..

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi
-----------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN CHO
ẢNH SỐ DỰA TRÊN TẦN S

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

NGHIấN CU CC GII PHP BẢO VỆ BẢN QUYỀN CHO ẢNH SỐ
DỰA TRÊN MIỀN TẦN SỐ
LÊ THANH NGUYỆT

CHUN NGÀNH: XỬ LÍ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

Hµ Néi - 2005


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
-----------------------------------------------

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

NGHIấN CU CC GII PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN CHO ẢNH SỐ
DỰA TRÊN MIỀN TẦN SỐ
LÊ THANH NGUYỆT

CHUN NGÀNH: XỬ LÍ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN
PGS – TS. NGUYỄN THỊ HỒNG LAN

Hµ Néi - 2005


LỜI CẢM ƠN

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất tới cơ giáo hướng dẫn PGS.TS
Nguyễn Thị Hồng Lan, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình xây
dựng và phát triển bài tốn.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo khoa Công Nghệ Thông
tin, cũng như các thầy, cơ giáo trong và ngồi trường đã trang bị cho tôi
những kiến thức cơ bản để tơi hồn thành luận văn như ngày hơm nay.
Xin chân thành cảm ơn các bạn trong và ngoài lớp đã động viên và
đóng góp nhiều ý kiến xây dựng chương trình.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ biết ơn đến những người thân đã dành cho tôi
sự quan tâm hết mực và luôn động viên tôi.

Học viên Lê Thanh Nguyệt


--1--

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................ 1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN................................... 4

LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................. 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING ................................ 6
1.1. Khái niệm Watermarking (đánh dấu ẩn) .................................................... 6
1.2. Kiến trúc chung của Watermarking ........................................................... 7
1.3. Các tính chất của Watermarking ............................................................... 9
1.3.1 Tính bền vững ...................................................................................... 10
1.3.1.1. Các mức độ bền vững của Watermarking trong các ứng dụng ......... 11
1.3.1.2. Nhận định đặc điểm của kẻ tấn cơng ................................................. 12
1.3.2. Tính che dấu .......................................................................................... 21
1.3.2.1. Các yếu tố về thị giác ở mức thấp ...................................................... 22
1.3.2.2. Các nhân tố ở mức cao ...................................................................... 23
1.3.3. Tính hiệu quả......................................................................................... 25
1.4. Các hướng tiếp cận đánh dấu ẩn .............................................................. 25
1.4.1. Giới thiệu............................................................................................... 25
1.4.1.1. Chọn vùng nhúng dấu ẩn ................................................................... 26
1.4.1.2. Chọn miền đánh dấu ẩn ..................................................................... 27
1.4.1.3. Chọn kiểu nhúng dấu ẩn ................................................................... 28
1.4.1.4. Chọn kiểu tách dấu ẩn........................................................................ 29


--2--

1.4.2. Nhóm các kỹ thuật đánh dấu ẩn trên miền khơng gian ảnh ................. 30
1.4.3. Nhóm các kỹ thuật đánh dấu ẩn trên miền tần số ảnh .......................... 31
1.4.3.1. Đánh dấu ẩn ảnh trong miền DCT .................................................... 32
1.4.3.2. Đánh dấu ẩn ảnh trong miền DWT .................................................... 33
1.4.3.2. Đánh dấu ẩn ảnh trong miền DWT .................................................... 35
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬTWATERMARKING TRÊN
MIỀN BIẾN ĐỔI DCT ................................................................................. 37
2.1.Thuật toán nhúng dấu ẩn. ......................................................................... 37

2.1.1. Chuẩn bị dữ liệu .................................................................................... 38
2.1.2. Hoán vị giả ngẫu nhiên watermark W .................................................. 38
2.1.3. Hoán vị các khối của ảnh W và X ......................................................... 39
2.1.4. Biến đổi cosin rời rạc ảnh X (DCT) ...................................................... 42
2.1.5. Chọn lựa các hệ số trung tần ................................................................ 42
2.1.6. Nhúng các bít ảnh của W vào các hệ số trung tần của Yr ................... 43
2.1.6.1 Nhúng trong mối quan hệ giữa các khối lân cận ................................ 43
2.1.6.2 Nhúng trong mối quan hệ địa phương của mỗi khối .......................... 47
∧

∧

2.1.7. Ánh xạ Y r vào Y để thu được Y .......................................................... 50
2.2. Thuật tốn tách thơng tin nhúng. ............................................................. 50
2.2.1. Biến đổi khối ......................................................................................... 50
2.2.2. Tạo ra mẫu chênh lệch .......................................................................... 50
2.2.3. Tách dữ liệu được hoán vị..................................................................... 50
2.2.4. Đảo hoán vị dựa trên khối .................................................................... 51
2.2.5. Đảo ngược hoán vị ngẫu nhiên ............................................................. 51


--3--

2.3. Chứng minh tính đúng đắn của thuật tốn ............................................... 51
2.4. Xây dựng giải pháp thực hiện ................................................................. 53
CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM .................................................... 57
3.1. Môi trường cài đặt .................................................................................. 57
3.2. Nhóm các khối (module) nạp và lưu ảnh. ............................................... 57
3.3. Nhóm các khối (module) thực hiện việc Watermarking.......................... 58
3.4. Đánh giá kết quả ...................................................................................... 61

