I. Giấu Tin Trong Ảnh Tổng Quan Lịch Sử Phát Triển
Công nghệ thông tin, đặc biệt là sự phát triển của mạng máy tính, đã tạo ra môi trường mở cho việc trao đổi và phân phối tài liệu. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra vấn đề về bảo vệ tài liệu, ngăn chặn việc đánh cắp và sao chép bất hợp pháp. Vấn đề an toàn và bảo mật thông tin hiện nay được quan tâm đặc biệt. Các công nghệ và giải pháp để bảo vệ thông tin đã và đang được nghiên cứu và phát triển. Giải pháp bảo mật phổ biến là dùng mật mã học. Thông tin ban đầu được mã hóa thành các bản mật mã. Giải pháp này dễ gây ra sự nghi ngờ. Giải pháp khác đã và đang được sử dụng và tỏ ra hiệu quả cho việc đảm bảo an toàn thông tin là: đem thông tin giấu vào một đối tượng khác. Đối tượng phổ biến nhất để chứa tin là ảnh. Vấn đề quan tâm khi giấu thông tin vào bức ảnh là: có bao nhiêu thông tin có thể giấu? Làm thế nào để sau khi giấu, ảnh không có những điểm bất thường? Tính bền vững của thông tin sau khi giấu và liệu có thể nhận biết được ảnh có giấu tin hay không? Giấu tin trở thành một giải pháp an toàn và bảo mật cho trao đổi thông tin hợp pháp. Tuy nhiên, nó cũng làm nảy sinh một nguy cơ khác là lợi dụng việc giấu tin để thực hiện những hành vi bất hợp pháp. Xuất phát từ những vấn đề đặt ra như trên, luận văn "Kỹ thuật giấu tin trong ảnh và nghiên cứu khả năng phát hiện ảnh có giấu tin" được thực hiện. Chương 1 trình bày những khái niệm cơ bản liên quan đến giấu tin, mô hình kỹ thuật giấu tin, các cách tiếp cận để giải quyết bài toán giấu tin và phân tích một số kỹ thuật giấu tin mật trong ảnh số. Các kỹ thuật giấu tin mật đều tập trung giấu thông tin vào các bit ít quan trọng nhất của mỗi điểm ảnh. Chương 2: Kỹ thuật thủy vân số trên ảnh. Chương này trình bày một số kỹ thuật thủy vân số ẩn bền vững trong ảnh. Qua việc phân tích đánh giá điểm mạnh, điểm yếu của từng kỹ thuật, chất lượng ảnh nhúng thủy vân và tính bền vững của thủy vân để có thể đưa ra một giải pháp nâng cao độ an toàn cho thủy vân. Chương 3: Nghiên cứu khả năng phát hiện ảnh có giấu tin. Mục tiêu của bài toán phân tích tin ẩn trong ảnh đó là: phát hiện ảnh có giấu tin và trích chọn ra thông điệp (hoặc một phần thông điệp) đã giấu, cũng như có thể sửa đổi hay phá hủy thông tin đã phát hiện. Tuy nhiên trong chương này luận văn chỉ giải quyết vấn đề phát hiện có sự tồn tại của tin ẩn hay không. Chương này đưa ra một số kỹ thuật phát hiện ảnh giấu tin theo hướng tiếp cận chủ yếu sử dụng lý thuyết xác suất thống kê.
1.1. Khái niệm cơ bản về Steganography Giấu Tin
"Giấu thông tin" gọi tắt là "Giấu tin", tiếng Hi Lạp là "Steganography", tiếng Anh là "Cover Writing". Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. Kỹ thuật giấu tin nhằm hai mục đích: một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo vệ cho chính đối tượng mang tin giấu. Hai mục đích khác nhau này dẫn đến hai kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Đó là giấu tin mật và thủy vân số. Nói chung, giấu tin trong đa phương tiện là tận dụng độ dư thừa của phương tiện giấu để thực hiện việc giấu tin mà người ngoài cuộc khó cảm nhận được có thông tin giấu trong đó."
1.2. Phân loại các kỹ thuật Giấu Tin Steganography
Do kỹ thuật giấu tin số mới được hình thành trong thời gian gần đây nên xu hướng phát triển vẫn chưa ổn định. Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau. Petitcolas đề xuất năm 1999, có thể chia lĩnh vực giấu tin thành hai hướng lớn, đó là giấu tin mật và thủy vân số. Giấu tin mật với mục đích đảm bảo an toàn và bảo mật thông tin tập trung vào các kỹ thuật giấu thông tin sao cho người khác khó phát hiện nhất việc có tin được giấu; hơn nữa nếu phát hiện có tin giấu thì giải tin cũng khó thực hiện. Bên cạnh đó cũng đặt ra vấn đề về lượng tin được giấu. Thủy vân số lại được chia thành hai hướng nhỏ là thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững. Trong đó thủy vân dễ vỡ yêu cầu thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi nào vào trên dữ liệu chứa tin. Thủy vân bền vững quan tâm nhiều đến việc nhúng các mẩu tin đòi hỏi độ bền cao của thông tin được giấu trước các biến đổi thông thường trên dữ liệu chứa tin.
1.3. Lịch sử phát triển của kỹ thuật Giấu Tin
Từ Steganography bắt nguồn từ tiếng Hi Lạp. Từ stegano trong tiếng Hi Lạp có nghĩa là covered, còn graphien có nghĩa là to write. Như vậy, steganography có nghĩa là tài liệu được phủ covered writing. 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. 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 thời gian dài. Người Romans cổ đã biết sử dụng những chất sẵn có như nước quả, nước tiểu và sữa viết các thông báo bí mật giữa các hàng văn tự thông thường. 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 thập niên gần đây, giấu tin mới nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các viện công nghệ thông tin với nhiều công trình nghiên cứu. Sự phát triển của thông tin số và mạng truyền thông 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 nhức nhối về nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc trái phép, lan truyền thông tin bất hợp pháp.
II. Ứng Dụng Thực Tế của Steganography Bảo Vệ Xác Thực
Bảo vệ quyền tác giả: Đây là ứng dụng cơ bản nhất của kỹ thuật thủy vân số. Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả gọi là thủy vân sẽ được nhúng vào trong sản phẩm, thủy vân đó chỉ một mình người chủ sở hữu hợp pháp các sản phẩm đó có và được dùng làm minh chứng cho bản quyền sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật đối với ứng dụng này là thủy vân phải tồn tại bền vững cùng sản phẩm, muốn bỏ thủy vân này mà không được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách phá hủy sản phẩm. Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin: Một tập các thông tin sẽ được giấu trong các phương tiện chứa sau đó sử dụng để nhận biết xem trên các phương tiện gốc đó có bị thay đổi hay không. Giấu vân tay hay dán nhãn: Thủy vân trong các ứng dụng này được sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó. Kiểm soát sao chép: Các thủy vân trong những trường hợp này được sử dụng để kiểm soát sao chép đối với các thông tin. Giấu tin mật: Các thông tin giấu được trong những trường hợp này càng nhiều càng tốt, việc giải mã để nhận được thông tin cũng không cần phương tiện chứa ban đầu.
2.1. Giấu Tin trong Ảnh Audio Video và Văn Bản
Hiện nay, giấu tin trong ảnh chiếm tỉ lệ lớn nhất hệ thống giấu tin trong đa phương tiện. Bởi lẽ lượng thông tin được trao đổi bằng hình ảnh là rất lớn, hơn nữa chúng còn đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng an toàn thông tin như: xác thực thông tin, bảo vệ quyền tác giả, điều khiển truy cập, xác định xuyên tạc thông tin. Từ việc nghiên cứu kỹ thuật giấu tin trong ảnh số chuyển sang kỹ thuật giấu tin trong các phương tiện khác như audio, video, trong văn bản,… không có gì khó khăn về nguyên tắc. Chính vì lẽ đó, giấu tin trong ảnh đã và đang được nhiều tổ chức, các trường đại học, các viện nghiên cứu, các cá nhân quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Giấu tin trong audio mang những đặc điểm riêng khác với giấu tin trong các đối tượng đa phương tiện khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc. Giấu tin trong video cũng được quan tâm phát triển và có nhiều ứng dụng như kiểm soát sao chép thông tin, xác thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả. Trong việc trao đổi thông tin qua hệ thống máy tính, văn bản chiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại phương tiện chứa tin khác. Tuy vậy, giấu tin trong văn bản lại chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều.
2.2. Đặc trưng và tính chất của Giấu Tin trong ảnh
Giấu tin trong ảnh chiếm vị trí chủ yếu trong các kỹ thuật giấu tin. Đối tượng ảnh là một đối tượng dữ liệu tĩnh. Dữ liệu ảnh có nhiều định dạng, mỗi định dạng có những tính chất khác nhau nên các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thường chú ý đến những đặc trưng và các tính chất cơ bản sau đây: Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh, kỹ thuật giấu phụ thuộc loại ảnh, kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người, giấu thông tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không thay đổi kích thước ảnh, đảm bảo chất lượng ảnh sau khi giấu, thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ biến đổi nào trên ảnh, vai trò của ảnh gốc khi giải tin.
III. Các Hướng Tiếp Cận Kỹ Thuật Giấu Tin Trong Ảnh Hiện Nay
Có hai hướng tiếp cận chính trong kỹ thuật giấu tin trong ảnh: tiếp cận trên miền không gian ảnh và tiếp cận trên miền tần số ảnh. Tiếp cận trên miền không gian ảnh là hướng tiếp cận cơ bản và tự nhiên. 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 các điểm ảnh. Một phương pháp phổ biến của hướng tiếp cận này là phương pháp tác động đến bit ít quan trọng nhất của mỗi điểm ảnh. Tiếp cận trên miền tần số ảnh: Trong một số trường hợp cách khảo sát trực tiếp ở trên cũng gặp phải khó khăn nhất định hoặc rất phức tạp và hiệu quả không cao, do đó ta có thể dùng phương pháp khảo sát gián tiếp thông qua các kỹ thuật biến đổi.
3.1. Miền Không Gian Ảnh LSB và Các Kỹ Thuật Liên Quan
Đây là hướng tiếp cận cơ bản và tự nhiên trong số các kỹ thuật giấu tin. 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 các 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 nhất của mỗi điểm ảnh (LSB - Least Significant Bit). Ý tưởng cơ bản của phương pháp tác động đến bit ít quan trọng nhất (LSB) của các điểm ảnh là chọn ra từ mỗi điểm ảnh các bit ít có ý nghĩa nhất về mặt tri giác để sử dụng cho việc giấu tin.
3.2. Miền Tần Số Ảnh DCT Wavelet và Ứng Dụng
Trong một số trường hợp cách khảo sát trực tiếp ở trên cũng gặp phải khó khăn nhất định hoặc rất phức tạp và hiệu quả không cao, do đó ta 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 miền khác và như vậy tín hiệu và hệ thống rời rạc sẽ được biểu diễn trong miền mới với các biến số mới. Hệ thống rời rạc cần khảo sát chính là không gian các điểm ảnh. Có nhiều phép biến đổi trong đó phổ biến là biến đổi Fourier DFT, biến đổi Cosin rời rạc DCT, biến đổi sóng nhỏ DWT… Đây là những phép biến đổi được sử dụng nhiều trong các kỹ thuật xử lý ảnh.
IV. Kỹ Thuật Giấu Tin Mật Trong Ảnh Phương Pháp Giải Thuật
Kỹ thuật giấu tin mật trong khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1: Đây là kỹ thuật đơn giản nhất trong các kỹ thuật giấu tin. Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật này là chia một ảnh thành các khối nhỏ và trong mỗi khối nhỏ sẽ giấu một bit thông tin. Kỹ thuật giấu tin Wu _ Lee: Thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng do M.Lee đưa ra năm 1989 đã khắc phục được phần nào những tồn tại nêu trên bằng cách đưa thêm khóa K cho việc giấu tin và các điều kiện để đảo bít trong mỗi khối. Kỹ thuật giấu tin Yuan_Pan_Tseng: Yu Yuan, Hsiang Kuang Pan và Yu Chee Tseng đã phát triển một kỹ thuật giấu tin mới trên cơ sở của thuật toán Wu_Lee. Kỹ thuật này sử dụng một ma trận khóa và một ma trận trọng số để giấu tin.
4.1. Giấu Tin Mật trong Khối Bit Tính Chẵn Lẻ
Đây là kỹ thuật đơn giản nhất trong các kỹ thuật giấu tin. Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật này là chia một ảnh thành các khối nhỏ và trong mỗi khối nhỏ sẽ giấu một bit thông tin. Dựa vào tính chẵn lẻ của tổng số các bit 1 trong khối để qui định giấu bit 1 hay 0. Cụ thể sau khi giấu thì tổng số các bit 1 trong khối và bit cần giấu sẽ có cùng tính chẵn lẻ. Thuật toán này dùng cho ảnh đen trắng, ảnh mầu và ảnh đa cấp xám.
4.2. Kỹ Thuật Giấu Tin Wu _ Lee Khóa và Điều Kiện Đảo Bit
Kỹ thuật giấu tin theo khối bit sử dụng tính chẵn lẻ của tổng số bit 1 trong khối ở trên thể hiện độ an toàn không cao do chỉ có duy nhất kích thước khối là khóa cho quá trình giấu tin, đồng thời ảnh chứa thông tin giấu cũng dễ bị phát hiện do kỹ thuật có thể sẽ đảo bit trong các khối ảnh toàn màu đen hoặc màu trắng dẫn tới sự bất thường ở vị trí đảo so với các điểm lân cận trong khối. Thuật toán giấu tin trong ảnh đen trắng do M.Lee đưa ra năm 1989 đã khắc phục được phần nào những tồn tại nêu trên bằng cách đưa thêm khóa K cho việc giấu tin và các điều kiện để đảo bít trong mỗi khối.
4.3. Kỹ Thuật Giấu Tin Yuan_Pan_Tseng Ma Trận Trọng Số
Yu Yuan, Hsiang Kuang Pan và Yu Chee Tseng đã phát triển một kỹ thuật giấu tin mới trên cơ sở của thuật toán Wu_Lee. Kỹ thuật này sử dụng một ma trận khóa và một ma trận trọng số để giấu tin. Thuật toán đảm bảo được độ an toàn của thông tin giấu và cũng giấu được nhiều thông tin trong ảnh bằng cách chỉ thay đổi nhiều nhất 2 bit trong mỗi khối ảnh. Đối với ảnh đen trắng thì kỹ thuật này có nhược điểm là chất lượng ảnh chưa cao, dễ bị phát hiện.
V. Kỹ Thuật Thủy Vân Số Trên Ảnh Ứng Dụng Phân Loại
Như đã giới thiệu, tính năng an toàn và bảo mật thông tin của kỹ thuật giấu tin được thể hiện ở hai khía cạnh. Một là bảo vệ cho dữ liệu đem giấu và hai là bảo vệ cho chính đối tượng được sử dụng để giấu tin. Tương ứng với hai khía cạnh đó có hai khuynh hướng kỹ thuật rõ ràng là giấu tin mật và thủy vân số. Trong chương này sẽ đưa ra một số khái niệm trong thủy vân số và một số kỹ thuật thủy vân cũng như một giải pháp nâng cao độ an toàn cho thủy vân.
5.1. Khái niệm Thủy Vân Số Digital Watermarking
Thủy vân trên ảnh số là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số vào một bức ảnh số sao cho người không được phép khó có thể lấy được thông tin ra khỏi ảnh mà không phá hủy chính ảnh đó (ảnh gốc). Trong kỹ thuật thủy vân số thì thông tin nhúng được gọi là thủy vân. Thủy vân có thể là một chuỗi các kí tự hay một hình ảnh nào đó.
5.2. Phân loại kỹ thuật Thủy Vân Số
Căn cứ những đặc trưng, tính chất của từng kỹ thuật thủy vân và khía cạnh ứng dụng những kỹ thuật đó ta có thể chia các kỹ thuật thủy vân theo nhóm. Thủy vân dễ vỡ là kỹ thuật nhúng thủy vân vào trong ảnh sao cho sản phẩm sau khi phân phối trong môi trường mở nếu có bất kỳ một phép biến đổi nào làm cho nó bị thay đổi thì thủy vân đã giấu trong nó sẽ không còn nguyên vẹn như thủy vân gốc. Ngược lại với kỹ thuật thủy vân dễ vỡ là thủy vân bền vững. Các kỹ thuật thủy vân bền vững thường được sử dụng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền. Thủy vân bền vững lại được chia thành hai loại là thủy vân ẩn và thủy vân hiện.
5.3. Mô hình hệ thống Thủy Vân Số cơ bản
Một mô hình hệ thống thủy vân tổng quát được xem xét theo hai quá trình là quá trình nhúng thủy vân và quá trình tách thủy vân. Trong đó – Một bức ảnh I cần được bảo vệ. – Thông tin thủy vân W (tùy mục đích bảo vệ, thông tin thủy vân có thể là chuỗi bit, văn bản hoặc ảnh). – Một thuật toán trong hệ thống sẽ kết hợp giữa thông tin ảnh gốc I, thông tin thủy vân W và khóa K để tạo thành một bức ảnh mới gọi là ảnh đã nhúng thủy vân hay ảnh chứa thủy vân Iw.
VI. Cải Tiến Nâng Cao Độ An Toàn Cho Kỹ Thuật Thủy Vân
Trong quá trình nhúng thủy vân, các khối DCT sau khi nhúng luôn thỏa tính chất hai hệ số được chọn trong miền tần số giữa có độ lệch cao nhất. Điều này dẫn đến việc một người bất kỳ có thể dò tìm thủy vân bằng cách đọc vào các khối DCT rồi tìm ra cặp hệ số có độ lệch lớn nhất trong khối. Trong mục này trình bày giải pháp bổ sung cho kỹ thuật nhúng thủy vân ở trên để được hệ thủy vân có độ an toàn cao.
6.1. Giải Pháp Nâng Cao Tính An Toàn cho Thủy Vân
Trong quá trình nhúng thủy vân đã trình bày, các khối DCT sau khi nhúng luôn thỏa tính chất hai hệ số được chọn trong miền tần số giữa có độ lệch cao nhất. Điều này dẫn đến việc một người bất kỳ có thể dò tìm thủy vân bằng cách đọc vào các khối DCT rồi tìm ra cặp hệ số có độ lệch lớn nhất trong khối. Trong mục này trình bày giải pháp bổ sung cho kỹ thuật nhúng thủy vân ở trên để được hệ thủy vân có độ an toàn cao.
6.2. Ứng Dụng Thực Tế và Triển Vọng của Thủy Vân
Ứng dụng thực tế của kỹ thuật thủy vân rất đa dạng, từ bảo vệ bản quyền nội dung số đến xác thực dữ liệu và kiểm soát truy cập. Triển vọng phát triển của thủy vân trong tương lai là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh số hóa ngày càng mạnh mẽ và nhu cầu bảo vệ thông tin ngày càng tăng cao.
