Giấu dữ liệu trong multimedia

Một số kỹ thuật giấu tin trong
truyền thông đa phương tiện

Nội dung trình bày
•
Giới thiệu về giấu tin
•
Thủy vân (Watermarking)
•
Phủ tin (Steganography)
•
Một số thuật toán giấu tin
•
Phương pháp giấu tin trong AVI
•
Demo chương trình
•
Q&A

Nhu cầu sử dụng kĩ thuật giấu tin
•
Truyền tin mật (tin được giấu trong bản phủ -
vật mang tin)
•
Bảo vệ bản quyền tác giả
•
Xác thực thông tin
•
Thêm tiêu đề, ghi chú vào ảnh. Thêm phụ đề
hoặc tiếng lồng vào video.

•
Các trình duyệt thông minh tự động lấy các
thông tin về bản quyền, thông tin về xếp hạng
của tệp tin âm nhạc hay video
•
Kiểm sóat sao chép

Mô hình hệ thống giấu tin
•
Có hai kĩ thuật quan trọng trong giấu tin đó là:
Phủ tin (Steganography) và Thủy vân (Watermarking)
–
Phủ tin:
• Tư tưởng: giấu thông tin và đảm bảo bí mật sự tồn tài của thông
điệp
–
Thủy vân
•
Tư tưởng: giấu thông tin và làm cho thông tin không cảm nhận
được
•
Giấu tin khác với mã hóa (mã hóa dùng để bảo vệ nội dung
của thông điệp)
Thông điệp
Thuật toán
nhúng
Bản phủ
Truyền qua
mạng
Bộ tách

Thông điệp
Khóa
Khóa

Các vấn đề cần quan tâm khi thực
hiện giấu tin
•
Cảm nhận: Thông tin nhúng vào có làm “méo mó” bản
gốc hay không
•
Dung lượng: Bao nhiêu thông tin có thể nhung trong
ngưỡng cảm nhận cho phép
•
Bền vững trước các tấn công: Thông tin nhúng có thể
tồn tại được trước các tấn công để phá hủy, gỡ và thay
đổi dữ liệu nhúng hay không
•
Sự cân bằng giữa ba yếu tố trên:
–
Càng bền vững => Dung lượng càng thấp
–
Càng khó cảm nhận => Dung lượng càng thấp vv

Truyền tin mật
Bảo vệ bản quyền của ảnh (xác thực)
Thêm tiêu đề, ghi chú vào ảnh. Thêm phụ đề
hoặc tiếng lồng vào video.
Bảo vệ toàn vẹn ảnh (phát hiện lỗi)
Kiểm soát sao chép
Các trình duyệt thông minh tự động lấy các

thông tin về bản quyền, thông tin về xếp hạng
của tệp tin âm nhạc hay video
Yêu cầu
Thấp Cao
Dung lượng
Bền vững
Không nhìn thấy
An toàn
Độ phức tạp nhúng tin
Độ phức tạp để phát hiện
Yêu cầu
Ứng dụng

An toàn
Bền vững
Dung lượng
Mô hình tam giác
Kĩ thuật phủ tin an toàn
Thủy vân số
Phủ tin chất phác

Data hiding
Giấu thông tin
Robust
Thuỷ vân bền vững
Imperceptible
Thuỷ vân ẩn
Steganography
Phủ tin
Watermarking

Thuỷ vân
Fragile
Thuỷ vân dễ vỡ
Visible
Thuỷ vân hiển
Phân loại các kĩ thuật giấu tin

Môi trường giấu tin
•
Giấu tin trong văn bản: ví dụ như thêm các
khoảng trống sau các dấu chấm câu, khoảng
trống giữa các dòng văn bản, khoảng trống cuối
câu …
•
Giấu tin trong ảnh: thay đổi bit ít quan trọng của
ảnh, nhiễu ngẫu nhiên …
•
Giấu tin trong audio: mã hóa tần số thấp, nhiễu
ngẫu nhiên không cảm nhận được …
•
Giấu tin trong video: thay đổi các bít ít quan
trọng trong các khung hình

