Tài liệu Một số kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh tĩnh

U ơ b .K V O ' í| ¿ tó Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I K HOA CÔNG N G HỆ VÕ THANH HẢI M Ô• T S Ố K Ỹ T H U • T G I Ấ U D Ữ L I Ê• U T R O N G Ả N H T ĨN H C huyên ngành: Công n g h ệ Thông tin Mã s ố : 1.01.10 LUẬN VĂN THẠC s ĩ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TSKH NGUYỄN XUÂN HUY ĐA- hcrcu;:-c GiA HÀ NỘ! TRÚNCTÂMTliỒHGTtN.Tl iưVIỆN No V L 0 /Z 0 5 - ___ _ , ■— H à Nội - 2003 M ụ c lụ c Trang Trang phụ bìa Mục luc Danh mục hình vẽ, ả n h ........................................................................................... 1 Từ viết tắt và thuật n g ữ ......................................................................................... 2 Mở đ ầu ...................................................................................................................... 3 Chương 1: Tổng quan giấu dữ liệu trong môi trường ảnh tĩn h ........................7 1.1. Lịch sử về giấu dữ liệu trong môi trường ảnh....................................... 7 1.2. Bài toán giấu dữ liệu trong dữ liệu khác.............................................10 1.3. Phân loại lược đồ giấu dữ liệu trong môi trường ả n h ........................ 11 1.3.1. Giấu không bền vững....................................................................12 1.3.2. Giấu bền vững................................................................................14 1.4. Thuộc tính của các lược đồ giấu dữ liệu trong ảnh............................ 14 1.4.1. Tính vô hình của dữ liệu giấu......................................................15 1.4.2. Dung lượng dữ liệu g iấu .............................................................. 15 1.4.3. Tính bảo mật của dữ liệu g iấ u .................................................... 16 1.4.4. Tính chống phát hiện................................................................... 16 1.4.5. Chất lượng ảnh sau khi giấu tin ................................................... 17 1.4.6. Tính bền vững........................ ;..................................................... 17 1.4.7. Tính đúng của thuật toán.............................................................17 1.5. Một số lĩnh vực ứng dụng giấu dữ liệu...............................................18 1.5.1. Che giấu việc truyền thông bằng các ảnh............................... 18 1.5.2. Bảo vệ bản quyền của các ảnh s ố .............................................. 18 1.5.3. Điểm chỉ số................................................................................... 19 Chương 2: Kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh tĩn h ..............................................20 2.1. Cấu trúc ảnh BMP................................................................................ 20 2.2. Kỹ thuật giấu bí mật (steganography)............................................... 23 2.2.1. Yêu cầu chung...............................................................................23 2.2.2. Phương pháp giấu bí mật đối với ảnh tĩn h .................................24 2.2.3. Nguyên lý chung giấu dữ liệu bí mật vào trong ả n h ............... 27 2.2.4. Một số thuật toán giấu thông tin trong khối bit........................28 2.2.5. Kỹ thuật giấu dữ liệu đối với các loại ảnh dạng BM P.............36 2.2.6. Nhận xét chung............................................................................. 42 2.3. Kỹ thuật nhúng thuỷ vân (watermark)................................................ 43 2.3.1. Yêu cầu và chiến lược nhúng thuỷ vân...................................... 43 2.3.2. Kỹ thuật nhúng thuỷ v â n .............................................................46 Chương 3: Thiết kế ứng dụng giấu dữ liệu trong ả n h ......................................54 3.1. Môi trường làm việc, ngôn ngữ sử dụng............................................ 54 3.2. Tổ chức thực hiện và cài đặt chương trình.......................................... 54 3.2.1. Giấu dữ liệu bí mật trong ảnh.................................................... 55 3.2.2. Nhúng thuỷ vân trong ản h ...........................................................58 3.3. Đánh giá các kết quả thực hiện.... ......................................................65 Kết luận và đề n g h ị...............................................................................................66 Tài liệu tham k h ả o ................................................................................................69 Phụ lụ c ................................................................................................................... 72 D anh mục hình vẽ, ảnh Hình 1: Sơ đồ giấu dữ liệu tổng quát ......................................................... 10 Hình 2: Sự mâu thuẫn giữa các yêu cầu trong kỹ thuật giấu dữ liệ u .......18 Hình 3: Sơ đồ giấu dữ liệu trong ản h ..............................................................28 Hình 4: Ví dụ giấu 3 bit trong khối (4 X 4) b it............................................. 34 Hình 5: Xây dựng ảnh M* để nhúng thuỷ v â n .............................................. 50 Hình 6: Thuỷ vân tách được từ ảnh true - color kích thước 800 X 600 với p = 0.5772.................................................................................... 52 Hình 7 : Giấu 4 bit dữ liệu vào khối 4 x 4 trên ảnh 256 m à u ...................56 Hình 8 : Áp dụng phương pháp xếp lại bảng m àu ........................................57 Hình 9 : Giấu 4 bit dữ liệu vào khối 4 x 4 trên ảnh 24 bit m àu..................58 Hình 10 : Ảnh kết quả, sử dụng 5 LSB trên 1 byte màu để giấu dữ liệu ............................................................................................... 60 Hình 11: Ảnh nhúng thuỷ vân bằng lược đồ NEC cuờng độ 0,1.............. 63 Hình 12: Ảnh gốc và ảnh đã nhúng thuỷ vân, p = 0,6826.........................63 Hình 13: Thuỷ vân gốc và thuỷ vân tách từ ảnh 12b, p = 0,6826........... 63 Hình 14: Thuỷ vân tách ra từ ảnh kết quả với các giá trị p ...................... 63 Hình 15: Thuỷ vân tách ra từ ảnh kết quả qua phép cắt ả n h ................... 64 Hình 16 : Thuỷ vân tách ra từ ảnh kết quả bị quay và giảm cường độ sá n g ................................................................................. 64 2 T ừ v iế t t ắ t v à th u ậ t n g ữ Từ viết tắt và thuật ngữ: DCT Phép biến đổi Cosin rời rạc Data hiding in Images Giấu dữ liệu trong ảnh LSB (Least Significant Bit) Bit có trọng số thấp Pixel Điểm ảnh Steganography Giấu bí mật W atermark Nhúng thuỷ vân Watermarking Thuỷ vân Từ khoá: Ảnh môi trường, ảnh kết quả, dữ liệu giấu, dữ liệu tách, giai đoạn nhúng, giai đoạn tách. 3 M ở đầu Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và sự giao lưu thông tin ngày càng trở nên phổ biến trên các mạng truyền thông máy tính. Đặc biệt là sự phát triển của mạng Internet. Việc trao đổi thông tin trở thành nhu cầu không thể thiếu được trong quá trình hiện đại hoá và toàn cầu hoá các lĩnh vực kinh tế, xã hội, giao tiếp... Tuy nhiên việc trao đổi thông tin qua mạng có nguy cơ dữ liệu bị truy cập trái phép, xuyên tạc trước những vi phạm cố ý của con người. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật số đã làm cho việc lun trữ, sửa đổi và sao chép dữ liệu ngày càng đơn giản, nhưng việc bảo vệ bản quyền, chống xâm phạm trái phép dữ liệu trên đường truyền cũng gặp không ít khó khăn. Yêu cầu bảo mật và xác nhận chủ nhân của thông tin đã trở thành vấn đề cấp thiết trong thời đại công nghệ thông tin phát triển cao. Phương pháp truyền thống bảo mật thông tin là mã hoá thông tin theo một qui tắc nào đó đã thỏa thuận giữa người gửi và người nhận. Thông tin được mã hoá thành bản mã vô nghĩa, sau đó gửi đi. Khi nhận được bản mã, người nhận tiến hành giải mã thu được bản gốc. Đã có nhiều công trình nghiên cứu, xây dựng thành công các thuật toán mã hoá và giải mã khá tốt với độ an toàn bảo mật cao như: DES, RSA, NASACH ... Chữ ký điện tử dùng để xác nhận chủ nhân của thông tin. Những phương pháp này chỉ chuyển thông tin sang một dạng khác, nó vẫn tồn tại trên máy tính hoặc trên đường truyền dưới dạng tệp tin. Đôi khi người ta lại muốn che giấu việc liên lạc vì một mục đích nào đó hoặc muốn bảo vệ bản quyền trên các ảnh số. Nếu dùng chữ ký điện tử xác nhận chủ nhân bức ảnh, sẽ làm ảnh biến dạng, mất hết tính mỹ thuật. Để khắc phục những vấn đề này giải pháp đưa ra là giấu thông tin trong một dạng dữ liệu khác sao cho không phát hiện được. Trong khi mã hóa là làm cho thông tin trở nên vô nghĩa không hiểu được thì giấu thông tin làm cho nó vô hình không nhìn thấy được. 4 Dạng số của tín hiệu có nhiều ưu điểm so với dạng tương tự như: không bị giảm chất lượng khi sao chép, phân phối dễ dàng thông qua mạng, dễ soạn thảo, sửa đổi, lưu trữ và tìm kiếm. Tuy nhiên với những ưu điểm này lại nảy sinh một số vấn đề như: vi phạm bản quyền trong phạm vi rộng, sao chép và phân phát bất hợp pháp, khó xác thực, dễ giả mạo. Đặc trưng của các loại dữ liệu đa phương tiện là có thể thay đổi một số thành phần trong nội thân dữ liệu của chúng mà chất lượng âm thanh, hình ảnh dường như không thay đổi hoặc độ thay đổi không đáng kể, dưới mức cảm nhận của con người. Từ đó đã xuất hiện một hướng nghiên cứu mới, giấu thông tin vào các nguồn dữ liệu đa phương tiện (âm thanh, hình ảnh, phim) sau đó cho lưu thông trên mạng. Giấu thông tin trong các dữ liệu số cung cấp một phương pháp để vượt qua các vấn đề: bảo mật, hạn chế xâm nhập trái phép, xác nhận bản quyền .... Dữ liệu trước khi giấu có thể mã hoá, nén, bởi vậy nó thừa kế toàn bộ thành quả của mã hoá. Ảnh là loại dữ liệu có đặc tính đặc biệt, nếu thay đổi độ sáng tối, cường độ màu, độ tương phản trong một ngưỡng nhỏ cho phép thì thị giác con người không nhận thấy sự khác biệt của ảnh do đó dùng ảnh màu làm môi trường để giấu thông tin rất tốt. Muốn xác nhận chủ nhàn của bức ảnh hãy nhúng các dấu hiệu, thông điệp vào bức ảnh, tạo ra các bức ảnh “thông minh”. Các íhông điệp ẩn này có thể là các thông tin về nội dung bức ảnh, tác giả bức ảnh, hoặc các dữ liệu liên quan đến bức ảnh. Cũng có thể thực hiện việc truyền thông hoàn toàn bí mật bằng cách nhúng thông tin vào các thành phần của bức ảnh nhưng không làm cho ảnh thay đổi, phương pháp này sẽ che giấu sự hiện diện của việc liên lạc. Vì các lý do đã nêu trên tôi chọn đề tài "Một số kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh tĩnh". Hướng nghiên cứu này được hình thành và phát triển trong khoảng mười năm gần đây, đã được nhiều nhà khoa học, giới công nghiệp và người sử 5 dụng quan tâm. Nó có tính thực tiễn cao và còn rất nhiều thách thức. Luận văn này nhằm mục đích trình bày cơ sở lý thuyết, nguyên tắc và kỹ thuật giấu dữ liệu vào các loại ảnh tĩnh sao cho sự biến đổi của ảnh ít nhất, không phát hiện được. Việc lấy thông tin đã giấu phải chính xác, đầy đủ theo đúng mục đích sử dụng. Nếu không cung cấp kỹ thuật (cụ thể là khoá) thì việc lấy thông tin đầy đủ, chính xác sẽ khó thực hiện. Luận văn tập trung tìm hiểu cấu trúc ảnh sử dụng làm môi trường giấu tin, cải tiến thuật toán giấu tin trên ảnh 2 mức (ảnh trắng, đen) để giấu các thông tin trên ảnh màu dạng: 16 màu, 256 màu, 16 bit màu, 24 bit màu theo hướng: tăng lượng thông tin giấu, tăng tính bền vững của thông tin giấu, nâng cao chất lượng ảnh đã mang tin. Phần thực hành đã xây dựng các ứng dụng cho phép giấu trực tiếp dữ liệu vào không gian ảnh theo một khoá người dùng. Kết quả chính của luận văn: + Đưa ra kỹ thuật giấu trực tiếp một lượng dữ liệu vào trong ảnh theo mật khẩu của người dùng. + Đưa ra kỹ thuật giấu thông tin vào ảnh, thông tin này bền vững với các phép xử lý ảnh thông dụng. + Giảm nhiễu tối đa ảnh mang tin. + Chương trình đã kiểm tra lại các kỹ thuật lý thuyết đề nghị đều khả thi, khó có thể phân biệt giữa ảnh gốc và ảnh đã mang tin. Thu nhận dữ liệu đã giấu chính xác. Hạn chế độ phức tạp tính toán của thuật toán nhúng và thuật toán giải mã. + Những kỹ thuật giấu thông tin này có thể mở rộng sang các kiểu dữ liệu số khác như âm thanh, video ... Luận văn được tổ chức thành ba chương: 6 Chương 1: Tổng quan về giấu dữ liệu trong môi trường ảnh tĩnh. Chương 2: Kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh tĩnh. Chương 3: Cài đặt chương trình và phân tích kết quả thử nghiệm Phần kết luận và đề nghị: tổng kết lại nội dung luận văn, những kết quả đạt được và hướng nghiên cứu trong tương lai. Phần phụ lục: Hướng dẫn sử dụng chương trình đã cài đặt. Trong luận văn trình bày một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh tĩnh, các thuật toán và phương pháp đề nghị dễ cài đặt, hiệu quả cao. Chương trình thử nghiệm sử dụng thuận tiện. Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng, tính chất nội dung dữ liệu cần bảo mật và loại ảnh dùng làm môi trường giấu thông tin, người sử dụng có thể chọn lựa kỹ thuật thích hợp đã trình bày. 7 Chương 1 T ổ n g q u a n g iấ u d ữ liệ u t r o n g m ô i t r ư ờ n g ả n h tĩn h 1.1. L ịch sử về g iấ u d ữ liệu tron g m ôi trường ảnh Các kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh (data hiding in images), thực chất là một quá trình nhúng dữ liệu vào một nguồn dữ liệu khác gọi là môi trường. Mục đích của mã mật là tạo ra các thông tin khó hiểu để những người không có khoá bí mật không thể hiểu được các thông tin này. Đôi khi người ta lại muốn hoàn toàn bí mật như che giấu việc liên lạc thay vì trao đổi các thông điệp đã được mã hoá. Bài toán này được lĩnh vực giấu dữ liệu quan tâm. Từ thời xa xưa, con người đã biết sử dụng phương pháp giấu thông tin. 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 có sẩn như: nước hoa quả, nước tiểu và sữa để viết các bận thông báo bí mật, khi hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm màu và có thể đọc được. Một người Đức tên là Johannes Trithemius (1462-1526) đã quan tâm nghiên cứu giấu thông tin và mật mã. Công trình đầu tiên nghiên cứu về kỹ thuật giấu thông tin có tên là “Steganographia”. Các kỹ thuật giấu thông tin tiếp tục phát triển mạnh vào thế kỷ XV-XVI. Tuy nhiên do bị cấm đoán của chính quyền đương thời các tác giả thường phải giấu tên tuổi và công việc của họ. Luận văn của John Wilkins đã trình bày hệ thống các vấn đề: giấu các thông tin trong nốt nhạc, mực không màu, mô tả những nguyên lý của việc mã và giải mã các thông tin che giấu theo phương pháp thay đổi vị trí ký tự. Ông thuyết phục chính quyền cho công khai hóa nghiên cứu và công bố các công trình kiểu này. 8 Cuốn sách Les Filigranes do Charle Briquet viết vào năm 1907 được xem như một từ điển lịch sử của các phương pháp steganography (giấu thông tin) và watermark (thủy ấn). Đến thế kỷ XX kỹ thuật giấu thông tin mới thực sự phát triển. Đặc biệt thời chiến tranh thế giới thứ hai đánh dấu một thời kỳ quan trọng của ứng dụng này. Công nghệ giấu thông tin bằng mực không màu được phát triển gần như hoàn hảo. Về sau này có sử dụng phương pháp giấu thông tin vào các bản tin thông thường để không gây ra bất kỳ sự hoài nghi nào, dễ dàng lọt qua mọi sự kiểm soát, sau đó ghép các chữ cái đầu một từ hay một đoạn của văn bản như đã thoả thuận trước sẽ thu được thông tin ngắn chính xác [8]. Với kỷ nguyên mới của cồng nghệ máy tính và mạng truyền thông, các phương pháp giấu tin truyền thống không còn ý nghĩa nữa. Tuy nhiên những ý tưởng từ thời xưa cũng là một gợi ý đáng giá cho việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật giấu dữ liệu sau này. Giấu dữ liệu trong một dữ liệu khác được bắt đầu nghiên cứu cách đây không lâu. Năm 1992 có 2 bài viết công bố, năm 1996 có 29 bài, năm 1998 có 103 bài [7]. Năm 2000 các công trình nghiên cứu đã công bố lên đến hàng ngàn. Cho đến nay đã có 5 hội nghị quốc tế về giấu dữ liệu. Lĩnh vực này còn mới và đang phát triển với tốc độ cao, hơn 90% các thành tựu đạt được trong vòng 6 năm qua. Đã có nhiều thuật toán công bố dùng để giấu dữ liệu trong ảnh hai mức được đánh giá tốt [18]. Việc giấu dữ liệu dùng khá phổ biến trên Internet với nhiều mục đích khác nhau. Khai thác dữ liệu multimedia: ảnh, âm thanh, phim dùng làm môi trường giấu tin có nhiều thuận lợi. Đặc biệt là các ảnh có số màu cao cho phép giấu một lượng lớn thông tin mà chất lượng ảnh thay đổi không đáng kể, kỹ thuật giấu đơn giản, độ bảo mật và an toàn cao. Mặt 9 khác để bảo vệ bản quyền các ảnh số nếu sử dụng mã hoá hoặc chữ ký điện tử sẽ làm biến dạng ảnh, giấu dữ liệu để xác định bản quyền các bức ảnh cũng là vấn đề đang được quan tâm. Có nhiều hướng tiếp cận lĩnh vực này: - Hướng lý thuyết nghiên cứu xây dựng mô hình toán học giấu dữ liệu, tính toán giá trị giới hạn dung lượng giấu thông tin trong các môi trường khác nhau [ 13, 14]. - Nghiên cứu phương pháp phát hiện tệp dữ liệu có mang thông tin đã giấu [10, 11]. - Hướng thực nghiệm nghiên cứu lược đồ, thuật toán nhằm tăng độ mật [7, 12], tăng dung lượng [18], hoặc tăng độ bền vững của thông tin được giấu [9, 15, 16]. Xây dựng các thuật toán giấu và phục hổi thông tin đầy đủ, khả năng tấn công của đối phương để lấy các thông tin bị giấu là phức tạp, không thể thực hiện được trong thời gian đa thức. Tại Việt Nam thời gian qua có một vài tác giả đã nghiên cứu về lĩnh vực này và thu được một số kết quả. Tuy nhiên các kết quả thu được mới chỉ là bước đầu, giúp làm cơ sở nền tảng nghiên cứu tiếp. Vương Mai Phương trong khoá luận tốt nghiệp cử nhân [4] đã sử dụng thuật toán của Y.Y. Chen, Y. Tseng và H.K Pan [18] để giấu thông tin vào ảnh màu, tác giả đưa ra một số kết quả có tính thực tiễn. Nguyễn Anh Quân trong luận văn tốt nghiệp thạc sỹ [5] đã so sánh một số thuật toán giấu tin, cải tiến kỹ thuật giấu để tăng lượng thông tin giấu. Tuy nhiên các tác giả giải quyết chưa trọn vẹn, vẫn còn nhiều hướng phát triển. Giải quyết chủ yếu tập trung theo hướng tăng dung lượng và tính vô hình của dữ liệu được giấu, chưa đề cập đến tính bền vững của dữ liệu được giấu. 10 Luận văn này phát triến tiếp các kết quả và tìm hiểu kỹ thuật giấu dữ liệu theo hướng bền vững. 1.2. Bài to á n giấu d ữ liệu tron g d ữ liệu k h á c Bài toán: Nhúng (ẩn) một dữ liệu (gọi là dữ liệu giấu) vào một dữ liệu khác (gọi môi trường hay vật mang) mà không làm thay đổi định dạng, tính chất, nội dung, dung lượng của dữ liệu môi trường. Dữ liệu được giấu phải có khả năng hồi phục lại chính xác và đầy đủ khi cần bởi một công cụ riêng. Môi trường không bị thay đổi hoặc thay đổi dưới mức cảm nhận bằng giác quan của con người. Dữ liệu giấu không có quan hệ gì với môi trường, đôi khi là các thông điệp cung cấp thông tin quan trọng về môi trường như: thông tin về nội dung, quyền truy nhập, tác giả ... Mỗi kỹ thuật giấu dữ liệu bao gồm: • Thuật toán nhúng ( Embedding algorithm) • Hàm xác định (Detector function) Sơ đồ tổng quát của việc giấu dữ liệu Dữ liêu cần giấu Dữ liêu đã giấu Khoá Môi trường Khoá Hình1:Sơđồgiấudữliệutổngquát 11 Thuật toán nhúng dùng để giấu các dữ liệu cần bí mật vào trong môi trường. Quá trình nhúng được bảo vệ bởi khoá vì vậy chỉ có những người có khoá (bí mật) mới có thể truy nhập dữ liệu đã giấu. Hàm xác định được áp vào vật mang, cùng với khoá được cung cấp sẽ tách đầy đủ dữ liệu giấu. Cần phải chọn dữ liệu môi trường như thế nào để thoả mãn các điều kiện bài toán đưa ra. Cảm nhận ảnh bằng thị giác phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ sáng, tối, đậm, nhạt, độ tương phản màu. Nếu thay đổi màu sắc ở một vài điểm ảnh trong một ngưỡng cho phép thì thị giác không phát hiện được, dung lượng tệp ảnh không thay đổi. Đó là lý do tại sao lại chọn ảnh làm môi trường giấu tin. Giấu dữ liệu trong ảnh là lĩnh vực kết hợp chặt chẽ giữa xử lý tín hiệu và xử lý hình ảnh dựa trên các kỹ thuật mã mật, nguyên lý truyền tin, nguyên lý mã hoá, nén tín hiệu và nguyên lý cảm nhận thị giác (theory of visual perception). Luận văn tập trung tìm hiểu các kỹ thuật giấu dữ liệu trên môi trường ảnh tĩnh , dạng file ảnh *.bmp. 1.3. P h â n loại lược đồ giấu dữ liệu tron g m ôi trư ờ ng ảnh Phụ thuộc vào dạng dữ liệu cần giấu và các lĩnh vực ứng dụng có thể chia lược đồ giấu dữ liệu thành 2 loại: + Giấu không bền vững ( non robust). + Giấu bền vững (robust). 12 1.3.1. G iấu không bền vững Sở dĩ gọi là giấu không bền vì dữ liệu sau khi nhúng vào ảnh có thể bị mất nếu ảnh mang tin bị tác động bởi các phép xử lý ảnh thông thường như: nén mất mát thông tin, lọc, quay, ... Lược đồ này thường được sử dụng trong truyền thông bí mât gọi là “steganography” . Đặc điểm của lược đồ giấu không bền vững: + Không thể nhìn thấy dữ liệu ẩn trong ảnh, có nghĩa là hệ thống cảm nhận bằng thị giác không phát hiện được sự khác biệt giữa ảnh gốc và ảnh đã được nhúng dữ liệu. + Có thể kết hợp một số kỹ thuật: thay đổi điểm ảnh, kiến thức về nhiễu ảnh để tăng độ mật đồng thời tăng dung lượng dữ liệu cần giấu. + Có khả năng trả lại nguyên vẹn dữ liệu đã giấu trong quá trình phục hồi mà không cần ảnh gốc. Steganography được ứng dụng nhiều trong thực tế, dữ liệu giấu có thể là dạng số hóa bất kỳ: ảnh, âm thanh, văn bản... Môi trường dùng để giấu cũng phong phú: ảnh, video số, âm thanh số ... và ngày càng tìm ra nhiều môi trường mới. Tuy nhiên dữ liệu trước khi giấu có thể được mã hóa, nếu bị phát hiện thì đây mới là thời điểm bắt đầu của quá trình thám mã. Các phần m ềm thương m ại cung cấp dịch vụ steganography Những gói phần mềm sau đã được thử nghiệm cho việc giấu dữ liệu trong ảnh: Hide and Seek v4.1, StegoDos v0.90a, White Noise Storm và STools for Windows. Gần như tất cả các tác giả đều mã hóa dữ liệu trước khi giấu chúng trong ảnh và xem lại ảnh kết quả (ảnh đã được nhúng dữ liệu). Hide and Seek v4.1 13 Hide and Seek v4.1 (và 5.0) được viết bởi Colin Maroney, chạy trên DOS, sử dụng những ảnh kích thước nhỏ (320 X 480). Trong phiên bản 1.0 dùng cho Windows 95 vấn đề kích thước ảnh đã giải quyết. Hide and Seek 4.1 là phần mềm miễn phí dùng để nhúng dữ liệu vào ảnh GIF. Phần mềm này sử dụng các bit trọng số nhỏ (LSB) làm nơi chứa dữ liệu. Dữ liệu trước khi giấu được mã hóa và vị trí nhúng được chọn theo quy luật giả ngẫu nhiên. StegoDos StegoDos v0.90a được viết bởi một nhóm người giấu tên (bí danh Black Wolf), chạy trên DOS, khó và phức tạp khi sử dụng. Phần mềm này chỉ làm việc với ảnh 320x200x256 màu. Jpeg-Jsteg v4 Có thể xem đây là ý tưởng của tập đoàn Independent JPEG (IJPG). Cũng giống như mật mã, steganography phải có khả năng trả lại nguyên vẹn dữ liệu giấu trong quá trình hồi phục. Phải chăng nó chỉ được áp dụng cho các loại tệp chỉ chịu nén không tổn hao thông tin? Chẳng hạn, các tệp ảnh JPG sử dụng mã hóa có tổn hao thông tin thì dường như không thể thực hiện steganography với những hình ảnh như vậy. Định dạng JFIF của tập đoàn IJPG cho phép sửa đổi 1 bit trong quá trình mã. Phần mềm Jpeg - Jsteg với m ã nguồn và những chỉ dẫn để biên tập các ứng dụng giấu thông tin dựa trên nhiều nền tảng khác nhau. Theo IJPG, khuôn dạng JFIF được biên soạn để việc mã hoá tập tin được thực hiện qua hai giai đoạn: giai đoạn tổn hao và giai đoạn không tổn hao thông tin. Thông tin giấu có thể được chèn vào giữa hai giai đoạn này mà không làm tổn hao hình ảnh. JPG có một lợi thế lớn mà những hình ảnh khuôn dạng khác không thể có được, đặc biệt là việc sử dụng chúng trên Internet, đó là dung lượng. Một ảnh kích thước 1073*790, 16 triệu màu có 14 thé được lưu trong một tệp kích thước chỉ 170 kilobyte. Cũng hình ảnh đó nếu lưu trong ảnh kiểu bitmap phải cần tới khoảng 2 megabyte. 1.3.2. Giấu bền vững Thường sử dụng trong các kỹ thuật nhúng thuỷ vân (watermark). Nhúng một hình mờ (watermarking) hay còn gọi là thuỷ vân vào bức ảnh dưới dạng bền vững. Bền vững được hiểu theo nghĩa khi ảnh chứa thuỷ vân bị biến đổi thông qua các thao tác: nén mất mát dữ liệu, lọc, các phép biến đổi hình học... thì thuỷ vân vẫn còn nguyên vẹn theo một nghĩa nào đó. Như vậy kỹ thuật watermark dùng để xác nhận bản quyền của bức ảnh. Đặc điểm của các lược đồ giấu bền vững + Thuỷ vân phải bền vững và trong suốt khi được nhúng vào ảnh hoặc sự hiện diện của nó không làm thay đổi chất lượng ảnh. Chí phát hiện được sự hiện diện của thuỷ vân bởi một giải thuật biết trước. + Ảnh môi trường khi đã nhúng thuỷ vân phải sử dụng bình thường. + Kích thước của thuỷ vân từ vài bit đến vài nghìn bit. Đối với kỹ thuật nhúng thuỷ vấn hướng nghiên cứu tập trung ở kỹ thiuật tạo thuỷ vân để nó trong suốt và thuật toán nhúng đảm bảo tính bền vững của thuỷ vân. 1 .4 . T h u ộ c tín h củ a các lược đồ g iấ u dữ liệu tro n g ả n h Mỗi kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh được đánh giá dựa trên một số thỉuộc tính sau: - Tính vô hình của dữ liệu giấu. - Dung lượng dữ liệu giấu. - Tính bảo mật của dữ liệu giấu. - Tính chống phát hiện. 15 - Chất lượng của ảnh sau khi giấu dữ liệu. - Tính bền vững. - Tính đúng đắn. 1.4.1. Tính vô hình của dữ liệu giấu Đối với các kỹ thuật giấu dữ liệu trong môi trường ảnh, tính vô hình của dữ liệu giấu dựa trên đặc điểm của hệ thống thị giác con người. Dữ liệu nhúng vào môi trường là không tri giác được nếu một người với thị giác bình thường không phân biệt được sự khác nhau giữa ảnh gốc và ảnh đã mang tin. Sự khác nhau thể hiện: chất lượng ảnh, dung lượng tệp ảnh. Trong khi steganography yêu cầu tính vô hình của dữ liệu giấu ở một mức độ cao thì watermark lại chỉ yêu cầu ở một cấp độ nhất định. Để kiểm tra tính khác nhau giữa ảnh gốc và ảnh đã mang tin thường sử dụng thí nghiệm kiểm tra mù. Lấy ngẫu nhiên một lượng lớn các ảnh có và không có thông tin ẩn. Yêu cầu người được thí nghiệm xác định ảnh nào có chứa thông tin ẩn. Nếu tỷ lệ trả lời đúng nhỏ hơn 50% thì kết luận hai loại ảnh giống nhau. 1.4.2. D ung lượng dữ liệu giấu Lượng dữ liệu giấu so với kích thước ảnh môi trường cũng là một vấn đề cần quan tâm trong mỗi thuật toán giấu tin. Rõ ràng là có thể chỉ giấu một bit thông tin vào ảnh mà không cần lo lắng về độ nhiễu của ảnh, nhưng như vậy hiệu quả sẽ thấp. Nếu như trong các ứng dụng watermark chỉ giấu một lượng thông tin đủ nhỏ so với dữ liệu môi trường thì steganography vấn đề quan tâm hàng đầu là đảm bảo truyền thông tin bí mật trên một dữ liệu môi trường công khai. Việc truyền tin sẽ có lợi nếu như tỷ lệ giữa dung lượng dữ liệu giấu với dung lượng dữ liệu môi trường càng lớn càng tốt. 16 Với mục đích tăng dung lượng giấu tin đã có nhiều công trình nghiên cứu [14] sử dụng các công cụ lý thuyết để xây dựng thuật toán sau đó phân tích khả năng giấu tin. Một số khác bằng thực nghiệm đề xuất phương pháp giấu nhằm tăng dung lượng giấu tin cho một số ứng dụng cụ thể [16]. Tóm lại các thuật toán đều cố gắng đạt được mục đích làm thế nào để giấu càng nhiều thông tin càng tốt nhưng nhiễu gây ra phải nằm trong mức chấp nhận được, phù với các mô hình nhiễu. 1.4.3. Tính bảo m ật của dữ liệu giấu Tính bảo mật của thuật toán giấu dữ liệu thể hiện ở chỗ dữ liệu giấu không thể lấy đầy đủ khi bị tấn công có chủ đích trên cơ sở có ảnh đã mang tin và hiểu biết đầy đủ về thuật toán giấu, thuật toán tách dữ liệu nhưng không biết khoá (bí mật). Đối với steganography đây là một yêu cầu quan trọng các kỹ thuật giấu tin cần quan tâm đến. 1.4.4. Tính chống phát hiện Ta nói dữ liệu giấu là chống phát hiện nếu kẻ tấn công có ảnh nguồn, bằng một cách nào đó hắn có thể xác định được sự có mặt của dữ liệu đã giấu trong bức ảnh nhưng không có nghĩa là lấy được đầy đủ các dữ liệu này. Như vậy nghiên cứu về khả năng bị tấn công hoặc các phương pháp tấn công có ý nghĩa rất quan trọng trong các kỹ thuật giấu tin. Các tác giả [13, 14] trên cơ sở nghiên cứu tấn công đã đưa ra nhiều giải pháp chống tấn công hữu hiệu. Tấn công được chia thành hai lĩnh vực sau: + Người tấn công tìm cách vô hiệu hóa hoặc hủy bỏ, làm sai lệch dữ liệu giấu. Như vậy khi nhận dù có công cụ, khóa vẫn không tách dữ liệu chính xác. Loại này không nguy hiểm lắm. 17 + Người tấn công tìm cách lấy dữ liệu giấu trong môi trường đã mang tin. Các kỹ thuật giấu thường quan tâm đến loại tấn công này vì các dữ liệu cần giấu thường có nhu cầu bảo mật hoàn toàn. 1.4.5. Chất lượng ảnh sau khi giấu tin Chất lượng ảnh sau khi giấu tin thể hiện ở độ sai lệch giữa ảnh gốc và ảnh đã mang tin. Thông thường độ nhiễu của ảnh tỷ lệ thuận với dung lượng dữ liệu giấu. Nếu ảnh bị nhiễu nhiều ảnh hưởng đến tính vô hình của thông tin giấu. Các kỹ thuật đều nghiên cứu theo hướng làm thay đổi ít nhất các bit trong ảnh môi trường hoặc chọn các bit đặc biệt để giảm độ nhiễu của ảnh. 1.4.6. Tính bền vững Dữ liệu nhúng gọi là bền vững nếu sự hiện diện của nó được xác định chắc chắn khi ảnh mang tin bị tác động bởi các phép biến đổi thông dụng như: lọc gờ, lọc trung vị, nén mất mát thông tin, điều chỉnh tương phản, hiệu chỉnh độ sáng tối, lấy mẫu, tô màu lại, tỷ lệ, quay, xén, in, sao chép,... Tính bền vững không bao gồm các tấn công có chủ định trên các thuật toán giấu, tính bền vững chỉ chống lại các thao tác xử lý ảnh thông dụng. Đối với giấu bí mật không quan tâm đến tính bền vững nhưng nhúng thuỷ vân lại đặc biệt chú trọng đến đặc tính này. 1.4.7. Tính đúng của thuật toán Thuật toán phải thể hiện được sự đúng đắn, cụ thể với dữ liệu vào cho trước, thuật toán họat động sau một số hữu hạn bước sẽ dừng và cho kết quả mong muốn. Dữ liệu giấu khi tách ra phải đầy đủ, chính xác. Các tiêu chuẩn trên cạnh tranh lãn nhau, không thể cùng một lúc muốn giấu dữ liệu lớn trong một bức ảnh mà lại yêu cầu chống phát hiện tuyệt đối và bền vững. Muốn tăng dung lượng giấu thì ảnh hưởng đến chất lượng ảnh. Sự xung đột này được mô tả trong hình sau: rĐ Ạ H c c o ụ p c GIA HÀ NỘI Ị ' TCHiNGTÂMT‘,r;>:íf:>Hh.•HUv Mo" V - L O / ¿ 0 3 ị