Luận văn Ứng dụng watermark để bảo vệ dữ liệu trong hệ thống giám sát giao thông

Hiện nay trên thế giới, tại các nước tiên tiến, hệ thống
camera giám sát giao thông đã được ứng dụng vào thực tế nhằm
giảm nguồn nhân lực điều phối giao thông và phát hiện các sai phạm
một cách tự động. Việc xây dựng một hệ thống giám sát mạng giao
thông tự động với khả năng phân tích được các lỗi cơ bản của người
và phương tiện tham gia giao thông, đưa ra các cảnh báo về tình
trạng giao thông hiện tại như mật độ lưu thông trên các tuyến đường,
thống kê các trường hợp vi phạm luật giao thông … tại các thành phố
lớn ở Việt Nam là rất cấp bách. Vì vậy đề tài : « Ứng dụng
watermark để bảo vệ dữ liệu trong hệ thống giám sát giao thông
” có ý nghĩa và ứng dụng thực tế, với mong muốn góp phần xây
dựng một hệ thống cơ sở dữ liệu tối ưu phục vụ cho hệ thống mạng
giao thông và nghiên cứu các phương pháp đánh dấu ảnh, video ứng
dụng vào thực tế trong hệ thống mạng giám sát giao thông.

1. BỘ GIÁO D ỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG



NGUYỄN QUÝ DANH



ỨNG DỤNG WATERMARK ĐỂ
BẢO VỆ DỮ LIỆU TRONG H Ệ THỐNG
GIÁM SÁT GIAO THÔNG


Chuyên ngành: K Ỹ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60.52.70



TÓM T ẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



Đà Nẵng – Năm 2013
https://tailieuhoc.net/

2. Công trình được hoàn thành t ại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG




Người hướng dẫn khoa h ọc: TS NGÔ V ĂN SỸ



Phản biện 1: PGS. TS. Ph ạm Văn Tuấn

Phản biện 2: PGS. TS. Lê Ti ến Thường



Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận
văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào
ngày 02 tháng 06 năm 2013.





Có th ể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - H ọc liệu, Đại học Đà Nẵng https://tailieuhoc.net/

3. 1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay trên th ế giới, tại các n ước tiên ti ến, hệ thống
camera giám sát giao thông đã được ứng dụng vào th ực tế nhằm
giảm nguồn nhân l ực điều phối giao thông và phát hi ện các sai ph ạm
một cách t ự động. Việc xây d ựng một hệ thống giám sát m ạng giao
thông tự động với khả năng phân tích được các lỗi cơ bản của người
và phương tiện tham gia giao thông, đưa ra các c ảnh báo v ề tình
trạng giao thông hi ện tại như mật độ lưu thông trên các tuy ến đường,
thống kê các tr ường hợp vi phạm luật giao thông … t ại các thành ph ố
lớn ở Việt Nam là r ất cấp bách. Vì v ậy đề tài : « Ứng dụng
watermark để bảo vệ dữ liệu trong h ệ thống giám sát giao thông
” có ý ngh ĩa và ứng dụng thực tế, với mong mu ốn góp ph ần xây
dựng một hệ thống cơ sở dữ liệu tối ưu phục vụ cho hệ thống mạng
giao thông và nghiên c ứu các ph ương pháp đánh dấu ảnh, video ứng
dụng vào th ực tế trong h ệ thống mạng giám sát giao thông.
2. Mục đích nghiên c ứu
Nghiên c ứu phương pháp đánh dấu ảnh và video ứng dụng
trong bảo mật cơ sở dữ liệu của hệ thống giám sát giao thông nh ằm
đảm bảo tính xác th ực của ảnh và video.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên c ứu
3.1 Đối tượng nghiên c ứu
- Ảnh tĩnh và video thu nh ận được từ camera giao thông.
- Các ph ương pháp b ảo mật và đánh dấu ảnh trong h ệ thống
lưu trữ.
3.2 Ph ạm vi nghiên c ứu
- Nghiên c ứu lý thuy ết về watermark ảnh số
- Nghiên c ứu lý thuy ết về biến đổi wavelets. https://tailieuhoc.net/

4. 2
- Xây dựng giải thuật watermark ảnh số trong mi ền DWT
- Xây dựng giải thuật watermark video.
- Viết chương trình watermark dùng trong h ệ thống giám sát
giao thông dùng để watermark cho ảnh số và video trong mi ền DWT
4. Phương pháp nghiên c ứu
- Thu th ập tài liệu, phân tích và ch ọn hướng cho đề tài
- So sánh, l ựa chọn phương án đánh dấu ảnh
- So sánh, l ựa chọn phương án đánh dấu cho video.
- V ề thực nghiệm : Xây d ựng thuật toán và vi ết chương trình
thực hiện đánh dấu ảnh và video tr ước khi lưu trữ.
5. Cấu trúc lu ận văn
Ngoài ph ần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 4 chương:
CHƯƠNG 1 : T ỔNG QUAN V Ề WATERMARK
CHƯƠNG 2 : K Ỹ THUẬT WATERMARK VÀ ỨNG
DỤNG CHO ẢNH SỐ
CHƯƠNG 3 : K Ỹ THUẬT WATERMARK VÀ ỨNG
DỤNG CHO CHU ẨN NÉN VIDEO MPEG-2
CHƯƠNG 4 : THU ẬT TOÁN VÀ CH ƯƠNG TRÌNH
6. Tổng quan tài li ệu nghiên c ứu
Tài liệu nghiên c ứu được tham kh ảo là những bài báo, các
luận văn thạc sỹ từ các trường đại học của các qu ốc gia khác trên th ế
giới, cùng v ới các trang web tìm hi ểu.
Tất cả các phần mã ngu ồn này đều do tôi t ự thiết kế và xây
dựng, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thu ật toán
được tác giả xuất bản công khai và mi ễn phí trên internet. https://tailieuhoc.net/

5. 3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN V Ề WATERMARKING
1.1. ĐỊNH NGH ĨA
Watermarking (thu ỷ vân, thu ỷ ấn) là kỹ thuật nhúng m ột
biểu tượng vào trong ảnh môi tr ường để xác định quyền sở hữu ảnh
môi trường, chống sự giả mạo và xuyên t ạc thông tin. Kích th ước của
biểu tượng thường nhỏ (từ vài bit t ới vài ngàn bit). K ỹ thuật này cho
phép đảm bảo nguyên v ẹn biểu tượng khi ảnh môi tr ường bị biến đổi
bởi các phép thao tác nh ư lọc (filtering), nén m ất dữ liệu (lossy
compression), hay các bi ến đổi hình h ọc, .... Tuy nhiên vi ệc đảm bảo
nguyên v ẹn biểu tượng không k ể đến khi có s ự tấn công d ựa trên
việc hiểu rõ thu ật toán và có b ộ giải mã trong tay. Thông tin gi ấu là
một định danh duy nh ất, ví dụ định danh ng ười dùng thì khi đó người
ta gọi là Fingerprinting (nh ận dạng vân tay, điểm chỉ).
Kỹ thuật giấu tin được áp dụng cho các lo ại dữ liệu ảnh,
audio, video. Ch ức năng của giấu tin trong ảnh sẽ khác nhau tu ỳ theo
các hình th ức xâm ph ạm dữ liệu ảnh.
Ảnh bị vi phạm bản quyền: nội dung c ủa ảnh giống với nội
dung ảnh bản quyền nhưng chúng được dùng v ới mục đích mà tác gi ả
không cho phép. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi l ấy cắp
hoặc làm nhái c ần phải có một kỹ thuật để "dán tem b ản quyền" vào
sản phẩm này. Vi ệc dán tem hay chính là vi ệc nhúng thu ỷ vân cần
phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận
sản phẩm. Yêu c ầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thu ỷ vân phải tồn
tại bền vững cùng v ới sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không
được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá hu ỷ sản phẩm.
1.2. LỊCH SỬ WATERMARKING
Từ xa xưa, con ng ười đã biết cách gi ấu các thông tin m ật vào https://tailieuhoc.net/

6. 4
môi trường mang mà không gây được sự chú ý và kh ả năng cảm
nhận của người khác.
Mực không màu là ph ương tiện hữu hiệu cho b ảo mật thông tin
trong m ột thời gian dài. Ng ười Romans c ổ đã biết sử dụng những
chất sẵn có nh ư nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí
mật giữa những hàng v ăn tự thông th ường. Khi b ị hơ nóng, nh ững
thứ mực không nhìn th ấy này tr ở nên sẫm màu và có th ể đọc dễ
dàng.
1.3. MÔ HÌNH CHUNG
1.3.1. Bộ nhúng Watermak
Để thực hiện giấu tin cần xây dựng được các th ủ tục giấu tin.
Các thủ tục này s ẽ thực hiện nhúng thông tin c ần giấu vào môi
trường giấu tin. Các th ủ tục giấu tin thường được thực hiện với một
khóa giống như các hệ mật mã để tăng tính b ảo mật. Sau khi gi ấu tin
ta thu được đối tượng chứa thông tin gi ấu và có th ể phân ph ối đối
tượng đó trên kênh thông tin. Để giải mã thông tin c ần nhận được đối
tượng có ch ứa thông tin đã giấu, sử dụng thủ tục giải mã cùng v ới
khóa đã dung trong quá trình gi ấu để lấy lại thông tin.
Giấu thông tin vào ph ương tiện chứa và tách l ấy thông tin là
hai quá trình trái ng ược nhau và có th ể mô tả qua sơ đồ khối của hệ
thống như hình 1.1 trong đó:
· Thông tin c ần giấu tuỳ theo mục đích của người sử dụng,
nó có th ể là thông điệp (với các tin bí m ật) hay các logo,
hình ảnh bản quyền.
· Phương tiện chứa: các file ảnh, text, audio… là môi
trường để nhúng tin.
· Bộ nhúng thông tin: là nh ững chương trình th ực hiện
việc giấu tin. https://tailieuhoc.net/

7. 5
· Đầu ra: là các ph ương tiện chứa đã có tin gi ấu trong đó.





Hình 1.1 : L ược đồ chung cho quá trình gi ấu tin
1.3.2. Bộ dò tìm Watermark
Thông tin t ừ các phương tiện chứa diễn ra theo quy trình ng ược
lại với đầu ra là các thông tin đã được giấu vào phương tiện chứa.






Hình 1.2: L ược đồ chung cho quá trình gi ải mã
Hình vẽ 1.2 chỉ ra các công vi ệc 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 m ột bộ giải mã tương ứng với bộ
nhúng thông tin cùng v ới khoá c ủa quá trình nhúng. K ết quả thu được
gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Bước tiếp theo thông
tin đã giấu sẽ được xử lý kiểm định so sánh v ới thông tin ban đầu.
1.4. PHÂN LO ẠI
1.4.1. Phân lo ại dựa trên đối tượng giấu tin
a. Giấu tin trong ảnh
Hiện nay gi ấu thông tin trong ảnh là m ột bộ phận chiếm tỉ lệ
Thông tin
Phương tiện
chứa(audio,
ảnh, video)
Bộ nhúng thông
tin
Khóa gi ấu
Phương tiện
chứa đã được
giấu tin
Phân phối
Khóa gi ấu tin
Phương tiện chứa
đã được giấu tin
Bộ giải mã tin
Thông tin gi ấu
Phương tiện
chứa (audio,
ảnh, video)
Kiểm
định https://tailieuhoc.net/

