BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
HÀ THỊ LAN HƯƠNG BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT
THỦY VÂN DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI RỜI RẠC LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH
HÀ NỘI, 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
Vĩnh Phúc, ngày 12 tháng 12 năm 2014
Học viên Hà Thị Lan Hương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn
khoa học của PGS. TS Bùi Thế Hồng.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên Hà Thị Lan Hương MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1. Lý do chọn đề tài 1

2. Mục đích nghiên cứu 1

3. Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.5. Những tấn công trên hệ thủy vân 14

1.6. Các ứng dụng của hệ thủy vân 15

1.7. Những khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật thủy vân 17

1.7.1. Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh 17

1.7.2. Hướng tiếp cận sử dụng các phương pháp khảo sát gián tiếp 18

CHƯƠNG 2
.
KỸ THUẬT THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ

DỰA VÀO CÁC
PHÉP BIẾN ĐỔI RỜI RẠC 20

2.1. Một số kỹ thuật bổ trợ cho các kỹ thuật thủy vân số trên ảnh tĩnh 20
2.1.1. Các phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần số 20

2.1.2. Kỹ thuật sinh chuỗi giả ngẫu nhiên 24

2.1.3. Các kỹ thuật trải phổ trong truyền thông 25

2.1.4. Các thuật toán kiểm định thủy vân 26

2.2. Các thuật toán thủy vân ảnh số dựa vào các phép biến đổi rời rạc 27

3.2.3. So sánh kết quả thử nghiệm kỹ thuật thủy vân sử dụng một phép biến đổi 53

3.3. Kết quả thử nghiệm kỹ thuật thủy vân sử dụng phép kết hợp nhiều phép biến đổi
rời rạc 54

3.4. Đánh giá kết quả thử nghiệm 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DCT
Discrete Cosin Transform

DWT
Discrete Wavelet Transform

DFT
Discrete Fourier Transform

GIF
Graphics Interchanger Format
IMG
Image

Ảnh Lena đã được nhúng thuỷ vân là logo ở hình bên
phải
8
Hình1.4
Ảnh màu sau khi nhúng tin rất khó phát hiện sự thay
đổi
9
Hình 1.5
Ảnh đen trắng sau khi nhúng cùng một lượng thông tin
như ảnh màu, cho chất lượng ảnh kém hơn (xuất hiện
nhiều chấm đen lạ)
9
Hình 2.1
Ảnh gốc và năng lượng phân bố của ảnh qua phép biến
đổi DCT
23
Hình 2.2 Phân chia 3 miền tần số ảnh của phép biến đổi DCT 24
Hình 2.3 Ảnh thuỷ vân trong kỹ thuật thuỷ vân DWT 32
Hình 2.4 Ảnh chủ trong kỹ thuật thuỷ vân DWT 32
Hình 2.5 Ảnh sau khi thuỷ vân bằng kỹ thuật thuỷ vân DWT 35
Hình 2.6 Nhúng 1 thủy vân hình vòng trong miền DFT 38
Hình 3.1 Kết quả sử dụng phép biến đổi DWT để thủy vân 48
Hình 3.2 Kết quả sử dụng phép biến đổi DCT để thủy vân 53
Hình 3.3
Kết quả sử dụng phép biến đổi DWT kết hợp DCT để
thủy vân
59

1



3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu một số kỹ thuật thuỷ vân bảo vệ bản quyền cho các bức
ảnh số.
- Nghiên cứu và thử nghiệm các kỹ thuật thuỷ vân ảnh số dựa vào một
số phép biến đổi rời rạc.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật thuỷ vân ảnh số dựa vào các phép biến
đổi rời rạc qua đó phát triển và cải tiến các kỹ thuật thủy vân dựa vào phép
biến đổi rời rạc.
- Các công cụ lập trình và phần mềm dùng để cài đặt các lược đồ
nhúng và giải thuỷ vân trên ảnh số.
5. Những đóng góp mới của đề tài
- Phát hiện những yêu cầu và thách thức trong thực tế đối với vấn đề kỹ
thuật thuỷ vân ảnh số.
- 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.
- Cài đặt chương trình thử nghiệm thuỷ vân ảnh số dựa vào các phép
biến đổi rời rạc.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan, đánh giá các kỹ thuật thuỷ vân ảnh.
- Tìm hiểu và phát hiện các vấn đề trong thực tế, từ đó đưa ra so sánh,
đánh giá và các giải pháp khắc phục.
- Cài đặt thử nghiệm dựa trên những cải tiến được đưa ra. 3

7. Bố cục của luận văn

chứng thực quyền sở hữu của họ đối với dữ liệu trên.
1.2. Tổng quan về kỹ thuật giấu tin
Steganography có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp và được sử dụng tới ngày
nay, nó có nghĩa là “tài liệu được phủ” (covered writing). Các câu chuyện kể
về kỹ thuật giấu thông tin đã có từ rất lâu. Những tài liệu tìm thấy ghi chép về
kỹ thuật giấu thông tin sớm nhất thuộc về sử gia Hy Lạp Herodotus (khoảng
năm 440 trước Công nguyên). Khi bạo chúa Hy Lạp Histiaeus bị vua Darius