KẾT KUẬN.................................................................................................... 63
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 91


--4--

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1 Hình 1.1 Mơ hình đầy đủ về kiến trúc chung của quá trình đánh dấu
bản quyền(Watermarking)

7

Hình 1.2 Tổng quát quá trình nhúng dấu bản quyền

8

Hình 1.3 Tổng qt q trình khơi phục dấu bản quyền

9

Hình 1.4.Trọng tâm của ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng)

14

Hình 1.5.Trọng tâm của ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng)

14


Hình 1.6. Phương của ảnh Hoa.bmp thỏa mãn m1,2+ m3,0 = 0

17

Hình 1.7. Biểu diễn độ chói

21

Hình 1.8 Sơ đồ tổng quát mô tả các kỹ thuật đánh dấu cho ảnh

25

Hình 1.9 Phương pháp đánh dấu ẩn trên miền khơng gian

30

Hình 1.10 Minh hoạ các hệ số của biến đổi DCT

32

Hình 2.1. Ví dụ sự hốn vị dựa trên khối

38

Hình 2.2. Bảng lượng tử hóa độ chói

43

Hình 2.3.Tổng qt hố qúa trình nhúng dấu ẩn


50

Hình 2.4. Q trình nhúng dấu ẩn

52

Hình 2.5. Quá trình tách dấu ẩn

53

Hình 3.1. Ảnh trước và sau khi nhúng đơn dấu ẩn không nén, khơng cắt

56

Hình 3.2. Ảnh trước và sau khi nhúng đa dấu ẩn khơng nén, khơng cắt

57

Hình 3.3. Ảnh trước và sau khi nhúng đa dấu ẩn nén JPEG, khơng cắt

58

Hình 3.4. Ảnh trước và sau khi nhúng đơn dấu ẩn chịu nén JPEC, cắt

59


--5--

LỜI MỞ ĐẦU

Do sự tăng trưởng nhanh và rộng rãi của công nghiệp chế tác điện tử,
dữ liệu ngày nay có thể được phân phối nhanh hơn và dễ dàng hơn.
Bên cạnh đó, những bước ngoặt mới của cơng nghệ thông tin nên các
phương thức trao đổi dữ liệu trên các hệ thống mạng đang được rất nhiều
người sử dụng. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin thế giới,
nghành cơng nghệ thơng tin nước ta cũng có rất nhiều bước tiến triển đáng kể.
Các ứng dụng về mạng đặc biệt là mạng Internet đang ngày càng được sử
dụng nhiều.
Gần đây, các phòng trưng bày và bảo tàng nghệ thuật cũng như các
phòng tranh của tư nhân và của bản thân họa sĩ đều rất quan tâm tới vấn đề
bán tác phẩm nghệ thuật qua mạng. Các máy qt hình và màn hình màu sẵn
có cùng với phần mềm xử lý ảnh đã làm cho quá trình chuyển đổi ảnh màu
truyền thống sang ảnh màu kỹ thuật số đa xử lý đã trở thành một nhiệm vụ
đơn giản. Khi đã ở dạng kỹ thuật số, việc lớn mạnh trong cơ sở hạ tầng cho
thương mại điện tử có thể được khai thác nhằm vươn tới được khối lượng
khách hàng tiềm năng khổng lồ qua mạng. Tuy nhiên, yếu điểm của phương
pháp này nảy sinh từ thực tế là với cơng nghệ hiện đại, ảnh kỹ thuật số có thể
được tái sản xuất đơn giản, nhanh chóng và khơng hề tốn kém.
Do vậy, việc bảo vệ bản quyền và chống xâm phạm trái phép các dữ
liệu đa phương tiện gặp rất nhiều khó khăn. Nhiều kỹ thuật đã được ra đời để
giải quyết vấn đề này. Một trong những giải pháp quan trọng nhất là mã hố
thơng tin Cryptorgraphy, mã hố thơng tin Cryptorgraphy(Encryption) đã
được áp dụng để triệt phá vấn nạn trên, tức là sử dụng một thuật tốn nào đó


--6--

chuyển thơng tin thành các mã vơ nghĩa, sau đó gửi nó đi thơng qua mạng.
Nhận được bản mã đó và khóa, người nhận tiến hành giải mã để thu được
thơng tin gốc. Đã có rất nhiều những thuật tốn mã hoá phức tạp được sử

dụng như DES, RSA, NAPSACK... Tuy nhiên một thơng điệp bị mã hố dễ
gây ra sự chú ý và một khi thơng tin mã hố bị phát hiện thì các tin tặc sẽ tìm
mọi cách để giải mã. Và cuộc chạy đua giữa những người giải mã và bọn tin
tặc vẫn chưa kết thúc tuyệt đối về bên nào. Một công nghệ mới phần nào giải
quyết được những vấn đề khó khăn trên là giấu thông tin trong các nguồn đa
phương tiện. Steganography và Watermarking là hai dạng đặc biệt của vấn đề
ẩn giấu thông tin chung. Xét theo khía cạnh tổng qt thì dấu thông tin cũng
là một hệ mã mật nhằm đảm bảo tính an tồn thơng tin nhưng phương pháp
này có ưu điểm là giảm được khả năng phát hiện ra sự tồn tại của thông tin
trong các nguồn mang. Không giống như mã hố thơng tin là để chống sự truy
cập và sửa chữa một cách trái phép thông tin, mục tiêu của giấu thông tin là
làm cho thông tin trở nên vơ hình hay khơng nghe thấy được đối với đối
phương. Điều này sẽ đánh lừa được sự phát hiện của các tin tặc và do đó sẽ
làm giảm khả năng bị giải mã.
Steganography đại diện cho những kĩ thuật cho phép truyền dữ liệu bí
mật bằng cách nhúng hay ẩn thơng tin bí mật vào trong dữ liệu khơng bị nghi
ngờ khác. Các phương pháp Steganography thường dựa vào giả thiết về sự
tồn tại của sự giao tiếp bí mật mà bên thứ ba không biết, sử dụng trong giao
tiếp điểm-điểm giữa những thành viên thực sự tin cậy. Những phương pháp
Steganography nhìn chung khơng bền vững, có nghĩa là thơng tin ẩn có thể
khơng khơi phục lại được sau khi dữ liệu bị sửa đổi.
Watermarking có thêm những chú ý về tính bền vững. Ngay cả khi biết
được sự tồn tại của thông tin ẩn, những kẻ tấn cơng cũng rất khó phá huỷ
những dấu ẩn được nhúng. Ngay cả khi những nguyên lý thuật toán của


--7--

phương pháp đánh dấu ẩn là công khai. Trong lĩnh vực mật mã được biết đến
như luật Kerkhoffs, một hệ thống mật mã an tồn cho dù kẻ tấn cơng biết

được ngun lý và phương pháp mã hố thì cũng khơng thể có được khố giải
mã thích hợp. Một liên quan thực tế địi hỏi tính bền vững là những phương
pháp Watermarking có thể nhúng lượng thơng tin vào trong dữ liệu chủ ít hơn
các phương pháp Steganography. Steganography và Watermarking là hai
phương pháp bổ sung cho nhau. Tóm lại, như trong [13] đối với
Watermarking thì thơng tin giấu phải rõ ràng vì dữ liệu chủ tất nhiên là có giá
trị. Điều này ngược hẳn với “Steganography” trong đó dữ liệu chủ khơng
mang giá trị gì.
Mục đích của luận văn là tìm hiểu một số giải pháp giấu tin vào ảnh
số, sau đó nghiên cứu, cài đặt một giải pháp áp dụng phép biến đổi Cosine
rời rạc( DCT- Discrete Cosine Transformation) nhằm mục đích bảo vệ bản
quyền cho ảnh đó. Dưới góc độ của người nghiên cứu tin học, và mục đích
của luận văn này tơi chọn, đi sâu nghiên cứu kỹ thuật Watermarking áp
dụng cho ảnh số.
Nội dung của luận văn gồm phần mở đầu và 3 chương chính: Chương
1, trình bày tổng quan về kỹ thuật đánh dấu tin, khái niệm đánh dấu tin, các
yêu cầu của một thuật toán đánh dấu tin phải đạt được, các ứng dụng của kỹ
thuật đánh dấu tin, cuối cùng là các trường hợp tiếp cận giải quyết. Chương 2,
Phương pháp áp dụng phép biến đổi DCT cho đánh dấu tin bền vững. Chương
3, Chọn ngơn ngữ thể hiện thuật tốn, mơi trường làm việc của chương trình,
tổ chức thực hiện chương trình, cuối cùng giới thiệu các kết quả và hạn chế
trong việc sử dụng thuật toán đã chọn. Kết luận, phụ lục, tài liệu tham khảo ở
cuối luận văn nêu rõ các tài liệu được sử dụng trong luận văn.


--8--

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING
1.1. Khái niệm Watermarking(đánh dấu ẩn)
Theo truyền thống, một bức tranh được ký bởi họa sĩ để chứng nhận