8. 6
lớn nhất trong các ch ương trình ứng dụng giấu tin bởi lượng thông
tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa giấu thông tin trong
ảnh cũng đóng vai trò h ết sức quan tr ọng trong nh ận thực thông tin,
bảo vệ bản quyền tác giả…Chính vì th ế mà vấn đề này nhận được sự
quan tâm r ất lớn của các cá nhân, t ổ chức, trường đại học và nhiều
viện nghiên c ứu trên th ế giới.
Khi gi ấu thông tin trong ảnh, thông tin s ẽ được giấu cùng v ới
dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và gần như khi nhìn
bình thường vào ảnh đó chúng ta không th ể phát hi ện ra rằng đằng
sau ảnh là kh ối thông tin được ẩn trong đó.
Ngày nay khi ảnh số được sử dụng rất phổ biến thì gi ấu
thông tin trong ảnh là m ột công ngh ệ đem lại rất nhiều tác dụng quan
trọng trên nhi ều lĩnh vực trong đời sống xã hội.
b. Giấu tin trong audio
Khác với kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ
thống thị giác thì k ỹ thuật giấu thông tin trong audio l ại phụ thuộc
vào hệ thống thính giác HAS.
Gi ấu thông tin trong audio đòi hỏi yêu cầu rất cao về tính
đồng bộ và tính an toàn c ủa thông tin. Các ph ương pháp gi ấu thông
tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu trong h ệ thống thính giác c ủa
con người.
c. Giấu tin trong video
Cũng như giấu tin trong ảnh hay trong audio gi ấu tin trong
video c ũng được quan tâm và được phát tri ển mạnh mẽ cho nhiều
ứng dụng như điều khiển truy c ập thông tin, nh ận thực thông tin và
bảo vệ bản quyền tác gi ả. Kỹ thuật giấu thông tin trong video áp
dụng cả những đặc điểm về thị giác và thính giác c ủa con người.
d. Giấu tin trong v ăn bản dạng text https://tailieuhoc.net/

9. 7
Giấu tin trong v ăn bản dạng text khó th ực hiện hơn do đó ít
các thông tin d ư thừa, để làm được điều này ng ười ta phải khéo léo
khai thác các d ư thừa tự nhiên c ủa ngôn ng ữ. Một cách khác là t ận
dụng các định dạng văn bản (mã hoá thông tin vào kho ảng cách gi ữa
các từ hay các dòng v ăn bản).
Kỹ thuật giấu tin đang được áp dụng cho nhi ều loại đối
tượng chứ không riêng gì d ữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio,
video. G ần đây đã có một số nghiên c ứu giấu tin trong c ơ sở dữ liệu
quan hệ, các gói IP truy ền trên m ạng chắc chắn sau này còn ti ếp tục
phát triển tiếp cho các môi tr ường dữ liệu số khác.
1.4.2. Phân lo ại theo cách th ức tác động lên các ph ương tiện
Phương pháp chèn d ữ liệu: Phương pháp này tìm các v ị trí
trong file d ễ bị bỏ qua và chèn d ữ liệu cần giấu vào đó, cách gi ấu này
không làm ảnh hưởng gì tới sự thể hiện các file d ữ liệu ví dụ như
được giấu sau các ký t ự EOF.
Ph ương pháp t ạo các ph ương tiện chứa: Từ các thông điệp
cần chuyển sẽ tạo ra các ph ương tiện chứa để phục vụ cho vi ệc
truyền thông tin đó, từ phía ng ười nhận dựa trên các ph ương tiện
chứa này sẽ tái tạo lại các thông điệp.
1.4.3. Phân lo ại theo các m ục đích sử dụng
- Giấu thông tin bí m ật: đây là ứng dụng phổ biến nhất từ
trước đến nay, đối với giấu thông tin bí m ật người ta quan tâm ch ủ
yếu tới các mục tiêu: độ an toàn, l ượng thông tin và độ bí mật.
- Giấu thông tin thu ỷ vân: do yêu c ầu bảo vệ bản quyền, xác
thực… nên gi ấu tin thu ỷ vân có yêu c ầu khác v ới giấu tin bí m ật.
Yêu cầu đầu tiên là các d ấu hiệu thuỷ vân đủ bền vững trước các tấn
công vô hình hay c ố ý gỡ bỏ nó. https://tailieuhoc.net/

10. 8
Tu ỳ theo các m ục đích khác nhau nh ư bảo vệ bản quyền,
chống xuyên t ạc nội dung, nh ận thực thông tin,… thu ỷ vân cũng có
các yêu cầu khác nhau.
Theo s ơ đồ hình 1.3, gi ấu tin được chia thành hai h ướng
chính là gi ấu tin mật và thủy vân số.











Hình 1.3 : Phân lo ại các kỹ thuật giấu tin.
1.5. CÁC TIÊU CHÍ C ẦN CÓ C ỦA MỘT WATERMARKING
MẠNH MẼ
Tùy thu ộc vào t ừng ứng dụng, kỹ thuật watermarking có
những đòi hỏi khác nhau. Tuy nhiên có m ột số yêu cầu chung mà mà
hầu hết các ứng dụng thực tế phải đạt được.
1.5.1. Tính bảo mật
Giống như trong l ĩnh vực mã hóa, tính hi ệu quả của một
thuật toán không th ể dựa vào gi ả định là các k ẻ tấn công không bi ết
cách mà watermark được nhúng vào tài li ệu đa phương tiện. Tuy
nhiên, gi ả định đó lại được dùng để đánh giá độ an toàn c ủa các sản
phẩm thương mại sử dụng watermarking có giá tr ị trên thị trường. Vì
Robust Watermarking
Thuỷ vân bền vững
Fragile Watermarking
Thuỷ vân dễ vỡ
Information hiding
Giấu thông tin
Watermarking
Visible Watermarking
Thuỷ vân hiển thị
Steganography
Giấu tin mật
Imperceptible Watermarking
Thuỷ vân ẩn https://tailieuhoc.net/

11. 9
vậy, với một ứng dụng watermarking, m ột khi bi ết được cách làm
việc của bộ nhúng và b ộ dò, việc làm cho watermark không đọc
được thường rất dễ dàng. H ơn nữa, một số kỹ thuật sử dụng dữ liệu
gốc trong quy trình dò và th ường thì các gi ải pháp lo ại này không
khả thi trong th ực tế.
1.5.2. Tính vô hình
Những nhà nghiên c ứu gần đây đã cố nhúng nh ững
watermark b ằng cách sao cho nó không th ể nhận ra được. Tuy nhiên,
yêu cầu này mâu thu ẫn với các yêu c ầu khác ch ẳng hạn sức chịu
đựng và độ an toàn ch ống sự bền vững chống được giả mạo đặc biệt
là các thu ật toán nén có m ất thông tin.
1.5.3. Tính vô hình đối với thống kê
Watermark không th ể dò được bằng phương pháp th ống kê.
Ví dụ nhiều tác ph ẩm kỹ thuật số đã được nhúng cùng m ột
watermark sao cho khi th ực hiện tấn công d ựa trên th ống kê thì
không tài nào trích được watermark.
1.5.4. Tỉ lệ bit
Tùy thu ộc vào ứng dụng, thuật toán watermark có th ể cho
phép m ột số lượng bit c ần ẩn được định nghĩa trước. Không t ồn tại
các quy t ắc chung nh ưng đối với ảnh thì tối thiểu 300 - 400 bit.
1.5.5. Quá trình dò đáng tin c ậy
Thậm chí khi không có các t ấn công c ũng như các biến dạng
tín hiệu, khả năng không dò được watermark đã nhúng ho ặc dò sai
watermark ph ải rất nhỏ.
1.5.6. Tính mạnh mẽ
Việc sử dụng các tín hi ệu âm nh ạc, hình ảnh và phim d ưới
dạng kỹ thuật số thông th ường có liên quan t ới nhiều kiểu biến dạng,
chẳng hạn như nén có m ất thông tin, hay trong tr ường hợp ảnh là các https://tailieuhoc.net/

12. 10
phép lọc, định lại kích th ước, cải tiến độ tương phản, phép quay…
Để watermarking h ữu ích, watermark ph ải dò được ngay khi c ả các
biến dạng xảy ra.
1.5.7. Nhúng nhiều watermark
Cần phải cho phép nhúng m ột tập hợp các watermark khác
nhau trong cùng m ột ảnh bằng cách sao cho m ỗi watermark có th ể dò
được bởi người dùng được cấp quyền. Đặc trưng này r ất hữu dụng
trong các ứng dụng dấu vân tay, trong đó thuộc tính tác quy ền được
truyền từ người sở hữu tác ph ẩm đến các tác ph ẩm khác. H ơn nữa,
chúng ta có th ể ngăn chặn người khác th ực hiện watermarking cho
một tác phẩm đã được đóng dấu.
1.5.8. Watermarking đọc được và dò được
Một watermark mà có th ể dò được nếu nội dung c ủa nó được
biết trước gọi là một watermark dò được. Ngược lại, các kỹ thuật cho
phép watermark đọc được ngay khi n ội dung c ủa nó bỏ qua thì g ọi là
watermark đọc được. Dĩ nhiên, tính ch ất đọc được và dò được của
watermark ảnh hưởng nhiều đến cách mà nó được sử dụng trong các
ứng dụng thực tế.
1.5.9. Tính có th ể thay đổi tỉ lệ (scalability)
Các yêu c ầu tính toán ràng bu ộc một watermark ph ải đơn giản,
nhưng sự đơn giản này có th ể giảm trầm trọng tính ch ịu đựng giả mạo.
1.6. CÁC ỨNG DỤNG CỦA WATERMARKING
Các ứng dụng bao gồm:
Ø Bảo vệ quyền sở hữu (Copyright Protection).
Ø Nhận thực thông tin và phát hi ện xuyên t ạc thông tin
(authentication and tamper detection).
Ø Giấu vân tay hay dán nhãn (fingerprinting and labeling).
Ø Điều khiển truy c ập (copy control). https://tailieuhoc.net/

13. 11
Ø Chống nhân bản bất hợp pháp (Copy Protection).
Ø Theo dõi quá trình s ử dụng (Tracking).
Ø Chống giả mạo (Tamper Proofing).
Ø Theo dõi truy ền thông (Broadcast Monitoring).
Ø Truyền tin bí m ật (Concealed Communication).
1.6.1. Bảo vệ quyền sở hữu
Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số. Một
thông tin nào đó mang ý ngh ĩa quyền sở hữu tác gi ả (logo nh ận
dạng) sẽ được nhúng vào trong các s ản phẩm, thuỷ vân đó chỉ một
mình ng ười chủ sở hữu hợp pháp các s ản phẩm đó có và được dùng
làm minh ch ứng cho b ản quyền sản phẩm bằng cách dán tem lên s ản
phẩm. Việc này cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn
nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu c ầu kỹ thuật đối với ứng dụng
này là thu ỷ vân ph ải tồn tại bền vững cùng v ới sản phẩm, muốn bỏ
thuỷ vân này mà không được phép c ủa người chủ sở hữu thì ch ỉ còn
cách là phá hu ỷ sản phẩm.
1.6.2. Nhận thực thông tin và phát hi ện xuyên tạc thông tin
Thông tin s ẽ được giấu trong ph ương tiện chứa sau đó được
sử dụng để nhận biết xem d ữ liệu trên ph ương tiện gốc đó có bị thay
đổi hay không. Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong mu ốn tìm
được vị trí bị xuyên t ạc cũng như phân bi ệt được các thay đổi. Yêu
cầu chung đối với ứng dụng này là kh ả năng giấu thông tin cao và
thuỷ vân không c ần bền vững.
1.6.3. Giấu vân tay hay dán nhãn
Thuỷ vân trong nh ững ứng dụng này đựơc sử dụng để nhận
diện người gửi hay ng ười nhận của một thông tin nào đó. Ví dụ như
các vân khác nhau s ẽ được nhúng vào các b ản copy khác nhau c ủa
thông tin g ốc trước khi chuy ển cho nhiều người. https://tailieuhoc.net/

14. 12
1.6.4. Điều khiển truy cập
Các thu ỷ vân trong nh ững trường hợp này được sử dụng để
điều khiển truy c ập đối với các thông tin. Các thi ết bị phát hi ện ra
thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các h ệ thống đọc ghi. Ví d ụ
như hệ thống quản lí sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật. Các
ứng dụng loại này cũng yêu c ầu thuỷ vân phải được bảo đảm an toàn
và cũng sử dụng phương pháp phát hi ện thuỷ vân đã giấu mà không
cần thông tin g ốc.
1.6.5. Chống nhân bản bất hợp pháp
Các ứng dụng đã đề cập ở trên hầu hết có tác dụng sau khi có
ai đó làm sai. Mã hóa c ũng có th ể dùng để cài đặt cho ứng dụng dạng
này. Tài li ệu được mã hóa v ới một khóa duy nh ất, nếu không có khóa
thì không dùng được.
1.6.6. Theo dõi quá trình s ử dụng
Watermark l ưu lại một hay nhi ều giao d ịch đã xảy ra trong
những lần sao chép tác ph ẩm đã có nhúng watermark.
1.6.7. Chống giả mạo
Digital watermark có th ể được dùng để chống sự giả mạo.
Nếu có bất cứ sự thay đổi nào về nội dung c ủa các digital media thì
watermark này s ẽ bị huỷ đi. Do đó rất khó làm gi ả các digital media
có chứa watermark.
1.6.8. Theo dõi truy ền thông
Các công ty truy ền thông và qu ảng cáo có th ể dùng k ỹ thuật
digital watermark để quản lý xem có bao nhiêu khách hàng đã dùng
dịch vụ cung cấp.
1.6.9. Truyền tin bí m ật
Bởi vì digital watermark là m ột dạng đặc biệt của việc che
dấu dữ liệu (steganography) nên ng ười ta có th ể dùng để truyền các
thông tin bí m ật. https://tailieuhoc.net/

15. 13
CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT WATERMARK VÀ ỨNG DỤNG CHO ẢNH SỐ
2.1 TỔNG QUAN V Ề WATERMARK CHO ẢNH SỐ
Hiện nay trên th ế giới có kho ảng trên 50 khuôn d ạng ảnh
thông d ụng như: BITMAP, PNG, EMF, GIF, ICO, IMG, JNG, JPEG,
Sau đây ta sẽ tìm hiểu một số định dạng ảnh hay
2.1.1 Định dạng ảnh BMP
Trong đồ họa máy tính BMP còn được biết đến với tên
Windows bitmap, là m ột định tập tin hình ảnh phổ biến..
2.1.2 Định dạng ảnh GIF
Ảnh GIF (Graphics Interchange Format) là m ột định dạng
tập tin hình ảnh bitmap cho các hình ảnh dùng ít h ơn 256 màu s ắc.
2.1.3 Định dạng ảnh TIFF
Đây là m ột định dạng ảnh màu được thiết kế nhằm làm nh ẹ
bớt các vấn đề liên quan đến việc mở rộng tệp ảnh cố định.
2.1.4 Định dạng ảnh JPEG
Đây cũng là m ột định dạng ảnh phổ biến được sử dụng,
nhưng đặc điểm của loại ảnh này là đây là loại ảnh nén. Tuy nhiên
nó được hỗ trợ trên nhiều trình duyệt.
2.1.5 Định dạng ảnh PNG
PNG (Portable Network Graphics ) là định dạng hình ảnh sử
dụng phương pháp nén d ữ liệu mới - không làm m ất đi dữ liệu gốc.
Định dạng ảnh PNG được các nhà thi ết kế đồ họa web coi
như một lựa chọn hàng đầu, bởi những tính năng mạnh mẽ của nó:
giảm thiểu dung l ượng: ảnh PNG có d ụng lượng nhỏ,… điều này rất
quan trọng khi s ử dụng PNG trong môi tr ường web và c ũng chính là
hướng nghiên c ứu của luận văn. https://tailieuhoc.net/

16. 14
2.2 CÁC PH ƯƠNG PHÁP ĐÁNH D ẤU WATERMARK CHO
ẢNH SỐ
2.2.1 Định hướng watermark cho ảnh số
Hiện nay có nhi ều hướng tiếp cận phương pháp watermark
cho ảnh số như
· Hướng tiếp cận theo mi ền không gian ảnh (Spatial
Domain):
Nhóm k ỹ thuật này tập trung vào vi ệc thay đổi trực tiếp lên
không gian các điểm ảnh và sử dụng các mô hình tri giác và ph ương
pháp hình h ọc.
· Hướng tiếp cận theo mi ền tần số (Frequency
Domain):
Đây là nhóm k ỹ thuật sử dụng một phương pháp bi ến đổi
trực giao nào đó, chẳng hạn Fourier r ời rạc, Cosine r ời rạc, hay
Wavelet r ời rạc, … để chuyển miền không gian sang mi ền tần số
theo kỹ thuật trải phổ trong truy ền thông. Đây là kỹ thuật phổ biến
nhất với nhiều thuật toán và được hứa hẹn là một phương pháp t ốt
giải quyết vấn đề đảm bảo hai thu ộc tính quan tr ọng (tính ẩn và tính
bền vững) của thủy vân khi gi ấu.
2.2.2 Kỹ thuật thủy vân trên mi ền không gian ảnh
Watermark trong mi ền không gian tín hi ệu được khảo sát
bằng cách r ời rạc trực tiếp. Có hai ph ương pháp điển hình là ph ương
pháp tách bit có tr ọng số ít quan tr ọng nhất (LSB - Least Significant
Bit) và ph ương pháp s ử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên. C ả hai phương
pháp này đều tác động trực tiếp lên mi ền không gian c ủa ảnh.
2.2.3 Kỹ thuật thủy vân dùng phép bi ến đổi DCT
Kỹ thuật watermark dùng phép bi ến đổi DCT th ường chia
ảnh gốc thành các kh ối, thực hiện biến đổi DCT v ới từng khối ảnh https://tailieuhoc.net/

