục đích bảo vệ bản quyền thì yêu cầu của hệ thống phải là thủy vân bền vững. Nghĩa là dù sản phẩm có bị sửa chữa theo một hình thức nào đó (do các đối tƣợng nhái lại từ bản gốc) thì thủy vân vẫn đƣợc bảo vệ. Do đó, tác giả có thể tách thủy vân từ bản nghi ngờ ăn cắp bản quyền để chứng minh rằng đây là tác phẩm của mình đã bị chỉnh sửa (bản nhái lại).
Tất nhiên, mức độ bền vững của thủy vân tùy thuộc vào mức độ tấn công (mức độ chỉnh sửa). Nghĩa là, bức ảnh bị nghi ngờ có thể đã qua một số phƣơng pháp tấn công nào đó nhƣng trong giới hạn chịu đựng của hệ thống thì vẫn có thể tách đƣợc thủy vân, vƣợt quá giới hạn sẽ không tách đƣợc. Khi đó phải đánh giá đƣợc tính bền vững của thuật toán qua các phép tấn công, nghĩa là thuật toán cài đặt trong hệ thống có chịu đƣợc phép tấn công đó không và trong ngƣỡng nào thì còn chịu đựng đƣợc
d/ CHỨC NĂNG KIỂM TRA
Kiểm tra tính bền vững của các thuật toán thủy vân. Với chức năng này ngƣời sử dụng có thể kiểm tra xem thuật toán mình chọn có thể chống lại những biến đổi tấn công nhƣ: nén, nhiễu, tăng giảm độ sáng...từ đó có thể lựa chọn giải pháp hợp lý cho thuật toán nhúng thủy vân. Kẻ vi phạm bản quyền có thể dùng các tấn công trái phép để làm biến đổi dấu thủy vân. Nếu sau khi tấn công chất lƣợng ảnh thấp, không còn giá trị thƣơng mại thì thuật toán thành công về khía cạnh bền vững
3.3. Chương trình thử nghiệm
Thủy vân sử dụng trong chƣơng trình thực nghiệm là chuỗi ký tự. Chuỗi ký tự thủy vân đƣợc gõ trực tiếp vào mục “Nội dung thủy vân cần nhúng” hoặc chọn đƣờng dẫn đến file văn bản bằng nút Browse.
3.3.1. Chức năng nhúng thủy vân
- Mở ảnh gốc: chọn mục "Open” để mở một file ảnh cần nhúng thủy vân. Ảnh gốc sẽ hiện ra trong mục “Ảnh ban đầu”.
Hình 3.2. Giao diện khi mở ảnh gốc
- Tạo thủy vân: thủy vân là một chuỗi kỹ tự nhập trực tiếp vào mục “Nội dung thủy vân cần nhúng” hoặc chọn mục “Open” để mở file văn bản chứa thủy vân cần nhúng.
Hình 3.3. Giao diện khi tạo thủy vân
- Nhúng thủy vân: Chọn mục “TPC” nếu thủy vân nhúng với mục đích xác thực nội dung hay chọn “DCT” với mục đích bảo vệ bản quyền. Ở đây các thuật toán thủy vân thuộc 2 nhóm: nhóm các thuật toán thủy vân dùng để xác thực nội dung và nhóm các thuật toán để bảo vệ bản quyền. Mỗi nhóm thuật toán chƣơng trình chỉ cài đặt một thuật toán đại diện là TPC (dùng để xác thực nội dung) và DCT (dùng để bảo vệ bản quyền). Kết quả ảnh đã nhúng thủy vân hiện trong mục “Ảnh đã giấu thủy vân”.
Hình 3.4. Giao diện khi nhúng thủy vân
- Nếu muốn lƣu ảnh kết quả thì chọn mục Save.
- Vì chƣơng trình xử lý với ảnh 24 bit mầu, nghĩa là chỉ có một thành phần R hoặc G hoặc B tham gia nhúng thủy vân nên khả năng “lộ” của ảnh rất thấp. Nếu quan sát kỹ trên các kết quả tại các vùng sáng của ảnh thì có khả năng nhận ra đƣợc một vài điểm ảnh có sự thay đổi trên gam màu tƣơng ứng.
- Để giảm khả năng bị lộ, có thể tăng kích thƣớc khối.
- Sẽ có sự đánh đổi giữa dung lƣợng thủy vân cần nhúng và khả năng bị lộ của ảnh. Khi tỷ lệ nhúng lớn thì khả năng bị lộ càng tăng và ngƣợc lại.
3.3.2. Chức năng tách thủy vân
- Mở ảnh đã được nhúng thủy vân: chọn mục “Open” bên phải để mở một file ảnh đã nhúng thủy vân
- Tách thủy vân: chọn mục “Tách thủy vân”
Kết quả thủy vân tách đƣợc hiện ra trong mục “Kết quả tách thủy vân”
Hình 3.5. Giao diện khi tách thủy vân
3.3.3. Kiểm tra tính xác thực thông tin
- Mở một ảnh đã đƣợc nhúng thủy vân - Chọn chức năng tách thủy vân
- Kiểm tra: so sánh thủy vân tách đƣợc với thủy vân mà tác giả đã nhúng + Nếu kết quả nội dung thủy vân tách đƣợc trùng với nội dung thủy vân nhúng thì ảnh chứa thủy vân không bị chỉnh sửa.
Thử nghiệm với trƣờng hợp ảnh nhúng thủy vân xong chọn tách thủy vân luôn, không qua sửa ảnh. Kết quả thu đƣợc thủy vân nhƣ thủy vân ban đầu.
Hình 3.6. Kết quả tách thủy vân từ ảnh chứa thủy vân không bị chỉnh sửa
+ Nếu thủy vân thu đƣợc khác với thủy vân nhúng ban đầu thì có nghĩa là ảnh đã bị tấn công.
Thử nghiệm với trƣờng hợp ảnh đã nhúng thủy vân bị tấn công làm tăng độ sáng. Kết quả tách thủy vân thu đƣợc khác với thủy vân nhúng ban đầu.
Hình 3.7. Kết quả tách thủy vân từ ảnh sau khi tấn công tăng độ sáng
3.3.4. Kiểm tra tính bền vững
Chức năng này nhằm đánh giá tính bền vững chống chọi với các dạng tấn công của thuật toán DCT.
- Sử dụng photoshop thực hiện các phép tấn công: tăng giảm độ sáng, làm trơn ảnh, tăng giảm độ tƣơng phản…trên ảnh đã nhúng thủy vân.
- Mở file ảnh đã nhúng thủy vân và bị tấn công ở trên. - Chọn mục “Tách thủy vân”
- Kết quả thu đƣợc là thủy vân bền vững qua các phép biến đổi này, chất lƣợng ảnh thu đƣợc nhƣ sau:
(a) Giảm độ sáng (b) Tăng đô ̣ sáng
(c) Làm trơn ảnh (d) Tăng đô ̣ tƣơng phản
Hình 3.8. Chất lượng ảnh sau kiểm ứng bằng Photoshop
Một số kiểu tấn công khác nhƣ tạo nhiễu, cắt ảnh, xoay ảnh…kết quả chƣơng trình thử nghiệm không đảm bảo đƣợc tính bền vững. Theo đánh giá của một số chƣơng trình thử nghiệm tham khảo trên một số tạp chí của IEEE, với tỷ lệ nén JPEG 10% thì hầu hết các ảnh đều bền vững, 75% sẽ mất tính bền vững; với nhiễu Gaussian, định lại kích thƣớc ảnh, cắt ảnh, nhiễu Uniform toàn bộ ảnh thử nghiệm không vƣợt qua đƣợc; khi xoay ảnh với góc xoay nhỏ một số ảnh vẫn đảm bảo thu đƣợc thủy vân. Sau đây là bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm đó trên bộ 3 ảnh đầu vào đã nhúng thuỷ vân:
KẾT LUẬN
Thủy vân số là một công nghệ mới rất phức tạp, để thực sự có những ứng dụng trong thực tế phải cần có nhiều thời gian nghiên cứu và thẩm định. Tuy nhiên, đây cũng là một công nghệ đƣợc các nhà khoa học khẳng định là đầy hứa hẹn cho vấn đề bảo mật và an toàn thông tin. Thủy vân số có thể thực hiện ở nhiều môi trƣờng khác nhau. Có nhiều thuật toán thủy vân, tùy từng mục đích cụ thể mà ta chọn thuật toán thủy vân phù hợp. Mỗi thuật toán khác nhau đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm riêng và thông thƣờng chỉ chịu đƣợc một số tấn công, không có thuật toán nào có thể bền vững với tất cả các tấn công. Tính bền vững của thủy vân tỷ lệ nghịch với chất lƣợng ảnh sau khi nhúng.
Kết quả đạt được:
Luận văn đã trình bày một cách có hệ thống các kiến thức liên quan đến thủy vân số, tập trung nghiên cứu các thuật toán thủy vân trên các miền khác nhau của ảnh số: miền không gian , miền tần số dƣ̣a vào phép biến đổi Cosine rời ra ̣c DCT và miền tần số dƣ̣a vào phép biến đổi sóng nhỏ DWT.
Xây dựng chƣơng trình thử nghiệm có cài đặt các thuật toán trên miền không gian và trên miền tần số dƣ̣a vào phép biến đổi Cosine rời rạc DCT, đánh giá tính bền vững của thủy vân qua một số phép tấn công đơn giản.
Hướng phát triển của luận văn:
Chƣơng trình thử nghiệm với thủy vân nhúng là chuỗi ký tự hoặc file văn bản (.txt hoặc .doc) nên cần tiếp tục mở rộng thử nghiệm với thủy vân là một file ảnh.
Với thủy vân bền vững, chƣơng trình mới chỉ cài đặt thử nghiệm đƣợc một thuật toán trên miền DCT. Do đó cần tiếp tục nghiên cứu cài đặt thêm nhiều thuật toán khác.
Luận văn mới chỉ thực hiện nhúng thủy vân ẩn trên dữ liệu ảnh số. Do đó cần tiếp tục xây dựng chƣơng trình có thể nhúng thủy vân trên nhiều phƣơng tiện khác nhau nhƣ audio, video.
TÀILIỆUTHAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Nguyễn Xuân Huy, Bùi Thị Thúy Hằng (2001), “Một số cải tiến của kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh”, Kỷ yếu Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công
nghệ thông tin , Hà Nội 24-25/12/2001, tr. 553 – 559.
[2]. Lê Tiến Thƣờng, Nguyễn Thanh Tuấn (2004), “Giải pháp hiệu quả dùng kỹ thuật watermarking cho ứng dụng bảo vệ bản quyền ảnh số”, Tạp chí khoa học
ĐH Bách Khoa TPHCM, tr. 5-8.
Tiếng Anh
[3]. Ahmet M. Eskicioglu (2003), “Multimedia security in group communications: recent progress in key management, authentication, and watermarking”, ACM
mutilmedia 2003.
[4]. Cox I.J., Kilian J., Leighton F.T., and Shamoon T (1997), “Secure Spread Spectrum Watermarking for Mutimedia”, IEE Trans on Image Processing, 6(12), pp. 1673 – 1687.
[5]. E. Koch and J. Zhao. “Toward robust and hidden image copyright labeling”,
IEEE Workshop Nonlinear Signal and Image Processing, North Marmaras,
Greece, June 20-22, 1995, pp. 452-455.
[6]. Fabien A. P. Petitcolas , Ross J. Anderson , Markus G. Kuhn, “Attacks on Copyright Marking Systems”, Proceedings of the Second International
Workshop on Information Hiding, p.218-238, April 14-17, 1998
[7]. Frank Hartung, Martin Kutter, “Multimedia Watermarking Techniques”,
Proceedings of The IEEE, Vol. 87, No. 7, pp. 1085 – 1103, July 1999.
[8]. Hsu . Ch and Wu.J, “Hiden Digital Watermarks in Images”, IEEE Trans
Images Processing. Vol.8, no.1, Jan.1999, pp.58-68
[9]. Hsiang-Kuang Pan, Yu-Yuan Chen, and Yu-Chee Tseng, “ A Secure Data Hiding Scheme for Two-Color Images”, in Fifth IEEE Symposium on
[10]. I. J. Cox, F. T. Leighton, and T. Shamoon, “Secure spread spectrum watermarking for multimedia”, in Proceedings of the IEEE ICIP '97, vol. 6, pp.1673-1687, Santa Barbara, California, USA, 1997.
[11]. Martin Vetterli and Jelena Kovacevic (1995), Wavelets and Subband Coding, Prentice Hall.
[12]. M. Wu, E. Tang, and B. Liu, “Data hiding in digital binary image,” in Proc.
Of IEEE Int. Conf. on Multimedia and Expo, New York City, pp. 393-396, July
31 to August 2, 2000.
[13]. Peter H.W.Wong (1998), Data Hiding and Watermarking in JPEG
Compressed Domain by DC Coefficient Modification, Hong Kong University
of Science and Technology.
[14]. Santi Prasad Maity (1995), Robust and Blind spatial watermarking in digital
Image, Dept. of Electronic and Telecomm, BE College, India.
[15]. Saraju P. Mohanty (1999), Digital Watermarking: A tutorial Review, University of South Florida, USA.
[16]. Wu M. Y. and Lee J. H. (1989), “A Novel Data Embedding Method for Tow – Color Facsimile Images”, In Proceedings of International Symposium on