Khóa luận Giấu tin trong ảnh và ứng dụng trong an toàn bảo mật thông tin

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thanh Cường

GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG

TRONG AN TOÀN BẢO MẬT THÔNG TIN

KHÓA LU

Ậ

N TỐT NGHI

Ệ

P

ĐẠ

I H

Ọ

C H

Ệ

CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

0

HÀ NỘI - 2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thanh Cường

GIẤU TIN TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG

TRONG AN TOÀN BẢO MẬT THÔNG TIN

KHÓA LU

Ậ

N TỐT NGHI

Ệ

P

ĐẠ

I H

Ọ

C H

Ệ

CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn :

TS. Hồ Văn Canh

HÀ NỘI - 2009

1

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Hồ Văn Canh, người đã gợi

mở và hướng dẫn em đi vào tìm hiểu đề tài giấu tin trong ảnh. Người thầy đã hết lòng

giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận này.

Em xin cảm ơn các thầy, cô trong trường Đại học Công Nghệ -Đại học Quốc

Gia Hà Nội đã dậy dỗ chúng em, giúp đỡ động viên chúng em từ những ngày đầu chập

chững bước vào cánh cổng trường Đại học. Thầy cô đã tạo cho chúng em môi trường

học tập, những điều kiện thuận lợi cho chúng em được học tập tốt, trang bị cho chúng

em những kiến thức quý báu giúp chúng em có thể vững bước trong tương lai.

Cảm ơn các bạn cùng lớp đã giúp đỡ, cùng nghiên cứu và chia sẻ trong suốt 4

năm học Đại học.

Cuối cùng, xin gửi muôn vàn lời yêu thương, lòng biết ơn tới những người

thân yêu nhất của tôi!

Hà Nội, 2009

Nguyễn Thanh Cường

1

Tóm tắt nội dung

Luận văn đã trình bày một số khái niệm liên quan tới việc che giấu thông tin nói

chung, cụ thể hơn là giấu thông tin trong ảnh số và cũng trình bày một thuật toán giấu

tin trong ảnh đen trắng, trên cơ sở đó phát triển thuật toán cho việc giấu tin trong ảnh

màu và ảnh đa cấp xám. Giấu thông tin có thể chia làm hai hướng lớn đó là thủy vân

số (watermarking) và giấu tin mật (steganography). Trong luận văn chủ yếu nghiên

cứu theo hướng giấu tin mật trong ảnh.

Với thuật toán giấu tin mật trong ảnh mầu thì tính vô hình của thông tin sau khi

giấu được đảm bảo, thông qua việc chọn các tham số đảm bảo độ an toàn để giấu tin,

những biến đổi không gây ra sự chú ý đáng kể nào. Ảnh sau khi giấu tin sẽ ít xuất hiện

những điểm ảnh có màu sắc khác so với các điểm ảnh xung quanh và với thị giác của

con người thì không thể phân biệt được sự khác nhau đó. Trong khóa luận còn trình

bày một số kĩ thuật giấu tin trong ảnh và xây dựng một chương trình demo giấu tin

trong ảnh bitmap theo kĩ thuật giấu tin Chen-Pan-Tseng.

2

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................1

Tóm tắt nội dung ...........................................................................................................2

MỤC LỤC ......................................................................................................................3

MỞ ĐẦU.........................................................................................................................5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN..............................................................6

1.1. Giới thiệu chung về giấu thông tin ..........................................................6

1.2. Các khái niệm về giấu thông tin trong ảnh số.........................................8

1.3. Một số đặc điểm của việc giấu thông tin trên ảnh số............................10

1.3.1. Tính vô hình của thông tin..............................................................10

1.3.2.Tính bảo mật ...................................................................................10

1.3.3.Tỷ lệ giấu tin ....................................................................................11

1.3.4.Lựa chọn ảnh ..................................................................................11

1.3.5. Ảnh môi trường đối với quá trình giải mã.......................................11

CHƯƠNG 2. GIẤU TIN TRONG ẢNH....................................................................15

2.1. Giới thiệu chung....................................................................................15

2.2. Các đặc trưng của giấu thông tin trong ảnh..........................................17

2.3. Sự khác nhau giữa giấu tin trong ảnh đen trắng với ảnh màu .............19

2.4. Các thuật toán giấu tin trong ảnh..........................................................21

2.4.1 Giấu tin trong ảnh thứ cấp...............................................................21

2.4.2.Các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thứ cấp .........................................26

2.4.3. Giấu tin trong ảnh màu và ảnh đa cấp xám ...................................41

2.4.4. Kết quả thực nghiệm và đánh giá...................................................47

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH ..................................49

3.1. Môi trường làm việc. .............................................................................49

3

3.2. Ngôn ngữ thực hiện thuật toán.............................................................49

3.3. Tổ chức và thực hiện chương trình ......................................................49

3.3.1. Qui trình thực hiện chính................................................................50

3.3.2. Các giao diện chính của chương trình và kết quả đạt được.........51

KẾT LUẬN ..................................................................................................................55

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................57

4

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học công nghệ

thông tin, internet đã trở thành một nhu cầu, phương tiện không thể thiếu đối với mọi

người, việc truyền tin qua mạng ngày càng lớn. Tuy nhiên, với lượng thông tin được

truyền qua mạng nhiều hơn thì nguy cơ dữ liệu bị truy cập trái phép cũng tăng lên vì

vậy vấn đề bảo đảm an toàn và bảo mật thông tin cho dữ liệu truyền trên mạng là rất

cần thiết.

