LỜI CẢM ƠN

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Ngọc
Cương - Học viện An Ninh Nhân dân đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và dành
rất nhiều thời gian cho em trong suốt quá trình làm luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trường Đại học
Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, đã giảng dạy
cung cấp, trang bị cho chúng em những kiến thức, chuyên ngành, chuyên môn
chuyên sâu trong quá trình học tập tại trường cũng như quá trình làm luận văn
này.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất gia đình, bạn bè và các
đồng nghiệp đã động viên, cổ vũ, tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập
cũng như thời gian làm luận văn; giúp em hoàn thành khóa học, luận văn theo
qui định.


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi, không sao
chép của ai. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu liên
quan, các thông tin trong tài liệu được đăng tải trên các tạp chí và các trang
website theo danh mục tài liệu của luận văn.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thanh Xuân


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
LỜI CẢM ƠN 1
LỜI CAM ĐOAN 2


DFT

Biến đổi Fourier rời rạc

DWT

Biến đổi wavelet

AES

Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến

DES

Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
LỜI CAM ĐOAN 2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4
MỤC LỤC 5
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 5
TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN TRONG ẢNH 5
CHƯƠNG 2 15
KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ 15
CHƯƠNG 3 47

dùng có thể lấy lại được các thông tin đã giấu khi cần.


2

2. Lý do chọn đề tài
Giấu thông tin trong ảnh hiện nay chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chương
trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện bởi
lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn, hơn nữa giấu thông tin
trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng đối với hầu hết các ứng dụng
bảo vệ an toàn thông tin như: nhận thực thông 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 đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý
nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến thì giấu thông tin
trong ảnh đem lại rất nhiều ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực đời sống
xã hội. Ví dụ, trong các dịch vụ ngân hàng và tài chính ở một số nước phát
triển, thuỷ vân số được sử dụng để nhận diện khách hàng trong các thẻ tín
dụng. Mỗi khách hàng có một chữ kí viết tay, sau đó chữ kí này được số hoá
và lưu trữ trong hồ sơ của khách hàng. Chữ kí này sẽ được sử dụng như là
thuỷ vân để nhận thực thông tin khách hàng. Trong các thẻ tín dụng, chữ kí
tay được giấu trong ảnh của khách hàng trên thẻ. Khi sử dụng thẻ, người dùng
đưa thẻ vào một hệ thống, hệ thống có gắn thiết bị đọc thuỷ vân trên ảnh và
lấy được chữ kí số đã nhúng trong ảnh. Thuỷ vân được lấy ra sẽ so sánh với
chữ kí số đã lưu trữ xem có trùng hợp không, từ đó xác định nhận thực khách
hàng.
Kỹ thuật ẩn thông tin được đề cập đến như một giải pháp nhằm giải
quyết bài toán truyền nhận thông điệp mật, tăng cường tính bảo mật và an
toàn trong các giao dịch thương mại điện tử trên mạng Internet cũng như bảo
vệ quyền sở hữu trí tuệ đối với các thông tin số có giá trị như phim, ảnh, âm

- Xây dựng thuật toán hoán vị hệ số và giải pháp nâng cao hiệu quả ẩn
thông tin trong ảnh số;


4

- Phương pháp chữ ký số, xác thực thông tin;
- Các phương pháp, kỹ thuật giấu tin trong ảnh số;
- Thiết lập mô hình và thử nghiệm chương trình.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Data Hiding là phương pháp đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng
rất mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới đó là phương pháp nhúng tin trong các
phương tiện khác. Đây là phương pháp mới và phức tạp nó đang được xem
như một công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, nhận thức thông
tin và điều khiển truy cập ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin.
Trong hình ảnh viễn thám và quân sự thì độ chính xác cao là cần thiết,
trong một số nghiên cứu khoa học dữ liệu thử nghiệm rất đắt phải đảm bảo
được, còn trong ứng dụng như thực thi pháp luật, hệ thống hình ảnh y tế …
mong muốn phải đúng với dữ liệu gốc để xem xét về mặt pháp lý tránh những
lệch lạc thông tin. Do vậy mà việc phục hồi dữ liệu sau khi giấu tin để đảm
bảo tính chính xác là rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Việc kết hợp giữa giấu tin và chứng thực cho phép bảo vệ nhãn
thương hiệu chứng minh sự hợp pháp của sản phẩm bảo vệ bản quyền nhất là
trong thương mại điện tử. Đây là ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
5. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, các phương
pháp chứng thực, các kỹ thuật giấu tin, phương pháp mô hình hóa và thử
nghiệm thực tế.



6

trình nghiên cứu giá trị. Cuộc cách mạng số hóa thông tin và sự phát triển
nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi này.
Ngày nay nghệ thuật giấu tin được nghiên cứu để phục vụ các mục đích
tích cực như bảo vệ bản quyền, thủy vân số, hay phục vụ giấu các thông tin bí
mật về quân sự và kinh tế. Sự phát triển của công nghệ thông tin đã tạo ra
những môi trường giấu tin mới vô cùng tiện lợi và phong phú. Người ta có thể
giấu tin trong các tệp ảnh, trong các tệp âm thanh, tệp văn bản. Cũng có thể
giấu tin ngay trong các khoảng trống hay các phân vùng ẩn của môi trường
lưu trữ như đĩa cứng, đĩa mềm. Các gói tin truyền đi trên mạng cũng là môi
trường giấu tin quan trọng và ngay cả các tiện ích phần mềm cũng là môi
trường lý tưởng để gài các thông tin quan trọng để xác nhận bản quyền.
1.1.2 Khái niệm giấu tin
“ Giấu tin” là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó
vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. Giấu tin trong ảnh số là giấu các
mẩu tin cũng là dạng số trong máy tính vào các tệp ảnh nhị phân sao cho
không bị người ngoài phát hiện.
Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật
thông tin rõ ràng ở hai khía cạnh. Một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu,
hai là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin. Hai mục đích khác
nhau này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Khuynh
hướng thứ nhất là giấu tin mật (steganography). Khuynh hướng này tập trung
vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu được nhiều và quan trọng là
người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay
không. Khuynh hướng thứ hai là thủy vân số (watermarking). Khuynh hướng
thủy vân số đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay
phát hiện xuyên tạc thông tin. Thủy vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên



8

đời sống xã hội. Ví dụ như đối với các nước phát triển, chữ ký tay đã được số
hóa và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài
chính. Nó được dùng để nhận thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng.
Hay trong một số những ứng dụng về nhận diện như thẻ chứng minh, thẻ căn
cước, hộ chiếu… người ta có thể giấu thông tin trên các ảnh thẻ để xác định
thông tin thực.
1.1.3.2 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. Một 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 đến chất lượng của dữ liệu. Kỹ thuật giấu tin trong ảnh phụ
thuộc vào hệ thống thị giác của con người (HVS - Human Vision System) còn
kỹ thuật giấu tin trong audio phụ thuộc vào hệ thống thính giác của con người
(HAS - Human Auditory System). Vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống tính
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. HAS
cảm nhận được các tín hiệu ở dài tần rộng và công suất. Điều này có nghĩa 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 khó khăn với giấu tin trong
audio. Kênh truyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông
tin sau khi giấu. Giấu thông tin trong audio yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và
tính an toàn của thông tin.
1.1.3.3 Giấu tin trong video
Cũng giống như giấu thông tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin
trong video cũng được quan tâm và được phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng
dụng như điều khiển truy cập thông tin, nhận thức thông tin, bản quyền tác
giả…Ta có thể lấy một ví dụ là các hệ thống chương trình trả tiền xem theo




10

1.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin
Khái niệm "Cái bạn nhìn thấy là cái bạn có được" ngày nay không còn
chính xác nữa. Ảnh có thể làm được nhiều thứ hơn là cái mà con người nhìn
thấy bằng mắt thường, chúng có thể chứa đựng tới hơn 1000 từ ẩn giấu bên
trong. Hàng thập kỷ qua, con người đã phát triển đáng kể các phương pháp
sáng tạo trong giao tiếp bí mật. Trong đó có 3 kỹ thuật có mối tương quan với
nhau là giấu tin, thủy vân số và mật mã.
Có nhiều cách phân loại giấu tin khác nhau dựa trên những tiêu chí khác
nhau. Theo Fabien A.P. Petitcolas đề xuất năm 1999, có thể chia lĩnh vực giấu
tin thành hai hướng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số [5].
Giấu tin mật với mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin tập
trung vào các kỹ thuật giấu thông tin sao cho người khác khó phát hiện nhất
việc có tin được giấu, hơn nữa nếu phát hiện có tin giấu thì giải tin cũng khó
thực hiện. Bên cạnh đó cũng đặt ra vấn đề về lượng tin được giấu càng nhiều
càng tốt, ngoài ra tốc độ giấu cũng được yêu cầu mặc dù đây là vấn đề thứ
yếu [4].
Thủy vân số là lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng các thông tin phục vụ
xác thực, ví dụ như xác nhận bản quyền. Nếu thông tin giấu là một định danh
duy nhất, ví dụ định danh người dùng thì khi đó người ta gọi là Fingerprinting
(nhận dạng vân tay, điểm chỉ). Thủy vân số lại được chia thành hai hướng nhỏ
là thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững. Trong đó thủy vân dễ vỡ yêu cầu
thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi nào trên dữ liệu chứa
tin. Thủy vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng các mẩu tin đòi hỏi độ
bền cao của thông tin được giấu trước các biến đổi thông thường trên dữ liệu
chứa tin [5].


1.3.2 Ứng dụng của giấu tin trong ảnh số
- Bảo vệ quyền tác giả(copyright protection): Đây là ứng dụng cơ bản
nhất của kỹ thuật thủy vân số (digital watermarking) - một dạng của phương
pháp giấu tin. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả gọi là
thủy vân sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình
người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh
chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả sử có một thành phẩm dữ liệu đa phương
tiện như ảnh, âm thanh, video cần được lưu thông trên mạng. Để bảo vệ các
sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ
thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem này 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 kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy
vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà
không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá hủy sản phẩm.
- Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin (authentication
and tamper detection): Một tập các thông tin sẽ được giấu trong các phương


13

tiện chứa sau đó sử dụng để nhận biết xem trên các phương tiện gốc đó có bị
thay đổi hay không. Các thủy vân nên được ẩn để tránh sự tò mò của kẻ thù
hơn nữa việc làm giả các thủy vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng
cần được xem xét. Trong các ứng dụng thực tế người ta mong muốn tìm được
vị trí bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi (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 nhiều và thủy vân không cần bền vững trước
các phép xử lý trên đối tượng đã được giấu tin.
- Giấu vân tay hay dán nhãn (fingerprinting and labeling): Thủy vân

một số khái niệm cơ bản trong lĩnh vực giấu tin. Chương đã tóm tắt một số kỹ
thuật giấu tin cơ bản nhất và trình bày về nhu cầu và các ứng dụng giấu tin
trong ảnh số. Trong các kỹ thuật giấu tin, giấu tin trong ảnh số chiếm tỷ lệ lớn
nhất do khả năng giấu thông tin trong lượng thông tin của hình ảnh khá lớn và
khả năng ứng dụng rất cao. Các kỹ thuật giấu tin được triển khai trong nhiều
ứng dụng khác nhau nhằm bảo vệ tính bí mật của thông tin, có thể phục vụ
cho nhiều ứng dụng trong đời sống ví dụ như bảo vệ bản quyền số.


15

CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ
2.1 Mô hình và các phương pháp giấu tin cơ bản
2.1.1 Mô hình giấu tin cơ bản
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin, cùng với sự
quan tâm rất lớn của các nhà khoa học, các tổ chức, các quốc gia về lĩnh vực
an toàn và bảo vệ thông tin, hiện nay đã có rất nhiều các kỹ thuật giấu tin
được nghiên cứu và phát triển. Tuy nhiên có thể thấy, tất cả đều xuất phát từ
mô hình giấu tin cơ bản cũng như từ những kỹ thuật giấu tin cơ bản nhất.

Thông tin cần giấu

Phương
tiện chứa
tin (audio,
ảnh,
video...)

Bộ nhúng

thiết, thông tin giấu lấy ra có thể được xử lý, kiểm định và so sánh với thông
tin đã giấu ban đầu.
Khóa

Phân
phối

Phương
tiện chứa
đã được
giấu tin

Bộ giải
mã tin

Thông tin cần giấu

Hình 2.2: Mô hình quá trình giải tin

Phương
tiện chứa
tin (audio,
ảnh,
video...)

Kiểm
định


17

chụp và số hóa, độ phân giải của hình ảnh, thời gian phơi sáng, và độ dài tiêu
cự. Đây là thông tin dữ liệu về hình ảnh và nguồn của nó nằm ở phần đầu
header của tập tin. Hình 2.4 mô tả một số văn bản chèn vào các phần chú
thích của một header ảnh GIF. Phương pháp này không đáng tin cậy lắm vì nó
bị hạn chế giống như của phương pháp EOF. Không phải lúc nào cũng nên
giấu dữ liệu một cách trực tiếp mà không mã hóa nó như ở ví dụ này.

Hình 2.4: Chuỗi văn bản được chèn vào tiêu đề EXIF được đánh dấu

2.1.2.2 Giấu tin trong miền không gian của ảnh
Trong các phương pháp miền không gian, một người giấu tin sẽ biên
tập dữ liệu bí mật che phủ trong miền không gian, trong đó bao gồm mã hóa ở
cấp độ của LSBs [4]. Phương pháp này mặc dù đơn giản, nhưng nó lại có tác
động rộng lớn. Một framework thông thường chỉ ra khái niệm nằm bên trong
được đánh dấu trong hình 2.5, hình 2.6 minh họa một ví dụ thực hiện nhúng
vào trong LSB đầu tiên tới LSB thứ 4. Có thể thấy là nhúng trong LSB thứ 4
sinh ra nhiều méo mó hình ảnh của ảnh che phủ (cover image) khi thông tin
ẩn được cho là "không tự nhiên".


19

Hình 2.5: Giấu tin trong miền không gian

Sẽ thấy rõ ràng hơn khi hình 2.6 kết luận một điều là phải có một sự
cân bằng giữa tải và độ méo ảnh che phủ, tuy nhiên tải (nhúng có thể lên tới
LSB thứ 1, thứ 2, thứ 3 hoặc thứ 4), tương tự với ảnh nhúng được lấy lại. Ví
dụ, Hình. 2.6(k) (được lấy lại từ việc nhúng vào LSB thứ 4) thì ảnh được giấu
có ước lượng tốt (Hình 2.6c) nhưng dễ nhận thấy là có sự can thiệp của con
người (Hình 2.6f). Mặt khác Hình 2.6j (được lấy lại từ việc nhúng vào LSB