Nghiên cứu Thuật Toán Giấu Tin Mật trên Miền Không Gian Ảnh Bitmap (ĐH Thái Nguyên)

Nghiên cứu thuật toán giấu tin mật trên ảnh bitmap, tập trung vào miền không gian. Tìm hiểu các phương pháp và kỹ thuật che giấu thông tin hiệu quả.

• Tác giả: Hoàng Xuân Long
• Người hướng dẫn: Ts. Hồ Văn Canh
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin Và Truyền Thông Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính
• Đề tài: Nghiên Cứu Thuật Toán Giấu Tin Mật Trên Miền Không Gian Của Ảnh Bitmap
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• N HĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ L NH VỰC GIẤU TIN
• 1.1. Tổng quan về giấu tin
• 1.2. Vài nét về lịch sử giấu tin
• 1.3. Mục đích của giấu tin
• 1.4. Mô hình kỹ thuật giấu thông tin cơ bản
• 1.5. Phân loại giấu tin
• 1.6. Giấu tin trong ảnh
• 1.7. Tổng quan ảnh BITMAP (BMP)
• 1.8. Giới thiệu ảnh BITMAP (BMP)
• 1.9. Cấu trúc ảnh BITMAP (BMP)
• 2. CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ TÌM HIỂU MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẤU TIN
• 2.1. Các kỹ thuật giấu tin
• 2.2. Kỹ thuật giấu tin LSB
• 2.3. Kỹ thuật giấu tin theo khối bit
• 2.4. Kỹ thuật giấu tin Wu-Lee
• 2.5. Thuật toán Chen-Pan-Tseng
• 2.6. Kỹ thuật giấu tin SES
• 2.7. Lý thuyết đại số và ứng dụng cải tiến kỹ thuật giấu tin LSB [2]
• 2.8. Lý thuyết ma trận tam giác
• 2.9. Lý thuyết về trƣờng hữu hạn và không gian vector [6]
• 2.10. Ứng dụng lý thuyết trên vào giấu tin
• 3. CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT GIẤU TIN MỚI XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH DEMO GIẤU TIN TRONG ẢNH BITMAP 24BIT
• 3.1. Xây dựng chƣơng trình demo
• 3.2. Môi trƣờng thử nghiệm
• 3.3. Tổ chức thực hiện chƣơng trình
• 3.4. Giao diện chƣơng trình
• 3.5. Ƣu điểm & Nhƣợc điểm
• 3.6. Nhƣợc điểm
• 3.7. Lý thuyết độ trùng khớp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám Phá Kỹ Thuật Giấu Tin Mật Tổng Quan Về Steganography

Steganography, hay kỹ thuật giấu tin, là một lĩnh vực quan trọng trong an ninh thông tin, tập trung vào việc che giấu sự tồn tại của một thông điệp. Khác với mật mã học chỉ mã hóa nội dung, Steganography nhúng dữ liệu mật vào một phương tiện khác (gọi là vật mang) như ảnh, audio, hoặc video một cách vô hình. Mục tiêu cốt lõi là truyền tin mà không gây nghi ngờ. Trong số các vật mang, ảnh bitmap (BMP) là một lựa chọn lý tưởng do cấu trúc không nén và dung lượng lớn, cung cấp không gian rộng rãi để che giấu dữ liệu. Việc nghiên cứu các kỹ thuật giấu tin trong ảnh bitmap mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn, từ bảo vệ bản quyền đến truyền thông bí mật. Luận văn của Hoàng Xuân Long (2015) đã nghiên cứu sâu về các thuật toán giấu tin trên miền không gian của ảnh bitmap, làm nền tảng cho việc phân tích và phát triển các phương pháp tiên tiến hơn.

1.1. Phân biệt Steganography và Mật mã học Cryptography

Hai lĩnh vực này đều phục vụ mục đích an ninh thông tin nhưng có cách tiếp cận khác nhau. Mật mã học (Cryptography) tập trung vào việc biến đổi thông điệp thành một dạng không thể đọc được (bản mã) nếu không có khóa giải mã. Sự tồn tại của thông điệp được mã hóa là rõ ràng, nhưng nội dung của nó thì bí mật. Ngược lại, Steganography không làm thay đổi nội dung thông điệp mà che giấu chính sự tồn tại của nó. Một thông điệp được giấu trong ảnh trông hoàn toàn bình thường, không gây sự chú ý. Hai kỹ thuật này có thể kết hợp với nhau: mã hóa thông điệp trước khi giấu vào ảnh để tăng cường bảo mật. Nếu một kẻ tấn công phát hiện ra có tin nhắn bị giấu (thông qua Steganalysis), chúng vẫn phải đối mặt với một lớp bảo mật nữa là giải mã thông điệp.

