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 hành 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 bảo tính bền vững của thuỷ vân sao cho các tấn công có chủ định 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.
1.4.5. Đánh giá chất lƣợng ảnh trong thuỷ vân
Hệ thống thuỷ vân được nghiên cứu và ứng dụng theo hướng thuỷ vân dễ vỡ và thuỷ vân bền vững. Trong thuỷ vân bền vững, kỹ thuật thuỷ vân ẩn có nhiều hướng ứng dụng. Đối với 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.
1.4.5.1. 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 có sự sai khác so với ảnh gốc càng ít càng tốt. Có thể sử dụng hệ thống thị giác của con người để cảm nhận và đánh giá tiêu chuẩn này.
Việc đánh giá, so sánh một cách chính xác sự sai khác về chất lượng ảnh gốc F và ảnh sau khi nhúng thông tin thuỷ vân G có thể thực hiện qua việc tính giá trị PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) giữa ảnh gốc F và ảnh chứa thuỷ vân G cùng có kích thước mn theo công thức
; ) ( log 20 10 MSE F Max PSNR (1.1) Trong đó: m i n j j i G j i F n m MSE 1 1 2 ]) , [ ] , [ ( 1 (1.2)
MSE là bình phương độ lệch giữa ảnh gốc F và ảnh chứa thuỷ vân G. Với các phép nén ảnh, người ta chấp nhận giá trị PSNR trong khoảng 20-40dB. Giá trị
PSNR càng lớn thể hiện sự sai khác giữa ảnh gốc và ảnh sau khi nhúng thông tin càng thấp.
1.4.5.2. 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…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 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 lượng sự đúng sai của thuỷ vân.
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:
T = (số bit trùng nhau) /(tổng số bit) (1.3)
Chẳng hạn ta nhúng một thuỷ vân có độ dài là 1000 bit, khi giải mã so với thuỷ vân gốc, thuỷ vân tách được bị sai lệch mất 100 bit và 900 bit còn lại là trùng nhau, vậy tỷ lệ trùng khớp là T=900/1000=0.9. Giá trị T càng gần 1 thì sự sai khác giữa thuỷ vân tách được với thuỷ vân gốc càng thấp.
Chƣơng 2
MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ
2.1. CÁC HƢỚNG TIẾP CẬN CỦA GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ
Các phương pháp giấu tin trong ảnh số hiện nay có thể chia thành ba nhóm như sau:
1/. Giấu tin trong miền không gian (miền quan sát)
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. Các phương pháp như nhúng vào các bit có trọng số thấp (Least Significant Bit), phương pháp Wu-Lee, CPT…Những phương pháp này lấy từng bit của thông điệp mật rồi rải nó lên ảnh mang, làm thay đổi giá trị các điểm ảnh tại các điểm có giấu tin.
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.
2/. Giấu tin trên miền tần số
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. 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 ưu và nhược điểm 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 các 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 phổ biến như: Fourier (DFT), Cosin rời rạc (DCT), Wavelet, Contourlet… Đây là những phép biến đổi được sử dụng nhiều trong các kỹ thuật xử lý ảnh và âm thanh. Trong giấu tin, đặc biệt trong kỹ thuật thuỷ vân tiếp cận theo miền tần số, các phép biến đổi từ miền biến số tự nhiên của ảnh sang miền tần số như biến đổi Fourier, biến đổi Cosin rời rạc, Wavelet được sử dụng phổ biến.
3/. Giấu tin sử dụng mặt nạ giác quan
Nhóm phương pháp này được thực hiện trên nguyên lý đánh lừa hệ thống giác quan của con người. Mặt nạ ở đây có nghĩa là hiện tượng mắt người không cảm nhận được một tín hiệu nếu nó ở bên cạnh một tín hiệu nhất định nào đó.
Nếu phân chia các phương pháp giấu tin theo định dạng ảnh thì chúng ta có hai nhóm chính:
1/. Nhóm phƣơng pháp phụ thuộc định dạng ảnh:
Đặc điểm của các phương pháp này là thông tin dễ bị tổn thương bởi các phép biến đổi ảnh. Trong nhóm này lại chia ra theo định dạng ảnh mang, ta có các phương pháp khác nhau như phương pháp giấu tin trong ảnh có bảng mầu, ảnh Jpeg…
2/. Các phƣơng pháp độc lập với định dạng ảnh:
Các phương pháp này lợi dụng vào việc biến đổi ảnh để giấu tin vào trong đó. Dựa vào các phép biến đổi khác nhau, có các phương pháp giấu tin khác nhau như phương pháp biến đổi theo miền tần số (DCT, DFT, Wavelet); Các phương pháp biến đổi theo miền không gian; Các phương pháp dựa theo biến đổi hình học.
