Bài giảng “Các kỹ thuật giấu tin” được biên soạn trên cơ sở đề cương chi tiết môn học đã được duyệt và tổng hợp tài liệu từ nhiều nguồn tin cậy nhằm cung cấp tài liệu phục vụ cho sinh viên nghiên cứu và học tập. Phần 1 của bài giảng gồm các nội dung như sau: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin, cung cấp các kiến thức cơ bản liên quan đến kỹ thuật giấu tin; Giấu tin trong ảnh;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - ĐỖ XUÂN CHỢ BÀI GIẢNG CÁC KỸ THUẬT GIẤU TIN Hà Nội, tháng 12 năm 2018 MỞ ĐẦU Kỹ thuật giấu tin kỹ thuật đời phát triển từ lâu Nếu trước việc triển khai áp dụng kỹ thuật giấu tin thường sử dụng lĩnh vực quân quốc phòng ngày ứng dụng giấu tin triển khai áp dụng hầu hết lĩnh vực công nghệ đời sống Việc triển khai kỹ thuật giấu tin thực tế mang lại hiệu lớn không lĩnh vực đảm bảo an tồn thơng tin mà cịn nhiều lĩnh vực khác Chính lợi ích to lớn lĩnh vực giấu tin mang lại mà công ty, doanh nghiệp, tổ chức rộng quốc gia có nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật giấu tin để phục vụ cho lợi ích Mơn học “Các kỹ thuật giấu tin” môn chuyên ngành thuộc chương trình đào tạo đại học ngành An tồn thơng tin Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Mơn học cung cấp kiến thức liên quan đến lĩnh vực giấu tin bao gồm: tổng quan kỹ thuật giấu tin; số phương pháp giấu tin phát giấu tin môi trường đa phương tiện, văn bản; số ứng dụng kỹ thuật giấu tin triển khai thực tế Bài giảng “Các kỹ thuật giấu tin” biên soạn sở đề cương chi tiết môn học duyệt tổng hợp tài liệu từ nhiều nguồn tin cậy nhằm cung cấp tài liệu phục vụ cho sinh viên nghiên cứu học tập Bài giảng cấu trúc thành chương sau: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin Chương cung cấp kiến thức liên quan đến kỹ thuật giấu tin bao gồm: khái niệm, thuật ngữ, phân loại, số ứng dụng bản… Chương 2: Giấu tin ảnh Chương cung cấp kiến thức kỹ thuật giấu tin tách tin ảnh tĩnh Một số phương pháp giấu tin ảnh tĩnh bao gồm: LSB, hoán vị giả ngẫu nhiên, kỹ thuật biến đổi DCT, DWT…Bên cạnh đó, chương giảng cung cấp số phương pháp phát ảnh tĩnh có giấu tin Chương 3: Giấu tin âm Chương trình bày số kiến thức liên quan đến kỹ thuật giấu tin tách tin âm bao gồm: khái niệm, đặc điểm, nguyên tắc giấu tin tách tin, đánh giá ưu điểm nhược điểm kỹ thuật giấu tin Ngoài ra, chương đề cập đến số phương pháp, kỹ thuật phát giấu tin âm Chương 4: Giấu tin video Chương trình bày số kiến thức liên quan đến kỹ thuật giấu tin tách tin video Bên cạnh đó, chương giảng đề cập đến số phương pháp phát tin giấu video Chương 5: Giấu tin văn Trong chương trình bày số kiến thức liên quan đến kỹ thuật giấu tin văn bao gồm: khái niệm, đặc điểm, nguyên tắc giấu tin tách tin, đánh giá ưu điểm nhược điểm kỹ thuật giấu tin Ngoài ra, chương đề cập đến số phương pháp, kỹ thuật phát giấu tin văn MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN 10 1.1 Tổng quan kỹ thuật giấu tin 10 1.1.1 Một số thuật ngữ khái niệm 10 1.1.2 Một số yêu cầu kỹ thuật giấu tin 11 1.1.3 Lịch sử phát triển .12 1.1.4 Vai trò tầm quan trọng 13 1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin 15 1.2.1 Phân loại theo vật chứa 15 1.2.2 Phân loại theo môi trường giấu tin 16 1.2.3 Phân loại theo cách thức tác động lên vật chứa tin 17 1.2.4 Phân loại theo mục đích sử dụng 17 1.2.5 Phân loại theo theo giao thức 20 1.3 Một số ứng dụng kỹ thuật giấu tin 21 1.3.1 Lấy dấu vân tay (fingerprinting) 21 1.3.2 Xác thực nội dung (content authentication) .22 1.3.3 Kiểm soát chép (copy control) .23 1.3.4 Bảo vệ quyền tác giả (Copyright protection) 25 1.3.5 Một số ứng dụng khác 25 1.4 Câu hỏi ôn tập 25 CHƯƠNG 2: GIẤU TIN TRONG ẢNH 27 2.1 Một số vấn đề giấu tin ảnh 27 2.1.1 Khái niệm yêu cầu kỹ thuật giấu ảnh 27 2.1.2 Một số định dạng ảnh 27 2.1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin ảnh .30 2.2 Phương pháp giấu tin miền không gian 31 2.2.1 Phương pháp thay 31 2.2.2 Phương pháp hoán vị giả ngẫu nhiên .33 2.3 Phương pháp giấu tin miền tần số 36 2.3.1 Phương pháp biến đổi miền tần số DCT 36 2.3.2 Phương pháp biến đổi DWT 44 2.4 Phương pháp phát giấu tin ảnh 55 2.4 Câu hỏi ôn tập 56 CHƯƠNG 3: GIẤU TIN TRONG ÂM THANH 58 3.1 Giới thiệu giấu tin âm 58 3.1.1 Đặc điểm kỹ thuật giấu tin âm .58 3.1.2 Một số định dạng file âm 59 3.1.3 Phân loại số phương pháp giấu tin âm 60 3.2 Phương pháp LSB 61 3.3 Phương pháp mã hóa pha 63 3.3.1 Khái niệm phương pháp mã hóa pha 63 3.3.2 Quy trình giấu tin phương pháp mã hóa pha 64 3.3.3 Đánh giá phương pháp mã hóa pha .67 3.4 Một số phương pháp khác 67 3.4.1 Phương pháp tự đánh dấu 67 3.4.2 Phương pháp trải phổ 70 3.4.3 Phương pháp Echo .80 3.5 Phương pháp phát giấu tin âm 84 3.6 Câu hỏi ôn tập 85 CHƯƠNG 4: GIẤU TIN TRONG VIDEO 87 4.1 Giới thiệu phương pháp giấu tin video 87 4.1.1 Đặc điểm giấu tin video .87 4.1.2 Một số định dạng file video 87 4.1.3 Phân loại kỹ thuật giấu tin video .89 4.2 Phương pháp giấu tin video 90 4.2.1 Phương pháp phát thay đổi khung cảnh 90 4.2.2 Phương pháp mặt phẳng bit 93 4.2.3 Phương pháp giấu miền video nén dựa khác biệt lượng 96 4.2.4 Phương pháp giấu miền nén video chất lượng cao 100 4.2.5 Phương pháp giấu tin miền hệ số 105 4.3 Phương pháp phát giấu tin video 109 4.4 Câu hỏi ôn tập 110 CHƯƠNG 5: GIẤU TIN TRONG VĂN BẢN 112 5.1 Đặc điểm giấu tin văn 112 5.1.1 Giới thiệu chung .112 5.1.2 Một số định dạng văn điển hình .112 5.1.3 Phân loại phương pháp giấu tin văn 114 5.2 Phương pháp dựa định dạng văn 115 5.2.1 Phương pháp sử dụng khoảng trắng .115 5.2.2 Phương pháp dịch chuyển vị trí dòng .118 5.2.3 Phương pháp dịch chuyển vị trí từ 120 5.3 Phương pháp sinh ngẫu nhiên thống kê 120 5.3.1 Phương pháp sử dụng văn phạm phi ngữ cảnh .120 5.3.2 Phương pháp dựa tính phản xạ đối xứng ký tự .124 5.4 Phương pháp sử dụng tính chất ngơn ngữ 129 5.4.1 Phương pháp sử dụng cú pháp 129 5.4.2 Phương pháp sử dụng ngữ nghĩa 130 5.5 Phương pháp phát giấu tin văn 131 5.6 Câu hỏi ôn tập 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt Bit có trọng số thấp LSB Least Significant Bit DCT Discrete Cosine Transformations Chuyển đổi cosin rời rạc DWT Discrete Wavelet Transform Chuyển đổi Wavelet rời rạc DFT - Discrete Fourier Transform Chuyển đổi Fourier rời rạc DC DC-coefficient Hệ số DC AC AC-coefficient Hệ số AC DSSS Direct Sequence Spectrum Spread Trải phổ dãy trực tiếp FHSS Frequency Spectrum Spread Trải phổ nhảy tần MPEG Moving Picture Experts Group Moving Picture Experts Group Human Auditory System Hệ thống thính giác người HAS Hopping DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Bảng Nội dung Trang Bảng 2.1 Bảng 2.2 29 30 Bảng 2.3 Cấu trúc tập tin Bitmap Các giá trị tiêu đề tập tin PNG Mô tả số cờ thông dụng ảnh JPEG [9] Bảng 3.1 Một số phần mềm hỗ trợ giấu tin âm 61 Bảng 4.1 Phân loại bảng Huffman cho thành phần DC 102 Bảng 4.2 Huffman hệ số AC 103 Bảng 5.1 Phân nhóm dựa tính phản xạ đối xứng theo trục ngang 125 Bảng 5.2 126 Phân nhóm dựa tính phản xạ đối xứng theo trục dọc Phân nhóm dựa tính phản xạ đối xứng theo trục ngang trục 126 dọc 130 Mã hóa ký tự Tiếng Việt thành cặp bit Bảng 5.3 Bảng 5.4 31 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình chung cho q trình giấu tách tin 10 Hình 1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin 15 Hình 1.3 Phân loại phương pháp thủy vân số 18 Hình 1.4 Ứng dụng giấu tin kiểm sốt chép 24 Hình 2.1 Bit có trọng số thấp LSB 31 Hình 2.2 Sơ đồ nhúng tách tin phương pháp hoán vị giả ngẫu nhiên 34 Hình 2.3 Sơ đồ tổng quan trình giấu tin ảnh sử dụng phương pháp biến đổi DCT 37 Hình 2.4 Thuật tốn zigzac 43 Hình 2.5 Quy trình giấu tin ảnh sử dụng kỹ thuật biến đổi DWT 44 Hình 2.6 Quét theo chiều ngang 45 Hình 2.7 Quét theo chiều dọc 46 Hình 2.8 Hình ảnh gốc so với ảnh biến đổi DWT 46 Hình 2.9 Mơ hình tách tin kỹ thuật DWT 55 Hình 3.1 Ví dụ tín hiệu âm mẫu 59 Hình 3.2 Mô tả phương pháp thay bit thuật tốn LSB 62 Hình 3.3 Giấu tin sử dụng bit LSB 63 Hình 3.4 Kỹ thuật giấu tin âm dựa vào bit MSB bit LSB 63 Hình 3.5 Mô tả chia âm gốc thành segment 65 Hình 3.6 Minh họa đoạn biến đổi DFT 65 Hình 3.7 Tín hiệu giấu pha đoạn 66 Hình 3.8 Ma trận pha tạo 66 Hình 3.9 Pha tạo sau kết hợp cường độ pha cũ 66 Hình 3.10 So sánh pha trước sau giấu tin 67 Hình 3.11 Quy tắc giấu thông tin sử dụng phương pháp điều chỉnh tỉ lệ thời gian 68 Hình 3.12 Ý tưởng trải phổ truyền thống 72 Hình 3.13 Minh họa trải phổ nhảy tần 73 Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống trải phổ FHSS 74 Hình 3.15 Biểu đồ tần số tần nhanh với FSK 75 Hình 3.16 Minh họa trải phổ dãy trực tiếp 77 Hình 3.17 Sơ đồ khối hệ thống trải phổ DSSS 77 Hình 3.18 Bộ điều chế BPSK 79 Hình 3.19 Các tham số phương pháp mã hóa tiếng vang 81 Hình 3.20 Sơ đồ tổng qt phương pháp mã hóa tiếng vang 82 Hình 3.21 Nhân nhân 82 Hình 3.22 Đầu vào đầu bước 83 Hình 3.23 Ví dụ giấu bit bit 83 Hình 3.24 Kết tiếng vang sử dụng nhân nhân 84 Hình 3.25 Kết hàm trộn 84 Hình 3.26 Phân loại kỹ thuật phát giấu tin âm 85 Hình 4.1 Quy trình giấu tin video dựa kỹ thuật phát chuyển cảnh 91 Hình 4.2 Biểu diễn điểm ảnh bit thành mặt phẳng bit 94 Hình 4.3 Phân loại vùng nhiễu vùng nhiều thông tin 95 Hình 4.4 Quy trình giấu tin video vào mặt phẳng bit 95 Hình 4.5 Sơ đồ tổng quát phương pháp giấu tin miền video nén dựa bằngDEW 97 Hình 4.6 Ví dụ việc chia khối lc 98 Hình 4.7 Q trình tính tốn lượng vùng lc 98 Hình 4.8 Quy trình giấu tin nội dung video MPEG -2 100 Hình 4.9 Quy trình mã hóa entropy thành phần hệ số DC .101 Hình 4.10 Quy trình mã hóa entropy thành phần hệ số AC 102 Hình 4.11 Thay giá trị cho thông tin cần giấu QIM 105 Hình 4.12 Mơ hình tổng qt kỹ thuật giấu tin miền hệ số 106 Hình 4.13 Quy trình giấu tin video kỹ thuật sửa đổi hệ số DC 107 Hình 4.14 Quy trình giấu tin video kỹ thuật sửa đổi hệ số DC AC với hệ số cân độ lệch .108 Hình 5.1 Một số vị trí khoảng trắng lựa chọn để giấu tin 115 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN Chương cung cấp kiến thức liên quan đến kỹ thuật giấu tin bao gồm: khái niệm, thuật ngữ, phân loại, số ứng dụng 1.1 Tổng quan kỹ thuật giấu tin 1.1.1 Một số thuật ngữ khái niệm a) Khái niệm kỹ thuật giấu tin Kỹ thuật giấu thông tin lĩnh vực chuyên nghiên cứu phương pháp, kỹ thuật, thuật tốn nhằm nhúng thơng tin vào đối tượng liệu khác Cũng giống mật mã học, kỹ thuật giấu tin bao gồm nhiều phương pháp, thuật toán kỹ thuật khác Mỗi phương pháp, thuật tốn kỹ thuật có u cầu đầu vào đầu khác Tuy nhiên, hệ thống giấu tin bao gồm thành phần sau (xem hình 1.1) [1] Khơng K Máy dị Vật chứa X Thông tin giấuM Tiền xử lý Tiền mã hóa Có X’ Bộ nhúng thơng tin E S Kênh thông tin S Bộ tách thông tin D Bộ giải mã M M’ Khóa K Hình 1.1 Mơ hình chung cho trình giấu tách tin Các tham số mơ hình {X, M, S, K, E, D} [1]: - X vật chứa - M thông tin cần giấu S vật chứa chứa tin K khóa E nhúng thông tin D tách thông tin - Q trình nhúng thơng tin q trình xử lý 𝐸: 𝑋 × 𝑀 × 𝐾 → 𝑆 - Q trình tách thơng tin q trình xử lý 𝐷: 𝑆 × 𝐾 → 𝑀, 𝑋 b) Các khái niệm mơ hình giấu tách tin 10 Hình 2.4 Thuật tốn zigzac Như thấy trường hợp ma trận C50 trải thẳng xong pixel cuối dãy ứng với số ma trận C50 thuộc phần DC phần giấu tin người giấu tin đổi giá trị pixel bit rõ ban đầu (010) Kết giấu tin thuật toán LSB sau: 𝐶50𝐿𝑆𝐵 10 −7 = −3 −2 0 [ −1 −5 −2 −5 −1 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 𝟏 0 0 0 𝟎 𝟎 ] e) Phục hồi ảnh Sau giấu thông tin hệ số bảng lượng tử hóa Người gửi tiến hành phục hồi lại ảnh sử dụng công thức tổng quát sau: Ri,j = Qi,j * Ci,j Trong Qi,j ma trận lượng tử sử dụng (𝑄50 ) Ci,j kết ma trận lượng tử giấu tin (𝐶50𝐿𝑆𝐵 ) Kết thu ma trận điểm ảnh R sau: 160 44 36 108 −98 −65 R = −42 −85 −36 22 0 0 [ 0 20 80 24 14 38 26 16 −48 −40 −29 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 103 0] Cuối thực IDCT ma trận R thu ảnh mới: 43 N= round(T’R T) + 128 151 198 261 𝑁𝑛𝑒𝑤 = 235 197 123 115 [109 129 181 176 208 126 142 106 131 124 127 175 125 156 105 139 123 114 119 130 149 161 137 158 175 185 176 193 137 145 163 183 151 168 146 122 134 171 116 120 136 123 148 111 148 118 188 154 152 130 119 119 97 146 163 171 133] Nếu so sánh ma trận điểm ảnh N Nnew thấy có thơng tin bị thay đổi N Nnew 2.3.2 Phương pháp biến đổi DWT 2.3.2.1 Tổng quan phép biến đổi DWT Kỹ thuật biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transformation - DWT) ứng dụng ứng dụng wavelet DWT thực miền tần số, mục đích phép biến đổi nhằm thực thay đổi hệ số chuyển đổi ảnh chứa, sau thực chuyển đổi ngược lại để thu ảnh nhúng tin DWT cung cấp ưu điểm khắc phục hạn chế hai phép biến đổi DCT DFT Hạn chế kỹ thuật dựa biến đổi DCT tạo vấn đề giả tạo (artifact problems), kỹ thuật biến đổi dựa DFT cung cấp thông tin tần số mà không cung cấp thông tin thời gian Với kỹ thuật dựa DWT, DWT cung cấp thông tin thời gian thời gian, trái ngược với DFT; DWT cung cấp đầm nén lượng tốt so với DCT Hình 2.5 Quy trình giấu tin ảnh sử dụng kỹ thuật biến đổi DWT 44 Mục đích giải thuật nhằm giấu tin vào hệ số tương ứng ảnh phụ ảnh gốc cách thay khối điểm ảnh ảnh phụ lưu hệ số khối lưu chênh lệch khối ảnh gốc ảnh bí mật Từ hình 2.5 thấy bước tiến hành kỹ thuật giấu tin ảnh sử dụng kỹ thuật biến đổi DWT sau [1, 5, 10, 14, 15]: + Biến đổi DWT; + Chia khối (Blocking); + Kết hợp khối (Matching); + Tính chênh lệch khối (Difference Blocks Computation); + Thay khối (Block Replacement); + Sắp xếp khối hệ số (Rearrangment of Coefficients Blocks) + Biến đổi DWT ngược 2.3.2.2 Quy trình giấu tin a) Biến đổi DWT + Bước 1: Thực quét điểm ảnh từ trái sang phải theo chiều ngang Sau thực phép cộng phép trừ điểm ảnh lân cận Lưu trữ tổng bên trái hiệu bên phải, hình 2.6 Hình 2.6 Quét theo chiều ngang Sau lặp lại q trình tới tất dòng xử lý Điểm ảnh tổng đại diện cho phần tần số thấp (L) điểm ảnh hiệu đại diện cho phần tần số cao (H) + Bước 2: Quét điểm ảnh từ xuống theo chiều dọc Thực phép cộng phép trừ điểm ảnh lân cận lưu trữ tổng phía trên, hiệu phía hình 2.7 45 Hình 2.7 Qt theo chiều dọc Sau lặp lại trình tới tất cột xử lý Cuối thu dải tần phụ biểu LL, LH, HL, HH tương ứng Dải LL phần tần số thấp trơng giống với hình ảnh ban đầu Hình 2.8 Hình ảnh gốc so với ảnh biến đổi DWT Sau thực biến đổi DWT, từ ảnh gốc I thu ảnh phụ (IA, IH, Iv, ID) tương ứng: IA - hệ số xấp xỉ IH - hệ số chi tiết chiều ngang IV - hệ số chi tiết chiều dọc ID - hệ số chi tiết đường chéo Tương tự, sau biến đổi DWT, từ ảnh bí mật S thu ảnh phụ (SA, SH, Sv, SD) tương ứng: SA - hệ số xấp xỉ SH - hệ số chi tiết chiều ngang SV - hệ số chi tiết chiều dọc SD - hệ số chi tiết đường chéo Lưu ý là: Các ảnh phụ SA, SH, Sv, SD phân chia thành khối khơng chồng Để hiểu rõ q trình biến đổi DWT xét ví dụ sau Đầu vào: Với ảnh chứa I dạng ma trận điểm ảnh 8x8 sau: 46 154 192 254 𝐼 = 239 180 128 123 [110 123 136 154 136 136 123 110 123 123 180 198 180 154 136 105 136 123123 154154 154180 180180 167166 136154 149136 123123 123 154 154 166 149 180 136 136 123 136 123 123 136 198 180 154 125 057 242 032 238 128 ] 234 135 136 110 123 123 136 154 166 136] Ảnh bí mật S dạng ma trận 4x4 sau: 224 042 𝑆=[ 163 224 154 025 123 126 Đầu ra: Các ảnh phụ IA, IH, IV, ID, SA - Biến đổi ảnh chứa I: + Biến đổi chiều ngang 277 372 452 419 In= 334 264 228 [246 246 290 308 316 303 259 259 246 246 308 334 346 315 334 272 259 259 246 246 246 272 352 346 290 031 012 056 059 026 −08 018 −26 000 −18 000 −44 −31 −13 −39 000 000 000 026 014 017 −26 000 −13 −13 026 000 000 000 044 014 018 ] + Biến đổi chiều dọc 649 536 871 624 598 562 474 505 𝐼𝑑 = −95 −44 033 −08 070 044 [−18 013 Thu ảnh phụ IA 649 871 IA = [ 598 474 554 680 649 531 −62 −12 −19 013 536 624 562 505 505 492 624 636 013 000 −80 056 554 680 649 531 043 115 018 −08 019 −03 034 044 −18 −44 −44 −39 018 044 −18 −39 000 040 −09 −13 000 012 043 013 013 000 044 032 −39 000 −44 −04] 505 492 ] 624 636 Ảnh phụ IH 47 −95 033 IH = [ 070 −18 −44 −08 044 013 −62 −12 −19 013 013 000 ] −80 056 043 115 IV = [ 018 −08 −18 −44 −44 −39 000 040 −09 −13 013 000 ] 044 032 019 −03 𝐼𝐷 = [ 034 044 018 044 −18 −39 000 012 043 013 −39 000 ] −44 −04 Ảnh phụ IV Ảnh phụ ID - Biến đổi ảnh bí mật S 224 042 𝑆= 163 224 154 025 123 126 125 057 242 032 238 128 234 135 + Biến đổi chiều ngang 378 067 𝑆𝑛 = [ 286 350 363 185 476 167 070 017 040 098 −113 −71 ] 008 −103 + Biến đổi chiều dọc 445 636 𝑆𝑑 = [ 311 −64 548 643 178 309 087 138 053 −58 −184 −95 ] −42 111 Thu ảnh phụ SA SA = [ b) 445 636 548 ] 643 Chia khối (Blocking) Mục đích củc chia khối: thuật toán thực thay đổi biến đổi theo đơn vị khối ảnh nên cần thực chia ảnh theo khối Tại bước này, ảnh phụ cần xử lý theo khối nhằm thực cho việc thay khối giải thuật bước sau Các ảnh phụ SA, IA, IH, Iv, ID, thành khối 4x4 điểm ảnh sau: 48 SA = {BSAi, ≤ i ≤ SAn} IA = {BIAj, ≤ j ≤ IAn} IH = {BIHk, ≤ k ≤ IHn} IV = {BIVl, ≤ l ≤ IVn} ID = {BIDp, ≤ p ≤ IDn} Với SAn, IAn, IHn, Ivn, IDn tổng số khối mà ảnh SA, IA, IH, Iv, ID chia tương ứng BSAi, BIAj, BIhk, BIVl, BIdp khối thứ i, j, k, l, p tương ứng ảnh phụ SA, IA, IH, Iv, ID Để hiểu rõ trình biến đổi trình chia khối Hãy xem xét ví dụ sau: Với đầu vào ảnh phụ SA, IA, IH, IV, ID thu bước biến đối DWT Đầu ra: khối ảnh ảnh phụ Quá trình biến đổi sau: - Ảnh phụ IA chia thành khối BIA1, BIA2, BIA3, BIA4: 649 871 536 624 598 474 BIA1 - 554 680 505 492 BIA4 −44 −08 −62 −12 013 000 070 −18 BIH2 044 013 BIH3 −19 013 −80 056 BIH4 Ảnh phụ IV chia thành khối BIV1, BIV2, BIV3, BIV4 043 115 −18 −44 000 040 BIV1 013 000 018 −08 BIV2 −44 −39 BIV3 −09 −13 044 032 BIV4 Ảnh phụ ID chia thành khối BID1, BID2, BID3, BID4 019 −03 018 044 000 012 BID1 - BIA3 BIA2 BIH1 - 624 636 Ảnh phụ IH chia thành khối BIH1, BIH2, BIH3, BIH4 −95 033 - 649 531 562 505 −39 000 034 044 BID2 −18 −39 BID3 043 013 −44 −04 BID4 Ảnh phụ SA gồm 4x4 điểm ảnh nên không cần thực chia, khối ảnh BSA SA BSA = [ 445 636 548 ] 643 c) Kết hợp khối (Matching) 49 Mục đích kết hợp khối: trình giấu tin thực thay khối ảnh, cần tìm khối ảnh có sai khác nhỏ nhằm đảm bảo việc giấu tin không gây thay đổi lớn tới ảnh Với khối BSAi SA, khối BIAj có lỗi nhỏ IA tìm sử dụng phương pháp Root Mean Square Method (RMSE) gọi khối phù hợp (best match) Khóa bí mật K1 chứa địa j khối BIAi có lỗi nhỏ lưu lại Ví dụ: Khối BSA5 có khối phù hợp khối BIA6, khối BSA6 có khối phù hợp khối BIA12, khóa K1 (6,12) Khối có lỗi nhỏ khối có điểm khác biệt so với khối lại ảnh, khối dùng để so sánh Ví dụ: Với đầu vào khối BIA IA khối BSA SA Cần tính tốn để có khóa K1 lưu vị trí khối thích hợp khối BIA với khối BSA tương ứng Để tìm khối phù hợp với BSA sử dụng phương pháp RMSE (Root Mean Square Error) [15] Các giá trị RMSE cặp tính sau RMSE (BSA, BIA1) = 156.002 RMSE (BSA, BIA2) = 131.237 RMSE (BSA, BIA3) = 120.898 RMSE (BSA, BIA4) = 98.065 RMSE (BSA, BIA2) có giá trị thấp nhất, nên khối BIA4 khối phù hợp với BSA Khóa K1 lưu giá trị - vị trí khối BIA4 d) Tính chênh lệch khối (Difference Blocks Computation) Thực tính giá trị chênh lệch khối DBi khối BSAi khối phù hợp BIAj theo công thức sau: DBi = BSAi - ( 𝐦𝐢𝐧 BIAj) 𝟏 ≤𝒋 ≤ 𝑰𝑨𝒏 Mục đích tính chênh lệnh khối: thực tính tốn khối chênh lệch DBi để sử dụng thay vào vị trí khối phù hợp nằm ảnh phụ IV, IH, ID Ví dụ với đầu vào khối BSAi khối BIAj phù hợp tương ứng thu bước kết hợp khối đầu cần tính độ chênh lệch khối DBi tương ứng cặp BSAi BIAj Do BSAthu có khối nên cần thực tính tốn cho khối đó: DB = BSA - BIA4 = [ 445 636 548 554 ]-[ 643 680 −109 505 ]=[ −44 492 043 ] 151 e) Thay khối (Block Replacement) Mục đích thay khối: thuật toán thực giấu tin vào ảnh thông qua thay khối chênh lệch với khối lựa chọn nhằm đảm bảo thay đổi sau giấu tin thấp Với khối chênh lệch DBi, thực tìm khối phù hợp BIHk IH 50 thuật toán RMSE Tương tự thực tìm khối phù hợp BIVl IH, tìm khối phù hợp BIDp thuật tốn RMSE Q trình thực mơ tả qua cơng thức sau: BtCH = 𝐦𝐢𝐧 𝟏 ≤𝒌 ≤ 𝑰𝑯𝒏 (RMSE (DBi, BIHk)) BtCV = 𝐦𝐢𝐧 (RMSE (DBi, BIVl)) 𝟏 ≤𝒍 ≤ 𝑰𝑽𝒏 BtCD = 𝐦𝐢𝐧 𝟏 ≤𝒑 ≤ 𝑰𝑫𝒏 (RMSE (DBi, BIDp)) Thay DBi vào khối thích hợp khối BtCH, BtCV, BtCD Các khóa K2, K3, K4 chứa địa k, l, p tương ứng với khối BtCH, BtCV, BtCD DBi ← { BtCH, BtCV, BtCD } Để hiểu rõ phép tính tốn biến đổi bước thay khối Hãy xem xét ví dụ Đầu vào: Các khối chênh lệch DBi, khối ảnh phụ IH, IV, ID Đầu ra: Khóa K2, K3, K4 lưu vị trí khối phù hợp với DBi tương ứng khối BIHk, BIVl, BIDp ảnh phụ IH, IV, ID Các bước tiến hành sau: - Thực tính khối phù hợp với khối DB khối BIH: RMSE (DB, BIH1) = 98.710 RMSE (DB, BIH2) = 82.058 RMSE (DB, BIH3) = 113.756 RMSE (DB, BIH4) = 94.211 Vậy: Khối BIH2 phù hợp với DB khối IH - Thực tính khối phù hợp với khối DB khối BIV RMSE (DB, BIV1) = 150.109 RMSE (DB, BIV2) = 103.245 RMSE (DB, BIV3) = 123.586 RMSE (DB, BIV4) = 79.251 Vậy: Khối BIV4 phù hợp với DB khối IV - Thực tính khối phù hợp với khối DB khối BID RMSE (DB, BID1) = 86.803 RMSE (DB, BID2) = 105.525 RMSE (DB, BID3) = 130.398 51 RMSE (DB, BID4) =120.361 Vậy: Khối BID1 phù hợp với DB khối ID -Tìm khối phù hợp với khối DB khối BIH2, BIV4, BID1 vừa tìm Từ kết thấy rằng: Khối BIV4 phù hợp với RMSE (DB, BIV4) = 79.251 kết thấp Kết luận: khóa K3 lưu cặp giá trị (1, 4) tương ứng i=1 k=4 Thực thay DB vào vị trí BIV4, BIV4 thu được[ −109 −44 043 ] 151 f) Sắp xếp khối hệ số Sau thực thay khối, xếp lại khối theo thứ tự khôi phục lại ảnh qua phép biến đổi DWT ngược để thu ảnh chứa tin Ví dụ: Đầu vào: Các khối hệ số BIHk, BIVl, BIDp ảnh phụ IH, IV, ID sau giấu khối chênh lệch cách thay Đầu ra: Các ảnh phụ xếp theo vị trí thứ tự khối Vì thực giấu DB vào khối BIV4 nên ví dụ trình bày phần xếp cho ảnh IV tương ứng: Các khối ảnh phụ IV sau giấu: 043 −18 115 −44 BIV1 000 013 040 000 BIV2 018 −44 −08 −39 BIV3 −109 043 −44 151 BIV4 Ảnh phụ IV sau đưa vị trí: 043 115 [ 018 −08 −18 −44 −44 −39 000 040 −109 −44 013 000 ] 043 151 g) Thực DWT ngược Mục đích trình DWT ngược đưa ảnh từ ảnh phụ trở ảnh toàn vẹn chứa tin giấu Cách thức thực DWT có trình tự ngược với DWT (thực theo chiều dọc trước, chiều ngang sau) triển khai cách tìm giá trị số biết tổng hiệu Ví dụ mơ tả quy trình biến đổi DWT ngược: Đầu vào: Các ảnh phụ IA, IH, IV, ID giấu tin Đầu ra: Ảnh I’ chứa tin giấu Vì có ảnh phụ IH thay đổi sau trình giấu nên ảnh IA, IV, ID giữ nguyên, ảnh IH thay đổi với ma trận điểm ảnh trình bày bước trước 52 -Ảnh IA 599 871 [ 598 474 536 624 562 505 554 680 649 531 505 492 ] 624 636 −95 033 [ 070 −18 −44 −08 044 013 −62 −12 −19 013 013 000 ] −80 056 043 115 [ 018 −08 −18 −44 −44 −39 000 040 −109 −44 013 000 ] 043 151 019 −03 [ 008 044 018 044 −44 −39 000 012 −09 013 −39 000 ] −44 −04 - Ảnh IH - Ảnh IV -Ảnh ID - Sắp xếp ảnh theo vị trí thu ma trận điểm ảnh: 649 871 598 474 −95 033 070 [−18 536 624 562 505 −44 −08 044 013 554 680 649 531 −62 −12 −19 013 505 492 624 636 013 000 −80 056 043 115 018 −08 019 −03 034 044 −18 −44 −44 −39 018 044 −18 −39 000 040 −109 −44 000 012 043 013 013 000 043 151 −39 000 −44 −04] - Thực DWT đảo theo chiều dọc 277 246 246 259 031 372 290 308 246 012 452 308 334 246 056 419 316 346 246 059 334 303 315 272 026 264 259 334 352 −08 228 259 272 346 018 [246 246 259 290 −26 - Thực DWT đảo theo chiều ngang 000 −18 000 −44 −31 −13 −39 000 000 000 026 014 −33 −76 −15.5 −28.5 −13 026 000 000 −0.5 43.5 73.5 77.5 ] 53 154 192 254 239 180 128 123 [110 123 180 198 180 154 136 105 136 123 136 154 136 136 123 110 123 123 123 154 154 154 180 180 180 167 141 136 129 149 128 123 115 123 154 154 166 174 205 144 144 123 136 123 123 136 198 210 184 136 110 123 123 136 154 136 106] Ảnh I’ chứa tin giấu tạo với ma trận điểm ảnh 2.3.2.3 Quy trình tách tin Từ sơ đồ tách tin mơ tả hình 2.6 thấy bước q trình tách tin kỹ thuật biến đổi DWT sau [15]: - Thực biến đổi DWT chia ảnh chứa tin I’ thành ảnh phụ I’A, I’H, I’V, I’D - Chia ảnh I’A, I’H, I’V, I’D thành khối 4x4 điểm ảnh (thực trình Blocking) BI’Ai, BI’Hk, BI’Vl, BI’Dp tương ứng - Lấy khối phù hợp BI’Ai từ ảnh phụ I’A sử dụng khóa K1 - Lấy khối chênh lệch DBi từ ảnh phụ I’H, I’V, I’D sử dụng khóa K2, K3, K4 tương ứng - Tính tốn khối bí mật BSA qua công thức: BSAi = BIA’j - DB’i, ∀i = 1, …, SAn j = 1, …, I’An - Sử dụng khóa K1 để xếp lại thứ tự khối bí mật nhằm khơi phục ảnh phụ chứa hệ số xấp xỉ ảnh bí mật S’A - Phân bổ ảnh phụ S’H, S’V, S’D khơng, sau thực DWT ngược S’H, S’V, S’D S’A để thu ảnh bí mật giấu 54 Hình 2.9 Mơ hình tách tin kỹ thuật DWT 2.4 Phương pháp phát giấu tin ảnh Phương pháp phát giấu tin ảnh kỹ thuật phát tồn thơng tin ẩn giấu ảnh Mục đích phương pháp phát giấu tin ảnh phát ảnh có mang thơng tin tìm cách lấy thơng tin mật làm tính tồn vẹn thơng tin Có nhiều phương pháp kỹ thuật khác để phát ảnh có giấu tin Một số phương pháp để phát ảnh có giấu tin biết đến sau [5, 10, 16]: a) Phân tích trực quan Phân tích trực quan kỹ thuật dựa vào quan sát ảnh gốc ảnh chưa giấu tin để phát khác biệt hai ảnh Sự khác biệt đưa vấn đề nghi vấn ảnh có giấu tin hay khơng Với phương pháp phân tích thường khó phát với ảnh có độ nhiễu cao kích cỡ lớn Phương pháp phát giấu tin ảnh thuộc dựa vào kỹ thuật phân tích trực quan tiếng kỹ thuật phát giấu tin dựa dịch chuyển Histogram Kỹ thuật kỹ thuật phân tích tương quan biểu đồ tần số sai khác ảnh Kỹ thuật đề xuất Tao Zhang Xijian Ping Các tác giả cho rằng, tồn khác biệt biểu đồ tần số sai khác ảnh bình thường ảnh thu sau đảo bit miền LSB ảnh Đây phương pháp đơn giản kết thường không đáng tin cậy Phương pháp địi hỏi phải có ảnh gốc để đối chiếu Tuy nhiên, thực tế khơng phải lúc có ảnh gốc để đối chiếu so sánh b) Phân tích theo dạng ảnh 55 Phương pháp phân tích theo định dạng ảnh thường dựa vào dạng ảnh bitmap ảnh nén để nhận biết kỹ thuật giấu Một số ảnh lưu dạng ảnh bitmap kỹ thuật giấu tin thường sử dụng phương pháp biến đổi miền không gian ảnh Đối với ảnh nén thường sử dụng kỹ thuật giấu hệ số biến đổi DCT, DWT, DFT Một số kỹ thuật phát giấu tin theo định dạng ảnh sau: - Thuật toán áp dụng cho ảnh giấu tin LSB miền tần số DCT - Kỹ thuật phát giấu tin phương pháp ước lượng thông tin giấu miền LSB - Phát giấu tin hệ số Wavelet sử dụng kỹ thuật IWH (Integer Wavelet Histogram) c) Phân tích theo thống kê Phương pháp phân tích theo thống kê phương pháp sử dụng lý thuyết thống kê thống kê toán học sau xác định nghi vấn đặc trưng Phương pháp thường đưa độ tin cậy cao đặc biệt cho ảnh liệu lớn - Kỹ thuật phát giấu tin dựa phân tích tỉ lệ xám: phương pháp dựa vào đặc trưng tính chất ảnh - Kỹ thuật phát giấu tin dựa phân tích độ lệch chuẩn - Kỹ thuật phát giấu tin thống kê bậc tự Trên số phương pháp áp dụng q trình phát ảnh có giấu thơng tin Đối với phương pháp kỹ thuật có ưu điểm nhược điểm riêng Trong thực tế để phát ảnh có chứa thơng tin bao gồm nhiều bước giai đoạn Ở bước giai đoạn sử dụng kỹ thuật khác để tiền xử lý để loại bỏ sai sót nhằm mang lại hiệu tốt nhanh cho việc phát ảnh chứa thông tin Để hiểu rõ cách thức tiến hành quy trình để phát giấu tin ảnh phương pháp tham khảo tài liệu [16] 2.4 Câu hỏi ôn tập Câu Hãy trình bày khái niệm giấu tin ảnh? Hãy trình bày yêu cầu với kỹ thuật giấu tin ảnh? Câu Hãy trình bày tiêu trí để phân loại giấu tin ảnh? Hãy liệt kê thuật toán giấu tin ảnh theo tiêu trí vừa nêu? Câu Hãy trình bày quy trình giấu tin tách tin kỹ thuật giấu tin LSB cổ điển? Câu Hãy trình bày quy trình giấu tin tách tin kỹ thuật giấu tin LSB nâng cao? 56 Câu Hãy lấy ví dụ minh họa cho q trình giấu tin tách tin kỹ thuật giấu tin LSB cổ điển? Câu Hãy lấy ví dụ minh họa cho trình giấu tin tách tin kỹ thuật giấu tin LSB nâng cao? Câu Hãy vẽ sơ đồ minh họa trình giấu tin tách tin ảnh sử dụng kỹ thuật biến đổi DCT? Câu Hãy lấy ví dụ quy trình giấu tin sử dụng kỹ thuật DCT? Hãy lấy ví dụ minh họa? Câu Hãy trình lấy ví dụ quy trình tách tin sử dụng kỹ thuật DCT? Hãy lấy ví dụ minh họa? Câu 10 Hãy trình bày khái niệm kỹ thuật phát giấu tin ảnh? Hãy nêu tên kỹ thuật phát giấu tin ảnh? Câu 11 Hãy trình bày ứng dụng kỹ thuật giấu tin ảnh? Hãy nêu rõ kỹ thuật giấu tin tách tin sử dụng ứng dụng? 57 ... 12 8 15 1 19 8 2 61