Nghiên cứu một số kỹ thuật giấu tin trong môi trường Multimedia

Dữ liệu ảnh được quan sát bằng hệ thống thị giác của con người nên các kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là những thay đổi trên ảnh phải rất nhỏ, sao cho bằng mắt thường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC 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 Phân loại các kỹ thuật giấu tin 3

1.1.3 Mô hình kỹ thuật giấu tin 4

1.1.4 Các ứng dụng của kỹ thuật giấu tin 5

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

1.5.4 Đánh giá chất lượng ảnh trong thuỷ vân 21

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN ẢNH NHỊ PHÂN 24 2.1 Kỹ thuật giấu tin theo khối bít 24

2.1.1 Ý tưởng 24

2.1.2 Thuật toán giấu tin 24

2.1.3 Phân tích thuật toán 25

2.2 Kỹ thuật giấu tin Wu – Lee 27

2.2.1 Thuật toán giấu tin 27

2.2.2 Phân tích thuật toán 30

2.2.3 Thí dụ minh họa thuật toán Wu-Lee 31

2.2.4 Một số nhận xét về thuật toán Wu-lee 32

2.3 Kỹ thuật giấu tin Chen – Pan – Tseng 34

2.3.1 Ý tưởng 34

2.3.2 Thuật toán CPT 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

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

3.3.1 Thuật toán giấu tin DH24 59

3.3.2 Phân tích thuật toán DH24 63 3.3.3 Kết quả thử nghiệm thuật toán DH24 64

3.4 Giấu tin trong dữ liệu âm thanh 64

3.4.1 Định dạng tệp wav 65

3.4.2 Ý nghĩa các trường trong tệp wav 66

3.4.3 Kỹ thuật toán giấu tin trong tệp wav 67

Kết luận 69

Phụ lục 70

Tài liệu tham khảo 75

MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT

DCT (Discrete Cosine Transform):

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

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 hợp pháp

Vấn đề an toàn và bảo mật thông tin hiện nay luôn nhận được sự quan tâm đăck biệt trong nhiều lĩnh vực Các công nghệ và giải pháp để bảo vệ thông tin đã và đang được nghiên cứu, phát triển phù hợp với dạng lưu trữ các thông tin và phương thức truyền tải thông tin

Giải pháp bảo mật thông tin được sử dụng phổ biến nhất là dùng các hệ mật mã như: Hệ mã hoá công khai, Hệ mã hoá bí mật Với giải pháp này, thông tin ban đầu (bản rõ) sẽ được mã hoá thành bản mật mã (bản mật) Chính điều này làm cho đối phương nghi ngờ và tìm mọi cách thám mã Ngược lại, nếu chúng ta đem thông tin giấu vào trong một môi

như không sai khác với F khi nhìn bằng mắt thường Sau đó F‟ được gửi tới người nhận Để lấy thông tin từ F‟, người nhận cần đối sánh với bản gốc Đây là ý tưởng của phương pháp giấu tin (data hiding) trong môi trường ảnh

Nếu thông tin được bảo mật theo một quy trình hai hoặc ba bước, chẳng hạn: mã hoá, nén rồi giấu vào một trường ảnh hoặc âm thanh thì cấp độ bảo mật còn có thể cao hơn nữa

2 Mục đích của luận văn

Giấu dữ liệu là một lĩnh vực rộng lớn, trong luận văn này chỉ đề cập đến việc nghiên cứu các kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh, âm thanh

đó là hai kiểu dữ liệu được dùng rộng rãi

Nội dung luận văn tập trung vào việc nghiên cứu và cải tiến một số

kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh đã được công bố, sau đó phát triển, mở rộng kỹ thuật giấu dữ liệu trong ảnh nhị phân vào môi trường ảnh màu,

âm thanh và xây dựng các thư viện cung cấp cho người dụng có thể sử dụng vào thực tế

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-

Chương 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

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 vây, kỹ thuật giấu tin có thể được phân loại như trong hình 1.1.

1.1.3 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 thông tin

Giấu tin mật Thuỷ vân số

Thuỷ vân bền vững

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 Thông qua dữ liệu mật được tác ra từ môi trường chứa tin giấu, người ta có thể biết được trong quá tình phát tán dữ liệu có bị tấn công hay không

Với một hệ thống giấu tin mật, tính an toàn của dữ liệu cần giấu được quan tâm đặc biệt Một hệ thống được xem là có độ bảo mật cao

Khoá

Thông tin cần giấu

Dữ liệu môi trường

đã được giấu tin

Hình 1.2 Lược đồ của quá trình giấutin

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 được giấu tin

Hình 1.3 Lược đồ giải mã tin giấu

Kiểm định

Bảo vệ bản quyền tác giả: Đây là ứng dụng cơ bản nhất

của kỹ thuật thuỷ vân số Một thông tin nào đó mang ý nghĩa bản quyền được sở hữu bởi tác giả gọi là thuỷ vân, thông tin này sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm multimedia, và đó là minh chứng cho bản quyền của tác giả nhằm bảo vệ các sản phầm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, khi muốn bỏ thuỷ vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm

Xác thực thông tin: Một tập các thông tin sẽ được giấu

trong dữ liệu nguồn và thông tin sẽ được sử dụng để nhận biết xem dữ liệu nguồn có bị thay đổi hay không Với kiểu ứng dụng này các thuỷ vân nên được ẩn để tránh được sự tò mò của đối 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

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 phương 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 rất lớn Hơn nữa, giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như: nhận thức thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật… Vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học và viện nghiên cứu trong và ngoài nước

Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và mắt người không thể phát hiện được bên trong bức ảnh đó có chứa thông tin gì Và ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng phổ biến thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại rất nhiều những ứng dung quan trọng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội Ví dụ như đối với các nước phát triển chữ ký tay đã được số hoá và được lưu trữ giống như là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để xác thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng Thêm vào đó, lại có rất nhiều loại thông tin quan trọng cần được bảo mật, chúng rất dễ bị lấy trộm và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng Việc nhận

quan trọng và cấp thiết Một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh

đó là thông tin được giấu trong ảnh một cách vô hình, bởi sau khi giấu thông tin thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi, đặc biệt đối với ảnh màu hay ảnh đa mức xám

1.2.2 Giấu tin trong audio

Giấu thông tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu thông 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 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

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 vậy, giấu tin trong văn bản lại chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều Các nghiên cứu về giấu tin trong văn bản được chia theo hai hướng, thứ nhất văn bản được sử dụng để giấu tin là những văn bản được chụp lại và lưu trên máy như một bức ảnh nhị phân Theo hướng này, các kỹ thuật giấu tin được thực hiện như

kỹ thuật giấu tin trong ảnh hướng thứ hai, phương tiện chứa sử dụng cho quá trình giấu tin được lưu dưới dạng văn bản Theo hướng này, các kỹ thuật giấu tin cũng tiến hành như giấu tin trong ảnh bằng cách thay đổi một số ký tự tại một số vị trí trên văn bản

mà không làm ảnh hưởng nhiều đến nội dung văn bản gốc

1.3 Giấu tin trong ảnh, những đặc trƣng và tính chất

Giấu tin trong ảnh chiếm tỉ trọng lớn trong các kỹ thuật giấu tin, vì vậy mà các kỹ thuật giấu tin cũng tập trung vào các kỹ thuật giấu tin trong ảnh Các phương tiện chứa khác nhau thì cũng sẽ có các kỹ thuật giấu khác nhau Đối tượng ảnh là một đối tượng dữ liệu tĩnh có nghĩa là

dữ liệu tri giác không biến đổi theo thời gian Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, mỗi định dạng có những tính chất khác nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thường chú ý những đặc trưng và các tính chất cơ bản sau đây:

 Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người

Giấu tin trong ảnh ít nhiều cũng gây ra những thay đổi trên dữ liệu ảnh gốc Dữ liệu ảnh được quan sát bằng hệ thống thị giác của con người nên các kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là những thay đổi trên ảnh phải rất nhỏ, sao cho bằng mắt thường khó nhận ra được sự thay đổi đó vì có như thế thì mới đảm bảo được độ an toàn cho thông tin giấu Rất nhiều các kỹ thuật đã lợi dụng các tính chất của hệ thống thị giác để giấu tin chẳng hạn như mắt người cảm nhận về

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

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

Vì phương pháp giấu tin trong ảnh dựa trên việc điều chỉnh các giá trị của các bit theo một quy tắc nào đó và khi giải mã sẽ theo các giá trị đó để tìm được thông tin đã giấu Theo đó, nếu một phép biến đổi nào đó trên ảnh làm thay đổi giá trị của các bit thì sẽ làm cho thông tin giấu bị sai lệch Nhờ đặc điểm này mà giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thức và phát hiện xuyên tạc thông tin

1.4 Các hướng tiếp cận của kỹ thuật giấu tin trong ảnh

1.4.1.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

1.4.2 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 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,

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

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

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 Thuỷ vân ẩn Thuỷ vân hiện

Hình 1.4 Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân

thống đọc thuỷ vân Nếu không đọc được thuỷ vân hoặc thuỷ vân

đã bị sai lệch nhiều so với thuỷ vân ban đầu đã nhúng vào ảnh thì

có nghĩa là ảnh đó đã bị thay đổi

Ngược lại, với kỹ thuật thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật thuỷ vân bền vững 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

đố 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, TV5… 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 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

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 không nhìn thấy Loại thuỷ vân hiện được sử dụng cho mục đích công bố công khai về quyền sở hữu, ngược lại, thuỷ vân ẩn được

sử dụng với mục đích giấu bí mật các thông tin xác nhận quyền

sở hữu sản phẩm

 Tính chất bền vững

Đây là tính chất quan trọng nhất của một hệ thuỷ vân bền vững Đối với hệ thống tuỷ vân này, yêu cầu hàng đầu là hệ thuỷ vân phải chống lại được các phép biến đổi, hay các tấn công có chủ định hoặc không có chủ định lên ảnh chứa thuỷ vân Tiêu chuẩn của hệ thuỷ vân này là thủy vân phải tồn tại cùng với sự tồn tại của ảnh chứa, thủy vân chỉ bị phá huỷ khi chấp nhận mất đi đáng kể chất lượng của ảnh chứa

1.5.2 Mô hình hệ thống thuỷ vân

Một mô hình hệ thống thuỷ vân tổng quát được xem xét theo hai quá trình:

Quá trình nhúng thuỷ vân

- Một bức ảnh gốc cần được bảo vệ S

- 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

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

Thuật toán thuỷ vân

Ảnh chứa thuỷ vân SW Khoá K

Hình 1.6 Mô hình quá trình tách và kiểm định thuỷ vân

1.5.3 Những tấn công trên hệ 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 hạnh 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;

- Giảm dữ liệu: cropping,sửa histogram;

- Thuỷ vân nhiều lần

Yêu cầu cơ bản nhất của hệ thống thuỷ vân bền vững là đảm

Thuỷ vân tách W*

Kiểm định Thuỷ vân gốc W

Kết luận

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

1.5.4 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

1.5.4.1 Chất lượng ảnh gốc và ảnh chứa thuỷ vân

Trong giấu tin nói chung, và trong hệ thống thuỷ vân ẩn nói riêng, một yêu cầu cao được đặt ra là ảnh sau khi nhúng thông tin

; ) ( log

Trong đó:

2 1

)) , ( ' 1

) , ( ( min

1

j i j

F j i F MSE

n m

1.5.4.2 So sánh thuỷ vân tách được với thủy vân gốc

Thủy vân được nhúng sau khi giải mã sẽ được so sánh để kiểm định, 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

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) Chẳng hạn ta nhúng một thuỷ vân có độ dài là 2000 bit, khi giải mã so với thuỷ vân gốc, thuỷ vân tách được bị sai lệch mất

200 bit và 1800 bit còn lại là trùng nhau, vậy thì tỷ lệ trùng khớp là SR=1800/2000=.900 Theo tiêu chuẩn so sánh này, giá trị SR càng gần 1 thì sự sai khác giữa thuỷ vân tách được với thuỷ vân gốc càng thấp

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG MIỀN

KHÔNG GIAN ẢNH NHỊ PHÂN

Trong chương này, tập trung trình bày, phân tích, đánh giá, so sánh kết quả thực hiện của một số kỹ thuật giấu tin trên không gian ảnh nhị phân Dựa trên sự phân tích, đánh giá hai kỹ thuật giấu tin của Wu- Lee và của Y.Chen, H.Pan, Y.Tseng, trong luận văn đưa ra một số nhận xét theo khía cạnh kỹ thuật và ứng dụng Các nhận xét này sẽ là cơ sở

để cải tiến, phát triển một số thuật toán giấu tin được trình bày trong chương tiếp theo

Dựa vào dự phân tích đánh giá kỹ thuật giấu tin của Y.Chen, H.Pan, Y.Tseng trong chương này, luận văn sẽ trình bày một phương pháp chứng minh mới về tính đúng đăn cho thuật toán giấu tin CPT Với cách chứng minh mới, không những giúp người đọc dễ hiểu hơn, mà phương pháp chứng minh này còn chỉ ra được cận trên của quá trình lặp trong thuật toán

2.1 Kỹ thuật giấu tin theo khối bít

2.1.1 Ý tưởng

Đây có lẽ là kỹ thuật đơn giản nhất trong các kỹ thuật giấu tin theo hướng tiếp cận trên miền không gian ảnh Ý tưởng cơ bản của thuật toán trong kỹ thuật này là chia ảnh gốc thành các khối nhỏ và trong mỗi khối nhỏ sẽ giấu một bít b (b = 0 hoặc b = 1) Thuật toán này được áp dùng cho ảnh đen trắng

2.1.2 Thuật toán giấu tin

Ảnh nhị phân G được biến đổi từ F và G có chứa dãy bít b1 b2 bN

Nội dung thuật toán

Bước 1: Chia ảnh gốc F thành các ma trận điểm ảnh Fi có kích thước mxn Để không mất tính tổng quát, chúng ta giả sử F luôn chia được thành N khối kích thước mxn

Bước 2: Với mỗi khối Fi (i = 1,2, ….,N) sẽ tiến hành giấu một bit bi(bi = 0 hoặc bi =1) bằng cách biến đổi Fi thành Gi sao cho Gi thỏa mãn bất biến sau:

,

| 2

mod )

, (

Bước 3: Kết hợp các khối Gi ta sẽ thu được ảnh G chứa dãy bít b1

b2 ……… bN

 Quá trình giải tin

Khi nhận được ảnh đã giấu tin, quá trình giải mã tin sẽ được thực hiện theo các bước sau đây

Chia ảnh thành các khối có kích thước giống kích thước khối đã

sử dụng khi thực hiện giấu, đây chính là khoá để giải mã

Với mỗi khối việc giải tin theo quy tắc: đếm số bít 1 trong khối, nếu tổng số bít 1 là lẻ thì thu được bít 1, ngược lại thu được bít 0 Và cứ tiếp tục cho đến khi hết các khối đã giấu

Như vậy, sau khi xét hết các khối đã giấu ta thu được một chuỗi bit Chuỗi bit này chính là thông tin đã giấu trong ảnh nhị phân

2.1.3 Phân tích thuật toán

Thuật toán giấu tin trong ảnh 2.1 là rất đơn giản Sau khi nghiên cứu thuật toán này có thể đưa ra một số nhận xét và đánh giá sau đây

Tuỳ theo yêu cầu của việc giấu tin, việc chọn kích thước khối

để giấu tin cần phải căn cứ vào kích thước ảnh và lượng thông tin cần giấu sao cho các thông tin được giấu giàn trải trên toàn ảnh

Tuỳ theo mục đích của việc giấu tin và nhu cầu về lượng thông tin giấu ta sẽ chọn kích thước khối phù hợp Kích thước khối càng lớn thì lượng thông tin có thể giấu càng thấp, đồng thời ảnh sau khi giấu tin cũng ít thay đổi ảnh gốc và ngược lại

Với thuật toán này, việc chia ảnh gốc thành các khối điểm ảnh có kích thước giống nhau là khá đơn giản Tuy nhiên, để tăng tính an toàn cho thuật toán chúng ta có thể chia ảnh gốc thành các khối điểm ảnh có kích thước khác nhau và vị trí bắt đầu của mỗi khối theo một thuật toán xác định nào đó Khi đó, để giải mã được tin đã giấu các thuật toán thám mã không những phải xác định kích thước của từng khối mà còn phải xác định vị trí bắt đầu của mỗi khối thay cho việc chỉ cần tìm kích thước của các khối như trong thuật toán giấu tin trong 2.1

Bản chất của cách thức giấu chẳng qua là một sự quy ước nào đó, nếu thoả mãn thì giấu bit 1, ngược lại thì giấu bit 0 Các khối ảnh sau khi giấu tin luôn thoả mãn một tính chất (bất biến) và tính chất này là cơ sở cho quá trình giải mã tin giấu Sở dĩ ta thực

hiện được điều này vì thông tin giấu chỉ có hai trường hợp, một là bit 1, hai là bit 0

Kỹ thuật trên sẽ gặp phải hiện tượng gây bất thường đối với ảnh sau khi giấu thông tin, đặc biệt là khi cần phải thay đổi giá trị của một phần tử trên khối ảnh một màu (toàn số 0 hoặc toàn số 1) Khi đó, bằng mắt thường chúng ta có thể dễ dàng nhận ra sự thay đổi của ảnh trước và sau khi giấu tin

Quá trình tách lấy thông tin đã giấu trong kỹ thuật này sử dụng khoá là kích thước của khối, không cần sử dụng ảnh gốc

2.2 Kỹ thuật giấu tin Wu – Lee

Kỹ thuật giấu tin theo khối bit trong 2.1 thể hiện độ an toàn không cao với việc sử dụng duy nhất kích thước khối là khoá cho quá trình giấu tin, đồng thời ảnh chứa thông tin giấu cũng dễ bị phát hiện do kỹ thuật có thể sẽ thay đổi giá trị của một bit trong các khối ảnh toàn màu đen hoặc toàn màu trắng Điều này sẽ có thể dẫn tới sự bất thường ở vị trí thay đổi so với các vị trí lân cận trong khối

Thuật toán giấu thông tin trong ảnh đen trắng do M.Y.Wu và J.H.Lee đưa ra trong một bài báo đăng tại Proceedings of international Symposium on Multimedia Information Processing

1999 đã khắc phục được phần nào những tồn tại nêu trên bằng cách đưa thêm khoá K cho việc giấu tin và đưa thêm các điều kiện để thay đổi bit trong mỗi khối

2.2.1 Thuật toán giấu tin

Cho hai ma trận A và B cùng kích thước, ta định nghĩa một

số phép toán trên ma trận như sau:

Định nghĩa 2.2.1: Phép nhân  hai ma trận A, B cùng cỡ được định nghĩa: C = A  B, với Cij = Aij * Bij

Thí dụ minh hoạ phép nhân hai ma trận nguyên kích thước 3x3 như sau:

0 1 0

1 0 1

0 4 3

0 1 1

1 1 1

1 1

0

1 1

0

1 0

1

Theo định nghĩa 2.2.1, nếu phép toán  được áp dụng trên hai ma trận nhị phân khi đó nó sẽ tương đương với phép toán and nhị phân thông thường

Định nghĩa 2.2.2: Phép đảo giá trị phần tử Ai,j (ký hiệu NOT (Aij )) được định nghĩa: Cij = NOT (Aij), vơi Cij = 1 nếu Aij = 0 và Cij = 0 nếu Aij=1

Định nghĩa 2.2.3: Phép SUM trên ma trận A kích thước mxn (ký hiệu SUM(A) ) được định nghĩa: s= SUM(A) = 

 

m

i n

j j

A

1 1 ,

Thí dụ minh hoạ về phép toán SUM trên ma trận nguyên kích thước 3x3 như sau:

8 1 0 1

3 1 0

1 0 1

 Tư tưởng giấu tin của Wu - Lee

Thuật toán giấu tin 2.2 được thể hiệu như sau: chia ảnh môi trường thành các khối điểm ảnh có cùng kích thước mxn Với mỗi khối điểm ảnh F (ma trận điểm ảnh) có thể được giấu tối đa 1 bit b (b= 0 hoặc b = 1) Quá trình giấu tin sẽ thực hiện biến đổi ma trận

nhị phân F thành ma trận G nhưng giữa F và G chỉ khác nhau tối

- Fmxn là ma trận nhị phân và là ma trận môi trường để giấu tin

- Kmxn là ma trận nhị phân khoá và giá trị của ma trận K phải được giữ bí mật

- b là bít nhị phân cần giấu (b = 0 hoặc b = 1)

Output:

Nếu thuật toán thực hiện thành công, kết quả thu được là ma trận Gđược biến đổi tối đa một phần tử từ ma trận F và G thoả mãn hai bất biến sau:

+ 0 < SUM(G K) < SUM(K) (2.2)

+ SUM(G K) mod 2 = b (2.3)

Theo đầu ra của thuật toán, khi nhận được G để kiểm tra ma trận

G có giấu thông tin hay không chúng ta sẽ cần kiểm tra G có thoả mãn bất biến (2.2) hay không Với bất biến (2.3) quá trình giải mã thông tin giấu trong ma trận G có thể dễ dàng xác định được G chứa giá trị bit đã giấu bằng 0 hay bằng 1 theo (2.4)

b =SUM(G K) mod 2 (2.4)

 Nội dung thuật toán

Bước 1: đặt s = SUM(FK)

Bước 2: if 0 < s < SUM(K) then

// sẽ biến đổi F thành G thoả mãn bất biến 2.2 và 2.3

Xét các trường hợp sau:

Trường hợp 1 if s mod 2 = b then

G = F // giấu mà không cần biến đổi

Trường hợp 2 if s = SUM(K) -1 then

- Chọn ngẫu nhiên phần tử (i,j) thoả Fi,j = 1 và Ki,j =1

Trường hợp 4 if (s >1) and (s <SUM(K) -1 ) then

- Chọn ngẫu nhiên phần tử (i,j) thoả Ki,j =1

- Fi,j = NOT (Fi,j)

- G = F

2.2.2 Phân tích thuật toán

Thuật toán sử dụng K nhằm làm tăng độ mật cho thuật toán giấu tin, Nếu trước đây chỉ biết kích thước khối là mxn thì đối phương đã có thể dễ dàng giải mã được tin mật thông qua ảnh chứa tin, nhưng với thuật toán của Wu-Lee ngoài giá trị m,n các

Do vậy, để tìm được ma trận khóa K khi đã biết m, n các thuật toán thám mã phải duyệt O(2m* n) trường hợp khác nhau

Theo định nghĩa phép toán , và bất biến (2.3) nên nội dung thuật toán Wu-Lee sẽ biến đổi F thành G sao cho SUM(G  K) cùng tính chẵn lẻ với b Do vậy, nếu b không cùng tính chẵn lẻ với SUM(G  K) thì thuật toán sẽ thực hiện đảo giá trị của phần tử Fi,jứng với Ki,j = 1 để đạt được bất biến (2.3) Như vậy, khoá K được xem như một mặt nạ, tạo ra khung nhìn cho thuật toán

Điều kiện 0 <SUM(F K)< SUM(K) quy định, nếu mọi vị trí (i,j) của F tại các vị trí Ki,j = 1 mà Fi,j đều bằng không hoặc đều bằng một thì không nên giấu tin vì nếu thực hiện giấu dễ bị lộ khóa K

2.2.3 Thí dụ minh họa thuật toán Wu-Lee

Giả sử ta cần giấu dãy bit b1b2b3 = 011 vào một ảnh kích thước 6x6 với ma trận khóa K có kích thước 3x3 như trong hình

vẽ Ta chia ảnh F thành 4 khối ảnh nhỏ với mỗi khối kích thước là 3x3 ta thu được F1, F2, F3, F4

- Với F1, 0< SUM(F1  K) = 3 < SUM(K) nên thuật toán sẽ giấu b1(b1=0) vào F1 bằng cách biến đổi F1 thành G1 sao cho SUM(G1

 K) mod 2 = b1 Trong trường hợp này, SUM(F1  K) thoả T/h 4 tại Bước 3 trong thuật toán, do vậy chúng ta sẽ đảo giá trị tại phần

tử (i,j) của F1 ứng với Ki,j = 1 Giải sử ta chọn phần tử (1,2) kết quả sẽ thu được như G1

- Vì SUM(F2  K) = 0 nên khối F2 sẽ không được dùng để giấu

dữ liệu do vậy G2 = F2

- Với F3, do F3 thoả mãn điều kiện 0< SUM(F3 K) = 3 < SUM(K), nên thuật toán sẽ thực hiện giấu b2 vào F3 Trong trường hợp này, ta thấy SUM(F3  K) mod 2 = 1 = b2 nên không cần biến đổi F3 và G3 bằng F3

- Với F4, 0< SUM(F4  K) = 4 <SUM(K) nên thuật toán sẽ thực hiện giấu bit b3 = 1 vào khối F4bằng cách biến đổi F4thành G4 thoả mãn tính chất (2) và (3) Do SUM(F4  K) = SUM(K) -1 nên chúng ta chọn ngẫu nhiên phần tử (i,j) mà F4(i,j) = 1 mà Ki,j = 1 và thay đổi F4(i,j) = 0.Giả sử ta chọn phần tử (3,3) kết quả sẽ thu

được như G4

2.2.4 Một số nhận xét về thuật toán Wu-lee

Thứ nhất: ảnh môi trường để thực hiện giấu thông tin cũng phải

được chọn kỹ càng Nếu một ảnh có quá nhiều điểm trắng (hoặc đen) thì

tỉ lệ bit giấu được sẽ rất thấp

Thứ hai: Vì trong mỗi ma trận điểm ảnh F thuật toán chỉ biến đổi tối

đa là một phần tử (từ 1 thành 0 hoặc từ 0 thành 1), do vậy nếu chọn m,

n đủ lớn thì sự thay đổi này khó có thể nhận biết bằng mắt thường nhưng khả năng giấu của thuật toán lại giảm đáng kể

Thứ ba: Khi cần biến đổi ma trận F, thuật toán luôn thay đổi ngẫu

nhiên một phần tử Fi,j ứng với Ki,j=1 Do vậy, trong một số trường hợp ảnh sau khi được giấu tin sẽ xuất hiện những điểm khác biệt so với ảnh gốc và dễ dàng phân biệt được bằng mắt thường Do đó, để tăng tính che giấu cho thuật toán chúng ta nên chọn phần tử (i,j) có định hướng

theo một tiêu chí nào đó (được trình bày chi tiết trong chương 3)

Xét ví dụ giấu bit 0 vào ma trận có kích thước 5x4 với các giá trị cụ thể như sau:

Giải sử chọn ngẫu nhiên phần (1,4) để thay đổi ta thu được

G và thay đổi trên biên (có định hướng) ta chọn phần tử (5,3) kết quả ta được G‟ Trong trường hợp này, chúng ta thấy rằng khả năng che giấu của G‟ cao hơn G giống như trong Hình 2.2

2.3 Kỹ thuật giấu tin Chen – Pan – Tseng

Định nghĩa 2.3.1: Phép XOR hai ma trận nhị phân cùng cấp A và B (ký

hiệu A  B) được định nghĩa: C = A  B với Cij = 1 nếu Aij  Bij và Cij = 0 nếu Aij= Bij

Thí dụ minh hoạ phép toán  thực hiện trên hai ma trận nhị phân kích thước 3x3 như sau

0 1 1 0

0 0 0 1

0 1 0 1

1 1 0 0

1 0 1 0

1 0 1 1

1 1 0 0

1 0 1 0

1 1 0 0

1 0 1 0

1 0 0 1

Định nghĩa 2.3.2: Ma trận W kích thước mxn được gọi là ma trận trọng

số cấp r (2r <= m*n | r là một số nguyên) nếu mọi phần tử của W thoả mãn điều kiện {Wi,j |i=1 m, j=1 n} = {1,2, …,2r-1}

Thí dụ minh hoạ về ma trận trọng số cấp 3 (r = 3) với ma trận W như sau:

1 7 4

7 6 5

2 3 1 W

1 7 1

7 6 5

2 3 1

K lại không phải là ma trận trọng số

cấp 3 vì trong ma trận K không tồn tại phần tử (i,j) để Ki,j = 4, mà 4

 {1,2, 23-1} vậy {Ki,j |i=1 m, j=1 n} ≠ {1,2, …,2r-1}

2.3.1 Ý tưởng

Thuật toán giấu tin của ba tác giả Y.Chen, H.Pan, Y.Tseng (CPT)

được một dãy r bit (với 2r-1 ≤ m×n) bằng cách thay đổi nhiều nhất hai bit trong khối Như vậy so với thuật toán giấu tin của Wu-Lee, thuật toán CPT có khả năng giấu rất cao, trong khi số bit cần thay đổi khá ít, do đó

sẽ không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng ảnh sau khi giấu Thuật toán CPT sử dụng một ma trận trọng số để giấu được một dãy nhiều bit vào trong mỗi khối, và ma trận trọng số này cũng chính là một thành phần bí mật cùng với ma trận khoá, do vậy độ an toàn của thuật toán CPT cao hơn của thuật toán giấu tin của Wu-Lee