Tài liệu Tìm hiểu ảnh jpeg và thuật toán giấu tin trong ảnh jpeg

Đồ án tốt nghiệp Trang 1 GVHD: Th.s Trần Minh Văn PHỤC LỤC PHỤC LỤC..................................................................................................................... 1 LờI CảM ƠN ................................................................................................................... 3 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT GIẤU TIN ......................................................................... 8 1.1 KHÁI NIệM .............................................................................................................. 8 1.2 CÁC Kỹ THUậT GIấU TIN ......................................................................................... 8 1.3 MÔ HÌNH GIấU TIN VÀ GIảI TIN TổNG QUÁT .......................................................... 9 1.4 Sự KHÁC BIệT GIŨA STEGANOGRAPHY, WATERMARKING VÀ CRYPTOGRAPHY 10 1.5 MộT Số ứNG DụNG ĐƯợC TRIểN KHAI ................................................................... 11 1.6 MÔI TRƯờNG GIấU TIN ......................................................................................... 13 1.6.1 Giấu tin trong audio .................................................................................... 13 1.6.2 Giấu thông tin trong video.......................................................................... 14 1.6.3 Giấu tin trong ảnh số .................................................................................. 14 CHƯƠNG 2. ẢNH SỐ ................................................................................................ 18 2.1 GIớI THIệU Về ảNH Số ............................................................................................ 18 2.2 ẢNH RASTER ........................................................................................................ 18 2.2.1 Các loại ảnh raster ...................................................................................... 19 2.2.2 Định dạng ảnh raster .................................................................................. 19 2.3 ẢNH VECTOR........................................................................................................ 20 2.4 CÁC Kỹ THUậT NÉN ảNH (IMAGE COMPRESSION) ............................................... 22 CHƯƠNG 3. ẢNH BITMAP (BMP) VÀ THUẬT TOÁN LSB ĐƠN GIẢN.......... 24 3.1 ẢNH BMP ............................................................................................................ 24 3.1.1 Khả năng lưu trữ ......................................................................................... 24 3.1.2 Device-independent bitmaps và định dạng file BMP ............................... 25 3.1.3 BMP file header ........................................................................................... 26 3.1.4 Bitmap information (DIB header) ............................................................. 27 3.1.5 Bảng màu (Color palette) ........................................................................... 29 3.1.6 Dữ liệu ảnh bitmap ...................................................................................... 30 3.2 THUậT TOÁN LSB ĐƠN GIảN TRÊN MIềN KHÔNG GIAN....................................... 31 CHƯƠNG 4. ẢNH JPEG ............................................................................................ 34 4.1 CHUẩN JPEG VÀ ứNG DụNG ................................................................................ 34 4.2 CấU TRÚC ảNH JPEG ........................................................................................... 35 4.3 VÍ Dụ MÃ HÓA VÀ GIảI MÃ ảNH JPEG ................................................................. 42 SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 2 GVHD: Th.s Trần Minh Văn 4.3.1 Mã hóa .......................................................................................................... 43 4.3.2 Giải mã file JPEG........................................................................................ 53 CHƯƠNG 5. THUẬT TOÁN LSB (YU-YUAN, HSIANG-KUANG PAN VÀ YUCHEE TSENG) VÀ ỨNG DỤNG VỚI ẢNH BMP VÀ JPEG................................. 57 5.1 GIớI THIệU ............................................................................................................ 57 5.2 THUậT TOÁN......................................................................................................... 58 5.2.1 Các kí hiệu dùng trong thuật toán ............................................................. 58 5.2.2 Đặt vấn đề .................................................................................................... 58 5.2.3 Các bước giấu tin vào Fi ............................................................................. 60 5.3 Độ AN TOÀN CủA THUậT TOÁN ............................................................................. 62 5.4 VÍ Dụ MINH HọA GIấU TIN TRONG ảNH BITMAP (BMP) ....................................... 63 5.5 GIấU TIN TRONG ảNH JPEG ................................................................................ 66 CHƯƠNG 6. CÀI ĐẶT VÀ CHƯƠNG TRÌNH MINH HỌA ................................. 70 6.1 CÀI ĐặT CHƯƠNG TRÌNH...................................................................................... 70 6.2 MÔ HÌNH LớP ....................................................................................................... 70 6.3 MÔ HÌNH TUầN Tự CHO CHứC NĂNG GIấU TIN..................................................... 73 6.3.1 Mô hình giấu tin vào ảnh bitmap............................................................... 74 6.3.2 Mô hình giấu tin vào ảnh JPEG................................................................. 75 6.4 MÔ HÌNH TUầN Tự CHO CHứC NĂNG GIảI TIN...................................................... 76 6.4.1 Mô hình giải tin từ ảnh BMP ..................................................................... 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 88 SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 3 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Lời cảm ơn Để hoàn thành tốt khóa học và luận văn tốt nghiệp của mình, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và giảng dạy tận tình của các thầy cô trong khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại học Nha Trang. Bên cạnh những bài giảng trên lớp, thầy cô còn cung cấp những kinh nghiệm thực tế vô cùng quý báu. Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả các thầy cô. Đặc biệt em xin cảm ơn đến thầy Trần Minh Văn, giáo viên trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Đồng thời, em cũng cảm ơn đến các bạn trong lớp đã tham gia góp ý và hỗ trợ em hoàn thành tốt luận văn này. Tuy đã nỗ lực hết sức nhưng vẫn không thể không tránh khỏi những thiếu sót tiềm ẩn, vì thế em rất mong nhận được những góp ý từ các thầy cô cũng như tất cả các bạn. SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp SVTH: Trương Minh Thịnh Trang 4 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Đồ án tốt nghiệp Trang 5 GVHD: Th.s Trần Minh Văn MỞ ĐẦU Giới thiệu và mục tiêu của đề tài 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. Sự ra đời những phần mềm có tính năng mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số, v.v cùng với mạng Internet toàn cầu như một xã hội ảo, nơi diễn ra quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại… đã tác động rất lớn đến đời sống con người chúng ta. Và, chính trong môi trường mở, tiện nghi như thế các vấn nạn và tiêu cực xã hội cũng không ngừng tăng cao. Do đó, xã hội đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn thông nhằm ngăn ngừa và chống lại các tệ nạn ăn cắp bản quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép v.v.. Trong một quá trình phát triển lâu dài, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đã được đưa ra, trong đó giải pháp dùng mật mã học là giải pháp được ứng dụng rộng rãi nhất. Các hệ mã mật đã được phát triển nhanh chóng và được ứng dụng rất phổ biến cho đến tận ngày nay. Thông tin ban đầu sẽ được mã hoá thành các ký hiệu vô nghĩa, sau đó sẽ được lấy lại thông qua việc giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có rất nhiều những hệ mã phức tạp được sử dụng như DES, RSA, AES...và phương pháp này đã được chứng minh thực tế là rất hiệu quả và được ứng dụng phổ biến. Nhưng ở đây ta không định nói về các hệ mã mật mà ta tìm hiểu về một phương pháp đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng rất mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới đó là phương pháp giấu tin (data hiding). Đây là phương pháp mới và phức tạp, nó đang được xem như một công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, nhận thực thông tin và điều khiển truy cập … ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin. SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 6 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Giấu thông tin (Steganography) là một kỹ thuật nhúng thông tin (embedding) vào trong một nguồn đa phương tiện gọi là các phương tiện chứa (host data) mà không gây ra sự nhận biết về sự tồn tại của thông tin giấu (invisible). Từ Steganography bắt nguồn từ Hi Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, nó có nghĩa là tài liệu được phủ (covered writing). Các câu chuyện kể về kỹ thuật giấu thông tin được truyền qua nhiều thế hệ, ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng kỹ thuật này được dùng chủ yếu trong quân 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 nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với rất nhiều các công trình nghiên cứu. Cuộc cách mạng số hoá thông tin và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi này. Các kỹ thuật sao chép, thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đã sinh ra rất nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép... Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là phương pháp mã hoá làm cho các thông tin hiện rõ là nó có được mã hoá hay không, còn đối với phương pháp giấu thông tin thì người ta sẽ khó biết được là có thông tin giấu bên trong do tính chất ẩn (invisible) của thông tin được giấu. Một khi những thông tin mã hoá bị phát hiện thì những tên tin tặc sẽ tìm mọi cách để triệt phá. Và cuộc chạy đua giữa những người bảo vệ thông tin và bọn tin tặc vẫn chưa kết thúc tuyệt đối về bên nào. Trong hoàn cảnh đó thì giấu thông tin trở thành một phương pháp hữu hiệu. Mục tiêu của đề tài Với mục đích hiểu rõ thêm về information hiding (IH),đề tài của em sẽ tìm hiểu về một nhánh của IH đó là steganography (giấu tin mật) và đây là một nhánh nghiên cứu khá nổi trội trong vấn đề bảo mật ngày nay. Đề tài sẽ áp dụng kỹ thuật này lên đối tượng ảnh số bitmap và quan trọng hơn cả SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 7 GVHD: Th.s Trần Minh Văn là ảnh JPEG sủ dụng thuật toán giấu tin vào các bit ít quan trọng (LSB - least significant bit) của 3 nhà khoa học Đài Loan là Yu-Yuan, Hsiang-Kuang Pan và YuChee Tseng (Department of Computer Science and Information Engineering National Chiao Tung University Hsin-Chu, 30050, Taiwan). SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 8 GVHD: Th.s Trần Minh Văn CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Khái niệm Giấu tin là kỹ thuật nhúng một thông tin nào đó có tính chất nhạy cảm vào một đối tượng chứa nhằm che giấu sự tồn tại của tin đó trước các đối thủ nhưng vẫn không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của đối tượng chứa. 1.2 Các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu tin mới được hình thành trong những năm gần đây nên hướng phát triển chưa ổn định. Nhiều phướng pháp mới theo nhiều khía cạnh khác nhau đang được đề xuất, bởi vậy một định nghĩa chình xác, một đánh giá phân loại rõ ràng chưa thể thực hiện được. Sơ đồ phân loại được Fabien A.P Peticolas đề xuất năm 1999 như sau: Information Hiding (Giấu tin) Watermarking (Thủy vân số) Steganography (Giấu tin mật) Robust Copyright (Thủy vân bền vững) Imperceptible Watermarking (Thủy vân ẩn) Visible Watermarking (Thủy vân hiện) Hình 1.1 Sơ đồ phân loại giấu tin SVTH: Trương Minh Thịnh Fragile Watermarking (Thủy vân yếu) Đồ án tốt nghiệp Trang 9 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng chính: đó là watermarking và steganography. Nếu như watermarking (thủy vân) quan tâm nhiều đến ứng dụng giấu các mẫu tin ngắn nhưng đòi hỏi sự bền vững của thông tin cần giấu (trước các biến đổi thông thường của đối tượng chứa) thì steganography lại quan tâm tới ứng dụng che giấu các bản tin đòi hỏi độ bí mật và dung lượng càng lớn càng tốt. Đối với từng hướng, quá trình phân loại theo các tiêu chí khác có thể tiếp tục được thực hiện, ví dụ dựa vào ảnh hưởng tác động từ bên ngoài có thể chia watermarking thành hai loại, một loại bền vững với tác động sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hoàn toàn đối lập: dễ bị phá hủy trước các tác động này. Cũng có thể chia watermarking theo đặc tính, một loại cần được che giấu để chỉ một số người tiếp xúc với nó có thể thấy được thông tin, loại thứ hai ngược lại, cần được mọi người nhìn thấy. 1.3 Mô hình giấu tin và giải tin tổng quát Thông điệp cần giấu và sẽ được nhúng vào phương tiện chứa và được biến đổi bởi bộ nhúng tin để đảm bảo an toàn cho thông điệp đồng thời hạn chế tối đa sự thay đổi bên ngoài cho phương tiện chứa. Thông điệp chỉ được trích xuất ra từ phương tiện chứa đã được nhúng khi có hóa bí mật này. Thông tin cần giấu Phương tiện chứa (video, audio, ảnh) Bộ nhúng tin Khóa bí mật Hình 1.2 Mô hình giấu tin SVTH: Trương Minh Thịnh Phương tiện chứa đã được giấu tin Đồ án tốt nghiệp Trang 10 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Thông tin cần giấu Phương tiện chứa đã có tin giấu bên trong Bộ nhúng tin Phương tiện chứa đã có tin giấu bên trong Khóa bí mật Hình 1.3 Mô hình giải tin 1.4 Sự khác biệt giũa steganography, watermarking và cryptography Cả 3 phương pháp trên đều hướng tới việc đảm bảo an toàn cho nguồn tin truyền giữa người gửi và người nhận. Tuy nhiên chúng có những cách thức khác nhau và chúng ta cần làm rõ hơn về điều này. Mật mã học hay cryptography là việc bảo vệ nội dung của thông điệp bằng cách làm biến đổi thông điệp để thông điệp trở nên vô nghĩa, còn đối với steganography/watermarking đề cập đến sự che giấu bản tin hay che đậy sự tồn tại của chúng trong một đối tượng không có ý nghĩa cơ mật. Steganography/watermarking do đó cũng được gọi là sự ẩn thông tin trong thông tin khác và nó áp dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con người. Sự thành công của kẻ tấn công các phương thức trên cũng có sự khác nhau. Đối với cryptography, kẻ tấn công khi đã đọc được thông điệp bí mật thì đó chính là thành công trong việc phá vỡ rào cản đối với thông điệp đó. Tuy nhiên, đối với steganography/ watermarking thì người tấn công phải thực hiện tới hai công đoạn, một là phải phát hiện được có thông tin mật đang được giấu hay không, hai là có thể đọc, SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 11 GVHD: Th.s Trần Minh Văn sửa đổi hoặc xóa bỏ thông điệp đó hay không. Tuy steganography/watermarking tạo ra nhiều rào cản hơn nhằm làm tăng sự khó khăn cho đối thủ nhưng khi việc phát hiện có thông điệp chứa trong đối tượng mang thì độ an toàn của chúng lại không còn cao nữa. Watermarking và steganography có những khác biệt cũng không rõ ràng. Watermarking cũng sẽ giấu thông điệp vào trong đối tượng chứa, và đối tượng chứa này khi đã được giấu tin vào thì không thể phân biệt với nguyên bản. Nhưng đối với watermarking, theo một cách nào đó thì kẻ xấu không thể xóa hoặc sửa đổi thông điệp bên trong đới tượng chứa. Steganography do đó không chú trọng nhiều đến việc xóa bỏ hay biến đổi thông điệp được che giấu bên trong, nhưng đối với watermarking điều này trở nên vô cùng quan trọng. Thường thì mục đích của steganography và cryptography là bảo vệ thông điệp giữa hai người hay hai đối tượng với nhau, còn watermarking thì lại khác, nó có vai trò bảo vệ thông điệp giữa một người hoặc một đối tượng với nhiều người, nhiều đối tượng khác. 1.5 Một số ứng dụng được triển khai Ø Bảo vệ quyền tác giả (Copyright protection): đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu của tác giả (gọi là thủy vân : watermarking) sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thủy vân đó chỉ người sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả sử có một dữ liệu dạng đa phương tiện như ảnh, âm thanh, video, cần được lưu thông trên mạng, để bảo vệ các sảm phẩm, chống lại việc lấy cắp hoặc làm nhái thì cần phải có một số kỹ thuật để “đóng dấu bản quyền” vào các sản phẩm này. Việc dán tem chính là việc nhúng thủy SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 12 GVHD: Th.s Trần Minh Văn vân nhưng cần phải đảm bảo không làm ảnh hưởng đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng sản phẩm, muốn hủy bỏ thủy vân này mà không được phép của chủ sở hữu thì chỉ có cách hủy sản phẩm. Ø Chứng thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin: Một tập thông tin sẽ được giấu trong phương tiện chứa, sau đó được sử dụng để nhận biết xem dữ iệu trên phương tiện gốc có bị thay đổi hay không? Các thủy vân nên được ẩn để tránh sự tò mò của những người không có trách nhiệm hơn nữa việc làm giả các thủy vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cần được xem xét. Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi (ví dụ như phân biệt xem một đối tượng đa phương tiện chứa thông tin giấu đã bị thay đổi, xuyên tạc nội dung hay là chỉ bị nén mất dữ liệu). Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và thuỷ vân không cần bền vững. Ø Dấu vân tay hay dán nhãn (fingerprinting and labeling): Thuỷ vân trong những ứng dụng này đựơc sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó. Ví dụ như các vân khác nhau sẽ được nhúng vào các bản copy khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho nhiều người. Với những ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn cao cho các thuỷ vân tránh sự xoá dấu vết trong khi phân phối. Ø Điều khiển truy cập (copy control): Các thuỷ vân trong những trường hợp này được sử dụng để điều khiển truy cập đối với các thông tin. Các thiết bị phát hiện ra thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi. Các ứng dụng loại này cũng yêu cầu thuỷ vân phải được bảo đảm an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc. SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 13 GVHD: Th.s Trần Minh Văn Ø Chú giải: Các thông tin giấu được trong những trường hợp này càng nhiều càng tốt. 1.6 Môi trường giấu tin Kỹ thuật giấu tin đã được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều môi trường dữ liệu khác nhau như trong dữ liệu đa phương tiện (text, image, audio, video), trong sản phẩm phần mềm và gần đây là những nghiên cứu trên môi trường cơ sở dữ liệu quan hệ. Trong các môi trường dữ liệu đó thì dữ liệu đa phương tiện là môi trường chiếm tỉ lệ chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin. 1.6.1 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 đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc. Để đảm bảo yêu cầu này, 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 ở đây là hệ thống thính giác của con người nghe được các tín hiệu ở 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 HAS lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt các dải tần và công suất điều này 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 thông 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. Giấu thông tin trong audio đòi hỏi yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn của thông tin. Các phương pháp giấu thông tin trong audio đều lợi SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 14 GVHD: Th.s Trần Minh Văn dụng điểm yếu trong hệ thống thính giác của con người. 1.6.2 Giấu thông tin trong video Cũng giống như giấu thông tin trong ảnh hay audio, giấu tin trong video cũng được quan tâm và được phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập, chứng thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Ta có thể lấy 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 cũng được phát triển mạnh mẽ và cũng theo hai khuynh hướng là thuỷ vân số và data hiding. Trong các thuật toán khởi nguồn thì thường các kỹ thuật cho phép giấu các ảnh vào trong video, nhưng thời gian gần đây các kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video. 1.6.3 Giấu tin trong ảnh số Giấu thông tin trong ảnh, hiện nay, 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 đóng vai trò hết sức quan trọng trong các hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: chứng thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ 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 nhà khoa học, cá nhân, tổ chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới. Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và không thể biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại rất nhiều những ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội. Ví dụ như đối với các nước phát triển, chữ kí tay đã được số hoá và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để nhận thực trong các thẻ SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 15 GVHD: Th.s Trần Minh Văn tín dụng của người tiêu dùng. Phần mềm Office Word của MicroSoft cũng cho phép người dùng lưu trữ chữ kí trong ảnh nhị phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính an toàn của thông tin. Tài liệu sau đó được truyền trực tiếp qua máy fax hoặc lưu truyền trên mạng. Theo đó, việc chứng thực chữ kí, xác thực thông tin đã trở thành một vấn đề cực kì quan trọng khi mà việc ăn cắp thông tin hay 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 thông tin quan trọng cần được bảo mật như những thông tin về an ninh, thông tin về bảo hiểm hay các thông tin về tài chính, các thông tin này được số hoá và lưu trữ trong hệ thống máy tính hay trên mạng. Chúng rất dễ bị lấy cắp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc chứng thực cũng như phát hiện thông tin xuyên tạc đã trở nên vô cùng quan trọng, cấp thiết. Và một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thông tin được giấu trong ảnh một cách vô hình, nó như 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 đặc biệt đối với ảnh màu hay ảnh xám. Đã có rất nhiều phương pháp giấu tin trên ảnh số được đề ra như kỹ thuật Wu-Lee được đưa ra bởi M.Y.Wu và J.H.Lee trong Proceeding of international Symposium on Multimedia Information Processing 1999. Nhưng thuật toán này vẫn chưa đạt được những yêu cầu cần thiết về khả năng giấu tin, độ an toàn trước các kiểu tấn công cũng như chất lượng ảnh sau khi giấu tin vào. Để cải thiện được các nhược điểm trên, YuYuan, Hsiang-Kuang Pan và Yu-Chee Tseng (Department of Computer Science and Information Engineering National Chiao Tung University Hsin-Chu, 30050, Taiwan) đã đề xuất thuật toán khắc phục và được sử dụng phổ biến. Chi tiết thuật toán sẽ được nêu rõ trong phần sau của báo cáo. Tính bảo mật của tài liệu thường được thực hiện thông qua phương pháp mã hóa tài liệu đó. Mặc dù mã hóa được sử dụng khá phổ biến nhưng nó không tránh khỏi SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 16 GVHD: Th.s Trần Minh Văn những hạn chế phát sinh trong khi việc tấn công của kẻ xấu ngày càng tinh vi và thông minh hơn. Để hạn chế nội dung của tài liệu bị lộ, kẻ xấu có ít cơ hội hơn để tìm ra nội dung của tài liệu thì Steganography (giấu tin) đã ra đời. Steganography khác với mật mã hóa ở chỗ nó che giấu các thông tin mật trong các tài liệu mà các tài liệu này không cần bảo mật nhằm đánh lừa kẻ xấu phát hiện thông tin bên trong nó. Vì thế Steganography được gọi là data/information hiding. Để hiểu rõ hơn về steganography chúng ta đến với ví dụ đơn giản về quá trình truyền tin giữa Alice và Bob, như sau: Alice và Bob yêu nhau và muốn ở bên nhau nhưng gặp phải sự phản đối của hai gia đình, hai người bị giám sát chặt chẽ và gặp mặt nhau đối với họ hiện tại là một việc bất khả thi. Không chịu nổi sự chia rẽ, cuối cùng hai người cũng đã đi đến quyết định giải thoát cho mình. Và, Alice muốn gửi một thông điệp cho Bob rằng hai người sẽ cùng nhau trốn gia đình để cao bay xa chạy , sống một cuộc sống hạnh phúc. Alice gửi cho Bob kế hoạch trốn chạy khỏi sự ngăn cản của hai gia đình. Tuy nhiên, nếu Alice mã hóa bản kế hoạch và gửi cho Bob thì mặc dù gia đình Bob không biết được nội dung của thông điệp trên nhưng họ sẽ hủy nó đi và càng quyết liệt hơn để chia cắt hai người. Cho nên Alice và Bob phải tìm một cách hữu hiệu nhất che đậy bản kế hoạch và qua mắt được gia đình mình. Vấn đề nan giải của Alice và Bob sẽ được giải quyết nếu họ tìm đến với kỹ thuật giấu tin. Giấu tin là một công nghệ mới rất phức tạp, nó đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới như Đức, Mỹ, ý, Canada, Nhật Bản…Tuy nhiên, những kết quả thực nghiệm cho thấy để thực sự ứng dụng thực tế thì lĩnh vực này cần phải có thêm thời gian để nghiên cứu thẩm định nhưng các nhà khoa học cũng khẳng định rằng đây là một công nghệ mới đầy hứa hẹn cho vấn đề an toàn và bảo mật SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 17 GVHD: Th.s Trần Minh Văn thông tin. Công việc hiện nay của các nhà khoa học đang tập trung xây dựng một hệ thống lí thuyết chính xác cho vấn đề giấu tin, đây là một mảnh đất mới cho các nhà khoa học khám phá. SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 18 GVHD: Th.s Trần Minh Văn CHƯƠNG 2. ẢNH SỐ 2.1 Giới thiệu về ảnh số Một ảnh số biễu diễn một hình ảnh hai chiều bằng các số 0 và 1. Tùy thuộc vào độ phân giải của ảnh mà ảnh được chia làm hai loại là vector và raster. Ảnh số, không quan tâm đến chất lượng ảnh, thường được hiểu là ảnh raster hay còn gọi là ảnh bitmap. 2.2 Ảnh raster Ảnh raster là ảnh chứa tập các giá trị các số và thường được gọi là các thành phần của ảnh hay pixel. Một pixel là một thành phần bé nhất trong một ảnh đóng vai trò lưu giữ giá trị lượng tử về độ sáng của một màu cụ thể nào đó tại một vị trí của ảnh. Thông thường, tập các pixel được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính như một ma trận hai chiều gồm các số integer. Các giá trị này có thể đã được chuyển đổi và lưu dưới dạng các giá trị đã được nén. Ảnh raster có thể tìm thấy từ nhiều thiết bị khác nhau với các công nghệ tạo ảnh khác nhau như: máy ảnh số, máy quét, … Khi một hình ảnh raster được tạo ra, hình ảnh được chuyển đổi thành điểm ảnh. Mỗi điểm ảnh được gán một giá trị cụ thể quyết định màu sắc của nó. Hệ thống hình ảnh raster sử dụng hệ thống (RGB) màu đỏ, xanh lá cây, màu xanh lam. Một giá trị RGB (0,0,0) sẽ là màu đen, và các giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 256 cho mỗi kênh màu, cho phép biểu diễn một loạt các giá trị màu. Tùy thuộc vào độ phân giải, một số hình ảnh raster có thể được mở rộng để kích thước rất lớn nhưng vẫn rõ nét, trong khi những ảnh khác trở nên mờ nhạt, vỡ nét gây cảm giác khó coi. Độ phân giải càng cao thì dung lượng ảnh càng lớn, và ngược lại độ phân giải càng thấp thì dung lượng file ảnh càng nhỏ. Vì lý do này, khi thao tác với ảnh SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 19 GVHD: Th.s Trần Minh Văn ta cần chọn ra sự cân bằng giữa độ phân giải của ảnh và dung lượng file ảnh. Độ phân giải của ảnh số tượng trưng cho số lượng điểm ảnh trên một inch (PPI) hoặc số lượng chấm trên một inch (DPI) trong hình ảnh. Độ phân giải càng cao, số lượng các điểm ảnh càng lớn, điều này cho phép khi ảnh phóng to sẽ dễ nhìn hơn. 2.2.1 Các loại ảnh raster Mỗi pixel của ảnh raster thông thường gắn với một vị trí xác định trong ma trận 2 chiều và có giá trị gồm một hoặc nhiều mẫu (samples) liên quan đến vi trí đó. Ảnh số có thể phân lớp dựa trên số lượng và bản chất của các mẫu này: v Ảnh nhị phân (binary) v Ảnh xám (grayscale) v Ảnh màu (color) v Ảnh màu giả (false-color) v Ảnh chuyên đề (thematic) v Ảnh chức năng (picture function) Thuật ngữ ảnh kỹ thuật số cũng được áp dụng cho dữ liệu liên quan đến các điểm rải rác trên một không gian ba chiều, chẳn hạn như ảnh được sản xuất bởi các thiết bị tomographic. Trong trường hợp đó, mỗi đơn vị dữ liêu gọi là voxel. 2.2.2 Định dạng ảnh raster Phần lớn chúng ta thường tiếp xúc với ảnh raster thông qua các máy ảnh kỹ thuật số. Một số máy ảnh kỹ thuật số cho phép can thiệp vào hầu như các dữ liệu chụp được ở dạng định dạng ảnh thô. Ta nên sử dụng định dạng này khi có thể bởi vì từ dữ liệu thô này chúng ta có thể cho ra các ảnh ở chất lượng tốt nhất. Định dạng file này cho SVTH: Trương Minh Thịnh Đồ án tốt nghiệp Trang 20 GVHD: Th.s Trần Minh Văn phép các nhiếp ảnh gia và các tác nhân xử lý có quyền điều khuyển và quyết định độ chính xác của kết quả đầu ra. Nhưng không may là vẫn có nhưng rào cản về quyền sở hữu thông tin (bí mật thương mại) đối với các nhà sản xuất máy ảnh kỹ thuật số đối với việc trên, do đó các tổ chức đang nỗi lực tác động đến các nhà sản xuất để họ công khai các thông tin này. Một định dạng thay thế khác có thể là DNG (Digital Negative) thuộc sở hữu của Adobe. Tuy nhiên định dạng này vẫn chưa được chấp nhận rộng rãi. 2.3 Ảnh vector Ảnh vector được tạo thành từ các thành phần và đối tượng khác nhau. Những đối tượng này được định nghĩa bởi các phương trình toán học chứ không phải là các điểm ảnh như ở ảnh raster, do đó, chúng luôn hiển thị ở chất lượng cao nhất. Các đối tượng này có thể bao gồm đường thẳng, đường cong, các hình học có các thuộc tính có thể chỉnh sửa như màu sắc, đường biên, … Chúng ta có thể thay đổi các thuộc tính đó mà vẫn không phá hủy đối tượng cơ bản. Một đối tượng trong ảnh vector không chỉ có thể sửa đổi bằng cách thay đổi các thuộc tính của nó mà còn bởi việc định hình và chuyển đổi nó bằng cách sử dụng các điểm nút và các điều khiển xử lý. Vì ảnh vector có tính “mền dẻo” (scalable), độ phân giải độc lập, nên ta có thể tăng giảm kích thước của chúng theo các mức độ khác nhau nhưng chúng vẫn giữ được độ sắc nét, các đường điểm vẫn không bị vỡ nét. Ví dụ, một bánh xe trong hình ảnh Vector đuợc tạo bởi sự định nghĩa về mặt toán học với một đường tròn được vẽ với bán kính nào đó, một vị trí chỉ định trước và đuợc tô với một mầu chỉ định. Ta có thể dịch chuyển, thay đổi kích thước hoặc thay đổi mầu của bánh xe mà không làm giảm chất lượng của hình ảnh. SVTH: Trương Minh Thịnh Hình 2.1 Bánh xe