ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN XUÂN TÙNG Nghiên cứu thuật toán và ứng dụng phương pháp
nhúng thông tin vào ảnh số dựa trên ICA
(Independent Component Analysis)

Nghiên cứu thuật toán và ứng dụng phương pháp
nhúng thông tin vào ảnh số dựa trên ICA
(Independent Component Analysis) Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số: 48 60 15
LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI THẾ DUY


2.3.2.1. Hiệu ứng nhúng 34
3

2.3.2.2. Độ chính xác 35
2.3.2.3. Lượng dữ liệu 36
2.3.2.4. Bộ tách sóng mù hay bộ tách sóng thông báo 37
2.3.2.5. Tỉ lệ ảnh thực lỗi 38
2.3.2.6. Sự làm mạnh 39
2.3.2.7. Bảo mật 40
Chương 3. Thủy vân ảnh đối với giám sát giao dịch trong truyền thông đa phương
tiện 42
3.1. Lược đồ đính kèm thủy vân chỉ định 42
3.2. Cơ chế phân tách thủy vân đề xuất sử dụng phương pháp ICA 48
3.2.1. Phân tích các thành phần độc lập 48
3.2.2. Cơ chế phân tách thủy vân bị làm mù 50
3.3. Đánh giá về việc thực hiện 53
3.3.1. Các dữ liệu thực hiện 53
3.3.2. Sự tăng cường giữa phương pháp nén và phương pháp lượng tử hóa . 53
3.3.3. Sự tăng cường giữa phương pháp cắt chỉnh và làm biến dạng hình học
56
Chương 4. Một vài thử nghiệm 60
4.1. Thử nghiệm quá trình nhúng thông tin vào ảnh số dựa trên ICA 60
4.2. So sánh kết quả phương pháp thủy vân dựa trên ICA và và phương pháp thủy
vân dựa trên miền sóng lược đồ 62
Chương 5. Tổng kết và đề xuất xu hướng phát triển trong tương lai của cơ chế thủy
vân 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76
PHỤ LỤC 78
4


vân riêng biệt của người sử dụng nhằm xác định người dùng hợp
pháp
Hình 2.1
Hình ảnh Lena được thường xuyên sử dụng trong các nghiên cứu
về xử lý hình ảnh
Hình 2.2
Ví dụ về bộ mã xác định riêng biệt được in chìm làm nền văn bản
ký tự.
Hình 2.3
Ví dụ về thay đổi hình ảnh
Hình 2.4
Mối quan hệ giữa mã hóa và thủy vân dựa trên điều khiển sao chép
Hình 3.1
Hệ thống vân sóng hai lớp trong hình ảnh của Lena
Hình 3.2
Quá trình biến đổi trong hình ảnh Lena
Hình 3.3
Thuật toán thủy vân đính kèm bắt buộc (dành cho việc phân tách
sóng ngắn 2 lớp)
Hình 3.4
Bức ảnh sao chép của người sở hữu
Hình 3.5
Cơ chế phân tách thủy vân bị làm mờ (sử dụng hàm số 2 tầng phân
ly)
Hình 3.6
Kết quả phân tách từ hình ảnh thủy vân của người dùng
Hình 3.7
Kết quả so sánh về mặt số liệu thực hiện của việc nén JPEG
6


MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự ra đời và phát triển của mạng Internet mọi người đều có thể
tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng thông qua nhà cung cấp dịch vụ mạng.

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực đặc biệt
là trong lĩnh vực đa phương tiện (multimedia) làm cho việc sản xuất, quản lý và
phân phối các sản phẩm (hình ảnh, âm thanh, tài liệu điện tử…) trở nên rất dễ dàng.
Tuy nhiên, việc phân phối phổ biến các tài nguyên trên mạng hiện nay luôn gặp
phải vấn nạn sao chép và sử dụng bất hợp pháp như: xâm phạm bản quyền, truy cập
trái phép, xuyên tạc, giả mạo thông tin… Đi đôi với sự phát triển của công nghệ
máy tính, tình trạng sử dụng bất hợp pháp các sản phẩm số ngày càng tăng, do các
tệp tin số có thể sao chép dễ dàng giữa các máy tính. Do đó, tình trạng vi phạm bản
quyền đang xảy ra hàng ngày, hàng giờ trên khắp thế giới. Nhằm bảo vệ các sản
phẩm số không bị sử dụng trái phép, song song với việc kêu gọi ý thức tự giác thực
thi luật bản quyền, các công ty công nghệ lớn trên thế giới đã và đang thực hiện các
giải pháp kỹ thuật kiểm soát bản quyền số. Một trong những vấn đề được đặt ra là
làm sao bảo vệ quyền sở hữu đối với các sản phẩm đa phương tiện này.

Đứng trước tình hình đó, vấn đề về bảo mật thông tin hiện nay luôn nhận
được sự quan tâm đặc biệt trong nhiều lĩnh vực. Từ xa xưa đã có nhiều cách để bảo
mật thông tin, một trong những phương pháp dùng rất sớm để bảo vệ quyền sở hữu
đối với nội dung của các sản phẩm đa phương tiện là mã hoá. Tuy nhiên, phương
pháp mã hoá chỉ hiệu quả trong việc truyền thông tin nhưng không hiệu quả trong
việc bảo vệ quyền sở hữu. Ngày nay, phương pháp thủy vân trong các sản phẩm đa
phương tiện được dùng phổ biến vì ngoài vấn đề bảo mật còn bảo vệ bản quyền,
chống nhân bản bất hợp pháp, chống truy cập trái phép, chống xuyên tạc, chống giả
mạo thông tin…

Thủy vân là một lĩnh vực rộng lớn. Trong luận văn này, chúng tôi chỉ tập
trung giới thiệu về thủy vân ảnh và ứng dụng trong giám sát các trao đổi thông tin

Chương 4: Một vài thử nghiệm
Trong chương này, chúng tôi tiến hành một vài thử nghiệm đơn giản để đánh
giá phương pháp thủy vân ảnh dựa trên các thành phần độc lập so với phương pháp
thủy vân dựa trên miền sóng lược đồ. Qua đó cũng chỉ ra một vài ưu điểm, nhược
điểm mà phương pháp này mang lại.

10

Chương 5: Tổng kết, đề xuất hướng nghiên cứu
Đây là chương cuối cùng trong luận văn. Trong chương này chúng tôi đã
tổng kết đánh giá các kết quả nghiên cứu cũng như các kết quả thực nghiệm, qua đó
đưa ra các đề xuất nghiên cứu sâu hơn trong tương lai đối với kỹ thuật thủy vân ảnh
dựa trên phân tích từng cấu trúc độc lập (ICA) nói rêng và các kỹ thuật thủy vân
ảnh nói chung.


triển thông tin như vũ bão đã mang lại cho xã hội nói chung. Còn mặt không tốt là
việc phát triển này đồng thời cũng mang lại cho tất cả những người được hưởng lợi
từ nguồn thông tin kỹ thuật số khả năng sao chép, phân phối và sử dụng thông tin
một cách bất hợp pháp. Các trang Web là nguồn thông tin với kích cỡ và độ sâu đặc
12

biệt, đồng thời cũng là điều kiện thuận lợi để tái sản xuất và phổ biến thông tin phù
hợp với nhu cầu và năng lực. Vì vậy, cần thiết phải có các nghiên cứu kịp thời về
các biện pháp bảo vệ quyền sở hữu liên quan tới các nội dung thông tin được phân
phối qua mạng quốc tế.
Do đó, luận văn này giới thiệu về thủy vân ảnh và ứng dụng trong giám sát
các trao đổi thông tin đa phương tiện. Kỹ thuật thủy vân ảnh dựa trên phân tích
từng cấu trúc độc lập (Independent Component Analysis – ICA) là kỹ thuật được
lựa chọn để nghiên cứu sâu trong luận văn này. Kỹ thuật thủy vân ảnh dựa trên
phân tích từng cấu trúc độc lập được ứng dụng hiệu quả trong việc phân tích thủy
vân nhằm xác định các thành phần của cấu trúc và vì thế cho phép dò tìm các trao
đổi trái phép các sản phẩm đã được bảo vệ.
1.2. Lược đồ phân phối đa phương tiện thông qua thủy vân số
Tốc độ phát triển nhanh của các hệ thống đa phương tiện đã làm tăng nhu
cầu bảo vệ và thúc đẩy việc thực thi bảo vệ quyền tác giả đối với các sản phẩm
truyền thông số. Bảo vệ quyền tác giả đã trở nên ngày càng quan trọng. Các nhiệm
vụ để thực hiện việc bảo vệ quyền tác giả đối với việc phân phối sản phẩm đa
phương tiện qua Internet có thể phân thành các loại như sau:
 Xác định quyền sở hữu: chủ sở hữu của sản phẩm gốc có thể cung cấp
các bằng chứng đáng tin cậy để chứng mình mình có toàn quyền đối
với nội dung sản phẩm.
 Giám sát trao đổi: Người chủ có thể giám sát việc phân phối sản phẩm,
từ đó họ có thể tìm ra người chịu trách nhiệm đối với việc sao chép và
phân phối bất hợp pháp.
 Xác minh nội dung: Người chủ sở hữu có thể bảo vệ trước bất kì hành

trong suốt vào sản phẩm, thay vì một dạng dữ liệu cụ thể. Kỹ thuật thủy vân ảnh vì
thế cũng hiệu quả cho việc truy tìm các trao đổi bản sao bất hợp pháp cũng như tái
phân phối các thông tin đa phương tiện. Đối với một ứng dụng truy tìm trao đổi
điển hình, các thủy vân phát hiện ra các chi tiết hợp pháp đầu tiên của sản phẩm.
Nếu như sau đó sản phẩm được xác định là bị phân phối bất hợp pháp, thì thủy vân
có thể giúp xác định người có trách nhiệm với sản phẩm.
Hình dưới giới thiệu mô hình phân phối thông tin đa phương tiện cho phép
các quyền sở hữu thực hiện thông qua một kỹ thuật tạo đa thủy vân. Đa thủy vân
ám chỉ việc gắn các loại thủy vân khác nhau vào một nội dung đa phương tiện đơn
để đạt được các mục tiêu khác nhau. Chẳng hạn, một trong số các thủy vân có thể
xác định được quyền sở hữu, thủy vân thứ hai dùng để xác định người nhận và thủy
vân thứ ba dùng để xác nhận tính nguyên vẹn của nội dung.
Đối với ứng dụng phân phối qua mạng quốc tế, những người sử dụng đầu
tiên gửi một yêu cầu tới người cung cấp nội dụng bất cứ khi nào họ quan tâm tới
các nội dung đa phương tiện. Người chủ sở hữu sau đó có thể phân phối sản phẩm
bằng cách ký nhận một thủy vân tới người sử dụng đã đăng ký nhằm xác định tính
duy nhất của người nhận sản phẩm. Tất cả các dữ liệu gửi tới người sử dụng đã
đăng ký sẽ được gắn vào một thủy vân chỉ định cùng với thủy vân của người chủ sở
hữu, cùng lúc duy trì chất lượng hình ảnh ở mức tốt đối với nội dung đã được đánh
dấu.

15 Hình 1.2. Lược đồ phân phối đa phương tiện bằng cách thêm thủy vân của chủ sở
hữu nhằm xác định quyền sở hữu đối với sản phẩm và thủy vân riêng biệt của
người sử dụng nhằm xác định người dùng hợp pháp.
 Mọi sao chép của sản phẩm có chứa thủy vân của người chủ sở hữu để xác
định quyền sở hữu đầy đủ đối với sản phẩm.
 Người chủ hoặc người đại diện hợp pháp có thể xác định đơn nhất người

các truyền thông số được bảo vệ.
Các dấu hiệu mạnh (thủy vân mạnh) có thể xác định quyền sở hữu đối với
các dữ liệu số, trong khi các dấu hiệu xác nhận việc tạo lập được sử dụng để chứng
minh xem một đối tượng có thể được “chạm vào” hoặc chế tác. Thủy vân mạnh,
ngược lại với thủy vân xác nhận việc tạo lập, yêu cầu các thủy vân được đính kèm
phải được làm mạnh để chống lại các tấn công nhằm duy trì chất lượng hình ảnh
thủy vân.
Trên quan điểm sự hiệu hữu của một thủy vân cho sẵn tại giai đoạn phân
tách, có hai hệ thống thủy vân khác nhau được đề cập. Loại thứ nhất là gắn một
thủy vân xác định hoặc thông tin. Hầu hết kỹ thuật thủy vân dành cho việc bảo vệ
bản quyền liên quan tới hệ thống thủy vân này. Mục đích của cơ chế thủy vân này
là xác định sự hiện hữu của thủy vân đã biết trước đây có hoặc không có sự giúp đỡ
của thủy vân. Loại thứ hai liên quan tới các thông tin bất kỳ được đính kèm có ích
với việc dò tìm bản sao chép của người nhận duy nhất đối với thông tin được phân
phối. Trong hoàn cảnh đó, thủy vân được đính kèm vào một bản sao của hình ảnh
đã được biết trước đó, vì thế không thông tin nào trước đó liên quan tới thủy vân
17

được đính kèm có sẵn cho việc phân tách thủy vân. Điều này làm cho việc phân
tách trao đổi trở nên khó khăn hơn.
Các giả định cũng như các hạn chế đối với hầu hết các cơ chế thủy vân hiện
hữu có thể tạo ra những khó khăn và sự không hiệu quả khi ứng dụng vào các trao
đổi, giám sát liên quan tới đa phương tiện đã được tổng kết như sau:
(a) Trong một số hàm thủy vân, việc dò tìm và phân tách thủy vân đòi hỏi sự
hiện hữu của nội dung gốc. Điều này không cần thiết vì các dữ liệu nguồn
thường xuyên được bảo mật và không thể công bố rộng rãi, thậm chí dữ liệu
gốc không có sẵn. Vì thế các kỹ thuật thủy vân mờ được quan tâm và thu hút
sự chú ý.
(b) Hầu hết các cơ chế thủy vân hiện hữu được xây dựng trên một vài giả thuyết
về việc dò tìm và phân tách thủy vân, chẳng hạn như các kiến thức trước đó


19

Chương 2. Tổng quan về Thủy vân
2.1. Lịch sử của Thủy vân
Mặc dù cách làm giấy được phát minh ở Trung Quốc hàng ngàn năm trước,
nhưng thủy vân trên giấy chỉ xuất hiện vào khoảng năm 1282 tại Italia. Những nhãn
hàng hóa được làm bằng cách thêm một dây kim loại nhỏ vào đường gờ của tờ
giấy. Tờ giấy sẽ trở nên nhẹ, mảnh hơn ở nơi có dây kim loại tồn tại và do vậy rõ
ràng hơn.
Ý nghĩa của thủy vân vào thời điểm đó là không rõ ràng. Chúng có thể được
sử dụng với mục đích có ích như tạo ra những đường gờ trên những mảng của tờ
giấy đã được làm, hay xác định một nhà sản xuất giấy. Ở một khía cạnh khác,
chúng có thể miêu tả những dấu hiệu bí ẩn hoặc chỉ đơn giản được dùng để trang
trí.
Vào khoảng thế kỉ 18, thủy vân trên giấy ở Châu Âu và Mỹ đã trở nên rất
thiết thực. Chúng được sử dụng như thương hiệu của giấy để ghi lại thời gian tờ
giấy được sản xuất và cho biết kích thước của những khổ giấy. Đó cũng là lúc

để khách hàng có thể thu âm một bài hát hay một bộ phim là qua một băng từ. Khi
đó, những bản sao chép thường có chất lượng thấp hơn bản gốc, và chất lượng của
bản sao chép tiếp theo (sao chép lại của bản sao chép) sẽ rất tồi. Tuy nhiên, với
những thiết bị thu kỹ thuật số, những bài hát hay bộ phim có thể được thu lại với rất
ít, thậm chí không có sự giảm sút nào về chất lượng. Việc sử dụng những thiết bị
thu này và sử dụng Internet cho việc phân phối, người vi phạm quyền tác giả có thể
dễ dàng thu lại và phát tán những sản phẩm đã được bảo vệ bản quyền mà không
phải trả bất cứ khoản phí nào cho tác giả thực sự của nó. Do vậy, sở hữu nội dung
là những kỹ thuật được nghiên cứu và phát triển nhiều nhất, hứa hẹn sẽ bảo vệ
được những tác phẩm của họ.
Mã hóa là phương pháp đầu tiên và phổ biến nhất để bảo vệ nội dung số. Nội
dung được trải qua giai đoạn mã hóa để phát tán, và một khóa giải mã sẽ chỉ được
cung cấp cho những người mua bản sao nội dung đó. Những file mã hóa có thể rất
sẵn trên Internet, nhưng sẽ không thể sử dụng được nếu không có khóa chấp thuận.
Không may, việc mã hóa này không thể giúp người bán hàng giám sát làm cách
nào một khách hàng hợp pháp sẽ truyền tay những nội dung đó sau khi đã giải mã.
Một kẻ xâm phạm quyền tác giả có thể mua một sản phẩm, sử dụng khóa để giải
mã để xem nội dung, và phân tán những bản sao bất hợp pháp đó.Việc mã hóa có
21

thể bảo vệ nội dung đó trong suốt quá trình vận chuyển, tuy nhiên chỉ một lần bị
giải mã, nội dung này sẽ không được tiếp tục bảo vệ trong tương lai.
Do vậy, điều cần thiết nhất nhằm bổ sung việc mã hóa là: một kỹ thuật có thể
bảo vệ nội dung, thậm chí sau khi chúng được giải mã. Thủy vân có những khả
năng để giải quyết vấn đề này bởi nó thay thế thông tin bên trong nội dung và nó sẽ
không bao giờ bị tẩy xóa hay dời đi trong quá trình sử dụng thông thường. Việc
giải mã, mã hóa, nén, chuyển đổi từ kỹ thuật số sang anolog, và thay đổi định dạng
file thủy vân có thể được thiết kế để làm được tất cả các quá trình trên mà không
làm ảnh hưởng đến nội dung.
Thủy vân có thể được xem như là kỹ thuật nhằm ngăn ngừa việc sao chép

thuật khác. Sau đó, chúng ta sẽ mô tả một vài thuộc tính của thủy vân, thảo luận về
những vấn đề quan trọng có liên quan đến chúng và giải thích sự thay đổi do chúng
tạo nên đối với ứng dụng.
2.3.1. Các ứng dụng của thủy vân
Chúng ta sẽ khảo sát và nghiên cứu tám ứng dụng thực tế của thủy vân, bao
gồm: giám sát truyền thông; xác minh người sở hữu; bằng chứng về quyền sở hữu;
theo dõi giao dịch; xác thực nội dung; điều khiển sao chép; điều khiển thiết bị, và
sự gia tăng tài sản. Với mỗi ứng dụng, chúng ta sẽ cố gắng xác minh xem những
đặc điểm nào của thủy vân có thể ảnh hưởng, nhằm đưa ra một giải pháp phù hợp
cho thủy vân. Để làm được điều này, chúng ta phải xem xét hết sức cẩn thận yêu
cầu của ứng dụng và nghiên cứu những giới hạn của những giải pháp thay thế.
2.3.1.1. Giám sát truyền thông
Một phương pháp giám sát truyền thông thô sơ là luôn có người theo dõi trực
tiếp sau đó ghi lại những gì họ nghe và nhìn thấy. Phương pháp này rất tốn kém và
dễ xảy ra lỗi. Chính vì lẽ đó mà nó đã được thay thế bởi việc giám sát tự động. Kỹ
thuật này có thể được tách ra làm hai loại là hệ thống giám sát bị động và hệ thống
giám sát chủ động. Hệ thống giám sát bị động được sử dụng nhằm nhận ra ngay lập
tức nội dung đang được phát, hiệu quả của nó tương đương với việc con người
giám sát (có thể đáng tin hơn và giá thành thấp hơn). Hệ thống giám sát chủ động
dựa vào những thông tin đã được liên kết, những thông tin đã được phát đi với nội
dung có sẵn.
Hệ thống giám sát bị động bao gồm một máy tính giám sát quá trình truyền
thông và so sánh những tín hiệu nhận được với cơ sở dữ liệu sẵn có. Đây là phương
pháp trực tiếp và ít xâm phạm nhất của việc giám sát truyền thông tự động. Nó
không đòi hỏi sự giới thiệu của bất cứ thông tin liên quan nào trong truyền thông,
23

và vì thế không cần bất cứ sự thay đổi nào tới quy trình của người đăng quảng cáo.
Nói tóm lại, nó không yêu cầu bất cứ sự hợp tác nào với người đăng quảng cáo hay
phát thanh viên.

24

dễ hiểu để giải mã một cách chính xác, và vì thế không cần yêu cầu một cơ sở dữ
liệu nào để phiên dịch nghĩa của nó.
Một cách để thi hành hệ thống giám sát chủ động là đặt những thông tin xác
thực vào một vùng riêng biệt của vùng truyền tín hiệu. Ví dụ, việc truyền tín hiệu
anolog vô tuyến cho phép thông tin số được mã hóa thành những đường dọc xen kẽ
giữa những khoảng trắng (VBI) của tín hiệu video. Phần này sẽ được gửi tới giữa
các hình mà không có bất cứ hiệu ứng nào tác động lên trên hình.
Đối với các sản phẩm công nghệ số, có một vài kỹ thuật chủ động tương tự
nhau lưu trữ những mã được nhận dạng trên những header của file. Những kỹ thuật
này phải trải qua những vấn đề gần giống như phương pháp VBI, trong đó người
điều khiển trung gian và người phân phối cuối cùng phải đảm bảo việc phân phối
header không bị thay đổi. Một lần nữa, những dữ liệu không chắc chắn để tồn tại
với sự thay đổi định dạng mà không cần một hệ thống được sửa đổi.
Thủy vân rõ ràng là một phương pháp có thể sử dụng để thay cho việc mã
hóa những thông tin đã bị nhận dạng trong việc giám sát chủ động. Nó có những lợi
thế đối với sự tồn tại trong phạm vị nội dung của nó hơn là việc khai thác một phần
cụ thể của tín hiệu phát đi, và do vậy hoàn toàn tương thích với nền tảng thiết bị
truyền thông được lắp đặt bao gồm cả việc truyền tín hiệu số và analog. Bất lợi
chính của thủy vân là quá trình nhúng phức tạp hơn việc đặt dữ liệu vào VBI hay
vào header của file. Đây cũng là một rắc rối, nhất là trên phần nội dung được tạo
ra, thủy vân sẽ làm giảm đi chất lượng âm thanh và hình ảnh của sản phẩm.
2.3.1.2. Xác minh người sở hữu và bằng chứng về quyền sở hữu
Một ví dụ nổi tiếng là bức tranh Lena. Đây có lẽ là bức tranh được sử dụng
để kiểm chứng phổ biến nhất trong quá trình nghiên cứu hình ảnh và bức tranh này
xuất hiện trên vô số các bài báo và những cuộc hội thảo.

25