Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG THỦY VÂN TRONG MÁY ẢNH KỸ THUẬT SỐ

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG THỦY VÂN TRONG MÁY ẢNH KỸ THUẬT SỐ

Tải bản đầy đủ

28

Còn ảnh số là ảnh được hợp thành bởi các phân tử hình ảnh (pixels),
các phân tử hình ảnh này rất nhỏ.
Với máy ảnh kỹ thuật số thì ta có thể xem hình trực tiếp khi vừa chụp
xong, thể hiện qua màn hình LCD nhỏ nằm phía sau máy hoặc có thể nối máy
với màn hình ti vi, máy vi tính, máy phóng .v.v....
Hình ảnh chụp từ máy ảnh KTS được lưu giữ theo một định dạng ngày
càng phổ thông (lưu giữ trên các thẻ nhớ hoặc bộ nhớ trong của máy), khiến
cho người dùng có thể dễ dàng thuyên chuyển các hình ảnh giữa các loại thiết
bị và các phần mềm ứng dụng khác nhau. Ví dụ chèn trực tiếp vào căn bản
(báo, bài học .v.v..), gửi hình ảnh bằng thư điện tử, đưa hình lên web .v.v.v....
Chính vì những yếu tố này mà ảnh số ngày càng được sử dụng rộng rãi,
phổ biến.

4.2. Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi DWT.
Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào
đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác.
Dưới đây là mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản được mô tả theo hai
hình vẽ sau:

Hình 4.1: Lược đồ chung cho quá trình giấu tin.

29

Hình vẽ trên biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Phương tiện chứa bao
gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin ảnh ..., thông tin
giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó như ảnh, logo, đoạn văn
bản,... tuỳ thuộc vào mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu vào
trong phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng, bộ nhúng là những chương trình,
triển khai các thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khoá bí mật
giống như các hệ mã mật cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu được phương tiện
chứa bản tin đã giấu và phân phối sử dụng trên mạng.

Hình 4.2: Lược đồ chung cho quá trình giải mã

Hình vẽ trên chỉ ra các công việc giải mã thông tin đã giấu. Sau
khi nhận được đối tượng phương tiện chứa có giấu thông tin, quá trình giải mã
được thực hiện thông qua một bô giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin
cùng với khoá của quá trình nhúng. Kết quả thu được gồm phương tiện chứa
gốc và thông tin đã giấu. Bước tiếp theo thông tin giấu sẽ được xử lí kiểm
định so sánh với thông tin giấu ban đầu.
Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo
mật thông tin rõ ràng ở hai khía cạnh. Một là bảo mật cho giữ liệu được đem
giấu, hai là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin. Hai khía cạnh
khác nhau này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin.
Khuynh hướng thứ nhất là giấu tin mật. Khuynh hướng này tập trung vào các
kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu được nhiều và quan trọng là người

