Kỹ thuật thủy vân và mật mã học trong xác thực, bảo vệ bản quyền dữ liệu đa phương tiện

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh GS.TSKH. Lê Hùng Sơn PGS.TS. Phạm Văn Ất Đỗ Văn Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH. Lê Hùng Sơn và PGS.TS. Phạm Văn Ất. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy về sự giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình trong quá trình nghiên cứu. Các thầy là tấm gương sáng cho tôi trong nghiên cứu chuyên môn cũng như trong cuộc sống. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo ở Viện Toán ứng dụng và Tin học; các thầy giáo, cô giáo ở Viện Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nghiên cứu sinh trong thời gian học tập tại Trường. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo nhà trường, các đồng nghiệp tại Khoa Công nghệ thông tin Trường Cao đẳng Thương mại và Du lịch Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tôi vừa làm nghiên cứu sinh vừa công tác tại Trường. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ về tinh thần, thời gian để tác giả hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Nghiên cứu sinh Đỗ Văn Tuấn iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1 DANH MỤC CÁC BẢNG 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 3 MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG 1. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ SỞ 7 1.1. Khái niệm về giấu tin 7 1.1.1. Định nghĩa giấu tin 7 1.1.2. Mô hình giấu tin 8 1.1.3. Các tính chất của một lược đồ giấu tin 9 1.1.3.1. Khả năng nhúng tin 9 1.1.3.2. Tính che giấu 9 1.1.3.3. Tính bảo mật 10 1.1.4. Một số hướng tiếp cận của phương pháp giấu tin 10 1.2. Một số khái niệm về thủy vân trên dữ liệu đa phương tiện 11 1.2.1. Dữ liệu đa phương tiện 11 1.2.1.1. Ảnh số 11 1.2.1.2. Âm thanh 12 1.2.1.3. Video 12 1.2.2. Phân loại phương pháp thủy vân 13 1.2.2.1. Thủy vân bền vững 14 1.2.2.2. Thủy vân dễ vỡ 14 1.3. Một số phép biến đổi dữ liệu 15 1.3.1. Phép biến đổi cosine rời rạc 15 1.3.1.1. Phép biến đổi cosine rời rạc một chiều 15 1.3.1.2. Phép biến đổi cosine rời rạc hai chiều 16 1.3.2. Phép biến đổi wavelet rời rạc 17 1.4. Một số khái niệm trong mật mã 18 1.4.1. Số nguyên tố và thuật toán kiểm tra số nguyên tố 19 1.4.2. Ký hiệu Legendre 21 iv 1.4.3. Ký hiệu Jacobi 21 1.4.4. Định lý đồng dư Trung Hoa 21 1.4.5. Hệ mật mã Rabin 22 1.5. Một số phép toán trên ma trận nguyên 23 1.6. Kết luận chương 1 24 CHƯƠNG 2. GIẤU TIN VÀ HỆ MẬT MÃ RABIN CẢI TIẾN 25 2.1. Bảo mật dữ liệu bằng sự kết hợp giữa giấu tin và mật mã 25 2.2. Một số kết quả gần đây về các sơ đồ Rabin cải tiến 26 2.2.1. Sơ đồ Shimada 26 2.2.1.1. Thuật toán mã hóa 26 2.2.1.2. Thuật toán giải mã 27 2.2.2. Sơ đồ Chen-Tsu 28 2.3. Đề xuất một sơ đồ Rabin mới 28 2.3.1. Phương trình Rabin 29 2.3.2. Thuật toán mã hóa 31 2.3.3. Thuật toán giải mã 31 2.3.4. Xét ví dụ minh họa sơ đồ Rabin đề xuất 32 2.3.5. Chứng minh tính đúng đắn của sơ đồ Rabin đề xuất 34 2.3.6. Phân tích các sơ đồ cải tiến hệ mật mã Rabin 34 2.3.6.1. Độ phức tạp tính toán 35 2.3.6.2. Phạm vi ứng dụng 36 2.3.6.3. Thực nghiệm 36 2.4. Giấu tin trên ảnh nhị phân 37 2.4.1. Lược đồ giấu tin TCP 38 2.4.1.1. Thuật toán nhúng tin 38 2.4.1.2. Thuật toán trích tin 39 2.4.2. Lược đồ giấu tin CTL 39 2.4.2.1. Thuật toán nhúng tin 40 2.4.2.2. Thuật toán trích tin 40 2.4.2.3. Chính xác hóa lược đồ CTL 41 2.5. Đề xuất một lược đồ giấu tin mới trên ảnh nhị phân 42 v 2.5.1. Thuật toán nhúng dãy bít trên một khối điểm ảnh 42 2.5.2. Thuật toán trích dãy bít trên một khối điểm ảnh 43 2.5.3. Chứng minh tính đúng đắn của thuật toán nhúng dãy bít trên một khối điểm ảnh 44 2.5.4. Lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân 45 2.5.5. Phân tích tính bảo mật của các lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân 46 2.5.6. So sánh chất lượng ảnh của các lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân 47 2.6. Đề xuất một lược đồ giấu tin mới trên ảnh chỉ số màu 48 2.6.1. Thuật toán nhúng tin 50 2.6.2. Thuật toán trích tin 51 2.6.3. Chứng minh tính đúng đắn của lược đồ đề xuất 52 2.6.4. So sánh chất lượng ảnh chứa tin của các lược đồ trên ảnh chỉ số màu 53 2.7. Kết luận chương 2 54 CHƯƠNG 3. THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH 56 3.1. Sơ lược về thủy vân thuận nghịch 56 3.2. Một số kết quả gần đây về thủy vân thuận nghịch trên ảnh JPEG 57 3.2.1. Qui trình nén ảnh JPEG 57 3.2.2. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch CLTT 60 3.2.2.1. Thuật toán nhúng tin 60 3.2.2.2. Thuật toán trích tin 62 3.2.2.3. Thuật toán khôi phục ảnh gốc 62 3.2.3. Lược đồ nhúng tin thuận nghịch LS 64 3.3. Đề xuất lược đồ thủy vân thuận nghịch mới trên ảnh JPEG 64 3.3.1. Thuật toán nhúng dấu thủy vân 64 3.3.2. Thuật toán trích dấu thủy vân và khôi phục ảnh gốc 65 3.3.3. Phân tích khả năng nhúng tin và chất lượng ảnh thủy vân 67 3.3.3.1. Phân tích khả năng nhúng tin 68 3.3.3.2. Phân tích sự thay đổi của khối DCT lượng tử 68 3.3.3.3. Phân tích chất lượng ảnh 69 3.3.3.4. Thực nghiệm 70 vi 3.4. Một số kết quả gần đây về thủy vân thuận nghịch dựa trên phép biến đổi mở rộng hiệu đối với véc tơ điểm ảnh 73 3.4.1. Lược đồ Alattar 74 3.4.2. Lược đồ Mohammad 75 3.4.3. Lược đồ Lee 76 3.4.3.1. Thuật toán nhúng tin trên véc tơ  76 3.4.3.2. Thuật toán khôi phục 77 3.4.4. Lược đồ Khodaei 78 3.5. Đề xuất một lược đồ thủy vân thuận nghịch mới sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu trên véc tơ điểm ảnh 79 3.5.1. Thuật toán nhúng tin và khôi phục véc tơ điểm ảnh bằng phương pháp mở rộng hiệu 79 3.5.1.1. Thuật toán nhúng tin 79 3.5.1.2. Thuật toán khôi phục 80 3.5.1.3. Tính đúng đắn của thuật toán 80 3.5.2. Thuật toán nhúng tin và khôi phục bằng cách chèn bít thấp 80 3.5.2.1. Thuật toán nhúng tin 81 3.5.2.2. Thuật toán khôi phục 81 3.5.3. Thuật toán thủy vân trên ảnh 82 3.5.4. Thuật toán trích dấu thủy vân và khôi phục ảnh gốc 84 3.5.5. So sánh khả năng nhúng tin và chất lượng ảnh của các lược đồ sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu 85 3.5.5.1. Khả năng nhúng tin 85 3.5.5.2. So sánh chất lượng ảnh 86 3.6. Đề xuất mô hình thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai dùng trong xác thực tính toàn vẹn của ảnh số 86 3.6.1. Mô hình nhúng dấu thủy vân 87 3.6.2. Mô hình xác thực tính toàn vẹn 87 3.7. Đề xuất mô hình bảo mật và xác thực dữ liệu trên đường truyền 88 3.7.1. Mô hình nhúng tin mật và dấu thủy vân 89 3.7.2. Mô hình xác thực và trích tin mật 90 3.8. Kết luận chương 3 90 vii CHƯƠNG 4. THỦY VÂN BỀN VỮNG KHÓA CÔNG KHAI SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 92 4.1. Khái quát về thủy vân bền vững 92 4.2. Một số kết quả gần đây về thủy vân bền vững sử dụng kỹ thuật trải phổ trên miền cosine rời rạc 93 4.2.1. Lược đồ thủy vân bền vững khóa bí mật Cox 94 4.2.2. Lược đồ thủy vân bền vững khóa bí mật Barni 95 4.2.3. Lược đồ thủy vân bền vững khóa công khai Munir 96 4.3. Đề xuất lược đồ thủy vân bền vững khóa công khai bằng phương pháp trải phổ trên miền cosine rời rạc 96 4.3.1. Phân tích tính bền vững của lược đồ Munir 96 4.3.2. Phương pháp xây dựng khóa bí mật 97 4.3.3. Thuật toán thủy vân 98 4.3.4. Thuật toán kiểm tra dấu thủy vân 99 4.3.5. Đánh giá tính bền vững của các lược đồ thủy vân trên miền DCT 99 4.3.5.1. Độ đo tính bền vững 100 4.3.5.2. So sánh tính bền vững của lược đồ Munir và New2 101 4.3.5.3. Đánh giá tính bền vững của lược đồ đề xuất theo tham số  104 4.3.5.4. So sánh tính bền vững thông qua thực nghiệm 104 4.4. Đề xuất lược đồ thủy vân bền vững khóa công khai bằng phương pháp trải phổ trên miền wavelet rời rạc 106 4.4.1. Thuật toán thủy vân 107 4.4.2. Thuật toán kiểm tra dấu thủy vân 107 4.5. Kết luận chương 4 108 KẾT LUẬN 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ chữ viết tắt Ý nghĩa    Giá trị phần nguyên dưới của     Giá trị phần nguyên trên của    chia hết cho    không chia hết cho   Số phần tử (độ dài) của véc tơ  AES Advanced Encryption Standard (chuẩn mật mã nâng cao) CLTT Chang – Lin – Tseng – Tai CTL Chang – Tseng - Lin DCT Discrete Cosine Transform (biến đổi cosine rời rạc) DE Difference Expansion (mở rộng hiệu) DES Data Encryption Standard (chuẩn mật mã dữ liệu) DWT Discrete Wavelet Transform (biến đổi sóng nhỏ rời rạc) IDCT Inverse Discrete Cosine Transform (phép biến đổi DCT ngược) IDWT Inverse Discrete Wavelet Transform (biến đổi DWT ngược) JPEG Joint Photographic Experts Group (một định dạng ảnh nén) LS Lin - Shiu MCU Minimum Coded Unit (đơn vị mã tối thiểu) NMF Non-negative Matrix Factorization (khai triển ma trận không âm) PSNR Peak Signal-to-Noise Ratio (Tỉ số đỉnh tín hiệu trên nhiễu) RSA Rivest – Shamir – Adleman SHA Secure Hash Algorithm (hàm băm mật) SVD Singular Value Decomposition (phân tích giá trị đặc trưng) TCP Tseng – Chen - Pan 2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Độ phức tạp của thuật toán giải mã trong các sơ đồ Rabin cải tiến 36 Bảng 2.2. Thời gian thực hiện thuật toán giải mã trong các sơ đồ Rabin cải tiến 37 Bảng 2.3. Hệ số  giữa các ảnh chứa tin so với các ảnh gốc của 3 lược đồ giấu tin trên ảnh nhị phân 48 Bảng 3.1. Kết quả tiền xử lý và nhúng tin trên khối DCT lượng tử ở Hình 3.4 của lược đồ CLTT (k là không nhúng tin). 61 Bảng 3.2. Kết quả trích tin và khôi phục ảnh gốc của lược đồ CLTT (k là không nhúng tin) 63 Bảng 3.3. Kết quả nhúng dãy bít dấu thủy vân trên khối DCT lượng tử ở Hình 3.4 của lược đồ đề xuất trên ảnh JPEG 65 Bảng 3.4. Kết quả trích dãy bít dấu thủy vân và khôi phục các dãy hệ số lượng tử gốc của lược đồ đề xuất trên ảnh JPEG 66 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát 9 đường chéo trên 10.000 khối DCT lượng tử theo lược đồ CLTT 67 Bảng 3.6. Kết quả khảo sát 5 đường chéo trên 10.000 khối DCT lượng tử theo lược đồ đề xuất trên ảnh JPEG. 67 Bảng 3.7. Khả năng nhúng tin trên bộ ảnh thử nghiệm của các lược đồ giấu tin thuận nghịch trên ảnh JPEG 71 Bảng 3.8. Kết quả thực nghiệm chất lượng ảnh của các lược đồ thủy vân thuận nghịch trên ảnh JPEG 72 Bảng 3.9. Khả năng nhúng tin của các lược đồ thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu 85 Bảng 3.10. Hệ số PSNR của các lược đồ thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu ứng với độ dài dấu thủy vân khác nhau 86 Bảng 4.1 Hệ số tương quan và PSNR của ảnh thủy vân ứng với các lược đồ thủy vân bền vững trên miền DCT 105 Bảng 4.2. Hệ số tương quan của ảnh thủy vân sau khi bị tấn công của các lược đồ thủy vân bền vững trên miền DCT 105 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Phân loại phương pháp giấu tin 7 Hình 1.2. Mô hình nhúng tin 8 Hình 1.3. Mô hình trích tin 8 Hình 1.4. Phân loại phương pháp thủy vân 13 Hình 1.5. Ma trận wavelet Haar cấp 8×8 18 Hình 1.6. Sơ đồ áp dụng wavelet hai chiều 18 Hình 2.1. Các ảnh nhị phân dùng để nhúng tin 47 Hình 2.2. Dữ liệu dùng để nhúng trên các ảnh nhị phân 47 Hình 2.3. Kết quả thực nghiệm chất lượng ảnh chứa tin có 8 màu của các lược đồ giấu tin trên ảnh chỉ số màu 54 Hình 3.1. Sơ đồ nén ảnh JPEG chuẩn Baseline 58 Hình 3.2. Khối hệ số DCT 59 Hình 3.3. Bảng lượng tử của thành phần Y với tỷ lệ nén 15:1 trong PhotoShop 59 Hình 3.4. Một khối DCT lượng tử của ảnh Pepper 59 Hình 3.5. Các đường chéo của khối DCT lượng tử 60 Hình 3.6. Sơ đồ nhúng tin thuận nghịch của lược đồ LS 64 Hình 3.7. Sự thay đổi trên khối DCT lượng tử sau khi nhúng dãy bít dấu thủy vân của lược đồ đề xuất trên ảnh JPEG và lược đồ CLTT 69 Hình 3.8. Bộ ảnh thử nghiệm các lược đồ nhúng tin trên ảnh JPEG 71 Hình 3.9. Bộ ảnh thử nghiệm các lược đồ thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu 85 Hình 3.10. Quá trình tạo và nhúng dấu thủy vân của mô hình thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai 87 Hình 3.11. Quá trình xác thực tính toàn vẹn của lược đồ thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai 88 Hình 3.12. Quá trình nhúng tin mật và dấu thủy vân 89 Hình 3.13. Quá trình xác thực tính toàn vẹn và trích tin mật 90 Hình 4.1. Ảnh thực nghiệm tính bền vững của lược đồ thủy vân miền DCT 106 Hình 4.2. Sơ đồ áp dụng phép biến đổi wavelet hai mức. 106 [...]... tác giả chọn đề tài Kỹ thuật thủy vân và mật mã học trong xác thực, bảo vệ bản quyền dữ liệu đa phương tiện để thực hiện luận án Tiến sĩ của mình Mục đích chính của luận án là đề xuất một số lược đồ thủy vân ứng dụng trong xác thực tính toàn vẹn và bảo vệ quyền tác giả đối với các sản phẩm đa phương tiện nói chung và sản phẩm ảnh số nói riêng Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong bốn chương của... cường tính bền vững và cải thiện chất lượng dữ liệu chứa tin Theo [21], một số phép nén thường được sử dụng đối với dữ liệu đa phương tiện như: cosine rời rạc, wavelet (sóng nhỏ) rời rạc, Run-length (độ dài thay đổi), Huffman và mã hóa số học [1] 1.2 Một số khái niệm về thủy vân trên dữ liệu đa phương tiện 1.2.1 Dữ liệu đa phương tiện Dữ liệu đa phương tiện là những dạng dữ liệu như: văn bản (text), ảnh... hệ mật mã khóa công khai) hay khóa bí mật (đối với hệ mật mã đối xứng) để lập mã, và chuyển bản mã tới người nhận thông qua các kênh truyền công khai Từ bản mã, người nhận giải mã bằng khóa bí mật để nhận được bản rõ tương ứng Ngoài việc ứng dụng trong bài toán bảo mật dữ liệu, hệ mật mã khóa công khai còn được dùng trong xác thực dữ liệu Trong bài toán xác thực, người gửi sử dụng khóa bí mật để mã. .. phương pháp này có thể thực hiện theo những hướng tiếp cận sau: 1) Sử dụng các hệ mật mã để mã hóa tin mật và giấu bản mã vào dữ liệu đa phương tiện 2) Sử dụng hệ mật mã khóa công khai để trao đổi khóa bí mật của các lược đồ giấu tin 3) Kết hợp mật mã với giấu tin để xây dựng các lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa công khai 4) Kết hợp mật mã, giấu tin và thủy vân thuận nghịch để xây dựng mô hình bảo mật và. .. đã đề cập, mật mã học là một trong những phương pháp hữu hiệu để bảo mật dữ liệu trên các kênh truyền công khai Trong mật mã, nếu một sơ đồ sử dụng chung khóa cho cả thuật toán mã hóa (lập mã) và thuật toán giải mã thì được gọi là hệ mật mã khóa đối xứng Một số hệ mật mã đối xứng thông dụng như: hệ mật mã DES (Data Encryption Standard), hệ mật mã AES (Advanced Encryption Standard) Hệ mật mã đối xứng... đổi khóa bí mật của lược đồ giấu tin Trái với giấu tin mật, dữ liệu nhúng (dấu thủy vân) trong các lược đồ thủy vân số (thủy vân) được dùng để bảo vệ dữ liệu chứa tin Việc nhúng dấu thủy vân vào các sản phẩm đa phương tiện sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm nhưng nó là dấu vết để 7 xác định tính chân thực của sản phẩm, hoặc dùng để chứng minh quyền sở hữu sản phẩm đa phương tiện chứa dấu thủy vân 1.1.2... dụng trong bài toán xác định tính chân thực (tính toàn vẹn) của dữ liệu chứa dấu thủy vân Trái với thủy vân dễ vỡ, thủy vân bền vững yêu cầu dấu thủy vân phải tồn tại (bền vững) trước sự tấn công nhằm loại bỏ dấu thủy vân Vì vậy, thủy vân bền vững được dùng trong việc chứng minh quyền sở hữu hay bảo vệ quyền tác giả (bảo vệ bản quyền) Theo [9,41,50], nhiều ứng dụng trong y tế, quân sự và nghệ thuật, ... thủy vân, chương này cũng nhắc đến một số khái niệm cơ bản trong mật mã học như: số nguyên tố, Định lý đồng dư Trung Hoa, hệ mật mã Rabin và hai phép biến đổi thông dụng trong xử lý dữ liệu đa phương tiện là DCT và DWT Các phép biến đổi này được sử dụng ở Chương 3 và Chương 4 của luận án 24 CHƯƠNG 2 GIẤU TIN VÀ HỆ MẬT MÃ RABIN CẢI TIẾN 2.1 Bảo mật dữ liệu bằng sự kết hợp giữa giấu tin và mật mã Như... vẹn, bảo vệ quyền tác giả đối với sản phẩm đa phương tiện trên môi trường trao đổi công khai ngày càng cấp thiết và đòi hỏi sự an toàn cao hơn Một trong những phương pháp hữu hiệu trong lĩnh vực an toàn thông tin là mật mã học Theo đó, người gửi sẽ biến đổi dữ liệu gốc (bản rõ) thành dữ liệu mã (bản mã) dựa trên một sơ đồ mật mã nào đó đã được thỏa thuận giữa người gửi và người nhận Khi có bản mã, người... mật cần trao đổi giữa người gửi và người nhận Việc nhúng thông tin mật vào những dữ liệu được truyền tải phổ biến trên Internet nhằm ngụy trang cho sự tồn tại của tin mật trước các đối thủ Trái với giấu tin mật, dữ liệu nhúng trong các lược đồ thủy vân số (thủy vân) dùng để bảo vệ dữ liệu chứa tin Việc nhúng thêm thông tin (dấu thủy vân) vào các 4 sản phẩm đa phương tiện có thể làm giảm chất lượng