ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HÀ NGỌC HẢI

ỨNG DỤNG WATERMARKING
TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ
VÀ BẢO VỆ BẢN QUYỀN
DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI TRUYỀN HÌNH
VĨNH LONG

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN THANH BÌNH

Phản biện 1: TS. NINH KHÁNH DUY

Phản biện 2: PGS.TS. TRẦN CAO ĐỆ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Khoa học máy tính họp tại Trường Đại
học Trà Vinh vào ngày 16 tháng 09 năm 2017

trung vào nghiên cứu và xây dựng “Ứng dụng watermarking trong
xây dựng hệ thống quản lý và bảo vệ bản quyền dữ liệu video tại Đài
Truyền hình Vĩnh Long”
2. MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI


2
2.1. Mục đích
Luận văn sẽ đưa ra mô hình và chạy mô phỏng quá trình
nhúng thông tin bản quyền vào đoạn video được nén theo chuẩn
MPEG, cùng với công cụ quản lý tập trung tập tin video theo mô
hình clients – server. Áp dụng mô hình đó để ghi thông tin chủ sở
hữu, và quản lý người dùng, giúp bảo vệ bản quyền video của Đài
THVL.
2.2. Ý nghĩa
Luận văn giúp hiểu rõ hơn về chuẩn nén video MPEG, phép
biến đổi DWT, DCT cũng như phương thức sử dụng các hệ số DWT,
DCT vào kỹ thuật nhúng thông tin bản quyền vào video.
Kết quả mong muốn đạt được là một chương trình chạy theo
mô hình clients - server dùng để nhúng thông tin xác định bản quyền
vào đoạn video sử dụng biến đổi DWT, quản lý tập tin video, tìm
kiếm, trả về kết quả, ...
Bên cạnh đó, có một chương trình để trích xuất thông tin bản
quyền ra khỏi đoạn video và đối chiếu thông tin được nhúng ban đầu.
Đây là giải pháp hữu ích giúp bảo vệ bản quyền video của Đài PTTH
Vĩnh Long khi có cách tranh chấp bản quyền xảy ra.
3. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ
3.1. Mục tiêu
- Nghiên cứu phương pháp nhúng dữ liệu vào tập tin video
thông qua biến đổi DWT, DCT đồng thời trích xuất được dữ liệu đã

đánh giá.
Phần kết luận.


4
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. TỔNG QUAN VỀ TẬP TIN VIDEO
1.1.1. Cấu trúc tập tin video chuẩn mpeg
Định dạng mpeg bao gồm 6 lớp.
• Lớp khối (block).
• Lớp tổ hợp cấu trúc khối (macroblock).
• Lớp cắt lát dòng bít (slice).
• Lớp ảnh (picture). Trong nén MPEG người ta sử dụng 3 loại
ảnh sau:
o Ảnh I (Intra Pictures): Ảnh I được dùng một cách tuần hoàn
để tạo thành điểm tựa cho dòng dữ liệu trong quá trình giải mã.
o Ảnh P (Predicted Pictures): được mã hoá từ ảnh I hoặc ảnh P
ngay trước để bù chuyển động và chính nó cũng có thể dùng để tham
khảo cho việc tiên đoán ảnh tiếp theo.
o Ảnh B (Bidirectionally Predictive Pictures) có thể sử dụng
các ảnh I và P phía trước và phía sau nó để bù chuyển động vì vậy
cho tỷ lệ nén cao nhất.
• Lớp nhóm ảnh (GOP)
• Lớp dãy ảnh (sequence)


5

Hình 1. 1 Cấu trúc tập tin Mpeg




6
là giá trị tại hàng u, cột v của ma trận ảnh gốc X.
M, N là kích thước của ảnh gốc (M hàng, N cột).

1
:i 0
2
1: i 1, 2,..., M 1

i

j

1
:j 0
2
1: j 1, 2,..., N 1

Và biến đổi ngược của nó là:

X ij

2
M

2 M 1N 1
Nu 0v 0


k

Và

f (t )

jkw

,f

*

(a0 mt nb0 )dt
m,n

(t )


7

G( )

gk e

jkw

k

Là lọc thông thấp và lọc thông cao tương ứng, mà thỏa mãn
một vài điều kiện cho việc tái xây dựng ảnh ban đầu. Một tín hiệu

Các hệ số 𝑓𝑗𝑙𝑜𝑤
0 (𝑘), 𝑓 0
𝑗

ℎ𝑖𝑔ℎ
ℎ𝑖𝑔ℎ
(𝑘), 𝑓𝑗𝑙𝑜𝑤
(𝑘)
0+1 (𝑘), 𝑓 0+1 (𝑘), … , 𝑓
𝑗
𝑗

được gọi là các dwt của tín hiệu F(n), với 𝑓𝑗𝑙𝑜𝑤
0 (𝑘) là phần phân giải
ℎ𝑖𝑔ℎ
nhỏ nhất (xấp xỉ) của F(n) và 𝑓𝑗0 (𝑘) là phần chi tiết của F(n) tại
các dãi tần khác nhau.
Tín hiệu ban đầu F(n) có thể được xây dựng lại từ các hệ số
DWT bằng cách đệ quy như sau:

f jlow (n)

hn
k

2k

f jk1

gn


Hình 1. 7 Phân loại watermarking

1.2.2.

Các tiêu chí cần có của một thuật toán watermarking
mạnh mẽ

1.2.2.1. Tính bảo mật
1.2.2.2. Tính vô hình
1.2.2.3. Tính vô hình đối với thống kê
1.2.2.4. Tỉ lệ bit
1.2.2.5. Quá trình dò đáng tin cậy
1.2.2.6. Tính mạnh mẽ
1.2.2.7. Nhúng nhiều watermark
1.2.2.8. Blind/non-blind, public/private watermarking
1.2.2.9. Waterma

rking đọc được và dò được


10
1.2.2.10. Tính khả đảo và tính thuận nghịch của watermark
1.2.2.11. Tính có thể thay đổi tỉ lệ (scalability)
1.2.3.

Mô hình watermarking trên video

Hình 1.8. Mô hình tổng quát watermark cho tập tin video


gốc rồi chia cho ∝ để được bit tương ứng thuộc ảnh watermark:
W’i,j = (V’i,j – Vi,j)/∝
1.2.4.2. Kỹ thuật watermarking của Tao P. và Eskicioglu A. M
Quá trình nhúng watermark
Đầu vào: - Ảnh chứa I = (aij, 0≤i, j≤2n)
- Ảnh watermark là ảnh nhị phân, W = (wij∈{0, 1}, 0≤i, j≤n)
Đầu ra: - Ảnh chứa đã được nhúng watermark Iw
Thực hiện:
a. Thực hiện phép biến đổi sóng nhỏ DWT mức một phân tích
ảnh chứa I.
b. Sửa các miền tần số Vij tương ứng với các băng LL, HL,
LH, và HH:

Vwk,ij Vijk

Wij

k


12
Với i,j =1,….,n; k=1,2,3,4
c. Thực hiện phép biến đổi ngược IDWT đối với các băng đã
sửa đổi tương ứng trong bước 2 để được ảnh đã nhúng watermark
Iw.
Quá trình tách watermark
Đầu vào: - Ảnh chứa đã nhúng watermark Iw*
- Ảnh gốc I
Đầu ra: - Watermark là ảnh nhị phân W Thực hiện:
a. Thực hiện phép biến đổi sóng nhỏ DWT mức một để phân

BẢN QUYỀN VIDEO CHO ĐÀI THVL
2.1. MÔ TẢ BÀI TOÁN VỀ QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ BẢN
QUYỀN DỮ LIỆU VIDEO TẠI ĐÀI PTTH VĨNH LONG
Cách thức quản lý video hiện tại của Đài THVL chưa hiệu quả
do còn tổ chức lưu trữ theo dạng tập tin và thư mục, nên khi cần thiết
rất khó tìm kiếm ra một video phù hợp. Thêm vào đó, phần bản
quyền dữ liệu video cũng chưa được chú trọng, khi cho tải lên
internet các video chưa được bảo vệ.
Cần xây dựng một ứng dụng vừa giúp quản lý video một cách
toàn diện, vừa thực hiện được việc tìm kiếm theo từ khóa các video
phù hợp, cũng như nhúng vào video nội dung bản quyền để làm căn
cứ xác định khi cần thiết.
2.2. LỰA CHỌN MÔ HÌNH
2.2.1. Các mô hình quản lý bản quyền số
2.2.1.1. Kiến trúc chung