bản quyền, một thẻ căn cước được đóng dấu bằng con dấu để tránh sự giả
mạo, và tiền giấy được nhận dạng bởi chân dung người được chạm nổi. Mỗi
loại chữ ký tay, con dấu, còn được gọi là Watermark(W) hay dấu ẩn.
Watermarking là kỹ thuật đánh dấu ẩn từ vài bít tới vài nghìn bít( có thể là bất
cứ cái gì ví dụ như số, ID,logo...) trực tiếp vào nội dung thông tin khác, theo
một cách nào đó để người quan sát bình thường khơng cảm nhận được, nhưng
dễ dàng được phát hiện bởi các chương trình máy tính. Lợi thế thiết yếu của
watermarking là nội dung thông tin được giấu không thể tách rời khỏi tệp dữ
liệu môi trường.
Thuật ngữ Đánh dấu ẩn - Digital Watermarking đã ra đời từ năm 1993
do Tirkel khởi xướng. Trên thực tế, thuật ngữ Watermark đã tồn tại từ khá
lâu, khoảng thế kỷ 15 người ta đã biết tạo ra các tờ giấy có in chìm các con
linh vật để người đọc có thể biết xuất xứ của chúng. Đánh dấu ẩn thời bấy giờ
là đánh dấu ẩn cơ học. Sở dĩ nói như vậy là do dấu ẩn được gắn lên những đồ
vật cụ thể. Ý nghĩa của việc làm này là tạo một dấu "trong suốt" lên vật phẩm,
dấu này khơng thể xố được và cũng khơng dễ bắt chước, chỉ những người
chủ đích thực của vật phẩm này mới có thể tạo được các dấu này. Ngày nay,
dấu ẩn cơ học vẫn còn được dùng như các hoa văn in chìm trong các văn bản
quan trọng, trong tiền, hộ chiếu,...vv. Với sự phát triển của công nghệ số và
Internet, ý nghĩa của thuật ngữ đánh dấu được mở rộng đối với các dữ liệu số.


--9--

Thuật ngữ Watermark đã được thay thế bởi Digital Watermarking , tuy mục
đích khơng thay đổi nhưng kỹ thuật đánh dấu ẩn số đã có những khác biệt cơ
bản.
Giấu dữ liệu có thể chia thành nhiều loại khác nhau theo các cách khác nhau:
- Phân loại theo nguồn giấu thì có 4 dạng giấu dữ liệu:
+ Giấu dữ liệu trên Text

+ Giấu dữ liệu trên ảnh
+ Giấu dữ liệu trên File audio
+ Giấu dữ liệu trên File video
- Phân loại theo tính ẩn của Watermarking thì có 2 dạng giấu dữ liệu:
+ Giấu dữ liệu có thể nhìn thấy
+ Giấu dữ liệu khơng thể nhìn thấy
Trong luận văn này sử dụng phương pháp giấu dữ liệu khơng thể nhìn
thấy.
1.2 Kiến trúc chung của Watermarking
Mơ hình đầy đủ về kiến trúc chung của Watermarking được trình bày
trong hình 1.1
Khóa bí mật K
Khố bí mật K
Dữ liệu chủ
X

Dữ liệu chủ đã
được đánh dấu Y
Q trình nhúng

Các tấn
cơng

Q trình
tách

Thơng tin bản quyền(I)
Thơng tin bản quyền(I)

Hình 1.1 Mơ hình đầy đủ về kiến trúc chung của quá trình đánh

dấu bản quyền(Watermarking)


--10--

Nhìn vào sơ đồ chúng ta thấy có ba vấn đề chính trong thiết kế dấu ẩn
Thiết kế dấu W để thêm vào dữ liệu chủ. Dấu ẩn phụ thuộc vào một khố bí
mật K và thơng tin bản quyền I.
W=f0(I, K)
Cũng có thể W phụ thuộc vào dữ liệu chủ X mà nó được nhúng
W=f0(I, K, X)
Thiết kế một phương pháp nhúng hợp nhất tín hiệu W vào trong dữ liệu chủ X
hình thành dữ liệu được đánh dấu Y
Y=f1(X, W)
Thiết kế phương pháp trích chọn tương ứng để khơi phục những thơng tin dấu
ẩn từ hỗn hợp tín hiệu sử dụng khoá cùng với sự trợ giúp của tín hiệu gốc.
Ỵ=g(X, Y, K)
Hoặc khơng có trợ giúp của tín hiệu gốc
Ỵ=g(Y, K)
Hai vấn đề đầu, thiết kế và nhúng tín hiệu dấu ẩn thường được xem như là
một, đặc biệt trong các phương pháp dấu ẩn được nhúng là dữ liệu chủ tương
ứng. Cụ thể:
Watermark
Data

Digital
Watermarking

Watermarked
Data


Secret/Public Key
Hình 1.2 Tổng quát quá trình nhúng dấu ẩn


--11--

Hình 1.2 là sơ đồ tổng quát đối với quá trình nhúng. Đầu vào là một
Watermark, dữ liệu chủ và khố tuỳ chọn hoặc khố bí mật. Dữ liệu chủ có
thể nén hoặc khơng nén, phụ thuộc vào ứng dụng. Khố là bí mật hoặc cơng
khai được sử dụng để đảm bảo an toàn. Đầu ra của sơ đồ đánh dấu ẩn được
thay đổi, có nghĩa là dữ liệu chủ được đánh dấu ẩn.
Watermark
Source Image

Watermark
recovery

Watermark
or
confidence

Secret/Public Key
Hình 1.3 Tổng quát quá trình khơi phục dấu ẩn
Hình 1.3 minh hoạ q trình khôi phục dấu ẩn. Đầu vào là dữ liệu được
đánh dấu, khố cơng khai hay khố bí mật phụ thuộc vào phương pháp, dữ
liệu gốc hay dấu ẩn gốc. Đầu ra của q trình khơi phục có thể là dấu ẩn được
khơi phục hoặc một loại độ đo nào đó có độ tin cậy chỉ ra sự giống nhau như
thế nào đối với dấu ẩn cho trước ở đầu vào được biểu diễn trong dữ liệu.
1.3 Các tính chất của Watermarking

