Giấu tin bền vững trong ảnh tiếp cận theo hướng mã sửa lỗi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

MÃ VĂN DU

GIẤU TIN BỀN VỮNG TRONG ẢNH
TIẾP CẬN THEO HƯỚNG MÃ SỬA LỖI

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

MÃ VĂN DU

GIẤU TIN BỀN VỮNG TRONG ẢNH
TIẾP CẬN THEO HƯỚNG MÃ SỬA LỖI
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Tảo

Thái Nguyên - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, với sự ra đời và phát triển của mạng Internet, mọi ngƣời đều
có thể kết nối vào Internet, tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng thông qua
nhà cung cấp dịch vụ mạng.
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực
đặc biệt là trong lĩnh vực đa phƣơng tiện (multimedia) làm cho sự sản xuất,
quản lý và phân phối các sản phẩm này: hình ảnh, âm thanh… rất dễ dàng.
Cùng với sự phổ biến rộng rãi các mạng internet tốc độ cao làm cho quá trình
phân phối chúng trở nên rất nhanh chóng, dễ dàng, đem lại những thuận lợi to
lớn thông qua hệ thống thƣơng mại điện tử.
Với môi trƣờng mở và tiện nghi nhƣ thế, các hệ thống mạng hiện đại
trở thành phƣơng tiện phân phối tài liệu một cách nhanh chóng và kinh tế.
Tuy nhiên, việc phân phối một cách phổ biến các tài nguyên trên mạng hiện
nay luôn gặp phải nạn sao chép và sử dụng không hợp pháp nhƣ: Xâm phạm
bản quyền, truy cập trái phép, xuyên tạc, giả mạo thông tin…
Đứng trƣớc tình hình đó vấn đề về giấu thông tin hiện nay luôn nhận
đƣợc sự quan tâm đặc biệt trong nhiều lĩnh vực. Từ xa xƣa đã có nhiều cách
để giấu thông tin, một trong những phƣơng pháp dùng rất sớm để bảo vệ
quyền sở hữu đối với nội dung của các sản phẩm đa phƣơng tiện là mã hoá.
Nội dung của sản phẩm đó đƣợc mã hoá và gửi cho ngƣời sử dụng. Ngƣời sử
dụng chỉ đọc đƣợc các thông tin này khi nhận đƣợc khoá để giải mã đi kèm.
Phƣơng pháp mã hoá trên chỉ hiệu quả trong việc truyền thông tin nhƣng

không hiệu quả trong việc khi lấy lại thông tin. Sau khi ngƣời sử dụng đã giải
mã đƣợc thì sẽ nhân bản và phân phối lại sản phẩm đó. Ngày nay phƣơng
pháp giấu thông tin trong các sản phẩm đa phƣơng tiện đƣợc dùng phổ biến vì

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2
ngoài vấn đề bảo mật còn bảo vệ bản quyền, chống sao chép bất hợp pháp,
chống truy cập trái phép, chống xuyên tạc, chống giả mạo thông tin…
2. Mục đích luận văn
Giấu tin là một lĩnh vực rộng lớn, trong luận văn này nghiên cứu các
kỹ thuật giấu tin trong ảnh rồi áp dụng sử dụng mã sửa lỗi Hamming
để khôi phục tin, một trong những vấn đề đƣợc ứng dụng khá rộng rãi. Để
thực hiện việc giấu tin trong ảnh, ý tƣởng cơ bản là khôi phục một số thuộc
tính bị lỗi đã tấn công lên ảnh của các điểm trên ảnh theo một số thuật toán
nhất định, nhằm đảm bảo rằng dữ liệu ảnh, về mặt thị giác, không sai khác so
với bản gốc, đồng thời, sau khi nhận đƣợc ảnh đích, sử dụng quy trình giải mã
với các khóa phù hợp, ta có thể trích đƣợc thông tin đã dấu.
3. Bố cục luận văn
Luận văn gồm: Phần mở đầu, ba chƣơng chính, phần kết luận
Chương 1: Tổng quan về giấu tin
Trình bày tổng quan về giấu tin, phân tích các yêu cầu đối với giấu tin
cho ảnh, trình bày một số yêu cầu đối với giấu tin trong ảnh. Bên cạnh đó
trình bày một số mô hình giấu tin và các ứng dụng của chúng, những đặc
trƣng và tính chất của giấu tin trong ảnh.
Chương 2: Một số kỹ thuật giấu tin trong ảnh
Trình bày về cấu trúc file ảnh bitmap, kỹ thuật đọc và xử lý file ảnh; nghiên

cứu, đánh giá một số thuật toán giấu tin trong ảnh; đi sâu nghiên cứu và trình bày
một thuật toán giấu tin trong miền không gian ảnh; mã sửa lỗi và khả năng ứng
dụng trong quá trình trích tin đã giấu trong ảnh sau khi bị tấn công.
Chương 3: Cài đặt và thử nghiệm nhúng thủy vân, tách thủy vân, đánh giá về tính
ẩn của thủy vân, tính bền vững của thủy vân trƣớc một số tấn công lên ảnh chứa.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN
1.1. Các khái niệm cơ bản về giấu tin
1.1.1. Định nghĩa giấu tin
Qua nghiên cứu các phƣơng pháp giấu tin, ta có thể định nghĩa nó nhƣ sau:
Giấu thông tin là kỹ thuật nhúng (embedding) một lƣợng thông tin số
nào đó vào trong một đối tƣợng dữ liệu số khác.
Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mã hoá
làm cho các thông tin hiện rõ là nó có đƣợc mã hoá hay không tức là giấu đi ý
nghĩa của thông tin còn, còn với giấu thông tin thì ngƣời ta sẽ khó biết đƣợc là
có thông tin giấu bên trong tức là giấu đi sự hiện diện của thông tin. Về bản chất
giấu tin gần với nén dữ liệu hơn. Tóm lại giấu tin và mã hóa có mối quan hệ mật
thiết với nhau, cùng xây dựng một hệ thống an toàn và bảo mật thông tin.
Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật
thông tin ở hai khía cạnh. Một là bảo mật cho giữ liệu đƣợc đem giấu
(embedded data), chẳng hạn nhƣ giấu tin mật: thông tin mật đƣợc giấu kỹ
trong một đối tƣợng khác sao cho ngƣời khác không phát hiện đƣợc

(steganography), hai là bảo mật cho chính đối tƣợng đƣợc dùng để giấu tin
(host data), chẳng hạn nhƣ ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc
thông tin (watermarking).... Hai khía cạnh khác nhau này dẫn đến hai khuynh
hƣớng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin.
Khuynh hƣớng thứ nhất là giấu tin mật. Khuynh hƣớng này tập trung
vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu đƣợc nhiều và quan trọng là
ngƣời khác khó phát hiện đƣợc một đối tƣợng có bị giấu tin bên trong hay
không. Khuynh hƣớng thứ hai là thuỷ vân số. Khuynh hƣớng thuỷ vân số
đánh giấu vào đối tƣợng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện
xuyên tạc thông tin. Thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên đƣợc quan
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4
tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật dành cho
khuynh hƣớng này.
1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin
Do kỹ thuật giấu thông tin số mới đƣợc hình thành trong thời gian gần
đây nên xu hƣớng phát triển chƣa ổn định. Nhiều phƣơng pháp mới, theo
nhiều khía cạnh khác nhau đang và chắc chắn sẽ đƣợc đề suất, bởi vậy một
định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chƣa thể có đƣợc. Sơ
đồ phân loại trên đƣợc Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm 1999.
Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hƣớng lớn là thủy vân số và giấu
tin mật [12]. Giấu tin mật quan tâm đến các ứng dụng sao cho ngƣời khác khó
phát hiện nhất việc có tin đƣợc giấu và nếu có phát hiện tin đƣợc giấu thì việc
giải tin cũng khó thực hiện nhất.
Phạm vi ứng dụng của thủy vân đa dạng hơn, tùy theo mục đích của hệ
thủy vân mà ngƣời ta lại chia thành các hƣớng nhỏ nhƣ thủy vân dễ vỡ và

thủy vân bền vững.
Giấu thông tin

Giấu tin mật

Thủy vân số

Thủy vân bền vững

Thủy vân ẩn

Thủy vân hiện

Thủy vân dễ vỡ

Thủy vân ẩn

Thủy vân hiện

Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin (Petitcolas, 1999)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5
Sơ đồ phân loại này nhƣ một bức tranh khái quát về ứng dụng và kỹ
thuật giấu thông tin. Dựa trên việc thống kê sắp xếp khoảng 100 công trình đã
công bố trên một số tạp chí, cùng với thông tin về tên và tóm tắt nội dung của

khoảng 200 công trình đã công bố trên Internet, có thể chia lĩnh vực giấu tin
ra làm hai hƣớng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số
Steganography (giấu tin, viết phủ) là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng
các mẩu tin mật vào một môi trƣờng phủ. Trong quá trình giấu tin để tăng bảo
mật có thể ngƣời ta dùng một khoá viết mật khi đó ngƣời ta nói về
Intrinsic Steganography (giấu tin có xử lý). Khi đó để giải mã ngƣời 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 nó có thể là khoá để sinh ra hàm băm phục vụ rải
tin vào môi trƣờng phủ. Ngƣợc lại nếu không dùng khoá viết mật thì ngƣời ta
chỉ dấu tin đơn thuần vào môi trƣờng phủ thì khi đó ngƣời ta nói về Pure
Steganography (giấu tin đơn thuần).
Watermarking (thuỷ ấn) là kỹ thuật nhúng một lƣợng thông tin vào
trong ảnh môi trƣờng để xác định quyền sở hữu ảnh môi trƣờng, chống sự giả
mạo và xuyên tạc thông tin. Kích thƣớc của biểu tƣợng thƣờng nhỏ. Kỹ thuật
này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tƣợng khi ảnh môi trƣờng bị biến đổi
bởi các thao tác nhƣ lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy compression), hay
các biến đổi hình học. Tuy nhiên việc đảm bảo nguyên vẹn biểu tƣợng 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 ngƣời
dùng thì khi đó ngƣời ta gọi là Fingerprinting.
Nếu nhƣ watermark (thủy vân, thủy ấn) quan tâm nhiều đến ứng dụng
giấu các mẩu tin ngắn nhƣng đòi hỏi độ bền vững lớn của thông tin cần giấu
(trƣớc các biến đổi thông thƣờng của tệp dữ liệu môi trƣờng) thì
steganography lại quan tâm tới ứng dụng che giấu các bản tin đòi hỏi độ bí
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




6

mật và dung lƣợng càng lớn càng tốt. Đối với từng hƣớng lớn này, quá trình
phân loại theo các tiêu chí khác có thể tiếp tục đƣợc thực hiện, ví dụ dựa theo
ảnh hƣởng các tác động từ bên ngoài có thể chia watermark thành hai loại,
một loại bền vững với các tác động sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính
chất hoàn toàn đối lập: dễ bị phá huỷ trƣớc các tác động nói trên. Cũng có thể
chia watermark theo đặc tính, một loại cần đƣợc che giấu để chỉ có một số
ngƣời tiếp xúc với nó có thể thấy đƣợc thông tin, loại thứ hai đối lập, cần
đƣợc mọi ngƣời nhìn thấy.
Xét về tính chất thuỷ ấn giống giấu tin ở chỗ tìm cách nhúng thông tin
mật vào một môi trƣờng. Nhƣng về bản chất thì thuỷ ấn có những nét khác ở
một số điểm:
Mục tiêu của thuỷ ấn là nhúng thông tin không lớn thƣờng là biểu
tƣợng, chữ ký hay các đánh dấu khác vào môi trƣờng 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 ấn tìm
cách biến tin giấu thành một thuộc tính của vật mang;
Chỉ tiêu quan trọng nhất của một thuỷ ấn là tính bền vững, của giấu tin
là dung lƣợng.
Điểm khác nữa giữa thuỷ ấn và giấu tin là thuỷ ấn có thể vô hình hoặc
hữu hình trên ảnh mang.
Kỹ thuật giấu tin đƣợc áp dụng cho các loại dữ liệu ảnh, audio, vidio.
Chức năng của giấu 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 nhƣng chúng đƣợc 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hƣởng 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
đƣợc phép của ngƣời chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huỷ sản phẩm.
Ảnh bị sửa đổi: nội dung của ảnh bị xuyên tạc. Trong trƣờng hợp này
giấu tin có tác dụng phân biệt ảnh bản quyền với ảnh bị sửa đổi nội dung. Áp
dụng các bƣớc tách tin giống nhau với các ảnh khác nhau, ta sẽ tách đƣợc dấu
bản quyền đã đƣợc đăng ký trƣớc đối với ảnh bị xuyên tạc.
Hầu hết giấu tin đƣợc gắn cho ảnh là giấu không nhìn thấy nhƣng trên
thực tế tồn tại một loại giấu tin có thể nhìn thấy, chúng không trong suốt hoàn
toàn.Tuy nhiên trong luận văn này em chỉ đề cập tới hệ thống nhúng thủy vân.
1.1.3. Vài nét về lịch sử giấu tin
Các kỹ thuật giấu tin đã đƣợc đề xuất và sử dụng từ xa xƣa, và sau này
đã đƣợc phát triển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực. Từ Steganography bắt nguồn
từ Hi-Lạp với ý nghĩa là tài liệu đƣợc phủ (covered writing). Các câu chuyện
kể về kỹ thuật giấu thông tin đƣợc truyền qua nhiều thế hệ. Có lẽ những ghi
chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin (thông tin đƣợc hiểu theo nghĩa
nguyên thủy của nó) thuộc về sử gia Hy-Lạp Herodotus. Khi bạo chúa HyLạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm trƣớc 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 ngƣời nô lệ ấy. Khi tóc của ngƣời nô lệ này
mọc đủ dài ngƣời nô lệ đƣợc gửi tới Miletus.
Một câu chuyện khác về thời Hy-Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại.
Môi trƣờng để ghi văn bản chính là các viên thuốc đƣợc bọc trong sáp ong.
Demeratus, một ngƣời 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
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 đƣợc để ngỏ và lọt
qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng.
Mực không màu là phƣơng tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong
một thời gian dài. Ngƣời Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có nhƣ
nƣớc quả, nƣớc tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn
tự thông thƣờng. Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên
sẫm màu và có thể đọc dễ dàng.
Ý tƣởng về che giấu thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trƣớc nhƣng
kỹ thuật này đƣợc 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 đƣợc 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 lƣu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phƣơng
tiện đã sinh ra nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất
hợp pháp, xuyên tạc trái phép...
1.1.4. Các yêu cầu đối với giấu tin trong ảnh
Mục đích của giấu tin cho ảnh là bảo vệ bản quyền cho chủ sở hữu ảnh.
Những yêu cầu cơ bản đối với giấu tin cho ảnh là:
Tính ẩn của tin giấu đƣợc chèn vào ảnh: Sự hiện diện của tin giấu trong
ảnh không làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng của ảnh đã chèn tin;
Tính bền của tin giấu: Cho phép các tin có thể tồn tại đƣợc qua các
phép biến đổi ảnh, biến dạng hình học hay các hình thức tấn công cố ý khác;

Tính an toàn: không thể xoá đƣợc tin ra khỏi ảnh trừ khi ảnh đƣợc biến
đổi tới mức không còn mang thông tin.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....



data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....