17. 15
gốc để được miền tần số thấp, miền tần số giữa và miền tần số cao.
()
() () ()
()
11
1
1
..,
,
w
DCTB αDCTWDCTB
DCTB
DCTB
+
=
ì
í
î
víi mäi hÖ sè trõ gi¸ trÞ DC

chØ víi gi¸ trÞ DC

Trong đó, B1w là tín hiệu đã được watermark c ủa B1.
Phương pháp b ền vững dưới sự thay đổi khác nhau c ủa ảnh
nên kỹ thuật này áp d ụng trong thi ết bị xác nh ận, chống lại nén
JPEG.
2.2.4 Kỹ thuật thủy vân dùng bi ến đổi Wavelet
a. Lý do dùng phân tích wavelet
Ta nhận thấy rằng các đặc trưng trong mi ền biến đổi wavelet
là khá phù h ợp với mặt nạ vì nó tập trung c ả trong mi ền thời gian và
miền tần số. Bên cạnh đó biến đổi wavelet phù h ợp với mô hình đa
kênh của hệ thống nhìn c ủa con người (HVS).
b. Watermark dùng phân tích wavelet
Kỹ thuật watermark c ơ bản sử dụng phép bi ến đổi DWT
thường phân tích ảnh gốc thành b ốn băng tần số khác LL1, LH1,
HL1, HH1 b ằng cách s ắp xếp các bộ lọc băng con. Để tạo thêm được
các hệ số wavelet, b ăng con LL1 l ại tiếp tục được phân tích ti ếp.
Quá trình này được lặp lại cho đến khi có được kết quả mong mu ốn
nhằm phù hợp với từng ứng dụng. Sau đó nhúng thông tin watermark
vào một hoặc một số wavelet b ăng con với các hệ số khác nhau.
Quá trình nhúng
Để sắp xếp trọng số watermark vào các h ệ số wavelet có
biên độ lớn, ta dùng m ột trong hai quan h ệ theo hai ph ương trình sau
đối với các hệ số của ảnh gốc y và y’, n ơi chứa watermark .
[][] []',,.,(*)ymnymn αNmn=+
hoặc
[][] []( )',,1.,(**)ymnymn αNmn=+ https://tailieuhoc.net/

18. 16
Giữa (*) và (**) v ề mặt toán h ọc khác nhau nh ưng lại có
cùng mục đích là đặt nhiều trọng số watermark được cộng vào các hệ
số wavelet có giá tr ị cao. Cu ối cùng bi ến đổi wavelet ng ược hai
chiều để tạo lại ảnh đã nhúng watermark y’.
Quá trình trích
Tại đầu cuối của kênh truy ền, một bộ giải mã được dùng để
trích thông tin watermark t ừ ảnh thu được. Dựa trên ảnh watermark
đề xuất, thuật toán phát hi ện watermark b ằng cách so sánh các h ệ số
DWT c ủa ảnh thu được so với DWT c ủa ảnh gốc (không nhúng
watermark) và kích th ước của bản tin nhúng.
c. Watermarking dùng bi ến đổi Wavelets
Trong ph ương pháp này ảnh gốc là ảnh màu được tách thành
3 kênh màu Lab, sau đó kênh L được phân tích thành các h ệ số
wavelet. V ới ảnh watermark, các kênh Lab được liên k ết thành ảnh
kênh đơn 3 chiều và cũng được phân tích thành có h ệ số wavelet v ới
cùng tỉ lệ phân tích. Các h ệ số watermark được cộng vào trong các
hệ số của ảnh gốc tương ứng với các b ăng con. D ựa trên ảnh
watermark đề xuất, thuật toán phát hi ện watermark b ằng cách so
sánh các h ệ số DWT c ủa ảnh thu được so với DWT c ủa ảnh gốc
(không watermark).
2.3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN WATERMARK ĐỐI VỚI ẢNH
SỐ
Thu ật toán watermarking được thực hiện bằng ngôn ng ữ
Matlab.
2.3.1 Hệ thống giám sát giao thông
- Hệ thống thu nhận ảnh bao gồm các camera, máy quay. https://tailieuhoc.net/

19. 17
- Hệ thống phân tích x ử lý và c ảnh báo là các máy tính s ử
dụng chương trình được viết riêng cho h ệ thống, tuỳ theo cấu hình
của máy tính mà có th ể giám sát 1 ho ặc nhiều camera.
- Hệ thống lưu trữ được xây dựng nhằm lưu giữ toàn bộ các
sai phạm và tình tr ạng giao thông theo yêu c ầu của người quản trị hệ
thống.
2.3.2 Lưu đồ giải thuật.
Ý tưởng chung c ủa đề tài là trên c ơ sở hình ảnh thu nh ận
được từ camera, sau khi được xử lý, bắt lỗi vi phạm thì được đánh
dấu watermark. Watermark ở đây bao g ồm cả watermark hi ện và
wartermark ẩn..
a. Quá trình nhúng watermark hi ện.



