Ứng dụng

CHƯƠNG 2:           KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ

(DIGITAL WATERMARKING)

Chương này trình bày các vấn đề sau:

2.1. GIỚI THIỆU VỀ THỦY VÂN SỐ

Kỹ thuật thuỷ vân số là một lĩnh vực mới nổi trong khoa học máy tính, mật mã, xử lý tín hiệu số và thông tin liên lạc. Thủy vân số được dự định bởi các nhà phát triển của nó như là giải pháp cho sự cần thiết phải cung cấp giá trị bảo vệ trên đầu trang của mã hóa dữ liệu và xáo trộn thêm vào để bảo vệ nội dung. Giống như các công nghệ khác đang được phát triển, kỹ thuật thủy vân số đặt ra một số câu hỏi cần thiết như sau :

• Thủy vân cái gì? Sử dụng thủy vân ẩn hay hiển ?

• Thế mạnh mà của thủy vân cần đạt được là gì?

• Những hình thủy vân nào là đạt hoặc không đạt?

• Làm thế nào thủy vân số được sử dụng?

• Làm thế nào chúng ta có thể đánh giá công nghệ này?

• Làm thế nào hữu ích được họ, có nghĩa là, những gì họ có thể làm để bảo vệ nội dung ngoài hoặc kết hợp với các luật bản quyền hiển tại hoặc các biện pháp pháp lý và tư pháp được sử dụng để giải quyết các khiếu nại bản quyền?

• Các cơ hội kinh doanh là gì?

• Những vai trò có thể thủy vân số trong các cơ sở hạ tầng bảo vệ nội dung? và còn nhiều yêu cầu khác nữa…

2.1.1. Khung tổng quát cho Watermarking

Thủy vân số là một quá trình nhúng dữ liệu gọi là thủy vân hoặc chữ ký số hoặc thẻ hoặc nhãn vào một đối tượng đa phương tiện mà thủy vân có thể được phát hiển hoặc trích lọc sau đó để chứng minh nguồn gốc của đối tượng. Đối tượng có thể một ảnh, hoặc audio hoặc video. Một ví dụ đơn giản của một kỹ thuật thủy vân số là "con dấu" hữu hình được đặt trên một hình ảnh để xác định bản quyền. Tuy nhiên, thủy vân có thể chứa thêm thông tin bao gồm danh tính của người mua  bản sao đặc biệt của vật liệu. Nói chung, bất kỳ lược đồ  hoặc thuật toán  thủy vân số bao gồm ba phần :

• Hình thủy vân/đường chỉ (Watermark).
• Bộ mã hóa (Encoder)
• Các bộ giải mã và so sánh (decoder and comparator). Sử dụng các thuật toán để xác minh, xác thực cả các chủ sở hữu và tính toàn vẹn của các đối tượng.

2.1.1.1. Quá trình mã hóa (Encoding Process)

Chúng ta hãy biểu thị một hình ảnh bằng I, một chữ ký S =  và hình ảnh thủy vân bởi Î. E là hàm mã hóa, phải mất một hình ảnh I và một chữ ký S, và nó tạo ra một hình ảnh mới được gọi là ảnh thủy vân  Î,  về mặt toán học ta có :

                                    E (I,S)  = Π                                                                             (1)

Cần lưu ý rằng chữ ký S có thể phụ thuộc vào ảnh I. Trong trường hợp như vậy, quá trình mã hóa được mô tả bởi biểu thức 1. Hình dưới đây minh họa quá trình mã hóa.(Hình 6)

Encoder

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 6: Bộ mã hóa

2.1.1.2 Quá trình giải mã (Decoding Process)

Một hàm giải mã D thực hiện ảnh J (J có thể là một hình ảnh thủy vân hoặc không thủy vân, và có thể bị lỗi) có quyền sở hữu là được xác định và hồi phục một chữ ký S 'từ các ảnh. Trong quá trình này bổ sung một hình I cũng có thể được bao gồm trong đó thường là phiên bản gốc và phiên bản thủy vân J. Điều này là do thực tế là một số chương trình mã hóa có thể sử dụng các hình ảnh ban đầu trong quá trình thủy vân để cung cấp thêm vững mạnh chống lại sự sai lệch có chủ ý và không chủ ý của các điểm ảnh. Về mặt toán học:

D (J,I)  = S’                                                               (2)

Chữ ký sẽ trích xuất S’sau đó sẽ được so sánh với chuỗi chữ ký chủ sở hữu bằng một hàm so sánh  và quyết định  phát sinh đầu ra chuỗi nhị phân. Nếu nó là 1 nghĩa là khớp, ngược lại là 0. Có thể được biểu diễn như sau :

 

                                                       (3)

 

 

Decoder                                                                                              Comparator

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 7: Bộ giải mã

Trong đó, C là phép tương quan, và  ; c là tương quan giữa 2 chữ ký. Không mất tính tổng quát, lược đồ thủy vân có thể được coi như một ba số (E,D, ).  Các hình sau đây minh họa bộ giải mã và bộ so sánh ( Hình 7, 8 ).

