Hệ Thống Thủy Vân Số và Ứng Dụng Trong Bảo Vệ Bản Quyền Ảnh Số

Thủy vân số là một kỹ thuật nhúng thông tin bí mật vào dữ liệu số, có thể là hình ảnh, âm thanh, video hoặc văn bản. Thông tin này, thường là một logo, văn bản hoặc chuỗi bit, được nhúng một cách tinh vi sao cho không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của dữ liệu gốc. Mục đích chính của việc sử dụng digital watermark là để xác định quyền sở hữu, xác thực tính toàn vẹn của dữ liệu và ngăn chặn việc sao chép hoặc phân phối trái phép. Kỹ thuật này dựa trên lý thuyết tổng hợp của nhiều lĩnh vực như mật mã học, lý thuyết thông tin, lý thuyết truyền thông và xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh.

Kỹ thuật thủy vân trên giấy đã xuất hiện từ khoảng 700 năm trước. Thuật ngữ watermark bắt nguồn từ một loại mực vô hình được viết trên giấy và chỉ hiển thị khi nhúng giấy đó vào nước. Thuật ngữ Thủy vân số được cộng đồng thế giới chấp nhận rộng rãi vào đầu thập niên 1990. Khoảng năm 1995, sự quan tâm đến thủy vân số bắt đầu phát triển nhanh. Sự phát triển của Internet và các phương tiện kỹ thuật số đã thúc đẩy nhu cầu bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ, dẫn đến sự ra đời và phát triển của nhiều kỹ thuật watermark số khác nhau.

Một trong những tiêu chí quan trọng để phân loại hệ thống thủy vân số là miền nhúng, tức là nơi chứa watermark. Thủy vân có thể được thực hiện trong miền không gian, bằng cách trực tiếp thay đổi giá trị pixel của ảnh. Một khả năng khác là thủy vân trong miền tần số, sử dụng các phép biến đổi như DCT (Discrete Cosine Transform) hoặc DWT (Discrete Wavelet Transform) để nhúng watermark vào các hệ số tần số. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào yêu cầu về độ bền vững và khả năng chống lại các tấn công.

Theo cảm nhận của con người, thủy vân có thể được chia thành ba loại chính: thủy vân hiện, thủy vân ẩn bền vững, và thủy vân ẩn dễ vỡ. Thủy vân hiện hiển thị thông tin về sản phẩm dưới dạng các hình mờ. Thủy vân ẩn bền vững được nhúng sao cho không thể nhận thấy bằng mắt thường và có khả năng chống lại các tác động xử lý tín hiệu thông thường. Thủy vân ẩn dễ vỡ sẽ bị thay đổi hoặc phá hủy khi có bất kỳ biến đổi nào trên dữ liệu gốc, thường được sử dụng để xác thực tính toàn vẹn của dữ liệu.

Kỹ thuật thủy vân có thể được phân loại theo đối tượng đa phương tiện cần nhúng thủy vân như sau: Thủy vân trên ảnh, Thủy vân trên video, Thủy vân trên âm thanh, Thủy vân trên văn bản. Mỗi loại đối tượng có các đặc điểm riêng, đòi hỏi các kỹ thuật watermark khác nhau để đảm bảo hiệu quả và tính bảo mật. Ví dụ, thủy vân trên video cần xem xét đến yếu tố thời gian và sự đồng bộ giữa các khung hình.

Quy trình nhúng thủy vân bao gồm thông tin khóa thủy vân, thủy vân, dữ liệu chứa và bộ nhúng thủy vân. Dữ liệu chứa bao gồm các đối tượng như văn bản, audio, video, ảnh…. dạng số, được dùng làm môi trường để giấu tin. Bộ nhúng thủy vân là chương trình được cài đặt những thuật toán thủy vân và được thực hiện với một khóa bí mật. Thủy vân sẽ được nhúng vào trong dữ liệu chứa nhờ một bộ nhúng thủy vân. Kết quả quá trình này là được dữ liệu chứa đã nhúng thủy vân được gọi là dữ liệu có bản quyền và phân phối trên các môi trường khác nhau.

