Báo cáo đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng giấu tin trong mã hóa xác thực

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Sinh viên thực hiện: NHỮ BẢO VŨ
Chuyên ngành: Toán – Tin ứng dụng

Lớp: Toán Tin 1 – K52

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. PHAN TRUNG HUY
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
Giáo viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

MỤC LỤC
DANH MỤC VIẾT TẮT...................................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN GIẤU TIN VÀ CƠ SỞ TOÁN HỌC................10

1.1. Bài toán giấu tin và vai trò....................................................................10
1.1.1. Bài toán giấu tin..............................................................................10
1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin........................................................13
1.1.3. Mô hình giấu tin cơ bản..................................................................15
1.1.4. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin................................................16
1.2. Giấu tin trong ảnh và các đặc trưng......................................................18
1.2.1. Giấu tin trong ảnh...........................................................................18
1.2.2. Các đặc trưng cơ bản......................................................................19
1.3. Cơ sở toán học......................................................................................22
1.3.1. Lý thuyết đồng dư modulo.............................................................22
1.3.2. Lý thuyết module............................................................................24
CHƯƠNG 2. GIẤU TIN TRÊN ẢNH NHỊ PHÂN........................................30
2.1. Giới thiệu về giấu tin trong ảnh nhị phân.............................................30
2.2. Giấu tin theo khối bit đơn giản.............................................................30
2.3. Thuật toán giấu tin Wu-Lee..................................................................31
2.4. Thuật toán giấu tin Chen-Pan-Tseng.....................................................32
2.5. Thuật toán giấu tin CPTE.....................................................................35
CHƯƠNG 3. GIẤU TIN TRÊN ẢNH MÀU, ẢNH XÁM.............................39
3.1. Phương pháp LSB.................................................................................39
3.2. Phương pháp chẵn lẻ giấu tin trên ảnh chỉ số.......................................40
3.3. Phương pháp định vị giai thừa giấu tin trên ảnh GIF...........................42
3.4. Thuật toán giấu tin trong ảnh xám........................................................43
Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

2

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG.......................46
4.1. Tổng quan về ảnh số.............................................................................46
4.2. Cài đặt thuật toán CPTE.......................................................................50
4.3. Ứng dụng giấu tin trong mã hóa...........................................................53
4.3.1. Thiết kế chương trình giấu tin........................................................54
4.3.2. Thiết kế bộ mã hóa.........................................................................56
4.4. Ứng dụng giấu tin xây dựng giao thức xác thực...................................57
4.4.1. Phát biểu bài toán thực tế ứng dụng mô hình.................................58
4.4.2. Khái niệm giao thức.......................................................................60
4.4.3. Giao thức bắt tay sử dụng phương pháp giấu tin............................61
4.4.4. Phân tích độ an toàn của hệ thống..................................................66
4.5. Giới thiệu chương trình thử nghiệm.....................................................67
4.5.1. Tóm tắt kết quả...............................................................................67
4.5.2. Chương trình giấu tin.....................................................................68
4.5.3. Chương trình xác thực người dùng.................................................72
KẾT LUẬN.....................................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................80

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

3

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

DANH MỤC VIẾT TẮT
ST

T
1
2
3
4
5
6

Nội dung

Viết tắt

Least Significant Bit
Uniform Resource Locator
Advanced Encryption Standard
Bitmap
Graphics Interchange Format

LSB
URL
AES
BMP
GIF

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

4

Nhữ Bảo Vũ

Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực
đặc biệt là trong lĩnh vực đa phương tiện giúp cho các hệ thống sản xuất, quản
lý và phân phối các sản phẩm: hình ảnh, âm thanh, tài liệu văn bản… là 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 nhanh chóng và thuận tiện, đem lại những
thuận lợi to lớn thông qua các hệ thống thương mại điện tử.
Trên môi trường mở, nhanh chóng và tiện nghi như vậy, việc tìm kiếm,
sao chép thông tin trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết. 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 phát sinh ra nhiều vấn
đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, giả mạo,
xuyên tạc, …
Tình trạng vi phạm bản quyền số đang xảy ra hàng ngày, hàng giờ một
cách liên tục. Nhằm bảo vệ các sản phẩm số không bị sử dụng trái phép, song
song với việc kêu gọi ý thức tự giác thực thi luật bản quyền, các công ty công
nghệ lớn trên thế giới đã và đang thực hiện các giải pháp kỹ thuật kiểm soát
bản quyền số. Một trong những vấn đề được đặt ra là làm sao bảo vệ quyền sở
hữu đối với các sản phẩm đa phương tiện này.
Đứng trước tình hình đó vấn đề về bảo mật thông tin hiện nay luôn
nhận được sự quan tâm đặc biệt trong nhiều lĩnh vực. Đã có nhiều phương
pháp để bảo mật thông tin, một trong những phương pháp được sử dụng phổ
biến để bảo vệ quyền sở hữu đối với nội dung của các sản phẩm đa phương
tiện là mã hoá. Nội dung của sản phẩm đó được mã hoá và gửi cho người sử
dụng. Người sử dụng chỉ đọc được các thông tin này khi nhận được khoá giải

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

5

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

mã đi kèm. Phương pháp mã hoá trên chỉ hiệu quả trong việc truyền thông tin
nhưng không hiệu quả trong việc bảo vệ quyền sở hữu. Sau khi sản phẩm
được giải mã, người dùng ngoài việc lưu trữ còn có thể nhân bản và phân phối
lại.
Giấu tin là phương pháp đã và đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng
dụng rất mạnh mẽ. Đây là phương pháp mới và phức tạp nó đang được xem
như một công nghệ cốt lõi cho vấn đề bảo vệ bản quyền, chống nhân bản bất
hợp pháp, chống lại truy cập trái phép, chống xuyên tạc, chống giả mạo thông
tin, xác thực thông tin và điều khiển truy cập ứng dụng trong an toàn và bảo
mật thông tin.
Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu tin là phương pháp
mã hoá làm cho các thông tin hiện rõ là nó có được mã hoá hay không còn đối
với phương pháp giấu tin thì người ta sẽ khó biết được là có thông tin giấu
bên trong do tính chất ẩn hình (invisible) của thông tin được giấu. Các
phương pháp mã hóa thường thu hút sự chú ý, một khi những thông tin mã
hoá bị phát hiện thì những tên tin tặc sẽ tìm mọi cách để triệt phá. Và cuộc
chạy đua giữa những người bảo vệ thông tin và bọn tin tặc vẫn chưa kết thúc
tuyệt đối về bên nào. Trong hoàn cảnh đó thì giấu tin trở thành một phương
pháp hữu hiệu để che giấu tin làm cho tin tặc không thể phát hiện.
Trên cơ sở ứng dụng đa dạng, đặc tính nổi bật của giấu tin cùng với
xuất phát từ các yêu cầu dự án thực tế “Xây dựng giao thức bảo vệ đề thi trắc
nghiệm trên môi trường Wireless” mà tác giả đã được tiếp cận và đã lựa chọn

đề tài “Ứng dụng giấu tin trong mã hóa và xác thực” làm đồ án tốt nghiệp
của mình.
Đồ án trình bày tổng quan về giấu tin, một số phương pháp giấu tin,
giới thiệu một phương pháp giấu tin mới vào trong ảnh xám dựa trên tiếp cận
Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

6

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

của lý thuyết module. Xây dựng ứng dụng giấu tin kết hợp mã hóa, thiết kế và
cài đặt giao thức xác thực người dùng trên môi trường mạng sử dụng phương
pháp giấu tin để làm tăng độ an toàn cho người dùng tham gia vào một hệ
thống cần có sự xác minh người sử dụng, hoặc có các giao dịch yêu cầu độ an
toàn cao có khả năng phát hiện và chống lại được sự giả mạo.
Đồ án bao gồm các nội dung sau:
Phần 1. Mở đầu
Sơ lược về bối cảnh mạng máy tính hiện nay, mức độ an toàn dữ liệu.
Phương hướng, phạm vi nghiên cứu và giải pháp tiếp cận, từ đó đặt ra nhiệm
vụ của đồ án.
Phần 2. Nội dung chính, bao gồm có 4 chương
Chương 1: Tổng quan giấu tin và cơ sở toán học
Giới thiệu tổng quan về giấu tin, một số khái niệm cơ bản. Phân loại và
trình bày một số kỹ thuật giấu tin cơ bản, các yêu cầu đối với bài toán giấu tin
và một số ứng dụng của giấu tin. Đồng thời trình bày các khái niệm cơ bản lý
thuyết đồng dư modulo và lý thuyết module làm cơ sở để trình bày các thuật
toán giấu tin.

Chương 2: Giấu tin trong ảnh nhị phân
Trình bày một số phương pháp, kĩ thuật giấu tin trên ảnh nhị phân định
dạng ảnh Bitmap.
Chương 3: Giấu tin trong ảnh màu, ảnh xám
Trình bày một số phương pháp, kĩ thuật giấu tin trên ảnh màu, ảnh xám
định dạng ảnh Bitmap.

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

7

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

Chương 4: Xây dựng chương trình ứng dụng
Đề cập đến một số vấn đề bảo mật an toàn thông tin, thiết kế và xây
dựng giải pháp ứng dụng giấu tin vào trong ứng dụng mã hóa và xác thực
người sử dụng.
Phần 3. Kết luận
Phần 4. Tài liệu tham khảo

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

8

Nhữ Bảo Vũ

Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy Phan Trung Huy, thầy đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp
của mình. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Viện toán
ứng dụng và tin học đã giảng dạy, cung cấp cho em những kiến thức và các kỹ
năng để có thể vận dụng trong quá trình nghiên cứu. Và cuối cùng em xin gửi
lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh, chia sẻ và
động viên em trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành đồ án.

Hà Nội, ngày 28 tháng 05 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nhữ Bảo Vũ

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

9

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN GIẤU TIN VÀ CƠ SỞ TOÁN HỌC
1.1. Bài toán giấu tin và vai trò
1.1.1. Bài toán giấu tin
Giấu tin là một kỹ thuật nhúng thông tin vào trong một nguồn đa
phương tiện gọi là đối tượng chứa như: tập tin ảnh, tập tin âm thanh, tập tin

văn bản… mà không gây ra sự nhận biết về sự tồn tại của thông tin đã được
giấu.
Phương pháp giấu tin được tiến hành theo nhiều cách khác nhau tùy
theo từng phương pháp và mục đích. Bài toán giấu tin thông thường gồm hai
quá trình:



Nhúng tin (mã hóa)
Trích rút tin (giải mã)

Ví dụ 1: Thông điệp cần gửi được mã hóa và nhúng các bit thông tin
của vào trong ảnh

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

10

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

Hình 1. Ảnh đã được nhúng thông tin mật

Ví dụ 2: Thông điệp cần gửi được chứa trong một đoạn văn bản, ở đây
đối tượng chứa là một đoạn văn bản có nội dung sau:
“Apparently neutral’s protect is thoroughly discounted and ignored.
Isman hard hit. Blockade issue affects for pretext embargo on by-products,
ejecting suets and vegetable oils”

Có thể thấy được nội dung truyền tải là bức điện mật được sử dụng
trong chiến tranh thế giới lần thứ 2: “Pershing sails for YN June 1”

Bài toán giấu tin gồm 4 đối tượng chính là:
- Thông tin mật: Là thông tin nhúng vào đối tượng chứa và là thông
tin cần được bảo vệ.
- Đối tượng chứa: Đối tượng được sử dụng chứa thông điệp mật.
- Đối tượng đã nhúng: Là đối tượng chứa sau khi nhúng thông tin
mật. Ví dụ nếu đối tượng chứa là ảnh thì đối tượng đã nhúng là
Stego-Image.

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

11

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

- Khóa mật: Là khóa tham gia vào quá trình nhúng, tùy theo từng
phương pháp mà khóa này có tham gia hay không.
Các yêu cầu trong bài toán giấu tin:
- Tính bền vững: Thể hiện khả năng ít bị thay đổi trước những tấn
công từ bên ngoài như thay đổi định dạng, nội dung. Hiện nay chưa
có phương pháp nào đảm bảo biện pháp này một cách tuyệt đối. Với
từng ứng dụng cụ thể thì yêu cầu này cũng thể hiện khác nhau.
- Khả năng không bị phát hiện: thể hiện ở việc khó xác định được đối
tượng có chứa thông tin mật hay không. Hầu hết các phương pháp
giấu tin dựa trên đặc điểm của hai hệ tri giác người: thị giác và thính

giác. Khả năng này còn gọi là khả năng giả dạng.
- Khả năng lưu trữ: Khả năng này thể hiện ở lượng thông tin của
thông điệp mật có thể nhúng trong đối tượng chứa. Do tính bảo mật
nên khả năng lưu trữ luôn bị hạn chế. Do đó trong trường hợp muốn
ẩn một thông tin có kích thước tương đối lớn ta thường chia nhỏ ra
nhiều thành phần và thực hiện nhúng từng phần.
Khả năng Lưu trữ

Lưu trữ

Bảo mật

Bản quyền

Khả năng không bị phát hiện

Tính bền vững

Hình 2. Các yêu cầu trong bài toán giấu tin

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

12

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin

Kỹ thuật giấu tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin
ở hai khía cạnh. Một là bảo mật cho giữ liệu được đem giấu (embedded data),
chẳng hạn như giấu tin mật: thông tin mật được giấu kỹ trong một đối tượng
khác sao cho người khác không phát hiện được (steganography), hai là bảo
mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin (host data), chẳng hạn như
ứng dụng bảo vệ bản quyền, phát hiện xuyên tạc thông tin (watermarking)....
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 càng nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó phát hiện được một
đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không. 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, đòi hỏi độ bền vững cao của các thông tin
cần giấu đối với các biến đổi thông thường của các tệp dữ liệu môi trường nên
được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật
dành cho khuynh hướng này.
Ngành mật mã
(Cryptology)

Mật mã
(Cryptography)

Giấu thông tin
(Data Hiding)

Thuỷ vân số
(Watermarking)

Giấu tin

(Steganography)

Hình 3. Phân loại các kỹ thuật giấu tin

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

13

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

Phạm vi ứng dụng của thủy vân đa dạng hơn, tùy theo mục đích của hệ
thủy vân mà người ta lại chia thành các hướng nhỏ như thủy vân dễ vỡ và
thủy vân bền vững.
1.1.3. Mô hình giấu tin cơ bản
Khóa

Phân
phối
Phương tiện chứa tin (ảnh, audio, video, ..)
Bộ nhúng thông tin

Phương tiện đã chứa tin

Thông tin cần giấu

Hình 4. Lược đồ quá trình giấu tin mật

Hình 4 biểu diễn mô hình giấu tin cơ bản. Trong đó, phương tiện chứa
tin có thể bao gồm: văn bản, ảnh, audio, video… Thông tin cần giấu tùy theo
mục đích của người sử dụng. Thông tin được giấu vào trong phương tiện chứa
tin nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những chương trình thực hiện theo những
thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khóa bí mật giống như trong
một số hệ mật mã. Đầu ra của quá trình nhúng tin là phương tiện chứa đã
được giấu tin. Các phương tiện chứa này có thể được phân phối trên mạng.

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

14

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

Khóa

Phân
phối

Bộ giải mã tin Phương tiện đã chứa tin (ảnh, audio, video,

Phương tiện đã chứa tin

Kiểm định
Thông tin giấu

Hình 5. Lược đồ quá trình giải mã tin mật

Hình 5 mô tả quá trình giải mã thông tin đã được giấu trước đó. Đầu
vào là phương tin có chứa tin giấu, qua một bộ giải mã tin (tương ứng với bộ
nhúng tin) cùng với khóa sẽ được thực hiện việc giải mã thông tin. Đầu ra của
quá trình là phương tiện chứa tin và thông tin mật đã giấu trước đó. Trong
trường hợp cần thiết, thông tin lấy ra có thể được xử lý, kiểm định và so sánh
với thông tin đã giấu ban đầu.
1.1.4. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin
Bảo vệ bản quyền tác giả: Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật
thủy vân số. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả gọi là
thủy vân sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình
chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho
bản quyền sản phẩm. Giả sử có một sản phẩm dữ liệu dạng đa phương tiện
như ảnh, âm thanh, video và cần được lưu thông trên mạng. 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
Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

15

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

nhúng thủy vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng đáng kể nào
đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy
vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà
không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá hủy sản
phẩm[5].

Xác thực thông tin hay phát hiện giả mạo: Một tập các thông tin sẽ
được giấu trong phương tiện chứa sau đó được sử dụng để nhận biết xem dữ
liệu trên phương tiện gốc đó có bị thay đổi không. Các thủy vân nên được ẩn
để tránh sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa việc làm giả các thủy 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 tin cao và
thủy vân không cần bền vững[5].
Giấu vân tay hay dán nhãn: Thủy vân trong những ứng dụng này được
sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó. Ví
dụ các vân khác nhau sẽ được nhúng vào các bản sao khác nhau của thông tin
gốc trước khi chuyển cho nhiều người[11]. Với ứng dụng này thì yêu cầu là
đảm bảo độ an toàn cao cho các thủy vân tránh sự xóa dấu vết trong khi phân
phối.
Kiểm soát sao chép: Các thủy vân trong trường hợp này được sử dụng
để kiểm soát sao chép đối với các thông tin. Các thiết bị phát ra thủy vân
thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc/ghi. Ví dụ như hệ thống
quản lý sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại này cũng
yêu cầu thủy vân phải được đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phương pháp
phát hiện thủy vân đã giấu mà không cần thông tin gốc.

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

16

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

Giấu tin mật: Các thông tin giấu được trong trường hợp này càng nhiều
càng tốt, việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện
chứa ban đầu. Các yêu cầu mạnh về chống tấn công của kẻ thù không cần
thiết lắm thay vào đó là thông tin giấu phải đảm bảo tính không thể phát hiện.
1.2. Giấu tin trong ảnh và các đặc trưng
1.2.1. Giấu tin trong ảnh
Giấu tin trong ảnh, hiện nay, là một bộ phận chiếm tỷ lệ lớn nhất 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 tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các ứng
dụng bảo vệ an toàn thông tin như: xác thực thông tin, xác định xuyên tạc
thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy nhập, giấu 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 trên thế giới.
Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít
thay đổi và ít ai biết được bên trong bức ảnh đó mang những thông tin có ý
nghĩa khác. Và ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng phổ biến, thì giấu tin đã
đem lại rất nhiều những ứng dụng quan trọng trong trên nhiều lĩnh vực trong
đời sống xã hội. Ví dụ như đối với các nước phát triển, chữ ký tay đã được số
hóa và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài
chính, nó được dùng để xác nhận 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 cắp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. Phát hiện thông
tin xuyên tạc đã trở nên vô cùng quan trọng và cấp thiết. Một đặc điểm của
giấu tin trong ảnh đó là thông tin được giấu trong ảnh một cách vô hình, nó
như là một cách truyền thông tin mật cho nhau mà người khác không thể biết
Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

17

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

được bởi sau khi giấu tin thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi, đặc biệt
đối với ảnh màu hay ảnh đa mức xám.
1.2.2. Các đặc trưng cơ bản
Giấu tin trong ảnh chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin, vì
vậy mà các kỹ thuật giấu tin phần lớn 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 tới các đặc trưng cơ bản sau đây:
- Phương tiện có chứa dữ liệu tri giác tĩnh
Dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu tĩnh, dù đã giấu tin vào trong ảnh hay chưa
thì khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo thời gian,
điều này khác với dữ liệu âm thanh và dữ liệu băng hình vì khi ta nghe hay
xem thì dữ liệu gốc sẽ thay đổi liên tục với tri giác của con người theo các
đoạn, các bài hay các ảnh…
- Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh
Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau. Chẳng hạn đối
với ảnh đen trắng, ảnh xám hay ảnh màu ta cũng có những kỹ thuật riêng cho
từng loại ảnh có những đặc trưng khác nhau.
- Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người
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

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

18

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

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 kém nhất trong ba màu cơ bản.
- Giấu tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không thay đổi
kích thước ảnh
Các thuật toán thực hiện công việc giấu tin sẽ được thực hiện trên dữ
liệu của ảnh. Dữ liệu ảnh bao gồm phần header, bảng màu (có thể có) và dữ
liệu ảnh. Do vậy mà kích thước ảnh trước và sau khi giấu tin là như nhau.
- Đảm bảo chất lượng 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 bị biến đổi để có thể bị
phát hiện dễ dàng so với ảnh gốc. Yêu cầu này dường như khá đơn giản đối
với ảnh màu hoặc ảnh xám bởi mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi nhiều bit,
nhiều giá trị 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 đối với ảnh đen
trắng mỗi điểm ảnh chỉ là đen hoặc trắng, và nếu ta biến đổi một bit từ trắng
thành đen và ngược lại mà không khéo thì sẽ rất dễ bị phát hiện. Do đó, yêu
cầu đối với các thuật toán giấu tin trong ảnh màu hay ảnh xám và giấu tin
trong ảnh đen trắng là khác nhau. Trong khi đối với ảnh màu thì các thuật toán
chú trọng vào việc làm sao giấu được càng nhiều thông tin càng tốt thì các

thuật toán áp dụng cho ảnh đen trắng lại tập trung vào việc làm thế nào để
thông tin giấu khó bị phát hiện nhất [7], [8], [9].
- Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên
ảnh

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

19

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

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 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 tin trong ảnh có tác dụng nhận thực và phát hiện xuyên tạc thông
tin[5].
- Vai trò của ảnh gốc khi giải tin
Các kỹ thuật giấu tin phải xác định rõ ràng quá trình lọc ảnh để lấy
thông tin giấu cần đến ảnh gốc hay không cần. Đa số các kỹ thuật giấu tin mật
thì thường không cần ảnh gốc để giải mã. Thông tin được giấu trong ảnh sẽ
được mang cùng với dữ liệu ảnh, khi giải mã chỉ cần ảnh đã mang thông tin
giấu mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu.

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

20

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

1.3. Cơ sở toán học
1.3.1. Lý thuyết đồng dư modulo
1.3.1.1. Các định nghĩa
Xét vành số nguyên Z .
Định nghĩa. Hai số nguyên a, b được gọi là đồng dư với nhau theo modulo m
với m nguyên dương nếu a  b chia hết cho m. Ký hiệu a �b (mod m) .
Chú ý:

a |�b (mod m)
1.3.1.2. Một số tính chất cơ bản
- Tính phản xạ: Với mọi số nguyên a, ta có: a  a (mod m)
- Tính đối xứng: Nếu a �b (mod m) thì b �a (mod m)
- Tính bắc cầu: Nếu a �b (mod m) và b �c (mod m) thì a �c (mod m)
- Các tính chất mở rộng:
a)

Hệ quả 1:

a �b (mod m) � a �x �b �x (mod m)
a �b (mod m) �
�
a
�
c

�
b
�
d
(mod
m
)
�
c �d (mod m) �
b)

Hệ quả 2:

a �b (mod m) �
�� a . c �b . d (mod m)
c �d (mod m) �

a �b (mod m) � a n �b n (mod m), n �N

c)

d)

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

21

Nhữ Bảo Vũ

Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

a �b (mod m) �
� a
d ή�
UC (a, b) �
� d
(d , m)  1
�

a �b (mod m1 )

e)

�
�
a �b (mod m2 )
�� a �b (mod m)
m  BCNN [m1 ; m2 ]�
�
f)

a �b (mod m) � a b
m
�� � (mod )
d �UC (a, b, m) � d d
d

a �b (mod m) �
�� a �b (mod d )

d �U (m)
�

b
(mod m)
d

1.3.1.3. Định lý nhỏ Fermat
Định lý nhỏ fermat. Cho p là một số nguyên tố và a là một số nguyên, ta có:

(a p  a) �0(mod p)
Hệ quả: p là số nguyên tố và a là số nguyên tố sao cho (a, p)  1 , ta có được:

a p 1 �1(mod p)
5
Ví dụ: Tìm số dư trong phép chia 1532  1 cho 9
5
5
Ta có: 1532 �2(mod9) � 1532 �2 (mod9)
5
5
Mà: 2 �5(mod9) � 1532 �5(mod9)
5
Vậy: 1532  1 �4(mod 9)
*
Ý nghĩa: Để tìm số dư trong phép chia a cho b (b �N ) , thông thường a là

một lũy thừa với số mũ vô cùng lớn hay a chứa các lũy thừa như thế. Ta có
thể làm theo các cách như sau:
 Xem xét: a hoặc thành phần của a đồng dư với s theo modulo b.

 Nếu 0 �s  b thì s là số dư trong phép chia a cho b. Ngược lại, xét tiếp
tính đồng dư của s theo modulo b, rồi lặp lại theo bước vừa rồi.

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

22

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

1.3.2. Lý thuyết module
1.3.2.1. Các định nghĩa
Định nghĩa 1. Cho R là một vành [1]. M là một nhóm cộng Abel. Trang bị
R : R �M � M
( r , x) a rx
cho M phép nhân ngoài với các phần tử của
(i ) ( a  b) x  ax  bx
(ii) a ( x  y )  ax  ay
(iii ) ( ab) x  a(bx)
thỏa mãn các điều kiện: (iv) 1.x  x
Với mọi a, b �R; x, y �M .
Khi đó M được gọi là R -module hay module trên vành R .
Ví dụ:
(1) Mỗi ideal của vành R là một R  module.
(2) Mỗi vành cũng là một module trên chính nó.
(3) K là một trường, các K  module chính là các không gian vectơ trên
chính nó.
(4) Mỗi nhóm Abel cộng M được coi là một Z  module với phép nhân

ngoài được xác định như sau: Với mỗi x �M

và n �Z thì

nx  x  x  ...  x (tổng gồm n phần tử x ) với n �Z  ; 0 x  0 M ;

nx  (n)( x) nếu n �Z  .
Các ví dụ trên chứng tỏ rằng khái niệm module là một khái niệm tổng quá của
các khái niệm: Vành, ideal, không gian vectơ và nhóm Abel.
Định nghĩa 2. Mỗi tập con không rỗng N của một R  module M được gọi
là một R  module con của M nếu bản thân N cũng là một R  module với

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

23

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

hai phép cộng và nhân trong M thu hẹp vào N . Khi đó M được gọi là
module mở rộng của N .
Ví dụ:
(1) Với M là R  module. {0} và M là hai R  module con tầm thường
của M .
(2) Mọi nhóm con của một nhóm Abel M là Z  module con của M .
(3) M là R  module. Khi đó với x �M ; Tập hợp Rx  {rx | r �R} là một

R  module con của M (module con xyclic sinh bởi x ).

(4) R là vành. Vành đa thức R[x, y ] là một R  module. Khi đó R[x] là
một R  module con của R[x, y ] .
Định nghĩa 3. Cho M là R  module và N là một module con của M .
Khi đó N là một nhóm con của nhóm Abel ( M , ) nên ta có nhóm thương:

M / N  {x  x  N | x �M }
cùng với hai phép toán:
+) Phép cộng: ( x1  N )  ( x2  N )  ( x1  x2 )  N
R �M / N � M / N
+) Phép nhân vô hướng: (r , x  N ) a rx  N
Với r �R; x1 , x2 , x �M . Khi đó M / N cũng là một R  module và gọi là
module thương của module M theo module N .
Ví dụ:
(1) R là vành, I là một ideal của R . Khi đó R / I là R  module và:

R / I  {x  x  I , x �R}
*
(2) n �N ; Z n  Z / nZ là Z  module.

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

24

Nhữ Bảo Vũ


Ứng Dụng Giấu Tin Trong Mã Hóa & Xác Thực

Định nghĩa 4. Cho M là một R  module. Cái triệt của M được kí hiệu là

Ann( M ) , là tập tất cả các phần tử a �R sao cho ax  0, x �M .
Ví dụ:
Với I là một ideal của vành R . Khi đó cái triệt của R  module R / I là

Ann( R / I )  I .
1.3.2.2. Đồng cấu module
Định nghĩa 5. Cho M , N là các R  module. Một ánh xạ f : M � N được
gọi là một đồng cấu R  module hay ánh xạ tuyến tính nếu nó thỏa mãn hai
điều kiện:
(i)

f ( x  y )  f ( x)  f ( y )

(ii)

f (ax)  af ( x )

Với mọi x, y �M ; a �R .
Nhận xét:
(i)

f là đơn ánh, toàn ánh, song ánh thì tương ứng đồng cấu là: Đơn
cấu, toàn cấu, đẳng cấu.

(ii)

Nếu f ( M )  {0 N } thì f được gọi là đồng cấu không kí hiệu là 0.

(iii)

Kerf  {x �M | f ( x)  0}  f 1 (0) : Hạt nhân hay hạch của f .
Im f  f ( M )  {y �N |  x �M : y  f ( x)} được gọi là ảnh của f
Nếu M  N thì f là tự đồng cấu của M . Nếu f là đẳng cấu, khi
đó M và N là R  module đẳng cấu viết là M  N .

Ví dụ:
(i)

Cho N là R  module con của module M .
N �M
Ánh xạ x a x : Phép nhúng chính tắc là một đẳng cấu.

Viện Toán Ứng Dụng & Tin Học

25

Nhữ Bảo Vũ