Tài liệu Giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRẦN ĐỨC NAM GIẤU TIN TRONG ẢNH BITMAP 16 MÀU - 256 MÀU LUẬN VĂN THẠC SỸ: 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 VÀ TRUYỀN THÔNG TRẦN ĐỨC NAM GIẤU TIN TRONG ẢNH BITMAP 16 MÀU - 256 MÀU CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 80 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TSKH NGUYỄN XUÂN HUY Thái Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học TháiNguyên Nguyên - 2011 http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn “Giấu tin trong ảnh bítmap 16 màu – 256 màu” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn được sử dụng trung thực và có nguồn trích dẫn. ----------------------------------------LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS TSKH Nguyễn Xuân Huy - Viện Công nghệ thông tin, người đã gợi mở và định hướng cho em tìm hiểu về lĩnh vực giấu tin trong ảnh. Thầy đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện cho em nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Em xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ thông tin, các thầy cô trường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông - ĐH Thái Nguyên, đã giảng dạy và giúp đỡ em trong hai năm học qua. Cuối cùng tôi xin cảm ơn tới gia đình, các bạn cùng lớp và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên, cùng nghiên cứu, đóng góp ý kiến, chia sẻ kinh nghiệmvới tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn! Thái Nguyên - 2011 Trần Đức Nam Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan MỤC LỤC .................................................................................................................. i THUẬT NGỮ .......................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... iv MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài................................................................................................1 2. Mục tiêu của đề tài ............................................................................................4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................4 4. Hướng nghiên cứu của đề tài ............................................................................4 5. Những nội dung nghiên cứu chính ...................................................................5 6. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................5 7. Ý nghĩa khoa học của đề tài ..............................................................................5 NỘI DUNG ................................................................................................................6 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN ...............................................................6 1.1. Một số khái niệm cơ bản ...............................................................................6 1.1.1. Khái niệm về giấu tin .................................................................................6 1.1.2. Lịch sử của giấu tin ....................................................................................6 1.1.3. Mục đích của giấu tin ................................................................................7 1.1.4. Mô hình giấu tin cơ bản .............................................................................8 1.1.5. Các kỹ thuật giấu tin ..................................................................................9 1.1.6. Những tính chất cơ bản của giấu tin mật và thủy vân .............................12 1.1.7. Các ứng dụng chính của giấu tin .............................................................13 1.2. Sơ lược về giấu tin trong đa phương tiện ...................................................14 1.3. Đặc trưng và tính chất của giấu tin trong ảnh...........................................16 1.3.1. Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh .................................................16 1.3.2. Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào ảnh .............................................................16 1.3.3. Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người .....17 1.3.4. Giấu tin trong ảnh không thay đổi kích thước của ảnh ............................17 1.3.5. Đảm bảo yêu cầu chất lượng ảnh sau khi giấu thông tin .........................17 1.3.6. Tin giấu sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào trên ảnh .............18 1.3.7. Yêu cầu ảnh gốc sau khi giải mã .............................................................18 1.4. Các hướng tiếp cận giấu tin trong ảnh .......................................................18 1.4.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh..........................................................18 1.4.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh ..................................................................19 Chương 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT TRONG ẢNH ..................21 2.1. Giấu tin theo khối bit đơn giản .......................................................................21 2.1.1. Ý tưởng ....................................................................................................21 2.1.2. Thuật toán giấu tin ...................................................................................21 2.1.3. Quá trình tách tin .....................................................................................23 2.1.4. Ví dụ mô tả ..............................................................................................23 2.1.5. Nhận xét thuật toán ..................................................................................25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii 2.1.6. Áp dụng thuật toán vào ảnh đen trắng, ảnh màu và ảnh đa cấp xám ......26 2.2. Kỹ thuật giấu tin Wu M.Y và Lee J.H............................................................30 2.2.1. Ý tưởng của thuật toán .............................................................................31 2.2.2. Một số khái niệm sử dụng trong thuật toán. ............................................31 2.2.3. Thuật toán giấu tin ...................................................................................32 2.2.4. Phân tích thuật toán .................................................................................33 2.2.5. Ví dụ mô tả ..............................................................................................34 4.2.6. Nhận xét ...................................................................................................34 2.3. Kỹ thuật giấu tin Chen-Pan-Tseng .................................................................35 2.3.1. Một số khái niệm dùng trong thuật toán ..................................................36 2.3.2. Thuật toán ................................................................................................36 2.3.3. Phân tích đánh giá thuật toán ...................................................................38 2.3.4. Ví dụ mô tả thuật toán .............................................................................39 2.3.5. Độ an toàn của thuật toán ........................................................................41 2.4. Kỹ thuật giấu tin LSB .....................................................................................42 2.4.1. Khái niệm bit có trọng số thấp .................................................................42 2.4.2. Thuật toán ................................................................................................43 2.4.3. Phân tích thuật toán .................................................................................44 2.4.4. Ví dụ mô tả ..............................................................................................45 2.5. Kỹ thuật sử dụng phép biến đổi DCT .............................................................45 2.5.1. Các phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần số ......................45 2.5.2. Thuật toán nhúng thủy vân ......................................................................48 2.5.3. Quá trình tách tin .....................................................................................49 2.5.4. Phân tích thuật toán .................................................................................50 2.6. Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch dựa trên dịch chuyển Histogram ...................51 2.6.1. Kỹ thuật giấu thuận nghịch NSAS...........................................................51 2.6.2. Kỹ thuật giấu thuận nghịch HKC ............................................................54 Chương 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM...................................................................56 3.1. Tổng quan về ảnh Bitmap............................................................................56 3.1.1. Khái niệm về ảnh đen trắng, ảnh màu và ảnh đa mức xám .....................56 3.1.2. Cấu trúc tập tin ảnh bitmap ......................................................................58 3.2. Một số kỹ năng xử lý ảnh trong giấu tin ....................................................60 3.2.1. Các bước giấu tin trong ảnh .....................................................................60 3.2.2. Đọc ảnh ....................................................................................................61 3.2.3. Tách phần Hearder của ảnh .....................................................................61 3.2.4. Các hàm xử lý trong chương trình ...........................................................64 3.2.5. Xây dựng ảnh mới ...................................................................................66 3.3. Xây dựng và thử nghiệm chương trình ......................................................66 3.3.1. Giới thiệu thuật toán cài đặt .....................................................................66 3.3.2. Chương trình thử nghiệm.........................................................................67 3.3.3. Nhận xét ...................................................................................................68 KẾT LUẬN VÀ DỰ KIẾN .....................................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii THUẬT NGỮ Chữ Diễn giải viết tắt Ý nghĩa Data hiding Giấu tin (ẩn dữ liệu) Steganography Giấu tin mật (viết phủ) Intrinsic Steganography Giấu tin có xử lý Pure Steganography Giấu tin đơn thuần Watermarking Đánh dấu ẩn, thủy vân, thủy ấn Watermark Mã dấu bản quyền DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosin rời rạc IDCT Invert Discrete Cosine Transform Biến đổi ngược DCT DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Forier rời rạc IDFT Invert Discrete Fourier Transform Biến đổi ngược DFT. DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc IDWT Invert Discrete Wavelet Transform Biến đổi ngược DWT FT Fourier Transfer Biến đổi Fourier FFT Fast fourier transfer Biến đổi Fourier nhanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Những bản mật mã cổ Hình 1.2. Xuyên tạc thông tin Hình 1.3. Muc tiêu ẩn dữ liệu trong ảnh Hình 1.4. Mô hình tổng quát về giấu và tách tin Hình 1.5. Phân loại các kỹ thuật giấu tin Hình 2.1. Sơ đồ mô tả thuật toán Giấu tin theo khối bit đơn giản 2.2. Sơ đồ mô tả quá trình tách tin theo khối bit đơn giản Hình 2.3. Ví dụ dữ liệu ảnh được chia thành các khối kích thước (4*4) Hình 2.4. Mô ta nhiễu ảnh khi giấu tin Hình 2.5. Các trường hợp thay đổi vị trí đảo bit Hình 2.6. Mô tả quá trình đảo bit để giấu tin Hình 2.7. Kết quả giấu tin theo kỹ thuật LSB Hình 2.8. Sơ đồ mô tả thuật toán nhúng thuỷ vân Hình 2.9. Sơ đồ tách tin thủy vân Hình 2.10. Histogram của ảnh cùng điểm peak và điểm zero Hình 2.11. Biểu đồ tần xuất của ảnh trước và sau khi khởi tạo không gian giấu Hình 2.12. Biểu đồ tần xuất của ảnh sau khi giấu tin Hình 2.13. Histogram của ảnh cùng điểm peak và hai điểm zero Hình 3.1. Sơ đồ các bước giấu tin trong ảnh Hình 3.2. Sơ đồ phân cấp chức năng Hình 3.3. Histogram của ảnh có nhiều điểm zero với h(g) = 0 Hình 3.4. Histogram của ảnh với điểm zero có h(g)  0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài “Biết người biết ta trăm trận trăm thắng!” đó là câu nói nổi tiếng của các nhà cầm quân mọi thời đại. Chính vì thế mà trong hàng ngàn năm về trước, vua chúa cũng như các tướng lĩnh đều dựa vào mạng lưới thông tin liên lạc hiệu quả và bí mật để cai trị đất nước và chỉ huy quân đội của mình. Đồng thời, tất cả họ đều ‎ý thức được những hậu quả của việc để lọt thông tin của mình vào tay đối phương, để lộ những bí mật quý giá cho các nước thù địch cũng như hậu quả của sự phản bội cung cấp thông tin sống còn cho các lực lượng đối kháng. Chính nỗi lo sợ bị kẻ thù xem trộm đã thúc đẩy sự ra đời và phát triển của mật mã: đó là những kỹ thuật nhằm che dấu, ngụy trang thông tin, khiến cho chỉ những người cần được nhận mới có thể đọc được [5]. 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. Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng nảy sinh những thách thức mới cho quá trình đổi mới này. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số…đã giúp con người có thể sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện (multimedia data). Mạng Internet toàn cầu đã biến thành 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...vv. Trao đổi thông tin bí mật qua các kênh truyền công khai đã, đang và sẽ được sử dụng phổ biến trong kỷ nguyên công nghệ số hiện đại này. Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn và bảo mật thông tin như nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép…vv. Vậy làm thế nào để việc trao đổi thông tin bí mật và an toàn trên các kênh truyền công khai như trên được đảm bảo? 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 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, NAPSACK...và phương pháp này đã được chứng minh thực tế là rất hiệu quả và đang được ứng dụng phổ biến. Hiện nay cuộc chiến với các cracker vẫn chưa ngã ngũ, và có lẽ sẽ chẳng bao giờ ngã ngũ thì việc dùng các phương pháp mã hóa sẽ khiến cho những tên cracker tò mò và để ý đến thông tin của bạn, và tất nhiên chúng sẽ tìm mọi cách để crack, vì vậy sẽ chẳng có gì là đảm bảo thông tin của bạn sẽ được an toàn. Bản thảo 3.000 năm tuổi Mật mã Voynich Hình 1.1. Những bản mật mã cổ Khoảng 10 năm gần đây, một phương pháp mới được coi như là chìa khóa cứu cánh cho vấn đề này đã và đạng được ứng dụng mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới, đó là phương pháp giấu tin (DataHiding). Với công nghệ data hiding bạn có thể dấu một bản tin mật vào một bức ảnh mà không làm thay đổi bức ảnh (đối với cảm nhận của con người), như vậy chúng ta đã đánh lạc hướng được những tên cracker, thêm vào đó việc thực hiện crack trên mutimedia sẽ khó khăn hơn nhiều so với crack với các văn bản text. Hiện nay công nghệ data hiding đã và đang phát triển ở mức độ cao hơn, đó là vấn đề bảo vệ bản quyền , công nghệ sử dụng trong lĩnh vực này là water marking digital (thủy vân kĩ thuật số)...vv. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Hình 1.2. Xuyên tạc thông tin 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. Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: nhận 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 cá nhân, tổ chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới...vv. Ảnh chưa giấu tin Ảnh đã giấu tin Hình 1.3. Mục tiêu ẩn dữ liệu trong ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Tin rằng lĩnh vực nghiên cứu này có nhiều hứa hẹn trong tương lai gần và dần trở thành một hướng đi mới trong lĩnh vực An toàn và Bảo mật thông tin hiệu quả. Chính vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Giấu tin trong ảnh Bitmap 16 màu – 256 màu”. Phần nội dung của luận văn gồm 3 chương: Chương 1 trình bày một số khái niệm cơ bản về giấu tin, tổng quan mô hình giấu tin, một số kỹ thuật và ứng dụng của giấu tin...vv. Chương 2 tìm hiểu một số lược đồ cơ bản cho ứng dụng giấu tin mật trong ảnh nhị phân làm cơ sở cho việc phát triển ứng dụng giấu tin mật trong ảnh bitmap màu và đa mức xám. Chương 3 tìm hiểu về cấu trúc tập tin ảnh bitmap, một số kỹ năng xử lý ảnh trong quá trình giấu tin và cài đặt thử nghiệm chương trình giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu - 256 màu. 2. Mục tiêu của đề tài Luận văn tập trung tìm hiểu các phương pháp giấu tin mật trong ảnh bitmap nhằm tăng cường an ninh cho trao đổi thông tin bí mật qua các kênh truyền công khai ngày nay. Và cài đặt thử nghiệm chương trình giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tập tin ảnh bitmap là một định dạng ảnh khá phổ biến. Các tập tin đồ họa lưu dưới dạng BMP thường có đuôi .BMP hoặc .DIB (Device Independent Bitmap). Đặc điểm nổi bật nhất của định dạng BMP là tập tin thường không được nén bằng bất kỳ thuật toán nào. Định dạng BMP được hỗ trợ bởi hầu hết các phần mềm đồ họa chạy trên Windows, và cả một số ứng dụng trên MS-DOS. Giấu thông tin trong đa phương tiện là một lĩnh vực rộng lớn, do đó đối tượng và phạm vị nghiên cứu của luận văn chỉ tập trung vào các kỹ thuật giấu tin trong ảnh nhị phân. Từ đó xây dựng chương trình ứng dụng giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu. 4. Hướng nghiên cứu của đề tài - Tìm hiểu các phương pháp giấu tin trong ảnh nhị phân. - Tìm hiểu các phương pháp giấu tin trong ảnh màu và đa mức xám. - Tìm hiểu cấu trúc tập tin ảnh bitmap. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 - Cài đặt thử nghiệm chương trình giấu tin trong ảnh bitmap sử dụng kỹ thuật giấu thuận nghịch dựa trên dịch chuyển Histogram. 5. Những nội dung nghiên cứu chính Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề cơ bản nhất về giấu tin. Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh nhị phận, làm cơ sở cho việc tìm hiểu một số kỹ thuật giấu tin trên ảnh màu và ảnh đa mức xám, từ đó xây dựng chương trình thử nghiệm. 6. Phương pháp nghiên cứu  Về lý thuyết: - Tìm hiểu một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh nhị phân. - Phân tích, đánh giá các thuật toán giấu tin khác nhau trong ảnh nhị phân, ảnh màu và ảnh đa mức xám. - Tìm hiểu cấu trúc tập tin ảnh bitmap. - Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Dev C++, VB.Net...vv.  Về thực nghiệm: - Sử dụng ngôn ngữ lập trình Dev C++ xây dựng và cài đặt thử nghiệm chương trình giấu tin trong ảnh bitmap 16 màu – 256 màu. 7. Ý nghĩa khoa học của đề tài Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn 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 hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật...vv. Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và các viện nghiên cứu trên thế giới. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1. Một số khái niệm cơ bản 1.1.1. Khái niệm về giấu tin Từ trước đến nay, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đã được đưa ra, trong đó giải pháp dùng mật mã học đã được ứng dụng rộng rãi nhất. Thông tin ban đầu được mã hoá (từ bản rõ có ý nghĩa thanh bản mã gồm các ký tự vô nghĩa), sau đó sẽ được giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có rất nhiều hệ mã phức tạp được sử dụng như DES, RSA, NAPSACK..., rất hiệu quả và phổ biến. Nhưng như đã nói ở trên: mã hóa biến một thông tin rõ, có nghĩa thành một bản mã với các ký tự vô nghĩa đặt ra một sự tò mò cho đối phương về ý đồ “đen tối” của nó và đối phương sẽ cố gắng tìm cách giải mã dẫn đến sự không an toàn cho phương pháp này (mặc dù đây là điều rất khó nhưng không phải là chắc chắn không thể làm được). Một phương pháp mới khác đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới, đó là phương pháp giấu tin (DataHiding). Vậy “Giấu thông tin là kỹ thuật nhúng (embedding) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác”. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc. 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 được mã hoá hay không, còn với giấu thông tin thì người ta sẽ khó biết được là có thông tin giấu bên trong. 1.1.2. Lịch sử của giấu tin Các kỹ thuật giấu tin đã được đề xuất và sử dụng từ 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 (covered writing). 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 (thông tin được hiểu theo nghĩa nguyên thủy của nó) thuộc về sử gia Hy-Lạp Herodotus. Khi bạo chúa Hy-Lạp Histiaeus bị vua Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm trước 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 người nô lệ ấy. Khi tóc của người nô lệ này mọc đủ dài người nô lệ được gửi tới Miletus. Một câu chuyện khác về thời Hy-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 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 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 tra một cách dễ dàng. Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài. Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường. Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm màu và có thể đọc dễ dàng [1]. 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 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 lưu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đã sinh ra nhiều vấn đề nhức nhối như: ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép...vv. 1.1.3. Mục đích của giấu tin An toàn và bảo mật thông tin ngày càng trở nên cấp bách. Các thông tin cần bảo mật có thể được mã hóa theo một cách thức nào đó, tuy nhiên với phương pháp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 này thì thông điệp được mã hóa lại chính là tín hiệu về tầm quan trọng của dữ liệu đó, nên sẽ thu hút sự chú ý, tò mò của đối phương. Hướng tiếp cận mới trong bảo mật là giấu tin (information hiding), tức là những thông tin số cần bảo mật sẽ được giấu vào trong một đối tượng dữ liệu số sao cho sự biến đổi của môi trường sau khi giấu là rất khó nhận biết, đồng thời có thể lấy lại được các thông tin đã giấu khi cần. Một ưu điểm của hướng tiếp cận giấu tin so với mã hóa là khi tiếp cạn môi trường giấu tin đối phương khó xác định được là có thông tin giấu ở trong đó không? và không gây sự tò mò hay nghi ngờ gì cho đối phương. Ngoài ra phương pháp giấu tin còn thể hiện được ưu thế rõ rệt trong nhiều ứng dụng như phân phối tài liệu số, bảo vệ bản quyền, xác thực và phát hiện xuyên tạc…vv. Bảo mật thông tin bằng giấu tin có hai khía cạnh. Một là bảo mật cho dữ liệu đem giấu, chẳng hạn như giấu tin mật (steganography). Hai là bảo mật chính đối tượng được dùng để giấu tin, chẳng hạn như ứng dụng bảo vệ bản quyền, nhận thực hay phát hiện xuyên tạc thông tin, dấu vân tay hay dán nhãn và điều khiển truy cập (watermarking). Vậy giấu tin nhằm tới một mục đích trao đổi thông tin bí mật và áp dụng vào việc bảo vệ bản quyền và xác thực thông tin số. Việc giấu thông tin mật có ý nghĩa quan trọng đối với an ninh, thông tin có tính chất Quốc gia. Hiện nay cơ quan tình báo các nước đã và đang ứng dụng thành công kỹ thuật này để phục vụ cho mục đích của họ. 1.1.4. Mô hình giấu tin cơ bản Để thực hiện giấu tin cần xây dựng được các thủ tục giấu tin. Các thủ tục này sẽ thực hiện nhúng “giấu” thông tin vào môi trường giấu. Các thủ tục giấu tin thường được thực hiện với một khóa giống như trong các hệ mật mã để tăng tính bảo mật. Sau khi giấu tin ta thu được đối tượng chứa thông tin giấu và có thể phân phối nố trên các kênh thông tin công khai. Để giải mã thông tin ta cần nhận được đối tượng có chứa thông tin đã giấu, sau đó sử dụng thủ tục giải mã cùng với khóa đã dùng trong qúa trình giấu để lấy lại thông tin. Hình 1.4 dưới đây nói lên lược đồ tổng quát nhất cho quá trình giấu và tách tin [6]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Thông tin giấu Thủ tục giấu tin Môi trường giấu Đối phương Thủ tục tách tin Kênh truyền Khóa Thông tin Khóa Hình 1.4. Mô hình tổng quát về giấu và tách tin 1.1.5. Các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu thông tin số mới được hình thành trong thời gian gần đây nên xu hướng phát triển chưa ổn định. Nhiều phương pháp mới, theo nhiều khía cạnh khác nhau đang và chắc chắn sẽ được đề xuất, bởi vậy một định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chưa thể có được. Sơ đồ phân loại sau được Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm 1999 [6]. Giấu tin (Information hiding) Giấu tin mật (Steganography) Thủy vân số (Digital watermarking) Thủy vân bền vững (Robust watermarking) Thủy vân dẽ vỡ (Fragile watermarking) Hình 1.5. Phân loại các kỹ thuật giấu tin Sơ đồ phân loại này như một bức tranh khái quát về ứng dụng và kỹ thuật giấu thông tin. Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng lớn là giấu tin mật (Steganography) và thủy vân số (Digital watermarking). Giấu tin mật quan tâm đến các ứng dụng sao cho người khác khó phát hiện nhất việc có tin được giấu và nếu có phát hiện tin được giấu thì việc giải tin cũng khó thực hiện nhất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Phạm vi ứng dụng của thủy vân đa dạng hơn, tùy theo mục đích của hệ thủy vân mà người ta lại chia thành các hướng nhỏ như thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững. Giấu tin mật (Steganography) là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng các mẩu tin mật vào một môi trường phủ. Trong quá trình giấu tin để tăng bảo mật có thể người ta dùng một khoá viết mật khi đó người ta nói về Intrinsic Steganography (dấu tin có xử lý). Khi đó để giải mã người 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 trường phủ. Ngược lại nếu không dùng khoá viết mật thì người ta chỉ dấu tin đơn thuần vào môi trường phủ thì khi đó người ta nói về Pure Steganography (dấu tin đơn thuần). Thuỷ ấn (Watermarking) là kỹ thuật nhúng một biểu tượng vào trong ảnh môi trường để xác định quyền sở hữu ảnh môi trường, chống sự giả mạo và xuyên tạc thông tin. Kích thước của biểu tượng thường nhỏ (từ vài bit tới vài nghìn bit). Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng khi ảnh môi trường bị biến đổi bởi các thao tác như p h é p lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy compression), hay các biến đổi hình học...vv. Tuy nhiên việc đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng không kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ thuật toán và có bộ giải mã trong tay. Thông tin giấu là một định danh duy nhất, ví dụ định danh người dùng thì khi đó người ta gọi là Fingerprinting (nhận dạng vân tay, điểm chỉ). Nếu như watermark (thủy vân, thủy ấn) quan tâm nhiều đến ứng dụng giấu các mẩu tin ngắn nhưng đòi hỏi độ bền vững lớn của thông tin cần giấu (trước các biến đổi thông thường của tệp dữ liệu môi trường) 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 lớn này, quá trình phân loại theo các tiêu chí khác có thể tiếp tục được thực hiện, ví dụ dựa theo ảnh hưởng các tác động từ bên ngoài có thể chia watermark thành hai loại, một loại bền vững với các tác động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hoàn toàn đối lập: dễ bị phá huỷ trước các tác động nói trên. Cũng có thể chia watermark theo đặc tính, một loại cần được che giấu để chỉ có một số người tiếp xúc với nó có thể thấy được thông tin (thủy vân ẩn), loại thứ hai đối lập, cần được mọi người nhìn thấy (thủy vân hiện). Xét về tính chất thuỷ ấn giống giấu tin ở chỗ tìm cách nhúng thông tin mật vào một môi trường. Nhưng về bản chất thì thuỷ ấn có những nét khác ở một số điểm: Một là: Mục tiêu của thuỷ ấn là nhúng thông tin không lớn thường là biểu tượng, chữ ký hay các đánh dấu khác vào môi trường phủ nhằm phục vụ việc xác nhận bản quyền Hai là: 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 Ba là: Chỉ tiêu quan trọng nhất của một thuỷ ấn là tính bền vững, của giấu tin là dung lượng. Bốn là: 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 được áp dụng cho các loại dữ liệu ảnh, audio, video. 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 nhưng chúng được 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 chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng 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 được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huỷ sản phẩm. Ảnh bị sửa đổi: nội dung của ảnh bị xuyên tạc. Trong trường hợp này giấu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 tin có tác dụng phân biệt ảnh bản quyền với ảnh bị sửa đổi nội dung. Áp dụng các bước tách tin giống nhau với các ảnh khác nhau, ta sẽ tách được dấu bản quyền đã được đăng ký trước đối với ảnh bị xuyên tạc. Hầu hết giấu tin được gắn cho ảnh là giấu không nhìn thấy nhưng trên thực tế tồn tại một loại giấu tin có thể nhìn thấy, chúng không trong suốt hoàn toàn. 1.1.6. Những tính chất cơ bản của giấu tin mật và thủy vân Giấu tin mật (steganography):  Khả năng không thể nhận biết (impercetibility).  Khả năng chứa được nhiều thông tin (capacity).  Khả năng không thể dò tìm. Khả năng không thể nhận biết được, có nghĩa là với người quan sát bằng mắt thường không thể phát hiện được ảnh có chứa thông tin ẩn trong đó. Đây là một tính chất cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật steganography. Khả năng chứa được nhiều thông tin cũng là một tính chất quan trọng đối với kỹ thuật steganography. Tính chất capacity có nghĩa là lượng thông tin cần nhúng càng nhiều càng tốt nhưng không được vi phạm tính chất khác của kỹ thuật steganography. Cuối cùng tính chất không thể dò tìm được hiểu ở đây là khả năng chống lại việc xác định ảnh đó có hay không có thông tin ẩn bằng các kỹ thuật thống kê toán học thông thường. Tính chất này cùng với tính chất “không thể nhận biết được” và độ dài thông điệp cần giấu đóng một vai trò quan trọng và cần thiết trong kỹ thuật steganography. Thủy vân (Watermarking): Do yêu cầu bảo vệ bản quyền, xác thực thông tin… nên giấu tin thủy vân có yêu cầu khác với giấu tin bí mật. Yêu cầu đầu tiên là các dấu hiệu thủy vân phải đủ bền vững trước những tấn công vô tình hay cố ý gỡ bỏ nó. Thêm vào đó các dấu hiệu thủy vân phải có ảnh hưởng tối thiểu(về mặt cảm nhận) đối với các phương tiện chứa. Vậy các thông tin cần giấu sẽ càng nhỏ càng tốt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn