CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN Chương này tập trung trình bày một số khái niệm liên quan đến ảnh số, kỹ thuật giấu tin, thủy vân số và ứng dụng. Ngoài ra, trong chương còn trình bày hai thuật toán giấu tin trên ảnh nhị phân gồm Thuật toán Wu-Lee và thuật toán THA. Một số vấn đề cơ bản về giấu tin 1. Khái niệm giấu tin Giấu tin là một kỹ thuật giấu một lượng thông tin nào đó vào một đối tượng dữ liệu khác nhằm hai mục đích đó là: Một là bảo vệ cho chính đối tượng được giấu tin bên trong.
Đây chính là thủy vân số, đây là lĩnh vực rất đa dạng, có nhiều mục đích và đang được quan tâm, nghiên cứu rất nhiều; tính ứng dụng của nó trong hiện tại rất lớn và đã có nhiều kỹ thuật được đề xuất. Hai là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu. Chính là giấu tin mật, tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho người khác rất vất vả, khó khăn mới phát hiện được đối tượng có chứa thông tin mật bên trong. Phân loại các kỹ thuật giấu tin và ứng dụng Dựa theo mục đích sử dụng, ta có chia các lược đồ giấu tin thành hai nhóm chính giấu tin và thủy vân: - Thủy vân số: Là nhúng một lượng thông tin có ích vào các sản phẩm số.
Có thể chia thành hai loại thủy vân như sau: Thủy vân bền vững và thủy vân dễ vỡ. Thủy vân bền vững nghiên cứu đến việc nhúng những mẩu tin với yêu cầu độ bền vững cao của thông tin được giấu trước những biến đổi của môi trường dữ liệu. Còn thủy vân dễ vỡ quan tâm đến thông tin giấu sẽ bị sai lệch nếu có bất kỳ sự thay đổi nào trên dữ liệu chứa thông tin giấu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 5 - Giấu tin mật: Với kỹ thuật giấu tin mật này luôn quan tâm đến tính che giấu thông tin, với mục đích nhằm làm sao cho việc phát hiện được đối tượng có chứa thông tin mật ở bên trong hay không; nếu phát hiện có giấu tin thì việc giải mã thông tin mật cũng sẽ mất rất nhiều thời gian và rất khó thực hiện được.
Các kỹ thuật giấu tin cũng rất quan tâm đến lượng tin có thể giấu được. Như vậy, kỹ thuật giấu tin có thể được phân loại như hình sau: Giấu tin Giấu tin mật Thủy vân số Hình 1. Phân loại các kỹ thuật giấu tin 1. Mô hình kỹ thuật giấu tin Giống như các lược đồ mã hóa thông tin, một kỹ thuật giấu tin gồm thuật toán nhúng tin và thuật toán trích tin.
Theo [5], sơ đồ của thuật toán nhúng tin tổng quá có mô hình như sau : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.2 Mô hình thuật toán nhúng tin Trong Hình 1.2, môi trường giấu tin là những dữ liệu dùng để chứa thông tin mật, dữ liệu môi trường thường là những dữ liệu được dùng phổ biến trên Internet như : tệp ảnh, tệp âm thanh, tệp video, tệp text…Thông tin cần giấu là một lượng thông tin mang ý nghĩa và mục đích nào đó tùy thuộc vào mục đích và yêu cầu của người sử dụng (tin mật). Tin mật được nhúng vào trong môi trường chứa thông tin nhờ một bộ nhúng thông tin. Trong quá trình nhúng tin, thuật toán có thể sử dụng hệ thống khóa làm tăng tính an toàn cho hệ thống. Sau khi nhúng tin mật vào dữ liệu môi trường ta nhận được dữ liệu môi trường có chưa tin.
Dữ liệu này được truyền tải trên các môi trường truyền thông khác nhau. Khi nhận được dữ liệu có chưa tin, người nhận thực hiện thuật toán trích tin tương ứng để trích rút tin mật từ dữ liệu môi trường. Trong một số trường hợp, người dùng có thể khôi phục lại dữ liệu môi trường từ dữ liệu chứa tin. Theo [5], thuật toán trích tin có mô hình thực hiện như : Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.3 Mô hình trích tin Trong hình 1.3 đã chỉ ra các nhiệm vụ của quá trình giải mã thông tin đã được giấu.
Quá trình giải mã này phải được thực hiện thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin và kết hợp với khóa để giải mã tin. Khóa để giải mã tin này có thể giống hay khác với khóa đã nhúng tin. Kết quả thu được bao gồm môi trường gốc và thông tin đã được che giấu. Tùy theo các trường hợp cụ thể, thông tin tách được ra có thể phải cần xử lý, kiểm định và so sánh với thông tin đem giấu ban đầu.
Thông qua dữ liệu được tách ra từ môi trường chứa thông tin giấu, người ta có thể biết được trong quá trình truyền tải, phân phát dữ liệu có bị xâm phạm, tấn công hay không. Đối với các hệ thống giấu thông tin mật này rất quan tâm đến tính an toàn và bảo mật thông tin của dữ liệu cần giấu. Hệ thống giấu tin mật có độ bảo mật cao nếu có độ phức tạp của các thuật toán thám mã khó có thể thực hiện được trên máy tính. Tuy nhiên, cũng có các hệ thống chỉ quan tâm đến số lượng thông tin có thể được che giấu, hay quan tâm đến sự ảnh hưởng của thông tin mật đến các môi trường chứa dữ liệu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www. Một số vấn đề cơ bản về thủy vân 1. Khái niệm về thủy vân Thuỷ vân (Watermarking) là kỹ thuật nhúng thông tin vào dữ liệu môi trường (đa phương tiện) như: tệp ảnh, tệp video, tệp âm thanh… nhằm bảo vệ dữ liệu đa phương tiện trong quá trình trao đổi không an toàn. Thông tin nhúng (dấu thủy vân) được dùng để xác định tính toàn vẹn, phát hiện vị trí bị thay đổi hoặc chứng minh quyền tác giả đối với dữ liệu chứa dấu thủy vân.
