PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

§¹i häc quèc gia Hµ néi
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HÀ NỘI


HOÀNG THỊ KIM OANH


PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ VÀ KHẢ
NĂNG ỨNG DỤNG

CHUYÊN NGÀNH :CÔNG NHGỆ THÔNG TIN

LUẬN VĂN THẠC SỸ




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. ĐẶNG VĂN ĐỨC





HÀ NỘI - 2007



Trang 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1
Mở Đầu 3
Chương I:Tổng quan về dấu thông tin. 5
1.1 Sơ lược về lịch sử dấu tin 5
1.2. Một số khái niệm và định nghĩa 6
1.2.1 Định nghiã 6
1.2.2. Một số khái niệm. 7
1.2.2.1. Giấu tin và mã hoá thông tin 7
1.2.2.2. Thuỷ vân số và giấu tin 9
1.3 Các tính chất của giấu tin trong ảnh số 11
1.3 Các tính chất của giấu tin trong ảnh số 12
1.3.1 Tính vô hình 12
1.3.2 Khả năng chống giả mạo - Tính ẩn. 13
1.3.3 Dung lượng giấu - Tỉ lệ giấu tin. 14
1.3.4 Tính bền vững. 15
1.3.5 Độ phức tạp tính toán. 15
1.3.6 Ảnh môi trường đối với quá trình giải mã 16
1.4. Hệ thống cảm nhận mắt người. 16
1.5 Mô hình kỹ thuật dấu tin 18
Mẫu tin 19
Khoá k 19
Chèn tin 19
Khoá k 19
Tin 19
Tách tin 19
1.6 Ứng dụng của giấu tin trong ảnh số 20
1.7 Tấn công một hệ thống giấu tin 21
1.8 Hướng tiếp cận của kỹ thuật dấu tin 24
1.8.1. Tiếp cận trên miền quan sát 24
1.8.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh 25

Chương II : Một số kỹ thuật dấu tin cho ảnh 27
2.1 GiớI thiệu chung 27
Kỹ thuật dấu tin 28
2.2 Kỹ thuật dấu tin dựa vào miền quan sát. 29
2.2.1 Kỹ thuật gài vào các bít có trọng số thấp 29
a) Nền tảng kỹ thuật 29
b) Ví dụ minh hoạ 30
c) Dung lượng giấu 32
d) Tính bền vững 32
e) Khả năng phát hiện 33
f) Sự phù hợp cho dấu tin hay thuỷ vân 33
g) Vấn đề và giải pháp 33
2.2.2 Kỹ thuật giấu tin dựa trên bảng mầu 35
a) Nền tảng kỹ thuật 35
b) Các tính chất khác 37



Trang 2

2.3 Kỹ thuật dấu tin dựa vào miền tần số 37
2.3.1 Kỹ thuật nén ảnh Jpeg dựa vào biến đổi cosin rời rạc DCT 38
a, Ý tưởng 38
b, Mã hoá và giải mã 43
c, Nhận xét : 44
2.3.2 Kỹ thuật nén ảnh Jpeg dựa vào biến đổi sóng con DWT(wavelet
transformation) 44
a, Tại sao phải mã hoá sóng con? 45
b, Ý tưởng của mã hoá sóng con 45
c,Mã hoá sóng con 45

d, Nhận xét 47
2.4 Một số thuật toán 48
2.4.1 Nghiên cứu các giải thuật đánh dấu tin cho ảnh trong miền quan sát. 48
2.4.1.1 thuật toán CPT (Yuan Chen, Hsiang-Kuang Pan, Yu-Chee Tseng ) . 48
2.4.1.2 Cải tiến thuật toán cho ảnh màu và ảnh đa cấp xám bằng cách sử dụng các
bít LSB(Least Significant Bit) 49
2.4.2 Nghiên cứu các giải thuật giấu thông tin cho ảnh trong miền tần số. 51
2.4.2.1 Thuật toán Chris Shoemarker áp dụng phép biến đổi DCT 51
2.4.2.2 Thuật toán Peining Tao và Ahmet M. Eskicioglu 53
2.4.2.3 Thuật toán J.Cox 56
2.4.2.4 Thuật toán Corvi 58
2.4.2.5 Thuật toán Dugad 59
2.4.2.6. Thuật toán cdma 60
2.4.2.7. Thuật toán Emir Ganic và Ahmet M. Eskicioglu 63
2.5 Các yêu cầu kỹ thuật 66
Chương III Phát triển chương trình thử nghiệm 67
3.1 Thuật toán 67
3.1.2 Hàm rải 68
Stego-key 68
3.1.3 Tìm một điểm ảnh chưa sử dụng 69
3.1.4 Giấu một byte vào trong ảnh 70
3.1.5 Giấu toàn bộ mẩu tin vào ảnh 71
3.1.6 Giải mã 71
3.2 Đánh giá 72
3.2.1 Dung lượng tin giấu 72
3.2.2 Độ phức tạp tính toán 72
3.2.3 Độ phức tạp thám tin 73
3.2.4 Tính bền vững 74
3.3 Cài đặt chương trình 74
3.3.1 Giao diện của chương trình: 74

Giao diện chính: 75
a. Giao diện chọn ảnh nguồn: 75
b. Giao diện chọn tập tin mật: 76
c.Giao diện giấu tin: 76
d. Giao diện giải mã tập tin giấu: 77
Kết luận 78
Tài liệu tham khảo: 80



Trang 3


Mở Đầu
Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu
sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Bên cạnh những thuận
lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ
hội mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị
mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi
âm kỹ thuật số v.v đã thúc đẩy khả năng sáng tạo, xử lý và ứng dụng các
dữ liệu đa phương tiện (multimedia data). Mạng Internet toàn cầu đã tạo ra
những cơ cấu ảo - nơi diễn ra các quá trình trao đổi thông tin trong mọi
lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại…Và chính
trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu
cực đang rất cần các giải pháp hữu hiệu nhằm đảm bảo an toàn thông tin,
chống lại các nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông
tin trái phép v.v Việc tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp
ta hiểu thêm về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn
tạo ra những cơ hội phát triển mới.
Với những yêu cầu đặt ra như trên, dưới góc độ của người nghiên cứu

tin học. Luận văn tốt nghiệp này đề cập tới vấn đề dấu thông tin cho ảnh,
một dạng dữ liệu được sử dụng nhiều và cũng hay bị lợi dụng nhất trên
internet. Luận văn được trình bày với nhan đề: Nghiên cứu phương pháp
bảo vệ bản quyền ảnh số và khả năng ứng dụng.
Kết quả của đề tài khi triển khai thực tế sẽ góp phần tăng thêm độ an
toàn cho các thông điệp được dấu trong ảnh khi trao đổi, tăng khả năng
chứng minh quyền tác giả khi nhúng các tin mật vào ảnh.
Bố cục của luận van.



Trang 4

Luận văn gồm 3 chương và một phần kết luận.
Chương 1: Tổng quan về các khái niệm dấu thông tin trong ảnh.
Chương này trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về giấu tin, những khái
niệm cơ bản, mô hình kỹ thuật giấu tin, hướng nghiên cứu triển khai về giấu
tin.
Chương II: Một số kỹ thuật dấu tin cho ảnh
Chương này trình bày hai kỹ thuật điển hình về kỹ thuật dấu tin.Dấu tin trong
miền quan sát và giấu tin trong miền tần số. So sánh điểm mạnh điểm yếu
của từng kỹ thuật và đưa ra các thuật toán áp dụng kỹ thuật đã nêu.
Chương 3: Phát triển chương trình thử nghiệm
Trên cơ sở nghiên cứu , đánh giá các kỹ thuật giấu tin trong ảnh, Chương này
cài đặt một ứng dụng được phát triển từ thuật toán đã nêu ở chương 2.
Phần kết luận.



Trang 5

Chương I:Tổng quan về dấu thông tin.
1.1 Sơ lược về lịch sử dấu tin
Từ Steganography bắt nguồn từ Hi Lạp và được sử dụng cho tới ngày
nay, nó 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 tin (thông tin được hiểu theo nghĩa nguyên
thủy của nó) thuộc về sử gia Hy-Lạp Herodotus. Khi bạo chúa Hy-Lạp
Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm 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 của một nô lệ tin cậy và xăm
một thông báo trên da đầu của người nô lệ ấy. Khi tóc của người nô lệ này
mọc đủ dài người nô lệ được gửi tới Miletus.
Một câu chuyện khác về thời Hy-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 Hy-Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định
xâm chiếm Hy-Lạp. Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp 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 mới. Những viên thuốc được để ngỏ và lọt
qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng.
Mực không màu là phương tiện hữu hiệu 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 để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn
tự thông thường. Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên



Trang 6

sẫm màu và có thể đọc dễ dàng. Mực không màu cũng được sử dụng rất gần
đây, như trong thời gian chiến tranh Thế giới II.
Ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về 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 thông tin mới nhận được sự quan tâm
của các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với hàng loạt công
trình nghiên cứu giá trị. Cuộc cách mạng số hoá thông tin và sự phát triển
nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay
đổi này. Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửa đổi
tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phương
tiện đã sinh ra nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất
hợp pháp, xuyên tạc trái phép
1.2. Một số khái niệm và định nghĩa
1.2.1 Định nghiã
Với sự phát triển của công nghệ số và internet, ý nghĩa của dấu tin có
sự thay đổi với các dữ liệu số,tuy mục đích không thay đổi nhưng kỹ thuật
dấu tin đã có nhưng khác biệt cơ bản .Kế thừa các kỹ thuật dấu tin thông
thường đã và đang tồn tại. Căn cứ vào đặc thù của dữ liệu số ta có thể định
nghĩa về hệ thống dấu tin:
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 mà không ảnh hưởng tới tính
năng truyền đạt của dữ liệu.
Giấu thông tin trong ảnh số là một phần của khái niệm giấu thông tin
với việc sử dụng ảnh số làm phương tiện mang. Ảnh nguồn mà ta đem nhúng
thông tin vào được gọi là ảnh môi trường hay ảnh gốc (host image), trong