Comparator

 

		Signalture(S)

 

 

 

 

 

 

Hình 8: Bộ so sánh

Một thủy vân phải được phát hiện hoặc trích xuất có ích. Tùy thuộc vào cách “làm mờ” sẽ được chèn vào và tùy theo tính chất của thuật toán thủy vân số, các phương pháp được sử dụng có liên quan đến cách tiếp cận rất khác biệt. Trong một số chương trình thủy vân, một thủy vân có thể được chiết xuất dưới dạng chính xác của nó, một thủ tục mà chúng ta gọi trích xuất thuỷ vân (watermark extraction). Trong các trường hợp khác, chúng ta có thể phát hiện chỉ định một tín hiệu thủy vân cụ thể là hiển thị trong một hình ảnh, một thủ tục mà chúng ta gọi phát hiện thủy vân (watermark detection). Cần lưu ý rằng trích xuất thủy vân có thể chứng minh quyền sở hữu trong khi phát hiện thủy vân chỉ có thể phát hiện quyền sở hữu.

2.1.2. Các loại thủy vân số

Hình 9: Các loại kỹ thuật thủy vân số (watermarking)

Thủy vân và kỹ thuật watermarking có thể được chia thành các loại khác nhau theo những cách khác (đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật và ứng dụng những kỹ thuật đó). Các thủy vân có thể được áp dụng trong phạm vi không gian. Một thay thế cho miền không gian là miền tần số. Nó đã được chỉ ra rằng các phương pháp miền tần số là mạnh hơn so với các kỹ thuật miền không gian. Các loại khác nhau của các hình thủy vân được thể hiện trong hình 9.

Kỹ thuật thủy vân số có thể được chia thành bốn loại theo các loại hình tài liệu thủy vân  như sau :

• Thủy vân ảnh (Image Watermarking) 
• Thủy vân phim (Video Watermarking)  
• Thủy vân âm thanh (Audio Watermarking) 
• Thủy vân văn bản (Text Watermarking)   

Theo nhận thức của con người, các thủy vân số có thể được chia thành ba loại khác nhau như sau:

• Thủy vân hiển (Visible watermark) 
• Thủy vân ẩn bền vững (Invisible-Robust watermark) 
• Thủy vân ẩn dễ vỡ (Invisible-Fragile watermark)
• Thủy vân kép (Dual watermark)

Thủy vân hiển có thể nhìn từ ảnh chính qua đối tượng che mờ. Trong thủy vân hiển dễ vỡ (Fragi le Watermarking), người ta nhúng thuỷ vân vào trong ảnh sao cho khi phân bố sản phẩm trong môi trường mở nếu có bất cứ một phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thuỷ vân đã được giấu trong đối tượng sẽ không còn nguyên vẹn như trước khi giấu nữa(d ễ vỡ). 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). Rất dễ hiểu vì sao những ứng dụng này cần đến kỹ thuật thuỷ vân dễ vỡ. 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 đ ã nhúng vào ảnh thì có nghĩa là có thể ảnh đó đã bị thay đổi. Cái khó 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). Các kỹ thuật thuỷ vân bền vững thường được ứng dụng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền. Trong những ứng dụng đó, thuỷ vân đóng vai trò là thông tin sở hữu của người chủ hợp pháp. Thuỷ vân được nhúng trong sản phẩm như một hình thức dán tem bản quyền.   Trong trường hợp như thế, thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân. Một yêu cầu lý tưởng đối với thuỷ vân bền vững là nếu muốn loại bỏ thuỷ vân thì chỉ có một cách duy nhất là phá huỷ sản phẩm.

Thuỷ vân bền vững lại được chia thành hai loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiển. Thuỷ vân hiển là loại thuỷ vân được hiển ngay trên sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được.

