Một số phương pháp thủy vân bền vững

1

Mỗi ngày đều có một lượng lớn các dữ liệu ảnh được truyền trên mạng Internet, làm gia tăng nhu cầu đảm bảo tính xác thực cũng như bảo vệ bản quyền cho loại dữ liệu này. Đây cũng là mối quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu nhằm tìm ra những phương pháp hữu hiệu đảm bảo an toàn cho dữ liệu ảnh số. Bài viết này sẽ giới thiệu một số phương pháp thủy vân bền vững được xây dựng dựa trên phân tách giá trị suy biến (Singular Value Decomposition – SVD) hoặc kết hợp biến đổi trên miền tần số và SVD.

Giới thiệu

Mạng Internet phát triển với tốc độ chóng mặt kéo theo đó là lượng dữ liệu đa phương tiện như ảnh số, văn bản, âm thanh, video,… cũng tăng lên đáng kể và được sử dụng vô cùng rộng rãi. Tuy nhiên, việc đảm bảo an toàn cho các dữ liệu số này thực sự rất phức tạp và khó khăn khi có rất nhiều kẻ tấn công muốn phá hoại. Các công cụ tiên tiến có sẵn cho phép sao chép, sửa đổi dữ liệu số trên mạng một cách dễ dàng, nhanh chóng mà vẫn duy trì được chất lượng tốt như bản gốc. Chính vì vậy vấn đề đảm bảo tính bảo mật, toàn vẹn, bản quyền số,… cũng trở nên rất cần thiết và cấp bách. Người sử dụng khó có thể nhận dạng và phân biệt được đâu là tác giả và tác phẩm thực sự vì sự sao chép được thực hiện vô cùng tinh vi. Thậm chí ngay với cả những nhà quản lí bản quyền cũng khó có biện pháp hữu hiệu để giải quyết được vấn đề nan giải này.

Thủy vân số được xem là một giải pháp kĩ thuật khả thi trong việc đảm bảo bản quyền cho các sản phẩm số. Đây là quá trình nhúng một tín hiệu số vào một dữ liệu số khác nhằm mục đích đảm bảo tính xác thực hoặc bảo vệ bản quyền [1]. Thủy vân cũng chính là một trong những phương pháp thường được sử dụng trong việc bảo vệ an toàn thông tin cho các dữ liệu số đồng thời nó cũng rất được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây, đặc biệt là thủy vân trong ảnh số. Hệ thống thủy vân cần đảm bảo các hình ảnh không bị truy cập trái phép cũng như tránh được các cuộc tấn công khi truyền qua mạng [2]. Thủy vân trong ảnh có thể đảm bảo hình ảnh không thể thay đổi, đảm bảo chủ sở hữu có bản quyền đối với các sở hữu trí tuệ liên quan đến hình ảnh và hình ảnh đó là có thật [1]. Điều này được thực hiện bằng cách nhúng thủy vân chứa những thông tin về bản quyền, chủ sở hữu,… vào một sản phẩm số, sau đó có thể trích xuất thủy vân đó để kiểm chứng. Do vậy phương pháp này đảm bảo hình ảnh không bị thay đổi, có thể xác minh được nội dung bức ảnh có bị thay đổi không, chủ sở hữu là ai,…

Trước khi xuất hiện thủy vân số thì thủy vân đã được con người chúng ta sử dụng từ xa xưa, tuy nhiên vẫn còn nhiều tranh cãi về tên gọi “thủy vân”, một số người cho rằng thủy vân là hình ảnh được tạo ra từ nước còn một số khác lại cho rằng gọi là thủy vân do nó xuất hiện khi nhúng giấy vào nước [3]. Thủy vân đã xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1282 tại Italia khi nó được in thành những hình mờ chìm trong giấy nhằm xác định nhãn hiệu của giấy, sau đó các nước ở châu Âu và Mỹ cũng sử dụng nó với cùng mục đích đó và còn để chống làm giả tiền. Sau này vào năm 1988 Komatsu và Tominaga đã sử dụng thuật ngữ “thủy vân số” trong tài liệu nghiên cứu của họ. Một hệ thống thủy vân số thường bao gồm giai đoạn nhúng thủy vân và trích xuất/phát hiện thủy vân. Mô hình chung của quá trình nhúng thủy vân số được minh họa trong Hình 1.

Hình 1. Quá trình nhúng thủy vân

Trong Hình 1, vật phủ I ở đây có thể là các dữ liệu số bất kì như ảnh, âm thanh, văn bản,… có thể nhúng thủy vân trực tiếp trên miền không gian hoặc có thể chuyển vật phủ sang miền tần số trước khi thực hiện nhúng. Khi nhúng thủy vân có thể dùng thêm khóa để đảm bảo an toàn hơn, sau đó vật có chứa thủy vân sẽ được lưu trữ hoặc truyền trên mạng, khi ấy kẻ tấn công có thể bắt được và sửa đổi nó. Hình 2 mô tả quá trình trích xuất và phát hiện thủy vân.

Hình 2. Quá trình trích xuất/phát hiện thủy vân

Từ Hình 2, có thể thấy để biết được một vật có chứa thủy vân không thì cần thực hiện trích xuất trước sau đó so sánh dữ liệu trích xuất được với thủy vân ban đầu để phát hiện xem có đúng thủy vân hay không.

Thủy vân số có thể được chia thành các loại khác nhau theo các tiêu chí khác nhau, chẳng hạn theo miền thực hiện có thủy vân trên miền không gian và thủy vân trên miền tần số; theo sự cảm nhận của con người có thủy vân ẩn (không cảm nhận được sự tồn tại của thủy vân) và thủy vân hiện; ngoài ra cũng có thể chia thành thủy vân bền vững, dễ vỡ và bán dễ vỡ. Các thủy vân bền vững thường được áp dụng cho việc đảm bảo bản quyền sở hữu trong khi thủy vân dễ vỡ lại được ứng dụng khi bảo vệ độ tin cậy và tính hợp lệ của hình ảnh [2].

Để đạt được tính bền vững, người ta thường phải nhúng thủy vân vào miền tần số như biến đổi sóng nhỏ rời rạc (Discrete Wavelet Tranform – DWT), biến đổi cosin rời rạc (Discrete Cosine transform – DCT)…  thay vì miền không gian hoặc dựa trên các biến đổi khác như SVD của ảnh phủ. Đặc biệt khi kết hợp các miền tần số với SVD còn có thể cân bằng được yêu cầu về tính ẩn và bền vững [2]. SVD là một kĩ thuật đại số tuyến tính thực hiện phân tích ma trận đã cho thành 3 ma trận thành phần [4], tức là giả sử cho ma trận A có kích thước là m x n  thì SVD của nó được cho bởi I = USV^T , trong đó U và V là các ma trận trực giao và các cột của U và V tương ứng là các véc tơ suy biến trái và phải của A còn S là ma trận đường chéo gồm các giá trị suy biến. Ma trận U và V cung cấp thông tin về cấu trúc trong khi ma trận S mô tả độ mạnh của các thành phần đã cho của ma trận gốc. Ma trận S chứa những thông tin quan trọng của ảnh và các giá trị suy biến của ma trận này thường không thay đổi đáng kể ngay cả sau các cuộc tấn công [5] nên phù hợp với yêu cầu bền vững của thủy vân. Tuy nhiên nhược điểm chính của SVD là độ phức tạp tính toán [5], vì vậy các phương pháp thủy vân dùng SVD thường hay kết hợp với biến đổi trên miền tần số đa mức để giảm kích thước của ảnh phủ từ đó giảm số lượng tính toán.

Một số phương pháp thủy vân bền vững

Thủy vân trên miền không gian nhúng thủy vân bằng cách sửa trực tiếp các giá trị điểm ảnh của ảnh phủ vì vậy thông thường sẽ đạt được dung lượng nhúng cao nhưng tính bền vững lại thấp [3]. Trong khi đó, thủy vân trên miền biến đổi lại nâng cao tính bền vững bởi mỗi hệ số tần số của ảnh chứa thông tin của nhiều điểm ảnh khác nhau nên khi thay thế dữ liệu thủy vân vào đó cũng chính là thay đổi cùng lúc rất nhiều giá trị điểm ảnh. Tuy nhiên, phương pháp nhúng thủy vân trên miền tần số thường dung lượng nhúng sẽ không cao nhưng điều này không gây ra bất lợi gì đáng kể vì đa phần các phương pháp thủy vân chỉ cần nhúng lượng thông tin vừa đủ để đảm bảo được bản quyền hoặc xác thực.

Sura Ramzi Sheriff [4] đã đề xuất một phương pháp thủy vân bền vững bằng cách nhúng thủy vân vào SVD của các thành phần YUV của ảnh phủ. Các thành phần RGB của ảnh phủ được chuyển sang hệ YcbCr, sau đó chia thành các khối vuông và áp dụng phân tích SVD trên từng khối để thu được các ma trận đường chéo S. Các ma trận trái và phải của phân tích SVD được lưu lại và chuyển cho bên nhận để phục vụ cho việc trích xuất thủy vân sau này. Thủy vân sẽ được nhúng bằng cách thay đổi giá trị các ma trận đường chéo S theo công thức D=S+α.W.

Trong đó, S là ma trận đường chéo của phân tích SVD, W là thủy vân, α là hệ số tỉ lệ và D là kết quả thu được. Cuối cùng áp dụng phép toán phân tích SVD ngược và ghép các khối lại để có được ảnh chứa thủy vân. Khi trích xuất, cũng cần áp dụng phân tích SVD cho mỗi khối ảnh và tính toán theo công thức W=(D-S)/α

Phương pháp này cho phép nhúng thủy vân trên cả ảnh màu và ảnh xám, kết quả cho thấy chất lượng ảnh có chứa thủy vân rất tốt với giá trị PSNR lớn hơn 40db. Ngoài ra cách nhúng thủy vân này cũng bền vững trước tấn công xoay ảnh [4].

Gorkhnath Bhure và cộng sự đã giới thiệu phương pháp thủy vân lai sử dụng DWT, SVD và ECC [1]. Đây là sự bảo vệ kết hợp để tăng cường tính an toàn. SVD giúp bảo toàn được các đặc tính quan trọng của ảnh phủ sau khi nhúng thủy vân từ đó góp phần trong việc nâng cao tính bền vững của thủy vân. Phương pháp này nhúng thủy vân vào các dải tần cao của các hệ số DWT giúp tạo ra được thủy vân ẩn, đảm bảo chất lượng cho ảnh có chứa thủy vân bên cạnh đó tính bền vững cũng được đảm bảo tốt. Nhờ đó phương pháp thủy vân lai này đã chống được các tấn công phổ biến như thêm nhiễu, Salt&pepper, lọc trung bình, nén JPEG, cắt, xén, thay đổi tỉ lệ kích thước ảnh hay các cuộc tấn công làm mờ làm không sắc nét của ảnh. Ngoài ra, thuật toán ECC được dùng để mã hóa thủy vân do đó ngăn chặn được sự truy cập trái phép. Đây có thể được xem là một phương pháp thủy vân hiệu quả giúp đảm bảo bản quyền cho dữ liệu ảnh.

Một phương pháp thủy vân bền vững khác dựa trên biến đổi LWT, QR và SVD [5] được Sushama Agrawal và Anjali Bhalchandra đưa ra vào năm 2022 cũng rất hiệu quả trong việc bảo vệ bản quyền cho dữ liệu số. Ảnh phủ được chuyển sang miền tần số nhờ biến đổi LWT và thu được các dải tần số CH, CV, CD và CA. Nếu các dải tần CH, CV và CD chứa thông tin chi tiết của ảnh thì CA lại chứa thông tin về độ phân giải tần số thấp. Theo các tác giả, nếu nhúng vào dải tần CA thì có thể đạt được tính bền vững cao hơn nhưng lại ảnh hưởng tới tính ẩn của thủy vân còn nếu nhúng vào dải tần CD thì tính bền vững lại không cao bằng. Vì vậy các tác giả đã ưu tiên lựa chọn nhúng thủy vân vào dải tần CH và CV, cụ thể là chọn dải tần CH. Sau đó tiếp tục sử dụng biến đổi QR trên dải tần CH để thu được 2 ma trận Q và R. Ma trận R chứa năng lượng cao nhất của ảnh nên các tác giả đã sử dụng ma trận này để tính SVD và nhúng thủy vân vào ma trận đường chéo S. Sự kết hợp của QR và SVD tạo ra phạm vi thay đổi các giá trị suy biến rộng hơn trong khi đó việc thực hiện biến đổi LWT 3 mức giúp giảm kích thước của các dải tần con nhằm giảm lượng tính toán khi áp dụng SVD. Kết quả thu được ảnh thủy vân nhận được đảm bảo được tính ẩn với giá trị PSNR đạt trên 50db. Ngoài ra thủy vân cũng chống được các tấn công xoay ảnh từ 0.01⁰ đến 5⁰, nén ảnh hay các tấn công khác như xóa, dịch chuyển, thay đổi kích thước, lọc trung bình, salt&pepper, thêm nhiễu, thay đổi độ sắc nét…

Kết luận

Thủy vân bền vững đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo bản quyền dữ liệu số, nó có thể chống lại được các tấn công nhằm phá hủy thông tin về bản quyền đồng thời vẫn duy trì được chất lượng của dữ liệu số so với trước khi nhúng thủy vân. Các phương pháp thủy vân bền vững thường được thực hiện trên miền tần số để đảm bảo sự mạnh mẽ của thủy vân bên cạnh đó người ta cũng có thể sử dụng thêm các biến đổi như SVD, QR… để gia tăng thêm cho tính bền vững. Ba phương pháp được giới thiệu trong bài viết này đều đảm bảo được tính bền vững.  Đặc biệt hai phương pháp lai kết hợp miền tần số với SVD là những phương pháp mới được đưa ra gần đây không những đáp ứng tốt yêu cầu về bền vững mà còn duy trì được chất lượng ảnh ban đầu do cách nhúng đã tạo ra thủy vân ẩn nên những phương pháp thủy vân này đều hiệu quả trong việc bảo vệ dữ liệu số.

Nguồn: Tạp chí ATTT