Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Công nghệ thông tin Thiết kế - Đồ họa Nghiên cứu và cải tiến một số kỹ thuật giấu thông tin trong môi trường ảnh...

Tài liệu Nghiên cứu và cải tiến một số kỹ thuật giấu thông tin trong môi trường ảnh

.PDF
124
537
57

Mô tả:

Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số v.v.. đã thúc đẩy khả năng sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện (multimedia data). Mạng Internet toàn cầu đã tạo ra những cơ cấu ảo - nơi diễn ra các quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại. Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần các giải pháp hữu hiệu nhằm đảm bảo an toàn thông tin, chống lại các nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép v.v.. Việc tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp ta hiểu thêm về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn tạo ra những cơ hội phát triển mới. Giải pháp nào cho những vấn đề trên ? Trong một thời gian dài, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đã được đưa ra, trong đó giải pháp dùng mật mã được ứng dụng rộng rãi nhất. Các hệ mã đã được phát triển nhanh chóng và được ứng dụng rất phổ biến. Thông tin ban đầu sẽ được mã hoá thành các kí hiệu vô nghĩa, sau đó sẽ được lấy lại thông qua việc giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có nhiều hệ mã phức tạp và hiệu quả được sử dụng như DES, RSA, KNAPSACK... [4]. Trong khuôn khổ của luận văn tốt nghiệp này, chúng ta không nghiên cứu về các hệ mã mật mà chỉ tìm hiểu về một phương pháp đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Đó là phương pháp giấu tin (data hiding) - đây là phương pháp mới đang được xem như một công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, xác nhận thông tin và điều khiển truy cập, ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin. Giả sử ta có đối tượng cần bảo mật R (một văn bản, một tấm bản đồ hoặc một tệp âm thanh ...). Nếu dùng phương pháp mã hoá để bảo mật R ta sẽ thu được bản mật mã của R là R’ chẳng hạn. Thông thường, R’ mang những giá trị “vô nghĩa” và chính điều này làm cho đối phương nghi ngờ và Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan 10 tìm mọi cách thám mã. Ngược lại, nếu dùng phương pháp giấu R vào một đối tượng khác, một bức ảnh F chẳng hạn ta sẽ thu được bức ảnh F’ hầu như không sai khác với F. Sau đó chỉ cần gửi ảnh F’ cho người nhận. Để lấy ra bản tin R từ ảnh F’ ta không cần ảnh gốc F. Xem như vậy, khi đối phương bắt được tấm ảnh F’ nếu đó là ảnh lạ (ảnh cá nhân, ảnh phong cảnh của những nơi không nổi tiếng) thì khó nảy sinh nghi ngờ về khả năng chứa tin mật trong F’.
D­¬ng §øc H¶i Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi D­¬ng §øc H¶i Ngµnh: C«ng nghÖ th«ng tin nghiªn cøu vµ c¶i tiÕn mét sè kü thuËt giÊu th«ng tin trong m«i tr­êng ¶nh LuËn v¨n th¹c sü C«ng nghÖ th«ng tin Khãa: 2002 - 2004 Hµ Néi – N¨m 2004 Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi D­¬ng §øc H¶i nghiªn cøu vµ c¶i tiÕn mét sè kü thuËt giÊu th«ng tin trong m«i tr­êng ¶nh LuËn v¨n th¹c sü Khoa Häc Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ th«ng tin Ng­êi h­íng dÉn khoa häc: PGS.TS NguyÔn Ngäc Tr­êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ Néi Hµ Néi – N¨m 2004 B×nh Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải 2 danh môc c¸c ch÷ viÕt t¾t Số TT Từ viết tắt Từ đầy đủ 1 BMP Bitmap 2 CPT Chen – Pan – Tseng 3 DCT Discrete Cosine Transformation 4 DES Data Encryption Standard 5 EOF End Of File 6 GIF Graphics Interchanger Format 7 HAS Human Auditory System 8 HVS Human Vision System 9 JPEG Joint Photograph Expert Group 10 LSB Least Significant Bit 11 RSA Rivets - Shamir - Adleman 12 RLC Run Length Coding 13 TIFF Targed Image File Format C¸c danh môc 3 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải danh môc c¸c b¶ng Số TT Bảng 1 1.1 Phân biệt giữa Steganography với Watermark 18 2 1.2 Một số kiểu tấn công điển hình 26 3 2.1 Header của ảnh Bitmap 35 4 2.2 Palette của ảnh Bitmap 36 5 2.3 Sự khác nhau giữa giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh mầu 37 6 2.4 Số bit biểu diễn một điểm ảnh của một số loại ảnh 40 7 3.1 Số bit biểu diễn một điểm ảnh của một số loại ảnh 57 8 3.2 Kết quả thực nghiệm giấu tin bằng kỹ thuật DCT (không nén JPEG) 71 9 3.3 Kết quả thực nghiệm giấu tin bằng kỹ thuật DCT (có nén JPEG) 71 10 4.1 So sánh hiệu quả của hai giải thuật cài đặt 95 11 5.1 So sánh hệ DataHiding & hệ The Third Eye 99 Tên bảng Trang C¸c danh môc 4 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải danh môc c¸c h×nh vÏ Số TT Hình 1 1.1 Phân cấp các lĩnh vực nghiên cứu của mật mã học 10 2 1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin theo hai khuynh hướng nghiên cứu chính 13 3 1.3 Lược đồ chung cho quá trình giấu thông tin 18 4 1.4 Lược đồ của quá trình giải mã thông tin 19 5 1.5 Ứng dụng bảo vệ bản quyền tác giả 20 6 1.6 Ứng dụng nhận thực thông tin 21 7 1.7 Ứng dụng trong phân phối sản phẩm 21 8 2.1 Bảng mầu cơ sở của Paint Shop Pro đã sắp thứ tự 32 9 2.2 Phương pháp quét dòng liên tiếp 32 10 2.3 Phương pháp quét dải các dòng liên tiếp 32 11 2.4 So sánh ảnh mầu gốc và ảnh đã giấu tin 37 12 2.5 So sánh ảnh đen trắng gốc và ảnh đã giấu tin 38 13 2.6 Minh họa bit LSB của ảnh 256 mầu 41 14 2.7 Phối mầu RGB 42 15 3.1 Kỹ thuật giấu tin trong khối bit 46 16 3.2 Kỹ thuật giấu tin trên đường biên ảnh 47 17 3.3 Phương thức tính hệ số phân bố bit 48 18 3.4 Quan hệ láng giềng của các điểm ảnh trong khối bit 49 19 3.5 Minh họa phép AND giữa các cặp bit của hai ma trận 50 20 3.6 Minh họa phép XOR giữa các cặp bit của hai ma trận 50 21 3.7 Minh họa ma trận ảnh và ma trận khóa 52 22 3.8 Một số phương pháp trượt ma trận khóa trên các khối ảnh 53 23 3.9 Minh họa một ma trận ảnh, ma trận khóa và ma trận trọng số 54 24 3.10 Minh họa phép hai ma trận 55 25 3.11 Minh họa bit LSB 58 26 3.12 Minh họa kỹ thuật giấu tin vào các điểm LSB 59 Tên hình Trang C¸c danh môc 5 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải Số TT Hình 27 3.13 Giải thuật nhúng tin bằng kỹ thuật DCT 68 28 3.14 Giải thuật giải tin bằng kỹ thuật DCT 69 29 4.1 Thuật toán giấu tin trực tiếp vào điểm ảnh 77 30 4.2 Thuật toán giải tin theo phương pháp giấu trực tiếp vào điểm ảnh 78 31 4.3 Thuật toán CPT áp dụng cho ảnh mầu và ảnh đa cấp xám 79 32 4.4 Thuật toán giải tin theo CPT 80 33 4.5 Sơ đồ phân cấp chức năng của ứng dụng DataHiding 84 34 4.6 Giao diện chính của ứng dụng DataHiding 84 35 4.7 Giao diện lựa chọn thông số giấu tin theo phương pháp giấu trực tiếp vào điểm ảnh. 85 36 4.8 Giao diện lựa chọn giấu tin theo phương pháp CPT 86 37 4.9 Giao diện lựa chọn giải tin 87 38 4.10 Giao diện giới thiệu về ứng dụng 87 39 4.11 Giao diện thông báo giấu tin thành công 87 40 4.12 Giao diện thông báo giải tin thành công 87 41 4.13 Một số thông báo lỗi điển hình của ứng dụng 88 42 4.14 Ảnh kết quả thực nghiệm giấu 2.69 MB thông tin vào ảnh Text 24 bit mầu. 89 43 4.15 Kết quả thực nghiệm giấu 2.69MB thông tin vào ảnh 24 bit mầu 89 44 4.16 So sánh các ảnh gốc và ảnh đã giấu tin bằng cách Zoom 400% 90 45 4.17 Kết quả thực nghiệm giấu 74KB thông tin vào ảnh 8 bit mầu 90 46 4.18 Kết quả thực nghiệm giấu 105KB thông tin vào ảnh 8 bit mầu 90 47 4.19 Kết quả giấu ảnh hoa hồng 24 bit mầu vào ảnh đa cấp xám 91 48 4.20 So sánh ảnh hoa hồng trước khi giấu và sau khi được giải tin từ ảnh đa cấp xám 91 Tên hình Trang C¸c danh môc 6 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải Số TT Hình 49 4.21 Kết quả thực nghiệm giấu 352 byte thông tin vào ảnh 24bit mầu 91 50 4.22 Kết quả thực nghiệm giấu 317 byte thông tin vào ảnh 8bit mầu 92 51 4.23 Kết quả thực nghiệm giấu 317 byte thông tin vào ảnh đa cấp xám 92 52 4.24 Kết quả thực nghiệm giấu 317 byte thông tin vào ảnh đen trắng. 92 53 4.25 Các ảnh gốc dùng trong thực nghiệm dung lượng giấu tin 93 54 4.26 Kết quả thực nghiệm dung lượng giấu tin 93 55 5.1 Kết quả thực nghiệm so sánh hệ DataHiding và The Third Eye 99 Tên hình Trang C¸c danh môc 1 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải môc lôc Nội dung Trang Môc lôc 1 Danh môc c¸c tõ viÕt t¾t 2 Danh môc c¸c b¶ng 3 Danh môc c¸c h×nh vÏ 6 Më ®Çu 7 Ch­¬ng1. Tæng quan vÒ c¸c ph­¬ng ph¸p b¶o mËt th«ng tin 9 1.1. S¬ l­îc vÒ lÞch sö giÊu tin 10 1.2. Định nghĩa vµ ph©n lo¹i 11 1.3. M« h×nh c¬ b¶n cña kü thuËt giÊu tin 18 1.4. Nh÷ng øng dông c¬ b¶n cña giÊu tin 20 1.5. GiÊu th«ng tin trong d÷ liÖu ®a ph­¬ng tiÖn 22 1.6. §é an toµn cña mét hÖ thèng giÊu tin 25 1.7. C¸c tÊn c«ng vµ biÖn ph¸p kh¨c phôc cña kü thuËt giÊu tin 26 Ch­¬ng 2. Mét sè vÊn ®Ò c¬ b¶n vÒ giÊu th«ng tin trong ¶nh 27 2.1. GiÊu th«ng tin trong ¶nh, nh÷ng ®Æc tr­ng vµ tÝnh chÊt 27 2.2. BiÓu diÔn ¶nh trªn m¸y tÝnh 29 2.3. GiÊu th«ng tin trong ¶nh ®en tr¾ng, ¶nh mÇu vµ ¶nh ®a cÊp x¸m 36 2.4. Mét sè tiªu chÝ ®¸nh gi¸ kü thuËt giÊu th«ng tin trong ¶nh sè 38 2.5. C¸c kü thuËt xö lý ®iÓm ¶nh 40 2.6. §¸nh gi¸ mét sè hÖ giÊu tin trong ¶nh 43 Ch­¬ng 3. Mét sè thuËt to¸n giÊu tin trong ¶nh 45 3.1. ThuËt to¸n giÊu th«ng tin trong khèi bit 45 3.2. ThuËt to¸n thay thÕ bit cã träng sè thÊp nhÊt LSB ( Least Significant Bit) 57 3.3. Một số kỹ thuật giấu tin khác 64 3.4. C¸c h¹n chÕ cña kü thuËt giÊu tin 73 Ch­¬ng 4. TriÓn khai øng dông 74 4. 1. Giíi thiÖu 74 4. 2. Lùa chän c«ng cô vµ thuËt to¸n 76 4.3. Cµi ®Æt øng dông 77 4. 4. KÕt qu¶ thö nghiÖm 88 4. 5. C¸c kÕt luËn dùa trªn kÕt qu¶ thö nghiÖm 95 Ch­¬ng 5. Tæng kÕt vµ ®¸nh gi¸ 97 5.1. C¸c vÊn ®Ò ®· gi¶i quyÕt ®­îc 97 5.2. §¸nh gi¸ néi dung ®· thùc hiÖn 98 5.3. H­íng ph¸t triÓn cña ®Ò tµi 99 Tµi liÖu tham kh¶o 101 Phô lôc 104 Môc lôc 7 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải Më ®Çu Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số v.v.. đã thúc đẩy khả năng sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện (multimedia data). Mạng Internet toàn cầu đã tạo ra những cơ cấu ảo - nơi diễn ra các quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại…Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần các giải pháp hữu hiệu nhằm đảm bảo an toàn thông tin, chống lại các nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép v.v.. Việc tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp ta hiểu thêm về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn tạo ra những cơ hội phát triển mới. Nhiệm vụ của luận văn này là tìm hiểu và trình bầy một số kỹ thuật giấu thông tin mật trong môi trường ảnh tĩnh, một trong những giải pháp hiện đang được quan tâm để đảm bảo an toàn thông tin trên mạng nói riêng và trong lĩnh vực bảo mật thông tin nói chung. Luận văn chia thành 5 chương: Chương 1. Tổng quan về các phương pháp bảo mật thông tin Giới thiệu tổng quan về lĩnh vực giấu tin trong ảnh: từ lịch sử phát triển đến những phương pháp giấu tin đang ứng dụng hiện nay. Chương này cũng nêu các định nghĩa, phân loại, mô hình và những ứng dụng cơ bản của các kỹ thuật giấu tin. Xem xét đánh giá độ an toàn, các tấn công với các hệ giấu tin và một số biện pháp khắc phục các tấn công. Chương 2. Một số vấn đề cơ bản về giấu thông tin trong ảnh Đề cập tới những kiến thức cơ bản liên quan đến các kỹ thuật giấu tin trong ảnh như: hệ thống thị giác người và các mô hình màu cho ảnh; Các kỹ thuật biểu diễn ảnh trên máy tính và một số định dạng ảnh thông dụng; Các kỹ thuật xử lý điểm ảnh; Xem xét đánh giá một số hệ giấu tin trong ảnh... Më ®Çu Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải 8 Chương 3. Một số thuật toán giấu tin trong ảnh Nghiên cứu và trình bày một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh: Giấu thông tin trong khối bít; Thay thế bit có trọng số thấp nhất; Giấu thông tin trên miền tần số; Thông qua nghiên cứu các thuật toán đưa ra một số các hạn chế của các kỹ thuật giấu tin trong môi trường ảnh. Chương 4. Triển khai ứng dụng Trình bầy thiết kế và cài đặt một hệ giấu tin trong ảnh dựa trên việc cải tiến hai thuật toán CPT và LSB. Các kết quả và đánh giá dựa trên kết quả thử nghiệm của hệ nhằm ứng dụng vào giải quyết một bài toán thực tế: Chuyển phát đề thi. Chương 5. Tổng kết và đánh giá Nêu các nhận xét, các kết quả đã thực hiện được và phương hướng phát triển của đề tài. Tác giả luận văn bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Ngọc Bình – Người thầy đã chỉ ra hướng đi đúng, đã tận tình hướng dẫn để tác giả hoàn thành luận văn. Tác giả chân thành cảm ơn các Thầy Cô, bè bạn và người thân đã động viên và giúp đỡ trong suốt qua trình nghiên cứu, triển khai đề tài. Vì trình độ có hạn, luận văn không thể tránh khỏi những sai sót. Tác giả kính mong nhận được những góp chân thành để luận văn ngày một hoàn thiện. Hà Nội, tháng 11 năm 2004 Më ®Çu 9 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải ch­¬ng 1. giíi thiÖu Tæng quan Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số v.v.. đã thúc đẩy khả năng sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện (multimedia data). Mạng Internet toàn cầu đã tạo ra những cơ cấu ảo - nơi diễn ra các quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại. Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần các giải pháp hữu hiệu nhằm đảm bảo an toàn thông tin, chống lại các nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép v.v.. Việc tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp ta hiểu thêm về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn tạo ra những cơ hội phát triển mới. Giải pháp nào cho những vấn đề trên ? Trong một thời gian dài, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đã được đưa ra, trong đó giải pháp dùng mật mã được ứng dụng rộng rãi nhất. Các hệ mã đã được phát triển nhanh chóng và được ứng dụng rất phổ biến. Thông tin ban đầu sẽ được mã hoá thành các kí hiệu vô nghĩa, sau đó sẽ được lấy lại thông qua việc giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có nhiều hệ mã phức tạp và hiệu quả được sử dụng như DES, RSA, KNAPSACK... [4]. Trong khuôn khổ của luận văn tốt nghiệp này, chúng ta không nghiên cứu về các hệ mã mật mà chỉ tìm hiểu về một phương pháp đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Đó là phương pháp giấu tin (data hiding) - đây là phương pháp mới đang được xem như một công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, xác nhận thông tin và điều khiển truy cập, ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin. Giả sử ta có đối tượng cần bảo mật R (một văn bản, một tấm bản đồ hoặc một tệp âm thanh ...). Nếu dùng phương pháp mã hoá để bảo mật R ta sẽ thu được bản mật mã của R là R’ chẳng hạn. Thông thường, R’ mang những giá trị “vô nghĩa” và chính điều này làm cho đối phương nghi ngờ và ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan 10 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải tìm mọi cách thám mã. Ngược lại, nếu dùng phương pháp giấu R vào một đối tượng khác, một bức ảnh F chẳng hạn ta sẽ thu được bức ảnh F’ hầu như không sai khác với F. Sau đó chỉ cần gửi ảnh F’ cho người nhận. Để lấy ra bản tin R từ ảnh F’ ta không cần ảnh gốc F. Xem như vậy, khi đối phương bắt được tấm ảnh F’ nếu đó là ảnh lạ (ảnh cá nhân, ảnh phong cảnh của những nơi không nổi tiếng) thì khó nảy sinh nghi ngờ về khả năng chứa tin mật trong F’. Như vậy, sự khác biệt giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mức độ lộ liễu của đối tượng mang tin mật. Nếu ta phối hợp hai phương pháp trên thì mức độ lộ liễu được giảm đến mức tối đa, đồng thời độ an toàn cũng được nâng cao. Chẳng hạn, ta có thể mã hoá R thành R’ sau đó mới giấu R’ vào ảnh F để thu được ảnh F’. Tóm lại, giấu thông tin và hệ mã mật có quan hệ mật thiết với nhau, cùng xây dựng nên một hệ thống an toàn và bảo mật thông tin. Cryptology Ngành mật mã Cryptography Mật mã Steganography Giấu tin mật Hình 1.1. Phân cấp các lĩnh vực nghiên cứu của mật mã học. 1.1. Sơ lược về lịch sử giấu tin Từ Steganography bắt nguồn từ Hi Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, nó có nghĩa là tài liệu được phủ (covered writing) hoặc viết bí mật. 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. ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan 11 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải Một câu chuyện khác về thời Hy-Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại. Môi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong. Demeratus, một người Hy-Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hy-Lạp. Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại các viên thuốc bằng một lớp sáp mới. Những viên thuốc được để ngỏ và lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng. Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài. Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường. Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm màu và có thể đọc dễ dàng. Mực không màu cũng được sử dụng rất gần đây, như trong thời gian chiến tranh Thế giới 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 và các viện công nghệ thông tin với hàng loạt công trình nghiên cứu giá trị. Cuộc cách mạng số hoá thông tin và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi này. Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đã sinh ra nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép... 1.2. Định nghĩa và phân loại 1.2.1. Các định nghĩa [18] Định nghĩa 1: Giấu thông tin Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác Kỹ thuật giấu thông tin chủ yếu hướng vào hai mục đích sau đây: 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. ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan 12 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải 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 làm người khác khó phát hiện được một đối tượng có được giấu tin bên trong hay không. Khuynh hướng thứ hai là thuỷ vân số (watermark). Khuynh hướng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có rất nhiều kỹ thuật thuộc về khuynh hướng này. Thuỷ vân số tập trung vào việc sử dụng kỹ thuật giấu tin, dùng thông tin giấu để bảo vệ sản phẩm thông tin số như ảnh, audio hay video. Nổi bật nhất là ứng dụng trong bảo vệ bản quyền. Định nghĩa 1 mang tính tổng quát về giấu tin. Xét riêng trong kỹ thuật giấu tin mật, những định nghĩa sau đây cụ thể hơn và được chia theo các hệ giấu tin mật. Theo đó, các hệ thống giấu tin mật có thể chia thành ba loại như: Định nghĩa 2: Giấu tin thuần tuý (Pure Steganography) Một bộ 4 σ(C,M,D,E), trong đó C là tập các phương tiện chứa thông tin cần giấu, M là tập thông điệp cần giấu với |C|≥|M|, E: C×M → C là một hàm nhúng thông điệp M vào phương tiện chứa C và D: C → M là hàm giải tin sao cho D(E(c,m)) = m với mọi m ∈ M, c ∈ C được gọi là một hệ Pure Steganography. Định nghĩa 3: Giấu tin dùng khoá bí mật (Secret key Steganography) Một bộ 5 σ(C,M,K,Dk,Ek), trong đó C là tập các phương tiện chứa thông tin cần giấu, M là tập thông điệp cần giấu với |C|≥|M|, K là một tập khoá bí mật, Ek: C×M×K → C là một hàm nhúng thông điệp M vào phương tiện chứa C sử dụng khoá K và Dk: C × K→ M là hàm giải tin sao cho Dk(Ek(c,m,k),k) = m với mọi m ∈ M, c ∈ C và k ∈ K được gọi là một hệ Secret Key Stegangraphy Định nghĩa 4: Giấu tin dùng khoá công khai (Public Key Steganography) Giống như là hệ mã mật khoá công khai, hệ giấu tin mật khoá công khai không sử dụng việc truyền khoá bí mật mà sử dụng hai khoá là khoá bí mật và khoá công khai. Khoá công khai được lưu trong cơ sở dữ liệu công cộng. Được sử dụng trong quá trình giấu tin. Còn khoá bí mật được sử dụng trong quá trình giải tin. ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải 13 1.2.2. Phân loại kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu thông tin số mới được hình thành trong thời gian gần đây nên xu hướng phát triển vẫn chưa ổn định. Nhiều phương pháp mới, theo nhiều khía cạnh khác nhau đang và sẽ được đề xuất, bởi vậy một định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chưa thể có được. Một số tác giả đã đưa ra các cách đánh giá phân loại và các định nghĩa, nhưng không lâu sau lại có các định nghĩa khác, một sự phân loại khác được đề xuất. Sơ đồ phân loại trên hình 1.2 được Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm 1999 [10]. Infomation hiding Giấu thông tin Watermarking Thuỷ vân số Steganography Giấu tin mật Intrinsic Giấu tin có xử lý Pure Giấu tin đơn thuần Robust Copyright marking Thuỷ vân bền vững Imperceptible Watermarking Thuỷ vân ẩn Fragile Watermarking Thuỷ vân “dễ vỡ” Visible Watermarking Thuỷ vân hiển Hình 1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin theo hai khuynh hướng nghiên cứu chính Sơ đồ phân loại này như một bức tranh khái quát về kỹ thuật giấu thông tin. Dựa trên việc thống kê sắp xếp khoảng 100 công trình đã công bố trên một số tạp chí, cùng với thông tin về tên và tóm tắt nội dung của khoảng 200 công trình công bố trên Internet, có thể chia lĩnh vực giấu dữ liệu ra làm hai hướng lớn, đó là watermarking và steganography. Nếu như watermark quan tâm nhiều đến các ứng dụng giấu các mẩu tin ngắn nhưng đòi hỏi độ bền vững cao của thông tin cần giấu đối với các biến đổi thông thường của tệp dữ liệu môi trường thì steganography lại quan tâm tới các ứng dụng che giấu các bản tin với độ mật và dung lượng càng lớn càng tốt. Đối với từng hướng lớn này, quá trình phân loại có thể tiếp tục theo các tiêu ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan 14 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải chí khác, ví dụ dựa theo ảnh hưởng các tác động từ bên ngoài có thể chia watermark thành hai loại, một loại bền vững với các tác động sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hoàn toàn đối lập: phải dễ bị phá huỷ trước các tác động nói trên. Cũng có thể chia watermark theo đặc tính, một loại cần được che giấu để chỉ có một số những người tiếp xúc với nó có thể thấy được thông tin, loại thứ hai đối lập, cần được mọi người nhìn thấy . 1.2.2.1. Thủy vân (Watermark) Thủy vân là một lượng thông tin nhỏ được nhúng vào một sản phẩm số nhằm đảm bảo an toàn dữ liệu cho sản phẩm đó như trong những ứng dụng chứng thực thông tin, bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc...Trong thực tế, thủy vân thường là một Logo, thông tin tác giả, mã sản phẩm... Những đặc trưng quan trọng của watermark là khả năng bền vững sau các biến dạng thông thường của môi trường, khả năng chống lại sự tấn công, có thể cùng tồn tại với những watermark khác và yêu cầu một thuật toán tốt theo nghĩa độ phức tạp tính toán nhỏ, nhất là giai đoạn khôi phục thông tin. Sự quan trọng tương đối của những đặc trưng này nói chung phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể. Sau đây là các tính chất chung của watermark. - Tính vô hình (Invisibility): watermark phải không gây ra bất kỳ sự chú ý nào cũng như không làm giảm chất lượng của tệp dữ liệu môi trường. Đặc biệt, dữ liệu watermark trước và sau quá trình nhúng và giải tin phải giống nhau. - Tính bền vững (Robust): Những tệp âm thanh, hình ảnh và video vì lý do nào đó có thể được biến đổi theo một phép xử lý số. Ví dụ như việc thay đổi độ tương phản các tệp video, điều chỉnh âm sắc cho các tệp âm thanh...một watermark phải đủ bền vững trước những biến đổi thông thường như vậy. Tính bền vững được thể hiện: watermark vẫn còn hiện hữu trong dữ liệu sau các biến dạng thông thường và các công cụ đọc watermark có thể phát hiện ra nó dễ dàng. - Tính dễ vỡ (Fragility): Trong một số ứng dụng, thủy vân cần đến đặc trưng ngược với bền vững đó là “dễ vỡ”, tính dễ vỡ thể hiện qua sự thay đổi, biến dạng của thủy vân dưới tác động của một phép biến đổi nào đó. Ví dụ các watermark trong cổ phiếu, tiền hay hóa đơn và các giấy tờ quan trọng phải được phá hủy trong mọi bản sao bất hợp lệ. Thuộc tính này của watermark gọi là tính dễ vỡ. ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan 15 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải - Khả năng chống giả mạo (Tamper – resistance): Đây là khả năng tồn tại của thủy vân trước mọi dự định nhằm loại bỏ và thay thế chúng, ngoài nghĩa bền vững chống lại những sự biến dạng tín hiệu trong các xử lý bình thường. Tuy nhiên, đây là một yêu cầu khó khăn vì một tấn công được coi là đạt hiệu quả khi loại bỏ watermark mà không thay đổi chất lượng của dữ liệu vỏ. - Phụ thuộc khóa (Key restrictions): Đây là sự phân biệt theo giới hạn khả năng truy cập. Các giải thích, thông báo mô tả trong watermark phải sẵn sàng được phát hiện bởi càng nhiều cơ chế dò tìm watermark càng tốt. Ngược lại, những watermark phục vụ mục đích riêng tư như chữ ký số, đánh giấu bản quyền... lại cần được che đậy ở một mức nhất định nào đó. Người ta phân biệt sự khác nhau đó bởi mức độ giới hạn của khóa và phân chia watermark thành watermark khóa không giới hạn và watermark khóa hạn chế. Đương nhiên một giải thuật khóa không giới hạn phải kháng cự trước một sự tấn công quyết liệt hơn một giải thuật khóa hạn chế. - Biến thể và watermark kép (Modification and Multiple watermark): trong đa số các ứng dụng cần thiết phải có sự phân biệt giữa dữ liệu có chứa watermark và dữ liệu không chứa watermark. Lỗi phát hiện sai của hệ thống dò tìm watermark là sác xuất mà nó xác định nhầm dữ liệu không chứa watermark thành có chứa watermark. Mức độ nghiêm trọng của lỗi như vậy phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể. Trong một số ứng dụng, lỗi này có thể là thảm họa, ví dụ trong việc điều khiển trong việc chống sao chép cho đĩa DVD; thiết bị sẽ từ chối chơi Video từ một đĩa nó tìm thấy một watermark nói rằng dữ liệu không được phép sao chép. Những lỗi như vậy hiếm khi xảy ra, tuy nhiên nếu có, nó sẽ để lại một ảnh hưởng nghiêm trọng tới thị trường của các nhà sản xuất và phát hành. Những dự chi ngân sách hàng triệu USD đang được dành cho các công ty thiết kế phương pháp watermark có xác suất sai nhầm nhỏ. - Chi phí tính toán (Computational cost): Chi phí này xảy ra trong cả quá trình nhúng và phát hiện watermark. Tuy nhiên, chi phí của phát hiện watermark thường quan trọng hơn, đặc biệt là việc phát hiện ra watermark trong các ứng dụng Video thời gian thực hoặc âm thanh. - Tính tiêu chuẩn (Standards): Trong công nghệ watermark có những ứng dụng cần được tiêu chuẩn hóa để sử dụng được trong phạm vi toàn cầu, ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan 16 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải ví dụ tiêu chuẩn cho watermark DVD. Hệ thống bảo vệ chống sao chép dựa vào watermark được tích hợp ngay vào thiết bị đọc đĩa. - Độ tin cậy (Reliability): Thiết bị cứng hoặc phần mềm có khả năng phát hiện thông tin che giấu được gọi là bộ dò tìm. Gọi “lỗi phát hiện sai ” là xác suất phát hiện sai nhầm các thông tin che giấu. Thống kê cho thấy các bộ dò tìm thường mắc phải các lỗi sau: + Bộ dò tìm phát hiện thấy tín hiệu watermark trong một môi trường không giấu thông tin. Người ta nói bộ dò tìm có lỗi sai dương tính (false positive error). + Ngược lại với trường hợp nói trên, nếu bộ dò tìm không phát hiện được tín hiệu watermark trong một môi trường có giấu thông tin. Người ta nói bộ dò tìm có lỗi sai âm tính (false negative error). + Trường hợp phát hiện được tín hiệu watermark nhưng sai nội dung người ta nói bộ dò tìm có lỗi sai bit. Một bộ dò tìm được gọi là có độ tin cậy cao nếu như nó ít mắc phải các lỗi trên đây. 1.2.2.2. Giấu tin mật (Steganography) Steganography – giấu một thông tin vào một thông tin khác. Đó là một phương pháp phần nào tương tự với truyền thông qua kênh thông tin bí mật, truyền thông an toàn bằng kỹ thuật trải phổ...một thông báo được mã hóa có thể gây ra sự hoài nghi trong khi một thông tin được giấu thì tránh được điều đó. Steganography vừa là nghệ thuật vừa là khoa học của truyền thông bí mật. Khác với mật mã nơi mà người thám mã có được bản mã và có thể giải mã, mục đích của Steganography là che giấu những thông điệp bên trong những thông tin khác mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của thông tin gốc; và bằng một cách thức nào đó sao cho người không có thẩm quyền không thể phát hiện hoặc phá hủy chúng. Steganography có các đặc điểm sau: - Dung lượng giấu tin (Hiding Capacity): Khả năng giấu tin được đánh giá theo mối liên quan giữa lượng thông tin có thể giấu với kích thước ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan 17 Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải của dữ liệu môi trường. Dung lượng thông tin giấu phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. - Tính trong suốt đối với tri giác (Perceptual Transparency): Việc giấu thông tin vào ảnh nguồn gây ra một số nhiễu trên ảnh nguồn. Điều này có thể giải thích như sau: việc giấu thông tin được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị một số các bít không quan trọng, điều này có thể gây ra một chút nhiễu cho ảnh môi trường. Nếu môi trường ban đầu hoàn toàn không có nhiễu thì việc giấu tin coi như thất bại, ngược lại các nhiễu được tạo ra sau khi giấu thông tin sẽ không phân biệt được với các nhiễu vốn có sẵn của môi trường, chính tính trong suốt được thể hiện ở điểm này. - Tính bền vững (Robust): Tính bền vững thể hiện qua việc các thông tin giấu không bị thay đổi khi ảnh môi trường bị tác động bởi các phép xử lý ảnh như: + Các phép lọc tuyến tính, lọc phi tuyến. + Phép cộng nhiễu. + Các phép làm sắc nét hoặc làm mờ. + Phép biến đổi tỉ lệ. + Phép quay ảnh. + Phép nén có mất thông tin. + Các phép chuyển đổi từ ảnh số sang ảnh tương tự và ngược lại (chẳng hạn việc in một ảnh có giấu thông tin sau đó dùng máy quét ảnh để quét lại ảnh đó). Tính bền vững rất quan trọng trong việc bảo vệ bản quyền watermark vì người vi phạm bản quyền sẽ tìm cách lọc và hủy bỏ các watermark được nhúng trong ảnh. Hiện đã có các phần mềm chống lại watermark thực hiện việc loại bỏ các watermark một cách có hiệu quả [12,20] thậm chí kỹ thuật này còn có thể loại bỏ được cả những thông tin nhúng trong ảnh. - Khả năng chống giả mạo (Tamper - resistance): Khả năng chống giả mạo nói tới sự khó khăn khi đối phương định thay thế hoặc làm giả mạo một thông tin nhúng trong ảnh, chẳng hạn khi người vi phạm bản quyền thay thế một giấu bản quyền của người khác bằng một quyền sở hữu hợp lệ của ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan Luận văn tốt nghiệp cao học Dương Đức Hải 18 mình. Một ứng dụng đòi hỏi có tính bền vững cao thường cũng đòi hỏi khả năng mạnh chống tính giả mạo. - Một số đặc điểm khác: kỹ thuật giấu tin còn một số đặc điểm khác, chẳng hạn việc mã hóa và giải mã đòi hỏi tính toán phức tạp. Ngoài ra một số đặc điểm còn tùy theo các yêu cầu đối với từng ứng dụng độc lập. 1.2.2.3. Những khác biệt giữa Steganography với Watermarking Bảng 1.1. Phân biệt giữa Steganography và Watermarking Steganography Watermarking - Tập trung vào việc giấu được càng - Không cần giấu nhiều thông tin, chỉ nhiều thông tin càng tốt, ứng dụng trong cần lượng thông tin nhỏ đặc trưng cho truyền dữ liệu thông tin mật. bản quyền của người sở hữu. - Cố gắng làm nhỏ nhất những ảnh - Trong trường hợp thuỷ vân nhìn thấy hưởng đến chất lượng của đối tượng vỏ thì thuỷ vân sẽ hiện ra. để không bị chú ý đến dữ liệu đã được giấu trong đó. - Thay đổi stego-object cũng làm cho - Thuỷ vân phải bền vững với mọi tấn dữ liệu giấu bị sai lệch (nhất là ứng dụng công có chủ đích hoặc không có chủ đích vào sản phẩm. trong nhận thực thông tin) 1.3. Mô hình cơ bản của kỹ thuật giấu tin Mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản được trình bày trên hai hình vẽ sau: M I S E   K Hình 1.3. Lược đồ chung cho quá trình giấu thông tin Hình 1.3 biểu diễn quá trình giấu thông tin cơ bản. Phương tiện chứa bao gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như văn bản, ảnh, audio, video…, dữ liệu giấu là một lượng thông tin mang ý nghĩa nào đó, tuỳ 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, ch­¬ng 1. giíi thiÖu tæng quan
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan