1.1. Khái niệm thủy vân số
Thủy vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số vào bức ảnh số sao cho người không được phép “khó” có thể lấy được thông tin ra khỏi ảnh, mà không phá hủy chính ảnh đó (ảnh gốc).
Trong kỹ thuật thủy vân số, thông tin nhúng được gọi là thủy vân. Thủy vân có thể là một chuỗi các kí tự hay một hình ảnh nào đó.
1.2. Phân loại các kỹ thuật thủy vân
Căn cứ những đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật thủy vân và khía cạnh ứng dụng những kỹ thuật đó, ta có thể chia các kỹ thuật thủy vân theo nhóm được mô tả trong Hình 1.
sao cho sản phẩm sau khi phân phối trong môi trường mở, nếu có bất kỳ một phép biến đổi nào làm cho nó bị thay đổi, thì thủy vân đã giấu trong nó sẽ không còn nguyên vẹn như thủy vân gốc. Kỹ thuật thủy vân có tính chất này được dùng trong các ứng dụng xác thực thông tin và phát hiện xuyên tạc thông tin.
♦ Thủy vân bền vững: Kỹ thuật thủy vân bền vững thường được dùng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền. Trong những ứng dụng đó, thủy vân đóng vai trò là thông tin sở hữu của người chủ hợp pháp. Thủy vân được nhúng trong sản phẩm như một hình thức “dán tem” bản quyền. Trong trường hợp đó, thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống lại việc tẩy xóa, làm giả hay biến đổi phá hủy thủy vân. Nếu muốn hủy bỏ thủy vân chỉ còn cách phá hủy sản phẩm.
Thủy vân bền vững lại được chia thành hai loại là thủy vân ẩn và thủy vân hiện. Thủy vân ẩn giống như giấu tin, yêu cầu tính ẩn cao, bằng mắt thường không thể thấy thủy vân. Thủy vân ẩn được ứng dụng trong bảo vệ bản quyền. Thủy vân hiện là loại thủy vân hiện ngay trên sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được giống như những biểu tượng của một công ty, một sản phẩm, một kênh truyền hình,… Các thủy vân hiện trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc. Đối với thủy vân hiện, thông tin bản quyền hiển thị ngay trên sản phẩm.
1.3. Mô hình hệ thống thủy vân
Một mô hình hệ thống thủy vân tổng quát được xem xét theo hai quá trình là quá trình nhúng thủy vân và quá trình tách thủy vân.
Quá trình nhúng thủy vân được mô tả như sau:
Khoa K Ảnh Gốc I Thủy vân W Bộ nhúng thủy vân Bộ nhúng thủy vân
Trong đó
- Một bức ảnh I cần được bảo vệ (ảnh gốc I).
- Thông tin thủy vân W (tùy mục đích bảo vệ, thông tin thủy vân có thể là chuỗi bit, văn bản hoặc ảnh).
- Khóa K (có thể có hoặc không).
- Một thuật toán trong hệ thống sẽ kết hợp giữa thông tin ảnh gốc I, thông tin thủy vân W và khóa K để tạo thành một bức ảnh mới gọi là ảnh đã nhúng thủy vân hay ảnh chứa thủy vân Iw.
Quá trình tách thủy vân được mô tả trong hình
Trong quá trình phân phối, ảnh chứa thủy vân Iw có thể bị người dùng sử dụng một phép biến đổi nào đó để tấn công nhằm phá hủy thủy vân nếu có trong Iw. Các tấn công trên tạo ra I’w. Quá trình tách thủy vân từ ảnh I’w (I’w có thể trùng với Iw) như sau:
- Ảnh chứa thủy vân I’w
- Khóa K (đã sử dụng trong quá trình nhúng thủy vân)
- Ảnh gốc I (tùy theo kỹ thuật, ảnh gốc có để được sử dụng hoặc không)
- Việc tách thủy vân được thực hiện theo một thuật toán đã xác định. Kết quả là thông tin thủy vân W’ được tách từ I’w.
- Thủy vân tách được W’ cần so sánh với thủy vân gốc, để đưa ra những kết luận phù hợp. Khoa K Ảnh chứa thủy vân I’w Ảnh gốc I Bộ tách thủy vân Thủy vân tách W’ Kiểm định Thủy vân gốc W
1.4. Các đặc trưng của một hệ thủy vân
Các đặc trưng của một hệ thủy vân Hệ thủy vân số trên ảnh cũng là một loại giấu tin nên nó cũng có một số đặc điểm và tính chất giống với giấu tin mật trong ảnh. Ngoài ra, kỹ thuật thủy vân còn được phân biệt với giấu tin mật ở những đặc trưng sau đây:
a. Thủy vân có bị biến đổi hay không, khi có biến đổi trên ảnh chứa thủy vân
♦ Đối với thủy vân bền vững, yêu cầu thông tin thủy vân không
bị thay đổi trước các tác động làm thay đổi thông tin trên ảnh chứa thủy vân. Ngược lại đối với thủy vân dễ vỡ, yêu vầu thông tin thủy vân sẽ bị thay đổi (vỡ) nếu có bất kỳ thay đổi nào trên ảnh chứa thủy vân.
b. Thủy vân ẩn, thủy vân hiện
♦ 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 thể phát hiện được, thủy vân số có hai loại là thủy vân ẩn và thủy vân hiện. Có loại thủy vân cho phép nhìn thấy được thông tin nhúng vào, có loại không nhìn thấy. Thủy vân hiện được dùng cho mục đích công bố công khai về quyền sở hữu. Thủy vân ẩn được dùng với mục đích gài bí mật thông tin xác nhận quyền sở hữu.
c. Tính chất bền vững
♦ Đây là tính chất quan trọng của thủy vân bền vững. Thủy vân
phải chống lại được các phép biến đổi hay các tấn công lên ảnh chứa thủy vân. Thủy vân phải tồn tại cùng với sự tồn tại của ảnh chứa thủy vân là một tiêu chuẩn của hệ thủy vân này.
d. Thông tin được thủy vân
♦ Kiểu thủy vân hay dùng nhất là chuỗi kí tự. Chuỗi kí tự được
nhúng trực tiếp lên ảnh mang những thông tin như tác giả, tiêu đề, ngày tháng hay thông tin bản quyền. Tuy nhiên, việc sử dụng chuỗi ký tự cũng có hạn chế là mỗi ký tự biểu diễn bằng nhiều bit, nếu như
một bit bị lỗi thì sẽ làm sai cả ký tự, do đó chỉ cần một phép biến đổi đơn giản như phép nén ảnh cũng có thể làm cho thủy vân bị sai lệch rất nhiều. Người ta còn sử dụng thủy vân là ảnh để nhúng, khi đó ta sẽ có ảnh trong ảnh. Khi tách tin thì một số điểm ảnh gốc có thể sai nhưng hình tổng thể vẫn được giữ nguyên.
♦ Trong các loại thủy vân thì thủy vân ẩn và bền vững là được
quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, vì ý nghĩa ứng dụng lớn của nó như đã nói ở phần trên. Do vậy, hai tính chất quan trọng nhất của thủy vân mà các nhà nghiên cứu đang cố gắng đạt được là tính ẩn và tính bền vững. Nhưng đây lại là mấu chốt của sự phức tạp vì hai tính chất này mâu thuẫn nhau.
♦ Nếu như để đảm bảo tính ẩn, thủy vân phải được giấu trong
những vị trí ít có ý nghĩa tri giác nhất, ít bị chú ý nhất thì ngược lại để đảm bảo tính bền vững, thủy vân phải chịu được những phép xử lí ảnh phổ biến như dịch chuyển ảnh hay nén ảnh, mà các phép biến đổi này lại làm mất đi những thông tin ít ý nghĩa tri giác nhất.