Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:67

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bố cục của luận văn gồm có 3 chương: Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật giấu tin và thủy vân trên ảnh số; Chương 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào các phép biến đổi; Chương 3: Thiết kế Chương trình thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ sử dụng các đặc trưng của hệ thống thị giác của con người. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG NGUYỄN NIÊN BẢO VỆ BẢN QUYỀN ẢNH SỐ BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN DỰAVÀO PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ LUẬN VĂN THẠC SỸ: KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn "Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ " là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực. Đƣợc các tác giả cho phép tham khảo và sử dụng các tài liệu đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang Web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 05 năm 2015 Nguyễn Niên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
iii LỜI CẢM ƠN Để hoàn tất một luận văn thạc sĩ yêu cầu sự tập trung, sự cố gắng và độc lập nghiên cứu. Bản thân tôi sau những năm tháng học tập vất vả và nghiên cứu cũng đã cố gắng để hoàn thành đƣợc luận văn này. Tôi luôn ghi nhận những sự đóng góp giúp đỡ nhiệt tình của những ngƣời bên cạnh mình, sự ủng hộ, hỗ trợ của bố mẹ bạn bè giúp tôi có thêm động lực để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, nhân đây tôi muốn gửi lời cảm ơn nhất tới họ. Lời đầu tiên em gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS.TS. Bùi Thế Hồng thầy đã tận tụy hƣớng dẫn, động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Công Nghệ Thông Tin Trƣờng Đại học Công Nghệ và Truyền Thông Thái Nguyên đã truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em trong những năm học vừa qua. Chân trọng cảm ơn đến Bố, Mẹ, luôn là nguồn động viên trên mỗi bƣớc đƣờng học vấn. Xin chân thành cảm ơn tập thể lớp K12G đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu luận văn. Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhƣng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi kính mong nhận đƣợc sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 06 năm 2015 Học viên Nguyễn Niên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii MỤC LỤC .................................................................................................................. iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... vi DANH SÁCH HÌNH VẼ ..........................................................................................vii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ........................................................................................................... 4 1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 4 1.2 Giấu tin là gì và vài nét về lịch sử giấu tin ....................................................... 5 1.2.1 Định nghĩa ................................................................................................. 5 1.2.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin................................................................... 6 1.3 Mô hình kỹ thuật giấu tin và một số thuật ngữ cơ bản ..................................... 7 1.4 Một số ứng dụng đang đƣợc triển khai ............................................................. 9 1.5 Giấu tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện ............................................................. 11 1.5.1 Giấu tin trong ảnh .................................................................................... 11 1.5.2 Giấu tin trên ảnh tĩnh ............................................................................... 13 1.6 Giới thiệu chung về kỹ thuật thuỷ vân ............................................................ 16 1.6.1 Thủy vân số (Watermarking) và Giấu tin mật ( Steganography) ............ 16 1.6.2 Các yêu cầu cơ bản của hệ thuỷ vân trên ảnh ......................................... 19 1.7 Những tấn công trên hệ thuỷ vân .................................................................... 21 1.8 Những khuynh hƣớng tiếp cân của kỹ thuật thuỷ vân .................................... 22 1.8.1 Hƣớng tiếp cận dựa trên miền không gian ảnh ....................................... 22 1.8.2 Hƣớng tiếp cận dựa trên miền tần số của ảnh ......................................... 23 1.9 Một số kỹ thuật bổ trợ cho kỹ thuật thuỷ vân số trên ảnh .............................. 24 Chƣơng 2: KỸ THUẬT THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI .. 26 2.1 Các phép biến đổi miền không gian ảnh sang miền tần số ............................. 26 2.1.1 Phép biến đổi Fourier rời rạc ................................................................... 26 2.1.2 Phép biến đổi Cosin rời rạc ..................................................................... 27 2.1.3 Phép biến đổi sóng nhỏ (Wavelet) .......................................................... 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
v 2.1.4 Kỹ thuật sinh chuỗi giả ngẫu nhiên ......................................................... 31 2.1.5 Kỹ thuật trải phổ trong truyền thông ....................................................... 31 2.1.6 Các kỹ thuật kiểm định thuỷ vân ............................................................. 33 2.2. Mô hình thị giác ngƣời .................................................................................. 34 2.2.1. Nhạy cảm về sự tƣơng phản ................................................................... 35 2.2.3. Nhạy cảm về tần số ................................................................................ 36 2.2.4. Mặt nạ thị giác ........................................................................................ 38 Chƣơng 3: THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH THỦY VÂN ẢNH SỐ DỰA VÀO PHÉP BIẾN ĐỔI SÓNG NHỎ SỬ DỤNG CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA HỆ THỐNG THỊ GIÁC CỦA CON NGƢỜI ................................................................................ 39 3.1 Cài đặt một số thuật toán thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ sử dụng các đặc trƣng của hệ thống thị giác của con ngƣời. .............................................. 39 3.2 Các độ đo chất lƣợng mang tính nhận thức .................................................... 43 3.3 Thiết kế chƣơng trình chạy thử ....................................................................... 44 3.3.1 Chƣơng trình nhúng................................................................................. 44 3.3.2 Chƣơng trình trích thủy vân .................................................................... 49 3.3.3 Chƣơng trình kiểm tra ............................................................................. 52 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CSF Contrast Sensitivity Function Hàm nhạy cảm tƣơng phản DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi cosine rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier DWT Discrete Wavelet Transform Biến đổi sóng nhỏ rời rạc HVS Human visual system Hệ thống trực quan của con ngƣời MSE Mean squared error Sai số bình phƣơng trung bình NC Normalized Correlation Hệ số tƣơng quan PSNR Peak Signal to noise ration Tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu HH Horizontally and vertically Theo chiều ngang và theo chiều dọc high - pass cao - vƣợt qua HL Horizontally high - pass and Theo chiều ngang cao - qua và vertically low - pass theo chiều dọc thấp - qua LH Horizontally low - pass and Theo chiều ngang thấp - qua và vertically high pass theo chiều dọc cao - qua LL Horizontally and vertically low Theo chiều ngang và theo chiều dọc – pass thấp - vƣợt qua Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin ..................................................................... 7 Hình 1.2 Lƣợc đồ chung cho quá trình giấu tin .......................................................... 7 Hình 1.3 Lƣợc đồ cho quá trình giải mã ..................................................................... 8 Hình 1.4 Hai ảnh trƣớc và sau khi giấu tin giống hệt nhau ...................................... 10 Hình 1.5 Thực chất bên trong ảnh đã giấu có chứa thông tin của ngƣời chủ sở hữu ......... 10 Hình 1.6. Phân loại các kỹ thuật thuỷ vân ................................................................ 17 Hình 1.7. Ví dụ về thuỷ vân hiện (Trên trang Web thƣ viện số của Mỹ) ................ 18 Hình 1.8. Ảnh Lena đã đƣợc nhúng thuỷ vân là logo ở hình bên phải .................... 19 Hình 2.1 Cấu trúc phân tích ...................................................................................... 30 Hình 2.2 Ảnh đƣợc phân tích ................................................................................... 30 Hình 2.3 Vấn đề thuỷ vân dƣới góc nhìn của truyền thông ...................................... 33 Hình 2.4 Ngƣỡng biến đổi nhỏ nhất mà con ngƣờicảm nhận đƣợc với các độ chói I khác nhau................................................................................................................... 35 Hình 2.5 Hàm nhạy cảm tƣơng phản dựa trên mẫu của Mannos và Sakrison ......... 37 Hình 2.6 Sự cảm nhận ba màu của thị giác ngƣời ................................................... 37 Hình 2.7 Độ nhạy cảm của mắt ngƣời với các tần số thời gian khác nhau ............... 38 Hình 3.1 Lƣợc đồ đề xuất cho thủy vân ảnh ............................................................. 41 Hình 3.2 Nhúng thủy vân vào các hệ số sóng nhỏ dƣơng......................................... 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1 MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Thủy vân số là phƣơng pháp nhúng một lƣợng thông tin nào đó vào một sản phẩm đa phƣơng tiện cấn đƣợc bảo vệ quyền sở hữu mà không làm ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng của sản phẩm. Thủy vân số hứa hẹn một giải pháp cho vấn đề bảo vệ bản quyền đối với sản phẩm số khi sản phẩm đó đƣợc sử dụng trong môi trƣờng mở mà không cần đến việc mã hóa. Thủy vân phải tồn tại bền vững với sản phẩm và phải không đƣợc loại bỏ bằng bất kỳ những tấn công có chủ đích hay không chủ đích nào trừ khi phá hủy sản phẩm. Trong những năm gần đây sự bùng nổ của công nghệ thông tin, đặc biệt là sự bùng nổ của Internet và các phƣơng tiện dữ liệu số (nhƣ các bức ảnh, các audio, video...), đã mang lại nhiều thuận lợi cho ngƣời sử dụng, nhƣng bên cạnh đó vấn đề ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin, truy cập thông tin trái phép… đang tăng, đòi hỏi không ngừng tìm các giải pháp mới hữu hiệu đảm bảo cho sự an toàn và bảo mật thông tin. Nhƣ chúng ta biết, thông tin số đƣợc sử dụng rộng rãi trong một môi trƣờng mở. Trong hoàn cảnh nhƣ thế, nhu cầu đƣợc bảo vệ bản quyền và sở hữu trí tuệ các sản phẩm số đã trở thành một vấn đề hết sức quan trọng và đang đƣợc sự quan tâm của giới khoa học và công nghệ. Đây là một vấn đề nghiên cứu mới và phức tạp không chỉ ở trong nƣớc mà còn với cả thế giới công nghệ thông tin. Trong một vài năm trở lại đây đã có nhiều hội nghị quốc tế về vấn đề này và giải pháp đƣợc đƣa ra là phƣơng pháp thủy vân số. Giải pháp này tuy mới đƣa ra những đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học và đã có nhiều những nghiên cứu trong lĩnh vực thủy vân số trong đó đã có nhiều những công trình nghiên cứu rất có giá trị về lĩnh vực này. Các ứng dụng phổ biến của thủy vân số đang đƣợc nghiên cứu bao gồm bảo vệ bản quyền, in vân tay, nhận thức thông tin, phát hiện xuyên tạc, điều khiện truy cập và giấu thông tin mật. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2 Thủy vân trên ảnh số là một trong những kỹ thuật đƣợc phát triển sớm nhất trong các kỹ thuật thủy vân nói chung. Thủy vân trên ảnh số giống nhƣ một ảnh đƣợc “dán tem” sở hữu của ngƣời chủ. Thủy vân phải mang thông tin có ý nghĩa xác định duy nhất ngƣời đƣợc sở hữu ảnh đó. Việc thủy vân có thể đƣợc thực hiện trực tiếp trên các điểm ảnh hoặc trên miền biến đổi của ảnh. Hiện tại, ngƣời ta đã sử dụng các phép biến đổi rời rạc nhƣ phép biến đổi Fourier (DFT), phép biến đổi cosine(DCT) và phép biến đổi sóng nhỏ (DWT). Các kỹ thuật thủy vân dựa vào DCT và DWT đã đƣợc một số tác giả nghiên cứu và chứng tỏ khá bền vững trƣớc những tấn công thông thƣờng. Từ những phân tích trên và trong khuôn khổ của một luận văn thạc sỹ, tác giả thực hiện đề tài "Bảo vệ bản quyền ảnh số bằng kỹ thuật thủy vân dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ " 1. ĐỐI TƢỢNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật bảo vệ bản quyền ảnh số dựa vào các phép biến đổi sóng nhỏ. - Tìm hiểu các đặc trƣng của hệ thống thị giác của con ngƣời nhằm phát triển các kỹ thuật giấu tin sao cho có thể giấu thông tin bản quyền vào các hệ số biến đổi mà không ảnh hƣởng đến chất lƣợng của ảnh dƣới góc nhìn của thị giác con ngƣời. - Các công cụ lập trình và phần mềm dùng để cài đặt chƣơng trình thử nghiệm 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu các tài liệu có liên quan về bảo vệ bản quyền ảnh số. - Tìm hiểu và phát hiện các vấn đề trong thực tế, so sánh, đánh giá và đƣa ra giải pháp. - Cài đặt thử nghiệm trên những giải pháp đƣợc đƣa ra. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3 3. HƢỚNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu, phát triển và cài đặt một lƣợc đồ thủy vân ảnh bền vững và đảm bảo chất lƣợng cảm quan của ảnh. - Lƣợc đồ này sẽ dựa vào các phép biến đổi sóng nhỏ kết hợp tận dụng các đặc trƣng của hệ thống thị giác của con ngƣời. - Lƣợc đồ này sẽ đƣợc sử dụng để bảo vệ bản quyền của ảnh trƣớc sự mạo nhận và những tấn công nhằm gỡ bỏ thủy vân. 4. BỐ CỤC LUẬN VĂN Chƣơng 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật giấu tin và thủy vân trên ảnh số. Chƣơng 2: Kỹ thuật thủy vân ảnh số dựa vào các phép biến đổi Chƣơng 3: Thiết kế chƣơng trình thủy vân ảnh số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ sử dụng các đặc trƣng của hệ thống thị giác của con ngƣời 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI - Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật bảo vệ bản quyền dựa vào các phép biến đổi sóng nhỏ. - Cải tiến, phát triển kỹ thuật bảo vệ bản quyền dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT kết hợp với các đặc trƣng của hệ thống thị giác con ngƣời. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
4 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN TRÊN ẢNH SỐ 1.1 Giới thiệu chung 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. Những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng sinh ra những thách thức và cơ hội mới cho quá trình đổi mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới nhƣ máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lƣợng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số, v.v, đã với tới thế giới tiêu dùng rộng lớn để sáng tạo, xử lý và thƣởng thức các dữ liệu đa phƣơng tiện (multimedia data). Mạng Internet toàn cầu đã biến thành một xã hội ảo nơi diễn ra quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thƣơng mại. Và chính trong môi trƣờng mở và tiện nghi nhƣ thế đã xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn thông tin nhƣ nạn ăn cắp bản quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép v.v.. Đi tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp ta hiểu thêm về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn đƣa ra những cơ hội kinh tế mới cần khám phá. Các giải pháp cho những vấn đề trên Trong một quá trình phát triển lâu dài, nhiều phƣơng pháp bảo vệ thông tin đã đƣợc đƣa ra trong đó giải pháp dùng mật mã học là giải pháp đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất. Các hệ mã mật đã đƣợc phát triển nhanh chóng và đƣợc ứng dụng rất phổ biến cho đến tận ngày nay. Thông tin ban đầu sẽ đƣợc mã hoá thành các ký hiệu vô nghĩa, sau đó sẽ đƣợc lấy lại thông qua việc giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có rất nhiều những hệ mã phức tạp đƣợc sử dụng nhƣ DES, RSA, NAPSACK...và phƣơng pháp này đã đƣợc chứng minh thực tế là rất hiệu quả và đƣợc ứng dụng phổ biến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
5 Nhƣng ở đây ta không định nói về các hệ mã mật mà ta tìm hiểu về một phƣơng pháp đã và đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới đó là phƣơng pháp giấu tin (data hiding). Đây là phƣơng pháp mới và phức tạp, nó đang đƣợc xem nhƣ một công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, nhận thực thông tin và điều khiện truy cập ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin. Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là phƣơng pháp mã hoá làm cho các thông tin hiện rõ có đƣợc mã hoá hay không vì tín hiệu thu đƣợc toàn những ký hiệu vô nghĩa còn đối với phƣơng pháp giấu thông tin thì ngƣời ta sẽ khó biết đƣợc là có thông tin giấu bên trong. Một khi những thông tin mã hoá bị phát hiện thì những tên tin tặc sẽ tìm mọi cách để triệt phá. Và cuộc chạy đua giữa những ngƣời bảo vệ thông tin và bọn tin tặc vẫn chƣa kết thúc tuyệt đối về bên nào. Trong hoàn cảnh đó thì giấu thông tin trở thành một phƣơng pháp hữu hiệu. Giấu thông tin, xét theo khía cạnh tổng quát thì cũng là một hệ mã mật, nhằm đảm bảo tính an toàn thông tin. Phƣơng pháp này ƣu điểm là ở chỗ việc gửi đi những bức ảnh thông thƣờng sẽ không gây ra sự chú ý của ngƣời khác. Sự vô hình của thông tin chứa trong ảnh sẽ đánh lừa đƣợc sự phát hiện của những tên tin tặc. Giấu tin trong ảnh 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. 1.2 Giấu tin là gì và vài nét về lịch sử giấu tin 1.2.1 Định nghĩa Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. Kỹ thuật giấu thông tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu đƣợc đem giấu, hai là bảo mật cho chính đối tƣợng đƣợc dùng để giấu tin. Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai khuynh hƣớng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Khuynh hƣớng thứ nhất là giấu tin mật (steganography), khuynh hƣớng này tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho giấu đƣợc nhiều thông tin và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
6 quan trọng là ngƣời khác khó phát hiện đƣợc một đối tƣợng có bị giấu tin bên trong hay không. Khuynh hƣớng thứ hai là thuỷ vân số (watermarking). Khuynh hƣớng thuỷ vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có rất nhiều những kỹ thuật dành cho khuynh hƣớng này [2]. 1.2.2 Phân loại các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu thông tin số mới đƣợc hình thành trong thời gian gần đây nên xu hƣớng phát triển vẫn chƣa ổn định. Nhiều phƣơng pháp mới, theo nhiều khía cạnh khác nhau đang và chắc chắn sẽ đƣợc đề xuất, bởi vậy một định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chƣa thể có đƣợc. Một số tác giả đã đƣa ra các cách đánh giá phân loại, thậm chí các định nghĩa, nhƣng không lâu sau lại có các định nghĩa khác, một sự phân loại khác đƣợc đề xuất. Sơ đồ phân loại trên Hình 1.1 đƣợc Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm 1999. Sơ đồ phân loại này nhƣ một bức tranh khái quát về ứng dụng và kỹ thuật giấu thông tin. Dựa trên việc thống kê sắp xếp khoảng 100 công trình đã công bố trên một số tạp chí, cùng với thông tin về tên và tóm tắt nội dung của khoảng 200 công trình đã công bố trên internet, có thể chia lĩnh vực giấu dữ liệu ra làm hai hƣớng lớn, đó là watermarking và steganography. Nếu nhƣ watermark quan tâm nhiều đến các ứng dụng giấu các mẩu tin ngắn nhƣng đòi hỏi độ bền vững lớn của thông tin cần giấu (trƣớc các biến đổi thông thƣờng của tệp dữ liệu môi trƣờng) thì steganography lại quan tâm tới các ứng dụng che giấu các bản tin đòi hỏi độ mật và dung lƣợng càng lớn càng tốt. Đối với từng hƣớng lớn này, quá trình phân loại theo các tiêu chí khác có thể tiếp tục đƣợc thực hiện, ví dụ dựa theo ảnh hƣởng các tác động từ bên ngoài có thể chia watermark thành hai loại, một loại bền vững với các tác động sao chép trái phép, loại thứ hai lại cần tính chất hoàn toàn đối lập: phải dễ bị phá huỷ trƣớc các tác động nói trên. Cũng có thể chia watermark theo đặc tính, một loại cần đƣợc che dấu để chỉ có một số những ngƣời tiếp xúc với nó có thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
7 thấy đƣợc thông tin, loại thứ hai đối lập, cần đƣợc mọi ngƣời nhìn thấy. Chi tiết hơn về vấn đề này sẽ đƣợc trình bày trong phần sau [2]. Infomation hiding Giấu thông tin Steganography Watermarking Giấu tin mật Thuỷ vân số Robust Fragile Copyright marking Watermarking Thuỷ vân bền vững Thuỷ vân “dễ vỡ” Imperceptible Visible Watermarking Watermarking Thuỷ vân ẩn Thuỷ vân hiển Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin 1.3 Mô hình kỹ thuật giấu tin và một số thuật ngữ cơ bản Mô hình của kỹ thuật giấu tin cơ bản đƣợc mô tả trong các Hình 1.2 và 1.3. Trong đó, Hình 1.2 biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Phƣơng tiện chứa bao gồm các đối tƣợng đƣợc dùng làm môi trƣờng để giấu tin nhƣ text, audio, video, ảnh … Thông tin cần giấu Phƣơng Bộ Phƣơng Phân tiện chứa nhúng tiện chứa phối (audio, thông đã đƣợc ảnh, tin giấu tin video) Kho á Hình 1.2 Lược đồ chung cho quá trình giấu tin Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
8 Thông tin cần giấu là một lƣợng thông tin mang một ý nghĩa nào đó tuỳ thuộc vào mục đích của ngƣời sử dụng. Thông tin sẽ đƣợc giấu vào trong phƣơng tiện chứa nhờ một bộ nhúng. Bộ nhúng là những chƣơng trình, những thuật toán để giấu tin và đƣợc thực hiện với một khoá bí mật giống nhƣ các hệ mã mật cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu đƣợc phƣơng tiện chứa đã giấu và đƣợc phân phối sử dụng trên mạng. Hình 1.3 chỉ ra các công việc giải mã thông tin đã giấu. Quá trình giải mã đƣợc thực hiện thông qua một bộ giải mã tƣơng ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khoá của quá trình nhúng. Kết quả thu đƣợc gồm phƣơng tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Bƣớc tiếp theo thông tin giấu sẽ đƣợc xử lí kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu. Khoá Phƣơng tiện Bộ giải Phƣơng tiện chứa đã đƣợc mã tin chứa (audio, giấu tin ảnh, video) Thông tin giấu Kiểm định Hình 1.3 Lược đồ cho quá trình giải mã Một số thuật ngữ cơ bản: datahiding: là thuật ngữ chỉ kỹ thuật giấu tin nói chung bao gồm cả giấu tin mật và thuỷ vân số. steganography: chỉ kỹ thuật giấu tin mật trong một đối tƣợng. watermarking: thuỷ vân số, chỉ những kỹ thuật giấu tin dùng để bảo vệ đối tƣợng chứa thông tin giấu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
9 phƣơng tiện chứa (host signal): là phƣơng tiện gốc đƣợc dùng để nhúng thông tin. Trong dấu thông tin trong ảnh thì nó mang tên ảnh chứa, còn trong audio là audio chứa v.v.. thông tin cần giấu (embeded data): là lƣợng thông tin đƣợc nhúng vào trong phƣơng tiện chứa. Trong giấu tin mật (steganography), thông tin giấu đƣợc gọi là thông điệp giấu (message), còn trong kỹ thuật thuỷ vân số thì thông tin giấu đƣợc gọi là thuỷ vân (watermark) 1.4 Một số ứng dụng đang đƣợc triển khai Bảo vệ bản quyền tác giả (copyright protection): Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số (digital watermarking) - một dạng của phƣơng pháp giấu tin. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (ngƣời ta gọi nó là thuỷ vân - watermark) sẽ đƣợc nhúng vào trong các sản phẩm, thuỷ vân đó chỉ một mình ngƣời chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và đƣợc dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Giả sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phƣơng tiện nhƣ ảnh, âm thanh, video và cần đƣợc lƣu thông trên mạng. Để bảo vệ các sản phẩm chống lại các hành vi lấy cắp hoặc làm nhái cần phải có một kỹ thuật để “dán tem bản quyền” vào sản phẩm này. Việc dán tem hay chính là việc nhúng thuỷ vân cần phải đảm bảo không để lại một ảnh hƣởng lớn nào đến việc cảm nhận sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thuỷ vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm, muốn bỏ thuỷ vân này mà không đƣợc phép của ngƣời chủ sở hữu thì chỉ còn cách là phá huỷ sản phẩm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
10 a) Ảnh hoa hồng gốc b) Ảnh hoa hồng sau khi giấu thông tin bản quyền Hình 1.4 Hai ảnh trước và sau khi giấu tin giống hệt nhau Hình 1.5 Thực chất bên trong ảnh đã giấu có chứa thông tin của người chủ sở hữu Nhận thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin (authentication and tamper detection): Một tập các thông tin sẽ đƣợc giấu trong phƣơng tiện chứa sau đó đƣợc sử dụng để nhận biết xem dữ liệu trên phƣơng tiện gốc đó có bị thay đổi hay không. Các thuỷ vân nên đƣợc ẩn để tránh đƣợc sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa việc làm giả các thuỷ vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần đƣợc xem xét. Trong các ứng dụng thực tế, ngƣời ta mong muốn tìm đƣợc vị trí bị xuyên tạc cũng nhƣ phân biệt đƣợc các thay đổi (ví dụ nhƣ phân biệt xem một đối tƣợng đa phƣơng tiện chứa thông tin giấu đã bị thay đổi, xuyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
11 tạc nội dung hay là chỉ bị nén mất dữ liệu). Yêu cầu chung đối với ứng dụng này là khả năng giấu thông tin cao và thuỷ vân không cần bền vững. Giấu vân tay và dán nhãn (fingerprinting and labeling): Thuỷ vân trong những ứng dụng này đựơc sử dụng để nhận diện ngƣời gửi hay ngƣời nhận của một thông tin nào đó. Ví dụ nhƣ các vân khác nhau sẽ đƣợc nhúng vào các bản copy khác nhau của thông tin gốc trƣớc khi chuyển cho nhiều ngƣời. Với những ứng dụng này thì yêu cầu là đảm bảo độ an toàn cao cho các thuỷ vân tránh sự xoá giấu vết trong khi phân phối. Kiểm soát sao chép (copy control): Các thuỷ vân trong những trƣờng hợp này đƣợc sử dụng để kiểm soát sao chép đối với các thông tin. Các thiết bị phát hiện ra thuỷ vân thƣờng đƣợc gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc/ghi. Ví dụ nhƣ hệ thống quản lí sao chép DVD đã đƣợc ứng dụng ở Nhật. Các ứng dụng loại này cũng yêu cầu thuỷ vân phải đƣợc bảo đảm an toàn và cũng sử dụng phƣơng pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc. Giấu tin mật (steganography): Các thông tin giấu đƣợc trong những trƣờng hợp này càng nhiều càng tốt, việc giải mã để nhận đƣợc thông tin cũng không cần phƣơng tiện chứa ban đầu. Các yêu cầu mạnh về chống tấn công của kẻ thù không cần thiết lắm thay vào đó là thông tin giấu phải đƣợc giấu kín. 1.5 Giấu tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện 1.5.1 Giấu tin trong ảnh Giấu thông tin trong ảnh, hiện nay, là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các chƣơng trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phƣơng tiện bởi lƣợng thông tin đƣợc trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa giấu thông tin trong ảnh cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong các hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn thông tin nhƣ: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả, điều khiện truy cập, giấu thông Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
12 tin mật...Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của các nhà cá nhân, tổ chức, trƣờng đại học, và viện nghiên cứu trên thế giới. Thông tin sẽ đƣợc giấu cùng với dữ liệu ảnh nhƣng chất lƣợng ảnh ít thay đổi và chẳng ai biết đƣợc đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Và ngày nay, khi ảnh số đã đƣợc sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại rất nhiều những ứng dụng quan trọng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống xã hội. Ví dụ nhƣ đối với các nƣớc phát triển, chữ kí tay đã đƣợc số hoá và lƣu trữ sử dụng nhƣ là hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó đƣợc dùng để nhận thực trong các thẻ tín dụng của ngƣời tiêu dùng. Phần mềm WinWord của MicroSoft cũng cho phép ngƣời dùng lƣu 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. Tài liệu sau đó đƣợc truyền trực tiếp qua máy fax hoặc lƣu truyền trên mạng. Theo đó, việc nhận thực chữ kí, xác thực thông tin đã trở thành một vấn đề cực kì quan trọng khi mà việc ăn cắp thông tin hay xuyên tạc thông tin bởi các tin tặc đang trở thành một vấn nạn đối với bất kì quốc gia nào, tổ chức nào. Thêm vào đó, lại có rất nhiều loại thông tin quan trọng cần đƣợc bảo mật nhƣ những thông tin về an ninh, thông tin về bảo hiểm hay các thông tin về tài chính, các thông tin này đƣợc số hoá và lƣu trữ trong hệ thống máy tính hay trên mạng. Chúng rất dễ bị lấy cắp và bị thay đổi bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc nhận thực cũng nhƣ phát hiện thông tin xuyên tạc đã trở nên vô cùng quan trọng và cấp thiết. Một đặc điểm của giấu thông tin trong ảnh đó là thông tin đƣợc giấu trong ảnh một cách vô hình, nó nhƣ là một cách truyền thông tin mật cho nhau mà ngƣời khác không thể biết đƣợc bởi sau khi giấu thông tin thì chất lƣợng ảnh gần nhƣ không thay đổi, đặc biệt đối với ảnh mầu hay ảnh xám. Gần đây báo chí đã đƣa tin vụ việc ngày 11-9 gây chấn động nƣớc Mỹ và toàn thế giới, chính tên trùm khủng bố quốc tế Osma BinLaDen đã dùng cách thức giấu thông tin trong ảnh để liên lạc với đồng bọn, và đã qua mặt đƣợc Cục tình báo trung ƣơng Mỹ CIA và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
13 các cơ quan an ninh quốc tế. Chắc chắn sau vụ việc này, việc nghiên cứu các vấn đề liên quan đến giấu thông tin trong ảnh sẽ rất đƣợc quan tâm. 1.5.2 Giấu tin trên ảnh tĩnh Qua phần trên, chúng ta đã nắm bắt đƣợc một số khái niệm cơ bản của giấu tin. Trong phần này chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu vấn đề giấu tin trong ảnh, lần lƣợt xem xét những nội dung sau: Giấu thông tin trong ảnh, những đặc trƣng và tính chất Giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh màu, ảnh đa cấp xám Cấu trúc ảnh Bitmap Một số kỹ năng xử lí ảnh trong kỹ thuật giấu tin. Chúng ta chú ý là khi ta nói đến kỹ thuật giấu tin có nghĩa là ta đang nói đến giấu tin thông mật (khái niệm steganography) còn ở phần sau chúng ta sẽ nói đến kỹ thuật thuỷ vân số (watermarking) và cả hai kỹ thuật này đều thuộc lĩnh vực giấu tin (datahiding). Giấu tin trong ảnh, những đặc trưng và tính chất Nhƣ đã đƣợc giới thiệu ở trên, giấu tin trong ảnh chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin chính vì vậy mà các kỹ thuật giấu tin phần lớn cũng tập trung vào các kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Các phƣơng tiện chứa khác nhau thì cũng sẽ có các kỹ thuật giấu khác nhau. Đối tƣợng ảnh là một đối tƣợng dữ liệu đƣợc tri giác tĩnh có nghĩa là dữ liệu tri giác không biến đổi theo thời gian ( không giống nhƣ audio và video ) và có nhiều định dạng cũng nhƣ tính chất của các ảnh khác nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh phải chú ý những đặc trƣng và các tính chất cơ bản sau đây: Phƣơng tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh: Dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu của ảnh tĩnh, dù đã giấu thông tin vào trong ảnh hay chƣa thì khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo thời gian, điều này khác với dữ liệu audio hay là video vì khi ta nghe hay xem thì dữ liệu gốc sẽ thay đổi liên tục với tri giác của con ngƣời theo các đoạn hay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/