Nghiên cứu một số kỹ thuật giấu tin trong môi trường Multimedia

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





ĐỖ VĂN TUẤN





NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN
TRONG MÔI TRƯỜNG MUILTIMEDIA











LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007


i
MỤC LỤC
Mục lục
Trang
PHẦN MỞ ĐẦU
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN
3
1.1. Một số khái niệm cơ bản
3
1.1.1 Khái niệm về giấu tin
3
1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin
3
1.1.3. Mô hình kỹ thuật giấu tin
4
1.1.4. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin
5

1.2.Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện
8
1.2.1. Giấu tin trong ảnh
8
1.2.2. Giấu tin trong audio
9
1.2.3. Giấu tin trong video
9
1.2.4. Giấu tin trong văn bản
10
1.3. Giấu tin trong ảnh, những đặc trưng và tính chất

10
1.4. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh

12
1.4.1.Tiếp cận trên miền không gian ảnh

12
1.4.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh
13
1.5. Thủy vân số trên ảnh
14
1.5.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân
17
1.5.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân
18
1.5.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân
20

ii
1.5.4. Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân
21
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRÊN MIỀN
KHÔNG GIAN ẢNH NHỊ PHÂN
24
2.1. Kỹ thuật giấu tin theo khối bít
24
2.1.1. Ý tưởng
24
2.1.2. Thuật toán giấu tin
24
2.1.3. Phân tích thuật toán
25
2.2 Kỹ thuật giấu tin Wu – Lee
27
2.2.1 Thuật toán giấu tin
27
2.2.2 Phân tích thuật toán
30
2.2.3. Thí dụ minh họa thuật toán Wu-Lee
31
2.2.4. Một số nhận xét về thuật toán Wu-lee
32
2.3 Kỹ thuật giấu tin Chen – Pan – Tseng
34
2.3.1 Ý tưởng
34
2.3.2 Thuật toán CPT

35
2.3.3.
Cách chứng minh mới về tính đúng đắn của thuật toán

37
2.3.4. Một số thí dụ minh họa thuật toán CPT
39
2.3.5. Phân tích thuật toán

43
CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN
TRONG MULTIMEDIA
45
3.1 Ảnh Bitmap
46
3.1.1 Khái niệm chung về ảnh bitmap
46


iii
3.1.2 Định dạng tệp ảnh bitmap
47
3.2. Giấu tin trong ảnh bitmap 8 bit màu
51
3.2.1. Thuật toán giấu tin DH8
52
3.2.2. Kết quả thử nghiệm thuật toán DH8
58
3.3. Giấu tin trong ảnh bitmap 24 bit màu
58

3.3.1.
Thuật toán giấu tin DH24

59
3.3.2. Phân tích thuật toán
DH24

63
3.3.3. Kết quả thử nghiệm thuật toán DH24
64
3.4. Giấu tin trong dữ liệu âm thanh
64
3.4.1. Định dạng tệp wav
65
3.4.2 Ý nghĩa các trường trong tệp wav
66
3.4.3. Kỹ thuật toán giấu tin trong tệp wav
67
Kết luận
69
Phụ lục
70
Tài liệu tham khảo
75



iv
MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT
DCT (Discrete Cosine Transform):

Phép biến đổi cosin rời rạc từ miền không gian ảnh sang miền tần số
CPT (Y.Chen, H.Pan, Y.Tseng):
Tên ba tác giả đề xuất thuật toán giấu r bit vào một khối bit nhưng chỉ
biến đổi tối đa hai phần tử.
DH8 (Data Hiding in color image 8 bits/pixel):
Thuật toán giấu tin trong ảnh bitmap 8 bit màu, đây là thuật toán
được đề xuất dựa trên ý tưởng giấu tin của Wu-Lee
DH24 (Data Hiding in color image 24 bits/pixel):
Thuật toán giấu tin trong ảnh bitmap 24 bit màu, đây là thuật toán
được cải tiến từ thuật toán giấu tin trên ảnh nhị phân của ba tác giả
Y.Chen, H.Pan và Y.Tseng