30

khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không.
Khuynh hướng thứ hai là thuỷ vân số. Khuynh hướng thuỷ vân số đánh giấu
vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc
thông tin. Thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được quan tâm nghiên
cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật dành cho khuynh hướng
này. Mỗi ứng dụng của thuỷ vân có yêu cầu riêng, do đó các kỹ thuật thuỷ
vân cũng có những tính năng khác biệt tương ứng
Trong kỹ thuật giấu tin, thì thuỷ vân ảnh số đang được quan tâm nhiều.
Khi thực hiện thuỷ vân ảnh số thì cần phải có một số tính chất để đánh giá
chất lượng của giải thuật. Các tính chất đó như sau:
Tính vô hình (Imperceptibility): Khi nhúng thuỷ vân vào trong ảnh, thì phải
đưa theo giải thuật thích hợp để người dùng không nhận thấy sự thay đổi đó.
Thuỷ vân phải không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của ảnh. Thông thường
các bit ít nhạy cảm sẽ được ưu tiên dùng để chứa thuỷ vân.
Tính bền vững (Robustness): Tùy vào từng loại ứng dụng mà có thể xem
tính bền vững này bằng nhiều điểm khác nhau, nếu như đối với các ứng dụng
dùng để bảo vệ quyền sở hữu thì thuỷ vân cần phải bền vững qua một số các
tác động ảnh. Nếu như đối với ứng dụng để chống làm giả hoặc chống lại sự
thay đổi trên phương tiện kỹ thuật số thì đòi hỏi thuỷ vân phải huỷ bỏ khi xảy
ra các thao tác này.
Tính không phân chia (Inseparability): Sau khi ảnh chứa thuỷ vân thì rất
khó hoặc không thể phân chia thành 2 thành phần riêng biệt như lúc đầu.
Bảo mật (Security): Sau khi đă đưa thuỷ vân ảnh, thì yêu cầu là chỉ cho phép
những người có quyền sử dụng dụng được chỉnh sửa và phát hiện được thuỷ
vân điều này được thực hiện nhờ vào khóa mã dùng làm khoá trong giải thuật
đưa thuỷ vân vào ảnh số và giải thuật phát hiện ra thuỷ vân trong ảnh số.

31

Thuỷ vân số có ứng dụng rất rộng trong nhiều lĩnh vực, dưới đây sẽ liệt kê
một số ứng dụng chính của thuỷ vân.
Bảo vệ quyền sở hữu (Copyright Protection): đây là ứng dụng cơ bản nhất
của kỹ thuật thủy vân. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác
giả sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình người
chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho
bản quyền sản phẩm. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp
hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để "dán tem bản quyền" vào sản phẩm
này. Việc dán tem hay chính là việc nhúng thủy vân cần phải đảm bảo không
để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật
đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm,
muốn bỏ thủy vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ còn
cách phá huỷ sản phẩm.
Chống nhân bản bất hợp pháp (Copy Protection): Các sản phẩm có chứa
thuỷ vân số biểu hiện cho việc sản phẩm này không được nhân bản, vì nếu
nhân bản sẽ phạm luật. Nhà sản xuất sẽ trang bị cho các phương tiện dùng để
nhân bản (như CD writer…) khả năng phát hiện xem ảnh có chứa thuỷ vân
hay không, nếu có thì sẽ từ chối không nhân bản.
Theo dõi quá trình sử dụng (Tracking): Thuỷ vân số có thể được dùng để
theo dõi quá trình sử dựng của ảnh số. Mỗi bản sao của sản phẩm được chứa
bằng một thuỷ vân duy nhất dùng để xác định người có quyền sử dụng là ai.
Nếu có sự nhân bản bất hợp pháp, thì có thể truy ra người vi phạm nhờ vào
thuỷ vân được chứa bên trong ảnh số.
Chống giả mạo (Tamper Proofing): Thuỷ vân số có thể được dùng để chống
sự giả mạo. Nếu có bất cứ sự thay đổi nào về nội dung của các ảnh số thì thuỷ
vân này sẽ bị huỷ đi. Do đó rất khó làm giả các ảnh số có chứa thuỷ vân.

32

Theo dõi truyền thông (Broadcast Monitoring): Các công ty truyền thông
và quảng cáo có thể dùng kỹ thuật thuỷ vân để quản lý xem có bao nhiêu
khách hàng đã dùng dịch vụ cung cấp.
Truyền tin bí mật (Concealed Communication): Bởi vì thuỷ vân số là một
dạng đặc biệt của việc ẩn dữ liệu nên người ta có thể dùng để truyền các
thông tin bí mật.
Thuỷ vân số là một trong những kỹ thuật giấu dữ liệu hiện đại. Nó
được định nghĩa như là quá trình chèn thông tin vào dữ liệu đa phương tiện
nhưng bảo đảm không cảm thụ được, nghĩa là chỉ làm thay đổi nhỏ dữ liệu
gốc.
Tất cả các phương pháp thuỷ vân đều có chung các khối sau: một hệ
thống nhúng thuỷ vân và một hệ thống khôi phục thuỷ vân.
Thuỷ vân

Dữ liệu
nhúng

Dữ liệu
gốc

Mã cá nhân/
công cộng
Hình 4.3. Sơ đồ nhúng thuỷ vân

Hình 4.3 trình bày quá trình nhúng thuỷ vân tổng quát. Dữ liệu đầu vào
là thuỷ vân, dữ liệu cần nhúng và mã cá nhân hay công cộng. Thuỷ vân có thể
ở bất kì dạng nào như chữ số văn bản hay hình ảnh. Khoá có thể được dùng
để tăng cường tính bảo mật, nghĩa là ngăn chặn những kẻ không có bản quyền

33

khôi phục hay phá hủy thuỷ vân. Các hệ thống thực tế dùng ít nhất là một
khoá, thậm chí kết hợp nhiều khoá. Dữ liệu đầu ra là dữ liệu đã được thuỷ
vân.
Thuỷ vân

Khôi phục
thuỷ vân

Dữ liệu
nhúng

Mã cá nhân/
công cộng
Hình 4. 4. Sơ đồ tách thuỷ vân

Quá trình khôi phục thuỷ vân tổng quát được cho ở Hình 4.4. Các dữ
liệu đầu vào là dữ liệu đã thuỷ vân, khoá và dữ liệu gốc (có thể có hoặc không
tuỳ thuộc vào phương pháp). Dữ liệu đầu ra hoặc là thuỷ vân khôi phục được
hoặc đại lượng nào đó chỉ ra mối tương quan giữa nó và thuỷ vân cho trước ở
đầu vào.
Trong kỹ thuật thuỷ vân thì thông tin nhúng có thể là một chuỗi các ký
tự, hay một hình ảnh nào đó ... Với kiểu thuỷ vân dùng chuỗi các ký tự nhúng
trực tiếp lên ảnh mang một số thông tin thường là những thông tin có liên
quan đến sản phẩm. Tuy nhiên, kiểu này có một hạn chế đó là một bit bị lỗi
thì sẽ làm sai cả ký tự và chỉ cần một phép biến đổi đơn giản cũng có thể làm
cho thuỷ vân bị sai lệch rất nhiều. Ngoài kiểu thuỷ vân dùng chuỗi các ký tự
nhúng trực tiếp, thì kiểu sử dụng ảnh để nhúng sẽ cho ảnh trong ảnh. Khi giải
tin thì một số điểm ảnh có thể bị sai nhưng hình tổng thể sẽ được giữ nguyên.

34

Có nhiều phép biến đổi cho nhúng thuỷ vân, một trong các phép biến
đổi đó là phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc (DWT).
Do đặc tính đa phân giải, sơ đồ mã hoá Wavelets đặc biệt thích hợp cho
các ứng dụng mà tính vô hướng và suy biến đóng vai trò quan trọng. Minh
chứng cho điều này là

phép biến đổi DWT

đã được dùng như một tiêu chuẩn trong

nén JPEG2000. Ngoài ra, tính đa phân giải của Wavelets còn hữu ích trong
việc phân phối thông điệp vào đối tượng bao phủ trong khi vẫn đảm bảo
tính bền vững và chất lượng hiển thị. Do đó, kỹ thuật thuỷ vân ảnh số dùng
DWT làm dự báo sự sống còn của thuỷ vân sau tác động nén có tổn hao
JPEG2000 trong khi vẫn đảm bảo sự suy giảm chất lượng ảnh cho phép. Nói
một cách tổng quát, biến đổi sóng nhỏ thực hiện khai triển tần số - không gian
đa tỉ lệ của một ảnh. Khai triển này tạo ra các hệ số xấp xỉ và các hệ số chi tiết
ngang, dọc và chéo. Quá trình khai triển lại tiếp tục với các hệ số xấp xỉ ở các
mức phân tích cao hơn. Các hệ số xấp xỉ sau cùng chứa thông tin về băng tần
thấp nhất trong khi các hệ số chi tiết chứa thông tin về băng tần cao hơn.
Kỹ thuật thuỷ vân ảnh số được tạo ra từ bộ tạo số giả ngẫu nhiên với một khoá bí mật. Chiều dài của thuỷ vân xác định mức độ thuỷ vân phân vào ảnh.
Trong phần lớn trường hợp, chiều dài thuỷ vân càng lớn thì độ mạnh thuỷ vân đòi hỏi càng nhẹ. Nhưng nói chung, không có chiều dài thuỷ vân thích hợp cho tất
cả các ảnh.