Nếu phân loại các phương pháp giấu tin theo đặc điểm kỹ thuật ta có:
1/. Phƣơng pháp thay thế: thay thế các bit dữ liệu trong bản đồ bit; Thay thế bảng mầu.
2/. Phƣơng pháp xử lý tín hiệu: Các phƣơng pháp biến đổi ảnh; Các kỹ thuật điều chế dải phổ.
3/. Phƣơng pháp mã hóa (coding): Lƣợng hóa, dithering, mã hóa sửa lỗi.
4/. Phƣơng pháp thống kê (kiểm thử giả thuyết) 5/. Phƣơng pháp sinh mặt nạ (Fractal)
2.2. CẤU TRÚC ẢNH BITMAP 2.2.1. Khái niệm 2.2.1. Khái niệm
Ảnh Bitmap là định dạng ảnh do Microsoft đề xuất, có phần mở rộng là BMP hoặc DIB (device – independent bitmap), định dạng ảnh này được dùng để lưu trữ ảnh số, phổ biến trên máy tính sử dụng hệ điều hành Windows, OS/2, và các thiết bị điện tử khác. Dữ liệu ảnh bitmap là một ma trận điểm ảnh, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi một số bit. Ảnh bitmap được chia thành ba dạng: Ảnh đen trắng, ảnh đa mức xám và ảnh màu.
Ảnh đen trắng: là ảnh mà mỗi điểm ảnh chỉ thể hiện một trong hai trạng
thái 0 và 1 để biểu diễn trạng thái điểm ảnh đen hay trắng.
Ảnh đa mức xám: là ảnh mà mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi một giá trị
và đó là cường độ sáng của điểm ảnh.
Ảnh màu: Mỗi điểm ảnh được đại diện bởi ba giá trị màu RGB, ứng với mỗi
đại lượng R, G, B ta sẽ được một giá trị màu tương ứng. Số lượng màu mà máy tính có thể biểu diễn lên tới hàng triệu màu. Nhưng số màu thực sự của một ảnh nào đó có thể là khá nhỏ. Để tiết kiệm bộ nhớ, với các ảnh có số lượng màu nhỏ hơn 256 thì màu của các điểm ảnh được lưu trữ dưới dạng bảng màu (palette). Với các ảnh có số màu lớn hơn 256 thì màu của điểm ảnh không tổ chức dưới dạng bảng màu, khi đó giá trị của các điểm ảnh chính là giá trị của các thành phần màu R, G, B.
Mỗi một điểm ảnh (pixel), số bit biểu diễn màu của nó được gọi là độ sâu màu sắc (color depth) và có thể là 1, 4, 8, 16, 24 hoặc 32 bit cho mỗi pixel. Với ảnh 24 bit, mỗi thành phần màu được biểu diễn bởi một byte (8 bit), còn với ảnh 16 bit màu, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 4 bit.
2.2.2. Định dạng tệp ảnh bitmap
Ảnh Bitmap được lưu trữ dưới dạng nhị phân, một tệp định dạng bitmap được chia thành các phần cơ bản như:
+ Bitmap File Header gồm 14 byte + Bitmap Info gồm 40 byte
+ Color Palette - Bảng màu (đối với ảnh đen trắng, ảnh 16 bit, 24 bit, 32 bit thì không có bảng mầu)
+ Bitmap Data: Đây chính là vùng sẽ được dùng để giấu tin (hình 2.1). BITMAP HEADER
BITMAP INFORMATION COLOR PALETTE
BITMAP DATA
Hình 2.1. Minh hoạ cấu trúc tệp ảnh bitmap
2.2.2.1.Ý nghĩa các phần trong tệp ảnh bitmap
Bitmap Header: mô tả thông tin chung về định dạng tệp bitmap, kích thước
của phần này là cố định với mọi tệp ảnh bitmap.
Bitmap Information: mô tả thông tin về ảnh được lưu trữ, độ dài của phần này
cũng cố định.
Color Palette: chính là bảng màu của ảnh bitmap, độ dài của phần này có thể
bằng không (không có bảng màu) đối với ảnh đen trắng và ảnh màu có số lượng màu lớn hơn 256 màu.
Bitmap Data: Thông tin của từng điểm ảnh, lưu trữ ảnh theo hướng từ dưới lên
2.2.2.2. Kích thước và giá trị các trường trong tệp ảnh bitmap
Bitmap Header
Phần bitmap header có độ dài cố định là: 14 byte, phần này dùng để mô tả thông tin chung về tệp như: Kiểu tệp, độ dài của tệp và một số thông tin liên quan đến tệp ảnh.
Ý nghĩa của từng trường được mô tả trong bảng 2.1
Bảng 2.1. Ý nghĩa các trường trong vùng Bitmap Header
Byte Dữ liệu Giá trị Độ tin cậy Dùng để
hiện ảnh
1 Kiểu tệp „B‟ Có Cần
2 Kiểu tệp „M‟ Có Cần
3-6 Size of the file Unsigned long Không Cần
7-10 Reserved zero Không
11-14 Byte offset to bitmap data
Số TT (tính từ 0) byte đầu của BMP data
Có Cần
Trong phần Bitmap Header có lưu trữ thông tin về kích thước của tệp, thông tin này thực sự cần thiết đối với mọi chương trình. Nhưng qua quá trình thực nghiệm đối với một số tệp thì thông tin này lại không chính xác, và trong luận văn đưa ra cách tính kích thước tệp thông qua công thức:
FileSize = Sizeof(Bitmap Header) + Sizeof(Bitmap Information)
+ Sizeof(Color Palette) + Sizeof(Bitmap Data) (2.1)
Địa chỉ vị trí (offset) của vùng dữ liệu được xác định thông qua công thức:
Đối với ảnh đen trắng và ảnh màu có số lượng màu lớn hơn 256 màu thì giá trị địa chỉ vùng data cố định là 54, vì các loại ảnh này không tổ chức bảng màu cho các điểm ảnh.
Bitmap Information
Bitmap Informaion dùng để mô tả thông tin về ảnh đang được lưu trữ trong tệp, kích thước của phần này cố định là 40 byte.
Ý nghĩa và giá trị của từng trường trong vùng Bitmap Informaion được mô tả chi tiết trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Ý nghĩa các trường trong vùng Bitmap Information
Byte Dữ liệu Giá trị Độ tin
cậy
Dùng để hiện
ảnh 1-4 Number of bytes in Bitmap Info 40 Không
5-8 Width of bitmap In pixels Có Cần
9-12 Height of bitmap In pixels Có Cần
13-14 Number of color planes 1 Không
15-16 Number of bits per pixels 1, 4, 8 hoặc 24
Có Cần
17-20 Type of compression Không
21-24 Size of image In bytes Không Không
25-28 Horizontal resolution Không
29-32 Vertical resolution Không
33-36 Number of colors in color Palette
Ảnh 24 bit là 0
Có Cần
Color Palette
Bảng màu là tập các màu được sử dụng trong ảnh (ảnh 8 bit màu), mỗi một màu trong bảng màu được gọi là một Entry và được lưu trữ bởi 4
byte, mỗi thành phần màu được lưu trữ bởi một byte còn một byte để dữ trữ (Reserver) và thứ tự lưu trữ là B, G, R, Reserved.
Bảng 2.3. Cấu trúc và nội dung của color palette Byte Dữ liệu Giá trị Entry - chỉ số mầu
1 Blue color value 0 – 255 0
2 Green color value 0 – 255 0
3 Red color value 0 - 255 0
4 Reserved 0 0
5 Blue color value 0 – 255 1
6 Green color value 0 – 255 1
7 Red color value 0 – 255 1
8 Reserved 0 1
9 …
Như vậy kích thước của bảng màu của ảnh n bit có thể được tính theo công thức:
Bitmap Data
Vùng dữ liệu ảnh là giá trị của các điểm ảnh, kích thước của vùng dữ liệu ảnh phụ thuộc vào độ rộng, chiều cao và kiểu ảnh. Tốc độ truy xuất bộ nhớ đối với những dữ liệu được sắp xếp trong các địa chỉ được chia ngang nhau theo cấp số 2, sẽ nhanh hơn so với những dữ liệu không được sắp xếp như vậy. Do đó dữ liệu ảnh được đóng gói theo từng hàng (rows) với kích thước là bội của dword (32-bit). Kích thước một hàng được tính như sau: