Tìm hiểu phương pháp thủy vân số thuận nghịch và xây dựng ứng dụng

Header Page of 237 Tìm hiểu phương pháp thủy vân số thuận nghịch xây dựng ứng dụng Phạm Cơng Hòa Trường Đại học Cơng nghệ Chun ngành: Hệ thống thông tin; Mã số: 60 48 05 Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Quốc Tạo Năm bảo vệ: 2012 Abstract Đưa kiến thức kỹ thuật giấu tin thủy vân, từ thủy vân nhánh giấu tin So sánh phương pháp thủy vân miền không gian, miền tần số thủy vân thuận nghịch (TVTN) Tuy nhiên, mục đích thủy vân khác hồn tồn so với mục đích giấu tin mật mã hóa Phân tích hướng ứng dụng quan trọng thủy vân đời thường Có nhiều mơi trường đa phương tiện để thực giấu tin có chừng mơi trường để thực thủy vân Trình bày số thuật toán thủy vân miền: miền không gian, miền tần số dựa vào biến đổi Cosine rời rạc DCT miền tần số dựa vào biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT Phân tích thiết kế modul cho hệ thống, cài đặt thuật tốn TVTN chạy thử nghiệm chương trình Thuật tốn lựa chọn cài đặt TVTN CPT miền không gian TVTN dựa vào DCT miền tần số Keywords: Hệ thống thơng tin; An tồn liệu; Thủy vân số; Kỹ thuật giấu tin Content CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN SỐ 1.1 Kỹ thuật giấu tin phƣơng tiện số 1.1.1 Khái niệm giấu tin lý thuyết sở Steganography có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp sử dụng tới ngày nay, có nghĩa “tài liệu phủ” (covered writing) Các câu chuyện kể kỹ thuật giấu thơng tin có từ lâu Những tài liệu tìm thấy ghi chép kỹ thuật giấu thông tin sớm thuộc sử gia Hy Lạp Herodotus (khoảng năm 440 trước Công nguyên) Khi bạo chúa Hy Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ Susa vào kỷ thứ trước Công nguyên, ông ta cố gửi thơng báo bí mật cho rể Aristagoras Miletus Histiaeus cạo trọc đầu nô lệ tin cậy xăm thông báo da đầu người nô lệ Khi tóc người nơ lệ mọc đủ dài, gửi tới Miletus Giấu thông tin kỹ thuật nhúng (giấu) lượng thông tin số vào đối tượng liệu số khác Kỹ thuật giấu thơng tin nhằm bảo đảm an tồn bảo mật thơng tin với hai mục đích Một bảo mật cho liệu đem giấu, hai bảo vệ cho đối tượng dùng để giấu liệu vào.Yêu cầu kỹ thuật giấu tin không làm ảnh hưởng đến liệu gốc Footer Page of 237 Header Page of 237 Kỹ thuật giấu thơng tin nhằm mục đích đảm bảo an tồn bảo mật mật thơng tin hai khía cạnh Một bảo mật cho liệu đem giấu, hai bảo mật cho đối tượng dùng để giấu tin Điều dẫn đến hai khuynh hướng chủ yếu giấu tin:  Khuynh hướng thứ giấu tin mật (steganography) Khuynh hướng tập trưng vào kỹ thuật giấu tin cho thông tin giấu nhiều quan trọng người khác khó phát dược đối tượng có bị giấu tin bên hay không  Khuynh hướng thứ hai thủy vân số (watermarking) Khuynh hướng thủy vân số đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định quyền quyền sở hữu hay phát xuyên tạc thông tin 1.1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin Hai mục đích khác kỹ thuật giấu tin dẫn đến hai hướng kỹ thuật chủ yếu giấu tin mật thủy vân Giấu tin mật kỹ thuật giấu lượng thông tin lớn vào liệu chứa cho người khác khó phát đối tượng có giấu tin bên hay không nhằm bảo vệ lượng thông tin đem nhúng Đồng thời, kỹ thuật giấu tin mật quan tâm lượng tin giấu, lượng thơng tin giấu nhiều tốt Tuy nhiên, lượng thơng tin giấu lớn tính ẩn thơng tin giấu thấp Các thành phần trình giấu tin:  Dữ liệu nguồn (Host Signal): liệu gốc dùng làm nơi giấu liệu Ví dụ giấu tin ảnh ảnh liệu nguồn  Dữ liệu nhúng (Embed Data): liệu cần giấu, nhúng vào liệu nguồn, gọi phương tiện giấu tin  Khố chìa (nếu cần): để mã hóa thơng tin trước giấu vào ảnh  Dữ liệu mang thông tin ẩn: sản phẩm trình giấu tin 1.1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu tin Hệ thống giấu tin nói chung bao gồm phần chính: chèn tin tách tin Giai đoạn chèn tin, thông tin khố (cơng khai bí mật) tin giấu chèn vào ảnh gốc để sản phẩm mang tin giấu Giai đoạn tách tin, liệu, khố (bí mật) ảnh gốc (ảnh không chèn tin) làm liệu sở để tách tin từ sảm phẩm mang tin giấu Thông điệp M Ảnh gốc Chèn tin Khóa K a) Chèn tin Footer Page of 237 Ảnh mang tin Header Page of 237 Ảnh gốc Ảnh mang tin Tách tin Thơng điệp M Khóa K b) Tách tin Hình 1.1: Quá trình chèn (giấu) tin tách tin Trong đó:  Mẩu tin mật: văn tệp ảnh hay tệp nhị phân nào, trình xử lý chuyển chúng thành chuỗi bit  Ảnh phủ hay ảnh gốc: ảnh dùng để làm mơi trường nhúng tin mật  Khố K: khố viết mật tham gia vào q trình giấu tin, tăng tính bảo mật  Ảnh mang tin: ảnh sau nhúng tin mật vào 1.1.4 Giấu tin liệu đa phƣơng tiện Kỹ thuật giấu tin nghiên cứu áp dụng nhiều môi trường liệu khác liệu đa phương tiện (văn bản, hình ảnh, âm thanh, phim), sản phẩm phần mềm gần nghiên cứu lĩnh vực sở liệu quan hệ Trong liệu đó, liệu đa phương tiện môi trường chiếm tỷ lệ chủ yếu kỹ thuật giấu tin 1.1.4.1 Giấu tin ảnh số Thông tin giấu với liệu ảnh chất lượng ảnh thay đổi khơng biết đằng sau mang thơng tin có ý nghĩa Ngày nay, ảnh số sử dụng phổ biến, giấu thông tin ảnh đem lại nhiều ứng dụng quan trọng nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Ví dụ nước phát triển, chữ ký tay số hóa lưu trữ sử dụng hồ sơ nhân dịch vụ ngân hàng tài chính, dùng để xác thực thẻ tín dụng người tiêu dùng Các kỹ thuật giấu tin ảnh thuộc vào nhóm: - Giấu tin miền quan sát - Các phương pháp dựa vào kỹ thuật biến đổi ảnh - Các phương pháp sử dụng mặt nạ giác quan 1.1.4.2 Giấu tin Audio Giấu thông tin audio mang đặc điểm riêng khác với giấu thông tin đối tượng đa phương tiện khác Một yêu cầu giấu tin đảm bảo tính chất ẩn thông Footer Page of tin 237.