Miền không gian
Nhúng dữ liệu trực tiếp
bằng việc thay đổi giá trị
các điểm ảnh
Trong miền tần số
Dữ liệu được nhúng vào
miền biến đổi bằng cách thay

đổi các hệ số
+ =
DCT
Modify
DCT
Inverse DCT
Miền giấu tin

Ví dụ về giấu tin
± 2 mức xám
± 5 mức xám
± 31 mức xám
Ảnh gốc
+
+
+
=
=
=

Thủy vân
•
Mục đích: Thông tin đem giấu mang một
số thông tin về vật mang tin như chủ sở
hữu, bản quyền hoặc các thông tin khác
•
Thủy vân có thể xem xét là một thuộc tính
mở rộng của dữ liệu
•
Tính bền vững of của thủy vân là quan

trọng nhất
•
Thủy vân có thể là ẩn hoặc hiện

Khái niệm thủy vân
•
Thủy vân (watermarking) là việc nhúng một thông điệp
có nội dung liên quan đến tác phẩm (bản phủ) vào chính
tác phẩm đó mà không làm thay đổi nội dung của tác
phẩm
•
Thủy vân tương đối giống với phủ tin (steganography),
tuy nhiên có những điểm khác nhau:
–
Trong thủy vân thì thông điệp có liên quan đến vật
mang tin
–
Phủ tin liên quan đến việc che đậy thông tin liên lạc
điểm-điểm nên yêu cầu về tính bền vững không cao
–
Thủy vân có tính phòng thủ chống lại các hành động
để gỡ bỏ nó

Lịch sử của thủy vân
•
Hơn 700 năm trước, thủy vân được sử dụng ở Ý để chỉ
ra hãng giấy và nhà máy sản xuất ra nó
•
Vào thế kỉ 18, thủy vân bắt đầu được sử dụng để chống
làm giả tiền và một số tài liệu khác

•
Ví dụ đầu tiên của công nghệ tương tự thủy vân số là
sáng chế được nộp năm 1954 của Emil Hembrooke về
phân loại tác phẩm
•
Năm 1988, Komatsu Tominaga dường như là những
người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “thủy vân số"
•
Khoảng từ năm 1995 đến nay, nhu cầu về sử dụng thủy
vân số tăng lên rất mạnh

Các tấn công trên hệ thủy vân
•
Hệ thống thủy vân cần chống lại được một số phép xử lý ảnh thông
thường và một số tấn công có chủ định đối với ảnh chứa thuỷ vân.
Tuỳ theo mục tiêu bảo vệ, trong thực tế khi tiến hành thuỷ vân phải
cân nhắc giữa tính bền vững với các thuộc tính khác như lượng
thông tin giấu, tính ẩn… Dựa vào những biến đổi có chủ định hay
không có chủ định đối với hệ thuỷ vân mà ta có thể phân biệt thành
một số loại tấn công sau:
•
- Biến đổi tín hiệu, làm sắc nét, thay đổi độ tương phản, màu, gam
màu
•
- Nhiễu cộng, nhiễu nhân;
•
- Lọc tuyến tính;
•
- Nén mất thông tin;
•

- Giảm dữ liệu: cropping, sửa histogram;
•
- Thuỷ vân nhiều lần

Phủ tin (steganography)
•
Định nghĩa:Nhúng thông tin vào vật mang tin sao
cho sự tồn tại của thông tin không bị phát hiện.
•
Mục đích: truyền thông điệp bí mật bên trong
phương tiện mang tin thông thường vì vậy sự
tồn tại của thông điệp không bị phát hiện
•
Tính bền vững không quá quan trọng
•
Luôn luôn ẩn
•
Phụ thuộc vào định dạng của file

LỊCH SỬ PHỦ TIN
•
440 trước công nguyên
Herodotus, một nhân vật Hy lạp cổ đại, ông ta đã gửi một
nô lệ đến thành phố Miletus cho người thầy của mình là
Histiaeus. Thông tin bí mật được săm trên đầu người nô lệ.
Sau khi săm, anh ta được để cho mọc lại tóc để phủ lên
thông điệp. Sau đó anh ta đi đến Miletus, ngay sau khi đến
nơi Histiaeus cạo đầu người nô lệ và tấu trình với hoàng
thân Aristagoras. Thông điệp được săm trên đầu người nô
lệ khích lệ Aristagoras tiến hành cuộc bạo loạn chống lại

nhà vua Ba tư. Trong ngữ cảnh này, vai trò của thông điệp
có giá trị thiết thực với Histiaeus và người nô lệ chỉ đơn
thuần là người mang tin.
•
Chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ 2
Gián điệp Đức sử dụng mực không màu để in những vết
rất nhở trên các bức thư

Phủ tin sơ khai
•
Ảnh tượng hình: ví dụ Sherlock Holmes
người ông đang nhảy.
“Cứu tôi với”

Phủ tin: Phương pháp thay thế bit
(LSB)
•
Ảnh: thay thế bit ít quan trọng nhất (LSB – Least
Significant Bit) của ảnh bằng các bit của thông
điệp cần giấu
•
Dữ liệu ẩn trong “nhiễu” của ảnh
•
Phương pháp này có thể giấu được nhiều dữ
liệu
•
Dễ vỡ trước các tấn công ảnh

Ví dụ:
3 điểm màu của ảnh 24bit

(00100111 11101001 11001000)
(00100111 11001000 11101001)
(11001000 00100111 11101001)
Khi kí tự “A” – có giá trị nhị phận là 10000001, được chèn
vào:
(00100111 11101000 11001000)
(00100110 11001000 11101000)
(11001000 00100111 11101001)
Chỉ có ba bit (gạch chân) cần thiết phải thay đổi để có thể
chèn thành công kí tự “A”.
Phủ tin: Phương pháp thay thế bit
(LSB)

+
=
ảnh 8-bit (256 xams)
TUYỆT MẬT
LSB

Hy sinh 2 bits của ảnh gốc để chứa 2 bits
của ảnh bí mật
Ảnh chứa ảnh bí mật Ảnh bí mật được
tách ra
LSB sửa đổi

Hy sinh 5 bits của ảnh gốc để chứa
5 bits của ảnh bí mật
LSB sửa đổi
Ảnh chứa ảnh bí mật Ảnh bí mật được
tách ra

Thuật toán giấu tin theo khối bit
•
Input
–
Một ảnh nhị phân F
–
Dãy bít cần giấu b1 b2 ……… bN với N cho trước
•
Output
•
Ảnh nhị phân G được biến đổi từ F và G có chứa dãy bít b1 b2
bN
•
Nội dung thuật toán
•
Bước 1: Chia ảnh gốc F thành các ma trận điểm ảnh Fi có kích
thước mxn. Để không mất tính tổng quát, chúng ta giả sử F luôn
chia được thành N khối kích thước mxn
•
Bước 2: Với mỗi khối Fi (i = 1,2, ….,N) sẽ tiến hành giấu một bit bi
(bi = 0 hoặc bi =1) bằng cách biến đổi Fi thành Gi sao cho Gi thỏa
mãn bất biến sau:
•
Bước 3: Kết hợp các khối Gi ta sẽ thu được ảnh G chứa dãy bít b1
b2 ……… bN

Thuật toán giấu tin theo khối bit
•
Quá trình giải tin.

•
Khi nhận được ảnh đã giấu tin, quá trình giải mã tin sẽ
được thực hiện theo các bước sau đây.
•
Chia ảnh thành các khối có kích thước giống kích thước
khối đã sử dụng khi thực hiện giấu, đây chính là khoá để
giải mã.
•
Với mỗi khối việc giải tin theo quy tắc: đếm số bít 1 trong
khối, nếu tổng số bít 1 là lẻ thì thu được bít 1, ngược lại
thu được bít 0. Và cứ tiếp tục cho đến khi hết các khối
đã giấu.
•
Như vậy, sau khi xét hết các khối đã giấu ta thu được
một chuỗi bit. Chuỗi bit này chính là thông tin đã giấu
trong ảnh nhị phân.