Hình 2.1. Kiến trúc hệ thống quản lý bản quyền số


15
2.2.1.2. Kỹ thuật nhúng thông tin ẩn

Hình 2.2. Tiến trình watermarking
2.2.1.3. Giải pháp của Microsoft

Hình 2.3. Mô hình quản lý bản quyền số của Microsoft


16
2.2.2. Mô hình đề xuất phù hợp với Đài THVL

Bước 7: Nhúng từng bit nhị phân trong chuỗi w vào từng khối 8x8
được áp dụng DCT ở bước 5.
Bước 8: Lặp lại bước 7 cho tất cả các bit của watermark.
Bước 9: Áp dụng nghịch đảo biến đổi DCT cho tất cả khác khối
thu được băng con HL’ đã nhúng watermark.
Bước 10: Áp dụng IDWT trên bốn băng con LL, HL’, LH, HH thu
được kênh Y’ đã nhúng watermark.
Bước 11: Kết hợp kênh Y’, U và kênh V để có được watermarked
hình ảnh 'WI', thực hiện việc chuyển sang hệ màu RGB.
Bước 12: Lặp lại bước 2 đến bước 11 cho tất cả các frames hình
trong video X. Ta thu được video đã nhúng watermark X’.
Quá trình thực hiện trích xuất
Đầu vào: - Video đã được nhúng watermark X’
Đầu ra: - Ảnh nhị phân watermark đã nhúng
Bước 1: Tách video X’ ra thành từng frame hình. Các frames hình
‘WI’ này đã được nhúng watermark.
Bước 2: Chuyển frames hình sang hệ màu YUV thu về các kênh Y,
U và V của hình ảnh watermark 'WI'.
Bước 3: Áp dụng DWT trên kênh Y để thu được các băng con
LL1, HL1, LH1, và HH1.
Bước 4: Chia các băng con HL1 bước 3 thành các khối có kích
thước 8x8 không trùng lặp.
Bước 5: Áp dụng biến đổi DCT cho các khối 8x8 ở bước 4.


19
Bước 6: Các bit đánh dấu watermark được tách ra từ khối 8x8
được biến đổi DCT.
Bước 7: Lặp lại bước 6 cho tất cả các khối 8x8.
Bước 8: Tổng hợp các bit trong hình để thu được hình ảnh nhị

Hệ thống được cài đặt quy trình đăng nhập với mật khẩu được
mã hóa md5, đồng thời mỗi đăng nhập đều được ghi nhận thông tin
về ip máy đăng nhập, thao tác khi vào hệ thống vào nhật ký (log file)
để có thể truy vết lại khi phát hiện xâm nhập trái phép.
2.4.4. Truyền tải tập tin trong mạng
Hệ thống dùng mạng nội bộ truyền tải dữ liệu. Tốc độ kết nối
1000Mb/s đảm bảo truyền tải video cho 20 máy kết nối cùng lúc.
2.5.

KẾT CHƯƠNG


21
CHƯƠNG 3. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
3.1. MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶT
3.2. CÀI ĐẶT HỆ THỐNG
3.3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
3.3.1. Đối với hệ thống quản lý video
Hệ thống quản lý video đạt hiệu quả tốt với lượng người dùng
trong khoảng 10 - 20 người cùng lúc.
Hỗ trợ tìm kiếm bằng video bằng metadata được nhập vào lúc
tải tập tin video lên sever.
3.3.2. Đối với công cụ watermarking
Thử nghiệm trên video dài 1000 framse hình kích thước
[720x720] với hình ảnh watermark kích thước [45x45], hệ số K=5.

Hình 3.1. Watermark dùng để nhúng và watermark trích
xuất được
Các số liệu hiệu suất sử dụng để kiểm tra việc thực hiện các
phương pháp đề xuất là Mean Squared Error (MSE) và Peak Signal

0.10907

PSNR
62.7627
62.7211
57.9742
58.2915
57.5971
64.0831
60.9036
62.3638
62.1516
57.7536

3.4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Mô hình quản lý video hoạt động tốt trong mạng LAN của cơ
quan. Việc truyền tải và quản lý tập tin được thực hiện đúng yêu cầu
đặt ra. Phân quyền người dùng hợp lý, đúng với hoạt động thực tế
của đơn vị.
Quá trình nhúng và trích xuất watermark cho tập tin video cho
kết quả khả quan, tuy nhiên, ảnh trích xuất ra chỉ là ảnh trắng đen.
Chưa thể trích xuất ảnh màu nếu lúc nhúng vào là ảnh màu. Quá
trình trích xuất không cần dữ liệu gốc để trích xuất, đây là một lợi
thế so với các phương pháp khác, có tính thực tế cao hơn.
Tốc độ thực thi việc nhúng watermark còn chậm, chưa thể đáp
ứng với số lượng lớn video được sản xuất mỗi ngày của đơn vị. Cần
được cải tiến giải thuật để tối ưu hơn.


23