dụng phép biến đổi mở rộng hiệu
Để so sánh, đánh giá khả năng nhúng tin và chất lượng ảnh của các lược đồ sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu [10,15,33,35,40] với lược đồ đề xuất, trong thực nghiệm sử dụng 4 ảnh đa cấp xám có kích thước 256 × 256 như hình sau:
a) Pagoda b) Pepper c) Baboon d) Plane
Hình 3.9. Bộ ảnh thử nghiệm các lược đồ thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu.
3.5.5.1. Khả năng nhúng tin
Như đã trình bày ở trên, khả năng nhúng tin của các lược đồ là số bít nhúng được sau khi đã trừ đi số bít của mã nén 𝑀𝑁. Vì vậy khả năng nhúng tin cũng phụ thuộc vào tính hiệu quả của thuật toán nén. Trong thử nghiệm, luận án sử dụng chung thuật toán mã hóa loạt dài (Run Length) để nén bản đồ định vị 𝑀. Kích thước véc tơ điểm ảnh 𝑛 được chọn để đạt được khả năng nhúng cao nhất cho mỗi lược đồ. Với lược đồ Tian chọn 𝑛 = 2 (cặp điểm ảnh), các lược đồ Alattar và Mohammad chọn
𝑛 = 9 (khối 3 × 3), những lược đồ còn lại chọn 𝑛 = 16 (khối 4 × 4). Kết quả thử nghiệm được đưa ra trong bảng sau:
Bảng 3.9. Khả năng nhúng tin của các lược đồ thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu.
Lược đồ Các ảnh thử nghiệm
Pagoda Pepper Baboon Plane
Tian 20889 29329 29625 29384 Alattar 32144 48232 51704 47688 Mohammad 32096 48256 51712 47712 Lee 28999 43981 43981 39950 Khodaei 29761 48711 45855 46696 Lược đồ đề xuất 3.5 35160 50670 51885 48510
86
Các số liệu trên Bảng 3.9 cho thấy, khả năng nhúng tin (số bít của dấu thủy vân) của lược đồ đề xuất cao hơn so với các lược đồ [10,15,33,35,40].
3.5.5.2. So sánh chất lượng ảnh
Chất lượng ảnh thủy vân (hệ số 𝑃𝑆𝑁𝑅) rõ ràng phụ thuộc vào độ dài của dấu thủy vân W. Để có được chất lượng ảnh tốt nhất khi nhúng W vào ảnh gốc, mỗi lược đồ chọn ra cáchiệu nhỏ nhất (về giá trị tuyệt đối) trên các khối khả mở để nhúng.
Trong thực nghiệm sinh ngẫu nhiên (sử dụng hàm randi trong Matlab) 6 dãy bít dấu thủy vân có độ dài từ 3000 đến 30000 và được nhúng vào ảnh Pepper theo từng lược đồ. Hệ số 𝑃𝑆𝑁𝑅 giữa ảnh thủy vân của các lược đồ so với ảnh gốc được trình bày trong bảng sau:
Bảng 3.10. Hệ số 𝑃𝑆𝑁𝑅 (dB) của các lược đồ thủy vân thuận nghịch sử dụng phép biến đổi mở rộng hiệu với dấu thủy vân có độ dài khác nhau.
Lược đồ Độ dài của W (số bít nhúng)
3000 7000 15000 20000 25000 30000 Tian 64.52 58.74 53.19 48.85 45.20 39.97 Alattar 62.30 56.58 51.06 48.19 45.80 43.96 Mohammad 62.48 56.62 53.34 49.89 47.05 44.89 Lee 57.53 53.86 48.27 45.35 43.11 41.25 Khodaei 64.51 54.04 49.16 45.92 43.99 41.49 Lược đồ đề xuất 3.5 64.52 59.32 54.04 51.07 48.25 44.46 Các số liệu ở bảng trên cho thấy, trong phần lớn các trường hợp, chất lượng ảnh thủy vân của lược đồ đề xuất tốt hơn 5 lược đồ liên quan.
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
dùng trong xác thực tính toàn vẹn của ảnh số
Để dấu thủy vân nhạy cảm với các phép tấn công trên ảnh thủy vân, trong [65] phân hoạch ảnh 𝐼 thành hai phần 𝑍1 và 𝑍2. Vùng ảnh 𝑍2 được dùng để tạo dấu thủy vân 𝑊 thông qua hàm băm ℎ:
𝑊 = ℎ(𝑍2)
Tiếp theo, dấu thủy vân 𝑊 có thể được mã hóa trước khi nhúng vào vùng ảnh 𝑍1
87
Ảnh thủy vân 𝐼′ là sự kết hợp của vùng ảnh 𝑍1′ và 𝑍2. Với phương pháp thủy vân như vậy có thể phát hiện mọi sự tấn công trên vùng 𝑍2 nhưng có thể không phát hiện được sự tấn công trên 𝑍1′, đặc biệt là kiểu tấn công chẵn lẻ (parity attacks).
Sử dụng ý tưởng dùng hàm băm để tạo dấu thủy vân và kết hợp với hai lược đồ thủy vân thuận nghịch đã đề xuất trong các mục 3.3, mục 3.5, phần này đề xuất mô hình thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai trên hai định dạng ảnh JPEG và BMP. Ngoài ưu điểm có thể khôi phục lại ảnh gốc, mô hình đề xuất có khả năng phát hiện mọi sự thay đổi trái phép trên ảnh thủy vân, kể cả dạng tấn công chẵn lẻ.
3.6.1.Mô hình nhúng dấu thủy vân
Thuật toán tạo và nhúng dấu thủy vân trên ảnh gốc 𝐼 (ảnh JPEG hoặc BMP) để nhận được ảnh thủy vân 𝐼’. Quá trình thực hiện theo hình sau:
Ảnh gốc I Hàm băm SHA2 Mã hóa Rabin Nhúng tin thuận
nghịch Ảnh thủy vân I’
Mã đại
diện H
Mã đại
diện H Dấu thủy vân W Dấu thủy vân W
Khóa bí mật K1 Khóa bí mật K1
Hình 3.10.Quá trình tạo và nhúng dấu thủy vân của mô hình thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai.
Trên Hình 3.10, thuật toán sử dụng hàm băm SHA2-348 (ký hiệu SHA2) để xác định mã đại diện cho ảnh 𝐼. Nếu 𝐼 là ảnh định dạng JPEG thì 𝐻 là mã đại diện của các hệ số DCT lượng tử. Trong trường hợp 𝐼 là ảnh định dạng BMP thì 𝐻 là mã đại diện cho các điểm ảnh.
Khi đó, mã đại diện 𝐻 có độ dài 348 bít và được mã hóa bằng hệ mật mã Rabin thông qua khóa bí mật 𝐾1 (sơ đồ chữ ký Rabin [7, trang 139-142]) để nhận được dấu thủy vân 𝑊. Dấu thủy vân 𝑊 được nhúng vào ảnh gốc 𝐼 bằng thuật toán 3.3.1 đối với ảnh JPEG, hoặc bằng thuật toán 3.5.3 đối với ảnh BMP để nhận được ảnh thủy vân 𝐼’. Ảnh thủy vân 𝐼’ dùng để trao đổi trên các kênh truyền công khai.
3.6.2.Mô hình xác thực tính toàn vẹn
Trong quá trình trao đổi, ảnh thủy vân 𝐼′ có thể bị tấn công thành ảnh 𝐼∗. Việc xác định tính toàn vẹn trên ảnh 𝐼∗ thực hiện theo hình sau:
88
Ảnh thủy vân I* và khôi phục ảnh gốcTrích dấu thủy vân
Giải mã Rabin Hàm băm SHA2 Ảnh khôi phục Ảnh khôi phục Dấu thủy vân W* Dấu thủy vân W*
Khóa công khai K2
Khóa công khai K2
Mã đại diện H** Mã đại diện H** 0/1 0/1 Mã đại diện H* Mã đại diện H*
Hình 3.11.Quá trình xác thực tính toàn vẹn của mô hình thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai.
Theo Hình 3.11, trước tiên thực hiện trích dấu thủy vân 𝑊∗ và khôi phục được ảnh 𝐼̃ ứng với ảnh 𝐼∗ bằng thuật toán 3.3.2 đối với ảnh định dạng JPEG (bằng thuật toán 3.5.4 đối với ảnh định dạng BMP). Dấu thủy vân 𝑊∗ được giải mã với khóa công khai 𝐾2 thông qua hệ mật mã Rabin để nhận được mã đại diện 𝐻∗∗.
Mặt khác, từ ảnh khôi phục 𝐼̃, thuật toán sử dụng hàm băm SHA2 như trong quá trình thủy vân để xác định mã đại diện 𝐻∗. Mã đại diện 𝐻∗ được so sánh với 𝐻∗∗ để xác định tính toán vẹn của ảnh 𝐼∗. Nếu 𝐻∗ =𝐻∗∗, thì kết luận ảnh 𝐼∗ chính là ảnh 𝐼′
và ảnh 𝐼̃ là ảnh gốc 𝐼. Nếu trái lại, thì kết luận ảnh 𝐼∗ đã bị tấn công.
Do dấu thủy vân là đại diện của toàn bộ ảnh và được xác định bởi hàm băm nên chỉ cần một sự thay đổi nhỏ dù chỉ vài bít thì mã đại diện cũng bị biến đổi (tính chất của hàm băm). Vì vậy, mô hình thủy vân đề xuất có khả năng phát hiện mọi sự tấn công trái phép trên ảnh đã thủy vân.
Cũng với mô hình đề xuất như trên, nếu ta phân hoạch ảnh gốc thành các vùng nhỏ và thực hiện thủy vân độc lập trên từng vùng nhỏ thì ngoài những ưu điểm đã nêu, lược đồ này còn có khả năng định vị các vùng ảnh bị tấn công. Việc định vị được các vùng ảnh bị tấn công không những giúp cho người dùng an tâm sử dụng những vùng ảnh còn lại (những vùng ảnh chưa bị tấn công) mà còn giúp chúng ta dự đoán được mục đích tấn công của đối thủ.
3.7. Đề xuất mô hình bảo mật và xác thực dữ liệu trên đường truyền
truyền
Như đã đề cập trong Chương 2, việc nhúng tin mật vào các dữ liệu được truyền tải phổ biến trên Internet sẽ khắc phục được sự hạn chế của phương pháp mật mã là không gây ra sự chú ý cho các đối thủ. Tuy nhiên trong quá trình truyền tải, dữ liệu chứa tin mật có thể bị thay đổi do vô tình hay có chủ định. Sự thay đổi này dẫn đến người nhận không xác định được thông tin đã khôi phục có chính là nội dung cần trao đổi hay không. Do vậy, trong thực tế cần phải xác định tính toàn vẹn của dữ
89
liệu chứa tin mật trước khi thực hiện quá trình trích tin. Ngoài ra, các lược đồ giấu tin mật thường sử dụng mô hình khóa đối xứng, do đó giữa người gửi và người nhận cần thực hiện quá trình trao đổi khóa.
Dựa trên hai lược đồ giấu tin đã đề xuất trong Chương 2 và lược đồ thủy vân thuận nghịch đề xuất trong mục 3.5 (lược đồ đề xuất 3.5), phần này đề xuất mô hình bảo mật và xác thực dữ liệu trên đường truyền. Trong mô hình đề xuất sử dụng sơ đồ Rabin mới (mục 2.3) để trao đổi các khóa bí mật của lược đồ giấu tin ở mục 2.5 (hoặc lược đồ giấu tin trong mục 2.6) và khóa 𝑆 (là một chuỗi ký tự, thông tin về 𝑆
được giữ bí mật). 𝑆 được sử dụng làm khóa cho cả hệ thống, người gửi sử dụng 𝑆 để thủy vân ảnh chứa tin mật, người nhận sử dụng 𝑆 để xác thực tính toàn vẹn của ảnh nhận được trước khi trích tin mật từ ảnh này. Hai quá trình này được mô tả như Hình 3.12 và Hình 3.13.
3.7.1.Mô hình nhúng tin mật và dấu thủy vân
Quá trình nhúng tin mật và dấu thủy vân trên ảnh gốc 𝐼 được thực hiện ở phía người gửi như sau:
Ảnh chứa tin mật I’
Ảnh chứa
tin mật I’
Ảnh gốc I Nhúng tin Hàm băm Dấu thủy vân W vào ảnh I’Nhúng dấu thủy Ảnh I* vân W Dấu thủy vân W Tin mật Khóa S Khóa S Ghép dữ liệu Dẫy byte Dẫy byte
Hình 3.12. Quá trình nhúng tin mật và dấu thủy vân.
Trên Hình 3.12, tin mật được nhúng vào các bít thấp của ảnh gốc 𝐼 theo thuật toán nhúng tin mục 2.5.4 (hoặc thuật toán nhúng tin mục 2.6.1) để nhận được ảnh 𝐼’. Chức năng Ghép dữ liệu tạo dẫy byte bằng cách ghép (nối hai dẫy) dữ liệu của ảnh
𝐼’ với khóa 𝑆. Dấu thủy vân 𝑊 là mã đại diện của ảnh 𝐼’ và khóa 𝑆 (dẫy byte sau khi ghép) được xác định bởi Hàm băm SHA2. 𝑊 được nhúng vào ảnh 𝐼’ bằng thuật toán mục 3.5.3 để nhận được ảnh 𝐼∗. Ảnh 𝐼∗ được dùng để trao đổi trên các kênh truyền không an toàn.
90
3.7.2.Mô hình xác thực và trích tin mật
Trong quá trình truyền tải, ảnh 𝐼∗ có thể bị thay đổi (do vô tình hoặc có chủ định) thành ảnh 𝑍∗. Quá trình xác thực và trích tin mật trên ảnh 𝑍∗ ở phía người nhận được thực hiện theo hình sau:
Ảnh Z’
Ảnh Z’
Ảnh Z* Trích dấu thủy vân W’
và khôi phục ảnh Z’ Hàm băm
Trích tin mật từ ảnh Z’
Dấu thủy vân W’
Dấu thủy vân W’
Khóa S Khóa S 0 0 Tin mật W* W* Ghép dữ liệu Dẫy byte Dẫy byte Ảnh Z’ Ảnh Z’
Hình 3.13. Quá trình xác thực tính toàn vẹn và trích tin mật.
Theo Hình 3.13, người nhận sử dụng thuật toán mục 3.5.4 để trích dấu thủy vân
𝑊′ và khôi phục ảnh 𝑍’ từ ảnh 𝑍∗. Tiếp theo, thuật toán sử dụng Hàm băm SHA2 để xác định mã đại diện 𝑊∗ của ảnh 𝑍’ và khóa 𝑆 (chức năng Ghép dữ liệu được thực hiện như trong mục 3.7.1). Dấu thủy vân 𝑊′ được so sánh với mã đại diện 𝑊∗: Nếu
𝑊′ khác 𝑊∗ thì không trích tin mật trên ảnh 𝑍’, nếu trái lại thì sử dụng thuật toán trích tin trong mục 2.5.4 (hoặc thuật toán 2.6.2) để khôi phục tin mật từ ảnh 𝑍’.
3.8. Kết luận chương 3
Theo [9,41,50], thủy vân thuận nghịch thuộc nhóm thủy vân dễ vỡ, hai tính chất quan trọng nhất của thủy vân thuận nghịch là khả năng nhúng tin và chất lượng ảnh. Để khôi phục được ảnh gốc từ ảnh thủy vân, các lược đồ thủy vân thuận nghịch thường sử dụng một số kỹ thuật như: nén bảo toàn; dịch chuyển histogram, sử dụng đặc trưng nén JPEG và các phép biến đổi nguyên thuận nghịch.
Dựa trên đặc trưng ảnh nén JPEG, chương này đã đề xuất lược đồ thủy vân thuận nghịch trên ảnh JPEG (mục 3.3). Với mỗi khối DCT lượng tử (của thành phần chói) của ảnh gốc, lược đồ đề xuất nhúng tối đa 10 bít dấu thủy vân trên 5 đường chéo liền kề với đường chéo chính của khối. Các phân tích lý thuyết và kết quả thực nghiệm cho thấy, lược đồ đề xuất có khả năng nhúng tin cao hơn và chất lượng ảnh tốt hơn so với các lược đồ liên quan [16,18].
Đối với các phép biến đổi nguyên thuận nghịch, phép biến đổi mở rộng hiệu được đánh giá là một trong những phương pháp có nhiều tiềm năng [41,50]. Với mục đích tăng khả năng nhúng tin và cải thiện chất lượng ảnh, thay cho việc xét cặp
91
hai điểm ảnh như Tian [33], các lược đồ [10,15,35,40] mở rộng trên véc tơ 𝑛 điểm ảnh để tạo ra 𝑛 − 1 hiệu. Tuy nhiên, các phân tích lý thuyết và kết quả thực nghiệm cho thấy, hai lược đồ Alattar [10] và Mohammad [35] chỉ thực hiện tốt đối véc tơ có 4 điểm ảnh, do đó khả năng nhúng tin chưa được nhiều.
Để cải thiện chất lượng ảnh bằng cách tạo ra nhiều hiệu có giá trị nhỏ (nhỏ theo tuyệt đối), lược đồ [15] chọn phần tử có giá trị nằm giữa giá trị min và max của véc tơ làm phần tử cơ sở để lập lên 𝑛 − 1 hiệu. Tuy tạo được nhiều hiệu nhỏ, nhưng lược đồ [15] lại không sử dụng được các hiệu bằng 0 (các hiệu nhỏ nhất). Với ý tưởng sử dụng tính tương quan của các điểm ảnh để tạo nhiều hiệu nhỏ, lược đồ [40] chọn phần tử trung vị của véc tơ làm phần tử cơ sở. Tuy nhiên, đối với véc tơ có nhiều phần tử thì tính tương quan giữa các điểm ảnh so với phần tử ở giữa sẽ không cao, do vậy số hiệu nhỏ của lược đồ [40] chưa nhiều.
Sử dụng ý tưởng sắp xếp của [15], chương này đã đề xuất lược đồ thủy vân thuận nghịch mới trên véc tơ điểm ảnh bằng phương pháp mở rộng hiệu (mục 3.5). Giống như [15], lược đồ mới cũng chọn phần tử ở giữa giá trị min và max của véc tơ làm phần tử cơ sở, nhưng cách chọn của lược đồ mới cho phép sử dụng cả các hiệu bằng 0 (các hiệu nhỏ nhất). Các phân tích lý thuyết và kết quả thực nghiệm cho thấy, lược đồ đề xuất có khả năng nhúng tin cao hơn và chất lượng ảnh tốt hơn so với 5 lược đồ liên quan [10,15,33,35,40]. Hai lược đồ đề xuất thuộc nhóm thủy vân dễ vỡ nên có thể sử dụng trong xác thực tính toàn vẹn của ảnh số nói riêng và sản phẩm đa phương tiện nói chung.
Bằng cách kết hợp sơ đồ chữ ký Rabin với hai lược đồ thủy vân thuận nghịch đã đề xuất, chương này đã trình bày mô hình thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai trên hai định dạng ảnh JPEG và ảnh BMP. Ngoài ưu điểm khôi phục được ảnh gốc, mô hình đề xuất còn có khả năng phát hiện mọi sự tấn công trên ảnh thủy vân dù chỉ vài bít.
Ngoài những kết quả nêu trên, chương này còn trình bày cách kết hợp các phương pháp đã đề xuất trong Chương 2 và lược đồ đề xuất ở mục 3.5 để xây dựng mô hình bảo mật và xác thực dữ liệu trên đường truyền (mục 3.7). Mô hình mới đảm bảo thông tin trích được chính là tin mật cần trao đổi.
92
CHƯƠNG 4. THỦY VÂN BỀN VỮNG KHÓA CÔNG KHAI
SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ
4.1. Khái quát về thủy vân bền vững
Như đã đề cập ở Chương 1, thủy vân bền vững yêu cầu dấu thủy vân phải tồn tại trước những phép tấn công nhằm loại bỏ dấu thủy vân, hoặc trong trường hợp loại bỏ được dấu thủy vân thì ảnh sau khi bị tấn công cũng không còn giá trị sử dụng. Do vậy, thủy vân bền vững thường được ứng dụng trong bài toán bảo vệ bản quyền hay chứng minh chủ sở hữu đối với các sản phẩm đa phương tiện chứa dấu thủy vân. Để tăng cường tính bền vững, hầu hết các lược đồ thủy vân bền vững [8,22,30,34,37,51,53,54,62]nhúng dấu thủy vân trên miền biến đổi thông dụng như: DCT, DWT, SVD, NMF và QR. Trên miền biến đổi, năng lượng của ảnh thường