1.2. Lý do chọn ảnh Bitmap BMP làm môi trường giấu tin

Ảnh Bitmap là một lựa chọn tối ưu cho việc che giấu dữ liệu vì các đặc tính cấu trúc của nó. File BMP là một định dạng ảnh không nén, nghĩa là mỗi pixel được lưu trữ trực tiếp với giá trị màu của nó, thường là 24-bit (8-bit cho mỗi kênh màu Đỏ, Xanh lá, Xanh dương). Cấu trúc file BMP đơn giản và không có các thuật toán nén tổn hao dữ liệu như JPEG. Điều này tạo ra một lượng lớn dữ liệu dư thừa, đặc biệt là các bit có trọng số thấp, có thể bị thay đổi mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hình ảnh cảm nhận được. Kích thước file lớn của ảnh BMP cũng đồng nghĩa với khả năng nhúng (Embedding Capacity) cao, cho phép giấu một lượng lớn thông tin mật. Chính vì vậy, các thuật toán giấu tin cơ bản như LSB đặc biệt hiệu quả trên định dạng này.

II. Thách Thức Khi Che Giấu Dữ Liệu An Toàn và Bất Bị Phát Hiện

Mặc dù kỹ thuật giấu tin mang lại tiềm năng bảo mật lớn, nó cũng đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Yêu cầu cơ bản nhất của một hệ thống giấu tin hiệu quả là phải cân bằng được ba yếu tố: khả năng nhúng, tính vô hình (imperceptibility) và độ bền vững (robustness). Việc tăng lượng dữ liệu giấu thường làm giảm chất lượng ảnh và tăng nguy cơ bị phát hiện. Nguy cơ lớn nhất đến từ Steganalysis, lĩnh vực khoa học chuyên phát hiện, trích xuất và phá hủy thông tin bị che giấu. Các nhà nghiên cứu liên tục phát triển các thuật toán phân tích thống kê để tìm ra những sai khác nhỏ nhất trong cấu trúc dữ liệu của ảnh, từ đó vạch trần sự tồn tại của thông điệp bí mật. Do đó, việc xây dựng các thuật toán giấu tin tiên tiến có khả năng chống lại các phương pháp phân tích này là một mục tiêu nghiên cứu trọng tâm.

2.1. Cân bằng giữa Khả năng nhúng và Chất lượng ảnh PSNR

Một trong những bài toán cốt lõi là sự đánh đổi giữa khả năng nhúng và chất lượng ảnh. Nhúng quá nhiều dữ liệu sẽ làm thay đổi đáng kể giá trị các pixel, khiến ảnh gốc và ảnh chứa tin (stego-image) có sự khác biệt rõ rệt, dễ bị phát hiện bằng mắt thường hoặc các công cụ phân tích. Để đo lường sự suy giảm chất lượng này, các nhà nghiên cứu thường sử dụng hai chỉ số chính: Lỗi bình phương trung bình (MSE) và Tỷ số tín hiệu trên nhiễu đỉnh (PSNR). MSE đo lường sự khác biệt trung bình giữa các pixel của ảnh gốc và ảnh đã giấu tin, trong khi PSNR (tính bằng decibel - dB) thể hiện tỷ lệ giữa công suất tối đa của tín hiệu (ảnh) và công suất của nhiễu (sự thay đổi do giấu tin). Giá trị PSNR càng cao (thường trên 30dB) cho thấy chất lượng ảnh càng ít bị ảnh hưởng, và thông tin giấu càng khó bị phát hiện.

2.2. Mối đe dọa từ Steganalysis và các phương pháp tấn công

Steganalysis là quá trình phân tích một đối tượng để xác định xem nó có chứa dữ liệu ẩn hay không. Đây là lĩnh vực đối nghịch trực tiếp với Steganography. Các kỹ thuật phân tích tấn công giấu tin có thể được chia thành nhiều loại. Phân tích trực quan tìm kiếm các điểm bất thường trong ảnh mà mắt người có thể nhận ra. Phân tích thống kê (ví dụ: phân tích histogram, phân tích RS) kiểm tra các đặc tính thống kê của dữ liệu ảnh, tìm kiếm những sai lệch so với mô hình tự nhiên của ảnh gốc. Ví dụ, kỹ thuật giấu tin SES (Steganography Evading analyses) được đề xuất để chống lại phương pháp phân tích RS. Việc hiểu rõ các kỹ thuật tấn công này là rất quan trọng để thiết kế các thuật toán giấu tin có độ bền vững cao và khả năng bảo mật tốt hơn.

III. Phương Pháp LSB Giấu Tin Mật Phổ Biến trong Miền Không Gian

Trong các kỹ thuật giấu tin trong miền không gian, phương pháp thay thế Bit có trọng số thấp nhất (Least Significant Bit - LSB) là một trong những thuật toán đầu tiên và cơ bản nhất. Nguyên tắc của nó là thay thế bit cuối cùng của mỗi byte dữ liệu màu trong pixel bằng một bit của thông điệp cần giấu. Kỹ thuật này khai thác một đặc điểm của hệ thống thị giác con người: những thay đổi nhỏ trong giá trị màu sắc của một pixel gần như không thể nhận biết được. Do đó, việc thay đổi bit LSB, vốn có ảnh hưởng ít nhất đến giá trị tổng thể, giúp che giấu thông tin mà vẫn duy trì chất lượng hình ảnh ở mức cao. Mặc dù đơn giản và có khả năng nhúng lớn, thuật toán LSB cũng có nhược điểm là dễ bị tấn công bởi các phương pháp phân tích thống kê cơ bản.

3.1. Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật Least Significant Bit

Nguyên lý cốt lõi của Least Significant Bit (LSB) là thay thế bit có giá trị nhỏ nhất trong biểu diễn nhị phân của một số. Trong ảnh bitmap 24-bit, mỗi pixel được biểu diễn bởi ba byte, tương ứng với ba kênh màu RGB. Mỗi byte có 8 bit. Bit cuối cùng (bit thứ 8) được gọi là LSB. Ví dụ, giá trị màu 255 (nhị phân là 11111111) nếu bị thay đổi LSB thành 0 sẽ trở thành 254 (nhị phân là 11111110). Sự thay đổi này cực kỳ nhỏ và mắt người không thể phân biệt được. Để giấu một ký tự, ta chuyển nó sang dạng nhị phân 8-bit, sau đó lần lượt nhúng 8 bit này vào LSB của 8 byte dữ liệu ảnh liên tiếp. Quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ thông điệp được giấu kín.

3.2. Ưu và nhược điểm của thuật toán LSB trong thực tế

Ưu điểm lớn nhất của thuật toán LSB là tính đơn giản trong cài đặt và khả năng nhúng rất cao. Với ảnh 24-bit, mỗi pixel có thể giấu được 3 bit thông tin (mỗi bit cho một kênh R, G, B), do đó một ảnh lớn có thể chứa một lượng dữ liệu đáng kể. Tuy nhiên, nhược điểm của nó cũng rất rõ ràng. Thứ nhất, độ bền vững (Robustness) của LSB rất thấp. Bất kỳ thao tác xử lý ảnh nào như nén, xoay, hay thay đổi kích thước đều có thể phá hủy hoàn toàn thông tin đã giấu. Thứ hai, nó dễ bị phát hiện bởi các kỹ thuật Steganalysis. Các công cụ phân tích có thể kiểm tra các cặp giá trị (ví dụ: 254 và 255) trong histogram của ảnh. Một ảnh chứa tin giấu bằng LSB thường có tần suất xuất hiện của các cặp giá trị này gần bằng nhau, một đặc điểm thống kê không tự nhiên.

IV. Các Thuật Toán Nâng Cao Giấu Tin Trong Miền Không Gian Ảnh

Để khắc phục những hạn chế của phương pháp LSB truyền thống, nhiều nghiên cứu đã đề xuất các thuật toán giấu tin trong miền không gian phức tạp và an toàn hơn. Các phương pháp này không chỉ thay đổi một bit đơn lẻ mà xem xét mối quan hệ giữa các pixel lân cận hoặc sử dụng các cấu trúc toán học phức tạp để phân tán thông tin, gây khó khăn cho việc phát hiện. Một số kỹ thuật đáng chú ý bao gồm giấu tin theo khối bit (Block-based), thuật toán Wu-Lee, hay thuật toán Chen-Pan-Tseng (CPT). Gần đây, các nghiên cứu như trong luận văn của Hoàng Xuân Long (2015) còn đề xuất sử dụng lý thuyết đại số, cụ thể là ma trận tam giác và ma trận nghịch đảo trên trường hữu hạn, để tạo ra các khóa mã hóa và giấu tin, nâng cao đáng kể độ bảo mật của hệ thống.

4.1. Kỹ thuật giấu tin theo khối Phương pháp Wu Lee và CPT

Thay vì xử lý từng pixel riêng lẻ, các kỹ thuật giấu tin theo khối chia ảnh thành các khối nhỏ (ví dụ: mxn pixel) và giấu một hoặc nhiều bit thông tin vào mỗi khối. Thuật toán Wu-Lee sử dụng một ma trận khóa K để chọn các vị trí bit trong khối ảnh F cần thay đổi sao cho SUM(F' ^ K) mod 2 bằng với bit b cần giấu. Kỹ thuật này an toàn hơn LSB vì vị trí thay đổi phụ thuộc vào khóa. Thuật toán Chen-Pan-Tseng (CPT) còn đi xa hơn bằng cách sử dụng thêm một ma trận trọng số W, cho phép giấu nhiều bit hơn (r bit) vào một khối bằng cách đảm bảo SUM((F' ⊕ K) ⊗ W) = b mod (2^r). Các phương pháp này tăng cường độ an toàn và hiệu quả nhúng so với LSB đơn thuần.

4.2. Ứng dụng lý thuyết ma trận trong việc cải tiến giấu tin

Một hướng tiếp cận mới và đầy hứa hẹn là ứng dụng lý thuyết đại số. Nghiên cứu của Hoàng Xuân Long (2015) đề xuất một phương pháp mã hóa thông tin sử dụng ma trận tam giác trên trường hữu hạn GF(2) và tính chất nghịch đảo của nó. Cụ thể, một ma trận tam giác trên A cấp 8x8 được dùng làm khóa công khai. Thông điệp được chia thành các khối 8-bit và nhân với ma trận A để tạo ra bản mã, sau đó được nhúng vào ảnh. Bên nhận sẽ sử dụng ma trận nghịch đảo A⁻¹ (khóa bí mật) để khôi phục lại thông điệp gốc. Ưu điểm của phương pháp này là tính bảo mật cao, vì việc tìm ra ma trận A⁻¹ từ A là một bài toán khó. Điều này kết hợp sức mạnh của mật mã học và Steganography, tạo ra một lớp bảo vệ kép cho dữ liệu mật.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tương Lai Của Kỹ Thuật Giấu Tin

Kỹ thuật giấu tin không chỉ là một lĩnh vực nghiên cứu học thuật mà còn có nhiều ứng dụng quan trọng trong thế giới thực. Từ việc bảo vệ sở hữu trí tuệ thông qua thủy vân số (Digital Watermarking), xác thực nội dung, cho đến các kênh liên lạc bí mật trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, Steganography đóng vai trò thiết yếu. Trong tương lai, với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và học máy, các thuật toán giấu tin sẽ ngày càng trở nên tinh vi hơn, có khả năng tự động thích ứng với đặc điểm của vật mang để tối ưu hóa tính vô hình và chống lại các công cụ Steganalysis hiện đại. Hướng nghiên cứu cũng mở rộng sang các môi trường đa phương tiện khác như giấu tin trong video và giấu tin trong audio.