Để đảm bảo an toàn và bí mật cho một thông điệp truyền đi người ta thường

dùng phương pháp truyền thống là mã hóa thông điệp theo một qui tắc nào đó đã được

thỏa thuận trước giữa người gửi và người nhận. Tuy nhiên, phương thức này thường

gây sự chú ý của đối phương về tầm quan trọng của thông điệp. Thời gian gần đây đã

xuất hiện một cách tiếp cận mới để truyền các thông điệp bí mật, đó là giấu các thông

tin quan trọng trong những bức ảnh thông thường. Nhìn bề ngoài các bức ảnh có chứa

thông tin cũng không có gì khác với các bức ảnh khác nên hạn chế được tầm kiểm soát

của đối phương. Mặt khác, dù các bức ảnh đó bị phát hiện ra là có chứa thông tin trong

đó thì với các khóa có độ bảo mật cao thì việc tìm được nội dung của thông tin đó

cũng rất khó có thể thực hiện được.

Xét theo khía cạnh tổng quát thì giấu thông tin cũng là một hệ mã mật nhằm

bảo đảm tính an toàn thông tin, nhưng phương pháp này ưu điểm là ở chỗ giảm được

khả năng phát hiện được sự tồn tại của thông tin trong nguồn mang. Không giống như

mã hóa thông tin là chống sự truy cập và sửa chữa một cách trái phép thông tin, mục

tiêu của giấu thông tin là làm cho thông tin trộn lẫn với các điểm ảnh. Điều này sẽ

đánh lừa được sự phát hiện của các tin tặc và do đó làm giảm khả năng bị giải mã.

Kết hợp các kỹ thuật giấu tin với các kỹ thuật mã hóa ta có thể nâng cao độ an

toàn cho việc truyền tin.

5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIẤU TIN

1.1. Giới thiệu chung về giấu thông tin

Giấu thông tin là một kỹ thuật nhúng dữ liệu vào một nguồn đa phương tiện gọi

là môi trường, ví dụ như file âm thanh, ảnh động, ảnh tĩnh . . . Mục đích của che giấu

thông tin là làm cho dữ liệu trở lên không thể nghe thấy hay nhìn thấy. Điều đó có

nghĩa là đối phương không nhận thấy sự tồn tại của dữ liệu đã được nhúng dù có lắng

nghe hay cố gắng nhìn thật cẩn thận vào môi trường có giấu dữ liệu.

Mỗi kỹ thuật giấu tin gồm :

- Thuật toán giấu tin.

- Bộ giải mã thông tin.

Thuật toán giấu tin được dùng để giấu thông tin vào một phương tiện mang

bằng cách sử dụng một khóa bí mật được dùng chung bởi người mã và người giải mã,

việc giải mã thông tin chỉ có thể thực hiện được khi có khoá. Bộ giải mã trên phương

tiện mang đã chứa dữ liệu và trả lại thông điệp ẩn trong nó.

6

Thông

tin giấu

Khoá

Nhúng

thông tin

vào

Phân

phối

Bộ giải

mã

Phương

tiện mang

trên

phương

tiện

mạng

chứa

Khoá

Lược đồ chung cho giấu thông tin

Hình vẽ trên biểu diễn quá trình giấu tin cơ bản. Phương tiện chứa bao gồm các

đối tượng được dùng làm môi trường để giấu tin như text, audio, video, ảnh …, thông

tin giấu là mục đích của người sử dụng. Thông tin giấu là một lượng thông tin mang

một ý nghĩa nào đó như ảnh, logo, đoạn văn bản… tùy thuộc vào mục đích của người

sử dụng. Thông tin sẽ được giấu và trong phương tiện chứa nhờ một bộ nhúng, bộ

nhúng là những chương trình, triển khai các thuật toán để giấu tin và được thực hiện

với một khóa bí mật giống như các hệ mã cổ điển. Sau khi giấu tin ta thu được phương

tiện chứa phương tiện chứa bản tin đã giấu và phân phối sử dụng trên mạng. Sau khi

nhận được đối tượng phương tiện có giấu thông tin, quá trình giải mã được thực hiện

thông qua một bộ giải mã tương ứng với bộ nhúng thông tin cùng với khóa của quá

trình nhúng. Kết quả thu dược gồm phương tiện chứa gốc và thông tin đã giấu. Bước

tiếp theo thông tin giấu sẽ được xử lý kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu.

7

Tóm lại, giấu thông tin là nghệ thuật và khoa học của truyền thông bên trong một

truyền thông, mục đích của steganography là che giấu những thông báo bên trong

những thông báo khác mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến thông báo này; và bằng

một cách thức nào đó sao cho người không có thẩm quyền không thể phát hiện hoặc

không thể phá huỷ chúng.

1.2. Các khái niệm về giấu thông tin trong ảnh số

Giấu dữ liệu là quá trình ẩn một dữ liệu vào một môi trường dữ liệu khác. Dữ

liệu trước khi giấu có thể được nén và mã hoá, trong các ứng dụng đòi hỏi độ mật

cao, giấu dữ liệu chính là một phương pháp bảo mật thông tin hiệu quả. Giấu dữ liệu

được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như bảo vệ bản quyền, ngăn ngừa sao

chép trái phép, truyền thông bí mật v.v..

Giấu thông tin trong ảnh số là một phần của khái niệm giấu thông tin với việc

sử dụng ảnh số làm phương tiện mang. Giấu thông tin trong ảnh số có nhiều ứng dụng

trong thực tế như trong việc xác định quyền sở hữu, chống xuyên tạc thông tin và

chuyển giao dữ liệu một cách an toàn.

Ảnh mà ta đem nhúng thông tin vào được gọi là ảnh môi trường hay ảnh gốc

(host image). Ảnh thu được sau khi đã giấu thông tin gọi là ảnh kết quả

(result image). Ảnh kết quả sẽ có những điểm khác so với ảnh gốc gọi là nhiễu. Ảnh

kết quả càng ít nhiễu càng khó gây ra nghi ngờ về sự tồn tại của thông tin trong ảnh.

Thông tin nhúng: Là lượng thông tin được nhúng vào trong ảnh môi trường

Ảnh môi trường: là ảnh gốc được dùng để nhúng thông tin. Trong giấu thông

tin trong ảnh thì nó mang tên ảnh môi trường, còn trong audio là audio môi

trường v.v..

8

Phương tiện nhúng: Là một đối tượng đa phương tiện như ảnh, audio hay

video đã có thông tin nhúng

Tính không nhìn thấy: là một trong ba yêu cầu của bất kỳ một hệ giấu tin nào.

Tính không nhìn thấy là tính chất vô hình của thông tin nhúng trong phương

tiện nhúng.

Tính mạnh mẽ: Là yêu cầu thứ hai của một hệ giấu tin. Tính mạnh mẽ là nói

đến khả năng chịu được các thao tác biến đổi nào đó trên phương tiện nhúng và

các cuộc tấn công có chủ đích.

Khả năng nhúng: Là yêu cầu thứ ba của một hệ giấu tin. Khả năng nhúng

chính là số lượng thông tin nhúng được nhúng trong phương tiện chứa.

Nhiễu: Là phương tiện nhúng xuất hiện những đặc điểm lạ so với phương tiện

chứa ban đầu.

Thuỷ vân số: Là một kỹ thuật giấu các thuỷ vân vào trong phương tiện chứa, kỹ

thuật không yêu cầu về tính không nhìn thấy của thông tin nhúng.

Có nhiều cách để phân loại các kỹ thuật giấu thông tin trong ảnh số, dựa trên

lĩnh vực áp dụng các kỹ thuật người ta chia kỹ thuật giấu tin trong ảnh thành hai loại:

watermarking và image hiding.

Watermarking : là kỹ thuật nhúng một biểu tượng, còn gọi là thuỷ vân

(watermark) vào trong ảnh môi trường để xác định quyền sở hữu ảnh môi

trường. Kích thước của biểu tượng thường nhỏ ( từ vài bit đến vài nghìn bit ).

Kỹ thuật này cho phép đảm bảo nguyên vẹn biểu tượng khi ảnh môi trường bị

biến đổi bởi các phép thao tác như lọc (filtering), nén mất dữ liệu (lossy

compression), hay các biến đổi hình học, ... Tuy nhiên, việc đảm bảo nguyên

vẹn biểu tượng không kể đến khi có sự tấn công dựa trên việc hiểu rõ thuật toán

và có bộ giải mã trong tay.

9

Image hiding : là kỹ thuật dùng một ảnh môi trường để lưu trữ và chuyển giao

các dữ liệu quan trọng với kích thước tương đối lớn một cách an toàn. Mục

đích của ảnh image hiding là làm cho dữ liệu trở nên không quan sát được đối

với thị giác của con người.

1.3. Một số đặc điểm của việc giấu thông tin trên ảnh số

Hiện nay giấu thông tin trong ảnh là kỹ thuật còn tương đối mới và đang có xu

hướng phát triển rất nhanh.

Một kỹ thuật giấu tin trong ảnh được đánh giá dựa trên một số đặc điểm sau:

- Tính vô hình của thông tin được giấu trong ảnh.

- Số lượng thông tin được giấu.

- Tính an toàn và bảo mật của thông tin.

- Chất lượng của ảnh sau khi giấu thông tin bên trong.

1.3.1. Tính vô hình của thông tin

Khái niệm này dựa trên đặc điểm của hệ thống thị giác của con người. Thông

tin nhúng là không tri giác được nếu một người với thị giác là bình thường không phân

biệt được ảnh môi trường và ảnh kết quả. Trong khi image hiding yêu cầu tính vô hình

của thông tin giấu ở mức độ cao thì watermarking lại chỉ yêu cầu ở một cấp độ nhất

định. Chẳng hạn như người ta áp dụng watermarking cho việc gắn một biểu tượng mờ

vào một chương trình truyền hình để bảo vệ bản quyền.

1.3.2.Tính bảo mật

Thuật toán nhúng tin được coi là có tính bảo mật nếu thông tin được nhúng

không bị tìm ra khi bị tấn công một cách có chủ đích trên cơ sở những hiểu biết đầy đủ

về thuật toán nhúng tin và có bộ giải mã ( trừ khoá bí mật ), hơn nữa còn có được ảnh

10

có mang thông tin ( ảnh kết quả ). Đối với ảnh image hiding đây là một yêu cầu rất

quan trọng. Chẳng hạn đối với thuật toán dò tin trong ảnh đen trắng kích thước m*n,

độ phức tạp vẫn còn lên tới O(2^m*n) khi dã biết ma trận trọng số đùng trong quá trình

giấu tin.

1.3.3.Tỷ lệ giấu tin

Lượng thông tin giấu so với kích thước ảnh môi trường là một vấn đề cần quan

tâm trong một thuật toán giấu tin. Đây là một trong hai yêu cầu cơ bản của giấu tin

mật. Rõ ràng là có thể chỉ giấu một bit thông tin vào mỗi ảnh mà không cần lo lắng về

độ nhiễu của ảnh nhưng như vậy sẽ rất kém hiệu quả khi mà thông tin cần giấu có kích

thước bằng Kb. Các thuật toán đều cố gắng đạt được mục đích làm thế nào giấu được

nhiều thông tin nhất mà không gây ra nhiễu đáng kể.

1.3.4.Lựa chọn ảnh

Đối với việc giấu thông tin mật thì hầu hết các chuyên gia về lĩnh vực này

khuyên rằng: nên chọn ảnh đa cấp xám là môi trường là hợp lý hơn cả. Sau khi giấu tin

mật trong ảnh đa cấp xám thì chất lượng của ảnh là cao, đảm bảo tính vô hình của

thông tin mật

1.3.5. Ảnh môi trường đối với quá trình giải mã

Yêu cầu cuối cùng là thuật toán phải cho phép lấy lại được thông tin đã giấu

trong ảnh mà không có ảnh môi trường. Điều này là một thuận lợi khi ảnh môi trường

là duy nhất nhưng lại làm giới hạn khả năng ứng dụng của kỹ thuật giấu tin.

Để thực hiện việc giấu tin trong ảnh, trước hết ta phải xử lý được ảnh tức là

phải số hoá ảnh. Quá trình số hoá các dạng ảnh khác nhau thì không như nhau. Có

nhiều loại ảnh đã được chuẩn hoá như: JPEG, PCX, BMP,. . . Trong luận văn nay chỉ

sử dụng ảnh *.BMP.

11

Ảnh BMP (Bitmap) được phát triển bởi Microsoft Corporation, được lưu trữ

dưới dạng độc lập thiết bị cho phép Windows hiển thị dữ liệu không phụ thuộc vào

khung chỉ định màu trên bất kì phần cứng nào. Tên file mở rộng mặc định của một file

ảnh Bitmap là .BMP. Ảnh BMP được sử dụng trên Microsoft Windows và các ứng

dụng chạy trên Windows từ version 3.0 trở lên.

Mỗi file ảnh Bitmap gồm 3 phần:

Bitmap Header

Palette màu

BitmapData

Các cấu trúc cụ thể của ảnh Bitmap

Bitmap Header

Byte thứ

1-2

Ý nghĩa

Giá trị

Nhận dạng file

Kích thước file

Dự trữ

‘BM’ hay 19778

Kiểu long trong Turbo C

Thường mang giá trị 0

3-6

7-10

11-14

Byte bắt đầu vùng dữ liệu

Offset của byte bắt đầu vùng dữ

liệu

15-18

19-22

Số byte cho vùng info

Chiều rộng ảnh BMP

4 byte

Tính bằng pixel

12

23-26

27-28

29-30

Chiều cao ảnh BMP

Số Planes màu

Tính bằng pixel

Cố định là 1

Số bit cho một pixel

Có thể là1,4,8,16,24 tuỳ theo

loại ảnh

31-34

Kiểu nén dữ liệu

0: Không nén

1: Nén runlength 8bits/pixel

2: Nén runlength 4bits/pixel

35-38

39-42

43-46

47-50

51-54

Kích thước ảnh

Tính bằng byte

Độ phân giải ngang

Độ phân giải dọc

Tính bằng pixel / metter

Số màu sử dụng trong ảnh

Số màu được sử dụng khi hiển

thị ảnh

Palette màu: Bảng màu của ảnh, chỉ những ảnh nhỏ hơn hoặc bằng 8 bit màu

mới có palette màu.

BitmapData: Phần này nằm ngay sau phần palette màu của ảnh BMP. Đây là

phần chứa giá trị màu của điểm ảnh trong BMP. Các dòng ảnh được lưu từ dưới

lên trên, các điểm ảnh được lưu trữ từ dưới lên trên từ trái sang phải. Giá trị của

mỗi điểm ảnh là một chỉ số trỏ tới phần tử màu tương ứng của Palette màu.

13

Thành phần BitCount của cấu trúc BitmapHeader cho biết số bit dành cho mỗi

điểm ảnh và số lượng màu lớn nhất của ảnh. BitCount có thể nhận các giá trị sau:

1: Bimap là ảnh đen trắng, mỗi bit biểu diễn một điểm ảnh. Nếu bit mang giá trị

0 thì điểm ảnh là điểm đen, bit mang giá trị 1 điểm ảnh là điểm ảnh trắng.

4: Bitmap là ảnh 16 màu, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 4 bit.

8: Bitmap là ảnh 256 màu, mỗi điểm ảnh dược biểu diễn bởi 1 byte.

16: Bitmap là ảnh high color, mỗi dãy 2 byte liên tiếp trong bitmap biểu diễn

cường độ tương đối của màu đỏ, xanh lá cây, xanh lơ của một điểm ảnh.

24: Bitmap là ảnh true color (2²⁴màu), mỗi dãy 3 byte liên tiếp trong bitmap

biểu diễn cường độ tương đối của màu đỏ, xanh lá cây, xanh lơ(RGB) của một điểm

ảnh.

Thành phần ColorUsed của cấu trúc BitmapHeader xác định số lượng màu của

palette màu thực sự được sử dụng để hiển thị bitmap. Nếu thành phần này được đặt là

0, bitmap sử dụng số màu lớn nhất tương ứng với giá trị của BitCount.

14

CHƯƠNG 2. GIẤU TIN TRONG ẢNH

2.1. Giới thiệu chung

Hiện nay, giấu thông tin trong ảnh là một bộ phận chiếm tỷ lệ lớn nhất trong

các chương trình ứng dụng, các phần mềm, hệ thống giấu tin trong đa phương tiện bởi

lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn và hơn nữa giấu thông tin trong ảnh

cũng đóng vai trò hết sức quan trọng trong các hầu hết các ứng dụng bảo vệ an toàn

thông tin như: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác

giả, điều khiển truy cập, giấu thông tin mật...Chính vì thế mà vấn đề này đã nhận được

sự quan tâm rất lớn của các cá nhân, tổ chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trên

thế giới.

Thông tin sẽ được giấu cùng với dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đổi

và chẳng ai biết được đằng sau ảnh đó mang những thông tin có ý nghĩa. Và ngày nay,

khi ảnh số đã được sử dụng rất phổ biến, thì giấu thông tin trong ảnh đã đem lại nhiều

những ứng dụng quan trọng trên các lĩnh vực trong đời sống xã hội. Ví dụ như đối với

các nước phát triển, chữ kí tay đã được số hoá và lưu trữ sử dụng như là hồ sơ cá nhân

của các dịch vụ ngân hàng và tài chính. Nó được dùng để nhận thực trong các thẻ tín

dụng của người tiêu dùng.

Hay trong một số những ứng dụng về nhận diện như thẻ chứng minh, thẻ căn

cước, hộ chiếu…người ta có thể giấu thông tin trên các ảnh thẻ để xác định thông tin

thực. Ví dụ như hình vẽ bên là một thẻ chứng minh đã được giấu tin trong ảnh. Thông

tin giấu là số thẻ trùng với số đã được in rõ ở trên thẻ.

15

Một thẻ thông minh đã được giấu tin sử dụng trong công tác nhận dạng

Phần mềm WinWord của MicroSoft cũng cho phép người dùng lưu trữ chữ kí

trong ảnh nhị phân rồi gắn vào vị trí nào đó trong file văn bản để đảm bảo tính an toàn

của thông tin. Tài liệu sau đó được truyền trực tiếp qua máy fax hoặc lưu truyền trên

mạng. Theo đó, việc nhận thực chữ kí, xác thực thông tin đã trở thành một vấn đề cực

kì quan trọng khi mà việc ăn cắp thông tin hay xuyên tạc thông tin bởi các tin tặc đang

trở thành một vấn nạn đối với bất kì quốc gia nào, tổ chức nào. Thêm vào đó, lại có rất

nhiều loại thông tin quan trọng cần được bảo mật như những thông tin về an ninh,

thông tin về bảo hiểm hay các thông tin về tài chính. Các thông tin này được số hoá và

lưu trữ trong hệ thống máy tính hay trên mạng. Chúng rất dễ bị lấy cắp và bị thay đổi

bởi các phần mềm chuyên dụng. Việc nhận thực cũng như phát hiện thông tin xuyên

tạc đã trở nên vô cùng quan trọng, cấp thiết. Và một đặc điểm của giấu thông tin trong

ảnh nữa đó là thông tin được giấu một cách vô hình. Nó như là cách truyền thông tin

mật cho nhau mà người khác không thể biết được, bởi sau khi giấu thông tin thì chất

lượng ảnh gần như không thay đổi đặc biệt đối với ảnh mầu hay ảnh xám.

16

Từ năm học 1995-1996, Bộ giáo dục và Đào tạo đã bắt đầu ứng dụng công

nghệ thông tin vào công tác bảo mật đề thi tốt nghiệp trung học phổ thông thay cho

việc niêm phong, đóng dấu đề thi để chuyển qua theo đường bưu điện.

Trong mục này đề cập tới một kỹ thuật đơn giản đáng tin cậy để giấu những

thông tin quan trọng nào một ảnh đen trắng (ảnh nhị phân) bằng cách sử dụng khoá bí

mật và một ma trận trọng số. Phương pháp này được chứng minh là có độ an toàn cao,

đảm bảo chất lượng ảnh gốc và có tỉ lệ giữa kích thước thông tin giấu được với kích

thước ảnh môi trường tương đối so với các phương pháp khác và cho phép giấu được

tới [log2(m*n+1)] bit dữ liệu vào trong mỗi khối ảnh kích thước m*n mà chỉ cần thay

đổi nhiều nhất 2 bit trong khối ảnh đó.

2.2. Các đặc trưng của giấu thông tin trong ảnh

Như đã nói ở trên nhúng thông tin trong ảnh có hai khái niệm khác nhau đó là

thuỷ vân số ( digital watermarking ) và giấu thông tin mật trong ảnh (stegnography).

Trong khi thuỷ phân số không yêu cầu thông tin giấu phải vô hình và chịu được các

thao tác biến đổi trên ảnh thì giấu thông tin trong ảnh yêu cầu các thông tin giấu phải

ẩn không bị phát hiện và lượng thông tin giấu càng lớn càng tốt (capacity of hidden

message). Hai phương pháp này có những đặc điểm khác nhau, cách thực hiện khác

nhau nhưng trong báo cáo này là giấu tin trong ảnh nên chỉ đề cập tới các đặc trưng

chính của giấu thông tin trong ảnh.

Phương tiện chứa có dữ liệu tri giác tĩnh

Dữ liệu gốc ở đây là dữ liệu của ảnh tĩnh, dù đã giấu thông tin vào trong ảnh

hay chưa thì khi ta xem ảnh bằng thị giác dữ liệu ảnh được tri giác tĩnh nghĩa là ảnh

không thay đổi theo thời gian khi tri giác, điều này khác với đa phương tiện audio hay

video vì khi ta tri giác các dữ liệu phương tiện chứa gốc là hình ảnh hay âm thanh thì

dữ liệu gốc sẽ thay đổi liên tục với tri giác của con người theo các đoạn hay các bài,

các cảnh . . . Sự khác biệt này ảnh hưởng lớn đối với các kỹ thuật giấu tin trong audio

17

hay video. Đối với giấu thông tin trong ảnh phương pháp giấu và kỹ thuật giấu phụ

thuộc vào đặc điểm thị giác của con người ví dụ như độ sáng tối, hay yếu tố khoảng

cách to nhỏ. . .

Giấu tin trong ảnh tác động lên dữ liệu ảnh nhưng không thay đổi kích

thước ảnh.

Các phép toán thực hiện công việc giấu tin sẽ được thực hiện trên dữ liệu của

trên ảnh. Dữ liệu ảnh bao gồm các phần header, bảng phân màu và dữ liệu ảnh. Khi

giấu thông tin, các phương pháp đều biến đổi giá trị của các bit trong dữ liệu ảnh chứ

không chứ không thêm vào hay bớt đi dữ liệu ảnh. Do vậy mà kích thước ảnh trước

hay sau khi giấu thông tin là như nhau.

Đảm bảo yêu cầu chất lượng ảnh sau khi giấu thông tin.

Đây là một yêu cầu quan trọng đối với giấu thông tin trong ảnh. 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 giường như quá đơn giản đối với ảnh

màu và ảnh xám bởi mỗi pixel ảnh được biểu diễn bởi nhiều bit, nhiều giá trị và khi ta

thay đổi một giá trị nhỏ nào đó chất lượng ảnh không thay đổi, thông tin giấu khó bị

phát hiện, nhưng đối với ảnh đen trắng thì việc giấu thông tin phức tạp hơn nhiều, vì

ảnh đen trắng mỗi pixel ảnh chỉ có hai giá trị đen hoặc trắng, và nếu ta biến đổi một

bit từ đen thành trắng mà không khéo thì sẽ rất bị phát hiện. Do đó yêu cầu với các kỹ

thuật giấu tin trong ảnh màu hay ảnh xám và giấu thông tin trong ảnh đen trắng là khác

nhau. Trong khi đối với ảnh màu thì các thuật toán chú trọng vào việc làm sao cho

giấu dược càng nhiều thông tin càng tốt thì các thuật toán áp dụng cho ảnh đen trắng

lại tập trung vào làm thế nào để thông tin giấu khó bị phát hiện.

Thông tin trong ảnh sẽ bị biến đổi nếu có bất kỳ một biến đổi nào trên ảnh.

18

Vì phương pháp giấu ảnh dựa trên việc điều chỉnh các giá trị của các khối 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 sẽ làm thay đổi giá trị của các bit

thì sẽ làm thông tin sai lệch. Chính đặc điểm này mà giấu thông tin trong ảnh có tác

dụng nhận thực và phát hiện xuyên tạc thông tin.

Không cần ảnh gốc khi giải mã ảnh

Thông tin được giấu trong ảnh sẽ được mang cùng dữ liệu ảnh, khi giải mã chỉ

cần ảnh đã mang thông tin mà không cần dùng đến ảnh gốc để so sánh đối chiếu.

2.3. Sự khác nhau giữa giấu tin trong ảnh đen trắng với ảnh màu

Khởi nguồn của giấu thông tin trong ảnh là thông tin được giấu trong các ảnh

màu hoặc ảnh xám, trong đó mỗi pixel ảnh mang nhiều giá trị, được biểu diễn bằng

nhiều bit. Với ảnh đó thì việc thay đổi một giá trị nhỏ ở một pixel thì chất lượng ảnh

gần như không thay đổi, và khả năng bị phát hiện rất thấp dưới con mắt người bình

thường. Do đó hệ thống thị giác của con người cũng đóng một vai trò quan trọng trong

việc bảo đảm tính không nhìn thấy thông tin được giấu trên ảnh. Với những ảnh mà

mỗi điểm ảnh chỉ mang một giới hạn nhỏ các giá trị thì việc giấu thông tin trong ảnh

đảm bảo tính vô hình của thông tin che giấu là một công việc khó khăn hơn nhiều. Đặc

biệt với ảnh đen trắng, mỗi điểm ảnh chỉ mang một trong hai giá trị trắng hoặc đen.

Vậy thì khi thay đổi giá trị một pixel từ đen thành trắng hoặc ngược lại thì rất dễ bị

phát hiện. Một số thuật toán khác thì giấu chất lượng ảnh tốt hơn nhưng lượng thông

tin giấu được bít và quá đơn giản không đảm bảo được độ an toàn thông tin. Bảng sau

sẽ liệt kê những khác nhau cơ bản giữa giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh mầu.

