Tài liệu Nghiên cứu thuật toán ẩn thông tin trên ảnh số bằng kỹ thuật hoán vị hệ số và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu

LỜI CẢM ƠN Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Ngọc Cương - Học viện An Ninh Nhân dân đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và dành rất nhiều thời gian cho em trong suốt quá trình làm luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, đã giảng dạy cung cấp, trang bị cho chúng em những kiến thức, chuyên ngành, chuyên môn chuyên sâu trong quá trình học tập tại trường cũng như quá trình làm luận văn này. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ, tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập cũng như thời gian làm luận văn; giúp em hoàn thành khóa học, luận văn theo qui định. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi, không sao chép của ai. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu liên quan, các thông tin trong tài liệu được đăng tải trên các tạp chí và các trang website theo danh mục tài liệu của luận văn. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thanh Xuân DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân loại các kỹ thuật giấu tin .........................................................11 Hình 2.1: Mô hình quá trình giấu tin ................................................................15 Hình 2.2: Mô hình quá trình giải tin ................................................................16 Hình 2.3: Thông điệp được hiển thị khi bức ảnh giấu tin mở bằng Notepad..17 Hình 2.4: Chuỗi văn bản được chèn vào tiêu đề EXIF được đánh dấu ........18 Hình 2.5: Giấu tin trong miền không gian .......................................................19 Hình 2.6: Ví dụ kỹ thuật giấu tin trong miền không gian ảnh........................ 20 Hình 2.7: Hệ thống báo cáo của Jung va Yoo [8] ............................................22 Hình 2.8: Cấu trúc phân tích và ảnh nhận được qua phép biến đổi wavelet 2 chiều ...................................................................................................................26 Hình 2.9: Năng lượng phân bố của ảnh Lena qua phép biến đổi DCT.......... 28 Hình 2.10: Phân chia 3 miền tần số của phép biến đổi DCT......................... 29 Hình 2.11: Quá trình AddRoundKey ................................................................44 Hình 2.12: Quy trình SubBytes ........................................................................45 Hình 2.13: Bước ShiftRows .............................................................................45 Hình 2.14: Mô tả quá trình trộn ........................................................................46 Hình 3.1: Mô tả kỹ thuật hoán vị hệ số ............................................................48 Hình 3.2: Sơ đồ quy trình nhúng cải tiến....................................................... 51 Hình 3.3: Giao diện giấu tin .............................................................................52 Hình 3.4: Giao diện tiền xử lý để giấu tin ........................................................52 Hình 3.5: Giao diện giải tin............................................................................ 53 Hình 3.6: Giao diện giải mã tin sau khi tách.................................................. 53 Hình 3.7: So sánh kết quả .................................................................................54 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HVS Hệ thống thị giác của con người HAS Hệ thống thính giác của con người LSB Kỹ thuật gài vào các bit có trọng số thấp DCT Biến đổi cosine rời rạc DFT Biến đổi Fourier rời rạc DWT Biến đổi wavelet AES Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến DES Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................1 2. Lý do chọn đề tài...................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................ 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài................................................. 4 5. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH........................... 5 1.1 Một số khái niệm cơ bản về giấu tin ......................................................5 1.1.1 Lịch sử kỹ thuật giấu tin ............................................................................5 1.1.2 Khái niệm giấu tin .....................................................................................6 1.1.3 Môi trường giấu tin.................................................................................... 7 1.1.3.1 Giấu tin trong ảnh ...................................................................................7 1.1.3.2 Giấu tin trong audio ................................................................................8 1.1.3.3 Giấu tin trong video ................................................................................8 1.1.3.4. Giấu tin trong văn bản ...........................................................................9 1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin .............................................................10 1.3 Nhu cầu, ứng dụng của giấu tin trong ảnh số .......................................12 1.3.1 Nhu cầu của giấu tin trong ảnh số ...........................................................12 1.3.2 Ứng dụng của giấu tin trong ảnh số ........................................................12 Tổng kết chương 1...................................................................................... 14 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ ............................15 2.1 Mô hình và các phương pháp giấu tin cơ bản ......................................15 2.1.1 Mô hình giấu tin cơ bản ...........................................................................15 2.1.2 Các phương pháp giấu tin cơ bản............................................................ 17 2.1.2.1 Giấu tin trong khuôn dạng ảnh............................................................. 17 2.1.2.2 Giấu tin trong miền không gian của ảnh ..............................................18 2.1.2.3 Giấu tin trong miền tần số ảnh .............................................................23 2.2 Các phép biến đổi từ miền không gian ảnh sang miền tần số ..............25 2.2.1 Phép biến đổi wavelet - Descrete Wavelet Transform (DWT)............... 25 2.2.2 Phép biến đổi Fourier rời rạc ...................................................................27 2.3.3 Phép biến đổi Cosin rời rạc .....................................................................27 2.3 Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh .......................................................30 2.3.1 Kỹ thuật giấu tin WU- LEE .....................................................................30 2.3.2 Kỹ thuật giấu tin YUAN _ PAN _ TSENG .............................................33 2.3.3 Kỹ thuật giấu tin sử dụng lý thuyết đại số hiện đại ................................36 2.4 Giấu tin dựa trên kỹ thuật hoán vị hệ số kết hợp với nén và mã hoá dữ liệu ..............................................................................................................41 2.4.1 Giấu tin bằng kỹ thuật hoán vị hệ số .......................................................41 2.4.2 Kỹ thuật nén dữ liệu Huffman ................................................................42 2.4.3 Mã hóa dữ liệu AES .................................................................................43 Tổng kết chương 2 ......................................................................................46 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM ............47 3.1 Thuật toán giấu thông tin bằng kỹ thuật hoán vị hệ số .........................47 3.2 Giải pháp nâng cao hiệu quả ẩn thông tin ............................................49 3.3 Chương trình thực nghiệm ..................................................................51 3.3.1 Quá trình giấu tin..................................................................................... 52 3.3.2 Quá trình giải tin ......................................................................................53 3.4 Kết quả thực nghiệm ............................................................................54 3.5 Kết luận và hướng phát triển ................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................56 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Cùng với sự bùng nổ của Internet và các phương tiện multimedia, những vấn nạn như ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép... cũng gia tăng, đòi hỏi phải không ngừng tìm các giải pháp mới, hữu hiệu cho an toàn và bảo mật thông tin. Một trong các giải pháp nhiều triển vọng là giấu tin (DataHiding), được nghiên cứu phát triển trong khoảng 10 năm gần đây. Hiện nay nhiều ngành, nhiều đơn vị trên toàn quốc đã có hệ thống mạng nội bộ thông suốt các tỉnh thành trong cả nước. Hệ thống đảm bảo được các thông tin truyền đi trong mạng không bị lọt ra ngoài nhưng điểm yếu của hệ thống hiện tại chưa đạt được đó là tính cơ động. Việc sử dụng mạng internet dễ dàng hơn nhiều so với mạng nội bộ để truyền tin. Tuy nhiên internet có thể phát tán thông tin đi bất kỳ đâu trên thế giới. Đi kèm với việc truyền tin qua internet là những rủi ro về mất mát và sai lệch thông tin. Do đó bảo mật thông tin khi truyền trên internet là một vấn đề cấp thiết trong thực tế. Bản chất của bảo mật thông tin là tìm cách để che giấu thông tin, có thể là mã hóa thông tin hoặc giấu thông tin trong các dữ liệu số khác. Mục đích đặt ra là thông tin được bảo mật chỉ có thể đọc được bởi đối tượng có quyền đọc thông tin đó. Một trong cách tiếp cận trong bảo mật thông tin đó là giấu tin có nghĩa là những thông tin số cần được bảo mật sẽ được người dùng giấu vào trong một đối tượng dữ liệu số khác (môi trường giấu tin) sao cho sự biến đổi của môi trường sau khi giấu tin là khó nhận biết, đồng thời người dùng có thể lấy lại được các thông tin đã giấu khi cần. 2 2. Lý do chọn đề tài Giấu thông tin trong ảnh hiện nay 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, hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng đối với 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... Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến thì giấu thông tin trong ảnh đem lại rất nhiều ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực đời sống xã hội. Ví dụ, trong các dịch vụ ngân hàng và tài chính ở một số nước phát triển, thuỷ vân số được sử dụng để nhận diện khách hàng trong các thẻ tín dụng. Mỗi khách hàng có một chữ kí viết tay, sau đó chữ kí này được số hoá và lưu trữ trong hồ sơ của khách hàng. Chữ kí này sẽ được sử dụng như là thuỷ vân để nhận thực thông tin khách hàng. Trong các thẻ tín dụng, chữ kí tay được giấu trong ảnh của khách hàng trên thẻ. Khi sử dụng thẻ, người dùng đưa thẻ vào một hệ thống, hệ thống có gắn thiết bị đọc thuỷ vân trên ảnh và lấy được chữ kí số đã nhúng trong ảnh. Thuỷ vân được lấy ra sẽ so sánh với chữ kí số đã lưu trữ xem có trùng hợp không, từ đó xác định nhận thực khách hàng. Kỹ thuật ẩn thông tin được đề cập đến như một giải pháp nhằm giải quyết bài toán truyền nhận thông điệp mật, tăng cường tính bảo mật và an toàn trong các giao dịch thương mại điện tử trên mạng Internet cũng như bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ đối với các thông tin số có giá trị như phim, ảnh, âm thanh… Kỹ thuật ẩn thông tin kết hợp mã hóa được đánh giá như là giải pháp 3 hữu hiệu và thích hợp nhất cho vấn đề bảo vệ bản quyền trên Internet cũng như các dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới để giấu tin vào ảnh gốc. Các kỹ thuật và chương trình này đều có những đặc điểm nhất định dựa trên phương pháp biến đổi hình học (như phép quay, dịch chuyển cắt xén… ), điều này có thể dẫn đến quá trình kiểm tra xác định sự tồn tại của thông điệp nhúng trong ảnh không chính xác. Người ta đã đưa ra kỹ thuật ẩn thông tin kết hợp với các kỹ thuật mã hóa và nén dữ liệu sẽ giúp cho quá trình ẩn thông tin được an toàn hơn, tăng cường độ bảo mật và dung lượng của thông tin ẩn. Kỹ thuật này cho phép chống lại các tấn công bằng các phép biến đổi hình học. Để ứng dụng trên thực tế kỹ thuật này cần phải xây dựng chương trình trên cơ sở lý thuyết nêu trên và thử nghiệm trên thực tế nhằm đánh giá hiệu quả của kỹ thuật, chính vì thế chúng tôi lựa chọn đề tài có tên: "Nghiên cứu thuật toán ẩn thông tin trên ảnh số bằng kỹ thuật hoán vị hệ số và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu" 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Giấu tin trong ảnh là một chủ đề khá mới mẻ được quan tâm nhiều hiện nay, đặc biệt trong các ứng dụng trên mạng internet. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu có liên quan đến nhiều lĩnh vực bảo mật, an toàn dữ liệu và xử lý ảnh. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này và đến nay cũng đã có khá nhiều phương pháp, kỹ thuật được đề xuất. Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn, tác giả chỉ tập trung tìm hiểu và nghiên cứu: - Các kiểu dữ liệu: ảnh, file audio, video, text; - Kỹ thuật ẩn thông tin kết hợp với các kỹ thuật mã hóa và nén dữ liệu; - Xây dựng thuật toán hoán vị hệ số và giải pháp nâng cao hiệu quả ẩn thông tin trong ảnh số; 4 - Phương pháp chữ ký số, xác thực thông tin; - Các phương pháp, kỹ thuật giấu tin trong ảnh số; - Thiết lập mô hình và thử nghiệm chương trình. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Data Hiding 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. 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. 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. Việc kết hợp giữa giấu tin và chứng thực cho phép bảo vệ nhãn thương hiệu chứng minh sự hợp pháp của sản phẩm bảo vệ bản quyền nhất là trong thương mại điện tử. Đây là ý nghĩa thực tiễn của đề tài. 5. Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, các phương pháp chứng thực, các kỹ thuật giấu tin, phương pháp mô hình hóa và thử nghiệm thực tế. 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1 Một số khái niệm cơ bản về giấu tin 1.1.1 Lịch sử kỹ thuật giấu tin Từ Stenography bắt nguồn từ Hi Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, nó có nghĩa là tài liệu được phủ (covered writing). Mục đích cơ bản của giấu tin là nhúng mẩu tin mật vào một môi trường truyền tin bình thường sao cho người khác không thể phát hiện ra mẩu tin mật đó. Trong lịch sử, những câu chuyện về giấu tin được lan truyền từ đời qua đời khác. Ví dụ, vào thế kỷ thứ 5 trước Công Nguyên, Histaiacus đã cạo trọc đầu một nô lệ, xăm lên đó một thông điệp sau đó khi đầu nô lệ này mọc tóc trở lại, ông ta phái nô lệ đó mang thông điệp đã được giấu trên đầu đi. Ở các tiểu vương quốc Ả Rập tại thành phố về khoa học và công nghệ của vua Abdulaziz, một dự án đã được khởi xướng để dịch thành tiếng anh các văn bản tiếng Ả Rập cổ về các dòng chữ bí mật được cho là đã viết cách đây 1200 năm. Một vài văn bản này được tìm thấy ở Thổ Nhĩ Kỳ và Đức. Khoảng 500 năm trước, một nhà toán học người Ý tên là Jerome Cardan đã sáng tạo lại một phương thức văn bản bí mật cổ xưa của người Trung Quốc. Văn bản được làm như sau: một tờ giấy làm mặt nạ có nhiều lỗ thủng mà người gửi và người nhận đều biết, mặt nạ này sẽ được đặt trên một tờ giấy trắng và người gửi sẽ viết thông điệp bí mật qua các lỗ thủng trên mặt nạ sau đó vứt mặt nạ đó đi và điền phần còn lại vào tờ giấy trắng như thể tờ giấy này toàn các thông tin vô thưởng vô phạt. 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 6 trình nghiên cứu giá trị. Cuộc cách mạng số hóa thông tin và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi này. Ngày nay nghệ thuật giấu tin được nghiên cứu để phục vụ các mục đích tích cực như bảo vệ bản quyền, thủy vân số, hay phục vụ giấu các thông tin bí mật về quân sự và kinh tế. Sự phát triển của công nghệ thông tin đã tạo ra những môi trường giấu tin mới vô cùng tiện lợi và phong phú. Người ta có thể giấu tin trong các tệp ảnh, trong các tệp âm thanh, tệp văn bản. Cũng có thể giấu tin ngay trong các khoảng trống hay các phân vùng ẩn của môi trường lưu trữ như đĩa cứng, đĩa mềm. Các gói tin truyền đi trên mạng cũng là môi trường giấu tin quan trọng và ngay cả các tiện ích phần mềm cũng là môi trường lý tưởng để gài các thông tin quan trọng để xác nhận bản quyền. 1.1.2 Khái niệm giấu tin “ Giấu tin” là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. Giấu tin trong ảnh số là giấu các mẩu tin cũng là dạng số trong máy tính vào các tệp ảnh nhị phân sao cho không bị người ngoài phát hiện. Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin rõ ràng ở hai khía cạnh. Một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin. Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Khuynh hướng thứ nhất là giấu tin mật (steganography). Khuynh hướng này tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu được nhiều và quan trọng là người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không. Khuynh hướng thứ hai là thủy vân số (watermarking). Khuynh hướng thủy vân số đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin. Thủy vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên 7 được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật dành cho khuynh hướng này. Nói chung giấu tin trong đa phương tiện là tận dụng “độ dư thừa” của phương tiện giấu để thực hiện việc giấu tin mà người ngoài cuộc “khó” cảm nhận được có thông tin giấu trong đó. 1.1.3 Môi trường giấu tin 1.1.3.1 Giấu tin trong ảnh Hiện nay, giấu tin trong ảnh chiếm tỷ lệ lớn nhất hệ thống giấu tin trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện. Bởi lẽ lượng thông tin được trao đổi bằng hình ảnh là rất lớn, hơn nữa chúng còn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng an toàn thông tin như: xác thực thông tin, bảo vệ quyền tác giả, điều khiển truy cập, phát hiện xuyên tạc thông tin. Từ việc nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh số chuyển sang kỹ thuật giấu tin trong các phương tiện khác như audio, video, trong văn bản, … không có gì khó khăn về nguyên tắc. Chính vì lẽ đó, giấu tin trong ảnh đã và đang được nhiều tổ chức, các trường đại học, các viện nghiên cứu, các cá nhân quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Thông tin được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh rất ít thay đổi mà người ta khó có thể nhận thấy sự thay đổi đó bằng mắt thường. Sau vụ khủng bố ngày 11 tháng 9 năm 2001 gây chấn động không chỉ nước Mĩ mà cả thế giới, Hãng AFP (2004) có đưa tin: chính trùm khủng bố quốc tế Osama Binladen đã dùng cách thức giấu thông tin trong ảnh để liên lạc với đồng bọn và chúng đã qua mặt được Cục tình báo Trung ương Mĩ và các cơ quan an ninh quốc tế. Sự việc này càng cho thấy việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến giấu tin trong ảnh càng trở nên quan trọng. Ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều những ứng dụng quan trọng trên các lĩnh vực trong 8 đời sống xã hội. Ví dụ như đối với 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 thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng. Hay trong một số những ứng dụng về nhận diện như thẻ chứng minh, thẻ căn cước, hộ chiếu… người ta có thể giấu thông tin trên các ảnh thẻ để xác định thông tin thực. 1.1.3.2 Giấu tin trong audio Giấu tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu tin trong các đối tượng đa phương tiện 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. Kỹ thuật giấu tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị giác của con người (HVS - Human Vision System) còn kỹ thuật giấu tin trong audio phụ thuộc vào hệ thống thính giác của con người (HAS - Human Auditory System). Vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống tính giác của con người nghe được các tín hiệu ở các giải tần rộng và công suất lớn nên đã gây khó dễ đối với các phương pháp giấu tin trong audio. HAS cảm nhận được các tín hiệu ở dài tần rộng và công suất. Điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu được các âm thanh nhỏ, thấp tần một cách dễ dàng. Kênh truyền tin cũng là một vấn đề khó khăn với giấu tin trong audio. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu. Giấu thông tin trong audio yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn của thông tin. 1.1.3.3 Giấu tin trong video Cũng giống như giấu thông 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 điều khiển truy cập thông tin, nhận thức thông tin, bản quyền tác giả…Ta có thể lấy một ví dụ là các hệ thống chương trình trả tiền xem theo 9 video clip (pay per view application). Các kỹ thuật giấu tin trong video cũng được phát triển mạnh mẽ và cũng theo hai khuynh hướng là thủy vân số và data hiding. Một phương pháp giấu tin trong video được đưa ra bởi Cox 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 các ảnh vào trong video nhưng thời gian gần đây các kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào video. Như phương pháp của Swanson đã sử dụng để giấu theo khối, phương pháp này đã giấu được hai bít vào khối 8*8, hay gần đây nhất là phương pháp của Mukherjee là kỹ thuật giấu audio vào video sử dụng cấu trúc lưới đa chiều… Kỹ thuật giấu thông tin áp dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con người. Kỹ thuật giấu tin đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng chứ không riêng gì dữ liệu đa phương tiện như hình ảnh, audio hay video. Gần đây đã có một số nghiên cứu giấu tin trong cơ sở dữ liệu quan hệ. Chính vì thế sau này chắc chắn kỹ thuật giấu tin còn phát triển tiếp. 1.1.3.4. Giấu tin trong văn bản Trong trao đổi thông tin qua hệ thống máy tính, văn bản chiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại phương tiện chứa khác. Tuy vậy, giấu tin trong văn bản lại chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Các nghiên cứu về giấu tin trong văn bản được chia theo hai hướng, thứ nhất văn bản được sử dụng để giấu tin là những văn bản được chụp lại và lưu trên máy như một bức ảnh nhị phân. Theo hướng này, các kỹ thuật giấu tin được thực hiện như kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Hướng thứ hai, phương tiện chứa sử dụng cho quá trình giấu tin được lưu dưới dạng văn bản. Theo hướng này, các kỹ thuật giấu tin cũng tiến hành như giấu tin trong ảnh bằng cách thay đổi một số ký tự tại một số vị trí trên văn bản mà không làm ảnh hưởng nhiều đến nội dung văn bản gốc. 10 1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin Khái niệm "Cái bạn nhìn thấy là cái bạn có được" ngày nay không còn chính xác nữa. Ảnh có thể làm được nhiều thứ hơn là cái mà con người nhìn thấy bằng mắt thường, chúng có thể chứa đựng tới hơn 1000 từ ẩn giấu bên trong. Hàng thập kỷ qua, con người đã phát triển đáng kể các phương pháp sáng tạo trong giao tiếp bí mật. Trong đó có 3 kỹ thuật có mối tương quan với nhau là giấu tin, thủy vân số và mật mã. Có nhiều cách phân loại giấu tin khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau. Theo Fabien A.P. Petitcolas đề xuất năm 1999, có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số [5]. Giấu tin mật với mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin tập trung vào các kỹ thuật giấu thông tin sao cho người khác khó phát hiện nhất việc có tin được giấu, hơn nữa nếu phát hiện có tin giấu thì giải tin cũng khó thực hiện. Bên cạnh đó cũng đặt ra vấn đề về lượng tin được giấu càng nhiều càng tốt, ngoài ra tốc độ giấu cũng được yêu cầu mặc dù đây là vấn đề thứ yếu [4]. Thủy vân số là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng các thông tin phục vụ xác thực, ví dụ như xác nhận bản quyền. Nếu 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). Thủy vân số lại được chia thành hai hướng nhỏ là thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững. Trong đó thủy vân dễ vỡ yêu cầu thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi nào trên dữ liệu chứa tin. Thủy vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng các mẩu tin đòi hỏi độ bền cao của thông tin được giấu trước các biến đổi thông thường trên dữ liệu chứa tin [5]. 11 Xét về tính chất thuỷ vân số giống giấu tin ở chỗ tìm cách nhúng thông tin mật vào một môi trường. Tuy nhiên, xét về bản chất thì thuỷ vân số có khác ở một số điểm: - Giấu tin sau đó cần tách lại tin còn thuỷ vân số tìm cách biến tin giấu thành một thuộc tính của vật mang. - Mục tiêu của thuỷ vân số 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. Chỉ tiêu quan trọng nhất của giấu tin là dung lượng còn của thuỷ vân số là tính bền vững. Thuỷ vân số có thể vô hình hoặc hữu hình trên ảnh mang. Hình 1.1: Phân loại các kỹ thuật giấu tin 12 1.3 Nhu cầu, ứng dụng của giấu tin trong ảnh số 1.3.1 Nhu cầu của giấu tin trong ảnh số Ngày nay, kỹ thuật giấu tin được triển khai trong nhiều ứng dụng khác nhau nhằm bảo vệ tính bí mật của thông tin, phục vụ các mục đích tích cực như bảo vệ bản quyền, thủy vân số, hay phục vụ giấu các thông tin bí mật về quân sự và kinh tế. Trong đó giấu tin trong ảnh chiếm tỉ lệ lớn nhất ở hệ thống giấu tin trong đa phương tiện. Bởi lẽ lượng thông tin được trao đổi bằng hình ảnh là rất lớn qua đó các thông tin cá nhân có thể được nhúng vào trong thẻ chứng minh với những thông tin mang tính duy nhất của một người,… Giấu tin có thể được sử dụng như một phần của quá trình in ấn bình thường. 1.3.2 Ứng dụng của giấu tin trong ảnh số - Bảo vệ quyền tác giả(copyright protection): Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân số (digital watermarking) - một dạng của phương pháp giấu tin. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả gọi là thủy vân sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả sử có một thành phẩm dữ liệu đa phương tiện như ảnh, âm thanh, video cần được lưu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem này chính là việc nhúng thủy 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 thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá hủy sản phẩm. - Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection): Một tập các thông tin sẽ được giấu trong các phương 13 tiện chứa sau đó sử dụng để nhận biết xem trên các phương tiện gốc đó có bị thay đổi hay không. Các thủy vân nên được ẩn để tránh sự tò mò của kẻ thù hơn nữa việc làm giả các thủy 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 (ví dụ như phân biệt xem một đối tượng đa phương tiện chứa thông tin giấu đã bị thay đổi, xuyên tạc nội dung hay là chỉ bị nén mất dữ liệu). Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin nhiều và thủy vân không cần bền vững trước các phép xử lý trên đối tượng đã được giấu tin. - Giấu vân tay hay dán nhãn (fingerprinting and labeling): Thủy vân trong các ứng dụng này được sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó trong ứng dụng phân phối sản phẩm. Thủy vân trong trường hợp này cũng tương tự như số serial của sản phẩm phần mềm. Mỗi một sản phẩm sẽ mang một thủy vân riêng. Ví dụ các vân khác nhau sẽ được nhúng vào các bản copy 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 thủy vân, tránh sự xóa dấu vết trong khi phân phối. - Điều khiển sao chép (copy control): Điều mong muốn đối với các hệ thống phân phối dữ liệu đa phương tiện là tồn tại một kỹ thuật chống sao chép trái phép dữ liệu. Có thể sử dụng thủy vân để chỉ trạng thái sao chép của dữ liệu. Các thủy vân trong những trường hợp này được sử dụng để điều khiển, sao chép đối với các thông tin. Các thiết bị phát hiện ra thủy vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi. Ví dụ như hệ thống quản lý sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật. Thủy vân mang các giá trị chỉ trạng thái cho phép sao chép dữ liệu như “copy never” - không được sao chép hay “copy once” - chỉ được copy một lần, sau khi copy xong bộ đọc ghi thủy vân sẽ ghi thủy vân mới chỉ trạng thái mới lên DVD. Các ứng dụng loại này cũng yêu