Giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN
THÔNG

TRẦN ANH TRÚC

GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG
VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN - 2016


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN
THÔNG

TRẦN ANH TRÚC

GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG
VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO MẬT DỮ LIỆU
Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số: 60 48 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. PHẠM VĂN ẤT

THÁI NGUYÊN - 2016

i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng
cá nhân, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận
văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ
nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và
được trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo
quy định cho lời cam đoan của mình.
Tác giả luận văn


ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến đến Ban Giám Hiệu,
các thầy giáo, cô giáo phòng sau đại học trường đại học Công Nghệ Thông
Tin & Truyền Thông, và các thầy giáo ở Viện Công Nghệ Thông Tin đã giảng
dạy và cung cấp cho tôi những kiến thức rất bổ ích trong thời gian học, giúp
tôi có nền tảng tri thức để phục vụ nghiên cứu khoa học sau này.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
giáo PGS.TS. Phạm Văn Ất người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người
luôn quan tâm, động viên và khuyến khích tôi.
Tác giả luận văn


iii
iiii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................ ii
MỤC LỤC................................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................................ v
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ 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. Vài nét về lịch sử giấu tin .............................................................................3
1.1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin ............................................................................5
1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin..............................................................................6
1.2. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh
................................................7
1.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh...............................................................7
1.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh .......................................................................8
1.3. Thủy vân số trên ảnh .................................................................................................9
1.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân ...........................................................11
1.3.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân .........................................................................12
1.3.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân ................................................................14
1.3.4. Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân.....................................................15
1.3.5. Ứng dụng của thuỷ vân ...............................................................................16
1.4. Ảnh số.......................................................................................................................18
1.4.1. Khái niệm và phân loại ảnh số....................................................................18
1.4.2. Định dạng ảnh .............................................................................................19
1.5. Các phép biến đổi ma
trận.......................................................................................21

1.5.1. Biến đổi Cosine rời rạc DCT ......................................................................21
1.5.2. Biến đổi Wavelet rời rạc DWT ...................................................................24


iv
Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH JPEG ...
25
2.1. Một số hướng tiếp cận trong giấu tin thuận
nghịch...............................................25
2.1.1. Sử dụng phương pháp dịch chuyển histogram ..........................................25
2.1.2. Sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu..........................................................29
2.1.3. Sử dụng nén bảo toàn..................................................................................37
2.1.4. Sử dụng đặc trưng nén JPEG ......................................................................38
2.2. Ảnh nén JPEG..........................................................................................................39
2.3. Một số lược đồ nhúng tin thuận nghịch trên ảnh JPEG
........................................41
2.3.1. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch CLTT ......................................................42
2.3.2. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch LS ...........................................................47
2.3.3. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch TSTA ......................................................47
2.3.4. Phân tích khả năng nhúng tin và chất lượng ảnh ........................................51
2.3.5. Thực nghiệm ...............................................................................................56
2.3.6. Kết luận .......................................................................................................60
Chương 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ............................................
61
3.1. Môi trường thử nghiệm
...........................................................................................61
3.2. Ảnh thử nghiệm .......................................................................................................61
3.3. Cài đặt chương trình
................................................................................................63
3.4. Kết quả thử nghiệm

.................................................................................................65
3.4.1. Khả năng nhúng tin .....................................................................................65
3.4.2. Chất lượng ảnh............................................................................................65
3.5. Ứng dụng..................................................................................................................67
3.5.1. Mô tả bài toán .............................................................................................67
3.5.2. Phương pháp giải quyết bài toán ................................................................67
KẾT LUẬN.............................................................................................................................. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 70


v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Kết quả tiền xử lý và nhúng tin trên Hình 2.5
...........................................44
Bảng 2.2. Kết quả trích tin và khôi phục ảnh
gốc.......................................................46
Bảng 2.3. Kết quả nhúng tin trên Hình 2.5 của thuật toán TSTA
.............................49
Bảng 2.4. Kết quả trích tin và khôi phục các dãy hệ số lượng tử gốc
.......................51
Bảng 2.5. Kết quả khảo sát 9 đường chéo theo lược đồ
CLTT.................................52
Bảng 2.6. Kết quả khảo sát 5 đường chéo theo lược đồ
TSTA.................................52
Bảng 2.7. Khả năng nhúng tin của 3 lược
đồ..............................................................58
Bảng 2.8. Kết quả thực nghiệm chất lượng ảnh của các lược đồ
..............................59
Bảng 3.1. Khả năng nhúng tin của 2 lược
đồ..............................................................65

Bảng 3.2. Kết quả thực nghiệm chất lượng ảnh của các lược đồ
..............................66
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Phân loại kỹ thuật giấu tin
............................................................................. 5
Hình 1.2. Lược đồ của quá trình giấu
tin.......................................................................6
Hình 1.3. Lược đồ giải mã tin
giấu ................................................................................ 7
Hình 1.4. Phân loại các kỹ thuật thuỷ
vân...................................................................10
Hình 1.5. Mô hình quá trình nhúng thuỷ
vân..............................................................13
Hình 1.6. Mô hình quá trình tách và kiểm định thuỷ vân
..........................................14
Hình 1.7. Cấu trúc tệp ảnh


vi
bitmap...............................................................................19
Hình 2.1. Biểu đồ histogram của ảnh màu Pepper
.....................................................26
Hình 2.2. Sơ đồ nén ảnh JPEG chuẩn
Baseline..........................................................39
Hình 2.3. Khối hệ số DCT
...........................................................................................40
Hình 2.4. Bảng lượng tử của thành phần Y ứng với tỷ lệ nén 15:1 trong
Photoshop
CS5. ...............................................................................................................................40
Hình 2.5. Một khối DCTLT của ảnh Pepper

..............................................................41
Hình 2.6. Các đường chéo của khối
DCTLT..............................................................42
Hình 2.7. Lược đồ nhúng tin
LS..................................................................................47


vi
i
Hình 2.8. Sự thay đổi của khối DCTLT sau khi nhúng
.............................................55
Hình 2.9. Bộ ảnh thử
nghiệm.......................................................................................57
Hình 3.1. Bộ ảnh thử
nghiệm.......................................................................................63
Hình 3.2. Giao diện nhúng
tin......................................................................................64
Hình 3.3. Giao diện trích tin và khôi phục ảnh
gốc....................................................64
Hình 3.4. Sơ đồ nhúng đề thi vào ảnh JPEG
..............................................................68
Hình 3.5. Sơ đồ trích đề thi và xác thực tính toàn vẹn
...............................................68


1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự ra đời và phát triển rộng rãi của mạng Internet,
nhu cầu trao đổi thông tin qua mạng ngày càng lớn. Thông tin đã trở thành
sẵn sàng và trực tuyến. Chúng ta đang sống trong xã hội của thông tin, đã có

truyền tin thì thường có yêu cầu bí mật quốc gia, có bí mật quân sự, có bí mật
công nghệ, có bí mật kinh tế, và rất nhiều bí mật cá nhân nữa. Chính vì vậy,
vấn đề an toàn và bảo mật thông tin luôn nhận được sự quan tâm của 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 nhiều 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). Tuy
vậy các bản mật mã dễ gây sự chú ý của tin tặc. Một phương pháp khác đã và
đang được nghiên cứu, ứng dụng rất mạnh mẽ ở nhiều lĩnh vực đó là phương
pháp giấu tin mật (Steganography). Theo phương pháp này, tin mật được
nhúng vào một tệp môi trường, ví dụ tệp ảnh. Tệp ảnh chứa tin mật được
truyền đi và người nhận có thể khôi phục tin mật từ ảnh nhận được. Phương
pháp này khá an toàn vì vừa có khóa bảo mật vừa không gây sự chú ý của tin
tặc. Nhiều cách thức giấu tin mật đã được nghiên cứu và ứng dụng, trên nhiều
định dạng khác nhau như âm thanh, hình ảnh và video…Cả hai phương pháp
trên đều có những ưu, nhược điểm nhất định. Mã hoá giúp che giấu nội dung
thông tin, giấu tin mật giúp che giấu hoạt động trao đổi thông tin. Trên thực
tế, để đảm bảo an toàn cho các kênh trao đổi thông tin bí mật ta cần phải kết
hợp cả hai phương pháp này.
Giấu dữ liệu là một lĩnh vực rộng lớn, Các phương pháp giấu tin và thủy
vân được nghiên cứu phổ biến trên ảnh nén bảo toàn như BMP, TIF, PRG.


2
Đối với các ảnh loại này, việc nhúng tin được thực hiện trực tiếp trên ma trận
điểm ảnh. Tuy nhiên, các kỹ thuật nhúng tin đó không áp dụng được trên ảnh
nén có mất mát thông tin. Gần đây, có một số công trình nghiên cứu về giấu
tin thuận nghịch trên ảnh JPEG. Đây là một hướng nghiên cứu mới có nhiều

ứng dụng. Vì vậy, em chọn đề tài: “Giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG
và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu” làm luận văn tốt nghiệp của mình.
Cấu trúc của luận văn:
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục và tài liệu tham khảo.
Luận văn được bố cục thành 3 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin.
Chương 2: Một số kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG.
Chương 3: Phần mềm thử nghiệm và ứng dụng.
- Kết luận và những kiến nghị về hướng phát triển.
Mặc dù trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn em đã rất nỗ
lực và cố gắng. Song do thời gian và trình độ còn hạn chế nên luận văn khó
tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của
các thầy giáo, cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.


3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN
Chương này tập trung trình bày một số khái niệm liên quan đến ảnh số,
các phép biến đổi ma trận sử dụng trong xử lý ảnh, kỹ thuật giấu tin, thuỷ vân
số và úng dụng.
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. Vài nét về lịch sử giấu tin
Kỹ thuật giấu tin đã được đề xuất và sử dụng từ thời xa xưa, và sau này
đã được phát triển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực. Từ Steganography bắt nguồn
từ Hi Lạp với ý nghĩa là tài liệu được phủ (coevered writting). 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 thuộc về sử gia Hi Lạp
Herodotus. Khi bạo chúa Herodotus bị vua Darius bắt ở Susa vào thế kỷ thứ
V trước công nguyên, ông ta đã gửi một bài báo bí mật cho con rể của mình là
Aristagoras ở Miletus. Để thực hiện điều này, Histiaeus đã cạo trọc đầu một
nô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của người nô lệ ấy. Khi tóc
của người nô lệ mọc đủ dài người nô lệ được gửi tới Miletus.


4
Một câu chuyện khác về thời Hi 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 Hi Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định
xâm chiếm Hi 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 soát một cách dễ dàng.
Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong
một thời gian dài. Người Roman 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 trở lên 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. Như vậy ý tưởng về che giấu
thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng chủ yếu được áp dụng

trong quân đội và các cơ quan tình báo. Mãi cho tới vài thập niên gần đây, do
sự phát triển rộng rãi của Internet, nhu cầu bảo mật thông tin cho cá nhân và
các cơ sở tư nhân và các giao dịch trên mạng máy tính ngày một trở thành bức
thiết, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu với
hàng loạt công trình có giá trị được áp dụng rộng rãi và công khai trong hoạt
động sản xuất, quản trị và kinh doanh. Cuộc cách mạng số hóa thông tin và sự
phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến
sự thay đổi này. Gần đây, 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 diện rộng
của các dữ liệu đa phương tiện đã làm nảy sinh nhiều vấn đề nhức nhối về nạn
ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép càng đòi hỏi
phải đẩy mạnh hơn nữa việc nghiên cứu trong lĩnh vực này.


5
1.1.3. Phân loại 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 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 vậy, kỹ
thuật giấu tin có thể được phân loại như trong hình 1.1.

Giấu thông tin

Giấu tin mật

Thuỷ vân số


6
Thuỷ vân
bền vững

Thuỷ vân ẩn

Thuỷ vân
hiện

Thuỷ vân
dễ vỡ

Thuỷ vân ẩn

Hình 1.1. Phân loại kỹ thuật giấu tin

Thuỷ vân
hiện


1.1.4. 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 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.
Thông tin cần giấu


Dữ liệu
môi
trường
(audio,
video,
ảnh....)

Bộ nhúng
thông tin

Dữ liệu
môi
trường
đã
được
giấu tin

Khoá
Hình 1.2. Lược đồ của quá trình giấu tin
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 trình 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 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 liệu.


Khoá
Dữ liệu
môi
trường
đã
được
giấu tin

Dữ liệu
môi
trường
(audio,
video,

ảnh....)

Bộ giải
mã tin

Thông tin giấu

Kiểm định

Hình 1.3. Lược đồ giải mã tin giấu
1.2. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh
1.2.1. 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.
1.2.2. 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 các 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 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.
1.3. 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.


Thuỷ vân

Thuỷ vân bền vững

Thuỷ vân ẩn

Thuỷ vân hiện

Thuỷ vân dễ vỡ

Thuỷ vân ẩn

Thuỷ vân hiện

Hình 1.4. Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân
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
giống 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
thuật 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 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 đối 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, HBO… 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
quyền, 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.
1.3.1. 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 tin 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 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 thuỷ 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.
1.3.2. 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.
Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân được thể hiện qua hình 1.5.
Khoá K