Tài liệu Nghiên cứu phương pháp giấu tin không làm mất thông tin trong ảnh chứa tin

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐẶNG THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN KHÔNG LÀM MẤT THÔNG TIN TRONG ẢNH CHỨA TIN LUẬN VĂN THẠC SĨ: NGÀNH 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 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐẶNG THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN KHÔNG LÀM MẤT THÔNG TIN TRONG ẢNH CHỨA TIN Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 604801 LUẬN VĂN THẠC SĨ: NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS NGÔ QUỐC TẠO Thái Nguyên - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -i- LỜI CẢM ƠN Luận văn được thực hiện tại trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông – Đại học Thái Nguyên dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Ngô Quốc Tạo. Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Ngô Quốc Tạo, người đã có những định hướng, những kiến thức quý báu, những lời động viên và chỉ bảo giúp tôi vượt qua những khó khăn để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn và sự kính trọng của mình đến các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông, Đại học Thái Nguyên, đặc biệt là các thầy cô giáo đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Tôi cũng đặc biệt cảm ơn tới bạn bè lớp Cao học K8, các đồng nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và công tác, để tôi hoàn thành nhiệm vụ được giao. Nhân dịp này, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, đã tạo điều kiện giúp đỡ, động viên, trợ giúp tôi về tinh thần trong suốt quá trình học tập. Thái Nguyên, tháng 9 năm 2011 Tác giả Đặng Thị Hiền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - ii - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phương pháp giấu tin không làm mất thông tin trong ảnh chứa tin” này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu sử dụng trong luận văn là trung thực. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Đặng Thị Hiền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - iii - MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. vii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do lựa chọn đề tài ..........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2 3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...............................................3 6. Cấu trúc của luận văn..........................................................................................3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN ............................................................ 5 1.1. Tổng quan về giấu tin ......................................................................................5 1.1.1. Khái niệm về giấu tin ................................................................................................. 5 1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin ........................................................................................... 5 1.1.3. Mô hình kỹ thuật giấu tin ........................................................................................... 6 1.1.4. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin ........................................................................... 7 1.1.5. Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện ....................................................................... 9 1.1.5.1. Giấu tin trong ảnh.......................................................................................... 9 1.1.5.2. Giấu tin trong audio ...................................................................................... 9 1.1.5.3. Giấu tin trong video .................................................................................... 10 1.1.5.4. Giấu tin trong văn bản ................................................................................ 11 1.1.6. Giấu tin trong ảnh những đặc trưng và tính chất.................................................... 11 1.1.6.1. Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh .................................................. 11 1.1.6.2. Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người .... 12 1.1.6.3. Đảm bảo chất lượng ảnh sau khi giấu tin.................................................. 12 1.1.6.4. Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên ảnh 13 1.1.6.5. Vai trò của ảnh gốc khi giải tin .................................................................. 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - iv - 1.1.7. Phương pháp giấu tin ................................................................................................ 13 1.2. Các phạm trù trong giấu tin thuận nghịch [19] ..............................................15 1.3. Giấu tin có khả năng khôi phục phương tiện giấu tin ....................................16 1.3.1. Những thuật toán giấu tin thuận nghịch xác thực không bền vững ..................... 16 1.3.2. Những thuật toán giấu tin thuận nghịch khả năng nhúng dữ liệu cao ................. 17 1.3.2.1. Lược đồ RS .................................................................................................. 17 1.3.2.2. Lược đồ mở rộng sai khác. ......................................................................... 18 1.3.2.3. Biến đổi Wavelet số nguyên dựa trên lược đồ. ........................................ 19 1.3.3. Những thuật toán giấu tin thuận nghịch về bán xác thực không bền vững ......... 22 1.3.3.1. Lược đồ dựa trên Patchwork sử dụng bổ sung Modulo-256 .................. 23 1.3.3.2. Lược đồ dựa trên Patchwork không sử dụng bổ sung Modulo-256 ...... 24 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẤU TIN CÓ KHẢ NĂNG KHÔI PHỤC VỎ MANG TIN ........................................................................................... 26 2.1. Đọc dữ liệu và ghép ảnh bitmap ....................................................................26 2.2. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh ......................................27 2.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh ......................................................................... 27 2.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh .................................................................................. 28 2.3. Các phép biến đổi từ miền không gian ảnh sang miền tần số ........................29 2.3.1. Phép biến đổi Fourier rời rạc.................................................................................... 29 2.3.2. Phép biến đổi Cosin rời rạc ...................................................................................... 29 2.3.3. Phép biến đổi sóng nhỏ - Descrete Wavelet Transform (DWT).......................... 31 2.4. Các phương pháp giấu tin thuận nghịch ........................................................33 2.4.1. Phương pháp giấu thuận nghịch dựa trên biến đổi sóng kỹ thuật số Haar (HDWT). .............................................................................................................................. 33 2.4.1.1. Biến đổi wavelet rời rạc Haar .................................................................... 33 2.4.1.2. Phương pháp giấu tin .................................................................................. 35 2.4.2. Phương pháp giấu tin khôi phục dữ liệu cho hình ảnh chất lượng cao sử dụng thay đổi của sai số dự đoán. [43] ........................................................................................ 43 2.4.2.1. Kỹ thuật dịch chuyển biểu đồ Histogram ................................................. 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -v- 2.4.2.2. Phương pháp đưa ra .................................................................................... 45 2.4.3. Phương pháp giấu thuận nghịch HKC.................................................................... 55 2.4.4. Phương pháp giấu tin dựa trên sự khác biệt ........................................................... 56 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH .................................................... 61 3.1. Sơ đồ chương trình ........................................................................................61 3.2. Giấu tin theo phương pháp HDWT ...............................................................61 3.3. Chương trình và kết quả thực nghiệm ...........................................................63 3.3.1. Chương trình.............................................................................................................. 63 a. Giao diện nhúng dữ liệu .................................................................................................. 63 b. Giao diện trích dữ liệu ..................................................................................................... 64 3.3.2 Kết quả thực nghiệm.................................................................................................. 66 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - vi - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ MỤC VIẾT TẮT LSB Least Significant Bit QIM Quantization Index Modulation IWT Interger Wavelet Transform DFT Discrete Fourier Transform DCT Discrete Cosine Transform DW T Descrete Wavelet Transform HD WT Haar Descrete Wavelet Transform IDW T Inverse Discrete Cosine Transform IDT C Inverse Discrete Cosine Transform MP E Modify Precision Error PSN R Peak Signal to Noise Ratio HVS Human Visual System Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - vii - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ quá trình giấu tin ................................................................................7 Hình 1.2. Sơ đồ quá trình giải mã ................................................................................7 Hình 1.3. So sánh kết quả hình ảnh lena (trái) và ảnh Babara (phải). .......................21 Hình 1.4. (a) Bản gốc ảnh y tế, (b) ảnh stego với độ nhiễu trắng và nhiễu đen nhiều. bit thông tin 746 được nhúng vào hình ảnh của 512x512 với một PSNR của ảnh-stego so với ảnh gốc thấp hơn 10dB ...........................................24 Hình 2.1. Năng lượng phân bố của ảnh Lena qua phép biến đổi DCT ......................30 Hình 2.2. Phân chia 3 miền tần số của phép biến đổi DCT, (a) Miền tần số thấp, (b) miền tần số ở giữa, (c) miền tần số cao ....................................................31 Hình 2.3. Cấu trúc phân tích và ảnh nhận được qua phép biến đổi sóng nhỏ hai chiều....... 32 Hình 2.4. Phân tích một khối của HDWT mức 1. (a) khối 10x10 vào ảnh ''Lena". (b) Các hệ số của dải tần số LL, HL, LH, và HH của khối trong (a) .............34 Hình 2.5. Các HHS, HHI, và HHD của các hệ số từ HH trong hình 1b. ...................35 Hình 2.6. Các giá trị điểm ảnh của một ảnh 16x16. .................................................35 Hình 2.7. HDWT dựa trên ảnh miền tần số của fc trong hình 3. ...............................36 Hình 2.8. Các dải tần HH, HHS, HHI, và HHD của fhc. ............................................36 Hình 2.9. Dải tần HH’ sau khi cất giấu dữ liệu bí mật trong HH. .............................36 Hình 2.10. Ảnh giấu tin fst..........................................................................................38 Hình 2.11. Biểu đồ sai số dự đoán và biểu đồ của các điểm ảnh trong miền không gian cho ảnh Lena và Baboon. ..................................................................47 Hình 2.12. Ngữ cảnh dự đoán điểm x ........................................................................47 Hình 2.13. Sơ đồ của quy trình nhúng. ......................................................................49 Hình 2.14. Ví dụ về các bit bí mật ẩn. (a) hình ảnh gốc, (b) khởi tạo ma trận I’, và (c) - (f) kết quả xử lý pixel trong ma trận I’..............................................50 Hình 2.15. Biểu đồ quy trình trích rút và khôi phục ảnh ...........................................53 Hình 2.16. Thí dụ về trích rút dữ liệu bí mật và khôi phục ảnh gốc. (a) Ảnh stego, (b) Ma trận khởi tạo I’, (c)-(f) các kết quả của phân tử xử lý trong ma trận I’. ..54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - viii - Hình 2.17. (a) Biểu đồ tần số ảnh Lena gốc, (b) Biểu đồ tần số ảnh giấu tin sử dụng HKC ..........................................................................................................55 Hình 2.18. - Lược đồ quá trình giấu tin. ....................................................................57 Hình 2.19. - Lược đồ quá trình tách tin. ....................................................................59 Hình 3.1 Sơ đồ chương trình ......................................................................................61 Hình 3.2. Giao diện nhúng tin ....................................................................................63 Hình 3.3. Giao diện trích rút dữ liệu ..........................................................................64 Hình 3.4. Giao diện so sánh giữa ảnh gốc và ảnh sau khi phục hồi thông tin ...........65 Hình 3.5. Ảnh gốc và ảnh sau khi nhúng tin ..............................................................66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Ngày nay, trong sự phát triển rộng rãi của công nghệ thông tin nói chung, mạng máy tính nói riêng, nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng lớn. Tuy nhiên, lượng thông tin truyền thông càng nhiều thì nguy cơ truy nhập trái phép đến dữ liệu trong quá trình phân phối càng cao. Vấn đề an toàn cho thông tin trong quá trình trao đổi và phân phối được xem xét theo hai khía cạnh: bảo vệ những thông tin bí mật và bảo vệ những thông tin rõ như văn bản, bức ảnh, đoạn phim… Đảm bảo bí mật cho một thông điệp truyền đi người ta thường tiến hành mã hóa thông điệp bằng một quy tắc nào đó đã được thỏa thuận trước giữa người gửi và người nhận. Theo hướng này, các kỹ thuật mã hóa dữ liệu sử dụng hệ mã hóa công khai đã được hình thành và phát triển mạnh từ những năm 70 của thế kỉ XX. Ngày nay, kĩ thuật này vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Tuy nhiên, phương thức này thể hiện rõ thông điệp đã được mã hóa trong quá trình trao đổi nên thường gây sự chú ý của những người lạ về tầm quan trọng của nó. Theo nhiều nghiên cứu, một trong phương pháp được sử dụng và tỏ ra có hiệu quả cho việc bảo đảm bí mật với những thông điệp cần trao đổi là giấu thông điệp vào những phương tiện chứa khác nhau, có thể kết hợp với các phương pháp mã hóa truyền thống, rồi truyền các phương tiện chứa bao gồm cả thông điệp. Phía người nhận thực hiện quá trình tách và giải mã để lấy lại thông điệp bí mật. Phương tiện chứa được dùng phổ biến là các bức ảnh. Vấn đề đặt ra khi giấu thông điệp vào các bức ảnh là làm thế nào để các bức ảnh sau khi chứa thông điệp giấu không có những điểm bất thường gây sự chú ý của những người ngoài cuộc. Nghiên cứu đưa ra các kỹ thuật giấu thông tin mật trong ảnh sao cho vẫn giữ được chất lượng ảnh sau khi đã giấu thông tin và đảm bảo an toàn cho thông tin giấu là một lĩnh vực có ý nghĩa và cần được tiếp tục nghiên cứu. Việc bảo vệ bản quyền những sản phẩm số cũng đang được khoa học quan tâm. Trong đó, thủy vân là một trong các kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- Nghiên cứu bảo vệ các bức ảnh nhằm mục đích bảo vệ bản quyền tác giả của bức ảnh, phát hiện hiện tượng xuyên tạc bức ảnh, xác định tính chân thực của bức ảnh… Đáp ứng mỗi mục đích, có những định hướng nghiên cứu và kỹ thuật đảm bảo khác nhau. Trong đó, thủy vân ẩn trên ảnh nhằm mục đích bảo vệ quyền tác giả bức ảnh được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Kỹ thuật thủy vân ẩn nhằm bảo vệ quyền sở hữu ảnh cho phép nhúng một lượng thông tin số vào trong ảnh, đảm bảo thông tin về ảnh không thay đổi đáng kể về chất lượng, đồng thời thông tin nhúng tồn tại bền vững cùng ảnh. Với kỹ thuật này, khó có thể phát hiện trong bức ảnh có thông tin nhúng, khi không biết các thông tin về khóa. Với mục đích phát triển các kỹ thuật giấu thông tin nhằm bảo vệ các thông tin mật trong quá trình trao đổi, tôi chọn thực hiện đề tài luận văn: “Nghiên cứu phương pháp giấu tin không làm mất thông tin trong ảnh chứa tin”. Kết quả của đề tài khi triển khai thực tế sẽ góp phần tăng thêm độ an toàn cho các thông điệp được giấu trong ảnh khi trao đổi, tăng khả năng chứng minh quyền sở hữu. 2. Mục tiêu nghiên cứu Luận văn nghiên cứu hệ thống lý thuyết liên quan đến việc giấu tin trong ảnh. Các dữ liệu sử dụng trong giấu tin có thể là hình ảnh, các file audio, video hay text. Cụ thể trong luận văn là nghiên cứu về giấu tin trong ảnh Bitmap. Do dữ liệu ẩn có thể xảy ra biến dạng sau khi được trích xuất, chính vì vậy mà luận văn tập trung nghiên cứu vào tính hồi phục dữ liệu ẩn cho hình ảnh chất lượng cao. 3. Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan về giấu tin. - Tìm hiểu các phương tiện chứa tin: ảnh, audio, video, text. - Nghiên cứu một số phương pháp giấu tin trong ảnh. - Nghiên cứu phương pháp giấu tin thuận nghịch dựa trên HDWT. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu liên quan đến việc giấu tin và kế thừa kết quả nghiên cứu của một số luận văn, đề tài nghiên cứu khoa học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết cơ bản giấu tin và phương pháp giấu tin không làm mất thông tin trong ảnh chứa tin cùng với các thuật toán trong ảnh sẽ tiến hành cài đặt chương trình. 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Giấu tin (DataHiding) là phương pháp đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng rất mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới đó là phương pháp nhúng tin trong các phương tiện khác. Đây là phương pháp mới và phức tạp nó đang được xem như một công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, nhận thức thông tin và điều khiển truy cập ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin. Dữ liệu ẩn là một kỹ thuật để đảm bảo thông tin đầy hứa hẹn, tuy nhiên dữ liệu ẩn cũng có một số biến dạng có thể xảy ra và gây mất mát thông tin. Với kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay là watermarking hoặc trong miền DCT hoặc lỗi cắt ngắn diễn ra trong quá trình nhúng dữ liệu, kết quả là chưa có phương pháp tối ưu để khôi phục lại dữ liệu như dữ liệu gốc. Trong hình ảnh viễn thám và quân sự thì độ chính xác cao là cần thiết, trong một số nghiên cứu khoa học dữ liệu thử nghiệm rất đắt phải đảm bảo được, còn trong ứng dụng như thực thi pháp luật, hệ thống hình ảnh y tế … mong muốn phải đúng với dữ liệu gốc để xem xét về mặt pháp lý tránh những lệch lạc thông tin gây ra kiện tụng. Do vậy mà việc phục hồi dữ liệu sau khi giấu tin để đảm bảo tính chính xác là rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn được trình bày thành ba chương như sau: Chƣơng 1: Tổng quan về giấu tin. 1.1. Tổng quan về giấu tin 1.2. Các phạm trù giấu tin 1.3. Giấu tin có khả năng khôi phục vật giấu tin Chƣơng 2: Các phƣơng pháp giấu tin có khả năng khôi phục vỏ mang tin 2.1. Đọc dữ liệu và ghép ảnh Bitmap Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- 2.2. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh 2.3. Các phép biến đổi từ miền không gian sang miền tần số 2.4. Các phương pháp giấu tin 2.4.1. Phương pháp giấu thuận nghịch dựa trên biến đổi sóng kỹ thuật số Haar (HDWT). 2.4.2. Phương pháp giấu tin khôi phục dữ liệu cho hình ảnh chất lượng cao sử dụng biến đổi, các lỗi dự báo. 2.4.3. Phương pháp giấu thuận nghịch HKC 2.4.4. Phương pháp giấu dựa trên sự khác biệt của cặp giá trị điểm ảnh Chƣơng 3: Xây dựng chƣơng trình 3.1. Sơ đồ chương trình 3.2. Giấu tin theo phương pháp HDWT 3.3. Kết quả Một số thuật ngữ Cover Image (Cover - Ảnh gốc): được lựa chọn để giấu (hoặc bao che) thông tin, đôi khi ảnh gốc được gọi là ảnh môi trường. Stego Image (Stego - Ảnh giấu tin mật): Ảnh gốc sau khi đã được giấu tin mật vào đó. Message (Thông điệp): thông điệp có thể có nhiều dạng như văn bản, hình ảnh...và thường được biểu diễn dưới dạng nhị phân. Pixel (điểm ảnh): miền dữ liệu của một ảnh là một tập hợp các điểm ảnh. Mỗi dạng ảnh khác nhau thì giá trị pixel khác nhau. Với ảnh bitmap 8-bít thì giá trị của mỗi pixel tương ứng 256 mầu khác nhau, với ảnh bitmap 24-bít thì mỗi pixel biểu diễn bởi 3 kênh mầu RGB, mỗi kênh biểu thị bởi 8 bít mầu khác nhau. Embedding Ratio (Tỉ lệ nhúng): là tỉ lệ nhúng thực tế so với tỷ lệ nhúng lớn nhất có thể. Trong một số trường hợp, tỷ lệ nhúng là số bít thông điệp có thể nhúng so với số pixel của ảnh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 1.1. Tổng quan về giấu tin 1.1.1. Khái niệm về giấu tin Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào một đối tượng dữ liệu số khác. Kỹ thuật giấu thông tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng giấu tin ở trong. Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai hướng 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 một đối tượng có giấu tin bên trong hay không. Hướng thứ hai là thủy vân số, hướng thủy vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có rất nhiều những kỹ thuật được đề xuất. 1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin Từ Steganography bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, nó có ý nghĩa là tài liệu được phủ (covered 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 (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 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 mang tin mật đã ngụy trang được để cùng với các viên thuốc thông thường khác lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -6- 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 rắn có sẵn như nước quả, nước tiểu và sữa để ghi các thông báo bí mật những hàng văn tự thông thường. Khi được hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm mầu và có thể đọc dễ dàng. Mực không màu cũng được sử dụng rất gần đây, như trong thời gian chiến tranh thế giới thứ II. 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 với rất nhiều các công trình nghiên cứu. Do sự bùng nổ nhanh chóng của công nghệ thông tin, người ta cũng số hoá lĩnh vực giấu tin mật phục vụ cho cuộc sống hiện đại. Các phương tiện giấu tin được tập trung nhiều vào các dữ liệu đa phương tiện đặc biệt là ảnh số (Cover image). Mặc dù mục đích ban đầu của nó dùng để tạo ra các dấu thuỷ vân (Watermarking) trong ảnh phục vụ cho mục đích bảo vệ bản quyền sản phẩm, chống xuyên tạc thông tin,... nhưng đã nhanh chóng trở thành phương pháp hữu ích sử dụng trao đổi thông tin mật. 1.1.3. Mô hình kỹ thuật giấu tin Mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản được mô tả trong các Hình 1.1 và Hình 1.2. Trong đó, Hình 1.1 biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Phương tiện chứa bao gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như văn bản, audio, video, ảnh… Thông tin cần giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu vào trong phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những chương trình theo những thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như các hệ mã mật cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu được phương tiện chứa đã giấu và được phân phối trên các môi trường khác nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7- Thông tin cần giấu Phương tiện chứa tin (audio, ảnh, video) Phương tiện chứa đã được giấu tin Bộ nhúng thông tin Phân phối Hình 1.1. Sơ đồ quá trình giấu tin Quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khóa của quá trình nhúng. Kết quả thu được gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Tùy trường hợp, thông tin nhận được có thể cần xử lí, kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu. Phương tiện chứa đã được giấu tin Bộ giải mã tin Thông tin giấu Kiểm định Hình 1.2. Sơ đồ quá trình giải mã 1.1.4. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin Giấu tin mật: Thông tin được giấu trong những trường hợp này cần được bảo mật trước các đối thủ. Việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần dữ liệu môi trường gốc. Đối với các thuật toán giấu tin mật chúng ta không chú trọng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -8- đến việc bảo vệ thông tin mật trước sự tấn công của các đối thủ mà thay vào đó các thuật toán quan tâm đến tính ẩn và tính an toàn đối với dữ liệu cần giấu. Do đó, các thuật toán giấu tin có độ bảo mật cao sẽ được sử dụng trong các ứng dụng giấu tin mật. Bảo vệ bản quyền tác giả: Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa bản quyền được sở hữu bởi tác giả gọi là thuỷ vân, thông tin này sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm multimedia, và đó là minh chứng cho bản quyền của tác giả nhằm bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, khi muốn bỏ thuỷ vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm. Xác thực thông tin: Một tập các thông tin sẽ được giấu trong dữ liệu nguồn và thông tin sẽ được sử dụng để nhận biết xem dữ liệu nguồn có bị thay đổi hay không. Với kiểu ứng dụng này các thuỷ vân nên được ẩn để tránh được sự tò mò của đối phương, hơn nữa việc làm giả các thuỷ vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần được xem xét. Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi. Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và thuỷ vân không cần bền vững. Giấu vân tay hay dán nhãn: Thuỷ vân số trong những ứng dụng này được sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó. Ví dụ như các vân khác nhau sẽ được nhúng vào các bản sao khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho nhiều người. Với những ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn cao cho các thuỷ vân tránh sự xoá giấu vết trong khi phân phối. Kiểm soát sao chép: Các thuỷ vân trong những trường hợp này được sử dụng để kiểm soát việc sao chép thông tin. Các thiết bị phát hiện ra thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc/ghi. Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD đã được sử dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại này yêu cầu thuỷ vân phải được Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9- đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc. 1.1.5. Giấu tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện 1.1.5.1. Giấu tin trong ảnh 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 dữ liệu đa phương tiện bởi lượng thông tin trao đổi bằng hình ảnh là rất lớn. 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 thức thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật,… 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. Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và ít ai biết được bên trong bức ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa khác. Và ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến, giấu thông tin trong ảnh đã đem lại rất nhiều những ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội. Ví dụ tại các nước phát triển, chữ ký tay đã được số hóa và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để nhận thức trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng. Thêm vào đó, lại có rất nhiều loại thông tin quan trọng cần được bảo mật, chúng rất dễ bị lấy cắp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc nhận thức chúng cũng như phát hiện thông tin xuyên tạc đã trở nên vô cùng quan trọng và cấp thiết. Một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thông tin được giấu trong ảnh một cách vô hình, nó như là một cách truyền thông tin mật cho nhau mà người khác không thể biết được bởi sau khi giấu thông tin thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi, đặc biệt đối với ảnh mầu hay ảnh đa mức xám. 1.1.5.2. Giấu tin trong audio Giấu thông tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu thông tin trong các đối tượng đa phương tiện khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 10 - tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của dữ liệu gốc. Để đảm bảo yêu cầu này, kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị giác của con người, còn kỹ thuật giấu thông tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác. Và một vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống thính giác của con người nghe được các tín hiệu ở các dải tần rộng và công suất lớn nên đã gây khó khăn đối với các phương pháp giấu tin trong audio. Nhưng hệ thống thính giác lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt của các giải tần và công suất. Điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu được các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng. Các mô hình phân tích tâm lý đã chỉ ra điểm yếu trên và thông tin này sẽ giúp ích cho việc chọn các audio thích hợp cho việc giấu tin. Vấn đề khó khăn thứ hai cho việc giấu thông tin trong audio là kênh truyền tin. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu. Các phương pháp giấu thông tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu trong hệ thống thính giác của con người. 1.1.5.3. Giấu tin trong video Cũng giống như giấu tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong video cũng được quan tâm và được phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như kiểm soát sao chép thông tin, nhận thức thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Ta có thể lấy một ví dụ là các hệ thống chương trình trả tiền xem theo đoạn phim đã xem. Một phương pháp giấu tin trong video được đưa ra bởi Cox [7] là phương pháp phân bố đều. Ý tưởng cơ bản của phương pháp là phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần số của dữ liệu chứa gốc. Nhiều nhà nghiên cứu đã dùng những hàm cosin riêng và các hệ số truyền sóng riêng để giấu tin. Trong các thuật toán khởi nguồn thì thường các kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video. Như phương pháp của Swanson [8] đã sử dụng cách giấu theo khối, phương pháp này đã giấu được hai bit vào khối 8x8. Kỹ thuật giấu thông tin bằng video áp dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con người. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn