Tài liệu Phân tích đánh giá hiệu quả của một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÝ NGỌC HÙNG PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2014 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÝ NGỌC HÙNG PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒ VĂN CANH Hà Nội - 2014 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả tìm hiểu, nghiên cứu trong luận văn là của cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các trích dẫn số liệu và kết quả tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Tác giả luận văn Lý Ngọc Hùng 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 3 MỤC LỤC ................................................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................... 7 MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 9 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH ..................... 11 1.1. Sơ lược về lịch sử giấu tin .............................................................................. 11 1.2. Khái niệm giấu tin .......................................................................................... 11 1.3. Phân loại các kỹ thuật giấu tin ........................................................................ 13 1.4. Những tính chất của giấu tin trong ảnh ........................................................... 14 1.5. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh. ........................................ 15 1.5.1. Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh ........................................ 15 1.5.2. Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh .......................................... 16 1.6. Một số ứng dụng của kỹ thuật giấu tin ............................................................ 16 1.7. Một số kỹ thuật giấu tin .................................................................................. 17 1.7.1. Kỹ thuật giấu tin mật trong khối bít sử dụng tính chẵn lẻ của tổng bit 1 .. 17 1.7.1.1. Ý tưởng ........................................................................................... 17 1.7.1.2. Thuật toán giấu tin ........................................................................... 17 1.7.1.3. Quy trình tách tin ............................................................................. 18 1.7.2. Kỹ thuật giấu tin Wu-Lee ........................................................................ 19 1.7.2.1. Một số định nghĩa ............................................................................ 19 1.7.2.2. Thuật toán giấu tin ........................................................................... 20 1.7.2.3. Quá trình tách tin ............................................................................. 23 1.7.3. Thuật toán giấu tin Yuan – Pan - Tseng................................................... 24 1.7.3.1. Ý tưởng ........................................................................................... 24 1.7.3.2. Thuật toán giấu tin ........................................................................... 24 1.7.3.3. Quá trình tách tin ............................................................................. 29 1.7.4. Kỹ thuật trải phổ trong watermarking ...................................................... 29 1.7.4.1. Mô tả thuật toán ............................................................................... 30 1.7.4.2. Quá trình thủy vân ảnh..................................................................... 30 1.7.4.3. Quá trình tách lấy lại thông tin ......................................................... 32 Chương 2. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN ......................................................................... 34 2.1. Tổng quan về phát hiện ảnh giấu tin ............................................................... 34 2.2. Các phương pháp phân tích ảnh có giấu tin .................................................... 34 2.2.1. Phân tích trực quan ................................................................................. 34 5 2.2.2. Phân tích theo định dạng ảnh................................................................... 35 2.2.3. Phân tích theo thống kê ........................................................................... 35 2.3. Cơ sở toán học................................................................................................ 35 2.4. Một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian................. 39 2.4.1. Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh ................................................... 39 2.4.1.1. Khái niệm cặp giá trị điểm ảnh ........................................................ 39 2.4.1.2. Thuật toán PoV3 .............................................................................. 39 2.4.1.3. Phân tích thuật toán ......................................................................... 40 2.4.2. Kỹ thuật phân tích đối ngẫu..................................................................... 41 2.4.2.1. Khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đối ngẫu ........................................ 41 2.4.2.2. Thuật toán RS .................................................................................. 43 2.4.2.3. Phân tích thuật toán RS .................................................................... 45 2.4.3. Kỹ thuật phân tích cặp mẫu SPA ............................................................. 48 2.4.3.1. Các khái niệm .................................................................................. 48 2.4.3.2. Phát hiện giấu tin mật LSB nhờ kỹ thuật SPA .................................. 51 2.4.3.3. Phân tích kỹ thuật SPA .................................................................... 52 2.4.3.4. Ước lượng độ chính xác của chiều dài thông điệp dấu theo SPA...... 56 Chương 3. ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN TRONG MIỀN KHÔNG GIAN ............................................................................................... 60 3.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 60 3.2. Xây dựng thuật toán ....................................................................................... 60 3.2.1. Thuật toán A ........................................................................................... 61 3.2.2. Thuật toán B ........................................................................................... 62 3.3. Kết quả thử nghiệm ........................................................................................ 64 3.3.1. Đối với thuật toán A ................................................................................ 64 3.3.2. Đối với thuật toán B ................................................................................ 65 3.4. Chương trình thử nghiệm................................................................................ 66 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 71 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BMP Bitmap DCT Discrete Cosine Transform DFT Discrete Fourier Transform GIF Graphics Interchange Format HAS Human Auditory System HVS Human Visual System JPEG Joint Photographic Experts Group LSB Least Significant Bit PNG Portable Network Graphics PoV Pairs of Values RGB Red – Green - Blue 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Quá trình giấu tin ....................................................................................... 12 Hình 1. 2 Quá trình giải mã tin giấu ........................................................................... 13 Hình 1. 3 Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin .......................................................... 14 Hình 2. 1 Quá trình tổng quát của kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin………………… 34 Hình 2. 2 Đồ thị RS của một ảnh kiểm tra. ................................................................. 46 Hình 2. 3 Xích hữu hạn trạng thái với các trạng thái là các tập con của Cm (m>0)...... 50 Hình 2. 4 Xích hữu hạn trạng thái cho tập C0. ........................................................... 50 Hình 3. 1 Giao diện chính của chương trình ............................................................... 66 Hình 3. 2 Giao diện giấu tin trong ảnh vào bít có trọng số thấp nhất .......................... 67 Hình 3. 3 Giao diện giấu tin theo kỹ thuật WuLee ..................................................... 68 Hình 3. 4 Giao diện phát hiện ảnh có chứa tin theo thuật toán A ................................ 68 Hình 3. 5 Giao diện phát hiện ảnh có chứa tin theo thuật toán B ................................ 69 Hình 3. 6 Giao diện phát hiện ảnh có chứa tin theo thuật toán A-B với đầu vào là một tập các tập tin............................................................................................................. 69 8 LỜI CÁM ƠN Bằng tất cả tình cảm của mình, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy Cô của bộ môn Hệ thống thông tin, cũng như các thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin – trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu, đã truyền thụ cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm, đã quan tâm dìu dắt và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong lúc thực hiện luận văn này. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Tiến Sĩ Hồ Văn Canh người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cụ thể để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Em kính chúc thầy luôn luôn mạnh khỏe và có nhiều niềm vui. Xin chân thành gửi lời cám ơn đến các bạn, các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên, cổ vũ mình trong suốt quá trình học tập và đặc biệt trong thời gian nghiên cứu luận văn. Mình rất hy vọng và tin tưởng rằng chúng ta vẫn luôn giữ được những tình cảm tốt đẹp đó. Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn. Hà Nội, tháng 11 năm 2014 Lý Ngọc Hùng 9 MỞ ĐẦU 1/Đặt vấn đề Ngày nay cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội mới cho quá trình đổi mới, xây dựng và phát triển đất nước. Với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống mạng máy tính đã tạo nên môi trường mở và là phương tiện trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại….Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn thông tin như: nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép, v.v... Để đảm bảo an toàn và bí mật cho một thông điệp truyền đi người ta thường dùng phương pháp truyền thống là mã hóa thông điệp theo một quy tắc nào đó đã được thỏa thuận trước giữa người gửi và người nhận. Tuy nhiên trong khoảng 10 năm gần đây đã xuất hiện một cách tiếp cận mới để truyền các thông điệp bí mật, đó là giấu các thông tin quan trọng trong những bức ảnh. Sau khi thực hiện giấu thì việc nhìn bề ngoài các bức ảnh có chứa thông tin cũng không có gì khác với các bức ảnh ban đầu chưa giấu chính vì vậy đã hạn chế được tầm kiểm soát của kẻ gian. Mặt khác, dù các bức ảnh đó bị phát hiện ra là có chứa thông tin trong đó thì với các khóa có độ bảo mật cao thì việc tìm được nội dung của thông tin đó cũng rất khó có thể thực hiện được. Song song với việc phát triển các kỹ thuật giấu tin trong đa phương tiện thì kỹ thuật dò tìm ảnh có chứa thông tin ẩn hiện nay đang phát triển rất mạnh, với hàng trăm công trình nghiên cứu được công bố trên thế giới hàng năm. Việc dò tìm ảnh có chứa thông tin bên cạnh việc phân loại đối tượng dữ liệu trên môi trường truyền thông còn có mục đích đánh giá ngược lại về mức độ an toàn và tin cậy của các thuật toán giấu tin. Đây là một hướng nghiên cứu triển vọng có thể góp phần đảm bảo an ninh, an toàn thông tin. 2/ Những đóng góp của luận văn Trong luận văn này chúng tôi sẽ trình bày một số thuật toán giấu tin mật đã được công bố trong khoảng thời gian gần đây, bên cạnh đó trong luận văn tôi cũng sẽ trình bày đánh giá một số thuật toán phát hiện ảnh giấu tin trong miền không gian và đưa ra hai thuật toán phát hiện ảnh giấu tin bằng phương pháp lý thuyết thống kê dựa trên phương pháp thống kê tự tương quan (Autocorrelation) 10 Bên cạnh đó luận văn đã thử nghiệm thuật toán giấu tin trong miền không gian và thử nghiệm phát hiện ảnh giấu tin với hai thuật toán đã đề xuất với bộ dữ liệu ảnh là 100 ảnh để đánh giá các kỹ thuật phát hiện đã đề xuất. 3/ Bố cục của luận văn Luận văn được trình bày trong 3 chương, có phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục, phần tài liệu tham khảo. Các nội dung cơ bản của luận văn được trình bày theo cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin trong ảnh Chương này sẽ trình bày một cách tổng quan về giấu tin trong ảnh, lịch sử, khái niệm, phân loại, các đặc trưng, các hướng tiếp cận và một số kỹ thuật giấu tin mật đã được công bố. Chương 2: Nghiên cứu một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian Chương này sẽ trình bày một cách tổng quan về kỹ thuật phát hiện ảnh có giấu tin, các hướng phân tích để phát hiện ảnh có giấu tin và trình bày một số thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin đã được công bố: Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh thuật toán PoV3, kỹ thuật phân tích đối ngẫu, kỹ thuật phân tích cặp mẫu SPA. Chương 3: Đề xuất thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin trong miền không gian Chương này sẽ trình bày hai thuật toán đề xuất và đánh giá độ tin cậy của từng thuật toán. Cài đặt thử nghiệm việc phát ảnh có giấu tin dựa theo hai thuật toán đã đề xuất. 11 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1. Sơ lược về lịch sử giấu tin Giấu thông tin bí mật (Steganography) có lịch sử hình thành và phát triển từ rất lâu đời, nó bắt nguồn từ Hy Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, chủ yếu phục vụ cho mục đích liên lạc bí mật. Theo các tài liệu nghiên cứu ghi lại, kỹ thuật giấu tin cổ xưa nhất và cũng là đơn giản nhất được nhắc tới trong các tài liệu là khi vua Histiaeus (khoảng năm 440 trước công nguyên) cạo sạch tóc xăm thông điệp lên da đầu và chờ khi tóc mọc lại, người nô lệ đó chuyển thông tin tới người nhận. Một thời gian sau người ta sử dụng các vật liệu tự nhiên như bảng gỗ, sáp ong, hổ phách cho việc giấu thông tin. Khi kỹ thuật phát triển hơn, con người sử dụng chữ viết với cỡ chữ nhỏ giấu trong các vật dụng hàng ngày (như các hộp, vali có hai đáy) để chuyển đi, hoặc dùng bồ câu để chuyển thông tin để che mắt các nhân viên an ninh, hải quan. Sang thế kỷ XVII, người ta dùng cách đánh dấu vào các ký tự cần thiết trên một văn bản, một bài báo công khai nào đó rồi truyền tới tay người nhận. Sau đó là thời kỳ phát triển rực rỡ của công nghệ hoá học với sản phẩm là mực không màu - là các chất lỏng sản phẩm hữu cơ không màu và hiển thị màu khi gặp điều kiện hoá - lý thích hợp. Tới ngày nay với phương pháp kiểm tra độ ẩm bề mặt, mực không màu không còn tác dụng bảo mật nữa, nhưng nó vẫn còn được dùng như một dạng thuỷ vân để in các block nhỏ hay các chi tiết phát quang khi bị chiếu tia cực tím. Trong một vài thập niên gần đây, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với rất nhiều công trình nghiên cứu. Cuộc cách mạng số hóa thông tin và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi này. Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kĩ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi cộng với sự lưu thông trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đã sinh ra rất nhiều những vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép…đây là lúc công nghệ giấu tin được chú ý và phát triển. 1.2. Khái niệm giấu tin Giấu tin là kỹ thuật giấu hoặc nhúng một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc. Kỹ thuật giấu tin thường nhằm đến hai mục đích chính đó là: 12 + Bảo mật cho dữ liệu được đem giấu. + Bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin. Với hai mục đích khác nhau này mà kỹ thuật giấu tin được phát triển theo hai khuynh hướng kỹ thuật tương ứng, chủ yếu đó là giấu tin mật và thủy vân số. Đối với kỹ thuật giấu tin mật thì việc giấu tin tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu càng được nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó có thể phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không. Còn đối với kỹ thuật thủy vân số với mục đích là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin thì không cần giấu nhiều thông tin mà chỉ thường tập trung đảm bảo một số yêu cầu như tính bền vững và đây là một trong những ứng dụng cơ bản nhất của thủy vân số. Hình 1. 1 Sơ đồ quá trình giấu tin Hình 1.1 biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản, môi trường chứa tin có thể là các file ảnh, text, audio…bản tin mật là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó như ảnh, logo, đoạn văn bản... thông điệp giấu sẽ tuỳ thuộc vào mục đích của người sử dụng. Bản tin mật sẽ được giấu vào trong môi trường chứa tin nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng thông tin là những chương trình, triển khai các thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khoá bí mật giống như các hệ mật mã cổ điển. Sau khi giấu tin, ta thu được phương tiện chứa bản tin đã giấu và có thể phân phối sử dụng trên mạng. 13 Khóa Môi trường chứa đã được giấu tin Bộ giải mã tin Bản tin mật Phương tiện chứa tin Kiểm định Hình 1. 2 Sơ đồ quá trình giải mã tin giấu Hình 1.2 chỉ ra các quy trình giải mã thông tin đã giấu. Sau khi nhận được phương tiện chứa đã giấu tin, quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khoá của quá trình nhúng. Kết quả thu được gồm phương tiện chứa ban đầu và bản tin mật đã giấu. Bước tiếp theo bản tin mật sẽ được xử lý kiểm định so sánh với bản tin mật ban đầu. Giấu tin trong ảnh (image steganography) là kỹ thuật lợi dụng một số thông tin dư thừa của dữ liệu ảnh gốc để giấu hoặc nhúng thông tin vào đó. Kỹ thuật giấu này đảm bảo chỉ người giấu và người tách biết được thông tin đã giấu, còn những người khác không thể cảm nhận được sự tồn tại của thông tin đã giấu trong ảnh. Nói chung giấu tin trong đa phương tiện là tận dụng độ dư thừa của phương tiện giấu để thực hiện việc giấu tin, mà người ngoài cuộc “khó” cảm nhận được có thông tin giấu trong đó. 1.3. Phân loại các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu thông tin số thường nhằm đến hai mục đích chính đó là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu và bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin nên theo Fabien A.P. Petitcolas đề xuất năm 1999 có thể chia lĩnh vực giấu tin theo hai hướng lớn là giấu tin mật và thủy vân số [10]. Giấu tin mật: việc giấu tin sẽ quan tâm tới việc giấu các tin sao cho thông tin giấu được càng nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không bằng kỹ thuật thông thường. Thủy vân số: việc giấu tin sẽ quan tâm tới việc đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin. Trong thủy vân số được phân thành 2 loại đó là thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ. Đối với thủy vân dễ 14 vỡ là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong ảnh yêu cầu thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi vào trên môi trường chứa tin. Còn đối với thuỷ vân bền vững thì thường được ứng dụng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền và yêu cầu độ bền cao trước sự thay đổi vào môi trường chứa tin. Trong thủy vân bền vững lại được phân ra làm hai loại thủy vân đó là thủy vân ẩn (cũng giống như giấu tin, bằng mắt thường không thể nhìn thấy thuỷ vân) và thủy vân hiện (là loại thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được). Hình 1. 3 Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin 1.4. Những tính chất của giấu tin trong ảnh Khi giấu thông tin trong ảnh, thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và gần như khi nhìn bình thường vào ảnh đó chúng ta không thể phát hiện ra rằng đằng sau ảnh là khối thông tin được ẩn trong đó. Và một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thông tin được giấu một cách vô hình, nó là một 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. Với nhiều định dạng và tính chất của các ảnh là khác khác nhau nên kỹ thuật giấu tin trong ảnh thường chú ý những tính chất cơ bản sau đây [6]: *Tính vô hình: nghĩa là với người quan sát bằng mắt thường không thể phát hiện được ảnh có chứa thông tin ẩn trong đó. Đây là một tính chất cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật giấu tin mật. *Tính bền vững: sau khi thực hiện giấu tin vào ảnh mang, bản thân ảnh mang có thể phải qua các biến đổi khác nhau như lọc tuyến tính, thêm nhiễu, làm sắc nét, mờ nhạt, 15 quay, nén mất dữ liệu,...vì vậy tính bền vững của việc giấu tin thể hiện khả năng chiết rút thông tin sau các xử lý tín hiệu và các kiểu tấn công. Hiện nay, chưa tìm ra phương pháp nào có thể đảm bảo tính chất này một cách tuyệt đối. * Khả năng nhúng: là khả năng lượng thông tin cần nhúng càng nhiều càng tốt nhưng không được vi phạm tính chất khác của kỹ thuật giấu tin mật. * Tính trong suốt: thông tin mật đem giấu không được gây ảnh hưởng đến chất lượng cảm thụ của đối tượng chứa. Tức là hình ảnh sau khi được nhúng tin hình hoàn toàn giống hình ảnh gốc. Nếu vi phạm tính chất này thì bài toán giấu tin không còn ý nghĩa. * Khả năng không thể phát hiện: tính chất này thể hiện khả năng khó bị phát hiện, nghĩa là khó xác định một đối tượng có chứa thông tin mật hay không. Để nâng cao khả năng này, hầu hết các phương pháp giấu tin đều dựa trên đặc điểm của hệ tri giác con người: HAS (Human Auditory System) và HVS (Human Visual System) Khả năng khó bị phát hiện của tín hiệu mật phụ thuộc vào hai yếu tố sau: + Kỹ thuật nhúng: dữ liệu nhúng phải phù hợp với đối tượng chứa và thuật toán nhúng. Để thực hiện tốt yêu cầu này, ngoài những kinh nghiệm trong lĩnh vực giấu tin, còn phải có kiến thức về các loại định dạng tập tin. + Kinh nghiệm của kẻ tấn công: nếu như kẻ tấn công có nhiều kinh nghiệm trong việc phát hiện đối tượng chứa thông tin mật thì khả năng bị phát hiện là không quá khó. Trong thực tế, người ta luôn phải cân nhắc giữa tính bền vững, khả năng nhúng và khả năng không thể phát hiện. Tùy vào mỗi ứng dụng mà ta ưu tiên tiêu chuẩn nào là trên hết. 1.5. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh. 1.5.1. Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh Đây là hướng tiếp cận cơ bản trong số các kỹ thuật giấu tin. Miền không gian ảnh là miền dữ liệu ảnh gốc, khi tác động lên miền không gian ảnh thì chính là tác động lên các điểm ảnh và thay đổi giá trị trực tiếp của điểm ảnh đó. Một phương pháp phổ biến của hướng tiếp cận này là phương pháp thay thế bit ít quan trọng nhất của mỗi điểm ảnh [2]. Ý tưởng cơ bản của phương pháp thay thế bit ít quan trọng nhất LSB (Least Significant Bit) là bit được chọn ra từ mỗi điểm ảnh các bit có ít ý nghĩa nhất về mặt tri giác để sử dụng về việc giấu tin. Ví dụ, trong ảnh 24 bit màu, mỗi màu được biểu diễn bởi 24 bit tương ứng với ba màu RGB, mỗi màu chiếm 1byte. Người ta sử dụng một tính chất của mắt người là 16 sự cảm nhận về màu Blue kém sơn so với màu Red, Green, vì vậy ta thường chọn bit cuối cùng trong 8 bit biểu diễn màu Blue của mỗi điểm ảnh để giấu tin. Thay đổi bít cuối cùng trong 8 bit biểu diễn màu Blue chỉ làm giá trị biểu diễn màu Blue tăng hoặc giảm đi 1 đơn vị. Do vậy các bit ít quan trọng nhất trong trường hợp này là bit thứ 24 của mỗi điểm ảnh. Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhiều hạn chế như không đảm bảo tính bền vững đối với các thao tác như quay hay nén ảnh. 1.5.2. Hướng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh Nhóm kỹ thuật này sử dụng một phương pháp biến đổi trực giao nào đó, chẳng hạn như Cosine rời rạc, hay Fourier… Để chuyển miền không gian ảnh sang miền tần số. Thuỷ vân sẽ được nhúng trong miền không gian tần số của ảnh theo kỹ thuật trải phổ trong truyền thông. Đây là kỹ thuật phổ biến nhất với nhiều thuật toán và được hứa hẹn là một phương pháp tốt giải quyết vấn đề đảm bảo hai thuộc tính quan trọng của thuỷ vân sau khi giấu. 1.6. Một số ứng dụng của kỹ thuật giấu tin Ngày nay, kỹ thuật giấu tin được triển khai trong nhiều ứng dụng khác nhau nhằm bảo vệ tính bí mật của thông tin, phục vụ các mục đích tích cực như bảo vệ bản quyền, thủy vân số, hay phục vụ giấu các thông tin bí mật về quân sự và kinh tế. Trong đó giấu tin trong ảnh chiếm tỷ lệ lớn nhất ở hệ thống giấu tin trong đa phương tiện. Sau đây là một số ứng dụng chủ yếu của giấu tin [2]. - Ứng dụng của thủy vân + Bảo vệ bản quyền tác giả: đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân số. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu sẽ được nhúng vào trong sản phẩm của nhà sản xuất. Thủy vân đó chỉ có một mình người chủ sở hữu hợp pháp sản phẩm đó có, và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà không được phép của người chủ sở hữu, thì chỉ có cách phá hủy sản phẩm. + Nhận thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin: một tập các thông tin sẽ được giấu trong phương tiện chứa sau đó được sử dụng để nhận biết xem môi trường chứa tin gốc đó có bị thay đổi hay không. Yêu cầu chung đối với các ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và thủy vân không cần bền vững. + Gán nhãn: tiêu đề, chú giải và nhãn thời gian cũng như các minh hoạ khác có thể được nhúng vào ảnh, ví dụ đính tên người lên ảnh của họ. Khi đó nếu sao chép ảnh thì cũng sẽ sao chép cả các dữ liệu nhúng trong nó. Và chỉ có chủ sở hữu của tác phẩm, người có được khoá bí mật mới có thể tách ra và xem các chú giải, tiêu đề này. 17 + Kiểm soát sao chép: điều mong muốn đối với các hệ thống phân phối dữ liệu đa phương tiện là tồn tại một kỹ thuật chống sao chép trái phép dữ liệu. Các thủy vân trong trường hợp này được dùng để kiểm soát sao chép đối với các thông tin. Thiết bị phát hiện ra thủy vân thường được gắn sẵn vào trong hệ thống đọc ghi. Ứng dụng loại này cũng yêu cầu thủy vân phải được đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thủy vân đã giấu mà không cần thông tin gốc. - Ứng dụng của giấu tin: thông tin giấu được trong trường hợp này càng nhiều càng tốt, việc tách tin để nhận được tin giấu cũng không cần phương tiện chứa ban đầu. Các yêu cầu mạnh về tính bền vững không cần thiết lắm, thay vào đó là thông tin giấu cần phải đảm bảo tính bí mật. 1.7. Một số kỹ thuật giấu tin 1.7.1. Kỹ thuật giấu tin mật trong khối bít sử dụng tính chẵn lẻ của tổng bit 1 1.7.1.1. Ý tưởng Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật này là chia một ảnh thành các khối nhỏ và trong mỗi khối nhỏ sẽ giấu một bit thông tin. Dựa vào tính chẵn lẻ của tổng số các bit 1 trong khối để quy định giấu bit 1 hay 0. Cụ thể sau khi giấu thì tổng số các bit 1 trong khối và bit cần giấu sẽ có cùng tính “chẵn lẻ”. Thuật toán này dùng cho ảnh đen trắng, ảnh mầu và ảnh xám. Đây là kỹ thuật đơn giản nhất trong các kỹ thuật giấu tin. 1.7.1.2. Thuật toán giấu tin Đầu vào  Một file ảnh bitmap đen trắng  Một file thông tin cần giấu  Một khóa K: đây là kích thước của khối nhỏ. Đầu ra  Một file ảnh đã được giấu tin Các bước thực hiện Bước 1: Tiền xử lý  Chuyển file thông tin cần giấu sang dạng nhị phân D=b1b2…bk  Đọc phần chứa thông tin ảnh (header của ảnh) để lấy các thông tin về ảnh, đọc bảng màu. Sau đó đọc toàn bộ dữ liệu ảnh vào một mảng hai chiều MMxN để sử dụng cho việc giấu tin Bước 2: Giấu tin 18  Chia ma trận MMxN thành các khối nhỏ Bi kích thước K = m x n  Thực hiện giấu bit dữ liệu bi vào từng khối Bi For each Bi IF sum(Bi)  bi (mod 2) THEN