Có một số đặc tính quan trọng mà một W cần phải có. Đó là khả năng
chống lại tấn cơng sau các biến dạng thông thường của môi trường, khả năng
chống lại tấn cơng, có thể cùng tồn tại với những W khác, và yêu cầu một
thuật toán tốt theo nghĩa độ phức tạp tính tốn nhỏ, nhất là giai đoạn khơi
phục thơng tin.
Và đặc biệt, nếu an tồn có nghĩa là sự bí mật của những thơng tin
nhúng được u cầu thì một hay một vài khố an tồn để đảm bảo bí mật phải
được sử dụng cho quá trình nhúng và tách. Ví dụ trong nhiều phương pháp,
những tín hiệu giả ngẫu nhiên được nhúng như những dấu ẩn.


--12--

Trong trường hợp này, sự mô tả và hạt nhân của bộ phận phát sinh số giả
ngẫu nhiên có thể được sử dụng như là khoá. Sự quan trọng của những đặc
tính này nói chung phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể. Sau đây là phần trình
bày cho những tính chất chung đó.
1.3.1 Tính bền vững
Trong thực tế đối với bất kỳ một phương pháp đánh dấu ẩn nào, tính bền
vững cũng là một trong những vấn đề chính, đó là khả năng chống lại sự biến
đổi dữ liệu xảy ra do các tấn cơng và q trình xử lý dữ liệu chuẩn. Quá trình
xử lý dữ liệu chuẩn bao gồm tất cả những sửa chữa thay đổi dữ liệu mà dữ
liệu có thể trải qua trong chuỗi phân phối như: soạn thảo, in ấn, nâng cấp,
chuyển đổi khuôn dạng. “Tấn công” là những thao tác trên dữ liệu với mục
đích làm hỏng, phá huỷ hay gỡ bỏ những dấu ẩn được nhúng.
Mặc dù có thể thiết kế những kỹ thuật đánh dấu ẩn bền vững, nhưng
cũng cần chú ý rằng dấu ẩn chỉ bền vững khi nó khơng được cơng khai, có
nghĩa là mọi người khơng thể nhìn thấy nó. Trước tiên, chúng ta đề cập tới
các mức độ yêu cầu của tính bền vững trong nhiều ứng dụng khác nhau và
phân loại các dạng tấn công mà giải thuật đánh dấu ẩn phải thể hiện được tính

bền vững.
1.3.1.1. Các mức độ bền vững của Watermarking trong các ứng dụng
Trong [8], tác giả đã phân biệt mức độ thể hiện tính bền vững thực theo
yêu cầu đối với bốn dạng ứng dụng: xác nhận giá trị, kiểm soát dữ liệu, lấy
dấu tay và bảo vệ bản quyền. Trong ứng dụng về xác nhận giá trị, chỉ có một
số dạng tấn công và cụ thể là kỹ thuật nén đơn giản được xem xét. Vì trong
ứng dụng này mục đích là xem được ảnh đó có thật hay khơng, và phá huỷ
được Watermark khi thao tác dữ liệu. Kiểm sốt dữ liệu cần tới tính bền vững
cao hơn. Những ứng dụng này địi hỏi sự dị tìm về các giao dịch hoặc lưu trữ


--13--

đa phương tiện điển hình cho mục đích quảng cáo. Ở đây, Watermark phải
chịu được nén và sửa đổi định dạng. Trong hai dạng đầu tiên, chỉ cần tới
Watermark 1 bit vì ở đây chỉ cần quyết định được có cần hay không cần tới
Watermark.
Ứng dụng lấy dấu tay, liên kết thiết bị nhận dạng Watermark đa
phương tiện với bản thân phương tiện đó bằng cách nhập vào ID duy nhất của
người sử dụng và ID duy nhất của tài liệu vào phương tiện truyền thơng đó.
Việc này tạo ra cơ chế để tìm ra dấu vết từ bản in lậu cho tới cá nhân in lậu
nó. Thực tế, đã cho thấy một hình ảnh có thể được bán cho nhiều người, nhu
cầu là phải nâng cao khả năng cho ứng dụng này. Ở đây cần số bit vừa đủ để
hệ thống được nhận dạng duy nhất đối với mỗi ảnh bán đi. Địi hỏi về tính
bền vững cũng ở mức cao vì Watermark phải chịu được quá trình xử lý số liệu
cũng như các tấn công cố ý nhằm sao chép của những người muốn xoá bỏ
Watermark .
Tương tự, bảo vệ bản quyền cũng địi hỏi tính hiệu quả khoảng 60 - 100
bit trong một hệ thống thương mại điển hình và cũng địi hỏi tính bền vững
cao. Ngồi việc chịu được với quá trình xử lý dữ liệu và tấn công cố ý,

Watermark bảo vệ bản quyền phải có khả năng chống lại các Watermark phức
tạp do những người in lậu chèn thêm để tạo ra tình huống khóa chết trong đó
người chủ thực sự của hình ảnh trở nên nhập nhằng (khó phân biệt) .
1.3.1.2. Nhận định đặc điểm của kẻ tấn công
Như chúng ta đã thấy, tùy thuộc vào các loại ứng dụng, có một yêu cầu
khả năng bền vững nhất định để chống lại các tấn công chủ ý hay không chủ ý
loại bỏ Watermark. Những dạng tấn cơng này có thể chia thành 4 loại như đã
nêu trong [6].


--14--

Dạng tấn công thứ nhất gồm những loại tấn công đơn giản, khơng làm
thay đổi mặt hình học của ảnh và không lợi dụng các thông tin quan trọng của
Watermark . Ví dụ, những biện pháp này khơng xử lý Watermark như nhiễu,
nhưng lại giả định rằng Watermark và dữ liệu chủ là không thể tách rời được.
Các loại tấn công ở dạng này bao gồm các bộ lọc file, nén JPEG và nén trong
miền wavelet, bổ sung nhiễu, lượng tử hóa, biến đổi số sang tương tự, cải
tiến, cân bằng lược đồ Histogram, hiệu chỉnh gama... Các dạng tấn công này
nhằm làm giảm khả năng phản ứng của thiết bị dị tìm bằng cách tăng nhiễu
liên quan tới Watermark.
Dạng tấn công thứ hai dạng tấn công này không làm mất dấu ẩn trong
ảnh nhưng sẽ làm mất đồng bộ giữa ma trận giá trị ảnh với ma trận ngẫu
nhiên theo luật sinh đã định trước. Do vậy, mặc dù dấu ẩn trong ảnh vẫn tồn
tại, nhưng không thể tách được dấu ẩn ra khỏi ảnh. Một số biến đổi hình học
thường gặp là: xoay ảnh, thay đổi tỷ lệ ảnh, xén bớt ảnh. Để bảo vệ ảnh trước
hình thức tấn công này, người ta đã đưa ra một số phép biến đổi đặc biệt để có
thể khơi phục lại hình dạng của ảnh về trạng thái ban đầu trước khi tiến hành
tách dấu ẩn.
 Xoay ảnh

Để có thể khơi phục lại vị trí góc xoay ảnh, ta sử dụng khái niệm
moment ảnh. Đối với ảnh tự nhiện, các giá trị độ chói thuộc miền ảnh là liên
tục và đối với ảnh số, các giá trị đó là rời rạc. Ta coi một ma trận dữ liệu ảnh
là một tấm phẳng có trọng lượng phân bố khơng đều, phân bố này là liên tục
hoặc rời rạc tuỳ theo ảnh là ảnh tự nhiên hay ảnh số. Cơng thức tính trọng
lượng của tấm phẳng có phân bố liên tục như sau:


--15--

m = ∫∫ f (x, y )dxdy

(1.1)

D

Với f(x,y) là các giá trị liên tục thuộc miền D. Đối với tấm phẳng phân
bố rời rạc, cơng thức tính trọng lượng là :
M N

m00 = ∑∑ I
x =1 y =1

(1.2)

x ,y

với x và y là chỉ số của ma trận I, M và N là kích thước của ma trận. Do
ta chỉ xét với ảnh số nên sẽ chỉ đề cập tới các công thức đối với tấm phẳng
phân bố rời rạc. Công thức (1.2) được gọi là moment cấp 0 của ảnh. Tương

tự, moment cấp 1 của ảnh số được tính theo công thức sau:
M N

m10 = ∑∑ I
x =1 y =1

x ,y

(1.3)

x ,y

(1.4)

M N

m0.1 = ∑∑ I
x =1 y =1

Tương tự như trong cơ học, trọng tâm của ảnh (điểm có tổng các
moment bằng 0) là điểm có toạ độ x0, y0 được tính theo cơng thức sau:
x0 =

m1.0
m0.0

(1.5)

y0 =


m0,1
m 0, 0

(1.6)

Ta thấy rằng cho dù ảnh bị xoay theo bất kỳ góc nào thì vị trí tương đối
của trọng tâm ảnh vẫn không thay đổi.


--16--

Hình 1.4.Trọng tâm của ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng)

Hình 1.5.Trọng tâm của ảnh gốc Hoa.bmp (tại dấu cộng)


--17--

Hình 1.4 và hình 1.5 là các thử nghiệm trong VisuaC++6.0 đánh dấu
trọng tâm của cùng một ảnh trước và sau khi xoay đi một góc 300. Ta thấy
rằng vị trí tương đối của trọng tâm (dấu “+”) khơng thay đổi trong cả hai ảnh.
Cơng thức tính moment cấp 3 của ảnh như sau:
M N

m1, 2 = ∑∑ x.y 2 I
x =1 y =1

x ,y

(1.7)


x ,y

(1.8)

M N

m 2,1 = ∑∑ x 2 .yI
x =1 y =1

M N

m3,0 = ∑∑ x 2 I
x =1 y =1

x ,y

(1.9)

x ,y

(1.10)