Trang 7

khoá luận ta sử dụng thuật ngữ ảnh môi trường để chỉ khái niệm này. ảnh thu
được sau khi đã giấu thông tin gọi là ảnh kết quả ( result image). ảnh kết quả
sẽ có những điểm khác so với ảnh gốc gọi là nhiễu. ảnh kết quả càng ít nhiễu
càng khó gây ra nghi ngờ về sự tồn tại thông tin trong ảnh. Thông thường ta
không nên chọn những bức ảnh được nhiều người biết làm ảnh môi trường mà
nên chọn những bức ảnh lạ (chẳng hạn như ảnh cá nhân, ảnh phong cảnh, )
Mỗi kỹ thuật dấu tin trong ảnh có những đặc điểm nhất định xác định
lĩnh vực áp dụng của nó. Chẳng hạn như có hay không mối liên hệ giữa dữ
liệu nhúng với phương tiện mang? Ai là người sẽ giải mã thông tin? Có bao
nhiêu người nhận? Khoá là dùng chung hay bí mật? Tốc độ nhúng cao hay
thấp, việc giải mã có là vấn đề quan trọng?
Kỹ thuật dấu thông tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu
được đem giấu, hai là bảo mật cho chính đối tượng được được dấu tin ở trong.
Hai khuynh hướng này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu
của giấu tin. Thứ nhất giấu tin mật, khuynh hướng này tập trung vào các kỹ
thuật dấu tin sao cho giấu được nhiều thông tin và quan trọng là khó phát hiện
đối tượng được giấu.Thứ hai là thuỷ vân số(Watermarking), khuynh hướng
này có miền ứng dụng lớn và được quan tâm nhiều, khuynh hướng này tập
trung vào kỹ thuật làm sao cho thông tin giấu được bền trước sự tấn công
thông thường trên ảnh.
1.2.2. Một số khái niệm.
1.2.2.1. Giấu tin và mã hoá thông tin
Có thể coi nghệ thuật viết mật là một nhánh của ngành mật mã với mục
tiêu là nghiên cứu các phương pháp che giấu thông tin mật.




Trang 8

Mật mã
Cryptography
Giấu tin
Information hiding
Thuỷ ấn số
Digital watermarking
Viết mật
Steganography
Ngành mật mã
Cryptology


Hỡnh 1.1: Phõn cp cỏc lnh vc nghiờn cu ca mt mó hc
Giu tin l ngh thut nhỳng mu tin mt vo mt vt mang tin khỏc.
Giu tin trong nh s l du cỏc mu tin cng l dng s trong mỏy tớnh vo
cỏc nh nh phõn sao cho khụng b phỏt hin.
Giu tin v mt mó tuy cựng cú mc ớnh l i phng khụng phỏt hin ra
tin cn du, tuy nhiờn nú khỏc vi mt mó ch:
Mt mó l giu i ý ngha ca thụng tin cũn Giu tin l du i s hin
din ca thụng tin. V bn cht giu tin gn vi nộn d liu hn.
Gi s ta cú i tng cn bo mt R (mt vn bn, mt tm bn
hoc mt tp õm thanh chng hn). Nu dựng phng phỏp mó hoỏ bo
mt R ta s thu c bn mt mó ca R l R chng hn. Thụng thng, R
mang nhng giỏ tr vụ ngha v chớnh iu ny lm cho i phng nghi
ng v tỡm mi cỏch thỏm mó. Ngc li, nu dng phng phỏp giu R vo
mt i tng khỏc, mt bc nh F chng hn ta s thu c bc nh F hu
nh khụng sai khỏc vi F. Sau ú ch cn gi nh F cho ngi nhn. ly
ra bn tin R t nh F ta khụng cn nh gc F. Xem nh vy, khi i phng
bt c tm nh F nu ú l nh l (nh cỏ nhõn, nh phong cnh ca nhng

ni khụng ni ting) thỡ khú ny sinh nghi ng v kh nng cha tin mt trong
F.



Trang 9

Như vậy, sự khác biệt giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mức
độ lộ liễu của đối tượng mang tin mật. Nếu ta phối hợp hai phương pháp trên
thì mức độ lộ liễu được giảm đến mức tối đa, đồng thời độ an toàn cũng được
nâng cao. Chẳng hạn, ta có thể mã hoá R thành R’ sau đó mới giấu R’ vào ảnh
F để thu được ảnh F’. Tóm lại, giấu thông tin và hệ mã mật có quan hệ mật
thiết với nhau, cùng xây dựng nên một hệ thống an toàn và bảo mật thông tin.
1.2.2.2. Thuỷ vân số và giấu tin
Trong lĩnh vực bảo mật thông tin, giấu tin được phân nhánh như sau:

Hình1. 2: Các nhánh của giấu tin
Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật
thông tin rõ ràng ở hai khía cạnh. Một là bảo mật cho giữ liệu được đem giấu,
hai là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin. Hai khía cạnh khác
nhau này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Khuynh
hướng thứ nhất là giấu tin mật (Steganography). Khuynh hướng này tập trung
vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu được nhiều và quan trọng là
người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay
không.
Steganography là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng các mẩu tin mật vào
một môi trường phủ. Trong quá trình giấu tin để tăng bảo mật có thể người ta
dùng một khoá viết mật khi đó người ta nói về Intrinsic Steganography (dấu
tin có xử lý). Khi đó để giải mã người dùng cũng phải có khoá viết mật đó.
Chú ý rằng khoá này không phải là khoá dùng để lập mật mã mẩu tin, ví dụ

Trang 10

nó có thể là khoá để sinh ra hàm băm phục vụ rải tin vào môi trường phủ.
Ngược lại nếu không dùng khoá viết mật thì người ta chỉ dấu tin đơn thuần
vào môi trường phủ thì khi đó người ta nói về Pure Steganography (dấu tin
đơn thuần).
Khuynh hướng thứ hai là thuỷ vân số (watermarking). Khuynh hướng thuỷ
vân số đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát
hiện xuyên tạc thông tin. Thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được
quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật dành
cho khuynh hướng này.
Watermarking là kỹ thuật nhúng một biểu tượng vào trong ảnh môi
trường để xác định quyền sở hữu ảnh môi trường, chống sự giả mạo và xuyên
tạc thông tin. Kích thước của biểu tượng thường nhỏ (từ vài bit tới vài nghìn
bit). Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng khi ảnh môi
trường bị biến đổi bởi các phép thao tác như lọc (filtering), nén mất dữ liệu
(lossy compression), hay các biến đổi hình học, Tuy nhiên việc đảm bảo
nguyên vẹn biểu tượng không kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ
thuật toán và có bộ giải mã trong tay. Thông tin giấu là một định danh duy
nhất, ví dụ định danh người dùng thì khi đó người ta gọi là Fingerprinting
(nhận dạng vân tay, điểm chỉ).
Xét về tính chất thuỷ vân giống giấu tin ở chỗ tìm cách nhúng thông tin
mật vào một môi trường. Tuy nhiên xét về bản chất thì thuỷ vân có những nét
khác ở một số điểm:
Mục tiêu của thuỷ vân là nhúng thông tin không lớn thường là biểu
tượng, chữ ký hay các đánh dấu khác vào môi trường phủ nhằm phục vụ việc
xác nhận bản quyền

Khác với giấu tin ở chỗ giấu tin sau đó cần tách lại tin còn thuỷ vân tìm
cách biến tin giấu thành một thuộc tính của vật mang.



Trang 11

Chỉ tiêu quan trọng nhất của một thuỷ vân là tính bền vững, của giấu
tin là dung lượng
Điểm khác nữa giữa thuỷ vân và giấu tin là thuỷ vân có thể vô hình
hoặc hữu trên ảnh bản quyền.
Kỹ thuật dấu tin được áp dụng cho các loại dữ liệu ảnh,audio,
vidio.Tuy nhiên đồ án này chỉ quan tâm đến phương pháp dấu tin cho ảnh số.
Chức năng của dấu tin trong ảnh sẽ khác nhau tuỳ theo các hình thức xâm
phạm dữ liệu ảnh.
Ảnh bị vi phạm bản quyền: nội dung của ảnh giống với nội dung ảnh
bản quyền nhưng chúng được dùng với mục đích mà tác giả không cho phép.
Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải
có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem hay
chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng
lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này
là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này
mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huỷ sản
phẩm.
Ảnh bị sửa đổi :nội dung của ảnh bị xuyên tạc.Trong trường hợp này dấu tin
có tác dụng phân biệt ảnh bản quyền với ảnh bị sửa đổi nội dung. Áp dụng
các bước tách tin giống nhau với các ảnh khác nhau,ta sẽ tách được dấu bản
quyền đã được đăng ký trước đối với ảnh bị xuyên tạc
Hầu hết dấu tin được gắn cho ảnh là dấu không nhìn thấy nhưng trên
thực tế tồn tại một loại dấu tin có thể nhìn thấy, chúng không trong suốt hoàn

toàn.Tuy nhiên nội dung của đồ án này tôi chỉ đề cập tới loại dấu tin không
nhìn thấy.
1.3 Các tính chất của giấu tin trong ảnh số



Trang 12

Hầu hết dấu tin được gắn cho ảnh là dấu không nhìn thấy nhưng trên thực tế
tồn tại một loại dấu tin có thể nhìn thấy, chúng không trong suốt hoàn
toàn.Tuy nhiên nội dung của đồ án này tôi chỉ đề cập tới loại dấu tin không
nhìn thấy.
1.3 Các tính chất của giấu tin trong ảnh số
Vì là một lĩnh vực mới phát triển nhưng đã và đang được ứng dụng
rộng rãi nên có rất nhiều phương pháp dấu tin trong ảnh được nghiên cứu và
thực nghiệm. Để đánh giá một phương pháp so với phương pháp khác người
ta dựa vào một số các tính chất của phương pháp hay tiêu chí đánh giá sau:
- Tính vô hình của thông tin được che dấu trong ảnh.
- Số lượng thông tin được giấu.
- Tính an toàn và bảo mật của thông tin.
- Chất lượng của ảnh sau khi giấu thông tin bên trong.
1.3.1 Tính vô hình
Khái niệm này dựa trên đặc điểm của hệ thống thị giác hay thính giác
của con người. Thông tin nhúng là không tri giác được nếu một người với thị
giác bình thường không phân biệt được ảnh môi trường và ảnh kết quả. Dấu
tin trong ảnh sẽ làm biến đổi ảnh mang. Tính vô hình thể hiện mức độ biến
đổi ảnh mang. Một phương pháp tốt sẽ làm cho thông tin mật trở nên vô hình
trên ảnh mang, người dùng không thể phát hiện trong đó có ẩn chứa thông tin.
Tuy nhiên không phải lúc nào người ta cũng cố gắng để đạt được tính vô hình
cao nhất, ví dụ trong truyền hình, người ta gắn hình ảnh mờ gọi là thuỷ vân

để bảo vệ bản quyền. Trong khi image hiding yêu cầu tính vô hình của thông
tin giấu ở một mức độ cao thì watermarking lại chỉ yêu cầu ở một cấp độ nhất



Trang 13

định. Chẳng hạn như người ta áp dụng watermarking cho việc gắn một biểu
tượng mờ vào một chương trình truyền hình để bảo vệ bản quyền.
1.3.2 Khả năng chống giả mạo - Tính ẩn.
Vì mục đích của một phương pháp giấu tin là chuyển đi thông tin mật.
Nếu không thể do thám tin mật thì kẻ địch cũng sẽ cố tìm cách làm sai lạc
thông tin mật, làm giả mạo thông tin để gây bất lợi cho đối phương. Một
phương pháp dấu tin tốt sẽ đảm bảo tin mật không bị tấn công một cách có
chủ đích trên cơ sở những hiểu biết đầy đủ về thuật toán nhúng tin (nhưng
không biết khoá) và có bộ giải mã (trừ khoá bí mật), hơn nữa còn có được ảnh
đã mang thông tin (ảnh kết quả).
Đối với lĩnh vực thuỷ vân số thì khả năng chống giả mạo là đặc tính vô
cùng quan trọng. Vì có như vậy mới bảo vệ được bản quyền, chứng minh tính
pháp lý của sản phẩm. Đối với image hiding đây là một yêu cầu rất quan
trọng. Chẳng hạn đối với thuật toán dò tin trong ảnh đen trắng kích thước
m*n, độ phức tạp vẫn còn lên tới O(2
mn
) khi đã biết ma trận trọng số dùng
trong quá trình dấu tin.
Tính ẩn của tin là một yêu cầu rất quan trọng của phương pháp dấu tin.
Nếu tính ẩn của tin không được đảm bảo thì không những nó làm ảnh hưởng
tới chất lượng của ảnh mà còn dễ dàng tạo điều kiện cho các hình thức tấn
công nhằm loại bỏ tin ra khỏi ảnh. Với ảnh được đánh dấu một cách lý tưởng
, ảnh có bản quyền và ảnh gốc sẽ không thể phân biệt được bằng mắt

thường.Như vậy giá trị của bức ảnh sẽ không bị thay đổi và việc các tin như
vậy sẽ là rào cản lớn cho những kẻ phá hoại trong việc cố gắng xoá hoặc sửa
đổi các thông tin về bản quyền ảnh. Trên thực tế khi chèn tin vào ảnh thì ảnh
kết quả và ảnh gốc sẽ có nhưng sai khác , để không thể nhận ra được những



Trang 14

thay đổi về nội dung dữ liệu này, người ta thường khai thác các đặc điểm về
khả năng cảm thụ của mắt ngườI(1.5).
1.3.3 Dung lượng giấu - Tỉ lệ giấu tin.
Lượng thông tin giấu so với kích thước ảnh môi trường cũng là một vấn
đề cần quan tâm trong một thuật toán giấu tin. Dung lượng giấu được tính
bằng tỷ lệ của lượng tin giấu so với kích thước ảnh. Vì tin mật được gửi cùng
với ảnh mang qua mạng nên đây cũng là một chỉ tiêu quan trọng. Các phương
pháp đều cố làm sao giấu được nhiều tin trong khi vẫn giữ được bí mật. Tuy
nhiên trong thực tế người ta luôn phải cân nhắc giữa dung lượng và các chỉ
tiêu khác như tính vô hình, tính ổn định.
Rõ ràng là có thể chỉ giấu một bit thông tin vào mỗi ảnh mà không cần
lo lắng về độ nhiễu của ảnh nhưng như vậy sẽ rất kém hiệu quả khi mà
thông tin cần dấu có kích thước tính bằng kb. Các thuật toán đều cố gắng đạt
được mục đích làm thế nào để giấu được nhiều thông tin mà không gây ra
nhiễu đáng kể.

Hình 1.3: Cân nhắc giữa chất lượng, dung lượng và tính bền vững




Trang 15

1.3.4 Tính bền vững.
Tính bền của dấu tin liên quan đến việc tách tin từ ảnh có bản quyền
một ảnh sau khi được đánh dấu có thể được đem ra xử lý để phục vụ cho các
mục đích khác nhau như nén ảnh,biến đổi hình học,lọc ảnh cải thiện ảnh ,các
biến đổi cố tình để xoá dấu tin ra khỏi ảnh,…v.v. Vấn đề được đặt ra liệu sau
khi ảnh bị xử lý ta còn có thể tách được khi chất lượng tin ra khỏi ảnh không
và tách được thì chất lượng của tin có đảm bảo tin cậy không.như ta đã biết
khi chèn một dấu ẩn vào ảnh thì trước hết phảI đảm bảo tính ẩn của nó ,nói
cách khác thong tin về dấu ẩn có năng lượng rất nhỏ so vớI thong tin ảnh
.Mặt khác để tăng tính bền cho dấu ẩn ta phảI tăng năng lượng của thông tin
dấu ẩn được chèn vào dấu ẩn(điều này đốI nghịch vớI yêu cầu của tính ẩn.Do
vậy việc đảm bảo sự tồn tạI của dấu ẩn trong ảnh cũng giống như việc đảm
bảo truyền tín hiệu có năng lượng nhỏ trong môi trường có nhiễu lớn. Đây là
cơ sở để áp dụng các phương pháp xử lí tín hiệu số trong chèn dấu ẩn.
Trong trường hợp một ảnh được chèn nhiều ký hiệu bản quyền thì các
ký hiệu này phảI đảm bảo có thể phân biệt được .Tuy nhiên việc tăng số
lượng các dấu ẩn cũng đồng nghĩa vớI việc tăng lượng của các thông tin
được chèn vào ảnh do đó tính ẩn của ảnh cũng bị ảnh hưởng theo chiều hướng
giảm.Tóm lạI các yêu cầu đặt ra đốI vớI nhúng thuỷ vân cho ảnh có chiều
hướng xung đột nhau,nếu thoả mãn tốt yêu cầu này thì không đáp ứng được

yêu cầu kia và ngược lạI .Qua đó ta có kết luận rằng không thể có mô hình
đánh dấu ẩn nào cho ảnh một cách lí tưởng . Để có thể có được một phương
pháp nhúng thuỷ vân ảnh hợp lý ,ngườI ta thường đưa ra hệ số cân đốI và tuỳ
theo những yêu cầu cụ thể ,hệ số cân đốI này sẽ được chọn thích hợp.
1.3.5 Độ phức tạp tính toán.



Trang 16

Chỉ tiêu độ phức tạp trong mã hoá và giải mã cũng là một yếu tố quan
trọng trong đánh giá các phương pháp giấu tin trong ảnh. Yêu cầu về độ phức
tạp tính toán phụ thuộc vào từng ứng dụng. Ví dụ một ứng dụng tạo thuỷ vân
để đánh giấu bản quyền cần phải có độ phức tạp tính toán cao thì mới đảm
bảo chịu được sự tấn công của nhiều tin tặc nhằm phá huỷ thuỷ vân.
1.3.6 Ảnh môi trường đối với quá trình giải mã.
Yêu cầu cuối cùng là thuật toán phải cho phép lấy lại được thông tin đã dấu
trong ảnh mà không cần có ảnh môi trường. Điều này là một thuận lợi khi
ảnh môi trường là duy nhất nhưng lại làm giới hạn khả năng ứng dụng của kỹ
thuật giấu tin.
1.4. Hệ thống cảm nhận mắt người.
Chúng ta cảm nhận được hình ảnh nhờ hệ thống quang học trong mắt.
Hình ảnh thực tế được hội tụ trên võng mạc, ở đó các dây thần kinh nối tới
não bộ và kích thích não gây nên cảm giác về hình ảnh .Mỗi dây thần kinh
trên võng mạc có các đặc tính cảm nhận sau:
Cảm nhận về hình khối của ảnh(ta gọi là cảm nhận trong không gian
quan sát ảnh).
cảm nhận về tần số:độ mịn, độ sắc nét.
Cảm nhận về các phương của ảnh:phương ngang, phương dọc,phương
chéo.

Để có thể xây dựng được một hệ nhúng thuỷ vân tối ưu, ta không thể
bỏ qua việc nghiên cứu các đặc tính cảm nhận của mắt. Để kết luận một ảnh
sau khi chèn dấu ẩn có chất lượng tốt hay không ,người ta quan sát bằng mắt
thường . Một trong những đặc tính cảm nhận của mắt liên quan trực tiếp tới
hệ thống nhúng thuỷ vân đó là khả năng phân biệt độ tương phản.



Trang 17

Quan hệ giữa độ tương phản và độ chói.
Với một ảnh thông thường ,các yếu tố để tạo nên cảm giác hình khối của ảnh
luôn là:
Độ chói:đặc trưng cho độ sáng hay tối của ảnh
Độ tương phản :đặc trưng cho sự khác biệt biểu diễn các chi tiết khác nhau
của ảnh
Để đảm bảo tính ẩn của dấu tin,trong quá trình chèn dấu ta phải khống chế
biên độ tín hiệu tại nơi được chèn dấu ẩn sao cho sự thay đổi độ tương phản
so với ảnh gốc không làm cho mắt người cảm nhận được.Hình 1.4 là mô hình
kiểm chứng của Weber-Fechner về khả năng cảm nhận độ chói. Bài toán đặt
ra là với một ảnh có độ chói nền là i
0
, vùng ở giữa ảnh có độ chói i
0
+Ai, giá
trị của Ai là bao nhiêu thì mắt người phân biệt được hai vùng sáng này với
nhau? Qua các thử nghiệm và nghiên cứu , người ta đã tìm ra được quan hệ
giữa Ai và I
0
quan hệ này phản ảnh với biểu đồ Hình 1.5 và được gọi là quan

hệ JND (Just Noticeable Difference).Với độ chói ở mức trung bình ,độ tương
phản và mắt cảm nhận được là Ai/i=13%, nói cách khác về độ chói giữa đối
tượng ảnh và nền trong khoảng 0.01 đến 0.03 lần trở lên sẽ làm cho mắt phân
biệt được . Ở các mức độ chói thấp hoặc rất thấp tương phản giữa AI và I sẽ
thay đổi theo chiều tăng đột biến







Hình 1.4 mô hình xác định độ tương phản mà mắt cảm nhận được

I
0

I
0
+Ai



Trang 18



Ai/i

1~3%

Log I
Hình 1.5 Quan hệ độ tương phản cảm nhận được vớI độ chói

Cảm nhận về tần số của ảnh trong không gian quan sát
Cảm nhận về tần số khi quan sát ảnh là sự phân biệt được độ mịn hay độ sắc
nét của ảnh. Đặc điểm cảm nhận của mắt là rất nhậy với nhiễu tần số thấp
(thuộc vùng ảnh mịn) và kém nhậy hơn đối với miền tần số cao(miền có độ
tương phản lớn ). Đây chính là đặc điểm mà ta có thể lợi dụng để chọn miền
đánh dấu, miền được chọn để nhúng thuỷ vân không thể là miền có tần số
thấp.
Một kết luận quan trọng nữa được áp dụng cho nhúng thuỷ vân là giá trị chói
của miền được đánh dấu không vượt qua ngưỡng JND so với độ chói ảnh gốc.

1.5 Mô hình kỹ thuật dấu tin
 Mẩu tin mật: có thể là văn bản hoặc tệp ảnh hay bất kỳ một tệp nhị
phân nào, vì quá trình xử lý chúng ta đều chuyển chúng thành chuỗi các
bit.
 Ảnh phủ hay ảnh gốc: là ảnh được dùng để làm môi trường nhúng tin
mật.



Trang 19

 Khoá K: khoá viết mật tham gia vào quá trình dấu tin để tăng tính bảo
mật
 Ảnh bản quyền: là ảnh sau khi đã nhúng tin mật vào đó
Hệ thống dấu tin nói chung bao gồm 2 phần chính:chèn tin và tách tin
(Hình 1.5).Giai đoạn chèn tin,các thông tin khoá (công khai hoặc bí mật) và

dấu tin được chèn vào ảnh gốc để được ảnh có bản quyền.
Giai đoạn tách tin dữ liệu khoá(bí mật) và hoặc ảnh gốc(ảnh không chèn tin)
sẽ làm dữ liệu cơ sở để tách tin từ ảnh có bản quyền.





(a)







(b)
Hình 1.6 (a) Chèn tin ,(b) Tách tin


Khoá k trong hệ đánh dấu trên là để đảm bảo tính bí mật của dấu tin
chống lạI các hình thức khai thác quy lật về ký hiệu được chèn vào ảnh.Đây là
Mẫu tin
Ảnh ban đầu
Khoá k
Ảnh có bản
quyền
Chèn tin
Ảnh gốc
Ảnh bản quyền

Khoá k
Tin
Tách tin



Trang 20

hình thức bảo vệ an toàn cho ảnh bản quyền đốI vớI mọI hình thức tấn công
cố ý nhằm xoá dấu tin ra khỏI ảnh.
1.6 Ứng dụng của giấu tin trong ảnh số
Giấu tin trong ảnh số ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Các ứng dụng rơi
vào một trong các nhóm sau:
1. Bảo vệ bản quyền
2. Điểm chỉ số
3. Gán nhãn
4. Liên lạc bí mật
Bảo vệ bản quyền: Một biểu tượng bí mật được nhúng vào trong ảnh để
xác nhận quyền sở hữu. Biểu tượng thuỷ vân (watermark) có thể có cấu trúc
phức tạp được đính lên ảnh khi bán hoặc phân phối, thêm vào đó có thể gán
một nhãn thời gian (time stamp) để chống giả mạo. Một Watermark cũng
được dùng để phát hiện xem các ảnh có bị sửa đổi hay không . Việc phát hiện
các Watermark được thực hiện bởi phép thống kê, so sánh độ tương quan
hoặc bằng cách đo đạc xác định chất lượng của Watermark trong ảnh phủ.
Điểm chỉ số: Mục tiêu của điểm chỉ số là để chuyển thông tin về người
nhận (chứ không phải chủ sở hữu) sản phẩm phương tiện số nhằm xác định
đây là bản sao duy nhất của sản phẩm. Về mặt ý nghĩa điểm chỉ số tương tự
như số xê ri của phần mềm .
Gán nhãn: Tiêu đề, chú giải và nhãn thời gian cũng như các minh hoạ khác
có thể được nhúng vào ảnh, ví dụ đính tên người lên ảnh của họ hoặc đính tên

vùng địa phương lên bảng đồ. Khi đó nếu sao chép ảnh thì cũng sẽ sao chép
cả các dữ liệu nhúng trong nó. Và chỉ có chủ sở hữu của tác phẩm, người có
được khoá mật (Stego-Key) mới có thể tách ra và xem các chú giải này.
Trong một cơ sở dữ liệu ảnh, người ta có thể nhúng các từ khoá để các động



Trang 21

cơ tìm kiếm có thể tìm nhanh một bức ảnh. Nếu ảnh là một khung ảnh cho cả
một đoạn phim, người ta có thể gán cả thời điểm diễn ra sự kiện (timing) để
đồng bộ hình ảnh với âm thanh. Người ta cũng có thể gán số lần ảnh được
xem để tính tiền thanh toán theo số lần xem.
Liên lạc bí mật: Trong nhiều trường hợp sử dụng mật mã có thể gây ra sự
chú ý ngoài mong muốn. Ngoài ra việc sử dụng công nghệ mã hoá có thể bị
hạn chế hoặc cấm sử dụng. Ngược lại việc giấu tin trong môi trường nào đó
rồi gửi đi trên mạng ít gây sự chú ý. Có thể dùng nó để gửi đi một bí mật
thương mại, một bản vẽ hoặc các thông tin nhạy cảm khác.
1.7 Tấn công một hệ thống giấu tin
Tấn công một hệ thống giấu tin được gọi là Steganalysis. Người ta
dùng các phương pháp để phát hiện, phá huỷ, trích hay sửa dữ liệu mật. Hiểu
về các biện pháp kẻ tấn công sử dụng sẽ hữu ích cho việc thiết kế và triển
khai một hệ giấu tin tốt.
Thí dụ với kiểu tấn công Robustness (cố gắng làm giảm hay loại bỏ
một watermark)

Trang 22



Để chống lại cách tấn công này ta đoán trước một số phép biến đổi
thường dùng, nhúng nhiều bản copy của mark theo phép biến đổi ngược.
Hay với kiểu tấn công Presentation (thay đổi nội dung của file để ngăn
cản việc tìm ra watermark)



Việc tấn công được coi là thành công hay không tuỳ theo ứng dụng. Đối
với liên lạc bí mật việc phát hiện và chứng minh một ảnh có chứa tin mật
được coi là thành công. Đối với bản quyền, chống giả mạo thì việc tấn công
được coi là thành công nếu không chỉ phát hiện ra thuỷ vân và còn phá huỷ
hoặc sửa nó đi mà không làm giảm chất lượng của ảnh. Có một mối quan hệ
tương đồng giữa mà hoá và dấu tin là trong cả hai lĩnh vực người ta giả thiết
bên thám tin biết trước phương pháp dùng để mã hoá hay dấu tin. Toàn bộ bí
mật của một phương pháp cụ thể phụ thuộc vào việc chọn khoá chứ không
phải vào độ phức tạp của phương pháp (nguyên lý Kerkhoff trong lý thuyết
mật mã ).
Tương tự như thám mã, các kỹ thuật thám tin trong giấu tin được chia ra
làm năm nhóm:
 Biết ảnh mang
 Biết ảnh gốc và ảnh mang



Trang 23

 Biết thông tin giấu trong ảnh mang
 Biết thuật toán giấu tin
 Biết thuật toán trích tin mật
Thám tin để phát hiện thuỷ vân hoặc dữ liệu mật có thể được thực hiện
bằng cách phân tích vùng nhiễu quá mức trên ảnh. Đôi khi những tin tặc kinh
nghiệm có thể nhận thấy các vùng nhiễu này bằng mắt thường. Nếu biết được
ảnh gốc thì phương pháp này còn đơn giản hơn nữa vì khi đó người ta có thể
so sánh ảnh mang với ảnh gốc để tách nhiễu.
Nếu bên thám tin biết được thông tin ẩn, người ta có thể sinh ra các cặp
ảnh gốc và ảnh mang để phân tích và xem xem liệu ảnh đang xét có mang
giấu ấn của chữ ký hay thông tin mật hay không.
Việc phá huỷ thông tin mật có thể đơn giản hay vô cùng phức tạp tuỳ
thuộc vào phương pháp giấu tin sử dụng. Đối với phương pháp nhúng tin vào
bit có trọng số thấp thì việc phá thông tin chỉ đơn thuần là thay đổi lại các bit
này.
Phá huỷ tin mật đối với các phương pháp dấu tin ổn định mà vẫn giữ
nguyên ảnh mang là một việc khó. Vì mục tiêu của những chương trình tạo
thuỷ vân chính là đạt được độ bền vững sao cho nếu có ai đó phá các thuỷ vân
thì cũng làm hỏng ngay cả bức ảnh. Thường người ta tìm cách áp dụng nhiều
phép biến đổi ảnh với hy vọng rằng tuy từng phép biến đổi không có tác dụng
nhưng có thể tổ hợp của chúng sẽ giúp cho việc phá huỷ thuỷ vân trong khi
vẫn giữ được ảnh mang.
Nếu biết thông tin lẫn ảnh mang thì cơ hội phá mẩu tin cao hơn. Nếu
biết thuật toán giấu tin thì kẻ thám tin có thể dùng nó thử dấu tin lên nhiều
ảnh khác nhau, và qua đó dùng các phương pháp thống kê để tìm ra các quy
luật gây nhiễu cũng như dùng nó để kiểm thử xem một ảnh có mang tin mật
hay không.

Trang 24

Việc tấn công thám tin khó nhất đó là sửa tin trong ảnh mang và suy ra
được khoá viết mật (stego-key) dùng để nhúng tin. Nếu đã biết khoá rồi thì kẻ
thám tin có thể làm giả các tin khác giống như nó được gửi đi từ chính chủ.
Phương pháp thám tin để biết thuật toán dấu tin và thuật toán lấy tin hay được
dùng trong các hệ thám tin. Rất nhiều kỹ thuật thám tin đưa sang từ kỹ thuật
thám mã nên về lĩnh vực này có sự tương đồng giữa giấu tin và mật mã.
1.8 Hướng tiếp cận của kỹ thuật dấu tin
1.8.1. Tiếp cận trên miền quan sát
Đây là hướng tiếp cận cơ bản và tự nhiên trong số các kỹ thuật dấu 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 trực tiếp của điểm ảnh. Đây
là hướng tiếp cận tự nhiên bởi vì khi nói đến việc dấu tin trong ảnh người ta
thường nghĩ ngay đến việc thay đổi các giá trị của điểm anh nguồn. Một
phương pháp phổ biến của hướng tiếp cận này là phương pháp tác động đến
bit it quan trọng nhất của mỗi điểm ảnh[12].
Ý tưởng cơ bản của phương pháp tác động đến bit ít quan trọng nhất của
các điểm ảnh là chọn ra từ mỗi điểm ảnh các bit có ý nghĩa nhất về mặt tri
giác để sử dụng cho việc dấu tin. Việc bít nào được coi là ít tri giác nhất và
bao nhiêu bit có thể lấy được để thay thế đều phụ thuộc vào tính chất hệ thống
thị giác con người và nhu cầu về chất lượng ảnh trong các ứng dụng. Ví dụ,
trong ảnh 24 bit, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 24 bit tương ứng với 3 màu
RGB, mỗi màu chiếm một byte. Người ta sử dụng một tính chất của mắt
người là sự cảm nhận về màu B(blue) kém hơn so với màu R(Red) và
G(green), chính vì thế mà người ta thường chọn bít cuối cùng trong 8 bit biểu
diễn màu B của mỗi điểm ảnh để giấu tin. Thay đổi bit cuối cùng trong 8 bit