Trong quá trình nhúng

thuỷ vân, chúng ta thực hiện DWT cho ảnh. Một tập các hệ số lớn nhất (có chiều dài bằng chiều

dài thuỷ vân) trong băng tần thích hợp được tách ra và cộng với thuỷ vân. Từ đó có thể thấy rằng các hệ số gốc rất cần thiết cho quá trình tách.

Sau đây là một thuật toán thủy vân sử dụng phép biến đổi DWT do tác
giả đề xuất. Thuật toán này thủy vân một chuỗi bit nhị phân vào một bức ảnh
chủ đa cấp xám. Tuy nhiên có thể dễ dàng mở rộng cho các ảnh màu bằng
cách nhúng thủy vân vào một trong các lớp màu của ảnh.
* Mô tả thuật toán
• Input:

35

− Một ảnh nhỏ hoặc một dãy các bít nhị phân được sử dụng làm thuỷ vân
− Một ảnh F cần nhúng thuỷ vân để bảo vệ bản quyền
− Một khoá bí mật để nhúng và giải thuỷ vân

• Output:
− Một ảnh sau khi thuỷ vân, F’

36



Qui trình nhúng thuỷ vân

Đọc ảnh chủ , thuỷ vân và
khóa bí mật K

Dùng DWT, phân tích ảnh chủ thành 4
băng A1, H1, V1, D1

Đặt khoá K làm giống
và sinh 2 chuỗi giả ngẫu nhiên

Tại những điểm thuỷ vân bằng 0, cộng thêm cho giá
trị tương ứng của băng H1 và V1 một số giả ngẫu
nhiên tương ứng trong hai chuỗi

Tổng hợp ảnh chủ bằng IDWT từ các băng A1, D1
và các băng đã nhúng thuỷ vân H1 và H2

37



Qui trình tìm lại thuỷ vân

Đọc ảnh chủ đã thuỷ vân
Đọc thuỷ vân gốc và khóa K

Phân tích DWT mức 1 cho ảnh chủ đã
thuỷ vân

Đặt khoá K làm giống cho bộ sinh chuỗi
giả ngẫu nhiên

Tính các hệ số đồng tương quan giữa các băng
H1, V1với các dãy số giả ngẫu nhiên

Xác định các bit thuỷ vân thông qua
các hệ số đồng tương quan

38

* Chương trình thực nghiệm trên MATLAB7
♦ Chương trình nhúng thủy vân
%Mục đích: Nhúng thuỷ vân vào ảnh chủ bằng DWT
clear all;
% ghi lai thời gian bắt đầu
tgbd=cputime;
k=2;

% đặt hệ số nhúng

% đọc ảnh chủ
tentep='_Bachtuyet_std_bw.bmp';
anhchu=double(imread(tentep));
% xác định cỡ của ảnh chủ
Mc=size(anhchu,1);
Nc=size(anhchu,2);
% đọc ảnh thuỷ vân và chuyển thành một vector
tentep='_Banquyen.bmp';
thuyvan=double(imread(tentep));
Mm=size(thuyvan,1);
Nm=size(thuyvan,2);
thuyvan_vector=round(reshape(thuyvan,Mm*Nm,1)./256);
% đọc khoá làm trạng thái cho bộ sinh số giả ngẫu nhiên
tentep='_key.bmp';