Tài liệu Nghiên cứu thuật toán và ứng dụng phương pháp nhúng thông tin vào ảnh số dựa trên ica (independent component analysis)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN XUÂN TÙNG Nghiên cứu thuật toán và ứng dụng phương pháp nhúng thông tin vào ảnh số dựa trên ICA (Independent Component Analysis) LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN XUÂN TÙNG Nghiên cứu thuật toán và ứng dụng phương pháp nhúng thông tin vào ảnh số dựa trên ICA (Independent Component Analysis) Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số: 48 60 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI THẾ DUY Hà Nội - 2011 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... 1 MỤC LỤC .................................................................................................................. 2 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... 4 DANH SÁCH BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ................................................................... 5 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 8 Chương 1. Giới thiệu ................................................................................................ 11 1.1. Giới thiệu bài toán ...............................................................................................11 1.2. Lược đồ phân phối đa phương tiện thông qua thủy vân số .................................12 1.3. Hạn chế của các lược đồ thủy vân hiện hữu và giải pháp ...................................16 Chương 2. Tổng quan về Thủy vân.......................................................................... 19 2.1. Lịch sử của Thủy vân ..........................................................................................19 2.2. Tầm quan trọng của thủy vân số .........................................................................20 2.3. Các đặc tính và ứng dụng của thủy vân ..............................................................21 2.3.1. Các ứng dụng của thủy vân .................................................................. 22 2.3.1.1. Giám sát truyền thông ...................................................................................... 22 2.3.1.2. Xác minh người sở hữu và bằng chứng về quyền sở hữu ................................ 24 2.3.1.3. Giám sát giao dịch ........................................................................................... 27 2.3.1.4. Xác thực nội dung ............................................................................................ 28 2.3.1.5. Điều khiển sự sao chép .................................................................................... 30 2.3.1.6. Điều khiển thiết bị ............................................................................................ 33 2.3.1.7. Sự nâng cấp tài sản .......................................................................................... 33 2.3.2. Các đặc tính của hệ thống thủy vân ..................................................... 34 2.3.2.1. Hiệu ứng nhúng ................................................................................................ 34 3 2.3.2.2. Độ chính xác .................................................................................................... 35 2.3.2.3. Lượng dữ liệu ................................................................................................... 36 2.3.2.4. Bộ tách sóng mù hay bộ tách sóng thông báo ................................................. 37 2.3.2.5. Tỉ lệ ảnh thực lỗi .............................................................................................. 38 2.3.2.6. Sự làm mạnh..................................................................................................... 39 2.3.2.7. Bảo mật ............................................................................................................ 40 Chương 3. Thủy vân ảnh đối với giám sát giao dịch trong truyền thông đa phương tiện ............................................................................................................................ 42 3.1. Lược đồ đính kèm thủy vân chỉ định ..................................................................42 3.2. Cơ chế phân tách thủy vân đề xuất sử dụng phương pháp ICA .........................48 3.2.1. Phân tích các thành phần độc lập ......................................................... 48 3.2.2. Cơ chế phân tách thủy vân bị làm mù.................................................. 50 3.3. Đánh giá về việc thực hiện ..................................................................................53 3.3.1. Các dữ liệu thực hiện ........................................................................... 53 3.3.2. Sự tăng cường giữa phương pháp nén và phương pháp lượng tử hóa . 53 3.3.3. Sự tăng cường giữa phương pháp cắt chỉnh và làm biến dạng hình học .................................................................................................................................. 56 Chương 4. Một vài thử nghiệm ................................................................................ 60 4.1. Thử nghiệm quá trình nhúng thông tin vào ảnh số dựa trên ICA .......................60 4.2. So sánh kết quả phương pháp thủy vân dựa trên ICA và và phương pháp thủy vân dựa trên miền sóng lược đồ .................................................................................62 Chương 5. Tổng kết và đề xuất xu hướng phát triển trong tương lai của cơ chế thủy vân ............................................................................................................................ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 76 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 78 4 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ICA - Independent Component Analysis DB - Decibens EZW - Embedded Zerotree Wavelet Bpp - Bit per pixel NVF - Noise Visibility Function BSS - Blind Source Separation 5 DANH SÁCH BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Bảng 1 PSNR của hình ảnh được thủy vân với các thông số αx. Bảng 2 So sánh, đánh giá chất lượng hình ảnh dựa trên PSNR Hình 1.1 Hệ thống phân phối nội dung đa phương tiện Hình 1.2 Lược đồ phân phối đa phương tiện bằng cách thêm thủy vân của chủ sở hữu nhằm xác định quyền sở hữu đối với sản phẩm và thủy vân riêng biệt của người sử dụng nhằm xác định người dùng hợp pháp Hình 2.1 Hình ảnh Lena được thường xuyên sử dụng trong các nghiên cứu về xử lý hình ảnh Hình 2.2 Ví dụ về bộ mã xác định riêng biệt được in chìm làm nền văn bản ký tự. Hình 2.3 Ví dụ về thay đổi hình ảnh Hình 2.4 Mối quan hệ giữa mã hóa và thủy vân dựa trên điều khiển sao chép Hình 3.1 Hệ thống vân sóng hai lớp trong hình ảnh của Lena Hình 3.2 Quá trình biến đổi trong hình ảnh Lena Hình 3.3 Thuật toán thủy vân đính kèm bắt buộc (dành cho việc phân tách sóng ngắn 2 lớp) Hình 3.4 Bức ảnh sao chép của người sở hữu Hình 3.5 Cơ chế phân tách thủy vân bị làm mờ (sử dụng hàm số 2 tầng phân ly) Hình 3.6 Kết quả phân tách từ hình ảnh thủy vân của người dùng Hình 3.7 Kết quả so sánh về mặt số liệu thực hiện của việc nén JPEG 6 Hình 3.8 So sánh việc phân tách giữa các phương pháp nén JPEG2000 khác nhau Hình 3.9 Kết quả nén đối với việc lượng tử hóa từ mức xám 256 tới mức xám 4 Hình 3.10 (a) Hình ảnh Lena bị cắt chỉnh, (b) thủy vân được phân tách (r = 0.2706) và (c) thủy vân được phân tách sau khi tăng cường sự tương phản của (b) (r = 0,9036) Hình 3.11 (a) Hình Lena bị xoay 100, và (b) thủy vân phân tách tương ứng (r = 0,5847); (c) hình Lena bị thu nhỏ lại bằng cách giảm số lượng dòng và cột xuống ¼, và (d) thủy vân được phân tách ( r = 0.4970); (e) hình của Lena bị điều chỉnh sang bên trái 10 cột và xuống dưới 36 hàng, và (f) thủy vân phân tách tương ứng (r=0.5356) Hình 4.1 Kết quả hình ảnh Lena sử dụng phương pháp ICA Hình 4.2 So sánh kết quả hình ảnh thu được sau khi sử dụng phương pháp ICA Hình 4.3 Đồ thị kết quả chất lượng hình ảnh (dựa trên PSNR) 8 MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự ra đời và phát triển của mạng Internet mọi người đều có thể tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng thông qua nhà cung cấp dịch vụ mạng. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong lĩnh vực đa phương tiện (multimedia) làm cho việc sản xuất, quản lý và phân phối các sản phẩm (hình ảnh, âm thanh, tài liệu điện tử…) trở nên rất dễ dàng. Tuy nhiên, việc phân phối phổ biến các tài nguyên trên mạng hiện nay luôn gặp phải vấn nạn sao chép và sử dụng bất hợp pháp như: xâm phạm bản quyền, truy cập trái phép, xuyên tạc, giả mạo thông tin… Đi đôi với sự phát triển của công nghệ máy tính, tình trạng sử dụng bất hợp pháp các sản phẩm số ngày càng tăng, do các tệp tin số có thể sao chép dễ dàng giữa các máy tính. Do đó, tình trạng vi phạm bản quyền đang xảy ra hàng ngày, hàng giờ trên khắp thế giới. Nhằm bảo vệ các sản phẩm số không bị sử dụng trái phép, song song với việc kêu gọi ý thức tự giác thực thi luật bản quyền, các công ty công nghệ lớn trên thế giới đã và đang thực hiện các giải pháp kỹ thuật kiểm soát bản quyền số. Một trong những vấn đề được đặt ra là làm sao bảo vệ quyền sở hữu đối với các sản phẩm đa phương tiện này. Đứng trước tình hình đó, vấn đề về bảo mật thông tin hiện nay luôn nhận được sự quan tâm đặc biệt trong nhiều lĩnh vực. Từ xa xưa đã có nhiều cách để bảo mật thông tin, một trong những phương pháp dùng rất sớm để bảo vệ quyền sở hữu đối với nội dung của các sản phẩm đa phương tiện là mã hoá. Tuy nhiên, phương pháp mã hoá chỉ hiệu quả trong việc truyền thông tin nhưng không hiệu quả trong việc bảo vệ quyền sở hữu. Ngày nay, phương pháp thủy vân trong các sản phẩm đa phương tiện được dùng phổ biến vì ngoài vấn đề bảo mật còn bảo vệ bản quyền, chống nhân bản bất hợp pháp, chống truy cập trái phép, chống xuyên tạc, chống giả mạo thông tin… Thủy vân là một lĩnh vực rộng lớn. Trong luận văn này, chúng tôi chỉ tập trung giới thiệu về thủy vân ảnh và ứng dụng trong giám sát các trao đổi thông tin đa phương tiện. Kỹ thuật thủy vân ảnh dựa trên phân tích từng cấu trúc độc lập (Independent Component Analysis – ICA) là kỹ thuật được lựa chọn để nghiên cứu sâu trong luận văn này. Kỹ thuật thủy vân ảnh dựa trên phân tích từng cấu trúc độc lập được ứng dụng hiệu quả trong việc phân tích thủy vân nhằm xác định các thành 9 phần của cấu trúc và vì thế cho phép dò tìm các trao đổi trái phép các sản phẩm đã được bảo vệ. Luận văn được trình bày thành năm chương, với các nội dung như sau: Chương 1: Giới thiệu Nội dung chương đưa ra bài toán được nghiên cứu để giúp người đọc có cách tiếp cận chính xác nhất đối với vấn đề chính mà luận văn sẽ trình bày. Đồng thời trong chương này chúng tôi cũng đưa ra khái niệm lược đồ thủy vân hiện hữu cùng với các hạn chế của lược đồ này. Chương 2: Tổng quan về Thủy vân Trong chương này, các đặc tính và ứng dụng của thủy vân được trình bày bên cạnh lịch sử hình thành và khái niệm vể thủy vân. Dựa trên các khái niệm và nội dung được đưa ra trong Chương 2 sẽ giúp người đọc xây dựng các khái niệm cơ bản từ đó tạo tiền đề cho việc trình bày sâu về phương pháp thủy vân ảnh đối với