b. Quá trình nhúng watermark ẩn











Ảnh thu nhận từ
camera sau khi
xử lý vi phạm
Chèn thông tin
vi phạm và
thông tin
Lưu trữ
Ảnh gốc
Tách Lab, l ựa chọn
thành ph ần màu
phù hợp
DWT
Mức băng con Lựa chọn các hệ số
nhúng
Nhúng
IDWT
Gộp Lab
Ảnh đã nhúng
watermark
Thành ph ần a,b https://tailieuhoc.net/

20. 18

Ở phần watermark ẩn ảnh số khai thác đặc tính đa phân gi ải
của biến đổi wavelets để thực hiện nhúng và trích watermark. Và
thực hiện với định dạng ảnh màu. Trong l ưu đồ giải thuật nhúng
watermark, chu ỗi bit nhúng là m ột ảnh màu có kích th ước m x n t ạo
ra một chuỗi bit nhúng có m*n giá tr ị. Ảnh gốc sẽ được biến đổi sang
miền wavelet. Sau đó, N hệ số lớn nhất trong b ăng tần được chọn để
nhúng s ẽ được cộng với watermark. D ữ liệu sau khi c ộng sẽ được
biến đổi wavelets ng ược và được làm tròn giá tr ị theo định dạng
pixel ảnh tạo ra ảnh sau watermarking.
c. Quá trình trích watermark
Trong l ưu đồ giải thuật trích watermark, ảnh sau watermark
(có thể bị tấn công ho ặc không) được biến đổi sang mi ền wavelets,
xác định lại vị trí của N hệ số lớn nhất trong b ăng tần được chọn để
nhúng c ủa ảnh gốc, sau đó đưa qua b ộ trừ để trích ra watermark
trong ảnh sau watermark.
2.3.3 Các b ước thực hiện.
Dựa vào l ưu đồ giải thuật, viết chương trình mô ph ỏng
nhúng và trích watermark b ằng ngôn ng ữ Matlab v ới đối tượng
nhúng là ảnh màu.
Khảo sát quá trình watermark trong điều kiện lý tưởng
(nghĩa là chưa bị tấn công).
https://tailieuhoc.net/

21. 19
CHƯƠNG 3
KỸ THUẬT WATERMARK VÀ
ỨNG DỤNG CHO CHU ẨN NÉN MPEG- 2
3.1 TỔNG QUAN V Ề WATERMARK CHO VIDEO
Ý tưởng chung c ủa watermark là nhúng m ột vài dữ liệu mở
rộng vào trong m ột tập tin video
Có 2 ph ương pháp được sử dụng để watermark cho video là
watermark các khung hình tr ước trước khi xếp thành chu ỗi video và
watermark trong lúc x ếp chuỗi video.










Hình 3.1: Watermark tr ước khi nén (a) và trong khi nén (b) thành
chuẩn video
3.2 CÁC CHU ẨN NÉN VIDEO
Video hay còn g ọi là chu ỗi ảnh (Image Sequence) t ượng
trưng cho thông tin hình ảnh. Đó là một chuỗi các hình ảnh truyền
liên tục theo th ời gian. S = f(x,y,t)
Trong đó:
x, y Î R: là tọa độ của điểm ảnh (thông tin v ề không gian)
t Î R: thông tin v ề thời gian
a
b
Các
khung
video
Watermark
Nén
video
Luồng video
Các
khung
video
Watermark
Luồng video
Nén video https://tailieuhoc.net/

22. 20

3.2.1. Khái ni ệm về video tu ần tự
· Tín hiệu video tu ần tự được xem là tín hi ệu điện 1 chiều theo
thời gian f(t) và được lấy mẫu theo chi ều dọc. Việc lấy mẫu
theo chu k ỳ này gọi là quét (scanning). Các ph ương pháp
quét th ường sử dụng nhất là quét liên t ục (Progressive
Scanning) và quét xen k ẽ (Interlace Scanning)
· Các chuẩn video t ương tự: NTCS, PALL..
3.2.2. Khái ni ệm về video s ố
· Tín hiệu video s ố: Được lưu trữ dưới dạng số. Do đó chúng
được lấy mẫu và lượng tử hóa.
· Các chuẩn video số: H261, H262, Mpeg 2, Mpeg4
3.2.3 Tổng quan các chu ẩn nén video s ố
3.2.4 Dòng H.26x
a. Chuẩn H.261
b. Chuẩn H.263
c. Chuẩn H.264/AVC
3.2.5 Dòng MPEG
a. Chuẩn MPEG – 1
b. Chuẩn MPEG – 2
MPEG-2 còn được gọi là ISO/IEC–13818, được mở rộng
dựa trên chu ẩn MPEG-1 để phục vụ việc nén dữ liệu video. Các ứng
dụng sử dụng MPEG–2 bao g ồm truyền hình k ỹ thuật số (SDTV),
truyền hình theo yêu c ầu (VOD) và đĩa DVD.
c. Chuẩn MPEG – 4
Ưu điểm lớn nhất của MPEG-4 là vi ệc lưu trữ và xử lý dữ
liệu âm thanh và hình ảnh trên c ơ sở hướng đối tượng, điều này làm https://tailieuhoc.net/