5.1. Thủy vân số và các ứng dụng bảo vệ bản quyền

Thủy vân số (Digital Watermarking) là một nhánh quan trọng của giấu tin, tập trung vào việc nhúng một thông tin nhận dạng (watermark) vào dữ liệu số để chứng minh quyền sở hữu. Khác với giấu tin mật, thủy vân số yêu cầu độ bền vững (Robustness) rất cao. Dấu thủy vân phải tồn tại được sau các thao tác xử lý như nén, cắt xén, hay thay đổi định dạng. Có hai loại thủy vân chính: thủy vân ẩn (imperceptible) dùng để xác định chủ sở hữu một cách bí mật và thủy vân hiện (visible) như logo của các kênh truyền hình. Ứng dụng này cực kỳ quan trọng trong việc chống lại nạn vi phạm bản quyền trên Internet, bảo vệ tài sản trí tuệ cho các nghệ sĩ, nhiếp ảnh gia và nhà sản xuất nội dung.

5.2. Hướng phát triển Giấu tin trong miền tần số DCT DWT

Trong khi các phương pháp đã thảo luận chủ yếu thuộc về giấu tin trong miền không gian, một hướng phát triển mạnh mẽ khác là giấu tin trong miền tần số. Thay vì thay đổi trực tiếp giá trị pixel, các phương pháp này áp dụng các phép biến đổi toán học như Biến đổi Cosine rời rạc (DCT) (sử dụng trong chuẩn nén JPEG) hoặc Biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) để chuyển dữ liệu ảnh sang miền tần số. Thông tin sau đó được nhúng vào các hệ số tần số trung bình, nơi mà sự thay đổi ít ảnh hưởng đến chất lượng thị giác nhưng lại có độ bền vững cao hơn trước các tấn công như nén hay lọc nhiễu. Đây là hướng đi đầy tiềm năng để xây dựng các hệ thống giấu tin vừa an toàn vừa bền bỉ.

5.3. Công cụ lập trình Code giấu tin Python và MATLAB

Việc hiện thực hóa các thuật toán giấu tin ngày càng trở nên dễ dàng hơn nhờ các công cụ lập trình mạnh mẽ. MATLAB steganography là một lựa chọn phổ biến trong giới học thuật nhờ các toolbox xử lý ảnh và ma trận mạnh mẽ, cho phép mô phỏng và kiểm tra các thuật toán phức tạp một cách nhanh chóng. Trong khi đó, với cộng đồng mã nguồn mở rộng lớn, việc viết code giấu tin Python cũng rất phổ biến. Các thư viện như Pillow (PIL Fork) để xử lý ảnh, NumPy để tính toán ma trận, và OpenCV giúp việc triển khai các thuật toán từ LSB đơn giản đến các kỹ thuật DWT phức tạp trở nên hiệu quả. Những công cụ này thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của Steganography trong nhiều lĩnh vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Nghiên cứu tổng quan về lĩnh vực giấu tin. Nghiên cứu, phân tích và tìm hiểu một số thuật toán giấu tin trong ảnh tĩnh. Ứng dụng kỹ thuật giấu tin mới, xây dựng chương trình demo giấu tin trong ảnh bitmap 24bit.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 3 CHƢƠN 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC GIẤU TIN 1. Tổng quan về giấu tin. Định nghĩa Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lƣợng thông tin số nào đó vào trong một đối tƣợng dữ liệu số khác. Kỹ thuật giấu thông tin nhằm mục đích đảm bảo an toàn vào bảo mật thông tin rõ ràng ở hai khía cạnh.

Một là bảo mật cho giữ liệu đƣợc đem giấu, hai là bảo mật cho chính đối tƣợng đƣợc dùng để giấu tin. Hai khía cạnh 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 thông tin giấu đƣợc nhiều và quan trọng là ngƣời khác khó phát hiện đƣợc một đối tƣợng có bị giấu thông tin bên trong hay không.

Khuynh hƣớng thứ hai là thủy vân số (watermarking). Khuynh hƣớng thủy vân số đánh giấu vào đối tƣợng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin. Thủy vân số có miền ứng dụng lớn hơn nên đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều hơn và thực tế đã có nhiều những kỹ thuật dành cho khuynh hƣớng này. Vài nét về lịch sử giấu tin Từ steganography bắt nguồn từ Hi Lạp và đƣợc sử dụng cho tới ngày nay, nó có nghĩa là tài liệu đƣợc phủ (covered writing).

Các câu chuyện kể về kỹ thuật giấu tin đƣợc truyền qua nhiều thế hệ. Có lẽ những ghi chép sớm nhất về kỹ thuật giấu thông tin thuộc về sử gia Hi Lạp là Herodotus. Khi bạo chúa Hi Lạp Histiaeus bị vua Darius bắt giữ ở Susa vào thế kỷ thứ năm trƣớc 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 của một nô lệ tin cậy và xăm một thông báo trên da đầu của ngƣời nô lệ ấy.