Các thuỷ vân hiển trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc. Đối với thuỷ vân hiển, thông tin bản quyền hiển thị ngay trên sản phẩm (Hình 10)

 

Hình 10: Ví dụ về thuỷ vân hiển (Trên trang Web thư viện số của Liên Bang Mỹ)

Còn đối với thuỷ vân ẩn thì cũng giống như giấu tin, bằng mắt thường không thể nhìn thấy thuỷ vân. Đây cũng là nội dung chính được trì nh bày trong cuốn sách này. Trong vấn đề bảo vệ bản quyền, thuỷ vân ẩn mang tính “bất ngờ” hơn trong việc phát hiển sản phẩm bị đánh cắp. Trong trường hợp này, người chủ sở hữu hợp pháp sẽ chỉ ra bằng chứng là thuỷ vân đã được nhúng trong sản phẩm bị đánh cắp. (Hình 11)

 

 

 

 

 

Hình 11: Ảnh Lena đã được nhúng thuỷ vân là logo ở hình bên phải

Thủy vân kép là một sự kết hợp của một thể thủy vân hiển và một thủy vân ẩn [29]. Trong loại thủy vân này, một thuỷ vân ẩn được sử dụng như một bản sao cho các thủy vân hiển, có thể nhìn thấy rõ ràng từ biểu đồ dưới đây :

 

 

 

 

 

 

Hình 12: Sơ đồ biểu diễn thủy vân kép

Một lược đồ thủy vân ẩn bền vững yêu cầu hình ảnh ban đầu hoặc ảnh tham chiếu để phát hiện thủy vân; trong khi các thủy vân public thì không. Các lớp của chương trình thủy vân bền vững ẩn có thể bị tấn công bằng cách tạo ra một "bản gốc giả"được gọi là chương trình thủy vân nghịch (invertible). Sử dụng ký hiệu toán học từ (3), một chương trình watermarking ẩn được gọi là khả nghịch nếu, đối với bất kỳ hình ảnh thủy vân Î, tồn tại một hàm  E^-1 sao cho :

 (1) E^-1 (Î) =(I’,S’) , (2) E(I’,S’) =( Î) và  (3) (D(Î), S‘)  =1. Ở đây E^-1 là một chức năng tính toán khả thi, S’ thuộc tập hợp các thủy vân cho phép, và các ảnh I và I’ là  là những nhận thức tương tự. Nếu không, các chương trình watermarking là không khả nghịch (non-invertible).

Lược đồ watermarking (E, D, C∂) được gọi quasi-invertible nếu, đối với bất kỳ hình ảnh thủy vân Î, tồn tại một hàm  E^-1 sao cho : (1) E^-1 (Î) =(I’,S’) , (2) (D(Î), S‘)  =1. Trong đó, E^-1 là một chức năng tính toán khả thi, S 'thuộc về tập hợp các hình mờ cho phép, và những hình ảnh I và I’ là về mặt nhận thức tương tự. Nếu không, các lược đồ  watermarking là không khả nghịch( nonquasi-invertible).

Việc áp dụng kỹ thuật thủy vân số có thể như dưới đây.

• Dựa tài nguyên (source based)

• Dựa mục tiêu (destination based)

2.1.3. Ứng dụng của thủy vân số

2.1.3.1. Thủy vân hiển

Thủy vân hiển có thể dung trong các trường hợp sau :

• Tăng cường bảo vệ quyền tác giả. Trong tình huống như vậy, nơi hình ảnh được làm sẵn thông qua Internet và chủ sở hữu nội dung có liên quan rằng những hình ảnh này sẽ được dùng trong thương mại mà không trả tiền nhuận bút. Ở đây, chủ sở hữu nội dung mong muốn một dấu quyền sở hữu, trực quan rõ ràng, nhưng mà không ngăn chặn hình ảnh được sử dụng cho các mục đích khác (ví dụ như nghiên cứu học thuật).

• Chỉ sở hữu bản quyền. Trong trường hợp này hình ảnh được làm sẵn có thông qua Internet và chủ sở hữu nội dung mong muốn chỉ ra quyền sở hữu của các thành phần cơ bản (ví dụ như bản thảo thư viện).

2.1.3.2. Thủy vân ẩn bền vững

Thủy vân ẩn bền vững được áp dụng trong các trường hợp sau đây:

• Phát hiển hình ảnh biển thủ. Trong kịch bản này, người bán các hình ảnh kỹ thuật số là có liên quan. Hình ảnh thu phí tạo của ông ta có thể được mua bởi một cá nhân sẽ làm cho họ được miễn phí, điều này có thể tước đi các chủ sở hữu của doanh thu giấy phép.

• Làm bằng chứng về quyền sở hữu. Trong kịch bản này, người bán là những hình ảnh kỹ thuật số nghi ngờ một trong những hình ảnh của ông đã được biên tập và xuất bản mà không trả tiền nhuận bút. Ở đây, việc phát hiện thủy vân của người bán trong các hình ảnh được thiết kế để phục vụ, như là bằng chứng cho thấy các hình ảnh được công bố là tài sản của người bán.

2.1.3.3. Thủy vân ẩn dễ vỡ

Sau đây là những ứng dụng của thủy vân ẩn dễ vỡ.

• Được sử dung cho máy ảnh tin cậy. Trong kịch bản này, các hình ảnh được chụp bằng một máy ảnh kỹ thuật số để sau này đưa vào trong các bài báo. Ở đây, nó là mong muốn của một hãng đăng tin để xác minh rằng một hình ảnh đúng với chụp gốc và chưa được chỉnh sửa để làm sai lệch một cảnh. Trong trường hợp này, thủy vân có thể nhìn thấy được nhúng vào thời điểm chụp; sự hiển diện của chúng tại thời điểm công bố nhằm mục đích chỉ ra rằng hình ảnh đã không được tham dự kể từ khi nó được chụp.

• Phát hiện thay đổi luân phiên các hình ảnh được lưu trữ trong một thư viện kỹ thuật số. Trong trường hợp này, hình ảnh (ví dụ như dấu vân tay của con người) đã được quét và lưu trữ trong một thư viện kỹ thuật số; chủ sở hữu nội dung mong muốn khả năng phát hiển bất kỳ thay đổi luân phiên các hình ảnh, mà không cần phải so sánh các hình ảnh vào tài liệu quét.

2.1.4. Các kỹ thuật tấn công trên thủy vân

Phương pháp thuỷ vân nên chống lại được một số phép xử lý ảnh thông thường và một số tấn công có chủ đích. Cho đến nay vẫn chưa có một  hệ thống thuỷ vân hoàn hảo và cũng không rõ ràng việc liệu có tồn tại hay không một hệ thống thuỷ vân an toàn tuyệt đối. Vì vậy, trong thực tế thì thuỷ vân phải cân nhắc giữa bền vững với các thuộc tính khác như lượng thông tin giấu,  tính ẩn…Dựa  vào  yêu cầu của  ứng dụng mà sẽ ảnh hưởng đến phương pháp thuỷ vân. Dựa vào những biến đổi có chủ đích hay không có chủ đích đối với hệ thuỷ vân mà ta có thể phân biệt thành hai nhóm xuyên tạc sau: một là các biến đổi được xem như là các nhiễu đối với dữ liệu, hai là làm mất tính đồng bộ để không thể lấy tin ra được.

Một hình ảnh thủy vân có thể chịu tác động bởi các thao tác nhất định, chẳng hạn như nén, tiếng ồn truyền tải và một số chủ ý như cắt, lọc v.v.... Chúng dược tóm tắt ở hình 13.[11,20,21]

• Nén Lossy (Lossy Compression): Nhiều chương trình nén như JPEG và MPEG khả năng có thể làm suy giảm chất lượng của dữ liệu thậm chí có thể làm mất mát vĩnh viễn dữ liệu.

• Sự biến dạng hình học (Geometric Distortions): Biến dạng hình học cụ thể cho hình ảnh và video bao gồm các hoạt động như luân chuyển, dịch, co dãn và cắt

• Biến đổi tín hiệu (Signal Processing Operations): Chúng bao gồm các nội dung sau:

- Chuyển đổi D/A

- Chuyển đổi A / D

- Định cỡ ảnh (Resampling)

- Requantization

- Méo Dithering

- Nén lại làm mất thông tin

- Lọc tuyến tính và bộ lọc thông thấp

- Lọc phi tuyến như lọc trung vị

- Giảm màu

- Bổ sung một hằng số bù giá trị pixel

+Bổ sung các tiếng ồn Gaussian  và phi Gaussian

+Trao đổi địa phương của các điểm ảnh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hình 13: Các kiếu tấn công trên thủy vân

Các cuộc tấn công có chủ ý khác:

- Printing và Rescanning

- Đánh dấu ảnh đã thủy vân (rewatermarking)

- Collusion: Một số người nhận ủy quyền của hình ảnh nên không thể đến với nhau và giống như các bản khác nhau của thủy vân để tạo ra một bản sao thủy vân ẩn của hình ảnh.

- Giả mạo: Một số người nhận ủy quyền của hình ảnh không nên có thể thông đồng với nhau để tạo thành một bản sao của hình ảnh thủy ấn với watermark nhúng hợp lệ của một người không ở trong nhóm có ý định đóng khung một bên thứ 3.

- Tấn công IBM [27, 28]: Nó không phải là có thể sản xuất một gốc giả mà còn hoạt động tốt như ban đầu và cũng có kết quả trong việc khai thác các watermark như yêu cầu của chủ sở hữu bán đầu giả.

- Các Unzign và Stirmark đã thể hiển thành công đáng kể trong việc loại bỏ dữ liệu nhúng bởi các chương trình thương mại có sẵn.