1
PHẦN MỞ ĐẦU
1.Đặt vấn đề
Ngày nay, một trong những sự kiện trọng đại trong những thập
niên cuối của thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21 là sự ra đời phát triển của mạng
internet. Thông tin đã trở thành sẵn sàng trực tuyến, mọi người đều có
thể kết nối vào internet để tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng thông
qua nhà cung cấp dịch vụ internet. Người dùng có thể đọc các thông tin
mới nhất, tra cứu các thư viện số, tìm thông tin lĩnh vực mình quan tâm.
Bên cạnh đó các nhà cung cấp sản phẩm cũng sẵn sàng cung cấp dữ
liệu của mình cho người dùng thông qua mạng.
Tuy nhiên, việc phân phối một cách phổ biến các tài nguyên trên
mạng hiện nay luôn gặp phải vấn nạn sao chép và sử dụng không hợp
pháp. Nhu cầu này đã dẫn đến sự ra đời và phát triển một lĩnh vực khoa
học nằm ở biên giới giữa toán học và tin học. Một trong những mục tiêu
nghiên cứu của an toàn dữ liệu và bảo mật thông tin là xây dựng quy
trình và giải pháp bảo vệ các tài liệu, ngăn chặn các hoạt động không

hợp pháp.
Vấn đề an toàn và bảo mật thông tin hiện nay luôn nhận được sự
quan tâm đăck biệt trong nhiều lĩnh vực. Các công nghệ và giải pháp để
bảo vệ thông tin đã và đang được nghiên cứu, phát triển phù hợp với
dạng lưu trữ các thông tin và phương thức truyền tải thông tin.
Giải pháp bảo mật thông tin được sử dụng phổ biến nhất là dùng
các hệ mật mã như: Hệ mã hoá công khai, Hệ mã hoá bí mật. Với giải
pháp này, thông tin ban đầu (bản rõ) sẽ được mã hoá thành bản mật mã
(bản mật). Chính điều này làm cho đối phương nghi ngờ và tìm mọi cách
thám mã. Ngược lại, nếu chúng ta đem thông tin giấu vào trong một môi
trường khác, một bức ảnh F chẳng hạn, ta sẽ thu được bức ảnh F‟ hầu


2
như không sai khác với F khi nhìn bằng mắt thường. Sau đó F‟ được gửi
tới người nhận. Để lấy thông tin từ F‟, người nhận cần đối sánh với bản
gốc. Đây là ý tưởng của phương pháp giấu tin (data hiding) trong môi
trường ảnh.
Nếu thông tin được bảo mật theo một quy trình hai hoặc ba bước,
chẳng hạn: mã hoá, nén rồi giấu vào một trường ảnh hoặc âm thanh thì
cấp độ bảo mật còn có thể cao hơn nữa.
2. Mục đích của luận văn
Giấu dữ liệu là một lĩnh vực rộng lớn, trong luận văn này chỉ đề
cập đến việc nghiên cứu các kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh, âm thanh
đó là hai kiểu dữ liệu được dùng rộng rãi.
Nội dung luận văn tập trung vào việc nghiên cứu và cải tiến một số
kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh đã được công bố, sau đó phát triển, mở
rộng kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh nhị phân vào môi trường ảnh màu,
âm thanh và xây dựng các thư viện cung cấp cho người dụng có thể sử
dụng vào thực tế.

3. Những đóng góp của luận văn
- Luận văn cung cấp cho người dùng một cách nhìn tổng quát và
đầy đủ về hệ thống giấu tin. Từ đó, người dùng sẽ chọn cách thức, môi
trường phù hợp cho từng bài toán cụ thể.
- Luận văn trình bày phương pháp chứng minh mới về tính đúng
đắn của thuật toán CPT, với cách chứng minh mới sẽ giúp quá trình
nghiên cứu thuật toán này trở nên dễ dàng hơn.
- Đề xuất hai thuật toán giấu tin trên ảnh màu và trên dữ liệu âm
thanh. Hai thuật toán này được cải tiến từ hai tư tưởng giấu tin của Wu-
Lee và của ba tác giả Chen – Pan – Tseng.


