CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH 1.1 Khái niệm: Giấu tin (Steganography) là kỹ thuật giấu hoặc nhúng một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. [1] 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. Kỹ thuật giấu tin thường nhằm đến hai mục đích chính đó là: + Bảo mật cho dữ liệu được đem giấu. + Bảo mật cho chính đối tượng được dùng để giấu tin.
Môi trường giấu tin rất đa dạng có thể là giấu trong file ảnh, text, audio … Trong đó có giấu tin trong ảnh (image steganography) là kỹ thuật phổ biến hiện nay. Nó lợi dụng một số thông tin dư thừa của dữ liệu ảnh gốc để giấu hoặc nhúng thông tin vào đó. Kỹ thuật giấu này đảm bảo chỉ người giấu và người tách biết được thông tin đã giấu, còn những người khác không thể cảm nhận được sự tồn tại của thông tin đã giấu trong ảnh.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin: Do kỹ thuật giấu thông tin số mới được hình thành trong thời gian gần đây nên xu hướng phát triển vẫn chưa ổn định. Nhiều phương pháp mới, theo nhiều khía cạnh khác nhau đang và sẽ được đề xuất, bởi vậy một định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chưa thể có được.
Sơ đồ phân loại trên hình 1. Giấu tin chia theo hai lĩnh vực chính là giấu tin mật và thủy vân số. Đối với kỹ thuật giấu tin mật thì việc giấu tin sẽ quan tâm tới việc giấu các tin sao cho thông tin giấu được càng nhiều càng tốt và quan trọng là người khác khó phát hiện được một đối tượng có bị giấu tin bên trong hay không bằng kỹ thuật thông thường. Thủy vân số: việc giấu tin sẽ quan tâm tới việc đánh giấu vào đối tượng nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin.
4 Infomation hiding Watermarking Steganograph y Robust Fragile Copyright Watermarking Imperceptible Visible Watermarking Watermarking Hình 1.1 Phân loại các kỹ thuật giấu tin 1.3 Các đặc trưng và tính chất của giấu tin trong ảnh: Hiện nay, vì phạm vi thông dụng của ảnh mà kỹ thuật giấu tin phần lớn là kỹ thuật giấu tin trong ảnh. Đổi tượng ảnh là một đối tượng dữ liệu được tri giác tĩnh có nghĩa là dữ liệu tri giác không biến đổi theo thời gian. Với nhiều định dạng và tính chất của các ảnh khác nhau ta có một số tính chất sau: + Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh (Cover Object) Dữ liệu gốc ở đây là ảnh tĩnh, dù đã giấu thông tin vào trong ảnh hay chưa thì khi ta xem ảnh bằng thị giác, dữ liệu ảnh không thay đổi theo thời gian. + Kỹ thuật giấu phụ thuộc ảnh Kỹ thuật giấu tin phụ thuộc vào các loại ảnh khác nhau.
Chẳng hạn như đối với ảnh đen trắng, ảnh xám, ảnh màu đều đòi hỏi các kỹ năng riêng. Ảnh nén và không nén cùng có các kỹ thuật giấu khác nhau do ảnh nén có thể mất mát thông tin. + Kỹ thuật giấu tin lợi dụng tính chất hệ thống thị giác của con người (HVS) 5 Giấu tin trong ảnh ít nhiều cũng gây ra những thay đổi trên dữ liệu ảnh gốc. Dữ liệu ảnh được quan sát bằng hệ thống thị giác (HVS – Human Vision System) của con người nên các kỹ thuật giấu tin phải đảm bảo một yêu cầu cơ bản là những thay đổi trên ảnh rất nhỏ sao cho bằng mắt thường không thể nhận ra được sự khác biệt vì có như thế mới đảm bảo được độ an toàn cho thông tin giấu.
+ Giấu thông tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không làm thay đổi kích thước ảnh. Khi giấu thông tin các phương pháp đều biến đổi các giá trị của các bit trong dữ liệu ảnh chứ không thêm vào hay bớt đi dữ liệu ảnh. Do vậy kích thước ảnh trước hay sau giấu tin là như nhau. + Đảm bảo yêu cầu chất lượng ảnh sau khi giấu tin Sau khi giấu thông tin bên trong ảnh phải đảm bảo được yêu cầu không bị biến đổi để có thể bị phát hiện dễ dàng so với ảnh gốc.
Yêu cầu này dường như khá đơn giản đối với ảnh màu và ảnh đa cấp xám bởi mỗi pixel ảnh được biểu diễn trên nhiều bit, nhiều giá trị và khi ta thay đổi một giá trị nhỏ nào đó thì chất lượng ảnh không thay đổi, thông tin giấu khó bị phát hiện. Nhưng đối với ảnh đen trắng thì việc giấu tin phức tạp hơn nhiều, vì ảnh đen trắng mỗi pixel chỉ gồm hai giá trị hoặc trắng hoặc đen và khi biến đổi một bit từ đen sang trắng và ngược lại thì rất dễ bị phát hiện. Vì thế với mỗi loại ảnh ta phải áp dụng các kỹ thuật giấu riêng để đảm bảo chất lượng ảnh. + Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất cứ một biến đổi nào trên ảnh.
Vì phương pháp giấu tin trong ảnh dựa trên việc điều chỉnh các giá trị của các bit theo một quy tắc nào đó và khi giải mã sẽ theo các giá trị đó để tìm được thông tin giấu. Theo đó, nếu một phép biến đổi nào đó trên ảnh làm thay đổi giá trị của các bit thì sẽ làm cho thông tin giấu sẽ bị sai lệch. Chính đặc điểm này mà giấu thông tin trong ảnh có tác dụng nhận thực và phát hiện xuyên tạc thông tin. 6 + Khi giải tin có thể cần ảnh gốc Các kỹ thuật giấu tin phải phân biệt rõ ràng quá trình giải mã để lấy thông tin giấu có cần ảnh gốc hay không.
Đa số với kỹ thuật giấu tin mật thì không cần ảnh gốc khi giải mã, thông tin được giấu trong ảnh sẽ được mang cùng với dự liệu ảnh, khi giải mã chỉ cần ảnh mang thông tin giấu mà không dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu. Tuy nhiên, nhiều kỹ thuật giấu tin cũng sử dụng ảnh gốc khi giải mã ảnh, phương pháp này có tác dụng giúp cho việc đồng bộ hóa ảnh giấu và ảnh gốc. Điều này rất cần thiết khi phải xử lý với các tấn công hình học trên ảnh ( phép xoay ảnh). Nhưng phương pháp này cũng gặp khó khăn khi dữ liệu gốc lớn (giấu tin trong video) Đối với kỹ thuật giấu tin mật (Steganography) thì các tính chất ẩn, lượng thông tin giấu và độ an toàn là ba tính chất quan trọng nhất 1.4 Ứng dụng phổ biến của kỹ thuật giấu tin: + 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 phương pháp giấu tin.
Một thông tin nào đó mang ý nghĩa quyền sở hữu tác giả (người ta gọi nó là thuỷ vân - watermark) sẽ được nhúng vào trong các sản phẩm, thuỷ 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. Giả sử có một thành phẩm dữ liệu dạng đa phương tiện như ảnh, âm thanh, video cần được lưu 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 hưởng 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 được phép của người chủ sở hữu thì chỉ có cách là phá huỷ sản phẩm. + Xác thực thông tin hay phát hiện xuyên tạc thông tin 7 Một tập các thông tin sẽ được giấu trong phương tiện chứa sau đó được sử dụng để nhận biết xem dữ liệu trên phương tiện gốc đó có bị thay đổi hay không. Các thuỷ vân nên được ẩn để tránh được sự tò mò của kẻ thù, hơn nữa việc làm giả các thuỷ vân hợp lệ hay xuyên tạc thông tin nguồn cũng cần được xem xét. Trong các ứng dụng thực tế, người ta mong muốn tìm được vị trí bị xuyên tạc cũng như phân biệt được các thay đổi (ví dụ như phân biệt xem một đối tượng đa phương tiện chứa thông tin giấu đã bị thay đổi, xuyên 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 nhiều và thuỷ vân không cần bền vững trước các phép xử lý trên đối tượng đã được giấu tin. + Nhận dạng vân tay hay dán nhãn Thuỷ vân được sử dụng để nhận diện người gửi hay người nhận của một thông tin nào đó trong ứng dụng phân phối sản phẩm. Thuỷ vân trong trường hợp này cũng tương tự như số serial của sản phẩm phần mềm. Mỗi một sản phẩm sẽ mang một thuỷ vân riêng.
Ví dụ như các vân khác nhau sẽ được nhúng vào các bản copy khác nhau của thông tin gốc trước khi chuyển cho nhiều người. 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. + Điều khiển sao chép Điều mong muốn đối với các hệ thống phân phối dữ liệu đa phương tiện là tồn tại một kỹ thuật chống sao chép trái phép dữ liệu. Có thể sử dụng thuỷ vân để chỉ trạng thái sao chép của dữ liệu.
Các thuỷ vân trong những trường hợp này được sử dụng để điều khiển sao chép đối với các thông tin. Các thiết bị phát hiện ra thuỷ vân thường được gắn sẵn vào trong các hệ thống đọc ghi. Ví dụ như hệ thống quản lí sao chép DVD đã được ứng dụng ở Nhật. Thuỷ vân mang các giá trị chỉ trạng thái cho phép sao chép dữ liệu như “copy never” - không được phép sao chép hay “copy once” - chỉ được copy một lần, sau khi copy xong, bộ đọc, ghi thuỷ vân sẽ ghi thuỷ vân mới chỉ trạng thái mới lên DVD.
Các ứng dụng loại này cũng yêu cầu thuỷ vân phải được bảo đảm an toàn và cũng sử dụng phương pháp phát hiện thuỷ vân đã giấu mà không cần thông tin gốc. 8 + 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 gốc 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 được bảo mật.