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.
Tơi xin hồn tồn 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, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến đến Ban Giám Hiệu,
các thầy giáo, cơ giáo phịng 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 tơi những kiến thức rất bổ ích trong thời gian học, giúp
tơi có nền tảng tri thức để phục vụ nghiên cứu khoa học sau này.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lịng biết ơn sâu sắc đến thầy
giáo PGS.TS. Phạm Văn Ất người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ
tơi trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn này.
Tơi cũng xin bày tỏ lịng cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người
ln quan tâm, động viên và khuyến khích tơi.
Tác giả luận văn


iii
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. Mơ 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. Mơ 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. Mơ tả bài tốn .............................................................................................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 khơi phục ảnh gốc.......................................................46
Bảng 2.3. Kết quả nhúng tin trên Hình 2.5 của thuật tốn TSTA .............................49
Bảng 2.4. Kết quả trích tin và khơi 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. Mơ hình q trình nhúng thuỷ vân..............................................................13
Hình 1.6. Mơ hình q trình tách và kiểm định thuỷ vân ..........................................14
Hình 1.7. Cấu trúc tệp ảnh 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
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 khơi 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 tồn 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 thơng tin, đã có
truyền tin thì thường có u cầu bí mật quốc gia, có bí mật qn sự, có bí mật
cơng nghệ, có bí mật kinh tế, và rất nhiều bí mật cá nhân nữa. Chính vì vậy,
vấn đề an tồn và bảo mật thơng 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 hố cơng khai, hệ mã hố 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 mơi trường, ví dụ tệp ảnh. Tệp ảnh chứa tin mật được
truyền đi và người nhận có thể khơi phục tin mật từ ảnh nhận được. Phương
pháp này khá an tồn vì vừa có khóa bảo mật vừa khơng 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 hố 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 thơng 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 khơng áp dụng được trên ảnh
nén có mất mát thơng tin. Gần đây, có một số cơng 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 hồn thành luận văn em đã rất nỗ
lực và cố gắng. Song do thời gian và trình độ cịn 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 thơng 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 thơng 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 cơng ngun, ơng 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 nơ lệ ấy. Khi tóc
của người nơ 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 sốt một cách dễ dàng.
Mực khơng 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 thơng báo bí mật giữa những hàng văn
tự thơng thường. Khi bị hơ nóng, những thứ mực khơng 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 thơng tin và sự
phát triển nhanh chóng của mạng truyền thơng là ngun 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
khơng; hơn nữa, nếu phát hiện có giấu tin thì việc giải mã thơng 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 địi hỏi độ bền vững cao của thơng 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 thơng tin

Giấu tin mật

Thuỷ vân số

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


6
1.1.4. Mơ hình kỹ thuật giấu tin
Mơ hình của kỹ thuật giấu tin được mơ tả trong Hình 1.2 và 1.3. Trong
đó, Hình 1.2 biểu diễn q 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 khố 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

Khố
Hình 1.2. Lược đồ của q trình giấu tin
Hình 1.3 chỉ ra các cơng việc của q trình giải mã thơng tin đã được
giấu. Q trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng
với bộ nhúng thơng tin kết hợp với khố để giải mã thơng tin. Khố để giải
mã thơng tin có thể giống hoặc khác với khố để nhúng thơng tin. Kết quả thu
được gồm môi trường gốc và thông tin đã được giấu. Tuỳ trường hợp, thơng
tin tách được có thể cần xử lí, kiểm định so sánh với thơng tin giấu ban đầu.


7
Thông qua dữ liệu mật được tác ra từ môi trường chứa tin giấu, người ta có
thể biết được trong q trình phát tán dữ liệu có bị tấn cơng hay khơng.
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 thơng
tin có thể được giấu, hoặc quan tâm đến sự ảnh hưởng của thông tin mật
đến môi trường chứa dữ liệu.
Khố
Dữ liệu
mơi
trường

đã
được
giấu tin

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

Bộ giải
mã tin

Thơng 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


8
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
khơng đảm bảo được tính bền vững của thơng 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 khơng 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 khơng cao.
Ngồi 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 tốn phổ
thơng 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


9
tự nhiên. Hệ thống rời rạc cần khảo sát chính là miền khơng 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 tồn và bảo mật thơng 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 thơng 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.


10
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, u 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 mơi 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 khơng cịn ngun 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 xun tạc thơng 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.


11
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 trị là thơng 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 vơ 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, u cầu tính ẩn cao,
bằng mắt thường khơng 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 khơng làm thay đổi
kích thước ảnh
- Thơng tin được giấu vào trong ảnh nhưng không ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng ảnh.


12
- 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:
 Thơng 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
thơng 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 thơng tin đem
nhúng vào, có loại khơng nhìn thấy. Loại thuỷ vân hiện được sử dụng cho
mục đích cơng bố cơng khai về quyền sở hữu, ngược lại, thuỷ vân ẩn được sử
dụng với mục đích giấu bí mật các thơng 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 cơng có chủ định hoặc khơng 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. Mơ hình hệ thống thuỷ vân
Một mơ hình hệ thống thuỷ vân tổng qt được xem xét theo hai quá trình:
Quá trình nhúng thuỷ vân


13
- 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 khố K làm khố cho q trình nhúng và
tách thuỷ vân.
- Một thuật tốn trong hệ thống sẽ kết hợp giữa thơng tin về ảnh gốc,
thơng tin thuỷ vân, và thơng tin khố 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.
Mơ hình q trình nhúng thuỷ vân được thể hiện qua hình 1.5.
Khố K

Ảnh gốc S

Thuật tốn
thuỷ vân

Ảnh chứa
thuỷ vân SW

Thuỷ vân W
Hình 1.5. Mơ hình q trình nhúng thuỷ vân
Q trình tách thuỷ vân
Ảnh chứa thuỷ vân SW trong quá trình phân phối có thể bị sử dụng trái
phép, người sử dụng có thể đã dùng một số phép biến đổi ảnh thông thường
để tấn công vào SW nhằm phá huỷ thủy vân nếu có trong SW, các tấn cơng trên
SW tạo ra SW*.
Quá trình tách thuỷ vân từ ảnh chứa S W* (SW*có thể trùng với S W)
tiến hành:
- Sử dụng ảnh chứa thuỷ vân SW*, hệ thống khoá K đã sử dụng trong
quá trình nhúng thuỷ vân;

14
- Tuỳ theo kỹ thuật, ảnh gốc S có thể sử dụng;
- Việc tách thủy vân được thực hiện theo một thuật tốn đã xác định.
Kết quả là thơng tin thủy vân W* tách được từ SW*.
- Thuỷ vân tách được cần so sánh với thuỷ vân gốc W để đưa ra những
kết luận.
Mơ hình q trình tách thuỷ vân trong hệ thống thuỷ vân được trình bày
trong hình 1.6.
Khố K
Thuỷ vân gốc
W
Ảnh chứa
thuỷ vân SW*

Thuật toán
tách thuỷ vân

Kiểm
định

Thuỷ vân tách
W*

Ảnh gốc S
Kết luận
Hình 1.6. Mơ hình q trình tách và kiểm định thuỷ vân
1.3.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân
Hệ thống thủy vân cần chống lại được một số phép xử lý ảnh thông
thường và một số tấn cơng có chủ định đối với ảnh chứa thuỷ vân. Tuỳ theo

mục tiêu bảo vệ, trong thực tế khi tiến hành thuỷ vân phải cân nhắc giữa tính
bền vững với các thuộc tính khác như lượng thơng tin giấu, tính ẩn… Dựa
vào những biến đổi có chủ định hay khơng có chủ định đối với hệ thuỷ vân
mà ta có thể phân biệt thành một số loại tấn công sau:
- Biến đổi tín hiệu, làm sắc nét, thay đổi độ tương phản, màu, gam màu;
- Nhiễu cộng, nhiễu nhân;
- Lọc tuyến tính;
- Nén mất thơng tin;


15
- Giảm dữ liệu: cropping, sửa histogram;
- Thuỷ vân nhiều lần.
Yêu cầu cơ bản nhất của hệ thống thuỷ vân bền vững là đảm bảo tính
bền vững của thuỷ vân sao cho các tấn cơng có chủ định với mục đích loại bỏ
thuỷ vân sẽ làm cho giá trị thương mại của ảnh gốc bị ảnh hưởng lớn thậm chí
đến việc huỷ sản phẩm gốc.
1.3.4. Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân
Hệ thống thuỷ vân theo hai hướng, thuỷ vân dễ vỡ và thuỷ vân bền vững.
Trong thuỷ vân bền vững thì kỹ thuật thuỷ vân ẩn có nhiều hướng ứng dụng.
Trong hệ thống thuỷ vân ẩn, thuỷ vân được nhúng mang tính bất ngờ trong
việc chứng minh quyền sở hữu cho nên yêu cầu cơ bản đối với kỹ thuật này
là: tính ẩn của thuỷ vân trong ảnh chứa, ảnh được nhúng thuỷ vân vẫn đảm
bảo chất lượng thương mại so với ảnh gốc: tính bền vững của thuỷ vân trước
các tấn công thông thường lên ảnh chứa. Liên quan đến những yếu tố này, các
kỹ thuật đánh giá chất lượng ảnh được sử dụng.
1.3.4.1. Chất lượng ảnh gốc và ảnh chứa thuỷ vân
Trong giấu tin nói chung, và trong hệ thống thuỷ vân ẩn nói riêng, một
yêu cầu cao được đặt ra là ảnh sau khi nhúng thơng tin có sự sai khác so với
ảnh gốc càng ít càng tốt. Có thể sử dụng hệ thống thị giác của con người để

cảm nhận và đánh giá tiêu chuẩn này.
Việc đánh giá, so sánh một cách chính xác sự sai khác về chất lượng ảnh
gốc F và ảnh sau khi nhúng thơng tin thuỷ vân G có thể thực hiện qua việc
tính giá trị PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) giữa ảnh gốc F và ảnh chứa
thuỷ vân G cùng có kích thước min theo cơng thức:
 Max( F ) 
PSNR  20 log 10 

 MSE 

Trong đó:


16
MSE 

1 m n
( F (i, j )  G (i, j )) 2


m  n i 1 j 1

là bình phương độ lệch giữa ảnh gốc F và ảnh chứa thuỷ vân G
Với các phép nén ảnh, người ta chấp nhận giá trị PSNR trong khoảng 3040dB. Giá trị PSNR càng lớn thể hiện sự sai khác giữa ảnh gốc và ảnh sau khi
nhúng thông tin càng thấp.
1.3.4.2 So sánh thuỷ vân tách được với thủy vân gốc
Thủy vân được nhúng sau khi giải mã sẽ được so sánh để kiểm định,
chứng thực thuỷ vân. Có những thuỷ vân nhìn thấy được và mang ý nghĩa
nhận biết thì cơng việc trở nên đơn giản chẳng hạn như thuỷ vân là một chuỗi
ký tự ASCII mang thơng tin nào đó như tên tác giả, ngày tháng… thì khi giải

mã ta cũng dễ dàng nhận biết được thông tin. Hay như thuỷ vân là một ảnh
nào đó chẳng hạn thì giải mã ta cũng được một ảnh tương tự và ta có thể nhìn
thấy sự khác biệt giữa hai ảnh.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp thì thuỷ vân là một chuỗi bit, khi đó
cơng việc nhận diện thuỷ vân sẽ không đơn giản. Hoặc ngay cả trong trường
hợp thuỷ vân là những thông tin mang ý nghĩa nhận biết được thì cũng phải
có kỹ thuật để kiểm định, định lượng sự đúng sai của thuỷ vân.
Có nhiều kỹ thuật để kiểm định, định lượng thuỷ vân. Kỹ thuật đơn giản
nhất là ta tính tỷ lệ đúng sai từng bit theo cơng thức:
SR = (số bít trùng nhau) / (tổng số bit)
1.3.5. Ứng dụng của thuỷ vân
Yêu cầu cơ bản nhất của hệ thống thủy vân là phải đảm bảo tính chất bền
vững và người ta đã ứng dụng kỹ thuật giấu tin vào vào một số bài toán sau:
Bài toán bảo vệ quyền tác giả
Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân số. Một thông tin nào
đó mang ý nghĩa đặc trưng riêng bản quyền được sở hữu bởi tác giả thì gọi nó


17
là thủy vân, thông tin này sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm đa phương
tiện, và nó là minh chứng cho bản quyền của tác giả nhằm bảo vệ các sản
phẩm chống lại các hành vi vi phạm lấy cắp hoặc làm nhái. Các yêu cầu kỹ
thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản
phẩm, chỉ khi muốn bỏ thủy vân này mà không được phép của người chủ sở
hữu hay tác giả thì chỉ cịn có cách là phá hủy sản phẩm đó.
Bài tốn giấu tin mật
Với bài tốn này, thông tin cần được che giấu trong trường hợp này là
cần được bảo vệ trước các đối tượng không được phép. Việc giải mã nó để
nhận được thơng tin cũng không cần dữ liệu môi trường gốc. Đối với các
thuật tốn giấu thơng tin mật này khơng quan tâm đến việc bảo vệ thông tin

mật trước sự tấn công, phá hoại của các đối thủ mà thay vào đó là các thuật
tốn rất chú trọng đến tính ẩn và tính an tồn đối với dữ liệu thơng tin cần che
giấu. Do đó, các thuật tốn giấu tin này có độ bảo mật cao sẽ được dùng trong
các ứng dụng giấu tin mật.
Bài tốn xác thực thơng tin
Với bài tốn này, một số thông tin sẽ được che giấu trong dữ liệu nguồn
và thông tin này sẽ được sử dụng để nhận biết xem dữ liệu nguồn có bị thay
đổi, biến dạng hay khơng. Với loại ứng dụng này thì thủy vân cần được ẩn để
tránh được sự tò mò, nhận thấy của đối thủ, hơn nữa việc làm giả các thủy vân
hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng rất cần được quan tâm chú ý. Các
ứng dụng trong thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí bị xuyên phá
cũng như nhận biết được các thay đổi. Các yêu cầu chung đối với loại ứng
dụng này là khả năng giấu thông tin rất cao và thủy vân khơng cần bền vững.
Bài tốn kiểm sốt sao chép
Với bài toán này, thủy vân được sử dụng để kiểm soát việc sao chép
thông tin. Các thiết bị phát hiện ra thủy vân thường được cài đặt sẵn trong các