Khi tóc của ngƣời nô lệ này mọc đủ dài ngƣời nô lệ đƣợc gửi tới Miletus. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 4 Một câu chuyện khác về thời Hi Lạp cổ đại cũng do Herodotus ghi lại. Môi trƣờng để ghi văn bản chính là các viên thuốc đƣợc bọc trong sáp ong. Demeratus, một ngƣời Hi Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hi Lạp.

Để tránh bị phát hiện, anh ta đã bọc lại các viên thuốc bằng một lớp sáp mới. Những viên thuốc đƣợc để ngõ và lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng. Mực không màu là phƣơng tiện hữu hiệu cho bảo mật thông tin trong một thời gian dài. Ngƣời Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có nhƣ nƣớc quả, nƣớc tiểu và sữa dê để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thƣờng.

Khi bị hơ nóng, những thứ mực không nhìn thấy này trở nên sẫm màu và có thể đọc dễ dàng. Mực không màu cũng đƣợc sử dụng rất gần đây, nhƣ trong thời gian chiến tranh Thế giới thứ II. tƣởng về che giấu thông tin đã có từ hàng ngàn năm về trƣớc nhƣng kỹ thuật này đƣợc dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo. Mãi cho tới vài thập niên gần đây, giấu thông tin mới nhận đƣợc sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với hàng loạt công trình nghiên cứu giá trị.

Cuộc cách mạng số hóa thông tin và sự phát triển nhanh chóng của mạng truyền thông là nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi này. Những phiên bản sao chép hoàn hảo, các kỹ thuật thay thế, sửa đổi tinh vi, cộng với sự lƣu thông phân phối trên mạng của các dữ liệu đa phƣơng tiện đã sinh ra nhiều vấn đề nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, phân phối bất hợp pháp, xuyên tạc trái phép… 1. Mục đích của giấu tin Giấu tin có hai mục đích: - Bảo mật cho những dữ liệu đƣợc giấu - Bảo đảm an toàn (bảo vệ bản quyền) cho chính các đối tƣợng chứa dữ liệu giấu trong đó. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 5 Có thể thấy hai mục đích này hoàn toàn trái ngƣợc nhau và dần phát triển thành hai lĩnh vực với những yêu cầu và tính chất khác nhau.

Giấu thông tin Giấu tin bí mật Thuỷ vân số (Steganography) (Watermarking) Hình 1.1: Hai lĩnh vực chính của kỹ thuật giấu thông tin Kỹ thuật giấu thông tin bí mật (Steganography): với mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin tập trung vào các kỹ thuật giấu tin để có thể giấu đƣợc nhiều thông tin nhất. Thông tin mật đƣợc giấu kỹ trong một đối tƣợng khác sao cho ngƣời khác không phát hiện đƣợc. Kỹ thuật giấu thông tin theo kiểu đánh giấu (watermarking) để bảo vệ bản quyền của đối tƣợng chứa thông tin tập trung đảm bảo một số các yêu cầu nhƣ đảm bảo tính bền vững… đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thuỷ vân số. Mô hình kỹ thuật giấu thông tin cơ bản.

Để thực hiện giấu tin cần xây dựng đƣợc các thủ tục giấu tin. Các thủ tục này sẽ thực hiện nhúng thông tin cần giấu vào môi trƣờng giấu tin. Các thủ tục giấu tin thƣờng đƣợc thực hiện với một khóa giống nhƣ các hệ mật mã để tăng tính bảo mật. Sau khi giấu tin ta thu đƣợc đối tƣợng chứa thông tin giấu và có thể phân phối đối tƣợng đó trên kênh thông tin.

Để giải mã thông tin cần nhận đƣợc đối tƣợng có chứa thông tin đã giấu, sử dụng thủ tục giải mã cùng với khóa đã dùng trong quá trình giấu để lấy lại thông tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 6 Giấu thông tin vào phƣơng tiện chứa và tách lấy thông tin là hai quá trình trái ngƣợc nhau và có thể mô tả qua sơ đồ khối của hệ thống nhƣ hình 1.2 trong đó: - Thông tin cần giấu tuỳ theo mục đích của ngƣời sử dụng, nó có thể là thông điệp (với các tin bí mật) hay các logo, hình ảnh bản quyền. - Phƣơng tiện chứa: các file ảnh, text, audio… là môi trƣờng để nhúng tin - Bộ nhúng thông tin: là những chƣơng trình thực hiện việc giấu tin - Đầu ra: là các phƣơng tiện chứa đã có tin giấu trong đó Thông tin giấu Phân phối Phƣơng tiện Phƣơng tiện Bộ nhúng chứa(audio, ảnh, chứa đã đƣợc video) thông tin giấu tin Khóa giấu tin Hình 1.2: Lƣợc đồ chung cho quá trình giấu tin Tách thông tin từ các phƣơng tiện chứa diễn ra theo quy trình ngƣợc lại với đầu ra là các thông tin đã đƣợc giấu vào phƣơng tiện chứa. Phƣơng tiện chứa sau khi tách lấy thông tin có thể đƣợc sử dụng, quản lý theo những yêu cầu khác nhau.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 7 Khóa giấu tin Phƣơng tiện chứa đã Bộ giải mã Phƣơng tiện chứa đƣợc giấu tin (audio, ảnh, thông tin video) Kiểm Thông tin giấu định Hình 1.3: Lƣợc đồ chung cho quá trình giải mã Hình vẽ 1.3 chỉ ra các công việc giải mã thông tin đã giấu. Sau khi nhận đƣợc đối tƣợng phƣơng tiện chứa có giấu thông tin, 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 đã giấu sẽ đƣợc xử lý kiểm định so sánh với thông tin ban đầu.

Phân loại giấu tin. 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 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 đánh giá phân loại và các định nghĩa, nhƣng không lâu sau lại có các đánh giá phân loại và các định nghĩa khác đƣợc đề xuất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 8 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 công bố trên Internet, có thể chia lĩnh vực giấu dữ liệu ra làm hai hƣớng lớn, đó là watermarking và steganography. Nếu nhƣ watermarking quan tâm nhiều đến các ứng dụng giấu các mẩu tin ngắn nhƣng đòi hỏi độ bền vững cao của thông tin cần giấu đối với 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 với độ mật và dung lƣợng càng lớn càng tốt. Đối với từng hƣớng lớn này, quá trình phân loại có thể tiếp tục theo các tiêu chí khác. Ngoài ra chúng ta có thể phân loại theo môi trƣờng giấu thông tin: + Giấu thông tin trong ảnh.

+ Giấu thông tin trong audio. + Giấu thông tin trong video. + Giấu thông tin trong văn bản dạng text. Phân loại theo cách thức tác động lên các phƣơng tiện: Phƣơng pháp chèn dữ liệu: Phƣơng pháp này tìm các vị trí trong file dễ bị bỏ qua và chèn dữ liệu cần giấu vào đó, cách giấu này không làm ảnh hƣởng gì tới sự thể hiện các file dữ liệu ví dụ nhƣ đƣợc giấu sau các ký tự EOF.

Phƣơng pháp tạo các phƣơng tiện chứa: Từ các thông điệp cần chuyển sẽ tạo ra các phƣơng tiện chứa để phục vụ cho việc truyền thông tin đó, từ phía ngƣời nhận dựa trên các phƣơng tiện chứa này sẽ tái tạo lại các thông điệp. Phân loại theo các mục đích sử dụng: - Giấu thông tin bí mật: đây là ứng dụng phổ biến nhất từ trƣớc đến nay, đối với giấu thông tin bí mật ngƣời ta quan tâm chủ yếu tới các mục tiêu: + Độ an toàn của giấu tin - khả năng không bị phát hiện của giấu tin. + Lƣợng thông tin tối đa có thể giấu trong một phƣơng tiện chứa cụ thể mà vẫn có thể đảm bảo an toàn + Độ bí mật của thông tin trong trƣờng hợp giấu tin bị phát hiện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 9 - Giấu thông tin bí mật không quan tâm tới nhiều các yêu cầu bền vững của phƣơng tiện chứa, đơn giản là bởi ngƣời ta có thể thực hiện việc gửi và nhận nhiều lần một phƣơng tiện chứa đã đƣợc giấu tin.