Tài liệu Giấu tin thuận nghịch trên ảnh jpeg và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRẦN ANH TRÚC GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRẦN ANH TRÚC GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. PHẠM VĂN ẤT THÁI NGUYÊN - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Tác giả luận văn ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến đến Ban Giám Hiệu, các thầy giáo, cô giáo phòng sau đại học trường đại học Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông, và các thầy giáo ở Viện Công Nghệ Thông Tin đã giảng dạy và cung cấp cho tôi những kiến thức rất bổ ích trong thời gian học, giúp tôi có nền tảng tri thức để phục vụ nghiên cứu khoa học sau này. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS. Phạm Văn Ất người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người luôn quan tâm, động viên và khuyến khích tôi. Tác giả luận văn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................ii MỤC LỤC............................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................... v MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN ...................................................... 3 1.1. Một số khái niệm cơ bản ....................................................................................... 3 1.1.1. Khái niệm về giấu tin................................................................................. 3 1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin .......................................................................... 3 1.1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin ......................................................................... 5 1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin ........................................................................... 6 1.2. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh .............................................. 7 1.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh ............................................................ 7 1.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh .................................................................... 8 1.3. Thủy vân số trên ảnh ............................................................................................. 9 1.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân......................................................... 11 1.3.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân ...................................................................... 12 1.3.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân ............................................................. 14 1.3.4. Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân................................................... 15 1.3.5. Ứng dụng của thuỷ vân ............................................................................ 16 1.4. Ảnh số.................................................................................................................. 18 1.4.1. Khái niệm và phân loại ảnh số ................................................................. 18 1.4.2. Định dạng ảnh ......................................................................................... 19 1.5. Các phép biến đổi ma trận ................................................................................... 21 1.5.1. Biến đổi Cosine rời rạc DCT ................................................................... 21 1.5.2. Biến đổi Wavelet rời rạc DWT ................................................................ 24 iv Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG ... 25 2.1. Một số hướng tiếp cận trong giấu tin thuận nghịch............................................. 25 2.1.1. Sử dụng phương pháp dịch chuyển histogram ......................................... 25 2.1.2. Sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu ....................................................... 29 2.1.3. Sử dụng nén bảo toàn .............................................................................. 37 2.1.4. Sử dụng đặc trưng nén JPEG ................................................................... 38 2.2. Ảnh nén JPEG ..................................................................................................... 39 2.3. Một số lược đồ nhúng tin thuận nghịch trên ảnh JPEG ...................................... 41 2.3.1. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch CLTT.................................................... 42 2.3.2. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch LS ......................................................... 47 2.3.3. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch TSTA .................................................... 47 2.3.4. Phân tích khả năng nhúng tin và chất lượng ảnh ...................................... 51 2.3.5. Thực nghiệm ........................................................................................... 56 2.3.6. Kết luận ................................................................................................... 60 Chương 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .......................................... 61 3.1. Môi trường thử nghiệm ....................................................................................... 61 3.2. Ảnh thử nghiệm ................................................................................................... 61 3.3. Cài đặt chương trình ............................................................................................ 63 3.4. Kết quả thử nghiệm ............................................................................................. 65 3.4.1. Khả năng nhúng tin.................................................................................. 65 3.4.2. Chất lượng ảnh ........................................................................................ 65 3.5. Ứng dụng ............................................................................................................. 67 3.5.1. Mô tả bài toán .......................................................................................... 67 3.5.2. Phương pháp giải quyết bài toán .............................................................. 67 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 70 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Kết quả tiền xử lý và nhúng tin trên Hình 2.5 ..........................................44 Bảng 2.2. Kết quả trích tin và khôi phục ảnh gốc.....................................................46 Bảng 2.3. Kết quả nhúng tin trên Hình 2.5 của thuật toán TSTA ............................49 Bảng 2.4. Kết quả trích tin và khôi phục các dãy hệ số lượng tử gốc ......................51 Bảng 2.5. Kết quả khảo sát 9 đường chéo theo lược đồ CLTT ................................52 Bảng 2.6. Kết quả khảo sát 5 đường chéo theo lược đồ TSTA ................................52 Bảng 2.7. Khả năng nhúng tin của 3 lược đồ............................................................58 Bảng 2.8. Kết quả thực nghiệm chất lượng ảnh của các lược đồ .............................59 Bảng 3.1. Khả năng nhúng tin của 2 lược đồ............................................................65 Bảng 3.2. Kết quả thực nghiệm chất lượng ảnh của các lược đồ .............................66 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Phân loại kỹ thuật giấu tin...........................................................................5 Hình 1.2. Lược đồ của quá trình giấu tin ....................................................................6 Hình 1.3. Lược đồ giải mã tin giấu .............................................................................7 Hình 1.4. Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân ................................................................10 Hình 1.5. Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân ...........................................................13 Hình 1.6. Mô hình quá trình tách và kiểm định thuỷ vân .........................................14 Hình 1.7. Cấu trúc tệp ảnh bitmap ............................................................................19 Hình 2.1. Biểu đồ histogram của ảnh màu Pepper ...................................................26 Hình 2.2. Sơ đồ nén ảnh JPEG chuẩn Baseline ........................................................39 Hình 2.3. Khối hệ số DCT ........................................................................................40 Hình 2.4. Bảng lượng tử của thành phần Y ứng với tỷ lệ nén 15:1 trong Photoshop CS5. ...........................................................................................................................40 Hình 2.5. Một khối DCTLT của ảnh Pepper ............................................................41 Hình 2.6. Các đường chéo của khối DCTLT ...........................................................42 Hình 2.7. Lược đồ nhúng tin LS ...............................................................................47 vi Hình 2.8. Sự thay đổi của khối DCTLT sau khi nhúng............................................55 Hình 2.9. Bộ ảnh thử nghiệm....................................................................................57 Hình 3.1. Bộ ảnh thử nghiệm....................................................................................63 Hình 3.2. Giao diện nhúng tin...................................................................................64 Hình 3.3. Giao diện trích tin và khôi phục ảnh gốc ..................................................64 Hình 3.4. Sơ đồ nhúng đề thi vào ảnh JPEG ............................................................68 Hình 3.5. Sơ đồ trích đề thi và xác thực tính toàn vẹn..............................................68 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự ra đời và phát triển rộng rãi của mạng Internet, nhu cầu trao đổi thông tin qua mạng ngày càng lớn. Thông tin đã trở thành sẵn sàng và trực tuyến. Chúng ta đang sống trong xã hội của thông tin, đã có truyền tin thì thường có yêu cầu bí mật quốc gia, có bí mật quân sự, có bí mật công nghệ, có bí mật kinh tế, và rất nhiều bí mật cá nhân nữa. Chính vì vậy, vấn đề an toàn và bảo mật thông tin luôn nhận được sự quan tâm của nhiều lĩnh vực. Các công nghệ và giải pháp để bảo vệ thông tin đã và đang được nghiên cứu, phát triển phù hợp với nhiều dạng lưu trữ các thông tin và phương thức truyền tải thông tin. Giải pháp bảo mật thông tin được sử dụng phổ biến nhất là dùng các hệ mật mã như: Hệ mã hoá công khai, hệ mã hoá bí mật. Với giải pháp này, thông tin ban đầu (bản rõ) sẽ được mã hoá thành bản mật mã (bản mật). Tuy vậy các bản mật mã dễ gây sự chú ý của tin tặc. Một phương pháp khác đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rất mạnh mẽ ở nhiều lĩnh vực đó là phương pháp giấu tin mật (Steganography). Theo phương pháp này, tin mật được nhúng vào một tệp môi trường, ví dụ tệp ảnh. Tệp ảnh chứa tin mật được truyền đi và người nhận có thể khôi phục tin mật từ ảnh nhận được. Phương pháp này khá an toàn vì vừa có khóa bảo mật vừa không gây sự chú ý của tin tặc. Nhiều cách thức giấu tin mật đã được nghiên cứu và ứng dụng, trên nhiều định dạng khác nhau như âm thanh, hình ảnh và video…Cả hai phương pháp trên đều có những ưu, nhược điểm nhất định. Mã hoá giúp che giấu nội dung thông tin, giấu tin mật giúp che giấu hoạt động trao đổi thông tin. Trên thực tế, để đảm bảo an toàn cho các kênh trao đổi thông tin bí mật ta cần phải kết hợp cả hai phương pháp này. Giấu dữ liệu là một lĩnh vực rộng lớn, Các phương pháp giấu tin và thủy vân được nghiên cứu phổ biến trên ảnh nén bảo toàn như BMP, TIF, PRG. 2 Đối với các ảnh loại này, việc nhúng tin được thực hiện trực tiếp trên ma trận điểm ảnh. Tuy nhiên, các kỹ thuật nhúng tin đó không áp dụng được trên ảnh nén có mất mát thông tin. Gần đây, có một số công trình nghiên cứu về giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG. Đây là một hướng nghiên cứu mới có nhiều ứng dụng. Vì vậy, em chọn đề tài: “Giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu” làm luận văn tốt nghiệp của mình. Cấu trúc của luận văn: Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục và tài liệu tham khảo. Luận văn được bố cục thành 3 chương, cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin. Chương 2: Một số kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG. Chương 3: Phần mềm thử nghiệm và ứng dụng. - Kết luận và những kiến nghị về hướng phát triển. Mặc dù trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn em đã rất nỗ lực và cố gắng. Song do thời gian và trình độ còn hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN Chương này tập trung trình bày một số khái niệm liên quan đến ảnh số, các phép biến đổi ma trận sử dụng trong xử lý ảnh, kỹ thuật giấu tin, thuỷ vân số và úng dụng. 1.1. Một số khái niệm cơ bản 1.1.1. Khái niệm về giấu tin Giấu tin là một kỹ thuật giấu một lượng thông tin số nào đó vào một đối tượng dữ liệu khác. Kỹ thuật giấu tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng được giấu tin ở trong. Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Hướng thứ nhất là giấu tin mật, nhằm tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho người khác khó phát hiện được đối tượng có chứa thông tin mật bên trong. Hướng thứ hai là thuỷ vân số, hướng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có rất nhiều kỹ thuật đã được đề xuất. 1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin Kỹ thuật giấu tin đã được đề xuất và sử dụng từ thời xa xưa, và sau này đã được phát triển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực. Từ Steganography bắt nguồn từ Hi Lạp với ý nghĩa là tài liệu được phủ (coevered writting). Các câu chuyện kể về kỹ thuật giấu thông tin được truyền qua nhiều thế hệ. Có lẽ những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin thuộc về sử gia Hi Lạp Herodotus. Khi bạo chúa Herodotus bị vua Darius bắt ở Susa vào thế kỷ thứ V trước công nguyên, ông ta đã gửi một bài báo bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus. Để thực hiện điều này, Histiaeus đã cạo trọc đầu một nô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của người nô lệ ấy. Khi tóc của người nô lệ mọc đủ dài người nô lệ được gửi tới Miletus. 