nghiên cứu một số khả năng phát hiện tin giấu trong môi trường ảnh

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.33 MB, 115 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
MAI THÀNH HUYÊN
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN
TIN GIẤU TRONG MÔI TRƯỜNG ẢNH
Ngành : Công nghệ thông tin
Chuyên ngành : Hệ thống thông tin
Mã số : 60 48 05
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRỊNH NHẬT TIẾN
HÀ NỘI - 2009

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các dữ liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Hà nội, tháng 11 năm 2009
Tác giả luận văn

Mai Thành Huyên

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin và
các cán bộ, nhân viên các phòng Đào tạo Sau đại học, trường Đại học Công nghệ, Đại

học Quốc gia Hà Nội đã luôn nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong
suốt quá trình học tập tại trường.
Xin chân thành cảm ơn các anh, các chị và các bạn học viên lớp Cao học K12T3
- trường Đại học Công nghệ thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn động viên, giúp
đỡ và nhiệt tình chia sẻ với tôi những kinh nghiệm học tập, công tác trong suốt khoá
học.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trịnh Nhật Tiến đã tận
tình giúp đỡ tôi hình thành, nghiên cứu và hoàn chỉnh luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do sự hạn hẹp về thời gian, điều kiện nghiên
cứu và trình độ, luận văn không tránh khỏi những khiếm khuyết. Tôi chân thành mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và đồng nghiệp gần xa.
Hà Nội, tháng 11 năm 2009
Người thực hiện luận văn

Mai Thành Huyên

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ii
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iv
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 1
1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1
1.1.1 Khái niệm giấu tin 1
1.1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin 1
1.1.3 Sơ lược về lịch sử giấu tin 2
1.1.4 Mô hình cơ bản của kỹ thuật giấu tin 3

1.1.5 Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin 5
1.2 GIẤU THÔNG TIN TRONG DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 6
1.2.1 Giấu tin trong ảnh 6
1.2.2 Giấu tin trong audio 6
1.2.3 Giấu tin trong video 7
1.2.4 Giấu tin trong văn bản 7
1.3 NHỮNG ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CỦA GIẤU TIN TRONG ẢNH 8
1.4 CÁC HƯỚNG TIẾP CẬN CỦA KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH 10
1.4.1 Tiếp cận trên miền không gian ảnh 10
1.4.2 Tiếp cận trên miền tần số ảnh 10
1.5 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN MẬT TRONG ẢNH 12
1.5.1 Giấu tin mật trong khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1 12
1.5.2 Kỹ thuật giấu tin Wu _ Lee 17
1.5.3 Kỹ thuật giấu tin Yuan_Pan_Tseng 23
1.6 KỸ THUẬT THỦY VÂN TRÊN ẢNH 32
1.6.1 Một số khái niệm cơ bản trong thủy vân số 32
1.6.2 Một số kỹ thuật thủy vân trên ảnh 36

Chương 2. MỘT SỐ KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN ẢNH CÓ GIẤU TIN 55
2.1 PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ẢNH GIẤU TIN 55
2.1.1 Bài toán phân tích tin giấu 56
2.1.2 Phân loại phương pháp phát hiện ảnh giấu tin 57
2.2 Cơ sở toán học 58
2.2.1 Các khái niệm 58
2.2.2 Các định lý 62
2.3 KỸ THUẬT PHÂN TÍCH CẶP GIÁ TRỊ ĐIỂM ẢNH 63
2.3.1 Khái niệm cặp giá trị 63
2.3.2 Thuật toán PoV3 64
2.4 KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐỐI NGẪU 69

2.4.1 Các khái niệm 69
2.4.2 Thuật toán RS (Regular – Singular) 71
2.5 KỸ THUẬT PHÂN TÍCH CẶP MẪU SPA 76
2.5.1 Các khái niệm 76
2.5.2 Phát hiện giấu tin mật LSB nhờ kỹ thuật SPA 79
2.5.3 Phân tích kỹ thuật SPA 81
2.5.4 Ước lượng độ chính xác của chiều dài thông điệp dấu theo SPA 84
2.6 KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐỘ LỆCH CHUẨN 91
2.7 KỸ THUẬT THỐNG KÊ

– BÌNH PHƯƠNG MỘT BẬC TỰ DO 94
Chương 3. THỬ NGHIỆM 97
3.1 MÔI TRƯỜNG CÀI ĐẶT 97
3.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG 97
3.3 TẬP DỮ LIỆU ẢNH 99
3.4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM KỸ THUẬT PoV3 101
KẾT LUẬN 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH
Giấu tin là một lĩnh vực nghiên cứu rộng. Trong đó môi trường giấu tin phổ biến
và được ứng dụng rộng rãi nhất là dữ liệu ảnh. Trong chương này luận văn bình bày
tổng quan vấn đề giấu tin, các mô hình giấu tin, các ứng dụng của giấu tin, đồng thời
đi sâu vào các kỹ thuật nhằm bảo mật thông tin được giấu. Hầu hết các kỹ thuật giấu
tin mật đều tập trung giấu thông tin vào các bit ít quan trong nhất của mỗi điểm ảnh.
Phần cuối chương trình bày các kỹ thuật đã được công bố gần đây như giấu tin theo
khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1 trong khối, kỹ thuật Wu_Lee, kỹ thuật
Yang_Pan_Tseng.

