Tài liệu Nghiên cứu và xây dựng chương trình phát hiện ảnh có giấu tin mật bằng phương pháp phân tích độ lệch chuẩn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ LAN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN MẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ LỆCH CHUẨN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2013 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ LAN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN MẬT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ LỆCH CHUẨN Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH M· sè: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Ngêi híng dÉn khoa häc: TS. Nguyễn Ngọc Cương THÁI NGUYÊN - 2013 i 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 trí và các trang website theo danh mục tài liệu của luận văn. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Lan Phương ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn tất một luận văn thạc sĩ yêu cầu sự tập trung, sự cố gắng và độc lập nghiên cứu. Bản thân tôi sau những năm tháng học tập vất vả và nghiên cứu cũng đã cố gắng để hoàn thành được luận văn này. Tôi luôn ghi nhận những sự đóng góp giúp đỡ nhiệt tình của những người bên cạnh mình, sự ủng hộ, sự hỗ trợ của bố mẹ bạn bè giúp tôi có thêm động lực để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, nhân đây tôi muốn gửi lời cảm ơn nhất tới họ. Lời cảm ơn trân trọng đầu tiên tôi muốn dành tới TS Nguyễn Ngọc Cương, đã hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn, nhờ sự định hướng của thầy giúp tôi tự tin nghiên cứu những vấn đề mới và giải quyết bài toán một cách khoa học. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường đại học công nghệ thông tin, Đại học Thái nguyên, khoa CNTT đã tạo các điều kiện cho chúng tôi được học tập và làm khóa luận một cách thuận lợi. Lời cảm ơn sâu sắc muốn được gửi tới các thầy cô giáo đã dạy dỗ và mở ra cho chúng tôi thấy chân trời tri thức mới, hướng dẫn chúng tôi cách khám phá và làm chủ công nghệ mới. Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể lớp CHK10D-KHMT đã cùng tôi đi qua những tháng ngày miệt mài học tập, cùng chia sẻ những niềm vui nỗi buồn, động viên tôi đi qua những khó khăn, để tôi vững bước vượt qua những vất vả, quyết tâm hoàn thành luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn bố mẹ, người đã mang tới tất cả niềm tin, định hướng và theo dõi tôi suốt chặng đường đời. Nâng đỡ tôi và đến bên tôi những giây phút khó khăn nhất của cuộc sống. Tuy nhiên do thời gian có hạn, mặc dù đã nỗ lực cố gắng hết mình nhưng chắc rằng luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự chỉ bảo, góp ý tận tình của Quý thầy cô và các bạn. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................ii MỤC LỤC........................................................................................................................iii DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU...............................................................................................vi MỞ ĐẦU............................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................1 2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu...............................................................................2 3. Nội dung của luận văn...............................................................................................2 4. Cấu trúc của luận văn...............................................................................................2 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH....................3 1.1 Một số khái niệm cơ bản về giấu tin.......................................................................3 1.1.1 Sơ lược về lịch sử giấu tin....................................................................................3 1.1.2 Khái niệm giấu tin................................................................................................4 