Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
TRẦN THỊ SON THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI
COSINE RỜI RẠC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
TRẦN THỊ SON

THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐẶI
COSINE RỜI RẠC
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. BÙI THẾ HỒNG

điều gì sai trái, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2010.
Học viên
Trần Thị Son Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn nghiên cứu “Thuỷ
vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc” tác giả nhận được sự
hướng dẫn quý báu của các thầy cô, anh chị, các bạn và các em. Với lòng kính
trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến sự hỗ trợ
giúp đỡ của nhiều người:
Trước hết tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy kính mến
PGS.TS Bùi Thế Hồng, người đã tận tình giúp đỡ tác giả về đề tài về kiến
thức và tinh thần cho tác giả trong suốt quá trình hoàn thành tốt luận văn.
Xin cảm ơn các Thầy trong hội đồng bảo vệ đề cương đã cho tôi những
quý báo để hoàn chỉnh luận văn này.
Thành công của tác giả phải kể đến sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn
lớp CHK7 trường Đại học Thái Nguyên, các bạn đã giúp tác giả thu thập tài
liệu, ủng hệ về tinh thần và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành tốt
luận văn của mình. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các bạn.
Xin cảm bố mẹ, người chồng yêu quý đã luôn bên cạnh động viên và
giúp đỡ tôi học tập làm việc hoàn thành luận văn.

1.1.2. Ảnh bitmap (BMP) 5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv 1.1.3. Ảnh JPEG (Joint Photographic Expert Group) 6
1.2. Giấu tin trong ảnh 7
1.2.1. Khái niệm giấu tin 7
1.2.2. Mục đích của việc giấu tin 7
1.3. Giới thiệu về thuỷ vân 7
1.3.1. Thuỷ vân là gì? 7
1.3.2. Phân loại thuỷ vân 8
1.3.3. Mục đích của việc “Thuỷ vân” 10
1.3.4. Truyền thông tin mật (Steganography) 13
1.4. Thuỷ vân ảnh số 14
1.4.1. Thông tin trong ảnh có bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào
trên ảnh 15
1.4.2. Thuỷ vẩn ẩn hay thuỷ vân hiện 15
1.4.3. Tính chất bền vững 15
1.4.4. Thuỷ vân cái gì 15
1.5. Thuỷ vân trên đa phương tiện (video, audio,…) 18
1.6. Những tấn công trên hệ thuỷ vân 19
1.7. Những khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật thuỷ vân 19
1.7.1. Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh 19
1.7.2. Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh 21
1.8. Một số kỹ thuật bổ trợ cho các kỹ thuật thuỷ vân số trên ảnh 22
CHƢƠNG II: THUỶ VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI COSINE


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1: Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân 8
Hình 1.2: Ví dụ về thuỷ vân hiện (Trên trang Web thƣ viện số của Liên Bang
Mỹ) 9
Hình 1.3: Ảnh Lena đã nhúng thuỷ vân là logo ở hình bên phải 10
Hình 1.4: Hai ảnh trƣớc và sau khi giấu tin giống hệt nhau 11
Hình 1.5: Thực chất bên trong ảnh có chứa thông tin ngƣời chủ sở hữu 12
Hình 1.6: Sơ đồ nhúng thuỷ vân và tìm lại thuỷ vân 13
Hình 1.7: Thuỷ vân dòng Text vào ảnh chủ 16
Hình 1.8: Kết quả thu đƣợc khi thực hiện thuỷ vân 16
Hình 1.9: Kết quả thu đƣợc khi thuỷ vân bức ảnh nhỏ vào ảnh chủ 17
Hình 2.1: Ảnh Lena.bmp 26
Hình 2.2: Năng lƣợng phân bố của ảnh qua phép biến đổi DCT 26
Hình 2.3: Phân chia 3 miền tần số ảnh của phép biến đổi DCT 27
Hình 2.4: Quá trình nhúng thuỷ vân 30
Hình 2.5: Ảnh chủ trong kỹ thuật DCT 34
Hình 2.6: Ảnh thuỷ vân trong kỹ thuật DCT 34
Hình 2.7: Ảnh thu đƣợc sau khi thuỷ vân trong kỹ thuật DCT 34
Hình 2.8: Quá trình giải mã 35
Hình 2.9: Ảnh thu đƣợc sau khi tách thuỷ vân 37
Hình 2.10. Ảnh Lena.BMP 512 × 512 a = 10 38

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

1. Giới thiệu tổng quan về đề tài.
Trong kỷ nguyên số, thông tin số được sử dụng rộng rãi trong một môi
trường mở, tài nguyên được phân phối cho nhiều người sử dụng, nhu cầu
được bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ các sản phẩm số đã trở thành một vấn
đề quan trọng và được nhiều cơ sở nghiên cứu quan tâm.
Thuỷ vân ảnh được đánh giá mang lại nhiều hứa hẹn trong ứng dụng
bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc. Việc thuỷ vân có thể thực hiện trực
tiếp trên miền không gian ảnh hoặc trên miền biến đổi ảnh. Hiện tại, người ta
đã sử dụng các phép biến đổi rời rạc như phép biến đổi Fourier (DFT), phép
biến đổi Cosine (DCT) và phép biến đổi sóng nhỏ (DWT).
Phép biến đổi cosine rời rạc viết tắt là DCT (Discrete Cosine
Transform) được sử dụng rất phổ biến trong kỹ thuật xử lí ảnh số nói riêng và
xử lí tín hiệu số nói chung. Trong các kỹ thuật thuỷ vân ảnh dựa trên phép
biến đổi dữ liệu ảnh sang miền tần số thì phép biến đổi DCT được sử dụng
nhiều nhất. Lý do ở đây là phép biến đổi DCT đã được dùng trong dạng chuẩn
ảnh JPEG. Nếu áp dụng DCT thì cũng theo chuẩn của JPEG và do đó sẽ tránh
được mất thuỷ vân do phép nén JPEG.
2. Lý do chọn đề tài
- Đề tài mang tính ứng dụng và thực tiễn
- Đáp ứng yêu cầu bảo vệ bản quyền các sản phẩm đa phương tiện
trong môi trường phân phối lưu thông Internet.
- Phù hợp với chuyên ngành của học viên
3. Mục tiêu nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài

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

4. Thuỷ vân ảnh số

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 5. Thuỷ vân trên đa phương tiện(video, audio)
6. Những tấn công trên hệ thuỷ vân
7. Những khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật thuỷ vân
Chƣơng 2: Thuỷ vân ảnh số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc(DCT)
1. Phép biến đổi Cosine rời rạc
2. Các thuật toán thuỷ vân ảnh dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc
3. Một số cải tiến, mở rộng đối với các thuật toán thuỷ vân dựa vào
phép biến đổi cosine rời rạc
Chƣơng 3: Thiết kế và phát triển chƣơng trình thử nghiệm
1. Cài đặt một số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi Cosine rời
rạc
2. Cài đặt một số cải tiến đối với thuật toán thủy vân dựa vào phép biến
đổi Cosine rời rạc
3. Đánh giá so sánh các kết quả đạt được

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

(pixel hay pel), mỗi điểm ảnh được xác định bởi toạ độ và màu. Như vậy, một
ảnh số là tập hợp nhiều điểm ảnh, ta nói ảnh gồm M x N điểm
1.1.2. Ảnh bitmap (BMP)
Ảnh bitmap (hay Windows bitmap) được phát triển bởi microsoft
Corporation, được lưu trữ dưới dạng độc lập thiết bị cho phép Windows hiển
thị dữ liệu không phụ thuộc vào khung chỉ định màu trên bất kỳ phần cứng
nào. Các ảnh bitmap thường được lưu trữ với phần mở rộng phổ biến .bmp
(hoặc dạng ít hơn gặp hơn là .dib – device independent bitmap).
Cấu trúc một ảnh bitmap gồm bốn phần
- Bitmap Header (14byte) lưu các thông tin: Kiểu tệp, kích thước tệp,
địa chỉ offset của vùng dữ liệu
- Bitmap Information (40 byte): Lưu một số thông tin chi tiết giúp hiển
thị ảnh như kích thước ảnh (chiều rộng, chiều cao), số mặt phẳng màu
(thường cố định là 1), số bit trên một điểm ảnh (quyết định chất lượng ảnh),
độ phân giải ảnh, số màu sử dụng
- Bảng Palette màu: Định nghĩa các màu sẽ được sử dụng trong ảnh
- Bitmap data: Nằm ngay sau phần palette màu, chứa giá trị màu của
các điểm ảnh. Các điểm ảnh được lưu theo các dòng từ trái sang phải, các
dòng ảnh được lưu từ dưới lên trên. Giá trị mỗi điểm ảnh là một chỉ số trỏ tới
phần tử màu tương ứng của bảng màu
Người ta ký hiệu số bit trên một điểm ảnh (bit per pixel) là n. Một ảnh
bitmap n – bit có 2
n
màu, giá trị n càng lớn thì ảnh càng có nhiều màu và càng
rõ nét. Các giá trị thường gặp của n là 1 (ảnh đen trắng), 4 (ảnh 16 màu), 8
(ảnh 256 màu), 16 (ảnh high color – 65536 màu) và 24 (ảnh true color – 16
triệu màu). Ảnh 24 bit cho chất lượng ảnh trung thực nhất.

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


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Sắp xếp theo hình zig-zag: Các hệ số DCT sau khi được lượng tử hoá
phần lớn đều mang giá trị 0, ta sắp xếp theo hình zig – zag, sẽ được các hệ số
DCT khác 0 nằm phía trên bên trái của ma trận lượng tử.
- Nén không mất dữ liệu: Thuật toán Huffman thường được sủ dụng để
nén, tạo ảnh JPEG.
Với các ưu điểm có được, ảnh JPEG được công nhận là chuẩn để lưu
trữ ảnh màu thực tế (theo chuẩn ISO 10918 - 1).
1.2. Giấu tin trong ảnh
1.2.1. Khái niệm giấu tin
Giấu tin là kỹ thuật nhúng 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.
1.2.2. Mục đích của việc giấu 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 chính đối tượng được dùng để giấu tin (hot data), như ứng dụng
bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin (watermarking),…
1.3. Giới thiệu về thuỷ vân
1.3.1. Thuỷ vân là gì?
“Thuỷ vân” có xuất xứ từ thời xưa. Đây là kỹ thuật đánh dấu chìm một
hình ảnh, một lôgô, hay một dữ liệu nào đó trên giấy nhằm mục đích trang trí

marking
Thuỷ vân bền vững
Imperceptible
Watermarking
Thuỷ vân ẩn
Watermarking
Thuỷ vân số
Fragile Watermarking
Thuỷ vân dễ vỡ
Visible
Watermarking
Thuỷ vân hiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Thuỷ vân bền vững (Robust Copyright Marking) là thuỷ vân tồn tại bền
vững cùng với dữ liệu, không dễ dàng bị phá huỷ trước những biến đổi, tấn
công lên dữ liệu. Các kỹ thuật này thường được dùng trong các ứng dụng bảo
vệ bản quyền, chứng minh quyền sở hữu. Trong những ứng dụng đó, thuỷ vân
đóng vai trò là thông tin sở hữu của người chủ hợp pháp. Thuỷ vân được
nhúng trong sản phẩm như một hình thức dán tem bản quyền. Trong trường
hợp như thế, thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm chống việc tẩy
xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân. Một yêu cầu lí tưởng là nếu muốn
loại bỏ thuỷ vân chỉ còn cách phá huỷ sản phẩm.
Thuỷ vân bền vững lại được chia làm hai loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ
vân hiện. Thuỷ vân hiện là loại thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và

Thuỷ vân dễ vỡ (Fragile Watermarking) là thuỷ vân dễ bị biến đổi
trước những tấn công lên dữ liệu. Các kỹ thuật này thường được dùng trong
các ứng dụng nhận thực thông tin, đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu
1.3.3. Mục đích của việc “Thuỷ vân”
Tính năng an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu tin được thể
hiện ở các khía cạnh sau:
Thứ nhất là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu (embedded), thông tin mật
được giấu trong đối tượng khác sao cho người khác không phát hiện được.
Thứ hai là bảo vệ cho chính đối tượng được dùng để giấu tin (host
data), như ứng dụng của bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin,…

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 Tưng ứng với hai khía cạnh đó chúng ta có hai khuynh hướng kỹ thuật
rõ ràng đó là giấu tin mật (Steganography) và thuỷ vân số (Watermarking).
Trong kỹ thuật giấu tin mật, thông tin cần giấu gọi là thông điệp (thuỷ
vân), trong kỹ thuật thuỷ vân số thì gọi là thủy vân (Watermark). Thuỷ vân có
thể là một chuỗi các ký tự hay một hình ảnh logo nào đó.
1.3.3.1. Bảo vệ bản quyền tác giả (copyright protection)
Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số, một dạng của
phương pháp giấu tin. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác
giả sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm kỹ thuật số trước khi đưa vào lưu
thông, phân phối. Thuỷ vân này chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp các
sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả
sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phương tiện như ảnh, âm thanh, video
và cần được lưu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành

gửi hay người nhận của 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 loại này thì yêu cầu cơ bản chính là
đảm bảo độ an toàn cao cho các thuỷ vân không bị xoá hoặc thay đổi trong
quá trình phân phối.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 1.3.3.4. Kiểm soát sao chép (copy control)
Các thuỷ vân trong những 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
ra thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc/ghi. Ví dụ như
hệ thống quản lí sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại
này cũng yêu cầu thuỷ vân phải được bảo đảm an toàn và cũng sử dụng
phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc.
1.3.4. Truyền thông tin mật (Steganography)
Các thông tin được giấu trong các trường hơp này càng nhiều càng tốt.
Việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện chứa thông
tin gốc
Một mẫu cơ bản về quy trình thủy vân và tìm lại thuỷ vân:


1.3.4.1. 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
vân có thể bị những tấn công bên ngoài có chủ đích hoặc không có chủ đích
như nén ảnh, xuyên tạc ảnh,……
1.3.4.2. Quy trình tìm lại thủy vân
Dữ liệu vào là ảnh đã được thuỷ vân, khoá và dữ liệu gốc (có thể có
hoặc không tuỳ thuộc vào phương pháp tìm thuỷ vân). Dữ liệu ra là
watermark khôi phục được hoặc đại lượng nào đó chỉ ra mối tương quan giữa
watermark thu đựơc và watermark cho trước ở dữ liệu vào. Ta so sánh giữa
watermark trước khi nhúng và watermark khôi phục để chứng thực bản quyền
của sản phẩm.
1.4. Thuỷ vân ảnh số
Hệ thuỷ vân số trên ảnh cũng là một hệ giấu tin nên cũng có một số đặc
điểm và tính chất giống như giấu tin trong ảnh như:
Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh.
Thuỷ vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm thay đổi
kích thước ảnh
Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào tính chất của hệ thống thị giác con người.
Khi giải tin có cần phương tiện chứa gốc (ảnh gốc)

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