được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng liệu gốc Để đảm Header Page of 237 bảo yêu cầu này, kỹ thuật giấu thông tin ảnh phụ thuộc vào hệ thống thị giác người, kỹ thuật giấu thơng tin audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác Mã hóa bít thấp: Cũng file ảnh, phương pháp chèn vào bit quan trọng lưu trữ liệu giấu vào bit quan trọng file audio Phương pháp mã hóa LSB cách đơn giản để nhúng thông tin vào liệu audio Phương pháp thay bít quan trọng (thường bít cuối) mẫu liệu bit thơng tin giấu Mã hóa pha kỹ thuật thực giấu tin audio thông qua việc thay pha segment audio ban đầu pha tham chiếu (referency phase) thể liệu Pha segment điều chỉnh cho trì mối quan hệ đoạn Kỹ thuật giấu dựa vào tiếng vang thực giấu tin cách thêm vào tiếng vang tín hiệu gốc Dữ liệu nhúng giấu cách thay đổi tham số tiếng vang: biên độ ban đầu, tỉ lệ phân rã độ trễ Khi thời gian tín hiệu gốc tiếng vang giảm xuống, hai tín hiệu trộn lẫn người nghe khó phân biệt hai tín hiệu Số lượng tin giấu có liên quan đến thời gian trễ tiếng vang biên độ 1.1.4.3 Giấu tin Video Cũng giống giấu tin ảnh hay audio, giấu tin video quan tâm phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng kiểm sốt chép thơng tin, nhận thực thông tin bảo vệ quyền tác giả Nhiều kỹ thuật giấu tin ảnh áp dụng cho giấu tin video đảm bảo ràng buộc:  Do liệu video lớn nên thời gian để giấu tin lớn Vì vậy, việc giấu tin phải thực thời gian thực để truyền tín hiệu video  Do giới hạn băng thông nên việc giấu tin không làm thay đổi kích thước liệu  Các liệu video thường lưu dạng nén, thơng thường dựa vào q trình xử lý thay đổi ảnh từ khung hình đến khung hình khác Vì vậy, giấu tin cần đảm bảo thơng tin không dễ phát mắt thường Footer Page of 237 Header Page of 237 1.1.4.4 Giấu tin văn Trong trao đổi thông tin qua hệ thống máy tính, văn chiếm tỷ lệ lớn so với loại phương tiện chứa khác Tuy vậy, giấu tin văn lại chưa quan tâm nghiên cứu nhiều Các nghiên cứu giấu tin văn chia theo hai hướng: Thứ nhất, văn sử dụng để giấu tin văn chụp lại lưu máy ảnh nhị phân Theo hướng này, kỹ thuật giấu tin thực kỹ thuật giấu tin ảnh Thứ hai, phương tiện chứa sử dụng cho trình giấu tin lưu dạng văn Theo hướng này, giấu tin thực cách điều chỉnh khoảng cách dòng thay đổi kích thước số ký tự số vị trí văn mà khơng làm ảnh hưởng nhiều đến nội dung văn gốc 1.2 Kỹ thuật thủy vân số 1.2.1 Lịch sử phƣơng pháp thủy vân số Phương pháp thủy vân đầu tiền thực thủy vân giấy Đó thơng tin nhỏ nhúng chìm giấy để thể gốc thức Theo Hartung Kutter, thủy vân giấy bắt đầu sử dụng vào năm 1292 Fabriano, Italy – nơi coi nơi sinh thủy vân Sau đó, thủy vân nhanh chóng lan rộng tồn Italy nước châu Âu Mỹ Ban đầu, thủy vân giấy dùng với mục đích xác định nhãn hàng nhà máy sản xuất Sau sử dụng để xác định định dạng, chất lượng độ dài, ngày tháng sản phẩm Đến kỷ thứ 18, bắt đầu dùng cho tiền tệ thủy vân cơng cụ dùng rộng rãi với mục đích bảo mật cho tiền tệ, chống làm tiền giả Thuật ngữ “thủy vân” (watermarking) đưa vào cuối 18, bắt nguồn từ loại mực vơ hình viết lên giấy hiển thị nhúng giấy vào nước Năm 1988, Komatsu Tominaga đưa thuật ngữ “thủy vân số” (Digital watermarking) Vậy thủy vân số q trình sử dụng thơng tin (ảnh, chuỗi bít, chuỗi số) nhúng cách tinh vi vào liệu số (ảnh số, audio, video hay text) nhằm xác định thông tin quyền tác phẩm số Mục đích thủy vân số bảo vệ quyền cho phương tiện liệu số mang thông tin thủy vân Tùy theo mục đích hệ thủy vân mà người ta lại chia thành hướng nhỏ thủy vân dễ vỡ thủy vân bền vững Thủy vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng mẩu tin đòi hỏi độ bền vững cao thông tin giấu trước biến đổi thông thường liệu chứa Hướng sử dụng để bảo vệ quyền tác giả Thủy vân dễ vỡ yêu cầu thông tin giấu bị sai lệch có thay đổi liệu chứa Hướng sử dụng để phát xuyên tạc thông tin Ở loại thủy vân bền vững thủy vân dễ vỡ lại chia thành hai loại dựa theo đặc tính thủy Footer Page ofvân 237.ẩn thủy vân Thủy vân cho phép nhìn thấy thơng tin đem nhúng vào liệu Header Page of 237 chứa Loại sử dụng cho mục đích cơng bố cơng khai quyền sở hữu Ngược lại, thủy vân ẩn không cho phép nhìn thấy nội dung thơng tin nhúng sử dụng với mục đích gài bí mật thơng tin xác nhận quyền sở hữu Hình 1.3: Ví dụ thủy vân ẩn thủy vân 1.2.2 Mô hình thủy vân số Hình 1.4: Mơ hình thủy vân Sviatoslav Voloshynovskiy cộng đề xuất Mô Mơ hình thủy vân Sviatoslav Voloshynovskiy chia làm phần chính:  Nhúng thủy vân  Các cơng thủy vân  Trích thủy vân Thủy vân mã hóa để tăng cường tính bền vững Thông thường, tài liệu nhúng thủy vân trải qua số bước cơng trước trích thủy vân Sau q trình trích thực hiện, dựa vào kết trích rút để có định tài liệu có nhúng thủy vân hay khơng, có thực giải mã liệu trích để nhận đuợc giá trị thủy vân 1.2.3 Các tính chất quan trọng kỹ thuật thủy vân số Tính bền vững: Chất lượng thuật toán phụ thuộc vào tính bền vững thủy vân Đặc biệt thủy vân bền vững, yêu cầu quan trọng thủy vân không bị thay đổi sau số phép xử lý đối tượng nhúng Đối với ảnh số, phép xử lý phép nén thơng tin, lọc, tính tiến, quay, làm sắc ảnh, xén ảnh,… Footer Page of 237 Header Page of 237 Tính vơ hình: Đối với thủy vân ẩn thuật toán cố gắng nhúng thủy vân cho chúng không bị phát người sử dụng Thơng thường tht tốn tính bền vững cao tính vơ hình ngược lại, cần có cân nhắc tính bền vững tính vơ hình để đảm bảo thủy vân đạt tính bền vững tính vơ hình Tính bảo mật: Bảo mật khóa, thủy vân cho khơng có quyền khơng thể dò thủy vân 1.2.4 Hệ thống thủy vân số Hệ thống thủy vân số trình sử dụng thủy vân nhúng vào liệu số để liệu số có chứa thủy vân hay gọi liệu có quyền Dữ liệu có quyền phân phối kênh truyền tin Trong trình phân phối, liệu quyền bị cơng trái phép yếu tố gây nhiễu Nếu liệu số quyền bị nghi ngờ chép trái phép chỉnh sửa thơng tin xác minh nhờ trình tách thủy vân nhúng Như vậy, hệ thống thủy vân số nói chung bao gồm trình trình nhúng thủy vân trình tách thủy vân Thủy vân mang thông tin bảo mật quyền liệu chứa Khóa thủy vân dùng cho phiên nhúng phát thủy vân Khóa thủy vân với thủy vân Khóa khóa bí mật, tác giả biết Điều nói lên tác giả phát thủy vân Tùy nhúng thủy vân mà có yêu cầu với khóa thủy vân 1.2.4.1 Quá trình nhúng thủy vân Giai đoạn gồm thơng tin khóa thủy vân, thủy vân, liệu chứa nhúng thủy vân Dữ liệu chứa bao gồm đối tượng văn bản, audio, video, ảnh… dạng số, dùng làm môi trường để giấu tin Bộ nhúng thủy vân chương trình cài đặt thuật toán thủy vân thực với khóa bí mật Thủy vân nhúng vào liệu chứa nhờ nhúng thủy vân Kết trình liệu chứa nhúng thủy vân gọi liệu có quyền phân phối môi trường khác Trên đường phân phối có nhiễu cơng từ bên ngồi Do u cầu kỹ thuật thủy vân số phải bền vững với nhiễu công Footer Page of 237 Header Page of 237 1.2.4.2 Q trình trích thủy vân Quá trình tách thủy vân thực thông qua tách thủy vân tương ứng với nhúng thủy vân với khóa q trình nhúng Kết thu thủy vân Thủy vân thu giống với thủy vân ban đầu sai khác nhiễu công đường truyền Khóa thủy vân Dữ liệu số Bộ nhúng thủy vân Dữ liệu quyền Thủy vân Tấn công Thủy vân Kênh truyền tin Bộ tách thủy vân Nhiễu Dữ liệu quyền Khóa thủy vân Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống thủy vân số 1.2.5 Các hƣớng ứng dụng thủy vân Bảo vệ quyền tác giả CP (copyright protection) Xác thực thông tin phát xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection) Dấu vân tay hay dán nhãn (fingerprinting and labeling) Điều khiển truy nhập (copy control) 1.3 Phân biệt giấu tin thủy vân Xét tính chất, thủy vân giống giấu tin chỗ hai hướng tìm cách nhúng thông tin mật vào môi trường Nhưng chất thủy vân giấu tin có nét khác số điểm sau:  Mục tiêu thủy vân nhúng thông tin không lớn, thường biểu tượng, chữ ký hay đánh dấu khác vào môi trường phủ nhằm phục vụ việc xác nhận quyền Ngược lại, giấu tin mật yêu cầu lượng thông tin giấu lớn  Thủy vân khác với giấu tin mật chỗ giấu tin sau cần tách lại tin thủy vân tìm cách biến tin giấu thành thuộc tính vật mang  Chỉ tiêu quan trọng thủy vân tính bền vững, giấu tin dung lượng  Thủy vân vơ hình hữu hình vật mang giấu tin vơ hình Footer Page of 237 Header Page of 237 CHƢƠNG 2: THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH SỐ 2.1 Thủy vân số thuận nghịch Thủy vân phương pháp nhúng thơng tin vào tín hiệu kỹ thuật số âm thanh, hình ảnh, video Thủy vân thuận nghịch khơi phục lại hình ảnh ban đầu mà khơng có biến dạng sau liệu trích từ sản phẩm nhúng thủy vân Ảnh nhúng thủy vân Trích thủy vân Ảnh gốc Hình 2.1: Mơ hình thủy vân thuận nghịch Trong thời gian gần giấu thuận nghịch quan tâm cách đặc biệt Các nghiên cứu gần thủy vân thuận nghịch: q trình trích thủy vân để nhận thơng tin nhúng cần khơng cần đến ảnh gốc kết thu ngồi thơng tin nhúng ta có thêm ảnh có thuộc tính giống ảnh gốc Một vài lĩnh vực y học, quân đội nghiên cứu thực nghiệm vật lý phân tử hạt nhân, đòi hỏi khơng tách