ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ VĂN TUẤN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN
TRONG MÔI TRƯỜNG MUILTIMEDIA LUẬN VĂN THẠC SĨ
1.2.Giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện
8
1.2.1. Giấu tin trong ảnh
8
1.2.2. Giấu tin trong audio
9
1.2.3. Giấu tin trong video
9
1.2.4. Giấu tin trong văn bản
10
1.3. Giấu tin trong ảnh, những đặc trưng và tính chất
10
1.4. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh
12
1.4.1.Tiếp cận trên miền không gian ảnh
12
1.4.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh
13
1.5. Thủy vân số trên ảnh
14
1.5.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân
17
1.5.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân
18
1.5.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân
20
35
2.3.3.
Cách chứng minh mới về tính đúng đắn của thuật toán
37
2.3.4. Một số thí dụ minh họa thuật toán CPT
39
2.3.5. Phân tích thuật toán
43
CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN
TRONG MULTIMEDIA
45
3.1 Ảnh Bitmap
46
3.1.1 Khái niệm chung về ảnh bitmap
46 iii
3.1.2 Định dạng tệp ảnh bitmap
47
3.2. Giấu tin trong ảnh bitmap 8 bit màu
51
3.2.1. Thuật toán giấu tin DH8
52
3.2.2. Kết quả thử nghiệm thuật toán DH8
58
3.3. Giấu tin trong ảnh bitmap 24 bit màu
58
Phép biến đổi cosin rời rạc từ miền không gian ảnh sang miền tần số
CPT (Y.Chen, H.Pan, Y.Tseng):
Tên ba tác giả đề xuất thuật toán giấu r bit vào một khối bit nhưng chỉ
biến đổi tối đa hai phần tử.
DH8 (Data Hiding in color image 8 bits/pixel):
Thuật toán giấu tin trong ảnh bitmap 8 bit màu, đây là thuật toán
được đề xuất dựa trên ý tưởng giấu tin của Wu-Lee
DH24 (Data Hiding in color image 24 bits/pixel):
Thuật toán giấu tin trong ảnh bitmap 24 bit màu, đây là thuật toán
được cải tiến từ thuật toán giấu tin trên ảnh nhị phân của ba tác giả
Y.Chen, H.Pan và Y.Tseng 1
PHẦN MỞ ĐẦU
1.Đặt vấn đề
Ngày nay, một trong những sự kiện trọng đại trong những thập
niên cuối của thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21 là sự ra đời phát triển của mạng
internet. Thông tin đã trở thành sẵn sàng trực tuyến, mọi người đều có
thể kết nối vào internet để tìm kiếm thông tin một cách dễ dàng thông
qua nhà cung cấp dịch vụ internet. Người dùng có thể đọc các thông tin
mới nhất, tra cứu các thư viện số, tìm thông tin lĩnh vực mình quan tâm.
Bên cạnh đó các nhà cung cấp sản phẩm cũng sẵn sàng cung cấp dữ
liệu của mình cho người dùng thông qua mạng.
Tuy nhiên, việc phân phối một cách phổ biến các tài nguyên trên
mạng hiện nay luôn gặp phải vấn nạn sao chép và sử dụng không hợp
pháp. Nhu cầu này đã dẫn đến sự ra đời và phát triển một lĩnh vực khoa
học nằm ở biên giới giữa toán học và tin học. Một trong những mục tiêu
nghiên cứu của an toàn dữ liệu và bảo mật thông tin là xây dựng quy
trình và giải pháp bảo vệ các tài liệu, ngăn chặn các hoạt động không
3. Những đóng góp của luận văn
- Luận văn cung cấp cho người dùng một cách nhìn tổng quát và
đầy đủ về hệ thống giấu tin. Từ đó, người dùng sẽ chọn cách thức, môi
trường phù hợp cho từng bài toán cụ thể.
- Luận văn trình bày phương pháp chứng minh mới về tính đúng
đắn của thuật toán CPT, với cách chứng minh mới sẽ giúp quá trình
nghiên cứu thuật toán này trở nên dễ dàng hơn.
- Đề xuất hai thuật toán giấu tin trên ảnh màu và trên dữ liệu âm
thanh. Hai thuật toán này được cải tiến từ hai tư tưởng giấu tin của Wu-
Lee và của ba tác giả Chen – Pan – Tseng. 3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN
1.1. Một số khái niệm cơ bản
1.1.1 Khái niệm về giấu tin
Giấu tin là một kỹ thuật giấu một lượng thông tin số nào đó
vào một đối tượng dữ liệu khác.
Kỹ thuật giấu tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ
liệu được đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng được giấu
tin ở trong. Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ
yếu của giấu tin. Hướng thứ nhất là giấu tin mật, nhằm tập trung
vào các kỹ thuật giấu tin sao cho người khác khó phát hiện được
đối tượng có chứa thông tin mật bên trong. Hướng thứ hai là thuỷ
vân số, hướng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên được
quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có rất nhiều kỹ
thuật đã được đề xuất
.
1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin
Giấu thông tin
Giấu tin mật
Thuỷ vân số
Thuỷ vân
bền vững
Thuỷ vân
dễ vỡ
Thuỷ vân ẩn
Thuỷ vân
hiện
Thuỷ vân ẩn
Thuỷ vân
hiện
Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giâu tin 5
chương trình, thuật toán để giấu tin và được thực hiện với một khoá bí
mật giống như các hệ mật mã cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu được môi
trường đã giấu tin và được phân phối trên các phương tiện truyền thông
khác nhau.
Hình 1.3 chỉ ra các công việc của quá trình giải mã thông tin đã
được giấu
. Quá trình giải mã được thực hiện thông qua một bộ giải
mã tương ứng với bộ nhúng thông tin kết hợp với khoá để giải mã
thông tin. Khoá để giải mã thông tin có thể giống hoặc khác với
khoá để nhúng thông tin. Kết quả thu được gồm môi trường gốc
và thông tin đã được giấu. Tuỳ trường hợp, thông tin tách được
có thể cần xử lí, kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu.
nếu độ phức tạp của các thuật toán thám mã khó có thể thực hiện được
trên máy tính. Tuy nhiên, cũng có một số hệ thống lại quan tâm đến số
lượng thông tin có thể được giấu, hoặc quan tâm đến sự ảnh hưởng của
thông tin mật đến môi trường chứa dữ liêu.
1.1.4. Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin
Giấu tin mật
:
Thông tin được giấu trong những trường hợp
này cần được bảo mật trước các đối thủ. Việc giải mã để nhận
được thông tin cũng không cần dữ liệu môi trường gốc. Đối với
các thuật toán giấu tin mật chúng ta không chú trọng đến việc bảo
vệ thông tin mật trước sự tấn công của các đối thủ mà thay vào
đó các thuật toán quan tâm đến tính ẩn và tính an toàn đối với dữ
liệu cần giấu. Do đó, các thuật toán giấu tin có độ bảo mật cao sẽ
được sử dụng trong các ứng dụng giấu tin mật.
Dữ liệu
môi
trường
(audio,
video,
ảnh )
Bộ giải
mã tin
Khoá
Thông tin giấu
Dữ liệu
môi
trường
đã
phương, hơn nữa việc làm giả các thuỷ 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 thông tin cao và thuỷ vân không cần
bền vững.
Giấu vân tay hay dán nhãn:
Thuỷ vân số trong những ứng
dụng này được sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận
của một thông 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 câu là
đảm bảo độ an toàn cao cho các thuỷ vân tránh sự xoá giấu vết
trong khi phân phối.
Kiểm soát sao chép:
Các thuỷ vân trong những trường
hợp này được sử dụng để kiểm soát việc sao chép thông tin. Các 8
thiết bị phát hiện ra thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các
hệ thống đọc/ghi. Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD đã
được sử dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại này yêu cầu thuỷ vân
phải được đảm bảo an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát
hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc.
1.2.Giấu tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện
1.2.1. Giấu tin trong ảnh
Ngày nay, giấu thông tin trong ảnh chiếm tỷ lệ lớn 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
trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn
của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng nhiều
đến chất lượng của dữ liệu gốc. Để đảm bảo yêu cầu này, kỹ
thuật giấu thông tin trong audio phụ thuộc vào hệ thống thính giác
của con người. Và một vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống thính
giác của con người nghe được các tín hiệu ở các giải tần rộng và
công suất lớn nên đã gây khó dễ đối với các phương pháp giấu
tin trong audio. Nhưng theo một số tài liệu, công trình nghiên cứu
đã công bố, hệ thống thính giác lại gặp những khó khăn trong việc
phát hiện sự thay đổi nhỏ về âm lượng, tần số của tín hiệu audio.
Điều này có nghĩa là các âm thanh lớn, tấn số cao có thể che giấu
được các âm thanh nhỏ, tần số thấp một cách dễ dàng. Và thông
tin này sẽ giúp ích cho việc chọn các audio thích hợp cho việc
giấu tin. Vấn đề khó khăn thứ hai đối với giấu thông tin trong
audio là kênh truyền tin. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh
hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu.
1.2.3. Giấu tin trong video
Cũng giống như giấu thông tin trong ảnh hay audio, giấu tin
trong video cũng được quan tâm và được phát triển mạnh mẽ cho
nhiều ứng dụng như kiểm soát sao chép thông tin, nhận thực
thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Với kỹ thuật giấu thông tin 10
trong video, các thuật toán lợi dụng triệt để những nhược điểm
của hệ thống thị giác và thình giác của con người để thực hiện
quá trình giấu tin.
1.2.4. Giấu tin trong văn bản
Trong việc trao đổi thông tin qua hệ thống máy tính, văn bản
chiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại phương tiện chứa khác. Tuy
sự biến đổi về độ chói kém hơn sự biến đổi về màu hay cảm nhận của
mắt về màu xanh da trời là kém nhất trong ba màu cơ bản.
Giấu thông tin trong ảnh nhưng không thay đổi kích thước ảnh
Các thuật toán thực hiện việc giấu thông tin sẽ được thực hiện trên
dữ liệu ảnh. Dữ liệu ảnh bao gồm cả phần header, bảng màu (có thể có)
và giá trị của các điểm ảnh. Khi giấu thông tin, các phương pháp giấu
đều biến đổi các giá trị trong phần dữ liệu ảnh chứ không thực hiện việc
thêm vào hay bớt đi dữ liệu ảnh. Do vậy mà kích thước ảnh trước hay
sau khi giấu thông tin là như nhau.
Đảm bảo chầt lượng ảnh 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 được biến đổi
quá nhiều dẫn đến dễ dàng phát hiện sự khác biệt giữa ảnh gốc và ảnh
có chứa tin. Yêu cầu này dường như khá đơn giản đối với ảnh màu hoặc
ảnh xám bởi mỗi một điểm ảnh được biểu diễn bởi nhiều bit 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 với ảnh đen trắng thì việc giấu
thông tin phức tạp hơn nhiều, vì đối với ảnh đen trắng mỗi một điểm ảnh
chỉ có thể nhận một trong hai giá trị đen hoặc trắng. Vì vậy, trong các kỹ
thuật giấu tin khi chúng ta thực hiện thao tác biến đổi điểm ảnh từ đen
sang trắng hoặc ngược lại nếu không khéo sẽ rất dễ bị lộ vị trí điểm ảnh 12
đã biến đổi. Do đó, với ảnh đen trắng tập trung vào việc làm thế nào để
thông tin giấu khó bị phát hiện nhưng với ảnh màu hay ảnh xám thì lại
chú trọng đến khả năng giấu của thuật toán.
Thông tin giấu trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến
đổi nào trên ảnh
hợp, cách khảo sát trực tiếp này gặp phải những khó khăn nhất
định hoặc rất phức tạp và hiệu quả không cao.
Ngoài phương pháp khảo sát trực tiếp, có thể dùng phương
pháp khảo sát gián tiếp thông qua các kỹ thuật biến đổi. Các biến
đổi này làm nhiệm vụ chuyển miền biến số độc lập sang các miền
khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rạc sẽ được biểu diễn
trong các miền mới với các biến số mới. Phương pháp biến đổi
này cũng giống như phương pháp biến đổi trong phép tính tích
phân hay phương pháp đổi hệ toạ độ trong giải tích của toán phổ
thông quen thuộc.
Mỗi cách biến đổi sẽ có những thuận lợi riêng, tuỳ từng
trường hợp mà chúng ta chọn phép biến đổi nào cho phù hợp.
Sau khi khảo sát, biến đổi xong các tín hiệu và hệ thống rời rạc
trong miền các biến số mới này, nếu cần thiết có thể dùng cá biến
đổi ngược để đưa chúng trở lại miền biến số độc lập.
Phương pháp khảo sát gián tiếp sẽ làm đơn giản rất nhiều
các công việc gặp phải khi dùng phương pháp khảo sát trực tiếp
trong miền biến số độc lập tự nhiên. Hệ thống rời rạc cần khảo sát
chính là miền không gian các điểm ảnh. Có một số phương pháp
biến đổi được sử dụng rất phổ biến như: Furier, Cosin rời rạc
(DCT), Wavelet… Đây là những phép biến đổi được sử dụng
nhiều trong các kỹ thuật xử lý ảnh và âm thanh. Trong giấu tin,
đặc biệt trong kỹ thuật thuỷ vân tiếp cận theo miền tần số, các 14
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.
1.5. Thủy vân số trên ảnh Các kỹ thuật thủy vân trên hình 1.4. được phân biệt nhau bởi
những đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật và khía cạnh ứng
dụng những kỹ thuật đó. Trong thực tế, tuỳ theo mục đích, yêu
cầu của bài toán mà ta sẽ chọn kỹ thuật thuỷ vân phù hợp. Tuy
nhiên, các kỹ thuật trên cũng có một số đặc điểm giổng nhau.
Thuỷ vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thuỷ vân vào trong ảnh
sao cho sản phẩm khi phân phối trong môi trường nếu có bất cứ
một phép biến đổi nào làm thay đổi đối tượng sản phẩm gốc thì
thuỷ vân đã được giấu trong đối tượng sẽ không còn nguyên vẹn
như thuỷ vân gốc. Các kỹ thuật thuỷ vân có tính chất này được sử
dụng trong các ứng dụng nhận thực thông tin và phát hiện xuyên
tạc thông tin. Rất dễ hiểu vì sao những ứng dụng này cần đến kỹ
thuạt 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
Thuỷ vân
Thuỷ vân bền vững
Thuỷ vân dễ vỡ
Thuỷ vân ẩn
Thuỷ vân hiện
vân. Trong vấn đề bảo vệ bản quyên, 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. 17
1.5.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân
Hệ thuỷ vân số trên ảnh cũng là một hệ giấu tin nên cũng có một
số đặc điểm và tính chất giống giấu tin trong ảnh. Đó là:
- Phương tiện chứa là ảnh hai chiều tĩnh
- Thủy vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm thay đổi
kích thước ảnh
- Thông tin được giấu vào trong ảnh nhưng không ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng ảnh.
- Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào bản chất của hệ thống thị giác con người.
- Ngoài một số đặc điểm chung nêu trên, kỹ thuật thuỷ vân trên ảnh số
được phân biệt với kỹ thuật giấu tin mật ở những đặc trưng sau đây:
Thông tin thuỷ vân có hoặc không bị biến đổi khi ảnh chứa bị thay đổi
Đối với hệ thống thuỷ vân bền vững, yêu cầu thông tin thuỷ
vân không thay đổi trước các tác động làm thay đổi thông tin trên
ảnh chứa thuỷ vân. Ngược lại, hệ thống thuỷ vân dễ vỡ yêu cầu
thông tin thuỷ vân sẽ bị thay đổi (vỡ) nếu có bất cứ thay đổi nào
trên ảnh chứa thuỷ vân.
Thuỷ vân ẩn, thuỷ vân hiện
Không giống như giấu in mật với yêu cầu bắt buộc là thông
điệp giấu phải ẩn bên trong ảnh sao cho mắt thường không phát
hiện được sự tồn tại của thông tin giấu thì kỹ thuật thủy vân số lại
có hai loại là thuỷ vân ẩn và thuỷ vân hiện. Nghĩa là có loại thuỷ
vân cho phép nhìn thấy được thông tin đem nhúng vào, có loại
SW. Bức ảnh này sẽ được sử dụng để phân phối. 19
Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân được thể hiện qua hình 1.5. Hình 1.5. Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân
Quá 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 công trên SW tạo ra SW*.
Quá trình tách thuỷ vân từ ảnh chứa SW* (SW* có thể trùng
với SW) tiến hành:
-
Sử dụng ảnh chứa thuỷ vân SW*, hệ thống khoá K đã sử dụng
trong quá trình nhúng thuỷ vân;
- Tuỳ theo kỹ thuật, ảnh gốc S có thể sử dụng ;
- Việc tách thủy vân được thực hiện theo một thuật toán đã xác
định. Kết quả là thông 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.
Mô hình quá trình tách thuỷ vân trong hệ thống thuỷ vân
được trình bày trong hình 1.6.
Ảnh gốc S
Thuỷ vân W
Khoá K
Ảnh chứa
thuỷ vân SW*
Ảnh gốc S
Thuật toán
tách thuỷ vân
Thuỷ vân tách
W*
Kiểm
định
Thuỷ vân gốc W
Kết luận
Copyright: Tài liệu đại học ©