ỨNG DỤNG KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH SỐ VÀO BẢO MẬT THÔNG TIN Tổng quan bảo mật thông tin và giấ u tin ảnh số Nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đưa giải pháp dùng mật mã ứng dụng rộng rãi Thông tin ban đầu mã hoá gửi đi, người nhận giải mã thông tin nhờ khoá hệ mật mã Có nhiều hệ mã phức tạp sử dụng DES, RSA, NAPSACK… mang lại hiệu cao Bên cạnh đó, phương pháp sử dụng mang lại nhiều lợi ích tối ưu kỹ thuật giấu tin (DataHiding) Có thể coi giấu tin nhánh ngành mật mã với mục tiêu nghiên cứu phương pháp che giấu thông tin mật Mã hóa thông tin giải pháp đảm bảo an toàn bảo mật thông tin theo phương pháp truyền thống với qui tắc thỏa thuận trước người gửi người nhận Tuy nhiên, phương pháp tạo nên ý đối phương với các thông điệp đươ ̣c truyề n Một hướng tiếp cận lĩnh vực an toàn bảo mật thông tin, giấu diện thông tin quan trọng ảnh thông thường Sự khác biệt ảnh có giấu thông tin ảnh thông thường nhỏ nên hạn chế ý nghi ngờ đối phương Mặt khác, dù ảnh có giấu thông tin bị phát có chứa thông tin việc tìm nội dung thông tin khó thực trình giấu tin có kết hợp với khóa có độ bảo mật cao 1.1 Mật mã giấu thông tin Mật mã (Cryptography hay Secret Writing) phương pháp gửi thông điệp hình thức khác cho có người nhận mong đợi bỏ che giấu để đọc thông điệp Thông điệp muốn gửi gọi rõ Thông điệp bị che giấu gọi mã hóa Sau người nhận loại bỏ che giấu để đọc thông tin thông điệp không bảo vệ Giấu thông tin kỹ thuật nhúng (emberdding) lượng thông tin số vào đối tượng liệu số khác Một yêu cầu giấu tin đảm bảo tính chất ẩn thông tin giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng liệu gốc Sự khác biệt chủ yếu mã hoá thông tin giấu thông tin mã hoá thông tin làm cho thông tin rõ có mã hoá hay không, giấu thông tin người ta khó phát đối tượng có thông tin giấu hay không Giấu thông tin mã hóa thông tin có mục đính để đối phương không phát tin cần giấu, chúng khác chỗ: Mã hóa thông tin giấu ý nghĩa thông tin mã hóa, giấu thông tin lại giấu diện thông tin giấu 1.2 Giấu tin mật thủy vân số Giấu tin mật (Steganography tức giấu tin, viết phủ) lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng mẩu tin mật vào môi trường phủ Trong trình giấu tin, để tăng bảo mật dùng khoá viết mật, người ta gọi Intrinsic Steganography (giấu tin có xử lý) Khi đó, để giải mã người dùng phải có khoá viết mật Chú ý khoá khoá dùng để lập mật mã mẩu tin, ví dụ khoá để sinh hàm băm phục vụ việc rải tin vào môi trường phủ Thủy vân số(Digital Watermarking) kỹ thuật nhúng “dấu ấn số” (Watermark – tin giấu) vào sản phẩm số (text, image, audio, video), mà tin giấu phát tách sau đó, nhằm chứng thực (đánh dấu, xác thực) nguồn gốc hay chủ sở hữu sản phầm số So sánh thủy vân số với giấu tin mật Mặc dù thủy vân số (Watermarking) giấu tin mật (steganography) nằm lĩnh vực nghiên cứu nhằm che dấu diện thông tin chúng có số đặc điểm khác biệt: Steganography Watermarking - Mục đích bảo vệ môi trường - Mục đích bảo vệ thông tin giấu tin giấu - Chỉ cần thông tin đủ để đặc trưng - Giấu nhiều thông in tốt, ứng dụng truyền liệu cho quyền chủ sở hữu thông tin mật - Thông tin giấu ẩn (invisible - Thông tin giấu phải ẩn, không cho người khác thấy Watermarking) (visible Watermarking) mắt thường - Chỉ tiêu quan trọng tính bền - Chỉ tiêu quan trọng dung vững tin giấu lượng tin giấu Kỹ thuật giấu tin ảnh số Giấu tin ảnh thực cách thay vài thông tin quan trọng ảnh gốc Sao cho chất lượng ảnh bị ảnh hưởng thực thuật toán nén giải nén ảnh Sơ đồ chung giấu tin ảnh mô tả hình sau: Hình Giấu thông tin vào ảnh 2.1 Phương pháp giấu tin ảnh số Theo khuynh hướng tiếp cận, có phương pháp giấu tin ảnh số: Giấu tin miền không gian (Spatial domain) giấu tin miền tần số (Frequency domain) Hình Giấu thông tin miền không gian Hình Giấu tin miền tần số 2.2 Kỹ thuật chung giấu thông tin ảnh số  Chọn vị trí dấu thông tin: - Vị trí ngẫu nhiên ảnh gốc - Vùng tần số trung bình hay tần số cao (biên ảnh) Miền ảnh có tần số cao mắt người phân biệt thay đổi Trong nén ảnh mát thông tin thường loại bỏ miền ảnh có tần số cao  Chọn miền giấu thông tin: - Dấu thông tin miền quan sát: Thực trực tiếp ma trận ảnh - Dấu thông tin miền DFT, DCT hay DWT - Sau biến đổi ngược lại miền quan sát  Chọn kiểu chèn thông tin giấu: - Cộng trực tiếp thông tin vào miền giá trị ảnh Thay đổi cách biểu diễn giá trị ảnh theo cách biểu diễn thông tin ẩn  Chọn kiểu tách thông tin ẩn: - Tách thông tin ẩn tương tự tách tín hiệu nhiễu - Các bước tách thông tin ẩn bước ngược lại tiến trình chèn thông tin ẩn 2.3 Các thành phần hệ giấu tin ảnh số Các thành phần hệ giấu tin ảnh số gồm:  Bản tin mật (Secret Message): Có thể văn tệp ảnh hay tệp nhị phân nào, trình xử lý chuyển chúng thành chuỗi bit  Ảnh phủ (hay ảnh gốc: Cover Data): Là ảnh dùng để làm môi trường nhúng tin mật  Khoá bí mật K (Key): Khoá viết mật tham gia vào trình giấu tin để tăng tính bảo mật  Bộ nhúng thông tin (Embedding Algorithm): Những chương trình, thuật toán nhúng tin  Ảnh mang (Stego Data): Là ảnh sau nhúng tin mật vào  Kiểm định (Control): Kiểm tra thông tin sau giải mã Mô hình kỹ thuật giấu tin mô tả theo hai hình vẽ sau: Bản tin mật Phương tiện chứa (audio, ảnh, video) Phân phối Phương tiện chứa giấu tin Bộ nhúng thông tin Khoá Hình Lược đồ chung cho trình giấu tin Hình vẽ biểu diễn trình giấu tin Phương tiện chứa bao gồm đối tượng dùng làm môi trường giấu tin như: Text, audio, video, ảnh, tin mật lượng thông tin mang ý nghĩa ảnh, logo, đoạn van bản… tuỳ thuộc vào mục đích người sử dụng Thông tin giấu vào phương tiện chứa nhờ nhúng, nhúng chương trình, triển khai thuật toán để giấu tin thực với khoá bí mật giống hệ mật mã cổ điển Sau giấu tin, ta thu phương tiện chứa tin giấu phân phối sử dụng mạng Khoá Phương tiện chứa giấu tin Bộ giải mã tin Bản tin mật Hình 1: Lược đồ cho trình giải mã Hình Lược đồ cho trình giải mã Phương tiện chứa Kiểm định mã Hình vẽ công việc giải mã thông tin giấu Sau nhận đối tượng phương tiện chứa có giấu thông tin, trình giải mã thực thông qua nhúng thông tin với khoá trình nhúng Kết thu gồm phương tiện chứa gốc tin mật giấu Bước tin mật thu xử lý kiểm định so sánh với thông tin giấu ban đầu Sơ đồ phân loại (hình 4, 5) Fabien A P Petitcolas đề xuất năm 1999 Kỹ thuật thuỷ vân giấu tin ảnh số Nguồn gốc thủy vân số Thủy vân giấy (paper Watermark): Thủy vân giấy xuất ngành sản xuất giấy cách 700 năm Thủy vân giấy (paper Watermark) tìm thấy có nguồn gốc từ Fabriano, Italy Thủy vân số (digital Watermark): Khái niệm thủy vân số xuất phát từ khái niệm thủy vân giấy Tuy nhiên, thật khó để nói xác khái niệm “thủy vân số” (digital Watermarking) bắt đầu nói đến Năm 1979, Szepanski mô tả mẫu thông tin số nhúng vào tài liệu nhằm mục đích chống giả mạo Chín năm sau, Holt đồng nghiệp mô tả phương pháp để nhúng mã định danh vào tín hiệu âm Tuy nhiên, đến năm 1988, Komatsu Tominaga lần sử dụng cụm từ “digital Watermark” Nhưng phải đến đầu năm 90 thủy vân số với thực nhận quan tâm công chúng 3.2 Phân loại thủy vân số Dựa vào đặc trưng, tính chất, ứng dụng kỹ thuật mà người ta phân loại kỹ thuật thuỷ vân ảnh Có nhiều cách phân loại thủy vân số khác nhau:  Theo khả cảm nhận, người ta phân thành hai loại thủy vân số sau: - Visible/Perceptible (hữu hình) - Invisible (vô hình)  Theo tính bền vững, ta có ba loại thủy vân số sau: - Robust Watermarking: - Fragile Watermarking: - Semi-fragile Watermarking:  Theo yêu cầu ảnh gốc cho việc tách Watermark, người ta phân thành ba loại thủy vân số sau: - Blind Watermarking: - Non-blind Watermarking: - Semi-blind Watermarking:  Theo khuynh hướng tiếp cận, người ta phân thành hai loại sau: - Thủy vân miền không gian (Spatial domain): - Thủy vân miền tần số (Frequency domain):  Theo tính phụ thuộc ảnh, có hai loại thủy vân số sau: - Image-adaptive (phụ thuộc ảnh): - Image-independent (độc lập ảnh): 3.3 Yêu cầu đặc tính thủy vân số  Tính bền vững Đây tính chất quan trọng hệ thuỷ vân bền vững Nghĩa hệ thuỷ vân phải chống lại phép biến đổi, hay công có chủ đích chủ đích lên thuỷ vân Nhìn chung, thủy vân phải bền vững với phép biến đổi chuyển đổi tín hiệu A/D (analog to digital – tín hiệu tương tự sang tín hiệu số) D/A, phép nén liệu, in, quét, nhiễu đường truyền Với ảnh nói riêng, thủy vân phải bền vững với phép biến đổi hình học phép dịch chuyển, co dãn, cắt xén Phương pháp thủy vân số phải đảm bảo cho việc không lấy lại thủy vân tương đương với việc ảnh bị biến đổi nhiều, giá trị thương mại  Tính bảo mật Sau thủy vân ảnh, yêu cầu cho phép người có quyền sử dụng chỉnh sửa phát thủy vân Điều thực nhờ vào khóa mã dùng làm khóa giải thuật đưa thủy vân vào ảnh số giải thuật phát thủy vân ảnh số  Tính ẩn Việc nhúng thông tin vào ảnh làm biến đổi ảnh hay nhiều Tính ẩn (trong loại thủy vân ẩn - invisible Watermarking) yêu cầu biến đổi ảnh mang nhỏ Với phương pháp thủy vân số tốt làm cho thông tin nhúng trở nên vô hình ảnh mang, theo nghĩa người dùng khó nhận ảnh có giấu thông tin mắt thường Điều có nghĩa thủy vân làm ảnh hưởng đến chất lượng ảnh mang Trái với thủy vân ẩn, thủy vân (visible Watermarking) không cần tính chất ẩn thủy vân nhúng Thực tế, loại thủy vân số yêu cầu thông tin nhúng vào ảnh phải nhìn thấy để bảo vệ quyền Trong loại thuỷ vân thuỷ vân ẩn bền vững quan tâm nghiên cứu nhiều có nhiều ứng dụng lớn  Dung lượng Đối với giấu tin, tiêu gần quan trọng mục đích giấu tin giấu nhiều thông tin tốt Tuy nhiên, thủy vân, cần lượng thông tin vừa đủ, chẳng hạn để chứng thực quyền, nhúng vào ảnh mang Với ảnh số, tiêu đề cập đến số lượng bit thủy vân nhúng vào ảnh  Tính dễ vỡ Đối với ứng dụng để phát giả mạo ảnh gốc thủy vân nhúng vào phải có tính giòn (fragile) nghĩa bị vỡ chịu biến đổi thông tin Một cách thực điều mà đảm bảo tính ẩn thủy vân dấu vào phần liệu đáng ý mặt trực giác Đối với ảnh, bít thấp điểm ảnh (LSB) Loại thủy vân nửa giòn (semi-fragile) dùng việc phân biệt loại biến đổi thông tin sử dụng: Biến đổi thông tin không thay đổi nội dung biến đổi thông tin gây thay đổi nội dung 3.4 Các miền thủy vân ảnh số Gần đây, đa số thuật toán Watermarking số phát triển nhằm mục đích bảo vệ bảo quyền ảnh số xác minh tình trạng nguyên vẹn liệu Hầu hết thuật toán Watermarking chuyển đổi ảnh gốc sang miền mà thuận tiện cho việc nhúng thông tin Watermark nhằm bảo đảm tính bền vững không nhìn thấy Có thể chia kỹ thuật thuỷ vân theo hai hướng tiếp cận chính: - Hướng thứ dựa miền không gian ảnh tức tiến hành khảo sát tín hiệu hệ thống rời rạc cách trực tiếp miền giá trị rời rạc điểm ảnh gọi miền biến số độc lập tự nhiên - Hướng thứ hai sử dụng phương pháp khảo sát gián tiếp khác thông qua kỹ thuật biến đổi Các kỹ thuật biến đổi làm nhiệm vụ chuyển miền biến số độc lập sang miền khác tín hiệu hệ thống rời rạc biểu diễn miền với biến số Sau đó, tìm cách nhúng thuỷ vân vào ảnh cách thay đổi hệ số biến đổi miền thích hợp để đảm bảo chất lượng ảnh bền vững thuỷ vân sau nhúng Các phép biến đổi sử dụng phổ biến DCT, DFT (Discrete Fourier Transform) DWT  Phương pháp Watermarking miền không gian ảnh (spatial domain) Watermarking miền không gian tín hiệu khảo sát cách rời rạc trực tiếp Các giá trị rời rạc điểm ảnh gọi miền biến số độc lập tự nhiên Sau tìm cách nhúng thông tin vào ảnh cách thay đổi giá trị điểm ảnh cho không làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh đảm bảo bền vững thông tin nhúng trước công có ảnh nhúng Có hai phương pháp điển hình phương pháp tách bit có trọng số quan trọng (LSB- Least Significant Bit) phương pháp sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên  Phương pháp Watermarking dùng biến đổi DCT Biến đổi cosine rời rạc công cụ toán học xử lý tín hiệu ảnh hay video Nó chuyển đổi tín hiệu từ miền không gian sang miền tần số biến đổi ngược lại từ miền tần số quay trở lại miền không gian mà không gây tổn hao đến chất lượng Lý biến đổi cosine cho xử lý ảnh số hay chọn biến đổi cosine rời rạc yêu cầu phức tạp tính toán tài nguyên Ứng dụng kỹ thuật thủy vân miền DCT giấu tin ảnh số Thủy vân miền DCT kỹ thuật sử dụng phổ biến với nhiều thuật toán Nhìn chung, thuật toán thực bước giống quy trình nhúng (hình 6) tách thủy vân (hình 7) Tuy nhiên, thuật toán khác khác cách lựa chọn vị trí nhúng thủy vân phương thức nhúng Hình Quá trình nhúng thủy vân Hình Quá trình tách thủy vân Xây dựng ứng dụng thủy vân số file ảnh số với phương pháp thủy vân thuận nghịch Quá trình thực sau:  Bước 1: Thu nhận ảnh gốc Ảnh gốc ảnh màu 24 bit gồm thành phần màu: G,R B Duyệt toàn ảnh để nhận điểm ảnh  Bước 2: Nhúng thủy vân Thủy vân chuỗi ký tự văn bản: Chứa thông tin quyền tên tác giả, số chứng minh thư, mã số quyền… Khi nhúng, ký tự chuyển thành mã ASCII tương ứng, sau đổi mã thành chuỗi bít để đưa vào ảnh cần nhúng Hình Minh hoạ trình nhúng thủy vân  Bước 3: Trích thủy vân Từ khối ảnh có thủy vân ta lấy số bit thủy vân Ghép bít lại với để dãy bit Thực cắt đoạn bit dãy bit để thu mã ASCII ký tự Với mục đích xác thực thông tin yêu cầu hệ thống phải thủy vân dễ vỡ Khi việc so sánh thủy vân tách từ ảnh nghi ngờ với thủy vấn gốc , không giống có nghĩa tác phẩm bị sửa chữa thông tin trái phép, sản phẩm nguyên tác giả Với mục đích bảo vệ quyền yêu cầu hệ thống phải thủy vân bền vững Nghĩa dù sản phẩm có bị sửa chữa theo hình thức (do đối tượng nhái lại từ gốc) thủy vân bảo vệ Do đó, tác giả trích thủy vân từ nghi ngờ ăn cắp quyền để chứng minh tác phẩm bị chỉnh sửa Hình Minh hoạ trình tách thủy vân  Bước 4: Xác thực Kiểm tra tính bền vững thuật toán thủy vân Người sử dụng kiểm tra xem thuật toán chọn chống lại biến đổi công như: Nén, nhiễu, tăng giảm độ sáng từ lựa chọn giải pháp hợp lý cho thuật toán nhúng thủy vân Kẻ vi phạm quyền dùng công trái phép để làm biến đổi dấu thủy vân Nếu sau công chất lượng ảnh thấp, không giá trị thương mại thuật toán thành công khía cạnh bền vững Một số ứng dụng thủy vân ảnh số  Bảo vệ quyền tác giả Mục đích thuỷ vân với bảo vệ quyền gắn “dấu hiệu” vào liệu ảnh mà xác định người nắm giữ quyền Và ta gắn thêm dấu hiệu khác gọi vân tay để xác định người dùng sản phẩm Dấu hiệu có 10 thể dãy số mã hàng hoá quốc tế, message logo… Thuật ngữ thuỷ vân xuất phát từ phương thức đánh dấu giấy tờ với logo từ thời xa xưa với mục đích tương tự Do Watermark vừa nhận thấy vừa tách rời tác phẩm chứa nên chúng giải pháp tốt dòng chữ việc nhận người sở hữu người dùng tác phẩm cung cấp dò Watermark Như vậy, nhúng thông tin người giữ tác quyền tác phẩm Watermark Watermark không dùng để thông tin tác quyền mà dùng để chứng minh tác quyền  Điều khiển ngăn chặn chép Ngăn chặn hành vi bất hợp pháp chép liệu mà không phép, có ứng dụng kiểm soát chép ngăn chặn không cho tạo bất hợp pháp từ nội dung có quyền Mã hóa dùng để cài đặt cho ứng dụng dạng Tài liệu mã hóa với khóa nhất, khóa không dùng  Chống giả mạo gian lận Một ứng dụng khác thuỷ vân xác thực ảnh phát giả mạo Ảnh số ngày sử dụng chứng quan trọng điều tra cảnh sát, chứng trước pháp luật ngày nay, giả mạo gây nhiều vấn đề nghiêm trọng Các tác phẩm kỹ thuật số ngày đứng trước nguy bị làm giả nhiều hơn, dễ dàng tinh vi Vấn đề cần xác thực tính hợp pháp ảnh Thuỷ vân sử dụng để xác định xem ảnh nguyên hay chịu tác động người, ứng dụng xử lý ảnh Thuỷ vân dấu lúc đầu phải mang tính chất không bền vững, để thay đổi nhỏ tới ảnh làm hỏng thuỷ vân phát thay đổi thuỷ vân Tuy vậy, thuỷ vân phải tồn với phép biến đổi ảnh thông thường chuyển đổi định dạng, lấy mẫu, nén… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng (2002), “Một thuật toán thủy vân ảnh miền DCT - An Image Watermarking Algorithm Using DCT Domain”, Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ Thông tin, Thái Nguyên, 29-31/08/2003, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005, tr 146-151 [2] Nguyễn Văn Tảo (2007), “Một số thuật toán giấu tin áp dụng giấu tin mật ảnh”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, số 4(44), Tập [3] Lê Tiến Thường, Nguyễn Thanh Tuấn (2004), “Giải pháp hiệu dùng kỹ thuật watermarking cho ứng dụng bảo vệ quyền ảnh số”, Tạp chí khoa học ĐH Bách Khoa TPHCM, tr 5-8 [4] TS Đào Thanh Tĩnh, Bài giảng môn học Xử Lý Ảnh, HVKTQS [5] Amber Habib "Discrete Cosine Transform and JPEG Files" 11 ... lượng tin giấu Kỹ thuật giấu tin ảnh số Giấu tin ảnh thực cách thay vài thông tin quan trọng ảnh gốc Sao cho chất lượng ảnh bị ảnh hưởng thực thuật toán nén giải nén ảnh Sơ đồ chung giấu tin ảnh. .. đích bảo vệ môi trường - Mục đích bảo vệ thông tin giấu tin giấu - Chỉ cần thông tin đủ để đặc trưng - Giấu nhiều thông in tốt, ứng dụng truyền liệu cho quyền chủ sở hữu thông tin mật - Thông tin. .. sau: Hình Giấu thông tin vào ảnh 2.1 Phương pháp giấu tin ảnh số Theo khuynh hướng tiếp cận, có phương pháp giấu tin ảnh số: Giấu tin miền không gian (Spatial domain) giấu tin miền tần số (Frequency