1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
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 lượng
thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác [2].
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.
1.1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin
Do kỹ thuật giấu tin số mới được hình thành trong thời gian gần đây, nên xu
hướng phát triển vẫn chưa 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 hướng 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 người khác khó phát hiện việc có tin được giấu; hơn nữa
nếu phát hiện có tin giấu thì giải tin cũng khó thực hiện. Bên cạnh đó cũng đặt ra vấn
đề về lượng tin được giấu.
Thủy vân số lại được chia thành hai hướng nhỏ là thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền
vững. Trong đó thủy vân dễ vỡ yêu cầu thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự
thay đổi vào trên môi trường chứa tin. Thủy vân bền vững quan tâm nhiều đến việc
nhúng tin đòi hỏi độ bền cao trước các biến đổi thông thường trên môi trường chứa tin.
2

Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin
1.1.3 Sơ lược về lịch sử 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”. Như vậy,

“steganography” có nghĩa là tài liệu được phủ “covered writing”. 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 điệp thuộc về sử gia Hi Lạp Herodotus. Khi bạo chúa Hi
Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ V 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 một nô lệ tin cậy và xăm một thông điệp trên da đầu của anh ta. Khi
tóc của người nô lệ mọc ra đủ dài thì người nô lệ được gửi tới Miletus.
Một câu chuyện khác về thời Hi Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại. Môi
trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong. Demeratus, một
người Hi Lạp định báo cho Sparta rằng Xerxes định 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 ngụy trang được để cùng với các viên thuốc thông
thường khác và lọt qua mọi sự kiểm soát một cách dễ dàng.
Giấu thông tin
Information hiding

Giấu tin mật
Steganography

Thủy vân số
W
atermarking

Thủy vân bền vững
Robust Copyright
Watermarking
Thủy vân dễ vỡ
Fragile watermarking

Thủy vân ẩn
Imperceptible
watermarking
Thủy vân hiện
Visble watermarking
3

Mực không màu là phương tiện hữu ích 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 viết các thông báo bí mật giữa các hàng văn tự thông thường. Khi được hơ
nóng, những thứ mực này trở nên sẫm mầu và có thể đọc được. Mực không màu cũng
vẫn còn được sử dụng gần đây, chẳng hạn trong chiến tranh thế giới thứ II [5].
Ý tưởng về che giấu thông tin đã có hàng ngàn năm 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 tin mới nhận được 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.
1.1.4 Mô hình cơ bản của kỹ thuật giấu tin
Mô hình của kỹ thuật giấu tin được mô tả trong hình 1.2 và 1.3.

Hình 1.2 Lược đồ chung cho quá trình giấu tin
Bộ nhúng
thông tin
Khóa
Thông tin cần giấu
Phương tiện
chứa tin (audio,
ảnh, video,…)

Phương tiện
chứa đã
được giấu tin
Phân
phối

4

Hình 1.2 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 môt bộ nhúng. Bộ nhúng là chương
trình theo thuật toán giấu tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như trong
hệ mật mã. Đầu ra của quá trình giấu tin là phương tiện chứa đã được giấu tin. Các
phương tiện này có thể được phân phối trên mạng [7].
Hình 1.3 mô tả quá trình tách tin đã giấu từ môi trường giấu tin. Với đầu vào là
phương tiện đã chứa tin giấu, một bộ tách tin (tương ứng với bộ nhúng) cùng với khóa
sẽ thực hiện việc tách 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 1.3 Lược đồ cho quá trình tách tin
Bộ tách
tin
Khóa
Thông tin giấu
Phương tiện
chứa tin
(audio, ảnh,
video,…)

Phương tiện
chứa đã
được giấu
tin

Kiểm
định
Phân
phối
Formatted: Left
Deleted
:
giải mã
Deleted
:
t
5

1.1.5 Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin
1.1.5.1 Ứng dụng của thủy vân số
* 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 được nhúng vào trong sản phẩm. Thủy
vân đó chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp sản phẩm đó có, và được dùng làm
minh chứng cho bản quyền sản phẩm. 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 được phép
của người chủ sở hữu, thì chỉ có cách phá hủy sản phẩm [8].
* Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin
Một thông tin sẽ được giấu trong phương tiện chứa, sau đó sử dụng để nhận biết

xem phương tiện gốc đó có bị thay đổi hay không. Thủy vân nên được 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 được xem xét. Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí
bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi. Yêu cầu chung đối với các ứng
dụng là khả năng giấu thông tin cao và thủy vân không cần bền vững.
* Giấu vân tay hay dán nhãn
Thủy vân trong ứng dụng này được dùng để nhận diện người gửi hay người nhận
của một thông tin nào đó. Yêu cầu của ứng dụng này là đảm bảo độ an toàn cao cho
thủy vân.
* Kiểm soát sao chép:
Các thủy vân trong trường hợp này được dùng để kiểm soát sao chép đối với các
thông tin. Thiết bị phát hiện ra thủy vân thường được gắn sẵn vào trong hệ thống đọc
ghi. Ứng dụng loại này cũng yêu cầu thủy vân phải được đảm bảo an toàn, và cũng sử
dụng phương pháp phát hiện thủy vân đã giấu mà không cần thông tin gốc.
1.1.5.2 Ứng dụng của giấu tin mật
Thông tin giấu được trong trường hợp này càng nhiều càng tốt, việc tách tin để
nhận được tin giấu cũng không cần phương tiện chứa ban đầu. Các yêu cầu mạnh về
tính bền vững không cần thiết lắm, thay vào đó là thông tin giấu phải đảm bảo tính bí
mật và giảm thời gian lưu thông trên đường truyền.
6

1.2 GIẤU THÔNG TIN TRONG DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN
1.2.1 Giấu tin trong ảnh
Hiện nay, giấu tin trong ảnh chiếm tỉ lệ lớn nhất trong hệ thống giấu tin. Bởi lẽ
lượng thông tin được trao đổi bằng hình ảnh là rất lớn, hơn nữa chúng còn đóng vai trò
quan trọng trong các ứng dụng an toàn thông tin như: xác thực thông tin, bảo vệ bản
quyền tác giả, điều khiển truy cập, xác định xuyên tạc thông tin. Từ việc nghiên cứu
kỹ thuật giấu tin trong ảnh số chuyển sang kỹ thuật giấu tin trong các phương tiện khác
như audio, video, trong văn bản,… không có gì khó khăn về nguyên tắc. Chính vì lẽ
đó, giấu tin trong ảnh đã và đang được nhiều tổ chức, các trường đại học, các viện

nghiên cứu, các cá nhân quan tâm và đầu tư nghiên cứu [12].
Thông tin được giấu vào dữ liệu ảnh, nhưng chất lượng ảnh rất ít thay đổi và
người ta khó có thể nhận thấy bằng mắt thường. Sau vụ khủng bố ngày 11 tháng 9 năm
2001 gây chấn động không chỉ nước Mĩ mà cả thế giới, có một số nhận định cho rằng
chính trùm khủng bố quốc tế Osama Binladen đã dùng cách thức giấu thông tin trong
ảnh để liên lạc với đồng bọn và chúng đã qua mặt được cục tình báo trung ương Mĩ và
các cơ quan an ninh quốc tế. Sự việc này cho thấy việc nghiên cứu các vấn đề liên
quan đến giấu tin trong ảnh càng trở nên quan trọng.
1.2.2 Giấu tin trong audio
Giấu tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu tin trong các đối
tượng đa phương tiện khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo
tính chất ẩn của thông tin được giấu, đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng
của dữ liệu gốc. Để đảm bảo yêu cầu này, kỹ thuật giấu tin trong audio phụ thuộc vào
thính giác con người (HAS - Human Auditory System). HAS nghe được các tín hiệu ở
dải tần rộng và công suất cao nhưng ngược lại cũng kém trong việc phát hiện sự khác
biệt của các dải tần và công suất. Điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể
che giấu được các âm thanh nhỏ, thấp một cách dễ dàng.
Một vấn đề khó khăn nữa của giấu tin trong môi trường audio đó là kênh truyền
tin. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi
giấu. Các phương pháp giấu tin trong audio thường lợi dụng điểm yếu trong hệ thống
thính giác con người.

7

1.2.3 Giấu tin trong video
Giấu tin trong video cũng được quan tâm phát triển và có nhiều ứng dụng như
kiểm soát sao chép thông tin, xác thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Một
phương pháp giấu tin được đưa ra bởi Cox là phương pháp phân bố đều. Ý tưởng cơ
bản của phương pháp là phân phối thông tin giấu dàn trải theo tần số dữ liệu gốc.
Nhiều nhà nghiên cứu đã dùng những hàm cosin riêng và các hệ số truyền sóng riêng

để giấu tin. Trong các thuật toán khởi nguồn thì thường các kỹ thuật cho phép giấu các
ảnh vào trong video nhưng thời gian gần đây các kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh
và hình ảnh vào video [6]. Ví dụ phương pháp của Swanson giấu được hai bit vào khối
8*8 [9]. Gần đây nhất là phương pháp của Mukherjee: giấu audio vào video sử dụng
cấu trúc lưới đa chiều… Kỹ thuật giấu thông tin trong video áp dụng cả đặc điểm thị
giác và thính giác của con người.
Kỹ thuật giấu tin đang được áp dụng với nhiều môi trường không chỉ riêng với
dữ liệu đa phương tiện. Gần đây đã có nghiên cứu giấu tin trong văn bản, cơ sở dữ liệu
quan hệ và cơ sở dữ liệu XML, cho phép mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới.
1.2.4 Giấu tin trong văn bản
Trong việc trao đổi thông tin qua hệ thống máy tính, văn bản chiếm một tỷ lệ rất
lớn so với các loại phương tiện chứa tin khác. Tuy vậy, giấu tin trong văn bản lại chưa
được quan tâm nghiên cứu nhiều. Các nghiên cứu về giấu tin trong văn bản được chia
thành hai hướng, thứ nhất là văn bản chứa là những văn bản được chụp lại và lưu trên
máy như một ảnh nhị phân. Theo hướng này, kỹ thuật giấu tin được thực hiện như giấu
tin trong ảnh nhị phân. Hướng thứ hai, phương tiện chứa sử dụng cho quá trình giấu
tin được lưu dưới dạng văn bản. Theo hướng này, các kỹ thuật giấu tin cũng tiến hành
như giấu tin trong ảnh bằng cách thay đổi một số ký tự tại một số vị trí trên văn bản
mà không làm ảnh hưởng nhiều đến nội dung văn bản gốc.

8

1.3 NHỮNG ĐẶC TRƯNG VÀ TÍNH CHẤT CỦA GIẤU TIN TRONG ẢNH
Giấu tin trong ảnh chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin. Đối tượng ảnh
là một đối tượng dữ liệu tĩnh. Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, mỗi định dạng có những
tính chất khác nhau, nên kỹ thuật giấu tin trong ảnh thường chú ý đến những đặc trưng
và các tính chất cơ bản sau đây [2, 4]:
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 thì
khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo thời gian. Điều này cũng

tạo ra sự khác biệt lớn giữa kỹ thuật giấu tin trong ảnh với kỹ thuật giấu tin trong audio
hay video.
Kỹ thuật giấu phụ thuộc loại ảnh
Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau. Đối với ảnh đen trắng,
ảnh xám hay ảnh màu, với mỗi loại ta lại có các kỹ thuật riêng phụ thuộc đặc trưng của
ảnh.
Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người
Giấu tin trong ảnh ít nhiều cũng gây ra những thay đổi trên dữ liệu ảnh gốc. Dữ
liệu ảnh được quan sát bằng hệ thống thị giác của con người 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 mắt
thường khó nhận ra được sự thay đổi đó, để đảm bảo độ an toàn cho thông tin giấu.
Rất nhiều kỹ thuật đã lợi dụng các tính chất của hệ thống thị giác để giấu tin chẳng hạn
như mắt người cảm nhận sự biến đổi về độ chói kém hơn sự biến đổi về màu hay cảm
nhận của mắt về màu da trời là kém nhất trong ba mầu cơ bản RGB.
Giấu thông tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không thay đổi kích
thước ảnh
Các thuật toán giấu tin sẽ được thực hiện trên dữ liệu của ảnh. Dữ liệu ảnh bao
gồm cả phần đầu, bảng màu (có thể có hoặc không) và dữ liệu ảnh. Khi giấu thông tin,
các phương pháp giấu đều biến đổi các giá trị của các bit trong dữ liệu ảnh, chứ không
thêm vào hay bớt đi dữ liệu ảnh. Do vậy kích thước ảnh không thay đổi.
9

Đảm bảo chất lượng ảnh sau khi giấu
Đây là yêu cầu quan trọng đối với giấu tin trong ảnh. Sau khi giấu tin bên trong,
ảnh phải đảm bảo không bị biến đổi. Yêu cầu này dường như khá đơn giản đối với ảnh
màu và ảnh đa cấp xám nhưng đối với ảnh đen trắng thì phức tạp hơn nhiều. Bởi vì
ảnh đen trắng mỗi điểm ảnh chỉ là đen hoặc trắng, nếu ta biến đổi một bit đen thành
trắng hoặc ngược lại thì có thể rất dễ bị phát hiện. Do đó yêu cầu đối với giấu tin trong
ảnh màu hay ảnh đa cấp xám và trong ảnh đen trắng là khác nhau. Với ảnh màu thì
thuật toán chú trọng vào việc làm sao giấu được càng nhiều thông tin càng tốt, với ảnh

đen trắng thuật toán tập trung để làm thế nào thông tin giấu khó bị phát hiện nhất.
Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên ảnh
Vì phương pháp giấu tin trong ảnh dựa trên việc điều chỉnh các giá trị của các bit
theo một quy tắc nào đó, và khi tách tin sẽ theo các giá trị đó để tìm được thông tin
giấu. Theo đó, nếu một phép biến đổi nào đó trên ảnh làm thay đổi giá trị của các bit
thì sẽ làm cho thông tin giấu bị sai lệch. Nhờ đặc điểm này, giấu tin trong ảnh có thể
xác thực và phát hiện xuyên tạc thông tin [2].
Vai trò của ảnh gốc khi giải tin
Kỹ thuật giấu tin phải xác định rõ ràng quá trình lọc ảnh để lấy tin giấu có cần
đến ảnh gốc hay không? Đa số các kỹ thuật giấu tin mật thường không cần ảnh gốc khi
tách tin. Thông tin được giấu trong ảnh sẽ được mang cùng với dữ liệu ảnh, khi tách
tin chỉ cần ảnh đã mang thông tin giấu mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh, đối
chiếu.

