PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án ―Giấu thông tin‖ (Steganography1) là kỹ thuật liên lạc mật dựa trên hình thức giấu thông tin quan trọng vào đối tƣợng khác. Từ thời kỳ cổ đại ngƣời ta đã sử dụng phƣơng pháp này để liên lạc mật cho nhau. Một ví dụ cổ điển hình về giấu tin [76] (485-525 trƣớc công nguyên) là câu chuyện của một ngƣời tên là Histaiæus muốn gửi thông tin quan trọng về ―Kế hoạch ủng hộ cuộc nổi dậy chống lại đức vua Ba tƣ Xerxes‖ cho nhà nhiếp chính thành phố Miletus bằng cách xăm thông tin lên da đầu ngƣời nô lệ tin cậy của mình, cho đến khi tóc mọc dài trở lại ông ta cử ngƣời nô lệ đó đến gặp nhà nhiếp chính.
Hay một phát minh khác của Pliny T. Elder (23- 79 sau công nguyên) về mực ―không màu‖ chính là sữa động vật, khi mực này viết trên giấy để khô khó phát hiện ra, và chỉ khi giấy đó đƣợc hơ nóng các vết mực sẽ chuyển sang nâu. Vào thời kỳ phục hƣng, năm 1518 Johannes Trithemius viết cuốn sách về mã hóa ―Polygraphia‖. Trong cuốn sách này ngƣời ta thấy xuất hiện đầu tiên thuật ngữ ―Steganographia‖, đây là một từ ghép bắt nguồn từ ngôn ngữ Hy lạp steganos nghĩa là bao bọc ―cover‖ và graphia nghĩa là bản viết ―writing‖ [27].
Trải qua nhiều thời kỳ biến động của xã hội loài ngƣời, ngày nay khi mà kỹ thuật số bùng nổ, con ngƣời cũng ―số hoá‖ lĩnh vực giấu tin phục vụ cho cuộc sống hiện đại. Do tính ƣu việt của các kỹ thuật giấu tin là ―vô hình‖ nên nó trở thành công cụ hữu ích cho một số tổ chức trao đổi thông tin quan trọng trong môi trƣờng truyền thông công cộng. Vì vậy giấu tin mật phát triển một cách nhanh chóng và ngày càng tinh sảo hơn với một lƣợng lớn công trình giấu tin đƣợc công bố thƣờng niên (chƣa kể đến số kỹ thuật giấu không công bố công khai) nhƣ thống kê trong biểu đồ hình 1 giai đoạn từ năm 1992 đến 2007 của Jessica Fridrich [32]. Giấu tin có một ƣu điểm mà mật mã học (Cryptography) còn hạn chế đó là có thể ―bảo vệ đƣợc bản quyền số, hay khi giữa các đối tƣợng liên lạc mật với nhau trên các kênh thông tin công cộng mà ít bị nghi ngờ‖.
Lý do vì bản quyền số đã mã 1 Thuật ngữ Steganography đƣợc tạm dịch thành ―Giấu tin‖ và đƣợc sử dụng trong toàn bộ luận án này 12 hóa sau khi đƣợc giải mã thì khó có thể giữ đƣợc bản quyền, hay thông tin mật cần trao đổi giữa các bên, sau khi đƣợc mã hóa sẽ làm cho ngƣời khác biết rõ là các bên có trao đổi thông tin mật nào đó cho nhau. Giấu tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện chính là những ―bổ khuyết‖ cho các vấn đề trên của mật mã học. Kỹ thuật giấu tin công bố trong giai đoạn 1992 – 2007[32] Về nguyên lý, giấu tin trong dữ liệu video, dữ liệu âm thanh hay trong dữ liệu ảnh số không khác gì nhiều. Tuy nhiên, do giấu tin trong ảnh dễ thực hiện hơn, giấu đƣợc nhiều thông tin hơn, và ảnh là đối tƣợng đƣợc sử dụng khá phổ biến trên Internet hiện nay, nên kỹ thuật giấu tin trong ảnh chiếm tỉ lệ nhiều nhất trong các loại dữ liệu đa phƣơng tiện (hình 2).
Tỉ lệ phương tiện được lựa chọn để giấu tin năm 2008 [32] Vậy giấu tin trong ảnh là gì ? Tại sao nó lại phát triển nhanh và sôi động nhƣ vậy ? Theo [18, 27], giấu thông tin là kỹ thuật ―nhúng‖ một lƣợng thông tin vào dữ liệu ảnh số sao cho đảm bảo các yêu cầu sau: 13 1/. Không thể phát hiện (undetectability) thông tin giấu trong ảnh gốc bằng cảm nhận của con ngƣời. Không thể phân biệt đƣợc (undistinguishable) đâu là ảnh gốcvà đâu là ảnh có giấu tin bằng cảm nhận của con ngƣời. Lƣợng thông tin giấu lớn nhất có thể (steganographyic capacity) trong gốc sao cho không vi phạm yêu cầu 1/ và yêu cầu 2/ nêu trên.
Ngoài ra, việc giấu thông tin trong ảnh còn đem lại khả năng tiết kiệm bộ nhớ và thời gian truyền tin đáng kể. Ví dụ: Giả sử một ảnh xám 8 – bit có kích cỡ 4×6 cm tƣơng ứng với 630×945 pixel (tƣơng đƣơng 595350 pixel). Nếu mỗi pixel giấu đƣợc một bit thông tin, thì 595350 pixel có thể giấu lƣợng thông tin lấp đầy 19 trang giấy A4 (trung bình mỗi trang A4 chứa đƣợc 75 ký tự × 50 dòng). Thông tin có thể đƣợc giấu trên miền không gian hoặc trên các hệ số biến đổi của ảnh nhƣ biến đổi tần số cosine rời rạc, wavelet rời rạc, fourier rời rạc hay biến đổi sai phân (difference image).
Kỹ thuật giấu tin trong ảnh đa số là phƣơng pháp giấu trên bit có ít ý nghĩa nhất LSB (Least Significant Bit) của điểm ảnh hoặc của các hệ số biến đổi, vì thay đổi trên bit LSB ít ảnh hƣởng đến chất lƣợng ảnh theo khả năng cảm nhận của con ngƣời [16, 17, 19, 50, 51, 53 - 55, 65, 67, 69, 75, 77, 91, 100]. Ngoài ra còn có một số phƣơng pháp giấu khác theo cách thức có sự thay đổi nhỏ trên ảnh nhƣ phƣơng pháp giấu theo hình thức chèn nhiễu – kỹ thuật giấu tin SS (Spread Spectrum) [3, 4, 26, 60], phƣơng pháp giấu tin theo hình thức điều chỉnh hệ số lƣợng tử QIM (Quantization Index Modulation) [5, 23, 42, 65, 79], hay một số kỹ thuật giấu đặc biệt khác: MBNS [101], RCM [25], RVH [45],… Giống nhƣ trong Mật mã học, Thám mã (Cryptanalysis) là kỹ thuật đối lập nhƣng song song tồn tại và phát triển cùng với sự phát triển của kỹ thuật Mật mã, nhằm giải mã các ―bản mã‖ thu nhận đƣợc để hiểu rõ nội dung ban đầu của bản mã, 14 thì phát hiện ảnh có giấu tin (image steganalysis2) là kỹ thuật đối lập với kỹ thuật giấu tin nhằm dò tìm ảnh số nào đó có giấu thông tin hay không. Việc nghiên cứu phát hiện ảnh giấu tin ngoài ý nghĩa khoa học còn có hai ý nghĩa thực tiễn, đó là: Thứ nhất, nhằm phục vụ đắc lực cho an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia; Thứ hai, nhằm nâng cấp và thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Chính vì vậy, ở các nƣớc, nhất là các nƣớc có nền công nghiệp phát triển nhƣ: Mỹ, Anh, Đức, Israel, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản … đã đầu tƣ rất nhiều kinh phí cho việc nghiên cứu này.
Tại Việt Nam, cũng đã có một số cơ quan đơn vị nghiên cứu về giấu tin trong ảnh và phát hiện ảnh có giấu tin nhƣ: Tổng Cục an ninh I – Bộ Công An, Viện Công Nghệ Thông tin – Viện khoa học Việt Nam, trƣờng Đại học bách khoa Hà Nội, trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh… nhƣng vẫn còn rời rạc và chƣa đƣợc đầu tƣ đúng mức. Với hai mục đích nêu trên dẫn đến hai hƣớng nghiên cứu khác nhau : Hƣớng thứ nhất, cố gắng xây dựng thuật toán phát hiện mù (blind steganalysis) cho ảnh có giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu bất kỳ; Hƣớng thứ hai, dựa vào kỹ thuật giấu tin nào đó đã biết, có thể xây dựng đƣợc thuật toán phát hiện phù hợp (phát hiện có ràng buộc – constraint steganalysis). Đã có nhiều công trình công bố nghiên cứu trên thế giới thành công theo hai hƣớng này : - Với kỹ thuật phát hiện mù cho ảnh có giấu tin trên LSB của miền không gian có các công trình [31, 38, 84, 95, 102] và miền tần số có công trình [71], kỹ thuật phát hiện mù cho ảnh giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu SS có công trình [83], kỹ thuật giấu QIM có các công trình [59, 81, 82] hay phát hiện mù cho ảnh JPEG có giấu tin [66]. - Với kỹ thuật phát hiện có ràng buộc cho ảnh có giấu tin sử dụng một số kỹ thuật giấu đã biết, nhƣ các công trình: [36] (tấn công kỹ thuật giấu OutGuess), [33] (tấn công kỹ thuật giấu F5), [46] (tấn công kỹ thuật giấu 2 Thuật ngữ image steganalysis đƣợc tạm dịch là ―phát hiện ảnh giấu tin‖ 15 HKC), [24] (tấn công kỹ thuật giấu RCM), [14] (tấn công kỹ thuật giấu tin MBNS).
Tuy nhiên, các kỹ thuật giấu tin ra đời sau ngày càng tinh xảo hơn đòi hỏi các nhà phân tích ảnh có giấu tin không ngừng tìm ra phƣơng pháp phát hiện phù hợp bắt kịp với xu hƣớng phát triển của kỹ thuật giấu thông tin. Đặc biệt với tốc độ phát triển nhanh chóng của Internet ngày nay thì nhu cầu trao đổi thông tin bằng ảnh ngày càng lớn mạnh, do đó để đảm bảo an toàn an ninh, quốc phòng hay hỗ trợ nâng cấp, cải tiến kỹ thuật giấu nào đó an toàn hơn đang là bài toán cấp thiết đặt ra cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực an toàn thông tin ở nƣớc ta hiện nay. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu Từ phân tích nêu trên, luận án này tập trung nghiên cứu cải tiến và đề xuất một số kỹ thuật phát hiện ảnh có giấu tin theo hai hƣớng chính: - Thứ nhất, đƣa ra một số kỹ thuật phát hiện mù cho ảnh có giấu tin trên LSB của miền không gian và miền tần số. Từ việc khảo sát, phân tích kỹ thuật giấu LSB và một số kỹ thuật phát hiện của tác giả khác luận án đƣa ra phƣơng pháp phát hiện khác cho kết quả phân loại tƣơng đƣơng hoặc tốt hơn trong trƣờng hợp nào đó so với các kỹ thuật phát hiện khác.
- Thứ hai, đƣa ra một số kỹ thuật phát hiện có ràng buộc cho ảnh có giấu tin với kỹ thuật giấu biết trƣớc. Kỹ thuật giấu biết trƣớc thƣờng là trƣờng hợp riêng của kỹ thuật giấu LSB, nó cho phép giấu với lƣợng thông tin giấu thấp, vì vậy nếu quy về bài toán phát hiện mù sẽ cho kết quả phát hiện không cao, trong các trƣờng hợp riêng này thƣờng sẽ cố gắng tìm ra phƣơng pháp phát hiện tối ƣu hơn các phƣơng pháp phát hiện mù. Đối tƣợng ảnh nghiên cứu là các ảnh dạng BITMAP vì hầu hết các ảnh trong máy tính, các ảnh chụp từ máy ảnh kỹ thuật số hoặc các ảnh từ các trang web là lƣu dƣới dạng này (nhƣ các định dạng: jpg, gif, png, tif, psp, bmp, …), còn ảnh dạng vector (nhƣ các định dạng: pdf, eps, ai, cdr, svg, dwg ,…) không nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án này.