giám sát giao dịch trong truyền thông đa phương tiện được trình bày chi tiết trong Chương 3. Chương 3: Thủy vân ảnh đối với giám sát giao dịch trong truyền thông đa phương tiện Nội dung chương 3 đi sâu vào phân tích và miêu tả cụ thể kỹ thuật thủy vân ảnh dựa trên phân tích từng cấu trúc độc lập (Independent Component Analysis – ICA). Đồng thời chúng tôi cũng đưa ra các đánh giá so sánh kết quả ứng dụng kỹ thuật này khi thực hiện các biến đổi trên hình ảnh được sử dụng để thủy vân ảnh, như ảnh đã bị biến đổi qua phương pháp nén, phương pháp lượng tử hóa, phương pháp cắt chỉnh và làm biến dạng hình học. Chương 4: Một vài thử nghiệm Trong chương này, chúng tôi tiến hành một vài thử nghiệm đơn giản để đánh giá phương pháp thủy vân ảnh dựa trên các thành phần độc lập so với phương pháp thủy vân dựa trên miền sóng lược đồ. Qua đó cũng chỉ ra một vài ưu điểm, nhược điểm mà phương pháp này mang lại. 10 Chương 5: Tổng kết, đề xuất hướng nghiên cứu Đây là chương cuối cùng trong luận văn. Trong chương này chúng tôi đã tổng kết đánh giá các kết quả nghiên cứu cũng như các kết quả thực nghiệm, qua đó đưa ra các đề xuất nghiên cứu sâu hơn trong tương lai đối với kỹ thuật thủy vân ảnh dựa trên phân tích từng cấu trúc độc lập (ICA) nói rêng và các kỹ thuật thủy vân ảnh nói chung. 11 Chương 1. Giới thiệu 1.1. Giới thiệu bài toán Chúng ta đang sống trong kỷ nguyên kỹ thuật số, các công nghệ thông tin kỹ thuật số đã và đang thay đổi xã hội cũng như cuộc sống của chúng ta. Cuộc cách mạng thông tin đang diễn ra dưới hai hình thức:  Truy tìm, phục hồi dữ liệu/thông tin  Sự phổ biến/giao tiếp thông tin/dữ liệu Sự trình bày kỹ thuật số của dữ liệu cho phép các thông tin được lưu giữ dưới dạng kỹ thuật số và vì vậy nó dễ dàng cho phép tạo lập và sao chép thông tin. Đồng thời nó cũng cho phép dễ dàng cung cấp tính khác biệt trong giai đoạn hiện tại của cuộc cách mạng thông tin. Kỹ thuật số trước tiên cho phép sử dụng với các phương tiện thông tin hữu hình mới, chẳng hạn như vệ tinh và truyền dẫn cáp quang. Vì vậy, máy tính cá nhân, email, MPC, LAN, WAN, MAN, mạng nội bộ và mạng quốc tế đã và đang được cải tiến liên tục từ những thập niên 80 nhằm đáp ứng nhu cầu hiện tại. Mạng quốc tế có tầm ảnh hưởng truyền thông toàn cầu, là một cơ chế phân phối thông tin, và là vật trung gian của sự cộng tác và tương tác giữa các cá nhân và máy tính của họ mà không bị chi phối bởi vị trí địa lý. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu và giáo sư chia sẻ các dữ liệu và thông tin liên quan đến nhau. Khi hình ảnh, âm thanh, và các sản phẩm khác đã trở nên sẵn có dưới dạng kỹ thuật số thì các bản sao chép hoàn chỉnh sẽ được dễ dàng thực hiện. Việc sử dụng rộng rãi của mạng máy tính và việc toàn cầu hóa đã góp phần quan trọng tạo thêm sự sẵn có của thông tin dưới dạng kỹ thuật số cũng như cung cấp các cách thức truy cập dễ dàng đối với những hình thức kỹ thuật này. Việc tạo lập, sản xuất phân phối sử dụng và tái sử dụng thông tin đã trở nên dễ dàng và nhanh hơn rất nhiều lần so với các thập kỷ trước. Mặt tốt của vấn đề là sự phong phú mà việc phát triển thông tin như vũ bão đã mang lại cho xã hội nói chung. Còn mặt không tốt là việc phát triển này đồng thời cũng mang lại cho tất cả những người được hưởng lợi từ nguồn thông tin kỹ thuật số khả năng sao chép, phân phối và sử dụng thông tin một cách bất hợp pháp. Các trang Web là nguồn thông tin với kích cỡ và độ sâu đặc 12 biệt, đồng thời cũng là điều kiện thuận lợi để tái sản xuất và phổ biến thông tin phù hợp với nhu cầu và năng lực. Vì vậy, cần thiết phải có các nghiên cứu kịp thời về các biện pháp bảo vệ quyền sở hữu liên quan tới các nội dung thông tin được phân phối qua mạng quốc tế. Do đó, luận văn này giới thiệu về thủy vân ảnh và ứng dụng trong giám sát các trao đổi thông tin đa phương tiện. Kỹ thuật thủy vân ảnh dựa trên phân tích từng cấu trúc độc lập (Independent Component Analysis – ICA) là kỹ thuật được lựa chọn để nghiên cứu sâu trong luận văn này. Kỹ thuật thủy vân ảnh dựa trên phân tích từng cấu trúc độc lập được ứng dụng hiệu quả trong việc phân tích thủy vân nhằm xác định các thành phần của cấu trúc và vì thế cho phép dò tìm các trao đổi trái phép các sản phẩm đã được bảo vệ. 1.2. Lược đồ phân phối đa phương tiện thông qua thủy vân số Tốc độ phát triển nhanh của các hệ thống đa phương tiện đã làm tăng nhu cầu bảo vệ và thúc đẩy việc thực thi bảo vệ quyền tác giả đối với các sản phẩm truyền thông số. Bảo vệ quyền tác giả đã trở nên ngày càng quan trọng. Các nhiệm vụ để thực hiện việc bảo vệ quyền tác giả đối với việc phân phối sản phẩm đa phương tiện qua Internet có thể phân thành các loại như sau:  Xác định quyền sở hữu: chủ sở hữu của sản phẩm gốc có thể cung cấp các bằng chứng đáng tin cậy để chứng mình mình có toàn quyền đối với nội dung sản phẩm.  Giám sát trao đổi: Người chủ có thể giám sát việc phân phối sản phẩm, từ đó họ có thể tìm ra người chịu trách nhiệm đối với việc sao chép và phân phối bất hợp pháp.  Xác minh nội dung: Người chủ sở hữu có thể bảo vệ trước bất kì hành vi nào xâm phạm tới sản phẩm. Luận văn này tập trung vào nhiệm vụ giám sát trao đổi đối với các ứng dụng phân phối truyền thông đa phương tiện. Giả định người chủ sở hữu muốn bán hoặc phân phối sản phẩm chỉ cho những người dùng hợp pháp. Để thực hiện quyền sở hữu, các vấn đề cơ bản sau cần giải quyết: Thứ nhất, người chủ sở hữu phải có khả năng chứng minh rằng họ là người chủ hợp pháp của nội dung được phân phối. Thứ hai, nếu dữ liệu thường xuyên bị sao chép và tái phân phối bất hợp pháp, người chủ 13 phải có khả năng tìm ra người chịu trách nhiệm việc sao chép và phân phối dữ liệu một cách bất hợp pháp này. Hình 1.1. Hệ thống phân phối nội dung đa phương tiện. Kỹ thuật đầu tiên được sử dụng để bảo vệ các quyền sở hữu là mã hóa. Kỹ thuật mã hóa (Schneiner, 1995) cung cấp công cụ hiệu quả để bảo mật quy trình phân phối và kiểm soát việc sử dụng hợp pháp các nội dung đã được nhận bởi người sử dụng. Các nội dung được chuyển qua mạng quốc tế đã được mã hóa, và chỉ người sở hữu hợp pháp nắm bộ mã khóa mới có thể sử dụng các thông tin được mã hóa, nhưng ngược lại nguồn thông tin có thể vô dụng với kẻ vi phạm bản quyền nếu như không có bộ khóa mã. Dầu vậy, nếu xảy ra một truyền dẫn “error-free” qua mạng, nội dung sau khi mã hóa có thể hoàn toàn giống như các dữ liệu gốc. Các nội dung dữ liệu có thể bị sao chép hoàn chỉnh nhiều lần và người sử dụng có thể thao túng nội dung này. Các nhà khoa học và nhà nghiên cứu sau đó đã chuyển sang tìm kiếm các công nghệ khác để ngăn chặn việc sao chép bất hợp pháp mà không có quyền tác giả qua các mạng toàn cầu và việc sao chép trái phép này không được ngăn chặn bởi phương pháp mật mã. Trong những năm gần đây, các kỹ thuật thủy vân ảnh đã thu hút được khá nhiều sự chú ý. Trong thủy vân ảnh, các thông tin được nhúng 14 trong suốt vào sản phẩm, thay vì một dạng dữ liệu cụ thể. Kỹ thuật thủy vân ảnh vì thế cũng hiệu quả cho việc truy tìm các trao đổi bản sao bất hợp pháp cũng như tái phân phối các thông tin đa phương tiện. Đối với một ứng dụng truy tìm trao đổi điển hình, các thủy vân phát hiện ra các chi tiết hợp pháp đầu tiên của sản phẩm. Nếu như sau đó sản phẩm được xác định là bị phân phối bất hợp pháp, thì thủy vân có thể giúp xác định người có trách nhiệm với sản phẩm. Hình dưới giới thiệu mô hình phân phối thông tin đa phương tiện cho phép các quyền sở hữu thực hiện thông qua một kỹ thuật tạo đa thủy vân. Đa thủy vân ám chỉ việc gắn các loại thủy vân khác nhau vào một nội dung đa phương tiện đơn để đạt được các mục tiêu khác nhau. Chẳng hạn, một trong số các thủy vân có thể xác định được quyền sở hữu, thủy vân thứ hai dùng để xác định người nhận và thủy vân thứ ba dùng để xác nhận tính nguyên vẹn của nội dung. Đối với ứng dụng phân phối qua mạng quốc tế, những người sử dụng đầu tiên gửi một yêu cầu tới người cung cấp nội dụng bất cứ khi nào họ quan tâm tới các nội dung đa phương tiện. Người chủ sở hữu sau đó có thể phân phối sản phẩm bằng cách ký nhận một thủy vân tới người sử dụng đã đăng ký nhằm xác định tính duy nhất của người nhận sản phẩm. Tất cả các dữ liệu gửi tới người sử dụng đã đăng ký sẽ được gắn vào một thủy vân chỉ định cùng với thủy vân của người chủ sở hữu, cùng lúc duy trì chất lượng hình ảnh ở mức tốt đối với nội dung đã được đánh dấu. 15 Hình 1.2. Lược đồ phân phối đa phương tiện bằng cách thêm thủy vân của chủ sở hữu nhằm xác định quyền sở hữu đối với sản phẩm và thủy vân riêng biệt của người sử dụng nhằm xác định người dùng hợp pháp.  Mọi sao chép của sản phẩm có chứa thủy vân của người chủ sở hữu để xác định quyền sở hữu đầy đủ đối với sản phẩm.  Người chủ hoặc người đại diện hợp pháp có thể xác định đơn nhất người nhận hoặc người sử dụng hợp pháp của một sao chép cụ thể của nội dung đa phương tiện dựa trên thủy vân duy nhất của người sử dụng được đính kèm. Xét tới trường hợp khi người chủ sở hữu cần chứng minh quyền sở hữu hợp pháp của nội dung. Người chủ sở hữu có thể xuất trình dữ liệu gốc cũng như các thủy vân của họ như bằng chứng. Hai loại thủy vân được đính kèm, bao gồm thủy vân của chủ sở hữu và thủy vân của người sử dụng, có thể được tách bằng phương pháp trừ đơn giản. Một thủy vân được tách ra, ví dụ như thủy vân của người chủ sở hữu, phải phù hợp với thủy vân chủ sở hữu đã được trình bày trước đó. Quyền sở hữu hợp pháp đối với nội dung vì thế được xác định. Điều này là điều kiện tiên quyết để đảm bảo cho việc bảo vệ quyền sở hữu đối với thủy vân đã được đính kèm vào mọi bản sao của sản phẩm đã được phân phối qua mạng quốc tế. Nhiệm vụ khó khăn và thử thách hơn được đưa ra là xác định hiệu quả chủ sở hữu hợp pháp trong 16 điều kiện vắng mặt dữ liệu gốc, dẫn đến việc tra soát được các giao dịch của một bản sao cụ thể đối với nội dung đa phương tiện. Để đảm bảo an toàn, dữ liệu gốc thường được giữ bí mật và không nên được tiết lộ rộng rãi trong suốt quá trình tách thủy vân ảnh. Trong một vài ứng dụng thực tế, người chủ sở hữu cần các đại diện được phép hoặc các nhà cung cấp dịch vụ thực hiện các nhiệm vụ giám sát trao đổi. Người chủ sở hữu không thể đồng thời cung cấp các dữ liệu gốc cho các đại diện. Bởi thế, xuất hiện một vấn đề là làm sao để tách thủy vân của người chủ sở hữu trong khi vẫn giữ bí mật dữ liệu gốc. Đây là vấn đề chính trong việc giám sát trao đổi thông qua phương pháp thủy vân. 1.3. Hạn chế của các lược đồ thủy vân hiện hữu và giải pháp Một chuỗi các thuật toán của phương pháp thủy vân đã được đề xuất. Dưới dạng các ứng dụng đa dạng, kỹ thuật thủy vân ảnh có thể được phân thành hai loại sau:  Thủy vân quyền sao chép mạnh: nhằm cung cấp các bằng chứng về quyền sở hữu đối với các truyền thông số đã được bảo vệ.  Thủy vân xác nhận việc tạo lập: nhằm xác nhận bất cứ sự biến đổi nào trong các truyền thông số được bảo vệ. Các dấu hiệu mạnh (thủy vân mạnh) có thể xác định quyền sở hữu đối với các dữ liệu số, trong khi các dấu hiệu xác nhận việc tạo lập được sử dụng để chứng minh xem một đối tượng có thể được “chạm vào” hoặc chế tác. Thủy vân mạnh, ngược lại với thủy vân xác nhận việc tạo lập, yêu cầu các thủy vân được đính kèm phải được làm mạnh để chống lại các tấn công nhằm duy trì chất lượng hình ảnh thủy vân. Trên quan điểm sự hiệu hữu của một thủy vân cho sẵn tại giai đoạn phân tách, có hai hệ thống thủy vân khác nhau được đề cập. Loại thứ nhất là gắn một thủy vân xác định hoặc thông tin. Hầu hết kỹ thuật thủy vân dành cho việc bảo vệ bản quyền liên quan tới hệ thống thủy vân này. Mục đích của cơ chế thủy vân này là xác định sự hiện hữu của thủy vân đã biết trước đây có hoặc không có sự giúp đỡ của thủy vân. Loại thứ hai liên quan tới các thông tin bất kỳ được đính kèm có ích với việc dò tìm bản sao chép của người nhận duy nhất đối với thông tin được phân phối. Trong hoàn cảnh đó, thủy vân được đính kèm vào một bản sao của hình ảnh đã được biết trước đó, vì thế không thông tin nào trước đó liên quan tới thủy vân 17 được đính kèm có sẵn cho việc phân tách thủy vân. Điều này làm cho việc phân tách trao đổi trở nên khó khăn hơn. Các giả định cũng như các hạn chế đối với hầu hết các cơ chế thủy vân hiện hữu có thể tạo ra những khó khăn và sự không hiệu quả khi ứng dụng vào các trao đổi, giám sát liên quan tới đa phương tiện đã được tổng kết như sau: (a) Trong một số hàm thủy vân, việc dò tìm và phân tách thủy vân đòi hỏi sự hiện hữu của nội dung gốc. Điều này không cần thiết vì các dữ liệu nguồn thường xuyên được bảo mật và không thể công bố rộng rãi, thậm chí dữ liệu gốc không có sẵn. Vì thế các kỹ thuật thủy vân mờ được quan tâm và thu hút sự chú ý. (b) Hầu hết các cơ chế thủy vân hiện hữu được xây dựng trên một vài giả thuyết về việc dò tìm và phân tách thủy vân, chẳng hạn như các kiến thức trước đó về vị trí thủy vân, độ mạnh và ngưỡng. Dầu vậy, nhằm chắc chắn sự tăng mạnh và tính ẩn của thủy vân các vị trí đính kèm được chọn trước cũng như độ mạnh đính kèm thường khác nhau ở các hình ảnh khác nhau. Đối với cơ sở dữ liệu hình ảnh lớn, đây có thể là hạn chế nếu nó yêu cầu về vị trí và độ mạnh của các thông tin được dò tìm và phân tách của thủy vân. Kết quả là một lượng lớn các thông tin bên lề cần phải được lưu trữ. (c) Hình 1.2 đưa ra một sơ đồ nhằm ngăn chặn việc tái phân phối bất hợp pháp dữ liệu bởi người dùng hợp pháp. Trong tình huống như vậy, hàm dò tìm và phân tách thủy vân yêu cầu về vị trí và độ mạnh hoặc thậm chí thủy vân gốc có thể thất bại vì không ai biết được thủy vân nào sẽ tồn tại trong bản sao của sản phẩm. (d) Thêm vào đó, hàm truy tìm thủy vân nói chung được dựa trên bộ lọc phù hợp sẽ tìm ra tương quan lớn nhất giữa thủy vân phục hồi với các thủy vân lưu trữ trong cơ sở dữ liệu chứa các thuỷ vân, được sử dụng để xác định người dùng. Đây là một quá trình tốn thời gian và không hiệu quả đặc biệt là đối với cơ sở dữ liệu lớn cần phân phối giữa số lượng lớn người dùng. Vì những lý do trên, chúng tôi đã lựa chọn kỹ thuật thủy vân dựa trên phân tích thành phần độc lập ICA (Independent Component Analysis). Phương pháp ICA này dựa trên cơ chế thuỷ vân mờ có thể vượt qua các vấn đề của cơ chế tạo thủy vân hiện tại nêu ở trên. Hàm thủy vân này rất hiệu quả trong việc ứng dụng truy tìm các dữ liệu hợp pháp. Vì thế bằng cách sử dụng phương pháp thủy vân dựa 18 trên ICA này, cơ chế phân phối đa phương tiện rất hiệu quả đối với việc bảo vệ bản quyền có thể được áp dụng. 19 Chương 2. Tổng quan về Thủy vân 2.1. Lịch sử của Thủy vân Mặc dù cách làm giấy được phát minh ở Trung Quốc hàng ngàn năm trước, nhưng thủy vân trên giấy chỉ xuất hiện vào khoảng năm 1282 tại Italia. Những nhãn hàng hóa được làm bằng cách thêm một dây kim loại nhỏ vào đường gờ của tờ giấy. Tờ giấy sẽ trở nên nhẹ, mảnh hơn ở nơi có dây kim loại tồn tại và do vậy rõ ràng hơn. Ý nghĩa của thủy vân vào thời điểm đó là không rõ ràng. Chúng có thể được sử dụng với mục đích có ích như tạo ra những đường gờ trên những mảng của tờ giấy đã được làm, hay xác định một nhà sản xuất giấy. Ở một khía cạnh khác, chúng có thể miêu tả những dấu hiệu bí ẩn hoặc chỉ đơn giản được dùng để trang trí. Vào khoảng thế kỉ 18, thủy vân trên giấy ở Châu Âu và Mỹ đã trở nên rất thiết thực. Chúng được sử dụng như thương hiệu của giấy để ghi lại thời gian tờ giấy được sản xuất và cho biết kích thước của những khổ giấy. Đó cũng là lúc thương hiệu bắt đầu được sử dụng như là một tiêu chuẩn chống giả mạo trên tiền và những tài liệu khác. Thuật ngữ thủy vân dường như được ra đời vào gần cuối thế kỷ 18 và có lẽ bắt nguồn từ thuật ngữ thủy vân của người Đức. Thuật ngữ này thực tế là một sự nhầm lẫn về từ ngữ, trong đó nước không phải là một cái gì đặc biệt quan trọng trong việc tạo ra nhãn hiệu. Cũng có lẽ nó được gọi là thủy vân bởi vì nhãn hiệu cũng tương tự như tác động của nước trên giấy. Khoảng thời gian thuật ngữ thủy vân ra đời, những kẻ làm tiền giả đã bắt đầu phát triển các phương pháp để giả mạo thủy vân được sử dụng nhằm bảo vệ tiền giấy. Năm 1779, tạp chí Quý ông đã đưa tin một người đàn ông tên là John Mathison đã khám phá ra một phương pháp làm giả thủy vân những giấy tờ ngân hàng, điều mà trước đó tất cả đều cho rằng đó là phương pháp an ninh đảm bảo nhất chống lại sự gian lận. Trong những năm sau đó, những kẻ gian lận đã liên tục cải tiển công nghệ thuỷ vân. William Congreve, một người Anh, sau đó đã khám phá ra một công 20 nghệ thủy vân màu bằng việc cho thêm thuốc nhuộm tự nhiên vào giữa tờ giấy trong quá trình làm giấy. Với cách làm này, các nhãn hiệu sẽ trở nên rất khó để làm giả. 2.2. Tầm quan trọng của thủy vân số Sự quan tâm về thủy vân tăng lên một cách đột ngột bởi sự lo lắng về việc bảo vệ bản quyền của nội dung. Internet đã trở nên thân thiện và nhanh chóng trở thành một ứng dụng to lớn mà tại đó con người dễ dàng tải hình ảnh, âm thanh hay những đoạn video về máy của mình. Internet là một hệ thống phân phối thông minh đối với truyền thông số bởi nó khá rẻ, không phải chờ đợi và phân phát hầu như ngay lập tức. Tuy nhiên, nội dung của người sở hữu cũng sẽ chịu những rủi ro lớn đối với việc sao chép bất hợp pháp. Sự rủi ro của việc sao chép bất hợp pháp tăng thêm bởi sự gia tăng nhanh chóng của những thiết bị thu kỹ thuật số dung lượng cao. Trước kia, cách duy nhất để khách hàng có thể thu âm một bài hát hay một bộ phim là qua một băng từ. Khi đó, những bản sao chép thường có chất lượng thấp hơn bản gốc, và chất lượng của bản sao chép tiếp theo (sao chép lại của bản sao chép) sẽ rất tồi. Tuy nhiên, với những thiết bị thu kỹ thuật số, những bài hát hay bộ phim có thể được thu lại với rất ít, thậm chí không có sự giảm sút nào về chất lượng. Việc sử dụng những thiết bị thu này và sử dụng Internet cho việc phân phối, người vi phạm quyền tác giả có thể dễ dàng thu lại và phát tán những sản phẩm đã được bảo vệ bản quyền mà không phải trả bất cứ khoản phí nào cho tác giả thực sự của nó. Do vậy, sở hữu nội dung là những kỹ thuật được nghiên cứu và phát triển nhiều nhất, hứa hẹn sẽ bảo vệ được những tác phẩm của họ. Mã hóa là phương pháp đầu tiên và phổ biến nhất để bảo vệ nội dung số. Nội dung được trải qua giai đoạn mã hóa để phát tán, và một khóa giải mã sẽ chỉ được cung cấp cho những người mua bản sao nội dung đó. Những file mã hóa có thể rất sẵn trên Internet, nhưng sẽ không thể sử dụng được nếu không có khóa chấp thuận. Không may, việc mã hóa này không thể giúp người bán hàng giám sát làm cách nào một khách hàng hợp pháp sẽ truyền tay những nội dung đó sau khi đã giải mã. Một kẻ xâm phạm quyền tác giả có thể mua một sản phẩm, sử dụng khóa để giải mã để xem nội dung, và phân tán những bản sao bất hợp pháp đó.Việc mã hóa có