Tài liệu Giấu tin bền vững trong ảnh tiếp cận theo hướng mã sửa lỗi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MÃ VĂN DU GIẤU TIN BỀN VỮNG TRONG ẢNH TIẾP CẬN THEO HƯỚNG MÃ SỬA LỖI LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MÃ VĂN DU GIẤU TIN BỀN VỮNG TRONG ẢNH TIẾP CẬN THEO HƯỚNG MÃ SỬA LỖI Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Tảo Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Ngày nay, với sự ra đời và phát triển của mạng Internet, mọi ngƣời đều có thể kết nối vào Internet, tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng thông qua nhà cung cấp dịch vụ mạng. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong lĩnh vực đa phƣơng tiện (multimedia) làm cho sự sản xuất, quản lý và phân phối các sản phẩm này: hình ảnh, âm thanh… rất dễ dàng. Cùng với sự phổ biến rộng rãi các mạng internet tốc độ cao làm cho quá trình phân phối chúng trở nên rất nhanh chóng, dễ dàng, đem lại những thuận lợi to lớn thông qua hệ thống thƣơng mại điện tử. Với môi trƣờng mở và tiện nghi nhƣ thế, các hệ thống mạng hiện đại trở thành phƣơng tiện phân phối tài liệu một cách nhanh chóng và kinh tế. Tuy nhiên, việc phân phối một cách phổ biến các tài nguyên trên mạng hiện nay luôn gặp phải nạn sao chép và sử dụng không hợp pháp nhƣ: Xâm phạm bản quyền, truy cập trái phép, xuyên tạc, giả mạo thông tin… Đứng trƣớc tình hình đó vấn đề về giấu thông tin hiện nay luôn nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt trong nhiều lĩnh vực. Từ xa xƣa đã có nhiều cách để giấu thông tin, một trong những phƣơng pháp dùng rất sớm để bảo vệ quyền sở hữu đối với nội dung của các sản phẩm đa phƣơng tiện là mã hoá. Nội dung của sản phẩm đó đƣợc mã hoá và gửi cho ngƣời sử dụng. Ngƣời sử dụng chỉ đọc đƣợc các thông tin này khi nhận đƣợc khoá để giải mã đi kèm. Phƣơng pháp mã hoá trên chỉ hiệu quả trong việc truyền thông tin nhƣng không hiệu quả trong việc khi lấy lại thông tin. Sau khi ngƣời sử dụng đã giải mã đƣợc thì sẽ nhân bản và phân phối lại sản phẩm đó. Ngày nay phƣơng pháp giấu thông tin trong các sản phẩm đa phƣơng tiện đƣợc dùng phổ biến vì Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ngoài vấn đề bảo mật còn bảo vệ bản quyền, chống sao chép bất hợp pháp, chống truy cập trái phép, chống xuyên tạc, chống giả mạo thông tin… 2. Mục đích luận văn Giấu tin là một lĩnh vực rộng lớn, trong luận văn này nghiên cứu các kỹ thuật giấu tin trong ảnh rồi áp dụng sử dụng mã sửa lỗi Hamming để khôi phục tin, một trong những vấn đề đƣợc ứng dụng khá rộng rãi. Để thực hiện việc giấu tin trong ảnh, ý tƣởng cơ bản là khôi phục một số thuộc tính bị lỗi đã tấn công lên ảnh của các điểm trên ảnh theo một số thuật toán nhất định, nhằm đảm bảo rằng dữ liệu ảnh, về mặt thị giác, không sai khác so với bản gốc, đồng thời, sau khi nhận đƣợc ảnh đích, sử dụng quy trình giải mã với các khóa phù hợp, ta có thể trích đƣợc thông tin đã dấu. 3. Bố cục luận văn Luận văn gồm: Phần mở đầu, ba chƣơng chính, phần kết luận Chương 1: Tổng quan về giấu tin Trình bày tổng quan về giấu tin, phân tích các yêu cầu đối với giấu tin cho ảnh, trình bày một số yêu cầu đối với giấu tin trong ảnh. Bên cạnh đó trình bày một số mô hình giấu tin và các ứng dụng của chúng, những đặc trƣng và tính chất của giấu tin trong ảnh. Chương 2: Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh Trình bày về cấu trúc file ảnh bitmap, kỹ thuật đọc và xử lý file ảnh; nghiên cứu, đánh giá một số thuật toán giấu tin trong ảnh; đi sâu nghiên cứu và trình bày một thuật toán giấu tin trong miền không gian ảnh; mã sửa lỗi và khả năng ứng dụng trong quá trình trích tin đã giấu trong ảnh sau khi bị tấn công. Chương 3: Cài đặt và thử nghiệm nhúng thủy vân, tách thủy vân, đánh giá về tính ẩn của thủy vân, tính bền vững của thủy vân trƣớc một số tấn công lên ảnh chứa. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1. Các khái niệm cơ bản về giấu tin 1.1.1. Định nghĩa giấu tin Qua nghiên cứu các phƣơng pháp giấu tin, ta có thể định nghĩa nó nhƣ sau: Giấu thông tin là kỹ thuật nhúng (embedding) một lƣợng thông tin số nào đó vào trong một đối tƣợng dữ liệu số khác. Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mã hoá làm cho các thông tin hiện rõ là nó có đƣợc mã hoá hay không tức là giấu đi ý nghĩa của thông tin còn, còn với giấu thông tin thì ngƣời ta sẽ khó biết đƣợc là có thông tin giấu bên trong tức là giấu đi sự hiện diện của thông tin. Về bản chất giấu tin gần với nén dữ liệu hơn. Tóm lại giấu tin và mã hóa có mối quan hệ mật thiết với nhau, cùng xây dựng một hệ thống an toàn và bảo mật thông tin. Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin ở hai khía cạnh. Một là bảo mật cho giữ liệu đƣợc đem giấu (embedded data), chẳng hạn nhƣ giấu tin mật: thông tin mật đƣợc giấu kỹ trong một đối tƣợng khác sao cho ngƣời khác không phát hiện đƣợc (steganography), hai là bảo mật cho chính đối tƣợng đƣợc dùng để giấu tin (host data), chẳng hạn nhƣ ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin (watermarking).... Hai khía cạnh khác nhau này dẫn đến hai khuynh hƣớng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Khuynh hƣớng thứ nhất là giấu tin mật. Khuynh hƣớng này tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu đƣợc nhiều và quan trọng là ngƣời khác khó phát hiện đƣợc một đối tƣợng có bị giấu tin bên trong hay không. Khuynh hƣớng thứ hai là thuỷ vân số. Khuynh hƣớng thuỷ vân số đánh giấu vào đối tƣợng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin. Thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên đƣợc quan Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật dành cho khuynh hƣớng này. 1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu thông tin số mới đƣợc hình thành trong thời gian gần đây nên xu hƣớng phát triển chƣa ổn định. Nhiều phƣơng pháp mới, theo nhiều khía cạnh khác nhau đang và chắc chắn sẽ đƣợc đề suất, bởi vậy một định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chƣa thể có đƣợc. Sơ đồ phân loại trên đƣợc Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm 1999. Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hƣớng lớn là thủy vân số và giấu tin mật [12]. Giấu tin mật quan tâm đến các ứng dụng sao cho ngƣời khác khó phát hiện nhất việc có tin đƣợc giấu và nếu có phát hiện tin đƣợc giấu thì việc giải tin cũng khó thực hiện nhất. Phạm vi ứng dụng của thủy vân đa dạng hơn, tùy theo mục đích của hệ thủy vân mà ngƣời ta lại chia thành các hƣớng nhỏ nhƣ thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững. Giấu thông tin Giấu tin mật Thủy vân số Thủy vân bền vững Thủy vân ẩn Thủy vân hiện Thủy vân dễ vỡ Thủy vân ẩn Thủy vân hiện Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin (Petitcolas, 1999) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 Sơ đồ phân loại này nhƣ một bức tranh khái quát về ứng dụng và 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 đã công bố trên Internet, có thể chia lĩnh vực giấu tin ra làm hai hƣớng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số Steganography (giấu tin, viết phủ) là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng các mẩu tin mật vào một môi trƣờng phủ. Trong quá trình giấu tin để tăng bảo mật có thể ngƣời ta dùng một khoá viết mật khi đó ngƣời ta nói về Intrinsic Steganography (giấu tin có xử lý). Khi đó để giải mã ngƣời dùng cũng phải có khoá viết mật đó. Chú ý rằng khoá này không phải là khoá dùng để lập mật mã mẩu tin, ví dụ nó có thể là khoá để sinh ra hàm băm phục vụ rải tin vào môi trƣờng phủ. Ngƣợc lại nếu không dùng khoá viết mật thì ngƣời ta chỉ dấu tin đơn thuần vào môi trƣờng phủ thì khi đó ngƣời ta nói về Pure Steganography (giấu tin đơn thuần). Watermarking (thuỷ ấn) là kỹ thuật nhúng một lƣợng thông tin vào trong ảnh môi trƣờng để xác định quyền sở hữu ảnh môi trƣờng, chống sự giả mạo và xuyên tạc thông tin. Kích thƣớc của biểu tƣợng thƣờng nhỏ. Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tƣợng khi ảnh môi trƣờng bị biến đổi bởi các thao tác nhƣ lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy compression), hay các biến đổi hình học. Tuy nhiên việc đảm bảo nguyên vẹn biểu tƣợng không kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ thuật toán và có bộ giải mã trong tay. Thông tin giấu là một định danh duy nhất, ví dụ định danh ngƣời dùng thì khi đó ngƣời ta gọi là Fingerprinting. Nếu nhƣ watermark (thủy vân, thủy ấn) quan tâm nhiều đến ứng dụng giấu các mẩu tin ngắn nhƣng đòi hỏi độ bền vững lớn của thông tin cần giấu (trƣớc các biến đổi thông thƣờng của tệp dữ liệu môi trƣờng) thì steganography lại quan tâm tới ứng dụng che giấu các bản tin đòi hỏi độ bí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 mật và dung lƣợng càng lớn càng tốt. Đối với từng hƣớng lớn này, quá trình phân loại theo các tiêu chí khác có thể tiếp tục đƣợc thực hiện, ví dụ dựa theo ảnh hƣởng các tác động từ bên ngoài có thể chia watermark thành hai loại, một loại bền vững với các tác động sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hoàn toàn đối lập: dễ bị phá huỷ trƣớc các tác động nói trên. Cũng có thể chia watermark theo đặc tính, một loại cần đƣợc che giấu để chỉ có một số ngƣời tiếp xúc với nó có thể thấy đƣợc thông tin, loại thứ hai đối lập, cần đƣợc mọi ngƣời nhìn thấy. Xét về tính chất thuỷ ấn giống giấu tin ở chỗ tìm cách nhúng thông tin mật vào một môi trƣờng. Nhƣng về bản chất thì thuỷ ấn có những nét khác ở một số điểm: Mục tiêu của thuỷ ấn là nhúng thông tin không lớn thƣờng là biểu tƣợng, chữ ký hay các đánh dấu khác vào môi trƣờng phủ nhằm phục vụ việc xác nhận bản quyền; Khác với giấu tin ở chỗ giấu tin sau đó cần tách lại tin còn thuỷ ấn tìm cách biến tin giấu thành một thuộc tính của vật mang; Chỉ tiêu quan trọng nhất của một thuỷ ấn là tính bền vững, của giấu tin là dung lƣợng. Điểm khác nữa giữa thuỷ ấn và giấu tin là thuỷ ấn có thể vô hình hoặc hữu hình trên ảnh mang. Kỹ thuật giấu tin đƣợc áp dụng cho các loại dữ liệu ảnh, audio, vidio. Chức năng của giấu tin trong ảnh sẽ khác nhau tuỳ theo các hình thức xâm phạm dữ liệu ảnh. Ảnh bị vi phạm bản quyền: nội dung của ảnh giống với nội dung ảnh bản quyền nhƣng chúng đƣợc dùng với mục đích mà tác giả không cho phép. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem hay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hƣởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không đƣợc phép của ngƣời chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huỷ sản phẩm. Ảnh bị sửa đổi: nội dung của ảnh bị xuyên tạc. Trong trƣờng hợp này giấu tin có tác dụng phân biệt ảnh bản quyền với ảnh bị sửa đổi nội dung. Áp dụng các bƣớc tách tin giống nhau với các ảnh khác nhau, ta sẽ tách đƣợc dấu bản quyền đã đƣợc đăng ký trƣớc đối với ảnh bị xuyên tạc. Hầu hết giấu tin đƣợc gắn cho ảnh là giấu không nhìn thấy nhƣng trên thực tế tồn tại một loại giấu tin có thể nhìn thấy, chúng không trong suốt hoàn toàn.Tuy nhiên trong luận văn này em chỉ đề cập tới hệ thống nhúng thủy vân. 1.1.3. Vài nét về lịch sử giấu tin Các kỹ thuật giấu tin đã đƣợc đề xuất và sử dụng từ xa xƣa, và sau này đã đƣợc phát triển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực. Từ Steganography bắt nguồn từ Hi-Lạp với ý nghĩa là tài liệu đƣợc phủ (covered writing). Các câu chuyện kể về kỹ thuật giấu thông tin đƣợc truyền qua nhiều thế hệ. Có lẽ những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin (thông tin đƣợc hiểu theo nghĩa nguyên thủy của nó) thuộc về sử gia Hy-Lạp Herodotus. Khi bạo chúa HyLạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm trƣớc Công nguyên, ông ta đã gửi một thông báo bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus. Histiaeus đã cạo trọc đầu của một nô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của ngƣời nô lệ ấy. Khi tóc của ngƣời nô lệ này mọc đủ dài ngƣời nô lệ đƣợc gửi tới Miletus. Một câu chuyện khác về thời Hy-Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại. Môi trƣờng để ghi văn bản chính là các viên thuốc đƣợc bọc trong sáp ong. Demeratus, một ngƣời Hy-Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hy-Lạp. Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 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 đƣợc để ngỏ và lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng. Mực không màu là phƣơng tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài. Ngƣời Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có nhƣ nƣớc quả, nƣớc tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thƣờng. Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm màu và có thể đọc dễ dàng. Ý tƣởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trƣớc nhƣng kỹ thuật này đƣợc 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 đƣợc sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với hàng loạt công trình nghiên cứu giá trị. 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. Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lƣu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phƣơng tiện đã sinh ra nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép... 1.1.4. Các yêu cầu đối với giấu tin trong ảnh Mục đích của giấu tin cho ảnh là bảo vệ bản quyền cho chủ sở hữu ảnh. Những yêu cầu cơ bản đối với giấu tin cho ảnh là: Tính ẩn của tin giấu đƣợc chèn vào ảnh: Sự hiện diện của tin giấu trong ảnh không làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng của ảnh đã chèn tin; Tính bền của tin giấu: Cho phép các tin có thể tồn tại đƣợc qua các phép biến đổi ảnh, biến dạng hình học hay các hình thức tấn công cố ý khác; Tính an toàn: không thể xoá đƣợc tin ra khỏi ảnh trừ khi ảnh đƣợc biến đổi tới mức không còn mang thông tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Tính ẩn của tin là một yêu cầu rất quan trọng của phƣơng pháp giấu tin. Nếu tính ẩn của tin không đƣợc đảm bảo thì không những nó làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng của ảnh mà còn dễ dàng tạo điều kiện cho các hình thức tấn công nhằm loại bỏ tin ra khỏi ảnh. Với ảnh đƣợc đánh dấu một cách lý tƣởng, ảnh có bản quyền và ảnh gốc sẽ không thể phân biệt đƣợc bằng mắt thƣờng. Nhƣ vậy giá trị của bức ảnh sẽ không bị thay đổi và việc các tin nhƣ vậy sẽ là rào cản lớn cho những kẻ phá hoại trong việc cố gắng xoá hoặc sửa đổi các thông tin về bản quyền ảnh. Trên thực tế khi chèn tin vào ảnh thì ảnh kết quả và ảnh gốc sẽ có những sai khác, để không thể nhận ra đƣợc những thay đổi về nội dung dữ liệu này, ngƣời ta thƣờng khai thác các đặc điểm về khả năng cảm thụ của mắt ngƣời. Tính bền của giấu tin liên quan đến việc tách tin từ ảnh có bản quyền một ảnh sau khi đƣợc đánh dấu có thể đƣợc đem ra xử lý để phục vụ cho các mục đích khác nhau nhƣ nén ảnh, biến đổi hình học, lọc ảnh cải thiện ảnh, các biến đổi cố tình để xoá dấu tin ra khỏi ảnh,…v.v. Vấn đề đƣợc đặt ra liệu sau khi ảnh bị xử lý ta còn có thể tách đƣợc lƣợng tin ra khỏi ảnh không và tách đƣợc thì chất lƣợng của tin có đảm bảo tin cậy không nhƣ ta đã biết khi chèn một dấu ẩn vào ảnh thì trƣớc hết phải đảm bảo tính ẩn của nó, nói cách khác thông tin về dấu ẩn có năng lƣợng rất nhỏ so với thông tin ảnh. Mặt khác để tăng tính bền cho dấu ẩn ta phải tăng