23. 21
tăng khả năng tương tác và hi ệu chỉnh cho các ch ương trình truy ền
hình cũng như các ứng dụng đa phương tiện.
3.3 CHU ẨN NÉN MPEG-2
Chuẩn MPEG là m ột chuẩn thông d ụng. Đã được sử dụng
rộng rãi trong h ơn một thập kỉ qua và được áp dụng rộng rãi trong
truyền hình k ỹ thuật số. Tuy nhiên, kích th ước file lớn so với những
chuẩn mới xuất hiện gần đây, và có th ể gây khó kh ăn cho vi ệc truyền
dữ liệu.
3.4 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TH ỰC HIỆN
Với dữ liệu đầu vào quá l ớn nên vi ệc thực hiện watermark
cho toàn b ộ file video là không c ần thiết và chiếm nhiều tài nguyên
hệ thống nên tác gi ả đề xuất chỉ watermark ẩn đối với các frame có
thông số đặc biệt như số thứ tự frame chia h ết cho 7. Nh ư vậy khối
lượng tính toán được giảm đi 7 lần và tạo một khoá đặc biệt dùng để
nhận dạng watermark.
Bên cạnh đó, các frame v ẫn được đánh dấu nhãn nh ằm thể
hiện bản quyền tác giả đối với file video.
3.4.1 Tổng hợp các khung hình
Các khung hình t ương tự được tổng hợp từ thiết bị thu nhận
hình ảnh (camera đặt tại các vị trí cần thu) ho ặc từ file video sau khi
qua xử lý sai ph ạm được lấy mẫu với tốc độ khung hình ổn định là
30fps nh ằm mục đích ổn định cho đầu ra nén video
Việc tính toán s ố lượng khung hình nh ằm cấp phát dung
lượng bộ nhớ đệm cho hệ thống nhằm mục đích chuyển về đúng định
dạng của bài toán yêu c ầu. Như vậy sau quá trình x ử lý đầu vào ta đã
có tập ảnh tĩnh cần được watermark.
3.4.2 Th ực hiện watermark cho t ừng ảnh.
Các ảnh tĩnh được thực hiện watermark tr ước khi đưa vào https://tailieuhoc.net/

24. 22
nén video. Các b ước thực hiện watermark được thực hiện như
chương 2. Ở đây sử dụng phương pháp watermark hi ện nhằm thể
hiện bản quyền tác giả đối với file video.
Khi đó, mỗi khung hình được ký hi ệu là C và watermark
được ký hiệu là W thì:
CW(i ,j)= C(i,j) + W(m,n)
3.4.3. Th ực hiện nén video
Các ảnh tĩnh sau khi được watermark s ẽ được đưa vào nén
video theo chu ẩn nén mpeg-2. Ở đây chỉ thực hiện nén hình ảnh thu
nhận được nên trong lu ận văn này không mô t ả đến phần âm thanh
của chuẩn nén.
3.4.4. K ết quả
Với nguồn thu trực tiếp từ camera, vi ệc wartermark cho t ừng
khung video được thực hiện gần như tức thời. Các khung hình được
watermark hi ện được thể hiện như hình b ằng cách c ộng thêm m ột
lớp thể hiện hình ảnh chồng lớp lên hình chính. https://tailieuhoc.net/

25. 23
CHƯƠNG 4
THUẬT TOÁN VÀ CH ƯƠNG TRÌNH
Ch ương trình được viết bằng ngôn ng ữ Matlab s ử dụng các
hàm biến đổi walet nh ằm thực hiện watermark cho ảnh và video. V ới
các đầu vào đã được cung c ấp từ hệ thống xử lý và phát hi ện sai
phạm.
Ch ương trình đã thoả mãn được các tiêu chí đề ra nhằm bảo
vệ dữ liệu trong h ệ thống giám sát giao thông, xác định bản quyền
của tác giả đối với nguồn sở hữu trí tuệ.
Giao di ện chính c ủa chương trình nh ư hình:


Giao diện chính
https://tailieuhoc.net/

26. 24
KẾT LUẬN VÀ H ƯỚNG PHÁT TRI ỂN
KẾT LUẬN
Nhiều phương pháp gi ấu thông tin đã và đang được nghiên
cứu, mỗi phương pháp có nh ững ưu điểm, nhược điểm và các ứng
dụng khác nhau. Ph ương pháp s ử dụng các bít tr ọng số nhỏ đơn giản
tuy nhiên thông tin gi ấu không b ền vững trước nhiều hình th ức tấn
công. Ph ương pháp s ử dụng các h ệ số biến đổi (chẳng hạn biến đổi
từ miền không gian sang mi ền tần số như DFT, DCT, hay
wavelets,...) nói chung có tính b ền vững cao, tuy nhiên khá ph ức tạp
trong cài đặt.
Nội dung lu ận văn đã đề cập đến phương pháp watermark
trong mi ền biến đổi wavelets cho c ả định dạng ảnh số và video. Sau
thời gian th ực hiện, luận văn đạt đã hoàn thành các công vi ệc sau:
- Nghiên c ứu các ph ương pháp, nguyên lý và k ỹ thuật
watermark cho ảnh số.
- Nghiên c ứu kỹ thuật biến đổi wavelets r ời rạc, kỹ thuật
nhúng và trích watermark trong mi ền DWT.
- Tìm hiểu các chu ẩn video không nén.
- Tìm hi ểu các kỹ thuật nhúng, trích watermark cho các định
dạng AVI có nén và không nén.
- Phần thực nghiệm, đã xây d ựng các thu ật toán và s ử dụng
phần mềm mô phỏng Matlab để viết chương trình th ực hiện nhúng và
trích watermark cho ảnh số và video.
HƯỚNG PHÁT TRI ỂN
Việc thực hiện thành công nhúng, trích watermark trong
miền DWT m ở ra nhiều hướng nghiên c ứu mới tiếp theo:
- Việc thực hiện nhúng, trích d ữ liệu mới được thực hiện
trong các định dạng ảnh tĩnh và video, nên có th ể tiếp tục nghiên c ứu
cho các định dạng audio và các định dạng khác.
- Nghiên c ứu, xây d ựng các ph ương pháp watermark khác. https://tailieuhoc.net/