Quá trình tách thủy vân được thực hiện thông qua một bộ tách thủy vân tương ứng với bộ nhúng thủy vân cùng với khóa của quá trình nhúng. Kết quả thu được là một thủy vân. Thủy vân thu được có thể giống với thủy vân ban đầu hoặc sai khác do nhiễu và sự tấn công trên đường đi. Một hàm phát hiện có đầu vào là hình ảnh có chức năng xác định quyền sở hữu sản phẩm. Các hình ảnh có thể chứa thủy vân hoặc không chứa thủy vân. Trong trường hợp tổng quát, hình ảnh có thể bị biến đổi. Hàm phát hiện có khả năng khôi phục thủy vân từ bức ảnh hoặc kiểm tra sự hiện diện của thủy vân trong bức ảnh đã cho hay không.

Để giải quyết cho các vấn đề an toàn truyền thông vào bảo vệ bản quyền tài liệu số đặc biệt là ảnh số thì việc xây dựng một hệ thống có sử dụng kỹ thuật nhúng thủy vân vẫn là một giải pháp tối ưu. Bằng cách sử dụng thủy vân, dữ liệu số sẽ bảo vệ khỏi sự sao chép bất hợp pháp. Tạo thủy vân là một phương pháp nhúng một lượng thông tin nào đó vào trong dữ liệu đa phương tiện cần được bảo vệ sở hữu mà không để lại ảnh hưởng nào đến chất lượng của sản phẩm. Thủy vân luôn gắn kết với sản phẩm đó.

Dấu thủy vân không chỉ được dùng để chỉ ra thông tin bản quyền tác giả mà còn được dùng để xác thực thông tin và phát hiện ra xuyên tạc thông tin. Dấu thủy vân sẽ được nhúng trong một tác phẩm sau đó được lấy ra và so sánh với dấu thủy vân ban đầu. Nếu có sự sai lệch chứng tỏ tác phẩm gốc đã bị tấn công và xuyên tạc. Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi (ví dụ như phân biệt một đối tượng đa phương tiện chứa thông tin giấu bị thay đổi, xuyên tạc nội dung hay chỉ bị nén mất dữ liệu).

Các thuật toán thủy vân trong miền không gian hoạt động bằng cách trực tiếp thay đổi giá trị pixel của ảnh. Ví dụ, thuật toán LSB (Least Significant Bit) thay đổi các bit ít quan trọng nhất của pixel để nhúng watermark. Các thuật toán khác như SW, WU-LEE, và PCT sử dụng các phương pháp phức tạp hơn để tăng cường độ bền watermark và khả năng chống lại các tấn công. Tuy nhiên, các thuật toán này thường dễ bị tấn công và có dung lượng watermark hạn chế.

Các thuật toán thủy vân trong miền tần số sử dụng các phép biến đổi như DCT (Discrete Cosine Transform) và DWT (Discrete Wavelet Transform) để nhúng watermark vào các hệ số tần số. Phương pháp này thường có độ bền watermark cao hơn so với các thuật toán trong miền không gian, vì watermark được nhúng vào các thành phần quan trọng của ảnh. Tuy nhiên, các thuật toán này có thể phức tạp hơn và đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn.

AI và watermark đang mở ra những khả năng mới trong việc phát triển các hệ thống thủy vân thông minh và hiệu quả hơn. Deep learning watermark có thể được sử dụng để tạo ra các watermark có khả năng thích ứng với nội dung ảnh, tăng cường độ bền watermark và khả năng chống lại các tấn công. Ngoài ra, AI cũng có thể được sử dụng để phát hiện và loại bỏ các watermark trái phép.

Blockchain và bản quyền ảnh đang trở thành một giải pháp tiềm năng để bảo vệ bản quyền ảnh số. NFT và bản quyền ảnh cho phép tạo ra các chứng nhận quyền sở hữu duy nhất cho ảnh, giúp xác định và bảo vệ quyền tác giả. Việc kết hợp blockchain và NFT với thủy vân số có thể tạo ra một hệ thống bảo vệ bản quyền ảnh toàn diện và minh bạch.