1.2. Các mô hình giấu tin cơ bản..................................................................................4 Mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản được mô tả theo 2 hình vẽ sau:........................4 1.2.1. Giấu tin trên ảnh tĩnh..........................................................................................5 1.2.2 Giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh màu, ảnh đa cấp xám.....................7 1.2.3 Cấu trúc ảnh bitmap...........................................................................................10 1.3. Các kỹ thuật giấu tin điển hình............................................................................13 1.3.1 Giấu tin mật trong khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1...................13 1.3.2. Kỹ thuật giấu tin WU_LEE...............................................................................17 1.3.3. Kỹ thuật giấu tin YUAN_PAN_TSENG.............................................................21 1.3.4. Kỹ thuật gài vào các bit có trọng số thấp (LSB).............................................28 1.4. Phương pháp đánh giá độ an toàn của một lược đồ giấu tin..............................28 TỔNG KẾT CHƯƠNG 1................................................................................................29 Chương 2: CÁC KỸ THUẬT PHÁT HIỆN TRONG ẢNH SỐ CÓ GIẤU TIN MẬT....30 2.1. Phương pháp phát hiện trong ảnh số có giấu tin mật.........................................30 2.2. Phân loại phương pháp phát hiện ảnh giấu tin...................................................30 2.2.1. Phương pháp phát hiện theo trực quan............................................................31 2.2.2. Phân tích theo thống kê.....................................................................................31 2.2.3. Phân tích định dạng ảnh...................................................................................31 2.3. Cơ sở toán học của kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin theo phương pháp thống kê. 32 2.3.1. Các khái niệm....................................................................................................32 iv 2.3.2. Các định lý.........................................................................................................41 2.4. Các kỹ thuật phát hiện trong ảnh số có chứa tin mật dựa trên phương pháp thống kê. .42 2.4.1. Kỹ thuật phân tích cặp giá trị điểm ảnh...........................................................42 2.4.2. Kỹ thuật phân tích đối ngẫu..............................................................................44 2.4.3. Phát hiện trong ảnh có giấu tin mật bằng phương pháp phân tích “độ lệch chuẩn”. .49 Chương 3: CÀI ĐẶT, THỬ NGHIỆM CHƯƠNG TRÌNH PHÁT HIỆN THÔNG TIN ẨN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘ LỆCH CHUẨN....................................53 3.1. Môi trường cài đặt................................................................................................53 3.2. Thuật toán chương trình.......................................................................................54 3.3. Thử nghiệm thuật toán.........................................................................................55 3.4. Một số giao diện của chương trình......................................................................56 KẾT LUẬN......................................................................................................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................59 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Từ trái qua phải: Mặt nạ, văn bản, thông điệp được truyền bí mật trong văn bản ...........................................................................................................................................3 Hình 1.2.1a: Lược đồ quá trình giấu tin.......................................................................4 Hình 1.2.1b: Lược đồ cho quá trình giải mã................................................................5 Hình 1.3: Cân nhắc giữa chất lượng, dung lượng và tính bền vững.........................8 Hình 1.4a: Ví dụ về ảnh đen trắng..............................................................................10 Hình 1.4b: Ví dụ về ảnh đa cấp xám...........................................................................10 Hình 1.5: Ví dụ về ảnh màu.........................................................................................11 Hình 1.6. Khối B kích thước K = 4 x 4, khối B có 8 bit 1.........................................15 Hình 1.7 Thay đổi bit trong khối B.............................................................................15 Hình 2.7. Bảng giá trị phép toán XOR......................................................................17 Hình 1.8: Minh họa giấu dữ liệu D= “101” vào 4 khối ảnh nhị phân.....................19 Hình 1.9: Ma trận ảnh F, ma trận khóa K, ma trận trọng số W.............................24 Hình 1.10: Kết quả phép tính FiK và (FiK)W  trên mỗi khối.................................24 Hình 2.11: Bảng S*........................................................................................................25 Hình 2.12:Ma trận điểm ảnh F’ thu được..................................................................26 Hình 1.13. Kết quả phép tính (F’iK)W   .......................................................................27 Hình 1.14: Các tầng của ứng dụng giấu tin...............................................................28 Hình 3.1. Mô hình hệ thống.........................................................................................53 Hình 3.2: Một số tệp ảnh thử nghiệm.........................................................................55 Hình 3.3. Giao diện phân hệ giấu tin..........................................................................56 Hình 3.4. Giao diện phân hệ phát hiện tin giấu.........................................................57 Hình 3.5. Kết quả thực hiện phát hiện tin giấu...............................................................57 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Ý nghĩa từng trường trong vùng Bitmap Header....................................12 Bảng1.2: Ý nghĩa từng trường trong vùng BitmapInfor................................................12 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài “Giấu thông tin” (Steganography) là kỹ thuật giấu thông tin quan trọng vào đối tượng khác. Ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ hàng ngàn năm về trước nhưng kỹ thuật này được dùng chủ yếu trong quân đội và cơ quan tình báo các nước. Những thập niên gần đây, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu với hàng loạt các công trình có giá trị. Sở dĩ như vậy là do khi kỹ thuật số bùng nổ, con người cũng “số hoá” lĩnh vực đó phục vụ cho cuộc sống hiện đại dẫn đến những phiên bản sao chép ngày càng hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi cùng với sự lưu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phương tiện đã phát sinh nhiều vấn đề vi phạm bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép… Về nguyên lý, giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện hay trong dữ liệu ảnh số không khác gì nhiều, nhưng do giấu tin trong ảnh dễ thực hiện hơn, giấu được nhiều thông tin hơn, và cũng là đối tượng số được sử dụng khá phổ biến trên Internet hiện nay, nên kỹ thuật giấu tin trong ảnh chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong các loại dữ liệu đa phương tiện. Thông tin có thể được giấu trên miền không gian hoặc trên miền biến đổi như biến đổi tần số (cosine, wavelet, fourier rời rạc) hay biến đổi sai phân (difference image). Phát hiện ảnh có giấu tin (Image Steganalysis) là kỹ thuật đối lập với Image Steganography nhằm dò tìm ảnh số nào đó có giấu thông tin hay không. Đây là rất có ý nghĩa vì việc nghiên cứu Steganalysis cả về khoa học và thực tiễn, đó là: Thứ nhất, nhằm phục vụ đắc lực cho lĩnh vực an toàn thông tin; Thứ hai, nhằm nâng cấp và thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Với hai mục đích nêu trên dẫn đến hai hướng nghiên cứu khác nhau. Hướng thứ nhất, cố gắng xây dựng thuật toán phát hiện mù (blind steganalysis) cho ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu bất kỳ. Tiêu biểu là các phương pháp phát hiện bằng phân tích độ lệch chuẩn, phát hiện bằng thống kê 2 một bậc tự do, phát hiện dựa trên phân tích tỷ lệ xám, phát hiện bằng bằng phương pháp ước lượng thông tin giấu trên miền LSB… Hướng thứ hai, dựa vào kỹ thuật giấu tin nào đó đã biết, có thể xây dựng được thuật toán phát hiện phù hợp (phát hiện có ràng buộc - constraint steganalysis) tức là đưa ra một số kỹ thuật phát hiện có ràng buộc cho ảnh có giấu tin với kỹ thuật giấu biết trước. Chúng đều là trường hợp riêng của kỹ thuật giấu LSB nhưng tỉ lệ thay đổi trên LSB của ảnh thường thấp so với lượng thông tin đem giấu (hoặc kích cỡ ảnh) vì vậy phát hiện bằng các kỹ thuật phát hiện mù trên LSB của ảnh thường cho kết quả 2 không cao. Các phương pháp phát hiện tiêu biểu là phương pháp phát hiện dựa trên kỹ thuật giấu HKC, phương pháp phát hiện dựa kỹ thuật giấu thuận nghịch dựa trên biểu đồ giá trị sai phân DIH (Difference Image Histogram), phương pháp phát hiện dựa trên kỹ thuật giấu tin IWH và RVH. Đã có nhiều công trình nghiên cứu công bố trên thế giới thành công theo hai hướng này. Tuy nhiên, các kỹ thuật giấu tin ra đời sau ngày càng tinh xảo hơn đòi hỏi các nhà phát hiện ảnh giấu tin không ngừng tìm ra phương pháp phát hiện phù hợp bắt kịp với xu hướng phát triển của kỹ thuật giấu. Đặc biệt với tốc độ phát triển nhanh chóng của Internet thì nhu cầu trao đổi thông tin bằng ảnh ngày càng lớn mạnh, do đó để đảm bảo an toàn an ninh, quốc phòng hay nhằm hỗ trợ nâng cấp, cải tiến kỹ thuật giấu nào đó an toàn hơn đang là bài toán cấp thiết đặt ra cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực an toàn thông tin hiện nay. 2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu - Từ những vấn đề đã trình bày trên, trong luận văn này tập trung nghiên cứu kỹ thuật phát hiện ảnh có giấu tin theo hướng chính đưa ra kỹ thuật phát hiện mù cho ảnh có giấu tin trên LSB của miền không gian và miền tần số cụ thể là tìm hiểu kỹ thuật phát hiện mù cho ảnh có giấu tin trên LSB bằng phương pháp phân tích độ lệch chuẩn, - Đối tượng ảnh nghiên cứu là các ảnh dạng BITMAP như các định dạng: JPG, GIF, PNG, TIF, BMP. 3. Nội dung của luận văn - Tìm hiểu tổng quan về giấu tin trong ảnh, phát hiện ảnh có giấu tin - Trình bày một số kỹ thuật phát hiện mù cho ảnh có giấu tin nhất là kỹ thuật phát hiện “độ lệch chuẩn” - Xây dựng thử nghiệm chương trình cho kỹ thuật phát hiện độ lệch chuẩn. 4. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm ba chương trong đó: Chương 1 giới thiệu tổng quan về giấu tin trong ảnh, phát hiện ảnh có giấu tin và các nghiên cứu liên quan. Chương 2 Trình bày kỹ thuật phát hiện mù ảnh giấu tin dựa trên kỹ thuật phân tích độ lệch chuẩn. Chương 3 Trình bày việc xây dựng và thử nghiệm chương trình 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH Giấu tin là một lĩnh vực rộng lớn trong đó những thông tin số cần bảo mật sẽ được giấu trong một đối tượng dữ liệu số khác được gọi là môi trường giấu tin. Môi trường giấu tin phổ biến là giấu tin trong đa phương tiện như giấu tin trong các file ảnh, audio, video...và được ứng dụng rộng rãi nhất đó là giấu tin trong ảnh số. Trong chương này, khóa luận trình bày về các khái niệm cơ bản liên quan đến giấu tin nói chung, quá trình phát triển của giấu tin và các ứng dụng của giấu tin. 1.1 Một số khái niệm cơ bản về giấu tin 1.1.1 Sơ lược về lịch sử giấu tin Giấu tin bắt nguồn từ Hy Lạp, tiếng Hy Lạp gọi đó là Stenography có nghĩa là "dòng chữ bị che phủ". 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 nghệ thuật giấu tin được lan truyền từ đời này qua đời khác [2]. Ví dụ, vào thế kỉ 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 Jérôme 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 (hình 1.1) Hình 1.1: Từ trái qua phải: Mặt nạ, văn bản, thông điệp được truyền bí mật trong văn bản 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 4 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 tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng mang tin giấu. Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Đó là giấu tin mật và thủy vân số. 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. 1.2. Các mô hình giấu tin cơ bản Mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản được mô tả theo 2 hình vẽ sau: Hình 1.2.1a: Lược đồ quá trình giấu tin Hình 1.2.1a biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Trong đó, phương tiện chứa tin có thể bao gồm: văn bản, ảnh, audio, video… Thông tin cần giấu tùy theo mục đích của người sử dụng, nó có thể là các thông điệp, các logo, hình ảnh bản quyền… Thông tin được giấu vào trong phương tiện chứa tin nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những chương trình thực hiện theo những thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như trong một số hệ mật mã. Đầu ra của quá trình giấu tin là phương 5 tiện chứa đã được giấu. Các phương tiện này có thể được phân phối trên mạng. Hình 1.2.1b mô tả quá trình giải mã thông tin đã giấu. Với đầu vào là phương tiện đã chứa tin giấu, một bộ giải mã tin (tương ứng với bộ nhúng) cùng với khóa sẽ thực hiện việc giải mã thông tin. Đầu ra của quá trình là phương tiện chứa tin và thông tin đã giấu. Trong trường hợp cần thiết, thông tin giấu lấy ra có thể được xử lý, kiểm định và so sánh với thông tin đã giấu ban đầu. Hình 1.2.1b: Lược đồ cho quá trình giải mã 1.2.1. Giấu tin trên ảnh tĩnh Các đặc trưng giấu tin trong ảnh số Giấu tin trong ảnh chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin phần lớn cũng tập trung vào các kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Các phương tiện chứa khác thì cũng có các kỹ thuật giấu khác nhau. Đối tượng ảnh là một đối tượng dữ liệu được tri giác tĩnh có nghĩa là dữ liệu tri giác không biến đổi theo thời gian (không giống như audio và video) và có nhiều định dạng cũng như tính chất của các ảnh khác nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh phải chú ý những đặc trưng và tính chất cơ bản sau đây: Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh Dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu ảnh tĩnh. Dù đã giấu tin vào trong ảnh hay chưa thi khi ta xem ảnh bằng tri giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo thời gian, điều này khác với dữ liệu audio hay video vì khi ta nghe hay xem thì dữ liệu gốc sẽ thay đổi liên tục với tri giác của con người theo các đoạn hay các bài, các cảnh...Sự khác biệt này ảnh 6 hưởng lớn đối với các kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh với kỹ thuật giấu tin trong audio hay video. Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau. Chẳng hạn như đối với ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh mầu đều đòi hỏi những kỹ thuật riêng. Ảnh nén hay ảnh không nén cũng có những kỹ thuật khác nhau vì ảnh nén có thể mất mát thông tin do nén ảnh... Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống tri giác của con người (HVS) Giấu tin trong ảnh ít nhiều cũng gây ra những thay đổi dữ liệu ảnh gốc. Dữ liệu ảnh được quan sát bằng hệ thống tri giác (HVA- Human Vision Systen) của con người nên các kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là nhưng thay đổi trên ảnh phải rất nhỏ sao cho bằng mắt thường không thể nhận ra được sự khác biệt vì có như thế mới đảm bảo được độ an toàn cho thông tin giấu. Rất nhiều kỹ thuật đã lợi dụng được tính chất của hệ thống tri giác để giấu tin chẳng hạn như mắt người cảm nhận về sự biến đổi về độ xám kém hơn sự biến đổi về màu hay cảm nhận của mắt về màu xanh da trời (Blue) là kém nhất trong ba màu cơ bản RGB (G-Red:đỏ, G-Green: xanh lá cây, B-Blue: xanh da trời). Giấu tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không thay đổi kích thước của ảnh Các phép toán thực hiện việc giấu thông tin sẽ được thao tác trên dữ liệu của ảnh. Dữ liệu ảnh bao gồm cả phần thông tin (header), bảng màu (có thể có) và dữ liệu ảnh. Khi giấu thông tin các phướng pháp giấu đều biến đổi các giá trị của các bít trong dữ liệu ảnh chứ không thêm vào hay bớt đi dữ liệu ảnh. Do vậy mà kích ảnh trước và sau khi giấu thông tin là như nhau. Đảm bảo yêu cầu chất lượng ảnh sau khi giấu tin Đây là yêu cầu quan trọng đối với giấu thông tin trong ảnh. Sau khi giấu thông tin bên trong ảnh phải đảm bảo được yêu cầu không bị biến đổi để có thể bị phát hiện dễ dàng so với ảnh gốc. Yêu cầu này dường như khá đơn giản đối với ảnh mầu và ảnh xám bởi mỗi một pixel ảnh được biểu diễn bởi một bit, nhiều giá trị và khi ta thay đổi một giá trị nhỏ nào đó thì chất lượng ảnh không thay đổi, thông tin giấu khó bị phát hiện, nhưng đối với ảnh đen trắng thì việc giấu thông tin phức tạp hơn nhiều, vì ảnh đen trắng mỗi pixel ảnh chỉ gồm hai giá trị hoặc trắng hoặc đen, và ta biến đổi một bit đen thành một bit trắng thì không khéo sẽ rất dễ bị phát hiện. Do đó yêu cầu đối với các thuật toán giấu thông tin trong ảnh màu hay ảnh xám và giấu thông tin trong ảnh đen trắng là khác nhau. Trong khi đối với ảnh mầu thì các thuật toán chú trọng vào 7 việc làm sao cho giấu càng nhiều thông tin càng tốt thì các thuât toán áp dụng cho ảnh đen trắng lại tập trung vào làm thế nào để thông tin giấu khó bị phát hiện. Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào trên ảnh Vì phương pháp giấu tin trong ảnh dựa trên việc điều chỉnh các giá trị của các bit theo môt quy tắc nào đó và khi giải mã sẽ theo các giá trị đó để tìm được thông tin giấu. Theo đó nếu một phép biến đổi nào đó làm thay đổi giá trị của các bit sẽ làm cho thông tin giấu sẽ bị sai lệch. Chính đặc điểm này mà giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thực và phát hiện xuyên tạc thông tin. Tính cần thiết của ảnh gốc khi giải mã Các kỹ thuật giấu tin phải phân biệt rõ riệt quá trình giả mã ảnh để lấy thông tin giấu có cần ảnh gốc hay không. Đa số kỹ thuật giấu tin mật thì thường không cần ảnh gốc khi giải mã. Thông tin được giấu trong ảnh sẽ được mang cùng dữ liệu ảnh, khi giải mã chỉ cần ảnh đã mang thông tin giấu mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu. Tuy nhiên nhiều kỹ thuật giấu tin cũng sử dụng ảnh gốc khi giải mã, phương pháp này có tác dụng cho việc đồng bộ hóa ảnh giấu và ảnh gốc. Điều này rất cần thiết khi phải xử lý với các tấn công trên ảnh. Gỉa sử như phép tấn công xoay ảnh chẳng hạn, nhờ có ảnh gốc ta so sánh và đồng bộ hóa, khôi phục dạng ban đầu của ảnh thì có thể khôi phục lại được tin đã giấu. Những phương pháp này cũng gặp khó khăn khi dữ liệu gốc lớn. Ví dụ như giấu tin trong video, với lượng dữ liệu lớn nếu như để giải mã tin mà dùng phương pháp này thì khối lương thao tác quá nhiều và không thể áp dụng được. Trên đây là những tính chất và đặc điểm cơ bản chung của giấu tin trong ảnh. Riêng đối với ứng dụng giấu tin mật ( stegangraphy) thì tính chất ẩn, lượng thông tin giấu và độ an toàn là ba tính chất quan trọng nhất. 1.2.2 Giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh màu, ảnh đa cấp xám Vì là một lĩnh vực mới phát triển nhưng đã và đang được ứng dụng rộng rãi nên giá một phương pháp so với phương pháp khác người ta dựa vào một số các tính chất của phương pháp hay tiêu chí đánh giá sau: Tính vô hình Giấu tin trong ảnh sẽ làm biến đổi ảnh mang. Tính vô hình thể hiện mức độ biến đổi ảnh mang. Một phương pháp tốt sẽ làm cho thông tin mật trở nên vô hình trên ảnh mang, người dùng không thể phát hiện trong đó có ẩn chứa thông tin. Tuy nhiên không phải lúc nào người ta cũng cố gắng để đạt được tính vô hình cao nhất, ví dụ trong truyền hình, người ta gắn hình ảnh mờ gọi là thuỷ ấn để bảo vệ bản quyền. Khả năng chống giả mạo 8 Vì mục đích của một phương pháp giấu