5

bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên, ông ta đã cố gửi thông
báo bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus. Histiaeus đã cạo trọc
đầu của một nô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của người nô lệ
đó. Khi tóc của người nô lệ mọc đủ dài, anh ta được gửi tới Miletus.
Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào
đó vào một đối tượng dữ liệu số khác. Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích
đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin ở cả hai khía cạnh. Một là bảo mật cho
dữ liệu được đem giấu, hai là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu
tin. Điều này dẫn đến hai khuynh hướng chủ yếu của giấu tin:
 Khuynh hướng thứ nhất là giấu tin mật (steganography). Khuynh
hướng này tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu được
nhiều và quan trọng là người khác khó phát hiện dược một đối tượng có bị
giấu tin bên trong hay không.
 Khuynh hướng thứ hai là thủy vân số (watermarking). Khuynh hướng
thủy vân số đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền quyền sở
hữu hay phát hiện sự xuyên tạc thông tin.
Watermarking (thuỷ vân, thuỷ ấn) là kỹ thuật nhúng một biểu tượng
vào trong ảnh môi trường để xác định quyền sở hữu ảnh môi trường, chống sự
giả mạo và xuyên tạc thông tin.
Trong kỹ thuật giấu tin mật, thông tin cần giấu được gọi là thông điệp

nào trên dữ liệu chứa. Các kỹ thuật thuỷ vân có tính chất này được sử dụng
trong các ứng dụng nhận thực thông tin (authentication) và phát hiện xuyên
tạc thông tin (tamper detection). Ví dụ như để bảo vệ chống xuyên tạc một
ảnh nào đó ta nhúng một thuỷ vân vào trong ảnh và sau đó phân phối, quảng
bá ảnh đó. Khi cần kiểm tra lại ảnh ta sử dụng hệ thống đọc thủy vân. Nếu
không đọc được thuỷ vân hoặc thuỷ vân đã bị sai lệch nhiều so với thuỷ vân
ban đầu đã nhúng vào ảnh thì có nghĩa là có thể ảnh đó đã bị thay đổi. Cái khó
Robust
Copyright 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

7

ở đây là ta phải phân biệt giữa sai lệch thuỷ vân do xuyên tạc và sai lệch do
lỗi đường truyền.
Ngược lại, với kỹ thuật thuỷ vân dễ vỡ là kỹ thuật thuỷ vân bền vững
(robust). Thủy vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng những mẩu tin
đòi hỏi độ bền vững cao của thông tin được giấu trước các biến đổi thông
thường trên dữ liệu chứa. Các kỹ thuật thuỷ vân bền vững thường được ứng

định thủy vân ảnh được chính xác ta cần tìm hiểu kỹ hơn về các vấn đề liên
quan đến ảnh. Trong phần này, trình bày một số vấn đề cơ bản của ảnh.
1.3.1. Ảnh
Là một tập hợp hữu hạn các điểm ảnh kề nhau. Ảnh thường được biểu
diễn bằng một ma trận hai chiều, mỗi phần tử của ma trận tương ứng với một
điểm ảnh.
Ảnh nhị phân (đen trắng): là ảnh có giá trị mức xám của các điểm
ảnh được biểu diễn bằng 1 bit (giá trị 0 hoặc 1).
Ảnh xám: giá trị mức xám của các điểm ảnh được biểu diễn bằng 8 bit
(giá trị từ 0 đến 255).
Ảnh màu: thông thường, ảnh màu được tạo nên từ 3 ảnh xám đối với
màu nền đỏ (RED), xanh lá cây (GREEN), xanh lam (BLUE). Tất cả các màu
trong tự nhiêu đều có thể được tổng hợp từ 3 thành phần màu trên theo các tỷ
lệ khác nhau. Sự khác nhau giữa giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh
màu được thể hiện qua bảng sau:

9

Ảnh đen trắng Ảnh màu hoặc ảnh xám
Thông tin nhúng ít hơn so với ảnh
màu có cùng kích cỡ.
Thông tin nhúng nhiều hơn.
Khả năng bị phát hiện trong ảnh có
nhúng thông tin cao hơn ảnh màu.
Khả năng bị phát hiện thấp.
Độ an toàn thông tin thấp do dễ bị
phát hiện có thông tin chứa bên trong.

Độ an toàn cao.
Các thuật toán thường phức tạp và

nén và giải nén được thực hiện trên từng dòng ảnh. Thực tế, phương pháp giải
nén PCX kém hiệu quả hơn so với kiểu IMG.
Định dạng ảnh PCX thường được dùng để lưu trữ ảnh vì thao tác đơn
giản, cho phép nén và giải nén nhanh. Tuy nhiên vì cấu trúc của nó cố định,
nên trong một số trường hợp nó làm tăng kích thước lưu trữ.
* Định dạng ảnh: GIF (Graphics Interchanger Format)
Định dạng ảnh GIF do hãng Computer Incorporated (Mỹ) đề xuất lần
đầu tiên vào năm 1990. Với định dạng GIF, khi số màu trong ảnh càng tăng,
thì ưu thế của định dạng GIF càng nổi trội. Những ưu thế này có được là do
GIF tiếp cận các thuật toán LZW (Lampel Ziv Welch) (dựa vào sự lặp lại của
một nhóm điểm, người ta xây dựng từ điển lưu các chuỗi ký tự có tần suất lặp
lại cao và thay thế bằng từ mã tương ứng mỗi khi gặp lại chúng). Dạng ảnh
GIF cho chất lượng cao, độ phân giải đồ họa tốt, cho phép hiển thị trên hầu
hết các phần cứng đồ họa.

11

* Định dạng ảnh: BMP (Bitmap)
Ảnh BMP (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. Tên file mở
rộng mặc định của một file ảnh Bitmap là BMP, nét vẽ được thể hiện là các
điểm ảnh. Qui ước màu đen, trắng tương ứng với các giá trị 0, 1. Ảnh BMP
được sử dụng trên Microsoft Windows và các ứng dụng chạy trên Windows
từ version 3.0 trở lên. BMP thuộc loại ảnh mảnh.
Có rất nhiều định dạng ảnh thuộc kiểu bitmap như BMP, PCX, TIFF,
GIF, JPEG, TGA, PNG, PCD…Mỗi file ảnh BMP gồm bốn phần:
Bitmap Header (14 bytes): giúp nhận dạng tập tin bitmap.
Bitmap Information (40 bytes): chứa một số thông tin chi tiết giúp hiển thị
ảnh.

chất lượng là thấp nhất (nhưng kích thước file là nhỏ nhất), và 100% thì chất
lượng cao nhất (nhưng kích thước file là lớn nhất). 0% chất lượng JPEG sẽ
nhìn rất mờ khi so sánh với ảnh gốc. Còn 100% chất lượng JPEG thường
không phân biệt được so với ảnh gốc.
1.4. Những yêu cầu cơ bản của hệ thủy vân trên ảnh số
1.4.1. Yêu cầu chung
Hệ thuỷ vân số trên ảnh số 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 là ảnh hai chiều 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 thể cần ảnh gốc. 13

1.4.2. Yêu cầu riêng
Kỹ thuật thuỷ vân số còn có một số đặc trưng phân biệt với kỹ thuật
giấu tin mật như sau:
* Thông tin trong ảnh có thể bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào trên
ảnh?
Tính chất này có trong kỹ thuật giấu tin mật nhưng đối với kỹ thuật
thuỷ vân thì tính chất này chỉ có trong loại thuỷ vân “dễ vỡ”. Còn đối với loại
thuỷ vân “bền vững” thì lại yêu cầu thông tin trong ảnh chống lại được những
phép biến đổi thông thường trên ảnh.
* Thuỷ vân ẩn hay thuỷ vân hiện?
Đối với giấu tin mật thì yêu cầu thông điệp đem giấu phải ẩn bên trong
ảnh sao cho mắt thường không nhìn thấy được, còn thuỷ vân số thì lại có hai
loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện. Thuỷ vân ẩn thì mắt thường không nhìn

ở chỗ:
+ 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, ta sẽ
tìm hiểu những giải pháp kỹ thuật thuỷ vân đã được đưa ra của các nhà khoa
học trên thế giới.
1.5. Những tấn công trên hệ thủy 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

15

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
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,….
- Lọc tuyến tính.
- Nén mất thông tin.
- Biến đổi affine cục bộ hoặc toàn cục.

thì khó làm giả hay xuyên tạc thông tin.
* Lấy dấu vân tay hay 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
thuỷ vân (ở đây sử dụng phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không
cần thông tin gốc) được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi, tuỳ thuộc vào
việc có thuỷ vân hay không để điều khiển (cho phép/cấm) truy cập.Ví dụ như
hệ thống quản lý sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại
này yêu cầu thuỷ vân phải được bảo đảm an toàn.

17

* Điều khiển thiết bị (Device control)
Các thiết bị phát hiện thuỷ vân (ở đây sử dụng phương pháp phát hiện
thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc) được gắn sẵn vào trong các hệ
thống đọc ghi, tùy thuộc vào việc có thủy vân hay không để điều khiển (cho
phép/cấm) truy cập. Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD đã được ứng
dụng ở Nhật. Nhà sản xuất sẽ trang bị cho các phương tiện dùng để nhân bản
(như CD writer…) khả năng phát hiện xem digital media có chứa thủy vân
hay không, nếu có thì sẽ từ chối không nhân bản.
* Theo dõi quá trình sử dụng (Tracking)
Thủy vân số có thể được dùng để theo dõi quá trình sử dụng của các
digital media. Mỗi bản sao của sản phẩm được chứa bằng một thủy vân duy nhất
dùng để xác định user là ai. Nếu có sự nhân bản bất hợp pháp, ta có thể truy ra