Luận Văn Nghiên cứu công nghệ watermarking trên ảnh số và ứng dụng

LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc xây dựng và đổi mới của đất nước ta hiện nay, công nghệ
thông tin được xem là một nghành kinh tế mũi nhọn. Tin học hóa đời sống xã hội
đang được nhà nuớc ta quan tâm thực hiện và bước đầu đã gặt hái được nhiều
thành quả to lớn tiến đến mục tiêu 500 triệu USD của ngành phần mềm vào năm
2005.
Một sự kiện đáng lưu ý trong tháng 6 năm 2003 là sự bùng nổ viễn thông
khi Dịch vụ điện thoại internet, Dịch vụ internet băng thông rộng ADSL và mạng
S-fone được Bộ Bưu chính viễn thông chính thức ký quyết định triển khai. Điều
đó cho thấy, cùng với sự bùng nổ của mạng máy tính toàn cầu, mạng internet ở
nước ta giờ đây đã là một phần không thể thiếu trong cuộc sống của người dân
thành thị.
Bên cạnh những lợi ích thiết thực mà mạng máy tinh đem lại, chúng ta cũng
đang đối đầu với những thử thách liên quan đến các vấn đề truyền thông bảo mật
và đặc biệt là vấn đề phân phối các tài liệu đa phương tiện sao cho bảo đảm
quyền sở hữu trí tuệ. Tình trạng sao chép bất hợp pháp, giả mạo các tác phẩm số
hóa gây búc xúc không chỉ riêng các tác giả mà còn cho cả những người làm
pháp luật.
Sau gần 700 năm kể từ khi phát minh watermark trên giấy ra đời ở
Fabriano, Ý [ 3], một khái niệm tương tự áp dụng cho các tài liệu đa phương tiện
đã được đông đảo cộng đồng khoa học quốc tế nghiên cứu và lĩnh vực này thật
sự phát triển mạnh vào những năm cuối của thập niên 90.
Watermarking là một kỹ thuật mới cho phép nhúng thông tin tác giả, gọi là
một watermark, vào các tài liệu số hóa sao cho chất lượng trực quan của tài liệu
không bị ảnh hưởng và khi cần có thể dò lại được watermark đã nhúng nhằm xác
nhận bản quyền.
Watermarking trên ảnh có thể xem là một kỹ thuật ẩn dấu thông tin
(steganography) đặc biệt nhằm đưa các dấu hiệu vào ảnh số. Hai hướng áp dụng
chính của kỹ thuật watermarking trên ảnh là xác nhận (chứng thực) thông tin và
đánh dấu bảo vệ bản quyền.
Hệ thống watermarking được xây dựng chủ yếu trên các kỹ thuật
watermarking. Tuy nhiên, việc lựa chọn các kỹ thuật nào và áp dụng hệ thống
vào ứng dụng cụ thể gì, cũng như cần thiết phải có những công nghệ, thiết bị,
hay một nghi thức gì khác để hỗ trợ hệ thống hoạt động là các vấn đề không kém
phần quan trọng. Ngoài ra khi xây dựng hệ thống phải tính đến các yếu tố khác
như hệ thống được quản lý như thế nào? Được tích hợp vào hệ thống nào khác?
Môi trường ứng dụng? v.v Hiện thực được các hệ thống này sẽ góp phần làm
phát triển các kỹ thuật watermarking và ngược lại.
Trên thực tế, đã có nhiều quốc gia tiên tiến ứng dụng watermaking vào các
hệ thống chứng thực nội dung, bảo vệ bản quyền, kiểm soát sao chép, nhưng đối
với nước ta lĩnh vực này vẫn còn mới mẻ. Chính vì vậy, chúng em đã tập trung
thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ watermarking trên ảnh số và ứng dụng”
với mục tiêu tìm hiểu, thử nghiệm, đánh giá và ứng dụng các phương pháp
watermarking trên ảnh số, trên cơ sở đó, xây dựng một số qui trình công cụ bảo
vệ và xác nhận bản quyền trên ảnh số.
Phần nghiên cứu lý thuyết watermarking, ngoài những nghiên cứu chung về
watermarking, đề tài này sẽ đi sâu vào nghiên cứu những kỹ thuật watermarking
trên ảnh số mới nhất, đó là những kỹ thuật watermarking trên ảnh màu, và những
kỹ thuật watermarking trên miền wavelet rất được quan tâm hiện nay, đặc biệt
phù hợp với xu hướng nén ảnh theo chuẩn mã hóa mới nhất, đó là JPEG2000.
Phần ứng dụng lý thuyết watermarking của đề tài, chúng em phải cài đặt
một số thuật toán watermarking, đồng thời xây dựng một hệ thống dịch vụ
watermarking thực hiện các kỹ thuật watermarking trên ảnh số. Hệ thống này có
thể áp dụng được vào trong việc đáp ứng các nhu cầu như hỗ trợ bảo vệ tác
quyền ảnh số, quản lý việc phân phối các tác phẩm ảnh số của các tác giả, và
giúp xác nhận nội dung ảnh số. Tất cả những nhu cầu này đều là những nhu cầu
bức xúc trong thực tế hiện nay. Một ví dụ nhỏ áp trong lĩnh vực xác nhận (chứng
thực) nội dung ảnh số của hệ thống này là hỗ trợ việc cấp phát bằng cấp bằng
ảnh số.
Ngoài ra, trong quá trình thực hiện đề tài chúng em còn phải nghiên cứu
nhiều vấn đề khác liên quan để thực hiện hệ thống của mình, như các vấn đề về
công nghệ, các vấn đề trong truyền thông mạng, mã hóa thông tin, xử lý ảnh v.v
nhằm phát huy hết những thuận lợi của hệ thống , áp dụng được trong thực tiễn.
Nội dung của luận văn được trình bày bao gồm 10 chương, trong đó, 6
chương đầu trình bày các vấn đề về lý thuyết và 4 chương cuối tập trung vào hệ
thống ứng dụng
Chương 1. Tổng quan về watermarking: Giới thiệu lịch sử phát triển của
watermarking, các tính chất và các lĩnh vực ứng dụng của watermarking.
Chương 2. Các mô hình watermarking: Trình bày các quan điểm khác
nhau khi xem xét một hệ thống watermarking.
Chương 3. Các thuật toán watermarking: Trình bày các tiêu chí phân
loại thuật toán và giới thiệu một số thuật toán minh họa.
Chương 4. Watermarking trên miền wavelet: Trình bày đặc điểm của
biến đổi wavelet và các kỹ thuật watermarking trên miền này.
Chương 5. Watermarking trên ảnh màu: Giới thiệu các phương pháp
tiếp cận và một số thuật toán watermarking cụ thể làm việc trên ảnh màu.
Chương 6. Watermark có độ an toàn cao và tấn công watermark: Giới
thiệu các phương pháp tạo ra một watermark có độ an tòan cao, đồng thời giới
thiệu một số tình huống tấn công watermark và cách giải quyết.
Chương 7. Hệ thống watermarking services system WSS: Giới thiệu ứng
dụng WSS.
Chương 8. Phân tích và thiết kế.
Chương 9. Cài đặt và thử nghiệm.
Chương 10: Tổng kết: Là chương cuối cùng của đề tài nhằm đánh giá các
kết quả đã đạt được cùng với hướng mở rộng trong tương lai.

MỤC LỤC
MỤC LỤC . vii
DANH SÁCH HÌNH xii
DANH SÁCH BẢNG .xv
MỘT SỐ THUẬT NGỮ . xvii
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ WATERMARKING .1
1.1 Lịch sử watermarking .1
1.2 Các tiêu chí cần có của một thuật toán watermarking mạnh mẽ 3
1.2.1 Tính bảo mật . 3
1.2.2 Tính vô hình .4
1.2.3 Tính vô hình đối với thống kê 4
1.2.4 Tỉ lệ bit .4
1.2.5 Quá trình dò đáng tin cậy .5
1.2.6 Tính mạnh mẽ .5
1.2.7 Nhúng nhiều watermark . 6
1.2.8 Blind/non-blind, public/private watermarking .6
1.2.9 Watermarking đọc được và dò được 7
1.2.10 Tính khả đảo và tính thuận nghịch của watermark 8
1.2.11 Tính có thể thay đổi tỉ lệ (scalability) 9
1.3 Các ứng dụng của watermarking 10
1.3.1 Theo dõi phát sóng .10
1.3.2 Nhận ra người chủ sở hữu 12
1.3.3 Bằng chứng về quyền sở hữu .14
1.3.4 Lưu vết giao tác hay dấu vân tay . .15
1.3.5 Xác nhận nội dung 16
1.3.6 Kiểm soát sao chép .18
Chương 2. CÁC MÔ HÌNH WATERMARKING 22
2.1 Mô hình dựa trên quan điểm xem watermarking như một dạng truyền
thông 22
2.1.1 Mô hình cơ bản . 22
2.1.2 Mô hình watermarking theo quan niệm truyền thông với thông tin phụ
ở bộ trung chuyển .24
2.1.3 Mô hình watermarking theo quan niệm truyền thông đa công 25
2.2 Mô hình dựa trên quan điểm hình học 27
2.2.1 Các phân phối và miền trong không gian đa phương tiện .27
2.2.2 Mô hình watermarking trong không gian nhúng 28
Chương 3. CÁC THUẬT TOÁN WATERMARKING .31
3.1 Phân loại .31
3.2 Các thuật toán theo dạng cộng 33
3.2.1 Dẫn nhập 33
3.2.2 Các vấn đề liên quan 36
3.2.3 Ví dụ: thuật toán Cox .39
3.3 Các thuật toán theo dạng lượng tử hóa .40
3.3.1 Dẫn nhập 40
3.3.2 Các vấn đề liên quan 42
3.3.3 Ví dụ: thuật toán Koch .50
Chương 4. WATERMARKING TRÊN MIỀN WAVELET 53
4.1 Dẫn nhập .53
4.2 Biến đổi wavelet .54
4.2.1 Phương pháp .54
4.2.2 Các đặc tính và các lợi thế . .57
4.3 Các thuật toán ví dụ 61
4.3.1 Ví dụ về thuật toán non-blind . 61
4.3.2 Ví dụ về thuật toán blind . .69
Chương 5. WATERMARKING TRÊN ẢNH MÀU 73
5.1 Tổng quan về các thuật toán nhúng watermark trên ảnh màu 73
5.2 Các thuật toán ví dụ 75
5.2.1 Thuật toán nhúng watermark trên kênh xanh da trời (blue) .75
5.2.2 Thuật toán nhúng watermark trên nhiều kênh 78
Chương 6. WATERMARK CÓ ĐỘ AN TOÀN CAO VÀ TẤN
CÔNG WATERMARK . . 81
6.1 Các phương pháp tiếp cận nhằm tạo Watermark có độ an toàn cao .81
6.1.1 Nhúng thừa, nhúng lặp .81
6.1.2 Mã hóa tán phổ . 82
6.1.3 Nhúng trong các hệ số quan trọng cảm nhận được 83
6.1.4 Nhúng trong các hệ số được cho là mạnh mẽ 83
6.1.5 Đảo nhiễu trong bộ dò 84
6.2 Một kiểu tấn công .84
6.2.1 Đặt vấn đề .84
6.2.2 Các cách giải quyết bài toán tác quyền khác nhau của các hệ thống
watermarking khác nhau . 85
Chương 7. HỆ THỐNG WATERMARKING SERVICES
SYSTEM - WSS. 89
7.1 Giới thiệu . .89
7.1.1 Ứng dụng WMServer 89
7.1.2 Ứng dụng WMAppClient . 90
7.1.3 Ứng dụng WMWebClient 91
7.2 Tiêu chuẩn của hệ thống watermarking 91
7.3 Qui trình của hệ thống WSS . 92
7.3.1 Qui trình tổng quát .92
7.3.2 Qui trình hoạt động giữa WMWebClient và WMServer .92
7.3.3 Qui trình hoạt động giữa WMAppClient (Player) và WMServer 93
7.4 Phân tích qui trình của hệ thống WSS 97
7.4.1 Các tiêu chuẩn mà hệ thống đạt được 97
7.4.2 Một số thuận lợi khi sử dụng hệ thống WSS .99
7.5 Phạm vi áp dụng của hệ thống WSS . 100
7.5.1 Tranh chấp bản quyền 100
7.5.2 Phát hiện phân phối bất hợp pháp 101
7.5.3 Chứng thực nội dung 101
7.6 Đánh giá và kết luận .102
Chương 8. Phân tích và thiết kế .103
8.1 Các yêu cầu của hệ thống WSS 103
8.1.1 Yêu cầu chức năng .103
8.1.2 Yêu cầu phi chức năng .105
8.2 Mô hình Use-Case 105
8.2.1 Lược đồ Use-Case 105
8.2.2 Danh sách Actor .106
8.2.3 Danh sách các Use-Case chính 106
8.2.4 Đặc tả các Use-Case chính .108
8.3 Thiết kế lớp và các sơ đồ lớp . .122
8.3.1 Danh sách các lớp chính trong hệ thống 122
8.3.2 Các sơ đồ lớp phân theo ứng dụng .127
8.3.3 Lược đồ tuần tự của một số Use-Case chính 131
8.4 Thiết kế dữ liệu .135
8.4.1 Danh sách các bảng 135
8.4.2 Mối quan hệ giữa các bảng 136
8.4.3 Chi tiết các bảng .136
8.5 Thiết kế giao diện .138
8.5.1 Các giao diện trong hệ thống .138
8.5.2 Mô tả các giao diện chính 139
Chương 9. CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM .152
9.1 Công cụ và môi trường phát triển ứng dụng .152
9.2 Mô hình cài đặt .153
Chương 10. TỔNG KẾT . 155
10.1 Kết luận .155
10.2 Hướng phát triển .156
TÀI LIỆU THAM KHẢO . xvĩi