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 .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................... v
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN ...................................................... 3
1.1. Một số khái niệm cơ bản ....................................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm về giấu tin................................................................................. 3
1.1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin .......................................................................... 3
1.1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin ......................................................................... 5
1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin ........................................................................... 6
1.2. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh .............................................. 7
1.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh ............................................................ 7
1.2.2. Tiếp cận trên miền tần số ảnh .................................................................... 8
1.3. Thủy vân số trên ảnh ............................................................................................. 9
1.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân......................................................... 11
1.3.2. Mô hình hệ thống thuỷ vân ...................................................................... 12
1.3.3. Những tấn công trên hệ thuỷ vân ............................................................. 14
1.3.4. Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân................................................... 15
1.3.5. Ứng dụng của thuỷ vân ............................................................................ 16
1.4. Ảnh số.................................................................................................................. 18
1.4.1. Khái niệm và phân loại ảnh số ................................................................. 18
1.4.2. Định dạng ảnh ......................................................................................... 19
1.5. Các phép biến đổi ma trận ................................................................................... 21
1.5.1. Biến đổi Cosine rời rạc DCT ................................................................... 21
1.5.2. Biến đổi Wavelet rời rạc DWT ................................................................ 24


iv

Bảng 2.1. Kết quả tiền xử lý và nhúng tin trên Hình 2.5 ..........................................44
Bảng 2.2. Kết quả trích tin và khôi phục ảnh gốc.....................................................46
Bảng 2.3. Kết quả nhúng tin trên Hình 2.5 của thuật toán TSTA ............................49
Bảng 2.4. Kết quả trích tin và khôi phục các dãy hệ số lượng tử gốc ......................51
Bảng 2.5. Kết quả khảo sát 9 đường chéo theo lược đồ CLTT ................................52
Bảng 2.6. Kết quả khảo sát 5 đường chéo theo lược đồ TSTA ................................52
Bảng 2.7. Khả năng nhúng tin của 3 lược đồ............................................................58
Bảng 2.8. Kết quả thực nghiệm chất lượng ảnh của các lược đồ .............................59
Bảng 3.1. Khả năng nhúng tin của 2 lược đồ............................................................65
Bảng 3.2. Kết quả thực nghiệm chất lượng ảnh của các lược đồ .............................66
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Phân loại kỹ thuật giấu tin...........................................................................5
Hình 1.2. Lược đồ của quá trình giấu tin ....................................................................6
Hình 1.3. Lược đồ giải mã tin giấu .............................................................................7
Hình 1.4. Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân ................................................................10
Hình 1.5. Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân ...........................................................13
Hình 1.6. Mô hình quá trình tách và kiểm định thuỷ vân .........................................14
Hình 1.7. Cấu trúc tệp ảnh 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

trên đều có những ưu, nhược điểm nhất định. Mã hoá giúp che giấu nội dung
thông tin, giấu tin mật giúp che giấu hoạt động trao đổi thông tin. Trên thực
tế, để đảm bảo an toàn cho các kênh trao đổi thông tin bí mật ta cần phải kết
hợp cả hai phương pháp này.
Giấu dữ liệu là một lĩnh vực rộng lớn, Các phương pháp giấu tin và thủy
vân được nghiên cứu phổ biến trên ảnh nén bảo toàn như BMP, TIF, PRG.


2
Đối với các ảnh loại này, việc nhúng tin được thực hiện trực tiếp trên ma trận
điểm ảnh. Tuy nhiên, các kỹ thuật nhúng tin đó không áp dụng được trên ảnh
nén có mất mát thông tin. Gần đây, có một số công trình nghiên cứu về giấu
tin thuận nghịch trên ảnh JPEG. Đây là một hướng nghiên cứu mới có nhiều
ứng dụng. Vì vậy, em chọn đề tài: “Giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG
và ứng dụng trong bảo mật dữ liệu” làm luận văn tốt nghiệp của mình.
Cấu trúc của luận văn:
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục và tài liệu tham khảo.
Luận văn được bố cục thành 3 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin.
Chương 2: Một số kỹ thuật giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG.
Chương 3: Phần mềm thử nghiệm và ứng dụng.
- Kết luận và những kiến nghị về hướng phát triển.
Mặc dù trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn em đã rất nỗ
lực và cố gắng. Song do thời gian và trình độ còn hạn chế nên luận văn khó
tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của
các thầy giáo, cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.


3
Chương 1

Môi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong.
Demeratus, một người Hi Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định
xâm chiếm Hi Lạp. Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ra khỏi các
viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại
các viên thuốc bằng một lớp sáp mới. Những viên thuốc được để ngỏ và lọt
qua mọi sự kiểm soát một cách dễ dàng.
Mực không màu là phương tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong
một thời gian dài. Người Roman cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như
nước quả, nước tiểu và sữa để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn
tự thông thường. Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy trở lên sẫm
màu và có thể đọc dễ dàng. Mực không màu cũng được sử dụng rất gần đây,
như trong thời gian chiến tranh Thế giới II. Như vậy ý tưởng về che giấu
thông tin đã có từ hàng nghìn năm về trước nhưng chủ yếu được áp dụng
trong quân đội và các cơ quan tình báo. Mãi cho tới vài thập niên gần đây, do
sự phát triển rộng rãi của Internet, nhu cầu bảo mật thông tin cho cá nhân và
các cơ sở tư nhân và các giao dịch trên mạng máy tính ngày một trở thành bức
thiết, giấu thông tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu với
hàng loạt công trình có giá trị được áp dụng rộng rãi và công khai trong hoạt
động sản xuất, quản trị và kinh doanh. Cuộc cách mạng số hóa thông tin và sự
phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến
sự thay đổi này. Gần đây, những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật
thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lưu thông phân phối trên mạng diện rộng
của các dữ liệu đa phương tiện đã làm nảy sinh nhiều vấn đề nhức nhối về nạn
ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép càng đòi hỏi
phải đẩy mạnh hơn nữa việc nghiên cứu trong lĩnh vực này.


5
1.1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin
Có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng chính, đó là thuỷ vân số và

Thuỷ vân ẩn

Hình 1.1. Phân loại kỹ thuật giấu tin

Thuỷ vân
hiện


6
1.1.4. Mô hình kỹ thuật giấu tin
Mô hình của kỹ thuật giấu tin được mô tả trong Hình 1.2 và 1.3. Trong
đó, Hình 1.2 biểu diễn quá trình giấu tin. Phương tiện chứa bao gồm các đối
tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như các tệp Multimedia. Thông
tin cần giấu là một lượng thông tin mang một ý nghĩa nào đó tuỳ thuộc vào
mục đích của người sử dụng. Thông tin sẽ được giấu vào trong môi trường
chứa nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những chương trình, thuật toán để giấu
tin và được thực hiện với một khoá bí mật giống như các hệ mật mã cổ điển.
Sau khi giấu tin ta thu được môi trường đã giấu tin và được phân phối trên các
phương tiện truyền thông khác nhau.
Thông tin cần giấu
Dữ liệu
môi
trường
(audio,
video,
ảnh....)

Bộ nhúng
thông tin


trường
đã
được
giấu tin

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

Bộ giải
mã tin

Thông tin giấu

Kiểm định

Hình 1.3. Lược đồ giải mã tin giấu
1.2. Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh
1.2.1. Tiếp cận trên miền không gian ảnh
Miền không gian ảnh là miền dữ liệu ảnh gốc, tác động lên miền không
gian ảnh chính là tác động lên các điểm ảnh, thay đổi giá trị trực tiếp của điểm
ảnh. Đây là hướng tiếp cận tự nhiên bởi vì khi nói đến việc giấu tin trong ảnh


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

Cosin rời rạc (DCT), Wavelet… Đây là những phép biến đổi được sử dụng
nhiều trong các kỹ thuật xử lý ảnh và âm thanh. Trong giấu tin, đặc biệt trong
kỹ thuật thuỷ vân tiếp cận theo miền tần số, các phép biến đổi từ miền biến số
tự nhiên của ảnh sang miền tần số như biến đổi Furier, biến đổi cosin rời rạc,
Wavelet được sử dụng phổ biến.
1.3. Thủy vân số trên ảnh
Như đã giới thiệu ở trên, tính an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu
tin được thể hiện ở hai khía cạnh. Một là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu và hai là
bảo vệ cho chính đối tượng sử dụng để giấu tin. Tương ứng với hai khía cạnh đó
có hai khuynh hướng kỹ thuật rõ ràng đó là giấu tin mật và thuỷ vân số.
Thuỷ vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số vào một
bức ảnh số và thông tin nhúng được gắn liền với bức ảnh chứa và dữ liệu thuỷ
vân có thể được hiển thị hoặc ẩn phụ thuộc vào mỗi kỹ thuật thuỷ vân cụ thể.
Trong kỹ thuật thuỷ vân số thì thông tin nhúng được gọi là thuỷ vân.
Thuỷ vân có thể là một chuỗi ký tự, hay một hình ảnh, logo nào đó.
Nói đến thuỷ vân số là nói đến kỹ thuật giấu tin nhắm đến những ứng
dụng bảo đảm an toàn dữ liệu cho đối tượng được sử dụng để giấu tin như:
bảo vệ bản quyền, chống xuyên tạc, nhận thực thông tin, điều khiển sao
chép… Có thể thấy rõ là phần ứng dụng của thuỷ vân rất lớn, mỗi ứng dụng
lại có những yêu cầu riêng, do đó các kỹ thuật thủy vân cũng có những tính
năng khác biệt tương ứng. Có thể chia các kỹ thuật thủy vân theo nhóm như
trong hình 1.4.


10
Thuỷ vân

Thuỷ vân bền vững

Thuỷ vân ẩn

Các kỹ thuật thủy vân bền vững thường được sử dụng trong các ứng dụng bảo
vệ bản quyền. Trong những ứng dụng đó, thuỷ vân đóng vai trò là thông tin
sở hữu của người chủ hợp pháp. Thuỷ vân được nhúng trong các sản phẩm
như một hình thức dán tem bản quyền. Trong trường hợp như thế, thuỷ vân
phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm nhằm chống việc tẩy xoá, làm giả
hay biến đổi phá huỷ thuỷ vân. Một yêu cầu lý tưởng đối với thuỷ vân bền
vững là nếu muốn loại bỏ thuỷ vân thì cách duy nhất là phá huỷ sản phẩm.
Thuỷ vân bền vững lại được chia thành hai loại là thủy vân ẩn và thuỷ
vân hiện. Thuỷ vân hiện là loại thuỷ vân được hiện ngay trên sản phẩm và
người dùng có thể nhìn thấy được giống như các biểu tượng kênh chương
trình vô tuyến VTV1, VCT2, HBO… Các thuỷ vân hiện trên ảnh thường dưới
dạng chìm, mờ hoặc trong suốt để không gây ảnh hưởng đến chất lượng ảnh
gốc. Đối với thuỷ vân hiện, thông tin bản quyền hiển thị ngay trên sản phẩm.
Còn đối với thuỷ vân ẩn thì cũng giống như giấu tin, yêu cầu tính ẩn cao,
bằng mắt thường không thể nhìn thấy thuỷ vân. Trong vấn đề bảo vệ bản
quyền, thủy vân ẩn mang tính bất ngờ hơn trong việc phát hiện sản phẩm bị
lấy cắp. Trong trường hợp này, người chủ sở hữu hợp pháp sẽ chỉ ra bằng
chứng là thuỷ vân đã được nhúng trong sản phẩm bị đánh cắp.
1.3.1. Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân
Hệ thuỷ vân số trên ảnh cũng là một hệ giấu tin nên cũng có một số đặc
điểm và tính chất giống giấu tin trong ảnh. Đó là:
- Phương tiện chứa là ảnh hai chiều tĩnh
- Thủy vân trên ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm thay đổi
kích thước ảnh
- Thông tin được giấu vào trong ảnh nhưng không ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng ảnh.


12
- Kỹ thuật giấu phụ thuộc vào bản chất của hệ thống thị giác con người.

- Tuỳ theo mục đích bảo vệ người ta chọn thủy vân có thể là dạng văn
bản, chuỗi bit hoặc một bức ảnh gọi chung là thông tin thủy vân W;
- Có thể sử dụng một hệ thống khoá K làm khoá cho quá trình nhúng và
tách thuỷ vân.
- Một thuật toán trong hệ thống sẽ kết hợp giữa thông tin về ảnh gốc,
thông tin thuỷ vân, và thông tin khoá để tạo thành một bức ảnh mới gọi là ảnh
đã nhúng thuỷ vân hay ảnh chứa thuỷ vân SW. Bức ảnh này sẽ được sử dụng
để phân phối.
Mô hình quá trình nhúng thuỷ vân được thể hiện qua hình 1.5.
Khoá K

Ảnh gốc S

Thuật toán
thuỷ vân

Ảnh chứa
thuỷ vân SW

Thuỷ vân W
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;

Hệ thống thủy vân cần chống lại được một số phép xử lý ảnh thông
thường và một số tấn công 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 thông tin giấu, tính ẩn… Dựa
vào những biến đổi có chủ định hay không 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 thông 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 công 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

chứng thực thuỷ vân. Có những thuỷ vân nhìn thấy được và mang ý nghĩa
nhận biết thì công việc trở nên đơn giản chẳng hạn như thuỷ vân là một chuỗi
ký tự ASCII mang thông 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
công 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 công 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 còn có cách là phá hủy sản phẩm đó.
Bài toán giấu tin mật
Với bài toán này, thông tin cần được che giấu trong trường hợp này là