3

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN
1.1. Một số khái niệm cơ bản
1.1.1 Khái niệm về giấu tin
Giấu tin là một kỹ thuật giấu một lượng thông tin số nào đó
vào một đối tượng dữ liệu khác.
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 được giấu
tin ở trong. Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ
yếu của giấu tin. Hướng thứ nhất là giấu tin mật, nhằm tập trung
vào các kỹ thuật giấu tin sao cho người khác khó phát hiện được
đối tượng có chứa thông tin mật bên trong. Hướng thứ hai là thuỷ
vân số, hướng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được
quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có rất nhiều kỹ
thuật đã được đề xuất
.
1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin

Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng chính, đó là
thuỷ vân số và giấu tin mật.
Kỹ thuật giấu tin mật luôn chú trọng đến tính che giấu
,
với
tính che giấu, các đối thủ khó có thể phát hiện được đối tượng có
chứa tin mật bên trong hay không; hơn nữa, nếu phát hiện có giấu
tin thì việc giải mã thông tin mật cũng khó có thể thực hiện được.
Đồng thời, các kỹ thuật giấu tin mật còn quan tâm lượng tin có thể
được giấu.
Phạm vi ứng dụng của thuỷ vân đa dạng hơn, tuỳ theo mục
đích của hệ thuỷ vân mà người ta lại chia thành các hướng nhỏ


4
như: thuỷ vân dễ vỡ và thuỷ vân bền vững. Thuỷ vân bền vững
quan tâm nhiều đến việc nhúng những mẩu tin đòi hỏi độ bền
vững cao của thông tin được giấu trước các biến đổi thông
thường trên dữ liệu môi trường. Thuỷ vân dễ vỡ yêu cầu thông tin
giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi nào trên dữ liệu
chứa. Như vây, kỹ thuật giấu tin có thể được phân loại như trong
hình 1.1.

1.1.3. Mô hình kỹ thuật giấu tin
Mô hình của kỹ thuật giấu tin được mô tả trong Hình 1.2 và 1.3.
Trong đó, Hình 1.2 biểu diễn quá trình giấu tin. Phương tiện chứa bao
gồm các đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như các tệp
Multimedia. Thông tin cần giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa
nào đó tuỳ thuộc vào mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được
giấu vào trong môi trường chứa nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những

Giấu thông tin
Giấu tin mật
Thuỷ vân số
Thuỷ vân
bền vững
Thuỷ vân
dễ vỡ
Thuỷ vân ẩn
Thuỷ vân
hiện
Thuỷ vân ẩn
Thuỷ vân
hiện
Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giâu tin


5
chương trình, thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khoá bí
mật giống như các hệ mật mã cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu được môi
trường đã giấu tin và được phân phối trên các phương tiện truyền thông
khác nhau.

Hình 1.3 chỉ ra các công việc của quá trình giải mã thông tin đã
được giấu
. Quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải
mã tương ứng với bộ nhúng thông tin kết hợp với khoá để giải mã
thông tin. Khoá để giải mã thông tin có thể giống hoặc khác với
khoá để nhúng thông tin. Kết quả thu được gồm môi trường gốc
và thông tin đã được giấu. Tuỳ trường hợp, thông tin tách được
có thể cần xử lí, kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu.

Thông qua dữ liệu mật được tác ra từ môi trường chứa tin giấu,
người ta có thể biết được trong quá tình phát tán dữ liệu có bị tấn
công hay không.
Với một hệ thống giấu tin mật, tính an toàn của dữ liệu cần giấu
được quan tâm đặc biệt. Một hệ thống được xem là có độ bảo mật cao
Dữ liệu
môi
trường
(audio,
video,
ảnh )
Bộ nhúng
thông tin
Khoá
Thông tin cần giấu
Dữ liệu
môi
trường
đã
được
giấu tin
Hình 1.2 Lược đồ của quá trình giấu tin







6

nếu độ phức tạp của các thuật toán thám mã khó có thể thực hiện được
trên máy tính. Tuy nhiên, cũng có một số hệ thống lại quan tâm đến số
lượng thông tin có thể được giấu, hoặc quan tâm đến sự ảnh hưởng của
thông tin mật đến môi trường chứa dữ liêu.

1.1.4. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin
Giấu tin mật
:
Thông tin được giấu trong những trường hợp
này cần được bảo mật trước các đối thủ. Việc giải mã để nhận
được thông tin cũng không cần dữ liệu môi trường gốc. Đối với
các thuật toán giấu tin mật chúng ta không chú trọng đến việc bảo
vệ thông tin mật trước sự tấn công của các đối thủ mà thay vào
đó các thuật toán 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
được sử dụng trong các ứng dụng giấu tin mật.
Dữ liệu
môi
trường
(audio,
video,
ảnh )
Bộ giải
mã tin
Khoá
Thông tin giấu
Dữ liệu
môi
trường
đã

được
giấu tin
Hình 1.3 Lược đồ giải mã tin giấu





Kiểm định



7
Bảo vệ bản quyền tác giả:
Đây là ứng dụng cơ bản nhất
của kỹ thuật thuỷ vân số. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa bản
quyền được sở hữu bởi tác giả gọi là thuỷ vân, thông tin này sẽ
được nhúng vào trong các sản phẩm multimedia, và đó là minh
chứng cho bản quyền của tác giả nhằm bảo vệ các sản phầm

chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái. Yêu cầu kỹ thuật đối với
ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản
phẩm, khi muốn bỏ thuỷ vân này mà không được phép của người
chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm.
Xác
thực thông tin:
Một tập các thông tin sẽ được giấu
trong dữ liệu nguồn và thông tin sẽ được sử dụng để nhận biết
xem dữ liệu nguồn có bị thay đổi hay không. Với kiểu ứng dụng
này các thuỷ vân nên được ẩn để tránh được sự tò mò của đối

phương, hơn nữa việc làm giả các thuỷ vân hợp lệ hay xuyên tạc
thông tin nguồn cũng cần 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 ứng
dụng này là khả năng giấu thông tin cao và thuỷ vân không cần
bền vững.
Giấu vân tay hay dán nhãn:
Thuỷ vân số trong những ứng
dụng này được sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận
của một thông tin nào đó. Ví dụ như các vân khác nhau sẽ được
nhúng vào các bản sao khác nhau của thông tin gốc trước khi
chuyển cho nhiều người. Với những ứng dụng này thì yêu câu là
đảm bảo độ an toàn cao cho các thuỷ vân tránh sự xoá giấu vết
trong khi phân phối.
Kiểm soát sao chép:
Các thuỷ vân trong những trường
hợp này được sử dụng để kiểm soát việc sao chép thông tin. Các


8
thiết bị phát hiện ra thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các
hệ thống đọc/ghi. Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD đã
được sử dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại này yêu cầu thuỷ vân
phải được đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát
hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc.
1.2.Giấu tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện
1.2.1. Giấu tin trong ảnh
Ngày nay, giấu thông tin trong ảnh chiếm tỷ lệ lớn trong các
chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong dữ
liệu đa phương tiện bởi lượng thông tin được 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 như: nhận thức thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ
bản q
uyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật… Vì thế mà
vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức,
trường đại học và viện nghiên cứu trong và ngoài nước.

Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất
lượng ảnh ít thay đổi và mắt người không thể phát hiện được bên
trong bức ảnh đó có chứa thông tin gì. Và ngày nay, khi ảnh số đã
được sử dụng phổ biến thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại rất
nhiều những ứng dung quan trọng trên nhiều lĩnh vực trong đời
sống xã hội. Ví dụ như đối với các nước phát triển chữ ký tay đã
được số hoá và được lưu trữ giống như là hồ sơ cá nhân của các
dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để xác thực trong
các thẻ tín dụng của người tiêu dùng. Thêm vào đó, lại có rất
nhiều loại thông tin quan trọng cần được bảo mật, chúng rất dễ bị
lấy trộm và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc nhận
thực cũng như phát hiện thông tin xuyên tạc đã trở nên vô cùng


9
quan trọng và cấp thiết. Một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh
đó là thông tin được giấu trong ảnh một cách vô hình, bởi sau khi
giấu thông tin thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi, đặc biệt
đối với ảnh màu hay ảnh đa mức xám.
1.2.2. Giấu tin trong audio
Giấu thông tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác
với giấu thông 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 nhiều
đến chất lượng của dữ liệu gốc. Để đảm bảo yêu cầu này, kỹ
thuật giấu thông tin trong audio phụ thuộc vào hệ thống thính giác
của con người. Và một vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống thính
giác của con người nghe được các tín hiệu ở các giải tần rộng và
công suất lớn nên đã gây khó dễ đối với các phương pháp giấu
tin trong audio. Nhưng theo một số tài liệu, công trình nghiên cứu
đã công bố, hệ thống thính giác lại gặp những khó khăn trong việc
phát hiện sự thay đổi nhỏ về âm lượng, tần số của tín hiệu audio.
Điều này có nghĩa là các âm thanh lớn, tấn số cao có thể che giấu
được các âm thanh nhỏ, tần số thấp một cách dễ dàng. Và thông
tin này sẽ giúp ích cho việc chọn các audio thích hợp cho việc
giấu tin. Vấn đề khó khăn thứ hai đối với giấu thông tin trong
audio là kênh truyền tin. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh
hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu.
1.2.3. Giấu tin trong video
Cũng giống như giấu thông tin trong ảnh hay audio, giấu tin
trong video cũng được quan tâm và được phát triển mạnh mẽ cho
nhiều ứng dụng như kiểm soát sao chép thông tin, nhận thực
thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Với kỹ thuật giấu thông tin


10
trong video, các thuật toán lợi dụng triệt để những nhược điểm
của hệ thống thị giác và thình giác của con người để thực hiện
quá trình giấu tin.
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 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 theo
hai hướng, thứ nhất văn bản được sử dụng để giấu tin là những
văn bản được chụp lại và lưu trên máy như một bức ảnh nhị
phân. Theo hướng này, các kỹ thuật giấu tin được thực hiện như
kỹ thuật giấu tin trong ảnh. 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.
1.3. Giấu tin trong ảnh, những đặc trƣng và tính chất
Giấu tin trong ảnh chiếm tỉ trọng lớn trong các kỹ thuật giấu tin, vì
vậy mà các kỹ thuật giấu tin cũng tập trung vào các kỹ thuật giấu tin
trong ảnh. Các phương tiện chứa khác nhau thì cũng sẽ có các kỹ thuật
giấu khác nhau. Đối tượng ảnh là một đối tượng 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 thường chú ý những đặc trưng và các tính chất cơ bản sau
đây:
 Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người


11
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 bằng mắt thường khó
nhận ra được sự thay đổi đó vì có như thế thì mới đảm bảo được 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 như mắt người 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.
 Giấu thông tin trong ảnh nhưng không thay đổi kích thước ảnh
Các thuật toán thực hiện việc giấu thông tin sẽ được 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 phương 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 thước ảnh trước hay
sau khi giấu thông tin là như nhau.
 Đảm bảo chầt 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 được yêu cầu không được biến đổi
quá nhiều dẫn đến dễ dàng phát hiện sự khác biệt giữa ảnh gốc và ảnh
có chứa tin. Yêu cầu này dường như khá đơn giản đối với ảnh màu hoặc
ảnh xám bởi mỗi một điểm ảnh được biểu diễn bởi nhiều bit và khi ta
thay đổi một giá trị nhỏ nào đó thì chất lượng ảnh thay đổi không đáng
kể, thông tin giấu khó bị phát hiện, nhưng với ảnh đen trắng thì việc giấu
thông tin phức tạp hơn nhiều, vì đối với ảnh đen trắng mỗi một điểm ảnh
chỉ có thể nhận một trong hai giá trị đen hoặc trắng. Vì vậy, trong các kỹ
thuật giấu tin khi chúng ta thực hiện thao tác biến đổi điểm ảnh từ đen
sang trắng hoặc ngược lại nếu không khéo sẽ rất dễ bị lộ vị trí điểm ảnh


12
đã biến đổi. Do đó, với ảnh đen trắng tập trung vào việc làm thế nào để
thông tin giấu khó bị phát hiện nhưng với ảnh màu hay ảnh xám thì lại
chú trọng đến khả năng giấu của thuật toán.

Thông tin giấu 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 giải mã sẽ
theo các giá trị đó để tìm được thông tin đã 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 mà
giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thức và phát hiện xuyên
tạc thông tin.
1.4. Các hƣớng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh
1.4.1.Tiếp cận trên miền không gian ảnh
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 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 của mỗi điểm ảnh.
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.
Điều này là dễ hiểu vì các thao tác nói trên cũng loại bỏ hoặc làm
sai lệch các bit ít quan trọng nhất của mỗi điểm ảnh.



13
1.4.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh
Hướng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh như đã trình
bày ở trên là cách tiến hành khảo sát tín hiệu và hệ thống rời rạc
một cách trực tiếp trên miền giá trị rời rạc của các điểm ảnh gọi là
trên miền biến số độc lập tự nhiên. Nhưng trong nhiều trường

hợp, cách khảo sát trực tiếp này gặp phải những khó khăn nhất
định hoặc rất phức tạp và hiệu quả không cao.
Ngoài phương pháp khảo sát trực tiếp, 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 các miền
khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rạc sẽ được biểu diễn
trong các miền mới với các biến số mới. Phương pháp biến đổi
này cũng giống như phương pháp biến đổi trong phép tính tích
phân hay phương pháp đổi hệ toạ độ trong giải tích của toán phổ
thông quen thuộc.
Mỗi cách biến đổi sẽ có những thuận lợi riêng, tuỳ từng
trường hợp mà chúng ta chọn phép biến đổi nào cho phù hợp.
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 cá biến
đổi ngược để đưa chúng trở lại 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 miền không gian các điểm ảnh. Có một số phương pháp
biến đổi được sử dụng rất phổ biến như: Furier, Cosin rời rạc
(DCT), Wavelet… Đây là những phép biến đổi được sử dụng
nhiều trong các kỹ thuật xử lý ảnh và âm thanh. Trong giấu tin,
đặc biệt trong kỹ thuật thuỷ vân tiếp cận theo miền tần số, các


14
phép biến đổi từ miền biến số tự nhiên của ảnh sang miền tần số
như biến đổi Furier, biến đổi cosin rời rạc, Wavelet được sử dụng
phổ biến.
1.5. Thủy vân số trên ảnh

Như đã giới thiệu ở trên, tính an toàn và bảo mật thông tin
của kỹ thuật giấu tin được thể hiện ở hai khía cạnh. Một là bảo vệ
cho dữ liệu đem giấu và hai là bảo vệ cho chính đối tượng sử
dụng để giấu tin. Tương ứng với hai khía cạnh đó có hai khuynh
hướng kỹ thuật rõ ràng đó là giấu tin mật và thuỷ vân số.
Thuỷ vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin
số vào một bức ảnh số và thông tin nhúng được gắn liền với bức
ảnh chứa và Dữ liệu thuỷ vân có thể được hiển thị hoặc ẩn phụ
thuộc vào mỗi kỹ thuật thuỷ vân cụ thể.
Trong kỹ thuật thuỷ vân số thì thông tin nhúng được gọi là
thuỷ vân. Thuỷ vân có thể là một chuỗi ký tự, hay một hình ảnh,
logo nào đó.
Nói đến thuỷ vân số là nói đến kỹ thuật giấu tin nhắm đến
những ứng dụng bảo đảm an toàn dữ liệu cho đối tượng được sử
dụng để giấu tin như: bảo vệ bản quyền, chống xuyên tạc, nhận
thực thông tin, điều khiển sao chép… Có thể thấy rõ là phần ứng
dụng của thuỷ vân rất lớn, mỗi ứng dụng lại có những yêu cầu
riêng, do đó các kỹ thuật thủy vân cũng có những tính năng khác
biệt tương ứng. Có thể chia các kỹ thuật thủy vân theo nhóm như
trong hình 1.4.



15

Các kỹ thuật thủy vân trên hình 1.4. được phân biệt nhau bởi
những đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật và khía cạnh ứng
dụng những kỹ thuật đó. Trong thực tế, tuỳ theo mục đích, yêu
cầu của bài toán mà ta sẽ chọn kỹ thuật thuỷ vân phù hợp. Tuy
nhiên, các kỹ thuật trên cũng có một số đặc điểm giổng nhau.
Thuỷ vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong ảnh
sao cho sản phẩm khi phân phối trong môi trường nếu có bất cứ
một phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì
thuỷ vân đã được giấu trong đối tượng sẽ không còn nguyên vẹn
như thuỷ vân gốc. Các kỹ thuật thuỷ vân có tính chất này được sử
dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin và phát hiện xuyên
tạc thông tin. Rất dễ hiểu vì sao những ứng dụng này cần đến kỹ
thuạt thủy vân dễ vỡ. Ví dụ như để bảo vệ chống xuyên tạc, một
ảnh nào đó ta nhúng một thuỷ vân vào trong ảnh và sau đó phân
phối, quảng bá ảnh đó. Khi cần kiểm tra lại ảnh ta sử dụng hệ

Thuỷ vân

Thuỷ vân bền vững

Thuỷ vân dễ vỡ

Thuỷ vân ẩn

Thuỷ vân hiện

Thuỷ vân ẩn

Thuỷ vân hiện
Hình 1.4. Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân



16
thống đọc thuỷ vân. Nếu không đọc được thuỷ vân hoặc thuỷ vân
đã bị sai lệch nhiều so với thuỷ vân ban đầu đã nhúng vào ảnh thì
có nghĩa là ảnh đó đã bị thay đổi.
Ngược lại, với kỹ thuật thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật thuỷ vân
bền vững. Các kỹ thuật thủy vân bền vững thường được sử dụng
trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền. Trong những ứng dụng
đó, thuỷ vân đóng vai trò là thông tin sở hữu của người chủ hợp
pháp. Thuỷ vân được nhúng trong các sản phẩm như một hình
thức dán tem bản quyền. Trong trường hợp như thế, thuỷ vân
phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống việc tẩy
xoá, làm giả hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân. Một yêu cầu lý tưởng
đố với thuỷ vân bền vững là nếu muốn loại bỏ thuỷ vân thì cách
duy nhất là phá huỷ sản phẩm.
Thuỷ vân bền vững lại được chia thành hai loại là thủy vân
ẩn và thuỷ vân hiện. Thuỷ vân hiện là loại thuỷ vân được hiện
ngay trên sản phẩm và người dùng có thể nhìn thấy được giống
như các biểu tượng kênh chương trình vô tuyến VTV1, VCT2,
TV5… Các thuỷ vân hiện trên ảnh thường dưới dạng chìm, mờ
hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh
gốc. Đối với thuỷ vân hiện, thông tin bản quyền hiển thị ngay trên
sản phẩm. Còn đối với thuỷ vân ẩn thì cũng giống như giấu tin,
yêu cầu tính ẩn cao, bằng mắt thường không thể nhìn thấy thuỷ

vân. Trong vấn đề bảo vệ bản quyên, thủy vân ẩn mang tính bất
ngờ hơn trong việc phát hiện sản phẩm bị lấy cắp. Trong trường
hợp này, người chủ sở hữu hợp pháp sẽ chỉ ra bằng chứng là
thuỷ vân đã được nhúng trong sản phẩm bị đánh cắp.


17
1.5.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân
Hệ thuỷ vân số trên ảnh cũng là một hệ giấu tin nên cũng có một
số đặc điểm và tính chất giống giấu tin trong ảnh. Đó là:
- Phương tiện chứa là ảnh hai chiều tĩnh
- Thủy vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm thay đổi
kích thước ảnh
- Thông tin được giấu vào trong ảnh nhưng không ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng ảnh.
- Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào bản chất của hệ thống thị giác con người.
- Ngoài một số đặc điểm chung nêu trên, kỹ thuật thuỷ vân trên ảnh số
được phân biệt với kỹ thuật giấu tin mật ở những đặc trưng sau đây:
 Thông tin thuỷ vân có hoặc không bị biến đổi khi ảnh chứa bị thay đổi
Đối với hệ thống thuỷ vân bền vững, yêu cầu thông tin thuỷ
vân không thay đổi trước các tác động làm thay đổi thông tin trên
ảnh chứa thuỷ vân. Ngược lại, hệ thống thuỷ vân dễ vỡ yêu cầu
thông tin thuỷ vân sẽ bị thay đổi (vỡ) nếu có bất cứ thay đổi nào
trên ảnh chứa thuỷ vân.
 Thuỷ vân ẩn, thuỷ vân hiện
Không giống như giấu in mật với yêu cầu bắt buộc là thông
điệp giấu phải ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thường không phát
hiện được sự tồn tại của thông tin giấu thì kỹ thuật thủy vân số lại
có hai loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện. Nghĩa là có loại thuỷ
vân cho phép nhìn thấy được thông tin đem nhúng vào, có loại

không nhìn thấy. Loại thuỷ vân hiện được sử dụng cho mục đích
công bố công khai về quyền sở hữu, ngược lại, thuỷ vân ẩn được


18
sử dụng với mục đích giấu bí mật các thông tin xác nhận quyền
sở hữu sản phẩm
 Tính chất bền vững.
Đây là tính chất quan trọng nhất của một hệ thuỷ vân bền
vững. Đối với hệ thống tuỷ vân này, yêu cầu hàng đầu là hệ thuỷ
vân phải chống lại được các phép biến đổi, hay các tấn công có
chủ định hoặc không có chủ định lên ảnh chứa thuỷ vân. Tiêu
chuẩn của hệ thuỷ vân này là thủy vân phải tồn tại cùng với sự tồn
tại của ảnh chứa, thủy vân chỉ bị phá huỷ khi chấp nhận mất đi
đáng kể chất lượng của ảnh chứa
.
1.5.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân.
Một mô hình hệ thống thuỷ vân tổng quát được xem xét theo
hai quá trình:
Quá trình nhúng thuỷ vân
- Một bức ảnh gốc cần được bảo vệ S.
- Tuỳ theo mục đích bảo vệ người ta chọn thủy vân có thể là
dạng văn bản, chuỗi bit hoặc một bức ảnh gọi chung là thông tin
thủy vân W;
- Có thể sử dụng một hệ thống khoá K làm khoá cho quá
trình nhúng và tách thuỷ vân.
-
Một thuật toán trong hệ thống sẽ kết hợp giữa thông tin về
ảnh gốc, thông tin thuỷ vân, và thông tin khoá để tạo thành một
bức ảnh mới gọi là ảnh đã nhúng thuỷ vân hay ảnh chứa thuỷ vân

SW. Bức ảnh này sẽ được sử dụng để phân phối.


19
Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân được thể hiện qua hình 1.5.





Hình 1.5. Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân
Quá trình tách thuỷ vân
Ảnh chứa thuỷ vân SW trong quá trình phân phối có thể bị
sử dụng trái phép, người sử dụng có thể đã dùng một số phép
biến đổi ảnh thông thường để tấn công vào SW nhằm phá huỷ
thủy vân nếu có trong SW, các tấn công trên SW tạo ra SW*.
Quá trình tách thuỷ vân từ ảnh chứa SW* (SW* có thể trùng
với SW) tiến hành:
-
Sử dụng ảnh chứa thuỷ vân SW*, hệ thống khoá K đã sử dụng
trong quá trình nhúng thuỷ vân;
- Tuỳ theo kỹ thuật, ảnh gốc S có thể sử dụng ;
- Việc tách thủy vân được thực hiện theo một thuật toán đã xác
định. Kết quả là thông tin thủy vân W* tách được từ SW*.
- Thuỷ vân tách được cần so sánh với thuỷ vân gốc W để đưa ra
những kết luận.
Mô hình quá trình tách thuỷ vân trong hệ thống thuỷ vân
được trình bày trong hình 1.6.
Ảnh gốc S
Thuỷ vân W

Thuật toán
thuỷ vân

Ảnh chứa
thuỷ vân SW


Khoá K


20

Hình 1.6. Mô hình quá trình tách và kiểm định thuỷ vân
1.5.3. Những tấn công trên hệ thuỷ 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 hạnh 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
Yêu cầu cơ bản nhất của hệ thống thuỷ vân bền vững là đảm
bảo tính bền vững của thuỷ vân sao cho các tấn công có chủ định

Khoá K

Ảnh chứa
thuỷ vân SW*
Ảnh gốc S

Thuật toán
tách thuỷ vân

Thuỷ vân tách
W*
Kiểm
định

Thuỷ vân gốc W

Kết luận