10

1.4 CÁC HƯỚNG TIẾP CẬN CỦA KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH
1.4.1 Tiếp cận trên miền không gian ảnh
Đây là hướng tiếp cận cơ bản và tự nhiên trong số các kỹ thuật giấu tin. Miền
không gian ảnh là miền dữ liệu ảnh gốc, tác động lên miền không gian ảnh chính là tác
động lên các điểm ảnh, thay đổi giá trị trực tiếp của các điểm ảnh. Đây là hướng tiếp
cận tự nhiên bởi vì khi nói đến việc giấu tin trong ảnh người ta thường nghĩ ngay đến
việc thay đổi giá trị các điểm ảnh nguồn. Một phương pháp phổ biến của hướng tiếp
cận này là phương pháp tác động đến bit ít quan trọng nhất của mỗi điếm ảnh [1].
Ý tưởng cơ bản của phương pháp tác động đến bit ít quan trọng nhất (LSB -
Least Significant Bit) của các điểm ảnh là chọn ra từ mỗi điểm ảnh các bit ít có ý nghĩa
nhất về mặt tri giác để sử dụng cho việc giấu tin. Việc bit nào được coi là ít tri giác
nhất và bao nhiêu bit có thể được lấy ra để thay thế đều phụ thuộc vào tính chất hệ
thống thị giác của con người và nhu cầu về chất lượng ảnh trong các ứng dụng. Ví dụ
với ảnh mầu, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng 24 bit tương ứng với ba màu cơ bản

RGB, mỗi màu 1 byte. Người ta sử dụng tính chất là mắt người cảm nhận về màu B
kém hơn so với màu R và G. Vì thế người ta thường chọn bit cuối cùng trong 8 bit
biểu diễn màu B của mỗi điểm ảnh để giấu tin. Thay đổi bit cuối cùng trong 8 bit biểu
diễn màu B chỉ làm cho giá trị biểu diễn màu B tăng hoặc giảm đi 1 đơn vị. Như vậy,
bit LSB trong ví dụ này là bit thứ 24 của mỗi điểm ảnh.
Một số thuật toán muốn giấu nhiều thông tin hơn và chấp nhận chất lượng ảnh
thấp hơn một chút có thể sử dụng bít cuối cùng của mỗi byte màu RGB làm bit LSB.
Vậy có 3 bit LSB.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhiều hạn chế, chẳng hạn như không đảm
bảo được tính bền vững của thông tin giấu đối với các thao tác biến đổi như quay ảnh
hoặc nén ảnh JPEG.
1.4.2 Tiếp cận trên miền tần số ảnh
Trong một số trường hợp cách khảo sát trực tiếp ở trên cũng gặp phải khó khăn
nhất định hoặc rất phức tạp và hiệu quả không cao, do đó ta có thể dùng phương pháp
khảo sát gián tiếp thông qua các kỹ thuật biến đổi. Các biến đổi này làm nhiệm vụ
chuyển miền biến số độc lập sang miền khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rạc sẽ
được biểu diễn trong miền mới với các biến số mới.
11

Mỗi cách biến đổi sẽ có những thuận lợi riêng, tùy từng trường hợp mà sử dụng
biến đổi nào. Sau khi khảo sát, biến đổi xong các tín hiệu và hệ thống rời rạc trong
miền các biến số mới này, nếu cần thiết có thể dùng các biến đổi ngược để đưa chúng
về miền biến số độc lập.
Phương pháp khảo sát gián tiếp sẽ làm đơn giản rất nhiều các công việc gặp phải
khi dùng phương pháp khảo sát trực tiếp trong miền biến số độc lập tự nhiên. Hệ thống
rời rạc cần khảo sát chính là không gian các điểm ảnh. Có nhiều phép biến đổi trong
đó phổ biến là biến đổi Fourier DFT, biến đổi Cosin rời rạc DCT, biến đổi sóng nhỏ
DWT… Đây là những phép biến đổi được sử dụng nhiều trong các kỹ thuật xử lý ảnh.
Trong giấu tin, nó cũng được sử dụng, đặc biệt trong các kỹ thuật thủy vân.
12

1.5 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN MẬT TRONG ẢNH
1.5.1 Giấu tin mật trong khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1
1.5.1.1 Ý tưởng
Đây là kỹ thuật đơn giản nhất trong các kỹ thuật giấu tin. Ý tưởng cơ bản của kỹ
thuật này là chia một ảnh thành các khối nhỏ và trong mỗi khối nhỏ sẽ giấu một bit
thông tin. Dựa vào tính chẵn lẻ của tổng số các bit 1 trong khối để qui định giấu bit 1
hay 0. Cụ thể sau khi giấu thì tổng số các bit 1 trong khối và bit cần giấu sẽ có cùng
tính “chẵn lẻ”. Thuật toán này dùng cho ảnh đen trắng, ảnh mầu và ảnh đa cấp xám.
Tuy nhiên, trong phần trình bày ở mục ngay sau đây sẽ minh họa thuật toán cho ảnh
đen trắng, phần trình bày áp dụng thuật toán cho ảnh mầu và ảnh đa cấp xám sẽ được
nói đến tiếp sau.
1.5.1.2 Thuật toán giấu tin
Input: - Một file ảnh bitmap đen trắng FF
- Một file thông tin cần giấu Fb
- Một khóa K (đó là kích thước khối nhỏ)
Output: - Một file ảnh F’ đã giấu tin.
Thuật toán:
1) Tiền xử lý
 Chuyển file thông tin cần giấu Fb sang dạng xâu nhị phân D=b
1
b
2
…b
k
.
 Đọc header của ảnh (phần chứa thông tin ảnh), đọc bảng mầu, sau đó đọc
toàn bộ dữ liệu ảnh vào một mảng hai chiều (ma trận) M để sử dụng cho
việc giấu tin.
2) Quá trình giấu tin

 Bước 1: Chia ma trận M thành các khối nhỏ B
i
kích thước K = m x n
 Bước 2: Giấu bit dữ liệu b
i
vào khối B
i
.
For each B
i

if sum(B
i
)

b
i
(mod 2) then giữ nguyên khối B
i
.
else B’
i


đảo bit bất kì trong B
i
.
End;
13

Giải thích thuật toán:
- Chia M thành các khối nhỏ có kích thước K. (K = m x n). Giả sử ảnh gốc ban
đầu có kích thước M x N, ảnh gốc được chia thành các khối nhỏ, tổng số các khối nhỏ
sẽ là k = (M x N)/ (m x n) khối. Vì là ảnh đen trắng nên mỗi khối là một ma trận hai
chiều của các giá trị 0 và 1.
- Giả sử cần giấu 1 bit dữ liệu b vào một khối B. Kí hiệu sum(B) là tổng số điểm
ảnh đen (điểm ảnh có giá trị bằng 1) trong khối B. Kí hiệu x  y (mod z) hai số tự
nhiên x và y đồng dư theo modulo z. Như vậy x  y (mod 2) cho biết x và y có cùng
tính chẵn lẻ. Ta xét hai trường hợp sau:
- Trường hợp thứ nhất: sum(B)  b (mod 2), khối B thỏa mãn tính chất để giấu
bit dữ liệu b. Ta không cần thay đổi gì và xem như bit b đã được giấu.
- Trường hợp thứ hai: sum(B) b (mod 2). Ta phải sửa khối B để đảo tính chẵn
lẻ của sum(B). Dễ thấy ta chỉ cần đảo một bit bất kỳ trong B thì sum(B) sẽ tăng hoặc
giảm 1 đơn vị. Gọi B’ là khối kết quả thu được từ khối B sau khi đã đảo một bit trong
B. Ta có sum(B’)  b (mod 2).
Thí dụ:
Xét thí dụ dưới đây minh họa cho hai trường hợp trên.
Cho khối B như sau
0 1 0 0
1 0 1 1
1 1 0 1
0 0 0 1
Khối B kích thước K = 4 x 4, sum(B) = 8.
(a) Giả sử ta muốn giấu bit b = 1 vào khối B.
Số lượng bít 1 trong khối B là 8, sum(B) = 8. Do đó sum(B) 1 (mod 2). Như
vậy khối B không thỏa mãn yêu cầu. Để giấu bit 1 vào khối B ta thay đổi một bit bất
kỳ trong khối, thường là thay đổi tại vị trí của bit thông tin rõ vào bít của khối tương
ứng (nếu chúng trái dấu nhau) đổi bit 0 thành bít 1 hoặc bít 1 thành bít 0, ta thu được
khối B’. Giả sử ta đổi như hình sau:
14

Hình 1.4. Thay đổi bit trong khối B
Khi đó ta có sum(B’) = 7, do đó ta được sum(B’)  1 (mod 2).
(b) Giả sử ta giấu bit b = 0 vào khối B.
Ta có sum(B) = 8, nên sum(B)  0 (mod 2). Khối B được bảo toàn và bit dữ liệu
b = 0 coi như đã được giấu.
Trong thuật toán giấu tin này, khóa đơn giản chỉ là kích thước khối. K = m x n.
Nếu biết kích thước của khối thì ta dễ dàng giải mã theo quy tắc sau.
3) Quá trình tách tin
Input - F’ là ảnh đã được giấu dãy bit bí mật D
- K là khóa bí mật, đó là kích thước khối nhỏ đã được xác định trước
Output - F là file ảnh chứa tin đã được giấu
- D là dãy bit bí mật đã giấu
Các bước thực hiện
- Đọc header ảnh để biết các thông tin về ảnh, đọc bảng mầu, đọc phần dữ liệu
ảnh vào ma trận hai chiều M
- Chia M thành các khối nhỏ với kích thước K.
- Theo một thứ tự xác định trước, xét từng khối nhỏ B, giải tin theo quy tắc sau
- Nếu tổng số các bit 1 là lẻ thì ta thu được bit giấu là 1
- Nếu tổng số các bit 1 là chẵn thì ta thu được các bit giấu là 0.
Như vậy, sau khi xử lý hết các khối đã giấu ta thu được chuỗi bit đã giấu b’
Chuyển file xâu bit nhị phân sang file văn bản.
0 1 0 0

1 0 1 1
1 1 0 1
0 0 0 1
Khối B
0 1 0 0
1 0 1 1
1 0 0 1
0 0 0 1
Khối B’
15

1.5.1.3 Phân tích thuật toán
Thuật toán giấu tin trong ảnh dựa vào tính chẵn lẻ của tổng số bit 1 ở trên là rất
đơn giản. Sau khi nghiên cứu thuật toán này ta có thể đưa ra một số nhận xét sau:
 Việc chọn kích thước khối để giấu tin cần căn cứ vào kích thước ảnh và
lượng tin cần giấu sao cho các thông tin giấu có thể giàn trải trên toàn ảnh. Ví dụ nếu
ta có ảnh kích thước 512 x 512 pixel và có một lượng thông tin cần giấu là 100 kí tự.
Như vậy, file thông tin nhị phân cần giấu là 100 x 8 = 800 bit. Ta có thể thấy để giấu
hết thông tin cần ít nhất 800 khối, vậy thì kích thước khối ta có thể chia trên ảnh là
(512x512)/800=327 (dư 544). Với cách tính này thì kích thước tối đa của một khối là
327. Chẳng hạn ta có thể chọn kích thước cho một khối 20x16, 30x15… Nên chọn
khối có kích thước lớn vì như vậy trong trường hợp các khối bị thay đổi thì khoảng
cách các bit bị biến đổi sẽ thưa hơn và làm cho ảnh sau khi giấu khó nhận biết hơn.
 Với thuật toán này việc chọn khối khá đơn giản. Ta có thể bắt đầu từ khối
đầu tiên và các khối tiếp theo một cách tuần tự. Tuy nhiên ta có thể làm khó thuật toán
hơn bằng cách chọn ngẫu nhiên một khối chưa giấu tin ở mỗi lần giấu. Khi đó ta đã
làm tăng độ an toàn của thuật toán vì khóa lúc đó còn bao gồm cả chỉ số khối đã giấu
tin cho từng bit. Hoặc ta có thể thay đổi kích thước khối ở mỗi lần giấu. Chẳng hạn
như lần thứ nhất có kích thước khối là 8x8, lần thứ hai là 8x12,… trong những trường
hợp này thì khóa sẽ là kích thước khối ở mỗi lần giấu.

 Bản chất của kỹ thuật giấu tin trong ảnh đen trắng đó là một quy ước nào
đó dưới dạng một mệnh đề (tân từ) P. Nếu tân từ P được thỏa thì ứng với bit 1, ngược
lại ứng với bit 0. Tân từ P trong thuật toán trên là sum(B)  b (mod 2).
1.5.1.4 Áp dụng thuật toán cho ảnh màu và ảnh đa cấp xám
Nhược điểm cơ bản của phương pháp giấu tin vào ảnh đen trắng là tin giấu vào
đó được rất ít. Nếu giấu nhiều thông tin thì ảnh sẽ thay đổi và người ta dễ dàng phát
hiện ra sự có mặt của thông tin ẩn. Do đó khi giấu tin mật người ta thường chọn ảnh
màu hoặc ảnh đa cấp xám. Với ảnh màu và ảnh đa cấp xám, mỗi điểm ảnh được biểu
diễn bằng nhiều bít. Trong dãy các bít này có một bít được gọi là bít ít quan trọng nhất
(LSB – Least Significant Bit). LSB là bit mà khi ta đảo giá trị của nó thì điểm màu chỉ
bị thay đổi ít nhất. Thí dụ với ảnh đa cấp xám, mỗi mức xám g được biểu diễn bởi số
nguyên không âm, thì mức xám g sẽ sai khác ít nhất so với hai mức xám liền kề là g–1
và g+1. Trong trường hợp này bít LSB chính là bit thấp nhất trong dạng biểu diễn nhị
phân của g. Hầu hết các thuật toán giấu tin trên ảnh mầu hoặc ảnh đa cấp xám đều áp
dụng gián tiếp thuật toán giấu tin trên ảnh đen trắng theo sơ đồ sau:
16

 Bước 1: Tạo ảnh đen trắng F từ ảnh mầu Fc bằng một kỹ thuật nào đó. Chẳng hạn
lấy từ mỗi điểm màu trong Fc một bít quan trọng nhất để làm một điểm ảnh cho F.
 Bước 2: Giấu tin vào ảnh đen trắng F để thu được ảnh đen trắng F’.
 Bước 3: Đưa lại các bit của F’ vào mỗi điểm ảnh màu tương ứng của Fc để thu
được ảnh màu kết quả là F’c.
Như vậy, thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng là cơ sở cho các thuật toán giấu
tin nói chung.

17

1.5.2 Kỹ thuật giấu tin Wu _ Lee
1.5.2.1 Ý tưởng chính của thuật toán
Kỹ thuật giấu tin theo khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1 trong khối ở

trên thể hiện độ an toàn không cao do chỉ có duy nhất kích thước khối là khóa cho quá
trình giấu tin, đồng thời ảnh chứa thông tin giấu cũng dễ bị phát hiện do kỹ thuật có
thể đảo bit trong khối ảnh toàn màu đen hoặc toàn màu trắng dẫn tới sự bất thường ở
vị trí đảo so với các điểm lân cận trong khối.
Thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng do M.Y.Wu và J.H.Lee đưa ra năm 1989
[11] đã khắc phục được phần nào những tồn tại nêu trên bằng cách đưa thêm khóa K
cho việc giấu tin và các điều kiện để đảo bít trong mỗi khối.
Định nghĩa 1.1:
Gọi x và y là hai bit tùy ý, phép nhân bit kí hiệu là  trên hai bit x và y ; phép
cộng loại trừ (còn gọi là phép XOR) kí hiệu là  trên hai bit x và y, được định nghĩa
thông qua bảng dưới đây
x y
x  y x  y
0 0 0 0
0 1 0 1
1 0 0 1
1 1 1 0
Hình 1.5 Các phép toán

và


Với mỗi ma trận A, kí hiệu A[i,j] là phần tử trên hàng i, cột j của ma trận A. Hai
phép toán trên cũng được mở rộng cho các dãy bit hoặc cho các ma trận bit.
Định nghĩa 1.2:
Hai ma trận A và B có cùng kích thước m x n ta định nghĩa
A  B = C, trong đó C[i,j] = A[i,j]  B[i,j]
A  B = C, trong đó C[i,j] = A[i,j]  B[i,j]
18

Định nghĩa 1.3:
Phép nhân theo vị trí trên hai ma trận A và B (các phần tử là các số nguyên) có
cùng kích thước như sau:
A  B = C, trong đó C[i,j] = A[i,j] * B[i,j]
Định nghĩa 1.4:
Với ma trận số B ta định nghĩa sum(B) là tổng tất cả các phần tử của ma trận B.
Nếu B là ma trận bit thì sum(B) chính là tổng số các bit 1 có trong B.
Ý tưởng thuật toán
Với mục tiêu là giấu được càng nhiều thông tin vào trong ảnh mà vẫn đảm bảo
được chất lượng ảnh càng tốt, ý tưởng chính của thuật toán là chia ảnh ra thành các
khối bằng nhau, tìm khối nào ít bị phát hiện nhất, giấu một bit thông tin vào khối đó.
1.5.2.2 Thuật toán
1) Quá trình giấu tin
Input:
 Ảnh nhị phân F
 Khóa bí mật K
 Xâu bit dữ liệu cần giấu D
Output:
 Một file ảnh F’ đã giấu tin bên trong.
Cách thức thực hiện:
Bước 1: Chia ảnh F thành các khối nhỏ F
i
, mỗi khối có kích thước K (K = m x n).
Bước 2:
For each F
i

If 0< sum(F
i
 K) < sum(K) then

Chuyển bước 3 để giấu thông tin vào khối F
i
,
Else giữ nguyên khối F
i
.
19

Bước 3: Giả sử bit cần giấu vào khối F
i
là b, thay đổi F
i
như sau:
if sum(F
i
 K) mod 2 = b then
giữ nguyên F
i

else if sum(F
i
 K) = 1 then
chọn ngẫu nhiên một bit [j, k] thỏa đồng thời F
i
[j, k] = 1 và K[j, k] = 1.
Đảo giá trị của bit F
i
[j, k] = 1
else if sum((F
i

 K) = sum(K) – 1 then
Chọn ngẫu nhiên một bit [j, k] thỏa F
i
[j, k] = 1 và K[j, k] = 1.
Đảo giá trị của bit F
i
[j, k] = 0
else
Chọn ngẫu nhiên một bit [j, k] mà K[j, k] = 1
Đảo giá trị của bit F
i
[j, k] từ 1 thành 0 hoặc từ 0 thành 1.
End if;
Thí dụ:
Giả sử ta cần giấu dãy bit D = “101” vào ảnh F có kích thước 8x8 và một ma trận
khóa K có kích thước 4x4 như hình vẽ dưới đây. Ta chia ảnh F thành 4 khối nhỏ F
1
,
F
2
, F
3
, F
4
, mỗi khối nhỏ sẽ có kích thước là 4x4.
20

(a) (b)