Nghiên cứu phương pháp giấu tin theo khối ảnh

MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển của mạng Internet, thông tin đã trở thành
sẵn sàng trực tuyến, mọi người có máy tính đều có thể kết nối vào Internet
thông qua nhà cung cấp dịch vụ truy cập Internet, và tìm kiếm thông tin một
cách dễ dàng. Cùng với sự bùng nổ của Internet và các phương tiện
multimedia, những vấn nạn như ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy
nhập thông tin trái phép ... cũng gia tăng, đòi hỏi phải không ngừng tìm các
giải pháp mới, hữu hiệu cho an toàn và bảo mật thông tin.
Giải pháp bảo mật thông tin được sử dụng phổ biến nhất là dùng các hệ
mật mã. Với giải pháp này, thông tin ban đầu (bản rõ) sẽ được mã hóa thành
bản mật mã (bản mật) thường mang những giá trị “vô nghĩa”. 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 đối tượng khác, một bức ảnh F chẳng hạn
ta sẽ thu được một bức ảnh F’ hầu như không sai khác với F khi nhìn bằng
mắt thường. Sau đó ảnh F’ được gửi tới người nhận. Để lấy lại bản tin từ ảnh
F’, người nhận không cần đối sánh với ảnh gốc. Đây là ý tưởng của phương
pháp giấu tin (data hiding) trong môi trường ảnh được nghiên cứu gần đây và
có nhiều ứng dụng trong giấu tin mật, đánh giấu bản quyền và nhiều ứng dụng
khác....
Khi áp dụng các phương pháp giấu tin vào quy trình bảo mật thông tin,
một vấn đề cần quan tâm là thực sự có bao nhiêu “thông tin” có thể chuyển tải
qua một bức ảnh, mức độ nhận biết ảnh có giấu tin hay không và tính bền
vững của thông tin sau khi giấu.
Mục tiêu của bài tập lớn này là nghiên cứu phương pháp giấu tin theo
khối ảnh. Tìm cách nâng cao hiệu quả giấu tin, giảm thiểu sự thay đổi ảnh sau
khi được giấu tin so với ảnh gốc. Kết quả, trong bài tập này em đã cải tiến
thuật toán giấu tin trong ảnh nhị phân, giảm thiểu sự thay đổi của ảnh giấu tin
so với ảnh gốc và đã xây dựng chương trình ứng dụng thuật toán giấu tin trên
ảnh nhị phân.
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ

1.1. Khái niệm về giấu tin trong ảnh số
Giấu tin (information hiding): Là che giấu những thông tin cần bảo mật
nhằm chỉ để một số người được biết và không cho những người khác biết.
Giấu tin số (data hiding): Là giấu những thông tin số vào trong một đối
tượng dữ liệu số khác (gọi là môi trường giấu tin) sao cho môi trường trước
và sau khi giấu tin gần như không có sự khác biệt, đồng thời có thể khôi phục
lại chính xác các thông tin đã giấu.
Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu tin số là mã hoá
làm cho các thông tin hiện rõ là nó có được mã hoá hay không, còn với giấu
tin số thì người ta sẽ khó biết được là có thông tin giấu bên trong hay không.
Môi trường giấu tin số có thể là bất kỳ đối tượng dữ liệu số nào như âm
thanh, ảnh, video, văn bản, cơ sở dữ liệu, … trong đó môi trường ảnh số đã và
đang được nhiều người quan tâm.
Giấu thông tin trong ảnh hiện nay chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương
trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong 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 đối với hầu hết các ứng dụng
bảo vệ an toàn thông tin như: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông
tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật...
Giấu tin trong ảnh số là một phương pháp giấu tin mà thông tin giấu
được đưa vào trong dữ liệu của file ảnh nhưng ít làm thay đổi ảnh cả về chất
lượng ảnh và dung lượng file ảnh. Thông tin giấu được tách ra từ ảnh mang
mà không cần ảnh gốc.
Cơ sở của kỹ thuật giấu tin trong ảnh chủ yếu dựa vào bản chất hệ
thống thị giác của con người, do khả năng cảm nhận về màu sắc của mắt
người là hạn chế nên nhữnng thay đổi nhỏ về giá trị màu của điểm ảnh khó có
thể phát hiện được bằng mắt.
Các thành phần chính của một hệ giấu tin trong ảnh bao gồm:
2
• Bản tin mật (Secret Message): 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) (Cover Data): là ảnh được dùng để làm môi
trường nhúng tin mật.
• Khoá bí mật K (Key): khoá viết mật tham gia vào quá trình giấu tin
để tăng tính bảo mật
• Bộ nhúng thông tin (Embedding Algorithm): Những chương trình,
thuật toán nhúng tin.
• Ảnh mang (Stego Data): là ảnh sau khi đã nhúng tin mật vào đó
Kiểm định (Control) : Kiểm tra thông tin sau khi được giải mã.
Mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản được mô tả theo hai hình vẽ sau :

Hình vẽ trên biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Phương tiện chứa bao gồm
các đối tượng được dùng làm môi trường giấu tin như : text, audio, video,
ảnh, bản tin mật là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó như ảnh,
logo, đoạn van bản… tuỳ thuộc vào mục đích của người sử dụng . Thông tin
sẽ được giấu vào trong phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng, bộ nhúng là
những chương trình, triển khai các 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 phương tiện chứa bản tin đã giấu và phân phối sử dụng trên mạng.
3
Phương tiện chứa:
(Audio,ảnh,video)
Bộ nhúng
thông tin
Bản tin mật
Khoá
Phương tiện
chứa đã giấu
tin

Phân loại
Hình 1: Lược đồ chung cho quá trình giấu tin
Hình vẽ trên chỉ ra các công việc giải mã thông tin đã giấu. Sau khi nhận
được đối tượng phương tiện chứa có giấu thông tin, quá trình giải mã được
thực hiện thông qua bộ nhúng thông tin cùng với khoá của quá t rình nhúng.
Kết quả thu được gồm phương tiện chứa gốc và bản tin mật đã được giấu.
Bước tiếp theo bản tin mật thu được sẽ được xử lý kiểm định so sánh với
thông tin giấu ban đầu.
Sơ đồ phân loại trên (hình 1,2) được Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm
1999.
1.2. Các đặc tính của giấu tin trong ảnh:
- Tính ẩn (tính vô hình)
Khi quan sát ảnh mang bằng mắt thường không phát hiện được thông
tin giấu và không gây nghi ngờ cho người xem.
Tính ẩn phụ thuộc vào mức độ biến đổi của ảnh mang so với ảnh gốc
trong quá trình giấu tin.
- Tính bền vững
4
Phương tiện chứa
(audio, ảnh, video)
Bộ giải
mã tin
Bản tin mật
Khoá
Phương tiện
chứa đã giấu
tin
Kiểm định
mã tin
Hình 2: Lược đồ cho quá trình giải mã

Ảnh mang có thể phải chịu một số tác động nào đó từ bên ngoài như
lọc ảnh, làm sắc nét, … dẫn đến mẩu tin tách được M’ # M.
Tỉ lệ M’/M thể hiện tính bền vững của thuật toán giấu tin.
- Dung lượng giấu tin
Là tỉ lệ giữa số byte tối đa thông tin có thể giấu được so với kích thước
của file ảnh (tính bằng byte). Cùng một thuật toán giấu tin với các file ảnh
khác nhau có thể cho tỉ lệ khác nhau.
Thông thường các phương pháp giấu tin trong ảnh đều cố làm tăng
dung lượng giấu tin, tuy nhiên việc tăng dung lượng giấu tin sẽ ảnh hưởng tới
các đặc tính khác như tính ẩn và tính bền vững.
- Tính an toàn
Là khả năng chống lại sự tấn công hoặc giả mạo từ bên ngoài.
Một hệ giấu tin tốt phải đảm bảo tin mật không bị tấn công một cách có
chủ đích trên cơ sở có những hiểu biết về phương pháp giấu tin như có ảnh
mang, có ảnh mang và ảnh gốc, có bộ giải mã (nhưng chưa có khoá), …
- Độ phức tạp tính toán
Chủ yếu tính bằng số các phép toán thực hiện trong việc giấu tin và giải
mã (tách tin). Yêu cầu về độ phức tạp tính toán tuỳ thuộc từng ứng dụng.
1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin trong ảnh
Dựa vào các tiêu chí khác nhau, người ta có thể phân chia một cách
tương đối thành các kỹ thuật giấu tin khác nhau.
- Dựa vào mục đích giấu tin:
+ Watermarking (thủy vân, thủy ấn) quan tâm nhiều đến ứng dụng giấu
các mẩu tin ngắn nhưng đòi hỏi độ bền vững lớn của thông tin cần giấu (trước
các biến đổi thông thường của tệp dữ liệu môi trường)
+ Steganography lại quan tâm tới ứng dụng che giấu các bản tin đòi hỏi
độ bí mật và dung lượng càng lớn càng tốt.
- Dựa vào hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin có chia làm hai loại:
5
+ Thứ nhất: tác động lên miền không gian ảnh, thay đổi trực tiếp giá trị

của điểm ảnh (thường dùng với các file ảnh không nén hoặc nén không mất
thông tin).
+ Thứ hai: khảo sát gián tiếp thông qua các kỹ thuật biến đổi khi nén
ảnh (thường dùng với các file ảnh nén theo chuẩn có mất thông tin).
- Dựa vào cấu trúc màu của ảnh gốc có thể phân thành ba loại:
+ Giấu tin trong ảnh nhị phân
+ Giấu tin trong ảnh đa cấp xám
+ Giấu tin trong ảnh màu
- Ngoài ra dựa vào kỹ thuật thay đổi dữ liệu ảnh còn có thể chia thành các
phương pháp khác như: phương pháp gài vào các bít có trọng số thấp (LSB);
phương pháp mã khối bề mặt; phương pháp dựa trên bảng màu; phương pháp
rải vào miền tần số; …
6
1.4. Ứng dụng kỹ thuật giấu tin trong ảnh
Giấu tin trong ảnh số ngày càng được ứng dụng nhiều vào trong các
lĩnh vực: liên lạc bí mật, bảo vệ bản quyền, điểm chỉ số, gán nhãn, điều khiển
truy cập; …
- Liên lạc bí mật
Giấu tin trong ảnh rồi gửi đi trên mạng ít gây ra sự chú ý hơn so với sử
dụng mật mã. Ngoài ra việc sử dụng công nghệ mã hoá có thể bị hạn chế và
cấm sử dụng. Có thể dùng để liên lạc bí mật trong cả thương mại để gửi đi
một bí mật thương mại hay trong quân sự, ngoại giao để gửi đi một bản vẽ
hay một thông điệp nhạy cảm.
- Bảo vệ bản quyền tác giả
Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (ví dụ như
logo của công ty) được bí mật nhúng vào trong các sản phẩm để xác nhận
quyền sở hữu khi bán hoặc phân phối sản phẩm, thêm vào đó có thể gán một
nhãn thời gian để chống giả mạo.
- Điểm chỉ số
Thuỷ vân được sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của

một thông tin nào đó trong ứng dụng phân phối sản phẩm. Dùng để xác định
người nhận sản phẩm, về mặt nào đó nó có ý nghĩa như số xê-ri sản phẩm.
- Gán nhãn
Các chú giải, minh hoạ có thể được nhúng vào trong ảnh, khi đó nếu
sao chép thông thường thì thông tin nhúng cũng được sao chép và chỉ có chủ
ở hữu hoặc người được phép mới có thể tách ra được các chú giải này.
- Điều khiển truy cập (copy control)
Các thiết bị phát hiện thuỷ vân (ở đây sử dụng phương pháp phát hiện
thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc) được gán sẵn vào trong các hệ
thống đọc ghi, tùy thuộc vào việc có thủy vân hay không để điều khiển (cho
phép/cấm) truy cập. Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD đã được ứng
dụng ở Nhật.
7
CHƯƠNG II: KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH NHỊ PHÂN
2.1. Kỹ thuật giấu tin theo khối bít
Các phương pháp giấu tin trong ảnh nhị phân thường giấu tin theo khối
bit và sử dụng các thuộc tính chẵn lẻ của các khối bit để khôi phục lại thông
tin (thường sử dụng các phép toán AND, XOR, SUM để tính toán và biến đổi
ảnh giấu tin). Ý tưởng cơ bản của thuật toán trong kỹ thuật này là chia ảnh
gốc thành các khối nhỏ và trong mỗi khối nhỏ sẽ giấu một bít b (b=0 hoặc
b=1).
Định nghĩa các phép toán với ma trận:
Cho hai ma trận nhị phân B1 và B2 cùng kích thước, ta biểu diễn phép
AND: B1^B2 là một ma trận kết quả nhận được do lấy phép AND của từng
phần tử tương ứng của hai ma trận.
Tương tự ta biểu diễn phép XOR: B1
⊕
B2 là một ma trận kết quả nhận
được do lấy phép XOR của từng phần tử tương ứng của hai ma trận.
Cho một ma trận nguyên B, ta biểu diễn [B]

i, j
là phần tử thuộc hàng i
và cột j của B, SUM (B) là tổng của tất cả các phần tử của ma trận B.
2.1.1 Thuật toán giấu tin
 Quá trình giấu tin
Tóm tắt thuật toán
Input
- Một ảnh nhị F
- Dãy bít cần giấu b
1
b
2
……….. b
N
Output
Ảnh nhị phân F’ được biến đổi từ F và F’ có chứa dãy bít b
1
b
2
….. b
N
Nội dung thuật toán
Bước 1: Chia ảnh gốc F thành các ma trận điểm ảnh F
i
có kích thước
mxn. Để không mất tính tổng quát, chúng ta giả sử F luôn chia được thành N
khối kích thước mxn.
8