thơng điệp mà khơi phục xấp xỉ ảnh gốc ban đầu Vào năm 2001, phương pháp giấu thuật nghịch đề xuất Honsinger đồng nghiệp [6], từ đến nhiều kỹ thuật giấu thuật nghịch công bố với hai hình thức giấu miền liệu miền liệu biến đổi 2.2 Thủy vân số miền khơng gian Các thuật tốn thủy vân miền không gian tập trung vào việc thay đổi trực tiếp miền điểm ảnh Thế mạnh phương thức thủy vân miền điểm ảnh đơn giản có độ phức tạp tính tốn thấp Tuy nhiên, kỹ thuật đảm bảo thuộc tính ẩn mà khơng có tính bền vững Vì vậy, thuật tốn cài đặt cho ứng dụng xác thực thông tin ảnh số 2.2.1 Cơ sở lý thuyết Ý tưởng thuật toán kỹ thuật chia ảnh gốc thành khối nhỏ, số lượng bit giấu khối tùy thuộc vào thuật toán Thuật toán dùng cho ảnh màu, ảnh đa mức xám ảnh đen trắng để dễ trình bày thuật tốn sử dụng ảnh đen trắng Một số phép toán thường dùng thủy vân miền không gian: Phép đảo bit: phép biến đổi bit nhị phân Đảo bit b hiểu phép biến đổi thay b 1-b, tức ban đầu b nhận giá trị sau đảo bit nhận giá trị ngược lại, ban đầu b có giá trị sau đảo b mang giá trị Phép XOR (kí hiệu ): phép cộng loại trừ phần tử tương ứng hai ma trân: C= A  B, với  Cij =1 Aij  Bij; Cij=0 Aij = Bij  Phép Sum ma trận A (ký hiệu Sum[A]) định nghĩa tổng tất phần tử ma trận A Phép nhân bit hai ma trận A, B (ký hiệu A^ B) định nghĩa: Footer Page of 237 Header Page 10 of 237 C=A ^ B, với Cij =1 Aij =Bij=1, Cij=0 trường hợp lại Phép nhân hai ma trận số nguyên A, B (ký hiệu AB) định nghĩa: C= A  B, với Cij = Aij * Bij 2.2.2 Một số thuật toán 2.2.2.1 Thuật toán 1(SW) Đây thuật toán đơn giản (Simple Watermarking) Cho file ảnh Bitmap đen trắng F, liệu thủy vân d biểu diễn dạng nhị phân (dãy bit 0/1) Các bit gọi điểm đen, bit gọi điểm trắng Ý tưởng thuật toán chia ảnh gốc thành khối nhỏ, khối nhỏ giấu không bit thơng tin 2.2.2.2 Thuật tốn (Wu-Lee) Thuật tốn tác giả M.Y Wu J.H.Lee đưa cải tiến thuật toán việc đưa thêm khóa K sử dụng q trình nhúng tách thủy vân đồng thời đưa thêm điều kiện đảo bit khối Với thuật tốn này, nhúng bít vào khối cách hiệu chỉnh nhiều bít khối Kỹ thuật có khả làm tăng liệu nhúng Xét ảnh gốc F, khóa bí mật K số liệu nhúng vào F Khóa bí mật K ma trận ảnh có kích thước mxn Để đơn giản ta giả sử kích thước ảnh gốc F bội số mxn Quá trình nhúng thu ảnh F có số bit bị hiệu chỉnh Thuật toán thực sau: 2.2.2.3 Thuật toán (PCT) Thuật toán đưa tác giả Hsiang-Kuang Pan, Yu-Yuan Chen, and Yu-Chee Tseng Thuật toán cho phép nhúng nhiều bit vào khối cách đảo bit khối Trong thuật tốn có sử dụng khóa K ma trận trọng số W nhằm bảo đảm an toàn cho thủy vân nhúng - Khóa bí mật K: ma trận nhị phân có kích thước mxn với kích thước khối ảnh Khóa dùng cách bí mật người gửi người nhận - Ma trận trọng số W cấp r: ma trận có kích thước kích thước khối ảnh (mxn) thỏa mãn điều kiện sau: + W ma trận số nguyên có phần tử nằm khoảng (0 2r-1) với r cho trước thỏa mãn điều kiện 2r