M N

m0,3 = ∑∑ y 3 I
x =1 y =1

Giả sử ảnh bị xoay đi so với ảnh gốc một góc θ, toạ độ mới của ảnh (x’,
y’) so với toạ độ ảnh gốc (x,y) được tính như sau:

x ' = x. cos(θ ) + y. sin (θ )

(1.11)

y' = − x. sin (θ ) + y. cos(θ )

(1.12)

Moment cấp 3m’1,2 của ảnh sau khi xoay:
M N

2

m'1, 2 = ∑∑ [x. cos(θ ) + y. sin (θ )].[− x. sin (θ ) + y. cos(θ )] I x , y
x =1 y =1

Sau khi biến đổi ta được :

(1.13)


--18--

(

)

m1' , 2 = cosθ . sin 2 .θ .m3.0 + cos 3 θ − 2. sin 2 θ . cosθ m1' , 2 +

(sin θ − 2.sinθ . cos θ ).m

3

2

2,1

+ sin θ . cos θm0,3
2

(1.14)

Moment cấp 3’3,0 của ảnh sau khi xoay:
M N

m' 3,0 = ∑∑ (x. cosθ + y. sin θ ) .I
3

x =1 y =1

(1.15)

x ,y

Sau khi biến đổi ta được :
m3' ,0 = cos 3 θ .m3,0 + 3. sin 2 θ . cosθm1, 2 +

(1.16)

3. sin θ . cos θ .m 2,1 + sin θ .m0,3
2


3

Cộng hai vế (1.14) và (1.15) ta được :
m1' , 2 + m3' ,0 = cosθ (m3,0 + m1, 2 ) + sin θ (m0,3 + m 2,1 )

Xét

công

thức

(1.18),

nếu

(1.17)

m + m3,0
sin θ
= tan θ = − 1, 2
cosθ
m 2,1 + m0,3

thì

m1' , 2 + m3' ,0 = 0 . Nói cách khác nếu ảnh đang ở một góc xoay bất kỳ nào đó

(kể cả ảnh gốc có góc xoay bằng 0), ta ln nhận được một ảnh có phương
 m + m3,0 


không đổi sau khi xoay đi một góc θ = arctan − 1, 2
 . Moment cấp 3
m
+
m
2,1
0, 3 


của ảnh tại phương này có đặc điểm là:
m1,3 + m3,0 = 0

(1.19)

Phương trình (1.19) chỉ thoả mãn với điều kiện moment cấp 3 của các vị
trí xoay ảnh khác nhau được tính với một gốc toạ độ có vị trí tương đối khơng


--19--

đổi. Toạ độ này ta có thể chọn là toạ độ trọng tâm của ảnh. Hình 2.4 là minh
hoạ trọng VisuaC++6.0 phương không đổi của ảnh Hoa.bmp thoả mãn m1,2+
m3,0 = 0

Hình 1.6. Phương của ảnh Hoa.bmp thỏa mãn m1,2+ m3,0 = 0
Như vậy trước khi đánh dấu ẩn lên ảnh gốc, ta thực hiện một phép xoay
 m + m3,0 
 và đánh dấu ẩn lên ảnh đã được xoay
ảnh một góc θ = arctan − 1, 2


m
+
m
2,1
0, 3 


này.
 Thay đổi tỷ lệ ảnh
Ảnh sau khi đánh dấu ẩn có thể bị phóng to, hay thu nhỏ lại và gây nên
mất đồng bộ quá trình nhúng và tách dấu ẩn. Để bảo vệ ảnh chống lại hình
thức tấn công này, ta quy định ảnh trước khi nhúng dấu ẩn phải là ảnh có kích
thước hai chiều bằng nhau và sau khi nhúng dấu ẩn, ta lưu lại giá trị moment


--20--

cấp 0 của ảnh (m0,0). Gọi γ là hệ số tỷ lệ giữa chiều cao ly và chiều rộng lx của
ảnh sau khi bị tác động thay đổi tỷ lệ. Ta có:

γ=

ly

(1.20)

lx

Ta sẽ biến đổi ảnh này sao cho γ =1. Giả sử ta khôi phục lại tỷ lệ hai

cạnh chiều rộng và chiều cao của ảnh theo hệ số tỷ lệ là a và b, hai hệ số này
phải thoả mãn:
a.l x = b.ly

(1.21)

Tính moment cấp 0 của ảnh bị thay đổi tỷ lệ, gọi nó là m’00 . Ta có :
m0,0 = a.b.m’0.0

(1.22)

Từ (1.20), (1.21) và (1.22) ta tính được hệ số tỷ lệ a và b để khơi phục lại
kích thước của ảnh đã nhúng dấu ẩn gốc:
a=

m0,0 .γ
m00
(1.23)
;b =
m' 00
m' 0,0 .γ

 Cắt xén ảnh
Cắt xén ảnh hay còn gọi là cropping ảnh làm mất một phần thơng tin của
ảnh và nó cũng gây cản trở quá trình tách dấu ẩn mặc dù dấu ẩn vẫn tồn tại
trong phần dữ liệu còn lại của ảnh. Khi ảnh bị cắt xén, toạ độ trọng tâm của
chúng bị thay đổi so với ảnh gốc do vậy nếu ảnh vừa bị cắt xén vừa bị xoay
thì ta khơng khơi phục được lại được phương của ảnh khi nhúng dấu ẩn như
đã trình bày. Đề xuất đưa ra trong [2] là thay vì tìm trọng tâm khơng đổi của



--21--

tồn bộ vùng ảnh, ta đi tìm trọng tâm của miền cục bộ trên ảnh. Thuật tốn
tìm trọng tâm như sau:
* Khởi tạo tìm điểm trọng tâm ban đầu C0, điểm này là trọng tâm của
toàn bộ miền ảnh.
* Xác định bán kính r và tìm trọng tâm C1 của miền hình trịn tâm C0,
bán kính r.
* Trọng tâm C1 tiếp tục được dùng để tính trọng tâm C2 của miền hình
trịn bán kính r, tâm C1 . Q trình này được lặp cho tới khi Cn = Cn – 1 với Cn
và Cn-1 là toạ độ trọng tâm tại bước lặp thứ n và n-1.
Áp dụng cách làm như trên cho cả quá trình nhúng và tách dấu ẩn ta ln
tìm được toạ độ trọng tâm và phương ban đầu không đổi trong cả trường hợp
ảnh bị cắt xén. Ngoài ra việc đánh dấu ẩn cũng sẽ được áp dụng chỉ đối với
miền hình trịn bán kính r tìm được trong thuật tốn kể trên.
Thậm chí cịn nhiều dạng tấn cơng tinh vi hơn như trình bày trong [3].
Ở đây, ảnh bị bóp méo bên trong mà khơng bị nhận diện bằng cách uốn cong
và lấy mẫu. Mục đích chính của dạng tấn cơng này nhằm làm cho Watermark
khơng thể đọc được ngay cả khi nó vẫn thể hiện trên ảnh đã được biến đổi.
Loại tấn công thứ ba gọi là “tấn cơng nhập nhằng”. Mục đích nhằm tạo
ra một khóa chết trong đó khơng thể biết được đó là ảnh gốc hay khơng. Ví dụ
như kẻ sao chép sẽ chèn thêm vào một Watermark khác bằng cách copy.
Trong [7], tác giả đã đưa ra sơ đồ khái niệm về hệ thống tạo Watermark
không thể đảo ngược và đã chứng minh rằng trong những hồn cảnh nhất định
có thể tạo ra một bản gốc giả mạo. Điều này đã tạo ra tình huống khóa chết
trong đó chương trình khơng thể xác định đâu là người chủ thực sự của ảnh.


--22--


Một dạng tấn công khác trong loại này được gọi là “tấn cơng sao chép”.
Trong đó, kẻ tấn cơng dự tính một Watermark từ một ảnh và thêm Watermark
đó vào một ảnh khác để tạo ra một ảnh có gắn Watermark .
Dạng tấn công cuối cùng được đề cập là “tấn công loại bỏ”. Đây là
dạng tấn công tinh vi nhất vì chúng tận dụng các kiến thức ưu việt của lĩnh
vực đánh dấu ẩn, chúng sẽ cố đoán Watermark và xóa đi Watermark đó mà
khơng cần làm suy biến phương tiện truyền thơng chủ. Ví dụ như các tấn cơng
thơng đồng để cố gắng có được dự đốn đúng Watermark từ một số ảnh có
nhúng Watermark như trong [5].
1.3.2.Tính che dấu
Một trong những yêu cầu chính đối với đánh dấu ẩn là tính trong suốt
với nhận thức. Q trình nhúng dữ liệu phải không thể hiện bất cứ những gì
mới được tạo ra trong dữ liệu chủ. Tức Watermark phải không gây ra bất kỳ
sự chú ý không mong muốn nào cũng như không làm giảm chất lượng của tệp
dữ liệu chủ. Trong một số bài báo các tác giả cịn gọi tính chất này là
"imperceptible" (tính khơng cảm nhận được). Tuy nhiên nếu một tín hiệu ở
mức khơng cảm nhận được, thì những giải thuật nén có mất thơng tin thường
có xu hướng loại bỏ chúng. Vì mục tiêu của các giải thuật nén tiêu hao sẽ
giảm bớt dung lượng dữ liệu bằng cách loại bỏ những thông tin "thừa" theo
nghĩa cảm nhận, hay nói cách khác là chọn lọc các thông tin dựa vào hệ thống
thị giác con người. Như vậy tín hiệu watermark cũng phải trải qua giai đoạn
nén và giải nén có tổn hao thơng tin. Nhưng nếu một Watermark cần được
phát hiện sau khi dữ liệu được giải nén cũng phải giống nhau.
Hệ thống giải mã đã giảm thiểu sai số nhận biết qua HVS( Human
Vitual Systems). Hệ thống này được đề cập vì người ta thấy rằng sử dụng tiêu
chuẩn tỷ số tín hiệu trên nhiễu (PSNR) cao và tiêu chuẩn cho sai số giá trị
bình phương trung bình (MSE) khơng đủ để giảm méo hình do nén gây ra.