Tài liệu Tìm hiểu và nghiên cứu thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin bằng kỹ thuật giấu tin thuận nghịch

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ THỊ PHƢƠNG HUYỀN TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN BẰNG KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2014 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ THỊ PHƢƠNG HUYỀN TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN BẰNG KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH Ngành Chuyên ngành Mã số : Công nghệ thông tin : Hệ thống thông tin : 60480104 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS TRỊNH NHẬT TIẾN HÀ NỘI - 2014 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của riêng tôi, không sao chép ở bất kỳ một công trình hoặc một luận văn, luận án của các tác giả khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các trích dẫn, các số liệu và kết quả tham khảo dùng để so sánh đều có nguồn trích dẫn rõ ràng. Hà Nội, tháng 6 năm 2014 Tác giả luận văn Lê Thị Phƣơng Huyền iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i MỤC LỤC ........................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ...................................................... vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... viii Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN ........................................................................................... 1 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ GIẤU TIN ...................................................... 1 1.1.1. Khái niệm giấu tin ....................................................................................... 1 1.1.2. Lịch sử kỹ thuật giấu tin .............................................................................. 1 1.1.3. Phân loại các kỹ thuật giấu tin .................................................................... 2 1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin ............................................................................ 3 1.1.5. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin ............................................................. 4 1.1.5.1. Bảo vệ bản quyền tác giả ........................................................................ 4 1.1.5.2. Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin .......................... 5 1.1.5.3. Giấu vân tay hay dán nhãn ..................................................................... 5 1.1.5.4. Kiểm soát sao chép .................................................................................. 5 1.1.5.5. Giấu tin mật ............................................................................................. 5 1.1.6. Giấu tin trong ảnh số ................................................................................... 6 1.1.7. Đặc trƣng của kỹ thuật giấu tin trong ảnh số .............................................. 7 1.1.7.1. Kỹ thuật giấu tin dựa vào đặc điểm hệ thống thị giác người ................ 7 1.1.7.2. Giấu thông tin trong ảnh nhưng không thay đổi kích thước ảnh ........ 7 1.1.7.3. Đảm bảo chất lượng ảnh sau khi giấu tin ............................................. 8 1.1.7.4. Thông tin mật sẽ bị sai lệch nếu có biến đổi trên ảnh ........................... 8 1.2. PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN ............................................................. 9 1.2.1. Khái niệm .................................................................................................... 9 1.2.2. Phƣơng pháp phát hiện ảnh có giấu tin ..................................................... 10 Chương 2. GIẤU TIN VÀ PHÁT HIỆN GIẤU TIN TRONG ẢNH SỬ DỤNG KỸ THUẬT LSB .................................................................................. 15 2.1. CÁC HƢỚNG TIẾP CẬN KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ15 2.1.1. Giấu tin trong miền không gian (miền quan sát) ...................................... 15 2.1.2. Các phƣơng pháp dựa vào kỹ thuật biến đổi toán học (miền tần số) ........ 15 2.1.3. Các phƣơng pháp sử dụng mặt nạ giác quan ............................................ 16 2.2. CẤU TRÚC ẢNH BITMAP ...................................................................... 18 2.2.1. Khái niệm .................................................................................................. 18 2.2.2. Định dạng tệp ảnh bitmap ......................................................................... 19 2.2.2.1. Ý nghĩa các phần trong tệp ảnh bitmap ............................................... 19 v 2.2.2.2. Kích thước và giá trị các trường trong tệp ảnh bitmap ....................... 20 2.3. KỸ THUẬT GIẤU TIN THEO KHỐI BÍT LBS .................................... 24 2.3.1. Khái niệm .................................................................................................. 24 2.3.2. Mô tả kỹ thuật giấu tin LSB ...................................................................... 25 2.3.3. Thuật toán thay thế LSB ........................................................................... 26 2.3.3.1. Ý tưởng thuật toán ................................................................................ 26 2.3.3.2. Thuật toán giấu ..................................................................................... 26 2.3.3.3. Thuật toán tách tin ................................................................................ 27 2.3.4. Thuật toán thay thế LSB theo tỷ lệ p ........................................................ 27 2.3.4.1. Ý tưởng thuật toán ................................................................................ 27 2.3.4.2. Thuật toán giấu ..................................................................................... 28 2.3.4.3. Thuật toán tách tin ................................................................................ 28 2.4. PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN SỬ DỤNG KỸ THUẬT LSB DỰA TRÊN HISTOGRAM ẢNH HIỆU .................................................................. 30 2.4.1. Một số khái niệm cơ bản ........................................................................... 30 2.4.2. Kỹ thuật phát hiện giấu tin LSB dựa trên Histogram ảnh hiệu................. 32 2.4.2.1. Phương pháp phát hiện ........................................................................ 32 2.4.2.2. Thuật toán phát hiện ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật LSB ............. 36 2.4.2.3. Kết quả ước tính .................................................................................... 37 2.4.3. Độ đo đánh giá kỹ thuật phát hiện ............................................................ 37 2.4.4. Thƣ̉ nghiê ̣m chƣơng triǹ h.......................................................................... 39 2.4.4.1. Tập ảnh thử nghiê ̣m.............................................................................. 39 2.4.4.2. Kế t quả thử nghiê ̣m............................................................................... 42 Chương 3. GIẤU TIN VÀ PHÁT HIỆN GIẤU TIN TRONG ẢNH SỬ DỤNG KỸ THUẬT THUẬN NGHỊCH HKC ............................................... 47 3.1. KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH HKC.................................. 47 3.1.1. Tổng quan về kỹ thuật giấu tin thuận nghịch ............................................ 47 3.1.2. Kỹ thuật giấu tin dựa vào dịch chuyển Histogram ảnh số (NSAS) .......... 48 3.1.3. Kỹ thuật giấu tin dựa vào dịch chuyển Histogram ảnh số (HKC) ............ 50 3.2. PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN SỬ DỤNG KỸ THUẬT HKC DỰA TRÊN DỊCH CHUYỂN HISTOGRAM ......................................................... 52 3.2.1. Thuật toán phát hiện kỹ thuật HKC của Kuo ............................................ 52 3.2.2. Thuật toán phát hiện kỹ thuật HKC của Kuo cải tiến ............................... 53 3.2.3. Thuật toán phát hiện kỹ thuật HKC đề xuất.............................................. 55 3.2.4. Đánh giá các kỹ thuật phát hiện dựa trên các độ đo ................................. 56 3.2.5. Nhận xét .................................................................................................... 57 3.3. PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN SỬ DỤNG CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH KHÁC ................................................................................ 59 3.3.1. Phát hiện ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu tin thuận nghịch DIH .... 59 3.3.1.1. Tóm lược kỹ thuật giấu tin thuận nghịch DIH ................................... 59 vi 3.3.1.2. Phương pháp phát hiện ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật DIH ......... 59 3.3.2. Phát hiện ảnh giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu tin thuận nghịch IWH ........ 60 3.3.2.1. Tóm lược kỹ thuật giấu tin thuận nghịch IWH ................................... 60 3.3.2.2. Phương pháp phát hiện ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật DIH ......... 61 3.3.3. Kết luận ..................................................................................................... 62 Chương 4. CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ............................................. 63 4.1. BÀI TOÁN LẬP TRÌNH ........................................................................... 63 4.2. CẤU HÌNH HỆ THỐNG ........................................................................... 63 4.2.1. Phần cứng .................................................................................................. 63 4.2.2. Phần mềm .................................................................................................. 63 4.3. CÁC THÀNH PHẦN CỦA CHƢƠNG TRÌNH ...................................... 63 4.4. HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH ........................................ 64 4.4.1. Giấu tin trong ảnh ...................................................................................... 64 4.4.2. Phát hiện giấu tin ....................................................................................... 65 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 68 Tiếng Việt ........................................................................................................... 68 Tiếng Anh ........................................................................................................... 69 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT BMP Tệp ảnh Window Bitmap DCT Discrete Cosine Transform DFT Discrete Fourier Transform DIB Device – Independent Bitmap GIF Graphics Interchange Format HKC Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch HKC JPEG Joint Photographic Experts Group LSB Least Significant Bit NSAS Kỹ thuật giấu tin thuận nghịch NSAS PNG Portable Network Graphics PoV Pairs of Values RGB Red Green Blue viii MỞ ĐẦU 1/. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong môi trƣờng phân phối điện tử, việc bảo vệ cho các thông tin có giá trị trong quá trình trao đổi là rất quan trọng và ngày càng trở nên cấp thiết. Theo phƣơng pháp truyền thống, thông tin mật trƣớc khi truyền đi sẽ đƣợc mã hóa. Nhƣ vậy, trong quá trình truyền, những ngƣời ngoài cuộc quan sát bản tin mã hóa sẽ biết đƣợc tầm quan trọng của bản tin đƣợc trao đổi, điều đó làm tăng tính tò mò muốn khám phá để tìm ra đƣợc nội dung của bản tin. Một phƣơng pháp đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đó là nhúng thông tin mật vào các đối tƣợng dữ liệu khác (phƣơng tiện chứa) nhƣ ảnh, audio, video, … rồi sử dụng chính các phƣơng tiện chứa đã bao gồm thông tin mật để trao đổi. Khi truyền đi phƣơng tiện chứa tin, thông tin mật đã đƣợc ẩn giấu nên sẽ giảm tránh đƣợc sự tò mò và nghi ngờ từ phía đối phƣơng hơn so với phƣơng pháp mã hóa. Tuy nhiên, việc đảm bảo an toàn thông tin mật khi truyền tin bằng phƣơng tiện chứa cũng là vấn đề không kém phần quan trọng. Khi giấu thông tin mật vào phƣơng tiện chứa, vẫn không thể tránh khỏi các cách tấn công khác nhau từ phía đối thủ. Thuật toán giấu tin có an toàn hoặc dễ phát hiện hay không cũng là bài toán hóc búa cần đặt ra và có tầm quan trọng không nhỏ. Do đó, vấn đề phát hiện giấu tin mật cũng ngày càng đƣợc thu hút và chú ý rất nhiều từ phía các nhà khoa học trong cũng nhƣ ngoài nƣớc. 2/. MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN Bài toán phát hiện giấu tin có hai vấn đề cần giải quyết: phát hiện thông tin ẩn tiềm tàng trong phƣơng tiện chứa, và lấy ra đƣợc thông điệp đã đƣợc ẩn giấu trong phƣơng tiện chứa. Có rất nhiều phƣơng pháp phân tích giấu tin mật khác nhau và đƣợc nghiên cứu một cách hệ thống, rộng rãi. Trong luận văn này tiếp cận bài toán phát hiện giấu tin trong ảnh số bằng cách sử dụng dịch chuyển Histogram để phân tích, từ đó đƣa ra kết luận ảnh có giấu tin hay không một cách tƣơng đối hợp lý. ix Luận văn tiến hành trình bày và phân tích dựa trên hai thuật toán giấu tin trong ảnh số là: thuật toán giấu tin bằng kỹ thuật giấu tin vào các bít ít quan trọng LSB và thuật toán giấu tin bằng kỹ thuật thuận nghịch HKC. Sau đó dựa trên kết quả phân tích để so sánh và đánh giá khả năng phát hiện giấu tin trong ảnh số có sử dụng thuật toán giấu tin bằng kỹ thuật giấu tin thuận nghịch. 3/. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Luận văn gồm 62 trang, đƣợc trình bày trong 4 chƣơng, có phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục, phần tài liệu tham khảo. Các nội dung cơ bản của luận văn đƣợc trình bày theo cấu trúc nhƣ sau: Chương 1: Tổng quan về giấu tin trong ảnh và phát hiện ảnh có giấu tin Trình bày một cách tổng quan về giấu tin trong ảnh, khái niệm, phân loại và các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin, các đặc trƣng của kỹ thuật giấu tin trong ảnh số. Bên cạnh đó trình bày tổng quan về phát hiện ảnh có giấu tin, bài toán phát hiện ảnh có giấu tin và các phƣơng pháp tiếp cận bài toán phát hiện ảnh có giấu tin. Chương 2: Giấu tin và phát hiện giấu tin trong ảnh sử dụng kỹ thuật LSB Trong chƣơng 2 rất nhiều các khái niệm, định nghĩa đƣợc trình bày nhằm làm rõ hơn các thuật ngữ và vấn đề liên quan cho thuật toán giấu tin theo khối bít LSB và khả năng phát hiện giấu tin của thuật toán nhƣ: hƣớng tiếp cận giấu tin, cấu trúc ảnh BITMAP, các khái niệm về điểm ảnh, giá trị mức xám, histogram, histogram ảnh hiệu… Thuật toán giấu tin theo khối bít LSB cũng đƣợc trình bày rõ ràng trong chƣơng này. Bên cạnh đó trình bày phƣơng pháp phát hiện ảnh có giấu tin sử dụng thuật toán giấu tin theo khối bít LSB bằng Histogram ảnh hiệu, phƣơng pháp đánh giá kỹ thuật phát hiện và kết quả thu đƣợc từ chƣơng trình thử nghiệm. x Chương 3: Giấu tin và phát hiện giấu tin trong ảnh sử dụng kỹ thuật thuận nghịch HKC Trình bày tổng quan về kỹ thuật giấu tin thuận nghịch, kỹ thuật giấu tin thuận nghịch dựa vào dịch chuyển Histogram của NSAS, kỹ thuật giấu tin thuận nghịch dựa vào dịch chuyển Histogram của HKC. Chƣơng này cũng trình bày các thuật toán phát hiện kỹ thuật giấu tin HKC của Kuo, thuật toán phát hiện kỹ thuật giấu tin HKC của Kuo đƣợc cải tiến, kèm theo đó là các kết quả thử nghiệm và đánh giá, từ đó so sánh và nhận xét với kết quả thử nghiệm, đánh giá ở chƣơng 2 để đƣa ra kết luận. Chương 4: Chương trình thử nghiệm Trình bày bài toán lập trình đặt ra để xây dựng chƣơng trình, cách thức sử dụng và thử nghiệm chƣơng trình phát hiện ảnh có giấu tin sử dụng thuật toán giấu tin theo khối bít LSB. 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ GIẤU TIN 1.1.1. Khái niệm giấu tin “Giấu thông tin” gọi tắt là “Giấu tin”, tiếng Hi Lạp là “Steagnography”, tiếng Anh là “Cover Writing”. “Giấu thông tin” là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lƣợng thông tin số nào đó vào trong một đối tƣợng dữ liệu số khác [1]. Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin theo hai khía cạnh: Một là bảo mật cho dữ liệu đƣợc đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tƣợng đƣợc giấu tin ở trong dữ liệu mang (host data). Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Hƣớng thứ nhất là giấu tin mật (steganogaphy), nhằm tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho ngƣời khác khó phát hiện đƣợc đối tƣợng có chứa thông tin mật bên trong. Hƣớng thứ hai là thuỷ vân số (watermarking), hƣớng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có rất nhiều kỹ thuật đƣợc đề xuất. 1.1.2. Lịch sử kỹ thuật giấu tin Từ “Steganography” bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp. Từ “stegano” trong tiếng Hi Lạp có nghĩa là “covered”, còn “graphien” có nghĩa là “to write”. Nhƣ vậy, “steganography” có nghĩa là tài liệu đƣợc phủ “covered writing”. Các câu chuyện kể về kỹ thuật giấu thông tin đƣợc truyền qua nhiều thế hệ. Có lẽ những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông điệp thuộc về sử gia Hi Lạp Herodotus. Khi bạo chúa Hi Lạp là Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ V trƣớc Công nguyên, ông ta đã thông minh mƣu trí sử dụng một hình thức gửi thông tin bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus. Histiaeus cạo trọc đầu một tên nô lệ tin cậy và xăm thông điệp bí mật lên trên da đầu của anh ta. Khi tóc của ngƣời nô lệ mọc ra đủ dài và che kín hết thông điệp bí mật đã xăm thì ngƣời nô lệ đƣợc gửi tới Miletus. Quân của Darius không thể phát hiện ra thông điệp bí mật đã đƣợc giấu trên đầu tên nô lệ. 2 Một câu chuyện khác về thời Hi Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại. Môi trƣờng để ghi văn bản chính là các viên thuốc đƣợc bọc trong sáp ong. Demeratus, một ngƣời Hi Lạp yêu nƣớc định báo cho Sparta rằng Xerxes sẽ xâm chiếm Hi Lạp. Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ong 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 ong mới. Những viên thuốc mang tin mật đã đƣợc ngụy trang để cùng với các viên thuốc thông thƣờng khác lọt qua mọi sự kiểm soát. Mực không màu là phƣơng tiện hữu ích cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài. Ngƣời Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có nhƣ nƣớc quả, nƣớc tiểu và sữa để viết thông báo bí mật vào giữa các hàng văn tự thông thƣờng. Khi đƣợc hơ nóng, những thứ mực này do có sẵn muối và gluco nên trở thành sẫm mầu và có thể đọc đƣợc. Ý tƣởng về che giấu thông tin đã có hàng ngàn năm trƣớc nhƣng kỹ thuật này đƣợc dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo. Mãi cho tới vài thập niên gần đây, giấu tin mới nhận đƣợc sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với nhiều công trình nghiên cứu. Sự phát triển của thông tin số và mạng truyền thông (đặc biệt là mạng Internet) cùng với các kỹ thuật sao chép hoàn hảo, kỹ thuật chỉnh sửa, thay thế tinh vi đã và đang làm nảy sinh nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc trái phép, lan truyền thông tin bất hợp pháp. 1.1.3. Phân loại các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu tin số mới đƣợc hình thành trong thời gian gần đây, nên xu hƣớng phát triển vẫn chƣa ổn định. Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau. Theo Fabien A.P. Petitcolas đề xuất năm 1999, có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hƣớng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số [6]. Giấu tin mật với mục đích bảo toàn và bảo mật thông tin, tập trung vào các kỹ thuật giấu thông tin, sao cho ngƣời khác khó phát hiện việc có tin đƣợc giấu; hơn nữa nếu phát hiện có tin giấu thì giải tin cũng khó thực hiện. 3 Thủy vân số lại đƣợc chia thành hai hƣớng 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 vào trên môi trƣờng chứa tin. Thủy vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng tin đòi hỏi độ bền cao trƣớc các biến đổi thông thƣờng trên môi trƣờng chứa tin. Hình 1.1. Phân loại các kỹ thuật giấu tin 1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin Mô hình của kỹ thuật giấu tin đƣợc mô tả trong hình 1.2 và 1.3. Hình 1.2 biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Trong đó, phƣơng tiện chứa tin có thể bao gồm: văn bản, ảnh, audio, video… Thông tin cần giấu tùy theo mục đích của ngƣời sử dụng, nó có thể là các thông điệp, các logo, hình ảnh bản quyền… Thông tin đƣợc giấu vào trong phƣơng tiện chứa tin nhờ môt bộ nhúng. Bộ nhúng là chƣơng trình theo thuật toán giấu tin và đƣợc thực hiện với một khóa bí mật giống nhƣ trong hệ mật mã. Đầu ra của quá trình giấu tin là phƣơng tiện chứa đã giấu tin. Các phƣơng tiện này có thể đƣợc phân phối trên mạng [5]. 4 Hình 1.2. Lược đồ quá trình giấu tin Hình 1.3 mô tả quá trình tách tin đã giấu từ môi trƣờng giấu tin. Với đầu vào là phƣơng tiện đã chứa tin giấu, một bộ tách tin (tƣơng ứng với bộ nhúng) cùng với khóa sẽ thực hiện việc tách tin. Đầu ra của quá trình là phƣơng tiện chứa tin và thông tin đã giấu. Trong trƣờng hợp cần thiết, thông tin giấu lấy ra có thể đƣợc xử lý, kiểm định và so sánh với thông tin đã giấu ban đầu. Hình 1.3. Lược đồ tách tin giấu 1.1.5. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin 1.1.5.1. Bảo vệ bản quyền tác giả Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân số. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu gọi là thủy vân sẽ đƣợc nhúng vào trong sản phẩm. Thủy vân đó chỉ một mình ngƣời chủ sở hữu hợp pháp sản phẩm đó có, và đƣợc dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. 5 Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà không đƣợc phép của ngƣời chủ sở hữu, thì chỉ có cách phá hủy sản phẩm [13]. 1.1.5.2. Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin Một thông tin sẽ đƣợc giấu trong phƣơng tiện chứa, sau đó sử dụng để nhận biết xem phƣơng tiện gốc đó có bị thay đổi hay không. Thủy vân nên đƣợc ẩn để tránh sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa việc làm giả thủy vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng đƣợc xem xét. Trong các ứng dụng thực tế, ngƣời ta mong muốn tìm đƣợc vị trí bị xuyên tạc cũng nhƣ phân biệt đƣợc các thay đổi. Yêu cầu chung đối với các ứng dụng là khả năng giấu thông tin cao và thủy vân không cần bền vững. 1.1.5.3. Giấu vân tay hay dán nhãn Thủy vân trong ứng dụng này đƣợc dùng để nhận diện ngƣời gửi hay ngƣời nhận của một thông tin nào đó. Yêu cầu của ứng dụng này là đảm bảo độ an toàn cao cho thủy vân. 1.1.5.4. Kiểm soát sao chép Các thủy vân trong trƣờng hợp này đƣợc dùng để kiểm soát sao chép đối với các thông tin. Thiết bị phát hiện ra thủy vân thƣờng đƣợc gắn sẵn vào trong hệ thống đọc ghi. Ứng dụng loại này cũng yêu cầu thủy vân phải đƣợc đảm bảo an toàn, và cũng sử dụng phƣơng pháp phát hiện thủy vân đã giấu mà không cần thông tin gốc. 1.1.5.5. Giấu tin mật Thông tin đƣợc giấu trong những trƣờng hợp này cần đƣợc bảo mật trƣớc các đối thủ. Việc giải mã để nhận đƣợc thông tin cũng không cần dữ liệu môi trƣờng gốc. Bên nhận đƣợc thông tin chỉ cần dựa vào thuật toán giấu tin để khôi phục lại thông tin mật. Đối với các thuật toán giấu tin mật chúng ta không chú trọng đến việc bảo vệ thông tin mật trƣớc sự tấn công của các đối thủ mà thay vào đó các thuật toán 6 quan tâm đến tính ẩn và tính an toàn đối với dữ liệu cần giấu. Do đó, các thuật toán giấu tin có độ bảo mật cao sẽ đƣợc sử dụng trong ứng dụng giấu tin mật. 1.1.6. Giấu tin trong ảnh số Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chƣơng trình ứng dụng, trong các phần mềm, hay các hệ thống giấu tin trong đa phƣơng tiện bởi lƣợng thông tin đƣợc trao đổi bằng ảnh là rất lớn. Hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin nhƣ: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật... Chính vì thế mà giấu tin trong ảnh đã ngày càng nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trƣờng đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới. Thông tin sẽ đƣợc giấu cùng với dữ liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết đƣợc đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Và ngày nay, khi ảnh số đã đƣợc sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều những ứng dụng quan trọng trên các lĩnh vực trong đời sống xã hội. Ví dụ nhƣ đối với các nƣớc phát triển, chữ kí tay đã đƣợc số hoá và lƣu trữ sử dụng nhƣ là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính. Nó đƣợc dùng để nhận thực trong các thẻ tín dụng của ngƣời tiêu dùng. Phần mềm WinWord của Microsoft cũng cho phép ngƣời dùng lƣu trữ chữ kí 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 đƣợc truyền trực tiếp qua máy fax hoặc lƣu truyền trên mạng. Theo đó, việc nhận thực chữ kí, xác thực thông tin đã trở thành một vấn đề cực kì quan trọng khi mà việc ăn cắp thông tin hay xuyên tạc thông tin bởi các tin tặc đang trở thành một vấn nạn đối với bất kì quốc gia nào, tổ chức nào. Thêm vào đó, lại có rất nhiều loại thông tin quan trọng cần đƣợc bảo mật nhƣ những thông tin về an ninh, thông tin về bảo hiểm hay các thông tin về tài chính. Các thông tin này đƣợc số hoá và lƣu trữ trong hệ thống máy tính hay trên mạng. Chúng rất dễ bị lấy cắp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. 7 Việc nhận thức cũng nhƣ phát hiện thông tin xuyên tạc đã trở nên vô cùng quan trọng, cấp thiết. Và một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh nữa đó là thông tin đƣợc giấu một cách vô hình. Nó nhƣ là cách truyền thông tin mật cho nhau mà ngƣời khác không thể biết đƣợc, bởi sau khi giấu thông tin thì chất lƣợng ảnh gần nhƣ không thay đổi đặc biệt đối với ảnh mầu hay ảnh xám. 1.1.7. Đặc trƣng của kỹ thuật giấu tin trong ảnh số Giấu tin trong ảnh chiếm tỉ trọng lớn trong các ứng dụng giấu tin, vì vậy mà các nghiên cứu cũng tập trung vào các lĩnh vực giấu tin trong ảnh. Các phƣơng tiện chứa khác nhau thì cũng sẽ có các kỹ thuật giấu khác nhau. Đối tƣợng ảnh là một đối tƣợng dữ liệu tĩnh có nghĩa là dữ liệu tri giác không biến đổi theo thời gian. Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, mỗi định dạng có những tính chất khác nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thƣờng chú ý những đặc trƣng và các tính chất cơ bản sau đây: 1.1.7.1. Kỹ thuật giấu tin dựa vào đặc điểm hệ thống thị giác người Giấu tin trong ảnh ít nhiều cũng gây ra những thay đổi trên dữ liệu ảnh gốc. Dữ liệu ảnh đƣợc quan sát bằng hệ thống thị giác của con ngƣời nên các kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là những thay đổi trên ảnh phải rất nhỏ, sao cho bằng mắt thƣờng khó nhận ra đƣợc sự thay đổi đó vì có nhƣ thế thì mới đảm bảo đƣợc độ an toàn cho thông tin giấu. Rất nhiều các kỹ thuật đã lợi dụng các tính chất của hệ thống thị giác để giấu tin chẳng hạn nhƣ mắt ngƣời cảm nhận về sự biến đổi về độ chói kém hơn sự biến đổi về màu hay cảm nhận của mắt về màu xanh da trời là kém nhất trong ba màu cơ bản. 1.1.7.2. Giấu thông tin trong ảnh nhưng không thay đổi kích thước ảnh Các thuật toán thực hiện việc giấu thông tin sẽ đƣợc thực hiện trên dữ liệu ảnh. Dữ liệu ảnh bao gồm cả phần header, bảng màu (có thể có) và giá trị của các điểm ảnh. Khi giấu thông tin, các phƣơng pháp giấu đều biến đổi các giá trị trong phần dữ liệu ảnh chứ không thực hiện việc thêm vào hay bớt đi dữ liệu ảnh. Do vậy mà kích thƣớc ảnh trƣớc hay sau khi giấu thông tin là nhƣ nhau. 8 1.1.7.3. Đảm bảo chất lượng ảnh sau khi giấu tin Đây là một yêu cầu quan trọng đối với giấu tin trong ảnh. Sau khi giấu tin bên trong, ảnh phải đảm bảo đƣợc yêu cầu không đƣợc biến đổi quá nhiều dẫn đến dễ dàng phát hiện sự khác biệt giữa ảnh gốc và ảnh có chứa tin. Điều đó sẽ khiến cho đối thủ dễ nghi ngờ và tìm cách tấn công để lấy hoặc sửa đổi thông tin mật. Vì vậy, trong các kỹ thuật giấu tin khi chúng ta thực hiện thao tác biến đổi điểm ảnh từ đen sang trắng hoặc ngƣợc lại nếu không khéo sẽ rất dễ bị lộ vị trí điểm ảnh đã biến đổi. Do đó, với ảnh đen trắng tập trung vào việc làm thế nào để thông tin giấu khó bị phát hiện nhƣng với ảnh màu hay ảnh xám thì chú trọng đến khả năng giấu của thuật toán. 1.1.7.4. Thông tin mật sẽ bị sai lệch nếu có biến đổi trên ảnh Do phƣơng pháp giấu tin trong ảnh dựa trên việc điều chỉnh các giá trị của các bit theo một quy tắc nào đó và khi giải mã sẽ theo các giá trị đó để tìm đƣợc thông tin đã giấu. Vì vậy, nếu một phép biến đổi nào đó trên ảnh làm thay đổi giá trị của các bit thì thông tin giấu bị sai lệch. Nhờ đặc điểm này mà giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thức và phát hiện xuyên tạc thông tin. 9 1.2. PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN Giống nhƣ trong Mật mã, Thám mã (Cryptanalysis) là kỹ thuật đối lập nhằm giải mã các bản mã thu đƣợc để hiểu rõ nội dung ban đầu của bản mã, thì 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. Việc nghiên cứu Steganalysis ngoài ý nghĩa khoa học còn có hai ý nghĩa 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 hƣớng nghiên cứu khác nhau. Hƣớng 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. Hƣớng thứ hai, dựa vào kỹ thuật giấu tin nào đó đã biết, xây dựng đƣợc thuật toán phát hiện có ràng buộc phù hợp (constraint steganalysis). Các kỹ thuật giấu tin ra đời sau này ngày càng tinh xảo hơn đòi hỏi các nhà phát hiện ảnh giấu tin không ngừng tìm ra phƣơng pháp phát hiện phù hợp bắt kịp với xu hƣớng 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. 1.2.1. Khái niệm Phát hiện ảnh giấu tin (image steganalysis) là kỹ thuật phát hiện sự tồn tại của thông tin đƣợc giấu trong ảnh số nào đó [10]. Hình 1.4 mô tả quá trình tổng quát của kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin. Trong đó có phép biến đổi T là phép biến đổi rời rạc cosine, wavelet, biến đổi sai phân… 10 Dữ liệu ảnh hay S Bộ nhận dạng Quyết định: Cover hay Stego ? Biến đổi T (tùy chọn) Hình 1.4. Lược đồ quy trình phát hiện ảnh có giấu tin 1.2.2. Phƣơng pháp phát hiện ảnh có giấu tin Nếu ta có rất ít (hoặc không có) các tri thức về các thuật toán giấu tin mật cũng nhƣ các tham số khác thì có hai vấn đề cần giải quyết đó là: Thứ nhất, phát hiện thông tin ẩn tiềm tàng trong các dữ liệu đƣợc quan sát. Thứ hai, lấy ra thông điệp ẩn đã giấu trong dữ liệu đƣợc quan sát. Cũng có khi bài toán đặt ra phải giải quyết cả hai công việc trên. Các kỹ thuật phân tích giấu tin mật hiện tại tập trung vào việc phát hiện ra sự có mặt hay không các thông điệp ẩn trong dữ liệu (ảnh) đƣợc quan sát. Bài toán trích chọn ra các thông điệp bí mật là bài toán khó hơn bài toán phát hiện, nhƣng bài toán phát hiện làm tiền đề cho việc trích chọn. Nhƣ vậy, có thể xác định hai mục tiêu rõ ràng của bài toán phân tích trên hệ giấu tin mật là: - Bài toán phân tích giấu tin bị động (Passive steganalysis): Phát hiện sự hiện diện hay không của thông điệp bí mật trong các dữ liệu đƣợc quan sát. - Bài toán p hân tích giấu tin chủ động (Active steganalysis): Trích chọn (có thể xấp xỉ) một phiên bản của thông điệp bí mật từ một phƣơng tiện chứa tin. Theo Fridrich các phƣơng pháp phân tích giấu tin mật có thể gồm các loại sau: Phân tích trực quan, phân tích định dạng ảnh, phân tích thống kê [7,9,11]. 1/. Phân tích trực quan: Đây là phƣơng pháp đơn giản nhất mặc dù kết quả thƣờng không đáng tin cậy . Phƣơng pháp này phát hiện khả năng một ảnh có giấu tin hay không bằng việc phân tích ảnh một cách trực quan và tìm kiếm những “bất thƣờng” dƣ̣a vào quan sát hoă ̣c dƣ̣a vào biể u đồ Histogram của ảnh trƣớc và sau khi giấ u tin.