4 Một câu chuyện khác về thời Hi Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại. Môi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong. Demeratus, một người Hi Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hi Lạp. Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại các viên thuốc bằng một lớp sáp mới. Những viên thuốc được để ngỏ và lọt qua mọi sự kiểm soát một cách dễ dàng. Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài. Người Roman cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường. Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy trở lên sẫm màu và có thể đọc dễ dàng. Mực không màu cũng được sử dụng rất gần đây, như trong thời gian chiến tranh Thế giới II. Như vậy ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng chủ yếu được áp dụng trong quân đội và các cơ quan tình báo. Mãi cho tới vài thập niên gần đây, do sự phát triển rộng rãi của Internet, nhu cầu bảo mật thông tin cho cá nhân và các cơ sở tư nhân và các giao dịch trên mạng máy tính ngày một trở thành bức thiết, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu với hàng loạt công trình có giá trị được áp dụng rộng rãi và công khai trong hoạt động sản xuất, quản trị và kinh doanh. 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. Gần đây, những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng diện rộng của các dữ liệu đa phương tiện đã làm nảy sinh nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép càng đòi hỏi phải đẩy mạnh hơn nữa việc nghiên cứu trong lĩnh vực này. 5 1.1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng chính, đó là thuỷ vân số và giấu tin mật. Kỹ thuật giấu tin mật luôn chú trọng đến tính che giấu, với tính che giấu, các đối thủ khó có thể phát hiện được đối tượng có chứa tin mật bên trong hay không; hơn nữa, nếu phát hiện có giấu tin thì việc giải mã thông tin mật cũng khó có thể thực hiện được. Đồng thời, các kỹ thuật giấu tin mật còn quan tâm lượng tin có thể được giấu. Phạm vi ứng dụng của thuỷ vân đa dạng hơn, tuỳ theo mục đích của hệ thuỷ vân mà người ta lại chia thành các hướng nhỏ như: thuỷ vân dễ vỡ và thuỷ vân bền vững. Thuỷ vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng những mẩu tin đòi hỏi độ bền vững cao của thông tin được giấu trước các biến đổi thông thường trên dữ liệu môi trường. Thuỷ vân dễ vỡ yêu cầu thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi nào trên dữ liệu chứa. Như vậy, kỹ thuật giấu tin có thể được phân loại như trong hình 1.1. Giấu thông tin Giấu tin mật Thuỷ vân số Thuỷ vân bền vững Thuỷ vân ẩn Thuỷ vân hiện Thuỷ vân dễ vỡ Thuỷ vân ẩn Hình 1.1. Phân loại kỹ thuật giấu tin Thuỷ vân hiện 6 1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin Mô hình của kỹ thuật giấu tin được mô tả trong Hình 1.2 và 1.3. Trong đó, Hình 1.2 biểu diễn quá trình giấu tin. Phương tiện chứa bao gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như các tệp Multimedia. Thông tin cần giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó tuỳ thuộc vào mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu vào trong môi trường chứa nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những chương trình, 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 môi trường đã giấu tin và được phân phối trên các phương tiện truyền thông khác nhau. Thông tin cần giấu Dữ liệu môi trường (audio, video, ảnh....) Bộ nhúng thông tin Dữ liệu môi trường đã được giấu tin Khoá Hình 1.2. Lược đồ của quá trình giấu tin Hình 1.3 chỉ ra các công việc của quá trình giải mã thông tin đã được giấu. Quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin kết hợp với khoá để giải mã thông tin. Khoá để giải mã thông tin có thể giống hoặc khác với khoá để nhúng thông tin. Kết quả thu được gồm môi trường gốc và thông tin đã được giấu. Tuỳ trường hợp, thông tin tách được có thể cần xử lí, kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu. 7 Thông qua dữ liệu mật được tác ra từ môi trường chứa tin giấu, người ta có thể biết được trong quá trình phát tán dữ liệu có bị tấn công hay không. Với một hệ thống giấu tin mật, tính an toàn của dữ liệu cần giấu được quan tâm đặc biệt. Một hệ thống được xem là có độ bảo mật cao nếu độ phức tạp của các thuật toán thám mã khó có thể thực hiện được trên máy tính. Tuy nhiên, cũng có một số hệ thống lại quan tâm đến số lượng thông tin có thể được giấu, hoặc quan tâm đến sự ảnh hưởng của thông tin mật đến môi trường chứa dữ liệu. Khoá Dữ liệu môi trường đã được giấu tin Dữ liệu môi trường (audio, video, ảnh....) Bộ giải mã tin Thông tin giấu Kiểm định Hình 1.3. Lược đồ giải mã tin giấu 1.2. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh 1.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh Miền không gian ảnh là miền dữ liệu ảnh gốc, tác động lên miền không gian ảnh chính là tác động lên các điểm ảnh, thay đổi giá trị trực tiếp của điểm ảnh. Đây là hướng tiếp cận tự nhiên bởi vì khi nói đến việc giấu tin trong ảnh 8 người ta thường nghĩ ngay đến việc thay đổi giá trị các điểm ảnh nguồn, một phương pháp phổ biến của hướng tiếp cận này là phương pháp tác động đến bit ít quan trọng của mỗi điểm ảnh. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhiều hạn chế, chẳng hạn như không đảm bảo được tính bền vững của thông tin giấu đối với các thao tác biến đổi như quay ảnh hoặc nén ảnh Jpeg. Điều này là dễ hiểu vì các thao tác nói trên cũng loại bỏ hoặc làm sai lệch các bit ít quan trọng nhất của mỗi điểm ảnh. 1.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh như đã trình bày ở trên là cách tiến hành khảo sát tín hiệu và hệ thống rời rạc một cách trực tiếp trên miền giá trị rời rạc của các điểm ảnh gọi là trên miền biến số độc lập tự nhiên. Nhưng trong nhiều trường hợp, cách khảo sát trực tiếp này gặp phải những khó khăn nhất định hoặc rất phức tạp và hiệu quả không cao. Ngoài phương pháp khảo sát trực tiếp, có thể dùng phương pháp khảo sát gián tiếp thông qua các kỹ thuật biến đổi. Các biến đổi này làm nhiệm vụ chuyển miền biến số độc lập sang các miền khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rạc sẽ được biểu diễn trong các miền mới với các biến số mới. Phương pháp biến đổi này cũng giống như phương pháp biến đổi trong phép tính tích phân hay phương pháp đổi hệ toạ độ trong giải tích của toán phổ thông quen thuộc. Mỗi cách biến đổi sẽ có những thuận lợi riêng, tuỳ từng trường hợp mà chúng ta chọn phép biến đổi nào cho phù hợp. Sau khi khảo sát, biến đổi xong các tín hiệu và hệ thống rời rạc trong miền các biến số mới này, nếu cần thiết có thể dùng các biến đổi ngược để đưa chúng trở lại miền biến số độc lập. Phương pháp khảo sát gián tiếp sẽ làm đơn giản rất nhiều các công việc gặp phải khi dùng phương pháp khảo sát trực tiếp trong miền biến số độc lập 9 tự nhiên. Hệ thống rời rạc cần khảo sát chính là miền không gian các điểm ảnh. Có một số phương pháp biến đổi được sử dụng rất phổ biến như: Furier, Cosin rời rạc (DCT), Wavelet… Đây là những phép biến đổi được sử dụng nhiều trong các kỹ thuật xử lý ảnh và âm thanh. Trong giấu tin, đặc biệt trong kỹ thuật thuỷ vân tiếp cận theo miền tần số, các phép biến đổi từ miền biến số tự nhiên của ảnh sang miền tần số như biến đổi Furier, biến đổi cosin rời rạc, Wavelet được sử dụng phổ biến. 1.3. Thủy vân số trên ảnh Như đã giới thiệu ở trên, tính an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu tin được thể hiện ở hai khía cạnh. Một là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu và hai là bảo vệ cho chính đối tượng sử dụng để giấu tin. Tương ứng với hai khía cạnh đó có hai khuynh hướng kỹ thuật rõ ràng đó là giấu tin mật và thuỷ vân số. Thuỷ vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số vào một bức ảnh số và thông tin nhúng được gắn liền với bức ảnh chứa và dữ liệu thuỷ vân có thể được hiển thị hoặc ẩn phụ thuộc vào mỗi kỹ thuật thuỷ vân cụ thể. Trong kỹ thuật thuỷ vân số thì thông tin nhúng được gọi là thuỷ vân. Thuỷ vân có thể là một chuỗi ký tự, hay một hình ảnh, logo nào đó. Nói đến thuỷ vân số là nói đến kỹ thuật giấu tin nhắm đến những ứng dụng bảo đảm an toàn dữ liệu cho đối tượng được sử dụng để giấu tin như: bảo vệ bản quyền, chống xuyên tạc, nhận thực thông tin, điều khiển sao chép… Có thể thấy rõ là phần ứng dụng của thuỷ vân rất lớn, mỗi ứng dụng lại có những yêu cầu riêng, do đó các kỹ thuật thủy vân cũng có những tính năng khác biệt tương ứng. Có thể chia các kỹ thuật thủy vân theo nhóm như trong hình 1.4. 10 Thuỷ vân Thuỷ vân bền vững Thuỷ vân ẩn Thuỷ vân hiện Thuỷ vân dễ vỡ Thuỷ vân ẩn Thuỷ vân hiện Hình 1.4. Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân Các kỹ thuật thủy vân trên hình 1.4. được phân biệt nhau bởi những đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật và khía cạnh ứng dụng những kỹ thuật đó. Trong thực tế, tuỳ theo mục đích, yêu cầu của bài toán mà ta sẽ chọn kỹ thuật thuỷ vân phù hợp. Tuy nhiên, các kỹ thuật trên cũng có một số đặc điểm giống nhau. Thuỷ vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong ảnh sao cho sản phẩm khi phân phối trong môi trường nếu có bất cứ một phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì thuỷ vân đã được giấu trong đối tượng sẽ không còn nguyên vẹn như thuỷ vân gốc. Các kỹ thuật thuỷ vân có tính chất này được sử dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin và phát hiện xuyên tạc thông tin. Rất dễ hiểu vì sao những ứng dụng này cần đến kỹ thuật thủy vân dễ vỡ. Ví dụ như để bảo vệ chống xuyên tạc, một ảnh nào đó ta nhúng một thuỷ vân vào trong ảnh và sau đó phân phối, quảng bá ảnh đó. Khi cần kiểm tra lại ảnh ta sử dụng hệ thống đọc thuỷ vân. Nếu không đọc được thuỷ vân hoặc thuỷ vân đã bị sai lệch nhiều so với thuỷ vân ban đầu đã nhúng vào ảnh thì có nghĩa là ảnh đó đã bị thay đổi. 11 Ngược lại, với kỹ thuật thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật thuỷ vân bền vững. Các kỹ thuật thủy vân bền vững thường được sử dụng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền. Trong những ứng dụng đó, thuỷ vân đóng vai trò là thông tin sở hữu của người chủ hợp pháp. Thuỷ vân được nhúng trong các sản phẩm như một hình thức dán tem bản quyền. Trong trường hợp như thế, thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân. Một yêu cầu lý tưởng đối với thuỷ vân bền vững là nếu muốn loại bỏ thuỷ vân thì cách duy nhất là phá huỷ sản phẩm. Thuỷ vân bền vững lại được chia thành hai loại là thủy vân ẩn và thuỷ vân hiện. Thuỷ vân hiện là loại thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được giống như các biểu tượng kênh chương trình vô tuyến VTV1, VCT2, HBO… Các thuỷ vân hiện trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh gốc. Đối với thuỷ vân hiện, thông tin bản quyền hiển thị ngay trên sản phẩm. Còn đối với thuỷ vân ẩn thì cũng giống như giấu tin, yêu cầu tính ẩn cao, bằng mắt thường không thể nhìn thấy thuỷ vân. Trong vấn đề bảo vệ bản quyền, thủy vân ẩn mang tính bất ngờ hơn trong việc phát hiện sản phẩm bị lấy cắp. Trong trường hợp này, người chủ sở hữu hợp pháp sẽ chỉ ra bằng chứng là thuỷ vân đã được nhúng trong sản phẩm bị đánh cắp. 1.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân Hệ thuỷ vân số trên ảnh cũng là một hệ giấu tin nên cũng có một số đặc điểm và tính chất giống giấu tin trong ảnh. Đó là: - Phương tiện chứa là ảnh hai chiều tĩnh - Thủy vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm thay đổi kích thước ảnh - Thông tin được giấu vào trong ảnh nhưng không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh. 12 - Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào bản chất của hệ thống thị giác con người. - Ngoài một số đặc điểm chung nêu trên, kỹ thuật thuỷ vân trên ảnh số được phân biệt với kỹ thuật giấu tin mật ở những đặc trưng sau đây:  Thông tin thuỷ vân có hoặc không bị biến đổi khi ảnh chứa bị thay đổi Đối với hệ thống thuỷ vân bền vững, yêu cầu thông tin thuỷ vân không thay đổi trước các tác động làm thay đổi thông tin trên ảnh chứa thuỷ vân. Ngược lại, hệ thống thuỷ vân dễ vỡ yêu cầu thông tin thuỷ vân sẽ bị thay đổi (vỡ) nếu có bất cứ thay đổi nào trên ảnh chứa thuỷ vân.  Thuỷ vân ẩn, thuỷ vân hiện Không giống như giấu tin mật với yêu cầu bắt buộc là thông điệp giấu phải ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thường không phát hiện được sự tồn tại của thông tin giấu thì kỹ thuật thủy vân số lại có hai loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện. Nghĩa là có loại thuỷ vân cho phép nhìn thấy được thông tin đem nhúng vào, có loại không nhìn thấy. Loại thuỷ vân hiện được sử dụng cho mục đích công bố công khai về quyền sở hữu, ngược lại, thuỷ vân ẩn được sử dụng với mục đích giấu bí mật các thông tin xác nhận quyền sở hữu sản phẩm  Tính chất bền vững. Đây là tính chất quan trọng nhất của một hệ thuỷ vân bền vững. Đối với hệ thống thuỷ vân này, yêu cầu hàng đầu là hệ thuỷ vân phải chống lại được các phép biến đổi, hay các tấn công có chủ định hoặc không có chủ định lên ảnh chứa thuỷ vân. Tiêu chuẩn của hệ thuỷ vân này là thủy vân phải tồn tại cùng với sự tồn tại của ảnh chứa, thủy vân chỉ bị phá huỷ khi chấp nhận mất đi đáng kể chất lượng của ảnh chứa. 1.3.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân Một mô hình hệ thống thuỷ vân tổng quát được xem xét theo hai quá trình: Quá trình nhúng thuỷ vân