giữ nguyên khối Bi. else B’i  đảo bit bất kỳ trong Bi. End; Trong kỹ thuật giấu tin này, khóa đơn giản chỉ là kích thước khối nhỏ. K = mxn. Nếu biết kích thước của khối thì ta dễ dàng giải mã theo quy tắc sau. 1.7.1.3. Quy trình tách tin Đầu vào  Ảnh đã được giấu tin với dãy bit bí mật D=b1b2…bk  K là khóa bí mật, là kích thước khối nhỏ đã được xác định trước Đầu ra  File ảnh chứa tin đã được giấu  D là dãy bit bí mật đã giấu Các bước thực hiện Bước 1 :  Đọc header của ảnh để biết các thông tin về ảnh  Đọc bảng màu  Đọc phần dữ liệu ảnh vào ma trận hai chiều MMxN Bước 2 : Chia ma trận M thành các khối nhỏ Bi với kích thước K=mxn Bước 3 : Theo một thứ tự xác định trước, xét từng khối nhỏ Bi , thực hiện giải tin theo quy tắc sau:  Nếu tổng số các bit 1 trong khối là lẻ thì ta thu được bit dữ liệu giấu là 1.  Nếu tổng số các bit 1 trong khối là chẵn thì ta thu được bit dữ liệu giấu là 0. Cứ như vậy, sau khi xử lý hết các khối nhỏ đã giấu thông tin ta thu được chuỗi bit đã giấu và chuyển file xâu bit nhị phân sang file văn bản. * Phân tích thuật toán 19 - Việc chọn kích thước khối giấu tùy thuộc vào kích thước ảnh và lượng thông tin cần giấu sao cho giấu giàn trải trên toàn bộ ảnh. - Với thuật toán này việc chọn khối khá đơn giản, bắt đầu từ khối đầu tiên và những khối liên tiếp phía sau một cách tuần tự. Tuy nhiên ta có thể làm khó thuật toán hơn bằng cách chọn ngẫu nhiên một khối chưa giấu ở mỗi lần giấu. Khi đó, đã làm tăng độ an toàn của thuật toán vì khóa bây giờ còn thêm cả chỉ số khối đã giấu tin cho từng bit. Hoặc ta có thể thay đổi kích thước khối ở mỗi lần giấu, chẳng hạn như lần 1 có kích thước khối là 8x8, lần thứ hai 12x12, 16x16… trong trường hợp này thì khóa là kích thước khối của mỗi lần giấu là khác nhau. 1.7.2. Kỹ thuật giấu tin Wu-Lee Kỹ thuật giấu tin theo khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1 trong khối thể hiện độ an toàn không cao do chỉ có duy nhất kích thước khối là khóa cho quá trình giấu tin. Do đó thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng do W.Y.Wu và J.H.Lee đưa ra năm 1989, đã khắc phục phần nào những tồn tại của thuật toán giấu tin theo khối bít sử dụng tính chẵn lẻ của tổng bít 1 bằng cách đưa thêm khóa K là một một ma trận nhị phân phục vụ cho việc giấu tin và điều kiện để đảo bit trong mỗi khối nhỏ [14]. 1.7.2.1. Một số định nghĩa Định nghĩa 1.1: Gọi x và y là hai bit tùy ý, phép nhân ký hiệu  trên hai bit x và y. Phép cộng loại trừ (hay còn gọi là phép XOR) ký hiệu  trên hai bit x và y được định nghĩa thông qua bảng giá trị như sau: x y xy xy 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 Hai phép toán này cũng được áp dụng đối với việc nhân hai ma trận hay cộng loại trừ hai ma trận. Với điều kiện các ma trận nhị phân đó phải cùng cấp. Định nghĩa 1.2. Cho A=A[i,j], B=B[i,j] là 2 ma trận bit cùng cấp mxn Thì A  B = C với C=C[i,j]= A[i,j] B[i,j] ; 1≤ i ≤ m ; 1≤ j ≤ n Và A  B = D với D=D[i,j]= A[i,j]  B[i,j] ; 1≤ i ≤ m ; 1≤ j ≤ n Ví dụ: 20 Định nghĩa 1.3 Với một ma trận số A với kích thước bất kỳ thi ta định nghĩa SUM(A) là tổng tất cả các phần tử của ma trận A. Nếu A là ma trận bit thì SUM(A) chính là tổng số các bit 1 có trong A. Với ví dụ trong định nghĩa 1.2 ta có SUM (A)= 10, SUM(B)=9, SUM(C)=5, SUM(D)=9. 1.7.2.2. Thuật toán giấu tin * Ý tưởng Ý tưởng của thuật toán là sử dụng một khóa bí mật K là một ma trận nhị phân có kích thước mxn dùng để làm tăng tính bí mật của các thông điệp được giấu. * Thuận toán giấu tin Đầu vào:  Một ảnh gốc nhị phân F  Một khóa bí mật K là một ma trận nhị phân kích thước mxn  Xâu bit dữ liệu B=b1b2b3..bp cần giấu. Đầu ra: F’ là một file ảnh đã được giấu tin bên trong Các bước thực hiện Việc nhúng thông tin giấu vào trong ảnh sẽ được thực hiện bằng cách thay đổi một số bit của ảnh F theo các bước sau: Bước 1: Chia ảnh F thành các khối nhỏ Fi mỗi khối có kích thước cùng với kích thước của khóa K là mxn. Bước 2: For each Fi