năng lƣợng của thông tin dấu ẩn đƣợc chèn vào ảnh điều này đối nghịch với yêu cầu của tính ẩn. Do vậy việc đảm bảo sự tồn tại của dấu ẩn trong ảnh cũng giống nhƣ việc đảm bảo truyền tín hiệu có năng lƣợng nhỏ trong môi trƣờng có nhiễu lớn. Đây là cơ sở để áp dụng các phƣơng pháp xử lí tín hiệu số trong chèn dấu ẩn. Trong trƣờng hợp một ảnh đƣợc chèn nhiều ký hiệu bản quyền thì các ký hiệu này phải đảm bảo có thể phân biệt đƣợc. Tuy nhiên việc tăng số lƣợng các dấu ẩn cũng đồng nghĩa với việc tăng lƣợng của các thông tin đƣợc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 chèn vào ảnh do đó tính ẩn của ảnh cũng bị ảnh hƣởng theo chiều hƣớng giảm. Tóm lại các yêu cầu đặt ra đối với đánh dấu ẩn cho ảnh có chiều hƣớng xung đột nhau, nếu thoả mãn tốt yêu cầu này thì không đáp ứng đƣợc yêu cầu kia và ngƣợc lại. Qua đó ta có kết luận rằng không thể có mô hình đánh dấu ẩn nào cho ảnh một cách lí tƣởng. Để có đƣợc một phƣơng pháp đánh dấu ẩn ảnh hợp lý, ngƣời ta thƣờng đƣa ra hệ số cân đối và tuỳ theo những yêu cầu cụ thể, hệ số cân đối này sẽ đƣợc chọn thích hợp. 1.1.5. Mô hình Kỹ thuật giấu tin Hệ thống giấu tin nói chung bao gồm 2 phần chính: Nhúng tin và tách tin (Hình 1.2). Giai đoạn nhúng tin, các thông tin khoá và thông tin giấu đƣợc chèn vào ảnh gốc để đƣợc ảnh có bản quyền. Giai đoạn tách tin, dữ liệu khoá (bí mật) và hoặc ảnh gốc (ảnh không chèn tin) sẽ làm dữ liệu cơ sở để tách tin từ ảnh có bản quyền. Mẫu tin mật Ảnh gốc Nhúng tin Ảnh bản quyền Khóa K a. Nhúng tin Ảnh gốc Ảnh bản quyền Tách tin Tin Khóa K b. Tách tin Hình 1.2. Quá trình nhúng tin và tách tin Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 Mẩu tin mật - có thể là văn bản hoặc tệp ảnh hay bất kỳ một tệp nhị phân nào, vì quá trình xử lý chúng ta đều chuyển chúng thành chuỗi các bit; Ảnh phủ hay ảnh gốc - ảnh đƣợc dùng để làm môi trƣờng nhúng tin mật; Khoá K - khoá mật tham gia vào quá trình giấu tin, tăng tính bảo mật; Ảnh bản quyền - là ảnh sau khi đã nhúng tin mật vào đó. Khoá k trong hệ giấu tin trên là để đảm bảo tính bí mật của tin giấu chống lại các hình thức khai thác quy luật về thông tin đƣợc chèn vào ảnh. Đây là hình thức bảo vệ an toàn cho ảnh bản quyền trƣớc các hình thức tấn công cố ý nhằm xoá tin giấu ra khỏi ảnh. 1.1.6. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin 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 tác giả gọi là thủy vân sẽ đƣợc nhúng vào trong các sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và đƣợc dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phƣơng tiện nhƣ ảnh, âm thanh, video và cần đƣợc lƣu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “ gián tem bản quyền ” vào sản phẩm này. Việc gián tem hay chính là việc nhúng thủy vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hƣởng đáng kể nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà không đƣợc phép của ngƣời chủ sở hữu thì chí có cách là phá hủy sản phẩm. Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin. Một tập các thông tin sẽ đƣợc giấu trong phƣơng tiện chứa sau đó đƣợc sử dụng để nhận biết xem dữ liệu trên phƣơng tiện gốc đó có bị thay đổi không. Các thủy vân nên đƣợc ẩn để tránh sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa việc làm giả các thủy vân hợp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần đƣợc xem xét. Trong các ứng dụng thực tế ngƣời ta mong muốn tìm đƣợc vị trí bị xuyên tạc cũng nhƣ phân biệt đƣợc các thay đổi. Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và thủy vân không cần bền vững. Giấu vân tay hay dán nhãn. Thủy vân trong những ứng dụng này đƣợc sử dụng để nhận diện ngƣời gửi hay ngƣời nhận của một thông tin nào đó. Ví dụ các vân khác nhau sẽ đƣợc nhúng vào các bản sao khác nhau của thông tin gốc trƣớc khi chuyển cho nhiều ngƣời. Với ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn cao cho các thủy vân tránh sự xóa dấu vết trong khi phân phối. Kiểm soát sao chép. Các thủy vân trong trƣờng hợp này đƣợc sử dụng để kiểm soát sao chép đối với các thông tin. Các thiết bị phát ra thủy vân thƣờng đƣợc gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc/ghi. Ví dụ nhƣ hệ thống quản lý sao chép DVD đã đƣợc ứng dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại này cũng yêu cầu thủy vân phải đƣợc đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phƣơng pháp phát hiện thủy vân đã giấu mà không cần thông tin gốc. Giấu tin mật. Các thông tin giấu đƣợc trong trƣờng hợp này càng nhiều càng tốt, việc giải mã để nhận đƣợc thông tin cũng không cần phƣơng tiện chứa ban đầu. Các yêu cầu mạnh về chống tấn công của kẻ thù không cần thiết lắm thay vào đó là thông tin giấu phải đảm bảo tính ẩn. 1.2. Giấu tin trong ảnh đặc trƣng và tính chất 1.2.1. Mục đích của giấu thông tin Bảo mật thông tin bằng giấu tin có hai khía cạnh. Một là bảo mật cho dữ liệu đem giấu (embedded data), chẳng hạn nhƣ giấu tin mật: thông tin mật đƣợc giấu kỹ trong một đối tƣợng khác sao cho ngƣời khác không phát hiện đƣợc (steganography). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Hai là bảo mật chính đối tƣợng đƣợc dùng để giấu dữ liệu vào (host data), chẳng hạn nhƣ ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin (watermarking)... 1.2.2. Bảo vệ bản quyền tác giả (Copyright protection) Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (ngƣời ta gọi nó là thuỷ vân watermark) sẽ đƣợc nhúng vào trong các sản phẩm, thuỷ vân đó chỉ một mình ngƣời chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và đƣợc dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả sử có một file dữ liệu dạng đa phƣơng tiện nhƣ ảnh, âm thanh, video cần đƣợc lƣu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hƣởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không đƣợc phép của ngƣời chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm. 1.2.2.1. Nhận thực thông tin (authentication and tamper detection) Một tập thông tin sẽ đƣợc giấu trong phƣơng tiện chứa, sau đó đƣợc sử dụng để nhận biết xem dữ liệu trên phƣơng tiện gốc có bị thay đổi hay không. Các thuỷ vân nên đƣợc ẩn để tránh sự tò mò của đối phƣơng, hơn nữa việc làm giả các thuỷ vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần xem xét. Trong các ứng dụng thực tế, ngƣời ta mong muốn tìm đƣợc vị trí bị xuyên tạc cũng nhƣ phân biệt đƣợc các thay đổi (ví dụ nhƣ phân biệt xem một đối tƣợng đa phƣơng 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 1.2.2.2. Điều khiển truy cập (copy control) Các thiết bị phát hiện thuỷ vân (ở đây sử dụng phƣơng pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc) đƣợc gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi, tùy thuộc vào việc có thủy vân hay không để điều khiển (cho phép/cấm) truy cập. Ví dụ nhƣ hệ thống quản lí sao chép DVD đã đƣợc ứng dụng ở Nhật. 1.2.2.3. Truyền thông tin mật (steganography) Các thông tin giấu đƣợc trong những trƣờng hợp này càng nhiều càng tốt. Việc giải mã để nhận đƣợc thông tin cũng không cần phƣơng tiện chứa gốc. 1.2.3. Những đặc trƣng và tính chất Giấu tin trong chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin, vì vậy mà các kỹ thuật giấu tin phần lớn cũng tập trung vào các kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Các phƣơng tiện chứa khác nhau thì cũng sẽ có các kỹ thuật giấu khác nhau. Đối tƣợng ảnh là một đối tƣợng dữ liệu tĩnh có nghĩa là dữ liệu tri giác không biến đổi theo thời gian. Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, mỗi định dạng có những tính chất khác nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thƣờng chú ý những đặc trƣng và các tính chất cơ bản sau đây: 1.2.3.1. Phƣơng tiện có chứa dữ liệu tri giác tĩnh Dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu tĩnh, dù đã giấu thông tin vào trong ảnh hay chƣa thì khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo thời gian, điều này khác với dữ liệu âm thanh và dữ liệu băng hình vì khi ta nghe hay xem thì dữ liệu gốc sẽ thay đổi liên tục với tri giác của con ngƣời theo các đoạn, các bài hay các cảnh… 1.2.3.2. Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau. Chẳng hạn đối với ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh màu ta cũng có những kỹ thuật riêng cho từng loại ảnh có những đặc trƣng khác nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 1.2.3.3. Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con ngƣời Giấu tin trong ảnh ít nhiều cũng gây ra những thay đổi trên dữ liệu ảnh gốc. Dữ liệu ảnh đƣợc quan sát bằng hệ thống thị giác của con ngƣời nên các kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là những thay đổi trên ảnh phải rất nhỏ sao cho bằng mắt thƣờng khó nhận ra đƣợc sự thay đổi đó vì có nhƣ thế thì mới đảm bảo đƣợc độ an toàn cho thông tin giấu. Rất nhiều các kỹ thuật đã lợi dụng các tính chất của hệ thống thị giác để giấu tin chẳng hạn nhƣ mắt ngƣời cảm nhận về sự biến đổi về độ chói kém hơn sự biến đổi về màu hay cảm nhận của mắt về màu xanh da trời kém nhất trong ba màu cơ bản. 1.2.3.4. Giấu thông tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhƣng không thay đổi kích thƣớc ảnh Các thuật toán thực hiện công việc giấu thông tin sẽ đƣợc thực hiện trên dữ liệu của ảnh. Dữ liệu ảnh bao gồm phần header, bảng màu (có thể có) và dữ liệu ảnh. Do vậy mà kích thƣớc ảnh trƣớc hay sau khi giấu thông tin là nhƣ nhau. 1.2.3.5. Đảm bảo chất lƣợng sau khi giấu tin Đây là một yêu cầu quan trọng đối với giấu tin trong ảnh. Sau khi giấu tin bên trong, ảnh phải đảm bảo đƣợc yêu cầu không bị biến đổi để có thể bị phát hiện dễ dàng so với ảnh gốc. Yêu cầu này dƣờng nhƣ khá đơn giản đối với ảnh màu hoặc ảnh xám bởi mỗi điểm ảnh đƣợc biểu diễn bởi nhiều bit, nhiều giá trị và khi ta thay đổi một giá trị nhỏ nào đó thì chất lƣợng ảnh thay đổi không đáng kể, thông tin giấu khó bị phát hiện, nhƣng đối với ảnh đen trắng mỗi điểm ảnh chỉ là đen hoặc trắng, và nếu ta biến đổi một bit từ trắng thành đen và ngƣợc lại mà không khéo thì sẽ rất dễ bị phát hiện. Do đó, yêu cầu đối với các thuật toán giấu thông tin trong ảnh màu hay ảnh xám và giấu thông tin trong ảnh đen trắng là khác nhau. Trong khi đối với ảnh màu thì các thuật toán chú trọng vào việc làm sao giấu đƣợc càng nhiều thông tin càng tốt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 thì các thuật toán áp dụng cho ảnh đen trắng lại tập trung vào việc làm thế nào để thông tin giấu khó bị phát hiện nhất. 1.2.3.6. Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên ảnh Vì phƣơng pháp giấu thông tin trong ảnh dựa trên việc điều chỉnh các giá trị của các bit theo một quy tắc nào đó và khi giải mã sẽ theo các giá trị đó để tìm đƣợc thông tin giấu. Theo đó, nếu một phép biến đổi nào đó trên ảnh làm thay đổi giá trị của các bit thì sẽ làm cho thông tin giấu bị sai lệch. Nhờ đặc điểm này mà giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thực và phát hiện xuyên tạc thông tin [2]. 1.2.3.7. Vai trò của ảnh gốc khi giải tin Các kỹ thuật giấu tin phải xác định rõ ràng quá trình lọc ảnh để lấy thông tin giấu cần đến ảnh gốc hay không cần. Đa số các kỹ thuật giấu tin mật thì thƣờng không cần ảnh gốc để giải mã. Thông tin đƣợc giấu trong ảnh sẽ đƣợc mang cùng với dữ liệu ảnh, khi giải mã chỉ cần ảnh đã mang thông tin giấu mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu. 1.3. Môi trƣờng giấu tin Kỹ thuật giấu tin đã đƣợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiều môi trƣờng dữ liệu khác nhau nhƣ trong dữ liệu đa phƣơng tiện (text, image, audio, video), trong sản phẩm phần mềm và gần đây là những nghiên cứu trên môi trƣờng cơ sở dữ liệu quan hệ. Trong các môi trƣờng dữ liệu đó thì dữ liệu đa phƣơng tiện là môi trƣờng chiếm tỉ lệ chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin. 1.3.1. Giấu tin trong ảnh Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chƣơng trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phƣơng tiện bởi lƣợng thông tin đƣợc 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 nhƣ: nhận thực thông tin, bảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật. Vì vậy vấn đề giấu tin trong ảnh này đang đƣợc quan tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu. Thông tin sẽ đƣợc giấu cùng với dữ liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh ít bị thay đổi và không thể nhận biết đƣợc bằng thị giác của con ngƣời, nó chỉ có thể bị phát hiện bởi “thị giác máy”. Ngày nay, khi ảnh số đã đƣợc 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 thì việc nhận thực chữ kí số, 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. Một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thông tin đƣợc giấu trong ảnh một cách vô hình, nó nhƣ là một cách mà truyền thông tin mật cho nhau mà ngƣời khác không thể biết đƣợc bởi sau khi giấu thông tin thì chất lƣợng ảnh gần nhƣ không thay đổi đặc biệt đối với ảnh mầu hay ảnh xám. 1.3.2. Giấu tin trong audio Giấu thông tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu thông tin trong các đối tƣợng đa phƣơng tiện khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin đƣợc giấu đồng thời không làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng 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 ngƣời HVS (Human Vision System) còn kỹ thuật giấu thông tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human Auditory System). Một vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống thính giác của con ngƣời nghe đƣợc các tín hiệu ở các giải tần rộng và công suất lớn nên đã gây khó dễ đối với các phƣơng pháp giấu tin trong audio. Nhƣng thật may là HAS lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt các giải tần và công suất điều này có nghĩa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu đƣợc các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng. Các mô hình phân tích tâm lý 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 hƣởng đến chất lƣợng 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 phƣơng pháp giấu thông tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu trong hệ thống thính giác của con ngƣời. 1.3.3. Giấu thông tin trong video Cũng giống nhƣ giấu thông tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong video cũng đƣợc quan tâm và đƣợc phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng nhƣ điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Các kỹ thuật giấu tin trong video cũng đƣợc phát triển mạnh mẽ và cũng theo hai khuynh hƣớng là thuỷ vân số và data hiding. Một phƣơng pháp giấu tin trong video đƣợc đƣa ra bởi Cox là phƣơng pháp phân bố đều. Ý tƣởng cơ bản của phƣơng pháp là phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần số của dữ liệu chứa gốc. Một số nhà nghiên cứu khác đã dùng những hàm Cosin riêng và các hệ số truyền sóng riêng để giấu tin. Trong các thuật toán khởi nguồn thì thƣờng các kỹ thuật cho phép giấu các ảnh vào trong video nhƣng thời gian gần đây các kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video. Giấu tin là một công nghệ mới rất phức tạp, nó đang đƣợc các nhà khoa học tập trung nghiên cứu ở nhiều nƣớc trên thế giới. 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 và thẩm định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn