11 ky thuat giau tin

BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ
HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ

ThS. TRẦN THỊ XUN, ThS. HỒNG THU PHƯƠNG

GIÁO TRÌNH

KĨ THUẬT GIẤU TIN

HÀ NỘI, 2013


BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ
HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ

ThS. TRẦN THỊ XUN, ThS. HỒNG THU PHƯƠNG

GIÁO TRÌNH

KĨ THUẬT GIẤU TIN

HÀ NỘI, 2013


MỤC LỤC
Mục lục.................................................................................................................ii
Danh mục từ viết tắt..........................................................................................iii
Danh mục bảng..................................................................................................iv
Danh mục hình vẽ...............................................................................................v
Lời nói đầu.........................................................................................................vii
Chương 1. Tổng quan về kĩ thuật giấu tin.........................................................1

Chương 2. Ẩn mã...............................................................................................15
Chương 3. Thủy vân số......................................................................................90
Tài liệu tham khảo..........................................................................................141

ii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Kí hiệu
BP

Diễn giải
Mặt phẳng bit (Bit Plane)

CRT

Định lí phần dư Trung hoa (Chinese Remainder Theorem)

DCT

Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform)

DFT

Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform)

DWT

Biến đổi sóng nhỏ rời rạc (Discrete Wavelet Transform)

gcd
IDCT

Ước chung lớn nhất (Greatest Common Divisor)
Biến đổi Cosine rời rạc nghịch đảo (Inverse Discrete
Cosine Transform)

IDFT

Biến đổi Fourier rời rạc nghịch đảo (Inverse Discrete
Fourier Transform)

IDWT

Biến đổi sóng nhỏ rời rạc ngịch đảo (Inverse Discrete
Wavelet Transform)

LSB

Bit ít quan trọng nhất (Least Significant Bit)

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1. So sánh ẩn mã và thủy vân số............................................................5
Bảng 3-2. So sánh các kĩ thuật nhúng thủy vân số trên miền không gian và
miền tần số..........................................................................................................94
Bảng. 3-3. Ví dụ bảng các hệ số DCT.............................................................115

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Lược đồ chung cho q trình giấu tin...............................................2
Hình 1-2. Lược đồ chung cho quá trình giải mã...............................................3
Hình 1-3. Một thơng điệp của bọn khủng bố được FBI phát hiện và ngăn
chặn kịp thời.........................................................................................................7
Hình 1-4. Mối liên hệ giữa số lượng dữ liệu nhúng và tính bền vững...........11
Hình 2-5. Ngun lí cơ bản của ẩn mã học......................................................19
Hình 2-6. Hình ảnh được nén bằng thuật tốn nén JPEG.............................31
Hình 2-7. Ba kênh cho định dạng nén JPEG...................................................32
Hình 2-8. Các giá trị điểm ảnh và các hệ số DCT...........................................33
Hình 2-9. Q trình lượng tử hóa.....................................................................34
Hình 2-10. Sắp xếp zíc zắc của các thành phần ảnh JPEG............................35
Hình 2-11. Hình ảnh và các mặt phẳng bit giảm dần.....................................38
Hình 2-12. Mơ tả q trình đảo bit để giấu tin của thuật tốn trên 4 khối. .46
Hình 2-13. Ma trận trọng số W.........................................................................49
Hình 2-14. Khối 8 x 8 của các hệ số DCT.........................................................59
Hình 2-15. Các mặt phẳng LSB của (a) ảnh “sạch” (b) ảnh nghi ngờ..........71
Hình 2-16. Các mặt phẳng LSB của (a) ảnh chưa nhúng tin (b) ảnh nghi ngờ
..............................................................................................................................72
Hình 2-17. Sự khác biệt giữa các mặt phẳng LSB của ảnh gốc (original
image) và ảnh đã giấu tin (stego images).........................................................73
Hình 2-18. Ý nghĩa của việc mã hóa thơng điệp: (a) nhúng trực tiếp sau khi
chuyển đổi sang mã ASCII, (b) mã hóa thơng điệp trước khi nhúng............75
Hình 2-19. Mặt phẳng LSB khi được nhúng dung lượng đầy đủ..................76
Hình 2-20. Quá trình nhúng của EzStego........................................................79
Hình 2-21. Xác suất nhúng của một ảnh “sạch”: (a) ảnh “sạch” (0% nhúng),
(b) đồ thị các điểm giá trị p...............................................................................84

Hình 2-22. Xác suất nhúng ảnh dùng Jsteg với dung lượng nhúng 50%: (a)
ảnh đã nhúng, (b) đồ thị các điểm giá trị p......................................................84

v


Hình 2-23. Xác suất nhúng của ảnh dùng Jsteg với dung lượng nhúng 100%,
(a) Ảnh đã nhúng, (b) đồ thị các điểm giá trị p...............................................85
Hình 2-24. Biểu đồ của 8 bit hình ảnh JPEG khi chưa nhúng.......................86
Hình 2-25. Biểu đồ của 8 bit hình ảnh JPEG khi dùng Jsteg.........................86
Hình 2-26. Biểu đồ của 8 bit hình ảnh JPEG khi dùng F3.............................87
Hình 2-27. Ảnh hưởng của QF trên DCT: (a) khối 8 x 8 của ảnh với QF = 90,
(b) khối 8 x 8 của ảnh với QF = 80....................................................................88
Hình 3-28. Hình ảnh nhúng thủy vân số..........................................................91
Hình 3-29. Mơ hình thủy vân số........................................................................95
Hình 3-30. Mơ hình nhúng thủy vân số............................................................96
Hình 3-31. Mơ hình tách thủy vân....................................................................96
Hình 3-32. Đồ thị phân bố các giá trị phát hiện thủy vân đối với ảnh phủ
(cover image) và ảnh stego image. Tất cả vùng xám đậm và xám nhạt chính
là khả năng có thể tìm đúng thủy vân..............................................................99
Hình 3-33. Sơ đồ phân chia 3 miền tần số của phép biến đổi DCT.............101
Hình 3-34. Mơ hình nhúng thủy vân trên miền DCT...................................117
Hình 3-35. Mơ hình tách thủy vân..................................................................119
Hình 3-36. Các bước của q trình mã hóa biến đổi DCT đối với một khối
............................................................................................................................121
Hình 3-37. Ma trận lượng tử...........................................................................122
Hình 3-38. Sự khác nhau giữa sóng (a) và sóng nhỏ (b)...............................123
Hình 3-39. Mơ hình DWT trên miền màu đỏ (Red) của khối ảnh RGB MxN
............................................................................................................................124
Hình 3-40. Mơ hình IDWT của ảnh RGB......................................................125

Hình 3-41. Sơ đồ bảo vệ hình ảnh quảng cáo trực tuyến..............................130
Hình 3-42. Quy trình tạo và xác thực thủy vân trên sản phẩm...................131

vi


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của Internet và sự xuất hiện của các
phương tiện thông tin đại chúng, các dữ liệu số hiện nay được sao chép và phổ
biến rất dễ dàng. Chính vì vậy vấn đề bảo mật thông tin ngày càng trở nên cấp
bách. Các thơng tin cần bảo mật có thể được mã hố theo một cách nào đó, tuy
nhiên với phương pháp này thì thơng điệp được mã hố lại chính là tín hiệu về
tầm quan trọng của dữ liệu đó, nên sẽ thu hút sự chú ý của đối phương.
Một hướng tiếp cận mới trong bảo mật là giấu tin (Information Hiding),
tức là những thông tin số cần bảo mật sẽ được giấu vào trong một đối tượng dữ
liệu số khác (gọi là môi trường giấu tin) sao cho sự biến đổi của mơi trường sau
khi giấu tin là rất khó nhận biết, đồng thời có thể lấy lại được các thông tin giấu
khi cần. Một ưu điểm của hướng tiếp cận giấu tin so với mã hoá là khi tiếp cận
mơi trường giấu tin đối phương khó xác định được là có thơng tin giấu ở trong
đó hay khơng. Ngồi ra phương pháp giấu tin còn thể hiện được ưu thế rõ rệt
trong nhiều ứng dụng như phân phối tài liệu số, bảo vệ bản quyền…
Cuốn giáo trình này sẽ cung cấp cho các bạn sinh viên chuyên ngành an
toàn thơng tin một cái nhìn tổng quan về kĩ thuật giấu tin.
Nội dung giáo trình gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về kĩ thuật giấu tin: Trình bày một số khái niệm cơ
bản, mơ hình và phân loại giấu tin cũng như ứng dụng của giấu tin trong thực tế
Chương 2: Ẩn mã: trình bày các kiến thức tổng quan về ẩn mã, phân loại
ẩn mã, độ an toàn của ẩn mã và trình bày ứng dụng phổ biến nhất hiện nay của
ẩn mã đó là ẩn mã trong ảnh số hóa và một số phương pháp phân tích ẩn mã phổ
biến.

vii


Chương 3. Thủy vân số: Trình bày khái niệm, phân loại và mơ hình thủy
vân số và ứng dụng của thủy vân với ảnh số hóa trong việc bảo vệ bản quyền,
xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin.
Với kinh nghiệm và thời gian hạn chế, việc chọn lọc và trình bày các vấn đề
khơng thể tránh khỏi các thiếu sót nhất định. Rất mong nhận được các ý kiến
đóng góp quý báu của độc giả.
CÁC TÁC GIẢ
ThS. HOÀNG THU PHƯƠNG
ThS. TRẦN THỊ XUYÊN

viii


CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT GIẤU TIN
1.1. KHÁI NIỆM VỀ GIẤU TIN
Cùng với sự bùng nổ của Internet và các đa phương tiện, những vấn nạn
như ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép... cũng
gia tăng, địi hỏi phải khơng ngừng tìm các giải pháp mới, hữu hiệu cho an toàn
và bảo mật thông tin. Một trong các giải pháp nhiều triển vọng là giấu tin, được
nghiên cứu phát triển trong khoảng 10 năm gần đây.
Giấu thông tin là kĩ thuật nhúng (hay cịn gọi là giấu) một lượng thơng
tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác.
Kĩ 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 mang tin giấu. Hai mục đích khác nhau
này dẫn đến hai kĩ thuật chủ yếu của giấu tin. Đó là ẩn mã và thủy vân số. Nói
chung giấu tin trong đa phương tiện là tận dụng “độ dư thừa” của phương tiện

giấu để thực hiện việc giấu tin mà người ngồi cuộc “khó” cảm nhận được có
thơng tin giấu trong đó.
1.2. MƠ HÌNH GIẤU TIN CƠ BẢN
Giấu thông tin vào phương tiện chứa và tách lấy thông tin là hai quá trình
trái ngược nhau
1


a. Giấu thơng tin vào phương tiện chứa:
Quy trình giấu thông tin vào phương tiện chứa được mô tả qua sơ đồ khối
hình 1.1 trong đó:
• Thơng tin cần giấu tùy theo mục đích của người sử dụng, nó có thể là
thơng điệp (với các tin bí mật) hay các logo, hình ảnh bản quyền.
• Phương tiện chứa: các file ảnh, text, audio, … là mơi trường để nhúng tin
• Bộ nhúng thơng tin: là những chương trình thực hiện việc giấu tin
• Đầu ra: là các phương tiện đã có tin giấu trong đó

Thơng tin giấu

Phân phối

Bộ
nhúng
thơng
tin

Mơi
trường chứa
(audio, ảnh,
video)

Mơi trường chứa đã
được giấu tin

Khóa giấu tin
Hình 1-1. Lược đồ chung cho q trình giấu tin

b. Tách thơng tin:
2


Tách thông tin từ các phương tiện chứa diễn ra theo quy trình ngược lại
với đầu ra là các thơng tin đã được giấu vào phương tiện chứa. Phương tiện chứa
sau khi tách lấy thơng tin có thể được sử dụng, quản lí theo những u cầu khác
nhau.
Khóa giấu tin

Bộ
giải
mã tin

Mơi trường chứa đã
được giấu tin

Mơi
trường chứa
(audio, ảnh,
video)

Thơng tin giấu

Kiể
m
định

Hình 1-2. Lược đồ chung cho quá trình giải mã

Hình 1 -2 chỉ ra các công việc giải mã thông tin đã giấu. Sau khi nhận
được đối tượng phương tiện chứa có giấu thơng tin, q trình giải mã được thực
hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thơng tin cùng với khóa
của q trình nhúng. Kết quả thu được gồm phương tiện chứa gốc và thông tin
đã giấu. Bước tiếp theo thông tin đã giấu được kiểm định và so sánh với thông
tin ban đầu.
1.3. PHÂN LOẠI KĨ THUẬT GIẤU TIN
1.3.1. Phân loại theo khuynh hướng

3


Information hiding
(Giấu thông tin)

Steganography
(Ẩn mã)

Watermarking
(Thủy vân số)

Kĩ thuật giấu tin nhằm mục đích đảm bảo an tồn và bảo mật thơng tin ở
hai khía cạnh:

- Bảo mật dữ liệu đem giấu
- Bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin
Từ hai khía cạnh trên đã dần hình thành nên hai khuynh hướng chủ yếu
của giấu tin là:
• Ẩn mã (steganography): là kĩ thuật nhúng tin mật vào môi trường
giấu tin.
Khuynh hướng này tập trung vào các kĩ 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
khơng bằng kĩ thuật thơng thường.
• Thủy vân số (watermaking): là kĩ thuật nhúng giấu ẩn số vào một tài
liệu hoặc sản phẩm nhằm chứng thực nguồn gốc hay chủ sở hữu.
So sánh giữa ẩn mã và thủy vân số:

4


Ẩn mã

Thủy vân số

- Mục đích là bảo vệ thơng tin

- Mục đích là bảo vệ mơi trường
giấu tin

- Giấu được càng nhiều thông

- Chỉ cần thông tin đủ để đặc

tin càng tốt, ứng dụng trong truyền trưng cho bản quyền của chủ sở hữu
dữ liệu thông tin mật
- Thông tin được giấu phải ẩn,

- Thơng tin giấu có thể ẩn (thủy

không cho người khác thấy được vân ẩn) hoặc hiện (thủy vân hiện)
bằng mắt thường
- Chỉ tiêu quan trọng nhất là
dung lượng của tin được giấu

- Chỉ tiêu quan trọng nhất là tính
bền vững của tin được giấu

Bảng 1-1. So sánh ẩn mã và thủy vân số

1.3.2. Phân loại theo mơi trường giấu tin
• Giấu tin trong ảnh:
Giấu thơng tin trong ảnh hiện nay chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương
trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong ảnh đa phương tiện bởi vì
lượng thơng tin trao đổi bằng ảnh là rất lớn, hơn nữa giấu thơng tin trong ảnh
cũng đóng vai trị hết sức quan trọng đối với hầu hết các ứng dụng bảo vệ an
tồn thơng tin như: xác thực thơng tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản
quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật... Thông tin sẽ được giấu
cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết được ảnh
đó mang những thơng tin có ý nghĩa và để đảm bảo yêu cầu cơ bản của giấu tin
thì kĩ thuật giấu tin trong ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị giác của con người.
Ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến thì giấu tin trong ảnh đem lại
rất nhiều ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội.
5

Ví dụ như đối với các nước phát triển, chữ kí bằng 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 nhận thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng. Phần mềm
WinWord của Microsoft cũng cho phép người dùng lưu trữ chữ kí trong ảnh nhị
phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính an tồn của
thơng tin. Tài liệu sau đó được truyền trực tiếp qua máy fax, qua mạng theo đó
việc nhận thực chữ kí, xác thực thơng tin đó trở thành một vấn đề cực kì quan
trọng khi mà việc đánh cắp thông tin hay xuyên tạc thông tin bởi các tin tặc đang
trở thành một vấn nạn đối với bất kì quốc gia nào, tổ chức nào. Thêm vào đó lại
có rất nhiều loại thơng tin quan trọng cần được bảo mật như những thông tin về
an ninh, thông tin về bảo hiểm hay các thông tin về tài chính, các thơng tin này
được số hóa và lưu trữ trong hệ thống máy tính hay trên mạng. Chúng rất dễ bị
lấy cắp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc nhận thực cũng như
phát hiện thông tin xun tạc đó trở nên vơ cùng quan trọng, cấp thiết. Một đặc
điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thơng tin được giấu trong ảnh một cách
vơ hình, nó như là một cách truyền thơng tin mật cho nhau mà người khác không
thể biết được bởi sau khi giấu thì chất lượng ảnh gần như khơng thay đổi, đặc
biệt với ảnh màu hay ảnh xám. Vụ việc ngày 11-9 gây chấn động nước Mĩ và
toàn thế giới, chính tên trùm khủng bố quốc tế Osama BinLaDen đã dùng cách
thức giấu thông tin trong ảnh để liên lạc với đồng bọn và đã qua mặt được cục
tình báo trung ương Mĩ CIA và các cơ quan an ninh quốc tế. Sau vụ việc này
việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến giấu tin trong ảnh đã rất được quan
tâm.

6


Hình 1-3. Một thơng điệp của bọn khủng bố được FBI phát hiện và ngăn chặn kịp thời

• Giấu tin trong audio:
Giấu tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu tin trong
các đối tượng đa phương tiện khác. Để đảm bảo yêu cầu cơ bản của giấu tin thì
giấu tin trong audio thuộc vào hệ thống thính giác của con người. Hệ thống thính
giác của con người nghe được các tín hiệu ở các dải tần rộng và cơng suất lớn,
đặc điểm này gây khó khăn trong phương pháp giấu tin trong audio. Tuy nhiên,
hệ thống thính giác của con người lại khó phát hiện sự khác biệt các giải tần và
công suất tức là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu được các âm thanh nhỏ,
thấp tần một cách dễ dàng. Kênh truyền tin cũng là một vấn đề. Kênh truyền hay
băng thông chậm sẽ ảnh hưởng tới chất lượng của thông tin sau khi giấu. Ví dụ
để nhúng một đoạn java applet vào một đoạn audio (16 bit, 44.100 Hz) có chiều
dài bình thường thì các phương pháp nói chung cũng cần ít nhất 20 bit/s. Giấu
thơng tin trong audio địi hỏi yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an tồn của
thơng tin, các phương pháp giấu thơng tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu
trong hệ thống thính giác của con người.
• Giấu tin trong video:
Cũng giống như giấu thơng tin trong ảnh hay trong audio, nó phụ thuộc cả
vào hệ thống thính giác và thị giác của con người và cũng phát triển theo hai
7


hướng thủy vân và ẩn mã. Giấu tin trong video cũng được quan tâm và phát triển
mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thông
tin và bảo vệ bản quyền tác giả.
Một phương pháp giấu tin trong video được đưa ra bởi Cox là phương
pháp phân bố đều, ý tưởng cơ bản của phương pháp này là phân phối thông tin
giấu dàn trải theo tần số của dữ liệu gốc. Nhiều nhà nghiên cứu đã dùng những
hàm cosin riêng và các hệ số truyền sóng riêng để giấu tin. Trong các thuật tốn
khởi nguồn, thường thì các kĩ thuật cho phép giấu các ảnh vào trong video nhưng

thời gian gần đây các kĩ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào trong
video. Như phương pháp của Swanson đã sử dụng phương pháp giấu theo khối,
phương pháp này đã giấu được hai bit vào khối 8 × 8, hay phương pháp của
Mukherjee là kĩ thuật giấu trong audio và video sử dụng cấu trúc lưới đa chiều…
Kĩ thuật giấu thông tin trong video áp dụng cả những đặc điểm về thị giác và
thính giác của con người.
• Giấu tin trong văn bản:
Giấu tin trong văn bản dạng text khó thực hiện hơn do có ít các thơng tin
dư thừa, để làm được điều này người ta phải khéo léo khai thác các dư thừa tự
nhiên của ngôn ngữ. Một cách khác là tận dụng các định dạng văn bản (mã hố
thơng tin vào khoảng cách giữa các từ hay các dòng văn bản).
Kĩ thuật giấu tin đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng chứ khơng
riêng gì dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio, video. Gần đây đã có một số
nghiên cứu giấu tin trong cơ sở dữ liệu quan hệ, các gói IP truyền trên mạng,
chắc chắn sau này cịn tiếp tục phát triển tiếp cho các mơi trường dữ liệu số khác.

8


1.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH GIẤU TIN
Các kĩ thuật giấu tin nói chung đều phải đáp ứng một số các yếu tố, các
yếu tố này thay đổi tùy theo từng ứng dụng cụ thể. Sau đây là các yếu tố chung
cho các kĩ thuật giấu tin:
 Sự thay đổi trên đối đượng chứa là tối thiểu
Mục đích của giấu tin là nhúng dữ liệu vào đối tượng chứa nhằm các mục
đích riêng cho từng ứng dụng. Tuy nhiên, giấu tin không thể làm thay đổi giá trị
sử dụng của đối tượng chứa vì:
• Nếu ứng dụng của giấu tin là bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ thì đối tượng
chứa – tác phẩm của tác giả khơng thể bị suy biến vì như thế tác phẩm đó
sẽ mất đi giá trị, khơng cần phải bảo vệ bản quyền nữa.

• Nếu ứng dụng của ẩn dữ liệu là thêm thơng tin chú thích thì đối tượng
chứa quan trọng hơn, thơng tin chú thích chỉ là phần chú thích thêm, vì
vậy đối tượng chứa phải đảm bảo được chất lượng.
• Nếu ứng dụng của giấu tin là truyền thơng mật thì sự khác nhau giữa đối
tượng chứa gốc và đối tượng chứa sau khi đã giấu dữ liệu phải rất nhỏ để
tránh sự nghi ngờ của người khác.
• Yêu cầu cần thiết của kĩ thuật giấu tin là đối tượng chứa bắt buộc khơng
được có sự gia tăng hay giảm đi về dung lượng so với đối tượng gốc.
 Mức độ tránh các thao tác biến đổi trên đối tượng chứa
Mức độ tránh các thao tác biến đổi trên đối tượng chứa cịn gọi là tính bền
vững của dữ liệu nhúng. Đây là mức độ của dữ liệu nhúng không bị mất đi khi
đối tượng chứa bị biến đổi bởi các thao tác. Tính năng này bắt buộc với tất các

9


ứng dụng của giấu tin. Tuy nhiên, khơng có kĩ thuật nào có thể bất biến với tất cả
các thao tác, mỗi kĩ thuật chỉ hỗ trợ cho tính bất biến đối với một số thao tác mà
thôi. Các thao tác trên đối tượng chứa có thể liệt kê như sau:
• Văn bản: dịch chuyển từ, chia lại khoảng cách giữa các từ.
• Ảnh tĩnh: các phép biến đổi affine, nhiễu, các phép biến đổi phi hình học,
lọc nhiễu…
• Mơ hình ba chiều: các phép biến đổi affine, biến đổi hình học, biến đổi phi
hình học, sắp xếp lại lưới đa giác,…
• Âm thanh: lọc nhiễu,…
 Số lượng dữ liệu nhúng
Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể mà yêu cầu về số lượng dữ liệu
nhúng là nhiều hay ít. Một số ứng dụng chỉ cần nhúng một bit đơn vào đối tượng
chứa (ví dụ như ứng dụng đánh dấu đối tượng), một số ứng dụng lại yêu cầu số
lượng dữ liệu nhúng phải lớn (các đoạn chú thích).

Tính năng này ln tỉ lệ nghịch với tính bền vững của dữ liệu nhúng. Một
kĩ thuật nếu hỗ trợ tính năng bền vững của dữ liệu nhúng cao thì số lượng dữ liệu
nhúng lại giảm đi đáng kể, và ngược lại nếu nâng cao số lượng dữ liệu nhúng thì
dữ liệu nhúng đó lại ít có khả năng tránh được các thao tác trên đối tượng chứa,
tín hiệu chứa càng bị nhiễu. Các kĩ thuật hiện đại đều quan tâm đến hai tính năng
này và muốn đồng thời nâng cao cả hai tính năng này. Biểu đồ sự liên hệ giữa số
lượng dữ liệu nhúng và tính bền vững của dữ liệu nhúng được mơ tả trong hình
dưới:

10


Số lượng dữ
liệu nhúng

Tính bền vững
Hình 1-4. Mối liên hệ giữa số lượng dữ liệu nhúng và tính bền vững

 Sự khó phát hiện bởi tri giác con người - Sự vơ hình
Tính năng này gần giống với tính năng thay đổi tối thiểu trên đối tượng
chứa, tuy nhiên lại có sự khác nhau rõ ràng: một đối tượng chứa có thể thay đổi
ít nhưng dữ liệu nhúng lại trực quan, ngược lại dữ liệu nhúng có thể khó bị phát
hiện trong khi thay đổi trên đối tượng chứa khá nhiều.
Một số ứng dụng khơng cần tính năng này (ví dụ ứng dụng nhúng các lời
chú thích, hay logo vào đối tượng chứa), tuy nhiên đối với ứng dụng truyền
thông mật thì đây là ứng dụng quan trọng nhất. Ẩn mã phải đảm bảo không để
cho một người trung gian phát hiện hay nghi ngờ đối tượng chứa có chứa thông
tin thêm vào. Đối với ẩn mã, việc phát hiện có dữ liệu được nhúng vào đối tượng
chứa gây nên sự thất bại hồn tồn: người trung gian có thể giải mã thông điệp,
làm suy biến thông điệp hay chỉ đơn giản là hủy thơng điệp đi.

Trong ẩn mã, tính năng này cùng với hai tính năng số lượng dữ liệu nhúng
và tính bền vững của dữ liệu nhúng, cả ba luôn tỉ lệ nghịch với nhau. Nếu ứng
dụng nhúng quá nhiều dữ liệu thì khả năng phát hiện tăng cao và ngược lại, số
lượng dữ liệu ít thì khả năng phát hiện giảm xuống.
 Không thể giải mã dữ liệu nhúng từ đối tượng - Tính bảo mật
11


Tính năng này đặc biệt quan trọng với kĩ thuật ẩn mã, vì mục đích chính
của ẩn mã là khơng để người thứ ba giải mã được thông điệp truyền đi.
1.5. ỨNG DỤNG GIẤU TIN TRONG THỰC TẾ
Một số ứng dụng của giấu tin như bảo vệ bản quyền, xác thực, truyền
thơng bí mật…
- Giấu tin bí mật: trong lịch sử, ứng dụng truyền thơng bí mật đã được sử
dụng nhằm mục đích che giấu sự tồn tại của dữ liệu bí mật, đây là ứng dụng
quan trọng của ẩn mã. Dữ liệu bí mật sẽ được giấu trong đối tượng chứa, đối
tượng chứa này là vô hại. Dữ liệu sẽ được nhúng thơng qua chương trình nhúng
và sử dụng khóa trong q trình nhúng. Việc nhúng dữ liệu u cầu không tạo sự
thay đổi lớn cho đối tượng chứa nhằm tránh việc bị phát hiện có sự tồn tại của kĩ
thuật giấu tin mật. Bên nhận trích xuất dữ liệu bằng cách sử dụng chương trình
trích xuất và khóa tương đương.
- Bảo vệ bản quyền tác giả: Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kĩ thuật thủy
vân số - một dạng của kĩ thuật giấu tin. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa
quyền sở hữu tác giả (gọi là thủy vân) sẽ được nhúng vào bên trong sản phẩm,
thủy vân đó chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp sản phẩm đó có và được
dùng để làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả sử có một thành phẩm dữ
liệu 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 thì cần phải
có một kĩ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem hay
chính là việc nhúng thủy vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hưởng lớn

nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kĩ thuật đối với ứng dụng này là thủy
vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà khơng
được phép của người chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá hủy sản phẩm.

12


- Nhận thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin: một thông tin
được giấu trong đối tượng số để nhận biết xem đối tượng đó có bị thay đổi hay
không. Các thủy vân nên được ẩn để tránh được 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 muốn tìm được vị trí bị xuyên tạc
cũng như phân biệt được các thay đổi (ví dụ như phân biệt xem một đối tượng đa
phương tiện chứa thông tin giấu đã bị thay đổi, xuyên tạc nội dung hay là chỉ bị
nén mất dữ liệu). Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin
cao và thủy vân không cần bền vững.
- Dấu vân tay hay dán nhãn:
Thủy vân trong ứng dụng này được sử dụng để nhận diện người gửi hay
người nhận của một thơng tin nào đó. Ví dụ như các vân khác nhau sẽ được
nhúng vào các bản sao khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho nhiều
người. Với những 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.
- Điều khiển truy cập: Các thủy vân trong những trường hợp này được sử
dụng để điều khiển truy cập đối với các thơng tin.
- Kiểm sốt sao chép: Ứng dụng trong các hệ thống phân phối dữ liệu đa
phương tiện nhằm chống lại sự sao chép trái phép dữ liệu.
- Điều khiển thiết bị: Các thiết bị phát hiện thuỷ vân (ở đây sử dụng
phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc) được gắn
sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi, tùy thuộc vào việc có thủy vân hay không để
điều khiển (cho phép/cấm) truy cập. Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD

đã được ứng dụng ở Nhật. Nhà sản xuất sẽ trang bị cho các phương tiện dùng để
nhân bản (như CD writer…) khả năng phát hiện xem digital media có chứa các
thủy vân hay khơng, nếu có thì sẽ từ chối không nhân bản.
13


- Theo dõi quá trình sử dụng (tracking): Thủy vân số có thể được dùng để
theo dõi q trình sử dụng của các phương tiện số (digital media). Mỗi bản sao
của sản phẩm được chứa bằng một thủy vân duy nhất dùng để xác định người
dùng là ai. Nếu có sự nhân bản bất hợp pháp, ta có thể truy ra người vi phạm nhờ
vào thủy vân được chứa bên trong các phương tiện này.
- Theo dõi truyền thông: Các cơng ty truyền thơng và quảng cáo có thể
dùng kĩ thuật thủy vân số để quản lí xem có bao nhiêu khách hàng đã dùng dịch
vụ mà họ cung cấp.

14


CHƯƠNG 2. ẨN MÃ
2.1. TỔNG QUAN VỀ ẨN MÃ
2.1.1. Giới thiệu chung về ẩn mã
Từ “Steganography” bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp. “Stegano” có nghĩa là
được bao phủ hay bí mật, “graphy” có nghĩa là văn bản hay bản vẽ. Ẩn mã vừa
mang tính nghệ thuật, vừa mang tính khoa học trong giấu tin. Một thơng tin bí
mật được mã hóa theo một cách thức mà sự tồn tại của nó được che giấu. Kết
hợp với các phương pháp truyền thơng hiện có, ẩn mã có thể được sử dụng để
thực hiện các trao đổi ẩn. Mục tiêu chính của ẩn mã là liên lạc an toàn theo một
cách thức mà khó có thể phát hiện và tránh những nghi ngờ trong q trình
truyền tải. Phương pháp này khơng phải để tránh cho người khác biết được thông
tin được ẩn mà là để người khác khơng nghĩ đến việc có thông tin tồn tại. Nếu

một phương pháp giấu tin mật làm cho một ai đó nghi ngờ mơi trường giấu tin
thì phương pháp đó đã thất bại.
Ẩn mã đã có lịch sử phát triển hàng nghìn năm, thời xa xưa những bản
chép về ẩn mã được ghi lại bởi nhà sử học Hi Lạp Herodotus và sau đó truyền lại
cho người Hi Lạp. Khi Bạo chúa Hi Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt làm tù
binh ở Susa vào thế kỉ thứ 5 trước Công Nguyên, ông ta phải gửi một thông
điệp mật đến con rể là Aristagoras ở Miletus. Histiaeus đã cạo đầu một tên nô

15


lệ và xăm một thông điệp vào da đầu của hắn. Khi tóc của tên nơ lệ đã mọc đủ
dài, hắn sẽ được phái đến Miletus. Một câu chuyện khác từ người Hi Lạp cổ đại
cũng được Herodotus ghi lại. Một đoạn văn bản được viết trên những bản được
phủ sáp ong. Demeratus, một người Hi Lạp, cần phải thông báo cho Sparta rằng
Xerxes có ý định xâm lược Hi Lạp. Để tránh bị phát hiện, ông ta đập các bản
sáp ong cho vỡ ra và viết thông điệp lên bản gỗ, sau đó lại phủ sáp ong lên.
Các văn bản sau đó được chuyển đi mà khơng bị phát hiện.
Mực vơ hình ln là phương pháp phổ biến của giấu tin mật. Người La Mã
cổ đại thường sử dụng mực vơ hình viết ở giữa hai dịng chữ. Mực vơ hình
thường được làm từ các chất như nước tiểu, nước trái cây và sữa. Khi được
đốt nóng, mực vơ hình sẽ trở nên đen lại và dễ xem. Gần đây, mực vơ hình cũng
được sử dụng trong thế chiến thứ II.
Một trong những nhà nghiên cứu về ẩn mã và mã hóa sớm nhất là
Johannes Trithemius (1462-1526), một thầy tu người Đức. Đầu tiên ông nghiên
cứu Steganography Steganographia, mô tả các hệ thống ma thuật và các lời
tiên tri, nhưng cũng bao gồm một hệ thống mật mã phức tạp. Nó chỉ được
cơng bố sau khi ơng qua đời, vì Trithemius sợ sự phản tác dụng cho tác giả nếu
nó được xuất bản (chúng ta biết rằng trong thời kì này sự thống trị của tơn giáo
bao trùm tất cả). Quyển sách về ẩn mã ra đời sớm nhất dày 400 trang được viết

bởi Gaspari Schotti vào năm 1665, có tên là Steganographica. Mặc dù tất cả
các ý đều là của Trithemius, nhưng dẫu sao nó cũng là một sự bắt đầu cho một
hướng phát triển mới.
Ẩn mã tiếp tục phát triển trong suốt thế kỉ 15 và 16. Vì nó thường gây ra
sự tức giận, các tác giả thường giấu tên trong các quyển sách của mình.
Bishop John Wilkins, sau đó là thạc sĩ của trường đại học Trinity, Cambridge,
đã viết một luận án về ẩn mã. Ông phát minh ra một số các phân loại từ các
16