Tài liệu Một số kỹ thuật cài tin trong ảnh bitmap

ĐẠI IIỌC QUỐC' G IA IỈẢ NỘI K H O A C Ỏ N G N (ỈH Ệ N g u y ễ n T h ị T h a n h Hình MỘT SỐ KỶ THUẬT CÀI TIN TRONG ẢNH BITMAP Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã số: 1.01.10 LUẬN V Ă N TI IẠC s ĩ N g ư ờ i h ư ớ n g d ầ n k h o a học: P G S . T S K H N g u y ễ n X u â n H u y Hà N ộ i 2004 M ộ t s ô k ỹ tliu ậ t c à i Im t r o n g ả n h BFI M A P _____ _________________ MỤC LỤC PHẨN M Ở Đ Ầ U .................................................................................................. 4 C H Ư Ơ N G I: í Ổ n g quan VỂ g iấ u t h ô n g Tí n .......................................7 1.1. Giới thiệu chung về giấu thông tin...............................................................7 1.2. Vài nét về lịch sử giấu t in ............................................................................... 8 1.3. Phân loại các kỹ thuật giấu t i n ...................................................................10 1.4. M ô hình kỹ thuật giấu tin và một số thuật ngữ cơ b ả n .................... 13 1.5. Giấu tin trong dữ liệu đa phương t i ệ n ......................................................16 1.5.1. G iấu tin trong ảnh s ố ......................................................................... 16 1.5.2. G iấu tin trong a u d io ...................... ' ..................................................... 18 1.5.3. G iấu thông tin trong v i d e o ................................................................19 1.6. M ột số ứng dụng đang được triển k h a i................................................... 19 C H Ư Ơ N G II: G IẤU TIN TRÊN ẢN H T ĨN H .................................................. 23 11.1. G iấu tin trong ảnh, những đặc trưng và tínhc h á t ............................. 23 11.2. C á c yêu cầu của một kỹ thuật giấu thông tintrong ảnh s ố ............ 26 11.3. S ự khác nhau của việc giấu thông tin trong ảnh đen trắng, ảnh màu và ảnh đa cấp x á m .......................................................................................27 11.4. Một số kỹ thuật thường dùng trong hệ giấu tin trong ả n h .............29 11.5. C ấu trúc ảnh B IT M A P ...................................................................................31 CHƯ Ơ NG III: THUỶ V Â N SỐ TRÊN ÀN H TĨNH...........................................35 III. 1. Giới thiệu chung về kỹ thuật thuỷ v â n ................................................. 35 111.1.1. Th uỷ vân số và giấu tin m ậ t............................................................35 III. 1.2. C ác yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ả n h ...................... 38 111.1.3. Những tấn công trên hệ thuỷ v â n ................................................ 40 111.2. Những khuynh hướng tiếp cận của kỹ thuật thuỷ v â n ....................41 111.2.1. Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ả n h ...................... 41 111.2.2. Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ả n h ....................... 42 111.3. Một số kỹ thuật bổ trợ cho kỹ thuật thuỷ vân số trên ả n h .......... 43 III.3.1. C á c phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần s ố 44 III.3 .2 Kỹ thuật kiểm định thuỷ v â n .............................................................. 48 N ị Ị i i x c n T h ị T h a n h B ì n h - L u ậ n v ă n ló t t ìí ị h iệ p C i i o ÌIỤC M ột M> k ỹ t h u ậ t ( ù i tin t n m \ ị (inh I Ỉ H M A I ' C HƯ Ơ NG IV: M ỘT SÔ KỸ THUẬT GIÃU TINTRONG ẢN H TĨNH........ 50 IV. 1. Một số kĩ thuật xử lý ảnh B IT M A P trong kỹ thuật giấu tin.......50 IV .2. Mô hình của quá trình giấu tin và giải mã trong ả n h .................... 57 IV .3. Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh đen trắng và ảnh m à u .......... 59 IV.3.1. Kỹ thuật 1 - Giấu tin đơn g i ả n ............................................................59 a) Ý tưởng:...........................................................................................................59 b) T h u ậ t toán giấu tin :.....................................................................................59 c) Q u á trình giải tin:..........................................................................................62 d) P hân tích thuât t o á n ................................................................................... 63 e) Cải tiến thuật to á n ....................................................................................... 64 IV .3. 2. Kỹ thuật thứ 2- Kỹ thuật giấu tin của wu _ L E E ......................65 a) Một sô khái niệm cơ b ả n .......................................................................... 65 b) Ý tưởng của thuật toán W u _ L e e ............................................................66 c) Th uật to á n :......................................................................................................66 d) Minh hoạ thuật t o á n ................................................................................... 68 e) Phân tích thuật t o á n ................................................................................... 69 f) Cải tiến thuật to á n ....................................................................................... 70 IV.3.3. Kỹ thuật 3 - Kỹ thuật giấu tin Y U A N _ P A N _ T S E N G .................. 71 a) M ột số khái niệm dùng trong thuật t o á n : ..........................................71 b) Ý tưởng của thuật to á n .............................................................................. 72 c) T h u ậ t to á n :.................................................................................................... 72 d) Chứng minh tính đúng đắn của thuật t o á n : .................................... 78 e) Đ ộ an toàn của thuật to á n ...................................................................... 80 f) Phân tích đánh giá thuật t o á n ................................................................82 g) Cải tiến thuật to á n ....................................................................................... 82 IV .4. G iảm nhiễu trên ảnh kết q u ả ................................................................... 82 IV .5. Kết quả thực nghiệm và đánh g iá ..........................................................83 PHẨN KẾT LU ẬN .............................................................................................. 86 TÀI LIỆU THAM K H Ả O ....................................................................................87 PHỤ LỤ C ............................................................................................................ 88 S i ị i i \ á i T i l l T h a n h Bì nh L i u i n wi n t oi ii i í hi cỊ ) Ci i f i I i ọí M l ' / so k x í h i i á l c à i t i l l i r o i i i Ị l i n h B ĩ Ị M A P ‘l PHẦN MỞ ĐẦU Cuôc cách man iZ thông tin kỹ thuật số đã đem lại nlũrnu ihay dổi sáu sác trong xã hội và trong cuộc sống của cliúnii ta. Bén cạnh những thuận lợi mà ihõnu tin kỹ thuật số mang lại cũns sinh ra những thách thức và cư hội mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thi0ì bị mứi như may anh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật sỏ Y.v...đã thúc đáy kha nâng sáim lạo, xứ lý và thướng thức các dữ liệu đa phương tiện (m ultimedia data). Công nghệ Internet và mạng không dày đã liên kết mọi nơi. mọi ngành, mọi người trcn thố giới lại với nhau - chưa bao giờ con người lại thấy nần gũi nhau đến như vậy. Môi trường Internet là cái nôi, là mánh đấi đô phát trie’ll thương mại điện tử. chợ điện tử, báo điện từ, sách điện tử, thư viện điện từ...v.v. và lương lai sẽ còn vỏ vàn dịch vụ điện tử khác ra đời. Thế giới dường nlnr chật hẹp lại, mọi thứ trở thành tài nguyên chung của nhàn loại. Mạng Internet toàn cầu đã tạo ra những cơ cấu ảo - nơi diễn ra các quá trình trao dổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thưưng mại và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thè xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực dang rất cán các giải pháp hữu hiệu nhàm đảm bảo an toàn thông tin, chống lại các nạn ăn cắp bản quyền, xuyôn tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép V.V.. Việc lìm giải pháp cho những vấn đỏ này không chi giúp ta hiếu thêm vé công nghẹ phức tạp đang phát triến rất nhanh này mà còn tạo ra những cơ hội phát triển mới. Giai pháp nào cho nhữníỊ vẩn (lẽ trên ? Nỵtxén Tliị Tlianli Bình - l.uựn vãn tot nẠiệp Cao học M ột so k V tliiiiil cài tin iroiiiỊ lìn h lỉíl M A I’ 5 Trong một thời gian dài. nhieu phương pháp báo vệ thông tin đã dược dưa ra, trong dó giải pháp dùng mật mã dược line dụng rộng rãi nhát. Các hệ mã đã tlưực phát triến nhanh chóng và được ứns dụng rất phổ biến. Thông tin ban đầu sẽ được mã hoá thành các ký hiệu vô nghĩa, sau đỏ sẽ được lấy lại thông qua việc giải mã nhờ klioá của hệ mã. Có rất nhiều hệ mã phức tạp và hiệu quả được sử dụng như DES, RSA, KNAPSACK... Tuy nhiên mội thônu điệp bị mã hoá dỗ gây ra sự chú ý và một khi những thông tin mã hoá bị phát hiện thì các tin lặc sẽ tìm mọi cách đe giải mã. Và cuộc chạy đua giữa những người bao vệ thông tin và bọn tin tặc vẫn chưa kết thúc tuyệt đối về bên nào. Một công nghệ mới phần nào giải quyết được những khó khăn trên là phương pháp giấu tin (data hiding) - dây là phưưng pháp mới dang được xem như một còng nghệ chìa khoá cho vân dề bảo vệ bản quyền, xác nhận thông tin và điều khiển truy cập ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin. Xét theo khía cạnh tổng quát thì giấu thông tin cũng là một hệ mã mật nhằm dám bảo tính an toàn thông tin, nhưng phương pháp này ưu điểm là ở chỗ giam được khả năng phát hiện ra sự lổn tại của thông tin trong các nguồn mang. Không giống như mã hóa thông tin là đổ chống sự truy cập và sửa chữa một cách trái phép thông tin, mực tiêu của giấu thông tin là làm cho thông tin trở nẽn vô hình hay không nghe thấy được đối với đối phương. Điều này sẽ đánh lừa được sự phát hiện cùa các tin tặc và do đó sẽ làm giảm khả năng bị giải mã. Giấu thông tin là một kỹ thuật còn tương dối mới và đang phát triển rất nhanh, thu hút được sự quan tâm của cả giới khoa học và giới công nghiệp và cũng còn nhiều thách thức. Luận vãn này trình bày về giấu thòng tin trong các nguồn đa phương tiện nói chung, và ảnh số nói ricng. Cụ thể hơn nữa là trình bày một số kỹ thuật giàu thông tin trong ảnh BITMAP, đặc biệt là ảnh đen trăng, tròn cơ sở đó cai liến kỹ thuật đè thực hiện việc giấu thôrm tin trong N}ỊU\cn Thị 'ỉ'lumh Bình - Luận vùn lòi Hịihiọp Cíio học \ h 'l xó /. V i l i i t ạ l c ( ' l i t i n t r ò m ; l ì n h B Í I M . M ’ <> ánh màu và ánh đa cấp xám theo hai lurớim: tãnc lượrm tliônu tin gian và núim cao chất lượim ánh đã maim thóiig tin. Nội thum cua luận văn iỉồin phán mo đáu. bon clnrưim chính và phấn phụ lục. Phẩn mở đầu: Giới thiêu chun£ Chương 1: Trình bày về khái niệm chung vồ giàu thỏne tin. Chương 2: Trình bày một số yêu cáu và đặc diểm vổ giấu tin mật trons ánh. Chương 3: Trình bày một số đạc điếm vé thuỷ vàn số iron anh. Chương 4: Trình bày một số kỹ thuật xử lý ảnh và một số kỹ thuật giấu tin trong ánh sỏ. Phần kết luận: Kết quá đạt dược và hướng phát triển của luận vãn. Phần phụ lục: Một số modul chính của chương trình minh hoạ. Phần tài liệu tham khảo ở cuối luận văn nêu rõ các tài liệu sử dụng đổ hoàn thành luận văn. N v,u\ỉ'n T h ị Tlianli B ình - L u ậ n văn ló ! n ^liic Ị) C a o line M ộ t s ô ' k ỹ iliiiậr c ủ i tin troiìíỊ ả n h B Ĩ T M A P 7 CHUƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU THÔNG TIN Torn líll: Trong chương này chúng ta sẽ lìm hiếu những vấn đe sau đây: • Giấu tin là gì ? • Vài nét về lịch sử ui ấu tin • Phân loại các kỹ thuật giấu tin • Mô hình của kỹ thuật giấu tin • Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện. • Một số ứng dụng của giấu tin • Tổng kết chương 1.1. Giới thiệu chung về giấu thông tin. Định nghĩa Giấu thông tin là một kv thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin sỏ nào dó vào trong một dối tượng dữ liệu sô khúc. Thuật ngữ của giấu thông tin là “steganography” , thuật ngữ này bát nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “cover writing”, một thuật ngữ khác dược sử dụng tương tự là “data hiding” . Nếu mục đích của mã hoá dữ liệu (encryption) là ngăn cản việc truy nhập trái phcp hay thay dổi dữ liệu thì mục đích của che giấu thông tin là làm cho dữ liệu trở nên không thể nghe thấy hay không thể nhìn thấy. Điều đó có nghĩa là đốiphương không nhận thấy sự tổn tại của dữ liệu đã được nhúng cho dù có lắngnghe một cách chăm chú hay nhìn thật cẩn thận vào môi trường có giấu dữ liệu. Chi tiết hơn, giả sử ta có đối tượng cần bảo mật R (một văn bản, một tấm bản đồ hoặc một tộp âm thanh chảng hạn). Nếu dùng phương pháp mã hoá đổ bảo mật R ta sẽ thu được bản mật mã cùa R ià R ’ chảng hạn. Thông thường, R mang những giá trị vô nghĩa và chính diều này làm cho đói phương nỉỉlii ngờ và tìm mọi cách thám mã. Ngirợc lại, nếu (iùnc phươns pháp giấu R vào một dối tượng khác, một bức ảnh F chảnsĩ hạn ta sẽ thu được bức ánh F háu như N g u x c n T h ị T h a n h B ì n l i - L u ậ n VŨII l ố t n g h i t ' p C a o h ọ c M ộ t s o k ỹ t h u ậ t c ủ i till t r o n q (ìn h ỈU ỉ'M A P 8 khôn" sai khác với F. Sau dó chí cán gửi ánh F’ cho nmròi nhận. Lấy ra hán lin R tir ánh F ta không cán ánh gốc F. Như vậy, khi đối phươne bát ciưực tâm ánh F nêu đó là ảnh lạ (ánh cá nhân, ảnh phonu cánh của những nưi không nổi liêng) thì khó nảy sinh nghi ngờ vổ kha lũum chứa tin mật trong F. Kỹ thuật giấu thông tin nhàm mục (lích dam bảo an toàn và b à o mật thúng tin rõ ràng ở hai khía cạnh. Một là bảo mật cho dữ liệu dược đem giấu, hai là báo mật cho chính đối tượng được dùniỊ đô giấu tin. Hai khía cạnh khác nhau này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Khuynh lurớim thứ nhất là giấu tin mặt (steganography). Khuynh hướng này tập tru nu vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu được nhiều và quan trọrm là nạ ười khác khó phát hiện được một đối tượna có bị giấu tin bèn trong hay không. Khuynh hướng thứ hai là thuý vân số (watermarking). Khuynh hưứne thuỷ ván số đánh giấu vào đối tương nhằm khản" định bán quyền SƯ 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 hướnu này. Như vậy, sự khác biệt giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mức độ lộ liễu của đối tượng mang tin mật. Nếu ta phối hợp hai plnrơng pháp trên thì mức độ lộ liễu đưực giảm đến mức tối da, đổng thời độ an toàn cũng được nâng cao. Chảng hạn, ta có thê mã hoá R thành R' sau đó mới giấu R ’ vào anh F để thu được anh F \ Tóm lại, RÌấu thông tin và hệ mã mật có quan hệ mật thiết với nhau, cùne xây dựng nên một hệ thông un toàn và bảo mật thông tin. 1.2. Vài nót về lịch sử giấu tin Từ Steganography bắt nguồn từ Hi Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, nó có Iighĩa là tài liệu được phu (covered writing). Các câu chuyện kê vổ kỹ thuật giấu thôim tin được truyền qua nhicu thế hệ. Có lẽ nlũrnụ ụhi chép X,ÌỊIIVI'II T h ị T h a n h B ì n h - I j i i j n VŨI1 t ót n g h i ệ p C a o l u n M ột sò k ỳ t h u ậ t c à i tin tr o n iị lin h B í ! M A P 9 sớm nhát về kv thuật íiill'll thông tin (thông tin được hiểu theo nghĩa nguyên thúy của nó) thuộc vé sử gia Hy-Lạp Herodotus. Khi bạo chúa Hy-Lạp Histiaeus bị vua Darius bát giữ ừ Susa vào thế kỷ thứ năm trước Cóng nguycn, ồng ta đã gửi một thông báo bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus. Histiaeus đã cạo trọc đầu của một I1Ô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da dầu của người nô lệ ấy. Khi tóc của người nô lệ này mọc đủ dài người nô lệ dược gửi tới Miletus. Một câu chuyện khác về thời Hy-Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại. Mỏi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc dược bọc trong sáp ong. Demeralus, một người Hy-Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hy-Lạp. Tránh bị phút hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại các viên thuốc bằng một lớp sáp mới. Những viên thuốc được đe ngỏ và lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng. Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài. Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường. Khi bị hư nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trừ nên sẫm màu và có thể đọc dễ dàng. Mực không màu cũng được sử dụng rất gần đây, như trong thời gian chiến tranh Thố giới II. Ý tưởng về che giấu thòng tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng kỹ thuật này được dùng chủ yếu trong quán đội và trong các cơ quan tình báo. Mãi cho tới vài thập niên gần đây, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghicn cứu và các viện công nghệ thông tin với hàng loạt công trình nghiên cứu giá trị. Cuộc cách mạng số hoá thông till và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thònỉỉ là nguyên nhân chính dẫn đốn sự thay đổi này. Những phiên bản sao chép hoàn hảo. các kv thuật thay thế, sửa đổi N iịuỵcii T h ị T h a n h B ình - L u ậ n vàn tốt nghiệp C a o h ọ c M o l s ò k ỹ t h u ậ t c à i till troiiỊỉ ùiilì I Ỉ Ĩ I M A I 1 linh VI. cộng với sự lưu Ihông phán phoi (lẽn numu của các dữ liệu da phương tiện dã sinh ra nhiéu vấn dề nhức nhối về nan ãn cắp han quyền, phán phối hát hợp pháp, xuyên lạc trái phép... 1.3. Phán loại các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuât ni âu thône tin số mới được hình thành irons thời íiian ỉỊẩn dây nên xu hướng phát triển vần chưa ổn định. Nhiều phương pháp mới, theo nhiều khiu cạnh khác nhau đang và sẽ được đề xuất, bởi vậy một định nghĩa chính xác, một sự đánh má phân loại rõ ràng chưa thê có dược. Một số tác ma đã đưa ra các cách đánh giá phân loại và các định nghĩa, nhưng khôn li lâu san lại có các định nghĩa khác, một sự phàn loại klìác được đề xuất. Mỏi kỹ thuật giấu tin trong ảnh có những đặc điểm nhất định cun quan tâm. Chảng hạn như có hay không mối liên hệ giữa dữ liệu nhúng vứi phương tiện mang? Ai là người s ẽ giải mã thông tin? Có bao nhiêu người nhận? Khoá là dùng chung hay bí mật? Tốc độ nhúng cao hay thấp, việc giải mã có là vân đề quan trọng?.... Có nhiéu cách để phân loại các kỹ thuật giàu thông tin, chảng hạn: - Phăn loại theo dữ liệu nguồn: Chẳng hạn như dữ liệu nguồn dạng văn bán (Text) và dữ liệu nguồn là Code của chương trình. Rõ ràng với dữ liệu nguồn dạng văn bản, khi thay đổi 1 bit nuười ta không nhận ra, nhưng với dữ liệu nguồn là chương trình có thê chương trình sẽ khổng chạy, ngưừi ta nhận biêt được sư thay đổi. Nhìn chung các dạng dữ liệu nguồn khác nhau, người ta phái sử dụng các kỹ thuật giấu tin khác nhau. Ví dụ dữ liệu nguồn có thê là Audio, anil, Video và đổ hoạ 3D, khi đó người ta phải lựa chọn các kỹ thuật khác nhau đe đảm bảo yêu cầu của hộ mail lin. /V"Í(VÍ7.’ T h ị t hanh liinh - Liiiin vãn tốt iii>hii‘p C ao học M ộ t s ô k ỹ t h u ậ t c ủ i tin t r o n g ả n h B Ĩ Í M A P 11 - Phân loại theo tính chát tri giác được và không tri giác dược: Sự khác nhau chú yếu uiữa hê giấu tin tri uiác đưưc và không tri ui ác được la sư nhãn biết nhanh khi có sự thay đổi nhở ở nguồn till. - Phân loại theo tính tàng hình: Xct vé tính tàng hình thì các kỹ thuật giấu tin được chia làm hai nhóm: thông tin giấu nhìn thấy được và thỏnu tin giấu không nhìn thấy được. Các thuỷ vân nhìn thấy được chủ yếu sử dụng cho ảnh và Video. Một mẫu nhìn thấy được chảng hạn như một logo nằm đồ lên ảnh hoặc Video. Các vân nhìn thấy thường mô tả cho các thông tin bản quyền, sở hữu quyền truy cập đối với thông tin của phương tiện chứa. Ví dụ như logo mờ được gán vào các chương trình vô tuyến. ' - Phân loại theo lĩnh vực ứne dụng: Các ứng dụng cổ điển bao gồm bảo vệ bản quyền tác giả, nhận thực thông tin, giấu vân tay, điều khiển truy cập thông tin và chú giải. - Cách phân loại thông dụng nhất hiện nay đối với các kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh số là dựa trên lĩnh vực ứng dụng. Người ta chia kỹ thuật giấu tin trong ảnh thành hai loại : watermarking và image hiding. [7J Sơ đổ phan loại trên hình 1.1 được Fabien A. p. Pctitcolas đé xuất năm 1999. N g u y ễ n T h ị T h a n h B ình - L uận ván tốt n g h iệ p C a o h ọ c M ộ t s ô k ỹ t h u ậ t c ù i tin I r o n q à i i h B I T M A P 12 H ìn h 1.1. P hân loại các k ỹ th u ậ t giấu tin Sơ đổ phân loại này như một bức tranh khái quát về kỹ thuật giấu thông tin. Dựa trên việc thống kê sắp xếp khoảng 100 công trình đã công bố trên một số tạp chí, cùng với thông tin về tên và tóm tắt nội dung của khoảng 200 công trình công bố trên Internet, có thể chia lĩnh vực giấu dừ liệu ra làm hai hướng lớn, đó là watermarking và steganography. W a te r m a rk in g là kỹ thuật nhúng một biểu tượng, còn gọi là thuỷ vân (w a te rm a rk ) vào trong ảnh môi trường để xác định quyổn sở hữu ảnh môi trường. Kích thước của biểu tượng thường nhỏ (từ vài bit tới vài nghìn bit). Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng khi ảnh môi trường bị biến đổi bởi các phép thao tác như lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy compression), hay các biến đổi hình học,... Tuv nhiên việc đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng không kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ thuật toán và có bộ giải mã trong tay. N g u y e n Tliị T h a n h B ìn h - L u ậ n văn tốt n g h iệ p C a o Itục M ộ t sá k ỹ th u ậ t c ù i tin t r o iiiỊ ả n li BFI M A I * 13 SteganograpỉiY là kỹ thuật dùng một dữ liệu mỏi trường đe lưu trữ và chuyến giao các dữ liệu quan trọng với kích thước tương đối lớn một cách an toàn. Mục đích Steganography là làm cho dữ liệu trở nên không quan sát được đối với thị giá c của COI1 người. Nếu như Watermarking quan tâm nhiều đến các ứng dụng giấu các máu tin ngấn nhưng đòi hỏi độ bền vững cao của thông tin cần giấu đối với các biến đổi thông thường của tệp dữ liệu môi trường thì Stcganographv lại quan tàm tới các ứng dụng che giấu các bản tin với độ mật và íluiiR lượng càng lớn càng tốt. Đối với từng hướng lớn này, quá trình phân loại có thể tiếp tục theo các tiêu chí khác, ví dụ dựa theo ảnh hưởng các tác động từ bên ngoài có thể cilia watermarking thành hai loại, một loại bền vững với các tác độiiR sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hoàn toàn đối lập: phải dễ bị phá huỷ trước các tác động nói trên. Cùng có thể chia watermarking theo đặc tính, một loại cẩn được che giấu để chỉ có một số nhữns neười tiếp xúc với nó có thể thấy được thông tin, loại thứ hai đối lập, cần dược mọi người nhìn thấy. 1.4. Mô hình kỹ th u ật giàu tin và m ột số th u ậ t ngữ cơ bản Mỏi kỳ thuật giấu tin gồm : • Thuật toán giấu tin. • Bộ giải mã thông tin. Thuật toán giấu tin được dùng đổ giấu thông tin vào một phương tiện mang bằng cách sử dụng một khoá hí mật được dùng chung bởi người mã và người giải mã, việc giải mã thông tin chỉ có thế thực hiện được khi có khoá. Bộ giải mã thực hiện quá trình giải mã trcn phương tiện mang dã chứa dữ liệu và trả lại thông điệp ẩn trons nó. N ạ n vẻn 1 liị Tlianli Binlì - L u ậ n văn tủi Iiíịlúệp C a o học M ộ t s o k x t h u ậ t c ù i tin t r o n g á n h B I T M A P !•* Mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản được mỏ tả theo hai hình vẽ sau: Thông tin giấu Khối H ình 1.2: Lược đồ chung cho quá trình giấu tin Hình vẽ trên biểu diễn quá trình giấu tin cư bản. Phương tiện chứa bao gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như text, audio, video, 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 klioá bí mật giống như các hộ mã mật cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu được phương tiện chứa bủn tin đã giấu và phân phối sử dụng trên mạng. NíỊtixén Tliị T h a n h Bình - L u ậ n văn tót ngliiệp C a o liọc M ộ t s ò k ỹ t h u ậ t c à i tin troniỊ (ình B ĩ ! ' M A P '5 Kho á Phương tiện chứa (audio, anh, video) Phương tiện chứa đã được giấu tin Thông tin giấu H ình 1.3 Lược đồ cho quá trình giải m ã Hình vẽ trên chỉ ra các công việc giải mã thông tin đã giấu. Sau khi nhận dược đối tượng phương tiện chứa có giấu thông tin, quá trình giải mã được thực hiện thône qua một bô giải mã tương ứng với bộ nhúng Ihỏng tin cùng với khoá của quá trình nhúng. Kết quả thu được gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Bước tiếp Iheo thông tin giấu sẽ được xử lí kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu. M ột s ố thuật ngữ cơ bản: • Daỉahiding: là thuật ngữ chỉ kỹ thuật giấu tin nói chung bao gồm cà giấu tin mật và thuỷ vân số. • Steganography: chỉ kỹ thuật giấu tin mật trong một đối tượng. • W aterm ark in g : thuỷ vân số, chỉ những kỹ thuật giấu tin dùng đe bảo vệ đối tượng chứa thông tin giấu. • Phương tiện chứa (host signal): là phương tiện gốc dược dùng dc nhúng thông tin. Trong giấu thõng tin trong ảnh thì nó mang tên ảnh X x i ty ổ u T h ị T h a n h Bình - L uận văn tốt nghi Ọp C a o liọc M ill so k x tli u ậ t c à i till I r a n i’ á n h H Í I M A I ’ 16 chứa, còn trong audio là audio chứa V.Y... và ta cũng gọi phương tiện chứa là môi trường. • T h ông tin giấu (embeded data): là lượng thông tin dược nhúng vào trong phưưng tiện chứa. Trong giấu tin mật steganography thông tin giấu được gọi là thông điệp giấu (message), còn trong kỹ thuật thuỷ vân sô thì thông tin giấu dược gọi là thuỷ vân (watermark) I. 5. G iấu tin tron g dữ liệu đa phưưng tiện Dữ liệu đa phương tiện là dạng dữ liệu đa dạng, phong phú hiện đang tồn tại trong mọi lĩnh vực ứng dụng của cồng nghệ thông tin. Chính vì vậy, dữ liệu đa phương tiện cũng được sử dụng làm phươiVíỉ tiện chứa trong quá trình giấu tin. Việc lựa chọn dữ liệu làm phương tiện chứa thực chất là phải tìm hiểu rõ về cấu trúc của loại dữ liệu đó. Một số dữ liệu đa phương tiện thường được dùng làm môi trườn? đê giấu tin như : text, audio, video, ảnh,... 1.5.1. Giấu tin trong ảnh s ố (Data Hiding in Image) Giấu thổng tin trong ảnh số là một phán của khái niệm giấu thông tin với viôc sử dụng ảnh số làm phương tiện mang. Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng dóng vai trò hết sức quan trọng trong các hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: nhạn thực thông tin, xác định xuyôn tạc thông tin, bảo vộ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật...Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới. Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưnn chất lượng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết được đằng sau ảnh đó mans những tlìông tin có ý N g u y ễn T hị T h a n h Bình - L uận vãn tót níỊhiệp C a o học M ộ t s ò k ỹ tlu iậ t c à i tin t i o n ạ á n li B I ỉ M A P 17 nghĩa. Và ngày nay. khi ảnh số dã dược sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh dã đem lại nhiều những ứng dung quan trọng trên các lĩnh vực trong đừi sống xã hội. Ví dụ như đối với các nước phát triến, chữ kí tay đã được số hoá và lưu trữ sử dụng như là hổ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân liàim và lài chính. Nó được dùng để nhận thực trong các thỏ tín dụng của người tiêu dùng. • Hay trong một số những ứng dụng về nhận diện như thỏ chứng minh, thẻ căn cước, hộ chiếu người ta có thê giấu thông tin trên các ảnh thỏ để xác định thông tin thực. Ví dụ như hình vẽ bên là một thẻ chứng minh đã được giấu tin trong ảnh. Thông tin giấu là số thẻ 123456789 trùng với số đã được in rõ ử trên thẻ ngay phía dưới ảnh. H ình 1.4: M ột ảnh th ẻ chứng m inh đã được giấu till sử dụng trong còng lúc nhận dạng Phần mềm WinWord của Microsoft cũng cho phép người dùng lưu trữ chừ kí trong ảnh nhị phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản đế đàm bảo tính an toàn của thông tin. Tài liệu sau đó được truyén trực tiếp qua máy fax hoặc lưu truyền trên mạng. Theo đó, việc nhân thực chữ kí, xấc thực thòng tin đã trở thành một vấn đề cực kì quan trọng khi mà việc ăn cắp thông tin huy xuyên tạc thông tin bởi các tin tặc đang trở thành một vấn nạn đối với bất kì quốc gia nào, tổ chức nào. Thêm vào đó, lại có rất nhiều loại thòrm tin quan trọng cần được bao mật như những thông tin vổ an ninh, thống tin về bảo hiểm ha> các thông tin VC tài chính. Các thông tin này đưực số hoá và lưu trữ troim í \ i’ll yen T h ị T h a n h B ình - L u ậ n văn tối ngliiệp C a o học V- L O / V Ỗ M ộ t s ô ' k ỹ t h u ậ t c à i tin t r o n g ả n h B I T M A P 1X họ thống máy tính hay trên mạng. Chúng rất dễ bị lấy cấp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc nhận thực cũng như phát hiện thông tin xuvèn tạc đã trở nên vô cùng quan trọng, cap thiết. Và một đặc điểm cùa giấu thông tin trong ảnh nữa đó là thông tin được giấu một cách vô hình. Nỏ như là cách truyền thông tin mật cho nhau mà người khác không thể biết được, bởi sau khi giấu thông tin thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi đặc hiệt đối với ảnh mầu hay ánh xám. 1.5.2. Giấu tin trong audio Giấu thông tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu thông tin trong các đối tượng đa phương tiện khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đổng thời khống làm ảnh hướng đến chất lượng của dữ liệu. Đảm bảo yêu cầu này, ta lưu ý ràng kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị giác của con người - HVS (Human Vision System) còn kỹ thuật giấu thông tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human Auditory System). Và một vấn đề khó khăn ử dây là hệ thống Ihính giác của con người nghe được các tín hiệu ử các giải tần rộng và công suất lớn nên đã gây khó dễ đối với các phương pháp giấu tin trong audio. Nhưng thật may là tai người lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt các giải tần và công suất, có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu được các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng. Các mô hình phân tích tâm lí đã chỉ ra điểm yếu trên và thong tin này sẽ giúp ích cho việc chọn các audio thích hợp cho việc giấu tin. Vấn đề khó khăn thứ hai đối với giấu thông tin trong audio là kênh truyền tin. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu. Ví dụ dể nhúng một đoạn java applet vào một đoạn audio (16 bit, 44.100Hz) có chiều dài bình thường thì các phương pháp nói chung cũng cần ít nhất tốc độ đường truyền là 20bps. Giấu thông tin trong audio đòi hỏi yêu cầu rất cao về N g u y e n Thị T h a n h Bìnli - L uận văn tot nghiệp C ao học M ọ t .so k ỹ tliiuil I (II till troniỊ tinh B Í I M A I ’ I '> tính dồng bộ và tính an toàn cùa thông tin. Các phưưng pháp giấu thông tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu irong hệ thõng thính giác của con người. 1.5.3. Giấu thông tin tronq video Cũng giông như siấu thông tin trong anh hay trong audio, giau till trong video cũng được quan tâm và được phát triẽn mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như diều khiên truy cập thông tin, nhặn thực thống tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Ta có thổ lây một ví dụ là các hệ thống chương trình trả tiền xem theo đoạn với các video clip (pay per view application). Các kỹ thuật giấu tin trong video cũn£ được phát triển mạnh mẽ và cũng theo hai khuynh hướng là thuỳ ván số và data hiding. Nhưng phẩn giới thiệu nà)’ chi quan tâm tứi các kỹ thuật giấu tin trong video. Một phương pháp giấu tin trong video được đưa ra bởi Cox là phương pháp phàn bố đều. V tưởng cơ bán của phương pháp là phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần số của dữ liệu chứa gốc. Nhiều nhà nghiên cứu đã đùng những hàm cosin riêng và các hệ số truyền sóng riêng để giấu tin. Trong các thuậl loán khởi nguồn thì thường các kỹ thuật cho phép giấu các ảnh vào trong video nhưng thời gian gần đây các kỹ thuật cho phcp giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video. Kỹ thuật giấu tin đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng chứ không riêng gì dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio hay video. Gần đây, đã có một số nghiên cứu giấu tin trong cơ sở dữ liệu quan hệ. 1.6. Một sỏ ứng dụng đang được triển khai - Bảo vệ bản quyền tác giả (copyright protection) Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số (digital watermarking) - một dạng của phưưng pháp giấu tin. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (người ta íiọi nó là thuỷ vàn - watermark) sẽ được nhúng vào trong các sán phẩm, thuý ván đó chi một mình người chủ sử hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản ỈSguycn T h ị Tlianli Bình - Liuin văn tốt nqhiệp Cưu liọc M ộ t s ổ k ỹ t h u ậ t c à i tin troní> d u ll B Ỉ 1 M A P 20 quyổn sản phẩm. Giả sử có một thành plưím dữ liôu dạng đa phương tiỌn như ảnh, âm thanh, video cần dược lưu thông trên mạng. Bảo vệ các sán phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật đổ dán tem bàn quyền vào sản phẩm này. Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đám bảo không để lại một ảnh hưởng lớn nào đến việc cảm nhận sán phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tổn tại bền vững cùng VỚI sàn phẩm, muốn bỏ thuý vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huv sản phẩm. a) Ảnh gốc b) Ảnh sau khi giấu thông tin bản quyền H ìn h 1.5: Ả nh trước và sau k h i giấu tin Thực chất bèn trong ảnh đã giàu có chứa thông tin của người chủ sở hữu S g n v ể n T hị T h a n h Bình - Luận văn tốt Iiẹhiệp C a o học