Phân loại thủy vân Dựa vào mục đích sử dụng, thủy vân số có thể được phân loại như hình sau : Thủy vân Dễ vỡ Bán dễ vỡ Bền vững Hình 1. Phân loại thủy vân theo mục đích ứng dụng Đối với các lược đồ thủy vân dễ vỡ (Fragile), dấu thủy vân sẽ bị thay đổi trước sự biến đổi của dữ liệu đã thủy vân dù chỉ vài bít. Vì vậy, thủy vân dễ vỡ thường được ứng dụng trong bài toán xác thực tính toàn vẹn của dữ liệu thủy vân. Trong một số trường hợp, thủy vân dễ vỡ có thể khoanh vùng được dữ liệu thay đổi.
Trái với thủy vân dễ vỡ, thủy vân bền vững (Robust) yêu cầu dấu thủy vân phải tồn tại trước sự tấn công vô tình hay có chủ định nhằm loại bỏ dấu thủy vân. Theo [10], đối với thủy vân bền vững, dấu thủy vân phải luôn tồn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 9 tại trước mọi sự tấn công trừ khi dữ liệu thủy vân không còn giá trị sử dụng. Một số phép tấn công thường được sử dụng như: nén, cắt, xoay, lọc, làm mờ, cân bằng sáng…Do dấu thủy vân bền vững (tồn tại) trước các sự tấn công nên nhóm các lược đồ này thường được sử dụng trong bài toán bảo vệ bản quyền hay xác định chủ sở hữu. Theo [10], ngoài thủy vân dễ vỡ và thủy vân bền vững, các lược đồ thủy vân có khả năng bền vững trước các phép tấn công nén, nhiễu, print, cân bằng sáng nhưng lại dễ vỡ với các phép tấn công copy/paste, co dãn thì được gọi là thủy vân bán dễ vỡ.
Một cách tổng quát, dấu thủy vân của lược đồ thủy vân bán dễ vỡ cần phải dễ thay đổi trước các phép tấn công nhằm thay đổi nội dung hay ý nghĩa của dữ liệu nhưng lại bền vững trước sự thay đổi định dạng dữ liệu hoặc các lỗi đường truyền. Các lược đồ thủy vân bán dễ vỡ thường sử dụng trong bài toán phát hiện sự giả mạo nội dung, xuyên tạc thông tin. Các ứng dụng của thuỷ vân với ảnh số Các ứng dụng của thuỷ vân đối với ảnh số bao gồm các lĩnh vực như bảo vệ bản quyền, xác thực ảnh và bảo toàn dữ liệu, giấu dữ liệu và gán nhãn ảnh, ta sẽ lần lượt đề cập từng ứng dụng. a) Bảo vệ bản quyền Mục đích của thuỷ vân với bảo vệ bản quyền là gắn một “dấu hiệu” vào dữ liệu ảnh mà có thể xác định được người nắm giữ bản quyền.
Và ta cũng có thể gắn thêm một dấu hiệu khác gọi là vân tay để xác định người dùng của sản phẩm. Dấu hiệu có thể là một dãy số như mã hàng hoá quốc tế, một message hoặc một logo… Thuật ngữ thuỷ vân xuất phát từ phương thức đánh dấu giấy tờ với một logo từ thời xa xưa với mục đích tương tự. b) Xác thực ảnh và bảo toàn dữ liệu Một ứng dụng khác của thuỷ vân là xác thực ảnh và phát hiện giả mạo. Ảnh số ngày càng được sử dụng như các bằng chứng trước pháp luật ngày Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.
Vấn đề là cần xác thực được tính hợp pháp của ảnh này. Thuỷ vân được sử dụng ở đây để xác định xem ảnh là nguyên bản hay đã chịu tác động của con người, bằng các ứng dụng xử lý ảnh. Thuỷ vân được dấu lúc đầu phải mang tính chất không bền vững, để bất kỳ sự thay đổi nhỏ nào tới ảnh cũng có thể làm hỏng thuỷ vân hoặc phát hiện được thay đổi đối với thuỷ vân này. Tuy vậy, thuỷ vân vẫn phải tồn tại với các phép biến đổi ảnh thông thường như chuyển đổi định dạng, lấy mẫu, nén… c) Giấu dữ liệu và gán nhãn ảnh Giấu dữ liệu là nhằm trao đổi dữ liệu bí mật thông qua một bức ảnh.
Điều này cho phép trao đổi thông tin mà không gây chú ý đối với người ngoài. Khối lượng dữ liệu dấu được là quan trọng nhất đối với mục đích này. Còn gán nhãn ảnh là ứng dụng dùng để cung cấp thêm thông tin cho người dùng hoặc để phục hồi ảnh từ cơ sở dữ liệu. Một số tính chất của sơ đồ thủy vân Tuỳ thuộc vào từng loại thuỷ vân số và ứng dụng của nó mà ta có các yêu cầu khác nhau đối với các phương pháp tạo thuỷ vân.
Ở đây chỉ đề cập đến yêu cầu đối với thuỷ vân số ẩn. Đối với loại thuỷ vân này, ba yêu cầu sau đây là cơ bản và cần thiết đối với các ứng dụng bảo vệ bản quyền: Tính ẩn: Thứ nhất, thuỷ vân phải ẩn đối với trực giác của con người (imperceptibility hay perceptual tranperancy), tức là con người phải không nhận biết được sự có mặt của thuỷ vân trong ảnh.