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


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. 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

.................................................................................................65
3.4.1. Khả năng nhúng tin .....................................................................................65
3.4.2. Chất lượng ảnh............................................................................................65
3.5. Ứng dụng..................................................................................................................67
3.5.1. Mô tả bài toán .............................................................................................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 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

..............................................................41
Hình 2.6. Các đường chéo của khối
DCTLT..............................................................42
Hình 2.7. Lược đồ nhúng tin
LS..................................................................................47


vi
i
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 khôi 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 toàn 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 thông tin, đã có

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
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 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

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
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
không; hơn nữa, nếu phát hiện có giấu tin thì việc giải mã thông 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 đòi hỏi độ bền vững cao của thông 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.

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

Dữ liệu
môi
trường
đã
được
giấu tin

Khoá
Hình 1.2. Lược đồ của quá trình giấu tin
Hình 1.3 chỉ ra các công việc của quá trình giải mã thông tin đã được

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


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
không đảm bảo được tính bền vững của thông 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 không 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

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.


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.

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.


- 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 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
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 không nhìn thấy. Loại thuỷ vân hiện được sử dụng cho