CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN SỐ Chương này của đồ án trình bày những nôi dung chung về thủy vân số và các đặc điểm quan trọng và khác biêt của thủy vấn số: phân loại, quy trình, phương pháp, ứng dụng, các đặc trưng, yêu cầu và các công cụ hỗ trợ cho kỹ thuật thủy vân số 1. Giới thiệu thủy vân số 1. Lịch sử Thủy vân số (Watermarking) có một lịch sử lâu dài, bắt đầu từ những kỹ thuật cổ điển và phát triển ngày càng phức tạp theo thời gian. Trong lịch sử, người ta thường sử dụng kỹ thuật chèn tin bí mật trực tiếp trong văn bản.
Ví dụ, trong thời cổ đại, những người thực hiên thủy vân số có thể chèn tin nhắn bí mật trong văn bản bằng cách sử dụng các ký hiêu đặc biêt hoặc thậm chí thay đổi cách sắp xếp từ ngữ. Khái niệm Thủy vân số là quá trình sử dụng các thông tin (ảnh, chuỗi bít, chuỗi số) nhúng môt cách tinh vi vào dữ liêu số (ảnh số, audio, video hay text) nhằm xác định thông tin bản quyền của tác phẩm đó. Mục đích của thủy vân số là bảo vê bản quyền cho phương tiên dữ liêu số mang thông tin thủy vân. Thao tác đưa thủy vân vào môt môi trường số được gọi là thủy vân số.
So sánh thủy vân số và giấu tin Thủy vân số (Steganography) và giấu tin (Cryptography) là hai lĩnh vực khác nhau trong bảo mật thông tin, tuy nhiên, cả hai đều liên quan đến việc bảo vê thông tin nhưng theo cách khác nhau Đồ án tốt nghiệp đại học Bảng 1. So sánh giấu tin mật và thủy vân số Giấu tin mật Thuỷ vân số Mục đích là bảo vệ thông tin được Mục đích là bảo vệ môi trường giấu giấu tin Giấu được càng nhiều thông tin Chỉ cần thông tin đủ để đặc trưng càng tốt, ứng dụng trong truyền dữ liệu | cho bản quyền của chủ sở hữu thông tin mật Thông tin được giấu phải ân, không Thông tin giấu có thê an (invisible cho người khác thấy được bằng mắt | Watermarking) hoặc hiện (visible thường Watermarking) Như vậy, Thủy vân số là quá trình nhúng những dữ liêu vào môt đối tượng đa phương tiên theo môt phương pháp nào đó, để sau đó có thể phát hiên hoặc trích xuất thủy vân cho mục đích xác thực nguồn gốc của sản phẩm. Thủy vân là môt phần đặc trưng của thông tin nhúng vào dữ liêu cần bảo vê. Môt yêu cầu quan trọng đối với thủy vân là rất khó để trích xuất hoặc gỡ bỏ được nó từ đối tượng được nhúng thủy vân mà không biết được chìa khóa bí mật.
Phân loại thủy vân số Thủy vân và kỹ thuật thủy vân tùy theo từng tiêu chí phân loại mà có thể được chia thành nhiều loại khác nhau: Đồ án tốt nghiệp đại học Thuỷ vân sô ok =| Theo miền thực hiện on as ` Theo môi trường chứa. Theo cảm nhân của con ‘ x người [>| Miền không gian >| Hinh anh Hiện Án L_»‹ Miền tần số >| Video > Bên vững© >| Am thanh |, Dễ vỡ >| Van ban —>\ Bán dễ vỡ Hình 1. Phân loại thủy vân số 1. Phân loại thủy vân theo miền nhúng Môt trong những tiêu chí để phân loại là “miền thực hiên ” là nơi chứa thủy vân.
Ví dụ, thủy vân có thể được thực hiên trong “miền không gian”. Môt khả năng khác là thủy vân trong miền tần số. Miền không gian (Spatial Domain) Trong miền không gian, watermarking thường thực hiên trực tiếp trên dữ liêu ảnh thủy vân Các phương pháp nhúng watermark trong miền không gian thường tập trung vào viêc thay đổi giá trị của từng pixel hoặc vùng pixel cụ thể mà không làm thay đổi quá nhiều thông tin hình ảnh. Môt số phương pháp thông dụng bao gồm : - Ky thuat loc (Filtering Techniques): SW dung cac ky thuat loc để nhúng thông tin thủy vân vào ảnh thủy vân số mà không gây ra sự thay đổi đáng kể về giá trị pixel khi chọn pixel ít quan trọng Đồ án tốt nghiệp đại học - Thay đổi giá trị pixel (Pixel Value Modification): Thông tin thủy vân được nhúng bằng cách thay đổi giá trị của môt hoặc môt số pixel trong ảnh thủy vân số.
Miền tần số (Frequency Domain) Phương pháp nhúng thủy vân trong miền tần số thường dựa vào viêc điều chỉnh biên đô hoặc pha của các thành phần tần số. Trong miền tần số, thủy vân thường thực hiên sau khi thực hiên các biến đổi tần số như: - Biến đổi Fourier: các biến đổi khác để nhúng thông tin watermark vào biên đô hoặc pha của tần số. - Biến đổi Wavelet: để nhúng thông tin vào các thành phần tần số khác nhau của dữ liêu. Các thông tin thủy vân thường được nhúng vào thành phần tần số thấp để giảm thiểu ảnh hưởng đối với chất lượng hình ảnh chính.
Miền thời gian (Time Domain) Miền thời gian thường được kết hợp với cả hai miền không gian và tần số để tăng cường tính chống chịu của hê thống thủy vân số. Nơi mà thông tin nhận dạng được nhúng trực tiếp vào tín hiêu thủy vân số dưới dạng sóng âm và thường liên quan đến các biến đổi thời gian như biến đổi dạng sóng. - Phương pháp Spread Spectrum: Các bit của thông tin thủy vân được phân bố rải rác trong toàn bô dải tần số của tín hiêu thủy vân số. - Biến đổi dạng sóng (Waveform Transformation): Thông tin thủy vân được nhúng bằng cách biến đổi dạng sóng của tín hiêu thủy vân số.
- Mô hình hồi quy (Regression Models):Sử dụng mô hình hồi quy để ước lượng và nhúng thông tin watermark dựa trên các đặc điểm thời gian của tín hiêu. Đồ án tốt nghiệp đại học - Dấu hiêu đôc lập (Independent Component Analysis - ICA): Sử dụng ICA để phân rã tín hiêu thủy vân số thành các thành phần đôc lập và nhúng thông tin thủy vân vào môt hoặc vài thành phần này. Phân loại theo đối tượng được nhúng thủy vân Kỹ thuật thủy vân có thể được phân loại theo đối tượng đa phương tiên cần nhúng thủy vân như sau: 1. Thủy vân trên ảnh Đây là môi trường được ứng dụng nhúng thủy vân nhiều nhất.
Thuỷ vân sẽ được nhúng vào từng pixel nhỏ cấu thành lên ảnh. Sử dụng các kỹ thuật nhúng trong miền không gian hoặc miền tần số. Thủy vân trên video Trong trường hợp này thùy vấn sẽ nhúng vào từng khung hình khung hình (frames) Tính chất thời gian của video cũng có thể được sử dụng để nhúng thêm thông tin. Kết hợp các kỹ thuật nhúng ảnh và âm thanh, hoặc sử dụng kỹ thuật nhúng dựa trên khung hình video.
Thủy vân trên âm thanh Dựa vào đặc điểm của âm thanh cấu thành từ sóng có tần số và biên đô , đô dài khác nhau, sự biến đổi này sẽ là môi trường dé nhúng thủy vân Sử dụng các kỹ thuật nhúng dựa trên biến đổi âm thanh, biến đổi Fourier, hoặc spread spectrum. Thủy vân trên văn bản Văn bản sẽ được mã hóa biến đổi thành các bit dữ liêu. Sử dụng kỹ thuật nhúng dựa trên cấu trúc văn bản, mã hóa, hoặc spread spectrum. Đồ án tốt nghiệp đại học 1.
Phân loại thủy vân theo cảm nhận của con người 1. Thủy vân hiện Thêm môt dấu hiêu nhìn thấy được, thường chứa logo hoặc văn bản, vào ảnh để bảo vê quyền tác giả và tạo ra sự nhận biết dễ nhìn thấy. Thủy vân ẩn (Robust Watermark) Thuỷ vân ẩn bền vững: được nhúng bằng cách thay đổi trên điểm ảnh sao cho hê thống cảm giác của con người không thể nhận thấy Thủy vân số được coi là bền vững nếu nó giữ được tính chất của mình dù có sự biến đổi hay tấn công. nó chỉ có thể được phục hồi với cơ chế giải mã thích hợp mà thôi Thuỷ vân ẩn dễ vỡ (Fragile Watermark) được nhúng theo cách mà bất kỳ biến đổi hay giả mạo đều làm thay đổi hay phá hủy “thủy vân”, thủy vân số sẽ bị hỏng và dễ dàng phát hiên.
Thủy vân hiện và ẩn đồng thời (Semi-Fragile Watermark) Đây là sự kết hợp giữa thủy vân ẩn và thủy vân hiên Thủy vân số bán dễ vỡ thường chịu được môt số biến đổi nhất định, nhưng sẽ bị hỏng nếu có những biến đổi mạnh mẽ hơn. Quy trình 1. Tạo thủy vân số Thủy vân có thể là môt hình ảnh dạng logo hay văn bản với đô dài cho trước không quy định rõ nhưng phải chứa nôi dung xác thực, đặc trưng cho bản quyền sở hữu. Thủy vân dạng hình ảnh có khả năng chống chịu trước các phép xử lý ảnh tốt hơn nhiều so với dạng thủy vân dạng văn bản.
Thủy vân có thể được biến đổi (bằng mã hóa, chuyển đổi định dạng), trước khi giấu vào ảnh. Các thuật toán nhúng thủy vân dạng logo được gọi là thuật toán thủy vân hợp nhất 9 Đồ án tốt nghiệp đại học ảnh. Thủy vân dạng ảnh có lợi ích là dễ dàng nhận biết về mặt trực giác và đưa ra môt chứng minh đúng đắn về quyền sở hữu ảnh. Các thuật toán nhúng thủy vân văn bản thường tập trung vào việc chèn thông tin nhận dạng vào văn bản môt cách ẩn và khó phát hiên, đồng thời duy trì đô đọc và khả năng nhận diên của văn bản gốc.
Bình thường sẽ có môt khóa bí mật K dùng để tăng tính bảo mật cho dữ liêu được nhúng. Do tính bền vững được đảm bảo hơn nên thủy vân dạng ảnh được sử dụng nhiều hơn. Để tăng thêm tính an toàn và dung lượng thì thủy vân trước khi nhúng vào ảnh mang có thể được mã hóa hay nén lại. Theo cơ chế này, đầu tiên thủy vân số sẽ được nén lại để lượng dữ liêu thủy vân có thể tăng lên, sau đó được mã hóa để tăng tính bảo mật cho thông tin trước khi được giấu vào ảnh mang.
Tuy nhiên, giải pháp này làm tăng đô phức tạp của bài toán về phát hiên thủy vân. Quy trình nhúng thủy vân Giai đoạn này gồm thông tin khóa thủy vân, thủy vân, dữ liêu chứa và bô nhúng thủy vân. Dữ liêu chứa bao gồm các đối tượng như văn bản, audio, video, ảnh,. dạng số, được dùng làm môi trường để nhúng thủy vân.
Bô nhúng thủy vân là chương trình được cài đặt những thuật toán thủy vân và được thực hiên với môt khóa bí mật. Thủy vân sẽ được nhúng vào trong dữ liêu chứa nhờ một bô nhúng thủy vân. Kết quả quá trình này là được dữ liêu chứa đã nhúng thủy vân được gọi là dữ liêu có bản quyền và phân phối trên các môi trường khác nhau. Trên đường phân phối có nhiễu và sự tấn công từ bên ngoài.
Do đó, yêu cầu các kỹ thuật thủy vân số phải bền vững với cả nhiễu và sự tấn công trên.