tin là chuyển đi thông tin mật. Nếu không thể do thám tin mật thì kẻ địch cũng sẽ cố tìm cách làm sai lạc thông tin mật, làm giả mạo thông tin để gây bất lợi cho đối phương. Một phương pháp giấu tin tốt sẽ đảm bảo tin mật không bị tấn công một cách có chủ đích trên cơ sở những hiểu biết đầy đủ về thuật toán nhúng tin (nhưng không biết khoá) và có ảnh mang. Đối với lĩnh vực thuỷ ấn số thì khả năng chống giả mạo là đặc tính vô cùng quan trọng. Vì có như vậy mới bảo vệ được bản quyền, chứng minh tính pháp lý của sản phẩm. Dung lượng giấu Dung lượng giấu được tính bằng tỷ lệ của lượng tin giấu so với kích thước ảnh. Vì tin mật được gửi cùng với ảnh mang qua mạng nên đây cũng là một chỉ tiêu quan trọng. Các phương pháp đều cố làm sao giấu được nhiều tin trong khi vẫn giữ được bí mật. Tuy nhiên trong thực tế người ta luôn phải cân nhắc giữa dung lượng và các chỉ tiêu khác như tính vô hình, tính ổn định. Hình 1.3: Cân nhắc giữa chất lượng, dung lượng và tính bền vững Tính bền vững Sau khi giấu tin vào ảnh mang, bản thân ảnh mang có thể phải qua các khâu biến đổi khác nhau như lọc tuyến tính, lọc phi tuyến, thêm nhiễu, làm sắc nét, mờ nhạt, quay, nén mất dữ liệu. Tính bền vững là thước đo sự nguyên vẹn của thông tin mật sau những biến đổi như vậy. Độ phức tạp thuật toán Chỉ tiêu độ phức tạp trong mã hoá và giải mã cũng là một yếu tố quan trọng trong đánh giá các phương pháp giấu tin trong ảnh. Yêu cầu về độ phức tạp tính toán phụ thuộc vào từng ứng dụng. Ví dụ một ứng dụng tạo thuỷ ấn để đánh dấu bản quyền cần phải có độ phức tạp tính toán cao thì mới đảm bảo chịu được sự tấn công của nhiều tin tặc nhằm phá huỷ thuỷ ấn. Sự khác nhau giữa giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh màu, ảnh đa cấp xám 9 Mỗi loại ảnh khác nhau sẽ có các kỹ thuật khác nhau và có các yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Trong phần này chúng ta sẽ phân biệt các tính chất: Khởi nguồn của giấu thông tin trong ảnh là thông tin được giấu trong ảnh màu hoặc ảnh xám, trong đó mỗi pixel ảnh mang nhiều giá trị được biểu diễn bằng nhiều bít. Với những ảnh đó thì việc thay đổi một giá trị nhỏ của một pixel thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi, và khả năng bị phát hiện là rất thấp dưới sự quan sát bằng mắt thường. Do đó hệ thống tri giác của con người cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo đảm tính ẩn của thông tin giấu trong ảnh. Với những ảnh mà mỗi điểm ảnh chỉ mang một giới hạn nhỏ các giá trị thì việc giấu thông tin trong ảnh đảm bảo tính ẩn của thông tin của thông tin đảm bảo khó khăn hơn nhiều. Đặc biệt đối với ảnh đen trắng, mỗi điểm ảnh chỉ mang một trong hai giá trị trắng hoặc đen. Vậy thì khi thay đổi giá trị một pixel từ đen thành trắng hoặc ngược lại thì rất dễ bị phát hiện. Và do đó với ảnh đen trắng thì số lượng thuật toán không nhiều, và vẫn chưa đạt được kết quả mong muốn. Có thuật toán giấu được nhiều thông tin vào ảnh thì chất lượng ảnh lại kém và dễ bị phát hiện. Một số thuật toán khác thì giấu chất lượng ảnh tốt hơn nhưng lượng thông tin được giấu ít và quá đơn giản không đảm bảo được độ an toàn của thông tin. Bảng sau sẽ liệt kê những khác nhau cơ bản giữa giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh màu. Giấu thông tin trong ảnh đen trắng Giấu thông tin trong ảnh ảnh màu hoặc ảnh xám Thông tin giấu ít hơn đối với ảnh có Thông tin giấu nhiều hơn cùng kích cỡ với ảnh màu Khả năng bị phát hiện trong ảnh có giấu Khả năng bị phát hiện thấp thông tin cao hơn ảnh màu Độ an toàn thông tin thấp do dễ bị phát Độ an toàn cao hiện có thông tin chứa bên trong Các thuật toán giấu ít phức tạp Nhiều thuật toán và có nhiều hướng mở rộng phát triển. Như áp dụng giải thuật di truyền. 1.2.3 Cấu trúc ảnh bitmap Ảnh BITMAP là định dạng ảnh do hãng microsoft đề xuất có phần mở rộng là BMP. Loại ảnh này được truyền tải, sử dụng rộng rãi trên máy tính và các thiết bị điện tử khác. Ảnh bitmap được chia thành ba dạng: ảnh nhị phân (ảnh đen trắng), ảnh đa mức xám, ảnh màu. 10 Ảnh đen trắng: là ảnh mà mỗi điểm ảnh chỉ thể hiện một trong hai trạng thái 0 và 1 để biểu diễn trạng thái điểm ảnh đen hay trắng. Hình 1.4a: Ví dụ về ảnh đen trắng Ảnh đa mức xám: là ảnh mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi một giá trị và đó là cường độ sáng của điểm ảnh. Hình 1.4b: Ví dụ về ảnh đa cấp xám Ảnh màu: là ảnh mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi ba đại lượng R, G, B. Số lượng màu có thể của loại ảnh này lên tới 265^3 màu khác nhau. Nhưng số lượng màu trên thực tế của một ảnh nào đó thường khá nhỏ. Để tiết kiệm bộ nhớ với các ảnh có số lượng màu nhỏ hơn 256 thì màu các điểm ảnh được lưu trữ dưới dạng bảng màu.Với ảnh có số màu lớn thì các điểm ảnh không tổ chức dưới dạng bảng màu, khi đó giá trị của các điẻm ảnh chinh là giá trị của các thành phần màu R,G,B. Với ảnh có số lượng màu lớn,tùy theo chất lượng ảnh mà quyết định số bit để biểu diễn cho mỗi màu thường là 24 bit, hoặc 32 bit. Với ảnh 24 bit mỗi thành phần màu được biểu diễn bởi một byte(8 bit). 11 Hình 1.5: Ví dụ về ảnh màu Ảnh bitmap đựợc lưu trữ dưới dạng nhị phân, một tệp dạng bitmap được chia thành các phần cơ bản như: -Phần tiêu để tệp (Bitmap header) -Thông tin về ảnh (Bitmap Infor) -Bảng màu (Palette Table) -Vùng dữ liệu(Data) Thứ tự được lưu trữ trong bộ nhớ như sau: Bitmap Header Bitmap Infor  Palette Table Data. Ý nghĩa của các phần trong tệp ảnh bitmap. -Bitmap Header: Mô tả thông tin chung về tệp định dạng bitmap, độ lớn của phần này cố định với mọi tệp bitmap. -Bitmap Infor: Mô tả thông tin về ảnh được lưu trữ, độ lớn của phần này cố định. -Pallete Table: Bảng màu của ảnh bitmap, độ lớn của phần này có thể bằng không ( không có bảng màu) đối với ảnh đen trắng và ảnh màu có số lượng màu lớn hơn 256 màu. -Data: Thông tin về từng điểm ảnh, độ lớn của phần này phụ thuộc vào kich thước ảnh. Phần Data lưu trữ ảnh theo hướng từ dưới lên trên và từ trái qua phải. Kích thước và giá trị các trường trong tệp ảnh Bitmap Header Phần này có độ lớn cố định là 14 bytes, phần này dùng để mô tả thông tin chung về tệp như: 12 Kiểu tệp, độ lớn và một số thông tin liên qua đến tệp. Offset(byte) Giá Trị Ý nghĩa 1 ‘B’ Định dạng kiểu tê êp 2 ‘M’ Định dạng kiểu tê êp 3->6 Unsigned long Kích thước tê êp 7->10 Zero Reserved 11->14 Unsigned long Địa chỉ phần dữ liê uê Bảng 1.1: Ý nghĩa từng trường trong vùng Bitmap Header Trong phần Bitmap Header có mô tả thông tin về độ dài tệp, thông tin này thực sự cần thiết với mọi chương trình.Tuy nhiên qua thực nghiệm thấy rằng với một số tệp thông tin này không chính xác. Người ta đưa cách tính kích thước tệp bitmap thông qua công thức: Tệp_Size=Sizeof(Bitmap Header) + Sizeof(Bitmap Infor) + Sizeof(Pallete) + Sizeof(Data) Địa chỉ vị (offset) của vùng dữ liệu có thể được xác định thông qua công thức: Địa chỉ vùng data = 54+ Sizeof(Pallete) Đối với ảnh đen trắng và ảnh màu có số lượng màu lớn hơn 256 thì giá trị địa chỉ vị cố định là 54 Bitmap Infor: Phần bitmap infor dùng để mô tả thông tin về ảnh đang dùng được lưu trữ trong tệp kích thước của phần này cố định là 40 byte. Ý nghĩa và giá trị của từng trường trong vùng Bitmap Infor được mô tả chi tiết trong bảng: Offset(byte) Giá Trị Ý nghĩa 1->4 40 Số lượng byte của vùng bitmap info 5->8 Unsigned long Đô ê rô êng của Ảnh tính theo Pixel 9->12 Unsigned long Đô ê cao của Ảnh tính theo Pixel 13->14 1 Number of Color Plans 15->16 Unsigned long Số bit để biểu diễn 1 pixel 17->20 Unsigned long Kiểu nén 21->24 Unsigned long Đô ê lớn của ảnh (byte) 25->28 Unsigned long Đô ê phân giải của ảnh theo chiều ngang 29->32 Unsigned long Đô ê phân giải của ảnh theo chiều dọc 33->36 Unsigned long Số lượng màu trong bảng màu 37->40 Unsigned long Số màu quan trọng Bảng1.2: Ý nghĩa từng trường trong vùng BitmapInfor Pallete Table: Bảng màu là tập các màu sử dụng trong ảnh, mỗi một màu trong ảnh được gọi là một entry và được lưu trữ bằng 4 byte, mỗi thành phần màu được lưu trữ một byte