S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn

Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi
sóng nhỏ rời rạc (DWT) Luận văn thạc sĩ cÔNG NGHệ THÔNG TIN

Thái Nguyên - 2010
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn



Đại học Thái Nguyên
khoa công nghệ thông tin Trần Thị Thanh Mai

Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi
sóng nhỏ rời rạc (DWT)

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của Luận văn này hoàn toàn đƣợc
hoàn thành và phát triển từ những quan điểm của chính cá nhân tôi, dƣới sự
hƣớng dẫn khoa học của TS Bùi Thế Hồng. Các số liệu và kết quả có đƣợc
trong Luận văn là hoàn toàn trung thực.

Tác giả luận văn
Trần Thị Thanh Mai
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
NỘI DUNG 5
Chƣơng1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THUỶ
VÂN TRÊN ẢNH SỐ 5
1.1 Tổng quan về các kỹ thuật giấu tin 5
1.1.1 Khái niệm giấu tin 5
1.1.2 Mục đích của việc giấu thông tin . 6
1.1.3 Phân loại. 8
1.1.4 Môi trƣờng giấu tin. 11
2.2 Những yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh số: 13
2.2.1 Yêu cầu chung 13
iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DFT
Discrete Fourier Transform
DCT
Discrete CosineTransform
DWT
Discrete Wavelet Transform
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ nhúng thuỷ vân và tìm lại thuỷ vân 7
Hình1.2: Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân 8
Hình 1.3: Thuỷ vân 10
Hình 1.4: Ảnh thu được khi dùng kỹ thuật thuỷ vân ẩn 10
Hình 1.5: Ảnh thu được khi dùng kỹ thuật thuỷ hiện 11
Hình 1.6: Thuỷ vân dòng Text vào ảnh chủ 14
Hình 1.7: Kết quả thu được khi thực hiện thuỷ vân 15
Hình 1.8: Kết quả thu được khi thuỷ vân bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ 15
Hình 2.1 Lọc theo tần số thấp và cao 20
Hình 2.2: Quá trình phân tích và tổng hợp tín hiệu 21

là sự bùng nổ của Internet và các phương tiện multimedia đã mang lại nhiều
thuận lợi cho người sử dụng, nhưng bên cạnh đó vấn đề ăn cắp bản quyền,
xuyên tạc thông tin, truy cập thông tin trái phép…đang tăng, đòi hỏi không
ngừng tìm các giải pháp mới hữu hiệu đảm bảo cho sự an toàn và bảo mật
thông tin. Như chúng ta đã biết, thông tin số được sử dụng rộng rãi trong một
môi trường mở: tài nguyên được phân phối, đa người dùng và đa truy cập.
Trong hoàn cảnh như thế, nhu cầu được bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ
các sản phẩm số đã trở thành một vấn đề hết sức quan trọng và đang được sự
quan tâm của giới khoa học và công nghệ. Đây là một vấn đề nghiên cứu mới
và phức tạp không chỉ ở trong nước mà còn với cả thế giới công nghệ thông
tin. Trong một vài năm trở lại đây đã có nhiều hội nghị quốc tế về vấn đề này
và giải pháp được đưa ra là phương pháp thuỷ vân số (digital watermarking).
Giải pháp này tuy mới được đưa ra nhưng đã nhận được sự quan tâm rất lớn
của các nhà khoa học và đã có rất nhiều những nghiên cứu trong lĩnh vực thuỷ
vân số trong đó đã có nhiều những công trình nghiên cứu rất có giá trị về lĩnh
vực này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
Các ứng dụng phổ biến của thuỷ vân số đang được nghiên cứu bao gồm
bảo vệ bản quyền, in vân tay, nhận thực thông tin, phát hiện xuyên tạc, điều
khiển truy cập và giấu thông tin mật.
Thuỷ vân trên ảnh số là một trong những kỹ thuật được phát triển sớm
nhất trong các kỹ thuật thuỷ vân nói chung. Thuỷ vân trên ảnh số giống như
một ảnh được “dán tem” sở hữu của người chủ. Thuỷ vân phải mang thông tin
có ý nghĩa xác định duy nhất người được sở hữu ảnh đó.
Việc thủy vân có thể thực hiện trực tiếp trên các điểm ảnh hoặc trên

nhỏ rời rạc.
- Phát triển và cải tiến các kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng
nhỏ rời rạc.
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu các tài liệu có liên quan về thuỷ vân ảnh.
- Tìm hiểu và phát hiện các vấn đề trong thực tế, so sánh đánh giá và đưa
ra các giải pháp.
- Cài đặt thử nghiệm trên những cải tiến được đưa ra.
5. Các kết quả dự kiến đạt được:
- Kết quả nghiên cứu, tìm hiểu và phát hiện những yêu cầu và thách thức
trong thực tế đối với vấn đề kỹ thuật thuỷ vân ảnh số nói chung và dựa
vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc nói riêng.
- Phát triển và cải tiến các kỹ thuật thuỷ vân ảnh số nhằm nâng cao độ
bền vững của thuỷ vân trong ảnh và giảm mức độ ảnh hưởng của thuỷ
vân đối với chất lượng của ảnh.
- Chương trình thử nghiệm thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi DWT.

III. Bố cục của luận văn:
Chƣơng 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật giấu tin và thuỷ vân trên ảnh số.
1. Tổng quan về các kỹ thuật giấu tin.
2. Những yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh số.
3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân
4. Những ứng dụng chủ yếu của thuỷ vân.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4
Chƣơng 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời

bảo vệ thông tin đã được đưa ra trong đó giải pháp dùng mật mã được ứng
dụng rộng rãi nhất. Thông tin ban đầu được mã hoá và gửi đi, người nhận
được sẽ giải mã thông tin nhờ khoá của hệ mật mã. Có nhiều hệ mã phức tạp
được sử dụng như DES, RSA, NAPSACK…mang lại nhiều hiệu quả cao. Bên
cạnh đó một phương pháp được sử dụng mang lại nhiều lợi ích tối ưu đó là kỹ
thuật giấu tin (DataHiding).
Vậy kỹ thuật giấu tin là gì?
Giấu tin là kỹ thuật nhúng (emberdding) một lượng thông tin số nào đó
vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của
giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm
ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc.
Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mã hoá
thông tin làm cho các thông tin hiện rõ là nó có được mã hoá hay không, giấu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6
tin thì lại khác, người ta khó phát hiện trong đối tượng đó có được giấu thông
tin hay không.
1.1.2 Mục đích của việc giấu thông tin.
Tính năng an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu tin được thể
hiện ở hai khía cạnh:
Một là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu (embedded), thông tin mật được
giấu kỹ trong đối tượng khác sao cho người khác không phát hiện được.
Hai là bảo vệ cho chính đối tượng được dùng để giấu tin (host data),
như ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin
(watermarking)…
Tương ứng với hai khía cạnh đó chúng ta có hai khuynh hướng kỹ thuật


Hình 1.1: Sơ đồ nhúng thuỷ vân và tìm lại thuỷ vân
- Quy trình thuỷ vân:
Dữ liệu đưa vào là ảnh chủ và đối tượng dùng để nhúng vào ảnh
(watermark), watermark có thể ở bất kỳ dạng nào như chữ số, văn bản hay
hình ảnh. Khoá có thể được dùng để tăng cường tính bảo mật, ngăn chặn
những kẻ không có bản quyền khôi phục hay phá huỷ watermark. Sau đó
bằng cách sử dụng kỹ thuật thuỷ vân để nhúng watermark vào ảnh chủ ta thu
được ảnh sau khi nhúng. Ảnh sau khi nhúng có thể nhìn thấy watermark (thuỷ
vân hiện) hoặc không nhìn thấy watermark (thuỷ vân ẩn). Ảnh sau khi thuỷ

Ảnh chủ
Xuyên tạc
(tấn công )
Ảnh sau
thuỷ vân

Thuỷ vân
Tấn công

Ảnh chủ

phân loại các kỹ thuật thuỷ vân như sau:

Hình1.2: Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân
Watermarking
Thuỷ vân số
Robust
Copyright marking
Thuỷ vân bền vững
Fragile
Watermarking
Thuỷ vân “dẽ vỡ”
Imperceptible
Watermarking
Thuỷ vân ẩn
Visible
Watermarking
Thuỷ vân hiện


sản phẩm bị đánh cắp ra làm bằng chứng chứng thực bản quyền của sản
phẩm. Còn thuỷ vân hiện là thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và người

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
10
dùng có thể nhìn thấy, khi đó thông tin bản quyền được hiện ngay trên sản
phẩm, ví dụ như các logo, các biểu tượng… Các thuỷ vân hiện trên ảnh
thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất
lượng ảnh gốc.
Ví dụ về thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện khi thực hiện với 2 bức ảnh sau:

Hình 1.3.1: Ảnh chủ

Hình 1.3.2: Ảnh thuỷ vân
(watermark)
Hình 1.3: Thuỷ vân
Trong trường hợp thuỷ vân ẩn ta thu được kết quả

Hình 1.4: Ảnh thu được khi dùng kỹ thuật thuỷ vân ẩn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

các thẻ tín dụng. Mỗi khách hàng có một chữ ký viết tay, sau đó chữ ký này
được số hoá và lưu trữ trong hồ sơ khách hàng. Chữ ký này sẽ được sử dụng
như là thuỷ vân để nhận thực thông tin khách hàng. Trong các thẻ tín dụng,
chữ ký tay được giấu trong ảnh của khách hàng trên thẻ. Khi sử dụng người
dùng đưa thẻ vào hệ thống, hệ thống có gắn thiết bị đọc thuỷ vân trên ảnh và
lấy được chữ ký số đã nhúng trong ảnh. Thuỷ vân được lấy ra và so sánh với
chữ ký số đã lưu trữ xem có trùng hợp không, từ đó xác định nhận thực khách
hàng.
Một số những ứng dụng về nhận diện thẻ chứng minh, thẻ căn cước, hộ
chiếu…Người ta có thể giấu tin trên ảnh thẻ để xác định thông tin thực. Ví dụ
thông tin giấu trong ảnh thẻ có thể là số thẻ, khi khách hàng đưa thẻ vào hệ
thống, hệ thống sẽ tách số thẻ ở trong ảnh thẻ ra và so sánh xem có trùng với
số đã được in trong thẻ hay không, từ đó nhận diện thẻ khách hàng.
Một số ứng dụng về bảo vệ bản quyền của tác giả cho những bức ảnh.
Trước khi lưu truyền và quảng bá bức ảnh, tác giả nhúng vào trong bức ảnh
đó một thông tin nào đó để khi có sự tranh chấp về bản quyền tác giả thì
thông tin đem nhúng chính là bằng chứng để bảo vệ bản quyền. Thông tin
đem nhúng có thể là ngày sinh của tác giả, chữ ký của tác giả, tên tác
giả……hoặc là logo hay một bức ảnh nhỏ. Thông tin đem giấu phải rõ ràng,
dễ nhận diện vì khi lấy lại thông tin đem giấu trong bức ảnh có thể không
đựoc rõ nét giống như thông tin trước khi giấu, khi đó ta chỉ có thể so sánh
được những nét cơ bản của thông tin thu được với thông tin gốc trước khi
giấu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
13
2.2 Những yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh số:


14
2.2.2.3 Tính chất bền vững.
Đây là tính chất quan trọng nhất của hệ thuỷ vân bền vững. Nghĩa là hệ
thuỷ vân phải chống lại được các phép biến đổi, hay tấn công có chủ đích
hoặc không có chủ đích lên thuỷ vân.
2.2.2.4 Thuỷ vân cái gì?
Thông tin gì được giấu bên trong ảnh?
Thông thường để bảo vệ bản quyền tác giả thì người ta hay nhúng vào
trong ảnh một chuỗi ký tự mang những thông tin về tác giả như tên tác giả,
tiêu đề, ngày tháng năm,….Tuy nhiên chuỗi ký tự lại bị một hạn chế là mỗi
ký tự được biểu diễn bằng nhiều bit, nếu một bit bị lỗi thì sẽ làm sai cả chuỗi
ký tự và chỉ cần một phép biến đổi đơn giản như phép biến đổi JPEG cũng có
thể làm cho thuỷ vân bị sai lệch rất nhiều.
Ví dụ thuỷ vân dòng chữ “IBM” vào bức ảnh Hình 1.6.1: Ảnh chủ

Hình 1.6.2: Text thuỷ
vân (watermark)
Hình 1.6: Thuỷ vân dòng Text vào ảnh chủ
+ Để đảm bảo tính chất ẩn thì thủy vân phải được giấu ở những vị trí ít
có ý nghĩa tri giác nhất, ít bị chú ý nhất.
+ Để đảm bảo tính chất bền vững thì thuỷ vân phải chịu được những
phép xử lý ảnh phổ biến như dịch chuyển ảnh hay nén JPEG. Ví dụ, trong
phép nén JPEG sẽ loại bỏ ở ảnh những thông tin ít có tính tri giác nhất để làm
giảm kích thước của ảnh nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng ảnh. Khi đó
những dữ liệu thuỷ vân nằm trong vùng này sẽ bị mất đi hoặc bị biến đổi sai
lệch hoàn toàn. Với tính chất phức tạp của yêu cầu cho một hệ thuỷ vân,
chúng ta sẽ tìm hiểu những giải pháp kỹ thuật thuỷ vân đã được đưa ra của
các nhà khoa học trên thế giới.
1.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân:
Phương pháp thủy vân phải chống lại một số phép xử lý ảnh thông
thường (ví dụ như lỗi khi ảnh truyền đi, nén ảnh, ) và một số tấn công có chủ
đích nhằm xuyên tác, phá hoại bức ảnh. Trong thực tế thì thủy vân phải cân
đối giữa tính bền vững với các tính chất khác như lượng thông tin dấu, tính
ẩn…Dựa trên yêu cầu thực tế của ứng dụng, người ta sẽ lựa chọn phương
pháp thủy vân thích hợp nhất.
Từ những biến đổi có chủ đích hay không có chủ đích đã biết với hệ
thủy vân mà ta có thể phân biệt thành hai nhóm xuyên tạc sau: Một là các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
17
biến đổi xem như là nhiễu với dữ liệu, hai là làm mất tính đồng bộ để không
thể lấy tin ra được.
Một vài phép biến đổi thường gặp:
- Biến đổi tín hiệu: Làm sắc nét, thay đổi độ tương phản, màu,
- Nhiễu cộng, nhiễu nhân,….

(authentication and tamper detection)
Một tập thông tin sẽ được giấu trong sản phẩm, sau đó các thông tin
này sẽ được tách ra khỏi sản phẩm và so sánh với thông tin ban đầu. Nếu
thông tin ban đầu và thông tin thu được sau khi tách trùng với nhau thì chứng
tỏ sản phẩm không bị xuyên tạc, thay đổi. Nếu thông tin ban đầu và thông tin
thu được sau khi tách có sự khác biệt thì chứng tỏ sản phẩm đó đã bị thay đổi,
xuyên tạc. Trong trường hợp này các thuỷ vân thường có dạng ẩn để trách sự
tò mò, phát hiện của đối phương, nếu có bị lộ thì khó làm giả hay xuyên tạc
thông tin. Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí
xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi của sản phẩm gốc là do
xuyên tạc nội dung hay đó chỉ là do nén mất dữ liệu, hay mất dữ liệu do lỗi
trên đường truyền.
Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và
thuỷ vân không cần bền vững.
Lăn tay hoặc dán nhãn (fingerprinting or labeling).
Thuỷ vân trong những ứng dụng này được sử dụng để nhận diện người
gửi hay nhận một thông tin nào đó. Ví dụ như các vân khác nhau sẽ được
nhúng vào các bản copy khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho
nhiều người. Với những ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn cao
cho các thuỷ vân, tránh bị xoá hoặc thay đổi trong quá trình phân phối.
Kiểm soát sao chép (copy control)
Các thuỷ vân trong các trường hợp này được sử dụng để kiểm soát sao
chép không hợp lệ đối với các sản phẩm kỹ thuật số. Các thiết bị phát hiện