CHƯƠNG 1. ẢNH SỐ VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Khái niệm ảnh số Ảnh trong thực tế là ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Một ảnh số có thể được định nghĩa là một hàm hai chiều f(x,y), trong đó x và y là tọa độ không gian, và biên độ của hàm f tại bất kỳ cặp tọa độ (x,y) nào được gọi là cường độ của ảnh tại điểm đó. Hay nói cách khác ảnh số là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh, ảnh có thể được biểu diễn dưới dạng một ma trận hai chiều, mỗi phần tử trong ma trận tương ứng với một điểm ảnh.
Mỗi phần tử này được gọi là một pixel. Chuyển đổi một ảnh thông thường sang dạng số yêu cầu tọa độ không gian cũng như biên độ của ảnh đó phải được số hóa, nghĩa là các tín hiệu liên tục được biến đổi thành các tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (sampling - rời rạc hóa về không gian) và lượng tử hóa (quantization - chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số) các thành phần của ảnh mà về nguyên tắc bằng mắt thường không thể phân biệt được hai điểm kề nhau. Do đó, khi các giá trị x, y và biên độ của hàm f là xác định, mang giá trị rời rạc, ta gọi một ảnh là ảnh số. Sau quá trình lấy mẫu và lượng tử hóa, ta thu được một ma trận số thực gồm M hàng và N cột.
Một giá trị (x,y) của ma trận được gọi là một điểm ảnh (pixel hay pel), mỗi điểm ảnh được xác định bởi tọa độ và màu. Như vậy, một ảnh số là tập hợp nhiều điểm ảnh, ta nói ảnh gồm M x N điểm ảnh.2 Phân loại ảnh số Ảnh số có thể được phân loại thành 3 kiểu như sau: Ảnh nhị phân Trong ảnh nhị phân mỗi điểm ảnh chỉ có thể là đen (0) hoặc trắng (1). Vì chỉ có hai khả năng có thể có đối với mỗi điểm ảnh nên ta chỉ cần một bit trên mỗi pixel. Do đó các ảnh nhị phân thường có dung lượng nhỏ, rất tiết kiệm được bộ nhớ.
Ứng Dụng Kỹ Thuật Watermarking SVTH: Lương Văn Trí Trong Bảo Vệ Bản Quyền Ảnh Số ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/63 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 (a) Ảnh Lena nhị phân (b) Giá trị nhị phân Hình 1-1: Ảnh nhị phân Ảnh đa cấp xám Mỗi bức ảnh có một mức xám thường từ 0 (biểu diễn mức đen) đến 255 (biểu diễn mức trắng). Như vậy thường mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 8 bit hay 1 byte. Đây là một dải thường dùng, ngoài ra cũng có các dải mức xám khác cũng được sử dụng nhưng nói chung chúng đều là bộ số của 2k như 8bit, 16bit, 24 bit… (a) Ảnh Lena mức xám (b) Giá trị mức xám Hình 1-2: Ảnh đa cấp xám Ứng Dụng Kỹ Thuật Watermarking SVTH: Lương Văn Trí Trong Bảo Vệ Bản Quyền Ảnh Số ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/63 Ảnh RGB Ảnh RGB là ảnh được kết hợp từ 3 thành phần màu chính là Red (đỏ), Green (xanh lá cây) và Blue (xanh dương). Từ ba màu cơ bản này bằng cách thay đổi tỉ lệ các màu RGB người ta có thể tạo ra vô số màu khác nhau và cách tổng hợp từ 3 màu RGB gọi là tổng hợp màu cộng (gọi là mô tổng hợp màu cộng vì các màu sinh ra từ 3 màu RGB sẽ sáng hơn màu gốc).
Hình 1-3: Các ma trận R, G, B của một vùng ảnh RGB (a) Red (b) Green (c) Blue Hình 1-4: Các thành phần màu của ảnh RGB 1.3 Một số định dạng ảnh thông dụng 1.1 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 Ứng Dụng Kỹ Thuật Watermarking SVTH: Lương Văn Trí Trong Bảo Vệ Bản Quyền Ảnh Số ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/63 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 ít gặp hơn là “.dib” - device independent bitmap). Hình 1-5: Ảnh bitmap Cấu trúc một ảnh bitmap gồm bốn phần chính: Bitmap Header (14 bytes): lưu các thông tin về kích thước tệp, kiểu tệp, địa chỉ offset của vùng dữ liệu.
Bitmap Information (40 bytes): 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… 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. Người ta thường ký hiệu số bit trên một điểm ảnh (bit per pixel) là n. Một ảnh bitmap n-bit có 2n màu, giá trị n càng lớn thì ảnh càng có nhiều màu và 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). Trong đó ảnh 24 bit cho chất lượng ảnh trung thực nhất. Đặc điểm nổi bật nhất của ảnh bitmap là ảnh không được nén bởi bất kỳ thuật toán nào khi lưu ảnh, các điểm ảnh được ghi trực tiếp vào tập tin, một điểm ảnh sẽ Ứng Dụng Kỹ Thuật Watermarking SVTH: Lương Văn Trí Trong Bảo Vệ Bản Quyền Ảnh Số ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/63 được mô tả bởi một hay nhiều byte tùy thuộc vào giá trị n của ảnh. Do đó, một hình ảnh lưu dưới dạng BMP thường có kích thước cỡ rất lớn, gấp nhiều lần so với các ảnh được nén khác( GIF, JPEG hay PNG).2 Ảnh JPG JPG là 1 định dạng ảnh được phát triển bởi JPEG với mục đích là trở thành định dạng chuẩn cho các nhiếp ảnh gia chuyên nghiệp.
Cũng giống như phương pháp nén file ZIP là tìm các phần thừa của dữ liệu để nén, JPG chia nhỏ bức ảnh thành vùng nhỏ hơn. Một khi đã dùng phương thức JPG để nén ảnh thì sẽ không trở lại được trạng thái ban đầu. Vậy nên ảnh JPG chỉ được dùng với mục đích lưu trữ nhiều bức ảnh trong 1 khoảng nhỏ, chứ không dùng để chỉnh sửa ảnh. JPG đã trở thành định dạng phổ biến nhất trên Internet bởi vì công nghệ nói trên có thể nén ảnh rất nhiều.
Giả sử ta có 1 bức ảnh có kích thước 1MB thì có thể nén nó xuống 500KB hay 100KB, đó chính là lợi thế của ảnh JPG. Hình 1-6: Ảnh JPG Khi nén ảnh bằng công nghệ JPG thì chất lượng hình ảnh sẽ giảm đi rất rõ rệt, vì thế công nghệ này không thích hợp để lưu các bức họa. Cho dù là để ở chất lượng nén JPG tốt nhất thì vẫn bị thay đổi 1 chút. Không chỉ vậy, mỗi lần copy hay lưu 1 bức ảnh JPG, chất lượng bức ảnh đó cũng sẽ bị giảm đi.
Khi chất lượng hình ảnh bị sụt giảm đi thì ta sẽ thấy những điểm mờ giữa các khối màu, sự mất nét của các vùng ảnh. Ứng Dụng Kỹ Thuật Watermarking SVTH: Lương Văn Trí Trong Bảo Vệ Bản Quyền Ảnh Số ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/63 1.3 Ảnh GIF Ảnh GIF cũng như ảnh JPG, là một định dạng ảnh đã có tuổi đời lâu năm và thường được sử dụng kết hợp cùng với mạng Internet. GIF có nghĩa là “định dạng trao đổi hình ảnh” và áp dụng phương thức nén LZW (Lempel–Ziv–Welch). Hình 1-7: Ảnh GIF GIF là một tập tin màu 8 bit, có nghĩa là hình ảnh mà tập tin cho ra bị giới hạn bởi 1 bảng gồm 256 màu sắc.
Có 2 điều đặc biệt về định dạng GIF đó là tập tin có khả năng lưu lại màu trong suốt và hỗ trợ hình ảnh động. Tập tin GIF dùng nén dữ liệu bảo toàn trong đó kích thước tập tin có thể được giảm mà làm chất lượng hình ảnh kém đi (cho những hình ảnh có ít hơn 256 màu). Số lượng tối đa 256 màu làm cho định dạng ảnh này không phù hợp cho các hình chụp (thường có nhiều màu sắc), tuy nhiên các kiểu nén dữ liệu bảo toàn cho hình chụp nhiều màu cũng có kích thước quá lớn đối với truyền dữ liệu trên mạng hiện nay. Định dạng JPEG là dạng nén dữ liệu thất thoát có thể được dùng cho các ảnh chụp, nhưng lại làm giảm chất lượng cho các bức vẽ ít màu, tạo nên những chỗ nhòe thay cho các đường sắc nét, đồng thời độ nén cũng thấp cho các hình vẽ ít màu.
Như vậy, GIF thường được dùng cho sơ đồ, hình vẽ và các hình ít màu. Ứng Dụng Kỹ Thuật Watermarking SVTH: Lương Văn Trí Trong Bảo Vệ Bản Quyền Ảnh Số ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/63 1.4 Ảnh PNG PNG là định dạng hình ảnh sử dụng phương pháp nén dữ liệu mới mà không làm mất đi dữ liệu gốc. PNG được tạo ra nhằm cải thiện và thay thế định dạng ảnh GIF. PNG là định dạng tập tin tuyệt vời cho các ảnh số trên mạng Internet, bởi vì PNG hỗ trợ màu trong suốt trong tất cả các trình duyệt web với những tính năng mà GIF không có.
PNG hỗ trợ màu 8 bit giống như GIF, đồng thời cũng hỗ trợ màu 24 bit RGB như JPG. Khi ta nén một bức ảnh bằng định dạng PNG, bức ảnh đó sẽ không hề bị giảm chất lượng. Chính vì thế dung lượng các bức ảnh PNG là rất lớn. Nhược điểm của ảnh PNG đó là không được hỗ trợ trên các trình duyệt web cũ kĩ, không phổ biến nhiều bằng JPG.4 Giấu tin trong ảnh số - những đặc trưng và tính chất Giấu tin trong ảnh chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin, vì vậy các kỹ thuật giấu tin phần lớn cũng tập trung vào các kỹ thuật giấu tin trong ảnh.
Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, mỗi định dạng có những đặc trưng và các tính chất cơ bản như sau:[4] Phương tiên chứa có dữ liệu tri giác tĩnh: dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu của ảnh tĩnh, dù đã giấu thông tin vào trong hay chưa thì khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh sẽ không thay đổi theo thời gian, điều này khác với dữ liệu audio hay video vì khi ta nghe hay xem dữ liệu gốc sẽ thay đổi liên tục với thị giác của con người. Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc ảnh: kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau.