Tài liệu Nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN&TRUYỀN THÔNG NGUYỄN CAO THẮNG NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Thái Nguyên - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN&TRUYỀN THÔNG NGUYỄN CAO THẮNG NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT VÀ ỨNG DỤNG Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 848 0101 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HỒ VĂN CANH Thái Nguyên - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của bản thân, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Hồ Văn Canh. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tất cả các nội dung tham khảo, kế thừa của các tác giả khác đều được trích dẫn đầy đủ. Em xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Tác giả Nguyễn Cao Thắng ii LỜI CẢM ƠN Học viên trân trọng cảm ơn sự quan tâm, tạo điều kiện và động viên của Lãnh đạo Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông, Đại học Thái Nguyên, các thầy cô Khoa Đào tạo sau đại học, các khoa đào tạo và các quý phòng ban Học viện trong suốt thời gian qua. Học viên xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới TS. Hồ Văn Canh đã nhiệt tình định hướng, bồi dưỡng, hướng dẫn học viên thực hiện các nội dung khoa học trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn sự động viên, giúp đỡ to lớn từ phía Cơ quan đơn vị, đồng nghiệp và gia đình đã hỗ trợ học viên trong suốt quá trình triển khai các nội dung nghiên cứu. Mặc dù học viên đã rất cố gắng, tuy nhiên, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Học viên kính mong nhận được sự đóng góp từ phía Cơ sở đào tạo, quý thầy cô, các nhà khoa học để tiếp tục hoàn thiện và tạo cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo. Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Cao Thắng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................v DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...........................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................2 5. Bố cục luận văn ...................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN ....................................3 1.1 Giới thiệu chung về giấu thông tin .................................................................3 1.2 Lịch sử ẩn giấu thông tin ................................................................................4 1.3 Các thành phần của hệ giấu tin ......................................................................5 1.4 Phân loại các kỹ thuật giấu tin .......................................................................6 1.5 Môi trường giấu tin .........................................................................................6 1.5.1 Giấu tin trong ảnh .......................................................................................6 1.5.2 Giấu tin trong audio ....................................................................................8 1.5.3 Giấu tin trong video ....................................................................................8 1.5.4 Giấu tin trong văn bản dạng text.................................................................9 1.6 Giấu tin trong ảnh số .......................................................................................9 1.6.1 Một số khái niệm ........................................................................................9 1.6.2 Mô hình kỹ thuật giấu tin, tách tin ............................................................10 1.7 Tính chất, đặc trưng giấu tin trong ảnh ......................................................11 1.7.1 Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh ..................................................11 1.7.2 Giấu tin phụ thuộc ảnh ..............................................................................11 1.7.3 Giấu tin lợi dụng khả năng thị giác của con người ...................................12 1.7.4 Giấu tin không làm thay đổi kích thước ảnh ............................................12 1.7.5 Đảm bảo chất lượng ảnh sau khi giấu tin .................................................12 Kết luận Chương 1 ..................................................................................................13 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT TRONG ẢNH SỐ ....................................................................................................14 2.1 Ảnh số .............................................................................................................14 2.1.1 Khái niệm chung .......................................................................................14 iv 2.1.2 Phân loại ảnh .............................................................................................15 2.1.3 Các định dạng ảnh ....................................................................................15 2.2 Yêu cầu đối với giấu tin trong ảnh ...............................................................18 2.2.1 Tính bảo mật .............................................................................................20 2.2.2 Tỷ lệ giấu tin .............................................................................................20 2.2.3 Tính bền vững ...........................................................................................20 2.2.4 Độ phức tạp tính toán ...............................................................................20 2.3 Hai tiêu chí đánh giá giấu tin trong ảnh ......................................................21 2.4 Một số phương pháp giấu tin trong ảnh......................................................21 2.4.1 Giấu tin mật vào các bit có trọng số thấp LSB .........................................21 2.4.2 Giấu tin kiểu chèn nhiễu và điều chỉnh hệ số lượng tử ............................24 2.4.3 Phương pháp giấu tin thuận nghịch ..........................................................25 2.4.4 Các phương pháp giấu tin khác ................................................................26 2.5 Một số thuật toán giấu tin trong ảnh ...........................................................27 2.5.1 Thuật toán giấu tin đơn giản .....................................................................27 2.5.2 Thuật toán giấu tin VU- LEE....................................................................31 2.5.3 Thuật toán giấu tin Chen- Pan- Tseng (CPT) ...........................................36 2.5.4 Thuật toán Chen- Pan- Tseng cải tiến.......................................................45 2.6 Mã hóa thông tin ............................................................................................47 2.6.1 Sơ lược về lịch sử mật mã học ..................................................................50 2.6.2 Các khái niệm cơ bản................................................................................51 2.6.3. Phân loại ..................................................................................................53 Kết luận Chương 2 ..................................................................................................56 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI PHÁP KẾT HỢP MÃ HÓA VÀ KỸ THUẬT GIẤU THÔNG TIN TRÊN MÔI TRƯỜNG ẢNH ......57 3.1 Mục đích yêu cầu ...........................................................................................57 3.2 Giải pháp ........................................................................................................57 3.3 Xây dựng chương trình .................................................................................59 3.3.1 Lựa chọn phương pháp mã hóa ................................................................59 3.3.2 Giải thuật giấu tin .....................................................................................62 3.4 Cài đặt và thực nghiệm .................................................................................64 3.4.1 Cài đặt .......................................................................................................64 3.4.2 Thực nghiệm .............................................................................................65 3.5 Đề xuất áp dụng vào thực tiễn công tác lĩnh vực AN-QP ..........................72 Kết luận chương 3 ...................................................................................................74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................75 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................77 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu, Ý nghĩa viết tắt AES Advanced Encryption Standard An ninh quốc phòng AN-QP CNSS Committee on National Security Systems GCD Greatest Common Divisor HVS Human Vision System HAS IT ISO Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến Ủy ban hệ thống an ninh quốc gia Ước chung lớn nhất Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào thị giác Human Auditory Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào thính System giác Information Technology Công nghệ thông tin International Organization for Standardization Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế LSB Laest Significant Bit Bít có trọng số bé nhất MSB Most Significant Bit Bit có trọng số lớn nhất National Institute of Viện công nghệ và tiêu chuẩn quốc Science and Technology gia Hoa Kỳ Rivest - Shamir - Adlemal Hệ mật mã RSA Chinese Remainder Định lý đồng dư Trung Hoa NIST RSA CRT Theorem GF (P) Trường số hữu hạn P phần tử GF (2) Trường nhị phân K Tập hợp khóa mã E Thuật toán mã hóa vi D Thuật toán giải mã P Tập hợp các bản rõ C Tập hợp các bản mã  n  Hàm Phi_Ơle  p, q Cặp số nguyên tố p và q n Số nguyên dương bất kỳ x Văn bản rõ thuộc P y Bản mã thuộc C k' Thành phần khóa công khai k '' Thành phần khóa bí mật s Số nguyên tố Mersenne r Số nguyên lẻ vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin ..........................................................6 Hình 1.2: Tỉ lệ phương tiện được lựa chọn để giấu tin ...............................................7 Hình 1.3: Kỹ thuật giấu tin công bố trong giai đoạn 1992- 2007 ...............................7 Hình 1.4: Sơ đồ giấu tin ............................................................................................10 Hình 1.5: Sơ đồ quá trình tách tin .............................................................................11 Hình 2.1: Biểu đồ Historgram của ảnh ngọn nến ......................................................18 Hình 2.2: Minh họa giấu thông tin trong LSB của ảnh cấp xám 8 bit ......................22 Hình 2.3: Thay đổi bit ...............................................................................................29 Hình 2.4: Ảnh trước và sau khi giấu các bít thông tin ..............................................35 Hình 2.5: Phân loại hệ mật ........................................................................................53 Hình 2.6: Sơ đồ mật mã đối xứng .............................................................................54 Hình 2.7: Hệ thống mã khóa khóa công khai ............................................................55 Hình 3.1: Mô hình giải pháp kết hợp mã hóa và ẩn giấu thông tin ...........................59 Hình 3.2: File chạy chương trình ..............................................................................64 Hình 3.3: Giao diện chính chương trình ...................................................................64 Hình 3.4: Quá trình nạp khóa công khai ...................................................................65 Hình 3.5: Quá trình mã hóa bằng RSA và AES ........................................................66 Hình 3.6: Giao diện quá trình giấu tin ......................................................................66 Hình 3.7: Chức năng tách dữ liệu từ ảnh ..................................................................67 Hình 3.8: Quá trình giải mã thông điệp ....................................................................68 Hình 3.7: Tập ảnh gốc ...............................................................................................69 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Số hóa thông tin và ảnh gốc .....................................................................22 Bảng 2.2: Khối bít ban đầu .......................................................................................29 Bảng 2.3: Bảng chân lý phép toán AND và XOR ....................................................32 Bảng 2.4: Mô tả quá trình đảo bít để giấu tin ...........................................................34 Bảng 2.5: Ma trận trọng số W ...................................................................................37 Bảng 2.6: Chia ma trận ảnh theo thuật toán CPT......................................................40 Bảng 2.7: Thực hiện phép XOR ................................................................................40 Bảng 2.8: Thực hiện phép AND ...............................................................................41 Bảng 2.9: Bảng ghép khối ảnh theo thuật toán CPT .................................................43 Bảng 2.10: Mô tả giải mã bản tin theo thuật toán CPT .............................................47 Bảng 3.1: So sánh ảnh gốc và ảnh đã giấu tin...........................................................70 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Với mục đích truyền tải thông điệp nhạy cảm, kỹ thuật ẩn giấu thông tin xuất hiện sớm từ thời kỳ cổ đại với những hình thức đơn giản “mang màu sắc tự nhiên” gần gũi các kỹ thuật hóa trang và sử dụng giấu trong các vỏ bọc container. Tiếp theo đó là giai đoạn ứng dụng thành tựu của ngành hóa học để tạo các cặp chất viết và hiện. Trong những năm gần đây kỹ thuật ẩn giấu thông tin đặc biệt phát triển trong lĩnh vực truyền thông đa phương tiện [1]. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, công nghệ số hóa và tốc độ phát triển của mạng truyền thông hiện nay, làm cho việc sản xuất, quản lý, phân phối các sản phẩm multimedia trở nên nhanh gọn. Điều đó tạo nền tảng cho các quốc gia, các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu kỹ thuật ẩn giấu thông tin trên môi trường đa phương tiện sử dụng vào mục đích đảm bảo an toàn và che giấu thông tin quan trọng. Việc kết hợp ứng dụng kỹ thuật mật mã với ẩn giấu thông tin làm tăng độ bảo mật của thông tin và khả năng tránh bị phát hiện của thông tin khi truyền. Hiện nay, trên thế giới và trong nước đã có nhiều kết quả và công trình nghiên cứu về ẩn giấu thông tin [4], [9]. Tuy vậy, việc ứng dụng các kết quả đó vào thực tiễn đời sống kinh tế xã hội chưa thực sự phổ biến. Trong lĩnh vực An ninh - Quốc phòng (AN-QP), công tác thông tin liên lạc có vai trò và là yếu tố quan trọng, góp phần thực hiện thắng lợi mọi nhiệm vụ, kế hoạch công tác đề ra. Tin tức đòi hỏi phải được đảm bảo bí mật, chính xác, kịp thời và trong nhiều trường hợp còn phải giữ bí mật danh tính người gửi cũng như người nhận tin. Thực tiễn cho thấy nhu cầu liên lạc mật, trao đổi thông tin giữa các đầu mối với trung tâm chỉ huy hoặc với nhau ngày càng nhiều; trong khi các sản phẩm trang bị, đảm bảo nhu cầu đó, hiện tại còn khiêm tốn về chủng loại và số lượng; đồng thời đây cũng là đối tượng để cơ quan đặc biệt đối phương tấn công, khai thác. Vì vậy, nghiên cứu giải pháp kết hợp mã hóa với kỹ thuật ẩn giấu thông tin trong môi trường đa phương 2 tiện là một nhiệm vụ cấp thiết đặt ra, là cơ sở khoa học, nghiệp vụ đề xuất ứng dụng và phát triển sản phẩm, góp phần đa dạng hóa các loại hình thông tin liên lạc, phục vụ yêu cầu công tác mang tính đặc thù trong lĩnh vực AN-QP. Xuất phát từ những lý do đó, đề tài “Nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật và ứng dụng” mang tính cấp thiết, khoa học, thực sự có ý nghĩa về lý luận và thực tiễn gắn với công tác của học viên. 2. Mục đích nghiên cứu Luận văn nghiên cứu một số kỹ thuật mã hóa và các nội dung liên quan tới việc ẩn giấu thông tin trong môi trường đa phương tiện, cụ thể hơn là các thuật toán giấu thông tin trong ảnh số. Trên cơ sở đó nghiên cứu đề xuất giải pháp kết hợp mã hóa với kỹ thuật ẩn giấu thông tin trên một định dạng ảnh tiêu biểu. Đồng thời nghiên cứu thử nghiệm, đánh giá chất lượng sản phẩm tạo cơ sở khoa học đề xuất triển khai ứng dụng thực tiễn công tác. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Các kỹ thuật mật mã và ảnh số. Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng các kỹ thuật giấu tin và kỹ thuật mã hóa sử dụng trong lĩnh vực AN-QP. 4. Phương pháp nghiên cứu Phân tích, tổng hợp, kết hợp với phương pháp chuyên gia, thử nghiệm, đánh giá thực tế dựa trên các cơ sở khoa học kỹ thuật và lý luận trong công tác nghiệp vụ. 5. Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, danh mục viết tắt, hình vẽ, danh mục phụ lục, luận văn gồm 03 chương: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin Chương 2: Nghiên cứu một số kỹ thuật giấu tin mật trong ảnh số Chương 3: Nghiên cứu xây dựng giải pháp kết hợp mã hóa và kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1 Giới thiệu chung về giấu thông tin Giấu tin là kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào một vật mang tin khác. Giấu tin trong ảnh số là giấu các mẩu tin dạng số trong máy tính vào các tệp ảnh nhị phân sao cho không bị người ngoài phát hiện [10]. Kỹ thuật giấu tin nhằm hai mục đích bảo mật cho dữ liệu được đem giấu và bảo vệ cho chính đối tượng mang tin giấu. Hai khía cạnh khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ yếu giấu tin mật (steganography) và thủy vân số hay thủy ấn (watermaking). Kỹ thuật giấu tin mật với mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin, tập trung giấu được nhiều thông tin nhất đồng thời hạn chế tối đa khả năng bị phát hiện. Kỹ thuật thủy vân số đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin, tập trung đảm bảo tính bền vững của đối tượng chứa tin. Mỗi kỹ thuật giấu tin gồm thuật toán giấu tin và bộ giải mã thông tin. Thuật toán giấu tin được dùng để giấu thông tin vào phương tiện mang bằng cách sử dụng khóa bí mật được dùng chung giữa người gửi và nhận, việc giải mã thông tin chỉ có thể thực hiện được khi có khoá. Bộ giải mã trên phương tiện mang đã chứa dữ liệu và trả lại thông điệp ẩn trong nó. Phương tiện chứa bao gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như text, audio, video, ảnh…Thông tin giấu là lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó như ảnh, logo, đoạn văn bản… 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 triển khai các thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như các hệ mã cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu được phương tiện chứa bản tin đã giấu và phân phối sử dụng trên mạng. Sau khi đối tượng nhận được phương tiện có giấu thông tin, quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải 4 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. Bước tiếp theo thông tin giấu sẽ được xử lý kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu. Tóm lại, giấu thông tin là nghệ thuật và khoa học của truyền thông bên trong một truyền thông, mục đích của steganography là che giấu những thông báo bên trong những thông báo khác mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến thông báo này, qua đó làm tăng độ an toàn của thông tin. 1.2 Lịch sử ẩn giấu thông tin Từ Steganography bắt nguồn từ Hy Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, nó có nghĩa là tài liệu được phủ (covered writing). Những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin theo nghĩa nguyên thủy 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 đã gửi một thông báo bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus bằng cách cạo trọc đầu một nô lệ tin cậy và xăm thông báo bí mật trên da đầu của người nô lệ ấy. Khi tóc của người nô lệ này mọc đủ dài thì hắn được gửi tới Miletus. Một câu chuyện khác về thời Hi Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại, môi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong. Demeratus cần thông báo cho Sparta việc Xerxes định xâm chiếm Hy Lạp. Tuy nhiên, để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại các viên thuốc bằng một lớp sáp mới. Những viên thuốc được để ngỏ và đã lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng. Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài. Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường. Khi bị hơ nóng, loại mực không nhìn thấy này trở nên sẫm 5 màu và dễ dàng đọc nội dung. Mực không màu cũng được sử dụng phổ biến trong chiến tranh thế giới thứ hai [6]. Ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm trước và được dùng chủ yếu trong quân đội và các cơ quan tình báo. Thực tiễn, các kỹ thuật giấu tin này được sử dụng kết hợp với các bài toán, yêu cầu, biện pháp nghiệp vụ khác, làm tăng hiệu quả cho mục đích sử dụng. 1.3 Các thành phần của hệ giấu tin Một hệ giấu tin gồm có các thành phần cơ bản sau: Mẩu tin: Có thể là văn bản, hình ảnh hay tệp tin tùy ý (âm thanh số, video số…), vì trong quá trình giấu tin, chúng đều được chuyển thành các chuỗi bit. Môi trường chứa tin: Thường là ảnh, nên gọi là ảnh phủ hay ảnh gốc. Ngoài ra còn có thể là âm thanh số, video số, văn bản… Khóa K: Khóa mật, tham gia vào quá trình giấu tin để tăng tính bảo mật. Môi trường đã chứa tin: Là môi trường chứa tin mật sau khi đã được nhúng tin mật vào; trường hợp môi trường ảnh thì gọi là ảnh mang. Xét theo góc độ toán học, có thể định nghĩa một lược đồ giấu tin như sau: Gọi K s là một khóa viết mật (stego key) được xác định từ một tập K của tất cả các khóa viết mật; M là tập tất cả các thông điệp có thể được nhúng và C là tập tất cả các vật mang có thể. Khi đó, một lược đồ giấu tin được thiết lập bởi 2 ánh xạ, ánh xạ nhúng Emb và ánh xạ trích xuất Ext: Emb: C  K  M  C Ext : C  M sao cho: Ext ( Emb (c, K s , m))  m với  c  C , K s  K và m  M . Vật mang s  Emb (c, K s , m) được gọi là stego data. 6 1.4 Phân loại các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu tin số mới được hình thành trong thời gian gần đây nên xu hướng phát triển chưa ổn định. Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên các tiêu chí khác nhau. Theo Fabien A.P. Petitcolas đề xuất năm 1999 có thể chia lĩnh vực giấu tin theo hai hường lớn là giấu tin mật và thủy vân số. Trong đó kỹ thuật thủy vân số được chia thành hai xu 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 vào dữ liệu chứa tin, còn 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. Giấu thông tin Information hiding Giấu tin mật Steganography Thủy vân số Watermarking Thủy vân bền vững Copyright marking Thủy vân ẩn Imperceptible watermaring Thủy vân rễ vỡ Watermarking Thủy vân hiện Visible watermaring Hình 1.1: Sơ đồ phân loại các kỹ thuật giấu tin 1.5 Môi trường giấu tin 1.5.1 Giấu tin trong ảnh Hiện nay, giấu tin trong ảnh chiếm tỉ lệ lớn nhất trong giấu tin đa phương tiện, bởi lượng thông tin được trao đổi bằng hình ảnh là rất lớn, chúng 7 còn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng xác thực, bảo vệ quyền tác giả, điều khiển truy cập, phát hiện xuyên tạc thông tin. Hình 1.2: Tỉ lệ phương tiện được lựa chọn để giấu tin Hình 1.3: Kỹ thuật giấu tin công bố trong giai đoạn 1992- 2007 Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết được đằng sau bức ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số được sử dụng phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực đời sống xã hội như tại các quốc gia phát triển, chữ ký tay đã được số hóa và lưu trữ sử dụng như 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. 8 Một số ứng dụng cho phép người dùng lưu trữ chữ ký trong ảnh nhị phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính an toàn của thông tin. Tài liệu sau đó được truyền trực tiếp qua máy fax hoặc lưu truyền trên mạng và việc nhận thực chữ ký, xác thực thông tin trở thành một vấn đề quan trọng khi mà việc ăn cắp thông tin hay xuyên tạc thông tin bởi tin tặc đang trở thành một vấn nạn đối với bất kỳ quốc gia hay tổ chức nào. Thêm đó, có rất nhiều thông tin quan trọng, nhạy cảm cần được bảo mật, chúng được số hóa lưu trữ trong hệ thống máy tính hay trên mạng và xuất hiện nguy cơ dễ bị lấy cắp hoặc bị thay đổi. Việc nhận thực cũng như phát hiện thông tin xuyên tạc cũng trở nên vô cùng quan trọng và cấp thiết. Đặc điểm nữa của giấu thông tin trong ảnh là thông tin được giấu một cách vô hình, tránh sự phát hiện của kẻ thứ ba, bởi chất lượng ảnh sau khi giấu gần như không thay đổi so với ban đầu. 1.5.2 Giấu tin trong audio Giấu tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu thông tin trong các đối tượng đa phương tiện khác. 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). HAS cảm nhận được các tín hiệu ở dải tần rộng và công suất lớn, nhưng lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt nhỏ giữa các dải tần và công suất, có nghĩa các âm thanh to, cao tần có thể che giấu được các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng. Kênh truyền tin cũng là một vấn đề liên quan tới băng thông hay tốc độ 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. 1.5.3 Giấu tin trong video Giấu tin trong video được quan tâm và phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thống tin và bảo vệ 9 quyền tác giả. Ta có thể lấy một số ví dụ các hệ thống chương trình trả tiền xem theo video clip (pay per view application). Các thuật toán trước đây thường cho phép giấu ảnh vào trong video, nhưng kỹ thuật gần đây cho phép giấu được cả hình ảnh và âm thanh vào video. 1.5.4 Giấu tin trong văn bản dạng text Giấu thông tin vào các văn bản dạng text khó thực hiện hơn do có ít các thông tin dư thừa, để làm được điều này người ta phải khéo léo khai thác các dư thừa tự nhiên của ngôn ngữ. Một cách khác là tận dụng các định dạng, khoảng cách giữa các từ khóa hay các dòng văn bản. Từ nội dung của thông điệp cần truyền đi, người ta cũng có thể sử dụng văn phạm phi ngữ cảnh để tạo nên các văn bản “phương tiện chứa” rồi truyền đi. 1.6 Giấu tin trong ảnh số 1.6.1 Một số khái niệm Giấu thông tin trong ảnh số là một phần của khái niệm giấu thông tin với việc sử dụng ảnh số làm phương tiện mang. Trong đó: Ảnh môi trường hay ảnh gốc (host image) là ảnh mà ta đem nhúng thông tin vào. Ảnh thu được sau khi đã giấu thông tin gọi là ảnh kết quả (result image). Ảnh kết quả càng ít nhiễu càng khó gây ra nghi ngờ về sự tồn tại của thông tin trong ảnh. Thông tin nhúng là lượng thông tin được nhúng vào trong ảnh môi trường. Phương tiện nhúng là đối tượng đa phương tiện ảnh đã có thông tin nhúng. Nhiễu là những đặc điểm lạ của phương tiện nhúng so với phương tiện chứa ban đầu. Thuỷ vân số: Là một kỹ thuật giấu các thuỷ vân vào trong phương tiện chứa, kỹ thuật không yêu cầu về tính không nhìn thấy của thông tin nhúng. Có nhiều cách để phân loại các kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh số, dựa trên lĩnh vực áp dụng các kỹ thuật người ta chia kỹ thuật giấu tin trong ảnh thành watermarking và image hiding. Watermarking là kỹ thuật nhúng một biểu tượng 10 vào trong ảnh môi trường để xác định quyền sở hữu ảnh môi trường. Kích thước của biểu tượng thường nhỏ từ vài bit đến vài nghìn bit. Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng khi ảnh môi trường bị biến đổi bởi các phép thao tác như lọc, nén mất dữ liệu, hay các biến đổi hình học... Image hiding là kỹ thuật dùng một ảnh môi trường để lưu trữ và chuyển giao các dữ liệu quan trọng với kích thước tương đối lớn một cách an toàn. Mục đích của ảnh image hiding là làm cho dữ liệu trở nên không quan sát được đối với thị giác của con người. 1.6.2 Mô hình kỹ thuật giấu tin, tách tin Giấu thông tin vào phương tiện chứa và tách lấy thông tin là hai quá trình trái ngược nhau và có thể mô tả qua sơ đồ khối của hệ thống như sau: Hình 1.4: Sơ đồ giấu tin Đầu vào: Thông tin cần giấu (M) tuỳ theo mục đích của người sử dụng, nó có thể là thông điệp (với giấu tin bí mật) hay các logo, hình ảnh bản quyền. Phương tiện chứa (C): các file ảnh, text, audio…là môi trường để nhúng tin. Khoá (K) là thành phần để góp phần làm tăng độ bảo mật. Bộ nhúng thông tin: là những chương trình thực hiện việc giấu tin. Đầu ra: là các phương tiện chứa đã có tin giấu trong đó.