Thủy Vân xử lí ảnh
1 MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số cùng với sự phát triển của internet đã làm cho việc trao đổi thông tin liên lạc cũng như việc phân phối và sử dụng các sản phẩm truyền thông trở nên nhanh chóng và dễ dàng hơn. Dữ liệu số bị sao chép và phát tán mà không mất đi chất lượng và không tốn tiền trả bản quyền cho tác giả của sản phẩm. Việc sao chép bất hợp pháp các sản phẩm trong các lĩnh vực âm nhạc, phim ảnh, sách báo, tranh ảnh, phần mềm,… đã làm suy yếu những ngành công nghiệp này. Nhu cầu được bảo vệ bản quyền sở hữu trí tuệ các sản phẩm số đã trở thành một vấn đề quan trọng và đang nhận được nhiều sự quan tâm cũng như nghiên cứu của các chuyên gia trên thế giới, với hướng tiếp cận dùng các kỹ thuật tác động lên sản phẩm để bảo vệ bản quyền, chống sao chép, bảo mật các dữ liệu trước khi truyền và đưa lên mạng. Thủy vân ra đời được đánh giá mang lại nhiều ứng dụng trong việc phát hiện xuyên tạc, bảo vệ bản quyền, kiểm soát truy cập dữ liệu đa phương tiện, đặc biệt là trong ảnh số. Đề tài tập trung nghiên cứu dụng kỹ thuật thủy vân vào việc bảo vệ bản quyền ảnh số và xây dựng chương trình ProWatermark viết bằng ngôn ngữ Matlab với các tính năng phục vụ cho việc đóng dấu chủ sở hữu và kiểm tra, xác nhận thông tin bản quyền ảnh. Nội dung nghiên cứu đã tiếp cận kỹ thuật thủy vân trong miền tần số, áp dụng phép biến đổi wavelet rời rạc đa phân giải nhằm tìm ra sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền vững của thủy vân trước các phép tấn công ảnh, tính ẩn của thủy vân phù hợp với mô hình đa kênh của hệ thống thị giác ở người, cũng như dung lượng của thủy vân nhúng. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN Chương này giới thiệu tổng quan về giấu tin, từ đó đi sâu vào tìm hiểu lý thuyết của kỹ thuật thủy vân – một trong hai hướng cơ bản của kỹ thuật giấu tin [02], [04], [05], [06], [07], [11], [13], [14], [16] 1.1. Giới thiệu giấu tin Mật mã và giấu tin 1.1.1. Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống của chúng ta. Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng có những thách thức và cơ hội mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số, … đã thúc đẩy khả năng sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện. Mạng Internet toàn cầu đã tạo ra những cơ cấu ảo - nơi diễn ra các quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại. Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần các giải pháp hữu hiệu nhằm đảm bảo an toàn thông tin, chống lại các nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép, … Việc tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp chúng ta hiểu thêm về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn tạo ra những cơ hội phát triển mới. Trong một thời gian dài, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đã được đưa ra, trong đó giải pháp dùng mật mã được ứng dụng rộng rãi nhất. Các hệ mã đã được phát triển nhanh chóng và được ứng dụng rất phổ biến. Thông tin ban đầu sẽ được mã hoá thành các ký hiệu vô nghĩa, sau đó sẽ được lấy lại thông qua việc giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có nhiều hệ mã phức tạp và hiệu quả được sử dụng như DES, RSA, . Nhưng ở đây không đề cập về các hệ mã mật mà tìm hiểu về một phương pháp đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Đó là phương pháp giấu thông tin, đây là phương pháp mới đang được xem như là một công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, xác nhận thông tin và điều khiển truy cập ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin. 3 Giả sử ta có đối tượng cần bảo mật R (một văn bản, một ảnh hoặc một tập tin âm thanh chẳng hạn). Nếu dùng phương pháp mã hoá để bảo mật R ta sẽ thu được bản mật mã của R là R’ chẳng hạn. Thông thường, R’ mang những giá trị có nghĩa và chính điều này làm cho đối phương nghi ngờ và tìm mọi cách thám mã. Ngược lại, nếu dùng phương pháp giấu R vào một đối tượng khác, một bức ảnh F chẳng hạn ta sẽ thu được bức ảnh F’ hầu như không sai khác với F. Sau đó chỉ cần gửi ảnh F cho người nhận. Để lấy ra bản tin R từ ảnh F’ ta có thể cần hoặc không cần ảnh gốc F tùy theo từng phương pháp. Như vậy, khi đối phương bắt được tấm ảnh F’ nếu đó là ảnh lạ (ảnh cá nhân, ảnh phong cảnh của những nơi không nổi tiếng) thì khó nảy sinh nghi ngờ về khả năng chứa tin mật trong F. Sự khác biệt giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mức độ lộ liễu của đối tượng mang tin mật. Nếu ta phối hợp hai phương pháp trên thì mức độ lộ liễu được giảm đến mức tối đa, đồng thời độ an toàn cũng được nâng cao. Chẳng hạn, ta có thể mã hoá R thành R’ sau đó mới giấu R’ vào ảnh F để thu được ảnh F’. Tóm lại, giấu thông tin và hệ mã mật có quan hệ mật thiết với nhau, cùng xây dựng nên một hệ thống an toàn và bảo mật thông tin. Khái niệm giấu tin 1.1.2. 1.1.2.1. Khái niệm cơ bản Giấu tin là kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. “Giấu tin” nhiều khi chỉ mang tính quy ước không phải là một hành động cụ thể. 1.1.2.2. Lịch sử hình thành và phát triển Các câu chuyện kể về kỹ thuật giấu thông tin được truyền qua nhiều thế hệ. Có lẽ những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông điệp thuộc về sử gia Hi Lạp Herodotus. Khi bạo chúa Hi Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ V trước Công nguyên, ông ta đã gửi một thông báo bí mật cho con rể của mình là Aristagoras ở Miletus. Histiaeus đã cạo trọc đầu một nô lệ tin cậy và xăm một thông điệp trên da đầu của anh ta. Khi tóc của người nô lệ mọc ra đủ dài thì người nô lệ được gửi tới Miletus. Một câu chuyện khác về thời Hi Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại. Môi trường để ghi văn bản chính là các viên thuốc được bọc trong sáp ong. Demeratus, một 4 người Hi Lạp định báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hi Lạp. Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bóc lớp sáp ong ra khỏi các viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại các viên thuốc bằng một lớp sáp ong mới. Những viên thuốc mang tin mật đã ngụy trang được để cùng với các viên thuốc thông thường khác và lọt qua mọi sự kiểm soát một cách dễ dàng. Mực không màu là phương tiện hữu ích cho bảo mật thông tin trong một t hờ i gian dài. Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước hoa quả, nước tiể u và sữa viết các thông báo bí mật giữa các hàng văn tự thông thường. Khi được hơ nóng, những thứ mực này trở nên sẫm mầu và có thể đọc được. Mực không màu cũng vẫn còn được sử dụng gần đây, chẳng hạn trong chiến tranh thế giới thứ II. Ý tưởng về che giấu thông tin đã có hàng ngàn năm trước nhưng kỹ thuật này được dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo. Mãi cho tới vài t h ậ p niên gần đây, giấu tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các v iệ n công nghệ thông tin với nhiều công trình nghiên cứu. Sự phát triển của thông tin số và mạng truyền thông (đặc biệt là mạng Internet) cùng với các kỹ thuật sao chép hoàn hảo, kỹ thuật chỉnh sửa, thay thế tinh vi đã và đang làm nảy sinh nhiều vấn đề nhứ c nhối về nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc trái phép, lan truyền thông tin bất hợp ph á p. Phân loại giấu tin 1.1.3. Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau: Hình 1.1. Sơ đồ phân loại kỹ thuật giấu tin 5 1.1.3.1. Phân loại theo khuynh hướng Theo Fabien A.P. Petitcolas đề xuất năm 1999, kỹ thuật giấu tin nhằm mục đích an toàn và bảo mật thông tin ở hai khía cạnh: Bảo mật dữ liệu đem giấu. Bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin. Từ hai khía cạnh trên dần dần hình thành hai khuynh hướng chủ yếu của giấu tin: Giấu tin mật (Steganography): Từ “Steganography” bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp, “stegano” có nghĩa là “covered”, còn “graphien” có nghĩa là “to write”. Như vậy, “steganography” có nghĩa là tài liệu được phủ “covered writing”. Steganography là kỹ thuật nhúng tin mật vào môi trường giấu tin., sao cho thông tin giấu được càng nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó phát hiện được đối tượng có được giấu tin bên trong hay không bằng các kỹ thuật thông thường. Thủy vân số (Watermarking): Là kỹ thuật nhúng dấu ấn số vào một tài liệu hoặc sản phẩm, nhằm chứng thực nguồn gốc hay chủ sở hữu. Bảng 1.1. Bảng so sánh giữa giấu tin mật và thủy vân số Giấu tin mật Thủy vân số - Mục đích là bảo vệ thông tin được giấu. - Giấu được càng nhiều thông tin càng tốt, ứng dụng trong truyền dữ liệu thông tin mật. - Thông tin được giấu phải ẩn, không cho người khác thấy được bằng mắt thường. - Chỉ tiêu quan trọng nhất là dung lượng của tin được giấu. - Mục đích là bảo vệ môi trường giấu tin. - Chỉ cần thông tin đủ để đặc trưng cho bản quyền của chủ sở hữu. - Thông tin giấu có thể ẩn (thủy vân ẩn) hoặc hiện (thủy vân hiện). - Chỉ tiêu quan trọng nhất là tính bền vững của tin được giấu. 6 1.1.3.2. Phân loại theo môi trường giấu tin Kỹ thuật giấu tin đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng, nhưng phổ biến ở ba dạng dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio, video. Giấu tin trong ảnh: Kỹ thuật giấu tin trong ảnh hiện nay chiếm tỷ lệ lớn nhất trong các chương trình ứng dụng, các phần mềm và hệ thống giấu tin trong đa phương tiện, bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn. Hơn nữa giấu tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng đối với hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin như nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật… Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và các viện nghiên cứu trên thế giới. Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Ngày nay, khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại rất nhiều những lợi ích quan trọng trên nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Chẳng hạn như: Chữ kí tay đã được số hoá và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng để nhận thực trong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng. Phần mềm MS Word của MicroSoft cũng cho phép người dùng lưu trữ chữ kí trong ảnh nhị phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính an toàn của thông tin. Giấu tin trong audio: Kỹ thuật giấu thông tin trong audio phụ thuộc vào hệ thống thính giác của con người (HAS – Human Auditory System). HAS cảm nhận được tín hiệu ở dải tần rộng và công suất thay đổi lớn, nhưng lại kém trong việc phát hiện sự khác biệt nhỏ giữa dải tần và công suất. Điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần có thể che giấu được các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng. Bên cạnh đó kênh truyền tin hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu. Giấu thông tin trong audio yêu cầu rất cao 7 về tính đồng bộ và tính an toàn của thông tin. Giấu tin trong video: Kỹ thuật giấu tin trong video được quan tâm và phát triển mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiển truy cập thông tin, nhận thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Trong các thuật toán trước đây thường cho phép giấu ảnh vào trong video, nhưng gần đây kỹ thuật cho phép giấu cả âm thanh và hình ảnh vào trong video. Kỹ thuật giấu thông tin áp dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con người và đang được áp dụng cho nhiều loại đối tượng chứ không riêng gì dữ liệu đa phương tiện như ảnh, audio hay video. Gần đây đã có một số nghiên cứu giấu tin trong cơ sở dữ liệu quan hệ, các gói IP truyền trên mạng và sau này còn tiếp tục phát triển tiếp cho các môi trường dữ liệu số khác. Phạm vi của đề tài nghiên cứu này chỉ đề cập đến kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh - một kỹ thuật được nghiên cứu chủ yếu nhất hiện nay. Mô hình giấu tin cơ bản 1.1.4. Giấu thông tin vào phương tiện chứa và tách lấy thông tin từ phương tiện chứa là hai quá trình trái ngược nhau (Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm 1999). Giấu thông tin vào phương tiện chứa 1.1.4.1. Quá trình giấu thông tin vào phương tiện chứa được mô tả như sau: Hình 1.2. Lược đồ chung cho quá trình giấu ti n Thông tin cần giấu: tuỳ theo mục đích của người sử dụng, nó có thể là thông điệp (với các tin bí mật) hay các logo, hình ảnh bản quyền. Phương tiện chứa: các file audio, video, ảnh,… là môi trường để nhúng tin. Bộ nhúng thông tin: là những chương trình thực hiện việc giấu tin. 8 Khóa dấu tin: khóa dùng để xác thực thông tin. Đầu ra: là các phương tiện chứa đã có tin giấu trong đó. Phương tiện chứa sau khi giấu thông tin có thể được sử dụng, quản lý theo những yêu cầu khác nhau. Tách thông tin 1.1.4.2. Tách thông tin từ các phương tiện chứa diễn ra theo quy trình ngược lại, với đầu ra là các thông tin đã được giấu vào phương tiện chứa và được mô tả như sau: Hình 1.3 Lược đồ chung cho quá trình giải mã Sau khi nhận được phương tiện chứa có giấu thông tin, quá trình giải mã được thực hiện thông qua bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khoá của quá trình nhúng. Kết quả thu được gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Thông tin đã giấu sẽ được xử lý kiểm định so sánh với thông tin ban đầu. Tính chất của giấu tin trong ảnh 1.1.5. Để đánh giá chất lượng của một phương pháp giấu tin vào trong ảnh, người ta dựa vào một số chỉ tiêu sau: 1.1.5.1. Bảo đảm tính vô hình Giấu tin trong ảnh sẽ làm biến đổi ảnh mang tin, tính vô hình thể hiện mức độ biến đổi ảnh mang. Phương pháp giấu tin tốt sẽ làm cho thông tin mật trở nên vô hình trên ảnh mang, người dùng khó có thể nhận ra trong ảnh có ẩn chứa thông tin mật. Tuy nhiên với ẩn tin thì trong thực tế không phải lúc nào cũng cố gắng để đạt được tính vô hình cao nhất. Ví dụ trong truyền hình, người ta gắn hình ảnh mờ gọi là thủy ấn để bảo vệ bản quyền bản tin. 1.1.5.2. Khả năng chống giả mạo Một trong những mục đích của giấu tin là truyền đi thông tin mật. Nếu không thể do thám tin mật, thì kẻ địch cũng cố tìm cách làm sai lệch tin mật, làm giả mạo 9 tin mật để gây bất lợi cho đối phương. Phương pháp giấu tin tốt phải đảm bảo tin mật không bị tấn công một cách chủ động trên cơ sở những điều hiểu biết thuật toán nhúng tin và có ảnh mang (nhưng không biết khóa giấu tin). Đối với giấu tin thì khả năng chống giả mạo là yêu cầu vô cùng quan trọng, vì có như vậy mới bảo vệ được bản quyền, minh chứng tính pháp lý của sản phẩm. 1.1.5.3. Dung lượng giấu Dung lượng giấu tin được tính bằng tỉ lệ của lượng thông tin cần giấu so với kích thước ảnh mang tin. Các phương pháp đều cố gắng giấu được nhiều tin trong ảnh nhưng vẫn giữ được bí mật. Tuy nhiên trong thực tế người ta luôn phải cân nhắc giữa dung lượng và các tiêu chí khác như tính vô hình, tính bền vững. 1.1.5.4. Tính bền vững Sau khi giấu tin vào ảnh mang, bản thân ảnh mang có thể phải trải qua các biến đổi khác nhau như lọc (tuyến tính, phi tuyến tính), thêm nhiễu, làm sắc nét, mờ nhạt, quay, nén mất dữ liệu,… tính bền vững là thước đo sự nguyên vẹn của tin mật sau những biến đổi như vậy. 1.1.5.5. Độ phức tạp tính toán Độ phức tạp của thuật toán giấu tin và giải tin (tách tin) cũng là một chỉ tiêu quan trọng, chỉ tiêu này cho chúng ta biết tài nguyên (thời gian và bộ nhớ) dùng cho một phương pháp giấu tin. Với chủ nhân giấu tin thì thời gian thực hiện phải nhanh, nhưng với kẻ thám tin thì tách tin phải là bài toán khó. Ví dụ bài toán tách tin từ thủy ấn để đánh dấu bản quyền cần phải là bài toán khó, thì mới bền vững trước sự tấn công của tin tặc nhằm phá hủy thủy vân. 1.2. Kỹ thuật thủy vân 1.2.1. Khái niệm thủy vân 1.2.2.1. Khái niệm cơ bản Thủy vân (Watermarking) là kỹ thuật nhúng “dấu ấn số” (watermark – tin giấu) vào một sản phẩm số (audio, video, ảnh), mà tin giấu này có thể được phát hiện và tách ra sau đó, nhằm chứng thực (đánh dấu, xác thực) nguồn gốc hay chủ sở hữu của sản phầm số này. 10 Định nghĩa khác: thủy vân là kỹ thuật giấu thông tin theo kiểu đánh dấu (watermarking) để bảo vệ bản quyền của đối tượng chứa tin tập trung đảm bảo một số yêu cầu như đảm bảo tính bền vững, khả năng chống giả mạo, … Ví dụ về thủy vân: đóng dấu một dấu hiệu (như chữ ký) trên một bức ảnh để chứng thực nguồn gốc và chủ sở hữu của bức ảnh đó. Hình 1.4. Ví dụ về thủy vân 1.2.2.2. Lịch sử hình thành và phát triển Về mặt lịch sử, các kỹ thuật thủy vân trên giấy xuất hiện trong nghệ thuật làm giấy thủ công cách đây gần 700 năm. Tài liệu về thủy vân xưa nhất được tìm thấy là vào năm 1292 tại thị trấn Fabriano nước Ý nơi giữ vai trò chính trong cuộc cách mạng của ngành công nghiệp làm giấy. Mặc dù ban đầu thủy vân chỉ dùng để xác định nhãn giấy hay nhà máy giấy, nhưng sau này nó được dùng để xác định khổ, chất lượng và độ bền cũng như nền tảng cho ghi ngày tháng và xác thực giấy. Sự tương đồng giữa thủy vân giấy và thủy vân số có thể thấy ngay là thủy vân giấy trong tiền ngân hàng hay tem phiếu truyền cảm hứng cho thuật ngữ “watermark” trong phạm vi dữ liệu số. Tanaka và Caronni lần lượt đưa ra các bài báo đầu tiên tập trung vào thủy vân cho ảnh số vào năm 1990 và 1993. Đến năm 1995, chủ đề này bắt đầu được quan tâm nghiên cứu và phát triển nhanh chóng. Năm 1996, hội thảo về che dấu thông tin lần đầu tiên đưa thủy vân vào phần trình bày nội dung chính.