19

Sự khác nhau giữa giấu thông tin trong ảnh đen trắng và ảnh màu

Giấu thông tin trong ảnh đen trắng

Giấu thông tin trong ảnh màu hoặc

ảnh xám

Thông tin giấu được ít

Tính ẩn thấp

Thông tin giấu nhiều hơn

Tính ẩn cao

Độ an toàn thông tin thấp do dễ bị phát Độ an toàn cao

hiện có thông tin chứa thông tin bên

trong

Các thuật toán giấu ít, phức tạp

Nhiều thuật toán và có nhiều hướng mở

rộng phát triển. Như áp dụng giải thuật

di truyền.

Ảnh màu sau khi giấu tin rất khó phát hiện sự thay đổi

20

Ảnh đen trắng sau khi giấu cùng một lượng thông tin như ảnh màu nhưng chất

lượng kém hơn .

2.4. Các thuật toán giấu tin trong ảnh

2.4.1 Giấu tin trong ảnh thứ cấp

2.4.1.1. Đặt bài toán

Trong mục này đề cập tới các kỹ thuật đơn giản và đáng tin cậy để giấu những

thông tin quan trọng vào một ảnh thứ cấp (đen trắng ) bằng cách:

- Sử dụng khoá bí mật K cố định.

- Sử dụng khoá bí mật K cố định với chiều dài thay đổi.

- Sử dụng khoá bí mật K cố định là một ma trận ảnh.

- Sử dụng khoá K (ma trận khoá kích thước m*n (ma trận 0/1) dùng chung

bởi người nhận và người gửi), và ma trận trọng số cấp r, kích thước m*n

cũng được dùng chung bởi người gửi và người nhận.

21

Bài toán: Giả sử ta có đề thi quan trọng B cần gửi qua mạng. Người ta

dùng một ảnh môi trường F đủ lớn để giấu đề thi, sau đó gửi đi bức ảnh

đã chứa thông tin đề thi mà không sợ bị nghi ngờ về sự tồn tại thông tin

trong đó. Sử dụng một kỹ thuật giấu tin trong ảnh (chọn khoá bí mật K

và có thể kết hợp với ma trận trọng số) ta biến đổi ảnh F thành ảnh F’ có

mang lượng tin trên mà không làm cho F’ sai khác nhiều so với F. Để

thu được thông tin đề thi B đã giấu, chỉ cần có ảnh kết quả và các khoá

mà không cần đến ảnh môi trường.

Kí hiệu:

F: Ảnh môi trường được dùng để mang dữ liệu B, được chia thành từng khối F_i

kích thước m*n.

K: Dùng chung bởi người gửi và người nhận (nếu K là ma trận khoá thì có kích

thước m*n là ma trận chỉ gồm 0 và 1).

W: Ma trận trọng số cấp r, kích thước m*n cũng được dùng chung bởi người

gửi và người nhận.

r: Số lượng bit được giấu trong mỗi khối ảnh kích thước m*n của F,

r phải thoả mãn bất đẳng thức: 2^r-1≤ m*n.

B: k*r bít dữ liệu cần giấu, được tách thành k chuỗi r bit .

2.4.1.2. Các khái niệm cơ bản

Ảnh thứ cấp và ma trận nhị phân

Trước hết ta quan tâm đến các đối tượng chính là các ảnh thứ cấp hay ảnh một

bit màu. Đó là những bức ảnh mà mỗi điểm ảnh chỉ là đen hoặc trắng, được qui định

bởi 1 bit. Nếu bit mang giá trị 0 thì điểm ảnh là điểm đen, nếu là 1 thì điểm ảnh là

22

điểm trắng. Do đó, để biểu diễn một điểm ảnh đen trắng ta có thể dùng một ma trận

nhị phân, là ma trận mà mỗi phần tử chỉ nhận một trong hai gía trị là 0 hoặc 1.

Khoá bí mật

Khoá bí mật K có thể:

- Có độ dài không thay đổi.

- Có độ dài biến thiên.

- Khoá bí mật là một ma trận ảnh.

- Khoá bí mật là một ma trận nhị phân có cùng kích thước khối ảnh được

dùng chung bởi người giấu tin và người giải mã thông tin.

Ma trận trọng số cấp r

Ma trận trọng số cũng là một ma trận số có cùng kích thước với khoá và được

sử dụng bởi người giấu tin và người giải mã thông tin. Tuy nhiên, ma trận trọng số cần

phải thoả mãn số yêu cầu xác định.

Một ma trận w kích thước m*n được gọi là ma trận cấp r nếu mỗi phần tử của

tập hợp { 1,2,...,2^r-1} xuất hiện trong w ít nhất một lần và các phần tử của w chỉ nhận

giá trị trong tập hợp { 1,2,...,2^r-1} với n, m, r là các số tự nhiên thoả mãn 2^r-1≤ m*n.

Từ những định nghĩa ta nhận thấy với mỗi m,n,r thoả mãn 2^r-1≤ m*n sẽ có biểu

2^r−1

mn−(2^r−1)

*(2^r−1)!*(2^r−1)

thức:

khả năng chọn w.

c

mn

Ví dụ:

- Với m=n=2, r=2 ta sẽ có 128 khả năng chọn w.

23

- Với m=n=4, r=4 ta sẽ có 2.326.692.130.963.200 khả năng lựa chọn w.

Con số này đủ lớn để làm giảm nguy cơ thông tin bị giải mã bởi những

kẻ phá hoại.

Phép đảo bit

Phép đảo bit là một phép biến đổi trên các bit nhị phân. Đảo bit b tương đương

với phép biến đổi thay b bởi 1-b, tức là nếu ban đầu b nhận giá trị 0 thì sau khi đảo thì

nó nhận giá trị 1 và ngược lại, nếu ban đầu b có giá trị 1 thì sau khi đảo nó sẽ mang

giá trị 0.

Các phép toán trên ma trận

Trước hết, ta coi một bitmap như là một ma trận số nguyên, vì vậy thuật ngữ

bitmap và ma trận đôi khi được dùng với nghĩa tương đương.

Giả sử có ma trận B, kí hiệu:

+ B[i,j] là phần tử nằm ở hàng thứ i, cột thứ j của ma trận B.

+ SUM(B) là tổng tất cả các phần tử của ma trận B.

Cho hai ma trận A và B có cùng kích thước ta định nghĩa hai phép toán ma trận:

Định nghĩa 1: Phép hoặc loại trừ ⊕ :

⊕ : là phép toán trên hai ma trận nhị phân xác định như sau:

A⊕ B =C

C[i,j]=A[i,j]⊕ B[i,j]

Trong đó:

24

A

0

1

B

0

1

0

1

A⊕ B

0

1

0

Ví dụ 1:

0 1 0

0 1 1

⎡

⎢

⎤

⎥

⎡

⎢

⎤

⎥

Giả sử có hai ma trận F_ivà K sau: F_i= 1 0 1

K = 1 1 0

⎢

⎥

⎦

⎢

⎥

⎦

1 1 0

0 1 1

⎣

,

Khi đó phép hoặc loại trừ giữa hai ma trận này cho ta kết quả:

F_i⊕ K

Định nghĩa 2: Phép nhân⊗ :

Kí hiệu: A ⊗ B là phép toán xác định như sau

A⊗ B=C

Trong đó: C[i,j] = A[i,j] * B[i,j]

Ví dụ 2:

Giả sử có F_i, K, W như sau:

1 1 0

0 1 1

1 2 3

⎡

⎤

⎥

⎡

⎢

⎤

⎥

⎤

⎥

⎢

F_i= 1 0 0 K= 1 1 0 W= 1 2 3

⎢

⎣

⎥

⎢

⎥

⎢

⎥

⎦

⎢

⎣

⎥

⎦

⎢

⎥

1 1 0

0 1 1

1 2 3

⎣

⎦

25

Thực hiện phép toán F_i⊕ K ta được:

1 1 0

0 1 1

1 0 1

⎡

⎤

⎥

⎡

⎢

⎤ ⎡

⎥ ⎢

⎤

⎥

⎢

F_i⊕ K= 1 0 0 ⊕ 1 1 0 = 0 1 0

⎢

⎣

⎥

⎢

⎥ ⎢

⎢

⎥

⎦

⎢

⎣

⎥ ⎢

⎦ ⎣

⎥

⎦

1 1 0

0 1 1

1 0 1

Tiếp theo thực hiện phép ⊗ với w.

1 0 1

1 2 3

1 0 3

⎡

⎢

⎤

⎥

⎡

⎤ ⎡

⎤

⎥

⎢

⎥ ⎢

((F_i⊕K) ⊗ w) = 0 1 0 ⊗ 1 2 3 = 0 2 0

⎢

⎥

⎢

⎥ ⎢

⎢

⎣

⎥

⎦

⎢

⎥ ⎢

⎥

⎦

1 0 1

1 2 3

1 0 3

⎣

⎦ ⎣

Và cuối cùng tính tổng SUM ((F_i⊕K)⊗ w) =1+3+2+1+3=10.

2.4.2.Các kỹ thuật giấu tin trong ảnh thứ cấp

2.4.2.1. Sử dụng khoá bí mật K cố định

Thuật toán

Mã hoá:

Giả sử chúng ta cần giấu bit b vào trong ảnh. Cắt một đoạn gồm có k điểm ảnh

và giấu b vào trong ảnh. Trong đó k là khoá(k lẻ).

d= F/k = số đoạn

.

Giải thuật dựa vào tính chẵn lẻ:

Bước 1: Đọc liên tiếp k điểm ảnh. Gọi là f.

Ký hiệu Sum(f): là tổng số bit 1 có trong k. Đặt b=t mod 2.

Bước 2: So sánh t và b:

Nếu b và t cùng tính chẵn lẻ: thì không làm gì.

26

Nếu t và b khác tính chẵn lẻ: thì ta tìm cách sửa đúng 1 bit trong f:

Khi đó f→f^’: sao cho f’ và b là cùng tính chẵn lẻ.

Bước 3: Việc sửa bit được tiến hành như sau:

Ta chọn chính sách:

- Nếu có nhiều điểm đen và có điểm trắng thì sửa điểm trắng thành điểm

đen.

- Nếu có nhiều điểm trắng và có điểm đen thì sửa điểm đen thành điểm

trắng.

- Nếu số điểm đen và điểm trắng xấp xỉ bằng nhau thì chọn ngẫu nhiên 1

bit để sửa.

- Nếu bit không quan trọng, bit nằm ở những đoạn cùng màu thì việc sửa

tập trung vào bit không quan trọng của những đoạn cùng màu lớn nhất.

Giải mã :

Chỉ cần có ảnh f’ và khoá k.

Bước 1:

Đọc k điểm ảnh liên tiếp. Gọi là f.

Bước 2:

Tính Sum(f) :

Nếu Sum(f) : chẵn. Suy ra : bít b = 0

Nếu Sum(f) : lẻ. Suy ra : bit b=1

27